CN112840111A - 活塞冷却通道成型以降低活塞温度 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于内燃机的活塞。所述活塞包括连接到上部的下部，例如通过惯性摩擦焊接。所述上部具有燃烧表面和冠部下表面。所述活塞还包括有上部和下部提供的冷却通道表面。所述冷却通道表面围绕一定体积的空间，所述空间用于容纳冷却介质。所述活塞可以包括在所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面的锯齿，并因此降低所述活塞的温度。所述活塞替代地或除了形成锯齿之外，还可以包括成型的焊接卷边，其也增加了表面积并降低活塞的温度。

Description

活塞冷却通道成型以降低活塞温度

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年10月11日提交的申请号为16/157,791的美国实用申请，其整体在此通过引用并入到本申请。

技术领域

本发明大致涉及用于内燃机的活塞和用于制造所述活塞的方法。

背景技术

诸如重型柴油机活塞之类的用于内燃机的活塞，在操作期间特别是沿着活塞的冠部暴露于极高的温度下。因此，为了降低温度，一些活塞被设计成在活塞的中央沿着冠部下表面具有开放的冷却通道，并且当活塞沿着发动机的汽缸孔往复运动时，冷却油被喷射到冷却通道中。冷却油沿着冠部的内表面流动，并从冠部散发热量。但是，为了在操作过程中控制活塞温度，必须始终保持高流量的机油。此外，由于内燃机的高温，机油会随着时间的推移而降解，因此必须定期更换机油以维持发动机寿命。此外，当冷却通道温度超过350℃时，油倾向于以较高的速率燃烧，称为油焦化，并粘附在通道表面上。

另一选择是设计具有密封冷却通道的活塞，该密封通道包含冷却油或另一种冷却剂以控制活塞温度。美国专利号9,127,619公开了一种活塞的示例，该活塞包括密封的冷却通道，该冷却通道部分地填充有包含具有高导热率的金属颗粒的液体。当活塞在内燃机中往复运动时，液体将金属颗粒运送到整个冷却通道，并且金属颗粒将热量从冠部上带走。金属颗粒可以重新分布热流，从而减少碳沉积，焦化和沿冠部的油降解。

然而，活塞和发动机制造商不断努力开发新的和改进的方法，以更好地保持燃烧室内的热量，降低活塞的工作温度，从而进一步提高发动机制动器的热效率。另外，用于重型柴油发动机的钢制活塞制造商不断面临设计活塞的挑战，以使冠部的碗缘和/或碗顶处的最高温度，封闭的冷却通道处的最高温度和/或冠部下表面的最高温度在可接受的范围内，例如，避免碗缘氧化或腐蚀，焦油沿冷却通道和/或冠部下表面沉积，并减少机油降解。

发明内容

本发明的一个方面包括一种用于内燃机的活塞。所述活塞包括又金属材料制成的主体。所述主体具有燃烧表面和冠部下表面，和围绕一定体积的空间的冷却通道表面，所述空间围绕所述冠部下表面周向地延伸。所述主体包括在所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面中形成的多个锯齿，每个锯齿包括呈现凹形的底表面。所述底表面相对于所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面的深度为1至3mm。

本发明的另一个方面提供了一种制造用于内燃机的活塞的方法，所述方法包括以下步骤：提供一种由金属材料形成的主体，所述主体包括具有燃烧表面和冠部下表面的上部，所述主体包括围绕一定体积的空间的冷却通道表面，所述空间围绕所述冠部下表面延伸。所述方法还包括在所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面上形成多个锯齿，每个锯齿包括呈凹形的底表面，并且所述底表面相对于所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面的深度为1至3mm。

本发明的另一个方面提供了一种用于内燃机的活塞。所述活塞包括：由金属材料制成的主体，所述主体包括通过焊接与上部相连的下部，所述上部具有燃烧表面和冠部下表面，所述主体包括沿着所述焊接处的焊接卷边，并且所述焊接卷边为成型的。

本发明的再一个方面提供了一种制造用于内燃机的活塞的方法。所述方法包括以下步骤：将由金属材料制成的下部焊接到由金属材料制成的上部，所述焊接步骤包括沿所述焊接处形成焊接卷边。所述方法还包括以及使所述焊接卷边成型。

附图说明

本发明的其他优点将很容易理解，因为当结合附图考虑以下详细描述时，将会更好地理解本发明，其中：

图1是根据一个示例实施例的活塞的侧视截面图，其中在冷却通道表面上形成有锯齿；

图1A是图1的活塞的一部分的放大图；

图2是根据另一示例性实施例的活塞的侧视截面图，其中锯齿形成在冠部下表面中；

图2A是图2的活塞的一部分的放大图；

图3-6是根据其他示例性实施例的活塞的侧视截面图，在上部和下部之间具有成型的焊接卷边。

具体实施方式

在图1-6中大体上示出了根据示例实施例的用于内燃机的活塞20。活塞20包括形成在冷却通道表面26和/或冠部下表面36中的锯齿22，例如在碗缘54和/或碗顶46的区域中，以降低活塞20的温度，这有助于避免氧化和腐蚀，而不会显着增加冷却通道表面26和/或冠部下表面36的温度。可替代地，活塞20可以包括过量的材料或飞边，呈上、下焊接卷边28a，28b的形式，位于活塞20的上部和下部之间。在制造活塞20的过程中，有意地使上、下焊接卷边28a，28b成型，以增加冷却通道表面26的面积，从而降低活塞20的温度。降低温度将有助于减少焦化油沉积物和机油降解。

如图所示，活塞20包括由金属材料(例如钢)形成的主体，该主体围绕中心轴线A圆周地延伸，并且沿着中心轴线A从上端30到下端32纵向延伸。该主体包括上部，例如冠部24，其具有燃烧表面34，该燃烧表面在用于内燃机中期间暴露于燃烧室。上部或冠部24还具有与燃烧表面34相对的冠部下表面36。

冠部24包括冷却通道表面26的至少一部分，并且冷却通道表面26沿着冠部24的至少一部分延伸，并且围绕一定体积的空间，该空间可以容纳冷却介质。主体包括上壁38，下壁40，外侧壁42和内侧壁44，它们一起提供冷却通道表面26。在示例性实施例中，上部设有上壁38，并且下部提供下壁40。每个部分提供外侧壁42的一部分和内侧壁44的一部分。该冷却通道表面26围绕中心轴线A周向地延伸。由该冷却通道表面26形成的该一定体积的空间或腔室和该冷却通道表面26围绕位于活塞20的中心轴线A处并围绕其的冠部下表面36。冷却通道表面26仅沿着冠部24的上壁38的一部分设置并与该中心轴线A径向间隔开。外侧壁42和内侧壁44由肋形成，肋被连接在一起以限定由冷却通道表面26围绕的一定空间的体积。在本实施例中，该外肋通过焊接处50连接以形成外侧壁42，并且该内肋通过焊接处50连接以形成内侧壁44。这些肋也可以使用另一种连接方法彼此附接，例如粘结焊接处或机械附件。

如图1和2所示，壁38、40、42、44中的至少一个，通常是下壁40，包括开口52，该开口52用于允许冷却介质进入由冷却通道表面26包围的空间。在图1的实施例中，开口52例如通过塞子被密封。可替代地，可以通过在开口52中布置粘合剂，将材料焊接到开口52或铜焊开口52来密封开口52。在图1的实施例中，在活塞的操作期间，冷却介质被容纳在密封的冷却通道中。在图2的实施例中，有两个或多个开口52，它们没有被密封，而是保持敞开，从而冷却介质可以流入和流出冷却通道。例如，开口52之一可以包括入口孔和出口孔。根据另一替代方案，活塞20可以被铸造为包括冷却通道表面26所包围一定体积的空间的单件。

在示例实施例的活塞20中，主体的燃烧表面34在中心轴线A处具有顶点46，围绕顶点46的碗形以及围绕碗形的碗缘54。外侧壁42还包括多个环形凹槽56，环形凹槽56背向中心轴线A并且围绕中心轴线A周向地延伸。环形凹槽56通过凸台48彼此间隔开，并且凸台48呈现主体的外径。示例性实施例的活塞20进一步包括至少一个销毂58，但是通常包括一对销毂58，每个销毂58从冠部24的一个环形凸台48悬垂并且围绕中心轴线A圆周地延伸。至少一个销毂58具有垂直于中心轴线A延伸的销孔60，用于容纳腕销(未示出)。主体还包括至少一个裙部62，但是通常是一对裙部62，其从冠部24垂下并且围绕中心轴线A周向地延伸。至少一个裙部62连接到至少一个销毂58上。通常，裙部62通过销毂58围绕中心轴线A在圆周上彼此间隔开。应注意，活塞20的主体可以包括除附图中公开的设计之外的各种其他设计，而仍然包括锯齿22和/或成型的焊接卷边28a，28b。

在图1的示例性实施例中，活塞20包括沿着冷却通道表面26的锯齿22，例如，在冷却通道表面26的由上部提供的一部分上。在图26 2的实施例中，活塞20包括沿着位于活塞20的中心轴线A处和围绕中心轴线A的冠状下表面36的锯齿22。锯齿22增加了冷却通道表面26、燃烧表面34和/或下冠状表面36的表面积，其可以例如在碗缘54的区域中降低活塞20的温度，这有助于避免氧化和腐蚀而不会显着增加冷却通道表面26和/或下冠状表面36的温度。

根据示例实施例，每个锯齿22包括成圆角的底表面68，因此呈现凹形。底表面68通常相对于冷却通道表面26或冠部下表面36深约1至3mm。锯齿22可以通过机加工冷却通道表面26和/或冠部下表面36形成，例如在连接上部和下部之前。可选地，可以在用于形成活塞20的整个主体或主体的一部分的铸造工艺期间形成锯齿22。

除锯齿22之外或代替锯齿22，如图3-6所示，活塞20可包括上和下焊接卷边28a，28b，其被成型以增加冷却通道表面26，燃烧表面34和/或冠部下表面36的表面积。焊接卷边28a，28b是当活塞20的上部和活塞20的下部例如通过将上肋焊接到下肋以形成内侧壁44和外侧壁42而接合时形成的主体上的多余的金属材料或飞边。焊接步骤可以包括惯性焊接，摩擦焊接，混合感应焊接或另一种类型的焊接，其导致多余的材料存在于上下部分之间的焊接处50周围。多余的材料在连接步骤期间或之后成形，以提供成型的焊接卷边28a，28b，该焊接卷边8a，28b增加了表面积。

如图3-6所示，焊接卷边28a，28b可以形成在外侧壁42的内侧，内侧壁44的外侧和/或内侧壁44的内侧上。通常，这些位置中的每一个都包括在上部中的上焊接卷边28a和在下部中的下焊接卷边28b。焊接卷边28a，28b提供的表面积可以变化，使得上焊接卷边28a提供的表面积可以等于，大于或小于下焊接卷边28b提供的表面积。另外，由焊接卷边28a，28b提供的总表面积可以在上述每个位置(外侧壁42的内侧，内侧壁44的外侧和/或内侧壁的内侧)变化。例如，沿内侧壁44的内侧定位的焊接卷边的总表面积可以大于沿内侧壁44的外侧定位的焊接卷边28a，28b的总表面积。

例如，如图3所示，可以对多余的材料进行成形，以使下焊接卷边28b的表面积大于上焊接卷边28a在内侧壁外侧的表面积。在这种情况下，焊接卷边28a，28b通过惯性摩擦焊接形成。在图4的示例中，沿着内侧壁44的外侧定位的焊接卷边28a，28b通过直接驱动摩擦焊接工艺形成，以增加焊接卷边28a，28b的表面积。在这种情况下，挤推力在摩擦焊接过程的中间增加。在图5的示例中，通过具有惯性的摩擦焊接工艺形成焊接卷边28a，28b。焊接卷边28a，28b形成为使得沿着外侧壁42的内侧定位的焊接卷边28a，28b具有比沿着内侧壁42的外侧定位的焊接卷边28a，28b更大的表面积。在图6中，通过具有惯性的摩擦焊接形成焊接卷边28a，28b，使得位于内侧壁42的外侧上的下焊接卷边28b具有比位于内侧壁42的外侧上的上焊接卷边28a更大的表面积。

本发明的另一方面提供了一种制造活塞20的方法，该活塞20包括锯齿22和/或焊接卷边28a，28b。该方法通常包括提供由钢材形成的主体的步骤；以及形成沿着冷却通道表面26和/或沿着冠部下表面36的锯齿22。该方法替代或除了形成锯齿22之外，还可以包括形成成型的焊接卷边28a，28b。

形成锯齿22的过程可以包括在铸造活塞20的主体的同时形成锯齿22。可替代地，可以在形成活塞20的主体之后通过机械加工来形成锯齿22。

例如在焊接过程中，可以在将活塞20的上部连接到下部的同时完成形成成型的焊接卷边28a，28b的过程。根据一个实施例，摩擦焊接过程包括增加挤推力，使得在摩擦焊接过程中施加更大的挤推力。可以以其他方式修改接合过程，以在接合步骤期间形成成型的焊接卷边28a，28b。或者，可以在将上部连接到下部之后成形焊接卷边28a，28b。

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与具体描述不同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)

1.一种用于内燃机的活塞，包括：

主体，其由金属材料制成；

所述主体具有燃烧表面和冠部下表面，

所述主体包括围绕一定体积的空间的冷却通道表面，所述空间围绕所述冠部下表面周向地延伸，

所述主体包括在所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面中形成的多个锯齿，每个锯齿包括呈现凹形的底表面，并且所述底表面相对于所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面的深度为1至3mm。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体包括提供所述冷却通道表面的一部分的上部，所述主体包括提供所述冷却通道表面的一部分的下部，并且所述锯齿均形成在由所述上部提供的所述冷却通道表面的所述一部分中。

3.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述锯齿均形成在所述冠部下表面中。

4.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体包括在与下部相连的上部之间的焊接处，并且所述主体包括沿着所述焊接处的焊接卷边。

5.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体包括在焊接处与上部接合的下部，并且所述主体包括沿着所述焊接处定位的焊接卷边，并且所述焊接卷边为成型的。

6.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体由钢制成，

所述主体围绕中心轴线周向地延伸并且沿着所述中心轴线从上端至下端纵向地延伸，

所述主体包括上部，所述上部包括所述燃烧表面和与所述燃烧表面相对的所述冠部下表面，

所述上部包括所述冷却通道表面的一部分，

所述上部包括上壁，外侧壁的一部分和所述内侧壁的一部分，

所述下部包括下壁，所述外侧壁的一部分和所述内侧壁的一部分，

所述上壁，所述下壁，所述内侧壁和所述外侧壁一起呈现出所述冷却通道表面，

所述冷却通道表面与所述中心轴线间隔开，

所述内侧壁和外侧壁包括焊接处，

所述燃烧表面在所述中心轴线处具有顶点，围绕所述顶点的碗形，以及围绕所述碗形的碗缘，

所述外侧壁包括多个环形凹槽，所述多个环形凹槽背向所述中心轴线并且围绕所述中心轴线周向地延伸。

所述环形凹槽之间由凸台彼此间隔开，

所述主体包括从所述环形凸台之一垂下的销毂，

所述销毂具有垂直于所述中心轴线延伸的销孔，

所述主体包括围绕所述中心轴线周向地延伸的裙部，以及

所述裙部连接到所述销毂，并通过所述销毂绕所述中心轴线在圆周上彼此间隔开。

7.一种制造用于内燃机的活塞的方法，包括以下步骤：

提供一种由金属材料形成的主体，所述主体包括具有燃烧表面和冠部下表面的上部，所述主体包括围绕一定体积的空间的冷却通道表面，所述空间围绕所述冠部下表面延伸，以及

在所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面上形成多个锯齿，每个锯齿包括呈凹形的底表面，并且所述底表面相对于所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面的深度为1至3mm。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述锯齿均是通过机加工形成的。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述锯齿均在铸造所述主体时在所述主体中形成。

10.一种用于内燃机的活塞，包括：

主体，其由金属材料制成；

所述主体包括通过焊接与上部相连的下部，所述上部具有燃烧表面和冠部下表面；

所述主体包括沿着所述焊接处的焊接卷边，并且所述焊接卷边为成型的。

11.根据权利要求10所述的活塞，其中，所述主体包括围绕一定体积的空间的冷却通道表面，所述空间围绕所述冠部下表面周向地延伸，并且所述主体包括在所述冷却通道表面和/或所述冠部下表面中形成的多个锯齿。

12.根据权利要求10所述的活塞，其中，所述上部包括上壁，外侧壁的一部分和内侧壁的一部分，

所述下部包括下壁，所述外侧壁的一部分和所述内侧壁的一部分，

所述上壁，所述下壁，所述内侧壁，所述外侧壁呈现所述冷却通道表面，

在所述外侧壁的内侧，所述内侧壁的外侧和/或所述内侧壁的内侧上形成焊接卷边。

13.根据权利要求10所述的活塞，其中，所述焊接卷边包括在所述上部中的上焊接卷边和在所述下部中的下焊接卷边。

14.根据权利要求13所述的活塞，其中，由所述上焊接卷边所提供的表面积大于或小于由所述下焊接卷边所提供的表面积。

15.根据权利要求10所述的活塞，其中，所述焊接卷边的沿着内侧壁的内侧的总表面积大于所述焊接卷边的沿着所述内侧壁的外侧的总表面积。

16.根据权利要求10所述的活塞，其中，所述主体由钢制成。

所述主体围绕中心轴线周向地延伸并且沿着所述中心轴线从上端至下端纵向地延伸，

所述主体包括围绕一定体积的空间的冷却通道表面，所述空间围绕所述冠部下表面周向地延伸，

所述上部包括与所述燃烧表面相对的所述冠部下表面，

所述上部包括所述冷却通道表面的一部分，

所述上部包括上壁，外侧壁的一部分和所述内侧壁的一部分，

所述下部包括下壁，所述外侧壁的一部分和所述内侧壁的一部分，

所述上壁，所述下壁，所述内侧壁和所述外侧壁一起呈现出所述冷却通道表面，

所述冷却通道表面与所述中心轴线间隔开，

所述内侧壁和外侧壁包括所述焊接处，

所述燃烧表面在所述中心轴线处具有顶点，围绕所述顶点的碗形，以及围绕所述碗形的碗缘，

所述外侧壁包括多个环形凹槽，所述多个环形凹槽背向所述中心轴线并且围绕所述中心轴线周向地延伸。

所述环形凹槽之间由凸台彼此间隔开，

所述主体包括从所述环形凸台之一垂下的销毂，

所述销毂具有垂直于所述中心轴线延伸的销孔，

所述主体包括围绕所述中心轴线周向地延伸的裙部，以及

所述裙部连接到所述销毂，并通过所述销毂绕所述中心轴线在圆周上彼此间隔开。

17.一种制造用于内燃机的活塞的方法，包括以下步骤：

将由金属材料制成的下部焊接到由金属材料制成的上部，

所述焊接步骤包括沿所述焊接处形成焊接卷边，以及

使所述焊接卷边成型。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述成型的步骤在所述焊接步骤期间发生。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述焊接步骤包括摩擦焊接。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，在所述焊接步骤期间，调节施加到所述上部和/或所述下部的挤推力。

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