CN104797803A - 压缩高度减小的活塞以及活塞总成及其构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于内燃机的活塞总成及其构造方法。该总成包括具有上燃烧壁和环带区域的活塞头，该上燃烧壁带有顶部底面。活塞头具有包括上表面和下表面的基板。基板在上燃烧壁的下方保持间隔开且与环带区域径向对齐。基本封闭的环形的冷却通道通过顶部底面和基板界定。一对销孔从冷却通道的基板直接下垂。该总成进一步包括销，销具有摆动地容置于销孔内的端。在基板的下表面内的销轴承表面在销孔内且在销孔之间延伸。该总成包括连杆，连杆的一端固定至销以与其共同摆动。

Description

压缩高度减小的活塞以及活塞总成及其构造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年9月27日提交的第61/706,621号以及2013年3月15日提交的第61/794,216号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明大致涉及内燃机，更具体地涉及活塞及其构造方法。

背景技术

发动机制造商对于提升发动机效率和性能的需求不断增大，包括但不限于，节约燃料、改善燃料燃烧、减少油耗、增加排气温度用于车辆内热量的后续利用、升高缸镗内的压缩荷载和温度、减少重量并且使发动机更紧凑。为了实现这些目标，需要减小活塞的尺寸和压缩高度，但是，燃烧室内的升高的温度和压缩荷载需要使活塞维持在可行的温度极限和负荷极限内。如此，尽管在燃烧室内升高温度和压缩荷载是理想的，需要权衡的是：这些升高限制了压缩高度可以减小的程度并且因此限制了整体发动机尺寸可以减小的程度。进一步，由于施加于活塞上的升高的温度和负载需求要求其由钢制成，这也就限制了发动机的重量可以被减少的程度。

发明内容

根据本发明构造的活塞克服了已知活塞结构的上述缺点和其它缺点，本领域技术人员在阅读本公开内容并且参阅附图后将容易领会。

根据本发明构造的活塞由钢制成，从而为活塞提供了增强的强度和耐久性以抵抗缸镗内增加的压缩荷载，比如可见于现代高性能发动机机中的那些。进一步，由于活塞的新结构，活塞的压缩高度(CH)和重量能够最小化，从而容许配置有这种活塞的发动机可制造得更紧凑更轻巧。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于内燃机的活塞总成。该活塞总成包括活塞头，该活塞头具有带有顶部底面的上燃烧壁以及从上燃烧壁悬垂的环带区域。该活塞头具有包括上表面和下表面的基板。基板在上燃烧壁的下方保持间隔开且与环带区域径向对齐。基本封闭的环形的冷却通道通过顶部底面和基板界定，其中，该冷却通道从环带区域径向向内延伸。一对销孔从冷却通道的基板直接悬垂。该总成进一步包括销，销具有摆动地容置于销孔内的端部。在基板的下表面内的销轴承表面在销孔内和销孔之间延伸。该总成进一步包括连杆，连杆的端部固定至销上且与其共同摆动。

根据本发明的另一个方面，至少一个支撑部件在顶部底面和基板的上表面之间延伸。

根据本发明的另一个方面，至少一个支持部件沿着活塞头的中心纵轴延伸。

根据本发明的另一个方面，至少一个支持部件包括从活塞头的中心纵轴径向向外延伸的多个支撑部件。

根据本发明的另一个方面，一开口延伸穿过基板，其中该开口沿着活塞头的中心纵轴居于中心。

根据本发明的另一个方面，活塞头包括顶部和底部，其中，顶部具有从上燃烧表面悬垂的环形的第一上连接表面以及沿着活塞的中心纵轴从上燃烧表面悬垂的第二连接表面。底部具有从基板向上延伸的环形的下连接表面，其中，下连接表面在第一结合接缝处结合至第一上连接表面，基板的上表面在第二结合接缝处结合至第二连接表面。

根据本发明的另一个方面，润滑油进料口入口延伸入冷却通道，润滑油进料口出口与销相切地延伸出冷却通道。

根据本发明的另一个方面，销具有通孔，连杆具有与通孔对齐的油道以使油流经连杆流经活塞销并且与销轴承表面接触。

根据本发明的另一个方面，冷却通道是完全封闭的。

根据本发明的另一个方面，封闭的冷却通道内含有冷却剂。

根据本发明的另一个方面，封闭的冷却通道内的冷却剂是高热传导率的含金属的组合物。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于内燃机的活塞。该活塞包括活塞头，该活塞头具有带有顶部底面的上部燃烧壁以及从上部燃烧壁悬垂的环带区域。该活塞头进一步包括具有上表面和下表面的基板。基板在上燃烧壁的下方保持间隔开且与环带区域径向对齐。基本封闭的环形的冷却通道通过顶部底面和基板界定。冷却通道从环带区域径向向内延伸。一对销孔从冷却通道的基板直接悬垂。在基板的下表面内的销轴承表面在销孔内且在销孔之间延伸。

根据本发明的另一个方面，活塞可进一步包括在顶部底面和基板的上表面之间延伸的至少一个支撑。

根据本发明的另一个方面，至少一个支撑部件可沿着活塞头的中心纵轴延伸。

根据本发明的另一个方面，至少一个支撑部件可提供为从活塞头的中心纵轴径向向内延伸的多个支撑部件。

根据本发明的另一个方面，活塞可进一步包括延伸穿过基板的开口，其中，该开口沿着活塞头的中心纵轴居于中心。

根据本发明的另一个方面，活塞头可包括顶部和底部，其中，顶部具有从上燃烧表面悬垂的环形的第一上连接表面以及沿着活塞的中心纵轴从上燃烧表面悬垂的第二连接表面。底部具有从基板向上延伸的环形的下连接表面。下连接表面在第一结合接缝处结合至第一上连接表面，基板的上表面在第二结合接缝处结合至第二连接表面。

根据本发明的另一个方面，冷却通道可为完全封闭的。

根据本发明的另一个方面，封闭的冷却通道可包含有冷却剂。

根据本发明的另一个方面，提供了一种构造用于内燃机的活塞总成的方法。该方法包括形成活塞头，活塞头具有带有顶部底面的上燃烧壁以及从上燃烧壁悬垂的环带区域，并且具有在上燃烧壁的下方保持间隔开且与环带区域径向对齐的基板，基本上封闭的环形的冷却通道通过顶部底面和基板界定。进一步，形成从冷却通道的基板直接延伸的一对销孔，并且在基板的下表面内形成销轴承表面，该销轴承表面在销孔内且在销孔之间延伸。又进一步，将用于摆动的销插入销孔内，并且将连杆的端直接固定至销上以与其共同摆动。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括形成在顶部底面和基板的上表面之间延伸的至少一个支撑部件。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括沿着活塞头的中心纵轴形成至少一个支撑部件。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括将至少一个支撑部件形成为从活塞头的中心纵轴径向向外延伸的多个支撑部件。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括形成延伸穿过基板的开口，其中，该开口沿着活塞头的中心纵轴居于中心。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括形成具有顶部和底部的活塞头并且将顶部结合至底部。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括形成与销相切地延伸出冷却通道的润滑油孔出口。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括在销内形成通孔并且在连杆内形成油道并且将油道与通孔对齐以容许油流经连杆并且流经活塞销与销轴承表面接触。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括将冷却通道形成为完全封闭的冷却通道。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括在完全封闭的冷却通道内提供冷却剂。

附图说明

参阅以下当前优选实施例和最佳实施例的详细说明、所附权利要求以及附图，本发明的这些和其它方面、特征以及优点将更易于领会，其中：

图1是根据本发明的一个方面构造的活塞和连杆的总成的部分剖视的立体示意图；

图2是图1的总成的活塞的部分剖视的立体示意图；

图2A是类似于图2的示意图，示出了根据本发明的另一个方面的活塞的一个实施例；

图3是图2的活塞的仰视图；

图4是图1的总成的部分剖视的侧面的立体示意图；

图5是图1的总成的仰视立体示意图；

图6是连杆的小端的部分剖视的立体示意图，该连杆示出为螺接至图1的总成的活塞销；

图7是图1的总成的连杆的小端的立体示意图；

图8是图1的总成的活塞销的横截面侧视图；

图9是根据本发明的另一个方面构造的活塞的局部剖视的立体示意图；

图10是根据本发明的又一个方面构造的活塞的局部剖视的立体示意图；

图10A是大致沿着图10的活塞的销孔轴的横截面侧视图；

图11是根据本发明的又一个方面构造的活塞的局部剖视的立体示意图；

图11A是大致沿着图11的活塞的销孔轴的横截面侧视图；

图11B是沿着相对于图11的活塞的销孔轴倾斜的横截面的立体示意图；

图11C是图11的活塞的仰视图；

图11D是类似于图11C的示意图，示出了图11的活塞的可替换实施例；

图12是根据本发明的又一个方面构造的大致沿着活塞的销孔轴的剖面示意图；

图12A是大致沿着图12的活塞的顶部的销孔轴的剖面示意图；

图12B是大致沿着图12的活塞的底部的中心轴的剖面示意图；

图12C是在将顶部固定至底部后且沿着销孔轴在底部形成开口之前的大致沿着图12的活塞的销孔轴的剖面示意图；

图13是大致沿着活塞的销孔轴的剖面示意图，该活塞类似于图4的活塞，示出了用于将顶部固定至活塞的底部的一个可替换机构；

图13A是大致沿着图13的活塞的底部的销孔轴的剖面示意图；

图13B是大致沿着图13的活塞的顶部的销孔轴的剖面示意图；

图14是根据本发明的另一个方面构造的顶部的剖面示意图；

图15是根据本发明的一个方面构造的活塞环的剖面示意图；

图15A是根据本发明的另一个方面构造的活塞环的剖面示意图；

图16是图15和图15A的活塞环的平面图；

图17是图16的活塞环的端盖的立体示意图；

图18是根据本发明的另一个方面构造的活塞环的剖面示意图；以及

图18A是在形成之前的图18的活塞环的剖面示意图。

具体实施方式

更详细的参阅附图，图1示出了根据本发明的一个当前优选实施例构造的活塞和连杆的总成(下文统称为总成10)的部分剖视的立体示意图，该总成用以在内燃机(比如现代的、紧凑的高性能车辆发动机，比如汽油或者柴油发动机)的缸镗或者腔室(图中未示)内往复运动。该总成10包括活塞12、连杆14和活塞销16。通过固定连接至活塞销16，连杆14可操作地连接至活塞12以与活塞销16共同摆动。活塞12具有由至少两个单独的块形成的本体18，这些块初始制造为单独的部件并且后续在头部区域内通过某种形式的焊缝(即，感应焊、摩擦焊、硬钎焊、载荷子射线、激光、电阻等等)而彼此连接。如图2和图4所示，两个部件包括底部20和顶部22。本文中提到的“顶”、“底”、“上”和“下”是相对于沿着竖向中心活塞轴A定向的活塞12而言，并且该活塞12在使用中沿着该竖向中心活塞轴A往复运动。由于活塞12可能以倾斜的方向而非完全竖直地安装和运行，这样限定仅是为了方便而非用于限制。由于活塞的底部20和顶部22的敞开式结构，底部20和顶部22可由钢材铸造、机械加工或者锻造至近净成形。用于构造底部20和顶部22的材料(即合金钢)可以是相同的(例如，SAE1040级)或者不相同的，这取决于预期发动机应用中活塞12的需求。顶部22可铸造，可通过原料(stock)机械加工，可烧结、锻造或者通过很多工艺制成。由钢构造的底部20和顶部22为活塞12提供了增强的强度和耐久性以抵抗缸镗内增加的温度和压缩荷载，并且由于其独特的结构，连同活塞销16和连杆14一起，最小化活塞12的重量和压缩高度CH(如图2所示)，从而容许采用活塞12的发动机具有提高的性能并且获得减轻的重量以及制造得更紧凑。

如图2所示，活塞12的头部区域具有围绕环形的燃烧碗26的环形的顶壁24，燃烧碗26凹入顶壁24的最上部燃烧表面之下。燃烧碗26通过具有厚度(t)的壁28界定，其中，该厚度在壁28的上表面30和下表面31之间延伸。燃烧碗26的轮廓通过顶壁28的上表面30形成，其中，上表面30示为波状的以提供一上顶点或者中心峰32，峰32可沿着活塞12的中心轴A同轴地设置或者相对于活塞的中心轴A径向地偏移。燃烧碗壁28的轮廓还提供了围绕峰32的环形谷34，示为与峰32同轴并且形成了燃烧碗26的最下部。燃烧碗26的壁28从谷34向上延伸以形成燃烧碗边缘33，燃烧碗边缘33通常是使用过程中生成最大热量的地方。

活塞10的顶部22进一步包括环形的外壁36的上部35，该上部35从顶壁24向下延伸至环形的、径向最外部的第一上连接表面37。环带38示为至少部分地形成于外壁36的上部35中。环带38具有多个外部的环形的环槽，作为示例而非限制为一对环槽40、42，活塞环44容置于该对环槽40、42中。该对环槽40、42示为包括完全形成于顶部22内的最上部环槽40，该最上部环槽40直接邻近活塞头部区域的顶壁24以用于容纳最上部的压缩活塞环44，通过示例而非限制，活塞环44示为L形的坝式环，而且活塞环44的上自由端与顶壁24齐平或者基本齐平。最底部的环槽42示为部分地通过顶部22并且部分地通过底部20形成。

如图15所示，L形的坝式环44可提供为具有中空的环形的冷却腔45以用于容置冷却介质49，比如惰性气体，例如氩气和/或冷却液。环44具有提供L形结构的直立地或者竖直地延伸的腿部的第一部分51以及提供L形结构的横向地或者水平地延伸的腿部的第二部分53。直立的第一部分51容置于上部和气缸衬垫之间的环形空隙内，第二部分53容置于环槽40内。L形的活塞环44具有圆柱形的外表面，其大小适于与气缸衬垫紧密滑动以提供活塞上部区域和气缸衬垫之间的所需密封。横向延伸的第二部分53的外表面的尺寸满足于在环槽40内间隙配合，从而在使用中容许活塞环44在环槽40内自由的浮起。应当认识到，如果预期应用需要，可以采用标准活塞环。

封闭的活塞环冷却腔45通过直立延伸的部分51的内表面以及横向延伸的部分53的内表面界定。该内表面配置为在使用中使得冷却介质49以类似于“鸡尾酒调制器”的模式遍及冷却腔45搅动以给围绕的上部区域提供优化的冷却。如图15所示，直立的部分51的内表面可以彼此平行或者基本平行，横向延伸的部分53的内表面可以平行或者基本平行，如横截面所示，活塞环44的壁厚可以始终保持均匀。

相反，如根据本发明进一步的方面的图15A所示，根据本发明的另一个方面构造的如横截面所示的活塞环44’的壁厚并非是始终均匀的。特别地，直立的外腿55具有沿着其长度延伸的不均匀的厚度，使得该厚度沿着其整个长度连续地或者基本连续地变化，最薄的区域位于外腿55的最上端，最厚的区域位于外腿55的最下端。如图所示，外腿55的内表面随着其朝着上燃烧表面24向上延伸时径向向外发散。倾斜的内表面通过改变在活塞环44’的封闭的冷却腔45内的冷却介质49的流体动力而促进上部区域的冷却，从而提高向气缸衬垫外的热传递。随着冷却介质49相对于倾斜的内表面向下流动或者向下移动，将引起冷却介质49径向向内流动，从而在整个冷却腔45内促进冷却介质49的搅动。

如图16所示，L形的活塞环44、44’形成为具有一对端盖96，端盖96作为塞子塞住冷却腔45的相对的自由端。据此，冷却介质49保持在冷却腔45内并且防止其从那里向外泄露。端盖96可通过任何适合的机制固定于自由端，例如，包括粘合剂和/或焊缝。

在制造中，活塞环44、44’可通过多个单独的平面金属片材块构造，其中，单独的、相对长且窄的片材块是冷成型的，比如通过先进的模压操作以形成圆柱形结构，然后冷成型或者冲压以获得其各自的未打磨的成品形状。然后，在形成单独的块之后，包括端盖的这些块通过熔焊或者钎焊接头，或者适合端盖的粘合剂而彼此固定，然后进行后加工工艺，比如研磨和施加涂层，以完成活塞环的制造。应当认识到，在冷却腔完全密封之前，冷却介质49被设置于冷却腔45内，冷却介质49可提供为在常温常压下的固体材料或者惰性气体，例如氩气。

在图18中，示出了根据本发明的进一步方面构造的活塞环44”。该活塞环44”不是由多个单块的条状金属彼此固定形成，而是由固体块管状金属98(图18A)形成。该活塞环44”最终形成为具有相同的端部形状，因此，在此不再进一步详述该形状。端盖安装于管子的开口端，如上所述。

顶部22进一步包括一支撑部件，又称为支柱47。通过示例而非限制，该支柱47示为与顶部22一起构造成整块的材料，其从燃烧碗壁28的下表面31悬垂至第二上连接表面48。支柱47示为沿着纵向的中心轴A同轴地延伸，从而作为燃烧碗壁28的中心支撑，并且因此在使用中提高燃烧碗壁28抵抗遭受的极端燃烧压力的能力。据此，活塞12非常适合产生极端的燃烧压力的最现代的柴油发动机。另外，在支柱47和外壁36之间延伸的燃烧碗壁28的部分仍是未支撑的。

底部20至少部分地通过外部的环形的下连接表面50固定至顶部22。下连接表面50示为形成了下部环槽42的底部表面。凹入的环形袋口52直接地形成于下连接表面50之下以促进从气缸衬垫的壁上刮油。袋口52作为可使刮下的油至少临时汇集于其中的区域，从而促进活塞12和气缸衬垫之间的润滑并减少摩擦。一对裙板54从环形的袋口52悬垂，其中该裙板54的面积减小以降低沿着缸镗壁的滑动运动的冲击和摩擦。

底部20进一步包括在环形的袋口52之下直接悬垂的一对销壳56。每个销壳56具有一个销孔58，优选为平滑的已知的钢结构，其中销孔58沿着垂直于中心纵轴A延伸的销孔轴B同轴地彼此隔开。每个销孔58具有最上部的活塞销轴承表面57和最下部的表面59，活塞销轴承表面57与底部20的基板60的底部表面61相切，或者活塞销轴承表面57稍微地延伸入底部表面61，其中，活塞销轴承表面57在销壳56内(内部)和销壳56之间(外部)延伸。据此，活塞销轴承表面57在销壳56之间连续地且不间断地延伸。

基板60提供了跨越底部20的整个或者基本整个上部区域延伸的平的或者基本平的表面。下连接表面50通过直立的环形边缘62从基板60的上表面63稍微抬高，其中，下连接表面50形成于边缘62的自由端。如果需要，为了便于冷却活塞12以及润滑活塞销16，基板60可包括至少一个并且示为多个的开口，示为具有至少一个入口64(图3)以及至少一个排放开口，又称为出口66。入口64示为在销孔58和一个裙板54之间被间隔开。出口66示为与活塞销16呈切线地或者基本呈切线地延伸。据此，流经出口66的油冷却并润滑活塞销16。销壳56连接至裙板54，裙板54与底部20一起形成为整块材料，并且因此与销壳56整体地形成为整块材料。裙板54沿着其纵向延伸侧通过支撑部分68直接地连接至销壳56，使得裙板54在销壳56的相对的两侧在直径上彼此相对地布置。裙板54具有与缸镗的壁形状配合的凸状外表面，以使活塞10在穿过缸镗的往复运动中保持在所需的方向。每个裙板54在其上端接合至环带38的下部并且与环带38的下部一起形成为整块(例如，铸造)，其中，环形的袋口52在裙部的上端和最下部的环槽42之间延伸。裙板54与中心轴A大致平行地纵向地向下从环带38延伸至底端或者下端70，下端70与销孔58的最下部表面59相切或者基本相切(示为在最下部表面59的稍微往下一点的位置延伸)。

连结单独制造的活塞12的顶部22和底部20的第一焊缝72形成于底部20的环形的下连接表面50和顶部22的第一上连接表面37之间。进一步，第二焊缝74优选地形成于第二上连接表面48和基板60的上表面63之间。应当认识到，第一焊缝72可通过改变外壁36和边缘62各自的长度而形成于环带38内的其它位置。

底部20和顶部22彼此固定之后，形成封闭的(基板60中不存在任何开口，从而是完全封闭的)或者基本封闭的冷却通道76(基板60中多个开口中的一个)。如果形成为完全封闭的冷却通道76，如图2A所示，冷却剂75(通过示例而非限制，比如以含金属的冷却剂组合物75的形式)可密封于冷却通道76内。应当认识到，如果冷却通道76是不完全封闭的，将使用标准的冷却剂75，比如油。含金属的组合物75优选地在惰性气体、干燥空气(典型地为氮气或者氩气)下注入冷却通道76。不管怎样，冷却剂75，如果提供为含金属的组合物，其可通过固态、液态或者固态颗粒和液体的混合物的形式注入冷却通道76。在一个实施例中，含金属的组合物75包含碱金属或者碱金属的混合物；以及粉末铜或者粉末铝，或者金属粉末的混合物。含金属的组合物75可在载体内包含胶体成分或者金属颗粒的悬浮物，比如硅油中的铜颗粒。含金属的组合物75具有高的热传导率并且密封于冷却通道76内，以在内燃机的运行过程中从活塞12的冠部散热。密封于密封的冷却通道76内的含金属的组合物75具有比冷却油(0.13W/m·K)高5-1000倍的热传导率，与通过冷却油转移的热量相比，这极大地提高了从上冠部转移的热量。含金属的组合物75优选地具有63℃或者更高的熔点，使得含金属的组合物75可以固态形式填入或者引入冷却通道内，然后在内燃机的运行过程中转化为液态。

根据另一个实施例，密封于冷却通道76内的含金属的组合物75是胶体组合物，比如金属颗粒和载液的混合物。例如，胶体组合物可包括悬浮于硅油内的铜颗粒。金属颗粒的粒径典型地为小于149微米至小于25微米(-100～-500目)，更优选地小于44微米(-325目)。所有的金属颗粒可为大小相同的颗粒，但典型地金属离子具有粒径分布。例如，50％体积的金属颗粒可具有-100目至+400目的粒径，50％体积的金属颗粒可具有-400目的粒径。金属颗粒还可具有各种不同的结构。例如，金属颗粒可为雾化颗粒，比如由水雾化或者气体雾化形成的那些颗粒。可选择地，金属颗粒可为线、海绵或者泡沫的形式。金属颗粒还可在从其它物体(比如制动件)生产过程中的废物流中回收获得。

含金属的组合物75的组分可根据应用以及用于形成活塞的材料的类型而变化。但是，含金属的组合物75典型地包含几种不同金属成分的混合物，以共同提供典型的大约100W/(m·K)或更大的热传导率。根据一个实施例，含金属的组合物75包括至少一种碱金属，但优选地为碱金属的混合物。碱金属参见元素周期表的族1，其包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷、铯、钫和119号元素(ununennium)。碱金属可以提供为单元素或合金的形式，比如NaK，其为钠和钾的合金。碱金属典型地具有约为85-141W/(m·K)的高热传导率以及约为63-181℃的低熔点。例如，钠具有约为141W/(m·K)的热传导率以及约为98℃的熔点；钾具有约为102W/(m·K)的热传导率以及约为63℃的熔点：锂具有约为85W/(m·K)的热传导率以及约为181℃的熔点。因此，碱金属在室温下呈固态，但是当在内燃机运行过程中暴露于高于其熔点的温度下时转化为液态。在惰性气体下处理具有容许金属熔融且以液态倒入外部冷却通道的优点。碱金属的高热传导率容许其高效地从上冠部转移热量。碱金属可具有高的反应活性，因此含有碱金属的外部冷却通道应当被牢固地密封。锂、钠和钾非常活跃，这些金属的混合物也非常活跃。

除了碱金属，含金属的组合物75典型地是悬浮物并且因此包括另一种金属。第二种金属优选具有比碱金属更高的热传导率，比如铜、铝(237W/(m·K))，或者热传导率比碱金属更高的另一种元素或者合金。例如，含金属的组合物75典型地包括热传导率为85-141W/(m·K)的第一组分(比如碱金属)，以及热传导率大于200W/(m·K)的第二组分，比如铜(Cu)或者铝颗粒。可用作第二组分的高传导率金属的其它示例包括铍(Be)、钨(W)、金(Au)、银(Ag)以及镁(Mg)。在内燃机运行过程中，第一组分融化并且作为第二组分的液体载体，即使处于内燃机的高运行温度下，该第二组分仍为固态并且悬浮于液体载体中。在该实施例中，液体金属提供了极好的热接触，而悬浮的第二组分提高了散热。

在另一个实施例中，含金属的组合物75可包括两种或者更多种第一组分，比如两种或者多种碱金属，而不含第二组分。在又一个实施例中，含金属的组合物75可包括两种或者多种第二组分，比如两种或者多种高热传导率的金属，而不含第一组分。但是，某些金属成分的组合趋向于形成固溶体或者金属互化物，并且因此通常是不需要的。用于形成含金属的组合物的优选二元复配组合可包括Cu-Li、Cu-Ag、Al-Na、Al-K、Al-Be、Li-Na、Li-K、Na-Mg、K-Mg、Be-Ag以及W-Ag。另外，Na-K可用作金属冷却剂。

根据含金属的组合物中所用金属的类型，以及形成活塞的材料的类型，以及应用，在含金属的组合物75中高传导率的第二组分的量相对于第一组分的量还可以变化。第二组分的量相对于第一组分的量典型地为体积比0：100至50:50的范围，优选为25:75。在一个实施例中，基于含金属的组合物的总体积，含金属的组合物包括体积百分比(vol.％)为0的第二组分以及体积百分比为100％的第一组分。在另一个实施例中，含金属的组合物75包括体积百分比为1-50％的第二组分以及体积百分比为50-99％的第一组分。在又一个实施例中，含金属的组合物75包括体积百分比为10-30％的第二组分以及体积百分比为70-90％的第一组分。在又一个实施例中，含金属的组合物75包括体积百分比为25％的第二组分以及体积百分比为75％的第一组分。

根据所用金属的类型，形成活塞12的材料的类型，以及应用，设置于外部冷却通道内的含金属的组合物75的总量还可发生变化。含金属的组合物75优选地填充外部冷却通道体积的50％，更优选地为外部冷却通道体积的20％-30％。

在一个特别优选的实施例中，设置于外部冷却通道内的含金属的组合物75包括75体积％的碱金属以及25体积％的铜颗粒。铜颗粒的粒径小于44微米(-325目)。碱金属颗粒包括钠和钾的混合物。在该优选的实施例中，含金属的组合物75填充外部冷却通道总体积的20-25体积％。用于将含金属的组合物75注入外部冷却通道的开口可用螺纹塞和粘合剂密封，或者含金属的组合物可在顶部和底部彼此连接之前引入。在内燃机的运行过程中，随着发动机内的温度超过碱金属的熔点，碱金属颗粒为熔融状态。然而铜颗粒仍为固态且悬浮于液态碱金属中。液态碱金属携带着铜颗粒在整个外部冷却通道上沿着上冠部和下冠部的内表面流动，并且因此从上冠部转移热量。

除了提高热传递外，包含位于密封的外部冷却通道76中的高热传导率的含金属的组合物75的活塞12可提供许多优点。含金属的组合物75不会由于发动机运行过程中的高温而降解，油也不会与非常热的活塞通道壁接触并且因此不会被太快降解，而且不会产生外部冷却通道76的焦化。借助于含金属的组合物75，活塞顶部和碗边缘33的温度降低，从而防止碗边缘33的氧化和随之发生的腐蚀。朝向环带38的热流的再分布还减少了活塞环岸部的碳堆积并且减少了沿着活塞12的外部表面的润滑油的降解，并且因此可以延长发动机保养周期。环岸部不发生碳堆积阻止了缸套孔的磨光，并且使得油耗保持处于控制之下。当然，应当认识到，根据预期应用的需要，可采用任何低温熔融合金。进一步，考虑到活塞12的独特结构，其具有极大地减小的冷却腔高度，从而使得压缩高度CH大大减小，密封的冷却通道76内的冷却介质75的提高的热传导率极大地提高了活塞12的整体冷却效率。这是因为，在活塞12的往复运动过程中，排热与冷却液75获得的垂直动能直接成正比。

冷却通道76跨越整个平面的或者基本平面的基板60连续地延伸，仅在被支柱47占用的区域处例外。如此，冷却通道76形成为“开放的”圆环面状区域，油可以流经该区域，从而在使用中提高流经整个冷却通道76以及倚靠燃烧碗壁28的下表面31的油的冷却效率。这在冷却活塞12中是特别有利的，尤其是在活塞12的最高温区域，也就是燃烧碗边缘33以及峰32，有时也称为燃烧碗26的弹头尖端区域。因此，形成了真正的或者基本真正的等温燃烧腔，从而减少使用中产生的氮-氧化物。

由于燃烧碗壁28的厚度(t)是变化的，冷却通道76表示为具有围绕其圆周的不均匀的结构。如图2最优所示，通过举例而非限制，壁28具有沿着销孔轴B的方向延伸的增加的不均匀的厚度(t)，从而导致壁28从邻近燃烧碗边缘33的区域向着峰32逐渐变厚。在该区域上，厚度(t)增加的壁28通过一个或者多个径向延伸的支撑部件提供，也称为肋部77，为壁28提供了沿着销孔轴B方向的增加的强度。另外，从裙板54径向向内间隔开的壁28的直径上对置的区域具有均匀的或者基本均匀的厚度(t)，比如约为2mm，从而使得活塞12减重。应当认识到，增加厚度的区域可通过在顶部22的合适的位置形成肋部77而位于需要的地方。

如图8所示，活塞销16具有至少一个，示为两个用于容置紧固件79的螺纹孔78以将连杆14固定至活塞销16。据此，活塞销16和连杆14彼此固定而不会相对运动。活塞销16进一步包括相对的端80、82，端80、82具有在其中延伸的凹口84，因此，进一步减轻了活塞总成10的重量以及其使用中的惯性矩。进一步促进减重的是在螺纹孔78之间延伸的通孔85。通孔85容许油从其中流过，因此，提高了使用中活塞销16的冷却和润滑。又进一步，活塞销16的总长抵靠销孔58的最上表面57(延伸入冷却通道76的基板60)，由于活塞销在其总长上受支撑并且不再处于悬臂模式，活塞销16的直径可基本上减小。据此，活塞销16直径上的减小进一步减轻了总成10的重量，同时能够承受相对于传统悬臂式的活塞销设计而增加的燃烧压力。

连杆14在大端86和相对端88之间的长度(L，如图1所示)上延伸，大端86具有配置为与曲轴(图中未示)的轴颈配合的孔87，相对端88配置为与活塞销16固定连接。如图7所示，相对端88具有对称的凸缘90，一对通口92配置为与活塞销16内的螺纹孔78对齐。通过通口92与螺纹孔78对齐，紧固件79插入通口92并且旋入螺纹孔78以将连杆14与活塞销16固定。连杆14具有在其长度L上从大端86的孔87穿过相对端88的凸缘90延伸的油道94。油道94与活塞销16内的通孔85对齐，如此，容许油自由地流经连杆14进入活塞销16以促进在活塞销16和活塞12的基板60的区域中产生的热量的移除，同时还为销孔58的最上表面57提供润滑，从而消除活塞销16和销轴承表面之间的任何无润滑区域(dry regions)。

活塞10适宜用于轻的、现代的、高性能的车辆柴油发动机应用。考虑到铝活塞总成中所用的铝活塞和相应的嵌件销孔衬套等的重量，由钢制成的活塞10的重量即使不比铝制相应件轻，也与该铝制相应件差不多轻，因为该活塞10的薄壁设计和敞开的冷却通道76。钢活塞10还具有明显地小于铝制相应活塞的压缩高度CH，该压缩高度指的是在中心销孔轴B和顶壁20之间延伸的距离。相当的重量和较小的CH容许发动机制造得更小且更紧凑。通过协同的特征使大大减小的CH成为可能，这些特征包括活塞销16的直径减小、活塞销16抵靠其摆动的马鞍形的最上部活塞销轴承表面57的位置提升，冷却通道76的相对低而稳固(小高度，low profile)的结构以及连杆端88直接固定于活塞销16。随着CH大幅度减小，活塞裙板54能够制造为具有较小的表面区域，并且因此，产生于裙板54和气缸衬垫之间的摩擦也减小了，进一步有助于气缸衬垫内振动、侧向推力加载以及气穴现象的减少。借助于高级摩擦涂层，轴衬的省略进一步有助于减小摩擦以及减小侧向推力加载，比如，通过举例而非限制，该涂层为具有纳米金刚石的电镀铬基材料的薄层(例如3-12μm)；其它类金刚石涂层或者磷酸锰。涂层可涂覆于最上部的马鞍型的活塞销轴承表面57和/或活塞销16的上轴承表面。如果涂覆于活塞销16，活塞销可作为单独的摩擦部件，从而提高生产效率并且降低成本。通过提高狄塞尔循环的热力效率以及降低滑动摩擦损失，摩擦的减小还有助于减小制动燃油消耗率(BSFC-G/KWH)。

由于CH和活塞12的外形体积的减小，连杆14的长度L可延长的距离与CH减少的长度相同或者大致相同。然而，如果需要，可通过减少曲柄至甲板(crank-to-deck)的面高，获得标准连杆的相同的中心距关系，从而减少发动机体重量以及发动机的体积。否则，可延伸连杆14的长度L，这依次导致在全冲程中摆动的角度减小，并且因此，减小施加至裙板54上的推力负载。这还导致源于从衬垫的一侧到另一侧的活塞的平动的冲击损失的减少，从而减少衬垫气穴现象。进一步，随着长度L增加，由于在燃烧过程中靠近上止点(TDC)的活塞12分配在每个曲柄角上的停留时间增加而达到热效率的增加，从而提高了转换为制动功率的效率。

在图9中，示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞112，其中，采用对上述所用的相同的附图标记增加100以标示相同的特征。

活塞112具有固定至顶部122的底部120，通过示例而非限制，示为通过摩擦焊固定。底部120和顶部122通过第一焊缝172和第二焊缝174连接，如上关于活塞12所述。活塞112显著的不同之处在于：顶部122具有在中心支撑部件或支柱147和燃烧碗126的边缘133之间延伸的厚度(t)均匀的燃烧碗壁128，而没有加厚的肋部区域。如此，具有对称的环状均匀形状的冷却通道176形成于燃烧碗壁128和底部120的基板160之间。在其它方面，活塞112与上述图1中所述的活塞10相同。

在图10和图10A中，示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞212，其中，采用对上述所用的相同的附图标记增加200以标示相同的特征。

活塞212具有连接至顶部222的底部220，通过示例而非限制，示为通过摩擦焊接固定。底部220和顶部222通过第一焊缝272和第二焊缝274连接，其中，第一焊缝形成为如上的活塞12、112所述。进一步，活塞212示为具有在中心支柱247和燃烧碗226的边缘233之间延伸的厚度(t)均匀的燃烧碗壁228，而不具有加厚的肋部区域。但是，活塞212显著的不同之处在于：支柱247示为与底部220形成为整块材料，使得第二焊缝274形成于支柱247的自由端和燃烧碗壁228的下表面231之间。在其它方面，活塞212与图9中所述的活塞110相同。

在图11-图11C中，示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞312，其中，采用对如上述所用的相同的附图标记增加300以标示相同的特征。

活塞312不是通过将单独构造的底部和顶部彼此固定而构造的，而是构造为整块的材料，比如在铸造操作中构造。为了便于铸造活塞312，为冷却通道376的下表面划定界限的基板360具有示为位于基板360中心的开口96。通过举例而非限制，如图11C中最优所示，开口96为大致矩形的，销孔轴B大致居中地沿着开口96的长度延伸。活塞312基本上包括如活塞12中详述的所有部件，除了中心支柱。据此，活塞312具有燃烧碗326，燃烧碗326具有厚度(t)不变或者基本不变的燃烧碗壁328，径向延伸的支撑部件或者肋部377在燃烧碗壁328和基板360之间延伸以增加强度。进一步，活塞312包括裙板354、销壳356以及销孔358，销孔358具有在销孔358内且在销孔358之间延伸的最上部的活塞销轴承表面357。

在图11D中，示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞312’，其中，采用对上述所用的相同的附图标记增加300’以标示相同的特征。

活塞312’类似于图11-图11C中的活塞312，但是，活塞312’不具有在基板360’内的增大的矩形开口，而具有尺寸减小的圆形的开口96’，从而增加最上部活塞销轴承表面357’的表面面积。

在图12中，示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞412，其中，采用对如上所用的相同的附图标记增加400以标示相同的特征。

活塞412类似于图11中的活塞312，但是，活塞412不是铸造为单独部件，而是具有焊接至其余的铸造的活塞412的冠部的裙板454，通过举例而非限制，比如在摩擦焊接操作中。如图12A中所示，活塞412的冠部构造为具有与活塞312中所示以及所述的大致相同的特征，包括具有径向延伸的支撑部件或者肋部477的敞开的、圆环型的冷却通道476。进一步，冠部示为具有一对环形的焊接表面98(图12A)。然后，如图12B中所示，裙板454最初提供为圆柱形的部件，具有配置为与冠部的焊接表面98配合的一对环形的焊接表面99。图12C示出了在将裙板454的部分切削掉之前最初彼此焊接的冠部和裙板454，而图12示出了加工完的活塞412。

在图13中，示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞512，其中，采用对与上述所用的相同的附图标记增加500以表示相同的特征。

活塞512构造为类似于活塞12，包括具有将底部520固定于顶部522的第一焊缝572和第二焊缝574。第一焊缝572类似于活塞12的焊缝72，但是，第二焊缝574是不同的。支柱547不是如同活塞12一样将支撑部件或者支柱547摩擦焊接至底部520的基板560的平坦表面上，而是沿着活塞512的中心纵轴A在形成于底部520的基板560中的通道或者开口97内居中且焊接的。开口97示为通孔，通孔具有配置为与支柱547的锥形面配合的锥形壁。据此，焊缝574形成为具有截头圆锥形状。在其它方面，活塞512与图1中的活塞12相同。

在图14中，示出了根据本发明的另一个方面构造的顶部622，其中，采用对如上所用的相同附图标记增加600以标示相同的特征。

顶部622类似于对活塞12的描述，但是，顶部622的中心支撑部件或者支柱647具有提供第二上连接表面648的锥形端。通过在待焊表面之间提供增加的压力，锥形端有利于与底部形成可靠的焊缝，从而在焊接过程中增加热量并且改善材料的熔化，并且进一步，能够先于径向向外的连接表面与下部接触，从而容许中心支柱647先于径向向外的表面开始熔化，该中心支柱647的旋转速度低于径向的外部表面的速度。

显然，根据以上教导，本发明可能具有多种修改和变化。应当认识到，以上对单独实施例所述的一些特征可用于其它实施例中。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可通过具体描述以外的方式实施。

Claims (32)

1.一种用于内燃机的活塞总成，其特征在于，包括：

一活塞头，所述活塞头具有上燃烧壁、环带区域和基板，所述上燃烧壁带有顶部底面，所述环带区域从所述上燃烧壁悬垂，所述基板具有上表面和下表面，所述基板在所述上燃烧壁的下方保持间隔开且与所述环带区域径向对齐，基本封闭的环形的冷却通道通过所述顶部底面和所述基板界定，所述冷却通道从所述环带区域径向向内延伸；

一对销孔，所述销孔从所述冷却通道的基板直接悬垂；

一销，所述销具有摆动地容置于销孔内的端；

在所述基板的所述下表面内的销轴承表面，所述销轴承表面在所述销孔内且在所述销孔之间延伸；以及

连杆，所述连杆具有固定至销以与其共同摆动的端。

2.根据权利要求1所述的活塞总成，其特征在于，进一步包括在顶部底面和所述基板的所述上表面之间延伸的至少一个支撑部件。

3.根据权利要求2所述的活塞总成，其特征在于，所述至少一个支撑部件沿着所述活塞头的中心纵轴延伸。

4.根据权利要求2所述的活塞总成，其特征在于，所述至少一个支撑部件包括从所述活塞头的中心纵轴径向向外延伸的多个支撑部件。

5.根据权利要求4所述的活塞总成，其特征在于，进一步包括穿过所述基板延伸的开口，所述开口沿着所述活塞头的中心纵轴居于中心。

6.根据权利要求1所述的活塞总成，其特征在于，所述活塞头包括顶部和底部，所述顶部具有从所述上燃烧表面悬垂的环形的第一上连接表面以及沿着活塞的中心纵轴从所述上燃烧表面悬垂的第二连接表面，所述底部包括从所述基板向上延伸的环形的下连接表面，所述下连接表面在第一结合接缝处结合至所述第一上连接表面，所述基板的上表面在第二结合接缝处结合至所述第二连接表面。

7.根据权利要求1所述的活塞总成，其特征在于，进一步包括延伸入所述冷却通道的润滑油进料口入口以及与所述销相切地延伸出所述冷却通道的润滑油进料口出口。

8.根据权利要求1所述的活塞总成，其特征在于，所述销具有通孔，所述连杆具有与所述通孔对齐的油道，使得油流经所述连杆进入所述活塞销并且与所述销轴承表面接触。

9.根据权利要求8所述的活塞总成，其特征在于，所述通孔穿过所述销的直径延伸。

10.根据权利要求9所述的活塞总成，其特征在于，所述油道在所述连杆的整个长度上延伸。

11.根据权利要求1所述的活塞总成，其特征在于，所述冷却通道是封闭的。

12.根据权利要求11所述的活塞总成，其特征在于，所述冷却通道内含有冷却剂。

13.根据权利要求12所述的活塞总成，其特征在于，所述冷却剂是高热传导率的含金属的组合物。

14.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，包括：

一活塞头，所述活塞头具有上燃烧壁、环带区域和基板，所述上燃烧壁带有顶部底面，所述环带区域从所述上燃烧壁悬垂，所述基板具有上表面和下表面，所述基板在所述上燃烧壁的下方保持间隔开且与所述环带区域径向对齐，基本封闭的环形的冷却通道通过所述顶部底面和所述基板界定，所述冷却通道从所述环带区域径向向内延伸；

一对销孔，所述销孔从冷却通道的基板直接悬垂；以及

在所述基板的所述下表面内的销轴承表面，所述销轴承表面在所述销孔内且在所述销孔之间延伸。

15.根据权利要求14所述的活塞，其特征在于，进一步包括在顶部底面和所述基板的所述上表面之间延伸的至少一个支撑部件。

16.根据权利要求15所述的活塞，其特征在于，所述至少一个支撑部件沿着所述活塞头的中心纵轴延伸。

17.根据权利要求15所述的活塞，其特征在于，所述至少一个支撑部件包括从所述活塞头的中心纵轴径向向外延伸的多个支撑部件。

18.根据权利要求17所述的活塞，其特征在于，进一步包括穿过所述基板延伸的开口，所述开口沿着所述活塞头的中心纵轴居于中心。

19.根据权利要求14所述的活塞，其特征在于，所述活塞头包括顶部和底部，所述顶部具有从所述上燃烧表面悬垂的环形的第一上连接表面以及沿着活塞的中心纵轴从所述上燃烧表面悬垂的第二连接表面，所述底部包括从所述基板向上延伸的环形的下连接表面，所述下连接表面在第一结合接缝处结合至所述第一上连接表面，所述基板的上表面在第二结合接缝处结合至所述第二连接表面。

20.根据权利要求14所述的活塞，其特征在于，所述冷却通道是封闭的。

21.根据权利要求20所述的活塞，其特征在于，所述冷却通道内含有冷却剂。

22.根据权利要求21所述的活塞，其特征在于，所述冷却剂是高热传导率的含金属的组合物。

23.一种构造用于内燃机的活塞总成的方法，其特征在于，包括：

形成一活塞头，所述活塞头具有上燃烧壁、环带区域和基板，所述上燃烧壁带有顶部底面，所述环带区域从所述上燃烧壁悬垂，所述基板在所述上燃烧壁的下方保持间隔开且与所述环带区域径向对齐，基本封闭的环形的冷却通道通过所述顶部底面和所述基板界定；

形成一对销孔，所述销孔从冷却通道的基板直接延伸；

在基板的下表面内形成销轴承表面，所述销轴承表面在销孔内且在销孔之间延伸；

将摆动的销插入销孔内；以及

将连杆的一端直接固定于销上以与其共同摆动。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，进一步包括形成在顶部底面和基板的上表面之间延伸的至少一个支撑部件。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，进一步包括形成沿活塞头的中心纵轴延伸的至少一个支撑部件。

26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，进一步包括将至少一个支撑部件形成为从活塞头的中心纵轴径向向外延伸的多个支撑部件。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，进一步包括形成穿过基板延伸的开口，其中，开口沿着活塞头的中心纵轴居于中心。

28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，进一步包括形成具有顶部和底部的活塞头并且将顶部结合至底部。

29.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，进一步包括形成与销相切地延伸出冷却通道的润滑孔出口。

30.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，进一步包括在销内形成通孔并且在连杆内形成油道，并且使油道与通孔对齐以容许油流经连杆且流经活塞销与销轴承表面接触。

31.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，进一步包括将冷却通道形成为完全封闭的冷却通道。

32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，进一步包括在完全封闭的冷却通道内提供冷却剂。