具有油冷却通道的活塞及其构造方法
【专利说明】具有油冷却通道的活塞及其构造方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2012年7月20日提交的第61/674，120号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0002]本发明大致涉及内燃机，更具体的涉及活塞以及它们的构造方法。
【背景技术】
[0003]发动机制造商正面临日益增加的提高发动机效率和性能的需要，包括但不限于，提高燃料经济性、改善燃料燃烧、减少油耗、增加排气温度用于车辆内热量的后续使用、增加缸镗内的压缩荷载、减少重量并且使发动机更加紧凑等。据此，需要增加发动机燃烧室内的温度和压缩荷载。然而，通过增加发动机燃烧室内的温度和压缩荷载，活塞的摩擦和物理需求也提高了，尤其是当活塞的运行温度超过240-270摄氏度时，会因此降低它潜在的使用寿命。需要关注高温的一个特殊区域是沿着活塞的上燃烧表面以及活塞的内部区域内，比如活塞的下冠部区域。
[0004]据此，已知的是通过将油在压力下从集油区域向上强制导入活塞的下冠部区域的电动油泵系统促进下冠部区域的冷却。尽管已知的机械泵或者电动泵能够有效地降低活塞的运行温度，但它们成本很高。典型地，在典型的6缸重型发动机中，电动泵需要大约2-3kW的能量，在更大的发动机中甚至更多。如此，电动泵会引起发动机的附加损失，其反过来导致降低的发动机性能，降低的发动机效率以及降低的燃油经济性。
[0005]根据本发明构造的活塞至少克服了上述已知的活塞冷却系统的缺点，本领域技术人员在阅读本公开内容以及参阅附图后将容易领会。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个方面构造的用于内燃机的活塞具有制造经济性并且展现出长久实用的使用寿命。该活塞包括活塞本体，活塞本体具有上燃烧表面以及围绕下冠部区域的环形的冷却通道，以及从上燃烧表面悬垂的外壁，以及形成于邻近上燃烧表面的外壁内的环形的环带区域。该环带区域具有形成于其中的至少一个环槽。至少一个油道从至少一个环槽延伸至冷却通道。油道具有从至少一个环槽径向向内悬垂的第一部分以及从第一部分径向向内上行至冷却通道的第二部分。
[0007]根据本发明的进一步方面，冷却通道具有一底部表面并且油道延伸穿过该底部表面。
[0008]根据本发明的进一步方面，油道包括从冷却通道的底部表面向上延伸入冷却通道的管状元件。
[0009]根据本发明的另一个方面，一埋头孔从冷却通道的底部表面悬垂并且该管状元件固定于埋头孔内。
[0010]根据本发明的又另一个方面，活塞本体包括固定于下部的上部，其中油道完全形成于下部内。
[0011]根据本发明的又另一个方面，活塞本体构造为单独的整块的材料。
[0012]根据本发明的又另一个方面，第一部分形成为围绕外壁延伸的环形槽。
[0013]根据本发明的又另一个方面，第二部分形成为穿过外壁延伸入冷却通道并且与第一部分相交的通孔。
[0014]根据本发明的另一个方面，在邻近外壁的通孔内设置一塞子以防止流经第二部分的油绕过冷却通道。
[0015]根据本发明的又另一个方面，提供一种构造用于内燃机的活塞的方法。该方法包括形成一活塞本体，活塞本体具有上燃烧表面以及围绕下冠部区域的环形的冷却通道，以及从上燃烧表面悬垂的环形的环带区域。进一步地，在环带区域内形成油环槽。又进一步地，通过形成从油环槽径向向内悬垂的油道的第一部分以及从第一部分径向向内上行至冷却通道的第二部分，而形成从油环槽延伸至冷却通道的至少一个油道。
[0016]根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括形成穿过冷却通道的底部表面延伸的油道。
[0017]根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括形成油道的一部分，该部分具有从冷却通道的底部表面向上延伸的一管状元件。
[0018]根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括将管状元件固定于延伸入冷却通道的底部表面内的埋头孔内。
[0019]根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括通过将一上部固定于下部形成活塞本体，上部和下部界定了冷却通道并且其中至少一个油道完全地形成于下部内。
[0020]根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括将活塞本体形成为整块的材料。
[0021]根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括将第二部分形成为穿过外壁延伸入冷却通道的通孔以及在邻近外壁的通孔内设置一塞子。
[0022]根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括将第一部分形成为围绕外壁的外圆周延伸的环形槽。
【附图说明】
[0023]参阅以下当前优选实施例和最优模型的详细说明、所附权利要求以及附图，本发明的这些和其它方面、特征以及优点将更易于领会，其中:
[0024]图1是根据本发明的一个方面构造的活塞的立体示意图；
[0025]图1A是图1的活塞的局部剖面示意图；
[0026]图1B是根据本发明的另一个方面构造的活塞的类似于图1A的示意图；
[0027]图2是图1A中的圈2所包围的区域的放大的剖视图；
[0028]图1C是根据本发明的另一个方面构造的活塞的类似于图1A的示意图；以及
[0029]图1D是根据本发明的另一个方面构造的活塞的类似于图1B的示意图。
【具体实施方式】
[0030]更详细地参阅附图，图1示出了根据本发明一个方面构造的活塞10，以用于在内燃机的缸镗或者腔室内(图中未示)往复运动，比如新一代高性能汽油或者柴油发动机，比如用于高性能轿车和重型卡车中。该活塞10具有一本体12，该本体通过浇铸或者锻造制造，或者通过已知的制造活塞的任何其它制造工艺形成，无论是整块的、单块材料或者多块材料固定于一起，该本体沿着一中心纵轴14延伸，活塞10沿着该中心纵轴14在缸镗内做往复运动。如图1A中最优所示的本体12具有两部分，包括彼此固定连接的一顶部，也称为上冠部16，以及一底部，也称为下冠部18，比如通过焊接工艺(例如摩擦焊接工艺)沿着摩擦焊缝或者接缝17、19连接。关于本文中的“竖直” “顶” “底” “上” “下”，是指相对于沿着竖直纵向中心活塞轴14定向的活塞10而言，在使用中活塞10沿着该中心活塞轴14做往复运动。由于活塞可能以一定角度或者以完全竖直之外的其他方向安装以及运行，因此这是为了便于解释相对的特征位置，而非作为限制。下冠部18具有远离上冠部16延伸的一对销壳20以提供侧向隔开的销孔22，销孔22沿着大致垂直于中心纵轴14延伸的一销孔轴24对齐。销壳20通过支撑部28与在直径方向上隔开的裙部26连接。上冠部16具有一上燃烧表面30，示出为具有嵌入其中的一燃烧碗32以向缸镗提供所需的气流。本体12具有从上燃烧表面30悬垂的圆柱形的或者基本圆柱形的外壁34，包括直接邻近上燃烧表面30的竖向延伸的上部36以及形成于邻近上燃烧表面30的外壁34内且从上燃烧表面30和上部36竖向悬垂的环带区域38。环形的圆环面形状的冷却通道40从环带区域38径向向内且与环带区域38径向对齐地形成。冷却通道40围绕且周向围绕直接固定于上燃烧表面30之下的下冠部区域42延伸。环带区域38具有形成于其中的至少一个环槽，示为包括压缩环槽44、清洁环槽46和最底部油环槽48的多个环槽。至少一个油道50从油环槽48连续地延伸至冷却通道40。
[0031]如图1A最优所示，油道50形成为连续的、不间断的通道，包括从油环槽48径向向内悬垂(向下延伸)的第一部分52以及直接从第一部分52径向向内上行(向上延伸)至冷却通道40的第二部分54。据此，油道50并不沿着一个连续的直线路径，并且因此，通过油道50形成的向下以及向上延伸的路径通过一种流体静力油压波将从汽缸壁刮下的油输送入冷却通道40内，该流体静力油压波响应活塞10向上以及向下的往复运动产生。据此，确保足够的油通过油道50被供应至冷却通道40以及下冠部区域42，以使活塞10所需的工作温度保持在与所需的活塞应用一致的温度，而不需通过机械泵或者电动油泵供油。无论怎样，如此刮下的油还可用于补充由现有泵送机构提供的一小部分的流量，总流量功率消耗小于纯机械或者电动冷却油供给，从而最大化发动机的运行效率和运行性能。
[0032]通过示例而非限制，上冠部16示出为具有从燃烧碗32的下表面悬垂至内上连接表面的一环形内筋56，也称为内自由端。上冠部16还具有形成为壁34的一部分的环形外筋58，该环形外筋悬垂至外上连接表面，也称为外自由端。压缩环槽44示出为形成于上冠部16内，同时其他槽46、48示出为形成于下冠部18内。
[0033]下冠部18与上冠部16分开制造，比如用锻造工艺，作为示例而非限制。下冠部18通过至少一个直立的环形的外下连接表面60 (也称为直立的环形外筋)连接至上冠部16，并且示出为还通过直立的环形内筋62连接至上冠部16。通过焊接，比如摩擦焊接，作为示例而非限制，上冠部16和下冠部18穿过它们各自的外筋58、60和内筋56、62而彼此连接，大体封闭的外油道40通过上冠部16和下冠部18的筋56，58，60，62以及燃烧碗32的上壁部分64 (也称为顶板)，并且又进一步通过冷却通道40的最底部面板66 (其示为形成为下冠部18的一部分)而界定。进一步，在上冠部16和下冠部18彼此连接之后，一敞开的内通道68形成于销孔22之上以及下冠部区域42的中心部分之下，且从冷却通道40径向向内形成。应当认识到根据本发明构造的活塞10可具有另外成型的上冠部和下冠部，比如具有不同的油道结构。进一步，作为示例，下冠部18示出为通过清洁环槽46以及用于容纳油环70的最下部的油环槽48形成环带区域38的下部(图2)。但是，应当认识到，如果需要，这些环槽46、48可形成于上冠部18内。又进一步，如图1B所示，其中通过对如上所用的相同附图标记增加100标示如上所述的类似的特征，根据本发明的另一个方面构造的活塞110可具有形成为整块材料的活塞本体112，从而成为单块材料。当然，活塞本体112包括如上所述所有相同的环槽144、146、148，以及如上所述的冷却通道140以及包括第一部分152和第二部分154的油道150。如此，关于整块活塞本体112无需进一步讨论。
[0034]油道50包括如图1A所示完全形成于下冠部18内的交叉的第一部分52和第二部分54，因此，第一部分52和第二部分54可在上冠部16和下冠部18彼此固定之前形成。第一部分52机械加工为进入油环槽48的底部表面的环形的槽、孔道或者凹陷，因此，第一部分52在油环槽48之下轴向延伸并与油环