CN106194483A - 一种隔热活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种隔热活塞，包括活塞基体，所述活塞基体的顶部设有用于形成燃烧室的凹槽，所述活塞基体的顶面以及所述凹槽的表面上均设有泡沫金属层。本发明提供的隔热活塞，在活塞基体的顶面以及用于形成燃烧室的凹槽的表面上均设有泡沫金属层，一方面，由于泡沫金属层的比热容较低，在活塞工作过程中泡沫金属层能够储蓄的热量少，因此从燃烧室中吸收的热量少；另一方面，由于泡沫金属层的导热系数较低，因此热量从燃烧室向活塞基体传递的速度慢，从而有效地降低了燃烧室的热损失。

Description

一种隔热活塞

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种隔热活塞。

背景技术

随着发动机排放法规的升级，发动机活塞的燃烧室的温度、压力要求越来越高，特别是以天然气、液化气为燃料的气体发动机，活塞的热负荷更高。活塞的高比热容、高导热系数引起燃烧室中顶部及燃烧室处对流换热显著，导致燃烧室热损失较高、有效输出功率较低。

目前有多种改变活塞导热性的技术。通过活塞整体变更材料或者在活塞表面设计隔热层材料等。比如，采用整体式陶瓷活塞，内燃机的活塞、气缸套、气缸盖底面均采用陶瓷制成，形成导热性很低的燃烧室；在活塞的顶端机械镶嵌隔热陶瓷盖；或者在活塞的顶面喷涂氧化锆、氧化铝陶瓷层，然而涂层的服役寿命较短，直接影响活塞的使用寿命。现有的改善活塞导热性的技术仍然达不到理想的效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中活塞隔热效果差导致内燃机热损失高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种隔热活塞，包括活塞基体，所述活塞基体的顶部设有用于形成燃烧室的凹槽，所述活塞基体的顶面以及所述凹槽的表面上均设有泡沫金属层。

根据本发明，所述泡沫金属层的上表面还设有密封层。

根据本发明，所述密封层采用二氧化硅、碳化硅、聚硅氮烷、氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化铝中的一种或多种制成。

根据本发明，所述密封层的厚度为0.1～0.5mm。

根据本发明，所述泡沫金属层采用闭孔式泡沫金属制成。

根据本发明，所述闭孔式泡沫金属内的气体为氢气。

根据本发明，所述活塞基体和所述泡沫金属层均采用铝硅合金制成。

根据本发明，所述泡沫金属层的孔隙率35％～60％。

根据本发明，所述泡沫金属层的厚度为0.5～10mm。

本发明还提供了一种上述的隔热活塞的制备方法，包括如下步骤：

S1，提供一顶部设有凹槽的活塞基体；

S2，在所述活塞基体的顶部采用浇铸的方式形成泡沫金属层。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明提供的隔热活塞，在活塞基体的顶面以及用于形成燃烧室的凹槽的表面上均设有泡沫金属层，一方面，由于泡沫金属层的比热容较低，在活塞工作过程中泡沫金属层能够储蓄的热量少，因此从燃烧室中吸收的热量少；另一方面，由于泡沫金属层的导热系数较低，因此热量从燃烧室向活塞基体传递的速度慢，从而有效地降低了燃烧室的热损失。

附图说明

图1是本发明实施例提供的隔热活塞的结构示意图。

图中：1：活塞基体；2：顶面；3：凹槽；4：泡沫金属层；5：密封层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种隔热活塞，包括活塞基体1，活塞基体1的顶部设有用于形成燃烧室的凹槽3，本实施例中凹槽3优选为“ω”型，活塞基体1的顶面2以及凹槽3的表面上均设有泡沫金属层4。泡沫金属材料孔隙中存在有低导热系数的空气介质，其导热性随孔隙率的增加而呈指数下降的趋势，一般的金属或合金的导热系数为10W～300W/(m·K)，而泡沫金属的表现导热系数为金属或合金的0.1～0.01倍。本发明提供的隔热活塞在活塞基体1的顶面2以及用于形成燃烧室的凹槽3的表面上均设有泡沫金属层4，一方面，由于泡沫金属层4的比热容较低，在活塞工作过程中泡沫金属层4能够储蓄的热量少，因此从燃烧室中吸收的热量少；另一方面，由于泡沫金属层4的导热系数较低，因此热量从燃烧室向活塞基体1传递的速度慢，从而有效地降低了燃烧室的热损失。尤其是顶面2与凹槽3的过渡连接处即活塞喉口位置高温燃烧混合气对流容易引起强烈热交换，本发明实施例中设置的泡沫金属层导热系数较低有效地降低了活塞喉口处的热交换，从而有效地降低了活塞喉口处的热损失。

进一步地，本实施例中泡沫金属层4的上表面还设有密封层5。由于泡沫金属层4的孔隙率较高，在高温下泡沫金属层4承受较大的热负荷及热冲击时可能会有出现裂纹的危险，因此，在泡沫金属层4的上表面设置密封层5，一方面可以阻止燃烧室中的燃烧产物碳烟、灰分、有机组分、硫酸盐和金属氧化物等污染物进入泡沫金属层4内，进而有效防止燃烧产物破坏泡沫金属层4的结构；另一方面提高了活塞表面的耐冲击性能，设置的密封层5对泡沫金属层4起到保护的作用，提高活塞的使用寿命。

进一步地，本实施例中的密封层5可以采用二氧化硅、碳化硅、聚硅氮烷、氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化铝中的一种或多种制成。优选地，密封层5可以采用等离子喷涂的方式形成。本实施例中密封层5的厚度优选为0.1～0.5mm，密封层5的孔隙率优选为1％～2％。密封层5的材料优选为二氧化硅，密封层5的导热系数为7.6W/(m·K)，较低的导热系数能有效地降低高温燃烧混合气流引起的强烈热交换，从而降低活塞的热损失。

进一步地，本实施例中的泡沫金属层4采用闭孔式泡沫金属制成。闭孔式泡沫金属的孔隙内存在的气体导热系数低，可以降低泡沫金属层4整体的导热系数。优选地，本实施例中的闭孔式泡沫金属内的气体为氢气，氢气的导热系数仅为0.01～0.04W/(m·K)，能够大幅度地降低泡沫金属层4的导热系数。

进一步地，本实施例中的活塞基体1和泡沫金属层4均采用铝硅合金制成。泡沫金属层4的材料与活塞基体1的材料保持一致，在内燃机循环热负荷作用下，泡沫金属层4的金属骨架材料和活塞基体1材料的热膨胀系数相近，提高了尺寸稳定性，并且泡沫金属层4与活塞基体1的结合强度高，能满足在内燃机循环热冲击条件下的可靠性要求。其中，泡沫金属层4的铝硅合金中Si含量优选为6.5％～13％，保证泡沫金属层4一定的耐冲击性能。

进一步地，本实施例中的泡沫金属层4的孔隙率35％～60％，孔隙的直径优选为0.005mm～0.10mm。也即本实施例中闭孔式泡沫金属内氢气的总体积占整个泡沫金属层4的35％～60％，氢气作为良好的阻热介质，可以起到很好地隔热作用。泡沫金属层4的厚度优选为0.5～10mm，在保证泡沫金属层4具有良好的隔热效果的同时，尽量设置较小厚度的泡沫金属层4节省成本。

本发明还提供了一种上述隔热活塞的制备方法，包括如下步骤：

S1，提供一顶部设有凹槽3的活塞基体1；具体地，本实施例中首先铸造得到铝硅合金的活塞毛坯，然后将活塞的顶面2以及凹槽3的内表面进行机械粗化、刚玉抛丸处理，得到具有粗糙的活塞顶面2及凹槽3内表面的活塞基体1。将活塞基体1的表面进行粗化，有利于泡沫金属层4与活塞基体1的结合，提高两者之间的结合强度。

S2，在活塞基体1的顶部采用浇铸的方式形成泡沫金属层4。具体地，本实施例中首先将铝硅合金进行熔炼，在铝硅合金溶液内加入发泡剂TiH2进行发泡，然后将发泡后的铝硅合金注入活塞基体1顶部的模型中，经冷却、凝固后得到与活塞基体1结合在一起的泡沫金属层4，泡沫金属层4采用闭式泡沫金属制成，孔隙内为氢气。

进一步地，本发明实施例还包括在泡沫金属层4表面采用等离子喷涂的方法形成密封层5。采用等离子喷涂的方法可以得到与泡沫金属层4结合良好的且孔隙率较低的密封层5。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种隔热活塞，其特征在于：包括活塞基体，所述活塞基体的顶部设有用于形成燃烧室的凹槽，所述活塞基体的顶面以及所述凹槽的表面上均设有泡沫金属层。

2.根据权利要求1所述的隔热活塞，其特征在于：所述泡沫金属层的上表面还设有密封层。

3.根据权利要求2所述的隔热活塞，其特征在于：所述密封层采用二氧化硅、碳化硅、聚硅氮烷、氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化铝中的一种或多种制成。

4.根据权利要求2所述的隔热活塞，其特征在于：所述密封层的厚度为0.1～0.5mm。

5.根据权利要求1所述的隔热活塞，其特征在于：所述泡沫金属层采用闭孔式泡沫金属制成。

6.根据权利要求5所述的隔热活塞，其特征在于：所述闭孔式泡沫金属内的气体为氢气。

7.根据权利要求6所述的隔热活塞，其特征在于：所述泡沫金属层的孔隙率35％～60％。

8.根据权利要求1所述的隔热活塞，其特征在于：所述活塞基体和所述泡沫金属层均采用铝硅合金制成。

9.根据权利要求1所述的隔热活塞，其特征在于：所述泡沫金属层的厚度为0.5～10mm。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的隔热活塞的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，提供一顶部设有凹槽的活塞基体；

S2，在所述活塞基体的顶部采用浇铸的方式形成泡沫金属层。