JP7011433B2 - 遮熱膜を有するエンジン構成部材及び該エンジン構成部材の製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、遮熱膜を有するエンジン構成部材及び該エンジン構成部材の製造方法に関する。

従来、自動車等の車両のエンジンで、燃料が発生させる熱エネルギーによる仕事効率を向上させるために、エンジンにおける冷却損失を改善する対策がなされている。

冷却損失を改善するための対策の一つとして、エンジンの燃焼室の壁面に、セラミックスからなる遮熱膜を形成するものが知られている。セラミックスは、一般に車両部材として用いられるアルミニウム等に比べて熱伝導率が低く、耐熱性を有することから、燃焼室の壁面を遮熱化する効果がある。

しかしながら、セラミックスは一般に単位質量あたりの熱容量が高い（すなわち、高比熱である）ことから、セラミックスの遮熱膜を有するエンジンにおいては、エンジンの継続稼働により、定常的に燃焼室の壁面温度が上昇する。その結果、エンジンの吸気効率が低下したり、燃料室内の温度上昇による異常燃焼によりノッキングが発生したりするという問題がある。

この問題を解消するために、遮熱膜は、耐熱性があり、低熱伝導率であって、さらに単位質量あたりの熱容量が低い（すなわち、低比熱である）ことを要する。低熱伝導率かつ低比熱である最適な材料としては空気を挙げることができる。空気を遮熱膜に取り込む構造として、例えば、特許文献１には、エンジン燃焼室を構成するエンジン構成部品の壁面に、遮熱膜として、アルミニウムから成長する陽極酸化被膜であるアルマイト皮膜を形成したものが記載されている。

アルマイト皮膜は、膜厚方向に延びる多数の孔を有しており、特許文献１に記載のエンジン構成部品は、アルマイト皮膜と、アルマイト皮膜に積層されてアルマイト皮膜の孔の上面を封止する封孔材層とからなる遮熱膜を有している。また、封孔材として、耐熱性を有するシリカを主成分とするポリシラザンやポリシロキサンを用いている。

特開２０１５－９６６３４号公報

特許文献１に記載の遮熱膜においては、アルマイト皮膜に形成された孔の内部に保有された空気により、低熱伝導率かつ低比熱を実現できるとともに、封孔材層によって、平均温度が最大で３００℃近くなる高温のエンジン燃焼室に対し、耐熱性を確保することができる。

しかしながら、特許文献１に記載の遮熱膜では、アルマイト皮膜に形成された多数の孔によって、遮熱膜の機械的な強度が低下してしまうという問題がある。

エンジンの燃焼室内は、高温かつ高圧になることから、高圧状態に耐え得る高い機械的強度が必要となる。しかしながら、アルマイト皮膜は、膜厚方向に柱状に延びる多数の孔により機械的強度が脆いものとなり、シリカからなる封止材層による補強のみでは、長期使用においても十分に耐え得る程の高い機械的強度を確保することは困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低熱伝導率かつ低比熱であるとともに、耐熱性と機械的強度に優れた遮熱膜を有するエンジン構成部材及び該エンジン構成部材の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材において、前記遮熱膜は、シリコン系の無機中空微粒子を含有する、融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融めっきの層を含み、前記溶融めっきの層は、アルミニウム合金で形成された前記エンジン構成部材の壁面に隣接する第１層と、該第１層に隣接する第２層とを有し、前記第２層は、前記第１層よりも前記無機中空微粒子の含有量が多いことを特徴とする。
また、本発明の一実施形態は、前記エンジン構成部材において、前記溶融めっきの層は、前記第２層に隣接する第３層を有し、前記第３層は、前記第２層よりも前記無機中空微粒子の含有量が少ないことを特徴とする。

この構成によれば、溶融めっきの層において無機中空微粒子の内部空洞に保持された空気により、遮熱膜を熱伝導率が低く、かつ熱容量が低いものとすることができ、これによりエンジンにおける冷却損失を低減することができる。

また、遮熱膜が溶融めっきで構成されているので、アルマイト皮膜やシリカによる封孔材に比べて、十分に高い機械的強度を発揮することができる。また、遮熱膜を形成している溶融めっきの融点は３００℃以上であって、エンジン燃焼室の平均温度の最大値よりも高いので、エンジンを稼働した際の耐熱性を確保することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材の製造方法であって、シリコン系の無機中空微粒子を含有した、融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融めっきの層を前記エンジン構成部材の前記壁面に形成する工程を含み、前記溶融めっきの層を形成する工程は、融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融金属を入れた槽に前記エンジン構成部材を浸す浸漬工程と、前記浸漬工程により前記エンジン構成部材の壁面に形成された非硬化状態の溶融めっきに、前記無機中空微粒子を付着させる中空微粒子付着工程と、を含むことを特徴とする。

この構成によれば、シリコン系の無機中空微粒子は、一般に軟化温度が６００℃よりも高い温度であって、溶融めっきの融点（３００℃～６００℃）よりも高いので、無機中空微粒子を軟化させることなく溶融金属に含有させて、溶融めっきの層を形成することができる。この溶融めっきの層で構成された遮熱膜は、無機中空微粒子内の空気により、熱伝導率が低く、かつ熱容量が低いものとなるので、エンジンの冷却損失を低減することができる。

また、溶融めっきは、物性上、酸化皮膜であるアルマイト皮膜やシリカによる封孔材に比べて、十分に高い機械的強度を発揮することができるので、機械的強度に優れた遮熱膜とすることができる。また、遮熱膜を形成する溶融めっきは、融点が３００℃以上であってエンジン燃焼室の平均温度の最大値よりも高いので、エンジンを稼働した際の耐熱性を確保することができる。

また、この構成によれば、溶融金属を入れた槽にエンジン構成部材を浸す、所謂ドブ付けを行った後に、無機中空微粒子を付着させる簡易な方法で、耐熱性と機械的強度に優れた遮熱膜を形成することができる。

また、本発明の一実施形態は、前記製造方法において、前記中空微粒子付着工程の後に、さらに前記浸漬工程を行うことを特徴とする。

この構成によれば、中空微粒子付着工程の後に、さらに溶融めっきをドブ付けして、無機中空微粒子の表面を溶融めっきでコーティングすることができるので、遮熱膜の機械的強度をより向上することができる。

また、本発明の一実施形態は、エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材の製造方法であって、シリコン系の無機中空微粒子を含有した、融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融めっきの層を前記エンジン構成部材の前記壁面に形成する工程を含み、前記溶融めっきの層は、前記無機中空微粒子を６００℃以下かつ前記無機中空微粒子の軟化温度よりも低い温度の溶融金属に混合した混合液に、前記エンジン構成部材の壁面を浸漬して形成されることを特徴とする。

この構成によれば、６００℃以下の溶融金属にシリコン系無機中空微粒子を混合して、この混合液をエンジン構成部材に塗布する簡易な方法で、耐熱性と機械的強度に優れた遮熱膜を形成することができる。

また、本発明の一実施形態は、前記製造方法において、前記溶融めっきは、溶融亜鉛めっきであることを特徴とする。

この構成によれば、めっきとして一般に用いられている溶融亜鉛めっきを使用することで、製造コストを抑えることができる。

本発明によれば、エンジン構成部材に形成された遮熱膜がシリコン系の無機中空微粒子を含有した溶融めっきの層からなるので、無機中級粒子が保有する空気により、遮熱膜を低熱伝導率かつ低比熱とすることができるとともに、溶融めっきにより、遮熱膜の耐熱性と機械的強度とを確保することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る遮熱膜を有するエンジン構成部材を用いたエンジン燃焼室構造を示す模式図。 ピストンの壁面に形成された遮熱膜を示す断面図。 遮熱膜の形成方法を説明する図であって、（ａ）は浸漬工程を示し、（ｂ）は中空微粒子付着工程を示す。 中空微粒子付着工程の他の例を示す説明図 遮熱膜の形成方法の別の例を示す説明図。 第２の実施の形態に係る遮熱膜を有するエンジン構成部材を示す断面図。

（第１の実施の形態）
本発明に係る遮熱膜を有するエンジン構成部材について詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る遮熱膜を有するエンジン構成部材を用いたエンジン燃焼室構造１を示す模式図であり、図２は、エンジン構成部材であるピストン１４の壁面に形成された遮熱膜３０を示す断面図である。図１のエンジン燃焼室構造１は、自動車等の車両のエンジンに適用される。

エンジン燃焼室構造１は、エンジン燃焼室２を構成するエンジン構成部材である、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３、ピストン１４、点火プラグ１６、吸気バルブ１７、及び排気バルブ１８を備える。

シリンダブロック１２は、エンジン燃焼室２を形成する円筒状のシリンダ１１を有する。ピストン１４は、略円柱状であって、シリンダ１２の内部を摺動して往復移動可能に構成されている。

シリンダヘッド１３は、シリンダブロック１２の上面を覆っており、シリンダ１１の上面を覆う燃焼室天井部１３ａを有する。点火プラグ１６、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８は、シリンダヘッド１３に取り付けられる。

点火プラグ１６は、端部に着火部となる電極部を有しており、この端部が燃焼室天井部１３ａからエンジン燃焼室２内へ突出するように取り付けられる。吸気バルブ１７は、シリンダヘッド１３に形成された吸気路１３ｂを開閉可能に構成され、排気バルブ１８は、シリンダヘッド１３に形成された排気路１３ｃを開閉可能に構成される。

このエンジン燃焼室構造１では、シリンダ１１、シリンダヘッド１３の燃焼室天井部１３ａ、ピストン１４によって囲まれたエンジン燃焼室２に、吸気バルブ１７の開弁により燃料が混合された混合ガスが供給され、点火プラグ１６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１８が開弁されることによりエンジン燃焼室２外へ排気される。

本実施の形態において、ピストン１４、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８には、エンジン燃焼室２を構成する壁面に、断熱性の遮熱膜３０を有している。具体的には、ピストン１４の上面１４ａと、シリンダヘッド１３の燃焼室天井部１３ａと、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８のバルブヘッド１７ａ，１８ａのエンジン燃焼室２側の表面とに、遮熱膜３０が形成されている。なお、図示していないが、さらに、シリンダ１１の内壁面１１ａに遮熱膜３０を形成してもよい。

図２は、ピストン１４の壁面である上面１４ａに形成された遮熱膜３０を示す断面図である。この遮熱膜３０は、無機材料で形成された中空の微粒子（以下、無機中空微粒子という）４０を含有する、融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融めっきの層３１からなる。

遮熱膜３０の膜厚（すなわち、溶融めっきの層３１の膜厚）は、約２０～３００μｍであって、好ましくは約５０～２００μｍである。溶融めっきの層３１の気孔率は、多量の空気を保有しつつ強度を維持する観点から、約２０～８５％の範囲であることが好ましく、より好ましくは約３０～８０％である。

溶融めっきの層３１を構成する溶融めっき５０としては、例えば、融点が４１９．５℃である亜鉛を材料とした溶融亜鉛めっきを用いることができる。なお、溶融めっき５０を構成する金属材料はこれに限られず、融点が３００℃以上かつ６００℃以下のものであればよい。また、単一金属めっきに限られず、合金めっきであってもよい。

無機中空微粒子４０は、マイクロレベル及び／又はナノレベルの大きさを有し、シリコン系の無機材料（例えば、シリカ等のガラス材料）によって構成され、６００℃程度の耐熱性を有する。無機中空微粒子４０の大きさは、好ましくは直径が約５～４０μｍであり、より好ましくは直径が約１６～２０μｍであって殻厚が約０．５～２μｍである。

なお、エンジン構成部材であるピストン１４は金属材料で形成されており、本実施の形態では、溶融温度が６００℃よりも高いアルミニウム合金で形成されている。

なお、図示例では、無機中空微粒子４０が球状のものを示しているが、形状はこれに限られず、中空であって内部に空気を保有できる形状であればよい。また、溶融めっきの層３１は、大きさの異なる無機中空微粒子４０が混在した構造であってもよい。

次に、上述した遮熱膜３０を有するエンジン構成部材の製造方法について説明する。ここでは、製造方法の一例として、エンジン構成部材であるピストン１４の上面１４ａに溶融亜鉛めっきからなる遮熱膜３０を形成する方法を説明する。なお、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８についても、以下に説明する方法と同様の方法により壁面に遮熱膜３０を形成することができる。

図３（ａ）に示すように、溶融した亜鉛（溶融金属）５２を入れた溶融金属槽６０に、ピストン１４の上面１４ａを浸す（浸漬工程）。

次に、図３（ｂ）に示すように、浸漬工程によりピストン１４の上面１４ａに形成された溶融めっき５０に無機中空微粒子４０を付着させる（中空微粒子付着工程）。無機中空微粒子４０の付着は、例えば、図示していない吹付装置により、無機中空微粒子４０をエアによって溶融めっき５０が形成されたピストン上面１４ａに向かって吹き付けることにより行うことができる。

中空微粒子付着工程において、無機中空微粒子４０は、溶融めっき５０に対する吹付け速度を適宜設定することにより、球状の無機中空微粒子４０の少なくとも一部が溶融めっき５０の内部に埋没するようすることができる。なお、無機中空微粒子４０は非硬化状態にある溶融めっき５０に対して吹き付けられる。これにより、無機中空微粒子４０が溶融めっき５０の内部に埋め込むことができる。無機中空微粒子４０は、軟化温度が６００℃よりも高いため、無機中空微粒子４０の軟化を防止しながら、温度が６００℃以下にある非硬化状態の溶融めっき５０に埋没させることができる。

無機中空微粒子４０は、溶融めっき５０が硬化することによりピストン１４の上面１４ａに固定される。これにより、ピストン上面１４ａに無機中空微粒子４０を含有した遮熱膜３０を形成することができる。なお、無機中空微粒子４０は、ピストン上面１４ａに対する単位面積当たりの吹付け時間や吹付速度等が一定になるように吹付を適宜設定することで、上面１４ａにほぼ均一に付着・固定させることができる。

図４は、中空微粒子付着工程の他の例を示す説明図である。この例では、浸漬工程の後、ピストン１４において非硬化状態にある溶融めっき５０が形成された部分を無機中空微粒子４０の集合体である粉体４２が入った容器６２に挿入して、溶融めっき５０に無機中空微粒子４０を付着させる。その後、溶融めっき５０を硬化させることにより、溶融めっき５０を介して無機中空微粒子４０がピストン上面１４ａに付着・固定され、遮熱膜３０が形成される。

上述した製造方法により製造されたエンジン構成部材、すなわち、ピストン１４、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８は、溶融めっきの層３１において無機中空微粒子４０の内部空洞に保持された空気により、熱伝導率が低く、かつ熱容量が低い遮熱膜３０を有しているので、エンジン燃焼室に用いられた際に、エンジンの冷却損失を低減することができる。この遮熱膜３０は、溶融めっき５０で構成されているので、アルマイト皮膜（多孔質アルマイト被膜）やシリカによる封孔材に比べて、十分に高い機械的強度を発揮することができる。また、溶融めっき５０の融点は３００℃以上であって、エンジン燃焼室の平均温度の最大値よりも高いので、耐熱性を確保することができる。

また、上述した製造方法では、溶融した亜鉛を入れた溶融金属槽６０にエンジン構成部材を浸す、所謂ドブ付けを行った後に、無機中空微粒子４０を溶融めっきに付着させる簡易な方法で、耐熱性と機械的強度に優れた遮熱膜を形成することができる。

なお、本実施の形態では、ピストン１４の上面１４ａの全域に遮熱膜３０を形成しているが、遮熱膜３０は上面１４ａの一部領域にのみ形成されてもよい。また、図２に示す例では、溶融めっきの層３１の中に無機中空微粒子４０がほぼ均一に分散しているが、溶融めっきの層３１の内表面側（すなわち、ピストン上面１４ａ側）または外表面側に無機中空微粒子４０が多く含有されるように形成してもよい。例えば、図４に示す中空微粒子付着工程を経たものでは、溶融めっきの層３１の外表面側の方が内表面側よりも無機中空微粒子４０の含有量が多くなる。また、図３（ｂ）に示す中空微粒子付着工程において、無機中空微粒子４０の吹付け速度をコントロールすることにより、溶融めっき５０に対する無機中空微粒子４０の埋込深さをコントロールしてもよい。

図５は、遮熱膜３０の形成方法の別の例を示す説明図である。

図５に示す方法では、槽６０に入った溶融金属（ここでは、溶融亜鉛）に、無機中空微粒子４０からなる粉体を入れた混合液に、エンジン構成部材であるピストン１４の上面１４ａを浸漬して、ピストン上面１４ａに混合液を塗布している。槽６０の中の溶融金属の温度は、無機中空微粒子４０の軟化温度よりも低く設定されている。塗布された混合液を硬化させることにより、ピストン上面１４ａに遮熱膜３０を形成することができる。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る遮熱膜３０を有するエンジン構成部材を示す、図２と同様の断面図である。なお、図６において、上述した実施の形態と同様の要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態において、遮熱膜３０を構成する溶融めっきの層３１は、無機中空微粒子４０の含有量が異なる複数の層からなる。図示例では、溶融めっきの層３１が３つの層からなり、無機中空体微粒子４０の含有量少ない第１層３３及び第３層３５と、第１層３３と第３層３５との間に形成された、無機中空体微粒子４０の含有量が多い第２層３４とを有する。なお、遮熱膜３０において、第２層３４の層厚は、第１層３３及び第３層３５のそれぞれの層厚よりも大きいことが好ましい。

図６に示す遮熱膜３０は、以下の方法によって形成される。

まず、ピストン１４の上面１４ａに対し、図３（ａ）に示す浸漬工程（以下、第１の浸漬工程という）を行う。その後、図３（ｂ）または図４に示す中空微粒子付着工程を行う。この中空微粒子付着工程において、無機中空微粒子４０は、溶融めっき５０の表面側に多く付着されるように、付着がコントロールされる。

中空微粒子付着工程の後、さらに、溶融亜鉛５２を入れた溶融金属槽６０に、ピストン上面１４ａを浸す第２の浸漬工程を行う。なお、第２の浸漬工程は、中空微粒子付着工程において、無機中空微粒子４０が付着した溶融めっき５０を硬化させた後に行うことが好ましい。

本実施の形態の遮熱膜３０を有するエンジン構成部材では、第１の浸漬工程及び中空微粒子付着工程の後に、さらに第２の浸漬工程を行うことにより、無機中空微粒子の表面を溶融めっきでコーティングすることができるので、遮熱膜３０の機械的強度をより向上することができる。また、第２層３４において、無機中空微粒子４０を密集させることにより、低熱伝導率性および低熱容量性に優れた遮熱膜３０とすることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、遮熱膜３０は、第１の実施の形態で示した浸漬工程と中空微粒子付着工程とを複数回繰り返して形成してもよい。

１ エンジン燃焼室構造
１１ シリンダ
１２ シリンダブロック
１３ シリンダヘッド
１４ ピストン
１４ａ ピストン上面
１７ 吸気バルブ
１８ 排気バルブ
３０ 遮熱膜
３１ 溶融めっきの層
４０ 無機中空微粒子
５０ 溶融めっき

Claims (5)

1. エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材において、
   前記遮熱膜は、シリコン系の無機中空微粒子を含有する、融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融めっきの層を含み、
   前記溶融めっきの層は、アルミニウム合金で形成された前記エンジン構成部材の壁面に隣接する第１層と、該第１層に隣接する第２層とを有し、
   前記第２層は、前記第１層よりも前記無機中空微粒子の含有量が多いことを特徴とするエンジン構成部材。
2. 前記溶融めっきの層は、前記第２層に隣接する第３層を有し、
   前記第３層は、前記第２層よりも前記無機中空微粒子の含有量が少ないことを特徴とする請求項１に記載のエンジン構成部材。
3. エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材の製造方法であって、
   シリコン系の無機中空微粒子を含有した、融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融めっきの層を前記エンジン構成部材の前記壁面に形成する工程を含み、
   前記溶融めっきの層を形成する工程は、
   融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融金属を入れた槽に前記エンジン構成部材を浸す浸漬工程と、
   前記浸漬工程により前記エンジン構成部材の壁面に形成された非硬化状態の溶融めっきに、前記無機中空微粒子を付着させる中空微粒子付着工程と、
   を含むことを特徴とするエンジン構成部材の製造方法。
4. 前記中空微粒子付着工程の後に、さらに前記浸漬工程を行うことを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
5. エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材の製造方法であって、
   シリコン系の無機中空微粒子を含有した、融点が３００℃以上かつ６００℃以下の溶融めっきの層を前記エンジン構成部材の前記壁面に形成する工程を含み、
   前記溶融めっきの層は、
   前記無機中空微粒子を６００℃以下かつ前記無機中空微粒子の軟化温度よりも低い温度の溶融金属に混合した混合液に、前記エンジン構成部材の壁面を浸漬して形成されることを特徴とするエンジン構成部材の製造方法。

Images