带有填充室的钢活塞的制作方法

本专利申请要求2014年4月30日提交的、序列号为61/986,310的美国临时专利申请和2015年4月30日提交的、序列号为14/700,654的美国实用专利申请的权益，这些专利申请通过引用而整体结合到本文中。

发明背景

技术领域

本发明主要涉及用于内燃机的活塞，以及制造所述活塞的方法。

相关技术

在内燃机中使用的活塞，诸如重型柴油机活塞，在运行期间暴露在极高的温度下，特别是沿活塞的上冠状部分。因此，为了缓和温度，活塞典型地被设计成在上冠状部分下方带有冷却室，并且在活塞沿引擎的缸膛来回运动时将冷却油喷射到冷却室中。油沿上冠状部分的内表面流动，把热量从上冠状部分带走。然而，为了控制活塞在运行期间的温度，必须不断地保持油高度流动。另外，由于内燃机的高温，油会随时间流逝而降低性能，因此必须周期性地更换油，以维持引擎寿命。而且，当冷却室温度超过350℃时，油易于燃烧，被称为油焦化，并且附着在冷却室的表面。

技术实现要素：

本发明的一个方面包括用于内燃机的活塞。活塞包括由钢材料形成的主体，其中主体包括冠状部和沿冠状部的至少一部分延伸的冷却室。导热率大于钢材料的固态冷却剂填充了冷却室的至少15％的体积(vol.％，体积百分比)。固态冷却剂提供沿冠状部的卓越冷却，因此减小沿冠状部的腐蚀与磨损。另外，当使用固态冷却剂时，典型地不需要传统的冷却室油冷却，因此可以避免油焦化问题。然而，即使使用油冷却，固态冷却剂可以起到温度缓冲器的作用，以分散热量和降低引入油的区域的温度，因此这个区域保持为低于焦化温度。

本发明的另一方面包括制造活塞的方法。所述方法包括提供由钢材料形成的主体，以及用固态冷却剂填充冷却室的至少15％的体积(vol.％)。

附图说明

因为当结合附图考虑时，参照以下的详细说明可以更好地理解本发明的其它优点，所以将很容易地看到这些优点。在附图中：

图1是按照一个示例性实施例的活塞的侧视截面图，其中活塞冷却室的100％的体积(vol.％)填充有固态冷却剂；

图2是按照第二示例性实施例的活塞的侧视截面图，其中活塞冷却室的小于50％的体积(vol.％)填充有固态冷却剂；

图3是按照第三示例性实施例的活塞的侧视截面图，其中活塞冷却室的、大于50％的体积(vol.％)填充有固态冷却剂；

图4是按照第四示例性实施例的活塞的侧视截面图，其中活塞冷却室的、大于50％的体积(vol.％)填充有固态冷却剂；

图5A是按照第五示例性实施例的活塞的侧视截面图，其中活塞冷却室的、约50％的体积(vol.％)填充有固态冷却剂；

图5B是按照第五示例性实施例的活塞的另一个侧视截面图；以及

图5C是按照第五示例性实施例的活塞的仰视图。

具体实施方式

参照附图，其中在几个图上相同的数字表示对应的部件，按照本发明的示例性实施例的、在用于内燃机中时提供超凡性能的活塞20大致显示在图1-5中。活塞20包括由钢材料形成的主体22。主体22包括冠状部24和沿冠状部24的至少一部分延伸的冷却室26。固态冷却剂28填充了冷却室26的至少15％的体积(vol.％)。冷却剂28的导热率大于主体22的钢材料的导热率。冷却剂28也是固体的，典型地是金属材料，诸如基于铝的材料。用固态冷却剂28填充冷却室26的至少15％体积(vol.％)提供沿冠状部24的超凡冷却，并减小沿冠状部24的腐蚀与磨损。典型地，当使用固态冷却剂时，不再需要传统的冷却室油冷却，因此避免了油焦化问题。

如图所示，活塞20的主体22围绕中心轴A周向地和沿中心轴A纵向地从上端30延伸到下端32。主体22包括外表面34以及在外表面34对面的内表面36，当在内燃机中使用期间，外表面34暴露于燃烧室中。冠状部24包括上壁38、下壁40和至少一个侧壁，这些壁共同限定冷却室26。在图1、2和4的示例性实施例中，活塞20包括外侧壁42和内侧壁44，它们限定冷却室26。在这些实施例中，冷却室26围绕中心轴A仅沿冠状部24的一部分上壁38延伸，并且与中心轴A径向隔开。然而，在图3的实施例中，活塞220只包括外侧壁242，因此冷却室226延伸穿过中心轴A并且沿冠状部224的整个外壁238延伸。图5显示另一个示例性实施例，其中冠状部424包括上壁438、外侧壁442和内侧壁444，它们共同限定冷却室428。在这个实施例中，冷却室428的底部保持开放，因此可以暴露于冷却油中。

在图1、2和4的示例性实施例中，活塞20的外侧壁42和内侧壁44由肋形成，这些肋接合在一起限定冷却室26。在这些实施例中，冠状部24包括上冠状部分46和下冠状部分48。上冠状部分46包括第一外部肋和第一内部肋，下冠状部分48包括第二外部肋和第二内部肋。在这个实施例中，第一外部肋和第二外部肋通过焊接50连接，从而形成外侧壁42，第一内部肋和第二内部肋通过焊接点50连接，从而形成内侧壁44。肋可以通过使用另外的接合方法，诸如粘接或机械附接，互相交替地彼此附接。壁38、40、42、44中的至少一个壁，典型地下壁40，包括入口孔52，用于允许冷却剂28进入冷却室26。到冷却室26的入口孔52可以通过例如塞子、粘接、焊接和钎焊中的至少一种方法保持为打开的或密封的。如果固态冷却剂28填充冷却室26的100％的体积，如图1所示，则固态冷却剂28本身形成沿入口孔52的密封。替换地，固态冷却剂28可以在把冠状部分46、48接合在一起之前，沿上冠状部分46和/或下冠状部分48布置。

在示例性实施例的活塞20中，主体22的外表面34限定在中心轴A处的顶点、围绕中心轴A的碗形、以及围绕碗形的碗边缘。外侧壁42还包括背离中心轴A和围绕中心轴A周向延伸的多个环形槽56。示例性实施例的活塞20还包括至少一个销壳58，但典型地包括一对销壳58，每个销壳58从冠状部24下垂并且周向围绕中心轴A延伸。所述至少一个销壳58限定垂直于中心轴A延伸的销孔60，用来接纳肘销(未示出销壳)。主体22还包括至少一个裙边部分62，但典型地包括一对裙边部分62，裙边部分62从冠状部24下垂并且周向围绕中心轴A延伸。所述至少一个裙边部分62与所述至少一个销孔58接合。典型地，裙边部分62围绕中心轴A与销孔58彼此周向隔开。活塞20的主体22可包括与图1-5中公开方案不同的各种其它设计，但仍旧包括包含冷却剂28的冷却室26。

固态冷却剂28填充活塞20的冷却室26的至少15％的体积(vol.％)，但典型地至少填充冷却室26的大部分体积。在图1的示例性实施例中，固态冷却剂28填充冷却室26的100％的体积(vol.％)。在图2的示例性实施例中，固态冷却剂128填充冷却室126的、少于50％的体积(vol.％)，例如，冷却室126的30-45％的体积(vol.％)。在图3的示例性实施例中，固态冷却剂228填充冷却室226的、大于50％的体积(vol.％)，例如，冷却室226的80-95％的体积(vol.％)或至少90％的体积(vol.％)。在图4的示例性实施例中，固态冷却剂328又填充冷却室326的、大于50％的体积(vol.％)，例如，80-95％的体积(vol.％)。在图5的示例性实施例中，固态冷却剂428填充冷却室426的约50％的体积(vol.％)，例如，冷却室426的35-75％的体积(vol.％)或至少40％的体积(vol.％)。另外，在每个实施例中，冷却剂28可以仅仅沿冷却室26的某些区域布置，而不布置在其它地方。例如，在图5的实施例中，冷却剂428可被布置成靠近销壳458，而不是沿裙边部分462布置。

在图2-5的实施例中，其中固态冷却剂28没有填充冷却室26的100％的体积(vol.％)，冷却室26的其余体积是填充有气体的容纳空间64，典型地填充有空气。在这种情形下，通过让冷却室26开放和不密封，容纳空间64可被用作为传统的油冷却室，从而油可以沿固态冷却剂28和/或冠状部24的壁38，40，42，44喷射。而且，如果固态冷却剂28没有填充冷却室26的100％的体积(vol.％)，则固态冷却剂28可以相对于形成冷却室26的壁38，40，42，44布置在不同的位置处。例如，在图2中，固态冷却剂128沿活塞120的上壁138布置，而填充有空气的容纳空间164沿下壁140布置。典型地优选这个位置，用于把热量从冠状部124的、直接暴露于燃烧室的热气体下的灼热上壁138带走。在图3中，固态冷却剂128沿活塞220的下壁240布置，填充有空气的容纳空间264沿上壁360放置。在图4中，固态冷却剂328沿各个壁338，340，342，344布置，容纳空间364与壁338，340，342，344隔开并且被放置在冷却室326的中心或中心附近。在图5中，固态冷却剂428沿活塞420的上壁438布置，填充有空气的容纳空间464沿冷却室426的下壁放置。在这个实施例中，冷却室426具有开放的底部，并且暴露固态冷却剂428。

在图1-5显示的示例性实施例中，放置在冷却室26中的固态冷却剂28保持为固体，即使在活塞20的主体22在等于或大于200℃的温度下，典型地在等于或大于350℃的温度下，例如在内燃机运行期间的活塞20温度下。然而，在制作活塞20期间，固态冷却剂28典型地被至少加热到它的熔点温度，然后以液体形式倒入或放置在冷却室26中。固态冷却剂28然后被允许固化，并在活塞20寿命期间保持固态。

固态冷却剂28的导热率大于被用来形成活塞20主体22的钢材料的导热率，因此它能够在运行期间把热量从冠状部24的炙热上壁38耗散掉。固态冷却剂28可以有效地冷却冠状部24，同时避免与传统冷却油相关联的问题，诸如油焦化，以及附着到沿冷却室26的表面34，36。固态冷却剂28也具有相当好的材料强度，但典型地，其密度小于钢材料的密度。因此，固态冷却剂28能够提供附加的结构支撑或硬度，而不会大大增加活塞20的总质量。另外，通过使用固态冷却剂，本来是很难解决的某些结构问题可以得以解决。在某些情形下，固态冷却剂28可用来代替由钢材料形成的另一个支撑结构，诸如肋或壁，在这种情形下，活塞20的总重量被减小。

固态冷却剂28典型地包括导热率大于用来形成活塞20主体22的钢材料的导热率的金属材料。在一个示例性实施例中，固态冷却剂28是基于铝的材料，例如，纯铝或铝合金。基于铝的材料在引擎运行期间保持固态，即使在冷却室26达到大于350℃的温度时也是如此。基于铝的材料的导热率也大于钢材料的导热率，因此它有效地把热量从冠状部24的炙热上壁38耗散掉。对包括填充有铝的冷却室26的活塞20进行有限元分析(FEA)，这个FEA表明，填充有铝的冷却室26能够与标准油冷却同样有效地冷却上部冠状部46。基于铝的材料还提供附加的支撑和硬度，但由于它的密度比钢材料的相对较低，不会造成活塞20总重量的显著增加。

本发明的另一方面提供了制造包括冷却室26中的固态冷却剂28的活塞20的方法。所述方法主要包括以下步骤：提供由钢材料形成的主体22；用固态冷却剂28填充冷却室26的至少15％的体积(vol.％)。

在形成如图1，2和4所示的示例性活塞20时，提供本体22的步骤包括使上冠状部46与下冠状部48接合，以形成冷却室26。这个方法首先包括提供上冠状部分46和下冠状部分48，上冠状部分46包括上壁38和从上壁38下垂的一对上部肋，下冠状部分48包括下壁40和从下壁40向上延伸的一对下部肋。接着，方法包括使上部肋接合到下部肋，以形成内侧壁44和外侧壁42，限定在它们之间的冷却室26。接合步骤可包括焊接、粘接、机械附接、或使用其他技术来接合肋和形成冷却室26。当形成图3和5的示例性活塞20，420时，提供活塞220，420的主体222，422的方法包括把钢材料铸造成想要的形状。图3的入口孔252可以在铸造步骤期间或之后形成。形成活塞20主体22的步骤可替换地包括三维(3D)打印。

用固态冷却剂28填充冷却室26的步骤典型地包括在冠状部24的一个壁38，40，43，44上形成入口孔52，典型地在下壁40上形成入口孔52，然后通过入口孔52倒入固态冷却剂28。在这个实施例中，入口孔52可以在接合步骤之前或之后被形成，而填充冷却室26的步骤在接合步骤之后进行。典型地，用固态冷却剂28填充冷却室26的步骤包括把主体22颠倒过来，这样，上壁38就处在下壁40的下方，然后通过入口孔52把液体形式的固态冷却剂28倒入到冷却室26，确保冷却剂28沿上壁38连续地延伸。为了形成图2的活塞120，其中固态冷却剂128又沿冠状部124的上壁138布置，填充冷却室126的步骤包括在把上部肋焊接到下部肋之前沿冠状部124的上壁138和/或下壁140、在上部肋和/或下部肋之间布置液体形式的冷却剂128，因此，密封冷却室126的步骤通过焊接步骤完成。固态冷却剂128然后在封闭的冷却室126中固化。替换地，用固态冷却剂228填充图3的冷却室226的步骤可包括把液体形式的冷却剂228倒入冷却室226，并允许冷却剂228沿冠状部224的下壁240固化。为了形成图4的活塞320，其中冷却剂328沿各个壁338、340、342、344延伸，空气的容纳空间264处在冷却室326的中心，填充冷却室326的步骤包括在焊接步骤之前把盐芯放置在冷却室326中，然后在焊接步骤之后把液体形式的冷却剂328倒在盐芯周围。在冷却剂328在内燃机中使用之前允许其先固化，并且在活塞320的寿命期内保持为固态。对于图5的活塞，填充冷却室426的步骤包括在铸造活塞420的本体422之后，在活塞420被颠倒的同时，把液体形式的冷却剂倒入冷却室428中，以及允许冷却剂固化。

当形成图1，3和4的活塞时，方法包括密封带有固态冷却剂28的冷却室26的入口孔52。替换地，可以使用塞子、粘接、焊接和/或钎焊来密封冷却室26的入口孔52。把上冠状部分46接合到下冠状部分48以形成冷却室26的步骤也密封冷却室26。如果固态冷却剂28填充冷却室26的小于100％的体积(vol.％)，则冷却室26可以保持开放、未密封的状态，并且作为传统的油冷却室使用。如图5所示，方法可替换地包括让冷却室426的底部完全开放，用于暴露于油喷雾之下。

显然，鉴于以上的教导，本发明的与本文具体描述不同的许多修正方案和变例都是可能的，并且可以被实践，但仍旧在所附权利要求的范围内。