CN108699997B - 整体式无通道活塞及其构造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于内燃机的无通道钢制活塞。活塞具有整体式活塞体，该活塞体包括形成具有第一部分和第二部分的上燃烧表面的上壁。第一部分沿着上壁的外周环形地延伸，并且第二部分限定燃烧碗。活塞还包括位于燃烧碗正对面的顶部底表面，其具有允许接触冷却油的暴露的二维表面积。暴露的二维表面积在由活塞体的最大外径限定的横截面积的25％至60％的范围内。为了进一步加强冷却，顶部底表面的一部分是凹的或凸的，从而在活塞从活塞的一侧往活塞的另一侧复运动时引导油。

Description

整体式无通道活塞及其构造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求美国发明专利申请序列号14/988,885的权益，在此通过引用将其整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及内燃机，并且更具体地涉及其活塞。
背景技术
发动机制造商遇到了日益增长的提高发动机效率和性能的需求，包括但不限于改善燃料经济性、减少油耗、改进燃料系统、增加缸膛内的压缩载荷和工作温度、减少通过活塞的热损失、改善零部件的润滑、降低发动机重量并使发动机更紧凑，同时降低与制造相关的成本。
虽然希望增加燃烧室内的压缩载荷和工作温度，但仍然需要将活塞的温度保持在可工作的限度内。因此，尽管希望增加燃烧室内的压缩载荷和工作温度，但是实现这一目标需要进行权衡，因为这些希望的“增加”限制了活塞压缩高度以及整体活塞尺寸和质量可以降低的程度。这对于具有封闭或部分封闭的冷却通道(cooling gallery)的典型活塞结构以降低活塞的工作温度来说尤其麻烦。由于用于将上部和下部结合在一起的连接过程，制造具有沿着结合接头把上部和下部的连接在一起以形成封闭或部分封闭的冷却通道的活塞的成本通常增加。此外，发动机重量可以降低的程度受到用钢制造上述“含冷却通道”活塞的需求的影响，因此它们能够承受施加在活塞上的机械载荷和热载荷的增加。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于内燃机的活塞，其设计成改善发动机效率和性能。活塞没有沿着顶部底表面的冷却通道，因此相对于已知的活塞构造具有减轻的重量和相关的成本，但仍提供了特殊的冷却以将活塞的温度维持在可工作的限度内。活塞包括沿中心纵向轴线延伸的活塞体。活塞体具有形成上燃烧表面的上壁和从上燃烧表面悬垂的环形带。上燃烧表面具有第一部分和第二部分，第一部分沿着上壁的外周环形地延伸，并且第二部分形成从第一部分径向向内悬垂的燃烧碗。活塞体还包括一对从环形带悬垂的裙板，以及一对通过裙板彼此间隔开的销座，从而提供一对横向间隔开的销孔。顶部底表面形成在上壁的下侧上并且位于环形带的径向内侧与上燃烧表面的第二部分相对。当沿着中心纵向轴线观察时，顶部底表面具有暴露的二维表面积，其范围为由活塞体的最大外径限定的横截面积的25％至60％之间。
本发明的另一方面提供了一种构造活塞的方法，该活塞没有沿着顶部底表面的冷却通道。该方法包括通过机械加工、锻造和铸造中的至少一种形成沿着中心纵向轴线延伸的活塞体。活塞体具有形成上燃烧表面的上壁和从上燃烧表面悬垂的环形带。上燃烧表面具有第一部分和第二部分，第一部分沿着上壁的外周环形地延伸，并且第二部分形成从第一部分径向向内悬垂的燃烧碗。活塞体还包括一对从环形带悬垂的裙板，以及一对通过裙板彼此间隔开的销座，从而提供一对横向间隔开的销孔。顶部底表面形成在上壁的下侧上并且位于环形带的径向内侧与上燃烧表面的第二部分相对。当沿着中心纵向轴线观察时，顶部底表面具有暴露的二维表面积，其范围为由活塞体的最大外径限定的横截面积的25％至60％之间。
附图说明
当结合以下对当前优选实施例和最佳模式，所附权利要求和附图的详细描述来考虑时，本发明的这些和其他方面、特征和优点将变得更容易理解，其中：
图1是根据本发明的示例性实施例构造的活塞的仰视透视图，其中活塞包括沿着顶部底表面的凹入部分；
图2是根据本发明的一个实施例大致横向于活塞的销孔轴线截取的横截面图；
图3是根据本发明的另一示例性实施例构造的活塞的仰视透视图；
图4是根据本发明又一示例性实施例构造的活塞的侧视图；
图5是图4的活塞的仰视图；
图6是根据又一示例性实施例的图4的活塞的仰视图；
图7示出了图6中所示的活塞的二维顶部底面表面积；
图8示出了图6中所示的活塞的三维顶部底面表面积；
图9示出了图6中所示的活塞的燃烧碗的二维表面积；
图10示出了在顶部死点位置处喷射到图6所示的活塞的顶部底表面上的油；
图11示出了在底部死点位置处喷射到图6所示的活塞的顶部底表面上的油；
图12是根据本发明又一示例性实施例构造的活塞的仰视透视图，其中活塞包括从活塞的中心轴线轴向偏移的凹入部分；以及
图13是根据本发明的又一示例性实施例构造的活塞的侧横截面图，该活塞包括凸起部分。
具体实施方式
更详细地参考附图，图1-13示出了根据本发明的示例性实施例构造的用于在内燃机(例如现代化的紧凑型高性能汽车发动机)的缸膛或腔室(未示出)中往复运动的活塞10的视图。活塞10例如通过机械加工、锻造或铸造构造成具有由单件材料形成的整体式主体，并且如果需要，可以进行可能的精加工以完成构造。因此，活塞10不具有连接在一起的多个部件，诸如彼此连接的上部和下部，这对于具有封闭或部分封闭的冷却通道的活塞是常见的，所述冷却通道由冷却通道地板界定或部分地界定。相反，活塞10是“无通道”的，因为它不具有冷却通道地板或界定或部分地界定冷却通道的其他特征。由钢制成的活塞体坚固耐用，以满足现代高性能内燃机的高性能需求，即增加的温度和压缩载荷。根据具体发动机应用中活塞10的要求，用于构造主体的钢(即钢合金)可以是SAE 4140级或不同的。由于活塞10没有通道，在以下讨论的其他事情中，主体的新颖构造使活塞10的重量和压缩高度(CH)最小化，由此允许活塞10在发动机中展开以实现减轻的重量并且使其更加紧凑。此外，即使没有通道，下面讨论并且在附图中示出的新颖构造允许活塞10在使用期间充分地冷却以承受最苛刻的工作温度。
活塞体具有提供上壁14的上封头或顶部部分，其提供上燃烧表面16，上燃烧表面16直接暴露于内燃机缸膛内的燃烧气体。上燃烧表面16包括形成为沿着上壁14的外周延伸的基本上平坦的表面的环形第一部分18和形成燃烧碗的第二部分20。形成燃烧碗的上燃烧表面16的第二部分20通常具有从平坦的第一部分18悬垂的非平坦、凹面或起伏表面。
活塞10还包括与上燃烧表面16的第二部分20直接相对并且在环形带32的径向内侧的形成在上壁14的下侧上的顶部底表面24。顶部底表面14优选位于距燃烧碗最小距离处，并且基本上是与燃烧碗直接相对的一侧上的表面。当从底部直线观察活塞10时，顶部底表面24在此限定为除了销孔40之外可见的表面。
鉴于上壁14的厚度t，也可以限定顶部底表面24。上壁14的厚度t从上燃烧表面16延伸到上壁14的下侧。认为是顶部底表面24的上壁14的下侧部分通常是与上燃烧表面16的第二部分20相距一定距离的部分，并且该距离不大于沿第二部分20的上壁14的最小厚度t的两倍。顶部底表面24也可以限定为上壁14的下侧的一部分，其位于距上燃烧表面16不大于10mm的距离处。因此，顶部底表面24通常与上燃烧表面16的燃烧碗形成配合。当从活塞10的下侧观察时，顶部底表面24也敞开地暴露，并且它不受封闭或部分封闭的冷却通道或任何其他倾向于将油或冷却流体保持在靠近顶部底表面24的特征的限定。
上壁14的环形第一部分18形成上壁14的外周并且围绕形成燃烧碗的第二部分，该燃烧碗从其上悬垂。因此，包括燃烧碗的第二部分20凹陷在上燃烧表面16的最上面的第一部分18下方。第二部分20的燃烧碗还在环形第一部分18的相对侧之间连续地延伸穿过中心轴线30并且穿过活塞10的整个直径。燃烧碗通常包括在环形第一部分18的相对侧之间连续延伸的凹表面。或者，燃烧碗壁可以是波状的，例如以提供也称为中心峰(未示出)的上顶点，其可以沿着活塞10的中心轴线30同轴地布置，或者可以相对于活塞中心轴线30轴向地偏移。活塞10的顶部部分还包括环形带32，该环形带从上燃烧表面16悬垂，以提供一个或多个环形槽34以接收一个或多个对应的活塞环(未示出)。在示例性实施例中，具有弯曲轮廓的至少一个阀穴29形成在上壁14的环形第一部分18中。燃烧碗不包括阀穴29。
活塞体还包括底部部分，该底部部分包括大致从上壁14悬垂下来的一对销座38。每个销座38都具有销孔40，优选在钢结构的情况下是无衬套的，其中销孔40沿着大致横向于中心纵向轴线30延伸的销孔轴线42同轴地彼此横向间隔开。销座38具有大致平坦的径向最外表面，称为外表面43，其沿着销孔轴线40彼此间隔开距离PB，示出为彼此大致平行。最小化PB尺寸，由此使凹陷的、通常为杯形的区域的暴露区域最大化，在下文中将其称为顶部底面凹穴50。
顶部底面凹穴50位于销座38的径向外侧，并且每个凹穴50的至少一部分形成了顶部底表面24的一部分。在示例性实施例中，形成顶部底表面24的一部分的顶部底面凹穴50的部分位于环形带32的径向内侧与上燃烧表面16的第二部分20相对，在不超过上壁14的最小厚度的两倍的距离处，并且距离上燃烧表面16的距离不大于10mm。
顶部底面凹穴50还沿着上燃烧表面16的环形第一部分18的下侧表面沿径向向外延伸超过顶部底表面24，并且沿着环形带32的内表面从上壁14悬垂。顶部底面凹穴50的这些部分位于上燃烧表面16的第二部分20的外侧，在大于上壁14的最小厚度的两倍的距离处和/或在距上燃烧表面16大于10mm的距离处，因此它们不形成顶部底表面24的一部分。
随着凹穴50的二维和三维表面面积最大化，至少部分由于最小化的距离PB，由于油飞溅或者从曲轴箱向上喷洒在顶部底面凹穴50的暴露表面上而引起的冷却得到增强，由此导致进一步冷却上燃烧表面16、顶部底表面24以及环形带34的一部分。
销孔40均具有设置在环形带32附近的凹形的最上面的承载表面(以下称为最上表面44)。这样，压缩高度CH最小化(压缩高度是从销孔轴线42延伸到上燃烧表面16的尺寸)。销座38经由也称为支柱46的外部面板连接到径向相对的裙板(也称为裙板48)。
销座38、裙板48和支柱46限定了从支柱46和裙板48的最低或底部表面51延伸到顶部底表面24的敞开区域。在图1、2和4-13的实施例中，没有肋条沿着顶部底表面24，沿着销座38，沿着裙板48或沿着敞开区域中的支柱46定位。另外，在敞开区域不形成封闭的或部分封闭的冷却通道。然而，如图1和图2所示，活塞10可以包括邻近顶部底表面24的沿着每个裙板48的最上边缘的台阶区域54。在图1和2的示例性实施例中，台阶区域54不认为是顶部底表面24的一部分。在另一个实施例中，例如图3所示的实施例中，活塞10确实包括沿着顶部底表面24的一对肋条58以增强冷却。这些肋条58沿着相对的裙板38之间的顶部底表面24连续地延伸。
沿着活塞10的下侧的敞开区域提供了直接通向油飞溅或从曲轴箱内直接喷射到顶部底表面24上的通路，由此允许整个顶部底表面24直接由曲轴箱内的油飞溅，同时还允许油围绕肘销(未示出)自由地飞溅，并且进一步显著减轻活塞10的重量。因此，虽然不具有典型的封闭的或部分封闭的冷却通道，但无通道活塞10的大体上敞开的构造允许对顶部底表面24的最佳冷却和对销孔40内的肘销接头的润滑，同时减少燃烧碗附近表面上的油停留时间，这是一定量的油留在表面上的时间。停留时间的减少可以减少不希望的焦化油的堆积，例如可能发生在具有封闭的或基本封闭的冷却通道的活塞中。这样，活塞10在长时间使用中保持“清洁”，从而使其保持基本上没有堆积。
由于顶部底表面24的最佳冷却是直接暴露于来自曲轴箱的飞溅和喷射油的上燃烧表面16正下方的顶部底表面24的百分比。与具有封闭的或部分封闭的冷却通道的比较活塞相比，活塞10的顶部底表面24具有更大的总表面积(跟随表面轮廓的三维区域)和更大的投影表面积(二维区域，平面，如主视图所示)。
定义为跟随顶部底表面24的轮廓的三维区域Au3D的总暴露表面积是在活塞10使用时由冷却油接触的膨胀区域。在示例性实施例中，顶部底表面24的三维面积Au3D大于由活塞10的最大外径OD限定的横截面积AOD的30％，并且通常在40％至90％的范围内。
顶部底表面24也可以具有投影表面积，其定义为从活塞10的底部大致沿纵向中心轴线30观看大于25％的二维表面积Au2D，并且通常在由活塞10的最大外径OD限定的横截面积的30％至60％的范围内。更优选地，二维表面积Au2D在由活塞10的最大外径OD限定的横截面积的30％至55％的范围内。如上所述，顶部底表面24的二维表面积Au2D的一部分位于凹穴50内。还可以相对于沿着上燃烧表面16的燃烧碗的二维表面积Ac2D测量顶部底表面24的二维表面积Au2D。在示例实施例中，顶部底表面24的二维表面积Au2D范围为燃烧碗的二维表面积Ac2D的50％至125％。另外，阀穴29不包括在燃烧碗的二维表面积Ac2D中。
还可以相对于沿着上燃烧表面16的燃烧碗的三维表面积Ac3D来测量顶部底表面24的三维表面积Au3D。在示例性实施例中，顶部底表面24的三维表面积Au3D在燃烧碗的三维表面积Ac3D的50％至120％的范围内。如上所述，顶部底表面24的三维表面积Au3D的一部分位于凹穴50内。
作为示例，图7标识图6的活塞10的顶部底表面24的外径OD和二维表面积Au2D；图8示出了图6所示的活塞10的三维顶部底表面积Au3D；并且图9示出了图6中所示的活塞10的燃烧碗的二维表面积Ac2D。
此外，如图7所示，顶部底表面24的暴露面积通常具有直径Du，其范围为活塞10的最大外径OD的75％至90％。顶部底表面24的暴露面积可以具有范围为燃烧碗的直径Dc的85-140％的直径Du，这与具有封闭或基本封闭的冷却通道的活塞的最大值为100％相反。
然而，相对表面积和相对直径的百分比可以从上面公开的范围变化，同时仍提供增强的冷却。活塞10的暴露顶部底表面24的相对表面积和相对直径的百分比远远超过常规活塞，并且在一些情况下，是向上至三倍或更多。这样，上燃烧表面16可以通过从曲轴箱向上喷溅的油直接冷却，如果需要，可以与来自油喷射器的辅助相结合。
如上所述，活塞10的顶部底面凹穴50的至少一部分限定了顶部底表面24的至少一部分以及第一部分18的下侧的一部分和环形带32的内表面的一部分。在示例性实施例中，顶部底面凹穴50一起具有范围为由活塞10的最大外径限定的横截面积AOD的18％至35％的总二维表面积Ap2D。顶部底面凹穴50还具有范围为由活塞10的最大外径限定的截面面积AOD的50％至85％的总三维面积Ap3D。在图8中还示出了顶部底面凹穴50的三维区域Ap3D的示例。
然而，值得注意的是，顶部底面凹穴50的二维和三维表面积可以与上面公开的范围不同，同时仍能够显著地有助于位于凹穴正上方的上燃烧表面16的区域的冷却50。
图1-11中示出的示例性活塞10的另一个重要方面在于当从活塞10的底部观察时，布置在相对的裙板38和相对的销座38之间的活塞10的顶部底表面24的至少中心部分52是凹入形式的。这样，在活塞10从活塞10的一侧往复运动到活塞10的相对侧的过程中引导油，由此用于进一步增强活塞10的冷却。该凹入部分52具有在裙板38之间纵向延伸的长度和在销座38之间延伸的宽度。凹入部分52的长度通常大于宽度。在示例性实施例中，凹入部分52的曲率半径在30至500mm的范围内。而且，在图2和图5-9所示的示例性实施例中，凹入部分52与顶部底表面24的凹穴50或其他周围区域轴向偏移。例如，凹入部分52可以比周围区域更靠近销座38。
图12示出了根据另一个示例性实施例的具有增强的顶部底表面24'的活塞10'。在该实施例中，活塞10'包括从活塞10'的中心纵向轴线30'轴向偏移的凹入部分52'。该偏移凹入部分52'可以代替凹入部分52或者除了凹入部分52之外使用。
图13示出了具有增强的顶部底表面区域24"的又一示例活塞10"。在该实施例中，顶部底表面24"包括沿着活塞10"的中心纵向轴线30"设置的凸起部分56"，以在活塞10"往复运动期间引导油。在示例性实施例中，凸起部分56"沿着相对的裙板38"之间的整个顶部底表面24"连续地延伸。然而，凸起部分56"可以在中心纵向轴线或者从中心纵向轴线30"轴向偏移地仅沿着顶部底表面24"的一部分定位。凸起部分56"的曲率半径通常在80至300mm的范围内。
鉴于上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。因此，应该理解，本发明可以以与具体描述不同的方式实施，并且本发明的范围由任何最终允许的权利要求限定。

Claims (18)

1.一种用于内燃机的无通道活塞，包括：
活塞体，其沿中心纵向轴线延伸；
所述活塞体具有形成上燃烧表面的上壁和从所述上燃烧表面悬垂的环形带；
所述上燃烧表面具有第一部分和第二部分，所述第一部分沿着所述上壁的外周环形地延伸，并且所述第二部分形成从所述第一部分径向向内延伸的燃烧碗；
所述上壁具有形成在其下侧上的顶部底表面，所述顶部底表面位于所述环形带的径向内侧与所述上燃烧表面的所述第二部分相对；
所述活塞体包括一对从所述环形带悬垂的裙板；
所述活塞体包括一对销座，所述一对销座通过所述裙板彼此间隔开并且提供一对横向间隔开的销孔；
所述活塞体没有沿着所述顶部底表面的冷却通道；
当沿着所述中心纵向轴线看时，所述顶部底表面具有暴露的二维表面积，其范围为由所述活塞体的最大外径限定的横截面积的25％至60％；
所述顶部底表面在所述中心纵向轴线处弯曲；以及
所述活塞体包括位于所述销座的径向外侧的顶部底面凹穴，所述顶部底面凹穴的至少一部分形成所述顶部底表面的至少一部分，以及所述顶部底面凹穴的总二维表面积在由所述活塞体的所述最大外径限定的所述横截面积的18％至35％的范围内。
2.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面的所述二维表面积在由所述活塞体的所述最大外径限定的所述横截面积的30％至55％的范围内。
3.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面的所述二维表面积在所述燃烧碗的二维表面积的50％至125％的范围内。
4.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面的三维表面积在所述燃烧碗的三维表面积的50％至120％的范围内。
5.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面的直径范围为所述燃烧碗的直径的85-140％。
6.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面的直径范围为所述活塞体的所述最大外径的75％至90％。
7.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面的三维表面积为所述活塞体的所述最大外径所限定的所述横截面积的30％至90％。
8.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底面凹穴具有范围为由所述活塞体的所述最大外径限定的所述横截面积的50％至85％的总三维表面积。
9.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，形成所述顶部底表面的所述部分的所述顶部底面凹穴的所述部分位于所述环形带的径向内侧与所述上燃烧表面的所述第二部分相对，并且与所述上燃烧表面的距离不大于10mm。
10.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面包括沿着所述中心纵向轴线定位的凹入部分。
11.根据权利要求10所述的无通道活塞，其特征在于，所述凹入部分的长度大于所述凹入部分的宽度。
12.根据权利要求10所述的无通道活塞，其特征在于，所述凹入部分的曲率半径范围从30至500mm。
13.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面包括从所述中心纵向轴线轴向偏移的凹入部分。
14.根据权利要求13所述的无通道活塞，其特征在于，所述凹入部分的曲率半径范围从30至500mm。
15.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面包括沿所述中心纵向轴线定位的凸出部分。
16.根据权利要求15所述的无通道活塞，其特征在于，所述凸出部分的曲率半径范围从80至300mm。
17.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述上壁具有从所述上燃烧表面延伸到所述上壁的所述下侧的厚度，所述顶部底表面沿着所述下侧位于距所述燃烧表面一定距离处，并且所述距离不大于所述上壁的最小厚度的两倍。
18.根据权利要求1所述的无通道活塞，其特征在于，所述顶部底表面沿着所述上壁的所述下侧距所述上燃烧表面一定距离定位，并且所述距离不大于10mm。
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