CN110546367A - 内燃机的活塞和内燃机的活塞冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够提高热效率、减少排出气体有害成分，并且抑制爆震和提前点火等异常燃烧的发生的新的内燃机的活塞。在活塞内形成有冷却通路(200)，并且在活塞顶面的表面设置有：第1隔热层(101)，其由热导率和体积比热比活塞基材小的材料形成；和第2隔热层(102)，其由热导率和体积比热比该第1隔热层(101)小的材料形成，连接第1隔热层(101)和冷却通路(200)的第1距离设定成小于连接第2隔热层(102)和冷却通路(200)的第2距离。能够利用第2隔热层减少冷却损失，并且利用第1隔热层促进附着于活塞的燃料的气化，减少排出气体有害成分。此外，由于第1距离小于第2距离，第1隔热层的温度不会过度上升，能够抑制爆震和提前点火的发生。

Description

内燃机的活塞和内燃机的活塞冷却控制方法

技术领域

本发明涉及形成内燃机的燃烧室的活塞，尤其涉及在活塞主体的顶面的燃烧室侧表面形成了隔热层的内燃机的活塞及该活塞的冷却控制方法。

背景技术

在汽油发动机等内燃机中，因燃烧而产生的热量的一部分从燃烧室内通过活塞、气缸壁面等被排出至外部而成为冷却损失。为了提高内燃机的热效率，需要减少该冷却损失。于是，已知下述方法：通过在燃烧室壁面中占较大面积的活塞主体的顶面的燃烧室侧表面，形成低热导率且低热容量的层，使活塞主体的顶面的表面温度以少的时间延迟追随缸内燃烧气体温度而减少活塞表面的热通量，即所谓的变温隔热法。

在下面的说明中，包含形成在活塞主体的顶面的、形成燃烧室的表面在内地记为顶面。因此，活塞主体的顶面是指活塞主体的燃烧室侧的表面。

另一方面，当燃料液滴附着在这样低热容量化了的活塞主体的顶面时，附着部分的活塞温度下降，燃料的气化性能变差，热效率下降。进而，这尤其会导致在冷机起动时PM(碳颗粒)、HC(未燃烧的碳氢化合物)等排出气体中的有害成分增加。

于是，为了在提高热效率的同时减少排出气体有害成分，日本特开2013-67823号公报(专利文献1)公开了下述技术，在活塞主体的顶面形成热导率低且热容量低的阳极氧化层，在该阳极氧化层中的燃料喷射区域的表面配置与阳极氧化层相比热容量相对较高的金属覆盖层。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2013-67823号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

但是，如专利文献1中所述，在活塞主体的顶面形成热导率低且热容量低的阳极氧化层、在阳极氧化层中的燃料喷射区域的表面配置与阳极氧化层相比热容量相对较高的金属覆盖层时，会导致在混合气的燃烧时高热容量的金属覆盖层的温度过度变高，诱发爆震和提前点火等异常燃烧的发生。因此，要求开发抑制爆震和提前点火等异常燃烧的活塞以及将该活塞冷却的冷却控制方法。

本发明的目的是提供一种能够在提高热效率的同时减少排出气体有害成分、并且抑制爆震和提前点火等异常燃烧的发生的新型的内燃机的活塞和活塞的冷却控制方法。

用于解决技术问题的技术手段

本发明的第1特征是，在活塞主体内形成冷却通路，并且在活塞主体的顶面设置第1隔热层和第2隔热层，第1隔热层由与活塞基材相比热导率和体积比热小的材料形成，第2隔热层由与该第1隔热层相比热导率和体积比热小的材料形成，连接第1隔热层和冷却通路的第1隔开距离设定成小于连接第2隔热层和冷却通路的第2隔开距离。

本发明的第2特征是设置有冷却介质可变供给机构，该冷却介质可变供给机构向上述的活塞主体的冷却通路内供给冷却介质，并且改变冷却介质的流量，基于内燃机的冷却水温或润滑油温，改变通过冷却介质可变供给机构向冷却通路供给的冷却介质的供给量。

发明效果

根据本发明，能够利用第2隔热层减少冷却损失，并且能够利用第1隔热层促进附着于活塞主体的顶面的燃料的气化，减少排出气体有害成分。此外，由于第1隔热层与冷却通路的第1隔开距离小于第2隔热层与冷却通路的第2隔开距离，因此第1隔热层因冷却通路而被有效地冷却，从而使得第1隔热层的温度不会过度地上升，能够抑制爆震和提前点火等异常燃烧的发生。

附图说明

图1是表示具有本发明的第1实施方式的活塞的内燃机的截面的截面图。

图2是表示构成图1所示的活塞的基材以及隔热层的热导率与体积比热的相互关系的说明图。

图3是从气缸盖侧观看图1所示的活塞时的俯视图。

图4是表示图1所示的活塞的顶面附近的一部分的截面的放大截面图。

图5是说明冷却油流量调节阀的开度控制方法的一例的说明图。

图6是说明冷却油流量调节阀的开度控制方法的另一例的说明图。

图7是说明冷却油流量调节阀的开度控制方法的又一例的说明图。

图8是说明1个燃烧周期(循环)内的活塞的表面的温度变化的说明图。

图9是说明图4所示的活塞的第1隔热层的温度变化的说明图。

图10是说明图3所示的活塞的第1隔热层与第2隔热层的面积比的俯视图。

图11是表示具有本发明的第2实施方式的活塞的内燃机的截面的截面图。

图12是从气缸盖侧观看图11所示的活塞时的俯视图。

图13是表示具有本发明的第2实施方式的活塞的内燃机的截面的截面图。

图14是说明图13所示的活塞的上表面与燃料喷射阀的位置关系的说明图，是表示第1隔热层为单数的情况的说明图。

图15A是说明图13所示的活塞的上表面与燃料喷射阀的位置关系的说明图，是表示第1隔热层有复数个的情况的说明图。

图15B是说明图15A的燃料喷射点与第1隔热层的位置关系的活塞的俯视图。

图16是在图13所示的活塞设置有多个第1隔热层的情况下的俯视图。

图17是示意地表示活塞的表面层的结构的截面图。

图18是示意地表示构成图17的金属层的金属颗粒的结构的放大图。

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的说明，但是本发明并不限定于下面的实施方式，本发明的技术概念中的各种变形例和应用例也包含在本发明的范围内。

实施例1

下面，参照附图对本发明的第1实施方式的活塞的方式和具有该活塞的内燃机进行说明。

图1表示使用了第1实施方式的活塞的内燃机的纵截面，内燃机IC是火花点燃式4循环内燃机，利用气缸盖7、气缸8、活塞主体100、吸气阀3和排气阀4形成燃烧室9。其中，活塞由活塞主体100、连结曲轴和活塞主体100的连接杆、活塞连杆等构成。

此外，燃料喷射阀5设置在吸气端口1，其喷射喷嘴贯通在吸气端口内，构成所谓的端口喷射式内燃机。此外，设置了用于将燃烧室9的燃烧气体排出的排气端口2，还设置了用于对混合气点火的火花塞6。

在由活塞基材100m形成的活塞主体100的顶面的燃烧室侧表面分别设置了第1隔热层101和第2隔热层102。第1隔热层101和第2隔热层102形成燃烧室9的一部分。

这里，第1隔热层101与第2隔热层102相比较，第1隔热层101由“低热导率且高体积比热”的薄板件或涂层件等构成。优选其热导率为1～10W/mK，其体积比热为1000kJ/m³K以上，其厚度为200μm以上。此外，第2隔热层102由“低热导率且低体积比热”的薄板件或涂层件等构成。优选其热导率为0.5W/mK以下，其体积比热为500kJ/m³K以下，其厚度为50～200μm。

进而，活塞基材100m是铝合金、铁、钛合金等，其热导率大致为50～200W/mK，体积比热大致为2000～3000kJ/m³K。因此，关于热导率，具有活塞基材＞第1隔热层＞第2隔热层的关系，关于体积比热，具有活塞基材＞第1隔热层＞第2隔热层的关系。

这里，“低热导率且高体积比热”的第1隔热层101，具有不容易导热并且容易保持热(热容量大)的功能，“低热导率且低体积比热”的第2隔热层102具有不容易导热并且热响应快(热容量小)的功能。之所以将第2隔热层102的热导率设定得小于第1隔热层101的热导率，是为了减少来自第2隔热层102的热移动(提高隔热性)，降低冷却损失。关于第1隔热层101、第1隔热层102的具体的材料等，在后面叙述。

图2表示本实施例中的活塞基材100m、第1隔热层101、第2隔热层102各自的热导率、体积比热的大致的相互关系。在本实施方式中，如上所述，第1隔热层101的热导率和体积比热基本上小于活塞基材100m的热导率和体积比热。但是，关于体积比热，存在重叠的情况。此外，第2隔热层102的热导率和体积比热设定得小于第1隔热层101的热导率和体积比热。关于第1隔热层101和第2隔热层102的具体的结构例，在后面叙述。

返回至图1，在活塞主体100的内部设置了环状的冷却通路200。冷却通路200的底面的一部分开口，通过冷却油喷射喷嘴201向冷却通路200的开口部200A喷射冷却油。进入冷却通路200的内部的冷却油，通过设置在相对侧的开口部200B被排出。冷却油被冷却油泵203加压，经由冷却油流量调节阀202被供给至冷却油喷射喷嘴201。

供给至冷却油喷射喷嘴201的冷却油的流量，利用控制器204对冷却油流量调节阀202发出的阀开度指令值205进行调节。由未图示的温度传感器检测出的发动机的润滑油温、冷却水温等信息被输入至控制器204。这样，在本实施例的内燃机中，成为使用所谓的冷却通道冷却活塞主体100的结构。

图3表示从燃烧室侧在活塞主体100的滑动方向上观看活塞主体100的顶面时的上表面。为大致圆形的形状的第2隔热层102，配置在活塞基材100m的表面中央附近，在其周围配置了为圆环形的形状的第1隔热层101。为了使第2隔热层102的面积大于第1隔热层101的面积，而决定第2隔热层102的直径、第1隔热层101的圆环部的宽度(径向)。第2隔热层102的面积与第1隔热层101的面积的面积比设定为大约7：3的比率，第2隔热层102的面积较大。之所以采用这样的结构，是为了减少冷却损失。

图4放大表示活塞主体100的截面的一部分。令第1隔热层101和第2隔热层102的底面的微小面积为dA，令从第1隔热层101及第2隔热层102与活塞基材100m的接触面至冷却通路200的表面的最短隔开距离为L1和L2，第1隔热层101及第2隔热层102与冷却通路200的平均隔开距离Lm由下式定义。

[式1]

在本实施方式中，通过将第1隔热层101配置在冷却通路200的附近的活塞主体100的顶面，第1隔热层101与冷却通路200的平均隔开距离Lm1，与第2隔热层102与冷却通路200的平均隔开距离Lm2的关系为Lm1＜Lm2。为了使平均隔开距离为Lm1＜Lm2，例如优选在活塞主体100的滑动方向上从燃烧室侧观看时，如图3所示，在第1隔热层101与冷却通路200的至少一部分重叠的位置，配置第1隔热层101。

此外，为了使平均隔开距离为Lm1＜Lm2，例如优选在使向活塞主体100的下死点侧移动的移动方向为下侧的情况下，第1隔热层101的下表面的至少一部分位于比第2隔热层102的下表面靠下侧的位置。

图5表示冷起动内燃机IC后的控制器204控制冷却油流量控制阀202的控制例。在发动机的冷却水温比预先决定的规定水温Twc(例如80℃)低的情况下，关闭冷却油流量控制阀202的阀主体，在冷却水温超过Twc后打开冷却油流量控制阀202的阀主体。通过采用这样的结构，仅在水温高于Twc的情况下，活塞主体100通过冷却油喷射被冷却。当然，也可以代替冷却水温，基于润滑油温进行相同的控制。

此外，如图6和图7所示，也可以随着冷却水温或润滑油温的上升，使冷却油流量控制阀202的阀开度连续地变大。在此情况下，随着冷却水温或润滑油温变高，通过冷却油喷射冷却活塞主体100的冷却效果变得更高。这样伴随冷却水温或润滑油温的上升，使冷却油流量控制阀202的阀开度连续地变大时，能够通过冷却油喷射非常精细地进行活塞主体100的冷却控制，因此能够获得能够使冷却损失的减少最大化，更有效地抑制爆震、提前点火的效果。冷却水温或润滑油温与阀开度的关系是任意的，根据活塞主体100的冷却特性等适当地决定即可。

图8表示使设置了本实施方式的活塞的内燃机IC燃烧运转时的活塞主体100的顶面的表面温度的时间变化。更具体而言，图8表示由内燃机的吸气、压缩、膨胀、排气行程构成的1个燃烧循环内的第1隔热层101与第2隔热层102的表面温度相对于曲柄角的变化。作为参考，图8还表示未设置第1隔热层101和第2隔热层102的现有技术的仅由活塞基材100m构成的通常活塞的表面温度。

第2隔热层102由于由“低热导率和低体积比热”的材料形成，因此其表面温度以较小的时间延迟和温度差追随燃烧室内的燃烧气体温度的变化。即，在从吸气行程中期至压缩行程的中期的期间，因向燃烧室导入新的气体而使缸内气体温度变低，于是第2隔热层102的表面温度也随之变低。进而在从压缩行程后期至排气行程的期间，因缸内气体的压缩和燃烧而使缸内气体温度变高，因此第2隔热层102的表面温度随之变高。

这样在第2隔热层102中，其表面温度随缸内气体温度而发生变化，因此缸内气体与活塞主体100的顶面的壁面间的传热量变少，能够减少发动机的冷却损失。这就是所谓的称为变温隔热法的热损失减少方法。

另一方面，第1隔热层101由于由“低热导率且高体积比热”的材料形成，因此其表面温度与通常活塞的表面温度相比变高，但是几乎不追随燃烧室内的燃烧循环内的缸内气体温度的变化。因此，第1隔热层101在1个燃烧循环内的表面温度的变化幅度相比于第2隔热层102的表面温度的变化幅度较小。

例如，第2隔热层102在燃烧循环内的表面温度的变化幅度为约500℃，而第1隔热层101在燃烧循环内的表面温度的变化幅度为约50℃。其结果是，在从吸气行程的中期至压缩行程的中期的期间，第1隔热层101的表面温度表现出比第机器2隔热层102的表面温度和通常活塞的表面温度高的倾向。

在发动机刚冷起动后等发动机温度较低时，包含活塞主体100的顶面在内的燃烧室的壁面附近的混合气体的温度较低，因此壁面附近的猝熄厚度变大，较多的未燃烧碳氢化合物被排出。此外，在壁面附着了燃料液滴的情况下，在发动机温度低时燃料液滴的蒸发变慢，未燃烧碳氢化合物的排出量增加。尤其是，为了减少冷却损失，在活塞主体100的顶面仅设置了具有“低热导率且低体积比热”的材料的第2隔热层102的情况下，在从吸气行程至压缩行程的期间，第2隔热层102的表面温度比通常的表面温度低，因此冷起动时的未燃烧碳氢化合物排出量变得更多。

对此，当添加设置具有“低热导率且高体积比热”的材料的第1隔热层101时，从吸气行程至压缩行程的期间的第1隔热层101的表面为高温，因此，利用该热量，包含第1隔热层101的表面附近的未燃成分的缸内气体高温化。在高温化的缸内气体中猝熄厚度变薄，此外，附着在第1隔热层101的表面的液滴的气化得到促进。由于这些效果，能够使未燃烧碳氢化合物的排出量减少。这样，通过在活塞主体100的顶面设置第1隔热层101和第2隔热层102这两者，能够减少冷机时的排出气体有害成分，并且减少冷却损失，改善发动机的燃烧效率。

另一方面，由于第1隔热层101由“低热导率且高体积比热”的材料形成，因此第1隔热层101的温度随着燃烧次数增加、发动机温度的上升而变高。随之，第1隔热层101的表面附近的未燃气体温度变得过高，其结果是，存在引起爆震、提前点火这样的异常燃烧的问题。

在本实施方式中，根据冷却水温或润滑油温达到了规定温度的情况来推测引起爆震、提前点火这样的异常燃烧的状态，在冷却水温或润滑油温比规定温度高的情况下，通过冷却油喷射将活塞主体100冷却。而且，在本实施方式中，使活塞主体100的冷却通路200与第1隔热层101的隔开距离，比活塞主体100的冷却通路200与第2隔热层102的隔开距离短。

一般而言，固体的2点间的热阻与2点间的距离成反比，因此冷却通路200与隔热层的隔开距离越近，则冷却通路200对隔热层的冷却效果越强。因此，第1隔热层101因冷却通路200而被强有力地冷却，而冷却通路200对第2隔热层102的冷却作用较小。

图9表示本实施方式的第1隔热层101的燃烧循环的平均温度的时间变化。在本实施方式中，第1隔热层101的温度在完成预热后被保持得较低，其结果是，能够抑制发动机温度上升时的爆震、提前点火等异常燃烧的发生。此外，由于冷却通路200对第2隔热层102的冷却效果较小，因此能够抑制冷却损失的增大。

此外，在本实施方式中，在冷却水温或润滑油温比规定温度低的情况下，通过冷却油的喷射停止或流量的减少，能够停止通过冷却油喷射对活塞主体100的冷却，或将冷却效果控制得较小，因此发动机冷机时的第1隔热层101的温度不降低，能够提高排出气体有害成分的减少效果。

缸内气体的温度一般在燃烧室的中心最高，随着向燃烧室的外周壁去而变低。因此，将第2隔热层102设置在活塞主体的顶面的中央部附近时，减少冷却损失的效果较大。另一方面，由于在燃烧室的外周侧缸内气体温度较低，容易引起猝熄、燃料的气化不足，因此将第1隔热层101设置在燃烧室的外周侧，换言之设置在燃烧室的半径较大的区域侧时，能够提高外周侧的活塞主体的顶面的温度，排出气体有害成分的减少效果较大。

此外，爆震因燃烧室的外周侧的未燃气体被压缩自燃而发生，因此为了防止爆震，对燃烧室的外周侧进行冷却是有效的。为此，优选冷却通路200和第1隔热层101偏倚于活塞主体100的外周侧地配置成圆形或圆弧形。

在本实施方式中，使第1隔热层101与冷却通路200的平均隔开距离Lm1，与第2隔热层102与冷却通路200的平均隔开距离Lm2的关系为Lm1＜Lm2，但是也可以使第1隔热层101与冷却通路200的重叠率大于第2隔热层102与冷却通路200的重叠率。

更具体而言，如图10所示，在活塞主体100的滑动方向上从燃烧室侧投影观看活塞主体100时，令第1隔热层101的投影面积为“S₁₀”，第2隔热层102的投影面积为“S₂₀”，第1隔热层101与冷却通路200重叠的部分的投影面积为“S₁₁”，第2隔热层102与冷却通路200重叠的部分的投影面积为“S₂₁”。

在令第1隔热层101与冷却通路200的重叠率为“S₁₁/S₁₀”，第2隔热层102与冷却通路200的重叠率为“S₂₁/S₂₀”时，满足以下的式2时是有效的。

[式2]

因此，需要分别决定第1隔热层101、第2隔热层102、冷却通路200的配置、大小，以使得第1隔热层101的重叠率大于第2隔热层102的重叠率。这样，当隔热层与冷却通路的重叠率较大时，冷却通路的冷却效果较高，因此当使第1隔热层101的重叠率大于第2隔热层102的重叠率时，第1隔热层101与第2隔热层102相比，被冷却通路200更强有力地冷却。

如上所述，根据本实施方式，能够利用“低热导率且低体积比热”的第2隔热层减少冷却损失，并且利用“低热导率且高体积比热”的第1隔热层促进附着于活塞主体的燃料的气化，减少排出气体有害成分。此外，由于第1隔热层与冷却通路的第1隔开距离小于第2隔热层与冷却通路的第2隔开距离，因此第1隔热层被冷却通路高效地冷却，第1隔热层的温度不会过度地上升，因此能够抑制爆震、提前点火等异常燃烧的发生。进而，能够抑制冷却通路对第2隔热层的冷却，防止冷却损失的增加。

实施例2

接着，使用图11和图12，对本发明的第2实施方式进行说明。图11表示本实施方式的内燃机的主要部分的截面。此外，图12表示从燃烧室侧观看本实施方式的活塞主体时的上表面。在本实施方式中的内燃机中，燃料喷射阀5设置在发动机缸盖7，其喷射喷嘴朝向燃烧室9，燃料以贯通燃烧室的方式被喷射，为所谓的缸内直接喷射式内燃机。

进而，在活塞主体100的顶面的表面设置有向下死点侧凹陷的空腔103。在空腔103的底部设置有第1隔热层101，此外，在空腔103的外侧的活塞主体100的顶面，设置有第2隔热层102。在活塞主体100的滑动方向上从燃烧室侧观看时，以空腔103与冷却通路200的至少一部分重叠的方式配置空腔103和冷却通路200。

在发动机刚冷起动后等发动机温度较低时，通过在压缩行程的后期从燃料喷射阀5向空腔103喷射燃料，能够在火花塞6的电极部附近形成燃料弄得高的混合气体。由此，对混合气体的点火性变好，即使点火时期比通常运转时延迟，也能够进行稳定的燃烧，利用伴随点火延迟而产生的高温的排出气体，有效地使未图示的排出气体净化用催化剂升温。进而，在冷机时，由于设置在空腔103的底面的第1隔热层101高温化，在空腔103的底面形成的燃料液层在短时间内气化，因此能够抑制未燃烧碳氢化合物、煤的排出。

此外，在活塞主体100的滑动方向上从燃烧室侧观看时，以空腔103与冷却通路200的至少一部分重叠的方式配置空腔103和冷却通路200，因此在发动机预热后能够利用冷却通路200将设置在空腔103的底面的第1隔热层101高效地冷却，抑制爆震、提前点火等异常燃烧的发生。

为了更有效地将设置在空腔103的底面的第1隔热层101良好地冷却，并且减少自第2隔热层102的冷却损失，使空腔103侧的冷却通路200的宽度比其他部分的冷却通路200的宽度大，增大空腔103与冷却通路200的导热面积是有效的。

此外，优选将用于取入活塞主体冷却用的冷却油的开口部(入口侧)200A设置在空腔103侧，将用于排出冷却油的开口部(出口侧)200B配置在空腔103的相反侧。通过采用这样的结构，空腔103侧为入口侧，冷却油温度较低，空腔103的相对侧为出口侧，冷却油温度较高，因此设置在空腔103的底面的第1隔热层101被有效地冷却，并且能够抑制第2隔热层102的冷却。

在应用于缸内直接喷射式内燃机的活塞中，通过在能形成燃料液层的活塞主体100的顶面局部地设置第1隔热层101，能够有效地促进喷射燃料的气化，并且能够使第2隔热层102的面积最大化，减少冷却损失。为此，如图13所示，在处于活塞位置到达了上死点与下死点的中间附近的状态时，在从燃料喷射阀5喷射的燃料喷雾20的重心的延长轴线(中心线)20A与活塞主体100的顶面交叉的位置，设置第1隔热层101是有效的。

进而，优选决定冷却通路200、第1隔热层101的位置和燃料喷雾20的方向，以使得第1隔热层101与冷却通路200的平均值隔开距离Lm1小于第2隔热层102与冷却通路200的平均值隔开距离Lm2。此外，通过使第1隔热层101与冷却通路200的重叠率大于第2隔热层102与冷却通路200的重叠率，能够有效地将预热后的第1隔热层101冷却。

在燃料喷射阀5由多孔式喷嘴构成、形成多个燃料喷雾的情况下，通过如图14所示的那样，在至少一个喷雾的轴线20A与活塞交叉的位置设置第1隔热层101，能够获得第1隔热层101对燃料液层的气化促进效果。

此外，通过如图15A、15B所示的那样，在多个喷雾的延长轴线20A与活塞主体100的顶面交叉的位置，与延长轴线20A对应地设置多个第1隔热层101，能够进一步提高第1隔热层101对燃料液层的气化促进效果。

进而，在设置了多个第1隔热层101的情况下，也可以如图16所示的那样，使至少一个第1隔热层101与冷却通路200的平均值隔开距离小于第2隔热层102与冷却通路200的平均值隔开距离。或者，也可以使至少一个第1隔热层101与冷却通路200的重叠率大于第2隔热层102与冷却通路200的重叠率。

此外，如上所述，当至少一个第1隔热层101为配置在燃烧室的排气侧的第1隔热层101时，为更高温的排气侧的第1隔热层101靠近冷却通路200而被强有力地冷却，能够更有效地抑制爆震、提前点火等异常燃烧。

进而，近年来为了提高燃烧效率、减少CO₂，广泛地采用在车辆临时停止时停止发动机的运转的所谓的怠速熄火控制。在怠速熄火期间，体积比热大的第1隔热层101被保持在高温状态。因此，第1隔热层101的表面附近的空气被加热，在发动机再起动时成为提前点火的原因。为了防止这样的情况的发生，在怠速熄火期间从冷却油喷射喷嘴将冷却油供给至活塞主体的冷却通路200内，将第1隔热层101冷却是有效的。在此情况下，利用电动泵供给冷却油即可。

接着，使用图17和图18对上述的第1隔热层101和第2隔热层102的结构进行详细的说明。

下面，将第1隔热层101和第2隔热层102两者一并作为表面层进行说明。图17是示意地表示表面层的截面。表面层100s包含母相130和分散在母相130中的中空颗粒134。中空颗粒134是在内部具有空孔135的颗粒。而且，母相130具有：将多个金属颗粒结合而构成的金属层136；和由金属颗粒的结合部分以外的部分包围而构成的空隙(换言之，形成在金属颗粒间的空隙)137，该空隙137中包含中空颗粒134。

将母相130所具有的空隙137和中空颗粒134所具有的空孔135在表面层100s中所占的体积比例称为“气孔率”。通过提高气孔率，能够减小表面层100s的热导率和体积比热。因此，在第1隔热层101中，为了与第2隔热层102相比使热导率较大，并且获得大的体积比热，使其气孔率小于第2隔热层102的气孔率。在表面层100s构成第1隔热层101时，为了形成低热导率和高体积比热，使气孔率例如为20％左右。另一方面，在表面层100s构成第2隔热层102时，为了形成低热导率和低体积比热，使气孔率例如为50％左右。

此外，表面层100s为了能够耐受内燃机中的严苛的环境(高温、高压、强振动)，要求对基材100m有高的紧贴性和高的抗拉强度。通过使构成为多孔体的表面层100s的主要部分的母相130为金属层136，能够使具有金属的基材100m与表面层100s之间具有高的紧贴性，并且具有高的耐久性。

此外，通过在母相130的空隙137中含有中空颗粒134，将母相130中的空隙137和中空颗粒134的空孔135加在一起，能够确保获得低热导率所需的气孔率，并且抑制母相130中的空隙137的体积量，将表面层100s的强度保持得较高。

优选金属层136由通过烧结而结合了金属颗粒的烧结金属构成。图18表示将构成图17的金属层130的金属颗粒放大了的结构。如图18所示，优选金属颗粒138的一部分彼此通过烧结而结合，具有颈状部139。利用该颈状部139，能够确保金属颗粒间的空间，形成空隙137。此外，通过控制烧结密度，能够控制空隙137的比例，对表面层100s的热导率、体积比热、强度进行各种改变。

金属层136和基材100m优选各自的主要成分包含相同金属。具体而言，优选令基材100m为铝(Al)合金，令金属层136为铝(Al)。这样，通过使基材100m和构成表面层130的主要部分的金属层136由同系金属构成，能够在基材100m与具有多孔结构的表面层100s的界面处形成牢固的固相接合部，确保高的紧贴性，实现耐久性优异的表面层100s。

作为中空颗粒134的材料，为了确保表面层130的隔热性能，优选热导率小、且即使中空也强度高的材料。作为这样的材料，能够列举二氧化硅、氧化铝、氧化锆等。例如作为以二氧化硅为主要成分的中空颗粒，有陶瓷珠、二氧化硅气凝胶、多孔玻璃等。

如上所述，根据本发明，在活塞主体内形成冷却通路，并且在活塞主体的顶面设置有第1隔热层和第2隔热层，所述第1隔热层由与活塞基材相比热导率和体积比热小的材料形成，所述第2隔热层由与该第1隔热层相比热导率和体积比热小的材料形成，连接第1隔热层和冷却通路的第1隔开距离设定成小于连接第2隔热层102和冷却通路200的第2隔开距离。此外，设置了冷却介质可变供给机构，该冷却介质可变供给机构向活塞主体的冷却通路内供给冷却介质，并且改变冷却介质的流量，基于内燃机的冷却水温或润滑油温，改变通过冷却介质可变供给机构向冷却通路供给的冷却介质的供给量。

通过采用上述的结构，能够利用第2隔热层减少冷却损失，并且利用第1隔热层促进附着于活塞主体的燃料的气化，减少排出气体有害成分。此外，由于第1隔热层与冷却通路的第1隔开距离小于第2隔热层与冷却通路的第2隔开距离，因此通过利用冷却通路将第1隔热层有效地冷却，能够使第1隔热层的温度不会过度地上升，于是能够抑制爆震、提前点火等异常燃烧的发生。

本发明并不限定于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细地说明了的，本发明并不限定于必须具有说明了的全部结构。此外，能够将一个实施例的结构的一部分置换成其他实施例的结构，此外，还能够在一个实施例的结构中增加其他实施例的结构。此外，对于各实施例的结构的一部分，能够进行其他结构的增加、删除、置换。

附图标记的说明

5……燃料喷射阀，6……火花塞，20……燃料喷雾，20A……燃料喷雾的轴线，100……活塞主体，100m……活塞基材，100s……表面层，101……第1隔热层，102……第2隔热层，103……空腔，200……冷却通路，201……冷却油喷射，130……母相，134……中空颗粒，135……空孔，136……金属层，137……空隙，138……金属颗粒，139……颈状部。

Claims (20)

1.一种内燃机的活塞，其具有形成有冷却通路的活塞主体，且在所述活塞主体的顶面形成有成为燃烧室的一部分的第1隔热层和第2隔热层，所述内燃机的活塞的特征在于：

所述第1隔热层由与形成所述活塞主体的活塞基材的热导率和体积比热相比，具有较小的热导率和相同或较小的体积比热的材料形成，

所述第2隔热层由与所述第1隔热层的热导率和体积比热相比，具有较小的热导率和较小的体积比热的材料形成，

所述第1隔热层与所述冷却通路的隔开距离设定成小于所述第2隔热层与所述冷却通路的隔开距离。

2.如权利要求1所述的内燃机的活塞，其特征在于：

在所述活塞主体的滑动方向上从所述燃烧室侧看时，所述第1隔热层形成在与所述冷却通路的至少一部分重叠的位置。

3.如权利要求2所述的内燃机的活塞，其特征在于：

在所述活塞主体的滑动方向上从所述燃烧室侧看时，所述第1隔热层与所述冷却通路重叠的投影面积相对于所述第1隔热层的投影面积之比，设定成大于所述第2隔热层与所述冷却通路重叠的投影面积相对于所述第2隔热层的投影面积之比。

4.如权利要求1所述的内燃机的活塞，其特征在于：

在令所述活塞主体的向下死点移动的移动方向为下侧时，所述第1隔热层的下表面的至少一部分位于比所述第2隔热层的下表面靠下侧的位置。

5.如权利要求1～3中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于：

所述第1隔热层与所述第2隔热层相比，配置在所述燃烧室的半径较大的区域侧。

6.如权利要求1～3中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于：

所述第1隔热层和所述冷却通路形成为圆形或圆弧形，配置在所述活塞主体。

7.如权利要求1～3中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于：

所述冷却通路形成在比所述燃烧室的中心附近靠排气侧的位置。

8.如权利要求1～3中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于：

在所述活塞主体的顶面形成有空腔，在所述空腔的至少底面设置有所述第1隔热层。

9.如权利要求8所述的内燃机的活塞，其特征在于：

在所述活塞主体的滑动方向上从所述燃烧室侧看时，所述空腔与所述冷却通路的至少一部分重叠，所述空腔侧的所述冷却通路的宽度，比与所述空腔相对的一侧的所述冷却通路的宽度大。

10.如权利要求8所述的内燃机的活塞，其特征在于：

所述冷却通路的冷却油的入口形成在所述空腔侧，所述冷却通路的冷却油的出口形成在所述空腔的相对侧。

11.如权利要求1～10中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于：

所述活塞主体用于缸内直接喷射式内燃机，该缸内直接喷射式内燃机包括向所述燃烧室直接喷射燃料的燃料喷射阀。

12.如权利要求11所述的内燃机的活塞，其特征在于：

在所述活塞主体处于上死点与下死点的中间位置附近时，在与从所述燃料喷射阀喷射的喷雾的轴线的至少1个交叉的位置，形成有所述第1隔热层。

13.一种内燃机的活塞，其具有形成有冷却通路的活塞主体，且在所述活塞主体的顶面形成有成为燃烧室的一部分的第1隔热层和第2隔热层，所述内燃机的活塞的特征在于：

所述第1隔热层由与形成所述活塞主体的活塞基材的热导率和体积比热相比，具有较小的热导率和相同或较小的体积比热的材料形成，

所述第2隔热层由与所述第1隔热层的热导率和体积比热相比，具有较小的热导率和较小的体积比热的材料形成，

所述第1隔热层配置在比所述燃烧室的中心附近靠吸气侧和排气侧的位置，且配置在所述排气侧的所述第1隔热层与所述冷却通路的隔开距离设定成小于所述第2隔热层与所述冷却通路的隔开距离。

14.如权利要求1～13中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于：

所述第1隔热层和所述第2隔热层由多孔介质形成，所述第1隔热层的气孔率设定成小于所述第2隔热层的气孔率。

15.如权利要求1～13中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于：

所述第1隔热层的厚度设定成大于所述第2隔热层的厚度。

16.如权利要求1～15中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于：

所述第1隔热层形成所述燃烧室的总面积设定成小于所述第2隔热层形成所述燃烧室的总面积。

17.一种内燃机的活塞冷却控制方法，其特征在于：

包括权利要求1～16中任一项所述的内燃机的活塞；向所述冷却通路内供给冷却介质的冷却介质供给机构；和改变冷却介质的流量的冷却介质可变机构，

基于所述内燃机的冷却水温或润滑油温，利用所述冷却介质可变机构调节从所述冷却介质供给机构向所述冷却通路供给的冷却介质的供给量。

18.如权利要求17所述的内燃机的活塞冷却控制方法，其特征在于：

在冷却水温℃或润滑油温度高时，与冷却水温或润滑油温低时相比，增加供给至所述冷却通路的冷却介质的供给量。

19.如权利要求17所述的内燃机的活塞冷却控制方法，其特征在于：

在冷却水温或润滑油温比规定温度低时，停止向所述冷却通路供给冷却介质，在冷却水温或润滑油温比规定温度高时，向所述冷却通路供给冷却介质。

20.一种内燃机的活塞冷却控制方法，其特征在于：

包括权利要求1～16中任一项所述的内燃机的活塞；向所述冷却通路内供给冷却介质的冷却介质供给机构；和改变冷却介质的流量的冷却介质可变机构，

在所述内燃机的怠速熄火期间，从所述冷却介质供给机构向所述冷却通路供给冷却介质。