[发明专利]带有冷却槽的锻制活塞部件的发动机活塞装置

说明书

本发明一般涉及具有高输出功率的小型发动机活塞装置，特别涉及能够承受较高的燃烧室压力和温度并且具有回转加工表面的钢制活塞部件。

近年来，人们越来越重视设计可进一步节约燃料、提高燃油效率、减少废气排泄、延长使用寿命并且具有更高单缸输出功率的发动机。这种发展趋势对活塞部件提出了更高的机械性能和热力性能的要求。活塞部件的冠顶区被燃烧的燃油和空气混合物所加热。包括活塞环的活塞装置必须和气缸内径有效接触以防止高温燃烧气体的外溢并在各种工作条件下控制润滑油。活塞部件上的温度和燃烧压力特别要控制在材料、结构的热力性能所许可的范围内，否则很快就会出现故障。

1986年4月15日授予H.Moebus的美国专利No.4，581，983中所揭示的冷却的组合活塞装置是这样一种能够承受较高输出功率的结构。然而，它的上下两部分是焊在一起的，这种加工过程费用很大，最好避免采取这种方法。

1977年11月1日授予Kenneth    R.Kamman的美国专利No.4，056，044揭示了一种较能满足需要的活塞装置。Kamman的专利现已转让给了本发明的受让人，它利用了一种铰接的活塞装置，它包括以一个共同活塞销为枢轴的各自作枢轴连接的上端活塞部件和下部活塞裙。喷向活塞裙内的油槽的润滑油通过类似摇动鸡尾酒的紊流运动有利地溅泼到邻近活塞环槽的活塞冠顶的下表面凹进部分，以冷却活塞的内部。嗣后对铸造部件进行大量测试表明，根据对铸造工艺过程所掌握的实际知识，还无法承受超过13790千帕（2，000磅/每平方英寸）的燃烧压力。特别是，很多顶部铸钢活塞部件含有大量孔隙，从而过早地产生故障。另一方面，孔隙较少、能承受比较严格的测试程序的铸钢活塞部件还很少。虽然为了减少孔隙率对锻件进行了广泛的研究，但迄今为止孔隙率仍然很高。一种检验孔隙的方法是用X射线检查活塞，但因费用太高而无法接受，同时也无法保证活塞完全没有孔隙。

除了要考虑孔隙问题以外，还应该注意到铰接的活塞装置每个部件的结构形状和强度在不断改进以承受更高的压载和热应力。例如，汽车工程师协会M.D.Roehrle约于1977年2月28日所提出的题为“高输出功率柴油机气缸”的No.770031公司论文表明全世界对单个部件进行了大量实验室测试。此论文还讨论了对减小轻合金或铝活塞部件主要由于热力限制所引起的断裂问题的若干考虑。

1987年5月5日授予Rutger    Berchem的美国专利No.4，662，047揭示了一种通过模压预锻坯件在其上弯一环状圆柱环套而制造的整体式活塞。锻制的活塞能承受高的燃烧室压力和温度;然而，铸造带有极高精度尺寸公差的薄壁部分的部件以及形成有精确相对位置的窄且深的空腔如果不是不可能也是非常困难的。因此，往往是对制造公差的要求限制或阻止了人们采用铸造方法来得到那些为了更好地散热而绝对必要的薄壁部分或窄深空腔。复杂形状和不同壁厚也会产生不均匀的热分布和活塞的局部热变形，因此另一目的是尽量使结构简单，包括使其相对于中心轴尽量对称。

同时，要考虑的另一问题是由于锻制过程所产生的粗糙的表面光洁度会产生应力增加，这对象薄壁部分和空腔之类的活塞部件的高荷载区域尤为关键。往往这些断裂扩散区由于难以发现而产生灾难性后果。

因此，人们需要一种高输出功率的发动机活塞装置，其活塞部件能在燃烧室压力超过13，790千帕（2000磅/平方英寸）时连续且有效地工作，最好压力能达到15170千帕（2200磅/平方英寸）左右。而且，活塞部件最好采用形状不太复杂的可锻合金钢材料以便于它的锻制。另外，活塞部件的上面部分的区域，特别是冷却槽区，最好具有较薄且大致均匀的厚度的壁以达到大致均匀的热分布和最大面积的冷却。同时，冷却槽的表面应该是机加工的回转面，以精密控制邻近表面间特别是冷却通道和环形槽之间的尺寸。活塞部件最好应具有相对于中心轴的对称回转面，其表面没有可造成断裂扩散的缺陷，这样可避免局部热变形。

本发明的目的是提供一种用于高输出功率发动机的铰接活塞装置，它具有一能够抵抗较高燃烧室压力和温度的上部活塞部件和一下部裙部件。