BR102016005961B1 - Pistão para motor de combustão interna, motor de combustão interna que inclui esse pistão e método de fabricação desse pistão - Google Patents

Abstract

PISTÃO PARA MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA, MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA QUE INCLUI ESSE PISTÃO E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DESSE PISTÃO. Trata-se de um pistão para um motor de combustão interna, em que o pistão inclui: um filme de blindagem de calor (32) fornecido para uma superfície superior de uma parte de área de contato do pistão, em que o filme de blindagem de calor tem uma condutividade térmica menor que um material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que o material de base de pistão; e um primeiro filme de retenção de calor (34) fornecido para uma superfície lateral da parte de área de contato, em que o primeiro filme de retenção de calor tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de blindagem de calor.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1. CAMPO DA INVENÇÃO

[001]A presente invenção refere-se a um pistão para um motor de combustão interna, um motor de combustão interna que inclui esse pistão e um método de fabricação desse pistão.

2. Descrição da Técnica Relacionada

[002] Um pistão convencional para um motor de combustão interna é revelado, por exemplo, na Publicação de Pedido de Patente no JP 2009-243355, em que um filme de blindagem de calor que tem uma condutividade térmica menor que um material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que o material de base de pistão é formado na superfície superior de uma parte de área de contato. Um filme de blindagem de calor que tem tais propriedades térmicas permite que a temperatura da superfície superior da parte de área de contato siga a temperatura de um meio de trabalho dentro de um cilindro de um motor de combustão interna. Isto é, durante a curso de combustão do motor de combustão interna, a temperatura da superfície superior da parte de área de contato pode ser aumentada, embora durante o curso de entrada, a temperatura da superfície superior possa ser diminuída. Desse modo, é possível aprimorar a eficiência de combustível através da redução da perda de resfriamento durante o curso de combustão e suprimir a ocorrência de golpe ou combustão abdominal devido ao aquecimento do meio de trabalho durante o curso de entrada.

[003] Um outro pistão para um motor de combustão interna é revelado na Publicação de Pedido de Patente no JP 11-280545, em que um material de metal ferroso que tem uma difusividade térmica menor que um material de base de pistão (especificamente, uma liga de alumínio) é fornecido para a superfície lateral de uma parte de área de contato. O fornecimento de um material de metal que tem tais propriedades térmicas pode aumentar a temperatura em torno do material de metal. Desse modo, é possível aprimorar a eficiência de combustão do motor de combustão interna promovendo-se a evaporação e gaseificação de um combustível líquido que adere a ou em torno da superfície do material de metal.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[004]A desvantagem de formação de um filme de blindagem de calor que tem as propriedades térmicas conforme revelado no documento no JP 2009-243355 A na superfície superior da parte de área de contato, ou seja, à medida que a temperatura da superfície superior aumenta durante o curso de combustão, a viscosidade do meio de trabalho aumenta, de modo que a fluidez do meio de trabalho diminui e é provável que ocorra a deterioração de combustão. Uma vez que a deterioração de combustão ocorre, uma chama que sob condições normais se propaga por toda a parte interna do cilindro durante o curso de combustão não consegue alcançar a superfície lateral da parte de área de contato. Desse modo, o meio de trabalho presente em torno da superfície lateral da parte de área de contato, incapaz de comburir durante o curso de combustão, permanece em torno da superfície lateral. Ademais, à medida que um novo meio de trabalho flui no cilindro durante o curso de entrada após o curso de combustão, o meio de trabalho que permanece em torno da superfície lateral da parte de área de contato é resfriado, de modo que o combustível dentro do meio de trabalho seja condensado e adira à superfície lateral.

[005] Em relação a esse problema, o fornecimento do material de metal do documento no JP 11 -280545 A para a superfície lateral da parte de área de contato do documento no JP 2009-243355 A pode permitir que a temperatura em torno do material de metal aumente facilmente. Entretanto, o documento no JP 11-280545 A especifica a difusividade térmica do material de metal, mas não menciona a capacidade de aquecimento por volume de unidade do material de metal. Consequentemente, quando o material de metal do documento no JP 11-280545 A for fornecido para a superfície lateral da parte de área de contato do documento no JP 2009-243355 A, mesmo se a temperatura da superfície do material de metal puder ser aumentada durante o curso de combustão e o curso de escape em virtude da baixa difusividade térmica do material de metal, a temperatura da superfície pode diminuir durante curso de entrada a seguir. Portanto, se o meio de trabalho for transportado para o curso de entrada devido à deterioração de combustão conforme descrito acima, o combustível dentro do meio de trabalho é condensado e se adere à superfície do material de metal durante o curso de entrada.

[006]Ademais, o material de metal do documento no JP 11-280545 A é fornecido para uma porção da superfície lateral da parte de área de contato da superfície superior da parte de área de contato para o meio da segunda área de contato. Em outras palavras, esse material de metal é fornecido não apenas para a superfície lateral da área de contato de topo, mas também para a superfície lateral da segunda área de contato. Consequentemente, a transferência de calor da superfície superior da parte de área de contato para a superfície de parede interna do cilindro através de um anel de pistão encaixado em um sulco entre a área de contato de topo e segunda área de contato (isto é, anel de topo) é impedida. Como um resultado, o calor pode migrar do filme de blindagem de calor para um meio de trabalho que flui recentemente no cilindro durante o curso de entrada e o meio de trabalho é aquecido. Desse modo, o golpe ou a combustão abdominal ocorre apesar do filme de blindagem de calor formado na superfície superior da parte de área de contato.

[007]A presente invenção foi inventada para solucionar pelo menos um dos problemas descritos acima. Isto é, um objetivo da presente invenção é suprimir a adesão de combustível à superfície lateral da parte de área de contato e suprimir o aquecimento de um meio de trabalho durante um curso de entrada em um pistão para um motor de combustão interna em que um filme de blindagem de calor que tem uma condutividade térmica menor que um material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que o material de base de pistão é formado na superfície superior da parte de área de contato.

[008] Um primeiro aspecto da presente invenção é um pistão para um motor de combustão interna, em que o pistão inclui: um filme de blindagem de calor fornecido para uma superfície superior de uma parte de área de contato do pistão, em que o filme de blindagem de calor tem uma condutividade térmica menor que um material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que o material de base de pistão; e um primeiro filme de retenção de calor fornecido para uma superfície lateral da parte de área de contato, em que o primeiro filme de retenção de calor tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de blindagem de calor.

[009] Um segundo aspecto da presente invenção é o pistão de acordo com o primeiro aspecto, em que o primeiro filme de retenção de calor é fornecido para uma parte de uma superfície lateral de uma área de contato de topo; o área de contato de topo é uma porção da parte de área de contato mais no lado superior que um sulco em que um anel de topo é encaixado; e a superfície lateral da área de contato de topo localizada no lado da superfície superior da parte de área de contato tem um efeito de retenção de calor maior que a superfície lateral da área de contato de topo localizada no lado de uma superfície inferior da parte de área de contato.

[010] Um terceiro aspecto da presente invenção é o pistão de acordo com o primeiro aspecto ou o segundo aspecto, em que o primeiro filme de retenção de calor é fornecido para uma superfície lateral de uma área de contato de topo; a área de contato de topo é uma porção da parte de área de contato mais no lado superior que um sulco em que um anel de topo é encaixado; e o material de base de pistão é exposto em uma porção da superfície lateral da parte de área de contato mais no lado inferior que no sulco.

[011] Um quarto aspecto da presente invenção é um motor de combustão interna que inclui o pistão de acordo com qualquer um dentre o primeiro aspecto ao terceiro aspecto, em que um segundo filme de retenção de calor é fornecido para uma superfície de parede interna de um cilindro que aloja o pistão; o segundo filme de retenção de calor é fornecido em tal posição que o segundo filme de retenção de calor se volte para a superfície lateral da parte de área de contato quando o pistão estiver localizada em um ponto morto de fundo; e o segundo filme de retenção de calor tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que aquela do material de base de pistão e maior que aquela do filme de blindagem de calor.

[012] Um quinto aspecto da presente invenção é um método de fabricação de um pistão para um motor de combustão interna, em que o pistão inclui: um filme de blindagem de calor fornecido para uma superfície superior de uma parte de área de contato do pistão, em que o filme de blindagem de calor tem uma condutividade térmica menor que um material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que o material de base de pistão; e um primeiro filme de retenção de calor fornecido para uma superfície lateral da parte de área de contato, em que o primeiro filme de retenção de calor tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de blindagem de calor, em que o método de fabricação inclui: formar o filme de blindagem de calor na superfície superior da parte de área de contato através da anodização do material de base de pistão; e após formar o filme de blindagem de calor, formar o primeiro filme de retenção de calor na superfície lateral da parte de área de contato através da formação um filme de um material de isolamento, em que o material de isolamento tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de blindagem de calor.

[013] De acordo com o primeiro aspecto, o filme de retenção de calor que tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de blindagem de calor é formado na superfície lateral da parte de área de contato, de modo que seja possível aumentar a temperatura média da superfície lateral durante um ciclo do motor de combustão interna e suprimir a diminuição na temperatura da superfície lateral da parte de área de contato durante o curso de entrada. Consequentemente, mesmo se, em um certo ciclo, um meio de trabalho presente em torno da superfície lateral da parte de área de contato permanecer sem comburir durante o curso de combustão e for transportado para o curso de entrada, o meio de trabalho pode ser comburido durante o curso de combustão após o curso de entrada. Desse modo, a adesão de combustível à superfície lateral da parte de área de contato pode ser suprimida.

[014] Para observação na superfície lateral da parte de área de contato, a temperatura da superfície lateral diminui com o aumento da distância a partir da superfície superior da parte de área de contato. Consequentemente, se o meio de trabalho presente em torno da superfície lateral da parte de área de contato permanecer sem comburir durante o curso de combustão e for transportado para o curso de entrada, há uma alta probabilidade de que o combustível dentro do meio de trabalho residual seja condensado em uma região próxima da superfície inferior da parte de área de contato. Nesse sentido, de acordo com o segundo aspecto, o efeito de retenção de calor da superfície lateral da área de contato de topo é maior no lado da superfície inferior da parte de área de contato que no lado da superfície superior, de modo que seja possível suprimir de modo favorável a condensação do combustível dentro do meio de trabalho residual em uma região próxima da superfície inferior.

[015] De acordo com o terceiro aspecto, o material de base de pistão pode ser exposto mais no lado inferior que no sulco em que o anel de topo é encaixado, de modo que seja possível aumentar a quantidade de transferência de calor da superfície superior da parte de área de contato para a superfície de parede interna do cilindro através da parte de dentro da parte de área de contato e do anel de topo. Desse modo, o aquecimento do meio de trabalho durante o curso de entrada pode ser suprimido.

[016] Basicamente, a temperatura da superfície de parede interna do cilindro diminui com a diminuição da distância para um cárter. Consequentemente, pode-se considerar que a temperatura do filme de retenção de calor formada na superfície lateral da parte de área de contato seja mais baixa no ponto morto de fundo em que a distância para o cárter é mínima. Nesse sentido, de acordo com o quarto aspecto, o filme de retenção de calor que tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que aquela do material de base de pistão e maior que aquela do filme de blindagem de calor é formado na superfície de parede interna do cilindro que se volta para a superfície lateral da parte de área de contato quando o pistão estiver localizado no ponto morto de fundo, de modo que, na posição em que a temperatura do filme de retenção de calor formada na superfície lateral é mais baixa, o meio de trabalho presente em torno da superfície lateral possa ser aquecido pelo filme de retenção de calor formado na superfície de parede interna. Desse modo, a adesão de combustível à superfície lateral da parte de área de contato pode ser suprimida.

[017]Se o filme de blindagem de calor for formado através da anodização após um filme de um material de isolamento ser formado, a reação de anodização é inibida e o filme de blindagem de calor a ser formada pode variar na estrutura e espessura de filme. Nesse sentido, de acordo com o quinto aspecto, o filme de retenção de calor pode ser formado através da formação de um filme de um material de isolamento após o filme de blindagem de calor ser formado através da anodização, de modo que o filme de blindagem de calor possa ser formado de modo favorável.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[018]Os recursos, as vantagens e a significância industrial e técnica de modalidades exemplificativas da invenção serão descritos abaixo em referência aos desenhos anexos, em que os numerais semelhantes denotam elementos semelhantes e em que:

[019]A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um pistão de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[020]A Figura 2 é uma vista em corte transversal esquemática do pistão da Figura 1 quando o pistão é alojado dentro de um cilindro de um motor de combustão interna de ignição por centelha;

[021]A Figura 3 é uma vista que mostra alterações na temperatura de um meio de trabalho dentro de um cilindro e in temperatura da superfície superior de uma parte de área de contato durante um ciclo de um motor de combustão interna;

[022]A Figura 4 é uma vista que mostra uma relação entre uma temperatura média de um filme de cerâmica durante um ciclo de um motor de combustão interna, a capacidade de aquecimento por volume de unidade do filme de cerâmica e um efeito de redução de HC não comburido;

[023]A Figura 5 é uma vista que mostra a quantidade de transferência de calor da superfície superior da parte de área de contato para a superfície lateral do pistão;

[024]A Figura 6 é uma vista que mostra a quantidade de transferência de calor da superfície superior da parte de área de contato para a superfície lateral do pistão;

[025]A Figura 7 é uma vista que ilustra um exemplo modificado do pistão de acordo com a modalidade da presente invenção;

[026]A Figura 8 é uma vista que ilustra um exemplo modificado do pistão de acordo com a modalidade da presente invenção;

[027]A Figura 9 é uma vista que ilustra um exemplo modificado do pistão de acordo com a modalidade da presente invenção;

[028]A Figura 10 é uma vista em corte transversal esquemática de um pistão, em que um filme de alumito poroso, um filme de cerâmica e um filme de alumito rígido são formados, quando o pistão é alojado dentro de um cilindro de um motor de combustão interna de ignição de compressão;

[029]A Figura 11 é uma vista em corte transversal esquemática de um motor de combustão interna de acordo com uma modalidade da presente invenção; e

[030]A Figura 12 é um fluxograma que ilustra um método de fabricação do pistão de acordo com uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES

[031]A seguir, as modalidades da presente invenção serão descritas com base nos desenhos. Os mesmos componentes entre os desenhos serão dados os mesmos sinais de referência e a descrição repetida dos mesmos será omitida. A presente invenção não é limitada pelas modalidades a seguir.

[032][Pistão para motor de combustão interna] Primeiro, uma modalidade de um pistão da presente invenção será descrita em referência à Figura 1. A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um pistão 10 de acordo com a modalidade da presente invenção. Similar a um pistão comum para um motor de combustão interna, o pistão 10 é formado através da fundição de uma liga de alumínio que é um material de base de pistão. Conforme mostrado na Figura 1, o pistão 10 inclui uma parte de saia cilíndrica 12 da qual a superfície lateral entra em contato deslizante com a superfície de parede interna de um cilindro (não mostrado), uma parte de área de contato 14 de uma espessura predeterminada formada na extremidade superior da parte de saia 12 e uma parte de ressalto de pino 16 que sustenta um pino de pistão (não mostrado). Os sulcos 18, 20, 22, em que os três anéis de pistão (não mostrados) são respectivamente encaixados, são formados na superfície lateral da parte de área de contato 14. Na superfície superior da parte de área de contato 14 (doravante no presente documento também pode ser referido como uma "superfície de topo de pistão"), as reentrâncias de válvula em formato crescente 24, 26, 28, 30 para evitar a interferência com uma válvula de entrada e uma válvula de escape (nenhuma das duas é mostrada) são formadas.

[033]A Figura 2 é uma vista em corte transversal esquemática, que corresponde à seção 2A-2A da Figura 1, do pistão 10 da Figura 1 quando o pistão 10 é alojado dentro de um cilindro de um motor de combustão interna de ignição por centelha. Na Figura 2, o pistão 10 está localizado no ponto morto de topo. Conforme mostrado na Figura 2, um filme de alumito poroso 32 é formado na superfície de topo de pistão. Um filme de cerâmica 34 é formado na superfície lateral da parte de área de contato 14 do sulco 18 para a superfície de topo de pistão, isto é, na superfície lateral da área de contato de topo. Um filme de alumito rígido 36 é formado nas superfícies dos sulcos 18, 20, 22. Por outro lado, o material de base de pistão é exposto em uma porção da superfície lateral da parte de área de contato 14 do sulco 18 para a superfície inferior (não mostrada) da parte de área de contato 14. Por exemplo, o material de base de pistão é exposto na superfície lateral da parte de área de contato 14 entre o sulco 18 e o sulco 20, isto é, a superfície lateral da segunda área de contato e na superfície lateral da parte de área de contato 14 entre o sulco 20 e o sulco 22, isto é, a superfície lateral da terceira área de contato.

[034]Tanto o filme de alumito poroso 32 quanto o filme de alumito rígido 36 são formados através da anodização do material de base de pistão (isto é, uma liga de alumínio). Entretanto, o filme de alumito poroso 32 e o filme de alumito rígido 36 são diferentes entre si em propriedades e espessura de filme do alumito (a espessura de filme é uma espessura em uma direção perpendicular à direção axial do cilindro; o mesmo se aplica doravante no presente documento). Especificamente, o filme de alumito poroso 32 tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que o material de base de pistão. A espessura de filme do filme de alumito poroso 32 é 100 a 500 μm. Com excelentes características de movimento (a capacidade de acompanhamento da temperatura de uma superfície de formação de filme em relação às alterações de temperatura de um meio de trabalho dentro de um cilindro; o mesmo se aplica doravante no presente documento), o filme de alumito poroso 32 pode alcançar diversos efeitos (os detalhes serão posteriormente descritos).

[035]O filme de alumito poroso 32 pode ter uma constituição de filme que inclui partículas de isolamento (por exemplo, partículas de sílica (SiO2), alumina (Al2O3), zircônia (ZrO2), ou titânia (TiO2)). Para a constituição e propriedades térmicas (isto é, a condutividade térmica e a capacidade de aquecimento por volume de unidade) do filme de alumito poroso, por exemplo, a Publicação de Pedido de Patente no JP 2010-249008 e a Publicação de Pedido de Patente no JP 2013-14830 podem ser referidas.

[036]Como com o filme de alumito poroso 32, o filme de alumito rígido 36 também tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que o material de base de pistão. Entretanto, o filme de alumito rígido 36 tem diversos micrômetros em espessura e tem uma baixa porosidade e em comparação ao filme de alumito poroso 32, o filme de alumito rígido 36 tem condutividade térmica e capacidade de aquecimento por volume de unidade muito maior. Consequentemente, o filme de alumito rígido 36 tem não tem características de movimento, mas, em vez disso, é excelente no que se refere à rigidez de película e resistência à abrasão. O filme de alumito rígido 36 pode impedir o atrito devido ao contato entre os sulcos 18, 20, 22 e os anéis de pistão.

[037]O filme de cerâmica 34 é formado através da aspersão térmica ou aspersão a frio de uma cerâmica, tal como zircônia (ZrO2), sílica (SiO2), nitreto de silício (Si3N4), ítria (Y2O3), ou titânia (TiO2), ou uma cerâmica de compósito, tal como cermet (TiC-TiN), mutila (3Al2θs-2Siθ2), cordierita (2MgO-2Al2O3-5SiO2) ou esteatita (MgO-SiO2) (doravante no presente documento referidos simplesmente como um "material com base em cerâmica"). O filme de cerâmica 34 tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de alumito poroso 32. A espessura de filme do filme de cerâmica 34 é 50 a 3.000 μm.

[038] Por exemplo, a condutividade térmica À32 do filme de alumito poroso 32 é À32 < 0,5 W/m-K e a capacidade de aquecimento por volume de unidade C32 do filme de alumito poroso 32 é C32 < 1.500 x 103 J/m3-K. A condutividade térmica À34 do filme de cerâmica 34 é À34 < 0,5 a 30 W/m-K e a capacidade de aquecimento por volume de unidade C34 do filme de cerâmica 34 é C34 > 1.500 x 103 J/m3-K. A condutividade térmica ÀAI de uma liga de alumínio é ÀAI = 96,2 W/m-K e a capacidade de calor CAl é CAl = 2.639 x 103 J/m3-K.

[039]O filme de alumito poroso 32 e o filme de cerâmica 34 são diferentes entre si em densidade e rugosidade de superfície Ra do filme (a rugosidade de superfície é uma rugosidade de média aritmética medida de acordo com JISB601 (2001); o mesmo se aplica doravante no presente documento). Especificamente, o filme de alumito poroso 32 tem uma densidade menor que o filme de cerâmica 34. A densidade do filme de alumito poroso 32 é baixa devido ao fato de os pequenos orifícios formados no curso de anodização aumentarem a porosidade do filme de alumito poroso 32. A rugosidade de superfície Ra do filme de alumito poroso 32 é maior que a rugosidade de superfície Ra do filme de cerâmica 34. A rugosidade de superfície Ra do filme de alumito poroso 32 é alta devido ao fato que os aditivos no material de base de pistão dificultam a formação de alumito e, desse modo, tornam a altura da superfície de filme irregular. Por exemplo, a rugosidade de superfície Ra32 do filme de alumito poroso 32 é 1,0 μm < Ra32 < 3,0 μm e a rugosidade de superfície Ra34 do filme de cerâmica 34 é Ra34 < 1,0 μm

[040][Efeitos de Pistão] O pistão 10 no qual o filme de alumito poroso 32 e o filme de cerâmica 34 são formados pode alcançar os efeitos a seguir. Primeiro, os efeitos do filme de alumito poroso 32 serão descritos em referência à Figura 3. A Figura 3 é uma vista que mostra alterações na temperatura de um meio de trabalho dentro de um cilindro e da temperatura da superfície superior da parte de área de contato durante um ciclo de um motor de combustão interna. Na Figura 3, "temperatura de parede convencional" representa a temperatura da superfície superior da parte de área de contato quando um filme de cerâmica comum for formado na superfície superior. "Temperatura de parede na modalidade" representa a temperatura da superfície superior da parte de área de contato quando um filme de alumito poroso (isto é, o filme de alumito poroso 32) for formado na superfície superior. "Temperatura de parede de base (Al)" representa a temperatura da superfície superior da parte de área de contato quando o material de base de pistão for exposto na superfície superior.

[041]Conforme mostrado na Figura 3, quando um filme de cerâmica comum for formado (temperatura de parede convencional), o desempenho de blindagem de calor na superfície superior da parte de área de contato pode ser aprimorado quando comparada ao material de base de pistão que é exposto (temperatura de parede de base (Al)), de modo que a perda de resfriamento durante o curso de combustão possa ser reduzida. Entretanto, a temperatura da superfície superior da parte de área de contato também permanece alta durante o curso de entrada. Consequentemente, durante o curso de entrada, o calor migra da superfície superior da parte de área de contato para o meio de trabalho. Desse modo, o meio de trabalho é aquecido e é provável a ocorrência do golpe ou da combustão abdominal.

[042] Em contraste, quando um filme de alumito poroso for formado (temperatura de parede na modalidade), a temperatura da superfície superior da parte de área de contato durante o curso de entrada pode ser diminuída em virtude das características de movimento e o aquecimento do meio de trabalho durante o curso de entrada pode ser suprimido (consulte a seta para baixo). Desse modo, a ocorrência de golpe ou de combustão abdominal pode ser suprimida. Ademais, essas características de movimento podem permitir que a temperatura da superfície superior da parte de área de contato aumente significativamente durante o curso de combustão (consulte a seta para cima). Consequentemente, quando comparada a um filme de cerâmica comum que é formada, a eficiência de combustível pode ser aprimorada através da redução de modo significativo da perda de resfriamento durante o curso de combustão.

[043]A seguir, os efeitos do filme de cerâmica 34 serão descritos. Visto que a densidade do filme de cerâmica 34 é maior que a densidade do filme de alumito poroso 32, a ruptura do filme durante o movimento para cima e o movimento para baixo do pistão 10 pode ser suprimida quando comparada a um filme de alumito poroso similar ao filme de alumito poroso 32 que é formado na superfície lateral da área de contato de topo. Além disso, visto que a rugosidade de superfície Ra do filme de cerâmica 34 é menor que a rugosidade de superfície Ra do filme de alumito poroso 32, o atrito que ocorre entre o pistão 10 e o cilindro também pode ser reduzido quando comparado a um filme de alumito poroso similar ao filme de alumito poroso 32 que é formado na superfície lateral da área de contato de topo.

[044]Visto que o filme de cerâmica 34 tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de alumito poroso 32, a temperatura média do filme durante um ciclo do motor de combustão interna pode ser aumentada. A Figura 4 é uma vista que mostra uma relação entre a temperatura média do filme de cerâmica durante um ciclo do motor de combustão interna, a capacidade de aquecimento por volume de unidade do filme de cerâmica e um efeito de redução de HC não comburido. Como com a condutividade térmica do filme de cerâmica 34, a condutividade térmica do filme de cerâmica na Figura 4 é menor que aquela do material de base de pistão. Conforme mostrado na Figura 4, se a capacidade de aquecimento por volume de unidade do filme de cerâmica for aumentada, a temperatura média do filme de cerâmica durante um ciclo pode ser aumentada. Isso se deve ao fato de que o efeito de retenção de calor do filme de cerâmica, que tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão, aumenta à medida que a capacidade de aquecimento por volume de unidade do filme de cerâmica aumenta.

[045]Se a temperatura média do filme de cerâmica durante um ciclo puder ser aumentada, os efeitos a seguir podem ser esperados. Isto é, quando o filme de alumito poroso 32 for formado na superfície superior da parte de área de contato, a temperatura da superfície superior pode ser aumentada durante o curso de combustão (consulte a Figura 3). Entretanto, a desvantagem é que a viscosidade do meio de trabalho aumenta à medida que a temperatura da superfície superior aumenta, de modo que a fluidez do meio de trabalho diminua e seja provável a ocorrência da deterioração de combustão. Conforme descrito acima, uma vez que a deterioração de combustão ocorre, o meio de trabalho presente em torno da superfície lateral da área de contato de topo, incapaz de comburir durante o curso de combustão, permanece em torno da superfície lateral. Ademais, o meio de trabalho que permanece em torno da superfície lateral da área de contato de topo é resfriado, de modo que o combustível dentro do meio de trabalho seja condensado e se adira à superfície lateral.

[046] Nesse sentido, se a temperatura média do filme de cerâmica durante um ciclo puder ser aumentada, mesmo se, em um certo ciclo, o meio de trabalho presente em torno do filme de cerâmica permanecer sem combustão durante o curso de combustão e for transportado para o curso de entrada, o meio de trabalho pode ser consequentemente comburido no curso de combustão. Desse modo, a adesão de combustível à superfície lateral da área de contato de topo pode ser suprimida. Em outras palavras, o efeito de redução de HC não comburido pode ser aumentado (consulte a Figura 4).

[047] No presente documento, em conjunto com os efeitos do filme de cerâmica 34, a razão do porque o filme de cerâmica 34 é formado apenas na superfície lateral da área de contato de topo será descrita em referência à Figura 5 e à Figura 6. A Figura 5 e a Figura 6 são vistas que mostram a quantidade de transferência de calor da superfície superior da parte de área de contato para a superfície lateral do pistão. Em vista do efeito de redução de HC não comburido descrito acima, a formação do filme de cerâmica 34 não apenas na superfície lateral da área de contato de topo, mas também nas superfícies laterais da segunda área de contato e da terceira área de contato é uma opção concebível. Entretanto, um contribuinte principal para a diminuição da temperatura da superfície superior da parte de área de contato durante o curso de entrada descrito com a Figura 3 é a transferência de calor da superfície lateral do pistão para a superfície de parede interna do cilindro durante o período de tempo da última metade do curso de escape precedente para uma primeira metade do curso de entrada. Portanto, se um filme de cerâmica similar ao filme de cerâmica 34 for formado nas superfícies laterais da segunda área de contato e da terceira área de contato, a quantidade de transferência de calor da superfície lateral para a superfície de parede interna diminui (consulte a seta na Figura 5). Desse modo, o meio de trabalho sugado no cilindro é aquecido através do calor que permanece na superfície de topo do pistão após o meio do curso de entrada, de modo que o golpe ou a combustão abdominal ocorra.

[048] Nesse sentido, é possível aumentar a quantidade de transferência de calor da superfície lateral do pistão para a superfície de parede interna do cilindro através dos anéis de pistão encaixados nos sulcos 18, 20, 22 (consulte a seta na Figura 6) através da formação do filme de cerâmica 34 na superfície lateral da área de contato de topo enquanto não se forma o filme de cerâmica 34 nas superfícies laterais da segunda área de contato e da terceira área de contato de modo a expor o material de base de pistão. Consequentemente, o aquecimento do meio de trabalho durante o curso de entrada pode ser suprimido. Desse modo, é possível suprimir o aquecimento do meio de trabalho durante o curso de entrada enquanto aumenta o efeito de redução de HC não comburido através da formação do filme de cerâmica 34 na superfície lateral da área de contato de topo e enquanto expõe o material de base de pistão nas superfícies laterais da segunda área de contato e da terceira área de contato.

[049] Na modalidade acima, o filme de alumito poroso 32 e o filme de cerâmica 34 correspondem ao "filme de blindagem de calor" e ao "primeiro filme de retenção de calor", respectivamente, do primeiro aspecto. Se o filme de alumito poroso 32 incluir as partículas porosas, o filme de alumito poroso 32 que inclui as partículas porosas corresponde ao "filme de blindagem de calor" do primeiro aspecto. É óbvio que o "filme de blindagem de calor" do primeiro aspecto não é limitado ao aspecto descrito na modalidade. Por exemplo, zircônia (ZrO2), sílica (SiO2), nitreto de silício (Si3N4), ítria (Y2O3), óxido de titânio (TiO2), etc. podem ser usados como um material que compõe o filme de blindagem de calor. O filme de blindagem de calor pode ser formado por diversos meios que incluem aspersão térmica.

[Exemplos Modificados de Pistão]

[050] Na modalidade acima, o filme de cerâmica 34 que tem uma espessura de filme constate é formado na superfície lateral integral da área de contato de topo. Entretanto, a espessura de filme do filme de cerâmica 34 pode ser variada em estágios ou continuamente e o filme de cerâmica 34 pode ser formado em uma parte da superfície lateral da área de contato de topo. A Figura 7 a Figura 9 são vistas que ilustram os exemplos modificados do pistão de acordo com a modalidade da presente invenção. Como com a Figura 2, a Figura 7 a Figura 9 são vistas em corte transversal esquemáticas de um cilindro de um motor de combustão interna de ignição por centelha.

[051] No exemplo da Figura 7, a espessura de filme do filme de cerâmica 34 é variada em dois estágios. Especificamente, a espessura de filme de um filme de cerâmica 34b no lado da superfície de topo de pistão é menor que a espessura de filme (50 a 3.000 μm) de um filme de cerâmica 34a no lado do sulco 18. No exemplo da Figura 8, a espessura de filme no lado do sulco 18 é maior (50 a 3.000 μm) e a espessura de filme é reduzida do sulco 18 para a superfície de topo de pistão. No exemplo da Figura 9, embora a espessura de filme do filme de cerâmica 34 seja constante (50 a 3.000 μm), o filme de cerâmica 34 é formado do meio da área de contato de topo para o sulco 18, enquanto o material de base de pistão é exposto do meio da área de contato de topo para a superfície de topo de pistão.

[052] Para a observação na superfície lateral da área de contato de topo, a temperatura da superfície lateral diminui com o aumento da distância a partir da superfície de topo de pistão. Consequentemente, se o meio de trabalho presente em torno da superfície lateral da área de contato de topo permanecer sem comburir durante o curso de combustão e for transportado para o curso de entrada, há uma alta probabilidade de que o combustível dentro do meio de trabalho residual seja condensado em uma região mais próxima da superfície lateral. Nessa modalidade, conforme mostrado na Figura 7 a Figura 9, a formação do filme de cerâmica 34 em uma região da superfície lateral da área de contato de topo próxima do sulco 18 pode melhorar o efeito de retenção de calor naquela região. Desse modo, a condensação do combustível dentro do meio de trabalho residual pode ser suprimida de modo favorável.

[053] Na descrição da modalidade acima, o pistão 10 é aplicado a um motor de combustão interna de ignição por centelha. Entretanto, um pistão no qual três tipos de filmes (isto é, o filme de alumito poroso 32, o filme de cerâmica 34 e o filme de alumito rígido 36; o mesmo se aplica doravante no presente documento) são formados pode ser aplicado a um motor de combustão interna de ignição de compressão. A Figura 10 é uma vista em corte transversal esquemática de um pistão, no qual os três tipos de filmes são formados, quando o pistão for alojado dentro de um cilindro de um motor de combustão interna de ignição de compressão. Na Figura 10, um pistão 40 está localizado em um ponto morto de topo. O pistão 40 mostrado na Figura 10 e o pistão 10 são diferentes entre si nos quais uma cavidade 42 é formada no pistão 40 no centro da superfície superior da parte de área de contato 14, mas basicamente os dois pistões são, de outro modo, os mesmos entre si. Consequentemente, o pistão 40 pode alcançar os mesmos efeitos do pistão 10.

[Motor de Combustão Interna]

[054]A seguir, uma modalidade de um motor de combustão interna da presente invenção será descrita em referência à Figura 11. O motor de combustão interna de acordo com essa modalidade corresponde a um motor de combustão interna de ignição por centelha com o pistão descrito acima 10 integrado no mesmo. Portanto, a descrição do pistão 10 e os três tipos de filmes serão omitidos.

[055]A Figura 11 é uma vista em corte transversal esquemática de um motor de combustão interna 50 de acordo com a modalidade da presente invenção. Na Figura 11, o pistão 10 está localizado no ponto morto de fundo. Conforme mostrado na Figura 11, um filme de cerâmica 54 é formado na superfície de parede interna de um cilindro 52 do motor de combustão interna 50. O material de base de pistão é exposto em uma região dessa superfície de parede interna além da região de formação do filme de cerâmica 54.

[056]As propriedades térmicas etc. do filme de cerâmica 54 são basicamente as mesmas daquelas do filme de cerâmica 34. Isto é, o filme de cerâmica 54 é formado por aspersão térmica ou aspersão a frio de um material com base em cerâmica. O filme de cerâmica 54 tem uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de alumito poroso 32. A espessura de filme do filme de cerâmica 54 é 50 a 3.000 μm. A largura de filme (a espessura de filme em uma direção paralela à direção axial do cilindro; o mesmo se aplica doravante no presente documento) do filme de cerâmica 54 é a mesma da largura de filme do filme de cerâmica 34.

[057]Conforme mostrado na Figura 11, o filme de cerâmica 54 é formado em tal posição que o filme de cerâmica 54 se volte para a superfície lateral da área de contato de topo (isto é, a superfície em que o filme de cerâmica 34 é formada) quando o pistão 10 estiver localizado no ponto morto de fundo. Basicamente, a temperatura da superfície de parede interna do cilindro 52 diminui com a diminuição da distância para o cárter. Consequentemente, pode-se considerar que a temperatura do filme de cerâmica 34 seja mais baixa no ponto morto de fundo em que a distância para o cárter é mínima. Nesse sentido, se o filme de cerâmica 54 for formado conforme mostrado na Figura 11, na posição em que a temperatura do filme de cerâmica 34 é mais baixa, o meio de trabalho presente em torno da superfície lateral da área de contato de topo pode ser aquecido pelo filme de cerâmica 54 formado na superfície de parede interna do cilindro 52. Desse modo, a adesão de combustível para a superfície lateral da área de contato de topo pode ser suprimida.

[058] Na modalidade acima, o filme de cerâmica 54 corresponde ao "segundo filme de retenção de calor" do quarto aspecto.

[Método De Fabricação de Pistão]

[059]A seguir, um método de fabricação do pistão de acordo com uma modalidade da presente invenção será descrito em referência à Figura 12. O método de fabricação de acordo com essa modalidade corresponde a um método para fabricar o pistão descrito acima 10.

[060]A Figura 12 é um fluxograma que ilustra o método de fabricação do pistão de acordo com a modalidade da presente invenção. Conforme mostrado na Figura 12, nessa modalidade, primeiro, um filme de alumito rígido é formado nas superfícies dos sulcos 18, 20, 22 através da anodização (etapa S1). Nessa etapa S1, especificamente, na superfície da parte de área de contato do pistão em que os sulcos 18, 20, 22, as reentrâncias de válvula 24, 26, 28, 30, etc. são formados, as regiões em que a formação de um filme de alumito rígido não é exigida são mascaradas. De modo subsequente, esse pistão é instalado em um dispositivo eletrolítico que inclui uma célula eletrolítica, um catodo e uma fonte de alimentação. Desse modo, as condições de eletrólise (isto é, a temperatura de uma solução eletrolítica, a densidade de corrente elétrica e o tempo de eletrólise; o mesmo se aplica doravante no presente documento) que são adequadas para a formação de um filme de alumito rígido são ajustadas e a energia elétrica é aplicada entre o pistão, que serve como o anodo e o catodo. Como um resultado dessa etapa S1, o filme de alumito rígido 36 é formado.

[061]Seguindo a etapa S1, um filme de alumito poroso é formado na superfície superior da parte de área de contato através da anodização (etapa S2). Essa etapa S2 é basicamente a mesma da etapa S1. Isto é, na etapa S2, as regiões da superfície da parte de área de contato em que a formação de um filme de alumito poroso não é exigida são mascaradas. De modo subsequente, esse pistão é instalado no dispositivo eletrolítico em um estado invertido e a eletrólise é realizada. De modo específico, as condições de eletrólise que são adequadas para a formação de um filme de alumito poroso são ajustadas e a energia elétrica é aplicada entre o pistão, que serve como o anodo e o catodo. Desse modo, um filme de alumito poroso é formado. Após a formação de filme, a superfície do filme formado é polida conforme for necessário. No caso em que as partículas de isolamento descritas acima são usadas juntamente com alumito poroso, após a formação do filme de alumito poroso, uma solução que inclui essas partículas de isolamento (por exemplo, solução de polissilazano ou solução de polissiloxano) é aplicada à superfície do alumito poroso. Como um resultado dessa etapa S2, o filme de alumito poroso 32 é formado.

[062]Seguindo a etapa S2, um filme de um material com base em cerâmica é formado na superfície lateral da área de contato de topo (etapa S3). Nessa etapa S3, primeiro, a superfície lateral da área de contato de topo é cortada pela espessura de filme do material com base em cerâmica. O propósito desse corte é de impedir que a folga entre a superfície lateral da área de contato de topo e a superfície de parede interna do cilindro seja reduzida através da formação do filme do material com base em cerâmica. De modo subsequente, a superfície de corte é jateada. O propósito desse jateamento é de aumentar de modo intencional a rugosidade de superfície da superfície de corte e, desse modo, aprimorar a adesão do filme de cerâmica, que deve ser formada nessa superfície de corte, ao material de base de pistão em virtude de um efeito de âncora. De modo subsequente, a aspersão térmica ou a aspersão a frio do material com base em cerâmica para a superfície jateada é realizada. Desse modo, um filme do material com base em cerâmica é formado. Após a formação de filme, a superfície do filme formado é polida conforme for necessário. Como um resultado dessa etapa S3, o filme de cerâmica 34 é formado.

[063]Visto que o material com base em cerâmica exibe basicamente uma propriedade de isolamento, se a etapa S1 ou a etapa S2 for realizada após a etapa S3, a reação de anodização é inibida. Nesse sentido, de acordo com essa modalidade, a etapa S1 e a etapa S2 são realizadas antes da etapa S3, de modo que a variação da estrutura e espessura de filme dos três tipos de filmes possam ser suprimidas.

[064] Na modalidade acima, a etapa S2 e a etapa S3 correspondem ao "filme de blindagem de calor" que forma a etapa e o "filme de retenção de calor" que forma a etapa, respectivamente, do quinto aspecto da presente invenção.

[Exemplo Modificado do Método de Fabricação]

[065] Na modalidade acima, a etapa S2 é realizada após a etapa S1. Entretanto, a etapa S2 pode ser realizada antes da etapa S1. Na modalidade acima, um filme de um material com base em cerâmica é formado por aspersão térmica ou aspersão a frio na etapa S3. Entretanto, um corpo moldado em formato de anel pode ser separadamente produzido a partir de um material com base em cerâmica e esse corpo moldado pode ser encaixado por pressão na superfície lateral da área de contato de topo.

Claims (5)

1. Pistão para um motor de combustão interna, o pistão compreendendo: um filme de blindagem de calor (32) fornecido para uma superfície superior de uma parte de área de contato do pistão, o filme de blindagem de calor tendo uma condutividade térmica menor que um material de base de pistão e tendo uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que o material de base de pistão; CARACTERIZADO pelo fato de que um primeiro filme de retenção de calor (34) é fornecido para uma superfície lateral da parte de área de contato, o primeiro filme de retenção de calor tendo uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e tendo uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de blindagem de calor.

2. Pistão, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro filme de retenção de calor é fornecido para uma parte de uma superfície lateral de uma área de contato de topo, a área de contato de topo é uma porção da parte de área de contato mais no lado superior que um sulco no qual um anel de topo é encaixado, e a superfície lateral da área de contato de topo localizada no lado de uma superfície inferior da parte de área de contato tem um efeito de retenção de calor maior que a superfície lateral da área de contato de topo localizada no lado da superfície superior da parte de área de contato.

3. Pistão, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro filme de retenção de calor é fornecido para uma superfície lateral de uma área de contato de topo, a área de contato de topo é uma porção da parte de área de contato mais no lado superior que um sulco no qual um anel de topo é encaixado, e o material de base de pistão é exposto em uma porção da superfície lateral da parte de área de contato mais no lado inferior que no sulco.

4. Motor de combustão interna que compreende o pistão, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que um segundo filme de retenção de calor (54) é fornecido para uma superfície de parede interna de um cilindro que aloja o pistão, o segundo filme de retenção de calor é fornecido em tal posição que o segundo filme de retenção de calor se volta para a superfície lateral da parte de área de contato quando o pistão está localizado em um ponto morto de fundo, e o segundo filme de retenção de calor tem uma capacidade de aquecimento por volume de unidade menor que aquela do material de base de pistão e maior que aquela do filme de blindagem de calor.

5. Método de fabricação do pistão, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: formar o filme de blindagem de calor na superfície superior da parte de área de contato através da anodização do material de base de pistão; e após formar o filme de blindagem de calor, formar o primeiro filme de retenção de calor na superfície lateral da parte de área de contato através da formação de um filme de um material de isolamento, o material de isolamento tendo uma condutividade térmica menor que o material de base de pistão e tendo uma capacidade de aquecimento por volume de unidade maior que o filme de blindagem de calor.