JP6321934B2 - エンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、エンジン燃焼室に臨む部材表面に設けられた断熱層の製造方法に関する。
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、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ジルコニア（ＺｒＯ２）粒子を含む溶射層からなる断熱層が提案されている。
しかしながら、セラミックス焼結体を用いると、熱応力及び熱衝撃によるクラックの発生、並びにクラック進展による剥離の発生といった問題が生じる。このため、特に、ピストンの頂面、シリンダライナの内周面及びシリンダヘッドの下面等の比較的に大きい面積を有する部分に、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に採用された実績があるが、それは耐摩耗性の向上を目的としたものであり、耐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ＺｒＯ２を主体とする低熱伝導材料を溶射することが好ましい。
例えば、特許文献１には、エンジン部品における燃焼室に臨む面に凹凸を設け、該凹部にＺｒＯ２を主体とする低熱伝導材を溶射することにより充填することが提示されている。また、特許文献２には、粒状に形成された多数の第１断熱材と、膜状に形成された第２断熱材と、補強用繊維材とを含む断熱膜が形成された内燃機関が開示され、第２断熱材の具体例として、ジルコニア（ＺｒＯ２）、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ができ、さらに、これらの材料を複数組み合わせて用いることもできる旨が記載されている。
しかしながら、特許文献１の溶射層や、特許文献２のセラミック等の断熱材は、粒子（粉末）同士が互いに結合してなるため、粒子間に間隙を有し、すなわちポーラス状となっている。このため、燃料を燃焼室に直接に噴射する、所謂直噴式エンジンにおいては、噴霧された燃料がピストン表面に到達すると、その燃料が上記間隙を通って断熱層に浸み込んで燃焼に寄与できなくなる。さらに、浸み込んだ燃料が次第に炭化してカーボンデポジットとして残存すると、断熱層の熱伝導率が大きくなり、機能低下を招くという問題が生じる。
また、近年ではエンジンの低燃費化のための燃焼方式として、直噴ガソリンエンジンにおいて圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼が注目され、開発が進められているが、このＨＣＣＩ燃焼は燃焼温度が低いため、エンジン燃焼室からの冷損を抑制することで熱効率を高めるようにすることが求められている。このため、エンジン燃焼室に臨む、例えばピストン、シリンダヘッド、バルブ及びシリンダライナ等の部材表面に断熱性能が高い断熱層を形成することが求められている。
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、燃料の浸み込みを防止でき、長期にわたって高い断熱性を維持でき、もってエンジンの熱効率を向上できる断熱層を得られるようにすることにある。
本発明に係るエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法は、
エンジン燃焼室に臨むアルミ合金製部材を準備する工程と、
前記部材の表面をアルマイト処理する工程と、
熱処理によりガラス質材となる前駆体を含有する溶液と、中空粒子と、フィラー材とを混合する工程と、
前記混合された混合物を前記アルマイト処理された部材表面に塗布する工程と、
前記塗布された混合物に対して９０℃以上１６０℃以下で４０分以内の熱処理を行うことにより、前記前駆体をガラス質材に変化させる工程とを備えていることを特徴とする。
エンジン燃焼室に臨むアルミ合金製部材を準備する工程と、
前記部材の表面をアルマイト処理する工程と、
熱処理によりガラス質材となる前駆体を含有する溶液と、中空粒子と、フィラー材とを混合する工程と、
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前記塗布された混合物に対して９０℃以上１６０℃以下で４０分以内の熱処理を行うことにより、前記前駆体をガラス質材に変化させる工程とを備えていることを特徴とする。
本発明に係るエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法によると、エンジン燃焼室に臨む部材表面に、中空粒子と、フィラー材と、ケイ酸を主体とするガラス質材とを含む断熱層を形成できる。得られる断熱層は、カラス前駆体溶液と中空粒子とフィラー材との混合液に対して熱処理することにより前駆体をガラス質材に変化させているため、ガラス質材が中空粒子及びフィラー粒子を覆うと共にそれらを結合する。その結果、中空粒子同士の間隙や中空粒子とフィラー材との間隙をガラス質材が埋めている状態にすることができる。また、得られる断熱層において、ガラス質材は、その前駆体溶液を加熱することにより固化させて得られたものであり、すなわち、ガラス質材は、非粉末状態であり、それ自体が緻密であるため、断熱層への燃料の浸み込みを防止できる。よって、浸み込んだ燃料に起因したカーボンデポジットの発生を防止できて、断熱性能の低下を防止できるため、エンジンの熱効率を向上できる断熱層を得ることができる。
しかも、部材表面をアルマイト処理した上で、ガラス質材となる前駆体を含有する溶液と中空粒子とフィラー材とが混合された混合物を前記アルマイト処理された部材表面に塗布して、熱処理によって前記前駆体をガラス質材に変化させるから、当該部材と断熱層との付着力が向上する。
前記断熱層の製造方法において、前駆体としては、シリコンアルコキシドを用いることができる。
前記断熱層の製造方法において、中空粒子とフィラー材とガラス質材との体積比率（ｖｏｌ％）は、中空粒子：フィラー材：ガラス質材＝４０〜７５：１〜５：２３〜５８の範囲にすることが好ましい。
このようにすると、断熱層の成分として中空粒子の体積比率が大きく、断熱層内に空気層を多く含有できるため、断熱層の熱伝導率を低減することができて、断熱層の断熱性能を向上することができる。また、断熱層における中空粒子の体積比率を７５ｖｏｌ％以下とすることで、中空粒子同士を結合するためのガラス質材の量を十分に確保できて、耐久性のある膜を形成することが可能となる。
また、中空粒子とフィラー材とガラス質材との量比を体積比率（ｖｏｌ％）ではなく質量比率（ｍａｓｓ％）で示した場合、ガラス質材が最も大きく、且つ、中空粒子：フィラー材：ガラス質材＝１７〜４８：５〜１４：４４〜７５の範囲にすることが好ましい。
このようにすることで、上記と同様に、断熱層の熱伝導率を低減することができて、断熱層の断熱性能を向上することができ、且つ、ガラス質材の量を十分に確保できて、耐久性のある膜を形成することが可能となる。
前記断熱層の製造方法において、前記断熱層の熱伝導率は、０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲となるようにすることが好ましい。
また、前記断熱層の製造方法において、前記断熱層の体積比熱は４００ｋＪ／ｍ３・Ｋ以上１３００ｋＪ／ｍ３・Ｋ以下の範囲となるようにすることが好ましい。
これらのような、低い熱伝導率又は低い体積比熱を有する断熱層をエンジン燃焼室に臨む部材表面に設けることにより、燃焼室における熱損失抑制効果を大きくすることができる。なお、低い体積比熱を有する断熱層は、エンジンの吸気工程においては吸気によって断熱層温度が低くなるので吸気充填量が少なくなるという問題が解消でき、熱効率の向上ができる。
前記断熱層の製造方法において、中空粒子は、少なくともシリカ及びアルミナのいずれかを主成分とし、メディアン径が５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。
中空粒子のメディアン径が５μｍ以上では、その粒子内に含まれる空気量を大きくすることができ、一方、３０μｍ以下とすると、断熱層の厚さに対して含有できる粒子量を多くでき、高い断熱性能のために必要な空気層の量を得ることができる。さらに、中空粒子のメディアン径を３０μｍ以下とすると断熱層の表面粗さを小さくでき、断熱層の表面温度の局所的な上昇を防ぎ、エンジンの異常燃焼及び断熱層の熱損失を防ぐことができる。
前記断熱層の製造方法において、フィラー材は、少なくとも繊維状無機酸化物及び遷移金属酸化物のいずれかで構成されていてもよい。
繊維状無機酸化物は、断熱層の強度を高めてクラックの発生を抑制し、遷移金属酸化物は、断熱層の硬さを高めることに寄与する。
本発明に係るエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法によると、燃料の浸み込みを防止でき、長期にわたって高い断熱性を維持でき、もってエンジンの熱効率を向上でき、しかも部材との付着力が大きい断熱層を得ることができる。
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。
本実施形態は、エンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層を図１に示すエンジンに採用したものである。
＜エンジンの特徴＞
図１に示す直噴エンジンＥにおいて、符号１はピストン、符号３はシリンダブロック、符号５はシリンダヘッド、符号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、符号１１は排気ポート１３を開閉する排気バルブ、符号１５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３、シリンダヘッド５、吸排気バルブ７，１１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１７が形成されている。なお、点火プラグ、及びシリンダライナの図示は省略している。
図１に示す直噴エンジンＥにおいて、符号１はピストン、符号３はシリンダブロック、符号５はシリンダヘッド、符号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、符号１１は排気ポート１３を開閉する排気バルブ、符号１５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３、シリンダヘッド５、吸排気バルブ７，１１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１７が形成されている。なお、点火プラグ、及びシリンダライナの図示は省略している。
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。
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、エンジン燃焼室において、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該金属製母材の表面に形成されている。
＜断熱層の構成＞
次に、エンジン燃焼室に臨む部材表面に形成された断熱層の構成について図２及び図３を参照しながら説明する。本実施形態においては、エンジン燃焼室に臨む部材表面として上記ピストンの頂面に形成された断熱層について説明するが、シリンダブロック等の他のエンジン燃焼室に臨む部材表面に形成された断熱層も同様の構成とすることができる。
次に、エンジン燃焼室に臨む部材表面に形成された断熱層の構成について図２及び図３を参照しながら説明する。本実施形態においては、エンジン燃焼室に臨む部材表面として上記ピストンの頂面に形成された断熱層について説明するが、シリンダブロック等の他のエンジン燃焼室に臨む部材表面に形成された断熱層も同様の構成とすることができる。
図２に示すように、エンジン部材としてのピストン本体１９の頂面１９ａ（エンジン燃焼室に臨む部材表面）に断熱層２１が形成されている。ピストン本体１９の頂面１９ａの中央には上記キャビティ１７に対応する凹陥部が形成されており、断熱層２１はその頂面１９ａの形状に倣うように均一な厚さで形成されている。本実施形態のピストン本体１９はＴ６処理を施してなるアルミ合金製である。また、ピストン本体１９の断熱層２１が形成される頂面１９ａは、ブラスト処理及び陽極酸化処理（アルマイト処理）等の粗面化処理が施されている。これにより、ピストン本体１９の頂面１９ａに凹凸が形成されており、ピストン本体１９と断熱層２１との密着性を向上でき、その結果、断熱層２１がピストン本体１９から剥離することを防止できる。なお、ピストン本体１９と断熱層２１との密着性を向上するための処理であれば、他の方法を用いてもよく、例えばピストン本体１９の頂面に１９ａに化成処理を施してもよい。
図３に示すように、本実施形態の断熱層２１は、無機酸化物からなる中空粒子２３、フィラー材２５、及びケイ酸を主体とするガラス質材２７を含む。断熱層２１は、ガラス質材２７が中空粒子２３とフィラー材２５とを覆うと共にそれらを結合することで層構造を成している。ガラス質材２７は、中空粒子２３同士及び中空粒子２３とフィラー材２５との間隙を埋めるようにしてそれらを結合しており、また、ガラス質材２７は非粉末状であり、それ自体が緻密に構成されている。このため、中空粒子２３同士の間やガラス質材２７自体に燃料が通過可能な間隙がなく、その結果、エンジン燃焼室に噴射された燃料が断熱層２１に浸み込むことを防止できる。
本実施形態において、無機酸化物の中空粒子２３としては、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Ｓｉ系酸化物成分（例えば、シリカ（ＳｉＯ２））又はＡｌ系酸化物成分（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３））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、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。なお、中空粒子２３のメディアン径（Ｄ５０）は、５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。中空粒子のメディアン径が５μｍ以上では、その粒子内に含まれる空気量を大きくすることができ、一方、３０μｍ以下とすると、断熱層の厚さに対して含有できる粒子量を多くでき、高い断熱性能のために必要な空気層の量を得ることができる。さらに、中空粒子のメディアン径を３０μｍ以下とすると断熱層の表面粗さを小さくでき、表面温度の局所的な上昇を防ぎ、エンジンの異常燃焼及び断熱層の熱損失を防ぐことができる。
断熱層２１には、このような中空粒子２３が４０ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下の体積比率で含まれていることが好ましい。また、断熱層２１には、中空粒子２３が１７ｍａｓｓ％以上４８ｍａｓｓ％以下の質量比率で含まれていることが好ましい。このようにすると、断熱層２１の成分としての中空粒子２３の含有量が４０ｖｏｌ％以上又は１７ｍａｓｓ％以上と大きいので、断熱層２１内に空気層を多く含有できる。このため、断熱層２１の熱伝導率及び体積比熱を低減することができて、断熱層２１の断熱性能を向上することができる。また、断熱層２１における中空粒子２３の体積比率を７５ｖｏｌ％以下又は質量比率を４８ｍａｓｓ％以下とすることで、中空粒子２３同士を結合するガラス質材２７の量を十分に確保できて、耐久性のある膜を形成することが可能となる。このように、断熱層２１における中空粒子２３の含有量を調整することにより、０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度の低い熱伝導率、又は４００ｋＪ／ｍ３・Ｋ以上１３００ｋＪ／ｍ３・Ｋ以下程度の低い体積比熱を有する断熱層２１を得るようにすることが好ましい。断熱層２１における中空粒子２３の含有量と断熱層２１の熱伝導率及び体積比熱との関係は、後に詳細に説明する。
断熱層２１において中空粒子２３が上記範囲で含まれているとき、フィラー材２５は、断熱層２１に１ｖｏｌ％以上５ｖｏｌ％以下の体積比率で含まれていることが好ましく、ガラス質材２７が、断熱層２１に２３ｖｏｌ％以上５８ｖｏｌ％以下の体積比率で含まれていることが好ましい。また、フィラー材２５は、断熱層２１に５ｍａｓｓ％以上１４ｍａｓｓ％以下の質量比率で含まれていることが好ましく、ガラス質材２７は、断熱層２１に４４ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下の質量比率で含まれていることが好ましい。フィラー材２５は、断熱層２１を補強するために断熱層に含有されており、高強度で且つ高耐熱性材料からなることが好ましく、例えば繊維状無機酸化物及び遷移金属酸化物を好適に用いることができる。また、ガラス質材２７は、中空粒子２３同士及び中空粒子２３とフィラー材２５とを結合して断熱層２１を構成するために用いられており、２３ｖｏｌ％以上又は４４ｍａｓｓ％以上の含有量で断熱層２１に含まれていれば、中空粒子２３同士及び中空粒子２３とフィラー材２５とを十分に結合できて、耐久性のある膜を形成することが可能となる。また、断熱層２１におけるガラス質材２７の体積比率を５８ｖｏｌ％以下又は質量比率を７５ｍａｓｓ％以下とすることにより、断熱性能を向上するための中空粒子２３の量を十分に確保することができて、断熱性が高い断熱層２１を得ることができる。
＜断熱層の製造方法＞
次に、上記の断熱層をエンジン燃焼室に臨む部品表面であるピストンの頂面に形成する方法について図４を参照しながら説明する。なお、以下では、ピストン本体の頂面に断熱層を形成する方法を説明するが、シリンダブロックなど他のエンジン部材においてもピストン本体の場合と同様の方法で断熱層を形成することができる。
次に、上記の断熱層をエンジン燃焼室に臨む部品表面であるピストンの頂面に形成する方法について図４を参照しながら説明する。なお、以下では、ピストン本体の頂面に断熱層を形成する方法を説明するが、シリンダブロックなど他のエンジン部材においてもピストン本体の場合と同様の方法で断熱層を形成することができる。
まず、エンジン部材であるアルミ合金製のピストン本体（基材）を準備する（ステップＳ１）。また、ピストン本体に対して、脱脂処理を行うことにより、その断熱層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。さらに、ピストン本体と断熱層との付着力を高めるべく、ピストン本体の頂面にアルマイト処理を行う。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／ｄｍ２、時間２０分の処理条件で行うことができる。
また、断熱層材料として中空粒子とフィラー材とガラス前駆体溶液を準備する（ステップＳ３）。例えば、中空粒子としては上記のシラスバルーンやシリカバルーン等を用いることができる。フィラー材としては繊維状無機酸化物及び遷移金属酸化物等を用いることができ、具体的にはチタン酸カリウム繊維を好適に用いることができる。また、ガラス前駆体としては、熱処理によりケイ酸を主体とするガラス質材を得ることができる材料であればよく、シリコンアルコキシド溶液（例えば、株式会社イズモ製Ｇ−９０）等を用いることができる。上記材料を準備した後、それらの材料を攪拌・混合してなる混合液を調製する（ステップＳ４）。
上記のようにピストン本体を準備し、上記材料が混合された混合液を調製した後、混合液をピストン本体の頂面にスプレーや刷毛やスピンコート等を用いて塗布する（ステップＳ５）。
その後、塗布された混合液に対して熱処理を施すことにより、ガラス前駆体をガラス質材として硬化させる（ステップＳ６）。ここで行う熱処理は、塗布された混合物に対して９０℃以上１６０℃以下で４０分以内行う熱処理である。熱処理条件はガラス前駆体の材料により上記範囲内で適宜調整できる。例えば、上記株式会社イズモ製Ｇ−９０を用いた場合、まず、１００℃程度で約１０分間の熱処理を施すことにより混合液中の溶剤や水分を除去して乾燥させた後、１５０℃程度で約３０分間の熱処理を行うことにより、ガラス前駆体をケイ酸が主体のガラス質材として硬化させる。
以上のようにして、エンジン燃焼室に臨む部材表面であるピストン本体の頂面に、中空粒子、フィラー材及びガラス質材を含む断熱層を形成することができる。このようにして得られた断熱層では、ガラス質材はガラス前駆体溶液を熱処理によりガラス化された非粉末状のものであり、中空粒子同士間の間隙及び中空粒子とフィラー材との間隙を埋めるようにして互いに結合している。このため、この断熱層はポーラス状ではなく、燃料の浸み込みを防止でき、長期にわたって断熱性を維持でき、もってエンジンの熱効率を向上できる。
＜断熱層の性能試験＞
以下に、上記製造方法により得られた本実施形態に係るエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層における中空粒子含有割合と、断熱層の熱伝導率及び体積比熱との関係について検討した結果について説明する。ここでは、断熱層における中空粒子の含有比率が０ｖｏｌ％から７５ｖｏｌ％までの範囲で異なる断熱層を作製し、その中空粒子量の差による断熱層の熱伝導率及び体積比熱を比較した。具体的に、断熱層として、それぞれ中空粒子を０ｖｏｌ％、４０ｖｏｌ％、６０．７ｖｏｌ％、６７．８ｖｏｌ％又は７５ｖｏｌ％の体積比率で含む５種類の断熱層を作製した。このとき、フィラー材とガラス質材の含有比は、断熱層における中空粒子を除く残部において、体積比でフィラー材：ガラス質材＝７：９３で一定となるように調整した。
以下に、上記製造方法により得られた本実施形態に係るエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層における中空粒子含有割合と、断熱層の熱伝導率及び体積比熱との関係について検討した結果について説明する。ここでは、断熱層における中空粒子の含有比率が０ｖｏｌ％から７５ｖｏｌ％までの範囲で異なる断熱層を作製し、その中空粒子量の差による断熱層の熱伝導率及び体積比熱を比較した。具体的に、断熱層として、それぞれ中空粒子を０ｖｏｌ％、４０ｖｏｌ％、６０．７ｖｏｌ％、６７．８ｖｏｌ％又は７５ｖｏｌ％の体積比率で含む５種類の断熱層を作製した。このとき、フィラー材とガラス質材の含有比は、断熱層における中空粒子を除く残部において、体積比でフィラー材：ガラス質材＝７：９３で一定となるように調整した。
断熱層を作製するための材料として、中空粒子に上記シラスバルーンを用い、フィラー材にチタン酸カリウム繊維を用い、ガラス前駆体にシリコンアルコキシドからなる株式会社イズモ製Ｇ−９０を用いて、上記製造方法により断熱層を得た。なお、断熱層はアルミ合金製基材上に形成した。
得られた断熱層のそれぞれに対して、熱拡散率（ｍ２／ｓ）、密度（ｋｇ／ｍ３）及び重量比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）を測定した。それらの測定法はそれぞれ常法を用い、具体的に、熱拡散率はレーザフラッシュ法を用いて測定し、密度はアルキメデス法を用いて測定し、重量比熱は示差走査熱量法（ＤＳＣ法）を用いて測定した。なお、測定は２５℃の条件下で行った。これらの測定結果に基づいて、体積比熱及び熱伝導率を、体積比熱（ｋＪ／ｍ３・Ｋ）＝密度×熱拡散率、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）＝熱拡散率×密度×重量比熱の式からそれぞれ算出した。その結果を図５に示す。
図５に示すように、断熱層の熱伝導率及び体積比熱は、断熱層における中空粒子の含有割合が増えるに従って低減する。具体的に、断熱層が中空粒子を含まない場合（０ｖｏｌ％）は、熱伝導率が０．６３Ｗ／ｍ・Ｋであり、体積比熱が２１５９ｋＪ／ｍ３・Ｋであったが、中空粒子の含有割合を４０ｖｏｌ％まで増やすと、熱伝導率が０．４Ｗ／ｍ・Ｋであり、体積比熱が１３００ｋＪ／ｍ３・Ｋにまで低減した。さらに、断熱層における中空粒子含有割合を７５ｖｏｌ％にまで増大させると、熱伝導率が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋであり、体積比熱が４００ｋＪ／ｍ３・Ｋにまで低減した。
また、ピストン頂面に上記中空粒子含有率が６０．７ｖｏｌ％である断熱層（厚みが約７５μｍ）を形成し、量産ガソリンエンジンにそのピストンを組み込んで高速加減速モードの耐久試験を実施したところ、断熱層の隔離はなく、耐久信頼性も高いことが確認できた。
このように、本発明に係る断熱層では、中空粒子を含有させることにより、熱伝導率及び体積比熱が低く、断熱性能が高く、且つ耐久性が高い断熱層を得ることが可能であることが示唆された。
１ ピストン
３ シリンダブロック
５ シリンダヘッド
７ 吸気バルブ
１１ 排気バルブ
１９ ピストン本体
１９ａ 頂面
２１ 断熱層
２３ 中空粒子
２５ フィラー材
２７ ガラス質材
３ シリンダブロック
５ シリンダヘッド
７ 吸気バルブ
１１ 排気バルブ
１９ ピストン本体
１９ａ 頂面
２１ 断熱層
２３ 中空粒子
２５ フィラー材
２７ ガラス質材
Claims (8)
- エンジン燃焼室に臨む部材表面に設けられた断熱層の製造方法であって、
エンジン燃焼室に臨むアルミ合金製部材を準備する工程と、
前記部材の表面をアルマイト処理する工程と、
熱処理によりガラス質材となる前駆体を含有する溶液と、中空粒子と、フィラー材とを混合する工程と、
前記混合された混合物を前記アルマイト処理された部材表面に塗布する工程と、
前記塗布された混合物に対して９０℃以上１６０℃以下で４０分以内の熱処理を行うことにより、前記前駆体をガラス質材に変化させる工程とを備えていることを特徴とするエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法。 - 前記前駆体としてシリコンアルコキシドを用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に臨む部材表面の断熱層の製造方法。
- 前記中空粒子と前記フィラー材と前記ガラス質材との体積比率（ｖｏｌ％）は、中空粒子：フィラー材：ガラス質材＝４０〜７５：１〜５：２３〜５８の範囲にする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に臨む部材表面の断熱層の製造方法。
- 前記中空粒子と前記フィラー材と前記ガラス質材との質量比率（ｍａｓｓ％）は、前記ガラス質材が最も大きく、且つ、中空粒子：フィラー材：ガラス質材＝１７〜４８：５〜１４：４４〜７５の範囲にすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法。
- 前記断熱層の熱伝導率が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲となるようにすることを特徴とする請求項３又は４に記載のエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法。
- 前記断熱層の体積比熱が４００ｋＪ／ｍ３・Ｋ以上１３００ｋＪ／ｍ３・Ｋ以下の範囲となるようにすることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法。
- 前記中空粒子は、少なくともシリカ及びアルミナのいずれかを主成分とし、メディアン径が５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法。
- 前記フィラー材は、少なくとも繊維状無機酸化物及び遷移金属酸化物のいずれかからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室に臨む部材表面の断熱層の製造方法。
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