CN113250847A - 活塞、活塞的隔热涂层的制备方法以及内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种活塞、活塞的隔热涂层的制备方法以及内燃机。本发明提供的活塞包括活塞本体，活塞本体的顶部具有朝向活塞本体内部凹陷的燃烧室，燃烧室和顶部具有第一隔热涂层；活塞本体内具有第一腔体和用于流通冷却液的第二腔体，第一腔体与第二腔体连通，活塞本体的底部具有开口，开口与第一腔体连通；第一腔体和第二腔体中的至少一者的内壁上具有第二隔热涂层，第二隔热涂层为有机隔热涂层。本发明提供的活塞提高了隔热效果。

Description

活塞、活塞的隔热涂层的制备方法以及内燃机
技术领域
本发明涉及内燃机技术，尤其涉及一种活塞、活塞的隔热涂层的制备方法以及内燃机。
背景技术
活塞是内燃机的关键零部件，高速运动的活塞承受着相当大的热负荷和机械负荷，活塞顶部与高温燃气直接接触，活塞顶部的高热负荷使整个活塞的温度很高，同时，活塞需要承受气缸中的燃烧压力。
现有技术中，为了对活塞进行隔热，在活塞顶部包括燃烧室涂敷隔热涂层。
隔热涂层的隔热效果受厚度影响，隔热涂层厚度越厚其隔热效果越好，但是，隔热涂层厚度过大时，隔热涂层在燃烧压力的冲击以及热负荷影响下易开裂，从而影响隔热效果。
发明内容
本发明提供一种活塞、活塞的隔热涂层的制备方法以及内燃机，以提高活塞隔热效果。
本发明提供一种活塞，包括活塞本体，活塞本体的顶部具有朝向活塞本体内部凹陷的燃烧室，燃烧室和顶部具有第一隔热涂层；
活塞本体内具有第一腔体和用于流通冷却液的第二腔体，第一腔体与第二腔体连通，活塞本体的底部具有开口，开口与第一腔体连通；
第一腔体和第二腔体中的至少一者的内壁上具有第二隔热涂层，第二隔热涂层为有机隔热涂层。
在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞，第二隔热涂层包括第一隔热段和第二隔热段，第一隔热段位于第一腔体的内壁上，第二隔热段位于第二腔体的内壁上。
在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞，第一腔体包括第一腔体上段和与第一腔体上段连接的第一腔体下段，第一腔体上段位于燃烧室和第一腔体下段之间，第一隔热段位于第一腔体上段的内壁上。
在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞，第二隔热涂层为耐高温树脂有机隔热涂层。
在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞，第二隔热涂层的厚度为0.5mm-2.0mm。
在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞，第二腔体为绕第一腔体上段的周向设置的环形腔体，第二腔体与燃烧室相邻。
在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞，第一隔热涂层为无机非金属涂层。
在一种可能的实现方式中，本发明提供的活塞，第一隔热涂层的厚度为0.2mm-0.3mm。
本发明还提供了一种内燃机，包括气缸本体、气缸盖和上述的活塞，气缸盖设置在气缸本体的顶部，活塞设置在气缸本体内，活塞相对气缸本体往复运动。
本发明还提供了一种活塞的隔热涂层的制备方法，采用上述的活塞：
制备方法包括：
在活塞本体的顶部和燃烧室上喷涂第一隔热涂层；
在活塞本体的第一腔体和第二腔体中的至少一者的内壁上刷涂或流涂第二隔热涂层。
本发明提供的活塞、活塞的隔热涂层的制备方法以及内燃机，活塞通过活塞本体的顶部具有朝向活塞本体内部凹陷的燃烧室，在燃烧室和顶部设置第一隔热涂层。活塞本体内设置第一腔体和第二腔体，第一腔体与第二腔体连通，利用冷却液对第一腔体和第二腔体进行冷却。活塞本体的底部具有开口，开口与第二腔体连通，通过开口，在第一腔体和第二腔体中的至少一者的内壁上设置第二隔热涂层。这样，通过第一隔热涂层和第二隔热涂层的配合，提高了隔热效果，有效降低了燃烧室热量散失，同时可以减小第一隔热涂层的厚度，防止第一隔热涂层开裂。利用冷却液对第一腔体和第二腔体进行冷却，使活塞在较低温度下运行，提高活塞使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的活塞的内部结构示意图；
图2为本发明实施例提供的内燃机的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的活塞的隔热涂层的制备方法的流程图。
附图标记说明：
1-活塞；
11-活塞本体；
111-顶部；
112-燃烧室；
113-第一腔体；
1131-第一腔体上段；
1132-第一腔体下段；
114-第二腔体；
115-开口；
2-内燃机；
21-气缸本体；
22-气缸盖。
具体实施方式
活塞承受着相当大的热负荷和机械负荷，活塞顶部与高温燃气直接接触，活塞顶部的高热负荷使整个活塞的温度很高，同时，活塞需要承受气缸中的燃烧压力。现有技术中，为了对活塞进行隔热，在活塞顶部包括燃烧室涂敷隔热涂层。隔热涂层的隔热效果受厚度影响，隔热涂层厚度越厚其隔热效果越好，但是，隔热涂层厚度过大时，隔热涂层在燃烧压力的冲击以及热负荷影响下易开裂，从而影响隔热效果，同时隔热涂层厚度过大，会增加成本。
为了解决上述问题，本发明提供的活塞、活塞的隔热涂层的制备方法以及内燃机，活塞通过活塞本体的顶部具有朝向活塞本体内部凹陷的燃烧室，在燃烧室和顶部设置第一隔热涂层。活塞本体内设置第一腔体和第二腔体，第一腔体与第二腔体连通，利用冷却液对第一腔体和第二腔体进行冷却。活塞本体的底部具有开口，开口与第一腔体连通，通过开口，在第一腔体和第二腔体中的至少一者的内壁上设置第二隔热涂层。这样，通过第一隔热涂层和第二隔热涂层的配合，提高了隔热效果，有效降低了燃烧室热量散失，同时可以减小第一隔热涂层的厚度，防止第一隔热涂层开裂。利用冷却液对第一腔体和第二腔体进行冷却，使活塞在较低温度下运行，提高活塞使用寿命。其中第一隔热涂层为无机隔热涂层，第二隔热涂层为有机隔热涂层，在保证隔热效果的同时，降低成本。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或维护工具不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或维护工具固有的其它步骤或单元。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的活塞的内部结构示意图。参见图1所示，本发明提供的活塞1，包括活塞本体11，活塞本体11的顶部111具有朝向活塞本体11内部凹陷的燃烧室112，燃烧室112和顶部111具有第一隔热涂层，活塞本体11内具有第一腔体113和用于流通冷却液的第二腔体114，第一腔体113与第二腔体114连通，活塞本体11的底部具有开口115，开口115与第一腔体113连通，第一腔体113和第二腔体114中的至少一者的内壁上具有第二隔热涂层，第二隔热涂层为有机隔热涂层。
其中，冷却液为机油。第一腔体113与第二腔体114连通，固定在内燃机机体上的喷油嘴高速喷出的机油进入第一腔体113和第二腔体114，机油在活塞1运动过程中产生振荡，从而冷却活塞1。这种强制振荡冷却法通过机油在第一腔体113和第二腔体114内的高速振荡，冲刷第一腔体113和第二腔体114的内壁，从而带走大量的热量，降低活塞1温度。
可以理解的是，通过第一隔热涂层和第二隔热涂层的隔热作用，利用机油进行冷却时，需要的机油量减少，也可以降低了机油泵驱动功率。
其中，第二隔热涂层采用有机隔热涂层相比于无机隔热涂层，可以节约成本。燃烧室112和顶部111的第一隔热涂层以及流通的冷却液有效的降低了第一腔体113和第二腔体114内壁的温度。第一腔体113和第二腔体114内壁温度在400℃以内，有机隔热涂层完全可以满足使用要求。
具体的，有机隔热涂层可以为耐高温树脂有机隔热涂层，例如，环氧有机硅树脂，环氧有机硅树脂是一种理想的高温区防热隔热材料，能在350℃-400℃之间进行有效热防护。
本实施例通过活塞本体11的顶部111具有朝向活塞本体11内部凹陷的燃烧室112，在燃烧室112和顶部111设置第一隔热涂层。活塞本体11内设置第一腔体113和第二腔体114，第一腔体113与第二腔体114连通，利用冷却液对第一腔体113和第二腔体114进行冷却。活塞本体11的底部具有开口115，开口115与第一腔体113连通，通过开口115，在第一腔体113和第二腔体114中的至少一者的内壁上设置第二隔热涂层。这样，通过第一隔热涂层和第二隔热涂层的配合，提高了隔热效果，有效降低了燃烧室112热量散失，同时可以减小第一隔热涂层的厚度，防止第一隔热涂层开裂。利用冷却液对第一腔体113和第二腔体114进行冷却，使活塞1在较低温度下运行，提高活塞1使用寿命。
在本实施例中，为降低热量损失，减少燃烧室112热量向活塞1传递，第二隔热涂层包括第一隔热段和第二隔热段，第一隔热段位于第一腔体113的内壁上，第二隔热段位于第二腔体114的内壁上。
在一种可能的情况中，第二腔体114除与第一腔体113的连通孔外，其它区域处于封闭状态，难以通过刷涂的方式设置第二隔热涂层。具体实现时，第二腔体114的内壁上的第二隔热段采用流涂的方式进行涂敷，第一腔体113的内壁上的第一隔热段可以采用流涂或者刷涂的方式进行涂敷。
在另一种可能的情况中，第二腔体114与第一腔体113之间设置可拆卸件，在设置第二隔热涂层时，将可拆卸件拆除。这样，第二腔体114的内壁上的第二隔热段、第一腔体113的内壁上的第一隔热段可以分别采用流涂或者刷涂的方式进行涂敷。
具体的，第一腔体113包括第一腔体上段1131和与第一腔体上段1131连接的第一腔体下段1132，第一腔体上段1131位于燃烧室112和第一腔体下段1132之间，第一隔热段位于第一腔体上段1131的内壁上。可以理解的是，第一腔体上段1131与燃烧室112相邻，通过在第一腔体上段1131设置第一隔热段，可以减少燃烧室112热量向活塞1传递，提高隔热效果。
在本实施例中，第二隔热涂层的厚度为0.5mm-2.0mm。示例性的，第二隔热涂层的厚度为1mm或者第二隔热涂层的厚度为1.5mm。可以理解的是，第二隔热涂层厚度小于0.5mm时会影响隔热的效果，第二隔热涂层的厚度大于2.0mm时会影响第二隔热涂层的可靠性，使第二隔热涂层容易受热脱落。
在一些实施例中，第二腔体114为绕第一腔体上段1131的周向设置的环形腔体，第二腔体114与燃烧室112相邻，从而有效的降低活塞1的温度。
具体的，第一隔热涂层为无机非金属涂层。无机非金属可以为陶瓷、金属盐的氧化物等(例如三氧化硅SiO3、氧化铝Al2O3、氧化锆ZrO2等)，耐热温度在600℃以上。
其中，第一隔热涂层的厚度为0.2mm-0.3mm，可以理解的是，由于第一隔热涂层位于燃烧室112和顶部111，直接与高温气体接触同时需要承受燃烧压力，所以，第一隔热涂层的厚度不宜太大，例如厚度超过0.5mm时，第一隔热涂层易开裂，影响隔热效果，同时，第一隔热涂层的厚度大会提高成本。而第一隔热涂层厚度小于0.2mm时会影响隔热的效果。
图2为本发明实施例提供的内燃机的结构示意图。参见图2所示，本发明实施例还提供了一种内燃机2，包括气缸本体21、气缸盖22和上述实施例提供的活塞1，气缸盖22设置在气缸本体21的顶部，活塞1设置在气缸本体21内，活塞1相对气缸本体21往复运动。
其中，活塞1的结构和原理在上述实施例中进行了详细说明，本实施例在此不一一赘述。
示例性的，内燃机2可以为柴油机或者汽油机。
图3为本发明实施例提供的活塞的隔热涂层的制备方法的流程图，参见图3所示，本发明实施例还提供了一种活塞1的隔热涂层的制备方法，采用上述实施例提供的活塞1，其中，活塞1的结构和原理在上述实施例中进行了详细说明，本实施例在此不一一赘述。
活塞1的隔热涂层的制备方法包括：
S101、在活塞本体的顶部和燃烧室上喷涂第一隔热涂层。
通过喷涂的方式在活塞本体11的顶部111和燃烧室112上进行涂覆，以形成第一隔热涂层，喷涂材料为无机非金属材料，例如陶瓷、金属盐的氧化物等(例如三氧化硅SiO3、氧化铝Al2O3、氧化锆ZrO2等)，耐热温度在600℃以上。喷涂是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在零件表面上形成喷涂层。
其中，喷涂工艺过程包括对活塞本体11的顶部111和燃烧室112进行预处理、对活塞本体11进行预热、对活塞本体11的顶部111和燃烧室112进行喷涂形成第一隔热涂层、第一隔热涂层后处理。
对活塞本体11的顶部111和燃烧室112进行预处理的目的是使活塞本体11的顶部111和燃烧室112表面清洁且具有一定粗糙度，以增强第一隔热涂层与活塞本体11的结合强度。也可以在活塞本体11的顶部111和燃烧室112先喷涂一种与活塞本体11粘结度好的材料作为过渡层，以增强第一隔热涂层与活塞本体11的结合强度。
对活塞本体11进行预热的目的是为了消除水分，提高第一隔热涂层与活塞本体11的结合强度，减少因第一隔热涂层与活塞本体11的热膨胀差异造成的应力使第一隔热涂层开裂。
S102、在活塞本体的第一腔体和第二腔体中的至少一者的内壁上刷涂或流涂第二隔热涂层。
在一种可能的情况中，第二腔体114除与第一腔体113的连通孔外，其它区域处于封闭状态，难以通过刷涂的方式设置第二隔热涂层。具体实现时，第二腔体114的内壁上的第二隔热涂层采用流涂的方式进行涂敷，第一腔体113的内壁上的第二隔热涂层可以采用流涂或者刷涂的方式进行涂敷。
在另一种可能的情况中，第二腔体114与第一腔体113之间设置可拆卸件，在设置第二隔热涂层时，将可拆卸件拆除。这样，第二腔体114的内壁上的第二隔热涂层、第一腔体113的内壁上的第二隔热涂层可以分别采用流涂或者刷涂的方式进行涂敷。
其中，第二隔热涂层为有机隔热涂层，具体的，有机隔热涂层可以是耐高温树脂有机涂层。例如，环氧有机硅树脂，环氧有机硅树脂是一种理想的高温区隔热材料，能在350℃-400℃之间进行有效热防护。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种活塞，其特征在于，包括活塞本体，所述活塞本体的顶部具有朝向所述活塞本体内部凹陷的燃烧室，所述燃烧室和所述顶部具有第一隔热涂层；
所述活塞本体内具有第一腔体和用于流通冷却液的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体连通，所述活塞本体的底部具有开口，所述开口与所述第一腔体连通；
所述第一腔体和所述第二腔体中的至少一者的内壁上具有第二隔热涂层，所述第二隔热涂层为有机隔热涂层。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第二隔热涂层包括第一隔热段和第二隔热段，所述第一隔热段位于所述第一腔体的内壁上，所述第二隔热段位于所述第二腔体的内壁上。
3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述第一腔体包括第一腔体上段和与所述第一腔体上段连接的第一腔体下段，所述第一腔体上段位于所述燃烧室和所述第一腔体下段之间，所述第一隔热段位于所述第一腔体上段的内壁上。
4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第二隔热涂层为耐高温树脂有机隔热涂层。
5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第二隔热涂层的厚度为0.5mm-2.0mm。
6.根据权利要求3至5任一项所述的活塞，其特征在于，所述第二腔体为绕所述第一腔体上段的周向设置的环形腔体，所述第二腔体与所述燃烧室相邻。
7.根据权利要求1至5任一项所述的活塞，其特征在于，所述第一隔热涂层为无机非金属涂层。
8.根据权利要求1至5任一项所述的活塞，其特征在于，所述第一隔热涂层的厚度为0.2mm-0.3mm。
9.一种内燃机，其特征在于，包括气缸本体、气缸盖和权利要求1至8任一项所述的活塞，所述气缸盖设置在所述气缸本体的顶部，所述活塞设置在所述气缸本体内，所述活塞相对所述气缸本体往复运动。
10.一种活塞的隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述活塞为权利要求1至8任一项所述的活塞：
所述制备方法包括：
在活塞本体的顶部和燃烧室上喷涂第一隔热涂层；
在所述活塞本体的第一腔体和第二腔体中的至少一者的内壁上刷涂或流涂第二隔热涂层。
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