具有改进的燃烧碗边缘区域的整体活塞及其构造方法

摘要

本发明提供一种用于内燃机的活塞及其构造方法。该活塞包括一活塞本体，该活塞本体具有一上燃烧表面，并带有一从该上燃烧表面下垂的燃烧碗。该活塞本体具有一邻近上燃烧表面的环带区域，该环带区域用于容置至少一个活塞环。一冷却通道与该环带区域径向对齐。一环形燃烧碗边缘区域在上燃烧表面与燃烧碗之间延伸，且一结合缝从该燃烧碗边缘区域径向向外延伸至该冷却通道。相对于该活塞本体的周围材料，该结合缝具有能提高承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力的材料特性。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年12月8日提交的第61/568,213号美国临时申请的权 益，其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明主要涉及用于内燃机的活塞，特别是整体制成的活塞，并且尤其 涉及这些活塞的构造方法。

背景技术

本领域公知的是，通过制造活塞毛坯(通过铸造、锻造、机加工、粉末 金属技术或这些工艺的组合)来制造用于内燃机的活塞，并且在这种活塞中 形成至少一条冷却通道，该冷却通道可以是封闭的并可以容纳排热材料(例 如钠)，或者也可以至少部分开放以容置冷却油流，从而用于冷却活塞的邻近 该通道的区域。

一种用于在这种活塞中形成通道的技术是：在活塞中形成初始开放通道， 然后通过锻造或滚轧技术将活塞的一凸缘径向向外移至活塞本体的最外表 面，以封闭该通道，其中，由此产生的位于远离活塞的燃烧碗边缘的接缝可 通过软钎焊、硬钎焊或熔焊闭合。这种技术主要在以下现有参考文献中示出： DE 1103698、DE 1210302、DE 102005021428、US 2009/0241769、US  2008/0273936、US 7,104,183、US 7,421,782以及US 7,761,987。

对于一些发动机应用(例如高性能发动机以及柴油发动机)而言，活塞 受到极端温度循环以及高度腐蚀和侵蚀气体影响。在这些发动机中，燃烧碗 区域(特别是燃烧碗的上边缘区域)尤其受到极端温度、压力、应力以及高 度腐蚀和侵蚀气体的影响。因此，该燃烧碗边缘区域通常被认为是在使用中 很可能劣化的区域。

根据本发明构造的一种活塞提供了一种封闭的或基本封闭的冷却通道， 并带有具有燃烧碗边缘区域的燃烧碗，该燃烧碗边缘区域能够在现代高性能 发动机以及柴油发动机中承受极端温度、压力、应力以及高腐蚀和侵蚀气体， 从而延长活塞的有效工作寿命。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于内燃机的活塞。该活塞包括一 活塞本体，该活塞本体具有一上燃烧表面，并带有一从该上燃烧表面下垂的 燃烧碗。该活塞本体具有一邻近上燃烧表面的环带区域，该环带区域用于容 置至少一个活塞环。一冷却通道与该环带区域径向对齐。一环形的燃烧碗边 缘区域在上燃烧表面与燃烧碗之间延伸，且一结合缝从该燃烧碗边缘区域径 向向外延伸至该冷却通道。相对于该活塞本体的周围材料，该结合缝具有能 提高承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力的 材料特性。

根据本发明的另一个方面，该结合缝具有第一部分和第二部分，该第一 部分相对于该第二部分倾斜，从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提高燃 烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响 的能力。

根据本发明的另一个方面，该第一部分是圆锥形的，第二部分是平坦的， 从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提高燃烧碗边缘区域承受极端温度、 压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该第一部分从上燃烧表面径向向外并朝着冷 却通道发散，从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提高燃烧碗边缘区域承 受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该第二部分从第一部分径向向外延伸至冷却 通道，从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提高燃烧碗边缘区域承受极端 温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该第一部分从环带区域径向向外并朝着上燃 烧表面发散，从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提高燃烧碗边缘区域承 受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该第二部分从第一部分径向向外延伸至冷却 通道，从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提高燃烧碗边缘区域承受极端 温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该活塞本体沿一中心纵轴延伸，且该第二部 分垂直于该中心纵轴延伸，从而巧妙地设置该第二部分，以提高燃烧碗边缘 区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该冷却通道具有一上表面，且该第二部分延 伸为该上表面的共面延伸部，从而巧妙地设置该第二部分，以提高燃烧碗边 缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该第一部分相对于中心纵轴倾斜延伸，从而 巧妙地设置该第一部分，以提高燃烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力 以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该结合缝中设置有一钎焊材料，其中，相对 于形成活塞本体的材料，该钎焊材料的承受极端温度、压力、应力以及高腐 蚀和侵蚀气体的能力提高。

根据本发明的又另一个方面，提供了一种构造用于内燃机的活塞的方法。 该方法包括以下步骤：提供一活塞本体，该活塞本体具有一环形内壁以及一 环形外壁，该环形内壁和环形外壁相对彼此同心地沿一共同的中心纵轴延伸 至各自的自由端；将该环形外壁的一环形部分转为径向向内以使部分环形外 壁与环形内壁的自由端重叠；以及在环形内壁的自由端与外壁的重叠环形部 分之间形成结合缝，从而使该结合缝从燃烧碗边缘区域径向向外延伸至一冷 却通道。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该结合缝形成为沿第一部 分和第二部分延伸，且该第一部分相对于第二部分倾斜，从而巧妙地设置该 第一和第二部分，以提高燃烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃 烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该第一部分形成为圆锥形 的，将该第二部分形成为平坦的，从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提 高燃烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀 影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该第一部分形成为从上燃 烧表面径向向外并朝着冷却通道发散，从而巧妙地设置该第一部分，以提高 燃烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影 响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该第二部分形成为从第一 部分径向向外延伸至冷却通道，从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提高 燃烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影 响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该第一部分形成为从环带 区域径向向外并朝着上燃烧表面发散，从而巧妙地设置该第一部分，以提高 燃烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影 响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该第二部分形成为从第一 部分径向向外延伸至冷却通道，从而巧妙地设置该第一和第二部分，以提高 燃烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影 响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该第二部分形成为垂直于 该中心纵轴延伸，从而巧妙地设置该第二部分，以提高燃烧碗边缘区域承受 极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该冷却通道形成为具有一 上表面，且将该第二部分延伸为该上表面的共面延伸部，从而巧妙地设置该 第二部分，以提高燃烧碗边缘区域承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体 的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：将该第一部分形成为相对于 中心纵轴倾斜延伸，从而巧妙地设置该第一部分，以提高燃烧碗边缘区域承 受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力。

根据本发明的另一个方面，该方法可包括：通过一钎焊材料并以钎焊工 艺形成该结合缝，其中，相对于活塞本体，该钎焊材料的承受高温的性能提 高。

附图说明

结合下列目前优选实施例和最佳实施方式的具体描述、所附权利要求以 及附图进行考虑，根据本发明的上述及其他方面、特征和优点将会更加容易 理解，其中：

图1是根据本发明一个方面构造的活塞大致沿一销孔轴剖开的剖视图；

图2是图1的活塞大致沿销孔轴剖开的剖视图，其示出了局部构造状态 下的活塞；

图3是与图1相似的根据本发明另一个方面构造的活塞的视图；

图4是图2的活塞大致沿销孔轴剖开的剖视图，其示出了局部构造状态 下的活塞；

图5是与图1相似的根据本发明又另一个方面构造的活塞的视图；以及

图6是图5的活塞大致沿销孔轴剖开的剖视图，其示出了局部构造状态 下的活塞。

具体实施方式

更详细的参阅附图，图1示出了根据本发明的一个方面构造的活塞10。 该活塞10用于在内燃机(例如，轻型汽车柴油机、中档柴油机、重型柴油机 以及大口径柴油机，以及现代高性能内燃机)的缸膛或燃烧室(图中未示) 中往复运动。该活塞10具有一活塞本体12，该活塞本体构造为单一的整件式 部件，其沿一中心纵轴14延伸，活塞10沿该中心纵轴14在缸膛中往复运动。 该本体12形成为包括一上燃烧壁13，该上燃烧壁13具有一上壁部分15，该 上壁部分15提供一平坦的或基本平坦的上燃烧表面16，该上燃烧壁13还具 有一从该上燃烧表面16下垂的燃烧碗18，该燃烧碗18以邻近上燃烧表面16 的一环形燃烧碗边缘区域19为边界，其中，该燃烧碗边缘区域19在上燃烧 表面16与燃烧碗18之间延伸。上燃烧表面16、燃烧碗18以及燃烧碗边缘区 域19用于直接曝露于缸膛内的极端温度、压力、应力以及燃烧气体，其中， 燃烧碗边缘区域19通常承受最高的温度。活塞本体12构造为具有一邻近上 燃烧表面16的外环带区域20，该外环带区域20用于容置至少一个活塞环(未 示出)，活塞本体12还带有一封闭的或基本封闭的圆环面形(toroid-shaped) 的冷却通道22，该冷却通道22构造为自环带区域20径向向内并与其径向对 齐。一接缝(也称为结合缝24)从燃烧碗边缘区域19径向向外延伸至冷却通 道22。该结合缝24提供了形成至少部分的燃烧碗边缘区域19的材料，该燃 烧碗边缘区域19曝露于具有最极端温度的燃烧气体，相对于活塞12的邻近 材料，该结合缝34具有能提高导热以及承受极端温度、压力、应力以及燃烧 气体的高腐蚀/侵蚀影响的能力的材料特性。因此，与不具有材料特性提高的 燃烧碗边缘区域的活塞相比，燃烧碗边缘区域19能够承受最严峻的工作条件， 即温度、压力以及化学侵蚀，从而使活塞10的使用寿命延长。

活塞本体12具有一对大致从燃烧碗18的壁下垂的销座26，以提供横向 间隔开的销孔28，这对销孔28沿一大致垂直于中心纵轴14延伸的销孔轴30 同轴对齐。这对销孔28用于在其中容置活塞销(未示出)，以便于将活塞10 连接至连杆(未示出)。

燃烧碗18自上燃烧表面16凹入。该燃烧碗18构成为具有所要求的几何 结构，以使缸膛具有所要求的气流。燃烧碗18部分由直立的环形内壁部32 以及一基部(也称为下燃烧壁或底部34)构成。该环形内壁部32从燃烧碗边 缘区域19延伸至底部34。在其完成状态下，环形内壁部32可形成为具有凹 入的环形通道36，该通道36在燃烧碗边缘区域19的下方以及在部分上燃烧 表面16的下方径向向外延伸。底部34的直接曝露于燃烧气体的上表面可形 成为具有凸起的、圆顶形的结构，这均用于实现缸膛内的燃烧气体的所要求 的流体动力学。应该理解的是，根据所要求的流体动力学，这些表面32、34 可形成为具有任何合适的几何结构。

燃烧碗18的环形内壁部32通过结合缝24固定至上燃烧壁13的上壁部 分15。该结合缝24优选地通过任何所要求的钎焊工艺、任何所要求的熔焊工 艺(例如激光焊接)或通过任何合适的粘合剂/胶形成。若是钎焊形成，则钎 焊材料选自这种材料，即，相对于活塞本体12的材料，该材料具有能提高承 受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响的能力的材料特 性。否则，如果是熔焊形成，则该熔焊工艺形成了热硬化材料的热影响区域， 该区域从结合缝24向外延伸遍及或基本遍及整个燃烧碗边缘区域19。相对于 活塞本体12的周围材料，由该用于形成结合缝24的工艺所产生的热硬化材 料具有能提高承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀和侵蚀影响 的能力的材料特性。除了增强紧邻结合缝24的区域的材料特性以外，该结合 缝24还实现了环形内壁部32和上燃烧壁13的上壁部分15之间的液密及气 密粘合密封。

根据本发明的一个方面，作为示例而非限制，结合缝24沿环形内壁42 的第一部分38以及第二部分40延伸。该第一部分38和第二部分40相对于 彼此倾斜。第一部分38形成为具有相对于中心纵轴14倾斜的圆锥形结构。 该圆锥形的第一部分38从上燃烧表面16(从燃烧碗边缘区域19的最上角39) 径向向外并向下朝着冷却通道22发散。该实施例在这种情况下是特别合适的， 即，在最上角39的区域中，燃烧碗边缘区域19的最热位置紧邻上燃烧表面 16。第二部分40示出为平坦的。该平坦的第二部分40从圆锥形的第一部分 38垂直于中心纵轴14并大致平行于销孔轴30径向向外延伸至冷却通道22。 第二部分40形成为冷却通道22的上壁的上表面41的共面延伸部。通过延伸 至燃烧碗边缘区域19的最上角39的结合缝24，提高了燃烧碗边缘区域19(该 区域通常被认为是容易受极端温度、压力以及燃烧气体的影响而最早劣化的 区域)的强度及抗劣化性。无论是由于通过熔焊(例如激光焊)的热处理， 或是由于用于钎焊或其他粘接工艺的材料，该形成并围绕结合缝24的材料均 能产生抗劣化性。

图3示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞110，其中，与上述相差 100的相同的附图标记用于标识类似的特征。活塞110包括活塞本体112，该 活塞本体112构成为与上述活塞10大致相同，然而，结合缝124构造得与上 述结合缝不同，以使燃烧碗边缘区域119内的最高温度位置轴向位移。该最 高温度区域轴向向下位移至燃烧碗边缘区域119的最下角43，而不是如前述 实施例所述，最高温度区域位于燃烧碗边缘区域119的最上角139处。因此， 结合缝124的位置及结构导致了最高温度区域的这种轴向位移。

结合缝124示出为沿环形内壁142的圆锥形的第一部分138延伸。该第 一部分138相对于纵轴114以及平坦的或基本平坦的第二部分140倾斜，该 第二部分140从第一部分138径向向外并大致平行于销孔轴130地延伸至封 闭的或基本封闭的冷却通道122。因此，该第一部分138和第二部分140相对 于彼此倾斜。然而，该第一部分138从燃烧碗边缘区域119的最下角43向上 并径向向外朝着上燃烧表面116发散，而不是第一部分138(相当于结合缝 124的第一部分)从燃烧完边缘区域119的最上角139向下并径向向外发散。 该第二部分140延伸为冷却通道122的上壁的上表面141的共面延伸部。该 实施例在这种情况下是特别合适的，即，燃烧碗边缘区域119的最热位置从 上燃烧表面116轴向向下位移至紧邻环形凹入通道136的位置。

图5示出了根据本发明的另一个方面构造的活塞210，其中，与上述相差 200的相同的附图标记用于标识类似的特征。活塞210包括活塞本体212，该 活塞本体212构成为与上述活塞10大致相同，然而，结合缝224构造得与上 述结合缝不同，以使燃烧碗边缘区域219内的最高温度位置轴向位移。

结合缝224沿完全平坦的部分240延伸(该部分240从燃烧碗边缘区域 219延伸至封闭的或基本封闭的冷却通道222)，而不是如上述实施例所述的 沿圆锥形的第一部分延伸。这样一来，结合缝224横向地、大致垂直于活塞 210的纵轴214延伸，而不具有从燃烧碗边缘区域219的最上角239或最下角 243中的一个径向向外发散的部分。该结合缝224示出为等间隔地位于最上角 239和最下角243之间。因此，由用于形成结合缝224的工艺所提高的材料特 性延伸跨过燃烧碗边缘区域219的全宽。

根据本发明的另一个方面，提供了一种构造如上所述的并在图1、3和5 中示出的活塞10、110、210的方法。该方法包括：通过单件材料(例如钢) 提供或形成活塞本体12、112、212。作为示例而非限制，该形成工艺可通过 采用锻造或机械加工工艺实现，以提供局部构成的本体(例如图2、4和6中 所示)。举例来说，燃烧碗18、118、218与外冷却通道22、122、222一起局 部成形。在形成本体12、112、212后，环形内壁42、142、242以及环形外 壁44、144、244保持直立，从而该环形内壁42、142、242以及环形外壁44、 144、244沿中心纵轴14、114、214轴向延伸并绕该纵轴14、114、214彼此 同心地延伸至各自的内自由端46、146、246以及各自的外自由端48、148、 248。内壁44、144的自由端46、146可如图2和4所示的构成为具有圆锥形 的第一部分38、138以及平坦的第二部分40、140，该第一部分38、138相对 于纵轴14、114倾斜，该第二部分40、140从第一部分38、138径向向外并 大致平行于销孔轴30、130延伸。另外，如图6所示，内壁242的自由端246 可以形成为具有延伸跨过整个自由端246的平坦的部分240，而不包括圆锥形 的部分。

在形成或提供局部构成的本体12、112、212后，进一步加工包括将外壁 44、144、244的一部分50、150、250转向为径向向内延伸，从而该外壁44、 144、244的自由端48、148、248径向朝内，并使得外壁44、144、244的端 部与内壁42、142、242的自由端46、146、246轴向对齐并重叠，从而使该 外壁44、144、244的重叠部分邻接或紧密靠近内壁42、142、242的自由端 46、146、246。该转向过程可通过任何合适的转向工艺实现，作为示例而非 限制，该工艺包括卷边/弯曲或滚压工艺。在执行该转向过程前，如果冷却通 道22、122、222确定为完全密封的冷却通道，则冷却剂介质51、151、251 可以设置在位于内壁42、142、242与外壁44、144、244之间的通道内，从 而在完成该转向过程以及下述后续的接合过程后，该冷却剂介质51、151、251 密封在冷却通道22、122、222内。该冷却剂介质51、151、251可以提供为 任何合适的冷却剂介质，例如含金属的冷却剂成分(包括固体、液体或固体 颗粒和液体的混合物)。

然后，在使部分外壁44、144、244转向后，沿第一和第二部分38、40、 138、140延伸的缝24、124、224(对于缝224而言仅沿部分240延伸)与外 壁44、144、244结合并密封。该结合步骤优选地通过任何合适的钎焊工艺实 现，该钎焊工艺采用结合并密封该缝24、124、224的钎焊材料52、152、252， 并同时形成该钎焊材料的外表面层，与活塞本体12、112、212的基材相比， 该外表面层具有能提高承受极端温度、压力、应力以及燃烧气体的高腐蚀/侵 蚀影响的能力的材料特性。因此，燃烧碗边缘区域19、119、219的结合缝24、 124、224包括钎焊材料50、150、250的外层，同时也给予了紧邻结合缝24、 124、224的热影响区，从而提高了燃烧碗边缘区域19、119、219在使用中的 耐久特性和性能特性。当然，如上所述，其他工艺也可用于形成结合缝24、 124、224，例如，提供了上述热影响区的熔焊工艺，或粘合剂/胶。根据该实 施例，燃烧碗边缘19、119、219可以完全或基本由环形内壁42形成(图1)， 可以完全或基本由环形外壁144形成(图3)，或由环形内壁242和环形外壁 244的结合形成(图5)。

在形成结合缝24、124、224后，可以执行活塞本体12、112、212的进 一步加工，作为示例而非限制，该进一步加工过程包括：机械加工内壁42、 142、242，以形成燃烧碗边缘区域19、119、219的加工表面以及凹入的环形 通道36、136、236，以及机械加工外壁44、144、244，特别是带有外环带区 域20、120、220的外壁44、144、244，以形成所要求的环槽。

显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的。因此，应 该理解，在所附权利要求范围内，本发明也可通过除了具体描述以外的方式 实现。