JP6067712B2 - エンジンおよびピストン - Google Patents
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Description
前記ピストン、前記シリンダヘッド、前記バルブのうちいずれか一つ以上は、前記燃焼室に対向する壁面と、前記壁面を被覆する断熱コーティング膜とを有し、
前記断熱コーティング膜は、前記壁面の表面に形成された断熱層と、前記断熱層の表面に形成された無機系被膜層とを有し、
前記断熱層は、樹脂と、前記樹脂に埋設され前記断熱層の厚みよりも小さい平均粒子径をもつ第1の中空粒子とを有し、
前記無機系被膜層は、無機化合物と、前記無機系被膜層の厚みよりも小さい平均粒子径をもつ第2の中空粒子とを有し、
前記無機系被膜層は、最表層部と、前記最表層部よりも厚み方向で内側であって且つ前記断熱層と対面している内部とを有し、
前記最表層部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径は、前記内部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径よりも小さい。
本発明に係るエンジンにおいて、無機系被膜層は、無機化合物と、第2の中空粒子とを有する。この場合には、断熱層だけでなく無機系被膜層の断熱性も高くなり、断熱コーティング膜全体の断熱効果が向上する。
本発明に係るエンジンにおいて、無機系被膜層の最表層部に含まれる第2の中空粒子の平均粒子径は、無機系被膜層の最表層部よりも厚み方向で内側の内部に含まれる第2の中空粒子の平均粒子径よりも小さい。無機系被膜層の表面平滑性を更に向上させることができる。
前記ピストンは、前記燃焼室に対向する壁面と、前記壁面を被覆する断熱コーティング膜とを有し、
前記断熱コーティング膜は、前記壁面の表面に形成された断熱層と、前記断熱層の表面に形成された無機系被膜層とを有し、
前記断熱層は、樹脂と、前記樹脂に埋設され前記断熱層の厚みよりも小さい平均粒子径をもつ第1の中空粒子とを有し、
前記無機系被膜層は、無機化合物と、前記無機系被膜層の厚みよりも小さい平均粒子径をもつ第2の中空粒子とを有し、
前記無機系被膜層は、最表層部と、前記最表層部よりも厚み方向で内側であって且つ前記断熱層と対面している内部とを有し、
前記最表層部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径は、前記内部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径よりも小さい。
本発明に係るピストンにおいて、無機系被膜層は、無機化合物と、第2の中空粒子とを有する。この場合には、断熱層だけでなく無機系被膜層の断熱性も高くなり、断熱コーティング膜全体の断熱効果が向上する。
本発明に係るピストンにおいて、無機系被膜層の最表層部に含まれる第2の中空粒子の平均粒子径は、無機系被膜層の最表層部よりも厚み方向で内側の内部に含まれる第2の中空粒子の平均粒子径よりも小さい。無機系被膜層の表面平滑性を更に向上させることができる。
(13)前記無機系被膜層は、シリカを有する塗膜であることが好ましい。
以下の実施形態1〜5は本発明の参考形態であり、実施形態6は本発明の実施形態である。
図1および図2A及び図2Bは実施形態1の概念を模式的に示す。図1はエンジン1の燃焼室10付近の断面を模式的に示す。エンジン1はピストン式内燃機関である。図1および図2A及び図2Bはあくまでも概念図であり、細部まで規定するものではない。エンジン1は、ボア20を有するシリンダブロック2と、頂面30側に燃焼室10を形成するようにボア20に矢印A1,A2方向に往復移動可能に嵌合されたピストン3と、燃焼室10を閉じ且つ燃焼室10に連通するバルブ孔40をもつシリンダヘッド4と、バルブ孔40を開閉させるバルブ5とを備えている。バルブ孔40は、燃焼室10に連通可能な吸気用バルブ孔40iと排気用バルブ孔40eとを備えている。シリンダヘッド4はガスケット47を介してシリンダブロック2に被着されている。シリンダブロック2、シリンダヘッド4、ピストン3は、鋳造系のアルミニウム合金で形成されている。アルミニウム合金としては、アルミニウム−シリコン系合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム系合金、アルミニウム−シリコン−銅系合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム−銅系合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム−銅−ニッケル系合金が好ましい。亜共晶組成、共晶組成、過共晶組成でも良い。場合によっては、シリンダブロック2、シリンダヘッド4、ピストン3のうちの少なくとも一つは、マグネシウム合金系、鋳鉄系(例えば片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄を含む)で形成しても良い。
−Si−O−R + HO−Si− → −Si−O−Si− + ROH・・・(1)で表される(式(1)中、Rは、有機基を示す。)。
図3A、図3B、及び図3Cは実施形態2を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成及び作用効果を有する。図3A、図3B、及び図3Cはエンジン1の燃焼室10付近の断面を模式的に示す。ピストン3のうち燃焼室10に対面する壁面である頂面30に、第1断熱コーティング膜7fが被覆されている。更に、シリンダヘッド4のうち燃焼室10に対面する壁面45に、第2断熱コーティング膜7sが被覆されている。燃焼室10に対面する頂面30及び壁面45は第1断熱コーティング膜7fおよび第2断熱コーティング膜7sにより被覆されているため、燃焼室10の断熱性が高まる。場合によっては、シリンダヘッド4の壁面45に第2断熱コーティング膜7sが形成されている限り、第1断熱コーティング膜7fを廃止しても良い。なお、断熱コーティング膜7f,7sの被覆後の壁面の表面粗さは、被覆前の表面粗さよりも小さい。
本実施形態は実施形態1,2と基本的には同様の構成及び作用効果を有するため、図1〜図3Cを準用できる。ピストン3のうち燃焼室10に対面する壁面である頂面30に、第1断熱コーティング膜7fが被覆されている。更に、シリンダヘッド4のうち燃焼室10に対面する壁面45に、第2断熱コーティング膜7sが被覆されている。加えて、バルブ5のうち燃焼室10に対面するバルブ面53にも第3断熱コーティング膜7tが形成されている。このようにピストン3の頂面30に第1断熱コーティング膜7fが形成され、シリンダヘッド4のうち燃焼室10に対面する壁面45に第2断熱コーティング膜7sが形成され、バルブ5のうち燃焼室10に対面するバルブ面53に第3断熱コーティング膜7tが形成されている。このため、燃焼室10の断熱性が更に高まる。なお、被覆された断熱コーティング膜7f,7s,7tの表面粗さは、断熱コーティング膜7f,7s,7tの被覆前の頂面30、壁面45、バルブ面53等の壁面の表面粗さよりも小さい。
本実施形態は実施形態1〜3と基本的には同様の構成及び作用効果を有するため、図1〜図3Cを準用できる。特に図示はしないものの、ピストン3のうち燃焼室10に対面する壁面である頂面30に第1断熱コーティング膜7fが被覆されている。更に、シリンダヘッド4のうち燃焼室10に対面する壁面45に第2断熱コーティング膜7sが被覆されている。このため燃焼室10の断熱性が高まる。
本実施形態は、実施形態1〜4と基本的には同様の構成を有しており、図1〜図3Cを準用できる。特に図示はしないが、無機系被膜層72に、第2のナノ中空粒子としての中空粒子が含まれている。無機系被膜層72は、この中空粒子と、金属化合物としてのシリカ(バインダー)とからなる。無機系被膜層72の全体を100体積%としたときに、中空粒子の含有量は35体積%であり、シリカの含有量は65体積%である。無機系被膜層72の厚みは40μmである。
本実施形態は、実施形態1と基本的には同様の構成を有しており、図1を準用できる。本実施形態のエンジンは、図4に示すように、ピストン3のうち燃焼室10に対面する壁面である頂面30のほぼ全域に、第1断熱コーティング膜7fが被覆されている。第1断熱コーティング膜7fは、頂面30を被覆する断熱層71と、断熱層71を被覆する無機系被膜層72とからなる。断熱層71は、樹脂と、樹脂に埋設されたマイクロメータオーダーの第1の中空粒子80とを有する。
(実施例1)
実施例1として、図5に示すように、ピストン3のうち燃焼室に対面する頂面30に、本発明に係る断熱コーティング膜7fを塗布して評価を実施した。ピストン3の材質はアルミニウム−シリコン−マグネシウム−銅−ニッケル系合金(シリコン:11〜13質量%,JIS AC−8A)とした。断熱コーティング膜7fは、図5のメッシュ部分に示すように、ピストン3の頂面30の全体に形成した。
実施例2として、実施例1と同様に、ピストン3のうち燃焼室に対面する頂面30に、本発明に係る断熱コーティング膜7fを塗布して評価を実施した。ピストン3の材質はアルミニウム−シリコン−マグネシウム−銅−ニッケル系合金(シリコン:11〜13質量%,JIS AC−8A)とした。断熱コーティング膜7fは、図5のメッシュ部分に示すように、ピストン3の頂面30の全体に形成した。
無機系被膜層72の最表層部72a及び内部72bの空隙率についても同様に測定したところ、最表層部72aの空隙率は、12%であり、内部72bの空隙率は80%であった。
実施例2と比較例1のエンジンのトルクと熱効率との関係を測定した。上記のように、実施例1は、ピストンの頂面に、断熱層と無機系被膜層とからなる断熱コーティング膜を形成しており、比較例1はピストンの頂面は無処理としている。
Claims (13)
- ボアを有するシリンダブロックと、燃焼室を形成するように前記ボアに往復移動可能に嵌合されたピストンと、前記燃焼室を閉じ且つ前記燃焼室に連通するバルブ孔をもつシリンダヘッドと、前記バルブ孔を開閉させるバルブとを具備するエンジンであって、
前記ピストン、前記シリンダヘッド、前記バルブのうちいずれか一つ以上は、前記燃焼室に対向する壁面と、前記壁面を被覆する断熱コーティング膜とを有し、
前記断熱コーティング膜は、前記壁面の表面に形成された断熱層と、前記断熱層の表面に形成された無機系被膜層とを有し、
前記断熱層は、樹脂と、前記樹脂に埋設され前記断熱層の厚みよりも小さい平均粒子径をもつ第1の中空粒子とを有し、
前記無機系被膜層は、無機化合物と、前記無機系被膜層の厚みよりも小さい平均粒子径をもつ第2の中空粒子とを有し、
前記無機系被膜層は、最表層部と、前記最表層部よりも厚み方向で内側であって且つ前記断熱層と対面している内部とを有し、
前記最表層部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径は、前記内部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径よりも小さいエンジン。 - 前記第1の中空粒子の平均粒子径は、1μm〜100μmである請求項1に記載のエンジン。
- 前記無機系被膜層の厚みは、10μm〜300μmである請求項1又は2に記載のエンジン。
- 前記無機化合物は、シリカ、ジルコニア、アルミナ、及びセリアの中から選ばれる1種以上からなる請求項1〜3のいずれかに記載のエンジン。
- 前記無機系被膜層は、シリカを有する塗膜である請求項1〜4のいずれかに記載のエンジン。
- 前記内部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径は、1μm〜500μmである請求項1、2、4及び5のいずれかに記載のエンジン(請求項4又は5に従属するときには、請求項4又は5が請求項3に従属する場合を除く。請求項4に従属する請求項5に従属するときには、当該請求項4が請求項3に従属する場合を除く。)。
- 前記最表層部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径は、10nm〜500nmである請求項1〜6のいずれかに記載のエンジン。
- 前記断熱層の厚みは10μm〜2000μmであり、前記第1の中空粒子の平均粒子径は1μm〜100μmである請求項1〜7のいずれかに記載のエンジン。
- 前記断熱層の見掛け体積を100%とするとき、前記断熱層の空隙率は、5%以上90%以下である請求項1〜8のいずれかに記載のエンジン。
- 前記断熱コーティング膜の前記無機系被膜層の前記最表層部の表面粗さは、前記壁面の表面粗さよりも小さい請求項1〜9のいずれかに記載のエンジン。
- 燃焼室を形成するようにボアに往復移動可能に嵌合されるピストンであって、
前記ピストンは、前記燃焼室に対向する壁面と、前記壁面を被覆する断熱コーティング膜とを有し、
前記断熱コーティング膜は、前記壁面の表面に形成された断熱層と、前記断熱層の表面に形成された無機系被膜層とを有し、
前記断熱層は、樹脂と、前記樹脂に埋設され前記断熱層の厚みよりも小さい平均粒子径をもつ第1の中空粒子とを有し、
前記無機系被膜層は、無機化合物と、前記無機系被膜層の厚みよりも小さい平均粒子径をもつ第2の中空粒子とを有し、
前記無機系被膜層は、最表層部と、前記最表層部よりも厚み方向で内側であって且つ前記断熱層と対面している内部とを有し、
前記最表層部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径は、前記内部に含まれる前記第2の中空粒子の平均粒子径よりも小さいピストン。 - 前記断熱コーティング膜の前記無機系被膜層の前記最表層部の表面粗さは、前記壁面の表面粗さよりも小さい請求項11に記載のピストン。
- 前記無機系被膜層は、シリカを有する塗膜である請求項12に記載のピストン。
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