[发明专利]坚固、轻量、低压缩高度的活塞及其构造方法

说明书

提供了一种用于内燃机的活塞以及构造方法。该活塞具有一个坚固、轻量的整块活塞主体，其包括一个形成一个燃烧碗的上壁，该燃烧碗从一个环形的最上部的燃烧表面径向向内延伸。在燃烧碗的一个下侧形成一个底壁表面，其中底壁表面的至少一部分由径向相对的裙部、销座以及连接所述裙部与所述销座的支撑部分限定。从活塞沿其进行往复运动的中心纵轴线来看，所限定的底壁表面具有一个开放暴露的表面积，提供了一个扩展区域，飞溅或喷射的油可以与其直接接触，从而增强使用中活塞的冷却。通过在销座上部区域延伸的通道可以进一步减轻重量并且促进冷却。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年3月23日提交的第62/136,948号美国临时申请和于2016年3月22日提交的第15/077,168号美国实用新型申请的权益，其全部内容通过引用并入本案。

技术领域

本发明总体涉及内燃机并且更具体地涉及其活塞。

背景技术

发动机制造商面临提高发动机效率和性能的不断增长的需求，包括但不限于改善燃料经济性，减少油耗，改进燃料系统，增加压缩负荷和缸膛内的工作温度，减少经过活塞的热损失，改善部件的润滑，减轻发动机的重量以及使发动机更加紧凑，同时降低制造相关成本。在期望提高燃烧室内的压缩负荷和操作温度的同时，实现这些目标却需要有权衡，即需要将活塞的结构完整性和温度维持在可行的限度内，并且因此，这些期望的“增加”限制了降低活塞的压缩高度，以及总体活塞尺寸和质量的程度。对于具有一种环形冷却廊道的典型活塞结构尤其麻烦，包括一种封闭或基本封闭的环形冷却廊道，其通常被认为是将活塞的工作温度保持在可行限度所必需的。此外，由于将上部和下部结合在一起的工艺包括连接和精加工工艺，因此在制造将上部和下部沿接头结合在一起形成环形冷却廊道的活塞时，通常会增加制造成本。

根据本发明构造的活塞具有所期望的优势，其中包括坚固、重量轻、封套和压缩高度减小，同时克服了已知活塞结构的上述缺点和其他缺点，对于本领域的技术人员而言在阅读本公开和查看附图后将更加明显。

发明内容

根据本发明构造的活塞被构造为一个单件整块钢，由此为活塞提供了增强的强度和耐久性以承受增加的压缩负荷和汽缸内的温度，例如在现代高性能发动机气缸内产生的负荷和温度。此外，由于活塞新型的单件结构，因无需采用将活塞上部和下部连接在一起的典型工艺，从而将活塞的相关制造成本降低，此外，与具有环形、封闭或基本封闭的冷却廓道的活塞相比，在根据本发明构造的活塞中，封套、包括压缩高度(CH，定义为在销孔轴和上顶部燃烧表面之间延伸的距离)和活塞重量能够显著减小，主要是因为活塞中不再存在环形冷却廊道以及典型的环形底板，其通常用于限定平行于销孔轴线在相对的销座之间延伸的封闭冷却廊道部分的下表面。因此，使用根据本发明构造的活塞可使发动机的制造更加紧凑、重量轻并且节约燃料。此外，在根据本发明构造的活塞中，由于存在一个通常在销座之间延伸的开放暴露的底壁表面积，因此增强了将直接来自发动机喷嘴的油直接引导至并撞击底壁表面的能力，如通常沿纵向中轴线观察活塞底部所看到的。此外，根据本发明构造的活塞可以减少活塞销与销孔的支承表面之间以及活塞销与延伸穿过一个连杆的一个小端的支承表面之间的单元负荷，同时增强了销接头的润滑能力。此外，根据本发明构造的活塞显示出期望的一种裙部变形增加以及一种缸套变形减小，由此实现优化的活塞环性能以及更少的机油“漏油”(本领域众所周知的燃烧气体通过压缩环的术语)。而且，根据本发明构造的活塞由于把新鲜来源的油持续引导至紧邻环带区的开放暴露的底壁区域，因此显示出冷却活塞环带区的加强能力，进一步增强了活塞环在延长的使用寿命中按预期发挥作用的能力。