CN113137316A

CN113137316A - 内燃机的活塞及其制造方法

Info

Publication number: CN113137316A
Application number: CN202110053052.5A
Authority: CN
Inventors: 桥诘刚
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2041-01-15
Also published as: JP2021113505A; US20210222645A1; CN113137316B; US11441513B2; JP7380803B2; JP2023011773A; EP3851657A1

Abstract

本发明涉及内燃机的活塞及其制造方法。在具备活塞(该活塞具有形成有由多孔质氧化铝构成的层的顶面)的发动机中，有效利用由该层实现的摆动特性并且抑制无助于燃烧的燃料的产生。本发明的活塞具有由多孔质氧化铝构成的顶面。顶面具备第一区域和第二区域。第一区域包括与顶面的外周相连的区域的一部分或全部。第二区域邻接于第一区域。第二区域包括顶面的内侧的区域的一部分或全部。形成于第二区域的多孔质氧化铝比形成于第一区域的多孔质氧化铝薄。在活塞的制造方法中，首先，准备铝合金制的铸造活塞。接着，去除第一区域中的铸件表面，由此使毛坯面露出。接着，进行铸造活塞的阳极氧化处理，由此在第一区域和第二区域形成多孔质氧化铝。

Description

内燃机的活塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有形成有隔热涂层的顶面的内燃机(以下，也简称为“发动机”。)的活塞及其制造方法。

背景技术

日本特开2019－074009号公报公开了一种具有形成有隔热涂层的顶面的发动机的活塞。该隔热涂层具有由多孔质氧化铝构成的层(以下，也称为“耐酸铝层”。)。多孔质氧化铝通过活塞的毛坯的阳极氧化处理而形成。耐酸铝层由于其结构的原因而显示出体积比热和导热系数比毛坯低的热物性。

根据形成有耐酸铝层的活塞，能使顶面的温度追随发动机的燃烧室内的工作气体的温度。即，在膨胀行程中，能使顶面的温度追随上升的燃烧气体的温度。此外，在进气行程中，能使顶面的温度追随较低的进气的温度。这样的追随特性也被称为“摆动特性”。根据摆动特性，能兼顾减少冷却损失和抑制爆震(knocking)的发生。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2019－074009号公报

在耐酸铝层的表面开口有在厚度方向延伸的无数细孔。因此，预计燃烧室内的燃料会从这些细孔的开口部进入耐酸铝层的内部。就是说，预计燃烧室内的燃料会渗入耐酸铝层。

如果耐酸铝层的温度高，则不易发生这样的燃料的渗入。其原因是因为，预计在该情况下，即使燃料与耐酸铝层发生了接触，也会保持该燃料的雾化状态。但是，根据上述的摆动特性，在进气行程中，耐酸铝层的温度降低。因此，与耐酸铝层发生了接触的燃料可能会渗入耐酸铝层并且即使在压缩行程中也不蒸发。

此外，根据上述的摆动特性，在膨胀行程中，耐酸铝层的温度上升。因此，渗入耐酸铝层的燃料可能会在膨胀行程的后半程蒸发。这样的话，无法使该燃料在膨胀行程中燃烧，该燃料在之后的排气行程中被排出至燃烧室外。因此，在形成有耐酸铝层的发动机中，存在产生无助于燃烧的燃料从而能量效率降低的问题。

在上述的顶面的一部分的区域，在耐酸铝层上形成有封闭开口部的封孔层。如果开口部被封闭，则能抑制燃料的渗入。但是，如果形成有封孔层，则隔热涂层的层厚会增加。这样的话，整个隔热涂层的热容量可能会增加。此外，如果形成有封孔层，则其体积比热和导热系数可能会影响隔热涂层的热物性。因此，摆动特性的维持恐怕会变得困难。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供如下技术：在具备活塞(该活塞具有形成有耐酸铝层的顶面)的发动机中，能有效利用由耐酸铝层实现的摆动特性并且抑制无助于燃烧的燃料的产生。

用于解决问题的方案

第一发明是一种内燃机的活塞，具有如下特征。

所述活塞具有由多孔质氧化铝构成的顶面。

所述顶面具备第一区域和第二区域。

所述第一区域包括与所述顶面的外周相连的区域的一部分或全部。

所述第二区域邻接于所述第一区域。

所述第二区域包括所述顶面的内侧的区域的一部分或全部。

形成于所述第二区域的所述多孔质氧化铝比形成于所述第一区域的所述多孔质氧化铝薄。

第二发明在第一发明中还具有如下特征。

在所述顶面形成有气门凹槽部，构成所述气门凹槽部的面属于所述第二区域。

第三发明在第一发明中还具有如下特征。

在所述顶面形成有气门凹槽部，构成所述气门凹槽部的面属于所述第一区域。

第四发明在第一发明～第三发明中的任一发明中还具有如下特征。

所述第一区域包括与所述外周相连的区域的全部，所述第二区域位于所述第一区域的内侧。

第五发明在第一发明～第四发明中的任一发明中还具有如下特征。

所述多孔质氧化铝具有在厚度方向延伸的细孔，所述细孔的开口部在所述顶面开口。

第六发明是一种内燃机的活塞的制造方法，具有如下特征。

所述活塞具有由多孔质氧化铝构成的顶面。

所述顶面具备第一区域和第二区域。

所述第二区域邻接于所述第一区域。

所述第二区域包括所述顶面的内侧的区域的一部分或全部。

所述制造方法包含：准备所述顶面由铸件表面覆盖的铝合金制的铸造活塞的步骤；去除所述第一区域中的所述铸件表面而使所述铸造活塞的毛坯面露出的步骤；以及通过露出了所述毛坯面的所述铸造活塞的阳极氧化处理，在所述第一区域和所述第二区域形成多孔质氧化铝的步骤。

发明效果

根据第一发明～第五发明，活塞的顶面由多孔质氧化铝构成。就是说，未设有用于封闭细孔的开口部的层(即，封孔层)。因此，不会产生随着封孔层的形成而增加的各种问题。因此，能有效利用耐酸铝层的热物性来可靠地获得由摆动特性实现的效果。

根据第一发明～第五发明，此外，第二区域中的耐酸铝层比第一区域中的耐酸铝层薄。因此，能抑制渗入第二区域中的耐酸铝层的燃料的量。此外，如果第二区域中的耐酸铝层薄，则渗入该耐酸铝层的燃料在蒸发时也能容易地从开口部排出。因此，能使该燃料在膨胀行程中燃烧。因此，也能抑制产生无助于燃烧的燃料从而能量效率降低的情况。

根据第六发明，仅在第一区域中进行铸造活塞的铸件表面的去除。因此，与在第一区域和第二区域中进行铸件表面的去除的情况相比，能缩短加工所需的时间。因此，能削减活塞的制造成本。

根据第六发明，此外，在第一区域中使毛坯面露出并在第二区域中留有铸件表面的状态下，进行阳极氧化处理。在此，构成铸件表面的毛坯的氧化速度比构成毛坯面的毛坯的氧化速度慢。因此，通过在毛坯面与铸件表面混合存在的状态下进行阳极氧化处理，能得到第二区域中的耐酸铝层比第一区域中的耐酸铝层薄的活塞。

附图说明

图1是表示实施方式的活塞的第一构成例的俯视图。

图2是沿着图1所示的2－2线剖切后的活塞的剖视图。

图3是沿着图1所示的3－3线剖切后的活塞的剖视图。

图4是表示实施方式的活塞的第二构成例的俯视图。

图5是表示实施方式的活塞的第三构成例的俯视图。

图6是表示实施方式的活塞的第四构成例的俯视图。

图7是表示实施方式的活塞的第五构成例的俯视图。

图8是表示实施方式的活塞的第六构成例的俯视图。

图9是表示实施方式的活塞的第七构成例的俯视图。

图10是表示实施方式的活塞的制造方法的流程的流程图。

图11是表示图10的步骤S2的概要的图。

图12是表示图10的步骤S3的概要的图。

附图标记说明

10、20、30、40、50、60、70：顶面；11、41、42、61：凹部；12、13、23、33：平面部；14、43：倾斜部；21、22、31、32、63、64、65、66：气门凹槽部；AL：耐酸铝层；CS：铸件表面；MS：毛坯面；TH、TH1、TH2：层厚。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，在各图中，对相同或相当的部分标注相同的附图标记并简化或省略其说明。

1.活塞的构成例

首先，参照图1～图9对本发明的实施方式的活塞的构成进行说明。本实施方式的活塞优选应用于搭载于车辆的发动机。作为这样的发动机，可举例示出火花点火式的发动机和压缩自点火式的发动机。

1－1.第一构成例

图1是表示本实施方式的活塞的第一构成例的俯视图。图1的上方所示的“IN”的方向表示发动机的进气侧的方向，“EX”的方向表示发动机的排气侧的方向。图2是沿着图1所示的2－2线剖切后的活塞的剖视图。图3是沿着图1所示的3－3线剖切后的活塞的剖视图。

图1～图3所示的活塞应用于火花点火式的发动机。如图1～图3所示，在该活塞的顶面10形成有碟状的凹部11、平面部12和13以及倾斜部14。凹部11形成于顶面10的中央部。凹部11是为了使从喷射器(未图示)喷射出的燃料与进气的混合气扩散至燃烧室内而形成的。平面部12和13形成于凹部11的外侧。倾斜部14形成于平面部12和13的外侧。倾斜部14越远离顶面10的中心而越向活塞的内侧方向倾斜。在活塞上升时，在倾斜部14与缸盖(未图示)的底面之间形成挤气区。

图1～图3所示的活塞的形状本身是公知的。在公知的活塞中，也可举例示出不具有平面部12和13而是倾斜部14位于凹部11的外侧的活塞。

如图1～图3所示，在顶面10形成有耐酸铝层AL。耐酸铝层AL具有在厚度方向有序地延伸的无数细孔。耐酸铝层AL的这种结构例如公开于日本特开2013－060620号公报。关于耐酸铝层AL的热物性，如已经说明的那样。

第一构成例的特征在于，第一区域中的耐酸铝层AL的层厚TH1与第二区域中的耐酸铝层AL的层厚TH2不同。在图1中，画有阴影的区域对应于第二区域。就是说，第二区域相当于构成凹部11、平面部12和13的面的区域。第二区域以外的区域对应于第一区域。就是说，第一区域相当于构成倾斜部14的面的区域。

如图2和图3所示，层厚TH2比层厚TH1薄。需要说明的是，作为层厚TH1和TH2的代表性测定方法，可举例示出直接法。在直接法中，首先，在耐酸铝层AL的厚度方向剖切活塞。然后，在相当于第一区域和第二区域的区域中的任意的点测定耐酸铝层AL的厚度。测定点也可以为多个。在该情况下，层厚TH1和TH2通过多个测定值的平均值、中值或最频值来表示。

层厚TH1与TH2的大小关系在以下说明的第二构成例～第七构成例中也相同。因此，在第二构成例～第七构成例的说明中，主要进行第一区域和第二区域的位置关系的说明，省略使用了剖视图的大小关系的说明。

1－2.第二构成例

图4是表示本实施方式的活塞的第二构成例的俯视图。图4所示的活塞应用于火花点火式的发动机。如图4所示，在该活塞的顶面20形成有气门凹槽部21和22以及平面部23。气门凹槽部21和22是为了防止两根排气气门(未图示)与顶面20发生干涉而形成的。气门凹槽部21和22越远离顶面20的中心而越向活塞的内侧方向倾斜。平面部23形成于气门凹槽部21和22之间。平面部23对应于图1的排气侧的平面部12的一部分。

在图4中，画有阴影的区域对应于第二区域。就是说，第二区域相当于构成凹部11、平面部12、13和23、气门凹槽部21和22的面的区域。第二区域以外的区域对应于第一区域。就是说，第一区域相当于构成倾斜部14的面的区域。

1－3.第三构成例

图5是表示本实施方式的活塞的第三构成例的俯视图。图5所示的活塞应用于火花点火式的发动机。如图5所示，在该活塞的顶面30形成有气门凹槽部31和32以及平面部33。气门凹槽部31和32是为了防止两根进气气门(未图示)与顶面30发生干涉而形成的。气门凹槽部31和32越远离顶面30的中心而越向活塞的内侧方向倾斜。平面部33形成于气门凹槽部31和32之间。平面部33对应于图1的进气侧的平面部12的一部分。

在图5中，画有阴影的区域对应于第二区域。就是说，第二区域相当于构成凹部11、平面部13、23和33以及气门凹槽部21、22、31和32的面的区域。第二区域以外的区域对应于第一区域。就是说，第一区域相当于构成倾斜部14的面的区域。

1－4.第四构成例

图6是表示本实施方式的活塞的第四构成例的俯视图。图6所示的活塞应用于火花点火式的发动机。如图6所示，在该活塞的顶面40形成有碟状的凹部41。凹部41的基本形状与图1所示的凹部11相同。不过，在凹部41的中央部进一步形成有凹部42。凹部42是为了改善燃烧状态而形成的。作为凹部42的形状，可举例示出半球状。在凹部41的外侧形成有倾斜部43。在倾斜部43与缸盖的底面之间形成挤气区。

在图6中，画有阴影的区域对应于第二区域。就是说，第二区域相当于构成凹部41以及气门凹槽部21、22、31和32的面的区域。第二区域以外的区域对应于第一区域。就是说，第一区域相当于构成凹部42和倾斜部43的面的区域。

在第一构成例～第三构成例中，第二区域占据第一区域的内侧的全部。相对于此，在第四构成例中，第二区域位于两个第一区域之间。就是说，第二区域仅占据第一区域的内侧的一部分。设为这样的位置关系的理由是因为着眼于与燃烧前的混合气的接触机会多的区域。在接触机会多的区域，与接触机会少的区域相比，混合气容易从细孔的开口部进入耐酸铝层AL的内部。因此，在接触机会多的区域，混合气中的燃料容易渗入耐酸铝层AL。

1－5.第五构成例

在着眼于接触机会的情况下，预计在构成气门凹槽部21、22、31和32的面的区域中的接触机会比在构成凹部41的面的区域中的接触机会少。因此，构成气门凹槽部的面的区域也可以被设定为第一区域。就是说，构成气门凹槽部的面的区域中的耐酸铝层AL也可以具有层厚TH1。

图7是表示本实施方式的活塞的第五构成例的俯视图。图7所示的第五构成例的形状与第二构成例的形状相同。不过，在第五构成例中，构成气门凹槽部21和22的面的区域对应于第一区域而不是对应于第二区域这一点与第二构成例不同。

第五构成例中的变形也可以应用于图5和图6所示的第三构成例和第四构成例。就是说，构成气门凹槽部21、22、31和32的面的区域也可以对应于第一区域。

而且，也可以是构成气门凹槽部21、22、31和32的面中的一部分的区域被设定为第一区域。这是因为，根据从喷射器的喷射方案而假定接触机会多的区域偏向进气侧或排气侧的区域。例如，考虑接触机会多的区域偏向排气侧的区域的发动机的情况。在该情况下，预计在进气侧的区域中的接触机会变少。由此，在该情况下，也可以是构成进气侧的气门凹槽部的面的区域(例如，第三构成例和第四构成例中的构成气门凹槽部31和32的面的区域)被设定为第一区域。

1－6.第六构成例

图8是表示本实施方式的活塞的第六构成例的俯视图。图8所示的活塞应用于压缩自点火式的发动机。如图8所示，在该活塞的顶面60形成有凹部61、平面部62以及气门凹槽部63～66。凹部61构成发动机的主要的燃烧室。气门凹槽部63～66与平面部62平行地设置。气门凹槽部63和64是为了防止与排气气门(未图示)的干涉而形成的。气门凹槽部65和66是为了防止与进气气门(未图示)的干涉而形成的。

在图8中，画有阴影的区域对应于第二区域。就是说，第二区域相当于构成凹部61和气门凹槽部63～66的面的区域。第二区域以外的区域对应于第一区域。就是说，第一区域相当于构成平面部62的面的区域。

在此，构成平面部62的面由相邻的两个气门凹槽部分割为四份。就是说，在第六构成例中，第一区域包括与顶面60的外周相连的区域的一部分。构成气门凹槽部63～66的面包括顶面60的外周的一部分。就是说，在第六构成例中，第二区域包括与顶面60的外周相连的区域的一部分。

1－7.第七构成例

图9是表示本实施方式的活塞的第七构成例的俯视图。图9所示的第七构成例的形状与第六构成例的形状相同。不过，在第七构成例中，构成气门凹槽部63～66的面的区域对应于第一区域而不是对应于第二区域这一点与第六构成例不同。就是说，第六构成例和第七构成例的关系与上述的第二构成例和第五构成例的关系相同。

1－8.效果

在以上说明的各种构成例中，顶面仅由耐酸铝层AL构成。就是说，在各种构成例中，未设有用于封闭开口部的层(即，封孔层)。因此，不会产生随着封孔层的形成而增加的各种问题(即，隔热涂层的整体厚度和总容积的问题)。如此，根据本实施方式的活塞，能有效利用耐酸铝层AL的热物性来可靠地获得由摆动特性实现的效果。

此外，在各种构成例中，层厚TH2比层厚TH1薄。如果层厚TH薄，则能抑制从细孔的开口部进入耐酸铝层AL的内部的混合气的量从而抑制渗入耐酸铝层AL的燃料的量。此外，如果层厚TH薄，则渗入耐酸铝层AL的燃料在蒸发时也能容易地从开口部排出。因此，根据本实施方式的活塞，能抑制产生无助于燃烧的燃料从而能量效率降低的情况。

特别是，在第二构成例～第四构成例和第六构成例中，构成气门凹槽部的区域被设定为第二区域。因此，即使在应用了在顶面形成有气门凹槽部的活塞的发动机中，也能获得上述的效果。

另一方面，在第五构成例和第七构成例中，构成气门凹槽部的区域被设定为第一区域。如果被设定为第一区域，则与被设定为第二区域的情况相比，层厚TH增加。这样的话，构成气门凹槽部的面的区域中的热容量增加。如果热容量增加，则构成气门凹槽部的面的区域的温度随着发动机的循环而上升。

在此，气门凹槽部具有容易积存燃烧室内的浮游物(例如煤)、发动机油的形状。因此，可以说气门凹槽部与形成于顶面的其他部位相比更容易堆积沉积物。在这一点上，如果构成气门凹槽部的区域被设定为第一区域，则能使附着于该区域的浮游物、发动机油在膨胀行程中燃烧。由此，能减少堆积于气门凹槽部的沉积物的量。

2.活塞的制造方法

接着，参照图10～图12对本发明的实施方式的活塞的制造方法进行说明。

2－1.制造方法的流程

图10是表示本实施方式的活塞的制造方法的流程的流程图。如图10所示，在本实施方式的方法中，首先，准备铝合金制的铸造活塞(步骤S1)。铸造活塞例如按照模具铸造法来制造。在模具铸造法中，液体状的铝合金流入模具，之后进行热处理。在铝合金凝固后，从铸模中取出铸造活塞。

接着步骤S1，进行第一区域的机械加工(步骤S2)。图11是表示步骤S2的概要的图。在图11中示意性地描绘了包括铸造活塞的顶面的周围的一部分的剖面。如图11所示，铸造活塞的顶面由铸件表面CS覆盖。在步骤S2中，使用砂轮(grind stone)、立铣刀(end mill)等去除相当于第一区域的区域的铸件表面CS，由此毛坯面MS露出。另一方面，相当于第二区域的铸件表面CS未被去除而留下。

接着步骤S2，进行铸造活塞的顶面的整个区域的阳极氧化(步骤S3)。阳极氧化是一边向成膜区域(即，顶面的整个区域)供给电解液一边使构成该成膜区域的毛坯(即，铝合金)氧化的处理。图12是表示步骤S3的概要的图。如图12所示，在步骤S3中，在厚度方向生成耐酸铝层AL。

在阳极氧化中，构成成膜区域的毛坯被消耗。不过，构成毛坯面MS的毛坯的消耗速度比构成铸件表面CS的毛坯的消耗速度快。就是说，第一区域中的耐酸铝层AL的生长速度比第二区域中的耐酸铝层AL的生长速度快。其理由是因为铸件表面CS的结构。因此，当对顶面的整个区域进行阳极氧化时，可得到层厚TH2比层厚TH1薄的耐酸铝层AL。

在本实施方式的制造方法中，事先设定好用于使第一区域和第二区域中的耐酸铝层AL的高度对齐的阳极氧化条件。因此，通过按照该阳极氧化条件进行步骤S3，形成在第一区域与第二区域的边界不具有台阶的顶面。

2－2.效果

根据以上说明的制造方法，在步骤S2中，仅去除相当于第一区域的区域的铸件表面CS。因此，与去除铸造活塞的顶面的整个区域的铸件表面CS的情况相比，能缩短铸造活塞的顶面的机械加工所需的时间。因此，能削减活塞的制造成本。

此外，根据上述的制造方法，在步骤S3中，包括毛坯面MS和铸件表面CS这两者的顶面的整个区域被阳极氧化。耐酸铝层AL由于其结构的原因而难以通过顶面的切削加工来调整层厚TH。在这一点上，在步骤S3中进行利用了铸件表面CS与毛坯面MS的反应速度的不同的阳极氧化。因此，能容易地得到层厚TH2比层厚TH1薄的耐酸铝层AL。

Claims

1.一种内燃机的活塞，该活塞具有由多孔质氧化铝构成的顶面，所述内燃机的活塞的特征在于，

所述顶面具备：第一区域，包括与所述顶面的外周相连的区域的一部分或全部；以及第二区域，邻接于所述第一区域，包括所述顶面的内侧的区域的一部分或全部，

2.根据权利要求1所述的内燃机的活塞，其特征在于，

在所述顶面形成有气门凹槽部，

构成所述气门凹槽部的面属于所述第二区域。

3.根据权利要求1所述的内燃机的活塞，其特征在于，

在所述顶面形成有气门凹槽部，

构成所述气门凹槽部的面属于所述第一区域。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于，

所述第一区域包括与所述外周相连的区域的全部，

所述第二区域位于所述第一区域的内侧。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的内燃机的活塞，其特征在于，

所述多孔质氧化铝具有在厚度方向延伸的细孔，

所述细孔的开口部在所述顶面开口。

6.一种内燃机的活塞的制造方法，该活塞具有由多孔质氧化铝构成的顶面，所述制造方法的特征在于，

所述制造方法包含：

准备所述顶面由铸件表面覆盖的铝合金制的铸造活塞的步骤；

去除所述第一区域中的所述铸件表面而使所述铸造活塞的毛坯面露出的步骤；以及

通过露出了所述毛坯面的所述铸造活塞的阳极氧化处理，在所述第一区域和所述第二区域形成多孔质氧化铝的步骤。