JP2014222056A - Method for forming heat insulation layer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンの燃焼室を形成する部品壁面に断熱層を形成する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for forming a heat insulating layer on a part wall surface forming a combustion chamber of an engine.
近年、エンジンの高圧縮比と混合気のリーン化との組合せを前提として、極めて高い幾何学的圧縮比において冷却損失を低下させるべく、燃焼室の一部を断熱化する一方で、エンジンの高膨張比化(高圧縮比化)を図ることにより、エンジンの図示熱効率を向上させて燃費性能を大幅に改善する技術が検討されている。特許文献1には、燃焼室を断熱化するのに有用な技術が開示されている。具体的には、燃焼室を形成する壁面に対し、中空粒子を含む樹脂をコーティングすることにより、当該壁面の熱伝導率を低減させて燃焼室の断熱化を図るというものである。
In recent years, on the premise of a combination of a high compression ratio of the engine and leaner mixture, a part of the combustion chamber is insulated to reduce cooling loss at an extremely high geometric compression ratio, while a high engine A technique for improving the illustrated thermal efficiency of the engine and significantly improving the fuel consumption performance by increasing the expansion ratio (high compression ratio) has been studied.
特許文献1には、コーティング方法(断熱層の形成方法)として一般的な方法、つまり、樹脂に中空粒子を混合、撹拌して塗料を作り、この塗料を燃焼室の壁面に塗布等して塗膜を形成した後、塗膜を焼き付ける、といった方法が開示されている。しかし、このような方法に従うだけでは、良好な断熱層を形成することは実際には難しい。すなわち、樹脂に中空粒子を混合、撹拌する過程で、中空粒子同士が衝突し、又は中空粒子と攪拌部材とが衝突して多くの中空粒子が破砕される。また、樹脂をスプレー塗布等する場合にも、中空粒子同士の衝突や、中空粒子と壁面との衝突により多くの中空粒子が破砕される。このような中空粒子の破砕は、断熱効果を低下させる原因の一つとなる。
In
本発明は、上記のような事情に鑑みて成されたものであり、エンジンの燃焼室を形成する部品壁面に対し、より良好な断熱層を形成する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for forming a better heat insulating layer on a part wall surface forming a combustion chamber of an engine.
上記の課題を解決するために、本発明は、エンジンの燃焼室を形成する部品壁面に断熱層を形成する方法であって、前記部品壁面に樹脂を塗布することにより樹脂層を形成する第1樹脂塗布工程と、樹脂層の表面に中空粒子を付着させる粒子付着工程と、中空粒子上に樹脂を塗布することにより前記中空粒子を含む樹脂層を形成する第2樹脂塗布工程と、を含み、第1樹脂塗布工程を実施した後、粒子付着工程および第2樹脂塗布工程をこの順番で複数回繰り返し実施するようにしたものである。 In order to solve the above problems, the present invention is a method of forming a heat insulating layer on a part wall surface forming a combustion chamber of an engine, wherein the resin layer is formed by applying a resin to the part wall surface. A resin application step, a particle adhesion step of attaching hollow particles to the surface of the resin layer, and a second resin application step of forming a resin layer containing the hollow particles by applying a resin on the hollow particles, After the first resin application step, the particle adhesion step and the second resin application step are repeated a plurality of times in this order.
この方法によれば、樹脂液に中空粒子を混合、撹拌する工程がないため、当該撹拌による中空粒子同士の衝突や、中空粒子と撹拌部材との衝突によって中空粒子が破砕されることが無い。そのため、最終的に形成される断熱層内により多くの良好な中空粒子を確保することが可能となる。 According to this method, since there is no step of mixing and stirring the hollow particles in the resin liquid, the hollow particles are not crushed by collision between the hollow particles due to the stirring or collision between the hollow particles and the stirring member. Therefore, it becomes possible to ensure more favorable hollow particles in the heat insulating layer finally formed.
上記方法においては、前記樹脂層を加熱する加熱工程をさらに含み、この加熱工程を、第1樹脂塗布工程後、粒子付着工程前、及び/又は粒子付着工程後、第2樹脂塗布工程前、及び/又は最終の第2樹脂塗布工程の後に実施するのが好適である。 The method further includes a heating step of heating the resin layer, and the heating step is performed after the first resin application step, before the particle adhesion step, and / or after the particle adhesion step, before the second resin application step, and It is preferable to carry out after the final second resin coating step.
この方法によれば、樹脂を加熱(焼成)することで断熱層の耐ガソリン性や硬度を高めることが可能となる。しかも、樹脂層を個別に加熱するので、複数の樹脂層を形成した後(すなわち、最終の第2樹脂塗布工程が完了した後)、全体を一度に加熱する場合に比べると、溶剤が蒸散し易くなることによりトータル加熱時間を短縮することが可能となる。 According to this method, it is possible to increase the gasoline resistance and hardness of the heat insulating layer by heating (baking) the resin. Moreover, since the resin layers are individually heated, the solvent evaporates after the formation of a plurality of resin layers (that is, after the final second resin coating step is completed) as compared with the case of heating the whole at once. By being easy, the total heating time can be shortened.
この場合、少なくとも最終の第2樹脂塗布工程後に前記加熱工程を実施し、この加熱工程の後に、前記最終の第2樹脂塗布工程において形成された樹脂層上に金属層を形成する金属層形成工程をさらに含むのが好適である。 In this case, the metal layer forming step of performing the heating step at least after the final second resin coating step and forming a metal layer on the resin layer formed in the final second resin coating step after the heating step. It is preferable to further contain.
この方法によれば、断熱層(樹脂層)表面の耐ガソリン性や硬度をより一層高めることが可能となり、断熱層の耐久性向上に寄与する。 According to this method, it becomes possible to further increase the gasoline resistance and hardness of the surface of the heat insulating layer (resin layer), which contributes to improving the durability of the heat insulating layer.
以上のように、本発明によれば、最終的に形成される断熱層内により多くの良好な中空粒子を確保することが可能となる。従って、熱伝導率の低い、より良好な断熱層を形成することができる。 As described above, according to the present invention, it becomes possible to secure more favorable hollow particles in the finally formed heat insulating layer. Therefore, a better heat insulating layer having a low thermal conductivity can be formed.
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(断熱層の構造)
図1は、本発明に係る断熱層の形成方法に基づき形成された断熱層を有するピストンを断面図で示している。同図に示すように、ピストン1は、エンジンの燃焼室を形成する頂面(壁面)に断熱層10を備えている。この断熱層10は、ピストン1の金属製母材の頂面全体に亘って形成される第1樹脂層11と、第1樹脂層11の上面に順番に形成される第2樹脂層12、第3樹脂層13及び第4樹脂層14とからなる。なお、当例では、ピストン1の前記金属製母材は、例えば鋳物用アルミニウム合金AC8Aである。
(Insulation layer structure)
FIG. 1 is a sectional view showing a piston having a heat insulating layer formed based on the method for forming a heat insulating layer according to the present invention. As shown in the figure, the
第1樹脂層11は、シリコーン樹脂のみにより形成されており、前記金属製母材の上面全体に略一定の厚みで形成されている。
The
第2〜第4の各樹脂層12〜14はそれぞれ、複数の中空粒子20と当該中空粒子20を保持するシリコーン樹脂22とにより形成されている。各樹脂層12〜14の中空粒子20は、同図に示すように、下位の樹脂層に沿って敷き詰められた状態でシリコーン樹脂22により保持されている。なお、図1に示すように、第1樹脂層11の上面とその上の第2の樹脂層12におけるシリコーン樹脂22の下面や、第2の樹脂層12におけるシリコーン樹脂22の上面とその上の第3の樹脂層におけるシリコーン樹脂22の下面とは、部分的に非接触であってもよく、このような形態であれば非接触部分(A部)は断熱空気層を形成することになり、断熱性確保の点で有利である。
Each of the second to
ここで、各樹脂層11〜14のシリコーン樹脂は、例えば、メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い3次元ポリマからなるシリコーン樹脂が好適である。具体的には、ポリアルキルフェニルシロキサンなどが好適である。
Here, as the silicone resin of each of the
また、第2〜第4の各樹脂層12〜14に含まれる中空粒子20は、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のSi系酸化物成分(例えばSiO2)を含有するセラミック系中空粒子が好適である。各々の材質および粒径は表1の通りである。
The
例えば、フライアッシュバルーンの化学組成は、質量%で、SiO2;40.1〜74.4%、AI2O3;15.7〜35.2%、Fe2O3;1.4〜17.5%、MgO;0.2〜7.4%、CaO;0.3〜10.1%である。シラスバルーンの化学組成は、質量%で、SiO2;75〜77%、AI2O3;12〜14%、Fe2O3;1〜2%、Na2O;3〜4%、K2O;2〜4%、IgLoss;2〜5%である。
For example, the chemical composition of the fly ash balloons are mass%, SiO 2; 40.1~74.4%, AI 2
なお、中空粒子の平均粒子径は5μm以上30μm以下であるのが好適であり、各樹脂層12〜14内における含有率は、20vol%以上60vol%以下であるのが好適である。これは、この範囲内にすれば、中空粒子内に含まれる空気量をある程度大きくしながら、各樹脂層12〜14の厚さに対して含有できる粒子量を多くすることができ、これにより、必要な断熱特性を良好に得ることができるためである。
The average particle diameter of the hollow particles is preferably 5 μm or more and 30 μm or less, and the content in each of the
また、断熱層10は、その厚さが60μm以上200μm以下となるように形成されている。これは、必要とする断熱特性を良好に確保しながら、エンジンの高温時における断熱層10の収縮、および断熱層10からのアウトガスの発生を抑制でき、断熱層10の剥離を防ぐことができるためである。
Moreover, the
(断熱層の形成方法)
上述した断熱層10は、図2に示す方法に基づき形成することができる。
(Method of forming heat insulation layer)
The
この方法では、基材であるピストン1と、シリコーン樹脂液(単にシリコーン樹脂22という)と、中空粒子20とを準備し(ステップS1)、まず、ピストン1の頂面にシリコーン樹脂22を塗布することにより第1樹脂層11を形成する(ステップS2)。シリコーン樹脂22の塗布方法としては、スプレー塗布、浸漬塗装、スクリーン印刷等の塗布方法を適用することができる。なお、当例では、このステップS2の処理が本発明の第1樹脂塗布工程に相当する。
In this method, a
次に、ステップS2で形成された第1樹脂層11を適度に加熱することにより、当該第1樹脂層11を仮焼成し(ステップS3)、その後、この第1樹脂層11の表面に中空粒子20を付着させる(ステップS4)。中空粒子20は、シリコーン樹脂22(第1樹脂層11)の粘性を利用して付着させる。従って、ステップS3の仮焼成は、第1樹脂層11のシリコーン樹脂22が中空粒子20の付着を許容する粘性を保持する範囲内で行う。例えば180°Cで3〜5時間程度加熱するのが好適である。
Next, the
次に、上記中空粒子20上にシリコーン樹脂22を塗布することにより当該中空粒子20を内包する第2樹脂層12を形成し(ステップS5)、さらに、この第2樹脂層12を仮焼成する(ステップS6)。ステップS5のシリコーン樹脂22の塗布方法、およびステップS6の仮焼成の方法は、上記ステップS2、S3と同様である。なお、当例では、ステップS4、S5の処理が各々、粒子付着工程、第2樹脂塗布工程に相当する。
Next, the
第2樹脂層12の仮焼成が完了すると、上記ステップS4〜S6の処理と同じ処理を2回繰り返すことにより、それぞれ、中空粒子20をシリコーン樹脂22に内包しかつ仮焼成された第3樹脂層13および第4樹脂層14を形成する(ステップS7)。なお、当例では、ステップS3、S6の処理が本発明の加熱工程に相当する。
When the preliminary firing of the
こうしてピストン1の頂面に、各々仮焼成された第1〜第4の樹脂層11〜14が形成されると、つまり、全体が仮焼成された状態の断熱層10が形成されると、最後にこの断熱層10を加熱して本焼成する。このように断熱層10を本焼成すると、当該断熱層10におけるシリコーン樹脂22の表面がSi系酸化物に改質され、耐ガソリン性を有した断熱層10が完成する。
Thus, when the first to fourth resin layers 11 to 14 that have been pre-fired are formed on the top surface of the
このような断熱層10の形成方法によれば、従来のように、中空粒子をシリコーン樹脂(樹脂液)に混合して撹拌するという工程が無いため、当該撹拌による中空粒子20同士の衝突や、中空粒子20と撹拌部材との衝突によって中空粒子20が破砕することが無い。従って、最終的に形成される断熱層10内に良好な中空粒子20をより多く確保することができ、これによって、熱伝導率の低い、より良好な断熱層10を形成することができる。
According to such a method for forming the
また、この方法によれば、断熱層10の形成に要するトータル的な焼成時間を短くできるという利点もある。すなわち、上記方法によれば、比較的厚みの薄い各樹脂層11〜14に対してその都度仮焼成を行うので、個々の樹脂層11〜14の仮焼成に要する時間は短くてすむ。しかも、このように各樹脂層11〜14を事前に仮焼成していることで、最終的な本焼成に要する時間も短くてすむ。従って、全ての樹脂層11〜14を形成した後に全体を一度に焼成する場合に比べると、断熱層10の形成に要するトータル焼成時間を短縮することが可能であり、断熱層10を効率良く形成することができる。
Further, according to this method, there is an advantage that the total firing time required for forming the
また、このように樹脂層11〜14毎に仮焼成を行う方法によれば、前記樹脂層11〜14を形成した上で全体をまとめて一度に加熱して焼成する場合に比べて断熱層10に生じる熱歪みを抑制することが可能となる。従って、熱歪みによる中空粒子20の破砕を抑制することも可能であり、この点でも良好な中空粒子20をより多く確保することができる。
Moreover, according to the method of performing temporary baking for each of the resin layers 11 to 14 as described above, the
また、上記のようにピストン1の頂面に樹脂層を順次形成しながら樹脂層毎に仮焼成を繰り返す方法によれば、中空粒子20を下位の樹脂層に沿って敷き詰めた状態がある程度安定的に保持された状態で次(上位)の樹脂層が形成される。そのため、中空粒子20が特定の位置に偏ることが抑制される。従って、上記方法によれば、断熱層10内により均一な密度で中空粒子20を配置することができ、これにより、断熱層10全体において斑なく良好な断熱効果を得ることが期待できるという利点もある。
Moreover, according to the method of repeating temporary firing for each resin layer while sequentially forming the resin layer on the top surface of the
なお、上述した断熱層10の形成方法においては、ピストン1の頂面に対して、シリコーン樹脂22の密着性を向上させるため前処理を施すようにしてもよい。この前処理としては、例えばピストン1の頂面にアルマイト処理を施すことによりアルミナ層(酸化アルミニウム)を形成する、又は、ピストン1の頂面に化成処理(例えばリン酸亜鉛処理)を施すのが好適である。この方法によれば、ピストン1の頂面に対して第1樹脂層11を安定的に形成することが可能となり、結果的に、断熱層10の耐久性向上に寄与する。特に、アルマイト処理によるアルミナ層はポーラス状であり、かつその表面にOH基が吸着したものとなり易く、シリコーン樹脂との密着力が高まる点で有利である。
In the method of forming the
(断熱層の変形例)
図1に示す断熱層10においては、さらに、その表面にめっきなどの金属層が形成されていてもよい。この構成によれば、断熱層10表面の耐ガソリン性や剛性の向上を図ることが可能となり、断熱層10の耐久性向上に寄与する。
(Modification of heat insulation layer)
In the
このような断熱層10は、例えば、図2に示した方法のステップS8の処理の後に、以下のようなめっき処理(本発明の金属層形成工程に相当する)を実施する、具体的には、エッチング処理工程、触媒金属付与工程、および無電解めっき処理工程を実施することにより得ることができる。
For example, such a
・エッチング処理工程
この工程では、ピストン1の断熱層10以外の非処理部分をマスキング剤によりマスキングし、断熱層10のエッチング処理を行う。エッチング液としては、例えば、硝酸とフッ化水素酸の混酸(硝酸200mL/L、フッ化水素酸200mL/L)を用いることができ、処理時間は、室温で1分程度が好適である。このエッチング処理により断熱層10の表面に微細突起を形成する。
-Etching process In this process, the non-processed part other than the
・触媒金属付与工程
この工程では、ピストン1の断熱層10の表面に無電解めっき用の触媒金属を付与する。より具体的には、Pd−Sn錯体を含むキャタリスト液にピストン1を浸漬した後、活性化促進処理を行う。キャタリスト液としては、例えば、酸性パラジウム・スズコロイドタイプの触媒処理剤(奥野製薬工業株式会社製商品CRPキャタリスト)50mL/Lと35%塩酸250mL/Lの混合液(Pd−Snコロイド触媒)を用いることができる。浴温は35°Cで、浸漬時間は6分程度が好適である。これにより、Pd−Sn錯体が断熱層10の表面のシリコーン樹脂22由来のSi系酸化物および中空粒子20由来のSi系酸化物に付着する。
-Catalyst metal provision process In this process, the catalyst metal for electroless plating is provided to the surface of the
活性化促進処理では、活性化浴として、濃硫酸100mL、アクセレーター(奥野製薬工業株式会社製商品アクセレーターX)5gおよび水の混合液を用いることができる。浴温は35°Cで、浸漬時間は3分程度が好適である。これにより、塩化錫が溶解し、酸化還元反応により金属Pdよりなる触媒金属がSi系酸化物上に生成される。すなわち、触媒金属がSi系酸化物に担持された状態となる。 In the activation promotion treatment, a mixed solution of 100 mL of concentrated sulfuric acid, 5 g of an accelerator (product accelerator X manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) and water can be used as an activation bath. The bath temperature is preferably 35 ° C and the immersion time is preferably about 3 minutes. Thereby, tin chloride dissolves and a catalytic metal made of metal Pd is generated on the Si-based oxide by an oxidation-reduction reaction. That is, the catalyst metal is supported on the Si-based oxide.
・無電解めっき処理工程
この工程では、断熱層10に触媒金属が付与されたピストン1を水洗いして過剰に付着した硫酸等を除去した後、無電解Niめっき浴に浸漬する。めっき浴としては、例えば、無電解Ni−P合金めっき液(奥野製薬工業株式会社製商品トップニコロンLPH−LF)250mL/Lを用いることができる。浴温は90°で、浸漬時間は12分程度(めっき膜厚3μm狙い)が好適である。この場合、めっき金属の析出速度は12〜18μm/hである。この無電解めっき処理により、上記触媒金属Pdを核としてNi−P合金が析出し、断熱層10の表面にめっき膜が形成される。この場合、上記の通り、エッチング処理により断熱層10の表面に微細突起を形成されていることで、アンカー効果によりめっき膜が断熱層10の表面に強固に固定されることとなる。
Electroless plating treatment step In this step, the
以上、断熱層10とその形成方法について説明した、上述した断熱層10およびその形成方法は、本発明に係る断熱層およびその形成方法の好ましい実施形態の例示であって、断熱層の具体的な構造や、断熱層の具体的な形成方法は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
The
例えば、上記実施形態では、エンジンの燃焼室を形成する部品としてピストン1の頂面に本発明に係る断熱層10を形成した例について説明したが、本発明に係る断熱層10は、ピストン1の頂面以外、具体的には、シリンダヘッド(燃焼室形成面)、吸気バルブ、排気バルブ、吸気ポート、および排気ポート等にも形成可能である。
For example, in the above-described embodiment, an example in which the
また、上記実施形態では、樹脂層11〜14毎に仮焼成(ステップS3、S6)を行っているが、仮焼成はこれ以外のタイミングで行ってもよい。例えば、2つの樹脂層毎に仮焼成を行うようにしてもよい。但し、トータル焼成時間を短縮する観点からは、上記実施形態のように、樹脂層11〜14毎に仮焼成を行うのが好適である。 Moreover, in the said embodiment, although temporary baking (step S3, S6) is performed for every resin layers 11-14, you may perform temporary baking at timings other than this. For example, you may make it perform temporary baking for every two resin layers. However, from the viewpoint of reducing the total firing time, it is preferable to perform temporary firing for each of the resin layers 11 to 14 as in the above embodiment.
1 ピストン
10 断熱層
11 第1樹脂層
12 第2樹脂層
13 第3樹脂層
14 第4樹脂層
20 中空粒子
22 シリコーン樹脂
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記部品壁面に樹脂を塗布することにより樹脂層を形成する第1樹脂塗布工程と、
樹脂層の表面に中空粒子を付着させる粒子付着工程と、
中空粒子上に樹脂を塗布することにより前記中空粒子を含む樹脂層を形成する第2樹脂塗布工程と、を含み、
第1樹脂塗布工程を実施した後、粒子付着工程および第2樹脂塗布工程をこの順番で複数回繰り返し実施する、ことを特徴とする断熱層の形成方法。 A method of forming a heat insulating layer on a part wall surface forming a combustion chamber of an engine,
A first resin application step of forming a resin layer by applying a resin to the component wall surface;
A particle attaching step for attaching hollow particles to the surface of the resin layer;
A second resin coating step of forming a resin layer containing the hollow particles by coating a resin on the hollow particles,
After implementing a 1st resin application | coating process, the particle adhesion process and the 2nd resin application | coating process are repeatedly implemented in this order several times, The formation method of the heat insulation layer characterized by the above-mentioned.
前記樹脂層を加熱する加熱工程をさらに含み、
この加熱工程を、第1樹脂塗布工程後、粒子付着工程前、及び/又は粒子付着工程後、第2樹脂塗布工程前、及び/又は最終の第2樹脂塗布工程の後に実施する、ことを特徴とする断熱層の形成方法。 In the formation method of the heat insulation layer of Claim 1,
A heating step of heating the resin layer;
The heating step is performed after the first resin application step, before the particle adhesion step, and / or after the particle adhesion step, before the second resin application step, and / or after the final second resin application step. A method for forming a heat insulating layer.
少なくとも最終の第2樹脂塗布工程後に前記加熱工程を実施するものであり、
この加熱工程の後に、前記最終の第2樹脂塗布工程において形成された樹脂層上に金属層を形成する金属層形成工程をさらに含む、ことを特徴とする断熱層の形成方法。 In the formation method of the heat insulation layer of Claim 2,
The heating step is performed at least after the final second resin coating step,
The method for forming a heat insulating layer, further comprising a metal layer forming step of forming a metal layer on the resin layer formed in the final second resin coating step after the heating step.
前記樹脂は、シリコーン樹脂であることを特徴とする断熱層の形成方法。 In the formation method of the heat insulation layer according to any one of claims 1 to 3,
The method for forming a heat insulating layer, wherein the resin is a silicone resin.
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