CN204572181U - 发动机和活塞 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供发动机和活塞，该发动机具备：具有孔的汽缸体；能够往复移动地嵌合于孔而形成燃烧室的活塞；关闭燃烧室且具有与燃烧室连通的阀孔的汽缸盖；以及使阀孔开闭的阀。在活塞、汽缸盖、阀中的至少1个或多个的、面向燃烧室的壁面，覆盖有隔热涂膜。隔热涂膜由隔热层、和覆盖隔热层表面的无机系覆膜层构成。隔热层具有树脂和第1中空粒子，该第1中空粒子埋设于树脂的内部且具有比隔热层的厚度小的平均粒径。无机系覆膜层具有无机化合物。

Description

发动机和活塞
技术领域
本实用新型涉及提高了燃烧室的隔热性的发动机和活塞。
背景技术
发动机具备：具有孔的汽缸体、能够往复移动地嵌合于孔而形成燃烧室的活塞、关闭燃烧室且具有与燃烧室连通的阀孔的汽缸盖、以及开闭阀孔的阀。为了提高节油性能，优选提高燃烧室的隔热性。尤其是像混合动力车辆或带有怠速熄火功能的车辆等那样追求提高节油性能的车辆，会在车辆行驶中或临时停车时临时停止发动机的驱动。此时，发动机的燃烧室的温度有降低的趋势，因此在提高发动机的节油性能方面存在极限。
专利文献1公开了在活塞主体的顶面覆盖有低导热部件的活塞。对于该活塞，低导热部件由导热率比形成活塞主体的铝材料低的金属材料(钛等)形成，在与活塞主体的顶面之间形成有隔热用的空气膜。专利文献2、3公开了通过陶瓷热喷涂而在活塞的顶面形成有隔热材料的发动机。专利文献4公开了在金属板表面形成具有平均粒径5～27μm的中空粒子的隔热涂装层而成的涂装金属板。专利文献5公开了在发动机燃烧室的内表面形成孔隙率为20％以上的阳极氧化覆膜的技术。专利文献6记载了配合平均粒径5～15纳米的中空粒子和树脂材料的隔热膜。
但是，在专利文献1中，活塞所使用的铝的比重为2.7，导热率为130W/mK，热膨胀率为23×10-6/℃，隔热材料所使用的钛的比重为4.5，导热率为17W/mK，热膨胀率为8.4×10-6/℃。为了利用由钛构成的隔热材料而发挥出充分的隔热，需要使隔热材料为毫米级的厚度。另一方面，钛比铝重。若将钛用作隔热材料，则对于高速进行往复运动的活塞而言重量增加，会妨碍节油性能提高。另外，因隔热材料的重量和厚度、隔热材料与活塞的热膨胀率的差异，会导致无法维持隔热材料与活塞之间的接合面的强度。
在专利文献2、3中，使用由陶瓷热喷涂形成的隔热材料，但与热喷涂处理前相比，热喷涂处理后的表面变得粗糙。将由陶瓷热喷涂形成的隔热材料形成于活塞的顶面时，表面粗糙的微小的凸部成为造成点火因素的过热点(heat spot)，容易成为发动机爆震(knocking)的原因。另外，由陶瓷热喷涂形成的隔热材料为硬质，因此后序加工困难。
内燃机中使用专利文献4所公开的涂装金属板时，在金属板表面形成的涂装膜中的中空粒子的配合量存在极限。
专利文献5记载了通过阳极氧化处理形成的隔热膜，但与处理前相比，处理后的面变得粗糙，对活塞顶面实施了阳极氧化处理时，表面粗糙度的微小的凸部成为造成点火因素的过热点，容易成为发动机产生爆震的原因。专利文献6中公开的由中空粒子和树脂材料构成的隔热膜为了维持成膜性而在隔热性、覆膜强度方面存在极限。隔热膜的耐热性不充分。
因此，发明人为了形成具备高隔热性和高表面平滑性的隔热涂膜而进行了深入探究。近年来，要求应对压缩比高的发动机。在这种情况下，越来越需要提高隔热膜的表面平滑性和隔热性。
专利文献1：日本特开2005-76471号公报
专利文献2：日本特开2009-30458号公报
专利文献3：日本特开2010-71134号公报
专利文献4：日本特开2010-228223号公报
专利文献5：日本特开2010-249008号公报
专利文献6：日本特开2012-172619号公报(日本特愿2011-036501)
实用新型内容
本实用新型是鉴于上述实际情况而完成的，其课题在于提供抑制爆震并且具有具备高隔热性和高表面平滑性的隔热涂膜从而能够有助于提高节油性能的发动机和活塞。
(1)本实用新型所涉及的发动机具备：具有孔的汽缸体；能够往复移动地嵌合于上述孔而形成燃烧室的活塞；关闭上述燃烧室且具有与上述燃烧室连通的阀孔的汽缸盖；以及使上述阀孔开闭的阀，
上述活塞、上述汽缸盖、上述阀中的至少1个或多个中的、面向上述燃烧室的壁面，覆盖有隔热涂膜，
上述隔热涂膜具有在上述壁面的表面形成的隔热层、和在上述隔热层的表面形成的无机系覆膜层，
上述隔热层具有树脂和第1中空粒子，该第1中空粒子埋设于上述树脂的内部且具有比上述隔热层的厚度小的平均粒径，上述无机系覆膜层具有无机化合物。
隔热涂膜由在壁面的表面形成的隔热层和在隔热层的表面形成的无机系覆膜层构成。隔热层具有树脂和第1中空粒子。第1中空粒子埋设于树脂的内部。第1中空粒子的平均粒径比隔热涂膜的厚度小。隔热涂膜具备高孔隙率，而具有高隔热性，因此能够提高燃烧室的隔热性，能够有助于提高发动机的节油性能。这里，第1中空粒子的平均粒径是用电子显微镜观察下的简单平均。
无机系覆膜层由于具有无机化合物，所以耐热性高。通过利用无机系覆膜层覆盖隔热层的表面，能够缓和从燃烧室传递到隔热层的热。
另外，增加隔热层所含有的中空粒子的配合量时，隔热层有可能产生裂纹。但是，即使隔热层产生裂纹，通过用由无机化合物构成的无机系覆膜层覆盖隔热层表面，也能够维持隔热层。因此，能够防止隔热层的隔热性、覆膜强度的降低。
在发动机中，在活塞中的相当于面向燃烧室的壁面的顶面覆盖有陶瓷热喷涂膜时，陶瓷热喷涂膜的表面粗糙度的改善存在极限。如果从微观上观察陶瓷热喷涂膜，则在热喷涂膜中的面向燃烧室的表面形成有许多微小的凸部。这样的凸部会成为过热点，也会成为诱发发动机的燃烧进程的因素，发动机产生爆震的概率有可能增加。关于这点，根据本申请实用新型，隔热涂膜具备高表面平滑性。而且，通过用无机系覆膜覆盖隔热层，能够进一步提高隔热涂膜的隔热性，而提高发动机的耐爆震 性。
根据本实用新型涉及的发动机，隔热涂膜具有在树脂的内部埋设有中空粒子的隔热层、和覆盖隔热层的表面的无机系覆膜层。隔热层和树脂均具有埋设于树脂的内部且平均粒径比隔热层的厚度小的多个第1中空粒子，因此可期待树脂与第1中空粒子的复合作用。即，第1中空粒子为纳米大小，所以具有不易被破坏的性质。当隔热涂膜的表面受到爆发冲程中的燃烧室的压力时，可期待树脂与中空粒子的综合作用。可期待在保持隔热涂膜的强度的同时通过第1中空粒子轻微的弹性形变来缓和树脂受到的压力。因此隔热层的树脂不易发生龟裂。此外，根据本发明人实施的试验例，在隔热层仅由树脂形成而不含有第1中空粒子时，隔热层容易发生龟裂。
此外，根据本实用新型，隔热层的表面被无机系覆膜层覆盖。通过用无机系覆膜层进行覆盖，可对隔热层赋予更进一步的耐热性，且即使隔热层产生裂纹，也能够防止隔热性和覆膜强度的降低。
(2)在本实用新型的所涉及发动机中，第1中空粒子的平均粒径优选为500nm以下。能够使含有第1中空粒子的隔热层的表面平滑。
(3)在本实用新型所涉及的发动机中，无机系覆膜层的厚度优选为10μm～300μm。无机系覆膜层越厚，燃烧室内的高温越难以通过无机系覆膜层传递到隔热层。因此，无机系覆膜层越厚，隔热涂膜的耐热性越提高。无机系覆膜层的厚度为10μm～300μm时，能够较高地维持无机系覆膜层带来的耐热性的效果，同时能够确保成膜性。
(4)在本实用新型所涉及的发动机中，构成无机系覆膜层的无机化合物优选由选自二氧化硅、氧化锆、氧化铝以及氧化铈中的1种以上构成。由这些材料构成的无机系覆膜层的耐热性优异。
(5)在本实用新型所涉及的发动机中，无机系覆膜层优选由无机化合物和第2中空粒子构成，该第2中空粒子埋设于无机化合物的内部且具有比无机系覆膜层的厚度小的平均粒径。此时，不仅隔热层的隔热性变高，无机系覆膜层的隔热性也变高，从而隔热涂膜整体的隔热效果提高。第2中空粒子优选平均粒径为100μm以下的中空粒子。
(6)在本实用新型所涉及的发动机中，无机系覆膜层的最表层部所含有的第2中空粒子的平均粒径，优选小于在厚度方向上比无机系覆膜层的最表层部靠内侧的内部所含有的第2中空粒子的平均粒径。能够进一步提高无机系覆膜层的表面平滑性。
(7)在本实用新型所涉及的发动机中，无机系覆膜层的最表层部所含有的第2中空粒子的平均粒径优选为500nm以下。能够进一步提高无机系覆膜层的表面平滑性。这里，对于第2中空粒子的平均粒径，平均粒径是用电子显微镜观察下的简单平均。
(8)在本实用新型所涉及的发动机中，优选隔热层的厚度为10μm～2000μm，第1中空粒子的平均粒径为10nm～500nm。能够提高使第1中空粒子分散于隔热涂膜的内部的分散性，而能够使第1中空粒子效率良好地埋设于隔热涂膜的树脂的内部。
(9)在本实用新型所涉及的发动机中，当使隔热层的表观体积为100％时，隔热层中的孔隙率优选为5％以上且90％以下。隔热层的隔热效果进一步提高。
(10)在本实用新型所涉及的发动机中，覆盖隔热涂膜后的壁面的表面粗糙度优选比覆盖隔热涂膜前的壁面的表面粗糙度小。由壁面的表面粗糙形成的凸部会成为过热点，还会成为诱发发动机的燃烧进程的因素，有可能引起发动机产生爆震的概率增加的不良情况。因此，通过使覆盖隔热涂膜后的壁面的表面粗糙度比覆盖前的表面粗糙度小，从而隔热涂膜可具备高表面平滑性，使发动机的耐爆震性提高。
(11)本实用新型所涉及的活塞能够往复移动地嵌合于孔而形成燃烧室，在上述活塞中的面向上述燃烧室的壁面覆盖有隔热涂膜，上述隔热涂膜具有在上述壁面的表面形成的隔热层、和在上述隔热层的表面形成的无机系覆膜层，上述隔热层具有树脂和笫1中空粒子，该第1中空粒子埋设于上述树脂的内部且具有比上述隔热层的厚度小的平均粒径，上述无机系覆膜层具有无机化合物。
隔热涂膜由在壁面表面形成的隔热层和在隔热层的表面形成的无机系覆膜层构成。隔热层具有树脂和第1中空粒子，该第1中空粒子埋 设于树脂的内部且具有比隔热涂膜的厚度小的平均粒径。隔热涂膜具备高孔隙率，因而具有高隔热性。因此，能够提高燃烧室的隔热性，能够有助于提高发动机的节油性能。
无机系覆膜层具有无机化合物。因此，耐热性高。通过用无机系覆膜层覆盖隔热层的表面，能够缓和从燃烧室传递到隔热层的热。
另外，增加隔热层所含有的第1中空粒子的配合量时，有可能产生裂纹。但是，通过用具有无机化合物的无机系覆膜覆盖层隔热层表面，从而即使隔热层产生裂纹，也能够维持隔热层。因此，能够防止隔热层的隔热性、覆膜强度的降低。
(12)在本实用新型所涉及的活塞中，覆盖隔热涂膜后的壁面的表面粗糙度优选比覆盖隔热涂膜前的壁面的表面粗糙度小。隔热涂膜可具备高表面平滑性，使发动机的耐爆震性提高。
根据本实用新型，由于面向燃烧室的壁面被具备高隔热性和高表面平滑性的隔热涂膜覆盖，所以能够提高燃烧室的隔热性，能够有助于提高发动机的节油性能。此外，由于能够提高活塞的顶面侧的表面平滑性，所以能够抑制发动机的爆震。
根据本实用新型，隔热涂膜具有隔热层和覆盖隔热层的表面的无机系覆膜层。因此，能够缓和从燃烧室传递到隔热层的热。另外，即使隔热层产生裂纹，通过用由覆膜状的无机化合物构成的无机系覆膜层覆盖隔热层表面，也能够维持隔热层。因此，能够防止隔热层的隔热性和覆膜强度的降低。因此，也能够充分应对高压缩比的发动机。
根据本实用新型，如上所述，由于能够提高发动机的燃烧室的隔热性，所以使发动机在冷启动时的热效率提高，使发动机的节油性能提高。一般而言，发动机在冷启动时燃料的汽化差，所以要将比通常多的燃料(汽油等)送入燃烧室。但是像本实用新型这样通过用隔热涂膜覆盖面向燃烧室的壁面，能够对发动机的燃烧室有效地隔热，改善燃料的汽化，使节油性能提高。尤其是近年来一直在增加的混合动力车辆或带有怠速熄火功能的车辆中，大多由于发动机的间歇运行而发动机无法充分暖机。此时，本实用新型所涉及的隔热涂膜可发挥效果，容易使发动机的 燃烧室维持高温。另外，燃烧室中的燃烧热不易逸散到活塞、汽缸体、汽缸盖等，因此燃烧室中的燃烧温度上升，进而还可期待减少排气中所含有的HC(烃)的效果。
附图说明
图1是示意性地表示实施方式1所涉及的发动机的燃烧室附近的截面图。
图2A是示意性地表示实施方式1所涉及的在活塞的顶面形成的隔热涂膜附近的截面图。
图2B是示意性地表示实施方式1所涉及的在活塞的顶面形成的隔热涂膜的隔热层的内部的截面图。
图3A是示意性地表示实施方式2所涉及的发动机的燃烧室附近的截面图。
图3B是示意性地表示实施方式2所涉及的覆盖面向发动机的燃烧室的顶面的隔热涂膜附近的截面图。
图3C是示意性地表示实施方式2所涉及的覆盖阀中的面向发动机的燃烧室的阀面的隔热涂膜附近的截面图。
图4是示意性地表示实施方式6所涉及的在活塞的顶面形成的隔热涂膜附近的截面图。
图5是实施例1的活塞的顶面侧的立体说明图。
图6是表示实施例1和比较例3的隔热涂膜的耐热性试验的结果的图。
图7是表示实施例2和比较例1的发动机的发动机扭矩与热效率的关系的图表。
具体实施方式
对于本实用新型的发动机，在活塞、汽缸盖和阀中的至少1个或多 个中的、面向燃烧室的壁面，覆盖有隔热涂膜。隔热涂膜由覆盖壁面表面的隔热层、和覆盖隔热层表面的无机系覆膜层构成。
隔热层由树脂和第1中空粒子构成。第1中空粒子埋设于树脂中。隔热层由耐热性高的无机系覆膜层覆盖，以缓和从燃烧室受到的热的影响。而且，即使隔热层产生裂纹，由于隔热层表面被无机系覆膜层覆盖，所以也能够维持隔热层，能够防止隔热性和强度的降低。由此使发动机的热效率提高，使车辆的节油性能提高。
隔热层由树脂和第1中空粒子构成。作为树脂的材质，优选具有粘接性、耐热性、耐试剂性、强度。
树脂是环氧树脂、氨基树脂、聚氨基酰胺树脂、酚醛树脂、二甲苯树脂、呋喃树脂、有机硅树脂、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺、聚苯并咪唑、热塑性聚酰亚胺、非热塑性聚酰亚胺中的至少1种。如果是这样的树脂，就能有效期待本实用新型所涉及的作用。
优选耐热温度和热分解温度高的树脂。此外，若考虑到耐热性和热分解温度，则优选环氧树脂、有机硅树脂、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺。此外，在用于高温环境的情况下，更优选聚苯并咪唑、热塑性聚酰亚胺、非热塑性聚酰亚胺。进一步优选热塑性聚酰亚胺、由均苯四甲酸二酐或耐热性优异的联苯四甲酸二酐得到的非热塑性聚酰亚胺。通过将这些树脂作为粘结剂(binder)并配合纳米大小(小于1微米)的第1中空粒子，能够提高隔热涂膜中的孔隙率，确保隔热涂膜的隔热性。
作为树脂，可以是氨基树脂、聚氨基酰胺树脂、酚醛树脂、二甲苯树脂、呋喃树脂等。此外，若考虑到耐热性和热分解温度，则优选环氧树脂、有机硅树脂、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺。此外，在用于高温环境的情况下，更优选聚苯并咪唑、热塑性聚酰亚胺、非热塑性聚酰亚胺。进一步优选热塑性聚酰亚胺、由均苯四甲酸二酐或耐热性优异的联苯四甲酸二酐得到的非热塑性聚酰亚胺。通过使用这些树脂作为粘结剂并配合第1中空粒子，能够提高隔热涂膜中的孔隙率，确保隔热涂膜的隔热性。
树脂可以含有无机材料(例如氧化铝、二氧化钛、氧化锆等)。无机材料例如可以是粉末粒子状或纤维状。作为无机材料的大小，优选与第1中空粒子相同程度的粒径、比第1中空粒子小的粒径。
当使隔热层的表观体积为100％，隔热层中的孔隙率以体积比计优选为5～90％。尤其可例示10～85％、15～80％。孔隙率与第1中空粒子的配合量相对应，影响隔热层的隔热性。若第1中空粒子的配合量多，则孔隙率变高，隔热层的隔热性变高。这里，若孔隙率过低，则隔热层的隔热性降低。若孔隙率过高，则第1中空粒子相对于树脂的比例过大，使笫1中空粒子结合的粘结剂不足，有可能使隔热层的成膜性受损或者使隔热层的强度降低。
作为第1中空粒子的材质，优选陶瓷系、有机系材料。尤其更优选耐热性优异的二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)。根据情况，笫1中空粒子的材质也可以是树脂，还可以是金属。
第1中空粒子的平均粒径比隔热层的厚度小。因此，使隔热层的表面平滑化，可成为过热点的凹部变少，能够减少爆震。隔热层所含有的大量的第1中空粒子的粒径优选比隔热层的厚度小。当使隔热层所含有的全部第1中空粒子为100％时，优选其中的50％以上、进而70％以上、90％、95％以上具有比隔热层的厚度小的粒径。使隔热层的表面平滑性提高。
第1中空粒子的平均粒径优选为500nm以下，进一步优选为10nm～500nm，更优选为20nm～300nm、30nm～150nm。由于隔热层表面被无机系覆膜覆盖，所以构成隔热层的第1中空粒子脱落的可能性极小。万一第1纳米粒子从隔热层和无机系覆膜上脱落，为了极力抑制对活塞的裙部和缸孔壁面等的影响，第1中空粒子的平均粒径也优选比形成于裙部与缸孔壁面之间的油膜的厚度小。
作为第1中空粒子的壳的厚度，也取决于第1中空粒子的平均粒径，可例示0.5nm～50nm、1nm～30nm，优选例示5nm～15nm。作为笫1中空粒子的形状，可以是正球形、类正球形、类椭圆球形、类多边形(类立方体形状、类长方体形状)等。形成第1中空粒子的壳的表面可以是 平滑的，也可以有微小的凹凸。
第1中空粒子优选为平均粒径不足1μm的纳米中空粒子。将纳米中空粒子用于隔热层时，与使用几～几百μm这种大尺寸的中空粒子的情况相比，能够使壳厚变薄，能够确保隔热性。纳米中空粒子不易在隔热层的表面附近露出，覆盖隔热层表面的无机系覆膜的表面、即隔热涂膜的表面平滑性变高。
500nm以下(例如10～500nm左右)这种极微小的平均粒径的笫1中空粒子能够增加在树脂(粘结剂)中的填充量。利用第1中空粒子能够使微小空孔在树脂中分散。即使隔热层薄，也能够确保隔热层的隔热性。另外，通过使第1中空粒子为纳米水平的平均粒径，从而由第1中空粒子造成的隔热涂膜的表面凹凸变得极小，通过成为粘结剂的树脂的流平作用(levelling action)，可使隔热涂膜的表面平滑化，而能够提高发动机的爆震极限。
与此相对，平均粒径1μm以上的微米级的第1中空粒子能够提高隔热层的孔隙率。能够进一步提高隔热涂膜的隔热性能。在这种情况下，第1中空粒子也必须比隔热层的厚度小。第1中空粒子的平均粒径优选比隔热层的厚度小。微米级的第1中空粒子的平均粒径优选为1μm以上且100μm以下，进一步优选为1μm以上且50μm以下。
若考虑到确保隔热性、密合性、孔隙率等，则隔热层的厚度优选为10μm～2000μm、20μm～1000μm。也可以为50μm～700μm或100μm～500μm。作为隔热层的厚度的上限值，可例示2000μm、1000μm、800μm、500μm、300μm。作为隔热层的厚度的下限值，可例示20μm、30μm、40μm。在相同单位下将隔热层的厚度/第1中空粒子的平均粒径的比率设为α时，可例示α在20万～20的范围内、50000～20的范围内、30000～100的范围内。此时，能够提高隔热层中的第1中空粒子的分散性，有利于提高隔热层的隔热性，并且减少隔热不均。
隔热涂膜的隔热层除了含有树脂和第1中空粒子以外，根据需要还可以含有添加剂。作为添加剂，可根据需要举出提高第1中空粒子的分散性的分散剂，用于辅助粘接性、对配合粉体的亲和性的提高和粘接性的提高的硅烷偶联剂，调节表面张力的流平剂、表面活性剂，调节触变 特性的增粘剂等。
覆盖隔热层表面的无机系覆膜层主要由无机系材料构成，具有无机化合物。构成无机系覆膜层的无机化合物优选由选自二氧化硅、氧化锆、氧化铝以及氧化铈中的1种以上构成。其中，优选二氧化硅。
无机系覆膜层的厚度优选为10～300μm，进一步优选为30～200μm，理想的是50～150μm。燃烧室中的高温不易通过薄的无机系覆膜层传递到隔热层，由此成膜性得以维持。隔热层不被曝露于高温中，如图能够防止隔热层的树脂劣化。通过用无机系覆膜层覆盖隔热层表面，能够耐受到2000℃左右以上。
无机系覆膜层除了含有无机化合物以外，还可以含有第2中空粒子。第2中空粒子优选为平均粒径比无机系覆膜层的厚度小的中空粒子。无机系覆膜层中含有第2中空粒子时，作为第2中空粒子的材质，与隔热层所含有的第1中空粒子相同，优选陶瓷系、有机系材料。尤其更优选耐热性优异的二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)。根据情况，第2中空粒子的材质也可以是树脂，还可以是金属。从耐热性的观点出发，第2中空粒子的材质优选陶瓷系。
有时在无机系覆膜层中含有的第2中空粒子的平均粒径比无机系覆膜层的厚度小。第2中空粒子的平均粒径优选为500μm以下。进一步优选为100μm以下，优选10nm～50μm，更优选10nm～500nm、20nm～300nm、30nm～150nm。此时，能够保持无机系覆膜层的平滑性，能够提高耐爆震性。
在无机系覆膜层中含有第2中空粒子时，第2中空粒子的平均粒径可以与隔热层所含有的第1中空粒子的平均粒径相同，也可以小于或大于第1中空粒子。在任何情况下，只要第2中空粒子的平均粒径比无机系覆膜层的厚度小即可。优选第2中空粒子的平均粒径与第1中空粒子的平均粒径相同，或者比第1中空粒子的平均粒径小。
当使无机系覆膜层所含有的全部第2中空粒子为100％时，优选其中的50％以上、进而70％以上、90％以上、95％以上具有比无机系覆膜层的厚度小的粒径。使隔热涂膜的表面平滑性提高。
无机系覆膜层的最表层部所含有的第2中空粒子的平均粒径，优选小于在厚度方向上比无机系覆膜层的最表层部靠内侧的内部所含有的第2中空粒子的平均粒径。能够保持无机系覆膜的平滑性，同时提高隔热效果。
无机系覆膜层的最表层部所含有的第2中空粒子的平均粒径的上限优选为100μm，进一步优选为50μm、500nm、300nm、150nm。无机系覆膜层的最表层部所含有的第2中空粒子的平均粒径的下限优选为10nm、20nm、30nm。能够保持无机系覆膜的平滑性。
无机系覆膜层的内部所含有的第2中空粒子的平均粒径的上限优选为500μm，进一步优选为100μm、50μm、500nm、300nm、150nm。无机系覆膜层的最表层部所含有的第2中空粒子的平均粒径的下限优选为10nm、20nm、30nm。能够保持无机系覆膜的平滑性。
如上述专利文献1所示，在使用钛等低导热部件时，在结构上需要毫米单位的厚度。此时，活塞的重量增加不可避免，会阻碍高速动作的活塞的动作，妨碍节油性能提高，因而不适宜。与此相对，如表1所示，本实用新型所涉及的隔热层含有树脂，能够获得比重比铝合金轻的优点。这里，假设由具有7毫米厚度的钛所获得的隔热性相当于在氧化锆的热喷涂膜(专利文献2、3)中的1.65毫米的厚度的隔热性，另外在本实用新型所涉及的隔热涂膜中仅相当于0.012～0.083mm的厚度。这样在本实用新型所涉及的隔热涂膜中，能够在确保隔热性的同时实现薄膜化，因此即使在活塞的顶面形成隔热涂膜，也可得到如下优点：在提高活塞的顶面侧的隔热性的同时，活塞的重量增加极少，而不影响活塞的动作。
表1
  比重 导热率(W/mK) 必要膜厚(mm)
铝(活塞母材) 2.7 130 -
钛(专利文献1) 4.5 17 7(假设值)
氧化锆热喷涂(专利文献2、3) 6 4 1.65
仅隔热层 1.0～1.8 0.05～0.22 0.021～0.091
隔热层+无机系覆膜层 1.0～1.8 0.03～0.20 0.012～0.083
另外，像专利文献4这样在通常的隔热系涂料中配合几μm～几百μm的中空粒子，但若该尺寸的中空粒子在表面附近露出，则表面的凹凸差变大。将通常的隔热系涂料用于发动机时，凸部会成为过热点，有可能发生爆震。另外，出于某种原因中空粒子从粘结剂中脱落时，几μm～几百μm的粒子比发动机的滑动部的油膜厚度(约0.5～1μm)大，比活塞、汽缸材质硬。因此，会使活塞、汽缸磨损。
在专利文献2、3、5中，与成膜处理前相比，成膜处理后的面变得粗糙，用于活塞顶面时，表面粗糙的微小凸部会成为过热点，成为爆震发生的原因。
与此相对，本实用新型的隔热涂膜具有埋设有多个中空粒子的隔热层，表面形成有无机系覆膜层。因此，能够在确保高孔隙率的同时具有表面平滑性。
此外，隔热层表面被无机系覆膜层覆盖。无机系覆膜层具有无机化合物，因此耐热性高。通过用无机系覆膜层覆盖隔热层的表面，能够缓和从燃烧室传递到隔热层的热。
另外，增加隔热层所含有的第1中空粒子的配合量时，有可能会产生裂纹。但是，即使隔热层产生裂纹，通过用无机系覆膜层覆盖隔热层表面，也能够维持隔热层。因此，能够防止隔热层的隔热性和覆膜强度的降低。
即使产生裂纹，也能够通过裂纹缓和隔热层的热收缩。此外，在隔热层与无机系覆膜层之间会形成微小的间隙。也能够通过该间隙提高隔热性。另外，能够使隔热层的表面粗糙进一步平滑化。因此，与在壁面仅形成隔热层的情况相比，通过在隔热层的表面形成无机系覆膜层，能够进一步实现表面平滑化。因而，燃烧室的壁面不易形成过热点，能够有效抑制爆震。
另外，由于能够在隔热层中配合大量的第1中空粒子，所以隔热层的隔热效果进一步提高，并且还能够减小隔热层的比重。因此，能够提高燃烧室的隔热性。若在壁面(面向燃烧室的壁面)形成本实用新型所涉及的隔热涂膜，则壁面的成膜可简单地完成。此外，第1中空粒子为 平均粒径不足1μm的纳米大小的纳米中空粒子时，通过将纳米中空粒子混入树脂中，可以在不损害涂料的流平作用的情况下使涂敷后的隔热涂膜的表面粗糙度比涂覆前的活塞的表面粗糙度小，由此，活塞的比表面积变小，来自活塞的导热得到抑制，能够进一步提高活塞的隔热性能。
覆盖隔热涂膜后的壁面的表面粗糙度优选比覆盖前的表面粗糙度小。若考虑到爆震极限，则隔热涂膜的表面粗糙度、即无机系覆膜层的表面粗糙度以Ra计优选为10.0以下、7.0以下。更优选为5.0以下、3.0以下。进一步优选为2.0以下。此外，假设第1中空粒子从树脂中脱落，由于第1中空粒子尺寸比上述油膜厚度小，所以被油膜包覆，可抑制损伤活塞的裙部、汽缸体的孔壁面的可能性。
在形成本实用新型所涉及的隔热涂膜时，首先在壁面表面形成隔热层。为了形成隔热层，使树脂溶解于溶剂中等进行低粘度化，向其中混合第1中空粒子并使其分散，由此形成涂料。分散时，可使用超声波分散机、湿式喷磨机、均质机、三辊研磨机、高速搅拌机等。对形成燃烧室的壁面涂敷涂料而形成涂膜，并烘烤涂膜，由此能够形成本实用新型所涉及的隔热涂膜。作为涂敷方式，可举出喷涂、刷涂、辊涂(painting by roller)、滚涂(roll-coater painting)、静电涂装、浸渍涂装、丝网印刷、移印等公知的涂装方式。
涂装后，能够持续加热、烘烤涂装膜，而形成隔热层。作为烘烤温度，可根据树脂的材质等设定，可举出130～220℃、150～200℃、170～190℃。作为烘烤时间，可例示0.5～5小时、1～3小时、1.5～2小时。优选对形成隔热涂膜前的活塞等的壁面进行喷丸、浸蚀、化学转化处理等预处理。
接下来，在隔热层的表面形成由无机化合物构成的无机系覆膜层。为了形成无机系覆膜层，例如可采用公知的技术。
此外，本实用新型所涉及的隔热涂膜可以仅形成于活塞的顶面，或者也可以形成于气缸盖中的面向燃烧室的壁面。此外，也可以在开闭吸气用或排气用阀孔的阀中的、形成燃烧室的壁面，形成本实用新型所涉及的隔热涂膜。此时，也能够提高燃烧室的隔热性。此外，作为发动机，可举出内燃机、往复式发动机等。作为发动机所使用的燃料，可举出汽 油、轻油、LPG等。
[实施方式1]
图1、图2A和图2B示意性地表示实施方式1的概念。图1示意性地表示发动机1的燃烧室10附近的截面。发动机1是活塞式内燃机。图1、图2A和图2B只是概念图，并未规定到细节。发动机1具备：具有孔20的汽缸体2；以能够在箭头A1、A2方向上往复移动地嵌合于孔20而在顶面30侧形成燃烧室10的活塞3；关闭燃烧室10且具有与燃烧室10连通的阀孔40的汽缸盖4；以及使阀孔40开闭的阀5。阀孔40具备能够与燃烧室10连通的吸气用阀孔40i和排气用阀孔40e。汽缸盖4经由垫圈47覆盖于汽缸体2。汽缸体2、汽缸盖4、活塞3由铸造系的铝合金形成。作为铝合金，优选铝-硅系合金、铝-硅-镁系合金、铝-硅-铜系合金、铝-硅-镁-铜系合金、铝-硅-镁-铜-镍系合金。可以是亚共晶组成、共晶组成、过共晶组成。根据情况，汽缸体2、汽缸盖4、活塞3中的至少1个也可以由镁合金系、铸铁系(例如包括片状石墨铸铁、球状石墨铸铁)形成。
如图1、图2A和图2B所示，在活塞3中的面向燃烧室10的壁面即顶面30的整个区域或者几乎整个区域覆盖有第1隔热涂膜7f(厚度：20～1000μm)。此时，优选仅在活塞3的顶面30形成有第1隔热涂膜7f。此外，若考虑到磨损等，优选不形成于活塞3的裙部的外壁面。
笫1隔热涂膜7f由覆盖活塞3的顶面30的隔热层71和覆盖隔热层71的表面的无机系覆膜层72构成。隔热层71具有树脂和埋设于树脂中的多个纳米中空粒子70(笫1纳米中空粒子)。纳米中空粒子70使用二氧化硅空心球、氧化铝空心球等陶瓷空心球。纳米中空粒子70的平均粒径可以为10～500nm，尤其可以为30～150nm。但并不局限于此。纳米中空粒子的粒径的范围可以不足1μm，优选1～500nm、5～300nm，进一步优选30～150nm。纳米中空粒子70的壳的厚度可以为1～50nm、5～15nm。平均粒径是用电子显微镜观察下的简单平均。对于纳米中空粒子70的平均粒径的下限，通过电子显微镜观察，可以为8nm或9nm，对于上限，可以为600nm或800nm。
作为树脂，根据情况，可以是氨基树脂、聚氨基酰胺树脂、酚醛树 脂、二甲苯树脂、呋喃树脂等。此外，若考虑到耐热性和热分解温度，则优选环氧树脂、有机硅树脂、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺。此外，在用于高温环境的情况下，更优选聚苯并咪唑、热塑性聚酰亚胺、非热塑性聚酰亚胺。进一步优选热塑性聚酰亚胺、由均苯四甲酸二酐或耐热性优异的联苯四甲酸二酐得到的非热塑性聚酰亚胺。
无机系覆膜层72由无机化合物构成。无机系覆膜层72的厚度为10～300μm。无机化合物由选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆和二氧化钛中的1种以上构成。其中，优选二氧化硅。
在活塞3中的面向燃烧室10的顶面30形成有第1隔热涂膜7f。构成第1隔热涂膜7f的下层的隔热层71含有500nm以下这种尺寸极微小的纳米中空粒子70。微小尺寸的纳米中空粒子70能够增加对树脂(粘结剂)的填充量，能够分散由纳米中空粒子70产生的微小空孔。因此，即使隔热层71为薄层，也能够确保隔热层71的隔热性，进而确保燃烧室10的隔热性。隔热层71的厚度优选为10～2000μm，进一步优选为20～1000μm、50～700μm，更进一步优选为100～500μm。
无机系覆膜层72的厚度比隔热层71的厚度薄，优选为10～300μm，进一步优选为50～150μm。因此，通过用无机系覆膜层72覆盖，可对隔热层71赋予进一步的耐热性，并且即使万一产生裂纹，也能够维持成膜，能够防止隔热性和覆膜强度的降低。另外，能够使隔热层71的表面进一步平滑化，能够有效抑制爆震。
因此，燃烧室10的热经由活塞3逸散到汽缸体2侧的情况得到抑制，燃烧室10的隔热性提高。此外，活塞3经由连接销31与连接杆32连结。具有面向燃烧室10的点火部42的火花塞43设置于汽缸盖4。阀5由耐热钢形成，具有棒状的阀杆部50和直径沿径向扩大的伞部51。伞部51具有面向燃烧室10的阀面53。可以在阀面53上堆焊有堆焊膜。堆焊膜可以由铜合金或铁合金形成。
根据本实施方式，通过具有具备高隔热性和高表面平滑性的隔热涂膜，能够提高燃烧室的隔热性，能够有助于发动机的节油性能的提高。此外，由于能够提高活塞的顶面侧的表面平滑性，所以能够抑制发动机 的爆震。发动机1的爆发过程中的燃烧室10的压力F作用于隔热涂膜7f(参照图2B)。认为压力F被使多个纳米中空粒子以分散状态埋设的隔热涂膜7f承受。
根据本实施方式，如上所述能够提高发动机1的燃烧室10的隔热性，因此，发动机1在冷启动时的热效率提高，发动机1的节油性能提高。一般情况下，发动机1在冷启动时燃料的汽化差，因此将比通常更多的燃料(汽油等)送入燃烧室中。但是，若将本实施方式所涉及的隔热涂膜7f层叠于活塞3的顶面30，就能够对发动机1的燃烧室10有效地隔热，改善燃料的汽化，节油性能提高。尤其是在近年来一直在增加的混合动力车辆或带有怠速熄火功能的车辆中，由于发动机1的间歇运行，发动机1可能未充分暖机。此时，本实施方式所涉及的隔热涂膜7f会发挥效果，容易使发动机1的燃烧室10维持高温。另外，由于燃烧室10中的燃烧热不易逸散到活塞3、汽缸体2、汽缸盖4等，所以燃烧室10中的燃烧温度上升，进而也可期待能够减少排气所含有的HC(烃)的效果。此外，覆盖后的隔热涂膜7f的表面粗糙度比覆盖隔热涂膜7f前的顶面30的表面粗糙度小。
对形成本实施方式所涉及的隔热涂膜7f的一个方法进行说明。首先使树脂溶解于溶剂而使之低粘度化，向其中混合纳米中空粒子并利用分散器分散，由此形成涂料。通过喷雾器等将这样的涂料涂敷在活塞的顶面而形成涂膜。其后，在大气氛围中以规定的烘烤温度(120～400℃的范围内的任意值)对涂膜烘烤规定的时间(0.5～10小时的范围内的任意值)，从而能够形成隔热层71。
接下来，在隔热层71的表面形成由金属化合物构成的无机系覆膜层72。在金属化合物为二氧化硅的情况下形成无机系覆膜层72时，例如将金属烷氧基硅烷的醇溶液涂敷于隔热层71的表面，然后通过脱醇反应进行覆膜化。脱醇反应的反应式由下式表示：
-Si-O-R+HO-Si-→-Si-O-Si-+ROH...(1)(式(1)中，R表示有机基团)。
无机系覆膜层72也可以利用其他反应机理形成。由此，形成呈网状连续地相连的覆膜状的由二氧化硅构成的无机系覆膜层72，形成由隔 热层71和无机系覆膜层72构成的隔热涂层7f。
[实施方式2]
图3A、图3B和图3C表示实施方式2。本实施方式2具有与实施方式1基本相同的构成和作用效果。图3A、图3B和图3C示意性地表示发动机1的燃烧室10附近的截面。在活塞3中的面向燃烧室10的壁面即顶面30覆盖有第1隔热涂膜7f。此外，在汽缸盖4中的面向燃烧室10的壁面45覆盖有第2隔热涂膜7s。由于面向燃烧室10的顶面30和壁面45被第1隔热涂膜7f和第2隔热涂膜7s覆盖，所以燃烧室10的隔热性提高。根据情况，只要在汽缸盖4的壁面45形成有第2隔热涂膜7s，就可以废除第1隔热涂膜7f。此外，覆盖隔热涂膜7f、7s后的壁面的表面粗糙度比覆盖前的表面粗糙度小。
[实施方式3]
本实施方式具有与实施方式1、2基本相同的构成和作用效果，因此可适用图1～图3C。在活塞3中的面向燃烧室10的壁面即顶面30覆盖有第1隔热涂膜7f。此外，在汽缸盖4中的面向燃烧室10的壁面45覆盖有第2隔热涂膜7s。并且，在阀5中的面向燃烧室10的阀面53还形成有第3隔热涂膜7t。这样，在活塞3的顶面30形成有第1隔热涂膜7f，在汽缸盖4中的面向燃烧室10的壁面45形成有第2隔热涂膜7s，在阀5中的面向燃烧室10的阀面53形成有第3隔热涂膜7t。因此，燃烧室10的隔热性进一步提高。此外，所覆盖的隔热涂膜7f、7s、7t的表面粗糙度比覆盖隔热涂膜7f、7s、7t前的顶面30、壁面45、阀面53等壁面的表面粗糙度小。
将第1隔热涂膜7f的厚度设为t1、第2隔热涂膜的厚度7s设为t2、第3隔热涂膜7t的厚度设为t3时，可以使t1＝t2＝t3、(t1、t2、t3未在图3中示出)。若考虑到抑制热从活塞3逸散，则也可以使t1＞t2＞t3或若考虑到抑制热从汽缸盖4逸散，则也可以使t2＞t1＞t3或由于将阀5的伞部51的阀面53投影在其垂直方向上所得的投影面积比将活塞3的顶面30投影在其垂直方向上所得的投影面积小，所以也可废除第3隔热涂膜7t。
[实施方式4]
本实施方式具有与实施方式1～3基本相同的构成和作用效果，因此可适用图1～图3C。虽然未在图中具体表示，但在活塞3中的面向燃烧室10的壁面即顶面30覆盖有第1隔热涂膜7f。此外，在汽缸盖4中的面向燃烧室10的壁面45覆盖有第2隔热涂膜7s。因此燃烧室10的隔热性提高。
[实施方式5]
本实施方式具有与实施方式1～4基本相同的构成，因此可适用图1～图3C。虽然未在图中具体表示，但无机系覆膜层72中含有作为第2纳米中空粒子的中空粒子。无机系覆膜层72由该中空粒子和作为金属化合物的二氧化硅(粘结剂)构成。当使无机系覆膜层72整体为100体积％时，中空粒子的含量为35体积％，二氧化硅的含量为65体积％。无机系覆膜层72的厚度为40μm。
无机系覆膜层72所含有的中空粒子与隔热层71所含有的纳米中空粒子70相同。即，无机系覆膜层72所含有的中空粒子为二氧化硅空心球、氧化铝空心球等陶瓷空心球。中空粒子的平均粒径可以为10～500nm，尤其可以为30～150nm。但并不局限于此。中空粒子的壳的厚度可以为1～50nm、5～15nm。平均粒径是用电子显微镜观察下的简单平均。对于中空粒子的平均粒径的下限，通过电子显微镜观察，可以为8nm或9nm，对于上限，可以为600nm或800nm。
在本实施方式中，不仅隔热层71中含有中空粒子，无机系覆膜层72中也含有中空粒子。因此，不仅隔热层71的隔热性高，无机系覆膜层72的隔热性也高，从而隔热涂膜整体的隔热效果提高。
[实施方式6]
本实施方式具有与实施方式1基本相同的构成，因而可适用图1。如图4所示，本实施方式的发动机在活塞3中烦人面向燃烧室10的壁面即顶面30的几乎整个区域覆盖有第1隔热涂膜7f。第1隔热涂膜7f由覆盖顶面30的隔热层71和覆盖隔热层71的无机系覆膜层72构成。隔热层71具有树脂和埋设在树脂中的微米级的第1中空粒子80。
作为树脂，可以是氨基树脂、聚氨基酰胺树脂、酚醛树脂、二甲苯树脂、呋喃树脂等。此外，若考虑到耐热性和热分解温度，则优选环氧树脂、有机硅树脂、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺。此外，在用于高温环境的情况下，更优选聚苯并咪唑、热塑性聚酰亚胺、非热塑性聚酰亚胺。进一步优选热塑性聚酰亚胺、由均苯四甲酸二酐或耐热性优异的联苯四甲酸二酐得到的非热塑性聚酰亚胺。
笫1中空粒子80使用二氧化硅空心球、氧化铝空心球等陶瓷空心球。第1中空粒子80是平均粒径1μm以上的微米级的微中空粒子。第1中空粒子80比隔热层71的厚度小。第1中空粒子80的平均粒径比隔热层71的厚度小。第1中空粒子80的平均粒径优选为1μm以上且100μm以下，进一步优选为1μm以上且50μm以下。第1中空粒子80的粒径的范围可以为1μm以上，优选为1～300μm、1～150μm。
无机系覆膜层72具有无机化合物和埋设于无机化合物中的第2中空粒子80a、80b。无机系覆膜层72的厚度为10～300μm。无机化合物由选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆和二氧化钛中的1种以上构成。第2中空粒子80a、80b为无机系粒子，是二氧化硅空心球、氧化铝空心球等陶瓷空心球。无机系覆膜层72所含有的第2中空粒子80a、80b中，一方的第2中空粒子80a的平均粒径比另一方的第2中空粒子80b的平均粒径小。
无机系覆膜层72由无机系覆膜层72的最表层部72a、和相比最表层部72a在厚度方向上更靠内侧且面向隔热层71的内侧的内部72b构成。最表层部72a的厚度为1～100μm，内部72b的厚度为9～290μm。
第2中空粒子80a、80b中，一方的第2中空粒子80a含在最表层部72a中，另一方的第2中空粒子80b含在内部72b中。
无机系覆膜层72的最表层部72a所含有的第2中空粒子80a为平均粒径不足1μm的纳米中空粒子。第2中空粒子80a的平均粒径可以为10～500nm，尤其可以为30～150nm。但并不局限于此。纳米中空粒子的粒径的范围可以不足1μm，进一步优选1～500nm、5～300nm，更进一步优选30～150nm。中空粒子80a的壳的厚度可以为1～50nm、5～15nm。平均粒径是用电子显微镜观察下的简单平均。对于中空粒子80a 的平均粒径的下限，可以为8nm或9nm，对于上限，可以为600nm或800nm。
无机系覆膜层72的内部72b所含有的第2中空粒子80b是平均粒径为1μm以上的微中空粒子。中空粒子80b的平均粒径可以为1μm～500μm，尤其可以为1μm～100μm。但并不局限于此。平均粒径是用电子显微镜观察下的简单平均。第2中空粒子80b的粒径的范围可以为1μm以上，优选为1μm～300μm，进一步优选为1μm～150μm。中空粒子80b的壳的厚度可以为10nm～30000nm、100nm～15000nm。对于中空粒子80b的平均粒径的下限，可以为1μm，对于上限，可以为100μm或50μm。
本实施方式的隔热层71中含有微米级的第1中空粒子80来代替实施方式1的第1纳米中空粒子70。隔热层71所含有的第1中空粒子80为二氧化硅空心球、氧化铝空心球等陶瓷空心球。第1中空粒子80的平均粒径可以为1μm～500μm，尤其可以为1μm～100μm。但并不局限于此。第1中空粒子80可以使用与无机系覆膜层72的内部72b所含有的第2中空粒子80b相同或不同的中空粒子。此外，具有与实施方式1基本相同的构成。
不仅隔热层71具有中空粒子，无机系覆膜层72也具有中空粒子。因此，不仅隔热层71的隔热性变高，无机系覆膜层72的隔热性也变高，从而隔热涂膜整体的隔热效果提高。无机系覆膜层72的最表层部72a所含有的第2中空粒子80a的平均粒径比无机系覆膜层72的内部80b所含有的第2中空粒子80b的平均粒径小。因此，能够进一步提高无机系覆膜层的表面平滑性。
实施例
以下，对使本实用新型更具体化的实施例进行说明。
(实施例1)
作为实施例1，如图5所示，在活塞3中的面向燃烧室的顶面30涂敷本实用新型所涉及的隔热涂膜7f并实施评价。使活塞3的材质为铝-硅-镁-铜-镍系合金(硅：11～13质量％，JIS AC-8A)。如图5的网格 部分所示，隔热涂膜7f形成于活塞3的顶面30的整体。
如图2A所示，隔热涂膜7f由覆盖活塞3的顶面30的隔热层71和覆盖隔热层71表面的无机系覆膜层72构成。使隔热层71的厚度为200μm。作为起粘结剂作用的树脂，采用非热塑性聚酰亚胺。如表2所示，相对于100质量份的树脂100配合25质量份的纳米中空粒子。作为纳米中空粒子，采用了二氧化硅空心球。作为纳米中空粒子，使粒径的范围为30～150nm，使平均粒径为108nm，使壳的厚度为5～15nm。
无机系覆膜层72是由二氧化硅构成的厚度20μm的覆膜。
在形成实施例1所涉及的隔热涂膜时，使树脂溶解于溶剂(N-甲基-2-吡咯烷酮)使之低粘度化，向其中混合纳米中空粒子并利用分散机(超声波分散机)分散，由此形成涂料。通过喷雾器等将这样的涂料涂敷在活塞的顶面，形成涂膜。其后，用电炉以规定的烘烤温度(170～190℃)对涂膜烘烤规定的时间(0.5～2小时)，形成隔热层71。接下来，在隔热层71的表面形成由二氧化硅构成的无机系覆膜层72。
对于隔热层71所含有的纳米中空粒子的平均粒径，用截面抛光机(cross section polisher)研磨隔热涂膜后，用电子显微镜(FE-SEM)进行观察，测定纳米中空粒子的平均粒径。使测定数n为20，求出简单平均。以当使隔热涂膜中的隔热层的表观体积为100％时使隔热层中的孔隙率以体积比计为60％的方式配合纳米中空粒子。此时，将被纳米中空粒子的壳划分成的空隙作为孔隙率进行演算。
(实施例2)
作为实施例2，与实施例1相同，在活塞3中的面向燃烧室的顶面30涂敷本实用新型所涉及的隔热涂膜7f并实施评价。使活塞3的材质为铝-硅-镁-铜-镍系合金(硅：11～13质量％，JIS AC-8A)。如图5的网格部分所示，隔热涂膜7f形成于活塞3的顶面30的整体。
如图4所示，隔热涂膜7f由覆盖活塞3的顶面30的隔热层71和覆盖隔热层71表面的无机系覆膜层72构成。使隔热层71的厚度为100μm。作为起粘结剂作用的树脂，采用了非热塑性聚酰亚胺。如表2所示，相对于100质量份的树脂配合130质量份的第1中空粒子80。作为第1 中空粒子80，采用了二氧化硅空心球。作为第1中空粒子80，使粒径的范围为1μm～100μm，使平均粒径为19760nm，使壳的厚度为100nm～5000nm。
无机系覆膜层72由二氧化硅和第2中空粒子80a、80b构成。无机系覆膜层72由最表层部72a和位于在厚度方向上比最表层部72a靠内侧的位置的内部72b构成。最表层部72a由二氧化硅和分散于二氧化硅中的第2中空粒子80a构成。内部72b由二氧化硅和分散于二氧化硅中的第2中空粒子80b构成。第1、第2微中空粒子80a、80b均由二氧化硅空心球构成。最表层部72a所含有的第2中空粒子80a为不足1μm的纳米级大小的纳米中空粒子。对于第2中空粒子80a，使粒径的范围为30～150nm，使平均粒径为108nm，使壳的厚度为5～15nm。内部72b所含有的笫2中空粒子80b是1μm以上的微米大小的微中空粒子。第2中空粒子80b的平均粒径为19760nm，粒径的范围为1μm～100μm，壳的厚度为100nm～5000nm。
最表层部72a的厚度为20μm，内部72b的厚度为100μm。使最表层部72a中的二氧化硅为100质量份时，最表层部72a中的第2中空粒子80a的含量为7质量份。使内部72b中的二氧化硅为100质量份时，内部72b中的第2中空粒子80b的含量为95质量份。
形成实施例2所涉及的隔热涂膜时，使树脂溶解于溶剂(N-甲基-2-吡咯烷酮)中使其低粘度化，向其中混合纳米中空粒子并利用分散机(超声波分散机)分散，由此形成涂料。通过喷雾器等将这样的涂料涂敷于活塞的顶面，形成涂膜。其后，用电炉以规定的烘烤温度(170～190℃)对涂膜烘烤规定的时间(0.5～2小时)，形成隔热层71。接下来，在隔热层71的表面形成由二氧化硅和第2中空粒子80b构成的内部72b。接下来，在内部72b的表面形成由二氧化硅和笫2中空粒子80a构成的最表层部72a。
测定隔热层71所含有的中空粒子的平均粒径。用截面抛光机研磨隔热涂膜后，用电子显微镜(FE-SEM)进行观察，测定中空粒子的平均粒径。使测定数n为20，求出简单平均。以当使隔热涂膜中的隔热层的表观体积为100％时使隔热层中的孔隙率以体积比计为78％的方式配合中空粒子。此时，被中空粒子的壳划分成的空隙作为孔隙率进行演算。
同样对无机系覆膜层72的最表层部72a和内部72b的孔隙率进行测定，结果是最表层部72a的孔隙率为12％，内部72b的孔隙率为80％。
对实施例1、2评价隔热涂膜的导热率、表面粗糙度(Ra)、爆震性、节油性能并示于表2。对于节油性能，是将现有发动机的节油性能相对表示为100时的节油性能。节油性能测定条件如下。
〔使用发动机〕(i)发动机规格：串联四缸、水冷式、DOHC、16阀、4冲程发动机、排气量：1300cc，(ii)活塞：4个活塞均通过涂敷在顶面(活塞中的面向燃烧室的壁面)形成本实用新型所涉及的隔热涂膜(125μm)。〔节油性能评价条件〕发动机在冷启动状态下，对发动机水温从室温上升到88℃期间的节油性能进行平均来测定。此时，以转速2500rpm的恒定旋转施加恒定负荷。
同样地对比较例1、2、3进行评价，将结果示于表2。对于比较例1，活塞的顶面未作处理，未形成隔热涂膜。对于比较例2，对活塞的顶面热喷涂氧化锆，形成热喷涂膜。
对于比较例3，在活塞3的顶面30形成隔热层71，但未形成无机系覆膜层。使隔热层71所含有的纳米中空粒子的平均粒径为108nm，使粘结剂为100质量份时，使纳米中空粒子的含量为14质量份。使隔热层71的孔隙率为15％。使隔热层71的厚度为125μm。
如表2所示，在比较例1中，导热率为130(W/mk)、较大，表面粗糙度以Ra计为4.82。未发生爆震。节油性能相对表示为100。
在比较例2中，氧化锆热喷涂膜的导热率为4.0(W/mk)，与本实施例相比，大了约25倍(4.0W/mk/0.16W/mk)。热喷涂膜的表面粗糙度以Ra计为38，与实施例1相比相当粗糙。在比较例2中，发动机产生爆震，节油性能导致无法测定。
在比较例3中，与比较例1、2相比导热率极小，但比实施例1略高。隔热涂膜的表面粗糙度小于比较例1、2，但比实施例1略大。这是由于隔热层的表面的凹凸因无机系覆膜而平坦化。
在比较例3中，未产生爆震，节油性能也比比较例1好。但是，与实施例1相比，节油性能稍差。
与此相对，在实施例1中，隔热涂膜的导热率为0.14(W/mk)、较小，与比较例1相比约为1.1×10-3倍(0.14W/mk/130W/mk)，与比较例2相比约为0.035倍(0.14W/mk/4.0W/mk)。实施例1的隔热涂膜的表面粗糙度以Ra计为1.70，比比较例1、2小。在实施例1中，未产生爆震，节油性能为102.8。
在实施例2中，导热率比实施例1低，节油性能也提高。认为这是由于隔热层和无机系覆膜层所含有的中空粒子的配合比比实施例1大，发挥出了比实施例1高的隔热性能。实施例2与实施例1相比，表面粗糙度略高。认为这是因为在无机系覆膜层中也添加有中空粒子。
表2
根据上述测定结果可确认以下效果：通过实施例1、2所涉及的隔热涂膜，不仅活塞的顶面侧的导热率大幅度降低，还可减小表面粗糙度，减少爆震。
接下来，进行实施例1和比较例3的隔热涂膜的耐热性试验。耐热性试验使用热重量测定装置，调查隔热涂膜开始热分解的温度。
实施例1的由隔热层和无机系覆膜层构成的隔热涂膜在约800℃之前未发生热分解。另一方面，比较例3的仅由隔热层构成的隔热涂膜在约550℃开始热分解。当使仅由隔热层构成的比较例3的热分解温度为100％，用无机系覆膜层覆盖隔热层而成的实施例1的隔热涂膜的热分解温度还提高了45％。
由此可知，通过用无机系覆膜覆盖隔热层，能够提高隔热层的耐热性。认为其理由如下。无机系覆膜由无机化合物构成而不合有有机成分。因此，即使在高温下也不易分解。通过用无机系覆膜层覆盖隔热层，可缓和施加于隔热层的热的影响，抑制隔热层的热分解。隔热层所含有的非热塑性聚酰亚胺是树脂中耐热性高的树脂。由于隔热层被无机系覆膜层覆盖，所以可进一步抑制隔热层中的树脂成分的热分解，提高隔热层的耐热性。
综上所述，通过用无机系覆膜层覆盖隔热层，隔热层的耐热性提高。因此，像表2中示出的实施例1那样，能够加厚隔热层，提高隔热效果。另外，如果增加中空粒子的配合，则隔热层容易产生裂纹。但是，在实施例1中，即使隔热层产生裂纹，由于被无机系覆膜覆盖，所以也能够抑制中空粒子的脱落。因此，能够提高隔热层内的中空粒子的配合，能够进一步提高隔热性能。
(发动机扭矩和热效率)
测定了实施例2和比较例1的发动机的扭矩与热效率的关系。如上所述，实施例1中在活塞的顶面形成有由隔热层和无机系覆膜层构成的隔热涂膜，而比较例1中活塞的顶面未作处理。
发动机的扭矩是活塞受到燃烧室的压力而使曲轴旋转的力，利用经由传动轴与曲轴紧固的扭矩计进行计测。热效率是指在使燃料所具有的 能量整体为100时发动机输出的能量的比率。图7表示发动机的扭矩与热效率的关系。
如图7所示，实施例2与比较例1相比，相对于发动机扭矩的热效率高。发动机扭矩小时，燃烧室内的燃烧速度慢。此时，放热的影响大。在这种发动机扭矩小的情况下，实施例2与比较例1相比，热效率极高。由此可知，当发动机扭矩小时，放热被抑制。
[其他]根据实施方式1，第1隔热涂膜7f形成于活塞3的顶面30的整个区域，但也可以形成于顶面30中的一部份。本实用新型并不仅局限于以上述及且附图中示出的实施方式和实施例，可以在不脱离主旨的范围内进行适当变更而加以实施。
符号说明
1...发动机；10...燃烧室；2...汽缸体；20...孔；3...活塞；30...顶面；4...汽缸盖；40...阀孔；5...阀；7f...隔热涂膜；70...纳米中空粒子(第1中空粒子)；71...隔热层；72...无机系覆膜层；72a...最表层部；72b...内部；80...第1中空粒子；80a、80b...第2中空粒子。

Claims (12)

1.一种发动机，具备：具有孔的汽缸体；能够往复移动地嵌合于所述孔而形成燃烧室的活塞；关闭所述燃烧室且具有与所述燃烧室连通的阀孔的汽缸盖；以及使所述阀孔开闭的阀，
所述发动机的特征在于，
在所述活塞、所述汽缸盖、所述阀中的至少1个或多个中的、面向所述燃烧室的壁面，覆盖有隔热涂膜，
所述隔热涂膜具有在所述壁面的表面形成的隔热层、和在所述隔热层的表面形成的无机系覆膜层，
所述隔热层具有树脂和第1中空粒子，该第1中空粒子埋设于所述树脂的内部且具有比所述隔热层的厚度小的平均粒径，
所述无机系覆膜层具有无机化合物。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，
所述第1中空粒子的平均粒径为500nm以下。
3.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，
所述无机系覆膜层的厚度为10μm～300μm。
4.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，
构成所述无机系覆膜层的所述无机化合物由选自二氧化硅、氧化锆、氧化铝以及氧化铈中的1种以上构成。
5.根据权利要求1、3以及4中的任一项所述的发动机，其特征在于，
所述无机系覆膜层由所述无机化合物和第2中空粒子构成，该第2中空粒子埋设于所述无机系覆膜层的内部且具有比所述无机系覆膜层的厚度小的平均粒径。
6.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，
所述无机系覆膜层的最表层部所含有的所述第2中空粒子的平均粒径，小于在厚度方向上比所述无机系覆膜层的所述最表层部靠内侧的内部所含有的所述第2中空粒子的平均粒径。
7.根据权利要求6所述的发动机，其特征在于，
所述无机系覆膜层的最表层部所含有的所述第2中空粒子的平均粒径为500nm以下。
8.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，
所述隔热层的厚度为10μm～2000μm，所述第1中空粒子的平均粒径为10nm～500nm。
9.根据权利要求1或8所述的发动机，其特征在于，
当使所述隔热层的表观体积为100％时，所述隔热层中的孔隙率为5％以上且90％以下。
10.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，
覆盖所述隔热涂膜后的壁面的表面粗糙度比覆盖所述隔热涂膜前的表面粗糙度小。
11.一种活塞，能够往复移动地嵌合于孔而形成燃烧室，
所述活塞的特征在于，
在所述活塞中的面向所述燃烧室的壁面覆盖有隔热涂膜，
所述隔热涂膜具有在所述壁面的表面形成的隔热层、和在所述隔热层的表面形成的无机系覆膜层，
所述隔热层具有树脂和第1中空粒子，该第1中空粒子埋设于所述树脂的内部且具有比所述隔热层的厚度小的平均粒径，
所述无机系覆膜层具有无机化合物。
12.根据权利要求11所述的活塞，其特征在于，
覆盖所述隔热涂膜后的壁面的表面粗糙度比覆盖所述隔热涂膜前的壁面的表面粗糙度小。
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