(57)【要約】【課題】遮熱層の遮熱性が高く、基材に対する遮熱層の密着性が良好であるエンジン構成部品を提供すること。【解決手段】エンジン構成部品は、金属製の基材と、前記基材の表面に設けられた遮熱層とを備える。前記遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含み、前記遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する多孔質体からなる。前記ガラスはＴｅ及びＢｉの少なくとも一方を含むことが好ましい。前記無機繊維は、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、及びＺｒＯ２繊維から成る群から選択される１以上を含むことが好ましい。前記遮熱層の断面において、前記ガラスの面積と前記無機繊維の面積との合計面積に対し、前記無機繊維の面積の比率は、２０〜６０％であることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の基材と、
前記基材の表面に設けられた遮熱層と、
を備え、
前記遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含み、前記遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する多孔質体からなるエンジン構成部品。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジン構成部品であって、
前記ガラスはＴｅ及びＢｉの少なくとも一方を含むエンジン構成部品。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエンジン構成部品であって、
前記無機繊維は、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、及びＺｒＯ２繊維から成る群から選択される１以上を含み、
前記遮熱層の断面において、前記ガラスの面積と前記無機繊維の面積との合計面積に対し、前記無機繊維の面積の比率は、２０〜６０％であるエンジン構成部品。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン構成部品であって、
前記無機繊維の平均アスペクト比は１０以上であるエンジン構成部品。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジン構成部品であって、
前記遮熱層の平均厚みが８０〜４００μｍであり、
前記遮熱層の平均気孔率が２５〜５０％であるエンジン構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はエンジン構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジン構成部品の表面に遮熱層を設ける技術が知られている。エンジン構成部品として、例えば、燃焼室に臨む部材等が挙げられる。特許文献１には、無機酸化物から成る中空粒子と、フィラー材と、ガラス質材とを含む遮熱層が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−６８３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
遮熱層は、遮熱性が高い必要がある。また、遮熱層は、エンジンを構成する部材に対する密着性が良好である必要がある。従来の遮熱層は、遮熱性と密着性とを両立させることが困難であった。本開示の一局面は、遮熱層の遮熱性が高く、基材に対する遮熱層の密着性が良好であるエンジン構成部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一局面は、金属製の基材と、前記基材の表面に設けられた遮熱層と、を備え、前記遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含み、前記遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する多孔質体からなるエンジン構成部品である。
【０００６】
本開示の一局面であるエンジン構成部品は遮熱層を備える。その遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含む多孔質体により構成され、熱伝導率が低く、遮熱性に優れる。そのため、本開示の一局面であるエンジン構成部品は、基材への熱伝導を遮熱層によって抑制できる。
【０００７】
遮熱層を形成するとき、一般的に、遮熱層を加熱し、その後、冷却する。加熱されるとき、遮熱層は、基材に引っ張られて膨張する。その後、遮熱層が冷却されるとき、一般的に、遮熱層の収縮量は基材の収縮量より小さいので、遮熱層と基材との界面に応力が生じる。応力によって遮熱層が割れると、遮熱層が基材から剥がれてしまう。
【０００８】
本開示の一局面であるエンジン構成部品では、遮熱層を加熱し、その後冷却しても、遮熱層が基材から剥がれ難い。その理由は以下のように推測される。遮熱層は多孔質体により構成され、気孔を含む。冷却時に遮熱層に応力が加わると、気孔がつぶれることで、遮熱層は縮むことができる。そのため、冷却時に遮熱層は割れ難く、基材から剥がれ難い。また、遮熱層は無機繊維を含むので、界面の応力が、遮熱層において界面から離れた部位にまで伝わり易い。そのため、界面付近に応力が集中し難いので、冷却時に遮熱層は割れ難く、基材から剥がれ難い。
【０００９】
本開示の一局面であるエンジン構成部品において、遮熱層は、遮熱層の厚み方向に貫通する連続気孔を有する。そのため、本開示の一局面であるエンジン構成部品は、連続気孔を通じて、適度に熱を基材に伝導させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】エンジンの構成を表す全体構成図である。
【図２】エンジン構成部品の製造方法を表す説明図である。
【図３】エンジン構成部材の断面を表す写真である。
【図４】遮熱層の熱伝導度を測定する方法を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示の例示的な実施形態を説明する。
１．エンジン構成部品
エンジン構成部品について、図１を参照して説明する。図１において、符号１０１はエンジンである。エンジン１０１は、熱エネルギーを利用する駆動源であって、例えばガソリンエンジンである。エンジン１０１は、エンジン本体１０１ａと、それに接続される給排気系とから構成される。エンジン本体１０１ａは、シリンダヘッド１０２と、シリンダブロック１０４とを備える。シリンダブロック１０４は、気筒ごとのシリンダボア１０３を形成する。シリンダヘッド１０２には、各気筒に連通する吸気ポート１０２ａと、各気筒に連通する排気ポート１０２ｂとが形成される。シリンダボア１０３内には、ピストン１０５が収容される。
【００１２】
ピストン１０５は、コネクティングロッド１０６を介してクランク軸１０７に連結される。エンジン１０１の燃焼室１０８は、ピストン１０５の頂面、シリンダボア１０３の壁面、及びシリンダヘッド１０２の下面によって形成される。また、吸気ポート１０２ａにおいて燃焼室１０８に臨む位置には、吸気バルブ１０９ａが設けられている。また、排気ポート１０２ｂにおいて燃焼室１０８に臨む位置には、排気バルブ１０９ｂが設けられている。また、燃焼室１０８には点火プラグ１１０が設けられる。
【００１３】
吸気ポート１０２ａには吸気マニホルド１１１が接続される。吸気マニホルド１１１にはインジェクタ１１２が設けられる。なお、インジェクタ１１２は燃焼室１０８に臨む位置に設けてもよい。吸気マニホルド１１１よりも上流側の吸気通路１１４には、スロットル弁１１５ａが介装される。スロットル弁１１５ａの上流側にはインタークーラー１１６が介装される。また、インタークーラー１１６の上流側にはターボ過給機１１７のコンプレッサ１１７ａが介装される。また、吸気通路１１４にはバイパス通路１１８が設けられる。バイパス通路１１８はコンプレッサ１１７ａをバイパスする。バイパス通路１１８にはエアバイパスバルブ１１９が設けられる。エアバイパスバルブ１１９はバイパス通路１１８を開閉する。
【００１４】
各排気ポート１０２ｂには排気マニホルド１２０が接続される。排気マニホルド１２０よりも下流側の排気通路１２１にはターボ過給機１１７のタービン１１７ｂが介装される。タービン１１７ｂの下流側には触媒１２２とマフラ１２３とが設けられる。また、排気通路１２１にはバイパス通路１２４が設けられる。バイパス通路１２４はタービン１１７ｂをバイパスする。バイパス通路１２４にはウエストゲートバルブ１２５が設けられる。ウエストゲートバルブ１２５はバイパス通路１２４を開閉する。
【００１５】
上述した各部品は、その全部又は一部が金属により形成される。本開示のエンジン構成部品は、上述した各部品のいずれであってもよいが、特に、燃焼室１０８に臨む部品であるピストン１０５、シリンダブロック１０４、シリンダヘッド１０２、吸気バルブ１０９ａ、排気バルブ１０９ｂ等の燃焼室構成部品が好適である。加えて、燃焼室１０８に連通する吸気ポート１０２ａ及び排気ポート１０２ｂ、さらには、排気系を構成する排気マニホルド１２０、排気通路１２１、ターボ過給機１１７、バイパス通路１２４、ウエストゲートバルブ１２５、触媒１２２等の高温に晒される部品も、本開示のエンジン構成部品として好適である。以下、本開示のエンジン構成部品について、燃焼室構成部品を例に説明する。
【００１６】
本開示の燃焼室構成部品は、金属製の基材を備える。基材は、例えば、燃焼室構成部品の主要部を構成する。基材を構成する金属は、純金属であってもよいし、合金であってもよい。純金属として、例えば、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ等が挙げられる。合金として、例えば、Ｆｅ合金、Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金等が挙げられる。
【００１７】
本開示の燃焼室構成部品は、遮熱層を備える。遮熱層は、基材の表面に設けられている。遮熱層は、基材の表面のうち一部に設けられていてもよいし、基材の全表面に設けられていてもよい。遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含む多孔質体からなる。多孔質体は、例えば、主にガラスと無機繊維との骨格からなる多孔質体である。遮熱層は、多孔質体により構成されるため、熱伝導率が小さく、遮熱性が高い。遮熱層は、例えば、基材よりも熱伝導率が小さい。
【００１８】
本開示の燃焼室構成部品では、遮熱層を加熱し、その後冷却しても、遮熱層が基材から剥がれ難い。その理由は上述したとおりである。
遮熱層は、ガラス及び無機繊維以外の成分をさらに含んでもよいし、含まなくてもよい。遮熱層は、例えば、無機繊維同士が絡み合う構造を有する。ガラスは、例えば、無機繊維と接合している。ガラスの少なくとも一部は、例えば、絡み合う無機繊維同士の接点に接合している。
【００１９】
遮熱層における気孔は、例えば、ガラス及び無機繊維のいずれにも占められていない空間である。遮熱層は、遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する。本開示の燃焼室構成部品は、連続気孔を通じて、適度に熱を基材に伝導させることができる。遮熱層は、連続気孔に加えて、独立気孔をさらに有していてもよい。
【００２０】
ガラスは、公知のガラスの中から適宜選択することができる。ガラスは、Ｔｅ及びＢｉの少なくとも一方を含むことが好ましい。Ｔｅ及びＢｉの少なくとも一方を含むガラスは、それらを含まないガラスより熱膨張係数が大きい。そのため、ガラスがＴｅ及びＢｉの少なくとも一方を含む場合、遮熱層の熱膨張係数は一層大きくなり、遮熱層の熱膨張係数と、基材の熱膨張係数との差は一層小さくなる。その結果、ガラスがＴｅ及びＢｉの少なくとも一方を含む場合、遮熱層と基材との密着性が一層良好である。
【００２１】
ガラスとして、例えば、（ａ）Ｐ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３の少なくとも一方と、（ｂ）Ｒ２Ｏ及びＲ’Ｏと、を含み、（ａ）及び（ｂ）の合計モル数に対する、（ｂ）のモル数の比率（以下ではＲＲ’比率とする）が４０〜６０％であるガラスが挙げられる。ＲはＬｉ、Ｎａ、及びＫから成る群から選択される１以上であり、Ｒ’は、Ｍｇ、Ｃａ、及びＣｕから成る群から選択される１以上である。ガラスが上記のガラスである場合、遮熱層の熱膨張係数は一層大きくなり、遮熱層の熱膨張係数と、基材の熱膨張係数との差は一層小さくなる。その結果、遮熱層と基材との密着性が一層良好である。
【００２２】
無機繊維は、公知の無機繊維から適宜選択することができる。無機繊維として、例えば、セラミック繊維、金属繊維等が挙げられる。無機繊維の具体例として、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、ＺｒＯ２繊維、ＢＮ繊維、ＳｉＣ繊維、ＴｉＯ２繊維、ＣＮＦ繊維、グラスウール等が挙げられる。無機繊維は、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、及びＺｒＯ２繊維から成る群から選択される１以上を含むことが好ましい。無機繊維が、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、及びＺｒＯ２繊維から成る群から選択される１以上を含む場合、遮熱層を構成する多孔質体の状態を制御することが容易である。また、遮熱層の強度が高い。
【００２３】
無機繊維として、例えば、結晶質酸化物繊維が挙げられる。結晶質酸化物繊維として、例えば、α−アルミナ繊維、γ−アルミナ繊維、ムライト繊維等が挙げられる。無機繊維
が結晶質酸化物繊維である場合、遮熱層に熱衝撃が加えられても、遮熱層が破損し難い。
【００２４】
遮熱層の断面において、ガラスの面積と無機繊維の面積との合計面積に対する、無機繊維の面積の比率（以下では繊維面積比とする）は、２０〜６０％であることが好ましい。繊維面積比が２０〜６０％である場合、遮熱層を構成する多孔質体の状態を制御することが容易である。また、遮熱層の強度が高い。無機繊維が結晶質酸化物繊維であり、繊維面積比が２０〜６０％である場合、遮熱層に熱衝撃が加えられても、遮熱層が破損し難い。
【００２５】
繊維面積比の測定方法は以下のとおりである。遮熱層を切断し、断面を形成する。ＥＰＭＡを用いて断面のうち、２００μｍ×１００μｍの範囲を組成分析し、ガラスの部分と、無機繊維の部分とをそれぞれ同定する。ガラスの部分の面積を測定し、測定値をＳ１とする。無機繊維の部分の面積を測定し、測定値をＳ２とする。以下の式（１）で表されるＳｆを、繊維面積比（％）とする。
【００２６】
式（１）  Ｓｆ＝（Ｓ２／（Ｓ１+Ｓ２））×１００
無機繊維の平均アスペクト比は１０以上であることが好ましい。平均アスペクト比が１０以上である場合、遮熱層において無機繊維同士が絡み易い。そのため、遮熱層の強度が高い。
【００２７】
平均アスペクト比の測定方法は以下のとおりである。遮熱層を切断し、断面を形成する。断面のうち、２００μｍ×２００μｍの領域に存在する全ての無機繊維について、アスペクト比を測定する。アスペクト比は、無機繊維の直径に対する無機繊維の長さの比である。アスペクト比の算出に用いる直径は、１本の無機繊維のうち、最も直径が小さい部分での値である。長さは、無機繊維の形状に沿って測定した長さである。２００μｍ×２００μｍの領域に存在する全ての無機繊維におけるアスペクト比の平均値を、平均アスペクト比とする。
【００２８】
遮熱層の平均厚みは、８０〜４００μｍであることが好ましい。遮熱層の平均厚みが８０μｍ以上である場合、基材への熱伝導を遮熱層によって一層抑制できる。遮熱層の平均厚みが４００μｍ以下である場合、遮熱層にクラックが生じ難く、遮熱層が基材から剥がれ難い。
【００２９】
遮熱層の平均厚みの測定方法は以下のとおりである。遮熱層を切断し、断面を形成する。断面のうち、長さ５００μｍの範囲における複数の場所でそれぞれ遮熱層の厚みを測定する。遮熱層の厚みを測定する複数の場所は、いずれも、遮熱層の端部以外の場所である。複数の場所における遮熱層の厚みの平均値を遮熱層の平均厚みとする。
【００３０】
遮熱層の断面での幅０．５ｍｍの範囲における遮熱層の厚みの最大値と最小値との差（以下では厚み差とする）が７０μｍ以下であることが好ましい。厚み差が７０μｍ以下である場合、遮熱層に熱衝撃が加えられても、遮熱層が破損し難い。
【００３１】
遮熱層の平均気孔率は２５〜５０％であることが好ましい。平均気孔率が２５％以上である場合、基材への熱伝導を遮熱層によって一層抑制できる。遮熱層の平均気孔率が５０％以下である場合、遮熱層にクラックが生じ難く、遮熱層が基材から剥がれ難い。
【００３２】
遮熱層の平均気孔率の測定方法は以下のとおりである。遮熱層を切断し、断面を形成する。ＳＥＭを用いて断面の反射電子像を取得する。反射電子像内の１０の視野において、それぞれ、ガラスの部分、無機繊維の部分、及び気孔の部分をそれぞれ同定する。それぞれの視野は、２００μｍ×５０μｍの大きさを有する。なお、反射電子像において、ガラスの部分、無機繊維の部分、及び気孔の部分は、コントラストの濃淡により区別すること
ができる。
【００３３】
１０の視野に含まれるガラスの部分の面積を測定し、測定値をＳ１とする。また、１０の視野に含まれる無機繊維の部分の面積を測定し、測定値をＳ２とする。また、１０の視野に含まれる気孔の部分の面積を測定し、測定値をＳ３とする。以下の式（２）で表されるＳｐを、平均気孔率（％）とする。
【００３４】
式（２）  Ｓｐ＝（Ｓ３／（Ｓ１+Ｓ２+Ｓ３））×１００
２．燃焼室構成部品の製造方法
本開示の燃焼室構成部品は、例えば、以下のように製造できる。ガラス粉末と、無機繊維と、水とを含むスラリーを調製する。スラリーは、さらに他の成分を含んでもよいし、含まなくてもよい。
【００３５】
次に、図２のＳＴＥＰ１に示すように、基材１の表面にスラリーを塗布し、塗布層３を形成する。
次に、ＳＴＥＰ２において、６０〜１２０℃の温度で１〜２時間保持して塗布層３を乾燥させ、遮熱層５を形成する。次に、ＳＴＥＰ３において、４００〜６００℃の温度で０．５〜２時間保持し、遮熱層５を焼き付ける。以上の工程により、燃焼室構成部品７が完成する。
【００３６】
燃焼室構成部材の断面を図３に示す。基材の表面に遮熱層が形成されている。遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含む多孔質体により構成されている。遮熱層は、遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する。
【００３７】
３．実施例
（３−１）燃焼室構成部品の製造
実施例１〜２３、及び比較例１の燃焼室構成部品を以下のようにして製造した。ガラス粉末と、無機繊維と、水とを含むスラリーを調製した。ガラス粉末の組成は、以下の表１における「ガラス組成」の列に記載したものである。無機繊維の種類は、表１における「無機繊維」のうち「種類」の列に記載したものである。スラリーにおけるガラス粉末と無機繊維との配合比は、繊維面積比が表１における「繊維面積比」の列に記載した値となる配合比である。
【００３８】
【表１】
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次に、基材の表面にスラリーを塗布し、塗布層を形成した。基材の材質は、上記表１に
おける「基材の材質」の列に記載したものである。次に、５０〜１００℃の温度で３０分間〜６時間保持して塗布層を乾燥させ、遮熱層を形成した。次に、３５０〜５００℃の温度で５分間〜２時間保持し、遮熱層を焼き付けた。以上の工程により、燃焼室構成部品が完成した。
【００３９】
（３−２）燃焼室構成部品の評価
実施例１〜２３、及び比較例１の燃焼室構成部品の評価を以下のように行った。
無機繊維の平均アスペクト比と、遮熱層の平均厚みと、遮熱層の平均気孔率とを測定した。測定方法は上述した方法である。無機繊維の平均アスペクト比の測定結果を上記表１における「無機繊維」のうち「平均アスペクト比」の列に示す。遮熱層の平均厚みの測定結果を上記表１における「厚み」の列に示す。遮熱層の平均気孔率の測定結果を上記表１における「気孔率」の列に示す。    
Ｘ線ＣＴにより作成した３次元モデリングを画像解析し、遮熱層が連続気孔を有するか否かを確認した。なお、水銀圧入法により、遮熱層が連続気孔を有するか否かを確認してもよい。連続気孔とは、遮熱層を厚み方向に貫通する気孔である。遮熱層が連続気孔を有する場合は、上記表１における「連続気孔の有無」の列に「○」と記載し、連続気孔を有さない場合は「×」と記載した。
【００４０】
基材と遮熱層との接合強度を以下の方法で測定した。燃焼室構成部品を水中に入れ、水圧を所定値まで増加させ、１０分間保持する。その後、遮熱層か基材から剥離しているか否かを確認する。この工程を、上記の所定値の値を少しずつ大きくしながら、遮熱層が基材から剥離するまで繰り返す。遮熱層が基材から剥離したときの上記の所定値を接合強度とする。接合強度の測定結果を上記表１における「評価」のうち「接合評価」の列に示す。
【００４１】
遮熱層の熱伝導度を以下の方法で測定した。図４に示すように、燃焼室構成部品７が備える基材１のうち、遮熱層５とは反対側の面９を赤外線で加熱した。このとき、熱電対１１を用いて、遮熱層５の温度を継続的に測定し、温度の推移を取得した。また、遮熱層５を備えず、基材１のみから成る比較サンプルについても、同様に、基材１の一方の面に対する赤外線による加熱と、反対側の面における継続的な温度測定とを行い、温度の推移を取得した。燃焼室構成部品７における温度の推移と、比較サンプルにおける温度の推移とに基づき、シミューレーションによって遮熱層の熱伝導度を算出した。算出した熱伝導度を以下の基準に当てはめて、遮熱性を評価した。評価結果を上記表１における「評価」のうち「熱伝導」の列に示す。
【００４２】
◎：熱伝導度が０．３Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である。
○：熱伝導度が０．３Ｗ／（ｍ・ｋ）を超え、０．６Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である。
×：熱伝導度が０．６Ｗ／（ｍ・ｋ）を超える。
【００４３】
実施例１〜２３の燃焼室構成部品では、基材と遮熱層との接合強度が高く、遮熱層の遮熱性が良好であった。比較例１の燃焼室構成部品では、遮熱性が不良であった。
４．他の実施形態
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
【００４４】
（１）上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態
である。
【００４５】
（２）上述した燃焼室構成部品の他、当該を構成要素とするエンジンシステム、遮熱層、エンジン構成部品の製造方法、遮熱層の製造方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。上述の実施形態ではエンジン構成部品としてガソリンエンジンの構成部品を例示したが、本開示のエンジン構成部品は、ディーゼルエンジンやガスタービンエンジンの構成部品であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…基材、３…塗布層、５…遮熱層、７…燃焼室構成部品、９…反対側の面、１１…熱電対
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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