CN110809669B - 使用冷却介质减少热损失的活塞 - Google Patents

Abstract

提供了一种钢制活塞，其在内燃机中实现提高的热制动效率。该活塞包括呈现燃烧表面的活塞顶，从燃烧表面悬垂的外侧壁，外冷却通道，以及活塞顶内冷却通道。外冷却通道在燃烧表面下方沿着外侧壁周向地延伸。根据一个实施例，外冷却通道被密封，并且填充有空气、氩气、氦气、氙气或二氧化碳作为冷却介质。在该实施例中，活塞顶内冷却通道中填充有空气作为冷却介质，并且包括开放的入口孔，该入口孔的直径为活塞外径的2％至4％。或者，活塞顶内冷却通道中填充有空气、氩气、氦气、氙气或二氧化碳作为冷却介质，并且入口孔是密封的。

Description

使用冷却介质减少热损失的活塞

相关申请的交叉引用

本美国实用专利申请要求2015年11月18日提交的美国临时专利申请No.62/256,986和2016年1月20日提交的美国临时专利申请No.62/280,971以及2016年11月15日提交的美国实用专利申请No.15/352,418的权益，这些专利申请的全部内容通过引用结合于本文中。

发明背景

1.技术领域

本发明一般涉及用于内燃机的活塞，以及制造活塞的方法，

2.相关技术

在内燃机中使用的活塞，例如重型柴油机活塞，在运行过程中会暴露在极高的温度下，特别是沿着活塞顶(crown)。因此，为了调节温度，一些活塞设计成在活塞顶下方具有开放的冷却通道(cooling gallery)，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。油沿着活塞顶的内表面流动，并从活塞顶上消散热量。但是，为了在运行期间控制活塞温度，必须始终保持高流量的油。此外，由于内燃机的高温，油会随着时间的推移而劣化，必须定期更换油以维持发动机寿命。此外，当冷却通道温度超过350℃时，油倾向于以更高的速率燃烧，称为油焦化，并粘附在冷却通道的表面上。

另一选择是设计带有密封冷却通道的活塞，该冷却通道包含冷却油或另一种冷却剂来控制活塞温度，美国专利No.9,127,619公开了活塞的一个例子，包括部分填充有含高导热金属颗粒的液体的密封冷却通道，当活塞在内燃机中往复运动时，液体携带金属颗粒通过整个冷却通道中，并且金属颗粒将热量从活塞顶移走。金属颗粒可重新分布热流，从而减少沿着活塞顶的碳沉积、焦化和油劣化。

还希望减少从燃烧室到活塞顶的热损失，以便在燃烧室中保持高温并实现更高的发动机制动热效率。因此，可以将热障涂层施加于活塞顶以用于额外的隔热。然而，发动机制造商不断努力开发新的和改进的方法来更好地保持燃烧室中的热量，降低活塞的操作温度，并因此进一步改善发动机制动热效率。

发明内容

本发明的一个方面包括用于内燃机的活塞，其为发动机提供了改进的制动热效率(BTE)。活塞包括由金属材料形成的主体。主体包括呈现燃烧表面的活塞顶。活塞顶包括从燃烧表面悬垂的外侧壁，并且外侧壁呈现主体的外径。活塞顶还包括外冷却通道和活塞顶内(undercrown)冷却通道。外冷却通道沿着外侧壁在燃烧表面下方周向地延伸，外冷却通道被密封并包含第一冷却介质。活塞顶内冷却通道在第一活塞顶内表面下方被外冷却通道围绕，并且活塞顶内冷却通道包含第二冷却介质。活塞顶包括沿着活塞顶内冷却通道延伸的下壁，并且下壁包括通到活塞顶内冷却通道的入口孔。

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。该方法包括提供由金属材料形成的主体，该主体包括呈现燃烧表面的活塞顶，活塞顶包括从燃烧表面悬垂的外侧壁，外侧壁呈现主体的外径，活塞顶包括密封式外冷却通道和活塞顶内冷却通道，外冷却通道沿着外侧壁在燃烧表面下方周向地延伸，活塞顶内冷却通道在第一活塞顶内表面下方被外冷却通道围绕，活塞顶包括沿着活塞顶内冷却通道延伸的下壁，并且下壁包括通到活塞顶内冷却通道的入口孔。该方法还包括在外冷却通道中提供第一冷却介质，和在活塞顶内冷却通道中提供第二冷却介质。

附图的简要说明

本发明的其它优点将是容易理解的，因为当结合附图考虑参考以下详细描述时，可以更好地理解本发明的优点，在附图中：

图1是根据一个示例性实施例的活塞的侧剖视图，其具有围绕活塞沿周向地延伸并包含第一冷却介质的密封式外冷却通道；

图2是根据另一示例性实施例的活塞的侧剖视图，其除了密封式外冷却通道之外，还包括填充有第二冷却介质的密封式活塞顶内冷却通道；和

图3是根据又一示例性实施例的活塞的侧剖视图，该活塞包括密封式外冷却通道和活塞顶内冷却通道，其中，活塞顶内冷却通道包括开放的入口孔并包含第二冷却介质。

示例性实施例的描述

根据示例性实施例的用于内燃机的活塞20大体上在图1-3中示出。活塞20包括包含第一冷却介质28的密封式外冷却通道26和/或包含第二冷却介质28'的活塞顶内冷却通道26'，以减少通过活塞20从燃烧室中损失的热量，从而在活塞20用于内燃机时提高制动热效率(BTE)。制动热效率对于本领域普通技术人员而言已知为是发动机的制动功率除以发动机的热功率。制动热效率通常用于确定发动机将热从燃料转换为机械能的程度。

如图所示，活塞20包括由诸如钢的金属材料形成的主体22，其围绕中心轴线A周向地延伸，并且沿着中心轴线A从上端30沿纵向地延伸到下端32。主体22包括具有燃烧表面34的活塞顶24，燃烧表面34在内燃机中使用期间暴露于燃烧室。活塞顶24还具有与燃烧表面54相反地面向的第一活塞顶内表面36。

活塞顶24包括沿着活塞顶24的至少一部分延伸的外冷却通道26。活塞顶24包括上壁38，下壁40，外侧壁42和内侧壁44，它们一起限定了外冷却通道26。该外冷却通道26沿着第一活塞顶内表面36的外部分设置并且围绕中心轴线A周向地延伸。外冷却通道26沿着活塞顶24的上壁38的仅仅一部分设置，并且与中心轴线A径向地间隔开。外侧壁42和内侧壁44由肋形成，这些肋连接在一起以限定外冷却通道26。在该实施例中，外肋通过焊缝50连接以形成外侧壁42，并且内肋通过焊缝50连接以形成内侧壁44。作为替代，这些肋也可以使用另一连接方法，例如键合焊接或机械附连而彼此连接。壁38,40,42,44中的至少一个壁，通常是下壁40，包括开口52，用于允许第一冷却介质28进入外冷却通道26。于是，通到外冷却通道26的开口52例如通过塞子密封，如图所示。作为替代，可以通过在开口52中设置粘合剂，将材料焊接到开口52或者对开口52进行钎焊，来密封开口52。作为替代，活塞20可以被铸造成为包括密封式外冷却通道26的一个整体。

根据另一示例性实施例，如图2和图3所示，活塞20包括在活塞20的中心轴线A处沿着第一活塞顶内表面36的活塞顶内冷却通道26'。该活塞顶内冷却通道26'仅沿着活塞顶24的上壁38的一部分设置，并且被周向外冷却通道26包围。上壁38、下壁40和内侧壁44一起限定了活塞顶内冷却通道26'。在该实施例中，下壁40包括与燃烧表面34相反地面向的第二活塞顶内表面36'。该活塞顶内冷却通道26'优选地与周向外冷却通道26组合使用，但是可以独立于周向外冷却通道26使用。活塞顶内冷却通道26'也至少部分地填充有第二冷却介质28'，以进一步减少流过活塞28的热量和/或减轻油劣化。在活塞顶内冷却通道26'中使用的第二冷却介质28'可以与在外冷却通道26中使用的第一冷却介质28相同或不同。

在图2的实施例中，活塞顶内冷却通道26'被密封以容纳第二冷却介质28'，因此没有其它物质可以进入或离开冷却通道26'。根据另一实施例，如图3所示，活塞顶内冷却通道26'未被密封。小的开放的入口孔46沿着活塞20的中心轴线A位于下壁40中，以允许空气进入活塞顶内冷却通道26'。入口孔46还可以允许来自曲轴箱的少量油以飞溅或雾气的形式进入活塞顶内冷却通道26'。然而，在图2的实施例中，通到活塞顶内冷却通道26'的入口孔46被用塞子52密封。入口孔46的直径是活塞26外径的1％至25％。通常，入口孔46的直径是活塞20外径的不到4％，或者是活塞20外径的2％到4％。活塞20的外径被定义为在推力方向上沿裙部62的最大外径。通常，在限定活塞20到衬套的间隙之处测量活塞20的外径。例如，入口孔46的直径可以为约5mm或更小。可选地，入口孔46可以是渐缩形的，使得入口孔46的直径在从活塞顶内冷却通道46内侧移动到外侧并远离燃烧表面34时增加。渐缩形孔46可以促进油进入活塞顶内冷却通道26'的过程和/或将第二冷却介质28保持在活塞顶内冷却通道26'内。反过来的渐缩形孔46，即，其中入口孔46的直径在从活塞顶内冷却通道46内侧移动到外侧并远离燃烧表面34时减小，也可以用于促进从活塞顶内冷却通道26'侧面钻孔的制造过程。

在示例性实施例的活塞20中，主体22的燃烧表面34在中心轴线A处呈现顶点，围绕该顶点的碗状形状，以及围绕该碗状形状的碗边缘。外侧壁42还包括多个背向中心轴线A的环槽56，环槽56围绕中心轴线A在周向上延伸。环槽56通过平台48彼此间隔开，并且平台48呈现主体22的外径。该示例性实施例的活塞20还包括至少一个销凸台58，但通常是一对销凸台58，每个销凸台58从活塞顶24悬垂并围绕中心轴线A周向地延伸。该至少一个销凸台58呈现垂直于中心轴线A延伸的销孔60，用于接收肘销(未示出)。主体22还包括至少一个裙部62，但通常是一对裙部62，其从活塞顶24悬垂并围绕中心轴线A周向地延伸。该至少一个裙部62连接到该至少一个销凸台58。通常，裙部62通过销凸台58而绕中心轴线A沿周向地彼此间隔开。注意，活塞20的主体22可以包括除了在图1和图2中公开的设计之外的各种其它设计，但仍然包括外冷却通道26和/或活塞顶内冷却通道26'，用于容纳冷却介质28和/或28'。

位于外冷却通道2中的第一冷却介质28和/或位于活塞顶内冷却通道26'中的第二冷却介质28'可以是气体，液体，固体和/或混合物的形式。通常，当冷却介质28或28'为气体形式时，气体填充冷却通道26,26'的100体积百分比(体积％)。各种不同类型的气体可用于冷却介质28或28'，例如空气，氦气，氩气，氦气，氙气，二氧化碳，另一种气体，或甚至部分真空。气体冷却介质28或28'的导热率低于固体材料、多相液体/气体混合物，以及液体，例如常规冷却油。例如，在25℃时，空气的导热率约为0.024W/(m·K)，氦气的导热率约为0.142W/(m·K)，氩气的导热率约为0.016W/(m·K)。根据一个示例性实施例，填充活塞顶内冷却通道26'的第二冷却介质28'是氩气，部分真空或其它气体，其比空气更能够有效地减少热流。氩气、空气或另一类型的第一冷却介质28于是填充外冷却通道26。

根据另一示例性实施例，填充或部分填充外冷却通道26的第一冷却介质28和/或填充或部分填充活塞顶内冷却通道26'的第二冷却介质28'是液体、固体或者固体和液体的混合物。在美国专利No.912761，8955486，8662026和美国临时专利申请No.62/262,704中公开了用作冷却介质28或28'的组合物的实例。根据一个示例性实施例，使用具有商标名为EnviroKoolTM的冷却剂作为第二冷却介质28'，其部分地填充活塞顶内冷却通道26'。在这种情况下，空气或另一种类型的第一冷却介质28填充或部分填充外冷却通道26。根据另一示例性实施例，第一冷却介质28由空气组成并且填充外冷却通道26的100％体积；并且，第二冷却介质28'由空气组成，并填充活塞顶内冷却通道26'的100％体积。

根据又一个实施例，标准发动机油是部分地填充外冷却通道26的第一冷却介质28和/或部分地填充活塞顶内冷却通道26'的第二冷却介质28'。如果冷却通道26,26'中只有一个包含发动机油，则空气或另一种类型的冷却介质28,28'填充或部分填充另一冷却通道26,26'。在发动机油用于部分地填充外冷却通道26和/或活塞顶内冷却通道26'的情况下，发动机油可在高表面温度区域沿冷却通道26,26'的内表面产生焦化的油层。因此，焦化的油层可以产生额外的隔热，并且进一步减少通过活塞20的损失。

冷却介质28,28'的低导热率保持燃烧室中的热量并减少通过活塞20损失的热量，换句话说，低导热率减少了从燃烧室通过活塞20的热量损失，提高了燃烧室的温度。因此，冷却介质28,28'可以被称为绝缘介质或活塞热管理。利用该废热回收(WHR)系统可以回收燃烧室中的额外能量。另外，可以最小化或消除沿着冷却通道26的表面和第二活塞顶内表面36'的油焦化沉积物。可以减少与活塞20接触的冷却油和润滑油的劣化。冷却介质28,28'还可以使活塞20下部的温度最小化。

为了提供额外的绝缘，可以将热障涂层54施加到活塞顶24的上壁38的燃烧表面34上，如图1、2和3所示。热障涂层54也可以施加到图1所示活塞的不包括活塞顶内冷却室26'的第一活塞顶内表面36。或者，热障涂层54可以施加到图2和图3所示活塞2的包括活塞顶内冷却通道26'的第二活塞顶内表面36'。例如，图2和图3的活塞20可以在第一活塞顶内表面36和第二活塞顶内表面36'二者上或仅其中一个表面上包括热障涂层54。热障涂层54所具有的导热率低于用于形成活塞主体22的金属的导热率。热障涂层54由绝缘材料形成，例如陶瓷基材料，例如氧化钇稳定的氧化锆，二氧化铈稳定的氧化锆，或其它类型的部分稳定的氧化锆。热障涂层54进一步减少通过活塞20的热损失并增加燃烧室温度。

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包括在外冷却通道26中的第一冷却介质28和/或在活塞顶内冷却通道26'中的第二冷却介质28'。该方法一般包括以下步骤：提供由钢材料制成的主体22；并且用冷却介质28,28'至少部分地填充外冷却通道26和/或活塞顶内冷却通道26'的至少一部分。该方法通常还包括，密封该外冷却通道26和/或活塞顶内冷却通道26'。

当形成图1-3中所示的示例活塞20时，提供主体22的步骤包括，将上肋连接到下肋，以形成内侧壁44和外侧壁42，在它们之间限定了外冷却通道26。连接步骤可包括焊接，键合焊接，机械连接或使用用于连接这些肋的其它技术。

用第一冷却介质28填充外冷却通道26的步骤通常包括，在活塞顶24的壁38,40,42,44的其中一个壁(通常是下壁40)中形成开口52，然后泵送第一冷却介质28通过开口52。在该实施例中，开口52可以在连接步骤之前或之后形成，并且在连接步骤之后进行填充冷却通道26的步骤。最后，该方法包括，用塞子将开口52密封到外冷却通道26，并且例如通过焊接、钎焊、螺钉或粘合剂来固定该塞子。通过引用结合于本文中的美国临时专利申请No.62/110,191公开了用于密封冷却通道26的示例性方法。或者，外冷却通道26可以包括可保持未密封的开口52，只要它不与油冷却射流对准。可以进行与关于开口52所论述的相同的步骤，以将入口孔46填充并密封到活塞顶内冷却通道26'。或者，活塞顶内冷却通道26'可以包括小孔46，并且可以保持未密封。

根据另一个实施例，活塞20可以是单件，包括密封的冷却通道28，使得空气是填充密封式外冷却通道28的第一冷却介质28，在其它实施例中，部分真空，氩气，氦气，氙气，二氧化碳或具有低导热率的其它气体，例如与空气相比有效减少热流的气体，在密封冷却通道26之前，被设置在外冷却通道26和/或活塞顶内冷却通道26'中。与现有方法相比，用于制造活塞20的工艺更简单，导致成本更低。

显然，鉴于以上教导，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与具体描述不同的其它方式实施。

Claims (21)

1.一种用于内燃机的活塞，包括：

由金属材料形成的主体；

所述主体包括呈现燃烧表面的活塞顶；

所述活塞顶包括从所述燃烧表面悬垂的外侧壁，所述外侧壁呈现所述主体的外径；

所述活塞顶包括外冷却通道和活塞顶内冷却通道；

所述外冷却通道在所述燃烧表面下方沿着所述外侧壁周向地延伸，所述外冷却通道被密封，并且包含第一冷却介质；

所述活塞顶内冷却通道在第一活塞顶内表面下方被所述外冷却通道包围，所述活塞顶内冷却通道包含第二冷却介质；并且

所述活塞顶包括沿着所述活塞顶内冷却通道延伸的下壁，并且所述下壁中沿着所述活塞的中心轴线开设有入口孔，所述入口孔连通到所述活塞顶内冷却通道；

其中，通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔是渐缩形的，使得所述入口孔的直径在远离所述燃烧表面的方向上增大或减小。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔具有为所述主体的所述外径的1％至25％的直径。

3.根据权利要求1所述的活塞，其中，通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔具有为所述主体的所述外径的2％至4％的直径。

4.根据权利要求1所述的活塞，其中，通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔是开放的。

5.根据权利要求1所述的活塞，其中，通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔是密封的。

6.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述第一冷却介质和所述第二冷却介质中的每一者从由固体、液体、气体、空气和部分真空所组成的组中选择。

7.根据权利要求6所述的活塞，其中，所述外冷却通道是密封的，所述第一冷却介质是固体、液体、气体和空气中的至少一种；并且，通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔是开放的，并且所述第二冷却介质是空气。

8.根据权利要求6所述的活塞，其中，所述外冷却通道是密封的，所述第一冷却介质由固体、液体、气体、空气和部分真空组成；通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔是开放的，所述第二冷却介质由空气组成，并且所述空气填充所述冷却通道的100％体积。

9.根据权利要求1所述的活塞，还包括热障涂层，其被施加到所述燃烧表面、所述第一活塞顶内表面和位于所述活塞顶内冷却通道下方的第二活塞顶内表面中的至少一者上；并且，所述热障涂层的导热率低于所述主体的所述金属材料的导热率。

10.根据权利要求9 所述的活塞，其中，所述热障涂层由绝缘材料形成。

11.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体由钢形成，并且围绕中心轴线周向地延伸以及从上端到下端纵向地延伸；

所述活塞顶包括呈现所述燃烧表面的上壁，和内侧壁；

所述上壁、所述下壁、所述外侧壁和所述内侧壁一起限定所述外冷却通道；

所述外冷却通道与所述中心轴线径向地间隔开；

所述外侧壁和所述内侧壁由连接在一起的肋形成；

所述外侧壁、所述内侧壁和所述下壁中的至少一者包括允许冷却介质进入所述外冷却通道的开口，并且所述开口是密封的；

所述下壁在所述活塞顶内冷却通道下方呈现第二活塞顶内表面；

所述燃烧表面在所述中心轴线处呈现顶点，围绕所述顶点的碗状形状，以及围绕所述碗状形状的碗边缘；

所述外侧壁包括多个环槽，所述环槽背向所述中心轴线并且围绕所述中心轴线周向地延伸，所述环槽通过平台而彼此间隔开，并且所述平台呈现所述主体的所述外径；

所述主体包括一对销凸台，每个所述销凸台从所述活塞顶悬垂，每个所述销凸台呈现垂直于所述中心轴线延伸的销孔；

所述主体包括一对裙部，所述裙部从所述活塞顶悬垂并且通过所述销凸台而彼此间隔开；

所述第一冷却介质填充所述外冷却通道的100％体积，并且所述第一冷却介质由空气组成；

所述上壁、所述下壁和所述内侧壁一起限定了所述活塞顶内冷却通道；

所述活塞顶内冷却通道设置在所述中心轴线处并且径向向外地延伸到所述外冷却通道：

所述第二冷却介质填充所述活塞顶内冷却通道的100％体积，并且所述第二冷却介质由空气组成；

通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔具有为所述主体沿所述裙部的最大外径的2％至4％的直径；

并且，进一步包括：

热障涂层，所述热障涂层施加到所述燃烧表面、所述第一活塞顶内表面和所述第二活塞顶内表面中的至少一者上；并且

其中，所述热障涂层由绝缘材料形成，所述绝缘材料包括部分稳定的氧化锆。

12.一种制造用于内燃机的活塞的方法，包括步骤：

提供由金属材料制成的主体，所述主体包括呈现燃烧表面的活塞顶，所述活塞顶包括从所述燃烧表面悬垂的外侧壁，所述外侧壁呈现所述主体的外径，所述活塞顶包括密封式外冷却通道和活塞顶内冷却通道，所述外冷却通道在所述燃烧表面下方沿着所述外侧壁周向地延伸，所述活塞顶内冷却通道在第一活塞顶内表面下方被所述外冷却通道包围，所述活塞顶包括沿所述活塞顶内冷却通道延伸的下壁，并且所述下壁包括通到所述活塞顶内冷却通道的入口孔，其中，通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔是渐缩形的，使得所述入口孔的直径在远离所述燃烧表面的方向上增大或减小；和

在所述外冷却通道中提供第一冷却介质，并且在所述活塞顶内冷却通道中提供第二冷却介质。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一冷却介质由空气组成，在所述外冷却通道中提供所述第一冷却介质的所述步骤包括用所述空气填充所述外冷却通道，并且还包括密封所述外冷却通道。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述外冷却通道中提供所述第一冷却介质的所述步骤包括用氩气、氦气、氙气和二氧化碳中的至少一者填充所述外冷却通道。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一冷却介质包括液体和气体的多相混合物，并且在所述外冷却通道中提供所述第一冷却介质的所述步骤包括在所述外冷却通道中设置液体，并且还包括密封所述外冷却通道。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二冷却介质由空气组成，并且在所述活塞顶内冷却通道中提供所述第二冷却介质的所述步骤包括用所述空气填充所述活塞顶内冷却通道。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔是开放的，并且所述入口孔的直径为所述主体的外径的2％至4％。

18.根据权利要求12所述的方法，包括将热障涂层施加到所述燃烧表面、所述第一活塞顶内表面和位于所述活塞顶内冷却通道下方的第二活塞顶内表面中的至少一者上；并且，所述热障涂层的导热率低于所述主体的所述金属材料的导热率。

19.根据权利要求12所述的方法，包括对通到所述活塞顶内冷却通道的所述入口孔进行密封。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述密封步骤包括以下步骤中的至少一个：将塞子设置在所述入口孔中；在所述入口孔中设置粘合剂；将材料焊接到所述入口孔；和钎焊所述入口孔。

21.根据权利要求12所述的方法，其中，提供所述主体的所述步骤包括，通过将围绕中心轴线周向地延伸的上肋连接到围绕所述中心轴线周向地延伸的下肋来形成所述外冷却通道和所述活塞顶内冷却通道。

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