用于內燃機的活塞、包括其的內燃機及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于內燃機的活塞、包括其的內燃機及其制造方法。所述活塞包括：設置在所述活塞的環(huán)岸部的上表面上的隔熱膜，所述隔熱膜具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比所述活塞基材低的單位體積熱容量；和設置在所述環(huán)岸部的側表面上的第一保熱膜，所述第一保熱膜具有比所述活塞基材低的熱傳導率且具有比所述隔熱膜高的單位體積熱容量。
【專利說明】
用于內燃機的活塞、包括其的內燃機及其制造方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及用于內燃機(內燃發(fā)動機)的活塞、包括這種活塞的內燃機和這種活塞的制造方法。
【背景技術】
[0002]例如，日本專利申請公報N0.2009-243355中公開了一種用于內燃機的常規(guī)活塞，其中在環(huán)岸部的上表面上形成有具有比活塞基材(母材)低的熱傳導率且具有比活塞基材低的單位體積熱容量的隔熱膜。具有這種熱特性的隔熱膜允許環(huán)岸部的上表面的溫度追循內燃機的氣缸內的工作介質的溫度。亦即，在內燃機的燃燒行程期間，環(huán)岸部的上表面的溫度會上升，而在進氣行程期間，上表面的溫度會下降。因此，可以通過降低燃燒行程期間的冷卻損失來提高燃料效率，并抑制由于在進氣行程期間工作介質的加熱而引起的爆震或異常燃燒的發(fā)生。
[0003]日本專利申請公報N0.11-280545中公開了另一種用于內燃機的活塞，其中在環(huán)岸部的側表面上設置有具有比活塞基材(具體地，鋁合金)低的熱擴散率的鐵系金屬材料。設置具有這樣的熱特性的金屬材料會使金屬材料周圍的溫度上升。因此，可以通過促進附著于金屬材料的表面上或其周圍的液體燃料的蒸發(fā)和氣化來提高內燃機的燃燒效率。

【發(fā)明內容】

[0004]在環(huán)岸部的上表面上形成具有如JP2009-243355 A中公開的熱特性的隔熱膜的缺點在于，隨著上表面的溫度在燃燒行程期間上升，工作介質的粘度上升，使得工作介質的流動性下降并且易于發(fā)生燃燒惡化。一旦發(fā)生燃燒惡化，在通常狀況下在燃燒行程期間遍布氣缸的內部傳播的火焰無法到達環(huán)岸部的側表面。于是，環(huán)岸部的側表面周圍存在的無法在燃燒行程期間燃燒的工作介質殘留在側表面周圍。此外，隨著新工作介質在燃燒行程之后的進氣行程期間流入氣缸內，殘留在環(huán)岸部的側表面周圍的工作介質被冷卻，使得工作介質內的燃料凝結并附著于側表面。
[0005]關于此問題，在JP 2009-243355 A的環(huán)岸部的側表面上設置JP 11-280545 A的金屬材料可以允許金屬材料周圍的溫度容易地上升。然而，JP 11-280545 A指出了金屬材料的熱擴散率但未提及金屬材料的單位體積熱容量。因此，當在JP 2009-243355 A的環(huán)岸部的側表面上設置JP 11-280545 A的金屬材料時，即使金屬材料的表面的溫度會由于金屬材料的低熱擴散率而在燃燒行程和排氣行程期間上升，表面的溫度在接下來的進氣行程期間也可能下降。因此，如果工作介質由于如上所述的燃燒惡化而轉入進氣行程，則在進氣行程期間工作介質內的燃料凝結并附著于金屬材料的表面。
[0006]此外，JP11-280545 A的金屬材料設置在環(huán)岸部的側表面的從環(huán)岸部的上表面到第二環(huán)岸中間的部分上。換言之，該金屬材料不僅設置在頂部環(huán)岸的側表面上，而且設置在第二環(huán)岸的側表面上。因此，妨礙了從環(huán)岸部的上表面經由裝配在位于頂部環(huán)岸和第二環(huán)岸之間的溝槽中的活塞環(huán)(即，頂部環(huán))向氣缸的內壁面的熱傳遞。結果，在進氣行程期間熱會從隔熱膜轉移到新流入氣缸內的工作介質，并且工作介質被加熱。因此，盡管在環(huán)岸部的上表面上形成了隔熱膜，也發(fā)生爆震或異常燃燒。
[0007]為了解決上述問題中的至少一個問題而謀劃了本發(fā)明。亦即，本發(fā)明的一個目的是在用于內燃機的活塞中抑制燃料附著于環(huán)岸部的側表面并抑制工作介質在進氣行程期間的加熱，在所述活塞中，在環(huán)岸部的上表面上形成有具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比活塞基材低的單位體積熱容量的隔熱膜。
[0008]本發(fā)明的第一方面是一種用于內燃機的活塞，所述活塞包括:設置在所述活塞的環(huán)岸部的上表面上的隔熱膜，所述隔熱膜具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比所述活塞基材低的單位體積熱容量;和設置在所述環(huán)岸部的側表面上的第一保熱(熱保持)膜，所述第一保熱膜具有比所述活塞基材低的熱傳導率且具有比所述隔熱膜高的單位體積熱容量。
[0009]本發(fā)明的第二方面是根據(jù)第一方面的活塞，其中:所述第一保熱膜設置在頂部環(huán)岸的側表面的一部分上;所述頂部環(huán)岸是所述環(huán)岸部的比裝配頂部環(huán)的溝槽更靠上側的部位;并且所述頂部環(huán)岸的位于所述環(huán)岸部的上表面?zhèn)鹊膫缺砻婢哂斜人鲰敳凯h(huán)岸的位于所述環(huán)岸部的下表面?zhèn)鹊膫缺砻娓叩谋?保熱)效果。
[0010]本發(fā)明的第三方面是根據(jù)第一方面或第二方面的活塞，其中:所述第一保熱膜設置在頂部環(huán)岸的側表面上;所述頂部環(huán)岸是所述環(huán)岸部的比裝配頂部環(huán)的溝槽更靠上側的部位;并且所述活塞基材在所述環(huán)岸部的側表面的比所述溝槽更靠下側的部位露出。
[0011]本發(fā)明的第四方面是一種包括根據(jù)第一方面至第三方面中的任一方面的活塞的內燃機，其中:在收納所述活塞的氣缸的內壁面上設置有第二保熱膜;所述第二保熱膜設置在當所述活塞位于下止點時使所述第二保熱膜與所述環(huán)岸部的側表面對向的位置;并且所述第二保熱膜具有比所述活塞基材低且比所述隔熱膜高的單位體積熱容量。
[0012]本發(fā)明的第五方面是一種用于內燃機的活塞的制造方法，所述活塞包括:設置在所述活塞的環(huán)岸部的上表面上的隔熱膜，所述隔熱膜具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比所述活塞基材低的單位體積熱容量;和設置在所述環(huán)岸部的側表面上的第一保熱膜，所述第一保熱膜具有比所述活塞基材低的熱傳導率且具有比所述隔熱膜高的單位體積熱容量，所述制造方法包括:通過對所述活塞基材進行陽極氧化處理而在所述環(huán)岸部的上表面上形成所述隔熱膜；以及在形成所述隔熱膜之后，通過用絕緣材料形成膜而在所述環(huán)岸部的側表面上形成所述第一保熱膜，所述絕緣材料具有比所述活塞基材低的熱傳導率且具有比所述隔熱膜高的單位體積熱容量。
[0013]根據(jù)第一方面，具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比隔熱膜高的單位體積熱容量的保熱膜形成在環(huán)岸部的側表面上，使得可以使該側表面在內燃機的一個循環(huán)期間的平均溫度上升并抑制環(huán)岸部的側表面的溫度在進氣行程期間下降。因此，即使在特定循環(huán)中環(huán)岸部的側表面周圍存在的工作介質在燃燒行程期間殘留而不燃燒并轉入進氣行程，該工作介質也會在進氣行程之后的燃燒行程期間燃燒。因此，能抑制燃料附著于環(huán)岸部的側表面。
[0014]來看環(huán)岸部的側表面的情況，該側表面的溫度隨著離環(huán)岸部的上表面的距離增大而下降。因此，如果環(huán)岸部的側表面周圍存在的工作介質在燃燒行程期間殘留而未燃燒并轉入進氣行程，則殘留的工作介質內的燃料在更靠近環(huán)岸部的下表面的區(qū)域中凝結的可能性高。在這方面，根據(jù)第二方面，頂部環(huán)岸的側表面的保熱效果在環(huán)岸部的下表面?zhèn)缺仍谏媳砻鎮(zhèn)雀?，從而在更靠近下表面的區(qū)域中可以很好地抑制殘留的工作介質內的燃料的凝結。
[0015]根據(jù)第三方面，活塞基材可以在比裝配頂部環(huán)的溝槽更靠下側處露出，使得可以增加從環(huán)岸部的上表面經由環(huán)岸部的內部和頂部環(huán)向氣缸的內壁面的傳熱量。因此，能抑制工作介質在進氣行程期間的加熱。
[0016]基本上，氣缸的內壁面的溫度隨著離曲軸箱的距離越近而下降。因此，可以認為形成在環(huán)岸部的側表面上的保熱膜的溫度在離曲軸箱的距離最近的下止點處最低。在這方面，根據(jù)第四方面，具有比活塞基材低且比隔熱膜高的單位體積熱容量的保熱膜形成在氣缸的當活塞位于下止點時與環(huán)岸部的側表面對向的內壁面上，使得在形成在該側表面上的保熱膜的溫度最低的位置處，該側表面周圍存在的工作介質可以由形成在內壁面上的保熱膜加溫。因此，能抑制燃料附著于環(huán)岸部的側表面。
[0017]如果在形成絕緣材料的膜之后通過陽極氧化處理來形成隔熱膜，則陽極氧化反應被抑制并且要形成的隔熱膜的結構和膜厚度會變化。在這方面，根據(jù)第五方面，可以通過在利用陽極氧化處理形成隔熱膜之后用絕緣材料形成膜來形成保熱膜，從而能很好地形成隔熱膜。
【附圖說明】
[0018]下面將參照【附圖說明】本發(fā)明的示例性實施方式的特征、優(yōu)點及技術和工業(yè)意義，在附圖中相似的附圖標記表示相似的要素，并且其中:
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞的透視圖；
[0020]圖2是圖1的活塞在該活塞收納在火花點火式內燃機的氣缸內時的示意性剖視圖；
[0021]圖3是示出在內燃機的一個循環(huán)期間氣缸內的工作介質的溫度和環(huán)岸部的上表面的溫度的變化的視圖；
[0022]圖4是示出陶瓷膜在內燃機的一個循環(huán)期間的平均溫度、該陶瓷膜的單位體積熱容量和未燃HC降低效果之間的關系的視圖；
[0023]圖5是示出從環(huán)岸部的上表面到活塞的側表面的傳熱量的視圖；
[0024]圖6是示出從環(huán)岸部的上表面到活塞的側表面的傳熱量的視圖；
[0025]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞的修改例的視圖；
[0026]圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞的修改例的視圖；
[0027]圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞的修改例的視圖；
[0028]圖10是其上形成有多孔防蝕鋁膜、陶瓷膜和硬質防蝕鋁膜的活塞在該活塞收納在壓縮點火式內燃機的氣缸內時的示意性剖視圖；
[0029]圖11是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的內燃機的示意性剖視圖；以及
[0030]圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞的制造方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0031]以下將基于【附圖說明】本發(fā)明的實施方式。各圖之間相同的構件將被賦予相同的附圖標記并且將省略其重復說明。本發(fā)明不受以下實施方式限制。
[0032][用于內燃機的活塞]首先，將參照圖1說明本發(fā)明的活塞的實施方式。圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞10的透視圖。與用于內燃機的普通活塞一樣，活塞10是通過鑄造作為活塞基材的鋁合金而形成的。如圖1所示，活塞10包括圓筒狀的裙部12、在裙部12的上端部形成的預定厚度的環(huán)岸部14和支承活塞銷(未示出)的銷凸部16，裙部12的側表面與氣缸(未示出)的內壁面相接觸。在環(huán)岸部14的側表面中形成有溝槽18、20、22，三個活塞環(huán)(未示出)分別裝配在所述溝槽中。在環(huán)岸部14的上表面(下文還可稱為“活塞頂面”)上，形成有用于避免干涉進氣門和排氣門(均未示出)的新月形的氣門凹部24、26、28、30。
[0033]圖2是圖1的活塞10在活塞10收納在火花點火式內燃機的氣缸內時的與圖1的截面2A-2A相對應的示意性剖視圖。在圖2中，活塞10位于上止點處。如圖2所示，在活塞頂面上形成有多孔防蝕鋁膜32。在環(huán)岸部14的從溝槽18到活塞頂面的側表面上，S卩，在頂部環(huán)岸的側表面上，形成有陶瓷膜34。在溝槽18、20、22的表面上形成有硬質防蝕鋁膜36。另一方面，活塞基材在環(huán)岸部14的側表面的從溝槽18到環(huán)岸部14的下表面(未示出)的部位露出。例如，活塞基材在環(huán)岸部14的位于溝槽18和溝槽20之間的側表面(S卩，第二環(huán)岸的側表面)以及環(huán)岸部14的位于溝槽20和溝槽22之間的側表面(S卩，第三環(huán)岸的側表面)露出。
[0034]多孔防蝕鋁膜32和硬質防蝕鋁膜36兩者都是通過對活塞基材(S卩，鋁合金)進行陽極氧化處理而形成的。然而，多孔防蝕鋁膜32和硬質防蝕鋁膜36在防蝕鋁的特性和膜厚度(膜厚度是在與氣缸的軸向垂直的方向上的厚度;下同)方面彼此不同。具體地，多孔防蝕鋁膜32具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比活塞基材低的單位體積熱容量。多孔防蝕鋁膜32的膜厚度為100至500μπι。由于優(yōu)良的搖擺特性(膜形成表面的溫度相對于氣缸內的工作介質的溫度的變化的追循性;下同)，多孔防蝕鋁膜32能實現(xiàn)各種效果(后文將說明細節(jié))。
[0035]多孔防蝕鋁膜32可具有包含絕熱顆粒(例如，二氧化硅(Si02)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鋯(ZrO2)或二氧化鈦(T12)的顆粒)的膜構成。對于多孔防蝕鋁膜的構成和熱特性(SP，熱傳導率和單位體積熱容量)，例如可以參照日本專利申請公報N0.2010-249008和日本專利申請公報N0.2013-14830。
[0036]與多孔防蝕鋁膜32—樣，硬質防蝕鋁膜36也具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比活塞基材低的單位體積熱容量。然而，硬質防蝕鋁膜36厚數(shù)微米且具有低孔隙率，并且與多孔防蝕鋁膜32相比，硬質防蝕鋁膜36具有高得多的熱傳導率和單位體積熱容量。因此，硬質防蝕鋁膜36幾乎不具有擺動特性，而是在膜硬度和耐磨性方面優(yōu)良。硬質防蝕鋁膜36可以防止由于溝槽18、20、22與活塞環(huán)之間的接觸而引起的摩擦。
[0037]陶瓷膜34是通過陶瓷如二氧化鋯(ZrO2)、二氧化硅(S12)、氮化硅(Si3N4)、氧化釔(Y2O3)或二氧化鈦(T12)或者復合陶瓷如金屬陶瓷(TiC.TiN)、多鋁紅柱石(3A1203.2Si02)、堇青石(2Mg0.2AI2O3.5Si02)或塊滑石(Mg0.S12)(以下簡稱為“基于陶瓷的材料”)的熱噴涂或冷噴涂而形成的。陶瓷膜34具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比多孔防蝕鋁膜32高的單位體積熱容量。陶瓷膜34的膜厚度為50至3000μπι。
[0038]例如，多孔防蝕鋁膜32的熱傳導率λ32為λ32 <0.5W/m.K，且多孔防蝕鋁膜32的單位體積熱容量C32為C32 < 1500 X 103J/m3.K。陶瓷膜34的熱傳導率λ34為λ34〈0.5至30W/m.K，且陶瓷膜34的單位體積熱容量Cm為C34>1500 X 103J/m3.K。鋁合金的熱傳導率λΑ1為λΑ1 =96.2ff/m.K，且熱容量Cai為Cai = 2639XlO3J/m3.K。
[0039]多孔防蝕鋁膜32和陶瓷膜34在膜的密度和表面粗糙度Ra(表面粗糙度是根據(jù)JISB601 (2001)測定的算術平均粗糙度;下同)方面彼此不同。具體地，多孔防蝕鋁膜32具有比陶瓷膜34低的密度。多孔防蝕鋁膜32的密度低是因為在陽極氧化處理的過程中形成的小孔增大了多孔防蝕鋁膜32的孔隙率。多孔防蝕鋁膜32的表面粗糙度Ra高于陶瓷膜34的表面粗糙度Ra。多孔防蝕鋁膜32的表面粗糙度Ra高是因為活塞基材中的添加劑妨礙了防蝕鋁的形成并由此使膜表面的高度不規(guī)則。例如，多孔防蝕鋁膜32的表面粗糙度Ra32為1.Ομπι<Ra32 < 3.0μπι，而陶瓷膜34的表面粗糙度Ra34為Ra34 < 1.Ομπι。
[0040][活塞的效果]在其上形成有多孔防蝕鋁膜32和陶瓷膜34的活塞10能實現(xiàn)以下效果。首先，將參照圖3說明多孔防蝕鋁膜32的效果。圖3是示出在內燃機的一個循環(huán)期間氣缸內的工作介質的溫度和環(huán)岸部的上表面的溫度的變化的視圖。在圖3中，“常規(guī)壁溫”表示當環(huán)岸部的上表面上形成有普通陶瓷膜時該上表面的溫度?！皩嵤┓绞街械谋跍亍北硎井敪h(huán)岸部的上表面上形成有多孔防蝕鋁膜(即，多孔防蝕鋁膜32)時該上表面的溫度。“基部(Al)壁溫”表示當活塞基材在環(huán)岸部的上表面中露出時該上表面的溫度。
[0041]如圖3所示，當形成有普通陶瓷膜時(常規(guī)壁溫)，環(huán)岸部的上表面處的隔熱性能相比于活塞基材露出時(基部(Al)壁溫)會提高，從而能降低燃燒行程期間的冷卻損失。然而，環(huán)岸部的上表面的溫度在進氣行程期間同樣高。因此，在進氣行程期間，熱從環(huán)岸部的上表面朝工作介質轉移。因此，工作介質被加熱，并且易于發(fā)生爆震或異常燃燒。
[0042]相比而言，當形成有防蝕鋁膜時(實施方式中的壁溫)，在進氣行程期間環(huán)岸部的上表面的溫度能借助于擺動特性而降低，并且能抑制工作介質在進氣行程期間的加熱(參照向下的箭頭)。因此，能抑制爆震或異常燃燒的發(fā)生。此外，這些擺動特性能允許環(huán)岸部的上表面的溫度在燃燒行程期間大幅上升(參照向上的箭頭)。因此，與形成有普通陶瓷膜時相比，能通過大幅降低燃燒行程期間的冷卻損失來提高燃料效率。
[0043]接下來將說明陶瓷膜34的效果。由于陶瓷膜34的密度高于多孔防蝕鋁膜32的密度，所以與在頂部環(huán)岸的側表面上形成有與多孔防蝕鋁膜32相似的多孔防蝕鋁膜時相比能抑制活塞10的向上和向下運動期間的膜破損。此外，由于陶瓷膜34的表面粗糙度Ra低于多孔防蝕鋁膜32的表面粗糙度Ra，所以與在頂部環(huán)岸的側表面上形成有與多孔防蝕鋁膜32相似的多孔防蝕鋁膜時相比也能減小活塞10與氣缸之間發(fā)生的摩擦。
[0044]由于陶瓷膜34具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比多孔防蝕鋁膜32高的單位體積熱容量，所以在內燃機的一個循環(huán)期間膜的平均溫度能上升。圖4是示出陶瓷膜在內燃機的一個循環(huán)期間的平均溫度、陶瓷膜的單位體積熱容量和未燃HC降低效果之間的關系的視圖。與陶瓷膜34的熱傳導率一樣，圖4中的陶瓷膜的熱傳導率比活塞基材的熱傳導率低。如圖4所示，如果陶瓷膜的單位體積熱容量提高，則陶瓷膜在一個循環(huán)期間的平均溫度會升高。這是因為具有比活塞基材低的熱傳導率的陶瓷膜的保溫效果隨著陶瓷膜的單位體積熱容量提尚而提尚。
[0045]如果陶瓷膜在一個循環(huán)期間的平均溫度能升高，則能預期以下效果。亦即，當多孔防蝕鋁膜32形成在環(huán)岸部的上表面上時，上表面的溫度在燃燒行程期間會上升(參照圖3)。然而，缺點在于，工作介質的粘度隨著上表面的溫度上升而上升，使得工作介質的流動性下降并易于發(fā)生燃燒惡化。如上所述，一旦發(fā)生燃燒惡化，頂部環(huán)岸的側表面周圍存在的在燃燒行程期間無法燃燒的工作介質便殘留在側表面周圍。此外，殘留在頂部環(huán)岸的側表面周圍的工作介質被冷卻，使得工作介質內的燃料凝結并附著于該側表面。
[0046]在這方面，如果陶瓷膜在一個循環(huán)期間的平均溫度能升高，則即使在特定循環(huán)內陶瓷膜周圍存在的工作介質在燃燒行程期間殘留而未燃燒并轉入進氣行程，該工作介質也會在此后的燃燒行程中燃燒。因此，能抑制燃料附著于頂部環(huán)岸的側表面。換言之，能提高未燃HC降低效果(參照圖4)。
[0047]這里，結合陶瓷膜34的效果，將參照圖5和圖6說明為何陶瓷膜34僅形成在頂部環(huán)岸的側表面上的原因。圖5和圖6是示出從環(huán)岸部的上表面到活塞的側表面的傳熱量的視圖。鑒于上述未燃HC降低效果，不僅在頂部環(huán)岸的側表面上而且在第二環(huán)岸和第三環(huán)岸的側表面上形成陶瓷膜34是可設想的選擇。然而，對利用圖3說明的在進氣行程期間環(huán)岸部的上表面的溫度下降的主要貢獻因素是在從前一個排氣行程的后半段到進氣行程的前半段的期間從活塞的側表面到氣缸的內壁面的傳熱。因此，如果在第二環(huán)岸和第三環(huán)岸的側表面上形成與陶瓷膜34相似的陶瓷膜，則從側表面到內壁面的傳熱量減少(參照圖5中的箭頭)。于是，在進氣行程的中段之后在活塞的頂面上殘留的熱對被吸入到氣缸內的工作介質加溫，從而發(fā)生爆震或異常燃燒。
[0048]在這方面，可以通過在頂部環(huán)岸的側表面上形成陶瓷膜34而不在第二環(huán)岸和第三環(huán)岸的側表面上形成陶瓷膜34以便露出活塞基材來增加從活塞的側表面經由裝配在溝槽18、20、22中的活塞環(huán)到氣缸的內壁面的傳熱量(參照圖6中箭頭)。因此，能抑制工作介質在進氣行程期間的加熱。因此，可以通過在頂部環(huán)岸的側表面上形成陶瓷膜34并在第二環(huán)岸和第三環(huán)岸的側表面中露出活塞基材來在提高未燃HC降低效果的同時抑制工作介質在進氣行程期間的加熱。
[0049]在上述實施方式中，多孔防蝕鋁膜32和陶瓷膜34分別對應于第一方面的“隔熱膜”和“第一保熱膜”。如果多孔防蝕鋁膜32包含多孔顆粒，則包含多孔顆粒的多孔防蝕鋁膜32對應于第一方面的“隔熱膜”。毋容置疑，第一方面的“隔熱膜”不限于實施方式中記載的方面。例如，可使用二氧化錯(ZrO2)、二氧化娃(S12)、氮化娃(Si3N4)、氧化乾(Y2O3)、二氧化鈦(T12)等作為構成隔熱膜的材料。隔熱膜可通過包括熱噴涂在內的各種手段來形成。
[0050][活塞的修改例]在上述實施方式中，具有恒定膜厚度的陶瓷膜34形成在頂部環(huán)岸的整個側表面上。然而，陶瓷膜34的膜厚度可分階段或連續(xù)地變化，且陶瓷膜34可形成在頂部環(huán)岸的側表面的一部分上。圖7至圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞的修改例的視圖。與圖2—樣，圖7至圖9是火花點火式內燃機的氣缸的示意性剖視圖。
[0051]在圖7的示例中，陶瓷膜34的膜厚度分兩個階段變化。具體地，位于活塞頂面?zhèn)鹊奶沾赡?4b的膜厚度小于位于溝槽18側的陶瓷膜34a的膜厚度(50至3000μπι)。在圖8的示例中，位于溝槽18側的膜厚度最大(50至3000μπι)，且膜厚度從溝槽18朝活塞頂面減小。在圖9的示例中，盡管陶瓷膜34的膜厚度是恒定的(50至3000μπι)，但陶瓷膜34從頂部環(huán)岸的中間到溝槽18形成，而活塞基材從頂部環(huán)岸的中間到活塞頂面露出。
[0052]來看頂部環(huán)岸的側表面的情況，該側表面的溫度隨著離活塞頂面的距離增大而降低。因此，如果頂部環(huán)岸的側表面周圍存在的工作介質在燃燒行程期間殘留而未燃燒并轉入進氣行程，則殘留的工作介質內的燃料在更靠近側表面的區(qū)域中凝結的可能性高。在這方面，如圖7至圖9所示，在頂部環(huán)岸的側表面的更靠近溝槽18的區(qū)域中形成陶瓷膜34能提高該區(qū)域中的保熱效果。因此，能很好地抑制殘留的工作介質內的燃料的凝結。
[0053]在上述實施方式的說明中，活塞10應用于火花點火式內燃機。然而，其上形成有三種膜(即，多孔防蝕鋁膜32、陶瓷膜34和硬質防蝕鋁膜36;下同)的活塞也可應用于壓縮點火式內燃機。圖10是其上形成有三種膜的活塞收納在壓縮點火式內燃機的氣缸內時該活塞的示意性剖視圖。在圖10中，活塞40位于上止點處。圖10所示的活塞40與活塞10彼此的不同之處在于，在活塞40中在環(huán)岸部14的上表面的中央形成有一空腔42，但基本上這兩個活塞在其它方面彼此相同。因此，活塞40能實現(xiàn)與活塞10相同的效果。
[0054][內燃機]接下來將參照圖11說明本發(fā)明的內燃機的實施方式。根據(jù)本實施方式的內燃機對應于其中結合有上述活塞10的火花點火式內燃機。因此，將省略對活塞10和三種膜的說明。
[0055]圖11是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的內燃機50的示意性剖視圖。在圖11中，活塞10位于下止點處。如圖11所示，在內燃機50的氣缸52的內壁面上形成有陶瓷膜54?；钊脑谠搩缺诿娴某沾赡?4的形成區(qū)域以外的區(qū)域中露出。
[0056]陶瓷膜54的熱特性等與陶瓷膜34基本上相同。亦即，陶瓷膜54是通過基于陶瓷的材料的熱噴涂或冷噴涂而形成的。陶瓷膜54具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比多孔防蝕鋁膜32高的單位體積熱容量。陶瓷膜54的膜厚度為50至3000μπι。陶瓷膜54的膜寬度(在與氣缸的軸向平行的方向上的膜厚度;下同)與陶瓷膜34的膜寬度相同。
[0057]如圖11所示，陶瓷膜54形成在這樣的位置處，S卩，當活塞10位于下止點處時，陶瓷膜54與頂部環(huán)岸的側表面(S卩，形成有陶瓷膜34的表面)對向。基本上，氣缸52的內壁面的溫度隨著離曲軸箱的距離越近而下降。因此，可以認為陶瓷膜34的溫度在離曲軸箱的距離最近的下止點處最低。在這方面，如果如圖11所示形成了陶瓷膜54，則在陶瓷膜34的溫度最低的位置處，頂部環(huán)岸的側表面周圍存在的工作介質能由形成在氣缸52的內壁面上的陶瓷膜54加溫。因此，能抑制燃料附著于頂部環(huán)岸的側表面。
[0058]在上述實施方式中，陶瓷膜54對應于第四方面的“第二保熱膜”。
[0059][活塞的制造方法]接下來將參照圖12說明根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞的制造方法。根據(jù)本實施方式的制造方法對應于用于制造上述活塞10的方法。
[0060]圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的活塞的制造方法的流程圖。如圖12所示，在本實施方式中，首先，通過陽極氧化處理而在溝槽18、20、22的表面上形成硬質防蝕鋁膜(步驟SI)。在此步驟SI中，具體地，在活塞的環(huán)岸部的形成有溝槽18、20、22、氣門凹部24、26、28、30等的表面中，對不需要形成硬質防蝕鋁膜的區(qū)域進行掩蔽。隨后，將該活塞安裝在包括電解槽、陰極和電源的電解裝置中。然后，設定適于形成硬質防蝕鋁膜的電解條件(即，電解液的溫度、電流密度和電解時間；下同)，并在用作陽極的活塞和陰極之間通電。作為此步驟SI的結果，形成了硬質防蝕鋁膜36。
[0061]在步驟SI之后，通過氧化氧化處理而在環(huán)岸部的上表面上形成多孔防蝕鋁膜(步驟S2)。此步驟S2與步驟SI基本上相同。亦即，在步驟S2中，掩蔽環(huán)岸部的表面的不需要形成多孔防蝕鋁膜的區(qū)域。隨后，以反轉狀態(tài)將該活塞安裝在電解裝置中并執(zhí)行電解。具體地，設定適于形成多孔防蝕鋁膜的電解條件，并在用作陽極的活塞和陰極之間通電。因此，形成了多孔防蝕鋁膜。在膜形成之后，按需對所形成的膜的表面進行拋光。在連同多孔防蝕鋁一起使用上述絕熱顆粒的情況下，在形成多孔防蝕鋁膜之后，向多孔防蝕鋁表面涂布包含這些絕熱顆粒的溶液(例如，聚硅氮烷溶液或聚硅氧烷溶液)。作為此步驟S2的結果，形成了多孔防蝕鋁膜32。
[0062]在步驟S2之后，在頂部環(huán)岸的側表面上形成基于陶瓷的材料的膜(步驟S3)。在此步驟S3中，首先，以基于陶瓷的材料的膜厚度切削頂部環(huán)岸的側表面。此切削的目的是防止頂部環(huán)岸的側表面和氣缸的內壁面之間的間隙由于形成基于陶瓷的材料的膜而縮小。隨后，對切削面進行噴丸處理。此噴丸處理的目的是有意地增大切削面的表面粗糙度并由此借助于錨固作用來改善要形成在該切削面上的陶瓷膜在活塞基材上的附著。隨后，對噴丸處理面進行基于陶瓷的材料的熱噴涂或冷噴涂。因此，形成了基于陶瓷的材料的膜。在膜形成之后，按需對所形成的膜的表面進行拋光。作為此步驟S3的結果，形成了陶瓷膜34。
[0063]由于基于陶瓷的材料基本上呈現(xiàn)絕緣性，所以如果步驟SI或步驟S2在步驟S3之后執(zhí)行，則會阻礙陽極氧化反應。在這方面，根據(jù)本實施方式，步驟SI和步驟S2在步驟S3之前執(zhí)行，從而能抑制三種膜的結構和膜厚度的變化。
[0064]在上述實施方式中，步驟S2和步驟S3分別對應于本發(fā)明的第五方面的“隔熱膜”形成步驟和“保熱膜”形成步驟。
[0065][制造方法的修改例]在上述實施方式中，步驟S2在步驟SI之后執(zhí)行。然而，步驟S2也可在步驟SI之前執(zhí)行。在上述實施方式中，在步驟S3中通過熱噴涂或冷噴涂來形成基于陶瓷的材料的膜。然而，也可單獨地由基于陶瓷的材料制造環(huán)形的成型體并將該成型體壓配合到頂部環(huán)岸的側表面上。
【主權項】
1.一種用于內燃機的活塞，所述活塞的特征在于包括: 設置在所述活塞的環(huán)岸部的上表面上的隔熱膜，所述隔熱膜具有比活塞基材低的熱傳導率且具有比所述活塞基材低的單位體積熱容量;和 設置在所述環(huán)岸部的側表面上的第一保熱膜，所述第一保熱膜具有比所述活塞基材低的熱傳導率且具有比所述隔熱膜高的單位體積熱容量。2.根據(jù)權利要求1所述的活塞，其特征在于 所述第一保熱膜設置在頂部環(huán)岸的側表面的一部分上， 所述頂部環(huán)岸是所述環(huán)岸部的比裝配頂部環(huán)的溝槽更靠上側的部位，并且所述頂部環(huán)岸的位于所述環(huán)岸部的上表面?zhèn)鹊膫缺砻婢哂斜人鲰敳凯h(huán)岸的位于所述環(huán)岸部的下表面?zhèn)鹊膫缺砻娓叩谋匦Ч?.根據(jù)權利要求1或2所述的活塞，其特征在于 所述第一保熱膜設置在頂部環(huán)岸的側表面上， 所述頂部環(huán)岸是所述環(huán)岸部的比裝配頂部環(huán)的溝槽更靠上側的部位，并且 所述活塞基材在所述環(huán)岸部的側表面的比所述溝槽更靠下側的部位露出。4.一種內燃機，包括根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的活塞，其特征在于 在收納所述活塞的氣缸的內壁面上設置有第二保熱膜， 所述第二保熱膜設置在當所述活塞位于下止點時使所述第二保熱膜與所述環(huán)岸部的側表面對向的位置，并且 所述第二保熱膜具有比所述活塞基材低且比所述隔熱膜高的單位體積熱容量。5.—種根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的活塞的制造方法，其特征在于包括: 通過對所述活塞基材進行陽極氧化處理而在所述環(huán)岸部的上表面上形成所述隔熱膜；以及 在形成所述隔熱膜之后，通過用絕緣材料形成膜而在所述環(huán)岸部的側表面上形成所述第一保熱膜，所述絕緣材料具有比所述活塞基材低的熱傳導率且具有比所述隔熱膜高的單位體積熱容量。
【文檔編號】F02F3/14GK105986921SQ201610147612
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】山下英男
【申請人】豐田自動車株式會社