CN110785553A - 双通道钢制活塞 - Google Patents

Abstract

当在内燃机中使用时，提供了一种能够在高温下操作并且因此有助于高缸内温度和降低发动机机油温的活塞。活塞包括焊接在一起的上部和下部，以在上部和下部之间提供冷却腔道。冷却腔道围绕活塞的中心轴线周向延伸并且与中心轴线间隔开。隔板位于冷却腔道中，并且从冷却腔道的一个内表面延伸到另一内表面。隔板围绕中心轴线周向延伸，并且将冷却腔道至少划分成第一通道部分和第二通道部分。隔板可以与上部或下部形成为一体。可替代地，隔板可以与上部和下部分开形成为单独的部件。

Description

双通道钢制活塞

相关申请的交叉引用

本PCT申请要求于2017年5月17日提交的序列号为62/507,464的美国临时专利申请以及于2018年5月15日提交的序列号为15/980,595的美国实用专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入到本文中。

发明背景

1.发明领域

本发明总体上涉及用于内燃机的活塞以及用于制造活塞的方法。

2.相关技术

诸如重型柴油机活塞之类的用于内燃机的活塞在操作期间暴露于极高的温度下，尤其是沿着活塞的顶部。因此，为了调节温度，一些活塞被设计成具有冷却腔道，并且当活塞沿着发动机的缸膛往复运动时，冷却油被喷射到冷却腔道中。油沿着顶部的内表面流动并从顶部上散热。然而，为了在操作期间控制活塞温度，必须始终保持高流量的油。此外，由于内燃机的高温度，油会随着时间的流逝而降解，因此必须定期更换油以维持发动机的寿命。此外，当冷却腔道的温度超过350℃时，油倾向于以较高的速率燃烧(被称为油焦化)，并附着在通道表面上。

然而，活塞及发动机的制造商不断努力开发新的改进的方法，以便更好地保持燃烧室中的热量，降低活塞的工作温度，从而进一步提高发动机的制动热效率。另外，用于重型柴油发动机的钢制活塞的制造商不断面临设计活塞的挑战，以使顶部的碗缘和/或碗顶点处的最高温度、封闭的冷却腔道处的最高温度和/或下顶表面的最高温度在可接受的范围内，以避免碗缘氧化或腐蚀、焦化油沿冷却腔道和/或下顶表面沉积，并减少油降解。

发明内容

本发明的一方面包括一种用于内燃机的活塞，该活塞能够在操作期间表现良好。该活塞包括具有上部和下部的主体，在上部和下部之间具有冷却腔道。冷却腔道围绕主体的中心轴线周向延伸并且与中心轴线间隔开。主体包括围绕冷却腔道的内壁表面，并且主体包括设置在冷却腔道中并从一个内表面延伸到另一个内表面的隔板。隔板围绕中心轴线周向延伸，并且隔板将冷却腔道至少分成第一通道部分和第二通道部分。

本发明的另一方面提供了一种制造活塞的方法。该方法包括将主体的上部连接到主体的下部以在上部和下部之间形成冷却腔道的步骤。冷却腔道围绕主体的中心轴线周向延伸并且与中心轴线间隔开。主体包括围绕冷却腔道的内壁表面。主体还包括隔板，该隔板布置在冷却腔道中并且从其中一个内表面延伸到另一个内表面。隔板围绕中心轴线周向延伸，并且隔板将冷却腔道至少划分成第一通道部分和第二通道部分。

附图的简要说明

本发明的其他优点将容易被理解，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述可以更好地理解这些优点，其中：

图1是根据一个示例性实施例的在冷却腔道中包括隔板的活塞的侧视横截面图；

图2是图1的活塞的冷却腔道的放大图；

图3是根据第二示例性实施例的包括冷却腔道中的隔板的活塞的一部分的放大图；

图4是根据第三示例性实施例的包括冷却腔道中的隔板的活塞的一部分的放大图；以及

图5是根据第四示例性实施例的包括冷却腔道中的隔板的活塞的一部分的放大图。

具体实施方式

本发明的一方面是当在内燃机中使用时能够在高温下操作并因此有助于高缸内温度以及降低发动机机油温的活塞10。活塞10的示例在图1中示出，但是许多其他的设计也是可能的。

如图1所示，活塞10包括主体12，主体12具有上部14和下部16，在上部14和下部16之间具有冷却腔道18。主体12的上部14和下部16分别由钢形成。在示例性实施例中，上部14包括上燃烧壁20，并且上燃烧壁20呈现被外缘围绕的燃烧碗。上部14还包括从上燃烧壁20的外边缘悬垂的上部外肋22，和从与燃烧碗相对的上燃烧壁20悬垂的上部内肋24。上部外肋22围绕主体12的中心轴线A沿周向延伸并且与主体12的中心轴线A间隔开。上部内肋24围绕主体12的中心轴线A沿周向延伸，并且位于主体12的中心轴线A和上部外肋22之间。

在示例性实施例中，主体12的下部16包括下部外肋26和下部内肋28，下部外肋26围绕主体12的中心轴线A周向延伸并且与主体12的中心轴线A间隔开，下部内肋28围绕主体12的中心轴线A周向延伸并且位于主体12的中心轴线A和下部外肋26之间。下部外肋26在外部焊缝30处焊接到上部外肋22，下部内肋28在内部焊缝32处焊接到上部内肋24。焊缝30、32围绕活塞10的中心轴线A周向延伸。主体12包括位于焊缝30、32附近的焊接卷头形式的飞边34。飞边34在焊接过程中形成，该焊接过程通常是摩擦焊接过程。下部16还包括位于下部外肋26和下部内肋28之间的下部壁36。在图1的示例性实施例中，主体12的下部16包括裙部38，裙部38从下部外肋26垂悬并通过销毂40彼此周向间隔开，并且每个销毂40具有一个销孔。

如图2-5所示，上燃烧壁20包括位于上部外肋22和上部内肋24之间的上部内表面42，下部壁36包括下部内表面44，内肋24、28具有第一内表面46，而外肋22、26具有第二内表面48。内表面42、44、46、48面向并围绕冷却腔道18。冷却腔道18围绕主体12的中心轴线A周向延伸并且与中心轴线A间隔开。

如图1-5所示，尤其如图2-5所示，活塞10还包括隔板50，该隔板50设置在冷却腔道18中，并从内表面42、44、46、48中的一个延伸到内表面42、44、46、48中的另一个。隔板50围绕中心轴线A周向延伸，并且将冷却腔道18至少划分成第一通道部分52和第二通道部分54。例如，隔板50可以将冷却腔道18垂直、水平、成一定角度或以其他方式划分开。在示例性实施例中，隔板50从一个内表面42、44、46、48突出到通道18中并终止于另一内表面42、44、46、48，以物理隔离和分离第一通道部分52中的至少一个焊缝30或32与余下的第二通道部分54。

在示例性实施例中，隔板50密封第一通道部分52并将第一通道部分52与第二通道部分54分开。第一通道部分52包含用于绝缘的空气或另一种绝缘介质，第二通道部分54包含冷却油。隔板50物理上将位于第一通道部分52中的内部焊缝32与冷却油分开。在一些实施例中，隔板50与上部14或下部16一体地形成。可替代地，隔板50可与上部14和下部16分开形成单独的部件。例如，内表面42、44、46、48中的两个可以包括凹槽56，隔板50可以设置在凹槽56中。在这种情况下，隔板50可以是跨过冷却腔道18的长度的板，且在焊接之前将该板***主体12的上部14或下部16中。该板在焊接之后保留在冷却腔道18内，以将冷却腔道18划分成两部分。

隔板50可以从内表面42、44、46、48中的一个直接延伸到内表面42、44、46、48中的另一个，或者隔板50可以从内表面42、44、46、48中的一个弯曲到内表面42、44、46、48中的另一个。隔板50可以从主体12的下部14延伸到上部16，反之亦然。可替代地，隔板50可从上部14的内表面42、44、46、48中的一个延伸至上部14的内表面42、44、46、48中的另一个。隔板50也可从下部16的内表面42、44、46、48中的一个延伸到下部16的内表面42、44、46、48中的另一个。

在图1和图2的示例性实施例中，隔板50与下部壁36一体形成，并从下部壁36向上笔直地延伸到上燃烧壁20的上部内表面42处的远端58。隔板50具有围绕主体12的中心轴线A周向延伸的圆柱形状。在该实施例中，隔板50的远端58接触或接合上部内表面42。可替代地，远端58可以大致与上部内表面42接触，即位于上部内表面42附近。第一通道部分52位于隔板50和内肋24、28之间，第二通道部分54位于外肋22、26和隔板50之间。第一通道部分52位于第二通道部分54的径向内侧。第一通道部分52和第二通道部分54均具有一定的体积，第二通道部分54的体积大于第一通道部分52的体积。沿着第一通道部分52中的内部焊缝32定位的焊接卷头通过隔板50与第二通道部分54物理隔离。第一通道部分52被密封并包含空气。主体的下部16包括通向第二通道部分54的进油口60，并且第二通道部分54含有冷却油。可能在内部焊缝32附近形成的焊接卷头的任何条或其他部分将包含在第一通道部分52中，并且不会暴露于第二通道部分54中的冷却油。

在图3的示例性实施例中，隔板50与下部壁36一体地或作为一个部件形成，并且从下部壁36向上延伸。在这种情况下，隔板50在上部内肋24的第一内表面46处弯曲至远端58。更具体地说，隔板50具有圆顶形状(倒J形横截面)，该圆顶形状终止于径向向内的圆周面，该圆周面覆盖第一焊缝32并与上部内肋24的第一内表面46接合或紧密间隔开，使得第一焊缝32被捕获在由隔板50和内肋24、28之间的相对小的空间所限定的第一通道部分52内，并且第二通道部分54由冷却腔道18的其余部分限定。在图3的该实施例中，隔板50的远端58接触或接合第一内表面46。可替代地，远端58可以大致接触第一内表面46，即位于第一内表面46附近。第一通道部分52位于隔板50与内肋24、28的一部分和下部壁36的一部分之间。图3的实施例用于使暴露于冷却油的第二通道54的表面最大化，同时保持油与邻近内部焊缝32的飞边34物理分离，所述内部焊缝32被捕获并完全容纳在第一通道部分52内。第二通道部分54的体积大于第一通道部分52的体积。沿着第一通道部分52中的内部焊缝32定位的呈焊接卷头形式的飞边34通过隔板50与第二通道部分54物理分离。第一通道部分52被密封并且包含空气。主体12的下部16包括通向第二通道部分54的进油口60，且第二通道部分54包含冷却油。在图4的示例性实施例中，隔板50与下部外肋26一体形成，并从下部外肋26水平延伸至在上部内肋24的第一内表面46处的远端58。在该实施例中，隔板50的远端58接触或接合第一内表面46。可替代地，远端58可以大致接触第一内表面46，即位于第一内表面46附近。第一通道部分52位于隔板50和上燃烧壁20的上部内表面42之间，第二通道部分54位于隔板50和下部壁36的下部内表面44之间。隔板50使外部焊缝30和飞边34位于上部第一通道部分52中，内部焊缝32和飞边34位于下部第二通道部分54中。隔板50防止第二通道部分52的冷却油进入上部的第一通道部分52中。飞边34沿着第一通道部分52中的内部焊缝32定位，并且通过隔板50与第二通道部分54物理上分开。第一通道部分52被密封并且包含空气。主体12的下部16包括通向第二通道部分54的进油口60，并且第二通道部分54含有冷却油。

在图5的示例性实施例中，隔板50是与活塞10的主体12分开形成的环形件。上部内肋24的第一内表面46包括第一凹槽56，以及上部外肋22的第二内表面48包括与第一凹槽56水平对准的第二凹槽56。隔板50从第一凹槽56水平延伸到第二凹槽56。第一通道部分52位于隔板50和上燃烧壁20的上部内表面42之间，第二通道部分54位于隔板50和下部壁36的下部内表面44之间。第二通道部分54包括在上、下肋22、24、26、28之间的焊接卷头，所述焊接卷头通过隔板50与第一通道部分52物理地分开。第一通道部分52被密封并且包含空气。主体12的下部16包括通向第二通道部分54的进油口，且第二通道部分54包含冷却油。

本发明的另一方面提供了一种制造活塞的方法。该方法包括将主体的上部连接到主体的下部以在上部和下部之间形成冷却腔道。根据示例性实施例，该方法包括首先分开形成主体的上部与主体的下部。隔板可以与主体的上部或下部一体形成。例如，可以在将上部焊接到下部之前在主体的下部或主体的上部中加工隔板。可替代地，隔板可以形成为与主体分离的部件，并且隔板可以在将上部接合到下部之前布置在内壁表面之间。接合步骤包括将上肋焊接到下肋，例如通过摩擦焊接。焊接步骤使主体的钢材在焊缝附近形成焊接卷头。

冷却腔道中的隔板可以提供多个优点。该隔板可以通过围住至少一个焊缝来防止焊条(即在摩擦焊接过程中产生的金属条)进入发动机机油，因此，焊缝卷曲成与发动机机油隔绝的其中一个通道部分。例如，焊缝以及焊接卷头可以仅位于第一通道部分中，并且发动机机油可以位于第二通道部分中，其不包括焊接卷头。

将冷却腔道划分为两个或更多个不同的通道部分，例如油冷却区域和空气填充(非油冷却)区域，可以提供许多其他益处。首先，某些发动机设计/应用在高缸内温度条件下表现更好。通过在活塞顶部留出绝缘气隙，活塞温度以及缸内温度将变热。空气充当绝缘体，因此，与该区域填充有钢的情况相比，气隙更有助于提高活塞温度。通道部分包含的活塞质量也相对减少了。当第一通道部分位于活塞的顶部并包含空气时，位于活塞下部的第二通道部分可以用作典型的活塞通道，具有进油口和出油口。这将有助于平衡活塞温度，以使温度不超过钢的工作边界温度。另外，与完全充满空气的冷却腔道相比，冷却腔道的该下部第二通道部分将降低销孔和裙部的温度。这对于这些界面的摩擦性能很重要。

第二，即使缸内高温不是有利的，使用在活塞主体中的隔板也可以改善发动机机油的寿命。如果机油被保持在下部通道中，并因此远离活塞的最热部分(例如，活塞的上燃烧壁和碗缘)，则可以降低冷却腔道中的油温的升高。较低的机油工作温度可防止机油降解或氧化，并延长发动机机油的寿命。它还可以减少碳在冷却腔道中的积聚(即，附着在内壁上的燃烧油)。

可以理解的是，在以上任何实施例中，隔板可以以一定角度延伸穿过通道或呈非平面形状，并且可以提供附加的隔板以将通道划分为两个以上的空间(3个或更多)，并且附加的隔板可以将内部焊缝和外部焊缝与带有冷却油的通道部分隔离。

显然，根据以上教导，可以对本发明进行许多修改和变型，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式来实践本发明。特别地，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要它们彼此不矛盾即可。

Claims (20)

1.一种活塞，包括：

具有上部和下部的主体，在所述上部和所述下部间具有冷却腔道，

所述冷却腔道围绕所述主体的中心轴线周向延伸并且与所述中心轴线间隔开，

所述主体包括围绕所述冷却腔道的内表面，以及

设置在所述冷却腔道中并从所述内表面中的一个延伸到所述内表面中的另一个的隔板，

所述隔板围绕所述中心轴线周向延伸，并且

所述隔板将所述冷却腔道至少划分成第一通道部分和第二通道部分。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述隔板物理地分隔并密封所述第一通道部分和所述第二通道部分。

3.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述上部包括上部外肋和上部内肋，所述下部包括在焊缝处焊接到所述上部外肋的下部外肋，以及在焊缝处焊接到所述上部内肋的下部内肋，并且所述主体包括沿着所述焊缝定位的飞边。

4.根据权利要求3所述的活塞，其中，所述飞边位于所述第一通道部分中，所述隔板物理地分隔并密封所述第一通道部分和所述第二通道部分，并且冷却油位于所述第二通道部分中。

5.根据权利要求3所述的活塞，其中，所述上肋在所述焊缝处摩擦焊接到所述下肋。

6.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述隔板与所述上部或所述下部一体地形成。

7.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述隔板形成为与所述上部和所述下部分开的部件。

8.根据权利要求7所述的活塞，其中，所述内表面中的两个包括凹槽，并且所述隔板设置在所述凹槽中。

9.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述隔板从所述内表面中的一个弯曲到所述内表面中的另一个。

10.根据权利要求1所述的活塞，其中，冷却油位于所述第二通道部分中，并且空气位于所述第一通道部分中。

11.根据权利要求1所述的活塞，其中

所述主体由钢制成，

所述主体的所述上部包括上燃烧壁，

所述上燃烧壁具有被外缘围绕的燃烧碗，

所述上部包括从所述上燃烧壁的所述外缘悬垂的上部外肋，

所述上部外肋围绕所述主体的所述中心轴线周向延伸并且与所述主体的所述中心轴线间隔开，

所述上部包括从与所述燃烧碗相对的所述上燃烧壁悬垂的上部内肋，

所述上部内肋围绕所述主体的所述中心轴线周向延伸，并且位于所述主体的所述中心轴线与所述上部外肋之间，

所述主体的所述下部包括下部外肋，所述下部外肋围绕所述主体的所述中心轴线周向延伸并且与所述主体的所述中心轴线间隔开，

所述下部外肋在外部焊缝处焊接到所述上部外肋，

所述主体的所述下部包括下部内肋，所述下部内肋围绕所述主体的所述中心轴线周向延伸，并且位于所述主体的所述中心轴线与所述下部外肋之间，

所述下部内肋在内部焊缝处焊接到所述上部内肋，

所述下部包括位于所述下部外肋与所述下部内肋之间的下部壁，

所述上燃烧壁包括位于所述上部外肋和所述上部内肋之间的上部内表面，所述下部壁包括下部内表面，所述内肋具有第一内表面，并且所述外肋具有第二内表面，

所述内表面面向并围绕所述冷却腔道，并且

所述主体包括位于所述焊缝附近的飞边。

12.根据权利要求11所述的活塞，其中，所述主体的所述下部包括裙部，所述裙部从所述下部外肋悬垂并且通过销毂彼此周向间隔开，并且每个所述销毂具有一个销孔。

13.根据权利要求11所述的活塞，其中

所述隔板与所述下部壁一体地形成，并且从所述下部壁向上延伸至位于或靠近所述上燃烧壁的所述上部内表面处的远端，使得所述第一通道部分为位于所述隔板和所述内肋之间，且所述第二通道部分位于所述外肋和所述隔板之间，

所述第二通道部分的体积大于所述第一通道部分的体积，

所述隔板具有圆柱形状，

所述飞边沿着所述第一焊缝位于所述第一通道部分中，并且通过所述隔板与所述第二通道部分物理地分隔，

所述第二通道部分包含冷却油，并且

所述第一通道部分包含空气。

14.根据权利要求11所述的活塞，其中

所述隔板与所述下部壁一体地形成，所述隔板从所述下部壁向上延伸并且在位于或靠近所述上部内肋的所述第一内表面处弯曲到远端，使得所述第一通道部分位于所述隔板、所述内肋的一部分与所述下部壁的一部分之间，

所述第二通道部分的体积大于所述第一通道部分的体积，

所述焊接卷头沿所述第一通道部分中的所述第一焊缝定位，并通过所述隔板与所述第二通道部分物理地分隔，

所述下部主体包括到所述第二通道部分的进油口，

所述第二通道部分包含冷却油，并且

所述第一通道部分被密封且包含空气。

15.根据权利要求1所述的活塞，其中

所述隔板与所述下部外肋一体地形成，所述隔板从所述下部外肋水平延伸至位于或靠近所述上部内肋的所述第一内表面处的远端，

所述第一通道部分位于所述隔板和所述上燃烧壁的上部内表面之间，所述第二通道部分位于所述隔板和所述下部壁的所述下部内表面之间，

所述飞边沿所述第一通道部分中的所述第二焊缝定位，并通过所述隔板与所述第二通道部分物理地分隔，

所述主体的所述下部包括到所述第二通道部分的进油口，

所述第二通道部分包含冷却油，并且

所述第一通道部分被密封且包含空气。

16.根据权利要求11所述的活塞，其中

所述上部内肋的所述第一内表面包括第一凹槽，所述上部外肋的所述第二内表面包括与所述第一凹槽水平对准的第二凹槽，

所述隔板是与所述主体分开的环形件，所述隔板从所述第一凹槽水平延伸到所述第二凹槽，

所述第一通道部分位于所述隔板和所述上燃烧壁的所述上部内表面之间，并且所述第二通道部分位于所述隔板和所述下部壁的所述下部内表面之间，

所述第二通道部分包括在所述肋之间的焊接卷头，所述焊接卷头通过所述隔板与所述第一通道部分物理地分隔，

所述主体的所述下部包括到所述第二通道部分的进油口，

所述第二通道部分包含冷却油，并且

所述第一通道部分被密封且包含空气。

17.一种制造活塞的方法，包括以下步骤：

将主体的上部连接到所述主体的下部以在所述上部和所述下部之间形成冷却腔道，所述冷却腔道围绕所述主体的中心轴线周向延伸并且与所述中心轴线间隔开，所述主体包括围绕所述冷却腔道的内壁表面，所述主体包括隔板，所述隔板设置在所述冷却腔道中并且从所述内表面中的一个延伸到所述内表面中的另一个，所述隔板围绕所述中心轴线周向延伸，并且将所述冷却腔道至少划分为第一通道部分和第二通道部分。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述连接步骤包括将所述上部摩擦焊接至所述下部。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述隔板是与所述上部和所述下部分开的部件，并且所述方法包括在将所述上部接合至所述下部之前在所述内壁表面之间布置所述隔板。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述隔板与所述上部或所述下部一体地形成。

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