CN107269417A - 具有可变深度凹槽根部的活塞 - Google Patents

Abstract

用于内燃机的活塞包括圆柱形活塞主体，其限定纵向轴线A且具有顶端和外圆柱形表面。第一活塞环凹槽形成在外圆柱形表面中且包括凹槽根部、上表面和下表面。凹槽根部具有围绕圆柱形活塞主体圆周的可变深度d。

Description

具有可变深度凹槽根部的活塞

技术领域

本发明总体涉及一种用于内燃机的活塞，且更具体地涉及一种具有用于使活塞环与变形衬套相匹配的可变深度凹槽根部的活塞。

背景技术

活塞、环和衬套的组合密封在燃烧气体中，并从其中提取能量。衬套与活塞环之间的密封使用油来润滑。活塞环的一个主要功能便是将衬套表面上的润滑油向下刮铲并防止其在燃烧室中燃烧。环的密封以及刮铲功能由于在环和活塞凹槽之间作用在环背面的燃烧气体压力而得以实现。作用在环背面的气压的量取决于环和活塞之间空间的几何形状。衬套由于其上的热负荷发生了变形。该变形形成了非圆形状，环必须与该形状相匹配才能实现其功能。

授予Cha等人的美国专利第8,353,267号涉及一种具有活塞环稳定性能的活塞。活塞包括上部环、中部环和油环。环形凹槽形成在上部环和中部环之间，其中活塞和内气缸壁之间的间隙从环形凹槽延伸通过油环。凹槽和间隙允许混合气体和油从其中流过，用于稳定上部环和中部环的性能。

一直都需要提供具有改进性能、效率或寿命的改进的内燃机部件。本发明涉及这样的努力。

发明内容

在一个方面中，用于内燃机的活塞包括圆柱形活塞主体，其限定纵向轴线且具有顶端和外圆柱形表面。第一活塞环凹槽形成在外圆柱形表面中且包括凹槽根部、上表面和下表面。凹槽根部具有围绕圆柱形活塞主体圆周的可变深度。

在另一个方面中，用于内燃机的活塞组件包括活塞，其具有圆柱形活塞主体且具有顶端和外圆柱形表面。第一活塞环凹槽形成在外圆柱形表面中且包括凹槽根部、上表面和下表面。活塞组件还包括活塞环，其至少部分地容纳在第一活塞环凹槽内，以及气缸衬套，其容纳活塞且具有内表面。凹槽根部具有围绕圆柱形活塞主体圆周的可变深度。

在又一个方面中，提供了用于内燃机的活塞的制造方法。活塞包括圆柱形活塞主体且具有顶端和外圆柱形表面。方法包括第一步骤：确定沿气缸衬套内表面的经识别的衬套与活塞环不匹配的区域。方法还包括第二步骤：在外圆柱形表面中形成具有可变深度凹槽根部的第一活塞环凹槽，凹槽根部深度在与经识别的衬套与活塞环不匹配的区域相对应的区域处围绕圆柱形活塞主体的圆周变化。

附图说明

图1是根据本发明示例性实施例容纳在衬套内且包括活塞环凹槽的活塞的局部剖面侧视图；

图2是包括图1的活塞与衬套以及定位在活塞环凹槽内的活塞环的活塞组件的示意性侧视图；以及

图3是根据本发明的另一方面沿图2的线3-3截取的剖面图。

具体实施方式

虽然并未示出或描述内燃机，但内燃机的大体工作对于本领域技术人员而言是众所周知的。本发明适用于内燃机且正是在这种情况下进行描述的。但是，本文所公开的概念可具有更广泛的适用性，和/或可能相较于其它概念更适用于特定发动机。

根据图1中的一个实施例示出了根据本发明的用于内燃机的活塞10。应当理解，活塞具有各种不同的形状、尺寸和配置，这取决于特定应用。虽然示出了特定示例，但其并非旨在以任何方式限制本发明的范围。如上所述，本发明的概念可具有广泛适用性，包括适用于各种类型的发动机以及各种类型的活塞。

图1中所示的活塞10大体上包括实心圆柱形活塞主体12，其限定纵向轴线A或沿纵向轴线A定向。圆柱形活塞主体12具有顶端14和外圆柱形表面16。活塞10的形状和材料可以改变。根据某些实施例，活塞10可由铸铁、铸钢、锻钢、压铸铝合金和/或锻造铝合金制成。材料可根据活塞10的期望性能以及制造简便性进行选择。

活塞10配置成在内燃机的气缸(未示出)内沿轴线A移动。气缸可设置有衬套18或套筒，其直接容纳活塞10。衬套18可保护气缸且通常装配至发动机缸体中以形成气缸。衬套18用作气缸的内壁且为一个或多个活塞环(未示出)限定内滑动表面20。活塞环(其将参照图2进行讨论)可容纳在活塞10的开口或凹槽内。

活塞10可包括形成在外圆柱形表面16中的第一活塞环凹槽22。第一活塞环凹槽22大体上可包括凹槽根部24、上表面26和下表面28。根据示例性实施例，上表面26和下表面28基本平行。凹槽根部24(其将在下文更详细地进行讨论)可与纵向轴线A基本平行。虽然示出了凹槽的特定形状、数量和配置，但应当理解，本文所述的教导可应用于具有不同活塞环凹槽配置的各种不同活塞。

如所示，活塞10可包括第二活塞环凹槽30，其形成在圆柱形活塞主体12的外圆柱形表面16中。第二活塞环凹槽30可相对于纵向轴线A在第一活塞环凹槽22下方间隔开。具体地，相较于第二活塞环凹槽30，第一活塞环凹槽22可定位成更靠近顶端14。第二活塞环凹槽30还可包括凹槽根部32、上表面34和下表面36。

根据示例性实施例，活塞10还可包括第三活塞环凹槽38。第三活塞环凹槽38可类似于第一活塞环凹槽22和第二活塞环凹槽30二者，包括凹槽根部40、上表面42和下表面44。第三活塞环凹槽38可定位在第一活塞环凹槽22和第二活塞环凹槽30下方，其中第二活塞环凹槽30相对于纵向轴线A定位在第一活塞环凹槽22和第三活塞环凹槽38之间。

现在参照图2，根据本发明的活塞组件大体上以60示出。活塞组件60可包括图1的活塞10和衬套18，以及第一活塞环62、第二活塞环64和第三活塞环66。即，第一活塞环62可至少部分地容纳在第一活塞环凹槽22内，而第二活塞环64可容纳在第二活塞环凹槽30内，且第三活塞环66可容纳在第三活塞环凹槽38内。虽然示出了三个活塞环62、64、66以及三个活塞环凹槽22、30、38，但应当理解，活塞10可包括环和凹槽的可选数量和/或布置。

虽然活塞环62、64和66中的每一个示出且描述为是类似的，但应当理解，活塞环62、64和66可能是不同的，这取决于特定应用。根据某些实施例，活塞环62、64和66可基本为圆柱形；但是，也设想到了可选的形状。活塞环62、64和66可以是连续或非连续的(例如，开口环)。

活塞环62、64和66可用来密封空腔68，该空腔形成在活塞10和气缸之间，如由衬套18和气缸盖70所限定。应当理解，活塞10、衬套18与活塞环62、64和66之间的间隙应使得空腔68被充分密封且允许活塞18以最小摩擦力相对于衬套18移动。活塞环62、64和66有助于密封空腔68的这一重要功能，并且控制对衬套18的油供应，其润滑活塞组件部件。

现在参照图3，示出了沿图2的线3-3截取的视图。第一活塞环62、凹槽根部24和衬套18包括在该示意图中。根据本发明，凹槽根部24具有围绕圆柱形活塞主体(图1和图2中的12)的圆周的可变深度。凹槽根部24的深度d在图2中大体示出，且表示凹槽根部24相对于活塞10的外圆柱形表面16的深度d。如在图3的放大视图中所示，凹槽根部24的深度d可能围绕活塞10的圆周不一致。

由于内燃机且因此活塞10的操作，衬套18和第一活塞环62可出现高度不匹配的区域，即，经识别的衬套与活塞环不匹配区域，其大体上由80标示。这种不匹配(其可导致活塞组件60较差的操作或性能)可起因于多个不同状况，包括衬套变形、活塞环刚度以及活塞环62上的气流/气压。例如，如图3所示，经识别的衬套与活塞环不匹配区域80可对应于衬套变形区域82，例如，其中衬套18的内表面20向外或远离活塞10变形的区域。

根据本发明的一个方面，凹槽根部24的深度d可在围绕圆周、与经识别的衬套与活塞环不匹配区域80相对应的区域处较深。如所示，凹槽根部24在经识别的衬套与活塞环不匹配区域80处增加的深度可描述为凹槽根部24向内或进一步远离活塞环62移动。围绕圆柱形活塞主体12圆周的凹槽根部24的较深深度d的这些区域相对于凹槽根部24的余下区域在活塞环62与凹槽根部24之间限定大体上以84示出的较高气流区域。

典型的气流f在图2中示出。空腔68内的燃烧气体在衬套18和活塞10之间通过。当气流f从活塞环62、64和66后面通过时，活塞环62、64和66被向外且朝着衬套18的内表面20推动。如由本发明所教导，在较高气流区域84(图3)处，活塞环62可在经识别的衬套与活塞环不匹配区域80处更多地被推动，该经识别的衬套与活塞环不匹配区域80可包括衬套变形区域82。结果，活塞环62可以在这些区域80处更多地被推动进入变形衬套18中(即，径向向外地)，并因此可以提供衬套18上的更好的密封和刮油。

虽然可变深度凹槽根部24仅相对于第一活塞环62进行了讨论，但应当理解，额外的活塞环，诸如活塞环64和66也可定位在具有可变深度凹槽根部的对应凹槽内。应当理解，每个可变深度凹槽根部24(包括各种深度和形状)必须结合活塞环几何形状、衬套变形和表面光洁度进行优化。

为了制造本文所公开的活塞10，沿气缸衬套18内表面20的衬套与活塞环不匹配区域80需要进行识别或确定。例如，不匹配可使用已知模拟技术进行识别，这可包括使用各种测试结果来识别基线。衬套变形区域82可使用本领域中已知的有限元分析建模进行识别。衬套变形可以发生，一部分是由于制造和/或组装，且一部分是由于操作条件。发生在圆周周围的变形可能是由于圆周周围变化的冷却与不一致的结构刚度。

一旦确定了经识别的衬套与活塞环不匹配区域80，第一活塞环凹槽22形成在外圆柱形表面16中，以具有可变深度凹槽根部24。可变深度凹槽根部24可加工成围绕活塞10的圆周具有可变深度，或者可使用任何其它已知方法形成。如上所述，可变深度凹槽根部24围绕圆柱形活塞主体12的圆周在与经识别的衬套与活塞环不匹配区域80和/或衬套变形区域82相对应的区域处变化。

不匹配区域已被识别为始终位于类似位置中。但是，这种不匹配的幅度可根据各种因素而改变。导致不匹配的衬套变形可出现在发动机的最初几个循环中且可保持相对恒定以实现稳态操作。

工业实用性

本发明适用于内燃机的活塞。本发明进一步适用于具有气缸和气缸衬套的内燃机，且更具体地适用于还具有活塞环与衬套之间不匹配问题的发动机。如上所述，大多数发动机可能易于出现这些问题。

大体上参照图1至图3，活塞组件60大体上包括活塞10、衬套18和一个或多个活塞环62、64、66。活塞环62、64、66有助于密封由活塞10、衬套18和气缸盖70限定的腔室或空腔68，且还有助于将润滑油从衬套18的内表面20上刮铲下来。由于正常操作和/或其它状况所引起的不匹配区域80，活塞组件60的性能可能受到损害。

为了改善由活塞环62、64、66实现的密封和刮铲，活塞环中的一个或多个可容纳在具有可变深度凹槽根部24的活塞环凹槽22内。根据本发明，凹槽根部24的深度d可在围绕圆周、与经识别的衬套与活塞环不匹配区域80相对应的区域处较深，该经识别的衬套与活塞环不匹配区域80可包括衬套变形区域82。

围绕圆柱形活塞主体12圆周的凹槽根部24的较深深度d的这些区域相对于凹槽根部24的余下区域在活塞环62与凹槽根部24之间限定大体上以84示出的较高气流区域。如由本发明所教导，在较高气流区域84(图3)处，活塞环62可在经识别的衬套与活塞环不匹配区域80处更多地被推动，该经识别的衬套与活塞环不匹配区域80可包括衬套变形区域82。结果，活塞环62可以在这些区域80处更多地被推动进入变形衬套18中(即，径向向外地)，并因此可以提供衬套18上的更好的密封和刮油。

应当理解，上述描述仅仅用于说明的目的，并非旨在以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将理解，本发明的其它方面可通过对附图、说明书和所附权利要求书的研究来获得。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的活塞，包括：

圆柱形活塞主体，其限定纵向轴线A且具有顶端和外圆柱形表面；以及

第一活塞环凹槽，其形成在所述外圆柱形表面中，其中，所述第一活塞环凹槽包括凹槽根部、上表面和下表面；

其中，所述凹槽根部具有围绕所述圆柱形活塞主体圆周的可变深度d。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述凹槽根部的深度d在围绕所述圆周、与经识别的衬套与活塞环不匹配区域相对应的区域处较大。

3.根据权利要求2所述的活塞，其中，所述经识别的衬套与活塞环不匹配区域与衬套变形区域相对应。

4.根据权利要求2所述的活塞，其进一步包括第二活塞环凹槽，所述第二活塞环凹槽形成在所述外圆柱形表面中且沿所述纵向轴线A与所述第一活塞环凹槽间隔开。

5.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述上表面和所述下表面基本平行。

6.一种用于内燃机的活塞组件，包括：

活塞，其具有圆柱形活塞主体且具有顶端和外圆柱形表面、第一活塞环凹槽，其形成在所述外圆柱形表面中，其中，所述第一活塞环凹槽包括凹槽根部、上表面和下表面；

活塞环，其至少部分地容纳在所述第一活塞环凹槽内；以及

气缸衬套，其容纳所述活塞且具有内表面；

其中，所述凹槽根部具有围绕所述圆柱形活塞主体圆周的可变深度d。

7.根据权利要求6所述的活塞组件，其中，所述气缸衬套的所述内表面具有经识别的衬套与活塞环不匹配区域；且其中，所述凹槽根部的深度d在围绕所述圆周、与所述经识别的衬套与活塞环不匹配区域相对应的区域处较大。

8.根据权利要求7所述的活塞组件，其中，所述经识别的衬套与活塞环不匹配区域与衬套变形区域相对应。

9.根据权利要求7所述的活塞组件，其中，所述上表面和所述下表面基本平行。

10.根据权利要求6所述的活塞组件，其中，围绕所述圆柱形活塞主体圆周的所述凹槽根部的较大深度d的区域相对于所述凹槽根部的余下区域在所述活塞环与所述凹槽根部之间限定较高气流区域。