CN107524541B - 高效率活塞 - Google Patents

Abstract

一种一体形成的活塞，其具有冠部部分，该冠部部分具有上冠部表面和下冠部表面。该环带在下冠部表面的周界处从该下冠部表面延伸。该环带包括最上方环岸和至少一个油道，该至少一个油道定轮廓成围绕最上方环岸的至少两个表面延伸。该油道在下冠部表面处具有开口，用于在其中接收冷却流体，用于冷却最上方环岸。裙部从下冠部表面和环带延伸，且具有以桁架形式布置的多个加强特征件。多个加强特征件中的至少一个具有I形梁横截面，且多个加强特征件中的另一个具有负拔模角。

Description

高效率活塞

技术领域

本发明涉及内燃机，且更具体地涉及在内燃机中使用的活塞。

背景技术

此章节的陈述仅旨在提供与本申请相关的背景信息，而且也未必构成现有技术。

发动机活塞通常由铁或铝合金经过铸造和/或锻造工艺来制造。活塞材料和设计有助于发动机的整体耐久性和性能。活塞具有各个部分，该各个部分有助于该整体耐久性和性能。活塞冠部为暴露于发动机燃烧温度的上表面。承载压缩环和控油环的环带从冠部的边缘延伸。活塞在外直径上的最接近曲柄轴的部分为活塞裙部。该活塞裙部具有从环带延伸的弧形侧壁，以吸收施加在活塞上的往复推力。当活塞裙部在循环过程中移动时，该活塞裙部还有助于活塞在气缸孔中对齐。销壳可在用于接收肘销的裙部壁之间延伸，用于与连接杆相连。

发动机制造商正面临提高发动机效率和性能的日益增长的需求，包括但不限于，提高燃料经济性、改善燃料燃烧、降低油耗和增加排气温度（用于后续在废气的催化转化中使用）。该发动机活塞提供许多机会来改善这些目标。

发明内容

在第一布置中，一体形成的活塞具有冠部部分、环带以及多个冠部和裙部支承特征件。冠部部分具有上冠部表面和下冠部表面。该环带从下冠部表面且围绕冠部部分的周界延伸。该多个冠部和裙部支承特征件从下冠部表面和环带延伸，以便形成具有桁架布置的裙部。

在另一布置中，一体形成的活塞具有冠部、环带和裙部。该环带在冠部的周界处从冠部的表面延伸。环带包括多个环岸以及至少一个在其中延伸的油道。裙部从冠部的表面和环带延伸，且具有多个加强特征件。多个加强特征件中的至少一个具有I形梁横截面。此外，冠部、环带和裙部通过附加的制造工艺一体地形成。

在又一布置中，一体形成的活塞具有冠部部分，该冠部部分具有上冠部表面和下冠部表面。该环带在下冠部表面的周界处从该下冠部表面的表面延伸。该环带包括至少一个环岸和至少一个油道，该至少一个油道定轮廓成围绕至少一个环岸的至少两个表面延伸。该油道在下冠部表面处具有开口，用于在其中接收冷却流体，用于冷却至少一个环岸。裙部从下冠部表面和环带延伸，且具有以桁架形式布置的多个加强特征件。多个加强特征件中的至少一个具有I形梁横截面，且多个加强特征件中的另一个具有负拔模角。

从在此提供的说明将很容易理解其它应用区域。应当理解的是，描述和具体示例仅仅旨在说明的目的，且并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

在此描述的附图仅仅旨在示出的目的，且决不以任何方式来限制本发明的范围。

图1为根据本发明的活塞的透视图；

图2为图1的活塞的横截面视图；

图3为图1的活塞的与活塞的先前设计的部分横截面视图相比较的部分横截面视图；以及

图4为根据本发明的另一实施例的活塞的透视图。

具体实施方式

在此描述了本发明的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，且其它的实施例可采用各种的和替代的形式。这些附图并不是按比例尺绘制的；一些特征可被放大或缩小以显示特定部件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能细节不应解释为限制，其仅仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考附图中任一图示出和描述的各个特征可以与一个或多个其它图中所示的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示出特征的组合提供针对典型应用的代表性实施例。然而，与本发明的教导相一致的特征的各种组合和修改可期望用于特定应用或实施方式中。

此外，应当理解的是，在整个附图中，相应的附图标记指示相同的或相应的部分和特征。另外，例如“顶部”、“侧部”和“背部”的方向用于解释的目的，且并不意于需要特定的定向，除非有其它陈述。

现在参考图1，示出了由附加制造（即，3-D打印或直接金属激光烧结）形成的示例性活塞10。活塞10包括代表制造技术的各种特征件，其包括具有外冠部表面14和下冠部表面16的冠部12。在使用中，冠部表面14暴露于发动机燃烧温度和气体，同时下冠部表面16暴露于曲轴箱流体，该曲轴箱流体包括空气、油蒸气和液体油滴或喷雾。冠部表面14可被形成以具有任何合适的形状或已知的配置，用于基于特定应用来提供合适的燃烧气体流，活塞10针对该特定应用来设计。用于承载压缩环和控油活塞环（未示出）的环带18从冠部12的边缘向下延伸，以便防止窜气气体围绕冠部12的周界逸出。裙部20从环带18延伸，以吸收活塞10移动过程中的推力。活塞的下冠部表面16还包括一对销壳22。销壳22具有沿着销孔轴线对齐的销孔，用于接收肘销，该肘销将活塞10与连接杆（未示出）相连接并最终与发动机的曲柄轴（未示出）相连接。

现在参考图1和2，附加制造工艺为活塞10提供了许多机会以包括活塞制造商先前不可获得的特征。这些特征中的许多提供功能强度至一体形成的或单体设计的活塞，同时还允许实现设计的轻量化。在本发明的示例性实施例中，多个冠部和裙部支承特征件在活塞10的下冠部表面16下方延伸。冠部和裙部支承特征件可采用各种形状，以便使强度最大化且具有最小的质量。例如，冠部和裙部支承特征件可包括多个加强肋24，该多个加强肋从下冠部表面16和环带18朝向销壳22延伸。加强肋24可被布置成在下冠部表面16下方突出，以使得裙部20以桁架状形式（例如，作为支承支柱26）布置，用于管理活塞10上的载荷且无外来质量。加强肋24可为直线肋（即，在整个长度上具有相等的宽度）或肋24可沿着它们的长度凹进，例如具有I形梁或扇形形状，用于提供减小的质量。用这种方式，加强肋24可基本上消除不受应力位置处的材料。在一个示例中，各种加强肋24可形成为横跨支承支柱26的I形梁28，用于加强裙部20的结构。

冠部和裙部支承特征件还可包括在加强肋24之间延伸的加强件30，用于向此提供附加的支承。如在图2中最佳地示出，加强件30可形成有负拔模角α。这样做时在较小质量下，负拔模角为延伸特征件提供增加的支承。

继续参考图1和2，活塞10还可包括各种冷却特征件，其由于较低的活塞温度而提供改善的耐磨性和材料特性。在一个示例中，活塞10包括位于环带18的区域内的封闭的或部分封闭的油道32。油道32在开口34处可朝向下冠部表面16打开，以使得曲轴箱流体（例如，油）可通过冠部表面14附近的环带18接收和承载。如在图2中最佳地示出，油道32可定轮廓成围绕至少顶部环岸36（例如，C形）的上表面和下表面延伸。用这种方式，油道32可有助于冷却环岸。油道32可以环形布置完全地围绕环带18延伸，或者可围绕环带18递增地分段并间隔开。通过提供分段布置，油道32可包括多个开口34，这允许更多的流体侵入以用于冷却。还可想到的是，至少一个开口34可布置在下冠部表面16上，用于从一个或多个油喷口（未示出）接收进入油道32的冷却油。至少一个开口34还可用于在操作过程中将冷却油从油道32分配回至发动机的曲轴箱。油进入油道32的连续循环具有以下效果：从冠部表面14吸取热量来冷却冠部表面14，并且允许它在增加的燃烧压力和温度下操作。

非均匀空腔38还可包含到下冠部表面16中，以移除附加的质量并有助于活塞冷却。在于图1中示出的一个示例中，非均匀空腔38可布置在销壳22下方，以允许添加冷却特征件并管理层流相对湍流的程度。非均匀空腔38还允许在销壳22处更多的流体侵入，用于冷却。

在图4中示出的另一示例中，活塞200可包括非均匀空腔238，其采用蜂巢形式或布置在销壳222下方的其它晶格结构。非均匀空腔238可向销壳222提供附加的加强。非均匀空腔238可朝向销壳222打开，用于在处理过程中容易移除材料。可选地，这些蜂巢或晶格结构可完全地封闭在活塞200的材料之内。用这种方式，非均匀空腔238可用于填充任何不期望有质量的体积。例如，冠部表面214与下冠部表面216之间的体积的一部分可创建有完全封闭的蜂巢或晶格结构（例如，在支承支柱226之间延伸的部分）。用这种方式，横向于肘销的活塞冠部可设有增加的强度。类似于I形梁结构，外部元件能承载张紧和压缩中的大部分负载，且通过中性轴线呈现蜂巢状或晶格结构。

现参照图3，标准设计活塞100（虚线图像）与活塞10重叠。在附加的加强特征件（例如，加强件30）和附加的冷却特征件（例如，油道32、非均匀空腔38）之间，活塞10可设计成具有较低的环带18高度、较短的肘销长度（例如，减小销壳22之间的距离）以及用于活塞10在气缸孔中摩擦的较小表面积。换言之，活塞100包括环带高度H1，并且活塞10包括环带高度H2，其中，环带高度H2小于环带高度H1。类似地，活塞100包括销孔长度L1，并且活塞10包括销孔长度L2，其中，销孔长度L2小于销孔长度L1。

示例性实施例的活塞10配置成用于不同类型的内燃机的范围，这些内燃机例如包括火花或压缩点火式两冲程或四冲程内燃机。此外，示例性实施例的活塞能由钢材料在附加的制造工艺期间制造，或者可利用替代钢的替代材料来设计有上文陈述的许多特征件。于是，显而易见的是，该描述在本质上仅仅是示例性的，并且因此并不偏离本发明要旨的变型旨在落在本发明的范围内。这种变型不应视为脱离本发明的精神和范围。

虽然上文描述的示例性实施例，但并不旨在这些实施例描述由权利要求所包含的所有可能形式。用在说明中的词语是用于描述而不是局限的词语，并且可理解的是，可做出各种变化，而不脱离本发明的精神和范围。如前所描述的，各种实施例的特征可组合以形成本发明的并未明确描述或说明的其它实施例。虽然各种实施例已描述为参照一个或多个期望特征而提供优于其它实施例或现有技术实施方式的优点或者是优选的，但本领域技术人员会认识到的是，可去除一个或多个特征或特性来实现期望的总体***属性，这取决于特定的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市售性、外观、包装、尺寸、服务能力、重量、可制造性、易于装配性等等。这样，被描述为相对于一个或多个特性的其它实施例或现有技术实施方式不太理想的实施例并非在本发明的范围之外，并且对于特定应用会是期望的。

Claims (10)

1.一种一体形成的活塞，其包括：

冠部；

环带，所述环带在所述冠部的周界处从所述冠部的表面延伸，其中，所述环带包括多个环岸和至少一个在其中延伸的油道；以及

裙部，所述裙部从所述冠部的表面和所述环带延伸并且具有多个加强特征件，其中，所述多个加强特征件包括布置成在所述冠部的下冠部表面下方突出以使得所述裙部作为支承支柱布置的加强肋和形成为横跨支承支柱的I形梁，并且其中，所述冠部、所述环带以及所述裙部通过附加的制造工艺一体地形成。

2.根据权利要求1所述的活塞，进一步包括：

至少一个肋，所述至少一个肋从所述冠部的表面延伸以加强所述裙部，并且其中，所述至少一个肋具有负拔模角。

3.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述冠部进一步包括：

蜂巢或晶格结构，其在所述冠部的上冠部表面和下冠部表面之间。

4.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述裙部进一步包括：

一对销壳，其中所述多个加强特征件的至少一个是蜂巢或晶格结构，用以支承所述一对销壳。

5.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述油道在所述冠部的表面处具有开口，用于在其中接收冷却流体。

6.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述多个环岸包括设置在所述环带的冠部侧部处的最上方环岸。

7.根据权利要求6所述的活塞，其中，所述油道定轮廓成围绕所述最上方环岸的至少两个表面延伸。

8.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述油道完全地围绕所述环带的直径延伸。

9.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述油道围绕所述环带的直径分段并且递增地隔开。

10.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述裙部具有桁架布置。

Images