压缩自点火式内燃机
阅读：690发布：2020-05-11
专利汇可以提供压缩自点火式内燃机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及压缩自点火式 内燃机 。 隔热 膜(M1)被形成在侧表面(20b)的整个区域上。隔热膜(M2)被形成在顶表面(12a)和底表面(20c)的整个区域上。隔热膜(M1、M2)主要由多孔 氧 化 铝 构成。隔热膜(M1、M2)之间的不同在于膜厚度。隔热膜(M1)的膜厚度从20至60μm，并且隔热膜(M2)的膜厚度从60至150μm。，下面是压缩自点火式内燃机专利的具体信息内容。
1.一种压缩自点火式内燃机，包括：
活塞；以及
喷射器，所述喷射器被构造成朝向所述活塞的顶表面喷射燃料，
其中：
隔热膜被形成在整个所述顶表面上；
所述隔热膜的单位体积热容量低于所述活塞的基材的单位体积热容量，并且所述隔热膜的热导率也低于所述基材的热导率；
所述顶表面包括第一区域和第二区域，其中，所述第一区域至少包括喷射区域，来自所述喷射器的燃料朝向所述喷射区域喷射，并且所述第二区域包括除所述第一区域之外的其它区域；并且
被形成在所述第一区域上的所述隔热膜比被形成在所述第二区域上的所述隔热膜薄。
2.根据权利要求1所述的压缩自点火式内燃机，其中：
腔被形成在所述顶表面的中央部分中；
所述腔包括侧表面和底表面，其中，所述侧表面占据从开口边缘到所述腔的最深部分，并且所述底表面占据从所述最深部分到所述腔的中央部分；
所述第一区域是所述侧表面的整个区域；并且
被形成在所述第一区域上的所述隔热膜具有均匀一致的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的压缩自点火式内燃机，其中：
所述隔热膜包括具有开口的多孔氧化铝和密封所述开口的二氧化硅；
被形成在所述第一区域上的所述隔热膜具有20至60μm的厚度；并且
被形成在所述第二区域上的所述隔热膜具有60至150μm的厚度。
压缩自点火式内燃机
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
[0003] 本公开涉及压缩自点火式内燃机。
背景技术
[0004] JP2017-155639A公开一种压缩自点火式内燃机，其中，隔热膜被形成在活塞的顶表面上。隔热膜是在其表面上具有无数开口的多孔膜。与活塞基材相比，该多孔膜关于单位体积热容量和热导率具有较低的热性能。二氧化硅膜被设置在多孔膜的表面的一部分上。二氧化硅膜被设置在来自燃料喷射阀的燃料直接碰撞的区域中。
[0005] 燃料直接碰撞的区域能够重申为由燃料喷射生成的初始火焰接触的区域。该初始火焰接触的区域进一步被认为是活塞的顶表面内的最高温度区域。在这样的最高温度区域中，多孔膜可能由于它的表面与内部之间的温度差而劣化。就这而言，根据二氧化硅膜，能够增强多孔膜。由此，能够抑制多孔膜的劣化。
[0006] 然而，当这样的二氧化硅膜被形成在多孔膜的表面上时，整个膜的热容量因二氧化硅膜而增加。在整个膜的热容量增加时，难以在发动机的排气冲程降低气缸的内部的气体温度。当气缸的内部的气体温度变得难以降低时，缸内压力和排气温度倾向于是高的。这里，存在对缸内温度和排气温度的上限限制。因此，如果缸内压力和排气温度增加太多，发动机的输出将被减小。
[0007] 本公开解决上述问题，并且本公开的目的在于提供一种技术，以抑制气缸的内部的气体温度变得难以在压缩自点火式内燃机中降低，在该压缩自点火式内燃机中，每单位体积具有低热容量和低热导率的隔热膜被设置在活塞的顶表面上。发明内容
[0008] 本公开的第一方面是用于解决上述问题的压缩自点火式内燃机，并且具有以下特征。
[0009] 发动机包括活塞和喷射器，所述喷射器被构造成朝向活塞的顶表面喷射燃料。
[0010] 隔热膜被形成在整个顶表面上。
[0011] 隔热膜的单位体积热容量低于活塞的基材的单位体积热容量，并且隔热膜的热导率也低于基材的热导率。
[0012] 顶表面包括第一区域和第二区域，其中，所述第一区域至少包括喷射区域，来自喷射器的燃料朝向所述喷射区域喷射，并且所述第二区域包括除第一区域之外的其它区域。
[0013] 被形成在第一区域上的隔热膜比被形成在第二区域上的隔热膜薄。
[0014] 本公开的第二方面具有根据第一方面的以下特征。
[0015] 腔被形成在顶表面的中央部分中。
[0016] 腔包括侧表面和底表面，其中，侧表面占据从开口边缘到腔的最深部分，并且底表面占据从最深部分到腔的中央部分。
[0017] 第一区域是侧表面的整个区域。
[0018] 被形成在第一区域上的隔热膜具有均匀一致的厚度。
[0019] 本公开的第三方面具有根据第一方面的以下特征。
[0021] 被形成在第一区域上的隔热膜具有20至60μm的厚度。
[0022] 被形成在第二区域上的隔热膜具有60至150μm的厚度。
[0023] 根据第一方面，被形成在第一区域上的隔热膜被形成为比被形成在第二区域上的隔热膜薄，所述第一区域至少包括喷射区域，来自喷射器的燃料朝向所述喷射区域喷射。如果第一区域的隔热膜比第二区域的隔热膜薄，则整个膜的热容量变得比厚且均匀一致的隔热膜被形成在整个顶表面上的情形小。因此，与厚且均匀一致的隔热膜被形成在整个顶表面上的情形相比，能够抑制气缸的内部的气体温度变得难以降低。
[0024] 根据第二方面，薄且均匀一致的隔热膜被形成在腔的侧表面的整个区域上。因此，与薄的隔热膜被形成在侧表面的一部分上并且厚的隔热膜被形成在侧表面的剩余区域上的情形相比，能够确保侧表面处的隔热膜的强度。
[0026] 图1是根据本公开的实施例的压缩自点火式内燃机的纵向截面视图；
[0027] 图2是发动机的活塞的透视图；
[0028] 图3是活塞上的隔热膜的纵向截面视图；
[0029] 图4是示出隔热膜的膜厚度与燃料消耗的改善率之间的关系的示例的图；
[0030] 图5是描述隔热膜的膜厚度的测量位置的示例的图；
[0031] 图6是示出隔热膜的膜厚度与表面温度之间的关系的示例的图；并且[0032] 图7是根据本公开的另一实施例的压缩自点火式内燃机的纵向截面视图。
具体实施方式
[0033] 下文中，将基于附图描述本公开的实施例。注意的是，各个图相同的元件由相同的附图标记指示，并且省略其重复描述。
[0034] 1.发动机的构造的解释
[0035] 图1是根据实施例的压缩自点火式内燃机(下文也称为“柴油发动机”)的纵向截面视图。图1中所示的柴油发动机10是被安装在车辆上的四冲程式往复发动机。如在图1中所示，柴油发动机10包括活塞12、缸体14、垫圈16和缸盖18。柴油发动机10的燃烧室至少由活塞12的顶表面12a、缸体14的钻孔表面14a和缸盖18的底表面18a限定。
[0036] 活塞12包括腔20，所述腔20被形成在顶表面12a的中央部分中。腔20的表面也形成柴油发动机10的燃烧室的一部分。腔20具有开口边缘20a、侧表面20b和底表面20c。侧表面20b占据从开口边缘20a到腔20的最深部分。侧表面20c占据从最深部分到腔20的中央部分。
[0037] 喷射器22被附接到缸盖18，所述喷射器22被构造成直接朝向腔20喷射燃料。多个喷射孔放射状形成在喷射器22的末端部处。在图1中，绘出两个喷射区域IR，每个喷射区域IR由喷射孔中的喷射燃料中的两束喷射燃料形成。在图1中，活塞12位于压缩上死点处。喷射区域IR基于该压缩上死点限定。
[0038] 更具体地，喷射区域IR被限定为由在压缩上死点附近喷射的燃料形成的扩散区域。喷射区域IR的边界线与腔20的表面交叉。图1中用虚线画出的四条线对应于边界线。靠近底表面18a绘出的两条边界线中的每条边界线从喷射孔的中心点绘制到开口边缘20a上的点。靠近底表面20c的两条延伸线中的每条延伸线被从喷射孔的中心绘制到侧表面20b和底面20a的边界处的点。即，喷射区域IR被设定在侧表面20b内。
[0039] 图2是图1中所示的活塞12的透视图。如在图2中所示，隔热膜M1被形成在侧表面20b的整个区域上。另一方面，隔热膜M2被形成在顶表面12a和底表面20c的整个区域上。隔热膜M1和M2主要由多孔氧化铝构成。活塞12的基材是铝合金。多孔氧化铝是由该基材的阳极化形成所谓的阳极氧化膜。
[0040] 2.隔热膜的成分
[0041] 图3是用于描述隔热膜M1和M2的构造的图。如在图3中所示，隔热膜M1和M2具有大量的小孔，每个小孔从膜与铝合金的边界形成到膜的表面。隔热膜M1和M2的开口被二氧化硅膜密封。通过使用硅基聚合物溶液(即，包含二氧化硅成分(诸如聚硅氮烷或聚硅氧烷)的溶液)的密封处理来形成二氧化硅膜。在密封处理中，被施加到多孔氧化铝的表面的硅基聚合物溶液的一部分进入到开口的内部并且然后固化。因此，二氧化硅和多孔氧化铝被一体化，由此二氧化硅和多孔氧化铝之间的边界并不总是很清楚。
[0042] 图3中所示的隔热膜M1和M2与活塞基材(即，铝合金)和任一种由陶瓷构成的传统隔热膜相比在热导率和单位体积热容量上具有较低热性能。因此，根据具有隔热膜M1和M2的柴油发动机，能够使这些隔热膜的表面温度跟随燃烧室的内部的气体温度。即，在发动机循环的膨胀冲程中，能够使表面温度跟随气体温度并且减少冷却损失。此外，在接下来的进气冲程中，能够使表面温度跟随气体温度并且抑制异常燃烧的发生。
[0043] 在本文中，隔热膜M1和M2之间的不同在于膜厚度。隔热膜M1的膜厚度小于隔热膜M2的膜厚度。更具体地，隔热膜M1的膜厚度从20至60μm，并且隔热膜M2的膜厚度从60至150μm。隔热膜M1和M2它们的膜厚度优选地是均匀一致的。这是因为如果隔热膜的厚度是均匀一致的，则能够抑制隔热膜的表面温度的分布偏差。此外，与膜厚度不均匀一致的情形相比，如果隔热膜的膜厚度是均匀一致的，能够增加隔热膜的强度。
[0044] 隔热膜M1和M2的膜厚度的范围基于图4中所示的燃料消耗的改善率来设定。图4是示出柴油发动机的燃料消耗的改善率与隔热膜的膜厚度之间的关系的示例的图。图4的竖直轴线(即，燃料消耗的改善率)代表具有由多孔氧化铝和二氧化硅构成的隔热膜的燃料消耗的改善率，同时使用不具有隔热膜的发动机的燃料消耗率作为标准。
[0045] 如图4中所示，随着在膜厚度是20μm或更大且60μm或更小的区域中膜厚度增大，燃料消耗的改善率增大。另一方面，在膜厚度是60μm或更大的区域中，燃料消耗的改善率随着膜厚度增大而减小。在膜厚度大于150μm的区域中，燃料消耗的改善率比膜厚度为20μm处的燃料消耗的改善率低。因此，在本实施例中，20μm被设定为膜厚度的下限，并且150μm被设定为膜厚度的上限。
[0046] 3.隔热膜的形成示例
[0047] 例如，通过使阳极化时间不同来形成膜厚度不同的隔热膜M1和M2。一般地，阳极化时间被执行越长，膜厚度变得越大。由此，在该示例中，首先，在掩蔽侧面20b的同时在顶表面12a上执行阳极化。由此，在除了侧表面20b之外的顶表面12a上形成多孔氧化铝。随后，移除掩蔽件并且在顶表面12a的整个区域上执行阳极化。以此方式，与它的周围相比具有较小膜厚度的多孔氧化铝被形成在侧表面20b上。随后，执行光滑处理以使多孔氧化铝的高度对齐，并且然后执行开口密封处理。通过以上过程，获得具有不同膜厚度的隔热膜M1和M2。
[0048] 使用过流型膜厚度计来测量隔热膜M1和M2的膜厚度。图5是用于描述膜厚度的测量位置的示例的图。在图5中，在前侧(Fr)上绘出三个点。在顶表面12a上的第一点(i)、侧表面20b上的第二点(ii)和底表面20c上的第三点(iii)处测量厚度。每个测量点处的膜厚度测量3至5次，每个测量点的平均值被定义为膜厚度。优选地，不仅在前侧上，而且在后侧(Rr)、进气侧(In)和排气侧(Ex)上测量膜厚度。通过这些位置处的测量，能够确认膜厚度的均匀一致性。
[0049] 4.根据隔热膜M1和M2的效果
[0050] 如已经描述的那样，根据隔热膜M1和M2的热性能，能够使这些隔热膜的表面温度跟随燃烧室的内部的气体温度。然而，如果隔热膜的膜厚度太大，则存在燃料消耗的改善率低于目标值的情形(见图4)。抓住这一点，本公开的发明人研究了隔热膜的表面温度和隔热膜的膜厚度之间的关系。该研究的结果被示出在图6中。如在与膨胀冲程对应的曲柄角范围(即，从0至180ATDC)中所示，当隔热膜的膜厚度变大时，表面温度的最大值变高。
[0051] 然而，如在与排气冲程对应的曲柄角范围(即，从180至360ATDC)中所示，当隔热膜的膜厚度变大时，隔热膜的表面温度在排气冲程中变得难以降低。因此，即使当在排气冲程之后的进气冲程中低温气体(即，新鲜空气)流入燃烧室中时，仍难以在进气冲程期间有效降低隔热膜的表面温度。从这样的结果，本发明人认为，通过由于膜厚度的增加引起的总体膜的热容量的增加导致膜厚度是60μm以上(见图4)的区域中的燃料消耗的改善率的下降。
[0052] 关于该问题，隔热膜M1被形成在来自喷射器22的喷射燃料生成的初始火焰碰撞的区域上。因此，预期的是，侧表面中的表面温度的最大值达到高温。在这方面，根据该实施例，因为隔热膜M1的膜厚度被设定为从20至60μm，所以能够减小隔热膜M1的热容量。由此，在隔热膜M1中，能够防止表面温度的最大值过多上升。然而，如果隔热膜M2的厚度如隔热膜M1的厚度那样被设定，则被认为相对低的隔热膜M2的表面温度的最大值也降低。在这方面，根据该实施例，因为隔热膜M2的膜厚度被设定为从60至150μm，所以能够整体增强隔热膜的热绝缘性能。由此，能够提高柴油发动机的输出。
[0053] 在上述实施例中，侧表面20b的区域对应于第一方面的“第一区域”，并且不包括侧表面20b的顶表面12a的区域对应于第一方面的“第二区域”。
[0054] 5.其它实施例
[0055] 在上述实施例中，隔热膜M1被形成在侧表面20b的整个区域上。然而，隔热膜M1可以不被形成在整个区域上。图7是其中隔热膜M1被形成在侧表面20b的一部分上的活塞24的纵向截面视图。如在图7中所示，隔热膜M1被形成在侧表面20b的圆形区域(总共10个区域)中。隔热膜M2被形成在活塞24的顶表面24a、底表面20c和不包括具有隔热膜M1的圆形区域的侧表面20b上。圆形区域是与上述喷射区域IR对应的区域。
[0056] 在上述实施例中，由多孔氧化铝和二氧化硅构成的隔热膜被应用到柴油发动机。然而，通过热喷涂陶瓷诸如氧化锆(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化钇(Y2O3)和氧化钛(TiO2)获得的膜可以被应用作为所述隔热膜。喷涂膜与多孔氧化铝具有等同的热性能。由此，图4中所述的关系预计在喷涂膜中建立。
[0057] 因此，当应用这样的喷涂膜时，被形成在侧面20b的整个区域(或者与喷射区域IR对应的区域)上的喷涂膜的膜厚度和除了侧面20b之外的区域上的膜厚度可以被如下设定。具体地，首先，对于每个喷涂膜，获得图4中所示的关系，并且燃料消耗的改善率的最大值被规定。随后，比与最大值对应的膜厚度薄的膜厚度范围被设定为侧面20b的整个区域上的喷涂膜的膜厚度。此外，在比与最大值对应的膜厚度厚的膜厚度范围中，基于燃料消耗的改善率的目标值来设定膜厚度的上限。然后，从上限到与最大值对应的膜厚度的范围被设定为除了侧面20b之外的区域上的喷涂膜的膜厚度。
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