本申请要求享有于2015年10月30日提交的美国实用专利申请(序列号)no.14/928,870的权益，该专利申请通过引用整体结合于本申请中。
发明背景
1.技术领域
本发明一般涉及内燃机，并且更具体地涉及活塞、其构建方法以及其油控制环。
2.相关技术
发动机制造商遇到了越来越多在提高发动机效率和性能方面的要求，包括但不限于提高燃油经济性，改善燃油燃烧，减少油耗以及减小发动机尺寸和重量。这些问题的主要原因直接与发动机内的活塞相关。活塞必须足够坚固以满足增加动力的需求，同时减小质量以实现减小的尺寸和重量。这些利益彼此不一致，因此，取得进一步进展变得越来越具有挑战性。
根据本发明构造的活塞及其机油消耗环提供了改善的发动机运转效率，同时具有高强度和耐久性，并且还为发动机提供了整体尺寸和质量的减小。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于具有改进的油控制环的内燃机的活塞。活塞具有沿中心纵轴线延伸的活塞体。活塞体具有上燃烧面，燃烧力作用于该上燃烧面以使活塞体沿中心纵轴线往复运动。活塞体具有从上燃烧面悬垂的环形外壁，在该环形外壁中形成环带区域。该环带区域包括沿着纵轴线的方向彼此轴向地间隔开的多个环形环凹槽。第一压环设置在其中一个环凹槽中，并且油控制环设置在比第一压环更远离上燃烧面的其中一个环凹槽中。油控制环具有大致横向于中心纵轴线延伸的上表面和下表面，其中油控制环的内表面和外表面在上表面和下表面之间延伸。此外，上表面和下表面各自具有在其中延伸的环形凹槽。环形凹槽有助于收集从气缸壁上刮下的油，并且进一步有助于将收集的油返回到曲柄箱油底壳。此外，所述凹槽减小了在所述油控制环与所述活塞体中的所述环凹槽的壁之间的接触面积，从而降低了在所述油控制环与所述活塞体之间的粘连状况的可能性。
根据本发明的另一方面，油控制环形成为单一整体构件，由此允许油控制环占据更少的沿纵轴线延伸的轴向空间，并且由此为活塞提供减小的压缩高度。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环允许与其一起的活塞以只有两个活塞环(包括主要用于密封燃烧气体的最上面的压环，和单个油控制环)而高效地起作用，从而进一步允许活塞的压缩高度最小化。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环可包括在上表面和下表面中的环形凹槽之间延伸的至少一个贯通开口，以使环形凹槽彼此处于流体连通，从而进一步便于收集和排出所刮下的油。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环可以包括延伸到内表面中的膨胀环凹槽(annularexpandergroove)，其中膨胀环(expanderring)设置在膨胀环凹槽中，以便于获得油控制环外表面抵靠气缸壁的最佳接触压力来最大程度地减少油耗。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环可以包括至少一个渐缩形表面，该渐缩形表面从上表面和下表面中的至少一个径向向外地朝向外表面以倾斜关系延伸，以便有助于最小化油控制器抵靠气缸壁的动摩擦。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环可以包括朝向其外表面会聚的一对渐缩形表面。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环可以包括从其上表面悬垂的一个渐缩形表面，并且还包括在该渐缩形表面下方的环形凹面，从而形成围绕油控制环延伸的钩状环形鼻部以便于从气缸壁上刮油。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环可以被热形成和成形，从而不需要单独的膨胀环，由此减少了部件数量和材料成本。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环可以由相对低成本的黑色金属构成。
根据本发明的另一方面，改进的油控制环可以包括镀覆到外表面的改性铬基涂层，并且还可以包括浸渍在涂层中的纳米金刚石。
一种用于内燃机活塞的油控制环，包括：
根据本发明的另一方面，提供了一种油控制环。该油控制环具有围绕中心轴线延伸的环形体。环形体具有大致横向于中心轴线延伸的大致平坦的上表面和下表面，以及在该上表面和下表面之间延伸的凹形内表面和凸形外表面。上表面和下表面各自具有在其中延伸的环形凹槽，由此便于从气缸壁收集油并且将收集的油返回到曲柄箱油底壳。
根据本发明的另一方面，提供了一种构造用于内燃机的活塞的方法。该方法包括，提供沿着中心纵轴线延伸的活塞体，该活塞体具有上燃烧面，燃烧力作用在该上燃烧面上以使活塞体沿中心纵轴线往复运动，并且具有从上燃烧面悬垂的环形外壁，在所述环形外壁中形成有环带区域，所述环带区域包括多个环形环凹槽。此外，将第一压环设置在最靠近上燃烧面的其中一个环凹槽中，并将油控制环设置在比第一压环更远离上燃烧面的其中一个环凹槽中。此外，将油控制环提供为具有大致横向于中心纵轴线延伸的上表面和下表面，并且使内表面和外表面在该上表面和下表面之间延伸。此外，将所述上表面和下表面中的每个表面提供为具有在其中延伸的环形凹槽。
根据本发明的另一方面，所述方法可以包括提供所述油控制环，其具有在所述环形凹槽之间延伸的至少一个贯通开口以使所述环形凹槽彼此处于流体连通，并且所述方法还可以包括，将所述至少一个贯通开口提供为多个贯通开口。
根据本发明的另一方面，所述方法可以包括，提供至少一个渐缩形表面，其径向地远离所述上表面和所述下表面中的至少一个朝向所述外表面以倾斜关系延伸，并且所述方法还可以包括，将所述至少一个渐缩形表面提供为一对朝向所述外表面会聚的相对的渐缩形表面。
根据本发明的另一方面，该方法可进一步包括，提供从上表面延伸的位于渐缩形表面下方的环形凹面，由此提供具有大体上钩形的环形外唇的油控制环，以增强油控制环的刮油能力。
根据本发明的另一方面，提供了一种构造用于内燃机活塞的油控制环的方法。该方法包括，获得具有大致平坦的上表面和下表面的环形体，所述上表面和下表面大体上横向于中心轴线延伸，其中所述环形体具有在所述上表面和下表面之间延伸的凹形内表面和凸形外表面。此外，在上表面和下表面中形成环形凹槽。
根据本发明的另一方面，构造油控制环的方法可以包括，通过形成至少一个延伸通过环形凹槽的开口而使环形凹槽彼此处于流体连通，从而进一步增强了从气缸壁收集油和将油返回到曲柄箱油底壳的性能。
附图的简要说明
当结合下面对当前优选实施例和最佳模式、所附权利要求和附图的详细描述考虑时，本发明的这些和其它方面、特征和优点将变得更容易理解，在附图中：
图1a是根据本发明的一个方面构造的活塞的截面图；
图1b是根据本发明另一方面构造的活塞的类似于图1a的视图；
图2是图1a-1b所示活塞的根据本发明的一个方面构造的油控制环的局部剖视透视图；
图3是图1a-1b所示活塞的根据本发明的另一方面构造的油控制环的局部剖视透视图；和
图4是图2和图3的油控制环的平面图。
当前优选实施例的详细描述
更详细地参考附图，图1a和1b示出了根据本发明的当前优选实施例构造而成的、用于在内燃机(举例而言，比如重型柴油发动机)的气缸膛或气缸内腔(未示出)中往复运动的相应活塞10,10'。这两个活塞10,10'之间的区别在于，活塞10由两个固定在一起的部件构成，而活塞10'构成为单一整体材料。另外，活塞是相似的，因此，下文中使用相同的附图标记，其中活塞10'的附图标记被打上撇号(')以标识相同的特征。活塞10,10'具有沿着纵向中心轴线14,14'延伸的铸造或锻造或通过任何其它制造工艺形成的主体12,12'，活塞10,10'沿着该纵向中心轴线14,14'在气缸膛中往复运动。主体12具有上部(也被称为上冠16)，其连接到下部(也被称为下冠18)。本体12,12'具有一对销凸台20,20'，其中，销凸台20从上冠16垂下，以提供沿着大致横向于纵向中心轴线14,14'延伸的销孔轴线24,24'对齐的横向隔开的销孔22,22'。销凸台20,20'通过支柱部分28,28'连接到横向隔开的裙部26,26'。裙部26,26'在销孔轴线24,24'的相对两侧沿着直径方向彼此间隔开，并且具有凸的外表面，该凸的外表面在轮廓上成形为用于在气缸膛内沿气缸壁29滑动，以保持活塞10,10'在气缸膛内往复运动时处于期望的定向中。上冠16和每个主体12,12'具有上燃烧面30,30'，其中燃烧碗32,32'凹入所述上燃烧面中以便为气缸膛提供期望的气流。外壁34,34'从上表面30,30'悬垂，其中外壁34的由上冠16形成的一部分被示出为延伸到外自由端36，其中至少一部分环带区域38形成在外壁34的由上冠16提供的那部分中，而单体主体12'的外壁34'还包括环带区域38'。上冠16进一步示出为具有从燃烧碗32的下冠面悬垂并延伸到内自由端39的环形内肋37。环带区域38,38'包括多个环凹槽，图示为一对环凹槽40,42；第一环凹槽40,40'形成为最接近主体12,12'的外壁34,34'中的上燃烧面30,30'，并且第二环凹槽42,42'形成为比外壁34,34'中的第一环凹槽40,40'更远离上燃烧面30,30'。第一环凹槽40,40'被图示为具有径向地凹入的上表面，从而形成大致l形的环形袋，如横截面所示。作为压环44,44'提供的第一活塞环设置在第一环凹槽40,40'中，并且第二活塞环设置在第二环凹槽42,42'中，该第二活塞环作为改进的油控制环提供，其在图1a和1b中大体上以46示出，并且在图2中作为第一优选实施例被标示为46'，而在图3中作为第二优选实施例被标示为46”。第二环凹槽42,42'被显示为具有沿着并进入其下表面或底表面延伸的多个排油口43,43'。排油口43,43'形成为延伸穿过外壁34,34'并至少部分地进入第二环凹槽42,42'的底表面而到达第二环凹槽42,42'后壁的钻孔。多个排油口43,43'优选地沿着活塞10,10'的前侧和后侧形成，基本上与销孔轴线24,24'一致，其中，作为示例而非限制的是，2-3个这样的排油口43,43'优选地延伸到相对两侧的每一侧中。压环44,44'被示出为具有大致l形的横截面，在本领域中被称为dykes型活塞环，其中压环44,44'的上表面与上表面30,30'基本上在同一平面，而根据本发明提供的改进的油控制环46可以为活塞10,10'提供至少以下优点：减小了活塞压缩高度ch(已知为从上燃烧面30,30'到销孔轴线24,24'的距离)，减小了活塞质量，降低了源自活塞环44,44',46的摩擦损耗，降低了燃料消耗，降低了动力损耗，降低了油耗，降低了油控制环46在环凹槽42,42'内的粘附，并降低了制造成本。活塞领域的技术人员很容易认识到这些以及其它的优点。
对于两部分活塞10，例如但不限于，下冠18例如在锻造过程中与上冠16分开地构造，然后通过直立的环形外肋自由端48和直立的环形内肋自由端50而结合到上冠16。下冠18可以由任何合适的钢构成，比如经济钢材，例如低等级钢合金如4140h，或者是例如微合金钢。上冠16和下冠18在这里被表现为通过摩擦焊接或任何其它合适类型的形成在相应外自由端36,48和内自由端39,50上的焊接接头52而连接在一起。这样，与活塞10'一样，在上冠16和下冠18之间提供有基本封闭的外部冷却通道54,54'，同时在燃烧碗32,32'的中心部分下方、在销孔22,22'的上方设置有开放的内通道56,56'。应该认识到，根据本发明构造的活塞10可以具有以另外的方式形成的上冠和下冠部分，其中这两个活塞10,10'都具有不同的冷却通道构造，或者例如没有或基本上没有冷却通道。
如图4所示，油控制环46',46”具有围绕中心轴线59延伸的沿周向分裂的环形体58',58”(中心轴线59如图所示延伸进入和伸出页面)，其构造成与活塞10,10'的纵向中心轴线14,14'同轴对准。该分裂由在环46',46”的相对的两自由端63',63”,65',65”之间延伸的间隙61',61”提供，从而允许根据需要径向膨胀和收缩。参照图2和图3，环形体58',58”具有大致横向于中心轴线59延伸的平坦的或大致平坦的上表面60',60”和下表面62',62”，以及在上表面60',60”与下表面62',62”之间延伸的凹形内表面64',64”和凸形外表面66',66”。为了便于从气缸壁收集油并将油返回到曲柄箱油底壳，上表面60',60”,62',62”各自具有相应的环形凹槽68',68”,70',70”。作为示例而非限制性的是，凹槽68',68”,70',70”被示出为在构造上是彼此大致镜像的，并且被示出为大致u形的横截面。为了进一步增强从气缸壁收集油并将油返回到曲柄箱油底壳，环形体58',58”具有至少一个、优选多个贯通开口72',72”，所述贯通开口72',72”在环形凹槽68',68”,70',70”之间延伸以使环形凹槽68',68”,70',70”彼此处于流体连通。贯通开口72',72”(也简称为“开口”)被示出为穿过凹槽68',68”,70',70”的凹谷，并且彼此以均匀的等间距的关系沿周向间隔开。另外，贯通开口72',72”中的至少一些可以与排油口43,43'轴向地对齐，由此进一步改进油回到曲柄箱油底壳的回流。除了促进油收集并返回到曲柄箱油底壳之外，凹槽68',68”,70',70”还有助于减少控制环46',46”在环凹槽42,42'内的摩擦和粘附。这部分归因于槽68',68”,70',70”内的油增加，并且进一步归因于上表面和下表面60',60“,62',62”与环凹槽42,42'的相对表面相接触时的接触面积减小。
凹形内表面64',64”被示出为具有在其中延伸的膨胀环凹槽或凹部74',74”，凹部74',74”的尺寸被设计为至少部分地接收膨胀环76。膨胀环76有助于将油控制环46',46”径向向外地偏置到紧邻气缸壁29，以增强其中的比压，由此通过油控制环46',46”减少油的消耗和通过来提高油控制环46',46”的油控制性能。然而，可以想到的是，内表面64',64”可以保持没有凹部74',74”，并且不使用膨胀环，其中油控制环46',46”被热成型以保持有弹性的预定形状。
油控制环46还包括至少一个渐缩形表面，该表面沿径向地远离上表面和下表面60',60”,62',62”中的至少一个朝向外表面66',66”以倾斜的关系延伸。在图2所示的实施例46'中，一对渐缩形表面78',80'被示出为随着它们从轴线59径向向外地延伸而朝向彼此会聚，其中一个渐缩形表面78'从上表面60'朝向外表面66'倾斜地延伸，而另一个相对的渐缩形表面80'从下表面62'朝向外表面66'倾斜延伸。渐缩形表面78',80'为油控制环46'的径向外部区域提供圆锥形状的横截面，也被称为截头圆锥形。渐缩形表面78',80'可以以任何期望的角度α从上表面和下表面60',62'倾斜，例如但不限于优选地在大约10-60度之间，更优选地在大约25-45度之间。渐缩形表面78',80'可以以彼此大致镜像的关系形成，从它们各自的上表面和下表面60',62'以相同的角度α延伸，尽管本文可以预期，其中一个渐缩形表面78',80'可以相对于相应的上表面和下表面60',62'以不同于另一个渐缩形表面78',80'的角度α而倾斜。
在图3所示的实施例中，油控制环46“形成为具有单个渐缩形表面，其示出为是从轴线59径向向外地延伸到外表面66”的渐缩形表面78”，其中渐缩形表面78”从上表面60”以如上面针对上表面60'所述的倾斜角度α而延伸。然而，不是如针对油控制环46'所示出和所述的那样具有相反的渐缩形表面，而是，环形凹面82被形成于渐缩形表面78”的下方。该凹面82被示出为从下表面62”起始向上拱起，然后到达平台或峰顶，然后向外卷曲至外表面66”，显示为稍微向下地延伸到外表面66”，由此形成从上表面60”稍微向下拱起的大体钩形鼻部。应该认识到，可以使用各种曲率半径来形成凹面82，包括恒定的半径或变化的半径。
根据本发明的另一方面，提供了一种构造用于内燃机的活塞10,10'的方法。该方法包括，提供沿着中心纵轴线14,14'延伸并具有上燃烧面30,30'的活塞体12,12'，燃烧力作用于所述上燃烧面30,30'上以使得活塞体12,12'沿着中心纵轴线14,14'往复运动。此外，提供具有环形外壁34,34'的活塞体12,12'，其中环形外壁34,34'从上燃烧面30,30'垂下并具有形成于其中的环带区域38,38'，环带区域38,38'包括多个环形环凹槽40,40',42,42'。此外，将第一压环44设置在最靠近上燃烧面30,30'的其中一个环凹槽40,40'中，并且将油控制环46',46”设置在比第一压环40,40'更远离上燃烧面30,30'的其中一个环凹槽42,42'中。此外，将油控制环46',46”提供为具有通常横向于中心纵轴线14,14'的上表面60',60”和下表面62',62”以及在上表面60',60”与下表面62',62”之间延伸的内表面64',64”和外表面66',66”，并且将上表面60',60”和下表面62',62”提供为各自具有在其中延伸的环形凹槽68',70',68”,70”。该方法可以进一步包括，为相应的油控制环46',46”提供如上所述的特征，比如使环形凹槽68',70',68”,70”彼此处于流体连通的一个或多个贯通开口72',72”。
根据本发明的又一方面，提供了一种构造用于内燃机活塞10,10'的油控制环46',46”的方法。该方法包括获得环形体，该环形体具有基本上平行于中心轴线59延伸的大致平坦的上表面60',60”和下表面62',62”，其中该环形体具有在上表面60',60”和下表面62',62”之间延伸的凹形内表面64',64”和凸形外表面66',66”。此外，在上表面60',60”和下表面62',62”中形成环形凹槽68',70',68”,70”。该方法可以进一步包括，为相应的油控制环46',46”提供如上所述的特征，比如使环形凹槽68',70',68”,70”彼此处于流体连通的一个或多个贯通开口72',72”。此外，该方法可以包括，在油控制环46”的渐缩形表面78”的下方形成环形凹面82。该凹面82可以从下表面62”起始向上拱起，然后到达平台或峰顶，然后向外卷曲至外表面66”，作为示例而非限制性的是，显示为稍微向下地延伸到外表面66”，由此形成从上表面60”稍微向下拱起的大体钩形鼻部。应该认识到，在形成凹面82时，可以根据需要使用各种曲率半径来形成凹面82的曲率，包括恒定的半径或变化的半径。
显然，鉴于上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。因此，应该理解的是，在所附权利要求的范围内，本发明可以以与具体描述不同的方式实施。