CN109763911A - 包括隔热涂层的双金属活塞头 - Google Patents

Abstract

提供了活塞和包括活塞的发动机，并且活塞包括活塞头，活塞头由顶表面、圆周侧表面和涂覆到顶表面的至少一部分的隔热涂层(TIC)限定。顶部限定顶表面并由铝质材料制成，且底部由铁质材料制成。TIC可以是二氧化硅。可以对活塞头的顶表面进行阳极氧化以接收TIC。TIC可以是0.05毫米至约0.15毫米厚。活塞头可以包括冠部，冠部具有限定顶表面的环形表面、冠部碗形表面和内圆周表面。TIC可以进一步涂覆于冠部碗形表面和内冠部圆周表面中的一个或多个的至少一部分。

Description

包括隔热涂层的双金属活塞头

引言

在内燃机(ICE)的燃烧循环期间，空气/燃料混合物被提供给ICE的发动机缸体内的汽缸。空气/燃料混合物被压缩和/或点燃并燃烧，以通过位于汽缸内的往复活塞提供输出扭矩。

发明内容

根据示例性实施例的一个方面，提供了一种用于内燃机的活塞。活塞可包括由顶表面、圆周侧表面、底腔和涂覆到顶表面的至少一部分的绝热涂层(TIC)限定的活塞头。活塞头还包括顶部和底部，顶部限定顶表面并由铝质材料制成，底部形成活塞头的其余部分并由铁质材料制成。顶部和底部可以通过焊接连接。TIC可以是二氧化硅。在涂覆TIC之前，可以对活塞头的顶表面进行阳极氧化。TIC可具有约0.05毫米至约0.15毫米的厚度。活塞头包括冠部，冠部由以下限定：从圆周表面向内延伸并限定活塞头顶表面的环形表面；冠部碗形表面；和内冠部圆周表面，其在环形表面的内边缘和冠部碗形表面的外周之间延伸。冠部碗形表面可以是凸起的。TIC可以进一步涂覆于冠部碗形表面和内冠部圆周表面中的一个或多个的至少一部分。圆周侧表面可包括一个或多个圆周活塞环槽。

根据示例性实施例的一方面，提供了一种内燃机。发动机可包括：限定一个或多个汽缸孔的汽缸体；一个或多个活塞，其对应于一个或多个汽缸孔中的每一个并且配置为在其中往复运动。每个活塞可包括由顶冠部、圆周侧表面、底腔和涂覆到环形表面的至少一部分的绝热涂层(TIC)限定的活塞头。顶冠部可以由从圆周表面向内延伸并限定活塞头顶表面的环形表面、冠部碗形表面和在环形表面的内边缘和冠部碗形表面的外周之间延伸的内冠部圆周表面限定。活塞头包括顶部和底部，顶部限定顶表面并且包括铝质材料，底部形成活塞头的其余部分并且包括铁质材料。每个活塞头的顶部和底部可以通过焊接连接。每个活塞头的TIC可以是二氧化硅。在涂覆TIC之前，可以对活塞头的顶表面进行阳极氧化。TIC可具有约0.05毫米至约0.15毫米的厚度。TIC可以进一步涂覆于冠部碗形表面和内冠部圆周表面中的一个或多个的至少一部分。顶部可以配置为使得顶部限定涂覆TIC的冠部的每个部分。TIC可以进一步涂覆于冠部碗形表面和内冠部圆周表面的至少一部分。

根据示例性实施例的以下详细描述和附图，示例性实施例的其他目的、优点和新颖特征将变得更加明显。

附图说明

图1示出了根据一个或多个实施例的发动机的侧视图；

图2A示出了根据一个或多个实施例的活塞头的横截面侧视图；

图2B示出了根据一个或多个实施例的活塞头的横截面侧视图；

图2C示出了根据一个或多个实施例的活塞头的横截面侧视图；和

图2D示出了根据一个或多个实施例的活塞头的横截面侧视图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施方式。然而，应该理解，所公开的实施方式仅仅是示例，并且其他实施方式可以采用各种和替代形式。这些附图不一定按比例；某些特征可能会被夸大或最小化，以显示特定部件的详细信息。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实现方式，可能需要与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。

本文提供双金属活塞，以及包含该双金属活塞的发动机，该双金属活塞包括隔热涂层(TIC)。具体地，包括具有上部铝质部分和下部铁质部分的活塞头的活塞提供增强的机械益处，同时使不期望的热传递最小化。铝质顶部与各种TIC兼容，例如二氧化硅TIC。

参考附图中的图1，示出了内燃发动机，包括限定多个汽缸孔13的汽缸壳体12，每个汽缸孔13具有大致圆柱形的壁14。为了清楚起见，仅示出和描述了一个汽缸孔13。靠近汽缸孔13的一端是汽缸盖11，汽缸盖与活塞20的顶表面31配合以限定可变容积燃烧室15。汽缸盖11限定进气口16和排气口17，它们分别由阀选择性地打开，例如由提升阀18和19打开。进气口16和排气口17设置成与燃烧室15选择性连通，以便将空气或空气-燃料混合物引入燃烧室15和从燃烧室15排出燃烧产物。

活塞头30由顶表面31和圆周侧表面32限定。圆周侧表面32从顶表面31向下延伸并且通常限定圆柱形活塞头30。在一些实施例中，活塞头30可以是非圆柱形的，只要顶表面31大致对应于汽缸孔13的横截面几何形状即可。活塞头30可任选地包括一个或多个圆周轴向间隔的活塞环槽33，可任选地从圆周侧表面向内延伸，所述活塞环槽配置为接收活塞环(未示出)。活塞环可用于密封燃烧室15、控制汽缸孔13内的油迁移、以及防止加压气体逸出到曲轴箱9中的一种或多种。活塞头30可选地还包括底腔34。活塞头30还可包括销凸台部52，该凸台部52从顶表面31向下延伸，用于布置在底腔34内。

活塞20配置为在汽缸孔13内可滑动的往复运动。圆周侧表面32与汽缸壁14可接合，以引导活塞20往复运动并吸收可能由汽缸施加在活塞20上的推力。顶表面31形成燃烧室15的一个壁，当活塞20移动时，该壁引起燃烧室15的膨胀或收缩，这是在内燃机工作循环中操作所需的。为了利用活塞20作为产生动力的装置，活塞20可操作地与外部元件接合，诸如车辆的曲轴62。例如，曲轴62可以将一个或多个活塞20的往复运动转换成旋转运动并将后者转换到车辆传动系的一个或多个车轮。曲轴62可以经由一个或多个相应的连杆58操作性地连接到一个或多个活塞20；例如，每个连杆58可以经由活塞销56联接到销凸台52的活塞销孔54。在一些实施例中，活塞销孔54可以形成在穿过圆周侧表面32的一个或多个位置。在这样的实施例中，销凸台52可以是可选特征。

图2A-D示出活塞头30的横截面侧视图。活塞头30包括限定顶表面31并包括铝的顶部35、包括铁质材料的底部36和被涂覆到顶表面31的至少一部分上的隔热涂层(TIC)38。活塞头30示于图2A-D中，为了清楚的非限制性目的，并没有示出诸如销凸台部52和一个或多个环槽33的一些特征，并且应当理解，一个或多个环槽33可以存在于活塞头30的顶部35内和/或底部36。活塞头30有利地通过其两部分结构来获得铁质底部36的坚固机械性能和铝质顶部35的重量节省方面。铝质顶部35进一步提供了与沉积在其上的TIC 38相关的材料兼容性方面。在发动机10运行期间，希望使保持在每个燃烧室15内或附近的热能最大化。TIC38减少、最小化或以其他方式防止从每个燃烧室15到其附属活塞20的热传递。TIC 38涂覆于顶表面31的至少一部分。图2A示出了将TIC 38涂覆于顶表面31的外径向部分的实施例。图2B示出了其中TIC 38涂覆于全部顶表面31的实施例。在其他实施例中，TIC 38可以以不同的量和/或位置被涂覆到顶表面31上，以诸如优化热屏蔽方面。例如，可以识别顶表面31的高温区域并且可以在那里涂覆TIC 38。在一些实施例中，TIC 38的厚度可以基于顶表面31的在发动机10的操作期间吸收更多热量的部分而变化。

顶部35限定顶表面31。在一些实施例中，顶部35限定TIC 38所涂覆的顶表面31。此后，顶部35和底部36可相对于活塞头30的高度H变化。图2A示出了底部36在底腔34上方延伸的实施例。图2B示出了一个实施例，其中底部36仅包括位于底腔顶部34*下方的活塞头30的区域。顶部35和底部36的高度H变化可以基于各种考虑来确定，诸如期望的活塞头30的机械特性和重量等。

顶部35包括铝或本领域已知的合适的铝合金。在一个实施例中，顶部35包括铝-硅合金。铝-硅合金可以包含最多约30％的硅，或约5％至约25％的硅。在一个实施例中，铝-硅合金可以包含共晶合金，所述共晶合金具有约12％的硅，并且任选地约1％的铜、镍和镁中的一种或多种。在一些实施例中，顶部35包括具有约17％至约25％硅的过共晶铝-硅合金。例如，顶部35可以被铸造或锻造。底部36包括铁质材料，诸如本领域已知的铸铁、钢、不锈钢或钢合金。合适的钢合金的一些实例包括38MnSiVS5、42CrMo4和38MnVS6等。顶部35和底部36可以通过各种合适的方法在界面37处连接。在一些实施例中，顶部35和底部36可通过焊接连接。例如，铝质顶部35和铁质底部36可以使用双金属过渡插入件来焊接。在其他实施例中，铝质顶部35和铁质底部36可以通过浸涂或钎焊来焊接。在一些实施例中，顶部35和底部36可通过诸如螺钉或螺栓的机械装置来连接。例如，在一些实施例中，顶部35包括护套，护套诸如通过压缩配合来围绕底部36设置。

在一些实施例中，如图2C-D所示，活塞头30包括冠部40。冠部40通常由从圆周侧表面32向内延伸的环形表面41限定。环形表面41包括活塞头30的顶表面31。尽管环形表面41在图2C-D中被描述为通常是平坦的，但可以理解，环形表面可以根据需要包括非平面轮廓或特征。此外，虽然环形表面41示出为径向(即，垂直地)向内延伸，但是在其他实施例中，环形表面41可以根据需要以非垂直的角度向内延伸。冠部40还包括冠部碗形表面43和内冠部圆周表面42，内冠部圆周表面42在环形表面41的内边缘和冠部碗形表面43的外周之间延伸。在一些实施例中，冠部碗形表面43可以是平坦的(即，基本平行于顶表面31)。在一些实施例中，如图2C-D所示，冠部碗形表面43可以是凸形的。在一些实施例中，冠部碗形表面43可以是凹形的。TIC 38可以涂覆到冠部40的各个区域。图2C示出了涂覆到冠部40的环形表面41的TIC 38。在这样的实施例中，TIC 38可以涂覆到冠部40的全部环形表面41。在其他实施例中，例如图2D所示，TIC 38可以进一步涂覆到内冠部圆周表面42和/或冠部碗形表面43。顶部35配置为使得顶部35限定TIC 38所涂覆的冠部40上的每个部分。例如，如图2C所示，其中TIC 38仅涂覆到环形表面41而不是内冠部圆周表面42或冠部碗形表面43，底部36可以在冠部碗形表面43的至少一部分上方延伸。在另一个示例中，如图2D所示，其中TIC 38涂覆到环形表面41、内冠部圆周表面42和冠部碗形表面43，底部36不在冠部碗形表面43上方延伸。

合适的TIC 38包括具有合适的隔热性能并且与铝质顶部35相容的那些材料，使得TIC 38在涂覆到其上时表现出合适的结合。在一个实施例中，TIC 38包含二氧化硅(SiO₂)。通过处理顶表面31可以将二氧化硅TIC 38涂覆到顶部35的顶表面31上，以形成高孔隙率的氧化铝表面。高孔隙率氧化铝表面可以是约50微米至约150微米厚、约70微米至约120微米厚、或约80微米至约100微米厚。在一个具体实例中，高孔隙率氧化铝表面约90微米厚。例如，可以通过阳极氧化来处理顶表面31以形成多孔氧化铝。此后，可以将二氧化硅施加到顶表面31上或以其他方式形成在顶表面31上。例如，在一个实施例中，顶表面31可以暴露于包含醇和硅酸钠的加热溶液中。在一个实施例中，顶表面31可以暴露于全氢聚硅氮烷，全氢聚硅氮烷在与水蒸汽反应时在其上形成二氧化硅层。在另一个实施例中，顶表面31可以暴露于二丁醚(90-99重量％)和全氢聚硅氮烷(1-10重量％)的加热溶液中。TIC 38层的厚度可以根据所需的绝缘特性和TIC 38结合能力而变化。在一些实施例中，TIC 38包括最多约0.1毫米、最多约0.125毫米、或最多约0.15毫米的厚度。在一些实施例中，TIC 38包括约0.05毫米至约0.15毫米的厚度。

虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或说明的本发明的其他实施例。尽管各种实施例可以被描述为相对于一个或多个期望特性提供优于或优于其他实施例或现有技术实现，但是本领域普通技术人员认识到可以损害一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体的应用和实现。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、使用生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于组装等。因此，关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实现期望描述的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的活塞，包括：

活塞头，其由以下限定：

顶表面；

圆周侧表面；

底腔；和

涂覆于所述顶表面的至少一部分的绝热涂层(TIC)，

其中所述活塞头包括顶部和底部，所述顶部限定所述顶表面并包括铝质材料，所述底部形成所述活塞头的其余部分并包括铁质材料。

2.一种内燃机，包括：

限定一个或多个汽缸孔的汽缸体，

一个或多个活塞，其对应于所述一个或多个汽缸孔中的每一个并且配置为在其中往复运动，其中每个活塞包括：

活塞头，其由以下限定：

顶冠部，其由以下限定：

环形表面，其从圆周表面向内延伸并限定活塞头表面，

冠部碗形表面，和

内冠部圆周表面，其在所述环形表面的内边缘和所述冠部碗形表面的外周之间延伸；

圆周侧表面；

底腔；和

涂覆于所述环形表面的至少一部分的绝热涂层(TIC)，

其中所述活塞头包括顶部和底部，所述顶部限定所述顶表面并包括铝质材料，所述底部形成所述活塞头的其余部分并包括铁质材料。

3.根据上述权利要求中任一项所述的活塞或内燃机，其中所述顶部和所述底部通过焊接连接。

4.根据上述权利要求中任一项所述的活塞或内燃机，其中所述TIC包括二氧化硅。

5.根据上述权利要求中任一项所述的活塞或内燃机，其中在涂覆所述TIC之前对所述活塞头的所述顶表面进行阳极氧化。

6.根据上述权利要求中任一项所述的活塞或内燃机，其中所述TIC包括约0.05毫米至约0.15毫米的厚度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的活塞或内燃机，其中所述活塞头包括：冠部，其由以下限定：从所述圆周表面向内延伸并限定所述活塞头顶表面的环形表面；冠部碗形表面；和内冠部圆周表面，其在环形表面的内边缘和冠部碗形表面的外周之间延伸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的活塞或内燃机，其中，所述TIC还被涂覆于所述冠部碗形表面和所述内冠部圆周表面中的一个或多个的至少一部分。

9.根据前述权利要求中任一项所述的活塞或内燃机，其中所述圆周侧表面包括一个或多个圆周活塞环槽。

10.根据前述权利要求中任一项所述的活塞或内燃机，其中所述顶部配置为使得所述顶部限定所述TIC所涂覆的冠部的每一部分。