CN109642519A - 用于内燃机的分段热阻隔物及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的燃烧室表面的分段热阻隔物。分段热阻隔物包括多个模块，每个模块具有支撑物和屏蔽物。至少两个相邻模块的屏蔽物的边缘间隔开一定的距离。

Description

用于内燃机的分段热阻隔物及其制造方法

本申请根据35 U.S.C.§119，要求2016年08月25日提交的美国临时申请系列第62/379,422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内燃机的分段热阻隔物。

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，可能在发动机的温度循环期间，在热阻隔物中建立起应变。

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，每个模块包含至少一个支撑物和屏蔽物。在实施方式中，当处于室温时，模块阵列中的至少两个模块的屏蔽物边缘间隔开一定的距离。

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，热阻隔物的制造包括形成用于模块阵列的至少两个模块。

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，发动机的活塞表面上的图4中的热阻隔物的横截面图。

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热阻隔物的透视图。

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图6中的热阻隔物的俯视图。

图8是根据示例性实施方式，在发动机的燃烧室内的表面上的具有包含空心部分的支撑物的单个模块的圆形横截面透视图。

图9A-C是根据示例性实施方式的热阻隔物的透视图。

图10是根据示例性实施方式，如图9B和9C所示的阵列中的两个模块的透视图。

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运行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变。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。

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包括支撑物202和屏蔽物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。

图4提供表面101上的热阻隔物200的一个示例性实施方式。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T1。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。支撑物202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。支撑物202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，支撑物202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施加支撑物202。通过存在空置体积205，支撑物202的厚度T1可能不同于包含表面101的材料的厚度。通过不含空置体积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T1。

在实施方式中，支撑物202的(与接合了表面101的那端相对的)第一端或第二端与至少一个屏蔽物206的一部分接合。每个支撑物202在其相对端之间具有高度或厚度T1，以及宽度(或直径)。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4所示。每个支撑物202的厚度T1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T1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(例如，+/-0.5mm)。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T1。

支撑物202在厚度T1上可以是基本实心或多孔的。在支撑物202是多孔的实施方式中，支撑物202的孔隙度可以是约1％至约99％、或者约5％至约90％。支撑物202还可以包括厚度T1上的孔隙度梯度。在实施方式中，模块阵列中的至少一个支撑物202包括位于其中的空心部分207。在另一个实施方式中，模块阵列中的至少一个支撑物202在其厚度T1上是空心的，由基本实心侧壁限定。图8提供了具有空心部分207的单个模块的示例性横截面实施方式。热阻隔物200中的支撑物202的结构构造成在表面101上和绕着空置体积205保有它们的形状。在实施方式中，支撑物202的结构也能够在空置体积205中含有隔热材料204。支撑物202的结构可以是足够刚性的并且具有抗机械疲劳性，从而经受住发动机100的运行过程中的燃烧室102中的燃烧温度和压力。

如图4所示，模块阵列中的每个屏蔽物206包括第一和第二相对边缘208、210。模块阵列中的每个屏蔽物206包括与下部分214相对的上部分212。模块阵列中的每个屏蔽物206可以是六边形(如图5所示，沿平面B-B)、正方形、三角形、七边形、圆形、环形，及其组合。当然，其他多边形形状也符合本公开内容。在实施方式中，每个屏蔽物206的厚度T2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T2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T2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T2是基本均匀的。如图4所示，可以从接合到屏蔽物206的下部分214的支撑物202的端部测量屏蔽物206的厚度T2。通过接合界面，或者通过屏蔽物206的横截面积大于模块201中的支撑物，可以认为屏蔽物206与支撑物202是一致的(beidentified from)。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所需公差的变化公差，例如≤1mm或≤0.01mm。在实施方式中，每个屏蔽物206的下部分214与表面101间隔开并且基本与其平行。

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支撑物之间的区域中的屏蔽物内的应变。也就是说，在常规热阻隔物中，通过支撑物将表皮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，支撑物之间屏蔽物(或表皮)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通过在相邻支撑物之间提供断开(break)或分隔(segmentation)，减少了支撑物202之间的区域中的热应变和热机械疲劳。也就是说，当处于室温时，阵列中的至少两个模块的屏蔽物206边缘208或210间隔距离D1。也就是说，当处于室温(例如，25℃)时，模块阵列中的至少两个屏蔽物206的边缘208或210间隔距离D1。作为模块阵列中的相邻屏蔽物206之间的非重叠距离的距离D1如图4所示。也就是说，在图4和5的实施方式中，模块阵列中的相邻屏蔽物的边缘没有重叠。在实施方式中，距离D1基本平行于表面101。图4和5的实施方式中的模块阵列的屏蔽物206可以被描述为非重叠的、分段的屏蔽物或鳞状物(scale)。

作为模块阵列中的相邻屏蔽物206之间的重叠距离的距离D1如图6和7所示。也就是说，在图6和7的实施方式中，模块阵列中的相邻屏蔽物的边缘重叠，从而在相邻边缘之间形成距离D1。图6和7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)。距离D1可以是约0.001微米至约10mm、或者约0.001mm至约5mm、或者甚至约0.1mm至约3mm。在实施方式中，基本平行于表面101测量距离D1。在实施方式中，阵列中的至少30％的模块201的屏蔽物边缘与至少一个相邻模块201屏蔽物206边缘间隔开(间隔距离D1)。在实施方式中，例如如图4所示，阵列中的所有模块201的屏蔽物边缘与阵列中的所有相邻模块屏蔽物边缘间隔(距离D1)。当然，热阻隔物200可以包括当处于室温时(即，当发动机100没有运行时)的间隔距离D1的非重叠和重叠边缘的任意组合。

在图4的实施方式中，当处于室温时，当阵列中的相邻模块中的屏蔽物206的边缘208、210没有重叠时(即，距离D1为非重叠距离时)，当内燃机运行时，距离D1减小至距离D2(未示出)。由此，距离D1小于距离D2。也就是说，由于模块阵列中的相邻屏蔽物206的热膨胀，当内燃机运行时(例如，燃烧室内的燃烧气体温度是约1000℃至约3000℃或更高，活塞温度是约100℃至约1000℃，当燃烧室的内部温度从室温增加到100℃或更高时)，距离D1降低至距离D2。当发动机100运行时的相邻屏蔽物206的边缘之间的距离D2小于当发动机100没有运行(且处于室温)时的相邻屏蔽物206的边缘之间的距离D1。在实施方式中，距离D2是约0微米至约10mm、或者约0微米至约1mm、或者甚至约0.001微米至约1mm。在实施方式中，距离D2构造成限制或消除了燃烧反应物或产物渗透通过距离D2。在实施方式中，距离D2构造成限制或消除了从空置体积205碎裂出来的隔热材料204通过距离D2。在实施方式中，当发动机100运行时，模块阵列中的相邻模块201的边缘208、210可以发生接触(即，距离D2为0)。可以考虑每个屏蔽物206的材料(及其CTE)、燃烧室102内的反应温度、和距离D1，来配置距离D2。类似地，可以在形成相邻模块和进行放置的过程中，考虑每个屏蔽物206的材料(及其CTE)以及估计的发动机100内的表面温度，来确定距离D1，从而在发动机运行过程中，屏蔽物206边缘形成D2或者发生接触。

在图6和7的实施方式中，当处于室温时，当阵列中的相邻模块中的屏蔽物206的边缘208、210重叠时(即，距离D1为重叠距离时)，当内燃机运行时，距离D1增加至距离D3(未示出)。由此，距离D3大于距离D1。也就是说，由于模块阵列中的相邻屏蔽物206的热膨胀，当内燃机运行时(例如，燃烧室内的燃烧气体温度是约1000℃至约3000℃或更高，活塞温度是约100℃至约1000℃(或者约100℃至约600℃)，当燃烧室的内部温度从室温增加到100℃或更高时)，距离D1增加至距离D3。当发动机100运行时的相邻屏蔽物206的边缘之间的距离D3大于当发动机100没有运行(且处于室温)时的相邻屏蔽物206的边缘之间的距离D1。在实施方式中，距离D3是约0.001微米至约10mm、或者约0.001微米至约5mm、或者甚至约1微米至约5mm。在实施方式中，距离D3构造成进一步限制或消除了燃烧反应物或产物渗透通过距离D3。在实施方式中，距离D3构造成进一步限制或消除了从空置体积205碎裂出来的隔热材料204通过距离D3。可以考虑每个屏蔽物206的材料(及其CTE)、燃烧室102内的反应温度、和距离D1，来配置距离D3。

在实施方式中，每个模块中的屏蔽物206与所述模块中的支撑物202相邻。在实施方式中，屏蔽物206与所述模块中的支撑物202直接或间接接合。再次参见图4，在每个模块201中，每个屏蔽物206可以与每个支撑物202在支撑物202与表面101间隔开的端部直接接合。每个模块中的屏蔽物206与支撑物202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。支撑物202与屏蔽物206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可以抵挡不发生支撑物202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，向支撑物202施加屏蔽物206。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。在一个示例性实施方式中，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，至少一个模块201或热阻隔物200可以具有从支撑物202到屏蔽物206的CTE梯度。

在实施方式中，热阻隔物200还包括空置体积205。在实施方式中，空置体积205至少部分限定在模块阵列中的至少一个屏蔽物206的下部分214与表面101之间。参见图4和5，空置体积205可以限定在表面101与模块阵列中的多个屏蔽物206的下部分214之间。在实施方式中，空置体积205是绕着模块阵列内的多个支撑物202的曲折体积。在实施方式中，空置体积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，空置体积205在至少50％的厚度T1上延伸，或者基本上跨过厚度T1延伸。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的空置体积205的体积比可以是约3:1至约1:20、或者约1:1至约1:5。

在实施方式中，模块阵列中所有的屏蔽物206的横截面积都大于模块阵列中所有的支撑物202的横截面积。例如，如图5所示，(显示为沿着基本平行于燃烧室表面的平面B-B的)模块阵列中的屏蔽物206的横截面积大于(显示为沿着基本平行于燃烧室表面的平面A-A的)模块阵列中的所有的支撑物202的横截面积。在实施方式中，模块阵列包括重复的结构式样。如图4-7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。在实施方式中，热阻隔物200可以是在表面101上非重复性或者不连续的，并且局部化位于燃烧室内的“热点”。

在实施方式中，一个模块的屏蔽物206上部分212是相邻模块的毗邻屏蔽物206下部分214。图6和7提供了这样一个例子(取决于发动机温度，重叠边缘分开距离D1或距离D3)，其中，模块阵列中的一个屏蔽物206的上部分212是与模块阵列中的第二屏蔽物206的下部分214毗邻或相邻的。在实施方式中，模块阵列中的一个或多个屏蔽物206包括具有斜角相邻上部分212(在图6中显示为斜角边缘220)的边缘208、210。在实施方式中，模块阵列中的一个或多个屏蔽物206包括具有斜角相邻下部分214的边缘208、210。当然，一个或多个模块可以包括斜角边缘相邻上部分212与下部分214的组合。(例如，如图6和7所示)沿着相邻模块的上部分212和/或下部分214的斜角边缘可以实现发动机运行过程中的模块阵列中的相邻模块之间的距离增加(从距离D1增加到距离D3)。也就是说，相邻模块之间的相对斜角边缘可以基本上对表面101进行密封而不暴露于发动机100的运行期间的燃烧反应。在实施方式中，斜角边缘可以包括相对于上部分212或下部分214呈小于90度的角度的边缘。

在实施方式中，热阻隔物200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。在示例性实施方式中，隔热材料204填充了空置体积205。回过来参见图5，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，可以在屏蔽物206与表面101之间配置隔热材料204，以强化模块阵列中的至少一个屏蔽物206，并且防止由于燃烧反应的压力所导致的坍塌/变形。也就是说，隔热材料204可以在发动机的运行期间对至少一个屏蔽物206进行机械支撑。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具有沿着支撑物202的厚度T1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T1中，从而使得在发动机100的运行过程中，其没有从空置体积205逃逸、碎裂、或剥落进入燃烧室102。在实施方式中，表面101和/或模块阵列中的至少一个屏蔽物206的下部分214可以是呈波状的，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。

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是能够流动进入空置体积205中或者容纳在其中，以及400℃的导热率是约0.1W/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、或者甚至400℃的导热率是约1.0W/m·K至约4.0W/m·K的任意材料。隔热材料204是导热率低于空置体积205中的表面101的组合物，以增加热阻隔物200的热阻，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(厚度T1+厚度T2)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4-9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。

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支撑物202的金属表面101。金属表面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支撑物202。预期表面101的制备方法可能会取决于在表面101上施加支撑物202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的方法可以包括在屏蔽物206上形成或接合多个支撑物202。在屏蔽物206上接合所述多个支撑物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、或者经由金属-金属键的将支撑物202金属键合到屏蔽物206的其他常规方法。在实施方式中，如图9A所示，可以从片材金属形成支撑物202以形成热阻隔物200。在这个实施方式中，可以通过片材金属制造、冲压成形、超塑成形、液压成形、化学蚀刻、放电机械加工、机械铣削、压制和烧结、以及其他类似工艺，从屏蔽物206形成支撑物202。也就是说，可以在一个步骤中，从本文所揭示的单片材料形成屏蔽物206和支撑物202。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的方法可以包括去除一部分的屏蔽物206，从而在阵列中的模块边缘中的至少两个之间产生距离D1。图9B和9C显示在去除了部分屏蔽物206以形成距离D1之后的模块阵列的实施方式。在实施方式中，图9A-C可以是形成模块201的阵列的顺序过程。

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200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的方法可以包括绕着支撑物202形成空置体积205。形成空置体积205可以包括蚀刻、钻孔、或者金属去除的任意其他工艺。

制造热阻隔物200的方法还可包括去除一个模块201的至少一部分，从而使得当处于室温时，至少两个模块屏蔽物206的外边缘间隔距离D1。也就是说，去除两个支撑物202之间的屏蔽物206的至少一部分以形成距离D1，这产生了两个分开的模块201。在实施方式中，如图10所示，可以在相邻模块之间保留突出部(tab)218，以帮助向表面101施加模块201的阵列。突出部218仅在相邻模块201的边缘之间延伸了一部分的长度。制造热阻隔物200的方法可以包括去除或断开突出部218，以形成相邻模块之间的整个长度上的距离D1。在图10的实施方式中，可以通过当支撑物202接触表面101时，通过空心部分207施加的加热方法，将支撑物202与表面101接合。

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 (32)

1.一种热阻隔物，其包括：

模块的阵列，每个模块包含至少一个支撑物和屏蔽物，

阵列中的每个模块支撑物包括与第二端相对的第一端，

阵列中的每个模块屏蔽物包括边缘以及与下部分相对的上部分，

阵列中的每个模块支撑物的所述第一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，

每个支撑物的所述第二端与内燃机的燃烧室内的表面直接或间接接合，以及

当处于约25℃时，模块阵列中的至少两个模块的屏蔽物边缘间隔距离D1。

2.如权利要求1所述的热阻隔物，其特征在于，当内燃机运行时，距离D1减小至距离D2。

3.如权利要求2所述的热阻隔物，其特征在于，所述距离D2是约0微米至约1mm。

4.如权利要求1所述的热阻隔物，其特征在于，当内燃机运行时，距离D1增加至距离D3。

5.如权利要求4所述的热阻隔物，其特征在于，所述距离D3是约0.001微米至约5mm。

6.如权利要求1所述的热阻隔物，其特征在于，阵列中的至少30％的模块的屏蔽物边缘与至少一个相邻模块屏蔽物边缘间隔开。

7.如权利要求1所述的热阻隔物，其特征在于，阵列中的所有模块的屏蔽物边缘与阵列中的所有相邻模块屏蔽物边缘间隔开。

8.如权利要求1-7中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列中所有的屏蔽物的横截面积都大于模块阵列中所有的支撑物的横截面积。

9.如权利要求1-8中任一项所述的热阻隔物，其还包括阵列中的至少一个模块的屏蔽物与燃烧室表面之间的空置体积。

10.如权利要求1-9中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，模块阵列支撑物的体积与空置体积之比是3:1至1:20。

11.如权利要求9或10所述的热阻隔物，其特征在于，空置体积至少部分填充了隔热材料。

12.如权利要求11所述的热阻隔物，其特征在于，隔热材料是空气、陶瓷材料，或其组合。

13.如权利要求12所述的热阻隔物，其特征在于，陶瓷材料是：氧化钇稳定的氧化锆、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，或其组合。

14.如权利要求1-13中任一项所述的热阻隔物，其还包括模块阵列中的重复结构式样。

15.如权利要求1-14中任一项所述的热阻隔物，其还包括阵列中的每个模块屏蔽物的上部分与燃烧室表面之间的距离是约0.1mm至约5mm。

16.如权利要求1-15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包括具有与上部分相邻的斜角的屏蔽物边缘。

17.如权利要求1-16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包括在其中具有空心部分的支撑物。

18.如权利要求1-17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；和室排气体积的壁。

19.一种热阻隔物，其包括：

至少两个模块，每个模块包括支撑物和屏蔽物，

每个模块支撑物包括与第二端相对的第一端，

每个模块屏蔽物包括外边缘以及与下部分相对的上部分，

模块支撑物中的至少一个的所述第一端与所述两个模块屏蔽物中的至少一个的下部分直接或间接接合，

模块支撑物的所述第二端与内燃机的燃烧室内的表面直接或间接接合，以及

当处于25℃时，所述两个模块屏蔽物的外边缘间隔距离D1。

20.如权利要求19所述的热阻隔物，其特征在于，当所述至少两个模块处在从约100℃至约600℃的温度时，距离D1增加到距离D3。

21.如权利要求19或20所述的热阻隔物，其特征在于，一个模块的屏蔽物上部分与所述第二模块的屏蔽物下部分毗邻。

22.如权利要求19所述的热阻隔物，其特征在于，当所述至少两个模块处在从约100℃至约600℃的温度时，距离D1减小到距离D2。

23.如权利要求22所述的热阻隔物，其特征在于，一个模块的屏蔽物外边缘与所述第二模块的屏蔽物外边缘接触。

24.如权利要求19所述的热阻隔物，其还包括多组所述两个模块作为模块阵列。

25.如权利要求19-24中任一项所述的热阻隔物，其还包括至少一个模块的屏蔽物下部分与燃烧室表面之间的体积。

26.如权利要求25所述的热阻隔物，其特征在于，所述体积含有隔热材料。

27.如权利要求19-26中任一项所述的热阻隔物，其特征在于，模块支撑物中的至少一个具有约5％至约90％的孔隙度。

28.如权利要求19-27中任一项所述的热阻隔物，其还包括至少一个模块屏蔽物的上部分与燃烧室表面之间的距离是约0.5mm至约5mm。

29.一种制造如权利要求1所述的热阻隔物的方法，其包括：

形成模块阵列，

将模块阵列与内燃机的燃烧室中的表面中的至少一个接合，其中，当在25℃时，阵列中的至少两个模块的屏蔽物边缘间隔距离D1。

30.一种制造如权利要求19所述的热阻隔物的方法，其包括：

在内燃机的燃烧室中的表面上形成两个模块，以及

去除一个模块的至少一部分，从而使得当处于25℃时，所述两个模块屏蔽物的外边缘间隔距离D1。

31.如权利要求29或30所述的方法，其还包括去除至少一个模块的至少一部分，从而在至少一个模块的屏蔽物与燃烧室表面之间形成空置体积。

32.一种交通工具发动机，其包括如权利要求1或19所述的热阻隔物。