專利名稱：裙部開油槽的活塞的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大致涉及內(nèi)燃機，更具體地涉及重型柴油機活塞。
背景技術：
已知內(nèi)燃機，特別是柴油機需要高耗油量，這就導致了不良的廢氣排放。此外，油 料的消耗將帶來活塞表面的積碳堆積，特別是在活塞的頂部區(qū)域，包括環(huán)形活塞環(huán)凹槽。因 此，積碳將限制活塞環(huán)的運動，從而衰減活塞環(huán)密封燃燒氣體和控制耗油量的效力，從而引 起更多的油料側漏，降低發(fā)動機性能，減小發(fā)動機組件的壽命，及增加廢氣排放。除了上述提到的問題以外，另外還有一個已知的問題是由在氣缸內(nèi)部活塞往復運 動的路線中，油料的非均一的湍流而引起。這些額外的問題包括襯墊的氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生以 及在活塞與氣缸襯墊之間的增大的摩擦力。所述的氣蝕現(xiàn)象對于活塞的配置是敏感的，特 別是對于整體結構的活塞，該活塞具有與活塞整體成型的固定裙部。所述的增大的摩擦力 對于活塞的二次運動是敏感的，由于缺乏引導，活塞在氣缸襯墊內(nèi)的往復運動會發(fā)生傾斜。 油料控制損耗可追溯到由活塞運行的高速度而產(chǎn)生的油料駐波。如果這種情況發(fā)生在裙部 的上部時，將導致“溢油”現(xiàn)象的出現(xiàn)。由此導致大多數(shù)的油料朝向活塞的上部冠頂，且油 料滴流入活塞環(huán)帶區(qū)域。有時候，例如當穿過活塞環(huán)帶的氣壓梯度沒有被清楚限定時，第一 環(huán)形凹槽溢油，于是它對耗油的控制特性也就消失了。油料的二次駐波在第一環(huán)形凹槽的 上緣形成。在駐波中這些油料暴露于火焰鋒而被分解和碳化，產(chǎn)生煙灰和形成積碳。因此， 雖然活塞環(huán)區(qū)域維持一定的持續(xù)的油量供應是必須的，但是油量過多對于發(fā)動機的壽命是 不利的，還將降低發(fā)動機的性能。根據(jù)本發(fā)明加工的活塞及其發(fā)動機克服或至少極大地降低了由上述討論的那些 問題帶來的缺陷，從而允許柴油機在更高的性能水平上運轉(zhuǎn)，同時降低燃料消耗，耗油量和 廢氣排放，此外還能延長它們的使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面構造的內(nèi)燃機活塞具有一上冠部，帶有從其懸垂的一對銷 轂，該銷轂與徑向間隔開的一對裙部連接為一體。各裙部具有一貫穿延伸的開口，以使裙部 外壁和部分以裙部為邊界的內(nèi)腔之間形成流體連通。開口具有大致橫跨活塞往復運動的方 向延伸的上緣和下緣，以及在上緣和下緣之間延伸的邊。該上下緣具有特有的輪廓形狀以 在整個活塞運動周期內(nèi)，促進油料在活塞外壁上的層流和均布性。該輪廓的形狀可引導至 少部分油料流入活塞的腔內(nèi)，同時維持活塞外部的期望的動力學油膜。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，各個開口具有的長度和寬度使該開口的面積占各自裙部面積約20-80%。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，上緣和下緣的輪廓外形相同。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，上緣和下緣的輪廓外形不同。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，上緣和下緣具有從裙部的外壁延伸到油槽的內(nèi)壁的線性的倒圓面。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，上緣和下緣具有從裙部的外壁延伸到油槽的內(nèi)壁的非 線性的倒圓面。該非線性的倒圓面可以具有任何合適的輪廓，包括拋物線形或其他合適的 多項式形。根據(jù)本發(fā)明加工成型的活塞，改善了油料在整個活塞周期中的流動，減小了在整 個活塞循環(huán)中的動力學粘性摩擦，增強了貫穿整個循環(huán)的對活塞的引導，降低了氣缸襯墊 的氣蝕現(xiàn)象，減少了活塞的粘性摩擦損失，減少了在環(huán)形凹槽內(nèi)或環(huán)形凹槽上的積碳，改善 了活塞環(huán)的運動，降低了耗油量和由此形成的粘附在頂層的積碳，從而減少由積碳引起的 不良拋光，降低廢氣排放，整體提高發(fā)動機的運行性能和使用壽命。這些有利影響的總和降 低了燃料的消耗，提高了每加侖的英里數(shù)。
結合以下對當前優(yōu)選實施方式和最佳形式的描述、所附權利要求和附圖，本發(fā)明 的上述和其它特征和優(yōu)點將會被更容易理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的活塞結構的局部透視圖；圖2是大致沿圖1中的線2-2的剖視圖；圖3是大致沿線3-3，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的在活塞的裙部上的油槽的 橫截面的分解圖；圖4是與圖3相似，根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例的在活塞的裙部上的油槽的分 解圖；圖5是與圖3相似，根據(jù)本發(fā)明的又一優(yōu)選實施例的在活塞的裙部上的油槽的分 解圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的裙部的油槽構造的側視圖的分解圖；圖7是與圖6相似，根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例的油槽構造圖；及圖8是與圖6相似，根據(jù)本發(fā)明的又一優(yōu)選實施例的油槽構造圖。
具體實施例方式更具體地參考附圖，圖1和圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例構造的活塞 10，該活塞在內(nèi)燃機，諸如柴油機的缸膛(圖未示)內(nèi)往復運動?；钊?0具有鍛造或鑄造 或任何其他工藝制造成的主體12，該主體12沿著活塞10在缸膛內(nèi)往復運動的中心軸14延 伸。作為示例而非限制，主體12具有一連接于下冠部18的一上冠部16，該下冠部具有從上 冠部懸垂的一對銷轂20，以提供沿銷孔軸24對齊的橫向間隔開的銷孔22，該銷孔軸24大 致橫穿所述中心軸14。作為示例而非限制，銷轂20通過支撐部28連接于橫向間隔開的裙 部26，由此形成稱為“整體”活塞，其中裙部26與銷轂20整體成型。裙部26跨過銷孔軸 24彼此徑向間隔開，該裙部具有凸狀的外壁30，該外壁與缸膛一起使活塞在缸膛中往復運動時保持所期望的方向。在往復運動中，在所述裙部26的外壁30和缸膛壁之間形成并保持一流體力學的油膜，以減少它們之間的動力學摩擦。為了維持所期望的貫穿裙部26的外 壁30的流動油膜的厚度和分布，在裙部26形成貫通槽或開口 32。該開口 32可以具有各種 形狀和大小，例如在加工、沖壓、鍛造或鑄造操作或其他任何預期的應用中，以在裙部26的 外壁30與腔34之間提供期望的油料的流體連通，該腔形成于所述裙部26之間?；钊?0的上冠部16示例為具有一頂面36，帶有凹入其中的一燃燒室38以提供缸 膛內(nèi)所需的氣體流量。一外壁或活塞環(huán)帶40從頂面36向下延伸，在活塞環(huán)帶40內(nèi)具有至 少一個用于浮動容納活塞環(huán)44的環(huán)形凹槽42。處于適當?shù)淖杂筛舆\行狀態(tài)的活塞環(huán)44 有利于引導活塞10在缸膛內(nèi)的往復運動，同時密封燃燒氣體，從而抑制由活塞主體12下部 向上的油道。下冠部18在此示例為與上冠部16單獨成型，諸如鍛造，然后再連接起來，例如，其 中的上冠部16和下冠部18可以通過焊縫46連接。應該理解根據(jù)本發(fā)明構造的活塞10的 上冠部和下冠部還可以以其他形式，例如鑄造形成，并且，它們可以通過如機械連接的方法 進行連接，而非焊接。如圖1和圖3所示，裙部26的開口 32具有各自大致平行于水平面延伸的上緣48 和下緣50，該水平面貫穿銷孔軸24并垂直所述中心軸14，在上緣48和下緣50之間，具有 大致垂直水平面延伸的邊52和54。上緣48和下緣50大致對應于開口 32的長度，而邊52 和54大致對應于開口 32的寬度，盡管其最大寬度可以從邊52和54向外延伸或彎曲。開 口 32的長度與寬度之間的關系是長度大于寬度。然而，長與寬的比值相對是比較低的。因 此，開口 32是很寬的。每個開口 32提供分別占各裙部26總面積約20% -80%的開放的空 間56，其中，單個裙部的總面積大致以裙部外壁30的外周長58(圖1)為界。據(jù)此，根據(jù)開 口 32占裙部26總面積的的相對大小，可進入缸膛與之摩擦接觸的裙部外壁30的面積減小 到裙部26的總面積的20% -80%。因此，除了明顯降低了活塞的重量外，在裙部26和缸膛 壁之間產(chǎn)生的潛在的動力學摩擦損耗降低。我們發(fā)現(xiàn)，一個使裙部外壁面積降低約40%的 開口將導致最大摩擦力可降低約80%。開口 32完全穿過裙部26延伸，形成上帶區(qū)60和下帶區(qū)62。上帶區(qū)60和下帶區(qū) 62呈現(xiàn)為一個大致對稱的形狀，但根據(jù)預期的應用，非對稱的形狀也是可以考慮的。這包括 開口設置成不連續(xù)的“軸瓦”式，如離散地單獨承載表面。當前的很多關于裙帶區(qū)的方法和 夾角的討論還可嚴格，更可能被用于這些離散的襯墊。后者的配置在附圖中沒有標注，但屬 于本發(fā)明的考慮部分。如圖3所示，上緣48和下緣50各自具有光滑的、圓形的，在此表示為倒圓面64， 66，該倒圓面從裙部26的外壁30向開口 32的內(nèi)壁68延伸。上倒圓面64和下倒圓面66 在此示例為大致彼此對稱，具有圓角半徑(R)而沒有銳角。拋物線形半徑對應公式y(tǒng) = ax, 公式的二次導數(shù)d2y/dx2 = 2a給出流動油膜的固定的加速度。因此，由于固定的加速度值， 油料的層流得到增加而湍流減少，從而減少氣蝕現(xiàn)象。然而，應該理解，其他多項式形的倒 圓面配置在此也是可以預期的，例如包括更高級的多項式。在往復運動中，平滑的倒圓面64和66都引導油料徑向向內(nèi)進入開口 32和腔34， 而在上帶區(qū)60和下帶區(qū)62的外壁30與缸膛之間維持一個充足的油量。在向下運動中，上 倒圓面64促進油料穿過開口 32和進入腔34，而相反，在向上運動中，下倒圓面66促進油料穿過開口 32和進入腔34。據(jù)此，通過引導油料向內(nèi)進入開口 32，液壓漸變率完全由帶區(qū) 60和62來決定。因此，在向上向下運動中，臨近活塞環(huán)帶40的油料形成駐波的現(xiàn)象被避 免，從而消除了活塞環(huán)帶40區(qū)域溢油的現(xiàn)象。同樣，避免了在此活塞環(huán)帶40區(qū)域，特別是 活塞環(huán)44和活塞環(huán)形凹槽42內(nèi)儲存積碳。據(jù)此，活塞環(huán)44可以保持自由浮動于環(huán)形凹槽 42內(nèi)，以利于缸膛內(nèi)的密封，同時阻止油料向頂層的移動。本發(fā)明的另一方面是由于帶狀或離散的襯墊狀承載表面，在止推/無止推面上傳 統(tǒng)的彎的、連續(xù)的裙部輪廓會發(fā)生的活塞的二次搖擺運動將不再發(fā)生。實際上，當前裙部設 計適合于與母襯墊接觸中有效呈現(xiàn)兩個、三個或更多軸承中心定位件。在此僅為討論而非 限制，限定為兩三個焦點，因而直觀地表現(xiàn)為一個線性或角支撐。結果是活塞在缸膛區(qū)域內(nèi) 更好地被弓I導做同軸的往復運動。此配置有利于較少的庫侖摩擦和更多的完全液體潤滑以 及一個穩(wěn)定的往復運動形態(tài)。由此必然的結果是避免了沖擊和最小化了襯墊的機械刺激。 由此，在很大程度上避免了襯墊冷卻側的氣蝕現(xiàn)象。如圖4所示，開口 32可以形成彼此不對稱的平滑的倒圓面。在這個實施例中，相 對于下倒圓面66的曲率半徑(r)，上倒圓面64具有更大的曲率半徑(R)，或更平緩的多項 式曲線。相反，如圖5所示，相對于下倒圓面66的曲率半徑(R)，上倒圓面64具有更小的曲 率半徑(r)或更不平緩的多項式曲線。據(jù)此，依照活塞的最合適的應用，開口 32可被配置 為具有各種不同的配置。此外，如圖6所示，開口 32可被配置為沿著上緣48和下緣50的長度，具有一個大 致對稱的形狀。另外，如圖7和圖8所示，上緣48和下緣50可被配置為具有不同的，非對 稱的形狀。例如，圖7示出了開口 32的一個實施例，相對于下緣50的曲率半徑(r)，上緣 48的曲率半徑(R)沿其長度增大。相反圖8示出了開口 32的另一個實施例，相對于下緣 50的曲率半徑(R)，上緣48的曲率半徑(r)沿其長度減小。據(jù)此，應當理解，開口 32可被 配置為具有多種配置，以利于油料穿過槽32進入腔34向期望的徑向向內(nèi)的方向流動，而在 上帶區(qū)60和下帶區(qū)62與缸膛壁之間維持期望的流動油層的厚度。如果利用微小的軸瓦代 替帶區(qū)，同樣需要考慮這些。應當理解，配置成所討論的實施例的各種排列都是可以的，例 如如果需要的話，上緣48和下緣50的倒圓面64，66的曲率半徑，以及上緣48和下緣50的 曲率半徑(r，R)沿其長度可以進行調(diào)整和組合。顯然，根據(jù)以上教導，本發(fā)明的許多修正和變型是可能的。因此，應當理解，在所附權利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可不同于上述具體描述通過其他方式實施。
權利要求
一種活塞，其特征在于，包括一活塞主體，該主體具有一上冠部；一對銷轂，該銷轂從所述上冠部懸垂，還具有彼此沿銷孔軸對齊的銷孔；及一對裙部，位于所述銷孔軸相對的兩側，每個裙部具有一凸狀的外壁和面對腔的內(nèi)壁，還具有使所述外壁和所述腔之間形成流體連通的開口，所述開口使所述裙部的所述凸狀外壁，形成在延伸穿過所述銷孔軸的水平面的上方周向延伸的上帶區(qū)，和在該水平面下方周向延伸的下帶區(qū)。
2.如權利要求1所述的活塞，其特征在于，所述的各個開口占各自裙部的所述外壁的 面積的20-80%。
3.如權利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上帶區(qū)和所述下帶區(qū)占各自裙部的所 述外壁的總面積的20-80%。
4.如權利要求1所述的活塞，其特征在于，所述開口具有大致平行于水平面延伸的周 界的上緣和下緣，和在所述上緣和所述下緣之間，大致垂直于所述水平面的周界的邊。
5.如權利要求4所述的活塞，其特征在于，所述上緣和下緣具有大致相同的曲率半徑， 從所述裙部的所述凸狀外壁向內(nèi)朝向所述腔延伸。
6.如權利要求5所述的活塞，其特征在于，所述曲率半徑是拋物線形。
7.如權利要求5所述的活塞，其特征在于，在所述邊之間延伸的所述的上緣和下緣具 有大致相同的曲率半徑。
8.如權利要求5所述的活塞，其特征在于，在所述邊之間延伸的所述上緣和下緣具有 不同的曲率半徑。
9.如權利要求4所述的活塞，其特征在于，所述上緣和下緣具有不同的曲率半徑，從所 述裙部的所述凸狀外壁向內(nèi)朝向所述腔延伸。
10.如權利要求9所述的活塞，其特征在于，所述曲率半徑至少一個是拋物線形。
11.如權利要求9所述的活塞，其特征在于，在所述邊之間延伸的所述的上緣和下緣具 有大致相同的曲率半徑。
12.如權利要求9所述的活塞，其特征在于，在所述邊之間延伸的所述上緣和下緣具有 不同的曲率半徑。
13.如權利要求1所述的活塞，其特征在于，所述裙部與所述銷轂整體成型。
14.如權利要求13所述的活塞，其特征在于，所述活塞式整體型活塞。
全文摘要
一個活塞，具有一對徑向相對設置的裙部，每個裙部具有一個在裙部外壁和內(nèi)腔之間形成流動連接的開口。所述開口使所述裙部的所述凸狀外壁，形成在穿過所述銷孔軸的水平面的上方周向延伸的上帶區(qū)，和在該水平面下方周向延伸的下帶區(qū)。
文檔編號F02F3/00GK101815856SQ200880108198
公開日2010年8月25日 申請日期2008年8月13日 優(yōu)先權日2007年8月13日
發(fā)明者米格爾·阿塞韋多 申請人:費德羅-莫格爾公司