具有改进的袋状部件冷却的无通道活塞的制作方法

该美国发明专利申请要求2016年2月23日提交的美国临时专利申请no.62/298,952和2016年3月23日提交的德国专利申请102016204830.9以及2017年2月21日提交的美国发明专利申请no.15/437,631的优先权，其内容通过引用以其整体并入本文。

本发明总体上涉及内燃机的活塞，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，包括但不限于提高燃油经济性、减少油耗、改善燃油系统、增加气缸孔内的压缩负荷和工作温度、减少通过活塞的热量损失、改善部件的润滑、降低发动机重量并使发动机更紧凑，同时降低与制造相关的成本。

虽然希望增加燃烧室内的压缩负荷和操作温度，但仍然需要将活塞的温度保持在能够工作的范围内。为了将活塞保持在合适的温度并获得足够的寿命，活塞可以设计成具有多种用于冷却的特征，例如冷却通道和/或冷却剂喷嘴，用于从曲柄轴侧喷射活塞。

而且，实现压缩负荷和操作温度的增加伴随着折衷，因为这些期望的“增加”限制了活塞压缩高度的程度，并且因此能够减小整个活塞尺寸和质量。这对于具有封闭或部分封闭的冷却通道以降低活塞的工作温度的典型活塞结构来说尤其麻烦。制造活塞的成本通常由于用于将上部和下部结合在一起的连接工艺而增加，所述活塞具有沿着结合接头将上部和下部连接在一起以形成封闭或部分封闭的冷却通道。此外，发动机重量可以减小的程度受到由钢制造上述“含冷却通道”的活塞的需要的影响，因此它们能够承受施加在活塞上的机械和热负荷的增加。

通常，还希望保持活塞尽可能轻。最近，已经开发出没有冷却通道的单件钢活塞，并且可以称为“无通道”活塞。这种活塞可减轻重量，降低制造成本并降低压缩高度。无通道活塞由冷却油喷嘴喷雾冷却，轻微喷涂仅用于润滑，或者不喷洒任何油。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经受更高的温度。高温会导致钢活塞的上部燃烧表面氧化或过热，这会导致连续的活塞破裂和发动机故障。高温还会导致沿着活塞的活塞顶底区域(例如在喷射冷却或润滑油的燃烧碗下面)的油劣化。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底接触的区域中产生厚的碳层。该碳层能够导致可能发生破裂和发动机故障的活塞过热。

技术实现要素：

本发明的一个方面提供了一种无通道活塞，其在内燃机运行期间具有降低的温度，因此有助于提高热效率、燃料消耗和发动机的性能。除了提供足够的冷却外，活塞还经过重量优化。活塞沿着顶底表面没有封闭的冷却通道，因此相对于包括封闭的冷却通道的活塞，减轻了重量并且降低了相关成本。

活塞包括上壁，所述上壁包括从活塞的下侧露出的顶底表面。环形带从上壁悬垂并围绕活塞的中心轴线周向延伸。一对销座从上壁悬垂，一对裙板从环形带悬垂，并且裙板通过支柱连接到销座。活塞包括内部顶底区域和沿顶底表面延伸的外部袋状部件。内部顶底区域由裙板、支柱和销座围绕。每个外部袋状部件由销座中的一个，环形带的一部分和将一个销座连接到裙板的支柱围绕。至少一个孔贯穿过销座中的至少一个和/或从内部顶底区域到外部袋状部件中的一个的支柱中的至少一个。所述孔允许油从内部顶底区域传递到外部袋状部件中的至少一个，这改善了至少一个外部袋状部件的冷却并因此降低了活塞的整体温度。

本发明的另一个方面提供了一种制造重量优化的、无通道活塞的方法，所述活塞在内燃机运行期间具有降低的温度，因此有助于提高热效率、燃料消耗和发动机的性能。该方法包括提供包括上壁的主体的步骤，所述上壁包括从活塞的下侧露出的顶底表面，从上壁悬垂并围绕活塞的中心轴线周向延伸的环形带，一对从上壁悬垂的销座，从环形带悬垂并通过支柱连接到销座的一对裙板，沿顶底表面延伸并由裙板和支柱以及销座围绕的内部顶底区域，沿顶底表面延伸的一对外部袋状部件，每个外部袋状部件由销座中的一个，环形带的一部分和将一个销座连接到裙板上的支柱围绕。所述方法进一步包括形成至少一个孔，其贯穿过销座中的至少一个和/或从内部顶底区域到外部袋状部件中的一个的支柱中的至少一个。

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是根据本发明的示例性实施例构造的无通道活塞的主视图；

图2是图1的无通道活塞的仰视图，示出了内部顶底区域和外部袋状部件的顶底表面；

图3是图1的无通道活塞的透视图，示出了从内部顶底区域到外部袋状部件贯穿销座的孔；

图4是图1的活塞的仰视图；

图5是图1的活塞的另一个透视图；

图6是根据另一示例性实施例贯穿活塞的销座的一个孔的放大视图；

图7是根据本发明的示例性实施例构造的无通道活塞的剖面图；

图8是根据本发明的示例性实施例构造的无通道活塞穿过销孔轴的剖面图；

图9是图8的无通道活塞在销孔轴方向上的主视图；

图10是图8的活塞的仰视图，示出了偏转器。

具体实施方式

图1-10示出了根据本发明的示例性实施例构造的活塞10的视图，其用于内燃机的气缸孔或腔室(未示出)中的往复运动，例如现代紧凑的高性能车辆发动机。活塞10还可用于柴油发动机和汽油发动机。活塞10设计成在降低的温度下运行，并因此有助于提高发动机的热效率、燃料消耗和性能。

活塞10具有由单件金属材料诸如钢或铝基材料形成的整体式主体。整体式主体可以通过机械加工，锻造或铸造形成，如果需要，可以在此后进行合理的精加工，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界定或部分界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”，因为它没有冷却通道底板或者界定或部分界定冷却通道的其他特征。

由钢、铝或其它金属制成的主体部分坚固耐用，以满足现代高性能内燃机的高性能要求，即升高的温度和压缩负荷。用于构造主体的钢材料可以是诸如sae4140等级或不同的合金，取决于特定发动机应用中活塞10的要求。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，从而允许在其中部署活塞10的发动机实现重量的减轻并且使其更紧凑。此外，即使活塞10是无通道的，活塞10在使用期间也可以充分冷却以承受最严苛的工作温度。

活塞10的主体部分具有提供上壁12的上头部或顶部部分。上壁12包括上燃烧表面14，其直接暴露于内燃机的气缸孔内的燃烧气体。在示例性实施例中，上燃烧表面14形成燃烧碗，或围绕中心轴线a的非平面、凹入或起伏的表面。提供顶部平台18，接着是多个环形槽20的环形带16从上壁12悬垂，并且围绕中心轴线a并沿着活塞10的外径沿周向延伸。在图1的示例性实施例中，在活塞10的上壁12中形成至少一个具有弯曲轮廓的阀袋22。

如图所示，活塞10还包括一对销座24，它们大致从上壁12向环形带16的内侧悬垂，并提供一对横向间隔开的销孔26。销孔26围绕销孔轴b。活塞10还包括一对裙板28，其悬挂于环形带16并且彼此径向相对设置。裙板28通过支柱30连接到销座24。

活塞10还包括形成在上壁12的下侧的顶底表面32，其与上燃烧表面14直接相对并朝向环形带16的径向内侧。顶底表面32优选地位于距燃烧碗的最小距离处，并且基本处于与燃烧碗直接相对侧的表面。当从底部直接观察活塞10时，将顶底表面32在此限定以成为可见的表面，不包括任何销孔26。顶底表面32通常与上燃烧表面14的燃烧碗形成配合。当从活塞10的下侧观察，顶底表面32也是敞开地暴露的，并且它不受封闭或部分封闭的冷却通道，或者倾向于将油或冷却流体保持在顶底表面32附近的任何其他特征的限制。

相比较具有封闭或部分封闭的冷却通道的可比较的活塞，活塞10的顶底表面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)。沿着活塞10的下侧的这个开口区域提供了油从曲轴箱内直接飞溅或喷射到顶底表面32上的直接入口，从而允许来自曲轴箱内的油直接溅到整个顶底表面32，同时也允许油围绕肘节销(未示出)自由地飞溅，并且进一步显著了减小活塞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，但无通道活塞10的大致打开的构造允许顶底表面32的最佳冷却和对销孔26内的肘节销接头的润滑，同时减少在燃烧碗附近的表面上的油停留时间，这是一定量的油保留在表面上的时间。减少的停留时间可以减少焦化油的不希望的积聚，诸如可以发生在具有封闭或基本封闭的冷却通道的活塞中。这样，活塞10在长时间使用过程中保持“清洁”，从而使其保持基本上没有积聚。

示例性实施例的活塞10的顶底表面32由活塞10的若干区域提供，包括内部顶底区域34和外部袋状部件36，其在图2和10中最佳地示出。位于中心轴线a处的顶底表面32的第一部分由内部顶底区域34提供。内部顶底区域34由销座24、裙板28和支柱30围绕。由内部顶底区域34提供的顶底表面32的2维和3维表面区域通常最大化，从而可以增强由油从曲轴箱向上飞溅或喷射到暴露表面的冷却，从而导致活塞10的特殊的冷却。在示例性实施例中，当从底部观察时，位于内部顶底区域34中的顶底表面32是凹形的，使得在活塞10从活塞10的一侧往复到活塞10的相对侧的过程中可以引导油，从而起到进一步加强活塞10冷却的作用。

顶底表面32的第二区域由位于销座24外部的外部袋状部件36提供。每个外部袋状部件36由销座24中的一个，环形带16的一部分和将一个销座24连接到裙板28的支柱30围绕。外部袋状部件36包括从底部、曲柄轴的侧面延伸的中空部，并且在顶底表面32的方向上向前并且到达环形带16的内表面上。在图8-10的示例性实施例中，外部袋状部件36在中心轴a的方向上遍布于环形带16的至少50％高度上。外部袋状部件36方便地节省了活塞10的重量。

为了使冷却油从内部顶底区域34(其中喷油嘴通常喷射冷却油)到达外部袋状部件36，至少一个孔38并且优选多个孔38贯穿销座24和/或从内部顶底区域34到外部袋状部件36的支柱30。图3-6、9和10示出了孔38的示例，其贯穿销座24和/或支柱30延伸到外部袋状部件36。经由孔38提供给外部袋状部件36的冷却油的供应改善了外部袋状部件36的冷却并因此降低了活塞10的总体温度。由于孔38的存在，不需要通常的冷却通道。通常，冷却油注入在活塞10的底部，在与肘节销相邻的区域中，并转向且穿过孔38到达外部袋状部件36，以在大面积上实现期望的冷却。

孔38可以沿着顶底表面32、销座24和/或支柱30布置在各种不同的位置，以提供从内部顶底区域34到外部袋状部件36的连接。在示例性实施例中，孔38位于活塞10的顶部附近或更高处，例如邻近顶底表面32。在图1-7所示的实施例中，两个孔38位于内部顶底区域34和第一外部袋状部件36之间，并且两个孔38位于内部顶底区域34和第二外部袋状部件36之间。如图3中最佳所示，每个孔38从第一开口40延伸到第二开口42。第一开口40位于内部顶底区域34中，邻近裙板28和销座24之间的支柱30中的一个。第二开口42位于销座24的一侧的外部袋状部件36中，邻近支柱30。孔38可以相对于活塞10的中心轴a并且相对于销孔轴b成一角度而定位，使得在某些曲柄角度下，从喷油嘴喷射的冷却油被引导到第一开口40中并通过孔38到外部袋状部件36。每个孔38的角度取决于具体的发动机设计，喷油嘴的位置和曲柄角度。根据一个实施例，孔38在从内部顶底区域34到外部袋状部件36的向上方向上成角度。

在图8-10的示例性实施例中，两个孔38位于销孔26的相对侧上的每个销座24中并且位于与环形带16邻接的上部区域中，以允许从活塞10的下侧喷射的冷却油进入外部袋状部件36。或者，一个孔38可以位于相邻销座24的相对侧上的每个支柱30中。孔38在外部袋状部件36的方向上延伸，以便能够使冷却油良好地流动。该实施例的活塞10包括总共四个孔38，它们总体上以基本切向的方式延伸。在图10中，两个左孔38基本上位于相应外部袋状部件36的延伸部中，该外部袋状部件36朝向裙板28周向延伸。

孔38可包括各种不同的形状和尺寸。在示例性实施例中，孔38的形状为圆柱形，并且直径范围为5mm至10mm。然而，孔38的直径可以小到4mm直到设计允许的大小。图7示出了根据另一示例性实施例的活塞10，其中在临近销座24的支柱30中形成有较大的孔38，以连接内部顶底区域34和外部袋状部件36。

孔38可以通过各种不同的方法形成。在一个实施例中，将孔38铸造或锻造到活塞的整体式主体中。在另一个实施例中，在形成整体式主体之后，在内部顶底区域34和外部袋状部件36之间钻孔38。

根据图8-10的实施例，活塞10包括设置在内部顶底区域34中的至少一个偏转器44，以使冷却油转向。偏转器44可以沿着裙板28中的一个的内表面和/或沿着顶底表面32而定位。偏转器44可以设计成包括一个或多个凹陷46和/或一个或多个肋48。在示例性实施例中，偏转器包括肋状凸起，例如设置在一对凹陷48之间的至少一个肋48，或者更具体地，设置在一对凹陷46之间的两个肋48。另外，另一个凹陷46可以沿着与肋48相对的顶底表面32而定位。在图10所示的示例性实施例中，位于活塞10右侧的单个凹陷46的长度近似等于活塞10左侧的肋48和凹陷46的长度。如果将冷却油喷射到凹陷46中，则可以收集油并将其导向正确的方向。根据一个实施例，每个凹陷46是细长的并且大部分在活塞10的圆周方向上延伸，以便将冷却油引导到孔38的方向上。可选地或此外，凹陷46中的一个可在两个升高的肋48之间大幅径向延伸，如图10所示，其充当冷却油分束器，使得冷却油至少在一定程度上朝向在销座24之间的中心轴a引导。而且，肋48可以用作冷却油分束器，以在多于一个的方向上转移一部分喷射的冷却剂。在图10的示例性实施例中，一对肋48沿着裙板中28一个位于销座24之间的中心点处，并且肋48平行于销座24而延伸以将冷却油引向销座24之间的顶底表面32的中心轴a。在该实施例中，一个凹陷46位于肋48之间，另外两个凹陷46位于肋48的相对侧，邻近支柱30。更具体地，在图10的该实施例中，偏转器44引导冷却油通过左孔38并进入外部袋状部件36中的一个或两个中并且还朝向销座24之间的活塞10的中心轴a。在这种情况下，冷却油可以方便地以一角度喷射，使得当活塞20处于下止点时，冷却油将以一个凹陷46为目标。当活塞20从下止点上升到上止点时，冷却油的目标位置将横跨活塞10朝向与两个肋48相对的第二凹陷46移动。在该过程中，喷射的油束将横穿两个肋48并显示出以上列出的效果。最后，当活塞10到达上止点时，冷却油将以与两个肋48相对的凹陷46为目标。

或者，可以设置凹陷46来代替两个肋48，或者可以仅在两个肋48之间设置凹陷46。每个凹陷46优选地与支柱30中的一个邻接，使得凹陷46可以方便地确保进入凹陷46的冷却油将沿销座24或支柱30中的至少一个孔38的方向前进并因此进入外部袋状部件36。当使用至少一个偏转器44时，优选将活塞10与冷却剂喷嘴(未示出)结合，该冷却剂喷嘴相对于活塞的中心轴a以倾斜角度喷射冷却油。由此，根据活塞10的位置，活塞10的不同区域可以沿其冲程而冷却。

本发明的另一方面提供一种制造用于内燃机的无通道活塞10的方法。通常由钢或铝形成的活塞10的主体部分，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的主体部分也可包括各种不同的设计，图1-6中示出了该设计的一个例子。

该方法还包括在活塞10中设置孔38，其从内部顶底区域34延伸到外部袋状部件36。该步骤可包括在铸造或锻造整体式主体的过程或其他合适的加工中铸造孔38，诸如在设置整体式主体之后钻孔38。孔38通常贯穿销座24和/或支柱30。孔38也可以贯穿顶底表面32的一小部分。偏转器44也可以在铸造或锻造过程中或通过合适的加工而形成。

鉴于以上教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式而实施。可以预期，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这种组合不会彼此矛盾。