活塞、气缸体组件和冷却方法与流程

本公开总体上涉及内燃机活塞设计，并且更具体地涉及这种活塞的冷却通道的设计。

背景技术：

1、在设计内燃机时，部件的效率、耐久性和可制造性均是重要的考虑因素。在这些部件的效率、耐久性和可制造性方面存在某些固有的限制，特别是对于活塞而言。活塞设计可能是困难的，因为活塞内的以及与活塞分离的各种部件经历重复的运动和极端条件(例如，高温和高压，温度、压力和方向的快速变化，与其他部件的硬接触等)。此外，某些设计可能存在固有的可制造性困难，例如在受限或难以进入的空间中的精确尺寸。

2、热损失是内燃机中最大的能量损失之一。内燃机中使用的大部分燃料能量作为从燃烧室传递到其冷却流体(例如油)的热量而损失。涉及燃烧室的复杂过程影响传递到气缸壁的热损失，这些过程包括气体运动、湍流水平和喷雾-壁相互作用。因此，通过活塞的该热损失的减少导致发动机效率的提高。

3、已知，通过活塞的热传递的减少可导致排气温度的增加，这对于发动机、后处理系统和废热回收系统是有益的。具有这种特征的发动机的特征在于具有低的排消耗，这使得在一组特定的设计约束内的热消耗最小化。在低热消耗的情况下，可以实现进一步的效率，例如，通过降低冷却系统容量并具有更宽的燃料容差，从而使发动机更不易损坏，降低比体积和降低重量，所有这些都提高了更宽推进系统的效率。

4、一种减少通过活塞的热传递并促进活塞冷却的方法是通过分析活塞的部件的形状。这些部件包括冷却通道，该冷却通道是形成在活塞中的空隙(例如，空容积)，以促进通过冷却流体(例如，机油)在冷却通道内的运动进行冷却。这些冷却通道通常形成在活塞顶部的下方，并且通过吸收由直接喷射式(例如柴油)内燃机的相应燃烧室中的燃烧引起的热来冷却活塞。在操作过程中，在活塞顶部的中心处产生高温，并且如果活塞环的温度太高，则它们可能变得易于发生有害的变形。因此，典型的冷却通道旨在经由以下两个分开的部分来冷却活塞的至少这些部分：中心冷却通道和围绕该中心冷却通道的外部冷却通道。冷却通道的典型应用包括在冷却通道中运动的冷却流体(例如油)。冷却流体在冷却通道内的有效运动导致活塞的更好冷却。

技术实现思路

1、本公开总体上涉及内燃机活塞设计，并且更具体地涉及这种活塞的冷却通道的设计。根据本公开的示例，活塞包括裙部、顶部和冷却通道。裙部具有上主体部。顶部形成于上主体部处。形成在顶部下方的壁限定了冷却通道。冷却通道构造成：接收和保持一些冷却流体；并且当活塞在上止点雨帘云栋下止点之间行进时，使得这些冷却流体在冷却通道内在冷却通道周边部分与冷却通道中心部分之间运动，以便冷却活塞外部区域和活塞中心区域。

2、在示例中，冷却通道可以是单个连续容积。在示例中，壁可包括倾斜的底板部分、倾斜的顶板部分、冷却通道中心部分和冷却通道周边部分。冷却通道中心部分和冷却通道周边部分都可以在倾斜的底板部分和倾斜的顶板部分之间延伸。

3、在示例中，当活塞处于上止点时，壁可以引导这些冷却流体朝向冷却通道周边部分运动，并且当活塞处于下止点时，壁可以引导这些冷却流体朝向冷却通道中心部分运动。在示例中，当壁引导这些冷却流体朝向冷却通道中心部分和冷却通道周边部分中的至少一个运动时，壁可引导这些冷却流体涡旋。在示例中，壁可以包括从冷却通道的壁向内突出的至少一个脊，并且壁可以由此引导这些流体涡旋。

4、本公开包括一种气缸体组件，该气缸体组件包括至少一个气缸和活塞。活塞构造成在至少一个气缸内往复运动。活塞包括：裙部，该裙部具有上主体部；顶部，该顶部形成在上主体部处；以及壁，该壁形成在顶部下方并限定冷却通道。冷却通道可以构造成：接收并保持一些冷却流体；并且当活塞在上止点与下止点之间行进时，使得这些冷却流体在冷却通道内在冷却通道周边部分与冷却通道中心部分之间运动，以便冷却活塞外部区域和活塞中心区域。

5、本发明包括一种冷却活塞的方法。该方法可包括在冷却通道内接收并保持一些冷却流体。该方法可包括：当活塞朝向上止点运动时，使得这些冷却流体在冷却通道内朝向以下中的一个运动：冷却通道中心部分，以便冷却活塞中心区域；和冷却通道周边部分，以便冷却活塞外部区域。该方法可以包括：当活塞朝向下止点行进时，使得这些冷却流体在冷却通道内朝向以下中的另一个运动：冷却通道中心部分，以便冷却活塞中心区域；和冷却通道周边部分，以便冷却活塞外部区域。

技术特征：

1.一种活塞(100)，该活塞具有活塞外部区域(101)和活塞中心区域(102)，所述活塞(100)包括：

2.根据权利要求1所述的活塞(100)，其中，所述壁(114)在所述活塞(100)内在周向上连续延伸，使得所述冷却通道(110)为单个连续容积。

3.根据权利要求1或2所述的活塞(100)，其中，当这些冷却流体(301)朝向所述冷却通道中心部分(112)和所述冷却通道周边部分(111)中的至少一个运动时，所述壁(114)引导这些冷却流体(301)涡旋。

4.根据权利要求3所述的活塞(100)，其中，所述壁(114)包括从所述壁(114)向内突出的至少一个脊(120)，使得所述壁(114)构造成通过在所述至少一个脊(120)处改变这些冷却流体(301)沿着所述壁(114)的运动来引导这些冷却流体(301)涡旋。

5.根据权利要求4所述的活塞(100)，其中，所述至少一个脊(120)中的第一脊(120)定位成靠近所述冷却通道中心部分(112)。

6.根据权利要求5所述的活塞(100)，其中，所述壁(114)还包括顶板，并且其中，所述第一脊(120)定位在所述冷却通道(110)的所述顶板处。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的活塞(100)，其中，所述壁(114)包括倾斜的底板部分(115)、倾斜的顶板部分(116)、所述冷却通道中心部分(112)和所述冷却通道周边部分(111)，并且其中，所述冷却通道中心部分(112)和所述冷却通道周边部分(111)都在所述倾斜的底板部分(115)和所述倾斜的顶板部分(116)之间延伸。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的活塞(100)，其中，所述壁(114)进一步包括顶板部分(116)，并且其中，当所述冷却流体(301)沿着所述壁(114)的所述顶板部分(116)在从所述活塞中心区域(102)到所述活塞外部区域(101)的方向上行进时，所述壁(114)引导这些冷却流体(301)朝向所述冷却通道周边部分(111)运动，并且其中，当所述冷却流体(301)沿着所述壁(114)的底板部分(115)在从所述活塞外部区域(101)到所述活塞中心区域(102)的方向上行进时，所述壁(114)引导这些冷却流体(301)朝向所述冷却通道中心部分(112)运动。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的活塞(100)，其中，所述活塞(100)还包括至少一个活塞环槽(106)，并且所述裙部(16)还包括外表面(104)，并且其中，所述活塞环槽(106)形成在所述外表面(104)中，并且所述冷却通道周边部分(111)定位成靠近所述活塞环槽(106)。

10.一种气缸体组件(7)，该气缸体组件包括：

11.根据权利要求10所述的气缸体组件(7)，该气缸体组件还包括以下中的至少一个：

12.根据权利要求10或11所述的气缸体组件(7)，其中，当所述活塞(100)正接近上止点时，所述壁(114)引导这些冷却流体(301)朝向所述冷却通道周边部分(111)运动，并且当所述活塞(100)正接近下止点时，所述壁(114)引导这些冷却流体(301)朝向所述冷却通道中心部分(112)运动。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的气缸体组件(7)，其中，所述壁(114)包括倾斜的底板部分(115)、倾斜的顶板部分(116)、所述冷却通道中心部分(112)和所述冷却通道周边部分(111)，并且其中，所述冷却通道中心部分(112)和所述冷却通道周边部分(111)都在所述倾斜的底板部分(115)和所述倾斜的顶板部分(116)之间延伸。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的气缸体组件(7)，其中，所述壁(114)构造成当这些冷却流体(301)朝向所述冷却通道中心部分(112)和所述冷却通道周边部分(111)中的至少一个流动时使这些冷却流体(301)涡旋。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的气缸体组件(7)，其中，所述壁(114)包括至少一个脊(120)，所述至少一个脊从所述冷却通道(110)的所述壁(114)向内突出，由此使得这些冷却流体(301)涡旋，所述至少一个脊(120)包括第一脊(120)，所述第一脊定位成靠近所述冷却通道中心部分(112)和所述冷却通道(110)外部部分中的一个。

16.一种冷却活塞(100)的方法(600)，所述方法(600)包括：

17.根据权利要求16所述的方法(600)，该方法还包括：当这些冷却流体(301)运动进入所述冷却通道中心部分(112)或所述冷却通道周边部分(111)时，使这些冷却流体(301)涡旋。

18.根据权利要求17所述的方法(600)，其中，使这些冷却流体(301)涡旋包括：使得这些冷却流体(301)朝向从所述冷却通道(110)的壁(114)径向向内延伸的至少一个脊(120)运动。

19.根据权利要求17或18所述的方法(600)，其中，使这些冷却流体(301)涡旋出现在这些冷却流体(301)运动到所述冷却通道中心部分(112)中时。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法(600)，

技术总结
活塞可包括裙部、顶部和冷却通道。裙部可具有上主体部。顶部可形成在上主体部处。壁可形成在顶部下方以便在活塞内限定冷却通道。冷却通道包括冷却通道周边部分和冷却通道中心部分。冷却通道可以构造成：接收并保持一些冷却流体；并且当活塞在上止点与下止点之间行进时，使得这些冷却流体在冷却通道内在冷却通道周边部分与冷却通道中心部分之间运动，以便冷却活塞外部区域和活塞中心区域。

技术研发人员：R·G·斯佩里
受保护的技术使用者：康明斯公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15