JP7238752B2 - 内燃機関の製造方法および内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内側に気筒を形成する気筒形成部材と、気筒内に往復動可能に収容されたピストンと、気筒とピストンとにより画成された燃焼室に燃料を供給するインジェクタと、インジェクタと対向するピストンの冠面を覆いかつ当該ピストンよりも熱伝導率の低い断熱層とを備えた内燃機関およびその製造方法に関する。

内燃機関の熱効率を向上させること等を目的として、燃焼室の壁面を断熱層で覆うことが提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃焼室を規定する基材の表面に、基材よりも熱伝導率の低い断熱層を形成した内燃機関が開示されている。

具体的に、特許文献１では、上記断熱層を形成する方法として、当該断熱層の材料である被膜材（Ｓｉ系樹脂、中空粒子、希釈溶剤などの混合物）を基材の表面に塗布するとともに、その状態でエンジンを組み立てて燃焼試験（着火試験）を行うことが提案されている。被膜材が塗布されたエンジンを燃焼試験に供すれば、その燃焼熱によって上記被膜材の表面が酸化（硬化）し、これによって上記断熱層が形成される。

このような特許文献１の断熱層の形成方法によれば、断熱層を形成するための工程の一部をエンジンの組立後に通常行われる燃焼試験により代用できるので、断熱層の形成にかかる工数を削減できる等の利点がある。

特開２０１４－１７１８号公報

しかしながら、本願発明者等の研究によれば、上記特許文献１のように混合気の燃焼熱で被膜材を加熱する方法により断熱層を形成した場合、断熱層の品質が必ずしも安定せず、断熱層の一部に剥がれが生じるケースがあることが判明した。その原因を探ったところ、本願発明者等は、燃焼試験中にインジェクタから供給された燃料の一部が液滴のまま被膜材に付着することが有力な原因であることをつきとめた。すなわち、液滴状態の燃料が被膜材に付着すると、付着した燃料により被膜材が希釈もしくは溶解され（以下、単に希釈という）、この希釈された部分（燃料が付着した部分）において被膜材の粘度が低下する結果、当該部分の被膜材が燃焼試験時の燃焼圧力を受けて飛散し、上述した剥がれを招いているものと考えられる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、剥がれ等のない優れた品質の断熱層を容易に形成することが可能な内燃機関の製造方法等を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、内側に気筒を形成する気筒形成部材と、気筒内に往復動可能に収容されたピストンと、気筒とピストンとにより画成された燃焼室に燃料を供給するインジェクタと、インジェクタと対向するピストンの冠面を覆いかつ当該ピストンよりも熱伝導率の低い断熱層とを備えた内燃機関を製造する方法であって、前記断熱層の材料である被膜材を前記ピストンの冠面に塗布する塗布ステップと、前記被膜材が未硬化の状態で前記気筒形成部材に前記ピストンを組み付ける組立ステップと、前記インジェクタから噴射された燃料を燃焼させて前記ピストンを往復動させることにより、前記被膜材を加熱して硬化させる焼成ステップとを含み、前記焼成ステップは、エンジン回転数が第１回転数になる条件で燃料を燃焼させる第１焼成ステップと、当該第１焼成ステップの後に実施されかつエンジン回転数が前記第１回転数よりも高い第２回転数になる条件で燃料を燃焼させる第２焼成ステップを含む、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、ピストンの冠面に塗布された被膜材が、ピストンおよび気筒形成部材を含む主要部品の組み立て後に実施される運転時の燃焼熱を利用して焼成（硬化処理）されるので、例えば当該焼成のための運転（焼成ステップ）を、内燃機関の製造過程で通常行われる試験運転（燃焼試験）と兼ねることにより、被膜材の焼成つまり断熱層の形成にかかる工数および費用を削減することができる。

また、焼成ステップの前段である第１焼成ステップでは、後段の第２焼成ステップのときよりもエンジン回転数が低く抑えられるので、ピストン冠面に塗布された被膜材に燃料が液滴のまま付着する可能性を低減することができる。すなわち、エンジン回転数が低いこと（換言すればピストンの平均的な移動速度が遅いこと）は、ピストンがインジェクタから遠く離れた位置（特に下死点付近）にある時間が高回転時よりも長くなることを意味する。このことは、ピストンがインジェクタから遠く離れている期間内に所要量の燃料を噴射することを可能にし、燃料がピストン冠面に到達する前に燃料を十分に気化させることを可能にする。これにより、インジェクタから噴射された燃料が液滴のままピストン冠面の被膜材に到達（付着）し難くなるので、付着した燃料（特に燃料に含まれるトルエン）によって未硬化の被膜材が希釈される可能性が低減される。したがって、燃焼による大きな圧力（燃焼圧）が被膜材に作用したとしても、被膜材に生じる形状変化を最小限に抑えることができ、硬化後の被膜材からなる断熱層の品質を良好に確保することができる。例えば、仮に燃料の付着によって被膜材が希釈された場合には、この希釈された部分（燃料が付着した部分）において、被膜材の粘度が低下し、高い燃焼圧が作用したときに被膜材が飛散するおそれがある。これに対し、本発明では、燃料が被膜材に付着し難くなるようにエンジン回転数が低い値に制限されるので、前記のような事情で生じる被膜材の飛散の可能性を低減することができる。その結果、断熱層に剥がれ等の不具合が生じる可能性を低減でき、断熱層の品質を良好に確保することができる。

逆に、後段の第２焼成ステップではエンジン回転数が高められるので、剥がれ等の不具合を抑制する上述した効果を担保しながら、被膜材の内部の硬化（焼成）を促進することができ、断熱層の形成に要する工数を削減することができる。すなわち、被膜材の硬化は内部よりも表面で速く進行する。一方で、被膜材の表面が十分に硬化すれば（内部は未硬化であっても）、燃料の付着による被膜材の希釈は起こらず、燃焼圧により被膜材の一部が飛散するような事態は避けられると考えられる。本発明では、第１焼成ステップから第２焼成ステップへの移行に応じてエンジン回転数が高められるので、例えば被膜材の表面が十分に硬化したタイミングで第２焼成ステップに移行することにより、被膜材の一部が飛散する前記のような事態を避けながら、エンジン回転数の上昇によって被膜材への加熱頻度（被膜材が高温の燃焼ガスに晒される頻度）を増やすことができ、未硬化である被膜材の内部の硬化速度を速めることができる。これにより、被膜材を全体的に硬化させるのに要する時間を短縮することができ、断熱層の品質を担保しつつその形成を効率化することができる。

好ましくは、前記第１焼成ステップでは、前記インジェクタからの燃料の噴射量を前記第２焼成ステップのときよりも減らす（請求項２）。

ピストン冠面の被膜材にインジェクタからの噴射燃料が液滴のまま到達する可能性は、燃料の噴射量が少ないほど低くなる。この態様では、前段の第１焼成ステップにおいて燃料の噴射量が減らされるので、前記の事情により、噴射された燃料が液滴のまま被膜材に到達する（付着する）可能性をより低減することができる。

逆に、後段の第２焼成ステップでは燃料の噴射量が増やされるので、当該噴射量の増大によって燃焼熱（加熱能力）を高めることができる。このことは、上述したエンジン回転数の上昇と相俟って、未硬化である被膜材の内部の硬化速度をより速めることにつながる。これにより、被膜材を全体的に硬化させるのに要する時間をより短縮でき、断熱層の形成を十分に効率化することができる。

好ましくは、前記第１焼成ステップでは、前記インジェクタからの燃料の噴射期間を吸気下死点を含む期間に設定する（請求項３）。

インジェクタからの噴射燃料が液滴のまま被膜材に到達する可能性は、ピストンが下死点に近いほど（言い換えるとピストンがインジェクタから遠ざかるほど）低くなる。この態様では、吸気下死点を含む一連の期間に亘って燃料が噴射されるので、前記の事情により、噴射された燃料が液滴のままピストン冠面の被膜材に到達する（付着する）可能性をより低減することができる。

好ましくは、前記第２焼成ステップは、前記第１焼成ステップの開始からの経過時間が予め定められた所定時間に達したときに開始される（請求項４）。

この態様では、第１焼成ステップから第２焼成ステップへの移行を簡単な方法で決定することができる。

本製造方法は、前記第１焼成ステップにより焼成される前記被膜材の表面の硬化度合いを判定する判定ステップをさらに含んでいてもよい。この場合、前記判定ステップで前記被膜材の表面の硬化が完了したと判定されたときに、前記第１焼成ステップから前記第２焼成ステップに移行することが好ましい（請求項５）。

被膜材の表面の硬化が完了すれば、仮に燃料が付着しても被膜材の希釈は起きないので、第１焼成ステップにより被膜材の燃料の付着を抑制する必要性は薄れる。この態様では、被膜材の表面の硬化が完了したタイミングが判定され、判定されたタイミングで第１焼成ステップから第２焼成ステップへの移行が行われるので、燃焼圧による被膜材の飛散を回避する上述した効果を担保しつつ、燃料噴射の態様を適切に切り替えることができる。なお、被膜材の表面の硬化が完了したタイミングは、例えば排気ガス中の希釈剤の含有量を検出するといった直接的な方法で判定してもよいし、予め実験的に求めた期間が経過したことを確認するという間接的な方法で判定してもよい。

また、本発明は、上述した製造方法により製造された内燃機関を提供するものである（請求項６）。

以上説明したように、本発明によれば、内燃機関の燃焼室の壁面に、剥がれ等のない優れた品質の断熱層を容易に形成することができる。

本発明の一実施形態にかかる製造方法により製造される内燃機関の概略構成を示すシステム図である。 上記内燃機関の主要部の断面図である。 上記内燃機関の製造方法の具体的手順を示すフローチャートである。 ピストン冠面に被膜材を塗布する様子を説明する説明図である。 上記被膜材を焼成するための運転時における各種パラメータの時間変化を示すタイムチャートである。

［エンジンの全体構成］
図１は、本発明の一実施形態にかかる製造方法により製造される内燃機関の概略構成を示すシステム図であり、図２は、内燃機関の主要部の断面図である。本図に示される内燃機関（以下、単にエンジンという）は、４サイクルのガソリンエンジンであって、シリンダブロック１、シリンダヘッド３、およびピストン５を備えている。シリンダブロック１およびシリンダヘッド３は、円筒状の気筒２を内部に形成する部材であり、請求項にいう「気筒形成部材」に相当する。すなわち、シリンダブロック１は、気筒２の周面を規定する壁面（シリンダーライナ）を有しており、シリンダヘッド３は、気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック１の上面に取り付けられている。ピストン５は、シリンダブロック１の内周面（シリンダーライナ）と摺動可能な外周面を有する円筒形の部材であり、気筒２の内部に往復動可能に収容されている。なお、当実施形態のエンジンは、自動車等の車両に動力源として搭載される車載エンジンであり、典型的には複数の気筒２を有する多気筒型のものである。ただし、ここでは簡略化のため、１つの気筒２のみに着目してエンジンの説明を進める。

ピストン５の下方には、エンジンの出力軸であるクランク軸７が設けられており、クランク軸７とピストン５とがコネクティングロッド９を介して連結されている。

ピストン５の上方には燃焼室Ｃが画成されている。すなわち、燃焼室Ｃは、気筒２の周面を規定する壁面（シリンダブロック１の内周面）と、気筒２の上面を規定する壁面（シリンダヘッド３の下面）と、ピストン５の冠面５ａ（上面）とにより画成された空間である。

シリンダヘッド３には、インジェクタ１１および点火プラグ１２が配設されている。インジェクタ１１は、燃焼室Ｃに燃料（ガソリンを主成分とする燃料）を噴射する噴射弁である。点火プラグ１２は、燃焼室Ｃ内の混合気、つまりインジェクタ１１から噴射された燃料が燃焼室Ｃ内で空気と混合された混合気に点火するプラグである。

点火プラグ１２の点火により混合気が燃焼すると、当該燃焼による膨張力を受けてピストン５が上下方向に往復動する。このピストン５の往復動は、コネクティングロッド９を介してクランク軸７に伝達され、クランク軸７を回転させる。

インジェクタ１１は、その先端部が燃焼室Ｃの天井面Ｃ１の中央に位置するように、気筒２の中心軸Ｚに沿って配置されている（特に図２参照）。インジェクタ１１は、その先端部に複数の噴孔を有しており、当該噴孔からピストン５の冠面５ａに向けて放射状に燃料を噴射する。なお、図２における符号Ｆは、インジェクタ１１から噴射された燃料の噴霧を表している。

点火プラグ１２は、その先端部が燃焼室Ｃの天井面Ｃ１の中央付近に位置するように、気筒２の中心軸Ｚに対し傾いた姿勢でインジェクタ１１に隣接して取り付けられている。なお、点火プラグ１２の先端部には、燃焼室Ｃに火花を放電するための電極が設けられている。

図１に示すように、シリンダヘッド３には、燃焼室Ｃに連通する吸気ポート１３および排気ポート１４が形成されている。吸気ポート１３は、燃焼室Ｃに吸気を導入するためのポートであり、排気ポート１４は、燃焼室Ｃから排気ガスを導出するためのポートである。シリンダヘッド３には、吸気ポート１３の燃焼室Ｃ側の開口を開閉する吸気弁１５と、排気ポート１４の燃焼室Ｃ側の開口を開閉する排気弁１６とが組み付けられている。

シリンダヘッド３には、吸気通路２０および排気通路２１が接続されている。吸気通路２０は、燃焼室Ｃに導入される吸気が流通する通路であり、吸気ポート１３に連通する状態でシリンダヘッド３の一側面に接続されている。排気通路２１は、燃焼室Ｃから導出された排気ガスが流通する通路であり、排気ポート１４に連通する状態でシリンダヘッド３の他側面に接続されている。

［ピストン冠面の構造］
図２に示すように、ピストン５の冠面５ａ（以下、単にピストン冠面５ａともいう）には、断熱層３０が形成されている。断熱層３０は、ピストン５よりも熱伝導率の低い樹脂材料により構成されている。すなわち、ピストン５がアルミニウム合金等の金属材料により構成されているのに対し、断熱層３０は、ピストン５を構成する金属材料（母材）よりも熱伝導率が大幅に低い樹脂材料により構成されている。

具体的に、当実施形態における断熱層３０は、耐熱性のシリコン系樹脂により構成されている。シリコン系樹脂としては、メチルシリコーン樹脂や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ン樹脂を例示することができる。なお、断熱層３０にはシラスバルーン等の中空粒子が含有されていてもよい。詳しくは後述するが、断熱層３０は、ピストン冠面５ａに塗布されるペースト状の樹脂材料（後述する被膜材３０Ａ）を焼成することでピストン冠面５ａに固着される。

上記のような性質の断熱層３０をピストン冠面５ａに形成することは、冷却損失の低減、ひいてはエンジンの燃費性能の改善につながる。すなわち、断熱層３０は、燃焼室Ｃで燃焼した混合気の燃焼エネルギーがピストン冠面５ａを通じて外部に放出されることを抑制するので、当該熱エネルギーの放出により生じる損失つまり冷却損失が低減される。これにより、熱エネルギーが仕事に変換される割合である熱効率の向上、換言すればエンジンの燃費性能の改善が見込まれる。

［エンジンの製造方法］
次に、以上のような構造を有する当実施形態のエンジンを製造する方法について説明する。図３は、当実施形態のエンジンの製造方法の具体的手順を示すフローチャートである。なお、このフローチャートに示す製造方法は、主に断熱層３０の形成に関するものである。このため、当該方法を実施する前提として、エンジンを構成する主要部品（シリンダブロック１、シリンダヘッド３、ピストン５等）は既に用意されているものとする。

図３の方法が開始されると、まず、図４に示される被膜材３０Ａをピストン冠面５ａに塗布する（ステップＳ１）。被膜材３０Ａは、上述した断熱層３０の材料であり、ペースト状の樹脂材料を希釈剤により希釈したものである。当実施形態では、被膜材３０Ａとして、ペースト状のシリコン系樹脂（メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂等）をトルエンで希釈して粘度を低下させたものが用いられる。なお、断熱層３０として中空粒子（シラスバルーン等）を含むものを形成する場合には、この中空粒子も被膜材３０Ａに含有させておく。さらに、被膜材３０Ａの硬化を促進させる硬化触媒として、白金イオン溶液等の微量の触媒を被膜材３０Ａに含有させてもよい。

図４に示すように、ピストン冠面５ａへの被膜材３０Ａの塗布には、スプレーガンＧが用いられる。すなわち、スプレーガンＧから被膜材３０Ａをスプレー状に噴射することにより、当該被膜材３０Ａをまんべんなくピストン冠面５ａに吹き付ける。これにより、略一定の厚みを有する被膜材３０Ａの層をピストン冠面５ａに形成する。なお、被膜材３０Ａと塗布する際には、事前にピストン冠面５ａに対し脱脂やサンドブラスト等の処理を施しておくことが望ましい。

次いで、ピストン冠面５ａに塗布された被膜材３０Ａを自然乾燥させる（ステップＳ２）。なお、ここでの乾燥は、後述するエンジンの組み立て時にピストン５以外の部材（シリンダブロック１やシリンダヘッド３等）に被膜材３０Ａが容易に付着するといった事態を避けるための処理であり、少なくとも被膜材３０Ａの表面の粘度がある程度高くなればよい。このため、当該ステップＳ２での乾燥処理は、例えば、被膜材３０Ａ塗布後のピストン５を常温で所定時間置くといった程度の処理でよい。

次いで、シリンダブロック１、シリンダヘッド３、およびピストン５を含む主要部品を互いに組み合わせた組立品を構築する（ステップＳ３）。この組立品は、燃焼室Ｃでの混合気の燃焼が可能となるように主要部品を組み合わせたものであり（以下、これを完成前エンジンという）、上述したシリンダブロック１、シリンダヘッド３、ピストン５の他、インジェクタ１１、点火プラグ１２、吸気弁１５、および排気弁１６等の部品を組み合わせたものである。なお、先のステップＳ２による自然乾燥を経ただけでは被膜材３０Ａに含まれる希釈剤は完全に揮発していない。このため、このステップＳ３で完成前エンジンが組み立てられた段階で、被膜材３０Ａは未硬化状態にある。

次いで、上記完成前エンジンを実際に運転する操作を行う（ステップＳ４）。すなわち、インジェクタ１１から燃焼室Ｃに燃料を噴射して混合気を形成しかつ点火プラグ１２を用いて混合気に点火することにより、当該混合気を燃焼させてピストン５を往復動させる。そして、このような燃焼によるピストン５の往復動（完成前エンジンの運転）を予め定められた第１期間（後述する図５の期間Ｔ１）に亘り継続する。ただし、ここでの完成前エンジンの運転は、ピストン冠面５ａを覆う被膜材３０Ａに燃料が付着するのを抑制するための特別なモードによる運転とされる。以下では、このステップＳ４にて完成前エンジンを運転するモードを付着抑制モードという。また、後述するステップＳ６にて完成前エンジンを運転するモードを本格モードという。これら付着抑制モードおよび本格モードによる運転は、エンジンが支障なく動作することを確認するための試験運転（燃焼試験）を兼ねている。

図５は、上記ステップＳ４（付着抑制モード）と後述するステップＳ６（本格モード）での運転の詳細を示すタイムチャートである。具体的に、この図５において、チャート（ａ）は被膜材３０Ａの硬化度合いを、チャート（ｂ）はエンジン回転数を、チャート（ｃ）は燃料噴射量を、チャート（ｄ）は燃料噴射時期を、それぞれ示している。また、各チャートにおける横軸の原点は上記ステップＳ４の付着抑制モードによる運転の開始時点であり、それ以降の期間Ｔ１は付着抑制モードによる運転期間（つまり第１期間）を示している。さらに、この第１期間Ｔ１に続く期間Ｔ２は、本格モードによる運転期間（第２期間）を示している。

上記第１期間Ｔ１中のチャート（ｂ）の波形に示すように、付着抑制モード（ステップＳ４）では、エンジン回転数が予め定められた第１回転数Ｎ１に設定される。第１回転数Ｎ１は例えば１０００ｒｐｍ程度であり、後の本格モード（ステップＳ６）のときに設定される回転数（第２回転数Ｎ２）の約半分に設定される。

また、チャート（ｃ）（ｄ）に示すように、付着抑制モードでは、インジェクタ１１から噴射される燃料の噴射量が後の本格モードのときよりも減らされるとともに、インジェクタ１１から噴射される燃料の噴射時期が吸気下死点（吸気ＢＤＣ）付近に設定される。具体的に、付着抑制モードでは、燃料の噴射量が本格モードのときの約半分に設定される。また、燃料の噴射時期は、吸気下死点を含む一連の期間に亘って燃料が噴射されるような時期（期間）に設定される。すなわち、インジェクタ１１による燃料噴射は、吸気下死点の進角側の近傍で開始され、かつ吸気下死点の遅角側の近傍で終了される。言い換えると、インジェクタ１１による燃料噴射のタイミングは、噴射開始時期（ＳＯＩ）が吸気行程の終期になり、かつ噴射終了時期（ＥＯＩ）が圧縮行程の初期になるように設定される。なお、周知のとおり、吸気行程とは、排気上死点（排気ＴＤＣ）から吸気下死点（吸気ＢＤＣ）までの期間のことであり、圧縮行程とは、吸気下死点（吸気ＢＤＣ）から圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）までの期間のことである。このように、ピストン５がインジェクタ１１から最も離れる吸気下死点付近において比較的少量の燃料を噴射することは、ピストン冠面５ａの被膜材３０Ａに燃料が液滴のまま到達する（付着する）可能性を大幅に低減することにつながる。

上記のようにして付着抑制モードによる運転が開始された後は、その運転開始からの経過時間が上述した第１期間Ｔ１に達するまで、当該付着抑制モードによる運転を継続する（ステップＳ５）。すなわち、タイマーを用いて運転開始からの経過時間をカウントし、そのカウント値が第１期間Ｔ１に達したか否かを判定し、第１期間Ｔ１に達するまで上記付着抑制モードによる運転を継続する。

上記付着抑制モードによる運転期間である第１期間Ｔ１は、図５のチャート（ａ）に示すように、被膜材３０Ａの表面の硬化がほぼ完了するような期間に設定される。すなわち、被膜材３０Ａは、混合気の燃焼熱により加熱されて徐々に硬化するが、燃焼ガスに直接晒される被膜材３０Ａの表面の方が、燃焼ガスに直接晒されない被膜材３０Ａの内部よりも高温になるため、硬化速度は被膜材３０Ａの表面の方が速くなる。上記チャート（ａ）の第１期間Ｔ１の間、被膜材３０Ａの表面の硬化度合いを表す破線の波形の傾きの方が、被膜材３０Ａの内部の硬化度合いを表す一点鎖線の波形の傾きよりも大きいのはこのためである。すなわち、目標とする被膜材３０Ａの硬化度合いをＰとしたとき、硬化度合いが当該目標値Ｐに達する（つまり硬化が完了する）のは、被膜材３０Ａの表面の方が被膜材３０Ａの内部よりも早くなる。このことを前提に、上記付着抑制モードによる運転期間である第１期間Ｔ１は、その終了時において被膜材３０Ａの表面の硬化がほぼ完了する（硬化度合いがほぼ目標値Ｐに達する）ような期間に設定される。したがって、この第１期間Ｔ１が経過したとき（つまり付着抑制モードによる運転が終了したとき）、被膜材３０Ａの表面の硬化はほぼ完了しているが、被膜材３０Ａの内部の硬化は不十分なままである。なお、このような被膜材３０Ａの状態を得るための上記第１期間Ｔ１は、実験的に予め求めておくことが可能である。

上記ステップＳ５にて第１期間Ｔ１の経過が確認された場合には、運転モードを付着抑制モードから本格モードに切り替えるとともに（ステップＳ６）、この本格モードによる運転を上記第１期間Ｔ１に連続する第２期間Ｔ２に亘って継続する（ステップＳ７）。本格モードは、付着抑制モードのときよりもエンジン回転数が高い条件で上記完成前エンジンを運転するモードである。この本格モードのときに設定されるエンジン回転数、つまり第２回転数Ｎ２は例えば２０００ｒｐｍ程度であり、先の付着抑制モード（ステップＳ４）のときに設定される回転数（第１回転数Ｎ１）に対し倍増される。

また、本格モードでは、先の付着抑制モードのときと比較して、燃料の噴射量が増やされかつ噴射時期が進角される。具体的に、本格モードによる運転時は、図５に示すように、燃料の噴射量が上記付着抑制モードのときの約２倍に設定される。また、燃料の噴射時期は、吸気行程中に含まれる一連の期間に亘って燃料が噴射されるような時期（期間）に設定される。言い換えると、インジェクタ１１による燃料噴射は、噴射開始時期（ＳＯＩ）および噴射終了時期（ＥＯＩ）の双方が排気上死点（排気ＴＤＣ）よりも遅角側かつ吸気下死点よりも進角側になるように制御される。噴射開始から噴射終了までの期間は、上述した噴射量の増大に対応して、上記付着抑制モードのときよりも長くされる。

上記のように、吸気行程中に相対的に多くの燃料を噴射することは、燃焼による熱発生量を増大させ、ピストン冠面５ａの被膜材３０Ａの硬化（焼成）を促進することにつながる。すなわち、熱発生量が多い本格モードでは、被膜材３０Ａの内部の温度が先の付着抑制モードのときよりも上昇するので、被膜材３０Ａの内部の硬化速度が速まる。図５のチャート（ａ）において、第２期間Ｔ２（本格モード）のときの被膜材３０Ａの内部の硬化速度の方が、第１期間Ｔ１（付着抑制モード）のときの硬化速度よりも速いのはこのためである。なお、被膜材３０Ａの表面については、付着抑制モードの終了時（本格モードの開始時）に既に硬化が完了しているので、本格モードに移行してもその硬化度合いはほとんど変わらない。

上記本格モードによる運転期間である第２期間Ｔ２は、上記チャート（ａ）に示すように、被膜材３０Ａの内部の硬化がほぼ完了するような期間に設定される。すなわち、第２期間Ｔ２に亘って上記本格モードによる運転が継続されることで、被膜材３０Ａの内部の硬化度合いがほぼ目標値Ｐまで上昇する。これにより、被膜材３０Ａの表面だけでなく内部も十分に硬化し、被膜材３０Ａの焼成（断熱層３０の形成）が完了する。言い換えると、被膜材３０Ａから希釈剤（トルエン）がほぼ全て揮発するなどして被膜材３０Ａが全体的に固形化し、この固形化した被膜材３０Ａが断熱層３０（図２）としてピストン冠面５ａに形成される。なお、このように被膜材３０Ａの内部の硬化を完了させるための上記第２期間Ｔ２は、実験的に予め求めておくことが可能である。

上記のようにして断熱層３０の形成が完了すると、インジェクタ１１からの燃料噴射を停止し、混合気の燃焼によるエンジンの運転を終了する（ステップＳ８）。その後、上記ステップＳ３で組み立てられた完成前エンジンに含まれていなかった部品（付属部品等）を組み付け、エンジンの製造が完了する。

なお、以上のようなエンジンの製造方法において、ステップＳ１は請求項にいう「塗布ステップ」に相当し、ステップＳ３は請求項にいう「組立ステップ」に相当し、ステップＳ４は請求項にいう「第１焼成ステップ」に相当し、ステップＳ５は請求項にいう「判定ステップ」に相当し、ステップＳ６は請求項にいう「第２焼成ステップ」に相当する。

［作用効果］
以上説明したように、当実施形態では、ペースト状の被膜材３０Ａをピストン冠面５ａに塗布するステップ（Ｓ１）と、塗布後のピストン５を含む主要部品を互いに組み付けて完成前エンジンを構築するステップ（Ｓ３）と、エンジン回転数が異なる２種類のモードで完成前エンジンを運転するステップ（Ｓ４，Ｓ６）とを含む方法により、ピストン冠面５ａに断熱層３０が形成される。このような構成によれば、断熱層３０の品質を良好に確保しつつその形成を容易化できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、ピストン冠面５ａに塗布された被膜材３０Ａが、ピストン５を含む主要部品の組み立て後に実施される運転時の燃焼熱を利用して焼成（硬化処理）されるので、例えば当該焼成のための運転を、エンジンの製造過程で通常行われる試験運転（燃焼試験）と兼ねることにより、被膜材３０Ａの焼成つまり断熱層３０の形成にかかる工数および費用を削減することができる。例えば、ピストン冠面５ａに塗布された被膜材３０Ａを加熱炉等を用いた加熱により焼成した場合には、当該焼成のための工数と試験運転のための工数とが別々にかかる上に、加熱炉等の設備を新たに設ける必要がある。これに対し、上記実施形態のように混合気の燃焼熱により被膜材３０Ａを焼成するようにした場合には、当該焼成のための設備を新たに設けることが不要になる上、断熱層３０を形成するための工程の一部をエンジンの試験運転により代用できるので、断熱層３０を有する熱効率に優れたエンジンを低コストかつ短時間で製造することが可能になる。

また、被膜材３０Ａの焼成のための運転として、付着抑制モード（Ｓ４）による運転と本格モード（Ｓ６）による運転とがこの順に実施されるとともに、前段の付着抑制モードによる運転時には、エンジン回転数が相対的に低い第１回転数Ｎ１に設定されるので、ピストン冠面５ａに塗布された被膜材３０Ａに燃料が液滴のまま付着する可能性を低減することができる。

すなわち、エンジン回転数が低いこと（換言すればピストン５の平均的な移動速度が遅いこと）は、ピストン５がインジェクタ１１から遠く離れた位置（特に下死点付近）にある時間が高回転時よりも長くなることを意味する。このことは、ピストン５がインジェクタ１１から遠く離れている期間内に所要量の燃料を噴射することを可能にし、燃料がピストン冠面５ａに到達する前に燃料を十分に気化させることを可能にする。これにより、インジェクタ１１から噴射された燃料が液滴のままピストン冠面５ａの被膜材３０Ａに到達（付着）し難くなるので、付着した燃料（特に燃料に含まれるトルエン）によって未硬化の被膜材３０Ａが希釈される可能性が低減される。したがって、混合気の燃焼による大きな圧力（燃焼圧）が被膜材３０Ａに作用したとしても、被膜材３０Ａに生じる形状変化を最小限に抑えることができ、硬化後の被膜材３０Ａからなる断熱層３０の品質を良好に確保することができる。例えば、仮に燃料の付着によって被膜材３０Ａが希釈された場合には、この希釈された部分（燃料が付着した部分）において、被膜材３０Ａの粘度が低下し、高い燃焼圧が作用したときに被膜材３０Ａが飛散するおそれがある。これに対し、上記実施形態では、エンジン回転数が低く制限される付着抑制モードによって燃料付着の可能性が低減されるので、上記のような事情で生じる被膜材３０Ａの飛散を効果的に抑制することができる。その結果、断熱層３０に剥がれ等の不具合が生じる可能性を低減でき、断熱層３０の品質を良好に確保することができる。

逆に、付着抑制モードに続く本格モードではエンジン回転数が高められる（第１回転数Ｎ１よりも高い第２回転数Ｎ２に設定される）ので、剥がれ等の不具合を抑制する上述した効果を担保しながら、被膜材３０Ａの内部の硬化（焼成）を促進することができ、断熱層３０の形成に要する工数を削減することができる。すなわち、被膜材３０Ａの硬化は内部よりも表面で速く進行する。一方で、被膜材３０Ａの表面が十分に硬化すれば（内部は未硬化であっても）、燃料の付着による被膜材３０Ａの希釈は起こらず、燃焼圧により被膜材３０Ａの一部が飛散するような事態は避けられると考えられる。上記実施形態では、付着抑制モードから本格モードへの移行に応じてエンジン回転数が高められるので、被膜材３０Ａの表面が十分に硬化したタイミングで本格モードに移行することにより、被膜材３０Ａの一部が飛散する上記のような事態を避けながら、エンジン回転数の上昇によって被膜材３０Ａへの加熱頻度（被膜材３０Ａが高温の燃焼ガスに晒される頻度）を増やすことができ、未硬化である被膜材３０Ａの内部の硬化速度を速めることができる。これにより、被膜材３０Ａを全体的に硬化させるのに要する時間を短縮することができ、断熱層３０の品質を担保しつつその形成を効率化することができる。

特に、上記実施形態では、付着抑制モードによる運転時に、後の本格モードのときよりも少量の燃料が吸気下死点付近で噴射されるので、噴射された燃料が液滴のままピストン冠面５ａの被膜材３０Ａに到達（付着）する可能性を大幅に低減することができる。すなわち、インジェクタ１１からの噴射燃料が液滴のまま被膜材３０Ａに到達する可能性は、インジェクタ１１からピストン５までの距離が大きいほど低くなり、かつ燃料の噴射量が少ないほど低くなる。これは、燃料がピストン冠面５ａに到達する前に燃料の気化が十分に進むからである。上記実施形態では、上記付着抑制モードのときに、後の本格モードのときよりも噴射量が減らされるとともに、インジェクタ１１からピストン５までの距離が最も拡大する吸気下死点を含む一連の期間に亘って燃料が噴射されるので、上述したエンジン回転数の制限による効果との組合せにより、噴射された燃料が液滴のままピストン冠面５ａの被膜材３０Ａに到達する（付着する）可能性を大幅に低減することができる。これにより、被膜材３０Ａの焼成中にその一部が飛散するのを高い確率で回避でき、断熱層３０の品質を良好に確保することができる。

逆に、付着抑制モードに続く本格モードでは燃料の噴射量が増やされるので、当該噴射量の増大によって燃焼熱（加熱能力）を高めることができる。このことは、上述したエンジン回転数の上昇と相俟って、未硬化である被膜材３０Ａの内部の硬化速度をより速めることにつながる。これにより、被膜材３０Ａを全体的に硬化させるのに要する時間をより短縮でき、断熱層３０の形成を十分に効率化することができる。

さらに、燃料が増量される本格モードのときは、付着抑制モードのときよりも燃料の噴射時期が進角される（噴射開始時期と噴射終了時期とがともに吸気行程中に設定される）ので、増量された燃料を十分に空気と混合して均一な混合気を燃焼室Ｃに形成することができ、硬化促進のための高い燃焼熱を発生させながら十分な燃焼安定性を確保することができる。

［変形例］
上記実施形態では、付着抑制モードによる運転を予め定められた第１期間Ｔ１に亘って継続した後、本格モードによる運転に移行するようにしたが、モード切り替えのタイミングを決定する方法はこれに限られない。例えば、被膜材３０Ａの焼成のための運転（試験運転）中に排出される排気ガスに含まれるトルエン（希釈剤）の含有量をセンサにより検出すれば、被膜材３０Ａの硬化（焼成）がどの程度進行したかを判定できると考えられる。このため、上記センサを用いて排気ガス中のトルエンの含有量をモニターし、当該含有量が所定の閾値（被膜材３０Ａの表面が十分に硬化したとみなせる値）まで低下した時点で、運転モードを付着抑制モードから本格モードに移行させるようにしてもよい。これにより、本格モードへの移行に適したタイミング、つまり被膜材３０Ａの表面が十分に硬化したタイミングを精度よく判定することが可能になる。ただし、被膜材３０Ａの表面を十分に硬化するのに要する期間は、実験的にある程度の精度で求めておくことが可能である。上記実施形態では、このことを利用して、付着抑制モードと本格モードとを単純に時間で区切るようにした。これにより、特別な追加設備（センサ等）を設けることなく、燃焼熱を利用した被膜材３０Ａの焼成作業を適切に行うことが可能になる。

上記実施形態では、付着抑制モードのときのエンジン回転数（第１回転数Ｎ１）を１０００ｒｐｍ程度に設定する一方で、本格モードのときのエンジン回転数（第２回転数Ｎ２）を２０００ｒｐｍ程度に設定したが、第１回転数Ｎ１および第２回転数Ｎ２の具体例はこれに限られない。第１回転数Ｎ１は、ピストン冠面５ａの被膜材３０Ａへの燃料付着の可能性を低減する目的が達せられる範囲で適宜変更可能であり、第２回転数Ｎ２は、第１回転数Ｎ１よりも高い範囲で適宜変更可能である。例えば、被膜材３０Ａの内部の硬化をより促進する目的で第２回転数Ｎ２を２０００ｒｐｍよりもさらに高い値に設定してもよい。ただし、エンジン回転数がある程度高くなると、１燃焼サイクル中の燃焼室Ｃの温度変動幅が縮小し、燃焼室Ｃのピーク温度（１燃焼サイクル中の最高温度）は下がる傾向にある。このため、エンジン回転数をむやみに高めても必ずしも被膜材３０Ａの硬化促進につながらない可能性がある。また、完成前エンジンを極端に高い回転数で運転することは、いずれかのエンジン部品に悪影響を及ぼすことになりかねない。そこで、上記実施形態では、第２回転数Ｎ２を第１回転数Ｎ１の２倍程度に留めることにより、エンジン部品の損傷等を確実に防止しつつ十分な硬化促進効果を得るようにしている。

上記実施形態では、付着抑制モードのときに吸気下死点を含む一連の期間に亘って燃料を噴射するようにしたが、燃料の噴射時期は、被膜材３０Ａへの燃料付着を抑制できるような時期、つまりピストンが上死点からある程度離れた時期に設定されていればよく、所期の目的を達成し得る範囲で適宜変更可能である。例えば、吸気下死点を過ぎるとピストン５が上昇に転じることを考慮して、吸気下死点の直前に燃料噴射が終了するようなタイミングで燃料を噴射してもよい。

上記実施形態では、本格モードのときの燃料の噴射時期を付着抑制モードのときよりも進角させるために、燃料の噴射開始時期（ＳＯＩ）と噴射終了時期（ＥＯＩ）との双方を吸気行程中に含まれる時期にまで進角させたが、進角の態様はこれに限られない。例えば、本格モードのときは噴射量が増大するので、ＳＯＩからＥＯＩまでの噴射期間は長くなる。そこで、ＥＯＩを固定しながらＳＯＩを進角させるようにしてもよい。

上記実施形態では、付着抑制モードのときに、燃料の噴射量および噴射時期の双方を燃料の付着が起き難くなる方向に調整する（つまり噴射量を減らしかつ噴射時期を下死点寄りにする）ようにしたが、噴射量および噴射時期のいずれか一方のみを燃料の付着が起き難くなる方向に調整してもよい。さらに、噴射量および噴射時期に加えて、もしくはこれに代えて、燃料の噴射圧を調整することも可能である。例えば、噴射圧を低下させれば燃料のペネトレーション（貫徹力）が弱まり、燃料が被膜材３０Ａに到達する可能性が減少すると考えられる。そこで、付着抑制モードのときは本格モードのときに比べて燃料の噴射圧を低下させるようにしてもよい。

上記実施形態では、燃焼室Ｃの底面を規定するピストン冠面５ａにのみ断熱層３０を形成したが、同様の断熱層は、ピストン冠面５ａ以外の燃焼室Ｃの壁面にも適用することが可能である。例えば、ピストン冠面５ａに加えて、燃焼室Ｃの天井面Ｃ１（シリンダヘッド３の下面）、吸・排気弁の傘部の下面、さらには気筒２の周面（シリンダーライナ）にも断熱層を形成することが可能である。いずれの面に形成される断熱層についても、上記実施形態の断熱層３０と同様に、断熱層の材料であるペースト状の被膜材を混合気の燃焼熱により焼成するという方法で形成することができる。

上記実施形態では、燃焼室Ｃの天井面Ｃ１（以下、単に燃焼室天井面Ｃ１という）の中央にインジェクタ１１の先端部を配置し、当該先端部からピストン冠面５ａに向けて下方に燃料を噴射するようにしたが、インジェクタは、ピストン冠面５ａに対向する位置から燃焼室Ｃに燃料を噴射するものであればよく、その限りにおいて種々の位置にインジェクタを配置することが可能である。例えば、燃焼室天井面Ｃ１の吸気側の縁部にインジェクタの先端部を配置し、当該先端部から斜め下方に燃料を噴射するようにしてもよい。

上記実施形態では説明を省略したが、燃料の気化性（気化のし易さ）は、燃焼室Ｃの温度条件により変動する。例えば、燃料を噴射する直前の燃焼室Ｃの温度が高い条件であるほど燃料は気化し易くなる。また、燃料が気化し易いことは、燃料が被膜材３０Ａに付着する可能性を低減させる。そこで、例えば吸気温度（あるいは外気温度）が高いとき、もしくはエンジン水温が高いときは、そうでないときに比べて、付着抑制モードによる運転時に設定されるエンジン回転数を高くしたり、あるいは燃料の噴射量を増やしたりしてもよい。

上記実施形態では、インジェクタ１１から燃焼室Ｃにガソリン燃料を噴射するガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明を適用可能なエンジンはこれに限られず、例えばディーゼルエンジンにも本発明を適用可能である。

ディーゼルエンジン、つまり軽油燃料を圧縮着火により燃焼させるエンジンの場合、付着抑制モードのときに、例えばエンジン回転数を低く設定するとともに、圧縮行程中の比較的早い時期に少なくとも一部の燃料を噴射する予混モードで燃料を燃焼させるようにすれば、ピストン冠面の被膜材に燃料が付着する可能性を低減することができる。

１ ：シリンダブロック（気筒形成部材）
２ ：気筒
３ ：シリンダヘッド（気筒形成部材）
５ ：ピストン
５ａ ：（ピストンの）冠面
１１ ：インジェクタ
３０ ：断熱層
３０Ａ ：被膜材
Ｃ ：燃焼室
Ｎ１ ：第１回転数
Ｎ２ ：第２回転数

Claims (6)

1. 内側に気筒を形成する気筒形成部材と、気筒内に往復動可能に収容されたピストンと、気筒とピストンとにより画成された燃焼室に燃料を供給するインジェクタと、インジェクタと対向するピストンの冠面を覆いかつ当該ピストンよりも熱伝導率の低い断熱層とを備えた内燃機関を製造する方法であって、
   前記断熱層の材料である被膜材を前記ピストンの冠面に塗布する塗布ステップと、
   前記被膜材が未硬化の状態で前記気筒形成部材に前記ピストンを組み付ける組立ステップと、
   前記インジェクタから噴射された燃料を燃焼させて前記ピストンを往復動させることにより、前記被膜材を加熱して硬化させる焼成ステップとを含み、
   前記焼成ステップは、エンジン回転数が第１回転数になる条件で燃料を燃焼させる第１焼成ステップと、当該第１焼成ステップの後に実施されかつエンジン回転数が前記第１回転数よりも高い第２回転数になる条件で燃料を燃焼させる第２焼成ステップを含む、ことを特徴とする内燃機関の製造方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関の製造方法において、
   前記第１焼成ステップでは、前記インジェクタからの燃料の噴射量を前記第２焼成ステップのときよりも減らす、ことを特徴とする内燃機関の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の製造方法において、
   前記第１焼成ステップでは、前記インジェクタからの燃料の噴射期間を吸気下死点を含む期間に設定する、ことを特徴とする内燃機関の製造方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関の製造方法において、
   前記第２焼成ステップは、前記第１焼成ステップの開始からの経過時間が予め定められた所定時間に達したときに開始される、ことを特徴とする内燃機関の製造方法。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関の製造方法において、
   前記第１焼成ステップにより焼成される前記被膜材の表面の硬化度合いを判定する判定ステップをさらに含み、
   前記判定ステップで前記被膜材の表面の硬化が完了したと判定されたときに、前記第１焼成ステップから前記第２焼成ステップに移行する、ことを特徴とする内燃機関の製造方法。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の製造方法により製造された内燃機関。

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