用于内燃机的活塞的制作方法

本发明涉及一种用于内燃机的活塞，并且更具体地涉及一种这样的用于内燃机的活塞，在所述活塞中，在顶部表面上形成有绝热膜。

背景技术：

通常，例如在专利文献1中已经公开了一种用于内燃机的活塞，在所述活塞中，在整个顶部表面上形成有绝热膜。绝热膜由多孔层和涂覆层构成，所述多孔层通过阳极氧化铝合金的活塞基材的表面获得，所述涂覆层设置在所述多孔层上，并且通过等离子喷涂Y₂O₃稳定的ZrO₂粉末获得。涂覆层设置成封闭多孔层的孔，并且构成涂覆层的Y₂O₃稳定的ZrO₂的导热系数小于活塞基材的导热系数。如果形成有这样的绝热膜的活塞应用到内燃机，则内燃机的燃烧室中的绝热性能得以增强并且能够降低冷却损失。

引文列表

专利文献

专利文献1：日本专利公报No.2012-72745

专利文献2：日本专利公报No.2008-111367

技术实现要素：

技术问题

上述多孔层称作阳极氧化铝，并且已知其导热系数和热容不仅低于活塞基材而且还低于传统的陶瓷绝热材料。因此，专利文献1中的由多孔层和涂覆层的组合构成的绝热膜的整个膜具有低导热系数和低热容，并且如果整个活塞顶部表面上都形成有这样的绝热膜的活塞应用于内燃机，则能够改进活塞顶部表面温度对燃烧室中的气体温度的跟随性。然而，根据本发明人的认知，显而易见的是当在整个活塞顶部表面上形成这样的绝热膜时，将产生容易发生爆震的新问题。

为了解决如上所述的问题而做出了本发明。即，本发明的目的是提供一种活塞，所述活塞在应用于内燃机时，能够在确保活塞顶部表面温度对燃烧室中的气体温度的跟随性的同时，有利地限制爆震发生。

解决问题的方案

为了实现上述目的，第一发明是一种用于内燃机的活塞，所述活塞包括：活塞主体；形成在活塞主体的顶部表面上的腔；和绝热膜，所述绝热膜形成在所述顶部表面上，并且所述绝热膜的导热系数和每单位体积的热容均低于用作活塞主体的基材的铝合金。

其中，所述绝热膜包括：低绝热膜，所述低绝热膜形成在腔边缘部分上并且由具有多个孔的氧化铝构成，所述腔边缘部分形成所述腔和所述顶部表面之间的边界，所述多个孔开口到所述顶部表面；和高绝热膜，所述高绝热膜形成在从所述腔边缘部分向内的表面上和包围所述腔边缘部分的表面上，并且由密封材料和具有开口到所述顶部表面的多个孔的氧化铝构成，所述密封材料设置成用于覆盖多个孔的开口。

第二发明是根据第一发明的用于内燃机的活塞，

其中，低绝热膜形成在活塞边缘部分上，所述活塞边缘部分形成所述顶部表面的边缘，并且

在所述活塞边缘部分和所述腔边缘部分之间，形成包围所述腔边缘部分的表面。

第三发明是根据第一发明或第二发明的用于内燃机的活塞，其中，所述腔边缘部分的边缘角θ满足0°＜θ≤90°。

第四发明是根据第一发明至第三发明中的任意一项的用于内燃机的活塞，所述活塞还包括：

气门凹坑，所述气门凹坑形成在包围所述腔边缘部分的表面中，

其中，低绝热膜形成在气门凹坑边缘部分上，所述气门凹坑边缘部分与包围所述腔边缘部分的表面和气门凹坑之间的边界中的圆弧部分相对应，并且

所述高绝热膜形成在从所述气门凹坑边缘部分向内的表面上。

第五发明是根据第四发明的用于内燃机的活塞，其中，所述气门凹坑边缘部分的边缘角θ满足0°＜θ≤90°。

本发明的有益效果

根据本发明人的认知，显而易见的是，如果导热系数和每单位体积的热容均低于铝合金(其为活塞基材)的绝热膜设置在形成有腔的整个活塞顶部表面上，则在形成腔和活塞顶部表面之间的边界的腔边缘部分中产生热斑，并且容易发生爆震。基于这样的认知作出第一发明。即，根据第一发明，在通过低绝热膜和高绝热膜确保活塞顶部表面温度对燃烧室中的气体温度的跟随性的同时，通过低绝热膜的结构使得在燃烧室中产生的热量能够容易地到达活塞基材侧，并且因此能够限制在腔边缘部分中产生热斑。

在形成活塞顶部表面的边缘的活塞边缘部分中也可能出现产生热斑的问题。就这一点而言，根据第二发明，通过形成在活塞边缘部分上的低绝热膜的结构，使得在燃烧室中产生的热量能够容易地到达活塞基材侧，并且因此能够限制在活塞边缘部分中产生热斑。

当腔边缘部分的边缘角θ满足0°＜θ≤90°时，倾向于在腔边缘部分中出现产生热斑的问题。就这一点而言，根据第三发明，能够有利地限制在腔边缘部分中产生热斑。

当气门凹坑形成在包围腔边缘部分的表面中时，在与包围腔边缘部分的表面和气门凹坑之间的边界中的圆弧部分相对应的气门凹坑边缘部分中，可能会出现产生热斑的问题。就这一点而言，根据第四发明，通过形成在气门凹坑边缘部分上的低绝热膜的结构，使得在燃烧室中产生的热量能够容易地到达活塞基材侧，因此，即使在形成有气门凹坑时，也能够获得与第一发明的效果类似的效果。

当气门凹坑边缘部分的边缘角θ满足0°＜θ≤90°时，倾向于在腔边缘部分中出现产生热斑的问题。就这一点而言，根据第五发明，能够有利地限制在腔边缘部分中产生热斑。

附图说明

[图1]图1是本实施例的用于内燃机的活塞的顶部表面的示意图。

[图2]图2是沿着图1的线A-A获得的截面图。

[图3]图3是沿着图1的线B-B获得的截面图。

[图4]图4是图2中的边缘部分12a的放大示意图。

[图5]图5是图2中的边缘部分14a的放大示意图。

[图6]图6是图2中的边缘部分10a的放大示意图。

[图7]图7是用于说明取决于是否存在密封材料的涂覆膜结构的差异的视图。

[图8]图8是示出了在燃烧周期中边缘部分的表面温度和燃烧室中的气体温度的转变的简图。

[图9]图9是用于说明本实施例的用于内燃机的活塞的制造方法的视图。

[图10]图10是用于说明第二绝热膜的形成的其它示例的视图。

[图11]图11是用于说明本实施例的用于内燃机的活塞的其它制造方法的视图。

[图12]图12是压燃式内燃机的活塞的顶部表面的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的一个实施例。需要注意的是，附图中的相同元件被赋予相同的附图标记并且将省略冗余描述。此外，本发明并不局限于以下实施例。

【活塞的构造】图1是本实施例的用于内燃机的活塞的顶部表面的示意图。如图1所示，在活塞顶部表面10上形成有腔12和两个气门凹坑14。腔12设置成在活塞顶部表面10中凹入，其目的是将朝向活塞顶部表面10喷射的燃料引导到火花塞(未示出)。气门凹坑14设置成在活塞顶部表面10中凹入，其目的是避免与排气门(未示出)发生干涉。附图中示出的虚线16示出了进气门的投影线，而虚线18示出了排气门的投影线。在活塞顶部表面10和腔12之间的边界中形成有环状边缘部分12a。活塞顶部表面10和气门凹坑14之间的边界形成为半月状，并且边缘部分14a沿着虚线18形成在圆弧部分上。边缘部分14a的一部分连接到形成活塞顶部表面10的边缘的边缘部分10a。

第一绝热膜形成在活塞顶部表面10上。然而，在边缘部分10a、12a和14a上形成与第一绝热膜不同的第二绝热膜。沿着边缘部分10a、12a和14a形成第二绝热膜。需要注意的是，当不需要在以下描述中区分边缘部分10a、12a和14a时，边缘部分10a、12a和14a有时统称为“边缘部分”。

将参照图2至图6描述第一绝热膜和第二绝热膜的位置关系。图2是沿着图1的线A-A获得的截面图。第一绝热膜形成在腔12的内部构成表面(更具体地，腔侧表面12b和腔底部表面12a)上，但没有形成在图2示出的边缘部分12a上。第一绝热膜还形成在气门凹坑14的内部构成表面(更具体地，气门凹坑侧表面14b和气门凹坑底部表面14c)上，但没有形成在边缘部分14a上。第一绝热膜还形成在边缘部分10a和边缘部分12a之间的活塞顶部表面10b上，形成在边缘部分10a和边缘部分14a之间的活塞顶部表面10c上，并且形成在边缘部分12a和气门凹坑底部表面14c之间的活塞顶部表面10d上。

图3示出了沿着图1中的线B-B获得的截面图。第一绝热膜形成在图3示出的气门凹坑14的位于边缘部分10a和边缘部分14a之间的内部构成表面上，即，形成在气门凹坑侧表面14b和气门凹坑底部表面14c上。第一绝热膜还形成在两个边缘部分14a之间的活塞顶部表面10e上。

图4是图2中的边缘部分12a的放大示意图。第二绝热膜形成在图4示出的边缘部分12a上。形成在边缘部分12a上的第二绝热膜的沿着活塞顶部表面方向的膜宽度距离端点P₁₂的最大值为2mm。第二绝热膜的沿着腔方向的膜宽度类似，并且距离端点P₁₂的最大值为2mm。此外，由虚线S₁和虚线S₂形成的角(边缘角)θ₁₂满足0°＜θ₁₂≤90°。这里，虚线S₁是通过延伸活塞顶部表面10侧的毗邻边缘部分12a的表面(即，活塞顶部表面10b或者活塞顶部表面10d)而形成的虚拟表面的剖面线。虚线S₂是通过延伸腔12侧的毗邻边缘部分12a的表面(即，腔侧表面12b)而形成的虚拟表面的剖面线。

图5是图2中的边缘部分14a的放大示意图。第二绝热膜形成在图5示出的边缘部分14a上。形成在边缘部分14a上的第二绝热膜的沿着活塞顶部表面方向的膜宽度距离边缘部分14a的端点P₁₄的最大值为2mm。第二绝热膜的沿着气门凹坑方向的膜宽度类似，并且距离端点P₁₄的最大值为2mm。此外，由虚线S₃和虚线S₄形成的角(边缘角)θ₃₄满足0°＜θ₃₄≤90°。这里，虚线S₃是通过延伸活塞顶部表面10侧的毗邻边缘部分14a的表面(即，活塞顶部表面10c)而形成的虚拟表面的剖面线。虚线S₄是通过延伸气门凹坑14侧的毗邻边缘部分14a的表面(即，气门凹坑侧表面14b)而形成的虚拟表面的剖面线。

图6是图2中的边缘部分的放大示意图。第二绝热膜形成在图6示出的边缘部分10a上。第二绝热膜仅沿着活塞顶部表面方向形成。第二绝热膜的沿着活塞顶部表面方向的膜宽度距离边缘部分10a的端点P₁₀的最大值为2mm。此外，由虚线S₅和虚线S₆形成的角(边缘角)θ₅₆满足90°≤θ₅₆＜180°。这里，虚线S₅是通过延伸活塞顶部表面10侧处的毗邻边缘部分10a的表面(即，活塞顶部表面10b或者活塞顶部表面10d)而形成的虚拟表面的剖面线。虚线S₆是通过延伸毗邻边缘部分10a的活塞侧表面而形成的虚拟表面的剖面线。

将参照图7描述第一绝热膜和第二绝热膜之间的差异。在本实施例中，第二绝热膜由阳极氧化铝(anodized aluminum)构成。与此同时，第一绝热膜由阳极氧化铝和密封材料构成。阳极氧化铝是通过阳极氧化处理活塞顶部表面10而在活塞顶部表面10上形成的多孔氧化铝的涂膜(膜厚度为约100mm至500mm)。多孔氧化铝的导热系数小于作为活塞基材的铝合金的导热系数，并且多孔氧化铝的热容小于单位体积的铝合金的热容。密封材料是主要成分为二氧化硅(例如，聚硅氧烷或者聚硅氮烷)的涂膜(膜厚度为约5mm至50mm)，并且形成在多孔铝的表面上。

第一绝热膜和第二绝热膜之间的差异在于是否存在密封材料。图7是用于说明取决于是否存在密封材料的涂膜结构差异的视图。图7(a)示出了没有使用密封材料的涂膜结构，图7(b)示出了使用密封材料的涂膜结构。如图7所示，阳极氧化铝具有开口到其表面的多个孔并且密封材料设置成覆盖孔的开口。这里，与多孔氧化铝类似，主要组分为二氧化硅的密封材料的导热系统小于铝合金的导热系数。因此，图7(a)和7(b)中的涂膜结构均显示出较高的绝热性能。然而，在图7(a)示出的涂膜结构中，压缩气体和喷射的燃料能够进入到孔中，并且因此图7(a)中的涂膜结构的绝热性能低于图7(b)中的涂膜的绝热性能。即，与图7(b)中的涂膜结构相比，图7(a)中的涂膜结构使得燃烧室中产生的热量更容易到达铝基材侧。

将参照图8描述本实施例的活塞的效果。图8是示出了燃烧周期中的边缘部分的表面温度和燃烧室中的气体温度的转变的视图。图8中点划线示出的“气体温度”示出了燃烧室中的气体温度的转变。图8中的实线示出的“非绝热”示出了本实施例的活塞的边缘部分的表面温度的转变。图8中的虚线示出的“绝热”示出了比较活塞的边缘部分的表面温度的转变，在所述比较活塞中，第一绝热膜形成在整个活塞顶部表面上。

如图8所示，气体温度由于在TDC附近点火而突然升高并达到峰值。在气体温度升高之后，边缘部分的表面温度也升高。然而，在绝热情况下，在点火正时之前，边缘部分的表面温度已经升高。其原因在于在边缘部分中产生热斑。在边缘部分中产生热斑的原因是结合图7描述的边缘部分的结构和第一绝热膜的较高的绝热性能。如果在边缘部分中产生热斑，则易于发生将该边缘部分的附近作为点火点的爆震。就这一点而言，在非绝热情况下，在点火正时之前的边缘部分的表面温度能够降低。其原因是由于参照图7描述的第二绝热膜的涂膜结。

如上所述，根据本实施例的活塞，燃烧室中的绝热性能能够由形成在活塞顶部表面10上的第一绝热膜增强。此外，通过形成在边缘部分上的第二绝热膜，能够限制容易产生热斑的边缘部分的表面温度在点火正时之前过度升高。

【活塞的制造方法】将参照图9描述本实施例的活塞的制造方法。本实施例的活塞的制造方法包括通过阳极氧化铝合金制成的活塞的顶部表面来形成阳极氧化铝的步骤(阳极氧化步骤)和通过密封阳极氧化铝的表面来形成密封材料的步骤(密封步骤)。

图9(a)示出了阳极氧化步骤。在阳极氧化步骤中，使用包括通道和一对电极的处理设备，电解液在所述通道中流动。活塞放置在处理设备中，并且通过将电压施加到一对电极上并同时致使电解液在通道中流动来实施电解，由此在活塞顶部表面上形成阳极氧化铝。通过施加的电压将阳极氧化铝的孔隙率调节至期望值，并且通过施加的时长将阳极氧化铝的膜厚度调节至期望值。需要注意的是，像这样的阳极氧化方法是已知的，因此将省略更加详细的解释。

图9(b)和(c)示出了密封步骤。在密封步骤中，首先密封边缘部分，然后，利用作为二氧化硅原材料的硅聚合物溶液(聚硅氧烷、聚硅氮烷(polysilazane)等)浸渍阳极氧化铝的表面。浸渍方法不受具体限制，并且可以应用将溶液喷涂到阳极氧化铝的表面的方法、能够采用刮涂(blade coat)方法、旋转涂布方法、刷涂布方法等。随后，将阳极氧化铝的表面加热到高温以干燥/烘烤硅聚合物溶液。根据硅聚合物溶液的浸渍厚度适当调节高温加热期间的条件(温度，时间等)。最后，移除边缘部分处的密封材料。通过执行上述步骤，能够制造本实施例的活塞。

需要注意的是，在上述实施例中，第一绝热膜对应于上述第一发明的“高绝热膜”。第二绝热膜对应于上述第一发明的“低绝热膜”。边缘部分12a对应于同一发明的“腔边缘部分”。腔侧表面12b和腔底部表面12c对应于同一发明的“从腔边缘部分向内的表面”。活塞顶部表面10b和10b对应于同一发明的“腔边缘部分周围的表面”。

此外，边缘部分10a对应于上述第二发明的“活塞边缘部分”。

此外，边缘部分14a对应于上述第四发明的“气门凹坑边缘部分”并且气门凹坑侧表面14b和气门凹坑底部表面14c分别对应于同一发明的“从气门凹坑边缘部分向内的表面”。

【其它活塞结构】顺便提及，在上述实施例中，如参照图4所描述的那样，第二绝热膜沿着边缘部分12a的活塞顶部表面方向和腔方向这两个方向形成。然而，第二绝热膜可以沿着活塞顶部表面方向和腔方向中的任意一个方向形成。图10是用于说明形成第二绝热膜的形成的其它示例的视图。如图10(a)所示，第二绝热膜可以仅沿着边缘部分12a的活塞顶部表面方向形成，并且第一绝热膜可以沿着边缘部分12a的腔方向形成。如图10(b)所示，第二绝热膜可以仅沿着边缘部分12a的腔方向形成，并且第一绝热膜可以沿着边缘部分12a的活塞顶部表面方向形成。

此外，在上述实施例中，如参照图5所描述的那样，第二绝热膜沿着边缘部分14a的活塞顶部表面方向和气门凹坑方向这两个方向形成。然而，第二绝热膜可以仅沿着边缘部分14a的活塞顶部表面方向形成，并且第一绝热膜可以沿着边缘部分14a的气门凹坑方向形成。此外，第二绝热膜可以仅沿着边缘部分14a的气门凹坑方向形成，并且第一绝热膜可以沿着边缘部分14a的活塞顶部表面方向形成。

此外，在上述实施例中，第二绝热膜形成在边缘部分上。然而，第二绝热膜可以形成在边缘部分12a和14a上，并且第一绝热膜可以形成在边缘部分10a上。如在说明图4至图6时所描述的那样，边缘角θ₅₆(90°≤θ₅₆＜180°)等于或者大于边缘角θ₁₂和θ₃₄(0°＜θ₁₂，θ₃₄≤90°)即，与边缘部分12a和14a相比，边缘部分10a具有更缓和的斜率，并且与边缘部分12a和14a相比，边缘部分10a具有更不容易产生热斑的结构。因此，即使当第一绝热膜形成在边缘部分10a上时，如果第二绝热膜形成在边缘部分12a和14a上，也能够获得与上述实施例类似的效果。

此外，在上述实施例中，气门凹坑14设置成在活塞顶部表面10中凹入，但是气门凹坑14不必设置成凹入。在这种情况下，如果第二绝热膜形成在边缘部分10a和12a上，并且第一绝热膜形成在活塞表面10(除了边缘部分10a和12a之外)上，则能够获得与上述实施例的效果类似的效果。

此外，在上述实施例中，在活塞顶部表面10上凹入地设置气门凹坑14，并且除了气门凹坑14之外，还可以凹入地设置用于避免与进气门(未示出)发生干涉的气门凹坑。在这种情况下，如果第二绝热膜形成在气门凹坑的边缘部分上，则能够获得与上述实施例类似的效果。

此外，在上述实施例中，根据参照图9描述的方法来制造活塞。然而，也能够根据图11示出的方法来制造活塞。除了上述阳极氧化步骤和密封步骤之外，图11中示出的制造方法还包括研磨密封材料的研磨步骤。图11(a)示出了阳极氧化步骤。阳极氧化步骤与图9(a)中的阳极氧化步骤类似。图11(b)示出了密封步骤。在该密封步骤中，不密封边缘部分，而是将密封材料设置在阳极氧化铝的表面上，这与图9(b)中的密封步骤不同。图11(c)示出了研磨步骤。在研磨步骤中，通过研磨设置有密封材料的部位的外周来暴露出阳极氧化铝。通过执行上述步骤，能够制造出与本实施例的活塞类似的活塞。

此外，上述实施例以包括火花塞的火花点火式内燃机为前提，但是本发明的活塞也能够应用于压燃式内燃机。图12是压燃式内燃机的活塞的顶部表面的示意图。如图12所示，腔22形成在活塞顶部表面20的中央部分中。第一绝热膜形成在活塞顶部表面20上。然而，第二绝热膜形成在活塞顶部表面20的边缘部分20a和腔22的边缘部分22a上。根据形成在边缘部分20a和22a上的第二绝热膜，能够限制由于在边缘部分20a和22a中产生热斑而导致的提前点火。即，能够获得与上述实施例的效果类似的效果。

附图标记列表

10、20 活塞顶部表面

12、22 腔

14 气门凹坑

10a、12a、14a、20a、22a 边缘部分