发动机燃烧室结构及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201080026269.7 | 申请日 | 2010-04-14 | 公开(公告)号 | CN102459838A | 公开(公告)日 | 2012-05-16 |
| 申请人 | 丰田自动车株式会社; | 发明人 | 酒井武信; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的目的在于将低导热系数·低 热容 且没有剥离·脱落等的耐久性·可靠性优异的膜提供给 发动机 燃烧室 以提高发动机的热效率。本发明提供一种发动机燃烧室结构及其制法，所述发动机燃烧室结构的特征在于，在发动机燃烧室的内表面形成膜厚为大于20μm且500μm以下并且空孔率为20％以上的 阳极 氧 化 皮膜。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种发动机燃烧室结构，其特征在于，在发动机燃烧室的内表面形成膜厚为大于 |
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| 说明书全文 | 发动机燃烧室结构及其制造方法技术领域背景技术[0003] 当发动机的热效率提高时，具有燃油效率提高、排气温度升高所产生的催化剂活性升高的效果。因此，现在还持续努力提高发动机的热效率。 [0004] 为了提高发动机的热效率，首先考虑不损失燃烧中的热。因此，期望在膨胀(燃烧)冲程中燃烧室内的温度高。此时，燃烧室的壁面所需要的特性是导热系数小、即绝热性高。作为以往研究的绝热方法，有涂布了陶瓷的发动机、或用陶瓷构成燃烧室本身并将其背面作为空气层而实现绝热化的发动机。该方法的特征是：因壁面的隔热化而减少从燃烧室向冷却水的热损失，通过活塞作功或涡轮增压器回收该能量而实现热效率的提高。 [0005] 但是，如果过于提高绝热性，则燃烧室壁温上升而加热工作气体，导致吸气效率的劣化和NOx排出量的增加。另外，存在因为隔热层是高温，所以润滑方面产生问题的课题。 [0006] 因此，在吸气冲程中需要不升高燃烧室壁温的隔热方法。具体而言，是如下技术：在燃烧室壁面形成作为材料特性的低导热系数·低热容的隔热膜，通过根据气体温度而改变壁表面温度(吸气时低温、燃烧时高温)来减少燃烧气体与壁面的温度差，同时进行吸气加热的防止和热损失减少。 [0007] 基于上述考虑，为了同时进行热损失减少和吸气气体过热的防止，非专利文献 1(Victor W.Wong et al，“Assessment of Thin Thermal Barrier Coatings for I.C.Engines”，Society of Automobile Engineers Document Number：950980，Date Published：February 1995)中记载了在燃烧室壁面形成低导热系数·低热容的薄膜材料的技术。作为具体的薄膜材料，记载有ZrO2的喷镀膜。但是，ZrO2的喷镀膜容易发生剥离、脱落，遗留有耐久性·可靠性不足的问题。 [0008] 但是，伴随着近年来发动机的高输出功率化，燃烧室内的温度变高，因而存在燃烧室中局部热负荷变高的趋势，这有时会导致构成燃烧室的构件发生热变形、龟裂。 [0010] 另外，为了减少龟裂，专利文献2(日本特开平1-43145号说明书)中记载了：在构成燃烧室的一部分的活塞顶部利用阳极氧化形成防蚀铝层，进而利用喷镀形成陶瓷层，降低由燃烧室向活塞顶部的热传导。 [0011] 如上所示，专利文献1、2的前提是以降低热传导为目标。但是，如果仅降低热传导，则遗留有由于燃烧室壁温上升而使吸气气体过热，所以导致吸气效率劣化和NOx排出量增加的问题。 [0012] 现有技术文献 [0013] 专利文献 [0014] 专利文献1：日本特开2003-113737号说明书 [0015] 专利文献2：日本特开平1-43145号说明书 [0016] 非专利文献 [0017] 非专利文献1：Victor W.Wong et al，“Assessment of Thin Thermal Barrier Coatings for I.C.Engines”，Society of Automobile Engineers Document Number：950980，Date Published：February 1995 发明内容[0018] 本发明的目的在于将低导热系数·低热容且没有剥离·脱落等的耐久性·可靠性优异的膜提供给发动机燃烧室以提高发动机的热效率。 [0019] 本发明提供以下技术方案。 [0020] (1)一种发动机燃烧室结构，其特征在于，在发动机燃烧室的内表面形成膜厚为大于20μm且500μm以下并且空孔率为20％以上的阳极氧化皮膜。 [0021] (2)如(1)所述的发动机燃烧室结构，其特征在于，所述皮膜的膜厚为50μm～300μm。 [0022] (3)如(1)或(2)所述的发动机燃烧室结构，其特征在于，所述皮膜的空孔率为20％～70％。 [0023] (4)如(1)～(3)中任一项所述的发动机燃烧室结构，其特征在于，阳极氧化皮膜3 具有7.8W/mK以下的导热系数和800kJ/mK以下的体积热容。 [0024] (5)一种制造(1)～(4)中任一项所述的发动机燃烧室结构的方法，其包括：准备含有磷酸、草酸、硫酸或铬酸中的至少1种的水溶液作为用于阳极氧化的电解液，其中该电解液的浓度为0.2摩尔/升～1.0摩尔/升，该电解液的温度为20℃～30℃，以及使用该电解液进行阳极氧化处理。 [0028] [图3]表示阳极氧化皮膜(膜厚100μm)的空孔率与导热系数的关系。 [0029] [图4]表示阳极氧化皮膜(膜厚100μm)的空孔率与体积热容的关系。 [0030] [图5]表示阳极氧化皮膜(膜厚100μm)的热特性(导热系数·体积热容)与燃油效率提高的关系。 [0031] [图6]表示阳极氧化皮膜(空孔率50vol％)的膜厚与燃油效率提高的关系。 具体实施方式[0032] 对于本发明，其特征在于，在发动机燃烧室的内表面形成膜厚为大于20μm且500μm以下并且空孔率为20％以上的阳极氧化皮膜。 [0035] 阳极氧化是指电解时在阳极(anode)发生的氧化反应。在阳极，因为电子由电解液侧向目极内移动，所以电解液中的被氧化性物质(其可以是电极材料)被氧化。通过该阳极氧化而在阳极生成的氧化皮膜是阳极氧化皮膜。阳极氧化皮膜由于从阳极材料表面连续地形成，所以可得到密合性·均匀性高、针对长期运行等很难发生剥离·断裂·脱落等可靠性高的表面处理层。 [0036] 用于阳极氧化的电解液可根据阳极材料适当选择。作为电解液，可以使用磷酸、草酸、硫酸、铬酸等的水溶液。应予说明，作为电解液浓度，通常是0.2～1.0摩尔/升的范围，作为电解液温度，通常是20～30℃的范围。 [0038] 在组装发动机燃烧室时，将构成发动机燃烧室的构件的期望部位作为阳极，以在燃烧室内表面形成阳极氧化皮膜。如果有想避免阳极氧化的部位，则可以在此处实施适当的遮蔽等。 [0039] 对于本发明的阳极氧化皮膜，膜厚为大于20μm且500μm以下。优选膜厚为50μm～300μm。这是因为热特性(导热系数和体积热容)的平衡良好、甚至可以进一步提高燃油效率提高率。 [0040] 膜厚是对皮膜的热特性带来影响的因素，甚至是对发动机的燃油效率带来影响的重要因素。如果膜厚厚则皮膜的导热性变低，但是如果膜厚过厚则皮膜的热容变高。相反，如果膜厚薄则皮膜的热容变低，但如果膜厚过薄则皮膜的导热性变高。另外，膜厚也是对耐久性、可靠性带来影响的因素。无论膜厚过厚还是过薄，都很担心剥离·脱落等。通过将膜厚规定在上述的范围，从而避免这些缺点，得到本发明最好的效果。 [0041] 一般地，阳极氧化处理时间越长，皮膜的膜厚越厚。使用铝合金作为阳极、草酸溶液作为电解液、阳极电压为40V时，通过在30分钟～15小时的范围使阳极氧化时间长时间化，从而阳极氧化皮膜的膜厚可以变厚到20～500μm的范围。 [0042] 对于本发明的阳极氧化皮膜，空孔率为20％以上。优选空孔率为30％以上。这是因为可进一步降低热特性(导热系数和体积热容)，甚至可以进一步提高燃油效率提高率。对于本发明的阳极氧化皮膜，空孔率为70％以下。优选空孔率为60％以下。这是因为如果空孔率过高，则剥离·脱落等的担心增多。 [0043] 本发明中的阳极氧化皮膜的空孔率如下求出。以往的测定空孔率的方法是在孔径为微米级时、利用氮气等的吸附量来求出空孔率，但是由于通过该阳极氧化所得到的空孔为纳米级，所以不能使用以往的空孔率测定方法。因此，在研磨阳极氧化皮膜的外表面后，将在SEM观察面中空孔所占面积的比例(空孔面积/观察面面积)作为空孔率。(参照图2(c))。 [0044] 空孔率是对皮膜的热特性带来影响的因素，甚至是对发动机的燃油效率带来影响的重要因素。空孔率越大则皮膜的导热性和热容越低、带来燃油效率提高，但如果空孔率过大则剥离·脱落等的担心增多，皮膜的耐久性、可靠性下降。为了提高耐久性、可靠性，也可以减小空孔率，但如果空孔率过小则皮膜的导热性和热容变高，导致燃油效率下降。通过将空孔率规定在上述的范围，从而避免这些缺点，可得到本发明最好的效果。 [0045] 一般地，空孔率可以通过改变阳极氧化处理的施加电压和电解液的种类来进行调节。一般地，阳极氧化处理的施加电压越高、空孔率越大。可以通过改变电解液的种类来改变最大施加电压。一般地，电解液为硫酸时最大施加电压可以是25V，电解液为草酸时最大施加电压可以是40V，电解液为磷酸时最大施加电压可以是195V。当使用铝合金作为阳极，使用硫酸、草酸、铬酸或磷酸作为电解液，阳极氧化时间为3～4小时时，如果将最大施加电压提高到25～190V的范围，则阳极氧化皮膜的空孔率可以变大到20～70％的范围。应予说明，此时，阳极氧化时间在3～4小时的范围变动是因为要使膜厚一定(100μm)。 [0046] 图1示出在阳极氧化初期使施加电压低些、而后提高施加电压所带来的大空孔径化。 [0047] 实施例 [0048] 以下，利用实施例，说明本发明的阳极氧化皮膜。 [0049] (试样No.1的形成方法) [0050] 用碱溶液将铝纯度IN30(JIS)的铝箔(厚度100μm)进行脱脂，然后在硫酸0.8M水溶液(常温：25℃)中进行阳极氧化处理。应予说明，在阳极氧化时，施加10V初期电压，在3.5小时后使施加电压为25V、继续施加30分钟。结果得到的阳极氧化皮膜为100μm。 [0051] (试样No.2～6的形成方法) [0052] 接着，改变阳极氧化处理的最大施加电压和电解液的种类，形成试样No.2～6。阳极氧化时间调整到3～4小时的范围，以使得到的阳极氧化皮膜为100μm。初期电压为10V，以阳极氧化处理的最终工序30分钟施加最大施加电压。其它试样形成条件与试样No.1相同。 [0053] (阳极氧化皮膜的热特性) [0054] 对于通过上述处理而得到的阳极氧化皮膜，用透射型电子显微镜观察薄片(参照图2)，测定空孔的孔径、孔长和阳极氧化皮膜的厚度、宽度，求出空孔率。图2(a)是具有空孔的阳极氧化皮膜的截面的照片，图2(b)是其纵截面的照片，图2(c)是从表面除去50μm的横截面的照片。将阳极氧化条件和它们的测定结果示于表1。 [0055] 另外，为了测定阳极氧化皮膜的导热系数和体积热容，除了延长阳极氧化时间以外，在与上述No.1～6同样的阳极氧化皮膜形成条件下，制成直径25mm的阳极氧化皮膜试验片。按照激光闪烁法(JIS R1611)测定这些阳极氧化皮膜的导热系数和体积热容。测定装置使用Rigaku公司制LF/TCM-FA8510B和京都电子公司制LFA-501。将得到的结果示于表1。 [0056] [表1] [0057] 表1阳极氧化条件与膜结构和热特性的关系 [0058] [0059] 从表1的结果可知，通过改变施加电压和电解液的种类，可以调整空孔率、空孔直径。 [0061] 另外，以表1的结果为基础，将阳极氧化皮膜的空孔率和体积热容的关系整理为图4。可知空孔率越高、体积热容越低。 [0062] (阳极氧化皮膜的热特性和燃油效率的关系) [0063] 在与排气量1800CC的汽油往复式发动机的燃烧室的内表面的一部分相当的、活塞头上表面和气缸盖底面(即燃烧气体接触的部分)，使用上述的阳极氧化条件，形成膜厚100μm的阳极氧化皮膜(空孔率30％和50％)。然后，进行该汽油往复式发动机的10-15模式燃油效率的测定。结果，成为燃烧室内表面的阳极氧化皮膜的导热系数和体积热容与燃油效率强相关，空孔率30％时燃油效率提高率为1％、空孔率50％时燃油效率提高率为 5％。其中，燃油效率提高率是以不进行阳极氧化处理时的燃油效率为基准。在图5中，对阳极氧化皮膜的热特性(导热系数·体积热容)与燃油效率提高的关系进行了整理。图5中，将用致密氧化铝、铸铁、Al合金制造活塞头上表面和气缸盖底面、未进行阳极氧化处理的样品的热特性也做绘图。 [0064] (阳极氧化皮膜的耐久性·可靠性) [0065] 另外，使用该阳极氧化处理后的发动机，实施上下耐久试验(耐久试验时间300小时、800～5000r.p.m.)。未看到耐久试验前后的阳极氧化皮膜的剥离·脱落，确认了长期可靠性高。 [0066] (阳极氧化皮膜的膜厚和燃油效率的关系) [0067] 在与排气量1800CC的汽油往复式发动机的燃烧室的内表面的一部分相当的、活塞头上表面和气缸盖底面(即燃烧气体接触的部分)，使用空孔率成为50％的阳极氧化条件，使阳极氧化处理时间在30分钟～15小时的范围内变化，由此形成膜厚20～500μm范围的阳极氧化皮膜。然后，进行该汽油往复式发动机的10-15模式燃油效率的测定。将阳极氧化条件、得到的膜厚和空孔率、以及燃油效率提高率整理在表2。其中，燃油效率提高率是以未进行阳极氧化处理时的燃油效率为基准。 [0068] [表2] [0069] 表2阳极氧化处理时间、膜厚和燃油效率提高率的关系 [0070] [0071] 以表2的结果为基础，将阳极氧化皮膜(空孔率50vol％)的膜厚与燃油效率提高的关系整理成图6。得到燃油效率提高的效果的阳极氧化皮膜的膜厚是大于20μm且500μm以下。优选阳极氧化皮膜的膜厚是50μm～300μm。作为其理由，认为是如果比 50μm薄，则隔热效果不足。另一方面认为，如果比300μm厚，则热容变大。 |
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