[发明专利]用于具有耐高温的冠部件的内燃机的活塞

说明书

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。

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。