JP2019074009A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの冠面に断熱膜が形成される内燃機関において、高エンジン回転速度域での吸気温度の加熱を抑える。【解決手段】ピストンの冠面の中央部に位置する第１領域には、第１断熱膜が形成されている。中央部よりも外側の外周部に位置する第２領域と、中央部と外周部の間に位置する第３領域とには、第２断熱膜が形成されている。第１断熱膜は、内側層と外側層を有している。内側層は、アルマイトから構成されている。アルマイトは、ピストンの母材の陽極酸化処理により形成される多孔質アルミナである。外側層は、封孔膜から構成されている。封孔膜は、シリコン酸化物を主成分とする封孔剤の焼成処理により形成される。第２断熱膜は、アルマイトから構成されている。第２断熱膜のアルマイトは、内側層のアルマイトよりも薄い。従って、第２断熱膜は、第１断熱膜よりも薄い。【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関のピストンに関し、より詳細には、その冠面に断熱膜が形成される内燃機関のピストンに関する。

特開２０１７−０６６９９５号公報は、内燃機関のピストンの冠面に断熱膜を形成する技術を開示する。このピストンは、キャビティを形成するキャビティ部と、燃焼室のスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア部と、を備えている。断熱膜は、キャビティ部およびスキッシュエリア部の両表面に形成されている。キャビティ部の表面には、十分な厚さの断熱膜が形成されている。スキッシュエリア部の表面には、キャビティ部の表面の断熱膜の半分以下の厚さの断熱膜が形成されている。

断熱膜の膜厚が大きくなると、内燃機関の断熱性能が高くなる。この点、上記ピストンによれば、キャビティ部の表面の断熱膜の膜厚が大きいので、内燃機関の断熱性能を高めることができる。一方、断熱膜の膜厚が大きくなると、ノッキングの発生に伴って断熱膜に生じるクラックのサイズが拡大し易い。但し、ノッキングは、スキッシュエリアにおいて発生し易い。この点、上記ピストンによれば、スキッシュエリア部の断熱膜の膜厚が小さいので、ノッキングが発生し易い領域において、クラックのサイズが拡大するのを抑えることができる。

特開２０１７−０６６９９５号公報

特開２０１７−０６６９９５号公報の技術は、断熱膜の膜厚化とノッキングの発生がトレードオフの関係にあることに着目したものであると言える。これに関し、本発明者の知見によれば、エンジンの高回転速度域では、断熱膜の膜厚を大きくすると、筒内に吸入された空気の温度（以下、「吸気温度」ともいう。）が下がり難くなることから、ノッキングが発生し易くなることが明らかになった。そのため、断熱膜の膜厚を大きくした場合には、このような高エンジン回転速度域においてノッキングが多発する可能性が高い。従って、高エンジン回転速度域での吸気温度の上昇を抑えるための改良が望まれる。

この発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、ピストンの冠面に断熱膜が形成される内燃機関において、高エンジン回転速度域での吸気温度の上昇を抑えることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、冠面に断熱膜が形成される内燃機関のピストンであり、次の特徴を有する。
前記冠面は、中央部に位置する第１領域と、前記中央部よりも外側の外周部に位置する第２領域と、を備える。
前記第１領域には、多孔質アルミナからなる内側層と、前記内側層の多孔質アルミナの表面に開口する細孔を封じる封孔膜または溶射膜からなる外側層と、を含む第１断熱膜が形成される。
前記第２領域には、多孔質アルミナからなる第２断熱膜が形成される。
前記第２断熱膜の多孔質アルミナの表面に開口する細孔は、外部に露出する。
前記第２断熱膜の膜厚は、前記第１断熱膜の膜厚よりも小さい。

本発明において、前記第２断熱膜の多孔質アルミナの膜厚が、前記内側層の多孔質アルミナの膜厚よりも小さくてもよい。

本発明において、前記冠面が、バルブリセスを形成する第３領域を更に備えていてもよい。
前記第３領域には、多孔質アルミナからなる第３断熱膜が形成されていてもよい。
前記第３断熱膜の膜厚は、前記第２断熱膜の膜厚と等しくてもよい。

本発明によれば、第１断熱膜では細孔が封じられているので、第１領域においては第１断熱膜を経由した燃焼ガスの熱放出を抑えることができる。従って、内燃機関の断熱性能を高めることができる。また、第２断熱膜は相対的に膜厚が小さく、また、細孔が外部に露出しているので、第２領域においては第２断熱膜を経由した熱放出を促進することができる。従って、高エンジン回転速度域での吸気温度の上昇を抑えることが可能になる。

本発明の実施の形態１に係るピストンの上面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 アルマイトの膜厚ＴＦと燃費改善率との関係を示した図である。 アルマイトの膜厚ＴＦと吸気効率の変化率との関係を示した図である。 ピストンの壁面温度と、膜厚ＴＦとの関係を示した図である。 本発明の実施の形態１に係るピストンによる効果を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るピストンによる効果を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るピストンの製造例を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るピストンの上面図である。 図９のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態２に係るピストンの製造例を説明する図である。 溶射処理後の溶射膜Ｓ１とアルマイトＡ３の境界の近傍の断面模式図である。 本発明の実施の形態１の断熱膜が適用された圧縮自着火式エンジンのピストンの断面模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
先ず、図１乃至図８を参照して、本発明の実施の形態１に係る内燃機関のピストンについて説明する。

［実施の形態１に係るピストンの説明］
実施の形態１に係るピストンは、吸気弁と排気弁を２つずつ備える火花点火式エンジンに適用される。火花点火式エンジンは、燃焼室内にタンブル流が生成されるエンジンでもよい。図１は、実施の形態１に係るピストンの上面図である。図１に示すように、ピストン１０の冠面１２は、中央部に位置する第１領域１４と、中央部よりも外側の外周部に位置する第２領域１６と、中央部と外周部の間に位置する第３領域１８と、を備えている。第１領域１４は、燃焼初期の火炎が少なくとも接触する領域である。タンブル流が生成される場合は、このタンブル流も第１領域１４に接触する。第２領域１６は、スキッシュエリアを形成する領域であり、燃焼後期の火炎が接触する領域でもある。第３領域は、バルブリセスを形成する領域である。第１領域１４には、第１断熱膜２０が形成されている。第２領域１６と第３領域１８には、第２断熱膜２２が形成されている。

図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図２に示すように、第１断熱膜２０は、内側層２０ａと外側層２０ｂの二層構造の膜である。内側層２０ａは、アルマイトから構成されている。アルマイトは、ピストン１０の母材（具体的には、アルミニウム合金）の陽極酸化処理により形成される多孔質アルミナである。多孔質アルミナは、母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有しており、尚且つ、母材の単位体積当たりの熱容量よりも低い熱容量を有している。外側層２０ｂは、封孔膜から構成されている。封孔膜は、シリコン酸化物（例えば、ポリシロキサン、ポリシラザン）を主成分とする封孔剤の焼成処理により形成される。封孔膜は、多孔質アルミナの表面の開口部を覆って当該表面を平滑化する目的で形成される。

第２断熱膜２２は、単層構造の膜である。第２断熱膜２２は、アルマイトから構成されている。第２断熱膜２２のアルマイトは、内側層２０ａのアルマイトと同じく、ピストン１０の母材の陽極酸化処理により形成される多孔質アルミナである。第２断熱膜２２のアルマイトの熱特性（即ち、熱伝導率および単位体積当たりの熱容量）は、内側層２０ａのアルマイトの熱特性と同じである。但し、第２断熱膜２２のアルマイトは、内側層２０ａのアルマイトよりも薄い。従って、第２断熱膜２２は、第１断熱膜２０よりも薄い。一例として、第２断熱膜２２のアルマイトの厚さは１０〜３０μｍであり、内側層２０ａのアルマイトの厚さは２０〜９０μｍである。また、第２断熱膜２２と母材の境界は、内側層２０ａのアルマイトと母材の境界よりも冠面１２の内側に位置している。この理由は、陽極酸化処理に由来するものである（詳細は後述）。

［アルマイトの膜厚に関する問題点］
上述した低い熱伝導率を有するアルマイトをピストンの冠面に設ければ、燃焼室内の遮熱性を高めて冷却損失の低減を図ることができる。図３は、アルマイトの膜厚ＴＦと燃費改善率との関係を示した図である。図３に示すように、膜厚ＴＦが大きくなるにつれて燃費の改善率が高くなる。これは、アルマイトを設けることで冷却損失の低減が図られていることを裏付けている。燃費の改善率は、膜厚ＴＦがＴＦ５のときに最も高くなる。従って、燃費の観点からすると、膜厚ＴＦ５のアルマイトが最適であると言える。

ところが、高エンジン回転速度域では、アルマイトの膜厚ＴＦが大きくなることで吸気効率が下がるという問題がある。図４は、アルマイトの膜厚ＴＦと吸気効率の変化率との関係を示した図である（但し、エンジン回転速度ＮＥ＝６８００ｒｐｍ）。この変化率は、アルマイトを設けていない場合の膜厚ＴＦ（ＴＦ０）を基準として算出したものである。図４に示すように、膜厚ＴＦがＴＦ２以下では、変化率が正の値となる。しかし、膜厚ＴＦがＴＦ３以上になると、変化率が負の値に転じる。従って、高エンジン回転速度域での吸気効率の観点からすると、膜厚ＴＦ２以下のアルマイトが望ましいと言える。

図４の結果は、図５から説明することができる。図５は、ピストンの壁面温度（つまり、冠面温度）と、膜厚ＴＦとの関係を示した図である。図５に示すように、膜厚ＴＦが大きくなると、膨張行程での壁面温度のピークが高くなる。これは、アルマイトの低い熱容量にも関わらず、膜厚ＴＦが大きくなることで、アルマイト全体が一時的に蓄える熱量が多くなるためである。しかし、図５の左方に示すように、膜厚ＴＦがＴＦ８（＞ＴＦ７）になると、吸気行程の初期での壁面温度も高くなる。これは、アルマイト全体が蓄える熱量が多くなることで、膨張行程の中期以降において壁面温度が下がり難くなるためである。このような温度特性は、エンジンの回転速度域に関係なく観察される。しかし、高エンジン回転速度域では、サイクル間隔が短くなるため、アルマイトが蓄えた熱が燃焼室の外部に放出され難くなる。故に、高エンジン回転速度域では、アルマイトの膜厚ＴＦが大きくなることで筒内に吸入された空気の温度（つまり、吸気温度）が下がり難くなり、この結果、吸気効率が下がってしまう。

［実施の形態１に係るピストンによる効果］
この点、実施の形態１に係るピストンによれば、次の効果を奏することができる。図６乃至図７は、実施の形態１に係るピストンによる効果を説明する図である。図６には、第１断熱膜２０の断面が描かれており、図７には、第２断熱膜２２の断面が描かれている。図６および図７に示すように、アルマイト（つまり、内側層２０ａ）には、複数の細孔が形成されている。これらの細孔は、陽極酸化処理の際に形成されるものであり、表面に開口する細孔Ａと、内部の細孔Ｂと、に大別される。細孔Ａは、封孔剤の焼成処理により封止される。細孔Ｂの一部も、封孔剤の焼成処理により封止される。

２種類の細孔Ａ，Ｂが形成されていることで、陽極酸化処理後の冠面（つまり、アルマイトの表面）は、陽極酸化処理前の冠面（つまり、母材の表面）に比べて粗くなる。冠面が粗いほど、冠面の表面積が拡大する。冠面の表面積が拡大すると、燃焼ガスの熱が伝わることのできる面積（以下、「伝熱面積」ともいう。）も拡大する。従って、アルマイトの表面が外部に露出する第２断熱膜２２は、広い伝熱面積を有することになる。一方、封孔剤の焼成処理を行うと、冠面が封孔膜で覆われる。そのため、焼成処理後の冠面は焼成処理前の冠面に比べて滑らかになる。そして、冠面が滑らかになれば、伝熱面積が減少する。つまり、アルマイトの表面が封孔膜で覆われた第１断熱膜２０は、狭い伝熱面積を有することになる。

このように、実施の形態１においては、狭い伝熱面積を有し、尚且つ、膜厚の大きい第１断熱膜２０が第１領域１４に形成されている。また、広い伝熱面積を有し、尚且つ、膜厚の小さい第２断熱膜２２が第２領域１６および第３領域１８に形成されている。そのため、第１領域１４においては第１断熱膜２０を経由した燃焼ガスの熱放出を抑えることができる。また、第２領域１６および第３領域１８においては、第２断熱膜２２を経由した燃焼ガスの熱放出を促進することができる。つまり、実施の形態１に係るピストンによれば、第１断熱膜２０の優れた断熱作用により、膨張行程の初期において冠面温度のピークを高めることができる。また、第２断熱膜２２の優れた放熱作用により、膨張行程の中期以降において冠面温度を十分に下げることが可能になる。従って、第１断熱膜２０の膜厚を大きい値に設定した場合であっても、高エンジン回転速度域において吸気効率が下がるのを抑えることが可能になる。

［実施の形態１に係るピストンの製造例］
図８は、実施の形態１に係るピストンの製造例を説明する図である。実施の形態１に係るピストンは、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３の３つの工程を経て製造される。ＳＴＥＰ１は、１回目の陽極酸化処理である。１回目の陽極酸化処理では、成膜領域に電解液（例えば、シュウ酸、硫酸等の水溶液）を供給して成膜領域の母材を酸化する。この成膜領域は、図１で説明した第１領域１４に相当する。１回目の陽極酸化処理に際しては、図１で説明した第２領域１６および第３領域１８にマスキングが施される。１回目の陽極酸化処理を経ることで、成膜領域に膜厚ｔｆ１のアルマイトＡ１が形成される。

ＳＴＥＰ２は、２回目の陽極酸化処理である。２回目の陽極酸化処理では、１回目の陽極酸化処理で使用したマスキングを一旦除去し、冠面１２の全域に電解液を供給して酸化する。２回目の陽極酸化処理を経ることで、冠面１２の全域に膜厚ｔｆ２のアルマイトＡ２が形成される。この結果、中央部のアルマイト（Ａ１＋Ａ２）の膜厚は、膜厚（ｔｆ１＋ｔｆ２）となる。なお、陽極酸化処理は、母材を消費しながらアルマイトを生成する処理である。そのため、ＳＴＥＰ２に示すように、アルマイトＡ１の外側ではなく、アルマイトＡ１の内側にアルマイトＡ２が形成される。また、ＳＴＥＰ２には示されていないが、中央部では陽極酸化処理が２回行われているので、アルマイト（Ａ１＋Ａ２）と母材の境界は、アルマイトＡ２と母材の境界よりも冠面１２の内側に位置することになる。

ＳＴＥＰ３は、封孔剤の焼成処理である。焼成処理では、アルマイト（Ａ１＋Ａ２）の表面に封孔剤を塗布し、適宜乾燥させた後に焼成する。焼成処理では、１回目の陽極酸化処理で使用したマスキングを、アルマイトＡ２の露出領域に施す。つまり、マスキングを再利用する。焼成処理を経ることで、アルマイト（Ａ１＋Ａ２）の表面に封孔膜が形成される。

実施の形態２．
次に、図９乃至図１２を参照して、本発明の実施の形態２に係る内燃機関のピストンについて説明する。

［実施の形態２に係るピストンの説明］
実施の形態２に係るピストンは、実施の形態１に係るピストンと同一の構成の火花点火式エンジンに適用される。図９は、実施の形態２に係るピストンの上面図である。図９に示すように、ピストン３０の冠面１２は、中央部に位置する第１領域１４と、中央部よりも外側の外周部に位置する第２領域１６と、中央部と外周部の間に位置する第３領域１８と、を備えている。第２領域１６と第３領域１８には、第２断熱膜２２が形成されている。ここまでは、図１で説明したピストン１０と同一である。ピストン１０との相違点は、第１領域１４に第１断熱膜３２が形成されている点においてである。

図１０は、図９のＡ−Ａ線断面図である。図１０に示すように、第１断熱膜３２は、内側層３２ａと外側層３２ｂの二層構造の膜である。内側層３２ａは、アルマイト（多孔質アルミナ）から構成されている。外側層３２ｂは、封孔膜または溶射膜から構成されている。封孔膜は、実施の形態１で使用した封孔剤に、中空シリカ等の中空粒子を分散させた中空粒子入り封孔剤の焼成処理により形成される。溶射膜は、ジルコニア、アルミナ、チタニアといったセラミックスの粉末、または、サーメット、ムライト、コージライト、ステアタイトなどの複合セラミックスの粉末の溶射処理と、その後の表面研磨処理と、によって形成される。封孔膜または溶射膜は、多孔質アルミナの表面の開口部を覆って平滑化する目的で形成される。

外側層３２ｂを構成する封孔膜または溶射膜は、アルマイトと同様に多孔質構造を有している。そのため、母材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有しており、尚且つ、母材の単位体積当たりの熱容量よりも低い熱容量を有している。

外側層３２ｂを構成する封孔膜または溶射膜の膜厚は、一例として、１０〜６０μｍである。内側層３２ａまたは第２断熱膜２２のアルマイトの厚さは、一例として、１０〜３０μｍである。

［実施の形態２に係るピストンによる効果］
実施の形態２に係るピストンによる効果は、基本的に実施の形態１に係るピストンと同じである。即ち、実施の形態２においては、狭い伝熱面積を有し、尚且つ、膜厚の大きい第１断熱膜３２が第１領域１４に形成されている。また、広い伝熱面積を有し、尚且つ、膜厚の小さい第２断熱膜２２が第２領域１６および第３領域１８に形成されている。そのため、第１領域１４においては燃焼ガスの熱がピストンの内部に放出されるのを抑えることができ、第２領域１６および第３領域１８においてはこの熱放出を促進することができる。従って、実施の形態２に係るピストンによれば、第１断熱膜３２の膜厚を大きい値に設定した場合であっても、高エンジン回転速度域において吸気効率が下がるのを抑えることが可能になる。

［実施の形態２に係るピストンの製造例］
図１１は、実施の形態２に係るピストンの製造例を説明する模式図である。実施の形態２に係るピストンは、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３の３つの工程を経て製造される。ＳＴＥＰ１は、陽極酸化処理である。陽極酸化処理では、成膜領域に電解液（例えば、シュウ酸、硫酸等の水溶液）を供給して成膜領域の母材を酸化する。この成膜領域は、冠面１２の全域に相当する。陽極酸化処理を経ることで、成膜領域に膜厚ｔｆ３のアルマイトＡ３が形成される。

ＳＴＥＰ２は、溶射処理である。溶射処理では、ジルコニア等の溶射粉末が冠面１２に噴き付けられる。溶射処理に際しては、図９で説明した第２領域１６および第３領域１８に、マスキングが施される。溶射処理を経ることで、中央部のアルマイトＡ３の上に膜厚ｔｆ４の溶射膜Ｓ１が形成される。図１２は、溶射処理後の溶射膜Ｓ１とアルマイトＡ３の境界の近傍の断面模式図である。図１２に示すように、溶射膜Ｓ１とアルマイトＡ３の境界においては、アルマイトＡ３の細孔に溶射膜Ｓ１の一部が入り込んで硬化している。そのため、アンカー効果によって両者の接着力が高められている。

ＳＴＥＰ３は、表面研磨処理である。表面研磨処理では、砥石、エンドミル等を用いた加工により溶射膜Ｓ１の表面が平滑化される。表面研磨処理を経ることで中央部のアルマイトＡ３の表面に溶射膜Ｓ１が形成される。

なお、図１１においては、溶射処理と表面研磨処理を行う製造例を説明したが、中空粒子入り封孔剤の焼成処理を行う場合は、図１１のＳＴＥＰ２において、中央部に中空粒子入り封孔剤を塗布し、適宜乾燥させた後に焼成すればよい。焼成処理を経ることで、中央部のアルマイトＡ３の表面に封孔膜が形成される。

その他の実施の形態．
上記実施の形態１，２においては、火花点火式エンジンのピストンを前提として説明した。しかし、図１や図９で説明した２種類の断熱膜は、圧縮自着火式エンジンにも適用できる。図１３は、実施の形態１の断熱膜が適用された圧縮自着火式エンジンのピストンの断面模式図である。図１３に示すピストン４０は、冠面４２の中央部にキャビティ４４を備えている。キャビティ４４の表面には、燃焼初期の火炎が少なくとも接触する。冠面４２の外周部の表面には、燃焼後期の火炎が接触する。そのため、キャビティ４４の表面に第１断熱膜２０を形成し、外周部の表面に第２断熱膜２２を形成すれば、上記実施の形態１（または実施の形態２）に係るピストンと同様の効果を得ることができる。なお、キャビティ４４の表面に図９に示した第１断熱膜３２を形成すれば、上記実施の形態２に係るピストンと同様の効果を得ることができる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０，３０，４０ ピストン
１２，４２ 冠面
１４ 第１領域
１６ 第２領域
１８ 第３領域
２０，３２ 第１断熱膜
２０ａ，３２ａ 内側層
２０ｂ，３２ｂ 外側層
２２ 第２断熱膜
４４ キャビティ
Ａ１ アルマイト
Ａ２ アルマイト
Ａ３ アルマイト
Ｓ１ 溶射膜

Claims (3)

1. 冠面に断熱膜が形成される内燃機関のピストンであって、
   前記冠面は、中央部に位置する第１領域と、前記中央部よりも外側の外周部に位置する第２領域と、を備え、
   前記第１領域には、多孔質アルミナからなる内側層と、前記内側層の多孔質アルミナの表面に開口する細孔を封じる封孔膜または溶射膜からなる外側層と、を含む第１断熱膜が形成され、
   前記第２領域には、多孔質アルミナからなる第２断熱膜が形成され、
   前記第２断熱膜の多孔質アルミナの表面に開口する細孔は、外部に露出し、
   前記第２断熱膜の膜厚は、前記第１断熱膜の膜厚よりも小さいことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記第２断熱膜の多孔質アルミナの膜厚が、前記内側層の多孔質アルミナの膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記冠面は、バルブリセスを形成する第３領域を更に備え、
   前記第３領域には、多孔質アルミナからなる第３断熱膜が形成され、
   前記第３断熱膜の膜厚が、前記第２断熱膜の膜厚と等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストン。

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