内燃機関およびピストン作製方法
【課題】燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を備えた内燃機関において熱損失を改善する。
【解決手段】本発明に係る内燃機関１０は、燃焼室１２に面する表面に第１酸化アルミニウム皮膜２７と第２酸化アルミニウム皮膜２９とを有する燃焼室画成部材１８を備える。第１酸化アルミニウム皮膜２７の気孔率は第２酸化アルミニウム皮膜２９の気孔率よりも低い。そして第１酸化アルミニウム皮膜２７は、燃料噴射弁２２から噴射される燃料Ｆが方向付けられる燃焼室画成部材１８の部位に形成されている。
【解決手段】本発明に係る内燃機関１０は、燃焼室１２に面する表面に第１酸化アルミニウム皮膜２７と第２酸化アルミニウム皮膜２９とを有する燃焼室画成部材１８を備える。第１酸化アルミニウム皮膜２７の気孔率は第２酸化アルミニウム皮膜２９の気孔率よりも低い。そして第１酸化アルミニウム皮膜２７は、燃料噴射弁２２から噴射される燃料Ｆが方向付けられる燃焼室画成部材１８の部位に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を備えた内燃機関およびそれに備えられるピストンを作製するピストン作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ディーゼルエンジン用ピストンを開示する。このディーゼルエンジン用ピストンの燃焼室に面する表面部は金属またはセラミックスの多孔質体により形成され、該多孔質体の表面の少なくとも一部に高熱伝導率層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２４０４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、省エネ等の観点から、内燃機関においてさらなる熱効率の向上が望まれている。
【０００５】
そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を備えた内燃機関において、熱損失を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る内燃機関は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関において、燃焼室に面する表面に第１酸化アルミニウム皮膜と第２酸化アルミニウム皮膜とを有する燃焼室画成部材を備え、該第１酸化アルミニウム皮膜の気孔率は第２酸化アルミニウム皮膜の気孔率よりも低く、第１酸化アルミニウム皮膜は、燃料噴射弁から噴射される燃料が方向付けられる燃焼室画成部材の部位に形成されていることを特徴とする。
【０００７】
好ましくは、燃焼室に向けて突出する突出部がピストンに設けられ、該突出部に第１酸化アルミニウム皮膜が形成されているとよい。
【０００８】
また、本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関に備えられるピストンを作製するためのピストン作製方法を提供し、該方法は、ピストンの燃料噴射弁から噴射される燃料が方向付けられる部位を保護部材で被覆する被覆工程と、該被覆工程によって前記部位が被覆されたピストンに所定気孔率を有する酸化アルミニウム皮膜を形成する多孔質皮膜形成工程と、該多孔質皮膜形成工程を経たピストンから保護部材を除去する除去工程と、該除去工程を経たピストンに前記所定気孔率よりも低い気孔率を有する酸化アルミニウム皮膜を形成する高密度皮膜形成工程とを含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の燃焼室およびその周囲の断面模式図である。
【図２】図１の内燃機関におけるシミュレーション結果を表した図であり、燃焼室の温度分布例を表した図である。
【図３】図１の内燃機関の変形例を説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の燃焼室およびその周囲の一部の横断面模式図である。
【図５】図４の内燃機関のピストンの突出部の形状を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明に係る内燃機関を実施形態に基づいて詳述する。
【００１１】
まず、本発明の第１実施形態に係る内燃機関１０について説明する。図１に、内燃機関１０の燃焼室およびその周囲の断面模式図を示す。図１中上側の図が横断面図であり、図１中下側の図が縦断面図である。なお、図１は燃焼室の半分に関する部分のみを示すが、この燃焼室の半分に関する部分は図示されない燃焼室の残りに関する部分と概ね対称形である。
【００１２】
内燃機関１０は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を備えたディーゼルエンジンである。燃焼室１２は、シリンダブロック１４の気筒１６内を往復動するピストン１８と、シリンダブロック１４上に設けられたシリンダヘッド２０との間に区画形成される。したがって、ピストン１８とシリンダヘッド２０とはそれぞれ燃焼室１２を区画形成する燃焼室画成部材であり、燃焼室１２にはピストン１８とシリンダヘッド２０とがそれぞれ面する。シリンダヘッド２０には燃料噴射弁２２が設けられている。燃料噴射弁２２は、気筒１６の軸線α上に位置付けられている。
【００１３】
内燃機関１０は、吸気系から吸気弁を介して導かれた空気と上記燃料噴射弁２２から噴射された燃料との混合気を圧縮自着火により燃焼室１２で燃焼させて、気筒１６内でピストン１８を往復動させて、クランクシャフトを回転させるものである。そして、燃焼室１２での混合気の燃焼により生じたガスは、排気弁を介して排気系から排出される。
【００１４】
燃料噴射弁２２はピストン１８の頭部１８ｈに形成された凹部（キャビティ）２４に向けて燃料を噴射するための噴射口２２ａを有する。ここでは、燃料噴射弁２２は、一度に６つの所定方向に燃料を噴射する。噴射された燃料Ｆは、気化しつつ、その一部はピストン１８の凹部２４に到達し得る。このようなピストン１８の部位は、燃料（液体燃料および／または気体燃料）Ｆの衝突により大きな力を受ける。それ故、そのような部位はその衝突に十分に耐える強度を有することを必要とする。他方、内燃機関１０の熱効率を高めるためには、燃焼室１２の断熱性を高めることが有効である。
【００１５】
そこで、ここでは、燃焼室１２を区画形成する部材つまり燃焼室画成部材の燃焼室１２に面する表面は２種類の皮膜によって覆われる。燃焼室１２に面して燃料噴射弁２２から噴射される燃料Ｆが方向付けられる部位、換言すると燃料噴射弁２２から噴射された燃料が直接到達可能な部位つまり噴霧衝突部（以下、第１部位）２６は第１酸化皮膜２７により覆われる。これに対して、燃焼室１２に面する第１部位２６の周辺の第２部位２８は第２酸化皮膜２９により覆われる。上記したように、第１部位２６はピストン１８の凹部２４に位置するので、第２部位２８はピストン１８に位置する。なお、第２部位２８は所定範囲を有する。そして、ここでは、第１部位２６以外の燃焼室１２に面する所定部位（以下、第３部位）３０は第２酸化皮膜２９により覆われる。ただし、第３部位３０は、第２部位２８を含む。第３部位３０は、具体的には、シリンダヘッド２０およびピストン１８に位置し、第１部位２６以外の燃焼室１２に面するピストン１８の部位および燃焼室１２に面するシリンダヘッド２０の部位３１からなる。なお、図１において、第１部位２６の第１酸化皮膜２７と、第３部位３０の第２酸化皮膜２９とは、異なるハッチングを用いて表されている。
【００１６】
第１酸化皮膜２７と第２酸化皮膜２９とは酸化アルミニウム皮膜である点で共通するが、気孔率の点で異なる。第２酸化皮膜２９の気孔率は第１酸化皮膜２７の気孔率よりも高い。第１酸化皮膜２７の気孔率は第１酸化皮膜２７が燃料の衝突に十分に耐える強度を有すると共に燃焼室１２の断熱性を高めるように定められ、他方、第２酸化皮膜２９の気孔率は第２酸化皮膜２９が燃焼室１２の断熱性をより高めるように定められる。ここでは、第１酸化皮膜２７の気孔率は約１０％であり、第２酸化皮膜２９の気孔率は１５％以上である。ただし、第１酸化皮膜２７の気孔率は第２酸化皮膜２９の気孔率（所定気孔率）よりも低いという関係を第１酸化皮膜２７と第２酸化皮膜２９とが有する限り、第１酸化皮膜２７と第２酸化皮膜２９とはそれぞれ他の気孔率を有することができる。したがって、第１酸化皮膜２７は、第２酸化皮膜２９に比べて、硬く、高い熱伝導率を有する。これに対して、第２酸化皮膜２９は、第１酸化皮膜２７に比べて、低い熱伝導率を有し、断熱性に優れる。
【００１７】
ピストン１８およびシリンダヘッド２０はアルミニウム合金製である。第１酸化皮膜２７および第２酸化皮膜２９は、アルミニウム合金製部材であるピストン１８およびシリンダヘッド２０をそれぞれ陽極として酸化アルミニウム皮膜を生成する方法、つまり陽極酸化法により形成される。特に、ピストン１８の第１部位２６はまず樹脂などの保護部材で被覆される（マスキングされる）（被覆工程）。その上で、第１部位２６を除いたピストン１８の頭部１８ｈの第２部位２８を含む所定領域には酸化アルミニウム皮膜が形成される。これにより多孔質酸化皮膜である第２酸化皮膜２９がピストン１８に形成される（多孔質皮膜形成工程）。その後、第１部位２６に対する保護材料が除去される（除去工程）。そしてピストン１８の第１部位２６に対して特別な処理条件により酸化アルミニウム皮膜が形成される。こうして高密度酸化皮膜（硬質酸化皮膜）である第１酸化皮膜２７が形成される（高密度皮膜形成工程）。なお、気孔率の異なるそれら酸化アルミニウム皮膜を形成する方法は当業者にとって既知であるのでここでの詳細な説明を省略する。両酸化皮膜２７、２９はこのような方法以外の方法で形成されてもよい。例えば、第１酸化皮膜２７が形成された後、第２酸化皮膜２９が形成されてもよい。なお、シリンダヘッド２０には、多孔質皮膜形成工程と同様の工程により、第２酸化皮膜２９が形成される。
【００１８】
上記のように燃焼室１２に面するピストン１８の表面およびシリンダヘッド２０の表面に、つまり第１部位２６および第３部位３０に酸化アルミニウム皮膜を形成したことによる効果を調べるべく、シミュレーションを行った。その結果を図２に示す。図２は、燃料噴射弁から噴射された燃料の燃焼時（特に筒内圧が概ね最高圧に達した時点）の燃焼室１２のガスの温度分布例を示す。図２には、燃料噴射方向、換言すると噴霧中心軸が点線βで示されている。なお、図２は、図１の燃焼室１２およびその周囲の縦断面図で示されない残り半分の燃焼室の縦断面のガス温度分布例である。
【００１９】
図２では、黒い領域が最も温度の高い領域である。図２から理解できるように、噴霧中心軸と燃焼室壁面とが交わる点付近の火炎温度つまりガス温度は相対的に低い。これは、当該領域に存在し得る混合気がリッチ（例えば過濃）であるからである。これに対して、噴霧中心軸と燃焼室壁面とが交わる点から同程度離れた領域の温度が最も高い。これは、当該領域に存在し得る混合気が概ね理論空燃比の混合気だからである。このような高温領域は、燃焼室空間において、噴霧中心軸βを中心として略円錐形状に拡がり、上記第１部位２６を避けるようにその周囲に拡がる。このように、第１部位２６を避けるように第１部位２６周辺の第２部位２８に高温ガスが達するまたは近づくので、その熱の逃げは第２酸化皮膜２９により抑制される。したがって、当該内燃機関１０は断熱性に優れ、熱損失を低く抑えることができる。
【００２０】
なお、上記したようにピストン１８に形成される第１酸化皮膜２７および第２酸化皮膜２９は共に酸化アルミニウム皮膜である。それ故、それらは境界での機械的強度に優れる。
【００２１】
なお、気筒１６内をピストン１８が往復動しているときに、燃料噴射弁２２から燃料が噴射される。したがって、燃焼サイクル中に、燃料Ｆが到達し得る部位は図３の範囲γ内で変化し得る。そこで、図３に示す代替的な内燃機関のように、図１の内燃機関の場合よりも、ピストン１８の第１部位２６の範囲を広く定めることができる。図３において、第１部位２６の範囲γは、ピストン１８の凹部２４を超えてピストン１８の頂部１８ｔにまで延びている。
【００２２】
ところで、燃焼室１２において、第１部位２６に燃料Ｆが到達しなかったり、到達してもその到達範囲が狭かったりすると、図２に関して説明された高温ガスが第１部位２６に到達する可能性が高まる。第１部位２６にそのような高温ガスが達すると、第１部位２６は相対的に熱伝導率の高い第１酸化皮膜２７で覆われているので、第１部位２６にそのような高温ガスが達しない場合に比べて、断熱効果が下がり得る。この点で内燃機関１０は改良の余地がある。この点で改良された内燃機関１００が次に説明される。
【００２３】
本発明の第２実施形態に係る内燃機関１００について説明する。内燃機関１００では、後で詳述するように、燃焼室に面するピストンの一部が燃焼室に向けて突出している。この点に関して内燃機関１００は内燃機関１０と相違するが他の点では概ね同じである。そこで、以下では、既に説明した内燃機関１０の構成要素と同じまたは対応する構成要素に同じ符号を付して、それらの重複説明を省略する。なお、内燃機関１００は、基本的に、内燃機関１０に関して説明した上記効果を同様に奏し、また上記内燃機関１０に対して説明された変更例と同様の変更が適用され得る。
【００２４】
図４は内燃機関１００の燃焼室１２に面するピストン１８の凹部２４の第１部位２６およびその周囲の部分的な横断面模式図である。図４では、燃料噴射弁２２から燃料が噴射されたときの燃料Ｆが模式的に表されると共に、燃焼により生じ得る高温ガスＨが模式的に表されている。噴射された燃料は、燃料噴射方向βに沿ってピストン１８の凹部２４に向けて進む。
【００２５】
内燃機関１００は、ピストン１８に、ピストン１８の凹部２４の一般面である周辺部２４ｃから燃焼室１２に向けて突出する突出部３２を有する。突出部３２には、燃料噴射弁２２から噴射される燃料が方向付けられる第１部位２６が位置付けられている。具体的には、第１部位２６は、突出部３２の頂部３２ｔに定められている。それ故、突出部３２には第１酸化皮膜２７が形成されている。なお、ここでは突出部３２の頂部３２ｔは略凹状であるので、第１酸化皮膜２７が形成された第１部位２６は略凹状である。
【００２６】
こうして定められた第１部位２６には燃料Ｆが達し得て、上記の如く、その表面近傍には燃料の割合の多い混合気（リッチな混合気）が形成され得る。特に、第１部位２６は突出部３２に定められているので、第１部位２６と燃料噴射弁２２との距離は第２部位２８と燃料噴射弁２２との距離よりも短く、そのような燃料割合の多い混合気が第１部位２６近傍に生じる確率は高まる。したがって、突出部３２の第１部位２６を避けるように高温ガスＨがより確実に生じ得、その結果、より確実に、断熱効果を高めることができる。
【００２７】
第１部位２６のその周辺部２４ｃからの突出量δは例えば０．５〜３ｍｍであるとよい（図５参照）。また、突出部３２の幅は気筒１６の軸線αを中心にして角度範囲εを有するように定められるとよく、角度範囲εは５°〜２０°の範囲であるとよい（図５参照）。なお、突出部３２の立ち上がり部には丸み（Ｒ）がつけられるとよい（図５参照）。
【００２８】
以上、本発明を上記実施形態およびその変形例に基づいて説明したが、例えば、本発明は、ディーゼルエンジン以外の内燃機関に適用されてもよい。なお、上記実施形態では、燃焼室画成部材の燃焼室に面する表面に２種類の気孔率の異なる酸化アルミニウム皮膜を形成した。しかし、燃焼室画成部材の燃焼室に面する表面に３種類以上の気孔率の異なる酸化アルミニウム皮膜が形成されてもよい。例えば、上記第１部位は最も気孔率の低い高密度の酸化アルミニウム皮膜によって覆われ、上記第２部位は次に気孔率の低い酸化アルミニウム皮膜によって覆われ、他の部位つまり第２部位を除いた第３部位は最も気孔率の高い酸化アルミニウム皮膜によって覆われることができる。このような気孔率の選択は、燃焼室画成部材の燃焼室に面する表面の各部位に要求される強度、熱伝導率、断熱性等に基づいて行われることができる。なお、上記した酸化アルミニウム皮膜は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金から作製され得、好ましくは高強度、高靱性を有し、熱衝撃に強いとよい。
【００２９】
なお、上記両実施形態およびその変形例等では本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明はこれらに限定されず、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。
【符号の説明】
【００３０】
１０、１００ 内燃機関
１２ 燃焼室
１８ ピストン
２０ シリンダヘッド
２２ 燃料噴射弁
２４ 凹部
２６ 第１部位
２７ 第１酸化皮膜
２８ 第２部位
２９ 第２酸化皮膜
３０ 第３部位
３２ 突出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を備えた内燃機関およびそれに備えられるピストンを作製するピストン作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ディーゼルエンジン用ピストンを開示する。このディーゼルエンジン用ピストンの燃焼室に面する表面部は金属またはセラミックスの多孔質体により形成され、該多孔質体の表面の少なくとも一部に高熱伝導率層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２４０４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、省エネ等の観点から、内燃機関においてさらなる熱効率の向上が望まれている。
【０００５】
そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を備えた内燃機関において、熱損失を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る内燃機関は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関において、燃焼室に面する表面に第１酸化アルミニウム皮膜と第２酸化アルミニウム皮膜とを有する燃焼室画成部材を備え、該第１酸化アルミニウム皮膜の気孔率は第２酸化アルミニウム皮膜の気孔率よりも低く、第１酸化アルミニウム皮膜は、燃料噴射弁から噴射される燃料が方向付けられる燃焼室画成部材の部位に形成されていることを特徴とする。
【０００７】
好ましくは、燃焼室に向けて突出する突出部がピストンに設けられ、該突出部に第１酸化アルミニウム皮膜が形成されているとよい。
【０００８】
また、本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関に備えられるピストンを作製するためのピストン作製方法を提供し、該方法は、ピストンの燃料噴射弁から噴射される燃料が方向付けられる部位を保護部材で被覆する被覆工程と、該被覆工程によって前記部位が被覆されたピストンに所定気孔率を有する酸化アルミニウム皮膜を形成する多孔質皮膜形成工程と、該多孔質皮膜形成工程を経たピストンから保護部材を除去する除去工程と、該除去工程を経たピストンに前記所定気孔率よりも低い気孔率を有する酸化アルミニウム皮膜を形成する高密度皮膜形成工程とを含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の燃焼室およびその周囲の断面模式図である。
【図２】図１の内燃機関におけるシミュレーション結果を表した図であり、燃焼室の温度分布例を表した図である。
【図３】図１の内燃機関の変形例を説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の燃焼室およびその周囲の一部の横断面模式図である。
【図５】図４の内燃機関のピストンの突出部の形状を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明に係る内燃機関を実施形態に基づいて詳述する。
【００１１】
まず、本発明の第１実施形態に係る内燃機関１０について説明する。図１に、内燃機関１０の燃焼室およびその周囲の断面模式図を示す。図１中上側の図が横断面図であり、図１中下側の図が縦断面図である。なお、図１は燃焼室の半分に関する部分のみを示すが、この燃焼室の半分に関する部分は図示されない燃焼室の残りに関する部分と概ね対称形である。
【００１２】
内燃機関１０は、燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を備えたディーゼルエンジンである。燃焼室１２は、シリンダブロック１４の気筒１６内を往復動するピストン１８と、シリンダブロック１４上に設けられたシリンダヘッド２０との間に区画形成される。したがって、ピストン１８とシリンダヘッド２０とはそれぞれ燃焼室１２を区画形成する燃焼室画成部材であり、燃焼室１２にはピストン１８とシリンダヘッド２０とがそれぞれ面する。シリンダヘッド２０には燃料噴射弁２２が設けられている。燃料噴射弁２２は、気筒１６の軸線α上に位置付けられている。
【００１３】
内燃機関１０は、吸気系から吸気弁を介して導かれた空気と上記燃料噴射弁２２から噴射された燃料との混合気を圧縮自着火により燃焼室１２で燃焼させて、気筒１６内でピストン１８を往復動させて、クランクシャフトを回転させるものである。そして、燃焼室１２での混合気の燃焼により生じたガスは、排気弁を介して排気系から排出される。
【００１４】
燃料噴射弁２２はピストン１８の頭部１８ｈに形成された凹部（キャビティ）２４に向けて燃料を噴射するための噴射口２２ａを有する。ここでは、燃料噴射弁２２は、一度に６つの所定方向に燃料を噴射する。噴射された燃料Ｆは、気化しつつ、その一部はピストン１８の凹部２４に到達し得る。このようなピストン１８の部位は、燃料（液体燃料および／または気体燃料）Ｆの衝突により大きな力を受ける。それ故、そのような部位はその衝突に十分に耐える強度を有することを必要とする。他方、内燃機関１０の熱効率を高めるためには、燃焼室１２の断熱性を高めることが有効である。
【００１５】
そこで、ここでは、燃焼室１２を区画形成する部材つまり燃焼室画成部材の燃焼室１２に面する表面は２種類の皮膜によって覆われる。燃焼室１２に面して燃料噴射弁２２から噴射される燃料Ｆが方向付けられる部位、換言すると燃料噴射弁２２から噴射された燃料が直接到達可能な部位つまり噴霧衝突部（以下、第１部位）２６は第１酸化皮膜２７により覆われる。これに対して、燃焼室１２に面する第１部位２６の周辺の第２部位２８は第２酸化皮膜２９により覆われる。上記したように、第１部位２６はピストン１８の凹部２４に位置するので、第２部位２８はピストン１８に位置する。なお、第２部位２８は所定範囲を有する。そして、ここでは、第１部位２６以外の燃焼室１２に面する所定部位（以下、第３部位）３０は第２酸化皮膜２９により覆われる。ただし、第３部位３０は、第２部位２８を含む。第３部位３０は、具体的には、シリンダヘッド２０およびピストン１８に位置し、第１部位２６以外の燃焼室１２に面するピストン１８の部位および燃焼室１２に面するシリンダヘッド２０の部位３１からなる。なお、図１において、第１部位２６の第１酸化皮膜２７と、第３部位３０の第２酸化皮膜２９とは、異なるハッチングを用いて表されている。
【００１６】
第１酸化皮膜２７と第２酸化皮膜２９とは酸化アルミニウム皮膜である点で共通するが、気孔率の点で異なる。第２酸化皮膜２９の気孔率は第１酸化皮膜２７の気孔率よりも高い。第１酸化皮膜２７の気孔率は第１酸化皮膜２７が燃料の衝突に十分に耐える強度を有すると共に燃焼室１２の断熱性を高めるように定められ、他方、第２酸化皮膜２９の気孔率は第２酸化皮膜２９が燃焼室１２の断熱性をより高めるように定められる。ここでは、第１酸化皮膜２７の気孔率は約１０％であり、第２酸化皮膜２９の気孔率は１５％以上である。ただし、第１酸化皮膜２７の気孔率は第２酸化皮膜２９の気孔率（所定気孔率）よりも低いという関係を第１酸化皮膜２７と第２酸化皮膜２９とが有する限り、第１酸化皮膜２７と第２酸化皮膜２９とはそれぞれ他の気孔率を有することができる。したがって、第１酸化皮膜２７は、第２酸化皮膜２９に比べて、硬く、高い熱伝導率を有する。これに対して、第２酸化皮膜２９は、第１酸化皮膜２７に比べて、低い熱伝導率を有し、断熱性に優れる。
【００１７】
ピストン１８およびシリンダヘッド２０はアルミニウム合金製である。第１酸化皮膜２７および第２酸化皮膜２９は、アルミニウム合金製部材であるピストン１８およびシリンダヘッド２０をそれぞれ陽極として酸化アルミニウム皮膜を生成する方法、つまり陽極酸化法により形成される。特に、ピストン１８の第１部位２６はまず樹脂などの保護部材で被覆される（マスキングされる）（被覆工程）。その上で、第１部位２６を除いたピストン１８の頭部１８ｈの第２部位２８を含む所定領域には酸化アルミニウム皮膜が形成される。これにより多孔質酸化皮膜である第２酸化皮膜２９がピストン１８に形成される（多孔質皮膜形成工程）。その後、第１部位２６に対する保護材料が除去される（除去工程）。そしてピストン１８の第１部位２６に対して特別な処理条件により酸化アルミニウム皮膜が形成される。こうして高密度酸化皮膜（硬質酸化皮膜）である第１酸化皮膜２７が形成される（高密度皮膜形成工程）。なお、気孔率の異なるそれら酸化アルミニウム皮膜を形成する方法は当業者にとって既知であるのでここでの詳細な説明を省略する。両酸化皮膜２７、２９はこのような方法以外の方法で形成されてもよい。例えば、第１酸化皮膜２７が形成された後、第２酸化皮膜２９が形成されてもよい。なお、シリンダヘッド２０には、多孔質皮膜形成工程と同様の工程により、第２酸化皮膜２９が形成される。
【００１８】
上記のように燃焼室１２に面するピストン１８の表面およびシリンダヘッド２０の表面に、つまり第１部位２６および第３部位３０に酸化アルミニウム皮膜を形成したことによる効果を調べるべく、シミュレーションを行った。その結果を図２に示す。図２は、燃料噴射弁から噴射された燃料の燃焼時（特に筒内圧が概ね最高圧に達した時点）の燃焼室１２のガスの温度分布例を示す。図２には、燃料噴射方向、換言すると噴霧中心軸が点線βで示されている。なお、図２は、図１の燃焼室１２およびその周囲の縦断面図で示されない残り半分の燃焼室の縦断面のガス温度分布例である。
【００１９】
図２では、黒い領域が最も温度の高い領域である。図２から理解できるように、噴霧中心軸と燃焼室壁面とが交わる点付近の火炎温度つまりガス温度は相対的に低い。これは、当該領域に存在し得る混合気がリッチ（例えば過濃）であるからである。これに対して、噴霧中心軸と燃焼室壁面とが交わる点から同程度離れた領域の温度が最も高い。これは、当該領域に存在し得る混合気が概ね理論空燃比の混合気だからである。このような高温領域は、燃焼室空間において、噴霧中心軸βを中心として略円錐形状に拡がり、上記第１部位２６を避けるようにその周囲に拡がる。このように、第１部位２６を避けるように第１部位２６周辺の第２部位２８に高温ガスが達するまたは近づくので、その熱の逃げは第２酸化皮膜２９により抑制される。したがって、当該内燃機関１０は断熱性に優れ、熱損失を低く抑えることができる。
【００２０】
なお、上記したようにピストン１８に形成される第１酸化皮膜２７および第２酸化皮膜２９は共に酸化アルミニウム皮膜である。それ故、それらは境界での機械的強度に優れる。
【００２１】
なお、気筒１６内をピストン１８が往復動しているときに、燃料噴射弁２２から燃料が噴射される。したがって、燃焼サイクル中に、燃料Ｆが到達し得る部位は図３の範囲γ内で変化し得る。そこで、図３に示す代替的な内燃機関のように、図１の内燃機関の場合よりも、ピストン１８の第１部位２６の範囲を広く定めることができる。図３において、第１部位２６の範囲γは、ピストン１８の凹部２４を超えてピストン１８の頂部１８ｔにまで延びている。
【００２２】
ところで、燃焼室１２において、第１部位２６に燃料Ｆが到達しなかったり、到達してもその到達範囲が狭かったりすると、図２に関して説明された高温ガスが第１部位２６に到達する可能性が高まる。第１部位２６にそのような高温ガスが達すると、第１部位２６は相対的に熱伝導率の高い第１酸化皮膜２７で覆われているので、第１部位２６にそのような高温ガスが達しない場合に比べて、断熱効果が下がり得る。この点で内燃機関１０は改良の余地がある。この点で改良された内燃機関１００が次に説明される。
【００２３】
本発明の第２実施形態に係る内燃機関１００について説明する。内燃機関１００では、後で詳述するように、燃焼室に面するピストンの一部が燃焼室に向けて突出している。この点に関して内燃機関１００は内燃機関１０と相違するが他の点では概ね同じである。そこで、以下では、既に説明した内燃機関１０の構成要素と同じまたは対応する構成要素に同じ符号を付して、それらの重複説明を省略する。なお、内燃機関１００は、基本的に、内燃機関１０に関して説明した上記効果を同様に奏し、また上記内燃機関１０に対して説明された変更例と同様の変更が適用され得る。
【００２４】
図４は内燃機関１００の燃焼室１２に面するピストン１８の凹部２４の第１部位２６およびその周囲の部分的な横断面模式図である。図４では、燃料噴射弁２２から燃料が噴射されたときの燃料Ｆが模式的に表されると共に、燃焼により生じ得る高温ガスＨが模式的に表されている。噴射された燃料は、燃料噴射方向βに沿ってピストン１８の凹部２４に向けて進む。
【００２５】
内燃機関１００は、ピストン１８に、ピストン１８の凹部２４の一般面である周辺部２４ｃから燃焼室１２に向けて突出する突出部３２を有する。突出部３２には、燃料噴射弁２２から噴射される燃料が方向付けられる第１部位２６が位置付けられている。具体的には、第１部位２６は、突出部３２の頂部３２ｔに定められている。それ故、突出部３２には第１酸化皮膜２７が形成されている。なお、ここでは突出部３２の頂部３２ｔは略凹状であるので、第１酸化皮膜２７が形成された第１部位２６は略凹状である。
【００２６】
こうして定められた第１部位２６には燃料Ｆが達し得て、上記の如く、その表面近傍には燃料の割合の多い混合気（リッチな混合気）が形成され得る。特に、第１部位２６は突出部３２に定められているので、第１部位２６と燃料噴射弁２２との距離は第２部位２８と燃料噴射弁２２との距離よりも短く、そのような燃料割合の多い混合気が第１部位２６近傍に生じる確率は高まる。したがって、突出部３２の第１部位２６を避けるように高温ガスＨがより確実に生じ得、その結果、より確実に、断熱効果を高めることができる。
【００２７】
第１部位２６のその周辺部２４ｃからの突出量δは例えば０．５〜３ｍｍであるとよい（図５参照）。また、突出部３２の幅は気筒１６の軸線αを中心にして角度範囲εを有するように定められるとよく、角度範囲εは５°〜２０°の範囲であるとよい（図５参照）。なお、突出部３２の立ち上がり部には丸み（Ｒ）がつけられるとよい（図５参照）。
【００２８】
以上、本発明を上記実施形態およびその変形例に基づいて説明したが、例えば、本発明は、ディーゼルエンジン以外の内燃機関に適用されてもよい。なお、上記実施形態では、燃焼室画成部材の燃焼室に面する表面に２種類の気孔率の異なる酸化アルミニウム皮膜を形成した。しかし、燃焼室画成部材の燃焼室に面する表面に３種類以上の気孔率の異なる酸化アルミニウム皮膜が形成されてもよい。例えば、上記第１部位は最も気孔率の低い高密度の酸化アルミニウム皮膜によって覆われ、上記第２部位は次に気孔率の低い酸化アルミニウム皮膜によって覆われ、他の部位つまり第２部位を除いた第３部位は最も気孔率の高い酸化アルミニウム皮膜によって覆われることができる。このような気孔率の選択は、燃焼室画成部材の燃焼室に面する表面の各部位に要求される強度、熱伝導率、断熱性等に基づいて行われることができる。なお、上記した酸化アルミニウム皮膜は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金から作製され得、好ましくは高強度、高靱性を有し、熱衝撃に強いとよい。
【００２９】
なお、上記両実施形態およびその変形例等では本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明はこれらに限定されず、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。
【符号の説明】
【００３０】
１０、１００ 内燃機関
１２ 燃焼室
１８ ピストン
２０ シリンダヘッド
２２ 燃料噴射弁
２４ 凹部
２６ 第１部位
２７ 第１酸化皮膜
２８ 第２部位
２９ 第２酸化皮膜
３０ 第３部位
３２ 突出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関において、
前記燃焼室に面する表面に第１酸化アルミニウム皮膜と第２酸化アルミニウム皮膜とを有する燃焼室画成部材を備え、
該第１酸化アルミニウム皮膜の気孔率は第２酸化アルミニウム皮膜の気孔率よりも低く、
前記第１酸化アルミニウム皮膜は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料が方向付けられる前記燃焼室画成部材の部位に形成されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃焼室に向けて突出する突出部がピストンに設けられ、
該突出部に前記第１酸化アルミニウム皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関に備えられるピストンを作製するためのピストン作製方法であって、
前記ピストンの前記燃料噴射弁から噴射される燃料が方向付けられる部位を保護部材で被覆する被覆工程と、
該被覆工程によって前記部位が被覆された前記ピストンに所定気孔率を有する酸化アルミニウム皮膜を形成する多孔質皮膜形成工程と、
該多孔質皮膜形成工程を経た前記ピストンから前記保護部材を除去する除去工程と、
該除去工程を経た前記ピストンに前記所定気孔率よりも低い気孔率を有する酸化アルミニウム皮膜を形成する高密度皮膜形成工程と
を含むことを特徴とするピストン作製方法。
【請求項１】
燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関において、
前記燃焼室に面する表面に第１酸化アルミニウム皮膜と第２酸化アルミニウム皮膜とを有する燃焼室画成部材を備え、
該第１酸化アルミニウム皮膜の気孔率は第２酸化アルミニウム皮膜の気孔率よりも低く、
前記第１酸化アルミニウム皮膜は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料が方向付けられる前記燃焼室画成部材の部位に形成されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃焼室に向けて突出する突出部がピストンに設けられ、
該突出部に前記第１酸化アルミニウム皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
燃焼室に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関に備えられるピストンを作製するためのピストン作製方法であって、
前記ピストンの前記燃料噴射弁から噴射される燃料が方向付けられる部位を保護部材で被覆する被覆工程と、
該被覆工程によって前記部位が被覆された前記ピストンに所定気孔率を有する酸化アルミニウム皮膜を形成する多孔質皮膜形成工程と、
該多孔質皮膜形成工程を経た前記ピストンから前記保護部材を除去する除去工程と、
該除去工程を経た前記ピストンに前記所定気孔率よりも低い気孔率を有する酸化アルミニウム皮膜を形成する高密度皮膜形成工程と
を含むことを特徴とするピストン作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２０２０７（Ｐ２０１１−２２０２０７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８９６７９（Ｐ２０１０−８９６７９）
【出願日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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