JP7077902B2

JP7077902B2 - 内燃機関

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Publication number: JP7077902B2
Application number: JP2018186704A
Authority: JP
Inventors: 英男山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2038-10-01
Also published as: CN110966112B; DE102019121240B4; JP2020056347A; CN110966112A; US10711730B2; US20200102905A1; DE102019121240A1

Description

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

特開２０１５－０３１２２６号公報は、断熱膜を備える内燃機関を開示する。断熱膜は、燃焼室を構成するアルミニウム系の壁面に形成されている。断熱膜は、アルマイト層と、封止層とを有している。アルマイト層は、アルミニウム系の壁面の陽極酸化処理により形成される。アルマイト層の表面は、陽極酸化処理中に形成されたミクロ孔を有している。封止層は、ミクロ孔の入口部を封止する封止剤から構成されている。封止剤は、ポリシラザンまたはポリシロキサンである。

特開２０１５－０３１２２６号公報

内燃機関は、様々な運転モードで運転される。特定の運転モード（例えば、冷間時の間欠運転、アイドル運転）の多用は、デポジットの生成を促進する。断熱膜の表面で生成したデポジットが膜表面の広い範囲に堆積すると、断熱膜による作用が阻害される。したがって、断熱作用による効果を継続的に発揮させるには、膜表面上でデポジットが生成するのを抑えるための工夫が必要となる。

本発明の１つの目的は、燃焼室を構成する壁面に断熱膜が形成される内燃機関において、膜表面上でデポジットが生成するのを抑えることにある。

第１の発明は、内燃機関であり、次の特徴を有する。
前記内燃機関の燃焼室を構成する壁面には、断熱膜が形成される。
前記断熱膜は、断熱層と、撥油層とを備える。
前記断熱層は、前記壁面に形成される。
前記断熱層は、前記燃焼室の母材よりも低い熱伝導率を有する材料から構成される。
前記撥油層は、前記断熱層の表面に形成される。
前記撥油層は、ポリアルコキシシロキサンから構成される。
前記撥油層のエンジンオイルに対する接触角は、４０度以上である。
前記壁面は、ピストンの頂面およびシリンダヘッドの底面である。
前記断熱膜は、第２断熱膜と、第１断熱膜とを備えている。
前記第１断熱膜は、前記頂面に形成される。
前記第２断熱膜は、前記底面に形成される。
第１接触角は、第２接触角よりも大きい。
前記第１接触角は、前記第１断熱膜が備える第１撥油層のエンジンオイルに対する接触角である。
前記第２接触角は、前記第２断熱膜が備える第２撥油層のエンジンオイルに対する接触角である。

第２の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
前記第１撥油層の熱容量が、前記第１断熱膜が備える前記断熱層の熱容量以下であり、前記第２撥油層の熱容量が、前記第２断熱膜が備える前記断熱層の熱容量以下である。

燃焼室に流入したエンジンオイルが固化すると、デポジットが生成される。この点、第１の発明によれば、断熱膜の表面が撥油層で構成されるため、撥油層上でエンジンオイルが固化するのを抑えることが可能となる。したがって、断熱膜の表面上でデポジットが生成するのを抑えることが可能となる。
燃焼室に流入したエンジンオイルの多くは、底面よりも頂面に存在する。この理由は、エンジンオイルの主たる流入原因が、ピストンの上下動であるためである。この点、第１の発明によれば、第１断熱膜が備える第１撥油層のエンジンオイルに対する接触角である第１接触角が第２断熱膜が備える第２撥油層のエンジンオイルに対する接触角である第２接触角よりも大きいため、ピストンの頂面に形成される第１断熱膜の表面上でエンジンオイルが固化するのを適切に抑えることが可能となる。

撥油層の熱容量が高いと、断熱膜の表面が定常的に高温化する。そうすると、燃焼室に吸入された空気（吸気）が加熱されて、異常燃焼が生じ易くなる。この点、第２の発明によれば、第１及び第２断熱膜のそれぞれにおいて撥油層の熱容量が断熱層の熱容量以下であるため、このような弊害の発生を抑えることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るエンジンの主要部の構成を説明する図である。断熱膜の構成の一例を示す図である。撥油層上に堆積するデポジットの量と、接触角θとの関係を示すデータである。撥油層上に堆積するデポジットの量と、表面粗度Ｒａとの関係を示すデータである。本発明の実施の形態２に係るエンジンの主要部の構成を説明する図である。本発明の実施の形態３に係るエンジンの主要部の構成を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
先ず、図１乃至図４を参照して本発明の実施の形態１について説明する。

１．内燃機関（以下、単に「エンジン」ともいう。）の説明
１．１主要部の構成の説明
実施の形態１に係るエンジンは、車両に搭載される火花点火式または圧縮自着火式のエンジンである。図１は、実施の形態１に係るエンジンの主要部の構成を説明する図である。図１に示すエンジン１０は、燃焼室１２を備えている。燃焼室１２は、シリンダヘッドの底面１４と、シリンダボアの表面１６と、ピストンの頂面１８と、により区画される空間である。底面１４、表面１６および頂面１８は、燃焼室１２を構成する壁面と総称される。燃焼室１２には、点火装置２０が取り付けられている。点火装置２０は、燃焼室１２内の混合気に着火する。

図１に示す主要部の構成は、火花点火式エンジンのものである。実施の形態１に係るエンジンが圧縮自着火のエンジンから構成される場合、その燃焼室を構成する壁面は、燃焼室１２を構成する壁面の定義と同じように定義される。

１．２断熱膜の構成の説明
エンジン１０は、断熱膜３０を備えている。断熱膜３０は、頂面１８に形成されている。図２は、断熱膜３０の構成の一例を示す図である。図２に示すように、断熱膜３０は、断熱層３２を備えている。断熱層３２は、頂面１８の陽極酸化処理により形成される多孔質アルミナ（すなわち、アルマイト）から構成される。断熱層３２は、２種類の気孔部３４および３６を有している。これらの気孔部は、陽極酸化処理中に形成される。気孔部３４は、断熱層３２の内部に形成される。気孔部３６は、断熱層３２の表面に形成される。これらの気孔部により、アルマイトは、ピストンの母材（具体的には、アルミニウム合金）よりも低い熱伝導率を示す。

断熱膜３０が備える断熱層は、多孔質セラミックスから構成されてもよい。多孔質セラミックスは、溶射処理または焼成処理により形成される。溶射処理では、ジルコニア、アルミナ、チタニアといったセラミックスの粉末、または、サーメット、ムライト、コージライト、ステアタイトなどの複合セラミックスの粉末が、溶融状態で頂面１８に噴き付けられる。焼成処理では、上述した粉末を含むスラリーが頂面１８に塗布され、その後、焼き固められる。なお、気孔部３４および３６は、アルマイトに特有のものである。そのため、多孔質セラミックスから断熱層が構成される場合、気孔部３４および３６は形成されない。多孔質セラミックスは、母材よりも低い熱伝導率を示す。

断熱膜３０は、撥油層３８を更に備えている。撥油層３８は、断熱層３２の表面に形成される。撥油層３８は、ポリアルコキシシロキサンから構成される。撥油層３８に好適なポリアルコキシシロキサンについては後述する。撥油層３８は、気孔部３６の開口を封止している。撥油層３８の一部は、気孔部３６の途中まで入り込んでいる。撥油層３８が気孔部３６の途中まで入りこむことで、撥油層３８が断熱層３２と強固に結合される（アンカー効果）。ポリアルコキシシロキサンは、母材よりも低い熱伝導率を示す。

２撥油層３８の詳細
２．１ポリアルコキシシロキサン
撥油層３８を構成するポリアルコキシシロキサンは、シロキサン骨格の側鎖にアルキル基Ｒが導入されたシリコーンポリマーである。ポリアルコキシシロキサンの一般式は、次の通りである。
ＯＨ－（－ＳｉＲ１Ｒ２Ｏ）ｎ－Ｈ・・・（１）
式（１）のアルキル基Ｒ１およびＲ２としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ビニル基、フェニル基、長鎖アルキル基が例示される。ただし、アルキル基Ｒの分子量が大きくなると、撥油層３８の親油性が高くなる（つまり、撥油性が下がる）。そのため、アルキル基Ｒ１およびＲ２は、その分子量が小さいことが好ましい。アルキル基Ｒ１およびＲ２は、メチル基、エチル基またはプロピル基であることが好ましく、両者ともにメチル基であることがより好ましい。

２．２撥油層３８の接触角θ_３８
撥油層３８のエンジンオイルに対する接触角θ_３８は、４０度以上である。エンジンオイルは、エンジン１０の潤滑油である。エンジンオイルは、ピストンの上下動に伴い燃焼室１２内に流入することがある。燃焼室１２に流入したエンジンオイルが固化すると、デポジットが生成される。接触角θ_３８は、一般的な測定手法（例えば、θ／２法、接線法、カーブフィッティング法）で測定される。接触角θ_３８は、動的接触角でもよい。

２．３撥油層３８の熱容量Ｃ_３８
撥油層３８の熱容量Ｃ_３８は、断熱層３２の熱容量Ｃ_３２以下であることが望ましい。熱容量Ｃ_３８が高いと、断熱膜３０の表面が定常的に高温化する。そうすると、燃焼室１２に吸入された空気が加熱されて、異常燃焼が生じ易くなる。この点、熱容量Ｃ_３８が熱容量Ｃ_３２以下であれば、このような弊害の発生を抑えることが可能となる。熱容量Ｃ_３８は、熱容量Ｃ_３２よりも低いことが好ましい。熱容量Ｃ_３８が熱容量Ｃ_３２よりも低ければ、この抑制効果を高めることが可能となる。なお、熱容量Ｃの大小関係の調整は、撥油層３８の体積を増減することにより実現できる。撥油層３８の体積は、ポリアルコキシシロキサンの重量を増減することにより実現できる。

３．実験データの説明
図３は、撥油層上に堆積するデポジットの量と、接触角θとの関係を示すデータである。図３に示す接触角θは、次のように測定された。先ず、各種のシリコン系コーティング材を用いて、撥油膜のサンプルが準備された。続いて、これらのサンプルのそれぞれに、ノズルからエンジンオイルを滴下した。接触角θの測定は、２５℃の環境温度下で行われた。デポジットの堆積量は、接触角θが測定されたサンプルと同じコーティング材からそれぞれ形成された撥油層を用いて測定された。

図３から、接触角θが４０度（より正確には、３２度）未満の撥油層が形成されたエンジンでは、撥油層上にデポジットが多く堆積したことが分かる。なお、接触角θ＝３２度のデータは、ポリシラザンから形成された撥油層のものである。また、図３から、接触角θが４０度（より正確には、４２度および５１度）以上の撥油層が形成されたエンジンでは、デポジットの堆積が抑えられたことも分かる。なお、接触角θ＝４２度および５１度のデータは、ポリジメチルシロキサンから形成された撥油層のものである。

図３に示したデータの傾向は、エンジンオイルに対する接触角θが４０度以上の撥油層を用いると、断熱膜上でのデポジットの生成を抑制できる可能性を示している。この理由は、燃焼室内に流入したエンジンオイルが、撥油層上で固化するのを抑えることができたためであると推測される。

図４は、撥油層上に堆積するデポジットの量と、表面粗度Ｒａとの関係を示すデータである。図４に示す表面粗度Ｒａは、撥油層のない断熱膜（つまり、断熱層のみを有する膜）の表面を研磨することで調整された。デポジットの堆積量は、表面粗度Ｒａが測定された断熱膜を用いて測定された。

図４から、表面粗度Ｒａが小さくなるほど、デポジットの堆積量が減少することが分かる。ただし、表面粗度Ｒａが１μｍ未満の断熱膜を用いた場合であっても、デポジットが一定量堆積することも分かる。

図４に示したデータの傾向は、断熱膜の表面粗度Ｒａを小さくするだけでは、断熱作用による効果を継続的に発揮させるには至らないことを示している。

４．断熱膜３０による効果
実施の形態１に係るエンジンによれば、断熱膜上でのデポジットの生成を抑制できる。したがって、断熱作用による効果を継続的に発揮させることが可能となる。また、熱容量Ｃ_３８が熱容量Ｃ_３２以下であれば、燃焼室に吸入された空気の加熱を抑制して、異常燃焼の発生を抑えることができる。

実施の形態２．
次に、図５を参照して本発明の実施の形態２について説明する。なお、上記実施の形態１と重複する説明については適宜省略する。

１．エンジンの説明
図５は、実施の形態２に係るエンジンの主要部の構成を説明する図である。図５に示すエンジン４０は、断熱膜３０に加えて断熱膜５０を備えている。断熱膜５０は、底面１４に形成されている。断熱膜５０の構成は、断熱膜３０の構成と同一である。すなわち、断熱膜５０は、断熱層５２および撥油層５８を備えている。断熱層５２は、アルマイトから構成される。撥油層５８は、ポリアルコキシシロキサンから構成される。撥油層５８のエンジンオイルに対する接触角θ_５８は、４０度以上である。

２．接触角θ_５８と接触角θ_３８の大小関係
接触角θ_５８は、接触角θ_３８以下であることが望ましい。つまり、接触角θ_３８は、接触角θ_５８以上であることが望ましい。燃焼室１２に流入したエンジンオイルの多くは、底面１４よりも頂面に存在する。この理由は、エンジンオイルの主たる流入原因が、ピストンの上下動であるためである。この点、接触角θ_３８が接触角θ_５８以上であれば、エンジンオイルが撥油層３８上で固化するのを適切に抑えることが可能となる。接触角θ_５８が接触角θ_３８よりも小さければ、この抑制効果を高めることが可能となる。なお、接触角θの大小関係の調整は、異なるポリアルコキシシロキサンから撥油層３８および５８を構成すれば実現できる。

３．断熱膜による効果
実施の形態２に係るエンジンによれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、接触角θ_３８が接触角θ_５８以上であれば、エンジンオイルが撥油層３８上で固化するのを適切に抑えることが可能になる。

実施の形態３．
次に、図６を参照して本発明の実施の形態３について説明する。なお、上記実施の形態１および２と重複する説明については適宜省略する。

１．エンジンの説明
図６は、実施の形態３に係るエンジンの主要部の構成を説明する図である。図６に示すエンジン６０は、断熱膜３０および５０に加えて断熱膜７０を備えている。断熱膜７０は、表面１６に形成されている。断熱膜７０の構成は、断熱膜３０の構成と同一である。すなわち、断熱膜７０は、断熱層７２および撥油層７８を備えている。断熱層７２は、アルマイトから構成される。撥油層７８は、ポリアルコキシシロキサンから構成される。撥油層７８のエンジンオイルに対する接触角θ_７８は、４０度以上である。

２．断熱膜による効果
実施の形態３に係るエンジンによれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

その他の実施の形態．
上記実施の形態１～３では、断熱膜３０を備えるエンジンを前提として説明した。しかしながら、断熱膜３０を備えていないエンジンも、本発明の実施の形態に係るエンジンに含まれる。すなわち、断熱膜５０のみを備えるエンジン、断熱膜７０のみを備えるエンジン、または、断熱膜５０および７０を備えるエンジンは、本発明の実施の形態に係るエンジンに含まれる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０、４０、６０内燃機関
１２燃焼室
１４シリンダヘッドの底面
１６シリンダボアの表面
１８ピストンの頂面
３０、５０、７０断熱膜
３２、５２、７２断熱層
３４、３６気孔部
３８、５８，７８撥油層

Claims

燃焼室を構成する壁面に断熱膜が形成される内燃機関であって、
前記断熱膜は、
前記壁面に形成され、前記燃焼室の母材よりも低い熱伝導率を有する材料から構成される断熱層と、
前記断熱層の表面に形成された撥油層と、を備え、
前記撥油層は、ポリアルコキシシロキサンから構成され、
前記撥油層のエンジンオイルに対する接触角が４０度以上であり、
前記壁面は、ピストンの頂面およびシリンダヘッドの底面であり、
前記断熱膜は、
前記頂面に形成される第１断熱膜と、
前記底面に形成される第２断熱膜と、を備え、
前記第１断熱膜が備える第１撥油層のエンジンオイルに対する接触角である第１接触角が、前記第２断熱膜が備える第２撥油層のエンジンオイルに対する接触角である第２接触角よりも大きい
ことを特徴とする内燃機関。
前記第１撥油層の熱容量が、前記第１断熱膜が備える前記断熱層の熱容量以下であり、前記第２撥油層の熱容量が、前記第２断熱膜が備える前記断熱層の熱容量以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。