CN110462196A - 用于对置活塞发动机的多部件活塞构造 - Google Patents

用于对置活塞发动机的多部件活塞构造 Download PDF

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Abstract

一种用于内燃对置活塞发动机的活塞，其包括冠部部件、裙部部件和外部件。冠部部件包括用于支撑压缩环的第一环带区域和经成形以与对置活塞的端表面形成燃烧室的端表面。裙部部件包括侧壁和腕销孔，腕销孔具有形成在侧壁中的第一开口和第二开口。外部件包括用于支撑油控环的第二环带区域。冠部部件用一个或多个焊缝连结到侧壁的上端。外部件用焊缝连结到侧壁的下端。

Description

用于对置活塞发动机的多部件活塞构造
相关申请
本申请包含与以下专利申请的主题相关的主题：2011年8月15日提交的“对置活塞发动机的活塞构造”的美国专利申请13/136,955，现在为2015年10月20日发布的美国专利No.9,163,505；2013年2月25日提交的“二冲程循环发动机的摇摆轴颈轴承”的美国专利申请13/776,656，现在为2015年11月3日发布的美国专利No.9,175,725；2013年11月8日提交的美国专利申请No.14/075,926，“用于在二冲程循环对置活塞发动机中维持腕销油压的润滑配置”，现在为2015年5月26日发布的美国专利No.9,038,593；2014年3月6日提交的美国专利申请No.14/199,877，“利用来自对置活塞发动机中轴承储油器的润滑油的活塞冷却配置”，现在为2016年10月18日发布的美国专利No.9,470,136；2015年1月14日提交的美国专利申请No.14/596,855，“对置活塞发动机的活塞冷却”，公开为U.S.2016/0201544，现在为2017年9月12日发布的美国专利No.9,759,119；以及2017年8月25日提交的美国专利申请No.15/687,368，“对置活塞发动机的活塞冷却”，于2017年12月28日公开为U.S.2017/0370273。
技术领域
该领域为内燃发动机的活塞构造。更具体地，本发明涉及对置活塞发动机的活塞的构造，其实施具有两个环带区域的多部件活塞配置。
背景技术
对置活塞内燃发动机的活塞被与抵靠汽缸盖形成燃烧室的常规活塞不同地构造。这对于对置活塞发动机尤其如此，在对置活塞发动机中，活塞的移动控制允许增压空气和排气流入和流出发动机汽缸的端口的打开和关闭。如在上面列出的一些相关申请中更详细地描述的，可对对置活塞发动机的活塞进行修改，以允许活塞冷却、润滑和耐用性，同时旨在减少排放和动力性能目标。
在二冲程循环对置活塞发动机中，存在至少一个具有一对活塞的带端口汽缸，该一对活塞被设置用于汽缸孔中的反向移动操作。活塞在汽缸中的往复滑动运动由孔表面引导。在压缩冲程中，活塞彼此接近以在孔的中间区中的端表面之间形成燃烧室。在动力冲程中，活塞响应于燃烧事件而移动分开。当活塞一起滑动并分开时，安装在活塞冠部中的内活塞环组接触孔表面以密封燃烧室，并且安装在活塞裙部中靠近裙部的外端的外活塞环组接触孔表面控制润滑油进出汽缸的输送。活塞移动使得环能够在整个孔的表面上涂抹润滑油，以便一方面减小孔表面与活塞的环之间的摩擦，另一方面减小孔表面与活塞的裙部之间的摩擦。此外，在压缩冲程期间，当活塞靠近汽缸中的上止点(TC)位置时，外环定位在进气端口和排气端口与汽缸的开口端之间，从而提供防止曲轴箱气体、油雾和蒸汽与进气和废气混合的密封。
在一些情况下，活塞设置有裙部配置，该裙部配置呈现与汽缸孔表面的最小接触面积，这减小了活塞/孔摩擦和活塞质量，从而有利于发动机性能和耐用性。该配置由在内活塞环组和外活塞环组之间沿腕销轴线的裙部的腰部的变窄构成。该配置加宽至冠部和裙部的基部中的周向布置的环带部分，其中形成凹槽以分别支撑内环组和外环组。在其他情况下，增加活塞裙部和汽缸孔表面之间的接触面积可为有益的，使得裙部呈现形状更完全对应于汽缸孔表面的外表面。在这种情况下，裙部外表面的配置可具有圆柱形表面的形状，其中裙部的腰部不会在内环组和外环组之间沿圆柱形表面变窄。
每个活塞可由单独的部件制造，该部件包括使用常规技术连结的冠部和裙部。通常，冠部部件和裙部部件包括可焊接材料，诸如钢，其通过铸造、锻造或形成各种内部结构和外部结构的等效工艺制造。内部结构包括冠部和裙部中的周向延伸的连结表面，其中部件借助于焊接被连接。
在一些方面，包括具有最小化接触面积的裙部配置，通过锻造制造裙部部件可存在关于形成用于外活塞环的第二环带的问题。如果锻造部件中包括第二环带，则裙部的壁厚必须足够大以满足环带的径向宽度要求。但是，在其他条件相同的情况下，具有厚裙壁的活塞比具有薄裙壁的活塞更重，这会对发动机性能和效率产生不利影响。经锻造的裙部分的附加机加工以减小壁厚增加了活塞构造的成本和时间，这在批量生产中可为不合理的。因此，需要一种二冲程对置活塞发动机中的活塞构造，其在支撑外环带区域的同时提供薄裙壁。
另一方面，当使活塞裙部和汽缸孔之间的接触面积最大化有益时，由于消除了第二环带和裙部之间的壁厚的过渡，可提高可制造性。因此，需要一种二冲程对置活塞发动机中的活塞构造，其在支撑外环带区域的同时提供较厚的裙壁。
发明内容
在任一种情况下，在二冲程循环内燃发动机的多部件活塞中实现独特的构造，其中冠部部件具有第一周向环带区域，裙部部件具有带有第一端和第二端的侧壁，并且外部件具有第二周向环带区域，其中冠部部件通过两个或多个第一焊缝连结到裙部部件的第一端，并且外部件通过第二焊缝连结到裙部部件的第二端。
在一些实施方式中，提供了一种二冲程循环对置活塞发动机的活塞，其中活塞包括冠部部件和具有外裙部分的裙部部件。冠部部件包括具有碗状装置的端表面和环形压缩环带区域，碗状装置经成形用于与对置活塞的端表面形成燃烧室。裙部部件包括限定活塞纵向轴线的侧壁，以及具有间隔开的孔开口的腕销孔，孔开口形成在侧壁中并且沿与活塞轴线相交的纵向腕销孔轴线对齐。两个或多个内焊缝连结裙部部件的第一端和冠部部件。外裙部分包括环形油环带区域。外焊缝将外裙部分连结到侧壁的第二开口端。
在一些实施方式中，提供了一种二冲程循环对置活塞发动机的活塞，其中活塞包括冠部部件和具有外裙部分的裙部部件。冠部部件包括具有碗状装置的端表面和环形压缩环带区域，碗状装置成形用于与对置活塞的端表面形成燃烧室。裙部部件包括限定活塞纵向轴线的侧壁，以及具有间隔开的孔开口的腕销孔，孔开口形成在侧壁中并且沿与活塞轴线相交的纵向腕销孔轴线对齐。两个或多个内焊缝连结裙部部件的第一端和冠部部件。外裙部分包括环形油环带区域。外焊缝将外裙部分连结到侧壁的第二开口端
在一些方面，冠部部件包括用于限定周向冷却通道的上表面的第一内壁装置，并且裙部部件的内部包括用于限定周向冷却通道的下表面的第二内壁装置。
在一些其他方面，碗状装置具有在端表面的周边中的一对直径对置成形开口之间延伸的轴线，该轴线可定向到纵向腕销孔轴线，其中两个轴线之间具有预定角度。
此外，在另一相关方面，提供了一种用于制造对置活塞发动机的活塞的方法，其中该方法包括提供冠部部件、提供裙部部件、提供外部件、将冠部部件和裙部部件焊接在一起以及将外部件和裙部部件焊接在一起。所提供的活塞冠部部件包括具有第一环带区域的侧壁。裙部部件包括具有纵向腕销孔轴线的腕销孔。以下内容可以任何合适的组合存在于该方法中。将冠部部件和裙部部件焊接在一起可包括将燃烧室形成装置轴线定向到纵向腕销孔轴线，其中两个轴线之间具有预定角度。该方法可包括使用锻造来转化金属件以产生活塞的冠部部件、裙部部件和/或外部件。将冠部部件和裙部部件焊接在一起可包括摩擦焊、屏蔽活性气体保护焊、屏蔽金属电弧焊、气体保护钨极电弧焊、气体保护金属电弧焊、药芯焊、埋弧焊、电渣焊、电阻焊、磁脉冲焊和其他等效焊接工艺中的一种或多种。将裙部部件和外部件焊接在一起可包括摩擦焊、屏蔽活性气体保护焊、屏蔽金属电弧焊、气体保护钨极电弧焊、气体保护金属电弧焊、药芯焊丝电弧焊、埋弧焊、电渣焊、电阻焊、激光束焊和电子束焊中的一种或多种。将冠部部件和裙部部件焊接在一起可包括对冠部部件和裙部部件的感应加热。将裙部部件和外部件焊接在一起可包括对裙部部件和外部件的感应加热。在该方法中，冠部部件可包括具有碗状装置的端表面，碗状装置成形用于与对置活塞发动机的汽缸中的对置活塞的端表面形成燃烧室，并且燃烧室可包括喷射轴线。在这种方法中，将冠部部件和裙部部件焊接在一起可包括将燃烧室形成装置喷射轴线定向到纵向腕销孔轴线，其中两个轴线之间具有预定角度。
附图说明
图1示出了现有技术的对置活塞发动机的示意图。
图2A为示例性多部件活塞的分解等距视图，其示出了通过焊接连结在一起的单独的冠部部件、裙部部件和外部件。图2B为等距视图，其示出了经组装用于在对置活塞发动机中使用的示例性多部件活塞。
图3为沿活塞的腕销孔轴线截取的图2B的经组装的活塞的侧剖视图。
图4为横向于腕销孔轴线截取的图2B的经组装的活塞的侧剖视图。
图5为活塞冠部的平面图，其示出了燃烧室喷射轴线相对于腕销孔轴线的取向。
图6示出了用于制造如本文所述的对置活塞发动机中使用的多部件活塞的方法。
图7A为另一示例性多部件活塞的分解等距视图，其示出了通过焊接连结在一起的单独的冠部部件、裙部部件和外部件。图7B为等轴视图，其示出了经组装用于在对置活塞发动机中使用的示例性多部件活塞。
图8为沿活塞的腕销孔轴线截取的图7B的经组装的活塞的侧剖视图。
图9为横向于腕销孔轴线截取的图7B的经组装的活塞的侧剖视图。
具体实施方式
本文描述和示出的多部件活塞实施例是对二冲程循环发动机，例如对置活塞发动机的活塞设计的改进和修改。还描述了用于制造和使用修改的活塞配置的方法。
二冲程循环发动机为一种内燃发动机，其用曲轴的单个完整旋转和连接到曲轴的活塞的两个冲程完成操作循环。二冲程循环发动机的一个示例为对置活塞发动机，其中两个活塞相对设置在汽缸的孔中。在发动机操作期间，当活塞移动通过孔中的相应上止点位置时，燃烧发生在形成在两个活塞的端表面之间的孔中的燃烧室中。当在本文中使用时，术语“燃烧室”指在发动机操作的每个循环中，在发动机操作期间，由活塞的端表面和端表面之间的孔的环形部分界定的汽缸内的最小容积。
如图1所示，对置活塞发动机1具有至少一个带端口汽缸2。例如，发动机可具有一个带端口汽缸、两个带端口汽缸、三个带端口汽缸，或者四个或更多个带端口汽缸。出于说明的目的，假设发动机1具有多个带端口汽缸。每个汽缸2具有孔12。排气端口14和进气端口16形成在汽缸的相应端部中，使得排气端口14与进气端口16纵向分离。排气端口14和排气端口16中的每一个均包括一个或多个周向开口阵列。排气活塞18和进气活塞20可滑动地设置在孔12中，其中它们的端表面22和端表面24彼此相对。排气活塞18联接到曲轴30，并且进气活塞20联接到曲轴32。活塞中的每一个通过轴承组件26和连杆28联接到其相关联的曲轴。对于本公开，汽缸可包括发动机缸体中的钻孔或成形空间，或者保持在发动机缸体中的洞道中的衬套(或套筒)。
在图1所示的发动机中，供应油以润滑发动机1的移动部件的润滑系统包括储油器44，加压油通过泵42从储油器44被泵送到主油道40。主油道40供应加压油至曲轴30和曲轴32，通常通过钻孔36到主轴承(未示出)。从主轴承中的凹槽，加压油被提供给连杆28的大端轴承中的凹槽。从那里，加压油通过连杆中的钻孔34流到轴承26。此类润滑系统可存在于发动机1中但不应被认为是对对置活塞发动机或其组件中的任何组件的描述的限制。
对置活塞发动机的操作循环很好理解。响应于在它们的端表面22、端表面24之间发生的燃烧，对置活塞18和对置活塞20远离汽缸中的相应的上止点(TC)位置移动。在从TC移动时，活塞使其相关联的端口保持关闭，直到它们接近相应的下止点(BC)位置。活塞可同相移动，使得排气端口14和进气端口16一致地打开和关闭；另选地，一个活塞可同相引导另一个活塞，在这种情况下，进气端口和排气端口具有不同的打开和关闭时间。当活塞移动通过它们的BC位置时，从排气端口14流出的排气产品被通过进气端口16流入汽缸的增压空气所取代。到达BC后，活塞反向并且端口再次被活塞关闭。当活塞继续向TC移动时，汽缸2中的增压空气在端表面22和端表面24之间被压缩。每个端表面成形用于与对置活塞的相邻端表面形成燃烧室。当活塞在汽缸孔中前进到它们各自的TC位置时，燃料通过喷嘴38直接通过汽缸侧壁被喷射到经压缩的增压空气中。增压空气和燃料的混合物在形成在活塞18和活塞20的端表面22和端表面24之间的燃烧室中被压缩。当混合物达到点火温度时，燃料点燃。燃烧使得驱动活塞朝向各自的BC位置分开。
活塞构造：图2A和图2B示出了根据本公开构造的对置活塞发动机的活塞200。图2A示出了通过焊接或等效工艺连结的三个单独的部件，以产生图2B所示的经组装的活塞。为了更清楚地理解活塞的某些构造特征，在这些附图中的一些中示出了腕销，但这并不旨在限制本公开的范围。具有纵向轴线201的活塞200包括冠部部件210、具有活塞侧壁222的裙部部件220和外部件223。活塞200被配置成使得裙部部件220沿活塞的纵向轴线201位于冠部部件210和外部件223之间。冠部部件210和裙部部件220通过在侧壁222的一端处焊接冠部部件和裙部部件的周向延伸的连结表面而连结。外部件223和裙部部件通过在侧壁222的相对端处焊接裙部部件和外部件的周向延伸的连结表面而连结。
冠部部件210具有端表面212，端表面212经成形以与发动机中的对置活塞的端表面限定燃烧室。在端表面212中，存在碗状物219和凹口217，它们通过冠部部件的周边边缘213通向碗状物中。凹口217成形以引导燃料进入燃烧室中。碗状物219具有主轴线214或纵向轴线214。在该示例中，凹口217沿碗状物的纵向轴线214间隔开，以便位于周边边缘213上的直径对置位置处。碗状物的轴线214与喷射燃料参考的燃烧室喷射轴线共线。图2A和图2B中所示的端表面212的形状将本公开的范围限制在仅与对置活塞的端表面配合以限定对置活塞发动机中燃烧室的形状的程度，该对置活塞发动机具有通过至少两个喷射器的直接侧喷射。许多其他此类端表面形状为可能的；参见，例如但不限于，在美国专利8,800,528、美国公开2013/0213342、WO公开2012/158756、美国公开2014/0014063、美国公开2015/0122227、美国公开2016/0290224和美国公开2017/0030262中描述和示出的对置活塞发动机的活塞的端表面形状。
参考图2A、图2B、图3和图4，占据冠部部件210的外周向侧表面的平台221在周边边缘213处与端表面212相交。第一周向环带区域224邻接平台。在一些优选的情况下，活塞200在带区域224中形成环槽之前被组装，如图2A所示。在其他情况下，带区域224可在组装活塞之前开槽。在任何情况下，当活塞200完全组装时，环带区域224包括多个环槽，其中压缩环(未示出)安放在环槽中。在一些情况下，也可在环带区域224中设置环槽用于控油环。在本说明书中，环带区域224被称为“内环带区域”，因为在典型的对置活塞应用中，它支撑的活塞环在汽缸孔的最内区域中行进。因为它支撑对形成燃烧室的汽缸孔表面区域进行密封的压缩环，所以环带区域224也可被称为“压缩环带区域”。冠部部件210的内部包括下冠225。在一些方面，下冠225包括用于限定冷却室的结构。
活塞侧壁222至少部分为圆柱形，并且沿纵向轴线201从裙部部件220的第一端226延伸到第二端227。第二端227为打开的。裙部的以纵向轴线201为中心的内壁228位于靠近第一端226的侧壁222内。在一些方面，内壁228包括用于腕销的支撑结构和用于限定冷却室的其他结构。优选但非必须地，内壁228在一侧上限定腕销孔230的一部分，其中腕销231容纳并保持在该腕销孔230中。腕销孔230包括形成在侧壁中的凸台233中的孔开口232。孔开口232沿公共腕销轴线241同轴对齐。凸台233形成在侧壁222的外表面上的凹槽234中。如图3中最佳所示，凹槽234引起侧壁222沿腕销孔轴线241的沙漏状变窄，这减小了当活塞在发动机操作期间移动时侧壁和汽缸孔表面之间的摩擦。
当冠部部件210和裙部部件220焊接在一起时，在裙部部件220的内壁228和下冠225之间限定周向冷却通道243和中央冷却室245。这里可看到将冠部和裙部设置为单独的部件是活塞构造的特别有用的技术。它允许活塞的复杂内部结构，诸如腕销孔230、冷却通道243和冷却室245，以通过相对简单地锻造或铸造单独的下冠225和内壁228中的部分结构而实现，然后当冠部部件210和裙部部件220连结时，将这些结构结合到一起以限定内部结构。
外部件223基本上是环形件，其包括占据邻接第二周向环带240区域的外部件223的外周向侧表面的平台239。在一些优选的情况下，活塞200在环槽形成在环带区域240中之前组装，如图2A所示。在其他情况下，环带区域240可在组装活塞之前开槽。在任何情况下，环带区域240具有多个环槽，当活塞200完全组装时，油控环(未示出)就位于该多个环槽中。在本说明书中，环带区域240被称为“外环带区域”，因为在典型的对置活塞应用中，它支撑的活塞环在汽缸孔的最外区域中行进。因为它支撑从汽缸外端的外汽缸孔表面擦拭油的油环，所以环带区域240也可被称为“油环带区域”。
如图2B、图3和图4所示，当外部件223和裙部部件220焊接在一起时，外环带区域240限定裙部部件220的开口外端，并因此限定活塞200的开口外端。随着活塞200通过将冠部部件210、裙部部件220和外部件223焊接在一起而组装，环带区域224和环带区域240占据活塞200的相应周向端，这些周向端与活塞轴线201同轴对齐并且沿活塞轴线201分离。
在图3和图4中，线250近似于冠部部件210和裙部部件220之间的第一焊缝的优选位置。冠部部件210和裙部部件220可通过线250附近的周向延伸的连结表面处的一个或多个周向焊缝连结(或“连接”)。在所示的示例中，在从内壁228延伸的圆形肋上的径向内周向表面251(在图2A中最佳所见)和下冠225上的相应内周向表面252之间存在内部焊缝250a。在所示的示例中，在从内壁228延伸的圆形肋上的径向外周向表面253(在图2A中最佳所见)和下冠225上的相应外周向表面254之间存在另一内部焊缝250b。优选但非必须地，第一焊缝250a和第一焊缝250b在含有正交于活塞纵向轴线201的线250的切割平面中对齐，并且在相同的焊接步骤中形成。然而，考虑其他焊缝对齐和取向。使用周向焊缝焊接冠部部件和裙部部件以形成内部冷却通道和冷却室的许多技术为已知的。参见，例如，这方面的美国专利8,327,537。
如图3所见，在裙部部件220的第二端227附近，在侧壁222的内表面上，存在由于在侧壁222的变窄部分234中形成凸台233而产生的底切260。变窄部分234加宽到冠部部件210和外部件223中的环形区段，其中凹槽分别形成在内环带区域224和外环带区域240中。底切260将使得难以将裙部部件220和外部件223制造为单个锻造部件。然而，底切260可通过分别制造裙部部件220和外部件223而形成，例如通过锻造形成在两个部件220和部件223中的底切260的部分，并且然后沿相应的周向延伸的连结表面将两个部件220和223焊接在一起而形成。除了简化具有腕销孔和变窄裙部分234的裙部部件的制造之外，还获得了其他优点。
在第一个优点中，外部件223可被制造为具有周向均匀对称性的环形件，这消除了当通过焊接连结时裙部部件220和外部件223之间的配准步骤。
第二个优点可见于图4中，其中侧壁222可借助于例如锻造步骤在裙部222的非变窄部分中制成具有相对薄的径向宽度W1，以便减小活塞200的质量。在这点上，非变窄部分中的侧壁222的径向宽度W1小于第二环带区240的径向宽度W2。
参考图3和图4，裙部部件220和外部件223通过第二焊缝270连结(或“连接”)。焊缝270形成在裙部部件220的周向延伸的自由端272和外部件223的周向延伸的自由端274之间(在图2B中最佳所见)。自由端272和自由端274具有相应的周向延伸的连结表面，这些连结表面被定位成对齐并且优选借助于摩擦焊接工艺焊接在一起，但是这不是限制性的。
在一些方面中，这些方面参考图2A和图2B可理解，冠部部件210可必须相对于裙部部件220配准(或“计时”)以准备制造第一焊缝。例如，冠部部件210可必须相对于裙部部件220定位，使得当焊接两个部件时，在燃烧室轴线214和腕销孔轴线241之间存在预定的取向。在这种情况下，沿轴线214对齐的直径对置凹口217将具有相对于腕销孔230并因此相对于裙部部件220的特定取向，这对于将燃料喷射器放置在对置活塞发动机的汽缸体中可至关重要，这取决于尺寸和重量要求。参考图5，燃烧室喷射轴线214和腕销孔轴线241之间的角度可在30度至90度之间。在一些实施方式中，轴线之间的角度可在30至35度之间；碗轴线214和纵向腕销孔轴线241之间的角度可为32度。另选地，根据发动机中其他组件的配置，轴线之间的角度可在45至55度之间；角度可为58度。
图2A、图2B、图3和图4中所示的活塞200可由三个或更多个锻造部件制造，这些锻造部件经过精加工或部分精加工，然后按照图3和图4连结(例如焊接)。活塞200的材料和构造方法对于中型和/或重型应用或大孔应用可为常规的。例如，冠部部件210和裙部部件220可由相容材料(例如，锻钢冠部、铸铁裙部部件)分开形成，并通过焊接或钎焊连结。其他材料可包括层压结构、混合结构、复合结构等，包括热障涂层、陶瓷-金属复合物(例如，金属陶瓷)、高温金属合金、激光烧蚀/结构化表面等。
在对置活塞发动机中使用的活塞中，冠部部件可包括锻造金属基部冠部，其形状包括碗状物、下冠和尺寸几乎可精加工的其他特征。涂层可施加到锻造基部部件(即，基部冠部部件、基部裙部部件、基部外部件)的表面。涂层可为热障涂层、防氧化涂层、保油涂层等。锻造的基部部件可设计成便于锻造过程，并且在锻造后几乎不需要(即最少)机加工和精加工。上述涂层可在将这些部件焊接在一起之前或之后施加到冠部部件、裙部部件和外部件。
锻造金属部件，特别是钢，需要进行设计考虑，这在金属加工领域中为已知的。这些设计考虑因素中的一些包括侧壁和内部圆角中的拔模或锥度。锻造部件也将在金属的晶粒或晶体结构上具有明显的变化，并且经常使用锻造以赋予锻造件的强度特性，这些特性在机加工或铸造金属件中可不存在。
上文所述的活塞构造可与材料的选择相结合，这可允许更容易的制造、更低的成本和/或更低的重量，而不会在活塞性能方面牺牲太多(如果有的话)。在一些实施方式中，活塞的冠部部件可包括在高温下具有高强度的金属或金属合金。附加地或另选地，活塞的裙部部件和外部件可包括常规活塞材料。可用于制造活塞的材料包括：熔模铸造4140钢、不锈钢、熔模铸造10xx碳钢、砂铸钢、砂铸球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁、砂铸压实石墨铸铁、砂铸灰铸铁、任何类型的SAE级配钢、钛、Inconel合金、合金或其组合。
在活塞的冠部部件由与裙部部件和外部件不同的材料制成的实施方式中，或者在可通过将活塞制造成多个段而简化制造的实施方式中，可使用一种或多种连结技术以组装活塞。按照图3和图4，用于将活塞部件连结在一起的焊接技术可包括摩擦焊、屏蔽活性气体保护焊、屏蔽金属电弧焊、气体保护钨极电弧焊、气体保护金属电弧焊、药芯焊丝电弧焊、埋弧焊、电渣焊和电阻焊中的任何一种。附加地或另选地，待连结的两个部件的感应加热可与该两个部件的精确定位一起使用，特别是在精确的相对定位影响对置活塞发动机的功能的情况下，例如当活塞端表面具有不对称特征时。
材料示例1：假设三部件活塞经设计用于对置活塞发动机，其中端表面将经历超过200巴的峰值汽缸压力。为了实现耐用高强度的构造，冠部部件可为包括4140钢的锻造件，裙部部件可为包括4140钢的锻造件，并且外部件可从包括可焊接耐磨钢的管材中切割并被机加工，以获得所需的特征。在某些情况下，可能需要从包括可焊接耐磨钢材料的件锻造外部件。
材料示例2：假设三部件活塞经设计用于对置活塞发动机，其中端表面将经历小于或等于200巴的峰值汽缸压力。为了实现适当强度的耐用构造，冠部部件可为包括微合金钢的锻造件，裙部部件可为包括微合金钢的锻造件，并且外部件可从包括可焊接耐磨钢的管材中切割并被机加工，以获得所需的特征。在某些情况下，可能需要从包括可焊接耐磨钢材料的件锻造外部件。
制造：图6示出了用于制造用于在如本文所述的对置活塞发动机中使用的活塞的方法600。该方法包括为活塞提供冠部部件，如605中所示。如上所述，冠部部件可具有第一材料，而活塞的其余部分具有第二材料，或者具有两种或更多种不同的材料。所提供的冠部部件包括第一环带区域(例如，用于容纳压缩环槽)和具有燃烧形成装置(例如碗)的端表面。优选地，冠部部件被锻造，随后根据需要在下冠的焊接面上进行机加工。
在该方法中提供包括腕销孔的裙部部件，如610中所示。用于制造冠部部件的材料可与用于制造裙部部件的材料相同或不同。优选地，裙部部件被锻造，随后根据需要在将连结到下冠的焊接面的内壁的焊接面上和将连结到外部件的焊接面的开口端的焊接面上进行机加工。
此外，该方法包括提供包括第二环带区域(例如，用于容纳控油环槽)的外部件，如615中所示。外部件可具有与裙部部件和/或冠部部件相同的材料。另选地，外部件可包括不同的材料，即不用于活塞的任何其他部件的材料。优选地，外部件从包括可焊接耐磨钢的管材中切割并被机加工，以获得将在裙部部件的开口端处连结到焊接面的焊接面。
该方法包括将冠部部件焊接到裙部部件，如620中所示。在一些情况下，冠部部件和裙部部件彼此配准，并且然后冠部部件被焊接到裙部部件。优选地，内焊缝和外焊缝借助于一种混合感应焊接操作被制造以连结冠部部件和裙部部件，如图3和4所见。
然后，焊接被连结到外部件的裙部部件可为部件，如625中所示。焊接可包括感应加热和物理连结，以及摩擦焊接或电子束焊接。此外，焊接过程(即物理连结过程)可包括焊接后的热处理，以减轻应力和/或修复由活塞的物理连结部分引起的裂纹。优选地，使单个焊缝借助于惯性摩擦焊接操作连结裙部部件和外部件，如图3和图4所见。
优选地，最终加工步骤630可包括在物理连结过程之后的热处理，以允许(特别是沿焊缝)形成所需的材料相和混合物。优选地，加工步骤630包括按照设计考虑因素要求机加工内环带和外环带以形成环槽。另外，最终加工步骤可包括机加工裙部以形成腕销孔开口。
第二活塞构造：可存在活塞200的某些方面(图2A和图2B)限制其适用性的情况。例如，凸台233所在的侧壁222中的凹槽234可提出与重型应用中活塞的可制造性、耐用性和操作有关的挑战。在这些和其他应用中，可能需要使活塞具有比活塞200稍微更大的质量和对称性以及更大的侧壁与汽缸孔的接触面积。对于此类情况，图7A和图7B示出了根据本公开构造的对置活塞发动机的另一活塞700。图7A示出了通过焊接连结的三个单独的部件，以产生图7B所示的经组装的活塞。为了更清楚地理解活塞的某些构造特征，在这些附图中的一些中示出了腕销，但这并不旨在限制本公开的范围。活塞700具有纵向轴线701、冠部部件710、具有活塞侧壁722的裙部部件720和外部件723。活塞700被配置成使得裙部部件720沿活塞的纵向轴线701位于冠部部件710和外部件723之间。冠部部件710和裙部部件720通过在侧壁722的一端处焊接冠部部件和裙部部件的周向延伸的连结表面而连结。外部件723和裙部部件720通过在侧壁722的相对端处焊接裙部部件和外部件的周向延伸的连结表面而连结。
冠部部件710具有端表面712，端表面712经成形以与发动机中对置活塞的端表面限定燃烧室。在端表面712中，存在碗状物719和通过冠部部件的周边边缘713通向碗状物中的凹口717。凹口717经成形以引导燃料进入燃烧室中。碗状物719具有主轴线或纵向轴线714。在该示例中，凹口717沿碗状物的纵向轴线714间隔开，以便位于周边边缘713上的直径对置位置处。碗状物的轴线714与喷射燃料参考的燃烧室喷射轴线共线。图7A和图7B中所示的端表面712的形状将本公开的范围限制在仅与对置活塞的端表面配合以限定对置活塞发动机中燃烧室的形状的程度，该对置活塞发动机具有通过至少两个喷射器的直接侧喷射。许多其他此类端表面形状为可能的；参见，例如但不限于，在上述参考的美国专利和出版物中描述和示出的对置活塞发动机的活塞的端表面形状。
参考图7A、图7B、图8和图9，占据冠部部件710的外周向侧表面的平台721在周边边缘713处与端表面712相交。形成在冠部部件的侧表面上的第一周向环带区域724邻接平台。在一些优选的情况下，在环槽被形成在带区域724中之前活塞700被组装，如图7A所示。在其他情况下，带区域724可在活塞的组装之前开槽。在任何情况下，当活塞700被完全组装时，环带区域724具有多个环槽，其中压缩环(未示出)安置在环槽中。在一些情况下，也可在环带区域724中设置环槽用于控油环。在本说明书中，环带区域724被称为“内环带区域”，因为在典型的对置活塞应用中，它支撑的活塞环在汽缸孔的最内区域中行进。因为它支撑对其中形成燃烧室的汽缸孔表面的区域进行密封的压缩环，所以环带区域724也可被称为“压缩环带区域”。冠部部件710的内部包括下冠725。在一些方面，下冠725包括用于限定冷却室的结构。
活塞侧壁722基本上为圆柱形，并且沿纵向轴线701从裙部部件720的第一端726延伸到第二端727。第二端727为打开的。裙部的以纵向轴线701为中心的内壁728位于靠近第一端726的侧壁722内。在一些方面，内壁728包括腕销的支撑结构和用于限定冷却室的其他结构。优选但非必须地，内壁728在一侧上限定腕销孔730的一部分，其中腕销731容纳并保持在该腕销孔中。腕销孔730包括形成在侧壁722中限定的凸台733中的孔开口732。凸台733和孔开口732沿公共腕销轴线741同轴对齐。开口732穿过侧壁722打开并且被配置成容纳腕销731。如图7A、图7B、图8和图9所示，侧壁722呈现基本上圆柱形的表面，而没有活塞200的变窄腰部分223。在这方面，“基本上圆柱形的表面”意指近似圆柱形的表面，但不一定是完全圆柱形的表面。例如，可在侧壁和/或活塞的其他部分的整体形状中提供一定程度的椭圆度。
当冠部部件710和裙部部件720焊接在一起时，在裙部部件720的内壁728和下冠725之间限定周向冷却通道743和中央冷却室745。这里可以看出将冠部和裙部设置为单独的件是活塞构造的特别有用的技术。它允许活塞的复杂内部结构，诸如腕销孔730、冷却通道743和冷却室745，以通过相对简单地锻造或铸造单独的下冠725和内壁728中的部分结构而实现，然后当冠部部件710和裙部部件720连结时，将这些结构带到一起以限定内部结构。
外部件723为环形件，其包括占据外部件723的邻接第二周向环带740区域的外周向侧表面的平台739。在一些优选的情况下，活塞700在环槽被形成在环带区域740中之前被组装，如图7A所建议的。在其他情况下，环带区域740可在组装活塞之前开槽。在任何情况下，环带区域740具有多个环槽，当活塞700完全组装时，油控环(未示出)就位于该多个环槽中。在本说明书中，环带区域740被称为“外环带区域”，因为在典型的对置活塞应用中，它支撑的活塞环在汽缸孔的最外区域中行进。因为它支撑从汽缸外端的外汽缸孔表面擦拭油的油环，所以环带区域740也可被称为“油环带区域”。
如图7B、图8和图9所示，当外部件723和裙部部件720焊接在一起时，外环带区域740限定裙部部件720的开口外端，并因此限定活塞700的开口外端。随着通过将冠部部件710、裙部部件720和外部件723焊接在一起而组装活塞700，环带区域724和环带区域740占据活塞700的相应周向端，这些周向端沿活塞轴线701同轴对齐。
在图8和图9中，线750接近冠部部件710和裙部部件720之间的第一焊缝的优选位置。冠部部件710和裙部部件720可通过线750附近的周向延伸的连结表面处的一个或多个周向焊缝连结(或“连接”)。在所示的示例中，在从内壁728延伸的圆形肋上的径向内周向表面751(在图7A中最佳所见)和下冠725上的相应径向内周向表面752之间存在内部焊缝750a。在所示的示例中，在从内壁728延伸的圆形肋上的径向外周向表面753(在图7A中最佳所见)和下冠725上的相应径向外周向表面754之间存在另一内部焊缝750b。优选但非必须地，第一焊缝750a和第一焊缝750b在含有正交于活塞纵向轴线701的线750的切割平面中对齐，并且在相同的焊接步骤中形成。然而，预期其他焊缝对齐和取向。使用周向焊缝焊接冠部部件和裙部部件以形成内部冷却通道和冷却室的许多技术为已知的。这方面参见，例如，美国专利8,327,537。
如图8所见，在裙部部件720的第二端727附近，在侧壁722的内表面上，存在由于在侧壁722中形成凸台733而产生的底切760。底切760可通过分别制造(例如通过锻造)裙部部件720和外部件723，(其中底切760形成在开口端727附近的裙部部件720中)，并且然后借助于第二焊缝将两个部件720和部件723焊接在一起而形成。例如，裙部部件720和外部件723可通过第二焊缝770a在线770附近的周向延伸的连结表面处连结。在所示的示例中，焊缝770a形成在外部件723上的周向表面771(在图7A中最佳所见)和开口端727处的裙部部件720上的相应周向表面772之间。
在一些方面，冠部部件710和裙部部件720可能必须配准以准备通过第一焊缝连结，如上面关于图5所解释的。在其他方面，部件710、部件720和部件723可通过如上文关于活塞200所述的焊接而制造并连结在一起。
替代连结特征：在前述实施例中，冠部部件、裙部部件和外部件被描述为通过焊接而被连结或连接。可存在这样的情况，其中通过纯机械方法和装置(包括螺纹连接、压配合等)连接或连结部件可为合理且有用的。这也可为该三个部件通过焊接、螺纹连接和压配合的某种组合连结或连接的情况。
本领域技术人员将理解，本说明书中阐述的具体实施例仅仅为说明性的并且各种修改为可能的，并且在不脱离对置活塞发动机的主题多部件活塞构造的范围的情况下，可进行各种修改。

Claims (27)

1.一种二冲程循环内燃发动机的多部件活塞，包括：
冠部部件，其具有第一周向环带区域；
裙部部件，其具有包括第一端和第二端的侧壁；以及，
外部件，其具有第二周向环带区域；
其中所述冠部部件通过一个或多个第一焊缝连结到所述裙部部件的所述第一端，并且所述外部件通过第二焊缝连结到所述裙部部件的所述第二端。
2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述冠部部件由第一材料制成，并且所述裙部部件由第二材料制成。
3.根据权利要求2所述的活塞，其中所述第一材料包括在高温下具有高强度的金属或金属合金，并且所述第二材料包括以下中的一种或多种：4140钢、不锈钢、10xx碳钢、球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁、压实石墨铸铁、灰铸铁、任何类型的SAE级配钢、钛、奥氏体镍铬基高温合金和镍基钢合金。
4.根据权利要求1所述的活塞，其中所述冠部部件包括锻造金属部件，并且所述裙部部件包括锻造金属部件。
5.根据权利要求1所述的活塞，其中所述冠部部件包括锻造金属部件，并且所述下部件包括锻造金属部件。
6.根据权利要求1所述的活塞，其中所述裙部部件包括锻造金属部件，并且所述下部件包括锻造金属部件。
7.一种对置活塞发动机的活塞，包括：
冠部部件，其包括端表面和周向延伸的压缩环带区域，所述端表面包括用于与对置活塞发动机的汽缸中的对置活塞的端表面形成燃烧室的装置，所述周向延伸的压缩环带区域具有一个或多个环槽；
裙部部件，其包括第一端、第二端和具有形成在所述裙部部件的侧壁中的腕销孔轴线的腕销孔；
外部件，其包括具有一个或多个环槽的周向延伸的油环带区域；
一个或多个第一焊缝，其连结所述裙部部件的所述第一端与所述冠部部件；以及
第二焊缝，其连结所述裙部部件的所述第二端与所述外部件；
其中所述压缩环带区域沿所述活塞的纵向轴线与所述油环带区域同轴对齐。
8.根据权利要求7所述的活塞，其中所述冠部部件由第一材料制成，并且所述裙部部件由第二材料制成。
9.根据权利要求8所述的活塞，其中所述第一材料包括在高温下具有高强度的金属或金属合金，并且所述第二材料包括以下中的一种或多种：4140钢、不锈钢、10xx碳钢、球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁、压实石墨铸铁、灰铸铁、任何类型的SAE级配钢、钛、奥氏体镍铬基高温合金和镍基钢合金。
10.根据权利要求7所述的活塞，其中所述冠部部件包括锻造金属部件，并且所述裙部部件包括锻造金属部件。
11.根据权利要求7所述的活塞，其中所述冠部部件包括锻造金属部件，并且所述外部件包括锻造金属部件。
12.根据权利要求7所述的活塞，其中所述裙部部件包括锻造金属部件，并且所述外部件包括锻造金属部件。
13.根据权利要求7所述的活塞，其中所述冠部部件包括锻造金属基部冠部，所述锻造金属基部冠部包括4140钢，并且所述裙部部件包括锻造金属基部裙部，所述锻造金属基部裙部包括钢合金或铝合金。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的活塞，其中用于形成燃烧室的所述装置包括配准到所述纵向腕销孔轴线的轴线，其中所述两个轴线之间具有预定角度。
15.一种用于制造对置活塞发动机的活塞的方法，所述方法包括：
提供包括具有第一环带区域的侧壁的冠部部件；
提供裙部部件，所述裙部部件包括具有纵向腕销孔轴线的腕销孔；
提供包括第二环带区域的外部件；
将所述冠部部件和所述裙部部件焊接在一起；以及
将所述外部件和所述裙部部件焊接在一起。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括使用锻造来转化金属件以产生所述活塞的所述冠部部件、所述裙部部件和/或所述外部件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将所述冠部部件和所述裙部部件焊接在一起包括摩擦焊、屏蔽活性气体保护焊、屏蔽金属电弧焊、气体保护钨极电弧焊、气体保护金属电弧焊、药芯焊丝电弧焊、埋弧焊、电渣焊和电阻焊中的一种或多种。
18.根据权利要求16所述的方法，其中将所述冠部部件和所述外部件焊接在一起包括摩擦焊、屏蔽活性气体保护焊、屏蔽金属电弧焊、气体保护钨极电弧焊、气体保护金属电弧焊、药芯焊丝电弧焊、埋弧焊、电渣焊和电阻焊中的一种或多种。
19.根据权利要求16所述的方法，其中将所述冠部部件和所述裙部部件焊接在一起包括对所述冠部部件和所述裙部部件的感应加热。
20.根据权利要求16所述的方法，其中将所述裙部部件和所述外部件焊接在一起包括对所述裙部部件和所述外部件的感应加热。
21.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述第一带区域和所述第二带区域中形成环槽。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，其中所述冠部部件还包括端表面，所述端表面具有用于与对置活塞发动机的汽缸中的对置活塞的端表面形成燃烧室的装置，所述燃烧室包括轴线，并且另外其中将所述冠部部件和所述裙部部件焊接在一起包括将所述燃烧室形成装置轴线定向到所述纵向腕销孔轴线，其中所述两个轴线之间具有预定角度。
23.一种对置活塞发动机的活塞，包括：
冠部部件，其包括端表面和周向延伸的压缩环带区域，所述端表面包括用于与对置活塞发动机的汽缸中的对置活塞的端表面形成燃烧室的装置，所述周向延伸的压缩环带区域具有一个或多个环槽；
裙部部件，其包括侧壁、第一端、第二端和形成在所述侧壁中的腕销孔；
外部件，其包括具有一个或多个环槽的周向延伸的油环带区域；
第一焊缝，其连接所述冠部部件与所述裙部部件的所述第一端；以及
第二焊缝，其连接所述裙部部件的所述第二端与所述外部件；
其中所述压缩环带区域沿所述活塞的纵向轴线与所述油环带区域同轴对齐。
24.根据权利要求23所述的活塞，其中所述冠部部件还包括下冠，并且所述裙部部件还包括位于所述侧壁内靠近所述第一端的内壁，其中所述第一焊缝包括：
在所述内壁上的径向内周向表面和所述下冠上的相应内周向表面之间的内焊缝；以及，
在所述内壁上的径向外周向表面和所述下冠上的相应外周向表面之间的内焊缝。
25.根据权利要求24所述的活塞，所述侧壁限定活塞纵向轴线，其中所述第一焊缝在正交于所述活塞纵向轴线的所述活塞的平面切口中对齐。
26.根据权利要求23所述的活塞，其中所述冠部部件和所述裙部部件相对于所述腕销孔的轴线配准。
27.一种对置活塞发动机的活塞，包括：
冠部部件，其包括端表面和周向延伸的压缩环带区域，所述端表面包括用于与对置活塞发动机的汽缸中的对置活塞的端表面形成燃烧室的装置，所述周向延伸的压缩环带区域具有一个或多个环槽；
裙部部件，其包括侧壁、第一端、第二端和形成在所述侧壁中的腕销孔；以及，
外部件，其包括具有一个或多个环槽的周向延伸的油环带区域；
其中所述冠部部件通过焊接、螺纹和压配合中的一种连接到所述裙部部件的所述第一端；以及，
其中所述裙部部件的所述第二端通过焊接、螺纹和压配合中的一种连接到所述外部件。
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