JP2011052630A

JP2011052630A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2011052630A
Application number: JP2009203703A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sasajima; 崇司笹嶋; Daisaku Sawada; 大作澤田; Eiichi Kamiyama; 栄一神山; Shigeto Tatsuta; 成人龍田; Kazuhisa Yano; 一久矢野
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-17
Also published as: WO2011027214A2; WO2011027214A3

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関に関し、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。
【解決手段】排気通路２２の内壁に隣接して断熱材２６が配置されている。高温の作動ガス（排気ガス）は、断熱材２６が形成する流路に沿って流れている。断熱材２６は、平均粒径が０．１〜３μｍのＭＳＳ（球状メソポーラスシリカ）粒子２６ａの各粒子が接合材２６ｂを介して粒同士が密集した状態で積層されている。ＭＳＳ粒子２６ａには、平均孔径１〜１０ｎｍのメソ孔２６ｃが無数に形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関に関し、より詳細には、燃焼室等を構成する構造部材の一部に断熱材を採用した内燃機関に関する。

従来、内燃機関の構造部材に断熱材を使用すると、構造部材による冷却損失が低減され、熱効率が上昇することが知られている。例えば特許文献１には、シリンダブロックのライナー部を多孔質構造のセラミック材で形成したシリンダが開示されている。このセラミック材は多孔質材料であることから断熱性能が高いと考えられる。したがって、この従来のシリンダを用いれば、内燃機関の熱効率を上昇させることができるので、出力や燃費の向上が期待できる。

特開平６−１０７５７号公報

ところで、内燃機関の構造部材に対しては、その断熱性能の更なる向上が求められている。この為の一つの手段として、構造部材の断熱部の空孔率を増加させることが挙げられる。断熱部の空孔率を増加させることは即ち、断熱部の内部空間を増加させることである。空気の熱伝導率は比較的小さいので、内部空間を増加させれば、断熱性能が向上する。ところが、内部空間を増加させると、断熱材の体積当たりの強度は低下してしまう。加えて、内部空間を増加させると、断熱材を構成する空間の分布を均一に構成することが困難になる。このため、断熱材に強度を要求する環境では断熱材の内部空間をたくさんとることができず、均一に高い断熱性を得ることができなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、断熱性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。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関であって、
平均孔径１〜１０ｎｍの細孔を有し、平均粒径が０．１〜３μｍの粒径の揃った球状多孔質材の集合体からなる断熱材と、前記断熱材に隣接して配置された基材と、を有する構造部材を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記細孔が前記球状多孔質材の中心部から表面部に向かって放射状に形成される構成であると共に、前記断熱材が内燃機関に吸入されたガスの流通経路の内壁の少なくとも一部を構成することを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記断熱材におけるガス接触面と前記基材における断熱材隣接面とが、前記球状多孔質材の粒間の隙間及び、その細孔を介して連通され、前記断熱材の厚みが、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３何れか１つの発明において、
前記球状多孔質材が、球状メソポーラスシリカであることを特徴とする。

第１の発明によれば、球状多孔質材は平均粒径が０．１〜３μｍの範囲にあり、断熱材は前記球状多孔質材のうち、粒径の揃ったものの集合体である為、比較的均質になる。前記球状多孔質材そのものが高強度に加えて、粒の揃ったものを集合させるので断熱材は高強度になる。
また、内燃機関の燃焼室に利用する場合では、燃焼室内には、高圧場が形成され、そこに存在するガス分子の熱伝導率が大きくなり、細孔内のガス分子による熱の移動量が無視できなくなる。加えて、高圧場では、ガスの平均自由行程そのものが小さくなるので、細孔を十分に小さくする必要がある。
第１の発明によれば、球状多孔質材の細孔径は１〜１０ｎｍであり、高圧場におけるガスの平均自由行程より十分に小さいので、細孔内のガス分子による熱の移動を抑制できる。加えて、粒同士の隙間も小さくなるのでこのような効果の一部を利用できる。したがって、単に空間を確保して断熱するよりも断熱性能を上げられる。

第２の発明によれば、放射状細孔を有する球状多孔質材は、粒子に加わる応力を効果的に分散できる。加えて、その集合体である断熱材は粒径の揃ったこれら粒子が高密度で配置された構成にできるので高剛性にできる。
また、第３の発明によれば、ガス接触面と前記基材における断熱材接触面とが、前記球状多孔質材の粒間の隙間及び、その細孔を介して連通させることができる。したがって、内燃機関に吸入されたガス圧力が変化するような環境にも順応できる０．５ｍｍ以下の薄い断熱材を有する構造部材とすることができる。

第４の発明によれば、球状メソポーラスシリカにより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ができる。

実施の形態の内燃機関を説明するための図である。図１の排気通路の一部を拡大した図である。１０００℃、１ＭＰａにおける空間のサイズと熱伝導率との関係を示す図である。

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。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

図１は、本発明の実施の形態である内燃機関の構成を説明する為の図である。内燃機関１０の構成部材の中にはシリンダ１２、シリンダヘッド１４がある。また、シリンダ１２の内径には、ピストン１６が上下方向に摺動自在に挿入配置されている。シリンダ１２の内周面とシリンダヘッド１４の下面と、ピストン１６の頂面とで囲まれた部分により燃焼室１８が形成されている。

シリンダヘッド１４には、外部から吸入されるガスを燃焼室１８に導入するための吸気通路２０が連結されている。また、シリンダヘッド１４には、燃焼室１８から排出されるガスを外部に排出するための排気通路２２が連結されている。排気通路２２の途中には、排気通路２２を流れるガスの一部を吸気通路２０に還流するための還流通路２４が接続されている。

また、図１に太線で示すように、燃焼室１８の内壁には、断熱材２６が設けられている。断熱材２６は、排気通路２２の内壁及び還流通路２４の内壁の一部に設けることも有効である。断熱材２６は、それぞれの内壁上に０．２〜０．５ｍｍの厚みをもって設けられている。

（断熱材２６）
図１に示した排気通路２２の断面の一部（拡大）を図２に示す。図２に示すように、排気通路２２の内壁に隣接して断熱材２６が配置されている。高温の作動ガス（排気ガス）は、断熱材２６が形成する流路に沿って流れている。断熱材２６は、ＭＳＳ（Mesoporous-Silica-Sphere；球状メソポーラスシリカ）粒子２６ａの各粒子が接合材２６ｂを介して粒同士が密集した状態で積層されている。接合材２６ｂは、ＭＳＳ粒子２６ａの粒子間を接点で連結するように配置されている。

このように、ＭＳＳ粒子２６ａの各粒子の粒経が揃っているので粒子間の隙間を小さくしながら均質に粒子を配置できる。一般にガス圧が変動する場では、圧力落差により、ガスが粒子間の隙間に入り込むが、粒同士が隙間を小さくして均質に配置されているため、熱を保持すべき側のガスが直接、基盤の表面に到達して熱を伝えることはほとんどなく、したがって断熱性が確保される。
ここで、「粒径が揃っている」とは、同一条件下で製造された複数個（好ましくは２０個以上）の粒子を顕微鏡観察した場合において、単分散度が１０％以下であることを意味するものとする。この単分散度は、粒径の標準偏差を平均粒径で除すことにより表される。また、粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察像の解析にて求められる。

（ＭＳＳ粒子２６ａ）
断熱材２６を構成するＭＳＳ粒子２６ａは、その名の示すとおり、メソ孔２６ｃを有する球状シリカの粒子である。球状の粒子であることに加え、粒経が極めて均一なので粒同士を密に隙間無く積層することができ、剛性を備えた排気通路２２を形成することができる。ここで、「球状」とは、同一条件下で製造された複数個（好ましくは、２０個以上）の粒子を顕微鏡観察した場合において、各粒子の真球度の平均値が１３％以下であることをいう。また、「真球度」とは、各粒子の外形の真円からのずれの程度を表す指標であって、粒子の表面に接する最小の外接円の半径（ｒ_０）に対する、外接円と粒子表面の各点との半径方向の距離の最大値（Δｒ_ｍａｘ）の割合（＝Δｒ_ｍａｘ×１００／ｒ_０（％））で表される値をいう。

ＭＳＳ粒子２６ａは、その中心部から表面部に向かって無数に形成されたメソ孔２６ｃを有する。無数に形成されたメソ孔２６ｃを有することで、成形体としたときに７０％以上の高い空孔率を実現することができる。したがって、断熱性の高い排気通路２２を構成することができる。また、無数のメソ孔２６ｃがその中心部から表面部に向かって形成されている、すなわち、メソ孔２６ｃが放射状に形成されていることで、個々の粒子レベルにおいても断熱性能の均一性を担保することができる。また、このメソ孔２６ｃが放射状に形成されていることで、どの方向からの変形に対しても孔の長さ方向に外力を受けることになり、各粒子の剛性が高い。したがって、空孔率を高くすることによる体積当りの強度低下を補償することもできる。

ところで、内燃機関の燃焼室は、ピストンの上下動や、燃料混合気の急激な燃焼によって圧力の変動が生じる。そのうち、特に高圧の場合は、これら機関内に存在するガス分子の平均自由行程そのものが短くなる。

図３は、例えば、空気の１０００℃、１ＭＰａにおける空間サイズと熱伝導率との関係を示す図である。横軸に空間のサイズ（ｎｍ）を、縦軸に熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）をそれぞれ示す。図３に示すように、空間のサイズを小さくすると、空気の熱伝導率は小さくなる。空間サイズを空気の平均自由行程（２８ｎｍ）以下にすると、空気の熱伝導は十分小さくできる。

本実施の形態における、燃焼室内のガス成分は大体が空気と同じであり、本発明のＭＳＳにおけるメソ孔２６ｃの孔径は、ガス分子の熱伝導率を小さくする効果を得るのに十分小さいサイズである。具体的には、メソ孔２６ｃの孔径は１〜１０ｎｍ（平均）と十分に、平均自由行程以下であり、燃焼室内のような高圧環境においても断熱材の内部空間に存在するガス分子による熱伝導を抑制できる。なお、孔径は、窒素ガスの吸着法による細孔分布曲線から算出する方法で求められる。

また、上述したように、ＭＳＳ粒子２６ａの各粒子は、放射状に形成されたメソ孔２６ｃを有し、粒子そのものの断熱性が高いことに加え、各粒子が接合材２６ｂによって接点で連結されており、構造体としての断熱性は極めて高い。したがって、この断熱材は薄くしても十分な断熱性を確保できる。薄くできるので、燃焼室内の圧力変動場における断熱材の粒子間隙間へのガスの流入、流出による負担が少なくなり、ガス流動に起因する断熱材の疲労破壊を回避できる。

（接合材２６ｂ）
断熱材２６を構成する接合材２６ｂは、シリカから構成される。ただし、接合材２６ｂは、例えばアルミナ、チタニア、マグネシア、ジルコニアといった遷移金属元素や典型金属元素の酸化物でもよい。また、接合材２６ｂは、シリカやこれらの金属元素の酸化物の２種類以上を用いた混合物でもよい。

接合材２６ｂは、ＭＳＳ粒子２６ａの各粒子間を接点で連結するものであるため、その形状が特に限定されるものではない。しかしながら、各粒子間を接点で連結するためには、その表面積が、ＭＳＳ粒子２６ａの表面積に比べて小さいことが望ましい。断熱材２６が低い熱伝導率や高い剛性を発揮するためには、ＭＳＳ粒子２６ａの表面積に対する接合材２６ｂの表面積の比は、１／４以下であることが望ましく、１／１０以下であることがより望ましい。

ピストン１６への断熱材２６の接合には様々な方法があるが、例えば、ピストン加工後に本断熱材を接合する方法がある。その製造方法は、（１）基材成形工程、（２）基材切削工程、（３）断熱材作製工程、（４）接合工程を備えている。

（１）基材成形工程では、ピストン基材の所定形状に対応する鋳型を準備し、その鋳型にアルミニウム合金等の溶融金属を注入する。そして、この状態で所定の時間冷却し、脱型することによりピストン基材を得る。

続いて（２）基材切削工程では、（１）基材成形工程で得られたピストン基材に所定の切削加工を施す。

一方、（１）基材成形工程、（２）基材切削工程とは別に、断熱材２６を作製する（（３）断熱材作製工程）。この工程は、（３−１）混合工程と、（３−２）成形工程と、（３−３）反応工程と、（３−４）除去工程と、を備えている。

（３−１）混合工程では、細孔内にマスキング物質が充填されたＭＳＳに、少量の反応性結合剤及び第３成分を混合する工程である。ここで、マスキング物質は、ＭＳＳの製造（後述）の際に使用する界面活性剤や拡径剤をそのまま用いるが、これら界面活性剤等を一旦除去した後に別途用いてもよい。
マスキング物質としては、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロリド（Ｃ_１８ＴＭＡＣｌ）及びトリメチルベンゼン（ＴＭＢ）を用いるが、このＣ_１８ＴＭＡＣｌを単独で用いてもよく、他の有機物、例えばフルフリルアルコールを用いてもよい。つまり、マスキング物質は、分解除去可能な物質であれば特に限定されない。
また、反応性結合剤としては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いるが、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）といったシリカの原料をはじめ、チタンテトライソプロポキシド（（（ＣＨ_３）_２ＣＨＯ）_４Ｔｉ）等の金属元素を含むアルコキシドといったシリカ表面のシラノール基と結合可能な官能基を有し、熱や光などの外部刺激によって重合して金属酸化物を形成できる化合物を用いてもよい。
反応性結合剤の混合は、液体状態あるいは反応性結合剤を含んだ溶液の状態で混合される。こうすることで、ＭＳＳの間に反応性結合剤を偏在させて、ＭＳＳの各粒子間を接点で結合させることができる。
なお、混合に際しては、ＭＳＳ１００重量部に対して接合材２６ｂが２０重量部以下となるように反応性結合剤の量を調節することが望ましい。
また、第３成分としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いる。このＰＴＦＥは、ＭＳＳの各粒子間が反応性結合剤で強固に連結されるまでの間、ＭＳＳの各粒子間を一時的に結合させておくためのバインダーとして用いられる。なお、第３成分の混合量は最適な量を選択できる。

（３−２）成形工程では、（３−１）混合工程で得られた混合物を所定形状の金型に流し込んで圧縮成形する工程である。圧縮する際の圧力は２０ＭＰａとするが、例えば６０ＭＰａとしてもよく、材料の組成、金型の形状、成形方法等を考慮して最適な条件で行うことができる。

（３−３）反応工程では、（３−２）成形工程で得られた成形体に熱や光などの外部刺激を加えることで、ＭＳＳの各粒子の間に偏在する反応性結合剤を反応させる工程である。具体的には、得られた成形体に熱を加えることでＴＥＯＳを重合させてＭＳＳの各粒子を結合する。

（３−４）除去工程では、（３−３）反応工程で得られた成形体を焼成することで、ＭＳＳの粒子からマスキング物質を除去する工程である。本工程を経ることで、ＭＳＳ粒子の各粒子間を接点で連結する接合材が配置された断熱材２６が作製できる。本工程は、成形体を５５０℃、６時間、空気中で焼成することにより行われるが、マスキング物質の種類に応じて最適な焼成温度、時間、焼成雰囲気等を選択して行うことができる。

上記（３−１）〜（３−４）の工程において、各種製造条件を最適化することにより、粒径の揃ったＭＳＳの各粒子を密集状態で積層した断熱材を作製できる。このようにして作製された断熱材は、その熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ以下の優れた断熱性能を有する。

（４）接合工程では、（２）基材切削工程で得られたピストン基材と、（３）断熱材作製工程で得られた断熱材２６とを接合する。接合には例えば、適当な接着剤を用いてピストン基材に断熱材２６を貼り付けてもよい。本工程を経ることで表面に断熱材２６を設けたピストン１６が製造できる。

次に、ＭＳＳの製造方法について説明する。ＭＳＳは、（１）シリカ原料と界面活性剤とを含む原料を溶媒中で混合し、所定の温度条件下で反応させる。反応に際し、自己組織化により、界面活性剤はロッドミセルを形成し、ロッドミセルがヘキサゴナルな対称性を保ちながら、放射状に配向する。これはシリカを形成する際の鋳型となる。次いで、（２）この界面活性剤を含んだ状態の前駆体粒子に拡径剤を添加し、所定の温度条件下で前駆体の細孔径を拡大し、（３）前駆体粒子から界面活性剤及び拡径剤を除去する。上記（１）〜（３）の製造条件を最適化することにより、平均孔径１〜１０ｎｍの細孔が放射状に形成され、平均粒径が０．１〜３．０μｍの粒径の揃ったＭＳＳ粒子を製造できる。

１０内燃機関
１４シリンダヘッド
１６ピストン
２２排気通路
２４還流通路
２６断熱材
２６ａ粒子
２６ｂ接合材
２６ｃメソ孔

Claims

平均孔径１〜１０ｎｍの細孔を有し、平均粒径が０．１〜３μｍの粒径の揃った球状多孔質材の集合体からなる断熱材と、前記断熱材に隣接して配置された基材と、を有する構造部材を備えることを特徴とする内燃機関。
前記細孔が前記球状多孔質材の中心部から表面部に向かって放射状に形成される構成であると共に、前記断熱材が内燃機関に吸入されたガスの流通経路の内壁の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記断熱材におけるガス接触面と前記基材における断熱材隣接面とが、前記球状多孔質材の粒間の隙間及び、その細孔を介して連通され、前記断熱材の厚みが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
前記球状多孔質材が、球状メソポーラスシリカであることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関。