JP6319258B2

JP6319258B2 - エンジンの断熱構造

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Publication number: JP6319258B2
Application number: JP2015194767A
Authority: JP
Inventors: 猪飼　孝至; 孝至猪飼; 和男市川; 義行古賀
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: JP2017067012A

Description

本発明は、エンジン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、エンジン部品の表面に設けられた断熱層に自己修復機能材としての金属顔料を含有させるようにした。

すなわち、ここに開示するエンジンの断熱構造は、エンジン部品の基材表面に断熱層が設けられたものであって、上記断熱層は、金属顔料を含有し、上記エンジン部品の基材表面は、上記エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面であり、上記ピストン本体の頂面は、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を備えており、上記ピストン本体の頂面に設けられた断熱層のうち、上記スキッシュエリア面上に設けられた断熱層にのみ上記金属顔料が含有されており、上記金属顔料は、上記断熱層にクラックが生じた場合に、エンドガスに晒されることにより溶融してクラックの隙間を埋め、クラックの進行を止めるとともにクラックを修復する自己修復機能を有することを特徴とする。

エンジン部品の表面が高温高圧のガスに晒された状態で、ノッキングが発生すると、その表面に形成された断熱層にクラックが生じ得る。このクラックが大きく深くなると断熱層の重大な損傷・剥離をもたらし、その断熱性能が失われる。

本発明によれば、上述のごとく断熱層にクラックが生じた場合であっても、当該クラックに高温高圧のエンドガスが侵入して断熱層に含有される金属顔料に到達する。そして、この金属顔料が溶融することによりクラックが修復される。すなわち、上記金属顔料は、上記断熱層にクラックが生じた場合に、エンドガスに晒されることにより溶融してクラックの隙間を埋め、クラックの進行を止めるとともにクラックを修復する自己修復機能を有する。このような金属顔料の自己修復機能によって、上記クラックの進行が抑制され、断熱層の損傷・剥離による断熱性能の低下を防ぐことができる。

なお、上記エンジン部品の基材表面は、上記エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面であり、上記ピストン本体の頂面は、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を備えており、上記ピストン本体の頂面に設けられた断熱層のうち、上記スキッシュエリア面上に設けられた断熱層にのみ上記金属顔料が含有されている。上述のごとく、スキッシュエリアではノッキングが発生しやすい傾向があり、ピストン本体の頂面のスキッシュエリア面上に設けられた断熱層にのみ金属顔料を含有させることにより、効果的に断熱層の損傷を防ぐことができる。

好ましい態様では、上記金属顔料の平均粒径は、１μｍ以上３０μｍ以下であり、上記金属顔料の溶融温度は、３５０℃以上６００℃以下である。これにより、金属顔料の自己修復機能を効果的に発揮させることができ、断熱層の損傷・剥離による断熱性能の低下を防ぐことができる。

好ましい態様では、上記断熱層は、多数の中空粒子と、上記中空粒子を上記エンジン部品の基材表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。

エンドガスの温度は約６００℃程度になることから、当該温度近傍か、それ以下の溶融温度を有し且つ通常の燃焼工程では溶融しない金属顔料を使用することが好ましい。具体的には例えば、Ａｌを含有する亜鉛アルミニウム合金粉末（溶融温度３８０℃）や、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ等を含有するＡｌ合金粉末等が挙げられる。特に好ましくは、上記金属顔料は、亜鉛アルミニウム合金粉末である。これにより、断熱層にクラックが生じた場合であっても、効果的にクラックを修復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、スキッシュエリア面以外の頂面における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、スキッシュエリア面以外の頂面における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。

以上述べたように、本発明によると、断熱層にクラックが生じた場合、当該クラックに高温高圧のガスが侵入したとしても、エンジン部品表面に到達する前に、断熱層に含有される金属顔料に到達し、この金属顔料が溶融することによって、すなわち金属顔料の自己修復機能によって、上記クラックがさらに深く大きくなるのを防止し、断熱性能の喪失を防ぐことができる。

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の断熱層のうちキャビティ面に設けられた断熱層を示す拡大断面図である。図５は、図３の断熱層のうち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２１，２２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。本実施形態において、断熱層２２は、上記スキッシュエリア面１２’上に設けられており、断熱層２１は、スキッシュエリア面１２’以外の頂面、例えば上記キャビティ面１１’等の頂面に設けられている。

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。

断熱層２２は、上記断熱層２１と同様に、バインダ材３２に多数の中空粒子３１が分散して構成されているが、図５に示すように、さらに金属顔料３３が含有されている点で、断熱層２１と異なる。

本実施形態において、断熱層２２に含有される中空粒子３１及びバインダ材３２は、断熱層２１に含有される材料と同様の材料を使用しているが、これらは異なる材料を用いる構成としてもよい。すなわち、これらは断熱層２１，２２において、全く同一の材料を用い、同一の配合量としてもよいし、同一の材料で配合量を変化させたり、異なる材料を用いてもよい。これらの条件を調節することにより、ピストン本体１９の頂面において、優れた断熱性能を備えつつ耐熱性の高い断熱構造を得ることができる。

ここで、本実施形態に係る断熱構造は、ピストン本体１９のスキッシュエリア面上に設けられた断熱層２２にのみ金属顔料３３が含有されていることを特徴とする。

金属顔料３３は、断熱層２２にクラックが生じた場合に、高温のエンドガスに晒されることにより溶融してクラックの隙間を埋め、クラックの進行を止めるとともにクラックを修復する機能（自己修復機能）を有する。このような金属顔料３３は、エンドガスの温度が６００℃前後になることから、例えば溶融温度が約６００℃以下であるとともに、通常の焼成工程では溶融しないように、溶融温度約３５０℃以上の材料が好ましい。具体的には、Ａｌを含有するＺｎ合金粉末、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ等を含有するＡｌ合金粉末等を用いることができる。すなわち例えば、Ｚｎ−Ａｌ系合金粉末（亜鉛アルミニウム合金粉末、溶融温度約３８０℃）、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末（溶融温度約５３０℃）、Ａｌ−Ｃｕ系合金粉末（溶融温度約５００℃）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金粉末（溶融温度約５８０℃）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金粉末（溶融温度約４７０℃）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金粉末（溶融温度約５８０℃）等が挙げられ、特に好ましくは、Ｚｎ−Ａｌ系合金粉末を用いることができる。

本構成によれば、ノッキングが発生しやすいスキッシュエリアにおいて、上述のごとくスキッシュエリア面に設けられた断熱層２２にクラックが生じた場合、当該クラックに高温高圧のエンドガスが侵入して断熱層２２に含有される金属顔料３３に到達し、この金属顔料３３が溶融する。すなわち金属顔料３３の自己修復機能によって、上記クラックの進行が抑制され、断熱層２２の損傷・剥離による断熱性能の低下を防ぐことができる。

また、スキッシュエリア面以外の頂面には、金属顔料３３を含有しない構成の断熱層２１を設けることにより、優れた断熱性能をもたらすことができる。そうして、ピストン本体１９の頂面全体で優れた断熱性能を得つつ、断熱層の損傷・剥離を効果的に抑えることができる。

金属顔料３３の平均粒径は、自己修復機能を効果的に発揮させる観点から、好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下、好ましくは２μｍ以上２０μｍ以下、好ましくは３μｍ以上１０μｍ以下である。また、金属顔料３３の断熱層２２への含有量は、効果的な自己修復機能をもたせつつ優れた断熱性を維持する観点から、好ましくは０．５質量％以上１０質量％以下、より好ましくは１質量％以上７．５質量％以下、特に好ましくは１．５質量％以上５質量％以下である。

なお、断熱層２１の厚さは、優れた断熱性能を得る観点から、好ましくは５０μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは６０μｍ以上１２０μｍ以下、特に好ましくは６０μｍ以上１００μｍ以下である。

また、断熱層２２の厚さは、断熱層２１と同程度の厚さか、又はその半分程度以下であってもよく、好ましくは１５μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以上１２０μｍ以下、特に好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下である。断熱層２２の厚さが断熱層２１の厚さの半分程度以下である場合には、断熱層２２にクラックが生じたときであっても、そのクラックの進行を効果的に抑制することができる。

＜断熱層の形成方法＞
ピストン本体１９と断熱層２１，２２を形成するための断熱材料を準備する。

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、断熱層２１，２２の断熱材料として、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Ａ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。また、上記断熱材料Ａに、断熱層２２に含有するための金属顔料３３としての市販の亜鉛アルミニウム合金粉末を添加してさらに撹拌・混合した断熱材料Ｂを準備する。

ピストン本体１９と断熱材料Ａ，Ｂ、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。

断熱層２１，２２は、いずれを先に形成してもよい。以下の記載では、断熱層２１を先に形成する場合について説明する。

まず、ピストン本体１９のスキッシュエリア面１２’に、例えばマスキングテープや樹脂系のマスキング膜等を用いてマスキングを行った後、上記断熱材料Ａを、ピストン本体１９のスキッシュエリア面１２’以外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。

次に、断熱層２１の断熱材料Ａ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、シリコーン樹脂が硬化して、多数の中空粒子３１が密に充填されるとともに、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、スキッシュエリア面１２’上に施されたマスキングも焼失する。

次に、断熱層２１が形成されたスキッシュエリア面１２’以外の頂面上に新たにマスキングを施す。そして、亜鉛アルミニウム合金粉末を含有する断熱材料Ｂを、ピストン本体１９のスキッシュエリア面１２’上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。

この場合も、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。

そして、上記ピストン本体１９のスキッシュエリア面１２’以外の頂面に施したマスキングを除去した後、断熱層２２の断熱材料Ｂに対して、同様に、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、シリコーン樹脂が硬化して、多数のガラスバルーンが密に充填されるとともに、亜鉛アルミニウム合金粉末が分散し、それら粒子間がバインダ材３２で埋まった断熱層２２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のスキッシュエリア面以外の頂面に断熱材料を載せ、そ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上記頂面に押し付けて頂面全体に拡げてもよい。この方法の場合、スキッシュエリア面とそれ以外の頂面とで断熱層の形成工程を分けてもよいが、ピストン本体１９において各々の頂面上に必要量の断熱材料を各々置いて、成形型を押し付けることにより、断熱層２１，２２を一度に形成するようにしてもよい。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２１，２２の焼成も同時に行うことができる。これにより、断熱層２１，２２の製造工程を簡略化することができる。また、断熱層２１，２２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２１，２２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、エンジン部品の基材表面に形成された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断熱層
２２断熱層
３１中空粒子
３２バインダ材
３３金属顔料
Ｅエンジン

Claims

エンジン部品の基材表面に断熱層が設けられたエンジンの断熱構造であって、
上記断熱層は、金属顔料を含有し、
上記エンジン部品の基材表面は、上記エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面であり、
上記ピストン本体の頂面は、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を備えており、
上記ピストン本体の頂面に設けられた断熱層のうち、上記スキッシュエリア面上に設けられた断熱層にのみ上記金属顔料が含有されており、
上記金属顔料は、上記断熱層にクラックが生じた場合に、エンドガスに晒されることにより溶融してクラックの隙間を埋め、クラックの進行を止めるとともにクラックを修復する自己修復機能を有する
ことを特徴とするエンジンの断熱構造。
請求項１において、
上記金属顔料の平均粒径は、１μｍ以上３０μｍ以下であり、
上記金属顔料の溶融温度は、３５０℃以上６００℃以下である
ことを特徴とするエンジンの断熱構造。
請求項１又は請求項２において、
上記金属顔料は、亜鉛アルミニウム合金粉末である
ことを特徴とするエンジンの断熱構造。
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
上記断熱層は、
多数の中空粒子と、
上記中空粒子を上記エンジン部品の基材表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の断熱構造。
請求項４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の断熱構造。
請求項４又は請求項５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の断熱構造。