JP6065389B2 - Thermal insulation structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱構造体及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a heat insulating structure including a thermal spray coating formed on a substrate surface and a method for manufacturing the same.
基材表面に形成される断熱構造については、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)、その後も、セラミックス焼結体からなる断熱層や、低熱伝導性を有するZrO2粒子を含む溶射層からなる断熱層が提案されている。 As for the heat insulating structure formed on the substrate surface, in the 1980s, as a method for increasing the thermal efficiency of the engine, it was proposed to provide a heat insulating layer on the part facing the engine combustion chamber (for example, Patent Document 1). A heat insulating layer made of a ceramic sintered body and a heat insulating layer made of a thermal spray layer containing ZrO 2 particles having low thermal conductivity have been proposed.
しかしながら、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、及び、割れの発生といった問題に直面した。このため、特に、ピストンの頂面、シリンダライナの内周面、シリンダヘッドの下面といった比較的大きな面積を有する部分へ、セラミックス焼結体からなる断熱層が適用されたものは実用に至っていない。 However, ceramic sintered bodies faced problems such as generation of cracks due to thermal stress and thermal shock, and generation of cracks. For this reason, in particular, a structure in which a heat insulating layer made of a ceramic sintered body is applied to portions having a relatively large area such as the top surface of the piston, the inner peripheral surface of the cylinder liner, and the lower surface of the cylinder head has not been put into practical use.
一方、溶射層それ自体は、シリンダライナ及びロータリーエンジンのトロコイド面へ採用された実績があるが、これは耐摩耗性の向上を目的としたものであり、断熱性の向上を目的としたものではない。そうして、溶射層を断熱層とするためには、上記のようにZrO2(ジルコニア)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、ジルコニア系の層は、サーメット系の層よりも粒子間の密着性が劣り、熱応力や繰返しの応力による疲労等によってクラックが生じ易いという問題がある。 On the other hand, the sprayed layer itself has been used for trochoidal surfaces of cylinder liners and rotary engines, but this is intended to improve wear resistance and not to improve heat insulation. Absent. Thus, in order to make the thermal spray layer a heat insulating layer, it is preferable to spray a low thermal conductive material mainly composed of ZrO 2 (zirconia) as described above, but the zirconia-based layer is more preferable than the cermet-based layer. However, the adhesion between the particles is inferior, and there is a problem that cracks are likely to occur due to fatigue due to thermal stress or repeated stress.
このような問題を解決するために、例えば、特許文献2では、断熱用薄膜中に、粒子と補強用繊維材とを含ませた構造が提案されている。 In order to solve such a problem, for example, Patent Document 2 proposes a structure in which particles and reinforcing fiber materials are included in a heat insulating thin film.
上記特許文献2には、コーティング又は接合との記載だけで、その断熱用薄膜を得る方法について詳細には述べられていないが、粒子を含むこと、及び、断熱性の確保を目的とすることに鑑みれば、断熱用薄膜はある程度ポーラス状(多孔状)であると看做せる。そうすると、特許文献2の断熱用薄膜を、例えばピストンの頂面に設けた場合、燃料噴射弁から噴射された燃料が断熱用薄膜の表面に浸み込んで(気孔部に取り込まれて)しまうことから、未燃損失割合が増加し、熱効率の低下に繋がるおそれがある。 The above-mentioned Patent Document 2 does not describe in detail the method for obtaining the heat insulating thin film only by the description of coating or bonding, but for the purpose of containing particles and ensuring heat insulating properties. In view of this, it can be considered that the heat insulating thin film is somewhat porous (porous). Then, when the heat insulation thin film of patent document 2 is provided, for example in the top surface of a piston, the fuel injected from the fuel injection valve will permeate into the surface of the heat insulation thin film (it will be taken in into a pore part). Therefore, the unburned loss ratio increases, which may lead to a decrease in thermal efficiency.
本発明は、か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、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱構造体及びその製造方法において、断熱性を高めつつ、断熱構造体への燃料等の染み込みを抑える技術を提供することにある。 This invention is made | formed in view of this point, The place made into the objective is heat insulation in a heat insulation structure provided with a thermal spray coating formed on the base-material surface, and its manufacturing method, improving heat insulation. The object is to provide a technique for suppressing the penetration of fuel or the like into the structure.
上記目的を達成するために、本発明に係る断熱構造体及びその製造方法では、ZrO2含有粒子と気孔部とを含む、断熱性を高めるための溶射皮膜を、これよりも緻密な溶射皮膜によって封孔するようにしている。 In order to achieve the above object, in the heat insulating structure and the manufacturing method thereof according to the present invention, the thermal spray coating for enhancing the thermal insulation including the ZrO 2 -containing particles and the pores is formed by a finer thermal spray coating than this. It is trying to seal.
具体的には、第1の発明は、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱構造体を対象としている。 Specifically, the first invention is directed to a heat insulating structure including a thermal spray coating formed on the surface of a base material.
そして、上記溶射皮膜は、上記基材に対して溶射され扁平になった中空のZrO2含有粒子と気孔部とを含む第1酸化物層と、当該第1酸化物層に対して溶射された、当該第1酸化物層のZrO2含有粒子の粒径よりも粒径が小さい、Al2O3、SiO2及びZrO2よりなる群から選ばれる1種を主成分とする酸化物粒子を含む第2酸化物層と、を有することを特徴とするものである。 The sprayed coating was sprayed on the first oxide layer including the hollow ZrO 2 -containing particles sprayed on the substrate and flattened, and the pores, and the first oxide layer. Including oxide particles whose main component is one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 and ZrO 2 having a particle size smaller than that of the ZrO 2 -containing particles of the first oxide layer And a second oxide layer.
第1の発明によれば、第1酸化物層の表面部に設けられた、緻密な溶射層である第2酸化物層によって、第1酸化物層に含まれる気孔部が封孔されるので、断熱構造体を、例えば、ピストンの頂面、シリンダライナの内周面、シリンダヘッドの下面等に適用した場合には、噴霧された燃料が第1酸化物層に浸み込む(気孔部に取り込まれる)のを抑えることができる。また、第1酸化物層のZrO 2 含有粒子は扁平になった中空粒子であるから、中実状粒子を溶射した場合よりも、第1酸化物層内には熱伝導性の低い空気が多く含まれることになるので、断熱性を高めることができる。 According to the first invention, the pores contained in the first oxide layer are sealed by the second oxide layer, which is a dense sprayed layer, provided on the surface of the first oxide layer. When the heat insulating structure is applied to, for example, the top surface of the piston, the inner peripheral surface of the cylinder liner, the lower surface of the cylinder head, etc., the sprayed fuel soaks into the first oxide layer (into the pores). Can be suppressed). Further, since the ZrO 2 -containing particles of the first oxide layer are flat hollow particles, the first oxide layer contains more air with low thermal conductivity than when solid particles are sprayed. Therefore, the heat insulation can be improved.
第2の発明は、上記第1の発明において、上記第2酸化物層の酸化物粒子は、中実状粒子であることを特徴とするものである。 In a second aspect based on the first invention, the oxide particles of the upper Symbol second oxide layer is characterized in that a medium circumstances particles.
第2の発明によれば、第2酸化物層の酸化物粒子が中実状粒子であるから、断熱構造体の表面部に気孔部が生じ難くなるので、噴霧された燃料等が第1酸化物層に浸み込むのをより一層抑えることができる。 According to the second invention, since the oxide particles of the second oxide layer are solid particles, it is difficult for pores to be formed in the surface portion of the heat insulating structure, so that the sprayed fuel or the like is the first oxide. It is possible to further suppress the penetration into the layer.
第3の発明は、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱構造体の製造方法を対象としている。 The third invention is directed to a method for manufacturing a heat insulating structure including a thermal spray coating formed on the surface of a base material.
そして、溶射原料としての、平均粒径D50が30〜100μmであるZrO2含有粒子と、平均粒径D50が5〜40μmであり且つ上記ZrO2含有粒子の平均粒径D50よりもその平均粒径D50が小さい、Al2O3、SiO2及びZrO2よりなる群から選ばれる1種を主成分とする酸化物粒子と、を用意し、上記ZrO2含有粒子を上記基材に対して、所定の溶射出力、所定のArガス流量、所定のH2ガス流量、所定の溶射距離、及び、所定の溶射粒子供給量で溶射して、当該ZrO2含有粒子と気孔部とを含む第1酸化物層を形成する工程と、上記酸化物粒子を上記第1酸化物層に対して、上記所定の溶射出力よりも高い溶射出力、上記所定の溶射距離よりも長い溶射距離、且つ、上記所定の溶射粒子供給量よりも少ない供給量で溶射して、第2酸化物層を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。 Then, as spraying material, and ZrO 2 containing particles having an average particle diameter D 50 is 30 to 100 [mu] m, an average particle diameter D 50 is 5~40μm and than the average particle diameter D 50 of the ZrO 2 containing particles that And an oxide particle mainly composed of one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 and ZrO 2 having a small average particle diameter D 50 , and the ZrO 2 -containing particles as the base material On the other hand, thermal spraying is performed at a predetermined spraying output, a predetermined Ar gas flow rate, a predetermined H 2 gas flow rate, a predetermined spraying distance, and a predetermined sprayed particle supply amount, and includes the ZrO 2 -containing particles and pores. A step of forming a first oxide layer, a spraying power higher than the predetermined spraying power for the oxide particles to the first oxide layer, a spraying distance longer than the predetermined spraying distance, and More than the predetermined sprayed particle supply amount Spraying with a small supply amount to form a second oxide layer.
第3の発明によれば、第1酸化物層を形成する際の所定の溶射距離よりも長い溶射距離で、酸化物粒子を溶射することから、第2酸化物層を斑なく(厚薄を揃えて)形成することができる。そうして、溶射距離を離すと、酸化物粒子を第1酸化物層に対して吹き付ける力が弱くなるが、第1酸化物層を形成する際の所定の溶射出力よりも高い溶射出力で、酸化物粒子を溶射することから、出力低下による斑を抑えて、第2酸化物層を確実に形成することができる。また、第1酸化物層を形成する際の所定の溶射粒子供給量よりも少ない供給量で、酸化物粒子を溶射することから、第2酸化物層を薄く形成することができる。これらにより、第1酸化物層の表面部に、薄くて斑がない緻密な溶射層である第2酸化物層を設けることが可能となるので、第1酸化物層におけるZrO2含有粒子と気孔部とによって断熱性を高めつつ、第2酸化物層における緻密な溶射層によって燃料等が第1酸化物層に浸み込むのを抑えることができる。ここで、上記ZrO2含有粒子の平均粒径D50を30〜100μm(30μm以上100μm以下)の範囲とする理由は、30μm未満だと、ZrO2含有粒子間に形成される気孔の大きさが小さくなり、断熱性の低下が懸念されること、及びその気孔を塞ぐように溶射される第2酸化物層の原料を相当に小さいものする必要があり、その分級が困難となるためである。また、100μm超だと、気孔が大きくなり、当該酸化物層の強度低下が懸念されるばかりでなく、第2酸化物層を形成するための原料の量を多くしなければならないためである。一方、第2酸化物層を形成するための酸化物粒子の平均粒径D50を5〜40μm(5μm以上40μm以下)の範囲とする理由は、5μm未満だと第1酸化物層に形成された気孔を塞ぐとともにその膜厚を確保するための溶射パス回数が増えてしまい、製造に時間が掛かってしまうためであり、また、40μm超だと、第1酸化物層の気孔に侵入できない部分が発生し、燃料の浸み込みを防止することが困難となるためである。 According to the third aspect of the invention, since the oxide particles are sprayed at a spraying distance longer than a predetermined spraying distance when forming the first oxide layer, the second oxide layer is made uniform (thickness is made uniform). Can be formed). Then, when the spraying distance is separated, the force for spraying the oxide particles to the first oxide layer is weakened, but with a spraying power higher than a predetermined spraying power when forming the first oxide layer, Since the oxide particles are thermally sprayed, the second oxide layer can be reliably formed while suppressing unevenness due to a decrease in output. Further, since the oxide particles are sprayed with a supply amount smaller than a predetermined sprayed particle supply amount when forming the first oxide layer, the second oxide layer can be formed thin. As a result, it is possible to provide the second oxide layer, which is a thin and dense sprayed layer, on the surface portion of the first oxide layer, so that the ZrO 2 -containing particles and pores in the first oxide layer can be provided. It is possible to suppress the penetration of fuel or the like into the first oxide layer by the dense sprayed layer in the second oxide layer, while improving the heat insulating property by the portion. The reason for the range of the average particle diameter D 50 of the ZrO 2 containing particles 30 to 100 [mu] m (30 [mu] m or 100μm or less), when less than 30 [mu] m, the size of the pores formed between the ZrO 2 containing particles This is because there is a concern about a decrease in the heat insulating property, and it is necessary to make the material of the second oxide layer sprayed so as to close the pores, and it is difficult to classify the material. On the other hand, if it exceeds 100 μm, the pores become large, and not only the strength of the oxide layer is lowered, but also the amount of raw material for forming the second oxide layer must be increased. On the other hand, the reason why the average particle diameter D 50 of the oxide particles for forming the second oxide layer in the range of 5 to 40 m (5 [mu] m or more 40μm or less) is the less than 5 [mu] m formed on the first oxide layer This is because the number of spraying passes to close the pores and to secure the film thickness increases, and it takes time to manufacture, and if it exceeds 40 μm, it cannot enter the pores of the first oxide layer. This is because it becomes difficult to prevent the infiltration of fuel.
本発明に係る断熱構造体によれば、第1酸化物層の表面部に設けられた、緻密な溶射層である第2酸化物層によって、第1酸化物層に含まれる気孔部が封孔されるので、燃料等が断熱構造体に浸み込むのを抑えることができ、しかも、第1酸化物層のZrO 2 含有粒子は扁平になった中空粒子であるから、断熱性を高めることができる。本発明に係る断熱構造体の製造方法によれば、第1酸化物層の表面部に、薄くて斑がない緻密な溶射層である第2酸化物層を設けることが可能となるので、第1酸化物層におけるZrO 2 含有粒子と気孔部とによって断熱性を高めつつ、第2酸化物層における緻密な溶射層によって燃料等が第1酸化物層に浸み込むのを抑えることができる。 According to the heat insulating structure according to the present invention, provided on the surface portion of the first oxide layer, the second oxide layer is a dense sprayed layer, pore portions included in the first oxide layer sealing Therefore, it is possible to suppress the penetration of fuel or the like into the heat insulating structure , and the ZrO 2 -containing particles of the first oxide layer are flat hollow particles, so that the heat insulating property can be improved. can Ru. According to the method for manufacturing a heat insulating structure according to the present invention, it is possible to provide the second oxide layer, which is a thin and dense thermal sprayed layer, on the surface portion of the first oxide layer. It is possible to suppress the penetration of fuel or the like into the first oxide layer by the dense sprayed layer in the second oxide layer while enhancing the heat insulating property by the ZrO 2 -containing particles and the pores in the one oxide layer.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態は、本発明に係る断熱構造体を、図1に示すエンジンのピストンに採用したものである。 In this embodiment, the heat insulating structure according to the present invention is employed in the piston of the engine shown in FIG.
〈エンジンの特徴〉
このエンジンは、直列4気筒2Lガソリンエンジンであり、図1中の符号3はシリンダブロックを、符号5はシリンダヘッドを、符号7は吸気ポート9を開閉する吸気バルブを、符号11は排気ポート13を開閉する排気バルブを、符号15は燃料噴射弁を、それぞれ示している。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3の内周面、シリンダヘッド5の下面、及び、吸排気バルブ7,11の傘部前面(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17が形成されている。なお、図1では、点火プラグを図示省略している。
<Engine features>
This engine is an in-line four-cylinder 2L gasoline engine. Reference numeral 3 in FIG. 1 is a cylinder block,
ところで、エンジンの熱効率は、理論的には、幾何学的圧縮比を高める程、また、作動ガスの空気過剰率を大きくする程、高くなることが知られているが、実際には、圧縮比を高める程、また、空気過剰率を大きくする程、外部に熱として奪われるエネルギーである冷却損失が大きくなるため、圧縮比や空気過剰率の増大による熱効率の改善は頭打ちになる。 By the way, it is known that the thermal efficiency of the engine theoretically increases as the geometric compression ratio increases and the excess air ratio of the working gas increases. As the excess air ratio is increased and the excess air ratio is increased, the cooling loss, which is the energy taken away as heat to the outside, increases. Therefore, the improvement of the thermal efficiency due to the increase in the compression ratio and the excess air ratio reaches its peak.
すなわち、冷却損失は、作動ガスからエンジン燃焼室壁への熱伝達率、その伝熱面積、及び、ガス温と壁温との温度差に依存し、また、熱伝達率は、ガス圧及び温度の関数であることから、圧縮比及び空気過剰率の増大によりガス圧及び温度が高くなると、熱伝達率が高くなり且つ壁温とガス温との温度差が大きくなることによって、冷却損失が大きくなる。このため、圧縮比20以上の超高圧縮比にすることは、冷却損失のために実現できていないのが現状である。 That is, the cooling loss depends on the heat transfer rate from the working gas to the engine combustion chamber wall, its heat transfer area, and the temperature difference between the gas temperature and the wall temperature, and the heat transfer rate depends on the gas pressure and temperature. Therefore, if the gas pressure and temperature increase due to the increase in the compression ratio and excess air ratio, the heat transfer rate increases and the temperature difference between the wall temperature and the gas temperature increases, resulting in a large cooling loss. Become. For this reason, at present, it is not possible to achieve an ultra-high compression ratio of 20 or more due to cooling loss.
翻って、本実施形態のエンジンは、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、その圧縮比ε及び空気過剰率λに見合う所期の熱効率を得るには、エンジンの冷却損失を大幅に低減させなければ、換言すると、エンジンの断熱性を高くしなければならない。この点をモデル計算による図示熱効率に基いて説明するべく、圧縮比εを増大させていった際、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、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。 In turn, the engine of the present embodiment is a lean burn engine that has a geometric compression ratio ε = 20 to 50 and is operated at an excess air ratio λ = 2.5 to 6.0 at least in a partial load region. . Therefore, in order to obtain the desired thermal efficiency commensurate with the compression ratio ε and excess air ratio λ, the engine heat loss must be increased unless the engine cooling loss is significantly reduced. In order to explain this point on the basis of the thermal efficiency shown in the model calculation, when the compression ratio ε is increased, whether the combustion chamber has a heat insulating structure or not, and whether the excess air ratio λ is large or small, A model calculation was performed to see how it is affected.
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、燃焼室に断熱構造を採用していない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。なお、「200kPa」及び「500kPa」はそれぞれエンジン負荷の大きさを表す。 FIG. 2 shows the result. In the figure, “without heat insulation” means a conventional engine that does not employ a heat insulation structure in the combustion chamber, and “with heat insulation” means that the combustion chamber is more than a conventional engine that does not employ a heat insulation structure in the combustion chamber. This means an engine with a 50% higher heat insulation rate. “200 kPa” and “500 kPa” represent the magnitude of the engine load.
まず、「断熱なし 200kPa λ=1」の場合、圧縮比εの増大に伴って図示熱効率が増大しているが、圧縮比ε=50を超えても図示熱効率は大きく改善せず、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。 First, in the case of “no heat insulation 200 kPa λ = 1”, the indicated thermal efficiency increases as the compression ratio ε increases. However, even if the compression ratio ε = 50 is exceeded, the indicated thermal efficiency does not greatly improve, and the compression ratio ε Since the theoretical efficiency at = 50 is about 80%, the indicated thermal efficiency of the engine is considerably low. Most of this difference is cooling loss and exhaust loss.
「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、圧縮比εが15又は25を超えると、該圧縮比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。 In the case of “without heat insulation 200 kPa λ = 2”, the specific heat ratio decreases due to an increase in the excess air ratio, so that the illustrated thermal efficiency is high, but it is still low in terms of theoretical efficiency. Looking at “without heat insulation 200 kPa λ = 4” and “without heat insulation 200 kPa λ = 6”, when the compression ratio ε exceeds 15 or 25, the indicated thermal efficiency decreases as the compression ratio ε increases. This is because the excess air ratio λ is large (the air density of the air-fuel mixture is high), so when the compression ratio is high, the gas pressure during combustion becomes very high, and the heat transfer coefficient as a function of the gas pressure and temperature is high. This is because the cooling loss increases. That is, the cooling loss becomes larger than the increase in thermal efficiency due to the increase in excess air ratio λ (increase in specific heat ratio).
これに対して、「断熱あり 200kPa λ=2.5」では、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、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、図示熱効率は圧縮比ε=20〜50において高い値になっている。 On the other hand, in the case of “with heat insulation 200 kPa λ = 2.5”, the indicated thermal efficiency increases as the compression ratio ε increases. In the case of “with heat insulation 200 kPa λ = 6” in which the excess air ratio λ is increased, when the compression ratio ε exceeds 40, the illustrated thermal efficiency slightly decreases, but the illustrated thermal efficiency is very high at the compression ratio ε = 20 to 50 It is a value. Even in the case of “with heat insulation 500 kPa λ = 2.5” in which the engine load is increased, the indicated thermal efficiency is high at the compression ratio ε = 20-50.
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。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。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the excess air ratio λ and the indicated thermal efficiency. In the case of “no heat insulation 200 kPa ε = 15”, the illustrated thermal efficiency peaks near the excess air ratio λ = 4.5, and the illustrated thermal efficiency decreases as the excess air ratio λ increases. On the other hand, in the case of “with heat insulation 200 kPa ε = 40”, the illustrated thermal efficiency peaks in the vicinity of the excess air ratio λ = 6.0. This is because the compression ratio ε is high and the cooling loss is suppressed by heat insulation.
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。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1800(K)を越えないようにしてNOx発生を抑制することができる。 In the case of the lean burn engine, it operates at an excess air ratio λ = 2.5 or more at least in the partial load region, which is advantageous for suppressing NOx generation. As the compression ratio ε increases, the combustion temperature increases. However, by controlling the excess air ratio λ so as to increase as the engine load increases, NOx generation is prevented so that the maximum combustion temperature does not exceed 1800 (K). Can be suppressed.
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。 Although not shown, an intercooler that cools the intake air is provided in the intake system of the engine. As a result, the in-cylinder gas temperature at the start of compression is lowered, the increase in gas pressure and temperature during combustion is suppressed, and this is advantageous in reducing cooling loss (improving the indicated thermal efficiency).
〈断熱構造体〉
そこで、以下では、上記超高圧縮比ε=20〜50及び高空気過剰率λ=2.5〜6.0で運転されるエンジンにおける、図示熱効率を高める上で必要となる冷却損失低減のための断熱構造体について説明する。図4は、ピストンの断熱構造体を示す断面図である。このピストン1は、エンジンの燃焼室を形成する頂面に溶射皮膜21を備えており、かかる溶射皮膜21は、ピストン基材19の頂面全体に亘って形成されたアンダーコート23と、当該アンダーコート23を覆う第1酸化物層25と、当該第1酸化物層25を覆う第2酸化物層27と、を備えている。
<Insulation structure>
Therefore, in the following, in order to reduce the cooling loss necessary for increasing the indicated thermal efficiency in an engine operated at the above-mentioned ultra-high compression ratio ε = 20 to 50 and high excess air ratio λ = 2.5 to 6.0 The heat insulation structure will be described. FIG. 4 is a sectional view showing a heat insulating structure of the piston. The piston 1 includes a
ピストン基材19は、例えば鋳物用アルミ合金AC8A(熱伝導率;141.7(W/(m・K))、容積比熱;2300(kJ/(m3・K)))で成形することができる。なお、ピストン基材19は、他のアルミ合金で成形してもよいし、鋳鉄製ピストンとしてもよい。
The
アンダーコート23は、第1酸化物層25のピストン基材19への密着性をよくするとともに、酸化物層25,27とピストン基材19との熱膨張差を緩和する役割を果たすものであり、Ni−Cr合金をピストン基材19の頂面に対してプラズマ溶射することにより、約100(μm)の厚さで形成されている。なお、Ni−Cr合金としては、例えばNi−20Cr合金(熱伝導率;12.6(W/(m・K))、容積比熱;3660(kJ/(m3・K)))を採用することができる。
The
第1酸化物層25は、図5に示すように、ピストン基材19の頂面に溶射された多数のジルコニア粒子(ZrO2含有粒子)29と、当該酸化物層の表面から内部にかけて形成された気孔部(空隙)31とを含んでいる。
As shown in FIG. 5, the
ジルコニア粒子29の材料としては、例えば、安定化剤としてイットリアを用いた部分安定化ジルコニア(ZrO2−Y2O3)を用いることができ、溶射原料としてのジルコニア粒子29は、平均粒径D50が70μmである略中空球状に形成されている。そうして、第1酸化物層25は、プラズマ溶射装置を用いて、アンダーコート処理が施されたピストン基材19の頂面にジルコニア粒子29を溶射し、溶射熱により軟化したジルコニア粒子29がピストン基材19に衝突して扁平状に変形して堆積することで、約900(μm)の厚さで且つ気孔率13(vol%)の多孔質に形成されている。なお、第1酸化物層25の気孔率は、ジルコニア粒子29の粒径や溶射速度を調整することで調整可能であり、5〜40(vol%)が好ましく、10〜25(vol%)がより好ましい。また、各気孔部31の大きさは、1〜100(μm)が好ましい。なお、平均粒径D50の測定には、株式会社島津社製作所製レーザー回折式粒度分布測定装置を用いることができる。
As the material of the
ここで、溶射条件は、使用する溶射装置によって変わるものであるが、例えば、Sulzer Metco社製のF4型プラズマ溶射ガンを用いた場合には、出力25〜50(kW)、Arガス流量35〜50(L/min)、H2ガス流量10〜20(L/min)、溶射距離50〜150(mm)、溶射粒子供給量20〜50(g/min)が好ましい。
Here, the spraying conditions vary depending on the spraying apparatus to be used. For example, when an F4 type plasma spraying gun manufactured by Sulzer Metco is used, the output is 25 to 50 (kW), and the Ar gas flow rate is 35 to 35. 50 (L / min), H 2
このように、断熱性を高めるべく、皮膜材料としてピストン基材19よりも熱伝導率が低い部分安定化ジルコニアを用いるとともに、第1酸化物層25を気孔率13(vol%)の多孔質に形成することにより、溶射皮膜21の熱伝導率は0.8(W/(m・K))になる。しかしながら、このような多孔質の溶射皮膜21をピストン1の頂面に形成すると、ガソリン(燃料)と空気の混合気が燃焼室に噴霧された際に、ガソリンが溶射皮膜21に浸み込んで(気孔部31に取り込まれて)しまい、未燃損失割合が増加し、熱効率の低下につながるおそれがある。
Thus, in order to improve heat insulation, partially stabilized zirconia having a lower thermal conductivity than the
そこで、本実施形態の断熱構造体では、第1酸化物層25の表面に、当該第1酸化物層25のジルコニア粒子29の平均粒径D50よりもその平均粒径D50が小さい、Al2O3、SiO2及びZrO2よりなる群から選ばれる1種を主成分とする酸化物粒子を含む第2酸化物層27が形成されている。溶射原料としての、これらAl2O3、SiO2及びZrO2は、平均粒径D50が20μmであり、ジルコニア粒子29の平均粒径D50よりも小さい、略中実球状に形成されている。そうして、第2酸化物層27は、あくまで、ガソリンが第1酸化物層25に浸み込むのを抑えるためのものであることから、斑がなく且つ厚さが薄いことが望ましい。
Therefore, in the insulating structure of the present embodiment, the surface of the
このため、本実施形態の断熱構造体では、第2酸化物層27を形成する際に、第1酸化物層25を形成した際の所定の溶射出力よりも高い溶射出力で、且つ、第1酸化物層25を形成した際の所定の溶射距離よりも長い溶射距離で、且つ、第1酸化物層25を形成した際の所定の溶射粒子供給量よりも少ない供給量で、酸化物粒子を第1酸化物層25の表面に対して溶射するようにしている。つまり、長い溶射距離で溶射することで、第2酸化物層27を斑なく(厚薄を揃えて)形成し、且つ、溶射距離を離すと吹き付ける力が弱くなるが、高い溶射出力で溶射することで、出力低下による斑を抑え、且つ、少ない溶射粒子供給量で溶射することで、第2酸化物層27を薄く形成するようにしている。
For this reason, in the heat insulation structure of this embodiment, when forming the
〈断熱構造体の製造方法〉
上記断熱構造体を有するピストン1は、次の方法で得ることができる。
<Method of manufacturing a heat insulating structure>
The piston 1 having the heat insulation structure can be obtained by the following method.
先ず、例えば上記F4型プラズマ溶射ガンを用いて、ピストン基材19の頂面に、Ni−20Cr合金をプラズマ溶射して、厚さ約100(μm)のアンダーコート23を形成する。次いで、同じくF4型プラズマ溶射ガンを用いて、所定の溶射条件で、アンダーコート処理が施されたピストン基材19の頂面に、上記部分安定化ジルコニア(ZrO2−Y2O3)からなる、平均粒径D50が70μmである略中空球状のジルコニア粒子をプラズマ溶射して、厚さ約900(μm)且つ気孔率13(vol%)の酸化物層を形成する。そして、同じくF4型プラズマ溶射ガンを用いて、第1酸化物層25を形成した際の所定の溶射条件よりも、高い溶射出力で、長い溶射距離で、且つ、少ない溶射粒子供給量で、第1酸化物層25の表面に、Al2O3、SiO2及びZrO2よりなる群から選ばれる1種を主成分とする、平均粒径D50が20μmである、略中実球状の酸化物粒子をプラズマ溶射して、厚さ約50(μm)の第2酸化物層27を形成する。
First, for example, Ni-20Cr alloy is plasma sprayed on the top surface of the
〈燃料の染み込み抑制の改善効果〉
本実施形態に係る断熱構造体による、燃料の染み込み抑制の改善効果を確認するために、所定の評価条件の下で、実施例1〜6について未燃損失割合(%)をそれぞれ求め、これらの結果を対比した。
<Improvement effect of suppression of fuel penetration>
In order to confirm the improvement effect of the fuel penetration control by the heat insulating structure according to the present embodiment, the unburned loss ratio (%) is obtained for each of Examples 1 to 6 under predetermined evaluation conditions. The results were compared.
より詳しくは、先ず、鋳物用アルミ合金AC8A製のピストンの頂面に、F4型プラズマ溶射ガンを用いて、Ni−20Cr合金を溶射して、厚さ100(μm)のアンダーコートを形成するとともに、出力35(kW)、Arガス流量40(L/min)、H2ガス流量15(L/min)、溶射距離100(mm)、溶射粒子供給量40(g/min)の溶射条件で、略中空球状に形成された、平均粒径D50が70μmの部分安定化ジルコニア粒子(ZrO2−Y2O3)を溶射して、気孔率13(vol%)且つ厚さ900(μm)の第1酸化物層を形成したものを6つ用意した。 More specifically, first, an Ni-20Cr alloy is sprayed on the top surface of a piston made of an aluminum alloy AC8A for casting using an F4 type plasma spray gun to form an undercoat having a thickness of 100 (μm). Under the spraying conditions of output 35 (kW), Ar gas flow rate 40 (L / min), H 2 gas flow rate 15 (L / min), spraying distance 100 (mm), sprayed particle supply rate 40 (g / min), Partially stabilized zirconia particles (ZrO 2 —Y 2 O 3 ) having an average particle diameter D 50 of 70 μm formed into a substantially hollow sphere were thermally sprayed to have a porosity of 13 (vol%) and a thickness of 900 (μm). Six samples with the first oxide layer formed thereon were prepared.
次いで、F4型プラズマ溶射ガンを用いて、第1酸化物層の表面に、下記表1に示す溶射条件で、平均粒径D50が20μmである、略中実球状の部分安定化ジルコニア粒子(ZrO2−Y2O3)をプラズマ溶射して、厚さ50(μm)の第2酸化物層を形成し、それぞれ実施例1〜6とした。なお、Arガス流量及びH2ガス流量は、第1酸化物層を形成したときの流量と同じとした。 Then, using the F4 type plasma spray gun, the surface of the first oxide layer, thermal spraying conditions shown in Table 1, the average particle diameter D 50 is 20 [mu] m, in substantially real-spherical partially stabilized zirconia particles ( ZrO 2 —Y 2 O 3 ) was plasma sprayed to form a second oxide layer having a thickness of 50 (μm). The Ar gas flow rate and the H 2 gas flow rate were the same as the flow rates when the first oxide layer was formed.
一方、比較例として、上記と同じ条件で第1酸化物層を形成し、第2酸化物物層を形成していないものを準備した。 On the other hand, as a comparative example, a first oxide layer was formed under the same conditions as described above, and a second oxide layer was not formed.
すなわち、実施例1〜3は、第1酸化物層の溶射条件よりも、高い溶射出力で、長い溶射距離で、且つ、少ない溶射粒子供給量で、第2酸化物層を形成したものである。一方、実施例4は、第1酸化物層の溶射条件と同じ溶射条件で、また、実施例5は、第1酸化物層の溶射条件よりも、長い溶射距離で、且つ、多い溶射粒子供給量で、また、実施例6は、第1酸化物層の溶射条件よりも、低い溶射出力で、且つ、短い溶射距離で、それぞれ第2酸化物層を形成したものである。 That is, in Examples 1 to 3, the second oxide layer is formed with a higher spraying output, a longer spraying distance, and a smaller amount of sprayed particles than the spraying condition of the first oxide layer. . On the other hand, Example 4 is the same spraying condition as the spraying condition of the first oxide layer, and Example 5 is a longer spraying distance than the spraying condition of the first oxide layer, and supplies a larger number of sprayed particles. In Example 6, the second oxide layer was formed at a spraying power lower than the spraying condition of the first oxide layer and at a short spraying distance.
そうして、これら6種類のピストンについて、同じ評価条件、すなわち、排気量1998.8(CC)、4気筒、圧縮比20、空気過剰率2.5及び回転数2000(rpm)の条件で、未燃損失割合(%)をそれぞれ求めた。 Thus, for these six types of pistons, under the same evaluation conditions, that is, with a displacement of 19988.8 (CC), four cylinders, a compression ratio of 20, an excess air ratio of 2.5, and a rotational speed of 2000 (rpm), Each unburned loss ratio (%) was obtained.
図6は、実施例1〜6、及び比較例の未燃損失割合(%)を示す図である。図6に示すように、第1酸化物層の溶射条件よりも、高い溶射出力で、長い溶射距離で、且つ、少ない溶射粒子供給量で、第2酸化物層を形成した実施例1〜3では、これらの条件を満たさない実施例4〜6に比して未燃損失割合が改善されていることが分かる。これにより、第1酸化物層の溶射条件よりも、高い溶射出力で、長い溶射距離で、且つ、少ない溶射粒子供給量で、第2酸化物層を形成することにより、噴霧されたガソリンが酸化物層に浸み込むのを効果的に抑制できることが確認できた。また、これら実施例1〜6はいずれも比較例よりも未燃損失割合が低いことも確認できた。 FIG. 6 is a diagram showing the unburned loss ratio (%) of Examples 1 to 6 and Comparative Example. As shown in FIG. 6, Examples 1 to 3 in which the second oxide layer was formed with a higher spraying output, a longer spraying distance, and a smaller sprayed particle supply amount than the spraying conditions of the first oxide layer. Then, it turns out that the unburned loss ratio is improved as compared with Examples 4 to 6 which do not satisfy these conditions. As a result, the sprayed gasoline is oxidized by forming the second oxide layer with a higher spraying output, a longer spraying distance, and a smaller amount of sprayed particles than the spraying condition of the first oxide layer. It was confirmed that the penetration into the physical layer can be effectively suppressed. Moreover, it has also confirmed that these Examples 1-6 all had a lower unburned loss ratio than a comparative example.
−効果−
本実施形態によれば、第1酸化物層25の表面部に設けられた、緻密な溶射層である第2酸化物層27によって、第1酸化物層25に含まれる気孔部31が封孔されるので、断熱構造体を、例えば、ピストン1の頂面、シリンダブロック3の内周面、シリンダヘッド5の下面等に適用した場合には、噴霧された燃料が第1酸化物層25に浸み込むのを抑えることができる。
-Effect-
According to the present embodiment, the
また、第1酸化物層25では、中空状粒子を原料とするジルコニア粒子29を溶射していることから、中実状粒子を溶射した場合よりも、第1酸化物層25内には熱伝導性の低い空気が多く含まれることになるので、断熱性をさらに高めることができる。
Further, since the
一方、第2酸化物層27では、中実状粒子を原料とする酸化物粒子を、第1酸化物層25に対して溶射していることから、中空状粒子を溶射した場合よりも、断熱構造体の表面部に気孔部31が生じ難くなるので、噴霧された燃料等が第1酸化物層25に浸み込むのをより一層抑えることができる。
On the other hand, in the
さらに、第1酸化物層25を形成する際の所定の溶射距離よりも長い溶射距離で、酸化物粒子を溶射することから、第2酸化物層27を斑なく形成することができる。そうして、溶射距離を離すと、酸化物粒子を第1酸化物層25に対して吹き付ける力が弱くなるが、第1酸化物層25を形成する際の所定の溶射出力よりも高い溶射出力で、酸化物粒子を溶射することから、出力低下による斑を抑えて、第2酸化物層27を確実に形成することができる。また、第1酸化物層25を形成する際の所定の溶射粒子供給量よりも少ない供給量で、酸化物粒子を溶射することから、第2酸化物層27を薄く形成することができる。これらにより、第1酸化物層25の表面部に、薄くて斑がない緻密な溶射層である第2酸化物層27を設けることが可能となるので、第1酸化物層25におけるジルコニア粒子29と気孔部31とによって断熱性を高めつつ、第2酸化物層27における緻密な溶射層によって燃料等が第1酸化物層25に浸み込むのを抑えることができる。
Furthermore, since the oxide particles are sprayed at a spraying distance longer than a predetermined spraying distance when forming the
(その他の実施形態)
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiments, and can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof.
上記実施形態では、第1酸化物層25を形成する際の、所定の溶射距離よりも長い溶射距離で、所定の溶射出力よりも高い溶射出力で、且つ、所定の溶射粒子供給量よりも少ない供給量で、酸化物粒子を溶射するようにしたが、第1酸化物層25の表面に、当該第1酸化物層25のジルコニア粒子29の粒径よりも粒径が小さい酸化物粒子を含む第2酸化物層27を形成するのであれば、必ずしも上記溶射条件を満たす必要はない。
In the above-described embodiment, when the
また、上記実施形態では、アンダーコートとしてNi−Cr合金を用いたが、これに限らず、例えば、Ni−Al合金を用いてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the Ni-Cr alloy was used as an undercoat, it is not restricted to this, For example, you may use a Ni-Al alloy.
さらに、上記実施形態では、アンダーコート23の層厚を約100(μm)、第1酸化物層25の層厚を約900(μm)、また、第2酸化物層27の層厚を約50(μm)としたが、アンダーコート23、並びに、第1及び第2酸化物層25,27の層厚は、特に限定しない。
Furthermore, in the above-described embodiment, the layer thickness of the
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許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。 As described above, the above-described embodiment is merely an example in all respects and should not be interpreted in a limited manner. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
以上説明したように、本発明は、基材表面に形成される、溶射皮膜を有する断熱構造体及びその製造方法等について有用である。 As described above, the present invention is useful for a heat insulating structure having a thermal spray coating formed on a substrate surface, a method for manufacturing the same, and the like.
19 ピストン基材
21 溶射皮膜
25 第1酸化物層
27 第2酸化物層
29 ジルコニア粒子(ZrO2含有粒子)
31 気孔部
19
31 Pore
Claims (3)
上記溶射皮膜は、上記基材に対して溶射され扁平になった中空のZrO2含有粒子と気孔部とを含む第1酸化物層と、当該第1酸化物層に対して溶射された、当該第1酸化物層のZrO2含有粒子の粒径よりも粒径が小さい、Al2O3、SiO2及びZrO2よりなる群から選ばれる1種を主成分とする酸化物粒子を含む第2酸化物層と、
を有することを特徴とする断熱構造体。 A heat insulating structure provided with a thermal spray coating formed on a substrate surface,
The thermal spray coating is sprayed on the first base layer including the hollow ZrO 2 -containing particles and the pores which are sprayed and flattened on the base material, and the thermal spray coating is performed on the first oxide layer. A second oxide particle containing oxide particles whose main component is one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 and ZrO 2 having a particle size smaller than that of the ZrO 2 -containing particles of the first oxide layer; An oxide layer;
A heat insulating structure characterized by comprising:
上記第2酸化物層の酸化物粒子は、中実状粒子であることを特徴とする断熱構造体。 The heat insulation structure according to claim 1,
Oxides of the above Symbol second oxide layer particles, insulating structure, which is a mid circumstances particles.
溶射原料としての、平均粒径D50が30〜100μmであるZrO2含有粒子と、平均粒径D50が5〜40μmであり且つ上記ZrO2含有粒子の平均粒径D50よりもその平均粒径D50が小さい、Al2O3、SiO2及びZrO2よりなる群から選ばれる1種を主成分とする酸化物粒子と、を用意し、
上記ZrO2含有粒子を上記基材に対して、所定の溶射出力、所定のArガス流量、所定のH2ガス流量、所定の溶射距離、及び、所定の溶射粒子供給量で溶射して、当該ZrO2含有粒子と気孔部とを含む第1酸化物層を形成する工程と、
上記酸化物粒子を上記第1酸化物層に対して、上記所定の溶射出力よりも高い溶射出力、上記所定の溶射距離よりも長い溶射距離、且つ、上記所定の溶射粒子供給量よりも少ない供給量で溶射して、第2酸化物層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする断熱構造体の製造方法。 A method for producing a heat insulating structure provided with a thermal spray coating formed on a substrate surface,
As spraying material, average particle and ZrO 2 containing particle diameter D 50 is 30 to 100 [mu] m, an average particle diameter D 50 is 5~40μm and the average particle than the average particle diameter D 50 of the ZrO 2 containing particles Oxide particles mainly having one type selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 and ZrO 2 having a small diameter D 50 ,
The ZrO 2 -containing particles are sprayed on the base material with a predetermined spray output, a predetermined Ar gas flow rate, a predetermined H 2 gas flow rate, a predetermined spray distance, and a predetermined spray particle supply amount, Forming a first oxide layer containing ZrO 2 -containing particles and pores;
Supplying the oxide particles to the first oxide layer with a thermal spray output higher than the predetermined thermal spray output, a thermal spray distance longer than the predetermined thermal spray distance, and a supply amount less than the predetermined thermal spray particle supply amount Spraying in a quantity to form a second oxide layer;
The manufacturing method of the heat insulation structure characterized by including.
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