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，它地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。嗣后对锻造部件进行大量测试表明，根据对锻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/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，锻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锻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工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，邻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邻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，其表面设有可造成断裂扩散的缺陷，这样可避免局部热变形。
本发明针对克服上述的一个或多个问题。
本发明一方面提供了一种锻钢的发动机活塞部件，它包括一个大致呈圆柱状的主体上部和一个从其顶表面向下的较薄的管壁，还包括一个下端面，以及从下端面向上延伸的面向内的壁面。上部还包括一个从面向内的壁面径向向内地隔开的面向外的环形壁面以及一个与它以及面向内壁面连接的过渡部分，它们共同形成一个环形冷却凹槽。面向内的壁内、面向外的壁面以及面向下的过渡部分都是机加工的回转面。活塞部件还有包括一对垂下的销毂的下部，两个销毂上各有相互对准的一个孔。
本发明另一方面为发动机提供了一种发动机活塞装置，它包括缸体和装在缸体内的构成活塞腔的气缸套，以及一个连接在缸体上的气缸盖。此装置包括一个锻钢的活塞部件，它具有一个大致成圆柱形的上部，一个周缘顶表面，还具有从顶表面外边缘向下的并包含有下端面及从下端面向上延伸的面向内的壁面的较薄的管壁。主体上部还有一个从面朝内的壁面径向向内地隔开的面向外的环状壁面和与它以及面朝内的壁面相连的过渡部分，它们共同形成一个环状冷却凹槽。面向内的壁面、面向外的壁面和面向下的过渡壁面都是机加工的回转面。活塞部件还有一个下部，它包括一对各自开有一个孔的向下的销毂，两个孔相互对准。锻钢活塞部件的下部包括一对与凹槽融和相连的各自开孔的销毂。本发明的活塞装置具有一个形状简单的钢制活塞部件，该钢活塞部件锻造和机加工都很容易，但其截面形状可以承受超过13790千帕（2000磅/平方英寸）的燃烧室压力，而且重量较轻。
图1 是根据本发明的发动机活塞装置的部分横向垂直剖视示意图。
图2 是图1中所示的活塞装置沿Ⅱ-Ⅱ线剖截的部分纵向垂直剖视图。
图3是图1和图2中所示的活塞部件的顶部周缘区域的局部放大图，以更详细地显示其结构。
图4 是图2中沿Ⅳ-Ⅳ线剖开的活塞部件的顶视图。
图5 是图2中沿Ⅴ-Ⅴ线剖开的仅包括活塞部件的剖视图。
图6 是图2中沿Ⅵ-Ⅵ线剖开的仅包括活塞裙的顶视图。
图7 是图1和图2中所示的活塞部件的顶部周缘区域的部分横截面的放大图，其中显示了只有一部分锻制的冷却凹槽的简单的锻制活塞部件的流线。
图8 是图1和图2中所示的活塞部件的顶部周缘区域的部分横截面的放大视图，其中显示了具有较深锻制冷却凹槽的锻制活塞部件的流线。
现在请参看图1和图2，多缸式的内燃机10包括底部缸体12，一个顶部缸体或称隔离套14，一个气缸盖16，气缸盖16按常规用多个紧固件或螺栓18刚性地固定在一起。
一个支持在中间的气缸套48包括一个被顶部缸体14平稳地支撑着的圆柱形上部52，它形成了具有中心轴66的活塞腔54。关于这一点，请参看1987年1月27日授予B.Ballheimer的美国专利No.4，638，769，它进一步讨论了这里所揭示的具有支持在中间的气缸套的多部式气缸体的特点和优点。但是，此发动机也可以是任何常规设计。
内燃机10还包括示于图1右下方的第一和第二冷却油喷嘴74和75。第一喷嘴固定在底部缸体12上，它与常规的高压油源（图中未示出）联接使用，大致垂直地向铰接的活塞装置76的预定区域喷射细束的发动机润滑油。第二喷嘴75也固定在底部缸体上，但与垂直方向成一角度地对活塞装置76的另一区域喷射冷却油。
内燃机10的铰接的活塞装置76包括一个锻制的上部钢活塞部件78和一个锻制的下部铝活塞裙80，它们铰接在一个具有纵向中心轴84的共同的钢制活塞销82上。一个常规的包括上有眼端92和镀青铜的钢制套筒轴承94的连杆90连接在活塞销82上并受其驱动而工作。
图2和图4中清楚地显示出，钢制活塞部件78具有大致呈圆柱形的上端部分96和一个预选的如图所示的最大直径“D”。上端部分96包括机加工的周缘顶表面98，此顶表面是平的，或者说位于与中心轴66垂直的平面上，还包括一个凹入的对称冠顶面100，在本例中此冠顶面100是相对于中心轴66的机加工回转面。一般地，冠顶部100包括一个位于中心的尖顶102，其高度低于上表面98，还包括周向或外侧的轴向面104和一个与尖顶102及轴向面104光滑连接的环形谷部106。
从图3可较清楚看出，活塞部件78还包括从顶表面98的外缘边向下的较薄的管壁108。在本例中，用字母“LH”标出的管壁108的总高度是31毫米。管壁沿周边从上到下包括，一个第一或顶部环槽脊110，一个具有梯形或楔形横截面的顶部环槽112，一个第二或上中部环槽脊114，一个具有矩形横截面的中部环槽116，一个第三或下中部环槽脊118，一个具有矩形截面的底部环槽120，以及一个终止于沿径向的机加工的下端壁表面124的第四或底部环槽脊122。在本实施例中，用字母“TRH”标出的顶表面98和顶部环槽112之间的最小垂直距离是5毫米。一个环形的大致沿轴向向内渐缩的壁面126也由管壁108形成并从端壁表面124向上延伸。
活塞部件78的本体部分96还包括从面向内的壁面126径向向内隔开的面向外的环形壁面128，还包括面向下的过渡壁面130。过渡壁面130和壁面126及128连接并共同形成了一个具有精确的横截面的环形冷却凹槽132。从图中可以看出，冷却凹槽132的顶部在高度上与环槽112的顶部并列布置。而且它在垂直方向上位于活塞部件78的周缘顶表面98的正下方，且离开顶表面98的距离为E。在本发明的一个实施例中，距离“E”大约为5.5毫米。
实际上，本例中的壁面128的上面有一个如图3所示的与中心轴66成约12.33度的倾斜角“A”的上部的全圆锥部分134，和一位于其下的全圆柱形部分136。另一方面，壁面126是一个倾斜角“B”约1.17度的全圆锥。向内的壁面126，向外的壁面128和向下的过渡壁部分130都是机加工的回转面。要指出的是，面向内壁面126和顶部环槽112最内侧部分之间的径向厚度稍大于此壁面与密封槽116的最内侧部分之间的径向厚度。因此，后一个径向厚度是一个最关键的尺寸，在本例中，可接受的最小值为1.74毫米。最好此值取3或4毫米。密封槽112，116和120都是机加工的回转面，因此其径向向内的关键截面也是精确控制的。
作为另一种方案，环形冷却凹槽132可以锻制成各种形状，比如象图7中所示的浅凹槽或象图8中所示的深凹槽。图7和图8中还用点划线表示出了不同深度凹槽的晶粒线向。在图8所示的另一种安排中，只要向内的壁面126是机加工的回转面能精确控制壁面和密封环槽116之间的关键横截面就可以。
活塞装置76还包括一个嵌入顶部环槽112内的顶部的梯形开口活塞平环138，一个嵌入中部环槽116内的阶梯矩形截面的中间的开口活塞平环140，以及一个嵌入底部环槽120的活塞油环件142。
如图1和图2所示，钢制活塞部件78还包括一个带有一对垂下的销毂160的较低部位158，销毂160与冷却凹槽132的向外的壁面128融和连接，同时也与以轴66为中心的由上部形成的面向下的凹窝162融和连接。此凹窝与冠顶面100的尖顶102大致均匀地隔开，这样形成了具有如图1和图2中所示的大致均匀的厚度“C”的较薄的冠顶164。例如，在所示的实施例中，厚度“C”约为5或6毫米。一个具有最小厚度“C”的较薄的大致呈圆锥形的缩颈或壁166，形成于谷部106及与其并列的环形冷却凹槽132之间。在所述的实施例中，厚度“W”约为4到7毫米。每个销毂160有一孔168，其间适于容纳镀青铜的钢制轴承套170。这些轴承套170沿轴向对准排列使活塞销82在其中绕枢轴转动。
现参照图1、图2和图6，活塞裙80具有一个顶周面172，它与上部活塞部件78的低端壁面124靠近但不接触，活塞裙内有一环状并面向上的冷却剂槽174。它还具有近似椭圆形的从顶表面172向下的外表面176。一对对准排列的活塞销孔178穿过活塞裙80。因此活塞裙80铰接在插于两孔178中的活塞销上。
一对轴向的突起部184位于活塞裙80内，穿过它完全从轴向地提供了相应的一对润滑通道186。润滑通道186和冷却油槽174及冷却凹槽132联通。润滑通道186彼此对角线地相对，这样活塞裙80可以在两个可能位置的任何一个位置安装到活塞销82上，这样至少其中一个通道可与第一喷油嘴沿轴向对准。活塞裙80还有在裙底开口向下的对角线设置呈半圆柱形的凹槽188，当活塞裙往复运动到其最低垂向位置时不碰到喷嘴74和75。
本申请中独特的锻钢活塞部件78用于铰接的活塞装置76。铰接活塞装置76用于燃烧室压力约为15170千帕（2200磅/平方英寸）的高燃烧室压力发动机10。这种活塞部件78可使输出功率较大提高。如图1所示，铰接活塞装置76用于具有支持于中间的气缸套48和两件式气缸体12、14的结构的发动机10。
在工作时，当活塞装置76往复运动时，第一喷嘴74把润滑油喷向对准的活塞裙通道186。油束继续上行与共同形成活塞部件78上部96的环形冷却凹槽132的面向内的壁面126、面向外的壁面128以及面向下的壁部分130相接触。当活塞装置往复运动时，大部分冷却油被活塞裙冷却剂槽174所接受，并以“搅拌鸡尾酒”的紊流运动形式较好地进行溅泼，使冷却凹槽132的周面126、128及130得到冷却，并进而冷却缩颈166和形成环槽112、116和120的较薄的管壁108。同时，第二喷嘴把细束的油喷到连杆90、凹窝162或冠顶164的下表面。
参照图3，从图中可以看出，冷却凹槽132的顶部与环槽112的顶部在高度上是并列的。同时它也位于活塞部件78的周缘顶表面98的正下方，并隔开一段用字母E表示的垂向距离。在一个实施例中，直径D为124毫米，距离E约为5.5毫米。因此，有较薄的、基本上不变的壁厚来达到大致均匀的热分布和最大的冷却。内壁面126是绕中心轴66的机加工回转面，这样可保证环槽112、116和120的底部与壁面之间的精确尺寸控制和同心要求。环槽底部和壁面126之间，特别是环槽与壁面126最近的环槽116的底部之间的尺寸控制和同心要求是最为关键的，因为任何偏差都会大大削弱管壁78，从而造成裂缝、不均匀热分布和/或局部热变形。面向内的壁面126、面向外的壁面128和面向下的部分130形成了冷却凹槽132，它们都是绕中心轴66的机加工回转面，并且没有会形成断裂扩散和局部热变形的缺陷。通过对壁面126和128以及面向下的壁130的机加工，壁厚、同心要求和表面光洁度都可得到准确控制。或者，如图8所示的具有深的锻制凹槽132的结构，只要面朝内的壁面126为机加工回转面，就能相对于环槽112，116和120的底部，特别是相对于最近的环槽116的底部进行尺寸控制和达到同心要求。
除了上述的尺寸限制以外，还应注意到铰接活塞装置76最好用特殊方法制成，避免复杂的形状，并用某些材料制成。特别是，上部钢制活塞部件78最好用铬钼合金钢材料锻制而成，比如用4140号改良钢材料。下部的铝制活塞裙80同样最好用铝合金材料锻制，比如用SAE321-T6改良铝材料。
上述的合金钢特别适合第二类锻造工艺过程，并能提供奥氏体粒度5甚至更小，这对承受超过13790千帕（2000磅/平方英寸）的高压，最好超过15170千帕（2200磅/平方英寸）的高压是非常合适的。锻钢活塞部件的浸蚀横截面试样表面，其中的晶粒流线一般或大体上呈倒U形状，这种形状差不多与图3、6和7中的活塞部件部分的形状相近似，和/或大致上使晶粒流线和缩颈166及管壁108对准，这样对横截面的强度有很大帮助。
上述的锻制的铝合金具有高硬度、优秀的耐磨性以及较小的热膨胀系数。
本发明的其他方面目的和优点可通过研究附图、说明书及后附的权利要求书得到进一步的了解。