具有带绝缘涂层的顶部底表面的活塞及其制造方法与流程

本申请要求2016年5月19日提交的美国临时专利申请号为62/339,053和2017年5月18日提交的美国发明申请号为15/598,564的权益，并且将其全部内容通过引用并入此申请中。

本发明总体涉及用于内燃机的活塞，以及制造该活塞的方法。

背景技术：

内燃机中使用的活塞(例如重型柴油机活塞)在运行中暴露在极高的温度下，特别是沿活塞的冠部。为了维持燃烧室内可用的燃料能量和高气体温度，并实现更高的发动机制动热效率(bte)，发动机和活塞制造商通常试图控制冠部的温度，并降低从燃烧室到冠部的热损失。

为了调节冠部的温度，一些活塞在冠部的下方设计有冷却通道，其中当活塞沿发动机的缸膛往复运动时，冷却油喷洒到冷却通道中和顶部底表面上。油沿冷却通道的内表面流动并从冠部散发热量。但是，为了在运行中控制活塞的温度，必须不断维持油的高流动性，这增加了寄生损耗，随即降低了发动机燃油效率。此外，由于内燃机的高温，该油随时间而降解，并从而必须定期更换油以维持足够的发动机寿命。而且，当活塞冷却通道和/或顶部底面温度长时间暴露在高温下时，油以更高的速率趋于焦化，并且产生的焦化油沉积物可以积聚在冷却通道的内表面和/或顶部底面上。

控制冠部温度的另一方式是设计具有包含冷却剂介质的密封冷却通道的活塞，当暴露在高温下时，该冷却剂介质比油更耐热。美国专利9,127,619公开了包括密封冷却通道的活塞示例，该冷却通道部分填充了包含具有高导热性的金属颗粒的液体。当活塞在内燃机中往复运动时，液体携带金属颗粒穿过冷却通道，而该金属颗粒将热量从冠部带走。金属颗粒可以重新分配热流，并从而还减少了冷却通道沉积物和油降解。

然而，发动机和活塞制造商不断努力开发新的和改进的方法来降低顶部底面和/或冷却通道表面的温度，减少冷却通道和/或顶部底表面上的焦化油沉积物和碳的积聚，减少发动机油的降解，并延长所需的发动机油更换之间的时间间隔。

技术实现要素：

本发明的一方面提供一种用于内燃机的活塞，该活塞减少了沿活塞的冷却通道和顶部底面的至少一个内表面的表面温度和表面沉积物，并且减少了冷却油降解的趋势。

提供一种用于内燃机的活塞。该活塞包括沿中心纵向轴线延伸的金属活塞体，该活塞在内燃机的缸膛内沿中心纵向轴线往复运动。活塞体具有形成上部燃烧表面的上部燃烧壁，该上部燃烧表面用于直接暴露到缸膛内的燃烧气体和与上部燃烧表面相对的顶部底表面上。环形环带区域从上部燃烧表面悬垂用于容纳至少一个活塞环，而一对裙板从环带区域悬垂以便于在缸膛内引导活塞。一对活塞销凸台从顶部底表面悬垂，具有沿销孔轴线对准的一对横向间隔开的销孔，用于容纳活塞销。活塞体的顶部底表面形成中心顶部底表面，以及开放的外部冷却通道、密封的外部冷却通道或外部无通道区域的一部分，其中绝缘涂层施加到顶部底表面的至少一个部分上。

根据本发明的另一方面，绝缘涂层具有热传导率，该热传导率小于活塞体的热传导率。

根据本发明的另一方面，绝缘涂层由陶瓷基材料或聚合基材料中的一种形成。

根据本发明的另一方面，绝缘涂层可以由包括二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆和二氧化铈/氧化钇稳定的氧化锆中的至少一种的陶瓷基材料形成。

根据本发明的另一方面，基于陶瓷基材料的总重量，绝缘涂层可以包括90～100重量％的二氧化铈。

根据本发明的另一方面，基于陶瓷基材料的总重量，绝缘涂层可以包括90～100重量％的二氧化铈稳定的氧化锆。

根据本发明的另一方面，基于陶瓷基材料的总重量，绝缘涂层可以包括90～100重量％的二氧化铈/氧化钇稳定的氧化锆。

根据本发明的另一方面，基于陶瓷基材料的总重量，约50重量％的氧化锆可以由二氧化铈稳定，而约50重量％的氧化锆可以由氧化钇稳定。

根据本发明的另一方面，金属基粘接材料可以夹在金属活塞体与绝缘材料之间，以促进绝缘材料粘接到金属活塞体上。

根据本发明的另一方面，金属基粘接材料可以由相同类型的金属形成为金属活塞体。

根据本发明的另一方面，金属基粘接材料可以由超合金构成。

根据本发明的另一方面，金属基粘接材料可以形成从100％金属基粘接材料到100％陶瓷基材料的梯度过渡。

根据本发明的另一方面，绝缘涂层可以具有小于1w/m·k的热传导率。

根据本发明的另一方面，活塞可以形成具有开放的冷却通道，该冷却通道具有用于将油喷洒到开放的冷却通道的入口和用于将油排出开放的冷却通道的出口，其中将绝缘涂层施加到开放的冷却通道的至少一部分上。

根据本发明的另一方面，活塞可以形成具有封闭的冷却通道，其中将绝缘涂层施加到封闭的冷却通道的至少一部分上。

根据本发明的另一方面，活塞可以形成具有外部无通道区域，其中将绝缘涂层施加到外部无通道区域的至少一部分上。

根据本发明的另一方面，提供一种用于内燃机的活塞的制造方法。该方法包括形成沿中心纵向轴线延伸的金属活塞体，该活塞在内燃机的缸膛内沿中心纵向轴线往复运动，并形成具有提供上部燃烧表面的上部燃烧壁的活塞体，该上部燃烧表面用于直接暴露到缸膛内的燃烧气体上与上部燃烧表面相对的顶部底表面上，以及提供与上部燃烧表面相对的顶部底表面。进一步地，为活塞体提供从上部燃烧表面悬垂的环形环带区域，用于容纳至少一个活塞环。进一步地，为活塞体提供从环带区域悬垂的一对裙板，以促进在缸膛内引导活塞。进一步地，为活塞体提供从顶部底表面悬垂的一对活塞销凸台，以提供沿销孔轴线对齐的一对横向间隔开的销孔，用于容纳活塞销。进一步地，形成顶部底表面以提供中心顶部底表面和开放的外部冷却通道的一部分、密封的外部冷却通道的一部分或外部无通道区域的一部分。进一步地，将绝缘涂层施加到顶部底表面的至少一个部分上。

根据本发明的另一方面，该方法包括提供具有热传导率的绝缘涂层，该热传导率小于活塞体的热传导率。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括提供为陶瓷基材料或聚合基材料中的一种的绝缘涂层。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括提供由包括二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆和二氧化铈/氧化钇稳定的氧化锆中的至少一种的陶瓷基材料形成的绝缘涂层。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括基于陶瓷基材料的总重量，提供包括90～100重量％的二氧化铈的绝缘涂层。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括基于陶瓷基材料的总重量，提供包括90～100重量％的二氧化铈稳定的氧化锆的绝缘涂层。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括基于陶瓷基材料的总重量，提供包括90～100重量％的二氧化铈/氧化钇稳定的氧化锆的绝缘涂层。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括基于陶瓷基材料的总重量，提供由二氧化铈稳定的约50重量％的氧化锆，以及由氧化钇稳定的约50重量％的氧化锆。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括在金属活塞体与绝缘材料之间的夹层关系中施加金属基粘接材料，以促进绝缘材料粘接到金属活塞体上。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括提供由相同类型的金属形成为金属活塞体的金属基粘接材料。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括提供由超合金构成的金属基粘接材料。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括施加金属基粘接材料以形成从100％金属基粘接材料到100％陶瓷基材料的梯度过渡。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括提供具有小于1w/m·k的热传导率的绝缘涂层。

根据本发明的另一方面，活塞可以形成具有开放的冷却通道，该冷却通道具有用于将油喷洒到开放的冷却通道的入口和用于将油排出开放的冷却通道的出口，其中将绝缘涂层施加到开放的冷却通道的至少一部分上。

根据本发明的另一方面，活塞可以形成具有封闭的冷却通道，其中将绝缘涂层施加到封闭的冷却通道的至少一部分上。

根据本发明的另一方面，活塞可以形成具有外部无通道区域，其中将绝缘涂层施加到外部无通道区域的至少一部分上。

附图说明

当结合以下详细的说明书、所附的权利要求书和附图考虑时，将更容易理解本发明的这些和其他方面、特征和优势，其中：

图1是根据本发明的一个方面构造的活塞的双截面侧视图，图中示出了大致横向于轴线a左侧的销孔轴线截取，并且示出了大致沿轴线a的右侧的销孔轴线截取；

图1a是根据本发明的另一方面构造的活塞的类似图1的视图；

图2是根据本发明的另一方面构造的活塞的类似于图1的视图；

图3是根据本发明的另一方面构造的活塞的类似于图1的视图；以及

图4a-4d描述了由于示例性实施例的冷却通道和顶部底表面上的绝缘涂层获得的表面温度的显示实例的曲线图。

具体实施方式

更详细地参考附图，图1、1a-3例示了根据本发明的不同示例性实施例的用于内燃机的相应活塞20、20'、20”、20”'。以下使用相同附图标记识别相同的特征探讨活塞20、20'、20”、20”'。活塞20、20'、20”、20”'的每个具有由金属材料(例如，沿中心轴线a延伸的钢)形成的主体22，在使用中活塞20、20'、20”、20”'沿中心轴线a从上端24到下端26往复运动。活塞20、20'、20”、20”'的主体22包括上部燃烧壁29的上端24处的冠部28，其中该冠部28在使用中直接暴露在燃烧室和其中的热气体中，其中燃烧碗30悬垂在其中。

在示例性实施例中，主体22的燃烧碗30具有围绕中心轴线a的顶点区域31、围绕中心轴线a的凹面的，环形碗状谷区域33以及围绕谷33的碗边35。环形环带32从冠部28悬垂以呈现多个环槽37，该环槽37背向中心轴线a并围绕中心轴线a周向延伸。

活塞20、20'、20”、20”'进一步包括具有一对活塞销凸台34的下部，每个活塞销凸台34从冠部28悬垂，具有沿垂直于中心轴线a延伸的销孔轴线38彼此对齐的销孔36，用于容纳活塞销(未示出)。主体22还包括一对直径方向相对的裙板40，该裙板40从冠部28悬垂并沿销孔轴线38的相对侧部分地围绕中心轴线a的圆周方向延伸。裙板40通过支柱部分42连接到活塞销凸台34上。需要注意的是，活塞20、20'、20”、20”'的主体22可以包括除图1、1a-3中所示的各种其他设计和特征。

活塞20的主体22的下部在从冠部28的上部燃烧壁29的相对侧处还具有顶部底表面44，并面向燃烧碗30的相对面。活塞20可以选择性地包括除如图1、1a所示的顶部底表面44外的外部冷却通道46。在这些实施例中，外部冷却通道46与环形带32相邻地设置成径向对齐或与其基本径向对齐(基本旨在表示至少部分外部冷却通道46与环带32径向对齐，而部分可以不与环带32径向对齐)，其中冷却通道46围绕中心轴线a周向延伸。如图1所示，外部冷却通道46可以密封以包含其中的冷却介质，该冷却介质可以是固体、液体和/或气体。根据一个实施例，密封的外部冷却通道46可以用空气填充。另外，如图1a所示，外部冷却通道46可以是开放的，从而包括入口和出口开孔48、49，从而来自曲轴箱的冷却油可以进入并离开外部冷却通道46(例如，通过喷洒到入口开孔48并允许离开出口开孔49。如果需要，入口和出口开孔48、49可以是密封的(例如，塞子、粘合剂、焊接或)，其中所需的冷却介质设置在其中，以形成图1的密封冷却通道。

在图1和1a的实例中，活塞20、20'包括顶部底表面44的中心部分，该顶部底表面44沿中心轴线a定位并由密封的或开放的外部冷却通道包围。顶部底表面44的中心部分是开放的，并显示直接位于燃烧碗30的顶点区域31的对面，从而来自曲轴箱的冷却油可以喷洒或溅射在顶部底表面44的中心部分。但是，顶部底表面44的中心部分可以可选择地封闭或密封，避免直接暴露在曲柄轴区域。顶部底表面44的其他部分由与谷区域33相对的开放的或密封的外部冷却通道46的最上表面形成。

在图2的示例性实施例中，活塞20”不包括封闭的或密封的外部冷却通道，而是包括开放的外部无通道区域46”和顶部底表面44的中心部分，其均沿活塞20”的下部开放地暴露出来。开放的无通道区域46'显示为仅沿活塞20”的一对直径方向相对区域延伸，其中区域中的一个沿与其大体平行并大体横向于推力轴线38'的销孔轴线38的一侧延伸，而另一个区域沿与其大体平行并大体横向于推力轴轴线38'的销孔轴线38的另一侧延伸。因此，形成开放的无通道区域46'以沿销孔轴线38的相对侧延伸，从裙板40径向向内延伸，并与环带32径向对齐或基本径向对齐。在图2的实施例中，顶部底表面44的其他外部区域由外部无通道区域46'的最上表面形成，位于销孔36上方并延伸至环带32的活塞销凸台34的部分是固体活塞体材料。顶部底表面44的中心部分和顶部底表面44的外部部分从中心轴线a延伸到与裙板40轴向对齐的环带32区域。

在图3的实施例中，活塞20”'与活塞20”相类似；但是，不是在活塞销凸台34上方具有完全固体的活塞体部分并且与活塞销凸台34轴向对齐，延伸到环带32，凹穴或第二开放的外部无通道区域46”位于活塞销凸台34的径向外侧，并与环带32相邻并径向对齐。因此，通过由第一和第二无通道区域46'、46”提供的组合的周向连续配置，第二开放的外部无通道区域46”允许增强环带区域32的整体或基本整体冷却。在图3的实施例中，通过同燃烧碗30的谷区域33大体相对的开放的无通道区域46'、46”的最上表面/部分与同燃烧碗30的顶点区域31相对的顶部底表面44的中心部分的组合来提供顶部底表面44。

在顶部底表面44的至少一部分上施加绝缘涂层50，并从而通过外部冷却通道46、和/或外部无通道区域46'、46”、和/或顶部底表面44的中心区域提供至少一个顶部底面外部区域，以降低由此覆盖的表面的温度，并从而减少碳沉积和油焦化。施加至少一层绝缘涂层50，但是可以施加多层以降低表面粗糙度、填补孔隙并生成防粘结特性以减少碳沉积和油焦化。绝缘涂层50具有的热传导率小于用于形成活塞20、20'、20”、20”'的金属材料的热传导率。各种不同组合物可以用于形成绝缘涂层50。通常，绝缘涂层50由聚合物基、陶瓷基或其他低热传导率材料构成。

在一个示例性实施例中，绝缘涂层50包括聚合物基材料，该聚合物基材料包括环氧树脂、酚醛树脂、含氟聚合物和硅氧烷材料中的至少一种。聚合物基材料通常具有低于活塞材料的热传导率。应该意识到的是，两种或多种上述聚合物基材料的任何所需组合可以彼此组合使用。

在另一示例性实施例中，绝缘涂层50包括陶瓷材料，特别是二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆和二氧化铈/氧化钇稳定的氧化锆中的至少一种。陶瓷材料具有较低热传导率(例如小于1w/m·k)。在陶瓷材料中使用的二氧化铈使得绝缘涂层50在发动机的高温、高压和其他严苛条件下更稳定。陶瓷材料的组合物还使得其比其他陶瓷涂层更不易受化学侵蚀的影响，例如，还可以使用由氧化钇稳定的氧化锆形成的涂层，但是该涂层在柴油内燃机中更容易分层、因热效应和化学侵蚀而不稳定。二氧化铈和二氧化铈稳定的氧化锆在这样的热和化学条件下稳定得多。二氧化铈具有与用于形成活塞体22的钢材料类似的热膨胀系数。室温下二氧化铈的热膨胀系数在10e-6至11e-6的范围，而室温下钢的热膨胀系数在11e-6至14e-6的范围。类似的热膨胀系数有助于避免产生应力裂缝的热失配。

在一个实施例中，基于陶瓷材料的总重量，用于形成绝缘涂层50的陶瓷材料包括90～100重量％的二氧化铈。在另一示例性实施例中，基于陶瓷材料的总重量，陶瓷材料包括90～100重量％的二氧化铈稳定的氧化锆。在另一示例性实施例中，基于陶瓷材料的总重量，陶瓷材料包括90～100重量％的二氧化铈/氧化钇稳定的氧化锆。在这个实施例中，基于陶瓷材料的总重量，约50重量％的氧化锆可以由二氧化铈稳定，而约50重量％的氧化锆可以由氧化钇稳定。

绝缘涂层50可以以梯度结构施加以避免不连续的金属/陶瓷界面。梯度结构有助于减轻由热失配积累的应力，并减少在粘接材料/陶瓷界面处形成连续弱氧化物边界层的趋势。换句话说，梯度结构避免了尖锐的界面。从而，绝缘涂层50在使用中不易脱粘。

绝缘涂层50的梯度结构通过首先将金属粘接材料施加到顶部底表面44的至少一部分来形成，该顶部底表面44的至少一部分通过中心部分或顶部底表面44、和/或外部冷却通道46、和/或外部无通道区域46'、46”提供。金属粘接材料的组合物可以与用于形成活塞20、20'、20”、20”'的主体22的材料相同，例如钢粉。可选择地，金属粘接材料可以包括高性能超合金(例如用于喷射涡轮涂层的材料)。梯度结构由从100％金属粘接材料到100％陶瓷材料逐渐过渡形成。绝缘涂层50包括金属粘接材料，该金属粘接材料施加到顶部底表面44的所需的一个或多个部分上，并随后增加陶瓷材料的量并以及减少金属粘接材料的量。绝缘涂层50的最上部分形成整个陶瓷材料。

已发现绝缘涂层50与钢活塞体22粘附良好。但是，对于附加机械锚固、断裂的边缘(凹穴、凹槽)、圆形边缘和/或倒角可以沿顶部底表面44机加工。这些特征有利于避免绝缘涂层50中的应力集中，并避免可以导致绝缘涂层50失效的尖角或边缘。机加工的凹穴或凹槽将绝缘涂层50机械地锁定在适当的位置，进一步降低了分层失效的可能。

绝缘涂层50可以降低顶部底表面44的温度，并从而降低活塞20、20'、20”、20”'的主体22的下部的温度。绝缘涂层50还可以最小化沉积物，最小化发动机中的油降解，并/或降低穿过活塞20、20'、20”、20”'的热流。当将绝缘涂层50施加到顶部底表面44而不是燃烧碗表面30时，其降低了由高温和高温变化造成的降解的风险。图4a-4d包括示出由于绝缘涂层50而在活塞20、20'、20”、20”'中实现的降低的热传递和温度的示例的曲线图。

本发明的另一方面提供了一种制造包括绝缘涂层50的活塞20、20'、20”、20”'的方法。通常由钢形成的活塞20、20'、20”、20”'的主体22可以根据各种不同方法制造，例如锻造或铸造。活塞20、20'、20”、20”'的主体22还可以包括各种不同的设计，并且设计的示例显示在图1、1a-3中。

该方法进一步包括将绝缘涂层50施加到顶部底表面44的至少一部分，该顶部底表面44的至少一部分包括顶部底表面44的中心部分的至少一部分、和/或外部冷却通道46的至少一部分、和/或第一和/或第二开放的外部无通道区域46'、46”的至少一部分。各种不同的方法可以用于施加绝缘涂层50。例如，绝缘涂层50可以喷涂、电镀、浇铸、或以任何方式永久地附接到活塞20、20'、20”、20”'的钢主体22。

在一个实施例中，绝缘涂层50通过热喷涂来施加。例如，方法可以包括通过热喷涂技术(例如等离子喷涂)施加金属粘接材料和陶瓷材料。高速氧燃料(hvof)喷涂是一种提供致密涂层的代替方案，但其是更昂贵的工艺。还可以使用将绝缘涂层50施加到活塞20、20'、20”、20”'的其他方法。

示例方法开始于基于绝缘涂层50的总重量，喷涂100重量％的金属粘接材料和0重量％的陶瓷材料。在整个喷涂过程中，当金属粘接材料的量减少时，越来越多的陶瓷材料添加到组合物中。从而，绝缘涂层50的组合物从活塞体22处的100％金属粘接材料逐渐变化为绝缘涂层50的最上表面处的100％陶瓷材料。多种粉末进料机通常用于施加绝缘涂层50，并且调节其进料速率以实现梯度结构。优选地，绝缘涂层50施加小于500微米的厚度。绝缘涂层50的梯度结构在热喷涂过程中实现。

在施加绝缘涂层50之前，促进机械锁定并减少应力上升的断裂的边缘或特征可以机加工到活塞20、20'、20”、20”'的顶部底表面44中，绝缘涂层50施加到该活塞20、20'、20”、20”'的顶部底表面44上(例如，通过旋转、研磨或任何其他合适的手段)。随后在溶剂中冲洗顶部底表面44以去除污染物。方法还可以包括喷砂处理该表面以改善绝缘涂层50的附着。

鉴于上述教导，本发明的许多修改和变体是可行的，并且在保留在本权利要求的范围内的情况下，可以以不同于具体描述的方式来实施。可以预期，所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这种组合不会相互矛盾。