CN103890363A - 活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的活塞（2）。本发明的关键在于位于曲轴侧的活塞（2）的区域设置有导热涂层（5），所述导热涂层是通过热喷法喷上去的。因此，可以在生产线上经济地实施导热涂层（5）。

Description

活塞
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的内燃机用活塞。
背景技术
EP0035290A1公开了一种普通的内燃机用活塞，其包括一个上部结构和一个下部结构，上部结构由铁质材料构成，下部结构通过常规手段连接到上部结构。一个环被置于上部结构的下侧并靠在下部结构的相应表面上，所述环包围冷却管的径向内周界以及上部结构中的冷却室，冷却管的径向内周界的开口朝向连接面，上部结构中的冷却室通过径向布置的冷却液孔与冷却管相连接，其开口朝向连接面。为了能够提高上部结构最热区域的冷却效果以及分布在环上的温度调整，冷却管的顶壁涂覆高导热性材料。
现代的活塞通常被冷却以获得较高的发动机性能，并且在活塞的上部结构和下部结构之间有一个大致环形的冷却管。为了释放内燃室中的热能，利用冷却管中流通的冷却液（例如油）来释放活塞上部结构中产生的热量。然而，上部结构中的热量分布非常不均，由此，不仅会在活塞中产生热压，而且通过冷却管中流通的冷却液来达到最佳的散热性也至少会变得困难。
发明内容
因此，本发明关注的问题是提供一种普通活塞的改进的或至少替换的实施方式，其具有非常好的散热性。
根据本发明，该问题由独立权利要求的保护主题来解决。有利的实施方式构成从属权利要求的主题。
本发明基于这样一种基本构思，提供一种位于内燃机的曲轴上的活塞，其表面通过热喷法喷涂有导热涂层，优选冷气喷涂，其具有较高的处理速度，并且可以在生产线上非常经济地实现。本发明的导热涂层除了可以在活塞中，优选面向内燃室的活塞上部结构，实现均匀的热分配以外，还可以进一步避免所谓的“热点”。当该导热涂层布置在活塞中的冷却管区域时，还可以获得朝向冷却管的冷却介质的散热指标以及活塞自身的冷却改进。通过活塞冷却性能的改进，还可以避免润滑油的焦化或者至少减少所述焦化的风险。通过冷气喷涂方法，还可以制作无孔涂层。
在本发明的一个进一步有利的改进中，通过冷气喷涂的方法将导热涂料喷到位于曲轴侧的活塞区域上。由于颗粒碰撞将要涂覆的表面的较大动能，他们与基层（承载层）相互结合，以便导热涂料可以非常牢固地粘附在要涂覆的表面上。导热涂料可以是无氧化物且非常紧密。在喷涂过程中，活塞本身不会被加热，因此也不会膨胀。所有这些因素对于本发明的活塞的热稳定性以及机械稳定性具有积极的影响，其中，热稳定性与机械稳定性可以被导热涂层中的材料积极地影响。
尤其是铜和银具有高导热性，由此对热稳定性具有积极地影响。通常，在冷气喷涂中，涂料以粉末形式高速地喷在要涂覆的表面上，加热至100℃的处理气体通过在拉瓦尔喷管中的膨胀而被加速至超音速，然后粉末颗粒被注入喷气机。与其他热喷法相反，这些注入的喷涂颗粒在此被加速至一个较高的速度，它们形成一个位于基层（即要喷涂的表面）上的高密度的、牢固的粘附层，即便是没有进行预先的表面熔合或熔接。然而，喷涂颗粒撞击要喷涂的表面时的动能还不足够用于喷涂颗粒的完全熔合。通过冷气喷涂法，可以经济地且牢固粘结地实施本发明的导热层。此外，冷气喷涂具有这样的优点，其涉及纯粹的动力或机械喷涂法，其中，没有给要喷涂的工件带来热量。该喷涂方法没有氧化风险，而其他的喷涂方法具有氧化风险，这是极其有利的，因为氧化后的涂层的导热性能比纯材料的导热性能明显低。
一种替代的热喷法例如可以是等离子喷镀，其中一个阳极和三个阴极在等离子喷枪中彼此间隔开一个较窄的空隙。通过直流电在阳极和阴极之间产生一个电弧，其中，流经等离子喷枪的气体直接经过电弧并且被电离。分离或电离产生具有阳离子和电子的高热导电气体，涂料注入该气体中，并且立即被高等离子温度溶合。等离子流带走涂料并将其甩在要喷涂的表面上。当然，在所有提到的热喷法中，在施加导热涂料前，可施加一个粘合层，其具有比如铝和/或镍。该粘合层可以为100μm厚。
通常，本发明的通过热喷法实施的导热涂层不仅可以用于复合材料的活塞，还可以用于单片活塞和奥托活塞。用于导热涂料的热喷尤其是冷气喷涂的优点在于具有很高的经济性，而且通过导热涂料可使散热性达到最佳，由此具有较高的功率密度，尤其是应用在客车时。通过冷气喷涂，导热涂层可完全通过机械方法实施，没有额外的能量输入，由此，可排除因氧化而降低导热性的风险。
本发明的其他重要特征和优点体现在附加的权利要求、附图和相应的附图说明中。
应该明白，上述提及的和下面将要解释的特征不仅可用于描述的组合中，还可用于其他组合或单独使用，不脱离本发明的范围。
本发明的优选实施例示出在附图中，并在下面的说明中进行更详细地解释。其中，相同的附图标记表示相同的、相似的或功能相同的部件。
附图说明
下面各附图中：
图1为本发明的导热涂料喷涂于活塞时的活塞剖面图；
图2为通过本发明的喷涂方法涂覆的活塞的仰视图。
具体实施方式
图1示出了活塞2的上部结构1，其中冷却管3设置在活塞上部结构1中。附图所示的示意性实施例中，一个面向内燃室4的冷却管3设置在位于曲轴侧的活塞2上，活塞2具有通过热喷法喷涂于其上的导热涂层5。可以考虑熔液喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂、激光喷涂或冷气喷涂，这些均为热喷法。尤其是最后提到的冷气喷涂，其具有高处理速度，由此可以在生产线上非常经济地实施。
活塞2可以是复合材料活塞或单片活塞，甚至可以是铁质材料，优选不锈钢。通过热喷法优选冷气喷涂方法实施的导热涂层5可以具有铝、银和/或铜。就导热性而言，单纯的铜导热涂层5具有突出的优点。
导热涂层5可以是100-500μm厚，并且由粒度最大为100μm的颗粒制成，优选15-25μm的粒度。选择25-25μm之间的粒度，可以生产非常密实、非常均匀的导热涂层5。导热涂层5的粗糙度可以在0.5-4.0μm之间。
参照图1，示出了用于生产或喷涂导热涂层5的装置6，其中导热涂层5可以施加在成型的活塞和只是预加工的活塞2上。喷涂导热涂层5之前，不需要对要喷涂的表面进行单独的清洁。
用于冷气喷涂的装置6包括一个用于贮存气体例如氮气的容器7，所述气体既用作处理气体，又用作粉状材料的载体。本实施例所用材料存储在颗粒输送带8上，其中管线9从贮存容器7延伸至颗粒输送带8。通过管线9将气体输送至颗粒输送带8，所述气体用作粉状材料的载体，其中，另外一个管线10从贮存容器7导向加热器11，优选气体加热器。输送至加热器11中的气体用作处理气体，需要时，可以将其加热至200-600℃。混合有粉状材料的承载气体和处理气体都通过管线12、13输送至超音速喷嘴或拉瓦尔喷嘴14。这里，颗粒与气体混合物沿箭头B所指方向加速，因此沿将要喷涂的表面方向（即冷却管3的内壁）达到超过500m/s的速度，最大为1500m/s。喷气机15距离要涂覆的表面的操作距离通常为5-50mm，从而形成导热土层5的预定厚度，优选300-500μm。活塞2通常绕其中心轴16旋转，当然，如果只需要部分喷涂时，可在要喷涂的表面设置一个罩。
通过本发明的热喷法，尤其是冷气喷涂法，可避免在活塞上部结构1上出现所谓的局部热点，由此可获得均匀的温度分布。与此同时，可改进内燃室4的热量向冷却区域，例如冷却管3或喷涂的冷却的传递，并且提高散热效果。本发明所用活塞2可以是复合材料活塞或单片活塞，也可以是钢活塞（奥托活塞和柴油机活塞）。通过冷气喷涂，可获得高处理速度，由此可在生产线上经济地生产。在冷气喷涂中，由于比较低的温度，可以避免随后的热处理工艺。
图2示出了本发明的位于活塞2上的导热涂层5的另外一种可能性。这涉及活塞下部的线性涂层，其位于毂17（通过连接杆连接）之间，用于将基体中心的热量传递到喷涂的冷却层18/冷却管3。
通常，可以设置用于覆盖导热涂层5的保护层19。下表示出了保护层19的一些例子。
Figure BDA0000492717340000031
Figure BDA0000492717340000041
Figure BDA0000492717340000051
该保护层19可以防止用于冷却活塞2的油与铜镀层直接接触，并且由此降低油被分解的风险。保护层19优选设置为没有催化剂，优选至少包含以下组分，镍、铬、银、锡。可选择地，使用硬化硫磺处理保护层19，由此生产无镀层和无催化的涂层。保护层19可以很薄，只要密实就行，可以考虑5-10μm的厚度。
表中所列金属可以通过各种喷涂方法实施（APS、电弧喷镀、HVOF、冷气喷镀等）。所述高喷镀速度具有以下优点：一个优点是高过喷速度，其总是不可避免地覆盖。通过这些方法，也可以应用其他不会在水性溶液中沉淀的金属或者只有氢脆变的金属（锌），或考虑费用方面的问题，例如铝、锌等。

Claims (12)

1.一种用于内燃机的活塞（2），其特征在于，位于曲轴侧的活塞（2）的区域至少部分设置有导热涂层（5），所述导热涂层是通过热喷法喷上去的。
2.根据权利要求1所述的活塞（2），其特征在于，所述导热涂层（5）通过以下方法之一来实施：
-溶液喷镀，
-电弧喷镀（电弧喷涂），
-等离子喷（在大气中，具有保护气体，具有低压（真空）），
-火焰喷涂（颗粒火焰喷涂、丝材火焰喷涂、塑料火焰喷涂、高速火焰喷涂），
-爆炸喷涂（火焰震动喷涂），
-冷气喷涂，
-激光喷涂。
3.根据权利要求1或2所述的活塞（2），其特征在于，所述活塞（2）为钢活塞。
4.根据权利要求1-3任一项所述的活塞（2），其特征在于，所述活塞（2）为复合材料活塞或单片活塞。
5.根据权利要求1-4任一项所述的活塞，其特征在于，所述导热涂层（5）具有铝、银和/或铜。
6.根据权利要求1-5任一项所述的活塞，其特征在于，所述曲轴区域具有冷却管（3）。
7.根据权利要求1-6任一项所述的活塞，其特征在于，所述导热涂层（5）是由颗粒通过冷气喷涂形成，最大粒度为100μm，优选15-25μm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的活塞，其特征在于，所述导热涂层（5）的厚度为100-700μm，优选300-500μm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的活塞，其特征在于，一个优选具有铝和/或镍的粘合层设置为所述导热涂层（5）的粘合基层。
10.根据权利要求1-9任一项所述的活塞，其特征在于，设置有保护层（19），用来覆盖所述导热涂层（5）。
11.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，所述保护层（19）设置为没有催化剂，优选至少包含镍、铬、银、锡其中一个组分，或
-使用硬化硫磺处理保护层（19），优选硫化物。
12.根据权利要求10或11所述的活塞，其特征在于，所述保护层（19）厚度为5-10μm。
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