JP6281551B2 - エンジン燃焼室の断熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン燃焼室の断熱構造に関するものである。

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では、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、エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面に、ジルコニア等の無機酸化物や、中空粒子を含有する有機系材料からなる断熱層を形成することが知られている。

ところで、燃焼室を区画するピストン本体の頂面とシリンダヘッドの下面との間隙部にスキッシュエリアが形成されることがある。このようなピストン本体の頂面のうち、スキッシュエリアを形成する面（スキッシュエリア面）に断熱層が設けられている場合、当該断熱層の温度は高温となり、延いてはスキッシュエリア面自体が高温となる。このため、燃焼工程において、スキッシュエリアに高温高圧のエンドガス（点火プラグから遠い場所にある未燃焼の混合気）が流れ込んだ際に、高温のスキッシュエリア面により、エンドガスからスキッシュエリア面への放熱が妨げられて、ノッキングが発生し得る。そして、スキッシュエリア面に形成された断熱層にクラックが生じ、断熱層の損傷・剥離が引き起こされ、断熱性能が失われる。

そこで、ピストン本体の頂面のうち、スキッシュエリア面上には断熱層を形成せず、それ以外の部分にのみ断熱層を形成した内燃機関が記載されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の内燃機関によれば、スキッシュエリア面上には断熱層を形成していないので、エンドガスからのスキッシュエリア面への放熱が促進され、ノッキングの発生が抑制される。

特開２０１１−１６９２３２号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、スキッシュエリアにおけるノッキング発生を抑制できるものの、冷却損失の低減という観点からは、スキッシュエリア面も含めたピストン本体の頂面全体に断熱層を形成することが望ましい。

そこで、本発明では、スキッシュエリア面に断熱層を形成しつつ、ノッキングの発生によって当該断熱層に大きなクラックが生じるのを防止し、断熱層の損傷・剥離を抑えることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、ピストン本体の頂面におけるスキッシュエリア面の断熱層をキャビティ面の断熱層よりも薄くするようにした。

すなわち、ここに開示するエンジン燃焼室の断熱構造は、エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面に断熱層が設けられたものであって、上記ピストン本体の頂面は、上記燃焼室のキャビティを形成するキャビティ面と、上記燃焼室のスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア面とを備えており、上記スキッシュエリア面に設けられた断熱層の厚さは、上記キャビティ面に設けられた断熱層の厚さの５％以上５０％以下であり、上記スキッシュエリア面は、上記燃焼室外縁側方向の端部である外縁側端部と、上記燃焼室内側方向の端部である内縁側端部と、を有しており、上記スキッシュエリア面に設けられた断熱層の厚さは、上記スキッシュエリア面における上記燃焼室外縁側の上記外縁側端部に向かうにつれて漸次薄くなっていることを特徴とする。

本来、断熱層は、その厚さが厚い程、断熱性能が高くなる。しかし、スキッシュエリア面上に形成された断熱層に、ノッキングの影響によりクラックが生じた場合、断熱層の厚さが厚い程、クラックの深さが深くなり、延いてはクラックの大きさが大きくなる。

そして、このようにクラックの大きさが大きくなる程、断熱層の損傷は大きくなるとともに、断熱層は、その損傷部分から剥離しやすくなる。

本発明によれば、高い断熱性能を要するキャビティ面には、十分な厚さの断熱層を形成するとともに、スキッシュエリア面には、キャビティ面の断熱層に比べて半分以下の厚さの断熱層を形成することにより、ピストン本体の頂面全体で優れた断熱性能を得つつ、スキッシュエリア面の断熱層に発生するクラックの成長を抑制し、当該断熱層の損傷・剥離を抑えることができる。そして、上記スキッシュエリア面に設けられた断熱層の厚さは、上記スキッシュエリア面における上記燃焼室外縁側の上記外縁側端部に向かうにつれて漸次薄くなっている。これにより、ピストン本体の頂面全体で優れた断熱性能を得つつ、断熱層の損傷・剥離を効果的に抑えることができる。

好ましい態様では、上記断熱層は、多数の球状の中空粒子と、上記中空粒子を上記ピストン本体の頂面に保持するとともに、上記中空粒子間を埋めて上記断熱層の母材を形成するバインダとを含む。これにより、断熱層の断熱性能を効果的に向上させることができる。

好ましい態様では、上記バインダは、シリコーン系樹脂である。これにより、断熱層の熱伝導性を低下させることができるとともに、ピストン本体の頂面と断熱層との優れた密着性を得ることができる。

好ましい態様では、上記中空粒子は、ガラスバルーンである。これにより、断熱層の熱伝導性を低くすることができるとともに、その強度も向上させることができる。

好ましい態様では、上記キャビティ面に設けられた断熱層の厚さは、６０μｍ以上１００μｍ以下であり、上記スキッシュエリア面に設けられた断熱層の厚さは、３０μｍ以上５０μｍ以下である。これにより、ピストン本体の頂面全体で優れた断熱性能を得つつ、断熱層の損傷・剥離を効果的に抑えることができる。

以上述べたように、本発明によると、ピストン本体の頂面全体で優れた断熱性能を得つつ、スキッシュエリア面の断熱層に発生するクラックの成長を抑制し、当該断熱層の損傷・剥離を抑えることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンを模式的に示す断面図である。 図２は、図１の実施形態に係るピストンの冠面を示す平面図である。 図３は、図２のピストンの縦断面図である。 図４は、図３の断熱層の拡大断面図である。 図５は、本発明の他の実施形態に係るピストン本体の頂面のスキッシュエリア面に設けられた断熱層を示す拡大断面図である。

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。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、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

＜エンジンの構成＞
図１に示す直噴エンジンＥは、ピストン１、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、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４、排気ポート７を開閉する排気バルブ６、インジェクタ８、点火プラグ９を備える。ピストン１がシリンダブロック２のシリンダボア内を往復動する。

エンジンの燃焼室は、ピストン１の冠面１０、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の傘部前面（燃焼室に臨む面）で形成される。図１、図２に示すように、ピストン１の冠面１０の略中央部には、燃焼室のキャビティを形成する凹陥状のキャビティ部１１が設けられている。また、冠面１０の外縁側には、燃焼室のキャビティから離れた外縁側にスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア部１２が存在する。本実施形態に係るピストン１の冠面１０において、スキッシュエリア部１２はスキッシュエリア部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからなっている。

＜断熱層＞
図３に示すように、ピストン１は、該ピストン１の基材であるピストン本体１９と、エンジンＥの燃焼室の冷却損失低減の観点からピストン本体１９の頂面に設けられた断熱層２１とを備えている。

ピストン本体１９はＴ７処理又はＴ６処理を施してなるアルミニウム合金製である。ピストン本体１９の頂面は、上記キャビティ部１１を構成するキャビティ面１１’と、上記スキッシュエリア部１２を構成するスキッシュエリア面１２’とを備えている。

断熱層２１は、図４に示すように、中空粒子３１と、バインダ材（バインダ）３２とを含む層である。

すなわち、断熱層２１は、バインダ材３２と、その中に分散された多数の中空粒子３１とを含む。バインダ材３２は、中空粒子３１をピストン本体１９の頂面に保持するとともに、中空粒子３１間を埋めて断熱層２１の母材を形成する。バインダ材３２は例えばシリコーン系樹脂などの低熱伝導性材料であるとともに、中空粒子３１は、その内部空間に熱伝導性の低い空気を含有する。このため、断熱層２１は低熱伝導性の層になっている。

中空粒子３１としては、シリカバルーン、ガラスバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン、エアロゲルバルーン等のＳｉ系酸化物成分（例えば、シリカ（ＳｉＯ_２））又はＡｌ系酸化物成分（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３））を含有するセラミック系中空粒子を採用することが好ましく、特にガラスバルーンを採用することが好ましい。これにより、断熱層２１の熱伝導性を低くすることができるとともに、その強度も向上させることができる。

なお、中空粒子３１は好ましくは球状である。中空粒子３１の平均粒径は、断熱層２１の断熱性向上の観点から、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上４５μｍ以下、特に好ましくは１５μｍ以上４０μｍ以下である。断熱層２１中における中空粒子３１の含有量は、断熱層２１の断熱性向上の観点から、好ましくは５質量％以上５０質量％以下、より好ましくは１０質量％以上４５質量％以下、特に好ましくは１５質量％以上４０質量％以下である。

バインダ材３２としては、低熱伝導性材料であるシリコーン系樹脂を用いることができ、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系樹脂を好ましく用いることができる。シリコーン系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。これにより、断熱層２１の熱伝導性を低下させることができるとともに、ピストン本体１９の頂面と断熱層２１との優れた密着性を得ることができる。

ここで、本実施形態に係る断熱層２１は、上記スキッシュエリア面１２’に設けられた断熱層２１ｂの厚さが、上記キャビティ面１１’に設けられた断熱層２１ａの厚さよりも薄いことを特徴とする。具体的には例えば、スキッシュエリア面１２’の断熱層２１ｂの厚さが、キャビティ面１１’の断熱層２１ａの厚さの、好ましくは２０％以上６０％以下、より好ましくは２５％以上５５％以下、特に好ましくは３０％以上５０％以下である。

優れた断熱性能を得る観点から、断熱層２１は厚いことが望ましいが、スキッシュエリアでは、上述のごとくノッキングが生じて断熱層２１にクラックが入り得る。このクラックは、断熱層２１の厚さが厚い程深く進行し、これにより断熱層２１の表面近傍の亀裂部分は広がり得る。そして、大きく成長したクラック部分から断熱層２１の剥離が生じ、断熱性能が失われる。

本構成によれば、高い断熱性能を得たいキャビティ面１１’には、十分な厚さの断熱層２１ａを形成するとともに、スキッシュエリア面１２’には、キャビティ面１１’の断熱層２１ａに比べて半分程度又はそれ以下の厚さの断熱層２１ｂを形成することにより、ピストン本体１９の頂面全体で優れた断熱性能を得つつ、スキッシュエリア面１２’の断熱層２１ｂに発生するクラックを小さなものとし、当該断熱層２１ｂの損傷・剥離を抑えることができる。

キャビティ面１１’の断熱層２１ａの厚さは、優れた断熱性能を得る観点から、好ましくは４０μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上１２０μｍ以下、特に好ましくは６０μｍ以上１００μｍ以下である。

また、スキッシュエリア面１２’の断熱層２１ｂの厚さは、高い断熱性能を維持しつつ断熱層２１ｂの破損・剥離を防止する観点から、好ましくは１５μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以上７５μｍ以下、特に好ましくは３０μｍ以上５０μｍ以下である。

なお、キャビティ面１１’及びスキッシュエリア面１２’以外の頂面上に設けられた断熱層２１の厚さは、キャビティ面１１’上の断熱層２１ａと同じか、又はキャビティ面１１’上の断熱層２１ａよりも薄くスキッシュエリア面１２’上の断熱層２１ｂよりも厚い構成とすることができる。例えば、図３に示すように、スキッシュエリア面１２’に近づくにつれて漸次薄くなるように構成されていてもよい。これにより、ピストン本体１９の頂面全体で優れた断熱性能を得ることができる。

また、図５に示すように、スキッシュエリア面１２’に設けられた断熱層２１ｂの厚さは、スキッシュエリア面１２’における燃焼室外縁側の端部に向かうにつれて漸次薄くなるように構成されていてもよい。これにより、ピストン本体１９の頂面全体で優れた断熱性能を得つつ、断熱層２１の損傷・剥離を効果的に抑えることができる。

＜断熱層の形成方法＞
ピストン本体１９と断熱層２１を形成するための断熱材料とを準備する。

ピストン本体１９については、その頂面にキャビティ形成用の凹部を形成しておき、脱脂処理により、ピストン本体１９の頂面に付着している油脂や指紋等の汚れを除去する。

また、バインダ材３２としての液状シリコーン樹脂と中空粒子３１としてのガラスバルーンとを攪拌・混合した断熱材料を準備する。必要に応じて、増粘剤や希釈溶剤を添加して断熱材料の粘度を調整する。

ピストン本体１９と断熱材料、特にシリコーン樹脂との付着力を高めるべく、ピストン本体１９の頂面に粗面化処理を施すことが好ましい。粗面化処理としては、例えばサンドブラスト等のブラスト処理を行うことが好ましい。例えば、ブラスト処理は、エアーブラスト装置を使用し、研削材として粒度＃３０のアルミナを用い、圧力０．３９ＭＰａ、時間４５秒、距離１００ｍｍの処理条件で行うことができる。なお、これに限らず、ピストン本体１９がＡｌ合金からなる場合、アルマイト処理によってピストン本体１９の頂面に微小凹凸を形成するようにしてもよい。例えば、アルマイト処理は、シュウ酸浴を用い、浴温２０℃、電流密度２Ａ／ｄｍ^２、時間２０分の処理条件で行うことができる。

しかる後、断熱材料をピストン本体１９の頂面にスプレーや刷毛等を用いて塗布する。続いて、熱風乾燥、赤外線ヒータ等により、塗布された断熱材料の予備乾燥を行う。

そして、必要に応じて、当該塗布と予備乾燥を繰り返し（重ね塗り）、所望の塗布厚さにする。

本実施形態においては、ピストン本体１９のキャビティ面１１’とスキッシュエリア面１２’とでは、断熱層２１の厚さが異なる。これは、キャビティ面１１’のみ上記断熱材料の重ね塗り回数をスキッシュエリア面１２’の重ね塗り回数よりも多くすることにより実現される。

具体的には例えば、まずピストン本体１９の頂面全体に必要回数の重ね塗りを行った後に、スキッシュエリア面１２’のみにマスキングを行い、スキッシュエリア面１２’以外のキャビティ面１１’等に、更に必要回数の重ね塗りを行うことにより行われる。なお、上記マスキングは、マスキングテープ又は、樹脂系のマスキング膜を用いて行うことができる。また、上記マスキングは、後述する焼成処理において焼失させることができる。

また、スキッシュエリア面１２’の断熱層２１ｂの厚さを、燃焼室外縁側の端部に向かうにつれて漸次薄くする場合は、スプレーの方向を制御するようにすればよい。具体的には例えば、キャビティ面１１’側からスキッシュエリア面１２’側に向けて断熱材料が放出されるようにスプレーのノズル位置・方向を設定する。これにより、スキッシュエリア面１２’のうち、ノズルにより近いキャビティ面１１’側の位置では、断熱材料の付着量が多くなる一方、ノズルから遠い燃焼室外縁側の端部には、断熱材料の付着量が少なくなる。そうして、スキッシュエリア面１２’において端部に向かうにつれて漸次薄く構成された断熱層２１ｂが得られる。

次に、ピストン本体１９の頂面に塗布された断熱材料に対して、例えば、１８０℃前後の温度で数時間ないし数十時間の加熱処理を行う。これにより、シリコーン樹脂（バインダ）が硬化して、多数の中空粒子３１が密に充填され、それら粒子間がバインダ材３２で埋まった断熱層２１が得られる。

また、断熱材料の塗布方法の一形態として、ピストン本体１９の頂面に断熱材料を載せ、ピストン本体１９の頂面形状に倣った成形面を有する成形型によって断熱材料をピストン頂面に押し付けて頂面全体に拡げてもよい。本実施形態においては、スキッシュエリア面１２’の断熱層２１ｂの厚さがキャビティ面の断熱層２１ａの厚さよりも薄くなるように成形型の成形面を形成することができる。また、図５に示すように、スキッシュエリア面１２’のうち端部に向かうにつれて漸次薄くなるように断熱層２１ｂを形成するには、成形型のスキッシュエリア面１２’に対応する部分に傾斜を付けるようにすればよい。なお、この方法によれば、成形中に成形型を加熱することにより、断熱層２１の焼成も同時に行うことができる。これにより、断熱層２１の製造工程を簡略化することができる。また、断熱層２１の焼成を同時に行う場合には、ピストン本体１９を、例えばピストンスカートの内側から水冷又は空冷する等の方法によって冷却する構成とすることができる。これにより、断熱層２１とピストン本体１９の頂面との密着性を向上させることができる。

本発明は、ピストン本体頂面のスキッシュエリア面に断熱層を形成しつつ、当該断熱層に大きなクラックが発生するのを防止し、断熱層の損傷・剥離を抑えることができるので、極めて有用である。

１ ピストン
１１’ キャビティ面
１２’ スキッシュエリア面
１９ ピストン本体
２１，２１ａ，２１ｂ 断熱層
３１ 中空粒子
３２ バインダ材（バインダ）
Ｅ エンジン

Claims (5)

1. エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂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、
   上記ピストン本体の頂面は、上記燃焼室のキャビティを形成するキャビティ面と、上記燃焼室のスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア面とを備えており、
   上記スキッシュエリア面に設けられた断熱層の厚さは、上記キャビティ面に設けられた断熱層の厚さの５％以上５０％以下であり、
   上記スキッシュエリア面は、上記燃焼室外縁側方向の端部である外縁側端部と、上記燃焼室内側方向の端部である内縁側端部と、を有しており、
   上記スキッシュエリア面に設けられた断熱層の厚さは、上記スキッシュエリア面における上記燃焼室外縁側の上記外縁側端部に向かうにつれて漸次薄くなっている
   ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。
2. 請求項１において、
   上記断熱層は、
   多数の中空粒子と、
   上記中空粒子を上記ピストン本体の頂面に保持するとともに、上記中空粒子間を埋めて上記断熱層の母材を形成するバインダとを含む
   ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。
3. 請求項２において、
   上記バインダは、シリコーン系樹脂である
   ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。
4. 請求項２又は請求項３のいずれか一において、
   上記中空粒子は、ガラスバルーンである
   ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   上記キャビティ面に設けられた断熱層の厚さは、６０μｍ以上１００μｍ以下であり、
   上記スキッシュエリア面に設けられた断熱層の厚さは、３０μｍ以上５０μｍ以下である
   ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。

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