CN114483360A - 在沉积物敏感区域中具有平滑外冠部表面的活塞 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的活塞，包括活塞冠部，该活塞冠部具有冠部外表面，冠部外表面形成与活塞环槽轴向交替的活塞平台，活塞环槽与活塞平台一起限定沉积物敏感区域。使冠部外表面平滑化至0.0002毫米或更小的平均粗糙度(Ra)，并细化至0.000125的镜面光洁度Ra，以抑制沉积物敏感区域的至少一部分内的沉积物形成和/或粘附。

Description

在沉积物敏感区域中具有平滑外冠部表面的活塞
技术领域
本发明总体上涉及一种用于内燃机的活塞，并且更具体地涉及一种具有选择性地平滑的表面以抑制沉积形成和/或粘附的活塞。
背景技术
内燃机采用一个或多个活塞，所述活塞定位在燃烧汽缸中并且可通过汽缸内的受控燃烧反应而移动以使曲轴旋转。多年来已经提出了与燃烧过程相关的许多不同的燃料供给、温度和压力控制策略。例如，燃料可以直接喷射到汽缸中，端口喷射、或熏蒸到进气气流中。在直接喷射的内燃机的情况下，通常以液态烃燃料、例如柴油馏分燃料运行，燃料喷雾通常被引导到燃烧碗中，以努力将燃烧过程限制在燃烧碗中，尽管在一些情况下，喷射的燃料可以被引导或溢出到活塞的边缘上并润湿通常由汽缸套形成的汽缸壁。这些和其它操作和/或燃料供给策略被用于各种目的，包括排放减轻、效率优化和其它。提供发动机油流，用于在汽缸壁与活塞和活塞环之间分配，以润滑界面。
在几乎所有的发动机中，特别是在柴油发动机中，不管操作和燃料供给状况如何，通常都会在部分活塞上产生沉积物积聚。特别是在活塞和活塞环的面向汽缸壁的部分上可以观察到沉积物。在动态燃烧环境中，诸如上述的燃料输送策略的变化，或对期望的操作参数的扰动会使得沉积物形成相对难以预测和减轻。此外，例如，与排放和效率有关的目标经常优先于沉积物减少，即使在了解或怀疑沉积物积累的机制的情况下。燃料质量和燃料类型的变化可进一步影响沉积物形成的方式和程度。
工程师先前已经用机械沉积物管理技术(例如沉积物刮削器)进行实验，以努力管理此类沉积物的形成。过多的活塞沉积物会干扰润滑油分布，增加油耗，并导致或加剧称为“漏气”的现象，其中燃烧气体通过活塞环和汽缸壁之间的间隙逸出汽缸。在EP 3043054A1中提出了活塞沉积物减轻努力的一个示例，并且提出了一种碳刮擦套环，该碳刮擦套环明显有助于从燃烧表面上刮掉不希望的沉积物。
发明内容
在一个方面，用于内燃机的活塞包括活塞主体，该活塞主体具有限定活塞中心轴线的活塞冠部和连接到活塞冠部的活塞裙部。活塞裙部包括裙部外表面和裙部内表面。活塞冠部包括冠部外表面，以及由环形外缘表面和环形外缘表面径向向内的燃烧碗表面形成的燃烧面。冠部外表面形成与多个活塞环槽轴向交替的多个活塞平台，活塞平台和活塞环槽一起限定沉积物敏感区域。裙部外表面或裙部内表面中的至少一个具有0.002毫米或更大的粗糙数(Ra)，并且冠部外表面在沉积物敏感区域的至少一部分内被平滑至0.0002毫米或更小的Ra。
在另一个方面，用于内燃机的活塞包括活塞主体，该活塞主体具有限定活塞中心轴线的活塞冠部和连接到活塞冠部的活塞裙部。活塞冠部包括冠部外表面，以及由环形外缘表面和环形外缘表面径向向内的燃烧碗表面形成的燃烧面。冠部外表面形成与多个活塞环槽轴向交替的多个活塞平台，活塞平台和活塞环槽一起限定沉积物敏感区域。活塞冠部全部由活塞主体材料形成，所述活塞主体材料具有在活塞冠部内变化的暴露表面平滑度和在沉积物敏感区域的至少一部分内0.0002毫米或更小的平均粗糙度(Ra)。
在又一方面，一种制备用于在内燃机中使用的活塞的方法包括接收活塞的活塞主体，该活塞包括活塞冠部，所述活塞冠部限定了活塞中心轴线并且具有围绕所述活塞中心轴线圆周地延伸并且由贯穿所述活塞冠部延伸的暴露的活塞主体材料形成的冠部外表面。该方法进一步包括通过在所述活塞主体的沉积物敏感区域中去除或变形暴露的活塞主体材料中的至少一种，来减小所述活塞冠部的表面粗糙度，所述沉积物敏感区域是由多个活塞平台和多个活塞环槽限定的，每个活塞环槽由所述冠部外表面形成。该方法还包括基于将表面粗糙度减小到比所述活塞主体的沉积物不敏感区域中的平滑度更平滑至少一个数量级的沉积物抑制平滑度，来增加所述暴露的活塞主体材料的平滑度。
附图说明
图1是根据一个实施方案的内燃机的部分截面侧视简图；
图2是根据一个实施方案的活塞的截面侧视简图，包括详细放大图；
图3是根据一个实施方案的处于加工阶段的活塞的示意图。
图4是根据一个实施方案的处于另一加工阶段的活塞的示意图。
图5是根据本发明的活塞在内燃机中使用之后的扫描图像；
图6是填充有沉积物测量的图5的活塞的扫描图像的视图；
图7是已知设计的活塞在内燃机中使用后的扫描图像；以及
图8是填充有沉积物测量的图7的活塞的扫描图像的视图。
具体实施方式
现在参见图1，示出了根据一个实施方案的内燃机10。内燃机10包括汽缸体12和连接到汽缸体12的发动机缸盖14。进气管道16以及排气管道18形成在发动机缸盖14中。进气阀20是可移动的，以控制形成在汽缸体12中的进气管道16和燃烧汽缸26之间的流体连通。排气阀22可移动以控制汽缸26和排气管道18之间的流体连通。所示的燃料喷射器24支撑在发动机缸盖14中，并定位成将液体燃料直接喷射到汽缸26中。发动机10还包括连杆28，该连杆与定位在汽缸26内的活塞30联接，并可操作成以通常传统的方式转动曲轴。内燃机10可包括可基于液态烃燃料(例如液态柴油馏分燃料)操作的压燃式发动机。也可以使用其它燃料和燃料混合物，如生物柴油。汽缸26可以是任何适当布置的任何数量的汽缸中的一个，例如V形图案、直列式图案或另一种。如将从以下描述中进一步清楚的，活塞30可以被构造成减少或消除其上的沉积物(如碳或碳化材料)的形成和/或粘附。
活塞30包括活塞主体32，活塞主体具有限定活塞中心轴线35的活塞冠部34。活塞主体32还包括连接到活塞冠部34的活塞裙部36。活塞冠部34和活塞裙部36可以由通过任何合适的工艺(例如摩擦焊接工艺)附接的分开的零件形成，尽管均匀的单件式活塞落入本发明的范围内。活塞裙部36包括裙部外表面38和裙部内表面40，在图1的视图中被遮蔽。活塞销孔44形成在活塞裙部36中，并支撑以通常传统方式将连杆28连接到活塞30的活塞销42。
现在参考图2，活塞冠部34包括冠部外表面46，以及由环形外缘表面58和环形外缘表面58径向向内的燃烧碗表面60形成的燃烧面48。燃烧碗表面60形成燃烧碗62。活塞冠部34和活塞裙部36还可包括形成廊道64的廊道表面65，廊道通常具有一个或多个向下开口的口或类似物，以接收从传统喷油器向上喷射的冷却和润滑油的喷雾，以及排放口。
冠部外表面46形成多个活塞平台，包括顶平台66、第二平台68和第三平台70。活塞平台66、68、70与也由冠部外表面46形成的多个活塞环槽轴向交替。多个活塞环槽可以包括顶环槽72、第二环槽74和第三或底环槽76。具有其它数量的活塞平台和/或活塞环槽的活塞在本发明的范围内。多个活塞平台和多个活塞环槽每个都围绕活塞中心轴线35周向延伸，并且一起限定沉积物敏感区域82。
在实际的实现策略中，活塞冠部34在整个活塞主体材料中形成。活塞裙部36也可以由相同的活塞主体材料形成。包括活塞冠部34和活塞裙部36的活塞主体32可以铸造、锻造或通过另一种合适的工艺(例如增材制造工艺)形成。活塞主体材料可以是铁、钢、不锈钢、铝或各种其它金属和合金。如上所述，活塞30适于抑制某些沉积物的形成和/或粘附。
为此，冠部外表面46可在沉积敏感区82的至少一部分内被平滑至0.0002毫米(0.20微米)或更小的平均粗糙度(Ra)。根据另一特征，冠部外表面46可被平滑至11微英寸或更小的均方根(RMS)粗糙度。在一个改进中，冠部外表面46在沉积物敏感区域82的主体部分内被平滑到Ra为0.00015毫米或更小，并且在另一个改进中被平滑到镜面光洁度Ra为0.000125毫米或更小。
冠部外表面46的主体部分的平滑度被认为是限制或取决于使用条件，潜在地消除其上沉积物的形成和/或粘附。在一些实施例中，整个冠部外表面46的平滑度可为0.0002毫米或更小、0.00015毫米或更小、或0.000125毫米或更小的Ra。已经观察到，相对于活塞主体32的沉积物不敏感区域，沉积物敏感区域82的至少一部分的增加的平滑度可以提供关于沉积物形成和/或粘附的一些改进。“增加的”平滑度是指相对于给定标准，例如目标表面的起始粗糙度或未被如此平滑的另一表面的粗糙度，降低的粗糙度平均值Ra、降低的RMS粗糙度、或通过一些其它量度降低的粗糙度。
在一些实施方式中，少于全部的冠部外表面46和少于全部的沉积物敏感区域82可因此被平滑。例如，在一个实施例中，顶平台66被平滑到0.0002毫米或更小的Ra，或者平滑到或小于这里列出的更平滑的Ra值之一。在另一个实施例中，冠部外表面46在每个顶平台66、第二平台68和第三平台70内被平滑至0.0002毫米或更小的Ra，或者平滑至或小于在此列出的更平滑的Ra值之一。结合活塞环平台66、68和70中的一个或多个的平滑，或独立地，活塞环槽72、74和76中的至少一个可被平滑到0.0002毫米或更小的Ra，或平滑到或小于这里列出的更平滑的Ra值之一。
如上所述，一些活塞主体32，包括一些活塞冠部34可以比活塞主体32和/或活塞冠部34的其它部分相对更光滑。因此，形成活塞冠部34的活塞主体材料可具有在活塞冠部34内变化的暴露表面平滑度，例如在燃烧面48上具有与沉积敏感区82内的活塞冠部外表面34上的平滑度不同的平滑度。在一种实施方式中，裙部外表面38或裙部内表面40中的至少一个可具有0.002毫米或更大的Ra，其中活塞主体材料具有暴露的表面平滑度，该表面平滑度在沉积物敏感区域82中是最光滑的，并且在沉积物敏感区域82与裙部外表面38或裙部内表面40或活塞主体32的另一个较不光滑的表面之间变化至少一个数量级。换言之，在沉积物敏感区域82的至少一部分内，冠部外表面34可比活塞冠部32和/或活塞裙部36的其它表面光滑至少十倍。裙部外表面38或裙部内表面40可以是或包括活塞主体32的沉积物不敏感区域，其中沉积物形成和/或粘附不太可能或根本观察不到。燃烧面48也可以是或包括活塞主体32的沉积物不敏感区。
图2包括一个详细的放大图，示出了形成顶平台66的暴露的活塞主体材料，以及另一个详细的放大图，示出了裙部外表面38的暴露的活塞主体材料。至少在显微镜下，可以预期形成各个表面的活塞主体材料的平滑度的差异是可观察到的。在裙部外表面38上的加工痕迹可能是模糊的，但在使用光学显微镜的放大下可见并具有明显的方向。在顶平台66上，在光学显微镜放大倍数下，加工标记可以是可见的，但表观方向可以是不可见的。
现在参考图3，示出了活塞30，其可能出现在由处理单元100中的夹具102支撑的加工阶段。工具104，例如磨轮，如图所示，其可以与冠部外表面34接触，并且可以沿着冠部外表面34和沿着裙部外表面38大致轴向地移动。工具104可用于去除或变形活塞主体32的暴露的活塞主体材料，以获得包括Ra的特定表面纹理。还参考图4，示出了仍然由处理单元100中的夹具102支撑的活塞30，并且现在示出为其可以与仅用于去除或变形冠部外表面34的沉积物敏感区82中暴露的活塞主体材料的不同工具106一起出现。因此，工具104可用于图3所示的加工活塞冠部34和活塞裙部36的阶段。工具106可用于仅活塞冠部34的后续加工以实现所需的平滑度，如本文所述。可以设想，包括抛光或磨光工具或其它工具的工具106可以去除所有活塞平台66、68和70中的暴露的活塞主体材料或使暴露的活塞主体材料塑性变形，并且还可能使活塞环槽72、74和76中的暴露的活塞主体材料塑性变形，但不用于加工活塞裙部36。所属领域的技术人员将了解，可使用各种不同的工具、技术和不同的处理单元、夹具或其它设备和技术。为了在沉积敏感区82中获得所需的Ra，可以抛光、电抛光、激光抛光或通过其它已知技术(如所谓的超级机械加工)来处理冠部外表面34。因此，工具106可以具有各种形式。
在采用各种可能技术中的任一种的实际实施策略中，可以接收活塞体32以在图3和图4所示的阶段中进行加工，该阶段已经例如通过铸造或锻造产生的基本形状以及粗加工具有基本形状，然后产生所需的平滑度。处理活塞主体32将包括通过去除或变形沉积物敏感区82中暴露的活塞主体材料中的至少一种来减小活塞冠部34的表面粗糙度，以及基于表面粗糙度的减小将暴露的活塞主体材料的平滑度增大到比活塞主体32的沉积物不敏感区中的平滑度至少平滑一个数量级的沉积物抑制平滑度。例如，沉积物抑制平滑度可以是0.0002毫米或更小的Ra。如上所述，活塞主体32的沉积物不敏感区域可包括裙部外表面38，或例如另一表面。活塞主体32还可以包括一个或多个铸态表面或一个或多个锻造态表面，其粗糙度可以大于沉积物敏感区域82中的冠部外表面34一个数量级，例如多个数量级。例如，裙部内表面40可以是铸态或锻造态，通道表面65可以是铸态或锻造态。
工业实用性
根据本发明确定什么表面呈现用于平滑的合适的或最佳的目标可以通过模拟或凭经验确定，例如通过观察在内燃机中使用之后在活塞上形成的沉积物的位置。可以设想，诸如燃料喷射角度、燃烧温度和/或工作温度范围、润滑油流量、冷却剂流量、工作循环、燃料类型和/或质量之类的因素以及许多其它因素可以影响任何特定活塞所经受的地层位置和沉积物载荷。经验观察还可以帮助确定冠部外表面的什么部分，例如整个冠部外表面，或仅一个平台，一个活塞环槽，多个平台和多个槽，或一些其它组合，应当作为平滑的目标以抑制或减轻沉积物形成和/或粘附。预期本发明可应用于新制造的活塞以及从内燃机的使用中移除的再制造的活塞。
现在参见图5，示出了根据本发明的活塞30，如它在内燃机中服务之后可能出现在扫描图像中，其中该扫描图像示出了在顶平台66上以及其他地方的沉积物110的相对位置和厚度。以毫米为单位的刻度以附图标记120示出。图6包括顶平台66、顶部环槽72和第二平台68的一部分的第一图像150，其中在若干点处填充有沉积厚度测量值，如可以用于计算平均沉积厚度。沉积厚度测量以数字151、153、155和157示出，以毫米为单位的沉积厚度刻度以159示出。图6还包括由最大活塞沉积物厚度的测量值(包括测量值161和测量值163)以及165处的以毫米为单位的沉积物厚度标度构成的图像160。
现在参考图7，示出了根据已知设计的活塞230，其具有顶平台266和其上的沉积物310。在320处示出了以毫米为单位的沉积厚度尺度。图8示出了可以用于计算平均沉积厚度的沉积厚度测量值351、353、355和357的图像350。在359处，以毫米为单位示出沉积厚度尺度。图8还包括填充有最大沉积厚度测量值361和363以及沉积厚度标度365的另一图像360。
图5和图6中所示的活塞和数据代表了根据本发明的活塞的实际测试数据，其中，在柴油发动机中使用之后，顶平台66被平滑到0.000125毫米或更小的镜面光洁度Ra。如图7和8所示的活塞230表示已知设计的实际测试数据，在该已知设计中，顶平台266被常规地平滑，例如达到0.0002毫米或更大的Ra，并且在柴油机中使用之后，基本上与活塞30相同。通过将图5和图6的图像与图7和图8的图像进行比较可以看出，活塞30经历了相对较小的平均厚度，较小的最大厚度和总体较小的沉积物空间覆盖率。活塞30中的累积总量可以比活塞230中的累积总量少60％以上。
本说明书仅用于说明目的，并且不应解释为以任何方式缩小本发明的宽度。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的完整和公平的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过阅读附图和所附权利要求书，其它方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所用，冠词“一(a/an)”旨在包括一个或多个项目，并且可与“一个或多个”互换使用。在仅意指一个项目的情况下，使用术语“一个”或类似语言。此外，如在此使用的，术语“具有(has/have/having)”等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。

Claims (11)

1.一种用于内燃机的活塞，其包含：
活塞主体，其包括限定活塞中心轴线的活塞冠部，以及附接到所述活塞冠部的活塞裙部；
所述活塞裙部包括裙部外表面和裙部内表面；
所述活塞冠部包括冠部外表面，以及由环形外缘表面和所述环形外缘表面径向向内的燃烧碗表面形成的燃烧面；
所述冠部外表面形成与多个环槽轴向交替的多个活塞平台并且一起限定沉积物敏感区域；
所述裙部外表面或所述裙部内表面中的至少一个具有0.002毫米或更大的粗糙度数值(Ra)；并且
所述冠部外表面在所述沉积物敏感区域的至少一部分内被平滑至0.0002毫米或更小的Ra。
2.如权利要求1所述的活塞，其中，所述多个活塞平台包括顶平台、第二平台和第三平台，并且所述冠部外表面在所述顶平台内被平滑至0.0002毫米或更小的Ra。
3.如权利要求2所述的活塞，其中，所述冠部外表面在所述顶、第二和第三平台中的每一个内被平滑至0.0002毫米或更小的Ra。
4.如前述任一项权利要求所述的活塞，其中，所述冠部外表面在所述沉积物敏感区域的所述部分内被平滑至0.00015毫米或更小的Ra。
5.如前述权利要求中任一项所述的活塞，其中，所述冠部外表面在所述沉积物敏感区域的所述部分内被平滑至0.000125毫米或更小的镜面光洁度Ra。
6.一种用于内燃机的活塞，其包含：
活塞主体，其包括限定活塞中心轴线的活塞冠部，以及附接到所述活塞冠部的活塞裙部；
所述活塞冠部包括冠部外表面，以及由环形外缘表面和所述环形外缘表面径向向内的燃烧碗表面形成的燃烧面；
所述冠部外表面形成与多个活塞环槽轴向交替的多个活塞环平台，并共同限定沉积物敏感区域；并且
所述活塞冠部全部由活塞主体材料形成，所述活塞主体材料具有在所述活塞冠部内变化的暴露表面平滑度和在所述沉积物敏感区域的至少一部分内0.0002毫米或更小的平均粗糙度(Ra)。
7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中
所述活塞裙部是遍及所述活塞主体材料形成的并且包括裙部内表面和裙部外表面；
所述活塞主体材料具有暴露的表面平滑度，所述表面平滑度在所述沉积物敏感区域中是最光滑的，并且在所述沉积物敏感区域与所述裙部外表面或所述裙部内表面中的至少一个之间变化至少一个数量级。
8.如权利要求6或7所述的活塞，其中，所述活塞主体材料在包括所述多个活塞平台中的至少一个的所述沉积物敏感区域的一部分内具有0.0002毫米或更小的Ra。
9.一种制备用于在内燃机中使用的活塞的方法，其包含：
接收所述活塞的活塞主体，所述活塞主体包括活塞冠部，所述活塞冠部限定了活塞中心轴线并且具有围绕所述活塞中心轴线圆周地延伸并且由贯穿所述活塞冠部延伸的暴露的活塞主体材料形成的冠部外表面；并且
通过在所述活塞主体的沉积物敏感区域中去除或变形暴露的活塞主体材料中的至少一种，来减小所述活塞冠部的表面粗糙度，所述沉积物敏感区域是由多个活塞平台和多个活塞环槽限定的，每个活塞环槽由所述冠部外表面形成；并且
基于将表面粗糙度减小到比所述活塞主体的沉积物不敏感区域中的平滑度更平滑至少一个数量级的沉积物抑制平滑度，来增加所述暴露的活塞主体材料的平滑度。
10.如权利要求9所述的方法，其中，
平滑度的增加包括将平滑度增加到0.000125毫米或更小的镜面光洁度Ra；并且
表面粗糙度的减小包括减小形成至少一个所述活塞平台的暴露的活塞主体材料的表面粗糙度。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，
所述表面粗糙度的减小包括减小形成至少一个所述活塞环槽的暴露的活塞主体材料的表面粗糙度；并且
所述表面粗糙度的减小包括减小形成所有活塞平台的暴露的活塞主体材料的表面粗糙度。
CN202111335179.2A 2020-11-12 2021-11-11 在沉积物敏感区域中具有平滑外冠部表面的活塞 Pending CN114483360A (zh)

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