CN102224272A - 用于涂覆排气口的方法和用于执行该方法的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于涂覆气缸(14)的至少一个排气口(20)的方法，该至少一个排气口(20)布置在内燃机(10)的气缸盖(12)内，其中所述排气口(20)将气缸(14)连接到排气系统(40)。通过从气缸侧和排气系统侧喷射材料，来至少部分地对限定所述至少一个排气口(20)的所述气缸盖(12)的一个或多个表面部分(22a，22b，22c)进行涂覆。本发明还涉及一种用于执行上述方法的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求前序部分所述的、用于涂覆排气口的方法和用于执行该方法的设备。
背景技术
US 5,987,882公开了一种发动机，该发动机在多个部分上涂覆有一个层，例如绝热涂层。特别地，排气歧管及涡轮增压器之前的管路的内表面被涂覆，可选地，气缸盖的其它区域也可被涂覆，从而提供温度升高的排气，这能够提高涡轮增压器的效率。已经提出了为这些内表面施加涂层的各种沉积技术，例如，先利用可溶性前体的溶液进行浸渍，然后进行热分解或化学分解；热喷涂工艺，例如，火焰喷涂或等离子喷涂；或者通过施加浆液，然后利用热处理来干燥。然而，在利用可溶性前体和/或浆液进行湿法涂覆之后的后处理比较耗时，并且部件的处理很费力。此外，某些待涂覆的表面呈现出复杂的几何形状。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于涂覆排气口的复杂内表面的方法，该方法提供了材料的可靠喷涂。另一个目的是提供一种用于执行该方法的设备。
通过独立权利要求中的特征来实现这些目的。其它权利要求和描述公开了本发明的有利实施例。
提出了一种用于涂覆气缸的至少一个排气口的方法，该至少一个排气口布置在内燃机的气缸盖内，其中所述排气口将气缸连接到排气系统。通过从气缸侧和排气系统侧喷射材料，来至少部分地对限定所述至少一个排气口的所述气缸盖的一个或多个表面部分进行涂覆。
排气口在入口和出口之间具有弯曲形状。通过从两侧涂覆排气口，能够以高的涂覆质量来涂覆复杂形状的排气口。与诸如湿法涂覆等的、必须对气缸盖进行后处理的其它涂覆技术相比，喷射涂覆能够容易地实施并具有可复制性。能够避免对发动机(尤其是燃烧室内)进行几何修改。当将涂层施加到成品部件时，能够避免改变发动机部件的铸造工艺。
利用产生高绝热性的绝热涂层，能够实现对排气口的较高覆盖率。优选地，涂层材料可以是热障涂层，该热障涂层减少或消除了从热排气到气缸盖和/或发动机的热传递。可以在单个步骤内将该材料喷射至最高达数百微米的厚度。优选地，该涂层可以是通过等离子喷涂而施加的热障涂层。可选地，可以在施加表涂层之前先沉积出底涂层。该表涂层优选是陶瓷绝热材料，例如，氧化钇稳定的氧化锆(Y2O3-ZrO2)；以及氧化镁稳定的氧化锆(MgO-ZrO2)、氧化钙稳定的氧化锆(CaO-ZrO2)、二氧化铈稳定的氧化锆(CeO2-ZrO2)-稳定的氧化锆(ZrO2-ZrO2)；以及锆石(ZrSiO4)、锆酸盐(例如CaZrO3)、钛酸盐(例如CaTiO3)等。
因此，排气在进入涡轮增压器时处于高温下。由此可以为涡轮增压器提供更多能量，使其能够提供更多能量来驱动用于对空气进行压缩的压缩机，以用于发动机内的燃烧过程。
根据本发明的一个有利实施例，通过分开地涂覆至少一个排气口的第一部分和第二部分，能够至少部分地涂覆所述至少一个排气口。对于该排气口的每一个部分，均能够以受控方式对排气口的壁进行涂覆。通过分开地涂覆入口区域和出口区域，能够以高的涂覆质量对复杂形状的排气口进行涂覆。
根据本发明的另一有利实施例，能够利用由第一喷枪供应的材料来涂覆所述排气口的第一部分。根据一个有利的改进，对该第一部分进行涂覆的第一喷枪可以定位在排气口的外部。优选地，对排气口的第一部分进行涂覆的材料可以沿着与第一喷枪的纵向延伸相对应的方向喷涂。有利地，所述喷枪能够围绕与该喷涂方向相交地布置的轴线旋转。
根据本发明的另一优选实施例，能够利用由第二喷枪供应的材料来涂覆所述排气口的第二部分。根据一个有利的改进，可以从排气口的内部供应用于对排气口的第二部分进行涂覆的材料。优选地，用于对排气口的第二部分进行涂覆的材料可以相对于与第二喷枪的纵向延伸相对应的方向成一定角度地喷涂。有利地，第二喷枪能够围绕与其纵向延伸平行地布置的轴线旋转。第一喷枪和第二喷枪可以同时操作或依次操作。同时操作缩短了涂覆所述一个或多个排气口所需的过程时间。依次操作允许用较不复杂的设备来进行所述一个或多个排气口的涂覆。
根据本发明的又一优选实施例，与用于涂覆所述第二部分的材料相比，用于涂覆所述第一部分的材料能够以更高的喷涂速率进行喷涂。在发动机工作期间，所述第一部分承受了较高的热负荷，从而厚涂层提高了排气口的绝热性能。因此，根据本发明的另一优选实施例，有利的是，与涂覆所述排气口的排气歧管侧的所述第二部分相比，能够以更高的喷涂速率来涂覆气缸盖的向火侧的所述第一部分。
有利地，可通过热喷涂(优选通过等离子喷涂)来涂覆所述排气口。热喷涂或等离子喷涂在第一表面部分和第二表面部分上形成具有可靠结合强度和均一性的涂层。
根据本发明的又一优选实施例，可以在涂覆之前、通过清洁步骤来对排气口进行处理。该清洁步骤能够提高在第一表面部分和第二表面部分上喷涂的涂层的结合度。可替代地或另外，通过在涂覆表涂层之前用结合涂料涂覆第一部分和第二部分来进一步提高该涂层的结合强度。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于对排气口进行涂覆的设备。第一喷枪和第二喷枪设置成用于在气缸盖的排气口的第一部分和第二部分处喷涂材料。
根据本发明的一个优选实施例，第一喷枪的喷嘴能够布置成沿着与第一喷枪的纵向延伸相对应的方向喷涂材料。该喷枪具有在向前方向上喷射的简单设计。
根据本发明的又一优选实施例，第二喷枪的喷嘴能够布置成相对于与第二喷枪的纵向方向对应的方向成一定角度地喷涂材料。这允许从排气口内部沿侧向方向喷涂材料。
根据本发明的又一优选实施例，第一喷枪和/或第二喷枪能够相对于所述排气口以可旋转方式布置。可替代地，所述排气口能够相对于第一喷枪和/或第二喷枪以可旋转方式布置。当在喷射涂覆期间旋转该第一喷枪和/或第二喷枪时，可以实现均匀的涂层厚度。
根据本发明的又一方面，提出了一种气缸盖，该气缸盖包括根据以下方法而涂覆有绝热材料的至少一个排气口：在该方法中，从气缸侧和排气系统侧来至少部分地对限定所述至少一个排气口的所述气缸盖的一个或多个表面部分进行喷射涂覆。
附图说明
从以下对实施例的详细描述中，可以最好地理解本发明以及上述及其它目的和优点，但本发明不限于这些实施例，其中：
图1示意性地示出了一种布置结构，其包括：具有气缸盖的发动机、涡轮增压器、以及催化系统；
图2a、2b示意性地示出了气缸盖的向火侧的视图(图2a)以及气缸盖的排气歧管侧的视图(图2b)并且
图3a至3c示意性地示出了排气口的纵向剖视图，其中根据本发明，第一喷枪在排气口的第一部分上喷涂材料(图3a)，第二喷枪在排气口的第二部分上喷涂材料(图3b)，并且示出了相组合地涂覆的这些表面部分(图3c)。
具体实施方式
在附图中，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。这些附图仅仅是示意性图示，并非旨在描绘本发明的具体参数。此外，这些附图仅旨在示出本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明范围的限制。
图1示意性地描绘了一种布置结构，其包括：发动机10，该发动机10具有气缸盖12；涡轮增压器50，该涡轮增压器50的涡轮机侧连接到发动机10的排气歧管18、以及排气后处理系统60，该排气后处理系统60用于减少排气中含有的排放物。该布置结构的总体配置是本领域中公知的。
在发动机10的气缸盖12内，设置有多个气缸14，在每个气缸14内，活塞16能够以通常的方式、通过发动机10内的燃烧过程的作用而上下移动。燃烧期间产生的排气经由分配给每个气缸14的排气口20排出至排气歧管18。排气口20是气缸盖12的壁所限定的通道。
图2a和图2b示出了气缸盖12的向火侧32的视图(图2a)以及气缸盖12的排气歧管侧36的视图(图2b)，气缸盖12例如包括六个气缸14，每个气缸14均设有排气口20。
在向火侧32，排气口20具有两个开口20b、20c，而在排气歧管侧36，排气口20具有一个开口20a。每个气缸14(图1)还具有两个进气开口(未用附图标记表示)，用于向气缸14中供应空气(图1)。
现在结合图3a、3b来参考图2a、2b中的例子，向火侧32和排气歧管侧36彼此垂直地定向，排气口20具有两个部分22b、22c和22a，这些部分在垂直定向的向火侧32和排气歧管侧36之间弯曲。从图3a、3b和3c中可以更清楚地看到，向火侧32的两个部分22b、22c会合到排气歧管侧36的部分22a中。
图3a和图3b中示出了排气口20的纵向剖视图，其中，第一喷枪100在排气口20的第一表面部分22b、22c上喷涂材料(图3a)，第二喷枪110在排气口20的第二表面部分22a上喷涂材料(图3b)。图3c示出了排气口20的、相组合地涂覆的第一表面部分22b、22c和第二表面部分22a。根据图3c的示例性实施例，该第一部分22b、22c和第二部分22a可以被同时喷射涂覆。
对第一部分22b、22c进行涂覆的喷枪100的喷嘴106定位在排气口20的外部，并与排气口20的壁成一定角度，以在排气口20的第一部分22b、22c的内部喷涂材料(图3a)。来自第一喷枪100的材料沿着与第一喷枪100的纵向延伸相对应的方向102喷涂。第一喷枪100可以围绕所述第一部分的第一者20b内的轴线102b旋转，并能围绕所述第一部分的第二者20c内的轴线120c旋转。轴线120b、120c实质上平行于与两个第一部分22b、22c的开口20b、20c靠近的壁。
两个第一部分22b、22c内的点划线表示来自喷枪100的材料能够喷涂的表面区域。优选地，喷枪100由机器人单元(未示出)操作，以精确控制绝热涂层的喷涂。
两个第一部分22b、22c能够由一个第一喷枪100依次涂覆，或者由两个第一喷枪100同时涂覆。
图3b示出了如何进行排气口20的第二部分22a内的涂覆。排气口20的第二部分22a利用由第二喷枪110供应的材料涂覆。第二喷枪110喷出的材料从布置在排气口20内的喷嘴116供应，其中，对第二部分22a进行涂覆的材料沿着方向114喷涂，该方向114布置成相对于与第二喷枪110的纵向延伸相对应的方向112成一定角度。
第二喷枪110实质上定位成平行于与第二部分22a的开口20a靠近的壁。通过使第二喷枪110围绕轴线120a旋转，可以对排气口20的第二部分22a进行涂覆。轴线120a布置成平行于方向112。优选地，第二喷枪110由机器人单元(未示出)操作，以精确控制绝热涂层的喷涂。
有利地，对每个部分22a和22b、22c的涂覆能够以紧凑的过程进行。优选地，在涂覆步骤之前先进行表面处理步骤。例如，可以通过喷砂处理等来处理待涂覆表面。在后续的可选步骤中，可以通过喷涂出结合涂层(例如，用喷枪100和110喷涂出的金属基层)来施加第一涂层，以提高绝热涂层的结合强度。可选的结合涂层的厚度可以在几微米到几十微米的范围内。
在喷涂结合涂层之后或表面处理步骤之后，如果不施加结合涂层，则以上述方式喷涂表涂层。
优选地，可以将该表涂层以较高的喷涂速率喷涂在两个第一部分22b、22c内，并以较低的喷涂速率喷涂在第二部分22a内，这是因为喷枪100和110的尺寸不同：为了能置于开口20a内，用于对部分22a进行涂覆的喷枪110小得多，该喷枪110可能具有较小的可用功率来熔化涂料粒子，并且具有较低的粉末进料量。例如，在试验中，用于该部分22a的功率可以达到约6kW，相比之下，用于所述部分22b和22c的功率则为40kW。
有利地，可以将所述表涂层喷涂到最高达几百微米的厚度，这导致了热排气的有利绝热。
通过在热排气与气缸盖12之间设置绝热屏障，能够通过减少由于气缸盖12及其冷却剂引起的热损耗来升高所述气缸盖的出口13处的排气温度。因此，能够增加涡轮增压器50(图1)中的可用功率。因此，能够减少发动机10的燃料消耗。
Claims (30)
1.一种用于涂覆气缸(14)的至少一个排气口(20)的方法，所述至少一个排气口(20)布置在内燃机(10)的气缸盖(12)内，其中所述排气口(20)将所述气缸(14)连接到排气系统(40)，其特征在于，通过从气缸侧和排气系统侧喷射材料，来至少部分地对限定所述至少一个排气口(20)的所述气缸盖(12)的一个或多个表面部分(22a，22b，22c)进行涂覆。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分开地涂覆所述排气口(20)的第一部分(22b，22c)和第二部分(22a)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用由第一喷枪(100)供应的材料来涂覆所述排气口(20)的第一部分(22b，22c)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述第一部分(22b，22c)进行涂覆的所述喷枪(100)的喷嘴(106)定位在所述排气口(20)的外部。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，利用由第二喷枪(110)供应的材料来涂覆所述排气口(20)的第二部分(22a)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，从所述排气口(20)内侧的位置供应所述材料。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在喷射涂覆期间，第一喷枪和/或第二喷枪(100，110)围绕轴线(120b，120c；120a)旋转。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，与用于涂覆第二部分(22a)的材料相比，用于涂覆第一部分(22b，22c)的材料以更高的喷涂速率进行喷涂。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，与涂覆所述排气口(20)的排气歧管侧(36)的第二部分(26)相比，以更高的喷涂速率来涂覆所述气缸盖的向火侧(32)的第一部分(22b，22c)。
10.一种用于执行根据前述权利要求中的任一项所述方法的设备，其特征在于，第一喷枪(100)和第二喷枪(110)设置成用于在气缸盖(12)的排气口(20)的第一部分和第二部分(22b，22c；22a)处喷涂材料。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一喷枪(100)的喷嘴(106)布置成沿着与所述第一喷枪(100)的纵向延伸相对应的方向(102)喷涂材料。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述第二喷枪(110)的喷嘴(116)布置成相对于与所述第二喷枪(110)的纵向延伸相对应的方向(112)成一定角度地喷涂材料。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的设备，其特征在于，所述第一喷枪和/或所述第二喷枪(100，110)相对于所述排气口(20)以可旋转方式布置。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的设备，其特征在于，所述第一喷枪和/或所述第二喷枪(100，110)相对于所述排气口(20)以可旋转方式布置。
15.一种气缸盖(12)，所述气缸盖(12)包括利用根据权利要求1至9中任一项所述的方法涂覆的至少一个排气口(20)。
16.一种用于涂覆气缸的至少一个排气口的方法，所述至少一个排气口布置在内燃机的气缸盖内，其中，所述排气口将所述气缸连接到排气系统，并且，通过从气缸侧和排气系统侧喷射材料，来至少部分地对限定所述至少一个排气口的所述气缸盖的一个或多个表面部分进行涂覆。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，分开地涂覆所述排气口的第一部分和第二部分。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，利用由第一喷枪供应的材料来涂覆所述排气口的第一部分。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，对所述第一部分进行涂覆的所述喷枪的喷嘴定位在所述排气口的外部。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，利用由第二喷枪供应的材料来涂覆所述排气口的第二部分。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，从所述排气口内侧的位置供应所述材料。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，在喷射涂覆期间，第一喷枪和/或第二喷枪围绕轴线旋转。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，与用于涂覆第二部分的材料相比，用于涂覆第一部分的材料以更高的喷涂速率进行喷涂。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，与涂覆所述排气口的排气歧管侧的第二部分相比，以更高的喷涂速率来涂覆所述气缸盖的向火侧的第一部分。
25.一种用于执行根据权利要求16所述方法的设备，其中，第一喷枪和第二喷枪设置成用于在气缸盖的排气口的第一部分和第二部分处喷涂材料。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述第一喷枪的喷嘴布置成沿着所述第一喷枪的纵向延伸的轴线来喷涂材料。
27.根据权利要求26或26所述的设备，其中，所述第二喷枪的喷嘴布置成与所述第二喷枪的纵向延伸的轴线成一定角度地喷涂材料。
28.根据权利要求25所述的设备，其中，所述第一喷枪和/或所述第二喷枪相对于所述排气口以可旋转方式布置。
29.根据权利要求25所述的设备，其中，所述第一喷枪和/或所述第二喷枪相对于所述排气口以可旋转方式布置。
30.一种气缸盖，其包括利用根据权利要求16所述的方法涂覆的至少一个排气口。
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