(57)【要約】  エンジンの熱効率を向上させて、燃費を向上させるエンジン燃焼室構造、およびエンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁構造を提供する。エンジン燃焼室構造は、エンジン構成部材（２１）のエンジン燃焼室を構成する表面上に形成された断熱層（３）と、断熱層（３）の表面に形成された表面緻密層（２）とを含む断熱部材（１）を備える。そして、断熱層（３）は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、１０〜５００ｎｍの気孔を有し、かつ気孔率が１０〜９９％であり、表面緻密層（２）は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔率が５％以下である。
2013125704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン構成部材のエンジン燃焼室を構成する表面上に形成された断熱層と、  前記断熱層の表面に形成された表面緻密層と、を備え、  前記断熱層は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有し、かつ気孔率が１０〜９９％であり、  前記表面緻密層は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔率が５％以下であるエンジン燃焼室構造。
【請求項２】
前記断熱層が、マトリックスとしてのセラミックスおよび／またはガラスと、フィラーとしての中空粒子および／または多孔質粒子と、を含む複合材料であるか、あるいは、単一材料からなる多孔質体である請求項１に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項３】
前記断熱層が前記複合材料からなる場合に、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有する中空粒子および／または多孔質粒子を含む請求項２に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項４】
前記中空粒子および／または前記多孔質粒子の気孔率が３０〜９９％であり、前記断熱層の前記マトリックスの気孔率が０〜７０％である請求項３に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項５】
前記断熱層が前記単一材料からなる前記多孔質体である場合に、前記多孔質体の気孔率が１０〜９９％であり、気孔径は、５００ｎｍ以下である請求項２に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項６】
前記断熱層は、厚さが１μｍ〜２ｍｍである請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項７】
前記断熱層は、熱容量が１５００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項８】
前記断熱層は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項９】
前記表面緻密層は、波長２μｍにおける反射率が、０．５より大きい請求項１〜８のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１０】
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１〜９のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１１】
前記表面緻密層は、厚さが１０ｎｍ〜１００μｍである請求項１〜１０のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１２】
前記エンジン構成部材と前記断熱層との間、および／または前記断熱層と前記表面緻密層との間に、厚さが前記断熱層よりも薄い緩衝接合層を備える請求項１〜１１のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１３】
前記緩衝接合層は、隣接する他の２層のいずれか一方より熱膨張係数が大きく、他方より熱膨張係数が小さい請求項１２に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１４】
前記緩衝接合層は、隣接する他の２層よりヤング率が小さい請求項１２または１３に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１５】
前記緩衝接合層は、熱抵抗が１０−６ｍ２Ｋ／Ｗ以上である請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のエンジン燃焼室構造。
【請求項１６】
自動車を構成する部材のうち、エンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁に形成された断熱層と、  前記断熱層の表面に形成された表面緻密層と、を含む断熱部材を備え、  前記断熱層は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有し、かつ気孔率が１０〜９９％であり、  前記表面緻密層は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔率が５％以下である流路の内壁構造。
【請求項１７】
前記断熱層が、マトリックスとしてのセラミックスおよび／またはガラスと、フィラーとしての中空粒子および／または多孔質粒子と、を含む複合材料であるか、あるいは、単一材料からなる多孔質体である請求項１６に記載の流路の内壁構造。
【請求項１８】
前記エンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の前記内壁と前記断熱層との間に、および／または前記断熱層と前記表面緻密層との間に、厚さが前記断熱層よりも薄い緩衝接合層を備える請求項１６または１７に記載の流路の内壁構造。
【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エンジン燃焼室構造に関する。また、自動車を構成する部材のうち、エンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁構造に関する。
【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には、燃焼室壁面温度のシリンダ内ガス温度への追従性を向上させることにより、熱効率を向上させた内燃機関が開示されている。特許文献１の内燃機関では、燃焼室を形成する母材の、燃焼室内に臨む壁面上に形成された断熱用薄膜が、第１の断熱材と第２の断熱材とを含む。第２の断熱材は、母材以下の熱伝導率を有する。第１の断熱材は、母材よりも低い熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を有し、さらに、第２の断熱材よりも低い熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量を有する。熱伝導率及び単位体積あたりの熱容量の低い第１の断熱材を、耐熱性及び強度の高い第２の断熱材の内部に混入することにより、第１の断熱材を燃焼室内の高温及び高圧の燃焼ガスから保護することができる。【０００３】  特許文献２には、断熱性能を向上させた構造部材を備える内燃機関が開示されている。特許文献２の内燃機関では、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ように構成されている。断熱材は、平均粒径が０．１〜３μｍのＭＳＳ（球状メソポーラスシリカ）粒子の各粒子同士が接合材を介して密集した状態で積層されて形成されている。ＭＳＳ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、表面硬度が高く傷付きを防止できるコーティング膜が開示されている。コーティング膜は、シリカ殻からなる中空粒子をバインダーに分散してなる。シリカ殻からなる中空粒子の耐摩耗性及び高硬度によって、コーティング膜が形成された基材の耐摩耗性を向上させることができる。また、シリカ殻からなる中空粒子の断熱性によって難燃性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０２０２０６号
【特許文献２】特開２０１１−５２６３０号公報
【特許文献３】特開２００８−２００９２２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の内燃機関では、金属製の母材（エンジン燃焼室の内壁面）の上に、金属以外の材質の断熱用薄膜（主としてセラミックスなどの金属酸化物）が形成されているが、実使用時には、両者の界面における熱応力に起因した剥離が生じたり、相互反応による界面の劣化およびそれに起因した剥離が生じたりする。また、相互反応により断熱膜の熱的性質が劣化する恐れがある。【０００７】  特許文献２の内燃機関では、特許文献１と同様に、実使用時には、両者の界面における熱応力に起因した剥離が生じたり、相互反応による界面の劣化およびそれに起因した剥離が生じたりする。また、相互反応により断熱膜の熱的性質が劣化する恐れがある。また、特許文献２の球状多孔質材は製法が煩雑であるとともに、原材料も低コストとはいえないため、これを用いる断熱材はコストが高くなる恐れがある。【０００８】  特許文献３のコーティング膜は、その断熱性によって基材表面を難燃性にすることができるが、エンジン燃焼室のような熱サイクルにさらされながら長時間使用される場合には、耐久性が不十分である。【０００９】  本発明の課題は、エンジンの熱効率を向上させて、燃費を向上させるエンジン燃焼室構造、およびエンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明者らは、エンジン構成部材上に、気孔径や気孔率を所定の範囲とした断熱層、気孔率を所定の範囲とした表面緻密層等を形成することにより、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下のエンジン燃焼室構造、およびエンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁構造が提供される。【００１１】［１］  エンジン構成部材のエンジン燃焼室を構成する表面上に形成された断熱層と、前記断熱層の表面に形成された表面緻密層と、を備え、前記断熱層は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有し、かつ気孔率が１０〜９９％であり、前記表面緻密層は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔率が５％以下であるエンジン燃焼室構造。【００１２】［２］  前記断熱層が、マトリックスとしてのセラミックスおよび／またはガラスと、フィラーとしての中空粒子および／または多孔質粒子と、を含む複合材料であるか、あるいは、単一材料からなる多孔質体である前記［１］に記載のエンジン燃焼室構造。【００１３】［３］  前記断熱層が前記複合材料からなる場合に、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有する中空粒子および／または多孔質粒子を含む前記［２］に記載のエンジン燃焼室構造。【００１４】［４］  前記中空粒子および／または前記多孔質粒子の気孔率が３０〜９９％であり、前記断熱層の前記マトリックスの気孔率が０〜７０％である前記［３］に記載のエンジン燃焼室構造。【００１５】［５］  前記断熱層が前記単一材料からなる前記多孔質体である場合に、前記多孔質体の気孔率が１０〜９９％であり、気孔径は、５００ｎｍ以下である前記［２］に記載のエンジン燃焼室構造。【００１６】［６］  前記断熱層は、厚さが１μｍ〜２ｍｍである前記［１］〜［５］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。【００１７】［７］  前記断熱層は、熱容量が１５００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下である前記［１］〜［６］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。【００１８】［８］  前記断熱層は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である前記［１］〜［７］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。【００１９】［９］  前記表面緻密層は、波長２μｍにおける反射率が、０．５より大きい前記［１］〜［８］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。【００２０】［１０］  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］〜［９］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。【００２１】［１１］  前記表面緻密層は、厚さが１０ｎｍ〜１００μｍである前記［１］〜［１０］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。【００２２】［１２］  前記エンジン構成部材と前記断熱層との間、および／または前記断熱層と前記表面緻密層との間に、厚さが前記断熱層よりも薄い緩衝接合層を備える前記［１］〜［１１］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。【００２３】［１３］  前記緩衝接合層は、隣接する他の２層のいずれか一方より熱膨張係数が大きく、他方より熱膨張係数が小さい前記［１２］に記載のエンジン燃焼室構造。【００２４】［１４］  前記緩衝接合層は、隣接する他の２層よりヤング率が小さい前記［１２］または［１３］に記載のエンジ���燃焼室構造。【００２５】［１５］  前記緩衝接合層は、熱抵抗が１０−６ｍ２Ｋ／Ｗ以上である前記［１２］〜［１４］のいずれかに記載のエンジン燃焼室構造。【００２６】［１６］  自動車を構成する部材のうち、エンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁に形成された断熱層と、前記断熱層の表面に形成された表面緻密層と、を含む断熱部材を備え、前記断熱層は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有し、かつ気孔率が１０〜９９％であり、前記表面緻密層は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔率が５％以下である流路の内壁構造。【００２７】［１７］  前記断熱層が、マトリックスとしてのセラミックスおよび／またはガラスと、フィラーとしての中空粒子および／または多孔質粒子と、を含む複合材料であるか、あるいは、単一材料からなる多孔質体である前記［１６］に記載の流路の内壁構造。【００２８】［１８］  前記エンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の前記内壁と前記断熱層との間に、および／または前記断熱層と前記表面緻密層との間に、厚さが前記断熱層よりも薄い緩衝接合層を備える前記［１６］または［１７］に記載の流路の内壁構造。
【発明の効果】
【００２９】  エンジン構成部材の表面上に、気孔径や気孔率を所定の範囲とした断熱層、気孔率を所定の範囲とした表面緻密層等を形成した構造のエンジン燃焼室は、断熱性能が向上し、燃費が向上する。【００３０】  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。また、表面緻密層の下に表面緻密層よりも多孔質な断熱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。【００３１】  また、エンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路に、表面緻密層と断熱層との２層を含む断熱部材を備えることにより、断熱効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】表面緻密層、断熱層、緩衝接合層を含む断熱部材の実施形態１を示す模式図である。
【図１Ｂ】表面緻密層、断熱層、緩衝接合層を含む断熱部材の実施形態２を示す模式図である。
【図１Ｃ】表面緻密層、断熱層、緩衝接合層を含む断熱部材の実施形態３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。
【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１Ａ〜図１Ｃ、及び図２を用いて本発明のエンジン燃焼室構造、及び断熱部材１を説明する。本発明のエンジン燃焼室構造は、エンジン構成部材２１のエンジン燃焼室を構成する表面上に形成された断熱層３と、断熱層３の表面に形成された表面緻密層２と、を含む断熱部材１を備える。そして、断熱層３は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、１０〜５００ｎｍの気孔を有し、かつ気孔率が１０〜９９％であり、表面緻密層２は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔率が５％以下である。エンジン構成部材２１と断熱層３との間、および／または断熱層３と表面緻密層２との間に、厚さが断熱層３よりも薄い緩衝接合層４を含む構成とすることもできる。
【００３５】  断熱層３と、表面緻密層２とを含む断熱部材１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。以下、具体的にそれぞれの層について説明する。
【００３６】（断熱層）  断熱層３は、セラミックスおよび／またはガラスを含む層であり、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有し、かつ気孔率が１０〜９９％である。また、表面緻密層２の気孔率よりも気孔率が大きい。断熱層３は、マトリックス３ｍとしてのセラミックスおよび／またはガラスと、フィラーとしての中空粒子３ａおよび／または多孔質粒子３ｂとを含む複合材料であることが好ましい（図１Ａ〜図１Ｃ参照）。あるいは、断熱層３は、単一材料からなる多孔質体であることが好ましい。
【００３７】  断熱層３が複合材料からなる場合は、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有する中空粒子３ａおよび／または多孔質粒子３ｂを含むとともに、この粒子を結合するセラミックスおよび／またはガラスのマトリックス３ｍを含むことが好ましい。図１Ａ、及び図１Ｃは、中空粒子３ａを用いた実施形態、図１Ｂは、多孔質粒子３ｂを用いた実施形態である。中空粒子３ａとは、粒子の内部に１つの閉気孔が存在する粒子であり、例えば、中空ガラスビーズ、中空セラミックビーズ、フライアッシュバルーン、中空シリカなどが挙げられる。また、多孔質粒子３ｂとは、粒子の内部が多孔質の粒子、すなわち、前記中空粒子以外の気孔を含む粒子であり、例えば、メソポーラスシリカ、メソポーラスチタニア、メソポーラスジルコニア、シラスバルーンなどが挙げられる。マトリックスとは、中空粒子や多孔質粒子の周囲やこれらの粒子間に存在する成分であり、これらの粒子間を結合する成分である。
【００３８】  断熱層３が複合材料からなる場合は、マトリックス３ｍとしてセラミックスおよび／またはガラスを含むが、マトリックス３ｍとなる材料としては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化けい素、酸窒化けい素、炭化けい素、酸炭化けい素、ガラス等を挙げることができる。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。断熱層３のセラミックスからなるマトリックス３ｍは、粒径が５００ｎｍ以下の微粒子の集合体であることが望ましい。
【００３９】  ナノオーダーの気孔や、ナノオーダーの粒子または結晶粒で断熱層３を構成することにより、熱伝導率を低くすることができる。すなわち、より大きな気孔や粒子または結晶粒で構成された断熱層と比較して、気孔率が低くても熱伝導率を低くすることができるため、低熱伝導率であっても強度が低下する割合を小さくすることができる。
【００４０】  さらに、断熱層３が複合材料からなる場合は、断熱層３全体の気孔率が１０〜９９％であるとともに、中空粒子３ａおよび／または多孔質粒子３ｂの気孔率が３０〜９９％であり、マトリックス３ｍとしてのセラミックスおよび／またはガラスの気孔率が０〜７０％であることが好ましい。
【００４１】  断熱層３は、中空粒子もしくは多孔質粒子を、無機接着剤（無機バインダー）あるいは無機高分子や酸化物ゾルなど、例えば、セメント、ベントナイト、リン酸アルミニウム、シリカゾル、アルミナゾル、ベーマイトゾル、ジルコニアゾル、チタニアゾル、水ガラス（ケイ酸ナトリウム）、オルトケイ酸テトラメチル、オルトケイ酸テトラエチル、ポリシラザン、ポリカルボシラン、ポリビニルシラン、ポリメチルシラン、ポリシロキサン、ポリシルセスキオキサン、ジオポリマーなどに分散させた組成物を、緩衝接合層４を塗布したエンジン構成部材２１の上に塗布し、熱処理して形成させることができる。
【００４２】  断熱層３が、複合材料からなる場合には、上記に記載のマトリックス３ｍとなる材料とともに、フィラーとして、中空粒子３ａ及び／または多孔質粒子３ｂが含まれる複合材料であってもよい。さらに、フィラーとして、前記中空粒子や多孔質粒子に加えて、繊維状粒子、針状粒子、板状粒子や中実粒子（球状や塊状など）が分散した複合材料であってもよい。
【００４３】  断熱層３が単一材料からなる多孔質体である場合は、多孔質体としては、一体的な多孔質なセラミックス焼結体（多孔質セラミックスを含む一体焼結体）、多孔質ガラス固体が挙げられる。断熱層３が多孔質体の場合、多孔質体の気孔率は、１０〜９９％であり、気孔径は５００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４４】  エンジン１０（図２参照）の吸気→燃焼→膨張→排気のサイクルにおいて、燃焼時にエンジン燃焼室２０の断熱性を確保する必要があり、そのため、断熱層３は、断熱効果を得ることができる程度の厚さが必要である。しかし、吸気時に新たに吸入した空気が、断熱層３にたまった熱を奪ってガス温度が高くなると、異常燃焼などの問題が生じることがある。そこで、断熱層３は、断熱効果を得ることができる程度の厚さを有しつつ熱容量が小さいことが好ましい。そのため、厚さは厚すぎると好ましくない。そのため、断熱層３の厚さは、１μｍ〜２ｍｍの範囲が適当である。断熱層３の厚さをこの範囲とすることにより、断熱効果を十分なものとしつつ、異常燃焼などの問題の発生を抑制することができる。
【００４５】  断熱層３は、熱容量が１５００ｋＪ／（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、異常燃焼などの問題を抑制することができる。
【００４６】  断熱層３は、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下がさらに好ましく、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下が最も好ましい。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。
【００４７】（表面緻密層）  表面緻密層２は、多孔質な構造の断熱層３の表面に形成された断熱層３よりも緻密なセラミックスを含む層である。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。このような緻密層は、燃料の吸収やスス、燃えカスが付着しにくい。
【００４８】  表面緻密層２の材質は断熱層３と類似のものが好ましく、同一組成で気孔率が５％以下であるものがさらに好ましい。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、アルミナ、シリカ、ムライト、窒化けい素、炭化けい素、チタニア、ジルコニア、酸化亜鉛、ガラスなどが挙げられる。
【００４９】  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。
【００５０】  気孔率が５％以下の表面緻密層２により、燃焼直後から燃焼前期にかけてはエンジン燃焼室を構成する内壁への輻射伝熱を抑制することができる。また、燃焼後期から排気工程では、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。
【００５１】  表面緻密層２は、波長２μｍにおける反射率が、０．５より大きいことが好ましい。このような反射率を有することにより、断熱層３への熱の伝導を抑制することができる。
【００５２】  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い。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。
【００５３】  表面緻密層２は、薄いほど好ましいが、厚さが１０ｎｍ〜１００μｍの範囲が適当である。厚さをこの範囲とすることにより、断熱層３への熱の伝導を抑制することができる。
【００５４】  表面緻密層２の熱容量は３０００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下であることが好ましく、２０００ｋＪ／（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２１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、断熱層３への熱の伝導を抑制することができる。
【００５６】（緩衝接合層）  緩衝接合層４は、エンジン構成部材２１と断熱層３との間、および／または断熱層３と表面緻密層２との間に、厚さが断熱層３よりも薄い層である。緩衝接合層４により、これに接する両層の熱膨張のミスマッチを解消し、熱応力による剥離を抑制することができる。
【００５７】  緩衝接合層４に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い。緩衝接合層４としては、例えば、無機接着剤（無機バインダー）、コロイド溶液、酸化物ゾル、プレセラミックポリマー（無機高分子）、ろう材、めっき膜からなる層などが挙げられる。あるいは、緩衝接合層４としては、これらの材料に断熱層３と類似の物質を複合化させた層であってもよい。また、別途作製した断熱層３を、上記の材料によりエンジン構成部材２１等に接合して得ることもできる。
【００５８】  エンジン燃焼室構造は、１０〜５００ｎｍの気孔を有し、気孔率が１０〜９９％である断熱層３とエンジン構成部材２１との界面（第一界面）に緩衝接合層４を含むことが好ましい。または、断熱層３と、最表面の気孔率が５％以下の緻密層との界面（第二界面）に、緩衝接合層４を含むことが好ましい。あるいは、第一界面と第二界面の両方に緩衝接合層４を含んでもよい。図１Ａおよび図１Ｂは、第一界面に緩衝接合層４（第一緩衝接合層４ａ）が形成された実施形態を示す。また、図１Ｃは、第二界面に緩衝接合層４（第二緩衝接合層４ｂ）が形成された実施形態を示す。
【００５９】  緩衝接合層４は、隣接する他の２層のいずれか一方より熱膨張係数が大きく、他方より熱膨張係数が小さいことが好ましい。また、緩衝接合層４は、隣接する他の２層よりヤング率が小さいことが好ましい。このように構成すると、熱応力による剥離を抑制することができる。
【００６０】  緩衝接合層４は、熱抵抗が大きいことが好ましく、具体的には、熱抵抗が１０−６ｍ２Ｋ／Ｗ以上であることが好ましい。さらに、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。このような緩衝接合層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。
【００６１】  さらに、緩衝接合層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。
【００６２】（断熱部材の配置）１．エンジン燃焼室  次に、断熱部材１の配置について説明する。断熱部材１は、エンジン燃焼室２０を構成するエンジン構成部材２１の表面（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。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】２．ガスの流路  断熱部材１は、エンジン燃焼室２０を構成するエンジン構成部材２１の表面（内壁）以外にも備えることができる。例えば、自動車を構成する部材のうち、エンジン１０の吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁に、この断熱部材１を備えることができる。
【００６８】  吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁に、この断熱部材１を備えた場合も、断熱層３は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有し、かつ気孔率が１０〜９９％であり、表面緻密層２は、セラミックスおよび／またはガラスを含み、気孔率が５％以下である。
【００６９】  断熱層３は、マトリックスとしてのセラミックスおよび／またはガラスと、フィラーとしての中空粒子および／または多孔質粒子と、を含む複合材料であることが好ましい（図１Ａ〜図１Ｃ参照）。あるいは、単一材料からなる多孔質体であることが好ましい。
【００７０】  断熱層３が複合材料からなる場合には、気孔径が１０〜５００ｎｍの気孔を有する中空粒子および／または多孔質粒子を含むことが好ましく、中空粒子および／または多孔質粒子の気孔率が３０〜９９％であり、断熱層３のマトリックスの気孔率が０〜７０％であることが好ましい。
【００７１】  断熱層３が単一材料からなる多孔質体である場合には、多孔質体の気孔率が１０〜９９％であり、気孔径は、５００ｎｍ以下であることが好ましい。断熱層３は、厚さが１μｍ〜２ｍｍ、熱容量が１５００ｋＪ／（ｍ３・Ｋ）以下、熱伝導率が３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。
【００７２】  吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁に、この断熱部材１を備えた場合も、表面緻密層２は、波長２μｍにおける反射率が、０．５より大きいことが好ましく、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い。また、表面緻密層２は、厚さが１０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。
【００７３】  エンジン１０の吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁と断熱層３との間に、および／または断熱層３と表面緻密層２との間に、厚さが断熱層３よりも薄い緩衝接合層４を備えることが好ましい。緩衝接合層４は、隣接する他の２層のいずれか一方より熱膨張係数が大きく、他方より熱膨張係数が小さいことが好ましく、隣接する他の２層よりヤング率が小さいことが好ましい。また、緩衝接合層４は、熱抵抗が１０−６ｍ２Ｋ／Ｗ以上であることが好ましい。
【００７４】  断熱部材１を適用する、自動車等のエンジン１０の吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路としては、例えば、吸気管、インテークマニホールド、エキゾーストマニホールド、排気管、触媒コンバーター、マフラーなどが挙げられる。
【００７５】  吸気側の流路（吸気管、インテークマニホールド）に断熱部材１を備えた場合、流路の外部からの熱を流路内の空気（吸気ガス）に伝えないことで、エンジン１０内に流入する空気の温度が高くなることを抑えることができる。これにより、ノッキングが起こりにくくなり、結果として燃費向上に繋がる。排気側の流路（エキゾーストマニホールド、排気管、触媒コンバーター）に断熱部材１を備えた場合、排気ガスの温度が低くなることを抑え、触媒を早期に暖機することができるため、排気ガスの浄化性能が向上する。また、ターボチャージャーを装着する場合には、排気エネルギーが増大するため、排気エネルギーを低下させることを抑えられるため、結果として燃費向上に繋がる。
【００７６】（製造方法）  次に、断熱部材１の製造方法について説明する。
【００７７】  エンジン燃焼室２０を構成する内壁（または、流路の内壁）と断熱層３との間に、第一緩衝接合層４ａを有するように構成する場合は、エンジン構成部材２１の上に、第一緩衝接合層４ａとなる材料を塗布（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、ろう材の場合）、あるいは、めっき製膜して形成し、その上に断熱層３を形成する。
【００７８】  断熱層３は、多孔質膜を形成する上では、特に、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、接合材により下地材に貼り付けてもよい。さらに、結合材にフィラー粒子（中空が好ましい）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、熱処理して断熱層３としてもよい。また、中空粒子もしくは多孔質粒子を無機接着剤（無機バインダー）あるいは無機高分子、酸化物ゾル、水ガラスなどに分散させた組成物を、緩衝接合層４を塗布したエンジン構成部材２１の上に塗布し、熱処理して断熱層３を形成してもよい。
【００７９】  断熱層３と表面緻密層２との間に、第二緩衝接合層４ｂを有するように構成する場合は、断熱層３上に、第二緩衝接合層４ｂを第一緩衝接合層４ａと同様にして形成し、その上に表面緻密層２を形成する。
【００８０】  表面緻密層２は、断熱層３を形成した上に（または第二緩衝接合層４ｂ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、断熱層３等とともに下地材に貼り付けてもよい。
【実施例】
【００８１】  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。【００８２】＜実施例１＞  まず、エンジン構成部材２１の代わりとなる、Ａｌ（アルミニウム）合金の基材上にアルミナゾルを塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理によりアルミナ質の膜を形成し、これを緩衝接合層４とした。【００８３】  次に、シリカゾル、水ガラス、シリカ粒子（中実粒子）、シリカ中空粒子、界面活性剤、可塑剤、水を含む組成物を調製し、緩衝接合層４の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、多孔質なシリカ質の膜を形成し、断熱層３とした。【００８４】  最後に、シリカゾル、水ガラス、可塑剤、水を含む組成物を調製し、断熱層３の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、緻密質なシリカ質の膜を形成し、表面緻密層２とした。【００８５】  実施例１の断熱層３は、２００ｎｍの気孔を含み、気孔率は７１％、断熱層３の厚さは、およそ１００μｍであった。また、表面緻密層２の厚さは、およそ２００ｎｍ、気孔率は２％であった。【００８６】＜実施例２＞  実施例１と同様に、Ａｌ合金の基材上に緩衝接合層４を形成した。【００８７】  次に、シリカゾル、水ガラス、シリカ粒子（中実粒子）、多孔質シリカ粒子、界面活性剤、可塑剤、水を含む組成物を調製し、緩衝接合層４の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、多孔質なシリカ質の膜を形成し、断熱層３とした。【００８８】  最後に、シリカゾル、水ガラス、可塑剤、水を含む組成物を調製し、断熱層３の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、緻密質なシリカ質の膜を形成し、表面緻密層２とした。【００８９】  実施例２の断熱層３は、２０ｎｍの気孔を含み、気孔率は６８％、断熱層３の厚さは、およそ１００μｍであった。また、表面緻密層２の厚さは、およそ２００ｎｍ、気孔率は２％であった。【００９０】＜実施例３＞  実施例１と同様に、Ａｌ合金の基材上に緩衝接合層４を形成した。【００９１】  次に、シリコーン樹脂、アルミキレート、シランカップリング剤、シリカ粒子（中実粒子）、シリカ中空粒子、イソプロピルアルコールを含む組成物を調製し、緩衝接合層４の上に塗布し、乾燥後、３００℃の熱処理により、多孔質なシリカ質の膜を形成し、断熱層３とした。【００９２】  最後に、シリコーン樹脂、アルミキレート、シランカップリング剤、イソプロピルアルコールを含む組成物を調製し、断熱層３の上に塗布し、乾燥後、３００℃の熱処理により、緻密質なシリカ質の膜を形成し、表面緻密層２とした。【００９３】  実施例３の断熱層３は、２００ｎｍの気孔を含み、気孔率は７０％、断熱層３の厚さは、およそ１００μｍあった。また、表面緻密層２の厚さはおよそ２００ｎｍ、気孔率は２％であった。【００９４】＜実施例４＞  実施例１と同様に、Ａｌ合金の基材上に緩衝接合層４を形成した。【００９５】  次に、パーヒドロポリシラザン、アミン系触媒、シリカ粒子（中実粒子）、多孔質シリカ粒子、キシレンを含む組成物を調製し、緩衝接合層４の上に塗布し、乾燥後、２５０℃の熱処理により、多孔質なシリカ質の膜を形成し、断熱層３とした。【００９６】  最後に、パーヒドロポリシラザン、アミン系触媒、キシ���ンを含む組成物を調製し、断熱層３の上に塗布し、乾燥後、３００℃の熱処理により、緻密質なシリカ質の膜を形成し、表面緻密層２とした。【００９７】  実施例４の断熱層３は２０ｎｍの気孔を含み、気孔率は６７％、断熱層３の厚さはおよそ１００μｍであった。また、表面緻密層２の厚さはおよそ１００ｎｍ、気孔率は２％であった。【００９８】＜実施例５＞  パーヒドロポリシラザン、アミン系触媒、シリカ粒子（中実粒子）、多孔質シリカ粒子、キシレンを含む組成物を調製し、Ａｌ合金の基材上に直接塗布し、乾燥後、２５０℃の熱処理により、多孔質なシリカ質の膜を形成し、断熱層３とした。【００９９】  最後に、パーヒドロポリシラザン、アミン系触媒、キシレンを含む組成物を調製し、断熱層３の上に塗布し、乾燥後、３００℃の熱処理により、緻密質なシリカ質の膜を形成し、表面緻密層２とした。【０１００】  実施例５の断熱層３は２０ｎｍの気孔を含み、気孔率は６９％で、断熱層３の厚さはおよそ１００μｍであった。また、表面緻密層２の厚さはおよそ１００ｎｍ、気孔率は２％であった。【０１０１】＜比較例１＞  エンジン構成部材２１の代わりとなる、Ａｌ（アルミニウム）合金の基材上に、緩衝接合層４、断熱層３、表面緻密層２を形成せずに、表面がＡｌ合金のままであるものを比較例１として用意した。【０１０２】＜比較例２＞  実施例１と同様に、Ａｌ合金の基材上に緩衝接合層４を形成した。【０１０３】  次に、シリカゾル、水ガラス、シリカ粒子（中実粒子）、界面活性剤、可塑剤、水を含む組成物を調製し、緩衝接合層４の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、シリカ質の膜を形成し、断熱層３とした。【０１０４】  最後に、シリカゾル、水ガラス、可塑剤、水を含む組成物を調製し、断熱層３の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、緻密質なシリカ質の膜を形成し、表面緻密層２とした。【０１０５】  比較例２の断熱層３は気孔をほとんど含まず、気孔率は５％で、断熱層３の厚さは、およそ１００μｍであった。また、表面緻密層２の厚さは、およそ２００ｎｍ、気孔率は２％であった。【０１０６】＜比較例３＞  実施例１と同様に、Ａｌ合金の基材上に緩衝接合層４を形成した。【０１０７】  次に、シリカゾル、水ガラス、シリカ粒子（中実粒子）、発泡樹脂（粒径約５０μｍのプラスチックバルーン）、界面活性剤、可塑剤、水を含む組成物を調製し、緩衝接合層４の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、多孔質なシリカ質の膜を形成し、断熱層３とした。【０１０８】  最後に、シリカゾル、水ガラス、可塑剤、水を含む組成物を調製し、断熱層３の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、緻密質なシリカ質の膜を形成し、表面緻密層２とした。【０１０９】  比較例３の断熱層３は５０μｍの気孔を含み、気孔率は７０％で、断熱層３の厚さは、およそ１００μｍであった。また、表面緻密層２の厚さは、およそ２００ｎｍ、気孔率は２％であった。【０１１０】＜比較例４＞  実施例１と同様に、Ａｌ合金の基材上に緩衝接合層４を形成した。【０１１１】  次に、シリカゾル、水ガラス、シリカ粒子（中実粒子）、シリカ中空粒子、界面活性剤、可塑剤、水を含む組成物を調製し、緩衝接合層４の上に塗布し、���燥後、５００℃の熱処理により、多孔質なシリカ質の膜を形成し、断熱層３とした。【０１１２】  最後に、シリカゾル、水ガラス、ラテックス粒子（平均粒径５０ｎｍ）、可塑剤、水を含む組成物を調製し、断熱層３の上に塗布し、乾燥後、５００℃の熱処理により、緻密質なシリカ質の膜を形成し、表面緻密層２とした。【０１１３】  比較例４の断熱層３は２００ｎｍの気孔を含み、気孔率は６９％で、断熱層３の厚さは、およそ１００μｍであった。また、表面緻密層２の厚さは、およそ２００ｎｍ、気孔率２１％であった。【０１１４】
【表１】
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【０１１５】（評価方法）  多層構造の断熱部材１（表面緻密層２、断熱層３、緩衝接合層４）を表面に有するアルミニウム合金板における断熱性能を次のようにして評価した。ガスバーナーの火をアルミニウム合金板の断熱部材１側に近づけて、アルミニウム合金板の反対側に伝わる熱流量を測定し、同様にして比較用アルミニウム合金板（断熱部材なし）の熱流量を測定し、これらを比較した。【０１１６】  具体的には、多層構造の断熱部材１を有するアルミニウム合金板（実施例１〜５）の断熱部材１がない側に熱流計を設置した。同様に、比較用の断熱部材１が形成されていないアルミニウム合金板（比較例１）や断熱層３等が所定の条件を満たさないもの（比較例２〜３）に熱流計を設置した。１つのガスバーナーの炎から等距離のところに、断熱部材１がガスバーナーの炎側にくるように配置し、それぞれを貫流する熱流量を計測した。【０１１７】  実施例１〜５と比較例１〜３の熱流量を比較した。比較例１の熱流量を１００としたとき、実施例１の熱流量は９０、実施例２の熱流量は８６、実施例３の熱流量は８８、実施例４の熱流量は８５、実施例５の熱流量は８６であった。また、比較例２の熱流量は９６であり、実施例１と比較して熱流量が大きく、実施例１のようにシリカ粒子が中空であることで断熱性能が改善されることがわかる。また、比較例３の熱流量は９３であり、実施例１や２と比較して熱流量が大きく、多孔質な断熱層であってもその気孔径が小さいほど断熱性能が改善されることがわかる。比較例４の熱流量は９３であり、表面緻密層２の気孔率が高いと断熱性能が低下することがわかる。さらに、実施例４と実施例５について、ガスバーナーの火を近づけたり遠ざけることを繰り返すことにより、実施例４は、緩衝接合層４を有するため耐久性が向上していることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】  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。また、エンジンの吸気ガスまたは排気ガスが流通する流路の内壁にもこの構造の断熱部材を適用することができる。
【符号の説明】
【０１１９】１：断熱部材、２：表面緻密層、３：断熱層、３ａ：中空粒子、３ｂ：多孔質粒子、３ｍ：マトリックス、４：緩衝接合層、４ａ：第一緩衝接合層、４ｂ：第二緩衝接合層、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、１４ｓ：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１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【国際調査報告】
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