活塞及其構(gòu)造方法
【專利說明】活塞及其構(gòu)造方法
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年3月13日提交的美國臨時申請序列號N0.61/780，653的權(quán)益，其通過引用整體合并入此處。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大致涉及內(nèi)燃機(jī)，更具體地涉及活塞及其構(gòu)造方法。
【背景技術(shù)】
[0004]發(fā)動機(jī)制造商目前正面臨著日益增長的提升發(fā)動機(jī)效率和性能的需求，包括但不僅限于，提升燃料經(jīng)濟(jì)性，提升燃料燃燒率，降低油耗量，以及提高其廢氣溫度用于車輛內(nèi)部熱量的后續(xù)利用。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，需要的是提高燃燒室內(nèi)的發(fā)動機(jī)運(yùn)行溫度。然而，盡管提高燃燒室內(nèi)的溫度是令人滿意的，還有必要將活塞維持在可工作的溫度；允許活塞在缸膛內(nèi)維持理想的低摩擦間隙，同時提高活塞傳熱和散熱的能力，尤其是在活塞的上冠部。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種活塞，該活塞包括活塞本體，以及形成上燃燒表面的至少一部分的嵌件。該活塞本體通過具有第一導(dǎo)熱系數(shù)的第一材料形成，并包括上冠部以及自上冠部懸垂的一對銷殼，該銷殼帶有沿一銷孔軸彼此對齊的銷孔。所述上冠部具有一凹部，嵌件固定于該凹部中。嵌件通過與所述第一材料獨(dú)立的第二材料形成。所述第二材料具有比所述第一材料的第一導(dǎo)熱系數(shù)高的第二導(dǎo)熱系數(shù)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述嵌件形成所述上燃燒表面的約95%。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述嵌件形成基本平面的上燃燒表面。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述上燃燒表面的徑向最外周緣通過所述活塞本體上冠部的外周緣形成。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述凹部形成為沿一縱軸貫穿所述活塞本體延伸的基本敞開的腔室，所述活塞本體的至少一個肋跨越該腔室延伸以鄰接支撐嵌件的底面。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述凹部形成包圍至少一個肋的環(huán)形的凹入的肩部，其中該環(huán)形肩部和至少一個肋形成與嵌件的底面鄰接的平面的支撐表面。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該第一材料可被提供為鋼。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該第二材料可被提供為鋁。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞的構(gòu)造方法。該方法包括:提供一活塞本體，該活塞本體通過具有第一導(dǎo)熱系數(shù)的第一材料構(gòu)造而成，該活塞本體具有從上冠部懸垂的一對銷殼，該銷殼具有沿一銷孔軸彼此對齊的銷孔，上冠部具有凹部。進(jìn)一步地，提供一嵌件，該嵌件通過具有第二導(dǎo)熱系數(shù)的第二材料構(gòu)造而成，該第二導(dǎo)熱系數(shù)大于活塞本體的第一導(dǎo)熱系數(shù)。更進(jìn)一步地，將該嵌件固定于該凹部中，嵌件形成該活塞的上燃燒表面的至少一部分。
[0014]該方法進(jìn)一步包括提供跨越基本敞開的腔室延伸的至少一個肋，并將該鋁制嵌件與該至少一個肋鄰接固定。
[0015]該方法還可進(jìn)一步包括在活塞本體中形成至少一個環(huán)形槽。
[0016]該方法可進(jìn)一步包括將嵌件與活塞本體的外周緣以基本齊平、平面的關(guān)系設(shè)置，使該活塞本體的外周緣形成上燃燒表面的徑向最外周緣。
[0017]該方法可進(jìn)一步包括提供多個肋，至少部分肋彼此交叉。
[0018]該方法可進(jìn)一步包括將該第一材料提供為鋼。
[0019]該方法可進(jìn)一步包括將該第二材料提供為鋁。
[0020]該方法可進(jìn)一步包括通過嵌件形成該上燃燒表面的約50?100%。
【附圖說明】
[0021]結(jié)合以下對當(dāng)前優(yōu)選實施例和最佳實施方式的詳細(xì)描述、所附權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的這些和其他方面、特征及優(yōu)點(diǎn)將更容易領(lǐng)會，其中:
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面構(gòu)造的活塞的部分剖面透視圖；
[0023]圖2是大致沿著圖1中的活塞的銷孔軸的剖視圖；
[0024]圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一方面構(gòu)造的活塞的透視圖；
[0025]圖4是圖3中的活塞的剖視圖；
[0026]圖5是圖3中的活塞的活塞頭的視圖，其中已移除上燃燒表面嵌件；以及
[0027]圖6是圖5中的活塞頭的剖視圖。
【具體實施方式】
[0028]更具體地參考附圖，圖1和圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個當(dāng)前優(yōu)選實施方式構(gòu)造的活塞組件，下文簡稱為活塞10，該活塞用于內(nèi)燃機(jī)的缸膛中或氣缸套的腔室(未示出)中的往復(fù)運(yùn)動。該活塞10具有活塞頭，也稱作活塞本體12，或者，至少部分地，通過鑄造或鍛造，或任何其他制造工藝成形，該活塞本體沿一中心縱軸14延伸，活塞10沿該中心縱軸在缸膛內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動。該本體12具有固定于下冠部18的上冠部16。該下冠部18具有自所述上冠部16懸垂的一對銷殼20，以提供沿一銷孔軸24對齊的橫向間隔的銷孔22，該銷孔軸24大致垂直于中心縱軸14延伸并與其相交。該銷殼20通過支撐部28連接到橫向間隔的裙部26。該裙部26在銷孔軸24的兩側(cè)彼此徑向間隔開并具有凸面的外表面，該外表面的形狀用于在缸膛內(nèi)與其共同作用并相對于缸膛形成低摩擦滑動關(guān)系，以維持活塞10在缸膛內(nèi)往復(fù)運(yùn)動時的理想的定向。該上冠部16通過具有第一導(dǎo)熱系數(shù)的第一材料構(gòu)造為整體的構(gòu)件，而下冠部18通過具有第二導(dǎo)熱系數(shù)的第二材料構(gòu)造為與上冠部16獨(dú)立的構(gòu)件，其中第二導(dǎo)熱系數(shù)小于第一導(dǎo)熱系數(shù)。該第一材料可被提供為鋁，第二材料可被提供為鋼，通過舉例而非限制。因此，第一材料具有相對第二材料增大的導(dǎo)熱系數(shù)，其中第一材料下文被稱作具有“高”導(dǎo)熱系數(shù)，第二材料下文被稱作具有“低”導(dǎo)熱系數(shù)。因此，上冠部16具有增強(qiáng)的傳熱能力，比如將熱量傳遞給下方的、在冷卻腔室中循環(huán)的油以及徑向向外地傳遞給氣缸套。同時，該下冠部18具有增強(qiáng)的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，以便于活塞10在其整個使用壽命中的在氣缸套中的光滑的、低摩擦的滑動。
[0029]該活塞10的上冠部16在此示出為具有上燃燒表面30，帶有在該上燃燒表面中凹入的燃燒碗32以在缸膛內(nèi)提供理想的氣流。包括上部34和環(huán)帶36的外壁33自上燃燒表面30向下延伸至具有環(huán)形自由端40的環(huán)形外肋，環(huán)帶36中形成有至少一個環(huán)形槽38，該環(huán)形槽用于浮動地容置活塞環(huán)(未示出)。環(huán)形內(nèi)肋41自該燃燒碗32的底面懸垂至環(huán)形內(nèi)自由端42，其中內(nèi)肋示出為，通過舉例而非限制，延伸于外自由端40的下方。因此，該外壁33和內(nèi)肋41形成環(huán)形的上方的外油腔部43。
[0030]下冠部18例如在鍛造工藝中(通過舉例而非限制)獨(dú)立于上冠部16構(gòu)造而成，隨后通過直立的環(huán)形外肋自由端44和直立的環(huán)形內(nèi)肋自由端46連接到上冠部16，該環(huán)形外肋自由端44和環(huán)形內(nèi)肋自由端46之間形成環(huán)形的下方的外油腔部47。該上冠部16和下冠部18在此示出為通過摩擦焊接或任何其他適當(dāng)類型的(例如，橫跨各個外自由端40，44和內(nèi)自由端42，46形成的)焊接接頭45連接在一起。如此，基本封閉的外油腔48通過彼此面對的油腔部43，47在上冠部16和下冠部18之間成形，而敞開的內(nèi)油腔50在燃燒碗32的中間部分的下方成形于銷孔22的上面。應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的活塞10也可具有通過其他方式成形的上冠部和下冠部，例如具有不同構(gòu)造的油腔。下冠部18通過任何適當(dāng)?shù)牡谝徊牧?例如鋼)構(gòu)造而成，該第一材料具有相對上冠部16的第二材料(例如鋁)較低的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0031]在運(yùn)轉(zhuǎn)中，通過“高”導(dǎo)熱系數(shù)的第二材料構(gòu)造而成的上冠部16作為熱傳遞的引導(dǎo)者，將熱量直接貫穿上冠部16傳遞給熱吸收劑，例如油冷卻劑和氣缸套。如此，上冠部16，尤其是上部34的區(qū)域作為傳熱介質(zhì)，從而將上冠部16中的熱量消散。直接傳熱的結(jié)果是在上部34的碳堆積得以最小化，并且因此，設(shè)置于環(huán)形槽38中的一個環(huán)或多個環(huán)(未示出)并未阻擾針對氣缸壁的密封。已被確定的是碳堆積傾向于大約在200?300°C之間發(fā)生，并且超過300°C時碳會被燒盡并且因此不會在上部34堆積。因此，通過確保上部具有適當(dāng)?shù)臒醾鬟f供應(yīng)給它，上部34將維持在300°