用于对置活塞式发动机的多层活塞冠部的制作方法

本申请要求2016年2月29日在美国专利商标局提交的美国申请序列为No.15/056,909的申请的优先权。

相关申请

本申请包含的主题涉及以下共同拥有的专利申请的主题：2015年7月31日提交的美国专利申请No.14/815,747；以及2013年5月10日提交的美国专利申请No.13/891,523。

技术领域

本领域包括用于对置活塞式发动机中热量管理的结构，在该发动机中，燃烧室被限定在相对地设置在汽缸孔中的活塞的端表面之间。更具体地，本领域包括具有燃烧室的对置活塞式发动机，燃烧室最小化从燃烧室到发动机的其它部件的热损失。

背景技术：

相关专利申请描述了二冲程循环、压缩点火、单向流动的扫气、对置活塞式发动机，其中成对的活塞在端口式汽缸的孔中相对移动。二冲程循环对置活塞式发动机借助一对对置活塞的两个冲程来完成发动机操作的循环。在压缩冲程期间，当活塞开始朝向彼此移动时，增压空气进入汽缸中的活塞的端表面之间。当活塞接近各自的上止点(“TDC”)位置以形成燃烧室时，增压空气在逐渐接近的端表面之间被不断压缩。当端表面彼此最接近时(接近压缩冲程的结束)，出现最小燃烧室容积(“最小容积”)。直接喷射到汽缸中的燃料与压缩的增压空气混合。当压缩空气达到导致燃料开始燃烧的温度和压力水平时，开始燃烧；这被称为“压缩点火”。燃烧正时通常以最小容积为参考。在某些情况下，喷射发生在最小容积时或接近最小容积时；在其它情况下，喷射可在最小容积之前发生。在任何情况下，响应于燃烧，活塞反向并且在做功冲程中彼此远离地移动。在做功冲程期间，活塞朝向孔中的下止点(“BDC”)位置移动。当活塞在上止点和下止点位置之间往复运动时，它们按时间顺序打开和关闭在汽缸的相应进气位置和排气位置中形成的端口，该时间顺序控制增压空气流入汽缸和从汽缸排出。

为了最大化由燃烧释放的能量转换成运动，希望防止热量通过活塞从燃烧室传导出去。减少通过活塞的热量损失提高了发动机的运行效率。通常，通过使活塞冠部与活塞主体隔绝来减少或阻挡通过活塞的热传递。然而，同时存在这样的情况：在活塞的端表面处保持燃烧的热量可对活塞冠部和附近活塞元件造成热损坏。

活塞热管理是持续引起关注的问题，特别是考虑到现代内燃发动机预期的不断增加的负载。在典型的活塞中，至少有四个区域为在热管理方面所关注的：活塞冠部、环槽、活塞冠部下方(under-crown)和活塞/活塞销接口。如果活塞冠部的温度升高超出其制造材料的氧化温度，则活塞冠部可因氧化而损坏。活塞元件的机械故障可由热引起的材料改变导致。环、环槽和与环槽邻界的平台可遭受由于在超出焦化温度下加热的油引起的碳积聚。与环槽一样，活塞冠部的下表面也可遭受油焦化。

最新研究表明，与传统的六缸四冲程发动机相比，对置活塞式发动机二冲程循环发动机表现出提高的热效率(Herold,R.，Wahl,M.，Regner，G.，Lemke,J等人，“Thermodynamic Benefits of Opposed-Piston Two-Stroke Engines”，SAE技术论文2011-01-2216,2011，doi：10.4271/2011-01-2216.)。对置活塞式发动机凭借三种效果的组合实现热力学效益：由于更有利的燃烧室面积/容积比，热传递减少；通过经由二冲程循环而可形成的更稀操作条件而使比热比增加；并且由二冲程发动机的较低能量释放密度引起在固定最大压力上升速率下可实现的燃烧持续时间减少。在每个汽缸具有两个活塞的情况下，对置活塞式发动机可借助增强的活塞热管理来实现额外的热力学效益。

技术实现要素：

通过在一对对置活塞中的每个活塞中提供由两层或更多层不同材料制成的活塞冠部来实现对置活塞式发动机的活塞的增强的热管理。本文描述的具有多层的活塞减少了从燃烧室和活塞冠部到活塞主体的热传递，同时减少或防止环的热损坏和环槽中润滑剂的焦化。

在一些实施方式中，对置活塞式发动机的一对活塞中活塞的活塞冠部包括在活塞端表面处的阻挡层和邻近阻挡层的传导层，其中阻挡层在燃烧期间接触燃料和空气，而传导层将阻挡层连接到活塞裙部和其它活塞部件。

在相关方面中，提供一种用于制造对置活塞式发动机的一对活塞中活塞的活塞冠部的方法，所述活塞冠部包括在活塞端表面处的阻挡层和邻近阻挡层的传导层，其中阻挡层在燃烧期间接触燃料和空气，而传导层将阻挡层连接到活塞裙部和其它活塞部件。

附图说明

图1为现有技术的对置活塞式发动机的示意图。

图2为与对置活塞式发动机一起使用的示例性活塞的等距视图。

图3为图2的活塞的端表面的平面图。

图4为在具有根据图3成型的端表面的一对活塞的对置端表面之间形成的燃烧室的纵向直径剖视图，该图为沿图3中所示的线A-A截取的。

图5A为具有两层(阻挡层和传导层)的活塞冠部的分解图。

图5B为具有两层(阻挡层和传导层)的活塞冠部的分解横截面图。

图5C为活塞的分解横截面图，该活塞包括裙部和具有两层的活塞冠部。

图6A为活塞的横截面图，该活塞包括裙部和具有两层的活塞冠部。

图6B为图6A中细节A所示部分的放大图。

图7A为具有三层(阻挡层、隔绝层和传导层)的活塞冠部的分解图。

图7B为具有三层(阻挡层、隔绝层和传导层)的活塞冠部的分解横截面图。

图8A为包括图7A的多层冠部的活塞的纵向剖视图。

图8B为包括图7A的多层冠部的活塞的纵向直径剖视图。

具体实施方式

图1为包括至少一个汽缸10的对置活塞型二冲程循环内燃发动机8的示意图。汽缸包括孔12和纵向设置的进气端口14和排气端口16，它们经机加工或形成于汽缸中，靠近汽缸相应端部。进气端口和排气端口中的每个包括一个或多个周向开口阵列，其中邻近开口由汽缸壁的实心部分(也称为“桥”)分开。在一些描述中，每个开口均被称为“端口”；然而，这类“端口”的周向阵列的结构与图1中的端口结构没有不同。

燃料喷嘴17固定在经过汽缸的侧面的螺纹孔中。两个活塞20、22设置在孔12中，其中它们的端表面20e、22e彼此相对。为方便起见，活塞20由于其靠近进气端口14而被称为“进气”活塞。类似地，活塞22由于其靠近排气端口16而被称为“排气”活塞。优选但不是必须的，进气活塞20和在对置活塞式发动机中的所有其它进气活塞耦接到沿发动机8的一侧设置的曲轴30；并且，排气活塞22和所有其它排气活塞耦接到沿发动机8的相对侧设置的曲轴32。

具有一个或多个端口式汽缸(具有在其端部附近形成的进气端口和排气端口的汽缸)诸如汽缸10的对置活塞式发动机诸如发动机8的操作很好理解。在这方面，响应于燃烧，对置活塞远离其中它们处于汽缸10中的最内侧位置的相应TDC位置移动。在从TDC移动时，活塞保持其相关联的端口关闭，直到它们接近相应的BDC位置，在那里它们处于它们在汽缸中的最外侧位置并且相关联的端口是打开的。活塞可同相移动，使得进气端口14和排气端口16一致地打开和关闭。可替换地，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。

当增压空气通过进气端口14进入汽缸10时，进气端口开口的形状使增压空气以围绕汽缸的纵向轴线的涡流34旋转，该涡流34在排气端口16的方向上螺旋。涡旋涡流34促进空气/燃料混合、燃烧和污染物的抑制。随着端表面20e和22e一起移动，涡旋速度增加。图2至图5示出用于对置活塞式发动机的示例性活塞，其在相关的美国专利申请No.14/815747中被更加详细地描述。

图2为用于对置活塞式发动机的活塞100的等距视图；图3为活塞的端表面的平面图。现在参考图2和图3，限定燃烧室的活塞端表面的结构特征对于每个活塞本质上相同(如果不等同的话)；因此，这些图中所示的活塞100代表进气活塞和排气活塞。活塞100包括冠部102，该冠部102附接到、附连到裙部104或与裙部104一起制造，以形成连续的圆柱形活塞侧壁。冠部102包括平坦的端表面108。侧壁和端表面108在外周边缘110处交汇。外周边缘110具有以活塞的纵向轴线112为中心的圆形形状，如图3的平面图所示。一对凹口118和凹形碗状物120形成在端表面108中。凹口118定位为在外周边缘110中相对，与在端表面处的活塞的直径122对齐。

参考图3，凹形碗状物120具有椭圆形状，其沿直径122伸长并且与每个凹口118平滑地连接。凹形碗状物120通过延伸至外周边缘110的平坦端表面部分108a和108b邻接在凹形碗状物120的开口的相对侧上。外周边缘110和平坦端表面部分108a和108b设置在活塞的单个纵向水平面处，在该单个纵向水平面中，限定了端表面平面，该端表面平面与纵向轴线112正交并与端表面直径122相交。

图4中可见的燃烧室的纵向直径剖视图示出了燃烧室150，其形成在汽缸160的孔中相对设置的两个活塞100’和100”的端表面之间。该剖视图横向于燃烧室中心线CC，该燃烧室中心线CC在燃烧室150的中心处可见。根据图2和图3来构造端表面108’和108”。活塞100’和100”在其纵向轴线上旋转到其中端表面的凹口118以纵向相对的方式对齐的位置，并且碗状物120相互取向为使得偏转部分A’和A”分别与陡峭弯曲的侧壁123”和123’相对。这以对置面向对齐的方式设置碗状物的倾斜(skewed)形状，该对置面向对齐限定了在图4的纵向剖视图中具有旋转倾斜的形状的燃烧室150。尽管该图示出顺时针方向的旋转倾斜，但应该明显的是，活塞可旋转成以逆时针方向取向该倾斜。燃烧室的形状为旋转倾斜的，因为碗状物120’和120”的最深部分设置在纵向平面PCYL的相对侧上，该纵向平面包含汽缸的纵向轴线152并且与活塞100’和100”的纵向平面重合。此外，该倾斜以与活塞直径122对齐的燃烧室中心线CC为中心。燃烧室具有细长形状，其中相对的端部部分沿着燃烧室中心线CC朝向安装在汽缸侧壁170中的燃料喷射器165渐缩。燃料喷射器165与燃烧室中心线CC对齐并且定位成通过在对置凹口118之间限定的喷射端口将对置的燃料喷雾喷射到燃烧室150中。例如，燃料喷射器165可构造成发射包括多个羽流的燃料喷雾，该羽流具有喷射轴线，其以相关美国专利8,820,294中的图10A至图10C中所示的方式与腔室中心线CC共线或与腔室中心线CC相切。例如，燃料喷雾可包括三个羽流或四个羽流。

在图4的剖视图中，活塞100’和100”靠近孔中的TDC位置并且燃烧室150接近最小容积。在此图中，当活塞以最小容积彼此接近时，从在活塞端部的周边之间进入燃烧室的挤压(squish)运动变得更强。与碗状物的较浅区域(Α’和A”)相比，在碗状物廓线更深的情况下(123’和123”)，此挤压流优先分开得更多。此优先流分开建立了围绕燃烧室中心线CC循环的旋转结构176。如可看出的，旋转结构横向于涡旋轴线循环，该轴线通常与圆柱轴线112共线，结构176因此翻滚。此翻滚运动的强度随着对置碗状物的最深部分的设置的增大而增大。此翻滚运动的产生有利于确保由从对置喷射器发出的燃料喷雾的点火引起的扩散羽流被聚集在燃烧室中心，从而最小化对燃烧室壁的热量排放。

图5A示出具有两层(阻挡层102A和传导层102B)的活塞冠部500的分解图。阻挡层102A包括凹形碗状物120A和形成为配合在传导层102B上方的一对凹口118，特别是配合在形成在传导层102B中的相应碗状物120B和凹口118上方。阻挡层102A和传导层102B可由不同材料独立地制造，并且然后焊接在一起。此活塞冠部500通过焊接或任何其它合适附接方法在活塞环槽的上方附接到活塞的其它部分。

阻挡层102A包括端表面108C的平坦部分、凹形碗状物120A、一对凹口和侧壁505。在此活塞冠部500中，阻挡层102A形成燃烧室壁的一部分(图4中的150)。通过阻挡层102A将热量反射向燃烧室，使得热量不会损失到活塞的其它部分、发动机汽缸或环境。阻挡层102A由导热率为15W/m·℃或更低的材料制成，这在燃烧室壁经受的高温下不会氧化，并且在燃烧温度下持续一段时间不会明显失去强度。可用于阻挡层102A的材料包括超合金，例如合金、Haynes合金、MP98T和CMSX单晶合金。除了增材制造、锻造、铸造、磁脉冲成形等之外，可使用机加工来形成阻挡层102A。阻挡层102A的形成燃烧室即碗状物120A的部分的厚度将取决于阻挡层102A的材料特性和活塞的整体尺寸。例如，对于98 mm直径的活塞，对于由制成的层，如上所述的阻挡层的厚度将为约3.5 mm。对于130 mm直径的活塞，阻挡层将具有如上所述的约5mm的厚度。另外，阻挡层的厚度可横跨层的面积变化；也就是说，阻挡层的厚度可为不均匀的。厚度的不均匀性可通过在制造期间(例如，在铸造期间)或者在制造阻挡层102A之后，但在结合到传导层102B之前，在阻挡层的背侧(例如，与传导层交接的侧面)上形成空心、沟槽、凹坑等来实现。阻挡层102A将在诸如400℃至750℃的燃烧温度范围内操作。在一些实施例中，阻挡层102A将能够在达到450℃到约725℃的范围(诸如约500℃至约700℃)的温度的燃烧室中操作。

传导层102B包括与阻挡层102A的特征部类似的特征部，包括平坦部分108D、一对凹口118、凹形碗状物120B和侧壁510。特征部的尺寸允许在阻挡层102A和传导层102B之间的紧密配合。传导层102B快速地传输和耗散热量以使其远离活塞冠部。阻挡层102A保护传导层102B免受燃烧室的高温，使得传导层和活塞的其它部分将不遭受：氧化、强度损失或与活塞接触的任何润滑剂的过热。通常用于发动机活塞的材料适用于传导层102B。例如，传导层102B可由钢、不锈钢、铸铁、铝、铝合金、镁、镁合金等制成。用于传导层102B的材料的导热率值为25W/m·℃或更高。

与阻挡层102A类似，传导层102B可通过增材制造、锻造、铸造、磁脉冲成形、机加工等，或这些方法的任何合适组合来制成。传导层102B的支撑燃烧室即碗状物120B的部分的厚度将取决于传导层102B的材料特性和活塞的整体大小。例如，对于98mm直径的活塞，如上所述的传导层的厚度约为3.5mm，并且对于直径为130mm的活塞，传导层将具有如上所述约为5mm的厚度。传导层的厚度可横跨所述层变化，使得传导层的厚度不均匀。

阻挡层的背侧和传导层的顶部之间的配合通常可以是紧密配合的，但是在一些实施方式中，可存在其中两个层不接触的区域。其中阻挡层和传导层不接触的这些区域或空隙可填充有气体或者可被抽空。这些空隙的位置和尺寸随用于阻挡层和传导层的材料以及活塞冠部的特征部的配置而变化。空隙结合阻挡层和传导层的厚度变化可用于调节燃烧室温度的均匀性。空隙的位置可减小燃烧室中的热点和冷点或平均温度区域之间的温差。空隙的可能位置包括在碗状物120A与活塞冠部的端部表面的平坦部分的接合部下方的区域以及在凹口118下方的区域。空隙的大小和位置可变化。在高度上，空隙可为阻挡层102A的厚度的1/3或更小。可替换地，空隙可为阻挡层102A的厚度的1/2或更小。

为了由阻挡层102A和传导层102B形成单个活塞冠部500，可选择结合层的方法以适合层的材料。层可在成形中结合，例如通过增材制造。增材制造可包括铸造第一层(阻挡层或传导层之一)，然后在第一层上铸造另一层，或铸造第一层，然后添加粉末状金属以创建烧结或热处理的第二层以形成整体式活塞冠部。增材或结合方法可用于由阻挡层和传导层形成单个活塞冠部。这类结合方法可包括使用电子束焊接、激光焊接、磁脉冲成形/焊接或脉冲焊接技术沿侧壁进行焊接。此外，任何其它合适的结合技术可用于由阻挡层102A和传导层102B制成单个活塞冠部500。在一些实施方式中，结合技术可沿着侧壁505、510结合阻挡层102A和传导层102B，使得在冠部的内部中的层102A和102B之间可存在不连续性，以形成上述空隙。当使用焊接或其它增材结合方法将层结合时，空隙中可存在真空或空气。当增材制造诸如铸造和溢流浇注(overcasting)用于形成阻挡层102A和传导层102B时，空隙可填充有发泡材料，而非气体或抽空。

图5B为图5A中所示的活塞冠部500的横截面图。在此图中，可看到分别与它们的侧壁505和510一起的阻挡层102A和传导层102B，并且可看到配合在一起以形成冠部的特征部。基于为阻挡层102A和传导层102B选择的材料而形成凹口118、碗状物120A和120B以及平坦部分108C和108D，以获得活塞冠部，该活塞冠部将适当地保持在燃烧室中的热量而无活塞性能随时间损失或创建不希望的热点。图5C是与在活塞裙部上方的在图5B中所示活塞类似的活塞的分解横截面图。

图6A示出活塞100，其具有裙部104和与图5A中所示的活塞冠部类似的活塞冠部500。除了阻挡层102A和传导层102B之外，空隙300被示出定位在活塞冠部500的两个层之间。空隙300减少或阻止热量从燃烧室传递到活塞100的下部，起到热敏电阻器的作用。优选但非必要地，空隙300包含具有低导热率的材料。低导热率材料的示例包括空气、陶瓷和/或石墨，包括发泡材料。在一些实施方式中，代替低导热率材料的是，空隙300可被抽空，使得气体已从空隙300移除并且空隙300内的压力小于大气压。空隙300可形成例如在碗状物和活塞端表面的平坦部分的界面之下的环形室。用陶瓷、石墨或其它等价材料填充空隙300增添了活塞的结构完整性。图6B示出阻挡层102A和传导层102B之间的空隙300之一的放大图。

图7A示出具有三个层(阻挡层102A、传导层102B和隔绝层102C)的活塞冠部700的分解图。活塞冠部700的阻挡层102A和传导层102B可为相对于图5A中所示的双层活塞冠部500描述的阻挡层和传导层，但是在尺寸上进行修改以容纳在阻挡层102A和传导层102B之间的隔绝层102C。隔绝层102C包括碗状物120C和一对凹口118，以及平坦部分108E，平坦部分108E的尺寸被设计成配合在阻挡层102A和传导层102B之间。隔绝层102C将不具有侧壁，但将具有在阻挡层102A的侧壁505内配合的圆周。隔绝层102C由具有为2W/m·℃或更低的导热率的材料制成。隔绝层102C的厚度可根据用于制成隔绝层的材料而变化。可用于隔绝层102C的材料包括气体、真空或陶瓷材料。合适的陶瓷材料包括陶瓷微粒的生坯(green body)。也就是说，隔绝层102C可不为陶瓷材料的完整体(monolithic body)，而是陶瓷微粒的集合，该陶瓷微粒在有或没有粘结剂材料的情况下彼此粘附并且可被操纵以符合施加在微粒集合或生胚上的任何形状。陶瓷材料可包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、碳化硅、碳化钨、类金刚石材料等。隔绝层102C将被制成获得在诸如400℃至750℃的范围内的燃烧温度。在一些实施例中，隔绝层102C将能够在达到450℃至约725℃范围内诸如约500℃至约700℃的温度的燃烧室中操作。图7B示出类似于图7A中所示的三层活塞冠部的横截面分解图。

与上述的双层活塞冠部一样，活塞冠部700的三层可使用任何合适的制造技术结合，包括增材制造或焊接。当使用增材制造技术时，尽管上面描述为分立层，但是层可具有其中相邻层的材料混合或相互作用的界面。相反，在其中活塞冠部700的层通过沿侧壁505和510焊接而结合的实施方式中，相邻层可具有在层之间的不连续部分或间隙。

在一些实施方式中，活塞冠部通过铸造和溢流浇注(overcast)形成。在此类型的制造中，第一层铸造物为阻挡层。隔绝层独立形成，例如通过3D打印或粉浆浇铸(slipcast)。在第一层上方铸造第二层，即传导层，其中隔绝层插入在第一层和第二层之间。当需要所使用的材料类型时，传导层可以为第一层铸造物，而阻挡层可以为第二层铸造物，其中隔绝层在制造期间插入在第一层和第二层之间。

图8A和8B示出了在活塞裙部104的顶上的如图7A和7B所示的三层活塞冠部700的横截面图。在这些视图中，冠部700和活塞裙部104一起形成活塞100的外部部分的大部分。尽管活塞100示出为没有环槽，但是裙部805的上部部分可形成为具有环槽。在这类活塞中，活塞冠部700的结构可根据需要通过使槽热隔绝而形成环槽。

尽管本文所述的多层活塞冠部是关于具有特定构型的碗状物和燃烧室的活塞冠部来描述的，但是具有阻挡层和传导层的冠部的多层结构可与任何构型的碗状物和燃烧室一起使用，包括具有旋转对称性或与本文所述和所示不同、不对称构型的碗状物和燃烧室。此外，尽管每层(例如，阻挡层、传导层、隔绝层)被描述为一种材料的分立层，但在一些实施方式中，每层可包括多于一种材料，其作为基质材料和增强材料的复合物、材料的固溶体或多层不同材料。

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是说明性的，并且各种修改是可行的并且可在其中进行各种修改而不脱离用于对置活塞式发动机的主题多层冠部的范围。