JP2015224362A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼ガス温度と燃焼室壁面温度との温度差を縮小させ冷却損失を低減できる内燃機関の提供。
【解決手段】アルミニウムを母材とする燃焼室の構成部品の表面に形成されたアルマイト皮膜３０と、アルマイト皮膜を覆う封孔材の層３２とを含む断熱構造を有する内燃機関であって、封孔材の層３２は、封孔材よりも高い輻射率の材料を含有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関に関し、より詳細には、燃焼室の壁面に断熱膜が形成された内燃機関に関する。

従来、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に断熱膜を形成する技術が知られている。例えば、特許文献１には、アルミニウムやその合金を母材とするピストンの頂面にアルマイト皮膜を形成する技術が開示されている。この技術では、まず、ピストンの頂面に陽極酸化処理が施され、多孔質のアルマイト皮膜が形成される。次に、形成したアルマイト皮膜の表面に封孔材が塗布される。

特開２０１２−０７２７４５号公報 特開２０１０−２４９００８号公報 特開２０１２−０７２７４６号公報 特開２０１２−１７２６１９号公報

特許文献１に記載の封孔材が塗布されたアルマイト皮膜が形成されたピストンを備える内燃機関の燃焼室では、燃焼室壁面温度がガス温度に追従することによって冷却損失を低減することができる。しかしながら、この構成では燃焼室壁面温度の上昇が鈍く、燃焼ガス温度と燃焼室壁面温度との温度差の縮小効果が不十分である。

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、燃焼ガス温度と燃焼室壁面温度との温度差を縮小させ冷却損失を低減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。

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、
アルミニウムを母材とする燃焼室の構成部品の表面に形成されたアルマイト皮膜と、前記アルマイト皮膜を覆う封孔材の層とを含む断熱構造を有する内燃機関であって、
前記封孔材の層は、前記封孔材よりも高い輻射率の材料を含有す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、前記封孔材の層は、前記アルマイト皮膜を覆う第１の封孔材の層と、前記第１の封孔材の層を覆う前記材料が含有されている第２の封孔材の層との２層構造になっていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、前記封孔材の層は、前記アルマイト皮膜側に向かうほど前記材料の含有率が低くなることを特徴とする。

本発明によれば、輻射率の高い材料を封孔材の層に含有させることで、エンジンの燃焼時に生じる火炎からの輻射熱で壁面温度が上昇しやすくなる。この結果、燃焼ガス温度と壁面温度との差が縮小し、冷却損失を低減することができる。

本発明の実施の形態１の燃焼室の構成部品を説明するための概略構成図である。 実施の形態１における断熱構造について説明するための図である。 実施の形態１において、燃焼ガス温度と燃焼室壁面温度との燃焼サイクルにおける変化を表した図である。 アルマイト皮膜が２層の封孔材の層によって覆われている断熱構造を表した図である。 封孔材の層において輻射率の高い材料の含有率に差が生じている断熱構造を表した図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の燃焼室の構成部品を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、エンジン１０を備える。エンジン１０の燃焼室１４は、シリンダブロック２０とシリンダヘッド２２とピストン１２とによって構成されている。燃焼室１４には、吸気バルブ１６と排気バルブ１８とが設けられている。

実施の形態１では、図１で説明した燃焼室１４の構成部品の表面に断熱構造が形成される。以下、断熱構造について図２を参照して説明する。なお、実施の形態１では、具体例として、ピストン１２の頂面に形成された断熱構造について説明する。

図２は、実施の形態１における断熱構造について説明するための図である。図２に示すように、ピストン１２の表面には断熱構造が形成されている。断熱構造は、アルマイト皮膜３０と封孔材の層３２とから構成されている。図２に示すように、アルマイト皮膜３０の表面に封孔材が塗布されている。

アルマイト皮膜３０は、ピストン１２の母材であるアルミニウム合金を陽極酸化処理することにより形成される多孔質皮膜である。アルマイト皮膜３０はアルミニウム又はアルミニウム合金と比べて低熱伝達率、低熱容量の物性を有し、ピストンの断熱性向上に優位である。

封孔材の層３２に使用される封孔材としては、塗布硬化後、シリカ等の耐熱性のある材質が主成分として作用する材料（好ましくはポリシラザン又は、ポリシロキサン）が用いられる。この封孔材はアルマイト皮膜３０の空孔に一部含浸するとともに、アルマイト皮膜３０に燃焼ガス及び燃料が侵入しない空間を形成する。封孔材がアルマイト皮膜３０に一部含浸することによって断熱構造の信頼性が向上され、さらに燃焼ガス及び燃料がアルマイト皮膜３０の空間に侵入しない空間を形成することにより断熱性を向上させている。この断熱構造がピストン１２の頂面に形成されることで、低熱容量かつ低熱伝導の断熱性を備えたピストン１２が得られる。

実施の形態１では、封孔材の層３２に輻射率の高い材料が含まれている。封孔材の層３２に輻射率の高い材料を含有させることで、輻射によるエネルギーを利用して燃焼室壁面温度を燃焼ガス温度に追従させることができるようにする。なお、実施の形態１で用いる輻射率の高い材料は、少なくとも封孔材よりも輻射率が高い材料である。以下、実施の形態１で用いられる輻射率の高い材料について説明する。

実施の形態１で用いられる輻射率の高い材料として、カーボン粉末、セラミック粉末、酸化鉄粉末などがある。セラミック粉末は、輻射率を上げるため、黒色顔料の入ったコーティングが施されていてもよい。酸化鉄粉末は、四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）が用いられる。輻射率の高い材料は、封孔材の機能を維持できる範囲で封孔材の層３２に混合される。

以下、封孔材の層３２に輻射率の高い材料を含有させることで得られる効果について、図３を参照して説明する。

図３は、実施の形態１において、燃焼ガス温度と燃焼室壁面温度との燃焼サイクルにおける変化を表した図である。Ｘは、輻射率の高い材料を含有しない封孔材の層を有する断熱膜の燃焼室壁面温度を示している。Ｙは、輻射率の高い材料を含有させた封孔材の層を有する断熱膜の燃焼室壁面温度を示している。Ｚは、燃焼ガス温度を示している。

図３のＸとＺが示すように、燃焼ガス温度と輻射率の高い材料を含有しない封孔材の層を有する断熱膜の燃焼室壁面温度との間には温度差が生じる。この温度差により燃焼ガスが冷やされて、冷却損失が発生する。一方、図３のＹとＺが示すように、燃焼ガス温度と輻射率の高い材料を含有させた封孔材の層を有する断熱膜の燃焼室壁面温度との温度差は、図３のＸとＺが示す温度差よりも小さい。これは、輻射率の高い材料を封孔材の層に含有させることで、エンジン１０の燃焼時に生じる火炎からの輻射熱で壁面温度が上昇しやすくなるためである。

図３において説明したように、封孔材の層３２に輻射率の高い材料を含有させることで、燃焼ガス温度と壁面温度との差が縮小し、ピストン１２の断熱性を維持しつつ冷却損失を低減することができる。

以下、実施の形態１の断熱構造の変形例について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、アルマイト皮膜が２層の封孔材の層３２によって覆われている断熱構造を表した図である。図４に示す断熱構造は、アルマイト皮膜３０の表面が輻射率の高い材料を含有しない第１の封孔材の層３２ａによって覆われ、さらに第１の封孔材の層３２ａの表面が輻射率の高い材料を含有した第２の封孔材の層３２ｂによって覆われている。このように、封孔材の層３２は、第１の封孔材の層３２ａと第２の封孔材の層３２ｂとから構成される。

図５は、封孔材の層３２において輻射率の高い材料の含有率に差が生じている断熱構造を表した図である。図５に示す断熱構造は、アルマイト皮膜３０の表面が封孔材で覆われ、その封孔材が硬化する前に輻射率の高い材料が吹き付けられる。この吹き付けを行うことで、アルマイト皮膜３０側に向かうほど封孔材の層３２における輻射率の高い材料の含有率が低くなる。

図４及び図５に示すように、輻射率の高い材料は、封孔材の層中に均一に分散していなくてもよい。

実施の形態１では、断熱構造がピストン１２の頂面に形成されることを前提に説明したがこれに限るものではない。例えば、吸気バルブ１６、排気バルブ１８、シリンダブロック（シリンダライナ）２０、シリンダヘッド２２などの燃焼室を構成する面に断熱構造が形成されていてもよい。

１０ エンジン
１２ ピストン
１４ 燃焼室
３０ アルマイト皮膜
３２ 封孔材の層

Claims (3)

1. アルミニウムを母材とする燃焼室の構成部品の表面に形成されたアルマイト皮膜と、前記アルマイト皮膜を覆う封孔材の層とを含む断熱構造を有する内燃機関であって、
   前記封孔材の層は、前記封孔材よりも高い輻射率の材料を含有することを特徴とする内燃機関。
2. 前記封孔材の層は、前記アルマイト皮膜を覆う第１の封孔材の層と、前記第１の封孔材の層を覆う前記材料が含有されている第２の封孔材の層との２層構造になっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記封孔材の層は、前記アルマイト皮膜側に向かうほど前記材料の含有率が低くなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。

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