[发明专利]包括施加至金属基底的复合层的活塞

说明书

提供了一种用于重载柴油机的活塞，其包括形成燃烧表面的至少一部分的复合层。该复合层具有大于500微米的厚度并包括通常用于形成制动衬块的组分的混合物，例如热固性树脂、隔热组分、补强纤维和冲击增韧添加剂。根据一个实例，热固性树脂是酚醛树脂，隔热组分是陶瓷，补强纤维是石墨，以及冲击增韧添加剂是原纤化短切合成纤维的聚芳酰胺浆粕。该复合层也具有0.8至5W/m·K的热导率。活塞的主体部分可以包括底切滚动螺纹以改进复合层的机械锁闭。活塞还可以包括在主体部分和复合层之间的陶瓷插入件。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月28日提交的美国临时专利申请号62/271,425和于2016年12月23日提交的美国发明专利申请号15/389,862的权益，其全部内容在此通过引用而全部并入。

技术领域

本发明总体地涉及用于内燃机的活塞，例如用于柴油机的隔热重载活塞及其制造方法。

背景技术

现代重载柴油机正被立法和客户要求推向提高的有效热效率。目标有效热效率目前为46％，但预计到2025年将高达60％。因此，通过减少穿过头部的热流，从而减少总体能量损失的重载活塞是期望的。减少穿过头部的热流允许更多的能量保留在较热的废气中，这些能量中的一部分可以通过涡轮复合回收并转化为有用功。例如，某些发动机制造商期望有一种机制来使穿过头部的热流减少50％。

一种隔热并减少穿过活塞头部的热流的方式是通过施加陶瓷涂层(例如通过热喷涂)。然而，这种陶瓷涂层具有厚度限制，典型地为500微米。尽管较厚的厚度会提供更好的隔热，但较厚的涂层由于金属基底和涂层之间的热性能差异而具有剥落和脱层的风险。即使在陶瓷涂层之前施加金属粘合层，形成大于500微米厚度的陶瓷涂层也有脱层和剥落的风险。这带来了挑战，因为模拟已经表明，即使陶瓷涂层的热导率低，典型地为0.2至1.0W/m·K，如果陶瓷涂层的厚度小于500微米，使用陶瓷涂层可能无法使热流减少50％。因此，可能需要更厚和/或更坚固的低热导率材料涂层。涂层材料还必须良好地粘附到金属基底的顶部表面，并且能够承受约800℃的燃烧温度和约250巴的峰值压力。

发明内容

本发明的一个方面提供一种用于内燃机中的活塞，例如用于柴油机的重载活塞。活塞包括由金属形成的主体部分和施加到主体部分的复合层。复合层形成活塞的燃烧表面的至少一部分并具有大于500微米的厚度。复合层包括热固性树脂、隔热组分、补强纤维和冲击增韧添加剂。

本发明的另一方面提供了一种制造该活塞的方法。该方法包括将复合层施加到由金属形成的主体部分。复合层形成燃烧表面的至少一部分，复合层具有大于500微米的厚度，复合层包括热固性树脂、隔热组分、补强纤维和冲击增韧添加剂。

与陶瓷涂层相比，复合层在内燃机中使用期间通过减少穿过头部的热流而提供改进的活塞隔热。因此，复合层允许更多的能量保留在较热的废气中，其可以转化为有用功并导致改进的有效热效率。

附图说明

本发明的其他优点将容易理解，因为通过参考以下结合附图考虑的详细描述，其变得更好理解，其中：

图1是根据本发明的示例性实施例的包括形成燃烧表面的一部分的复合层的柴油机活塞的立体图；

图2是对比柴油机活塞的剖视图，其包括施加到活塞头部的陶瓷涂层而不是复合层；

图3是用于模拟在施加复合层之前的图1所示的活塞金属主体部分的圆盘的俯视图，并且示出沿金属主体部分的最上表面形成的底切滚动螺纹；

图4是在施加复合层之后图3的底切滚动螺纹的放大截面图；

图5A是在施加复合层之后图3的底切滚动螺纹的另一放大截面图；

图5B是在施加复合层之后图3的底切滚动螺纹的放大截面图，其中陶瓷插入件位于复合层和金属主体部分之间；