具有局部填充含導(dǎo)熱金屬組合物的冷卻通道的活塞的制作方法
【專利說明】具有局部填充含導(dǎo)熱金屬組合物的冷卻通道的活塞
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年11月2日提交的第61/721，682號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用并入此處。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明主要涉及用于內(nèi)燃機(jī)的活塞，以及用于制造該活塞的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]用于內(nèi)燃機(jī)中的活塞(例如重型柴油機(jī)活塞)在運(yùn)行過程中通常曝露在極其高的溫度下，尤其是沿著活塞的上冠部曝露在極其高的溫度下。因此，為了調(diào)節(jié)溫度，活塞通常設(shè)計(jì)具有位于上冠部下方的冷卻通道，而且當(dāng)活塞沿著發(fā)動(dòng)機(jī)的缸膛往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在該冷卻通道內(nèi)噴入有冷卻油。該油沿著上冠部的內(nèi)表面流動(dòng)，并為上冠部散熱。然而，為了在運(yùn)行過程中控制活塞溫度，必須不斷保持油的高流量。另外，由于內(nèi)燃機(jī)的高溫使得油會(huì)隨著時(shí)間而逐步降解，因此，必須定期更換油以維持發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明一方面提供了一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞。該活塞包括一由金屬材料制成的本體部。該本體部包括一上冠部以及一沿至少部分上冠部延伸的密封的冷卻通道。一含金屬組合物設(shè)置在密封的冷卻通道中。該含金屬組合物包括一基材以及多個(gè)金屬顆粒，該基材的熔點(diǎn)低于isrc，該金屬顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)大于基材的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0006]本發(fā)明的另一方面提供了一種制造用于內(nèi)燃機(jī)的活塞的方法。該方法包括以下步驟:將含金屬組合物注入冷卻通道內(nèi)；以及密封該冷卻通道。
[0007]在高溫運(yùn)行過程中，含金屬組合物流遍密封的冷卻通道。通常，基材是液態(tài)的，并且沿著上冠部的內(nèi)表面運(yùn)載固態(tài)的金屬顆粒，以去除上冠部內(nèi)表面的熱量。在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命中，含金屬組合物不會(huì)因?yàn)楦邷囟到?，也不?huì)發(fā)生冷卻通道焦化的情況。該含金屬組合物起到冷卻劑的作用，并且從該含金屬組合物中獲得的較高的傳熱速率阻止了氧化以及隨之而來的侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生。另外，該含金屬組合物能夠重新分布熱流，從而減少了沿著上冠部外表面的積碳，并且還能夠減少沿著上冠部外表面所使用的任何潤滑油的降解。該含金屬組合物所帶來的優(yōu)點(diǎn)還可以延長發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)周期之間的時(shí)間間隔。
[0008]除上述以外，這種冷卻方法可以用于特殊需要，甚至可以有意引起沿著活塞頂部的均勻的較高溫度。這將有利地影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱動(dòng)態(tài)，并且在廢氣中提供額外的熱量以被其他電器使用。
【附圖說明】
[0009]參考下面具體描述并結(jié)合附圖進(jìn)行考慮，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將容易領(lǐng)會(huì)，同時(shí)能被更好地理解，其中:
[0010]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)典型實(shí)施例的活塞的側(cè)剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]請(qǐng)參閱附圖，其中，各個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示相應(yīng)的部分，圖1主要示出了典型的用于內(nèi)燃機(jī)的活塞20。該活塞20包括密封的冷卻通道22，其部分填有具有高導(dǎo)熱系數(shù)的含金屬組合物24。該含金屬組合物24通常包括散布在硅油或其他同樣高溫穩(wěn)定的液相中的銅或鋁顆粒的懸浮物。在另一個(gè)實(shí)施例中，該含金屬組合物24包括多種金屬的混合物，例如遍布于一種或多種堿金屬中的銅顆粒。
[0012]圖1的典型的活塞20為重型柴油機(jī)活塞，其設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)的缸膛內(nèi)。然而，任何其他形式的活塞也可以在冷卻通道22中采用含金屬組合物24。如圖1所示，該活塞20包括本體部26，其圍繞中心軸A周向延伸并從上端28沿該中心軸A縱向延伸至下端30。本體部26由金屬材料制成，例如鋼、鋁或它們的合金。在該典型實(shí)施例中，本體部26包括上冠部32、下冠部34、一對(duì)銷座36以及裙部38。
[0013]活塞20的上冠部32包括外表面40和相對(duì)而置的內(nèi)表面42。上冠部32的外表面40在上端28處具有碗形結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行過程中，該碗形結(jié)構(gòu)直接曝露于缸膛中的熱燃燒氣體。冷卻通道22沿上冠部32的至少部分內(nèi)表面42延伸，并與碗形結(jié)構(gòu)相對(duì)，從而使得容納在該冷卻通道中的含金屬組合物24在運(yùn)行過程中可以驅(qū)散熱的碗形結(jié)構(gòu)上的熱量。在該典型的實(shí)施例中，密封的冷卻通道22在上冠部32的碗邊緣70下方圍繞中心軸A周向延伸。
[0014]如圖1所示，上冠部32包括分別圍繞中心軸A周向延伸且從上端28朝下端30縱向延伸的第一外肋44和第一內(nèi)肋46。第一肋44、46彼此間隔開，且第一內(nèi)肋46設(shè)置在第一外肋44與中心軸A之間。第一外肋44的外表面40具有多個(gè)用于容納活塞環(huán)54的環(huán)槽52，這些環(huán)槽背向中心軸A并圍繞中心軸A周向延伸。第一內(nèi)肋46包括從上冠部32的外表面40延伸至冷卻通道22的開口 56，以在密封冷卻通道22之前使含金屬組合物24被注入該冷卻通道22內(nèi)。然而，在另一優(yōu)選實(shí)施例中，開口 56沿著活塞20的非止推面形成在下冠部34的第二內(nèi)肋50中。塞子58通常螺紋連接在開口 56內(nèi)，然后用粘合劑(例如高溫環(huán)氧樹脂組合物)密封。然而，開口 56也可以選擇地采用其他方法密封，例如將塞子58通過鎢極惰性氣體(TIG)保護(hù)焊、激光焊或釬焊焊接至開口 56。另一密封技術(shù)包括將塞子58壓配進(jìn)開口 56中，這與螺紋或焊接技術(shù)相比耗費(fèi)的生產(chǎn)時(shí)間較少。
[0015]活塞20的本體部26還包括從上冠部32朝著下端30延伸的下冠部34。該下冠部34具有外表面40，該外表面40具有至少一個(gè)用于容納活塞環(huán)54的環(huán)槽52。該下冠部34還包括與外表面40相對(duì)而置的內(nèi)表面42。下冠部34包括與上冠部32的第一外肋44對(duì)齊且相連的第二外肋48，以及與上冠部32的第一內(nèi)肋46對(duì)齊且相連的第二內(nèi)肋50。第二肋48、50在上端28與下端30之間圍繞中心軸A周向延伸，并且通過下冠部34的內(nèi)表面42彼此間隔開。因此，如圖1所示，上、下冠部32、34的內(nèi)肋46、50和外肋44、48之間形成了密封的冷卻通道22。第二肋48、50通常通過摩擦焊縫60連接至第一肋44、46，但是也可以通過其他形式的焊接或連接方式連接。
[0016]如圖1所示，上冠部32的內(nèi)表面42與第一內(nèi)肋46之間形成冷卻室62。該冷卻室62沿部分上冠部32的內(nèi)表面42徑向延伸并沿中心軸A縱向延伸，并且朝下端30敞開。在運(yùn)行過程中，冷卻室62曝露于缸膛，且油可以被噴入冷卻室62中，以降低活塞20的溫度。
[0017]活塞20的本體部26還包括一對(duì)銷座36，該對(duì)銷座從下冠部34下垂并具有一對(duì)垂直于中心軸A延伸的橫向間隔開的銷孔64。本體部26還包括從下冠部34下垂的裙部38。該裙部38橫向連接至銷座36，并將銷座36彼此間隔開。裙部38的外表面40呈凸?fàn)钜杂糜谂c缸膛配合。雖然圖1所示的活塞20位一件式結(jié)構(gòu)，但活塞20也可選擇地包括其他設(shè)
i+o
[0018]如上所述，含金屬組合物24具有高導(dǎo)熱系數(shù)，以在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行過程中對(duì)熱的上冠部32進(jìn)行散熱。含金屬組合物24的導(dǎo)熱系數(shù)(以瓦特每米-開爾文(W/m.K)度量)大于標(biāo)準(zhǔn)冷卻油的導(dǎo)熱系數(shù)的5至1000倍。在一個(gè)實(shí)施例中，含金屬組合物24的導(dǎo)熱系數(shù)至少為100W/m.Ko基于冷卻通道22的總體積，含金屬組合物24通常填充冷卻通道22的20vol.%至50vol.%。在一個(gè)實(shí)施例中，含金屬組合物24填充冷卻通道22的20vol.%至30vol.%。因此，在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行過程中，含金屬組合物24流遍整個(gè)冷卻通道22，并且隨著活塞20在缸膛中往復(fù)運(yùn)動(dòng)而對(duì)上、下冠部32、34進(jìn)行散熱。
[0019]含金屬組合物24包括多個(gè)散布在基材68中的金屬顆粒66?；?8的含量通常為基于含金屬組合物24的總體積的50vol.%至99vol.%。在一個(gè)實(shí)施例中，基材68的含量為基于含金屬組合物24的總體積的70vol.%至90vol.%。在另一實(shí)施例中，基材68的含量為基于含金屬組合物24的總體積的75vol.%?；?8的導(dǎo)熱系數(shù)通常為85-141W/m.K，且其熔點(diǎn)低于181°C，因此在181°C及以上的溫度下為液態(tài)。
[0020]如上所述，基材68通常由油(例如硅油)組成?？蛇x地，基材68還可以選擇性地包括其他同樣高溫穩(wěn)定的液相。在另一實(shí)施例中，基材68包括一種或多種堿金屬。堿金屬為周期表的族I中提供的元素，包括鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)、紡(Fr)和ununennium(Uue) (119號(hào)元素)。堿金屬可以被提供為單種元素或合金(例如鈉鉀合金)。堿金屬的導(dǎo)熱系數(shù)通常為85-141W/m.Κ，比潤滑油的導(dǎo)熱系數(shù)大很多。出于比較的目的，潤滑油的導(dǎo)熱系數(shù)在0.15-0.20ff/m.K左右。堿金屬的高導(dǎo)熱系數(shù)使其能有效將熱量從上、下冠部32、34轉(zhuǎn)移。堿金屬的熔點(diǎn)通常約為63-181°C。因此，堿金屬在室溫下被提供為固態(tài)，并且當(dāng)在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行過程中曝露于比其熔點(diǎn)更高的溫度時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。例如，鈉的導(dǎo)熱系數(shù)約為141W/m.Κ，熔點(diǎn)約為98°C ;鉀的導(dǎo)熱系數(shù)約為102W/m.K，熔點(diǎn)約為63°C ;鋰的導(dǎo)熱系數(shù)約為85W/m*K，熔點(diǎn)約為181°C。堿金屬可能為高活性的，因此外部冷卻通道22應(yīng)被安全密封。
[0021]含金屬組合物24的金屬顆粒66散布在基材68中。金屬顆粒66的導(dǎo)熱系數(shù)和熔點(diǎn)高于基材68的導(dǎo)熱系數(shù)和熔點(diǎn)。通常，金屬顆粒66的熔點(diǎn)高于181°C，導(dǎo)熱系數(shù)大于200ff/m-Ko因此，當(dāng)金屬顆粒66在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行過程中曝露于高溫時(shí)保持為固態(tài)并懸浮于整個(gè)液體中。因此，當(dāng)液態(tài)的基材68實(shí)現(xiàn)極好的熱接觸時(shí)，固態(tài)的金屬顆粒66可以非常好地吸熱并散熱。金屬顆粒66通常由銅(Cu)、鋁(Al)、鈹(Be)、鎢(W)、金(Au)、銀(Ag)以及鎂(Mg)中的一種或多種元素組成。如上所述，在一個(gè)典型實(shí)施例中，含金屬組合物24包括懸浮在硅油中的銅顆粒?？蛇x地是，含金屬組合物24包括懸浮在混合堿金屬中的銅顆粒。
[0022]含金屬組合物24包括含量為基于其總體積的Ivol.%至50vol.%的金屬顆粒66。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬顆粒66的含量為基于含金屬組合物24的總體積的1vol.%至30vol.%。在又另一實(shí)施例中，金屬顆粒66的含量為基于含金屬組合物24的總體積的25vol.%。
[0023]金屬顆粒66的粒徑通常為小于149微米至小于25微米(-100至-550目)，或者小于44微米(-325目)。所有的金屬顆粒都可以具有相同的粒徑，但通常金屬顆粒具有粒徑分布。例如，按體積計(jì)50%的金屬顆粒的粒徑為-100目至+400目，另外50%的金屬顆粒的粒徑為-400目。金屬顆粒66還可以具有各種不同的結(jié)構(gòu)。例如，金屬顆粒66可以是霧化顆粒，例如那些由水霧化或氣體霧化形成的顆粒?？蛇x地是，金屬顆粒66可以呈串狀、海綿狀或泡沫狀。金屬顆粒66還可以在其他物體(例如制動(dòng)部件)的生產(chǎn)過程中從蝕肩流中重新獲得。
[0024]在外部冷卻通道22中含有高導(dǎo)熱系數(shù)的含金屬組合物24的活塞20可以提供許多優(yōu)勢(shì)。在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)