本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的絕熱結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

以往，在像發(fā)動(dòng)機(jī)部件那樣暴露在高溫氣體中的金屬制品中，為了抑制來(lái)自于高溫氣體的熱傳遞，即冷卻損失，而在其金屬制母材的表面形成絕熱層。作為一個(gè)示例，已知有在劃分出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的活塞主體的頂面，形成由氧化鋯等無(wú)機(jī)氧化物或含有中空粒子的有機(jī)類材料構(gòu)成的絕熱層。

可是，有時(shí)會(huì)在劃分出燃燒室的活塞主體的頂面與汽缸蓋的下表面之間的間隙部?jī)?nèi)形成擠流區(qū)域。如果在這樣的活塞主體頂面中形成擠流區(qū)域的面（擠流區(qū)域面）上設(shè)置絕熱層，則該絕熱層的溫度會(huì)變得高溫，進(jìn)而擠流區(qū)域面本身會(huì)變得高溫。因此，在燃燒工序中，高溫高圧的端部氣體（endgas）（處于遠(yuǎn)離火花塞的地方的未燃燒的混合氣）流入擠流區(qū)域時(shí)，高溫的擠流區(qū)域面使得從端部氣體向擠流區(qū)域面的散熱受到阻礙，可能發(fā)生爆震（knocking）。而且，形成于擠流區(qū)域面的絕熱層產(chǎn)生裂縫，造成絕熱層的損傷和剝離，絕熱性能喪失。

因此，也有記載活塞主體頂面中的擠流區(qū)域面上沒(méi)有形成絕熱層，僅在除此以外的部分形成絕熱層的內(nèi)燃機(jī)的文獻(xiàn)（例如參照專利文獻(xiàn)1）。

根據(jù)專利文獻(xiàn)1的內(nèi)燃機(jī)，擠流區(qū)域面上未形成絕熱層，因此可以促進(jìn)端部氣體向擠流區(qū)域面的散熱，抑制爆震的發(fā)生。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)：

專利文獻(xiàn)：

專利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2011-169232號(hào)公報(bào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的問(wèn)題：

然而，在專利文獻(xiàn)1的結(jié)構(gòu)中，雖然能夠抑制擠流區(qū)域的爆震發(fā)生，但從降低冷卻損失的觀點(diǎn)出發(fā)，理想的是在將擠流區(qū)域面也包括在內(nèi)的活塞主體的整個(gè)頂面形成絕熱層。

因此，本發(fā)明的目的是在擠流區(qū)域面上形成絕熱層，同時(shí)防止因爆震的發(fā)生而導(dǎo)致該絕熱層產(chǎn)生較大的裂縫，抑制絕熱層的損傷和剝離。

解決問(wèn)題的手段：

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明中，使活塞主體的頂面中擠流區(qū)域面的絕熱層比腔面的絕熱層薄。

即，這里公開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的絕熱結(jié)構(gòu)是在劃分出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的活塞主體的頂面設(shè)置絕熱層的結(jié)構(gòu)，所述活塞主體的頂面具備：形成所述燃燒室的腔的腔面、和形成所述燃燒室的擠流區(qū)域的擠流區(qū)域面，設(shè)置于所述擠流區(qū)域面上的絕熱層的厚度為設(shè)置于所述腔面上的絕熱層的厚度的5%以上50%以下。

本來(lái)，絕熱層的厚度越厚，絕熱性能越高。但是，當(dāng)形成于擠流區(qū)域面上的絕熱層由于爆震的影響而產(chǎn)生裂縫時(shí)，絕熱層的厚度越厚，裂縫的深度越深，進(jìn)而裂縫的大小越大。

而且，像這樣裂縫的大小越大，絕熱層的損傷越大，并且絕熱層容易從其損傷部分剝離。

根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在要求較高絕熱性能的腔面形成足夠厚的絕熱層，同時(shí)在擠流區(qū)域面形成厚度與腔面的絕熱層相比為一半以下的絕熱層，以此能夠在活塞主體的整個(gè)頂面獲得優(yōu)異的絕熱性能，并且能夠抑制擠流區(qū)域面的絕熱層上發(fā)生的裂縫的增長(zhǎng)，抑制該絕熱層的損傷和剝離。

在優(yōu)選形態(tài)中，所述絕熱層包括眾多球狀的中空粒子，和在將所述中空粒子保持于所述活塞主體的頂面的同時(shí)填滿所述中空粒子間從而形成所述絕熱層的母材的粘合劑。由此，能夠有效提高絕熱層的絕熱性能。

在優(yōu)選形態(tài)中，所述粘合劑為硅類樹(shù)脂。由此，能夠降低絕熱層的導(dǎo)熱性，同時(shí)能夠獲得活塞主體的頂面與絕熱層之間的優(yōu)異的密接性。

在優(yōu)選形態(tài)中，所述中空粒子為玻璃中空球。由此，能夠降低絕熱層的導(dǎo)熱性，同時(shí)還能提高其強(qiáng)度。

在優(yōu)選形態(tài)中，設(shè)置于所述腔面上的絕熱層的厚度為60μm以上100μm以下，設(shè)置于所述擠流區(qū)域面上的絕熱層的厚度為30μm以上50μm以下。由此，能夠在活塞主體的整個(gè)頂面獲得優(yōu)異的絕熱性能，并且能夠有效地抑制絕熱層的損傷和剝離。

在優(yōu)選形態(tài)中，設(shè)置于所述擠流區(qū)域面上的絕熱層的厚度隨著朝向所述擠流區(qū)域面中所述燃燒室外緣側(cè)的端部而逐漸變薄。由此，能夠在活塞主體的整個(gè)頂面獲得優(yōu)異的絕熱性能，并且能夠有效地抑制絕熱層的損傷和剝離。

發(fā)明效果：

如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠在活塞主體的整個(gè)頂面獲得優(yōu)異的絕熱性能，同時(shí)能夠抑制擠流區(qū)域面的絕熱層上發(fā)生的裂縫的增長(zhǎng)，抑制該絕熱層的損傷和剝離。

附圖說(shuō)明

圖1是模式化示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視圖；

圖2是示出圖1實(shí)施形態(tài)的活塞的冠面的俯視圖；

圖3是圖2的活塞的縱向剖視圖；

圖4是圖3的絕熱層的放大剖視圖；

圖5是示出設(shè)置于本發(fā)明其他實(shí)施形態(tài)的活塞主體頂面的擠流區(qū)域面上的絕熱層的放大剖視圖。

具體實(shí)施方式

以下，基于附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。以下優(yōu)選實(shí)施形態(tài)的說(shuō)明實(shí)質(zhì)上僅是例示，并非旨在限定本發(fā)明、其適用物或其用途。

＜發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)＞

圖1所示的直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)e具備：活塞1、汽缸體2、汽缸蓋3、將汽缸蓋3的進(jìn)氣道5進(jìn)行開(kāi)閉的進(jìn)氣門(mén)4，將排氣道7進(jìn)行開(kāi)閉的排氣門(mén)6、噴射器8、火花塞9?；钊?在汽缸體2的汽缸內(nèi)徑（cylinderbore）內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室由活塞1的冠面10、汽缸體2、汽缸蓋3、進(jìn)排氣門(mén)4、6的傘部前表面（面對(duì)燃燒室的面）形成。如圖1、圖2所示，活塞1的冠面10的大致中央部設(shè)置有形成燃燒室的腔的凹陷狀的腔部11。又，冠面10的外緣側(cè)存在擠流區(qū)域部12，擠流區(qū)域部12在遠(yuǎn)離燃燒室的腔的外緣側(cè)形成擠流區(qū)域。在根據(jù)本實(shí)施形態(tài)的活塞1的冠面10中，擠流區(qū)域部12由擠流區(qū)域部12a、12b、12c、12d構(gòu)成。

＜絕熱層＞

如圖3所示，活塞1具備作為該活塞1的基材的活塞主體19、以及從降低發(fā)動(dòng)機(jī)e的燃燒室的冷卻損失的觀點(diǎn)出發(fā)設(shè)置于活塞主體19的頂面的絕熱層21。

活塞主體19是實(shí)施t7處理或t6處理后得到的鋁合金制成的?；钊黧w19的頂面具備構(gòu)成上述腔部11的腔面11’、和構(gòu)成上述擠流區(qū)域部12的擠流區(qū)域面12’。

如圖4所示，絕熱層21是包括中空粒子31和粘合劑材料（粘合劑；binder）32的層。

即，絕熱層21包括粘合劑材料32以及分散于其中的眾多中空粒子31。粘合劑材料32將中空粒子31保持在活塞主體19的頂面，同時(shí)填滿中空粒子31間從而形成絕熱層21的母材。粘合劑材料32例如是硅類樹(shù)脂等低導(dǎo)熱性材料，同時(shí)中空粒子31的內(nèi)部空間內(nèi)含有導(dǎo)熱性較低的空氣。因此，絕熱層21為低導(dǎo)熱性的層。

作為中空粒子31，優(yōu)選采用含有二氧化硅中空球（silicaballoon)、玻璃中空球、白砂中空球、粉煤灰中空球、氣凝膠中空球等si系氧化物成分（例如二氧化硅（sio2））或al系氧化物成分（例如氧化鋁（al2o3））的陶瓷類中空粒子，尤其優(yōu)選采用玻璃中空球。由此，能夠降低絕熱層21的導(dǎo)熱性，同時(shí)還能提高其強(qiáng)度。

另外，中空粒子31優(yōu)選為球狀。從改善絕熱層21的絕熱性的觀點(diǎn)出發(fā)，中空粒子31的平均粒徑優(yōu)選5μm以上50μm以下，更優(yōu)選10μm以上45μm以下，尤其優(yōu)選15μm以上40μm以下。從改善絕熱層21的絕熱性的觀點(diǎn)出發(fā)，絕熱層21中的中空粒子31的含量?jī)?yōu)選5質(zhì)量%以上50質(zhì)量%以下，更優(yōu)選10質(zhì)量%以上45質(zhì)量%以下，尤其優(yōu)選15質(zhì)量%以上40質(zhì)量%以下。

粘合劑材料32可以使用作為低導(dǎo)熱性材料的硅類樹(shù)脂，例如，可優(yōu)選使用由以甲基硅樹(shù)脂、甲基苯基硅樹(shù)脂為代表的支化度較高的三維聚合物構(gòu)成的硅類樹(shù)脂。作為硅類樹(shù)脂的具體例子，例如可以舉出聚烷基苯基硅氧烷。由此，能夠降低絕熱層21的導(dǎo)熱性，同時(shí)能夠獲得活塞主體19的頂面與絕熱層21之間的優(yōu)異的密接性。

在這里，根據(jù)本實(shí)施形態(tài)的絕熱層21中，設(shè)置于上述擠流區(qū)域面12’的絕熱層21b的厚度比設(shè)置于上述腔面11’的絕熱層21a的厚度薄。具體而言，例如，擠流區(qū)域面12’的絕熱層21b的厚度為腔面11’的絕熱層21a的厚度的5%以上50%以下，優(yōu)選20%以上60%以下，更優(yōu)選25%以上55%以下，尤其優(yōu)選30%以上50%以下。

從獲得優(yōu)異的絕熱性能的觀點(diǎn)出發(fā)，期望絕熱層21較厚，但在擠流區(qū)域中，如上所述能發(fā)生爆震從而使絕熱層21出現(xiàn)裂縫。絕熱層21的厚度越厚，該裂縫行進(jìn)得越深，由此，絕熱層21表面附近的開(kāi)裂部分可能擴(kuò)大。而且，從變大后的裂縫部分發(fā)生絕熱層21的剝離，絕熱性能喪失。

根據(jù)本結(jié)構(gòu)，在想要獲得較高絕熱性能的腔面11’上形成足夠厚的絕熱層21a，同時(shí)在擠流區(qū)域面12’上形成厚度與腔面11’的絕熱層21a相比為一半左右或其以下的絕熱層21b，以此能夠在活塞主體19的整個(gè)頂面獲得優(yōu)異的絕熱性能，并且能夠使擠流區(qū)域面12’的絕熱層21b上產(chǎn)生的裂縫變小，能夠抑制該絕熱層21b的損傷和剝離。

從獲得優(yōu)異的絕熱性能的觀點(diǎn)出發(fā)，腔面11’的絕熱層21a的厚度優(yōu)選40μm以上150μm以下，更優(yōu)選50μm以上120μm以下，尤其優(yōu)選60μm以上100μm以下。

又，從維持較高絕熱性能同時(shí)防止絕熱層21b的破損和剝離的觀點(diǎn)出發(fā)，擠流區(qū)域面12’的絕熱層21b的厚度優(yōu)選15μm以上100μm以下，更優(yōu)選25μm以上75μm以下，尤其優(yōu)選30μm以上50μm以下。

另外，設(shè)置于除腔面11’以及擠流區(qū)域面12’以外的頂面上的絕熱層21的厚度可以形成為與腔面11’上的絕熱層21a相同，或者比腔面11’上的絕熱層21a薄且比擠流區(qū)域面12’上的絕熱層21b厚的結(jié)構(gòu)。例如，亦可如圖3所示，形成為隨著接近擠流區(qū)域面12’而逐漸變薄的結(jié)構(gòu)。由此，能夠在活塞主體19的整個(gè)頂面獲得優(yōu)異的絕熱性能。

又，亦可如圖5所示，設(shè)置于擠流區(qū)域面12’的絕熱層21b的厚度形成為隨著朝向擠流區(qū)域面12’中燃燒室外緣側(cè)的端部而逐漸變薄的結(jié)構(gòu)。由此，能夠在活塞主體19的整個(gè)頂面獲得優(yōu)異的絕熱性能，同時(shí)能夠有效地抑制絕熱層21的損傷和剝離。

＜絕熱層的形成方法＞

準(zhǔn)備活塞主體19和用于形成絕熱層21的絕熱材料。

關(guān)于活塞主體19，在其頂面形成用于形成腔的凹部，并通過(guò)脫脂處理除去附著在活塞主體19的頂面上的油脂或指紋等污垢。

又，準(zhǔn)備將作為粘合劑材料32的液態(tài)硅樹(shù)脂和作為中空粒子31的玻璃中空球進(jìn)行攪拌和混合后得到的絕熱材料。根據(jù)需要添加增稠劑或稀釋溶劑來(lái)調(diào)節(jié)絕熱材料的粘度。

為了提高活塞主體19與絕熱材料，尤其是與硅樹(shù)脂之間的粘著力，優(yōu)選對(duì)活塞主體19的頂面實(shí)施粗化處理。作為粗化處理，例如優(yōu)選進(jìn)行噴砂等噴磨處理。例如，噴磨處理可以在使用鼓風(fēng)裝置，用粒度#30的氧化鋁作為磨料，圧力0.39mpa，時(shí)間45秒，距離100mm的處理?xiàng)l件下進(jìn)行。另外，不限于此，在活塞主體19由al合金構(gòu)成的情況下，亦可通過(guò)氧化鋁膜處理在活塞主體19的頂面形成微小凹凸。例如，氧化鋁膜處理可以在使用草酸浴，浴溫20℃，電流密度2a／dm2，時(shí)間20分鐘的處理?xiàng)l件下進(jìn)行。

然后，用噴霧器或毛刷等將絕熱材料涂布在活塞主體19的頂面上。接著，通過(guò)熱風(fēng)干燥、紅外線加熱等進(jìn)行被涂布的絕熱材料的預(yù)干燥。

而且，根據(jù)需要，重復(fù)該涂布和預(yù)干燥（重復(fù)涂覆），制成期望的涂布厚度。

本實(shí)施形態(tài)中，在活塞主體19的腔面11’和擠流區(qū)域面12’中，絕熱層21的厚度不同。這可以通過(guò)僅使腔面11的上述絕熱材料的重復(fù)涂覆次數(shù)多于擠流區(qū)域面12’的重復(fù)涂覆次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

具體而言，例如可以通過(guò)首先對(duì)活塞主體19的整個(gè)頂面進(jìn)行所需次數(shù)的重復(fù)涂覆，然后僅對(duì)流區(qū)域面12’進(jìn)行遮蔽（masking），并對(duì)除擠流區(qū)域面12’以外的腔面11’等再次進(jìn)行所需次數(shù)的重復(fù)涂覆以此進(jìn)行。另外，上述遮蔽可以用遮蔽膠帶或樹(shù)脂類的遮蔽膜進(jìn)行。又，上述遮蔽可以在后述燒成處理中燒毀。

又，在使擠流區(qū)域面12’的絕熱層21b的厚度隨著朝向燃燒室外緣側(cè)的端部而逐漸變薄的情況下，控制噴霧器的方向即可。具體而言，例如以從腔面11’側(cè)朝向擠流區(qū)域面12’側(cè)地噴出絕熱材料的形式設(shè)定噴霧器的噴嘴位置和方向。由此，在擠流區(qū)域面12’中更靠近噴嘴的腔面11’側(cè)的位置，絕熱材料的附著量較多，另一方面，在遠(yuǎn)離噴嘴的燃燒室外緣側(cè)的端部，絕熱材料的附著量較少。于是，可以獲得在擠流區(qū)域面12’中隨著朝向端部而逐漸變薄地構(gòu)成的絕熱層21b。

接著，對(duì)涂布于活塞主體19的頂面的絕熱材料，例如在180℃左右的溫度下進(jìn)行數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)的加熱處理。由此，硅樹(shù)脂（粘合劑）硬化，眾多中空粒子31被緊密填充，從而獲得這些粒子間由粘合劑材料32填滿的絕熱層21。

又，作為絕熱材料的涂布方法的一種形態(tài)，可以將絕熱材料置于活塞主體19的頂面，借助于具有仿照活塞主體19頂面形狀的成形面的成形模將絕熱材料按壓于活塞頂面并在整個(gè)頂面上擴(kuò)展。在本實(shí)施形態(tài)中，可以以使擠流區(qū)域面12’的絕熱層21b的厚度比腔面的絕熱層21a的厚度薄的形式，形成成形模的成形面。又，如圖5所示，為了以隨著朝向擠流區(qū)域面12’中的端部而逐漸變薄的形式形成絕熱層21b，可以在成形模中與擠流區(qū)域面12’相對(duì)應(yīng)的部分增加傾斜。另外，根據(jù)該方法，通過(guò)在成形過(guò)程中加熱成形模，還能同時(shí)進(jìn)行絕熱層21的燒成。由此，能夠簡(jiǎn)化絕熱層21的制備工序。又，在同時(shí)進(jìn)行絕熱層21的燒成的情況下，可以將活塞主體19形成為例如通過(guò)從活塞裙部（pistonskirt）內(nèi)側(cè)進(jìn)行水冷或空冷等方法來(lái)進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)。由此，能夠提高絕熱層21與活塞主體19的頂面之間的密接性。

工業(yè)應(yīng)用性：

本發(fā)明中，在活塞主體頂面的擠流區(qū)域面形成絕熱層，同時(shí)能夠防止該絕熱層上產(chǎn)生較大裂縫，能夠抑制絕熱層的損傷和剝離，因此極為有用。

符號(hào)說(shuō)明：

1　活塞；

11’　腔面；

12’　擠流區(qū)域面；

19　活塞主體；

21、21a、21b　絕熱層；

31中空粒子；

32粘合劑材料（粘合劑）；

e　發(fā)動(dòng)機(jī)。