用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法與流程

2024-02-24 08:15:15 1

本發明涉及一種用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法。

背景技術：

已經得知一種方法，其中對由鋁合金製成的活塞的頂面進行陽極氧化處理以形成陽極氧化物覆層，並且對由此形成的陽極氧化物覆層的表面進行密封處理。例如，在日本特開專利No.2012-72745中，公開了一種用於製造活塞的方法，其包括通過對由鋁合金製成的活塞的頂面進行陽極氧化處理來形成多孔層的步驟和通過將Y2O3穩定的ZrO2粉末等離子地噴射到多孔層上來形成覆蓋多孔層的表面的包覆層的步驟。與普通的陽極氧化物覆層相似，多孔層具有在陽極氧化處理的過程中形成的大量細孔，並且與常規的基於陶瓷的隔熱覆層相比具有更低的熱傳導率和更低的單位體積熱容量。此外，包覆層形成為阻塞多孔層的細孔的開口，並且Y2O3穩定的ZrO2具有比鋁合金低的熱傳導率。因此，根據由包覆層和多孔層構成的隔熱覆層，能實現低的熱傳導率和低的單位體積熱容量。

此外，在日本特開專利No.2010-249008中，公開了一種通過將有機矽溶液塗布到形成在活塞的頂面上的陽極氧化物覆層的最外側表面上並執行熱處理而在活塞的頂面上形成氧化矽覆層的技術。與上述包覆層相似，陽極氧化物覆層中的細孔的開口能由氧化矽覆層阻塞。通過這種由氧化矽覆層和陽極氧化物覆層構成的隔熱覆層也能實現低的熱傳導率和低的單位體積熱容量。

引用清單

專利文獻

專利文獻1：日本特開專利No.2012-72745

專利文獻2：日本特開專利No.2010-249008

技術實現要素：

技術問題

一般用在活塞中的鋁合金包含用於提高其機械特性的添加劑。然而，存在這樣的問題，即此類添加劑(主要為矽)抑制陽極氧化物覆層的形成，並且導致在所形成的陽極氧化物覆層的表面上產生微細的凹凸。如果陽極氧化物覆層的表面上產生凹凸，則傳熱面積增大並且因此藉助於陽極氧化物覆層提高隔熱特性的效果受到損失。此外，如果陽極氧化物覆層的表面上產生凹凸，則通過燃料的燃燒生成的火焰的流動性(火焰的生長速度)下降並且燃燒效率惡化。在這方面，根據諸如包覆層或氧化矽覆層的上述密封覆層，由於密封覆層能覆蓋陽極氧化物覆層的表面上的凹凸並且使隔熱覆層的表面平滑化，所以與僅由陽極氧化物覆層構成的隔熱覆層相比存在能抑制火焰的流動性下降的優點。

然而，發明人發現，當具有形成在其頂面上的上述類型的密封覆層的活塞應用於柴油發動機或某些類型的汽油發動機時會產生以下問題。即，在將燃料直接噴射到呈凹狀形成在活塞的頂面中的空腔部內的直噴式發動機中，由於將燃料以高壓噴射到空腔部中而產生火焰。因此，存在形成在空腔部中的密封覆層易於由以高壓噴射的燃料的穿透力局部地損傷的問題。如果密封覆層局部地損傷，則這種損傷很可能會影響所產生的火焰的流動性。此外，如果損傷繼續發展並且密封覆層的斷片從空腔部剝離，則存在氣缸孔將被所剝離的斷片損傷或者所剝離的斷片將咬入活塞環槽中並且導致發動機性能下降的風險。

已考慮上述問題而做出本發明。即，本發明的一個目的在於，在用於直噴式發動機的具有形成在其頂面上的密封覆層的活塞中抑制所噴射的燃料對密封覆層造成的損傷的發生。

問題的解決方案

第一發明是一種用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法，所述直噴式發動機將燃料直接噴射到呈凹狀形成在活塞頂面中的空腔部中，所述方法包括：

準備活塞的活塞準備步驟，所述活塞具有所述空腔部並且由具有小於99.0％的鋁純度的鋁合金製成；

在所述空腔部的表面的全部區域上形成鋁覆層的鋁覆層形成步驟，所述鋁覆層具有99.0％以上的鋁純度；

在形成所述鋁覆層之後通過對所述活塞頂面進行陽極氧化處理而在所述活塞頂面的全部區域上形成具有細孔的陽極氧化物覆層的陽極氧化物覆層形成步驟；和

在形成所述陽極氧化物覆層之後在所述活塞頂面的相對於所述空腔部的外側形成密封所述陽極氧化物覆層的細孔的密封覆層的密封覆層形成步驟。

第二發明是根據第一發明的用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法，其中：

所述鋁覆層形成步驟是以預定厚度形成所述鋁覆層的步驟，並且

所述陽極氧化物覆層形成步驟是在使得相對於以所述預定厚度形成的所述鋁覆層位於內側的鋁合金未被陽極氧化的條件下對所述活塞頂面進行陽極氧化處理的步驟。

第三發明是根據第一或第二發明的用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法，其中：

所述鋁覆層形成步驟是以預定厚度形成所述鋁覆層的步驟；

所述方法還在所述活塞準備步驟和所述鋁覆層形成步驟之間包括以與所述預定厚度對應的量向內研磨所述空腔部的表面的研磨步驟。

第四發明是根據第一至第三發明中任一項的用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法，其中所述直噴式發動機是柴油發動機。

本發明的有利效果

根據第一發明，在由具有小於99.0％的鋁純度的鋁合金製成的活塞的空腔部的表面的全部區域上形成具有99.0％以上的鋁純度的鋁覆層之後，能在活塞的頂面的全部區域上形成具有細孔的陽極氧化物覆層，並且此後能形成密封相對於空腔部位於外側的陽極氧化物覆層的細孔的密封覆層。因此，能在空腔部的內側形成由鋁覆層得到的陽極氧化物覆層，並且能在空腔部的外側形成由從鋁合金得到的陽極氧化物覆層和密封覆層構成的隔熱覆層。由於鋁覆層幾乎不包含添加劑，所以能抑制在由鋁覆層得到的陽極氧化物覆層的表面上產生微細的凹凸。因此，即使不在由鋁覆層得到的陽極氧化物覆層的表面上形成密封覆層，也能抑制火焰的流動性的下降。此外，由於不必在由鋁覆層得到的陽極氧化物覆層的表面上形成密封覆層，所以能根本上解決形成在空腔部中的密封覆層由所噴射的燃料的穿透力損傷的問題。

在相對於鋁覆層位於內側的鋁合金被陽極氧化的情況下，在由位於內側的鋁合金得到的陽極氧化物覆層的表面上會產生微細的凹凸，並且因此存在由鋁合金得到的陽極氧化物覆層的表面變得粗糙的問題。就此而言，根據第二發明，活塞的頂面能在使得相對於以預定厚度形成的鋁覆層位於內側的鋁合金未被陽極氧化的條件下進行陽極氧化處理。即，可以僅陽極氧化鋁覆層，並且能可靠地使由鋁覆層得到的陽極氧化物覆層的表面平滑化。

根據第三發明，能在活塞準備步驟和鋁覆層形成步驟之間以與所述預定厚度對應的量向內研磨空腔部的表面。因此，能抑制在鋁覆層形成之後在空腔部的內外產生高度差。

一般而言，由於燃料的噴射壓力在柴油發動機中比在汽油發動機中高，所以形成在柴油發動機的活塞中的空腔部中的密封覆層容易受到損傷。就此而言，根據第四發明，即使在將本發明應用於柴油發動機的情況下，也能抑制形成在空腔部中的密封覆層的損傷。

附圖說明

[圖1]圖1是用於說明用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法的實施方式的流程圖。

[圖2]圖2是用於柴油發動機的活塞10的透視圖。

[圖3]圖3是用於說明擠壓部26處的陽極氧化處理的視圖。

[圖4]圖4是用於說明空腔部20處的陽極氧化處理的視圖。

[圖5]圖5是用於說明實施方式中的空腔部20處的陽極氧化處理的視圖。

[圖6]圖6是用於說明與圖5的陽極氧化處理比較的空腔部20處的陽極氧化處理的視圖。

[圖7]圖7是在密封處理之後擠壓部26附近的示意性剖視圖。

[圖8]圖8是在密封處理之後空腔部20附近的示意性剖視圖。

[圖9]圖9是用於說明實施方式的變型的視圖。

[圖10]圖10是其中裝設了通過圖1所示的操作流程製造的活塞的直噴式發動機的示意性剖視圖。

具體實施方式

以下將參照圖1至圖10說明用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法的實施方式。注意，在各圖中，相同或對應的部分由相同的附圖標記表示，並且簡化或省略了這些部分的說明。

[用於製造活塞的方法]圖1是用於說明用於製造用於直噴式發動機的活塞的方法的實施方式的流程圖。在本實施方式中，首先，準備用於柴油發動機的活塞作為用於直噴式發動機的活塞(步驟S1)。圖2是用於柴油發動機的活塞10的透視圖。與普通的發動機活塞相似，活塞10是通過對鋁合金進行鑄造而形成的。如圖2所示，活塞10由具有與氣缸體(未示出)內表面滑動接觸的側面的圓筒形的裙部12、形成在裙部12的上端部處的具有預定壁厚的頭部14、和支承活塞銷(未示出)的銷凸臺部16。

在頭部14的側面上形成有三個活塞環槽18。在頭部14的上表面(以下也被稱為「活塞頂面」)的中央設置有呈凹狀的空腔部20。空腔部20由形成為與從空腔部20的開口邊緣20a與頭部14的內部對向的側壁部22和形成為從側壁部22的最深部位向上立起的錐臺形的脊部24構成。在空腔部20的外側形成有高度與頭部14的外緣14a相同的擠壓部26。在擠壓部26的表面(以下也被稱為「擠壓面」)中按需設置有用於防止與進氣門和排氣門接觸的凹槽。

現在將再次參照圖1說明用於製造活塞的方法。在於步驟S1中準備活塞10之後，研磨空腔部20的表面(以下也被稱為「空腔面」)的全部區域(步驟S2)。以此方式研磨空腔面使得空腔面向活塞10的內側後退。為了抑制研磨麵(是指研磨之後的空腔面；下同)與擠壓面之間產生高度差，優選僅以這樣的程度執行空腔面的研磨，即以與要在研磨麵上形成的高純度鋁覆層的覆層厚度TAl(稍後在步驟S4中詳細說明)對應的量研磨該面。

在步驟S2之後，執行擠壓面的掩蔽(步驟S3)。掩蔽技術不受特別限制，並且例如可將掩蔽帶附著在擠壓面上，或可將形成為與活塞10的形狀貼合的掩蔽部件推靠在擠壓面上。

在步驟S3之後，在空腔面上形成高純度鋁覆層(步驟S4)。高純度鋁覆層可通過電鍍法、蒸發法、熱噴塗法或冷噴塗法形成，並且優選通過其中難以發生諸如氧化鋁的雜質的介入的電鍍法或蒸發法來形成高純度鋁覆層。通過步驟S4中的處理形成的高純度鋁覆層的鋁純度在99.0％以上，並且優選在99.5％以上。此外，優選使高純度鋁覆層的覆層厚度TAl為要在空腔面上形成的陽極氧化物覆層(稍後詳述)的目標覆層厚度T目標的一半以上，並且更優選使覆層厚度TAl等於目標覆層厚度T目標的一半厚度。

在步驟S4之後，對活塞頂面的全部區域進行陽極氧化處理(步驟S5)。更具體地，首先，從擠壓面去除掩蔽物並且將活塞10設置在電解裝置中。電解裝置包括內部含有電解液的電解槽、陰極和電源(圖中皆未示出)。接下來，將陰極和作為陽極的活塞10配置在電解液中，並且通過在兩極之間通電而形成陽極氧化物覆層。

現在將參照圖3和圖4說明步驟S5中的陽極氧化處理的細節。圖3是用於說明擠壓部26處的陽極氧化處理的視圖，並且示出了擠壓部26附近的截面。圖4是用於說明空腔部20處的陽極氧化處理的視圖，並且示出了空腔部20附近的截面。

如圖3所示，在擠壓部26處，鋁合金從擠壓面朝其內部被氧化，並且防蝕鋁/電化鋁覆層(即，陽極氧化物覆層)28在垂直於擠壓面的方向上生長。防蝕鋁覆層28包括從其表面朝內部形成的數nm至數十nm的細孔(納米孔)28a和形成在防蝕鋁覆層28內部的數十mm的細孔(微孔)28b。微孔28b源自作為活塞母材的鋁合金(更具體地，諸如根據JIS H5202(2010)的AC8A或AC8B的鋁合金)中的添加劑(主要是矽)。微孔28b的形成提高了防蝕鋁覆層28的孔隙率並且能進一步降低熱傳導率和熱容量。防蝕鋁覆層28的孔隙率(＝納米孔28a和微孔28b的總體積×100/防蝕鋁覆層28的體積)由於納米孔28a和微孔28b的形成而變成20％以上。然而，防蝕鋁覆層28的表面中在形成微孔28b時產生凹部28c，並且防蝕鋁覆層28的表面粗糙度Ra(指按照JIS B601(2001)的算術平均粗糙度)變成3mm以上(平均4至5mm)。

另一方面，在空腔部20中，如圖4所示，高純度鋁覆層從表面朝其內側被氧化。然而，位於高純度鋁覆層的內側的鋁合金未被氧化。因此，僅具有納米孔30a的防蝕鋁覆層30在與空腔面垂直的方向上生長。防蝕鋁覆層30的表面粗糙度Ra在3mm以下。此外，防蝕鋁覆層30的孔隙率(＝納米孔30a的總體積×100/防蝕鋁覆層30的體積)由於納米孔30a的形成而變成20％以下。

優選地，步驟S5中的陽極氧化處理在使得位於高純度鋁覆層的內側的鋁合金未被氧化的條件下進行。從經驗知識得知防蝕鋁覆層的覆層厚度與電流密度和電解時間成比例。在步驟S5中，使用包含20％硫酸的電解液，並且在將活塞溫度(或電解液溫度)維持在10±5℃的同時以51.6A/cm2的電流密度執行恆定電流電解45分鐘。通過這種手段，僅高純度鋁覆層被氧化而不會使位於高純度鋁覆層的內側的鋁合金氧化，並且形成具有與目標覆層厚度T目標大致相等的覆層厚度的防蝕鋁覆層。

在本實施方式中，通過使在步驟S4中形成的高純度鋁覆層的覆層厚度TAl在目標覆層厚度T目標的一半以上並且還在步驟S5中在上述條件下進行陽極氧化處理，可以僅將高純度鋁覆層變換為防蝕鋁覆層30(圖5)。例如，如果使覆層厚度TAl小於目標覆層厚度T目標的一半，則在步驟S5中在上述條件下進行的陽極氧化處理將使位於高純度鋁覆層的內側的鋁合金被氧化並且將形成與圖3所示的微孔相似的微孔30b且防蝕鋁覆層30的表面中將產生凹部30c(圖6)。

因此，優選而言，在考慮了在步驟S4中形成的高純度鋁覆層的覆層厚度TAl之後，步驟S5中的陽極氧化處理在使得位於高純度鋁覆層的內側的鋁合金不露出的條件(電解液成分、活塞溫度、電流密度和電解時間)下進行。

現在將再次參照圖1繼續說明用於製造活塞的方法。在於步驟S5中執行陽極氧化處理之後，掩蔽空腔面(步驟S6)。掩蔽技術不受特別限制，並且例如可將掩蔽帶附著在空腔面上，或可將形成為與活塞10的形狀貼合的掩蔽部件推靠在空腔面上。

在步驟S6之後，對擠壓面進行密封處理(步驟S7)。更具體地，首先，將密封劑塗覆在擠壓面上。使用在主鏈骨架中包含矽的矽基聚合物溶液(更具體地，包含聚矽氮烷或聚矽氧烷的聚合物溶液)作為密封劑。聚合物溶液可按需包含添加劑。用於塗覆密封劑的方法不受特別限制，並且可提出噴塗法、刮塗法、旋塗法和刷塗法作為其例子。在塗覆密封劑之後，乾燥和烘焙密封劑以形成密封覆層。按照密封劑的塗覆厚度適當調節乾燥和烘焙密封劑的條件(溫度、時間等)。

圖7是在密封處理之後擠壓部26附近的示意性剖視圖，並且對應於圖3中的示意性剖視圖。如圖7所示，在防蝕鋁覆層28的表面上形成有密封覆層32。通過形成密封覆層32，防蝕鋁覆層28的表面中的凹部28c能由密封覆層32覆蓋，並且能將由防蝕鋁覆層28和密封覆層32構成的隔熱覆層34的表面粗糙度Ra平滑化至3mm以下的表面粗糙度Ra。此外，通過形成密封覆層32，能抑制燃料或氣體經由納米孔28a進入微孔28b中。

圖8是在密封處理之後空腔部20附近的示意性剖視圖，並且對應於圖4中的示意性剖視圖。如圖8所示，在防蝕鋁覆層30上未形成密封覆層。然而，由於防蝕鋁覆層30是通過對高純度鋁覆層進行陽極氧化處理而獲得的，所以由防蝕鋁覆層30構成的隔熱覆層36的表面粗糙度Ra在3mm以下，並且甚至在不形成密封覆層的情況下也充分平滑化。

在已形成密封覆層32之後，在從空腔面去除掩蔽物之後按需拋光活塞頂面的全部區域。在拋光活塞頂面之前，優選將開口邊緣20a研磨成使得擠壓面和空腔面相對於彼此連續。因而，通過執行上述步驟，製造出了本實施方式的用於柴油發動機的活塞。

注意，在上述實施方式中，步驟S1對應於上述第一發明中的「活塞準備步驟」，步驟S3和S4對應於第一發明中的「鋁覆層形成步驟」，步驟S5對應於第一發明中的「陽極氧化物覆層形成步驟」，並且步驟S6和S7對應於第一發明中的「密封覆層形成步驟」。此外，步驟S2對應於上述第三發明中的「研磨步驟」。

就此而言，在上述實施方式中，在於圖1中的步驟S2中研磨空腔面的全部區域之後，在步驟S3中掩蔽擠壓面，並且在步驟S4中在空腔面上形成高純度鋁覆層。然而，如圖9所示，在步驟S2之後和步驟S3之前，可對研磨麵進行噴丸處理以提高研磨麵和高純度鋁覆層之間的附著性(步驟S2』)。

[活塞的構型]圖10是其中裝設了通過圖1所示的操作流程製造的活塞的直噴式發動機的示意性剖視圖。圖10對應於圖2中的截面A-A。在圖10中，活塞10位於壓縮上死點。如圖10所示，隔熱覆層34形成在擠壓部26的表面上，並且隔熱覆層36形成在空腔部20的表面上。

自然地，隔熱覆層34和36均具有比鋁合金低的熱傳導率和單位體積熱容量。隔熱覆層34和36也具有比常規的基於陶瓷的隔熱覆層低的熱傳導率和單位體積熱容量。根據隔熱覆層34和36，代替如基於陶瓷的隔熱覆層的情況下那樣將形成有覆層的表面恆定地維持在高溫，可以使形成有覆層的表面的溫度與在發動機的循環期間變動的氣體溫度一致。即，能使形成有覆層的表面的溫度在從進氣衝程到壓縮衝程的時段(二循環發動機的情況下的上升衝程)期間是低溫，而在從膨脹衝程到排氣衝程的時段(二循環發動機的情況下的下降衝程)期間是高溫。因此，通過將其上形成有隔熱覆層34和36的活塞應用於直噴式發動機，由於不僅能提高發動機的熱效率，而且能提高其進氣效率，所以能獲得改善燃料消耗並降低NOx排放量的有利效果。

此外，燃料從圖10所示的噴射器38的高壓噴射在壓縮上死點之前執行。由於噴射孔設置在噴射器38的末端中，所以在高壓下從噴射孔噴射的燃料沿如圖10所示的噴射孔的軸線朝側壁部22噴射，燃料在壓縮上死點附近撞擊側壁部22並自行著火，並且因此產生火焰。圖10所示的虛線箭頭表示所產生的火焰生長的方向。即，火焰沿側壁部22的表面流動並且朝脊部24的中心方向生長。

如上文參照圖8所述，隔熱覆層36的表面被平滑化。因此，當火焰如圖10所示生長時，能抑制由於隔熱覆層36而引起的火焰的流動性的下降。此外，隔熱覆層36由防蝕鋁覆層30構成，並且不包含密封覆層。因此，不會發生形成在空腔面上的密封覆層由本來從噴射器38以高壓噴射的燃料的穿透力損傷的問題。因而，通過圖1所示的操作流程製造的活塞能使得最大限度地發揮通過隔熱覆層36產生的隔熱效果。

附圖標記列表

10 活塞

14 頭部

14a 外緣

20 空腔部

20a 開口邊緣

22 側壁部

24 脊部

26 擠壓部

28、30 防蝕鋁覆層

28a、30a 納米孔

28b、30b 微孔

28c、30c 凹部

32 密封覆層

34、36 隔熱覆層

38 噴射器