專(zhuān)利名稱(chēng)：熱絕緣結(jié)構(gòu)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于發(fā)動(dòng)機(jī)等的熱絕緣結(jié)構(gòu)體。
背景技術(shù)：
在發(fā)動(dòng)機(jī)部件那樣的暴露于高溫氣體的金屬制品中，在該金屬制母材的表面形成有抑制從高溫氣體向母材的熱傳遞的熱絕緣層(heat-insulating layer)。例如，日本公開(kāi)特許公報(bào)特開(kāi)2009-243352號(hào)公報(bào)中所記載的發(fā)明內(nèi)容如下在面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的燃燒室(combustion chamber)的面上形成含空心陶瓷珠的熱絕緣膜。日本公開(kāi)特許公報(bào)特開(kāi)平05-58760號(hào)公報(bào)中所記載的發(fā)明內(nèi)容如下讓氧化鋁微粒子覆蓋二氧化硅質(zhì)空心球狀體的表面，對(duì)所獲得的被覆蓋物進(jìn)行加壓成形，再對(duì)所獲得的成形體進(jìn)行燒結(jié)而使其成為熱絕緣材。日本公開(kāi)特許公報(bào)特開(kāi)2005-146925號(hào)公報(bào)中所記載的發(fā)明內(nèi)容如下在發(fā)動(dòng)機(jī)的面汽缸蓋的面對(duì)燃燒室的面上形成凹凸，將氧化鋯類(lèi)低傳熱材填充在該凹部，由此來(lái)提高汽缸蓋的耐熱性。為提高汽車(chē)的燃料消耗率，正努力使車(chē)身輕量化、改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、降低機(jī)械阻力(mechanical resistance)、降低發(fā)動(dòng)機(jī)所承擔(dān)的電氣負(fù)載、回收和利用排氣能量等。 就這其中的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率(thermal efficiency)而言，已知情況如下理論上說(shuō)，越使幾何學(xué)壓縮比(geometric compression ratio)提高或者越使工作氣體(operative gas) 的空氣過(guò)剩率(excess air ratio)增大(使比熱比(specific heat ratio)提高)，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率就會(huì)越高。然而，實(shí)際上越增大壓縮比或者越增大空氣過(guò)剩率，冷卻損失(cooling loss)(被外部作為熱量奪走的能量)就會(huì)越大，因此利用增大壓縮比、空氣過(guò)剩率所能夠帶來(lái)的對(duì)熱效率的改善已達(dá)到了極限。也就是說(shuō)，冷卻損失是隨著工作氣體向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁的熱傳遞率 (heat-transfer coefficient)、胃7!專(zhuān)^ 禾只(heating surface area)以本^1 ] % 溫間的溫度差而變化的。其中，熱傳遞率是氣體壓力和氣體溫度的函數(shù)。因此，如果氣體壓力和氣體溫度由于壓縮比和空氣過(guò)剩率增大而升高，則熱傳遞率升高，冷卻損失增大。而且，因?yàn)楸跍睾蜌怏w溫度間的溫度差也增大，所以冷卻損失也會(huì)因?yàn)樵摐囟炔畹脑龃蠖龃?。例如使壓縮比成為20以上的超高壓縮比(very high compression ratio)時(shí)，膨脹比即會(huì)很高，這對(duì)降低排氣損失(exhaust loss)有效，但是使壓縮比成為20以上的超高壓縮比(very high compression ratio)這一設(shè)想?yún)s因?yàn)樯鲜隼鋮s損失之存在而無(wú)法在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。另一方面，還能夠想到的一種做法如下不靠大幅度地提高壓縮比，而靠回收排氣能量來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率化(改善燃料消耗率)。但是，在該情況下，也是當(dāng)冷卻損失較大時(shí)，排氣能量就會(huì)隨著該冷卻損失的增大而相應(yīng)減少。因此與提高壓縮比時(shí)一樣，重要的還是降低冷卻損失
發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明提供一種能夠用來(lái)降低上述發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻損失等的熱絕緣結(jié)構(gòu)體。使本發(fā)明為一種利用了空心粒子的熱絕緣結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，這里所公開(kāi)的熱絕緣結(jié)構(gòu)體的特征在于，設(shè)置有大量空心粒子(hollow particles)布置為密集地填充在金屬制母材的表面之狀態(tài)而形成的空心粒子層(換句話說(shuō)，大量空心粒子鋪滿(mǎn)金屬制母材的表面而形成的空心粒子層)，該空心粒子層被皮膜覆蓋。根據(jù)上述熱絕緣結(jié)構(gòu)體能夠收到以下幾個(gè)效果。S卩，由呈現(xiàn)出大量空心粒子密集地填充著之狀態(tài)的空心粒子層獲得了高空氣熱絕緣(air thermal insulation)效果；每單位體積的熱容量(容積比熱)由于空氣而變小，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，熱絕緣結(jié)構(gòu)體的表面溫度響應(yīng)性良好地追隨燃燒室氣體溫度變化，冷卻損失得到改善；覆蓋空心粒子層的皮膜既防止了外力等導(dǎo)致空心粒子破損，又防止了空心粒子脫離或者剝離，因此而獲得耐久性。優(yōu)選所述空心粒子層的相鄰空心粒子之間相互接合。這樣，空心粒子層作為塊體的強(qiáng)度就會(huì)提高，有利于確保耐久性。優(yōu)選微實(shí)心粒子存在于所述空心粒子層的空心粒子之間的間隙里。這樣，空心粒子層作為塊體的強(qiáng)度就會(huì)提高，有利于確保耐久性。優(yōu)選所述空心粒子層釬焊在所述金屬制母材上。這樣空心粒子層與金屬制母材的結(jié)合力就會(huì)提高，能夠防止空心粒子層剝離，有利于確保耐久性。優(yōu)選從所述金屬制母材一側(cè)形成該金屬制母材的金屬浸漬固化在所述空心粒子層的空心粒子之間的間隙里，所述金屬制母材和空心粒子層通過(guò)該浸漬固化部成為一體。 這樣，空心粒子層與金屬制母材的結(jié)合力就會(huì)提高。也就是說(shuō)，能夠防止空心粒子層剝離， 有利于確保耐久性。優(yōu)選所述皮膜的導(dǎo)熱率(thermal conductivity)比所述空心粒子層的導(dǎo)熱率高。 也就是說(shuō)，在所述空心粒子層的厚度并非整體均勻一致而產(chǎn)生了局部厚、局部薄之部分的情況下，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)皮膜溫度由于熱絕緣性不同而局部產(chǎn)生偏差這樣的不良現(xiàn)象。例如，在所述皮膜形成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壁面的情況下，有時(shí)皮膜溫度局部增高的部分會(huì)成為異常燃燒(Pre-Iginition)的發(fā)生源地。因此，通過(guò)提高所述皮膜的導(dǎo)熱率使熱良好地在皮膜的擴(kuò)展方向上擴(kuò)散，皮膜溫度便不會(huì)局部升高。在這樣皮膜溫度的局部偏差成為問(wèn)題的情況下，優(yōu)選使皮膜的導(dǎo)熱率在空心粒子層的導(dǎo)熱率的10倍以上，更優(yōu)選在100倍以上。為使熱絕緣結(jié)構(gòu)體表面溫度響應(yīng)性良好地追隨著燃燒室氣體溫度變化，優(yōu)選皮膜的熱容量不大于空心粒子層的熱容量。因此而優(yōu)選皮膜的厚度在空心粒子層的厚度的1/2以下。另一方面，從盡量提高該熱絕緣結(jié)構(gòu)體的熱絕緣性的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選所述皮膜的導(dǎo)熱率低于所述金屬制母材的導(dǎo)熱率。優(yōu)選皮膜的容積比熱小于金屬制母材的容積比熱。在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)體構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)部件，在該發(fā)動(dòng)機(jī)部件的面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的面、吸氣口內(nèi)壁面或者排氣口內(nèi)壁面形成有所述空心粒子層和皮膜。發(fā)動(dòng)機(jī)部件的面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)燃燒室的面由包括所述空心粒子層和皮膜的熱絕緣層形成的情況有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻損失。氣缸蓋的吸氣口內(nèi)壁面由包括所述空心粒子層和皮膜的熱絕緣層形成的情況，到空氣被吸入筒內(nèi)為止都能夠抑制空氣被氣缸蓋加熱。也就是說(shuō)，有利于提高向筒內(nèi)的空氣填充效率(charging efficiency)。或者是，在幾何學(xué)壓縮比高(例如ε = 20 50左右)
4的發(fā)動(dòng)機(jī)中，能夠降低壓縮前的筒內(nèi)氣體溫度，從而有利于防止異常燃燒。還有利于防止燃燒溫度變成異常高溫(冷卻損失由于燃燒溫度變成異常高溫而增大，且由于燃燒溫度變成異常高溫而容易生成NOx)。氣缸蓋的排氣口內(nèi)壁面由包括所述空心粒子層和皮膜的熱絕緣層形成的情況，能夠?qū)⑷紵懦鰵怏w以高溫度狀態(tài)排出，從而有利于回收排氣能量。能夠列舉出的所述發(fā)動(dòng)機(jī)部件有活塞、氣缸蓋、汽缸體、汽缸套、吸氣閥或者排氣閥等。


圖1是顯示本發(fā)明實(shí)施方式所涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造的剖視圖。圖2是表示規(guī)格不同的發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何學(xué)壓縮比與圖示熱效率間之關(guān)系的曲線圖。圖3是表示規(guī)格不同的發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣過(guò)剩率λ與圖示熱效率間之關(guān)系的曲線圖。圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式所涉及鋁合金制活塞的熱絕緣結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖5是圖4所示活塞的熱絕緣層的放大剖視圖。圖6是表示用于該熱絕緣層的空心粒子層的空心粒子成形體的一部分的剖視圖。圖7是表示其他實(shí)施方式所涉及空心粒子成形體的一部分的剖視圖。圖8是表示其他實(shí)施方式所涉及活塞的熱絕緣層的放大剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式僅僅是本質(zhì)上的優(yōu)選示例而已，并無(wú)限制本發(fā)明、本發(fā)明的使用對(duì)象或本發(fā)明的用途等意圖。在該實(shí)施方式中，在圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞1上采用了本發(fā)明所涉及的熱絕緣結(jié)構(gòu)。<發(fā)動(dòng)機(jī)的特征>圖1中，2表示氣缸體，3表示氣缸蓋，4表示打開(kāi)、關(guān)閉氣缸蓋3的吸氣口 5的吸氣閥，6表示打開(kāi)、關(guān)閉排氣口 7的排氣閥，8表示燃料噴射閥。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室由活塞1的頂面、氣缸體2、氣缸蓋3、吸排氣閥4、6的傘部(umbrella portion)的前表面(面對(duì)燃燒室的面)形成。在活塞1的頂面形成有空腔9。此外，火花塞的圖示省略。該發(fā)動(dòng)機(jī)是幾何學(xué)壓縮比ε = 20 50、在至少部分載荷域的空氣過(guò)剩率λ = 2. 5 6. 0下工作的稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，如上所述，如果不大幅度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻損失，也就是說(shuō)，如果不提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱絕緣性，則無(wú)法獲得與該壓縮比ε和空氣過(guò)剩率λ相匹配的所需熱效率。這一點(diǎn)結(jié)合通過(guò)模型計(jì)算所獲得的圖示熱效率(indicated thermal efficiency)進(jìn)行說(shuō)明。也就是說(shuō)，模型計(jì)算出的是，在使壓縮比ε不斷增大時(shí)， 圖示熱效率是怎樣受使燃燒室為熱絕緣結(jié)構(gòu)與否或者空氣過(guò)剩率λ之大小影響的。圖2示出其結(jié)果。在該圖2中，“無(wú)熱絕緣”意指燃燒室未采用熱絕緣結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)，“有熱絕緣”意指燃燒室的熱絕緣率比“無(wú)熱絕緣”的現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)高50%的發(fā)動(dòng)機(jī)。 “200kPa”和“500kPa”表示發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的大小。首先，在“無(wú)熱絕緣200kPaX = 1”的情況下，圖示熱效率伴隨著壓縮比ε增大而增大。但即使壓縮比ε超過(guò)50，圖示熱效率也沒(méi)有大的改善，而且壓縮比ε =50時(shí)的理論熱效率為80%左右，所以該發(fā)動(dòng)機(jī)的圖示熱效率相當(dāng)?shù)?。該差值的大部分是冷卻損失和排氣損失。在“無(wú)熱絕緣200kPaX = 2”的情況下，因?yàn)楸葻岜入S著空氣過(guò)剩率的增加而變小，所以圖示熱效率高，但盡管如此，從理論熱效率看還是很低的?？匆幌隆盁o(wú)熱絕緣 200kPa λ = 4”和“無(wú)熱絕緣200kPaX = 6”的情況，當(dāng)壓縮比ε超過(guò)15或25時(shí)，該壓縮比ε越大，圖示熱效率就越小。該壓縮比ε越大圖示熱效率就越小的原因如下因?yàn)榭諝膺^(guò)剩率λ大(混合氣的空氣密度高)，所以當(dāng)成為高壓縮比時(shí)，燃燒時(shí)的氣體壓力就非常高，氣體壓力和氣體溫度的函數(shù)即熱傳遞率提高，冷卻損失增大。也就是說(shuō)，這是因?yàn)槔鋮s損失比空氣過(guò)剩率λ的增大(比熱比的增大)所帶來(lái)的熱效率的上升更大之故。相對(duì)于此，在“有熱絕緣200kPaX = 2. 5”的情況下，圖示熱效率隨著壓縮比ε的增大而增大。在提高了空氣過(guò)剩率λ的“有熱絕緣200kPaX =6”的情況下，當(dāng)壓縮比ε 超過(guò)40時(shí)，圖示熱效率稍微有些下降的趨勢(shì)，但是圖示熱效率在壓縮比ε =20 50時(shí)成為非常高的值。在提高了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的“有熱絕緣50 λ =2. 5”的情況下，圖示熱效率在壓縮比ε = 20 50時(shí)也是一個(gè)很高的值。圖3是顯示空氣過(guò)剩率λ和圖示熱效率間之關(guān)系的曲線圖。在“無(wú)熱絕緣 200kPa ε = 15”的情況下，在空氣過(guò)剩率λ = 4. 5附近圖示熱效率達(dá)到峰值，當(dāng)空氣過(guò)剩率λ從該4. 5附近增大時(shí)，圖示熱效率則下降。相對(duì)于此，在“有熱絕緣200kPa￡ =40” 的情況下，在空氣過(guò)剩率λ =6.0附近圖示熱效率達(dá)到峰值。這是壓縮比ε較高和由熱絕緣帶來(lái)抑制冷卻損失兩效果所致。在所述稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在至少部分負(fù)荷域，在空氣過(guò)剩率 λ =2.5以上的條件下工作，所以有利于抑制NOx之產(chǎn)生。當(dāng)壓縮比ε升高時(shí)，燃燒溫度升高，但是控制該空氣過(guò)剩率λ而使得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越高該空氣過(guò)剩率λ越大，則能夠使燃燒最高溫度不超過(guò)1800Κ，抑制NOx之產(chǎn)生。圖示省略，在所述發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣系設(shè)置有對(duì)吸氣進(jìn)行冷卻的中冷器。這樣一來(lái)，開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)的筒內(nèi)氣體溫度變低，從而抑制了燃燒時(shí)的氣體壓力和氣體溫度上升。結(jié)果是有利于降低冷卻損失(改善圖示熱效率)。<熱絕緣結(jié)構(gòu)>于是，下面對(duì)在所述超高壓縮比ε = 20 50、高空氣過(guò)剩率λ = 2. 5 6. 0的條件下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)中用于降低為提高圖示熱效率所需冷卻損失的熱絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。圖4示出活塞1的熱絕緣結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，活塞1在形成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的頂面具有熱絕緣層。該熱絕緣層包括跨越活塞母材11的整個(gè)頂面形成的空心粒子層12和覆蓋該空心粒子層12的皮膜13。如圖5所示，大量空心粒子14密集地充填在活塞母材11的頂面之狀態(tài)，即形成空心粒子層12 (大量空心粒子14鋪滿(mǎn)一層以上而形成空心粒子層12)，該空心粒子層12利用焊料15接合在活塞母材11上(釬焊)。如圖6所示，相鄰空心粒子14 之間在彼此的接點(diǎn)16接合?；钊覆?1能夠用例如鑄件用鋁合金(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS的AC8A，導(dǎo)熱率 141.7W/(m.K)，容積比熱2300kJ/(m3.K))成形?；蛘吣軌虿捎闷渌X合金成形。還能夠使活塞母材11為鑄鐵制活塞。作為空心粒子14能夠采用氧化鋁空心球(alumina bubble)、粉煤灰空心球(flyash ballon)、火山灰空心球(shirasu ash ballon)、二氧化娃空心球(silica ballon)、氣凝膠空心球(aerogel ballon)等陶瓷類(lèi)空心粒子，也能夠采用其他無(wú)機(jī)類(lèi)空心粒子。各種材質(zhì)和粒徑如表1所示。表1
空心粒子的種類(lèi)材質(zhì)粒徑(μ m)氧化鋁空心球Al2O3100 8000粉煤灰空心球SiO2, Al2O31 300火山灰空心球SiO2, Al2O35 600二氧化硅空心球SiO2, Al2O30. 09 0. 11氣凝膠空心球SiO20. 02 0. 05例如，粉煤灰的化學(xué)組成為=SiO240. 1 74. 4%, Al2O3 :15. 7 35. 2%, Fe2O3 1. 4 17. 5%,MgO 0. 2 7. 4%, CaO 0. 3 10. (以上為質(zhì)量％ )。火山灰空心球的化學(xué)組成為:Si02 75 77%、Al2O3 12 14%、Fe2O3 :1 2%、Na2O :3 4%、K2O :2 4% ,IgLoss :2 5% (以上為質(zhì)量％ )。在上例所示空心粒子的情況下，空心粒子層12的導(dǎo)熱率在0. 03 0. 3ff/(m · K) 左右，空心粒子層12的容積比熱在200 1900kJ/(m3 · K)左右。在使皮膜13為導(dǎo)熱率比空心粒子層12高的皮膜的情況下，該皮膜材料采用金屬，例如鋁合金、Ni、Ni-Cr合金等即可。鑄件用鋁合金AC8A的導(dǎo)熱率為141. 7W/(m · K)， Ni-20Cr合金為12. 6ff/ (m -K)，Ni為97W/ (m -K)。鑄件用鋁合金AC8A的容積比熱為2300kJ/ (m3 · K)，Ni-20Cr 合金為 3660kJ/ (m3 · K)，Ni 為 3980kJ/ (m3 · K)。在為提高熱絕緣性而使皮膜為導(dǎo)熱率比活塞母材1低的皮膜的情況下，采用^O2 等金屬氧化物作皮膜材料即可。例如，在用IO3穩(wěn)定化^o2(YSZ)作皮膜材料的情況下，皮膜13的導(dǎo)熱率為1. 44ff/(m · K)，皮膜13的容積比熱為2760kJ/(m3 · K)。在該情況下，能夠通過(guò)進(jìn)行等離子體噴射(plasma spray)使皮膜13成為多孔質(zhì)。例如，氣孔率為10%時(shí)， 導(dǎo)熱率為0. 87W/ (m · K)；氣孔率為25%時(shí)，導(dǎo)熱率為0. 77W/ (m · K)。使空心粒子層12的厚度例如在10 IOOOym左右，皮膜13的厚度例如在1 500 μ m左右即可。能夠采用脈沖電流燒結(jié)法(放電等離子體燒結(jié)法)=pulse electric current sintering (spark plasma sintering)進(jìn)行相鄰空心粒子14的接點(diǎn)的接合。根據(jù)該方法， 因?yàn)橐贿吺┘訅毫σ贿吺┘用}沖狀電壓和電流，所以能夠在空心粒子14間的空隙內(nèi)產(chǎn)生放電，從而不會(huì)由于局部加熱導(dǎo)致空心粒子14損壞，即能夠?qū)@些粒子進(jìn)行接合。因?yàn)樯鲜鍪纠锌招牧Ｗ?4的主要成分是Al2O3和/或SiO2，所以脈沖電流燒結(jié)在壓力1 300MPa、溫度700 1700°C、時(shí)間1 60分、電流50 10000A、電壓4 20V、 頻率5 30000Hz的條件進(jìn)行即可。例如當(dāng)空心粒子14采用氧化鋁空心球(粒徑100 500 μ m)時(shí)，使條件為壓力3O lOOMPa、電流5O 4000Α、電壓4 10V、頻率10 10000Hz、 溫度900 1200°C、時(shí)間1 20分即可；當(dāng)空心粒子14采用粉煤灰空心球時(shí)，使條件為壓力50MPa、電流80 150A、電壓5V、頻率10Hz、溫度700 1100°C、時(shí)間20分以下即可。具有所述熱絕緣結(jié)構(gòu)的活塞1能夠利用以下方法獲得。也就是說(shuō)，將焊料載于活塞母材11的頂面上，再將利用所述脈沖電流燒結(jié)法獲得的薄片狀空心粒子成形體載于該焊料之上。然后，加熱讓焊料融化，加壓冷卻而將空心粒子成形體作為空心粒子層12固定在活塞母材11的頂面上。能夠采用的焊料有例如日本Almit公司生產(chǎn)的AM-350(鋁用焊料(&1-5A1)，釬焊溫度350 40(TC )。接著，將皮膜材等離子體噴射在空心粒子層12的表面(在用Ni作皮膜材的情況下可以進(jìn)行化學(xué)電鍍)而形成皮膜13。根據(jù)所述活塞的熱絕緣結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭招牧Ｗ訉?2呈現(xiàn)大量空心粒子14密集填充著的狀態(tài)，所以能夠獲得高空氣熱絕緣效果。燃料燃燒所產(chǎn)生的能量作為熱經(jīng)活塞1被外部奪走的量變少(冷卻損失變少)?？招牧Ｗ訉?2因?yàn)橄噜徔招牧Ｗ?4之間相互接合，所以空心粒子層12作為塊體的強(qiáng)度提高。皮膜13既防止燃料滲進(jìn)空心粒子層12中或者碳侵入空心粒子層12中，還防止外力等造成空心粒子14損壞或者空心粒子14脫離或者剝離。如圖5所示，因?yàn)槲⑿“纪剐纬稍诳招牧Ｗ訉?2的表面(表層部的相鄰空心粒子14之間成為凹部)，所以皮膜材進(jìn)入該凹部，空心粒子層12和皮膜13之間的密著力提高。因?yàn)榭招牧Ｗ訉?2釬焊活塞母材 11上，所以防止了空心粒子層12剝離。作為皮膜材采用鋁合金、Ni、Ni_Cr合金等，在使皮膜13的導(dǎo)熱率比空心粒子層12 的導(dǎo)熱率高的情況下，皮膜13在擴(kuò)展方向上的熱擴(kuò)散良好。因此，避免了在活塞頂面出現(xiàn)局部溫度升高的部分(成為異常燃燒的著火源的部分)。在作為皮膜材采用例如進(jìn)行等離子體噴射生成的IO3穩(wěn)定化^O2那樣的導(dǎo)熱率低、容積比熱也小的材料的情況下，有利于確保熱絕緣性。特別是，皮膜13的容積比熱小時(shí)，活塞1頂部的表面溫度本身會(huì)隨著燃料燃燒所帶來(lái)的燃燒室溫度的上升而迅速上升。 因此，燃燒室的氣體溫度和活塞頂部的表面溫度之差不大，冷卻損失變少。在上述實(shí)施方式中，燒結(jié)空心粒子14而獲得了空心粒子成形體。但除此以外，還可以通過(guò)在各個(gè)空心粒子14的表面設(shè)置薄黏合劑膜并進(jìn)行加熱、加壓成形，來(lái)獲得空心粒子14之間由于黏合劑而相互接合的空心粒子成形體。此時(shí)，從確保耐熱性的觀點(diǎn)來(lái)看，作為黏合劑優(yōu)選硅類(lèi)或者石墨類(lèi)黏合劑。在上述實(shí)施方式的空心粒子層12中空心粒子14相互接合。但是除此以外，如圖 7所示，讓微實(shí)心粒子17位于處于密集填充狀態(tài)的空心粒子14之間的間隙里也是可以的。 這樣一來(lái)，空心粒子層12作為塊體的強(qiáng)度提高，有利于確保耐久性。在該情況下，更優(yōu)選像上述實(shí)施方式那樣讓微實(shí)心粒子17位于相互接合的空心粒子14之間的間隙里。作為微實(shí)心粒子17，優(yōu)選導(dǎo)熱率比活塞母材11低的氧化鋯、二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等金屬氧化物或非氧化物陶瓷粒子。例如，制備微實(shí)心粒子的溶膠，讓該溶膠浸漬在空心粒子層12里，讓水分蒸發(fā)，由此讓該微實(shí)心粒子位于空心粒子14之間的間隙里。在上述實(shí)施方式中，將空心粒子成形體釬焊在活塞母材11上。但除此以外，也能夠利用嵌件成型使空心粒子成形體與活塞母材11復(fù)合一體化。也就是說(shuō)，在將空心粒子成形體投入活塞成形用模具的狀態(tài)下邊加壓邊注入鋁合金熔融金屬。鋁合金熔融金屬浸漬在
8空心粒子成形體的空心粒子之間的間隙里并固化。因此，如圖8所示，活塞母材11和空心粒子層12成為通過(guò)浸漬在空心粒子之間的間隙的鋁合金固化部結(jié)合為一體的狀態(tài)。根據(jù)這樣的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，空心粒子層12與活塞母材11的結(jié)合力提高，防止了空心粒子層12剝離，有利于確保耐久性。
權(quán)利要求
1.一種熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于設(shè)置有空心粒子層，大量空心粒子布置為密集地填充在金屬制母材的表面的狀態(tài)而形成該空心粒子層，該空心粒子層被皮膜覆蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于 所述空心粒子層的相鄰空心粒子相互接合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于 微實(shí)心粒子存在于所述空心粒子層的空心粒子之間的間隙里。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于 所述空心粒子層釬焊在所述金屬制母材上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于形成該金屬制母材的金屬?gòu)乃鼋饘僦颇覆囊粋?cè)浸漬固化在所述空心粒子層的空心粒子之間的間隙里，所述金屬制母材和空心粒子層通過(guò)該浸漬固化部成為一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于 所述皮膜的導(dǎo)熱率比所述空心粒子層的導(dǎo)熱率高。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于 所述皮膜由鋁合金、鎳以及鎳鉻合金中之一種形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于 所述皮膜的導(dǎo)熱率比所述金屬制母材的導(dǎo)熱率低。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于所述金屬制母材構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，在該發(fā)動(dòng)機(jī)的部件的面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的面、吸氣口內(nèi)壁面或者排氣口內(nèi)壁面形成有所述空心粒子層和皮膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于所述發(fā)動(dòng)機(jī)是幾何學(xué)壓縮比ε =20 50且在至少部分負(fù)荷域空氣過(guò)剩率λ = 2. 5 6. 0下工作的稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱絕緣結(jié)構(gòu)體，其特征在于 所述空心粒子含有Al2O3成分和S^2成分中的至少一成分。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種熱絕緣結(jié)構(gòu)體。該熱絕緣結(jié)構(gòu)體能夠用來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻損失等。設(shè)置有空心粒子層，大量空心粒子布置成密集地填充在金屬制母材的表面的狀態(tài)而形成該空心粒子層，該空心粒子層被皮膜覆蓋。
文檔編號(hào)F02F3/12GK102444497SQ20111025429
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者三輪能久, 坂手宣夫, 小田信行, 角島信司, 谷田芳夫 申請(qǐng)人:馬自達(dá)汽車(chē)株式會(huì)社