JPH01142246A - 断熱コーティングを施した内燃機関の燃焼室構成部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関の燃焼室部品に係り、特に燃焼室の
温度を高めるための燃焼室表面の断熱コーティングを施
した内燃機関の燃焼室構成部品に関するものである。

〔従来の技術〕

内燃機関に於いて、熱損失の低減、エンジン効率及びエ
ミッションの改善、並びに比出力を最大限にするために
は、燃焼室を断熱することが望ましい。

この目的を達成するための一つの方法は、燃焼室を構成
する部品に断熱セラミックコーティングを適用すること
である。大抵のセラミックは優れた断熱及び熱膨張特性
を有しており、また種々のコーティング方法で簡単に適
用することができ、また広範囲な機能要求に応じて調整
することもできるものである。

既に知られているセラミックコーティングの一つは米国
特許に４．０７４，６７１に記載されている如く、厚さ
が０．０００２〜０．００１インチ（５〜２５ミクロン
）の非常に薄い層である。而して、上記米国特許発明は
、極めて薄いセラミックコーティングを施した内燃機関
の燃焼室構成部品でさえ、燃焼室温度を高めることがで
きることを教示するものである。

然しなから、上記発明の如き薄いコーティング度上昇は
生じない。

非常によく用いられているものは米国特許Ｎ１１４゜４
１９．９７１及び４，４９５．９０７に記載されている
如く、０．０２〜０．１１インチ（４９０〜２．６９５
ミクロン）の厚いセラミックコーティングである。この
厚いコーティングが燃焼室の平均サイクル温度を高めこ
とは良く知られている。

然しなから、幾つかの重大な問題がこの厚いコーティン
グで発生している。最も重要なことは、厚いコーティン
グはガソリンエンジンには不適切であるということであ
る。これは厚いコーティングにより燃焼室内の空気及び
燃料混合物の温度が、早期着火、ノッキング及び潤滑剤
の劣化を引き起こしうるほど高いレベルに上昇するから
である。

更に、エンジンの混合ガスの充填効率は、吸気行程中、
燃焼室内の空気及び燃料混合物の温度が燃焼室壁からの
熱の移動により上昇するため低下する。最後に、厚いコ
ーティングは、金属基材との熱膨張の差及びこのコーテ
ィングとの接着信頼性が低いことにより、亀裂が入った
り、金属基材から剥離する傾向がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、畝上の観点に立ってなされたものであり、本
発明の目的とするところは、燃焼行程中の燃焼ガスから
、燃焼質への熱損失を低減すると同時に吸気行程中の燃
焼室から吸入ガスへの熱の流れを最小にし充填効率を高
めることにより、エンジン効率及び比出力を大幅に向上
させることができると共に、エミッションを低減するこ
とができる断熱コーティングを施した内燃機関の燃焼室
構成部品を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

而して、本発明の目的は、上記断熱コーティングを施し
た内燃機関の燃焼室構成部品に於いて、その断熱コーテ
ィング層の厚さが約５０ミクロン以上２２０ミクロンで
あることを特徴とする上記の断熱コーティングを施した
内燃機関の燃焼室構成部品とすることによって達成され
る。

而して、上記断熱材料は耐火性酸化物を用いることが推
奨され、特にジルコニアが推奨される。

また、上記断熱材料中には酸化クロムの粒子が分散され
ていることが望ましい。

或いは上記断熱材料はＣｒＣ，ａｒｃ、　ＮｂＣ＋　Ｔ
ａＣ，ＴｔＮ、　ＣｒＮ、１ｌｆＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ＋
ＴｉＮ、ＣｒｚＯｓ＋Ｈｆ０ｔ＋ＮｂｔＯｓ＋ＴａｚＯ
ｓ及びＴｉＯ□からなる群から選ばれた少なくとも一の
物質から成るものを用いることも推奨される。

更に、燃焼室構成部品の表面と断熱材料の層とカバイン
ダーにより接合されるようにすることが推奨される。

又、断熱材料が被覆される燃焼室構成部品はアルミニウ
ムから成るものが推奨される。

〔作用〕

畝上の如く構成することにより、本発明は、燃焼室の断
熱に優れており、特に燃焼行程中、燃焼室の温度を適切
な熱を有するように保持するのに十分であり、これによ
りエンジン効率を大幅に向上させると共に、熱損失及び
汚染物を低減させることができる。

而して、その他の行程中に於いては、燃焼室の温度はそ
れほど高くはならないので早期着火や潤滑材の劣化を引
き起こしたり、充填効率を低下させることはない。

本発明では、燃焼室の熱損失は二つの別個の現象、即ち
、 （１）　　燃焼ガスから燃焼室表面を通過する熱流。

（２）燃焼室表面から吸入空気或いは空気及び燃料混合
物へ戻る熱流。

により生じるという今まで認められていなかった事実を
認識するものである。

燃焼室の熱損失を測定する従来の方法は、燃焼室表面を
通過する定常の一方向熱流にのみ焦点を合わせているた
め、燃焼室の厚い、断熱コーティングを重視している。

然しなから、吸気及び圧縮行程中、実際、熱は燃焼室表
面から燃焼室内の空気及び燃料混合物に伝導される。

而して、吸気行程中では厚いコーティングでは表面温度
が高いので温度差が大きくなり、熱伝導率が高まるため
、コーティング層から燃焼室内のこの熱伝導により燃焼
室内の空気及び燃料混合物の温度及び圧力が上昇し、圧
縮行程での仕事量が増加することとなる。更に、この熱
流により充填効率の低下を招き、その結果、比出力が低
下する。

これに対して本発明の薄いコーティングでは、全サイク
ル中の燃焼室温度が低いので、吸気行程中、空気及び燃
料混合物への熱流が少なくなり、これにより圧縮行程中
での仕事量が低減し、充填効率が高まり、比出力が増加
することとなる。

燃焼室壁の温度はエンジンサイクル中、各々異なる。こ
の燃焼室壁の温度は圧縮行程の始めで最も低く、燃焼中
が最も高い。

又、この燃焼室壁が断熱されていない、例えば鋳鉄の場
合には、この燃焼室壁の表面温度は燃焼特約１８℃（６
４°Ｆ）上昇する。断熱コーティングを施した燃焼室壁
表面の温度は同時期に約２５０’Ｃ（４８２°Ｆ）上昇
する。

然し、ＳＡＥ論文Ｎ（Ｌ８６０，３２９．１９８６、Ｄ
、Ｎ、＾５ｓａｎｉｓ、Ｊ、Ｂ、Ｈｅｙｗｏｏｄ”Ｄｅ
ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｕｓｅ　ｏｆ　ａ　Ｃｏ
ｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｕｒｂｏ
ｃｏａ＋ｐｏｕｎｄｉｎｇ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｓｙｓｔｅ
ｍＦｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａ
ｎｄ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ｈｅａｔ　Ｔｒａ−ｎｓｆ
ｅｒ　５ｔｕｄｉｅｓ”によると、このサイクル中の燃
焼室壁温度の高低による温度振幅は、断熱していない燃
焼室壁では最大深さが０．０３インチ（７３５ミクロン
）まで、また代表的な断熱コーティングを施した燃焼室
壁では最大深さが０．００５インチ（１２３ミクロン）
までしか達しない。

本発明は、エンジンサイクル中における熱の保持及び熱
力学的効率を左右する燃焼室壁の表面温度の振幅を大き
く維持しながら、燃焼室の運転温度を全体的に下げるこ
とであり、これにより過度の戻り熱流により発生する前
述の充填効率を改善しており、従来の厚いコーティング
に伴う問題を解決しているものである。

更に、本発明の如き薄いコーティングの方がはるかに信
幀性及び耐久性があり、故に破損する恐れがない。

〔実　施　例〕

以下、図面により本発明の詳細を具体的に説明する。

第１図は、鋳鉄のみ、非常に薄いコーティング、薄いコ
ーティング、厚いコーティング及び非常に厚いコーティ
ングのそれぞれの燃焼室温度を示すグラフ、第２図は、
本発明に係る断熱コーティングを施した内燃機関の燃焼
室構成部品を代表的なエンジンに適用したときの燃焼室
の一実施例を示す断面図、第３図は、代表的なエンジン
サイクル中の鋳鉄シリンダ壁における温度の変化を示す
グラフ、第４図は、代表的なエンジンサイクル中の断熱
シリンダ壁における温度の変化を示すグラフ、第５図は
、燃焼室を断熱することが、燃焼室から作動ガスへの熱
伝導によりどのように出力損失に影響を及ぼすかを示す
ＰＶ（圧力−容積）線図、第６図は燃焼室壁から作動ガ
スへの熱流がエンジンサイクル中の燃焼室温度にどのよ
うに影響を及ぼすかを示すグラフである。

第１図は、燃焼室が鋳鉄のみ、非常に薄いコーチインク
、薄いコーティング、厚いコーティング及び非常に厚い
コーティングのそれぞれの燃焼室温度を示すグラフであ
る。

而して、第１図中、断熱コーティングを施していない鋳
鉄のみの燃焼室では、エンジンサイクル中の温度は燃焼
行程中において燃焼室壁を通過する熱伝導率が高いため
比較的一定の状態を維持する。この熱損失がエンジン効
率を低下させることとなる。

米国特許Ｎｆ１４，０？４，６７１に記載されているよ
うな非常に薄いセラミックコーティングを有するエンジ
ンは、その厚さが０．００２〜０．００１インチ、即ち
５〜２５ミクロンであるためエンジン温度を僅かに上昇
させるだけであり、依然として熱損失は大きい。

厚いセラミックコーティングを有するエンジンは、その
厚さを例えば０．０５インチ、即ち１２２５ミクロンと
すれば平均運転温度を大幅に上昇させるだけでなく、吸
気行程と燃焼行程との間の温度差も増加させることとな
る。

・この場合では、エンジン出力行程は出力行程中の温度
上昇により効率よ（作動するが、全体的に温度が高くな
るため潤滑剤の劣化、充填効率の低下、圧縮仕事量の増
加、早期着火及びノッキング等の問題が生じるものであ
る。

非常に厚いコーティングを有するエンジンは、その厚さ
が０．１インチ、即ち２４５０ミクロンの場合、エンジ
ンサイクル中の温度を更に増加させてしまい上記厚いセ
ラミックコーティングの問題を悪化させることとなる。

然し、非常に厚いコーティングでも温度差は厚いコーテ
ィングと同等に維持されている。

本発明の薄いコーティングを有するエンジンは、その厚
さが０．００２〜０．００９インチ、即ち４５〜２２１
ミクロンの場合、エンジン出力行程中に大幅な温度上昇
を発生し、これは熱力学的効率が向上することを示唆し
ている。然し、この場合の全体的な運転温度は厚いセラ
ミックコーティング或いは非常に厚いセラミックコーテ
ィングのものよりかなり低い。

従って、本発明の如く薄いコーティングを施したエンジ
ンは、潤滑剤の劣化、充填効率の低下、圧縮仕事量の増
加、早期着火及びノッキング等の問題が防止される。

第２図は、本発明に係る断熱コーティングを施した内燃
機関の燃焼室構成部品を示す代表的なピストン式エンジ
ンの燃焼室の断面図である。

尚、本発明はディーゼル或いはガソリンピストン式エン
ジンに限定されるものではなく、ロークリ等の他の内燃
機関にも広く適用することができる。

第２図中、１０はバルブフェース、１１はシリンダヘッ
ド表面、１２はシリンダ壁、１３はピストン頂面であり
、而して、それらバルブフェース１０乃至ピストン頂面
１３は、燃焼室を構成する部品となっている。

本発明の薄いセラミックコーティングは、バルブフェー
ス１０、シリンダヘッド表面１１、シリンダ壁１２及び
ピストン頂面１３等の燃焼室表面に被覆することができ
る。

燃焼室表面は鋳鉄、アルミニウム或いは他の望ましい材
料からも構成することができる。

セラミックコーティングの処理は、蒸着法（ｖａ−ｐｏ
ｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）　、スパッタ法（ｓｐｕｔ
ｔｅｒｉｎｇ）、プラズマ溶射法（ｐｌａｓｍａ　ｓｐ
ｒａｙｉｎｇ）、ドレン法（ｄｒａｉｎ　ｃａｓｔｉｎ
ｇ　）等の常法により行うことができる。

本発明は、ロークリサイクルエンジン或いはスターリン
グサイクルエンジン等の燃焼方式からなる他の熱機関に
おいても実施することができる。

本発明のセラミックコーティングは、数種類のセラミッ
ク成分から構成することができ、またバインダを金属基
材とセラミックコーティングとの間に使用することもで
きる。

このコーティングは、先に本出願人が提案した米国特許
Ｎα４，４９５，９０７の特許発明の如く、酸化クロム
等の良好な耐久性を有する物質で緻密化することもでき
る。

好ましい実施例においては、酸化ジルコニウムをベース
としたセラミックが優れた断熱特性を有するため使用さ
れる。

代表的な断熱コーティングの熱伝導率は鋳鉄の２０及び
アルミニウムの８０に対して１．０ＢＴｔｌ／（Ｆｔ−
１４・”　Ｆ）　（１，７３１Ｗ／（ｍ−ｋ））である
。

第３図は、鋳鉄シリンダ壁において周期的な非定常の温
度変化が起こる深さを示すグラフである。

而して、鉄の良好な熱伝導により全仕事中に生ずる温度
変化は、シリンダ壁の約０．０３インチ、即ち７３５ミ
クロンの深さまで及ぶこととなる。

この第３図に示すグラフはエンジン運転サイクル中の３
つの時期、吸気（３００°Ｃ，Ａ、）　、圧縮（３５０
°Ｃ，Ａ、）及び出力（４００°Ｃ，Ａ、）での断面壁
温度を示すものである。

熱流の引き起こされる深さは温度プロフィルによって示
される（熱は高温から低温部へのみ流れる）。非定常な
熱流が生ずる深さは材料の熱エネルギを伝導する能力に
左右される。非定常熱流の量はエンジンサイクル中に温
度プロフィルが変化する壁内の深さに比例する。

この第３図に示すグラフが表す最も重要なことは、シリ
ンダ壁の温度の変動がシリンダ壁表面から０．０３イン
チ、即ち７３５ミクロンの深さまでしか及ばないという
ことである。

第４図はジルコニアで断熱したシリンダ壁に発生する周
期的で非定常な温度と熱流の深さを示すグラフである。

温度の変化は、鋳鉄壁の場合０．０３インチ、即ち７３
５ミクロンの深さまで及ぶのに対して断熱壁の場合ｏ、
ｏｏｓインチ、即ち１２３ミクロンの深さまでしか及ば
ない。

この第４図に示すグラフが表す重要なことは、ｏ、ｏｏ
ｓインチ、即ち１２３ミクロンを超えるジルコニア断熱
コーティングがシリンダの表面とｏ、　ｏｏｓインチ、
即ち１２３ミクロンより深いシリンダの部分との非定常
な熱の出入りに対して実質的な影響を及ぼさないという
ことである。

このことは第１図に示されるように断熱コーティングの
厚さが増加して燃焼室の全体的な運転温度が高くなると
しても同様である。温度変動の正確な浸透深さは個々の
断熱コーティング毎に異なることも述べておく。第４図
はプラズマ溶射ジルコニア等の熱伝導率１．０ＢＴＵ／
（Ｆｔ・１１　−　＠Ｆ）　（１，７３１Ｗ／（Ｉｌ−
ｋ））を有する材料からなるコーティングの代表例を示
す。

第５図は、本発明に係る断熱コーティングを施した内燃
機関の燃焼室構成部品による燃焼室の断熱が、（１）圧
縮行程中、燃焼室から作動ガスへの、及び（２）出力行
程中、作動ガスから燃焼室への熱伝導を低下させること
により、どれくらい出力が増加するかを示すＰＶ線図で
ある。

而して、圧縮行程中は断熱によりシリンダ壁から作動ガ
スへの熱流が低下し、それによりシリンダ圧力が低下し
ている。出力行程中は作動ガスからシリンダ壁への熱エ
ネルギ伝導が低下してシリンダ圧力を増加している。

最適な断熱レベルから生じるシリンダ圧力特性により第
５図の線図内の面積が増加し、これに比例して出力及び
熱効率が増加する。

従って、本発明は燃焼行程中の燃焼室温度及び圧力を増
加することにより、またその他のサイクル中の温度及び
圧力を最少にすることによりエンジンが最適な機能レベ
ルで運転できるようにするものである。

断熱しないエンジンに対する本発明の出力増加は第５図
のハツチング部で示される。

第６図は、燃焼室壁と作動ガス間の熱流がエンジンサイ
クル中の全体的な燃焼温度にどれくらい影響を及ぼすか
を示すグラフである。

断熱しない燃焼室の平均温度は断熱燃焼室のものより低
い。然し、吸気行程中及び圧縮行程の初期では、薄いコ
ーティングの断熱燃焼室の温度は断熱しないエンジンの
ものより実際低い。

これは、この期間中に断熱しない燃焼室から作動燃料に
熱が伝導されるためである。然し、薄いコーティングの
断熱燃焼室では断熱材料により熱が金属基材から断熱材
料を通過して作動燃料へ伝導するのが防止される。

断熱燃焼室と断熱しない燃焼室との熱流の差はハツチン
グ部６１と６２に比例する。ハツチング部６１は、最適
な断熱から得られるシリンダ表面から作動ガスへの熱流
の低減を示す。ハツチング部６２は最適な断熱から得ら
れる作動ガスからシリンダ表面への熱流の低減を示す。

〔発明の効果〕

本発明は畝上の如く構成されるので、本発明によるとき
には、吸気行程中の燃焼室の熱損失を低減して、エンジ
ン効率及び比出力を大幅に向上させることができると共
に、エミッシヲンを低減することができる断熱コーティ
ングを施した内燃機関の燃焼室構成部品を提供し得るも
のである。

而して、本発明は、厚い断熱コーティングにより一般的
に引き起こされる早期着火或いはノッキング等を発生し
ないのでガソリンエンジンに特に適している。また燃焼
室の温度上昇がエンジン潤滑剤の寿命或いは充填効率に
悪影響を与えるほどハ大きくない。更に本発明はアルミ
ニウム製の燃焼室構成部品に特に適している。また本発
明の薄いコーティングはセラミックコーティングで発生
し易い亀裂及び剥離を防止するので、信頼性及び耐久性
が大幅に向上するものである。

尚、本発明は畝上の実施例に限定されるもので法、セラ
ミック添加物及びセラミックコーティング剤等は実施例
で示した他に本発明の目的の範囲内で自由に変更できる
ものであって、本発明はそれらの総てを包摂するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鋳鉄のみ、非常に薄いコーティング、薄いコ
ーティング、厚いコーティング及び非常に厚いコーティ
ングのそれぞれの燃焼室温度を示すグラフ、第２図は、
本発明に係る断熱コーティングを施した内燃機関の燃焼
室構成部品を代表的なエンジンに適用したときの燃焼室
の一実施例を示す断面図、第３図は、代表的なエンジン
サイクル中の鋳鉄シリンダ壁における温度の変化を示す
グラフ、第４図は、代表的なエンジンサイクル中の断熱
シリンダ壁における温度の変化を示すグラフ第５図は、
燃焼室を断熱することが、燃焼室から作動ガスへの熱伝
導によりどのように出力損失に影響を及ぼすかを示すＰ
■（圧力−容積）線図、第６図は燃焼室壁から作動ガス
への熱流がエンジンサイクル中の燃焼室温度にどのよう
に影響を及ぼすかを示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）その表面に断熱コーティングを施した内燃機関の燃
   焼室構成部品に於いて、その断熱コーティング層の厚さ
   が約５０ミクロン以上２２０ミクロンであることを特徴
   とする上記の断熱コーティングを施した内燃機関の燃焼
   室構成部品。 ２）上記断熱材料中に酸化クロムの粒子が分散されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の断熱コーティングを施し
   た内燃機関の燃焼室構成部品。 ３）上記断熱材料が耐火性酸化物である特許請求の範囲
   第１項記載の断熱コーティングを施した内燃機関の燃焼
   室構成部品。 ４）上記断熱材料がジルコニアである特許請求の範囲第
   ３項記載の断熱コーティングを施した内燃機関の燃焼室
   構成部品。 ５）上記断熱材料中に酸化クロムの粒子が分散されてい
   る特許請求の範囲第４項記載の断熱コーティングを施し
   た内燃機関の燃焼室構成部品。 ６）上記断熱材料がＣｒＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、
   ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＴｉＮ、Ｃ
   ｒ＿２Ｏ＿３、ＨｆＯ＿２、Ｎｂ＿２Ｏ＿３、Ｔａ＿２
   Ｏ＿５及びＴｉＯ＿２からなる群から選ばれた少なくと
   も一の物質から成る特許請求の範囲第１項記載の断熱コ
   ーティングを施した内燃機関の燃焼室構成部品。 ７）燃焼室構成部品の表面と断熱材料の層とがバインダ
   ーにより接合されている特許請求の範囲第１項記載の断
   熱コーティングを施した内燃機関の燃焼室構成部品。 ８）断熱材料が被覆される燃焼室構成部品がアルミニウ
   ムから成る特許請求の範囲第１項記載の断熱コーティン
   グを施した内燃機関の燃焼室構成部品。