活塞機(jī)(也稱為活塞發(fā)動機(jī))包含固定的構(gòu)件、亦即缸體以及在缸體中可移動布置的活塞。所述活塞基本上由活塞裙(其沿著缸體壁滑動地支承)和活塞頂構(gòu)成?；钊斉c缸體一起構(gòu)成封閉的燃燒室，其體積通過活塞的運(yùn)動、與機(jī)器的沖程對應(yīng)地改變?；钊跉んw中的各個位置因此確定了燃燒室的體積。燃燒室相對曲軸箱的密封通過設(shè)置的活塞的活塞裙上的密封元件進(jìn)行。用于這種活塞的材料是鋼和基于鋁的輕質(zhì)金屬合金。
當(dāng)前推廣最多的活塞機(jī)是汽油發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)，它們尤其被用于汽車中。所述活塞在汽車發(fā)動機(jī)中必須將作用在燃燒室中的氣體力傳遞至連桿。此外其任務(wù)在于將傳遞至其的燃燒熱傳遞至冷卻劑。
熱能需要從燃燒室排出、用于不超過許用的構(gòu)件溫度。但是在另一方面，熱能從燃燒室通過活塞表面排走會導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)未利用的效率潛能，并且降低了廢氣溫度。廢氣溫度的進(jìn)一步降低可以通過節(jié)省消耗的措施引起。在現(xiàn)代柴油發(fā)動機(jī)中，廢氣溫度已經(jīng)這樣的低，使得后接的催化器的溫度在發(fā)動機(jī)冷啟動之后的很長時間中都低于點(diǎn)火溫度或者理想的工作溫度，并且因此不能實(shí)現(xiàn)廢氣后處理的理想效率。此外在活塞頂上的熱負(fù)載會導(dǎo)致腐蝕。因此所追求的措施在于提高廢氣溫度或者至少不要更一步降低廢氣溫度。
為了抑制熱量從燃燒室排出，則合理的是活塞的部件被涂覆隔絕材料。
DE19603515C1描述了一種用于改善熱氣加載的構(gòu)件(例如內(nèi)燃機(jī)設(shè)備或汽輪機(jī))的耐腐蝕性的濺射材料。為此，基于鋁和鐵的涂層被構(gòu)成，其此外包含微量的其他金屬(尤其是鎘)、硅和碳。
在DE102006007148A1中公開了一種活塞，其至少部分地由鐵-鋁-鉻合金構(gòu)成，用于改善活塞的機(jī)械屬性、尤其在較高溫度時的強(qiáng)度方面的屬性。
此外陶瓷的活塞嵌件、陶瓷的整體活塞和鋼活塞被用于熱隔離。但是這些產(chǎn)品仍具有穩(wěn)定性方面的溫度、很高成本和聲學(xué)問題。
在EP2420658A1推薦一種基于氧化鋁的陶瓷活塞涂層。但是其(尤其在用于柴油發(fā)動機(jī)時)具有較小的耐久性。
WO14030297A1公開了一種基于硅樹脂的活塞涂層，其中在樹脂中嵌入隔熱的空心微粒。而有問題的是，用于活塞機(jī)中的硅樹脂具有很小的溫度耐受性。其中所描述的解決方案此外具有的缺點(diǎn)在于，空心微粒限定了最大可實(shí)現(xiàn)的阻隔效果并且因此進(jìn)一步削減了樹脂基體的耐久性。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，解決或至少減小現(xiàn)有技術(shù)中的問題。尤其提供一種活塞，借助其可以提高廢氣溫度并且在耐久性很高的同時改善效率。
所述技術(shù)問題按照本發(fā)明通過具有獨(dú)立權(quán)利要求特征的活塞、活塞機(jī)和汽車解決。
因此本發(fā)明涉及一種用于活塞機(jī)的活塞。所述活塞包含活塞頂、活塞裙以及設(shè)置在活塞表面、亦即活塞頂和/或活塞裙的表面上的涂層。按照本發(fā)明，所述涂層包含基于鐵和鋁的金屬間的化合物或者合金，并且這樣設(shè)置，使得其在活塞裝配在活塞機(jī)內(nèi)的狀態(tài)中至少部分地鄰接活塞機(jī)的燃燒室。
按照本發(fā)明的涂層的布置以有利的方式導(dǎo)致了燃燒過程的效率提高?；钊麢C(jī)的效率尤其這樣提高，即較少的熱量從燃燒室或氣缸室排出。在使用按照本發(fā)明的活塞時在燃燒室中產(chǎn)生比現(xiàn)有技術(shù)已知的更高的溫度。更高的溫度又導(dǎo)致更高的效率。燃燒室中的溫度升高附加地積極地作用于廢氣處理，因?yàn)閺U氣也具有更高的溫度并且進(jìn)而導(dǎo)致催化器加速的加熱和啟動。按照本發(fā)明的在活塞上的涂層有利于活塞表面或活塞的隔熱和/或腐蝕保護(hù)。
按照本發(fā)明的涂層尤其在應(yīng)用于柴油發(fā)動機(jī)中時是有利的，因?yàn)橄鄬^低的柴油發(fā)動機(jī)的廢氣溫度通過按照本發(fā)明的涂層被提高并且因此廢氣后處理的效率和效果被提高。
活塞機(jī)是流體-能量-機(jī)器，其中擠壓器、亦即活塞借助其運(yùn)動定義出周期變化的做功室。在本發(fā)明中，活塞機(jī)既可以理解為旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機(jī)(其例如具有盤狀活塞)也可以理解為往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)(其尤其具有圓柱狀活塞)。活塞的面向燃燒室的并因而與空氣燃料混合物或廢氣接觸的區(qū)域在本發(fā)明中稱為活塞頂。
在往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)中(其具有形狀基本上為柱形形狀的活塞)，活塞頂在俯視圖中具有圓形形狀，其與圓柱形環(huán)繞的側(cè)壁、亦即活塞裙相連?；钊?shù)帽砻婵梢跃哂懈鞣N輪廓。因此在當(dāng)前的發(fā)明中活塞頂可以具有平坦的、凹形的或者凸形的造型。活塞頂同樣可以具有凹口或者例如凸鼻形式的突起，其嵌入活塞頂中和/或從活塞頂突出。
金屬間化合物或金屬間相是由兩種或者多種金屬構(gòu)成的均相的化學(xué)化合物。其表現(xiàn)出與合金不同的晶格結(jié)構(gòu)，所述晶格結(jié)構(gòu)與構(gòu)建金屬的晶格結(jié)構(gòu)不同。在金屬間化合物的晶格中具有由金屬的鍵組分和通過超結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較少的原子鍵或離子鍵組分組成的混合鍵。當(dāng)前優(yōu)選的金屬間化合物或合金分別基于鐵和鋁。對此的理解為，至少50重量％的金屬間化合物或者合金由鐵和鋁構(gòu)成。基于鐵和鋁的金屬間化合物或者合金在此也稱為鐵鋁合金或者鐵鋁化合物。
在此有利的是，活塞表面僅部分地、尤其在活塞頂?shù)膮^(qū)域中被涂覆，因?yàn)樵搮^(qū)域與燃燒室并且因而與最高溫度相接觸。所述技術(shù)方案因此帶來成本節(jié)省，而不必承受在期望的熱隔絕方面的損失。此外，用于活塞裙的表面材料在該技術(shù)方案中在期望的機(jī)械和/或摩擦屬性方面被優(yōu)化。
在本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案中規(guī)定，所述涂層包含8至33重量％的鋁。這是有利的，因?yàn)殇X作為除鐵以外的金屬間化合物或合金的主要組分在優(yōu)選范圍內(nèi)是屬性確定的。
作為涂層的優(yōu)選的金屬間化合物或合金的特征尤其在于，其除了特別高的超過500℃的溫度耐受性之外、還具有與活塞基礎(chǔ)材料兼容的膨脹系數(shù)。這意味著，涂層由于溫度升高所經(jīng)歷的體積膨脹與活塞頂和活塞裙的材料的熱膨脹差異很小，從而不會出現(xiàn)脫層。因此通過選擇化合物合適的組分，可以顯著提高在活塞上的涂層的壽命。
8至33重量％的鋁在合金(基于鐵鋁的合金)或者金屬間鐵鋁-化合物中的份額此外導(dǎo)致這樣的熱膨脹系數(shù)，其與常見的活塞基礎(chǔ)材料、尤其輕質(zhì)金屬活塞的熱膨脹系數(shù)非常相似。這尤其適用于由共晶的鋁硅-合金作為基礎(chǔ)材料制成的活塞，其具有大約為α≈20·10e-6K-1的熱膨脹系數(shù)。在此，特別適用的是金屬間化合物Fe-24Al，亦即具有體心晶格結(jié)構(gòu)(B2)和質(zhì)量份額為24重量％的鋁的化合物。
在本發(fā)明另外優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述涂層還包含0-10重量％的鉻(Cr)，尤其為0.1至8重量％的Cr，優(yōu)選為1至7重量％的Cr。在此表現(xiàn)出來的是，涂層中鉻的存在有利地導(dǎo)致了更好的濕腐蝕抗性。在濕腐蝕抗性方面特別有利的是，涂層、尤其是金屬間化合物的形式、具有至少16重量％的鋁和5重量％的鉻(Fe-16Al-5Cr)。具有更高的鋁和/或鉻含量的組成配比具有更加改善的濕腐蝕抗性。
此外優(yōu)選的是，涂層除了鐵、鋁和鉻之外具有其他元素。因此在本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述涂層具有8至33重量％的Al，0至10重量％的Cr，0至10重量％的Co，0至4重量％的Mo，0至10重量％的Ni，0至5重量％的W，0至5重量％的Re，0至6重量％的Ta，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至20重量％的Mn，0至1重量％的Si，0至10重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至5重量％的C，0至0.3重量％的N，0至3重量％的Zr，0至3重量％Y，0至1重量％的Ce，0至2重量％的Ga，0至2重量％的La和0至2重量％的Pt，其中鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成100重量％中的剩余成分。
這種技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于，尤其元素Co、Mo、Ni、W、Ti、V、Mn、Si、Nb通過具有鐵和鋁構(gòu)成的化合物基質(zhì)的混合晶體構(gòu)成和硬化析出提高了涂層的強(qiáng)度。C和B尤其結(jié)合Ti、Hf和Zr用于附加微粒的析出，這加強(qiáng)了前述效果。此外，涂層中C的添加對于涂層表面的切削加工的可加工性具有正面影響。
特別有利的是，涂層具有10至30重量％的Al，0至5重量％的Cr，0至5重量％的Co，0至4重量％的Mo，0至5重量％的Ni，0至4重量％的W，0至3重量％的Re，0至3重量％的Ta，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至10重量％的Mn，0至1重量％的Si，0至5重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至2重量％的C，0至0.3重量％N，0至3重量％的Zr，0至1重量％Y，0至0.5重量％的Ce，0至1重量％的Ga，0至1重量％的La和0至1重量％的Pt，其中鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成100重量％的剩余成分。
尤其優(yōu)選的是，涂層具有15至29重量％的Al，0至5重量％的Cr，0至4重量％的Mo，0至2重量％的Ni，0至4重量％的W，0至5重量％的Ti，0至4重量％V，0至1重量％的Si，0至5重量％的Nb，0至2重量％的Hf，0至1重量％的B，0至2重量％的C，0至0.3重量％N，0至3重量％的Zr，其中鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成100重量％的剩余成分。
這樣組合的涂層的特征在于非常低的導(dǎo)熱性，最高為14W·m-1K-1，尤其最高為14W·m-1K-1，典型地約為12W·m-1K-1。此外，涂層的熱膨脹系數(shù)非常接近基于鋁的輕質(zhì)金屬化合物的熱膨脹系數(shù)，因此在這種技術(shù)方案的涂層顯示出非常低的脫層傾向性。
在本發(fā)明另外優(yōu)選的技術(shù)方案中規(guī)定，活塞頂和/或活塞裙包含輕質(zhì)金屬合金或者由其構(gòu)成。因此基礎(chǔ)活塞至少部分地由輕質(zhì)金屬構(gòu)成。概念輕質(zhì)金屬合金原理上理解為所有輕質(zhì)金屬合金，其在機(jī)械方面符合活塞的要求。在本發(fā)明中，優(yōu)選是鋁合金、尤其鋁-硅-合金，其中硅含量是可變的，并且可以到達(dá)過共晶的濃度(übereutektischen Konzentration)。尤其優(yōu)選的是Al-Si12-基合金，其具有12重量％的硅(例如EN AC AlSi12CuNiMg)。
這種合金的優(yōu)點(diǎn)在于，其具有按照本發(fā)明的涂層、尤其是具有10至30重量％的鋁的涂層、非常相似的熱膨脹系數(shù)因而降低了脫層傾向性。當(dāng)在活塞、尤其活塞表面和設(shè)置其上的涂層之間的熱膨脹系數(shù)的差最大為10％(對于1K的加熱)時，所述脫層傾向性尤其被最小化。
為了將涂層施加在活塞頂和/或活塞裙上，在優(yōu)選的技術(shù)方案中優(yōu)選使用熱噴涂方法。屬于這種方法的尤其有大氣等離子噴涂，高速火焰噴涂，真空火焰噴涂，和真空等離子噴涂。在涂層黏附方面特別好的結(jié)構(gòu)在此借助高速火焰噴涂實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明還涉及一種活塞機(jī)，其包含至少一個氣缸，該氣缸具有至少一個設(shè)置其內(nèi)的按照本發(fā)明所述的活塞。
本發(fā)明還涉及一種汽車，其具有這種活塞機(jī)。
本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案由其余的、在從屬權(quán)利要求中記載的特征得出。
本發(fā)明的在該申請中不同描述的實(shí)施形式只要不作另外的解釋都可以有利地組合。
以下在優(yōu)選實(shí)施例中參照附圖闡述本發(fā)明。在附圖中：
圖1示出具有在本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中的活塞的活塞機(jī)的示意剖視圖。
具有按照本發(fā)明的活塞的活塞機(jī)的優(yōu)選技術(shù)方案借助圖1中的剖視圖示出，整體上以1表示的活塞機(jī)以活塞發(fā)動機(jī)、優(yōu)選柴油發(fā)動機(jī)的構(gòu)造示出。活塞機(jī)1包含直徑為dk的圓柱形活塞10，其可軸向移動地設(shè)置在氣缸30中。
在所示的技術(shù)方案中，活塞10具有活塞裙12，其以圓柱殼的形式構(gòu)成，以及具有基本上圓形的、平坦的活塞頂11。活塞頂11和活塞裙12優(yōu)選一體式地構(gòu)成并且優(yōu)選由輕質(zhì)金屬構(gòu)成。在此特別優(yōu)選的是鋁合金、尤其是鋁-硅-合金。活塞10此外具有環(huán)繞的槽，其容納密封元件13、即所謂的活塞環(huán)。
活塞10借助未示出的連桿與曲軸相連用于驅(qū)動汽車。同樣未示出的進(jìn)氣通道和排氣通道和相應(yīng)的進(jìn)氣門和排氣門以及燃料噴射器，其設(shè)置在氣缸蓋的區(qū)域中。
活塞10、尤其是其活塞頂11和氣缸30定義出燃燒室40，其體積通過活塞10的位置確定。
活塞頂11具有按照本發(fā)明的導(dǎo)熱系數(shù)很小的涂層20。涂層20在此優(yōu)選指的是基于鐵和鋁的金屬間的化合物，其可以摻有其他元素。例如所述涂層20在鋁的份額為10至30重量％時具有12W/mk的導(dǎo)熱系數(shù)。
涂層20通過其隔熱屬性而具有隔絕功能。由于涂層20的非常低的導(dǎo)熱系數(shù)λ，在燃燒室40中形成的燃燒熱的僅很小一部分通過活塞頂11的表面從氣缸空間中排出。反而熱量保留在燃燒室40中并且因此用于提供機(jī)械做功的功率。由此在燃燒室40中實(shí)現(xiàn)更高的效率。由于從燃燒室40中排出的廢氣的溫度很高，還可以加速后接的催化器系統(tǒng)的加熱，由此優(yōu)化廢氣處理。
附圖標(biāo)記清單
1 活塞機(jī)
10 活塞
11 活塞頂
12 活塞裙
13 密封元件
20 涂層
30 氣缸
40 燃燒室