[发明专利]具有第四环导槽和改良摩擦特性的钢制活塞

说明书

交叉引用

本发明要求在此引用美国在先专利申请No.61/757,996，申请日2013年1月29日，美国在先专利申请No.61/785,661，申请日2013年3月14日，其全文引入作为参考。

背景技术

本发明涉及一种金属制活塞，其在内燃机中使用，内燃机的燃料为汽油，柴油，酒精或其它可燃燃料。内燃机活塞通常由两个元件组成，裙(skirt)和顶(crown)。该顶可以包括多个环形延伸环(land)，该环从环的顶部朝向活塞裙间距布置，相邻环之间布置了凹槽，用于接收活塞胀圈(ring)。因此，活塞具有一系列可替换的环和凹槽装配到活塞的顶中。在一些活塞实施例中，裙和顶通过机械方法结合，例如，焊接。其它实施例包括铸造或机加工活塞为一个工件裙或顶。

在运转过程中，活塞容纳在内燃机的匹配汽缸(cylinder)或汽缸套(liner)内。例如油的润滑剂在活塞处于汽缸中上下移动期间最小化摩擦，活塞的一部分(例如，活塞胀圈)与汽缸壁表面滑动接触。

实际上，无论如何，在发动机运转过程中，活塞在汽缸内随着其上下垂直运动，都会承受侧向和旋转力，从而导致活塞在内燃机的汽缸或汽缸套内进行偏心运动。该偏心运动使得活塞偏离了希望得到的汽缸或气缸套内的直直垂直路径。该偏心活塞的调准可能会导致裙，活塞胀圈和环的某些部分将润滑油从汽缸壁上刮掉，各自地将油膜破损从而使得金属与金属接触。

已知的是，毗邻最上面的环处有一个环，被称作第二环，同时裙给活塞在其匹配汽缸中提供垂直导引，在发动机运转期间。在现有活塞的实施方式中，其中存在多个环，与定位在其下的环(例如，中间和底部环)相比，第二环具有较大的轴向范围(例如，更高)。另外，最多的是，在第二环和汽缸壁或汽缸套之间仅存在最少量的油膜，在发动机运转期间，仅具有有限的润滑作用，因此具有汽缸内往复运动活塞的摇摆运动的有限阻尼。

已经发展出一种引入导引环的方法，该导引环间隔布置远离燃烧热，例如底部环，该方法显著的降低了，在发动机运转期间，导致匹配汽缸中的偏心和不规则活塞运动的抑制运动力。因此，例如以油膜形式存在的润滑剂在汽缸或汽缸套壁上保持完整。金属与金属的接触和磨损，由不希望得到摩擦接触而导致的活塞能的损失，和增强的摩擦接触导致的可能温度峰值均被降低了。

减少活塞的内侧向和旋转运动，也减少了由称为活塞敲击现象产生的噪声。限制不必要的,有害的发动机活塞的运动和摩擦接触，增加发动机效率。目前披露结合几个修改活塞头和裙子,从而导致大大提高发动机的性能和效率。

根据一种示例性说明，提供了一种内燃机中使用的活塞。活塞具有中心活塞轴，和三个机加工到活塞内的环向凹槽。在每个凹槽之间是环向凸环，其通过铸造与活塞结合。更具体地，一个环定位于远离燃烧热，例如底部环，其具有更大的轴向范围(例如，更高)，与所有环相比，但是也可能最上面的环除外(例如，比第二环和中间环具有更大的范围)。该环的逐渐增大的轴向范围或高度赋予了活塞渐增的运转性能。示例性说明中的活塞裙与已知的活塞相比，可能高度或轴向范围上更短，更短的活塞裙轴向范围有利地降低了活塞的重心。关于偏心运动，重心的降低增加了汽缸内活塞的稳定性，例如在发动机运转期间，汽缸或汽缸套内侧向和旋转移动的分配方面(contributingaspect)，特别是在压缩高度(CH)较短时(例如，活塞直径的约40-60％)。

另一种示例性说明使用了底部环作为组件来限制在发动机运转期间活塞的侧向和旋转移动。在现有的活塞结构中，定位于最上面环之下的环(例如，第二环)用于活塞导引，通过将导引环功能赋予远离燃烧热的环，例如底部环，从而使其与燃烧室中的热源的距离增加了。与第二环相比，活塞的底部环暴露至更少的热量。活塞上的点距离燃烧室越近，在该点上的温度越高。环的温度越低，环可视的热膨胀的量将会越少。较少的热膨胀意味着对活塞与其匹配面之间的间隙控制越好，这是因为对于由于热导致的金属膨胀，需要考虑减少公差。现在逐渐开始需要减少在底部环和汽缸壁或汽缸套匹配面之间的间隙，并最小化不希望得到的偏心运动。

使用底部环导引另一种示例性效果为流体动力学方面，其中正位于导引环上方的护油环(OCR)将汽缸壁或汽缸套上的残留油直接刮擦到底部环和匹配汽缸表面(例如，汽缸套)之间的空隙。该油垫避免了粗糙面接触，并因此改善了摩擦。

附图说明