CN104081030B - 具有防积碳的涂层的活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活塞以及该活塞的制造方法。该活塞包括具有上燃烧表面的活塞本体，该上燃烧表面配置为在缸膛中直接曝露于燃烧气体中，下冠部表面设置于上燃烧表面之下。该活塞本体还包括环带区域，该环带区域配置为容纳邻近上燃烧表面的至少一个活塞环，该活塞本体还包括径向向内配置的且基本与环带区域径向对齐的冷却通道。该活塞进一步包括不粘的涂层材料，该涂层材料结合至该下冠部表面和至少一部分冷却通道中的至少一个，其中，该不粘的涂层材料抑制了下冠部表面其上的积碳的堆积。

Description

具有防积碳的涂层的活塞及其制造方法

技术领域

本发明大致涉及内燃机，更具体地涉及活塞及其制造方法。

背景技术

发动机制造商正面临着提高发动机效率和性能的日益增长的要求，包括但不限于，提高燃油经济性，改善燃料燃烧，减少油耗，以及增加废气温度以随后在车辆内对热量进行后续利用。为了实现这些目标，需要提高燃烧室内发动机的运行温度。但是，在需要增加燃烧室内的温度的同时，还需要使活塞保持在可行的温度下。如此，将无论是敞开型还是封闭型的外冷却通道和内冷却通道均合并在活塞头内是已知的，发动机油通过该活塞头环流以降低活塞头的运行温度。外冷却通道典型地围绕包括环形槽区域的活塞的上部区域循环，而内冷却通道典型地位于活塞头的上燃烧表面之下，通常称为下冠部，其通常包括嵌入式的燃烧碗。如此，无论是环带区域还是燃烧表面均受益于循环油的冷却作用。但是，由于与高温表面的接触，循环油开始随着时间分解并且氧化，并且因此，在上部区域和下冠部的内表面上形成积碳。随着持续的碳堆积，在各自的表面上形成绝缘层。如此，循环油的冷却效果被削弱了，这反过来导致表面氧化和腐蚀，以及上部区域和燃烧表面区域的过度回火。如此，活塞材料的机械性能也被削弱了，这将导致裂缝形成，尤其是在高应力区域，比如燃烧碗边缘。

通过减少油渣向冷却油接触的表面积聚的趋势，根据本发明构造的活塞克服了由碳堆积的形成导致的上述缺点。如此，根据本发明构造的活塞实现了提高运行效率，在使用中保持基底材料的强度和耐久性，以及提供了增长的使用工作寿命。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于内燃机的活塞。该活塞包括一活塞本体，该活塞本体具有配置为直接曝露于缸镗内的燃烧气体的上燃烧表面，还具有处于上燃烧表面之下的下冠部表面。该活塞本体还包括一环带区域，该环带区域配置为邻近上燃烧表面并用于容纳至少一个活塞环，一冷却通道径向向内配置且基本与环带区域径向对齐。该活塞进一步包括结合至下冠部表面和至少一部分冷却通道中的至少一个上的不粘的涂层材料，其中，该不粘的涂层材料抑制了其上的积碳的堆积。

根据本发明的另一个方面，活塞本体包括由第一材料块构造的上冠和由与上冠分开的第二材料块构造的下冠。该上冠固定于下冠，且不粘的涂层材料与上冠和下冠中至少一个结合。

根据本发明的另一个方面，不粘的涂层材料与上冠部结合，下冠部不具有不粘的涂层材料。

根据本发明的另一个方面，冷却通道和下冠部表面均具有与其结合的不粘的涂层材料。

根据本发明的又另一个方面，提供了一种制造用于内燃机的活塞的方法。该方法包括以下步骤：制造活塞本体，该活塞本体具有配置为直接曝露于缸镗内的燃烧气体的上燃烧表面和位于上燃烧表面之下的下冠部表面；制造环带区域，该环带区域配置为邻近上燃烧表面并用于容纳至少一个活塞环；制造径向向内且与环带区域基本径向对齐的冷却通道；以及将不粘的涂层材料结合至下冠部表面和至少一部分冷却通道中的至少一个上，该不粘的涂层表面防止其上的碳堆积。

根据本发明的另一个方面，该方法包括使下冠不具有不粘的涂层材料。

根据本发明的另一个方面，该方法包括将不粘的涂层材料结合至下冠部表面和至少一部分冷却通道上。

附图说明

参阅以下当前优选实施例和最佳模型的详细说明、权利要求以及附图，本发明的这些和其他方面、特点以及优点将更易于领会，其中：

图1是沿着根据本发明的一个方面构造的活塞的销孔轴的剖视图；

图2是大致垂直于图1的活塞的销孔的剖视图；

图3是根据本发明的另一个方面构造的活塞的大致垂直于销孔的剖视图；

图4是根据本发明的又一个方面构造的大致垂直于活塞的销孔的剖视图；以及

图5是根据本发明的又一个方面构造的大致垂直于活塞的销孔的剖视图。

具体实施方式

更详细地参阅附图，图1和图2示出了根据本发明一个当前优选实施例构造的活塞总成，下文简称为活塞10，以在内燃机(图中未示)的缸镗或者镗室内进行往复运动，比如轻型汽车柴油机、中型柴油机、重型和大口径柴油机，以及内燃机。该活塞10具有一活塞本体12，示为单独的、整体的块状铸造材料或者由锻造的材料或者坯料制造而成，例如，该活塞沿着中心纵轴14延伸，活塞10沿着中心纵轴14在缸镗内往复运动。本体12制造为包括一上燃烧壁，该燃烧壁具有在一侧的上燃烧表面16和在相对一侧的下冠部表面18，上燃烧表面16配置为直接曝露于缸镗内的燃烧气体，下冠部表面18直接且轴向位于上燃烧表面16之下。该活塞本体12还制造为具有邻近上燃烧表面16的环带区域20，其中，环带区域20配置为容置至少一个活塞环(图中未示)。进一步地，该活塞本体12制造为包括冷却通道，例如，示为闭合的或者基本闭合的冷却通道22。冷却通道22径向向内配置且与环带区域20基本径向对齐。活塞10进一步包括不粘的涂层材料24，涂层材料与中心通道内的下冠部表面18和至少一部分冷却通道22中的至少一个结合，其中，不粘的涂层材料24阻止积碳堆积于其上。如此，绝缘层的堆积，包括来自于循环油的积碳，被阻止而不能堆积于具有不粘的涂层材料24的表面上，并且因此，通过冷却通道22且作用于下冠部表面18循环的油能够发挥它的冷却功能，从而提高活塞10的性能并且延长它的使用寿命。

活塞本体12具有上冠区域26和下冠区域28。下冠区域28提供了一对销壳30，销壳30从上冠区域26下垂以提供横向间隔开的销孔32，销孔32沿着大致横向垂直于中心纵轴14延伸的销孔轴34同轴对齐。销壳30通过支撑部分38连接到横向间隔开的裙部36。裙部36跨越销孔轴34的相对侧彼此沿直径间隔开并且具有凸出的外表面，该外表面配置为波状外形以在缸膛内配合，从而在其通过缸镗往复运动时使活塞10保持在所需的方向。

上燃烧表面16示为具有嵌入式燃烧碗40以为缸镗提供所需的气流。至少部分是因为燃烧碗40，活塞本体材料的相对薄的区域形成于燃烧碗40、冷却通道22和下冠部表面18之间。如此，在使用时，这些区域需要被适当冷却，比如通过流过冷却通道22和作用于下冠部表面18的油，该下冠部表面带有处于销壳30之间的中心通道区域。下冠部的冷却可通过油溅、定向的冷却油喷射或者通过中心通道区域内的油提供。进一步地，上冠区域26的外壁42从上燃烧表面16向下延伸。外壁42在环带区域20内形成为具有用以容纳相应活塞环(图中未示)的至少一个且示为多个的环形槽44，其中，环通常在它们各自的环形槽44中自由浮动(float)。正如上述的相对的薄的区域，在冷却通道22和环带区域20之间延伸的环形壁相对较薄，因此，也需要在使用中进行适当冷却。

为了在活塞10的延长的使用寿命的使用过程中，使上燃烧表面16，包括燃烧碗40以及环带区域20适当冷却，不粘的涂层材料24结合至界定冷却通道22的至少一部分表面以及下冠部表面18上。不粘的涂层材料24选自在其上能够防止碳堆积的材料，选自由以下材料组成的组中：铬、铬-金刚石、镍、类金刚石涂层、铬-氮化物、陶瓷以及聚合物材料。在图1和图2所示的实施例中，不粘的涂层材料24围绕界定环形冷却通道22的整个表面结合，或者仅沿着冷却通道22的上部结合，同时涂层材料24基本沿着环带区域20的长度延伸并且还沿着燃烧碗40的向上延伸的部分延伸。如此，阻止积碳聚积于这些区域上，从而防止包括积碳的绝缘层形成，否则就会抑制通过冷却通道22循环的油的冷却效果。因此，通过容许借助于循环油产生的适当冷却，防止遍及冷却区域的活塞本体12的材料由于意外的回火而变弱。据此，活塞本体12的材料保持了它的高强度和对裂纹扩展的抗性。进一步地，活塞环和环形槽44也被充分地冷却以防止在其上的碳堆积，从而容许活塞环浮动且起到预定的作用而不会被它们各自的环形槽44咬住。

除冷却通道22具有结合于其上的一层不粘的涂层材料24之外，下冠部表面18示为具有结合于其上并且完全沿其延伸的一层不粘的涂层材料24。如此，防止积碳积累在下冠部表面18上，从而防止积碳的绝缘层形成，否则会抑制溅至下冠部表面18的油的冷却效果。因此，通过容许上燃烧表面16，包括整个燃烧碗40的适当冷却，也能防止此区域内的活塞本体12的材料由于意外的回火变弱。据此，上燃烧表面16的材料保持了它的高强度和对裂纹扩展的抗性。

图3示出了根据本发明另一个方面构造的活塞110，其中相差100的相同的附图标记用于标识与上述类似的特征。活塞110具有活塞本体112，活塞本体112包括上燃烧表面116和位于上燃烧表面116之下的下冠部表面118，上燃烧表面116示为具有嵌入其中的燃烧碗140。活塞本体112还包括邻近上燃烧表面116的环带区域120，以及径向向内配置且基本与环带区域120径向对齐的封闭或者基本封闭的冷却通道122。不粘的涂层材料124结合至下冠部表面118和至少一部分冷却通道122中的至少一个，其中，不粘的涂层材料124抑制了其上的如上所述的碳堆积。

活塞本体112具有一上部(也称为上冠区域126)和一下部(也称为下冠区域128)，下部延伸至具有横向间隔开的销孔132的一对销壳130。不同于上述的活塞10，该上冠区域126和下冠区域128是由分开的材料块构造且随后彼此固定的，比如通过焊接或者其他连接工艺。

第一焊缝50将活塞110的分开制造的上冠区域126和下冠区域128的一部分连接起来。该第一焊缝50延伸穿过位于燃烧碗140的环形波谷52上方的燃烧碗140的直立壁。因此，第一焊缝50朝向波谷52上方的燃烧碗140敞开。除延伸穿过燃烧碗140的壁的第一焊缝50之外，第二焊缝54延伸穿过环带区域120的外壁142。上冠区域126可因此包括一对上连接表面，包括径向内部的面向下的连接表面56和径向外部的面向下的环带区域120的上连接表面57。同时，下冠区域128可因此包括一对下连接表面，包括径向内部的面向上的下表面58和径向外部的面向上的下连接表面59。相应的下连接表面58、59和上连接表面56、57可通过可选的连接工艺连接，比如感应焊接、摩擦焊接、电阻焊接、电荷载体射线、电子束焊接、激光焊接、搅拌焊、钎焊、软钎焊、热或冷扩散等。

上冠区域126提供了冷却通道122的上部，该上部具有沿着活塞110的中心纵向轴114的大致呈U型的剖面。下冠区域128提供了冷却通道122的下部以及上燃烧表面116的壁和下冠部表面118，该下部具有沿着中心纵向轴114的大致呈U型的剖面。据此，在连接上冠区域126和下冠区域128之前，可将不粘的涂层材料124结合至分开的上部126和下部128的所需的表面上，包括下冠部表面118和/或界定冷却通道122的大致U型的表面中的一个或两个，如图3所示的两个大致U型的表面上。如此，由于不粘的涂层材料124被结合至两个大致U型的表面，整个冷却通道122或者上部的冷却通道122被涂覆并且因此，沿着上燃烧表面和环带区域120延伸的整个直立的表面也被涂覆。据此，防止积碳在这些区域形成绝缘层，因此容许这些区域通过冷却通道122中的循环油被适当冷却。

图4示出了根据本发明另一个方面构造的活塞210，其中相差200的相同的附图标记用于标识与上述类似的特征。活塞210具有活塞本体212，活塞本体212包括示为具有嵌入其中的燃烧碗240的上燃烧表面216和位于上燃烧表面216之下的下冠部表面218。活塞本体212还包括邻近上燃烧表面216的环带区域220。总的来说，活塞本体212配置为类似于图3所示的活塞本体112，但是，它不是由分开的材料块构造，而是构造为一个整体的材料块。进一步地，不是具有闭合的或者基本闭合的冷却通道，活塞本体212具有径向向内配置的且与环带区域220基本径向对齐的“敞开的”冷却通道222。通过称为“敞开的”意味着冷却通道222是沿着它的下部敞开的，并且因此，不包括之前实施例中的底板。不粘的涂层材料224结合至下冠部表面218和冷却通道222中的至少一个，示出为均结合，其中，不粘的涂层材料224抑制了积碳在其上堆积，如上所述。如图所示，不粘的涂层材料224沿着下冠部表面218以及界定冷却通道222的表面延伸以形成为连续、不间断的涂层。假如涂层通过热喷涂方法涂覆，该涂层将优选地沿着垂直于喷涂方向的通道区域结合。

图5示出了根据本发明另一个方面构造的活塞310，其中相差300的相同的附图标记用于标识与上述类似的特征。活塞310具有活塞本体312，活塞本体312包括示为具有嵌入其中的燃烧碗340的上燃烧表面316和位于上燃烧表面316之下的下冠部表面318。活塞本体312还包括邻近上燃烧表面316的环带区域320，该上燃烧表面316具有径向向内配置的且与环带区域320基本径向对齐的闭合的或者基本闭合的冷却通道322。不粘的涂层材料324结合至下冠部表面318和至少一部分冷却通道322中的至少一个上，其中，不粘的涂层材料324抑制了其上的积碳的堆积，如上所述。

活塞本体312，如同图3中所述的活塞本体112，具有上部(又称为上冠区域326)和下部(又称为下冠区域328，其延伸至具有横向间隔开的销孔332的一对销壳330)。上冠区域326和下冠区域328由分开的材料块构造并且随后彼此固定。

第一焊缝350连接活塞310的分开制造的上冠区域326和下冠区域328的一部分。但是，不同于活塞110，第一焊缝350没有在燃烧碗340的环形波谷352上方贯穿燃烧碗340的直立壁，相反地，第一焊缝350形成于燃烧碗340之下。燃烧碗340完全由上冠区域326的材料形成，包括燃烧碗的直立壁。除了第一焊缝350之外，第二焊缝354贯穿环带区域320中的外壁342。上冠区域326可因此包括一对上连接表面，包括在燃烧碗340下方延伸的径向内部的面向下的连接表面356和径向外部的面向下的在环带区域320内的上连接表面357。同时，下冠区域328可因此包括一对下连接表面，包括径向内部的面向上的下表面358和径向外部的面相上的下连接表面359。相应的下连接表面358、359和上连接表面356、357可通过可选的连接工艺连接，比如感应焊接、摩擦焊接、电阻焊接、电荷载体射线、电子束焊接、激光焊接、搅拌焊、钎焊、软钎焊、热或冷扩散等。

上冠区域326提供了冷却通道322的上部，该上部具有沿着活塞310的中心纵轴314的大致U型的剖面。下冠区域328提供了冷却通道322的下部，该下部具有沿着中心纵轴314的大致U型的剖面。据此，在将上冠区域326连接至下冠区域328之前，不粘的涂层材料324可结合至分开的上部326和下部328的所需的表面上，包括下冠部表面318和/或界定冷却通道322的大致呈U型的表面中的一个或两个，在图5中示为仅在界定冷却通道322的上部的大致U型的表面上结合。如此，只有包括沿燃烧碗340延伸的一部分的冷却通道322的上部有结合层，而由下部328提供的冷却通道322的下部仍没有涂层材料324。据此，在制造中，不粘的涂层材料324可结合至上部326上的所需的表面，而下部328仍然不加涂覆。因此，不粘的涂层材料324可按需涂覆至所需区域而不会浪费。

显然，根据以上教导，本发明还存在多种修改和变化。因此，应当理解在权利要求范围内本发明还可通过具体描述之外的方式实现。

Claims (12)

1.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，该活塞包括：

一活塞本体，该活塞本体具有配置为直接曝露于缸镗内的燃烧气体的一上燃烧表面，一下冠部表面位于所述上燃烧表面之下，该活塞本体还具有配置为邻近所述上燃烧表面的用于容纳至少一个活塞环的一环带区域，一冷却通道径向向内配置且与所述环带区域基本径向对齐，所述冷却通道沿着所述冷却通道的下部敞开；以及

一不粘的涂层材料，该涂层材料结合至所述下冠部表面和至少一部分所述冷却通道中的至少一个上，当油接触到所述下冠部表面和至少一部分所述冷却通道中的至少一个时所述不粘的涂层材料抑制其上的积碳的堆积，所述不粘的涂层材料至少包括铬-氮化物，所述不粘的涂层材料沿着所述下冠部表面以及界定冷却通道的表面延伸以形成为连续、不间断的涂层。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述涂层结合至所述下冠部表面和至少一部分所述冷却通道。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体被构造成整体的材料块。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体包括由第一材料块构造的一上冠和由与所述上冠分开的第二材料块构造的一下冠，所述上冠固定于所述下冠，且所述不粘的涂层材料结合于所述上冠和所述下冠中的至少一个上。

5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述下冠上不具有所述不粘的涂层材料。

6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述不粘的涂层材料结合至所述下冠部表面和至少一部分所述冷却通道。

7.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述不粘的涂层材料结合至所述上冠和所述下冠。

8.一种构造用于内燃机的活塞的方法，其特征在于，该方法包括：

制造一活塞本体，该活塞本体具有配置为直接曝露于缸镗内的燃烧气体的上燃烧表面以及位于该上燃烧表面之下的下冠部表面；

制造一环带区域，该环带区域配置为邻近上燃烧表面的用于容纳至少一个活塞环；

制造径向向内的且与环带区域基本径向对齐的一冷却通道，所述冷却通道沿着所述冷却通道的下部敞开；以及

将不粘的涂层材料结合至下冠部表面和至少一部分冷却通道的至少一个上，当油接触到所述下冠部表面和至少一部分所述冷却通道中的至少一个时不粘的涂层材料抑制其上的积碳的堆积，所述不粘的涂层材料至少包括铬-氮化物，所述不粘的涂层材料沿着所述下冠部表面以及界定冷却通道的表面延伸以形成为连续、不间断的涂层。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括将活塞本体制造成整体的材料块。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将活塞本体制造成具有由单独的材料块构造的一上冠和一下冠，且将上冠固定于下冠。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括使下冠不具有不粘的涂层材料。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括将不粘的涂层材料结合至下冠部表面和至少一部分冷却通道。