CN106715880A - 活塞、具有活塞的活塞机和具有活塞机的汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于活塞机(1)的活塞(10)，所述活塞包含活塞顶(11)、活塞裙(12)以及设置在活塞(10)的表面上的涂层(20)。按照本发明规定，所述涂层包含基于铁和铝合金或者基于铁和铝的金属间化合物，并且这样设置，使得其在活塞(10)的装配状态中至少部分地邻接活塞机(1)的燃烧室(40)。本发明的另一方面涉及一种具有按照本发明活塞机的汽车。

Description

活塞、具有活塞的活塞机和具有活塞机的汽车
本发明涉及一种用于活塞机、尤其用于活塞发动机的活塞。本发明还涉及一种具有这种活塞的活塞机以及具有活塞机的汽车。
活塞机(也称为活塞发动机)包含固定的构件、亦即缸体以及在缸体中可移动布置的活塞。所述活塞基本上由活塞裙(其沿着缸体壁滑动地支承)和活塞顶构成。活塞顶与缸体一起构成封闭的燃烧室，其体积通过活塞的运动、与机器的冲程对应地改变。活塞在壳体中的各个位置因此确定了燃烧室的体积。燃烧室相对曲轴箱的密封通过设置的活塞的活塞裙上的密封元件进行。用于这种活塞的材料是钢和基于铝的轻质金属合金。
当前推广最多的活塞机是汽油发动机和柴油发动机，它们尤其被用于汽车中。所述活塞在汽车发动机中必须将作用在燃烧室中的气体力传递至连杆。此外其任务在于将传递至其的燃烧热传递至冷却剂。
热能需要从燃烧室排出、用于不超过许用的构件温度。但是在另一方面，热能从燃烧室通过活塞表面排走会导致内燃机未利用的效率潜能，并且降低了废气温度。废气温度的进一步降低可以通过节省消耗的措施引起。在现代柴油发动机中，废气温度已经这样的低，使得后接的催化器的温度在发动机冷启动之后的很长时间中都低于点火温度或者理想的工作温度，并且因此不能实现废气后处理的理想效率。此外在活塞顶上的热负载会导致腐蚀。因此所追求的措施在于提高废气温度或者至少不要更一步降低废气温度。
为了抑制热量从燃烧室排出，则合理的是活塞的部件被涂覆隔绝材料。
DE19603515C1描述了一种用于改善热气加载的构件(例如内燃机设备或汽轮机)的耐腐蚀性的溅射材料。为此，基于铝和铁的涂层被构成，其此外包含微量的其他金属(尤其是镉)、硅和碳。
在DE102006007148A1中公开了一种活塞，其至少部分地由铁-铝-铬合金构成，用于改善活塞的机械属性、尤其在较高温度时的强度方面的属性。
此外陶瓷的活塞嵌件、陶瓷的整体活塞和钢活塞被用于热隔离。但是这些产品仍具有稳定性方面的温度、很高成本和声学问题。
在EP2420658A1推荐一种基于氧化铝的陶瓷活塞涂层。但是其(尤其在用于柴油发动机时)具有较小的耐久性。
WO14030297A1公开了一种基于硅树脂的活塞涂层，其中在树脂中嵌入隔热的空心微粒。而有问题的是，用于活塞机中的硅树脂具有很小的温度耐受性。其中所描述的解决方案此外具有的缺点在于，空心微粒限定了最大可实现的阻隔效果并且因此进一步削减了树脂基体的耐久性。
本发明所要解决的技术问题在于，解决或至少减小现有技术中的问题。尤其提供一种活塞，借助其可以提高废气温度并且在耐久性很高的同时改善效率。
所述技术问题按照本发明通过具有独立权利要求特征的活塞、活塞机和汽车解决。
因此本发明涉及一种用于活塞机的活塞。所述活塞包含活塞顶、活塞裙以及设置在活塞表面、亦即活塞顶和/或活塞裙的表面上的涂层。按照本发明，所述涂层包含基于铁和铝的金属间的化合物或者合金，并且这样设置，使得其在活塞装配在活塞机内的状态中至少部分地邻接活塞机的燃烧室。
按照本发明的涂层的布置以有利的方式导致了燃烧过程的效率提高。活塞机的效率尤其这样提高，即较少的热量从燃烧室或气缸室排出。在使用按照本发明的活塞时在燃烧室中产生比现有技术已知的更高的温度。更高的温度又导致更高的效率。燃烧室中的温度升高附加地积极地作用于废气处理，因为废气也具有更高的温度并且进而导致催化器加速的加热和启动。按照本发明的在活塞上的涂层有利于活塞表面或活塞的隔热和/或腐蚀保护。
按照本发明的涂层尤其在应用于柴油发动机中时是有利的，因为相对较低的柴油发动机的废气温度通过按照本发明的涂层被提高并且因此废气后处理的效率和效果被提高。
活塞机是流体-能量-机器，其中挤压器、亦即活塞借助其运动定义出周期变化的做功室。在本发明中，活塞机既可以理解为旋转活塞式发动机(其例如具有盘状活塞)也可以理解为往复式活塞发动机(其尤其具有圆柱状活塞)。活塞的面向燃烧室的并因而与空气燃料混合物或废气接触的区域在本发明中称为活塞顶。
在往复式活塞发动机中(其具有形状基本上为柱形形状的活塞)，活塞顶在俯视图中具有圆形形状，其与圆柱形环绕的侧壁、亦即活塞裙相连。活塞顶得表面可以具有各种轮廓。因此在当前的发明中活塞顶可以具有平坦的、凹形的或者凸形的造型。活塞顶同样可以具有凹口或者例如凸鼻形式的突起，其嵌入活塞顶中和/或从活塞顶突出。
金属间化合物或金属间相是由两种或者多种金属构成的均相的化学化合物。其表现出与合金不同的晶格结构，所述晶格结构与构建金属的晶格结构不同。在金属间化合物的晶格中具有由金属的键组分和通过超结构实现较少的原子键或离子键组分组成的混合键。当前优选的金属间化合物或合金分别基于铁和铝。对此的理解为，至少50重量％的金属间化合物或者合金由铁和铝构成。基于铁和铝的金属间化合物或者合金在此也称为铁铝合金或者铁铝化合物。
在此有利的是，活塞表面仅部分地、尤其在活塞顶的区域中被涂覆，因为该区域与燃烧室并且因而与最高温度相接触。所述技术方案因此带来成本节省，而不必承受在期望的热隔绝方面的损失。此外，用于活塞裙的表面材料在该技术方案中在期望的机械和/或摩擦属性方面被优化。
在本发明优选的技术方案中规定，所述涂层包含8至33重量％的铝。这是有利的，因为铝作为除铁以外的金属间化合物或合金的主要组分在优选范围内是属性确定的。
作为涂层的优选的金属间化合物或合金的特征尤其在于，其除了特别高的超过500℃的温度耐受性之外、还具有与活塞基础材料兼容的膨胀系数。这意味着，涂层由于温度升高所经历的体积膨胀与活塞顶和活塞裙的材料的热膨胀差异很小，从而不会出现脱层。因此通过选择化合物合适的组分，可以显著提高在活塞上的涂层的寿命。
8至33重量％的铝在合金(基于铁铝的合金)或者金属间铁铝-化合物中的份额此外导致这样的热膨胀系数，其与常见的活塞基础材料、尤其轻质金属活塞的热膨胀系数非常相似。这尤其适用于由共晶的铝硅-合金作为基础材料制成的活塞，其具有大约为α≈20·10e-6K-1的热膨胀系数。在此，特别适用的是金属间化合物Fe-24Al，亦即具有体心晶格结构(B2)和质量份额为24重量％的铝的化合物。
在本发明另外优选的技术方案中，所述涂层还包含0-10重量％的铬(Cr)，尤其为0.1至8重量％的Cr，优选为1至7重量％的Cr。在此表现出来的是，涂层中铬的存在有利地导致了更好的湿腐蚀抗性。在湿腐蚀抗性方面特别有利的是，涂层、尤其是金属间化合物的形式、具有至少16重量％的铝和5重量％的铬(Fe-16Al-5Cr)。具有更高的铝和/或铬含量的组成配比具有更加改善的湿腐蚀抗性。
此外优选的是，涂层除了铁、铝和铬之外具有其他元素。因此在本发明优选的技术方案中，所述涂层具有8至33重量％的Al，0至10重量％的Cr，0至10重量％的Co，0至4重量％的Mo，0至10重量％的Ni，0至5重量％的W，0至5重量％的Re，0至6重量％的Ta，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至20重量％的Mn，0至1重量％的Si，0至10重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至5重量％的C，0至0.3重量％的N，0至3重量％的Zr，0至3重量％Y，0至1重量％的Ce，0至2重量％的Ga，0至2重量％的La和0至2重量％的Pt，其中铁和不可避免的杂质构成100重量％中的剩余成分。
这种技术方案的优点在于，尤其元素Co、Mo、Ni、W、Ti、V、Mn、Si、Nb通过具有铁和铝构成的化合物基质的混合晶体构成和硬化析出提高了涂层的强度。C和B尤其结合Ti、Hf和Zr用于附加微粒的析出，这加强了前述效果。此外，涂层中C的添加对于涂层表面的切削加工的可加工性具有正面影响。
特别有利的是，涂层具有10至30重量％的Al，0至5重量％的Cr，0至5重量％的Co，0至4重量％的Mo，0至5重量％的Ni，0至4重量％的W，0至3重量％的Re，0至3重量％的Ta，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至10重量％的Mn，0至1重量％的Si，0至5重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至2重量％的C，0至0.3重量％N，0至3重量％的Zr，0至1重量％Y，0至0.5重量％的Ce，0至1重量％的Ga，0至1重量％的La和0至1重量％的Pt，其中铁和不可避免的杂质构成100重量％的剩余成分。
尤其优选的是，涂层具有15至29重量％的Al，0至5重量％的Cr，0至4重量％的Mo，0至2重量％的Ni，0至4重量％的W，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至1重量％的Si，0至5重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至2重量％的C，0至0.3重量％N，0至3重量％的Zr，其中铁和不可避免的杂质构成100重量％的剩余成分。
这样组合的涂层的特征在于非常低的导热性，最高为14W·m-1K-1，尤其最高为14W·m-1K-1，典型地约为12W·m-1K-1。此外，涂层的热膨胀系数非常接近基于铝的轻质金属化合物的热膨胀系数，因此在这种技术方案的涂层显示出非常低的脱层倾向性。
在本发明另外优选的技术方案中规定，活塞顶和/或活塞裙包含轻质金属合金或者由其构成。因此基础活塞至少部分地由轻质金属构成。概念轻质金属合金原理上理解为所有轻质金属合金，其在机械方面符合活塞的要求。在本发明中，优选是铝合金、尤其铝-硅-合金，其中硅含量是可变的，并且可以到达过共晶的浓度(übereutektischenKonzentration)。尤其优选的是Al-Si12-基合金，其具有12重量％的硅(例如EN ACAlSi12CuNiMg)。
这种合金的优点在于，其具有按照本发明的涂层、尤其是具有10至30重量％的铝的涂层、非常相似的热膨胀系数因而降低了脱层倾向性。当在活塞、尤其活塞表面和设置其上的涂层之间的热膨胀系数的差最大为10％(对于1K的加热)时，所述脱层倾向性尤其被最小化。
为了将涂层施加在活塞顶和/或活塞裙上，在优选的技术方案中优选使用热喷涂方法。属于这种方法的尤其有大气等离子喷涂，高速火焰喷涂，真空火焰喷涂，和真空等离子喷涂。在涂层黏附方面特别好的结构在此借助高速火焰喷涂实现。
本发明还涉及一种活塞机，其包含至少一个气缸，该气缸具有至少一个设置其内的按照本发明所述的活塞。
本发明还涉及一种汽车，其具有这种活塞机。
本发明优选的技术方案由其余的、在从属权利要求中记载的特征得出。
本发明的在该申请中不同描述的实施形式只要不作另外的解释都可以有利地组合。
以下在优选实施例中参照附图阐述本发明。在附图中：
图1示出具有在本发明的优选技术方案中的活塞的活塞机的示意剖视图。
具有按照本发明的活塞的活塞机的优选技术方案借助图1中的剖视图示出，整体上以1表示的活塞机以活塞发动机、优选柴油发动机的构造示出。活塞机1包含直径为dk的圆柱形活塞10，其可轴向移动地设置在气缸30中。
在所示的技术方案中，活塞10具有活塞裙12，其以圆柱壳的形式构成，以及具有基本上圆形的、平坦的活塞顶11。活塞顶11和活塞裙12优选一体式地构成并且优选由轻质金属构成。在此特别优选的是铝合金、尤其是铝-硅-合金。活塞10此外具有环绕的槽，其容纳密封元件13、即所谓的活塞环。
活塞10借助未示出的连杆与曲轴相连用于驱动汽车。同样未示出的进气通道和排气通道和相应的进气门和排气门以及燃料喷射器，其设置在气缸盖的区域中。
活塞10、尤其是其活塞顶11和气缸30定义出燃烧室40，其体积通过活塞10的位置确定。
活塞顶11具有按照本发明的导热系数很小的涂层20。涂层20在此优选指的是基于铁和铝的金属间的化合物，其可以掺有其他元素。例如所述涂层20在铝的份额为10至30重量％时具有12W/mk的导热系数。
涂层20通过其隔热属性而具有隔绝功能。由于涂层20的非常低的导热系数λ，在燃烧室40中形成的燃烧热的仅很小一部分通过活塞顶11的表面从气缸空间中排出。反而热量保留在燃烧室40中并且因此用于提供机械做功的功率。由此在燃烧室40中实现更高的效率。由于从燃烧室40中排出的废气的温度很高，还可以加速后接的催化器系统的加热，由此优化废气处理。
附图标记清单
1 活塞机
10 活塞
11 活塞顶
12 活塞裙
13 密封元件
20 涂层
30 气缸
40 燃烧室

Claims (10)

1.一种用于活塞机(1)的活塞(10)，所述活塞包含活塞顶(11)、活塞裙(12)以及设置在活塞(10)的表面上的涂层(20)，其特征在于，所述涂层包含基于铁和铝的合金或者基于铁和铝的金属间化合物，并且所述涂层这样设置，使得涂层在活塞(10)的装配状态中至少部分地邻接活塞机(1)的燃烧室(40)。
2.按照权利要求1所述的活塞(10)，其特征在于，所述涂层(20)包含8至33重量％的铝。
3.按照前述权利要求之一所述的活塞(10)，其特征在于，所述涂层(20)还包含0至10重量％的Cr。
4.按照前述权利要求之一所述的活塞(10)，其特征在于，所述涂层(20)具有8至33重量％的Al，0至10重量％的Cr，0至10重量％的Co，0至4重量％的Mo，0至10重量％的Ni，0至5重量％的W，0至5重量％的Re，0至6重量％的Ta，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至20重量％的Mn，0至1重量％的Si，0至10重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至5重量％的C，0至0.3重量％的N，0至3重量％的Zr，0至3重量％Y，0至1重量％的Ce，0至2重量％的Ga，0至2重量％的La和0至2重量％的Pt，其中铁和不可避免的杂质构成100重量％中的剩余成分。
5.按照权利要求1至3之一所述的活塞(10)，其特征在于，所述涂层(20)具有10至30重量％的Al，0至5重量％的Cr，0至5重量％的Co，0至4重量％的Mo，0至5重量％的Ni，0至4重量％的W，0至3重量％的Re，0至3重量％的Ta，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至10重量％的Mn，0至1重量％的Si，0至5重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至2重量％的C，0至0.3重量％N，0至3重量％的Zr，0至1重量％Y，0至0.5重量％的Ce，0至1重量％的Ga，0至1重量％的La和0至1重量％的Pt，其中铁和不可避免的杂质构成100重量％的剩余成分。
6.按照权利要求1至3之一所述的活塞(10)，其特征在于，所述涂层(20)具有15至29重量％的Al，0至5重量％的Cr，0至4重量％的Mo，0至2重量％的Ni，0至4重量％的W，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至1重量％的Si，0至5重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至2重量％的C，0至0.3重量％N，0至3重量％的Zr，其中铁和不可避免的杂质构成100重量％的剩余成分。
7.按照前述权利要求之一所述的活塞(10)，其特征在于，活塞顶(11)和/或活塞裙(12)包含轻质金属合金、尤其是铝-硅合金或者由轻质金属合金、尤其铝-硅合金构成。
8.按照前述权利要求之一所述的活塞(10)，其特征在于，涂层(20)和活塞顶(11)相互间热膨胀系数的差最大为10％。
9.一种活塞机(1)，包含气缸(30)和设置在所述气缸中的按照权利要求1至8之一所述的活塞(10)。
10.一种汽车，其具有按照权利要求9所述的活塞机(1)。
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