(57)【要約】【課題】陽極酸化層と封孔層とを備える断熱膜が燃焼室の壁面に形成される内燃機関において、高回転領域での吸気過熱を抑制することを抑える。【解決手段】ピストンヘッド１２の頂面１２ａには、断熱膜２２が形成されている。一方、ピストンヘッド１２の裏面１２ｃには、放熱膜２４が形成されている。断熱膜２２は、第１の陽極酸化層と封孔層とを備える封孔アルマイトから構成される。放熱膜２４は、第２の陽極酸化層のみを備える未封孔アルマイトから構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の壁面の一部を構成する頂面と、前記頂面の反対側に形成されてオイルジェットからのオイルが噴射される裏面と、を有するピストンを備える内燃機関であって、
前記頂面には、細孔を有する第１の陽極酸化層と、前記第１の陽極酸化層の細孔の開口部を封じる封孔層と、を備える断熱膜が形成され、
前記裏面には、細孔を有する第２の陽極酸化層を備える放熱膜が形成されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第１の陽極酸化層の細孔径が１０〜４０ｎｍであり、前記第２の陽極酸化層の細孔径が、前記第１の陽極酸化層の細孔径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は内燃機関に関し、より詳細には、断熱膜が表面に形成されたピストンを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１０−２４９００８号公報には、燃焼室の壁面に断熱膜が形成された内燃機関が開示されている。この断熱膜は、陽極酸化層を備えている。陽極酸化層は、燃焼室を構成する部材（シリンダヘッド、ピストン、シリンダブロック等）の陽極酸化処理によって形成される多孔質層である。多孔質構造を有することで、陽極酸化層は、燃焼室の構成部材よりも熱伝導率と単位体積当たりの熱容量において低い熱物性を示す。このような熱物性を有する陽極酸化層によれば、燃焼室内の作動ガスの温度に燃焼室の壁面の温度を追従させることが可能になる。
【０００３】
同公報には、断熱膜が封孔層を備える例も開示されている。封孔層は、陽極酸化層の表面に塗布した有機シリコン溶液の熱処理によって形成される。このような封孔層によれば、陽極酸化層が有する多数の細孔の開口部を封じることができるので、燃焼室内の作動ガスが当該開口部から膜の内部に侵入するのを防止することができる。従って、陽極酸化層の低い熱伝導率による断熱効果を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４９００８号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０２３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、本発明者によれば、上述した封孔層を形成した場合は次の問題が起こることが明らかとなった。即ち、上述した封孔層により付与される高い断熱効果は、内燃機関の膨張行程での冷却損失を低減する一方で、膨張行程に続く排気行程での燃焼室内の作動ガスの温度を下がり難くする。そのため、排気行程に続く吸気行程において燃焼室内に流入した吸気が、燃焼室内の高温の作動ガスによって必要以上に熱せられてしまう。そして、この問題は、特に内燃機関の高回転領域で顕著となる。故に、内燃機関の高回転領域では、出力低下やノッキングの発生に繋がるおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、陽極酸化層と封孔層とを備える断熱膜が燃焼室の壁面に形成される内燃機関において、高回転領域での吸気過熱を抑制することを抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上述した課題を解決するため、燃焼室の壁面の一部を構成する頂面と、前記頂面の反対側に形成されてオイルジェットからのオイルが噴射される裏面と、を有するピストンを備える内燃機関であって、
前記頂面には、細孔を有する第１の陽極酸化層と、前記第１の陽極酸化層の細孔の開口部を封じる封孔層と、を備える断熱膜が形成され、
前記裏面には、細孔を有する第２の陽極酸化層を備える放熱膜が形成されることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の陽極酸化層の細孔径が１０〜４０ｎｍであり、前記第２の陽極酸化層の細孔径が、前記第１の陽極酸化層の細孔径よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、ピストン頂面に形成された第１の陽極酸化層の熱物性（即ち、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量）によって、燃焼室内の作動ガスの温度にピストン頂面の温度を追従させることが可能となる。また、第１の陽極酸化層の細孔の開口部を封じる封孔層によって、陽極酸化層の低い熱伝導率による断熱効果を高めることもできる。更に、ピストン裏面に形成された第２の陽極酸化層によって、オイルとの熱交換の効率を高めることができる。よって、高回転領域での吸気過熱を抑制することが可能となる。
【００１０】
第２の発明によれば、第１の陽極酸化層の細孔径を１０〜４０ｎｍとし、第２の陽極酸化層の細孔径を第１の陽極酸化層の細孔径よりも大きくできるので、両者の細孔径を等しくする場合に比べて第２の陽極酸化層とオイルの熱交換の効率を高めることができる。よって、高回転領域での吸気過熱を良好に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関のピストン周辺の縦断面図である。
【図２】図１の断熱膜２２と放熱膜２４の構成を説明する図である。
【図３】内燃機関の１サイクルにおける封孔アルマイトの表面温度の推移を示した図である。
【図４】吸気開始時における燃焼室の壁面温度と、エンジン回転速度との関係を示した図である。
【図５】陽極酸化層の細孔径と、表面積の変化度合いとの関係を示した図である。
【図６】クランクケース側の熱伝達率の変化度合いと、吸気開始時における燃焼室の壁面温度との関係を示した図である。
【図７】本発明の別の実施の形態に係る内燃機関のピストン周辺の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
本発明の実施の形態に係る内燃機関は、車両等の移動体に動力源として搭載される４ストローク型のレシプロエンジンである。図１は本発明の実施の形態に係る内燃機関のピストン周辺の縦断面図である。図１に示すピストン１０は、アルミ合金をその主材として構成されている。ピストン１０は、略円柱形状を有するピストンヘッド１２と、ピストンヘッド１２の外周側から下方に延びるスカート１４と、を備えている。ピストンヘッド１２の頂面１２ａは、図示しないシリンダブロックのボア面、シリンダヘッドの底面と共に、燃焼室の壁面を構成する。
【００１４】
ピストンヘッド１２の外周面１２ｂには、ピストンリングを装着するための環状のピストンリング溝１６が３本形成されている。ピストンヘッド１２の裏面１２ｃには、一対のピンボス１８が形成されている。ピンボス１８には、ピストンピンを挿入するためのピストンピン孔１８ａが形成されている。ピストンピンは、ピストン１０とコネクティングロッドを連結する。ピストン１０とコネクティングロッドが連結されることにより、ピストン１０はシリンダボア内を往復可能に収容される。
【００１５】
シリンダブロックの下方には、ピストン１０を冷却するためのオイルジェット２０が設けられている。オイルジェット２０は、裏面１２ｃに向けてオイルを噴射する公知の装置である。
【００１６】
頂面１２ａには、断熱膜２２が形成されている。一方、裏面１２ｃには、放熱膜２４が形成されている。断熱膜２２は、第１の陽極酸化層と封孔層とを備える封孔アルマイトから構成される。放熱膜２４は、第２の陽極酸化層のみを備える未封孔アルマイトから構成される。第１，第２の陽極酸化層は、アルミ合金の陽極酸化処理によって形成される。断熱膜２２と放熱膜２４の構成について、図２を参照しながら説明する。
【００１７】
図２に示すように、断熱膜２２は、第１の陽極酸化層２６と、封孔層２８と、を備えている。第１の陽極酸化層２６は、表面から内部に向かう細孔２６ａ（縦亀裂）と、当該内部に形成された閉気孔２６ｂと、を備えている。細孔２６ａおよび閉気孔２６ｂは、アルミ合金の陽極酸化処理の過程において形成されたものである。細孔２６ａおよび閉気孔２６ｂは何れも多数存在する。
【００１８】
多数の細孔２６ａおよび閉気孔２６ｂを備える第１の陽極酸化層２６は、アルミ合金よりも熱伝導率と単位体積当たりの熱容量において低い熱物性を示す。そのため、第１の陽極酸化層２６を備える断熱膜２２によれば、燃焼室内のガスの温度に断熱膜２２の表面温度を追従させることができる。即ち、あるサイクルの膨張行程では、上昇する燃焼ガスの温度に断熱膜２２の表面温度を追従させて冷却損失を低減することができる。また、その次のサイクルの吸気行程では、比較的低い吸気の温度に断熱膜２２の表面温度を追従させて、ノッキングの発生を抑制することもできる。
【００１９】
第１の陽極酸化層２６の表面には、封孔層２８が形成されている。封孔層２８は、第１の陽極酸化層２６の表面に塗布した封孔層の熱処理によって形成される。この封孔層としては、ＡＺエレクトロニック・マテリアルズ社製のアクアミカ（登録商標）、または、ディ・アンド・ディ社製のパーミエイト（商品名）が使用される。アクアミカは、ペルヒドロポリシラザンをジブチルエーテル、アニソールといったエーテル系溶剤で薄めた溶剤タイプの封孔層である。パーミエイトは、化学式Ｒ１ｎＳｉ（ＯＲ２）４−ｎで表されるアルコキシシラン化合物（但し、Ｒ１は置換もしくは非置換の炭素数１〜８の１価炭化水素基、Ｒ２は炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数を示す。)、または、その部分加水分解縮合物を主成分とする無溶剤１液タイプの封孔層である。
【００２０】
封孔層２８によれば、第１の陽極酸化層２６の表面から細孔２６ａの開口部で硬化した封孔層によって、当該開口部を封じることができる。そのため、燃焼室内の作動ガスが細孔２６ａの開口部から深部に侵入するのを防止することができる。従って、陽極酸化層２６の低い熱伝導率による断熱効果を高めることができる。加えて、燃焼室内の燃料が細孔２６ａの深部に侵入して未燃状態となるのを抑制することもできる。更に、封孔層２８によれば、燃焼室内の腐食物質や汚染物質が細孔２６ａの深部に侵入するのを防ぐこともできる。
【００２１】
また、図２に示すように、放熱膜２４は、第２の陽極酸化層３０のみを備えている。第２の陽極酸化層３０は、表面から内部に向かう細孔３０ａと、内部に形成された閉気孔３０ｂと、を備えている。細孔３０ａと閉気孔３０ｂは、アルミ合金の陽極酸化処理の過程において形成されたものである。細孔３０ａの構造は基本的に細孔２６ａの構造と同じであり、閉気孔３０ｂの構造は基本的に閉気孔２６ｂの構造と同じである。従って、第２の陽極酸化層３０は、第１の陽極酸化層２６と同様の熱物性を示す。但し、裏面１２ｃにはオイルが噴射されているので、放熱膜２４の表面温度がクランクケース内のガスの温度に追従するとは限らない。
【００２２】
ところで、図３は、内燃機関の１サイクルにおける封孔アルマイトの表面温度の推移を示した図である。図３から分かるように、封孔アルマイトの表面温度は、最小値から急上昇して最大値に到達し、その後、最小値まで低下するサイクルを繰り返す。この表面温度の推移は、燃焼室内の作動ガスの温度の推移と概ね一致する。このような推移となるのは、封孔アルマイトを構成するアルマイトの熱物性（熱伝導率λ：０．６Ｗ／ｍＫ、熱容量Ｃ：１５００ｋＪ／ｍ３Ｋ）に因る。但し、図３に示す矢印から分かるように、異なるエンジン回転速度間でこれらの推移を比較すると、エンジン回転速度が高くなるにつれて、封孔アルマイトの表面温度の最大値と最小値の差（スイング温度）が小さくなることが分かる。
【００２３】
エンジン回転速度が同一の条件では、上述したスイング温度が大きいほどエンジン出力が大きくなる。これを図３に適用すると、次のことが分かる。即ち、封孔アルマイトがピストンヘッドの頂面等の燃焼室の壁面に形成されていると、スイング温度が小さくなる高回転速度域において、エンジン出力が低下する。また、エンジン回転速度が同一の条件では、表面温度の最小値が高いほど、吸気過熱が起こり易くなる。これを図３に適用すると、次のことが分かる。即ち、封孔アルマイトが燃焼室の壁面に形成されていると、高回転速度域で吸気過熱が起こり易くなる。
【００２４】
吸気過熱について、図４を参照しながら説明する。図４は、吸気開始時（即ち、吸気弁の開弁時ＩＶＯ）における燃焼室の壁面温度と、エンジン回転速度との関係を示した図である。この図には、アルミ合金製の燃焼室（ベース）、および、封孔アルマイトを壁面に形成した燃焼室（アルマイト）の壁面温度が、エンジン回転速度毎に示されている。図４から分かるように、２種類の燃焼室の壁面温度は、エンジン回転速度が高くなるほど上昇する。但し、両者を比較すると、燃焼室（アルマイト）の方が頂面温度の上昇率において高く、故に、両者における頂面温度の差（差温）はエンジン回転速度が高くなるほど拡大する。従って、燃焼室（アルマイト）では、高回転速度域で吸気過熱が起こり易くなる。
【００２５】
この点、本実施の形態の内燃機関では、ピストンヘッドの裏面に第２の陽極酸化層のみを備える放熱膜が形成されている。そのため、第２の陽極酸化層の高い表面積によって、ピストンヘッドの裏面に噴射されたオイルとの熱交換の効率を高めることができる。従って、高回転領域での吸気過熱を抑制することが可能となる。
【００２６】
本実施の形態において、第１，第２の陽極酸化層の層厚は３０μｍ以上であることが好ましい。陽極酸化層は、その層厚の増大に伴って上述した細孔を形成するところ、第１，第２の陽極酸化層の層厚が３０μｍ以上であれば、第１の陽極酸化層による断熱効果を高め、第２の陽極酸化層による放熱効果を高めることができる。なお、同一種類の電解液（例えば、硫酸水溶液）にピストンを浸漬して陽極酸化処理を行えば、第１，第２の陽極酸化層の層厚を等しくすることができる。
【００２７】
本実施の形態において、第１の陽極酸化層の細孔径は１０〜４０ｎｍであり、第２の陽極酸化層の細孔径は４０ｎｍ以上であることが好ましい。上述したように第２の陽極酸化層による放熱効果はその表面積に因るところ、第２の陽極酸化層の細孔径を４０ｎｍ以上とすることで、放熱効果を十分に高めることができる。なお、第１，第２の陽極酸化層の細孔径を上述のサイズとするためには、次の方法を採用することができる。第１の方法としては、同一の電解液（例えば、硫酸水溶液）にピストンを浸漬し、細孔径１０〜４０ｎｍの陽極酸化層を頂面と裏面に形成する。次いで、ピストンヘッドの裏面をリン酸に浸漬してエッチングすることで、細孔径を拡大させる。第２の方法としては、電解液（例えば、硫酸水溶液）にピストンを浸漬してピストンヘッドの頂面のみに細孔径１０〜４０ｎｍの陽極酸化層を形成する。次いで、電解液（例えば、シュウ酸水溶液、リン酸水溶液）にピストンを浸漬してピストンヘッドの裏面に細孔径１０〜４０ｎｍの陽極酸化層を形成する。
【００２８】
図５は、陽極酸化層の細孔径と、表面積の変化度合いとの関係を示した図である。図５から分かるように、陽極酸化層の細孔径が４０ｎｍのときの表面積は、現状（細孔径２０ｎｍ）の表面積の２倍になる。また、図６は、クランクケース側の熱伝達率の変化度合いと、吸気開始時における燃焼室の壁面温度との関係を示した図である。図６から分かるように、クランクケース側の熱伝達率が現状の熱伝達率の２倍のときが図５に示した細孔径４０ｎｍのときに相当し、現状の熱伝達率の２倍以上になると、狙いの壁面温度を実現できる。
【００２９】
図７は、本発明の別の実施の形態に係る内燃機関のピストン周辺の縦断面図である。図７に示すピストン４０の基本的な構成は、図１に示したピストン１０と同じである。但し、ピストン４０は、ピストンヘッド１２の裏面１２ｃだけでなく、スカート１４の内周面１４ａにも放熱膜２４が形成されている。つまり、本実施の形態の内燃機関のピストン４０は、裏面の全域に放熱膜２４を備えている。放熱膜２４の構成については、図２で説明した通りである。
【００３０】
既に説明したように、ピストンヘッドの裏面に第２の陽極酸化層のみを備える放熱膜が形成されていることで、当該裏面に噴射されたオイルとの熱交換の効率を高めることができる。本実施の形態では、ピストンの裏面の全域に放熱膜が形成されているので、高回転領域での吸気過熱を良好に抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００３１】
１０，４０  ピストン
１２  ピストンヘッド
１２ａ  頂面
１２ｂ  外周面
１２ｃ  裏面
１４  スカート
１４ａ  内周面
２０  オイルジェット
２２  断熱膜
２４  放熱膜
２６  第１の陽極酸化層
２６ａ，３０ａ  細孔
２６ｂ，３０ｂ  閉気孔
２８  封孔層
３０  第２の陽極酸化層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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