CN107208527A - 用于对置活塞发动机的活塞冷却 - Google Patents

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Abstract

用于对置活塞发动机的活塞包括内环形冷却廊道。该廊道设置有入口通路和排放通路，该入口通路和排放通路经构造以避开进入该廊道的液体冷却剂的射流，从而减少进入的射流和在廊道中循环的液体冷却剂之间的干扰。

Description

用于对置活塞发动机的活塞冷却
相关申请
本申请包括与以下共同拥有的美国专利申请的主题有关的主题：2011年8月15日提交，2012年3月29日公开为US 2012/0073526的题为“Piston Constructions forOpposed-Piston Engines”(用于对置活塞发动机的活塞构造)的美国专利申请13/136,955；2013年2月25日提交，2014年8月28日公开为US 2014/0238360的题为“RockingJournal Bearings for Two-Stroke Cycle Engines”(用于二冲程循环发动机的摇摆轴颈轴承)的美国专利申请13/776,656；2013年11月22日提交的题为“LubricatingConfiguration For Maintaining Wristpin Oil Pressure In A Two-Stroke Cycle,Opposed-Piston Engine”(用于保持二冲程循环、对置活塞发动机的活塞销油压的润滑配置)的美国专利申请14/075,926；以及2014年3月6日提交的题为“Piston CoolingConfiguration Utilizing Lubricating Oil From A Bearing Reservoir In AnOpposed-Piston Engine”(利用来自对置活塞发动机中的轴承贮存器的润滑油的活塞冷却配置)的美国专利申请14/199,877。
技术领域
本公开的技术领域包括内燃发动机，尤其是二冲程对置活塞发动机。在一方面，该技术领域涉及冷却对置活塞发动机的活塞。
背景技术
相关的专利申请描述了二冲程对置活塞发动机，其中多对活塞反向移动以在它们的端表面之间形成成形的燃烧室。在压缩冲程期间，两个对置活塞在端口式汽缸的孔中的相应的上死点位置的方向上朝向彼此移动。当活塞靠近上死点位置时，在它们的端表面之间压缩充气空气，并且燃料通过汽缸的侧面被喷射到由端表面形成的燃烧室中。压缩空气的热点燃燃料并且燃烧发生。响应于燃烧，活塞在动力冲程中颠倒方向。在动力冲程期间，活塞远离彼此朝向孔中的下死点位置移动。当活塞在上死点和下死点位置之间往复运动时，活塞以控制充气空气流入汽缸中并且控制充气空气从气缸中排出的时间序列打开和关闭在汽缸的相应的进气和排气位置中形成的端口。
在用于二冲程对置活塞发动机的活塞构造的一些方面，可期望利用带有冠部的活塞，冠部具有波状外形的端表面，其与旋涡相互作用并且与来自燃烧室的外围的挤流相互作用以便产生复杂的、湍流的充气空气运动，这促进了空气与燃料的混合。然而，燃烧在活塞冠部上施加了大量的热负荷。波状外形的端表面产生非均一的热分布，该热分布不适合通过常规的强制冷却配置冷却，从而导致不均匀的热应力、磨损以及活塞冠部断裂。为了增加活塞耐用性并且有助于发动机的有效的热管理，因此可期望提供带有冷却此类活塞的波状外形的冠部的能力的活塞构造。
在一些情况下，用于对置活塞的活塞冷却构造包括每个活塞中的内环形冷却廊道(gallery)，液体冷却剂(例如，润滑油)通过该廊道循环。在这点上，参见公开为US 2012/0073526的相关的共同拥有的美国专利申请12/136,955。环形廊道沿着冠部的下表面顺着活塞的外围；除廊道底面中的分别准许液体冷却剂进入环形廊道中并且将液体冷却剂从环形廊道中排出的一个或多个开口以及一个或多个狭槽以外，环形廊道被关闭。活塞的纵向尺寸中的廊道的尺寸(廊道的高度)在廊道邻接冠部端表面上的突出的脊部的最大值和廊道邻接端表面上的槽口的最小值之间变化，燃料通过该槽口喷射到燃烧室中。廊道底面中的开口为通过活塞裙状件的开口端传送的液体冷却剂的射流提供入口。在一些情况下，这些开口被定位以便允许液体冷却剂的射流撞击位于邻接端表面上的脊部的冠部下表面的一部分，这是因为脊部在发动机操作期间承载大量的热负荷。在一些情况下，液体冷却剂在射流进入廊道的大约相同的水平处从环形廊道中排出。排出的液体冷却剂流入活塞裙状件的内部中并且然后流出开口端。
考虑到对置活塞中的每个活塞在发动机的高速操作期间的振荡以及通过中心廊道的次优排放，液体冷却剂能够聚集并且存在于脊部下面的环形廊道的折痕部分中，从而产生液体冷却剂的直立体。如果射流对准该部分，则液体冷却剂的直立体能够削弱射流的冲击效果并且损害液体在廊道内的循环。
可期望液体冷却剂不受阻碍地进入环形廊道并且到达冠部下表面并流经该下表面以便确保有效的冷却。另外，可期望液体冷却剂从廊道不受阻碍地排出。然而，当冷却剂在廊道中的相同水平处进入和排出时，廊道中累积的冷却剂能够破坏进入的射流，并且相反地，进入的射流能够破坏在廊道中移动的冷却剂。这些效果中的任一个或两者能够导致通过廊道的次优循环和静音的冷却性能。
因此，期望通过保护进入的射流并且减少或消除廊道中的液体冷却剂的进入流和流出流之间的干扰来改进活塞冷却廊道中的液体冷却剂的循环。
发明内容
本公开中所述的活塞冷却廊道的目的是保护进入的液体冷却剂射流或使进入的液体冷却剂射流避开该廊道中已经存在的冷却剂。另外的目的是分开活塞冷却廊道中的入口通路和排放通路并对之进行定位，从而改进液体冷却剂通过其的循环。
优选地，用于对置活塞发动机的活塞的冷却廊道构造包括在自冠部下表面的不同距离处带有相应的开口的单独的入口通路和排放通路。在一些方面，相比排放通路的排放开口，入口通路的出口开口更靠近冠部下表面，冷却剂的进入的射流通过该出口开口进入冷却廊道中。
在另外的方面，距离的差异至少部分是因为排放通路的排放开口放置在冷却廊道中的碗状凹陷中。
在一些方面，入口通路在冠部下表面的方向上延伸出碗状凹陷。
在另一些方面，入口通路被定位成使液体冷却剂的射流对准具有凸形形状的冠部下表面的一部分。
根据本公开构造的用于对置活塞发动机的活塞具有纵向轴线、冠部和带有活塞侧壁的裙状部件。冠部具有端表面，端表面被成形为与发动机中的相对的活塞的端表面一起限定燃烧室。活塞侧壁沿着纵向轴线从冠部延伸到裙状件的开口端。活塞内的环形冷却廊道被限定在裙状件的内壁和冠部的下表面之间。内壁中的至少一个冷却剂入口通路包括冷却廊道中的出口开口，液体冷却剂的射流从该出口开口出来进入廊道中。内壁中的至少一个冷却剂排放通路包括冷却廊道中的排放开口。出口开口被定位在自冠部下表面的第一距离处，并且排放开口被定位在自冠部下表面的第二距离处，第二距离大于第一距离。
在一些方面，排放开口位于面向冠部下表面的内壁中的碗状件中。在一些另外的方面，排放通路和入口通路沿着在活塞侧壁的凹进部分之间延伸的活塞侧壁的纵向部分延伸。
在活塞的实施例中，活塞侧壁包括从冠部延伸到开口端的纵向裙部，其通过插入在冠部和开口端之间延伸的侧壁凹口来彼此分开。侧壁内的裙状件的内壁包括在相对的侧壁凹口之间延伸的活塞销孔。活塞内的环形冷却廊道被限定在内壁和冠部的下表面之间。具有冷却廊道中的出口开口的至少一个冷却剂入口通路和具有冷却廊道中的排放开口的至少一个冷却剂排放通路形成于内壁内纵向裙部附近。出口开口被定位在自冠部下表面的凸形部分的第一距离处，并且排放开口被定位在自冠部下表面的凸形部分第二距离处，第二距离大于第一距离。
附图说明
图1是被构造用于在对置活塞发动机中使用的活塞的等距视图，根据本公开的活塞冷却方面和实施例并入该活塞中。
图2是图1的活塞的分解图。
图3A是通过包括活塞的纵向轴线和活塞销的轴线的平面的图1的活塞的截面侧视图。图3B是通过包括活塞的纵向轴线并且正交于活塞销的轴线的平面的图1的活塞的截面侧视图。
图4是根据本公开的活塞冷却的概念示意图。
图5是进入到图1的活塞的裙状部件之内的等距视图，其示出冷却廊道中的入口和排放开口。
图6是沿着图1的活塞的纵向轴线进入到图1的裙状部件的开口端之内的视图。
图7是通过对应于图6中的视线A-A的平面的图1的活塞的截面侧视图。
图8示出替换性入口通路实施例。
具体实施方式
在该描述中，术语“射流/喷嘴(jet)”旨在指从狭窄的开口排出的液体冷却剂的强有力的流或流动。在相关现有技术中，“射流/喷嘴(jet)”还可指喷嘴(nozzle)或管，液体冷却剂的强有力的流或流动被递送通过该喷嘴或管以供使用。在后面这一点上，为了清晰起见，我们选择使用“喷嘴(nozzle)”以免混淆来自其通道的流，而并非旨在排除与喷嘴(nozzle)同义的包括“喷嘴(jet)”的其它术语。
图1示出根据本公开构造的用于对置活塞发动机的活塞10的实例。活塞10具有纵向轴线12、冠部14和带有活塞侧壁18的裙状部件16。活塞侧壁18大体上为圆柱形的并且沿着纵向轴线12延伸。冠部14具有端表面20，端表面20被成形为与发动机中的相对的活塞的端表面一起限定燃烧室。图1所示的端表面20的形状将本公开的范围仅限定到与相对的活塞的端表面配合以限定对置活塞发动机中的燃烧室形状的程度。许多其它此类端表面形状是可能的；参见例如但不限于在US 2013/0213342 A1、US 2014/0014063 A1、US 2014/0083396 A1和US 8,800,528 B2中描述并且示出的用于对置活塞发动机的活塞的端表面形状。
参考图2、图3A和图3B，侧壁18从裙状部件18的第一端21(还参见图5)延伸到第二端22(还参见图6)。如在图3A、图3B和图6中最佳示出，第二端是敞开的。以纵向轴线12为中心的裙状件的内壁23位于侧壁中靠近第一端21。在一些方面，内壁23包括用于活塞销和冷却室的支撑结构。优选地但不必然地，一侧上的内壁23(图6中所示)限定活塞销孔24的一部分，活塞销被容纳并保留在该活塞销孔中。活塞销可包括例如但不限于如在US 2014/0238360A1中描述并且示出的双轴轴承单元。在这点上，轴承套26被容纳在活塞销孔24中，在活塞销孔24中轴承套26抵靠内壁23的一侧支撑活塞销轴颈28以用于在发动机操作期间振荡摇摆。优选地，相对侧上的内壁23(图5中示出)限定环形冷却廊道32的一部分。按照图3A和图3B，内壁23包括用于活塞10内的环形冷却廊道32的结构基底。廊道32被限定在内壁23的外围部段34和冠部14的下表面36的外围部分之间。除内壁23中的入口通路38和排放通路42以外(图5和图6中最佳示出)，环形冷却廊道32关闭。
活塞10的构造的材料和方法对于中等和/或重型使用来说或对于大孔应用来说是常规的。例如，冠部和裙状部件可由相容性材料单独形成(例如，锻钢冠部，铸铁裙状部件)并且可以通过焊接或钎焊接合。
图4是表示根据本公开的活塞冷却的原理的冷却廊道32的一部分的概念示意性横截面。在这点上，在内壁23中延伸的至少一个冷却剂入口通路38包括冷却廊道32中的出口开口40。内壁23中的至少一个冷却剂排放通路42包括冷却廊道32中的排放开口44。冷却剂出口开口40定位在参考平面46中，该参考平面将冷却廊道分为第一部分和第二部分并且正交于纵向轴线12。排放开口44在裙状件的开口端22的方向上定位在自参考平面46的距离D处。从这个方面，相比排放开口，出口开口40更靠近冠部下表面36。从另一方面，冷却剂出口开口40和排放开口44在活塞中分开纵向距离D，其中冷却剂排放开口44相比冷却剂出口开口40更靠近裙状件的开口端。从又一方面，出口开口40定位在自冠部14的下表面36的第一距离D1，每个排放开口44定位在自冠部的下表面的第二距离D2＝(D+D1)，并且第二距离大于第一距离(D2>D1)。从任何角度来看，从专用喷嘴54传送的对准活塞裙状件的开口端的液体冷却剂的注入射流52行进通过入口通路38并且在比冷却剂排出通过排放开口44的水平更靠近冠部下表面36的水平处通过出口开口40进入冷却廊道32。出口开口40和排放开口44在这些不同水平处的布置分开并且减少注入射流52和冷却廊道32中的液体冷却剂之间的干扰，该液体冷却剂包括穿过排放开口44并且在裙状部件16中行进朝向开口端22并且通过开口端22的液体的流出流。从另一方面，入口通路和排放通路的分开以及出口开口和排放开口在环形冷却廊道32的不同水平处的放置使射流52避开在冷却廊道中循环的液体冷却剂。
在一些方面，出口开口40被定位成与下表面36的凸形部分58对准。在这些情况下，液体冷却剂的射流52在其撞击下表面36时扩散，并且避免了可在下表面36的一些实施例中发现的聚集增加。在一些其它方面，存在两个冷却剂排放通路42，其带有被定位在自参考平面46的距离D处的相应的排放开口44。排放开口44位于入口通路38的侧面的任一侧上，从而在出口开口的任一侧上冲洗来自冷却廊道的液体冷却剂。
示出靠近裙状部件16的第一端21的内壁23的构造的实例的裙状部件16的优选实施例在图5中从冠部下表面的角度示出并且在图6中通过裙状部件的开口端22示出。在该优选实施例中，在冷却廊道32的相对侧上存在两个冷却剂入口通路38。优选地，入口通路38延伸通过内壁23并且包括冷却廊道32中的在冠部下表面的方向上延伸的相应的烟道(或管子，或管)60。优选地但不必然地，入口通路具有拉伸的圆的椭圆形形状。在该实施例中，出口开口40在烟道60的末端。位于每个入口通道38的侧面的两个排放通路42延伸通过内壁23。每个排放通路定位在形成于内壁23中的相应的碗状件62的底部。有利地，碗状件和烟道配置提供了使出口开口40与其侧面的排放开口44中的任一个或两者分开的期望地相当大的距离D。优选地但不必然地，根据图6的平面图，入口通路的横截面具有椭圆形形状，如由拉伸的圆形成的那样。优选地但不必然地，根据图6的平面图，排放通路的横截面具有圆形形状。
图1、图3A、图3B和图7中示出根据本公开的在冷却情况下的活塞10的代表性实施例。按照这些附图，冠部14的外围表面形成有第一组环形槽64。第二组环形槽66形成于侧壁18的一部分中靠近裙状件的开口端22。在该实施例中，侧壁18形成有通过插入侧壁凹口70而彼此分开的相对的侧壁部分68。例如，存在两个相对的侧壁部段68和两个相对的凹口70。凹口70使活塞的质量以及由活塞设置其中的汽缸的孔感受到的侧壁的接触面积最小化。侧壁部分68从冠部14延伸到裙状件的开口端22。相对于纵向轴线12，侧壁的部分68具有与冠部14和侧壁的圆周部分相同的半径，第二组环形槽66位于侧壁的圆周部分中。凹口70在第一环形槽64和第二环形槽66之间的侧壁18中纵向延伸。如在图6中最佳示出，在活塞销孔24的相对侧上存在入口通路38。每个入口通路38被定位成与相应的侧壁部分68相邻(或邻接该侧壁部分)，其中入口通路38在每侧上侧接两个排放通路42中的相应的一个排放通路。
按照图5和图6，入口通路和排放通路可通过铸造、锻造和/或机加工裙状部件与内壁23整体形成。可替换地，按照图8，入口通路38可单独构造并且然后压入、烧结或焊接到内壁23中的适当位置中。在一些应用中有利地是，延伸入口通路的入口开口72超过排放通路的出口开口74，使得液体冷却剂的每个射流52在比排放通路的出口开口74更靠近裙状件的开口端22的点处进入入口通路38，从而延伸入口通路的屏蔽效果超过冷却廊道32。
图4和图7示出冷却活塞10的方法，该活塞具有：带有端表面20的冠部14，端表面20被成形为与对置活塞发动机中的相对的活塞的端表面一起限定燃烧室；接合到冠部的裙状部件16，以及活塞中的被限定在冠部和裙状部件之间的环形冷却廊道32。该方法包括从环形冷却廊道32中的第一水平46中提供对准冠部的下表面36的凸形部分58的液体冷却剂的至少一个射流52，并且从环形廊道32中的第二水平47排出液体冷却剂，相比第一水平，第二水平离下表面36更远。在一些方面，从第二水平排出液体冷却剂包括在入口通路38的相应侧处排出液体冷却剂，射流通过入口通路行进到环形廊道32中。在另外的方面，该方法包括在环形廊道32的相对侧中提供液体冷却剂的相应的射流。
可替换地观察，图4和图7示出冷却活塞的另一方法，活塞具有冠部、接合到冠部的裙状部件以及在活塞中的被限定在冠部和裙状部件之间的环形冷却廊道，所述冠部带有被成形为与对置活塞发动机中的相对的活塞的端表面一起限定燃烧室的端表面。该方法包括从环形冷却廊道中的出口40提供对准冠部的下表面36的液体冷却剂的至少一个射流52，并且使液体冷却剂的射流52避开在环形廊道中循环的液体冷却剂。
虽然根据本公开的活塞冷却已参考具体实例和实施例进行了描述，但是应当理解，在不偏离下面原理的精神的情况下能够作出各种修改。因此本文依据的发明的范围由随附的权利要求书唯一限定。

Claims (20)

1.一种用于对置活塞发动机的活塞(10)，其包括：
带有端表面(20)的冠部(14)，所述端表面被成形为与对置活塞发动机中的相对的活塞的端表面一起限定燃烧室；
裙状部件(16)，其包括从所述冠部延伸到所述裙状部件的开口端(22)的活塞侧壁(18)；
在所述活塞内的环形冷却廊道(32)；
在所述活塞内的至少一个冷却剂入口通路(38)，其包括在所述环形冷却廊道中的出口开口(40)；以及
在所述活塞内的至少一个冷却剂排放通路(42)，其与所述冷却剂射流通路分开并且包括所述环形冷却剂廊道中的排放开口(44)；其特征在于：
所述出口开口(40)比所述排放开口(44)更靠近所述冠部(14)的下表面(36)。
2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述冷却剂入口通路和排放通路延伸通过所述裙状部件的内壁(23)。
3.根据权利要求2所述的活塞，其中所述环形廊道被限定在所述内壁(23)的第一侧的外围部段(34)和所述下表面的外围部分之间。
4.根据权利要求3所述的活塞，其中与所述第一侧相对的所述内壁(23)的第二侧包括活塞销孔(24)的至少一部分。
5.根据权利要求3所述的活塞，其中所述入口通路的横截面具有拉伸的圆的椭圆形形状，并且所述排放通路的横截面具有圆的形状。
6.根据权利要求1所述的活塞，其中所述出口开口被定位成与所述下表面的凸形部分(58)对准。
7.根据权利要求1所述的活塞，其中所述至少一个冷却剂排放通路包括带有相应的排放开口的两个冷却剂排放通路，所述排放开口在任一侧上位于所述入口通路的侧面。
8.根据权利要求1所述的活塞，其中所述冷却剂出口开口定位在参考平面(46)中，所述参考平面将所述冷却廊道分为第一部分和第二部分并且正交于所述纵向轴线，并且所述排放开口在所述开口端的方向上定位在自所述参考平面的距离(D)处。
9.根据权利要求1所述的活塞，其中活塞具有纵向轴线(12)并且还包括：
所述冠部中的第一环形槽(64)；
第二环形槽(66)，其在所述裙状部件中并且沿着所述纵向轴线与所述第一环形槽间隔开；
所述活塞侧壁的相对的裙部(68)，其从所述第一环形槽延伸到所述第二环形槽并且通过插入沿着所述纵向轴线在所述第一环形槽和所述第二环形槽之间延伸的侧壁凹口(70)彼此分开；
第一和第二相对的冷却剂入口通路(38)，其每个包括通向所述环形冷却廊道中的出口开口(40)；以及
位于每个入口通路(38)的相应侧的侧面的冷却剂排放通路(42)，每个冷却剂排放通路包括所述环形冷却廊道中的排放开口(44)；
每个出口开口(40)被定位在自所述冠部的下表面(36)的第一距离(D1)处，每个排放开口(42)被定位在自所述冠部的所述下表面的第二距离(D2)处，且所述第二距离大于所述第一距离。
10.根据权利要求9所述的活塞，其中所述冷却剂入口通路和排放通路延伸通过所述裙状部件的内壁(23)。
11.根据权利要求10所述的活塞，其中所述环形廊道被限定在所述内壁的第一侧的外围部段(34)和所述下表面的外围部分之间。
12.根据权利要求11所述的活塞，其中与所述第一侧相对的所述内壁的第二侧包括活塞销孔(24)的至少一部分。
13.根据权利要求11所述的活塞，其中每个冷却剂入口通路的横截面具有拉伸的圆的椭圆形形状，并且每个排放通路的横截面具有圆的形状。
14.根据权利要求9所述的活塞，其中每个入口通路延伸通过所述内壁，并且包括所述冷却廊道中的烟道(60)，所述烟道(60)在所述冠部下表面的方向上延伸。
15.根据权利要求14所述的活塞，其中每个排放通路被定位在所述内壁中的相应的碗状件(62)中。
16.根据权利要求9所述的活塞冠部，其中每个冷却剂入口通路与相应的侧壁部分相邻。
17.一种冷却权利要求1所述的活塞的方法，其包括：
从所述环形冷却廊道中的第一水平(46)中提供对准所述冠部的下表面(36)的液体冷却剂的至少一个射流(52)；以及
从所述环形冷却廊道中的第二水平(47)中排出所述液体冷却剂，相比所述第一水平，所述第二水平离所述下表面更远。
18.根据权利要求17所述的方法，其中从所述第二水平中排出所述液体冷却剂包括在所述射流的相应侧处排出所述液体冷却剂。
19.根据权利要求18所述的方法，其中提供液体冷却剂的至少一个射流包括在所述环形廊道的相对侧中提供液体冷却剂的相应的射流。
20.一种冷却根据权利要求1所述的活塞的方法，其包括：
从所述环形冷却廊道中的出口中提供对准所述冠部的下表面(36)的液体冷却剂的至少一个射流(52)；以及
使液体冷却剂的所述射流避开所述环形廊道中的液体冷却剂。
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