(57)【要約】【課題】燃焼室に臨む壁面に遮熱膜を具備する内燃機関とその製造方法に関し、耐熱性と断熱性に優れ、低熱伝導率と低熱容量を有する内燃機関と、この遮熱膜を効率的に形成することのできる内燃機関の製造方法を提供する。【解決手段】燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に遮熱膜１０が形成されてなる内燃機関であって、この遮熱膜１０は、中空ビーズ１の周りに磁性体の被膜２が形成されてなる中空体３が遮熱膜１０の母材金属４内に含有されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に遮熱膜が形成されてなる内燃機関であって、
前記遮熱膜は、中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成されてなる中空体が遮熱膜の母材金属内に含有されている内燃機関。
【請求項２】
前記遮熱膜において中空体を含む領域では中空体が遮熱膜の表面に露出しており、多数の中空体が母材金属で一体とされて遮熱膜を形成している請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記遮熱膜の表面に露出した中空体の表面にさらに母材金属からなる表面層が形成されている請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に遮熱膜が形成されてなる内燃機関の製造方法であって、
中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成されてなる中空体を磁性を有する中子で保持した状態で燃焼室に臨む壁面の少なくとも一部に中空体を接するようにして位置決めし、該壁面に遮熱膜の母材金属の溶湯を鋳込んで遮熱膜を形成する内燃機関の製造方法。
【請求項５】
磁性を有する中子の上に母材金属からなる層を載置し、この層の上に中空体を層状に並べて配し、磁性を有する中子で中空体を保持する請求項４に記載の内燃機関の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関とその製造方法に係り、特に、内燃機関を構成する燃焼室に臨む壁面に形成された遮熱膜に特徴がある内燃機関と、この遮熱膜の形成方法に特徴がある内燃機関の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関は、主にエンジンブロックとシリンダヘッド、およびピストンから構成されており、その燃焼室は、シリンダブロックのボア面と、このボアに組み込まれたピストンの頂面と、シリンダヘッドの底面と、シリンダヘッドに開設された吸気ポートと排気ポートに配設された吸気バルブおよび排気バルブの底面から画成されている。昨今の内燃機関に要求される高出力化にともなってその冷却損失を低減することが重要になってくるが、この冷却損失を低減する方策の一つとして、燃焼室の内壁にセラミックスからなる遮熱膜を形成する方法を挙げることができる。
【０００３】
しかし、上記するセラミックスは一般に低い熱伝導率を有し、かつ高い熱容量を有することから、定常的な表面温度上昇による吸気効率の低下やノッキング（燃焼室内に熱が篭ることに起因する異常燃焼）が発生するために燃焼室の内壁への被膜素材として普及していないのが現状である。
【０００４】
このことから、燃焼室の壁面に形成される遮熱膜は、耐熱性と断熱性は勿論のこと、低熱伝導率と低熱容量の素材から形成されるのが望ましい。
【０００５】
このように低熱伝導率かつ低熱容量の遮熱膜を備えたエンジン燃焼室構造が特許文献１に開示されている。ここで開示される遮熱膜は、低熱伝導率かつ低熱容量に加えて、壁面からの剥離や脱落がなく、耐久性や信頼性に優れたものとするべく、膜厚が20μmより大きくて500μm以下であり、かつ気孔率が20％以上の陽極酸化被膜となっている。
【０００６】
しかしながら、陽極酸化被膜はその製造方法も含めて一般に高価であることから、より安価に、しかも耐熱性と断熱性を有し、さらには低熱伝導率と低熱容量の遮熱膜の開発が望まれている。
【０００７】
ここで、特許文献２には、独立空孔を有し、その孔径及び材料中での分布が制御されたアルミニウム等をマトリックスとするポーラス金属の製造方法が開示されている。
【０００８】
より具体的には、薄い金属をスペーサー材料の外側に配置した後、スペーサー材料のみを除去することにより、薄い金属からなる独立した中空体から構成されたポア構成要素を作成し、これを型内に制御しながら配置した後に溶融金属を鋳込むことによってマトリックス金属とポア構成要素を一体化する製造方法である。
【０００９】
この方法では、ポア構成要素を型内に制御しながら配置することを要するため、このような制御が困難であることは容易に理解できる。
【００１０】
本発明者等は、内燃機関の燃焼室の壁面に中空体を有する遮熱膜を形成する技術に関し、その製造効率に優れた製造方法と、この製造方法によって製造された、耐熱性と断熱性、低熱伝導率と低熱容量を有する内燃機関の発案に至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−２４９００８号公報
【特許文献２】特開２００６−７０２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃焼室に臨む壁面に遮熱膜を具備する内燃機関とその製造方法に関し、耐熱性と断熱性に優れ、低熱伝導率と低熱容量を有する内燃機関と、この遮熱膜を効率的に形成することのできる内燃機関の製造方法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】
【００１３】
前記目的を達成すべく、本発明による内燃機関は、燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に遮熱膜が形成されてなる内燃機関であって、前記遮熱膜は、中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成されてなる中空体が遮熱膜の母材金属内に含有されているものである。
【００１４】
本発明の内燃機関はガソリンエンジンやディーゼルエンジンのいずれを対象としたものであってもよく、その構成は既述するように、エンジンブロックとシリンダヘッドとピストンから主として構成され、その燃焼室は、シリンダブロックのボア面と、このボアに組み込まれた本発明にかかるピストンの頂面と、シリンダヘッドの底面と、シリンダヘッド内に配設された吸気バルブおよび排気バルブの底面から画成されている。
【００１５】
また、内燃機関の燃焼室を構成する母材は、アルミニウムや、鋼、チタン、ニッケル、銅やそれらの合金を挙げることができ、遮熱膜が燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に形成されている。
【００１６】
この遮熱膜は、車両の定常走行時において高燃費かつ高効率なエンジン性能に寄与するべく、低熱伝導率でかつ低熱容量の遮熱膜となっている。
【００１７】
このような性能を保証するべく、上記する遮熱膜は、中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成されてなる中空体が母材金属内に含有されているものとなっている。ここで、中空ビーズは、たとえばシリカやアルミナ、窒化ケイ素などのセラミックス等から形成され、この中空ビーズの周りにある磁性体の被膜は、ニッケルやその合金、鉄やその合金、コバルトやその合金などから形成される。さらに、中空ビーズ周りに磁性体の被膜を形成する方法は、無電解めっき法やイオンプレーティング法などを挙げることができる。
【００１８】
中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成されているのは、本発明の内燃機関の製造方法に連関するものであり、壁面の所望位置に多数の磁性の中空体を位置決めしておくために、磁性を有する中子で多数の中空体を保持した状態で母材金属溶湯を鋳造する製造の際に必要となる被膜である。
【００１９】
ここで、遮熱膜には幾つかの実施の形態があり、その一つの形態は、燃焼室の壁面の全面、すなわち、シリンダブロックのボア面、ピストンの頂面、シリンダヘッドの底面などの全ての壁面に形成されている形態である。また、遮熱膜の他の形態は、燃焼室の一部、たとえばシリンダヘッドの底面にのみ形成されている形態である。
【００２０】
また、遮熱膜において中空体を含む領域では、中空体が遮熱膜の表面に露出しており、中空体が接する態様で、もしくは離れた態様で金属母材を介して一体となっている構造を呈している。
【００２１】
また、他の遮熱膜の構造として、遮熱膜の表面に露出した中空体の表面にさらに母材金属からなる表面層が形成されているものであってもよい。たとえば、中空体同士がアルミ母材で一体化されており、さらにその表層をアルミ母材の表面層が覆う構成などが挙げられる。このように、多数の中空体からなる層が母材金属からなる表面層で被覆されていることによって、燃焼室内における燃焼爆発等の際に中空体が破損等することが効果的に抑制される。
【００２２】
なお、本明細書において「低熱伝導率」とは、λ=0.4(W/mK)程度以下の熱伝導率のことを意味している。また、同様に本明細書において「低熱容量」とは、これを体積比熱容量で表した際に、1200(kJ/m3K)程度以下の体積比熱容量のことを意味している。
【００２３】
このように、たとえばセラミックス素材の中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成されてなる中空体が遮熱膜の母材金属内に含有されている遮熱膜を内燃機関の燃焼室の壁面の一部もしくは全部が有していることで、耐熱性と断熱性に優れ、低熱伝導率と低熱容量を有する内燃機関となる。
【００２４】
また、本発明は内燃機関の製造方法にも及ぶものであり、この製造方法は、燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に遮熱膜が形成されてなる内燃機関の製造方法であって、中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成されてなる中空体を磁性を有する中子で保持した状態で燃焼室に臨む壁面の少なくとも一部に中空体を接するようにして位置決めし、該壁面に遮熱膜の母材金属の溶湯を鋳込んで遮熱膜を形成するものである。
【００２５】
燃焼室の壁面に中空ビーズを位置決めした後に鋳造しようとした場合に、この中空ビーズは空気層を多分に含んでいることから自ずと密度が小さくなり、たとえばアルミニウムの溶湯を鋳込んだ際にこの溶湯内で中空ビーズが浮遊してしまい、当初の設置位置に固定することができなくなってしまう。
【００２６】
そこで、本製造方法では、中空体を中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成された構成とし、これを磁性を有する中子で磁気吸引保持して燃焼室の壁面の所望位置で該壁面と多数の中空体を接するように位置決めし、次いで、遮熱膜の母材金属の溶湯を鋳込むものである。この方法によれば、母材金属の鋳造の際に中空体が溶湯内に浮遊することが完全に解消され、燃焼室壁面の所望位置に多数の中空体を位置決めでき、壁面の所望位置において中空体が母材金属で一体化された遮熱膜を容易に形成することができる。
【００２７】
なお、磁性を有する中子の上に母材金属からなる層を配し、この層の上に中空体を層状に並べて配し、母材金属からなる層を挟んで磁性を有する中子で中空体を保持する形態であってもよい。この製造方法では、母材金属からなる層を予め形成しておき、中空体が層状に並んだ領域をこの母材金属からなる層が覆った状態でその周りに母材金属の溶湯が鋳込まれ、全体が一体となった遮熱膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から理解できるように、本発明の内燃機関とその製造方法によれば、中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成されてなる中空体が遮熱膜の母材金属内に含有されている遮熱膜を内燃機関の燃焼室の壁面の一部もしくは全部が有していることで、耐熱性と断熱性に優れ、低熱伝導率と低熱容量を有する内燃機関を提供することができる。さらに、中空体を中空ビーズの周りに磁性体の被膜が形成された構成とし、これを磁性を有する中子で磁気吸引保持して燃焼室の壁面の所望位置に位置決めした後に母材金属の溶湯を鋳込むことにより、母材金属の鋳造の際に中空体が溶湯内に浮遊することを完全に解消でき、壁面の所望位置において中空体が母材金属で一体化された遮熱膜を精緻かつ効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の内燃機関の燃焼室の壁面に形成される遮熱膜の構成要素である中空体の模式図である。
【図２】本発明の内燃機関の製造方法の実施の形態１を説明した図である。
【図３】図２に続いて内燃機関の製造方法の実施の形態１を説明した図である。
【図４】製造方法の実施の形態１で製造された遮熱膜を具備する内燃機関の実施の形態１を示した図である。
【図５】本発明の内燃機関の製造方法の実施の形態２を説明した図である。
【図６】製造方法の実施の形態２で製造された遮熱膜を具備する内燃機関の実施の形態２を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の内燃機関とその製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示例は燃焼室を構成するシリンダヘッドの底面に遮熱膜が形成された内燃機関とその製造方法を示したものであるが、この形態以外にも、シリンダブロックのボア面や、ピストンの頂面などに遮熱膜が形成されたものやその製造方法、あるいは燃焼室を構成する壁面の全てに遮熱膜が形成されたものやその製造方法であってもよいことは勿論のことである。
【００３１】
（内燃機関とその製造方法の実施の形態１）
図１は本発明の内燃機関の燃焼室の壁面に形成される遮熱膜の構成要素である中空体の模式図であり、図２，３はその順で内燃機関の製造方法の実施の形態１を説明したフロー図であり、図４は製造方法の実施の形態１で製造された遮熱膜を具備する内燃機関の実施の形態１を示した図である。
【００３２】
図示する内燃機関は筒内直接噴射式ガソリンエンジンをその対象としたものであり、その内部に冷却水ジャケットが形成された不図示のシリンダブロックと、シリンダブロック上に配設されたシリンダヘッドＣＨと、シリンダヘッドＣＨ内に画成された吸気ポートおよび排気ポートとそれらが燃焼室に臨む開口に昇降自在に装着された吸気バルブおよび排気バルブと、シリンダヘッドＣＨの底面の中央位置もしくは略中央位置で燃焼室に臨む不図示の点火プラグと、シリンダヘッドＣＨの底面の側方位置で燃焼室に臨む不図示のインジェクターと、シリンダブロックの下方開口から昇降自在に形成された不図示のピストンから大略構成されている。なお、本発明の内燃機関がディーゼルエンジンを対象としたものであってもよいことは勿論のことである。
【００３３】
この内燃機関を構成する各構成部材はともにアルミニウムもしくはその合金から形成されている。なお、構成部材がアルミニウムもしくはその合金以外の素材で形成され、かつ、構成部材の表面がアルミニウムもしくはその合金にてアルミ化されている形態であってもよい。
【００３４】
そして、図示例は、内燃機関を構成する、シリンダブロックのボア面と、シリンダヘッドＣＨの底面と、ピストンの頂面から画成される燃焼室の壁面のうち、シリンダヘッドＣＨの底面に遮熱膜を形成する方法と、この遮熱膜が形成された内燃機関を示すものである。
【００３５】
まず、図１で示すように、たとえばシリカやアルミナ、窒化ケイ素などのセラミックス等から形成された中空ビーズ１の周りに、たとえばニッケルやその合金、鉄やその合金、コバルトやその合金などから形成された磁性体の被膜２を、無電解めっき法やイオンプレーティング法などで形成して中空体３を製作する。
【００３６】
たとえば、平均粒径が30〜50μm程度の外径のシリカ系の中空ビーズ１に対して、厚みが3〜8μm程度のニッケル被膜２を形成して中空体３を構成することができる。
【００３７】
次に、図２で示すように、キャビティＣを備えた成形型Ｋと、このキャビティＣ内で摺動自在に構成されるとともにその先端に磁性ヘッドＭを具備する中子Ｎを備えた鋳造装置をシリンダヘッドＣＨの下方に配し、用意された多数の中空体３を磁性ヘッドＭで磁気吸着させた状態（同図のＸ方向に吸引）で中子Ｎを成形型Ｋの上方に位置するシリンダヘッドＣＨの底面に向かって上昇させ、多数の中空体３をシリンダヘッドＣＨの底面の所望範囲に接触させる。
【００３８】
次いで、図３で示すようにキャビティＣ内にたとえばアルミニウムもしくはその合金などの母材金属の溶湯４’を鋳込んでいく。
【００３９】
この母材金属の溶湯４’の鋳込みの際においても、多数の中空体３は中子Ｎの先端の磁性ヘッドＭによって磁気吸着された姿勢が維持されているため、溶湯４’の鋳込みの際に受ける圧力によっても多数の中空体３の位置ずれはほとんど生じない。
【００４０】
母材金属の溶湯４’が硬化し、鋳造装置を取り外すことにより、図４で示すように、シリンダヘッドＣＨの底面の所望範囲に多数の中空体３が母材金属４で一体とされ、かつ、その他の領域は母材金属４のみからなる遮熱膜１０が形成され、この遮熱膜１０を燃焼室の所望部位に備えた内燃機関が製造される。
【００４１】
図示する内燃機関は、中空ビーズ１の周りに磁性体の被膜２が形成されてなる中空体３が遮熱膜１０の母材金属４内に含有されている遮熱膜１０をその燃焼室の壁面の一部が有していることで、耐熱性と断熱性に優れ、低熱伝導率と低熱容量を有する内燃機関となる。また、中空体３を中空ビーズ１の周りに磁性体の被膜２が形成された構成とし、これを磁性を有する中子４で磁気吸引保持して燃焼室の壁面の所望位置に位置決めした後に母材金属の溶湯４’を鋳込むことにより、母材金属の鋳造の際に中空体３が溶湯４’内に浮遊することを完全に解消でき、壁面の所望位置において中空体３が母材金属４で一体化された遮熱膜１０を精緻かつ効率的に製造することができる。
【００４２】
（内燃機関とその製造方法の実施の形態２）
図５は本発明の内燃機関の製造方法の実施の形態２を説明した図であり、図６は製造方法の実施の形態２で製造された遮熱膜を具備する内燃機関の実施の形態２を示した図である。
【００４３】
図示する遮熱膜１０Ａの製造方法は、母材金属からなる表面層５を別途製作しておき、これを中子Ｎの上に載置し、さらに母材金属からなる表面層５の上に多数の中空体３を層状に配設し、中空体３を中子Ｎの磁性ヘッドＭで磁気吸引しながらシリンダヘッドＣＨの底面の所望位置に配設するものである。次いで、実施の形態１と同様の方法でキャビティＣ内に母材金属の溶湯４’を鋳込み、硬化を待って鋳造装置を取り外すことにより、図６で示すように、シリンダヘッドＣＨの底面の所望範囲に多数の中空体３が母材金属４で一体とされ、さらにその表面に母材金属からなる表面層５が配設されて中空体３の層と一体とされ、その他の領域は母材金属４のみからなる遮熱膜１０Ａが形成され、この遮熱膜１０Ａを燃焼室の所望部位に備えた内燃機関が製造される。
【００４４】
この遮熱膜１０Ａによれば、多数の中空体３からなる層が母材金属からなる表面層５で被覆されていることで燃焼室内における燃焼爆発等の際に中空体３が破損等することが抑制される。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１…中空ビーズ、２…磁性体の被膜、３…中空体、４…母材金属、４’…母材金属の溶湯、５…母材金属からなる表面層、１０，１０Ａ…遮熱膜、ＣＨ…シリンダヘッド、Ｎ…中子、Ｍ…磁性ヘッド、Ｋ…成形型、Ｃ…キャビティ
【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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