JP2013087719A - 遮熱膜の形成方法及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間に且つ安価に遮熱膜を内燃機関の燃焼室内壁に形成する。
【解決手段】内燃機関１０におけるシリンダボア１２とシリンダヘッド１５下面とピストン１３頂部とで区画される燃焼室１６の内壁に遮熱膜２３を形成する方法であって、中空の金属製又は合金製のマイクロカプセル２４を所定噴射速度で燃焼室１６の内壁に噴射し、マイクロカプセル２４を燃焼室１６の内壁に付着させることで、マイクロカプセル２４を含む遮熱膜２３を燃焼室１６の内壁に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関におけるシリンダボアとシリンダヘッド下面とピストン頂部とで区画される燃焼室の内壁に遮熱膜を形成する方法、及び、シリンダボアとシリンダヘッド下面とピストン頂部とで区画される燃焼室を備える内燃機関に関する。

遮熱層を内燃機関の燃焼室内壁に形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからの熱伝達を低減させて燃費の向上を図る技術が知られている。

例えば特許文献１等に記載されているように、アルミ製のピストン本体頂面部に、熱伝導率の低いセラミック製のピストンヘッド部分を、ピストン本体との間に空気層（隙間）を設けて取り付けるという方法が公知である。

特開平８−４５８５号公報

しかしながら、上述の方法では、セラミック製のピストンヘッド部分の熱容量が大きく、吸気行程中もピストンヘッド部分の温度が高い状態となり得る。そのため、充填効率が上がらず、却って燃費が悪化してしまう虞がある。

また、膜厚の薄い遮熱膜を燃焼室内壁に形成することが考えられる。しかしながら、公知の工法（例えば、溶射等）では、遮熱膜の施工に時間がかかり、また、遮熱膜を安価に大量生産することができない。

そこで、本発明の目的は、短時間に且つ安価に遮熱膜を内燃機関の燃焼室内壁に形成することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、内燃機関におけるシリンダボアとシリンダヘッド下面とピストン頂部とで区画される燃焼室の内壁に遮熱膜を形成する方法であって、中空の金属製又は合金製のマイクロカプセルを所定噴射速度で前記燃焼室の内壁に噴射し、前記マイクロカプセルを前記燃焼室の内壁に付着させることで、前記マイクロカプセルを含む遮熱膜を前記燃焼室の内壁に形成することを特徴とする遮熱膜の形成方法である。

前記マイクロカプセルを、前記燃焼室の内壁を構成する材料と同一材質の材料により製造しても良い。

前記所定噴射速度を、前記マイクロカプセルが前記燃焼室の内壁に衝突した際に、前記燃焼室の内壁及び前記マイクロカプセルの温度が、前記燃焼室の内壁を構成する材料及び前記マイクロカプセルを構成する材料の融点を超える噴射速度としても良い。

また、本発明は、シリンダボアとシリンダヘッド下面とピストン頂部とで区画される燃焼室を備える内燃機関において、中空の金属製又は合金製のマイクロカプセルを前記燃焼室の内壁に付着させてなる遮熱膜を備えることを特徴とする内燃機関である。

本発明によれば、短時間に且つ安価に遮熱膜を内燃機関の燃焼室内壁に形成することができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る遮熱膜の形成方法が適用される内燃機関を示し、（ａ）は内燃機関の概略図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。 マイクロカプセルを作る方法の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る遮熱膜の形成方法を示す説明図である。 変形例に係る内燃機関の概略図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る内燃機関（本実施形態では、直噴式ディーゼルエンジン）１０は、シリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１２と、シリンダボア１２内を上下に往復運動（摺動）するピストン１３と、シリンダブロック１１の上部にガスケット１４を挟んで取り付けられたシリンダヘッド１５とを備えている。シリンダボア１２と、シリンダヘッド１５の下面と、ピストン１３の頂部とで囲まれた空間が、燃焼室１６を形成する。シリンダヘッド１５には、燃焼室１６に連通する吸排気ポート（吸気ポート１７及び排気ポート１８）と、吸気ポート１７を開閉する吸気弁１９と、排気ポート１８を開閉する排気弁２０と、燃料を上方から燃焼室１６内に噴射する燃料噴射弁（インジェクタ）２１とが設けられている。また、ピストン１３の頂面１３ａには、キャビティ（図例では、リエントラントタイプのキャビティ）１３ｂが凹設されている。

図１（ａ）に示す内燃機関（直噴式ディーゼルエンジン）１０では、例えばピストン１３が圧縮上死点付近に位置するときに燃料を燃料噴射弁２１から燃焼室１６内に噴射することで、燃焼室１６内の燃料が自着火して燃焼する。燃料噴射弁２１の先端部には噴口２２が複数設けられており、各噴口２２は、ピストン１３の圧縮上死点付近において噴口２２から噴射された燃料がキャビティ１３ｂのリップ部１３ｃに向かうように指向されている。

本実施形態では、燃焼室１６を形成するピストン１３の頂部に、燃焼室１６内の燃焼ガスからピストン１３への伝熱を抑制するための遮熱膜（遮熱層）２３が形成される。より詳細には、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、遮熱膜２３は、ピストン１３の頂面１３ａ及びキャビティ１３ｂの一部（図例では、キャビティ１３ｂのリップ部１３ｃ近傍）に形成され、中空の金属製又は合金製のマイクロカプセル２４をピストン１３の頂部に多数付着させてなる。つまり、マイクロカプセル２４の内部空間、マイクロカプセル２４とピストン１３の頂部との間の空間、マイクロカプセル２４同士の間の空間が、本実施形態の遮熱膜２３を構成する。

次に、本実施形態に係る遮熱膜２３の形成方法を図２及び図３を用いて説明する。

〔１〕マイクロカプセルの準備
マイクロカプセル２４を作る方法は種々あるが、マイクロカプセル２４を作る方法の一例を図２に示す。つまり、マイクロカプセル２４を作る方法は、以下に説明する方法には限定はされない。

本実施形態では、ピストン１３がアルミピストン（アルミ合金製）であると想定し、マイクロカプセル２４をアルミ合金製とする。

先ず、図２（ａ）に示すように、アルミ合金の子粒子を、樹脂製の母粒子に、衝撃力により打ち込む。つまり、子粒子を母粒子に高速で噴射する。その後、図２（ｂ）に示すように、母粒子と子粒子との結合体を加熱し、図２（ｃ）に示すように、結合体（子粒子）から母粒子を溶かし出して中空のアルミ製のマイクロカプセル２４とする。

マイクロカプセル２４の粒径Ｒは、例えば０．１〜２０μｍ程度とする。また、マイクロカプセル２４の外殻となる子粒子は、ナノ粒子サイズのものとする。

〔２〕遮熱膜の形成
上述の〔１〕で準備したアルミ合金製のマイクロカプセル２４を非溶融状態にて例えばショットピーニングと同様の手法で噴射し、アルミ合金製のピストン１３（相手部材）に付着させる。具体的には、図３に示すように、噴射装置（例えば、スプレーガン等）２５を用いてマイクロカプセル２４をピストン１３に吹き付ける。マイクロカプセル２４の噴射の際は、マイクロカプセル２４をピストン１３に高速で噴射する。マイクロカプセル２４とピストン１３との衝突の際、マイクロカプセル２４の運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、ピストン１３、マイクロカプセル２４の最表面の温度が上がる。すると、ピストン１３、マイクロカプセル２４の最表面が溶け、ピストン１３とマイクロカプセル２４とが互いに強固に付着する。

マイクロカプセル２４の噴射速度（所定噴射速度）は、マイクロカプセル２４がピストン１３に衝突した際に、ピストン１３、マイクロカプセル２４の最表面の温度がアルミ合金の融点（６６０℃）（つまり、ピストン１３及びマイクロカプセル２４の材料の融点）を超える噴射速度（例えば、１００〜３００ｍ／ｓｅｃ程度）とする。また、ピストン１３には、マスキングを施した状態でマイクロカプセル２４を吹き付けることが好ましい。

このようにすると、図１（ｂ）に示すような表面層（遮熱膜２３）がピストン１３に得られる。この表面層（遮熱膜２３）はもちろん実際には若干いびつなポーラス層（多孔質の層）とはなり得るが、遮熱層（空気遮熱層）としては充分に機能する。

遮熱膜２３の厚さＴは、例えば５０〜１００μｍ程度とする。

〔３〕マイクロカプセルの材料
上述の〔１〕及び〔２〕では、ピストン１３がアルミピストンであると想定し、マイクロカプセル２４をアルミ合金製とした。しかしながら、ピストン１３が鉄系の材料（例えば、鋳鉄や鋼等）からなるものであれば、マイクロカプセル２４を鉄系の材料からなるものとする。ピストン１３とマイクロカプセル２４とが同一材質の材料からなるものである方が、ピストン１３とマイクロカプセル２４とが強固に付着すると考えられるためである。ただし、ピストン１３の材料と合金となる成分でマイクロカプセル２４を作ることは許容できる。つまり、ピストン１３とマイクロカプセル２４とを融点が近い（例えば、５０℃程度の差）材料で作ることが可能である。

以上要するに、本実施形態によれば、中空の金属製又は合金製のマイクロカプセル２４を所定の噴射速度で燃焼室１６を形成するピストン１３（相手部材）に噴射し、マイクロカプセル２４をピストン１３に付着させることで、マイクロカプセル２４を含む遮熱膜２３をピストン１３に形成するので、短時間に且つ安価に遮熱膜２３をピストン１３（相手部材）に形成することが可能となる。

特に本実施形態では、マイクロカプセル２４をピストン１３に衝突させた際のエネルギーを利用してマイクロカプセル２４の最表面を溶かすので、マイクロカプセル２４を予め溶融状態としておく必要がない。そのため、遮熱膜２３の施工を短時間ででき、また、遮熱膜２３を安価に大量生産することができる。また、マイクロカプセル２４を噴射する際に用いる設備は例えばショットピーニングのための設備を利用することもできるので、必ずしも専用の設備を用意する必要はない。つまり、本実施形態に係る遮熱膜２３の形成方法は、自動車用エンジンに代表される大量生産品に容易に適用可能である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上述の実施形態では、ピストン１３の頂部に遮熱膜２３を形成したが、これには限定はされず、図４に示すように、燃焼室１６を形成するシリンダヘッド１５の下面又はシリンダボア１２に遮熱膜２３を形成することも可能である。シリンダヘッド１５の下面に遮熱膜２３を形成する場合には、図４に示すように、シリンダヘッド１５の下面における燃焼室１６内に臨む部分のみに遮熱膜２３を形成しても良く、図示はしないが、シリンダヘッド１５の下面全体に遮熱膜２３を形成しても良い。また、シリンダボア１２に遮熱膜２３を形成する場合には、遮熱膜２３の表面にホーニング加工等の表面処理を施すことが考えられる。

また、上述の実施形態では、ピストン１３の頂面１３ａ及びキャビティ１３ｂの一部に遮熱膜２３を形成したが、これには限定はされず、ピストン１３の頂部に遮熱膜２３を形成する際には、図４に示すように、ピストン１３の頂面１３ａ及びキャビティ１３ｂの全体に遮熱膜２３を形成しても良い。

また、内燃機関１０は、ディーゼルエンジンには限定はされず、ガソリンエンジン等であっても良い。さらに、内燃機関１０は、直噴式のものには限定はされず、火花点火式のものであっても良い。

１０ 内燃機関
１２ シリンダボア
１３ ピストン
１５ シリンダヘッド
１６ 燃焼室
２３ 遮熱膜
２４ マイクロカプセル

Claims (4)

1. 内燃機関におけるシリンダボアとシリンダヘッド下面とピストン頂部とで区画される燃焼室の内壁に遮熱膜を形成する方法であって、中空の金属製又は合金製のマイクロカプセルを所定噴射速度で前記燃焼室の内壁に噴射し、前記マイクロカプセルを前記燃焼室の内壁に付着させることで、前記マイクロカプセルを含む遮熱膜を前記燃焼室の内壁に形成することを特徴とする遮熱膜の形成方法。
2. 前記マイクロカプセルを、前記燃焼室の内壁を構成する材料と同一材質の材料により製造する請求項１に記載の遮熱膜の形成方法。
3. 前記所定噴射速度を、前記マイクロカプセルが前記燃焼室の内壁に衝突した際に、前記燃焼室の内壁及び前記マイクロカプセルの温度が、前記燃焼室の内壁を構成する材料及び前記マイクロカプセルを構成する材料の融点を超える噴射速度とする請求項１又は２に記載の遮熱膜の形成方法。
4. シリンダボアとシリンダヘッド下面とピストン頂部とで区画される燃焼室を備える内燃機関において、中空の金属製又は合金製のマイクロカプセルを前記燃焼室の内壁に付着させてなる遮熱膜を備えることを特徴とする内燃機関。