CN105209736B - 活塞及其构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活塞及其构造方法。该活塞包括活塞本体，以及形成上燃烧表面的至少一部分的嵌件。该活塞本体通过具有第一导热系数的第一材料构造而成，嵌件通过具有第二导热系数的第二材料构造而成。该第一导热系数小于第二导热系数。该活塞本体具有上冠部和自所述上冠部悬垂的一对销壳，所述销壳示出为具有沿一销孔轴彼此对齐的销孔。该上冠部包括一凹部，嵌件固定于该凹部中。

Description

活塞及其构造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月13日提交的美国临时申请序列号No.61/780,653的权益，其通过引用整体合并入此处。

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

发动机制造商目前正面临着日益增长的提升发动机效率和性能的需求，包括但不仅限于，提升燃料经济性，提升燃料燃烧率，降低油耗量，以及提高其废气温度用于车辆内部热量的后续利用。为了实现上述目标，需要的是提高燃烧室内的发动机运行温度。然而，尽管提高燃烧室内的温度是令人满意的，还有必要将活塞维持在可工作的温度；允许活塞在缸膛内维持理想的低摩擦间隙，同时提高活塞传热和散热的能力，尤其是在活塞的上冠部。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种活塞，该活塞包括活塞本体，以及形成上燃烧表面的至少一部分的嵌件。该活塞本体通过具有第一导热系数的第一材料形成，并包括上冠部以及自上冠部悬垂的一对销壳，该销壳带有沿一销孔轴彼此对齐的销孔。所述上冠部具有一凹部，嵌件固定于该凹部中。嵌件通过与所述第一材料独立的第二材料形成。所述第二材料具有比所述第一材料的第一导热系数高的第二导热系数。

根据本发明的另一方面，所述嵌件形成所述上燃烧表面的约95％。

根据本发明的另一方面，所述嵌件形成基本平面的上燃烧表面。

根据本发明的另一方面，所述上燃烧表面的径向最外周缘通过所述活塞本体上冠部的外周缘形成。

根据本发明的另一方面，所述凹部形成为沿一纵轴贯穿所述活塞本体延伸的基本敞开的腔室，所述活塞本体的至少一个肋跨越该腔室延伸以邻接支撑嵌件的底面。

根据本发明的另一方面，所述凹部形成包围至少一个肋的环形的凹入的肩部，其中该环形肩部和至少一个肋形成与嵌件的底面邻接的平面的支撑表面。

根据本发明的另一方面，该第一材料可被提供为钢。

根据本发明的另一方面，该第二材料可被提供为铝。

根据本发明的又一方面，提供一种用于内燃机的活塞的构造方法。该方法包括：提供一活塞本体，该活塞本体通过具有第一导热系数的第一材料构造而成，该活塞本体具有从上冠部悬垂的一对销壳，该销壳具有沿一销孔轴彼此对齐的销孔，上冠部具有凹部。进一步地，提供一嵌件，该嵌件通过具有第二导热系数的第二材料构造而成，该第二导热系数大于活塞本体的第一导热系数。更进一步地，将该嵌件固定于该凹部中，嵌件形成该活塞的上燃烧表面的至少一部分。

该方法进一步包括提供跨越基本敞开的腔室延伸的至少一个肋，并将该铝制嵌件与该至少一个肋邻接固定。

该方法还可进一步包括在活塞本体中形成至少一个环形槽。

该方法可进一步包括将嵌件与活塞本体的外周缘以基本齐平、平面的关系设置，使该活塞本体的外周缘形成上燃烧表面的径向最外周缘。

该方法可进一步包括提供多个肋，至少部分肋彼此交叉。

该方法可进一步包括将该第一材料提供为钢。

该方法可进一步包括将该第二材料提供为铝。

该方法可进一步包括通过嵌件形成该上燃烧表面的约50～100％。

附图说明

结合以下对当前优选实施例和最佳实施方式的详细描述、所附权利要求以及附图，本发明的这些和其他方面、特征及优点将更容易领会，其中：

图1是根据本发明的一个方面构造的活塞的部分剖面透视图；

图2是大致沿着图1中的活塞的销孔轴的剖视图；

图3是根据本发明的另一方面构造的活塞的透视图；

图4是图3中的活塞的剖视图；

图5是图3中的活塞的活塞头的视图，其中已移除上燃烧表面嵌件；以及

图6是图5中的活塞头的剖视图。

具体实施方式

更具体地参考附图，图1和图2示出了根据本发明的一个当前优选实施方式构造的活塞组件，下文简称为活塞10，该活塞用于内燃机的缸膛中或气缸套的腔室(未示出)中的往复运动。该活塞10具有活塞头，也称作活塞本体12，或者，至少部分地，通过铸造或锻造，或任何其他制造工艺成形，该活塞本体沿一中心纵轴14延伸，活塞10沿该中心纵轴在缸膛内做往复运动。该本体12具有固定于下冠部18的上冠部16。该下冠部18具有自所述上冠部16悬垂的一对销壳20，以提供沿一销孔轴24对齐的横向间隔的销孔22，该销孔轴24大致垂直于中心纵轴14延伸并与其相交。该销壳20通过支撑部28连接到横向间隔的裙部26。该裙部26在销孔轴24的两侧彼此径向间隔开并具有凸面的外表面，该外表面的形状用于在缸膛内与其共同作用并相对于缸膛形成低摩擦滑动关系，以维持活塞10在缸膛内往复运动时的理想的定向。该上冠部16通过具有第一导热系数的第一材料构造为整体的构件，而下冠部18通过具有第二导热系数的第二材料构造为与上冠部16独立的构件，其中第二导热系数小于第一导热系数。该第一材料可被提供为铝，第二材料可被提供为钢，通过举例而非限制。因此，第一材料具有相对第二材料增大的导热系数，其中第一材料下文被称作具有“高”导热系数，第二材料下文被称作具有“低”导热系数。因此，上冠部16具有增强的传热能力，比如将热量传递给下方的、在冷却腔室中循环的油以及径向向外地传递给气缸套。同时，该下冠部18具有增强的强度和尺寸稳定性，以便于活塞10在其整个使用寿命中的在气缸套中的光滑的、低摩擦的滑动。

该活塞10的上冠部16在此示出为具有上燃烧表面30，带有在该上燃烧表面中凹入的燃烧碗32以在缸膛内提供理想的气流。包括上部34和环带36的外壁33自上燃烧表面30向下延伸至具有环形自由端40的环形外肋，环带36中形成有至少一个环形槽38，该环形槽用于浮动地容置活塞环(未示出)。环形内肋41自该燃烧碗32的底面悬垂至环形内自由端42，其中内肋示出为，通过举例而非限制，延伸于外自由端40的下方。因此，该外壁33和内肋41形成环形的上方的外油腔部43。

下冠部18例如在锻造工艺中(通过举例而非限制)独立于上冠部16构造而成，随后通过直立的环形外肋自由端44和直立的环形内肋自由端46连接到上冠部16，该环形外肋自由端44和环形内肋自由端46之间形成环形的下方的外油腔部47。该上冠部16和下冠部18在此示出为通过摩擦焊接或任何其他适当类型的(例如，横跨各个外自由端40，44和内自由端42，46形成的)焊接接头45连接在一起。如此，基本封闭的外油腔48通过彼此面对的油腔部43，47在上冠部16和下冠部18之间成形，而敞开的内油腔50在燃烧碗32的中间部分的下方成形于销孔22的上面。应当理解的是，根据本发明构造的活塞10也可具有通过其他方式成形的上冠部和下冠部，例如具有不同构造的油腔。下冠部18通过任何适当的第一材料(例如钢)构造而成，该第一材料具有相对上冠部16的第二材料(例如铝)较低的导热系数。

在运转中，通过“高”导热系数的第二材料构造而成的上冠部16作为热传递的引导者，将热量直接贯穿上冠部16传递给热吸收剂，例如油冷却剂和气缸套。如此，上冠部16，尤其是上部34的区域作为传热介质，从而将上冠部16中的热量消散。直接传热的结果是在上部34的碳堆积得以最小化，并且因此，设置于环形槽38中的一个环或多个环(未示出)并未阻扰针对气缸壁的密封。已被确定的是碳堆积倾向于大约在200～300℃之间发生，并且超过300℃时碳会被烧尽并且因此不会在上部34堆积。因此，通过确保上部具有适当的热传递供应给它，上部34将维持在300℃或超过300℃，从而抑制碳堆积。

根据本发明的另一方面，提供一种构造内燃机的活塞10的方法。该方法包括采用铝材将上冠部16成形为整体的构件，该上冠部16成形为具有上燃烧表面30，该上燃烧表面带有从其悬垂的上部34。该上部34成形为具有包括用于容置活塞环(未示出)的至少一个环形槽38的环带区域。该方法进一步包括采用钢材形成下冠部18，该下冠部18具有比上冠部16更低的导热系数。更近一步地，该方法包括将下冠部18成形为具有一对销壳20，提供一对横向间隔的轴向对齐的销孔22。随后，将下冠部18，比如在焊接工艺(例如摩擦焊接工艺)中固定至上冠部16，例如，其中，上冠部16的悬垂外壁33和悬垂内肋41分别焊接至下冠部18的直立的环形外肋自由端44和直立的环形内肋自由端46，以形成基本封闭的外油腔48。

图3示出了根据本发明的另一方面构造的活塞110，其中相差100的相同的附图标记被用来指示相似的特征。

该活塞110包括沿一中心纵轴114自上冠部116的上燃烧表面130悬垂至一对销壳120的活塞头，也称作活塞本体或本体112。该活塞本体112通过具有第一导热系数的第一材料成形为整体的构件，该第一材料例如钢，通过举例而非限制。该销壳120示出为具有沿一销孔轴124彼此对齐的销孔122。活塞本体112具有配置为滑动容置于内燃机的缸膛内的一对裙部126。该活塞本体112还具有环带136，该环带具有用于容置相应的活塞环(未示出)的至少一个环形槽138。该上冠部116具有形成于其中的凹部52，嵌件54固定于该凹部52中，其中该嵌件54形成上燃烧表面130的至少一部分，示出为平面的或基本平面的，举例而非限制。该嵌件54通过不同于第一材料的第二材料形成，其中该第二材料的第二导热系数大于活塞本体112的第一导热系数，其中第二材料可被提供为铝，举例而非限制。该嵌件54形成上燃烧表面130的大部分，优选为大约占上燃烧表面130的55～100％，在一个优选实施例中，该嵌件54形成上燃烧表面130的大约95％，活塞本体112仅沿该上燃烧表面130的径向最外侧区域或外周缘形成该上燃烧表面130的相对较小的环带53(约5％)，尽管预期的是整个燃烧表面130都可由嵌件54形成，如果需要的话。

该凹部52从上冠部116的上端向内延伸，并且示出为提供贯穿活塞本体112延伸的基本敞开的腔室55，带有至少一个桥部，也称作肋，示出为由第一材料形成与活塞本体112为整体构件的多个肋56，该肋跨越基本敞开的腔室55延伸以用于邻接支撑嵌件54的底面，也称作冠底面。因此，嵌件54的底面与肋56邻接固定。肋56示出为以网格的形式延伸，例如形成为两对肋56，举例而非限制，该两对肋56相互交叉，并大致相互垂直。如此，一对肋56大致平行于销孔轴124并分别在销孔轴124的相对侧延伸，而另一对肋56大致垂直于销孔轴124延伸，大致在销孔120的上方，并与所述销孔120轴向对齐。因此，至少部分肋56彼此垂直。除了由肋56提供结构支撑之外，环形凹入的埋头孔、边缘或肩部58围绕嵌件54的整个外周缘也提供额外的支撑。该肩部58以同一平面的关系围绕并包围肋56以形成一平面的支撑表面用于与嵌件54的底面邻接。应当认识到，即使没有形成边缘58，肋56也可支撑嵌件54，反之亦然。

显然，根据以上教导，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，应当理解，在后所附权利要求的范围内，本发明可不同于上述具体描述通过其他方式实施。

Claims (18)

1.一种用于内燃机的活塞，包括：

通过具有第一导热系数的第一材料形成的活塞本体，该活塞本体具有自上冠部悬垂的一对销壳，该销壳带有沿一销孔轴彼此对齐的销孔，所述上冠部具有一凹部，所述活塞本体具有一对彼此径向相对的裙部，所述裙部通过支撑部与所述销壳连接；

通过与所述第一材料独立的第二材料形成的嵌件，所述第二材料具有比所述第一导热系数高的第二导热系数，所述嵌件固定于所述凹部中并形成至少部分上燃烧表面；以及

进一步包括由所述第一材料形成的与所述活塞本体为整体构件的多个肋，所述多个肋直接支撑在该销壳上并跨越与所述嵌件邻接的凹部延伸，所述多个肋包括相互平行延伸并平行于销孔轴延伸的第一对肋，以及垂直于所述第一对肋并与所述第一对肋交叉的第二对肋，所述第二对肋作为所述支撑部的延伸部向上延伸，所述嵌件固定于所述第一对肋和第二对肋的平面上。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述嵌件形成所述上燃烧表面的约95％。

3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体形成所述上燃烧表面的最外周缘。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述凹部形成为贯穿所述活塞本体轴向延伸的敞开的腔室。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，进一步包括包围所述多个肋的环形的凹入的肩部，所述凹入的肩部和所述多个肋形成邻接所述嵌件的平面的表面。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，一环带区域形成于所述活塞本体中，该环带区域具有至少一个在其中径向延伸的环形槽。

7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一材料为钢。

8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述第二材料为铝。

9.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第二材料为铝。

10.一种活塞的构造方法，包括：

提供一活塞本体，该活塞本体通过具有第一导热系数的第一材料构造而成，该活塞本体具有从上冠部悬垂的一对销壳，该销壳具有沿一销孔轴彼此对齐的销孔，上冠部具有凹部，所述活塞本体具有一对彼此径向相对的裙部，所述裙部通过支撑部与所述销壳连接；

提供一嵌件，该嵌件通过具有第二导热系数的第二材料构造而成，该第二导热系数大于活塞本体的第一导热系数；

将该嵌件固定于该凹部中，嵌件形成该活塞的上燃烧表面的至少一部分；以及

提供由所述第一材料形成的与所述活塞本体为整体构件的多个肋，所述多个肋直接支撑在该销壳上并跨越与所述嵌件邻接的凹部延伸，所述多个肋包括相互平行延伸并平行于销孔轴延伸的第一对肋，以及垂直于所述第一对肋并与所述第一对肋交叉的第二对肋，所述第二对肋作为所述支撑部的延伸部向上延伸，所述嵌件固定于所述第一对肋和第二对肋的平面上。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括该嵌件形成上燃烧表面的大约95％。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括该活塞本体形成上燃烧表面的最外周缘。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括将该凹部形成为贯穿该活塞本体轴向延伸的敞开的腔室。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括将该活塞本体提供为具有包围该多个肋的环形的凹入的肩部，并将所述嵌件与所述凹入的肩部和多个肋邻接固定。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括将该活塞本体提供为具有环带区域，该环带区域具有在其中径向延伸的至少一个环形槽。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括将第一材料提供为钢。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括将第二材料提供为铝。

18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括将第二材料提供为铝。