CN117307350A - 用于汽油发动机的活塞及其制造方法、汽油发动机 - Google Patents

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CN117307350A CN202311129977.9A CN202311129977A CN117307350A CN 117307350 A CN117307350 A CN 117307350A CN 202311129977 A CN202311129977 A CN 202311129977A CN 117307350 A CN117307350 A CN 117307350A
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Abstract

本申请提供用于汽油发动机的活塞及其制造方法、汽油发动机。该用于汽油发动机的活塞包括：活塞本体，其包括面朝燃烧室的第一表面，其中，活塞本体具有第一导热系数和第一体积比热；涂层，其布置在第一表面上，其中，涂层具有第二导热系数和第二体积比热；并且其中，第二导热系数小于或等于第一导热系数的1％，并且第二体积比热小于或等于第一体积比热的125％。本申请的用于汽油发动机的活塞及其制造方法、汽油发动机具有简单可靠、应用方便、性能好等优点。

Description

用于汽油发动机的活塞及其制造方法、汽油发动机
技术领域
本申请涉及用于汽油发动机活塞结构领域。更具体而言，本申请涉及一种用于汽油发动机的活塞，其旨在提供改善的绝热能力。本申请还涉及一种制造方法，其用于制造上述用于汽油发动机的活塞。本申请还涉及一种汽油发动机，其包括上述活塞。
背景技术
汽油发动机通常具有多个活塞，并且活塞在汽油发动机的运行过程中在汽缸内运行。活塞的至少一个表面可以设置为朝向汽油发动机的燃烧室，并且借助于燃烧室内的气液混合物的燃烧来推动。汽油发动机的活塞面朝燃烧室的表面通常没有绝热措施，并且因此，汽油机活塞的温度在发动机运行过程中始终处于较高的温度。因此，活塞在发动机运行过程中会加热进气冲程的气体，导致发动机的充气效率下降，进而影响性能和油耗。例如，此类布置使发动机热效率下降，同时增加了排气中的颗粒物含量。
发明内容
本申请一方面的目的在于提供一种用于汽油发动机的活塞，其旨在提供改善的热传递解决方案。本申请另一方面的目的在于提供一种制造方法，其用于制造上述用于汽油发动机的活塞。本申请又一方面的目的在于提供一种汽油发动机，其包括上述活塞。
本申请的目的是通过如下技术方案实现的：
一种用于汽油发动机的活塞，可选地，包括：
活塞本体，其包括面朝燃烧室的第一表面，其中，活塞本体具有第一导热系数和第一体积比热；
涂层，其布置在第一表面上，其中，涂层具有第二导热系数和第二体积比热；并且
其中，第二导热系数小于或等于第一导热系数的1％，并且第二体积比热小于或等于第一体积比热的125％。
根据权利要求1的用于汽油发动机的活塞，可选地，涂层包括第一层和第二层，其中，第一层直接地布置在第一表面上，并且第二层布置在第一层上，使得第一层位于第一表面与第二层之间。
在上述用于汽油发动机的活塞中，可选地，第一层的厚度在0.01到0.06毫米之间，并且由硅基陶瓷制成，其中，硅基陶瓷包括环氧硅烷。
在上述用于汽油发动机的活塞中，可选地，第二层的厚度在0.001到0.005毫米之间，并且由氧化硅制成，其中，氧化硅的结构式为SiOx。
在上述用于汽油发动机的活塞中，可选地，活塞本体由铝合金制成，第一导热系数在100W/mK到150W/mK之间，并且第一体积比热在1250kJ/m3K到2500kJ/m3K之间。
在上述用于汽油发动机的活塞中，可选地，涂层通过电镀和/或热喷涂工艺制成，第二导热系数在0.2W/mK到1.2W/mK之间，并且第二体积比热在1000kJ/m3K到2000kJ/m3K之间。
一种用于汽油发动机的活塞的制造方法，包括以下步骤：
在活塞本体的第一表面上设置第一层；
在第一层上设置第二层，使得第一层和第二层共同组成涂层；
其中，活塞本体具有第一导热系数和第一体积比热，并且涂层具有第二导热系数和第二体积比热；并且
其中，第一导热系数小于或等于第二导热系数的125％，并且第一体积比热小于或等于第二体积比热的1％。
在上述制造方法中，可选地，第一层通过电镀工艺来制造，第一层的厚度在0.01到0.06毫米之间，并且由硅基陶瓷制成，其中，硅基陶瓷包括环氧硅烷；并且
第二层通过热喷涂工艺来制造，第二层的厚度在0.001到0.005毫米之间，并且由氧化硅制成，其中，氧化硅的结构式为SiOx。
在上述制造方法中，可选地，活塞本体由铝合金制成，第一导热系数在100W/mK到150W/mK之间，并且第一体积比热在1250kJ/m3K到2500kJ/m3K之间；
第二导热系数在0.2W/mK到1.2W/mK之间，并且第二体积比热在1000kJ/m3K到2000kJ/m3K之间。
一种汽油发动机，包括：
缸体，其包括多个燃烧室和汽缸，各个燃烧室和各个汽缸分别连通；以及
多个上述活塞，活塞安装在汽缸中，使得涂层朝向燃烧室；
其中，活塞根据上述制造方法来制造。
附图说明
以下将结合附图和优选实施例来对本申请进行进一步详细描述。本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本申请范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅是意在概念性地表示所描述对象的组成或构造，并可能包含夸张性显示。附图也并非一定按比例绘制。
图1是本申请的用于汽油发动机的活塞的一个实施例的截面示意图。
具体实施方式
以下将参考附图来详细描述本申请的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限制了本申请的保护范围。
首先，需要说明的是，在本文中所提到的顶部、底部、朝上、朝下等方位用语是相对于各个附图中的方向来定义的。这些方位是相对的概念，并且因此将根据其所处于的位置和状态而变化。所以，不应将这些或其他方位用语理解为限制性的。
此外，还应当指出的是，对于本文的实施例中描述或隐含的任意单个技术特征或在附图中示出或隐含的任意单个技术特征来说，这些技术特征(或其等同物)能够继续组合，从而获得未在本文中直接提及的其他实施例。
应当注意的是，在不同的附图中，相同的参考标号表示相同或大致相同的组件。
需要说明的是，本申请的活塞10设计用来在汽油发动机或汽油内燃机中使用。汽油发动机通常可包括多个活塞10。活塞10可以设置在汽油发动机的缸体中，并且活塞10的至少一个表面设置在燃烧室中。例如，在图1的实施例中，活塞10的上表面可设置为朝向燃烧室。因此，气液混合物的燃烧将在活塞10的上表面的上方进行，并且将压力和热量传递到活塞10。
本申请采用导热系数和体积比热来描述材料性质。导热系数又称为导热率，单位为瓦每米度(W/(m·K)，此处的开尔文温度K可用摄氏温度℃代替)。在本文中，导热系数的单位是W/mK。体积比热又称为体积热容量，单位为焦耳每立方米度(J/(m3·K)，此处的焦耳J可用千焦kJ代替，并且开尔文温度K可用摄氏温度℃代替)。在本文中，导热系数的单位是kJ/m3K。
图1示意性地示出了活塞10的一个实施例的截面。活塞10可包括活塞本体100和涂层200等。其中，涂层200可包括第一层210和第二层220等。
活塞本体100可由铝合金材料制成，并且具有大致圆柱形的形状。在发动机的操作过程中，活塞本体100通常会吸收来自燃烧室的热量，并且其自身的温度上升。此外，活塞本体100的热量也会传递到燃烧室中，例如传递给进气冲程中的气体。在图1所示的实施例中，活塞本体100的第一表面101面朝燃烧室。在图示的实施例中，第一表面101示出为大致平坦的。然而，根据实际需要，第一表面101可以是不平坦的，例如具有凸起和凹入的结构。
在一个实施例中，活塞本体100的铝合金材料可具有第一导热系数和第一体积比热。第一导热系数可以是在100W/mK到150W/mK之间，例如可以是128W/mK。第一体积比热可以是在1250kJ/m3K到2500kJ/m3K之间，例如可以是1300kJ/m3K或2500kJ/m3K。
第一层210布置在第一表面101上，并且完全覆盖第一表面101。在一个实施例中，第一层210是电镀层。在一个实施例中，第一层210可包括陶瓷材料，例如硅基陶瓷。硅基陶瓷可以包括环氧硅烷。在一个实施例中，第一层210的厚度T1可以是在0.01到0.06毫米之间，例如0.01毫米、0.02毫米、0.03毫米、0.04毫米、0.05毫米或0.06毫米。
第二层220可布置在第一层210上，使得第一层210位于第二层220与活塞本体100之间。第二层220可以是热喷涂涂层。在一个实施例中，第二层220可包括氧化硅，例如氧化硅的结构式为SiOx。因此，第二层220又称为氧化硅涂层。在一个实施例中，第二层220的厚度T2可以是在0.001到0.005毫米之间，例如0.001毫米、0.002毫米、0.003毫米、0.004毫米或0.005毫米。
涂层200整体可以具有第二导热系数和第二体积比热。第二导热系数可以是在0.2W/mK到1.2W/mK之间，例如0.9W/mK。第二体积比热可以是在1000kJ/m3K到2000kJ/m3K之间，例如1600kJ/m3K。
与现有技术相比，本申请的涂层200可提供更小的体积比热。例如，现有的活塞涂层的体积比热可以是大约5500kJ/m3K。本申请的涂层200所具有的第二体积比热显著地小于现有活塞涂层的体积比热，因此能够提供更快的温度改变和温度跟踪能力。
在一个实施例中，第二导热系数可以是小于或等于第一导热系数的1％。在一个实施例中，第二体积比热可以是小于或等于第一体积比热的125％，并且第二体积比热显著地小于现有技术中的活塞涂层的体积比热。因此，涂层200所具有的第二导热系数远远小于活塞本体100所具有的第一导热系数，因此提供了绝热能力。涂层200所具有的第二体积比热与活塞本体100所具有的第一体积比热大致是同一数量级的。涂层200的第二体积比热特性和第二导热系数特性互相配合，共同达到本申请的技术效果。
涂层200较低的第二体积比热能够提供改善的温度追随性。例如，在进气冲程期间，涂层200的温度可以快速下降到进气温度，从而防止来自活塞本体110的热量对进气空气进行加热，保障了进气效率。此外，在做功冲程期间，涂层200的温度可以快速上升到燃气温度。
涂层200较低的第二导热系数起到绝热的作用，以至少部分地阻止来自活塞本体100的热量传递到燃烧室。无论在进气冲程还是在做功冲程，涂层200的非常低的第二导热系数阻止或降低热量向活塞本体100的传递，使得活塞本体100的温度不会发生非期望的变化。
在一个实施例中，第二层220对第一层210和活塞本体100的第一表面101起到了密封的效果。因此，第二层220又称为密封涂层。在一个实施例中，第二层220是均匀地涂覆的。在一个实施例中，第一层210通过电镀也获得大致均匀的厚度。
通过采用上述活塞，汽油发动机的燃烧效率得到提高，热损失有效地减少，并且还降低了颗粒物排放。在一个实施例中。汽油发动机的热量损失显著降低，汽油发动机的热效率提高了至少1％，并且颗粒物排放降低了至少20％。此外，本申请的活塞10还有助于降低汽油发动机的油耗。
本申请还提供一种制造方法，其用于制造上文记载的活塞。该制造方法可包括：活塞本体110的第一表面101上设置第一层210；在第一层210上进一步设置第二层220。第一层210和第二层220共同构成了涂层200。
第一层210可采用电镀工艺来设置，并且第二层220可采用热喷涂工艺来设置。第一层210和第二层220各自的厚度可通过制造过程中的工艺参数来调节。在制造完毕之后，第一层210位于活塞本体110的第一表面101与第二层220之间。第一层210和第二层220的材料、厚度和特性可参见上文记载的内容。
本申请还提供一种汽油发动机，其包括：缸体，其包括多个燃烧室和多个汽缸；以及多个上文描述的活塞10。燃烧室和汽缸可以是一一对应地布置并且互相连通。活塞10可以安装在汽缸中，使得第一表面101朝向燃烧室。更具体地，第一表面101上布置的第一层210和第二层220朝向燃烧室，并且第二层220直接地与燃烧室中的气体、燃料或气液混合物接触。在一个实施例中，活塞10可根据上文描述的制造方法来制造。
本申请的用于汽油发动机的活塞及其制造方法具有简单可靠、制造方便、安全性能良好等优点。通过采用本申请的用于汽油发动机的活塞，发动机的热效率得到提升，并且排放水平得到改善。
本说明书参考附图来公开本申请，并且还使本领域中的技术人员能够实施本申请，包括制造和使用任何装置或系统、选用合适的材料以及使用任何结合的方法。本申请的范围由请求保护的技术方案限定，并且包含本领域中的技术人员想到的其他实例。只要此类其他实例包括并非不同于请求保护的技术方案字面语言的结构元件，或此类其他实例包含与请求保护的技术方案的字面语言没有实质性区别的等价结构元件，则此类其他实例应当被认为处于由本申请请求保护的技术方案所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于汽油发动机的活塞，其特征在于，包括：
活塞本体，其包括面朝燃烧室的第一表面，其中，所述活塞本体具有第一导热系数和第一体积比热；
涂层，其布置在所述第一表面上，其中，所述涂层具有第二导热系数和第二体积比热；并且
其中，所述第二导热系数小于或等于所述第一导热系数的1％，并且所述第二体积比热小于或等于所述第一体积比热的125％。
2.根据权利要求1所述的用于汽油发动机的活塞，其特征在于，所述涂层包括第一层和第二层，其中，所述第一层直接地布置在所述第一表面上，并且所述第二层布置在所述第一层上，使得所述第一层位于所述第一表面与所述第二层之间。
3.根据权利要求2所述的用于汽油发动机的活塞，其特征在于，所述第一层的厚度在0.01到0.06毫米之间，并且由硅基陶瓷制成，其中，硅基陶瓷包括环氧硅烷。
4.根据权利要求2所述的用于汽油发动机的活塞，其特征在于，所述第二层的厚度在0.001到0.005毫米之间，并且由氧化硅制成，其中，氧化硅的结构式为SiOx。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于汽油发动机的活塞，其特征在于，所述活塞本体由铝合金制成，所述第一导热系数在100W/mK到150W/mK之间，并且所述第一体积比热在1250kJ/m3K到2500kJ/m3K之间。
6.根据权利要求5所述的用于汽油发动机的活塞，其特征在于，所述涂层通过电镀和/或热喷涂工艺制成，所述第二导热系数在0.2W/mK到1.2W/mK之间，并且所述第二体积比热在1000kJ/m3K到2000kJ/m3K之间。
7.一种用于汽油发动机的活塞的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在活塞本体的第一表面上设置第一层；
在所述第一层上设置第二层，使得所述第一层和所述第二层共同组成涂层；
其中，所述活塞本体具有第一导热系数和第一体积比热，并且所述涂层具有第二导热系数和第二体积比热；并且
其中，所述第一导热系数小于或等于所述第二导热系数的125％，并且所述第一体积比热小于或等于所述第二体积比热的1％。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述第一层通过电镀工艺来制造，所述第一层的厚度在0.01到0.06毫米之间，并且由硅基陶瓷制成，其中，硅基陶瓷包括环氧硅烷；并且
所述第二层通过热喷涂工艺来制造，所述第二层的厚度在0.001到0.005毫米之间，并且由氧化硅制成，其中，氧化硅的结构式为SiOx。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述活塞本体由铝合金制成，所述第一导热系数在100W/mK到150W/mK之间，并且所述第一体积比热在1250kJ/m3K到2500kJ/m3K之间；
所述第二导热系数在0.2W/mK到1.2W/mK之间，并且所述第二体积比热在1000kJ/m3K到2000kJ/m3K之间。
10.一种汽油发动机，其特征在于，包括：
缸体，其包括多个燃烧室和汽缸，各个燃烧室和各个汽缸分别连通；以及
多个根据权利要求1-6中任一项所述的活塞，所述活塞安装在所述汽缸中，使得所述涂层朝向所述燃烧室；
其中，所述活塞根据权利要求7-9中任一项所述的制造方法来制造。
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