部件表面的绝热层及其制造方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201480021894.0 | 申请日 | 2014-09-04 | 公开(公告)号 | CN105121824A | 公开(公告)日 | 2015-12-02 |
| 申请人 | 马自达汽车株式会社; | 发明人 | 角岛信司; 南场智; 坂手宣夫; 井上博文; | ||||
| 摘要 | 设置在面向 发动机 燃烧室 的部件(19)的表面上的绝 热层 (21)含有由无机 氧 化物形成的中空微粒(23)、填充材料(25)以及以 硅 酸为主要成分的玻璃材料(27)。玻璃材料(27)呈非粉末状态， 覆盖 中空微粒(23)和填充材料(25)且使中空微粒(23)和填充材料(25)结合。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种部件表面的绝热层，其设置在部件表面上，其特征在于： |
||||||
| 说明书全文 | 部件表面的绝热层及其制造方法技术领域[0001] 本发明涉及一种设置在部件表面上的绝热层及其制造方法。 背景技术[0002] 在二十世纪八十年代，作为一种提高发动机的热效率的方法，有人提出了将绝热层设置在面向发动机燃烧室的部分上。之后，又有人提出了由陶瓷烧结体形成的绝热层或者由热喷涂层形成的绝热层。其中，该由热喷涂层形成的绝热层中含有低导热性氧化锆(ZrO2)微粒。 [0003] 然而，如果使用陶瓷烧结体则会出现以下问题：热应力和热冲击导致产生龟裂，龟裂发展导致产生剥离。因此，特别是，将由陶瓷烧结体形成的绝热层应用到活塞的顶面、缸套的内周面和气缸盖的下表面等具有较大面积的部分上这样的发动机，尚未进入实用阶段。 [0005] 例如，专利文献1中公开了以下发明内容：在发动机部件的面向燃烧室的表面上形成凹凸，向该凹部热喷涂以ZrO2为主要成分的低导热材料将该凹部填充起来。专利文献2中公开了一种内燃机，该内燃机中形成有绝热膜，该绝热膜中含有形成为粒状的大量的第一绝热材料、形成为膜状的第二绝热材料以及补强用纤维材料。该专利文献2中还公开了以下发明内容：第二绝热材料的具体使用例如下：氧化锆(ZrO2)、硅、钛或者锆等陶瓷、以碳和氧为主要成分的陶瓷或者具有高强度且高耐热性的陶瓷纤维等，而且还可以将上述材料组合起来使用。 [0006] 专利文献1：日本公开专利公报2005-146925号公报 [0007] 专利文献2：日本公开专利公报2009-243352号公报 发明内容[0008] -发明要解决的技术问题- [0009] 然而，专利文献1中公开的热喷涂层、专利文献2中公开的陶瓷等绝热材料都是微粒(粉末)间彼此结合(bond)而成，故微粒之间具有间隙，上述热喷涂层和绝热材料呈多孔状。因此，在将燃料直接喷向燃烧室的、所谓的直喷式发动机中，如果雾状喷出的燃料到达活塞表面，该燃料就会通过上述间隙浸入绝热层，也就不会再对燃烧做贡献了。如果浸入的燃料逐渐地碳化而作为积碳(carbon deposit)残留下来，则会出现以下问题：绝热层的导热系数增大，从而会导致功能下降。 [0010] 近年来，作为用于提高发动机的燃油效率的燃烧方式备受关注且研发也比较火热的是，在直喷式汽油发动机中进行的均质充量压缩点火(HCCI：homogeneous-charge compression ignition)燃烧。但是，因为该HCCI燃烧的燃烧温度低，所以就要求通过抑制发动机的冷却损失来提高热效率。因此，就要求在面向发动机燃烧室的、例如活塞、气缸盖、阀以及缸套等部件的表面上形成具有高绝热性能的绝热层。 [0011] 本发明正是鉴于上述问题而完成的。其目的在于提供一种绝热层。当将该绝热层设置在例如面向发动机燃烧室的部件上时，能够防止燃料浸入，从而能够长期地维持高绝热性。因此能够提高发动机的热效率。 [0012] -用以解决技术问题的技术方案- [0013] 为达成上述目的，在本发明中，作为部件表面的绝热层的材料使用了呈非粉末状态的玻璃材料(vitreous material)。 [0014] 具体而言，本发明所涉及的部件表面的绝热层包括由无机氧化物形成的中空微粒、填充材料以及以硅酸为主要成分的玻璃材料。该玻璃材料呈非粉末状态，该玻璃材料覆盖中空微粒和填充材料且使中空微粒和填充材料彼此结合。 [0015] 根据本发明所涉及的部件表面的绝热层，因为玻璃材料覆盖中空微粒和填充材料且使中空微粒和填充材料彼此结合，所以能够使成为一种中空微粒之间的间隙、中空微粒和填充材料之间的间隙被填埋起来的状态。而且，因为玻璃材料呈非粉末状态，所以与多孔状的所述热喷涂层、氧化锆等陶瓷层不同，玻璃材料本身无间隙。因此，在例如将绝热层设置在面向发动机燃烧室的部件表面上时，能够防止向发动机燃烧室喷射的燃料浸入绝热层内。其结果是，能够防止浸入的燃料引起积碳，从而能够防止绝热性能下降。因此能够提高发动机的热效率。 [0016] 优选，在本发明所涉及的部件表面的绝热层中，中空微粒、填充材料、玻璃材料的体积比(vol％)在以下范围内，中空微粒：填充材料∶玻璃材料＝40-75∶1-5∶23-58。 [0017] 这样做以后，作为绝热层的成分的中空微粒的体积比大，故绝热层内能够含有大量的空气层。因此能够降低绝热层的导热系数，从而能够提高绝热层的绝热性能。而且，通过将中空微粒在绝热层中的体积比设定在75vol％以下，能够充分地确保用于使中空微粒彼此结合的玻璃材料的量，从而能够形成具有耐久性的膜。 [0018] 优选，在不用体积比(vol％)而用质量比(mass％)表示中空微粒、填充材料、玻璃材料的量比的情况下，玻璃材料的质量比最大，且中空微粒、填充材料、玻璃材料的质量比在以下范围内，中空微粒：填充材料∶玻璃材料＝17-48∶5-14∶44-75。 [0019] 这样做以后，如上所述，能够降低绝热层的导热系数，从而能够提高绝热层的绝热性能。而且，能够充分地确保玻璃材料的量，从而能够形成具有耐久性的膜。 [0020] 优选，本发明所涉及的部件表面的绝热层的导热系数在0.15W/m·K以上且0.4W/m·K以下的范围内。 [0022] 在将具有这样的低导热系数或者低体积比热的绝热层设置在面向发动机燃烧室的部件表面上的情况下，能够增大燃烧室内的热损失抑制效果。需要说明的是，具有低体积比热的绝热层的温度在发动机的进气行程中由于进气而变低，所以具有低体积比热的绝热层能够解决进气填充量变少的问题，从而能够提高热效率。 [0024] 如果中空微粒的中值粒径在5μm以上，则能够增大该微粒内所含有的空气量。另一方面，如果将中空微粒的中值粒径设定在30μm以下，则能够增多相对于绝热层的厚度所能够含有的微粒量，从而能够获得具备高绝热性能所需要的空气层的量。还有，如果将中空微粒的中值粒径设定在30μm以下，则能够减小绝热层的表面粗糙度。例如，当将绝热层设置在面向发动机燃烧室的部件表面上时，能够防止绝热层的表面温度的局部上升，从而能够防止发动机的异常燃烧和绝热层的热损失。 [0025] 可以是这样的，在本发明所涉及的部件表面的绝热层中，填充材料至少由纤维状无机氧化物和过度金属氧化物中之一形成。 [0026] 纤维状无机氧化物会提高绝热层的强度，抑制龟裂产生。过度金属氧化物有助于提高绝热层的硬度。 [0027] 本发明所涉及的部件表面的绝热层的制造方法包括以下工序：准备形成绝热层的部件；对含有通过热处理而成为玻璃材料的前体的溶液、中空微粒、填充材料进行混合；将混合得到的混合物涂布在面向发动机燃烧室的部件表面上；以及在90℃以上且160℃以下的温度下对涂布的混合物进行40分钟以内的热处理，由此让前体转变成玻璃材料。 [0028] 根据本发明所涉及的部件表面的绝热层的制造方法，能够在部件表面上形成含有中空微粒、填充材料以及以硅酸为主要成分的玻璃材料的绝热层。因为所得到的绝热层通过对玻璃前体溶液、中空微粒以及填充材料的混合液进行热处理而让前体转变成玻璃材料，所以玻璃材料覆盖中空微粒和填充微粒且使中空微粒和填充微粒结合。其结果是，能够使成为一种用玻璃材料将中空微粒间的间隙、中空微粒和填充材料间的间隙填埋起来的这样的状态。而且，在所得到的绝热层中，玻璃材料是通过对该前体溶液加热使其固化而得到的。亦即，因为玻璃材料呈非粉末状态，所以玻璃材料本身无间隙。因此，在将绝热层设置在例如面向发动机燃烧室的部件表面上时，能够防止燃料浸入绝热层。结果是，能够防止浸入的燃料引起积碳，从而能够防止绝热性能下降。因此能够获得能够提高发动机的热效率的绝热层。 [0029] 在本发明所涉及的部件表面的绝热层的制造方法中，作为前体能够使用硅醇盐。 [0030] -发明的效果- [0031] 根据本发明所涉及的部件表面的绝热层，当将该绝热层设置在例如面向发动机燃烧室的部件表面上时，能够防止燃料浸入绝热层，从而能够长期地维持高绝热性。结果是能够提高发动机的热效率。而且，根据本发明所涉及的部件表面的绝热层的制造方法，能够制成能收到上述效果的绝热层。附图说明 [0032] 图1是表示本发明的实施方式所涉及的发动机构造的剖视图。 [0033] 图2是表示本发明的实施方式所涉及的面向发动机燃烧室的部件表面上的绝热层的剖视图。 [0034] 图3是表示本发明的实施方式所涉及的面向发动机燃烧室的部件表面上的绝热层的放大剖视图。 [0035] 图4是表示制造本发明的实施方式所涉及的面向发动机燃烧室的部件表面上的绝热层的制造方法的流程图。 [0036] 图5是表示中空微粒在绝热层中的含量、绝热层的导热系数以及体积比热之间的关系的曲线图。 具体实施方式[0037] 下面参照附图说明本发明的实施方式。以下优选实施方式不过是从本质上说明本发明的示例而已，并无限制本发明、本发明的适用方法或者本发明的用途的意图。 [0038] 本实施方式是将本发明应用到面向图1所示的发动机的燃烧室的部件上以后而得到的。 [0039] <发动机的特征> [0040] 在图1所示的直喷式发动机E中，符号1表示活塞，符号3表示气缸体、符号5表示气缸盖，符号7表示打开和关闭气缸盖5的进气口9的进气阀，符号11表示打开和关闭排气口13的排气阀，符号15表示燃料喷射阀。发动机的燃烧室由活塞1的顶面、气缸体3、气缸盖5、进排气阀7、11的阀顶面(面向燃烧室的面)形成。在活塞1的顶面形成有腔室17。需要说明的是，省略图示火花塞和缸套。 [0041] 众所周知，理论上的几何压缩比越高或者工作气体的空气过剩率越大，发动机的热效率越高。但是，实际上，压缩比越大或者空气过剩率越大，冷却损失就越大，因此靠增大压缩比和空气过剩率来改善热效率这条路已走到尽头了。 [0042] 亦即，冷却损失取决于工作气体向发动机燃烧室壁传热的传热系数(heat transfer coefficient)、传热面积以及气体温度和壁温的温度差。因此，在发动机燃烧室中，在发动机部件的金属母材的表面上形成的是由导热系数低于该金属母材的材料形成的绝热层。 [0043] <绝热层的结构> [0044] 接下来，参照图2、图3对形成在面向发动机燃烧室的部件表面上的绝热层的结构进行说明。在本实施方式中，对形成在所述活塞的顶面上的绝热层做说明。其中所述活塞的顶面是面向发动机燃烧室的部件表面。但是，也能够让形成在气缸体等其它的面向发动机燃烧室的部件表面上的绝热层采用同样的结构。 [0045] 如图2所示，在作为发动机部件的活塞本体19的顶面19a(面向发动机燃烧室的部件表面)上形成有绝热层21。在活塞本体19的顶面19a的中央部位形成有凹陷部，该凹陷部与所述腔室17相对应，绝热层21的形状和该顶面19a的形状一样且其厚度很均匀。本实施方式中的活塞本体19是经过了T6处理的铝合金件。活塞本体19的形成有绝热层 21的顶面19a经过了喷砂处理和阳极氧化处理(氧化铝膜处理)等粗面化处理。这样一来，就在活塞本体19的顶面19a上形成了凹凸，从而能够提高活塞本体19和绝热层21之间的密接性(adhesiveness)。其结果是，能够防止绝热层21从活塞本体19上剥离。需要说明的是，只要是能够提高活塞本体19和绝热层21之间的密接性的处理，其它方法也是可以采用的，例如可以对活塞本体19的顶面19a进行化学转换处理(chemical conversion process)。 [0046] 如图3所示，本实施方式的绝热层21中含有由无机氧化物形成的中空微粒23、填充材料25以及以硅酸为主要成分的玻璃材料27。绝热层21呈玻璃材料27覆盖中空微粒23和填充材料25且使中空微粒23和填充材料25结合的层构造。玻璃材料27以填埋中空微粒23之间的间隙、中空微粒23和填充材料25之间的间隙的方式使它们结合。而且，玻璃材料27呈非粉末状态，玻璃材料27本身形成得无间隙。因此，中空微粒23之间以及玻璃材料27本身没有燃料能够通过的间隙。其结果是，能够防止向发动机燃烧室喷射的燃料浸入绝热层21。 [0047] 在本实施方式中，作为由无机氧化物形成的中空微粒23优选使用以下陶瓷类中空微粒。该陶瓷类中空微粒包括飞灰空心球(fly ash balloons)、白砂灰球(shirasu balloons)、硅胶气球(silica balloons)和气凝胶气球(aerogel balloons)等硅类氧化物成分(例如二氧化硅(SiO2))或者Al类氧化物成分(例如氧化铝(Al2O3))。各种材质及粒径示于表1。 [0048] 【表1】 [0049]中空微粒的种类 材料 粒径(μm) 飞灰空心球 SiO2，Al2O3 1～300 白砂灰球 SiO2，Al2O3 5～600 硅胶气球 SiO2，Al2O3 0.09～0.11 气凝胶气球 SiO2 0.02～0.05 [0050] 例如，飞灰空心球的化学成分如下：SiO2：40.1-74.4％，Al2O3：15.7-35.2％，Fe2O3：1.4-17.5％，MgO：0.2-7.4％，CaO：0.3-10.1％(以上为质量％)。白砂灰球的化学成分如下：SiO2：75-77％，Al2O3：12-14％，Fe2O3：1-2％，Na2O：3-4％，K2O：2-4％，IgLoss：2-5％(以上为质量％)。需要说明的是，优选，中空微粒23的中值粒径(D50)在5μm以上且30μm以下。如果中空微粒的中值粒径在5μm以上，则能够增大该微粒内所含有的空气量。另一方面，如果将中空微粒的中值粒径设定在30μm以下，则能够增多相对于绝热层的厚度能够含有的微粒量，从而能够获得为具备高绝热性能所需要的空气层的量。还有，如果将中空微粒的中值粒径设定在30μm以下，则能够减小绝热层的表面粗糙度，从而能够防止表面温度的局部上升。结果是能够防止发动机的异常燃烧和绝热层的热损失。 [0051] 优选，在绝热层21中以40vol％以上且75vol％以下的体积比含有这样的中空微粒23。而且，优选，在绝热层21中以17mass％以上且48mass％以下的质量比含有中空微粒23。这样做以后，作为绝热层21的成分的中空微粒23的含量就在40vol％以上或者17mass％以上，较大，故能够在绝热层21内含有很多空气层。因此，能够减小绝热层21的导热系数和体积比热，提高绝热层21的绝热性能。而且，通过将绝热层21内的中空微粒23的体积比设定在75vol％以下或者质量比设定在48mass％以下，则能够充分地确保使中空微粒23相互结合的玻璃材料27的量，从而能够形成具有耐久性的膜。优选，通过这样调节中空微粒23在绝热层21内的含量，来获得具有0.15W/m·K以上且0.4W/m·K以下的低导热系数或者具有400kJ/m3·K以上且1300kJ/m3·K以下的低体积比热的绝热层21。中空微粒23在绝热层21内的含量与绝热层21的导热系数和体积比热之间的关系后面详述。 [0052] 优选，当中空微粒23在绝热层21中的含量在上述范围内时，在绝热层21中以1vol％以上且5vol％以下的体积比含有填充材料25，且优选，在绝热层21中以23vol％以上且58vol％以下的体积比含有玻璃材料27。而且，优选，在绝热层21中以5mass％以上且14mass％以下的质量比含有填充材料25，且优选，在绝热层21中以44mass％以上且 75mass％以下的质量比含有玻璃材料27。填充材料25为补强绝热层21而含在绝热层21中，优选，该填充材料25由高强度且高耐热性材料形成。例如纤维状无机氧化物和过度金属氧化物非常适合作填充材料用。玻璃材料27用于使中空微粒23彼此结合、中空微粒23和填充材料25结合而构成绝热层21，只要在绝热层21中以23vol％以上或者44mass％以上的含量含有该玻璃材料27，就能够使中空微粒23彼此之间充分地结合，使中空微粒23和填充材料25充分地结合，从而能够形成具有耐久性的膜。通过将玻璃材料27在绝热层21中的体积比设定在58vol％以下或者玻璃材料27在绝热层21中的质量比设定在75mass％以下，则能够充分地确保为提高绝热性能的中空微粒23的量，从而能够得到高绝热性的绝热层21。 [0053] <绝热层的制造方法> [0054] 接下来，参照图4，对在面向发动机燃烧室的部件表面即活塞的顶面上形成上述绝热层的方法做说明。需要说明的是，下面说明的是在活塞本体的顶面形成绝热层的方法。但是，在气缸体等其它发动机部件中能够利用和活塞本体一样的方法形成绝热层。 [0055] 首先，准备发动机部件即铝合金活塞本体(基材)(步骤S1)。通过对该活塞本体进行脱脂处理将附着在应该形成绝热层的表面上的油脂、指纹等脏东西除去。为提高活塞本体和绝热层之间的粘接力，优选对活塞本体的顶面进行粗面化处理(表面处理)(步骤S2)。作为表面处理，优选例如进行喷砂等喷砂处理。例如，喷砂处理能够在压力0.39MPa、时间45秒、距离100mm的处理条件下进行，使用鼓风装置，作为投射材料使用粒度#30的氧化铝。除此以外，还可以通过进行阳极氧化处理来提高活塞本体和绝热层之间的粘接性。例2 如，阳极氧化处理能够在浴温20℃、电流密度2A/dm、时间20分钟的处理条件下利用草酸浴进行。需要说明的是，表面处理并不限于此，还可以是例如化学转换处理等。 [0056] 准备作为绝热层材料的中空微粒、填充材料和玻璃前体溶液(步骤S3)。例如，作为中空微粒，能够使用上述白砂灰球、硅胶气球等。作为填充材料，能够使用纤维状无机氧化物和过度金属氧化物等。具体而言，钛酸钾纤维非常适合作填充材料用。作为玻璃前体，只要是能够通过热处理得到以硅酸为主要成分的玻璃材料的材料即可，例如可以使用硅醇盐溶液(例如G-90，izumo inc.股份公司制)等。准备好上述材料以后，将这些材料混合搅拌后而调制出混合液(步骤S4)。 [0057] 如上所述，准备活塞本体并调制出上述材料混合而成的混合液以后，通过喷射和旋转涂布将混合液涂布在活塞本体的顶面(步骤S5)上，或者将混合液刷在活塞本体的顶面(步骤S5)上。 [0058] 之后，通过对所涂布的混合液进行热处理而让玻璃前体作为玻璃材料固化(步骤S6)。这里进行的热处理是一种在90℃以上且160℃以下的温度下对所涂布的混合物进行40分钟以内的热处理。热处理条件能够根据玻璃前体的材料在上述范围内适当地调节。例如，在使用上述izumo inc.股份公司制G-90的情况下，首先，在100℃左右的温度下进行约10分钟的热处理来除去混合液中的溶剂、水分后并使其干燥，之后再在150℃左右的温度下进行约30分钟的热处理，让玻璃前体作为以硅酸为主要成分的玻璃材料固化。 [0059] 如上所述，能够在面向发动机燃烧室的部件表面即活塞本体的顶面形成含有中空微粒、填充材料及玻璃材料的绝热层。在这样得到的绝热层中，玻璃材料呈通过对玻璃前体溶液进行热处理而玻璃化的非粉末状态，将中空微粒之间的间隙、中空微粒和填充材料之间的间隙填埋起来而使它们彼此结合。因此，该绝热层不是多孔状，能够防止燃料浸入，从而能够长期地维持绝热性。因此能够提高发动机的热效率。 [0060] <绝热层的性能试验> [0061] 下面，对按照上述制造方法制成的本实施方式所涉及的面向发动机燃烧室的部件表面的绝热层中所含有的中空微粒的含量与绝热层的导热系数和体积比热之间的关系进行了分析后的分析结果做说明。这里，制成了不同的绝热层，这些不同的绝热层中所含有的中空微粒的含量在0vol％到75vol％这一范围内，对该中空微粒的含量的不同所带来的导热系数和体积比热的不同进行了比较。具体而言，制作了五种绝热层，每一种绝热层中所含有的中空微粒的体积比分别为0vol％、40vol％、60.7vol％、67.8vol％和75vol％。此时，在绝热层中的中空微粒以外的残余部分，将填充材料和玻璃材料的含量调节成：以体积比计，填充材料∶玻璃材料＝7∶93，为一定值。 [0062] 作为用于制作绝热层的材料，中空微粒使用的是上述白砂灰球，填充材料使用的是钛酸钾纤维，玻璃前体使用的是由硅醇盐形成的G-90，(izumo inc.股份公司制)，利用上述制造方法得到了绝热层。需要说明的是，绝热层形成在铝合金基材上。 [0063] 测量了所得到的每一种绝热层的热扩散率(m2/s)、密度(kg/m3)以及重量比热(kJ/kg·K)。测量方法都是常用的方法。具体而言，用激光闪光法(laser flash method)测量了热扩散率，用阿基米德法测量了密度，用差示扫描量热法(DSC法)测量了重量比热。3 需要说明的是，测量是在25℃的条件下进行的。根据上述测量结果，从体积比热(kJ/m·K)＝密度×热扩散率和导热系数(W/m·K)＝热扩散率×密度×重量比热的公式中算出了体积比热和导热系数。结果示于图5。 [0064] 如图5所示，绝热层的导热系数和体积比热随着绝热层中所含有的中空微粒的含量增加而减小。具体而言，在绝热层中不含中空微粒的情况下(0vol％)，导热系数为3 0.63W/m·K，体积比热为2159kJ/m·K。但是，如果将中空微粒的含量增加到40vol％，导 3 热系数就是0.4W/m·K，体积比热就减小到1300kJ/m·K。如果将绝热层中所含有的中空 3 微粒的含量增大到75vol％，导热系数就是0.15W/m·K，体积比热就减小到400kJ/m·K。 [0065] 在活塞顶面上形成上述中空微粒的含量为60.7vol％的绝热层(厚度约75μm)，将该活塞安装到大批量生产汽油发动机上进行了高速加减速模式下的耐久性试验，确认得知无绝热层的剥离，耐久可靠性也高。 [0066] 因此具有以下暗示：根据本发明，通过在绝热层中含有中空微粒，就能够得到导热系数和体积比热低、绝热性能高且耐久性高的绝热层。 [0067] 本发明并不限于在面向发动机的燃烧室的部件上使用，在产业或民用的各种部件表面上形成绝热层时，都可以采用本发明。 [0068] -符号说明- [0069] 1 活塞 [0070] 3 气缸体 [0071] 5 气缸盖 [0072] 7 进气阀 [0073] 11 排气阀 [0074] 19 活塞本体 [0075] 19a 顶面 [0076] 21 绝热层 [0077] 23 中空微粒 [0078] 25 填充材料 [0079] 27 玻璃材料 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈