[发明专利]用于内燃机的碳素活塞

说明书

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1的前序部分的用于内燃机的由碳构 成的活塞。本发明另外涉及一种由这样的碳素活塞与不同材料制成的 气缸的不同配对。

背景技术

随着对现代汽油发动机及柴油发动机要求的提高，需要采用具有 较小质量和较小结构体积的活塞。对此已经出现了一种由改性的碳构 成的碳素活塞，例如或者由具有确定的最小抗弯强度的压缩石墨、硬 化动力燃煤(Hartbrandkohle)(EP-258330A1)，或者由一种石墨构 成的这类活塞，石墨是由一种无结合剂的碳、即一个所谓的中间相制 成。该中间相为一种原材料，其作为碳氢化合物的液相热解的中间产 物，最好是由碳基及来自石油的沥青所衍生，并由聚芳酰胺构成。由 这种聚芳酰胺通过碳化和石墨化所产生的粒子尺寸在微米范围内的中 间相球粒，即是原材料颗粒。

与活塞材料铝相比，碳具有较小的热膨胀系数，这大大降低了活 塞和气缸工作表面之间的间隙。另外，由于碳的油吸纳性，并且不易 于被卡住(参见EP258330A1)，碳作为活塞材料有很好的自润滑特性 和冷态运行特性。

EP1042601B1公开了一种用于内燃机的碳素活塞，其特点是一个 与材料相匹配的造型，其中活塞顶底侧面在毂加厚部之间的区域中构 成一个拱形表面。

但是尽管如此，至今还没有能够符合轿车、货车、双轮车和马达 驱动的工作机械所要求的高使用寿命的系列碳素活塞。另外，由于碳 和材料铝相比热传导性较差，在运行时碳素活塞中产生的温度场可能 与铝活塞中的显著不同。另外还有以下问题：碳和铝的热膨胀系数不 同；传统的碳素材料的弯曲断裂强度比铝远低。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种内燃机用的碳素活塞，具有较高的 使用寿命，可以替代已成系列的铝活塞、特别是用于轿车和货车，并 且同时碳素活塞的优点和铝活塞的优点相结合。

实现本发明目的的技术方案是：一种用于内燃机、特别是适用于 轿车、货车、一个在活塞顶上沿轴向连接的活塞顶岸、一个环形区段 和一个设置有一个用于容纳活塞销的毂孔的活塞裙，其中裙壁在裙内 侧面上为了构成所述毂孔而具有彼此对置的毂加厚部，所述毂加厚部 通过倒圆延伸到活塞顶底侧面，同时所述活塞顶底侧面在所述毂加厚 部之间的区域中构成一个拱形表面，并且所述拱形表面至少在毂孔的 上面的区域中连接到毂加厚部上，其中规定，所述碳素基体通过轻金 属或轻金属合金渗透。

通过所述碳素基体利用轻金属或轻金属合金渗透，在本发明的碳 素活塞中建议一种复合材料，其同时具有碳素活塞和铝活塞的优点。 在此由一种碳素活塞出发，其将铝通过气压渗透或挤压铸渗渗透。在 上述两种方法中，碳素活塞被加热到铝熔化温度以上，然后使液态的 轻金属在压力下被挤压到碳素基体的细孔中。

本发明的碳素活塞也采用在小型马达种，例如其对于马达驱动的 工作机械、例如链锯或割草机是必需的。

同样用于大型工作机械例如挖掘机、起重机等的马达以及用于船 舶、火车等的驱动马达可以配备按本发明的碳素活塞。

在一个优选的方案中，所述碳素基体为最细粒石墨基体。由中间 相和沥青粘合剂的混合物组成的最细粒石墨的颗粒尺寸最好是 1-5μm，该材料特别适合于作为往复活塞式发动机的活塞的大功率材 料。因此本发明的碳素活塞为由一种用轻金属渗透的改性的中间相构 成的碳素活塞。通过用轻金属渗透处理，最细粒石墨的弯曲断裂强度 可提高直至120％。活塞坯件的弯曲断裂强度在渗透处理后最好是提 高到170-220MPa，以承受如柴油发动机中可能出现的较高的尖峰压 力。

在另一个优选的方案中，所述活塞体积中的所述轻金属或轻金属 合金的体积百分比含量为5％-50％。通过改变轻金属或轻金属合金的 体积百分比含量可以调整如弯曲断裂强度、热膨胀系数、热传导系数 等材料参数。

在另一个优选的方案中，所述活塞体积中的所述轻金属或轻金属 合金的体积百分比含量为5％-30％。

另外可以规定，所述轻金属为铝或铝合金。通过应用铝或铝合金 就获得与铝制发动机气缸的非常良好的适配性。

此外可以规定，所述轻金属为镁或镁合金。通过应用镁或镁合金 就获得与镁合金制发动机气缸的非常良好的适配性，镁合金制发动机 气缸具有非常好的的单位功率重量。

另外的优选方案针对碳素基体。