CN110268151A - 内燃机用活塞及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够兼顾热效率的提高和污染物的减少、而且能防止活塞的过热而防止爆震、早燃的发生以及空气填充效率的降低的内燃机用活塞。本发明的内燃机用活塞(100a)构成内燃机(200)的燃烧室(9)的一部分，该活塞(100a)的特征在于，具有：基材(103)；第1膜(101)，其设置在基材(103)的与燃烧室(9)接触的顶面的一部分；以及第2膜(102)，其设置在顶面的其他部分,第1膜(101)的热导率及热容量小于基材(103)，第2膜(102)的热导率小于基材(103)，而且热容量大于第1膜(101)。

Description

内燃机用活塞及其制造方法
技术领域
本发明涉及内燃机用活塞及其制造方法。
背景技术
在汽油发动机等内燃机中，因燃烧而产生的热的一部分从燃烧室内通过壁面排出至外部而成为损失。要提高内燃机的热效率，就需要降低该冷却损失。因此，已知有如下方法：一方面在燃烧室壁面当中占据相对较大面积的活塞表面形成低热导率且低热容量的膜来提高燃烧室的绝热性，另一方面通过使活塞表面温度以较少时延跟随缸内燃烧气体温度来降低活塞表面的热通量(所谓的温度摆动隔热法)。
另一方面，当燃料液滴附着于像这样低热容量化的活塞表面时，附着部分的活塞温度会降低，燃料的气化性会变差。这会引起尤其是冷机起动时的PM(碳烟粒子)、HC(未燃烃)等污染物(废气中的有害物质)的增加。
因此，为了兼顾热效率的提高(冷却损失的降低)和排放物的减少，例如专利文献1揭示了一种活塞，其构成内燃机，其中，在活塞顶面形成有低热导率且低热容量的阳极氧化覆膜，在该阳极氧化覆膜中的燃料喷射区域的表面配置有热容量相对高于该阳极氧化膜的金属膜。记载有如下内容：根据专利文献1的构成，在车辆的稳定行驶时成为有助于高燃油效率、高效率的发动机性能的活塞，在车辆的起动时成为有助于活塞顶面和燃烧室内的迅速的温度上升而能够抑制HC和PM等的产生的活塞。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2013-67823号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，采用上述专利文献1的构成的话，难以达成兼顾热效率的提高和污染物的减少、而且防止活塞的过热而防止爆震、早燃的发生以及空气填充效率的降低这所有内容。
鉴于上述缘由，本发明的目的在于提供一种能够兼顾热效率的提高和污染物的减少、而且能防止活塞的过热而防止爆震、早燃的发生以及空气填充效率的降低的内燃机用活塞及其制造方法。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明为一种活塞，其构成内燃机的燃烧室的一部分，该活塞具有：基材；以及第1膜及第2膜，它们设置在基材的与燃烧室接触的顶面。第1膜的热导率及热容量小于基材，第2膜的热导率小于基材，而且热容量大于第1膜。并且，第2膜设置在基材的顶面上未形成有第1膜的部分。
此外，本发明提供一种内燃机用活塞的制造方法，所述内燃机用活塞构成内燃机的燃烧室的内侧壁面的一部分，该内燃机用活塞的制造方法的特征在于，具有：准备基材的工序；准备热导率及热容量小于基材的第1膜和热导率小于基材而且热容量大于第1膜的第2膜的工序；准备熔点低于基材、第1膜及第2膜的内嵌材料的工序；在基材的表面隔着内嵌材料配置第1膜及第2膜的工序；以及对内嵌材料进行加热来接合基材与第1膜及第2膜的接合工序。
本发明的更具体的构成记载于权利要求书。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种能够兼顾热效率的提高和污染物的减少、而且能防止活塞的过热而防止爆震、早燃的发生以及空气填充效率的降低的内燃机用活塞及其制造方法。
上述以外的课题、构成及效果将通过以下实施方式的说明来加以明确。
附图说明
图1为表示包含本发明的内燃机用活塞的内燃机的第1例的纵向截面图。
图2为从燃烧室侧观察图1的活塞的俯视图。
图3为表示构成本发明的活塞的基材103、第1膜101及第2膜102的热导率和热容量(容积比热)的图表。
图4为表示配备有本发明的活塞的内燃机的运转时的活塞表面温度与曲轴角的关系的图表。
图5为表示图1中正从燃料喷射阀5对燃烧室内喷射燃料的状态的图。
图6为从燃烧室侧观察图5的活塞的俯视图。
图7为表示包含本发明的活塞的内燃机的第2例的纵向截面图。
图8为从燃烧室侧观察图7的活塞的俯视图。
图9为表示包含本发明的活塞的内燃机的第3例的纵向截面图。
图10为表示包含本发明的内燃机用活塞的内燃机的第4例的纵向截面图。
图11为从燃烧室侧观察图10的活塞的俯视图。
图12为表示包含本发明的活塞的内燃机的第5例的纵向截面图。
图13为表示图12的液膜的厚度的图表。
图14为表示第2膜的热阻与液膜厚度的关系的图表。
图15为表示第2膜的热阻与燃料喷射阀和第2膜之间的距离的关系的图表。
图16为表示包含本发明的活塞的内燃机的第6例的纵向截面图。
图17为表示包含本发明的活塞的内燃机的第7例的纵向截面图。
图18为表示包含本发明的活塞的内燃机的第8例的纵向截面图。
图19为表示包含本发明的活塞的内燃机的第9例的纵向截面图。
图20为表示包含本发明的活塞的内燃机的第10例的纵向截面图。
图21为表示现有技术的内燃机用活塞的截面的示意图。
图22为表示具有图21的活塞的发动机的1循环内的阳极氧化覆膜101'及金属覆膜102'的表面的温度变化的图表。
图23为表示本发明的内燃机用活塞的截面的示意图。
图24为表示具有图23的活塞的发动机的1循环内的第1膜101及第2膜102的表面的温度变化的图表。
图25为示意性地表示表面层(第1膜及第2膜)的截面图。
图26为将构成图25的金属相136的金属粒子放大的示意图。
图27为示意性地表示使烧结体成型得到的第1膜及第2膜的图。
图28为基材的一例的截面图及俯视图。
图29为表示在基材的表面设置有基底烧结体的状态的截面图。
图30为表示用于接合图29的基材及基底烧结体的装置的示意图。
图31为示意性地表示活塞顶面的成型(机械加工)的截面图。
图32为示意性地表示基材及基底烧结体的另一例的截面图。
具体实施方式
下面，使用附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
1.本发明的基本思想
图21为表示现有技术的内燃机用活塞的截面的示意图。如图21所示，现有技术(专利文献1)的活塞100'在基材103'的表面设置有低热导率、低热容量的阳极氧化覆膜101'，在该阳极氧化覆膜101'的表面的一部分(燃料喷射区域)设置有热容量相对高于阳极氧化覆膜101'的金属覆膜102'。即，在基材103'的表面层叠有阳极氧化覆膜101'及金属覆膜102'。
图22为表示具有图21的活塞的发动机的1循环内的阳极氧化覆膜101'及金属覆膜102'的表面的温度变化的图表。图22中，虚线表示基础条件，实线表示相对于基础条件而言进一步减小阳极氧化覆膜101'的热导率的情况下的阳极氧化覆膜101'和金属覆膜102'的表面温度。如图22所示，在现有技术中，由于阳极氧化覆膜101'的表面上形成有金属覆膜102'，因此从金属覆膜102'的表面(燃烧室侧那一面)去往基材103'的热阻R为金属覆膜102'的热阻R102'与阳极氧化覆膜101'的热阻R101'的和。
要通过温度摆动隔热法来提高冷却损失的降低效果，较理想为尽可能减小阳极氧化覆膜101'的热导率、增大阳极氧化覆膜101'的表面温度的循环内变化幅度。但是，当阳极氧化覆膜101'的热导率减小(阳极氧化覆膜101'的热阻R101'增大)时，从金属覆膜102'的表面去往基材103'的热阻R会增加，因此金属覆膜102'的表面温度也会上升。金属覆膜102'通过从进气行程中期跨及压缩行程中期地将其表面温度保持得较高来谋求促进燃料液膜的气化，但温度若过度上升，则会引起爆震、早燃等劣化以及空气填充效率的降低等。
因而，在现有技术中，当为了降低冷却损失而减小阳极氧化覆膜101'的热导率时，有有可能会发生爆震、早燃等劣化以及空气填充效率的降低等反弹。为了防止这一现象，也考虑减小金属覆膜102'的膜厚的方法，但由于膜厚的减少，可能会导致金属覆膜102'的耐久性和热容量不足。
因此，在现有技术的构成中，难以达成一方面充分确保金属覆膜102'的耐久性及热容量、另一方面进一步降低冷却损失和防止爆震、早燃的发生以及空气填充效率的降低这所有内容。
因此，本发明者等人为了解决上述问题而进行了努力研究，结果发现了以下构成，从而完成本发明。图23为表示本发明的内燃机用活塞的截面的示意图。如图23所示，本发明的内燃机用活塞(以下也简称为“活塞”)在基材103的表面(活塞的顶面)形成低热容量、低热导率的第1膜101，进而在基材103的表面的设置有第1膜101的部分以外的部分形成高热容量、低热导率的第2膜102。
图24为表示具有图23的活塞的发动机的1循环内的第1膜101及第2膜102的表面的温度变化的图表。图24中，虚线表示基础条件，实线表示相对于基础条件而言进一步减小第1膜101的热导率的情况下的第1膜101和第2膜102的表面温度。
在本发明中，由于第1膜101和第2膜102并列形成于基材103上(第1膜101与第2膜102未层叠在一起)，因此，从第2膜102的表面(燃烧室侧那一面)去往基材103的热阻R102不受第1膜101的热阻R101的影响。因而，即便在减小第1膜101的热导率来进一步提高温度摆动隔热法带来的冷却损失的降低效果的情况下，第2膜102的表面温度也不会过热，从而不会发生爆震及早燃或者空气填充效率降低的情况。
此外，由于第2膜102的热阻R102可以独立于第1膜101的热阻R101进行控制，因此，例如具有可以进一步增大形成更厚的燃料液膜的部分的第2膜102的热阻R102等可以根据燃料液膜厚度来改变第2膜102的热阻R102的构成的优点。
进而，在现有技术的构成中，由于将具有不同热特性的膜层叠在一起，因此担忧制造工时增加、或膜的密合强度降低。另一方面，本发明由于不对第1膜101及第2膜102进行层叠，因此这种问题也能避免。
下面，对本发明的内燃机用活塞的构成进行详细叙述。
2.内燃机用活塞
(2.1)活塞的构成
图1为表示包含本发明的内燃机用活塞的内燃机的第1例的纵向截面图，图2为从燃烧室侧观察图1的活塞的俯视图。图1所示的内燃机200为火花点火式四冲程汽油发动机。燃烧室9由发动机缸盖7、汽缸8、活塞100a、进气门3、排气门4形成。活塞100a的表面构成燃烧室9的一部分。汽缸盖7上设置有燃料喷射阀5，其喷射喷嘴贯通燃烧室9，构成所谓的缸内直喷式发动机。此外，设置有用于向燃烧室9导入空气的进气口1、用于排出燃烧室9的燃烧气体的排气口2以及用于对混合气点火的火花塞6。
活塞100a具有基材103和设置在基材103的与燃烧室接触的表面(顶面)的第1膜(隔热膜)101及第2膜(绝热膜)102。第1膜101设置在基材103的顶面的一部分，第2膜102设置在基材103的顶面的其他部分。也就是说，第1膜101与第2膜102在活塞顶面以相互不重叠的方式并列配置。即，在从上表面(构成燃烧室那一面)观察活塞100a时，第1膜101及第2膜102是并列配置的。并且，基材103与第1膜101以第1膜101的底面104的全部或大部分和基材103的顶面的一部分相接合。同样地，基材103与第2膜102以第2膜102的底面105的全部或大部分和基材103的顶面的其他部分相接合。
如图2所示，在本实施例中，第2膜102配置在活塞100a的中央附近，第1膜101配置在其周围。进而，活塞100a的顶面上的第1膜101的面积比活塞100a的顶面上的第2膜102的面积大。
此处，第1膜101也称为“隔热膜”，是具有将燃烧室绝热、使活塞表面的温度以较少时延跟随燃烧室内的气体温度的功能的膜，由低热导率且低热容量(低容积比热)的薄板材料或涂层材料等构成。此处，所谓“低热导”及“低热容量(低容积比热)”，意指热导率及热容量(容积比热)比基材103低。具体而言，较理想热导率为0.5W/mK以下、容积比热为500kJ/m3K以下、膜厚为50～200μm(50μm以上200μm以下)。若热导率大于0.5W/mK，则燃烧室的绝热性能不足。此外，若容积比热大于500kJ/m3K，则对气体温度的跟随性不足。若膜厚不到50μm，则绝热性不足，若超过200μm，则热响应性变差。
第2膜102也称为“绝热膜”，是具有将附着于活塞顶面的燃料气化的功能的膜，由低热导率且高热容量(高容积比热)的薄板材料或涂层材料等构成。此处，所谓“高热容量(高容积比热)”，意指热容量(容积比热)比第1膜101高。较理想其热导率为1～10W/mK、其容积比热为1000kJ/m3K以上、其膜厚为200μm以上。若热导率大于10W/mK，则燃烧室的绝热性能不足。此外，若容积比热大于1000kJ/m3K，则对气体温度的跟随性不足。若膜厚不到200μm，则燃烧室的平均温度(相对于时间的平均温度)会变得过低。第1膜101及第2膜102的构成及其制造方法随后将作详细叙述。
基材103可以使用以往的材料。例如为铝合金、铁或钛合金等，优选其热导率为50～200W/mK、容积比热为2000～3000kJ/m3K。
图3为表示构成本发明的活塞的基材103、第1膜101及第2膜102的热导率和热容量(容积比热)的图表。如图3所示，第1膜101的热导率及容积比热分别小于基材103的热导率及容积比热。此外，第2膜102的热导率小于基材103的热导率。进而，第2膜102的容积比热大于第1膜101的容积比热。通过基材103、第1膜101及第2膜102具有这种关系，可以获得上述的本发明的效果。
图4为表示配备有本发明的活塞的内燃机的运转时的活塞表面温度与曲轴角的关系的图表。即，为表示内燃机运转中的活塞顶面温度的时间变化的图表。更具体而言，图4展示了发动机的由进气、压缩、膨胀、排气行程构成的1循环内的第1膜101和第2膜102的表面温度的曲轴角变化。此外，作为参考，图4中还图示有未设置有第1膜101及第2膜102的仅由基材103构成的活塞的表面温度。
由于第1膜101为低热导率且低热容量，因此其表面温度能以较小时延和较小温差跟随燃烧室内的气体温度变化。即，在进气行程中期到压缩行程的中期，对燃烧室的新气导入使得缸内气体温度降低，第1膜101的表面温度随之降低。进而，在压缩行程后期到排气行程，气体的压缩和燃烧使得缸内气体温度升高，第1膜101的表面温度随之升高。如此，第1膜101的表面温度跟随缸内气体温度而变化，因此气体与壁面间的传热量较少，从而能降低发动机的冷却损失。这是称为所谓的温度摆动隔热法的热损失降低方法。
另一方面，由于第2膜102为低热导率且高热容量，因此其表面温度比不设置第1膜101及第2膜102的普通活塞的表面温度高，而且几乎不响应燃烧室内的气体温度的循环内变化，发动机循环内的表面温度变化幅度比第1膜101的表面温度变化幅度小。例如，第1膜101的循环内的表面温度的变化幅度约为500℃，而第2膜102的循环内的表面温度的变化幅度约为50℃。结果，从进气行程的中期到压缩行程的中期，第2膜102的表面温度比第1膜101的表面温度高。另一方面，从压缩行程中期到进气行程中期，第2膜102的表面温度比第1膜101的表面温度低。
在本实施例中，在进气行程的中期从燃料喷射阀5将作为燃料的汽油喷射至燃烧室内。
图5为表示图1中正从燃料喷射阀5对燃烧室内喷射燃料的状态的图。被喷射出的燃料喷雾(喷雾束)20在燃烧室9内朝活塞100a的方向前进，其顶端碰撞至活塞100a的中央附近的表面。图6为从燃烧室侧观察图5的活塞的俯视图。图6展示了燃料喷雾20刚与活塞100a碰撞之后的情况。如图6所示，当燃料喷雾20撞击至活塞100a时，一部分液滴附着于活塞100a的顶面的中央，主要在第2膜102的表面上形成燃料液膜21。
如前文所述，第2膜102的表面温度在进气行程中期到压缩行程中期之内较高。此外，第2膜102的热容量较大，因此，即便形成了温度相对较低的燃料液膜21，也会维持较高温度而不会跟随液膜温度。因此，第2膜102的表面上形成的液膜21受到第2膜102的热而迅速升温、气化。
在仅设置有第1膜101的活塞或者不设置第1膜101及第2膜102的活塞中，当活塞表面上形成燃料液膜时，燃料液膜的气化较慢，因此无法与空气充分混合，导致未燃烃(HC)、碳烟(PM)的排出增多。但在本实施例的内燃机中，由于燃料液膜在第2膜102的表面迅速气化而燃烧，因此能减少HC、PM的排出。另一方面，在本实施例的内燃机中，由于第1膜101的表面上的燃料液膜的形成较少，因此可以在将HC、PM的排出保持得较低的状态下通过第1膜101的温度摆动隔热来降低冷却损失。
再者，由于第2膜102的表面温度在循环内几乎不变，因此与第1膜101的温度摆动隔热相比，冷却损失的降低效果较小。因此，在本实施例的内燃机200中，使第1膜101的燃烧室侧的表面积大于第2膜102的燃烧室侧的表面积，从而提高温度摆动隔热带来的冷却损失的降低效果。
根据上述内容可明确，要获得本发明的HC及PM的减少效果，较理想为将第2膜102配置在活塞表面的形成燃料液膜的位置。图7为表示包含本发明的活塞的内燃机的第2例的纵向截面图，图8为从燃烧室侧观察图7的活塞的俯视图。在图7所示那样的多孔式燃料喷射阀5的情况下，喷射至燃烧室内的喷雾像图7所示那样由多个燃料喷雾20构成。在这种多孔式燃料喷射阀的情况下，如图7或图8所示，优选以与活塞顶面上形成的液膜21的图案(喷雾位置)一致的方式配置多个第2膜102。图8展示了在与由从6孔式燃料喷射阀形成的6条燃料喷雾20形成的各燃料液膜21相对应的位置配置第2膜102的事例。
如此，在活塞的顶面上形成多个第2膜102的情况下，以第1膜101的燃烧室侧的表面积比各第2膜102的燃烧室侧的表面积的总和大的方式决定各第2膜102的大小。
当以与活塞的顶面上形成的燃料液膜21的图案一致的方式配置多个第2膜102时，一方面能减少第2膜102在活塞的顶面所占的面积比例，另一方面能使用第2膜102的热有效地使活塞的顶面的燃料液膜21气化。通过减少第2膜102在活塞表面所占的面积比例，可以增加第1膜101的面积比例，因此能使温度摆动隔热带来的冷却损失的降低效果最大化。
图9为表示包含本发明的活塞的内燃机的第3例的纵向截面图。图9所示的活塞100c展示了将由从6孔式燃料喷射阀形成的6条燃料喷雾形成的燃料液膜21分为3个组、在与各燃料液膜组相对应的位置配置第2膜102的事例。当像这样对应于小组化的燃料液膜而配置第2膜102时，可以在抑制第2膜102的面积增加的情况下减少第2膜102的配置个数，从而能谋求活塞的制造工艺的简化以及成本的降低。
图10为表示包含本发明的内燃机用活塞的内燃机的第4例的纵向截面图，图11为从燃烧室侧观察图10的活塞的俯视图。在直喷式汽油发动机中，在刚冷机起动之后，由于废气催化转换器的提前升温，大多会进行点火滞后运转。在较大的点火滞后条件下，为了使燃烧变得稳定，广泛施行有在活塞表面设置空腔(凹部)这一工艺。在活塞上设置有空腔的情况下，朝空腔内喷射的燃料留在空腔内，由此，在火花塞附近形成燃料浓度较高的混合气，从而实现点火滞后运转下的稳定的燃烧。图10展示了配备这种空腔的活塞100d。
如图10所示，在活塞100d的顶面设置有空腔110。并且，在空腔110内接合有低热导率、高热容量的第2膜102。进而，在设置有第2膜102的部分以外的活塞100d的顶面接合有低热导率、低热容量的第1膜101。
在设置有这种构成的活塞的内燃机的刚冷机起动之后的点火滞后运转时，朝空腔110内部喷射燃料喷雾20，在空腔110的表面像图11所示那样形成燃料液膜21。在进气行程中期到压缩行程中期，由于低热导率、高热容量的第2膜102的表面温度变高，因此空腔110内形成的燃料液膜21被加热而迅速气化，所以能减少HC、PM的排出。在冷机运转中，由于大部分燃料液膜21形成于空腔110的底面或侧面内，因此，当像本实施例这样在空腔110的底面及侧面形成第2膜102时，能够更有效地促进燃料的气化。
另一方面，在预热后的正常点火正时下的运转中，可以通过设置在空腔110外侧的低热导率、低热容量的第1膜101的温度摆动隔热来降低冷却损失。
即便在第2膜102设置在空腔110的一部分而非全部的情况下，也能获得HC和PM的排出减少效果。通过将第2膜102仅设置在空腔110内的更多地形成燃料液膜21的部分、在剩下的空腔110内设置第1膜101，可以在获得第2膜102带来的HC和碳烟的减少效果的情况下进一步增大第1膜101带来的冷却损失的降低效果。
图12为表示包含本发明的活塞的内燃机的第5例的纵向截面图，图13为表示图12的液膜的厚度的图表。如图12所示，当燃料喷雾20与活塞100e撞击而在活塞顶面上形成燃料液膜21时，其液膜厚度在燃烧室的径向上呈图13所示那样的分布。即，燃料液膜21的厚度是接近燃料喷射阀5的喷嘴顶端那一方较厚、远离燃料喷射阀那一方较薄。其原因在于，在燃料喷射阀5到活塞100e的距离较近的情况下，空气阻力带来的燃料喷雾20的减速时间比距离较远的情况下短，燃料喷雾20会以更快的速度与活塞100e碰撞。此外，距离较近时，燃料喷雾20的空间分散较少，因此会以更高的喷雾密度与活塞100e碰撞，所以液膜厚度变厚。
图14为表示第2膜的热阻与液膜厚度的关系的图表，图15为表示第2膜的热阻与燃料喷射阀和第2膜之间的距离的关系的图表。当燃料液膜21的厚度增大时，其气化所需的时间变长，因此，较理想为对燃料液膜21赋予更多的热来促进气化。因此，更优选根据活塞顶面上形成的燃料液膜的厚度或者燃料液膜的量来改变第2膜的膜厚。因而，如图14所示，使液膜厚度较厚的部分的第2膜102的热阻R比液膜厚度较薄的部分的第2膜102的热阻R大。热阻R是以“第2膜102的厚度÷第2膜102的热导率”加以定义，因此，要增大热阻R的话，增大第2膜102的厚度或者减小第2膜102的热导率即可。或者，增大第2膜102的厚度并减小第2膜102的热导率即可。
热阻R较大时，可以进一步提高第2膜102的表面温度，因此可以对厚度较大的燃料液膜21赋予大量热而谋求气化时间的缩短。另一方面，若第2膜102的表面温度变得过高，则有可能在发动机的高负荷运转时发生爆震或者空气填充效率降低。因此，活塞顶面的高温部分的面积较理想为尽可能小。通过根据燃料液膜21的厚度来改变热阻R，一方面可以利用第2膜102的热来有效地促进厚度较大的燃料液膜21的气化，另一方面能够抑制向爆震、填充效率的反弹。
如前文所述，燃料液膜21的厚度取决于燃料喷射阀5的顶端到燃料液膜21的距离。因此，也可像图15所示那样燃料喷射阀5的顶端与第2膜102的距离越近越是增大第2膜102的热阻R。
在设置多个第2膜102的情况下，也可根据与燃料喷射阀5的顶端的距离来变更各第2膜102的热阻R。图16为表示包含本发明的活塞的内燃机的第6例的纵向截面图。图16中，设置在接近燃料喷射阀5顶端的位置的第2膜102i的厚度比设置在远离燃料喷射阀5顶端的位置的第2膜102ii的厚度厚。另外，也可以使第2膜102i、102ii的膜厚相同，并使设置在接近燃料喷射阀5顶端的位置的第2膜102i的热导率比设置在远离燃料喷射阀5顶端的位置的第2膜102ii的热导率小。由此，可以增大与燃料液膜21形成得较厚的部分接触的第2膜102i的热阻、谋求促进燃烧的气化。
图17为表示包含本发明的活塞的内燃机的第7例的纵向截面图，图18为表示包含本发明的活塞的内燃机的第8例的纵向截面图。在上述的活塞的构成中，第1膜101和第2膜102是各自的底面的大部分与基材103相接合，但在活塞的厚度方向上，第1膜101与第2膜102也可具有相互重叠的部分。
图17的活塞100g配置成在第2膜102的端部设置台阶部111并在该台阶部111上放置第1膜101。此外，图18的活塞100h配置成在第2膜102的端部设置倾斜部112并在该倾斜部112上放置第1膜101。图17及图18中，在活塞的顶面，第1膜101与第2膜102都不重叠，但在活塞的厚度方向上，第1膜101与第2膜102都发生了重叠。
如此，通过重叠第2膜102和第1膜101的一部分来进行设置，第2膜102与第1膜101的密合性进一步提高，第2膜102及第1膜101不易从基材103上剥下。此外，第2膜102与第1膜101的密合性提高可以防止燃料渗透至两者的间隙而以HC的形式排出这一情况。
在第2膜102与第1膜101的重叠部，若以第2膜102处于第1膜101的上部(燃烧室侧)的方式加以重叠，则除了重叠部的热阻R变为第2膜102的热阻R102与第1膜101的热阻R101的和以外，重叠部的燃烧室侧表面的热容量还会增大，在进气行程到压缩行程中，重叠部的表面温度恐怕会局部性地升高。这种局部高温部的生成会导致爆震或早燃。
另一方面，在第2膜102与第1膜101的重叠部，若像上述活塞100g及100h那样以第1膜101处于第2膜102的上部的方式加以重叠，则重叠部的表面的热容量较小，因此其表面温度以较小温差跟随气体温度。因而，在进气行程到压缩行程中，重叠部的表面温度不会局部性地升高，从而能防止爆震或早燃。
另外，在通过温度摆动隔热法来谋求降低冷却损失的情况下，压缩行程中的冷却热也会减少，因此压缩上死点附近的未燃气体温度容易上升而发生爆震。使用图19，对用于防止这一情形的实施例进行说明。
图19为表示包含本发明的活塞的内燃机的第9例的纵向截面图。在图19所示的活塞100i的燃烧室侧表面，除了第1膜101和第2膜102以外，还在活塞外周部设置有冷却部113。冷却部113的热导率与基材103相同或者在其以上，冷却部113的底面的全部或大部分与基材103接合在一起。
由于冷却部113的热导率与活塞基材相同或者在其以上，因此燃烧室的外周部的气体被冷却部113选择性地冷却。爆震是燃烧使得燃烧室外周部的末端气体(エンドガス)受到压缩而温度上升、由此发生自发火的现象。因而，通过利用冷却部113来选择性地冷却燃烧室外周部的气体，可以在不大幅损害温度摆动隔热法带来的冷却损失降低效果的情况下抑制爆震的发生。
图20为表示包含本发明的活塞的内燃机的第10例的纵向截面图。图20中，冷却部113由基材103自身构成。如图20所示，通过使基材103露出于燃烧室外周部的活塞表面来形成冷却部113。
(2.2)表面层的构成
接着，对适于本发明的活塞的第1膜101及第2膜102(以下将两者并称为表面层)的构成的一例进行详细说明。图25为示意性地表示表面层(第1膜及第2膜)的截面图。如图25所示，表面层300包含母相130和分散于母相130中的中空粒子134。中空粒子134是在内部具有空穴135的粒子。并且，具有如下构成：母相130具有多个金属粒子结合而构成的金属相136和空隙137，中空粒子134包含在该空隙137中。
将母相130具有的空隙137和中空粒子134具有的空穴135在表面层300中所占的体积比例称为“孔隙率”。通过提高孔隙率，可以减小表面层300的热导率及容积比热。
第2膜102要设为比第1膜101大的热容量，因此，其孔隙率要小于第1膜101的孔隙率。第2膜的孔隙率优选设为例如20％左右。另一方面，为了实现低热导率、低容积比热，第1膜101优选设为例如50％左右的孔隙率。
为了承受内燃机中的严酷环境(高温、高压及高振动)，表面层300需要与基材103的高密合性和高拉伸强度。通过将构成多孔体即表面层300的主要部分的母相130的大部分设为金属相136，能够获得由金属构成的基材103与表面层300的高密合性及高耐久性。此外，通过在母相130的空隙137中含有中空粒子134而使母相130中的空隙137与中空粒子134的空穴135相配合，一方面可以确保低热导率化所需的孔隙率，另一方面可以抑制母相130中的空隙137的体积量而较高地保持表面层300的强度。
图26为将构成图25的金属相136的金属粒子放大的示意图。金属相136优选由金属粒子经烧结而结合得到的烧结金属构成。如图26所示，金属粒子138的一部分彼此通过烧结而结合，优选具有颈部139。通过该颈部139，可以确保金属粒子间的空间而形成空隙137。此外，通过控制烧结密度，可以控制空隙137的比例而对表面层300的热导率、容积比热及强度进行各种变更。
金属相136和基材103优选包含相同金属作为各自的主成分。具体而言，优选将基材103设为铝(Al)合金、将金属相136设为Al。如此，通过将基材103和构成表面层300的主要部分的金属相136设为包含相同金属的构成，可以在基材103与具有多孔结构的表面相300的界面形成牢固的固相接合部而确保高密合性、实现耐久性优异的表面层300。
作为中空粒子134的原料，为了确保表面层300的绝热性能，优选热导率小、即便中空也有高强度的材料。作为这种材料，可列举二氧化硅、氧化铝、氧化锆等。例如，作为以二氧化硅为主成分的中空粒子，有陶瓷珠、二氧化硅气凝胶、多孔玻璃等。
3.内燃机用活塞的制造方法
接着，对本发明的活塞的制造方法的一例进行说明。
(3.1)第1膜及第2膜的准备
关于第1膜及第2膜的制作，首先，将作为金属相136的原料的金属粒子138与中空粒子134的粉末混合，并对该混合粒子进行加热而获得烧结体。作为烧结方法，优选可以控制烧结时的负荷和温度的加压烧结，脉冲通电烧结法比较合适。该方法是一边对原料粉末进行加压一边进行脉冲通电的方法，在粉末表面发生电阻发热和火花放电所引起的发热，使粉末表面上的反应活化，容易在金属粒子间接触部生成颈部139。因此，在脉冲通电烧结法中，即便是包含大量空隙的多孔烧结体，也可以通过颈部139部分将金属粒子牢固地结合。
当提高烧结时的加压力时，烧结体的孔隙率减小，当降低烧结时的加压力时，烧结体的孔隙率增大。因而，在形成低热导率、低容积比热的第1膜101的情况下，增大原料粉末中的中空粒子134的比例，并降低烧结时的加压力。另一方面，在形成低热导率、高容积比热的第2膜102的情况下，减小原料粉末中的中空粒子134的比例，并提高烧结时的加压力。
图27为示意性地表示使烧结体成型得到的第1膜及第2膜的图。如图27所示，将通过上述烧结工序得到的烧结体成型为规定的厚度及形状，获得第1膜101的基底烧结体101b和第2膜102的基底烧结体102b。
(3.2)基材的准备
图28为基材的一例的截面图及俯视图。基材103是对铝合金等进行铸造来加以制作。继而，对基材103进行机械加工，像图28所示那样在基材103的燃烧室侧表面形成用于设置基底烧结体101b的凹部151和用于设置基底烧结体102b的凹部152。
(3.3)基材与第1膜及第2膜的接合
图29为表示在基材的表面设置有基底烧结体的状态的截面图，图30为表示用于接合图29的基材及基底烧结体的装置的示意图。如图29所示，在凹部151内嵌入基底烧结体101b，在凹部152内嵌入基底烧结体102b。此时，在基材103与基底烧结体101b、102b之间设置熔点比基材103、基底烧结体101b、102b都低的内嵌材料153。继而，像图30所示那样通过电极154使基底烧结体101b、102b加压紧贴至基材103，并通过电源155进行脉冲通电。于是，内嵌材料153热熔而扩散至基底烧结体101b及基底烧结体102b的内部。结果，所谓的扩散结合使得基底烧结体101b及基底烧结体102b与基材103分别得以接合。通过在基底烧结体101b、102b与基材103的接合中使用脉冲通电法，可以将包含大量空隙的基底烧结体101b、102b与基材103牢固地加以结合。根据以上说明过的活塞的制造方法，热导率、容积比热及厚度不同的第1膜101及第2膜102向基材103的接合得以同时进行，从而能谋求活塞的制造工艺的简化、低成本化。
(3.4)活塞顶面的成型
图31为示意性地表示活塞顶面的成型(机械加工)的截面图。如图31所示，以基底烧结体101b、102b及基材103的表面变为相同高度的方式(活塞顶面变得平坦的方式)通过机械加工对活塞顶面进行成型。
图32为示意性地表示基材及基底烧结体的另一例的截面图。如图32所示，以与最终的活塞表面形状一致的方式预先对基底烧结体101b、102b进行成型，之后通过上述方法接合至基材103，由此，不需要将基底烧结体101b、102b接合到基材103之后的机械加工，从而能减少活塞制作用的工时。
此外，图32展示的是在第2膜102的基底烧结体102b的表面预先形成空腔而将基底烧结体102b接合至基材103的例子。由此形成带空腔的活塞而无须进行接合后的机械加工。
进而，也可以一边对基材103与基底烧结体101b、102b进行烧结一边将基底烧结体101b、102b成型为最终的形状。具体而言，在烧结成型时，在与活塞完成后的形状一致的模具内加入烧结体的原料粉末，一边施加压力一边进行脉冲通电烧结。通过如此进行烧结成型，无须进行机械加工即可将基底烧结体101b、102b成型为最终的形状，因此能减少制作工时。
根据以上说明过的本发明，展示了可以提供一种能够兼顾热效率的提高和污染物的减少、而且能防止活塞的过热而防止爆震、早燃的发生以及空气填充效率的降低的内燃机用活塞及其制造方法这一情况。即，通过利用了低热导率、低热容量的第1膜101的温度摆动隔热法，可以降低冷却损失、提高发动机的燃油效率。另一方面，通过低热导率、高热容量的第2膜102，可以促进活塞表面上形成的燃料液膜21的气化、减少HC和PM。
再者，本发明包含各种变形例，并不限定于上述实施例。例如，上述实施例是为了以易于理解的方式说明本发明所作的详细说明，并非一定具备说明过的所有构成。此外，可以将某一实施例的构成的一部分替换为其他实施例的构成，此外，也可以对某一实施例的构成加入其他实施例的构成。此外，可以对各实施例的构成的一部分进行其他构成的追加、删除、替换。
符号说明
1…进气口，2…排气口，3…进气门，4…排气门，5…燃料喷射阀，6…火花塞，7…汽缸盖，8…汽缸，9…燃烧室，5…燃料喷射阀，20…燃料喷雾，21…燃料液膜，100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h、100i、100'…活塞，101…第1膜(隔热膜)，101b…第1膜的基底烧结体，101'…阳极氧化覆膜，102、102i、102ii…第2膜(绝热膜)，102'…金属覆膜，102b…第2膜的基底烧结体，103、103'…基材，104…第1膜的底面，105…第2膜的底面，110…空腔，111…台阶部，112…倾斜部，113…冷却部，130…母相，134…中空粒子，135…空穴，136…金属相，137…空隙，138…金属粒子，139…颈部，151、152…凹部，153…内嵌材料，154…电极，155…电源，200…内燃机，300…表面层。

Claims (20)

1.一种内燃机用活塞，其构成内燃机的燃烧室的一部分，该内燃机用活塞的特征在于，
具有：基材；第1膜，其设置在所述基材的与所述燃烧室接触的顶面的一部分；以及第2膜，其设置在所述顶面的其他部分,
所述第1膜的热导率及热容量小于所述基材，所述第2膜的热导率小于所述基材，而且所述第2膜的热容量大于所述第1膜。
2.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
在从上表面观察所述活塞时，所述第1膜及所述第2膜是并列配置的。
3.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述基材的表面上设置有凹部，所述第2膜配置在所述凹部的底面、侧面或者这两方。
4.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第2膜在所述活塞的顶面配置在从所述内燃机具有的燃料喷射阀喷出的燃料附着的部位。
5.根据权利要求4所述的内燃机用活塞，其特征在于，
在所述活塞的顶面，越是所述燃料的附着量多的部分或者越是所述燃料附着于所述活塞的顶面而形成的燃料液膜的厚度大的部分，所述第2膜的热阻便越大。
6.根据权利要求4所述的内燃机用活塞，其特征在于，
在所述活塞的顶面，越是所述第2膜与所述燃料喷射阀之间的距离近的部分，所述第2膜的热阻便越大。
7.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第1膜及所述第2膜在所述活塞的深度方向上具有所述第1膜与所述第2膜的一部分相互重叠的部分，
在所述第1膜与所述第2膜相重叠的部分，配置成所述第1膜位于所述第2膜的上部。
8.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
在所述活塞的顶面的未配置有所述第1膜及所述第2膜的部分设置有冷却部，所述冷却部具有与所述基材相同或其以上的热导率。
9.根据权利要求8所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述冷却部由所述基材的一部分构成。
10.根据权利要求9所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述冷却部配置在所述活塞的外周部。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第1膜的容积比热为500kJ/m3K以下，热导率为0.5W/mK以下，膜厚为50～200μm，所述第2膜的容积比热为1000kJ/m3K以上，热导率为1～10W/mK，膜厚为200μm以上。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第1膜及所述第2膜包含母相和在内部具有空穴的中空粒子，所述母相具有多个金属粒子结合而构成的金属相和空隙，所述中空粒子包含在所述空隙中。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第2膜在所述活塞的顶面配置有多个，多个所述第2膜的燃烧室侧的表面积的总和比所述第1膜的燃烧室侧的表面积小。
14.一种内燃机用活塞的制造方法，所述内燃机用活塞构成内燃机的燃烧室的内侧壁面的一部分，该内燃机用活塞的制造方法的特征在于，具有：
准备基材的工序；
准备热导率及热容量小于所述基材的第1膜和热导率小于所述基材而且热容量大于所述第1膜的第2膜的工序；
准备熔点低于所述基材、所述第1膜及所述第2膜的内嵌材料的工序；
在所述基材的表面隔着所述内嵌材料配置所述第1膜及所述第2膜的工序；以及
对所述内嵌材料进行加热来接合所述基材与所述第1膜及所述第2膜的接合工序。
15.根据权利要求14所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，
在准备所述第1膜和所述第2膜的工序中，通过脉冲通电烧结法对所述第1膜的原料以及所述第2膜的原料进行烧结而获得烧结体。
16.根据权利要求14所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，
所述接合工序中的所述内嵌材料的加热方法为脉冲通电法。
17.根据权利要求14所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，
还具有在所述基材的表面设置可供所述第1膜嵌合的凹部和可供所述第2膜嵌合的凹部的工序。
18.根据权利要求14所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，
在准备所述第1膜和所述第2膜的工序中，以与所述活塞的完成后的顶面的形状一致的方式对所述第1膜及所述第2膜的燃烧室侧的表面进行烧结成型。
19.根据权利要求14所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，
在准备所述第1膜和所述第2膜的工序中，以与所述活塞的完成后的顶面的形状一致的方式对所述第1膜及所述第2膜的燃烧室侧的表面进行机械加工。
20.根据权利要求14所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，
在准备所述第1膜和所述第2膜的工序中，在与所述活塞的完成后的形状一致的模具中加入所述第1膜及所述第2膜的原料粉末，
在配置所述第1膜及所述第2膜的工序中，将所述模具配置在所述基材的表面。
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