CN102444497A - 热绝缘结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热绝缘结构体。该热绝缘结构体能够用来降低发动机的冷却损失等。设置有空心粒子层，大量空心粒子布置成密集地填充在金属制母材的表面的状态而形成该空心粒子层，该空心粒子层被皮膜覆盖。

Description

热绝缘结构体
技术领域
本发明涉及一种适用于发动机等的热绝缘结构体。
背景技术
在发动机部件那样的暴露于高温气体的金属制品中，在该金属制母材的表面形成有抑制从高温气体向母材的热传递的热绝缘层(heat-insulatinglayer)。例如，日本公开特许公报特开2009-243352号公报中所记载的发明内容如下：在面对发动机部件的燃烧室(combustion chamber)的面上形成含空心陶瓷珠的热绝缘膜。日本公开特许公报特开平05-58760号公报中所记载的发明内容如下：让氧化铝微粒子覆盖二氧化硅质空心球状体的表面，对所获得的被覆盖物进行加压成形，再对所获得的成形体进行烧结而使其成为热绝缘材。日本公开特许公报特开2005-146925号公报中所记载的发明内容如下：在发动机的面汽缸盖的面对燃烧室的面上形成凹凸，将氧化锆类低传热材填充在该凹部，由此来提高汽缸盖的耐热性。
为提高汽车的燃料消耗率，正努力使车身轻量化、改善发动机的热效率、降低机械阻力(mechanical resistance)、降低发动机所承担的电气负载、回收和利用排气能量等。就这其中的发动机的热效率(thermal efficiency)而言，已知情况如下：理论上说，越使几何学压缩比(geometric compression ratio)提高或者越使工作气体(operative gas)的空气过剩率(excess air ratio)增大(使比热比(specific heat ratio)提高)，发动机的热效率就会越高。然而，实际上越增大压缩比或者越增大空气过剩率，冷却损失(cooling loss)(被外部作为热量夺走的能量)就会越大，因此利用增大压缩比、空气过剩率所能够带来的对热效率的改善已达到了极限。
也就是说，冷却损失是随着工作气体向发动机燃烧室壁的热传递率(heat-transfer coefficient)、其传热面积(heating surface area)以及气体温度与壁温间的温度差而变化的。其中，热传递率是气体压力和气体温度的函数。因此，如果气体压力和气体温度由于压缩比和空气过剩率增大而升高，则热传递率升高，冷却损失增大。而且，因为壁温和气体温度间的温度差也增大，所以冷却损失也会因为该温度差的增大而增大。例如使压缩比成为20以上的超高压缩比(very high compression ratio)时，膨胀比即会很高，这对降低排气损失(exhaust loss)有效，但是使压缩比成为20以上的超高压缩比(very high compression ratio)这一设想却因为上述冷却损失之存在而无法在现实中实现。
另一方面，还能够想到的一种做法如下：不靠大幅度地提高压缩比，而靠回收排气能量来实现发动机的效率化(改善燃料消耗率)。但是，在该情况下，也是当冷却损失较大时，排气能量就会随着该冷却损失的增大而相应减少。因此与提高压缩比时一样，重要的还是降低冷却损失。
发明内容
于是，本发明提供一种能够用来降低上述发动机的冷却损失等的热绝缘结构体。
使本发明为一种利用了空心粒子的热绝缘结构。也就是说，这里所公开的热绝缘结构体的特征在于，设置有大量空心粒子(hollow particles)布置为密集地填充在金属制母材的表面之状态而形成的空心粒子层(换句话说，大量空心粒子铺满金属制母材的表面而形成的空心粒子层)，该空心粒子层被皮膜覆盖。
根据上述热绝缘结构体能够收到以下几个效果。即，由呈现出大量空心粒子密集地填充着之状态的空心粒子层获得了高空气热绝缘(air thermalinsulation)效果；每单位体积的热容量(容积比热)由于空气而变小，因此在发动机的情况下，热绝缘结构体的表面温度响应性良好地追随燃烧室气体温度变化，冷却损失得到改善；覆盖空心粒子层的皮膜既防止了外力等导致空心粒子破损，又防止了空心粒子脱离或者剥离，因此而获得耐久性。
优选所述空心粒子层的相邻空心粒子之间相互接合。这样，空心粒子层作为块体的强度就会提高，有利于确保耐久性。
优选微实心粒子存在于所述空心粒子层的空心粒子之间的间隙里。这样，空心粒子层作为块体的强度就会提高，有利于确保耐久性。
优选所述空心粒子层钎焊在所述金属制母材上。这样空心粒子层与金属制母材的结合力就会提高，能够防止空心粒子层剥离，有利于确保耐久性。
优选从所述金属制母材一侧形成该金属制母材的金属浸渍固化在所述空心粒子层的空心粒子之间的间隙里，所述金属制母材和空心粒子层通过该浸渍固化部成为一体。这样，空心粒子层与金属制母材的结合力就会提高。也就是说，能够防止空心粒子层剥离，有利于确保耐久性。
优选所述皮膜的导热率(thermal conductivity)比所述空心粒子层的导热率高。也就是说，在所述空心粒子层的厚度并非整体均匀一致而产生了局部厚、局部薄之部分的情况下，有时会出现皮膜温度由于热绝缘性不同而局部产生偏差这样的不良现象。例如，在所述皮膜形成发动机的燃烧室壁面的情况下，有时皮膜温度局部增高的部分会成为异常燃烧(Pre-Iginition)的发生源地。因此，通过提高所述皮膜的导热率使热良好地在皮膜的扩展方向上扩散，皮膜温度便不会局部升高。在这样皮膜温度的局部偏差成为问题的情况下，优选使皮膜的导热率在空心粒子层的导热率的10倍以上，更优选在100倍以上。为使热绝缘结构体表面温度响应性良好地追随着燃烧室气体温度变化，优选皮膜的热容量不大于空心粒子层的热容量。因此而优选皮膜的厚度在空心粒子层的厚度的1/2以下。
另一方面，从尽量提高该热绝缘结构体的热绝缘性的观点出发，优选所述皮膜的导热率低于所述金属制母材的导热率。优选皮膜的容积比热小于金属制母材的容积比热。
在优选实施方式中，所述热绝缘结构体构成发动机部件，在该发动机部件的面对发动机燃烧室的面、吸气口内壁面或者排气口内壁面形成有所述空心粒子层和皮膜。
发动机部件的面对发动机机燃烧室的面由包括所述空心粒子层和皮膜的热绝缘层形成的情况有利于降低发动机的冷却损失。
气缸盖的吸气口内壁面由包括所述空心粒子层和皮膜的热绝缘层形成的情况，到空气被吸入筒内为止都能够抑制空气被气缸盖加热。也就是说，有利于提高向筒内的空气填充效率(charging efficiency)。或者是，在几何学压缩比高(例如ε＝20～50左右)的发动机中，能够降低压缩前的筒内气体温度，从而有利于防止异常燃烧。还有利于防止燃烧温度变成异常高温(冷却损失由于燃烧温度变成异常高温而增大，且由于燃烧温度变成异常高温而容易生成NOx)。
气缸盖的排气口内壁面由包括所述空心粒子层和皮膜的热绝缘层形成的情况，能够将燃烧排出气体以高温度状态排出，从而有利于回收排气能量。
能够列举出的所述发动机部件有：活塞、气缸盖、汽缸体、汽缸套、吸气阀或者排气阀等。
附图说明
图1是显示本发明实施方式所涉及发动机的构造的剖视图。
图2是表示规格不同的发动机的几何学压缩比与图示热效率间之关系的曲线图。
图3是表示规格不同的发动机的空气过剩率λ与图示热效率间之关系的曲线图。
图4是表示本发明实施方式所涉及铝合金制活塞的热绝缘结构的剖视图。
图5是图4所示活塞的热绝缘层的放大剖视图。
图6是表示用于该热绝缘层的空心粒子层的空心粒子成形体的一部分的剖视图。
图7是表示其他实施方式所涉及空心粒子成形体的一部分的剖视图。
图8是表示其他实施方式所涉及活塞的热绝缘层的放大剖视图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的实施方式进行说明。以下对优选实施方式仅仅是本质上的优选示例而已，并无限制本发明、本发明的使用对象或本发明的用途等意图。
在该实施方式中，在图1所示发动机的活塞1上采用了本发明所涉及的热绝缘结构。
<发动机的特征>
图1中，2表示气缸体，3表示气缸盖，4表示打开、关闭气缸盖3的吸气口5的吸气阀，6表示打开、关闭排气口7的排气阀，8表示燃料喷射阀。发动机的燃烧室由活塞1的顶面、气缸体2、气缸盖3、吸排气阀4、6的伞部(umbrella portion)的前表面(面对燃烧室的面)形成。在活塞1的顶面形成有空腔9。此外，火花塞的图示省略。
该发动机是几何学压缩比ε＝20～50、在至少部分载荷域的空气过剩率λ＝2.5～6.0下工作的稀薄燃烧发动机。因此，如上所述，如果不大幅度地降低发动机的冷却损失，也就是说，如果不提高发动机的热绝缘性，则无法获得与该压缩比ε和空气过剩率λ相匹配的所需热效率。这一点结合通过模型计算所获得的图示热效率(indicated thermal efficiency)进行说明。也就是说，模型计算出的是，在使压缩比ε不断增大时，图示热效率是怎样受使燃烧室为热绝缘结构与否或者空气过剩率λ之大小影响的。
图2示出其结果。在该图2中，“无热绝缘”意指燃烧室未采用热绝缘结构的现有发动机，“有热绝缘”意指燃烧室的热绝缘率比“无热绝缘”的现有发动机高50％的发动机。“200kPa”和“500kPa”表示发动机负荷的大小。
首先，在“无热绝缘200kPaλ＝1”的情况下，图示热效率伴随着压缩比ε增大而增大。但即使压缩比ε超过50，图示热效率也没有大的改善，而且压缩比ε＝50时的理论热效率为80％左右，所以该发动机的图示热效率相当低。该差值的大部分是冷却损失和排气损失。
在“无热绝缘200kPaλ＝2”的情况下，因为比热比随着空气过剩率的增加而变小，所以图示热效率高，但尽管如此，从理论热效率看还是很低的。看一下“无热绝缘200kPaλ＝4”和“无热绝缘200kPaλ＝6”的情况，当压缩比ε超过15或25时，该压缩比ε越大，图示热效率就越小。该压缩比ε越大图示热效率就越小的原因如下：因为空气过剩率λ大(混合气的空气密度高)，所以当成为高压缩比时，燃烧时的气体压力就非常高，气体压力和气体温度的函数即热传递率提高，冷却损失增大。也就是说，这是因为冷却损失比空气过剩率λ的增大(比热比的增大)所带来的热效率的上升更大之故。
相对于此，在“有热绝缘200kPaλ＝2.5”的情况下，图示热效率随着压缩比ε的增大而增大。在提高了空气过剩率λ的“有热绝缘200kPaλ＝6”的情况下，当压缩比ε超过40时，图示热效率稍微有些下降的趋势，但是图示热效率在压缩比ε＝20～50时成为非常高的值。在提高了发动机负荷的“有热绝缘500kPaλ＝2.5”的情况下，图示热效率在压缩比ε＝20～50时也是一个很高的值。
图3是显示空气过剩率λ和图示热效率间之关系的曲线图。在“无热绝缘200kPaε＝15”的情况下，在空气过剩率λ＝4.5附近图示热效率达到峰值，当空气过剩率λ从该4.5附近增大时，图示热效率则下降。相对于此，在“有热绝缘200kPaε＝40”的情况下，在空气过剩率λ＝6.0附近图示热效率达到峰值。这是压缩比ε较高和由热绝缘带来抑制冷却损失两效果所致。
在所述稀薄燃烧发动机的情况下，因为发动机在至少部分负荷域，在空气过剩率λ＝2.5以上的条件下工作，所以有利于抑制NOx之产生。当压缩比ε升高时，燃烧温度升高，但是控制该空气过剩率λ而使得发动机负荷越高该空气过剩率λ越大，则能够使燃烧最高温度不超过1800K，抑制NOx之产生。
图示省略，在所述发动机的吸气系设置有对吸气进行冷却的中冷器。这样一来，开始压缩时的筒内气体温度变低，从而抑制了燃烧时的气体压力和气体温度上升。结果是有利于降低冷却损失(改善图示热效率)。
<热绝缘结构>
于是，下面对在所述超高压缩比ε＝20～50、高空气过剩率λ＝2.5～6.0的条件下工作的发动机中用于降低为提高图示热效率所需冷却损失的热绝缘结构进行说明。
图4示出活塞1的热绝缘结构。也就是说，活塞1在形成发动机的燃烧室的顶面具有热绝缘层。该热绝缘层包括跨越活塞母材11的整个顶面形成的空心粒子层12和覆盖该空心粒子层12的皮膜13。如图5所示，大量空心粒子14密集地充填在活塞母材11的顶面之状态，即形成空心粒子层12(大量空心粒子14铺满一层以上而形成空心粒子层12)，该空心粒子层12利用焊料15接合在活塞母材11上(钎焊)。如图6所示，相邻空心粒子14之间在彼此的接点16接合。
活塞母材11能够用例如铸件用铝合金(日本工业标准JIS的AC8A，导热率：141.7W/(m·K)，容积比热：2300kJ/(m3·K))成形。或者能够采用其它铝合金成形。还能够使活塞母材11为铸铁制活塞。
作为空心粒子14能够采用氧化铝空心球(alumina bubble)、粉煤灰空心球(fly ash ballon)、火山灰空心球(shirasu ash ballon)、二氧化硅空心球(silica ballon)、气凝胶空心球(aerogel ballon)等陶瓷类空心粒子，也能够采用其他无机类空心粒子。各种材质和粒径如表1所示。
【表1】
  空心粒子的种类   材质   粒径(μm)
  氧化铝空心球   Al2O3   100～8000
  粉煤灰空心球   SiO2，Al2O3   1～300
  火山灰空心球   SiO2，Al2O3   5～600
  二氧化硅空心球   SiO2，Al2O3   0.09～0.11
  气凝胶空心球   SiO2   0.02～0.05
例如，粉煤灰的化学组成为：SiO2：40.1～74.4％、Al2O3：15.7～35.2％、Fe2O3：1.4～17.5％、MgO：0.2～7.4％、CaO：0.3～10.1％(以上为质量％)。火山灰空心球的化学组成为：SiO2：75～77％、Al2O3：12～14％、Fe2O3：1～2％、Na2O：3～4％、K2O：2～4％、IgLoss：2～5％(以上为质量％)。
在上例所示空心粒子的情况下，空心粒子层12的导热率在0.03～0.3W/(m·K)左右，空心粒子层12的容积比热在200～1900kJ/(m3·K)左右。
在使皮膜13为导热率比空心粒子层12高的皮膜的情况下，该皮膜材料采用金属，例如铝合金、Ni、Ni-Cr合金等即可。铸件用铝合金AC8A的导热率为141.7W/(m·K)，Ni-20Cr合金为12.6W/(m·K)，Ni为97W/(m·K)。铸件用铝合金AC8A的容积比热为2300kJ/(m3·K)，Ni-20Cr合金为3660kJ/(m3·K)，Ni为3980kJ/(m3·K)。
在为提高热绝缘性而使皮膜为导热率比活塞母材1低的皮膜的情况下，采用ZrO2等金属氧化物作皮膜材料即可。例如，在用Y2O3稳定化ZrO2(YSZ)作皮膜材料的情况下，皮膜13的导热率为1.44W/(m·K)，皮膜13的容积比热为2760kJ/(m3·K)。在该情况下，能够通过进行等离子体喷射(plasma spray)使皮膜13成为多孔质。例如，气孔率为10％时，导热率为0.87W/(m·K)；气孔率为25％时，导热率为0.77W/(m·K)。
使空心粒子层12的厚度例如在10～1000μm左右，皮膜13的厚度例如在1～500μm左右即可。
能够采用脉冲电流烧结法(放电等离子体烧结法)＝pulse electriccurrent sintering(spark plasma sintering)进行相邻空心粒子14的接点的接合。根据该方法，因为一边施加压力一边施加脉冲状电压和电流，所以能够在空心粒子14间的空隙内产生放电，从而不会由于局部加热导致空心粒子14损坏，即能够对这些粒子进行接合。
因为上述示例中空心粒子14的主要成分是Al2O3和/或SiO2，所以脉冲电流烧结在压力1～300MPa、温度700～1700℃、时间1～60分、电流50～10000A、电压4～20V、频率5～30000Hz的条件进行即可。例如当空心粒子14采用氧化铝空心球(粒径100～500μm)时，使条件为压力30～100MPa、电流50～4000A、电压4～10V、频率10～10000Hz、温度900～1200℃、时间1～20分即可；当空心粒子14采用粉煤灰空心球时，使条件为压力50MPa、电流80～150A、电压5V、频率10Hz、温度700～1100℃、时间20分以下即可。
具有所述热绝缘结构的活塞1能够利用以下方法获得。也就是说，将焊料载于活塞母材11的顶面上，再将利用所述脉冲电流烧结法获得的薄片状空心粒子成形体载于该焊料之上。然后，加热让焊料融化，加压冷却而将空心粒子成形体作为空心粒子层12固定在活塞母材11的顶面上。能够采用的焊料有：例如日本Almit公司生产的AM-350(铝用焊料(Zn-5Al)，钎焊温度350～400℃)。接着，将皮膜材等离子体喷射在空心粒子层12的表面(在用Ni作皮膜材的情况下可以进行化学电镀)而形成皮膜13。
根据所述活塞的热绝缘结构，因为空心粒子层12呈现大量空心粒子14密集填充着的状态，所以能够获得高空气热绝缘效果。燃料燃烧所产生的能量作为热经活塞1被外部夺走的量变少(冷却损失变少)。
空心粒子层12因为相邻空心粒子14之间相互接合，所以空心粒子层12作为块体的强度提高。皮膜13既防止燃料渗进空心粒子层12中或者碳侵入空心粒子层12中，还防止外力等造成空心粒子14损坏或者空心粒子14脱离或者剥离。如图5所示，因为微小凹凸形成在空心粒子层12的表面(表层部的相邻空心粒子14之间成为凹部)，所以皮膜材进入该凹部，空心粒子层12和皮膜13之间的密着力提高。因为空心粒子层12钎焊活塞母材11上，所以防止了空心粒子层12剥离。
作为皮膜材采用铝合金、Ni、Ni-Cr合金等，在使皮膜13的导热率比空心粒子层12的导热率高的情况下，皮膜13在扩展方向上的热扩散良好。因此，避免了在活塞顶面出现局部温度升高的部分(成为异常燃烧的着火源的部分)。
在作为皮膜材采用例如进行等离子体喷射生成的Y2O3稳定化ZrO2那样的导热率低、容积比热也小的材料的情况下，有利于确保热绝缘性。特别是，皮膜13的容积比热小时，活塞1顶部的表面温度本身会随着燃料燃烧所带来的燃烧室温度的上升而迅速上升。因此，燃烧室的气体温度和活塞顶部的表面温度之差不大，冷却损失变少。
在上述实施方式中，烧结空心粒子14而获得了空心粒子成形体。但除此以外，还可以通过在各个空心粒子14的表面设置薄黏合剂膜并进行加热、加压成形，来获得空心粒子14之间由于黏合剂而相互接合的空心粒子成形体。此时，从确保耐热性的观点来看，作为黏合剂优选硅类或者石墨类黏合剂。
在上述实施方式的空心粒子层12中空心粒子14相互接合。但是除此以外，如图7所示，让微实心粒子17位于处于密集填充状态的空心粒子14之间的间隙里也是可以的。这样一来，空心粒子层12作为块体的强度提高，有利于确保耐久性。在该情况下，更优选像上述实施方式那样让微实心粒子17位于相互接合的空心粒子14之间的间隙里。
作为微实心粒子17，优选导热率比活塞母材11低的氧化锆、二氧化硅、氧化铝、氮化硅等金属氧化物或非氧化物陶瓷粒子。例如，制备微实心粒子的溶胶，让该溶胶浸渍在空心粒子层12里，让水分蒸发，由此让该微实心粒子位于空心粒子14之间的间隙里。
在上述实施方式中，将空心粒子成形体钎焊在活塞母材11上。但除此以外，也能够利用嵌件成型使空心粒子成形体与活塞母材11复合一体化。也就是说，在将空心粒子成形体投入活塞成形用模具的状态下边加压边注入铝合金熔融金属。铝合金熔融金属浸渍在空心粒子成形体的空心粒子之间的间隙里并固化。因此，如图8所示，活塞母材11和空心粒子层12成为通过浸渍在空心粒子之间的间隙的铝合金固化部结合为一体的状态。根据这样的复合体结构，空心粒子层12与活塞母材11的结合力提高，防止了空心粒子层12剥离，有利于确保耐久性。

Claims (11)

1.一种热绝缘结构体，其特征在于：
设置有空心粒子层，大量空心粒子布置为密集地填充在金属制母材的表面的状态而形成该空心粒子层，该空心粒子层被皮膜覆盖。
2.根据权利要求1所述的热绝缘结构体，其特征在于：
所述空心粒子层的相邻空心粒子相互接合。
3.根据权利要求1或2所述的热绝缘结构体，其特征在于：
微实心粒子存在于所述空心粒子层的空心粒子之间的间隙里。
4.根据权利要求1或2所述的热绝缘结构体，其特征在于：
所述空心粒子层钎焊在所述金属制母材上。
5.根据权利要求1或2所述的热绝缘结构体，其特征在于：
形成该金属制母材的金属从所述金属制母材一侧浸渍固化在所述空心粒子层的空心粒子之间的间隙里，所述金属制母材和空心粒子层通过该浸渍固化部成为一体。
6.根据权利要求1或2所述的热绝缘结构体，其特征在于：
所述皮膜的导热率比所述空心粒子层的导热率高。
7.根据权利要求6所述的热绝缘结构体，其特征在于：
所述皮膜由铝合金、镍以及镍铬合金中之一种形成。
8.根据权利要求1或2所述的热绝缘结构体，其特征在于：
所述皮膜的导热率比所述金属制母材的导热率低。
9.根据权利要求1所述的热绝缘结构体，其特征在于：
所述金属制母材构成发动机的部件，在该发动机的部件的面对发动机燃烧室的面、吸气口内壁面或者排气口内壁面形成有所述空心粒子层和皮膜。
10.根据权利要求9所述的热绝缘结构体，其特征在于：
所述发动机是几何学压缩比ε＝20～50且在至少部分负荷域空气过剩率λ＝2.5～6.0下工作的稀薄燃烧发动机。
11.根据权利要求1或2所述的热绝缘结构体，其特征在于：
所述空心粒子含有Al2O3成分和SiO2成分中的至少一成分。
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