JP6024392B2 - エンジン燃焼室部材の断熱構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に断熱層が形成された、エンジン燃焼室部材の断熱構造体、及び、その製造方法に関する技術分野に属する。

１９８０年代に、エンジンの熱効率を高める方法として、エンジン燃焼室に臨む部分に断熱層を設けることが提案され（例えば特許文献１参照）、その後も、セラミックス焼結体からなる断熱層、又は、低熱伝導性を有するＺｒＯ_２粒子を含む溶射層からなる断熱層が提案されている。

しかし、セラミックス焼結体は、熱応力や熱衝撃によるクラックや剥離の発生といった問題に直面した。このため、特に、ピストンの頂面、シリンダライナの内周面、シリンダヘッドの下面といった比較的大きな面積を有する部分へ、セラミックス焼結体からなる断熱層が適用されたものは実用に至っていない。

一方、溶射層それ自体は、シリンダライナ及びロータリーエンジンのトロコイド面へ採用された実績があるが、これは耐摩耗性の向上を目的としたものであり、断熱性の向上を目的としたものではない。溶射層を断熱層とするためには、上記のようにＺｒＯ_２（ジルコニア）を主体とする低熱伝導材料を溶射することが好ましいが、ジルコニア系の層は、サーメット系の層よりも粒子間の密着性が劣り、熱応力や繰返しの応力による疲労等によってクラックが生じ易いという問題がある。

これに対して、特許文献２では、エンジンの燃焼室に臨む部材に、粒子状の第１の断熱材と膜状の第２の断熱材とからなる断熱用薄膜を設けることが提案されている。この特許文献２には、第２の断熱材が第１の断熱材を接着する機能を担うこと、第２の断熱材として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリコン、チタン、又はジルコニウム等のセラミックや、炭素・酸素を主成分とするセラミック、又は高強度且つ高耐熱性のセラミック繊維等を用いること、及び、第２の断熱材は母材に対してコーティング又は接合することが開示されている。

また、特許文献３には、エンジンの燃焼室に臨む部材に断熱用薄膜を形成するにあたり、その部材の燃焼室壁面に有機硅素化合物と多数の粒状樹脂との混合物を塗布して薄膜を形成し、この薄膜を加熱することによって、内部に多数の気泡を形成することが記載されている。すなわち、薄膜を６００〜８００℃以上の温度に加熱することによって、粒状樹脂をガス化させるとともに、上記有機化合物の熱分解により発生するガスを薄膜から抜き、ガス抜き後の薄膜を更に高い温度（１０００〜１２００℃以上）に加熱するという方法である。この更に高い温度への加熱により、有機硅素化合物の上記熱分解によって生成する珪素化合物（ＳｉＯ_２及びＳｉＣ）が焼結することになる。

国際公開第８９／０３９３０号パンフレット 特開２００９−２４３３５２号公報 特開２０１０−７０７９２号公報

特許文献２では、第２の断熱材を母材にコーティング又は接合することが記載されているだけで、その断熱用薄膜を得る方法について詳細には述べられていない。第２の断熱材としてセラミック材が用いられていることに鑑みれば、その断熱用薄膜はセラミックス焼結体に類すると推測される。また、特許文献２は、燃焼室内に生じる燃焼圧による変形やクラックの発生の対策については開示しない。特許文献３に開示された方法においても、得られる断熱用薄膜はセラミックス焼結体に類するものであり、燃焼圧による変形やクラックの発生の対策にはならないと考えられる。

また、近年では、エンジンの燃焼室に臨む一部の部材をアルミニウム合金製とすることが行なわれているが、セラミックス系の断熱用薄膜（例えば、特許文献３のＳｉＯ_２セラミックス層の薄膜）では、アルミニウム合金製部材と断熱用薄膜との熱膨張率差が大きいことから、上記クラックや剥離の問題が顕著になる。このようなクラックが生じた場合、断熱用薄膜の剥離に至らないケースでも、エンジンの燃料噴射弁から噴射された燃料の断熱用薄膜への浸み込みという問題を招く。このような燃料の浸み込みにより、燃料の損失が増大してエンジンの熱効率が低下するとともに、エンジンの空燃比が一時的に所望の値からずれて燃焼性の悪化を招く懸念がある。さらに、特許文献３では、上記のようにガス抜きされた部分は、表面と連通状態となっているため、この部分から断熱用薄膜内に燃料が浸み込むという問題がある。

そこで、本発明者らは、エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、熱伝導率の低いシリコーン系樹脂を主体とする断熱層を形成することを検討した。このような断熱層であれば、シリコーン樹脂が柔軟性を有するので、シリコーン樹脂がエンジン燃焼室部材の熱膨張を吸収し、このことから、耐クラック性や耐剥離性に有利になる。

しかしながら、エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、シリコーン系樹脂を主体とする断熱層を設けると、シリコーン系樹脂が低硬度であるために、燃焼室内に生じる燃焼圧により断熱層が変形する可能性が高くなる。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に形成される断熱層のクラック及び剥離の発生を防ぐとともに、燃焼圧による断熱層の変形を防ぎ、さらに、断熱層内への燃料の浸み込みを防ぐことにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に断熱層が形成された、エンジン燃焼室部材の断熱構造体を対象として、上記断熱層は、シリコーン系樹脂と、磁性粉末と、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物とを含み、上記Ｓｉ系酸化物は、上記断熱層の深層側よりも表面側に多く含まれている、という構成とした。

上記の構成により、断熱層が、シリコーン系樹脂を含みかつ柔軟性を有するので、エンジン燃焼室部材の熱膨張を吸収し、これにより、断熱層にクラックが生じたり断熱層が剥離したりすることを防止することができる。この結果、クラック等を介した断熱層内への燃料の浸み込みを防止することができる。また、シリコーン系樹脂自体は緻密であるので、断熱層にクラックが生じていない状態では、断熱層内に燃料が浸み込むことはない。

さらに、断熱層は、磁性粉末（磁性粒子）と、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物とを含む。上記シリコーン系樹脂の一部をＳｉ系酸化物とするために、上記磁性粉末を利用する。すなわち、断熱層に交番磁場（交番磁界）を与えることで、磁性粉末をその鉄損（渦電流損及びヒステリシス損）により発熱させる。この発熱により、上記シリコーン系樹脂の一部がＳｉ系酸化物となる。このＳｉ系酸化物は、シリコーン系樹脂が加熱により結晶化してＳｉＯ_２となる過程の途中の状態のものである。Ｓｉ系酸化物としては、ＳｉＯ_２も含まれているが、基本的には、ＳｉＯ_２以外の、ＳｉとＯとが結合したＳｉＯ系化合物である。このようなＳｉ系酸化物により、断熱層の硬さが向上して、燃焼圧によって断熱層が変形することを防止することができる。また、断熱層が、このようなＳｉ系酸化物を含んでいても、ＳｉＯ_２とは異なり、シリコーン系樹脂による断熱層の耐クラック性及び耐剥離性は維持される。

上記磁性粉末が発熱すべき発熱量は、断熱層の温度が、上記Ｓｉ系酸化物が得られかつ断熱層の硬さが燃焼圧により変形しない程度に硬くなるような温度（但し、結晶化したＳｉＯ_２が生成される温度よりも低い温度（例えば３００℃〜４００℃））になるような発熱量である。このような発熱量が得られるように、磁性粉末の含有量や交番磁場の周波数を設定しておけばよい。

また、上記Ｓｉ系酸化物は、上記断熱層の深層側よりも表面側に多く含まれているので、燃焼圧による断熱層の変形を防止しつつ、エンジン燃焼室部材の熱膨張をより効果的に吸収して、断熱層の耐クラック性及び耐剥離性をより一層向上させることができる。

本発明の別のエンジン燃焼室部材の断熱構造体は、エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に断熱層が形成された、エンジン燃焼室部材の断熱構造体であって、上記断熱層は、シリコーン系樹脂と、磁性粉末と、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物と、非磁性材料からなる中空状粒子とを含むものとする。

こうすることで、非磁性材料（例えば無機酸化物）からなる中空状粒子により、断熱層による燃焼室の断熱性を容易に向上させることができる。

上記エンジン燃焼室部材の断熱構造体及び上記別のエンジン燃焼室部材の断熱構造体において、上記磁性粉末は、通常、上記Ｓｉ系酸化物によって覆われている。

すなわち、上記磁性粉末をその鉄損により発熱させた場合、最初に、磁性粉末の周囲のシリコーン系樹脂が上記Ｓｉ系酸化物となる。この結果、磁性粉末がＳｉ系酸化物によって覆われる。

本発明の別の態様は、エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法を対象として、上記エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、断熱層を形成する断熱層形成工程を備え、上記断熱層形成工程は、上記エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、シリコーン系樹脂と磁性粉末とを含む塗布物を塗布する塗布工程と、上記塗布工程で塗布された塗布物に対して外部から交番磁場を与えることで上記磁性粉末を発熱させることによって、上記シリコーン系樹脂の一部をＳｉ系酸化物とする酸化物生成工程と、を有している、というものである。

上記製造方法により、シリコーン系樹脂の一部がＳｉ系酸化物となり、シリコーン系樹脂と、磁性粉末と、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物とを含む断熱層が容易に得られる。このＳｉ系酸化物により、上記の如く、断熱層の硬さが向上して、燃焼圧によって断熱層が変形することを防止することができる。また、柔軟性を有するシリコーン系樹脂が残存することで、断熱層にクラックが生じたり断熱層が剥離したりすることを防止することができ、さらに、断熱層内への燃料の浸み込みを防止することができる。

上記エンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法において、上記塗布物は、非磁性材料からなる中空状粒子を更に含むことが好ましい。

このことで、非磁性材料からなる中空状粒子により、断熱層による燃焼室の断熱性を容易に向上させることができる。上記塗布物に、非磁性材料からなる中空状粒子を含有させる代わりに、磁性材料からなる中空状粒子を上記磁性粉末として含有させるようにすることも可能である。

本発明の更に別の態様は、エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法を対象として、上記エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、断熱層を形成する断熱層形成工程を備え、上記断熱層形成工程は、上記エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、シリコーン系樹脂を含む第１塗布物を塗布する第１塗布工程と、上記燃焼室壁面に塗布された第１塗布物上に、シリコーン系樹脂と磁性粉末とを含む第２塗布物を塗布する第２塗布工程と、上記第１及び第２塗布工程で塗布された第１及び第２塗布物に対して外部から交番磁場を与えることで上記磁性粉末を発熱させることによって、少なくとも上記第２塗布物の上記シリコーン系樹脂の一部をＳｉ系酸化物とする酸化物生成工程と、を有している、というものである。

上記製造方法により、断熱層の深層側に、第１塗布物からなる層が形成され、表面側に、第２塗布物からなる層が形成される。そして、第２塗布物の磁性粉末の発熱により、少なくとも第２塗布物のシリコーン系樹脂の一部が酸化されてＳｉ系酸化物となるので、上記の如く、Ｓｉ系酸化物を、断熱層の深層側よりも表面側に多く含まれるようにすることができる。

上記エンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法において、上記第１及び第２塗布物は、非磁性材料からなる中空状粒子を更に含むことが好ましい。

このことで、非磁性材料からなる中空状粒子により、断熱層による燃焼室の断熱性を容易に向上させることができる。尚、上記第２塗布物に、非磁性材料からなる中空状粒子を含有させる代わりに、磁性材料からなる中空状粒子を上記磁性粉末として含有させるようにすることも可能である。

以上説明したように、本発明によると、断熱層が、シリコーン系樹脂と、磁性粉末と、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物とを含むことにより、燃焼圧によって断熱層が変形することを防止することができるとともに、この断熱層にクラックが生じたり断熱層が剥離したりすることを防止することができ、さらに、断熱層内への燃料の浸み込みを防止することができる。また、本発明のエンジン燃焼室部材の断熱構造体によると、上記Ｓｉ系酸化物が、上記断熱層の深層側よりも表面側に多く含まれていることにより、燃焼圧による断熱層の変形を防止しつつ、エンジン燃焼室部材の熱膨張をより効果的に吸収して、断熱層の耐クラック性及び耐剥離性をより一層向上させることができる。さらに、本発明の別のエンジン燃焼室部材の断熱構造体によると、上記断熱層が、非磁性材料からなる中空状粒子を更に含むことにより、断熱層による燃焼室の断熱性を容易に向上させることができる。

本発明の実施形態に係るエンジン燃焼室部材の断熱構造体が適用されたエンジンを示す断面図である。 上記エンジンのピストンの頂部を拡大して示す拡大図である。 断熱層の第１例を示す断面図である。 磁場付与装置を示す断面図である。 断熱層の第２例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るエンジン燃焼室部材の断熱構造体が適用されたエンジンＥを示す。同図において、１はピストン、３はシリンダブロック、５はシリンダヘッド、７はシリンダヘッド５の吸気ポート９を開閉する吸気バルブ、１１は排気ポート１３を開閉する排気バルブ、１５は燃料噴射弁である。ピストン１がシリンダブロック３のシリンダボア内を往復動する。ピストン１、シリンダブロック３及びシリンダヘッド５は、アルミニウム合金製である。

エンジンＥの燃焼室は、ピストン１の頂面、シリンダブロック３、シリンダヘッド５、吸排気バルブ７，１１の傘部前面（燃焼室に臨む面）で形成される。ピストン１の頂面における中央部には、凹陥状のキャビティ１７が形成されている。同図において、２７はピストンリングである。尚、点火プラグの図示は省略している。

上記エンジンＥは、好ましくは、例えば、幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０とされ、少なくとも部分負荷域での空気過剰率λ＝２．５〜６．０で運転されるリーンバーンエンジンである。このようなエンジンＥでは、圧縮比ε及び空気過剰率λに見合う所期の熱効率を得るために、冷損を大幅に低減させること、すなわち、エンジン燃焼室の断熱性を高くすることが求められる。

図示は省略するが、上記エンジンＥの吸気系には吸気を冷却するインタークーラーが設けられている。これにより、圧縮開始時の筒内ガス温度が低くなり、燃焼時のガス圧及び温度の上昇が抑えられ、冷損低減（図示熱効率の改善）に有利になる。

エンジン燃焼室の断熱性向上のために、本実施形態では、図２に示すように、エンジン燃焼室部材としてのピストン１の頂面（燃焼室壁面）に断熱層２１が形成されている。この断熱層２１は、上記キャビティ１７の内面を含めて、ピストン１の頂面全体に形成されている。図示は省略しているが、エンジン燃焼室部材としてのシリンダブロック３及びシリンダヘッド５各々の燃焼室壁面にも、ピストン１の頂面の断熱層２１と同様の断熱層が形成されている。尚、ピストン１の頂面だけでなく、ピストン１の周側面（特に、該周側面における燃焼室側の端部）にも断熱層２１を形成してもよい。

図３は、上記断熱層２１の第１例を示す。この断熱層２１は、シリコーン系樹脂を主体とする層である。具体的には、断熱層２１は、シリコーン系樹脂からなる母材（マトリックス）３１に加えて、この母材３１に分散配合された、磁性粉末（磁性粒子）３２、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物３３、及び、非磁性材料（例えば無機酸化物）からなる中空状粒子３４を含む。

シリコーン系樹脂としては、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次元ポリマーからなるシリコーン樹脂を好ましく用いることができる。シリコーン樹脂の具体例としては、例えばポリアルキルフェニルシロキサンを挙げることができる。

断熱層２１が上記のようなシリコーン系樹脂を含むことで、断熱層２１とピストン１との熱膨張率差が小さく、また、シリコーン樹脂が柔軟性を有するので、シリコーン樹脂がピストン１の熱膨張を吸収し、これにより、断熱層２１にクラックが生じたり断熱層２１が剥離したりすることを防止することができる。この結果、クラック等を介した断熱層２１内への燃料の浸み込みを防止することができる。また、シリコーン系樹脂自体は緻密であるので、断熱層２１にクラック等が生じていない状態では、断熱層２１内に燃料が浸み込むことはない。

上記断熱層２１において、母材３１が熱伝導率の低いシリコーン系樹脂で構成され、かつ中空状粒子３４を含むことで熱伝導性の低い空気が多く存在することから、低熱伝導性の層になっている。これにより、断熱層２１による燃焼室の高い断熱性が得られる。

尚、断熱層２１に非磁性材料からなる中空状粒子３４を含有させる代わりに、磁性材料からなる中空状粒子を磁性粉末３２として含有させてもよい。また、シリコーン系樹脂の熱伝導率が低いので、断熱の程度によっては、断熱層２１に、非磁性材料からなる中空状粒子３４及び磁性粉末３２としての中空状粒子を含まないようにすることも可能である。但し、幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０とされるような上記エンジンＥでは、高レベルの断熱性が要求されるため、断熱層２１に、非磁性材料からなる中空状粒子３４又は磁性粉末３２としての中空状粒子が含まれていることが好ましい。

無機酸化物からなる中空状粒子３４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状粒子を採用することが好ましい。各々の材質及び粒径は表１の通りである。

例えば、フライアッシュバルーンの化学組成は、ＳｉＯ_２；４０．１〜７４．４％、Ａｌ_２Ｏ_３；１５．７〜３５．２％、Ｆｅ_２Ｏ_３；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、ＳｉＯ_２；７５〜７７％、Ａｌ_２Ｏ_３；１２〜１４％、Ｆｅ_２Ｏ_３；１〜２％、Ｎａ_２Ｏ；３〜４％、Ｋ_２Ｏ；２〜４％、IgLoss；２〜５％（以上は質量％）である。なお、中空状粒子３４の粒子径は、平均で１０μｍ、最大でも５０μｍ以下が好ましく、その含有率は、断熱層２１の信頼性の観点から、断熱層２１全体に対して質量百分率で５０％以下が好ましい。

上記磁性粉末３２は、後述するように、上記母材３１のシリコーン系樹脂の一部を上記Ｓｉ系酸化物３３とするために用いられる。磁性粉末３２の粒径は、例えば５μｍ〜１０μｍである。磁性粉末３２は、Ｓｉ系酸化物３３によって覆われている。これは、後述の如く、磁性粉末３２の鉄損（渦電流損及びヒステリシス損）による発熱によりＳｉ系酸化物３３が生成されるからである。すなわち、磁性粉末３２の周囲のシリコーン系樹脂が最初に酸化されて、磁性粉末３２の周囲にＳｉ系酸化物３３が生成されるからである。図３では、磁性粉末３２の周囲にしかＳｉ系酸化物３３が生成されていない状態になっているが、実際には、磁性粉末３２の周囲に生成されたＳｉ系酸化物３３は、その周囲に更に広がって、他の磁性粉末の周囲に生成されたＳｉ系酸化物と結合される。

上記磁性粉末３２の材料は、鉄損が大きくかつ飽和磁化値が大きくて、しかも、キュリー温度が、後述の設定温度（例えば３００℃〜４００℃）よりも高い材料が好ましく、例えば、Ｆｅを初め、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ基アモルファス（Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ系）、Ｆｅ−Ｃ系等の金属間化合物が挙げられる。Ｆｅ−Ｓｉ系の金属間化合物は、一般的に、熱伝導率が低いため、断熱の観点からも好適である。

上記Ｓｉ系酸化物３３は、上記シリコーン系樹脂が加熱により結晶化してＳｉＯ_２となる過程の途中の状態のものである。このＳｉ系酸化物としては、ＳｉＯ_２も含まれているが、基本的には、ＳｉＯ_２以外の、ＳｉとＯとが結合したＳｉＯ系化合物である。このようなＳｉ系酸化物３３により、断熱層２１の硬さが向上して、燃焼圧によって断熱層２１が変形することを防止することができる。また、また、断熱層２１が、このようなＳｉ系酸化物３３を含んでいても、ＳｉＯ_２とは異なり、シリコーン系樹脂による断熱層２１の耐クラック性及び耐剥離性は維持される。

上記磁性粉末３２が発熱すべき発熱量は、断熱層２１の温度が、予め設定された設定温度になるような発熱量である。この設定温度は、上記Ｓｉ系酸化物３３が得られかつ断熱層２１の硬さが燃焼圧により変形しない程度に硬くなるような温度であって、結晶化したＳｉＯ_２が生成される温度（約６００℃）よりも低い温度（例えば３００℃〜４００℃）である。このような発熱量が得られるように、磁性粉末３２の含有量や交番磁場の周波数を設定しておけばよい。

磁性粉末３２の単位質量当たりの鉄損Ｗａ（単位：Ｗ／ｋｇ）は、
Ｗａ＝Ｋｈ×ｆ＋Ｋｅ×ｆ^２ …（１）
で求まる。

上記式（１）において、Ｋｈ（単位：Ｗ・ｓ／ｋｇ）はヒステリシス損係数であり、Ｋｅ（単位：Ｗ・ｓ^２／ｋｇ）は渦電流損係数であり、ｆ（単位：Ｈｚ）は、交番磁場の周波数である。ヒステリシス損係数及び渦電流損係数の値は、磁性粉末３２の材質及び励磁時の磁性粉末３２の磁束密度によって決まる。

磁性粉末３２の単位質量当たりの鉄損Ｗａに、断熱層２１における磁性粉末３２の含有量γ（単位：ｋｇ）を掛けることで、磁性粉末３２の発熱量Ｗｂ（単位：Ｗ）が求まる。

磁性粉末３２の発熱量Ｗｂが、断熱層２１の温度を上記設定温度にするための発熱量Ｑ（単位：Ｗ）となるように、磁性粉末３２の含有量γ、交番磁場の周波数ｆ及び磁性粉末３２の磁束密度の値を設定する。上記発熱量Ｑは、断熱層２１からピストン１への熱伝導、並びに、断熱層２１及びピストン１表面から空気中への放射伝熱及び対流伝熱を考慮して計算する。

断熱層２１における磁性粉末３２の含有率及び断熱層２１の厚みは、断熱層２１の信頼性の観点からは一定の限界があり、このため、磁性粉末３２の含有量γには制約がある。したがって、磁性粉末３２の含有量γを先に決定しておいて、交番磁場の周波数ｆの値でもって、磁性粉末３２の発熱量Ｗｂが上記発熱量Ｑになるように調整するのがよい。本実施形態では、磁性粉末３２の含有量γを例えば０．００１３ｋｇとして、交番磁場の周波数ｆは、２０００００Ｈｚ（２００ｋＨｚ）〜３０００００Ｈｚ（３００ｋＨｚ）となり、磁性粉末３２の磁束密度は１．０Ｔとなる。尚、磁性粉末３２の含有率は、断熱層２１全体に対して、質量百分率で、例えば５〜２０％とすればよい。

次に、上記ピストン１の頂面（上記凹陥部の内面を含む）に断熱層２１を形成する方法を説明する。尚、他のエンジン燃焼室部材（シリンダブロック３及びシリンダヘッド５）においても、ピストン１の場合と同様の方法で断熱層を形成することができる。

先ず、ピストン１の頂面（断熱層２１を形成すべき表面）に付着している油脂や指紋等の汚れを除去するとともに、ピストン１と断熱層２１（シリコーン系樹脂）との付着力を高めるべく、必要に応じてサンドブラスト等の下地処理を行なう。

また、シリコーン系樹脂と磁性粉末と中空状粒子とを攪拌・混合してなる塗布物を準備する。このとき、その塗布物の粘度を、希釈溶剤等の添加により調整する。

続いて、スプレー（塗装ガン）を用いて、ピストン１の頂面に、その全体に亘って上記塗布物を層状に塗布する。１回の塗布で得られる層状の塗布物（以下、塗布物層という）の厚みは、通常、２０〜３０μｍであるので、塗布物層の厚さが、断熱層２１としての所望の厚さ（例えば、１５０μｍ〜２５０μｍ）になるまで、複数回の塗布を行う（重ね塗り）。最後の回を除く各回の塗布物の塗布後に、塗布物層に対して、熱風乾燥、赤外線ヒータ等により、所定温度（例えば８０℃）で予備乾燥を行う。最後の回の塗布物の塗布後は、塗布物層に対して、上記予備乾燥よりも高くかつ上記設定温度よりも低い温度（例えば１２０℃）で本乾燥を行い、これにより、上記塗布物の粘度の調整に用いた希釈溶剤等を蒸発させる。

次いで、上記塗布物層が形成されたピストン１を、該塗布物層に対して交番磁場（交番磁界）を与えることが可能な磁場付与装置５１にセットする。この磁場付与装置５１は、例えば図４に示すように、ピストン１の頂面の断熱層２１全体が入るような大径の管５２を備えている。この管５２の長さ方向（本例では、水平方向に一致）中央部の上部及び下部には、ピストン１が上下方向に通過可能な貫通孔５２ａ，５２ｂがそれぞれ形成されている。

上記管５２における貫通孔５２ａ，５２ｂの左右両側には、コイル５３がそれぞれ巻かれており、これらコイル５３に交流電流をそれぞれ流すことで、管５２内に、左側から右側に向かう磁界と、右側から左側に向かう磁界とを、上記交流電流の周波数に対応する周期でもって、交互に発生させるようになっている。

上記塗布物層が形成されたピストン１は、不図示の昇降装置によって、上記管５２に対して上下移動可能に構成されていて、下側の貫通孔５２ｂから管５２内に挿入される。このとき、ピストン１全体を管５２内に挿入してもよいが、必ずしもそのようにする必要はなく、上記塗布物層及びピストン１における該塗布物層の近傍部分が管５２内に挿入されればよい（例えば、図４に示すピストン１の挿入位置を参照）。このような挿入状態で、上記コイル５３に交流電流を流すことで、上記塗布物層に対して外部から交番磁場を効率良く与えることができる。

尚、図４の磁場付与装置５１の例では、塗布物層に対して、ピストン１の軸心方向に垂直な磁界を付与しているが、ピストン１の軸心方向に略沿った磁界を付与するようにしてもよい。この場合、ピストン１の径方向外側に、ピストン１と同心状に巻かれたコイルを設置して、このコイルに交流電流を流すようにすればよい。この構成では、ピストン１の軸心方向に略沿って磁界が生じるため、上記塗布物層を含めてピストン１の略全体に交番磁場が付与されることになる。

上記のようにして塗布物層に交番磁場を与えると、上記塗布物層内の磁性粉末がその鉄損によって発熱する。この発熱により、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてＳｉ系酸化物となる。こうして、上記塗布物層が断熱層２１となる。

上記断熱層２１が、シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物３３を含むので、断熱層２１の硬さが向上して、燃焼圧によって断熱層２１が変形することを防止することができる。また、シリコーン樹脂が柔軟性を有するので、シリコーン樹脂がピストン１の熱膨張を吸収し、これにより、断熱層２１にクラックが生じたり断熱層２１が剥離したりすることを防止することができる。この結果、クラック等を介した断熱層２１内への燃料の浸み込みを防止することができる。また、シリコーン系樹脂自体は緻密であるので、断熱層２１にクラックが生じていない状態では、断熱層２１内に燃料が浸み込むことはない。

図５は、断熱層２１の第２例を示す（尚、図３と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する）。この断熱層２１は、深層側の基層２１ａと、表面側の表面層２１ｂとを有している。本実施形態では、基層２１ａ及び表面層２１ｂの厚みは略同じである。尚、説明の便宜上、図５では、基層２１ａと表面層２１ｂとが境界をもって接しているように描いているが、実際には、両層２１ａ，２１ｂ間に明瞭なる境界はない。

表面層２１ｂは、上記第１例と同様に、シリコーン系樹脂からなる母材（マトリックス）３１に、磁性粉末３２、Ｓｉ系酸化物３３及び非磁性材料からなる中空状粒子３４が分散配合されてなる。表面層２１ｂの磁性粉末３２の発熱時に、表面層２１ｂの温度が上記設定温度になり、これにより、上記第１例と同様に、シリコーン系樹脂の一部が酸化されてＳｉ系酸化物３３となっている。尚、上記第１例と同様に、表面層２１ｂに非磁性材料からなる中空状粒子３４を含有させる代わりに、磁性材料からなる中空状粒子を磁性粉末３２として含有させてもよい。

一方、基層２１ａは、三次元架橋構造のシリコーン系樹脂からなる母材（マトリックス）３１に非磁性材料からなる中空状粒子３４が分散配合されてなる。すなわち、本例では、基層２１ａには、磁性粉末３２が含有されていない。このため、表面層２１ｂ側からの熱により基層２１ａの温度は上昇するものの、シリコーン系樹脂が酸化するほどには温度が上がらず、シリコーン系樹脂の架橋が進むだけである。尚、基層２１ａにおける表面層２１の近傍部分にＳｉ系酸化物３３が生成される場合はある。

したがって、本例では、Ｓｉ系酸化物３３は、断熱層２１の深層側よりも表面側に多く含まれることになる。

尚、基層２１ａにも、磁性粉末３２を含有させてもよい。この場合、基層２１ａにおける磁性粉末３２の含有量を、表面層２１ｂにおける磁性粉末３２の含有量よりも少なくして、基層２１ａ及び表面層２１ｂの磁性粉末３２の発熱時に、表面層２１ｂでは上記設定温度になるようにし、基層２１ａでは上記設定温度よりも低い温度になるようにすることが好ましい。すなわち、Ｓｉ系酸化物３３が、断熱層２１の深層側よりも表面側に多く含まれるようにする。

或いは、断熱層２１を３層以上にして、該各層における磁性粉末３２の含有量を、深層側から表面側に向かって順に多くなるようにしてもよい。この場合も、上記各層の磁性粉末３２の含有量は、少なくとも最表面側の層では上記設定温度になるようにし、少なくとも最深層側の層では上記設定温度よりも低い温度になるようにすることが好ましい。

次に、本例の断熱層２１を形成する方法を説明する。

上記第１例の断熱層２１の形成方法と同様に、ピストン１の頂面に付着している油脂や指紋等の汚れを除去するとともに、ピストン１と断熱層２１との付着力を高めるべく、必要に応じてサンドブラスト等の下地処理を行なう。

また、シリコーン系樹脂と中空状粒子とを攪拌・混合してなる第１塗布物を準備する。このとき、その第１塗布物の粘度を、希釈溶剤等の添加により調整する。

さらに、シリコーン系樹脂と磁性粉末と中空状粒子とを攪拌・混合してなる第２塗布物を準備する。このときも、その第２塗布物の粘度を、希釈溶剤等の添加により調整する。

尚、上記のように基層２１ａにも磁性粉末を含有させるようにする場合には、上記第２塗布物と同様に、上記第１塗布物にも磁性粉末を混合する。但し、第１塗布物における磁性粉末の含有量は、第２塗布物における磁性粉末の含有量よりも少なくする。

続いて、スプレー（塗装ガン）を用いて、ピストン１の頂面に、その全体に亘って上記第１塗布物を層状に塗布する。第１塗布物の塗布の回数は、上記第１例の断熱層２１の形成時における塗布物の塗布の回数の半分とする。各回の第１塗布物の塗布後には、予備乾燥を行う。

その後、スプレー（塗装ガン）を用いて、上記ピストン１の頂面に塗布された層状の第１塗布物（第１塗布物層）上に、その全体に亘って上記第２塗布物を層状に塗布する。第２塗布物の塗布の回数は、第１塗布物の塗布の回数と同じにして、第１塗布物層上に塗布された層状の第２塗布物（第２塗布物層）の厚みを、第１塗布物層の厚みと略同じにする。最後の回を除く各回の第２塗布物の塗布後に予備乾燥を行い、最後の回の第２塗布物の塗布後に本乾燥を行う。

次いで、上記第１及び第２塗布物層が形成されたピストン１を、磁場付与装置５１にセットして、コイル５３に交流電流を流すことで、上記第１及び第２塗布物層に対して外部から交番磁場を与える。これにより、第２塗布物層の磁性粉末がその鉄損によって発熱し、この発熱により、第２塗布物層のシリコーン系樹脂の一部が酸化されてＳｉ系酸化物となる。こうして、第２塗布物層が表面層２１ｂとなる。

また、第１塗布物層では、表面層２１ｂ側からの熱により、シリコーン系樹脂の架橋が進むものの、第２塗布物層側の近傍部分を除いて、シリコーン系樹脂が酸化するほどには温度が上がらず、基本的にはＳｉ系酸化物が生成されない。こうして、第１塗布物層が基層２１ａとなる。また、基層２１ａは、シリコーン系樹脂の架橋が進む過程で当該三次元架橋構造のシリコーン系樹脂を介してピストン１に結合した状態になる。

尚、上記第１塗布物層に磁性粉末が含まれている場合も、その磁性粉末の含有量の調整により、第１塗布物層の温度が上記設定温度よりも低い温度になるようにしておけば、Ｓｉ系酸化物が生成されたとしても、その量は第１塗布物層よりも少なくなる。

以上により、図５に示す基層２１ａと表面層２１ｂとからなる断熱層２１が、ピストン１の頂面に形成される。

基層２１ａと表面層２１ｂとからなる断熱層２１では、燃焼圧による断熱層２１の変形を防止しつつ、ピストン１の熱膨張をより効果的に吸収して、断熱層２１の耐クラック性及び耐剥離性をより一層向上させることができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、上記実施形態では、エンジン燃焼室部材がアルミニウム合金製であるが、エンジン燃焼室部材の材料は、これに限られるものではない。但し、エンジン燃焼室部材に磁性材料が含まれている場合には、磁場付与装置５１によるＳｉ系酸化物の生成時に該エンジン燃焼室部材が発熱して塗布物層のシリコーン系樹脂を酸化させる可能性があるので、エンジン燃焼室部材の材料としては、非磁性の金属材料が好ましい。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、エンジン燃焼室の断熱性を向上させるために、エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に断熱層を形成する場合に有用である。

１ ピストン（エンジン燃焼室部材）
２ シリンダブロック（エンジン燃焼室部材）
３ シリンダヘッド（エンジン燃焼室部材）
２１ 断熱層
３１ 断熱層の母材（シリコーン系樹脂）
３２ 磁性粉末
３３ Ｓｉ系酸化物
３４ 中空状粒子

Claims (7)

1. エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に断熱層が形成された、エンジン燃焼室部材の断熱構造体であって、
   上記断熱層は、シリコーン系樹脂と、磁性粉末と、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物とを含み、
   上記Ｓｉ系酸化物は、上記断熱層の深層側よりも表面側に多く含まれていることを特徴とするエンジン燃焼室部材の断熱構造体。
2. エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に断熱層が形成された、エンジン燃焼室部材の断熱構造体であって、
   上記断熱層は、シリコーン系樹脂と、磁性粉末と、上記シリコーン系樹脂の一部が酸化されてなるＳｉ系酸化物と、非磁性材料からなる中空状粒子とを含むことを特徴とするエンジン燃焼室部材の断熱構造体。
3. 請求項１又は２記載のエンジン燃焼室部材の断熱構造体において、
   上記磁性粉末は、上記Ｓｉ系酸化物によって覆われていることを特徴とするエンジン燃焼室部材の断熱構造体。
4. エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法であって、
   上記エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、断熱層を形成する断熱層形成工程を備え、
   上記断熱層形成工程は、
   上記エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、シリコーン系樹脂と磁性粉末とを含む塗布物を塗布する塗布工程と、
   上記塗布工程で塗布された塗布物に対して外部から交番磁場を与えることで上記磁性粉末を発熱させることによって、上記シリコーン系樹脂の一部をＳｉ系酸化物とする酸化物生成工程と、
   を有していることを特徴とするエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法。
5. 請求項４記載のエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法において、
   上記塗布物は、非磁性材料からなる中空状粒子を更に含むことを特徴とするエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法。
6. エンジンの燃焼室に臨むエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法であって、
   上記エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、断熱層を形成する断熱層形成工程を備え、
   上記断熱層形成工程は、
   上記エンジン燃焼室部材の燃焼室壁面に、シリコーン系樹脂を含む第１塗布物を塗布する第１塗布工程と、
   上記燃焼室壁面に塗布された第１塗布物上に、シリコーン系樹脂と磁性粉末とを含む第２塗布物を塗布する第２塗布工程と、
   上記第１及び第２塗布工程で塗布された第１及び第２塗布物に対して外部から交番磁場を与えることで上記磁性粉末を発熱させることによって、少なくとも上記第２塗布物の上記シリコーン系樹脂の一部をＳｉ系酸化物とする酸化物生成工程と、
   を有していることを特徴とするエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法。
7. 請求項６記載のエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法において、
   上記第１及び第２塗布物は、非磁性材料からなる中空状粒子を更に含むことを特徴とするエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法。

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