CN105190000A - 带有抗积碳涂料的活塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活塞及其制造方法。该活塞包括具有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，在其下设有一活塞顶内表面。该活塞本体还包括一用于容纳至少一个活塞环的环带区域，其与顶部燃烧表面相邻，该活塞本体具有一在环带区域径向内侧设置并与其径向齐平的冷却沟道。该活塞进一步包括一结合于或被涂覆于至少一活塞顶内表面和至少一部分冷却沟道的不粘材料，该不粘材料抑制其上积碳的形成。

Description

带有抗积碳涂料的活塞及其制造方法

相关申请的引用

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

本发明涉及内燃机，尤其是活塞及其制造方法。

背景技术

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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‐l7Co,Co‐l8Cr‐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。

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。

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。

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

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：

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。

图2是沿图1所示活塞销孔横向的剖视图。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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‐l7Co,orCo‐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。

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。

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防止积碳的形成。

活塞本体112有一被称为上顶部区域126的上部和一被称为下顶部区域128的下部，该下顶部区域延伸到一对销座130，销座上有横向间隔开的销孔132，不同于上述活塞10，上顶部区域126和下顶部区域128是由单独的材料制造，然后通过例如焊接或者其它连接方法相互连接。

第一个焊缝50部分连接了活塞110中单独制造的上顶部126和下顶部128。第一个焊缝50通过该燃烧碗140的环形谷52上方的燃烧碗140的直壁。因此，第一个焊缝50通向该谷52上方的燃烧碗140。除了第一个焊缝通过燃烧碗140的壁之外，第二个焊缝54通过活塞环带区域120的一外壁142。上顶部区域126因此包括一对上连接表面，包括活塞环带区域120的一径向内侧、面朝下的连接面56和一径向外侧、面朝下的上连接面57。同时，下顶部区域128可因此包括一对下连接面，包括一径向内侧、面朝上的下表面58和一径向外侧、面朝上的下连接面59。相关联的上下连接表面56,57,58,59通过以下可选的连接工艺相结合，例如包括：焊接，摩擦焊接，电阻焊接，载荷射线(chargecarrierrays)，电子束焊接，激光焊接，搅拌焊接，钎焊，软焊，冷热扩散等等。

上顶部区域126具有冷却沟道122的上部分，沿着活塞110的中心纵轴114的横截面基本是U型的。下顶部区域128具有冷却沟道122的下部分，沿活塞110中心纵轴114的横截面基本是U型的，顶部燃烧表面116和活塞顶内表面118也是U型的。因此，在连接上顶部区域126和下顶部区域128之前，不粘涂料124可以涂覆于分离的上下部分126,128上的预设表面，包括活塞顶内表面118和/或界定冷却沟道122的一个或两个U型表面，图3所示是两个U型表面均被涂覆。这样，由不粘涂料124在两个U型表面涂覆，整个或者上部冷却沟道122被涂覆，因此，沿着顶部燃烧表面和活塞环带区域120走向的整个竖直表面上都有涂料。于是，在这些区域防止积碳形成隔离层，从而使冷却沟道122中的循环油能适当冷却这些区域。

按照本发明的再一方面制造的活塞210如图4所示，其中附图标记相应增加200，用来与上述相似的特征区别。活塞210具有一活塞本体212，包括一设有内凹燃烧碗240的顶部燃烧表面216和位于该顶部燃烧表面216下方的活塞顶内表面218。活塞本体212还包括一邻近顶部燃烧表面的活塞环带区域220。总的来说，活塞本体212设置成与图3所示的活塞本体112相同，然而，该活塞本体是由单个整体的材料制造的，而不是由两块分离的材料制造的。此外，活塞本体212具有一敞开而非封闭或基本封闭的冷却沟道222，冷却沟道222设成径向向内并与活塞环带区域220基本径向齐平。所述“敞开”表示冷却沟道222在其下部是敞开的，因此不包括先前实施例中所述的底部。不粘涂料如图所示涂覆于活塞顶内表面218和冷却沟道222中的至少一个上，图示两者皆涂，其中不粘涂料224抑制了其上积碳的形成。如图所示，不粘涂料224沿着活塞顶内表面218和冷却沟道222的界面形成一连续不间断的涂层。如果通过热喷涂方式涂覆，涂层会优先涂覆于垂直于喷涂方向的沟道区域。

按照本发明的又一方面制造的活塞310如图5所示，其上附图标记相应增加300，用以与上述相似的特征区别。活塞310具有一活塞本体312，包括一具有内凹燃烧碗340的顶部燃烧表面316和位于顶部燃烧表面316下方的活塞顶内表面318。该活塞本体312也包括一活塞环带区域320，该活塞环带区域320邻近顶部燃烧表面316，该活塞环带区域320设置有一径向向内并与活塞环带区域320基本径向对齐的封闭或基本封闭的冷却沟道322。不粘涂料324如图所示涂覆于活塞顶内表面318和至少一部分冷却沟道322的至少一个上，其中该不粘涂料324如上所述抑制积碳在其上形成。

活塞本体312，如图3中对活塞本体112的讨论示，有一被称为上顶部区域326的上部和一被称为下顶部区域328的下部，该下顶部区域延伸到具有横向间隔开的销孔332的一对销座330。上顶部326和下顶部328由分离的材料制造，然后再相互固定连接。

第一个焊缝350连接了活塞310中分离制造的上顶部326和下顶部328的一部分。然而，与活塞110不同，第一个焊缝350并未通过燃烧碗340的一环形谷352上方的该燃烧碗340的一竖直壁，而是在燃烧碗340下方形成。燃烧碗340完全由上顶部区域326的材料形成，包括该燃烧碗的竖直壁。除了第一个焊缝350之外，第二个焊缝354通过活塞环带区域320的一外壁342。上顶部区域326可因此包括一对上连接表面，包括在燃烧碗340下方的一径向内侧、朝下的连接面356和活塞环带区域320内一径向外侧、朝下的上连接面357。同时，下顶部区域328可因此包括一对下连接面，包括一径向内侧、朝上的下连接面358和一径向外侧、朝上的下连接面359。相关联的上下连接表面356,357,358,359通过以下可选择的连接工艺结合,例如包括：焊接，摩擦焊接，电阻焊接，载荷射线，电子束焊接，激光焊接，搅拌焊接，钎焊，软焊，冷热扩散等等。

上顶部区域326设有冷却沟道322的上部，沿活塞310中心纵轴314的横截面基本为U型。下顶部区域328设有冷却沟道322的下部，沿中心纵轴314的横截面基本为U型。因此，在连接上顶部区域326和下顶部区域328之前，不粘涂料324涂覆于分离的上下部分326,328上预期表面，包括活塞顶内表面318和/或界定冷却沟道322的一个或两个U型表面，图5所示仅为界定冷却沟道322上部的基本呈U型的表面。这样，只有冷却沟道322的上部分，包括沿燃烧碗340延伸的部分涂有涂料，而在下顶部324上的冷却沟道322的下部则保留免于非粘涂料324的涂覆。因此，在制造过程中，非粘涂料324可以涂覆于上部326所需要的表面，而下部328则保留不上涂料。这样，非粘涂料324按需所用而不浪费在不必要的区域。

很显然，根据上述说明，可对本发明作多种修改和变化。因此，可以理解，本发明并不局限于以上特定的描述，而可涵盖所附权利要求范围的所有实现方式。

Claims (18)

1.一种内燃机用活塞，包括：

一活塞本体，具有一顶部燃烧表面，该顶部燃烧表面在气缸孔中与燃烧气体直接接触，且其下方有一活塞顶内表面，该活塞本体还有一环带区域以容纳至少一活塞环并邻近顶部燃烧表面，该活塞本体具有一自环带区域径向向内设置并与其径向对齐的冷却沟道；

一种不粘材料，包含于或结合于形成所述至少一个活塞顶内表面和至少一部分所述冷却沟道的材料上，所述不粘材料包含钴。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述不粘材料结合于活塞顶内表面和至少一部分冷却沟道上。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体由一整块材料制造。

4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述冷却沟道是封闭沟道。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述不粘材料选自：纯钴，WC‐17Co,Co‐18Cr‐30Mo或含钴合金。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体包括由第一块材料制造的上顶部和由第二块材料制造的与上顶部分离的下顶部，所述上顶部被连接到下顶部，所述不粘材料结合在所述上顶部和下顶部中至少一个部件上。

7.根据权利要求6所述的活塞，其特征在于，所述下顶部未结合所述不粘材料。

8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述不粘材料涂覆于所述活塞顶内表面和至少一部分所述冷却沟道上。

9.根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，所述冷却沟道是封闭沟道。

10.根据权利要求6所述的活塞，其特征在于，所述不粘材料涂覆于所述上顶部和下顶部。

11.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体由一种包含所述不粘材料组分的钢合金制成。

12.一种制造内燃机活塞的方法，包括：

形成一活塞本体，该本体包括一顶部燃烧表面，该顶部燃烧表面在气缸孔中与燃烧气体直接接触，其下方有一活塞顶内表面；

形成一环带区域，以容纳至少一活塞环，且该区域邻近顶部燃烧表面；

形成一冷却沟道，该沟道在环带区域径向内侧并与其径向齐平；

采用不粘材料形成至少一活塞顶内表面和至少一部分冷却沟道，该不粘材料选自：纯钴，WC‐17Co,Co‐18Cr‐30Mo或含钴合金。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括使用一整块材料形成活塞本体。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将冷却沟道形成为封闭的沟道并在冷却沟道内涂覆不粘材料。

15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括由分离的材料分别制造上顶部和下顶部并将两者固定连接而形成活塞本体。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括保持下顶部未涂覆不粘材料。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将不粘材料涂覆于活塞顶内表面和至少一部分冷却沟道。

18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括采用含有不粘材料组分的钢合金形成活塞本体。