CN102510963B - 低导热系数活塞及其构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种活塞及其构造方法。该活塞包括上冠部和下冠部，上冠部具有上燃烧表面且顶部从该上燃烧表面下垂，下冠部具有一对销座以提供一对横向间隔开、轴向对齐的销孔。上冠部由导热系数约在7-25W/m-K范围内的第一材料一体形成。下冠部由导热系数高于上冠部的低等级钢材构造。上冠部与下冠部直接相连，其中上冠部作为阻热物，因此，在容纳有作往复运动的活塞的燃烧室内的热量被保存并最大化。

Description

低导热系数活塞及其构造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年8月6日提交的美国临时申请序列号No.61/231,783的权益，其通过引用整体合并入此处。
技术领域
本发明涉及内燃机，尤其涉及活塞及其构造方法。
现有技术
发动机制造商面临着不断增长的提高发动机效率和性能的需求，包括但不仅限于，改善耗热率、改善燃料燃烧、减少耗油量及提高废气温度以便车内热量的后续使用。为了实现上述目的，需要提高发动机燃烧室内的运行温度。然而，在期望提高燃烧室内温度的同时，还必须让活塞保持在可工作温度。通过在燃烧室内将活塞保持在可工作温度，控制活塞顶部(upper land)上积炭的产生，从而提高发动机的运行效率。因此，虽然期望提高燃烧室内的温度，但需要权衡燃烧室温度的提高可能导致活塞的总体温度上升，尤其是顶部区域温度上升。
人们已经做出了一些尝试以制造能够提高燃烧室运行温度的活塞。一种已知的尝试是给金属活塞涂上陶瓷涂层。然而，这样的活塞一般会出现使其不适合使用的强度、耐久性和加工问题。其它尝试包括使用铬含量为4-6％且导热系数约为33W/m-K的中等不锈钢，虽然其在某种程度上是有用的，但是这些尝试并没有对导热系数进行必要的降低以实现并维持期望的运行温度的升高。
根据本发明构造的活塞克服了包括与陶瓷涂层有关的现有活塞构造的缺陷。因此，根据本发明构造的活塞有利于提高燃烧室温度，进而提高运行效率，同时具有高强度和耐久性，而且抑制了积炭的可能性。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种活塞包括上冠部以及与上冠部直接焊接的下冠部，该上冠部具有上燃烧表面且顶部从该上燃烧表面下垂。该下冠部具有一对从上冠部下垂的销座以提供一对横向间隔开、轴向对齐的销孔。该上冠部由导热系数约在7-25W/m-K范围内的第一材料一体形成。下冠部由导热系数高于上冠部的低等级钢材构成。这样，上冠部就作为阻热物，因此，在容纳有在其中作往复运动的活塞的燃烧室内的热量被保存并最大化。于是，通过提高用于下游发动机应用的废气温度、改善燃油经济性、促进燃料完全燃烧以及抑制活塞顶部的积炭的形成来增强发动机的运行效率和整体性能。
根据本发明的另一个方面，在使用中燃烧室内的温度保持在约300摄氏度以上，该温度已被确认基本为积炭停上的上限温度。
根据本发明的另一个方面，高等级不锈钢材料的导热系数约在7-25W/m-K范围内。
根据本发明的另一个方面，上冠部由铬含量约为11.5-13.5wt％且导热系数约为23W/m-K的400系列不锈钢构成。
根据本发明的另一个方面，上冠部由铬含量约为15-18wt％且导热系数约为13W/m-K的600系列不锈钢构成。
根据本发明的另一个方面，上冠部由导热系数约为7.8W/m-K的钛构成。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于内燃机的活塞的构造方法。该方法包括由导热系数约在7-25W/m-K范围内的第一材料一体形成上冠部，以及将上冠部构造成具有上燃烧表面且顶部从该上燃烧表面下垂，该顶部具有至少一个环形环槽以容纳活塞环。另外，该方法包括用导热系数高于上冠部的低等级不锈钢合金材料构造下冠部，该下冠部具有一对销座以提供一对横向间隔开、轴向对齐的活塞销孔。进一步地，直接将下冠部与上冠部焊接。
附图说明
结合下文详细描述的优选实施方案、最佳实施例、附加权利要求和附图，本发明在所述的或者其它方面的特性和优点将更加容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个方面构成的活塞的局部透视图；
图2是沿图1中活塞的销孔轴剖开的横断面图。
具体实施方式
详细的参阅附图，图1和图2示出了根据本发明一优选实施方案构造以用于在内燃机缸膛或者燃烧室(未示出)内往复运动的活塞组件，以下简称为活塞10，该内燃机可以是重型柴油发动机。活塞10包括通过浇铸、锻造或者其它工艺构造的本体12，该本体12沿中心纵轴14延伸，活塞10沿该中心纵轴14在缸膛内往复运动。本体12包括与下冠部18相连的上冠部16。下冠部18有一对从上冠部16下垂的活塞销座20以提供横向间隔排列的、沿销孔轴24对齐的销孔22，该销孔轴24大致垂直于中心纵轴14延伸。销座20通过支撑件28与横向间隔排列的裙部26连接。裙部26隔着销孔轴24相对两侧彼此相对间隔开，并且具有凸起的外表面以配合缸膛，当活塞10在缸膛中往复运动时将活塞10保持在期望的方向。上冠部16由第一材料一体形成，而下冠部18由与第一材料不同的第二材料与上冠部16分开形成。第一材料的导热系数低于第二材料，以下称第一材料具有“低”导热系数，这里的“低”表示约在7-25W/m-K的范围。这样，上冠部作为热量从上冠部16向下冠部18传递时的阻热物，从而将位于上冠部16上方的缸膛内产生的热量基本维持在缸膛内，进而改善燃料燃烧、减少积炭的形成、提高废气的温度及反过来增强发动机的运行性能。
这里示出的活塞10的上冠部16具有上燃烧表面30，一燃烧碗32凹入该燃烧表面30以给缸膛提供所需气流。一外壁33包括顶部34和环带36从上表面30向下延伸到外自由端40，至少一个环形环槽38形成于环带36中以浮动地容纳活塞环(未示出)。环形内肋41从燃烧碗32的下表面下垂到内自由端42，其中内肋在外自由端40的下方延伸。因此，外壁33和内肋41形成环形的上外槽部43。根据本申请的优选实施方式，上冠部16由一种高等级不锈钢材料构成，即铬含量约为11.5-13.5wt％且导热系数约为23W/m-K的400系列不锈钢构成。根据本申请的另一个优选实施方式，上冠部16由另一种高等级不锈钢材料构成，即铬含量约为15-17.5wt％且导热系数约为13W/m-K的600系列不锈钢构成。根据本申请的义一个优选实施方式，上冠部16由导热系数约为7.8W/m-K的钛构成。
在此作为示例而非限制，下冠部18通过锻造工艺与上冠部16分开构造，然后通过直立的环形外肋自由端44和直立的环形内肋自由端46与上冠部16相连，形成环形的下外槽部47。上、下冠部16、18在此示为通过摩擦焊接或者分别跨接外自由端40、44和内自由端42、46形成的其它合适类型的焊缝45连接在一起。因此，在上、下冠部16、18之间就由面对面的槽部43、47形成基本封闭的外油槽48，而在燃烧碗32中央部分下方销孔22上方形成开放的内槽50。应该理解，根据本发明构造的活塞10可以具有其它方式形成的上下冠部，例如具有不同的油槽构形。下冠部18由合适的经济的材料构造，最好是经济的金属材料，例如低等级合金钢，如4140H，或者微合金钢。
在工作中，由“低”导热系数的钢材构造的上冠部16作为上燃烧表面30上方的缸膛内的热量在热传递时的阻碍物。因此，上冠部16尤其是顶部34区域作为绝缘散热片，顶部从而在使用过程中将顶部34的温度提高到约300摄氏度以上。于是，顶部34上的积炭最小化，因此，不会妨碍放置在环槽38内的环或者多个环(未示出)相对缸壁形成密封。已经确定的是积炭通常发生在约200-300摄氏度之间，300摄氏度以上碳将被烧掉，因此不会积聚在顶部34上。于是，可以通过确保顶部维持在300摄氏度或者300摄氏度以上来抑制碳的积聚。另外，通过抑制从上冠部16向下的热传递，提高了废气的温度，从而提供可用于发动机其它操作——例如涡轮复合的附加能源。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于内燃机的活塞10的构造方法。该方法包括由导热系数约在7-25W/m-K范围内的第一材料一体形成上冠部16，且将上冠部16构造成具有上燃烧表面30且顶部34从上燃烧表面30下垂，该顶部34构造成具有至少一个用于容纳活塞环(未示出)的环形环槽38。该方法进一步包括用铬含量约为11.5-13.5wt％且导热系数约为23W/m-K的高等级不锈钢、铬含量约为15-18wt％且导热系数约为13W/m-K的高等级不锈钢或导热系数约为7.8W/m-K的钛构造上冠部16。该方法进一步包括用低等级合金钢材料构造下冠部18，例如铬含量约为1wt％且导热系数约为43W/m-K的合金钢，形成的下冠部18的导热系数高于上冠部16。进一步地，该方法包括构造具有一对销座20的下冠部18，该销座20提供一对横向间隔排列、轴向对齐的销孔22。然后，可以通过例如摩擦焊接工艺将下冠部18与上冠部16直接焊接，其中将上冠部16的下垂的外壁33和下垂的内肋41分别焊接到下冠部18的直立的环形外肋自由端44和直立的环形内肋自由端46以形成基本上封闭的外槽48。
显然，本发明在上文描述的启示下还可以有多种修改和变形。因此，应该理解，在权利要求保护的范围内，本发明还可以除上文描述的具体实施方案以外的其它方式实施。

Claims (9)

1.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，包括：
上冠部，由导热系数在7-25W/m-K范围内的400系列或600系列不锈钢一体形成的，所述上冠部具有上燃烧表面且顶部从该上燃烧表面下垂，所述顶部具有至少一个环形环槽以容纳活塞环；以及
下冠部，与所述上冠部直接焊接，所述下冠部由导热系数高于所述上冠部的低等级钢合金材料构成，所述下冠部具有形成一对横向间隔开、轴向对齐的销孔的一对销座。
2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述400系列不锈钢的铬含量为11.5-13.5wt％且导热系数约为23W/m-K。
3.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述600系列不锈钢的铬含量为15-18wt％且导热系数约为13W/m-K。
4.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述下冠部的铬含量约为1wt％且导热系数约为43W/m-K。
5.一种用于内燃机的活塞的构造方法，其特征在于，包括：
由导热系数在7-25W/m-K范围内的400系列或600系列不锈钢一体形成上冠部，将上冠部构造成具有上燃烧表面且顶部从该上燃烧表面下垂，将顶部构造成具有至少一个环形环槽以容纳活塞环；以及
用导热系数高于上冠部的低等级钢合金材料构造下冠部，该下冠部具有一对销座以提供一对横向间隔开、轴向对齐的活塞销孔；以及
将下冠部直接焊接到上冠部。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括用铬含量为11.5-13.5wt％且导热系数约为23W/m-K的所述400系列不锈钢构造上冠部。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将下冠部构造成铬含量约为1wt％且导热系数约为43W/m-K。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括用铬含量为15-18wt％且导热系数约为13W/m-K的所述600系列不锈钢构造上冠部。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括将下冠部构造成铬含量约为1wt％且导热系数约为43W/m-K。
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