[发明专利]柴油机的涂层动力缸部件

说明书

本申请要求申请日为2005年5月23日的第60/683,575号美国临时申请的优先权，该临时申请在此作为参考。

技术领域

本发明涉及柴油机，尤其是涉及采用涂层保护动力缸的包括活塞在内的各种动力缸部件。

背景技术

采用各种方法和装置来保护汽缸内柴油机部件，使其免受燃烧副产品的有害影响，特别是当柴油机内存在废气再循环(exhaust gas recirculation，简称EGR)时。也曾有人建议采用涂层作为接合摩擦件替代轴衬或轴承等。后者例如磷酸锰、类金刚石涂层(diamond-like-coating，简称DLC)、多种物理气相沉淀(physical vapor deposition)得到的涂层、化学镀层和电镀层。

随着高压柴油机喷油系统(共轨式，电子单元喷射器，液压电子单元喷射器)的广泛使用，每次燃烧燃料流产生的火舌效应引起活塞燃烧室凸缘氧化或腐蚀的情况变得非常普遍。同时，由于后期的燃料喷射需要定时排除氧化氮(NOx)形成物，故易发生缸套燃料过渡喷涂的情况，这种例子已被证明。另一个极端是，早期或预喷射会使液体燃料堆积在活塞顶部，它们在大多数的压缩冲程中不会燃烧。高压柴油机喷油系统这些固有的问题带来了一些副作用，包括：1)柴油机活塞上环岸上存在碳堆积；2)缸套上的上止点/头道环逆转点处的油膜劣化；以及3)活塞腐蚀(点蚀)，特别是喷射器喷射的燃料流在活塞顶部燃烧室边缘处发生燃烧的区域内产生的活塞腐蚀。

从以往的经验来看，上环岸碳堆积是导致孔抛光及随后的润滑油控制丧失的根源。而后反过来影响喷射。

带有燃料的缸套过渡喷涂使得油膜变薄并将其污染，从而大大影响了压膜承受头道环接触负载的能力。燃料过渡喷涂还会耗尽润滑剂指定(TBN)储备，将烟灰带入油膜中。其结果是形成腐蚀/磨料介质，该介质会毁坏与其密切接触的部件。从上止点(TDC)传播过来的活塞的第一个20-40mm处的缸套化学蚀刻(腐蚀)不仅加速了局部磨损，而且还导致了更深的环外围(ringperipheral，简称OD)面磨损。

局部不受控制的(爆发性的)堆积燃料燃烧使得活塞材料产生非常高的温度和机械应力，最终产生点蚀。该点蚀在结构上令凹腔燃烧室的悬唇变得薄弱，产生破损。进一步向活塞的活塞环外围(OD)腐蚀，金属基板上产生下陷的凹坑，对喷射和整个发动机的性能产生负面影响。这些因素以这样的方式结合在一起，加重了高压/高热载柴油机中头道环槽的磨损。

到此为止，以上所述是些代表性的问题，这些问题或多或少地来源于具有EGR的喷油式发动机产生的汽缸内环境。此外，现代柴油机压力的快速上升和很高的燃烧压力峰值特性，使得活塞松动，增强了缸套的震动，并触发了缸套气穴现象，该气穴现象本身就是一个主要问题。因此，寄希望于活塞裙涂层(聚合物基或注入石墨)可帮助减少气穴现象，但这些涂层也带来了其自身存在的附加问题，包括加工过程中不便于涂敷。

发明内容

本发明发现一种电镀涂层在克服和大大降低柴油机环境对于钢制活塞的上述有害影响方面非常有效。该电镀涂层典型用于冲压工业中，有时也用于赛车领域，涂敷在汽油发动机活塞的活塞裙上。对于汽油机活塞的活塞裙而言，并不存在上述与伴随EGR的高压柴油机有关的问题。“DIA-CLUST”是美国一些电镀作业车间采用的一种产品的商标，其加工方式可增加复杂冲压模具的寿命，包括在适当的位置电镀铬和工业金刚石的混和层。该金刚石团簇尺寸非常小(小于40纳米)。电镀层呈现出非常平滑的表面，具有很低的摩擦系数(大约0.08)。应用于柴油机的涂层为约2-10μm级。

涂层中的铬令涂敷有复合铬/金刚石涂层的动力缸部件具有抗腐蚀和抗氧化的性能，也可以减少槽磨损/销孔摩擦，避免上环岸碳堆积。铬和金刚石团簇的共同作用也使活塞的活塞裙部分抗擦伤，使缸套避免气穴现象，因此，当涂层涂敷于活塞裙，不涉及缸套内活塞的局部焊接或烧蚀，可使活塞以更为紧凑的运行间隙运行。减轻缸套气穴现象与涂层的光滑本性带来的组装间隙的减小，在效果上是相同的。

根据本发明的一方面，提供一种柴油机活塞组件，该组件包括具有顶面、外环带、一对活塞销座和活塞裙的活塞本体，其中，所述顶面设有具有燃烧室边缘的燃烧室；所述外环带设有多个活塞环槽和一个上环岸部，该多个活塞环槽包括具有上壁的头道活塞环槽，所述上环岸部设于该头道活塞环槽和所述顶面之间；所述一对活塞销座具有对齐的销孔。金刚石复合镀铬涂层至少涂敷于所述顶面、所述燃烧室边缘、所述上环岸部和所述头道活塞环槽的上壁。