用於增強冷卻的發動機裝置的製作方法

2024-03-11 12:38:15

本發明是申請號為201280012238.5(pct/us2012/028105)、申請日為2012年3月7日、發明名稱為「用於增強冷卻的發動機裝置」的中國發明專利申請的分案申請。

相關申請交叉引用

本申請要求2011年3月7日提交的美國專利臨時申請no.61/450,019的優先權，該美國臨時申請通過引用全部併入本文。

本發明涉及一種用於內燃發動機的活塞與汽缸套構造。

背景技術：

內燃發動機受到政府規定和消費者期望的影響。政府規定包括減少排放和提高發動機效率以減少燃料消耗。消費者期望包括改進的發動機可靠性以及更長的發動機壽命。雖然在應對政府規定和提高內燃發動機壽命方面已經取得了很大的進步，但是內燃發動機是高度複雜的機構，並且對發動機部件的革新措施可以獲得壽命、可靠性和效率的改善。

技術實現要素：

本公開內容提供了一種內燃發動機，所述內燃發動機包括發動機機體、缸膛、汽缸套和活塞。所述缸膛形成在所述發動機機體內並具有從所述缸膛徑向向外定位的至少一個冷卻劑通道。所述汽缸套定位在所述缸膛內並具有內徑d。所述活塞定位在所述汽缸套內以沿著軸線往復運動。所述活塞包括頂面，具有外周表面的外側壁，以及定位成距所述頂面有軸向距離b的凹槽。距離b與內徑d的比值小於0.090。

本公開內容的實施例的優點和特徵在結合附圖觀察時從示例性實施例的下列詳述將變得更加清楚。

附圖說明

圖1是貫穿根據本公開內容的一個示例性實施例的內燃發動機的一部分的剖視圖。

具體實施方式

圖1示出了根據本公開內容的示例性實施例的內燃發動機10。發動機10包括僅被示出一小部分的發動機機體12，安裝在該發動機機體12上的汽缸蓋14，定位在該發動機機體12中的至少一個汽缸套16，以及定位成用於在汽缸套16中沿著軸線往復運動的至少一個活塞18。當然，發動機10可以包括可布置成一條直線或布置成「v」型構造的多個汽缸套16和活塞18，例如每個發動機包括四至八個汽缸套和活塞。如下面所討論那樣，發動機10包括各種精確的結構參數，這些參數產生一定的益處，諸如，改善活塞18和汽缸套16的冷卻，實現提高發動機10的壽命和可靠性，以及減少排放，並實現提高發動機10的燃料經濟性和效率。

發動機機體12包括至少一個缸膛20。汽缸套16定位在缸膛20內。汽缸套16包括具有內徑d的、用於定位活塞18的內孔17。活塞18可以是任何類型的活塞，只要它包含下文確定的完成本發明所必需的特徵部即可。例如，活塞18可以是鉸接活塞。汽缸套16將位於該汽缸套16的內部的被潤滑部22和在內孔17的一端處定位在活塞18和汽缸蓋14之間的燃燒室23與形成在發動機機體12中的多個冷卻劑通道26(例如26a，26b，26c)分開。定位在活塞18的近側、頂部或上部中的燃燒碗24是燃燒室23的一部分。

燃燒碗24中可以形成有多個特徵部。例如，燃燒碗24可以具有中央部24a，該中央部24a在軸向上比繞該中央部24a延伸的環形部24b更靠近汽缸蓋14。這些特徵部可以和燃燒室23的特徵相關，燃燒室的特徵可以包括燃料流以及燃料流如何燃燒或點燃(未示出)。燃燒室23可以具有在2004年5月11日發布的美國專利no.6,732,703中所描述的燃燒室特徵，該美國專利通過引用全部併入本文。

冷卻劑通道26可以構造成為活塞18提供最優的冷卻。例如，冷卻劑通道26a可以是高速冷卻劑流，冷卻劑通道26b可以是低速冷卻劑流。冷卻劑通道26c可以是將流體通道26的一部分與流體通道26的另一部分相連的埠，諸如將冷卻劑通道26a和冷卻劑通道26b相連的埠。

汽缸套16包括具有軸向或縱向厚度a的頂凸緣部28。汽缸套16還包括從頂凸緣部28軸向或縱向延伸的具有徑向厚度c的環形壁部32。突起33可以從壁部32進一步軸向定位，該突起與缸膛20協作以將冷卻劑通道26a與冷卻劑通道26b分離。止動件或臺階部34可以從突起33進一步軸向地包括在汽缸套16上。壁部37定位在汽缸套16上並從突起33延伸到止動件34。頂凸緣部28包括與環形缸膛20相對的外環形表面30。冷卻劑通道26a從壁部32徑向向外定位在汽缸套16的一側上，並且冷卻劑通道26c從壁部32徑向向外定位在汽缸套16的與冷卻劑通道26a相對的一側上。冷卻劑通道26a，冷卻劑通道26b，以及冷卻劑通道26c可以是繞汽缸套16有角度地延伸的單個冷卻劑通道的一部分。

位於汽缸套16上的止動件34接合位於發動機機體12上的環形臺階或止動件35。止動件34提供設定汽缸套16的近側、鄰近的或上表面40相對於發動機機體12的頂面38的深度或偏移的位置。止動件34設定汽缸套16的頂面40和汽缸蓋14或汽缸蓋墊圈41之間的間隙的軸向長度。類似於止動件34的止動件在1981年10月12日公布的美國專利4,294,203中被描述，該美國專利的全部內容通過引用併入本文。一個或多個凹槽42也可以定位在汽缸蓋14的外壁36上。一個或多個密封件44可以定位在每個凹槽42中。密封件44將被潤滑部22與冷卻劑通道26分開。

汽缸套16從缸膛20的頂端或近端插入發動機機體12中。汽缸套16的外周在該汽缸套16的包括凹槽42的區域中與缸膛20滑動配合。如前面所述，定位於凹槽42內的密封件44防止來自被潤滑部22的潤滑劑汙染位於冷卻劑通道26中的冷卻劑，並且防止來自通道26的冷卻劑汙染被潤滑部22中的潤滑劑。凸緣部28的環形表面30與缸膛20的內表面94壓配合。所述壓配合可以提供在流體通道26和燃燒室23之間的密封，並且將汽缸套16固定在發動機機體12內。在凸緣部28和缸膛20的內表面94之間也可以定位有一密封件(未示出)。

如前面所述，活塞18定位在汽缸套16的具有內徑d的內孔17中。活塞18在圖1中被示出處於上止點(tdc)位置。活塞18驅動常規的連杆46，該連杆附接於固定到活塞18上的銷、杆或軸48。連杆18驅動發動機10的曲軸(未示出)。連杆18和曲軸導致活塞18沿直線路徑在汽缸套16內往復運動。當曲軸被定位成將活塞18遠離曲軸的旋轉軸線移動到最遠位置時，到達tdc位置。以常規的方式，活塞18在通過進氣衝程和動力衝程前進時從tdc位置移動到下止點(bdc)位置。活塞18包括用於活塞環以及位於活塞18的外側壁43的外周、外徑或外表面49上的密封件的多個凹槽。多個凹槽包括頂部、上部、近側或第一凹槽50，第二、中央或中間凹槽52，以及第三、底部、下部、或遠側凹槽54。頂部凹槽50包括有助於防止來自燃燒室23的燃燒氣體在活塞18和汽缸套16之間行進的第一常規壓縮環56。頂部凹槽50的上側62定位成距活塞18的頂部、上部或近側表面64有距離b。中間凹槽52包括第二常規壓縮環58。第三凹槽54包括限制沿著內孔17朝著活塞18的定位有燃燒碗24的上端或近端移動的油量的常規控油環60。

頂部凹槽50的距離b從排放的觀點來看是很重要的。在活塞18的外側壁43的外表面或外周面49與汽缸套16的內孔17之間存在徑向間隙。在被稱為死區的頂環56上方的區域中被捕集在外周面49與內孔17之間的區域中的燃料不會被燃燒。該燃料在活塞18離開tdc位置時變成暴露的，並且該燃料進入發動機10的排氣裝置(未示出)中。未燃燒的燃料促成增加的排放並導致發動機10的低效率。因此，減小距離b的能力能減少排放並提高燃料效率。

刮油環39可以在汽缸套16中定位在頂凸緣部28的內部。刮油環39的內徑小於內孔17的直徑。刮油環39減小了上文所描述的死區的容積，以及有助於去除在頂部凹槽50上方的活塞壁43的表面49上的沉積物。因此刮油環39有助於去除頂部壓縮環或第一壓縮環56上方的沉積物。

活塞18由兩個單獨的部分製成。上部、近側部、或頂部66沿著第一接頭70和第二接頭72接合到下部、遠側部、或底部68。第一接頭70包括位於下部68上的表面74和位於上部66上的配合表面76。第一接頭70定位在頂部凹槽50和第二凹槽52之間。第二接頭72包括位於上部66上的表面78和位於下部68上的表面80。第二接頭72沿比第一接頭70更遠離燃燒室23的方向從該第一接頭70軸向移位。通過使第二接頭72處於該位置，將在下文中被更詳細描述的壁或肋88容易從徑向方向進入以在其中形成特徵部，諸如流體通道(未示出)。頂部66和底部68通過常規的旋轉焊接工藝相互固定。通過將活塞18製造為兩個單獨件，可以在上部66的製造期間使溝82更靠近頂面64延伸或定位，這是因為在將上部66附接或焊接到下部68之前上部66的內部是可進入的。

溝82包括具有徑向範圍的下部82a和具有小於下部82a的徑向範圍的徑向範圍的上部82b。下部82a從距離活塞18的中心軸線的一徑向距離徑向延伸，上部82b從比下部82a更遠離活塞18的中心軸線的一徑向距離徑向延伸，這是因為上部82b沿燃燒碗24的輪廓而行。因為上部82b沿燃燒碗24的輪廓而行，因此溝82的上部82b的最上部分可以定位在距燃燒碗24的頂面64等於該燃燒碗24的壁厚的距離處。上部82b的最上部分的位置使得頂部凹槽50能夠以距頂面64的距離b位於比常規活塞設計中可能的更靠近的位置，如將在下文更詳細地說明的。將頂部凹槽50以距離b定位提供了一種優點在於，相比常規的活塞設計，熱量在到達冷卻流體之前在活塞18中行進更短的距離。更快的接近冷卻流體減少了熱量在活塞18中的積聚，減小了活塞18上的應力，因此提高了活塞18的壽命。從連杆46飛濺的油通過多個活塞通道84進入溝82，然後退出活塞通道84進入被潤滑部22。

挖空常規活塞的內部以形成類似於溝82的溝是不可能的，這是因為常規活塞的頂面將承受不了相關的燃燒室中的應力。常規活塞不能承受這些應力的原因是因為在常規活塞內沒有足夠的支撐來承受施加在常規活塞的頂面上的燃燒壓力。通過製造上件或上部66以及下部68，至少在上部66中形成溝82，然後藉助旋轉焊接工藝將兩個部分焊接在一起，活塞18克服了這個困難。然後活塞18的外表面或外徑49可以被加工、研磨和/或珩磨到期望的尺寸，從而除去由旋轉焊接工藝留下的任何不均勻度。

通道84可以在鑄造期間定位在下部或遠側部68中，或者可以在鑄造後被加工在下部68中。位於近側部66中的壁或肋88與位於遠側部68中的壁或肋86鄰接。因為旋轉焊接工藝，壁或肋88與壁或肋86形成從作為燃燒碗24的一部分的燃燒碗壁90延伸到位於底部凹槽54的軸向下方的側壁部92的鄰接的或連續的壁或肋。側壁部92是活塞18的側壁、外壁或外側壁43的一部分。因此，活塞18具有這樣的能力，即，在燃燒碗24和活塞18的外側壁43之間的區域中向活塞18的頂部的外周部提供冷卻，同時由於兩件式活塞設計保持了常規活塞的強度。

為了從前述的特徵部獲得最大的冷卻、排放和效率益處，某些比值是可適用的。第一個比值在等式(1)中量化，該等式規定了距活塞18的頂面64的頂環距離b與活塞孔直徑d的比值的限制。該比值適用於直徑滿足等式(2)的要求的活塞孔。

b/d＜0.090(等式1)

275mm≥d≥165mm(等式2)

距離b和直徑d的大小和尺寸被確定為獲得如等式(1)中所描述的0.090的最大比值，並且優選是0.085的最大比值。實現這些比值的直徑d的範圍如在等式(2)中所列出的，在等式(3)中給出了優選範圍。

275mm≥d≥175mm(等式3)

滿足等式(1)的要求對於優化排放和減少燃料消耗來說是至關重要的。從等式(1)明顯的是，距離b應當儘可能靠近活塞18的頂面64，同時保持活塞18的強度。然而，溝82需要延伸到比頂部凹槽50更靠近活塞18的頂面64的位置。否則，在頂部凹槽50的區域內活塞18的冷卻將會不充分，從而導致壓縮環56過熱，這導致汽缸套16的磨損和過早失效。因此，頂部凹槽50不能比溝82更靠近頂面64，只能在滿足燃燒碗壁90的強度要求情況下，儘可能地靠近頂面64。

通過本公開內容的兩個方面能實現改善活塞18的冷卻。第一，頂部凹槽50相對於汽缸套16在壁部32中的厚度c的距離b部分地決定了活塞18的冷卻的充分。距離b與厚度c的關係在等式(4)中限定。

b/c＜1.30(等式4)

距離b和厚度c的大小和尺寸被確定為獲得1.30的最大比值，優選是1.25的最大比值。和等式(1)中一樣，等式(4)表明距離b應當至少與汽缸16的壁部32的厚度c相比而言相對小。如前面所述，距離b應當儘可能小，但是該距離受到冷卻頂部凹槽50的能力的限制，而冷卻頂部凹槽的能力又受到使溝82儘可能靠近活塞18的頂面64延伸的能力的限制。冷卻的第二個方面由頂部凸緣28的厚度a與距離b的比值決定，該比值在等式(5)中作出規定。

a/b＜0.80(等式5)

厚度a和距離b的大小和尺寸被確定為獲得0.80的最大比值，優選是0.80的最大比值。頂部凸緣28的厚度a決定了冷卻劑通道26a能夠多接近汽缸套16的頂面40，由於厚度a必須不大於距離b的0.75倍，因此也限制了距離b。通過使厚度a滿足該條件，冷卻劑能夠為頂部凹槽50提供最佳的冷卻。然而，厚度a具有由承受來自燃燒室23的壓力的能力並且由將頂部凸緣28壓配合到缸膛20中的能力所決定的最小厚度。因此，距離b受兩個因素限制，即，頂部凸緣28的最小厚度和使溝82靠近活塞18的表面64延伸的能力。

現在考慮等式(1)至等式(5)，明顯地，通過滿足等式(4)和等式(5)的要求實現了活塞18的最佳冷卻，通過滿足等式(1)至等式(3)的條件實現了最小排放和最佳效率。汽缸套、活塞環和活塞壽命的關鍵是使頂環反向溫度最小化。頂環反向溫度是活塞18在tdc處並且即將從向上衝程改變方向到向下衝程時頂部壓縮環56的溫度。如果頂環反向溫度太高，那麼汽缸套16和活塞環56就發生過度磨損，從而縮短了汽缸套16和活塞環56的壽命。然而，保持活塞環56的凹槽50隻有通過使活塞環56冷卻來移動到更高。本公開內容描述了這樣一種構造，當滿足等式(1)至等式(5)的條件時，該構造能使凹槽50和活塞環56位於比在常規設計中高得多的位置，從而提高了活塞18的壽命和可靠性，以及減少了排放並提高了發動機10的效率。

雖然本公開內容的多種實施例已經被示出和描述，但是應當理解的是，這些實施例並不限於此。所述實施例可以被本領域技術人員改變、修改和轉用。因此，這些實施例並不限於之前所示和所述的細節，而是包括所有的這樣的改變和修改。