CN107076051A - 发动机燃烧室的绝热结构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是在活塞主体顶面的挤流区域面上形成绝热层，同时防止该绝热层上产生较大的裂缝，抑制绝热层的损伤和剥离。为了达成上述目的，本发明中，使活塞主体（19）的顶面中挤流区域面（12’）的绝热层（21b）比腔面（11’）的绝热层（21a）薄。

Description

发动机燃烧室的绝热结构

技术领域

本发明涉及发动机燃烧室的绝热结构。

背景技术

以往，在像发动机部件那样暴露在高温气体中的金属制品中，为了抑制来自于高温气体的热传递，即冷却损失，而在其金属制母材的表面形成绝热层。作为一个示例，已知有在划分出发动机燃烧室的活塞主体的顶面，形成由氧化锆等无机氧化物或含有中空粒子的有机类材料构成的绝热层。

可是，有时会在划分出燃烧室的活塞主体的顶面与汽缸盖的下表面之间的间隙部内形成挤流区域。如果在这样的活塞主体顶面中形成挤流区域的面（挤流区域面）上设置绝热层，则该绝热层的温度会变得高温，进而挤流区域面本身会变得高温。因此，在燃烧工序中，高温高圧的端部气体（end gas）（处于远离火花塞的地方的未燃烧的混合气）流入挤流区域时，高温的挤流区域面使得从端部气体向挤流区域面的散热受到阻碍，可能发生爆震（knocking）。而且，形成于挤流区域面的绝热层产生裂缝，造成绝热层的损伤和剥离，绝热性能丧失。

因此，也有记载活塞主体顶面中的挤流区域面上没有形成绝热层，仅在除此以外的部分形成绝热层的内燃机的文献（例如参照专利文献1）。

根据专利文献1的内燃机，挤流区域面上未形成绝热层，因此可以促进端部气体向挤流区域面的散热，抑制爆震的发生。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2011-169232号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而，在专利文献1的结构中，虽然能够抑制挤流区域的爆震发生，但从降低冷却损失的观点出发，理想的是在将挤流区域面也包括在内的活塞主体的整个顶面形成绝热层。

因此，本发明的目的是在挤流区域面上形成绝热层，同时防止因爆震的发生而导致该绝热层产生较大的裂缝，抑制绝热层的损伤和剥离。

解决问题的手段：

为了达成上述目的，本发明中，使活塞主体的顶面中挤流区域面的绝热层比腔面的绝热层薄。

即，这里公开的发动机燃烧室的绝热结构是在划分出发动机燃烧室的活塞主体的顶面设置绝热层的结构，所述活塞主体的顶面具备：形成所述燃烧室的腔的腔面、和形成所述燃烧室的挤流区域的挤流区域面，设置于所述挤流区域面上的绝热层的厚度为设置于所述腔面上的绝热层的厚度的5%以上50%以下。

本来，绝热层的厚度越厚，绝热性能越高。但是，当形成于挤流区域面上的绝热层由于爆震的影响而产生裂缝时，绝热层的厚度越厚，裂缝的深度越深，进而裂缝的大小越大。

而且，像这样裂缝的大小越大，绝热层的损伤越大，并且绝热层容易从其损伤部分剥离。

根据本发明，通过在要求较高绝热性能的腔面形成足够厚的绝热层，同时在挤流区域面形成厚度与腔面的绝热层相比为一半以下的绝热层，以此能够在活塞主体的整个顶面获得优异的绝热性能，并且能够抑制挤流区域面的绝热层上发生的裂缝的增长，抑制该绝热层的损伤和剥离。

在优选形态中，所述绝热层包括众多球状的中空粒子，和在将所述中空粒子保持于所述活塞主体的顶面的同时填满所述中空粒子间从而形成所述绝热层的母材的粘合剂。由此，能够有效提高绝热层的绝热性能。

在优选形态中，所述粘合剂为硅类树脂。由此，能够降低绝热层的导热性，同时能够获得活塞主体的顶面与绝热层之间的优异的密接性。

在优选形态中，所述中空粒子为玻璃中空球。由此，能够降低绝热层的导热性，同时还能提高其强度。

在优选形态中，设置于所述腔面上的绝热层的厚度为60μm以上100μm以下，设置于所述挤流区域面上的绝热层的厚度为30μm以上50μm以下。由此，能够在活塞主体的整个顶面获得优异的绝热性能，并且能够有效地抑制绝热层的损伤和剥离。

在优选形态中，设置于所述挤流区域面上的绝热层的厚度随着朝向所述挤流区域面中所述燃烧室外缘侧的端部而逐渐变薄。由此，能够在活塞主体的整个顶面获得优异的绝热性能，并且能够有效地抑制绝热层的损伤和剥离。

发明效果：

如上所述，根据本发明，能够在活塞主体的整个顶面获得优异的绝热性能，同时能够抑制挤流区域面的绝热层上发生的裂缝的增长，抑制该绝热层的损伤和剥离。

附图说明

图1是模式化示出根据本发明一实施形态的发动机的剖视图；

图2是示出图1实施形态的活塞的冠面的俯视图；

图3是图2的活塞的纵向剖视图；

图4是图3的绝热层的放大剖视图；

图5是示出设置于本发明其他实施形态的活塞主体顶面的挤流区域面上的绝热层的放大剖视图。

具体实施方式

以下，基于附图详细说明本发明的实施形态。以下优选实施形态的说明实质上仅是例示，并非旨在限定本发明、其适用物或其用途。

＜发动机的结构＞

图1所示的直喷式发动机E具备：活塞1、汽缸体2、汽缸盖3、将汽缸盖3的进气道5进行开闭的进气门4，将排气道7进行开闭的排气门6、喷射器8、火花塞9。活塞1在汽缸体2的汽缸内径（cylinder bore）内进行往复运动。

发动机的燃烧室由活塞1的冠面10、汽缸体2、汽缸盖3、进排气门4、6的伞部前表面（面对燃烧室的面）形成。如图1、图2所示，活塞1的冠面10的大致中央部设置有形成燃烧室的腔的凹陷状的腔部11。又，冠面10的外缘侧存在挤流区域部12，挤流区域部12在远离燃烧室的腔的外缘侧形成挤流区域。在根据本实施形态的活塞1的冠面10中，挤流区域部12由挤流区域部12a、12b、12c、12d构成。

＜绝热层＞

如图3所示，活塞1具备作为该活塞1的基材的活塞主体19、以及从降低发动机E的燃烧室的冷却损失的观点出发设置于活塞主体19的顶面的绝热层21。

活塞主体19是实施T7处理或T6处理后得到的铝合金制成的。活塞主体19的顶面具备构成上述腔部11的腔面11’、和构成上述挤流区域部12的挤流区域面12’。

如图4所示，绝热层21是包括中空粒子31和粘合剂材料（粘合剂；binder）32的层。

即，绝热层21包括粘合剂材料32以及分散于其中的众多中空粒子31。粘合剂材料32将中空粒子31保持在活塞主体19的顶面，同时填满中空粒子31间从而形成绝热层21的母材。粘合剂材料32例如是硅类树脂等低导热性材料，同时中空粒子31的内部空间内含有导热性较低的空气。因此，绝热层21为低导热性的层。

作为中空粒子31，优选采用含有二氧化硅中空球（silicaballoon)、玻璃中空球、白砂中空球、粉煤灰中空球、气凝胶中空球等Si系氧化物成分（例如二氧化硅（SiO₂））或Al系氧化物成分（例如氧化铝（Al₂O₃））的陶瓷类中空粒子，尤其优选采用玻璃中空球。由此，能够降低绝热层21的导热性，同时还能提高其强度。

另外，中空粒子31优选为球状。从改善绝热层21的绝热性的观点出发，中空粒子31的平均粒径优选5μm以上50μm以下，更优选10μm以上45μm以下，尤其优选15μm以上40μm以下。从改善绝热层21的绝热性的观点出发，绝热层21中的中空粒子31的含量优选5质量%以上50质量%以下，更优选10质量%以上45质量%以下，尤其优选15质量%以上40质量%以下。

粘合剂材料32可以使用作为低导热性材料的硅类树脂，例如，可优选使用由以甲基硅树脂、甲基苯基硅树脂为代表的支化度较高的三维聚合物构成的硅类树脂。作为硅类树脂的具体例子，例如可以举出聚烷基苯基硅氧烷。由此，能够降低绝热层21的导热性，同时能够获得活塞主体19的顶面与绝热层21之间的优异的密接性。

在这里，根据本实施形态的绝热层21中，设置于上述挤流区域面12’的绝热层21b的厚度比设置于上述腔面11’的绝热层21a的厚度薄。具体而言，例如，挤流区域面12’的绝热层21b的厚度为腔面11’的绝热层21a的厚度的5%以上50%以下，优选20%以上60%以下，更优选25%以上55%以下，尤其优选30%以上50%以下。

从获得优异的绝热性能的观点出发，期望绝热层21较厚，但在挤流区域中，如上所述能发生爆震从而使绝热层21出现裂缝。绝热层21的厚度越厚，该裂缝行进得越深，由此，绝热层21表面附近的开裂部分可能扩大。而且，从变大后的裂缝部分发生绝热层21的剥离，绝热性能丧失。

根据本结构，在想要获得较高绝热性能的腔面11’上形成足够厚的绝热层21a，同时在挤流区域面12’上形成厚度与腔面11’的绝热层21a相比为一半左右或其以下的绝热层21b，以此能够在活塞主体19的整个顶面获得优异的绝热性能，并且能够使挤流区域面12’的绝热层21b上产生的裂缝变小，能够抑制该绝热层21b的损伤和剥离。

从获得优异的绝热性能的观点出发，腔面11’的绝热层21a的厚度优选40μm以上150μm以下，更优选50μm以上120μm以下，尤其优选60μm以上100μm以下。

又，从维持较高绝热性能同时防止绝热层21b的破損和剥离的观点出发，挤流区域面12’的绝热层21b的厚度优选15μm以上100μm以下，更优选25μm以上75μm以下，尤其优选30μm以上50μm以下。

另外，设置于除腔面11’以及挤流区域面12’以外的顶面上的绝热层21的厚度可以形成为与腔面11’上的绝热层21a相同，或者比腔面11’上的绝热层21a薄且比挤流区域面12’上的绝热层21b厚的结构。例如，亦可如图3所示，形成为随着接近挤流区域面12’而逐渐变薄的结构。由此，能够在活塞主体19的整个顶面获得优异的绝热性能。

又，亦可如图5所示，设置于挤流区域面12’的绝热层21b的厚度形成为随着朝向挤流区域面12’中燃烧室外缘侧的端部而逐渐变薄的结构。由此，能够在活塞主体19的整个顶面获得优异的绝热性能，同时能够有效地抑制绝热层21的损伤和剥离。

＜绝热层的形成方法＞

准备活塞主体19和用于形成绝热层21的绝热材料。

关于活塞主体19，在其顶面形成用于形成腔的凹部，并通过脱脂处理除去附着在活塞主体19的顶面上的油脂或指纹等污垢。

又，准备将作为粘合剂材料32的液态硅树脂和作为中空粒子31的玻璃中空球进行搅拌和混合后得到的绝热材料。根据需要添加增稠剂或稀释溶剂来调节绝热材料的粘度。

为了提高活塞主体19与绝热材料，尤其是与硅树脂之间的粘着力，优选对活塞主体19的顶面实施粗化处理。作为粗化处理，例如优选进行喷砂等喷磨处理。例如，喷磨处理可以在使用鼓风装置，用粒度#30的氧化铝作为磨料，圧力0.39MPa，时间45秒，距離100mm的处理条件下进行。另外，不限于此，在活塞主体19由Al合金构成的情况下，亦可通过氧化铝膜处理在活塞主体19的顶面形成微小凹凸。例如，氧化铝膜处理可以在使用草酸浴，浴温20℃，电流密度2A／dm2，时间20分钟的处理条件下进行。

然后，用喷雾器或毛刷等将绝热材料涂布在活塞主体19的顶面上。接着，通过热风干燥、红外线加热等进行被涂布的绝热材料的预干燥。

而且，根据需要，重复该涂布和预干燥（重复涂覆），制成期望的涂布厚度。

本实施形态中，在活塞主体19的腔面11’和挤流区域面12’中，绝热层21的厚度不同。这可以通过仅使腔面11的上述绝热材料的重复涂覆次数多于挤流区域面12’的重复涂覆次数来实现。

具体而言，例如可以通过首先对活塞主体19的整个顶面进行所需次数的重复涂覆，然后仅对流区域面12’进行遮蔽（masking），并对除挤流区域面12’以外的腔面11’等再次进行所需次数的重复涂覆以此进行。另外，上述遮蔽可以用遮蔽胶带或树脂类的遮蔽膜进行。又，上述遮蔽可以在后述烧成处理中烧毁。

又，在使挤流区域面12’的绝热层21b的厚度随着朝向燃烧室外缘侧的端部而逐渐变薄的情况下，控制喷雾器的方向即可。具体而言，例如以从腔面11’侧朝向挤流区域面12’侧地喷出绝热材料的形式设定喷雾器的喷嘴位置和方向。由此，在挤流区域面12’中更靠近喷嘴的腔面11’侧的位置，绝热材料的附着量较多，另一方面，在远离喷嘴的燃烧室外缘侧的端部，绝热材料的附着量较少。于是，可以获得在挤流区域面12’中随着朝向端部而逐渐变薄地构成的绝热层21b。

接着，对涂布于活塞主体19的顶面的绝热材料，例如在180℃左右的温度下进行数小时至数十小时的加热处理。由此，硅树脂（粘合剂）硬化，众多中空粒子31被紧密填充，从而获得这些粒子间由粘合剂材料32填满的绝热层21。

又，作为绝热材料的涂布方法的一种形态，可以将绝热材料置于活塞主体19的顶面，借助于具有仿照活塞主体19顶面形状的成形面的成形模将绝热材料按压于活塞顶面并在整个顶面上扩展。在本实施形态中，可以以使挤流区域面12’的绝热层21b的厚度比腔面的绝热层21a的厚度薄的形式，形成成形模的成形面。又，如图5所示，为了以随着朝向挤流区域面12’中的端部而逐渐变薄的形式形成绝热层21b，可以在成形模中与挤流区域面12’相对应的部分增加倾斜。另外，根据该方法，通过在成形过程中加热成形模，还能同时进行绝热层21的烧成。由此，能够简化绝热层21的制备工序。又，在同时进行绝热层21的烧成的情况下，可以将活塞主体19形成为例如通过从活塞裙部（piston skirt）内侧进行水冷或空冷等方法来进行冷却的结构。由此，能够提高绝热层21与活塞主体19的顶面之间的密接性。

工业应用性：

本发明中，在活塞主体顶面的挤流区域面形成绝热层，同时能够防止该绝热层上产生较大裂缝，能够抑制绝热层的损伤和剥离，因此极为有用。

符号说明：

1　 活塞；

11’ 　腔面；

12’　 挤流区域面；

19　 活塞主体；

21、21a、21b　绝热层；

31 中空粒子；

32 粘合剂材料（粘合剂）；

E　 发动机。

Claims (6)

1.一种发动机燃烧室的绝热结构，是在划分出发动机燃烧室的活塞主体的顶面设置绝热层的发动机燃烧室的绝热结构，其特征在于，

所述活塞主体的顶面具备：形成所述燃烧室的腔的腔面、和形成所述燃烧室的挤流区域的挤流区域面，

设置于所述挤流区域面上的绝热层的厚度为设置于所述腔面上的绝热层的厚度的5%以上50%以下。

2.根据权利要求1所述的发动机燃烧室的绝热结构，其特征在于，

所述绝热层包括：

众多中空粒子；和

在将所述中空粒子保持于所述活塞主体的顶面的同时填满所述中空粒子间从而形成所述绝热层的母材的粘合剂。

3.根据权利要求2所述的发动机燃烧室的绝热结构，其特征在于，

所述粘合剂为硅类树脂。

4.根据权利要求2或3所述的发动机燃烧室的绝热结构，其特征在于，

所述中空粒子为玻璃中空球。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的发动机燃烧室的绝热结构，其特征在于，

设置于所述腔面上的绝热层的厚度为60μm以上100μm以下，

设置于所述挤流区域面上的绝热层的厚度为30μm以上50μm以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的发动机燃烧室的绝热结构，其特征在于，

设置于所述挤流区域面上的绝热层的厚度随着朝向所述挤流区域面中所述燃烧室外缘侧的端部而逐渐变薄。