CN110462197A - 活塞 - Google Patents

Abstract

一种内燃机的活塞，在活塞的顶面形成有保持进气回旋流的凹部，顶面具备：隔热膜形成部，其具有热传导率比所述活塞的母材低并且每单位体积的热容量比所述活塞的母材小的隔热膜；以及非隔热膜形成部，其与隔热膜形成部相比位于内燃机的缸膛侧的外侧位置，并且不具有隔热膜。

Description

活塞

技术领域

本发明涉及一种活塞，该活塞是内燃机的活塞，且具有隔热膜。

背景技术

在JP2014-20283A中公开了如下内容，即，具备：遮热膜，其形成于活塞的顶部，用于抑制向活塞内部的热传递；以及凹部，其在活塞的顶部从活塞的外周部隔开间隔设置，遮热膜的末端部分配置于在活塞的顶部设置的凹部。

发明内容

根据这样的现有技术，存在如下优点，即，通过隔热膜(遮热膜)抑制热传递，从而能够抑制气缸内的温度的降低，能够提高燃烧效率。

另一方面，隔热膜的每单位体积的热容量通常较大。因此，通过混合气体的燃烧而使隔热膜的温度上升，由此，通过在吸气、压缩行程中发热的隔热膜使气缸内的混合气体受热，混合气体的温度上升。因此，存在容易产生爆震，爆震性能降低这样的问题。

本发明的目的在于提供能够抑制冷却损失的降低并且抑制爆震性能的降低的活塞。

根据本发明的某个方式，是一种内燃机的活塞，在活塞的顶面形成有保持进气回旋流的凹部，顶面具备：隔热膜形成部，其具有热传导率比所述活塞的母材低并且每单位体积的热容量比所述活塞的母材小的隔热膜；以及非隔热膜形成部，其与隔热膜形成部相比位于内燃机的缸膛(cylinder bore)侧的外侧位置，并且不具有隔热膜。

附图说明

图1是内燃机系统的整体结构的说明图。

图2是在缸内产生的滚流(tumble)流动的说明图。

图3是滚流流动溃散的说明图。

图4是表示燃料喷射时期和点火时期的关系的图。

图5是火花塞附近的流动赋予的说明图。

图6是由燃料喷射阀导致的紊流增加的说明图。

图7是表示从燃料喷射阀喷射的燃料喷雾的形态的说明图。

图8是喷射束的形状的说明图。

图9是表示火花塞和燃料喷射阀的配置的图。

图10是关于燃料喷射的缩流的说明图。

图11是活塞的说明图。

图12是隔热膜的说明图。

图13是表示活塞的表面温度的测量结果的一个例子的说明图。

具体实施方式

下面，参照附图等说明本发明的实施方式。

图1是本实施方式的内燃机系统1的整体结构的说明图。内燃机系统1具备分别连接有进气通道51以及排气通道52的内燃机10。内燃机10通过使从进气通道51进气的混合气体燃烧而驱动活塞18进行往复运动。燃烧后的废气从排气通道52排出。

在进气通道51设置有滚流控制阀16。滚流控制阀16通过将进气通道51的流道剖面的一部分闭塞而在缸内生成滚流流动。

在进气通道51设置有集气槽46。在集气槽46连接有EGR通道53b。

在进气通道51中，在集气槽46的上游设置有空气流量计33。与空气流量计33连接的控制器50从空气流量计33取得在进气通道51内流动的空气的流量(进气量)。另外，在进气通道51的空气流量计33附近设置有进气温度传感器34。与进气温度传感器34连接的控制器50从进气温度传感器34取得通过进气通道51的空气的温度(进气温度)。

另外，在进气通道51设置有电子控制节气阀41，通过控制器50控制节气阀开度。

在排气通道52设置有排气净化用的排气催化剂44、45。在排气催化剂44、45中使用三元催化剂等。在排气通道52中，在排气催化剂44和排气催化剂45之间，向与集气槽46连接的EGR通路53a分支。

在EGR通道53a设置有EGR冷却器43。另外，在EGR通道53b设置有EGR阀42。EGR阀42与控制器50连接。与内燃机10的运转条件相应地通过控制器50控制EGR阀42的开度。

内燃机10具备火花塞11、燃料喷射阀12、进气侧可变动阀机构13和排气侧可变动阀机构14。并且，内燃机10具备燃料喷射泵15和活塞18。燃料喷射阀12是向缸内直接喷射燃料的正上方喷射阀，设置于火花塞11附近。

火花塞11在内燃机10的燃烧室内进行火花点火。火花塞11与控制器50连接，通过控制器50控制火花点火时期。

燃料喷射阀12与控制器50连接，控制燃料喷射时期。在本实施方式中，执行包含进气行程而进行多次燃料喷射的所谓多级喷射。燃料喷射泵15将加压后的燃料向燃料喷射阀12供给。

进气侧可变动阀机构13使进气阀的开闭时期变化。排气侧可变动阀机构14使排气阀的开闭时期变化。进气侧可变动阀机构13以及排气侧可变动阀机构14与控制器50连接。控制器50控制进气侧可变动阀机构13以及排气侧可变动阀机构14的开闭时期。在本实施方式中，表示了进气侧可变动阀机构13以及排气侧可变动阀机构14，但也可以具有任意一方。

在内燃机10中设置有爆震传感器21、燃料压力传感器24、曲轴转角传感器26以及缸内压力传感器35。爆震传感器21以及燃料压力传感器24检测内燃机10的爆震的状态以及从燃料喷射泵15送出的燃料的燃料压力，向控制器50发送。

同样地，曲轴转角传感器26检测内燃机10中的曲轴转角。曲轴转角传感器26与控制器50连接，将内燃机10的曲轴转角向控制器50发送。缸内压力传感器35检测内燃机10中的燃烧室的压力。缸内压力传感器35与控制器50连接，将内燃机10的燃烧室的压力向控制器50发送。

控制器50读取来自前述的各种传感器以及未图示的其他传感器的输出，基于这些输出以及预先存储的对应图等，控制燃料喷射时期、点火时期、阀开闭时期、空燃比等。

图2是在本实施方式的内燃机10的缸内产生的滚流流动的说明图。图3是本实施方式的内燃机10的滚流流动溃散的说明图。

在图2以及图3中示出进气通道51、排气通道52、火花塞11、燃料喷射阀12以及滚流控制阀16。另外，在图2以及图3中示出火花塞11的中心电极11a和外侧电极11b。

在图2中，通过箭头表示进气行程中的缸内的滚流流动。在图3中，通过箭头表示压缩行程中的缸内的滚流流动。

本实施方式的活塞18，在其顶面形成有作为凹部的浅盘61。浅盘61形成为适于保持滚流流动的、平滑的凹状。

在内燃机10的进气行程中，如果滚流控制阀16关闭，则进气集中于进气通道51的图中上侧流动，流入至缸内。其结果，如图所示，在缸内形成纵向回旋的进气回旋流动(滚流流动)。滚流流动是沿活塞18的顶面的浅盘61的表面流动，由此，保持滚流流动。此外，在靠近活塞18的顶面的缸膛附近处(图2中A所示的位置)，从滚流流动脱离，混合气体的流动变弱。

之后，如图3所示，在压缩行程中活塞18上升，由此，缸内的燃烧室变窄。如果燃烧室变窄，滚流流动被压变形，逐渐地其流动变得不能维持，最终溃散。

在维持滚流流动期间，促进燃料和进气的混合。由此，在滚流流动溃散时，缸内的混合气体均质化。但是，在滚流流动溃散后，缸内的混合气体的流动减弱。如果缸内的混合气体的流动减弱，则在火花塞11的点火时，火花塞放电通道成为没有充分伸长的状态。此外，“火花塞放电通道”是在火花塞11的中心电极11a、外侧电极11b之间产生的电弧。特别是，如果火花塞11附近的混合气体的流动减弱，则火花点火产生的火焰核难以成长，因此，容易引起失火或不完全燃烧。

因此，在靠近点火时的定时向火花塞附近赋予流动，以使得在压缩上止点以后的火花塞点火时火花塞放电通道充分伸长。具体而言，控制器50在所述多级喷射的进气行程和膨胀行程的基础上，在从滚流流动溃散后至火花塞放电通道生成期间，控制为进一步进行燃料喷射。

图4是表示本实施方式中的燃料喷射时期和点火时期的关系的说明图。

如图4所示，不仅在进气行程进行燃料喷射，在压缩行程也与火花塞11的点火时期匹配而进一步进行燃料喷射。燃料喷射阀12配置于火花塞11附近，因此，喷射出的燃料的一部分从火花塞11附近通过。由此，向火花塞11附近赋予流动。

此外，考虑到由于因燃料喷雾导致的气流的紊乱而使喷雾的一部分附着于火花塞11的中心电极11a、外侧电极11b的可能性，也可以在膨胀行程喷射之后喷射燃料。

图5是火花塞附近的流动赋予的说明图。如上所述，燃料喷射阀12是正上方喷射阀，设置于火花塞11附近。因此，喷射的燃料的一部分从放电间隙附近通过。由此，在滚流流动溃散之后进行燃料喷射，由此，能够向火花塞附近赋予流动。

图6是本实施方式的燃料喷射阀12导致的缸内的紊流增加的说明图。在图6中，横轴表示曲轴转角，纵轴表示紊流强度。

如前所述，在压缩行程滚流流动溃散。因此，在压缩行程紊流强度也逐渐地变弱。因此，如图6所示，与火花塞11的点火时期匹配而进行燃料喷射，由此，能够提高紊流强度。即，通过进行燃料喷射能够赋予流动。

图7是表示从本实施方式的燃料喷射阀12喷射的燃料喷雾的形态的说明图。图8是从图7的箭头VIII方向观察包含图7的圆A在内的平面的说明图。

本实施方式的燃料喷射阀12从6个喷孔喷射燃料。在将从6个喷孔喷射的燃料喷雾(下面，也称为喷雾束)设为B1-B6时，各喷雾束是越远离喷孔、喷雾剖面越宽的圆锥形状。

图9是表示本实施方式的喷雾束B1-B6和火花塞11的位置关系的说明图。燃料喷射阀12配置于喷雾束B2的中心轴B2c和喷雾束B3的中心轴B3c所成的角的二等分线即点划线C上。

图10是说明本实施方式的燃料喷射的效果的说明图。从燃料喷射阀12喷射出的燃料分裂为液滴而变成喷雾，如图中的粗线箭头那样一边导入周围的空气一边前进。由此，在喷雾的周围产生气流的紊乱。

另外，流体在物体(包含流体)存在于周围的情况下，由于所谓附壁效应而被吸引至该物体，沿该物体流动。即，在图9所示的配置中，产生喷雾束B2和喷雾束B3如图10的细线箭头所示互相吸引的所谓的缩流。由此，在喷雾束B2和喷雾束B3之间产生较强的紊流，能够通过紊流使火花塞放电通道伸长。

下面，说明本实施方式的活塞18的结构。

图11是本实施方式的活塞18的说明图，表示活塞18的主视图以及活塞18的侧视图。

在活塞18的顶面形成有作为适于保持滚流流动的凹部的浅盘61。在该浅盘61如后所述那样具备隔热膜60。

活塞18由铝合金等金属母材构成。在活塞18的顶面不具备本实施方式的隔热膜60的情况下，由于活塞18的母材的热传导率大，因此，即使在混合气体的燃烧中活塞18的顶面的温度也不易上升，另一方面，由于该情况导致的冷却损失使得燃烧效率降低。

因此，以往，以防止活塞18的顶面的温度降低、抑制冷却损失为目的，在活塞18的顶面形成隔热膜。通过在活塞18的顶面形成隔热膜，活塞18的顶面的温度不易降低，能够抑制冷却损失并且防止燃烧效率的降低。通常，现有的隔热膜是通过以下方式形成的，即，在活塞18的表面通过阳极氧化处理形成多孔质的耐酸铝覆膜、或覆盖热传导性低的金属或陶瓷等。

这样形成的隔热膜，其热传导率低并且每单位体积的热容量大。在每单位体积的热容量大的情况下，在高负荷运转等活塞18的顶面的温度大幅上升之类的运转状态下，上升后的隔热膜的温度成为高的状态，活塞18的顶面的温度不易降低。如果活塞18的顶面的温度维持高的状态，则在进气行程以及压缩行程中，通过在混合气体和隔热膜之间进行热交换来加热混合气体。

特别地，通过活塞18的浅盘61维持滚流流动，由此，混合气体和隔热膜接触的程度变大，从隔热膜向混合气体的热传递量变大。因此，混合气体的温度容易上升，存在产生异常点火等爆震性能降低这样的问题。

因此，在本实施方式中，将在活塞18顶面的浅盘61(凹部)形成的隔热膜60通过与活塞18的母材相比热传导率低并且每单位体积的热容量小的材质构成。由这样的材质构成的隔热膜60的热容量小，由此，即使在燃烧时隔热膜60的温度上升，之后伴随着缸内温度的降低，隔热膜60的温度也不会维持而是降低。这样，将隔热膜的温度跟随缸内的温度的特性称为“摆动(swing)特性”。

本实施方式的隔热膜60通过涂敷多孔质的树脂材料而形成。树脂材料优选具有耐热性、热传导率低、并且具有摆动特性的材料，例如使用多孔质聚酰亚胺树脂。

在本实施方式中，如图11所示，在活塞18的顶面中，在形成有浅盘61的区域具备形成有由多孔质的树脂材料构成的隔热膜60的隔热膜形成部63。

图12是本实施方式的隔热膜60的说明图。

隔热膜60通过在活塞18的顶面的浅盘61覆盖树脂材料而形成。树脂材料如图12所示具有许多空孔60a。隔热膜60通过许多空孔60a分布，能够形成热传导率低、并且每单位体积的热容量小、具有摆动特性的隔热膜60。空孔60a也可以在隔热膜60中以同样地分布的方式进行配置，也可以以随着隔热膜60的厚度方向而空孔60a的密度増加或减少的方式进行配置。

此外，隔热膜60只要是在热特性上具有摆动特性的多孔质材料则可以是任意材料。例如，可以通过在活塞18的顶面热喷涂氧化锆等陶瓷材料而形成，也可以通过在活塞18的顶面热喷涂、电镀镍、钼等金属材料而形成。另外，也可以通过在活塞18的顶面进行阳极氧化处理等处理来形成多孔质膜。

另外，在活塞18的顶面，在浅盘61以外的部分即与包含浅盘61在内的活塞的内周侧区域相比位于外侧的靠近缸膛内径附近(外侧区域)，具备没有形成隔热膜60的非隔热膜形成部62。在非隔热膜形成部62，活塞18的母材露出于缸内。

通过这样构成，在非隔热膜形成部62中，燃烧后，由于热传导而使活塞18顶面的温度迅速降低，所以在从滚流流动脱离、混合气体的流动变慢的靠近缸膛附近(图2中A所示的位置)，不会使混合气体过热。由此，能够防止未燃烧的混合气体的异常燃烧，因此，能够防止爆震的产生。

图13是表示具有本实施方式的隔热膜60的活塞18的表面温度的测量结果的一个例子的说明图。在图13中，横轴表示曲轴角度，纵轴表示活塞18的表面温度。

在图13中，通过粗实线表示具有本实施方式的隔热膜60的活塞18的隔热膜表面温度的变化，通过点划线表示不具有隔热膜60的活塞18的表面温度，通过虚线表示具有不具备摆动特性的现有的隔热膜的活塞18的隔热膜表面温度。

不具有隔热膜60的活塞18的表面温度与具有隔热膜60的活塞18相比，热传导率大。因此，如图5中虚线所示，在紧挨活塞18的上止点之后进行的混合气体的燃烧时表面温度的上升较少，之后，由于热传导，表面温度在比较低的状态下变化。

另一方面，具有不具备摆动特性的现有的隔热膜，即热传导率低并且每单位体积的热容量小的隔热膜的活塞18的隔热膜表面温度如图5中点划线所示。即，由于在现有的隔热膜中热传导率小，所以由于在紧挨活塞18的上止点之后进行的混合气体的燃烧而使得表面温度上升，即使在排气行程以及进气行程中表面温度也是上升后的状态。

与这些相对，具有本实施方式的摆动特性的隔热膜60的表面温度如图5中粗实线所示，由于在紧挨活塞18上止点之后进行的混合气体的燃烧而表面温度一度上升。之后，由于隔热膜60的每单位体积的热容量小，所以热量被传递至活塞18，表面温度逐渐降低。之后，在进气行程中，降低至不具有隔热膜的活塞18的表面温度(通过虚线表示)、即与活塞18的母材等同的温度。

这样，本实施方式的具有摆动特性的隔热膜60的表面温度伴随着压缩行程中的燃烧而暂时上升，但之后由于活塞18的热传导而降低。因此，即使由于滚流流动而使得混合气体在浅盘61的表面流动，也能够抑制向混合气体的热传递，能够防止爆震性能的降低。

然后，说明本实施方式的效果。

在如上所述的本实施方式中，作为内燃机10的活塞18，在活塞18的顶面形成有作为保持进气回旋流的凹部的浅盘61，活塞18的顶面具备：隔热膜形成部63，其具备热传导率比活塞18的母材低并且每单位体积的热容量比活塞18的母材小的隔热膜60；以及非隔热膜形成部62，其与隔热膜形成部63相比形成于内燃机10的缸膛侧的外侧位置，并且不具备隔热膜60。

在这样构成的本实施方式中，在膨胀行程中混合气体的燃烧时活塞18的顶面的温度上升。另一方面，在进气行程、压缩行程中，能够降低隔热膜60的温度。另外，在靠近缸膛附近(图2中A所示的位置、非隔热膜形成部62)不具有隔热膜60，能够通过活塞18的母材的热传递而降低顶面的温度。由此，能够抑制燃烧时的冷却损失，并且提高进气行程、压缩行程时的爆震性能。

另外，在本实施方式中，在活塞18的顶面，形成有隔热膜60的隔热膜形成部63构成为与形成作为凹部的浅盘61的区域一致。通过这样构成，在进气行程、压缩行程中，能够抑制由于进气回旋流导致的混合气体的流动变大的浅盘61中的热交换，因此，能够抑制燃烧时的冷却损失，并且提高进气行程、压缩行程时的爆震性能。

另外，在本实施方式中，活塞18的浅盘61构成为保持滚流流动作为流入至内燃机10的缸内的进气的进气回旋流。通过这样构成，能够通过隔热膜60抑制与由于滚流流动而在浅盘61流动的混合气体的热交换，因此能够抑制燃烧时的冷却损失，并且提高进气行程、压缩行程时的爆震性能。

另外，在本实施方式中，隔热膜60通过在活塞18的顶面涂敷的多孔质聚酰亚胺等多孔质树脂材料形成。通过这样构成，能够通过涂敷树脂材料这样简易的工序形成隔热膜，因此，与阳极氧化膜或陶瓷的喷涂等相比，能够降低活塞18的制造工序的成本。

以上说明了本发明的实施方式，但上述实施方式只不过是表示本发明的应用例的一部分，并不是将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构的宗旨。例如，活塞18的浅盘61是保持滚流流动作为进气回旋流的形状，但不限于此。浅盘61也可以具有保持旋流(swirl)流动的形状。另外，浅盘61不一定是凹状，只要是通过该形状保持进气回旋流(滚流流动、旋流流动)的形状则可以是任意形状。另外，在活塞18的顶面也可以形成阀凹槽(valve recess)。

另外，在本实施方式中，供隔热膜60形成的隔热膜形成部63不需要与浅盘61的区域一致。可以是隔热膜60与浅盘61的外周相比向外侧形成，也可以是隔热膜60与浅盘61的外周相比在内侧形成。

Claims (4)

1.一种活塞，其是内燃机的活塞，其中，

在所述活塞的顶面形成有保持进气回旋流的凹部，

所述顶面具备：

隔热膜形成部，其具有热传导率比所述活塞的母材低并且每单位体积的热容量比所述活塞的母材小的隔热膜；以及

非隔热膜形成部，其与所述隔热膜形成部相比位于所述内燃机的缸膛侧的外侧位置，并且不具有所述隔热膜。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，

所述隔热膜形成部是形成有所述凹部的区域。

3.根据权利要求1或2所述的活塞，其中，

所述进气回旋流是流入至所述内燃机的缸内的进气的滚流流动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的活塞，其中，

所述隔热膜通过在所述顶面涂敷的多孔质树脂材料构成。