CN107787402A - 涂覆内燃机活塞的闭合冷却通道的表面的方法及能够由所述方法制造的活塞 - Google Patents

涂覆内燃机活塞的闭合冷却通道的表面的方法及能够由所述方法制造的活塞 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用包含六方氮化硼的涂层剂的对内燃机的活塞(10)的闭合冷却通道(23)的表面(24)进行涂覆的方法，所述闭合冷却通道(23)具有供油孔和排油孔(23＇、23″),所述方法包括以下方法步骤：a)以具有在至少一种可热硬化的无机黏结剂以及至少一种溶剂的基础上的溶液的六方氮化硼的悬浊液的形式将确定量的涂层剂引入到冷却通道(23)中；b)通过绕至少两个空间轴移动活塞(10)而将涂层剂分散在冷却通道(23)的表面(24)上；c)通过层流气流干燥分布在冷却通道(23)的表面(24)上的涂层剂；d)对涂层剂进行热硬化以完成粘附至冷却通道(23)的表面(24)的涂层(25)。

Description

涂覆内燃机活塞的闭合冷却通道的表面的方法及能够由所述 方法制造的活塞
技术领域
本发明涉及一种对内燃机活塞的闭合冷却通道的表面进行涂覆的方法，所述闭合冷却通道具有供油孔和排油孔，所述表面具有包含六方氮化硼的涂层介质。本发明还涉及一种能够由这样的方法制造的活塞。
背景技术
已知以这种方式涂覆的活塞。冷却通道活塞优选地在具有高精确发动机功率(high specific engine power)的现代内燃机中使用，因为相比于仅通过撞击喷洒冷却的活塞，它们在发动机运转期间能够移除更大量的热，并且因此能够明显地降低它们的最大运转温度。
然而，该构思在大多数具有甚至更高精确发动机功率的最新发动机设计中证明是有问题的。甚至在短暂的发动机运转时间后，强烈粘附性的油炭沉积形成在活塞的最热的区域，特别是冷却通道中。这类沉积还具有热绝缘特性，其妨碍了热的消散。因此，活塞的温度在发动机运转期间不成比例地上升。在钢活塞的情况下，这还导致增加的结垢。在极端情况下，这些活塞变得很热，使得钢材料开始不可逆的退化。如果发动机继续运转，这导致钢材料中的裂痕，并且因此，导致活塞功能的完全失效。
EP2096290A1公开了一种氟硅酸盐基的抗粘附涂层。
DE102008020906A1公开了一种用于装置和工业的保护涂层。该保护涂层包括聚合基基体，特别是聚硅氧烷，其中嵌入有颗粒，特别是六方氮化硼。这类涂层尤其是具有极佳的不润湿特性，从而防止诸如灰或碴块的热绝缘固体的沉积。
已经发现，迄今的已知涂层非常费力地应用并且制造具有不均匀的层厚的涂层，因此产生至少局部的隔热效果，这阻碍了冷却通道的热流出。特别地，冷却通道的整个表面不能以令人满意的结果被涂覆。
发明内容
本发明具有进一步发展通用的方法的目的，使得能够在冷却通道的整个表面上获得均匀地薄的涂层。
该方案将在具有如下方法步骤的方法中获得：a)以具有在至少一种可热固化的无机黏结剂以及至少一种溶剂的基础上的溶液的六方氮化硼的悬浊液的形式将确定量的涂层介质引入到冷却通道中；b)通过绕至少两个空间轴移动活塞而将涂层介质喷洒在冷却通道的表面上；c)使用层流气流干燥喷洒在冷却通道的表面上的涂层介质；d)对涂层介质进行热固化以完成粘附至冷却通道的表面的涂层。
根据本发明的方法的特征在于，能够制造一种活塞，其中冷却通道的整个表面设置有包含六方氮化硼的涂层，所述涂层在冷却通道的整个表面上具有均匀的厚度，优选为10μm和100μm之间。其结果是，如果发生的话，冷却通道的热流出的通道只被轻微地阻碍。
有益的发展能够在从属权利要求中获得。
方便地，在步骤a)之前确定冷却通道的表面的尺寸，从而能够最优地确定涂层介质的剂量。如果冷却涂层具有190cm2的表面面积，则最优的剂量为7ml，也就是说，大约36.84μl每平方厘米。
优选地，在步骤a)之前使用清洁物质对冷却通道的表面进行清洁，从而改进涂层在表面上的粘附。合适的清洁物质例如为甲醇、乙醇、丙酮、1-丙醇和2-丙醇，以及其他短链醇。
作为优选的黏结剂，在步骤a)中使用的涂层介质包含至少一种聚硅氧烷，其优选溶解在乙醇中。
作为进一步的黏结剂，能够使用硅酸钠和/或硅酸钾，因此能够使用溶胶凝胶方法。
在步骤b)，例如能够通过双轴混合装置来移动活塞。双轴混合装置为已知的，并且通常用于混合油漆和颜料。
优选地，在步骤c)中，使用具有1至2米/秒的速度的层流气流，从而避免涂层介质由于过快的气流而不均匀地分布在冷却通道的表面上。涂层介质的冷却方便地在室温下进行。
在步骤d)中，例如能够在180℃至220℃下实施热固化。
附图说明
接下来参照附图对本发明的示例性实施例进行更加详细的描述。在示例性并且非符合比例的体现中，
图1在截面中示出了根据本发明的活塞的示例性实施例；
图2示出了依据图1的活塞主体的照片体现，其具有使用根据本发明的方法施加的涂层；
图3示出了具有有缺陷的涂层的活塞主体的进一步的照片体现。
具体实施方式
活塞10具有活塞头11，该活塞头11具有活塞顶12、燃烧凹陷13、圆周火力岸14以及带有用于接纳活塞环(未示出)的环槽的圆周环部15。
活塞10还具有活塞裙16，其依据已知的方式设置有活塞销座17，其中创建有用于接纳活塞销(未示出)的销座孔18。活塞销座17通过滑动表面19彼此连接。
在示例性实施例中，活塞10被设计为由钢材料制成的单体活塞。在该背景下，活塞主体21和活塞上部22通过焊接或软焊彼此永久地连接。活塞主体21和活塞上部22能够由相同的材料制成或由不同的材料制成。
活塞主体21与活塞上部22一起形成冷却通道23，所述冷却通道23在环部15的高度处是圆周的，所述通道具有供油孔和排油孔23＇、23″。冷却通道23的表面24设置有包含六方氮化硼(hBN)的涂层25。涂层25的厚度优选为20μm至40μm。依据六方氮化硼的纯度，涂层25的导热率优选为40W/mK至50W/mK。涂层25的摩擦系数在温度高达600℃时是恒定的并且为0.2。依据六方氮化硼的纯度，涂层25的具体表面面积为5m2/g至15m2/g。
接下来描述用于对冷却通道23进行涂覆的根据本发明的方法的示例性实施例。
首先，确定以cm2为单位的冷却通道23的表面面积，从而能够最优地确定涂层介质的剂量。
使用乙醇对冷却通道23的表面24进行彻底清洁。为了该目的，依据表面24的尺寸，10ml至30ml的乙醇经由供油孔或排油孔23＇、23″中的一个被引入到冷却通道23中，并且孔23＇、23″通过止挡件(优选由弹性橡胶材料制成)关闭。移动活塞10从而使乙醇扩散到冷却通道内部并且确保整个表面24被乙醇湿润。为此，能够例如使用双轴混合机。随后，移开止挡件使得剩余的乙醇流出冷却通道23。冷却通道23的表面24经由孔23＇、23″中的一个在室温下使用具有1m/s至2m/s的流速的层流气流干燥五分钟。
作为涂层介质，在溶解在乙醇中的聚硅氧烷中使用六方氮化硼的颗粒悬浊液。在示例性实施例中，基于纯聚硅氧烷溶液的体积，六方氮化硼在悬浊液中的含量为104g/l。在示例性实施例中，基于悬浊液的总体积，聚硅氧烷含量为61g/l。在示例性实施例中，基于悬浊液的总体积，悬浊液的乙醇含量为647g/l。这种类型的涂层介质能够经济地获得，例如从制造商Henze Boron Nitride Products AG,Grundweg 1,87493Lauben获得的名称为400E的产品。要点是，涂层介质免于包含卤素的物质，特别是免于包含氟的物质。
剂量与以cm2为单位的冷却通道23的表面24的大小有关。对于具有190cm2的面积的冷却通道23的表面24，悬浊液的最优的剂量为7ml。在示例性实施例中，这相当于4.53g的乙醇，0.43g的聚硅氧烷以及0.73g的六方氮化硼。
使用针对具有面积为190cm2的表面24的冷却通道23的各种剂量涂层介质的测试产生如下结果，最优剂量以及过度剂量的结果图示在图2和图3中：
涂层介质经由孔23＇、23″中的一个被引入到冷却通道23中，方便地，通过例如计量泵的定量装置(dosing device)的辅助。孔23＇、23″通过优选地由弹性橡胶制成的止挡件关闭。
随后，围绕至少两个空间轴移动活塞10。该移动对于在冷却通道的表面24上均匀地喷洒涂层介质是必要的。这使用旋转单元来方便地完成，例如依据已知的双轴混合机，通过所述旋转单元，活塞10绕纵向轴线并且也绕垂直于所述纵向轴线而延伸的轴线旋转。
然后，移去止挡件。粘附至冷却通道23的表面24的涂层介质经由孔23＇、23″在室温(大约20℃)下使用具有1m/s至2m/s的流速的层流气流干燥大约五分钟。这从涂层介质中移去了乙醇。该干燥步骤是必要的，从而确保涂层介质的无缺陷，甚至干燥。层流气流的流速可以不太高，因为这可能使粘附至孔23＇、23″附近的冷却通道23的表面24的涂层介质被气压转移，这将会导致具有不均匀厚度的涂层。
使用通过热处理的固化来制造成品涂层25，其中活塞10被加热至180℃至220℃，持续25分钟至60分钟。在这种情况下，聚硅氧烷依据已知的方式被转化为其中嵌入有六方氮化硼颗粒的二氧化硅(SiO2)基体。
生成的涂层25具有15-17mN/m的表面能量和20μm至40μm的层厚度，这在冷却通道23的整个表面24上是恒定的。由于其小的层厚度，涂层25对活塞10的材料不具有热绝缘效果。涂层25耐热至600℃。

Claims (15)

1.一种对内燃机的活塞(10)的具有供油孔和排油孔(23＇、23＇＇)的闭合冷却通道(23)的表面(24)进行涂覆的方法，所述表面(24)具有包含六方氮化硼的涂层介质，其特征在于以下方法步骤：
a)以具有在至少一种可热固化的无机黏结剂以及至少一种溶剂的基础上的溶液的六方氮化硼的悬浊液的形式将确定量的涂层介质引入到冷却通道(23)中；
b)通过绕至少两个空间轴移动活塞(10)而将涂层介质喷洒在冷却通道(23)的表面(24)上；
c)使用层流气流干燥喷洒在冷却通道(23)的表面(24)上的涂层介质；
d)对涂层介质进行热固化以完成粘附至冷却通道(23)的表面(24)的涂层(25)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)之前确定所述冷却通道(23)的所述表面(24)的尺寸。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)之前，使用清洁物质对所述冷却通道(23)的所述表面(24)进行清洁。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述清洁物质从包括甲醇、乙醇、丙酮、1-丙醇、2-丙醇的组中选择。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)中将至少一种聚硅氧烷用作黏结剂。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将乙醇用作溶剂。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将硅酸钠和/或硅酸钾用作进一步的黏结剂。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)中，使用7ml的量的涂层介质来对190cm2的冷却通道(23)的表面(24)进行涂覆。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤b)中，通过双轴混合装置移动所述活塞(10)。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤c)，中使用具有每秒1至2米速度的层流气流。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤c)中，在室温下实施干燥。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤d)中，在180℃至220℃的温度下实施热固化。
13.一种内燃机的活塞(10)，其具有活塞头(11)和活塞裙(16)，其中所述活塞头(11)具有外周环部(15)和在环部(15)的高度处为圆周的闭合冷却通道(23)，所述闭合冷却通道具有供油孔和排油孔(23＇、23＇＇)，其特征在于，冷却通道(23)的整个表面(24)设置有包含六方氮化硼的涂层(25)，所述涂层(25)在冷却通道(23)的整个表面(24)上具有均匀的厚度。
14.如权利要求13所述的活塞，其特征在于，所述涂层(25)的厚度在20μm和40μm之间。
15.如权利要求13所述的活塞，其特征在于，所述活塞由钢材料制成。
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