(57)【要約】【課題】低熱伝導率かつ低比熱であるとともに、耐熱性と機械的強度に優れた遮熱膜を有するエンジン構成部材及び該エンジン構成部材の製造方法を提供すること。【解決手段】  エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜３０を有するエンジン構成部材１４において、前記遮熱膜は、前記エンジン構成部材の粗面化された壁面１４ａの内部にシリコン系の無機中空微粒子４０が埋設された空気含有層からなる。【選択図】図２
2019060319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材において、
前記遮熱膜は、前記エンジン構成部材の粗面化された壁面の内部にシリコン系の無機中空微粒子が埋設された空気含有層からなることを特徴とするエンジン構成部材。
【請求項２】
エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材の製造方法であって、
前記エンジン構成部材の壁面に対して粗面処理を施す粗面処理工程と、
粗面化された前記エンジン構成部材の壁面にシリコン系の無機中空微粒子を衝突させて、該壁面に埋め込む埋込工程と、
を含むことを特徴とするエンジン構成部材の製造方法。
【請求項３】
前記粗面処理において、前記エンジン構成部材は、壁面に機械的に力を加えることにより粗面化されることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記粗面処理は、前記エンジン構成部材に対する陽極酸化処理であることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遮熱膜を有するエンジン構成部材及び該エンジン構成部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の車両のエンジンで、燃料が発生させる熱エネルギーによる仕事効率を向上させるために、エンジンにおける冷却損失を改善する対策がなされている。
【０００３】
冷却損失を改善するための対策の一つとして、エンジンの燃焼室の壁面に、セラミックスからなる遮熱膜を形成するものが知られている。セラミックスは、一般に車両部材として用いられるアルミニウム等に比べて熱伝導率が低く、耐熱性を有することから、燃焼室の壁面を遮熱化する効果がある。
【０００４】
しかしながら、セラミックスは一般に単位質量あたりの熱容量が高い（すなわち、高比熱である）ことから、セラミックスの遮熱膜を有するエンジンにおいては、エンジンの継続稼働により、定常的に燃焼室の壁面温度が上昇する。その結果、エンジンの吸気効率が低下したり、燃料室内の温度上昇による異常燃焼によりノッキングが発生したりするという問題がある。
【０００５】
この問題を解消するために、遮熱膜は、耐熱性があり、低熱伝導率であって、さらに単位質量あたりの熱容量が低い（すなわち、低比熱である）ことを要する。低熱伝導率かつ低比熱である最適な材料としては空気を挙げることができる。空気を遮熱膜に取り込む構造として、例えば、特許文献１には、エンジン燃焼室を構成するエンジン構成部品の壁面に、遮熱膜として、アルミニウムから成長する陽極酸化被膜であるアルマイト皮膜を形成したものが記載されている。
【０００６】
アルマイト皮膜は、膜厚方向に延びる多数の孔を有しており、特許文献１に記載のエンジン構成部品は、アルマイト皮膜と、アルマイト皮膜に積層されてアルマイト皮膜の孔の上面を封止する封孔材層とからなる遮熱膜を有している。また、封孔材として、耐熱性を有するシリカを主成分とするポリシラザンやポリシロキサンを用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−９６６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の遮熱膜においては、アルマイト皮膜に形成された孔の内部に保有された空気により、低熱伝導率かつ低比熱を実現できるとともに、封孔材層によって、平均温度が最大で３００℃近くなる高温のエンジン燃焼室に対し、耐熱性を確保することができる。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の遮熱膜では、アルマイト皮膜に形成された多数の孔によって、遮熱膜の機械的な強度が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
エンジンの燃焼室内は、高温かつ高圧になることから、高圧状態に耐え得る高い機械的強度が必要となる。しかしながら、アルマイト皮膜は、膜厚方向に柱状に延びる多数の孔により機械的強度が脆いものとなり、シリカからなる封止材層による補強のみでは、長期使用においても十分に耐え得る程の高い機械的強度を確保することは困難であった。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低熱伝導率かつ低比熱であるとともに、耐熱性と機械的強度に優れた遮熱膜を有するエンジン構成部材及び該エンジン構成部材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための請求項１に記載のエンジン構成部材は、エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材において、前記遮熱膜は、前記エンジン構成部材の粗面化された壁面の内部にシリコン系の無機中空微粒子が埋設された空気含有層からなることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、遮熱膜を構成している無機中空微粒子が内部に保有する空気により、熱伝導率が低く、かつ熱容量が低い遮熱膜とすることができる。また、無機中空微粒子は、エンジン構成部材の粗面化された壁面の内部に埋設された状態であるので、遮熱膜の機械的強度が保持される。また、空気を保有する中空微粒子は、高い耐熱性を有するシリコン系の無機材料で構成されているので、高温のエンジン燃焼室に対して耐熱性に優れている。
【００１４】
また、上記目的を達成するための請求項２に記載のエンジン構成部材の製造方法は、エンジン燃焼室を構成する壁面に遮熱膜を有するエンジン構成部材の製造方法であって、前記エンジン構成部材の壁面に対して粗面処理を施す粗面処理工程と、粗面化された前記エンジン構成部材の壁面にシリコン系の無機中空微粒子を衝突させて、該壁面に埋め込む埋込工程と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、粗面処理工程において、エンジン構成部材の壁面は粗面化されて凹凸状となっているので、この粗面化された壁面に無機中空微粒子を衝突させることで、無機中空微粒子がエンジン構成部材の壁面の凹部に入り込みやすい。これにより、エンジン構成部材の壁面にシリコン系の無機中空微粒子が埋設された遮熱膜を形成することができる。この遮熱膜は、無機中空微粒子が内部に保有する空気により、熱伝導率が低く、かつ熱容量が低いものとなるので、エンジンの冷却損失を低減することができる。
【００１６】
また、無機中空微粒子は、エンジン構成部材の壁面内部に埋設された状態であるので、遮熱膜の機械的強度が保持される。また、空気を保有する中空微粒子は、高い耐熱性を有するシリコン系の無機材料で構成されているので、高温のエンジン燃焼室に対して耐熱性に優れた遮熱膜とすることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の製造方法において、前記粗面処理において、前記エンジン構成部材は、壁面に機械的に力を加えることにより粗面化されることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、エンジン構成部材そのものの壁面に機械的な力を加えて粗面化しているので、エンジン構成部材が有する高い機械的強度及び耐熱性によって、遮熱膜の機械的強度及び耐熱性を向上させることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の製造方法において、前記粗面処理は、前記エンジン構成部材に対する陽極酸化処理であることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、エンジン構成部材に対して陽極酸化処理を施すことにより、多数の孔を有する陽極酸化皮膜をエンジン構成部材の表面に形成することができるので、埋込処理において、この陽極酸化皮膜の孔の内部に無機中空微粒子を埋め込むことにより、無機中空微粒子をエンジン構成部材の表面に保持させることができる。また、埋め込まれた無機中空微粒子により、遮熱膜を構成する陽極酸化皮膜の機械的強度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、シリコン系の無機中空微粒子がエンジン構成部材の壁面に埋設された遮熱膜を有しているので、遮熱膜の耐熱性と機械的強度とを確保しながら、無機中級粒子が保有する空気によって遮熱膜を低熱伝導率かつ低比熱とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る遮熱膜を有するエンジン構成部材を用いたエンジン燃焼室構造を示す模式図。
【図２】ピストンの壁面に形成された遮熱膜を示す断面図。
【図３】遮熱膜の形成方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る遮熱膜を有するエンジン構成部材について詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る遮熱膜を有するエンジン構成部材を用いたエンジン燃焼室構造１を示す模式図である。図１のエンジン燃焼室構造１は、自動車等の車両のエンジンに適用される。
【００２４】
エンジン燃焼室構造１は、エンジン燃焼室２を構成するエンジン構成部材である、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３、ピストン１４、点火プラグ１６、吸気バルブ１７、及び排気バルブ１８を備える。
【００２５】
シリンダブロック１２は、エンジン燃焼室２を形成する円筒状のシリンダ１１を有する。ピストン１４は、略円柱状であって、シリンダ１２の内部を摺動して往復移動可能に構成されている。
【００２６】
シリンダヘッド１３は、シリンダブロック１２の上面を覆っており、シリンダ１１の上面を覆う燃焼室天井部１３ａを有する。点火プラグ１６、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８は、シリンダヘッド１３に取り付けられる。
【００２７】
点火プラグ１６は、端部に着火部となる電極部を有しており、この端部が燃焼室天井部１３ａからエンジン燃焼室２内へ突出するように取り付けられる。吸気バルブ１７は、シリンダヘッド１３に形成された吸気路１３ｂを開閉可能に構成され、排気バルブ１８は、シリンダヘッド１３に形成された排気路１３ｃを開閉可能に構成される。
【００２８】
このエンジン燃焼室構造１では、シリンダ１１、シリンダヘッド１３の燃焼室天井部１３ａ、ピストン１４によって囲まれたエンジン燃焼室２に、吸気バルブ１７の開弁により燃料が混合された混合ガスが供給され、点火プラグ１６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１８が開弁されることによりエンジン燃焼室２外へ排気される。
【００２９】
本実施の形態において、ピストン１４、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８には、エンジン燃焼室２を構成する壁面に、断熱性の遮熱膜３０を有している。具体的には、ピストン１４の上面１４ａと、シリンダヘッド１３の燃焼室天井部１３ａと、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８のバルブヘッド１７ａ，１８ａのエンジン燃焼室２側の表面とに、遮熱膜３０が形成されている。なお、図示していないが、さらに、シリンダ１１の内壁面１１ａに遮熱膜３０を形成してもよい。
【００３０】
図２は、ピストン１４の壁面である上面１４ａに形成された遮熱膜３０を示す断面図である。この遮熱膜３０は、粗面化された上面１４ａの内部にシリコン系の無機中空微粒子が埋設された空気含有層からなる。
【００３１】
エンジン構成部材であるピストン１４は、金属材料で形成されており、本実施の形態では、アルミニウム合金で形成されている。
【００３２】
ピストン上面１４ａに形成された遮熱膜３０の膜厚は、約２０〜２００μｍであって、好ましくは約５０〜１００μｍである。遮熱膜３０の気孔率は、多量の空気を保有しつつ強度を維持する観点から、約２０〜９０％の範囲であることが好ましく、より好ましくは約３０〜８０％である。
【００３３】
無機中空微粒子４０は、マイクロレベルの大きさを有し、シリコン系の無機材料（例えば、シリカ等のガラス材料）によって構成されている。無機中空微粒子４０の大きさは、好ましくは直径が約５〜４０μｍであり、より好ましくは直径が約１６〜２０μｍであって殻厚が約０．５〜２μｍである。この無機中空微粒子４０は、ピストンを構成する金属材料よりも高い耐熱性を有する。
【００３４】
なお、図示例では、無機中空微粒子４０が球状のものを示しているが、形状はこれに限られず、中空であって内部に空気を保有できる形状であればよい。また、大きさの異なる無機中空微粒子４０が混在した構造であってもよい。
【００３５】
無機中空微粒子４０は、形状変化を生じる軟化温度が、エンジン構成部材を構成する金属材料の融点と同等かそれよりも高いものを用いることが好ましい。本実施の形態の無機中空微粒子４０は、軟化温度がピストン１４を構成するアルミニウム合金の融点（６６０℃）と同等のガラス材料により構成されている。
【００３６】
次に、上述した遮熱膜３０を有するエンジン構成部材の製造方法について説明する。ここでは、製造方法の一例として、エンジン構成部材であるピストン１４の上面１４ａに遮熱膜３０を形成する方法を説明する。なお、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３、吸気バルブ１７及び排気バルブ１８についても、以下に説明する方法と同様の方法により壁面に遮熱膜３０を形成することができる。
【００３７】
まず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、平坦なピストン１４の上面１４ａに対して粗面処理を施し、上面１４ａにマイクロレベルの凹凸を形成する（粗面処理工程）。粗面処理としては、例えば、上面１４ａに対して研磨材を吹き付けるサンドブラスト等のブラスト加工、機械加工、レーザ照射などによって上面１４ａに対して機械的に力を加えて粗面化させることができる。また、他の粗面処理として、化学薬品を用いたエッチングや上面１４ａに対してアルマイト処理（陽極酸化処理）を施したりすることで粗面化させることができる。本実施の形態では、機械的な力により上面１４ａを粗面化している。
【００３８】
この粗面処理により、ピストン上面１４ａに多数の凹部３２が形成される。凹部３２は、無機中空微粒子４０の埋込みが許容されるように、無機中空微粒子４０の大きさと同程度の内部空間を有する。図３（ｂ）に示す例では、無機中空微粒子４０の直径と同程度の深さを有する凹部３２を形成しており、凹部３２の口径は無機中空微粒子４０の直径よりも僅かに小さく、最大穴径は無機中空微粒子４０の直径よりも僅かに大きくなっている。いる。
【００３９】
次に、図３（ｃ）に示すように、粗面化されたピストン上面１４ａに無機中空微粒子４０を衝突させて、上面１４ａに形成された凹部３２の内部に無機中空微粒子４０を埋め込む（埋込工程）。
【００４０】
無機中空微粒子４０の上面１４ａに対する衝突・埋込は、例えば、粒状物からなる無数の投射材を高速で金属表面に投射するショットピーニング装置を用いて行うことができる。このショットピーニング装置において、無機中空微粒子４０は投射材として用いられ、上面１４ａに高速で投射されることにより、一部が凹部３２に入り込んで埋設状態となる。また、凹部３２の深さが無機中空微粒子４０の大きさと同程度であるため、一つの凹部３２に一つの無機中空微粒子４０が入り込めるようになっている。
【００４１】
本実施の形態の埋込工程では、無機中空微粒子４０がピストン上面１４ａに衝突した際に、衝突エネルギーにより上昇した上面１４ａの温度が、ピストン１４を構成するアルミニウム合金の融点を超える投射速度で、無機中空微粒子４０を衝突させている。これにより、無機劉空微粒子４０が衝突した際にピストン上面１４ａが溶けて、無機中空微粒子４０の表面に付着させることができ、その結果、無機中空微粒子４０がピストン上面１４ａの内部に強固に保持される。なお、投射速度は、これに限られず、衝突の際に上面１４ａの温度が融点以下となるような速度であってもよく、無機中空微粒子４０が高い投射速度で衝突することにより凹部３２に埋め込み可能であればよい。
【００４２】
なお、埋設された無機中空微粒子４０は、表面の一部がピストン上面１４ａから露出した状態であってもよいが、衝突時に溶けたアルミニウム合金によって表面がコーティングされることが好ましい。
【００４３】
このように、粗面処理工程、埋込工程を経て無機中空微粒子４０をピストン上面１４ａに埋設することにより、ピストン１４の上面１４ａには、空気含有層である遮熱膜３０が形成される。
【００４４】
上述した製造方法では、エンジン構成部材であるピストン１４の上面１４ａに粗面処理を行って上面１４ａに多数の凹部３２を形成しているので、埋込工程において、この粗面化された壁面に無機中空微粒子４０を衝突させることにより、無機中空微粒子４０を凹部３２に埋め込むことができる。また、無機中空微粒子４０が高速で壁面に衝突させて、この上面１４ａを変形させることにより、無機中空微粒子４０はピストン上面１４ａの内部に強固に保持されることになる。また、無機中空微粒子４０を衝突させた際のエネルギーにより粗面化されたピストン上面１４ａを溶融させて、無機中空微粒子４０を埋め込むことで、無機中空微粒子４０の保持強度がより高いものとなる。
【００４５】
また、上述した遮熱膜を有するピストン１４は、上面１４ａに埋設された無機中空微粒子４０が保有する空気により、熱伝導率が低く、かつ熱容量が低い遮熱膜３０を有するものとなる。また、無機中空微粒子４０は、高い耐熱性を有するシリコン系の無機材料で構成されているので、高温になるエンジン燃焼室２に対して耐熱性に優れた遮熱膜３０とすることができる。また、無機中空微粒子４０は、ピストン１４の上面１４ａの内部に埋設された状態にあるので、遮熱膜３０の機械的強度を保持することができる。
【００４６】
なお、粗面処理工程において、穴径や深さが異なる複数の凹部３２を設け、埋込工程において、直径の異なる多数の無機中空微粒子４０を投射する構成としてもよい。これにより、直径の小さい無機中空微粒子４０を内部空間の小さい凹部３２に埋め込み、直径の大きい無機中空微粒子４０を内部空間の大きい凹部３２に埋め込むことが可能となり、粗面処理における凹部３２の形成精度の許容範囲を緩めながら、無機中空微粒子４０を確実に凹部３２に埋め込むことができる。
【００４７】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、エンジン構成部材であるピストン１４の上面１４ａの全域に遮熱膜３０を形成しているが、遮熱膜３０は上面１４ａの一部領域にのみ形成されてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１      エンジン燃焼室構造
１１    シリンダ
１２    シリンダブロック
１３    シリンダヘッド
１４    ピストン
１４ａ  ピストン上面
１７    吸気バルブ
１８    排気バルブ
３０    遮熱膜
３２    凹部
４０    無機中空微粒子
【図１】
2019060319.tif 000003
【図２】
2019060319.tif 000004
【図３】
2019060319.tif 000005