一种具有陶瓷镶块的隔热活塞制造技术

本实用新型专利技术涉及一种具有陶瓷镶块的隔热活塞，所述活塞包括陶瓷镶块、钎焊层、活塞基体、活塞销、活塞连杆；内部具有隔热孔隙的所述陶瓷镶块通过所述钎焊层焊接设置在所述活塞基体顶面上，所述活塞连杆通过所述活塞销安装在所述活塞基体的活塞内腔内，在所述活塞销的带动下上下运动。本实用新型专利技术的活塞主要应用于高温高压的柴油发动机中，能够在极端恶劣的发动机环境中，有效降低传导至活塞基材的热量，改善活塞的隔热性能和热应力，提高活塞的使用寿命。寿命。寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种具有陶瓷镶块的隔热活塞


[0001]本技术涉及一种活塞，属于内燃机
，尤其涉及一种具有陶瓷镶块的隔热活塞。

技术介绍

[0002]内燃机是当今热效率最高、应用最广泛的动力机械，广泛应用于汽车和非道路移动机械等领域。随着科技的进步，内燃机在重机械方面应用也愈发广泛，并且内燃机也朝着大功率、轻量化等趋势发展，功率的提升使得内燃机缸内的环境不断严峻，普通材质的金属已经不能够承载高温高压的工作环境，利用高强度钢设计的活塞应用过程中由于质量的增加会减小燃油经济性，活塞应该在满足正常工作的情况下同时满足轻量化的要求。在一般的铝合金基材的基础上已经有人尝试运用氧化锆热障涂层等方式来进行活塞的顶面隔热处理，但由于氧化锆本身的易脱落、易产生裂纹等缺陷，使得活塞的寿命往往达不到要求。

技术实现思路

[0003]针对现有发动机缸内活塞的使用寿命问题，本技术提供了一种具有陶瓷镶块的隔热活塞，其通过将陶瓷镶块附着于活塞基体顶面，在达到有效隔热效果的同时提高活塞的使用寿命。
[0004]本技术的具体技术方案如下:
[0005]一种具有陶瓷镶块的隔热活塞，其特征在于，所述活塞包括陶瓷镶块、钎焊层、活塞基体、活塞销、活塞连杆；内部具有隔热孔隙的所述陶瓷镶块通过所述钎焊层焊接设置在所述活塞基体顶面上，所述活塞连杆通过所述活塞销安装在所述活塞基体的活塞内腔内，在所述活塞销的带动下上下运动。
[0006]进一步地，所述陶瓷镶块为氮化硅陶瓷镶块。
[0007]进一步地，所述陶瓷镶块内所述隔热孔隙的分布及形状通过拓扑优化获得。
[0008]进一步地，所述陶瓷镶块中心设有一个所述隔热孔隙，所述陶瓷镶块的四周环绕中心所述隔热孔隙均布多个所述隔热孔隙。
[0009]进一步地，所述陶瓷镶块中心的所述隔热孔隙形状为环绕所述陶瓷镶块中心对称结构。
[0010]进一步地，所述陶瓷镶块四周的多个所述隔热孔隙的孔隙率为10％
‑
30％。
[0011]进一步地，所述钎焊层采用与所述活塞基体和所述陶瓷镶块热力学性能相匹配的钎焊材料焊接形成。
[0012]进一步地，所述活塞基体内所述活塞内腔上方，对称设有多个冷却油道。
[0013]本技术的有益效果：
[0014]本技术的活塞结构简单，设计巧妙，具有耐高温、强度高、质量轻、寿命长等优点，可以满足恶劣的内燃机环境，提高内燃机设备的可靠性。
[0015]本技术的活塞顶部采用陶瓷镶块进行隔热，陶瓷镶块内部的隔热孔隙，配合
活塞的冷却系统，可有效地平衡陶瓷镶块的传热量，降低活塞基体的热应力，达到最佳的隔热效果，有效地提高活塞的使用寿命。同时，通过拓扑优化得到的陶瓷镶块有着更轻的质量，满足活塞轻量化的要求，也提升了内燃机的燃油经济性。
附图说明
[0016]图1为本技术具有陶瓷镶块的隔热活塞结构示意图；
[0017]图2为本技术拓扑优化设计结果；
[0018]图3为本技术拓扑优化活塞模型在热载荷下的温度场分布。
[0019]其中：1
‑
隔热孔隙、2
‑
陶瓷镶块、3
‑
钎焊层、4
‑
活塞基体、5
‑
冷却油道、6
‑
活塞销、7
‑
活塞内腔、8
‑
活塞连杆。
具体实施方式
[0020]为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图及实施例对本技术做进一步详细说明。
[0021]本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
[0022]本技术中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0023]本实施例记载了一种具有陶瓷镶块的隔热活塞，该活塞主要应用于高温高压的柴油发动机中，其根据发动机缸内的传热量和交变压力的需求，通过拓扑优化设计了特定结构的陶瓷镶块，用于取代活塞顶面受热的涂层结构，并通过钎焊的方式使其附着于活塞顶面，从而改善活塞的隔热性能和热应力，并提高活塞的使用寿命。
[0024]如图1所示，该活塞包括陶瓷镶块2、钎焊层3、活塞基体4、活塞销6、活塞连杆8。陶瓷镶块2通过钎焊层3焊接在活塞基体4顶面上，与活塞基体4同轴设置。活塞基体4上部对称设有冷却油道5，中心具有活塞内腔7，活塞连杆8通过活塞销6安装在活塞内腔7内。
[0025]陶瓷镶块2用于起隔热作用，主要由氮化硅陶瓷制成，其通过拓扑优化方法设计而成，其内部包含一定数目的隔热孔隙1。
[0026]隔热孔隙1的分布及形状通过应用拓扑优化技术得到分析结果，并参照分析结果进行形状优化，然后经工程化处理得到。一个隔热孔隙1布置在陶瓷镶块2中心，且其形状为环绕陶瓷镶块2中心对称结构，在陶瓷镶块2的四周环绕中心隔热孔隙1均布多个隔热孔隙1，优选地，多个隔热孔隙1按10％
‑
30％孔隙率设计，满足隔热的同时满足强度要求。如图2所示，本实施例在中心隔热孔隙1的左右两侧对称设置两个隔热孔隙1。具有隔热孔隙1的陶瓷镶块2如图3所示，能够有效平衡活塞顶部的热量，进而有效降低传至活塞基体4的热量，降低活塞基体4的热应力，极大地改善活塞涂层结构中的热量分布。
[0027]因陶瓷镶块2中具有隔热孔隙1，如果采用普通制造，则难度较大，本实施例采用陶
瓷材料增材制造的方式制作陶瓷镶块2，可降低制造难度。
[0028]钎焊层3由钎焊材料形成，由于钎焊材料的性能决定着陶瓷镶块2的附着性能，本实施例的钎焊层3采用与活塞基材4和陶瓷镶块2热力学性能相匹配的钎焊材料进行焊接。
[0029]在活塞工作过程中，在活塞销6的带动下，活塞连杆8上下运动，将底部冷却液带进活塞内腔7冷却活塞基体4。陶瓷镶块2配合活塞基体4上多个冷却油道5及冷却液，能够更好的进行冷却，并平衡活塞基体4内的热应力，有效地提高活塞在高温环境下的隔热能力，平衡热应力，提高活塞的工作稳定性，延长活塞的使用寿命。
[0030]虽然上面结合本技术的优选实施例对本技术的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本技术的示意性实现方式的解释，并非对本技术包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本技术范围的限制，在不背离本技术的精神和范围的情况下，任何基于本技术技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有陶瓷镶块的隔热活塞，其特征在于，所述活塞包括陶瓷镶块(2)、钎焊层(3)、活塞基体(4)、活塞销(6)、活塞连杆(8)；内部具有隔热孔隙(1)的所述陶瓷镶块(2)通过所述钎焊层(3)焊接设置在所述活塞基体(4)顶面上，所述活塞连杆(8)通过所述活塞销(6)安装在所述活塞基体(4)的活塞内腔(7)内，在所述活塞销(6)的带动下上下运动。2.根据权利要求1所述的具有陶瓷镶块的隔热活塞，其特征在于，所述陶瓷镶块(2)为氮化硅陶瓷镶块。3.根据权利要求1所述的具有陶瓷镶块的隔热活塞，其特征在于，所述陶瓷镶块(2)内所述隔热孔隙(1)的分布及形状通过拓扑优化获得。4.根据权利要求3所述的具有陶瓷镶块的隔热活塞，其特征在于，所述陶瓷镶块(2)中心设有一个所述隔热孔隙(1)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭理刚，李高磊，冯鹏飞，陶策，彭博，黄智，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：新型
国别省市：