CN108350827A - 发动机的活塞结构 - Google Patents
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Abstract
发动机的活塞结构具有:外形周缘部(6),其沿活塞(1)的外形形状而形成,并具有预设好的设定厚度;一对活塞销支承部(7),其呈近似圆筒状且具有规定厚度的周壁(7b);以及连结部(8),其将一对活塞销支承部(7)分别连结到外形周缘部(6)上。外形周缘部(6)和活塞销支承部(7)的周壁(7b)是实心的,连结部(8)是多孔结构,外形周缘部(6)、活塞销支承部(7)和连结部(8)由金属部件互相形成为一体。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机的活塞结构。
背景技术
迄今,已知可通过提高发动机燃烧室的绝热性来降低冷却损失,从而提高发动机热效率。例如在专利文献1中,为了将燃烧室绝热,将热性能达到一定水平的多孔绝热材料应用于发动机的顶部。
专利文献1:日本公开专利公报特开2013-164028号公报
发明内容
-发明要解决的技术问题-
当要将发动机的热效率提高到非常高的水平时,需要提高燃烧压力相对于曲轴转角的变化而上升的比例(以下称为燃烧压力上升速率)或提高燃烧压力的最大值。
但如果像这样提高燃烧压力上升速率或燃烧压力的最大值,发动机的振动和噪音等NVH(噪声、振动与声振粗糙度:Noise Vibration Harshness)问题就变得显著。
本发明正是鉴于上述问题而完成的,其目的在于,提供一种发动机的活塞结构,即使提高发动机的燃烧压力上升速率或燃烧压力的最大值,也能够抑制NVH。
-用以解决技术问题的技术方案-
为了达到上述目的,本发明以一种发动机的活塞结构为对象,采用下述构成。上述发动机的活塞结构具有:外形周缘部,其沿活塞的外形形状而形成,并具有预设好的设定厚度;一对活塞销支承部,其呈近似圆筒状且具有规定厚度的周壁,一对上述活塞销支承部支承活塞销,该活塞销的两端部分别插在由一对该活塞销支承部的该周壁围成的插孔中;以及连结部,其将上述一对活塞销支承部分别连结到上述外形周缘部上。上述外形周缘部和上述活塞销支承部的周壁是实心的,上述连结部是内部形成有空心部的多孔结构,上述外形周缘部、上述活塞销支承部和上述连结部由金属部件互相形成为一体。
根据上述构成,通过使连结部为多孔结构,既能够使活塞轻量化,又能够利用连结部的空心部吸收活塞工作时的振动和噪音。通过使外形周缘部和一对活塞销支承部的周壁的厚度能够保证做到维持活塞形状、支承活塞销并尽可能使活塞轻量化,就能够在维持活塞所需要的功能的同时尽可能地使活塞轻量化。而且,通过使活塞轻量化,共振频率就会变高,难以产生共振引起的振动和噪音。因此,即使提高发动机的燃烧压力上升速率或燃烧压力的最大值,也能够抑制发动机的NVH。
优选地,在上述发动机的活塞结构中,上述连结部具有空心蜂窝结构部,该空心蜂窝结构部形成为空心蜂窝结构。
由此,在连结部为多孔结构的情况下,也能够提高连结部的强度和刚性,从而能够提高各活塞销支承部对外形周缘部的支承刚性,最终能够保证活塞整体的刚性。
优选地,如上述,在连结部具有空心蜂窝结构部的情况下,将各上述活塞销支承部连结到上述外形周缘部上的各连结部包括多个放射状延伸部,多个该放射状延伸部从各该活塞销支承部的周壁向上述外形周缘部呈放射状延伸,多个上述放射状延伸部中的至少一部分放射状延伸部具有上述空心蜂窝结构部,上述放射状延伸部的上述空心蜂窝结构部以作为上述空心部的蜂窝孔沿该放射状延伸部的延伸方向延伸的方式布置。
由此,能够进一步提高设有空心蜂窝结构部的放射状延伸部的强度和刚性,从而能够进一步提高各活塞销支承部对外形周缘部的支承刚性。并且,在提高放射状延伸部的强度和刚性的同时,还能够实现放射状延伸部的轻量化,进而实现活塞的轻量化。
优选地,在上述发动机的活塞结构中,在一对上述活塞销支承部和连结部的下侧设有吸音结构部,该吸音结构部形成为下述结构,在该结构中,空心部设为体心立方晶格状或面心立方晶格状。
由此,在使活塞轻量化的同时,能够进一步减少活塞工作时的噪音。
-发明的效果-
如上述说明,根据本发明的发动机的活塞结构,外形周缘部和一对活塞销支承部的周壁是实心的,将一对该活塞销支承部分别连结到上述外形周缘部上的连结部是内部形成有空心部的多孔结构,上述外形周缘部、上述活塞销支承部和上述连结部由金属部件互相形成为一体,由此,能够在维持活塞所需要的功能的同时尽可能地使活塞轻量化,其结果是,即使提高发动机的燃烧压力上升速率或燃烧压力的最大值,也能够抑制发动机的NVH。
附图说明
图1是立体图,示出发动机的活塞,该活塞上应用了示例性的第一实施方式所涉及的活塞结构。
图2是从与图1不同的方向观察到的上述活塞的立体图。
图3是从与图1和图2不同的方向观察到的上述活塞的立体图。
图4是从下侧观察到的上述活塞的仰视图。
图5是图1的V-V线剖视图。
图6是图1的VI-VI线剖视图。
图7是图1的VII-VII线剖视图。
图8是图1的VIII-VIII线剖视图。
图9是图1的IX-IX线剖视图。
图10是立体图,示出蜂窝结构部的结构。
图11是相当于图5的图,示出发动机的活塞,该活塞上应用了示例性的第二实施方式所涉及的活塞结构。
图12是第二实施方式的相当于图6的图。
图13是第二实施方式的相当于图7的图。
图14是第二实施方式的相当于图8的图。
图15是第二实施方式的相当于图9的图。
图16是立体图,示出吸音结构部的晶格结构,在该吸音结构部的晶格结构中,空心部设为体心立方晶格状。
图17是立体图,示出吸音结构部的晶格结构,在该吸音结构部的晶格结构中,空心部设为面心立方晶格状。
具体实施方式
下面,参照附图详细地说明示例性的实施方式。
(第一实施方式)
图1~图9示出发动机的活塞1,在该活塞1上应用了示例性的第一实施方式所涉及的活塞结构。该活塞1通过反复进行气缸循环(进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程(膨胀冲程)和排气冲程),而在未图示的气缸内,沿气缸轴心方向(与活塞1的中心轴方向(图5~图9的上下方向)一致)做往复运动。
活塞1的上部由可相对于上述气缸的内周壁面滑动的圆筒状部2和封住该圆筒状部2的上侧开口的顶部3形成。顶部3的除去外周部以外的部分与燃烧室的屋脊形状对应而向上侧突出,在顶部3的中央部形成有空腔3a。在圆筒状部2的外周面上,分别绕整周形成有供未图示的活塞环嵌入的多个(在本实施方式中为三个)凹槽部2a。
在活塞1的下部(圆筒状部2的下侧),两个裙部4沿活塞径向且与后述的各活塞销支承部7的中心轴(与后述的活塞销的中心轴大致一致)垂直的方向相对而设。
上述圆筒状部2、顶部3和裙部4沿活塞1的外形形状而形成,并且构成具有预设好的设定厚度的外形周缘部6。该外形周缘部6是实心的。
在两个裙部4之间设有一对活塞销支承部7,一对活塞销支承部7呈近似圆筒状且具有规定厚度的周壁7b。一对活塞销支承部7的周壁7b围成截面近似圆形的插孔7a,插孔7a分别供活塞销(未图示)的两端部插入(嵌合)。一对活塞销支承部7从该活塞销的两端部支承上述活塞销。一对活塞销支承部7沿同轴布置,二者的中心轴一致。一对活塞销支承部7沿各活塞销支承部7的中心轴方向彼此错开规定间隔布置。各活塞销支承部7的周壁7b(各活塞销支承部7的外周面与内周面之间的部分)与外形周缘部6一样是实心的。
使外形周缘部6的厚度(上述设定厚度)和各活塞销支承部7的周壁7b的厚度(上述规定厚度)能够保证做到维持活塞1的形状、支承上述活塞销并尽可能使活塞1轻量化。外形周缘部6的厚度和各活塞销支承部7的周壁7b的厚度不必是均一厚度,外形周缘部6和/或至少一个活塞销支承部7的周壁7b可以一部分较薄或者一部分较厚。
众所周知,上述活塞销的长度方向中央部(相当于一对活塞销支承部7之间的部分)与未图示的连杆的一端部即小端部相连。该连杆的另一端部即大端部与未图示的曲轴相连。活塞1的往复运动经由上述连杆传递给上述曲轴而使该曲轴旋转。上述活塞销的中心轴方向(也就是各活塞销支承部7的中心轴方向)与上述曲轴的轴向一致。
在活塞1上还设有连结部8,连结部8将一对活塞销支承部7(周壁7b)分别连结到上述外形周缘部6上。上述连结部8不是实心的,而是内部形成有空心部的多孔结构。在本实施方式中,各连结部8具有如图10所示的形成为空心蜂窝结构的空心蜂窝结构部,在该空心蜂窝结构部中,蜂窝孔10即为上述空心部。该蜂窝孔10的内切圆的直径D(蜂窝孔10的周缘即正六角形的两条对边之间的距离)优选为1mm以上3mm以下。优选地,彼此相邻的两个蜂窝孔10的间距t在0.2mm以上0.5mm以下。
将各活塞销支承部7连结到外形周缘部6上的各连结部8包括多个放射状延伸部8a,多个放射状延伸部8a从各该活塞销支承部7的周壁7b向外形周缘部6呈放射状延伸(尤其是参照从各活塞销支承部7的中心轴方向观察到的图5~图7)。在本实施方式中,这些放射状延伸部8a的靠活塞销支承部7侧的部分彼此结合起来。所有的放射状延伸部8a都具有上述空心蜂窝结构部。各放射状延伸部8a的空心蜂窝结构部布置为:蜂窝孔10沿该放射状延伸部8a的延伸方向延伸。各放射状延伸部8a的空心蜂窝结构部形成在该放射状延伸部8a的整个延伸方向上。从既能够提高放射状延伸部8a的强度和刚性又能够实现轻量化的角度来讲,空心蜂窝结构部是很优秀的结构。
在本实施方式中,设有补强部15,补强部15将各连结部8的一部分放射状延伸部8a的靠活塞销支承部7侧的部分与裙部4的下端部连结起来。即,出于与上述曲轴的旋转方向之间的关系,使一对活塞销支承部7的位置在从各该活塞销支承部7的中心轴方向观察时,相对于活塞1的中心轴略偏向左侧或右侧(图6中为左侧),因此,设有补强部15,以便对各连结部8上的下述放射状延伸部8a进行补强。其中,上述放射状延伸部8a是靠近于活塞销支承部7上离裙部4较远的一侧(图6中为右侧)的放射状延伸部8a。与放射状延伸部8a同样,补强部15也具有空心蜂窝结构部,其中的蜂窝孔10沿补强部15的延伸方向延伸。需要说明的是,补强部15不是绝对必要的。
外形周缘部6、活塞销支承部7、连结部8和补强部15(活塞1的所有部分)由金属部件(在本实施方式中为铝合金)互相形成为一体。需要说明的是,当没有补强部15时,外形周缘部6、活塞销支承部7和连结部8由金属部件互相形成为一体。
要制造上述活塞1,需使用金属增材制造(layer manufacturing)机(金属3D打印机)。即,活塞1通过三维增材制造法形成。具体而言,例如从活塞1的顶部3侧一层一层地依次形成层状部分,将这些层层叠起来。在上述各层中,均匀地铺上粒径例如在20μm以上125μm以下的金属粉末,并用激光扫描铺好的金属粉末(除了相当于蜂窝孔10的部分)使其烧结。此时,因为没有用激光照射相当于蜂窝孔10的部分,所以金属粉末就残留下来。最终从另设的孔中取出该残留的金属粉末来将其除去。这样就制成了活塞1,其由外形周缘部6、活塞销支承部7、连结部8和补强部15互相形成为一体而构成。
因此,在本实施方式中,因为外形周缘部6和活塞销支承部7的周壁7b是实心的,连结部8是内部形成有空心部(蜂窝孔10)的多孔结构,外形周缘部6、活塞销支承部7和连结部8(以及补强部15)由金属部件互相形成为一体,所以既能够使活塞1轻量化,又能够利用蜂窝孔10来吸收活塞1工作时的振动和噪音。通过使外形周缘部6的厚度和活塞销支承部7的周壁7b的厚度能够保证做到维持活塞1的形状、支承上述活塞销并尽可能使活塞1轻量化,就能够在维持活塞1所需要的功能的同时尽可能地使活塞1轻量化。而且,通过使活塞1轻量化,共振频率就会变高,难以产生共振引起的振动和噪音。因此,即使提高发动机的燃烧压力上升速率或燃烧压力的最大值,也能够抑制发动机的NVH。
在本实施方式中,连结部8具有空心蜂窝结构部,该空心蜂窝结构部设为:在连结部8的各放射状延伸部8a整体中,蜂窝孔10沿该放射状延伸部8a的延伸方向延伸。因此能够提高各放射状延伸部8a的强度和刚性,从而提高各活塞销支承部7对外形周缘部6的支承刚性。并且,在提高各放射状延伸部8a的强度和刚性的同时,还能够实现各放射状延伸部8a的轻量化,进而实现活塞1的轻量化。
(第二实施方式)
图11~图15示出示例性的第二实施方式(给与图5~图9相同的部分标注相同的符号,并省略其详细说明),第二实施方式在第一实施方式的基础上,增加了吸音结构部(后述的下部吸音结构部20和上部吸音结构部25),其他构成与上述第一实施方式相同。
即,在本实施方式中,在一对活塞销支承部7和连结部8的下侧,设有下部吸音结构部20。如图16所示,该下部吸音结构部20形成为下述结构,在该结构中,球状的空心部21设为体心立方晶格状。单位晶格为立方体,其一边的长度A优选在1.5mm以上4mm以下,空心部21的半径r与上述A的值对应,优选在0.5mm以上2mm以下。
下部吸音结构部20设在除了下述空间以外的且一对活塞销支承部7和连结部8的下侧的几乎整个空间中。该空间为,在一对活塞销支承部7之间通过且沿与各活塞销支承部7的中心轴垂直的方向延伸的空间(包括上述连杆的小端部所处的空间)。
需要说明的是,如图17所示,还可以使下部吸音结构部20形成为下述结构,在该结构中,球状的空心部21设为体心立方晶格状。在此情况下,单位晶格的一边的长度A和空心部21的半径r与上述体心立方晶格状的情况中相同即可。
在本实施方式中,在一对活塞销支承部7之间通过且沿与各活塞销支承部7的中心轴垂直的方向延伸的空间的上部(不会与上述连杆的小端部互相干扰的部分),设有上部吸音结构部25(参照图14和图15)。该上部吸音结构部25与下述部分和顶部3的内表面(下表面)固定成一体。其中,该部分是在圆筒状部2的内周面上沿与各活塞销支承部7的中心轴垂直的方向彼此相对的部分。与下部吸音结构部20同样,上部吸音结构部25也形成为下述结构,在该结构中,空心部设为体心立方晶格状(或面心立方晶格状)。需要说明的是,上部吸音结构部25不是绝对必要的,也可以没有上部吸音结构部25。
下部吸音结构部20和上部吸音结构部25与外形周缘部6、活塞销支承部7、连结部8、补强部15一起由金属部件(铝合金)互相形成为一体。与上述第一实施方式同样,在本实施方式中,也能够使用金属增材制造机(金属3D打印机)来制造活塞1。
因此,在本实施方式中,下部吸音结构部20形成为下述结构,在该结构中,空心部21形成为体心立方晶格状,利用下部吸音结构部20的该空心部21,在使活塞1轻量化的同时,能够进一步吸收活塞1工作时的噪音。
本发明并不限于上述实施方式,在不脱离权利要求范围主旨的范围内可以采取各种替代方式。
例如,在上述实施方式中,连结部8(所有的放射状延伸部8a)具有空心蜂窝结构部,但也可以具有例如下述结构部来代替空心蜂窝结构部,该结构部形成为将空心部设为体心立方晶格状或面心立方晶格状的结构,或者,该结构部中空心部是随机布置的。或者,所有的放射状延伸部8a还可以具有空心蜂窝结构部和其他的结构部(例如,该其他的结构部形成为将空心部设为体心立方晶格状或面心立方晶格状的结构,或者,该其他的结构部中空心部是随机布置的)。此外,不是所有的放射状延伸部8a都需要具有空心蜂窝结构部,也可以是仅一部分放射状延伸部8a具有空心蜂窝结构部,其他的放射状延伸部8a具有其他的结构部。
上述实施方式仅为示例,不得对本发明的范围做限定性解释。本发明的保护范围由权利要求的范围决定,属于权利要求的等同范围的任何变形、变更都包括在本发明的范围内。
-产业实用性-
本发明对发动机的活塞结构很有用,特别是在下述情况下很有用,该情况为,要通过提高发动机的燃烧压力上升速率或燃烧压力的最大值,来将发动机的热效率提高到非常高的水平。
-符号说明-
1 活塞
6 外形周缘部
7 活塞销支承部
7a 插孔
7b 周壁
8 连结部
8a 放射状延伸部
10 蜂窝孔
20 下部吸音结构部
Claims (4)
1.一种发动机的活塞结构,其特征在于,
具有:
外形周缘部,其沿活塞的外形形状而形成,并具有预设好的设定厚度;
一对活塞销支承部,其呈近似圆筒状且具有规定厚度的周壁,一对上述活塞销支承部支承活塞销,该活塞销的两端部分别插在由一对该活塞销支承部的该周壁围成的插孔中;以及
连结部,其将上述一对活塞销支承部分别连结到上述外形周缘部上,
上述外形周缘部和上述活塞销支承部的周壁是实心的,
上述连结部是内部形成有空心部的多孔结构,
上述外形周缘部、上述活塞销支承部和上述连结部由金属部件互相形成为一体。
2.根据权利要求1所述的发动机的活塞结构,其特征在于,
上述连结部具有空心蜂窝结构部,该空心蜂窝结构部形成为空心蜂窝结构。
3.根据权利要求2所述的发动机的活塞结构,其特征在于,
将各上述活塞销支承部连结到上述外形周缘部上的各连结部包括多个放射状延伸部,多个该放射状延伸部从各该活塞销支承部的周壁向上述外形周缘部呈放射状延伸,
多个上述放射状延伸部中的至少一部分放射状延伸部具有上述空心蜂窝结构部,
上述放射状延伸部的上述空心蜂窝结构部以作为上述空心部的蜂窝孔沿该放射状延伸部的延伸方向延伸的方式布置。
4.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的发动机的活塞结构,其特征在于,
在一对上述活塞销支承部和连结部的下侧设有吸音结构部,该吸音结构部形成为下述结构,在该结构中,空心部设为体心立方晶格状或面心立方晶格状。
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