JP2013185460A - エンジン部品の断熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱性が良好で剛性が高くて信頼性が高い断熱構造体を備えた、エンジン部品の断熱構造を提供する。
【解決手段】エンジン部品基材２０上に固定され、該基材２０表面に沿った形状に形成されていて、複数枚の金属製板材２２が積層されてなる断熱構造体２１を備え、その断熱構造体２１の複数枚の板材２２は、相隣接する任意の２つの板材２２間に空気断熱層２５が形成されるように、該両板材２２の該空気断熱層２５を挟んで相対向する対向面のうち少なくとも一方の対向面に設けられた複数の突起部２３を介して該両板材２２同士が接合された状態で積層され、上記少なくとも一方の対向面に設けられた突起部２３は、当該突起部２３が設けられた対向面に対して空気断熱層２５を挟んで対向する対向面に接合される。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジン部品の断熱構造に関する技術分野に属する。

１９８０年代に、エンジンの熱効率を高める方法として、エンジン燃焼室に臨む部分に断熱層を設けることが提案され（例えば特許文献１参照）、その後も、セラミックス焼結体又は低熱伝導性を有するＺｒＯ_２粒子を含む溶射層からなる断熱層が提案されている。

ところが、セラミックス焼結体は、熱応力や熱衝撃によるクラックの発生や割れという問題に直面し、特に、ピストン頂面、シリンダライナ、シリンダヘッド下面等のように、比較的大きな面積を有する部分へのセラミックス焼結体の適用は実用に至ったことがない。一方、溶射層は、シリンダライナやロータリエンジンのトロコイド面への採用で実績があるものの、これは、断熱のためではなく、耐摩耗性の向上を目的としたものである。溶射層を断熱層とするためには、上記のようにＺｒＯ_２を主体とする低熱伝導材料を溶射することが好ましいが、このような溶射層は、サーメット系の層よりも粒子間の密着性が劣り、繰返し応力や熱応力に伴う疲労等によりクラックの発生が生じ易いという問題がある。

そのため、例えば特許文献２では、断熱層（断熱用薄膜）が、粒状に形成された多数の断熱材と、膜状に形成された断熱材とを含み、粒状の断熱材が、母材よりも低い熱伝導率及び単位体積当たりの熱容量を有し、さらに、膜状の断熱材よりも低い熱伝導率及び単位体積当たりの熱容量を有し、さらに、断熱用薄膜には、断熱用薄膜を補強するための補強用繊維材を混入した構造が提案されている。

また、別の断熱構造として、空気断熱層を用いることも知られている。例えば特許文献３によれば、排気ポートに、間に空気層を有する二重管を挿入することが示されている。

国際公開第８９／０３９３０号パンフレット 特開２００９−２４３３５２号公報 特開２００７−２４７４３２号公報

ところで、エンジンの燃焼室に臨むエンジン部品としては、ピストンやシリンダヘッド、シリンダブロック、バルブ等があるが、これらのエンジン部品に、特許文献２や特許文献３の断熱構造を適用することが考えられる。

しかし、上記エンジン部品に特許文献２の断熱構造を適用した場合、燃焼圧力の変動や熱応力、熱疲労等により、特許文献２の断熱構造をもってしても十分な耐久性が確保できるかどうかは不明である。しかも、溶射等によって断熱層を形成した場合、所定寸法に仕上げるための研削加工を行う必要があり、そのような研削加工を行う際に、その加工自体によるクラックが発生する可能性がある。

また、特許文献３に示されているような空気断熱層を２枚の板材間に設けて断熱構造体を形成し、その断熱構造体をピストンやシリンダライナ等に適用した場合、燃焼圧力の変動に伴って、空気断熱層を挟む板材が変形し易く、熱疲労が生じる虞がある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、断熱性が良好で剛性が高くて信頼性が高い断熱構造体を備えた、エンジン部品の断熱構造を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、エンジン部品の断熱構造として、エンジン部品基材上に固定され、該基材表面に沿った形状に形成されていて、複数枚の金属製板材が積層されてなる断熱構造体を備え、上記断熱構造体の上記複数枚の板材は、相隣接する任意の２つの板材間に空気断熱層が形成されるように、該両板材の該空気断熱層を挟んで相対向する対向面のうち少なくとも一方の対向面に設けられた複数の突起部を介して該両板材同士が接合された状態で積層され、上記少なくとも一方の対向面に設けられた突起部は、当該突起部が設けられた対向面に対して上記空気断熱層を挟んで対向する対向面に接合されている、という構成とした。

上記の構成により、断熱構造体における相隣接する２つの板材間に空気断熱層が形成され、この空気断熱層により良好な断熱性が得られるようになる。そして、相隣接する２つの板材は、複数の突起部により支持されるので、突起部の数や複数の突起部間の間隔を調整することにより、板材がその積層方向に大きな力を受けても変形しないように（撓まないように）することができ、この結果、板材に熱疲労等が生じ難くなるとともに、断熱構造体の剛性を向上させることができる。しかも、突起部の板材対向面に対する接合面積を出来る限り小さくする（点接触に近付ける）ことにより、突起部を介して板材間を熱が伝達するのを抑制することができ、断熱性を良好に維持することができる。

上記エンジン部品の断熱構造において、上記断熱構造体には、３枚以上の上記板材の積層により、２層以上の上記空気断熱層が形成されている、ことが好ましい。

このことにより、２層以上の空気断熱層によって断熱性をより一層向上させることができる。

上記のように２層以上の空気断熱層が形成される場合、上記エンジン部品基材直上の板材には、該板材を貫通する貫通孔が設けられており、上記貫通孔が設けられた板材と該板材に隣接する板材との間の上記空気断熱層の一部に、上記貫通孔を介して上記基材が入り込んでいる、という構成としてもよい。

このことで、断熱構造体を、エンジン部品基材に固定した状態で該基材上に容易に設けることができるようになる。

上記のように上記空気断熱層の一部に上記基材が入り込んでいる場合、上記エンジン部品は、アルミニウム合金製ピストンであり、上記断熱構造体は、上記ピストンの頂面に配置されていて、上記貫通孔が設けられた板材と該板材に隣接する板材との間の上記空気断熱層の一部に上記基材が入り込んだ状態で、上記基材に固定されている、という構成としてもよい。

これにより、エンジン燃焼室に臨むピストン頂面に、断熱性が良好で剛性が高くて信頼性が高い断熱構造体を容易に設けることができる。

上記エンジン部品の断熱構造において、上記エンジン部品は、シリンダブロックであり、上記断熱構造体は、上記シリンダブロックのシリンダボアの軸方向の一部に配置される円筒状のシリンダボア部材を構成しており、上記シリンダボア部材は、上記シリンダボアにおいて、上死点位置に位置するピストンのトップリングに対して下死点側とは反対側に設けられている、という構成としてもよい。

このことで、エンジン燃焼室に臨むシリンダボアに、断熱性が良好で剛性が高くて信頼性が高い断熱構造体を設けることができるとともに、断熱構造体（シリンダボア部材）が、ピストンリングと摺接しない位置に配置されるので、断熱構造体の内周面に対して耐摩耗処理を施す必要がない。

上記シリンダボア部材は、上記シリンダボアに対しピストン上死点側の開口から圧入又は冷嵌めにより挿入されたものである、ことが好ましい。

このことにより、断熱構造体としてのシリンダボア部材を、シリンダブロックのシリンダボアにおける、上死点位置に位置するピストンのトップリングに対して下死点側とは反対側に容易に設けることができる。

以上説明したように、本発明のエンジン部品の断熱構造によると、エンジン部品における、圧力変動の大きい燃焼室に臨む面に、断熱性が良好で剛性が高くて信頼性が高い断熱構造体を容易に設けることができ、特に幾何学的圧縮比が高いエンジンの図示熱効率を高めることができる。

本発明の実施形態に係る断熱構造が適用されるエンジン部品を備えたエンジンを示す断面図である。 仕様が相異なるエンジンの幾何学的圧縮比と図示熱効率との関係を示すグラフである。 仕様が相異なるエンジンの空気過剰率と図示熱効率との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る断熱構造を、アルミニウム合金製ピストンに適用した例を示す断面図である。 第４板材がない状態の断熱構造体を、シリンダヘッド側から見た図である。 本発明の実施形態に係る断熱構造を、シリンダブロックのシリンダボアに適用した例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る断熱構造が適用されるエンジン部品を備えたエンジンを示す。図１において、１はピストン、１ａは該ピストン１に設けられたピストンリング、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はシリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気バルブ、６は排気ポート７を開閉する排気バルブ、８は燃料噴射弁である。尚、点火プラグの図示は省略している。

吸気バルブ４は、傘部４ａと、傘部４ａの裏側に設けられたステム部４ｂとを有する。また、吸気バルブ４の傘部４ａは、不図示の吸気バルブ駆動機構によりステム部４ｂを介して駆動されて、吸気ポート５を開閉する。傘部４ａにより吸気ポート５が閉じられているとき、傘部４ａの裏側表面（吸気ポート５に臨む面）の外周部が、吸気バルブシート１５に当接している。同様に、排気バルブ６は、傘部６ａと、傘部６ａの裏側に設けられたステム部６ｂとを有する。排気バルブ６の傘部６ａは、不図示の排気バルブ駆動機構によりステム部６ｂを介して駆動されて、排気ポート７を開閉する。傘部６ａにより排気ポート７が閉じられているとき、傘部６ａの裏側表面（排気ポート７に臨む面）の外周部が、排気バルブシート１６に当接している。

上記エンジンの燃焼室は、ピストン１の頂面、シリンダブロック２のシリンダボア２ａの内周面、シリンダヘッド３の下面、並びに、吸気及び排気バルブ４，６の傘部４ａ，６ａの表側表面（燃焼室に臨む面）で形成される。ピストン１の頂面には、キャビティ９が形成されている。

本実施形態では、ピストン１、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３は、アルミニウム合金鋳物で構成され、吸気及び排気バルブ４，６は、耐熱鋼で構成されている。

上記エンジンは、幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０とされ、少なくとも部分負荷域での空気過剰率λ＝２．５〜６．０で運転されるリーンバーンエンジンである。このため、エンジンの冷却損失を大幅に低減させなければ、すなわち、エンジンの断熱性を高くしなければ、その幾何学的圧縮比ε及び空気過剰率λに見合う所期の熱効率を得ることができない。この点をモデル計算による図示熱効率に基づいて説明する。すなわち、幾何学的圧縮比εを増大させていったとき、燃焼室を断熱構造にするか否かで、また、空気過剰率λの大小で、エンジンの図示熱効率がどのように影響されるかをモデル計算した。

図２はその結果を示す。同図において、「断熱なし」は、燃焼室に断熱構造を採用していない従来のエンジンを意味し、「断熱あり」は、「断熱なし」の従来のエンジンよりも燃焼室の断熱率を５０％高めたエンジンを意味する。「200kPa」及び「500kPa」はエンジン負荷（正味平均有効圧力）の大きさを表す。

まず、「断熱なし 200kPa λ＝１」の場合、幾何学的圧縮比εの増大に伴って図示熱効率が増大しているが、幾何学的圧縮比ε＝５０を超えても図示熱効率は大きく改善せず、幾何学的圧縮比ε＝５０での理論効率は８０％程度であるから、当該エンジンの図示熱効率はかなり低い。この差の大部分は冷却損失及び排気損失である。

「断熱なし 200kPa λ＝２」の場合、空気過剰率の増加により比熱比が小さくなるため、図示熱効率が高くなっているが、それでも、理論効率からみれば低い。「断熱なし 200kPa λ＝４」及び「断熱なし 200kPa λ＝６」をみると、幾何学的圧縮比εが１５又は２５を超えると、該幾何学的圧縮比εが大きくなるほど図示熱効率が低下している。これは、空気過剰率λが大きい（混合気の空気密度が高い）ことから、高圧縮比になると燃焼時のガス圧が非常に高くなり、ガス圧及び温度の関数である熱伝達率が高くなって冷却損失が大きくなるためである。すなわち、空気過剰率λの増大（比熱比の増大）による熱効率の上昇を上回って冷却損失が大きくなるためである。

これに対して、「断熱あり 200kPa λ＝２．５」では、幾何学的圧縮比εの増大に伴って図示熱効率が増大している。空気過剰率λを高めた「断熱あり 200kPa λ＝６」では、幾何学的圧縮比εが４０を超えると、図示熱効率が若干下がり気味になるものの、図示熱効率は幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０において非常に高い値になっている。エンジン負荷を高めた「断熱あり 500kPa λ＝２．５」でも、図示熱効率は幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０において高い値になっている。

図３は空気過剰率λと図示熱効率との関係をみたグラフである。「断熱なし 200kPa ε＝１５」では、空気過剰率λ＝４．５付近で図示熱効率がピークになり、それよりも空気過剰率λが増大するほど図示熱効率が低下している。これに対して、「断熱あり 200kPa ε＝４０」では、空気過剰率λ＝６．０付近で図示熱効率がピークになっている。幾何学的圧縮比εが高いことと、断熱による冷却損失抑制の効果である。

上記リーンバーンエンジンの場合、少なくとも部分負荷域では空気過剰率λ＝２．５以上で運転するから、ＮＯｘ発生の抑制に有利になる。幾何学的圧縮比εが高くなると、燃焼温度が高くなるが、空気過剰率λをエンジン負荷が高くなるほど大きくなるように制御することにより、燃焼最高温度が１８００Ｋを超えないようにしてＮＯｘ発生を抑制することができる。

また、図示は省略するが、上記エンジンの吸気系には吸気を冷却するインタークーラーが設けられている。これにより、圧縮開始時の筒内ガス温度が低くなり、燃焼時のガス圧及び温度の上昇が抑えられ、冷却損失の低減（図示熱効率の改善）に有利になる。

そこで、上記幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０及び空気過剰率λ＝２．５〜６．０で運転されるエンジンにおいて、冷却損失を低減して図示熱効率を高めるべく、燃焼室に臨む面（燃焼室を区画する面）に断熱層を設ける。このようなエンジンの燃焼室に臨む面を有するエンジン部品の該燃焼室に臨む面（ピストン１の頂面や、シリンダブロック２のシリンダボア２ａの内周面、シリンダヘッド３の下面等）に、本発明の断熱構造を適用する。

図４は、本発明の実施形態に係る断熱構造を、アルミニウム合金製ピストン１（エンジン部品）に適用した例（第１例）を示す。このピストン１の頂面（燃焼室に臨む面）に断熱構造体２１が配置されている。

上記断熱構造体２１は、ピストン１を構成するエンジン部品基材２０上に固定されかつ該基材２０表面に沿った形状に形成されている。すなわち、断熱構造体２１は、キャビティ９が形成されたピストン１の頂面に沿うように、断熱構造体２１の中央部が下側に凹んだ形状に形成されている。断熱構造体２１は、複数枚（本例では、４枚）の板材２２がピストン上下方向に積層されてなるものである。以下、最下部の板材２２を第１板材２２Ａといい、その上側に積層される板材２２を、下から順に、第２板材２２Ｂ、第３板材２２Ｃ、及び第４板材２２Ｄという。また、それらを区別しない場合には、単に板材２２という。

上記各板材２２は、金属製の板材であって、本例では、厚さ１．０ｍｍのスチール製（例えばＳＵＳ３１６）の板材である。第１板材２２Ａ、第２板材２２Ｂ及び第３板材２２Ｃの上面には、上側に突出する複数の突起部２３が設けられている。第４板材２２Ｄには、突起部２３は設けられていないが、第４板材２２Ｄの周縁部に、全周に亘って下側に折り曲げられてなる折曲部２６が設けられている。この折曲部２６は、第１板材２２Ａ、第２板材２２Ｂ及び第３板材２２Ｃの端面全周を覆っている。

第１板材２２Ａ、第２板材２２Ｂ、第３板材２２Ｃ及び第４板材２２Ｄはそれぞれ、プレス成形により所定の形状に形成されたものであり、プレス成形により、各板材２２がピストン１の頂面に沿うように該板材２２の中央部が凹んだ形状に形成されて、該凹んだ部分がキャビティ９とされる。また、第１板材２２Ａ、第２板材２２Ｂ及び第３板材２２Ｃにおいては、突起部２３が形成される。各板材２２は、ピストン１上側（シリンダヘッド３側）から見て、ピストン１の径と略同じ径の円形状をなしている。

本例では、第４板材２２Ｄを除く各板材２２の突起部２３は、図５（第４板材２２Ｄがない状態の断熱構造体２１を、ピストン１上側から見た図）に示すように、板材２２の厚み方向（板材２２の積層方向と一致）から見て、互いに所定の間隔をあけて配列されている。具体的には、縦方向（図５の図面の上下方向）に一直線状に列をなすように複数の突起部２３が並んで突起部列を形成し、このような突起部列が複数列、突起部列の直線とは垂直な横方向（図５の図面の左右方向）に間隔をあけて設けられている。各突起部列の相隣接する２つの突起部２３の間隔は、例えば１５ｍｍであり、相隣接する２つの突起部列の間隔も１５ｍｍである。各突起部２３の突出高さは、例えば１ｍｍである。各突起部２３は、本例では、円錐状をなしている。すなわち、後述の如く、板材２２の上面に設けられた突起部２３が、該板材２２の上側に隣接する板材２２の下面に接合されるが、その接合面積を出来る限り小さくする（点接触に近付ける）べく、先細り状にしている。

第４板材２２Ｄを除く各板材２２の下面（突起部２３が設けられた面とは反対側の面）には、突起部２３のプレス成形に伴って、突起部２３に対応する凹部２４が形成されている。

上記複数枚の板材２２は、相隣接する任意の２つの板材２２間に空気断熱層２５が形成されるように、該両板材２２の該空気断熱層２５を挟んで相対向する対向面（該両板材２２のうち下側の板材２２の上面及び上側の板材２２の下面）のうち少なくとも一方の対向面（本例では、下側の板材２２の上面）に設けられた複数の突起部２３を介して該両板材２２同士が接合された状態で積層されている。すなわち、上記両板材２２間には、突起部２３の突出高さと同じ間隔の隙間（空間）が生じ、この隙間（空間）が空気断熱層２５とされる。本例では、４枚の板材２２間に３層の空気断熱層２５が形成されることになる。

上記少なくとも一方の対向面（本例では、上記両板材２２のうち下側の板材２２の上面）に設けられた突起部２３は、当該突起部２３が設けられた対向面（下側の板材２２の上面）に対して空気断熱層２５を挟んで対向する対向面（上側の板材２２の下面）にプロジェクション溶接（抵抗溶接）により接合されている。ここで、上記両板材２２のうち上側の板材２２の下面に凹部２４が存在する場合において、その凹部２４の位置（つまり上側の板材２２の突起部２３の位置）が、板材２２の積層方向から見て下側の板材２２の突起部２３と同じ位置に存するとすると、上記凹部２４により、下側の板材２２の突起部２３が上側の板材２２の上面に当接せず、このため、下側の板材２２の突起部２３が上側の板材２２の上面に接合できないことになる。そこで、板材２２の積層方向から見て、下側の板材２２の突起部２３の位置を上側の板材２２の突起部２３の位置（つまり凹部２４の位置）とは異ならせており、下側の板材２２の突起部２３が、上側の板材２２の下面における凹部２４が存在しない部分に接合されるようにしている。本例では、板材２２の積層方向から見て、下側の板材２２における各突起部列が、上側の板材２２における相隣接する２つの突起部列の間に位置するとともに、下側の板材２２における各突起部列の各突起部２３が、上側の板材２２における突起部列の相隣接する２つの突起部２３間に対応する位置に位置している（図５に実線で示す突起部列と破線で示す突起部列とを参照）。また、板材２２の積層方向から見て、第１板材２２Ａの突起部２３の位置と第３板材２２Ｃの突起部２３の位置（図５に実線で示す位置）とは同じである。

尚、相隣接する上記両板材２２が、該両板材２２の対向面（下側の板材２２の上面及び上側の板材２２の下面）に設けられた複数の突起部２３を介して接合されるようにしてもよい。この場合、下側の板材２２の上面における上側に突出する突起部２３（１つであってもよく複数であってもよい）が上側の板材２２の下面に接合され、上側の板材２２の下面における下側に突出する突起部２３（１つであってもよく複数であってもよい）が下側の板材２２の上面に接合されることになる。このような構成にするには、第２板材２２Ｂ及び第３板材２２Ｃを、上面及び下面に突起部２３が形成されたものとすればよく、第１板材２２Ａは、上面のみに突起部２３が形成されたものとし、第４板材２２Ｄは、下面のみに突起部２３が形成されたものとすればよい。また、板材２２の積層方向から見て、相隣接する両板材２２のうち下側の板材２２の突起部２３（上側及び下側に突出する突起部２３を含む）の位置が、上側の板材２２の突起部２３（上側及び下側に突出する突起部２３を含む）の位置とは異なることになる。上記のように第４板材２２Ｄの下面に突起部２３を形成した場合、第４板材２２Ｄの上面に凹部２４が存在することになるが、このような凹部２４を残したくない場合には、凹部２４内に、例えば、アルミナやシリカ等の無機物からなる充填剤を充填するようにすればよい。或いは、第４板材２２Ｄは、突起部２３（凹部２４）がない平板としてもよい（但し、周縁部には折曲部２６が設けられる）。

第１板材２２Ａの突起部２３（凹部２４）が存在しない部分には、第１板材２２Ａをその厚み方向に貫通する円形の複数の貫通孔２７が設けられている。本例では、図５に示すように、第１部材２２Ａの厚み方向から見て、第１板材２２Ａの相隣接する２つの突起部列の間において縦方向に一直線状に列をなすように複数の貫通孔２７が並んで貫通孔列を形成し、このような貫通孔列が複数列、貫通孔列の直線とは垂直な横方向に間隔をあけて設けられている。相隣接する２つの貫通孔列の間隔は、突起部列の間隔と同じ１５ｍｍであるが、各貫通孔列の相隣接する２つの貫通孔２７の間隔は、その半分の７．５ｍｍとしている。板材２２の積層方向から見て、第１部材２２Ａの貫通孔列の直線が第２部材２２Ｂの突起部列の直線と同じ位置にあるとともに、第２部材２２Ｂの突起部列の突起部２３が、上記貫通孔列の１つおきの貫通孔２７と同じ位置にある。

第１板材２２Ａと第２板材２２Ｂとの間には、第１板材２２Ａの突起部２３により空気断熱層２５が形成されているが、その空気断熱層２５の一部には、上記貫通孔２７を介して基材２０が入り込んでいる。断熱構造体２１を製造する際、上記空気断熱層２５の一部に、上記貫通孔２７を通してアルミニウム合金溶湯を流入させることで、上記のように基材２０が入り込んだ形態となる。各貫通孔２７を介して空気断熱層２５に入り込んだ基材２０は、板材２２の積層方向から見て、当該貫通孔２７を中心にその周囲全体に拡がるように入り込んでおり、これにより、基材２０に第１板材２２Ａが固定される。第１板材２２Ａと第２板材２２Ｂとの間の空気断熱層２５は、該空気断熱層２５への基材２０の入り込み量が多すぎると、空気断熱層２５の役割を有しなくなる。そこで、空気断熱層２５への基材２０の入り込み量は、基材２０に第１板材２２Ａを固定できる程度に出来る限り少なくするのが好ましい。尚、基材２０は、第１板材２２Ａの凹部２４内にも入り込んでおり、このことは、第１板材２２Ａの基材２０への固定をより強固にするので、空気断熱層２５への基材２０の入り込み量をより少なくすることができて好ましい。

上記構成のピストン１を製造するには、まず、第１板材２２Ａ、第２板材２２Ｂ、第３板材２２Ｃ及び第４板材２２Ｄを、それぞれプレス成形により所定の形状に作製する。第１板材２２Ａは、突起部２３と貫通孔２７とが設けられたものとし、第２板材２２Ｂ及び第３板材２２Ｃは、突起部２３が設けられたものとし、第４板材２２Ｄは折曲部２６が設けられたものとする。

続いて、第１板材２２Ａの突起部２３上に第２板材２２Ｂを設置して、第１板材２２Ａの突起部２３が第２板材２２Ｂの下面に当接するようにする。そして、この当接状態で、その突起部２３に対応する凹部２４に電極を押圧し、突起部２３と第２板材２２Ｂとをプロジェクション溶接（抵抗溶接）する。このときの溶接条件としては、例えば、加圧力を２ｋＮ以上５ｋＮ以下とし、電流値を７ｋＡとする。尚、１つの突起部２３毎にプロジェクション溶接を行ってもよいが、第１板材２２Ａの全突起部２３を一度に第２板材２２Ｂの下面にプロジェクション溶接することも可能であり、その方が好ましい。

次いで、第３板材２２Ｃ及び第４板材２２Ｄについても、同様にプロジェクション溶接を順次行うことにより、複数枚の板材２２が積層されてなりかつ相隣接する２つの板材２２間に空気断熱層２５が形成された断熱構造体２１を作製する。

次に、上記積層した板材２２を、基材２０（ピストン１）を形成するための型にセットした状態で、該型内にアルミニウム合金溶湯を注湯して、上記貫通孔２７が設けられた第１板材２２Ａと該第１板材２２Ａに隣接する第２板材２２Ｂとの間の上記空気断熱層２５の一部に、上記貫通孔２７を通して上記アルミニウム合金溶湯を流入させる。この溶湯は、固化すれば、空気断熱層２５の一部に入り込んだ部分を有する基材２０となり、基材２０に第１板材２２Ａが固定された状態で、基材２０上に断熱構造体２１が配置されることになる。こうして、頂面に断熱構造体２１が設けられたピストン１が完成する。

上記ピストン１の頂面の断熱構造では、断熱構造体２１における相隣接する２つの板材２２間に空気断熱層２５が形成され、この空気断熱層２５により良好な断熱性が得られるようになる。そして、相隣接する２つの板材２２は、複数の突起部２３により支持されるので、突起部２３の数や、相隣接する２つの突起部列の間隔、各突起部列の相隣接する２つの突起部２３の間隔を調整することにより、板材２２がその積層方向に大きな力を受けても変形しないように（撓まないように）することができ、この結果、板材２２に熱疲労等が生じ難くなるとともに、断熱構造体２１の剛性を向上させることができる。しかも、突起部２３の板材２２面に対する接合面積を出来る限り小さくする（点接触に近付ける）ことにより、突起部２３を介して板材２２間を熱が伝達するのを抑制することができ、断熱性を良好に維持することができる。

また、基材２０（ピストン１）をアルミニウム合金溶湯で鋳造しながらピストン１の頂面に断熱構造体２１を配置固定することで、ピストン１の頂面に、断熱性が良好で剛性が高くて信頼性が高い断熱構造体２１を容易に設けることができる。このようなピストン１の頂面の断熱構造により、特に幾何学的圧縮比が高いエンジンの冷却損失を低減して図示熱効率を高めることができる。

図６は、本発明の実施形態に係る断熱構造を、シリンダブロック２（エンジン部品）のシリンダボア２ａに適用した例（第２例）を示す。すなわち、本例では、断熱構造体２１は、シリンダブロック２のシリンダボア２ａの軸方向の一部（ピストン１上死点側の開口の近傍部）に配置される円筒状のシリンダボア部材３１（シリンダライナ）を構成する。このシリンダボア部材３１は、上記シリンダボア２ａにおいて、上死点位置に位置するピストン１の最上部のピストンリング１ａ（トップリング）に対して下死点側とは反対側（上側（シリンダヘッド３側））に設けられている。シリンダボア部材３１は、上記シリンダボア２ａに対しピストン１上死点側の開口から圧入又は冷嵌めにより挿入されたものである。上記シリンダボア２ａにおいてシリンダボア部材３１の下死点側（下側）には、鋳鉄製のシリンダライナ３２がシリンダボア部材３１に対してシリンダボア２ａの軸方向に当接した状態で設けられている。本例では、板材２２の積層方向は、シリンダボア２ａの径方向となり、第１板材２２Ａが、径方向の最も外側に位置し、第４板材２２Ｄが最も内側に位置する。

上記断熱構造体２１（シリンダボア部材３１）の構成は、上記第１例と同様である。但し、第１板材２２Ａに、貫通孔２７は設けられていない。また、第１板材２２Ａ、第２板材２２Ｂ、第３板材２２Ｃ及び第４板材２２Ｄはそれぞれ、上記シリンダボア２ａの内周面に沿うように円筒状に形成されている。

また、第４板材２２Ｄの上縁部及び下縁部に、フランジ状に径方向外側に折り曲げられてなる折曲部２６がそれぞれ設けられている。上側の折曲部２６は、シリンダブロック２の上面にかかるように形成されており、シリンダブロック２の上面において不図示のガスケットが当接する部分に段差が生じないようになされている。

上記シリンダボア部材３１を製造するには、まず、第１板材２２Ａ、第２板材２２Ｂ、第３板材２２Ｃ及び第４板材２２Ｄを、それぞれプレス成形により作製する。この段階では、第４板材２２Ｄを除く各板材２２に突起部２３が形成され、第４板材２２Ｄに折曲部２６が形成されているが、全板材２２は円筒状に形成されてはいない。そして、第１板材２２Ａ、第２板材２２Ｂ、第３板材２２Ｃ及び第４板材２２Ｄをそれぞれロール成形する。ロール成形した第１板材２２Ａの外径は、シリンダボア２ａの内径よりも僅かに大きくする。ロール成形した第２板材２２Ｂの外径は、ロール成形した第１板材２２Ａの突起部２３の内側に嵌る径であって第２板材２２Ｂの外周面が第１板材２２Ａの突起部２３の先端に略当接するような径にする。ロール成形した第３板材２２Ｃの外径は、ロール成形した第２板材２２Ｂの突起部２３の内側に嵌る径であって第３板材２２Ｃの外周面が第２板材２２Ｂの突起部２３の先端に略当接するような径にする。ロール成形した第４板材２２Ｄの外径は、ロール成形した第３板材２２Ｃの突起部２３の内側に嵌る径であって第４板材２２Ｄの外周面が第３板材２２Ｃの突起部２３の先端に略当接するような径にする。ロール成形した第１板材２２Ａについては、ロール成形により互いに突き合わされた端面同士をシーム溶接する。

続いて、ロール成形しかつシーム溶接した第１板材２２Ａの内側に、ロール成形した第２板材２２Ｂを配置して、第２板材２２Ｂの外周面を第１板材２２Ａの突起部２３に押し当てながら、該突起部２３を第２板材２２Ｂの外周面にプロジェクション溶接する。次いで、同様に、第３板材２２Ｃの外周面を第２板材２２Ｂの突起部２３に押し当てながら、該突起部２３を第３板材２２Ｃの外周面にプロジェクション溶接し、その後、第４板材２２Ｄの外周面を第３板材２２Ｂの突起部２３に押し当てながら、該突起部２３を第４板材２２Ｄの外周面にプロジェクション溶接する。最後に、第４板材２２Ｄの互いに突き合わされた端面同士をシーム溶接する。こうしてシリンダボア部材３１（断熱構造体２１）が完成する。

次に、上記シリンダボア部材３１を、シリンダブロック２のシリンダボア２ａに対しピストン１上死点側（シリンダヘッド３側）の開口から圧入又は冷嵌めにより挿入して、シリンダボア部材３１の下死点側の端面（下側の折曲部２６）を、予めシリンダボア２ａに対しピストン１上死点側の開口から圧入又は冷嵌めにより挿入しておいたシリンダライナ３２の上死点側の端面に当接させる。この当接位置は、上死点位置に位置するピストン１の最上部のピストンリング１ａ（トップリング）に対して下死点側とは反対側に位置するようにする。こうして、シリンダボア２ａに断熱構造体２１が設けられたシリンダブロック２が完成する。

上記シリンダブロック２のシリンダボア２ａの断熱構造では、上記ピストン１の頂面の断熱構造と同様に、断熱性が良好で剛性が高くて信頼性が高いシリンダボア部材３１（断熱構造体２１）が得られるとともに、そのシリンダボア部材３１をシリンダボア２ａの内周面に容易に設けることができる。このようなシリンダボア２ａの断熱構造により、特に幾何学的圧縮比が高いエンジンの冷却損失を低減して図示熱効率を高めることができる。

また、シリンダボア部材３１（断熱構造体２１）が、ピストンリング１ａと摺接しない位置に配置されるので、シリンダボア部材３１の内周面（第４板材２２Ｄ）に対して耐摩耗処理を施す必要がなく、低コストでシリンダボア部材３１を作製することができる。尚、シリンダボア部材３１を、ピストンリング１ａと摺接する位置まで延長する（例えば、ピストン１のストロークの全域にシリンダボア部材３１を設ける）ことも可能である。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、上記実施形態では、断熱構造体２１を４枚の板材２２で構成し、３層の空気断熱層２５を形成するようにしたが、少なくとも２枚の板材２２の積層により少なくとも１層の空気断熱層２５を形成するようにしてもよい。但し、断熱性の向上の観点からは、３枚以上の板材２２の積層により、２層以上の空気断熱層２５が形成されるようにするのがよい。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、エンジン部品の断熱構造に有用であり、特に幾何学的圧縮比が高いエンジンの冷却損失を低減して図示熱効率を高める場合に有用である。

１ ピストン（エンジン部品）
１ａ ピストンリング
２ シリンダブロック（エンジン部品）
２ａ シリンダボア
２０ エンジン部品基材
２１ 断熱構造体
２２ 板材
２３ 突起部
２５ 空気断熱層
２７ 貫通孔
３１ シリンダボア部材

Claims (6)

1. エンジン部品の断熱構造であって、
   エンジン部品基材上に固定され、該基材表面に沿った形状に形成されていて、複数枚の金属製板材が積層されてなる断熱構造体を備え、
   上記断熱構造体の上記複数枚の板材は、相隣接する任意の２つの板材間に空気断熱層が形成されるように、該両板材の該空気断熱層を挟んで相対向する対向面のうち少なくとも一方の対向面に設けられた複数の突起部を介して該両板材同士が接合された状態で積層され、
   上記少なくとも一方の対向面に設けられた突起部は、当該突起部が設けられた対向面に対して上記空気断熱層を挟んで対向する対向面に接合されていることを特徴とするエンジン部品の断熱構造。
2. 請求項１記載のエンジン部品の断熱構造において、
   上記断熱構造体には、３枚以上の上記板材の積層により、２層以上の上記空気断熱層が形成されていることを特徴とするエンジン部品の断熱構造。
3. 請求項２記載のエンジン部品の断熱構造において、
   上記エンジン部品基材直上の板材には、該板材を貫通する貫通孔が設けられており、
   上記貫通孔が設けられた板材と該板材に隣接する板材との間の上記空気断熱層の一部に、上記貫通孔を介して上記基材が入り込んでいることを特徴とするエンジン部品の断熱構造。
4. 請求項３記載のエンジン部品の断熱構造において、
   上記エンジン部品は、アルミニウム合金製ピストンであり、
   上記断熱構造体は、上記ピストンの頂面に配置されていて、上記貫通孔が設けられた板材と該板材に隣接する板材との間の上記空気断熱層の一部に上記基材が入り込んだ状態で、上記基材に固定されていることを特徴とするエンジン部品の断熱構造。
5. 請求項１又は２記載のエンジン部品の断熱構造において、
   上記エンジン部品は、シリンダブロックであり、
   上記断熱構造体は、上記シリンダブロックのシリンダボアの軸方向の一部に配置される円筒状のシリンダボア部材を構成しており、
   上記シリンダボア部材は、上記シリンダボアにおいて、上死点位置に位置するピストンのトップリングに対して下死点側とは反対側に設けられていることを特徴とするエンジン部品の断熱構造。
6. 請求項５記載のエンジン部品の断熱構造において、
   上記シリンダボア部材は、上記シリンダボアに対しピストン上死点側の開口から圧入又は冷嵌めにより挿入されたものであることを特徴とするエンジン部品の断熱構造。

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