带有非对称上部燃烧表面的活塞及其制造方法与流程

本申请要求2016年4月21日提交的美国临时专利申请号为62/325,704和2017年4月20日提交的美国发明申请号为15/493,025的权益，并且将其全部内容通过引用并入此申请中。

本发明总体涉及用于内燃机的活塞及其制造的方法。

背景技术

发动机制造商正在面临提高发动机效率和性能的日益增长的需求，其包括但不限于：提高燃油经济性、减少油耗、改善燃油系统、增加缸膛内的压缩负载和运行温度、减少通过活塞的热损失、改善零部件的润滑、降低发动机的重量并且使发动机更紧凑，同时降低与制造有关的成本。

虽然燃烧室内增加汽缸压力和运行温度是可取的，但是仍然需要在可行的限度内保持活塞的温度。而且，实现汽缸压力和运行温度的增加通常伴随着权衡问题，因为这些可取的“增加”限制着活塞压缩高度以及整体活塞的尺寸和质量能够降低的程度。这对具有封闭或部分封闭的冷却通道的典型活塞结构尤其棘手，在该冷却通道中油循环降低活塞的运行温度。制造具有将上部和下部部件沿接合接头连接在一起，以形成封闭或部分封闭的冷却通道的活塞的成本通常由于至少部分地由于用于将上部和下部接合在一起的连接工艺而增加。进一步地，发动机重量可以减少的程度受到由钢制成的上述“含冷却通道”活塞的需要的影响，因而它们可以承受施加在活塞上的机械和热负载的增加。进一步地，当通过两工件焊接在一起形成活塞时，通常上部燃烧表面需要关于中心平面对称，该中心平面沿纵向中心轴线延伸，活塞沿着该纵向中心轴线往复运动。情况就是这样，因为否则，如果上部燃烧表面相对沿中心纵向轴线延伸的中心平面非对称，该上部燃烧表面由于摩擦焊接过程中两部分相互旋转和止动的性质，将很可能相对所需取向不对准。于是，摩擦焊接活塞的上部燃烧表面的几何形状通常是对称的。

近来，没有冷却通道的单片钢活塞已经开发出来，并且可以称作“无通道”活塞。可以提供这种活塞用于减轻重量、降低制造成本、并减少压缩高度。该无通道活塞要么由冷却油喷嘴喷洒冷却，稍微喷洒仅用于润滑，要么不喷洒油。

由于缺少冷却通道，该无通道活塞通常比具有传统冷却通道的活塞承受更高温度。高温可以造成钢活塞的上部燃烧表面的氧化或过热，其随后可以造成连续的活塞裂化和发动机失效。高温还可以造成沿活塞的顶部底面区域的油降解，例如，喷洒冷却或润滑油的燃烧碗的下方。由高温引起的另一个潜在问题是，冷却油在冷却或润滑油与活塞顶部底面相接触的区域可以形式碳的积聚层。这种碳层可以造成活塞过热，从而造成上述的裂化和发动机失效。

技术实现要素：

本发明的一方面提供一种能够实现改进性能的无通道活塞。该活塞由单片的钢材料锻造而成，并包括用于暴露到内燃机的燃烧室的上部燃烧表面。形成上部燃烧表面以包括相对于活塞的中心平面的非对称几何形状，其中中心平面可以沿中心纵向轴线延伸，大致垂直于推力轴线或者与销孔轴线大致垂直。

根据本发明的另一方面，位于形成上部燃烧表面的上部燃烧壁的相对侧上、在一对活塞销凸台之间和在直径方向上相对的裙板之间延伸的顶部底表面可以锻造成与上部燃烧表面的非对称轮廓吻合或基本吻合。因此，上部燃烧壁可以锻造成具有大致或基本恒定的厚度，这随即引起上部燃烧表面的增强冷却，并认为可能减少顶部底表面上焦化油的积聚，同时减小活塞的尺寸和重量。

根据本发明的另一方面，可以通过多个倾斜和/或波状的燃烧表面提供非对称的几何形状，每个该表面在销孔轴线的相对侧形成。

根据本发明的另一方面，可以通过倾斜的和/或波状的上部燃烧表面提供非对称的几何形状，该上部燃烧表面沿推力轴线的方向大体相互对准。

根据本发明的另一方面，可以在上部燃烧壁的下侧锻造一对凹穴，每个凹穴由分开的活塞销凸台径向向外形成。

由于活塞由单片材料锻造而成，根据本发明的一个方面，将其制造成能够以相对于销孔轴线和所需中心平面在特定且精确的取向下形成上部燃烧表面的非对称几何形状。从而，当在单片锻造的活塞上形成非对称几何形状而不是具有彼此焊接在一起的多个部件的活塞时，可以减少制造时间和与其相关的成本，包括但不限于废料的减少。此外，锻造消除了必须执行昂贵的机加工操作以去除过量的多余材料，这既减少了制造时间又减少了材料浪费。此外，非对称几何形状的合适和精确的对准还显著地有利于改善发动机的性能和增加使用寿命。

本发明的另一个方面包括制造无通道活塞的方法。该方法包括锻造单片的钢材料以形成整个活塞的主体。在锻造步骤中，该方法包括形成上部燃烧表面，该上部燃烧表面包括在相对于活塞的销孔轴线和中心平面的预期取向下的非对称几何形状，其中中心平面可以沿中心纵向轴线延伸，活塞沿着中心纵向轴线往复运动，大致垂直于推力轴线或大致垂直于销孔轴线。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括锻造顶部底表面，该顶部底表面位于形成上部燃烧表面的上部燃烧壁的相对侧上，在一对活塞销凸台之间和在直径方向上相对的裙板之间延伸，具有与上部燃烧表面相同或基本相同的轮廓。因此，该方法可以包括锻造具有大致或基本均匀的厚度的上部燃烧壁，这随即引起上部燃烧表面的增强冷却，并进一步减少在其顶部底表面上焦化油的积聚，同时减小活塞的尺寸和重量。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括锻造具有沿推力轴线对准的至少一个倾斜的和/或波状的上部燃烧表面的非对称几何形状。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括锻造具有一对倾斜和/或波状的上部燃烧表面的非对称几何形状，每个表面在销孔轴线的相对侧上锻造。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括锻造具有倾斜的和/或波状的上部燃烧表面的非对称几何形状，该上部燃烧表面沿推力轴线的方向大体相互对准。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括在上部燃烧壁的下侧锻造一对凹穴，每个凹穴由分开的活塞销凸台径向向外锻造。

附图说明

当结合以下详细的说明书和附图考虑时，将更容易理解本发明的这些和其他方面、特征和优势，其中：

图1是根据本发明的一个方面制造的无通道活塞的侧视图；

图2是图1的活塞的俯视平面图，例示了本发明的另一方面的非对称燃烧碗；

图3是大体沿与图1的活塞的销孔轴线一致的图2的线2-2截得的剖面侧视图；

图4是大体沿图2的线4-4截取的图1的活塞的剖面透视图；以及

图5是大体沿图1的无通道活塞的销孔轴线截取的剖面仰视平面图。

具体实施方式

更详细地参考附图，图1～5例示了根据示例性实施例构造的无通道活塞10的视图，该活塞10用于在内燃机(例如现代、紧凑、高性能汽车发动机)的缸膛或腔室(未示出)内做往复运动。“无通道”的活塞10没有易于将油悬浮在活塞冠部16的区域14的冷却通道底板或其他冷却通道特征，并从而没有形成冷却通道所需的额外材料，该活塞10具有相对减小的尺寸和重量，并且在相对降低的温度下运行，这有助于改善发动机的热效率、油耗以及运行性能。

如图所示，活塞10具有整体式活塞体(下文称为主体11)，该整体式活塞体由单片金属材料(例如，钢)锻造而成，但是可以设想使用其他材料(例如，铝、钛或其他结构金属)。因此，活塞10没有连接在一起的多个部件，例如彼此连接的上部和下部部件，这对于具有由冷却通道底板界定或部分界定的封闭或部分封闭的冷却通道的活塞而言是常见的。

由钢或其他金属制成的主体11坚固耐用，以满足现代高性能内燃机的高性能需求，即升高的温度和压缩负载。根据特定发动机应用中活塞10的需要，用于构造主体的钢材可以是诸如sae4140等级或不同的合金。由于活塞10是无通道的，活塞10的重量和压缩高度相对具有冷却通道的活塞可以大大地减小，从而允许在其中配置活塞10的发动机实现减轻的重量并且使其更紧凑，从而允许减小发动机的整体外部尺寸。此外，尽管活塞10是无通道的，由于下文讨论的结构和制造方法的进步，该活塞10可以在使用中充分冷却，以承受最严苛的运行温度，从而至少部分地由于活塞抵抗顶部底表面13上的碳积聚的能力，从而进一步提高了活塞10和发动机的性能。

活塞10的主体11具有上冠部或简称冠部16，还称为上部燃烧表面16，围绕纵向中心轴线a延伸，活塞沿着该纵向中心轴线a往复运动，其中根据本发明的一个方面构造上部燃烧表面16，用于在发动机的燃烧碗12和燃烧室内最佳地暴露于燃烧气体并循环/混合燃烧气体。上部燃烧表面16具有第一和第二部分，其中该第一部分17以平面或大体平面的形式环形地延伸，邻近上部燃烧表面16的外围，并且第二部分形成从第一部分17悬垂的燃烧碗12。该燃烧碗12锻造成以具有相对活塞的中心平面非对称的几何形状，其中，如图4中最好示出地，中心平面可以是中心平面cp-1，该中心平面cp-1沿中心纵向轴线a延伸，与推力轴线ta大体垂直，并大体沿销孔轴线pa或与销孔轴线pa平行，并且/或中心平面可以是中心平面cp-2，该中心平面cp-2沿中心纵向轴线a延伸，并与销孔轴线pa大体垂直，并大体沿推力轴线ta或与推力轴线ta平行。由于上部燃烧表面16和悬垂于其中的燃烧碗12的非对称几何形状，区域14的某些区域可以包括比其他区域的表面积和体积更多的材料，以改善活塞10的性能。例如，最易磨损的上部燃烧表面16的区域可以比不太容易磨损的其他区域(例如大体沿推力轴线ta的区域)包括更多的材料。

如图2-4所示，在一个示例性实施例中，上部燃烧表面16包括环形外部燃烧碗边缘(下文称为外缘18)，该外缘围绕中心轴线a和燃烧碗12，其中该燃烧碗12从外缘18径向向内悬垂并延伸到中心轴线a。在燃烧碗12内的上部燃烧表面16还包括至少一个，并作为示例而非限制地示出的一对特征22，该特征22形成上部燃烧表面16的非对称形状并促进活塞10获得减小的尺寸、重量和提高包括承受增加的温度和燃烧力的性能的能力，并进一步促进延长使用寿命，例如通过抑制活塞10上沉积物的积聚。特征22作为示例而非限制地示出为倾斜表面(倾斜旨在表示与横向于中心纵向轴线a延伸的平面倾斜地延伸的表面)和/或波状表面(波状旨在表示表面可以是非平坦的或非平面的)，例如倾斜的斜坡状区域，并在下文简称为斜坡22，该斜坡22从燃烧碗12的底板20向上延伸到(平滑过渡)或大体到(接近)外缘18。斜坡22在弧形路径上延伸，并且作为示例而非限制地示出为至少部分地围绕中心纵向轴线a以平滑(非阶梯式)下降方式、从(平滑过渡)外缘18或基本从(轻微轴向偏移)外缘18周向延伸到碗12的底板20。斜坡22提供具有非对称几何形状的上部燃烧表面16，这样如果没有斜坡22，上部燃烧表面将相对中心平面cp-1、cp-2对称，并将不会产生上述和下文中进一步讨论的性能效益。应该意识到的是，可以使用除了所示的特征22的其他配置来实现由此提供的非对称几何形状和性能增强。例如，活塞10可以包括在美国专利号9,243,582中公开的任何燃烧碗设计，其通过引用将关于其中公开的燃烧碗的构造并入本文中。但是，不同于并入的‘582专利的活塞，根据本发明的活塞10由单片材料无焊接地锻造而成，并且顶部底表面13进行无机加工的锻造。此外，如上所讨论地，本发明的活塞10不包括封闭的或部分封闭的冷却通道。

如示例性实施例所示，活塞10还包括从上部燃烧表面16悬垂并沿活塞10的外径周向延伸的环带区域24。该环带区域24包括由环形槽28分离的多个平台26。活塞10例示出具有三个环形槽28，但是根据本发明制造的活塞10可选择地包括更少或更多的环形槽28。

活塞10进一步包括一对活塞销凸台30，其通常从顶部底表面13悬垂在环带区域24的径向内部。活塞销凸台30提供了一对横向间隔开的销孔32，其从顶部底表面13垂直间隔开，并沿销孔轴线pa彼此同轴对准。活塞10还包括一对裙板36，该裙板36从环带区域24悬垂并沿销孔轴线pa的相对侧彼此在直径方向上相对地延伸。

如图5最好地显示，图2的示例活塞10的顶部底表面13形成在冠部16的上部燃烧壁34的下侧，与冠部16直接相对并且在环带区域24的径向内侧。为了冷却的目的，尽管意识到上部燃烧壁34的厚度(t)必须足以承受燃烧力，但是顶部底表面13优选与燃烧碗12间隔开最小的距离，并且基本是在从燃烧碗12的上部燃烧壁34的直接相对侧上的表面。因此，可以优化上部燃烧壁34的厚度(t)，以在锻造工艺中在燃烧碗12和顶部底表面13之间提供最小但足以大体恒定或基本恒定的厚度(t)(大体和基本旨在表示如本领域技术人员将意识到的，厚度的微小变化，例如，在大体和基本恒定的厚度区域上，厚度变化约0-10％，和更优选地约0-5％，和更优选地约0-2％)，从而，在使用中增强顶部底表面13上来自油飞溅的上部燃烧壁34的冷却的有效性，同时还能够承受高性能燃烧力并使活塞10的重量最小化。照此，顶部底表面13可以锻造成具有相应于(吻合)上部燃烧表面16的非对称几何形状的轮廓的非对称几何形状(例如，‘582专利中公开的顶部底表面)；然而，与‘582专利需要机加工不同，顶部底表面13的轮廓在锻造工艺中与上部燃烧表面16一起形成为网状(成品使用形状)。如图5所示，当从底部直接观察活塞10时，本文考虑的顶部底表面13为可见的表面，不包括销孔32。如从活塞10的下侧看到的，顶部底表面13还是开放暴露的，并且它没有通过封闭的或部分封闭的冷却通道或倾向于靠近顶部底表面13的保持油或冷却液的任何其他特征来界定。类似于针对非对称上部燃烧表面所记载的，顶部底表面13可以形成为具有不同于本申请的附图中公开的各种配置。

根据示例性实施例，活塞10的顶部底表面13比具有封闭或部分封闭的冷却通道的对照活塞具有更大的总体表面积(与表面轮廓吻合的3维面积)和更大的投影面积(如在平面视图中看到的平的2维面积)。沿活塞10的下侧的这个开放区域为油提供了直接进入，以将油从曲轴箱中直接飞溅或喷洒到“锻造的”非对称顶部底表面13上，从而允许整个顶部底表面13直接由来自曲轴箱内的油飞溅，同时还允许油围绕活塞销(未示出)自由地飞溅，并且进一步显著减轻活塞10的重量。因此，虽然没有典型的封闭的或部分封闭的冷却通道，无通道活塞10的上部燃烧壁34(而非直接在活塞销凸台30上)的该大体开放的配置和减小的、大体恒定壁厚度(t)给予了顶部底表面13的最佳冷却和销孔32内对活塞销接头的润滑，同时极大地减少了燃烧碗12附近表面上的油停留时间(大量油停留在表面的时间)。减少的停留时间可以减少不必要的焦化油的积聚，这例如可以发生在具有封闭的或基本封闭的冷却通道的活塞中的那样。因此，活塞10可以在长时间使用时保持“清洁”，从而允许其保持基本没有焦化积聚，从而保持最大的冷却效率。

图4和5中示出的活塞10的顶部底表面13由包括内顶部底面区域38和外部凹穴40的若干区域提供。通过内顶部底面区域38提供位于并直接接近中心轴线a的顶部底表面13的第一部分。该内顶部底面区域38在活塞销凸台30、裙板36和支柱42之间延伸，并由活塞销凸台30、裙板36和支柱42包围。通过内顶部底面区域38提供的顶部底表面13的2维和3维表面面积通常与燃烧碗12的非对称相吻合的非对称最大化，从而可以加强由油飞溅或从曲轴箱向上喷洒到暴露的内顶部底面区域38的冷却，从而加快活塞10的特殊冷却。在例示的示例性实施例中，当从底部看时，顶部底表面13的内顶部底面区域38是凹面的，从而在活塞10的往复运动中油可以从活塞10的一侧输送到活塞10的相对侧，从而进一步加强活塞10的冷却。

通过位于活塞销凸台30的径向外侧的外部凹穴40提供顶部底表面13的第二区域。每个外部凹穴40由活塞销凸台30中的一个、支柱30的一部分和环带区域24的一部分所包围，该支柱42将裙板36连接到活塞销凸台30上。

本发明的另一方面提供了一种制造具有非对称燃烧碗12的无通道活塞10的方法。活塞10的主体部分通过锻造单片钢材料形成。锻造步骤包括形成上部燃烧壁34，以包括在燃烧碗12的选择区域中具有非对称几何形状的上部燃烧表面16。换而言之，活塞10在不需要随后的机加工的情况下预成型，在锻造工艺中在燃烧碗12内形成非对称的几何形状。如上所述，锻造步骤还可以包括形成包括环带区域24、活塞销凸台30、裙板36、内顶部底面区域38和外部凹穴40的活塞10的其他特征。锻造步骤比焊接两片材料更简单和更有效。在锻造单片钢材料后，该方法通常包括精加工环带区域24、活塞销凸台30和裙板36。该方法可以选择性地包括精加工燃烧碗12，但是优选地燃烧碗12在锻造步骤中完全形成网状，并不需要精加工。

在上部燃烧表面16上具有非对称几何形状的单片锻造活塞10提供了优于焊接活塞的优势。通常重要的是，对准通过在相对销孔轴线34和中心平面cp-1、cp-2的具体位置中在上部燃烧表面16上的波状/倾斜区域22来提供的非对称几何形状。根据在其中使用的活塞10的发动机的设计，改变具体位置。如果活塞通过两工件焊接在一起而形成，对准在相对中心平面的所需位置中的上部燃烧表面的非对称几何形状非常困难并更有可能无法实现。然而，当根据本公开从单片材料锻造活塞10时，不仅可能，而且相对容易对准相对中心平面cp-1、cp-2的正确位置中上部燃烧表面上的特征的非对称几何形状。因此，如果甚至可能的话，与焊接的活塞相比，当在单片锻造活塞10上提供非对称几何形状时，制造时间和成本可以大大减少。除了本文公开所提供的时间和成本节省外，由其获得的非对称几何形状的适当对准还认为明显有助于发动机的重量和尺寸的减小，并有助于改善发动机的性能。

鉴于上述教导，本发明的许多修改和变体是可行的，并且在保留在本权利要求的范围内的情况下，可以以不同于具体描述的方式来实施。可以预期，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这种组合不会相互矛盾。