本发明是申请号为201280012238.5(pct/us2012/028105)、申请日为2012年3月7日、发明名称为“用于增强冷却的发动机装置”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请交叉引用
本申请要求2011年3月7日提交的美国专利临时申请no.61/450,019的优先权，该美国临时申请通过引用全部并入本文。
本发明涉及一种用于内燃发动机的活塞与汽缸套构造。
背景技术：
内燃发动机受到政府规定和消费者期望的影响。政府规定包括减少排放和提高发动机效率以减少燃料消耗。消费者期望包括改进的发动机可靠性以及更长的发动机寿命。虽然在应对政府规定和提高内燃发动机寿命方面已经取得了很大的进步，但是内燃发动机是高度复杂的机构，并且对发动机部件的革新措施可以获得寿命、可靠性和效率的改善。
技术实现要素：
本公开内容提供了一种内燃发动机，所述内燃发动机包括发动机机体、缸膛、汽缸套和活塞。所述缸膛形成在所述发动机机体内并具有从所述缸膛径向向外定位的至少一个冷却剂通道。所述汽缸套定位在所述缸膛内并具有内径d。所述活塞定位在所述汽缸套内以沿着轴线往复运动。所述活塞包括顶面，具有外周表面的外侧壁，以及定位成距所述顶面有轴向距离b的凹槽。距离b与内径d的比值小于0.090。
本公开内容的实施例的优点和特征在结合附图观察时从示例性实施例的下列详述将变得更加清楚。
附图说明
图1是贯穿根据本公开内容的一个示例性实施例的内燃发动机的一部分的剖视图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开内容的示例性实施例的内燃发动机10。发动机10包括仅被示出一小部分的发动机机体12，安装在该发动机机体12上的汽缸盖14，定位在该发动机机体12中的至少一个汽缸套16，以及定位成用于在汽缸套16中沿着轴线往复运动的至少一个活塞18。当然，发动机10可以包括可布置成一条直线或布置成“v”型构造的多个汽缸套16和活塞18，例如每个发动机包括四至八个汽缸套和活塞。如下面所讨论那样，发动机10包括各种精确的结构参数，这些参数产生一定的益处，诸如，改善活塞18和汽缸套16的冷却，实现提高发动机10的寿命和可靠性，以及减少排放，并实现提高发动机10的燃料经济性和效率。
发动机机体12包括至少一个缸膛20。汽缸套16定位在缸膛20内。汽缸套16包括具有内径d的、用于定位活塞18的内孔17。活塞18可以是任何类型的活塞，只要它包含下文确定的完成本发明所必需的特征部即可。例如，活塞18可以是铰接活塞。汽缸套16将位于该汽缸套16的内部的被润滑部22和在内孔17的一端处定位在活塞18和汽缸盖14之间的燃烧室23与形成在发动机机体12中的多个冷却剂通道26(例如26a，26b，26c)分开。定位在活塞18的近侧、顶部或上部中的燃烧碗24是燃烧室23的一部分。
燃烧碗24中可以形成有多个特征部。例如，燃烧碗24可以具有中央部24a，该中央部24a在轴向上比绕该中央部24a延伸的环形部24b更靠近汽缸盖14。这些特征部可以和燃烧室23的特征相关，燃烧室的特征可以包括燃料流以及燃料流如何燃烧或点燃(未示出)。燃烧室23可以具有在2004年5月11日发布的美国专利no.6,732,703中所描述的燃烧室特征，该美国专利通过引用全部并入本文。
冷却剂通道26可以构造成为活塞18提供最优的冷却。例如，冷却剂通道26a可以是高速冷却剂流，冷却剂通道26b可以是低速冷却剂流。冷却剂通道26c可以是将流体通道26的一部分与流体通道26的另一部分相连的端口，诸如将冷却剂通道26a和冷却剂通道26b相连的端口。
汽缸套16包括具有轴向或纵向厚度a的顶凸缘部28。汽缸套16还包括从顶凸缘部28轴向或纵向延伸的具有径向厚度c的环形壁部32。突起33可以从壁部32进一步轴向定位，该突起与缸膛20协作以将冷却剂通道26a与冷却剂通道26b分离。止动件或台阶部34可以从突起33进一步轴向地包括在汽缸套16上。壁部37定位在汽缸套16上并从突起33延伸到止动件34。顶凸缘部28包括与环形缸膛20相对的外环形表面30。冷却剂通道26a从壁部32径向向外定位在汽缸套16的一侧上，并且冷却剂通道26c从壁部32径向向外定位在汽缸套16的与冷却剂通道26a相对的一侧上。冷却剂通道26a，冷却剂通道26b，以及冷却剂通道26c可以是绕汽缸套16有角度地延伸的单个冷却剂通道的一部分。
位于汽缸套16上的止动件34接合位于发动机机体12上的环形台阶或止动件35。止动件34提供设定汽缸套16的近侧、邻近的或上表面40相对于发动机机体12的顶面38的深度或偏移的位置。止动件34设定汽缸套16的顶面40和汽缸盖14或汽缸盖垫圈41之间的间隙的轴向长度。类似于止动件34的止动件在1981年10月12日公布的美国专利4,294,203中被描述，该美国专利的全部内容通过引用并入本文。一个或多个凹槽42也可以定位在汽缸盖14的外壁36上。一个或多个密封件44可以定位在每个凹槽42中。密封件44将被润滑部22与冷却剂通道26分开。
汽缸套16从缸膛20的顶端或近端插入发动机机体12中。汽缸套16的外周在该汽缸套16的包括凹槽42的区域中与缸膛20滑动配合。如前面所述，定位于凹槽42内的密封件44防止来自被润滑部22的润滑剂污染位于冷却剂通道26中的冷却剂，并且防止来自通道26的冷却剂污染被润滑部22中的润滑剂。凸缘部28的环形表面30与缸膛20的内表面94压配合。所述压配合可以提供在流体通道26和燃烧室23之间的密封，并且将汽缸套16固定在发动机机体12内。在凸缘部28和缸膛20的内表面94之间也可以定位有一密封件(未示出)。
如前面所述，活塞18定位在汽缸套16的具有内径d的内孔17中。活塞18在图1中被示出处于上止点(tdc)位置。活塞18驱动常规的连杆46，该连杆附接于固定到活塞18上的销、杆或轴48。连杆18驱动发动机10的曲轴(未示出)。连杆18和曲轴导致活塞18沿直线路径在汽缸套16内往复运动。当曲轴被定位成将活塞18远离曲轴的旋转轴线移动到最远位置时，到达tdc位置。以常规的方式，活塞18在通过进气冲程和动力冲程前进时从tdc位置移动到下止点(bdc)位置。活塞18包括用于活塞环以及位于活塞18的外侧壁43的外周、外径或外表面49上的密封件的多个凹槽。多个凹槽包括顶部、上部、近侧或第一凹槽50，第二、中央或中间凹槽52，以及第三、底部、下部、或远侧凹槽54。顶部凹槽50包括有助于防止来自燃烧室23的燃烧气体在活塞18和汽缸套16之间行进的第一常规压缩环56。顶部凹槽50的上侧62定位成距活塞18的顶部、上部或近侧表面64有距离b。中间凹槽52包括第二常规压缩环58。第三凹槽54包括限制沿着内孔17朝着活塞18的定位有燃烧碗24的上端或近端移动的油量的常规控油环60。
顶部凹槽50的距离b从排放的观点来看是很重要的。在活塞18的外侧壁43的外表面或外周面49与汽缸套16的内孔17之间存在径向间隙。在被称为死区的顶环56上方的区域中被捕集在外周面49与内孔17之间的区域中的燃料不会被燃烧。该燃料在活塞18离开tdc位置时变成暴露的，并且该燃料进入发动机10的排气装置(未示出)中。未燃烧的燃料促成增加的排放并导致发动机10的低效率。因此，减小距离b的能力能减少排放并提高燃料效率。
刮油环39可以在汽缸套16中定位在顶凸缘部28的内部。刮油环39的内径小于内孔17的直径。刮油环39减小了上文所描述的死区的容积，以及有助于去除在顶部凹槽50上方的活塞壁43的表面49上的沉积物。因此刮油环39有助于去除顶部压缩环或第一压缩环56上方的沉积物。
活塞18由两个单独的部分制成。上部、近侧部、或顶部66沿着第一接头70和第二接头72接合到下部、远侧部、或底部68。第一接头70包括位于下部68上的表面74和位于上部66上的配合表面76。第一接头70定位在顶部凹槽50和第二凹槽52之间。第二接头72包括位于上部66上的表面78和位于下部68上的表面80。第二接头72沿比第一接头70更远离燃烧室23的方向从该第一接头70轴向移位。通过使第二接头72处于该位置，将在下文中被更详细描述的壁或肋88容易从径向方向进入以在其中形成特征部，诸如流体通道(未示出)。顶部66和底部68通过常规的旋转焊接工艺相互固定。通过将活塞18制造为两个单独件，可以在上部66的制造期间使沟82更靠近顶面64延伸或定位，这是因为在将上部66附接或焊接到下部68之前上部66的内部是可进入的。
沟82包括具有径向范围的下部82a和具有小于下部82a的径向范围的径向范围的上部82b。下部82a从距离活塞18的中心轴线的一径向距离径向延伸，上部82b从比下部82a更远离活塞18的中心轴线的一径向距离径向延伸，这是因为上部82b沿燃烧碗24的轮廓而行。因为上部82b沿燃烧碗24的轮廓而行，因此沟82的上部82b的最上部分可以定位在距燃烧碗24的顶面64等于该燃烧碗24的壁厚的距离处。上部82b的最上部分的位置使得顶部凹槽50能够以距顶面64的距离b位于比常规活塞设计中可能的更靠近的位置，如将在下文更详细地说明的。将顶部凹槽50以距离b定位提供了一种优点在于，相比常规的活塞设计，热量在到达冷却流体之前在活塞18中行进更短的距离。更快的接近冷却流体减少了热量在活塞18中的积聚，减小了活塞18上的应力，因此提高了活塞18的寿命。从连杆46飞溅的油通过多个活塞通道84进入沟82，然后退出活塞通道84进入被润滑部22。
挖空常规活塞的内部以形成类似于沟82的沟是不可能的，这是因为常规活塞的顶面将承受不了相关的燃烧室中的应力。常规活塞不能承受这些应力的原因是因为在常规活塞内没有足够的支撑来承受施加在常规活塞的顶面上的燃烧压力。通过制造上件或上部66以及下部68，至少在上部66中形成沟82，然后借助旋转焊接工艺将两个部分焊接在一起，活塞18克服了这个困难。然后活塞18的外表面或外径49可以被加工、研磨和/或珩磨到期望的尺寸，从而除去由旋转焊接工艺留下的任何不均匀度。
通道84可以在铸造期间定位在下部或远侧部68中，或者可以在铸造后被加工在下部68中。位于近侧部66中的壁或肋88与位于远侧部68中的壁或肋86邻接。因为旋转焊接工艺，壁或肋88与壁或肋86形成从作为燃烧碗24的一部分的燃烧碗壁90延伸到位于底部凹槽54的轴向下方的侧壁部92的邻接的或连续的壁或肋。侧壁部92是活塞18的侧壁、外壁或外侧壁43的一部分。因此，活塞18具有这样的能力，即，在燃烧碗24和活塞18的外侧壁43之间的区域中向活塞18的顶部的外周部提供冷却，同时由于两件式活塞设计保持了常规活塞的强度。
为了从前述的特征部获得最大的冷却、排放和效率益处，某些比值是可适用的。第一个比值在等式(1)中量化，该等式规定了距活塞18的顶面64的顶环距离b与活塞孔直径d的比值的限制。该比值适用于直径满足等式(2)的要求的活塞孔。
b/d＜0.090(等式1)
275mm≥d≥165mm(等式2)
距离b和直径d的大小和尺寸被确定为获得如等式(1)中所描述的0.090的最大比值，并且优选是0.085的最大比值。实现这些比值的直径d的范围如在等式(2)中所列出的，在等式(3)中给出了优选范围。
275mm≥d≥175mm(等式3)
满足等式(1)的要求对于优化排放和减少燃料消耗来说是至关重要的。从等式(1)明显的是，距离b应当尽可能靠近活塞18的顶面64，同时保持活塞18的强度。然而，沟82需要延伸到比顶部凹槽50更靠近活塞18的顶面64的位置。否则，在顶部凹槽50的区域内活塞18的冷却将会不充分，从而导致压缩环56过热，这导致汽缸套16的磨损和过早失效。因此，顶部凹槽50不能比沟82更靠近顶面64，只能在满足燃烧碗壁90的强度要求情况下，尽可能地靠近顶面64。
通过本公开内容的两个方面能实现改善活塞18的冷却。第一，顶部凹槽50相对于汽缸套16在壁部32中的厚度c的距离b部分地决定了活塞18的冷却的充分。距离b与厚度c的关系在等式(4)中限定。
b/c＜1.30(等式4)
距离b和厚度c的大小和尺寸被确定为获得1.30的最大比值，优选是1.25的最大比值。和等式(1)中一样，等式(4)表明距离b应当至少与汽缸16的壁部32的厚度c相比而言相对小。如前面所述，距离b应当尽可能小，但是该距离受到冷却顶部凹槽50的能力的限制，而冷却顶部凹槽的能力又受到使沟82尽可能靠近活塞18的顶面64延伸的能力的限制。冷却的第二个方面由顶部凸缘28的厚度a与距离b的比值决定，该比值在等式(5)中作出规定。
a/b＜0.80(等式5)
厚度a和距离b的大小和尺寸被确定为获得0.80的最大比值，优选是0.80的最大比值。顶部凸缘28的厚度a决定了冷却剂通道26a能够多接近汽缸套16的顶面40，由于厚度a必须不大于距离b的0.75倍，因此也限制了距离b。通过使厚度a满足该条件，冷却剂能够为顶部凹槽50提供最佳的冷却。然而，厚度a具有由承受来自燃烧室23的压力的能力并且由将顶部凸缘28压配合到缸膛20中的能力所决定的最小厚度。因此，距离b受两个因素限制，即，顶部凸缘28的最小厚度和使沟82靠近活塞18的表面64延伸的能力。
现在考虑等式(1)至等式(5)，明显地，通过满足等式(4)和等式(5)的要求实现了活塞18的最佳冷却，通过满足等式(1)至等式(3)的条件实现了最小排放和最佳效率。汽缸套、活塞环和活塞寿命的关键是使顶环反向温度最小化。顶环反向温度是活塞18在tdc处并且即将从向上冲程改变方向到向下冲程时顶部压缩环56的温度。如果顶环反向温度太高，那么汽缸套16和活塞环56就发生过度磨损，从而缩短了汽缸套16和活塞环56的寿命。然而，保持活塞环56的凹槽50只有通过使活塞环56冷却来移动到更高。本公开内容描述了这样一种构造，当满足等式(1)至等式(5)的条件时，该构造能使凹槽50和活塞环56位于比在常规设计中高得多的位置，从而提高了活塞18的寿命和可靠性，以及减少了排放并提高了发动机10的效率。
虽然本公开内容的多种实施例已经被示出和描述，但是应当理解的是，这些实施例并不限于此。所述实施例可以被本领域技术人员改变、修改和转用。因此，这些实施例并不限于之前所示和所述的细节，而是包括所有的这样的改变和修改。