带有抗积碳涂料的活塞及其制造方法
【专利说明】带有抗积碳涂料的活塞及其制造方法
相关申请的引用
[0001]本申请要求申请号为13/786，156，申请日为2013年3月5日的美国专利申请的优先权，并将其全部内容合并入本案。
技术领域
[0002]本发明涉及内燃机，尤其是活塞及其制造方法。
【背景技术】
[0003]发动机生产商们正面临日益增长的提高发动机效率和性能的需求，包括但不限于，提高燃油经济性，提高燃料燃烧率，减少油耗，以及为能在汽车内使用暖气而提高排气温度。为了实现这些目标，发动机燃烧室内的运行温度需要提高。然而，尽管希望提高燃烧室内的温度，但仍旧需要使活塞保持在一适合工作的温度。因此，已知在活塞头内具有内部和外部的冷却沟道，包含封闭和敞开状态，发动机油在活塞头中循环用来降低活塞头的运转温度。外部的冷却沟道在包括一环形槽区域的活塞上部位置循环，而内部的冷却沟道通常位于活塞头顶部燃烧面的下方，其通常被称为活塞顶内，通常包括一内凹的燃烧碗。因此，活塞环带区域和燃烧面都从循环油的冷却行为中受益。然而，过久的接触高温表面的结果就是循环油开始降解和氧化。因此，就会在活塞上部和顶内表面形成积碳。由于碳不断的形成，就会在各自表面上产生一隔离层。因此，循环油的冷却效果就会减弱，进而导致表面的氧化和腐蚀，以及上部和燃烧表面区域的过度回火。因此，活塞材料的机械性能就会被减弱，进而导致裂纹的形成，尤其在应力集中的区域，例如燃烧碗边缘。
[0004]按照本发明制造的活塞通过减少油沉渣在冷却油接触的表面的积累克服由于形成积碳所带来的上述缺点。因此，按照本发明制造的活塞实现了提高运转效率，在使用过程中保持基材的强度和持久性以及提高使用寿命。
【发明内容】
[0005]按照本发明的一个方面，提供了一种内燃机用活塞。该活塞包括一个配置成在气缸孔中与燃烧气体直接接触的顶部燃烧表面的活塞本体，这个气缸孔上有一顶内表面位于顶部燃烧表面的下面。该活塞本体还包括一设置为容纳至少一个活塞环的环带区域，该环带区域与顶部燃烧表面相邻，该本体上还有一径向向内并与环带区域大致径向对齐布置的冷却沟道。该活塞进一步包括一种结合或涂覆于至少一个顶内表面和至少一部分冷却沟道的不粘材料，其中该不粘材料抑制积碳在其上的沉积。
[0006]按照本发明的另一个方面，活塞本体包括由第一块材料制造的上顶部和由与第一块材料相独立的第二块材料制造的下顶部。上顶部和下顶部固定在一起且不粘材料涂覆于上顶部和下顶部中至少一个件上。
[0007]按照本发明的另一个方面，不粘材料涂覆于上顶部而下顶部则不使用不粘材料。
[0008]按照本发明的再一个方面，冷却沟道和活塞顶内表面都涂覆有不粘材料。
[0009]按照本发明的又一个方面，活塞本体由钢合金制造，这种钢合金材料中包含有不粘材料成分。
[0010]按照本发明的另一个方面，提供了一种内燃机活塞的制造方法。该方法包括:形成一活塞本体，该本体包含一在气缸孔中与燃烧气体直接接触的顶部燃烧表面，一顶内表面位于顶部燃烧表面的下方；该方法还形成一环带区域设置成至少容纳一个活塞环，该环带区域与顶部燃烧表面相邻；并形成一径向向内并与环带区域大致径向对齐布置的冷却沟道；由一种不粘材料形成至少一个顶内表面和一部分冷却沟道，该不粘材料选自:纯钴、WC - 17Co, Co - 18Cr - 30Mo，或者其它任何包含钴的合金，这种不粘材料能防止积碳沉积。
[0011]按照本发明的另一方面，此方法包括保持下顶部不涂覆不粘材料。
[0012]按照本发明的另一方面，此方法包括将不粘涂料涂覆于活塞顶内表面与至少部分冷却沟道。
[0013]按照本发明的另一方面，此方法包括用含有不粘材料作为其组成成分的钢合金形成活塞本体。
【附图说明】
[0014]为了更清楚地说明本发明的这些和其它方面特征及优点，以下结合较优实施例，最佳方式，附图对本发明进行详细描述，其中:
[0015]图1是按照本发明的一方面制造的活塞沿其销孔轴线的剖视图。
[0016]图2是沿图1所示活塞销孔横向的剖视图。
[0017]图3是按照本发明的另一方面制造的活塞沿其销孔的横向剖视图。
[0018]图4是按照本发明再一方面制造的活塞沿其销孔的横向剖视图。
[0019]图5是按照本发明又一方面制造的活塞沿其销孔的横向剖视图。
[0020]图6是按照本发明的另一方面制造的活塞沿其销轴的剖视图。
【具体实施方式】
[0021]如图所示，图1和图2示出一个根据本发明一个较好的实施例所制造的一个活塞组件，以标记10表示，在气缸孔和内燃机腔室(图未示)中做往复运动，内燃机包括轻型车用柴油机，中型柴油机和重型大孔柴油机，汽油机等。活塞10包括一个活塞本体12，图示为用简单一件式的铸件或者锻造或坯料制成，其沿着一条中心纵轴14延伸，活塞10沿着该轴在气缸孔中做往复运动。活塞本体12有一个顶部燃烧室壁，在该壁的一面上，顶部燃烧表面16直接与气缸孔中的燃烧气体接触，在该壁的反面，顶内表面18轴向位于顶部燃烧表面16的正下方。活塞本体12具有一个邻近顶部燃烧表面16的活塞环带区域20，其中，该环带区域20构成为用于容纳至少一个活塞环(图未示)。活塞本体12包括冷却沟道，作为一个示例，图示为一个封闭的或基本封闭的冷却沟道22。冷却沟道22被设置为在活塞环带区域20的径向内侧并与其径向齐平。活塞10还包括一种不粘涂料24，被涂覆于或结合在中央通道中的至少一个活塞顶内表面18上和至少一部分冷却沟道22上，其中，不粘涂料24防止积碳形成。如果结合到位，不粘涂料24可以通过以下途径涂覆:电镀，热喷涂，PVD，激光熔覆等等，以上仅为举例而非限制。此外，如果活塞或其部分由钢合金制成，该不粘涂料可作为钢合金组合物的组分添加进去(图6)。如此，在具有不粘涂料24的表面，防止包括由循环油导致的积碳等构成的隔离层的形成，因此，在冷却沟道22内和活塞顶内表面18上循环的油得以实现冷却功能，从而提高活塞10的性能并延长其使用寿命。
[0022]活塞本体12包括上顶部区域26和下顶部区域28，下顶部区域28具有一对在顶部区域26下方的活塞销座30，形成一个横向间隔开的销孔32，所述销孔32沿着与中心纵轴14基本垂直的销孔轴34同轴对齐。活塞销座30通过支撑部38与横向间隔开的活塞裙部36连接。两个活塞裙部36在销孔轴34的两边并沿横穿销孔轴的径向间隔开，并具有凸出外表面形状以在气缸孔中配合而保证活塞10在气缸孔内以预期方向做往复运动。
[0023]顶部燃烧表面16呈现为具有一个内凹燃烧碗40，供应汽缸孔所需的气流。至少一部分由于燃烧碗40的缘故，在燃烧碗40、冷却沟道22和活塞顶内表面18之间形成了活塞本体相对较薄的区域。因此，在使用过程中，这些区域需要被恰当的冷却，比如通过在冷却沟道22中流通冷却油和针对活塞顶内表面18在销座30之间设一中央通道。活塞顶内可以通过来自冷却油喷嘴的飞溅油冷却或通过中央通道内的机油冷却。进一步，上顶部区域26的外壁42从顶部燃烧表面16向下延伸。在外壁42上的环带区域20中形成至少一条，图示为多条圆环槽44，用来容纳相应多个活塞环(图未示)，其中活塞环通常可在其各自的圆环槽44中自由移动。正如上述相对薄的区域，在冷却沟道22和环带区域20之间的环形壁也相对薄，因此，在使用过程中也需要适当地冷却。
[0024]在活塞10延长有效的使用寿命期间，为便于顶部燃烧表面16，包括燃烧碗40和环带区域29的恰当冷却，不粘涂料24涂覆或结合于至少一部分冷却沟道22和活塞顶内表面18的表面上。不粘涂料24从能防止在其上形成积碳的材料中选择，这些材料包括:铬，铬-金刚石，镍，类金刚石涂料，铬-氮化物，AlCrN, AlTiN，陶瓷，钴(包括纯钴或钴合金，例如WC -1 7Co, or Co - 18Cr - 30Mo等，此处仅用于举例而非限制)和聚合物材料。在图1和图2所示实施例中:不粘涂料24粘结于界定环形冷却沟道22的全部表面或者仅是沿着该冷却沟道22上部分涂覆，涂料24基本沿着环带区域20的长度方向和燃烧碗40向上延伸的部分延展。这样，避免这些区域积碳的沉积，从而防止了包括由积碳而成的隔离层的形成，该隔离层会降低冷却沟道22中循环油的冷却效果。因此，通过循环油这种方式达到恰当的冷却，活塞本体12所有被冷却的区域的材料因意想不到的高温回火而防止弱化。因此，活塞本体12的材料能保持高强度和防止裂纹蔓延。而且，活塞环和环带44被足够冷却后能防止其上碳的积累，从而使得活塞环按照要求悬浮和发挥功能而不会在各自的环带44中被卡住。
[0025]除了冷却沟道22具有一层不粘涂料24涂覆或结合于其上之外，图示活塞顶内表面18也具有一层不粘涂料24涂覆(图6中活塞10’ )或结合在其上并沿其整个面延展。据此，活塞顶内表面18上防止积碳的沉积，从而防止了由积碳导致的隔离层的形成，而该隔离层会降低对活塞顶内表面18的飞溅油的冷却效果。因此，通过对包括整个燃烧碗40的顶部燃烧表面16的恰当冷却，活塞本体12在这个区域的材料通过意想不到的回火而防止变弱。因此，顶部燃烧表面16的材料能保持高强度和防止裂纹蔓延。
[0026]按照本发明的另一方面制造的活塞110如图3所示，其上的附图标记相应增加100，用来与前述特征以示区别。该活塞110具有一活塞本体112，包含有一顶部燃烧表面116和位于其下方的一活塞顶内表面118，其中顶部燃烧表面116图示为具有一内凹状燃烧碗140。该活塞本体112也包括一环带区域120，该活塞环带区域120邻近顶部燃烧表面116，设置有环带区域120径向内侧并与其基本径向齐平的封闭或基本封闭的冷却沟道112。所示不粘涂料124结合于至少一活塞顶内表面118和至少一部分冷却沟道122上，如上所述，在其上该不粘涂料124防止积碳的