CN104204486B - 用于散热的活塞销 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包括活塞本体的活塞总成，该活塞本体通过活塞销与连杆枢转连接。该活塞销包括其中部分地填充传热介质的密封腔。传热介质可由易熔合金组成。密封腔可由离散的隔室组成。该活塞销可与连杆整合并且共用与其结合的密封腔，以便传热介质能够有效地将热量从活塞本体转移出去。

Description

用于散热的活塞销

相关申请的交叉引用

无。

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的活塞，更具体地涉及一种用于活塞总成以使活塞本体和连杆互相连接的活塞销。

背景技术

用于内燃机的活塞总成在使用中会遭受极端高温、力和惯性。这类发动机的优化运行需要对主要由高强度轻质金属合金制造的活塞总成的部件的温度进行精细化管理。

在柴油发动机应用中长期观察的一项实践是通过活塞总成中的通道循环润滑油以作为各种接头的润滑剂以及作为冷却介质以将热量从活塞冠部转移出去。1956年4月24日授权的史密斯的第2,742,883号美国专利公开了一种此类活塞总成，其中，冷却油通过中空的活塞销传输，然后进入仅形成于活塞头冠部之下的上部通道。

在另一个例子中，1972年11月7日授权的佐尔拉(Zollner)的第3,702,092号美国专利公开了一种轻质活塞销总成，该活塞销总成由完全经由那里延伸的多个敞开的风道或者通道形成。该通道可为圆形的或者具有其它形状并且数量范围为两个至六个。在某些示例中，该通道并不完全经过活塞销延伸而是止于内部并且在活塞销的一端开口。该案例中在活塞销中形成这种止裂孔或者贯通通道的目的是为了减重。

在又另一个例子中，1997年2月1日授权的威兹曼(Wizemann)等人的第4,005,686号美国专利公开了一种包括活塞销的活塞总成，该活塞销具有位于其中的中空的通道，该通道是敞开的以容置来自于连杆的加压冷却液(即润滑油)。润滑油流经活塞销并进入活塞头或冠部区域。

已经观察到，至少在柴油机应用中，在等于或高于0.4kW/cm²的热负荷下运行的活塞通常需要强制的活塞冷却以使温度保持在270℃之下。因此在6缸重型卡车发动机中需要至少2kW并且当发动机的规格和/或比功率(kW/L)增大时甚至更大。该强制的活塞冷却意味着附加损失。也就是说，在没有开发任何相应有用功的情况下，为了移动该冷却液就需要燃烧燃料。

因此，为了减少或者完全消除与强制冷却相关的损失，在本领域中有必要提供更有效果和效率的手段使活塞的冠部摆脱吸收的热量。为了复原现有的发动机***中固有的附加损失，因此需要探索改进的方法。

发明内容

本发明提供了用于内燃机中的一类活塞总成的活塞销。该活塞销包括具有封闭端的大致圆柱形的外表面。密封腔在封闭端形成于外表面内部。腔体内部填充有定量的传热介质。

位于该活塞销的密封腔内的传热介质作为附加的散热器以帮助控制活塞总成中的热负荷从而降低附加损失，该附加损失是推动冷却液通过活塞总成所需要的。换句话说，位于活塞销内的该密封腔起到热交换器的作用，即从与其耦合的活塞本体的销壳结构直接吸收热量，因此能够从活塞冠部将传导的热量转移出去。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于内燃机的活塞总成。该活塞总成包括具有一对销壳的活塞本体。每个销壳具有一个销孔。销孔沿着共同的销孔轴设置并且每个销孔具有周向延伸的销孔表面。这两个销孔表面通过介于其间的空隙或者空间彼此间隔开。连杆具有设置于介于销壳之间的空间中的上端。活塞销设置于活塞本体的销孔内并且可操作地与连杆的上端连接以枢转连接活塞本体和连杆。该活塞销包括其中的密封腔。该密封腔中填充定量的传热介质。

本发明提供了一种独特的并且相对廉价的方案以将活塞销用作额外的散热器，从而使发动机技术更接近复原现有技术***中存在的附加损失，这些附加损失需要强制的活塞冷却以使温度保持在临界温度以下。

附图说明

参阅以下详细说明和附图，本发明的这些和其他特征以及优点将更易于理解，其中：

图1是示出了典型活塞本体局部剖面的活塞总成的***图；

图2是根据本发明一个实施例的另一个典型的活塞总成的剖视图；

图3是大致沿着图1的线3-3的活塞销的剖视图；

图4是类似图3的但示出了密封腔的可替换实施例的剖视图；

图5是根据另一个可替换实施例的活塞总成的***图，其中活塞销和连杆形成为整体单元；以及

图6是大致沿着图5中的线6-6的剖视图。

具体实施方式

参阅附图，其中相同的附图标记用以标示遍布所有附图的类似的或者相应的部分，图1和图2中大致用10表示根据本发明的一个优选实施例构造的活塞总成。该活塞总成10包括大致用12标示的活塞本体。该活塞本体可为单件式或者多件式，并且形成有敞开的或者封闭的通道或者其他结构。图1和图2中的那些设计打算用于本发明的优选实现方式的柴油发动机中，然而并不是本发明的新概念所能实施的唯一方式。因此，本发明在此还可适用于除了所述的柴油类型之外的汽油、天然气和其他类型的内燃机。在这些示例中，该活塞本体12在它的上端形成具有燃烧坑或者碗16的冠部14。大致圆柱形的裙部18从冠部14向下延伸。在冠部14和裙部18之间还可形成一环带以便容纳一个或者多个环槽20从而以惯用方式容纳活塞环。一对销壳22从冠部14的下面向下延伸并且大致设置于裙部18的边界内。每个销壳22具有一个形成于其中的销孔24。该销孔24沿着共同的销孔轴A设置并且每个销孔24具有通过介于中间的空隙或者间隙彼此间隔开的周向延伸的销孔表面。典型地，销孔24贯穿裙部18延伸。

连杆大致用26表示。该连杆26可为用于内燃机的任何适合的类型，从而可操作地将旋转曲柄轴(图中未示)连接至往复运动的活塞本体12。特别地，示例中示出的连杆26具有上端28，通常也称为小端。该连杆26还包括下端30和在上端28和下端30之间延伸的柄32。典型的，整个连杆26形成为由铸造或锻造或者其他适合的制造工艺制作的整体结构。连杆26的下端30设计为与曲柄轴以任何常用方式耦合。

在活塞总成10内，连杆26的上端28设置于活塞总成12的销壳22之间的介于其间的空间内。在最典型和优选实施例中，该上端28形成有小端孔34，该小端孔34的直径的尺寸可等于销孔24的直径。该小端孔34还沿着销孔轴A对齐以便其与销孔24居中连接。

根据本发明的活塞销大致用36标示。优选地，该活塞销为具有封闭端38的大致圆柱形结构。该活塞销36的直径和长度的尺寸紧密地匹配于销孔24和小端孔34内并且通过固定于每个销孔24的夹沟40中的弹簧夹保持在适当位置。如此，活塞销36枢转连接活塞本体12和连杆26以便当连杆26受到通过它的下端30与旋转曲柄轴(图中未示)的连接产生的大致平面运动时活塞本体12能够在缸镗(图中未示)内做线性往复运动。

或许如图3最优所示，该活塞销36包括大致用42标示的密封腔。密封腔42内填充定量的传热介质44。优选地，传热介质44仅部分填充于密封腔42内的可用空间中以便在活塞本体12的往复运动过程中以“鸡尾酒调制器”动作完成从腔室42内壁的排热。任何合适的材料均可用作传热介质44，包括液体、颗粒状的固体材料以及低温易熔金属和合金等。易熔合金是指在相对较低的温度下能够轻易被熔融，也就是说，轻易可熔化的金属合金。易熔合金通常但并不一定为低共熔合金。已知熔化的易熔合金可用作冷却剂，因为它们在热的作用下是稳定的并且相比其它冷却剂能够提供更高的热传导性。特别地，这可能是由于合金是由具有高热传导性的材料比如铟和钠制造的。其它适合的易熔金属合金包括锂基材料和液体，比如钠-钾。其它适合的冷却材料可包括含铜和铝的硅油。密封腔42内冷却剂的体积是可变的。优选地，填充密封腔42容量的10-50％以促进所谓的“鸡尾酒调制器”效应。如图3所示，密封腔42可由多个区分开的隔室46组成，这些隔室在活塞销36***击钻孔(rifle-drilled)形成，并用封闭端38密封。在该示例中，隔室46彼此孤立以便一个隔室内的传热介质44不能进入另一个隔室46。

图4是类似图3的剖视图，但是示出了可替换的实施例，其中，密封腔42’可形成为通过任何适合方法包括铸造、烧结或者机械加工毛坯而形成的漩涡轮廓(cartouche)。在此示例中，采用之前实施例中类似的附图标记为主要的附图标记标示类似的或者相应的部分。密封腔42’部分填充有精选的冷却剂44’并且体积范围与之前相同。腔室42’内的内部轮廓形成了彼此并不孤立的且实际上彼此敞开的隔室46’，以便在一个隔室46’内的传热介质44’可以转移到另一个隔室46’内。密封腔42’的内部轮廓在此仅有一个示例，本领域技术人员应当理解其形状和轮廓可进行变化以适应其工艺。该实施例还说明了一个概念，即漩涡轮廓是压配合或者热配合于一薄钢壳48’内，该薄钢壳反过来提供了与连杆和活塞本体连接的耐用的外表面或者套筒。换句话说，壳48’将作为抵靠销孔的支承元件。该漩涡结构为钢壳48’提供了承受荷载的必须的结构刚度。

现在转向图5和图6，示出了本发明的更进一步的实施例，其中，活塞销136设计为抵靠机械加工入活塞下冠内的鞍部124。在图5和图6的实施例中，以上引入的附图标记增加100用以表示类似的或者相应的部分。在此案例中，连杆126和活塞销136彼此整体地连接为单独结构。这两个部件之间可通过任何适合的技术连接，包括螺接、焊接等等。盖轴承150通过螺母152连接至从销壳122下垂的螺柱154。盖轴承和上轴承表面还可涂覆有润滑涂层，比如磷酸锰、DLC(类金刚石涂层)、来源于PVD工艺的涂层以及由铬基和纳米金刚石组成的RoC^TM(Robust Coating强涂层)。以这种方式，活塞销136就以众所周知的方式沿着销孔轴固定作为功能性接合。

如图6所示，活塞销136和连杆126可形成有匹配的射击钻孔(rifle drilling)，该钻孔深入活塞销136内一部分以及连杆柄132的大部分长度。柄132内的密封腔通过附图标记156标示。该腔室156也填充了精选的冷却剂而且与之前所述的体积范围相同。这种构造的特别优点是来自于活塞本体112的热负荷消散于活塞销136/连杆126对中并且通过传热介质144有效地转移至连杆柄132。然后连杆126将这些热量转移至流经曲柄销(图中未示)的油膜(图中未示)以及设置该总成110的内燃机的曲轴箱(图中未示)内的油雾和空气中。正如本领域技术人员所理解的，由于该总成110中部件的典型动态性以及与曲柄箱环境相关的高相对速度，上述的传热路径是非常有效的。

本发明已根据相关法律标准进行说明，因此该说明作为示例而非在本质上限制。本领域技术人员根据公开的实施例所做的简单的变化和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (20)

1.用于内燃机的一类活塞总成，其包括活塞销和连杆，其特征在于，

所述活塞销包括：

具有封闭端的大致圆柱形的外表面；

位于所述外表面和封闭端内部的密封腔；以及

位于所述密封腔内的定量的传热介质；

所述连杆具有直接与所述活塞销连接以作为一个整体结构的上端，所述连杆包括从所述上端延伸的柄，并且其中所述柄包括位于其中的包含一定量所述传热介质的密封腔。

2.根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述活塞销内的所述密封腔具有体积，并且所述传热介质仅部分地填充所述体积。

3.根据权利要求2所述的总成，其特征在于，所述传热介质填充所述活塞销内的所述密封腔体积的10-50％。

4.根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述传热介质包括低温易熔的成分。

5.根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述活塞销内的所述密封腔包括多个区分开的隔室。

6.根据权利要求5所述的总成，其特征在于，所述多个区分开的隔室是彼此孤立的以便一个所述隔室中的传热介质不能转移至另一个所述隔室中。

7.根据权利要求5所述的总成，其特征在于，所述多个区分开的隔室是彼此敞开的以便一个所述隔室中的传热介质可以转移到另一个所述隔室中。

8.根据权利要求1所述的总成，其特征在于，所述柄内的所述密封腔是与所述活塞销内的所述密封腔流体连通的。

9.一种用于内燃机的活塞总成，其特征在于，所述总成包括：

一活塞本体，所述活塞本体包括一对活塞销壳，每个所述销壳具有位于其中的销孔，所述销孔围绕共同的销孔轴设置并且每个销孔具有通过介于其间的空间彼此隔开的周向延伸的销孔表面；

一连杆，所述连杆具有设置于所述销壳之间的介于其间的空间内的上端；

一活塞销，所述活塞销设置于所述活塞本体的所述销孔内并且可操作地连接所述连杆的所述上端以枢转连接所述活塞本体和所述连杆，所述活塞销包括位于其中的密封腔，所述密封腔内填充固定量的传热介质；

所述连杆包括从所述上端延伸的柄，所述柄包括位于其中的包含一定量所述传热介质的密封腔。

10.根据权利要求9所述的总成，其特征在于，所述活塞销内的所述密封腔具有体积，并且所述传热介质仅部分填充所述体积。

11.根据权利要求10所述的总成，其特征在于，所述传热介质填充所述活塞销内的所述密封腔体积的10-50％。

12.根据权利要求9所述的总成，其特征在于，所述传热介质包括低温易熔的成分。

13.根据权利要求12所述的总成，其特征在于，所述低温易熔的成分选自：金属以及硅油。

14.根据权利要求13所述的总成，其特征在于，所述金属为金属合金。

15.根据权利要求14所述的总成，其特征在于，所述金属合金为NaK。

16.根据权利要求9所述的总成，其特征在于，所述活塞销内的所述密封腔包括多个区分开的隔室。

17.根据权利要求16所述的总成，其特征在于，所述多个区分开的隔室是彼此孤立的以便一个所述隔室中的传热介质不能转移至另一个所述隔室中。

18.根据权利要求16所述的总成，其特征在于，所述多个区分开的隔室是彼此敞开的以便一个所述隔室中的传热介质可以转移到另一个所述隔室中。

19.根据权利要求9所述的总成，其特征在于，所述柄内的所述密封腔是与所述活塞销内的所述密封腔流体连通的。

20.一种用于内燃机的活塞总成，其特征在于，所述总成包括：

一活塞本体，所述活塞本体具有冠部、从所述冠部向下延伸的大致圆柱形的裙部、形成于邻近所述冠部的所述裙部中的至少一个环槽、从所述冠部向下延伸的且大致设置于所述裙部内的一对销壳，每个所述销壳具有位于其中的销孔，所述销孔围绕共同的销孔轴设置并且每个销孔具有通过介于其间的空间彼此隔开的周向延伸的销孔表面；

一连杆，所述连杆具有上端、下端和位于上端和下端之间延伸的柄，所述上端设置于所述销壳之间的所述介于其间的空间内，所述连杆的所述下端包括适于定期耦合旋转曲柄轴的曲柄孔；

一活塞销，所述活塞销设置于所述活塞本体的所述销孔内并且可操作地与所述连杆的所述上端相连以枢转连接所述活塞本体和所述连杆，所述活塞销包括位于其中的密封腔，所述密封腔内填充有定量的传热介质，所述传热介质包括低温易熔的成分；

所述柄包括位于其中的包含一定量所述传热介质的密封腔。