JP6451581B2

JP6451581B2 - エンジン燃焼室の断熱構造

Info

Publication number: JP6451581B2
Application number: JP2015194279A
Authority: JP
Inventors: 猪飼　孝至; 孝至猪飼; 青木　理; 理青木; 光一中野
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: JP2017066996A

Description

本発明は、エンジン燃焼室の断熱構造に関するものである。

従来、エンジン部品のような高温ガスに晒される金属製品では、高温ガスからの熱伝達、すなわち冷却損失を抑制するために、その金属製母材の表面に断熱層を形成することが行われている。その一例として、エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面に、ジルコニア等の無機酸化物や、中空粒子を含有する有機系材料からなる断熱層を形成することが知られている。

ところで、燃焼室を区画するピストン本体の頂面とシリンダヘッドの下面との間隙部にスキッシュエリアが形成されることがある。このようなピストン本体の頂面のうち、スキッシュエリアを形成する面（スキッシュエリア面）に断熱層が設けられている場合、当該断熱層の温度は高温となり、延いてはスキッシュエリア面自体が高温となる。このため、燃焼工程において、スキッシュエリアに高温高圧のエンドガス（点火プラグから遠い場所にある未燃焼の混合気）が流れ込んだ際に、高温のスキッシュエリア面により、エンドガスからスキッシュエリア面への放熱が妨げられて、ノッキングが発生し得る。そして、スキッシュエリア面に形成された断熱層にクラックが生じ、断熱層の損傷・剥離が引き起こされ、断熱性能が失われる。

そこで、ピストン本体の頂面のうち、スキッシュエリア面上には断熱層を形成せず、それ以外の部分にのみ断熱層を形成した内燃機関が記載されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の内燃機関によれば、スキッシュエリア面上には断熱層を形成していないので、エンドガスからのスキッシュエリア面への放熱が促進され、ノッキングの発生が抑制される。

特開２０１１−１６９２３２号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、スキッシュエリアにおけるノッキング発生を抑制できるものの、冷却損失の低減という観点からは、スキッシュエリア面も含めたピストン本体の頂面全体に断熱層を形成することが望ましい。

そこで、本発明では、スキッシュエリア面に断熱層を形成しつつ、ノッキングの発生によって当該断熱層に大きなクラックが生じるのを防止し、断熱層の損傷・剥離を抑えることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、ピストン本体の頂面におけるスキッシュエリア面の断熱層を無機酸化物を含む層とするとともに、スキッシュエリア面以外の頂面の断熱層を中空粒子とバインダとを含む層とした。

すなわち、ここに開示するエンジン燃焼室の断熱構造は、エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面に断熱層が設けられたものであって、上記ピストン本体の頂面は、上記燃焼室のスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア面を備えており、上記スキッシュエリア面に形成された断熱層は、無機酸化物としてのＺｒＯ _２を含み、上記ピストン本体の頂面における上記スキッシュエリア面以外の頂面に形成された断熱層は、多数の中空粒子と、該中空粒子を上記ピストン本体の頂面に保持するとともに上記中空粒子間を埋めて上記断熱層の母材を形成するバインダとを含み、上記スキッシュエリア面に形成された断熱層の厚さは、１５μｍ以上１５０μｍ以下であるとともに、上記スキッシュエリア面以外の頂面に形成された断熱層の厚さの半分以下であることを特徴とする。

本発明によれば、スキッシュエリア面以外の頂面には中空粒子とバインダからなる、より断熱性能の高い断熱層を形成するとともに、スキッシュエリア面にはより耐熱性の高い無機酸化物からなる断熱層を形成することにより、ピストン本体の頂面全体の断熱性能を得つつ、スキッシュエリア面の断熱層の耐熱性を高めることができる。また、上記スキッシュエリア面に形成された断熱層の厚さは、１５μｍ以上１５０μｍ以下であるとともに、上記スキッシュエリア面以外の頂面に形成された断熱層の厚さの半分以下であるから、スキッシュエリア面の断熱層にクラックが生じたときであっても、そのクラックの進行を効果的に抑制することができる。

また、上記無機酸化物は、ＺｒＯ_２である。これにより、スキッシュエリア面の断熱層の耐熱性を効果的に向上させることができる。

好ましい態様では、上記バインダは、シリコーン系樹脂である。これにより、スキッシュエリア面以外の頂面における断熱層の熱伝導性を低下させることができるとともに、ピストン本体の頂面と断熱層との優れた密着性を得ることができる。

好ましい態様では、上記中空粒子は、ガラスバルーンである。これにより、スキッシュエリア面以外の頂面における断熱層の熱伝導性を低くすることができるとともに、その強度も向上させることができる。

以上述べたように、本発明によると、ピストン本体の頂面全体の断熱性能を得つつ、スキッシュエリア面の断熱層の耐熱性を高めることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンを模式的に示す断面図である。図２は、図１の実施形態に係るピストンの冠面を示す平面図である。図３は、図２のピストンの縦断面図である。図４は、図３のキャビティ部に形成された断熱層の拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

＜エンジンの構成＞
図１に示す直噴エンジンＥは、ピストン１、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、シリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気バルブ４、排気ポート７を開閉する排気バルブ６、インジェクタ８、点火プラグ９を備える。ピストン１がシリンダブロック２のシリンダボア内を往復動する。

エンジンの燃焼室は、ピストン１の冠面１０、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、吸排気バルブ４，６の傘部前面（燃焼室に臨む面）で形成される。図１、図２に示すように、ピストン１の冠面１０の略中央部には、燃焼室のキャビティを形成する凹陥状のキャビティ部１１が設けられている。また、冠面１０の外縁側には、燃焼室のキャビティから離れた外縁側にスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア部１２が存在する。本実施形態に係るピストン１の冠面１０において、スキッシュエリア部１２はスキッシュエリア部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからなっている。

＜断熱層＞
図３に示すように、ピストン１は、該ピストン１の基材であるピストン本体１９と、エンジンＥの燃焼室の冷却損失低減の観点からピストン本体１９の頂面に設けられた断熱層２１，２２とを備えている。

ピストン本体１９はＴ７処理又はＴ６処理を施してなるアルミニウム合金製である。ピストン本体１９の頂面は、上記キャビティ部１１を構成するキャビティ面１１’と、上記スキッシュエリア部１２を構成するスキッシュエリア面１２’とを備えている。本実施形態において、断熱層２２は、上記スキッシュエリア面１２’上に設けられており、断熱層２１は、スキッシュエリア面１２’以外の頂面、例えば上記キャビティ面１１’等の頂面に設けられている。

断熱層２１は、図４に示すように、中空粒子３１と、バインダ材（バインダ）３２とを含む層である。

すなわち、断熱層２１は、バインダ材３２と、その中に分散された多数の中空粒子３１とを含む。バインダ材３２は、中空粒子３１をピストン本体１９の頂面に保持するとともに、中空粒子３１間を埋めて断熱層２１の母材を形成する。バインダ材３２は例えばシリコーン系樹脂などの低熱伝導性材料であるとともに、中空粒子３１は、その内部空間に熱伝導性の低い空気を含有する。このため、断熱層２１は低熱伝導性の層になっている。

中空粒子３１としては、シリカバルーン、ガラスバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン、エアロゲルバルーン等のＳｉ系酸化物成分（例えば、シリカ（ＳｉＯ_２））又はＡｌ系酸化物成分（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３））を含有するセラミック系中空粒子を採用することが好ましく、特にガラスバルーンを採用することが好ましい。これにより、断熱層２１の熱伝導性を低くすることができるとともに、その強度も向上させることができる。

なお、中空粒子３１は好ましくは球状である。中空粒子３１の平均粒径は、断熱層２１の断熱性向上の観点から、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上４５μｍ以下、特に好ましくは１５μｍ以上４０μｍ以下である。断熱層２１中における中空粒子３１の含有量は、断熱層２１の断熱性向上の観点から、好ましくは５質量％以上５０質量％以下、より好ましくは１０質量％以上４５質量％以下、特に好ましくは１５質量％以上４０質量％以下である。

バインダ材３２としては、低熱伝導性材料であるシリコーン系樹脂を用いることができ、例えば、メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い３次元ポリマーからなるシリコーン系樹脂を好ましく用いることができる。シリコーン系樹脂の具体例としては、例えばポリアルキルフェニルシロキサンを挙げることができる。これにより、断熱層２１の熱伝導性を低下させることができるとともに、ピストン本体１９の頂面と断熱層２１との優れた密着性を得ることができる。

断熱層２２は、無機酸化物からなる。具体的には例えば、ＺｒＯ_２（ＣａＯやＹ_２Ｏ_３、ＭｇＯなどにより安定化したものを含む）やＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等の無機酸化物であり、特に好ましくはＺｒＯ_２である。このような無機酸化物からなる断熱層２２は、後述するように上記無機酸化物の粉末を溶射すること等により形成することができる。

ここで、本実施形態に係る断熱構造は、ピストン本体１９のスキッシュエリア面には断熱層２２を備え、スキッシュエリア面以外の頂面には断熱層２１を備えていることを特徴とする。

本構成では、上述のごとくノッキングが生じ得るスキッシュエリア面１２’には、耐熱性の高い無機酸化物からなる断熱層２２が形成されている。そして、スキッシュエリア面１２’以外の頂面には、優れた断熱性能を得る観点から、中空粒子３１とバインダ材３２からなる、より断熱性能の高い断熱層２１が形成されている。これにより、ピストン本体１９の頂面全体において高い断熱性能を得つつ、スキッシュエリア面１２’の耐熱性を高めることができ、スキッシュエリア面の断熱層２２に大きなクラックが生じるのを抑えることができる。

なお、断熱層２１の厚さは、優れた断熱性能を得る観点から、好ましくは５０μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは６０μｍ以上１２０μｍ以下、特に好ましくは６０μｍ以上１００μｍ以下である。

また、断熱層２２の厚さは、断熱層２１と同程度の厚さか、又はその半分程度以下であってもよく、好ましくは１５μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以上１２０μｍ以下、特に好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下である。断熱層２２の厚さが断熱層２１の厚さの半分程度以下である場合には、断熱層２２にクラックが生じたときであっても、そのクラックの進行を効果的に抑制することができる。

＜断熱層の形成方法＞
ピストン本体１９と断熱層２１，２２を形成するための断熱材料を準備する。

ピストン本体１９については、その頂面にキャビティ形成用の凹部を形成しておき、脱脂処理により、ピストン本体１９の頂面に付着している油脂や指紋等の汚れを除去する。

また、断熱層２１の断熱材料としてのバインダ材３２としての液状シリコーン樹脂と中空粒子３１としてのガラスバルーンとを攪拌・混合した断熱材料を準備する。必要に応じて、増粘剤や希釈溶剤を添加して断熱材料の粘度を調整する。

さらに、断熱層２２の断熱材料としてのＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）粉末を準備する。

ピストン本体１９と断熱材料、特にシリコーン樹脂との付着力を高めるべく、ピストン本体１９の頂面に粗面化処理を施すことが好ましい。粗面化処理としては、例えばサンドブラスト等のブラスト処理を行うことが好ましい。例えば、ブラスト処理は、エアーブラスト装置を使用し、研削材として粒度＃３０のアルミナを用い、圧力０．３９ＭＰａ、時間４５秒、距離１００ｍｍの処理条件で行うことができる。なお、これに限らず、ピストン本体１９がＡｌ合金からなる場合、アルマイト処理によってピストン本体１９の頂面に微小凹凸を形成するようにしてもよい。例えば、アルマイト処理は、シュウ酸浴を用い、浴温２０℃、電流密度２Ａ／ｄｍ^２、時間２０分の処理条件で行うことができる。

まず、ピストン本体１９のスキッシュエリア面以外の頂面に、例えばマスキングテープや樹脂系のマスキング膜等を用いてマスキングを行った後、スキッシュエリア面に上記ＹＳＺ粉末をプラズマ溶射して、断熱層２２を形成する。このとき、プラズマ溶射条件の調整によって多孔質で低熱伝導率且つ耐熱性の高い断熱層２２を得ることができる。

次に、上記マスキングを取り除き、断熱層２２が形成されたスキッシュエリア面上に新たにマスキングを施す。そして、上記シリコーン樹脂と中空粒子３１とを撹拌・混合した断熱材料を、ピストン本体１９のスキッシュエリア面以外の頂面にスプレーや刷毛等を用いて塗布する。続いて、熱風乾燥、赤外線ヒータ等により、塗布された断熱材料の予備乾燥を行う。

そして、必要に応じて、当該塗布と予備乾燥を繰り返し（重ね塗り）、所望の塗布厚さにする。

次に、スキッシュエリア面以外の頂面に塗布された断熱材料に対して、例えば、１８０℃前後の温度で数時間ないし数十時間の加熱処理を行う。これにより、シリコーン樹脂（バインダ）が硬化して、多数の中空粒子３１が密に充填され、それら粒子間がバインダ材３２で埋まった断熱層２１が得られる。また、スキッシュエリア面上に施されたマスキングも焼失する。

また、断熱材料の塗布方法の一形態として、ピストン本体１９のスキッシュエリア面以外の頂面に断熱材料を載せ、その頂面形状に倣った成形面を有する成形型によって断熱材料を上記頂面に押し付けて頂面全体に拡げてもよい。なお、この方法によれば、成形中に成形型を加熱することにより、断熱層２１の焼成も同時に行うことができる。これにより、断熱層２１の製造工程を簡略化することができる。また、断熱層２１の焼成を同時に行う場合には、ピストン本体１９を、例えばピストンスカートの内側から水冷又は空冷する等の方法によって冷却する構成とすることができる。これにより、断熱層２１とピストン本体１９の頂面との密着性を向上させることができる。

本発明は、ピストン本体頂面のスキッシュエリア面に断熱層を形成しつつ、当該断熱層に大きなクラックが発生するのを防止し、断熱層の損傷・剥離を抑えることができるので、極めて有用である。

１ピストン
１１’ キャビティ面
１２’ スキッシュエリア面
１９ピストン本体
２１断熱層
２２断熱層
３１中空粒子
３２バインダ材（バインダ）
Ｅエンジン

Claims

エンジンの燃焼室を区画するピストン本体の頂面に断熱層が設けられたエンジン燃焼室の断熱構造であって、
上記ピストン本体の頂面は、上記燃焼室のスキッシュエリアを形成するスキッシュエリア面を備えており、
上記スキッシュエリア面に形成された断熱層は、無機酸化物としてのＺｒＯ _２を含み、
上記ピストン本体の頂面における上記スキッシュエリア面以外の頂面に形成された断熱層は、多数の中空粒子と、該中空粒子を上記ピストン本体の頂面に保持するとともに上記中空粒子間を埋めて上記断熱層の母材を形成するバインダとを含み、
上記スキッシュエリア面に形成された断熱層の厚さは、１５μｍ以上１５０μｍ以下であるとともに、上記スキッシュエリア面以外の頂面に形成された断熱層の厚さの半分以下である
ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。
請求項１において、
上記バインダは、シリコーン系樹脂である
ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。
請求項１又は請求項２において、
上記中空粒子は、ガラスバルーンである
ことを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。