JP5998696B2 - Engine combustion chamber insulation structure - Google Patents

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    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/048—Heat transfer

Description

本発明は、エンジンの燃焼室における断熱構造に関する。   The present invention relates to a heat insulating structure in an engine combustion chamber.

従来、エンジン部品のような高温ガスに晒される金属製品には、高温ガスからの熱伝達、すなわち冷却損失を抑制するために、その金属製母材の表面に断熱層を形成することが行われている。その一例として、エンジンの燃焼室の壁面をジルコニア等の低熱伝導性の無機酸化物を溶射法により被覆して断熱することが知られている。   Conventionally, a metal product exposed to a high-temperature gas such as an engine part has been formed with a heat insulating layer on the surface of the metal base material in order to suppress heat transfer from the high-temperature gas, that is, cooling loss. ing. As an example, it is known that a wall of an engine combustion chamber is coated with a low thermal conductive inorganic oxide such as zirconia by a thermal spraying method to insulate.

また、特許文献１には、ピストンの頂面の全面とその外周面の上部とに連続的に断熱層が設けられた構造が開示されている。   Patent Document 1 discloses a structure in which a heat insulating layer is continuously provided on the entire top surface of the piston and the upper portion of the outer peripheral surface thereof.

この他に、特許文献２には、ピストンの頂面の外周縁部を除く部分に窪部を設け、該窪部内に、所定の厚さの断熱層であるセラミック被覆層を設けた構造が開示されている。このような構造にすることにより、特許文献１のようにピストンの頂面全体に断熱層を設けた場合と異なり、断熱層の周縁部における熱応力等による剥離等を防止でき、また、熱応力及び熱疲労等に起因する断熱層の破壊の問題を解決できるとしている。   In addition, Patent Document 2 discloses a structure in which a recess is provided in a portion excluding the outer peripheral edge of the top surface of the piston, and a ceramic coating layer that is a heat insulating layer having a predetermined thickness is provided in the recess. Has been. By adopting such a structure, unlike the case where a heat insulating layer is provided on the entire top surface of the piston as in Patent Document 1, it is possible to prevent peeling or the like due to thermal stress or the like at the peripheral portion of the heat insulating layer. In addition, it is possible to solve the problem of the destruction of the heat insulating layer due to thermal fatigue and the like.

特開昭６３−２５５５５２号公報JP-A 63-255552 特開昭６１−１３２７５７号公報Japanese Patent Laid-Open No. 61-132757

ところで、断熱層の剥離及びクラックのうち、特に断熱層の端部を基点とするものを防止するために、断熱層の端部をテーパ状にすることが考えられる。このようにすると、断熱層の端部におけるピストン側の面と外部側の面との温度差による応力等を抑制でき、その結果、断熱層の端部を基点とする剥離等を防止できると考えられる。しかしながら、そのようにすると、断熱層の端部が薄くなっているため、その部分が、燃焼室内の圧力及び温度の変動に加えて、ピストンの頂面の周縁部とシリンダライナーとの干渉による機械的衝撃の応力によって、剥離するおそれがある。   By the way, it is conceivable that the end portion of the heat insulating layer is tapered in order to prevent the peeling and cracking of the heat insulating layer from being particularly based on the end portion of the heat insulating layer. In this way, stress due to the temperature difference between the piston-side surface and the external-side surface at the end of the heat-insulating layer can be suppressed, and as a result, peeling or the like based on the end of the heat-insulating layer can be prevented. It is done. However, in such a case, since the end portion of the heat insulating layer is thinned, the portion is a machine caused by interference between the peripheral portion of the top surface of the piston and the cylinder liner in addition to pressure and temperature fluctuations in the combustion chamber. There is a risk of peeling due to the stress of mechanical impact.

また、ピストンの頂面だけでなく、外周面上部のトップランド部にも断熱層を設けた場合では、その部分に、トップリング溝の上面（シリンダヘッド側の面）とトップリングの上面（シリンダヘッド側の面）とが干渉することによる機械的衝撃による応力が伝わり、トップリング溝の近傍において断熱層にクラック及び剥離が生じるおそれもある。   In addition, when a heat insulating layer is provided not only on the top surface of the piston but also on the top land portion at the top of the outer peripheral surface, the top ring groove upper surface (cylinder head side surface) and the top ring upper surface (cylinder) Stress due to mechanical impact due to interference with the head side surface) may be transmitted, and cracks and peeling may occur in the heat insulating layer in the vicinity of the top ring groove.

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの燃焼室に断熱層が設けられた断熱構造において、その断熱層の熱応力及び機械的衝撃の応力等に対する耐久性を向上して、クラック及び剥離の発生を防止することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide durability against thermal stress and mechanical shock stress of the heat insulating layer in the heat insulating structure provided with a heat insulating layer in the combustion chamber of the engine. It is to prevent the occurrence of cracks and peeling by improving the properties.

前記の目的を達成するために、本発明は、エンジン燃焼室の断熱構造において、エンジン部品の表面に設けられた断熱層の端部の厚さが漸次薄くなり、その部分が耐熱性樹脂を含む構成とした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, in the heat insulation structure of the engine combustion chamber, the thickness of the end portion of the heat insulation layer provided on the surface of the engine component is gradually reduced, and the portion contains a heat resistant resin. The configuration.

具体的に、本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造では、エンジンの燃焼室を区画するエンジン部品の表面に断熱層が設けられ、断熱層は、無機酸化物粒子を含み、断熱層の端部は、耐熱性樹脂をさらに含み、断熱層の端部の厚さは、漸次薄くなっており、前記断熱層は、ピストンの頂面及び該ピストンの外周面におけるトップランド部に形成され、前記ピストンの頂面の周縁部には、前記ピストンの径方向外側に向かうに従って前記頂面がシリンダヘッド方向に立ち上がる傾斜面が形成され、前記断熱層の端部の厚さは、前記ピストンの頂面における傾斜面に対応して漸次薄くなっており、前記トップランド部には、トップランド溝方向に向かうに従って前記ピストンの径が大きくなる傾斜面が形成され、前記断熱層の端部の厚さは、前記トップランド部における傾斜面に対応して漸次薄くなっており、前記断熱層は、前記ピストンの頂面と外周面との境界で分離されている。 Specifically, in the heat insulation structure for an engine combustion chamber according to the present invention, a heat insulation layer is provided on the surface of an engine component that partitions the engine combustion chamber, the heat insulation layer includes inorganic oxide particles, and an end portion of the heat insulation layer. Further includes a heat resistant resin, and the thickness of the end portion of the heat insulating layer is gradually reduced, and the heat insulating layer is formed on the top land portion of the piston and the outer peripheral surface of the piston, An inclined surface in which the top surface rises in the cylinder head direction toward the outer side in the radial direction of the piston is formed at the peripheral portion of the top surface of the piston, and the thickness of the end portion of the heat insulating layer is at the top surface of the piston. The top land portion is gradually thinned corresponding to the inclined surface, and an inclined surface in which the diameter of the piston increases toward the top land groove direction is formed, and the thickness of the end portion of the heat insulating layer is Above Has become progressively thinner in correspondence with the inclined surface in Ppurando portion, the heat insulating layer is separated at the boundary between the top surface and the outer circumferential surface of the piston.

本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造によると、断熱層が無機酸化物粒子を含むため、熱伝導率が低い断熱層を形成できる。また、断熱層の端部が漸次薄くなるように形成されているため、断熱層の端部における熱応力の集中を抑制することができるので、断熱層の端部が熱応力に起因するクラック及び剥離の起点となることを防止できる。また、断熱層の端部は他の部分よりも厚さが薄いものの耐熱性樹脂を含むため、熱応力に加え機械的衝撃による応力に対する耐性をも向上できる。その結果、断熱層の端部が熱応力及び機械的衝撃の応力に起因するクラック及び剥離の起点となることを防止できる。   According to the heat insulation structure of the engine combustion chamber according to the present invention, since the heat insulation layer contains inorganic oxide particles, a heat insulation layer having low thermal conductivity can be formed. Further, since the end of the heat insulating layer is formed so as to become gradually thinner, the concentration of thermal stress at the end of the heat insulating layer can be suppressed, so that the end of the heat insulating layer is cracked due to thermal stress and It can prevent becoming the starting point of peeling. Moreover, since the edge part of a heat insulation layer contains heat resistant resin although thickness is thinner than another part, in addition to a thermal stress, the tolerance with respect to the stress by a mechanical impact can also be improved. As a result, it can prevent that the edge part of a heat insulation layer becomes a crack and peeling origin resulting from the stress of a thermal stress and a mechanical impact.

また、エンジン燃焼室の底面を構成するピストン頂面の周縁部に形成された断熱層の熱応力及び機械的衝撃による応力に対する耐性を向上でき、断熱層の端部におけるクラックの発生及び剥離を防止することができる。 In addition , the heat resistance of the heat insulating layer formed on the peripheral edge of the piston top surface that forms the bottom of the engine combustion chamber can be improved against the stress caused by thermal stress and mechanical shock, and the generation and separation of cracks at the end of the heat insulating layer can be prevented. can do.

エンジン燃焼ガスは、ピストンの頂面側のみならず、ピストンの外周面におけるトップランド部側にまで入り込むため、上記のようにピストンのトップランド部にも断熱層を設けることが望ましい。また、本発明ではトップランド部に、トップランド溝方向に向かうに従ってピストンの径が大きくなる傾斜面が形成され、断熱層の端部の厚さは、トップランド部における傾斜面に対応して漸次薄くなっている。さらに、その断熱層の端部は耐熱性樹脂を含むため、断熱層の端部において、熱応力、及びトップリング溝の上面（シリンダヘッド側の面）とトップリングの上面（シリンダヘッド側の面）との干渉により生じるトップランド部に対する機械的衝撃の応力に対する耐性を向上できる。その結果、トップランド部における断熱層の端部におけるクラックの発生及び剥離を防止できる。さらに、傾斜面はトップリング溝方向に向かうに従ってピストンの径が大きくなるように形成されているため、断熱層がシリンダライナー等との干渉により、トップリング溝内に噛み込まれる問題も防ぐことができる。   Since engine combustion gas enters not only the top surface side of the piston but also the top land portion side of the outer peripheral surface of the piston, it is desirable to provide a heat insulating layer on the top land portion of the piston as described above. Further, in the present invention, the top land portion is formed with an inclined surface in which the piston diameter increases toward the top land groove direction, and the thickness of the end portion of the heat insulating layer gradually corresponds to the inclined surface in the top land portion. It is getting thinner. Furthermore, since the end portion of the heat insulating layer contains a heat-resistant resin, in the end portion of the heat insulating layer, thermal stress, and the top surface of the top ring groove (the surface on the cylinder head side) and the top surface of the top ring (the surface on the cylinder head side) ), It is possible to improve the resistance against the stress of the mechanical impact on the top land portion caused by the interference with. As a result, it is possible to prevent the generation and separation of cracks at the end of the heat insulating layer in the top land portion. Furthermore, since the inclined surface is formed so that the diameter of the piston increases in the direction of the top ring groove, it is possible to prevent the problem that the heat insulating layer is caught in the top ring groove due to interference with the cylinder liner or the like. it can.

そして、ピストンの頂面と外周面との境界部分はシリンダライナーとの干渉等を受けるため、断熱層をピストンの頂面と外周面との境界で分離することにより、この部分における断熱層の剥離及びクラックの発生を防止できる。 Since the boundary between the piston top surface and the outer peripheral surface is subject to interference with the cylinder liner, etc., the heat insulating layer is separated at the boundary between the piston top surface and the outer peripheral surface. And generation of cracks can be prevented.

本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造において、断熱層は、シリンダヘッドの燃焼室面に形成されていてもよい。   In the heat insulation structure for an engine combustion chamber according to the present invention, the heat insulation layer may be formed on the combustion chamber surface of the cylinder head.

このようにすると、燃焼室の底面側、すなわちピストン頂面側だけでなく、天井面、すなわちピストン頂面と対向する面も断熱でき、断熱性能を向上できる。   In this way, not only the bottom surface side of the combustion chamber, that is, the piston top surface side, but also the ceiling surface, that is, the surface facing the piston top surface, can be insulated, and the heat insulation performance can be improved.

本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造において、無機酸化物粒子は、中空状又は中実状であり、ジルコニア含有酸化物、シリカ含有酸化物及びアルミナから選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。断熱層がこのような材料を具備すると、断熱層の熱伝導率を低減できるため、燃焼室における冷却損失を低減できる。   In the heat insulation structure of the engine combustion chamber according to the present invention, the inorganic oxide particles are preferably hollow or solid and contain at least one selected from a zirconia-containing oxide, a silica-containing oxide, and alumina. When the heat insulating layer includes such a material, the heat conductivity of the heat insulating layer can be reduced, so that the cooling loss in the combustion chamber can be reduced.

本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造において、耐熱性樹脂は、シリコン系樹脂又はポリイミドアミド系樹脂を含むことが好ましい。断熱層の端部にこのような樹脂を具備すると、厚みが薄い断熱層の強度の向上に有利であり、機械的衝撃の応力に対する耐性を向上できる。   In the heat insulation structure of the engine combustion chamber according to the present invention, the heat resistant resin preferably includes a silicon-based resin or a polyimide amide-based resin. When such a resin is provided at the end of the heat insulating layer, it is advantageous for improving the strength of the thin heat insulating layer, and the resistance to mechanical shock stress can be improved.

本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造によると、熱応力により断熱層の端部がクラック及び剥離の起点となることを防止できると共に、機械的衝撃による応力に対する耐性を向上でき、機械的衝撃の応力により断熱層の端部がクラック及び剥離の起点となることを防止できる。   According to the heat insulating structure of the engine combustion chamber according to the present invention, it is possible to prevent the end portion of the heat insulating layer from being a starting point of cracking and peeling due to thermal stress, and to improve the resistance to the stress due to mechanical shock. It can prevent that the edge part of a heat insulation layer becomes a starting point of a crack and peeling by stress.

本発明の実施形態に係るエンジン構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the engine structure which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室におけるピストンの断熱構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the heat insulation structure of the piston in the combustion chamber of the engine which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室におけるピストンの断熱構造の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the heat insulation structure of the piston in the combustion chamber of the engine which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るエンジン燃焼室の断熱構造に用いられる断熱層を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the heat insulation layer used for the heat insulation structure of the engine combustion chamber which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用方法或いはその用途を制限することを意図するものでない。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its method of application, or its application.

本実施形態は、エンジン燃焼室の断熱構造を図１に示すエンジンに採用したものである。   In the present embodiment, the heat insulating structure of the engine combustion chamber is adopted in the engine shown in FIG.

＜エンジンの特徴＞
図１において、符号１はピストン、符号２はシリンダブロック、符号３はシリンダヘッド、符号４はシリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気バルブ、符号６は排気ポート７を開閉する排気バルブ、符号８は燃料噴射弁である。エンジンの燃焼室は、ピストン１の頂面、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、吸排気バルブ４，６のバルブヘッド面（燃焼室に臨む面）で形成される。ピストン１の頂面には、キャビティ９が形成されている。なお、点火プラグの図示は省略している。また、ピストンの外周面には、トップリング（図示せず）が嵌められるトップリング溝１１が形成されている。ピストンの外周面におけるトップリング溝１１よりも上部のトップランド部を符号１２で示している。 <Engine features>
In FIG. 1, reference numeral 1 is a piston, reference numeral 2 is a cylinder block, reference numeral 3 is a cylinder head, reference numeral 4 is an intake valve that opens and closes an intake port 5 of the cylinder head 3, reference numeral 6 is an exhaust valve that opens and closes an exhaust port 7, and reference numeral 8 is a fuel injection valve. The combustion chamber of the engine is formed by the top surface of the piston 1, the cylinder block 2, the cylinder head 3, and the valve head surfaces of the intake and exhaust valves 4 and 6 (surfaces facing the combustion chamber). A cavity 9 is formed on the top surface of the piston 1. Note that the illustration of the spark plug is omitted. A top ring groove 11 into which a top ring (not shown) is fitted is formed on the outer peripheral surface of the piston. A top land portion above the top ring groove 11 on the outer peripheral surface of the piston is indicated by reference numeral 12.

ところで、エンジンの熱効率は、理論的に幾何学的圧縮比を高めるほど、また、作動ガスの空気過剰率を大きくするほど、高くなることが知られている。しかし、実際には、圧縮比を大きくするほど、また、空気過剰率を大きくするほど、冷却損失が大きくなるため、圧縮比及び空気過剰率の増大による熱効率の改善は頭打ちになる。   By the way, it is known that the thermal efficiency of the engine increases theoretically as the geometric compression ratio is increased and the excess air ratio of the working gas is increased. However, in practice, as the compression ratio is increased and the excess air ratio is increased, the cooling loss increases. Therefore, the improvement of the thermal efficiency due to the increase in the compression ratio and the excess air ratio reaches its peak.

すなわち、冷却損失は、作動ガスからエンジン燃焼室壁への熱伝達率、その伝熱面積、及びガス温と壁温との温度差に依存する。このため、エンジン燃焼室を構成するエンジン部品の表面には、エンジン部品の金属製母材よりも熱伝導率が低い材料からなる断熱層が形成された断熱構造が採用される。   That is, the cooling loss depends on the heat transfer rate from the working gas to the engine combustion chamber wall, the heat transfer area, and the temperature difference between the gas temperature and the wall temperature. For this reason, the heat insulation structure in which the heat insulation layer which consists of material whose heat conductivity is lower than the metal preform | base_material of an engine component was employ | adopted for the surface of the engine component which comprises an engine combustion chamber.

＜断熱構造＞
そこで、以下では、本実施形態に係る断熱構造について説明する。 <Insulation structure>
Therefore, hereinafter, the heat insulating structure according to the present embodiment will be described.

図２は、エンジンの燃焼室を区画するエンジン部品の一つであるピストン１に断熱層が設けられた断熱構造を示す。ここで、当該実施形態のエンジンはピストンが鉛直方向に往復動するものであり、以下の説明において、「上方」とはピストンからシリンダヘッド側に向かう方向を意味する。ここでは、それを「シリンダヘッド方向」ともいう。また、「下方」とは、ピストンのトップランドからトップリング溝側に向かう方向を意味する。ここでは、それを「トップリング溝方向」ともいう。   FIG. 2 shows a heat insulating structure in which a heat insulating layer is provided on a piston 1 which is one of engine parts that define an engine combustion chamber. Here, in the engine of the embodiment, the piston reciprocates in the vertical direction, and in the following description, “upward” means the direction from the piston toward the cylinder head. Here, it is also referred to as “cylinder head direction”. Further, “downward” means a direction from the top land of the piston toward the top ring groove side. Here, it is also referred to as “top ring groove direction”.

ピストン１において、その頂面に断熱層１０が形成されている。なお、ピストン１の頂面とは、キャビティ９の底面及び壁面を含む。また、ピストン１の頂面の周縁部には、径方向外側に向かって上方（シリンダヘッド方向）に立ち上がる傾斜面１３ａが形成されており、その傾斜面１３ａ上に断熱層１０の端部が位置する。断熱層１０の端部におけるピストン１と接する側の面はその傾斜面１３ａに対応して傾斜されているため、断熱層１０の厚さが漸次薄くなっている。すなわち、断熱層１０の端部は、テーパ状に形成されている。   A heat insulating layer 10 is formed on the top surface of the piston 1. The top surface of the piston 1 includes the bottom surface and the wall surface of the cavity 9. In addition, an inclined surface 13a rising upward (in the cylinder head direction) toward the radially outer side is formed at the peripheral portion of the top surface of the piston 1, and the end of the heat insulating layer 10 is positioned on the inclined surface 13a. To do. Since the surface of the end portion of the heat insulating layer 10 in contact with the piston 1 is inclined corresponding to the inclined surface 13a, the thickness of the heat insulating layer 10 is gradually reduced. That is, the end portion of the heat insulating layer 10 is formed in a tapered shape.

このような構成により、断熱層１０の端部において、ピストンと接する面と外側の面との間の温度差を低減できて熱応力を低減できるため、熱応力によってその端部が起点となるクラック及び剥離の発生を防止できる。   With such a configuration, the temperature difference between the surface in contact with the piston and the outer surface can be reduced at the end portion of the heat insulating layer 10 to reduce the thermal stress. And the occurrence of peeling can be prevented.

さらに、断熱層１０は、ピストン１の外周面におけるトップリング溝１１よりも上側の部分であるトップランド部１２にも設けられている。ここで、トップランド部の上端部及び下端部には、それぞれ上方及び下方（トップランド溝方向）に向かってピストン１の径が大きくなる傾斜面１３ｂが形成されており、その傾斜面１３ｂ上に断熱層１０の端部が位置する。トップランド部１２の上端部及び下端部において、断熱層１０の端部におけるピストン１と接する側の面はそれらの傾斜面１３ｂに対応して傾斜されているため、断熱層１０の厚さが漸次薄くなっている。すなわち、ピストン１の頂面における断熱層１０と同様に、トップランド部１２における断熱層１０の端部もテーパ状に形成されている。   Furthermore, the heat insulating layer 10 is also provided on the top land portion 12 which is a portion above the top ring groove 11 on the outer peripheral surface of the piston 1. Here, an inclined surface 13b in which the diameter of the piston 1 increases toward the upper side and the lower side (in the direction of the top land groove) is formed on the upper end portion and the lower end portion of the top land portion, respectively, on the inclined surface 13b. The edge part of the heat insulation layer 10 is located. At the upper end portion and the lower end portion of the top land portion 12, the surface of the end portion of the heat insulating layer 10 on the side in contact with the piston 1 is inclined corresponding to the inclined surfaces 13b, so that the thickness of the heat insulating layer 10 gradually increases. It is getting thinner. That is, like the heat insulating layer 10 on the top surface of the piston 1, the end of the heat insulating layer 10 in the top land portion 12 is also tapered.

このような構成により、上記と同様に、断熱層１０の端部における熱応力を低減でき、熱応力によってその端部が起点となるクラック及び剥離の発生を防止できる。さらに、トップランド部１２の下端部に形成された断熱層１０の端部は、トップランド部１２に形成された下方に向かうに従ってピストン１の径が大きくなる傾斜面１３ｂ上に位置するため、断熱層１０がシリンダライナー等との干渉により、その下方のトップリング溝１１内に噛み込まれることを防止できる。   With such a configuration, similarly to the above, the thermal stress at the end portion of the heat insulating layer 10 can be reduced, and the occurrence of cracks and peeling starting from the end portion due to the thermal stress can be prevented. Furthermore, the end portion of the heat insulating layer 10 formed at the lower end portion of the top land portion 12 is located on the inclined surface 13b in which the diameter of the piston 1 increases toward the lower portion formed in the top land portion 12, and thus heat insulation. It is possible to prevent the layer 10 from being caught in the top ring groove 11 below due to interference with the cylinder liner or the like.

また、図２に示す断熱構造では、断熱層１０の端部がピストン１の頂面の周縁部、並びにトップランドの上端部及び下端部に位置し、断熱層１０は、ピストン１の頂面と外周面（トップランド部１２）との境界で分離されている。このため、その部分におけるシリンダライナーとの摩擦等による断熱層１０の剥離及びクラックの発生を防止できる。   In the heat insulating structure shown in FIG. 2, the end portion of the heat insulating layer 10 is located at the peripheral edge portion of the top surface of the piston 1 and the upper end portion and the lower end portion of the top land, and the heat insulating layer 10 is connected to the top surface of the piston 1. It is separated at the boundary with the outer peripheral surface (top land portion 12). For this reason, peeling of the heat insulation layer 10 and generation | occurrence | production of a crack by friction etc. with the cylinder liner in the part can be prevented.

但し、図２のような構成に限られず、図３に示すように、ピストン１の頂面からトップランド部１２にまで断熱層１０が連続して設けられていてもよい。この場合、トップランド部１２の下端部には、下方に向かってピストン１の径が大きくなる傾斜面１３ｂが形成されており、その傾斜面１３ｂ上に断熱層１０の端部が位置する。断熱層１０の端部におけるピストン１と接する側の面は、その傾斜面１３ｂに対応して傾斜されているため、断熱層１０の厚さが漸次薄くなっている。すなわち、ピストン１の頂面における断熱層１０と同様に、トップランド部１２における断熱層１０の端部もテーパ状に形成されている。これにより、上記と同様の効果を得ることができる。   However, the configuration is not limited to that shown in FIG. 2, and as shown in FIG. 3, the heat insulating layer 10 may be continuously provided from the top surface of the piston 1 to the top land portion 12. In this case, an inclined surface 13b in which the diameter of the piston 1 increases downward is formed at the lower end portion of the top land portion 12, and the end portion of the heat insulating layer 10 is positioned on the inclined surface 13b. Since the surface of the end portion of the heat insulating layer 10 in contact with the piston 1 is inclined corresponding to the inclined surface 13b, the thickness of the heat insulating layer 10 is gradually reduced. That is, like the heat insulating layer 10 on the top surface of the piston 1, the end of the heat insulating layer 10 in the top land portion 12 is also tapered. Thereby, the effect similar to the above can be acquired.

また、このとき、ピストン１において、その頂面と外周面（トップランド部１２）との境界は、面取りがなされていることが好ましい。このようにして平面部を増やすことにより、上記のようにピストン１とシリンダライナーとの間の摩擦等で、ピストン１の頂面とトップランド部１２との境界における断熱層１０にクラック及び剥離等が生じることを防ぐことができる。   At this time, in the piston 1, it is preferable that the boundary between the top surface and the outer peripheral surface (top land portion 12) is chamfered. By increasing the number of flat portions in this manner, the heat insulating layer 10 at the boundary between the top surface of the piston 1 and the top land portion 12 is cracked and peeled off due to friction between the piston 1 and the cylinder liner as described above. Can be prevented.

＜断熱層の構造＞
次に、本実施形態に係る断熱構造において用いられる断熱層について図４を参照しながら説明する。ここでは、特に、ピストン１の頂面に形成された断熱層１０について説明する。 <Insulation layer structure>
Next, the heat insulation layer used in the heat insulation structure according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, in particular, the heat insulating layer 10 formed on the top surface of the piston 1 will be described.

断熱層１０は、ピストン１の金属製母材よりも熱伝導率が小さい材料からなる。例えば、ピストン１がアルミ合金からなる場合、断熱層１０はそれよりも熱伝導率が小さいジルコニア等の材料を用いることができる。また、図４に示すように、断熱層１０は、その熱伝導率をより低減するために、中空状の無機酸化物粒子１４を含んでいる。無機酸化物粒子１４として、例えばジルコニア含有酸化物、シリカ含有酸化物及びアルミナ等を含むことができる。具体的に、中空状の無機酸化物粒子１４としては、アルミナバブル、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セラミック系中空粒子、その他の無機系中空粒子を用いることができる。なお、各々の材質及び粒径は表１の通りである。   The heat insulating layer 10 is made of a material having a lower thermal conductivity than the metal base material of the piston 1. For example, when the piston 1 is made of an aluminum alloy, the heat insulating layer 10 can be made of a material such as zirconia having a smaller thermal conductivity. Moreover, as shown in FIG. 4, the heat insulation layer 10 contains hollow inorganic oxide particles 14 in order to further reduce the thermal conductivity. As the inorganic oxide particle 14, for example, a zirconia-containing oxide, a silica-containing oxide, alumina, and the like can be included. Specifically, ceramic hollow particles such as alumina bubbles, fly ash balloons, shirasu balloons, silica balloons, airgel balloons, and other inorganic hollow particles can be used as the hollow inorganic oxide particles 14. Each material and particle size are as shown in Table 1.

Figure 0005998696
Figure 0005998696

例えば、フライアッシュの化学組成は、ＳｉＯ２；４０．１〜７４．４％、Ａｌ２Ｏ３；１５．７〜３５．２％、Ｆｅ２Ｏ３；１．４〜１７．５％、ＭｇＯ；０．２〜７．４％、ＣａＯ；０．３〜１０．１％（以上は質量％）である。シラスバルーンの化学組成は、ＳｉＯ２；７５〜７７％、Ａｌ２Ｏ３；１２〜１４％、Ｆｅ２Ｏ３；１〜２％、Ｎａ２Ｏ；３〜４％、Ｋ２Ｏ；２〜４％、IgLoss；２〜５％（以上は質量％）である。 For example, the chemical composition of the fly ash, SiO 2; 40.1~74.4%, Al 2 O 3; 15.7~35.2%, Fe 2 O 3; 1.4~17.5%, MgO 0.2 to 7.4%, CaO; 0.3 to 10.1% (the above is mass%). The chemical composition of the Shirasu balloon, SiO 2; 75~77%, Al 2 O 3; 12~14%, Fe 2 O 3; 1~2%, Na 2 O; 3~4%, K 2 O; 2~ 4%, IgLoss; 2 to 5% (the above is mass%).

なお、本実施形態において、断熱層１０は、中空状の無機酸化物粒子の代わりに中実状の無機酸化物粒子を含んでいてもよく、それらの両方を含んでいても構わない。空気を含む中空状の粒子を用いることで、熱伝導率を低減することができ、中実状の粒子を用いることで、中空状の粒子を用いるよりも機械的衝撃の応力等の耐性を向上できる。このため、ピストン１の頂面に設けられた断熱層１０と、トップランド部１２に設けられた断熱層１０とで中空状の粒子と中実状の粒子との含有率を調整することにより、それぞれの熱伝導率及び機械的衝撃の応力等の耐性を調整できる。例えば、トップランド部１２は、シリコンライナー等との干渉により機械的衝撃の応力等をその頂面よりも多く受けるため、中実状の粒子をより多く含ませることによって、その応力に対する耐性を向上できる。   In the present embodiment, the heat insulating layer 10 may include solid inorganic oxide particles instead of the hollow inorganic oxide particles, or may include both of them. By using hollow particles containing air, the thermal conductivity can be reduced, and by using solid particles, resistance such as stress of mechanical impact can be improved compared to using hollow particles. . For this reason, by adjusting the content ratio of the hollow particles and the solid particles in the heat insulating layer 10 provided on the top surface of the piston 1 and the heat insulating layer 10 provided in the top land portion 12, respectively. It is possible to adjust the heat conductivity and resistance to mechanical shock stress. For example, since the top land portion 12 receives more stress of mechanical shock or the like than the top surface due to interference with a silicon liner or the like, resistance to the stress can be improved by including more solid particles. .

また、本実施形態において、断熱層１０の端部には、耐熱性樹脂が含浸されている（符号１０ｂで示す）。耐熱性樹脂としては、例えばシリコン系樹脂又はポリイミド系樹脂等を用いることができる。テーパ状の断熱層１０の端部１０ｂは、他の部分１０ａよりも厚さが薄いものの、その端部１０ｂは耐熱性樹脂を含むため、強度が向上し、熱応力及び機械的衝撃の応力等によりクラック及び剥離を防止することができる。   Moreover, in this embodiment, the heat-resistant resin is impregnated in the edge part of the heat insulation layer 10 (it shows with the code | symbol 10b). As the heat resistant resin, for example, a silicon resin or a polyimide resin can be used. Although the end portion 10b of the tapered heat insulating layer 10 is thinner than the other portion 10a, the end portion 10b contains a heat-resistant resin, so that the strength is improved, and the stress of thermal stress and mechanical shock, etc. Thus, cracks and peeling can be prevented.

ここでは、ピストン１の頂面に形成された断熱層１０について説明したが、トップランド部１２に形成された断熱層１０も同様に、その端部に耐熱性樹脂が含浸されることにより、上記と同様の効果を生じることができる。また、図４では傾斜面１３ａ上の断熱層１０にのみ樹脂が含まれているが、断熱層１０の熱伝導率に不利にならない範囲で、その近傍にも樹脂が含まれていてもよい。   Here, although the heat insulating layer 10 formed on the top surface of the piston 1 has been described, the heat insulating layer 10 formed on the top land portion 12 is similarly impregnated with a heat resistant resin at the end thereof, thereby The same effect can be produced. Further, in FIG. 4, the resin is included only in the heat insulating layer 10 on the inclined surface 13 a, but the resin may be included in the vicinity thereof as long as the heat conductivity of the heat insulating layer 10 is not disadvantageous.

本実施形態では、燃焼室を区画するエンジン部品としてピストン１における断熱構造について説明したが、例えば、シリンダヘッド３の燃焼室を区画する燃焼室面に上記断熱層１０が設けられてもよい。このとき、断熱層１０の端部は、例えば吸気ポート５及び排気ポート７の周縁部に位置し、ピストン１の場合と同様に、その周縁部に傾斜面を設けて、断熱層１０の端部がテーパ状に形成されていることが好ましい。このようにすることで、冷却損失の低減できると共に、シリンダヘッド３における断熱層１０の熱応力及び機械的衝撃の応力に対する耐性を向上できる。   In the present embodiment, the heat insulating structure in the piston 1 has been described as an engine component that divides the combustion chamber. For example, the heat insulating layer 10 may be provided on the surface of the combustion chamber that divides the combustion chamber of the cylinder head 3. At this time, the edge part of the heat insulation layer 10 is located in the peripheral part of the intake port 5 and the exhaust port 7, for example, and similarly to the case of the piston 1, the peripheral part is provided with an inclined surface, and the end part of the heat insulation layer 10 is provided. Is preferably formed in a tapered shape. By doing in this way, while being able to reduce a cooling loss, the tolerance with respect to the heat stress of the heat insulation layer 10 in the cylinder head 3 and the stress of a mechanical impact can be improved.

本実施形態では、断熱層１０の端部が位置するエンジン部品の母材は、上記の通り傾斜面１３ａ，１３ｂを有し、その傾斜面１３ａ，１３ｂの傾斜角は、緩やかな角度であることが好ましく、具体的には４５°以下であることが好ましい。このような角度にすることで、断熱層１０の端部における応力集中を緩和し、その部分が起点となる剥離を防止できる。   In the present embodiment, the base material of the engine component on which the end portion of the heat insulating layer 10 is located has the inclined surfaces 13a and 13b as described above, and the inclined angles of the inclined surfaces 13a and 13b are gentle angles. More specifically, it is preferably 45 ° or less. By setting it as such an angle, the stress concentration in the edge part of the heat insulation layer 10 is relieve | moderated, and the peeling which the part starts can be prevented.

１ ピストン
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ 吸気バルブ
５ 吸気ポート
６ 排気バルブ
７ 排気ポート
８ 燃料噴射弁
９ キャビティ
１０ 断熱層
１１ トップリング溝
１２ トップランド部
１３ａ （ピストンの頂面の）傾斜面
１３ｂ （トップランド部の）傾斜面
１４ 無機酸化物粒子

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston 2 Cylinder block 3 Cylinder head 4 Intake valve 5 Intake port 6 Exhaust valve 7 Exhaust port 8 Fuel injection valve 9 Cavity 10 Heat insulation layer 11 Top ring groove 12 Top land part 13a Inclined surface 13b (top surface of piston) Inclined surface 14 of land portion Inorganic oxide particles

Claims (4)

エンジンの燃焼室を区画するエンジン部品の表面に断熱層が設けられたエンジン燃焼室の断熱構造であって、
前記断熱層は、無機酸化物粒子を含み、
前記断熱層の端部は、耐熱性樹脂をさらに含み、
前記断熱層の端部の厚さは、漸次薄くなっており、
前記断熱層は、ピストンの頂面及び該ピストンの外周面におけるトップランド部に形成され、
前記ピストンの頂面の周縁部には、前記ピストンの径方向外側に向かうに従って前記頂面がシリンダヘッド方向に立ち上がる傾斜面が形成され、
前記断熱層の端部の厚さは、前記ピストンの頂面における傾斜面に対応して漸次薄くなっており、
前記トップランド部には、トップランド溝方向に向かうに従って前記ピストンの径が大きくなる傾斜面が形成され、
前記断熱層の端部の厚さは、前記トップランド部における傾斜面に対応して漸次薄くなっており、
前記断熱層は、前記ピストンの頂面と外周面との境界で分離されている
ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。 An engine combustion chamber heat insulating structure in which a heat insulating layer is provided on the surface of an engine component that partitions the engine combustion chamber,
The heat insulating layer includes inorganic oxide particles,
The end portion of the heat insulating layer further includes a heat resistant resin,
The thickness of the end portion of the heat insulating layer is gradually reduced ,
The heat insulating layer is formed on the top land portion of the top surface of the piston and the outer peripheral surface of the piston,
On the peripheral edge of the top surface of the piston, an inclined surface is formed in which the top surface rises in the cylinder head direction toward the radially outer side of the piston,
The thickness of the end portion of the heat insulating layer is gradually reduced corresponding to the inclined surface on the top surface of the piston,
The top land portion is formed with an inclined surface in which the diameter of the piston increases toward the top land groove direction,
The thickness of the end portion of the heat insulating layer is gradually reduced corresponding to the inclined surface in the top land portion,
The heat insulating structure for an engine combustion chamber, wherein the heat insulating layer is separated at a boundary between a top surface and an outer peripheral surface of the piston . 前記断熱層は、前記シリンダヘッドの燃焼室面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。 The heat insulation structure for an engine combustion chamber according to claim 1, wherein the heat insulation layer is formed on a combustion chamber surface of the cylinder head. 前記無機酸化物粒子は、中空状又は中実状であり、ジルコニア含有酸化物、シリカ含有酸化物及びアルミナから選択される少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。 The inorganic oxide particles are hollow or medium circumstances, zirconia-containing oxide according to claim 1 or claim 2, characterized in that it comprises at least one selected from silica-containing oxide and alumina Insulation structure of engine combustion chamber. 前記耐熱性樹脂は、シリコン系樹脂又はポリイミドアミド系樹脂を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。 The heat insulation structure for an engine combustion chamber according to any one of claims 1 to 3 , wherein the heat resistant resin includes a silicon resin or a polyimide amide resin.
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