帶有抗積碳涂料的活塞及其制造方法
【專利說明】帶有抗積碳涂料的活塞及其制造方法
相關(guān)申請的引用
[0001]本申請要求申請?zhí)枮?3/786，156，申請日為2013年3月5日的美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，并將其全部內(nèi)容合并入本案。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)，尤其是活塞及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0003]發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商們正面臨日益增長的提高發(fā)動機(jī)效率和性能的需求，包括但不限于，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，提高燃料燃燒率，減少油耗，以及為能在汽車內(nèi)使用暖氣而提高排氣溫度。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的運(yùn)行溫度需要提高。然而，盡管希望提高燃燒室內(nèi)的溫度，但仍舊需要使活塞保持在一適合工作的溫度。因此，已知在活塞頭內(nèi)具有內(nèi)部和外部的冷卻溝道，包含封閉和敞開狀態(tài)，發(fā)動機(jī)油在活塞頭中循環(huán)用來降低活塞頭的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。外部的冷卻溝道在包括一環(huán)形槽區(qū)域的活塞上部位置循環(huán)，而內(nèi)部的冷卻溝道通常位于活塞頭頂部燃燒面的下方，其通常被稱為活塞頂內(nèi)，通常包括一內(nèi)凹的燃燒碗。因此，活塞環(huán)帶區(qū)域和燃燒面都從循環(huán)油的冷卻行為中受益。然而，過久的接觸高溫表面的結(jié)果就是循環(huán)油開始降解和氧化。因此，就會在活塞上部和頂內(nèi)表面形成積碳。由于碳不斷的形成，就會在各自表面上產(chǎn)生一隔離層。因此，循環(huán)油的冷卻效果就會減弱，進(jìn)而導(dǎo)致表面的氧化和腐蝕，以及上部和燃燒表面區(qū)域的過度回火。因此，活塞材料的機(jī)械性能就會被減弱，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋的形成，尤其在應(yīng)力集中的區(qū)域，例如燃燒碗邊緣。
[0004]按照本發(fā)明制造的活塞通過減少油沉渣在冷卻油接觸的表面的積累克服由于形成積碳所帶來的上述缺點。因此，按照本發(fā)明制造的活塞實現(xiàn)了提高運(yùn)轉(zhuǎn)效率，在使用過程中保持基材的強(qiáng)度和持久性以及提高使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種內(nèi)燃機(jī)用活塞。該活塞包括一個配置成在氣缸孔中與燃燒氣體直接接觸的頂部燃燒表面的活塞本體，這個氣缸孔上有一頂內(nèi)表面位于頂部燃燒表面的下面。該活塞本體還包括一設(shè)置為容納至少一個活塞環(huán)的環(huán)帶區(qū)域，該環(huán)帶區(qū)域與頂部燃燒表面相鄰，該本體上還有一徑向向內(nèi)并與環(huán)帶區(qū)域大致徑向?qū)R布置的冷卻溝道。該活塞進(jìn)一步包括一種結(jié)合或涂覆于至少一個頂內(nèi)表面和至少一部分冷卻溝道的不粘材料，其中該不粘材料抑制積碳在其上的沉積。
[0006]按照本發(fā)明的另一個方面，活塞本體包括由第一塊材料制造的上頂部和由與第一塊材料相獨立的第二塊材料制造的下頂部。上頂部和下頂部固定在一起且不粘材料涂覆于上頂部和下頂部中至少一個件上。
[0007]按照本發(fā)明的另一個方面，不粘材料涂覆于上頂部而下頂部則不使用不粘材料。
[0008]按照本發(fā)明的再一個方面，冷卻溝道和活塞頂內(nèi)表面都涂覆有不粘材料。
[0009]按照本發(fā)明的又一個方面，活塞本體由鋼合金制造，這種鋼合金材料中包含有不粘材料成分。
[0010]按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種內(nèi)燃機(jī)活塞的制造方法。該方法包括:形成一活塞本體，該本體包含一在氣缸孔中與燃燒氣體直接接觸的頂部燃燒表面，一頂內(nèi)表面位于頂部燃燒表面的下方；該方法還形成一環(huán)帶區(qū)域設(shè)置成至少容納一個活塞環(huán)，該環(huán)帶區(qū)域與頂部燃燒表面相鄰；并形成一徑向向內(nèi)并與環(huán)帶區(qū)域大致徑向?qū)R布置的冷卻溝道；由一種不粘材料形成至少一個頂內(nèi)表面和一部分冷卻溝道，該不粘材料選自:純鈷、WC - 17Co, Co - 18Cr - 30Mo，或者其它任何包含鈷的合金，這種不粘材料能防止積碳沉積。
[0011]按照本發(fā)明的另一方面，此方法包括保持下頂部不涂覆不粘材料。
[0012]按照本發(fā)明的另一方面，此方法包括將不粘涂料涂覆于活塞頂內(nèi)表面與至少部分冷卻溝道。
[0013]按照本發(fā)明的另一方面，此方法包括用含有不粘材料作為其組成成分的鋼合金形成活塞本體。
【附圖說明】
[0014]為了更清楚地說明本發(fā)明的這些和其它方面特征及優(yōu)點，以下結(jié)合較優(yōu)實施例，最佳方式，附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，其中:
[0015]圖1是按照本發(fā)明的一方面制造的活塞沿其銷孔軸線的剖視圖。
[0016]圖2是沿圖1所示活塞銷孔橫向的剖視圖。
[0017]圖3是按照本發(fā)明的另一方面制造的活塞沿其銷孔的橫向剖視圖。
[0018]圖4是按照本發(fā)明再一方面制造的活塞沿其銷孔的橫向剖視圖。
[0019]圖5是按照本發(fā)明又一方面制造的活塞沿其銷孔的橫向剖視圖。
[0020]圖6是按照本發(fā)明的另一方面制造的活塞沿其銷軸的剖視圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖所示，圖1和圖2示出一個根據(jù)本發(fā)明一個較好的實施例所制造的一個活塞組件，以標(biāo)記10表示，在氣缸孔和內(nèi)燃機(jī)腔室(圖未示)中做往復(fù)運(yùn)動，內(nèi)燃機(jī)包括輕型車用柴油機(jī)，中型柴油機(jī)和重型大孔柴油機(jī)，汽油機(jī)等?；钊?0包括一個活塞本體12，圖示為用簡單一件式的鑄件或者鍛造或坯料制成，其沿著一條中心縱軸14延伸，活塞10沿著該軸在氣缸孔中做往復(fù)運(yùn)動?；钊倔w12有一個頂部燃燒室壁，在該壁的一面上，頂部燃燒表面16直接與氣缸孔中的燃燒氣體接觸，在該壁的反面，頂內(nèi)表面18軸向位于頂部燃燒表面16的正下方?；钊倔w12具有一個鄰近頂部燃燒表面16的活塞環(huán)帶區(qū)域20，其中，該環(huán)帶區(qū)域20構(gòu)成為用于容納至少一個活塞環(huán)(圖未示)?；钊倔w12包括冷卻溝道，作為一個示例，圖示為一個封閉的或基本封閉的冷卻溝道22。冷卻溝道22被設(shè)置為在活塞環(huán)帶區(qū)域20的徑向內(nèi)側(cè)并與其徑向齊平?；钊?0還包括一種不粘涂料24，被涂覆于或結(jié)合在中央通道中的至少一個活塞頂內(nèi)表面18上和至少一部分冷卻溝道22上，其中，不粘涂料24防止積碳形成。如果結(jié)合到位，不粘涂料24可以通過以下途徑涂覆:電鍍，熱噴涂，PVD，激光熔覆等等，以上僅為舉例而非限制。此外，如果活塞或其部分由鋼合金制成，該不粘涂料可作為鋼合金組合物的組分添加進(jìn)去(圖6)。如此，在具有不粘涂料24的表面，防止包括由循環(huán)油導(dǎo)致的積碳等構(gòu)成的隔離層的形成，因此，在冷卻溝道22內(nèi)和活塞頂內(nèi)表面18上循環(huán)的油得以實現(xiàn)冷卻功能，從而提高活塞10的性能并延長其使用壽命。
[0022]活塞本體12包括上頂部區(qū)域26和下頂部區(qū)域28，下頂部區(qū)域28具有一對在頂部區(qū)域26下方的活塞銷座30，形成一個橫向間隔開的銷孔32，所述銷孔32沿著與中心縱軸14基本垂直的銷孔軸34同軸對齊。活塞銷座30通過支撐部38與橫向間隔開的活塞裙部36連接。兩個活塞裙部36在銷孔軸34的兩邊并沿橫穿銷孔軸的徑向間隔開，并具有凸出外表面形狀以在氣缸孔中配合而保證活塞10在氣缸孔內(nèi)以預(yù)期方向做往復(fù)運(yùn)動。
[0023]頂部燃燒表面16呈現(xiàn)為具有一個內(nèi)凹燃燒碗40，供應(yīng)汽缸孔所需的氣流。至少一部分由于燃燒碗40的緣故，在燃燒碗40、冷卻溝道22和活塞頂內(nèi)表面18之間形成了活塞本體相對較薄的區(qū)域。因此，在使用過程中，這些區(qū)域需要被恰當(dāng)?shù)睦鋮s，比如通過在冷卻溝道22中流通冷卻油和針對活塞頂內(nèi)表面18在銷座30之間設(shè)一中央通道?；钊攦?nèi)可以通過來自冷卻油噴嘴的飛濺油冷卻或通過中央通道內(nèi)的機(jī)油冷卻。進(jìn)一步，上頂部區(qū)域26的外壁42從頂部燃燒表面16向下延伸。在外壁42上的環(huán)帶區(qū)域20中形成至少一條，圖示為多條圓環(huán)槽44，用來容納相應(yīng)多個活塞環(huán)(圖未示)，其中活塞環(huán)通?？稍谄涓髯缘膱A環(huán)槽44中自由移動。正如上述相對薄的區(qū)域，在冷卻溝道22和環(huán)帶區(qū)域20之間的環(huán)形壁也相對薄，因此，在使用過程中也需要適當(dāng)?shù)乩鋮s。
[0024]在活塞10延長有效的使用壽命期間，為便于頂部燃燒表面16，包括燃燒碗40和環(huán)帶區(qū)域29的恰當(dāng)冷卻，不粘涂料24涂覆或結(jié)合于至少一部分冷卻溝道22和活塞頂內(nèi)表面18的表面上。不粘涂料24從能防止在其上形成積碳的材料中選擇，這些材料包括:鉻，鉻-金剛石，鎳，類金剛石涂料，鉻-氮化物，AlCrN, AlTiN，陶瓷，鈷(包括純鈷或鈷合金，例如WC -1 7Co, or Co - 18Cr - 30Mo等，此處僅用于舉例而非限制)和聚合物材料。在圖1和圖2所示實施例中:不粘涂料24粘結(jié)于界定環(huán)形冷卻溝道22的全部表面或者僅是沿著該冷卻溝道22上部分涂覆，涂料24基本沿著環(huán)帶區(qū)域20的長度方向和燃燒碗40向上延伸的部分延展。這樣，避免這些區(qū)域積碳的沉積，從而防止了包括由積碳而成的隔離層的形成，該隔離層會降低冷卻溝道22中循環(huán)油的冷卻效果。因此，通過循環(huán)油這種方式達(dá)到恰當(dāng)?shù)睦鋮s，活塞本體12所有被冷卻的區(qū)域的材料因意想不到的高溫回火而防止弱化。因此，活塞本體12的材料能保持高強(qiáng)度和防止裂紋蔓延。而且，活塞環(huán)和環(huán)帶44被足夠冷卻后能防止其上碳的積累，從而使得活塞環(huán)按照要求懸浮和發(fā)揮功能而不會在各自的環(huán)帶44中被卡住。
[0025]除了冷卻溝道22具有一層不粘涂料24涂覆或結(jié)合于其上之外，圖示活塞頂內(nèi)表面18也具有一層不粘涂料24涂覆(圖6中活塞10’ )或結(jié)合在其上并沿其整個面延展。據(jù)此，活塞頂內(nèi)表面18上防止積碳的沉積，從而防止了由積碳導(dǎo)致的隔離層的形成，而該隔離層會降低對活塞頂內(nèi)表面18的飛濺油的冷卻效果。因此，通過對包括整個燃燒碗40的頂部燃燒表面16的恰當(dāng)冷卻，活塞本體12在這個區(qū)域的材料通過意想不到的回火而防止變?nèi)?。因此，頂部燃燒表?6的材料能保持高強(qiáng)度和防止裂紋蔓延。
[0026]按照本發(fā)明的另一方面制造的活塞110如圖3所示，其上的附圖標(biāo)記相應(yīng)增加100，用來與前述特征以示區(qū)別。該活塞110具有一活塞本體112，包含有一頂部燃燒表面116和位于其下方的一活塞頂內(nèi)表面118，其中頂部燃燒表面116圖示為具有一內(nèi)凹狀燃燒碗140。該活塞本體112也包括一環(huán)帶區(qū)域120，該活塞環(huán)帶區(qū)域120鄰近頂部燃燒表面116，設(shè)置有環(huán)帶區(qū)域120徑向內(nèi)側(cè)并與其基本徑向齊平的封閉或基本封閉的冷卻溝道112。所示不粘涂料124結(jié)合于至少一活塞頂內(nèi)表面118和至少一部分冷卻溝道122上，如上所述，在其上該不粘涂料124防止積碳的