JP5629463B2 - Internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関に関し、特に、内燃機関の燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、断熱膜が形成された内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly to an internal combustion engine in which a heat insulating film is formed on a wall surface facing at least a part of a base material forming a combustion chamber of the internal combustion engine.
内燃機関の熱効率を向上させるために、内燃機関の燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、断熱膜を形成する技術が提案されている(例えば下記非特許文献1,2)。非特許文献1,2においては、熱伝導率の低いセラミック(ジルコニア)からなる単一材料の断熱膜をピストンの頂面上に形成することで、燃焼室内の燃焼ガスからピストンへの熱伝達を低下させて熱効率の向上を図っている。
In order to improve the thermal efficiency of an internal combustion engine, a technique for forming a heat insulating film on a wall surface facing at least a part of a base material forming a combustion chamber of the internal combustion engine has been proposed (for example, the following non-patent document) 1, 2). In
内燃機関のシリンダ内における熱損失Q[W]については、シリンダ内の圧力やガス流に起因する熱伝達係数h[W/(m2・K)]、シリンダ内の表面積A[m2]、シリンダ内のガス温度Tg[K]、及びシリンダ内に面する(シリンダ内の燃焼ガスと接触する)壁面の温度Twall[K]を用いて、以下の(1)式で表すことができる。Regarding the heat loss Q [W] in the cylinder of the internal combustion engine, the heat transfer coefficient h [W / (m 2 · K)] due to the pressure and gas flow in the cylinder, the surface area A [m 2 ] in the cylinder, Using the gas temperature Tg [K] in the cylinder and the temperature Twall [K] of the wall surface facing the cylinder (in contact with the combustion gas in the cylinder), it can be expressed by the following equation (1).
Q=A×h×(Tg−Twall) (1) Q = A × h × (Tg−Twall) (1)
内燃機関のサイクルにおいては、シリンダ内ガス温度Tgが時々刻々変化するが、壁面温度Twallをシリンダ内ガス温度Tgに追従させるよう時々刻々変化させることで、(1)式における(Tg−Twall)の値を小さくすることができ、熱損失Qを低減することができる。 In the cycle of the internal combustion engine, the in-cylinder gas temperature Tg changes from moment to moment, but by changing the wall surface temperature Twall from moment to moment so as to follow the in-cylinder gas temperature Tg, (Tg−Twall) in the equation (1) The value can be reduced, and the heat loss Q can be reduced.
壁面温度Twallをシリンダ内ガス温度Tgに追従させるよう変化させるためには、燃焼室内に臨む壁面に形成する断熱膜については、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低いことが望ましい。ただし、セラミック(例えばジルコニア)からなる単一材料の断熱膜を燃焼室内に臨む壁面に形成しても、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量の低さが不十分である。その結果、壁面温度Twallのシリンダ内ガス温度Tgへの追従性が低下し、熱損失Qの低減効果も不十分となる。 In order to change the wall surface temperature Twall to follow the in-cylinder gas temperature Tg, it is desirable that the heat insulating film formed on the wall surface facing the combustion chamber has a low thermal conductivity and a heat capacity per unit volume. However, even if a single material heat insulating film made of ceramic (for example, zirconia) is formed on the wall surface facing the combustion chamber, the low thermal conductivity and heat capacity per unit volume are insufficient. As a result, the followability of the wall surface temperature Twall to the in-cylinder gas temperature Tg is lowered, and the effect of reducing the heat loss Q is insufficient.
セラミック(例えばジルコニア)よりも低い熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を有する単一材料は存在するが、例えば樹脂や発泡体のように耐熱性及び強度の低い材料が多く、内燃機関のシリンダ内のように高温・高速のガス流や高圧力に耐えうるような耐熱性及び強度を持たない。 There are single materials that have lower thermal conductivity and heat capacity per unit volume than ceramics (for example, zirconia), but there are many materials with low heat resistance and strength, such as resin and foam, for example, in cylinders of internal combustion engines. It does not have heat resistance and strength that can withstand high temperature and high speed gas flow and high pressure.
本発明に係る内燃機関は、燃焼室壁面温度のシリンダ内ガス温度への追従性を向上させることで、熱効率を向上させることを目的とする。 The internal combustion engine which concerns on this invention aims at improving thermal efficiency by improving the followable | trackability to the gas temperature in a cylinder of combustion chamber wall surface temperature.
本発明に係る内燃機関では、燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、断熱膜が形成されている。前記断熱膜は、第1の断熱材及び第2の断熱材を含み、第2の断熱材は、ジルコニア、シリコン、チタン、ジルコニウム、セラミック、セラミック繊維、またはこれら複数の組み合わせである。第1の断熱材は、母材よりも低い熱伝導率及び母材よりも低い単位体積あたりの熱容量を有し、第2の断熱材は、母材以下の熱伝導率を有し、第1の断熱材を燃焼室内の燃焼ガスから保護するための断熱材であり、第1の断熱材は、第2の断熱材よりも低い熱伝導率及び第2の断熱材よりも低い単位体積あたりの熱容量を有することが好適である。第1の断熱材は、中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、微細多孔構造の断熱材、シリカエアロゲル、またはこれら複数の組み合わせであることが好適である。前記断熱膜は、内燃機関のサイクルにおいて燃焼室壁面温度を550℃以上の幅で変動させることが可能である。また、前記断熱膜は、内燃機関のサイクルにおいて燃焼室壁面温度を200℃以上の幅で変動させることが可能である。さらに、前記断熱膜は、内燃機関のサイクルにおいて燃焼室壁面温度を650℃以下の幅で変動させることが可能である。 In an internal combustion engine according to the present invention, at least a portion of the base material forming the combustion chamber, the wall surface facing the combustion chamber, the heat insulating film is formed. The heat insulating film includes a first heat insulating material and a second heat insulating material, and the second heat insulating material is zirconia, silicon, titanium, zirconium, ceramic, ceramic fiber, or a combination thereof. The first heat insulating material has a thermal conductivity lower than that of the base material and a heat capacity per unit volume lower than that of the base material, the second heat insulating material has a heat conductivity equal to or lower than the base material, and The first heat insulating material is lower in thermal conductivity than the second heat insulating material and lower in unit volume than the second heat insulating material. It is preferable to have a heat capacity. The first heat insulating material is preferably a hollow ceramic bead, a hollow glass bead, a fine porous heat insulating material, a silica airgel, or a combination of these. The heat insulating film can vary the temperature of the combustion chamber wall in a cycle of 550 ° C. or more in the cycle of the internal combustion engine. Further, the heat insulating film can change the combustion chamber wall surface temperature within a range of 200 ° C. or more in the cycle of the internal combustion engine. Further, the heat insulating film can change the temperature of the combustion chamber wall with a width of 650 ° C. or less in the cycle of the internal combustion engine .
本発明によれば、第2の断熱材により第1の断熱材を燃焼室内の燃焼ガスから保護することで、第1の断熱材については、燃焼室内の燃焼ガスに対する耐熱性及び耐圧性の制約を受けることなく、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が十分低い断熱材料を選択することができ、断熱膜全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量も十分に低くすることができる。その結果、燃焼室壁面温度のシリンダ内ガス温度への追従性を向上させることができ、内燃機関の熱効率を向上させることができる。なお、第1の断熱材については、1種類の断熱材により構成することもできるし、複数種類の断熱材により構成することもできる。そして、第2の断熱材についても、1種類の断熱材により構成することもできるし、複数種類の断熱材により構成することもできる。 According to the present invention, the first heat insulating material is protected from the combustion gas in the combustion chamber by the second heat insulating material, so that the heat resistance and pressure resistance of the first heat insulating material against the combustion gas in the combustion chamber are limited. Therefore, a heat insulating material having a sufficiently low thermal conductivity and a heat capacity per unit volume can be selected, and a heat conductivity and a heat capacity per unit volume in the entire heat insulating film can be sufficiently reduced. As a result, the followability of the combustion chamber wall temperature to the cylinder gas temperature can be improved, and the thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved. In addition, about a 1st heat insulating material, it can also be comprised by 1 type of heat insulating material, and can also be comprised by multiple types of heat insulating material. And also about a 2nd heat insulating material, it can also be comprised by one type of heat insulating material, and can also be comprised by multiple types of heat insulating material.
本発明の一態様では、第1の断熱材が第2の断熱材の内部に混入されていることが好適である。この態様では、内部に第1の断熱材が混入された第2の断熱材は、繊維状に形成されており、該繊維状に形成された第2の断熱材が、前記壁面上に多数敷き詰められていることが好適である。また、この態様では、第1の断熱材の混入割合が第2の断熱材の内部の位置に応じて異なることが好適である。また、この態様では、第1の断熱材が第2の断熱材の内部に規則的に配列されていることが好適である。また、この態様では、第1の断熱材は、中空構造を有する断熱材であることが好適であり、さらに、第1の断熱材が複数層構造を有することが好適である。 In one embodiment of the present invention, it is preferable that the first heat insulating material is mixed in the second heat insulating material. In this aspect, the second heat insulating material in which the first heat insulating material is mixed is formed in a fiber shape, and a large number of second heat insulating materials formed in the fiber shape are spread on the wall surface. It is preferred that Moreover, in this aspect, it is preferable that the mixing ratio of the first heat insulating material varies depending on the position inside the second heat insulating material. In this embodiment, it is preferable that the first heat insulating material is regularly arranged inside the second heat insulating material. In this embodiment, the first heat insulating material is preferably a heat insulating material having a hollow structure, and further, the first heat insulating material preferably has a multi-layer structure.
本発明の一態様では、第1の断熱材が前記壁面上に形成されており、第2の断熱材が第1の断熱材を覆うように第1の断熱材上に形成されていることが好適である。ここでは、第1の断熱材を前記壁面に直接接合もしくはコーティングすることもできるし、第1の断熱材を前記壁面に接着層等の中間層を介して接合もしくはコーティングすることもできる。また、第2の断熱材を第1の断熱材に直接接合もしくはコーティングすることもできるし、第2の断熱材を第1の断熱材に接着層等の中間層を介して接合もしくはコーティングすることもできる。この態様では、第2の断熱材に、第1の断熱材側へ突出した突出部が設けられていることが好適である。 In one aspect of the present invention, the first heat insulating material is formed on the wall surface, and the second heat insulating material is formed on the first heat insulating material so as to cover the first heat insulating material. Is preferred. Here, the first heat insulating material can be directly bonded or coated on the wall surface, and the first heat insulating material can be bonded or coated on the wall surface via an intermediate layer such as an adhesive layer. In addition, the second heat insulating material can be directly bonded or coated to the first heat insulating material, or the second heat insulating material can be bonded or coated to the first heat insulating material via an intermediate layer such as an adhesive layer. You can also. In this aspect, it is preferable that the second heat insulating material is provided with a protruding portion that protrudes toward the first heat insulating material.
本発明の一態様では、第2の断熱材は、その内部に第1の断熱材を内包する殻状の断熱材であることが好適である。 In one embodiment of the present invention, the second heat insulating material is preferably a shell-shaped heat insulating material containing the first heat insulating material therein.
本発明の一態様では、断熱膜の厚さ方向において第1の断熱材と第2の断熱材とが交互に配置されていることが好適である。 In one embodiment of the present invention, it is preferable that the first heat insulating material and the second heat insulating material are alternately arranged in the thickness direction of the heat insulating film.
本発明の一態様では、第2の断熱材の耐熱温度が、第1の断熱材の耐熱温度よりも高いことが好適である。また、本発明の一態様では、第2の断熱材の強度が、第1の断熱材の強度よりも高いことが好適である。 In one embodiment of the present invention, it is preferable that the heat resistance temperature of the second heat insulating material is higher than the heat resistance temperature of the first heat insulating material. In one embodiment of the present invention, it is preferable that the strength of the second heat insulating material is higher than the strength of the first heat insulating material.
本発明の一態様では、第2の断熱材は、母材よりも低い熱伝導率を有し且つ母材よりも低いまたは母材とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有することが好適である。 In one embodiment of the present invention, it is preferable that the second heat insulating material has a thermal conductivity lower than that of the base material and a heat capacity per unit volume lower than or substantially equal to that of the base material. .
また、本発明の参考例に係る内燃機関は、内燃機関の燃焼室を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室内に臨む壁面に、断熱膜が形成された内燃機関であって、前記断熱膜は、母材よりも低い熱伝導率を有し且つ母材よりも低いまたは母材とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する材料の内部に気泡が多数形成された断熱材を含んで構成されていることを要旨とする。 An internal combustion engine according to a reference example of the present invention is an internal combustion engine in which a heat insulating film is formed on a wall surface facing the combustion chamber of at least a part of a base material forming the combustion chamber of the internal combustion engine. The film includes a heat insulating material in which a large number of bubbles are formed inside a material having a thermal conductivity lower than that of the base material and a heat capacity per unit volume lower than that of the base material or substantially equivalent to that of the base material. It is a summary.
本発明によれば、断熱膜全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を十分に低くすることができるので、燃焼室壁面温度のシリンダ内ガス温度への追従性を向上させることができ、内燃機関の熱効率を向上させることができる。 According to the present invention, the thermal conductivity of the entire heat insulating film and the heat capacity per unit volume can be sufficiently lowered, so that the followability of the combustion chamber wall surface temperature to the gas temperature in the cylinder can be improved, The thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に従って説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る内燃機関1の概略構成を示す図であり、シリンダ11の軸線方向と直交する方向から見た内部構成の概略を示す。内燃機関(エンジン)1は、シリンダブロック9及びシリンダヘッド10を備え、シリンダブロック9及びシリンダヘッド10によりシリンダ11を形成する。シリンダ11内には、その軸線方向に往復運動するピストン12が収容されている。ピストン12の頂面12a、シリンダブロック9の内壁面9a、及びシリンダヘッド10の下面10aに囲まれた空間は、燃焼室13を形成する。シリンダヘッド10には、燃焼室13に連通する吸気ポート14、及び燃焼室13に連通する排気ポート15が形成されている。さらに、吸気ポート14と燃焼室13との境界を開閉する吸気弁16、及び排気ポート15と燃焼室13との境界を開閉する排気弁17が設けられている。シリンダブロック9には、冷却水ジャケット18が形成されており、冷却水ジャケット18に冷却水が供給されることで、内燃機関1の冷却が行われる。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an
なお、図1では、説明の便宜上、燃料噴射弁や点火栓等の構成の図示を省略しているが、本実施形態に係る内燃機関1は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関であってもよい。圧縮自着火式内燃機関の場合は、例えばピストン12が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁から燃焼室13内に燃料を噴射することで、燃焼室13内の燃料が自着火して燃焼する。火花点火式内燃機関の場合は、点火時期にて点火栓の火花放電により燃焼室13内の混合気に点火することで、燃焼室13内の混合気を火炎伝播燃焼させる。燃焼室13内の燃焼ガスは、排気行程にて排気ポート15へ排出される。
In FIG. 1, for convenience of explanation, illustration of configurations of a fuel injection valve, a spark plug, and the like is omitted, but the
本実施形態では、燃焼室13を形成する母材の少なくとも一部の、燃焼室13内に臨む(面する)壁面上には、燃焼室13内の燃焼ガスから母材への伝熱を抑制するための断熱用薄膜20が形成されている。ここでは、燃焼室13を形成する母材として、シリンダブロック(シリンダライナ)9、シリンダヘッド10、ピストン12、吸気弁16、及び排気弁17を挙げることができる。そして、燃焼室13内に臨む壁面として、シリンダブロック内壁面(シリンダライナ内壁面)9a、シリンダヘッド下面10a、ピストン頂面12a、吸気弁頂面(傘部底面)16a、及び排気弁頂面(傘部底面)17aのいずれか1つ以上を挙げることができる。図1では、シリンダブロック内壁面9a、シリンダヘッド下面10a、ピストン頂面12a、吸気弁頂面16a、及び排気弁頂面17aの各々に断熱用薄膜20を形成した例を示している。ただし、必ずしもシリンダブロック内壁面9a、シリンダヘッド下面10a、ピストン頂面12a、吸気弁頂面16a、及び排気弁頂面17aのすべてに断熱用薄膜20を形成する必要はない。つまり、断熱用薄膜20については、シリンダブロック内壁面9a、シリンダヘッド下面10a、ピストン頂面12a、吸気弁頂面16a、及び排気弁頂面17aのいずれか1つ以上に形成することができる。
In the present embodiment, heat transfer from the combustion gas in the
さらに、本実施形態では、断熱用薄膜20は、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量の両方がそれぞれ異なる複数種類の断熱材を含んで構成されている。複数種類の断熱材の各々は、母材以下の熱伝導率を有し、且つ母材よりも低いまたは母材とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する。以下、断熱用薄膜20の構成例について説明する。
Furthermore, in the present embodiment, the heat insulating
「実施例1」
図2は、断熱用薄膜20の構成例を示す断面図である。図2に示す構成例(実施例1)では、燃焼室13を形成する母材30の、燃焼室13内に臨む壁面30a上に形成された断熱用薄膜20は、粒状に形成された多数の断熱材(第1の断熱材)21と、膜状に形成された断熱材(第2の断熱材)22と、を含んで構成されている。ここでの母材30は、シリンダブロック(シリンダライナ)9であってもよいし、シリンダヘッド10であってもよいし、ピストン12であってもよいし、吸気弁16であってもよいし、排気弁17であってもよい。つまり、母材30の壁面30aは、シリンダブロック内壁面(シリンダライナ内壁面)9aであってもよいし、シリンダヘッド下面10aであってもよいし、ピストン頂面12aであってもよいし、吸気弁頂面16aであってもよいし、排気弁頂面17aであってもよい。"Example 1"
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the heat insulating
断熱材22は、母材30以下の(あるいは母材30よりも低い)熱伝導率を有し、且つ母材30よりも低いまたは母材30とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する。一方、断熱材21は、母材30よりも低い熱伝導率及び母材30よりも低い単位体積あたりの熱容量を有し、さらに、断熱材22よりも低い熱伝導率及び断熱材22よりも低い単位体積あたりの熱容量を有する。断熱材22は、母材30の壁面30a上にコーティングもしくは接合されており、燃焼室13内の燃焼ガスと接触する。断熱材22は、燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスに対する耐熱性及び耐圧性を有しており、断熱材21よりも高い耐熱温度を有し、且つ断熱材21よりも高い強度を有する。一方、多数の断熱材21は、断熱材22の内部に混入されていることで、燃焼室13内の燃焼ガスとは接触しない。ここでの断熱材22は、燃焼室13内の燃焼ガスから母材30への伝熱を抑制する機能の他に、断熱材21を燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスから保護する保護材としての機能も有する。さらに、断熱材22は、多数の断熱材21をつなぐ接着材としての機能も有する。一方、断熱材21は、断熱用薄膜20全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を下げる機能を有する。なお、図2では図示を省略しているが、断熱用薄膜20(断熱材22)と母材30との間には、断熱用薄膜20(断熱材22)と母材30との接合やコーティングを強固にするための薄い中間材が形成されていても構わない。断熱用薄膜20と母材30との接合やコーティングを強固にするための手法としては、物質同士の結合を強化することや、断熱用薄膜20と母材30の熱膨張率を同等にして熱衝撃による剥離を防ぐことが考えられる。したがって、中間材としては、断熱用薄膜20と母材30との結合を強化するための中間材や、断熱用薄膜20と母材30との線膨張率差を緩和するような中間材を用いることが好ましい。また、中間材は、断熱材21または断熱材22と同程度の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を有することが好ましい。また、図2では、断熱用薄膜20(断熱材22)の表面が平滑化された状態で断熱材21が断熱材22の内部に多数混入された例を示しているが、例えば図3Aに示すように、断熱用薄膜20(断熱材22)の表面に若干の凹凸が生じる状態で断熱材21が断熱材22の内部に混入されていても構わない。
The
断熱材22の具体例としては、例えばジルコニア(ZrO2)、シリコン、チタン、またはジルコニウム等の中実のセラミックや、炭素・酸素・珪素等を含んだ有機珪素化合物、または高強度且つ高耐熱性のセラミック繊維等を挙げることができる。さらに、これらの材料を複数組み合わせて断熱材22に用いることもできる。セラミック(ジルコニア)においては、熱伝導率λは2.5[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは2500×103[J/(m3・K)]程度であり、耐熱温度Tmは2700[℃]程度であり、強度(曲げ強度)σは1470[MPa]程度である。ここでのセラミックについては、ジルコニアの他に、コージェライト(熱伝導率λは4[W/(m・K)]程度、単位体積あたりの熱容量ρCは1900×103[J/(m3・K)]程度)も用いることができ、さらに、アルミナ系や窒化珪素系のセラミックも一部混合して用いることができる。また、ここでのセラミック繊維については、例えばシリコン、チタンまたはジルコニウムを含んで構成することができ、熱伝導率λは2.5[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは1600×103[J/(m3・K)]程度であり、耐熱温度Tmは1300[℃]程度であり、強度(引張強度)σは3300[MPa]程度である。Specific examples of the
一方、断熱材21の具体例としては、例えば中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、シリカ(二酸化珪素、SiO2)を主成分とする微細多孔構造の断熱材、またはシリカエアロゲル等を挙げることができる。さらに、これらの材料を複数組み合わせて断熱材21に用いることもできる。中空のセラミックビーズにおいては、熱伝導率λは0.1[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは300×103[J/(m3・K)]程度であり、耐熱温度Tmは1600[℃]程度であり、強度(引張強度)σは70[MPa]程度である。また、ここでの微細多孔構造の断熱材については、主成分のシリカの他に二酸化チタン(TiO2)も一部混合して用いることができ、熱伝導率λは0.04[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは400×103[J/(m3・K)]程度であり、耐熱温度Tmは1025[℃]程度であり、強度は極めて弱い。シリカエアロゲルにおいては、熱伝導率λは0.02[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは190×103[J/(m3・K)]程度であり、耐熱温度Tmは1200[℃]程度であり、強度は極めて弱い。On the other hand, specific examples of the
断熱材21の構造例を図3B,3Cに示す。図3Bに示す例では、断熱材21は、ジルコニアやガラス等による殻部21bの内部に、減圧された空気または不活性ガスによる中空部21aが形成された中空構造を有する断熱材である。そして、図3Cに示す例では、ガラスによる殻部21bの外側にコート層21cが形成されていることで、断熱材21は、殻部21bとコート層21cによる複数層構造を有する。ここでのコート層21cについては、ジルコニア等、熱伝導率が殻部(ガラス)21bと同程度に小さい材料を用いることが好ましく、その厚さが数μm程度と薄いことが好ましい。殻部(ガラス)21bをコート層(ジルコニア)21cにより覆うことで、断熱材21の耐熱温度を高めることが可能となる。図3Bに示す断熱材21の例において、殻部21bにホウケイ酸ガラスを用いた場合は、熱伝導率λは0.07[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは220×103[J/(m3・K)]程度である。また、図3Cに示す断熱材21の例において、殻部21bにホウケイ酸ガラス、コート層21cにジルコニアを用いた場合は、熱伝導率λは0.35[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは512×103[J/(m3・K)]程度である。The structural example of the
また、母材30の具体例としては、例えば鉄(鋼)、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、またはセラミック等を挙げることができる。鉄においては、熱伝導率λは80.3[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは3500×103[J/(m3・K)]程度である。アルミニウムにおいては、熱伝導率λは193[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは2400×103[J/(m3・K)]程度(ジルコニアとほぼ同等)である。例えば、母材30に鉄(鋼)、断熱材22にセラミック(ジルコニア)、断熱材21に中空のセラミックビーズを用いる場合は、断熱材22の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量は母材30よりも低くなり、断熱材21の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量は断熱材22よりも低くなる。そして、断熱材22の耐熱温度及び強度が断熱材21よりも高くなる。Specific examples of the
前述したように、内燃機関のサイクルにおいては、シリンダ内ガス温度Tgが時々刻々変化するが、燃焼室壁面温度Twallをシリンダ内ガス温度Tgに追従させるよう変化させることで、(1)式における(Tg−Twall)の値を小さくすることができ、シリンダ内における熱損失Qを低減することができる。その結果、内燃機関の熱効率を向上させることができ、燃費を改善することができる。ここで、燃焼室壁面温度Twallの変動幅(スイング幅)ΔTに対する燃費の影響を調べた計算結果を図4,5に示す。図4は、燃焼室壁面温度Twallをクランク角(圧縮上死点が0°)に対して変化させた場合の波形の例を示し、1サイクルにおける燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTが500℃、1000℃、1500℃である場合の波形を燃焼室壁面温度Twallがほとんど変化しない場合(ベース条件)と対比させてそれぞれ示す。図4においては、ΔT=1500℃の波形が、シリンダ内ガス温度Tgにほぼ追従して燃焼室壁面温度Twallが変化した場合の波形に相当する。図5は、1サイクルにおける燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを図4に示すように500℃、1000℃、1500℃に変化させた場合の燃費改善効果を調べた計算結果を示す。計算の際には、内燃機関(ディーゼルエンジン)の運転条件を、エンジン回転数2100rpm、図示平均有効圧力Pi=1.6MPaとしている。図5において、丸印(○)は、吸気行程での燃焼室壁面温度(ベース壁温)がベース条件での壁面温度に対してほとんど上昇していない場合の結果を示し、三角印(△)は、吸気行程での燃焼室壁面温度(ベース壁温)がベース条件での壁面温度に対して100℃上昇した場合の結果を示す。図5に示すように、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させることで、燃費改善効果を向上できることがわかる。ただし、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTが増大しても、ベース壁温が上昇すると燃費改善効果が減少する。そのため、燃費改善効果をより向上させるためには、ベース壁温をほとんど上昇させることなく、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させることが好ましい。なお、図5の横軸の遮熱率[%]は、ベース条件での熱損失量Qb、及び壁面温度Twallを変化させた場合の熱損失量Qsを用いて、以下の(2)式で表される。 As described above, in the cycle of the internal combustion engine, the in-cylinder gas temperature Tg changes every moment, but by changing the combustion chamber wall surface temperature Twall to follow the in-cylinder gas temperature Tg, The value of (Tg−Twall) can be reduced, and the heat loss Q in the cylinder can be reduced. As a result, the thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved and the fuel consumption can be improved. Here, FIGS. 4 and 5 show the calculation results obtained by examining the influence of the fuel consumption on the fluctuation range (swing width) ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall. FIG. 4 shows an example of a waveform when the combustion chamber wall surface temperature Twall is changed with respect to the crank angle (compression top dead center is 0 °). The swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall in one cycle is 500 ° C. The waveforms at 1000 ° C. and 1500 ° C. are respectively shown in comparison with the case where the combustion chamber wall surface temperature Twall hardly changes (base condition). In FIG. 4, the waveform of ΔT = 1500 ° C. corresponds to the waveform when the combustion chamber wall surface temperature Twall changes substantially following the cylinder gas temperature Tg. FIG. 5 shows the calculation results of examining the fuel efficiency improvement effect when the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall in one cycle is changed to 500 ° C., 1000 ° C., and 1500 ° C. as shown in FIG. In the calculation, the operating conditions of the internal combustion engine (diesel engine) are set to an engine speed of 2100 rpm and an indicated mean effective pressure Pi = 1.6 MPa. In FIG. 5, circles (◯) indicate the results when the combustion chamber wall temperature (base wall temperature) in the intake stroke hardly increases relative to the wall temperature in the base condition, and triangles (Δ) These show the results when the combustion chamber wall surface temperature (base wall temperature) during the intake stroke rises by 100 ° C. relative to the wall surface temperature under the base conditions. As shown in FIG. 5, it can be seen that the fuel efficiency improvement effect can be improved by increasing the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall. However, even if the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall increases, the fuel efficiency improvement effect decreases as the base wall temperature increases. Therefore, in order to further improve the fuel efficiency improvement effect, it is preferable to increase the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall without substantially increasing the base wall temperature. In addition, the heat shielding rate [%] on the horizontal axis in FIG. 5 is expressed by the following equation (2) using the heat loss amount Qb under the base condition and the heat loss amount Qs when the wall surface temperature Twall is changed. expressed.
遮熱率=(Qb−Qs)/Qb×100[%] (2) Heat shielding rate = (Qb−Qs) / Qb × 100 [%] (2)
ベース壁温をほとんど上昇させることなく、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させるためには、燃焼室内に臨む壁面に形成する断熱膜については、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低いことが望ましい。ただし、前述したように、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低い単一材料は、耐熱性及び強度の低い材料が多く、内燃機関のシリンダ内のように高温・高速のガス流や高圧力に耐えうるような耐熱性及び強度を持たない。一方、高温・高速のガス流や高圧力に耐えうるような高い耐熱性及び強度を有する単一材料では、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量の低さが不十分であり、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTが減少する。さらに、断熱膜に熱が伝わり蓄積しやすくなり、ベース壁温が上昇する。ベース壁温が上昇すると、以下の(1)〜(5)の弊害が生じる。
(1)吸気行程中に吸入気体が受熱して膨張することにより、充填効率が低下して出力が低下する。
(2)圧縮行程中に作動ガスが受熱してシリンダ内圧力が上昇することにより、圧縮行程での負の仕事が増大して燃費が低下する。
(3)吸気・圧縮行程中の受熱により平均ガス温度が上昇することで、シリンダ内ガスの比熱比が低下してサイクル効率が低下する。
(4)圧縮端ガス温度上昇によりシリンダ内のガス流れが層流化することで、混合気形成過程での燃料と空気との混合度が低下して煤の生成量が増加する。
(5)圧縮端ガス温度上昇により燃焼温度が上昇することで、窒素酸化物(NOx)の生成量が増加する。In order to increase the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall almost without increasing the base wall temperature, the heat insulating film formed on the wall surface facing the combustion chamber has low thermal conductivity and heat capacity per unit volume. It is desirable. However, as described above, a single material with low thermal conductivity and low heat capacity per unit volume has many materials with low heat resistance and strength, such as high temperature and high speed gas flow and high pressure as in the cylinder of an internal combustion engine. Does not have heat resistance and strength to withstand On the other hand, a single material with high heat resistance and strength that can withstand high-temperature, high-speed gas flow and high pressure has insufficient thermal conductivity and low heat capacity per unit volume. The swing width ΔT of Twall decreases. Furthermore, heat is transmitted to the heat insulating film and is easily accumulated, and the base wall temperature rises. When the base wall temperature rises, the following adverse effects (1) to (5) occur.
(1) The intake gas receives heat and expands during the intake stroke, so that the charging efficiency is reduced and the output is reduced.
(2) When the working gas receives heat during the compression stroke and the pressure in the cylinder rises, negative work in the compression stroke increases and fuel consumption decreases.
(3) When the average gas temperature rises due to heat reception during the intake / compression stroke, the specific heat ratio of the in-cylinder gas is lowered and the cycle efficiency is lowered.
(4) Since the gas flow in the cylinder becomes laminar due to the rise in the compression end gas temperature, the degree of mixing of fuel and air in the air-fuel mixture formation process decreases, and the amount of soot generated increases.
(5) The amount of nitrogen oxide (NOx) produced increases as the combustion temperature rises as the compression end gas temperature rises.
これに対して図2に示す構成例では、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量の低い断熱材21を、耐熱性及び強度の高い断熱材22の内部に混入することで、断熱材21を燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスから保護することができる。したがって、断熱材21については、燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスに対して耐熱性及び耐圧性を十分に確保するという制約を受けることなく、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が低いことを重視した断熱材料の選択性の自由度が高まり、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が十分低い断熱材料を用いることができる。そのため、断熱用薄膜20全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量も十分に低くすることができる。これによって、ベース壁温の上昇を抑えながら燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させることができ、燃焼室壁面温度Twallのシリンダ内ガス温度Tgへの追従性を向上させることができる。その結果、内燃機関1の熱損失Qを低減させて熱効率を向上させることができ、燃費を向上させることができる。さらに、断熱材21,22の材料の選択により断熱材21,22の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を調整することで、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを調整することができる。さらに、排気温度も上昇させることができるので、エンジン下流に設置した触媒の活性を高めて排気エミッションを低減することができるとともに、ターボチャージャーによる過給エンジンにおいては排気エネルギーのさらなる有効利用を図ることができる。特に、排気エミッション低減・熱効率増加を目的とした高過給エンジンでは、燃焼温度の低下による排気温度の低下が顕著となるため、本実施形態による排気温度上昇の効果はさらに高まる。
On the other hand, in the configuration example shown in FIG. 2, the
図2に示す構成例では、断熱用薄膜20における断熱材21の占める体積割合、つまり断熱材21の混入割合を、断熱材22の内部の位置に応じて変化させる(分布を持たせる)こともできる。例えば断熱材21の粒径を不揃いにして断熱材22の内部の位置に応じて異ならせることで、断熱材21の混入割合を断熱材22の内部の位置に応じて異ならせることができる。また、単位体積あたりの断熱材21の混入数を断熱材22の内部の位置に応じて異ならせることによっても、断熱材21の混入割合を断熱材22の内部の位置に応じて異ならせることができる。この構成によれば、断熱用薄膜20全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量に分布を持たせることができ、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを燃焼室壁面の位置に応じて異ならせる(分布を持たせる)ことができる。
In the configuration example shown in FIG. 2, the volume ratio occupied by the
あるいは、例えば図6Aに示すように、多数の断熱材21を断熱材22の内部に規則的に配列することもできる。図6Aに示す例では、断熱用薄膜20の厚さ方向及び面内方向(厚さ方向と垂直方向)に関して、単一粒子径の断熱材21が等間隔に配置されている。断熱材21を断熱材22の内部に規則正しく並べることで、断熱材21と断熱材22が均一に分布し、断熱材21が断熱用薄膜20の厚さ方向及び面内方向に関して局所的に偏って存在するのを防ぐことができる。その結果、均一な熱物性(低熱伝導率・低熱容量)の断熱用薄膜20を実現できる。さらに、局所的に断熱材22が薄く(細く)なる部分を回避できるので、断熱用薄膜20の強度に影響を与える構造上の欠陥が存在する確率を抑制でき、断熱用薄膜20の強度を高めることができる。なお、断熱材21を断熱材22の内部に規則的に配列することについては、例えばBrian T. Holland他,Science,281,538-540(1998)等の公知技術を利用して行うことが可能である。単分散の球状粒子を水等の溶液に分散させたものをゆっくりと濾過することにより、規則的に配列した球状粒子の堆積体を得ることができる。したがって、この手法を利用して、単一粒子径の断熱材21を堆積させた後に堆積体の間に液体状態の断熱材22(バインダ層)を流し込んで焼成することによって、図6Aに示す構造が実現可能である。
Alternatively, for example, as shown in FIG. 6A, a large number of
図2に示す構成例では、断熱材21を断熱材22の内部に混入して断熱用薄膜20を形成するものとしたが、図6Bに示すように、断熱材21に代えて気泡31を断熱材22の内部に多数形成することもできる。図6Bに示す構成例では、断熱用薄膜20は、母材30よりも低い熱伝導率を有し且つ母材30よりも低いまたは母材30とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する材料の内部に気泡31が多数形成された断熱材(発泡断熱材)22を含んで構成されている。気泡31(空気)においては、熱伝導率λは0.02[W/(m・K)]程度であり、単位体積あたりの熱容量ρCは2.3×103[J/(m3・K)]程度である。断熱材22を形成する材料は、燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスに対する耐熱性及び耐圧性を有している。断熱材22を形成する(内部に気泡31が形成された)材料の具体例としては、図2に示す構成例における断熱材22の具体例と同様である。例えば、母材30に鉄(鋼)、断熱材22を形成する材料にセラミック(ジルコニア)を用いる場合は、断熱材22を形成する材料の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量は、母材30よりも低くなり、且つ気泡31よりも高くなる。In the configuration example shown in FIG. 2, the
図6Bに示す構成例においても、断熱用薄膜20全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を十分に低くすることができるので、ベース壁温の上昇を抑えながら燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させることができ、燃焼室壁面温度Twallのシリンダ内ガス温度Tgへの追従性を向上させることができる。その結果、内燃機関1の熱効率を向上させることができる。なお、図6Bに示す構成例においても、例えば気泡31の径を不揃いにして、断熱用薄膜20における気泡31の占める体積割合(気泡31の形成割合)を断熱材22の内部の位置に応じて変化させることで、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを燃焼室壁面の位置に応じて異ならせることができる。あるいは、例えば図6Cに示すように、多数の気泡31を断熱用薄膜20(断熱材22)の内部に規則的に配列することもできる。図6Cに示す例では、断熱用薄膜20の厚さ方向及び面内方向(厚さ方向と垂直方向)に関して、単一粒子径の気泡31が等間隔に配置されている。気泡31を断熱材22の内部に規則正しく並べることで、均一な熱物性(低熱伝導率・低熱容量)の断熱用薄膜20を実現できるとともに、断熱用薄膜20の強度を高めることができる。なお、気泡31を断熱材22の内部に規則的に配列することについても、例えばBrian T. Holland他,Science,281,538-540(1998)等の公知技術、つまり単分散の球状粒子を水等の溶液に分散させたものをゆっくりと濾過することで規則的に配列した球状粒子の堆積体を得る手法を利用して行うことが可能である。その際には、球状粒子として、焼成によりガス化する材料(例えば樹脂ビーズ等)を用い、単一粒子径の樹脂ビーズを堆積させた後に堆積体の間に液体状態の断熱材22(バインダ層)を流し込んで焼成する。焼成時に数百度以上に加熱して樹脂ビーズをガス化させて焼き飛ばしてしまえば、樹脂ビーズがあった場所が気泡31となる。したがって、図6Cに示す構造が実現可能である。
In the configuration example shown in FIG. 6B as well, the thermal conductivity and the heat capacity per unit volume in the entire heat insulating
次に、本願発明者が行った解析(数値計算)の結果について説明する。内燃機関1が過給直噴ディーゼルエンジンの場合に、図6Bに示す構成例を対象として断熱用薄膜20(断熱材22)の厚さt1を変化させながら、1サイクルにおける燃焼室壁面温度Twallの変化を計算して調べた。その計算結果を図7,8に示す。図7は、クランク角(圧縮上死点が0°)に対する燃焼室壁面温度Twallの波形を示し、断熱用薄膜20の厚さt1が10μm、50μm、100μm、200μm、500μmである場合の波形をそれぞれ示す。図8は、断熱用薄膜20の厚さt1に対する燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTの特性を示す。
Next, the result of the analysis (numerical calculation) performed by the present inventor will be described. When the
さらに、断熱用薄膜が単一材料からなる構成を比較例として、断熱用薄膜(単一材料)の厚さt0を変化させながら、1サイクルにおける燃焼室壁面温度Twallの変化を計算して調べた。その計算結果を図9,10に示す。図9は、クランク角(圧縮上死点が0°)に対する燃焼室壁面温度Twallの波形を示し、断熱用薄膜の厚さt0が10μm、50μm、100μm、500μmである場合の波形をそれぞれ示す。図10は、断熱用薄膜の厚さt0に対する燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTの特性を示す。 Further, as a comparative example in which the heat insulating thin film is made of a single material, the change in the combustion chamber wall temperature Twall in one cycle was calculated and examined while changing the thickness t0 of the heat insulating thin film (single material). . The calculation results are shown in FIGS. FIG. 9 shows a waveform of the combustion chamber wall surface temperature Twall with respect to the crank angle (compression top dead center is 0 °), and shows waveforms when the thickness t0 of the heat insulating thin film is 10 μm, 50 μm, 100 μm, and 500 μm, respectively. FIG. 10 shows characteristics of the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall with respect to the thickness t0 of the heat insulating thin film.
なお、燃焼室壁面温度Twallの計算の際には、1気筒の排気量を550cc、圧縮比を16、機関回転速度を2000rpm、燃料噴射量を50mm3/st、図示平均有効圧力を1.6MPa相当とした。そして、図6Bに示す構成例においては、断熱材22を形成する材料の熱伝導率λ及び単位体積あたりの熱容量ρCを、λ=2.5[W/(m・K)]、ρC=2520×103[J/(m3・K)](ジルコニア相当)、断熱用薄膜20(断熱材22)における気泡31(空気)が占める体積の割合を80%とした。また、比較例においては、断熱用薄膜を構成する単一材料(断熱用薄膜全体)の熱伝導率λ及び単位体積あたりの熱容量ρCを、λ=2.5[W/(m・K)]、ρC=2520×103[J/(m3・K)](ジルコニア相当)とした。In calculating the combustion chamber wall surface temperature Twall, the displacement of one cylinder is 550 cc, the compression ratio is 16, the engine speed is 2000 rpm, the fuel injection amount is 50 mm 3 / st, and the indicated mean effective pressure is 1.6 MPa. Appropriate. In the configuration example shown in FIG. 6B, the thermal conductivity λ and the heat capacity ρC per unit volume of the material forming the
比較例においては、図9,10に示すように、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTが最大でも125℃程度(t0=100μmの場合)にとどまり、燃費改善効果は最大でも2%程度(t0=100μmの場合)にとどまっている。断熱用薄膜の厚さt0が100μmよりも薄いと、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTが減少することで、燃費改善効果が減少してほとんど得られなくなる。一方、断熱用薄膜の厚さt0が100μmよりも厚いと、ベース壁温が上昇することで、燃費改善効果が減少してほとんど得られなくなる。 In the comparative example, as shown in FIGS. 9 and 10, the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall is only about 125 ° C. (when t0 = 100 μm), and the fuel efficiency improvement effect is about 2% at the maximum (t0). = 100 μm). When the thickness t0 of the heat insulating thin film is smaller than 100 μm, the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall is decreased, so that the fuel efficiency improvement effect is reduced and hardly obtained. On the other hand, if the thickness t0 of the heat insulating thin film is thicker than 100 μm, the base wall temperature rises, so that the fuel efficiency improvement effect is reduced and hardly obtained.
これに対して実施例1(図6Bに示す構成例)においては、図9,10に示すように、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを550℃〜650℃程度に大幅に増大させることができ、燃費改善効果を7〜8%程度に大幅に増大させることができる。図9,10に示す計算結果においては、t1=50μm〜200μmの範囲で、ベース壁温をほとんど上昇させることなく550℃〜650℃程度のスイング幅ΔTが得られ、7〜8%程度の燃費改善効果が得られる。そして、t1=100μmの場合に、スイング幅ΔTが最大となる。このように、実施例1の構成により、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを大幅に増大させることができ、7〜8%程度の燃費改善効果が得られることが確認された。 On the other hand, in Example 1 (configuration example shown in FIG. 6B), as shown in FIGS. 9 and 10, the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall can be significantly increased to about 550 ° C. to 650 ° C. The fuel efficiency improvement effect can be greatly increased to about 7 to 8%. 9 and 10, in the range of t1 = 50 μm to 200 μm, a swing width ΔT of about 550 ° C. to 650 ° C. is obtained with almost no increase in the base wall temperature, and a fuel consumption of about 7 to 8%. Improvement effect is obtained. When t1 = 100 μm, the swing width ΔT is maximized. As described above, it was confirmed that the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall can be significantly increased by the configuration of the first embodiment, and a fuel efficiency improvement effect of about 7 to 8% can be obtained.
「実施例2」
図11,12は、断熱用薄膜20の他の構成例を示す図であり、図11は母材30の壁面30aの法線と一致する方向(法線方向)から見た図を示し、図12は断面図を示す。以下の実施例2の説明では、実施例1と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。"Example 2"
11 and 12 are diagrams showing another configuration example of the heat insulating
図11,12に示す構成例(実施例2)では、内部に粒状の断熱材21が多数混入された断熱材22は、繊維状に形成されている。そして、繊維状に形成された断熱材22が、母材30の壁面30a上に多数敷き詰められている。図12は、繊維状に形成された断熱材22が層状に多数重ねられた例を示している。そして、図11は、繊維状に形成された多数の断熱材22を織る(編む)ことで断熱用薄膜20を形成した例を示している。断熱材21,22及び母材30の具体例は実施例1と同様である。なお、図11,12では図示を省略しているが、断熱材22と母材30との接合を強固にするための薄い中間材が断熱材22と母材30との間に形成されていてもよいし、繊維状の断熱材22同士の接合を強固にするための薄い中間材が各断熱材22間に形成されていてもよい。ここでの中間材は、断熱材21または断熱材22と同程度の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を有することが好ましい。
In the configuration example shown in FIGS. 11 and 12 (Example 2), the
実施例2においても、ベース壁温の上昇を抑えながら燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させることができ、燃焼室壁面温度Twallのシリンダ内ガス温度Tgへの追従性を向上させることができる。その結果、内燃機関1の熱効率を向上させることができる。なお、実施例2でも実施例1と同様に、断熱材21に代えて気泡31を繊維状の断熱材22の内部に多数形成することもできる。さらに、実施例2でも実施例1と同様に、例えば断熱材21(あるいは気泡31)の径を不揃いにして、断熱用薄膜20における断熱材21(あるいは気泡31)の占める体積割合を断熱材22の内部の位置に応じて変化させることで、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを燃焼室壁面の位置に応じて異ならせることができる。
Also in the second embodiment, the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall can be increased while suppressing an increase in the base wall temperature, and the followability of the combustion chamber wall surface temperature Twall to the in-cylinder gas temperature Tg can be improved. it can. As a result, the thermal efficiency of the
「実施例3」
図13は、断熱用薄膜20の他の構成例を示す断面図である。以下の実施例3の説明では、実施例1,2と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。"Example 3"
FIG. 13 is a cross-sectional view showing another configuration example of the heat insulating
図13に示す構成例(実施例3)では、膜状の断熱材21が、母材30の壁面30a上にコーティングもしくは接合されて形成されている。そして、膜状の断熱材22が、断熱材21の表面を覆うように断熱材21上にコーティングもしくは接合されて形成されており、燃焼室13内の燃焼ガスと接触する。このように、断熱用薄膜20は、膜状の断熱材21,22を含む層構造を有し、断熱材22が断熱材21よりも上層となる。断熱材21,22及び母材30の具体例は実施例1と同様である。なお、図13では図示を省略しているが、断熱材21と母材30との接合やコーティングを強固にするための薄い中間材が断熱材21と母材30との間に形成されていてもよいし、断熱材21と断熱材22との接合やコーティングを強固にするための薄い中間材が断熱材21と断熱材22との間に形成されていてもよい。ここでの中間材は、断熱材21または断熱材22と同程度の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を有することが好ましい。
In the configuration example (Example 3) shown in FIG. 13, the film-like
実施例3では、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量の低い断熱材21を、耐熱性及び強度の高い断熱材22により覆うことで、断熱材21を燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスから保護することができる。そのため、断熱材21については、燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスに対して耐熱性及び耐圧性を十分に確保するという制約を受けることなく、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が十分低い断熱材料を選択することができ、断熱用薄膜20全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量も十分に低くすることができる。したがって、ベース壁温の上昇を抑えながら燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させることができ、燃焼室壁面温度Twallのシリンダ内ガス温度Tgへの追従性を向上させることができる。その結果、内燃機関1の熱効率を向上させることができる。
In Example 3, the
ここで、本願発明者が行った解析(数値計算)の結果について説明する。内燃機関1が過給直噴ディーゼルエンジンの場合に、図13に示す構成例を対象として断熱材21の厚さt2を変化させながら、1サイクルにおける燃焼室壁面温度Twallの変化を計算して調べた。その計算結果を図14,15に示す。図14は、クランク角(圧縮上死点が0°)に対する燃焼室壁面温度Twallの波形を示し、断熱材21の厚さt2が10μm、50μm、100μm、190μmである場合の波形をそれぞれ示す。なお、断熱材22の厚さは一定(10μm)としている。図15は、断熱材21の厚さt2に対する燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTの特性を示す。
Here, the result of the analysis (numerical calculation) performed by the present inventor will be described. When the
なお、燃焼室壁面温度Twallの計算の際には、1気筒の排気量を550cc、圧縮比を16、機関回転速度を2000rpm、燃料噴射量を50mm3/st、図示平均有効圧力を1.6MPa相当とした。そして、断熱材22の厚さを10μmの一定値とし、断熱材22の熱伝導率λ及び単位体積あたりの熱容量ρCを、λ=2.5[W/(m・K)]、ρC=2520×103[J/(m3・K)](ジルコニア相当)とし、断熱材21の熱伝導率λ及び単位体積あたりの熱容量ρCを、λ=0.04[W/(m・K)]、ρC=400×103[J/(m3・K)](微細多孔構造の断熱材相当)とした。In calculating the combustion chamber wall surface temperature Twall, the displacement of one cylinder is 550 cc, the compression ratio is 16, the engine speed is 2000 rpm, the fuel injection amount is 50 mm 3 / st, and the indicated mean effective pressure is 1.6 MPa. Appropriate. The thickness of the
図13に示す構成例では、図14,15に示すように、燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを420℃程度に大幅に増大させることができ、燃費改善効果を5%程度に大幅に増大させることができる。図14,15に示す計算結果においては、t2=10μm〜50μmの範囲で420℃程度のスイング幅ΔTが得られ、さらに、t1=10μmの場合に、ベース壁温をほとんど上昇させることなく420℃程度のスイング幅ΔTが得られ、5%程度の燃費改善効果が得られる。なお、断熱材21の厚さt2が50μm以上になると、ベース壁温が上昇することで、燃費改善効果は5%よりも減少する。
In the configuration example shown in FIG. 13, as shown in FIGS. 14 and 15, the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall can be greatly increased to about 420 ° C., and the fuel efficiency improvement effect is greatly increased to about 5%. Can be made. In the calculation results shown in FIGS. 14 and 15, a swing width ΔT of about 420 ° C. is obtained in the range of t2 = 10 μm to 50 μm. Furthermore, when t1 = 10 μm, the base wall temperature is hardly increased at 420 ° C. A swing width ΔT of about 5% is obtained, and a fuel efficiency improvement effect of about 5% is obtained. In addition, when the thickness t2 of the
「実施例4」
図16,17は、断熱用薄膜20の他の構成例を示す断面図である。以下の実施例4の説明では、実施例1〜3と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。Example 4
16 and 17 are cross-sectional views showing other configuration examples of the heat insulating
図16,17に示す構成例(実施例4)では、図13に示す構成例(実施例3)と比較して、断熱材22には、断熱材21側(母材30側)へ突出した突出部22aが設けられていることで、断熱用薄膜20は、断熱材22の突出部22aが断熱材21の内部に入り込んだ構造を有する。図17は突出部22aが格子状に形成された例を示しているが、必ずしも突出部22aを格子状に形成する必要はない。
In the configuration example (Example 4) shown in FIGS. 16 and 17, the
実施例4においても、ベース壁温の上昇を抑えながら燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させることができ、燃焼室壁面温度Twallのシリンダ内ガス温度Tgへの追従性を向上させることができる。その結果、内燃機関1の熱効率を向上させることができる。さらに、実施例4では、断熱材22に設けた突出部22aにより断熱材21と断熱材22との接合面積を増大させることができるので、断熱材21と断熱材22との接合強度を増大させることができる。
Also in the fourth embodiment, the swing width ΔT of the combustion chamber wall surface temperature Twall can be increased while suppressing an increase in the base wall temperature, and the followability of the combustion chamber wall surface temperature Twall to the in-cylinder gas temperature Tg can be improved. it can. As a result, the thermal efficiency of the
「実施例5」
図18,19は、断熱用薄膜20の他の構成例を示す図であり、図18は母材30の壁面30aの法線と一致する方向(法線方向)から見た図を示し、図19は断面図を示す。以下の実施例5の説明では、実施例1〜4と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。"Example 5"
18 and 19 are diagrams showing another configuration example of the heat insulating
図18,19に示す構成例(実施例5)では、殻状の断熱材22は、その内部に断熱材21を内包している。そして、断熱材21を内包した断熱材22が、母材30の壁面30a上に多数敷き詰められている。断熱材21,22及び母材30の具体例は実施例1と同様である。なお、図18,19では図示を省略しているが、断熱材22と母材30との接合やコーティングを強固にするための薄い中間材が断熱材22と母材30との間に形成されていてもよい。ここでの中間材は、断熱材21または断熱材22と同程度の熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を有することが好ましい。また、図18は、法線方向から見た断熱材22の外形形状が略四角形状である例を示しているが、断熱材22の外形形状は四角形状以外であってもよい。
In the configuration example (Example 5) shown in FIGS. 18 and 19, the shell-like
実施例5では、耐熱性及び強度の高い断熱材22が、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量の低い断熱材21を内包することで、断熱材21を燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスから保護することができる。そのため、断熱材21については、燃焼室13内の高温及び高圧の燃焼ガスに対して耐熱性及び耐圧性を十分に確保するという制約を受けることなく、熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量が十分低い断熱材料を選択することができ、断熱用薄膜20全体での熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量も十分に低くすることができる。したがって、ベース壁温の上昇を抑えながら燃焼室壁面温度Twallのスイング幅ΔTを増大させることができ、燃焼室壁面温度Twallのシリンダ内ガス温度Tgへの追従性を向上させることができる。その結果、内燃機関1の熱効率を向上させることができる。
In Example 5, the
「実施例6」
図20は、断熱用薄膜20の他の構成例を示す断面図である。以下の実施例6の説明では、実施例1〜5と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。"Example 6"
FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of the heat insulating
図20に示す構成例(実施例6)では、断熱材21による層と断熱材22による層とが交互に複数回積層されていることで、断熱用薄膜20の厚さ方向において断熱材21と断熱材22とが交互に配置されている。断熱用薄膜20の厚さは例えば約100μm程度であり、断熱材22の厚さは10μm以下(例えば数μm程度)と薄いことが好ましい。断熱材21,22及び母材30の具体例は実施例1と同様であり、断熱材21の構造例としては、例えば図3Bに示す構造や図3Cに示す構造を用いることができる。
In the configuration example (Example 6) shown in FIG. 20, the layers made of the
実施例6では、断熱用薄膜20の面内方向(厚さ方向と垂直方向)に関して断熱材21が均一に分布し、断熱材21が断熱用薄膜20の面内方向に関して局所的に偏って存在するのを防ぐことができる。その結果、厚さ方向の熱伝導率がほぼ均一な断熱用薄膜20を実現でき、局所的に熱が逃げやすい箇所や逃げにくい箇所の存在を抑制できる。したがって、均一な熱物性の断熱用薄膜20を実現できる。
In Example 6, the
なお、燃焼室13内に臨む壁面に形成する断熱用薄膜20については、実施例1〜6による構成例の複数を組み合わせた構造とすることもでき、断熱用薄膜20の形成箇所に応じて断熱用薄膜20の構造を変えることもできる。そして、断熱用薄膜20の膜厚については、必ずしも一定の厚さにする必要はなく、断熱用薄膜20の形成箇所に応じて変化させることもできる。さらに、本実施形態の断熱用薄膜20を他の断熱構造と組み合わせて用いることもできる。
In addition, about the heat insulation
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
Claims (15)
前記断熱膜は、第1の断熱材及び第2の断熱材を含み、
第1の断熱材は、母材よりも低い熱伝導率及び母材よりも低い単位体積あたりの熱容量を有し、
第2の断熱材は、母材以下の熱伝導率を有し、
第1の断熱材は、第2の断熱材よりも低い熱伝導率及び第2の断熱材よりも低い単位体積あたりの熱容量を有し、
第1の断熱材は、中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、微細多孔構造の断熱材、シリカエアロゲル、またはこれら複数の組み合わせであり、
第2の断熱材は、ジルコニア、シリコン、チタン、ジルコニウム、セラミック、セラミック繊維、またはこれら複数の組み合わせであり、
前記断熱膜は、内燃機関のサイクルにおいて、燃焼室壁面温度を550℃以上且つ650℃以下の幅で変動させることが可能である、
内燃機関。 An internal combustion engine in which a heat insulating film is formed on a wall surface facing the combustion chamber of at least a part of the base material forming the combustion chamber,
The heat insulating film includes a first heat insulating material and a second heat insulating material,
The first heat insulating material has a lower thermal conductivity than the base material and a heat capacity per unit volume lower than the base material,
The second heat insulating material has a thermal conductivity equal to or lower than the base material,
The first heat insulating material has a lower thermal conductivity than the second heat insulating material and a heat capacity per unit volume lower than that of the second heat insulating material,
The first heat insulating material is a hollow ceramic bead, a hollow glass bead, a heat insulating material having a microporous structure, a silica airgel, or a combination thereof.
The second insulation is zirconia, silicon, titanium, zirconium, ceramic, Ri ceramic fiber or the plurality of Kumiawasedea,
In the cycle of the internal combustion engine, the heat insulating film can change the combustion chamber wall surface temperature within a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.
Internal combustion engine.
第1の断熱材が第2の断熱材の内部に混入されている、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 or 2,
An internal combustion engine in which the first heat insulating material is mixed in the second heat insulating material.
内部に第1の断熱材が混入された第2の断熱材は、繊維状に形成されており、
該繊維状に形成された第2の断熱材が、前記壁面上に多数敷き詰められている、内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 3,
The second heat insulating material in which the first heat insulating material is mixed is formed in a fiber shape,
An internal combustion engine in which a large number of second heat insulating materials formed in a fibrous shape are spread on the wall surface .
第1の断熱材が第2の断熱材の内部に混入されており、
第1の断熱材の混入割合が第2の断熱材の内部の位置に応じて異なる、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1,
The first heat insulating material is mixed inside the second heat insulating material,
An internal combustion engine in which a mixing ratio of the first heat insulating material varies depending on a position inside the second heat insulating material .
第1の断熱材が第2の断熱材の内部に混入されており、
第1の断熱材が第2の断熱材の内部に規則的に配列されている、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 ,
The first heat insulating material is mixed inside the second heat insulating material,
An internal combustion engine in which the first heat insulating material is regularly arranged inside the second heat insulating material .
第1の断熱材は、中空構造を有する断熱材である、内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 3 ,
The first heat insulating material is an internal combustion engine that is a heat insulating material having a hollow structure .
第1の断熱材が複数層構造を有する、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 7 ,
An internal combustion engine in which the first heat insulating material has a multi-layer structure .
第1の断熱材が前記壁面上に形成されており、
第2の断熱材が第1の断熱材を覆うように第1の断熱材上に形成されている、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 or 2 ,
A first heat insulating material is formed on the wall surface;
An internal combustion engine, wherein the second heat insulating material is formed on the first heat insulating material so as to cover the first heat insulating material .
第2の断熱材に、第1の断熱材側へ突出した突出部が設けられている、内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 9,
An internal combustion engine, wherein the second heat insulating material is provided with a protruding portion that protrudes toward the first heat insulating material .
第2の断熱材は、その内部に第1の断熱材を内包する殻状の断熱材である、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 or 2 ,
The second heat insulating material is an internal combustion engine that is a shell-shaped heat insulating material containing the first heat insulating material therein .
断熱膜の厚さ方向において第1の断熱材と第2の断熱材とが交互に配置されている、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 or 2 ,
The internal combustion engine in which the first heat insulating material and the second heat insulating material are alternately arranged in the thickness direction of the heat insulating film .
第2の断熱材の耐熱温度が、第1の断熱材の耐熱温度よりも高い、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 or 2 ,
An internal combustion engine in which a heat resistant temperature of the second heat insulating material is higher than a heat resistant temperature of the first heat insulating material .
第2の断熱材の強度が、第1の断熱材の強度よりも高い、内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 or 2 ,
An internal combustion engine in which the strength of the second heat insulating material is higher than the strength of the first heat insulating material .
第2の断熱材は、母材よりも低い熱伝導率を有し且つ母材よりも低いまたは母材とほぼ同等の単位体積あたりの熱容量を有する、内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 1 or 2 ,
The internal combustion engine , wherein the second heat insulating material has a thermal conductivity lower than that of the base material and a heat capacity per unit volume lower than or substantially equal to the base material .
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