该美国发明专利申请要求于2016年3月7日提交的美国临时专利申请no.62/304,501以及2017年3月2日提交的美国发明专利申请no.15/448,522的优先权，其全部内容通过引用而并入本文。
本发明总体上涉及用于内燃机的活塞，以及制造该活塞的方法。
背景技术
发动机制造商正面临着提高发动机效率和性能的不断增长的需求，包括但不限于，改善燃油经济性、减少油耗、改善燃油系统、增加压缩负荷和缸径内的运行温度、减少通过活塞的热量损失、改善零部件的润滑、减少发动机重量以及将发动机制造得更紧凑，同时降低制造相关成本。
虽然期望增加燃烧室内的压缩负荷和运行温度，但仍然需要将活塞的温度保持在可工作范围内。而且，实现压缩负荷和运行温度的增加带来折衷，因为这些期望的“增加”限定了活塞压缩高度可以减小的程度，并因此限定了整体活塞尺寸和质量可以减小的程度。这对于具有封闭或部分封闭的冷却通道的典型活塞结构来说，降低活塞的运行温度尤其麻烦。制造活塞的成本通常由于用于将上部和下部粘合在一起的连接工艺而增加，其中该活塞具有沿着粘合接头连接在一起以形成封闭或部分封闭的冷却通道的上部和下部。此外，由钢制造上述“冷却通道”活塞以使其能承受施加在活塞上的机械和热负荷的增加的需要，影响发动机重量可以降低的程度。
最近，已经开发出没有冷却通道的单件式钢制活塞，并且可以将其称为“无通道”活塞。这种活塞提供降低的重量、降低的制造成本和降低的压缩高度。无通道活塞由冷却油喷嘴喷雾冷却，仅为润滑轻微喷雾，或者不用任何油喷雾。由于没有冷却通道，这种活塞通常比具有常规冷却通道的活塞承受更高的温度。高温会导致钢制活塞的上燃烧表面氧化或过热，这然后会导致连续活塞龟裂和发动机故障。高温还会导致沿着活塞的顶部底面区域的油降解，例如在喷溅冷却或润滑油的燃烧碗下方。由于高温引起的另一个潜在问题是冷却油可以在冷却或润滑油与活塞顶部底面表面接触的区域中产生厚的碳层。该碳层会导致活塞过热而发生潜在龟裂和发动机故障。
技术实现要素：
本发明的一个方面提供了一种用于内燃机的活塞。该活塞包括上壁和环带，其中该上壁包括从活塞的下侧露出的顶部底面表面，该环带从该上壁悬垂并且围绕活塞的中心轴线周向延伸。环带包括围绕中心轴线周向延伸的多个环槽，并且每个环槽由上壁和下壁形成，其中上壁和下壁由后壁彼此间隔开。一对活塞销座从上壁悬垂，并且一对裙板从环带悬垂并由支柱连接到活塞销座。活塞进一步包括沿顶部底面表面延伸的内部顶部底面区域，内部顶部底面区域由裙板、支柱和活塞销座围绕。一对外部凹穴沿着顶部底面表面延伸，并且每个外部凹穴由环带的一部分、一个活塞销座以及将该一个活塞销座连接到裙板的支柱围绕。至少一个环槽包括至少一个油槽，该油槽延伸穿过后壁到内部顶部底面区域和/或活塞的至少一个外部凹穴。
本发明的另一个方面提供一种制造活塞的方法。该方法包括提供包括上壁的主体，上壁包括从活塞的下侧暴露的顶部底面表面，从上壁悬垂并围绕活塞的中心轴线周向延伸的环带，环带包括围绕中心轴线周向延伸的多个环槽，并且每个环槽由最上壁和下壁形成，其中最上壁和下壁由后壁彼此间隔开，从上壁悬垂的一对活塞销座，从环带悬垂并由支柱连接到活塞销座的一对裙板，沿顶部底面表面延伸并由裙板和支柱以及活塞销座围绕的内部顶部底面区域，沿顶部底面表面延伸的一对外部凹穴，每个外部凹穴由环带的一部分、一个活塞销座以及将该一个活塞销座连接到裙板的支柱围绕。该方法进一步包括形成至少一个油槽，该油槽延伸穿过至少一个环槽的后壁到内部顶部底面区域和/或至少一个外部凹穴。
附图说明
当结合以下详细描述和附图考虑时，将更容易理解本发明的这些和其他方面、特征和优点，其中：
图1是根据一个示例性实施例的无通道活塞的仰视图，该无通道活塞可包括延伸穿过环槽的油槽；
图2是根据一个示例性实施例的无通道活塞的侧视图，该无通道活塞包括延伸穿过第三环槽进入内部顶部底面的油槽；
图2a是图2的一部分的放大视图；
图3是图2的活塞的仰视图；以及
图4是根据另一个示例性实施例的无通道活塞的仰视图，该无通道活塞包括延伸穿过第三环槽进入外部凹穴的油槽。
具体实施方式
图1-4示出了根据本发明的示例性实施例构造的活塞10的视图，活塞10用于在内燃机(例如现代的、紧凑的、高性能的车辆发动机)的缸径或腔室(未示出)中往复运动。活塞10具有降低的重量并且在内燃机内运行期间以降低的温度运行，这有助于发动机的提高的热效率、燃油消耗和性能。活塞10也没有封闭的冷却通道，其相对于包括封闭的冷却通道的活塞，有助于降低的重量和相关成本。
如图所示，活塞10具有由单件金属材料(例如钢)形成的整体式主体。整体式主体可以通过机械加工、锻造或铸造形成，如果需要，可以在此后进行精加工，以完成构造。因此，活塞10不具有连接在一起的多个部件，例如彼此连接的上部和下部，这对于具有由冷却通道底板限定或部分限定的封闭或部分封闭的冷却通道的活塞是常见的。相反，活塞10是“无通道的”，因为它没有限定或部分限定冷却通道的冷却通道底板或其他特征。图1中示出了无通道活塞10的仰视图，图2和图3示出了根据另一个实施例的无通道活塞10的侧视图和仰视图；图4示出了根据又一个实施例的无通道活塞的仰视图。
由钢或其他金属制成的主体部分坚固且耐用，以满足现代高性能内燃机的高性能要求，即增加的温度和压缩负荷。基于特定发动机应用中活塞10的要求，用于构造主体的钢材料可以是诸如sae4140等级的合金或不同的合金。由于活塞10是无通道的，活塞10的重量和压缩高度被最小化，从而允许活塞10在其中部署的发动机实现减轻的重量并使其更紧凑。此外，即使活塞10是无通道的，活塞10在使用期间可以充分冷却以承受最严苛的运行温度。
活塞10的主体部分具有提供上壁12的上部头部或顶部部分。上壁12包括上燃烧表面14，其直接暴露于内燃机的缸径内的燃烧气体。在示例性实施例中，上燃烧表面14围绕中心轴线a形成燃烧碗，或非平面的，凹面或起伏的表面。
环带16从上壁12悬垂并沿活塞10的外径周向延伸。环带16包括由环槽20彼此分开的多个槽脊18。如图2a中最佳所示，每个环槽20在上壁21和下壁23之间形成，其中上壁21和下壁23由后壁25彼此间隔开。后壁25大致平行于活塞10的中心轴线a或纵向地沿活塞10的中心轴线a延伸，并且上壁和下壁21、23垂直于中心轴线a或与其成一角度延伸。环槽20可具有各种不同的尺寸，但在示例性实施例中，每个环槽20的后壁25具有长度l，其是活塞10的长度的一部分，以及每个环槽20的后壁25位于距相邻槽脊18距离d处。环槽20的距离d是活塞10的直径的一部分。后壁25的长度l和距离活塞10的相邻槽脊18的距离d通常围绕活塞10的整个圆周是恒定的。另外，如图2a所示，每个环槽20具有从上壁21延伸到下壁23的轴向宽度w，其可以与后壁25的长度l相同，或者不同。示例性实施例的活塞10包括三个环槽20，但是活塞10可替代地包括另外数量的环槽20。
活塞10进一步包括一对活塞销座24，其通常从顶部底面表面32悬垂在环带16的内侧。活塞销座24并提供横向间隔开的一对销孔26，其与顶部底面表面32垂直间隔开。活塞10还包括一对裙板28，裙板28从环带16悬垂并彼此径向相对定位。裙板28通过支柱30连接到活塞销座24。
活塞10的顶部底面表面32形成在上壁12的下侧，与上燃烧表面14直接相对并且在环带16的径向内侧。顶部底面表面32优选地位于距离燃烧碗最小距离处，并基本上是与燃烧碗直接相对侧的表面。当从底部直接观察活塞10时，顶部底面表面32在此限定为可见的表面，不包括任何销孔26。顶部底面表面32通常形成为与上燃烧表面14的燃烧碗配合。从活塞10的下侧观察，顶部底面表面32也是敞开的，并且它不受封闭或部分封闭的冷却通道的限定，或在顶部底面表面32附近倾向于保留油或冷却液的任何其他特征的限定。
与具有封闭或部分封闭的冷却通道的比较活塞相比，活塞10的顶部底面表面32具有更大的总表面积(遵循表面轮廓的3维区域)和更大的投影表面积(2维区域，平面，如平面图所示)。沿活塞10的下侧的这个开口区域提供了直接进入油喷溅或从曲轴箱内直接喷射到顶部底面表面32上，从而允许来自曲轴箱内的油直接喷溅整个顶部底面表面32，同时也允许油围绕活塞销(未示出)自由地喷溅，并且进一步显着地降低活塞10的重量。因此，尽管没有典型的封闭或部分封闭的冷却通道，但是无通道活塞10的大致开口配置允许顶部底面表面32的最佳冷却和对销孔26内的活塞销接头的润滑，同时减少在燃烧碗附近的表面上的油停留时间，即一定量的油保持在该表面上的时间。减少的停留时间可以减少焦化油的有害积聚，这例如可以在具有封闭或基本封闭的冷却通道的活塞中发生的。这样，活塞10可以在长时间使用时保持“清洁”，从而允许其保持基本上没有积聚。
示例性实施例的活塞10的顶部底面表面32由活塞10的若干区域提供，包括内部顶部底面区域34和外部凹穴36，其在图1中最佳地示出。位于中心轴线a的顶部底面表面32的第一部分由内部顶部底面区域34提供。内部顶部底面区域34由活塞销座24、裙板28和支柱30围绕。由内部顶部底面区域34提供的顶部底面表面32的2维和3维表面区域通常最大化，使得由油喷溅或从曲轴箱向上喷射到暴露表面引起的冷却可以增强，从而导致活塞10的特殊冷却。在示例性实施例中，当从底部观察时，内部顶部底面区域34的顶部底面表面32是凹面的，使得在活塞10从活塞10一侧向活塞10的相对侧的往复运动期间可以输送油，从而起到进一步增强活塞10冷却的作用。
顶部底面表面32的第二区域由外部凹穴36提供，外部凹穴36位于活塞销座24的外部。每个外部凹穴36由一个活塞销座24，将该一个活塞销座24连接至裙板28的支柱30的一部分，以及环带16的一部分包围。
如图2-4所示，为了提高内部顶部底面区域34和/或外部凹穴36的冷却并因此在运行期间降低活塞10的总体温度，至少一个油槽38延伸穿过至少一个环槽20的后壁25。油槽38可径向延伸穿过后壁25。油槽38也可延伸穿过后壁25，平行于或垂直于销孔26的轴线，使得穿过油槽38的该轴线不穿过活塞10的中心轴线a。
每个油槽38位于裙板28中的一个上方和/或位于活塞销座24中的一个上方。根据一个实施例，油槽38允许冷却油从环槽20排出到顶部底面区域34。根据另一个实施例，油槽38允许冷却油从环槽20排出到活塞10的至少一个外部凹穴36。因此，在该实施例中，排出的冷却油起到向至少一个外部凹穴36的冷却油来源的作用，并有助于至少一个外部凹穴36的冷却，该外部凹穴36倾向于缺少冷却油。如上所述，提供给内部顶部底面区域34和/或外部凹穴36的附加冷却油有助于冷却，并因此在运行期间降低了活塞10的总体温度。
在图2和3的示例性实施例的活塞10中，活塞包括四个油槽28，并且两个油槽38位于每个裙板28上方的第三环槽20中。在图4的实施例中，活塞包括四个油槽，并且两个油槽38位于每个活塞销座24上方的第三环槽20中。油槽38可位于裙板28上方和活塞销座24上方的第三环槽20中。可选地，油槽38可以位于另一个环槽20中，或者位于多于一个环槽20中。此外，油槽38的数量以及围绕活塞10的圆周的油槽38中的位置可以变化。
可根据各种方法在活塞10中形成油槽38。在图2和3的示例性实施例中，在铸造整体式主体之后，将油槽38钻入第三环槽20中。在图4的示例性实施例中，油槽38在整体式主体中锻造。
每个油槽38的直径d通常为油槽38在其中形成的环槽20的轴向宽度w的30％至100％。如果油槽38不是圆形的，则油槽38的长度和宽度各自为环槽的轴向宽度的30％至200％。但是，油槽38的尺寸可以变化。每个油槽38还延伸穿过活塞10的整个厚度，该整个厚度从环槽20的后壁25延伸到外部凹穴36中的一个和/或内部顶部底面区域34。因此，每个油槽38向外部凹穴36中的一个和/或向内部顶部底面区域34提供开口，这允许油从油槽38排出。
与环带16中无油槽38的无通道活塞相比，根据本发明设计的活塞10通过允许增加远离环槽20并进入内部顶部底面区域34和/或至少一个外部凹穴38的油的排出，能够实现内部顶部底面区域34和/或外部凹穴36的改善的冷却。
本发明的另一个方面提供一种制造在内燃机内使用的无通道活塞10的方法。活塞10的主体部分(通常由钢制成)可以根据各种不同的方法制造，例如锻造或铸造。无通道活塞10的主体部分也可以包括各种不同的设计，并且可能的设计的实例在图1-4中示出。
该方法进一步包括在环带16的至少一个环槽20中提供至少一个油槽38。油槽38可以在铸造整体式主体部分后通过钻入环带16中形成，或通过与活塞10的整体式主体部分锻造或铸造形成。然而，油槽38可以通过其他方法形成。
鉴于以上教导，本发明的许多修改和变体是可能的，并且可以在本发明的范围内以不同于具体描述的方式实施。还设想所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这种组合不彼此矛盾。