CN109072397A - 用于内燃发动机的气缸的活塞 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于内燃发动机(2)的气缸(15)的活塞(20)，该活塞(20)具有适于面向气缸(15)的燃烧室的活塞碗表面(30)，该活塞碗表面(30)设有热障涂层(37)，其中，该热障涂层(37)设置在活塞碗表面(30)的多个周向间隔开的表面部分(36)上。本公开还涉及一种用于制造用于内燃发动机(2)的气缸(15)的活塞(20)的方法，其包括以下步骤：提供用于内燃发动机(2)的气缸(15)的活塞(20)，该活塞(20)具有适于面向气缸(15)的燃烧室的活塞碗表面(30)；以及，为活塞碗表面(30)提供热障涂层(37)，其中，提供热障涂层(37)的步骤是在活塞碗表面(30)的多个周向间隔开的表面部分(36)上进行的。本公开还涉及设有这种活塞(20)的内燃发动机(2)和车辆(1)。

Description

用于内燃发动机的气缸的活塞
技术领域
本公开涉及一种用于内燃发动机的气缸的活塞，该活塞具有适于面向气缸的燃烧室的活塞碗表面，该活塞碗表面设有热障涂层。本公开还涉及一种用于制造用于内燃发动机的气缸的活塞的方法，该方法包括以下步骤：提供用于内燃发动机的气缸的活塞，该活塞具有适于面向气缸的燃烧室的活塞碗表面；以及为活塞碗表面提供热障涂层。本公开还涉及设置有这种活塞的内燃发动机和车辆。
背景技术
在内燃发动机中，热量由于燃料的燃烧而增加，并在发动机的气缸内积聚。与例如燃烧过程和发动机本身的设计相关的发展已经导致燃烧期间气缸内产生的压力和温度的升高。这又对诸如制造发动机的材料等的方面提出了更高要求，特别是对诸如气缸盖、气缸和活塞的与燃烧过程直接接触的部分提出了更高要求。对活塞顶部的要求很高。特别关注的是高材料温度、材料退化、氧化和裂纹的效应。活塞材料中的高温也是活塞与油接触的区域上积炭的原因。例如，通过使用高强度材料或高耐热材料或两者的组合，这些效应已经减小。处理这些问题的其他方法是在活塞表面上添加温度绝缘涂层或高强度涂层，从而保护下面的材料。还对燃烧参数进行了调整，以试图降低活塞上的热负荷。
由于在活塞表面上施加绝缘涂层而产生的问题是：尽管活塞本身受到保护而免于高要求，但热量被输送到燃烧室的周围部分并被所述周围部分吸收，在那里，热量以不受控的方式积聚，并且可能出现与活塞类似的问题。
在这些情形中使用的一种热绝缘涂层被称为热障涂层。US 3,976,809中公开了这种涂层的一个示例。
处理内燃发动机的燃烧室内和周围的部分中的热量积聚仍是一个问题。
发明内容
因此，本公开的一个目的是至少在某种程度上减轻上述关于热积聚的缺点，并且对内燃发动机的气缸的活塞进行改进，特别是对热负荷的消散和材料中的温度最大值的降低进行改进。
根据第一方面，本公开涉及一种用于内燃发动机的气缸的活塞，该活塞具有适于面向气缸的燃烧室的活塞碗表面，该活塞碗表面设有热障涂层，其中，该热障涂层设置在活塞碗表面的多个周向间隔开的表面部分上。
热障涂层通常设置在整个活塞表面上，以便将下方的活塞材料与直接的热影响隔离开并减少热积聚。当替代地在活塞碗表面的多个周向间隔开的表面部分上提供热障涂层时，在被涂覆的表面部分下方减小了热负荷，而未涂覆的表面部分仍进行吸热。与通常设计的活塞相比，根据本公开的活塞吸收更多热能，使得燃烧室的周围部分暴露于更少的热量，同时热量在活塞内更均匀地分布。与通常未涂覆的设计相比，在被涂覆的表面部分下方，最高温度降低了，而未涂覆的表面部分处的最高温度可能会稍微升高。因此，热能在活塞内更均匀地分布，并且降低了任何单一点处的最高温度，从而降低了材料退化的风险，并且也降低了在活塞冠下方积炭的风险。活塞材料和涂层的热膨胀可能不同，从而导致涂层中的高应力，并且有涂层开裂和/或从活塞材料分层的风险。使活塞具有多个涂覆部分将允许活塞材料具有更大的热膨胀，而涂层中的应力积聚更少。从而，因此提高了活塞的耐用性和预期寿命。
根据一个实施例，每个热障涂层表面部分的表面延伸适于将活塞在该表面部分处的温度降低到低于阈值温度，该阈值温度是活塞材料腐蚀的临界温度。特别地，可以选择热障涂层以减少被涂覆的表面部分下方的热积聚，使得不会达到活塞材料腐蚀的临界温度，从而延长活塞预期寿命。
根据一个实施例，所述热障涂层由热绝缘陶瓷材料制成。这种材料具有低热导率。这种材料降低了下方材料上的应力，并且提高了对下方材料的粘附力。
根据一个实施例，所述热绝缘陶瓷材料包括氧化锆。
根据一个实施例，所述活塞碗表面包括至少一个燃料喷雾冲击部分，并且其中，所述热障涂层表面部分中的至少一个热障涂层表面部分的位置至少部分覆盖所述燃料喷雾冲击部分。活塞在气缸内的一个或几个部分处受到燃料喷雾冲击，并在该部分或这些部分处受到由此产生的集中热负荷。该热负荷在燃料喷雾冲击部分处增加。通过使热障涂层表面部分的位置至少部分覆盖所述燃料喷雾冲击部分，减少了所述部分处的热积聚，从而又减少了活塞材料的退化。而且，也减少了在燃料喷雾冲击部分处的活塞冠下方的积炭。
根据一个实施例，所述热障涂层表面部分中的至少一个相对于其相关的燃料喷雾冲击部分被定中。所述至少一个热障涂层表面部分和相关的燃料喷雾冲击部分之间的紧密重叠进一步改善了活塞内的热量或温度分布和耗散。
根据一个实施例，所述活塞碗表面包括周向边缘部分以及连接到该周向边缘部分并被该周向边缘部分包围的底部部分(floor portion)，其中，所述热障涂层表面部分中的至少一个位于该周向边缘部分处并具有沿着该周向边缘部分的延伸。燃料喷雾冲击部分通常定位成具有沿着该周向边缘部分的延伸，从而将由此实现活塞内的改进的热量或温度分布。
根据一个实施例，沿着该周向边缘部分的每个热障涂层表面部分通过没有任何热障涂层的活塞碗表面彼此隔开(distended)。通过沿着周向边缘部分将未涂覆的活塞碗表面定位在每个热障涂层表面部分之间，未涂覆的表面部分将在这些部分处实现增加的吸热。因此，改善了活塞内的总体热分布和散热。
根据一个实施例，每个热障涂层表面部分被没有任何热障涂层的活塞碗表面包围。由此，实现了活塞内的更进一步改善的热分布和散热。
根据一个实施例，每个热障涂层表面部分具有到活塞碗中的延伸。这很好地对应于燃料喷雾冲击部分的位置和扩展。
根据一个实施例，每个热障涂层表面部分具有在所述周向边缘部分两侧的延伸。这很好地对应于燃料喷雾冲击部分的位置和扩展。
根据一个实施例，每个热障涂层表面部分处的表面涂层的厚度在中心部分中比在外边界处厚。与减少的厚度相比，增加的厚度导致正下方的热绝缘增加，减少的厚度则导致正下方的热绝缘减少。因此，调整了表面涂层的厚度分布，使得：相对于外边界处的热绝缘水平，在中心部分中实现了增加的热绝缘。
根据一个实施例，每个热障涂层表面部分处的热障涂层的厚度在周向边缘部分处是最大的。由此，在周向边缘部分正下方的热绝缘是最大的。
根据一个实施例，所述厚度在每个热障涂层表面部分的外边界处是最小的。由此，热绝缘在每个热障涂层表面部分的外边界正下方是最小的。
根据一个实施例，所述厚度连续地变化。这是在制造期间实现变化的涂层厚度的简单方式。
根据一个实施例，所述热障涂层的厚度为5至4000μm，优选为20至500μm。对于活塞相对于燃烧室中的热负荷所需的热绝缘，这些厚度水平被很好地适配。
根据一个实施例，所述周向边缘部分被热障涂层表面部分覆盖到30％和70％之间，优选覆盖到40％和80％之间，更优选覆盖到45％和55％之间。这些范围适合于热障涂层表面部分正下方的足够的热负荷限制以及活塞的未涂覆表面部分处的足够的吸热，以实现活塞在燃烧室中的总体吸热及活塞材料保护。
根据一个实施例，每个热障涂层表面部分具有大致圆形的表面延伸，优选为大致椭圆形的表面延伸。这是实现简单制造的简单方式，但它也是非常符合燃料喷雾冲击部分的形态的、所述表面部分的形状。
根据一个实施例，所述热障涂层通过结合层结合到活塞。这通过减小活塞的基础材料和热障涂层材料之间的热膨胀系数之间的不匹配而提高了表面层的耐久性。它还可以提供一些额外的腐蚀保护。
根据一个实施例，所述结合层是镍基的。
根据一个实施例，所述结合层的厚度为20至250μm，优选为75至150μm，更优选为大约100μm。
根据第二方面，本公开涉及一种用于制造用于内燃发动机的气缸的活塞的方法，该方法包括以下步骤：提供用于内燃发动机的气缸的活塞，该活塞具有适于面向气缸的燃烧室的活塞碗表面；以及为活塞碗表面提供热障涂层，其中，为活塞碗表面提供热障涂层的步骤在活塞碗表面的多个周向间隔开的表面部分上进行。
所述热障涂层通常设置在整个活塞表面上，以便将下方的活塞材料与直接的热影响隔离开并减少热积聚。当替代地在活塞碗表面的多个周向间隔开的表面部分上提供热障涂层时，在被涂覆的表面部分下方减小了热负荷，而未涂覆的表面部分仍进行吸热。与通常设计的活塞相比，根据本公开的制造活塞的方法产生了如下的活塞：该活塞吸收更多热能，使得燃烧室的周围部分暴露于更少的热量，同时热量在活塞内更均匀地分布。与通常完全涂覆的设计相比，在被涂覆的表面部分下方，最高温度降低了，而未涂覆的表面部分处的最高温度可能会稍微升高。因此，热能在活塞内更均匀地分布，并且降低了任何单一点处的最高温度，从而降低了材料退化的风险，并且也降低了在活塞冠下方积炭的风险。从而，因此提高了活塞的耐用性和预期寿命。
根据一个实施例，为活塞表面提供热障涂层的步骤包括以下步骤：通过热喷涂来施加热障涂层。热喷涂是一种简单的方法，其本身是众所周知的。
根据一个实施例，该热喷涂工艺是等离子喷涂。
根据一个实施例，所述热障涂层由热绝缘陶瓷材料制成。
根据一个实施例，所述热绝缘陶瓷材料包括氧化锆。
根据一个实施例，所述活塞碗表面包括至少一个燃料喷雾冲击部分，并且其中，在活塞碗表面的多个周向间隔开的表面部分上提供热障涂层的步骤包括以下步骤：在至少部分覆盖燃料喷雾冲击部分的位置处提供所述热障涂层表面部分中的至少一个。活塞在燃烧室内的一个或几个部分处受到燃料喷雾冲击，并在该部分或这些部分处受到由此产生的集中热负荷。通过使热障涂层表面部分的位置至少部分覆盖所述燃料喷雾冲击部分的方法，减少了所述部分处的热积聚，从而又减少了活塞材料的退化。而且，也减少了在燃料喷雾冲击部分处的活塞冠下方的积炭。
根据一个实施例，在至少部分覆盖燃料喷雾冲击部分的位置处提供所述热障涂层表面部分中的至少一个的步骤包括以下步骤：将所述至少一个热障涂层表面部分相对于其相关的燃料喷雾冲击部分定中。所述至少一个热障涂层表面部分和相关的燃料喷雾冲击部分之间的紧密重叠进一步改善了活塞内的热量或温度分布和耗散。
根据一个实施例，施加热障涂层的步骤之前是以下步骤：通过热喷涂来施加结合层，优选通过等离子喷涂来进行。因此，实现了所获得的热障涂层的改进的耐久性。
根据一个实施例，所述结合层是镍基的。
根据一个实施例，施加热障涂层的步骤之前是以下步骤：对活塞碗表面进行喷丸处理，优选通过喷砂来进行。因此，实现了所获得的热障涂层的改进的耐久性。
根据一个实施例，通过热喷涂施加热障涂层的步骤包括使用第一掩蔽装置，该第一掩蔽装置具有用于每个热障涂层表面部分的开口，使得热喷涂物仅在所述表面部分处到达活塞碗表面。这种第一掩蔽装置是一种简单方式，既可以实现对活塞碗表面上的应该保持未涂覆的部分的掩蔽，又可以实现未掩蔽的表面部分的适当形态和位置。
根据一个实施例，通过热喷涂施加结合层的步骤包括使用第二掩蔽装置，该第二掩蔽装置具有用于每个热障涂层表面部分的开口，使得热喷涂物仅在所述表面部分处到达活塞碗表面。
根据一个实施例，对活塞碗表面进行喷丸处理的步骤包括使用第三掩蔽装置，该第三掩蔽装置具有用于每个热障涂层表面部分的开口，使得热喷涂物仅在所述表面部分处到达活塞碗表面。
根据一个实施例，第一掩蔽装置的开口小于第二掩蔽装置的开口。这是实现热障涂层材料与活塞碗表面的满意结合的简单方式。
根据一个实施例，第二掩蔽装置的开口小于第三掩蔽装置的开口。这是实现结合材料与活塞碗表面的满意结合的简单方式。
根据一个实施例，第一掩蔽装置的开口各自具有延伸，该延伸适于提供每个热障涂层表面部分的表面延伸，该表面延伸适于将活塞在表面部分处的温度降低到低于阈值温度，该阈值温度是活塞材料腐蚀的临界温度。
根据一个实施例，第一掩蔽装置的所述开口中的至少一个开口的位置在燃料喷雾冲击部分上被定中。
根据一个实施例，第一掩蔽装置的每个开口彼此隔开。
根据第三方面，本公开涉及一种内燃发动机，该内燃发动机具有至少一个根据第一方面的活塞。
根据第四方面，本公开涉及一种内燃发动机，该内燃发动机具有至少一个根据第二方面制造的活塞。
根据第五方面，本公开涉及一种内燃发动机，该内燃发动机是压缩点火式内燃发动机。
根据第六方面，本公开涉及一种车辆，该车辆具有本文公开的任何类型的内燃发动机。
附图说明
参照附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。
在图中：
图1a是车辆的侧视图，示出了具有根据本公开的活塞的内燃发动机系统处的剖切部分，
图1b是具有根据本公开的活塞的气缸的局部截面图，
图2a是燃料喷射期间图1b的气缸和活塞的上部的截面图，
图2b是示出燃料喷射期间图1b的活塞冠的俯视图，
图3是示出图1b的活塞的截面透视图，
图4是示出燃料喷射期间图1b的活塞冠的俯视图，
图5是示出用于制造图1b的活塞的方法的步骤的框图，
图6a是在图1b的活塞的制造中使用的第一掩蔽装置的示意性俯视图，
图6b是在图1b的活塞的制造中使用的第二掩蔽装置的示意性俯视图，
图6c是在图1b的活塞的制造中使用的第三掩蔽装置的示意性俯视图，并且
图7是示出根据本公开的替代性活塞冠的俯视图。
具体实施方式
参照图1a，公开了重型卡车1，对于该重型卡车，在本公开中公开的类型的内燃发动机系统10是有利的。然而，内燃发动机系统10也可以在其它类型的车辆中实施，例如在公共汽车、轻型卡车、乘用车、船舶应用等中。内燃发动机系统10包括压缩点火式内燃发动机2。内燃发动机2例如可以是柴油发动机，其本身可以依靠几种不同类型的燃料来运行，例如柴油或二甲醚(DME)。其它类型的燃料也很适合，混合动力系统也是如此。内燃发动机系统10设有至少一个气缸并且优选为六至八个气缸15，每个气缸都具有一个如本文所公开的并且结合图1b更详细描述的活塞20。
每个气缸15包括往复运动的活塞20，该活塞20可以是适合压缩点火的任何类型的。由于气缸15的部件和功能在本领域中是众所周知的，所以仅一般性地描述气缸15。气缸15的构造可以例如是直列式的、V形的或任何其他合适的类型。图1b的每个气缸15在其竖直顶端处包括用于进气的至少一个(优选为两个)入口通道21以及用于来自气缸15内发生的燃料燃烧过程的废气的至少一个(优选为两个)出口通道22。每个入口通道21具有用于控制进气入口的入口阀23，且每个出口通道22具有用于控制废气出口的出口阀24。喷射阀19在气缸15中居中地定位，位于入口通道21和出口通道22之间，该喷射阀19在其末端处具有燃料喷射器25。喷射阀19的位置和方向可以是其它类型的，例如向一侧倾斜并朝向气缸15的侧壁定位。活塞20连接到连杆17，连杆17又连接到曲轴18。曲轴18位于曲轴箱26内。燃烧使得活塞20在其最上方的位置(所谓的上止点TDC)和其最下方的位置(下止点BDC)之间往复运动。在图1b中，活塞20位于其BDC附近。气缸15内的在活塞20的BDC与气缸顶部之间的空间被称为燃烧室16。这是发生燃料燃烧的地方。优选地，内燃发动机系统10根据众所周知的四冲程原理工作，但同样众所周知的的两冲程和八冲程原理也适用于本公开的活塞20。
转向图2a，以截面图示出了活塞20以及气缸15的顶部。活塞20具有活塞冠29，该活塞冠29包括在图中位于竖直上方的部分。活塞冠29具有活塞表面27，该活塞表面27包括面向气缸15的燃烧室16的整个表面。在本公开中，活塞冠29具有居中定位的活塞碗28，该活塞碗28相对于整个活塞20被旋转对称地设计。这也在图2b中示出。活塞碗28被设计为活塞冠29中的凹部或凹陷。本公开中的活塞碗28还具有居中定位的隆起部(elevation)，然而其最高部分低于活塞冠29的其余部分。活塞碗28具有活塞碗表面30并且被周向边缘部分31包围，该周向边缘部分31将活塞碗28相对于活塞冠29的其余部分划定界限。活塞碗表面30从活塞碗28的中央隆起部的最高部分大致笔直地朝向底部部分倾斜，在该底部部分处，活塞碗表面30再次大致笔直地且相当陡峭地朝着周向边缘部分31升高。活塞冠29的在周向边缘部分31外侧的其余部分是大致平坦的。活塞碗28的这种构造有时被称为“墨西哥帽”。
在活塞冠29下面，存在两个从上方相互分开的空间：内侧的居中定位的冷却室32和外侧的位于周边处的冷却廊道33。环形活塞裙标记了活塞20的外径。在图2a中从活塞冠29向下突出的部分是贯穿地设有(未公开的)销孔的部分，该销孔适于接纳(未公开的)销以连接到连杆17。
燃料喷射器25具有适于将燃料喷射到燃烧室16中的多个(未公开的)燃料开口。在本公开中，存在六个均匀分布的开口，从而引起围绕燃料喷射器25的六个分开的燃料喷雾羽流34。这在图2b中可以更好地看到。燃料喷雾羽流34在这里与活塞冠29一起被看到。所述燃料开口被定位成使得每个燃料喷雾羽流34通常撞击周向边缘部分31。当撞击周向边缘部分31时，燃料喷雾羽流34向上和向下飞溅，使得燃料在燃烧室16内良好地分布。每个燃料喷雾羽流34撞击活塞冠29上的燃料喷雾冲击部分35。在活塞20的使用期间，特别是在燃料的燃烧期间，活塞20的在燃料喷雾冲击部分35处的材料经受高温。根据本公开，除非通过绝缘涂层至少对活塞碗表面27进行隔热保护，否则，高温也在活塞20自身内并且可能在气缸15内积聚。这种绝缘涂层通常被称为热障涂层。热障涂层材料是包含氧化锆的多孔热绝缘陶瓷材料。
气缸15和活塞20的布局可以设计成不同于本文公开的布局。例如，活塞20可以设计成具有非旋转对称的圆柱形构造，以对应于气缸15的顶部处的装置的非圆柱形构造。燃料喷射器25可以朝着气缸15的顶部的侧面定位，并且从这样的位置以倾斜的方式将燃料喷雾羽流34引导到气缸15中。燃料喷射器25还可以将一个或几个略微变平的(而不是圆形的)燃料喷雾羽流34朝着燃烧室和活塞20引导。另一个例子是活塞碗28的形状、尺寸和位置。它可以是非旋转对称的，可以更浅并具有更小的直径。它可以包括具有较小曲率半径的周向边缘部分31和较小的隆起部(如果有的话)。如此等等。
现在转向对本公开的第一实施例的描述，将基于图3和图4来提供这一点。六个周向间隔开的表面部分36围绕活塞碗28均匀地分布在活塞表面27上，并且在周向边缘部分31上居中，表面部分36涂覆有热障涂层37。在图3中，由于图中对活塞20的剖切，只有一半的表面部分36可见。热障涂层表面部分36位于活塞20的周向边缘部分31处并具有沿着周向边缘部分30的延伸。热障涂层表面部分36通过活塞碗表面30的未设有任何热障涂层37的部分而沿着周向边缘部分31彼此隔开。同样是事实的是，每个热障涂层表面部分36被没有任何热障涂层37的活塞碗表面30包围。每个热障涂层表面部分36具有到活塞碗28中的延伸。它还具有在周向边缘部分31两侧的延伸。每个热障涂层表面部分36具有大致圆形的表面延伸，在所公开的实施例中，为大致椭圆形的表面延伸。
每个热障涂层表面部分36处的表面涂层的厚度在中心部分中比在其外边界处厚。每个热障涂层表面部分36处的热障涂层37的厚度在周向边缘部分31处是最大的。该厚度在每个热障涂层表面部分36的外边界处是最小的。厚度连续地变化。这可以从图3中的两个被剖切的表面部分36清楚看出。热障涂层37的厚度为5至4000μm，优选为20至500μm。周向边缘部分31被热障涂层表面部分36覆盖到30％和70％之间，优选覆盖到40％和80％之间，更优选覆盖到45％和55％之间。另一种描述热障涂层表面部分36的方式是：它们是离散的表面部分36，它们通过活塞20的未涂覆表面部分36彼此隔开。
热障涂层37通过结合层38结合到活塞20。结合层38是镍基的，并且其厚度为20至250μm，优选为75至150μm，更优选为大约100μm。
现在转向图4，公开了与热障涂层表面部分36的位置相关的燃料喷雾冲击部分35。特别应当注意，每个热障涂层表面部分36相对于其相关的燃料喷雾冲击部分35被定中，使得热障涂层表面部分36至少部分覆盖燃料喷雾冲击部分35。在本实施例中，所有热障涂层表面部分36具有相同的尺寸和位置。
参照图5，现在将公开制造用于内燃发动机2的气缸15的活塞20的方法。在步骤101中，提供活塞20。活塞20本身是根据公知的方法制造的，这里不再进一步讨论。活塞20优选是未涂覆的。在步骤102中，至少对活塞碗表面30的应该被热障涂层表面部分36覆盖的部分进行喷丸处理，优选通过喷砂来进行。然而，可能的是，可以对整个活塞20进行喷丸处理。在步骤103中，至少在活塞碗表面30的应该被热障涂层表面部分36覆盖的部分处通过热喷涂来施加结合层38。优选通过等离子喷涂来进行。在步骤104中，在步骤103中提供的结合层38的顶部上为活塞碗表面30提供热障涂层37。热障涂层37设置在活塞碗表面30的多个周向间隔开的表面部分36上。应当注意，对于每个步骤，对活塞碗表面30上的所有周向间隔开的表面部分36同时分别进行喷丸处理、施加结合层38和施加热障涂层37。然而，它也可以一次对一个或几个部分进行。
从图2b可以看出，根据所公开的实施例，活塞碗表面30包括六个均匀分布的燃料喷雾冲击部分35。在周向间隔开的表面部分36上提供热障涂层37使得热障涂层表面部分36至少部分覆盖(优选完全覆盖)燃料喷雾冲击部分35。在周向间隔开的表面部分36上提供热障涂层37也使得每个热障涂层表面部分36相对于其相关的燃料喷雾冲击部分35被定中。每个热障涂层表面部分36的稍微厚一些的中间或中心部分是通过将热喷涂物引向该部分比引向其他周围部分的时间稍长而实现的，以便在该部分中沉积更多的热障涂层材料。
在图6a至图6c中，公开了在根据本公开的活塞20的制造中使用的不同掩蔽装置39、40、41。每个掩蔽装置39、40、41可以由任何材料制成，优选为金属，该材料能够承受通过向所公开的活塞20施加热障涂层而施加给该材料的磨损。每个掩蔽装置39、40、41还通常成形为板，其中，开口42、43、44位于与每个热障涂层表面部分36对应的位置处。在所有图6a、图6b和图6c中，活塞20在其制造期间的位置由虚线表示。掩蔽装置39、40、41的形状可以优选为与待涂覆的活塞20的形状一致的形状。应当注意，每个掩蔽装置39、40、41的每个开口42、43、44彼此隔开。每个开口42、43、44被成形和构造成产生具有期望的形状、位置和尺寸的相应热障涂层表面部分36。由于产生热障涂层表面部分36的方式(即，优选通过热喷涂和喷砂)，开口42、43、44可不必具有与所获得的热障涂层表面部分36精确相同的尺寸和形状，而是使热喷涂材料和喷砂材料在制造过程中在期望的位置处接触活塞20即可。
在图6a中，公开了第一掩蔽装置39，其为活塞20的每个热障涂层表面部分36各设有一个开口42，即总共六个开口42。这些开口被设置和定位成使得热喷涂物仅在表面部分36处到达活塞表面27。在图6b中，公开了第二掩蔽装置40，其为活塞20的每个热障涂层表面部分36各设有一个开口43，即总共六个开口43。开口43被设置和定位成使得热喷涂物仅在表面部分36处到达活塞表面27。在图6c中，公开了第三掩蔽装置41，其为活塞20的每个热障涂层表面部分36各设有一个开口44，即总共六个开口44。开口44被设置和定位成使得热喷涂物仅在表面部分36处到达活塞表面27。应当注意，第三掩蔽装置41的开口44大于第二掩蔽装置40的开口43，第二掩蔽装置40的开口43又大于第一掩蔽装置39的开口42。
回到图5，在对活塞20喷砂期间，第三掩蔽装置41结合步骤102使用。第二掩蔽装置40结合步骤103并在活塞表面上提供结合层38时使用，并且第一掩蔽装置39结合步骤104和在所述表面部分36上提供热障涂层37时使用。
根据本公开的替代实施例，燃料喷雾羽流34的数量可以不同于本文稍前公开的数量。该数量可以是奇数也可以是偶数。活塞20上的燃料喷雾冲击部分35的数量对应于燃料喷雾羽流34的数量。因此，还优选使多个热障涂层表面部分36在尺寸和位置上与多个燃料喷雾冲击部分35和燃料喷雾羽流34相适应。所述数量可以是从1到大于6的数字。
热障涂层表面部分36也可以位于活塞20和活塞碗表面30上的、除了先前公开的位置之外的其它位置。它们也可以以不均匀的方式围绕活塞20和活塞碗表面30分布。此外，热障涂层表面部分36的尺寸和形状可以彼此不同。有些可以相同，其他可以不同。而且，厚度和厚度分布可以彼此不同。而且，活塞20和活塞碗表面30的除了燃料喷雾冲击部分35之外的其他部分可以被热障涂层表面部分36覆盖。如果存在数个燃料喷雾冲击部分35，则热障涂层表面部分36中的至少一个应该至少在某种程度上覆盖燃料喷雾冲击部分35中的一个。
热障涂层表面部分36也可制造成使得：它们的面向气缸15的燃烧室16的上表面也可制造成使得它与周围的未涂覆表面部分齐平。这例如可以通过在活塞表面27中形成凹穴来实现。这种凹穴又可以通过铣削来产生。这导致了平坦的活塞表面27，该表面随后可以被抛光或以其他方式进行后处理。
活塞20通常可以被后处理，作为步骤104之后的另一步骤。在这种后处理步骤中，所获得的包括热障涂层表面部分36的活塞20可以被机加工，以便更好地将热量分布在活塞表面27上。不管热障涂层表面部分36是与基础活塞表面27平齐还是从基础活塞表面27突出(例如在图3中公开的实施例中)，都可以这么做。这种机加工包括(但不限于)抛光。
替代的热绝缘陶瓷材料可以包括氧化铝、氧化钛或硅酸锆，但也可以使用其它陶瓷。在氧化锆的情况下，它可以通过氧化钇、氧化镁、氧化铈、氧化镧或任何其他相关的稳定剂来稳定。
热障涂层37可以直接施加到活塞表面27上，而不使用任何结合层38。如果使用了结合层38，则结合层38优选由金属材料制成。这种材料通常基于镍或铁以及其他合金材料，例如铬、铝或钇。
施加热障涂层材料和可能的结合层38材料的替代方式例如是火焰喷涂、电弧喷涂和HVOF喷涂。
图7中示出了本公开的替代实施例，其中，由于仅存在两个燃料喷雾羽流34a，所以在活塞20a上仅存在两个燃料喷雾冲击部分35a。燃料喷射器25a相对于活塞20a非对称地定位，并且将燃料喷雾羽流34a基本仅向活塞20a的一半引导。热障涂层表面部分36a并非完全覆盖燃料喷雾冲击部分35a，而是另一方面还存在又一个热障涂层表面部分36a，其位于活塞20a上的如下位置：没有燃料喷雾被引到该位置上。各个热障涂层表面部分36a也不是大致圆形的，而是更椭圆形的、延伸的形状。活塞20a可以具有活塞碗28a(未公开)，该活塞碗28a在燃料喷雾冲击部分35a处具有凹陷。然而，热障涂层表面部分36a被以周向间隔开的方式定位。然而，应当注意，同样根据本实施例，热障涂层37a设置在活塞碗表面30a的多个周向间隔开的表面部分36a上。
除非明确地陈述了任何其他内容，否则，上文已公开的替选实施例可以以任何被发现有利的方式相组合，只要满足主权利要求的特征即可。
应当理解，本发明不限于上文所述和附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将意识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多修改和变型。

Claims (43)

1.一种用于内燃发动机(2)的气缸(15)的活塞(20)，所述活塞(20)具有适于面向所述气缸(15)的燃烧室的活塞碗表面(30)，所述活塞碗表面(30)设有热障涂层(37)，其特征在于，所述热障涂层(37)设置在所述活塞碗表面(30)的多个周向间隔开的表面部分(36)上。
2.根据权利要求1所述的活塞(20)，其中，每个热障涂层表面部分(36)的表面延伸适于将所述活塞(20)在所述表面部分(36)处的温度降低到低于阈值温度，所述阈值温度是活塞材料腐蚀的临界温度。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，所述热障涂层(37)由热绝缘陶瓷材料制成。
4.根据权利要求3所述的活塞(20)，其中，所述热绝缘陶瓷材料包括氧化锆。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，所述活塞碗表面(30)包括至少一个燃料喷雾冲击部分(35)，并且其中，所述热障涂层表面部分(36)中的至少一个热障涂层表面部分的位置至少部分覆盖所述燃料喷雾冲击部分(35)。
6.根据权利要求5所述的活塞(20)，其中，所述热障涂层表面部分(36)中的至少一个相对于其相关的燃料喷雾冲击部分(35)被定中。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，所述活塞碗表面(30)包括周向边缘部分(31)以及连接到所述周向边缘部分(31)并被所述周向边缘部分(31)包围的底部部分(22)，其中，所述热障涂层表面部分(36)中的至少一个位于所述周向边缘部分(31)处并具有沿着所述周向边缘部分(31)的延伸。
8.根据权利要求7所述的活塞(20)，其中，沿着所述边缘部分(24)的每个热障涂层表面部分(36)通过没有任何热障涂层(37)的活塞碗表面(30)彼此隔开。
9.根据前一权利要求所述的活塞(20)，其中，每个热障涂层表面部分(36)被没有任何热障涂层(37)的活塞碗表面(30)包围。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的活塞(20)，其中，每个热障涂层表面部分(36)具有到活塞碗(28)中的延伸。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的活塞(20)，其中，每个热障涂层表面部分(36)具有在所述周向边缘部分(31)两侧的延伸。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，每个热障涂层表面部分(36)处的表面涂层的厚度在中心部分中比在外边界处厚。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，每个热障涂层表面部分(36)处的所述热障涂层(37)的厚度在所述周向边缘部分(31)处是最大的。
14.根据权利要求13所述的活塞(20)，其中，所述厚度在每个热障涂层表面部分(36)的外边界处是最小的。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的活塞(20)，其中，所述厚度连续地变化。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，所述热障涂层(37)的厚度为5至4000μm，优选为20至500μm。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，所述周向边缘部分(31)被所述热障涂层表面部分(36)覆盖到30％和70％之间，优选覆盖到40％和80％之间，更优选覆盖到45％和55％之间。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，每个热障涂层表面部分(36)具有大致圆形的表面延伸，优选为大致椭圆形的表面延伸。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(20)，其中，所述热障涂层(37)通过结合层(38)结合到所述活塞(20)。
20.根据权利要求18所述的活塞(20)，其中，所述结合层(38)是镍基的。
21.根据权利要求19至20中的任一项所述的活塞(20)，其中，所述结合层(38)的厚度为20至250μm，优选为75至150μm，更优选为大约100μm。
22.一种用于制造用于内燃发动机(2)的气缸(15)的活塞(20)的方法，包括以下步骤：
提供用于内燃发动机(2)的气缸(15)的活塞(20)，所述活塞(20)具有适于面向所述气缸(15)的燃烧室的活塞碗表面(30)；以及
为所述活塞碗表面(30)提供热障涂层(37)；其中，为所述活塞碗表面(30)提供热障涂层(37)的所述步骤是在所述活塞碗表面(30)的多个周向间隔开的表面部分(36)上进行的。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，为所述活塞碗表面(30)提供热障涂层(37)的所述步骤包括以下步骤：
通过热喷涂来施加所述热障涂层(37)。
24.根据权利要求22至23中的任一项所述的方法，其中，热喷涂工艺是等离子喷涂。
25.根据权利要求22至24中的任一项所述的方法，其中，所述热障涂层(37)由热绝缘陶瓷材料制成。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述热绝缘陶瓷材料包括氧化锆。
27.根据权利要求22至26中的任一项所述的方法，其中，所述活塞碗表面(30)包括至少一个燃料喷雾冲击部分(35)，并且其中，在所述活塞碗表面(30)的多个周向间隔开的表面部分(36)上提供所述热障涂层(37)的所述步骤包括以下步骤：
在至少部分覆盖所述燃料喷雾冲击部分(35)的位置处提供所述热障涂层表面部分(36)中的至少一个热障涂层表面部分。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，在至少部分覆盖所述燃料喷雾冲击部分(35)的位置处提供所述热障涂层表面部分(36)中的至少一个热障涂层表面部分的所述步骤包括以下步骤：
将所述至少一个热障涂层表面部分(36)相对于其相关的燃料喷雾冲击部分(35)定中。
29.根据权利要求22至28中的任一项所述的方法，其中，施加所述热障涂层(37)的所述步骤之前是以下步骤：
通过热喷涂来施加结合层(38)，优选通过等离子喷涂来进行。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述结合层(38)是镍基的。
31.根据权利要求22至30中的任一项所述的方法，其中，施加所述热障涂层(37)的所述步骤之前是以下步骤：
对所述活塞碗表面(30)进行喷丸处理，优选通过喷砂来进行。
32.根据权利要求22至31中的任一项所述的方法，其中，通过热喷涂施加所述热障涂层(37)的所述步骤包括使用第一掩蔽装置(39)，所述第一掩蔽装置(39)具有用于每个热障涂层表面部分(36)的开口，使得热喷涂物仅在所述表面部分(36)处到达所述活塞碗表面(30)。
33.根据权利要求29至32中的任一项所述的方法，其中，通过热喷涂施加结合层(38)的所述步骤包括使用第二掩蔽装置(40)，所述第二掩蔽装置具有用于每个热障涂层表面部分(36)的开口，使得热喷涂物仅在所述表面部分(36)处到达所述活塞碗表面(30)。
34.根据权利要求31至33中的任一项所述的方法，其中，对所述活塞碗表面(30)进行喷丸处理的所述步骤包括使用第三掩蔽装置(41)，所述第三掩蔽装置(41)具有用于每个热障涂层表面部分(36)的开口，使得热喷涂物仅在所述表面部分(36)处到达所述活塞碗表面(30)。
35.根据权利要求33至34中的任一项所述的方法，其中，所述第一掩蔽装置(39)的所述开口小于所述第二掩蔽装置(40)的所述开口。
36.根据权利要求33至35中的任一项所述的方法，其中，所述第二掩蔽装置(40)的所述开口小于所述第三掩蔽装置(41)的所述开口。
37.根据权利要求32至36中的任一项所述的方法，其中，所述第一掩蔽装置(39)的所述开口均具有一定的延伸，所述延伸适于提供每个热障涂层表面部分(36)的表面延伸，所述表面延伸适于将所述活塞(20)在所述表面部分(36)处的温度降低到低于阈值温度，所述阈值温度是活塞材料腐蚀的临界温度。
38.根据权利要求32至37中的任一项所述的方法，其中，所述第一掩蔽装置(39)的所述开口中的至少一个开口的位置在所述燃料喷雾冲击部分(35)处被定中。
39.根据权利要求32至38中的任一项所述的方法，其中，所述第一掩蔽装置(39)的每个开口彼此隔开。
40.一种内燃发动机(2)，其具有至少一个根据权利要求1-21中的任一项所述的活塞(20)。
41.一种内燃发动机(2)，其具有至少一个根据权利要求22-39中的任一项所述的方法制造的活塞(20)。
42.根据权利要求40至41中的任一项所述的内燃发动机(2)，所述内燃发动机是压缩点火式内燃发动机。
43.一种车辆(1)，其具有根据权利要求40至42中的任一项所述的内燃发动机(2)。
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