CN110234862A - 带有含导热成分的密封的冷却通道的活塞 - Google Patents

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Abstract

用于内燃机的重型活塞包括填充密封的冷却通道10至90％体积的导热成分。该导热成分包括铋和/或锡。例如，导热成分可以是铋和锡的单相二元混合物。该导热成分具有改善的热性能，例如熔点为约139℃，导热率为约22W/m·K，热扩散系数为约1.43E‑5m2/s。导热成分不是反应性的，并且不包括有毒的或成本高昂的金属。在高温操作期间，随着活塞在缸膛中往复运动，导热成分在整个冷却通道中流动以将热量从上活塞顶消散开，从而提高发动机的效率。

Description

带有含导热成分的密封的冷却通道的活塞
相关申请的交叉引用
该美国实用专利申请要求2015年12月3日提交的美国临时专利申请No.62/262704和2016年11月30日提交的美国实用专利申请No.15/364,616的优先权，这些专利的全部内容通过引用结合于本申请中。
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及用于内燃机的活塞及其制造方法。
2.相关技术
用于内燃机的活塞，例如重型柴油机活塞，在操作期间暴露于极高的温度下，特别是沿着活塞的上活塞顶。因此，为了调节温度，活塞通常设计成在上活塞顶的下方具有冷却通道，并且当活塞沿着发动机的缸膛往复运动时，冷却油被喷射到冷却通道中。油沿着上活塞顶的内表面流动并从上活塞顶消散热量。为了在运行期间控制活塞温度，必须不断保持高流量的油。然而，由于发动机的高温，油会随着时间的推移而降解，因此必须定期更换油以维持发动机寿命。此外，立法和消费者已经制定了更积极的目标，以提高重型柴油发动机的效率。例如，能够实现55％制动热效率和60千瓦/升的活塞是期望的。
用于进一步提高发动机效率的一种方法描述于美国专利No.9,127,619中，并包括用硅油和铜颗粒的两相成分来部分地填充活塞的密封的冷却通道。在操作期间，两相成分沿着密封的冷却通道的壁流动，并且通过活塞体重新分配来自上活塞顶的燃烧热。活塞温度曲线的变化减少了焦化。还减少或消除了对活塞下面的喷油冷却的需要，这减少了寄生损失。
然而，存在一些与美国专利No.9,127,619的两相成分有关的一些制造限制，例如计量和输送，以及在密封的冷却通道中需要氩气作为惰性气体来防止氧化降解。此外，仍然需要改进的传热性能，例如更高的导热率和更高的热扩散系数。
另一种技术包括在活塞冷却通道中使用低熔点的金属合金，如WO 2014/032644和DE 102012014200中所述。然而，这种合金通常不是优选的，因为它们包括反应性的、毒性的或成本高昂的金属，例如钾，镉，钠，铅，镓和铟。
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，其具有含导热成分的密封的冷却通道，所述导热成分提供改进的发动机效率而没有与两相成分或低熔点金属合金相关的缺点。活塞包括主体部分和密封的冷却通道，所述主体部分包括上活塞顶，所述密封的冷却通道沿着该上活塞顶的至少一部分延伸。包含在密封的冷却通道中的导热成分包括铋和锡中的至少一种。
本发明的另一方面提供了一种制造用于内燃机的活塞的方法。该方法包括，将包含铋和锡中至少一种的导热成分供给到冷却通道中，所述冷却通道沿着活塞的上活塞顶的至少一部分延伸。该方法还包括，对该冷却通道进行密封。
在高温操作期间，该导热成分在整个密封的冷却通道中流动，以从上活塞顶移除热量，并将热量通过活塞重新分配和重新分配到周围环境中。该导热成分具有比美国专利No.9,127,619中公开的两相成分更好的热性能，并且还避免了使用反应性的、毒性的和成本高昂的金属，例如在WO 2014/032644 A2和DE 102012014200中公开的那些。该导热成分不是反应性的，因此可以在具有或没有惰性气氛的情况下被密封在冷却通道中，这不像需要惰性气氛的美国专利No.9,127,619的两相成分。此外，简化了导热成分的计量和定量给料，这是因为成分是高于约139℃的单相的液态金属混合物。作为一种备选，在制造活塞期间，导热成分可以粉末、颗粒或小粒的形式分配到冷却通道中。例如，可以在焊接之后、但在热处理之前，将导热成分供给到冷却通道中。铋和/或锡很容易耐受焊后热处理温度，通常在650℃左右，这与两相成分中的硅油不同，硅油在365℃左右降解，因此必须在热处理之后供给到冷却通道中。
附图的简要说明
本发明的其它优点将是容易理解的，因为当参考连同附图一起考虑的以下详细描述时，可以更好地理解本发明的其它优点，在附图中：
图1是根据本发明的一个示例性实施例的活塞的侧剖视图；和
图2是曲线图，图示了硅油的预测的等温热降解时间。
示例性实施例的描述
参见图1，其中相同的数字在几个视图中表示相应的部件，总体上示出了用于内燃机的示例性活塞20。活塞20包括密封的冷却通道22，其部分地填充有导热成分24，导热成分24包括铋和锡中的至少一种，并且优选地是由铋和锡组成的二元混合物，以有效地从活塞20的上活塞顶32移除热量。
图1的示例性活塞20是重型柴油机活塞，其布置在内燃机的缸膛中。然而，任何其它类型的活塞也可与冷却通道22中的导热成分24一起使用。如图1所示，活塞20包括主体部分26，主体部分26围绕中心轴线A周向地延伸，并且沿着中心轴线A从上端28纵向地延伸到下端30。主体部分26由金属材料(通常为钢)形成，但也可以由铝、铝合金或其它金属形成。在该示例性实施例中，主体部分26包括上活塞顶32，下活塞顶34，一对销凸台36和裙部38。
活塞20的上活塞顶32包括外表面40和相反地面向的内表面42。上活塞顶32的外表面40在上端28处呈现碗状构造，其在操作期间直接暴露于缸膛中的热的燃烧气体。冷却通道22沿着上活塞顶32的内表面42的至少一部分延伸，与碗状构造相对，使得包含在其中的导热成分24能够在操作期间从热的碗状构造中消散掉热量。在该示例性实施例中，密封的冷却通道22在上活塞顶32的碗边沿70下方围绕中心轴线A周向地延伸。
如图1所示，上活塞顶32包括第一外肋44和第一内肋46，第一外肋44和第一内肋46中的每一个围绕中心轴线A沿周向地延伸并且从上端28朝向下端30纵向地延伸。第一肋44,46彼此间隔开，并且第一内肋46设置在第一外肋44和中心轴线A之间。第一外肋44的外表面40呈现多个环槽52，其背向中心轴线A并围绕中心轴线A周向地延伸，以用于保持活塞环54。开口56穿过下活塞顶34延伸到冷却通道22，以允许在密封冷却通道22之前将导热成分24供给到冷却通道22中。例如，开口56可以沿着活塞20的非推力平面而形成在下活塞顶34的第二内肋50中或其附近。然而，作为一种替代方案，开口56可形成在上活塞顶32或下活塞顶34的其它位置中。塞子58通常拧入开口56中，然后用粘合剂密封，例如高温环氧树脂成分。但是，开口56也可以使用其它方法密封，例如钨惰性气体(TIG)焊接、摩擦焊接、激光焊接或者将插头58钎焊到开口56。另一种密封技术包括将塞子58压配合到开口56中，与螺纹旋拧或焊接技术相比，这花费更少的生产时间。
活塞20的主体部分26还包括从上活塞顶32朝向下端30延伸的下活塞顶34。下活塞顶34呈现外表面40，外表面40包括至少一个环槽52，用于保持活塞环54。下活塞顶34还包括与外表面40相反地面向的内表面42。下活塞顶34包括与上活塞顶32的第一外肋44对准并连接的第二外肋48，以及与上活塞顶32的第一内肋46对准并连接的第二内肋50。第二肋48,50在上端28和下端30之间围绕中心轴线A周向地延伸，并且通过下活塞顶34的内表面42彼此间隔开。因此，如图1所示，上活塞顶和下活塞顶32,34的内肋46,50和外肋44,48在它们之间形成密封的冷却通道22。第二肋48,50通常通过摩擦焊接60连接到第一肋44,46，但是也可以通过另一种类型的焊接或连接来连接。
如图1所示，上活塞顶32的内表面42和第一内肋46在它们之间具有冷却室62。冷却室62沿着上活塞顶32的内表面42的一部分径向地延伸并且沿着中心轴线A纵向地延伸，并且朝向下端30开放。在操作期间，冷却室62暴露于缸膛，并且油可以喷射到冷却室62中以降低活塞20的温度。
活塞20的主体部分26还包括这一对销凸台36，其从下活塞顶34悬垂，并且呈现垂直于中心轴线A延伸的一对横向地间隔开的销孔64。主体部分26还包括从下活塞顶34悬垂的裙部38。裙部38横向地连接到销凸台36并将销凸台36彼此间隔开。裙部38的外表面40是凸起的，用于与缸膛配合。尽管图1中所示的活塞20是单件式整体结构，但是活塞20也可以包括其它的设计。
导热成分24通常填充基于冷却通道22总体积的10至90％体积(体积百分比)的冷却通道22。导热成分24在内燃机的典型操作温度下是液体。因此，在操作期间，随着活塞20在缸膛中往复运动，导热成分24在整个冷却通道22中流动，并且通过活塞20将热量从上活塞顶32消散开并且消散到周围环境。
导热成分24包括铋和锡中的至少一种。根据一个实施例，导热成分24包含锡或者由锡组成，而不含铋。根据第二实施例，导热成分24包含铋或者由铋组成，而不含锡。根据第三实施例，导热成分24包含锡和铋二者，或者由锡和铋二者组成。
根据一个示例性实施例，导热成分24包含的铋的量大于或等于基于导热成分24总重量的0至95％重量(重量百分比)，并且包含的锡的量为5至100％重量。通常，导热成分24仅由锡和铋组成，并且铋的存在量大于0％重量。在该示例性实施例中，导热成分24包括基于导热成分24总重量的38至48％重量的锡和52至62％重量的铋。在一个优选的实施例中，导热成分24是导热介质，并且该导热介质是仅由锡和铋组成的金属成分。例如，导热成分24可包含基于导热成分24总重量的57％重量的铋，并且锡的含量为43％重量。导热成分24可由单相构成，并且是非反应性的。
示例性的导热成分24的熔点通常为139至250℃，导热率为16至31W/m·K，热扩散系数为1.13E-5m2/s至1.86E-5m2/s。例如，当导热成分24是由57％重量的铋和43％重量的锡组成的金属成分时，导热成分24的熔点为139℃，导热率为22W/m·K，热扩散系数为1.43E-5m2/s。
导热成分24以单相的固体或液体形式存在，这取决于温度。在低于熔点的温度下，导热成分24为固体的形式。在发动机运行期间，冷却通道22的温度通常为约250至330℃，其高于导热成分24的熔点。因此，导热成分24在发动机操作期间呈液体的形式。随着活塞20在缸膛中往复运动，导热成分24表现出调酒器摇晃(cocktail-shaker)效应，以将热量从上活塞顶32传递穿过冷却通道22并传递到下活塞顶34或活塞20的其它部分。
由于若干原因，铋和锡的导热成分24通常优于已知的用于活塞冷却通道中的其它成分。例如，导热成分24不包含反应性的、毒性的或成本高昂的化学物质。此外，导热成分24具有约22W/m·K的导热率和约1.43E-5m2/s的热扩散系数，它们分别是美国专利No.9,127,619中的两相成分的大约224和290倍大。因此，导热成分24能够显著地提高内燃机的效率。
本发明的另一方面提供了一种制造活塞20的方法，该活塞20在密封的冷却通道22中包含导热成分24。该方法通常包括，将导热成分24供给到冷却通道22中，并密封冷却通道22。如上所述，导热成分24在密封步骤期间不需要惰性环境，并且是单相的，因此简化了计量和输送。
可以使用各种不同的方法来形成具有冷却通道22的活塞20。然而，根据一个示例性实施例，该方法包括，形成上活塞顶32和下活塞顶34，对准上活塞顶和下活塞顶32,34的内肋46,50和外肋44,48，以及将上活塞顶32和下活塞顶34的肋44,46,48,50焊接在一起，以便在它们之间形成冷却室62和冷却通道22，如图1所示。该示例性方法还包括，将开口56形成到冷却通道22。该步骤可包括在下活塞顶34中钻孔。在另一个优选实施例中，该方法包括在上活塞顶32中钻出开口56。
该方法还包括，在非惰性气氛下将导热成分24通过开口56供给到冷却通道22中。但是，如果需要，可以使用惰性的干燥气氛，通常是氮气或氩气。供给步骤通常包括，用导热成分24填充冷却通道22的10至90％体积。在供给步骤期间，导热成分24可以是液体的形式，或者是固体颗粒，例如粉末或小粒。因此，导热成分24可以被倒入上活塞顶32或下活塞顶34的开口56中。而且，可以在活塞20的热处理之前或之后将导热成分24供给到冷却通道22中。例如，供给步骤可以在焊接之后和热处理之前进行。导热成分24的铋和锡将容易地耐受焊接后的热处理温度，该温度通常高于600℃，例如约650℃，这不同于硅油的两相成分的，其在约365℃下降解，因此必须在热处理之后供给到冷却通道。图2是图示了硅油的预测的等温热降解时间的曲线图。
该方法还包括，密封冷却通道22，通常是在将导热成分24供给到冷却通道22中之后并且在热处理之前立即密封。密封步骤通常包括，将开口56中的塞子58拧入并上紧，并且将粘合剂施加到塞子58上，例如高温环氧树脂成分。在另一个实施例中，可以通过将塞子58压配合在开口56中来密封开口56，这减少了生产时间。在又一个实施例中，作为替代，可以通过将活塞20保持在惰性气氛中，然后将塞子58通过钨惰性气体(TIG)焊接或激光焊接而焊接到上活塞顶32或下活塞顶34，这样来密封塞子58。钎焊和冷缩配合的插头以及摩擦焊接的插头也是可以预期的替代方式。
显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式实施。

Claims (20)

1.一种用于内燃机的活塞，包括：
主体部分，其包括上活塞顶和沿着所述上活塞顶的至少一部分延伸的冷却通道，所述冷却通道是密封的；
设置在所述冷却通道中的导热成分；和
所述导热成分包括铋和锡中的至少一种。
2.根据权利要求1的活塞，其中，所述铋的含量大于或等于基于所述导热成分总重量的0至95％重量，并且所述锡的含量为基于所述导热成分总重量的5至100％重量。
3.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述导热成分仅由所述锡和/或所述铋组成。
4.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述导热成分是二元混合物。
5.根据权利要求1的活塞，其中，所述导热成分的熔点为139-250℃，导热率为16至31W/m·K，并且热扩散系数为1.13E-5m2/s至1.86E-5m2/s。
6.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述导热成分由单相组成，并且是非反应性的。
7.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述导热成分包括基于所述导热成分总重量的52％重量至62％重量的量的所述铋，并且所述锡的量为基于所述导热成分总重量的38％重量至48％重量。
8.根据权利要求1的活塞，其中，所述导热成分包括基于所述导热成分总重量的57％重量的量的所述铋，和基于所述导热成分总重量的43％重量的量的所述锡；所述导热成分的熔点为139℃；所述导热成分的导热率为22W/m·K；并且所述导热成分的热扩散系数为1.43E-5m2/s。
9.根据权利要求1的活塞，其中，所述导热成分填充基于所述冷却通道总体积的10至90％体积的所述密封的冷却通道。
10.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体部分由钢材料形成；
所述主体部分围绕中心轴线沿周向地延伸，并沿所述中心轴线从上端纵向地延伸到下端；
所述上活塞顶呈现外表面和相反地面向的内表面，并且所述冷却通道沿所述上活塞顶的所述内表面的至少一部分延伸；
所述上活塞顶的所述外表面在所述上端呈现碗状构造；
所述上活塞顶包括第一外肋和第一内肋，所述第一外肋和第一内肋各自围绕所述中心轴线沿周向地延伸并且从所述上端朝向所述下端纵向地延伸，所述第一内肋设置在所述第一外肋和所述中心轴之间；
所述第一外肋的所述外表面呈现多个环槽，所述环槽背向所述中心轴线并围绕所述中心轴线沿周向地延伸，用于保持活塞环；
所述主体部分包括从所述上活塞顶延伸到所述下端的下活塞顶；
所述下活塞顶呈现外表面和相反地面向的内表面，并且所述冷却通道沿所述下活塞顶的所述内表面的至少一部分延伸；
所述下活塞顶包括连接到所述第一外肋的第二外肋和连接到所述第一内肋的第二内肋，所述第二肋在所述上端和所述下端之间围绕所述中心轴线周向地延伸，以便在所述内肋和所述外肋之间沿着所述上活塞顶的所述内表面的一部分形成所述密封的冷却通道；
所述第二肋通过焊接连接到所述第一肋；
所述下活塞顶的所述外表面呈现至少一个环槽；
所述上活塞顶和所述下活塞顶中的至少一个包括延伸到所述冷却通道中的开口，用于允许所述导热成分被供给到所述冷却通道中；
所述上活塞顶的所述内表面和所述内肋在它们之间具有冷却室，所述冷却室沿所述上活塞顶的所述内表面的一部分径向地延伸并沿所述中心轴线纵向地延伸，并朝向所述下端开放以暴露于缸膛；
所述主体部分包括从所述下活塞顶悬垂的一对销凸台，所述销凸台包括一对垂直于所述中心轴线延伸的横向地间隔开的销孔；
所述主体部分包括从所述下活塞顶悬垂的裙部，所述裙部横向地连结到所述销凸台并使所述销凸台彼此间隔开；
所述裙部包括凸出的外表面，用于与所述缸膛配合；
所述导热成分填充了基于所述冷却通道总体积的10至90％体积的所述密封的冷却通道；
所述导热成分由所述铋和锡组成，所述铋的含量大于或等于基于所述导热成分总重量的0-95％重量，并且所述锡的含量是基于所述导热成分总重量的5-100％重量；
所述导热成分是介质，并且所述介质是金属成分；
所述导热成分的熔点为139至250℃；
所述导热成分由单相组成，并且是非反应性的；
所述导热成分的导热率为16至31W/m·K；
所述导热成分的热扩散系数为1.13E-5m2/s至1.86E-5m2/s；并且
还包括旋拧入所述开口中并密封所述冷却通道的塞子。
11.根据权利要求10所述的活塞，其中，所述导热成分包括基于所述导热成分总重量的57％重量的量的所述铋和43％重量的量的所述锡；所述导热成分的熔点为139℃；所述导热成分的导热率为22W/m·K；并且所述导热成分的热扩散系数为1.43E-5m2/s。
12.一种制造用于内燃机的活塞的方法，包括以下步骤：
将导热成分供给到沿着活塞的上活塞顶的至少一部分延伸的冷却通道中，其中，所述导热成分包括铋和锡中的至少一者；和
密封所述冷却通道。
13.根据权利要求12的方法，其中，所述密封步骤在没有惰性气氛的条件下进行。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述供给步骤包括，将所述导热成分以液体形式倒入所述冷却通道中。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述供给步骤包括，将所述导热成分以固体颗粒的形式供给到所述冷却通道中。
16.根据权利要求12所述的方法，包括在所述供给步骤之后在所述导热成分设置在所述冷却通道中的情形下，在高于600℃的温度下对所述活塞热处理。
17.根据权利要求12所述的方法，包括在所述供给步骤之前将所述上活塞顶焊接到下活塞顶以形成所述冷却通道。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述导热成分由锡和铋组成；并且所述铋的含量大于或等于基于所述导热成分总重量的0至95％重量，并且所述锡的含量为基于所述导热成分总重量的5至100％重量。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述导热成分包括基于所述导热成分总重量的57％重量的量的所述铋，和基于所述导热成分总重量的43％重量的量的所述锡；所述导热成分的熔点为139℃；所述导热成分的导热率为22W/m·K；并且所述导热成分的热扩散系数为1.43E-5m2/s。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述供给步骤包括，填充基于所述冷却通道总体积的10至90％体积的所述冷却通道。
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