WO2013080389A1 - エンジン燃焼室構造 - Google Patents

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combustion chamber
heat insulating
heat
engine combustion
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崇弘 冨田
幹也 市村
重治 橋本
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日本碍子株式会社
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an engine combustion chamber structure for improving the thermal efficiency of an engine and improving fuel consumption.
  • the present invention relates to an engine combustion chamber structure that pays attention to heat transfer by radiation from a fuel combustion flame to an inner wall constituting the engine combustion chamber.
  • Patent Document 1 aims to supply a film having a low thermal conductivity, a low heat capacity, and excellent durability and reliability that is free from peeling and dropping for use in an engine combustion chamber.
  • an anodized film having a film thickness of more than 20 ⁇ m and 500 ⁇ m or less and a porosity of 20% or more is formed on the inner wall constituting the engine combustion chamber. .
  • Patent document 2 aims at providing an internal combustion engine provided with the structural member which improved the heat insulation performance.
  • a heat insulating material is disposed adjacent to the inner wall of the exhaust passage, and high-temperature working gas (exhaust gas) flows along a flow path formed by the heat insulating material.
  • the heat insulating material is laminated in a state where each particle of spherical mesoporous silica particles having an average particle diameter of 0.1 to 3 ⁇ m is densely dissolved through the bonding material.
  • the spherical mesoporous silica particles have innumerable mesopores having an average pore diameter of 1 to 10 nm.
  • Patent Documents 1 and 2 try to realize low thermal conductivity and low heat capacity by forming a porous material on the inner wall of the engine combustion chamber in order to improve the thermal efficiency of the engine.
  • the inner wall of the engine combustion chamber is porous, radiant heat transfer from the combustion flame cannot be suppressed (permeated), and heat may be easily transmitted to the engine component.
  • the fuel injected into the engine combustion chamber is absorbed by the porous inner wall, and a normal combustion reaction may not occur.
  • the fuel may block the pores.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 describes that the pore opening is sealed with a dense layer on the outermost surface of the anodized film.
  • the dense layer is preferably thin from the viewpoint of low heat transfer and low volume heat capacity, and it is described that there is no difference in thermal characteristics even when the opening is sealed.
  • An object of the present invention is to provide an engine combustion chamber structure for improving the thermal efficiency of an engine and improving fuel consumption.
  • the present inventors have an engine combustion chamber structure provided with a heat insulating member including a surface dense layer having a porosity of 5% or less and a heat insulating porous layer having a porosity larger than the porosity of the surface dense layer. It has been found that the above problems can be solved. That is, according to the present invention, the following engine combustion chamber structure is provided.
  • An inner wall constituting an engine combustion chamber of an engine component member includes a heat insulating porous layer formed of ceramics, and a surface dense layer formed of ceramics on the surface of the heat insulating porous layer,
  • An engine combustion chamber structure provided with a heat insulating member having a porosity of a surface dense layer of 5% or less, and wherein the heat insulating porous layer has a porosity higher than the porosity of the surface dense layer.
  • the heat insulating member includes two layers of the surface dense layer and the heat insulating porous layer, the heat insulating performance of the engine combustion chamber can be improved and the fuel consumption can be improved.
  • the surface dense layer is a dense layer having a porosity of 5% or less, it is possible to reflect radiation and suppress the absorption of fuel and the adhesion of burning residue. By disposing a porous heat-insulating porous layer below the surface dense layer, heat transfer to the engine component can be suppressed.
  • the engine combustion chamber structure of the present invention includes the heat insulating member 1 on the inner wall constituting the engine combustion chamber 20 of the engine component 21 (cylinder block 11, cylinder head 13, piston 14 and the like).
  • the heat insulating member 1 includes a heat insulating porous layer 3 formed of ceramics, and a surface dense layer 2 formed of ceramics on the surface of the heat insulating porous layer 3.
  • the surface dense layer 2 of the heat insulating member 1 has a porosity of 5% or less, and the heat insulating porous layer 3 has a porosity larger than the porosity of the surface dense layer 2. As shown in FIG.
  • the bonding layer 4 is a layer for bonding the respective layers provided between the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3 and between the engine component 21 and the heat insulating porous layer 3. is there. A configuration without the bonding layer 4 can also be adopted.
  • the heat insulation performance of the engine combustion chamber 20 can be improved.
  • the heat insulating porous layer 3 can suppress heat transfer from the surface dense layer 2 to the engine constituent member 21. For this reason, at the time of fuel combustion, the temperature of the inner wall of the engine constituent member 21 (the wall surface constituting the engine combustion chamber 20) easily rises following the gas temperature of the engine combustion chamber 20.
  • FIG. 3 is a diagram showing the gas temperature in the engine combustion chamber 20 and the temperature of the inner wall of the engine component 21.
  • the horizontal axis is the crank angle of the engine 10 and corresponds to time.
  • the vertical axis is temperature.
  • the temperature of the inner wall that does not include the heat insulating member 1 greatly deviates from the gas temperature of the engine combustion chamber 20.
  • the temperature of the inner wall provided with the heat insulating member 1 tends to rise following the gas temperature in the engine combustion chamber 20.
  • heat loss can be reduced and overheating of the intake air can be prevented.
  • the surface dense layer 2 is a dense ceramic layer formed on the surface of the heat-insulating porous layer 3 having a porous structure.
  • the surface dense layer 2 has a porosity of 5% or less, preferably 0.01 to 4%, more preferably 0.01 to 3%.
  • radiant heat transfer to the inner wall of the engine combustion chamber 20 can be suppressed immediately after the combustion to the early combustion period, and from the surface dense layer 2 to the exhaust gas at a low temperature in the late combustion to the exhaust process. By radiating the heat, it is possible to prevent the intake gas introduced next from becoming a high temperature.
  • the surface dense layer 2 preferably has a reflectivity at a wavelength of 1.5 ⁇ m of greater than 0.5, more preferably a reflectivity at a wavelength of 1 ⁇ m to 2 ⁇ m of greater than 0.5, and a reflectivity at a wavelength of 1 ⁇ m to 2 ⁇ m. More preferably, it is larger than 0.6.
  • the surface dense layer 2 preferably has an emissivity at a wavelength of 2.5 ⁇ m of greater than 0.5, more preferably greater than 0.6, and even more preferably greater than 0.7. By having such a reflectance, conduction of heat to the heat insulating porous layer 3 can be suppressed. Moreover, by having such an emissivity, the heated surface dense layer 2 can be easily cooled.
  • the surface dense layer 2 preferably has a heat capacity of 3000 kJ / m 3 K or less, and more preferably 1000 kJ / m 3 K or less. Due to the low heat capacity (thin film, small volume), the temperature of the inner wall of the engine component easily follows the gas temperature in the engine combustion chamber 20. The temperature difference between the gas temperature and the heat insulating member 1 (surface dense layer 2) is reduced, and cooling loss can be reduced.
  • the surface dense layer 2 preferably has a thermal conductivity of 3 W / mK or less. By setting the thermal conductivity within this range, conduction of heat to the heat insulating porous layer 3 can be suppressed.
  • the surface dense layer 2 preferably has a thickness of 20 ⁇ m or less. By setting the thickness within this range, heat conduction to the heat insulating porous layer 3 can be suppressed.
  • the surface dense layer 2 can be formed of ceramics, and examples thereof include alumina, silica, mullite, silicon nitride, silicon carbide, titania, zirconia, zinc oxide, and glass.
  • the heat insulating porous layer 3 is a porous ceramic layer and has a porosity higher than that of the surface dense layer 2.
  • the porosity of the heat insulating porous layer 3 is preferably 10 to 99%, more preferably 20 to 90%.
  • the heat-insulating porous layer 3 preferably has a thermal conductivity of 0.5 W / mK or less. Due to the low thermal conductivity, heat transfer from the surface dense layer 2 to the engine component 21 can be suppressed.
  • the heat insulating porous layer 3 preferably has a heat capacity of 1000 kJ / m 3 K or less. Due to the low heat capacity, the gas temperature in the engine combustion chamber 20 is likely to be lowered after the fuel is exhausted. Thereby, the compression ratio of fuel can be improved.
  • the heat insulating porous layer 3 preferably has a Young's modulus of 50 GPa or less. When the Young's modulus is low, thermal stress and thermal shock due to thermal expansion mismatch between the engine component 21 and the surface dense layer 2 can be reduced.
  • the heat-insulating porous layer 3 preferably has a thickness of 20 to 500 ⁇ m. By making the heat insulation porous layer 3 into this range, the heat insulation effect can be made sufficient.
  • the heat insulating porous layer 3 is a ceramic, and for example, silica, alumina, zirconia, titania, silicon nitride, silicon carbide, glass or the like can be used. These are preferably amorphous from the viewpoint of thermal conductivity. Moreover, you may be comprised with these single materials and the mixture of at least 2 or more types of materials may be sufficient. Examples of the mixture include a composite material in which silica-alumina fibers and hollow silica-alumina particles are dispersed in a silica matrix.
  • the bonding layer 4 (first layer) is interposed between the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3. It may be configured to have one bonding layer 4a). Further, the bonding layer 4 (second bonding layer 4 b) may be provided between the inner wall of the engine component 21 constituting the engine combustion chamber 20 and the heat insulating porous layer 3.
  • the bonding layer 4 preferably has a high thermal resistance, specifically 10 ⁇ 6 to 10 m 2 K / W, more preferably 10 ⁇ 5 to 10 m 2 K / W, and more preferably 10 ⁇ 10 to 10 m 2 K / W. More preferably, it is ⁇ 4 to 10 m 2 K / W.
  • a high thermal resistance specifically 10 ⁇ 6 to 10 m 2 K / W, more preferably 10 ⁇ 5 to 10 m 2 K / W, and more preferably 10 ⁇ 10 to 10 m 2 K / W. More preferably, it is ⁇ 4 to 10 m 2 K / W.
  • the thermal expansion coefficient of the bonding layer 4 is the layer in contact with each other (the first bonding layer 4a is the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3, and the second bonding layer 4b is the heat insulating porous layer 3 and the engine component 21). It is preferable to have an intermediate thermal expansion coefficient.
  • the Young's modulus of the bonding layer 4 is intermediate between the layers that are in contact with each other (the first bonding layer 4a is the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3, and the second bonding layer 4b is the heat insulating porous layer 3 and the engine component 21).
  • the bonding layer 4 is a reaction between the layers in contact with each other (the first bonding layer 4a is the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3, and the second bonding layer 4b is the heat insulating porous layer 3 and the engine component 21). It is preferable that the material composition be suppressed, whereby the oxidation resistance and the reaction resistance are improved, and the durability of the heat insulating member is improved.
  • the bonding layer 4 is preferably a material having an adhesive function or a material that can be formed as a thin film, and examples thereof include an inorganic adhesive, a colloidal solution, a preceramic polymer, a brazing material, and a plating film.
  • the heat insulating member 1 is provided on the surface (inner wall) of the engine constituent member 21 constituting the engine combustion chamber 20. Specifically, the upper surface 14s of the piston 14, the intake valve 16, the valve heads 16s and 17s of the exhaust valve 17, the bottom surface 13s of the cylinder head 13, and the like can be given.
  • FIG. 2 is an embodiment showing an engine.
  • the engine 10 includes a cylinder block 11 in which a cylinder 12 is formed, and a cylinder head 13 attached so as to cover the upper surface of the cylinder block 11.
  • a piston 14 is provided in the cylinder 12 of the cylinder block 11 so as to be slidable in the vertical direction.
  • a spark plug 15 is attached to the cylinder head 13.
  • an intake valve 16 and an exhaust valve 17 are attached.
  • the intake valve 16 is configured to open and close an intake passage 18 formed in the cylinder head 13
  • the exhaust valve 17 is configured to open and close an exhaust passage 19.
  • the heat insulating member 1 is provided on the upper surface 14 s of the piston 14. Similarly, the heat insulating member 1 is provided on the valve heads 16 s and 17 s of the intake valve 16, the exhaust valve 17, and the bottom surface 13 s of the cylinder head 13. These surfaces are surfaces that form the engine combustion chamber 20, and by providing the heat insulating member 1 on these surfaces, the heat insulating performance can be improved.
  • Fuel is supplied to the engine combustion chamber 20 surrounded by the cylinder 12, the cylinder head 13, and the piston 14 by opening the intake valve 16, and is burned by being ignited by the spark plug 15. By this combustion, the piston 14 is pushed down. The exhaust gas generated by the combustion is exhausted by opening the exhaust valve 17.
  • the surface dense layer 2 is formed after the heat insulating porous layer 3 is formed, and after the sputtering method, PVD method, EB-PVD method, CVD method, AD method, thermal spraying, plasma spray method, cold spray method, plating, wet coating. It can be formed by heat treatment or the like. Alternatively, a dense thin plate may be separately prepared as the surface dense layer 2 and attached to the base material together with the heat insulating porous layer 3.
  • the heat insulating porous layer 3 can use the same method as the surface dense layer 2, but in forming a porous film, in particular, an EB-PVD method, a thermal spraying method, a CVD method, a heat treatment after wet coating, etc.
  • the method for forming a porous film can be used.
  • a porous film forming method in which heat treatment is performed after particles are deposited by electrophoretic deposition, advection accumulation, or the like may be used.
  • a porous thin plate may be separately prepared and attached to the base material with a bonding material.
  • a paste obtained by adding filler particles (preferably hollow) or a pore former to the binder and kneading may be applied and cured, or the heat insulating porous layer 3 may be formed by heat treatment.
  • the surface dense layer 2 and the heat insulating porous layer 3 may be formed on the engine component 21 first by forming the heat insulating porous layer 3 and then forming the surface dense layer 2 or simultaneously. good.
  • the first bonding layer 4 a, the inner wall constituting the engine combustion chamber 20, and the heat insulating porous layer 3 have the second bonding layer 4 b. It can also be configured.
  • the 2nd joining layer 4b is apply
  • the surface dense layer 2 can be formed by the method as described above.
  • Example 1 As the surface dense layer 2, a zirconia dense body having a diameter of 90 mm and a thickness of 20 ⁇ m was prepared.
  • This zirconia dense body was produced as follows. First, polyvinyl butyral resin (PVB) as a binder, DOP as a plasticizer, xylene and 1-butanol as a solvent are added to a partially stabilized zirconia powder containing 3 mol% of yttria, and mixed in a ball mill for 30 hours. A sheet forming slurry was prepared.
  • PVB polyvinyl butyral resin
  • DOP as a plasticizer
  • xylene and 1-butanol as a solvent
  • the slurry is subjected to vacuum defoaming treatment to adjust the viscosity to 4000 cps, and then a green sheet for a thin plate is formed by a doctor blade device so that the thickness after firing is 20 ⁇ m, and the outer shape is shaped to a diameter of 90 mm. Cutting was performed.
  • the compact was fired at 1500 ° C. for 3 hours, and the fired product was sandwiched between 2 mm thick porous alumina flat plates and refired at 1500 ° C. for 5 hours to correct the warp.
  • a zirconia dense body 2 was obtained.
  • a paste in which colloidal silica, fly ash balloon (hollow alumina siliceous spherical particles), and ceramic fibers were mixed as a precursor of the heat insulating porous layer 3 was prepared.
  • An aluminum alloy plate (diameter 90 mm ⁇ thickness 1 mm) is prepared as a base material (corresponding to the engine component 21), a precursor paste of the heat insulating porous layer 3 is applied to the base material, and the surface dense layer 2 is applied thereon.
  • the zirconia dense body was placed, pressed and adhered, and further cured by heat treatment at 150 ° C.
  • Example 2 As the surface dense layer 2, a zinc oxide dense body having a diameter of 90 mm and a thickness of 20 ⁇ m was prepared.
  • This zinc oxide dense body was produced as follows. First, polyvinyl butyral resin (PVB) as a binder, DOP as a plasticizer, xylene and 1-butanol as a solvent were added to zinc oxide powder, and mixed in a ball mill for 30 hours to prepare a slurry for forming a green sheet. .
  • PVB polyvinyl butyral resin
  • the slurry is subjected to vacuum defoaming treatment to adjust the viscosity to 4000 cps, and then a green sheet for a thin plate is formed by a doctor blade device so that the thickness after firing is 20 ⁇ m, and the outer shape is shaped to a diameter of 90 mm. Cutting was performed.
  • the compact was fired at 1400 ° C. for 3 hours, and the fired product was sandwiched between 2 mm thick porous alumina plates and refired at 1400 ° C. for 5 hours to correct the warp. 2 was used as a dense zinc oxide.
  • Example 2 a paste in which colloidal silica, fly ash balloon (hollow alumina siliceous spherical particles), and ceramic fibers were mixed as a precursor of the heat insulating porous layer 3 was prepared.
  • An aluminum alloy plate (diameter 90 mm ⁇ thickness 1 mm) is prepared as a base material (corresponding to the engine component 21), a precursor paste of the heat insulating porous layer 3 is applied to the base material, and the surface dense layer 2 is applied thereon.
  • the dense zinc oxide was placed, pressed and adhered, and further cured by heat treatment at 150 ° C.
  • Example 3 An aluminum alloy plate (diameter 90 mm ⁇ thickness 1 mm) was prepared as a base material (corresponding to the engine constituent member 21), and a nickel film was formed by plating as the second bonding layer 4b.
  • a paste was prepared by mixing alumina sol, ash balloon (hollow alumina siliceous spherical particles), and ceramic fibers. This precursor was applied to the base material on which the second bonding layer 4b was formed, and heat-treated at 400 ° C. A zinc oxide dense film (surface dense layer 2) was formed thereon by CVD.
  • a paste in which colloidal silica, fly ash balloon (hollow alumina siliceous spherical particles), and ceramic fiber were mixed was prepared.
  • An aluminum alloy plate (diameter 90 mm ⁇ thickness 1 mm) is prepared as a base material (corresponding to the engine component 21), a precursor paste of the heat insulating porous layer 3 is applied to the base material, and a surface dense layer is formed thereon. It was hardened by carrying out heat treatment at 150 ° C. without mounting 2.
  • the heat insulating performance of an aluminum alloy plate having a multilayer structure heat insulating member 1 (surface dense layer 2 + heat insulating porous layer 3) on the surface was evaluated as follows. Measure the heat flow of the aluminum alloy plate for comparison (no heat insulation member) in the same way, measure the heat flow transferred to the opposite side of the aluminum alloy plate by bringing the fire of the gas burner closer to the heat insulation member 1 side of the aluminum alloy plate. These were compared.
  • a heat flow meter is installed on the side of the aluminum alloy plate (Examples 1 to 3) having the heat insulating member 1 having a multilayer structure on the side where the heat insulating member 1 is not provided, and similarly, heat insulation without the surface dense layer 2 for comparison is provided.
  • a heat flow meter was installed on an aluminum alloy plate (Comparative Example 1) on which the member 1 was applied.
  • the heat insulating member 1 was arranged at an equal distance from the flame of one gas burner so as to come to the flame side of the gas burner, and the heat flow rate through each was measured.
  • Example 1 is 95% of the heat flow rate of Comparative Example 1
  • Examples 2 and 3 are 90% of the heat flow rate of Comparative Example 1.
  • the heat insulating performance was improved by the presence of the dense surface layer 2.
  • the engine combustion chamber structure of the present invention can be applied to engines such as automobiles.

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Abstract

　エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させるためのエンジン燃焼室構造を提供する。エンジン燃焼室構造は、エンジン構成部材２１のエンジン燃焼室を構成する内壁に、断熱部材１を備える。断熱部材１は、セラミックスにより形成された断熱多孔質層３と、断熱多孔質層３の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層２と、を含む。断熱部材１の表面緻密層２は、気孔率が５％以下であり、断熱多孔質層３は、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。

Description

エンジン燃焼室構造
　本発明は、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させるためのエンジン燃焼室構造に関する。特に、燃料の燃焼炎からエンジン燃焼室を構成する内壁への輻射による伝熱に注目したエンジン燃焼室構造に関する。
　エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させることが望まれている。特許文献１は、エンジン燃焼室に用いるための、低熱伝導・低熱容量であり且つ剥離・脱落等のない耐久性・信頼性に優れた膜を供給することを目的とする。特許文献１では、エンジンの熱効率の向上のために、エンジン燃焼室を構成する内壁に膜厚が２０μｍより大きく５００μｍ以下であり且つ空孔率が２０％以上である陽極酸化被膜を形成している。
　特許文献２は、断熱性能を向上させた構造部材を備える内燃機関を提供することを目的とする。特許文献２の内燃機関には、排気通路の内壁に隣接して断熱材が配置され、高温の作動ガス（排気ガス）が、断熱材が形成する流路に沿って流れる。断熱材は、平均粒径が０．１～３μｍの球状メソポーラスシリカ粒子の各粒子が接合材を解して密集した状態で積層されている。球状メソポーラスシリカ粒子には、平均孔径１～１０ｎｍのメソ孔が無数に形成されている。
特開２０１０－２４９００８号公報 特開２０１１－５２６３０号公報
　特許文献１，２のいずれの技術も、エンジンの熱効率を向上させるために、多孔質な材料をエンジン燃焼室の内壁に形成させて、低熱伝導率や低熱容量を実現しようとしている。しかしながら、エンジン燃焼室の内壁が多孔質であると、燃焼炎からの輻射伝熱を抑制できず（透過してしまい）、エンジン構成部材へと熱が伝わりやすくなるおそれがある。また、特に直噴エンジンの場合、エンジン燃焼室内に噴射した燃料は多孔質な内壁に吸収され、正常な燃焼反応が起きない場合がある。特許文献１では燃料が気孔を塞ぐことも起こりうる。
　また、燃焼室の内壁が多孔質であると、燃焼後に発生する微量の煤や燃料中の不純物の燃えかすが付着しやすくなる可能性があり、断熱多孔質層の性状が変化し、熱伝導率や熱容量が高くなる恐れがある。特許文献１には、陽極酸化被膜の最表面において、緻密層で空孔の開口部を封じることについての記載がある。しかしながら、低伝熱性、低体積熱容量の観点から緻密層は薄い方が好ましいとされており、開口部を封じても熱特性上の差異は認められないと記載されている。
　特許文献１，２のいずれの技術も、燃焼ガスの熱がエンジン燃焼室の内壁の最表面に伝わった後、エンジン構成部材の内部へ熱が逃げるのを抑制するために、断熱性の高い膜を形成する。しかし、燃焼ガスの熱がエンジン燃焼室の内壁の最表面に伝わることを抑制する場合に、燃焼炎から内壁の最表面への輻射による伝熱に注目していない。
　本発明の課題は、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させるためのエンジン燃焼室構造を提供することにある。
　本発明者らは、エンジン燃焼室構造が、気孔率が５％以下の表面緻密層と、表面緻密層の気孔率よりも気孔率が大きい断熱多孔質層とを含む断熱部材を備えることにより、上記課題を解決しうること見出した。すなわち、本発明によれば、以下のエンジン燃焼室構造が提供される。
［１］　エンジン構成部材のエンジン燃焼室を構成する内壁に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層と、前記断熱多孔質層の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層と、を含み、前記表面緻密層は、気孔率が５％以下であり、前記断熱多孔質層は、前記表面緻密層の前記気孔率よりも気孔率が大きい断熱部材を備えるエンジン燃焼室構造。
［２］　前記表面緻密層は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きい前記［１］に記載のエンジン燃焼室構造。
［３］　前記表面緻密層は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きい前記［１］または［２］に記載のエンジン燃焼室構造。
［４］　前記表面緻密層は、厚さが２０μｍ以下である前記［１］～［３］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。
［５］　前記断熱多孔質層は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以下である前記［１］～［４］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。
［６］　前記断熱多孔質層は、熱容量が１０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下である前記［１］～［５］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。
［７］　前記断熱多孔質層は、厚さが２０～５００μｍである前記［１］～［６］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。
［８］　前記断熱多孔質層と、前記表面緻密層との間に、第一接合層を有する前記［１］～［７］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。
［９］　前記エンジン構成部材の前記内壁と、前記断熱多孔質層との間に、第二接合層を有する前記［１］～［８］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。
［１０］　前記断熱部材は、ピストン、バルブヘッド、シリンダヘッドの少なくともいずれかのエンジン燃焼室を構成する表面に備えられた前記［１］～［９］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。
　断熱部材が、表面緻密層と断熱多孔質層との２層を含むことにより、エンジン燃焼室の断熱性能を向上させ、燃費を向上させることができる。表面緻密層が気孔率５％以下の緻密な層であることにより、輻射を反射するとともに、燃料の吸収や燃えカスの付着を抑制することができる。表面緻密層の下に多孔質な断熱多孔質層を配置することにより、エンジン構成部材への伝熱を抑制することができる。
表面緻密層と断熱多孔質層とを含む断熱部材を示す模式図である。 エンジンの一実施形態を示す模式図である。 エンジン燃焼室のガス温度と内壁の温度とを示す図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
　図１及び図２を用いて本発明の断熱部材１を備えるエンジン燃焼室構造を説明する。本発明のエンジン燃焼室構造は、エンジン構成部材２１（シリンダブロック１１、シリンダヘッド１３、ピストン１４等）のエンジン燃焼室２０を構成する内壁に、断熱部材１を備える。断熱部材１は、セラミックスにより形成された断熱多孔質層３と、断熱多孔質層３の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層２と、を含む。断熱部材１の表面緻密層２は、気孔率が５％以下であり、断熱多孔質層３は、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。接合層４は、図１に示すように、表面緻密層２と断熱多孔質層３、エンジン構成部材２１と断熱多孔質層３との間に設けられたそれぞれの層を接合するための層である。接合層４がない構成とすることもできる。
　断熱部材１が、緻密な表面緻密層２と、表面緻密層２の下に多孔質な断熱多孔質層３との２層を含むことにより、エンジン燃焼室２０の断熱性能を向上させることができる。エンジン燃焼室２０内における燃料の燃焼時には、表面緻密層２により輻射を反射し、排気時には、表面緻密層２から熱を放射することができる。また、断熱多孔質層３は、表面緻密層２から、エンジン構成部材２１への伝熱を抑制することができる。このため、燃料の燃焼時には、エンジン構成部材２１の内壁（エンジン燃焼室２０を構成する壁面）の温度が、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従して上昇しやすくなる。
　図３は、エンジン燃焼室２０のガス温度とエンジン構成部材２１の内壁の温度とを示す図である。横軸は、エンジン１０のクランク角度であり、時間に対応する。縦軸は、温度である。断熱部材１を備えない内壁の温度は、エンジン燃焼室２０のガス温度と大きく乖離する。一方、断熱部材１を備えた内壁の温度は、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従して上昇しやすい。このように、内壁の温度が、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従しやすい場合、熱損失を低減することができるとともに、吸気の過熱を防止することができるようになる。
（表面緻密層）
　次に、断熱部材１の表面緻密層２について具体的に説明する。表面緻密層２は、多孔質な構造の断熱多孔質層３の表面に形成された緻密なセラミックスの層である。表面緻密層２は、気孔率が５％以下であり、０．０１～４％であることが好ましく、０．０１～３％であることがより好ましい。このようにすることにより、燃料の燃焼時のガス（燃料）の対流による熱伝達を防止することができる。また緻密なため、燃料の吸収やスス、燃えカスが付着しにくい。
　表面緻密層２は、燃料の燃焼時には、熱源である燃焼炎からの輻射伝熱を抑制する材料で構成される。また、表面緻密層２は、燃料の排気時には、自身の熱を放射しやすいものであることが好ましい。これには、ウイーンの変位側（λｍＴ＝２８９８［μｍ・Ｋ］：ここで、λｍは最大放射強度を示す波長、Ｔは温度を示す。）から予想される波長領域での反射率、輻射率を制御することが望ましい。すなわち、反射率は２μｍより小さい波長において大きいことが好ましく、輻射率は２μｍより大きい波長において大きいことが好ましい。これにより、燃焼直後～燃焼前期にはエンジン燃焼室２０を構成する内壁への輻射伝熱を抑制することができ、また、燃焼後期～排気工程で、低温になると表面緻密層２から排気ガスへと熱を放射することで、次に導入される吸気ガスが高温になることを防止することができる。
　表面緻密層２は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きいことが好ましく、波長１μｍ～２μｍにおける反射率が０．５より大きいことがより好ましく、波長１μｍ～２μｍにおける反射率が０．６より大きいことがさらに好ましい。表面緻密層２は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きいことが好ましく、０．６より大きいことがより好ましく、０．７より大きいことがさらに好ましい。このような反射率を有することにより、断熱多孔質層３への熱の伝導を抑制することができる。また、このような輻射率を有することにより、熱せられた表面緻密層２を冷めやすくすることができる。
　表面緻密層２は、熱容量が３０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下であることが好ましく、１０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下であることがより好ましい。低熱容量（薄膜、小体積）であることにより、エンジン構成部材の内壁の温度がエンジン燃焼室２０内のガス温度に追随しやすくなる。ガス温度と断熱部材１（表面緻密層２）との温度差が小さくなり、冷却損失を低減することができる。
　表面緻密層２は、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。熱伝導率をこの範囲とすることにより、断熱多孔質層３への熱の伝導を抑制することができる。
　表面緻密層２は、厚さが２０μｍ以下であることが好ましい。厚さをこの範囲とすることにより、断熱多孔質層３への熱の伝導を抑制することができる。
　表面緻密層２は、セラミックスで形成することができ、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、窒化けい素、炭化けい素、チタニア、ジルコニア、酸化亜鉛、ガラスなどが挙げられる。
（断熱多孔質層）
　次に、断熱多孔質層３について説明する。断熱多孔質層３は、多孔質のセラミックスの層であり、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。断熱多孔質層３の気孔率は、１０～９９％であることが好ましく、２０～９０％であることがより好ましい。このようにすることにより、表面緻密層２からエンジン構成部材２１への熱伝導を抑制することができる。
　断熱多孔質層３は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。低熱伝導率であることにより、表面緻密層２からエンジン構成部材２１への伝熱を抑制することができる。
　断熱多孔質層３は、熱容量が１０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下であることが好ましい。低熱容量であることにより、燃料の排気後、エンジン燃焼室２０内のガス温度を低下させやすい。これにより、燃料の圧縮比を向上させることができる。
　断熱多孔質層３は、ヤング率が５０ＧＰａ以下であることが好ましい。低ヤング率であると、エンジン構成部材２１と表面緻密層２との熱膨張のミスマッチによる熱応力や熱衝撃を緩和することができる。
　断熱多孔質層３は、厚さが２０～５００μｍであることが好ましい。断熱多孔質層３をこの範囲とすることにより、断熱効果を十分なものとすることができる。
　断熱多孔質層３は、セラミックスであり、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化けい素、炭化けい素、ガラス等を用いることができる。これらは熱伝導率の観点から非晶質であることが好ましい。また、これらの単一材料で構成されても良いし、少なくとも２種以上の材料の混合物であっても良い。混合物の例として、シリカのマトリックス中にシリカ－アルミナファイバーと中空のシリカ－アルミナ粒子が分散した複合材料などが挙げられる。
（接合層）
　表面緻密層２と断熱多孔質層３とが、直接接合している構成としてもよいが、図１に示すように、表面緻密層２と断熱多孔質層３との間に接合層４（第一接合層４ａ）を有するように構成してもよい。また、エンジン燃焼室２０を構成するエンジン構成部材２１の内壁と、断熱多孔質層３との間に、接合層４（第二接合層４ｂ）を有するように構成してもよい。
　接合層４は、熱抵抗が高いことが好ましく、具体的には、１０－６～１０ｍ２Ｋ／Ｗであることが好ましく、１０－５～１０ｍ２Ｋ／Ｗであることがより好ましく、１０－４～１０ｍ２Ｋ／Ｗであることがさらに好ましい。このような接合層４を形成することにより、断熱効果をさらに十分なものとすることができる。また、接合層４を形成することにより、被接合体の熱膨張のミスマッチを緩衝し、耐熱衝撃性・耐熱応力性を向上させることができる。そのために、接合層４の熱膨張係数は、それぞれ接する層（第一接合層４ａは表面緻密層２と断熱多孔質層３、第二接合層４ｂは断熱多孔質層３とエンジン構成部材２１）の中間の熱膨張係数を有することが好ましい。また、接合層４のヤング率は、それぞれ接する層（第一接合層４ａは表面緻密層２と断熱多孔質層３、第二接合層４ｂは断熱多孔質層３とエンジン構成部材２１）の中間のヤング率を有することが好ましい。さらに、接合層４は、それぞれ接する層（第一接合層４ａは表面緻密層２と断熱多孔質層３、第二接合層４ｂは断熱多孔質層３とエンジン構成部材２１）の相互の反応を抑制するような材料組成とすることが好ましく、これにより、耐酸化性や耐反応性が向上し、断熱部材の耐久性が向上する。
　接合層４としては、接着機能を有するもの、あるいは、薄膜として形成させることが可能な材料が好ましく、例えば、無機接着剤、コロイド溶液、プレセラミックポリマー、ろう材、めっき膜などが挙げられる。
（断熱部材の配置）
　次に、断熱部材１の配置について説明する。断熱部材１は、エンジン燃焼室２０を構成するエンジン構成部材２１の表面（内壁）に備えられる。具体的には、ピストン１４の上面１４ｓ、吸気バルブ１６、排気バルブ１７のバルブヘッド１６ｓ，１７ｓ、シリンダヘッド１３の底面１３ｓ等が挙げられる。
　図２は、エンジンを示す一実施形態である。エンジン１０は、シリンダ１２が形成されたシリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上面を覆って取り付けられたシリンダヘッド１３とを有して構成されている。シリンダブロック１１のシリンダ１２内には、ピストン１４が上下方向に摺動可能に備えられている。
　シリンダヘッド１３には、点火プラグ１５が取り付けられている。また、吸気バルブ１６、排気バルブ１７が取り付けられており、吸気バルブ１６は、シリンダヘッド１３に形成された吸気通路１８を、排気バルブ１７は、排気通路１９を開閉するように構成されている。
　図２に示すように、ピストン１４の上面１４ｓに、断熱部材１が備えられている。また、吸気バルブ１６、排気バルブ１７のバルブヘッド１６ｓ，１７ｓ、シリンダヘッド１３の底面１３ｓにも同様に、断熱部材１が備えられている。これらの面は、エンジン燃焼室２０を形成する面であり、これらの面に、断熱部材１を備えることにより、断熱性能を向上させることができる。
　シリンダ１２、シリンダヘッド１３、ピストン１４によって囲まれたエンジン燃焼室２０に、吸気バルブ１６の開弁により燃料が供給され、点火プラグ１５によって点火されることにより、燃焼される。この燃焼により、ピストン１４が押し下げられる。燃焼により発生した排気ガスは、排気バルブ１７が開弁されることにより排気される。
（製造方法）
　次に、断熱部材１の製造方法について説明する。表面緻密層２は、断熱多孔質層３を形成した上に、スパッタ法、ＰＶＤ法、ＥＢ－ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ＡＤ法、溶射、プラズマスプレー法、コールドスプレー法、めっき、湿式コーティング後の熱処理などで形成することができる。または、表面緻密層２として緻密な薄板を別途作製し、断熱多孔質層３とともに下地材に貼り付けてもよい。
　断熱多孔質層３は、表面緻密層２と同様な方法を用いることができるが、多孔質膜を形成する上では、特に、ＥＢ－ＰＶＤ法、溶射法、ＣＶＤ法、湿式コーティング後の熱処理などの多孔質膜の形成法を用いることができる。または、電気泳動堆積、移流集積などにより粒子を堆積させた後に熱処理をする多孔質膜の形成法を用いてもよい。あるいは、多孔質な薄板を別途作製して、接合材により下地材に貼り付けてもよい。さらに、結合材にフィラー粒子（中空が好ましい）や造孔材を加えて混練したペーストを塗布し、硬化させる、あるいは、熱処理して断熱多孔質層３としてもよい。
　表面緻密層２および断熱多孔質層３は、エンジン構成部材２１の上に、まず、断熱多孔質層３を形成させ、その後、表面緻密層２を形成させても良いし、同時に形成させても良い。
　断熱多孔質層３と、表面緻密層２との間に、第一接合層４ａ、エンジン燃焼室２０を構成する内壁と、断熱多孔質層３との間に、第二接合層４ｂを有するように構成することもできる。このように、接合層４（第一接合層４ａ、第二接合層４ｂ）を設ける場合は、エンジン構成部材２１の上に、第二接合層４ｂを塗布（例えば、無機接着剤、コロイド溶液、プレセラミックポリマー、ろう材の場合）、あるいは、めっき製膜し、その上に断熱多孔質層３を前述のような方法で形成し、第一接合層４ａを第二接合層４ｂと同様に形成し、表面緻密層２を前述のような方法で形成することができる。
　以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
　表面緻密層２として、直径９０ｍｍ×厚さ２０μｍのジルコニア緻密体を用意した。このジルコニア緻密体は、以下のように作製した。まず、イットリア３ｍｏｌ％を含む部分安定化ジルコニア粉末に、バインダーとしてのポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、可塑剤としてのＤＯＰ、溶剤としてのキシレンおよび１－ブタノールを加え、ボールミルにて３０時間混合し、グリーンシート成形用スラリーを調製した。このスラリーに真空脱泡処理を施すことにより、粘度を４０００ｃｐｓに調整した後、ドクターブレード装置によって焼成後の厚さが２０μｍとなるように薄肉板用グリーンシートを形成し、直径９０ｍｍの寸法に外形切断を行った。この成形体を１５００℃、３時間にて焼成し、更に、この焼成物を２ｍｍ厚の多孔質のアルミナ平板で挟み込み、１５００℃、５時間にて再焼成して反りを修正し、表面緻密層２となるジルコニア緻密体とした。
　次に、断熱多孔質層３の前駆体として、コロイダルシリカ、フライアッシュバルーン（中空のアルミナシリカ質球状粒子）、セラミックファイバーを混合したペーストを調製した。下地材（エンジン構成部材２１に相当）として、アルミニウム合金板（直径９０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を用意し、断熱多孔質層３の前駆体のペーストを下地材に塗布しその上に表面緻密層２のジルコニア緻密体を載せ、加圧して接着し、さらに１５０℃で熱処理することで、硬化させた。
（実施例２）
　表面緻密層２として、直径９０ｍｍ×厚さ２０μｍの酸化亜鉛緻密体を用意した。この酸化亜鉛緻密体は、以下のようにして作製した。まず、酸化亜鉛粉末に、バインダーとしてのポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、可塑剤としてのＤＯＰ、溶剤としてのキシレンおよび１－ブタノールを加え、ボールミルにて３０時間混合し、グリーンシート成形用スラリーを調製した。このスラリーに真空脱泡処理を施すことにより、粘度を４０００ｃｐｓに調整した後、ドクターブレード装置によって焼成後の厚さが２０μｍとなるように薄肉板用グリーンシートを形成し、直径９０ｍｍの寸法に外形切断を行った。この成形体を１４００℃、３時間にて焼成し、更に、この焼成物を２ｍｍ厚の多孔質のアルミナ平板で挟み込み、１４００℃、５時間にて再焼成して反りを修正し、表面緻密層２となる酸化亜鉛緻密体とした。
　次に、実施例１と同様に、断熱多孔質層３の前駆体として、コロイダルシリカ、フライアッシュバルーン（中空のアルミナシリカ質球状粒子）、セラミックファイバーを混合したペーストを調製した。下地材（エンジン構成部材２１に相当）として、アルミニウム合金板（直径９０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を用意し、断熱多孔質層３の前駆体のペーストを下地材に塗布しその上に表面緻密層２の酸化亜鉛緻密体を載せ、加圧して接着し、さらに１５０℃で熱処理することで、硬化させた。
（実施例３）
　下地材（エンジン構成部材２１に相当）として、アルミニウム合金板（直径９０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を用意し、第二接合層４ｂとしてめっきによりニッケル膜を製膜した。断熱多孔質層３の前駆体として、アルミナゾル、アッシュバルーン（中空のアルミナシリカ質球状粒子）、セラミックファイバーを混合したペーストを調製した。この前駆体を第二接合層４ｂを製膜した下地材に塗布し、４００℃で熱処理した。その上に、ＣＶＤ法により酸化亜鉛の緻密膜（表面緻密層２）を形成した。
（比較例１：表面緻密層なし）
　断熱多孔質層３の前駆体として、コロイダルシリカ、フライアッシュバルーン（中空のアルミナシリカ質球状粒子）、セラミックファイバーを混合したペーストを調製した。下地材（エンジン構成部材２１に相当）として、アルミニウム合金板（直径９０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を用意し、断熱多孔質層３の前駆体のペーストを下地材に塗布し、その上に表面緻密層２を載せずに、さらに１５０℃で熱処理することで、硬化させた。
（評価方法）
　多層構造の断熱部材１（表面緻密層２＋断熱多孔質層３）を表面に有するアルミニウム合金板における断熱性能を次のようにして評価した。ガスバーナーの火をアルミニウム合金板の断熱部材１側に近づけて、アルミニウム合金板の反対側に伝わる熱流量を測定し、同様にして比較用アルミニウム合金板（断熱部材なし）の熱流量を測定し、これらを比較した。
　具体的には、多層構造の断熱部材１を有するアルミニウム合金板（実施例１～３）の断熱部材１がない側に熱流計を設置し、同様に、比較用の表面緻密層２のない断熱部材１を表面に施したアルミニウム合金板（比較例１）に熱流計を設置した。１つのガスバーナーの炎から等距離のところに、断熱部材１がガスバーナーの炎側にくるように配置し、それぞれを貫流する熱流量を計測した。実施例１～３と比較例１の熱流量を比較したところ、実施例１は比較例１の９５％の熱流量であり、実施例２，３は比較例１の９０％の熱流量であり、表面緻密層２があることで断熱性能が改善された。
　本発明のエンジン燃焼室構造は、自動車等のエンジンに適用することができる。
１：断熱部材、２：表面緻密層、３：断熱多孔質層、４：接合層、４ａ：第一接合層、４ｂ：第二接合層、１０：エンジン、１１：シリンダブロック、１２：シリンダ、１３：シリンダヘッド、１３ｓ：底面、１４：ピストン、１５：点火プラグ、１６：吸気バルブ、１６ｓ：バルブヘッド、１７：排気バルブ、１７ｓ：バルブヘッド、１８：吸気通路、１９：排気通路、２０：エンジン燃焼室、２１：エンジン構成部材。

Claims (10)

  1. 　エンジン構成部材のエンジン燃焼室を構成する内壁に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層と、
    　前記断熱多孔質層の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層と、を含み、
    　前記表面緻密層は、気孔率が５％以下であり、
    　前記断熱多孔質層は、前記表面緻密層の前記気孔率よりも気孔率が大きい断熱部材を備えるエンジン燃焼室構造。
  2. 　前記表面緻密層は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きい請求項１に記載のエンジン燃焼室構造。
  3. 　前記表面緻密層は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きい請求項１または２に記載のエンジン燃焼室構造。
  4. 　前記表面緻密層は、厚さが２０μｍ以下である請求項１～３のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
  5. 　前記断熱多孔質層は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以下である請求項１～４のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
  6. 　前記断熱多孔質層は、熱容量が１０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下である請求項１～５のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
  7. 　前記断熱多孔質層は、厚さが２０～５００μｍである請求項１～６のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
  8. 　前記断熱多孔質層と、前記表面緻密層との間に、第一接合層を有する請求項１～７のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
  9. 　前記エンジン構成部材の前記内壁と、前記断熱多孔質層との間に、第二接合層を有する請求項１～８のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
  10. 　前記断熱部材は、ピストン、バルブヘッド、シリンダヘッドの少なくともいずれかのエンジン燃焼室を構成する表面に備えられた請求項１～９のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
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