一種隔熱活塞的製作方法
2023-04-23 18:26:16
本發明涉及內燃機技術領域，尤其涉及一種隔熱活塞。
背景技術：
隨著發動機排放法規的升級，發動機活塞的燃燒室的溫度、壓力要求越來越高，特別是以天然氣、液化氣為燃料的氣體發動機，活塞的熱負荷更高。活塞的高比熱容、高導熱係數引起燃燒室中頂部及燃燒室處對流換熱顯著，導致燃燒室熱損失較高、有效輸出功率較低。
目前有多種改變活塞導熱性的技術。通過活塞整體變更材料或者在活塞表面設計隔熱層材料等。比如，採用整體式陶瓷活塞，內燃機的活塞、氣缸套、氣缸蓋底面均採用陶瓷製成，形成導熱性很低的燃燒室；在活塞的頂端機械鑲嵌隔熱陶瓷蓋；或者在活塞的頂面噴塗氧化鋯、氧化鋁陶瓷層，然而塗層的服役壽命較短，直接影響活塞的使用壽命。現有的改善活塞導熱性的技術仍然達不到理想的效果。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明要解決的技術問題是解決現有技術中活塞隔熱效果差導致內燃機熱損失高的問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種隔熱活塞，包括活塞基體，所述活塞基體的頂部設有用於形成燃燒室的凹槽，所述活塞基體的頂面以及所述凹槽的表面上均設有泡沫金屬層。
根據本發明，所述泡沫金屬層的上表面還設有密封層。
根據本發明，所述密封層採用二氧化矽、碳化矽、聚矽氮烷、氧化鋁、氧化鋯、碳化矽或氮化鋁中的一種或多種製成。
根據本發明，所述密封層的厚度為0.1～0.5mm。
根據本發明，所述泡沫金屬層採用閉孔式泡沫金屬製成。
根據本發明，所述閉孔式泡沫金屬內的氣體為氫氣。
根據本發明，所述活塞基體和所述泡沫金屬層均採用鋁矽合金製成。
根據本發明，所述泡沫金屬層的孔隙率35％～60％。
根據本發明，所述泡沫金屬層的厚度為0.5～10mm。
本發明還提供了一種上述的隔熱活塞的製備方法，包括如下步驟：
S1，提供一頂部設有凹槽的活塞基體；
S2，在所述活塞基體的頂部採用澆鑄的方式形成泡沫金屬層。
(三)有益效果
本發明的上述技術方案與現有技術相比具有如下優點：本發明提供的隔熱活塞，在活塞基體的頂面以及用於形成燃燒室的凹槽的表面上均設有泡沫金屬層，一方面，由於泡沫金屬層的比熱容較低，在活塞工作過程中泡沫金屬層能夠儲蓄的熱量少，因此從燃燒室中吸收的熱量少；另一方面，由於泡沫金屬層的導熱係數較低，因此熱量從燃燒室向活塞基體傳遞的速度慢，從而有效地降低了燃燒室的熱損失。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的隔熱活塞的結構示意圖。
圖中：1：活塞基體；2：頂面；3：凹槽；4：泡沫金屬層；5：密封層。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本發明實施例提供的一種隔熱活塞，包括活塞基體1，活塞基體1的頂部設有用於形成燃燒室的凹槽3，本實施例中凹槽3優選為「ω」型，活塞基體1的頂面2以及凹槽3的表面上均設有泡沫金屬層4。泡沫金屬材料孔隙中存在有低導熱係數的空氣介質，其導熱性隨孔隙率的增加而呈指數下降的趨勢，一般的金屬或合金的導熱係數為10W～300W/(m·K)，而泡沫金屬的表現導熱係數為金屬或合金的0.1～0.01倍。本發明提供的隔熱活塞在活塞基體1的頂面2以及用於形成燃燒室的凹槽3的表面上均設有泡沫金屬層4，一方面，由於泡沫金屬層4的比熱容較低，在活塞工作過程中泡沫金屬層4能夠儲蓄的熱量少，因此從燃燒室中吸收的熱量少；另一方面，由於泡沫金屬層4的導熱係數較低，因此熱量從燃燒室向活塞基體1傳遞的速度慢，從而有效地降低了燃燒室的熱損失。尤其是頂面2與凹槽3的過渡連接處即活塞喉口位置高溫燃燒混合氣對流容易引起強烈熱交換，本發明實施例中設置的泡沫金屬層導熱係數較低有效地降低了活塞喉口處的熱交換，從而有效地降低了活塞喉口處的熱損失。
進一步地，本實施例中泡沫金屬層4的上表面還設有密封層5。由於泡沫金屬層4的孔隙率較高，在高溫下泡沫金屬層4承受較大的熱負荷及熱衝擊時可能會有出現裂紋的危險，因此，在泡沫金屬層4的上表面設置密封層5，一方面可以阻止燃燒室中的燃燒產物碳煙、灰分、有機組分、硫酸鹽和金屬氧化物等汙染物進入泡沫金屬層4內，進而有效防止燃燒產物破壞泡沫金屬層4的結構；另一方面提高了活塞表面的耐衝擊性能，設置的密封層5對泡沫金屬層4起到保護的作用，提高活塞的使用壽命。
進一步地，本實施例中的密封層5可以採用二氧化矽、碳化矽、聚矽氮烷、氧化鋁、氧化鋯、碳化矽或氮化鋁中的一種或多種製成。優選地，密封層5可以採用等離子噴塗的方式形成。本實施例中密封層5的厚度優選為0.1～0.5mm，密封層5的孔隙率優選為1％～2％。密封層5的材料優選為二氧化矽，密封層5的導熱係數為7.6W/(m·K)，較低的導熱係數能有效地降低高溫燃燒混合氣流引起的強烈熱交換，從而降低活塞的熱損失。
進一步地，本實施例中的泡沫金屬層4採用閉孔式泡沫金屬製成。閉孔式泡沫金屬的孔隙內存在的氣體導熱係數低，可以降低泡沫金屬層4整體的導熱係數。優選地，本實施例中的閉孔式泡沫金屬內的氣體為氫氣，氫氣的導熱係數僅為0.01～0.04W/(m·K)，能夠大幅度地降低泡沫金屬層4的導熱係數。
進一步地，本實施例中的活塞基體1和泡沫金屬層4均採用鋁矽合金製成。泡沫金屬層4的材料與活塞基體1的材料保持一致，在內燃機循環熱負荷作用下，泡沫金屬層4的金屬骨架材料和活塞基體1材料的熱膨脹係數相近，提高了尺寸穩定性，並且泡沫金屬層4與活塞基體1的結合強度高，能滿足在內燃機循環熱衝擊條件下的可靠性要求。其中，泡沫金屬層4的鋁矽合金中Si含量優選為6.5％～13％，保證泡沫金屬層4一定的耐衝擊性能。
進一步地，本實施例中的泡沫金屬層4的孔隙率35％～60％，孔隙的直徑優選為0.005mm～0.10mm。也即本實施例中閉孔式泡沫金屬內氫氣的總體積佔整個泡沫金屬層4的35％～60％，氫氣作為良好的阻熱介質，可以起到很好地隔熱作用。泡沫金屬層4的厚度優選為0.5～10mm，在保證泡沫金屬層4具有良好的隔熱效果的同時，儘量設置較小厚度的泡沫金屬層4節省成本。
本發明還提供了一種上述隔熱活塞的製備方法，包括如下步驟：
S1，提供一頂部設有凹槽3的活塞基體1；具體地，本實施例中首先鑄造得到鋁矽合金的活塞毛坯，然後將活塞的頂面2以及凹槽3的內表面進行機械粗化、剛玉拋丸處理，得到具有粗糙的活塞頂面2及凹槽3內表面的活塞基體1。將活塞基體1的表面進行粗化，有利於泡沫金屬層4與活塞基體1的結合，提高兩者之間的結合強度。
S2，在活塞基體1的頂部採用澆鑄的方式形成泡沫金屬層4。具體地，本實施例中首先將鋁矽合金進行熔煉，在鋁矽合金溶液內加入發泡劑TiH2進行發泡，然後將發泡後的鋁矽合金注入活塞基體1頂部的模型中，經冷卻、凝固後得到與活塞基體1結合在一起的泡沫金屬層4，泡沫金屬層4採用閉式泡沫金屬製成，孔隙內為氫氣。
進一步地，本發明實施例還包括在泡沫金屬層4表面採用等離子噴塗的方法形成密封層5。採用等離子噴塗的方法可以得到與泡沫金屬層4結合良好的且孔隙率較低的密封層5。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。