WO2015029117A1 - 内燃機関 - Google Patents

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真吾 岩崎
雅裕 來田
昌弘 山本
漆原　友則
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日本碍子株式会社
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine that is provided in a machine (working machine) such as an automobile and takes out power by burning fuel in the engine body.
  • an exhaust gas recirculation device that recirculates a part of exhaust gas of an internal combustion engine into intake air in order to reduce the amount of exhaust gas such as CO 2 and NO X
  • EGR device a device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-163970 is known.
  • a supercharger that supercharges the intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine is used.
  • a supercharger for example, one disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 4-54926 is known.
  • the material of the piston or the like facing the crown surface of the combustion chamber of the internal combustion engine is an aluminum alloy
  • the aluminum alloy is lightweight, but the intake air supplied to the combustion chamber is supercharged.
  • the piston or the like made of an aluminum alloy has insufficient strength due to an increase in the combustion pressure in the combustion chamber.
  • the material of the piston or the like in the internal combustion engine is an aluminum alloy, the wall surface temperature of the crown surface portion of the piston or the like cannot be maintained in a high state due to its high thermal conductivity, and fuel is injected into the combustion chamber.
  • the fuel When the fuel is injected, the fuel adheres to the crown portion of the piston and is cooled, so that the fuel may vaporize as an unburned substance.
  • the high thermal conductivity of the aluminum alloy may cause a decrease in thermal efficiency due to heat loss.
  • the hardness of the aluminum alloy is small, there is a problem that wear tends to occur when used for a long time.
  • a material such as a piston may have a wear resistance and a higher strength.
  • cast iron or steel as a material for a piston or the like in an internal combustion engine.
  • a lighter aluminum alloy since such an aluminum alloy has high thermal conductivity, when the fuel is injected into the combustion chamber, the fuel is injected into the crown surface portion of the piston. When attached and cooled, the fuel may vaporize as an unburned substance.
  • silicon nitride, alumina, magnesia, mullite, sialon, stabilized zirconia, cordierite, and at least one of the above materials are used as the material of the ceramic member disposed on the crown portion of the piston. Mixtures containing one may be used.
  • the ignition delay increasing means performs exhaust gas recirculation (EGR, Exhaust Gas Recirculation) such that a part of the exhaust gas after combustion in the combustion chamber is taken out and re-intaked.
  • the exhaust gas recirculation may increase the ignition delay of the mixture of fuel and air in the combustion chamber.
  • FIG. 1 to 5 are views showing an internal combustion engine according to the present embodiment and an internal combustion engine system including the internal combustion engine.
  • 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine system including the internal combustion engine according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a configuration of the internal combustion engine according to the present embodiment.
  • is there. 3 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of the cylinder and the piston in the internal combustion engine shown in FIG. 2
  • FIG. 4 shows another example of the configuration of the cylinder and the piston in the internal combustion engine shown in FIG. It is a longitudinal cross-sectional view.
  • FIG. 5 is a table showing material characteristics of members such as cylinders and pistons used in the internal combustion engine according to the present embodiment and the conventional internal combustion engine.
  • the fuel injection unit 31 is composed of, for example, a solenoid injector having an injection hole opened in the combustion chamber 26, and spontaneously ignites the fuel in the combustion chamber 26 by injecting the fuel into the combustion chamber 26. It has become.
  • the internal combustion engine 20 operates by spontaneously igniting and burning the fuel injected from the fuel injection section 31 in the combustion chamber 26.
  • a crank mechanism 36 is disposed at the lower end of the piston 24 via a connecting rod 29, and when the fuel burns in the combustion chamber 26, the piston 24 reciprocates in the vertical direction in FIG. The reciprocating motion transmitted from the piston 24 to the crank mechanism 36 via the connecting rod 29 is converted into a rotational motion by the crank mechanism 36. In this way, a rotational driving force can be obtained in the internal combustion engine 20.
  • the ceramic member 23a disposed on the cylinder liner 23 is made of a material different from the ceramic member 24a disposed on the crown surface portion of the piston 24, the ceramic member 23a of the cylinder liner 23 is used as the ceramic member 23a.
  • a ceramic material such as porous silicon nitride (Si 3 N 4 ) having open pores to be connected may be used.
  • As the ceramic member 23a of the cylinder liner 23, other types of nitrides (TiN, AlN) may be used as long as they have wear resistance and low thermal conductivity other than silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • Etc. carbides (SiC, B4C, TiC, etc.), alumina (Al 2 O 3 ), magnesia (MgO), mullite, sialon (SiAlON), stabilized zirconia (ZrO 2 ), cordierite, silica (SiO 2 ) and the like Further, it may be a mixture (for example, an alumina-silica mixture) containing at least one of the above compounds.
  • particles and fibers long fibers, short fibers
  • the cylinder liner 23 is formed by casting the ceramic member 23a on the inner surface of the cylinder 22 made of aluminum alloy. At this time, an aluminum alloy enters into the hole of the ceramic member 23a, and the cylinder liner 23 becomes a composite material of silicon nitride (Si 3 N 4 ) and an aluminum alloy. In addition, it is desirable to apply a pressing force during casting (casting) so that the molten aluminum alloy is impregnated into the pores of the ceramic porous body.
  • the wear resistance of the cylinder liner 23 can be maintained by the ceramic porous body, and the wear of the piston ring 28 due to the reciprocating motion of the piston 24 is reduced. Further, when the internal combustion engine 20 is used for a long period of time, the aluminum alloy of the composite material of the cylinder liner 23 is worn. The worn portion becomes a place for storing oil, so that the lubricity of the cylinder liner 23 can be improved. become.
  • the ceramic member 24a is formed on the crown surface portion of the piston 24 or the cylinder liner 23.
  • the ceramic members 24a, 23a, etc. are less subject to wear loss than aluminum alloys and cast iron.
  • a heavy duty diesel has conventionally used cast iron as a material for the piston 24 in the internal combustion engine 20 in order to reduce the amount of exhaust gas such as CO 2 and NO X.
  • the material of the piston 24 in the internal combustion engine 20 is not a cast iron but a composite material of an aluminum alloy and a ceramic material. By using it, the weight can be significantly reduced.
  • Example 1 Using a die simulating the location where fuel is injected in the crown portion of the piston 24 for a diesel engine shown in FIG. 3, a slurry containing silicon nitride powder is injected therein, and a molded body is produced by gel cast molding. did. Thereafter, the formed body was fired in a nitrogen atmosphere to obtain a densified silicon nitride fired body. Next, after a silicon nitride fired body was placed in a mold for casting an aluminum alloy, a pre-heat treatment before casting was performed. Then, an aluminum alloy dissolved in a mold was cast, and controlled cooling while casting a sintered body of silicon nitride to produce a piston 24 in which silicon nitride and an aluminum alloy were combined.
  • a highly heat-resistant AC8A alloy (JIS standard) applied to the piston 24 is selected, and after the above-described piston 24 is manufactured, a T6 treatment (JIS standard), which is a heat treatment of the aluminum alloy, is performed. gave.
  • Examples 2 to 7 In the same manner as in Example 1, the locations where fuel is injected at the crown portion of the piston 24 are respectively sialon (SiAlON), stabilized zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), magnesia (MgO ), Samples such as mullite and cordierite were prepared.
  • Example 8 Using a die simulating the crown portion of the piston 24 for a diesel engine shown in FIG. 4, slurry containing silicon nitride powder was injected therein, and a molded body was produced by gel casting. Thereafter, the formed body was fired in a nitrogen atmosphere to obtain a densified silicon nitride fired body. Next, after a silicon nitride fired body was placed in a mold for casting an aluminum alloy, a pre-heat treatment before casting was performed. Then, an aluminum alloy dissolved in a mold was cast, and controlled cooling while casting a sintered body of silicon nitride to produce a piston 24 in which silicon nitride and an aluminum alloy were combined.
  • an aluminum alloy melted in the mold was cast, and controlled cooling while casting a sintered body of silicon nitride, thereby producing a composite cylinder 22 with an aluminum alloy in which silicon nitride was disposed on the cylinder liner 23.
  • a highly heat-resistant AC8A alloy (JIS standard) applied to the piston 24 is selected, and after the above-described piston 24 is manufactured, a T6 treatment (JIS standard), which is a heat treatment of the aluminum alloy, is performed. gave.
  • Example 9 In the same manner as in Example 8, the location where the fuel is injected in the piston 24, the crown surface portion, and the inner surface (cylinder liner 23) of the cylinder 22 are stabilized with zirconia (ZrO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ), respectively. ,), a sample was produced as formed from mullite.
  • ZrO 2 zirconia
  • Al 2 O 3 alumina
  • Example 12 Using a die simulating the crown portion of the piston 24 for a diesel engine shown in FIG. 4, slurry containing silicon nitride powder was injected therein, and a molded body was produced by gel casting. Thereafter, the formed body was fired in a nitrogen atmosphere to obtain a densified silicon nitride fired body. Next, after a silicon nitride fired body was placed in a mold for casting an aluminum alloy, a pre-heat treatment before casting was performed. Then, an aluminum alloy dissolved in a mold was cast, and controlled cooling while casting a sintered body of silicon nitride to produce a piston 24 in which silicon nitride and an aluminum alloy were combined.
  • a highly heat-resistant AC8A alloy (JIS standard) applied to the piston 24 is selected, and after the above-described piston 24 is manufactured, a T6 treatment (JIS standard), which is a heat treatment of the aluminum alloy, is performed. gave.
  • a preform made of alumina-silica fiber was produced as a ceramic porous body for impregnation.
  • a pre-heat treatment before casting was performed.
  • casting the aluminum alloy dissolved in the mold, impregnating the molten aluminum alloy into the open pores connected to the above-mentioned preform while applying pressure, and controlling cooling while casting the preform A cylinder 22 in which an alumina-silica fiber / aluminum alloy composite material was formed on the inner surface and this composite material was combined with an aluminum alloy was produced.
  • a highly heat-resistant AC8A alloy (JIS standard) applied to the piston 24 is selected, and after the above-described piston 24 is manufactured, a T6 treatment (JIS standard), which is a heat treatment of the aluminum alloy, is performed. gave.
  • Example 14 to 19 In the same manner as in Examples 12 and 13, the location where the fuel in the piston 24 is injected and the crown surface portion are formed from stabilized zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), and mullite, respectively. A simple sample was prepared.
  • the piston 24 was formed by molding an aluminum alloy mold, and the cylinder liner 23 was prepared by casting an aluminum alloy with cast iron.
  • the piston when the ignition delay increasing means for increasing the ignition delay of the mixture of fuel and air in the combustion chamber 26 is provided, the piston When the ceramic member 24a is disposed on the crown surface portion of 24, low-temperature combustion is performed in the combustion chamber 26 so that the combustion temperature instantaneously has a magnitude within the range of 1300K to 1800K.
  • the wall surface temperature of the portion where the fuel is injected by the fuel injection portion 31 in the crown portion of the piston 24 can be maintained high. As a result, it is possible to prevent the fuel injected into the combustion chamber 26 from being vaporized as an unburned substance when adhering to the crown surface portion of the piston 24, and thus unburned emissions. The amount of can be reduced.
  • the use of the ceramic member 24a improves the heat insulation of the crown surface portion of the piston 24, so that heat loss in the combustion chamber 26 can be reduced. Further, the weight can be reduced as compared with the case where cast iron or steel is used as the material of the piston 24 in the internal combustion engine 20, and the combustion pressure in the combustion chamber 26 is increased by making the crown portion of the piston 24 high in strength. In addition, even when used for a long period of time, wear loss of the crown portion of the piston 24 can be suppressed. With these advantages, the fuel efficiency of the vehicle equipped with the internal combustion engine 20 according to the present embodiment can be improved, and the amount of exhaust gas such as CO 2 or NO X can be reduced.
  • the ceramic member 24a is made of another type of member constituting the crown portion of the piston 24, specifically, a metal material such as an aluminum alloy 24b. It is a composite. Specifically, the ceramic member 24a is combined with other types of members constituting the crown portion of the piston 24 by mechanical bonding, joining, shrink fitting, press-fitting, or casting. This makes it possible to obtain a bulk ceramic member 24a which is thicker than the coating film and difficult to peel off and strong against shearing force.
  • the ceramic member 24a is formed by die molding, CIP molding, extrusion molding, injection molding, cast molding, or gel cast molding.
  • the ceramic slurry is poured into the forming space of the forming die and hardened as it is, so that a complicated shape can be formed according to the shape, and the density distribution varies or deforms.
  • the advantage that it is difficult to occur is obtained.
  • gel cast molding is advantageous in that it can be molded into a complex shape, thus reducing the processing cost of hard ceramics.
  • the ceramic member 24a may be disposed at a location facing at least the cavity 25 in the crown portion of the piston 24, or As shown in FIG. 4, the ceramic member 24 a may be disposed on the entire crown surface portion of the piston 24.
  • a cylinder liner 23 facing the outer surface of the piston 24 is provided inside the cylinder 22, and faces at least the crown surface portion of the piston 22 in the cylinder liner 23.
  • a ceramic member 23a is disposed at the location. In this case, even when a temperature change occurs in the combustion chamber 26, the change in the gap (clearance) between the piston 24 and the cylinder liner 23 is suppressed, so that the thermal efficiency of the internal combustion engine 20 is reduced. Can be suppressed.
  • the ceramic member 23a disposed on the cylinder liner 23 may be made of the same material as the ceramic member 24a disposed on the crown surface portion of the piston 24, or the ceramic member 24a. It may be made of different materials. In the latter case, the ceramic member 23a disposed on the cylinder liner 23 may be made of a porous material. In this case, when the cylinder liner 23 is formed by casting the ceramic member 23a on the inner surface of the cylinder 22, for example, an aluminum alloy constituting the cylinder 22 enters the hole of the ceramic member 23a. Thus, the cylinder liner 23 is a composite material of a ceramic material and an aluminum alloy.
  • silicon nitride (Si 3 N 4 ) or a nitride other than silicon nitride (Si 3 N 4 ) or the ceramic member 23 a disposed on the cylinder liner 23 is used as the ceramic member 24 a disposed on the crown portion of the piston 24 ( AlN), carbides (SiC, B4C, TiC, etc.), alumina (Al 2 O 3 ), magnesia (MgO), mullite, sialon (SiAlON), stabilized zirconia (ZrO 2 ), cordierite, silica (SiO 2 )
  • the material of these ceramic members 24a and 23a has a thermal conductivity of 30 W (m ⁇ K) or less.
  • the use of the ceramic member 24a improves the heat insulation of the crown surface portion of the piston 24, so that heat loss in the combustion chamber 26 can be reduced. Further, it is more preferable that a ceramic material having a thermal conductivity of 20 W (m ⁇ K) or less is used as the material of the ceramic members 24 a and 23 a described above.
  • the internal combustion engine 20 can be applied not only to a diesel engine but also to various other types of engines such as a gasoline engine and an HCCI (homogeneous-charge compression ignition, premixed compression ignition) engine. it can.
  • HCCI homogeneous-charge compression ignition, premixed compression ignition

Abstract

　内燃機関２０は、燃焼室２６と、燃焼室２６に燃料を噴射するための燃料噴射部３１と、シリンダ２２と、シリンダ２２内で往復移動を行い、燃焼室２６にその冠面部が面するピストン２４と、燃焼室２６内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる着火遅れ増大手段と、を備えており、ピストン２４の冠面部における、少なくとも燃料噴射部３１により燃料が噴射される箇所にセラミック製部材２４ａが配設されている。

Description

内燃機関
　本発明は、自動車等の機械（作業機）に設けられ、機関本体内で燃料を燃焼させて動力を取り出す内燃機関に関する。
　従来から、ディーゼル車の動向として、ＣＯ２やＮＯＸ等の排ガス量を低減するために、内燃機関の排気の一部を吸気中に再循環させる排気再循環装置（ＥＧＲ装置）により、多量のＥＧＲガス（燃焼後の排気ガス）を燃焼室に導入して燃焼温度を低下させるような低温燃焼を実施する方法が主流となっている。このようなＥＧＲ装置としては、例えば特開平５－１６３９７０号公報等に開示されるものが知られている。また、内燃機関の吸気効率を高めるために、当該内燃機関の燃焼室に供給される吸気を過給する過給機を用いるようになっている。このような過給機としては、例えば実開平４－５４９２６号公報等に開示されるものが知られている。
　しかしながら、ディーゼル車において、ＣＯ２やＮＯＸ等の排ガス量を低減するために低温燃焼を行った場合には、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射した際にピストンの冠面部に燃料が付着して冷やされることにより当該燃料は未燃焼の物質として気化してしまうおそれがある。この場合には、エミッションの悪化や燃焼効率の悪化を招いてしまうという問題がある。このため、ピストンの冠面部に断熱効果を持たせて未燃焼の物質の発生を抑制することによりエミッションの改善と燃費の向上を図ることが求められている。
　ここで、内燃機関の燃焼室にその冠面部が面するピストン等の材料がアルミニウム合金である場合には、アルミニウム合金が軽量であるという利点があるが、燃焼室に供給される吸気を過給したときに、燃焼室における燃焼圧の増加により、アルミニウム合金を材料とするピストン等が強度不足となってしまうという問題がある。また、内燃機関におけるピストン等の材料がアルミニウム合金である場合には、その熱伝導率が高いことによりピストン等の冠面部の壁面温度を高い状態で維持することができず、燃焼室に燃料を噴射した際にピストンの冠面部に燃料が付着して冷やされることにより当該燃料は未燃焼の物質として気化してしまうおそれがある。また、アルミニウム合金の熱伝導率が高いことにより熱ロスによる熱効率の低下を招くおそれがある。また、アルミニウム合金の硬度が小さいことにより長期間使用すると摩耗が生じやすくなってしまうという問題がある。
　一方、ディーゼル車の中でも大型ディーゼル車（Ｈｅａｖｙ　Ｄｕｔｙ　Ｄｉｅｓｅｌ）では、ＣＯ２やＮＯＸ等の排ガス量を低減するために、内燃機関の低回転化や高負荷化が求められており、この場合には内燃機関におけるピストン等の材料も、耐摩耗性を有するとともにその強度がより大きなものとする方法が考えられる。具体的には、内燃機関におけるピストン等の材料として、鋳鉄やスチールを用いることが考えられる。しかしながら、この場合には、内燃機関におけるピストン等の重量が増大してしまい、ひいては内燃機関の重量が増大してしまうという問題がある。このため、より軽量であるアルミニウム合金を用いることが考えられるが、前述したようにこのようなアルミニウム合金は熱伝導率が高いため、燃焼室に燃料を噴射した際にピストンの冠面部に燃料が付着して冷やされることにより当該燃料は未燃焼の物質として気化してしまうおそれがある。
　本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させることにより低温燃焼が行われる場合において、ピストンの冠面部にセラミック製部材を配設することにより、ピストンの冠面部における燃料噴射部により燃料が噴射される箇所の壁面温度を高く維持することができ、このことにより、燃焼室内に噴射された燃料が未燃焼の物質として気化してしまうことを防止することができるようになるため、未燃焼の排出物の量を低減することができ、また、内燃機関におけるピストン等の材料として鋳鉄やスチールを用いる場合と比較して軽量化を図ることができ、さらにピストンの冠面部を高強度のものとすることにより燃焼室内における燃焼圧の増大に対応することができる内燃機関を提供することを目的とする。
　本発明の内燃機関は、燃焼室と、前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射部と、シリンダと、前記シリンダ内で往復移動を行い、前記燃焼室にその冠面部が面するピストンと、前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる着火遅れ増大手段と、を備え、前記ピストンの前記冠面部における、少なくとも前記燃料噴射部により燃料が噴射される箇所にセラミック製部材が配設されている。
　なお、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）が開発される以前の内燃機関では、燃焼室において燃焼温度が局所的瞬間的に１５００Ｋから２５００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような高温燃焼が行われていた。また、このような一昔前の内燃機関でも、特開平１－１２１５５２号公報、特開平１－２２７８５２号公報、特開平１－２４４１４９号公報、特開平１－２０８５５２号公報、特開平１－３０００４２号公報、特開平３－１７９１５３号公報等に開示されるように、燃焼室における熱損失を低減するために、ピストンやピストンリングにセラミック製部材を適用して遮熱エンジンとすることが検討されていた。しかしながら、このような遮熱エンジンでは、燃焼室における熱損失を低減することができるものの、セラミック製部材により燃焼室の壁面温度が高く維持されてしまうため当該燃焼室内におけるガス温度が上昇していまい、燃料の粘性悪化による空気との混合悪化や吸気効率の悪化を招いてしまうという問題があったため、ピストンやピストンリングにセラミック製部材を適用することには様々な阻害要因があった。これに対して、本発明では、燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させることにより当該燃焼室内で燃焼温度が局所的瞬間的に１３００Ｋから１８００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような低温燃焼を行うことを前提として、このような低温燃焼において燃焼室内に噴射された燃料がピストンの冠面部に付着したときに未燃焼の物質として気化してしまうことを防止することを主眼としているため、従来のような燃焼温度が局所的瞬間的に１５００Ｋから２５００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような高温燃焼が行われるときにピストンやピストンリングにセラミック製部材を適用する場合とは、発明が解決しようとする課題や、当該セラミック製部材の作用効果が全く異なっている。このため、燃焼室内で低温燃焼が行われるときにピストンの冠面部にセラミック製部材を配設するという今回の発明は、従来のような燃焼温度が局所的瞬間的に１５００Ｋから２５００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような高温燃焼が行われるときの上記技術とは全く異なるものである。
　本発明の内燃機関においては、前記セラミック製部材は、前記ピストンを構成する他の種類の部材と複合化されたものであってもよい。
　この場合、前記セラミック製部材は、前記ピストンを構成する金属材料と複合化されたものであってもよい。
　また、前記セラミック製部材は、機械的結合、接合、焼きばめ、圧入または鋳ぐるみされることにより前記ピストンを構成する他の種類の部材と複合化されていてもよい。
　また、前記セラミック製部材は、金型成形、ＣＩＰ成形、押出し成形、射出成形、鋳込み成形またはゲルキャスト成形により成形されたものであってもよい。
　なお、本発明において用いられるゲルキャスト成形としては、特開２０１０－１９２８８９号公報、特開２０１１－０４６００２号公報、特開２０１１－１３４５３７号公報等に開示される方法が用いられるようになっている。
　本発明の内燃機関においては、前記ピストンの前記冠面部には、前記燃焼室の一部を構成し、前記燃料噴射部により燃料が噴射されるキャビティが設けられており、前記セラミック製部材は、前記ピストンの前記冠面部における少なくとも前記キャビティに面する箇所に配設されていてもよい。
　本発明の内燃機関においては、前記セラミック製部材は前記ピストンの前記冠面部全体に配設されていてもよい。
　本発明の他の内燃機関は、燃焼室と、前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射部と、シリンダと、前記シリンダ内で往復移動を行い、前記燃焼室にその冠面部が面するピストンと、前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる着火遅れ増大手段と、を備え、前記ピストンの前記冠面部にセラミック製部材が配設されていることを特徴とする。
　本発明の内燃機関においては、前記シリンダの内側には、前記ピストンの外面に面するシリンダライナが設けられており、前記シリンダライナにおける、少なくとも前記ピストンの前記冠面部に面する箇所にセラミック製部材が配設されていてもよい。
　この場合、前記シリンダライナに配設された前記セラミック製部材は、前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材と同じ材料からなっていてもよい。
　あるいは、前記シリンダライナに配設された前記セラミック製部材は、前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材と異なる材料からなっていてもよい。
　この際に、前記シリンダライナに配設された前記セラミック製部材は、連結する開気孔を有する多孔体のものからなっていてもよい。
　また、前記シリンダライナに配設された前記セラミック製材料として、窒化珪素、アルミナ、マグネシア、ムライト、サイアロン、安定化ジルコニア、コージェライト、シリカ、及び前記材料の少なくとも一つを含む混合物が用いられてもよい。
　本発明の内燃機関においては、前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材の材料として、その熱伝導率が３０Ｗ（ｍ・Ｋ）以下のものが用いられてもよい。
　この場合、前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材の材料として、その熱伝導率が２０Ｗ（ｍ・Ｋ）以下のものが用いられてもよい。
　本発明の内燃機関においては、前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材の材料として窒化珪素、アルミナ、マグネシア、ムライト、サイアロン、安定化ジルコニア、コージェライト、及び前記材料の少なくとも一つを含む混合物が用いられてもよい。
　本発明の内燃機関においては、前記着火遅れ増大手段は、前記燃焼室における燃焼後の排気ガスの一部を取り出して再び吸気させるような排気再循環（ＥＧＲ、Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｇａｓ　Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を行い、このような排気再循環により前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させるようになっていてもよい。
　この場合、前記着火遅れ増大手段は排気再循環におけるＥＧＲ率を３０％以上とするようになっていてもよい。
　また、前記着火遅れ増大手段は、前記ピストンの往復移動によりその容積が変化する前記燃焼室の最大容積と最小容積との比である圧縮比を１６以下とし、このことにより前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させるようになっていてもよい。
　また、前記着火遅れ増大手段は、前記燃焼室において主たる燃料噴射終了後に主たる熱発生が開始するよう、燃料噴射時期を進角または遅延させ、このことにより前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させるようになっていてもよい。
　また、前記燃焼室に供給される吸気を過給する過給機が設けられていてもよい。
本発明の実施の形態による内燃機関を備えた内燃機関システムの概略の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態による内燃機関の構成を示す縦断面図である。 図２に示す内燃機関におけるシリンダおよびピストンの構成の一例を示す縦断面図である。 図２に示す内燃機関におけるシリンダおよびピストンの構成の他の例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態による内燃機関や従来技術の内燃機関で用いられるシリンダやピストン等の部材の材料の特性を示す表である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図５は、本実施の形態に係る内燃機関やこの内燃機関を備えた内燃機関システムを示す図である。このうち、図１は、本実施の形態による内燃機関を備えた内燃機関システムの概略の構成を示す構成図であり、図２は、本実施の形態による内燃機関の構成を示す縦断面図である。また、図３は、図２に示す内燃機関におけるシリンダおよびピストンの構成の一例を示す縦断面図であり、図４は、図２に示す内燃機関におけるシリンダおよびピストンの構成の他の例を示す縦断面図である。また、図５は、本実施の形態による内燃機関や従来技術の内燃機関で用いられるシリンダやピストン等の部材の材料の特性を示す表である。
　本実施の形態に係る内燃機関を説明するにあたり、まず、この内燃機関を備えた内燃機関システムの構成について図１を用いて説明する。図１に示すように、本実施の形態による内燃機関システム１０は、内燃機関２０と、吸気通路４０と、排気通路５０と、ターボチャージャ６０と、ＥＧＲ部７０とを備えている。なお、図１に示すような内燃機関システム１０は概してディーゼルエンジンとして用いられるようになっている。
　図１に示すような内燃機関システム１０の各構成要素について以下に詳しく説明する。内燃機関２０は、いわゆる多気筒エンジンであって、複数の気筒を有している。内燃機関２０には、吸気ポート３２および排気ポート３４が、各気筒に対応して設けられている。ここで、内燃機関２０は、吸気ポート３２を介して各気筒に新気を含む吸気が供給されるとともに、各気筒内における混合気の燃焼によってクランクシャフト２１が回転駆動され、排気ポート３４を介して燃焼後の排気が各気筒から排出されるように構成されている。
　また、図１に示すように、内燃機関２０には吸気通路４０が接続されている。この吸気通路４０は、吸気管４２と、吸気マニホールド４４とを有している。吸気マニホールド４４は、吸気管４２と、内燃機関２０における各気筒に対応する吸気ポート３２とを接続するように設けられている。また、吸気管４２の吸気通流方向における上流側にはエアクリーナ４６が介装されている。
　また、図１に示すように、内燃機関２０には排気通路５０が接続されている。この排気通路５０は、排気管５２と、排気マニホールド５４とを有している。排気マニホールド５４は、排気管５２と、内燃機関２０における各気筒に対応する排気ポート３４とを接続するように設けられている。また、排気管５２の排気通流方向における下流側には、排気管５２を通流する排気を浄化するための排気浄化触媒５６が介装されている。
　ターボチャージャ６０は、ターボコンプレッサ６２と、タービン６４とを有している。ターボコンプレッサ６２は、吸気管４２の、エアクリーナ４６よりも吸気通流方向における下流側に介装されている。タービン６４は、排気管５２の、排気浄化触媒５６よりも排気通流方向における上流側に介装されている。このターボチャージャ６０は、排気管５２を通流する排気によってタービン６４が回転駆動されることで、吸気管４２を通流する吸気をターボコンプレッサ６２によって過給するように構成されている。本実施の形態では、このようなターボチャージャ６０により、内燃機関２０の燃焼室２６（後述）に供給される吸気を過給する過給機が構成されている。
　ＥＧＲ部７０は、ＥＧＲ通路７２と、ＥＧＲコンプレッサ７３と、ＥＧＲ弁７４と、ＥＧＲクーラー７５と、バイパス管路７６と、制御弁７７とを有している。
　ＥＧＲ通路７２は、ＥＧＲガス（燃焼後の排気ガス）の通路であって、排気管５２におけるタービン６４よりも排気通流方向における上流側と、吸気管４２におけるターボコンプレッサ６２よりも吸気通流方向における下流側とを接続するように設けられている。具体的には、本実施の形態においては、ＥＧＲ通路７２の、ＥＧＲガス通流方向における上流側の端部は、排気マニホールド５４における集合部と接続されている。
　ＥＧＲコンプレッサ７３は、ＥＧＲガス通流方向における上流側の位置にて、ＥＧＲ通路７２に介装されている。このＥＧＲコンプレッサ７３は、ＥＧＲガスを吸気管４２に向けてＥＧＲガス通流方向に圧送するように設けられている。また、図１に示すように、ＥＧＲコンプレッサ７３とクランクシャフト２１との間には例えばギヤ機構等の動力伝達機構７８が設けられており、ＥＧＲコンプレッサ７３は、動力伝達機構７８を介してクランクシャフト２１と結合されている。そして、このＥＧＲコンプレッサ７３は、動力伝達機構７８を介してクランクシャフト２１の回転駆動力を受け取ることで常時回転駆動されるように構成されている。
　ＥＧＲクーラー７５は、ＥＧＲコンプレッサ７３よりもＥＧＲガス通流方向における下流側にて、ＥＧＲ通路７２に介装されている。ＥＧＲ通路７２における、ＥＧＲクーラー７５よりもＥＧＲガス通流方向におけるさらに下流側には、ＥＧＲ弁７４が介装されている。ＥＧＲ弁７４は、開度が調整可能な開閉弁であって、ＥＧＲガスの吸気管４２への供給状態（供給の有無及び供給量）を制御可能に構成されている。すなわち、ＥＧＲ弁７４は、その開度に応じて、吸気に対する排気再循環状態（すなわちＥＧＲ率）を調整するようになっている。なお、ＥＧＲ率とは、内燃機関２０の燃焼室２６（後述）内に流入する排気ガス量を、当該燃焼室２６内に流入する空気量と排気ガス量との合計量で割った値のことをいい、後述するように本実施の形態ではＥＧＲ率を３０％以上とするようになっている。
　バイパス管路７６は、ＥＧＲ通路７２におけるＥＧＲコンプレッサ７３よりもＥＧＲガス通流方向における下流側（具体的にはＥＧＲコンプレッサ７３とＥＧＲクーラー７５との間）と、排気管５２における排気浄化触媒５６よりも排気通流方向における下流側とを接続するように設けられている。すなわち、バイパス管路７６は、ＥＧＲガス通流方向におけるＥＧＲコンプレッサ７３よりも下流側かつＥＧＲ弁７４よりも上流側の位置から分岐するように設けられている。
　バイパス管路７６には制御弁７７が介装されている。制御弁７７は、開度が調整可能な開閉弁であって、バイパス管路７６を介してのＥＧＲ通路７２と排気管５２との連通状態を制御するように設けられている。
　このような構成からなるＥＧＲ部７０により、内燃機関２０の燃焼室２６（後述）に供給される新気にＥＧＲガスを加えると、燃焼室２６における着火遅れが長くなる。本実施の形態では、ＥＧＲ部７０による排気再循環により内燃機関２０の燃焼室２６内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させるようになっている。また、混合気の着火遅れを増大させる着火遅れ増大手段は、ＥＧＲ弁７４の開度を調整することによりＥＧＲ率を３０％以上とするようになっており、このことにより混合気の着火遅れをより確実に増大させるようになっている。また、着火遅れ増大手段は、内燃機関２０の燃焼室２６の最大容積と最小容積との比である圧縮比を１６以下としたり、燃焼室２６において主たる燃料噴射終了後に主たる熱発生が開始するよう燃料噴射時期を進角または遅延させたりすることにより、燃焼室２６内における燃料と空気との混合気の着火遅れをより一層増大させるようになっていてもよい。このように、着火遅れ増大手段により、内燃機関２０の燃焼室２６内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させると、当該燃焼室２６内で燃焼温度が局所的瞬間的に１３００Ｋから１８００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような低温燃焼を行うことができるようになり、一昔前のような燃焼室２６内での燃焼温度が局所的瞬間的に１５００Ｋから２５００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような高温燃焼の場合と比較して、ＣＯ２やＮＯＸ等の排ガス量を低減することができるようになる。
　次に、本実施の形態による内燃機関２０の構成について図２等を用いて説明する。図２に示すように、内燃機関２０は、燃焼室２６と、燃焼室２６に燃料を噴射するための燃料噴射部３１と、略円筒状のシリンダ２２と、シリンダ２２内で図２における上下方向に往復移動を行い、燃焼室２６にその冠面部が面するピストン２４とを有している。また、燃焼室２６には吸気ポート３２および排気ポート３４がそれぞれ連通するようになっており、吸気通路４０の吸気管４２から吸気ポート３２を介して吸気が燃焼室２６に送られるようになっている。また、燃焼室２６から排気ポート３４を介して排気が排気通路５０の排気管５２に送られるようになっている。また、吸気ポート３２および排気ポート３４にはそれぞれ吸気弁３３および排気弁３５が設けられており、吸気弁３３は吸気ポート３２と燃焼室２６との間の開閉を行い、また、排気弁３５は排気ポート３４と燃焼室２６との間の開閉を行うようになっている。
　燃料噴射部３１は、燃焼室２６内に開口する噴孔を有している例えばソレノイド式インジェクタからなり、燃料を燃焼室２６に噴射することにより当該燃焼室２６内で燃料を自然着火させるようになっている。本実施の形態では、内燃機関２０は、燃料噴射部３１から噴射された燃料を燃焼室２６内で自然着火させて燃焼させることにより稼動するようになっている。より詳細には、ピストン２４の下端部には連結棒２９を介してクランク機構３６が配設されており、燃焼室２６内で燃料が燃焼するとピストン２４が図２における上下方向に往復移動を行い、連結棒２９を介してピストン２４からクランク機構３６に伝達された往復運動がこのクランク機構３６によって回転運動に変えられるようになっている。このようにして、内燃機関２０において回転駆動力が得られるようになる。
　図２に示す内燃機関２０におけるシリンダ２２およびピストン２４の構成の一例を図３に示す。図３に示すように、シリンダ２２の内側には、ピストン２４の側面にその内面が面するよう円筒形状のシリンダライナ２３が配設されている。また、ピストン２４の側部には複数のピストンリング２８が設けられており、各ピストンリング２８によりピストン２４の外面とシリンダライナ２３の内面との間でシールが行われるようになっている。また、ピストン２４の冠面部には、燃料噴射部３１により燃料が噴射されるキャビティ２５が設けられており、このキャビティ２５は燃焼室２６の一部を構成するようになっている。
　本実施の形態では、ピストン２４の冠面部における少なくとも燃料噴射部３１により燃料が噴射される箇所にセラミック製部材２４ａが配設されている。具体的には、図３に示すように、セラミック製部材２４ａは、ピストン２４の冠面部における少なくともキャビティ２５に面する箇所に配設されている。このようなピストン２４の冠面部は、アルミニウム合金２４ｂを材料とする基体部分にセラミック製部材２４ａを複合化することにより形成されている。ここで、ピストン２４において「セラミック製部材２４ａを複合化する」とは、アルミニウム合金２４ｂからなる基体部分におけるキャビティ２５に面する箇所にセラミック材料を組み合わせ、数ミリの厚さのバルク状のセラミック製部材２４ａを形成することをいう。従来の内燃機関では、金属製のピストン本体にＣｒＮ等のセラミックスコーティングの表面処理をして、耐磨耗性の向上を図ることが検討されている。しかしながら、セラミックスコーティングの場合、その膜厚は数ミクロン程度であるため、燃焼室２６の高燃焼圧化に伴い、コーティング膜が剥がれ易くなるという問題がある。このため、コーティング膜よりも膜厚が厚くて剥離し難くせん断力に強いバルク状のセラミック製部材２４ａを複合化することが望ましい。複合化する手法としては、機械的結合、接合、焼きばめ、圧入、鋳ぐるみ等が挙げられる。ここで、ピストン２４の冠面部にセラミックス製部材２４ａを用いる場合、熱応力による界面強度が要求されるため、その強度を維持するために、セラミックス製部材２４ａの鋳ぐるみ面の表面を、粗面にしてアンカー効果を高めたり、活性金属をコーティングしたり、中間材を追加して熱膨張を傾斜化することも可能である。なお、前記の複合化手法の中では、鋳ぐるみが好ましい。
　また、本実施の形態では、ピストン２４の冠面部における少なくとも燃料噴射部３１により燃料が噴射される箇所に配設されたセラミック製部材２４ａは、各種のセラミックス成形方法で製造可能である。例えば、金型成形、ＣＩＰ成形（ラバープレス成形）、押出し成形、射出成形、鋳込み成形、ゲルキャスト成形がある。前記成形方法において、成形や焼成後に加工を施しても良い。なお、前記成形方法の中では、特にゲルキャスト成形が好ましい。ここで、ゲルキャスト成形とは、セラミック粉体、分散媒およびゲル化剤を含むセラミックスラリーを成形型の成形空間（スラリーを充填して成形するための空間、所望のセラミック成形体と同形の空間）に投入し、投入されたセラミックスラリーを硬化・乾燥して、セラミック成形体を得る方法のことをいう。このようなゲルキャスト成形によりセラミック製部材２４ａを成形した場合には、成形型の成形空間にセラミックスラリーを流し込んでそのまま固められるので、複雑な形状も型通りに成形でき、密度分布のバラつきや変形が起こりにくくなるという利点が得られる。更に、ゲルキャスト成形では、複雑形状への成形が可能となるため、硬質なセラミックスの加工コストを抑える点でも利点がある。
　本実施の形態では、ピストン２４の冠面部においてキャビティ２５に面する箇所に配設されたセラミック製部材２４ａとして窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）が用いられるようになっている。なお、ピストン２４のセラミック製部材２４ａとして、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）以外には、耐摩耗性を有するとともに熱伝導率が低いものであれば、他の種類の窒化物（ＴｉＮ、ＡｌＮ等）、炭化物(ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＣ等)、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）、安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）、コージェライトや、また少なくとも前記の化合物の一つ以上を含む混合物であっても良い。このようなピストン２４のセラミック製部材２４ａとして用いられる材料の特徴については後述する。
　なお、図３に示す態様では、シリンダ２２およびシリンダライナ２３の材料は、それぞれ鋳鉄となっている。また、ピストンリング２８の材料は、スチール等の金属材にＣｒＮコートや硬質Ｃｒメッキを行ったものとなっている。
　前述したように、内燃機関２０において、着火遅れ増大手段により、内燃機関２０の燃焼室２６内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させると、当該燃焼室２６内で燃焼温度が局所的瞬間的に１３００Ｋから１８００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような低温燃焼が行われるようになるが、この場合には、燃料噴射部３１により燃焼室２６内に燃料を噴射した際にピストン２４の冠面部に燃料が付着して冷やされることにより当該燃料は未燃焼の物質として気化してしまうおそれがある。これに対し、本実施の形態では、ピストン２４の冠面部における少なくとも燃料噴射部３１により燃料が噴射される箇所にセラミック製部材２４ａを配設することにより、このようなセラミック製部材２４ａは熱伝導率がアルミニウム合金と比較して低いため、ピストン２４の冠面部における燃料噴射部３１により燃料が噴射される箇所の壁面温度を高く維持することができるようになる。このことにより、燃焼室２６内に噴射された燃料が未燃焼の物質として気化してしまうことを防止することができるようになり、ひいては未燃焼の排出物の量を低減することができる。また、セラミック製部材２４ａを用いることによりピストン２４の冠面部の断熱性が向上するため燃焼室２６において熱ロスを低減することができる。このようにして、ピストン２４の冠面部にセラミック製部材２４ａを配設することにより、内燃機関２０において更なるＥＧＲ率の増大が可能となり、当該内燃機関２０をより高効率のものとすることができるとともにＣＯ２やＮＯＸ等の排ガス量をより低減することができるようになる。
　また、後述するように、セラミック製部材２４ａは軽量であるとともに強度や耐摩耗性が大きいため、アルミニウム合金２４ｂにセラミック製部材２４ａを複合化したピストン２４を用いることにより、ピストンとして鋳鉄を用いる場合と比較して大幅な軽量化を図ることができるようになり、また、燃焼室２６における燃焼圧を増大させた場合でもピストン２４において摩耗が生じてしまうことを抑制することができるようになる。このように、ピストン２４の冠面部にセラミック製部材２４ａを配設した場合には、上述した様々な利点が得られるようになるため、ひいては本実施の形態による内燃機関２０が搭載された車両の燃費を向上させることができるようになる。
　また、ピストン２４の冠面部にセラミック製部材２４ａを配設するにあたり、図４に示すように、ピストン２４の冠面部全体にセラミック製部材２４ａを設けるようにしてもよい。図４に示すような態様でも、図３に示すような態様と同様に、ピストン２４の冠面部は、アルミニウム合金２４ｂを材料とする基体部分にセラミック製部材２４ａを鋳ぐるむことにより形成されるようになる。また、図４に示すような態様では、シリンダ２２の材料がアルミニウム合金となっているとともに、シリンダライナ２３における少なくとも　ピストン２４の冠面部に面する箇所にはセラミック製部材２３ａが配設されている。より詳細には、図４に示すシリンダライナ２３は、アルミニウム合金を材料とするシリンダ２２の内面にセラミック製部材２３ａを鋳ぐるみ等で複合化することにより形成されている。また、本実施の形態では、シリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａは、ゲルキャスト法により成形されたものであってもよい。
　シリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａは、ピストン２４の冠面部に配設されたセラミック製部材２４ａと同じ材料からなっていてもよく、あるいは当該セラミック製部材２４ａと異なる材料からなっていてもよい。具体的には、シリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａとして窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）が用いられるようになっていてもよい。また、シリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａが、ピストン２４の冠面部に配設されたセラミック製部材２４ａと異なる材料からなっている場合には、これらのセラミック製部材２３ａ、２４ａの材料として、熱膨張係数に大きな差がないものがそれぞれ用いられることが好ましい。
　シリンダライナ２３にセラミック製部材２３ａを配設した場合には、上述したようなピストン２４の冠面部にセラミック製部材２４ａを配設したときの利点に加えて、セラミック製部材２３ａは熱膨張係数が小さいことにより、燃焼室２６内で温度変化が生じた場合でもピストン２４とシリンダライナ２３との間の隙間（クリアランス）が変化してしまうことが抑制され、よって内燃機関２０の熱効率の低下を抑制することができる。
　また、シリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａが、ピストン２４の冠面部に配設されたセラミック製部材２４ａと異なる材料からなっている場合において、このシリンダライナ２３のセラミック製部材２３ａとして連結する開気孔を有する多孔質の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミック材料を用いてもよい。なお、シリンダライナ２３のセラミック製部材２３ａとして、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）以外には、耐摩耗性を有するとともに熱伝導率が低いものであれば、他の種類の窒化物（ＴｉＮ、ＡｌＮ等）、炭化物(ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＣ等)、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）、安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）、コージェライト、シリカ（ＳｉＯ２）や、また少なくとも前記の化合物の一つ以上を含む混合物（例えば、アルミナ―シリカ混合体）であっても良い。また、セラミックス多孔体の合成には、粒子状、繊維状（長繊維、短繊維）のものを使用することが可能である。シリンダライナ２３のセラミック製部材２３ａとして連結する開気孔を有するセラミックス多孔体を用いる場合には、アルミニウム合金を材料とするシリンダ２２の内面にセラミック製部材２３ａを鋳ぐるむことによりシリンダライナ２３を形成する際に、このセラミック製部材２３ａの孔内にアルミニウム合金が入り込むようになり、シリンダライナ２３は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）およびアルミニウム合金の複合材となる。なお、この鋳ぐるみ（鋳造）の際には、セラミックス多孔体の気孔部に溶融アルミニウム合金が含浸するために、加圧力を掛けることが望ましい。また、このような場合には、セラミックス多孔体によってシリンダライナ２３の耐摩耗性を維持することができるとともに、ピストン２４の往復運動によるピストンリング２８の摩耗が軽減されるようになる。また、内燃機関２０を長期間使用するとシリンダライナ２３の上記複合材のうちアルミニウム合金が摩耗するが、この摩耗した部分はオイルを貯める場所となり、シリンダライナ２３の潤滑性を改善することができるようになる。
　従来技術の内燃機関においてピストンやシリンダの材料として用いられるアルミニウム合金および鋳鉄、ならびに本実施の形態の内燃機関２０においてピストン２４の冠面部に配設されたセラミック製部材２４ａやシリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａの材料として用いられる様々な材料の特性について図５の表を用いて説明する。図５の表に示すように、上述した様々な種類のセラミック製材料の熱伝導率はアルミニウム合金の熱伝導率よりも十分に小さいため、セラミック製部材２４ａをピストン２４の冠面部における少なくとも燃料噴射部３１により燃料が噴射される箇所に配設することにより、燃焼室２６内で燃焼温度が局所的瞬間的に１３００Ｋから１８００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような低温燃焼が行われる場合に、ピストン２４の冠面部におけるセラミック製部材２４ａが配設された箇所の壁面温度を高く維持することができるようになる。このことにより、燃焼室２６内に噴射された燃料がピストン２４の冠面部に付着したときに未燃焼の物質として気化してしまうことを防止することができるようになり、よって未燃焼の排出物の量を低減することができる。また、セラミック製部材２４ａを用いることによりピストン２４の冠面部の断熱性が向上するため燃焼室２６において熱ロスを低減することができる。
　また、図５の表に示すように、上述した様々な種類のセラミック製材料の硬度はアルミニウム合金や鋳鉄の硬度よりも十分に大きいため、ピストン２４の冠面部やシリンダライナ２３にセラミック製部材２４ａ、２３ａを配設したときには、内燃機関２０を長期間使用した場合でも、このようなセラミック製部材２４ａ、２３ａ等はアルミニウム合金や鋳鉄よりも摩耗ロスが抑制される。
　また、ディーゼル車の中でも大型ディーゼル車（Ｈｅａｖｙ　Ｄｕｔｙ　Ｄｉｅｓｅｌ）において、従来では、ＣＯ２やＮＯＸ等の排ガス量を低減するために、内燃機関２０におけるピストン２４の材料として鋳鉄が用いられてきたが、図５の表に示すように、アルミニウム合金やセラミック製材料の密度は鋳鉄の密度よりも小さいため、内燃機関２０におけるピストン２４の材料として鋳鉄ではなくアルミニウム合金とセラミック製材料との複合材を用いることにより大幅な軽量化を図ることができるようになる。
　次に、本実施の形態による内燃機関２０の実施例について下記の表１を用いて説明する。
（実施例１）
　図３に示すディーゼルエンジン用のピストン２４の冠面部における燃料が噴射される箇所を模擬した金型を用い、そこに窒化珪素粉末を含んだスラリーを注入し、ゲルキャスト成形にて成形体を作製した。その後、作製された成形体を窒素雰囲気中で焼成し、緻密化した窒化珪素の焼成体を得た。次にアルミ合金鋳造用の金型中に窒化珪素の焼成体を配置した後、鋳造前の予熱処理を行なった。そして、金型中に溶解したアルミニウム合金を鋳造し、窒化珪素の焼成体を鋳ぐるみながら制御冷却することで窒化珪素とアルミニウム合金とが複合化されたピストン２４を作製した。なお、使用したアルミニウム合金としてはピストン２４に適用される耐熱性の高いＡＣ８Ａ合金（ＪＩＳ規格）を選定し、更に前述のピストン２４を作製した後にアルミニウム合金の熱処理となるＴ６処理（ＪＩＳ規格）を施した。
　また、シリンダライナ２３の作製方法としては以下に示す方法を用いた。まず、鋳鉄をシリンダライナ２３の内面に配置されるような形状に加工し、次にアルミ合金鋳造用の金型中に前述の鋳鉄部材を配置した後、鋳造前の予熱処理を行なった。そして、金型中に溶解したアルミニウム合金を鋳造し、鋳鉄部材を鋳ぐるみながら制御冷却することで、鋳鉄とアルミニウム合金とが複合化されたシリンダ２２を作製した。なお、使用したアルミニウム合金としてはピストン２４に適用される耐熱性の高いＡＣ８Ａ合金（ＪＩＳ規格）を選定し、更に前述のピストン２４を作製した後にアルミニウム合金の熱処理となるＴ６処理（ＪＩＳ規格）を施した。
（実施例２～７）
　上記の実施例１と同様な方法にて、ピストン２４の冠面部における燃料が噴射される箇所をそれぞれサイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）、安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト、コージェライトとしたようなサンプルを作製した。
（実施例８）
　図４に示すディーゼルエンジン用のピストン２４の冠面部を模擬した金型を用い、そこに窒化珪素粉末を含んだスラリーを注入し、ゲルキャスト成形にて成形体を作製した。その後、作製された成形体を窒素雰囲気中で焼成し、緻密化した窒化珪素の焼成体を得た。次にアルミ合金鋳造用の金型中に窒化珪素の焼成体を配置した後、鋳造前の予熱処理を行なった。そして、金型中に溶解したアルミニウム合金を鋳造し、窒化珪素の焼成体を鋳ぐるみながら制御冷却することで窒化珪素とアルミニウム合金とが複合化されたピストン２４を作製した。なお、使用したアルミニウム合金としてはピストン２４に適用される耐熱性の高いＡＣ８Ａ合金（ＪＩＳ規格）を選定し、更に前述のピストン２４を作製した後にアルミニウム合金の熱処理となるＴ６処理（ＪＩＳ規格）を施した。
　また、シリンダライナ２３の作製方法としては以下に示す方法を用いた。まず、シリンダライナ２３の内面を模擬した金型を用い、そこに窒化珪素粉末を含んだスラリーを注入し、ゲルキャスト成形にて成形体を作製した。その後、作製された成形体を窒素雰囲気中で焼成し、緻密化した窒化珪素の焼成体を得た。次にアルミ合金鋳造用の金型中に前述の窒化珪素の焼成体を配置した後、鋳造前の予熱処理を行なった。そして、金型中に溶解したアルミニウム合金を鋳造し、窒化珪素の焼成体を鋳ぐるみながら制御冷却することで、シリンダライナ２３に窒化珪素が配置されたアルミニウム合金との複合化シリンダ２２を作製した。なお、使用したアルミニウム合金としてはピストン２４に適用される耐熱性の高いＡＣ８Ａ合金（ＪＩＳ規格）を選定し、更に前述のピストン２４を作製した後にアルミニウム合金の熱処理となるＴ６処理（ＪＩＳ規格）を施した。
（実施例９～１１）
　上記の実施例８と同様な方法にて、ピストン２４における燃料が噴射される箇所や冠面部、シリンダ２２の内面（シリンダライナ２３）をそれぞれ安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３、）、ムライトから形成したようなサンプルを作製した。
（実施例１２）
　図４に示すディーゼルエンジン用のピストン２４の冠面部を模擬した金型を用い、そこに窒化珪素粉末を含んだスラリーを注入し、ゲルキャスト成形にて成形体を作製した。その後、作製された成形体を窒素雰囲気中で焼成し、緻密化した窒化珪素の焼成体を得た。次にアルミ合金鋳造用の金型中に窒化珪素の焼成体を配置した後、鋳造前の予熱処理を行なった。そして、金型中に溶解したアルミニウム合金を鋳造し、窒化珪素の焼成体を鋳ぐるみながら制御冷却することで窒化珪素とアルミニウム合金とが複合化されたピストン２４を作製した。なお、使用したアルミニウム合金としてはピストン２４に適用される耐熱性の高いＡＣ８Ａ合金（ＪＩＳ規格）を選定し、更に前述のピストン２４を作製した後にアルミニウム合金の熱処理となるＴ６処理（ＪＩＳ規格）を施した。
　またシリンダライナ２３の作製方法としては以下に示す方法を用いた。まず、含浸用のセラミックス多孔体として、アルミナ―シリカ系繊維から成るプリフォームを作製した。次にアルミ合金鋳造用の金型中に前述のプリフォームを配置した後、鋳造前の予熱処理を行なった。そして、金型中に溶解したアルミニウム合金を鋳造し、加圧力を掛けながら前述のプリフォームの連結した開気孔中に溶融アルミニウム合金を含浸するとともに、プリフォームを鋳ぐるみながら制御冷却することで、内面にアルミナ―シリカ系繊維／アルミニウム合金複合材が形成され、この複合材がアルミニウム合金と複合化されたシリンダ２２を作製した。なお、使用したアルミニウム合金としてはピストン２４に適用される耐熱性の高いＡＣ８Ａ合金（ＪＩＳ規格）を選定し、更に前述のピストン２４を作製した後にアルミニウム合金の熱処理となるＴ６処理（ＪＩＳ規格）を施した。
（実施例１３）
　上記の実施例１２と同様な方法にて、シリンダ２２の内面（シリンダライナ２３）に窒化珪素ではなくアルミナ―シリカ系繊維／アルミニウム合金複合材ではなくムライト／アルミニウム合金複合材を形成し、この複合材がアルミニウム合金と複合化されたシリンダを作製した。
（実施例１４～１９）
　上記の実施例１２、１３と同様な方法にて、ピストン２４における燃料が噴射される箇所や冠面部をそれぞれ安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３、）、ムライトから形成したようなサンプルを作製した。
（比較例１）
　ピストン２４およびシリンダライナ２３をそれぞれ鋳鉄にて形成したようなサンプルを作製した。
（比較例２）
　ピストン２４をアルミニウム合金の金型成形にて形成し、シリンダライナ２３はアルミニウム合金を鋳鉄で鋳ぐるむことで形成したようなサンプルを作製した。
〔評価方法〕
　上記の実施例１～１９、および比較例１～２で作製したディーゼルエンジン用のピストン２４とシリンダ２２を用いてエンジン試験を行い、未燃焼物質が生成されているか否かの評価を行った。下記の表１において、未燃焼物質が生成されていない場合を「◎」「○」とし、未燃焼物質が生成されている場合を「△」「×」として評価を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記の実施例１～１９、および比較例１～２で作製したディーゼルエンジン用のピストン２４とシリンダ２２を用い、エンジン試験を行なった結果、比較例１、２においては未燃焼物質が生成したのに対し、本実施例のセラミックスを用いた場合においては、断熱作用によって未燃焼物質の生成が抑制された。
　以上のような構成からなる本実施の形態の内燃機関２０によれば、燃焼室２６内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる着火遅れ増大手段が設けられている場合において、ピストン２４の冠面部にセラミック製部材２４ａが配設されていることにより、燃焼室２６内で燃焼温度が局所的瞬間的に１３００Ｋから１８００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような低温燃焼が行われるときに、ピストン２４の冠面部における燃料噴射部３１により燃料が噴射される箇所の壁面温度を高く維持することができるようになる。このことにより、燃焼室２６内に噴射された燃料がピストン２４の冠面部に付着したときに未燃焼の物質として気化してしまうことを防止することができるようになり、よって未燃焼の排出物の量を低減することができる。また、セラミック製部材２４ａを用いることによりピストン２４の冠面部の断熱性が向上するため燃焼室２６において熱ロスを低減することができる。また、内燃機関２０におけるピストン２４の材料として鋳鉄やスチールを用いる場合と比較して軽量化を図ることができ、さらにピストン２４の冠面部を高強度のものとすることにより燃焼室２６における燃焼圧の増大にも対応することができ、また長期間使用した場合でもピストン２４の冠面部の摩耗ロスを抑制することができるようになる。これらの利点により、本実施の形態による内燃機関２０が搭載された車両の燃費を向上させることができ、またＣＯ２やＮＯＸ等の排ガス量を低減することができるようになる。
　また、本実施の形態の内燃機関２０においては、前述したように、セラミック製部材２４ａは、ピストン２４の冠面部を構成する他の種類の部材、具体的にはアルミニウム合金２４ｂ等の金属材料と複合化されたものとなっている。具体的には、セラミック製部材２４ａは、機械的結合、接合、焼きばめ、圧入または鋳ぐるみされることによりピストン２４の冠面部を構成する他の種類の部材と複合化されている。このことにより、コーティング膜よりも膜厚が厚くて剥離し難くせん断力に強いバルク状のセラミック製部材２４ａが得られるようになる。また、セラミック製部材２４ａは、金型成形、ＣＩＰ成形、押出し成形、射出成形、鋳込み成形またはゲルキャスト成形により成形されたものとなっている。ここで、ゲルキャスト法によりセラミック製部材２４ａを成形した場合には、成形型の成形空間にセラミックスラリーを流し込んでそのまま固められるので、複雑な形状も型通りに成形でき、密度分布のバラつきや変形が起こりにくくなるという利点が得られる。更に、ゲルキャスト成形では、複雑形状への成形が可能となるため、硬質なセラミックスの加工コストを抑える点でも利点がある。
　また、本実施の形態の内燃機関２０においては、図３に示すように、セラミック製部材２４ａは、ピストン２４の冠面部における少なくともキャビティ２５に面する箇所に配設されていてもよく、あるいは、図４に示すように、セラミック製部材２４ａは、ピストン２４の冠面部全体に配設されていてもよい。
　また、本実施の形態の内燃機関２０においては、シリンダ２２の内側には、ピストン２４の外面に面するシリンダライナ２３が設けられており、シリンダライナ２３における、少なくともピストン２２の冠面部に面する箇所にセラミック製部材２３ａが配設されている。この場合には、燃焼室２６内で温度変化が生じた場合でもピストン２４とシリンダライナ２３との間の隙間（クリアランス）が変化してしまうことが抑制され、よって内燃機関２０の熱効率の低下を抑制することができる。
　また、前述したように、シリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａは、ピストン２４の冠面部に配設されたセラミック製部材２４ａと同じ材料からなっていてもよく、あるいはセラミック製部材２４ａと異なる材料からなっていてもよい。後者の場合は、シリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａは多孔体のものからなっていてもよい。この場合には、シリンダ２２の内面にセラミック製部材２３ａを鋳ぐるむことによりシリンダライナ２３を形成する際に、このセラミック製部材２３ａの孔内にシリンダ２２を構成する例えばアルミニウム合金が入り込むようになり、シリンダライナ２３は、セラミック材料およびアルミニウム合金の複合材となる。
　なお、本実施の形態による内燃機関２０は、上述したような態様に限定されることはなく、様々な変更を加えることができる。
　例えば、上記説明では、ピストン２４の冠面部に配設されたセラミック製部材２４ａやシリンダライナ２３に配設されたセラミック製部材２３ａとして窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）や窒化珪素以外の窒化物（ＡｌＮ等）、炭化物(ＳｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＣ等)、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）、安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）、コージェライト、シリカ（ＳｉＯ２）や、また少なくとも前記の化合物の一つ以上を含む混合物を用いた態様について述べたが、これらのセラミック製部材２４ａ、２３ａの材料として、その熱伝導率が３０Ｗ（ｍ・Ｋ）以下のものであれば、他の種類のセラミック材料を用いてもよい。この場合でも、当該セラミック材料の熱伝導率は十分に小さいため、燃焼室２６内で燃焼温度が局所的瞬間的に１３００Ｋから１８００Ｋまでの範囲内の大きさとなるような低温燃焼が行われる場合に、ピストン２４の冠面部における燃料噴射部３１により燃料が噴射される箇所の壁面温度を高く維持することができるようになる。このことにより、燃焼室２６内に噴射された燃料がピストン２４の冠面部に付着したときに未燃焼の物質として気化してしまうことを防止することができるようになり、よって未燃焼の排出物の量を低減することができる。また、セラミック製部材２４ａを用いることによりピストン２４の冠面部の断熱性が向上するため燃焼室２６において熱ロスを低減することができる。また、上述したセラミック製部材２４ａ、２３ａの材料として、その熱伝導率が２０Ｗ（ｍ・Ｋ）以下であるセラミック材料が用いられることが更に好ましい。
　また、本実施の形態による内燃機関２０は、ディーゼルエンジンのみならず、ガソリンエンジンやＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ－Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｉｇｎｉｔｉｏｎ、予混合圧縮着火）エンジン等の他の様々な種類のエンジンにも適用することができる。

Claims (21)

  1. 　燃焼室と、
    　前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射部と、
    　シリンダと、
    　前記シリンダ内で往復移動を行い、前記燃焼室にその冠面部が面するピストンと、
    　前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる着火遅れ増大手段と、
    　を備え、
    　前記ピストンの前記冠面部における、少なくとも前記燃料噴射部により燃料が噴射される箇所にセラミック製部材が配設されている、内燃機関。
  2. 　前記セラミック製部材は、前記ピストンを構成する他の種類の部材と複合化されたものである、請求項１記載の内燃機関。
  3. 　前記セラミック製部材は、前記ピストンを構成する金属材料と複合化されたものである、請求項２記載の内燃機関。
  4. 　前記セラミック製部材は、機械的結合、接合、焼きばめ、圧入または鋳ぐるみされることにより前記ピストンを構成する他の種類の部材と複合化されている、請求項２または３記載の内燃機関。
  5. 　前記セラミック製部材は、金型成形、ＣＩＰ成形、押出し成形、射出成形、鋳込み成形またはゲルキャスト成形により成形されたものである、請求項４記載の内燃機関。
  6. 　前記ピストンの前記冠面部には、前記燃焼室の一部を構成し、前記燃料噴射部により燃料が噴射されるキャビティが設けられており、
    　前記セラミック製部材は、前記ピストンの前記冠面部における少なくとも前記キャビティに面する箇所に配設されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関。
  7. 　前記セラミック製部材は前記ピストンの前記冠面部全体に配設されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の内燃機関。
  8. 　燃焼室と、
    　シリンダと、
    　前記シリンダ内で往復移動を行い、前記燃焼室にその冠面部が面するピストンと、
    　前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる着火遅れ増大手段と、
    　を備え、
    　前記ピストンの前記冠面部にセラミック製部材が配設されている、内燃機関。
  9. 　前記シリンダの内側には、前記ピストンの外面に面するシリンダライナが設けられており、
    　前記シリンダライナにおける、少なくとも前記ピストンの前記冠面部に面する箇所にセラミック製部材が配設されている、請求項７または８記載の内燃機関。
  10. 　前記シリンダライナに配設された前記セラミック製部材は、前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材と同じ材料からなる、請求項９記載の内燃機関。
  11. 　前記シリンダライナに配設された前記セラミック製部材は、前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材と異なる材料からなる、請求項９記載の内燃機関。
  12. 　前記シリンダライナに配設された前記セラミック製部材は、連結する開気孔を有する多孔体のものからなる、請求項１１記載の内燃機関。
  13. 　前記シリンダライナに配設された前記セラミック製材料として、窒化珪素、アルミナ、マグネシア、ムライト、サイアロン、安定化ジルコニア、コージェライト、シリカ、及び前記材料の少なくとも一つを含む混合物が用いられる、請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の内燃機関。
  14. 　前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材の材料として、その熱伝導率が３０Ｗ（ｍ・Ｋ）以下のものが用いられる、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の内燃機関。
  15. 　前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材の材料として、その熱伝導率が２０Ｗ（ｍ・Ｋ）以下のものが用いられる、請求項１４記載の内燃機関。
  16. 　前記ピストンの前記冠面部に配設された前記セラミック製部材の材料として窒化珪素、アルミナ、マグネシア、ムライト、サイアロン、安定化ジルコニア、コージェライト、及び前記材料の少なくとも一つを含む混合物が用いられる、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の内燃機関。
  17. 　前記着火遅れ増大手段は、前記燃焼室における燃焼後の排気ガスの一部を取り出して再び吸気させるような排気再循環（ＥＧＲ、Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｇａｓ　Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を行い、このような排気再循環により前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の内燃機関。
  18. 　前記着火遅れ増大手段は排気再循環におけるＥＧＲ率を３０％以上とする、請求項１７記載の内燃機関。
  19. 　前記着火遅れ増大手段は、前記ピストンの往復移動によりその容積が変化する前記燃焼室の最大容積と最小容積との比である圧縮比を１６以下とし、このことにより前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の内燃機関。
  20. 　前記着火遅れ増大手段は、前記燃焼室において主たる燃料噴射終了後に主たる熱発生が開始するよう、燃料噴射時期を進角または遅延させ、このことにより前記燃焼室内における燃料と空気との混合気の着火遅れを増大させる、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の内燃機関。
  21. 　前記燃焼室に供給される吸気を過給する過給機が設けられた、請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の内燃機関。
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