CN112020604A - 用于减少在钢制活塞上焦炭沉积物的涂层 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于内燃机的活塞。活塞包括涂在铁质主体部分上的涂层，以减少或防止碳沉积物在200至400℃的温度下化学键结或在主体部分上结焦。该涂层包括含氟聚合物，例如聚四氟乙烯、氟硅烷、碳氟化合物、氟塑料树脂、和/或全氟塑料，并且可以基于烃或硅酮。涂层的厚度也为25微米至1毫米。涂层可以设置在主体部分的冠部下表面、环形凹槽、环形凸台、销凸台、和/或裙边部分上。

Description

用于减少在钢制活塞上焦炭沉积物的涂层

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年2月21日申请的，申请号为15/901,783的美国实用专利的优先权，其全部内容在此通过整体引用并入。

技术领域

本申请通常涉及用于内燃机的活塞，和制造该活塞的方法。

背景技术

根据排放和燃油经济性法规，现代重型柴油机正朝着提高效率的方向发展。为了获得更高的效率，发动机必须在更高的温度下运行。例如，某些内燃机被设计为在更高温度下运行，某些类型的钢制活塞被设计为在某些区域内比标准活塞高100至250℃的温度下运行。

然而，尽管期望增加燃烧室内的温度，但是仍然有必要将活塞保持在可工作的温度。这样，已知的是在活塞头内结合有外部和内部的冷却通道，该外部和内部的冷却通道都打开和关闭，发动机油通过该冷却通道循环以降低活塞头的工作温度。外部冷却通道通常在包括环槽区域的活塞的上部平台上循环，而内部冷却通道通常在活塞头的上部燃烧表面(通常称为冠部下)下方。替代地，活塞可以具有少油道的设计，并且因此具有敞开的冠部下区域，用于暴露于冷却油。环形带区域和冠部下表面均受益于循环油的冷却作用。然而，随着时间的流逝，循环的油开始降解和氧化。氧化是由于与高温活塞表面接触而加热油而驱动的，因此，在活塞表面上可能形成沉积物，也称为焦化。在操作过程中，活塞温度升高会增加焦化的风险，特别是在活塞的冠部下和平台区域。随着沉积物继续堆积，在各个表面上形成绝缘层。由于焦炭沉积物，循环油的冷却作用会减弱，这继而导致燃烧室表面的氧化和腐蚀，以及表面的过度回火。这样，活塞材料的机械性能降低，这可能导致裂纹形成。

发明内容

本申请的一个方面提供了一种用于内燃机的活塞，其包括用于减轻，减少或避免在发动机中的活塞运行期间积碳或结焦的涂层。所述活塞包括有铁类材料形成的主体部分和涂设在所述主体部分上的涂层。所述主体部分包括设有燃烧表面和冠部下表面的冠部，和从所述燃烧表面垂下的环形带区域。所述主体部分还包括从所述冠部垂下并由一对裙边部分彼此隔开的一对销凸起。所述涂层包括氟聚合物并且具有25微米至1毫米的厚度。

本申请的另一方面提供了一种制造活塞的方法。所述方法包括以下步骤：提供由铁类材料制成的主体部分。所述主体部分包括呈现有燃烧表面和冠部下表面的冠部，以及从所述燃烧表面垂下的环形带区域，所述主体部分还包括从所述冠部垂下并由一对裙边部分彼此隔开的一对销凸起。所述方法还包括在所述主体部分上涂设涂层。所述涂层包括氟聚合物并且具有25微米至1毫米的厚度。

附图说明

当结合附图考虑以下详细描述时，将更好地理解本发明，因此将容易地理解本发明的这些和其他优点，其中：

图1是根据一个示例性实施方案的包含通道的柴油发动机活塞的透视截面图，该活塞包括施加至冠部的涂层；和

图2是根据另一示例性实施例的无油道的柴油发动机活塞的透视截面图，该活塞包括施加至冠部的涂层。

示例实施例的具体说明

本申请的一个方面提供了一种具有涂层22的活塞20，其用于内燃机，例如重型柴油发动机或汽油发动机。在发动机中的活塞20在200至400℃的温度范围内运行期间，涂层22减少或避免了焦炭沉积物。因此，活塞20可提供循环油的改善的冷却效果，这进而导致减少的表面氧化和侵蚀以及减少的表面回火。这样，改善了活塞20的机械性能，并且减少了裂纹的形成。活塞20的示例在图1和2中示出。但是，涂层22可以被施加到具有其他设计的活塞上。

根据图1和图2的示例实施例，活塞20包括由诸如钢或其他铁基材料的铁类材料形成的主体部分24。主体部分24绕中心轴线A延伸并沿中心轴线A从上端26到下端28纵向延伸。主体部分24包括冠部30，该冠部30在上端26处具有燃烧表面32，其用以暴露于内燃机的燃烧室。该燃烧表面32包括从外缘朝向中心轴线A延伸的燃烧碗，并且在中心轴线A处包括顶点。冠部30还包括位于燃烧表面32对面的冠部下表面34，该冠部下表面34通常暴露于冷却油或另一种冷却介质。

主体部分24还包括从燃烧表面32垂下的环形带区域36。环形带区域36包括由环带36b彼此间隔开的多个环槽36a。环形带区域36位于主体部分24的外径处，并且绕主体部分24的中心轴线A周向延伸。

主体部分24还包括一对从冠部30垂下并由一对裙边部分40彼此间隔开的销凸台38。销凸台38和裙边部分40从冠部30延伸到下端28，销凸台38限定了用于容纳腕销(未示出)的销孔。

根据图1的示例性实施例，活塞20的主体部分24包括封闭的或密封的冷却通道42，其围绕冠部30与主体部分24的下部之间的中心轴线A周向延伸。主体部分24的下部包括环形带区域36，销凸台38和裙边部分40的至少一部分。在该实施例中，冠部30包括与中心轴线A间隔开并延伸的上肋44。主体部分24的下部包括与上肋44对齐并围绕中轴线A周向延伸的下肋46。上肋44和下肋46通常通过例如焊接而接合，例如摩擦焊接和/或激光焊接。主体部分24的下部还包括在肋44、46之间径向延伸的下壁48。如图1所示，冷却通道42围绕主体部分24的中心轴线A周向延伸并且由环形带区域36、肋、冠部下表面34和下壁48限定。

根据图2的示例实施例，活塞20的主体部分24是无管道的。因此，冠部下表面34被裸露并且不受密封的或封闭的冷却通道42的限制。冠部下表面34位于与燃烧表面32相对且位于环形槽36a的径向内侧的位置。冠部下表面34包括设置在中心轴线A处并且在销凸台38和裙边部分40之间的中心区域，该中心区域敞开以暴露于冷却油。冠部下表面34还包括设置在销凸台38和环形带区域36之间的凹穴区域，凹穴区域也敞开以暴露于冷却油。

活塞20的涂层22设置在铁质主体部分24的至少一部分上。例如，涂层22设置在冠部下表面34中的至少一个，环形凹槽36a中的至少一个，至少环形凹槽36a中的至少一个上。平台区36b的至少一个，销轴套38的至少一个，以及裙边部分40中的至少一个。在图1和2的示例实施例中，涂层22设置在冠部30的最上平台36b上。然而，涂层22可以位于主体部分24的另一部分上。当活塞20否则处于完成状态时，涂层22被施加。

如上所述，在发动机中的活塞20在200至400℃的工作温度范围内工作期间，涂层22减少或避免了在活塞20的主体部分24上的碳沉积物的结合，也被称为焦化。涂层22包括氟聚合物并且具有25微米至1毫米的厚度。涂层22干燥并固化之后测量涂层22的厚度。例如，涂层22的含氟聚合物可以包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟硅烷、碳氟化合物、氟塑料树脂和/或全氟塑料。根据一个实施例，涂层22还包括硅树脂、聚硅烷、和/或聚硅氮烷，并且涂层22可以是基于硅树脂的。涂层22可以替代地是包括氟聚合物的另一种不粘制剂。在例如，涂层22可以是基于烃的。在另一个实施例中，涂层22包括热固性粘合剂。例如，热固性材料可以包括酚醛、环氧树脂、聚酯、聚酰胺-酰亚胺或热固性树脂的任何组合。将含氟聚合物添加到未固化的热固性树脂中并混合，然后再施加到活塞20的一个或多个表面上，然后固化。或者，可将含氟聚合物作为未固化的组分添加到热塑性树脂中，并在涂层22的固化步骤中进行共聚。在两种方法中，含氟聚合物组分随时间分离到涂层22的表面上并提供非粘效果。

本发明的另一方面提供了一种制造活塞20的方法。该方法包括提供由铁类材料形成的主体部分24。主体部分24可以包括上述设计，或者可以具有不同的设计。

该方法还包括将涂层22布置在主体部分24上。涂层22包括如上所述的含氟聚合物。将涂层22布置在主体部分24上的步骤包括将涂层22布置在以下至少之一上：冠部下表面34，环带区域36的至少一个环形凹槽36a，环带区域36的至少一个平台36b。销凸台38的至少一个，和裙边部分40的至少一个。涂层22优选通过喷涂、浸涂、刷涂、喷墨、滚涂、移液或转移压印来施加。

涂覆步骤优选是快速且大气的方法。根据示例实施例，喷涂步骤是使用喷枪分配器进行的。喷涂应当能够将涂层22引导至主体部分24的特定区域。该方法还可以包括遮盖主体部分24的一部分或多个部分，以防止在喷涂步骤中将涂层22施加到该部分上。该方法还可包括在喷涂步骤期间使主体部分24相对于喷枪分配器运动。当制造多个活塞20时，可以使用零件处理和操纵系统来拾取和放置主体部分24，并使它们在喷雾中适当地移动。替代地，线性轴滑动系统或机器人可以相对于主体部分24操纵喷枪。该方法接下来包括干燥和固化涂层22。可以使用对流烤箱或红外灯来干燥和/或固化涂层22。在干燥和固化步骤之后，涂层22的厚度为25微米至1毫米。

制造涂覆活塞20的方法不需要物理气相沉积或化学气相沉积中需要的真空室或特殊气氛。因此，制造涂覆活塞20的过程是生产友好的，微创的过程。它可以适合当前的生产方法，并且涂层22可以被施加在完成的磷化活塞的顶部上。在全功率运行25小时的发动机中进行的初始测试显示，在未涂覆的标准活塞的机冠上有积碳，但是在同一测试中运行的涂覆活塞20的积碳明显减少了(减少了66％)。

显然，根据以上教导，本申请的许多修改和变型是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式来实践。特别地，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要它们彼此不矛盾即可。

Claims (20)

1.活塞，包括：

主体部分，其由铁类材料制成；

所述主体部分包括呈现有燃烧表面和冠部下表面的冠部；

所述主体部分包括从所述燃烧表面垂下的环形带区域；

所述主体部分包括从所述冠部垂下并由一对裙边部分彼此隔开的一对销凸起；

涂层，涂设在所述主体部分上，以及

所述涂层包括氟聚合物并且具有25微米至1毫米的厚度。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述涂层还包括硅树脂、聚硅烷、聚硅氮烷、和/或热固性树脂。

3.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述涂层的所述氟聚合物包括聚四氟乙烯、氟硅烷、碳氟化合物、氟塑料树脂、和/或全氟塑料。

4.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述涂层在200至400℃的温度下降低了所述主体部分上的碳沉积物或焦化的化学结合。

5.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述涂层涂设在以下至少之一上：所述冠部下表面，所述环形带区域的至少一个环形凹槽，所述环形带区域的至少一个凸台，所述销凸起的至少一个，以及所述裙边部分的至少一个。

6.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体部分包括围绕所述主体部分的所述冠部与下部之间的中心轴线周向延伸的冷却通道。

7.根据权利要求6所述的活塞，其中，所述主体部分的所述下部包括所述环形带区域、所述销凸起和所述裙边部分的至少一部分；

所述冠部包括与所述中心轴线间隔开并且围绕所述中心轴线周向延伸的上肋；

所述主体部分的所述下部包括与所述上肋对齐并围绕所述中心轴线周向延伸的下肋；

所述上肋焊接到所述下肋上；

所述主体部分的所述下部包括在所述肋之间径向延伸的下壁，以及

所述冷却通道由所述环形带区域，所述肋，所述冠部下表面和所述下表面限定。

8.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述冠部下表面是裸露的并不受密封的或封闭的冷却通道的限制。

9.根据权利要求8所述的活塞，其中，所述冠部下表面包括设置在所述中心轴线处并且在所述销凸起和所述裙边部分之间的中心区域，并且所述冠部下表面包括设置在所述销凸起和所述环形带区域之间的凹穴。

10.根据权利要求8所述的活塞，其中，所述冠部下表面与所述燃烧表面相对并且位于所述环形槽的径向内侧；

所述冠部下表面是裸露的，且不受密封的或封闭的冷却通道的限制；

所述冠部下表面包括设置在所述中心轴线处并且在所述销凸台与所述裙边部分之间的中心区域，以及

所述冠部下表面包括设置在所述销凸台和所述环形带区域之间的凹穴。

11.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体部分的所述铁类材料是钢或其他铁基材料；

所述主体部分绕着所述中心轴线并且沿着所述中心轴线从上端到下端纵向地延伸；

所述冠部在所述上端具有所述燃烧表面，以暴露于内燃机的燃烧室；

所述燃烧表面包括从外缘朝向所述中心轴线延伸的燃烧碗，并且在所述中心轴线处包括顶点；

所述环形带区域包括由环带彼此间隔开的多个环槽；

所述环形带区域位于所述主体部分的外径处，并且绕所述主体部分的中心轴线周向延伸；

所述销凸起和所述裙边部分从所述冠部延伸到所述下端；

所述销凸起限定用于容纳腕销的销孔；

所述涂层设置在所述冠部下表面的至少一个，所述环形槽的至少一个，所述平台的至少一个，所述销凸起的至少一个以及所述裙边部分的至少一个上，以及

所述涂层在200至400℃的温度范围内减少了在所述主体部分上的焦炭沉积物的化学结合。

12.制造活塞的方法，包括以下步骤：

提供由铁类材料制成的主体部分，所述主体部分包括呈现有燃烧表面和冠部下表面的冠部，所述主体部分包括从所述燃烧表面垂下的环形带区域，所述主体部分包括从所述冠部垂下并由一对裙边部分彼此隔开的一对销凸起，以及

在所述主体部分上涂设涂层，所述涂层包括氟聚合物并且具有25微米至1毫米的厚度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述涂层还包括硅树脂、聚硅烷、聚硅氮烷、和/或热固性树脂。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述涂层的所述氟聚合物包括聚四氟乙烯、氟硅烷、碳氟化合物、氟塑料树脂、和/或全氟塑料。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述涂层在200至400℃的温度下降低了所述主体部分上的碳沉积物或焦化的化学结合。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述主体部分上涂设所述涂层的步骤包括将所述涂层涂设在以下至少之一上：所述冠部下表面，所述环形带区域的至少一个环形凹槽，所述环形带区域的至少一个凸台，所述销凸起额至少一个，以及所述裙边部分的至少一个。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述涂层是通过喷涂、浸涂、刷涂、喷墨、滚涂，移液或转移冲压所述涂层在所述主体部分上，并固化所述涂覆的主体部分而施加的。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述涂层是通过喷涂施加的，并且所述喷涂步骤是使用喷枪分配器进行的。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述固化步骤在对流烘箱中或通过红外灯进行。

20.根据权利要求12所述的方法，包括在喷涂步骤期间遮盖主体部分的一部分，以及在喷涂步骤期间相对于喷枪分配器移动主体部分。

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