CN101213360B - 柴油机的涂层动力缸部件 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种柴油机活塞组件包括具有顶面、外环带、一对活塞销座和活塞裙的活塞本体以及金刚石复合镀铬涂层。其中，所述顶面设有具有燃烧室边缘的燃烧室；所述外环带设有多个活塞环槽和上环岸部，该多个活塞环槽包括具有上壁的头道活塞环槽，所述上环岸部设于该头道活塞环槽和所述顶面之间；所述对活塞销座具有对齐的销孔；所述金刚石复合镀铬涂层至少涂敷于所述顶面、所述燃烧室边缘、所述上环岸部和所述头道活塞环槽的上壁。

Description

柴油机的涂层动力缸部件
本申请要求申请日为2005年5月23日的第60/683,575号美国临时申请的优先权，该临时申请在此作为参考。
技术领域
本发明涉及柴油机，尤其是涉及采用涂层保护动力缸的包括活塞在内的各种动力缸部件。
背景技术
采用各种方法和装置来保护汽缸内柴油机部件，使其免受燃烧副产品的有害影响，特别是当柴油机内存在废气再循环(exhaust gas recirculation，简称EGR)时。也曾有人建议采用涂层作为接合摩擦件替代轴衬或轴承等。后者例如磷酸锰、类金刚石涂层(diamond-like-coating，简称DLC)、多种物理气相沉淀(physical vapor deposition)得到的涂层、化学镀层和电镀层。
随着高压柴油机喷油系统(共轨式，电子单元喷射器，液压电子单元喷射器)的广泛使用，每次燃烧燃料流产生的火舌效应引起活塞燃烧室凸缘氧化或腐蚀的情况变得非常普遍。同时，由于后期的燃料喷射需要定时排除氧化氮(NOx)形成物，故易发生缸套燃料过渡喷涂的情况，这种例子已被证明。另一个极端是，早期或预喷射会使液体燃料堆积在活塞顶部，它们在大多数的压缩冲程中不会燃烧。高压柴油机喷油系统这些固有的问题带来了一些副作用，包括：1)柴油机活塞上环岸上存在碳堆积；2)缸套上的上止点/头道环逆转点处的油膜劣化；以及3)活塞腐蚀(点蚀)，特别是喷射器喷射的燃料流在活塞顶部燃烧室边缘处发生燃烧的区域内产生的活塞腐蚀。
从以往的经验来看，上环岸碳堆积是导致孔抛光及随后的润滑油控制丧失的根源。而后反过来影响喷射。
带有燃料的缸套过渡喷涂使得油膜变薄并将其污染，从而大大影响了压膜承受头道环接触负载的能力。燃料过渡喷涂还会耗尽润滑剂指定(TBN)储备，将烟灰带入油膜中。其结果是形成腐蚀/磨料介质，该介质会毁坏与其密切接触的部件。从上止点(TDC)传播过来的活塞的第一个20-40mm处的缸套化学蚀刻(腐蚀)不仅加速了局部磨损，而且还导致了更深的环外围(ringperipheral，简称OD)面磨损。
局部不受控制的(爆发性的)堆积燃料燃烧使得活塞材料产生非常高的温度和机械应力，最终产生点蚀。该点蚀在结构上令凹腔燃烧室的悬唇变得薄弱，产生破损。进一步向活塞的活塞环外围(OD)腐蚀，金属基板上产生下陷的凹坑，对喷射和整个发动机的性能产生负面影响。这些因素以这样的方式结合在一起，加重了高压/高热载柴油机中头道环槽的磨损。
到此为止，以上所述是些代表性的问题，这些问题或多或少地来源于具有EGR的喷油式发动机产生的汽缸内环境。此外，现代柴油机压力的快速上升和很高的燃烧压力峰值特性，使得活塞松动，增强了缸套的震动，并触发了缸套气穴现象，该气穴现象本身就是一个主要问题。因此，寄希望于活塞裙涂层(聚合物基或注入石墨)可帮助减少气穴现象，但这些涂层也带来了其自身存在的附加问题，包括加工过程中不便于涂敷。
发明内容
本发明发现一种电镀涂层在克服和大大降低柴油机环境对于钢制活塞的上述有害影响方面非常有效。该电镀涂层典型用于冲压工业中，有时也用于赛车领域，涂敷在汽油发动机活塞的活塞裙上。对于汽油机活塞的活塞裙而言，并不存在上述与伴随EGR的高压柴油机有关的问题。“DIA-CLUST”是美国一些电镀作业车间采用的一种产品的商标，其加工方式可增加复杂冲压模具的寿命，包括在适当的位置电镀铬和工业金刚石的混和层。该金刚石团簇尺寸非常小(小于40纳米)。电镀层呈现出非常平滑的表面，具有很低的摩擦系数(大约0.08)。应用于柴油机的涂层为约2-10μm级。
涂层中的铬令涂敷有复合铬/金刚石涂层的动力缸部件具有抗腐蚀和抗氧化的性能，也可以减少槽磨损/销孔摩擦，避免上环岸碳堆积。铬和金刚石团簇的共同作用也使活塞的活塞裙部分抗擦伤，使缸套避免气穴现象，因此，当涂层涂敷于活塞裙，不涉及缸套内活塞的局部焊接或烧蚀，可使活塞以更为紧凑的运行间隙运行。减轻缸套气穴现象与涂层的光滑本性带来的组装间隙的减小，在效果上是相同的。
根据本发明的一方面，提供一种柴油机活塞组件，该组件包括具有顶面、外环带、一对活塞销座和活塞裙的活塞本体，其中，所述顶面设有具有燃烧室边缘的燃烧室；所述外环带设有多个活塞环槽和一个上环岸部，该多个活塞环槽包括具有上壁的头道活塞环槽，所述上环岸部设于该头道活塞环槽和所述顶面之间；所述一对活塞销座具有对齐的销孔。金刚石复合镀铬涂层至少涂敷于所述顶面、所述燃烧室边缘、所述上环岸部和所述头道活塞环槽的上壁。
根据本发明的另一方面，提供一种动力缸装置，该装置包括活塞、至少一个活塞环、连杆、具有外表面的活塞销、具有内缸套壁的汽缸套以及金刚石复合镀铬涂层。其中，所述活塞具有顶面、至少一个具有槽壁表面的活塞环槽和至少一个具有销孔表面的销孔；所述至少一个活塞环具有外径表面、内径表面、顶面及底面；所述连杆一端设有小孔，另一端设有大孔；所述金刚石复合镀铬涂层涂敷于所述活塞的至少部分顶面，所述至少一个活塞环槽的任一顶壁表面和所述活塞环的顶面之一，所述活塞环的任一外径表面和所述汽缸套的内缸套壁之一；所述活塞销的外表面或所述活塞的销孔和所述连杆的小孔的表面之一。
附图说明
为便于理解本发明的特征及优点，以下结合附图对本发明进行详细描述，其中：
图1是活塞的立体示意图；
图2是活塞环的立体示意图；
图3是活塞销的立体示意图；
图4是汽缸套的立体示意图；
图5是连杆的立体示意图；
图6是发动机滑动轴承的立体示意图；
图7是电镀过程中所示活塞的部分示意图；
图8是图1中活塞的活塞销座部分的不完整立体图；
图9是活塞的正视图；
图10是活塞断开横截面的正视图；以及
图11是动力缸装置的示意图。
具体实施例
图1和8-10举例说明了一套活塞组件22的活塞20，该活塞组件22包括活塞20、一个或多个活塞环23、连杆24和活塞销26。活塞组件22是动力缸装置27的一部分，该动力缸装置27还包括汽缸套28、曲轴30和柴油机机体32。柴油机领域内的普通技术人员可知这些部件是如何彼此连接和运作的，因此没有必要进行详细的描述，结合附图即可充分理解这些部件在本发明上下文中的工作方式。
活塞20包括活塞本体34。在许多柴油机应用中，虽然也可考虑其他材料例如铁和铝，但仍优选钢制的活塞。
活塞本体34具有顶面36，该顶面36上凹设有燃烧室38。该燃烧室38可加工成形具有燃烧室凸缘或唇缘40，如图所示，该唇缘40可径向向内突出，在其下方界定底切区域(undercut region)42。如图所示，该燃烧室38可进一步在唇缘40之上设有回切区域(cut back region)44。
活塞本体34可进一步包括从顶面36向下延伸的外环带壁46，该外环带壁46设有多个活塞环槽48、50、52。最上面的或头道活塞环槽用标记48标识。上环岸区域54设于头道活塞环槽48与活塞的顶面36之间。
头道活塞环槽48包括上顶壁56、下或底壁58以及后壁60，参见图9和图10。通过已知的方法将相配合的一个活塞环23设于该头道活塞环槽48中。通过已知的方法将其他活塞环23类似地设于槽50、52中。最下面的活塞环槽52可容置一组油环，简单起见，该油环也用数字23标识，但理解为是与槽48、50所容置的压缩环结构不同的环。
活塞本体34设有至少一端，如图所示，一对活塞销座62具有一对对齐的销孔64。连杆24在一端设有小孔66，在相对端设有大孔68。连杆24的小端插入活塞销座62的内部相对表面70(图8中仅显示了这些表面70中的一个表面)之间所设的侧隙内，活塞销26穿过相互对齐的销孔64和小孔66，以接头连接的方式将活塞20连接至连杆24。活塞销26具有与活塞20的销孔64和连杆24的小孔66相互作用的外表面70。
活塞本体34进一步设有活塞裙74，该活塞裙74在活塞销座62的任一侧都设有外部汽缸配合面76。如图所示，活塞裙74可与活塞销座62一体成形，因此可与活塞销座62用相同的材料制成。活塞组件安装于活塞缸套28中，活塞环23与活塞缸套28的内壁78配合。活塞裙74的外表面76也可紧密地接近内壁78，并能够在活塞20于活塞缸套28内往复运动期间，与该内壁配合，以使活塞20保持在一条直线上。
连杆24的大端可通过相关曲臂面或轴颈80连接至曲轴30，该轴颈80设于大孔68内，用于通过该曲臂80和大孔68之间的接头连接将连杆24连接至曲轴30。反过来，曲轴30通过其轴颈82的支撑，在柴油机机体32的相关曲臂支撑块或面84内旋转。代表性地，发动机的主轴承(图6)沿曲臂支撑面84排列，用于使曲轴30滑动。
在柴油机运行期间，顶面36和燃烧室38(特别是唇缘40)直接受燃烧产生的热和压力的影响。燃料喷射器(图11)喷射的燃料流86直接燃烧至这些表面上，伴随有热、压力和腐蚀性EGR的持续喷射会腐蚀典型的活塞，久面久之，会导致暴露在外的区域凹陷和磨损，最终导致需要更换活塞20。本发明人发现通过在易受影响的区域涂敷一层金刚石颗粒弥散复合镀铬涂层90，该活塞，包括那些直接暴露于燃料喷射器88喷射的燃料流86的区域，明显能够在严苛的EGR测试环境下经受更长时间的暴露，且即便是出现任何意义的磨损或损坏的明显征兆，仍然能够支撑一段时间。更令人惊讶的是，发现在严苛的EGR环境下，该材料外观发生转变，呈现出实际上加固该涂层并使其随时间更加有效的效果。此时，发明人还不能很好地理解这种转变机理和最终变化的细节，但它确实发生了。因此，用涂层90覆盖至少部分顶面36。可将活塞整个顶面36包括所有或部分凹进的燃烧室38特别是唇缘40涂敷涂层。
金刚石复合镀铬涂层被认为是有专利保护的。可以参考英国研磨剂公司(U.K.Abrasives，Inc)的金刚石复合技术(Diamond Composite Technology)提供的名为金刚石增强型复合涂层的网络材料，该材料可在此作为参考。
上环岸54也可涂敷一层材料90，该上环岸54典型地受到EGR柴油机环境中碳堆积的影响，如背景技术部分所解释。惊奇地发现在这些区域涂敷涂层倾向于使活塞上很少有甚至没有碳堆积。
活塞裙74也受益于涂层90。该涂层将活塞裙74对内缸套壁78的擦伤减到最小，并允许活塞裙74相对活塞缸套具有靠近的公差。内缸套壁78可选择地设置涂层90。
活塞销座62的内表面70同样可有涂层，与连杆24的小孔端66的无涂层侧面结合。也可采用相反的设置方式，即连杆的侧面涂层，而活塞销座62的内表面70无涂层。
许多典型活塞上环岸54上的碳堆积也会导致材料堆积于活塞环槽中，特别是头道活塞环槽48中。这将导致活塞环粘结和/或断裂。更令人惊讶的发现是，通过至少涂敷头道活塞环槽54的顶壁56，大大减少或完全消除了头道活塞环槽48中的堆积现象。可选地，活塞环23的顶面可涂敷涂层90。如果头道活塞环槽48设涂层，则其所有的壁56、58、60可设涂层。在这种情况下，活塞环的表面(顶、底、内表面)将不涂敷涂层。无论环或者槽壁是否有涂层，均可将活塞环23的径向外表面92涂敷，在这种情况下，涂层活塞环23所抵靠而移动的内缸套壁78上的区域不涂敷涂层90。在对与另一部件操作接触的一个部件(例如环和槽壁)涂敷涂层90时，优选仅对接触面中一方的接触面进行涂敷。或者，将该涂层表面设于另一个部件上。这种情况下无涂层表面的硬度优选小于涂层表面的硬度。该无涂层表面的硬度可比涂层表面的硬度小大约20Rc，且具有良好的性能。
由活塞销座62、连杆24和活塞销26构成的活塞接合处也可由涂层材料90涂敷。本发明还可将销孔64和小孔66涂敷涂层90，而活塞销26无涂层。本发明进一步预期可采用相反的设置方式，也就是活塞销26的外表面72涂敷涂层90，而孔64、66无涂层。同样的涂层/未涂层匹配表面适用于活塞接合处。如果需要镶入式滑动轴承94，则可采用图6所示的形式而安装于销孔64中，其中钢背衬96涂敷有涂层材料90，类似的轴承套插入小孔66中，以与无涂层的活塞销26结合。
连杆24大端的接合处可采用与活塞接合处类似的设计。大孔68或曲臂支撑84可涂敷涂层90，而曲臂80无涂层，反之亦然。可以按照上述对于活塞接合处的设置方式来设置图6中的轴承94。
这样，在柴油机动力缸部件上通过使用涂层材料90可获得令人惊讶且预料不到的结果。在柴油机中，在1.11/220巴(bar)峰值压力负载系数下伴随EGR运行约1000小时，可惊奇地发现：上环岸54上基本没有碳堆积；作用于燃烧室凸缘的燃料流附近，该燃烧室凸缘基本没有明显的氧化或腐蚀；基本没有检测到EGR导致的腐蚀；缸套壁中基本没有发觉头道活塞环槽磨损；基本没有销孔磨损或活塞销磨损，没有活塞裙擦伤或汽缸套气穴现象。试验后活塞的整体状况基本不变。更让人惊讶的进展是，暴露于燃烧产生的热中特别是燃料流附近的活塞顶部的涂层，开始进行热致转换。与磨损相反，该涂层开始转换从而具有比原涂层的微观结构更为耐用的相位，涂层的该相位被认为部分有助于加强这种严酷条件下涂层的韧性和耐久性。
图7举例说明了一种适合的电极98排布，藉由该排布，可通过电镀槽中的电沉积涂敷涂层90。活塞可在支撑下绕其纵轴旋转，其外表面与所述一致的电极98相间隔进行涂敷。活塞优选在要涂层的区域旋转地对称，并可用于控制活塞环槽和燃烧室区域涂层90的厚度。
很明显，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改。因此，可以理解，除上述特定实施例外，本发明可以其他方式实施，而不限于上述说明书中所描述。

Claims (24)

1.一种柴油机活塞组件，包括：
活塞本体，具有顶面、外环带、一对活塞销座和活塞裙，其中，所述顶面设有具有燃烧室边缘的燃烧室；所述外环带设有多个活塞环槽和一个上环岸部，该多个活塞环槽包括具有上壁的头道活塞环槽，所述上环岸部设于该头道活塞环槽和所述顶面之间；所述一对活塞销座具有对齐的销孔；以及
金刚石复合镀铬涂层，至少涂敷于所述顶面、所述燃烧室边缘、所述上环岸部和所述头道活塞环槽的上壁；
涂敷于所述顶面和所述燃烧室边缘的金刚石复合镀铬涂层的外观在废气再循环的柴油机环境下发生转变，呈现出实际上加固该涂层并使该涂层随时间更加有效地效果；
涂敷于所述上环岸部和所述头道活塞环槽的上壁的金刚石复合镀铬涂层减少或消除了碳堆积。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述金刚石复合镀铬涂层进一步涂敷于所述销孔。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述金刚石复合镀铬涂层进一步涂敷于所述活塞裙。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述活塞销座包括彼此相对且彼此间隔的径向内表面，所述金刚石复合镀铬涂层进一步涂敷于所述活塞销座的该径向内表面。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，进一步包括未涂敷所述金刚石复合镀铬涂层的活塞环，该活塞环设于所述具有上壁的头道活塞环槽中。
6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述活塞环包括涂敷有所述金刚石复合镀铬涂层的径向外表面。
7.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，进一步包括设于所述销孔中的活塞销，该活塞销具有与所述销孔运转接触、未涂敷所述金刚石复合镀铬涂层的外表面。
8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，进一步包括连杆，该连杆在其一端设有小端孔，所述活塞销容置于该小端孔中以将所述活塞本体连接至所述连杆，该小端孔涂敷有所述金刚石复合镀铬涂层。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述活塞销具有与所述连杆的小端孔运转接触、未涂敷所述金刚石复合镀铬涂层的部分所述外表面。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述活塞销和所述连杆确定无轴承或轴承套的活塞接合处。
11.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述头道活塞环槽还设有底壁和后壁，该头道活塞环槽的所有壁均涂敷有所述金刚石复合镀铬涂层。
12.一种动力缸装置，包括：
活塞，该活塞具有顶面、外环带和至少一个具有销孔表面的销孔，其中，所述顶面设有具有燃烧室边缘的燃烧室；所述外环带设有至少一个具有槽壁表面的活塞环槽和一个上环岸部，该至少一个活塞环槽包括具有上壁的头道活塞环槽，所述上环岸部设于该头道活塞环槽和所述顶面之间；
至少一个活塞环，该活塞环具有外径表面、内径表面、顶面及底面；
连杆，该连杆一端设有小孔，另一端设有大孔；
具有外表面的活塞销；
具有内缸套壁的汽缸套；以及
金刚石复合镀铬涂层，涂敷于所述活塞的至少部分顶面，所述燃烧室边缘，所述上环岸部，所述头道活塞环槽的上壁，所述活塞环的任一外径表面和所述汽缸套的内缸套壁之一；所述活塞销的外表面或所述活塞的销孔和所述连杆的小孔的表面之一，以形成涂层和无涂层面；
涂敷于所述活塞的所述顶面和所述燃烧室边缘的金刚石复合镀铬涂层的外观在废气再循环的柴油机环境下发生转变，呈现出实际上加固该涂层并使该涂层随时间更加有效地效果；
涂敷于所述上环岸部和所述头道活塞环槽的上壁的金刚石复合镀铬涂层减少或消除了碳堆积。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述活塞设有活塞裙，该活塞裙具有涂敷有所述金刚石复合镀铬涂层的外表面。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述活塞的整个外表面均涂敷有所述金刚石复合镀铬涂层。
15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，与所述涂层表面运转接触的所述无涂层表面的硬度低于所述涂层表面的硬度。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述无涂层表面的硬度比所述涂层表面的硬度低约20Rc。
17.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述金刚石复合镀铬涂层直接涂敷于所述至少一个销孔表面，使得所述活塞不需要独立的轴承衬套。
18.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，进一步包括曲轴和柴油机机体，所述曲轴设有至少一个与所述连杆的大孔表面配合的曲臂面和至少一个围绕该曲轴的旋转轴设置的轴颈；所述机体具有至少一个曲臂支撑面，用于支撑所述曲轴的所述至少一个轴颈，使其旋转；其中，所述金刚石复合镀铬涂层涂敷于所述连杆的大孔表面与所述至少一个曲臂的曲臂面之一，以及所述曲轴的至少一个轴颈与所述柴油机机体的至少一个曲臂支撑面之一。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述金刚石复合镀铬涂层直接涂敷于所述曲臂支撑面的柴油机机体材料。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述装置在其任何接头接合处不需要镶入式滑动轴承。
21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述至少一个曲臂支撑面包括滑动轴承，该滑动轴承具有金属背衬和涂敷于该背衬的轴承材料层，以使所述轴承滑动。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述轴承材料层包括所述金刚石复合镀铬涂层。
23.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述活塞包括一对具有一对相关的所述销孔的活塞销座。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述活塞销座具有彼此相对的内表面，所述连杆具有一对彼此向背的外表面，其中，所述金刚石复合镀铬涂层涂敷于所述活塞销座的该对内表面和所述连杆的该对外表面之一。
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