(57)【要約】【課題】エンジンの燃焼室に断熱層が設けられた断熱構造において、その断熱層の熱応力及び機械的衝撃の応力等に対する耐久性を向上する。【解決手段】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エンジン部品の表面に断熱層１０が設けられた構造であって、断熱層１０は、無機酸化物粒子１４を含み、断熱層１０の端部は、耐熱性樹脂をさらに含み、断熱層１０の端部の厚さは、漸次薄くなっている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室を区画するエンジン部品の表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、
前記断熱層は、無機酸化物粒子を含み、
前記断熱層の端部は、耐熱性樹脂をさらに含み、
前記断熱層の端部の厚さは、漸次薄くなっていることを特徴とするエンジン燃焼室の断熱構造。
【請求項２】
前記断熱層は、ピストンの頂面に形成され、
前記ピストンの頂面の周縁部には、前記ピストンの径方向外側に向かうに従って前記頂面がシリンダヘッド方向に立ち上がる傾斜面が形成され、
前記断熱層の端部の厚さは、前記ピストンの頂面における傾斜面に対応して漸次薄くなっていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。
【請求項３】
前記断熱層は、前記ピストンの外周面におけるトップランド部に形成され、
前記トップランド部には、トップランド溝方向に向かうに従って前記ピストンの径が大きくなる傾斜面が形成され、
前記断熱層の端部の厚さは、前記トップランド部における傾斜面に対応して漸次薄くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。
【請求項４】
前記断熱層は、前記ピストンの頂面と外周面との境界で分離されていることを特徴とする請求項３に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。
【請求項５】
前記断熱層は、前記シリンダヘッドの燃焼室面に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。
【請求項６】
前記無機酸化物粒子は、中空状又は中実状であり、ジルコニア含有酸化物、シリカ含有酸化物及びアルミナから選択される少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。
【請求項７】
前記耐熱性樹脂は、シリコン系樹脂又はポリイミドアミド系樹脂を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室の断熱構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの燃焼室における断熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
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には、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、エンジンの燃焼室の壁面をジルコニア等の低熱伝導性の無機酸化物を溶射法により被覆して断熱することが知られている。
【０００３】
また、特許文献１には、ピストンの頂面の全面とその外周面の上部とに連続的に断熱層が設けられた構造が開示されている。
【０００４】
この他に、特許文献２には、ピストンの頂面の外周縁部を除く部分に窪部を設け、該窪部内に、所定の厚さの断熱層であるセラミック被覆層を設けた構造が開示されている。このような構造にすることにより、特許文献１のようにピストンの頂面全体に断熱層を設けた場合と異なり、断熱層の周縁部における熱応力等による剥離等を防止でき、また、熱応力及び熱疲労等に起因する断熱層の破壊の問題を解決できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２５５５５２号公報
【特許文献２】特開昭６１−１３２７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、断熱層の剥離及びクラックのうち、特に断熱層の端部を基点とするものを防止するために、断熱層の端部をテーパ状にすることが考えられる。このようにすると、断熱層の端部におけるピストン側の面と外部側の面との温度差による応力等を抑制でき、その結果、断熱層の端部を基点とする剥離等を防止できると考えられる。しかしながら、そのようにすると、断熱層の端部が薄くなっているため、その部分が、燃焼室内の圧力及び温度の変動に加えて、ピストンの頂面の周縁部とシリンダライナーとの干渉による機械的衝撃の応力によって、剥離するおそれがある。
【０００７】
また、ピストンの頂面だけでなく、外周面上部のトップランド部にも断熱層を設けた場合では、その部分に、トップリング溝の上面（シリンダヘッド側の面）とトップリングの上面（シリンダヘッド側の面）とが干渉することによる機械的衝撃による応力が伝わり、トップリング溝の近傍において断熱層にクラック及び剥離が生じるおそれもある。
【０００８】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの燃焼室に断熱層が設けられた断熱構造において、その断熱層の熱応力及び機械的衝撃の応力等に対する耐久性を向上して、クラック及び剥離の発生を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明は、エンジン燃焼室の断熱構造において、エンジン部品の表面に設けられた断熱層の端部の厚さが漸次薄くなり、その部分が耐熱性樹脂を含む構成とした。
【００１０】
具体的に、本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造では、エンジンの燃焼室を区画するエンジン部品の表面に断熱層が設けられ、断熱層は、無機酸化物粒子を含み、断熱層の端部は、耐熱性樹脂をさらに含み、断熱層の端部の厚さは、漸次薄くなっている。
【００１１】
本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造によると、断熱層が無機酸化物粒子を含むため、熱伝導率が低い断熱層を形成できる。また、断熱層の端部が漸次薄くなるように形成されているため、断熱層の端部における熱応力の集中を抑制することができるので、断熱層の端部が熱応力に起因するクラック及び剥離の起点となることを防止できる。また、断熱層の端部は他の部分よりも厚さが薄いものの耐熱性樹脂を含むため、熱応力に加え機械的衝撃による応力に対する耐性をも向上できる。その結果、断熱層の端部が熱応力及び機械的衝撃の応力に起因するクラック及び剥離の起点となることを防止できる。
【００１２】
本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造において、断熱層は、ピストンの頂面に形成され、ピストンの頂面の周縁部には、ピストンの径方向外側に向かうに従って頂面がシリンダヘッド方向に立ち上がる傾斜面が形成され、断熱層の端部の厚さは、ピストンの頂面における傾斜面に対応して漸次薄くなっていることが好ましい。
【００１３】
このようにすると、エンジン燃焼室の底面を構成するピストン頂面の周縁部に形成された断熱層の熱応力及び機械的衝撃による応力に対する耐性を向上でき、断熱層の端部におけるクラックの発生及び剥離を防止することができる。
【００１４】
本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造において、断熱層は、ピストンの外周面におけるトップランド部に形成され、トップランド部には、トップリング溝方向に向かうに従ってピストンの径が大きくなる傾斜面が形成され、断熱層の端部の厚さは、トップランド部における傾斜面に対応して漸次薄くなっていることが好ましい。
【００１５】
エンジン燃焼ガスは、ピストンの頂面側のみならず、ピストンの外周面におけるトップランド部側にまで入り込むため、上記のようにピストンのトップランド部にも断熱層を設けることが望ましい。また、本発明ではトップランド部に、トップランド溝方向に向かうに従ってピストンの径が大きくなる傾斜面が形成され、断熱層の端部の厚さは、トップランド部における傾斜面に対応して漸次薄くなっている。さらに、その断熱層の端部は耐熱性樹脂を含むため、断熱層の端部において、熱応力、及びトップリング溝の上面（シリンダヘッド側の面）とトップリングの上面（シリンダヘッド側の面）との干渉により生じるトップランド部に対する機械的衝撃の応力に対する耐性を向上できる。その結果、トップランド部における断熱層の端部におけるクラックの発生及び剥離を防止できる。さらに、傾斜面はトップリング溝方向に向かうに従ってピストンの径が大きくなるように形成されているため、断熱層がシリンダライナー等との干渉により、トップリング溝内に噛み込まれる問題も防ぐことができる。
【００１６】
なお、このような構成のとき、断熱層は、ピストンの頂面と外周面との境界で分離されていることが好ましい。
【００１７】
このようにすると、ピストンの頂面と外周面との境界部分はシリンダライナーとの干渉等を受けるため、断熱層をピストンの頂面と外周面との境界で分離することにより、この部分における断熱層の剥離及びクラックの発生を防止できる。
【００１８】
本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造において、断熱層は、シリンダヘッドの燃焼室面に形成されていてもよい。
【００１９】
このようにすると、燃焼室の底面側、すなわちピストン頂面側だけでなく、天井面、すなわちピストン頂面と対向する面も断熱でき、断熱性能を向上できる。
【００２０】
本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造において、無機酸化物粒子は、中空状又は中実状であり、ジルコニア含有酸化物、シリカ含有酸化物及びアルミナから選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。断熱層がこのような材料を具備すると、断熱層の熱伝導率を低減できるため、燃焼室における冷却損失を低減できる。
【００２１】
本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造において、耐熱性樹脂は、シリコン系樹脂又はポリイミドアミド系樹脂を含むことが好ましい。断熱層の端部にこのような樹脂を具備すると、厚みが薄い断熱層の強度の向上に有利であり、機械的衝撃の応力に対する耐性を向上できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るエンジン燃焼室の断熱構造によると、熱応力により断熱層の端部がクラック及び剥離の起点となることを防止できると共に、機械的衝撃による応力に対する耐性を向上でき、機械的衝撃の応力により断熱層の端部がクラック及び剥離の起点となることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジン構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室におけるピストンの断熱構造の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室におけるピストンの断熱構造の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るエンジン燃焼室の断熱構造に用いられる断熱層を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。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、その適用方法或いはその用途を制限することを意図するものでない。
【００２５】
本実施形態は、エンジン燃焼室の断熱構造を図１に示すエンジンに採用したものである。
【００２６】
＜エンジンの特徴＞
図１において、符号１はピストン、符号２はシリンダブロック、符号３はシリンダヘッド、符号４はシリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気バルブ、符号６は排気ポート７を開閉する排気バルブ、符号８は燃料噴射弁である。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２、シリンダヘッド３、吸排気バルブ４，６のバルブヘッド面（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９が形成されている。なお、点火プラグの図示は省略している。また、ピストンの外周面には、トップリング（図示せず）が嵌められるトップリング溝１１が形成されている。ピストンの外周面におけるトップリング溝１１よりも上部のトップランド部を符号１２で示している。
【００２７】
ところで、エンジンの熱効率は、理論的に幾何学的圧縮比を高めるほど、また、作動ガスの空気過剰率を大きくするほど、高くなることが知られている。しかし、実際には、圧縮比を大きくするほど、また、空気過剰率を大きくするほど、冷却損失が大きくなるため、圧縮比及び空気過剰率の増大による熱効率の改善は頭打ちになる。
【００２８】
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する。このため、エンジン燃焼室を構成するエンジン部品の表面には、エンジン部品の金属製母材よりも熱伝導率が低い材料からなる断熱層が形成された断熱構造が採用される。
【００２９】
＜断熱構造＞
そこで、以下では、本実施形態に係る断熱構造について説明する。
【００３０】
図２は、エンジンの燃焼室を区画するエンジン部品の一つであるピストン１に断熱層が設けられた断熱構造を示す。ここで、当該実施形態のエンジンはピストンが鉛直方向に往復動するものであり、以下の説明において、「上方」とはピストンからシリンダヘッド側に向かう方向を意味する。ここでは、それを「シリンダヘッド方向」ともいう。また、「下方」とは、ピストンのトップランドからトップリング溝側に向かう方向を意味する。ここでは、それを「トップリング溝方向」ともいう。
【００３１】
ピストン１において、その頂面に断熱層１０が形成されている。なお、ピストン１の頂面とは、キャビティ９の底面及び壁面を含む。また、ピストン１の頂面の周縁部には、径方向外側に向かって上方（シリンダヘッド方向）に立ち上がる傾斜面１３ａが形成されており、その傾斜面１３ａ上に断熱層１０の端部が位置する。断熱層１０の端部におけるピストン１と接する側の面はその傾斜面１３ａに対応して傾斜されているため、断熱層１０の厚さが漸次薄くなっている。すなわち、断熱層１０の端部は、テーパ状に形成されている。
【００３２】
このような構成により、断熱層１０の端部において、ピストンと接する面と外側の面との間の温度差を低減できて熱応力を低減できるため、熱応力によってその端部が起点となるクラック及び剥離の発生を防止できる。
【００３３】
さらに、断熱層１０は、ピストン１の外周面におけるトップリング溝１１よりも上側の部分であるトップランド部１２にも設けられている。ここで、トップランド部の上端部及び下端部には、それぞれ上方及び下方（トップランド溝方向）に向かってピストン１の径が大きくなる傾斜面１３ｂが形成されており、その傾斜面１３ｂ上に断熱層１０の端部が位置する。トップランド部１２の上端部及び下端部において、断熱層１０の端部におけるピストン１と接する側の面はそれらの傾斜面１３ｂに対応して傾斜されているため、断熱層１０の厚さが漸次薄くなっている。すなわち、ピストン１の頂面における断熱層１０と同様に、トップランド部１２における断熱層１０の端部もテーパ状に形成されている。
【００３４】
このような構成により、上記と同様に、断熱層１０の端部における熱応力を低減でき、熱応力によってその端部が起点となるクラック及び剥離の発生を防止できる。さらに、トップランド部１２の下端部に形成された断熱層１０の端部は、トップランド部１２に形成された下方に向かうに従ってピストン１の径が大きくなる傾斜面１３ｂ上に位置するため、断熱層１０がシリンダライナー等との干渉により、その下方のトップリング溝１１内に噛み込まれることを防止できる。
【００３５】
また、図２に示す断熱構造では、断熱層１０の端部がピストン１の頂面の周縁部、並びにトップランドの上端部及び下端部に位置し、断熱層１０は、ピストン１の頂面と外周面（トップランド部１２）との境界で分離されている。このため、その部分におけるシリンダライナーとの摩擦等による断熱層１０の剥離及びクラックの発生を防止できる。
【００３６】
但し、図２のような構成に限られず、図３に示すように、ピストン１の頂面からトップランド部１２にまで断熱層１０が連続して設けられていてもよい。この場合、トップランド部１２の下端部には、下方に向かってピストン１の径が大きくなる傾斜面１３ｂが形成されており、その傾斜面１３ｂ上に断熱層１０の端部が位置する。断熱層１０の端部におけるピストン１と接する側の面は、その傾斜面１３ｂに対応して傾斜されているため、断熱層１０の厚さが漸次薄くなっている。すなわち、ピストン１の頂面における断熱層１０と同様に、トップランド部１２における断熱層１０の端部もテーパ状に形成されている。これにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
また、このとき、ピストン１において、その頂面と外周面（トップランド部１２）との境界は、面取りがなされていることが好ましい。このようにして平面部を増やすことにより、上記のようにピストン１とシリンダライナーとの間の摩擦等で、ピストン１の頂面とトップランド部１２との境界における断熱層１０にクラック及び剥離等が生じることを防ぐことができる。
【００３８】
＜断熱層の構造＞
次に、本実施形態に係る断熱構造において用いられる断熱層について図４を参照しながら説明する。ここでは、特に、ピストン１の頂面に形成された断熱層１０について説明する。
【００３９】
断熱層１０は、ピストン１の金属製母材よりも熱伝導率が小さい材料からなる。例えば、ピストン１がアルミ合金からなる場合、断熱層１０はそれよりも熱伝導率が小さいジルコニア等の材料を用いることができる。また、図４に示すように、断熱層１０は、その熱伝導率をより低減するために、中空状の無機酸化物粒子１４を含んでいる。無機酸化物粒子１４として、例えばジルコニア含有酸化物、シリカ含有酸化物及びアルミナ等を含むことができる。具体的に、中空状の無機酸化物粒子１４としては、アルミナバブル、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のセラミック系中空粒子、その他の無機系中空粒子を用いることができる。なお、各々の材質及び粒径は表１の通りである。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
例えば、フライアッシュの化学組成は、ＳｉＯ２；４０．１〜７４．４％、Ａｌ２Ｏ３；１５．７〜３５．２％、Ｆｅ２Ｏ３；１．４〜１７．５％、ＭｇＯ；０．２〜７．４％、ＣａＯ；０．３〜１０．１％（以上は質量％）である。シラスバルーンの化学組成は、ＳｉＯ２；７５〜７７％、Ａｌ２Ｏ３；１２〜１４％、Ｆｅ２Ｏ３；１〜２％、Ｎａ２Ｏ；３〜４％、Ｋ２Ｏ；２〜４％、IgLoss；２〜５％（以上は質量％）である。
【００４２】
なお、本実施形態において、断熱層１０は、中空状の無機酸化物粒子の代わりに中実状の無機酸化物粒子を含んでいてもよく、それらの両方を含んでいても構わない。空気を含む中空状の粒子を用いることで、熱伝導率を低減することができ、中実状の粒子を用いることで、中空状の粒子を用いるよりも機械的衝撃の応力等の耐性を向上できる。このため、ピストン１の頂面に設けられた断熱層１０と、トップランド部１２に設けられた断熱層１０とで中空状の粒子と中実状の粒子との含有率を調整することにより、それぞれの熱伝導率及び機械的衝撃の応力等の耐性を調整できる。例えば、トップランド部１２は、シリコンライナー等との干渉により機械的衝撃の応力等をその頂面よりも多く受けるため、中実状の粒子をより多く含ませることによって、その応力に対する耐性を向上できる。
【００４３】
また、本実施形態において、断熱層１０の端部には、耐熱性樹脂が含浸されている（符号１０ｂで示す）。耐熱性樹脂としては、例えばシリコン系樹脂又はポリイミド系樹脂等を用いることができる。テーパ状の断熱層１０の端部１０ｂは、他の部分１０ａよりも厚さが薄いものの、その端部１０ｂは耐熱性樹脂を含むため、強度が向上し、熱応力及び機械的衝撃の応力等によりクラック及び剥離を防止することができる。
【００４４】
ここでは、ピストン１の頂面に形成された断熱層１０について説明したが、トップランド部１２に形成された断熱層１０も同様に、その端部に耐熱性樹脂が含浸されることにより、上記と同様の効果を生じることができる。また、図４では傾斜面１３ａ上の断熱層１０にのみ樹脂が含まれているが、断熱層１０の熱伝導率に不利にならない範囲で、その近傍にも樹脂が含まれていてもよい。
【００４５】
本実施形態では、燃焼室を区画するエンジン部品としてピストン１における断熱構造について説明したが、例えば、シリンダヘッド３の燃焼室を区画する燃焼室面に上記断熱層１０が設けられてもよい。このとき、断熱層１０の端部は、例えば吸気ポート５及び排気ポート７の周縁部に位置し、ピストン１の場合と同様に、その周縁部に傾斜面を設けて、断熱層１０の端部がテーパ状に形成されていることが好ましい。このようにすることで、冷却損失の低減できると共に、シリンダヘッド３における断熱層１０の熱応力及び機械的衝撃の応力に対する耐性を向上できる。
【００４６】
本実施形態では、断熱層１０の端部が位置するエンジン部品の母材は、上記の通り傾斜面１３ａ，１３ｂを有し、その傾斜面１３ａ，１３ｂの傾斜角は、緩やかな角度であることが好ましく、具体的には４５°以下であることが好ましい。このような角度にすることで、断熱層１０の端部における応力集中を緩和し、その部分が起点となる剥離を防止できる。
【符号の説明】
【００４７】
１  ピストン
２  シリンダブロック
３  シリンダヘッド
４  吸気バルブ
５  吸気ポート
６  排気バルブ
７  排気ポート
８  燃料噴射弁
９  キャビティ
１０  断熱層
１１  トップリング溝
１２  トップランド部
１３ａ  （ピストンの頂面の）傾斜面
１３ｂ  （トップランド部の）傾斜面
１４  無機酸化物粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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