JPH03281936A - エンジンの燃焼室 - 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、燃費性を改善するようにしたエンジンの燃焼
室に関するものである。

（従来の技術） 従来より、エンジンの燃費性を改善することから、熱損
失の低減によって熱効率を高めて仕事率を向上する研究
が種々なされている。そして、燃焼室で発生した熱がこ
の燃焼室を構成する構成部材、すなわち、ロータリピス
トンエンジンであればロータもしくはケーシング、レシ
プロエンジンであれば、ピストンもしくはシリンダヘッ
ド、シリンダブロックの表面から逃げる熱損失を低減す
るために、例えば、実開昭５６−２５０２４号公報に見
られるように、ロータフランク面に熱伝導率の低い断熱
層を設ける技術が知られている。

しかし、上記断熱層の形成は、高負荷領域において表面
温度が高くなり過ぎて吸入エアの温度上昇によって体積
効率が低減し、エンジン出力の低下を招く問題を有する
。

また、かかる問題を回避するために、上記の対流熱伝導
および熱伝導の抑制による熱損失低減ではなく、輻射熱
伝達の抑制による熱損失低減の対策として、燃焼室構成
部材の表面に銀メツキ等の輻射熱の吸収の少ない被覆層
を設けることが考えられている。

（発明が解決しようとする課題） しかして、上記のように燃焼室構成部材表面に輻射熱の
吸収が低い被覆層を形成すると、輻射熱損失は低減され
て燃費改善効果は得られるが、この効果の維持が困難と
なる問題を有する。

すなわち、上記被覆層による輻射熱の吸収量の低下は、
逆に燃焼ガスからの受熱量の低下に伴って表面温度が低
下し、その結果、基本的に発熱量の低い軽負荷時に特に
温度が低下し、前記被覆層表面にカーボンスラッジ等の
燃焼生成物が付着堆積する現象が生じ、被覆層による輻
射熱損失の低減機能が失われることになる。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、被覆層による輻射熱
損失低減効果を維持して燃費性の改善を行うようにした
エンジンの燃焼室を提供することを目的とするものであ
る。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明のエンジンの燃焼室は、
燃焼室を構成するロータ、ピストン等の構成部材の表面
にセラミック等による低熱伝導率の断熱層を形成し、さ
らに、該断熱層の上に銀メツキ等によって表面が平滑で
高熱伝導率を示すとともに輻射熱吸収の低い被覆層を形
成してなるものである。

（作用） 上記のようなエンジンの燃焼室では、燃焼室構成部材の
表面にセラミック等による低熱伝導率の断熱層と、この
断熱層上に銀メツキ等による高熱伝導率で輻射熱吸収の
低い被覆層を形成し、上記被覆層で輻射熱損失を低減す
ると共に、該被覆層の表面が鏡面仕上げなどによる表面
処理で平滑であって、燃焼ガスからの対流熱伝達も抑制
されて大きな燃費改善効果を得る一方、断熱層によって
被覆層の表面温度が高められ、軽負荷時におけるカーボ
ンスラッジ等の付着による燃費改善機能の低下を防止す
るようにしている。

上記被覆層の表面温度の上昇は、最表面に形成した被覆
層の輻射係数が小さいために燃焼ガスからの熱伝達が抑
制されるが、上記被覆層の下層には低熱伝導率の断熱層
が設けられて、該被覆層からの小熱流束がここで遮られ
、熱容量の小さい被覆層に蓄熱され、表面温度が上昇す
るものである。

（実施例） 以下、図面に沿って本発明の詳細な説明する。

第１図はロータリピストンエンジンの具体例における要
部断面図である。

ロータリピストンエンジン１は、ロータハウジング３と
サイドハウジング４とによって構成されるケーシング２
内にロータ６が収容されて、ロータ６の頂部がトロコイ
ド内周面３ａに摺接して３つの燃焼室７（作動室）が形
成され、各燃焼室７が順次吸気、圧縮、爆発、排気の各
行程を繰り返すものである。

前記ロータ６は鋳鉄などの母材６ａで構成され、外周の
ロータフランク６ｂの中央には凹状のリセス６Ｃが形成
され、各頂部にアベックシール８、コーナシール９が装
着され、側面にはサイドシール、１０、オイルシール１
１が装着されている。

そして、上記ロータ６のリセス６ｃを含む燃焼室７の内
周面側を構成するロータフランク６ｂの全周に、下層の
セラミックによる断熱層１２と、上層の銀メツキによる
被覆層１３を形成してなる。

前記断熱層１２は、ロータ母材６ａに対して炭化けい素
、窒化けい素、ジルコニア、アルミナ等のセラミック材
を溶射によって５０〜２００μｍの厚さに形成する。こ
の断熱層１２上には被覆層１３との密着性を高めること
から銅等の高熱伝導率材による薄膜溶射を施す。

続いて、上記薄膜溶射を電極として電解メツキによって
銀メツキによる被覆層１３を５〜３０μｍの厚さに形成
する。そして、上記被覆層１３の表面をパフ研磨によっ
て鏡面仕上げ処理を施して表面を平滑化する。

前記被覆層１３の厚さは、厚くすると表面温度の応答性
が低下するだけで特に支障はないが、輻射効果および剥
離性の点から、前記のように５〜３０μｍの厚さに形成
するのが好ましいｇまた、銀メツキのほか各種金属メツ
キ層、溶射膜層などによって被覆層１３を構成してもよ
いが、銀メツキの特性が優れている。

一方、前記断熱層１２の厚さは、この厚さによって被覆
層１３の表面温度レベルが大きく変化し、この表面温度
が高すぎると高負荷時に吸気温度の上昇で体積効率の低
下を招くことから、上記表面温度の平均値が通常エンジ
ンでの値から±１０℃の範囲に設定するには、前記のよ
うに５０〜２００μｍの厚さに形成するのが好ましい。

次に、前記断熱層１２および被覆層１３を形成した構成
部材の機能を求めたテスト結果を第２図に示す。このテ
ストは、直径５３１０ｍ１板厚２ＩＩｌｌｎ１材質が鋳
鉄のテストピースの片側表面に、断熱層１２および被覆
層１３を選択的に形成した各種テストピースを用意し、
そのテストピースの表面処理面に赤外線ランプによる赤
外線を照射し、照射面（ａ）および反対面（ｂ）の温度
上昇特性を計測したものである。テスト条件は、被覆層
の銀メツキ厚さ２０μｍ１断熱層は炭化けい素を８０μ
ｍ溶射した上に２０μｍの銅溶射層を形成して設けてい
る。また、被覆層の表面は鏡面仕上げを施している。な
お、テストピースの板厚は表面処理後の全体で２Ｉｌｌ
Ｉｎになるように調整している。

テストピースＩ（実線、本発明品） ・・・・・・素材＋断熱層＋被覆層 テストピース■（鎖線、比較品） ・・・・・・素材＋被覆層 テストピース■（破線、比較品） ・・・・・・素材のみ 上記第２図の結果より、テストピースＩの本発明品では
表面温度（ａ）は素材のみのテストピース■と同様に高
く、裏面温度（ｂ）は最も低い値を示し、大きな輻射熱
損失低減効果を有すると共に断熱層によって表面温度が
上昇しているのが分かる。これに対して、テストピース
■は裏面温度が高く素材を伝わって熱損失が大きくなっ
ている。

また、テストピース■の銀メツキを施したものは裏面温
度が低く輻射熱損失を低減しているが、表面温度が低く
カーボンスッジの付着の恐れがある。

上記データを基に、ロータリピストンエンジン１におけ
るロータフランク６ｂの表面温度をシミュレーション計
算した結果を第３図に示す。運転条件は、回転数が１．
５０Ｏｒｐｍ、平均有効圧力Ｐｅが３　ｋｇ／　ａｔで
あり、表面仕様１〜■は下記の通りで、それぞれの断熱
層１２および被覆層１３は前記テストピースの処理と同
様に構成されている。

表面仕様Ｉ・・・・・・素材＋断熱層＋被覆層表面仕様
■・・・・・・素材十被覆層 表面仕様■・・・・・・素材＋断熱層 表面仕様■・・・・・・素材のみ 第３図から分かるように、表面仕様■の素材表面にセラ
ミック断熱層を設けたものでは、表面仕様■の素材のみ
のものに比べて単に表面温度が上昇しているのに対し、
表面仕様■の素材の表面に銀メツキ被覆層を設けたもの
では、周期的に低いレベルで温度変化する。さらに、表
面仕様Ｉの素材の表面にセラミック断熱層１２と銀メツ
キ被覆層１３を設けた本発明品では、表面仕様■の素材
のみのものに近いレベルで大きな周期的な温度変化を生
じるものであって、この時の熱損失低減による燃費改善
効果は４％と算出される。

また、前記第１図のロークリピストンエンジン１におい
ては、ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに、
点火プラグ１４近傍の燃焼行程側の部分にセラミックに
よる断熱層１５を形成している。この内周面３ａの断熱
層１５は、ノッキング抑制用に設置されている。

すなわち、ロータリピストンエンジン１のノッキング発
生はロータフランク６ｂの遅れ側Ｔ（トレーリング側）
の部分であり、この部分の表面温度（平均値）の低下が
ノッキング抑制には有効であって、ロータ６の表面温度
の低下を、この遅れ側Ｔのロータフランク６ｂに高熱伝
導率で輻射熱の吸収の低い銀メツキによる被覆層１３の
形成で得るものであって、この被覆層１３は輻射率が高
いために、燃焼ガスからの熱を受けにくく表面温度が下
がるものである。しかし、ロータ表面温度が低下すると
、特に、トレーリング側Ｔのロータフランク６ｂに軽負
荷領域でカーボンスラッジ等の燃焼生成物が堆積するこ
とになり、高負荷時のノッキング抑制が実現されない。

そこで、ロータハウジング３のトロコイド内周面３ａに
断熱層１５を設け、圧縮上死点での混合気温度を上昇せ
しめ、燃焼温度を高めてカーボンスラッジ等の燃焼生成
物を付着させないようにしている。

上記混合気温度の上昇はノッキングの発生要因となるが
、第５図に示すように、混合気温度上昇によるノッキン
グ発生特性よりもロータトレーリング側フランク面温度
の低下によるノッキング抑制の方が支配的であるため、
結果的にノッキングは抑制され、効果的に点火進角に余
裕を持たせ、特に低速時のロータリピストンエンジン１
の高出力化が実現できる。

第５図において、（Ａ）は圧縮上死点時混合気温度がノ
ッキングに与える影響すなわちノッキング発生限界の点
火進角を示し、（Ｂ）に同様にトレーリング側のロータ
フランク６ｂの平均温度がノッキングに与える影響を示
し、通常では混合気温度３００℃、ロータ表面温度２１
５℃が設定値となっている。エンジン回転数が２．００
Ｏｒｐｍでの全開条件では、ロータフランク６ｂの平均
温度における変化幅の１０℃は、圧縮上死点時の混合気
温度変化幅にして５０℃に対応する。従って、両図は同
一スケールで比較でき、ノッキングの指標である点火進
角に大きく影響するのはロータフランク６ｂの表面温度
であることが分かり、この特性を利用して前記のように
被覆層１３の形成によってロータ表面の温度を低下し、
トロコイド内周面３ａに断熱層１５を形成して混合気温
度を高めてスラッジの付着防止を行うことでノッキング
を抑制しているものである。

なお、ノッキング抑制をさらに効果的に行うには、前記
ロータ６のロータフランク６ｂにおける遅れ側部分子の
表面温度の低下が有効であることから、この部分の銀メ
ツキによる被覆層１３の下層に形成する断熱層１２の厚
さを薄くして断熱特性を低下させるか、断熱層１２の形
成をなくして被覆層１３のみ設けるようにしてもよい。

次に、第４図はレシプロエンジンのピストン２１の例を
示している。このピストン２１はヘッド部２１ａとスカ
ート部２１ｂを有し、このピストン２１の燃焼室に面す
る頂面２１ｃに、下層としてセラミックによる断熱層１
２と、この断熱層１２上に銀メツキによる被覆層１３を
設けたものであって、各層の構成の詳細については前記
ロータリピストンエンジン１のロータ６の場合と同様で
あり、具体的な説明は省略する。

上記のような実施例によれば、ロータ６もしくはピスト
ン２１等の燃焼室構成部材の表面に断熱層１２と被覆層
１３を形成したことて、上記構成部材表面の過度な温度
上昇による体積効率の低下（出力低下）を抑制しつつ、
輻射熱などの熱損失を低減して燃焼温度の向上を図るこ
とができる。

また、前記断熱層１２により被覆層１３を所定温度に高
めることかでき、燃焼時の温度上昇に寄与すると共に、
被覆層１３へのカーボンスラッジ等の付着を低減でき、
被覆層１３の輻射熱非吸収効果を保って燃費改善効果を
維持することができものである。

なお、上記実施例においては、燃焼室構成部材としては
ロータ、ピストンの例を示したが、その他、燃焼室を構
成する周辺部材に上記のような断熱層１２と被覆層１３
を形成することで、燃費改善効果とカーボンスラッジ付
着防止が得られるものである。

（発明の効果） 上記のような本発明によれば、燃焼室を構成するロータ
、ピストン等の構成部材の表面にセラミック等によって
低熱伝導率の断熱層を形成し、この断熱層の上に銀メツ
キ等によって表面が平滑で高熱伝導率を示すとともに輻
射熱吸収の低い被覆層を形成したことにより、上記被覆
層で輻射熱損失を低減し燃費性を改善すると共に、断熱
層によって被覆層の表面温度を高めて、軽負荷時におけ
るカーボンスラッジ等の付着によるる燃費改善機能の低
下を防止することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるロータリピストンエ
ンジンの要部断面図、 第２図は熱伝達特性のテスト結果を比較例と共に示す特
性図、 第３図はロータ表面温度のシミュレーション計算結果を
比較例と共に示す特性図、 第４図はレシプロエンジンのピストンの例を示す要部断
面図、 第５図は温度変化とノッキング特性を示す特性図である
。 １・・・・・・エンジン、３・・・・・・ロータハウジ
ング、６・・・・・・ロータ、６ａ・・・・・・母材、
６ｂ・・・・・・ロータフランク、７・・・・・・燃焼
室、１２・・・・・・断熱層、１３・・・・・・被覆層
、１５・・・・・・断熱層、２１・・・・・・ピストン
、２１Ｃ・・・・・・頂面。 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼室を構成する構成部材の表面に低熱伝導率の
   断熱層を形成し、さらに、該断熱層の上に表面が平滑で
   高熱伝導率を示すと共に輻射熱吸収の低い被覆層を形成
   したことを特徴とするエンジンの燃焼室。