JP2012172619A - エンジンおよびピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングを抑え、燃費の向上に貢献できるエンジンを提供する。
【解決手段】エンジン１は、ボア２０を有するシリンダブロック２と、燃焼室１０を形成するようにボア２０に往復移動可能に嵌合されたピストン３と、燃焼室１０を閉じ且つ燃焼室１０に連通するバルブ孔４０をもつシリンダヘッド４と、バルブ孔４０を開閉させるバルブ５とを備える。ピストン３、シリンダヘッド４、バルブ５のうちいずれか一つ以上において、燃焼室１０に対面する壁面に断熱コーティング膜７が被覆されている。断熱コーティング膜７は、樹脂と共に樹脂の内部に埋設され断熱コーティング膜７の厚みよりも径が小さく且つ５００ナノメートル以下のサイズの複数のナノ中空粒子を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃焼室の断熱性を高めたエンジンおよびピストンに関する。

エンジンは、ボアを有するシリンダブロックと、燃焼室を形成するようにボアに往復移動可能に嵌合されたピストンと、燃焼室を閉じ且つ燃焼室に連通するバルブ孔をもつシリンダヘッドと、バルブ孔を開閉させるバルブとを有する。燃費を向上させるためには、燃焼室の断熱性を高めることが好ましい。特に、ハイブリッド車両、または、アイドリングストップ機能付きの車両等のように、燃費向上を図る車両では、車両の走行中または一時停車中においてエンジンの駆動を一時的に停止させることがある。この場合、エンジンの燃焼室の温度が低下する傾向があるため、エンジンの燃費の向上には限界がある。

特許文献１は、熱伝達率が低いセラミックス製の中空粒状体を無機バインダ（ジルコニア、アルミナ等）に分散させたセラミックス遮熱膜を開示する。特許文献２は、セラミックス溶膜で形成された多孔質材からなる断熱コーティング膜をピストンの頂面に形成しているエンジンを開示する。特許文献３は、ピストン本体の頂面に低熱伝導部材を被覆させたピストンを開示する。このものでは、低熱伝導部材は、ピストン本体を形成するアルミニウム材料よりも熱伝導率が低い金属材料（チタン等）で形成されており、ピストン本体の頂面との間に断熱用の空気膜を形成している。特許文献４は、ピストンの頂面にセラミックス等の断熱材を設けたエンジンを開示する。

特開２０１０−１８５２９０号公報 特開２０１０−７１１３４号公報 特開２００５−７６４７１号公報 特開２００９−３０４５８号公報

上記した特許文献に係る技術では、高い断熱性および高い表面平滑性を備える断熱コーティング膜を形成するには限界があり、エンジンの燃費の向上には限界があった。更に、特許文献２，４は、溶射の断熱材が使われているが、溶射は、溶射処理前より溶射処理後に面が荒れてしまう。このためピストンの頂面にセラミックスを溶射した場合には、表面粗さの微視的な凸部が点火要因となるヒートスポットになり、エンジンにノッキングが生じる原因となり易い。また、セラミックス溶射は膜が硬質であるため、後加工が困難である。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、ノッキングを抑え、高い断熱性および高い表面平滑性を備える断熱コーティング膜を有することにより燃費の向上に貢献できるエンジンおよびピストンを提供することを課題とする。

（１）様相１に係る本発明に係るエンジンは、ボアを有するシリンダブロックと、燃焼室を形成するように前記ボアに往復移動可能に嵌合されたピストンと、燃焼室を閉じ且つ燃焼室に連通するバルブ孔をもつシリンダヘッドと、バルブ孔を開閉させるバルブとを具備するエンジンであって、ピストン、シリンダヘッド、バルブのうちいずれか一つ以上において、燃焼室に対面する壁面に断熱コーティング膜が被覆されており、断熱コーティング膜は、樹脂と共に樹脂の内部に埋設され断熱コーティング膜の厚みよりも径が小さく且つ５００ナノメートル以下のサイズの複数のナノ中空粒子とを有する。

断熱コーティング膜は、樹脂と共に樹脂の内部に埋設された断熱コーティング膜の厚みよりも径が小さな複数のナノ中空粒子を有する。断熱コーティング膜は高い空隙率を備えており、高い断熱性を有するため、燃焼室の断熱性を高めることができ、エンジンの燃費向上に貢献できる。

なお、エンジンにおいて、ピストンのうち燃焼室に対面する頂面にセラミックス溶射膜が被覆されている場合には、セラミックス溶射膜の表面粗さの改善には限界があるため、セラミックス溶射膜を微視的にみれば、溶射膜のうち燃焼室に対面する表面には微視的な凸部が多数形成されている。このような凸部は、エンジンの燃焼工程を誘発させる要因ともなり、エンジンにノッキングが発生する確率が増加する不具合が発生するおそれがある。この点について本願発明によれば、断熱コーティング膜は樹脂を含み、セラミックス溶射膜等と異なり、高い表面平滑性を備えており、エンジンの耐ノッキング性が高まる。

本発明に係るエンジンによれば、断熱コーティング膜は、樹脂と共に樹脂の内部に埋設され断熱コーティング膜の厚みよりも径が小さな複数のナノ中空粒子とを有するため、樹脂とナノ中空粒子との複合作用を期待できる。即ち、ナノ中空粒子はナノサイズであるため破壊されにくい性質をもつ。爆発工程における燃焼室の圧力を断熱コーティング膜の表面が受圧するとき、樹脂とナノ中空粒子との総合作用を期待でき、断熱コーティング膜の強度を保ちながら樹脂が受圧した圧力をナノ中空粒子の僅かな弾性変形で緩和することを期待できる。このため断熱コーティング膜の樹脂に亀裂が発生しにくくなる。なお本発明者が実施した試験例によれば、断熱コーティング膜が樹脂のみで形成されており、ナノ中空粒子を含有していないときには、断熱コーティング膜に亀裂が発生し易かった。

（２）様相２に係る本発明に係るエンジンによれば、上記様相において、断熱コーティング膜の厚みは１０〜２０００マイクロメートルであり、ナノ中空粒子のサイズは１０〜５００ナノメートルである。ナノ中空粒子を断熱コーティング膜の内部に分散させる分散性を高めることができ、ナノ中空粒子を断熱コーティング膜の樹脂の内部に効率よく埋設させることができる。

（３）様相３に係る本発明に係るエンジンによれば、上記様相において、樹脂は、エポキシ樹脂、アミノ樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、熱可塑性ポリイミド、非熱可塑性ポリイミドのうちの少なくとも１種である。このような樹脂であれば、様相１，２に係る作用を効果的に期待できる。

耐熱温度および熱分解温度が高い樹脂が好ましい。更に、耐熱性および熱分解温度を考慮すると、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミドが好ましい。更に高温環境で用いられる場合には、ポリベンゾイミダゾール、熱可塑性ポリイミド、非熱可塑性ポリイミドがより好ましい。更に、好ましくは、熱可塑性ポリイミド、ピロメリット酸二無水物や耐熱性に優れるビフェニルテトラカルボン酸二無水物から得られる非熱可塑性ポリイミドが良い。これらの樹脂をバインダとして、ナノサイズ（１マイクロメール未満）のナノ中空粒子を配合することにより、断熱コーティング膜における空隙率を高め、断熱コーティング膜の断熱性を確保することができる。

（４）様相４に係る本発明に係るピストンは、燃焼室を形成するようにボアに往復移動可能に嵌合されるピストンであって、ピストンのうち燃焼室に対面する壁面に断熱コーティング膜が被覆されており、断熱コーティング膜は、樹脂と共に樹脂の内部に埋設され断熱コーティング膜の厚みよりも径が小さく且つ５００ナノメートル以下のサイズの複数のナノ中空粒子とを有する。

本様相に係るピストンによれば、断熱コーティング膜は、樹脂と共に樹脂の内部に埋設され断熱コーティング膜の厚みよりも径が小さな複数のナノ中空粒子とを有するため、樹脂とナノ中空粒子との複合作用を期待できる。即ち、ナノ中空粒子はナノサイズであるため破壊されにくい性質をもつ。爆発工程における燃焼室の圧力を断熱コーティング膜の表面が受圧するとき、樹脂とナノ中空粒子との総合作用を期待でき、樹脂が受圧した圧力をナノ中空粒子の弾性変形で緩和することを期待できる。このため断熱コーティング膜の樹脂に亀裂が発生しにくくなる。なお本発明者が実施した他の試験例によれば、断熱コーティング膜が樹脂のみで形成されており、ナノ中空粒子を含有していないときには、断熱コーティング膜に亀裂が発生し易かった。

本発明によれば、高い断熱性および高い表面平滑性を備える断熱コーティング膜を有することにより、燃焼室の断熱性を高めことができ、エンジンの燃費の向上に貢献できる。更に、ピストンの頂面側の表面平滑性を高めることができるため、エンジンのノッキングを抑制させることができる。

本発明によれば、前述したようにエンジンの燃焼室の断熱性を高めることができるため、エンジンの冷間始動時における熱効率が向上し、エンジンの燃費が向上する。一般的には、エンジンの冷間始動時には燃料の気化が悪いため、通常よりも多くの燃料（ガソリン等）を燃焼室に送り込んでいる。しかし本発明に係る断熱コーティング膜を設ければ、エンジンの燃焼室を効果的に断熱することでき、燃料の気化が改善され、燃費が向上する。特に、近年増えているハイブリッド車両、または、アイドリングストップ付きの車両においては、エンジンの断続運転によりエンジンが充分に暖まらないことが多い。このようなとき、本発明に係る断熱コーティング膜が効果を発揮し、エンジンの燃焼室を高温に維持させ易い。また、燃焼室における燃焼熱がピストン、シリンダブロック、シリンダヘッド等に逃げにくくなるため、燃焼室における燃焼温度が上昇し、ひいては排気ガス中に含まれるHC（ハイドロカーボン）を低減できる効果も期待できる。

実施形態１に係り、エンジンの燃焼室付近を模式的に示す断面図である。 実施形態１に係り、ピストンの頂面に形成されている断熱コーティング膜付近を模式的に示す断面図である。 実施形態２に係り、エンジンの燃焼室付近を模式的に示す断面図である。 ピストンの頂面側を加熱させる試験を模式的に示す図である。 ピストンの頂面側を加熱させる試験において加熱時間と温度との関係を示すグラフである。 ピストンの頂面側を加熱させる試験において加熱時間と温度上昇率との関係を示すグラフである。 断熱コーティング膜による燃費と排ガス中の有害物質の低減効果を示すグラフである。

本発明の好ましい形態によれば、中空ナノ粒子を樹脂に配合し、ピストンのうち燃焼室に対面する頂面に断熱コーティング膜を形成することができる。これによりエンジンの熱効率が向上し、車両の燃費が向上する。樹脂の材質としては、接着性、耐熱性、耐薬品性、強度のあるものが好ましい。樹脂としては、アミノ樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂等としても良い。更に、耐熱性および熱分解温度を考慮すると、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミドが好ましい。更に高温環境で用いられる場合には、ポリベンゾイミダゾール、熱可塑性ポリイミド、非熱可塑性ポリイミドがより好ましい。更に、好ましくは、熱可塑性ポリイミド、ピロメリット酸二無水物や耐熱性に優れるビフェニルテトラカルボン酸二無水物から得られる非熱可塑性ポリイミドが良い。これらの樹脂をバインダとして、ナノサイズ（１マイクロメール未満）のナノ中空粒子を配合することにより、断熱コーティング膜における空隙率を高め、断熱コーティング膜の断熱性を確保することができる。樹脂は無機材料（例えばアルミナ、チタニア、ジルコニアなど）を含んでいても良い。無機材料は例えば粉末粒子状または繊維状でも良い。無機材料のサイズとしては、ナノ中空粒子と同程度の粒径、ナノ中空粒子よりも小さな粒径が好ましい。

断熱コーティング膜の見掛け体積を１００％とするとき、断熱コーティング膜における空隙率は体積比で５〜５０％が好ましい。特に７〜４５％、１０〜４０％が例示される。空隙率はナノ中空粒子の配合量に対応し、断熱コーティング膜の断熱性に影響を与える。ナノ中空粒子の配合量が多ければ、空隙率は高くなり、断熱コーティング膜の断熱性が高くなる。ここで、空隙率が過剰に低いと、断熱コーティング膜の断熱性が低下する。空隙率が過剰に高いと、樹脂に対してナノ中空粒子の割合が過多となり、ナノ中空粒子を結合させるバインダが不足し、断熱コーティング膜の成膜性が損なわれたり、断熱コーティング膜の強度が低下するおそれがある。

断熱コーティング膜の被覆後の壁面の表面粗さは、被覆前の表面粗さよりも小さいことが好ましい。ナノ中空粒子の材質としては、セラミック系や有機系材料が好ましい。特に、耐熱性に優れるシリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）がより好ましい。場合によっては、ナノ中空粒子の材質は樹脂でも良いし、金属でも良い。

ナノ中空粒子の平均粒子径としては１０〜５００ナノメートル、好ましくは２０〜３００ナノメートル、３０〜１５０ナノメートルにできる。ナノ中空粒子のサイズは、ピストンのスカート部とシリンダボア壁面との間等に形成される油膜の厚みよりも小さい方が好ましい。ナノ中空粒子が断熱コーティング膜から脱落するときであっても、これらの損傷を抑え得るためである。ナノ中空粒子の殻の厚みとしては、ナノ中空粒子の粒子径にもよるが、０．５〜５０ナノメートル、１〜３０ナノメートル、好ましくは、５〜１５ナノメートルが例示できる。ナノ中空粒子の形状としては真球状、疑似真球状、疑似楕円球状、疑似多角形状（疑似立方体形状、疑似直方体形状を含む）等にできる。ナノ中空粒子を形成する殻の表面は平滑でもよく、微小凹凸があっても良い。

数〜数百マイクロメートルといった大きなサイズの中空粒子では、中空粒子の配合量に限界があり、断熱コーティング膜を薄膜とさせつつ高い断熱性を発揮させるのは困難である。また、サイズが大きな中空粒子が断熱コーティング膜の表面近傍に表出すると、断熱コーティング膜の表面の凹凸が激しくなり、表面平滑性が低下する。このように断熱コーティング膜の表面の凹凸が激しくなる場合には、断熱コーティング膜の表面における微視的な凸部がヒートスポットとなり、エンジンのノッキングが生じ易くなる傾向がある。また、何らかの要因で樹脂から中空粒子が脱落した場合には、数〜数百マイクロメートルのサイズの大きな中空粒子は、エンジンの摺動部の油膜厚さ（約０．５〜１マイクロメートル）より大きく、且つ、ピストンやシリンダの材質より硬質であることがあり、ピストンやシリンダを摩耗させてしまうおそれがある。これに対して本実施形態によれば、５００ナノメートル以下（例えば１０〜５００ナノメートル程度）といった極微小サイズの中空粒子は、樹脂（バインダ）への充填量を多くでき、ナノ中空粒子による微小空孔を分散でき、断熱コーティング膜が薄い被膜であっても、断熱コーティング膜の断熱性を確保することが可能である。また、ナノ中空粒子をナノサイズにすることによって、ナノ中空粒子に起因する断熱コーティング膜の表面における凹凸が極めて小さくなり、バインダとなる樹脂のレベリング作用で断熱コーティング膜の表面平滑化が可能となり、エンジンのノッキング限界を高めることができる。ノッキング限界を考慮すると、断熱コーティング膜の表面粗さはＲａで１０．０以下、７．０以下が好ましい。５．０以下、３．０以下がより好ましい。更に、２．０以下が更に好ましい。更に、ナノ中空粒子は、仮に樹脂から脱落したとしても、前述の油膜厚さより小さいサイズであるため、油膜に覆われ、ピストンのスカート部、シリンダブロックのボア壁面を損傷させるおそれが抑えられる。

断熱コーティング膜の厚さとしては、断熱性、密着性、空隙率の確保等を考慮すると、１０〜２０００マイクロメートル、２０〜１０００マイクロメートルが好ましい。５０〜７００マイクロメートル、もしくは、１００〜５００マイクロメートルとすることもできる。断熱コーティング膜の厚みの上限値としては２０００マイクロメートル、１０００マイクロメートル、８００マイクロメートル、５００マイクロメートル、３００マイクロメートルが例示される。断熱コーティング膜の厚みの下限値としては２０マイクロメートル、３０マイクロメートル、４０マイクロメートルが例示される。同一単位で、断熱コーティング膜の厚み／ナノ中空粒子の径をαとすると、αは２０万〜２０の範囲内、５００００〜２０の範囲内、３００００〜１００の範囲内が例示できる。この場合、断熱コーティング膜におけるナノ中空粒子の分散性を高めることができ、断熱コーティング膜の断熱性を高めると共に断熱ムラを低減させるのに有利である。

上記した特許文献３に示されるような、チタン等の低熱伝導部材を使用する場合は、構造上、ミリ単位の厚みが必要である。この場合、ピストンの重量増は避けられず、高速で動くピストンの動きを阻害し、燃費向上の妨げになり、好ましくない。これに対して、表１に示されるように、本発明に係る断熱コーティング膜は樹脂を含み、アルミニウム合金よりも比重が軽い利点が得られる。ここで、仮に７ミリメートルの厚みを有するチタンで得られる断熱性は、ジルコニアの溶射膜の場合には１．６５ミリメートルの厚みの断熱性に相当し、また、本発明に係る断熱コーティング膜では僅か０．０２１〜０．０９１ミリメートルの厚みに相当する。このように本発明に係る断熱コーティング膜では、断熱性を確保しつつ薄膜化できるため、断熱コーティング膜をピストンの頂面に形成したとしても、ピストンの頂面側の断熱性を高めつつ、ピストンの重量増はごく僅かであり、ピストンの動作には影響を与えない利点が得られる。

以上説明したように本発明に係る断熱コーティング膜は、複数のナノ中空粒子を埋設しているため、高い空隙率を確保でき、高い断熱性を有することができる。従って、燃焼室の断熱性を高めることができる。本発明に係る断熱コーティング膜を塗布で壁面（燃焼室に対面する壁面）に形成すれば、壁面における成膜が簡単で済む。更に、ナノサイズのナノ中空粒子を樹脂に混ぜ込むことによって、塗料のレベリング作用を損なわず、塗布前のピストンの表面粗さに対し、塗布後の断熱コーティング膜の表面粗さが小さくなることで、ピストンの比表面積が小さくなり、ピストンからの伝熱が抑制され、ピストンの断熱性能をより向上させることが可能となる。

なお、本発明に係る断熱コーティング膜は、樹脂、ナノ中空粒子の他に、必要に応じて添加剤を含んでいても良い。添加剤としては、ナノ中空粒子の分散性を高める分散剤、接着性や配合粉体への新和性の向上や接着性の向上を補助するシランカップリング剤、表面張力を調整するレベリング剤、界面活性剤、チクソトロピック特性を調整させる増粘剤等が必要に応じて挙げられる。

本発明に係る断熱コーティング膜を形成する場合は、樹脂を溶剤に溶解させる等して低粘度化し、これにナノ中空粒子を混合させて分散させることにより塗料を形成できる。分散にあたり、超音波分散機、湿式ジェットミル、ホモジナイザー、３本ロール、高速攪拌機等が挙げられる。燃焼室を形成水する壁面に塗料を塗布して塗膜を形成し、塗膜を焼き付けて本発明に係る断熱コーティング膜を形成できる。塗布形態としては、スプレー塗り、刷毛塗り、ローラ塗り、ロールコータ、静電塗装、浸漬塗装、スクリーン印刷、パット印刷等の公知の塗装形態が挙げられる。塗装後に、塗装膜を加熱保持して焼き付け、断熱コーティング膜とすることができる。焼き付け温度としては、樹脂の材質に等に応じて設定でき、１３０〜２２０℃、１５０〜２００℃、１７０〜１９０℃が挙げられる。焼き付き時間としては、０．５〜５時間、１〜３時間、１．５〜２時間が例示される。断熱コーティング膜を形成する前のピストン等の壁面に、ショットブラスト、エッチング、化成処理等の予備処理を行うことが好ましい。

更に、本発明に係る断熱コーティング膜は、ピストンの頂面のみに形成しても良いし、あるいは、シリンダーヘッドのうち燃焼室に対面する壁面に形成することもできる。更に、吸気用または排気用のバルブ孔を開閉させるバルブのうち燃焼室を形成する壁面にも、本発明に係る断熱コーティング膜を形成することもできる。この場合にも、燃焼室の断熱性を高めることができる。なお、エンジンとしては内燃機関、レシプロエンジン等が挙げられる。エンジンの使用される燃料としては、ガソリン、軽油、ＬＰＧ等が挙げられる。

［実施形態１］
図１および図２は実施形態１の概念を模式的に示す。図１はエンジン１の燃焼室１０付近の断面を模式的に示す。エンジン１はピストン式内燃機関である。図１および図２はあくまでも概念図であり、細部まで規定するものではない。エンジン１は、ボア２０を有するシリンダブロック２と、頂面３０側に燃焼室１０を形成するようにボア２０に矢印Ａ１，Ａ２方向に往復移動可能に嵌合されたピストン３と、燃焼室１０を閉じ且つ燃焼室１０に連通するバルブ孔４０をもつシリンダヘッド４と、バルブ孔４０を開閉させるバルブ５とを備えている。バルブ孔４０は、燃焼室１０に連通可能な吸気用バルブ孔４０ｉと排気用バルブ孔４０ｅとを備えている。シリンダヘッド４はガスケット４７を介してシリンダブロック２に被着されている。シリンダブロック２、シリンダヘッド４、ピストン３は、鋳造系のアルミニウム合金で形成されている。アルミニウム合金としては、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム系合金、アルミニウム−シリコン−銅系合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム−銅系合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム−銅−ニッケル系合金が好ましい。亜共晶組成、共晶組成、過共晶組成でも良い。場合によっては、シリンダブロック２、シリンダヘッド４、ピストン３のうちの少なくとも一つは、マグネシウム合金系、鋳鉄系（例えば片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄を含む）で形成しても良い。

図１および図２に示すように、ピストン３のうち燃焼室１０に対面する壁面である頂面３０の全域またはほぼ全域に、第１断熱コーティング膜７ｆ（厚み：２０〜１０００マイクロメートル）が被覆されている。この場合、ピストン３の頂面３０のみに第１断熱コーティング膜７ｆを形成することが好ましい。なお、摩滅等を考慮すると、ピストン３のスカート部の外壁面には形成しないことが好ましい。

第１断熱コーティング膜７ｆは、樹脂と、樹脂に埋設された複数のナノ中空粒子（シリカバルーンやアルミナバルーン等のセラミックスバルーン）とを有する。ナノ中空粒子の平均径は１０〜５００ナノメートル以下、殊に３０〜１５０ナノメートルにできる。但しこれに限定されるものではない。ナノ中空粒子の殻の厚みは１〜５０ナノメートル、５〜１５ナノメートルにできる。平均径は電子顕微鏡観察における単純平均とする。ナノ中空粒子の径の下限については、電子顕微鏡観察により、８または９ナノメートルにでき、上限については６００または８００ナノメートルにできる。

樹脂としては、場合によっては、アミノ樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂等としても良い。更に、耐熱性および熱分解温度を考慮すると、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミドが好ましい。更に高温環境で用いられる場合には、ポリベンゾイミダゾール、熱可塑性ポリイミド、非熱可塑性ポリイミドがより好ましい。更に、好ましくは、熱可塑性ポリイミド、ピロメリット酸二無水物や耐熱性に優れるビフェニルテトラカルボン酸二無水物から得られる非熱可塑性ポリイミドが良い。

ピストン３のうち燃焼室１０に対面する頂面３０に第１断熱コーティング膜７ｆが形成されている。この場合、５００ナノメートル以下といった極微小サイズの中空粒子は、樹脂（バインダ）への充填量を多くでき、ナノ中空粒子による微小空孔を分散できる。よって、断熱コーティング膜が薄い被膜であっても、断熱コーティング膜の断熱性、ひいては燃焼室１０の断熱性を確保することができる。

このため、燃焼室１０の熱がピストン３を介してシリンダブロック２側に逃げることが抑制され、燃焼室１０の断熱性が高まる。なお、ピストン３には連結ピン３１を介してコネクティングロッド３２が連結されている。燃焼室１０に対面する点火部４２をもつ点火プラグ４３がシリンダヘッド４に設けられている。バルブ５は耐熱鋼で形成されており、棒状のバルブステム部５０と、径方向に拡径した傘部５１とを有する。傘部５１は燃焼室１０に対面するバルブ面５３を有する。バルブ面５３には肉盛膜が肉盛りされていても良い。肉盛膜は銅合金または鉄合金で形成できる。

本実施形態によれば、高い断熱性および高い表面平滑性を備える断熱コーティング膜を有することにより、燃焼室の断熱性を高めことができ、エンジンの燃費の向上に貢献できる。更に、ピストンの頂面側の表面平滑性を高めることができるため、エンジンのノッキングを抑制させることができる。エンジン１の爆発工程における燃焼室１０の圧力Ｆは、断熱コーティング膜７ｆに作用する（図２参照）。圧力Ｆは、複数のナノ中空粒子を分散状態に埋設させている断熱コーティング膜７ｆにより受圧されると考えられる。

本実施形態によれば、前述したようにエンジン１の燃焼室１０の断熱性を高めることができるため、エンジン１の冷間始動時における熱効率が向上し、エンジン１の燃費が向上する。一般的には、エンジン１の冷間始動時には燃料の気化が悪いため、通常よりも多くの燃料（ガソリン等）を燃焼室に送り込んでいる。しかし本実施形態に係る断熱コーティング膜７ｆをピストン３の頂面３０に積層させれば、エンジン１の燃焼室１０を効果的に断熱することでき、燃料の気化が改善され、燃費が向上する。特に、近年増えているハイブリッド車両、または、アイドリングストップ付きの車両においては、エンジン１の断続運転によりエンジン１が充分に暖まらないことがある。このようなとき、本実施形態に係る断熱コーティング膜７ｆが効果を発揮し、エンジン１の燃焼室１０を高温に維持させ易い。また、燃焼室１０における燃焼熱がピストン３、シリンダブロック２、シリンダヘッド４等に逃げにくくなるため、燃焼室１０における燃焼温度が上昇し、ひいては排気ガス中に含まれるHC（ハイドロカーボン）を低減できる効果も期待できる。なお、被覆後の断熱コーティング膜７ｆの表面粗さは、断熱コーティング膜７ｆ被覆前の頂面３０の表面粗さよりも小さい。

本実施例に係る断熱コーティング膜７ｆを形成する一方法について説明する。まず、樹脂を溶剤に溶解させて低粘度化させ、これにナノ中空粒子を混合させて分散器により分散させることにより塗料を形成する。このような塗料をピストンの頂面にスプレー等で塗布して塗膜を形成した。その後、大気中雰囲気において、塗膜を所定の焼付温度（１２０〜４００℃の範囲内の任意値）で所定の時間（０．５〜１０時間の範囲内の任意値）焼き付け、断熱コーティング膜７ｆを形成することができる。

［実施形態２］
図３は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成を有しており、作用効果を有する。図３はエンジン１の燃焼室１０付近の断面を模式的に示す。ピストン３のうち燃焼室１０に対面する壁面である頂面３０に、第１断熱コーティング膜７ｆが被覆されている。更に、シリンダヘッド４うち燃焼室１０に対面する壁面４５に、第２断熱コーティング膜７ｓが被覆されている。第１断熱コーティング膜７ｆおよび第２断熱コーティング膜７ｓが形成されているため、燃焼室１０の断熱性が高まる。場合によっては、シリンダヘッド４の壁面４５に第２断熱コーティング膜７ｓが形成されている限り、第１断熱コーティング膜７ｆを廃止しても良い。
なお、断熱コーティング膜７ｆ，７ｓの被覆後の壁面の表面粗さは、被覆前の表面粗さよりも小さい。

［実施形態３］
本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成を有しており、作用効果を有するため、図１〜図３を準用できる。ピストン３のうち燃焼室１０に対面する壁面である頂面３０に、第１断熱コーティング膜７ｆが被覆されている。更に、シリンダヘッド４うち燃焼室１０に対面する壁面４５に、第２断熱コーティング膜７ｓが被覆されている。加えて、バルブ５のうち燃焼室１０に対面するバルブ面５３にも第３断熱コーティング膜７ｔが形成されている。このようにピストン３の頂面３０に第１断熱コーティング膜７ｆが形成され、シリンダヘッド４うち燃焼室１０に対面する壁面４５に第２断熱コーティング膜７ｓが形成され、バルブ５のうち燃焼室１０に対面するバルブ面５３に第３断熱コーティング膜７ｔが形成されている。このため、燃焼室１０の断熱性が更に高まる。なお、被覆された断熱コーティング膜７ｆ，７ｓ，７ｔの表面粗さは、断熱コーティング膜７ｆ，７ｓ，７ｔの被覆前の頂面３０、壁面４５、バルブ面５３等の壁面の表面粗さよりも小さい。

第１断熱コーティング膜７ｆの厚みをｔ１とし、第２断熱コーティング膜７ｓをｔ２と、第３断熱コーティング膜７ｔの厚みをｔ３とするとき、ｔ１＝ｔ２＝ｔ３、ｔ１≒ｔ２≒ｔ３にできる（ｔ１，ｔ２，ｔ３は図３において図示せず）。ピストン３からの逃熱抑制を考慮すると、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３、または、ｔ１＞ｔ２≒ｔ３としても良い。シリンダヘッド４からの逃熱抑制を考慮すると、ｔ２＞ｔ１＞ｔ３、または、ｔ２＞ｔ１≒ｔ３としても良い。バルブ５の傘部５１のバルブ面５３をこれの垂直方向に投影した投影面積は、ピストン３の頂面３０をこれの垂直方向から投影した投影面積よりも小さいため、第３断熱コーティング膜７ｔを廃止することもできる。

［実施形態４］
本実施形態は実施形態１〜３と基本的には同様の構成を有しており、作用効果を有するため、図１〜図３を準用できる。特に図示はしないものの、ピストン３のうち燃焼室１０に対面する壁面である頂面３０に第１断熱コーティング膜７ｆが被覆されている。更に、シリンダヘッド４うち燃焼室１０に対面する壁面４５に第２断熱コーティング膜７ｓが被覆されている。このため燃焼室１０の断熱性が高まる。

［実施例］
以下、本発明をより具体化した実施例について説明する。実施例１として、ピストンのうち燃焼室に対面する頂面に、本発明に係る断熱コーティング膜を塗布して評価を実施した。ピストンの材質はアルミニウム−シリコン−マグネシウム−銅−ニッケル系合金（シリコン：１１〜１３質量％，ＪＩＳ ＡＣ−８Ａ）とした。断熱コーティング膜の厚みは１２５マイクロメートルとした。バインダとして機能する樹脂としては、非熱可塑性ポリイミドを採用した。表２に示すように、樹脂１００質量部に対してナノ中空粒子は１４質量部配合させた。ナノ中空粒子としてはシリカバルーンを採用した。ナノ中空粒子としては、粒子径の範囲３０〜１５０ナノメートルとし、平均粒子径を１０８ナノメートルとし、殻の厚み５〜１５ナノメートルとした。

実施例１に係る断熱コーティング膜を形成するにあたり、樹脂を溶剤（N-メチル-2-ピロリドン）に溶解させて低粘度化させ、これにナノ中空粒子を混合させて分散機（超音波分散機）により分散させることにより塗料を形成した。このような塗料をピストンの頂面にスプレー等で塗布して塗膜を形成した。その後、塗膜を電気炉により所定の焼付温度（１７０〜１９０℃）で所定の時間（０．５〜２時間）焼き付け、断熱コーティング膜を形成した。

ナノ中空粒子の平均粒子径については、断熱コーティング膜をクロスセクションポリッシャーで研磨させた後に、電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）で観察し、ナノ中空粒子の平均粒子径を測定した。測定数ｎを２０とし、単純平均とした。断熱コーティング膜の見掛け体積を１００％とするとき、断熱コーティング膜における空隙率が体積比で１５％となるようにナノ中空粒子を配合させた。この場合、ナノ中空粒子の殻で区画された空隙が空隙率として演算される。

実施例１について、断熱コーティング膜の熱伝導率、表面粗さ、ノッキング性、燃費について評価し、表２に示した。燃費については、従来のエンジンの燃費を１００と相対表示したときにおける燃費とした。燃費測定条件は次のようにした。
〔使用エンジン〕
（ｉ）エンジン諸元：直列４気筒，水冷式，DOHC，16バルブ，４サイクルエンジン
排気量：1300ｃｃ
（ｉｉ）ピストン：４個とも頂面（ピストンのうち燃焼室に面した壁面）に本発明に係る断熱コーティング膜（125μｍ）を塗布により形成。
〔燃費評価条件〕
エンジンが冷間状態において、エンジン水温が室温から８８℃まで上昇する間の燃費を平均して測定した。この場合、回転数２５００ｒｐｍの一定回転で、一定負荷を加える。

同様に、比較例１，２についても評価し、結果を表２に示す。比較例１については、ピストンの頂面は無処理とし、ナノ中空粒子を含む断熱コーティング膜は形成されていない。比較例２については、ピストンの頂面にジルコニアを溶射し、溶射膜を形成した。

表２に示すように、比較例１では、熱伝導率は１３０（Ｗ／ｍｋ）であり、大きく、表面粗さはＲａで４．８２であった。ノッキングは無しであり、燃費は１００として相対表示した。

比較例２では、ジルコニア溶射膜の熱伝導率は４．０（Ｗ／ｍｋ）であり、本実施例に比較すると約２５倍（４．０Ｗ／ｍｋ／０．１６Ｗ／ｍｋ）大きかった。溶射膜の表面粗さはＲａで３８であり、実施例１よりもかなり粗かった。比較例では、エンジンにノッキングが発生し、燃費測定は測定不可に至った。

これに対して実施例１では、断熱コーティング膜の熱伝導率は０．１６（Ｗ／ｍｋ）と小さく、比較例１に比較すると約１．２×１０^−３倍（０．１６Ｗ／ｍｋ／１３０Ｗ／ｍｋ）であり、比較例２に比較すると約０．０４倍（０．１６Ｗ／ｍｋ／４．０Ｗ／ｍｋ）であった。実施例１の断熱コーティング膜の表面粗さはＲａで１．７９であり、比較例１，２よりも小さかった。実施例１では、ノッキングは無しであり、燃費は１０２．５であった。

実施例２では、断熱コーティング膜の熱伝導率は０．１２（Ｗ／ｍｋ）と小さかった。実施例２の断熱コーティング膜の表面粗さはＲａで１．８６であり、比較例１，２よりも小さかった。実施例２では、ノッキングは無しであり、燃費は１０３．１であった。

上記測定結果から、実施例１に係る断熱コーティング膜によりピストンの頂面側の熱伝導率が大幅に下がるだけでなく、表面粗さを低減させて、ノッキングを低減させる効果が確認できた。

次に、ピストンのうち燃焼室に対面する頂面に、本実施例の断熱コーティング膜を成膜した。そして、図４に示すように、加熱源を加熱バーナーとし、ピストンの頂面の断熱コーティング膜側から加熱を継続したとき、ピストンの頂面側の断熱コーティング膜における温度上昇を測定する試験を行った。測定結果を図５および図６に示す。図５および図６において、特性線Ｗ１は発明品ピストンを示し、特性線Ｗ２は従来品ピストンを示す。発明品ピストンでは、図５の領域Ｗ５において示すように、従来品ピストンに比べて初期の温度上昇の立ち上がりが早く、ピストンの頂面における断熱性が高いことが確認された。更に加熱時間が継続しても、発明品ピストンでは従来品ピストンに比較して、温度βぶん高温であった。

また図６の矢印Ｗ７として示すように、発明品ピストンでは従来品ピストンよりも、ピストンの頂面の温度上昇率が加熱開始から短時間で上昇していることが確認された。これによりエンジンの始動直後でありエンジンが冷間状態のときにおいて、燃焼室での燃料の気化が促進されるため、エンジンの燃費が向上できる。図７は、実施例１に係る断熱コーティング膜を積層させたピストンを適用した場合の本発明品のエンジンンの燃費及び排ガス中のHC量を、従来品のエンジンに対して示す。ピストンの頂面に断熱コーティング膜を設けることによって、従来品のエンジンに対して燃費が２．５％向上し、排ガス中に含まれる有害成分であるHCが質量比で１２．３％低減できた。

［その他］実施形態１によれば、第１断熱コーティング膜７ｆはピストン３の頂面３０の全域に形成するものの、頂面３０のうちの一部に形成しても良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態および実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

１はエンジン、１０は燃焼室、２はシリンダブロック、２０はボア、３はピストン、３０は頂面、４はシリンダヘッド、４０はバルブ孔、５はバルブ、７ｆは断熱コーティング膜を示す。

Claims (6)

1. ボアを有するシリンダブロックと、燃焼室を形成するように前記ボアに往復移動可能に嵌合されたピストンと、前記燃焼室を閉じ且つ前記燃焼室に連通するバルブ孔をもつシリンダヘッドと、前記バルブ孔を開閉させるバルブとを具備するエンジンであって、
   前記ピストン、前記シリンダヘッド、前記バルブのうちいずれか一つ以上において、前記燃焼室に対面する壁面に断熱コーティング膜が被覆されており、
   前記断熱コーティング膜は、樹脂と共に前記樹脂の内部に埋設され前記断熱コーティング膜の厚みよりも径が小さく且つ５００ナノメートル以下のサイズの複数のナノ中空粒子とを有するエンジン。
2. 請求項１において、前記断熱コーティング膜の厚みは１０〜２０００マイクロメートルであり、前記ナノ中空粒子のサイズは１０〜５００ナノメートルであるエンジン。
3. 請求項１または２において、前記樹脂は、エポキシ樹脂、アミノ樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、熱可塑性ポリイミド、非熱可塑性ポリイミドのうちの少なくとも１種であるエンジン。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項において、前記断熱コーティング膜の被覆後の壁面の表面粗さは、被覆前の表面粗さよりも小さいエンジン。
5. 燃焼室を形成するようにボアに往復移動可能に嵌合されるピストンであって、
   前記ピストンのうち前記燃焼室に対面する壁面に断熱コーティング膜が被覆されており、
   前記断熱コーティング膜は、樹脂と共に樹脂の内部に埋設され前記断熱コーティング膜の厚みよりも径が小さく且つ５００ナノメートル以下のサイズの複数のナノ中空粒子とを有するピストン。
6. 請求項５において、前記断熱コーティング膜の被覆後の壁面の表面粗さは、被覆前の表面粗さよりも小さいピストン。

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