[发明专利]带有非对称上部燃烧表面的活塞及其制造方法

说明书

无通道活塞和构造方法提供了由单片材料锻造的活塞体，该活塞体具有围绕纵向中心轴线延伸的上部燃烧表面，该活塞沿着该纵向中心轴线往复运动，以暴露到内燃机的燃烧室。该上部燃烧表面具有相对于中心平面的非对称几何形状，该中心平面沿中心纵向轴线延伸，与销孔轴线大体垂直。

相关申请的交叉引用

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。

技术领域

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。

发明内容

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。