專利名稱：低導熱系數活塞及其構造方法
技術領域：
本發明涉及內燃機，尤其涉及活塞及其構造方法。 現有技術發動機制造商面臨著不斷增長的提高發動機效率和性能的需求，包括但不僅限于，改善耗熱率、改善燃料燃燒、減少耗油量及提高廢氣溫度以便車內熱量的后續使用。為了實現上述目的，需要提高發動機燃燒室內的運行溫度。然而，在期望提高燃燒室內溫度的同時，還必須讓活塞保持在可工作溫度。通過在燃燒室內將活塞保持在可工作溫度，控制活塞頂部(upper land)上積炭的產生，從而提高發動機的運行效率。因此，雖然期望提高燃燒室內的溫度，但需要權衡燃燒室溫度的提高可能導致活塞的總體溫度上升，尤其是頂部區域溫度上升。人們已經做出了一些嘗試以制造能夠提高燃燒室運行溫度的活塞。一種已知的嘗試是給金屬活塞涂上陶瓷涂層。然而，這樣的活塞一般會出現使其不適合使用的強度、耐久性和加工問題。其它嘗試包括使用鉻含量為4-6%且導熱系數約為33W/m-K的中等不銹鋼， 雖然其在某種程度上是有用的，但是這些嘗試并沒有對導熱系數進行必要的降低以實現并維持期望的運行溫度的升高。根據本發明構造的活塞克服了包括與陶瓷涂層有關的現有活塞構造的缺陷。因此，根據本發明構造的活塞有利于提高燃燒室溫度，進而提高運行效率，同時具有高強度和耐久性，而且抑制了積炭的可能性。
發明內容
根據本發明的一個方面，一種活塞包括上冠部以及與上冠部直接焊接的下冠部， 該上冠部具有上燃燒表面且頂部從該上燃燒表面下垂。該下冠部具有一對從上冠部下垂的銷座以提供一對橫向間隔開、軸向對齊的銷孔。該上冠部由導熱系數約在7-25W/m_K范圍內的第一材料一體形成。下冠部由導熱系數高于上冠部的低等級鋼材構成。這樣，上冠部就作為阻熱物，因此，在容納有在其中作往復運動的活塞的燃燒室內的熱量被保存并最大化。 于是，通過提高用于下游發動機應用的廢氣溫度、改善燃油經濟性、促進燃料完全燃燒以及抑制活塞頂部的積炭的形成來增強發動機的運行效率和整體性能。根據本發明的另一個方面，在使用中燃燒室內的溫度保持在約300攝氏度以上， 該溫度已被確認基本為積炭停上的上限溫度。根據本發明的另一個方面，高等級不銹鋼材料的導熱系數約在7-25W/m_K范圍內。
根據本發明的另一個方面，上冠部由鉻含量約為11. 5-13. 5wt%且導熱系數約為 23ff/m-K的400系列不銹鋼構成。根據本發明的另一個方面，上冠部由鉻含量約為15-18wt%且導熱系數約為13W/ m-K的600系列不銹鋼構成。根據本發明的另一個方面，上冠部由導熱系數約為7. 8ff/m-K的鈦構成。根據本發明的另一個方面，提供一種用于內燃機的活塞的構造方法。該方法包括由導熱系數約在7-25W/m-K范圍內的第一材料一體形成上冠部，以及將上冠部構造成具有上燃燒表面且頂部從該上燃燒表面下垂，該頂部具有至少一個環形環槽以容納活塞環。另外，該方法包括用導熱系數高于上冠部的低等級不銹鋼合金材料構造下冠部，該下冠部具有一對銷座以提供一對橫向間隔開、軸向對齊的活塞銷孔。進一步地，直接將下冠部與上冠部焊接。
結合下文詳細描述的優選實施方案、最佳實施例、附加權利要求和附圖，本發明在所述的或者其它方面的特性和優點將更加容易理解，其中圖1是根據本發明的一個方面構成的活塞的局部透視圖；圖2是沿圖1中活塞的銷孔軸剖開的橫斷面圖。
具體實施例方式詳細的參閱附圖，圖1和圖2示出了根據本發明一優選實施方案構造以用于在內燃機缸膛或者燃燒室(未示出)內往復運動的活塞組件，以下簡稱為活塞10，該內燃機可以是重型柴油發動機。活塞10包括通過澆鑄、鍛造或者其它工藝構造的本體12，該本體12 沿中心縱軸14延伸，活塞10沿該中心縱軸14在缸膛內往復運動。本體12包括與下冠部 18相連的上冠部16。下冠部18有一對從上冠部16下垂的活塞銷座20以提供橫向間隔排列的、沿銷孔軸M對齊的銷孔22，該銷孔軸M大致垂直于中心縱軸14延伸。銷座20通過支撐件觀與橫向間隔排列的裙部沈連接。裙部沈隔著銷孔軸M相對兩側彼此相對間隔開，并且具有凸起的外表面以配合缸膛，當活塞10在缸膛中往復運動時將活塞10保持在期望的方向。上冠部16由第一材料一體形成，而下冠部18由與第一材料不同的第二材料與上冠部16分開形成。第一材料的導熱系數低于第二材料，以下稱第一材料具有“低”導熱系數，這里的“低”表示約在7-25W/m-K的范圍。這樣，上冠部作為熱量從上冠部16向下冠部18傳遞時的阻熱物，從而將位于上冠部16上方的缸膛內產生的熱量基本維持在缸膛內， 進而改善燃料燃燒、減少積炭的形成、提高廢氣的溫度及反過來增強發動機的運行性能。這里示出的活塞10的上冠部16具有上燃燒表面30，一燃燒碗32凹入該燃燒表面30以給缸膛提供所需氣流。一外壁33包括頂部34和環帶36從上表面30向下延伸到外自由端40，至少一個環形環槽38形成于環帶36中以浮動地容納活塞環(未示出)。環形內肋41從燃燒碗32的下表面下垂到內自由端42，其中內肋在外自由端40的下方延伸。 因此，外壁33和內肋41形成環形的上外槽部43。根據本申請的優選實施方式，上冠部16 由一種高等級不銹鋼材料構成，即鉻含量約為11. 5-13. 5wt%且導熱系數約為23W/m-K的 400系列不銹鋼構成。根據本申請的另一個優選實施方式，上冠部16由另一種高等級不銹
4鋼材料構成，即鉻含量約為15-17. 5wt%且導熱系數約為13W/m-K的600系列不銹鋼構成。 根據本申請的義一個優選實施方式，上冠部16由導熱系數約為7. 8ff/m-K的鈦構成。在此作為示例而非限制，下冠部18通過鍛造工藝與上冠部16分開構造，然后通過直立的環形外肋自由端44和直立的環形內肋自由端46與上冠部16相連，形成環形的下外槽部47。上、下冠部16、18在此示為通過摩擦焊接或者分別跨接外自由端40、44和內自由端42、46形成的其它合適類型的焊縫45連接在一起。因此，在上、下冠部16、18之間就由面對面的槽部43、47形成基本封閉的外油槽48，而在燃燒碗32中央部分下方銷孔22上方形成開放的內槽50。應該理解，根據本發明構造的活塞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構形。下冠部18由合適的經濟的材料構造，最好是經濟的金屬材料，例如低等級合金鋼，如4140H，或者微合金鋼。在工作中，由“低”導熱系數的鋼材構造的上冠部16作為上燃燒表面30上方的缸膛內的熱量在熱傳遞時的阻礙物。因此，上冠部16尤其是頂部34區域作為絕緣散熱片，頂部從而在使用過程中將頂部34的溫度提高到約300攝氏度以上。于是，頂部34上的積炭最小化，因此，不會妨礙放置在環槽38內的環或者多個環(未示出)相對缸壁形成密封。已經確定的是積炭通常發生在約200-300攝氏度之間，300攝氏度以上碳將被燒掉，因此不會積聚在頂部34上。于是，可以通過確保頂部維持在300攝氏度或者300攝氏度以上來抑制碳的積聚。另外，通過抑制從上冠部16向下的熱傳遞，提高了廢氣的溫度，從而提供可用于發動機其它操作——例如渦輪復合的附加能源。根據本發明的另一個方面，提供一種用于內燃機的活塞10的構造方法。該方法包括由導熱系數約在7-25W/m-K范圍內的第一材料一體形成上冠部16，且將上冠部16構造成具有上燃燒表面30且頂部34從上燃燒表面30下垂，該頂部34構造成具有至少一個用于容納活塞環(未示出)的環形環槽38。該方法進一步包括用鉻含量約為11. 5-13. 5wt% 且導熱系數約為23W/m-K的高等級不銹鋼、鉻含量約為15-18wt%且導熱系數約為13W/m_K 的高等級不銹鋼或導熱系數約為7. 8ff/m-K的鈦構造上冠部16。該方法進一步包括用低等級合金鋼材料構造下冠部18，例如鉻含量約為且導熱系數約為43W/m-K的合金鋼，形成的下冠部18的導熱系數高于上冠部16。進一步地，該方法包括構造具有一對銷座20的下冠部18，該銷座20提供一對橫向間隔排列、軸向對齊的銷孔22。然后，可以通過例如摩擦焊接工藝將下冠部18與上冠部16直接焊接，其中將上冠部16的下垂的外壁33和下垂的內肋41分別焊接到下冠部18的直立的環形外肋自由端44和直立的環形內肋自由端46 以形成基本上封閉的外槽48。顯然，本發明在上文描述的啟示下還可以有多種修改和變形。因此，應該理解，在權利要求保護的范圍內，本發明還可以除上文描述的具體實施方案以外的其它方式實施。
權利要求
1.一種用于內燃機的活塞，其特征在于，包括上冠部，由導熱系數在約7-25W/H1-K范圍內的第一材料一體形成的，所述上冠部具有上燃燒表面且頂部從該上燃燒表面下垂，所述頂部具有至少一個環形環槽以容納活塞環； 以及下冠部，與所述上冠部直接焊接，所述下冠部由導熱系數高于所述上冠部的低等級鋼合金材料構成，所述下冠部具有形成一對橫向間隔開、軸向對齊的銷孔的一對銷座。
2.如權利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上冠部由鉻含量約為11.5-13. 5wt%且導熱系數約為23W/m-K的400系列不銹鋼構成。
3.如權利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上冠部由鉻含量約為15-18wt%且導熱系數約為13W/m-K的600系列不銹鋼構成。
4.如權利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上冠部由導熱系數約為7.8ff/m-K的鈦構成。
5.如權利要求1所述的活塞，其特征在于，所述下冠部的鉻含量約為且導熱系數約為 43W/m-K。
6.一種用于內燃機的活塞的構造方法，其特征在于，包括由導熱系數約在7-25W/m-K范圍內的第一材料一體形成上冠部，將上冠部構造成具有上燃燒表面且頂部從該上燃燒表面下垂，將頂部構造成具有至少一個環形環槽以容納活塞環；以及用導熱系數高于上冠部的低等級鋼合金材料構造下冠部，該下冠部具有一對銷座以提供一對橫向間隔開、軸向對齊的活塞銷孔；以及將下冠部直接焊接到上冠部。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括用鉻含量約為11.5-13. 5wt%且導熱系數約為23W/m-K的高等級不銹鋼構造上冠部。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括將下冠部構造成鉻含量約為且導熱系數約為43W/m-K。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括用鉻含量約為15-18wt%且導熱系數約為13W/m-K的高等級不銹鋼構造上冠部。
10.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括用導熱系數約為7.8ff/m-K的鈦構造上冠部。
11.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括將下冠部構造成鉻含量約為且導熱系數約為43W/m-K。
全文摘要
本發明提供一種活塞及其構造方法。該活塞包括上冠部和下冠部，上冠部具有上燃燒表面且頂部從該上燃燒表面下垂，下冠部具有一對銷座以提供一對橫向間隔開、軸向對齊的銷孔。上冠部由導熱系數約在7-25W/m-K范圍內的第一材料一體形成。下冠部由導熱系數高于上冠部的低等級鋼材構造。上冠部與下冠部直接相連，其中上冠部作為阻熱物，因此，在容納有作往復運動的活塞的燃燒室內的熱量被保存并最大化。
文檔編號F16J1/01GK102510963SQ201080042518
公開日2012年6月20日 申請日期2010年8月6日 優先權日2009年8月6日
發明者喬斯·雷貝洛, 托瑪斯·埃格雷爾 申請人:費德羅-莫格爾公司