CN107806374B - 用于具有耐高温的冠部件的内燃机的活塞 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

用于具有耐高温的冠部件的内燃机的活塞
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。
发明背景
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。
发明内容
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，但是本发明的教导可以在经历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，但是本发明不限于此。
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)形成。冠部件28包括第一轴向端部44，其具有形成在其中的燃烧碗46和围绕燃烧碗46周向延伸的环形活塞边缘52。冠部件28进一步包括具有在第一轴向方向上延伸的第一环形壁72的第二轴向端部58。第一轴向方向可被理解为朝向图2中页面的底部。冠部件28进一步包括另一个环形壁，其在本文被描述为第三环形壁60。可注意到，第三环形壁60包括形成在其中的多个活塞环槽42，并且本领域技术人员将理解的是，活塞环可以通常常规方式装配至槽42中。裙部件30包括具有各自在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上延伸的第二环形壁74和第四环形壁64的第一轴向端部62，以及包括活塞裙部68和形成在活塞裙部68中的肘销孔70的第二轴向端部66。应当明白的是，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”应当被理解为非限制性的含义，且例如数字72、74、60、62中的任一个可被理解为指代第一环形壁、第二环形壁等等。
在图2的截平面中，活塞裙部68的大部分是不可见的，然而，应当明白的是，活塞裙部68以通常已知的方式围绕纵向轴线26周向延伸。可看到焊接点32也围绕纵向轴线26周向延伸，并且轴向延伸在环形壁60与环形壁64之间。可看到焊接点132也围绕纵向轴线26周向延伸，并且轴向延伸在环形壁72与环形壁74之间。可看到焊瘤(未编号)与焊接点32和132中的每一个相关联，并且可以根据本发明在活塞中以不同程度存在，取决于在将冠部件与裙部件结合之后活塞被加工的程度来将活塞作为成品并准备将其投入使用，如本文进一步讨论的。从图2也可看出，焊接点132位于径向向内的位置处，且焊接点32位于径向向外的位置处并且在所说明的实施例中还位于不同的轴向位置处。焊接点32和132中的每一个围绕纵向轴线26周向延伸，并且可以具有如本文进一步讨论的惯性焊接的形式。在任何情况下，应当理解的是，焊接点32和132中的每一个形成冠部件28和裙部件30的材料的粘合界面，以某种方式并且出于本文进一步讨论的原因，该冠部件和裙部件通常将是不同的材料。油道76延伸在焊接点132的径向向内的位置与焊接点32的径向向外的位置之间并且围绕纵向轴线26周向延伸。背侧冷却表面78围绕纵向轴线26周向延伸，并且定位成大体上与燃烧碗46的至少一部分相对且用于将冠部件28的热量耗散至通过油道76以及形成油道76的其它暴露表面输送的油。又如图2中所示，进油口80可以延伸穿过裙部件30以使得从喷油器40中喷射的油能够被供应至油道76，且出油口82也可以延伸穿过裙部件30以使得油一旦穿过油道76的至少一部分便被排出。
在实际实施策略中，燃烧碗46可以具有由燃烧碗表面50的轮廓限定的不均匀的轮廓，通常如图2中所描绘。中心锥体48通常可以形成与纵向轴线26相交的顶点，且碗形表面50可以首先从中心锥体48向外和向下延伸，且接着向上弯曲，以便最终开始径向向内延伸，使得燃烧碗46具有凹角轮廓。在至少某些情况下，燃烧碗46的凹角轮廓可增强喷射的燃料和空气的混合。尖锐的唇缘54可以围绕纵向轴线26周向延伸，并且轴向地位于燃烧碗46的径向向外边界与复合活塞体24的热疲劳敏感区域内的环形边缘52的径向向内边界之间。可看出，环形边缘52具有从活塞体外表面56延伸至尖锐的边缘54的倒圆轮廓。在至少某些情况下，与平滑的倒圆唇缘相反，锐利的唇缘54可辅助减少诸如颗粒物质的某些排放物的产生。至少在某些情况下，环形边缘52的倒圆轮廓可辅助使得气体能够从环形轮缘52与发动机缸盖14之间的缝隙体积中被挤出。活塞22的这些各种特征可影响从形成冠部件28的材料中散热的程度以及各种特征在使用期间易于降解或损坏(诸如热疲劳失效)的程度。
如上面所讨论，活塞22结构化成在某些恶劣条件下操作，特别是相对较高马力、高功率密度发动机中的相对较高压力和温度下操作。已经观察到在这样的环境中操作的活塞随时间经历材料(特别是活塞冠部中并且形成燃烧碗的部分的材料)的热疲劳和/或活塞边缘可能经历热疲劳并最终失效。相关问题可能是在高温下可能发生较大程度的氧化本质的腐蚀。在任何一种情况下，活塞的故障最终可能发生，潜在地导致发动机的灾难性故障。活塞体24的部分且具体是径向向外区域中的燃烧碗46的部分以及径向向内的位置处包括唇缘54的活塞边缘52的部分可被理解为热疲劳敏感位置。在活塞22中，耐高温材料的选择和位置使得活塞22能够比放置在这种环境中的常规活塞有更长寿命。
在一个实际实施策略中，复合活塞体24是由整个裙部件30中的耐低温钢和整个冠部件28中的耐高温钢形成。耐高温钢可以包括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。应当理解的是，本发明和复合活塞体24的组成的描述不排除微量元素或杂质，如本领域技术人员将理解的。在进一步实际实施策略中，耐高温钢可以含有约10wt.％至约14wt.％的铬，并且更具体地还可以含有约11.5wt.％至约13.5wt.％的铬。耐高温钢可以进一步包括马氏体不锈钢，诸如410型马氏体不锈钢，然而，本文还预期其它类型，包括422型和潜在其它类型。如本文所使用，术语“耐温”以及特定材料类型是否被理解为“耐高温(hightemperature-capable、higher temperature-capable)”可根据经验或通过客观分析材料的性质来确定。耐高温钢通常将能够持续加热至从约600℃至约700℃或可能更高的温度，而不会永久地改变结构或材料性质。耐高温钢可能含有一定范围的碳含量，在某些情况下约为1wt.％或更少、潜在地0.3wt.％或更少，或另一个量或范围。本发明不限于任何特定的碳含量。耐高温钢可以进一步含有比某些其它已知的活塞材料少得多的镍，并且在某些实施方案中可含有小于2wt.％的镍。更具体地，耐高温钢可能含有不超过微量的镍。
除了上面讨论的材料组成参数之外，为了降低热疲劳和延长使用寿命，可以利用耐高温钢的某些其它参数和显著的热膨胀和热梯度性质。具体地，耐高温钢可以具有小于12×10-6m/m/K的热膨胀系数(CTE)。在进一步实际实施策略中，CTE可以是约10×10-6m/m/K或更小。形成裙部件30的低合金钢可以具有类似的热膨胀系数。
工业实用性
一般参考附图而且特别是现在参考图3，示出了惯性焊接设备的本质中的焊接设备200，其具有第一夹扣机构210(被示为其可能表现为将裙部件30夹紧在其中)以及第二夹扣机构210(被示为其可能表现为将冠部件28夹紧在其中)。环形壁60和72被示为处于冠部件28中以及环形壁74和64被示为处于裙部件30中。在附图标记X处，示出了马氏体微观结构的图解表示，且在附图标记Y处，示出了不同的微观结构(诸如奥氏体微观结构或铁素体微观结构，其中任何一个与所示的马氏体微观结构不同)的图解表示。在其它情况下，裙部件30的微观结构可能为马氏体。
在图3中，设备200是以说明夹扣机构210能够旋转并且在冠部件28和裙部件30围绕轴线226大体上同轴地定位时可能表现的方式描绘。在替代实施方案中，冠部件28可在裙部件30保持静止时进行旋转，而并非设置焊接设备200使得裙部件30在冠部件28保持静止时进行旋转。与一起形成活塞体24的与惯性焊接冠部件28和裙部件30有关的各种不同的参数可能发生改变，所有参数均在本发明的范围内。在惯性焊接裙部件30和冠部件28之前，相应的件可以被定位成使得环形壁72或60(其中的任一个可被视为是第一环形壁)分别与裙部件30的环形壁74或62(其中的任一个可被认为是第二环形壁)同轴对准。如图3中所示，冠部件28和裙部件30可以在旋转的同时移动成彼此接触，使得环形壁72和环形壁60邻接环形壁74和62。与已知的惯性焊接原理一致，冠部件28和裙部件30可以通过将冠部件28和裙部件30中的一个相对于冠部件28和裙部件30中的另一个旋转来焊接在一起，以形成马氏体不锈钢冠部件28和低合金钢裙部件30的粘合界面，该粘合界面将冠部件28附接至裙部件30。然而，可应用其它焊接技术来将活塞22的部件焊接在一起，而不脱离本发明的范围，且可使用除了惯性焊接或摩擦焊接之外的技术。在将裙部件30和冠部件28焊接在一起之后，活塞体24可以加工成移除多余的焊瘤，并且根据其它已知的处理技术进行处理，该处理技术包括热处理以减轻焊接点32和132中的残余应力或可能出现该情况的其它这样的焊接。
本说明书仅仅用于说明目的，并且不应被解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域技术人员将明白的是，在不脱离本发明的全部和合理范围以及精神的情况下，可能对当前公开的实施例作出各种修改。在研究附图和所附权利要求书之后将明白其它方面、特征和优点。

Claims (10)

1.一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、小于12×10-6 m/m/K的热膨胀系数并且含有10wt.%或更多的铬，以及铁、碳和可选合金元素的余量及小于2wt.%的镍，所述耐低温钢具有小于12×10-6 m/m/K的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的活塞，
其中所述耐高温钢含有10wt.%至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11.5wt.%至13.5wt.%的铬；
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是由含有至少10wt.%的铬以及小于2wt.%的镍的马氏体不锈钢制成，且所述裙部件具有耐低温能力并且是由低合金非马氏体钢形成；以及
焊接点，其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形成所述马氏体不锈钢和所述低合金非马氏体钢的粘合界面，所述粘合界面将所述冠部件附接至所述裙部件，所述冠部件和所述裙部件具有基本类似的热膨胀系数。
6.根据权利要求5所述的活塞，其中所述冠部件包括在所述第一轴向方向上延伸的第三环形壁且所述裙部件包括在所述第二轴向方向上延伸的第四环形壁，且进一步包括第二焊接点，所述第二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三环形壁与所述第四环形壁之间以形成所述马氏体不锈钢和所述低合金钢的第二粘合界面，所述第二粘合界面将所述冠部件附接至所述裙部件；
其中所述冠部件包括定位成与所述燃烧碗相对的背侧冷却表面，且油道形成在所述复合活塞体中并且围绕所述纵向轴线周向延伸并且由所述背侧冷却表面部分限定；
其中所述燃烧碗具有凹角轮廓，且所述环形边缘具有倒圆轮廓；以及
其中所述冠部件包括尖锐的唇缘，其围绕所述纵向轴线周向延伸并且轴向地位于所述燃烧碗的径向向外边界与所述复合活塞体的热疲劳敏感区域内的所述环形边缘的径向向内边界之间。
7.根据权利要求5所述的活塞，其中所述马氏体不锈钢包括含有10wt.%至14wt.%的铬的410型不锈钢。
8.一种用于制造用于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，使得所述冠部件的第一环形壁与所述裙部件的第二环形壁同轴对准；
使所述冠部件与所述裙部件接触使得所述冠部件的所述第一环形壁邻接所述裙部件的所述第二环形壁；以及
将所述冠部件和所述裙部件焊接在一起以形成所述马氏体不锈钢和所述低合金钢的粘合界面，其将所述冠部件附接至所述裙部件，
其中所述冠部件含有多于10wt.%的铬以及小于2wt.%的镍；
其中所述冠部件和所述裙部件具有小于10×10-6 m/m/K的类似热膨胀系数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述冠部件和所述裙部件的所述焊接包括将所述冠部件和所述裙部件摩擦焊接在一起。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述冠部件的所述接触进一步包括使冠部件与所述裙部件接触，使得所述冠部件的第三环形壁邻接所述裙部件的第四环形壁，且其中所述冠部件和所述裙部件的所述焊接进一步包括将所述冠部件和所述裙部件焊接在一起以形成所述马氏体不锈钢和所述低合金钢的第二粘合界面，其将所述冠部件附接至所述裙部件。
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