用于具有耐高温的冠部件的内燃机的活塞制造技术

一种用于内燃机的活塞包括复合活塞体，其具有由周向焊接结合至裙部件的冠部件。该裙部件是由诸如低合金钢的耐低温钢形成，且该冠部件是由具有马氏体微观结构并且含有约10wt.％或更多的铬的耐高温钢形成。还公开了一种用于制造活塞的相关方法。

A piston for an internal combustion engine with a high temperature resistant crown component

A piston for an internal combustion engine consists of a composite piston body with a circumferential welding combined with a crown part of the skirt parts. The skirt component is formed by low temperature steel such as low alloy steel, and the crown component is formed by high temperature steel with martensite microstructure and containing about 10wt.% or more chromium. A related method for the manufacture of a piston is also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
用于具有耐高温的冠部件的内燃机的活塞
本专利技术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由不同材料形成并且改进耐温能力的冠部件和裙部件的复合活塞体。专利技术背景从内燃机领域已知有许多不同的操作策略和部件设计。与诸如燃料供应、废气再循环、涡轮增压和可变阀致动的因素可改变以产生不同结果的方式相比，已经进行了数十年的研究和开发。除了这些和其它操作参数的变化之外，大量的研究和测试工作致力于诸如活塞的发动机部件可被塑形和成比例并且由各种材料形成的不同方式。推动燃烧科学和相关研究进展的一个动机是希望减少废气中某些排放物(诸如颗粒物质和氮氧化物或NOx)的相对量。其它动机涉及改进或优化性能、降低燃料消耗或其它目的。长期以来一直知道，发动机工作循环(通常被理解为在现场使用条件下的发动机的使用模式)可影响发动机部件执行和容忍现实世界操作的方式。工作循环也影响废气排放、燃料消耗和其它性能变量对各种可控操作参数的调整做出响应的程度和方式。某些发动机在所谓的低怠速或中等怠速条件下操作，在标准或预期的发动机工作循环中发动机速度或发动机负荷只有相对较小的变化。因而，工程师可以设计基于预期的相对稳定的操作点的发动机部件并且建立基于预期的相对稳定的操作点的操作参数和期望值。其它发动机工作循环更具动态性，其中发动机速度或发动机负荷或二者均常规地变化，有时在很大程度上变化。例如，运输机车中的柴油内燃机可将发动机速度或发动机负荷增加到等于或接近停车站或车站之间的额定发动机速度或发动机负荷，但是在机车停止以便于乘客装卸时下降到低怠速条件。可想象到，运输机车发动机在诸如温度和缸内压力的因素中经历相较快且相对较快宽的摆动。其它发动机工作循环可能会更不可预测，且发动机可在高怠速下长时间操作、在低怠速下相对较短时间操作，且接着在较高速度和负载与较低速度和负载之间迅速斜升和斜降一段时间。适应各种发动机操作和工作循环的不同模式的努力至少部分地导致了本领域中可看到的许多发动机操作策略和部件设计。对于经受相对苛刻的操作条件和特别频繁的温度摆动的某些发动机，研究和开发感兴趣的一个领域包括可耐受高温和/或强烈的热疲劳诱导条件的活塞几何形状和材料的改进。其它研究工作已经预期非常适合相对极端机械胁迫条件的活塞。Jarrett的共同拥有的第6,155,157号美国专利涉及一种由配置成在经历了增加的燃烧力的情况下增加活塞寿命的两件组成的活塞。Jarrett提出了一种具有通过惯性焊接结合在一起的头部构件和单独的裙部构件的活塞。作用在头部构件的冠部上的燃烧力被环带的支撑表面抵抗。裙部构件被视为抵抗头部构件上的燃烧力的弯矩。
技术实现思路
一方面，一种用于内燃机的活塞包括复合活塞体，其限定纵向轴线，并且包括冠部件、裙部件和将冠部件附接至裙部件的焊接点。冠部件包括具有形成在其中的燃烧碗和围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的第一轴向端部，以及包括在第一轴向方向上延伸的第一环形壁的第二轴向端部。裙部件包括具有在第二轴向方向上延伸的第二环形壁的第一轴向端部、包括活塞裙部和形成在该活塞裙部中的肘销孔的第二轴向端部。焊接点围绕纵向轴线周向延伸，并且轴向延伸在第一环形壁与第二环形壁之间。复合活塞体是由整个裙部件中的耐低温钢和整个冠部件中的耐高温钢制成。耐高温钢具有马氏体微观结构并且含有约10wt.％或更多的铬，以及铁、碳和可选合金元素的余量。另一方面，一种用于内燃机的活塞包括复合活塞体，其限定纵向轴线并且包括冠部件和裙部件。冠部件包括具有形成在其中的燃烧碗和围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的第一轴向端部。冠部件进一步包括具有在第一轴向方向上延伸的第一环形壁的第二轴向端部。裙部件包括具有在第二轴向方向上延伸的第二环形壁的第一轴向端部、包括活塞裙部和形成在该活塞裙部中的肘销孔的第二轴向端部。冠部件具有耐高温能力并且是由马氏体不锈钢制成，且裙部件具有耐低温能力并且是由低合金钢形成。活塞进一步包括焊接点，其围绕纵向轴线周向延伸并且轴向延伸在第一环形壁与第二环形壁之间以形成马氏体不锈钢和低合金钢的粘合界面，该粘合界面将冠部件附接至裙部件。在又另一方面中，一种制造内燃机的活塞的方法包括将由马氏体不锈钢形成的冠部件相对于由低合金钢形成的裙部件定位，使得冠部件的第一环形壁与裙部件的第二环形壁同轴对准。该方法进一步包括使冠部件与裙部件接触，使得冠部件的第一环形壁邻接裙部件的第二环形壁，并且将冠部件和裙部件焊接在一起以形成马氏体不锈钢和低合金钢的粘合界面，该粘合界面将冠部件附接至裙部件。附图说明图1是根据一个实施例的内燃机的部分剖面侧视图解视图；图2是适于与图1的内燃机一起使用的活塞的剖面侧视图解视图；图3是一个制造阶段处的活塞的图解视图；以及图4是另一个制造阶段处的活塞的图解视图。具体实施方式参考图1，示出了根据一个实施例的内燃机10。内燃机10(下文称为“发动机10”)可以是压缩点火柴油发动机，包括发动机壳体12和联接至发动机壳体12的发动机缸盖14。根据常规的四冲程发动机循环，多个气体交换阀16可以至少部分地定位在发动机缸盖14内，并且可以常规方式移动以允许空气进入形成在发动机壳体12中的气缸20中，并且允许从气缸20中排出废气。鉴于图1中的图示，气体交换阀16中的任一个可被理解为进气阀或排气阀。发动机10可以进一步直接喷射，并且为此目的包括定位在发动机缸盖14内并延伸至气缸20中以便在其中直接喷射燃料的燃料喷射器18。发动机10将通常是具有4、6、8、10个或更多个发动机气缸的多缸发动机，但是图1中仅描绘了一个气缸20。形成在发动机壳体12中的多个气缸中的每一个可以与至少一个进气阀和至少一个排气阀以及燃料喷射器相关联。在其它实施例中，可能使用孔口喷射设计或某个另外的燃料喷射或燃料输送策略。类似于可能是发动机10的部分的其它活塞和气缸中的任一个，活塞22可在气缸20内以一般常规方式在上止点与下止点之间移动。活塞22可以与肘销34联接，该肘销进而又以一般常规方式与联接有曲柄的连接杆36联接。活塞环38被示为定位在活塞22上。虽然图1中未示出气缸衬垫，但是本领域技术人员将明白的是，通常将使用气缸衬垫。发动机10还包括喷油器40，其以已知方式定位和定向成朝向活塞22的下侧喷射油以用于冷却和润滑目的。活塞22包括复合活塞体24，其限定纵向轴线26并且包括冠部件28、裙部件30和将冠部件28附接至裙部件30的焊接点32。本领域技术人员通常将熟悉内燃机在使用期间可经历的操作条件的范围，包括可超过12:1的压缩比以及可以定期超过500℃的发动机气缸内的温度。虽然发动机10及其中使用的部件不限于任何特定的操作策略或一组操作条件，但是本专利技术的教导可以在经历500℃以上的频繁苛刻热循环的发动机中找到有利的应用。从、下面的描述将会进一步明白，活塞22可以通过材料选择、分配和活塞配置独特地配置以容忍恶劣的操作条件，尤其是相对于上述热循环。发动机10可以是相对较大缸径发动机，其具有约150mm至约200mm且更特定地约170mm的发动机气缸直径，但是本专利技术不限于此。现在也参考图2，示出了说明附加特征的活塞22的剖视图。如上所述，活塞22、更具体地复合活塞体24可以由分离的部件(即，冠部件28和裙部件30)形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于内燃机的活塞，包括：复合活塞体，其限定纵向轴线并且包括冠部件、裙部件以及将所述冠部件附接至所述裙部件的焊接点；所述冠部件包括具有形成在其中的燃烧碗和围绕所述燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的第一轴向端部，以及包括在第一轴向方向上延伸的第一环形壁的第二轴向端部；所述裙部件包括具有在第二轴向方向上延伸的第二环形壁的第一轴向端部、包括具有形成在其中的肘销孔的活塞裙部的第二轴向端部；所述焊接点围绕所述纵向轴线周向延伸，并且轴向延伸在所述第一环形壁与所述第二环形壁之间；以及所述复合活塞体是由所述整个裙部件中的耐低温钢和所述整个冠部件中的耐高温钢形成，且所述耐高温钢具有马氏体微观结构并且含有约10wt.％或更多的铬，以及铁、碳和可选合金元素的余量。

【技术特征摘要】
2016.09.09 US 15/261,8561.一种用于内燃机的活塞，包括：复合活塞体，其限定纵向轴线并且包括冠部件、裙部件以及将所述冠部件附接至所述裙部件的焊接点；所述冠部件包括具有形成在其中的燃烧碗和围绕所述燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的第一轴向端部，以及包括在第一轴向方向上延伸的第一环形壁的第二轴向端部；所述裙部件包括具有在第二轴向方向上延伸的第二环形壁的第一轴向端部、包括具有形成在其中的肘销孔的活塞裙部的第二轴向端部；所述焊接点围绕所述纵向轴线周向延伸，并且轴向延伸在所述第一环形壁与所述第二环形壁之间；以及所述复合活塞体是由所述整个裙部件中的耐低温钢和所述整个冠部件中的耐高温钢形成，且所述耐高温钢具有马氏体微观结构并且含有约10wt.％或更多的铬，以及铁、碳和可选合金元素的余量。2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述耐高温钢含有不超过微量的镍；以及其中所述耐高温钢含有约10wt.％至约14wt.％的铬。3.根据权利要求2所述的活塞，其中所述耐高温钢含有约11.5wt.％至约13.5wt.％的铬；其中所述耐高温钢具有约10X10-6m/m/K或更小的热膨胀系数；以及其中所述耐低温钢包括低合金钢，且所述耐高温钢包括马氏体不锈钢。4.根据权利要求1所述的活塞，其中所述冠部件进一步包括第三环形壁且所述裙部件进一步包括第四环形壁，且进一步包括围绕所述纵向轴线周向延伸并且轴向延伸在所述第三环形壁与所述第四环形壁之间的第二焊接点；以及其中第一焊接点位于径向向内的位置处且所述第二焊接点位于径向向外的位置处，且油道延伸在所述径向向内的位置与所述径向向外的位置之间并且围绕所述纵向轴线周向延伸。5.一种用于内燃机的活塞，包括：复合活塞体，其限定纵向轴线并且包括冠部件和裙部件；所述冠部件包括具有形成在其中的燃烧碗和围绕所述燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的第一轴向端部，以及包括在第一轴向方向上延伸的第一环形壁的第二轴向端部；所述裙部件包括具有在第二轴向方向上延伸的第二环形壁的第一轴向端部，以及第二轴向端部，所述第二轴向端部包括活塞裙部以及形成在所述裙部件的所述第一轴向端部与所述裙部件的所述第二轴向端部之间的肘销孔；所述冠部件具有耐高温能力并且...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·波拉德，I·基扎克萨拉，H·麦克林，
申请(专利权)人：卡特彼勒公司，
类型：发明
国别省市：美国,US