无通道的钢制活塞绝缘层制造技术

提供了一种无通道钢制活塞(10，1)，旨在提高发动机的热效率、燃油消耗和性能。活塞(10，1)包括钢主体部分和施加在上部燃烧表面(16)和/或环形带(32)的热障层(12，32)，以减少从燃烧室传递到主体部分的热量。热障层(12，32)的导热率低于钢主体部分的导热率。热障层(12，32)通常包括陶瓷材料，例如二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆、和/或二氧化铈稳定的氧化锆和氧化钇稳定的氧化锆的混合物，其量为基于陶瓷材料的总重量的90至100重量％。热障层(12，32)还可以具有梯度结构，该梯度结构从100重量％的金属粘结材料逐渐过渡到100重量％的陶瓷材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无通道的钢制活塞绝缘层相关申请的交叉引用本申请要求2016年2月22日提交的美国临时专利申请号62/298,024和2017年2月20日提交的美国专利技术专利申请号15/436,966的权益，其全部内容通过引用整体而并入本文。
本专利技术总体上涉及用于内燃机的活塞，以及制造活塞的方法。
技术介绍
发动机制造商遇到了日益增长的提高发动机效率和性能的需求，包括但不限于改善燃料经济性、减少油耗、改进燃料系统、增加缸膛内的压缩载荷和工作温度、减少通过活塞的热损失、改善零部件的润滑、降低发动机重量并使发动机更紧凑，同时降低与制造相关的成本。虽然希望增加燃烧室内的压缩载荷和工作温度，但仍然需要将活塞的温度保持在可工作的限度内。因此，尽管希望增加燃烧室内的压缩载荷和工作温度，但是实现这一目标需要进行权衡，因为这些希望的“增加”限制了活塞压缩高度以及整体活塞尺寸和质量可以降低的程度。这对于具有封闭或部分封闭的冷却通道的典型活塞结构来说，降低活塞的工作温度尤其麻烦。由于用于将上部和下部结合在一起的连接工艺，制造具有沿着接合连接结合在一起以形成封闭或部分封闭的冷却通道的上部和下部的活塞，其成本通常增加。此外，发动机重量可以降低的程度受到用钢制造上述“含冷却通道(coolinggallery-containing)”活塞的需求的影响，因此它们能够承受施加在活塞上的机械载荷和热载荷的增加。最近，已经开发出没有冷却通道的单件式钢制活塞，并且可以将其称为“无通道”活塞。这种活塞可减轻重量、降低制造成本并降低压缩高度。无通道活塞由冷却油喷嘴喷雾冷却、轻微喷雾仅用于润滑或者不喷洒任何油。由于没有冷却通道，这种活塞通常比具有传统冷却通道的活塞承受更高的温度。高温会导致钢制活塞的上部燃烧表面氧化或过热，这会导致连续的活塞破裂并可能导致发动机故障。高温还会导致沿着活塞的顶部底面区域的油劣化，例如在喷洒冷却或润滑油的燃烧碗下面。由于高温引起的另一个潜在问题是冷却油可以在冷却或润滑油与活塞顶部底面接触的区域中产生厚的碳层。该碳层可能导致活塞过热而可能发生破裂，从而可能导致发动机故障。然而，还认识到活塞的高表面温度可以提高发动机的热效率，从而允许发动机的更好的燃料消耗。
技术实现思路
本专利技术的一个方面提供了一种用于内燃机的无通道钢制活塞，其设计用于提高发动机的热效率、燃料消耗和性能。活塞包括由钢制成的主体部分。主体部分包含包括顶部底表面的上壁，当从活塞的下侧观察时顶部底表面暴露，并且上壁包括与顶部底表面相对的上部燃烧表面。环形带从上壁悬垂并围绕活塞的中心纵向轴线周向延伸，一对活塞销凸台从上壁悬垂，并且一对裙板从环形带悬垂并连接到活塞销凸台。将热障层施加到上部燃烧表面的至少一部分和/或环形带的至少一部分上，以防止来自燃烧室的热量进入活塞的钢主体部分，并且热障层的导热率低于主体部分的钢的导热率。本专利技术的另一方面提供一种制造无通道活塞的方法。该方法包括将热障层施加到活塞的主体部分的上部燃烧表面的至少一部分和/或环形带的至少一部分上。活塞的主体部分由钢制成，并且热障层的导热率低于主体部分的钢的导热率。主体部分包括上壁和顶部底表面，上壁包括上部燃烧表面，顶部底表面从活塞的下侧暴露。环形带从上壁悬垂并围绕活塞的中心纵向轴线周向延伸，一对活塞销凸台从上壁悬垂，并且一对裙板从环形带悬垂并连接到活塞销凸台。附图说明当结合以下详细描述和附图考虑时，将更容易理解本专利技术的这些和其他方面、特征和优点，其中：图1是根据本专利技术的示例性实施例构造的活塞的仰视透视图；图2是本专利技术的示例性实施例的大致横向于活塞的销孔轴线截取的横截面图；图3是图2的一部分的放大视图，示出了施加到活塞的上部燃烧表面的热障层；以及图4是根据本专利技术的另一个实施例构造的活塞的示例，其中活塞不包括顶部底面凹穴。具体实施方式图1和2示出了根据本专利技术的示例性实施例构造的活塞10的视图，活塞10用于在内燃机(例如现代的、紧凑的、高性能的车辆发动机)的缸膛或腔室(未示出)中往复运动。如图3所示，热障层12(也称为绝缘层)施加到活塞10的上部燃烧表面16，以提高发动机的热效率、燃料消耗和性能。活塞10构造成具有由单件钢材料形成的整体式主体，例如通过机械加工、锻造或铸造，如果需要，之后可以进行精加工，以完成构造。因此，活塞10不具有结合在一起的多个部件，例如彼此连接的上部件和下部件，这对于具有由冷却通道底板限定或部分限定的封闭或部分封闭的冷却通道的活塞是常见的。相反，活塞10是“无通道的”，因为它没有限定或部分限定冷却通道的冷却通道底板或其他特征。由钢制成的主体部分坚固且耐用，以满足现代高性能内燃机的高性能要求，即升高的温度和压缩载荷。用于构造主体的钢材料可以是诸如SAE4140等级的合金或不同的合金，这取决于特定发动机应用中活塞10的要求。由于活塞10是无通道的，最小化活塞10的重量和压缩高度(CH)，从而允许其中部署有活塞10的发动机实现减轻的重量并且使其更紧凑。此外，即使活塞10是无通道的，活塞10在使用期间也可以充分冷却以承受最严苛的工作温度，或者可选地在没有油冷却的情况下使用。活塞10的主体部分具有提供上壁14的上部头部或顶部部分，这提供了上部燃烧表面16，其从活塞10的下侧直接暴露于内燃机的缸膛内的燃烧气体。在示例性实施例中，上部燃烧表面16包括环形第一部分18和第二部分20，环形第一部分18形成为沿上壁14的外周延伸的基本上平坦的表面，第二部分20形成燃烧碗。形成燃烧碗的上部燃烧表面16的第二部分20通常具有从平坦的第一部分18悬垂的非平坦的、凹入的或起伏的表面。活塞10还包括顶部底表面24，顶部底表面24形成在上壁14的下侧，与上部燃烧表面16的第二部分20直接相对并且在环形带32的径向内侧。顶部底表面24优选地位于距燃烧碗的最小距离处，并且基本上是位于燃烧碗直接相对侧的表面。当从底部直接观察活塞10时，顶部底表面24在此限定为除了销孔40之外可见的表面。顶部底表面24也从活塞10的下侧暴露。顶部底表面24通常形成为与上部燃烧表面16的燃烧碗配合。从活塞10的下侧观察，顶部底表面24也是敞开暴露的，并且它不受封闭或部分封闭的冷却通道、或者倾向于在顶部底表面24附近保留油或冷却液的任何其他特征所限界。由于活塞10沿着顶部底表面24没有冷却通道，因此相对于包括封闭的冷却通道的活塞，活塞10的重量和相关成本降低。在示例性实施例中，其中活塞10设计用于柴油发动机，上壁14的环形第一部分18形成上壁14的外周并围绕形成燃烧碗的第二部分，其由此悬垂。因此，在示例性实施例中，包括燃烧碗的第二部分20凹入上部燃烧表面16的最上面的第一部分18的下方。第二部分20的燃烧碗也在环形第一部分18的相对侧之间连续地延伸穿过中心轴线30并且横跨活塞10的整个直径。在示例性实施例中，燃烧碗包括在环形第一部分18的相对侧之间连续延伸的凹表面。或者，燃烧碗壁可以是波状外形的，例如为了提供上顶点，也称为中心顶点(未示出)，其可以沿着活塞10的中心轴线30同轴地放置，或者可以相对于活塞中心轴线30轴向偏移。根据另一个实施例，第一部分18位于第二部分20下方，第二部分20向上鼓起并凸出。该设计可用于天然气发动机或任何其他类型的发动机。活塞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无通道活塞，包括：由钢制成的主体部分，所述主体部分包含包括顶部底表面的上壁，当从所述活塞的下侧观察时，所述顶部底表面暴露，所述上壁包括与所述顶部底表面相对的上部燃烧表面，从所述上壁悬垂并围绕所述活塞的中心纵向轴线周向延伸的环形带，从所述上壁悬垂的一对活塞销凸台，以及从所述环形带悬垂并连接到所述活塞销凸台的一对裙板，施加到所述上部燃烧表面的至少一部分和/或所述环形带的至少一部分上的热障层，所述热障层的导热率低于所述主体部分的所述钢的导热率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.22 US 62/298,024;2017.02.20 US 15/436,9661.一种无通道活塞，包括：由钢制成的主体部分，所述主体部分包含包括顶部底表面的上壁，当从所述活塞的下侧观察时，所述顶部底表面暴露，所述上壁包括与所述顶部底表面相对的上部燃烧表面，从所述上壁悬垂并围绕所述活塞的中心纵向轴线周向延伸的环形带，从所述上壁悬垂的一对活塞销凸台，以及从所述环形带悬垂并连接到所述活塞销凸台的一对裙板，施加到所述上部燃烧表面的至少一部分和/或所述环形带的至少一部分上的热障层，所述热障层的导热率低于所述主体部分的所述钢的导热率。2.根据权利要求1所述的无通道活塞，其中所述热障层包括陶瓷材料。3.根据权利要求2所述的无通道活塞，其中所述热障层的所述陶瓷材料包括二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆、二氧化铈稳定的氧化锆和氧化钇稳定的氧化锆的混合物中的至少一种。4.根据权利要求3所述的无通道活塞，其中所述热障层的所述陶瓷材料包括基于所述陶瓷材料总重量的90至100重量％的二氧化铈。5.根据权利要求4所述的无通道活塞，其中所述陶瓷材料的所述二氧化铈在21℃下具有10E-6至11E-6的热膨胀系数，以及所述主体部分的所述钢在21℃下具有11E-6至14E-6的热膨胀系数。6.根据权利要求3所述的无通道活塞，其中所述热障层的所述陶瓷材料包括基于所述陶瓷材料总重量的90至100重量％的二氧化铈稳定的氧化锆。7.根据权利要求3所述的无通道活塞，其中所述热障层的所述陶瓷材料包括基于所述陶瓷材料总重量的90至100重量％的二氧化铈/氧化钇稳定的氧化锆。8.根据权利要求3所述的无通道活塞，其中所述陶瓷材料的导热率小于1W/m·K。9.根据权利要求1所述的无通道活塞，其中所述热障层具有梯度结构。10.根据权利要求9所述的无通道活塞，其中所述热障层包括施加到所述上部燃烧表面和/或所述环形带的金属粘结材料，以及所述热障层从基于所述热障层的总重量100重量％的所述金属粘结材料逐渐过渡到100重量％的陶瓷材料，以及所述热障层的最上部分完全由所述陶瓷材料形成。11.根据权利要求10所述的无通道活塞，其中所述陶瓷材料包括二氧化铈、二氧化铈稳定的氧化锆、以及二氧化铈稳定的氧化锆和氧化钇稳定的氧化锆的混合物中的至少一种，并且所述金属粘结材料包括钢或超合金。12.根据权利要求10所述的无通道活塞，其中所述金属粘结材料由基于所述金属粘结材料总重量的100重量％的量的金属组成，所述陶瓷材料由基于所述陶瓷材料总重量的100重量％的量的所述陶瓷组成，所述热障层仅由所述金属粘结材料和所述陶瓷材料组成。13.根据权利要求1所述的无通道活塞，其中所述热障层的厚度小于500微米。14.根据权利要求1所述的无通道活塞，其中所述主体部分由单件所述钢制成，多个支柱将所述裙板连接到所述活塞销凸台上，所述主体部分具有沿着所述顶部底表面延伸并被所述裙板和所述支柱和所述活塞销凸台包围的内部顶部底面区域，一对顶部底面凹穴沿着所述顶部底表面延伸，每个顶部底面凹穴由所述活塞销凸台中的一个和所述裙板中的一个围绕，并且所述支柱将所述一个活塞销凸台连接到所述一个裙板上，并且所述主体部分不具有冷却通道底板或沿着所述顶部底表面限定或部分限定冷却通道的其他特征。15.根据权利要求1所述的无通道活塞，其中所述主体部分由单件所述钢制成，所述钢在21℃时的热膨胀系数范围为11E-6至14E-6，多个支柱将所述裙板连接到所述活塞销凸台上，所述主体部分具有沿着所述顶部底表面延伸并被所述裙板和所述支柱和所述活塞销凸台包围的内部顶部底面区域，一对顶部底面凹穴沿着所述顶部底表面延伸，每个顶部底面凹穴由所述活塞销凸台中的一个和所述裙板中的一个围绕，并且所述支柱将所述一个活塞销凸台连接到所述一个裙板上，并且所述主体部分不具有冷却通道底板或沿着所述顶部底表面限定或部分限定冷却通道的其他特征，所述上部燃烧表面包括环形第一部分和第二部分，所述环形第一部分形成为沿所述上壁的外周延伸的基本上平坦的表面，所述第二部分形成燃烧碗，所述上部燃烧表面的所述第二部分具有从所述第一部分悬垂的非平坦的、凹入的或起伏的表面，所述环形带包括上部平台和多个环形槽，用于容纳一个或多个相应的活塞环，所述上部平台从所述上部燃烧表面延伸到所述环形槽的最上面的一个，所述活塞销凸...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·G·施耐德，
申请(专利权)人：费德罗莫格尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US