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压缩自点火式 内燃机

阅读：77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。并且本发明提供一种压缩自点火式内燃机，在将多孔质氧化铝作为隔热层而应用于压缩自点火式内燃机的情况下，改善高负荷域中的燃料消耗率。在活塞的顶面(第2空腔面及第2挤气面)和形成空腔区(CA)的汽缸盖的底面的部分(第1空腔面)设置包含封孔剂的多孔质氧化铝(被覆层)。在形成挤气区(SA)的汽缸盖的底面的部分(第1挤气面)设置不包含封孔剂的多孔质氧化铝(露出层)。，下面是压缩自点火式内燃机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种压缩自点火式内燃机，在形成有空腔的活塞的顶面和与所述顶面相对的汽缸盖的底面设置包含多孔质氧化铝的隔热层，其特征在于，
设置于所述底面的所述隔热层具备：
所述多孔质氧化铝的细孔的开口部由封孔剂覆盖的第1被覆层；及所述开口部未由所述封孔剂覆盖的第1露出层，
所述第1被覆层设置于在与所述空腔的表面之间形成空腔区的第1空腔面，所述第1露出层设置于位于所述第1空腔面的外侧且在与所述顶面之间形成挤气区的第1挤气面。
2.根据权利要求1所述的压缩自点火式内燃机，其特征在于，
所述第1露出层比所述第1被覆层厚。
3.根据权利要求1或2所述的压缩自点火式内燃机，其特征在于，
设置于所述顶面的所述隔热层具备：
所述开口部由所述封孔剂覆盖的第2被覆层；及
所述开口部未由所述封孔剂覆盖的第2露出层，
所述第2被覆层设置于所述空腔的表面，
所述第2露出层设置于在与所述第1挤气面之间形成所述挤气区的第2挤气面。
4.根据权利要求3所述的压缩自点火式内燃机，其特征在于，
所述第2露出层比所述第2被覆层厚。

说明书全文

压缩自点火式内燃机

技术领域

[0001] 本发明涉及压缩自点火式内燃机。

背景技术

[0002] 在日本特开2011-169232号公报公开了一种在汽缸盖的底面及活塞的顶面设置有陶瓷系的隔热层的火花点火式内燃机。在该内燃机中，汽缸盖底面及活塞顶面具有挤气面和非挤气面。挤气面是形成挤气区的面。挤气区是在活塞上升时形成于活塞顶面的外周部与汽缸盖底面之间的狭窄空间。非挤气面是不形成挤气区的面。

[0003] 在上述内燃机中，隔热层仅设置于非挤气面。在此，非挤气面与挤气面相比距火花塞的距离短。因而，若在非挤气面设置隔热层，则能够抑制来自接近火花塞的面的热放出。另一方面，在挤气面不设置隔热层，汽缸盖和活塞的母材露出。若这样使挤气面的母材露出，则能够促进来自远离火花塞的面的热放出。

[0004] 在日本特开2017-066996号公报中公开了一种在活塞顶面设置有不同的两个种类的隔热层的火花点火式内燃机。在该内燃机中，活塞顶面具有挤气面和非挤气面。在挤气面形成有包含具有中空构造的陶瓷和硅系的粘结剂的隔热层。另一方面，在非挤气面形成有通过热喷涂而形成的陶瓷的隔热层。根据这样的隔热层，能够抑制来自挤气面及非挤气面的热放出。除此之外，也能够使非挤气面的耐热性比挤气面高。

[0005] 现有技术文献

[0006] 专利文献

[0007] 专利文献1：日本特开2011-169232号公报

[0008] 专利文献2：日本特开2017-066996号公报

发明内容

[0009] 发明所要解决的课题

[0010] 上述的各种隔热层不仅能够应用于火花点火式内燃机，也能够应用于压缩自点火式内燃机。本申请的发明人，作为应用于压缩自点火式内燃机的隔热层而研究了多孔质氧化铝(以下，也称作“防蚀铝”(英文：alumite))。防蚀铝通过汽缸盖和/或活塞的母材的阳极氧化处理而得到。防蚀铝与一般的陶瓷系的隔热层相比每单位体积的热容低。因而，若在活塞顶面和汽缸盖底面设置防蚀铝，则能够提高隔热层的表面温度相对于汽缸内的气体温度的追随性。

[0011] 另外，防蚀铝与一般的陶瓷系的隔热层相比热传导率低。因而，若在活塞顶面和汽缸盖底面设置防蚀铝，则压缩自点火式内燃机的低负荷域中的燃料消耗率大幅改善。但是，在高负荷域中，发现了燃料消耗率没有如期待的那样改善。

[0012] 本发明为了解决如上所述的课题而完成。即，目的在于提供一种在将多孔质氧化铝作为隔热层而应用于压缩自点火式内燃机的情况下能够改善高负荷域中的燃料消耗率的技术。

[0013] 用于解决课题的方案

[0014] 第1发明是用于解决上述课题的压缩自点火式内燃机，具有以下特征。

[0015] 所述压缩自点火式内燃机具备：第1隔热层，形成于与所述顶面相对的汽缸盖的底面，包含多孔质氧化铝；及第2隔热层，形成于形成有空腔的活塞的顶面，包含多孔质氧化铝。

[0016] 所述第1隔热层具备：

[0017] 所述多孔质氧化铝的细孔的开口部由封孔剂覆盖的第1被覆层；及[0018] 所述开口部未由所述封孔剂覆盖的第1露出层。

[0019] 所述第1被覆层设置于在与所述空腔的表面之间形成空腔区的第1空腔面。

[0020] 所述第1露出层设置于位于所述第1空腔面的外侧且在与所述顶面之间形成挤气区的第1挤气面。

[0021] 另外，第2发明以第1发明为基础，具有以下特征。

[0022] 所述第1露出层比所述第1被覆层厚。

[0023] 另外，第3发明以第1或第2发明为基础，具有以下特征。

[0024] 所述第2隔热层具备：

[0025] 所述开口部由所述封孔剂覆盖的第2被覆层；及

[0026] 所述开口部未由所述封孔剂覆盖的第2露出层。

[0027] 所述第2被覆层设置于所述空腔的表面。

[0028] 所述第2露出层设置于在与所述第1挤气面之间形成所述挤气区的第2挤气面。

[0029] 另外，第4发明以第3发明为基础，具有以下特征。

[0030] 所述第2露出层比所述第2被覆层厚。

[0031] 发明效果

[0032] 根据第1发明，第1露出层设置于第1挤气面。因而，在膨胀行程中，能够利用多孔质氧化铝本来具有的低热传导率来减少冷却损失。另外，在膨胀行程以外的行程中，能够使得到达了挤气区的燃烧气体的热容易经由第1露出层而向汽缸盖的内部放出。因此，能够改善高负荷域中的燃料消耗率。

[0033] 根据第2发明，第1露出层比第1被覆层厚。因而，能够进一步促进经由第1露出层的热放出。因此，能够进一步改善高负荷域中的燃料消耗率。

[0034] 根据第3发明，第2露出层设置于第2挤气面。因而，在膨胀行程以外的行程中，能够使得到达了挤气区的燃烧气体的热容易经由第1露出层及第2露出层而向汽缸盖的内部放出。因此，能够改善高负荷域中的燃料消耗率。

[0035] 根据第4发明，第2露出层比第2被覆层厚。因而，能够进一步促进经由第2露出层的热放出。因此，能够进一步改善高负荷域中的燃料消耗率。附图说明

[0036] 图1是本发明的实施方式1的压缩自点火式内燃机的纵剖视示意图。

[0037] 图2是从图1所示的活塞顶面22观察到的盖底面18的平面示意图。

[0038] 图3是图1所示的隔热层L1及L3的纵剖视示意图。

[0039] 图4是图1所示的隔热层L2的纵剖视示意图。

[0040] 图5是说明图1所示的隔热层L1及L2的形成方法的一例的图。

[0041] 图6是本发明的实施方式2的压缩自点火式内燃机的纵剖视示意图。

[0042] 图7是说明图6所示的隔热层L1及L4的形成方法的一例的图。

[0043] 图8是本发明的实施方式3的压缩自点火式内燃机的纵剖视示意图。

[0044] 图9是本发明的实施方式4的压缩自点火式内燃机的纵剖视示意图。

具体实施方式

[0045] 以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，对各图中共通的要素标注同一标号而省略重复的说明。另外，本发明不受以下的实施方式所限定。

[0046] 实施方式1

[0047] 首先，参照图1～图5对本发明的实施方式1进行说明。

[0048] 1.内燃机的结构

[0049] 图1是本发明的实施方式1的压缩自点火式内燃机(以下，也称作“柴油发动机”)的纵剖视示意图。图1所示的柴油发动机10是搭载于车辆的4冲程型的往复式发动机。如图1所示，柴油发动机10具备汽缸盖12、汽缸体14及活塞16。汽缸盖12经由垫圈(未图示)而安装于汽缸体14。活塞16收容于形成于汽缸体14的汽缸内，在该汽缸内沿着上下方向移动。

[0050] 由汽缸盖12的底面18、汽缸体14的内周面20及活塞16的顶面22包围的空间形成燃烧室24。在活塞顶面22的中心部形成有空腔26。空腔26也是燃烧室24的一部分。空腔26由大致圆筒状的凹陷部26a和位于凹陷部26a的外周的锥部26b构成。

[0051] 柴油发动机10具备相当于上述挤气区的空间。在活塞16上升时，在比锥部26b靠外侧的活塞顶面22与底面18之间形成的狭窄空间相当于此。在本说明书中，将该空间也称作挤气区SA。另外，在本说明书中，将在空腔26的表面(即，锥部26b的表面及凹陷部26a的表面)与底面18之间形成的空间也称作空腔区CA。

[0052] 而且，在本说明书中，将形成挤气区SA的底面18的部分也称作“第1挤气面”，将形成挤气区SA的活塞顶面22的部分也称作“第2挤气面”。而且，在本说明书中，将形成空腔区CA的底面18的部分也称作“第1空腔面”，将形成空腔区CA的活塞顶面22的部分(即，空腔26的表面)也称作“第2空腔面”。

[0053] 在第1挤气面、第2挤气面、第1空腔面及第2空腔面设置有隔热层L1～L3。图1所示的隔热层L1～L3与这些面的对应关系如下。即，隔热层L1设置于第1空腔面。隔热层L2设置于第1挤气面。隔热层L3设置于第2空腔面及第2挤气面。

[0054] 图2是从活塞顶面22观察到的底面18的平面示意图。如图2所示，在底面18形成有多个开口部28。这些开口部28相当于用于设置进气门的口、用于设置排气门的口、用于设置燃料喷射器的口及用于设置作为辅助热源的电热塞的口中的任一开口部。另外，如图2所示，第1空腔面的形状成为从通过将锥部26b的外缘向底面18投影而描绘的圆形区域除去相当于6个开口部28的区域后的形状。第1挤气面的形状成为从通过将活塞顶面22的外缘及锥部26b的外缘向底面18投影而描绘的圆环区域除去相当于4个开口部28的区域后的形状。

[0055] 2.隔热层的结构

[0056] 图3是隔热层L1及L3的纵剖视示意图。图4是隔热层L2的纵剖视示意图。如图3及图4所示，隔热层L1～L3是以防蚀铝为基体的层。作为一例，隔热层L1～L3的厚度统一为100～
500μm的范围。如已经说明那样，防蚀铝是通过汽缸盖和/或活塞的母材(铝母材)的阳极氧化处理而得到的多孔质氧化铝。从图3及图4可知，防蚀铝具有在其表面开口的多个细孔。防蚀铝在其内部也具有空孔，一部分空孔与细孔相连。

[0057] 隔热层L1及L3包含封住细孔的开口的封孔剂。作为一例，封孔剂在隔热层的厚度方向上的厚度是5～50μm。此外，封孔剂通过硅系聚合物溶液(聚硅氧烷溶液、聚硅氮烷溶液等)的涂布·烧成处理而得到。在该涂布处理时硅氧化物的一部分会进入细孔内，因此封孔剂与隔热层一体化。因而，两者的交界未必明确。与封孔剂一体化的隔热层(即，隔热层L1或隔热层L3)可以说是细孔的开口被封孔剂覆盖的被覆层。另一方面，不包含这样的封孔剂的隔热层(即，隔热层L2)可以说是细孔的开口向燃烧室24露出的露出层。

[0058] 3.隔热层L1～L3的效果

[0059] 由于在隔热层L1及L3设置有封孔剂，所以它们的燃烧室24侧的表面平滑。因而，在第1空腔面、第2空腔面及第2挤气面中，能够抑制在空腔26中产生的燃烧气体的热在产生后立即经由隔热层L1或L3而向铝母材侧放出。因此，能够与防蚀铝本来具有的低热传导率相配合而减少冷却损失。另外，在第2空腔面中，通过由封孔剂覆盖细孔的开口，也能够防止从燃料喷射器朝向凹陷部26a的表面高压喷射的燃料进入防蚀铝的细孔内。

[0060] 相对于此，由于在隔热层L2未设置封孔剂，所以其燃烧室24侧的表面粗糙。因而，在第1挤气面中，也能够利用防蚀铝本来具有的低热传导率来减少冷却损失，并将到达了挤气区SA的燃烧气体的热经由隔热层L2而向铝母材侧容易放出。

[0061] 如已经说明那样，防蚀铝的每单位体积的热容低，因而隔热层的表面温度相对于汽缸内的气体温度的追随性高。因而，在进气行程中，应该能够追随汽缸内的进气温度而降低隔热层的表面温度。但是，在高负荷域中，与低负荷域相比燃烧气体的热容易残留于汽缸内。因而，推测为，燃烧室24内的进气会被该残留热加热而压力变高，其结果，燃料消耗率没有像期待的那样改善。

[0062] 在此，若着眼于内燃机的动力的供给，则冷却损失的减少只要至少在膨胀行程中能够达成就足够了。也就是说，在膨胀行程以外的行程(即，排气行程、进气行程及压缩行程)中，即使燃烧气体的热向燃烧室24的外部放出也没有问题。并且，根据隔热层L2，能够与负荷域无关地，促进该热放出。因而，根据隔热层L2，能够改善高负荷域中的燃料消耗率。

[0063] 4.隔热层的形成方法

[0064] 图5是说明隔热层L1及L2的形成方法的一例的图。在图5所示的例子中，首先准备汽缸盖(步骤S1)。在步骤S1中，将用于形成进气口、排气口的多个型芯配设于铸模的内部。接着，使铝合金的熔液流入铸模的内部。熔液凝固后，从铸模取出汽缸盖，进行机械加工。由此，准备汽缸盖。

[0065] 接在步骤S1之后，进行第1挤气面及第1空腔面的阳极氧化处理(步骤S2)。在步骤S2中，一边向第1挤气面及第1空腔面供给电解液(作为一例是磷酸、草酸、硫酸、铬酸等的水溶液)一边进行电解。在电解时，以使得仅在第1挤气面及第1空腔面形成防蚀铝的方式，使用遮蔽工具来限制电解液的接触区域。

[0066] 接在步骤S2之后，进行第1空腔面的封孔处理(步骤S3)。在步骤S3中，首先向第1空腔面涂布硅系聚合物溶液。涂布方法没有特别限定，可使用公知方法。作为公知方法，可举出刷毛涂布、喷涂、浸涂、流涂、旋涂等。在涂布时，以使得仅在第1空腔面形成封孔剂的方式，使用遮蔽工具来限制涂布区域。接着，进行封孔剂的烧成。烧成条件例如是在180℃下5小时。当进行封孔剂的烧成后，硅氧化物的薄层形成于第1挤气面。

[0067] 实施方式2

[0068] 接着，参照图6～图7对本发明的实施方式2进行说明。

[0069] 1.内燃机的结构

[0070] 图6是本发明的实施方式2的压缩自点火式内燃机的纵剖视示意图。

[0071] 图6所示的柴油发动机30的结构与图1所示的柴油发动机10基本相同。不过，在柴油发动机30中，在第1挤气面设置隔热层L4。隔热层L4取代图1所示的隔热层L2而设置。

[0072] 在图1所示的柴油发动机10中，隔热层L1和隔热层L2的厚度统一。相对于此，在柴油发动机30中，隔热层L4形成得比隔热层L1厚。隔热层L1的厚度在柴油发动机10与30之间相同。也就是说，隔热层L4形成得比图1所示的隔热层L2厚。作为一例，隔热层L4的厚度为隔热层L2的厚度的1.2～3.0倍。

[0073] 2.隔热层L4的效果

[0074] 如已经说明那样，根据图1所示的隔热层L2，能够与负荷域无关地，促进膨胀行程以外的行程中的热放出。关于这一点，隔热层L4形成得比图1所示的隔热层L2厚，因此能够进一步促进该热放出。因而，根据隔热层L4，能够进一步改善高负荷域中的燃料消耗率。

[0075] 3.隔热层的形成方法

[0076] 图7是说明隔热层L1及L4的形成方法的一例的图。在图7所示的例子中，接在步骤S1之后，进行第1挤气面及第1空腔面的阳极氧化处理(步骤S4)。步骤S4的处理本身与在图5中说明的步骤S2的处理相同。不过，在步骤S4中，以比步骤S2中的电解的时间长的方式进行电解。通过延长电解的执行时间来形成更厚的防蚀铝。

[0077] 接在步骤S4之后，进行第1空腔面的研磨处理(步骤S5)。在步骤S5中，以使得形成于第1空腔面的防蚀铝的厚度与隔热层L3的厚度相等的方式，对该防蚀铝进行研磨。研磨方法没有特别限定，可以使用公知的方法。作为公知的方法，可举出使用立铣刀等的切削加工或使用磨料的平面研磨。

[0078] 接在步骤S5之后，进行第1空腔面的封孔处理(步骤S6)。步骤S6的处理与在图5中说明的步骤S3的处理相同。当进行封孔剂的烧成后，硅氧化物的薄层形成于第1挤气面。

[0079] 实施方式3

[0080] 接着，参照图8对本发明的实施方式3进行说明。

[0081] 1.内燃机的结构

[0082] 图8是本发明的实施方式3的压缩自点火式内燃机的纵剖视示意图。图8所示的柴油发动机40的结构与图1所示的柴油发动机10基本相同。不过，在柴油发动机40中，在第2挤气面设置隔热层L5。不过，在第2空腔面设置隔热层L3这一点与柴油发动机10相同。

[0083] 隔热层L5与隔热层L2相对配置。隔热层L5的厚度与隔热层L1～L3的厚度统一。隔热层L5的结构与隔热层L2的结构相同。即，隔热层L5是细孔的开口向燃烧室24露出的露出层。

[0084] 2.隔热层L5的效果

[0085] 如已经说明那样，根据图1所示的隔热层L2，能够与负荷域无关地，促进膨胀行程以外的行程中的热放出。关于这一点，由于隔热层L5的结构是与图1所示的隔热层L2相同的结构，所以能够进一步促进该热放出。因而，根据隔热层L5，能够进一步改善高负荷域中的燃料消耗率。

[0086] 此外，隔热层L3和隔热层L5可以通过将在图5中说明的形成方法应用于活塞而形成。

[0087] 实施方式4

[0088] 接着，参照图9对本发明的实施方式4进行说明。

[0089] 1.内燃机的结构

[0090] 图9是本发明的实施方式4的压缩自点火式内燃机的纵剖视示意图。图9所示的柴油发动机50的结构与图8所示的柴油发动机40基本相同。不过，在柴油发动机50中，在第2挤气面设置隔热层L6。隔热层L6取代图8所示的隔热层L5而设置。

[0091] 在图8所示的柴油发动机40中，隔热层L3和隔热层L5的厚度统一。相对于此，在柴油发动机50中，隔热层L6形成得比隔热层L3厚。隔热层L3的厚度在柴油发动机40与50之间相同。也就是说，隔热层L6形成得比图8所示的隔热层L5厚。作为一例，隔热层L6的厚度被设为隔热层L3的厚度的1.2～3.0倍。

[0092] 2.隔热层L6的效果

[0093] 如已经说明那样，根据图8所示的隔热层L5，能够与负荷域无关地，促进膨胀行程以外的行程中的热放出。关于这一点，由于隔热层L6形成得比图8所示的隔热层L5厚，所以能够进一步促进该热放出。因而，根据隔热层L6，能够进一步改善高负荷域中的燃料消耗率。

[0094] 标号说明

[0095] 10、30、40、50 压缩自点火式内燃机(柴油发动机)

[0096] 12 汽缸盖

[0097] 16 活塞

[0098] 18 底面

[0099] 22 顶面

[0100] 24 燃烧室

[0101] 26 空腔

[0102] 26a 凹陷部

[0103] 26b 锥部

[0104] CA 空腔区

[0105] L1、L2、L3、L4、L5、L6 隔热层

[0106] SA 挤气区

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