抗爆活塞的制作方法

抗爆活塞
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求2018年10月8日提交的名称为“抗爆活塞(detonation resistant piston)”的美国临时专利申请号62/742,606的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文。


背景技术：
1.技术领域
3.本发明整体上涉及用于内燃机的活塞。
4.2.相关领域
5.在改进内燃机性能的努力中，活塞制造商越来越多地转向铝和铝合金以降低质量。然而，使用铝的一个缺点是，与钢相比，铝具有较低的熔融温度和较低的强度，因此铝活塞如果遇到极端的温度或负载则更易于损坏。
6.内燃机工业中的另一个趋势是转向主要由甲烷构成的替代燃料诸如填埋气体。使用填埋气体的一个缺点是，其一般非常不纯并且组成变化很大。因此，当使用填埋气体时，其可导致不受控的燃烧和爆炸(也称为碰撞)，这在燃烧室内产生局部和临时的爆炸区。在该爆炸区内，燃烧室经历极高的温度和压力。如果铝活塞的材料位于该爆炸区内，则活塞的铝材料可侵蚀、变形或熔融。在大多数情况下，当活塞处于或接近压缩冲程与功率冲程之间的上止点位置时，爆炸区位于邻近活塞外边缘的区域中，因此活塞的该区域最易于因爆炸而损坏。
7.防止可由不受控的爆炸引起的损坏的一种已知方法是使燃烧处于控制下。然而，该方法通常需要对发动机的昂贵修改，诸如对火花和阀时序的修改。


技术实现要素：

8.本发明的一个方面涉及用于内燃机的活塞。活塞包括沿销孔轴线彼此对准的一对销孔。活塞还包括冠部，该冠部具有带有外边沿的顶部燃烧表面和从外边沿下垂的环形带。环形带包括顶部基体和用于接纳活塞环的第一环形槽。至少一个凹陷部形成于顶部基体中，并且从顶部燃烧表面延伸小于从顶部燃烧表面到第一环形槽的完整距离。
9.已发现活塞尤其抵抗来自活塞上方的燃烧室内燃料和空气混合物的不受控爆炸的附带损坏，并且这种增加的抗损坏性以低附加成本实现，并且发动机本身不需要任何改变。
10.根据本发明的另一个方面，至少一个凹陷部延伸跨过顶部燃烧表面相对于销孔轴线以九十度定位的点。
11.根据本发明的又一个方面，至少一个凹陷部是一对凹陷部。
12.根据本发明的又一个方面，该对凹陷部彼此完全相对。
13.根据本发明的另一个方面，活塞关于垂直于销孔轴线延伸的平面对称。
14.根据本发明的又一个方面，顶部燃烧表面具有燃烧碗。
15.根据本发明的又一个方面，镍涂层覆盖顶部燃烧表面的一部分。
16.根据本发明的另一个方面，镍涂层覆盖至少一个凹陷部。
17.本发明的另一个方面涉及用于内燃机的动力缸组件。动力缸组件包括围绕缸孔的缸衬里。活塞设置在缸孔中并且能够沿缸孔内的中心轴线往复运动。活塞具有冠部和沿销孔轴线彼此对准的一对销孔。活塞还具有带外边沿的顶部燃烧表面和从外边沿下垂的环形带。环形带包括顶部基体和用于接纳活塞环的第一环形槽。至少一个凹陷部形成于顶部基体中，并且从顶部燃烧表面延伸小于从顶部燃烧表面到第一环形槽的完整距离。
18.根据本发明的另一个方面，至少一个凹陷部延伸跨过顶部燃烧表面相对于销孔轴线以九十度定位的点。
19.根据本发明的又一个方面，至少一个凹陷部是一对凹陷部。
20.根据本发明的又一个方面，该对凹陷部彼此完全相对。
21.根据本发明的另一个方面，活塞关于垂直于销孔轴线延伸的平面对称。
22.根据本发明的又一个方面，顶部燃烧表面具有燃烧碗。
23.根据本发明的又一个方面，镍涂层覆盖顶部燃烧表面的一部分。
附图说明
24.当结合以下对当前优选实施方案、所附权利要求和附图的描述进行考虑时，本发明的这些和其他特征和优点将变得更易于理解，在附图中：
25.图1是根据本发明的一个方面构造的活塞的示例性实施方案的透视图；
26.图2是图1的活塞的正视图；
27.图3是图1的活塞的侧视图；
28.图4是图1的活塞的顶视图；
29.图5是图1的活塞的底视图；
30.图6是示出安装在内燃机中的图1的活塞的透视图；
31.图7是示出在使用期间安装在发动机中的图1的活塞的局部剖视图；
32.图8是示出在使用期间安装在发动机中的图1的活塞的另一个局部剖视图；并且
33.图9是示出在使用期间安装在发动机中的活塞的第二实施方案的局部剖视图。
具体实施方式
34.参见附图，其中相同的附图标记在几个视图中指示对应的部件，本发明的一个方面涉及用于内燃机22的改进的活塞20。如下文进一步详细讨论，活塞20在发动机22的燃烧室内不受控的爆炸(发动机碰撞)的情况下具有增加抗侵蚀性和抗熔融性。第一示例性实施方案的活塞20(如图1至图6所示)特别设计用于填埋气体燃料的内燃机，诸如caterpillar然而，应当理解，活塞20可另选地被构造成用于汽油或柴油燃料的内燃机。活塞20优选地由铝或铝合金制成，并且可通过任何合适的工艺或包括例如铸造、锻造、烧结、机加工等工艺的组合而成形。
35.第一示例性实施方案的活塞20是单体式的，因为其包括一体形成或彼此固定连接的冠部24、一对裙边26和一对销毂28。换句话讲，活塞20可诸如通过增材制造操作而构造成
单个整体件，或者其可由单独制造随后彼此固定附接的多个件制成。销毂28提供销孔，该销孔沿销孔轴线a1彼此对准，该销孔轴线被构造成接纳轴头销(未示出)，该轴头销继而将活塞20与内燃机22中的连接杆(未示出)连接。在替代实施方案中，裙边可制成与铰接裙边设计的活塞的其他元件分开的单独件。
36.冠部24沿中心轴线a2延伸，并且具有顶部燃烧表面30和远离其轴向向下延伸的环形带32。顶部燃烧表面30具有平面且环形的外部部分34，该外部部分限定外边沿36或边缘。顶部燃烧表面30还具有燃烧碗38，该燃烧碗与外边沿36径向向内间隔开并且朝向销毂28轴向向下延伸。示例性实施方案的燃烧碗38具有所谓的“墨西哥草帽”设计，但是可根据内燃机22的构型采用替代形状，或者通常如汽油燃料的发动机的活塞的情况，根本不存在燃烧碗。
37.环形带32包括多个环形槽40a、40b、40c，这些环形槽通过多个基体42a、42b、42c彼此轴向间隔开。更具体地，环形带32包括从顶部燃烧表面30轴向延伸到第一环形槽40a的顶部基体42a。如图7和图8所示，多个活塞环44a、44b、44c被接纳在环形槽40a、40b、40c中，以用于抵靠缸衬里46密封活塞20。可采用压缩环、油控制环和混合环的任何合适的组合。
38.顶部基体42a包括形成于其中的一对凹陷部48，以增加顶部基体42a的某些区域与这些凹陷部48的区域中的缸衬里46之间的间隙，而不改变顶部基体42a的其他区域中的间隙。凹陷部48彼此完全相对，并且均相对于销孔轴线a1以大约九十度(90
°
)角定位。每个凹陷部48具有底部50，该底部在顶部环形槽40a上方轴向间隔开并且平行于该顶部环形槽延伸。因此，两个凹陷部48都不从顶部燃烧表面30延伸完整轴向距离到顶部环形槽40a。每个凹陷部48还具有平行于中心轴线a2延伸的一对侧面52。在第一示例性实施方案中，每个凹陷部48还具有沿其75mm的周向长度从一侧52到另一侧的大约1.5mm的一般恒定的径向深度。已发现这些尺寸在减少至少一种类型的填埋气体燃料的内燃机22中的碰撞引起的活塞损坏方面特别有效。在其他应用中，这些尺寸可变化。
39.因为冠部24设置有两个完全相对的凹陷部48，所以第一示例性实施方案的活塞20关于垂直于销孔轴线a1延伸的平面对称。对称构造消除了对侧面特定要求的需要，同时将活塞20安装到缸孔中，即，机械师可在任一方向上将活塞20安装到缸孔中。活塞20优选地被铸造或锻造成其接近最终形状，然后凹陷部48在完成铸造或锻造工艺之后的修整操作期间被机加工到顶部基体42a中。
40.参见图6至图8，第一示例性实施方案的活塞20被示出为安装在重型内燃机22中，该重型内燃机被构造成燃烧具有变化杂质水平的填埋气体。发动机22包括围绕缸孔的缸衬里46、一对进气阀54、一对排气阀56和火花塞58。一个凹陷部48邻近一个进气阀54与一个排气阀56定位并且位于这两者之间。一个凹陷部48存在该区域中从活塞20在该发动机设计中最可能发生碰撞的区域(即，沿进气阀54与排气阀56之间区域中的缸衬里46)移除材料。移除的材料相对小，因此，由于材料缺失而导致的任何发动机性能降低在该区域中都是最小的。已发现这一优点在被构造成燃烧具有变化纯度水平的填埋气体的重型发动机中特别有利。例如，图7和图8示出了在部分延伸到凹陷部48中的区域中发生的爆炸。
41.在活塞20的第一示例性实施方案中，10μm
‑
20μm厚的镀镍被施加到整个顶部燃烧表面30并且被施加到两个凹陷部48中，以减少沉积物的形成并且降低活塞20的温度。这种温度的降低和沉积物的形成降低了碰撞发生的可能性。镀镍优选地经由电镀操作施加到活
塞20，以便减小冠部24的这些区域中的局部热应力和机械应力的幅度，并且还允许冠部24的高度最小化而不折衷活塞20的强度。与没有镀镍的活塞相比，示例性实施方案的活塞20上的镀镍还可增加维护停机之间的时间，这通常是从其他已知活塞的冠部移除沉积物所需的。
42.现在参见图7，活塞120的第二实施方案一般用相同的附图标记示出，以前缀“1”分开，指示与上述第一实施方案相似的部件。在第二实施方案中，顶部基体142a仅包括单个凹陷部148，而不是如上述第一实施方案中的情况的两个完全相对的凹陷部48。此外，第二实施方案与第一实施方案的区别在于镀镍仅应用于凹陷部148中和紧邻凹陷部148的顶部燃烧表面130的区域中的活塞120。
43.显然，鉴于以上教导内容，本发明的许多修改和变型是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述方式的其他方式来实践。另外，应当理解，所有权利要求和所有实施方案的所有特征可以彼此组合，只要它们彼此不矛盾即可。