活塞、用于该活塞的冷却活塞环及其构造方法
【专利摘要】本发明提供一种活塞、活塞环及其构造方法。该活塞环呈L形，并具有第一部分和第二部分，其中，第一部分从一活塞的环槽沿该活塞的顶岸向上延伸，第二部分容置在该环槽中。活塞环的第一和第二部分具有一封闭的中空冷却室，且冷却介质设置在该冷却室中，从而使冷却介质自由地在内部流动至活塞环槽并从活塞环槽沿着顶岸向上流动。
【专利说明】活塞、用于该活塞的冷却活塞环及其构造方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及内燃机，尤其涉及用于该内燃机的活塞以及活塞环。
【背景技术】
[0002]发动机制造商正面临着越来越多的对于提高发动机效率和性能的要求，提高发动机效率和性能包括但不限于:提高耗热率、改善燃料燃烧、降低耗油量、提高排气温度以用于车辆内热量的后续使用、增加缸膛内的压缩载荷、减少重量，以及使发动机更为紧凑。因此，合适的是提高发动机燃烧室内的温度和压缩载荷。然而，通过提高发动机燃烧室内的温度和压缩载荷，提高了对活塞的耐久和物理要求，因此减少了活塞可能的使用寿命。特别需要关注的区域是:活塞的上燃烧表面区域内会积累过度热量以及会相应磨损的区域。
[0003]在阅读此处公开的内容以及附图后，对于本领域技术人员而言显而易见的是:根据本发明构造的一种包括活塞环的活塞能够更好地承受现代高性能发动机中产生的过度热量。
【发明内容】
[0004]根据本发明的一个方面构造的一种用于内燃机的活塞呈L形，其具有第一部分和第二部分，该第一部分从一活塞的一环槽沿该活塞的顶岸向上延伸，该第二部分容置在该环槽中。该环的第一和第二部分具有一封闭的中空的冷却室，且冷却介质设置在该冷却室中，从而使该冷却介质自由地在内部流动至该活塞环槽并从该活塞环槽沿着该顶岸向上流动。
[0005]根据本发明的另一个方面提供了一种用于内燃机的活塞。该活塞具有一本体，该本体具有一圆柱形外表面以及一延伸进入该外表面的环形最高环槽。活塞的顶岸从该外表面径向向内凹入。该顶岸从最高环槽延伸至一上燃烧表面。活塞进一步包括一L形活塞环，其具有第一部分和第二部分，该第一部分容置在最高环槽中，该第二部分从最高环槽沿顶岸向上延伸。活塞环的第一和第二部分具有一中空的冷却室，且冷却介质设置在该冷却室中，从而使该冷却介质自由地在内部流动至最高环槽并从环槽沿着顶岸向上流动。
[0006]根据本发明的另一个方面提供了一种构造用于内燃机的活塞环的方法。该方法包括:形成一具有中空的冷却室的L形环，该环包括第一部分和第二部分，该第一部分从一活塞的一环槽沿该活塞的顶岸向上延伸，该第二部分容置在该环槽中。进一步地，将冷却介质设置在该中空的冷却室中；以及将端塞固定在该中空的冷却室的相对两端，以使该冷却介质保持在该冷却室中。
[0007]根据本发明的另一个方面，形成L形环的方法包括采用管状材料形成活塞环。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]结合下列目前优选实施例和最佳实施方式的具体描述、所附权利要求以及附图进行考虑，根据本发明的上述及其他方面、特征和优点将会更加容易理解，其中:
[0009]图1是根据本发明一个方面构造的活塞的剖视图；
[0010]图2是图1活塞的圆圈区域的放大剖视图；
[0011]图2A-2D是根据本发明的补充方面构造的活塞环的类似于图2的视图；
[0012]图3是图2和2A-2D的活塞环的俯视图；
[0013]图4是活塞环的端盖的立体图；
[0014]图5A是管状元件在被形成在根据本发明构造的活塞环内之前的剖视图；以及
[0015]图5B是图5A的管状元件在被形成在根据本发明构造的活塞环内之后的剖视图。
【具体实施方式】
[0016]更详细的请参阅附图，图1示出了根据本发明的一个目前优选方面构造的用于在内燃机(例如，现代的、紧凑的、高性能车辆发动机)中的汽缸衬垫13(图2和2A)的缸膛12中往复运动的活塞10的剖视图。活塞10具有沿中心纵轴15延伸的本体14 (例如，该本体14示为单个的整件铸造材料,或者由锻造材料或还料制成)，活塞10在缸膛12中沿中心纵轴15往复运动。本体14形成为具有上燃烧壁，该上燃烧壁在一侧上具有用于直接曝露于缸膛内的燃烧气体的上燃烧表面16，在相对的一侧上具有位于上燃烧表面16的轴向正下方的活塞顶内表面(undercrown surface) 18。活塞本体14还形成为具有一邻近上燃烧表面16的环带区域20，其中，环带区域20用于容纳至少一个活塞环(分别示为第一和第二活塞环19、21)。进一步地，活塞本体14形成为包括冷却通道(例如，示为封闭的或基本封闭的冷却通道22)。该冷却通道22构造为径向向内，并与环带区域20基本径向对齐。该第一活塞环19大致呈L形，其具有一用于容纳冷却介质25的中空的环形冷却室24，该冷却介质例如为惰性气体(例如氩气)和/或液体冷却剂。第二活塞环21从第一活塞环19轴向向下地与该第一活塞环19间隔开，并且被提供作为标准的护油环，该护油环擦去来自汽缸衬垫的余油，并将该油回送至曲轴箱。第一活塞环19增强了对直径减小的顶岸区域26的冷却，该顶岸区域26从第一活塞环19的下平面28向上延伸至上燃烧表面16。因此，该区域中产生的热量从活塞本体14和第一活塞环19转移至汽缸衬垫13，从而延长活塞10的使用寿命。
[0017]活塞本体14具有一对从活塞顶内表面18下垂的销座30，以提供横向间隔开的销孔32，销孔32沿一大致垂直于中心纵轴15延伸的销孔轴34同轴对齐。销座30连接至横向间隔开的裙部36，裙部36在直径上彼此间隔开地跨过销孔轴34的相对两侧，并具有凸起的外表面40，该外表面呈波浪状以用于配合在缸膛12内，从而当活塞10往复运动通过缸膛12时有助于使该活塞10保持在其期望的方向上。
[0018]上燃烧表面16表示为具有一凹入的燃烧碗38，以在缸膛内提供期望的气流。至少部分由于该燃烧碗38，使得在燃烧碗38、冷却通道22以及活塞顶内表面18之间形成活塞本体材料的相对薄的区域。由此，在使用过程中，这些区域需要被适当冷却，例如通过在销座30之间的中心通道区域内流过冷却通道22并冲击活塞顶内表面18的冷却介质来冷却这些区域。活塞顶内表面18可以通过油泼溅、定向冷却油喷射或通过中心冷却通道区域中的油进行冷却。
[0019]为了进一步便于冷却顶岸区域26，中空的且其中设有冷却介质25的第一活塞环19设置在顶岸区域26的环形外壁40与汽缸衬垫13之间。该外壁40从上燃烧表面16向下延伸。该外壁40形成为具有直径D1，该直径Dl小于从顶岸区域26下垂的环带区域20的最大直径D2，从而在外壁40与汽缸衬垫13之间提供了一尺寸适于容置第一活塞环19的直立的第一部分44的环形间隙或空间42。直径Dl的大小如此设定，以便第一活塞环19的第一部分44可在顶岸区域26与汽缸衬垫13之间自由浮动，从而能够自动找到其所要的滑动方向。为了进一步容纳并定位第一活塞环19，一环形的环槽46径向向内延伸进入该顶岸区域26的直径减小的外壁40,其中，环槽46的尺寸适于容置第一活塞环19的横向延伸的第二部分48。环槽46的尺寸如此设定，以便第一活塞环19的第二部分能在环槽46中自由浮动，从而进一步使活塞环19能够自动找到其所要的滑动方向。
[0020]第一活塞环19大致呈L形，且第一部分44构成了 L形结构的直立或垂直延伸的腿部，第二部分44构成了 L形结构的横向或水平延伸的腿部。第一部分44容置在环形空间42中，第二部分48容置在环槽46中。第一活塞环19具有一圆柱形外表面50,该外表面50的尺寸适于相对汽缸衬垫13紧密滑动运动，以实现活塞顶岸区域26与汽缸衬垫13之间期望的密封。外表面50沿第一部分44的直立的外腿52平行或基本平行于纵轴15延伸。第一部分44还具有一径向向内地与外腿52间隔部分冷却室24的直立的内腿54,以及一在外腿52和内腿54之间径向延伸的上腿56。该上腿56具有一与上燃烧表面16齐平或基本齐平延伸的最高表面。
[0021]第一活塞环19的第二部分48具有径向延伸的上腿58和下腿60，该上腿58和下腿60彼此间隔部分冷却室24，还具有在上腿58和下腿60之间延伸的径向最内的直立腿62。上腿58和下腿60具有尺寸适于松配合在环槽46内的外表面，而直立腿62具有尺寸适于松配合在环槽46内的径向最内表面，从而使得活塞环在使用过程中在环槽46内自由浮动。因此，活塞环19能够自动定位在其与汽缸衬垫13密封连接的位置处。
[0022]封闭的活塞环冷却室24由内表面64、66、上腿58、下腿60以及直立腿62界定而成。内表面64-74如此构造，S卩，在使用过程中，冷却介质25以如同“调酒器”的形式在整个冷却室24中搅动，以最佳地冷却周围的顶岸区域26。如图2所示，内表面64、66相互平行或基本平行，内表面70、72相互平行或基本平行，活塞环10的壁厚(如横截面中所示)始终均匀不变。与此相反，如根据本发明的另一方面的图2A所示，根据本发明的另一方面构造的活塞环10'的壁厚(如横截面中所示)并不始终均匀。特别地，直立的外腿52'具有沿其长度延伸的不均匀的厚度，因此，该厚度沿其整个长度连续或基本连续的变化，且最薄的区域位于外腿52'的最上端，最厚的区域位于外腿52'的最下端。外表面50'平行或基本平行于纵轴15延伸，因此，考虑到厚度是不均匀的，内表面64'相对于纵轴15和销孔轴34倾斜延伸。如图所示，内表面64'在朝着上燃烧表面16向上并远离第二部分48'的下腿60'延伸时径向向外偏离。该倾斜的内表面64'有助于通过改变冷却室24'内的冷却介质25的流体动态来冷却顶岸区域26，从而增强从第一环19'的内径至其外径区域的热传递，由此使热量很容易转移至汽缸衬垫13。当冷却介质25相对于倾斜的内表面64'向下流动或以其他方式向下移动时，该冷却介质将会径向向内流动，从而便于冷却介质在整个冷却室24'中搅动。
[0023]如图3所示，第一活塞环19形成为具有一对端盖76 (图4)，该端盖76用于塞住冷却室24的相对两个自由端78、80。因此，冷却介质25保持在冷却室24内，并避免从冷却室24中向外泄漏。端塞76可以通过任何合适的机构(例如包括粘合剂和/或焊缝)与自由端78、80固定连接。当端塞固定在自由端78、80内后,端塞76的两个端面82可以配置为在环结构的偏置力下彼此邻接，或优选地彼此稍微间隔开，从而在安装进汽缸衬垫13内后能够朝着彼此轻微收缩，这反过来可用于使第一活塞环19对汽缸衬垫13产生径向向外作用的弹性偏置，从而完善第一活塞环19对于汽缸衬垫13的密封。
[0024]最佳如图2和2A所示，在制造过程中，活塞环19可以通过多个单件的平坦的金属片材构成，其中个别的相对长且窄的片材被冷成型(例如以连续模压处理实现)至呈现圆柱形外形，并且随后被冷成型或以其他方式模压以得到其各自未打磨的成品。然后，在形成各单件后，通过焊缝或钎焊缝或用于端塞76的合适的粘合剂将各单件(包括端塞76)彼此固定，然后进行表面处理流程(例如磨削和涂覆)，以完成活塞环19的制造。应该认识到的是，在完全封闭冷却室24之前，将冷却介质设置在冷却室24内，该冷却介质可以被提供为在周围温度和压力下为固体的材料，或惰性气体(例如氩气)。通过举例而非限制，在图2和2A的实施例中，活塞环10、10'由两件单独的模压的平坦片材制成。如图2A所示，内表面64'可以被冷成型(例如通过压模印或以其他方式)或机加工或研磨，以形成倾斜的表面。在将各单件彼此固定之后进行磨削处理，用于提供完成尺寸，且磨光面提供了可以容纳期望的涂层厚度的空间。期望的涂层可以通过可选地氮化处理磨光面、涂覆耐磨涂层(例如以物理气象沉淀PVD处理)进行涂覆。
[0025]在图2B-2D中，示出了根据本发明的其他方面构造的活塞环10"、10"'、10""。该成形结构类似于图2的实施例，然而，如图所示，各件金属条状材料的形状与图2的材料不同。在图2B中，一件平坦的条状材料固定至一件模压的条状材料；在图2C中，两件材料中的一个基本呈L形，而另一个大致呈M形或W形；在图2D中，三件单独的条状材料彼此固定，然而应该认识到的是，可以采用任何适当数量的单件条状材料。
[0026]在图5B中，示出了根据本发明的其他方面构造的活塞环10""'。活塞环10""'并不是由多个单件条状材料彼此固定制成的，而是由一件立体的管状金属84(图5A)制成的。活塞环10""'最终形成为具有相同的端面形状，因此，该形状在此处不再详述。该件管状金属可以例如通过冷成型处理(例如冲压或挤出)而形成具有期望的目标形状，然后，该管状金属被切割并卷曲加工成圆形结构(如图3所示)。当然，该工艺步骤可以改变成这样，即，该件管状材料84可以先按一定长度切割，然后成形以获得其成品外形，例如先卷曲加工后成型或者先成型后卷曲加工。然后，端塞76安装在上述的开放的端部内。
[0027]显然，考虑到上述目前有选实施例的详细说明，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的。因此，应该理解，在所附权利要求范围内，本发明也可通过除了具体描述以外的方式实现。
【权利要求】
1.一种用于内燃机的活塞环，其特征在于，该活塞环包括: 一 L形环，其具有第一部分和第二部分，该第一部分从一活塞的一环槽沿该活塞的顶岸向上延伸，该第二部分容置在该环槽中，所述环的所述第一和第二部分具有一封闭的中空的冷却室，且冷却介质设置在该冷却室中，从而使该冷却介质自由地在内部流动至该环槽并从该环槽沿着该顶岸向上流动。
2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述L形环由多个单件材料构成。
3.根据权利要求2所述的活塞环，其特征在于，所述多个单件材料通过焊缝或钎焊缝中的其中一种相互连接。
4.根据权利要求2所述的活塞环，其特征在于，所述多个单件材料中的至少一个冷成型。
5.根据权利要求2所述的活塞环，其特征在于，所述封闭的中空的冷却室通过端塞在相对的两端处封闭。
6.根据权利要求5所述的活塞环，其特征在于，当所述环处于松弛的、未偏置的状态时，所述端塞具有两个彼此间隔开的端面。
7.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述第一部分具有一壁，该壁带有一用于抵在一汽缸衬套上滑动运动的外表面以及一界定了部分所述冷却室的内表面，所述壁具有连续变化的厚度。
8.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述内表面沿一向上延伸远离所述第二部分的方向径向向外偏离。
9.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，该活塞包括: 一本体，其具有一圆柱形外表面以及一延伸进入所述外表面内的环形最高环槽，且一顶岸从所述外表面径向向内凹入，所述顶岸从所述最高环槽延伸至一上燃烧表面；以及一 L形活塞环，其具有第一部分和第二部分，该第一部分容置在所述最高环槽中，该第二部分从所述最高环槽沿所述顶岸向上延伸，所述活塞环的所述第一和第二部分具有一中空的冷却室，且冷却介质设置在该冷却室中，从而使该冷却介质自由地在内部流动至所述最高环槽并从所述环槽沿着所述顶岸向上流动。
10.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，所述最高表面具有一外直径，并且所述活塞进一步包括一对位于所述销孔轴的相对两侧的裙板，所述裙板具有径向延伸的厚度，该厚度的范围在所述外直径的2.0 %至3.0 %之间。
11.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，所述燃烧碗壁厚度为所述外直径的2.5%至 4.0%。
12.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，在所述销孔轴与所述最高表面之间延伸有一压缩高度，且所述最高表面具有一外直径，所述压缩高度与所述外直径之间的比值在38%至45%之间。
13.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，所述顶部以及所述底部沿一中心纵轴延伸，且所述冷却通道与所述中心纵轴非同轴。
14.一种构造用于内燃机的活塞环的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 形成一具有中空的冷却室的L形环，该环包括第一部分和第二部分，该第一部分从一活塞的一环槽沿该活塞的顶岸向上延伸，该第二部分容置在该环槽中； 将冷却介质设置在该中空的冷却室中；以及 将端塞固定在该中空的冷却室的相对两端，以使该冷却介质保持在该冷却室中。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，该方法进一步包括通过多个单件金属条状材料形成该L形环。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，该方法进一步包括通过焊缝或钎焊缝将该多个单件金属条状材料相互连接。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，进一步冷成型该多个单件金属条状材料。
18.根据权利要求14的方法，其特征在于，该方法进一步包括通过管状材料形成该L形环。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，进一步将该管状材料挤压成L形。
【文档编号】F16J9/20GK104220793SQ201380019166
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年2月8日 优先权日:2012年2月10日
【发明者】基斯·汉普顿, 米格尔·阿泽维多 申请人:费德罗-莫格尔公司