专利名称：具有防积碳部件的发动机的制作方法
技术领域：
本实用新型总的涉及内燃机，尤其涉及一种可减少内燃机内发动机部件积 碳的方法。
背景技术：
众所周知，内燃机内油的变质和燃烧过程会导致碳粒沉积物积聚(有时被 称为结碳)在发动机部件的表面，影响发动机和部件的性能。事实上，发动机 部件上的结碳会降低燃油经济性，增加不必要的排放，甚至会导致发动机动力 的降低。特别是会在由发动机活塞限定的环槽上出现结碳，环槽中放置的活塞 环用来密封活塞的环形侧面和气缸套之间的空隙。环槽上的结碳会改变活塞环 的位置，从而增大气缸套和活塞环之间的张力。在极端的情况下，会阻塞活塞， 有潜在地导致发动机发生故障的危险。而且，发动机活塞环状表面的结碳会使其与气缸套接触。当活塞作往复运 动时，活塞环会在燃烧过程中在活塞一气缸套区域对燃烧区域加以密封。而且， 活塞环会从曲轴箱把油带到活塞一气缸套区域的顶端，形成一层很薄的油膜对 气缸套和活塞环之间的相对运动加以润滑。在活塞一气缸套区域的结碳会导致 更多的油被带到燃烧室，而这些油是不必要的。剩余的油会干扰燃油的燃烧， 导致燃油的效率降低。此外，燃烧室内多余的油甚至会导致更多的结碳和不必 要的排放。油导致的积碳会更多的发生在发动机部件上而不是活塞上。例如， 一个油 冷器包括有冷却剂流经的管束。当热油流经管束时，热油会形成沉淀附着在冷 却管上。沉积物会降低管子的寿命，并降低油和冷却剂之间的热传递效率。近些年来，工程师已经在不对发动机做出很大改变的情况下，想出各种方法来限制结碳和沉积。例如，己经将防碳涂层，诸如1998年6月30日授予波 特等人的美国专利No. 5771873中描述的涂层，应用到与燃烧室相邻的和/或在 燃烧室内部的发动机部件表面。波特的防碳涂层是一种非晶碳氢化合物薄膜涂 料，其被认为可以防止结碳，因为该涂料对会形成沉积的化学物质而言是惰性的。按照上述专利的描述，非晶碳氢化合物薄膜涂料可以用在进气阀、排气阀、 燃油喷射器和活塞这些暴露于燃烧室的表面。然而，非晶碳氢化合物薄膜涂料 是脆性的，可能无法承受在活塞往复运动时活塞环和活塞的环形表面之间的一 定的运动或冲击。因此，非晶碳氢化合物薄膜涂料不适合某些发动机部件，例 如活塞的环状表面。本实用新型所揭示的内容旨在克服一个或多个上述问题。实用新型内容本实用新型的目的在于，提供用于发动机的防积碳部件，其通过在至少一 个表面张力相对高的表面上附着一表面张力相对低的涂层而提高发动机的寿 命和性能。根据本实用新型的一个方面，提供了一种带有至少一个防积碳部件的发动 机，其包括附连于发动机壳体或位于发动机壳体内部的至少一个发动机部件。 该发动机部件包括至少一个表面张力相对高的表面，该表面是一个非接触磨损 表面，并附着有一个表面张力相对较低的涂层。表面张力相对低的涂层具有至少小于或等于30达因/厘米的表面张力。根据本实用新型的另一个方面，在发动机部件的至少一个非接触磨损表面 上的积碳，可以通过将一种表面张力相对低的材料涂敷在发动机部件的一个表 面张力相对高的表面而减少。表面张力相对低的材料包括至少小于或等于30 达因/厘米的表面张力。根据本实用新型的又另一个方面， 一种防积碳发动机活塞包括一个活塞本 体，该活塞本体包括至少一个表面张力相对高的表面。该表面张力相对高的表 面是一个非接触磨损的表面，其附着有表面张力相对低的涂层，该涂层具有至 少小于或等于30达因/厘米的表面张力。本实用新型的优点在于，在不需要对发动机进行昂贵的改装的情况下，可 利用涂层来防止积碳的不利后果，如降低燃料效率、縮短发动机的使用寿命、 以及可能导致发动机故障。总的来说，可以在不对发动机进行很大改变的情况 下，通过防积碳部件显著地提高发动机寿命和性能。
图1是根据本实用新型的发动机的示意图；图2是位于图l所示的发动机气缸内活塞的局部截面图；以及图3是图1所示发动机的油冷器的正视剖面图。
具体实施方式
如图1所示，其示出了根据本实用新型的发动机10。发动机10包括一个 发动机壳体ll,至少附连或放置了两个防碳发动机部件。尽管防碳发动机部件 最好是一个发动机活塞15和/或油冷器16，其中油冷器包括至少一个冷却剂管 (如图3所示)，但值得重视的是，本实用新型涵盖了有各种其他防碳发动机 部件的发动机，其中包括任何合适的非磨损表面。发动机壳体11限定了至少一个发动机气缸14，其中至少设置一个燃烧室 12。发动机活塞15与一个曲轴(未示出)联接并且可以在发动机气缸14的下 死点和上死点之间运动。 一个油冷器16和发动机壳体11相连。油冷器16包 括一个冷却器壳体17，其限定了油入口 18和油出口 19。流经油冷器16的油 会流过多个冷却剂管的外表面，这些冷却剂管的表面通常是铜质的，其中有冷 却剂流过。冷却剂吸收油的热量。因此，从出口 19流出的油温度低于从入口 18流入的油的温度。如图2所示，其是位于图1所示的发动机10的发动机气缸14内的活塞15 的局部截面图。图2是发动机气缸14内的活塞一气缸套区域21的放大图。较 佳的是， 一个发动机气缸套13被定位在限定了气缸14的发动机壳体11和活 塞15之间，并包括一个环形内表面26。活塞15包括一个本体29，本体至少 有一个表面张力相对高的表面，最好是环状侧面22。活塞本体29可能由各种 各样的材料组成，如一种已知的钢合金。该领域的专业人员会认识到钢和/或 铁部件用于发动机结构有高的表面张力， 一般大于1000达因/厘米。本体29 上局部地限定有一个空腔28，油可以在其中流动，并且将限定了燃烧室12的 一部分的活塞15的顶面(图1中未示出)与活塞15的底面27分离开。在所 示实施例中，油从油罐流到空腔28和活塞一气缸套区域21。环状侧面22上限定了多个环状槽23，其中包括第一槽23a、第二槽23b 和第三槽23c。第一、第二、第三活塞环25a、 25b和25c对应放置在第一、第 二、第三槽23a、 23b和23c内。每个活塞环25a-c的外表面20均与气缸套13 的内表面26接触。因此，每个活塞环25a-c的外表面20和气缸套13的内表 面26是接触磨损表面。本领域的技术人员应该会理解，气缸套13和活塞环25a-c之间的张力是这样设计的，S卩，使活塞15能够按要求在上死点和下死点 之间运动，并使各活塞环可以为燃烧室提供有效的密封。当活塞15从下死点 移动到上死点时，活塞环25a-c会把油从靠近底面27的活塞一气缸套区域带 到靠近顶面的活塞一气缸套区域，形成一层薄的油膜可以用来对活塞环25a-c 和气缸套13之间的接触加以润滑。本领域的技术人员应该理解，这三个活塞 环25a-c的形状并不相同，它们共同将燃烧室12与活塞一气缸套区21密封， 并将热量从活塞15传导到气缸套13并保持活塞一气缸套区21内的油润滑。 第三活塞环25c形成一个开口28'，油可以从这里流回油罐。活塞15的环状侧面还包括多个区域24a-d，它们把活塞环25a-c以及活塞 15的顶面和的底面27相互分开。各区域24a-d不接触气缸套13的内表面26。 因此，各区域24a-d和环状槽23a-c是无接触磨损表面。一个表面张力较低的涂层30的表面张力小于或等于30达因/厘米，其附 着于环状侧面22。尽管涂层30最好附着在活塞15的环状侧面22上，但应该 理解，本实用新型考虑到可以将涂层30附着在易于形成积碳的任何发动机部 件上。因此，涂层30对于任何不在碳燃烧温度下的发动机部件的非接触磨损 表面都是适用的。尽管涂层30可以包含各种表面张力不大于30达因/厘米的 材料，如镍一磷，但表面张力相对低的涂层30最好包括镍聚四氟乙烯(PTFE)。 镍可形成一种金属基体，聚四氟乙烯分散在该基体中。镍基体为涂层30提供 了结构的完整性，而聚四氟乙烯给予它低的表面张力。本领域的技术人员应该 理解，聚四氟乙烯(PTFE)和任何"特氟隆"系列的化合物(包括但不限于PTFE、 FEP、 PFA和ETFE)都可以被沉积在镍基体中，并赋予涂层30低的表面张力。 PTFE的表面张力为18达因/厘米，任何"特氟隆"系列的化合物都含有16-22 达因/厘米的表面张力。本领域的技术人员还应该理解，镍基体的表面张力较 PTFE大。因此，涂层30的表面张力会随着镍在涂层30中的含量的不同而不同， 但在所有的实施例中，表面张力都小于30达因/厘米。因为碳的表面张力约为 40-56达因/厘米，故使涂层30会排斥而不是吸附积碳物。涂层30优选地包括非电镀(electroless)的镍磷聚四氟乙烯(PTFE)。 尽管非电镀镀镍槽是在活塞15上涂敷涂层30的可取方法，但本实用新型还是 考虑了其它方法，例如电解电镀槽。尽管沉积在镍中的PTFE在非电镀的镍磷 聚四氟乙烯中按体积计的范围为10-33%，但非电镀镍磷聚四氟乙烯中最好是 包括按体积计18 — 22%的PTFE。本领域的技术人员应该理解，由于采用非电镀槽工艺，PTFE遍布整个涂层30的含量变化范围为18-22%， 10%是非电镀 槽工艺的一般技术精度。18-28%的范围可以在维持涂层30的镍基体整体结构 的同时，充分地给予PTFE表面张力以排斥积碳物。尽管本领域的技术人员应该理解镍一聚四氟乙烯涂层30的厚度可以达到 25微米，但镍一聚四氟乙烯涂层的厚度通常为5-15微米。在本实用新型所取 的实施例中，活塞15上的涂层30厚度为5-7微米，不会使活塞15在安装前 后几何尺寸有所不同。在这种较佳的厚度下，涂层30不会影响活塞15的冷却。如图3所示，其是图l所示发动机10内的发动机油冷器16的正视剖面图。 多个管子31按传统方式安装在油冷却器壳体17内。本领域的技术人员应该理 解，可以采用不同材料和不同数量的冷却管。但是在该例中，冷却剂管31是 以表面张力高的铜为材料的，其表面张力约为1830达因/厘米。各管子31安 装于挡板32，挡板部分地延伸过多个管子31的横截面。虽然挡板32可以有各 种数量，但图示的油冷器16有5个挡板。当把多个管子31安装在冷却器壳体 17内时，会形成一个曲折的油路，其开始于入口 18结束于出口 19，绕过挡板 32并经过各管子31。每一个冷却剂管31均包括表面张力相对高的表面，即管 子31的外表面34。在本例中，外表面34是铜质的。将表面张力相对低的涂层 30附着于管子31的外表面34。本领域的技术人员会应该理解，涂敷在活塞15 和管束31上的涂层30的厚度可以是不同的，以便不削弱热传递。尽管涂层30 一般的涂敷厚度为5-15微米，但涂敷在管子31上的涂层30在不影响油冷器 16几何尺寸和运行的情况下也要充分考虑到排斥积碳。工业应用情况如图l-3所示，本文讨论了一种降低内燃机10内的发动机部件15、 16上 的积碳的方法。尽管分别讨论了这种方法在活塞15和油冷器16的非接触磨损 表面22和34的应用，但应该理解，本实用新型可以同样用来降低任何易于形 成积碳的发动机部件上的积碳。包含有非接触磨损表面且达不到可以燃烧碳的 温度的发动机部件会易于产生积碳。非接触磨损表面即发动机活塞15的环状 侧面22上的积碳，可以通过在环状侧面涂上表面张力相对低的材料(最好是 镍一聚四氟乙烯)来加以减少。尽管PTFE可赋予涂层30低至18达因/厘米的 表面张力，但镍基体可提供涂料结构的完整性，所以涂料30可以承受气缸套 14内由于活塞15的运动和燃油燃烧所导致的各种情况。镍是热导体，不会削200620116410.3说明书第6/7页弱活塞15的冷却过程。为了覆盖活塞15的环状表面，涂层30最好涂敷于活塞15的整个外表面， 包括活塞环25a-c的表面。把整个活塞放入本领域常用的一个非电镀镀镍槽。 最好用框架式冲铣(rack processing)来保证活塞区域24a-d和槽23a-c被 涂料30充分覆盖。非电镀的镀镍是基于被镀表面的镍离子的催化还原，不需 要外部电源。本领域的技术人员应该理解，镀槽的化学特性，例如温度、PH值 以及表面活性剂等，在非电镀镀槽内需要正确地保留，而镍基的PTFE和磷的 共同沉积则是本领域众所周知的。较佳的是，和PTFE共同沉积的磷的浓度在 7-10%之间。然而，如果表面张力相对低的涂层30包括非电镀的镍磷而不是 非电镀的镍磷PTFE，则非电镀镍磷会含有高达13%的尽管非电镀镀镍槽是镀活塞15的可取方法，但镍—PTFE也可以通过本领 域常用的电解法涂敷于活塞15。电解法是利用电流将电解电镀槽中的镍盐还原 成在被镀表面沉积的金属镍。PTFE会和镍共同沉积在活塞15的表面。尽管电 解电镀槽是非电镀槽的一种取代方法，但仍然推荐非电镀工艺。非电镀的镍一 磷PTFE是非晶体，而镍一PTFE是晶体结构。非晶的非电镀镍一磷PTFE更可取， 这是因为它比晶体镍一PTFE的惰性更强。而且，非电镀的镍一磷PTFE包括会 诱发非电镀镍的非晶性质的磷，并且可以加强涂层30的防积碳的性能。此外， 涂层30的非电镀沉积不需要外部电流。因为活塞15上的非电镀镍一磷PTFE 涂层30较佳的是采用5-7微米的厚度，故不会使得活塞15在镀敷前后的几何 尺寸发生变化和/或在被用于发动机10中之前发生阻塞。应该理解，油冷器的 管子31也可以应用上述的非电镀镍或者电解法来加以涂敷。特别是图2中，当活塞15在气缸套14内在上死点和下死点之间作往复运 动时，暴露在燃烧室12内的活塞15的顶端面上的涂层30可能会由于燃油燃 烧所产生的热量而燃烧。本领域的技术人员应该理解，PTFE的熔点是327'C。 但是，由于活塞15的环状表面22没有暴露在燃烧室12而且有冷却剂流经活 塞15的空腔28，因此燃烧产生的热量不会引燃环形表面22上的区域24a-d以 及环状槽23a-c上的涂层30。因此，当由于燃烧产生的碳接触环形表面22上 的涂层30时，碳会被表面张力相对低的涂层30加以排斥。碳的表面张力要高 于非电镀镍一磷PTFE涂层30。因为碳不会附着在活塞区域24a-d上，故就不 会有结碳物干扰活塞一气缸套区域21内油的流动。当活塞15从下死点移动到 上死点时，活塞环20会把油从活塞一气缸套区21的底端带到活塞一气缸套区921的顶端，在活塞一气缸套区域21内形成一层薄的油面。多余的油不会进入 燃烧室12。而且，由于碳不会附着在环状槽23a-c上，故活塞环25a-c和气缸 套13之间的张力会比较少地受到积碳的负面影响，使得活塞环25a-c沿着薄 层油膜按照设计参数运动。但是，活塞环25a-c相对于气缸套13的运动可能 会导致活塞环25a-c相对于环形表面22产生一定的运动或冲击。因为涂层30 包括镍基体的强度，故涂层30不会受到活塞环的一定的运动或者冲击的负面 影响。特别如图3所示，在发动机10运行时，油在发动机10内再循环。当油流 经发动机10时，油吸收了发动机运转所产生的热量。为了冷却循环油，使油 流经油冷器16。当油流经镀有表面张力相对低的涂层30的管子31时，悬浮在 油中的碳会被排斥而不是附着在涂层30上。因此，油不会留下会影响管子31 寿命并干扰管子31中的冷却剂和油之间的热交换的积碳物。管子31中的冷却 剂会吸收油中的热量，从而冷却油。本实用新型的优越性在于，在不需要对发动机10进行昂贵的改装的情况 下，可利用涂层30防止结碳和积碳的不利后果，如降低燃料效率、縮短发动 机的使用寿命、以及可能导致发动机故障。通过分别对活塞15和冷却管31镀 上坚硬的、表面张力相对低的涂层30，可以排斥分别在活塞15和冷却剂管31 的非接触磨损表面22、 34上的积碳。非电镀镍基体内的18-28%的PTFE可以 实现一个低表面张力和结构完整性的折衷。在不影响涂敷在发动机气缸14上 的涂料30所要求的镍基体的结合强度的情况下，PTFE赋予涂层30较低的表面 张力。涂层30可以承受当活塞15往复运动时活塞环25a-c和环状表面22之 间的运动和负荷。而且，涂层30，如它在油冷器16中的应用所证明的那样， 可以发现其在不同环境下的应用。除此之外，由于活塞15的整个表面被镀上 了非电镀镍一磷PTFE，故涂层30可以作为磨损表面的低摩擦涂层，例如覆盖 到活塞15底端的活塞销接触区域。总的来说，有可能在不对发动机IO进行很 大改变的情况下通过防积碳部件来提高发动机寿命和性能。上述说明应该理解为仅仅以描述为目的而不是限制本实用新型的范围。本 技术领域内的技术人会从附图、公开内容和附加的权利要求应该理解到本实用 新型的其它方面，目的以及优越之处。
权利要求1. 一种具有防积碳部件的发动机，所述发动机包括一发动机壳体；至少一个发动机部件，其附连于发动机壳体，并位于发动机壳体内部，其特征在于，所述至少一个发动机部件包括至少一个表面张力相对高的表面，该表面张力相对高的表面是一非接触磨损表面；以及一表面张力相对低的涂层，其附着于所述发动机部件的所述至少一个表面张力相对高的表面，并具有至少小于或等于30达因/厘米的表面张力。
2. 如权利要求1所述的具有防积碳部件的发动机，其特征在于，所述发 动机部件包括在一燃烧室内的至少一个活塞和至少一个油冷器的冷却剂管。
3. 如权利要求1所述的具有防积碳部件的发动机，其特征在于，所述表 面张力相对低的涂层包括镍一聚四氟乙烯。
4. 如权利要求3所述的具有防积碳部件的发动机，其特征在于，所述表 面张力相对低的涂层包括非电镀的镍磷一聚四氟乙烯。
5. 如权利要求4所述的具有防积碳部件的发动机，其特征在于，所述发 动机部件包括油冷器的至少一个冷却剂管；以及所述表面张力相对高的表面是所述至少一个冷却剂管的外表面。
6. 如权利要求4所述的具有防积碳部件的发动机，其特征在于，所述发 动机部件包括一燃烧室内的一活塞，以及所述活塞的表面张力相对高的表面包括一个环状侧面。
7. 如权利要求6所述的具有防积碳部件的发动机，其特征在于，所述涂 层至少小于或等于7微米。
8. —种防积碳的发动机部件，包括一活塞本体，其特征在于，所述活塞本体包括至少一个表面张力相对高的 表面，该表面是非接触磨损表面；以及一表面张力相对低的涂层，其覆盖所述至少一个表面张力相对高的表面， 并具有至少小于或等于30达因/厘米的表面张力。
9. 如权利要求8所述的防积碳的发动机部件，其特征在于，所述表面张 力相对低的涂层包括镍一聚四氟乙烯。
10. 如权利要求9所述的防积碳的发动机部件，其特征在于，所述表面张力相对低的涂层包括非电镀的镍磷一聚四氟乙烯。
11. 如权利要求10所述的防积碳的发动机部件，其特征在于，所述至少 一个表面张力相对高的表面包括一个环状侧面。
12. 如权利要求11所述的防积碳的发动机部件，其特征在于，所述至少一个表面张力相对低的涂层的至少小于或等于7微米。
专利摘要碳在发动机部件上的沉积会对发动机性能产生负面影响。本实用新型所述的发动机包括至少一个附连于发动机壳体的防积碳发动机部件。发动机部件包括至少一个表面张力相对高的表面，该表面是一个非接触磨损表面，并附着有一个表面张力相对较低的涂层。表面张力相对低的涂层的表面张力小于或等于30达因/厘米。
文档编号F02F3/10GK201083161SQ200620116410
公开日2008年7月9日 申请日期2006年5月18日 优先权日2005年5月18日
发明者H·埃比-阿卡, J·R·阿加玛, K·C·凯利, M·W·雅瑞特, 蒋向阳 申请人:卡特彼勒公司