CN109642496A - 用于发动机的热阻隔物及其制造方法 - Google Patents

Abstract

用于发动机的组件表面的热阻隔物。热阻隔物包括多个模块，每个模块包含屏蔽物。阵列中的至少一个屏蔽物的边缘与阵列中的相邻屏蔽物的边缘间隔开。

Description

用于发动机的热阻隔物及其制造方法

本申请根据35U.S.C.§119，要求2016年08月25日提交的美国临时申请系列第62/379,429号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景技术

技术领域

本公开一般地涉及用于发动机中的组件表面的热阻隔物。

技术背景

可以通过保持燃烧室中点燃燃料的热量来改善内燃机的效率。这可以通过使得流向发动机周围地方的热损耗最小化来实现。一种方案是对燃烧室的部件进行隔离。将燃烧室与发动机周围地方隔离开来的问题在于，可能在热阻隔物与燃烧室组件表面之间产生可靠粘结。

因此，存在改善内燃机中的热阻隔物的需求。

发明内容

根据本公开的一个实施方式，揭示了一种热阻隔物。在实施方式中，热阻隔物包括模块阵列，每个模块包含金属屏蔽物。在实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物的边缘与模块阵列中的相邻屏蔽物的第一或第二边缘重叠。

根据本公开的一个实施方式，揭示了一种热阻隔物。在实施方式中，热阻隔物包括模块阵列，每个模块包含金属屏蔽物。在实施方式中，模块阵列中的每个屏蔽物包括具有底座部分(mounting portion)和重叠部分(overlapping portion)的主体。在实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物的重叠部分与模块阵列中的至少一个相邻屏蔽物的至少一段底座部分发生重叠。

根据本公开的一个实施方式，揭示了一种制造热阻隔物的方法。在实施方式中，制造热阻隔物包括：使得模块阵列中的每个屏蔽物的一部分与内燃机中的表面中的至少一个发生直接或间接接合。

在参见具体阐述了示例性实施方式的以下具体描述和附图之前，应理解的是，本发明技术不限于具体描述所述或者附图所示的细节或方法。例如，本领域技术人员会理解的是，与附图之一所示的实施方式或者与实施方式之一相关的文字所述相关的特征和属性可良好地应用于其他附图所示或者其他文字所述的其他实施方式。

附图说明

当考虑如下详细描述时，可以更好地理解本公开，并且除了上文所述之外的特征、方面和优势会变得显而易见。此类详细描述参考了如下附图。

图1是根据一个示例性实施方式，在进气冲程过程中的发动机中的燃烧室的横截面图。

图2是根据一个示例性实施方式，在排气冲程过程中的图1的发动机中的燃烧室的横截面图。

图3是在巡航运行条件下的内燃机制动热效率变化(％)与400℃下的活塞热导率(W/m·℃)的关系图。

图4是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的热阻隔物的透视图。

图5是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的图4中的热阻隔物的另一透视图。

图6是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的图4中的热阻隔物的横截面图。

图7是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的热阻隔物的透视图。

图8是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的热阻隔物的透视图。

图9是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的图8中的热阻隔物的另一透视图。

图10是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的热阻隔物的透视图。

图11是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的图10中的热阻隔物的另一透视图。

图12是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的热阻隔物的透视图。

图13是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的图12中的热阻隔物的俯视图。

图14是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的图12中的热阻隔物的横截面图。

图15是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的图12中的热阻隔物的另一横截面图。

图16是根据示例性实施方式，发动机的燃烧室内的表面上的图12中的热阻隔物的另一横截面图。

具体实施方式

除非另外定义，否则，本文中所使用的所有技术和科学术语都具有本公开所属领域普通技术人员通常所理解的同样含义。虽然在本公开的实施或测试中可以采用类似于或等同于本文所述那些的任意方法和材料，但是下面描述了示例性方法和材料。

发动机燃料效率受到用于制造发动机的各个组件的材料的导热率的影响。对于发动机的燃烧室内的组件(例如，燃烧室的壁、活塞、阀、排气端口、歧管等)，尤其如此。用于燃烧室中的材料的导热率越高，则损耗为热能的燃烧能也越多。通过降低直接暴露于燃烧反应的材料的导热率，做功和向发动机供能(即，驱动活塞)的燃烧能越多。也就是说，没有损耗成为热能的燃烧热可以被用于驱动排气歧管中的涡轮增压器和/或更有效地在发动机的冷启动过程中点亮(light off)催化转化器。此外，降低直接暴露于燃烧反应的材料的导热率，可以降低发动机冷却系统的热负荷，从而潜在地改善交通工具的空气动力学，使得从交通工具外部转向用于冷却系统的空气较少。因此，通过热阻材料，可以改善交通工具和发动机的整体效率(包括燃料效率)。图3提供了巡航运行条件下的内燃机制动热效率变化(％)与400℃下的活塞材料的热导率(W/m·℃)的关系图。图3显示了活塞材料热导率对巡航运行条件下发动机的制动热效率的影响。图3的趋势证实了通过降低用于燃烧室内的材料(对于适当温度范围)的热导率可以呈指数地或者以非线性的方式改善巡航条件下的发动机效率增加。

用于降低燃烧室内的材料的热导率的常规方法包括使用热阻隔物。用于内燃机的燃烧室的常规热阻隔物具有以下数种问题中的一种或多种。常规热阻隔物的一个主要缺陷在于，当暴露于燃烧室内的剧烈燃烧动力学、高压(例如，10巴至500巴)、和高温气体(例如，1000℃至3000℃)，热阻隔物可能发生碎裂或者从燃烧室内的表面分离。热阻隔物的碎裂包括脆性陶瓷材料进入燃烧室，这可能导致造成其他发动机组件和催化转化器的损坏(例如，擦伤、堵塞等)。常规热阻隔物的另一个缺陷在于，热阻性能可能不足或者不同于燃烧室表面的热膨胀系数(CTE)，这可能导致高温下的分离。另一个缺陷在于，常规热阻隔物在发动机组件表面上可能具有不均匀厚度。常规热阻隔物的另一个缺陷在于，在发动机运行期间，暴露于燃烧室内的温度循环的热阻隔物的表面中可能建立起机械应力。在常规热阻隔物中，有时通过使用低CTE涂层或者涂层厚度上的组成梯度来管理热应变。但是，这些措施限制了可用作热阻隔物的材料。常规热阻隔物的另一个缺陷在于，它们无法利用燃烧室内的对流冷却机制。

本申请涉及在内燃机100内的任意金属表面上的热阻隔物200。图1提供了进气冲程期间的示例性发动机100的横截面图。图2提供了活塞104处于全排气冲程位置的示例性发动机100的另一个横截面图。本公开的发动机100可以是汽油、柴油、天然气、丙烷、或任意其他液体或气体烃供能的内燃机，其包括任意数量(例如，1个、2个、3个、4个、5个、6个.....12个.....)燃烧室。发动机100包括多个组件，包括在其中具有活塞104的燃烧室102。活塞104通过发动机100的曲轴箱112内的连接杆108连接到曲轴110。活塞104包括与燃烧室102相邻的顶表面120。活塞顶表面可以是平坦的、碗状的、穹顶状的，或其任意组合。活塞104可以由碳钢、铝、或者常用于汽车应用的其他金属制造。进气阀106、进气管道119、排气阀114、排气管道118、和火花/电热塞116也与燃烧室102相邻。当然，发动机100的其他组件和构造也是可以且符合本公开内容的。

在图2中，进气阀106关闭且排气阀114打开(当活塞104处于全排气冲程位置时)，使得排气管道118与燃烧室102相连，从而形成室排气体积122。室排气体积122由燃烧室102的壁表面和端表面、进气阀106的表面、排气阀114的表面、活塞104的顶表面120、和排气管道118(其可以包括涡轮增压器)的壁限定。在另一个实施方式中，进气阀106和排气阀114关闭(当活塞104处于全压缩冲程位置时)，从而形成室压缩体积121(未示出)。室压缩体积121由燃烧室102的壁和顶表面、进气阀106的表面、排气阀114的表面、和活塞104的顶表面120限定。在另一个实施方式中，进气阀106打开且排气阀114关闭(当活塞104处于全进气冲程位置时)，使得进气管道119与燃烧室102相连，从而形成室进气体积123。室进气体积123由燃烧室102的壁表面和端表面、进气阀106的表面、排气阀114的表面、活塞104的顶表面120、和进气管道119的壁限定。

本公开的热阻隔物200可受益于内燃机的非稳态运行。具体来说，热阻隔物200可以在反应物的点火和燃烧期间保护燃烧室中的表面101，这会导致热阻隔物200被明显加热。也就是说，热阻隔物200还可以起到“屏蔽物”或“片式散热器”的作用，从而降低每次燃烧事件对于活塞表面的热辐射。在室中的每次燃烧事件之后，在曲柄循环的剩余时间间隔期间，热阻隔物200可以通过输出的燃烧产物和进入的燃烧反应物发生对流冷却，从而在燃烧过程中被热阻隔物200吸收的热量没有辐射到活塞表面。也就是说，被热阻隔物200俘获的燃烧热可以以对流方式输送或释放到离开室的燃烧产物和进入室的燃烧反应物，从而大部分的燃烧热没有达到燃烧室表面。因此，热阻隔物200作为表面101的“片式散热器”或“热屏蔽物”。

本公开的热阻隔物200可以是在发动机100内的任意金属表面上。在一个示例性实施方式中，热阻隔物200是在燃烧室102内的金属表面101上。金属表面101可以是：限定了压缩排气体积121的表面、限定了室排气体积122的表面、或者限定了室进气体积123的表面。在一个实施方式中，表面101可以不是与活塞104接触的燃烧室102的壁表面。也就是说，可以从如下地方排除热阻隔物200：室102经受来自活塞104的机械摩擦的表面或者沿着可能使得热阻隔物200发生磨损或者与该表面分离的缝隙淬火的区域。在另一个示例性实施方式中，金属表面101是活塞顶表面120、燃烧室102的壁表面和端表面、进气阀106的表面、排气阀114的表面、排气管道118的壁、或者进气管道119的壁。

本公开的热阻隔物200包括模块201的阵列。模块201的阵列(本文也称作“模块阵列”)可以包括大于1个模块的任意数量的模块201。在实施方式中，阵列中的每个模块201包括片状物或屏蔽物206。包含模块201的阵列的热阻隔物200的整体长度和宽度可以具有任意合适的横向尺度(例如，从约0.1mm至约100cm)，包括基本相等的尺度。在实施方式中，热阻隔物200包括基本等于燃烧室102内的可适用表面101的横向尺度。在实施方式中，热阻隔物200基本符合金属表面101的二维和/或三维轮廓。也就是说，热阻隔物200的形状可以符合与其发生连接的表面101的圆形或不均匀形状，包括弯曲的活塞顶表面120。在实施方式中，热阻隔物200可以是在表面101上不连续的，并且局部化位于燃烧室内的“热点”。

图4-14提供表面101上的热阻隔物200的实施方式。热阻隔物200包括模块阵列，每个模块包括金属屏蔽物206或片状物。模块阵列中的每个屏蔽物206包括主体，其具有与第二边缘210相对的第一边缘208。模块阵列中的每个屏蔽物206还包括与下部分214相对的上部分212。在实施方式中，模块阵列中的每个屏蔽物206的至少一段下部分214与表面101直接或间接接合。在实施方式中，每个屏蔽物206的与表面101直接或间接接合的那段下部分214是每个屏蔽物206的毗边第二边缘(contiguous second edge)210。

在实施方式中，至少一段下部分214与模块阵列中的相邻屏蔽物206的上部分212间隔第一距离D1。在实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的第一边缘208与模块阵列中的相邻屏蔽物的上部分212间隔第一距离D1。在实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的第一边缘208(毗边下部分214)与模块阵列中的相邻屏蔽物的上部分212间隔距离D1。距离D1可以基本垂直于表面101。在实施方式中，每个屏蔽物206的至少一段下部分214基本平行于表面101。屏蔽物206与表面101可以通过金属键合、金属-金属键合、或者直接机械附着进行接合。屏蔽物206与表面101之间的连接构造成抵挡发动机100运行过程中的燃烧室102内的燃烧温度和压力。例如，对于运行的发动机100内的≥100,000英里，屏蔽物206可以抵挡不发生从表面101碎裂。可以通过3D打印、金属镀覆、(电弧、激光、等离子体、或摩擦)焊接、铜焊、等离子体喷洒、机械固定、或者产生金属键合或金属-金属键的其他常规方法，向表面101施加屏蔽物206。

如图4-7所示，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的第一边缘208与模块阵列中的相邻屏蔽物206的边缘208、210重叠第二距离D2。也就是说，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的第一边缘208与模块阵列中的至少一个相邻屏蔽物206的第一边缘208或第二边缘210重叠第二距离D2。在实施方式中，发生重叠的屏蔽物边缘可以是接触或者分开的。在实施方式中，如上文进一步所述，与另一个屏蔽物边缘发生重叠的一个屏蔽物边缘可以是悬在或者位于其他屏蔽物边缘的顶部上。在实施方式中，模块阵列中的至少30％的屏蔽物206的第一边缘208与模块阵列中的至少一个相邻屏蔽物206的第一或第二边缘208、210重叠距离D2。在实施方式中，模块阵列中的所有屏蔽物206的第一边缘208与模块阵列中的相邻屏蔽物206的第一或第二边缘208、210重叠距离D2。在实施方式中，以基本平行于表面101来测量距离D2。可以在室温(例如，25℃)测量距离D2。在实施方式中，可以在发动机100运行期间，当相邻屏蔽物206的热膨胀形成重叠距离D2时，来测量距离D2。也就是说，模块阵列中的相邻屏蔽物206的边缘可以是在室温下不重叠的，并且可能需要在当屏蔽物206处于热膨胀状态时在升高的温度下(例如，在发动机运行过程中)进行测量。

在其他实施方式中，模块阵列中的每个屏蔽物206包括具有底座部分(mountingportion)213和重叠部分(overlapping portion)215的主体。底座部分213直接或间接连接到单个屏蔽物206中的重叠部分215。在实施方式中，模块阵列中的每个屏蔽物206的底座部分213与表面101直接或间接接合。在实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的重叠部分215与模块阵列中的相邻屏蔽物206的底座部分213间隔距离D1。在实施方式中，以基本垂直于表面101来测量距离D1。可以在室温(例如，25℃)或者在发动机100的运行期间测量距离D1。在其它实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的重叠部分215与模块阵列中的至少一个相邻屏蔽物206的至少一部分的底座部分213发生重叠。在实施方式中，底座部分213被模块阵列中的至少一个屏蔽物206的重叠部分215重叠的那部分可以与重叠部分215接触或者分开。在实施方式中，如上文进一步所述，重叠部分215可以悬在或者位于一部分的底座部分213的顶部上。模块阵列中的至少一个屏蔽物206的重叠部分215与模块阵列中的至少一个相邻屏蔽物206的边缘208、210重叠距离D1。在实施方式中，模块阵列中的至少30％的屏蔽物206的重叠部分215与模块阵列中的至少一个相邻屏蔽物206的底座部分213重叠距离D2。在实施方式中，模块阵列中的所有屏蔽物206的重叠部分215与模块阵列中的相邻屏蔽物206的底座部分213重叠距离D2。

模块阵列中的每个屏蔽物206的主体可以是矩形(如图4-7和10-11所示)、正方形、六边形、三角形、七边形、圆形(如图8-9和12-16所示)、环形，及其组合。每个屏蔽物206的主体也可以是片状物的形状。当然，其他形状和多边形也符合本公开内容。在实施方式中，每个屏蔽物206的厚度T1限定为在上部分212与下部分214之间。在实施方式中，屏蔽物206在上部分212与下部分214之间是基本实心的。屏蔽物206的厚度T1可以是约0.001mm至约5mm、或者约0.1mm至约2mm、或者甚至约0.1mm至约1mm。除了厚度T1之外，每个屏蔽物206还包括长度和宽度。在实施方式中，在屏蔽物206的长度和宽度上，厚度T1是基本均匀的。在实施方式中，模块阵列中的每个屏蔽物206的主体包括上部分212与下部分214之间基本均匀(例如，+/-1mm)的厚度T1。如图4所示，可以从接合到屏蔽物206的下部分214的表面101的顶部测量屏蔽物206的厚度T1。每个屏蔽物206的上部分212可以构造成直接暴露于燃烧室102中的燃烧反应(和相关的温度与压力)。在实施方式中，每个屏蔽物206的上部分212可以沿其表面具有符合发动机100的燃烧室102所需公差的变化公差，例如≤1mm或≤0.01mm。

在实施方式中，热阻隔物200中的单个或多个模块包括支撑物202。在热阻隔物200的实施方式中，至少一个模块的屏蔽物206通过支撑物202间接接合到表面101。每个支撑物202包括主体，其具有与第二端相对的第一端，从而限定了厚度T2。每个支撑物202在其相对端之间具有高度或厚度T2，以及宽度(或直径)。在实施方式中，支撑物202的第一端或第二端与表面101直接或间接接合。在实施方式中，支撑物202的(与接合了表面101的那端相对的)第一端或第二端与每个模块中的屏蔽物206直接或间接接合。支撑物202与表面101和屏蔽物206可以通过金属键合、金属-金属键合、或者直接机械附着进行接合。在其他实施方式中，可以作为整体形成屏蔽物206和支撑物202，从而不需要单个片的粘结。在模块包括支撑物202的实施方式中，下部分214或底座部分213与表面101间隔第三距离D3。距离D3可以基本等于其支撑物202的高度。距离D3可以是约0.001微米至约10mm、或者约0.001mm至约4mm、或者甚至约0.001mm至约0.9mm。

屏蔽物206、支撑物202、和表面101之间的连接构造成抵挡发动机100运行过程中的燃烧室102内的燃烧温度和压力。例如，对于运行的发动机100内的≥100,000英里，支撑物202可以抵挡不发生从表面101碎裂。可以采用本文所揭示的各种技术向表面101施加支撑物202。通过存在空穴体积205，支撑物202的厚度T2可能不同于包含表面101的材料的厚度。通过不含空穴体积205，可以认为燃烧室102内的表面101与支撑物202是一致的。作为替代或补充，支撑物202与表面101(由于粘结方法所导致的)接合处的界面可以帮助限定厚度T2。图12和14-16提供了通过支撑物202将屏蔽物206接合到表面101的热阻隔物200的示例性实施方式。

支撑物202可以具有任意横截面形状，包括矩形、环形、六边形、和/或任何其他多边形形状。每个支撑物202可以具有圆形横截面，如图14所示。每个支撑物202的厚度T2可以是约0.01mm至约10mm、或者约0.1mm至约2mm、或者约0.4mm至约2mm、或者甚至约0.5mm至约1mm。在示例性实施方式中，每个支撑物202的厚度T2在包含模块201的阵列的热阻隔物200的长度和宽度上是基本均匀的。可以从表面101到支撑物202远离表面101的终点(或端部)(例如，支撑物202直接或间接接合屏蔽物206的地方)来测量支撑物202的厚度T2。

在实施方式中，支撑物202以及模块201的屏蔽物206可以是常用于燃烧室102制造的金属元素或金属合金。金属或金属合金可以包括例如：碳钢、不锈钢、铝合金、铝、镀镍铝、钛合金、哈氏合金、镍基超合金、钴基超合金，及其组合。包含了支撑物202和屏蔽物206的金属或金属合金也可以是包含镍、铬、钴的其他超合金，及其组合。支撑物202和屏蔽物206的金属或金属合金可以具有与包含了表面101的材料相同(或不同)的热膨胀系数(CTE)(假定是相似的运行温度范围下)，从而使得他们的连接处的热膨胀应力和失效最小化。在示例性实施方式中，支撑物202和屏蔽物206的金属或金属合金的CTE可以是在包含了表面101的材料的CTE的150％内(假定是相似的运行温度范围下)。在另一个实施方式中，支撑物202的金属或金属合金的CTE是屏蔽物206的金属或金属合金的CTE的150％内。

在实施方式中，在模块阵列中的至少一个屏蔽物206的下部分214与相邻屏蔽物206的上部分212之间限定空穴体积205。也就是说，空穴体积205可以限定在相邻重叠模块的下部分214与上部分212之间(即，距离D1之间)。在实施方式中，在模块阵列中的至少一个屏蔽物206的重叠部分215与至少一个相邻屏蔽物206的底座部分213之间限定空穴体积205。在实施方式中，空穴体积205还限定在下部分214与表面101之间或者重叠部分215与表面101之间。图4-8、10、12、和14显示了阵列中的单个模块下的空穴体积205的位置。

在实施方式中，空穴体积205构造成实现了燃烧事件之后的模块阵列中的屏蔽物205的对流冷却。也就是说，离开燃烧室的燃烧反应产物和进入燃烧室的燃烧反应物(例如，空气、汽油、柴油燃料、油类等)可以流入空穴体积205中，并从屏蔽物205吸收燃烧热，从而冷却了热屏蔽物200。这可以防止大部分的燃烧热到达表面101。从进气阀106流到排气阀114的燃烧反应物和产物可以通过如下方式对热阻隔物200进行对流冷却：使得限定了距离D1和空穴体积205的上部分212和一段下部分214发生暴露。在实施方式中，空穴体积205构造成减少燃烧室102中从排气阀114到进气阀106的流体流动。也就是说，如图16所示，通过与阵列中的至少一个模块的上部分212与相邻模块的下部分214之间的空穴体积205的相互作用，可以减少在一个方向上的毗邻热阻隔物200的燃烧反应物和/或产物的流动(显示为箭头400)。在实施方式中，空穴体积205构造成改善热阻隔物200中的模块201的对流冷却。在实施方式中，空穴体积205是绕着模块阵列内的多个支撑物202的曲折体积(限定为厚度T2)。在实施方式中，空穴体积205可以是单个空穴空间或者多个离散和/或互联的空穴。在实施方式中，空穴体积205在至少50％的厚度T2上延伸、或者基本上跨过厚度T2延伸、或者延伸最高至100％的厚度T2。在实施方式中，空穴体积205延伸跨越距离D1。在实施方式中，支撑物202相对于沿着热阻隔物200的长度、宽度、和厚度T2的空置体积(vacant volume)的体积比可以是约3:1至约1:20。

在屏蔽物206的对流冷却是不合乎希望或者不可行的实施方式中(基于发动机运行或性能而言)，热阻隔物200可以包括隔热材料204。在实施方式中，可以在屏蔽物206与表面101之间的空置体积205中含有隔热材料204。也就是说，空置体积205至少部分填充了隔热材料204。因而，由于在其中存在隔热材料204，占据(或消除了)一部分的空置体积205。隔热材料204可以填充5％至99％的空置体积205。参见图6、10、和12，在空置体积205中含有隔热材料204(显示为交叉阴影区域)。在实施方式中，支撑物202相对于沿着热阻隔物200的长度、宽度、和厚度T1的隔热材料204的体积比可以是约1:1至约1:5。在实施方式中，隔热材料204可以填充沿着长度、宽度、和距离D1限定的空置体积。在实施方式中，隔热材料204可以具有沿着距离D1的密度梯度。隔热材料204的体积比、密度、和位置可以实现“调节”热阻隔物200以实现所需的导热率。

在一个示例性实施方式中，隔热材料204被互锁在(屏蔽物206与表面101之间的)厚度T2和(上部分212与下部分214之间或重叠部分215与底座部分213之间的)距离D2中，从而使得在发动机100的运行过程中，隔热材料204没有从空置体积205逃逸、碎裂、或剥落进入燃烧室102。在实施方式中，表面101、模块阵列中的至少一个屏蔽物206的上部分212、和/或下部分214可以是成波状的，从而防止发动机100的运行过程中的隔热材料204(通过表皮摩擦)移动或损耗进入燃烧室102中。在实施方式中，下部分214或重叠部分215可以包括至少一个元件218。元件218可以是任意形状，包括如图5-7所示的球形。元件218与下部分214或重叠部分215可以通过金属键合、金属-金属键合、或者本文所述的直接机械附着方法进行接合。元件218可以构造成部分围住空置体积205内的隔热材料204。元件218还可防止发动机运行过程中重叠部分215与底座部分312发生接触。元件218还可增加屏蔽物的体积和表面积，并且可有助于热阻隔物200的对流冷却。

隔热材料204可以是空气、陶瓷材料，和/或其组合。在实施方式中，隔热材料204可以是能够在空置体积205中流动或者容纳在其中，以及400℃的导热率是约0.01W/m·K至约12.0W/m·K、或者400℃的导热率是约0.1W/m·K至约8.0W/m·K、或者400℃的导热率甚至是约0.1W/m·K至约4.0W/m·K的任意材料。隔热材料204是具有低导热率的组合物，以增加热阻隔物200的热阻(当位于空置体积205中的时候)，从而更多的燃烧能可以用于做功和为发动机100供能。

在隔热材料204包含陶瓷材料的实施方式中，陶瓷材料的孔隙度可以是约10％至约90％、或者约30％至约70％。陶瓷材料的孔可以包含空气。示例性陶瓷材料包括但不限于：氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、二氧化锆、锆酸镧、锆酸钆、六铝酸镧镁、六铝酸钆镁、六铝酸镧锂、锆酸钡、锆酸锶、锆酸钙、磷酸锆钠、莫来石、氧化铝、氧化铈，及其组合。示例性实施方式的陶瓷材料可以是陶瓷泡沫。示例性实施方式的陶瓷材料还可以由铝酸盐、锆酸盐、硅酸盐、钛酸盐，及其组合形成。

在实施方式中，热阻隔物200的总厚度200是约0.1mm至约10mm、或者约0.1mm至约5mm。在一个示例性实施方式中，热阻隔物200的导热率是：400℃下约0.1W/m·K至约12W/m·K、或者400℃下约1W/m·K至约5W/m·K。在图4-14中提供了发动机100内的表面上的复合热阻隔物200的各种实施方式。当然，这些实施方式与其他实施方式的组合也符合本公开内容。

距离D1可以是约0.001微米至约10mm、或者约0.001微米至约5mm、或者约0.01mm至约5mm、约1mm至约5mm、或者甚至约0.1mm至约3mm。距离D2可以是约0.001微米至约10mm、或者约0.1mm至约9mm、或者约1mm至约8mm、或者甚至约1mm至约5mm。在实施方式中，距离D1和距离D2构造成允许燃烧反应物和/或产物渗透进入空置体积205，对屏蔽物206进行对流冷却。在实施方式中，距离D1和距离D2构造成限制或消除隔热材料204(如果热阻隔物200中存在的话)从空置体积205碎裂出来进入燃烧室102。

本公开的热阻隔物200改善了常规热阻隔物。常规热阻隔物可能在其上附连了热阻隔物的燃烧室表面与可能通过发动机冷却剂进行冷却的其他相邻表面之间产生非线性温度梯度。在一个例子中，当受到支撑的屏蔽物(或表皮)固定到内燃室的表面时，热阻隔物的热膨胀和收缩导致与燃烧室表面连接的区域中的屏蔽物内的应变。也就是说，在常规热阻隔物中，阻隔物的离散部分固定到燃烧室表面，以及在燃烧室的温度循环过程中，支撑物之间的区域经受来自热阻隔物的膨胀和收缩的热机械疲劳。在加热过程中，连续的屏蔽物在支撑物之间的区域中经受压缩。在冷却过程中，连续的屏蔽物在支撑物之间的区域中经受拉伸。这种由于燃烧室内的温度循环的重复过程会导致热机械疲劳和失效。

本公开的热阻隔物200可以通过提供热阻隔物200中的断开(break)或分隔(segmentation)，减少与燃烧室表面相连的区域中的热应变和热机械疲劳。也就是说，模块阵列中的至少两个屏蔽物206的下部分214和上部分212被距离D1分开。在实施方式中，模块阵列中的至少两个屏蔽物206的重叠部分215和底座部分213被距离D1分开。在模块阵列中的相邻屏蔽物206之间的重叠区域(即，被距离D2所限定的重叠区域)中测量距离D1，如图4-7所示。如图4-7实施方式所示，模块阵列中至少一个屏蔽物的边缘208与模块阵列中的相邻屏蔽物206的边缘210重叠距离D2。图4-16实施方式中的模块阵列的屏蔽物206可以被描述为重叠、分段的屏蔽物或鳞状物(scale)。当然，热阻隔物200可以包括非重叠和重叠边缘的组合。在实施方式中，模块阵列包括重复的结构式样。如图4-14所示，热阻隔物200包括经由以具体配置构造的多个模块201的重复式样。热阻隔物200还可包含表面101上的模块的非重复式样或不连续式样。热阻隔物200可以位于发动机100内的“热点”上，以改善热阻。因此，通过提供离散重叠屏蔽物或鳞状物，热阻隔物200降低了与表面101相连的区域中的热应变和热机械疲劳。

如图15所示，热阻隔物200能够实现一个方向上的燃烧反应物和产物流动(如箭头300所示)的有限阻碍。例如，流动可以根据燃烧室102的正常运行，从进气阀106流动排气阀114。如图16所示，热阻隔物200可以至少部分地限制燃烧室102中的燃烧反应物和产物以相反方向(在距离D1限定的区域中的)流动(如箭头400所示)。例如，热阻隔物200可以减少从排气阀114到进气阀106的流动。在实施方式中，在图15和16中显示热阻隔物200位于表面101上，使得燃烧室进气阀会被布置在附图的左侧，以及排气阀会被布置在附图的右侧。在实施方式中，模块阵列中的屏蔽物206的第一边缘208相比于相对第二边缘210更靠近燃烧室102的排气阀114。因此，在实施方式中，模块阵列中的屏蔽物206的第二边缘210相比于相对第一边缘210更靠近燃烧室102的进气阀106。也就是说，第一边缘208可以起到从排气阀114到进气阀106的流动的隔板和障碍物的作用。在实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的重叠部分215相比于其底座部分213更靠近燃烧室102的排气阀114。在实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的底座部分213比重叠部分215更靠近进气阀106。在其他实施方式中，模块阵列中的至少一个屏蔽物206的重叠部分215比底座部分213更靠近排气阀114。

本公开还包括向发动机100的燃烧室102内的金属表面101施加热阻隔物200的方法。方法包括制备用于施加至少两个模块201的表面101。表面101的制备可以包括对现成表面101进行粗糙化、化学蚀刻、钻孔、清洁或者其他加工，用于在其上施加所述多个模块201。预期表面101的制备方法可能会取决于在表面101上施加模块阵列的方法。

制造热阻隔物200的方法可以包括形成模块201的阵列。制造热阻隔物200的方法可以包括在表面101上形成或接合多个屏蔽物206的下部分214。制造热阻隔物200的方法还可以包括在屏蔽物206上形成或接合多个支撑物202。在表面101上接合所述多个屏蔽物206或者在屏蔽物206上接合支撑物202包括：3D打印、金属镀覆、机械固定或螺纹处理、熔合焊接、铜焊、电阻焊接、扩散粘结、烧结、或者金属-金属键合的其他常规方法。在实施方式中，可以在支撑物202直接或间接接合到至少一个屏蔽物206之前，将支撑物202直接或间接接合到表面101。制造热阻隔物200的方法可以包括使得一部分的屏蔽物206变形，从而边缘208与模块阵列中的相邻屏蔽物的另一个边缘之间产生距离D1。

制造热阻隔物200的方法可以包括向表面101施加热阻隔物200。向表面101施加热阻隔物200包括将至少两个屏蔽物206直接或间接接合到表面101。向表面101施加热阻隔物200包括将至少两个支撑物202直接或间接接合到表面101。向表面101施加热阻隔物200包括将多个模块直接或间接接合到表面101。可以通过如下方式将支撑物202或屏蔽物206接合到表面101：3D打印、金属镀覆、机械固定或螺纹处理、熔合焊接、铜焊、电阻焊接、扩散粘结、烧结、或者经由金属-金属键的将支撑物202金属键合到表面101的其他常规方法。向表面101施加热阻隔物200的方法可以包括形成空置体积205。可以通过蚀刻、钻孔、或者材料或金属去除的任意其他工艺来形成空置体积205。

制造热阻隔物200的方法还可包括使得一个屏蔽物206中的至少一段发生变形，从而使得至少两个模块屏蔽物206的外边缘间隔距离D1。制造热阻隔物200的方法还可包括在空置体积205内插入隔热材料204。在空置体积205内插入隔热材料204的方法可以包括：加压、注入、压入、浸渍、和向空置体积205中插入固体或气体绝热体的其他常规方法。预期可以在向表面101施加屏蔽物206或支撑物202的同时完成将隔热材料204插入空置体积205内。

除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值的范围。当表述这种范围时，例子包括自某一具体值始和/或至另一具体值止。类似地，当使用先行词“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值构成另一个方面。还应理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是有意义的。

还要注意的是，本文关于将本发明的组件“配置成”或“使其适于”以特定的方式起作用的描述。这方面而言，对这样一个组件进行“配置成”或“使其适于”是为了具体表现特定的性质，或者以特定的方式起作用，其中这样的描述是结构性的描述，而不是对预期应用的描述。更具体地，本文所述的将组件“构造成”或“使其适于”的方式表示该组分现有的物理条件，因此可以将其看作该组件的结构特征的限定性描述。

Claims (30)

1.一种热阻隔物，其包括：

模块的阵列，每个模块包含金属屏蔽物，

模块阵列中的每个屏蔽物包含主体，所述主体具有与第二边缘相对的第一边缘以及与下部分相对的上部分，

模块阵列中的每个屏蔽物的下部分与内燃机的燃烧室内的表面直接或间接接合，

模块阵列中的至少一个屏蔽物的所述第一边缘与模块阵列中的相邻屏蔽物的所述第一或第二边缘重叠，以及

模块阵列中的所述至少一个屏蔽物的所述第一边缘与所述相邻屏蔽物的所述上部分间隔第一距离D1。

2.如权利要求1所述的热阻隔物，其特征在于，所述第一距离D1是约0.01mm至约5mm。

3.如权利要求1所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列中的至少一个屏蔽物的所述第一边缘与模块阵列中的相邻屏蔽物的所述第一或第二边缘重叠第二距离D2。

4.如权利要求1所述的热屏蔽物，其特征在于，模块阵列中的所述至少一个屏蔽物的所述第二边缘与燃烧室表面间隔第三距离D3。

5.如权利要求4所述的热阻隔物，其特征在于，所述第一距离D3是约0.001mm至约0.9mm。

6.如前述权利要求中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，阵列中的每个模块的主体在上部分与下部分之间包括基本均匀的厚度。

7.如前述权利要求中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，阵列中的模块中的至少一个还包括支撑物，所述支撑物包含与第二端相对的第一端。

8.如权利要求7所述的热阻隔物，其特征在于，所述至少一个模块支撑物的所述第一端与燃烧室表面直接或间接接合，以及其中，所述至少一个模块支撑物的所述第二端与模块阵列中的至少一个屏蔽物的下部分直接或间接接合。

9.如前述权利要求中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列中的屏蔽物的所述第一边缘比相对第二边缘更靠近内燃室的排气阀。

10.如前述权利要求中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列中的屏蔽物的所述第二边缘比相对第一边缘更靠近内燃室的进气阀。

11.如前述权利要求中任一项所述的热阻隔物，其还包括模块阵列中的至少一个屏蔽物的下部分与燃烧室表面之间的空穴体积，所述空穴体积构造成减少从内燃室的排气阀到内燃室的进气阀的流体流动。

12.如前述权利要求中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列还包括重复结构式样。

13.如前述权利要求中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，燃烧室内的表面是以下至少一种：活塞的顶表面；室压缩体积的壁；或者室排气体积的壁。

14.一种热阻隔物，其包括：

模块的阵列，每个模块包含金属屏蔽物，

模块阵列中的每个屏蔽物包括主体，其具有底座部分和重叠部分，

模块阵列中的每个屏蔽物的底座部分与内燃机的燃烧室内的表面直接或间接接合，

模块阵列中的至少一个屏蔽物的重叠部分与模块阵列中的至少一个相邻屏蔽物的至少一段底座部分发生重叠，以及

模块阵列中的所述至少一个屏蔽物的重叠部分与模块阵列中的所述至少一个相邻屏蔽物的底座部分间隔第一距离D1。

15.如权利要求14所述的热阻隔物，其特征在于，阵列中的模块中的至少一个还包括支撑物，所述支撑物包含与第二端相对的第一端。

16.如权利要求15所述的热阻隔物，其特征在于，所述至少一个模块支撑物的所述第一端与燃烧室表面直接或间接接合，以及其中，所述至少一个模块支撑物的所述第二端与模块阵列中的至少一个屏蔽物的底座部分直接或间接接合。

17.如权利要求14-16中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，所述第一距离D1是约1mm至约5mm。

18.如权利要求14-17所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列中的至少一个屏蔽物的重叠部分与模块阵列中的至少一个相邻屏蔽物的至少一段底座部分重叠第二距离D2。

19.如权利要求14-18中任一项所述的热屏蔽物，其特征在于，模块阵列中的至少一个屏蔽物的底座部分与燃烧室表面间隔第三距离D3。

20.如权利要求19所述的热阻隔物，其特征在于，所述第一距离D3是约0.001mm至约4mm。

21.如权利要求14-20中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，阵列中的每个模块的主体在其上部分与下部分之间包括基本均匀的厚度。

22.如权利要求14-21中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列中的所述至少一个屏蔽物的重叠部分比底座部分更靠近内燃室的排气阀。

23.如权利要求14-22中任一项所述的热阻隔物，其还包括模块阵列中的所述至少一个屏蔽物的重叠部分与燃烧室表面之间的空穴体积，所述空穴体积构造成减少从内燃室的排气阀到内燃室的进气阀的流体流动。

24.如权利要求14-23中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列还包括重复结构式样。

25.如权利要求14-24中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，燃烧室内的表面是以下至少一种：活塞的顶表面；室压缩体积的壁；或者室排气体积的壁。

26.一种制造如权利要求1所述的热阻隔物的方法，其包括：

将模块阵列中的每个屏蔽物的下部分与内燃机的燃烧室内的表面中的至少一个直接或间接接合。

27.如权利要求26所述的方法，其还包括将阵列中的至少一个屏蔽物构造成使得所述第一边缘与模块阵列中的相邻屏蔽物的边缘间隔第一距离D1。

28.如权利要求26所述的方法，其还包括在模块阵列中的至少一个屏蔽物的下部分与表面之间接合支撑物，使得屏蔽物与表面间接接合。

29.一种交通工具发动机，其包括如权利要求1所述的热阻隔物。

30.一种交通工具发动机，其包括如权利要求14所述的热阻隔物。