JP5696351B2 - エンジン燃焼室構造 - Google Patents

Description

本発明は、レシプロエンジン等のエンジンの燃焼室の構造に関係する。

エンジンは燃料のガソリン等を燃焼させ、そのときに生まれる力を利用して動力とする。一般的な４サイクルエンジンでは、吸気、圧縮、膨張（燃焼）、排気という４つの行程（ストローク）を１つの周期（サイクル）として繰り返している。

エンジンの熱効率が向上すると、燃費向上や排気温度向上による触媒活性向上の効果がある。したがって今日なおエンジンの熱効率を向上させるための努力が続けられている。

エンジンの熱効率向上のためには、まず燃焼中の熱を逃がさないことが考えられる。このためには、膨張（燃焼）行程で燃焼室内の温度が高いことが望まれる。この場合、燃焼室の壁面に求められる特性は、熱伝導率が小さいこと、すなわち断熱性が高いことである。従来検討されてきた断熱手段として、セラミックスをコーティングしたエンジンもしくは燃焼室そのものをセラミックスで構成し、その背面を空気層として断熱化を計ったエンジンがある。この手法の特徴は、壁面の遮熱化により燃焼室から冷却水への熱損失を低減し、そのエネルギーをピストン仕事またはターボチャージャにより回収して熱効率向上を図ったものである。
しかし断熱性を高めすぎると、燃焼室壁温が上昇して作動ガスを加熱し吸気効率の悪化およびＮＯｘ排出量の増加を招く。さらに遮熱層が高温となるために潤滑に問題が生じるという課題があった。

そこで、吸気行程において燃焼室壁温を上げない遮熱手法が必要とされる。具体的には、材料特性として、低熱伝導率・低熱容量の遮熱膜を燃焼室壁面に形成し、ガス温度に応じて、壁表面温度を変化させる（吸気時は低温、燃焼時は高温）ことで燃焼ガスと壁面との温度差を減少させ、吸気加熱防止と熱損失低減を同時に行う技術である。

上記の考えに基づいて、熱損失低減および吸気ガス過熱防止を同時に行うために、燃焼室壁面に低熱伝導率・低熱容量の薄膜材料を形成させる技術が非特許文献１（Victor W. Wong et al, “Assessment of Thin Thermal Barrier Coatings for I.C. Engines”, Society of Automobile Engineers Document Number: 950980, Date Published: February 1995）に記載されている。具体的な薄膜材料としてＺｒＯ_２の溶射膜が記載されている。しかしながら、ＺｒＯ_２の溶射膜は、剥離、脱落が起こりやすく、耐久性・信頼性が不足しているという問題が残る。

ところで、近年のエンジンの高出力化に伴い、燃焼室内の温度は高まることから、燃焼室では局部的な熱負荷が高くなる傾向にあり、これが燃焼室を構成する部材に熱歪みや亀裂を生じることがある。

このような熱歪みを低減するために、燃焼室の一部を構成するシリンダヘッドに陽極酸化による多孔質セラミック層を形成して、燃焼室からシリンダヘッドへの熱伝導を低減することが特許文献１（特開２００３−１１３７３７号明細書）に記載されている。

また亀裂を低減するために、燃焼室の一部を構成するピストン頂部に陽極酸化によるアルマイト層を形成し、さらに溶射によるセラミック層を形成して、燃焼室からピストン頂部への熱伝導を低減することが特許文献２（特開平１−４３１４５号明細書）に記載されている。

上記のとおり、特許文献１、２は熱伝導低減を目指すことを前提としている。しかしながら、熱伝導を低減するだけでは、燃焼室壁温が上昇して吸気ガスを過熱するために、吸気効率悪化およびＮＯｘ排出量増加を招くという問題が残る。

特開２００３−１１３７３７号明細書 特開平１−４３１４５号明細書

Ｖｉｃｔｏｒ Ｗ． Ｗｏｎｇ ｅｔ ａｌ， "Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｉ．Ｃ． Ｅｎｇｉｎｅｓ"， Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ Ｎｕｍｂｅｒ： ９５０９８０， Ｄａｔｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ： Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９５

本発明は、低熱伝導率・低熱容量であり且つ剥離・脱落等のない耐久性・信頼性に優れた膜を供給することを目的とする。

本発明により以下が提供される。
（１）エンジン燃焼室の内面に、膜厚が２０μｍより大きく５００μｍ以下であり且つ空孔率が２０％以上である陽極酸化皮膜を、形成することを特徴とする、エンジン燃焼室構造。
（２）前記皮膜の膜厚が５０μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする、（１）に記載されたエンジン燃焼室構造。
（３）前記皮膜の空孔率が３０％以上であることを特徴とする、（１）または（２）に記載されたエンジン燃焼室構造。

空孔を有する陽極酸化皮膜の断面構造および陽極酸化皮膜最表面の閉口処理の概要を示す。 空孔を有する陽極酸化皮膜の断面の電子顕微鏡写真を示す。 陽極酸化皮膜（膜厚１００μｍ）の空孔率と熱伝導率の関係を示す。 陽極酸化皮膜（膜厚１００μｍ）の空孔率と体積熱容量の関係を示す。 陽極酸化皮膜（膜厚１００μｍ）の熱特性（熱伝導率・体積熱容量）と燃費向上の関係を示す。 陽極酸化皮膜（空孔率５０ｖｏｌ％）の膜厚と燃費向上の関係を示す。

本発明では、エンジン燃焼室の内面に、膜厚が２０μｍより大きく５００μｍ以下であり且つ空孔率が２０％以上である陽極酸化皮膜を、形成することを特徴とする。

エンジン燃焼室とは、シリンダブロックのボア内面と、そのボアに組み付けられたピストンの上面と、シリンダブロックの上面に対向配置されたシリンダヘッドの底面とで囲まれた空間を指す。

エンジン燃焼室を構成する部材（シリンダブロック、ピストン、シリンダブロック等）の材質は、陽極酸化することができる材料から選択される。例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、またはチタン合金等であってもよい。

陽極酸化とは、電気分解の際に陽極（アノード）でおこる酸化反応である。陽極では、電子が電解液側から陽極内へ動くので、電解液中の被酸化性物質（これが電極材料であってもよい）が酸化される。この陽極酸化によって陽極に生成した酸化皮膜が、陽極酸化皮膜である。陽極酸化皮膜は、陽極材料表面から連続して形成されるため、密着性・均一性が高く、長期運転等に対して、剥離・割れ・欠落等が発生しにくく信頼性の高い表面処理層が得られる。

陽極酸化に用いる電解液は、陽極材料に応じて適当に選択することができる。電解液として、リン酸、シュウ酸、硫酸、クロム酸等の水溶液を使用することができる。なお、電解液濃度としては、０．２〜１．０モル／ｌの範囲が一般的であり、電解液温度としては２０〜３０℃の範囲が一般的である。

陽極酸化皮膜を形成する前に、陽極材料の表面を清浄化する等の目的で前処理がされてもよい。前処理方法は、機械的、化学的、電気化学的に行うことができ、本発明としてはその方法について特に限定はされない。

エンジン燃焼室を組み上げたときに、燃焼室内面に陽極酸化皮膜が形成されるように、エンジン燃焼室を構成する部材の所望の箇所を陽極とする。陽極酸化を避けたい箇所があれば、そこは適当なマスキング等を施すことができる。

本発明の陽極酸化皮膜においては、膜厚が２０μｍより大きく５００μｍ以下である。好ましくは、膜厚が５０μｍ以上３００μｍ以下である、というのは熱特性（熱伝導率および体積熱容量）のバランスがよく、ひいては燃費向上率をさらに高めることができるからである。

膜厚は、皮膜の熱特性に影響を与える因子であり、ひいてはエンジンの燃費に影響を与える重要な因子である。膜厚が厚ければ皮膜の伝熱性は低くなるが、膜厚が厚すぎると皮膜の熱容量が高くなる。逆に膜厚が薄ければ、皮膜の熱容量は低くなるが、膜厚が薄すぎると皮膜の伝熱性が高くなる。また、膜厚は耐久性、信頼性に影響を与える因子でもある。膜厚が厚すぎても薄すぎても、剥離・脱落等の懸念が高まる。膜厚は上述した範囲に規定されることにより、これらのデメリットを避け、本発明の最適な効果が得られる。

概して皮膜の膜厚は、陽極酸化処理時間が長いほど、厚くなる。陽極としてアルミニウム合金を用い、電解液としてシュウ酸溶液陽極電圧を４０Ｖとした場合、陽極酸化時間を３０分〜１５時間の範囲で長時間化させることにより、陽極酸化皮膜の膜厚は２０〜５００μｍの範囲で厚くすることができる。

本発明の陽極酸化皮膜においては、空孔率が２０％以上である。好ましくは、空孔率が３０％以上である、というのは熱特性（熱伝導率および体積熱容量）が一段と低減し、ひいては燃費向上率をさらに高めることができるからである。

本発明における、陽極酸化皮膜の空孔率は以下のように求められる。従来の空孔率を測定する方法は、孔径がマイクロメートルオーダーである場合に、窒素ガス等の吸着量により空孔率を求めるものであるが、本陽極酸化により得られる空孔はナノメートルオーダーであるため、従来の空孔率測定方法が使用できない。そこで、陽極酸化皮膜の最表面を研磨した後、ＳＥＭ観察面において空孔の占める面積の比率（空孔面積／観察面面積）を空孔率とした。（図２（ｃ）参照）。

空孔率は、皮膜の熱特性に影響を与える因子であり、ひいてはエンジンの燃費に影響を与える重要な因子である。空孔率が大きいほど皮膜の伝熱性および熱容量は低くなり、燃費向上につながるが、空孔率が大きすぎると剥離・脱落等の懸念が高まり皮膜の耐久性、信頼性は低下する。耐久性、信頼性を向上するために、空孔率を小さくすることもできるが、空孔率が小さすぎると、皮膜の伝熱性および熱容量は高くなり、燃費低下につながる。空孔率は上述した範囲に規定されることにより、これらのデメリットを避け、本発明の最適な効果が得られる。

概して空孔率は、陽極酸化処理の印加電圧と電解液の種類を変えることにより、調節することができる。概して、陽極酸化処理の印加電圧が高いほど、空孔率は大きくなる。電解液の種類を変更することにより、最大印加電圧を変えることができる。概して、電解液が硫酸であれば最大印加電圧は２５Ｖ、電解液がシュウ酸であれば最大印加電圧は４０Ｖ、電解液がリン酸であれば最大印加電圧は１９５Ｖとすることができる。陽極としてアルミニウム合金を用い、電解液として硫酸、シュウ酸またはリン酸を用い、陽極酸化時間を３〜４時間とした場合、最大印加電圧を２５〜１９０Ｖの範囲で高くしていくと、陽極酸化皮膜の空孔率は２０〜７０％の範囲で大きくすることができる。なお、この場合、陽極酸化時間が３〜４時間の範囲で変動しているのは、膜厚が一定（１００μｍ）となるようにしたためである。

陽極酸化皮膜の最表面は、通常、空孔が開いたまま（開口したまま）であるので、空孔に熱が進入しやすい、汚染物質や腐食物質も吸収されやすい等の懸念がある。従って、陽極酸化皮膜の最表面において、空孔の開口部を封じる（閉口する）ことが好ましいと考えられる。

閉口処理する方法として、陽極酸化の初期過程における印加電圧を低目にしておき、陽極酸化の最終過程における印加電圧を高くすることに得られる方法が公知である（特開２０００−１０９９９６号）。また、電解液に溶出した金属イオンを酸化物として再析出させる方法もある。また、有機シリコン溶液を陽極酸化皮膜の最表面（開口部）に塗布し、その後熱処理によりシリコン酸化物とすることにより、緻密膜を形成する方法もある。シリコン酸化物等の緻密層の厚みは、長期運転しても剥離・割れのないことが必要であり、且つ、低伝熱性、低体積熱容量を実現する観点から可能な限り薄い方が好ましい。

しかしながら、陽極酸化により生じる空孔の開口部径は数十ｎｍ〜μｍ程度と非常に微細であるため、閉口処理した酸化皮膜と閉口処理をしていない酸化皮膜の間に有意な熱特性上の差違は認められていない。つまり、本発明の陽極酸化皮膜は、特に閉口処理を必要としないという利点も有する。

以下に実施例を用いて、本発明の陽極酸化皮膜について説明する。
（試料Ｎｏ．１の形成方法）
アルミニウム純度ＩＮ３０（ＪＩＳ）のアルミニウム箔（厚さ１００μｍ）をアルカリ溶液で脱脂を行い、その後硫酸０．８Ｍ水溶液（常温：２５℃）中で陽極酸化処理を行なった。なお、陽極酸化に際しては、初期電圧１０Ｖを印加し、３．５時間後に印加電圧を２５Ｖとして３０分間印加を続けた。結果として得られた陽極酸化皮膜は１００μｍであった。

（試料Ｎｏ．２〜６の形成方法）
次に、陽極酸化処理の最大印加電圧と電解液の種類を変えて、試料Ｎｏ．２〜６を形成した。陽極酸化時間は、得られる陽極酸化皮膜が１００μｍになるように、３〜４時間の範囲で調整をした。初期電圧は１０Ｖとし、陽極酸化処理の最終工程３０分で最大印加電圧を印加した。他の試料形成条件は試料Ｎｏ．１と同様とした。

（陽極酸化皮膜の熱特性）
上記処理により得られた陽極酸化皮膜について、スライス片を透過型電子顕微鏡にて観察し（図２参照）、空孔の孔径、孔長および陽極酸化皮膜の厚さ、幅を測定し、空孔率を求めた。図２（ａ）は空孔を有する陽極酸化皮膜の断面、図２（ｂ）はその縦断面、図２（ｃ）は表面から５０μｍ除去した横断面の写真である。陽極酸化条件と併せて、これらの測定結果を表１に示す。

さらに、陽極酸化皮膜の熱伝導率および体積熱容量を測定するために、陽極酸化時間を延長したこと以外は前述のＮｏ．１〜６と同様の陽極酸化皮膜形成条件で、直径２５ｍｍの陽極酸化皮膜テストピースを作成した。これらの陽極酸化皮膜の熱伝導率および体積熱容量を、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ Ｒ１６１１）に従って、測定した。測定装置は、リガク社製 ＬＦ／ＴＣＭ−ＦＡ８５１０Ｂおよび京都電子社製 ＬＦＡ−５０１を使用した。得られた結果を、表１に示す。

表１の結果から、印加電圧と電解液の種類を変えることにより、空孔率や空孔径を調整できることが分かる。

また、表１の結果に基づいて、陽極酸化皮膜における空孔率と熱伝導率の関係を図３に整理する。空孔率が高くなるほど、熱伝導率が低くなることが分かった。特に熱伝導率が急激に低下する空孔率は２０％以上であり、好ましくは３０％以上であった。

また、表１の結果に基づいて、陽極酸化皮膜における空孔率と体積熱容量の関係を図４に整理する。空孔率が高くなるほど、体積熱容量が低くなることが分かった。

（陽極酸化皮膜の熱特性と燃費の関係）
排気量１８００ＣＣのガソリンレシプロエンジンの燃焼室の内面の一部に相当する、ピストンヘッド上面およびシリンダヘッド底面（すなわち燃焼ガスの接触する部分）に、前述の陽極酸化条件を用いて、膜厚１００μｍの陽極酸化皮膜（空孔率３０％および５０％）を形成した。その後、このガソリンレシプロエンジンでの、１０−１５モード燃費の測定を行った。結果として、燃焼室の内面となる陽極酸化皮膜の熱伝導率および体積熱容量が、燃費と強く相関しており、空孔率３０％では燃費向上率が１％、空孔率５０％では燃費向上率５％であった。ここで燃費向上率は、陽極酸化処理を行わなかった場合の燃費を基準とした。図５に、陽極酸化皮膜の熱特性（熱伝導率・体積熱容量）と燃費向上の関係を整理した。図５には、ピストンヘッド上面およびシリンダヘッド底面を、緻密酸化アルミニウム、鋳鉄、Ａｌ合金で製造し、陽極酸化処理していないものの、熱特性もプロットしている。

（陽極酸化皮膜の耐久性・信頼性）
さらに、この陽極酸化処理したエンジンを用いて、アップダウン耐久試験（耐久試験時間３００時間、８００〜５０００ｒ.ｐ.ｍ.）を実施した。耐久試験前後における、陽極酸化皮膜の剥離・脱落は認められず、長期信頼性の高いことが確認された。

（陽極酸化皮膜の膜厚と燃費の関係）
排気量１８００ＣＣのガソリンレシプロエンジンの燃焼室の内面の一部に相当する、ピストンヘッド上面およびシリンダヘッド底面（すなわち燃焼ガスの接触する部分）に、空孔率５０％となる陽極酸化条件を用いて、陽極酸化処理時間を３０分〜１５時間の範囲で変化させることにより、膜厚２０〜５００μｍの範囲の陽極酸化皮膜を形成した。その後、このガソリンレシプロエンジンでの、１０−１５モード燃費の測定を行った。表２に、陽極酸化条件、得られた膜厚および空孔率、ならびに燃費向上率を整理した。ここで燃費向上率は、陽極酸化処理を行わなかった場合の燃費を基準とした。

表２の結果に基づいて、陽極酸化皮膜（空孔率５０ｖｏｌ％）の膜厚と燃費向上の関係を図６に整理する。燃費向上の効果が得られる陽極酸化皮膜の膜厚は２０μｍより大きく５００μｍ以下である。好ましくは、陽極酸化皮膜の膜厚は５０μｍ以上３００μｍ以下である。この理由としては、５０μｍより薄いと、遮熱効果が不足するためと考えられる。一方、３００μｍより厚くなると、熱容量が大きくなるためと考えられる。

Claims (3)

1. エンジン燃焼室の内面の一部に相当する、ピストンヘッドの上面およびシリンダヘッドの底面に、膜厚が１００μｍ以上２００μｍ以下であり且つ空孔率が３０％以上６０％以下である陽極酸化皮膜を、形成することを特徴とする、エンジン燃焼室構造。
2. 前記陽極酸化皮膜の最表面の空孔の開口部径が８ｎｍ以上〜１μｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載されたエンジン燃焼室構造。
3. 前記空孔の開口部が閉口されていることを特徴とする、請求項２に記載されたエンジン燃焼室構造。