JP6761750B2

JP6761750B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP6761750B2
Application number: JP2016244393A
Authority: JP
Inventors: 脇坂　佳史; 佳史脇坂; 剛生山口; 守石切山; 渡部　雅王; 雅王渡部; 暁生川口; 英男山下
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-12-16
Also published as: JP2018096342A

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、内燃機関の燃焼室に臨む壁面の少なくとも一部に断熱膜が形成された内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室において、燃焼ガスから燃焼室壁面に逃げる熱損失は、気流（タンブル、スワール、スキッシュ等）や筒内に直接噴射した燃料の噴霧流に起因する対流熱損失と、燃焼ガス若しくは火炎からの輻射に起因する輻射熱損失がある。

従来から、対流熱損失を低減するために、内燃機関の燃焼室に臨む壁面の少なくとも一部を断熱する技術が提案されている（非特許文献１）。非特許文献１においては、ピストン頂面部を厚さ５ｍｍのセラミックで形成している。これによって、燃焼室内の燃焼ガスから燃焼室構成部品への熱伝達量を低減することを狙っている。

また、輻射熱損失を低減するために、内燃機関の燃焼室に臨む壁面の少なくとも一部に鏡面層を形成する技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１では、ピストンヘッド部の燃焼室側の壁面（ピストン頂面）に鏡面層を形成することによって、燃焼ガスが有する赤外線を鏡面層で反射させ、赤外線を燃焼室内に封じ込め、輻射熱による燃焼室壁面からの熱の逃げを防止している。

また、内燃機関に関する技術として、ピストン頂面において、燃焼生成物のすすや、燃料の燃え残り、潤滑油が元になって生成されるデポジットを抑止する技術が開示されている（特許文献２）。

特開平２−１２３２５５号公報特開平１１−１９３７２１号公報

Gerhard Woschni他, "Heat Insulation of Combustion Chamber Walls - A Measure to Decrease the Fuel Consumption of I.C. Engines?", SAE Paper 870339, Society of Automotive Engineers, 1987

内燃機関の燃焼室に臨む壁面、例えば、ピストン頂面にデポジットが堆積すると、輻射熱はデポジットの層（以下、デポジット層と言う）で吸収され、特許文献１のようにピストン頂面に鏡面層を設けても輻射熱の反射量は著しく低下してしまう。また、デポジット層を透過した後に、鏡面層によって反射された輻射熱もデポジット層を再通過する際に再吸収されるため、結果として、輻射熱損失を低減することがほとんどできない。

特許文献１には、ピストン頂面において鏡面層の下に断熱材（断熱膜）を配置した例も開示されており、この例の場合、断熱膜はピストン頂面の温度を高めデポジットの堆積を抑制する効果があると考えられる。断熱膜として通常良く用いられるセラミック層を形成すると仮定すると、ピストン頂面の表面温度が常時高温になるため、デポジットを焼き切って輻射熱の反射による熱損失低減効果を得ることはできる。しかし、表面温度が常時高温になることによる出力低下や排気ガスの悪化という欠点が大きくなり、熱損失低減の利点が帳消しになってしまう恐れがある。

従って、燃焼室に臨む壁面（ピストン頂面など）に従来の鏡面層と断熱膜とを形成したとしても、輻射熱損失の低減効果を期待通りに得ることができない。

そこで、本発明は、対流熱損失の低減に加えて、輻射熱損失も効果的に低減することができる内燃機関を提供することを目的する。

本発明の内燃機関は、燃焼室に臨む壁面の少なくとも一部に断熱膜が形成されてなる内燃機関であって、前記断熱膜は、熱伝導率が０．６Ｗ／ｍＫ以下であり、体積比熱が１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以下であり、膜厚が４０μｍ〜１５０μｍの範囲内の厚さであり、前記断熱膜の表面には、燃焼ガスから輻射される光を反射するための反射層が設けられており、前記断熱膜は、膜の厚さ方向に延びた空隙を内側に有する柱状のアルミナが膜表面に沿って並んで構成される皮膜を含む、ことを特徴とする。

また、本発明の内燃機関において、前記断熱膜は、熱伝導率が０．１〜０．３Ｗ／ｍＫの範囲にあり、体積比熱が１００〜９００ｋＪ／ｍ^３Ｋの範囲にある、としても好適である。

また、本発明の内燃機関において、前記断熱膜は、前記断熱膜が形成されている壁面上に堆積したデポジットを、吸気行程時には焼き切らず、燃焼行程時に焼き切る、としても好適である。

また、本発明の内燃機関において、前記反射層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕの少なくとも一種を含んで形成されている、としても好適である。

また、本発明の内燃機関において、前記断熱膜は、シリカ、又は、アルミナを主成分とする物質からなる、としても好適である。

また、本発明の内燃機関において、前記断熱膜の気孔率が７０％よりも高い、としても好適である。

本発明によれば、断熱膜が燃焼ガス温度に追従するにように表面温度が変化する低熱伝導率かつ低熱容量の薄膜である為、対流熱損失を低減できると共に、断熱膜が、吸気行程時は低温になり、燃焼行程時は高温になってデポジットを焼き切り反射層を露出させるので、効果的に輻射熱損失を低減することができる。

本発明の実施形態における内燃機関の概略構成を示す図である。ピストンのピストン頂面付近を拡大した断面図である。デポジット及び反射層の有無を変更した各ピストン頂面付近の構成を示す断面図である。デポジット及び反射層の反射率と、吸収率と、透過率との一例を示す図である。デポジット及び反射層の有無を変更した各ピストン頂面における輻射熱の吸収割合を示す図である。クランク角に対するガス温度と燃焼室壁面温度との遷移の一例を示す図である。各物質の熱伝導率及び体積比熱と、本発明の実施形態で要求される断熱膜の熱伝導率及び体積比熱の範囲とを示す図である。異なる熱物性を有する各々の物質の熱伝導率と体積比熱とを示す図である。異なる熱物性を有する各々の物質を断熱膜に用いた場合の各々の断熱膜（ピストン頂面）の燃焼時最高温度の一例を示す図である。断熱膜の膜厚の違いに応じた膜表面最高温度の一例を示す図である。断熱膜の構成例を示す図である。断熱膜の他の構成例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関１０の概略構成を示す図であり、シリンダ１６の軸線方向と直交する方向から見た内部構成の概略を示す。本実施形態に係る内燃機関１０は、例えばガソリンエンジンにより構成され、点火栓３４により燃焼室２０内の混合気に火花点火して火炎伝播燃焼させるものである。

内燃機関（例えばガソリンエンジン）１０は、シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１４を備え、シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１４によりシリンダ１６が形成されている。シリンダ１６内には、その軸線方向に往復運動するピストン１８が収容されている。ピストン１８の頂面１８ａ、シリンダブロック１２の内壁面１２ａ、及びシリンダヘッド１４の下面１４ａに囲まれた空間が燃焼室２０である。

シリンダヘッド１４には、燃焼室２０に連通する吸気ポート２２、及び、燃焼室２０に連通する排気ポート２４が形成されている。さらに、吸気ポート２２と燃焼室２０との境界を開閉する吸気弁２６、及び排気ポート２４と燃焼室２０との境界を開閉する排気弁２８が設けられている。吸気ポート２２には燃料噴射弁３２が設置されており、燃料噴射弁３２から吸気ポート２２内に燃料（例えばガソリン等の炭化水素系燃料）が噴射され、吸気行程にて燃料と空気の混合気がシリンダ１６内に導入される。

シリンダヘッド１４には、点火栓３４（点火プラグ）がその火花放電部分を燃焼室２０内のほぼ中央部に臨ませて配置されており、点火時期にて点火栓３４の火花放電により燃焼室２０内の混合気に点火することで、燃焼室２０内の混合気を火炎伝播燃焼させる。燃焼室２０内の燃焼ガスは、排気行程にて排気ポート２４へ排出される。シリンダブロック１２には、冷却水ジャケット３０が形成されており、冷却水ジャケット３０に冷却水が供給されることで、内燃機関１０の冷却が行われる。

本実施形態では、燃焼室２０を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室２０内に臨む（面する）壁面上に、燃焼室２０内の燃焼ガスから母材への伝熱を抑制するための断熱膜３６が形成されている。換言すれば、燃焼室２０に臨む壁面の少なくとも一部に断熱膜３６が形成されている。また、断熱膜３６の（燃焼室２０側の）表面には、可視光から赤外線までの波長範囲（４００ｎｍ〜１ｍｍ程度）の光に対して高い反射率を有する反射層３８が設けられている。

ここで、燃焼室２０を形成する母材として、シリンダブロック（シリンダライナ）１２、シリンダヘッド１４、ピストン１８、吸気弁２６、及び排気弁２８を挙げることができる。そして、燃焼室２０内に臨む壁面として、シリンダブロック内壁面（シリンダライナ内壁面）１２ａ、シリンダヘッド下面１４ａ、ピストン頂面１８ａ、吸気弁底面（傘部底面）２６ａ、及び排気弁底面（傘部底面）２８ａのいずれか１つ以上を挙げることができる。図１では、シリンダブロック内壁面１２ａ、シリンダヘッド下面１４ａ、ピストン頂面１８ａ、吸気弁底面２６ａ、及び排気弁底面２８ａの各々に断熱膜３６と反射層３８とを形成した例を示している。しかし、必ずしもそれら全てに断熱膜３６と反射層３８とを形成する必要はない。つまり、断熱膜３６と反射層３８とについては、シリンダブロック内壁面１２ａ、シリンダヘッド下面１４ａ、ピストン頂面１８ａ、吸気弁底面２６ａ、及び排気弁底面２８ａのいずれか１つ以上に形成することができる。

図２は、図１の点線で囲まれた領域（ピストン頂面１８ａ付近）を拡大した図（断面図）である。前述したように、母材であるピストン１８（ピストン母材１８ｂ）には、断熱膜３６と反射層３８とが形成されている。本実施形態の断熱膜３６は、燃焼ガス温度に追従するにように表面温度が変化する低熱伝導率かつ低熱容量の薄膜である。本実施形態では、断熱膜３６が形成された燃焼室壁面（ピストン頂面１８ａ等）が内燃機関の燃焼行程時に高温になり、燃焼室壁面上に堆積したデポジット（燃焼生成物のすすや、燃料の燃え残り、潤滑油が元になって生成されるもの）を焼き切る。それにより、断熱膜３６の表面にある反射層３８が燃焼室２０に露出し、燃焼室２０内の燃焼ガスや火炎から輻射される輻射熱を反射層３８で反射させることができる。よって、本実施形態の内燃機関は、輻射熱による燃焼室壁面からの熱の逃げを防止することができ、輻射熱損失を低減することができる。

本願発明者らは、デポジット及び反射層３８の有無を変更した各ピストン頂面の構成において、輻射熱がピストン頂面で吸収される割合（吸収割合）を計算した。図３は、デポジット４０及び反射層３８の有無を変更した各ピストン頂面付近の構成を示す断面図である。構成Ａは、ピストン母材１８ｂに形成された断熱膜３６の上に、反射層３８が無く、デポジット４０が堆積した構成である。構成Ｂは、ピストン母材１８ｂに形成された断熱膜３６の上に、反射層３８が有り、デポジット４０が堆積していない構成である。構成Ｃは、ピストン母材１８ｂに形成された断熱膜３６の上に、反射層３８が有り、更にその上にデポジット４０が堆積した構成である。

図４は、デポジット４０及び反射層３８の輻射熱に対する反射率と、吸収率と、透過率との一例を示す表である。図４に示すように、デポジットの輻射熱の吸収率は非常に高く、断熱膜３６又は反射層３８の上にデポジットが堆積した場合（図３の構成Ａと構成Ｂ）には、輻射熱の多くがデポジットで吸収され、断熱膜３６又は反射層３８に到達する輻射熱は少量となることが分かる。また、図３の構成Ｃのように、反射層３８がある場合には、デポジット４０を透過した輻射熱が反射層３８によって反射されることになるが、その輻射熱もデポジット４０を再通過する際に再吸収されるため、燃焼室側へ反射する輻射熱は非常に少ない。一方で、図４に示すように、反射層３８の輻射熱の吸収率は低く、輻射熱に対する反射率が非常に高い為、図３の構成Ｂのように、反射層３８の上にデポジット４０の堆積が無ければ、燃焼室側からの輻射熱の多くを燃焼室に向かって反射させることが可能である。なお、図４において、反射層３８の吸収率が０となっているのは、反射層３８の層厚が非常に薄いからである。

図５は、図３に示した各ピストン頂面の構成において、輻射熱がピストン頂面で吸収される割合（吸収割合）を計算した結果である。図５には、全輻射熱量を１とした場合の吸収割合が示されている。図５に示すように、構成Ａや構成Ｃのようにピストン頂面にデポジットが堆積している場合には、ピストン頂面の輻射熱の吸収割合が非常に高くなる。よって、燃焼室側へ反射される輻射熱の量は非常に少ない。一方で、構成Ｂのように、デポジットの堆積が無く反射層３８が燃焼室に露出している場合には、ピストン頂面の輻射熱の吸収割合が非常に低く、燃焼室側へ反射される輻射熱の量が非常に多くなる。図５では、構成Ｂの輻射熱の吸収割合は０．１であり、残りの０．９（＝１．０−０．１）は燃焼室側へ反射されることになる。なお、構成Ｂは、デポジットの堆積が全く無く、反射層３８の全体が燃焼室に露出している構成であるが、デポジットの堆積が少ない場合や反射層３８の一部が燃焼室に露出している場合であっても、構成Ｂほどではないが、多くの輻射熱を燃焼室側へ反射させることができる。

このように、燃焼室側へ輻射熱を反射させ、輻射熱損失を低減する為には、燃焼室壁面上のデポジットを排除する又は少なくすることが重要である。本実施形態の内燃機関は、燃焼行程時に燃焼室壁面上のデポジットを焼き切り排除する又は少なくする為、輻射熱損失を低減することが可能となっている。なお、後述するように、燃焼室壁面の温度は吸気行程時は低温となり、出力低下や排気ガスの悪化が防がれている。

燃焼室において燃焼ガスから燃焼室壁面に逃げる熱損失は、上記した輻射熱損失の他に、気流（タンブル、スワール、スキッシュ等）や筒内に直接噴射した燃料の噴霧流に起因する対流熱損失がある。対流熱損失（ＣＱｌｏｓｓ）については、燃焼室内の圧力やガス流に起因する熱伝達係数ｈ［Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）］、燃焼室内の表面積Ａ［ｍ^２］、燃焼室内のガス温度Ｔｇ［Ｋ］、及び燃焼室の壁面温度Ｔｗａｌｌ［Ｋ］を用いて、以下の（数１）式で表すことができる。

ＣＱｌｏｓｓ＝Ａ×ｈ×（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ）（数１）

内燃機関のサイクルにおいては、燃焼室内のガス温度Ｔｇが時々刻々変化するが、本実施形態の断熱膜３６は低熱伝導率かつ低熱容量の薄膜である為、断熱膜３６が形成された燃焼室壁面の壁面温度Ｔｗａｌｌを、燃焼室内のガス温度Ｔｇに追従させるよう時々刻々変化させることができる。よって、数（１）式における（Ｔｇ−Ｔｗａｌｌ）の値を小さくすることができ、対流熱損失（ＣＱｌｏｓｓ）を低減することができる。なお、対流熱損失を低減させる際には、吸気行程での燃焼室壁面温度Ｔｗａｌｌの上昇を抑えつつ、１サイクルにおける燃焼室壁面温度Ｔｗａｌｌの変動幅（スイング幅）ΔＴを増加させることが好ましい。吸気行程での燃焼室壁面温度Ｔｗａｌｌの上昇を抑える理由は、吸気行程時に燃焼室の壁面温度が高くなってしまうと、壁面からガスへ伝わる熱量が増加し、燃焼室内ガスの加熱量が増加し、充填効率が低下して出力が低下しやすくなる為である。また、排気ガスの悪化が起こる為である。

図６は、クランク角（圧縮上死点が０°）に対するガス温度と燃焼室壁面温度との遷移の一例を示す図である。図６では、一点鎖線がガス温度を、二点鎖線が燃焼室壁を金属壁とした場合の壁面温度を、実線が燃焼室壁面に低熱伝導率かつ低熱容量の薄膜の断熱膜３６を形成した場合の壁面温度を表している。図６の実線に示すように、本実施形態のような低熱伝導率かつ低熱容量の薄膜の断熱膜３６を形成した壁面の壁面温度は、ガス温度に追従し、吸気行程での温度上昇が抑えられ、スイング幅ΔＴを大きくすることができる。

なお、本実施形態の断熱膜３６が形成された壁面の壁面温度は、吸気行程時は低温となる為、吸気行程時には壁面上に堆積したデポジットは焼き切られず、主に燃焼行程時に壁面上のデポジットが焼き切られる。

以上説明したように、本実施形態の内燃機関は、対流熱損失と輻射熱損失とを同時に低減することができるものである。燃焼ガスから燃焼室壁面への熱損失を低減すると、低減した分のエネルギーは燃焼室内の圧力上昇と燃焼ガス温度の温度上昇に分配される。圧力上昇はピストン仕事の増加を意味し、熱効率が向上する。また、燃焼ガス温度の上昇は、排気温度の増加、すなわち、排気エネルギーの増加を意味するため、ターボチャージャーを備えているエンジンであれば、過給機によって回収できるエネルギーが増えるため、総合的な熱効率が向上する。エンジンの熱効率が向上すると、車両上で同一トルクを得る場合に、必要な燃料消費量が減少するため、エンジンの燃費が改善することになる。

次に、本実施形態の断熱膜３６の熱物性について説明する。本願発明者らは、対流熱損失と輻射熱損失とを同時に低減することができる断熱膜３６の熱物性について検討した。そして、本願発明者らは、燃焼室壁面上に形成する断熱膜３６としては、熱伝導率λが０．６Ｗ／ｍＫ以下で、単位体積あたりの熱容量（体積比熱）ρＣが１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以下である熱物性を有する物質が適切である、ことを見い出した。また、断熱膜３６の膜厚としては、４０μｍ〜１５０μｍの範囲内の厚さが適切である、ことを見い出した。本願発明者らの検討によると、断熱膜３６の熱物性及び膜厚がこの範囲内に入っていれば、ガソリンエンジンを対象に、機関回転数が２０００ｒｐｍ、正味平均有効圧が１．０ＭＰａの条件において、断熱膜３６の表面温度が最大で４００℃以上となり、燃焼室壁面上に堆積するデポジットの少なくとも過半数を焼き切ることができる。また、本願発明者らの検討によると、熱伝導率λが０．３Ｗ／ｍＫ以下で、単位体積あたりの熱容量（体積比熱）ρＣが９００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以下である熱物性を有する物質からなる断熱膜３６であれば、同じ条件において、断熱膜３６の表面温度が最大で５５０℃以上となり、ほぼ全てのデポジットを焼いて付着を抑制することができる。

図７は、各物質の熱伝導率及び体積比熱と、本実施形態における断熱膜３６の熱伝導率及び体積比熱の範囲とを示すグラフである。図７において、点線で囲まれた範囲が、熱伝導率λが０．６Ｗ／ｍＫ以下、かつ、体積比熱ρＣが１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以下の範囲であり、本実施形態における断熱膜３６の熱物性の範囲である。また、図７において、一点鎖線で囲まれた範囲が、熱伝導率λが０．３Ｗ／ｍＫ以下、かつ、体積比熱ρＣが９００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以下の範囲であり、ほぼ全てのデポジットを焼き切ることができる断熱膜３６の熱物性の範囲である。なお、図７のグラフにおいて、右に向かう程、すなわち、体積比熱が大きくなる程、物質の信頼性（耐久性）が高くなる。

図８は、互いに異なる物質０〜物質２の熱伝導率及び体積比熱を示す表である。図７のグラフには、図８に示された物質０〜物質２の各々の熱伝導率及び体積比熱に応じた位置に目印（★など）がプロットされ、その目印には「物質０」〜「物質２」が付記されている。図７に示すように、物質０はジルコニアであり、本実施形態における断熱膜３６の熱物性（熱伝導率及び体積比熱）の範囲には入らない物質であり、物質１及び物質２は本実施形態における断熱膜３６の熱物性の範囲に入る物質である。

図９は、図８に示された各々の物質（物質０〜物質２）を断熱膜３６としてピストン頂面に形成した場合の各々のピストン頂面の燃焼時最高温度を示すグラフである。図９は、ガソリンエンジンで、機関回転数が２０００ｒｐｍ、正味平均有効圧が１．０ＭＰａの条件におけるピストン頂面の温度である。図９に示すように、物質０〜物質２の吸気行程時の温度は２００℃程度でほぼ同じであるが、燃焼時最高温度は各物質で異なる。熱伝達率と体積比熱とが高い（熱伝導率λが０．６Ｗ／ｍＫ以下、かつ、体積比熱ρＣが１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以下の要件を満たさない）物質０は燃焼時最高温度が４００℃に到達せず、燃焼室壁面上に堆積するデポジットを十分に焼くことができない。一方で、熱伝導率λが０．６Ｗ／ｍＫ以下、かつ、体積比熱ρＣが１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以下の要件を満たす物質１及び物質２は、燃焼時最高温度が４００℃を超え５５０℃以上になり、燃焼室壁面上のデポジットのほぼ全てを焼くことができる。よって、断熱膜３６の表面にある反射層３８が燃焼室内に露出し、反射層３８が燃焼ガスからの輻射熱を反射させ、輻射熱損失を低減することができる。なお、図９には図示されていないが、熱伝導率λが０．３（Ｗ／ｍＫ）＜熱伝導率λ≦０．６（Ｗ／ｍＫ）、かつ、体積比熱ρＣが９００（ｋＪ／ｍ^３Ｋ）＜体積比熱ρＣ≦１５００（ｋＪ／ｍ^３Ｋ）の熱物性を有する物質であれば、燃焼時最高温度が４００℃以上になり、燃焼室壁面上のデポジットの過半数を焼くことができる。よって、断熱膜３６の表面にある反射層３８の一部が燃焼室内に露出し、又は、デポジットの層が非常に薄くなり、デポジットにおける輻射熱の吸収率が大幅に低減されることになるため、反射層３８により輻射熱を反射させる効果が発現され、輻射熱損失を低減することができる。

なお、前述したように、体積比熱が大きくなる程、物質の信頼性（耐久性）が高くなる。そこで、信頼性（耐久性）が低い物質を排除し、本実施形態における断熱膜３６の体積比熱の範囲を、例えば、１００〜９００ｋＪ／ｍ^３Ｋ、又は、１００〜１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋとしても良い。このようにすることで、対流熱損失と輻射熱損失との低減に加えて、信頼性（耐久性）が確保された断熱膜３６とすることができる。また、本実施形態における断熱膜３６の熱伝導率の範囲を、例えば、０．１〜０．３Ｗ／ｍＫ、又は、０．１〜０．６Ｗ／ｍＫとしても良い。

図９にはガソリンエンジンでの燃焼時最高温度が示されているが、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼時最高温度は、図９に示されている温度よりさらに高くなる。換言すれば、同じ熱物性の断熱膜３６であっても、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンよりも、断熱膜３６の表面温度が高くなる。これは、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比べて、シリンダ内の気流が強く、かつ圧縮比が高いためガスから燃焼室壁への熱の移動しやすさを示す伝達率が２〜３倍高く、燃焼ガスから燃焼室壁面に移動する熱量が大きくなり、スイング幅ΔＴが大きくなるからである。

図１０は、熱伝導率λが０．３Ｗ／ｍＫ、かつ、体積比熱ρＣが９００ｋＪ／ｍ^３Ｋの物質からなる断熱膜３６における、膜厚の違いに応じた膜表面最高温度を示すグラフである。図１０に示すように、膜の厚さが薄すぎる（例えば、膜厚が４０μｍ未満である）場合には十分なスイング幅ΔＴが得られず、膜表面最高温度が５５０℃（デポジットをほぼ全て焼くことができる温度）に到達しない。一方、膜の厚さが厚すぎる（例えば、膜厚が１５０μｍよりも厚い）場合には、吸気行程時に断熱膜３６の表面温度（壁面温度）が高温になり易くなり（吸気加熱が起こり易くなり）、出力低下等の性能悪化に至る。そこで、断熱膜３６の膜厚は、４０μｍ〜１５０μｍの範囲内の厚さが適切である。なお、図１０では、熱伝導率λが０．３Ｗ／ｍＫ、かつ、体積比熱ρＣが９００ｋＪ／ｍ^３Ｋの熱物性を有する断熱膜３６について示したが、それ以外の熱物性を有する断熱膜３６においても同様である。すなわち、例えば、熱伝導率λが０．６Ｗ／ｍＫ、かつ、体積比熱ρＣが１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋの物質からなる断熱膜３６においても、膜厚は４０μｍ〜１５０μｍの範囲内の厚さが適切であり、この膜厚であれば膜表面最高温度が４００℃に達しデポジットの過半数を焼き切ることができると共に、吸気加熱を抑制することができる。

次に、本実施形態の断熱膜３６の構成について説明する。図１１は、本実施形態の断熱膜３６の構成例を示す図であり、断熱膜３６として多孔質陽極酸化皮膜３６ａ（アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３））が示されている。多孔質陽極酸化皮膜３６ａは、母材（例えばピストン母材１８ｂ）のアルミニウム合金を電解液中で電荷をかけて酸化させ、中央に孔の空いた柱状のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）がアルミニウム表面から膜の厚さ方向に多数成長することで、形成されている。また、図１１の多孔質陽極酸化皮膜３６ａには、膜内部の空隙５１の量を増やし、かつ熱および応力への耐久性を高めるために膜表面にシリカ（ＳｉＯ_２）５０が充填されている。これにより、多孔質陽極酸化皮膜３６ａの気孔率は７０％よりも高くなっている。

図１２は、本実施形態の断熱膜３６の他の構成例を示す図である。図１２の断熱膜３６は、中空体５２と低熱伝導率のバインダ５４とにより構成され、母材（例えばピストン母材１８ｂ）上に形成されている。中空体５２の材料は例えばシリカやアルミナであり、バインダ５４の材料は例えば水ガラスである。図１２の断熱膜３６も、気孔率は７０％よりも高くなるように構成されている。

次に、本実施形態の反射層３８について説明する。前述したように、本実施形態の反射層３８は、可視光から赤外線までの波長範囲（４００ｎｍ〜１ｍｍ程度）の光に対して高い反射率を有する。これにより、燃焼ガスが有する赤外線、すなわち、輻射熱を反射層３８で反射させることができる。

反射層３８は、例えば、断熱膜３６の表面を研磨して鏡面化することで形成することができる。また、反射層３８は、例えば、スパッタ等の表面処理技術を用いて、１μｍ以下の金属層を形成することにより設けられても良い。この場合には、金属層の金属として、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）を挙げることができる。Ｐｔ（白金）やＡｕ（金）の金属層を設ければ、非常に高い反射率を持った反射層３８となり、例えば、図４に示した反射層３８の反射率（０．８０）を、０．９０以上にまで高めることができる。

また、反射層３８は、例えば、図１２を用いて説明したバインダ５４に金属粉を混ぜ込むことで、形成されても良い。この場合には、金属粉の金属として、上記した表面処理の場合と同様に、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）を挙げることができる。また、上記した表面処理の場合と同様に、Ｐｔ（白金）やＡｕ（金）を用いれば高い反射率が得られる。

また、反射層３８は、例えば、屈折率の異なる積層膜を形成することで、選択した特定の波長の反射率を高めるように設けられても良い。

以上説明したように、本実施形態の内燃機関は、断熱膜３６が低熱伝導率かつ低熱容量の薄膜である為、断熱膜３６が形成された壁面の壁面温度が燃焼ガス温度に追従するにように変化する。よって、対流熱損失を低減することができる。また、断熱膜３６の表面温度（壁面温度）は、吸気行程時には低温となるため、出力低下や排気ガスの悪化を抑制することができる。また、本実施形態の内燃機関は、断熱膜３６の表面温度（壁面温度）が燃焼行程時に高温になり、堆積したデポジットを焼き切り、断熱膜３６の表面にある反射層３８を燃焼室に露出させ、燃焼室内の燃焼ガスや火炎から輻射される輻射熱を反射層３８で反射させることができる。よって、輻射熱損失も効果的に低減することができる。

なお、内燃機関を搭載した車両が、市街地などで低速・低負荷で運転され続けている場合には、断熱膜３６の表面温度（壁面温度）が上昇せず、壁面上のデポジットを十分に焼くことができずにデポジットが堆積してしまうことも考えられる。そこで、デポジットの堆積を防止する目的で、定期的に高負荷での運転がされることで、断熱膜３６の表面温度を上昇させ、デポジットを除去するようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０内燃機関、１２シリンダブロック、１２ａシリンダブロック内壁面、１４シリンダヘッド、１４ａシリンダヘッド壁面、１６シリンダ、１８ピストン、１８ａピストン頂面、１８ｂピストン母材、２０燃焼室、２２吸気ポート、２４排気ポート、２６吸気弁、２６ａ吸気弁底面、２８排気弁、２８ａ排気弁底面、３０冷却水ジャケット、３２燃料噴射弁、３４点火栓、３６断熱膜、３６ａ多孔質陽極酸化皮膜、３８反射層、４０デポジット、５０シリカ、５１空隙、５２中空体、５４バインダ。

Claims

燃焼室に臨む壁面の少なくとも一部に断熱膜が形成されてなる内燃機関であって、
前記断熱膜は、熱伝導率が０．６Ｗ／ｍＫ以下であり、体積比熱が１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以下であり、膜厚が４０μｍ〜１５０μｍの範囲内の厚さであり、
前記断熱膜の表面には、燃焼ガスから輻射される光を反射するための反射層が設けられており、
前記断熱膜は、膜の厚さ方向に延びた空隙を内側に有する柱状のアルミナが膜表面に沿って並んで構成される皮膜を含む、
内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記断熱膜は、熱伝導率が０．１〜０．３Ｗ／ｍＫの範囲にあり、体積比熱が１００〜９００ｋＪ／ｍ^３Ｋの範囲にある、
内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関において、
前記断熱膜は、前記断熱膜が形成されている壁面上に堆積したデポジットを、吸気行程時には焼き切らず、燃焼行程時に焼き切る、
内燃機関。
請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記反射層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕの少なくとも一種を含んで形成されている、
内燃機関。
請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記断熱膜は、シリカ、又は、アルミナを主成分とする物質からなる、
内燃機関。
請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記断熱膜の気孔率が７０％よりも高い、
内燃機関。