(57)【要約】  エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させるための断熱部材、及びエンジン燃焼室構造を提供する。断熱部材１は、基板５と、断熱多孔質層３と、表面緻密層２と、を含む。基板５、断熱多孔質層３、表面緻密層２は、セラミックスにより形成されている。表面緻密層２は、気孔率が５％以下である。また、断熱多孔質層３は、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。基板５は、自立して存在するに十分な機械的強度を有する。断熱部材１は、ピストン１４にねじ止め等の機械的固定により、または、ろう接合の化学的固定により固定されている。
2013129430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスにより形成された基板と、
前記基板の表面に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層と、
前記断熱多孔質層の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層と、を含み、
前記表面緻密層は、気孔率が５％以下であり、
前記断熱多孔質層は、前記表面緻密層の前記気孔率よりも気孔率が大きい、断熱部材。
【請求項２】
前記断熱多孔質層と前記基板は、同一または類似の組成のセラミックスにより形成されている請求項１に記載の断熱部材。
【請求項３】
前記断熱多孔質層は、ナノオーダーの大きさの気孔を有する請求項１または２に記載の断熱部材。
【請求項４】
前記表面緻密層は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きい請求項１〜３のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項５】
前記表面緻密層は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きい請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項６】
前記表面緻密層は、厚さが２０μｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項７】
前記断熱多孔質層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項８】
前記断熱多孔質層は、熱容量が２０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項９】
前記断熱多孔質層は、厚さが１０μｍ〜１ｍｍである請求項１〜８のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項１０】
前記基板は、厚さが１〜３０ｍｍである請求項１〜９のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項１１】
前記基板は、４点曲げ強度が２０ＭＰａ以上である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項１２】
前記断熱多孔質層と、前記表面緻密層との間に、第一接合層を有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項１３】
前記基板と、前記断熱多孔質層との間に、第二接合層を有する請求項１〜１２のいずれか１項に記載の断熱部材。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の断熱部材を、エンジン構成部材のエンジン燃焼室を構成する表面に備えるエンジン燃焼室構造。
【請求項１５】
前記断熱部材を、ピストン、バルブヘッド、シリンダヘッドの少なくともいずれかの表面に備える請求項１４に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１６】
前記断熱部材を、前記エンジン構成部材の前記エンジン燃焼室を構成する表面に、機械的固定または化学的固定によって固定した請求項１４または１５に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１７】
前記機械的固定は、ねじ止め、または嵌め合わせである請求項１６に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１８】
前記化学的固定は、ろう接合である請求項１６に記載のエンジン燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させるための断熱部材、及びエンジン燃焼室構造に関する。特に、燃料の燃焼炎からエンジン燃焼室を構成する内壁への輻射による伝熱に注目した断熱部材、及びエンジン燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させることが望まれている。特許文献１は、エンジン燃焼室に用いるための、低熱伝導・低熱容量であり且つ剥離・脱落等のない耐久性・信頼性に優れた膜を供給することを目的とする。特許文献１では、エンジンの熱効率の向上のために、エンジン燃焼室を構成する内壁に膜厚が２０μｍより大きく５００μｍ以下であり且つ空孔率が２０％以上である陽極酸化被膜を形成している。【０００３】
特許文献２は、断熱性能を向上させた構造部材を備える内燃機関を提供することを目的とする。特許文献２の内燃機関には、排気通路の内壁に隣接して断熱材が配置され、高温の作動ガス（排気ガス）が、断熱材が形成する流路に沿って流れる。断熱材は、平均粒径が０．１〜３μｍの球状メソポーラスシリカ粒子の各粒子が接合材を解して密集した状態で積層されている。球状メソポーラスシリカ粒子には、平均孔径１〜１０ｎｍのメソ孔が無数に形成されている。【０００４】
特許文献３には、ピストンヘッド部をセラミックスで形成し、エンジン性能の向上を図ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２４９００８号公報
【特許文献２】特開２０１１−５２６３０号公報
【特許文献３】特開昭６３−２３０９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２のいずれの技術も、エンジンの熱効率を向上させるために、多孔質な材料をエンジン燃焼室の内壁に形成させて、低熱伝導率や低熱容量を実現しようとしている。しかしながら、エンジン燃焼室の内壁が多孔質であると、燃焼炎からの輻射伝熱を抑制できず（透過してしまい）、エンジン構成部材へと熱が伝わりやすくなるおそれがある。また、特に直噴エンジンの場合、エンジン燃焼室内に噴射した燃料は多孔質な内壁に吸収され、正常な燃焼反応が起きない場合がある。特許文献１では燃料が気孔を塞ぐことも起こりうる。【０００７】
また、燃焼室の内壁が多孔質であると、燃焼後に発生する微量の煤や燃料中の不純物の燃えかすが付着しやすくなる可能性があり、断熱多孔質層の性状が変化し、熱伝導率や熱容量が高くなる恐れがある。特許文献１には、陽極酸化被膜の最表面において、緻密層で空孔の開口部を封じることについての記載がある。しかしながら、低伝熱性、低体積熱容量の観点から緻密層は薄い方が好ましいとされており、開口部を封じても熱特性上の差異は認められないと記載されている。【０００８】
また、特許文献１，２のいずれの技術も、燃焼ガスの熱がエンジン燃焼室の内壁の最表面に伝わった後、エンジン構成部材の内部へ熱が逃げるのを抑制するために、断熱性の高い膜を形成する。しかし、燃焼ガスの熱がエンジン燃焼室の内壁の最表面に伝わることを抑制する場合に、燃焼炎から内壁の最表面への輻射による伝熱に注目していない。また、エンジン燃焼室の内壁の最表面と、そこに形成される膜とは異種材料であるため、剥離性が問題となる。【０００９】
一方、特許文献３では、セラミックス製ピストンヘッドを機械的に固定しているが、低熱伝導率などの熱効率向上のための機能は備えていない。【００１０】
本発明の課題は、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させるための断熱部材、及びエンジン燃焼室構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、断熱部材が、基板と、気孔率が５％以下の表面緻密層と、表面緻密層の気孔率よりも気孔率が大きい断熱多孔質層とを含む断熱部材を備えることにより、上記課題を解決しうること見出した。すなわち、本発明によれば、以下の断熱部材、及びエンジン燃焼室構造が提供される。【００１２】
［１］  セラミックスにより形成された基板と、前記基板の表面に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層と、前記断熱多孔質層の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層と、を含み、前記表面緻密層は、気孔率が５％以下であり、前記断熱多孔質層は、前記表面緻密層の前記気孔率よりも気孔率が大きい、断熱部材。【００１３】
［２］  前記断熱多孔質層と前記基板は、同一または類似の組成のセラミックスにより形成されている前記［１］に記載の断熱部材。【００１４】
［３］  前記断熱多孔質層は、ナノオーダーの大きさの気孔を有する前記［１］または［２］に記載の断熱部材。【００１５】
［４］  前記表面緻密層は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きい前記［１］〜［３］のいずれかに記載の断熱部材。【００１６】
［５］  前記表面緻密層は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きい前記［１］〜［４］のいずれかに記載の断熱部材。【００１７】
［６］  前記表面緻密層は、厚さが２０μｍ以下である前記［１］〜［５］のいずれかに記載の断熱部材。【００１８】
［７］  前記断熱多孔質層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である前記［１］〜［６］のいずれかに記載の断熱部材。【００１９】
［８］  前記断熱多孔質層は、熱容量が２０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下である前記［１］〜［７］のいずれかに記載の断熱部材。【００２０】
［９］  前記断熱多孔質層は、厚さが１０μｍ〜１ｍｍである前記［１］〜［８］のいずれかに記載の断熱部材。【００２１】
［１０］  前記基板は、厚さが１〜３０ｍｍである前記［１］〜［９］のいずれかに記載の断熱部材。【００２２】
［１１］  前記基板は、４点曲げ強度が２０ＭＰａ以上である前記［１］〜［１０］のいずれかに記載の断熱部材。【００２３】
［１２］  前記断熱多孔質層と、前記表面緻密層との間に、第一接合層を有する前記［１］〜［１１］のいずれかに記載の断熱部材。【００２４】
［１３］  前記基板と、前記断熱多孔質層との間に、第二接合層を有する前記［１］〜［１２］のいずれかに記載の断熱部材。【００２５】
［１４］  前記［１］〜［１３］のいずれかに記載の断熱部材を、エンジン構成部材のエンジン燃焼室を構成する表面に備えるエンジン燃焼室構造。【００２６】
［１５］  前記断熱部材を、ピストン、バルブヘッド、シリンダヘッドの少なくともいずれかの表面に備える前記［１４］に記載のエンジン燃焼室構造。【００２７】
［１６］  前記断熱部材を、前記エンジン構成部材の前記エンジン燃焼室を構成する表面に、機械的固定または化学的固定によって固定した前記［１４］または［１５］に記載のエンジン燃焼室構造。【００２８】
［１７］  前記機械的固定は、ねじ止め、または嵌め合わせである前記［１６］に記載のエンジン燃焼室構造。【００２９】
［１８］  前記化学的固定は、ろう接合である前記［１６］に記載のエンジン燃焼室構造。
【発明の効果】
【００３０】
基板と、表面緻密層と、断熱多孔質層とを含む断熱部材をエンジン燃焼室に用いることにより、エンジン燃焼室の断熱性能を向上させ、燃費を向上させることができる。基板上に、表面緻密層と断熱多孔質層とを成膜するため、高温で成膜プロセスを行うことも可能である。また、基板により表面緻密層と断熱多孔質層とが支持されているため、エンジン燃焼室への取り付けも容易である。【００３１】
表面緻密層が気孔率５％以下の緻密な層であることにより、輻射を反射するとともに、燃料の吸収や燃えカスの付着を抑制することができる。表面緻密層の下に多孔質な断熱多孔質層を配置することにより、エンジン構成部材への伝熱を抑制することができる。したがって、エンジン燃焼室を構成するエンジン構成部材の耐久性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】表面緻密層と断熱多孔質層とを含む断熱部材を示す模式図である。
【図２】エンジンの一実施形態を示す模式図である。
【図３】エンジン燃焼室のガス温度と内壁の温度とを示す図である。
【図４Ａ】断熱部材をピストンにねじ止めにより固定した実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】断熱部材をピストンにねじ止めにより固定した他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００３４】
図１及び図２を用いて本発明の断熱部材１及びエンジン燃焼室構造を説明する。図１に示すように、断熱部材１は、セラミックスにより形成された基板５と、基板５の表面に、セラミックスにより形成された断熱多孔質層３と、断熱多孔質層３の表面に、セラミックスにより形成された表面緻密層２と、を含む。表面緻密層２は、気孔率が５％以下である。また、断熱多孔質層３は、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。
【００３５】
接合層４は、図１に示すように、表面緻密層２と断熱多孔質層３、基板５と断熱多孔質層３との間に設けられたそれぞれの層を接合するための層である。すなわち、断熱多孔質層３と、表面緻密層２との間に、第一接合層４ａを有する。また、基板５と、断熱多孔質層３との間に、第二接合層４ｂを有する。なお、接合層４がない構成とすることもできる。
【００３６】
本発明のエンジン燃焼室構造は、断熱部材１を、ピストン１４、バルブヘッド１６ｓ，１７ｓ、シリンダヘッド１３の少なくともいずれかの表面に備える。
【００３７】
断熱部材１が、緻密な表面緻密層２と、表面緻密層２の下に多孔質な断熱多孔質層３との２層を含むことにより、エンジン燃焼室２０の断熱性能を向上させることができる。エンジン燃焼室２０内における燃料の燃焼時には、表面緻密層２により輻射を反射し、排気時には、表面緻密層２から熱を放射することができる。また、断熱多孔質層３は、表面緻密層２から、エンジン構成部材２１への伝熱を抑制することができる。このため、燃料の燃焼時には、エンジン構成部材２１の内壁（エンジン燃焼室２０を構成する壁面）の温度が、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従して上昇しやすくなる。
【００３８】
図３は、エンジン燃焼室２０のガス温度とエンジン構成部材２１の内壁の温度とを示す図である。横軸は、エンジン１０のクランク角度であり、時間に対応する。縦軸は、温度である。断熱部材１を備えない内壁の温度は、エンジン燃焼室２０のガス温度と大きく乖離する。一方、断熱部材１を備えた内壁の温度は、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従して上昇しやすい。このように、内壁の温度が、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従しやすい場合、熱損失を低減することができるとともに、吸気の過熱を防止することができるようになる。以下、さらに詳しく説明する。
【００３９】
（基板）
基板５は、表面緻密層２と断熱多孔質層３とを支持する支持体となる。基板５は、厚さ（平面的な広がりをもった部分の厚さ。図１，４Ａ，４Ｂ参照。）が１〜３０ｍｍであることが好ましい。厚さがこの程度であれば、支持基材として十分な強度とすることができ、断熱多孔質層３と表面緻密層２を基板５上に形成しやすい。具体的には、基板５は、４点曲げ強度（ＪＩＳ  Ｒ１６０１）が２０ＭＰａ以上であることが好ましい。つまり、基板５は、自立して存在するに十分な機械的強度を有する。
【００４０】
基板５は、セラミックスで形成することができ、例えば、ジルコニア、アルミナ、シリカ、ムライト、スピネル、コーディエライト、アルミニウムチタネート、チタニア、窒化けい素、炭化けい素、酸化亜鉛、ガラスなどが挙げられる。
【００４１】
基板５は、セラミックスの成形方法として知られている、プレス成形法、射出成形法、鋳込み成形法、押出成形法などを用いて製造することができるが、特にゲルキャスト法を用いて製造することにより、接合するピストン１４等の形状に合致する形状とすることができる。あるいは、成形後（未焼成）もしくは焼成後に、所定の形状に加工して製造しても良い。
【００４２】
断熱多孔質層３と基板５は、同一または類似の組成のセラミックスにより形成されていることが好ましい。ここで、「同一または類似の組成」とは、「構成元素の存在割合を原子組成百分率で示した際に５ａｔ％を越える差異がないこと」を意味する。例えば、基板５が炭化珪素であり、主成分であるＳｉ原子およびＣ原子と副成分であるＯ原子の存在割合が、「Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝５０ａｔ％：５０ａｔ％：０ａｔ％」であるときについて説明する。この場合、断熱多孔質層３の構成元素の割合が、「Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝５０ａｔ％：４７ａｔ％：３ａｔ％」や「Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝５０ａｔ％：４５ａｔ％：５ａｔ％」であるならば、類似の組成といえる。一方、「Ｓｉ：Ｃ：Ｏ＝５０ａｔ％：４３ａｔ％：７ａｔ％」であるならば、類似の組成とはいえない。断熱多孔質層３と基板５を、同一または類似した組成のセラミックスとすることで、断熱多孔質層３の剥離を抑制することができる。また、熱膨張のミスマッチによる剥離を回避できる。
【００４３】
（断熱多孔質層）
次に、断熱多孔質層３について説明する。断熱多孔質層３は、多孔質のセラミックスの層であり、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。断熱多孔質層３の気孔率は、１０〜９９％であることが好ましく、２０〜９０％であることがより好ましい。このようにすることにより、表面緻密層２からエンジン構成部材２１への熱伝導を抑制することができる。
【００４４】
断熱多孔質層３は、ナノオーダーの大きさの気孔を有することが好ましい。ここで、「ナノオーダーの大きさの気孔」とは、気孔径が０．１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の気孔を意味する。断熱多孔質層３が、ナノオーダーの気孔を有する多孔質層であると、熱伝導率が低く、熱容量も低い。
【００４５】
断熱多孔質層３は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることがさらに好ましく、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが最も好ましい。低熱伝導率であることにより、表面緻密層２からエンジン構成部材２１への伝熱を抑制することができる。
【００４６】
断熱多孔質層３は、熱容量が２０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることが好ましく、１０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることがさらに好ましく、１００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることが最も好ましい。低熱容量であることにより、燃料の排気後、エンジン燃焼室２０内のガス温度を低下させやすい。これにより、エンジンの圧縮比を向上させることができる。
【００４７】
断熱多孔質層３は、ヤング率が５０ＧＰａ以下であることが好ましい。低ヤング率であると、エンジン構成部材２１と表面緻密層２との熱膨張のミスマッチによる熱応力や熱衝撃を緩和することができる。
【００４８】
断熱多孔質層３は、厚さが１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。断熱多孔質層３をこの範囲とすることにより、断熱効果を十分なものとすることができる。
【００４９】
断熱多孔質層３は、セラミックスであり、例えば、ジルコニア、アルミナ、シリカ、ムライト、スピネル、コーディエライト、アルミニウムチタネート、チタニア、窒化けい素、炭化けい素、酸化亜鉛、ガラス等を用いることができる。これらは熱伝導率の観点から非晶質であることが好ましい。また、これらの単一材料で構成されても良いし、少なくとも２種以上の材料の混合物であっても良い。混合物の例として、シリカのマトリックス中にシリカ−アルミナファイバーと中空のシリカ−アルミナ粒子が分散した複合材料などが挙げられる。
【００５０】
また、断熱多孔質層３に重金属元素をドーピングしたり、結晶構造中の欠陥を導入したり、結晶粒径をナノサイズとして粒界を多く存在させることで、さらに熱伝導率を低下させることができる。
【００５１】
（表面緻密層）
表面緻密層２は、多孔質な構造の断熱多孔質層３の表面に形成された緻密なセラミックスの層である。表面緻密層２は、気孔率が５％以下であり、０．０１〜４％であることが好ましく、０．０１〜３％であることがより好ましい。このようにすることにより、燃料の燃焼時のガス（燃料）の対流による熱伝達を防止することができる。また緻密なため、燃料の吸収やスス、燃えカスが付着しにくい。
【００５２】
表面緻密層２は、燃料の燃焼時には、熱源である燃焼炎からの輻射伝熱を抑制する材料で構成される。また、表面緻密層２は、燃料の排気時には、自身の熱を放射しやすいものであることが好ましい。これには、ウイーンの変位則（λｍＴ＝２８９８［μｍ・Ｋ］：ここで、λｍは最大放射強度を示す波長、Ｔは温度を示す。）から予想される波長領域での反射率、輻射率を制御することが望ましい。すなわち、反射率は２μｍより小さい波長において大きいことが好ましく、輻射率は２μｍより大きい波長において大きいことが好ましい。これにより、燃焼直後〜燃焼前期にはエンジン燃焼室２０を構成する内壁への輻射伝熱を抑制することができ、また、燃焼後期〜排気工程で、低温になると表面緻密層２から排気ガスへと熱を放射することで、次に導入される吸気ガスが高温になることを防止することができる。
【００５３】
表面緻密層２は、波長１．５μｍにおける反射率が、０．５より大きいことが好ましく、波長１μｍ〜２μｍにおける反射率が０．５より大きいことがより好ましく、波長１μｍ〜２μｍにおける反射率が０．６より大きいことがさらに好ましい。表面緻密層２は、波長２．５μｍにおける輻射率が０．５より大きいことが好ましく、０．６より大きいことがより好ましく、０．７より大きいことがさらに好ましい。このような反射率を有することにより、断熱多孔質層３への熱の伝導を抑制することができる。また、このような輻射率を有することにより、熱せられた表面緻密層２を冷めやすくすることができる。
【００５４】
表面緻密層２は、熱容量が３０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることが好ましく、１０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることがより好ましい。低熱容量（薄膜、小体積）であることにより、エンジン構成部材の内壁の温度がエンジン燃焼室２０内のガス温度に追随しやすくなる。ガス温度と断熱部材１（表面緻密層２）との温度差が小さくなり、冷却損失を低減することができる。
【００５５】
表面緻密層２は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。熱伝導率をこの範囲とすることにより、断熱多孔質層３への熱の伝導を抑制することができる。
【００５６】
表面緻密層２は、厚さが２０μｍ以下であることが好ましい。厚さをこの範囲とすることにより、エンジン構成部材２１の内壁（エンジン燃焼室２０を構成する壁面）の温度が、エンジン燃焼室２０のガス温度に追従しやすくなる。
【００５７】
表面緻密層２は、セラミックスで形成することができ、例えば、ジルコニア、アルミナ、シリカ、ムライト、スピネル、コーディエライト、アルミニウムチタネート、チタニア、窒化けい素、炭化けい素、酸化亜鉛、ガラスなどが挙げられる。また、これらの単一材料で構成されても良いし、２種以上の材料の混合物であっても良い。
【００５８】
また、表面緻密層２に重金属元素をドーピングしたり、結晶構造中の欠陥を導入したり、結晶粒径をナノサイズとして粒界を多く存在させることで、さらに熱伝導率を低下させることができる。
【００５９】
（接合層）
表面緻密層２と断熱多孔質層３とが、直接接合している構成としてもよいが、図１に示すように、表面緻密層２と断熱多孔質層３との間に接合層４（第一接合層４ａ）を有するように構成してもよい。また、基板５と、断熱多孔質層３との間に、接合層４（第二接合層４ｂ）を有するように構成してもよい。
【００６０】
接合層４は、熱抵抗が高いことが好ましく、具体的には、１０−６〜１０ｍ２Ｋ／Ｗであることが好ましく、１０−５〜１０ｍ２Ｋ／Ｗであることがより好ましく、１０−４〜１０ｍ２Ｋ／Ｗであることがさらに好ましい。このような接合層４を形成することにより、断熱効果をさらに十分なものとすることができる。また、接合層４を形成することにより、被接合体の熱膨張のミスマッチを緩衝し、耐熱衝撃性・耐熱応力性を向上させることができる。そのために、接合層４の熱膨張係数は、それぞれ接する層（第一接合層４ａは表面緻密層２と断熱多孔質層３、第二接合層４ｂは断熱多孔質層３と基板５）の中間の熱膨張係数を有することが好ましい。また、接合層４のヤング率は、それぞれ接する層の中間のヤング率を有することが好ましい。さらに、接合層４は、それぞれ接する層の相互の反応を抑制するような材料組成とすることが好ましく、これにより、耐酸化性や耐反応性が向上し、断熱部材の耐久性が向上する。
【００６１】
接合層４としては、接着機能を有するもの、あるいは、薄膜として形成させることが可能な材料が好ましく、例えば、無機接着剤、コロイド溶液、プレセラミックポリマー、ろう材、めっき膜などが挙げられる。
【００６２】
（断熱部材の配置）
次に、断熱部材１の配置について説明する。断熱部材１は、エンジン構成部材２１のエンジン燃焼室２０を構成する表面（内壁）に備えられる。具体的には、ピストン１４の上面１４ｓ、吸気バルブ１６、排気バルブ１７のバルブヘッド１６ｓ，１７ｓ、シリンダヘッド１３の底面１３ｓ等が挙げられる。
【００６３】
図２は、エンジンを示す一実施形態である。エンジン１０は、シリンダ１２が形成されたシリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上面を覆って取り付けられたシリンダヘッド１３とを有して構成されている。シリンダブロック１１のシリンダ１２内には、ピストン１４が上下方向に摺動可能に備えられている。
【００６４】
シリンダヘッド１３には、点火プラグ１５が取り付けられている。また、吸気バルブ１６、排気バルブ１７が取り付けられており、吸気バルブ１６は、シリンダヘッド１３に形成された吸気通路１８を、排気バルブ１７は、排気通路１９を開閉するように構成されている。
【００６５】
図２に示すように、ピストン１４の上面１４ｓに、断熱部材１が備えられている。この場合、基板５は、ピストンヘッドである。また、吸気バルブ１６、排気バルブ１７のバルブヘッド１６ｓ，１７ｓ、シリンダヘッド１３の底面１３ｓにも同様に、断熱部材１が備えられている。これらの面は、エンジン燃焼室２０を形成する面であり、これらの面に、断熱部材１を備えることにより、断熱性能を向上させることができる。
【００６６】
シリンダ１２、シリンダヘッド１３、ピストン１４によって囲まれたエンジン燃焼室２０に、吸気バルブ１６の開弁により燃料が供給され、点火プラグ１５によって点火されることにより、燃焼される。この燃焼により、ピストン１４が押し下げられる。燃焼により発生した排気ガスは、排気バルブ１７が開弁されることにより排気される。
【００６７】
断熱部材１を、エンジン構成部材２１のエンジン燃焼室２０を構成する表面に、機械的固定または化学的固定によって固定することができる。機械的固定としては、ねじ止め、嵌め合わせ等が挙げられる。機械的固定を採用すると、断熱部材１が外れにくく、耐久性がある。化学的固定としては、ろう材を用いたろう接合が挙げられる。化学的固定を採用すると、基板５にねじ止めの穴を形成する必要がなく、固定が容易である。あるいは、基板５をピストン等と一緒に鋳込んで作製してもよい。
【００６８】
図４Ａに、断熱部材１をピストン１４にねじ止めにより固定した実施形態を示す。ピストン１４の上面１４ｓに断熱部材１を固定した場合、基板５は、ピストンヘッドである。図４Ａに示す実施形態では、基板５（ピストンヘッド）は、中心部に凸状部５ａを有する円板形状に形成されている。そして、凸状部５ａには、ねじ穴５ｂが形成されている。なお、本実施形態の基板の厚さは、平面的な広がりをもった、図４Ａに示す部分の厚さである。
【００６９】
図４Ａに示すように、断熱部材１をピストン１４の上面１４ｓに載せ、凸状部５ａのねじ穴５ｂに、ピストンの上部の裏側からねじ８を挿入することにより、断熱部材１をピストン１４の上面１４ｓに固定することができる。ピストン１４の上面１４ｓに断熱部材１を固定した場合、断熱部材１はピストンリング１４ｒより上に配置するため、断熱部材１がシリンダ１２と接触することはなく、摩擦などを考慮する必要はない。したがって、真円度や寸法精度に関する制約が小さい。
【００７０】
図４Ｂに、断熱部材１をピストン１４にねじ止めにより固定した他の実施形態を示す。凸状部５ａが２段に形成されており、凸状部５ａの付け根部分がねじを挿入する側より、太く形成されている。つまり、本実施形態は、凸状部５ａの強度が強化され、ねじ締結部が強い。
【００７１】
（製造方法）
次に、断熱部材１の製造方法について説明する。まず、基板５を用意する。セラミックス原料を含むスラリーを調整し、それを円板状、板状に成形し、焼成して基板５を得る。
【００７２】
表面緻密層２および断熱多孔質層３は、基板５の上に、まず、断熱多孔質層３を形成させ、その後、表面緻密層２を形成させても良いし、同時に形成させても良い。
【００７３】
断熱多孔質層３は、ＥＢ−ＰＶＤ法、溶射法、ＣＶＤ法、湿式コーティング後の熱処理などの多孔質膜の形成法を用いて基板５上に形成することができる。または、電気泳動堆積、移流集積などにより粒子を堆積させた後に熱処理をする多孔質膜の形成法を用いてもよい。あるいは、多孔質な薄板を別途作製して、接合材により基板５に貼り付けてもよい。さらに、結合材にフィラー粒子（中空あるいは多孔質が好ましい）や造孔材を加えて混練したペーストを塗布し、硬化させる、あるいは、熱処理して断熱多孔質層３としてもよい。基板５上に断熱多孔質層３を形成するため、焼成温度を高くすることができる。したがって、断熱多孔質層３の材料組成の幅が広い。
【００７４】
表面緻密層２は、断熱多孔質層３を形成した上に、スパッタ法、ＰＶＤ法、ＥＢ−ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ＡＤ法、溶射、プラズマスプレー法、コールドスプレー法、めっき、湿式コーティング後の熱処理などで形成することができる。または、表面緻密層２として緻密な薄板を別途作製し、断熱多孔質層３とともに基板５に貼り付けてもよい。
【００７５】
断熱多孔質層３と表面緻密層２との間に、第一接合層４ａ、基板５と断熱多孔質層３との間に、第二接合層４ｂを有するように構成することもできる。このように、接合層４（第一接合層４ａ、第二接合層４ｂ）を設ける場合は、基板５の上に、例えば、無機接着剤、コロイド溶液、プレセラミックポリマー、ろう材等を塗布、あるいは、めっき製膜により、第二接合層４ｂを形成する。そして、その上に断熱多孔質層３を前述のような方法で形成し、第一接合層４ａを第二接合層４ｂと同様に形成し、表面緻密層２を前述のような方法で形成することができる。
【００７６】
あるいは、断熱部材１は、以下のようにしても製造することができる。セラミック原料を成形して、基板５となる成形体を形成し、未焼成の成形体上に、断熱多孔質層３や表面緻密層２となる層を成形し、これらを一体焼結することにより、断熱部材１を製造することもできる。また、基板５となる成形体を形成し、未焼成の成形体上に、断熱多孔質層３となる層を成形し、これらを一体焼結した後、表面緻密層２となる層を成形し、さらに焼結することにより、断熱部材１を製造することもできる。
【実施例】
【００７７】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。【００７８】
（実施例１）
アルミニウムダイキャストにより、図２に示すような形状のピストン基材を用意した。【００７９】
このピストン基材とねじで固定が可能なように、裏側に凸状部５ａとねじ穴５ｂを有するセラミックス製のピストンヘッド（基板５）を以下のように作製した。まず、コーディエライト粉末、分散剤、ゲル化剤、反応触媒、有機系分散媒からなるスラリーを調製した。このスラリーを型に室温で注型し、それを放置した後、４０℃で固化を進行させてから離型した。さらに、室温、次いで９０℃で放置して成形体を得た。これを１４３０℃で焼成して緻密質なコーディエライト製のピストンヘッド（基板５）を得た。【００８０】
次に、以下のようにして、ピストンヘッドの表面に断熱膜（表面緻密層２、断熱多孔質層３）を形成した。まず、コーディエライト粉末、造孔材としてのラテックス粒子、分散剤、バインダー、水からなるスラリー（断熱多孔質層３用）を作製し、これを前記のピストンヘッドの表面（上面）に塗布し、室温、ついで９０℃で乾燥させた。次に、コーディエライト粉末、分散剤、バインダー、水からなるスラリー（表面緻密層２用）を作製し、これを前記のピストンヘッドの表面（上面）に塗布し、室温、ついで９０℃で乾燥させた。これを、１３８０℃で焼成して、コーディエライト製ピストンヘッドの表面に断熱膜を成膜し、断熱部材１を得た。【００８１】
この断熱部材１をピストン基材とねじで接合するとともに、ピストンリング１４ｒも配置して、ピストン１４を得た。【００８２】
（実施例２）
実施例１と同様に、図２に示すような形状のピストン基材を用意した。【００８３】
実施例１と同様な形状のセラミックス製のピストンヘッド（基板５）を以下のように作製した。まず、ジルコニア粉末、分散剤、ゲル化剤、反応触媒、有機系分散媒からなるスラリーを調製した。このスラリーを型に室温で注型し、それを放置した後、４０℃で固化を進行させてから離型した。さらに、室温、次いで９０℃で放置して成形体を得た。これを１４００℃で焼成して緻密質なジルコニア製のピストンヘッド（基板５）を得た。【００８４】
次に、以下のようにして、ピストンヘッドの表面に断熱膜（表面緻密層２、断熱多孔質層３）を形成した。まず、ジルコニア粉末、造孔材としてのメラミン樹脂粒子、分散剤、バインダー、水からなるスラリー（断熱多孔質層３用）を作製し、これを前記のピストンヘッドの表面（上面）に塗布し、室温、ついで９０℃で乾燥させた。次に、ジルコニア粉末、分散剤、バインダー、水からなるスラリー（表面緻密層２用）を作製し、これを前記のピストンヘッドの表面（上面）に塗布し、室温、ついで９０℃で乾燥させた。これを、１４００℃で焼成して、ジルコニア製ピストンヘッドの表面に断熱膜を成膜し、断熱部材１を得た。【００８５】
この断熱部材１をピストン基材とねじで接合するとともに、ピストンリング１４ｒも配置して、ピストン１４を得た。【００８６】
（比較例１）
実施例１，２と同様であるが、断熱膜の成膜をしていないピストンヘッド（基板５のみ）を用いたピストン１４を比較例１とした。【００８７】
（効果）
実施例１，２、比較例１のそれぞれのピストン１４の表面（ピストンヘッドがある側）にガスバーナーの火を近づけ、ピストン１４の裏側（ねじ頭の近傍）の温度を測定したところ、実施例１，２の温度の方が比較例１の温度より低く、断熱膜があることで断熱性能が改善された。【００８８】
なお、コーディエライトの断熱多孔質をアルミニウムダイキャストで得たピストンヘッド表面に成膜できるか試みた。ところが、コーディエライトのスラリーを塗布して１３８０℃で焼成すると、ピストンヘッドと反応して成膜ができず、反応しない温度である５００℃で焼成しても膜を形成することができなかった。したがって、セラミックスにより形成された基板５がなければ、セラミックスにより形成された断熱膜（表面緻密層２、断熱多孔質層３）を形成することが難しかった。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明のエンジン燃焼室構造は、自動車等のエンジンに適用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１：断熱部材、２：表面緻密層、３：断熱多孔質層、４：接合層、４ａ：第一接合層、４ｂ：第二接合層、５：基板、５ａ：凸状部、５ｂ：ねじ穴、８：ねじ、１０：エンジン、１１：シリンダブロック、１２：シリンダ、１３：シリンダヘッド、１３ｓ：底面、１４：ピストン、１４ｒ：ピストンリング、１４ｓ：（ピストンの）上面、１５：点火プラグ、１６：吸気バルブ、１６ｓ：バルブヘッド、１７：排気バルブ、１７ｓ：バルブヘッド、１８：吸気通路、１９：排気通路、２０：エンジン燃焼室、２１：エンジン構成部材。
【図１】
2013129430.tif 000003
【図２】
2013129430.tif 000004
【図３】
2013129430.tif 000005
【図４Ａ】
2013129430.tif 000006
【図４Ｂ】
2013129430.tif 000007
【国際調査報告】
2013129430.tif 000008
2013129430.tif 000009
2013129430.tif 000010
2013129430.tif 000011