CN104884779A - 具有局部填充含导热金属组合物的冷却通道的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于内燃机的活塞，其包括一密封冷却通道，该密封冷却通道在上冠部的碗边缘下方围绕中心轴周向延伸。具有高导热系数的含金属组合物填充部分密封冷却通道以进行散热。该含金属组合物包括一基材以及多个金属颗粒，该基材的熔点低于181℃，该金属颗粒的导热系数大于基材的导热系数。例如，该含金属组合物可以包括散布在硅油中的铜颗粒，或者散布在碱金属混合物中的铜颗粒。在高温运行过程中，由于活塞在缸膛内往复运动，该基材为液态并且流过整个冷却通道，以对上冠部和下冠部进行散热。

Description

具有局部填充含导热金属组合物的冷却通道的活塞

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年11月2日提交的第61/721,682号美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明主要涉及用于内燃机的活塞，以及用于制造该活塞的方法。

背景技术

用于内燃机中的活塞(例如重型柴油机活塞)在运行过程中通常曝露在极其高的温度下，尤其是沿着活塞的上冠部曝露在极其高的温度下。因此，为了调节温度，活塞通常设计具有位于上冠部下方的冷却通道，而且当活塞沿着发动机的缸膛往复运动时，在该冷却通道内喷入有冷却油。该油沿着上冠部的内表面流动，并为上冠部散热。然而，为了在运行过程中控制活塞温度，必须不断保持油的高流量。另外，由于内燃机的高温使得油会随着时间而逐步降解，因此，必须定期更换油以维持发动机的寿命。

发明内容

本发明一方面提供了一种用于内燃机的活塞。该活塞包括一由金属材料制成的本体部。该本体部包括一上冠部以及一沿至少部分上冠部延伸的密封的冷却通道。一含金属组合物设置在密封的冷却通道中。该含金属组合物包括一基材以及多个金属颗粒，该基材的熔点低于181℃，该金属颗粒的导热系数大于基材的导热系数。

本发明的另一方面提供了一种制造用于内燃机的活塞的方法。该方法包括以下步骤：将含金属组合物注入冷却通道内；以及密封该冷却通道。

在高温运行过程中，含金属组合物流遍密封的冷却通道。通常，基材是液态的，并且沿着上冠部的内表面运载固态的金属颗粒，以去除上冠部内表面的热量。在发动机的使用寿命中，含金属组合物不会因为高温而降解，也不会发生冷却通道焦化的情况。该含金属组合物起到冷却剂的作用，并且从该含金属组合物中获得的较高的传热速率阻止了氧化以及随之而来的侵蚀现象的发生。另外，该含金属组合物能够重新分布热流，从而减少了沿着上冠部外表面的积碳，并且还能够减少沿着上冠部外表面所使用的任何润滑油的降解。该含金属组合物所带来的优点还可以延长发动机的保养周期之间的时间间隔。

除上述以外，这种冷却方法可以用于特殊需要，甚至可以有意引起沿着活塞顶部的均匀的较高温度。这将有利地影响发动机的热动态，并且在废气中提供额外的热量以被其他电器使用。

附图说明

参考下面具体描述并结合附图进行考虑，本发明的其它优点将容易领会，同时能被更好地理解，其中：

图1是根据本发明一个典型实施例的活塞的侧剖视图。

具体实施方式

请参阅附图，其中，各个附图中相同的附图标记标示相应的部分，图1主要示出了典型的用于内燃机的活塞20。该活塞20包括密封的冷却通道22，其部分填有具有高导热系数的含金属组合物24。该含金属组合物24通常包括散布在硅油或其他同样高温稳定的液相中的铜或铝颗粒的悬浮物。在另一个实施例中，该含金属组合物24包括多种金属的混合物，例如遍布于一种或多种碱金属中的铜颗粒。

图1的典型的活塞20为重型柴油机活塞，其设置在内燃机的缸膛内。然而，任何其他形式的活塞也可以在冷却通道22中采用含金属组合物24。如图1所示，该活塞20包括本体部26，其围绕中心轴A周向延伸并从上端28沿该中心轴A纵向延伸至下端30。本体部26由金属材料制成，例如钢、铝或它们的合金。在该典型实施例中，本体部26包括上冠部32、下冠部34、一对销座36以及裙部38。

活塞20的上冠部32包括外表面40和相对而置的内表面42。上冠部32的外表面40在上端28处具有碗形结构，在运行过程中，该碗形结构直接曝露于缸膛中的热燃烧气体。冷却通道22沿上冠部32的至少部分内表面42延伸，并与碗形结构相对，从而使得容纳在该冷却通道中的含金属组合物24在运行过程中可以驱散热的碗形结构上的热量。在该典型的实施例中，密封的冷却通道22在上冠部32的碗边缘70下方围绕中心轴A周向延伸。

如图1所示，上冠部32包括分别围绕中心轴A周向延伸且从上端28朝下端30纵向延伸的第一外肋44和第一内肋46。第一肋44、46彼此间隔开，且第一内肋46设置在第一外肋44与中心轴A之间。第一外肋44的外表面40具有多个用于容纳活塞环54的环槽52，这些环槽背向中心轴A并围绕中心轴A周向延伸。第一内肋46包括从上冠部32的外表面40延伸至冷却通道22的开口56，以在密封冷却通道22之前使含金属组合物24被注入该冷却通道22内。然而，在另一优选实施例中，开口56沿着活塞20的非止推面形成在下冠部34的第二内肋50中。塞子58通常螺纹连接在开口56内，然后用粘合剂(例如高温环氧树脂组合物)密封。然而，开口56也可以选择地采用其他方法密封，例如将塞子58通过钨极惰性气体(TIG)保护焊、激光焊或钎焊焊接至开口56。另一密封技术包括将塞子58压配进开口56中，这与螺纹或焊接技术相比耗费的生产时间较少。

活塞20的本体部26还包括从上冠部32朝着下端30延伸的下冠部34。该下冠部34具有外表面40，该外表面40具有至少一个用于容纳活塞环54的环槽52。该下冠部34还包括与外表面40相对而置的内表面42。下冠部34包括与上冠部32的第一外肋44对齐且相连的第二外肋48，以及与上冠部32的第一内肋46对齐且相连的第二内肋50。第二肋48、50在上端28与下端30之间围绕中心轴A周向延伸，并且通过下冠部34的内表面42彼此间隔开。因此，如图1所示，上、下冠部32、34的内肋46、50和外肋44、48之间形成了密封的冷却通道22。第二肋48、50通常通过摩擦焊缝60连接至第一肋44、46，但是也可以通过其他形式的焊接或连接方式连接。

如图1所示，上冠部32的内表面42与第一内肋46之间形成冷却室62。该冷却室62沿部分上冠部32的内表面42径向延伸并沿中心轴A纵向延伸，并且朝下端30敞开。在运行过程中，冷却室62曝露于缸膛，且油可以被喷入冷却室62中，以降低活塞20的温度。

活塞20的本体部26还包括一对销座36，该对销座从下冠部34下垂并具有一对垂直于中心轴A延伸的横向间隔开的销孔64。本体部26还包括从下冠部34下垂的裙部38。该裙部38横向连接至销座36，并将销座36彼此间隔开。裙部38的外表面40呈凸状以用于与缸膛配合。虽然图1所示的活塞20位一件式结构，但活塞20也可选择地包括其他设计。

如上所述，含金属组合物24具有高导热系数，以在内燃机的运行过程中对热的上冠部32进行散热。含金属组合物24的导热系数(以瓦特每米-开尔文(W/m·K)度量)大于标准冷却油的导热系数的5至1000倍。在一个实施例中，含金属组合物24的导热系数至少为100W/m·K。基于冷却通道22的总体积，含金属组合物24通常填充冷却通道22的20vol.％至50vol.％。在一个实施例中，含金属组合物24填充冷却通道22的20vol.％至30vol.％。因此，在内燃机的运行过程中，含金属组合物24流遍整个冷却通道22，并且随着活塞20在缸膛中往复运动而对上、下冠部32、34进行散热。

含金属组合物24包括多个散布在基材68中的金属颗粒66。基材68的含量通常为基于含金属组合物24的总体积的50vol.％至99vol.％。在一个实施例中，基材68的含量为基于含金属组合物24的总体积的70vol.％至90vol.％。在另一实施例中，基材68的含量为基于含金属组合物24的总体积的75vol.％。基材68的导热系数通常为85-141W/m·K，且其熔点低于181℃，因此在181℃及以上的温度下为液态。

如上所述，基材68通常由油(例如硅油)组成。可选地，基材68还可以选择性地包括其他同样高温稳定的液相。在另一实施例中，基材68包括一种或多种碱金属。碱金属为周期表的族1中提供的元素，包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)和ununennium(Uue)(119号元素)。碱金属可以被提供为单种元素或合金(例如钠钾合金)。碱金属的导热系数通常为85-141W/m·K，比润滑油的导热系数大很多。出于比较的目的，润滑油的导热系数在0.15-0.20W/m·K左右。碱金属的高导热系数使其能有效将热量从上、下冠部32、34转移。碱金属的熔点通常约为63-181℃。因此，碱金属在室温下被提供为固态，并且当在内燃机的运行过程中曝露于比其熔点更高的温度时转变为液态。例如，钠的导热系数约为141W/m·K，熔点约为98℃；钾的导热系数约为102W/m·K，熔点约为63℃；锂的导热系数约为85W/m·K，熔点约为181℃。碱金属可能为高活性的，因此外部冷却通道22应被安全密封。

含金属组合物24的金属颗粒66散布在基材68中。金属颗粒66的导热系数和熔点高于基材68的导热系数和熔点。通常，金属颗粒66的熔点高于181℃，导热系数大于200W/m·K。因此，当金属颗粒66在内燃机的运行过程中曝露于高温时保持为固态并悬浮于整个液体中。因此，当液态的基材68实现极好的热接触时，固态的金属颗粒66可以非常好地吸热并散热。金属颗粒66通常由铜(Cu)、铝(Al)、铍(Be)、钨(W)、金(Au)、银(Ag)以及镁(Mg)中的一种或多种元素组成。如上所述，在一个典型实施例中，含金属组合物24包括悬浮在硅油中的铜颗粒。可选地是，含金属组合物24包括悬浮在混合碱金属中的铜颗粒。

含金属组合物24包括含量为基于其总体积的1vol.％至50vol.％的金属颗粒66。在一个实施例中，金属颗粒66的含量为基于含金属组合物24的总体积的10vol.％至30vol.％。在又另一实施例中，金属颗粒66的含量为基于含金属组合物24的总体积的25vol.％。

金属颗粒66的粒径通常为小于149微米至小于25微米(-100至-550目)，或者小于44微米(-325目)。所有的金属颗粒都可以具有相同的粒径，但通常金属颗粒具有粒径分布。例如，按体积计50％的金属颗粒的粒径为-100目至+400目，另外50％的金属颗粒的粒径为-400目。金属颗粒66还可以具有各种不同的结构。例如，金属颗粒66可以是雾化颗粒，例如那些由水雾化或气体雾化形成的颗粒。可选地是，金属颗粒66可以呈串状、海绵状或泡沫状。金属颗粒66还可以在其他物体(例如制动部件)的生产过程中从蚀屑流中重新获得。

在外部冷却通道22中含有高导热系数的含金属组合物24的活塞20可以提供许多优势。在内燃机的运行过程中，基材68(例如油或碱金属)为液态，而金属颗粒66则保持为固态并悬浮在液态的基材68中。该液态的基材68沿着上、下冠部32、34的内表面42运载固态的金属颗粒66使其遍布于冷却通道22，因此从上冠部32和下冠部34带走热量。另外，在发动机的使用寿命中，含金属组合物24不会因为高温而降解，而且也不会发生冷却通道22焦化的情况。热流朝着环槽52重新分布还可以减少沿着外表面40的积碳(例如在活塞环岸上的积碳)，并且减少沿着外表面40所使用的任何润滑油的降解。这些优点可以延长发动机的保养周期之间的时间间隔。另外，活塞20的外表面40上不积碳可防止气缸套孔磨光，并因此可使油耗保持在控制之下。另一个有利的特性为不会在第一(最上)环槽52中积碳，其原因在于通过冷却通道22中的含金属组合物24对活塞20进行了冷却。这消除了碳顶起(jacking)压缩环及随之而来的环咬粘和/或环粘连的可能性，而碳顶起压缩环及环咬粘和/或环粘连均对活塞20的性能有害。

本发明的另一方面提供了一种制造用于内燃机的活塞20的方法，其包括以下步骤：将含金属组合物24注入冷却通道22内，并密封该冷却通道22。可采用各种不同的方法制成带有冷却通道22的活塞20。然而，如图1所示，根据一个典型实施例，该方法包括形成上冠部32和下冠部34，纵向对齐上、下冠部32、34的内肋46、50和外肋44、48，以及将上、下冠部32、34的肋44、46、48、50焊接在一起，以在它们之间形成冷却室62和冷却通道22。该典型的方法接下来包括形成通至冷却通道22的开口56。该步骤可以包括在上冠部32中钻洞。在另一优选实施例中，该方法包括在下冠部34中钻出开口56，例如该开口穿过第二内肋50并沿着活塞20的非止推面。

该方法进一步包括一般在惰性干燥气体(例如氮气或氩气)下将含金属组合物24通过开口56注入冷却通道22中。在注入步骤中，含金属组合物可以为固体、液体或固体颗粒和液体的混合物。在注入步骤中，金属颗粒66通常为固态，而基材可以68为固态或液态。例如，当含金属组合物24包括胶质组合物时，油作为用于固态金属颗粒66的载体，且该固态金属颗粒66散布在油中，并被倒入上冠部32或下冠部34的开口56中。然而，当基材68包括碱金属时，该方法可以包括将碱金属熔化以提供载体，从而使金属颗粒66散布在熔化的碱金属中。可选地是，碱金属还可以为固态颗粒形式，并且与固态金属颗粒66混合。该固态颗粒的混合物也可以被倒入上冠部32或下冠部34的开口56中。当该固态碱金属颗粒68在内燃机的运行过程中曝露于高温时转变为液体并提供用于固态金属颗粒66的载体。

在含金属组合物24被注入冷却通道22中之后，该方法包括在活塞20仍处于惰性气体中时将冷却通道22的开口56密封。该密封步骤通常包括将塞子58螺纹连接并拧紧在开口56内，然后将粘合剂(例如高温环氧树脂组合物)涂覆在塞子58上。在另一实施例中，开口56还可以通过将塞子58压配进开口56中进行密封，这减少了生产时间。在又另一实施例中，可选地，塞子58可通过将活塞20保持在惰性气体中，然后通过钨极惰性气体(TIG)保护焊或激光焊将塞子58焊接至上冠部32进行密封。钎焊和收缩配合同样是预期的可供选择的方法。

显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的，并且在所附权利要求范围内，本发明也可通过除了具体描述以外的方式实现。

Claims (20)

1.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，该活塞包括：

一本体部，其包括一上冠部以及一沿至少部分所述上冠部延伸的冷却通道，该冷却通道为密封的；

一设置在所述冷却通道中的含金属组合物；所述含金属组合物包括一基材以及多个金属颗粒，该基材的熔点低于181℃，该金属颗粒的导热系数大于基材的导热系数。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述金属颗粒包括铜(Cu)、铝(Al)、铍(Be)、钨(W)、金(Au)、银(Ag)以及镁(Mg)中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述金属颗粒在181℃的温度下为固态。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述含金属组合物的所述基材包括油。

5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述油为硅油。

6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述金属颗粒包括铜。

7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述含金属组合物的所述基材包括一种或多种碱金属。

8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述基材包括多种碱金属的混合物。

9.根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，所述基材包括钠和钾的混合物，且所述金属颗粒包括铜。

10.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述含金属组合物包括含量为基于其总体积的50vol.％至99vol.％的所述基材以及含量为基于其总体积的1vol.％至50vol.％的所述金属颗粒。

11.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述金属颗粒的导热系数大于200W/(m·K)。

12.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述金属颗粒包括不同粒径的混合物，且各粒径小于149微米。

13.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，基于所述冷却通道的总体积，所述含金属组合物填充所述冷却通道的20vol.％至50vol.％。

14.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述主体部包括一下冠部，所述上冠部包括第一外肋以及第一内肋，所述下冠部包括第二外肋以及第二内肋；各所述肋围绕一中心轴周向延伸；所述第二内肋连接至所述第一内肋，且所述第二外肋连接至所述第一外肋，以使所述冷却通道在所述内肋与所述外肋之间围绕所述中心轴周向延伸。

15.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述本体部由钢材制成；

所述本体部围绕一中心轴周向延伸并从一上端沿所述中心轴纵向延伸至一下端；

所述上冠部具有一外表面以及一相对而置的内表面，且所述冷却通道沿至少部分所述上冠部的所述内表面延伸；

所述上冠部的所述外表面在所述上端处具有一碗形结构；

所述上冠部包括分别围绕所述中心轴周向延伸且从所述上端朝所述下端纵向延伸的第一外肋和第一内肋，所述第一内肋设置在所述第一外肋与所述中心轴之间；

所述第一外肋的所述外表面具有多个用于容纳活塞环的环槽，所述环槽背向所述中心轴并围绕所述中心轴周向延伸；

所述本体部包括一从所述上冠部延伸至所述下端的下冠部；

所述下冠部具有一外表面以及一相对而置的内表面，且所述冷却通道沿至少部分所述下冠部的所述内表面延伸；

所述下冠部包括连接至所述第一外肋的第二外肋以及连接至所述第一内肋的第二内肋，所述第二肋在所述上端与所述下端之间围绕所述中心轴周向延伸，以在所述内肋和所述外肋之间沿部分与所述碗形结构相对的所述上冠部的所述内表面形成所述密封的冷却通道；

所述第二肋通过摩擦焊缝连接至所述第一肋；所述下冠部的所述外表面具有至少一个环槽；

所述上冠部与所述下冠部中的一个包括一延伸进入所述冷却通道的开口，以使所述含金属组合物被倒入所述冷却通道内；

所述上冠部的所述内表面与所述内肋之间具有一冷却室，所述冷却室沿部分所述上冠部的所述内表面径向延伸并沿所述中心轴纵向延伸，并且朝所述下端敞开以曝露于一缸膛中；

所述本体部包括一对销座，其从所述下冠部下垂并包括一对垂直于所述中心轴延伸的横向间隔开的销孔；

所述本体部包括一从所述下冠部下垂的裙部，所述裙部横向连接至所述销座，并将所述销座彼此间隔开；

所述裙部包括一凸状的以用于与所述缸膛配合的外表面；

所述含金属组合物的导热系数以W/m·K度量大于冷却油的5至1000倍；

所述含金属组合物的所述金属颗粒在181℃的温度下为固态；

基于所述冷却通道的总体积，所述含金属组合物填充所述冷却通道的20vol.％至50vol.％；以及

进一步包括一塞子，其螺纹连接在所述开口内并密封所述冷却通道。

16.根据所述权利要求15所述的活塞，其特征在于，所述含金属组合物为胶质组合物；

所述含金属组合物包括基于其总体积的50vol.％至99vol.％的所述基材以及含量为基于其总体积的1vol.％至50vol.％的所述金属颗粒；

所述基材包括油；

所述金属颗粒的导热系数大于200W/(m·K)；

所述金属颗粒的粒径小于149微米；

所述金属颗粒包括至少两种不同的粒径；以及

所述金属颗粒包括铜(Cu)、铝(Al)、铍(Be)、钨(W)、金(Au)、银(Ag)以及镁(Mg)中的一种或多种。

17.根据所述权利要求15所述的活塞，其特征在于，所述含金属组合物包括基于其总体积的50vol.％至99vol.％的所述基材以及含量为基于其总体积的1vol.％至50vol.％的所述金属颗粒；

所述基材的导热系数为85W/(m·K)至141W/(m·K)，熔点为63℃至181℃；

所述基材包括一种或多种碱金属，所述一种或多种碱金属包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)和ununennium(Uue)；

所述金属颗粒的熔点高于181℃，导热系数大于200W/(m·K)；

所述金属颗粒的粒径小于149微米；以及

所述金属颗粒包括铜(Cu)、铝(Al)、铍(Be)、钨(W)、金(Au)、银(Ag)以及镁(Mg)中的一种或多种。

18.一种制造用于内燃机的活塞的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将一含金属组合物注入一冷却通道内，该冷却通道沿一活塞的至少部分上冠部延伸，其中，该含金属组合物包括一基材以及多个金属颗粒，该基材的熔点低于181℃，该金属颗粒的导热系数大于基材的导热系数；以及

密封该冷却通道。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在注入步骤中，所述基材与金属颗粒为固态。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在注入步骤中，所述基材为液态，所述金属颗粒为固态。