JP5533160B2 - 断熱部材およびこれを備えた内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、断熱部材およびこれを備えた内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室の壁面に断熱部材を設けることで、低負荷時における冷却損失を低減させる技術が提案されている。また、耐熱衝撃性を向上させるために、セラミックスの凹凸表面上に断熱性および耐熱性の高い材料を溶射法で被膜したセラミックス部材が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開昭６１−２７５１８４号公報

内燃機関の燃焼室の壁面に断熱部材を設けて燃焼室を断熱すると、低負荷時における冷却損失が低減できる一方で、高負荷時において燃焼室の壁温が高くなり、ノッキングや異常燃焼などが発生する場合がある。この対策として、断熱部材に低熱容量のものを用いることで、燃焼室に導入される混合ガスの温度に追従させて燃焼室の壁温を低下させ、ノッキングなどの発生を抑制する方法がある。

上記の対策が可能な断熱部材として、低熱伝導かつ低熱容量の断熱特性を持つ多孔質断熱材がある。しかしながら、多孔質断熱材は、耐熱性を確保し難いという問題がある。そこで、例えば特許文献１の方法を応用することが考えられる。即ち、多孔質断熱材の表面に、耐熱性の高い材料を被膜する方法が考えられる。しかしながら、多孔質断熱材の表面全面を耐熱性の高い材料で被膜すると熱容量が増大してしまい、多孔質断熱材が有する低熱容量という特性が損なわれてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、熱容量の増加を抑制しつつ、耐熱性の向上が可能な断熱部材およびこれを備えた内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的は、表面に凹凸を有する多孔質断熱材と、前記凹凸の凹部における前記多孔質断熱材を露出させて前記凹凸の凸部の先端部に設けられた、前記多孔質断熱材よりも高い耐熱性を有する耐熱部と、を備えることを特徴とする断熱部材によって達成できる。これによれば、熱容量の増加を抑制しつつ、耐熱性が向上した断熱部材を得ることができる。

上記構成において、前記凸部は、山形状を有する構成とすることができる。凸部は円筒形状とすることもできるが山形状とすることで、耐熱性の向上を図りつつ、熱容量の増加をより抑制することができる。

上記構成において、前記多孔質断熱材の表面には前記凹凸が複数設けられ、隣接する凸部の先端における間隔は、１ｍｍ以下である構成とすることができる。この構成によれば、例えば内燃機関の燃焼室の壁面に用いた場合に、凹部に燃焼ガスの乱流が侵入することを抑制でき、耐熱性を向上させることができる。

上記目的は、燃焼室の壁面に前記断熱部材を備えることを特徴とする内燃機関によって達成できる。これによれば、熱容量の増加を抑制しつつ、耐熱性が向上した断熱部材を燃焼室の壁面に備えるため、ノッキングの発生などを抑制できると共に、高負荷で使用することが可能な内燃機関を得ることができる。

上記構成において、前記耐熱部は、前記燃焼室内の燃焼ガスの温度よりも高い耐熱性を有する構成とすることができる。この構成によれば、内燃機関をより高負荷で使用することが可能となる。

本発明によれば、熱容量の増加を抑制しつつ、耐熱性が向上した断熱部材およびこれを用いた内燃機関を得ることができる。

図１は実施例１に係る断熱部材を備えた内燃機関の構成を示す模式図である。 図２（ａ）は実施例１に係る断熱部材を示す模式図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の領域Ｒ１を拡大した模式図である。 図３は実施例２に係る断熱部材を示す模式図である。 図４（ａ）は実施例３に係る断熱部材を示す模式図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の領域Ｒ２における断熱部材の断面模式図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る断熱部材１０を備えた内燃機関１００の構成を示す模式図である。図１のように、シリンダブロック２０にはシリンダ２２が設けられている。シリンダ２２内には往復動するピストン２４が設けられている。シリンダ２２の側壁には円筒形状のシリンダライナ２６が設けられていて、ピストン２４との摺動面を形成している。

シリンダブロック２０の上側にはシリンダヘッド２８が配置されている。ピストン２４の頂面３０とシリンダヘッド２８の下面３２とで区画される領域が燃焼室３４となる。燃焼室３４の壁面には断熱部材１０が設けられている。ここで、燃焼室３４の壁面とは、ピストン２４の頂面３０、シリンダヘッド２８の下面３２、吸気弁４０および排気弁４２の傘部の下面４４、が含まれる。つまり、断熱部材１０は、ピストン２４の頂面３０、シリンダヘッド２８の下面３２、吸気弁４０および排気弁４２の傘部の下面４４、に設けられている。なお、断熱部材１０は、燃焼室３４の壁面全面に設けられている場合に限らず、燃焼室３４の壁面の一部に設けられている場合でもよい。断熱部材１０の詳細については後述する。

シリンダヘッド２８には、吸気ポート３６および排気ポート３８が設けられている。燃焼室３４と吸気ポート３６との連通は、吸気弁４０の開閉によって制御される。また、燃焼室３４と排気ポート３８との連通は、排気弁４２によって制御される。燃焼室３４には、吸気ポート３６を通って燃焼に必要な混合ガスが流入する。また、燃焼室３４で発生した燃焼ガスは、排気ポート３８を通って外部に排出される。

次に、図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて、断熱部材１０について詳細に説明する。図２（ａ）は、燃焼室３４の壁面３５に設けられた断熱部材１０を示す模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の領域Ｒ１を拡大した模式図である。図２（ａ）および図２（ｂ）のように、燃焼室３４の壁面３５に設けられた断熱部材１０は、例えばシリカからなる多孔質断熱材１２と、多孔質断熱材１２よりも高い耐熱性を有する例えばジルコニアからなる耐熱部１４と、で構成される。多孔質断熱材１２は、表面が複数の凹凸からなる凹凸形状をしていて、耐熱部１４は凸部１６の先端部にのみ設けられている。つまり、耐熱部１４は凹凸形状の凹部１８には及んでいない。なお、多孔質断熱材１２は、シリカの他に例えばアルミナを用いることができ、耐熱部１４は、ジルコニアの他に、例えば窒化珪素や炭化珪素を用いることができる。

このような断熱部材１０は、例えば次の方法により形成することができる。まず、基材上にペースト化したシリカを塗布し、複数の凹凸を有する金型をペースト状のシリカに押し付ける。その後、シリカを焼き固めることで、表面に凹凸形状を有する多孔質断熱材１２が形成できる。次いで、蒸着法またはスパッタ法を用いて多孔質断熱材１２の表面にジルコニアを堆積する。このとき、凹凸形状を有する多孔質断熱材１２の角度を調整しながら堆積を行うことで、凹凸形状の凸部１６の先端にのみ耐熱部１４を堆積することができる。以上の工程により、表面に凹凸形状を有する多孔質断熱材１２と、凹凸形状の凸部１６の先端部にのみ設けられた耐熱部１４と、からなる断熱部材１０が得られる。

このような断熱部材１０を燃焼室３４の壁面３５に設けると、断熱部材１０には、燃焼室３４内で発生する燃焼ガスによる熱負荷がかかる。図２（ｂ）のように、断熱部材１０にかかる熱負荷は、燃焼室３４の中心部に近いほど大きくなることから、断熱部材１０の表面ほど熱負荷が大きくなり、とりわけ凸部１６の先端部にかかる熱負荷が大きくなる。したがって、熱負荷の大きい凸部１６の先端部に耐熱部１４を設けることで、断熱部材１０の耐熱性を向上させることができる。

また、凸部１６の先端部にのみ耐熱部１４を設けた場合は、多孔質断熱材１２の表面全面に耐熱部１４が設けられている場合（つまり、凸部１６のみならず凹部１８にも耐熱部１４が設けられている場合）に比べて、熱容量の増加を抑制することができる。

以上説明してきたように、断熱部材１０を、表面に凹凸を有する多孔質断熱材１２と、凹凸の凸部１６の先端部に設けられた、多孔質断熱材１２よりも高い耐熱性を有する耐熱部１４と、で構成することで、熱容量の増加を抑制しつつ、耐熱性の向上を図ることができる。即ち、多孔質断熱材１２が有する低熱容量という特性が損なわれることを抑制しつつ、耐熱性が向上できる。

このように、実施例１に係る断熱部材１０は、多孔質断熱材１２の低熱容量という特性が確保されるため、内燃機関１００の燃焼室３４の壁面３５に断熱部材１０を設けた場合、燃焼室３４に導入される混合ガスの温度に追従して断熱部材１０の温度が低下する。このため、内燃機関１００が高負荷になっても、ノッキングの発生などを抑制できる。さらに、断熱部材１０は、耐熱性の向上も図られている。以上のことから、内燃機関１００を高負荷で使用することが可能となる。特に、耐熱部１４を、燃焼室３４内に生じる燃焼ガスの温度よりも高い耐熱性を有する材料とする場合が好ましい。例えば、燃焼ガスの温度がＴｇ（℃）である場合、耐熱部１４の耐熱温度Ｔｃ（℃）が、Ｔｇ＜Ｔｃを満たす材料である場合が好ましい。これにより、内燃機関１００をより高負荷で使用することが可能となる。

図３は実施例２に係る断熱部材５０を示す模式図である。実施例２に係る断熱部材５０も実施例１と同様に、内燃機関１００の燃焼室３４の壁面３５に備わるが、この点については、図１で説明しているため、ここでは詳細な説明は省略する。

図３のように、実施例２に係る断熱部材５０も、表面が複数の凹凸からなる凹凸形状をした多孔質断熱材５２と、凹凸形状の凸部５６の先端部にのみ設けられた耐熱部５４と、で構成される。ここで、実施例１と異なる点は、凸部５６が山形状を有している点である。なお、凸部５６の形状は、凸部５６の先端に向かって幅が狭まる形状であればよく、例えば、山形状の一態様である円錐形状や角錐形状である場合でもよい。また、実施例２に係る断熱部材５０は、実施例１で説明した製造方法と同様な方法を用いることで製造できる。

このように、凸部５６が、山形状を有していることで、凸部５６の先端部に設ける耐熱部５４の面積をより小さくすることができる。これにより、耐熱性の向上を図りつつ、熱容量の増加をより抑制することができる。

図４（ａ）は実施例３に係る断熱部材６０を示す模式図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の領域Ｒ２における断熱部材６０を示す断面模式図である。実施例３に係る断熱部材６０も実施例１と同様に、内燃機関１００の燃焼室３４の壁面３５に備わるが、この点については、図１で説明しているため、ここでは詳細な説明は省略する。

図４（ａ）および図４（ｂ）のように、実施例３に係る断熱部材６０も、表面が複数の凹凸からなる凹凸形状をした多孔質断熱材６２と、凹凸形状の凸部６６の先端部にのみ設けられた耐熱部６４と、で構成される。凸部６６の形状は、実施例２と同様に、山形状を有している。実施例２と異なる点は、隣接する凸部６６は、その先端における間隔Ｘが１ｍｍ以下となるように設けられている点である。なお、凸部６６の形状は、凸部６６の先端に向かって幅が狭まる形状である場合が好ましく、例えば、山形状の一態様である円錐形状や角錐形状である場合が好ましい。しかしながら、凸部６６の形状は山形状の場合に限られず、例えば、円柱形状や角柱形状などその他の形状である場合でもよい。また、実施例３に係る断熱部材６０も、実施例１で説明した製造方法と同様な方法を用いることで製造できる。

実施例３のように、隣接する凸部６６の先端における間隔Ｘは１ｍｍ以下とする場合が好ましい。燃焼室３４内には、炎の流動状態に起因して乱流渦が生じる場合がある。乱流渦のサイズは、平均的な直径を採用した場合、例えば数ｍｍ程度である。このため、隣接する凸部６６の間隔Ｘ１を、乱流渦のサイズより小さくすること、特に、乱流渦のサイズの半分以下である１ｍｍ以下とすることで、凹部６８への乱流の侵入を抑制できる。このため、凹部６８には耐熱部６４を設けず、凸部６６の先端部にのみ耐熱部６４を設けるだけで、断熱部材６０の耐熱性を向上させることができる。隣接する凸部６６の先端における間隔Ｘは、凹部６８への乱流の侵入を抑制できることが好ましいことから、０．７ｍｍ以下である場合がより好ましく、０．５ｍｍ以下である場合がさらに好ましい。

実施例１から３において、断熱部材は内燃機関１００の燃焼室３４の壁面３５に備わる場合を例に示したが、内燃機関１００のその他の場所、または内燃機関１００以外の装置に備わっている場合でもよい。この場合でも、熱容量の増加を抑制しつつ、耐熱性を向上させる効果が得られる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 断熱部材
１２ 多孔質断熱材
１４ 耐熱部
１６ 凸部
１８ 凹部
２０ シリンダブロック
２２ シリンダ
２４ ピストン
２６ シリンダライナ
２８ シリンダヘッド
３０ ピストンの頂面
３２ シリンダヘッドの下面
３４ 燃焼室
３５ 燃焼室の壁面
３６ 吸気ポート
３８ 排気ポート
４０ 吸気弁
４２ 排気弁
４４ 傘部の下面
５０ 断熱部材
５２ 多孔質断熱材
５４ 耐熱部
５６ 凸部
６０ 断熱部材
６２ 多孔質断熱材
６４ 耐熱部
６６ 凸部
６８ 凹部
１００ 内燃機関

Claims (5)

1. 表面に凹凸を有する多孔質断熱材と、
   前記凹凸の凹部における前記多孔質断熱材を露出させて前記凹凸の凸部の先端部に設けられた、前記多孔質断熱材よりも高い耐熱性を有する耐熱部と、を備えることを特徴とする断熱部材。
2. 前記凸部は、山形状を有することを特徴とする請求項１記載の断熱部材。
3. 前記多孔質断熱材の表面には前記凹凸が複数設けられ、隣接する凸部の先端における間隔は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の断熱部材。
4. 燃焼室の壁面に請求項１から３のいずれか一項記載の断熱部材を備えることを特徴とする内燃機関。
5. 前記耐熱部は、前記燃焼室内の燃焼ガスの温度よりも高い耐熱性を有することを特徴とする請求項４記載の内燃機関。

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