多孔質断熱部材およびこれを備えた内燃機関
【課題】破損の発生が抑制可能な多孔質断熱部材およびこれを備えた内燃機関を提供すること。
【解決手段】本発明は、外周部３８の引っ張り強度が、中央部４０の引っ張り強度よりも大きい多孔質断熱部材１０であり、例えば、多孔質粒子４２がバインダ４４によって連結された構造を有し、外周部３８におけるバインダ４４の量が、中央部４０におけるバインダ４４の量に比べて多い多孔質断熱部材１０である。本発明によれば、多孔質断熱部材１０に破損が生じることを抑制できる。
【解決手段】本発明は、外周部３８の引っ張り強度が、中央部４０の引っ張り強度よりも大きい多孔質断熱部材１０であり、例えば、多孔質粒子４２がバインダ４４によって連結された構造を有し、外周部３８におけるバインダ４４の量が、中央部４０におけるバインダ４４の量に比べて多い多孔質断熱部材１０である。本発明によれば、多孔質断熱部材１０に破損が生じることを抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質断熱部材およびこれを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室の壁面に断熱部材を設けることで、低負荷時における冷却損失を低減させる技術が提案されている。その一方で、内燃機関の燃焼室の壁面に断熱部材を設けて燃焼室を断熱すると、高負荷時において燃焼室の壁温が高くなり、ノッキングや異常燃焼などが発生する場合がある。ノッキングなどの発生を抑制するために、例えば、特許文献１には、ピストンの頂面の一部分にのみ多孔質の断熱部材を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１９３７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多孔質の断熱部材は、例えば低熱伝導率かつ低熱容量の断熱特性を有する。このような断熱特性を有する多孔質断熱部材を燃焼室の壁面に設けると、多孔質断熱部材は、燃焼室内に発生する燃焼ガスの温度に追従して温度変化する。この温度変化に起因して、多孔質断熱部材の外周部で破損が発生する場合がある。この破損は、時間経過と共に多孔質断熱部材全体に進行してしまう場合がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、破損の発生が抑制可能な多孔質断熱部材およびこれを備えた内燃機関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】
【０００６】
上記目的は、外周部の引っ張り強度が中央部の引っ張り強度よりも大きいことを特徴とする多孔質断熱部材によって達成できる。これによれば、多孔質断熱部材の破損の発生を抑制できる。
【０００７】
上記構成において、多孔質粒子がバインダによって連結された構造を有し、前記外周部における前記バインダの量が、前記中央部における前記バインダの量に比べて多い構成とすることができる。この構成によれば、多孔質断熱部材の熱伝導率および熱容量の増加を抑制しつつ、多孔質断熱部材の破損の発生を抑制できる。
【０００８】
上記構成において、熱伝導率が０．０５〜０．５Ｗ／ｍｋである場合において、前記外周部であって表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域における前記バインダの量が、前記中央部における前記バインダの量に比べて多い構成とすることができる。この構成によれば、多孔質断熱部材の破損を抑制しつつ、多孔質断熱部材の熱伝導率および熱容量の増加をより抑制できる。
【０００９】
上記目的は、燃焼室の壁面に請求項１から３のいずれか一項記載の多孔質断熱部材を備えることを特徴とする内燃機関によって達成できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、多孔質断熱部材の破損の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、比較例に係る多孔質断熱部材の断面模式図の例である。
【図２】図２は、多孔質断熱部材の表面温度変化を示す模式図の例である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｄ）は、多孔質断熱部材の深さ方向の温度を示す模式図の例である。
【図４】図４は、実施例１に係る多孔質断熱部材を備えた内燃機関の構成を示す模式図の例である。
【図５】図５（ａ）は、図４におけるピストンの断面模式図の例であり、図５（ｂ）は上面模式図の例である。
【図６】図６は、実施例１に係る多孔質断熱部材を示す模式図の例である。
【図７】図７は、実施例２に係る多孔質断熱部材を示す模式図の例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず初めに、本発明が解決しようとする課題について詳細に説明する。図１は、比較例の係る多孔質断熱部材を示す断面模式図の例である。図１のように、内燃機関の燃焼室の壁面６０に低熱伝導率かつ低熱容量の多孔質断熱部材６２が設けられている。多孔質断熱部材６２は、例えば多孔質シリカである。内燃機関では、クランク角度に応じて、例えば吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程の動作が行われる。吸気行程は、ピストンを下降させ、シリンダ内に混合ガスを流入する。圧縮行程は、ピストンを上昇させ、シリンダ内の混合ガスを圧縮する。燃焼・膨張行程は、混合ガスに着火し、燃焼ガスを発生させてピストンを押し下げる。排気行程は、ピストンを上昇させ、シリンダ内の燃焼ガスを排出する。このような４行程が行われることで、燃焼室内のガス温度は変化する。多孔質断熱部材６２は低熱容量であることから、燃焼室内のガス温度の変化に追従して温度が変化する。
【００１３】
図２は、多孔質断熱部材６２の表面温度変化を示す模式図の例であり、横軸はクランク角［°ＣＡ］、縦軸は多孔質断熱部材６２の表面温度［Ｋ］である。なお、多孔質断熱部材６２の表面とは、燃焼室に露出している側の面のことをいう。図２のように、クランク角度に応じて吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程の４行程が推移するため、クランク角度に応じて多孔質断熱部材６２の表面温度は変化する。例えば、クランク角が０［°ＣＡ］から１８０［°ＣＡ］の間は吸気行程であり、シリンダ内に混合ガスが流入されるため、多孔質断熱部材６２の表面温度は混合ガスの温度に追従して低下する。クランク角が１８０［°ＣＡ］から３６０［°ＣＡ］の間は圧縮行程である。この間も多孔質断熱部材６２は混合ガスに曝されているため、表面温度は低下する。クランク角が３６０［°ＣＡ］から５４０［°ＣＡ］の間は燃焼・膨張行程である。シリンダ内の混合ガスに着火することで燃焼ガスが発生し、多孔質断熱部材６２の表面温度は急激に上昇する。その後の膨張行程では、多孔質断熱部材６２の表面温度は徐々に低下する。クランク角が５４０［°ＣＡ］から７２０［°ＣＡ］は排気行程である。排気行程の間も、多孔質断熱部材６２の表面温度は徐々に低下する。
【００１４】
図３（ａ）から図３（ｄ）は、多孔質断熱部材６２の深さ方向の温度を示す模式図の例であり、横軸は多孔質断熱部材６２の深さ（μｍ）であり、縦軸は多孔質断熱部材６２の温度（Ｋ）である。図３（ａ）は図２におけるクランク角２００［°ＣＡ］（図２の領域７０）での、図３（ｂ）はクランク角３５４［°ＣＡ］（図２の領域７２）での、図３（ｃ）はクランク角４０５［°ＣＡ］（図２の領域７４）での、図３（ｄ）はクランク角５００［°ＣＡ］（図２の領域７６）での、多孔質断熱部材６２の深さ方向の温度を示している。
【００１５】
図３（ａ）から図３（ｄ）のように、多孔質断熱部材６２の内部の温度はあまり変化していないのに対し、多孔質断熱部材６２の表面温度は大きく変化している。図１における多孔質断熱部材６２の表面中央部６４では、例えば多孔質断熱部材６２を構成する多孔質粒子がその周りに位置する多孔質粒子に拘束されているため、温度変化が発生すると圧縮応力と引っ張り応力とが生じる。図３（ｂ）および図３（ｃ）に示されているように、圧縮応力の方が引っ張り応力よりも大きいが、多孔質断熱部材６２が例えば多孔質シリカのような多孔質セラミック材からなる場合、多孔質セラミック材は引っ張り強度よりも圧縮強度の方が大きいため、上記の圧縮応力には十分耐え得る。
【００１６】
一方、多孔質断熱部材６２の表面の端部６８（図１参照）では、例えば多孔質断熱部材６２を構成する多孔質粒子は、その周りを多孔質粒子で完全には囲まれてなく、拘束がされていない状態である。このため、図３（ｃ）のように、多孔質断熱部材６２の表面温度が上昇すると、表面の端部６８は熱膨張により伸長する。図１の矢印のように、多孔質断熱部材６２の表面の端部６８が伸長することで、この伸長に起因して、多孔質断熱部材６２の表面から内部側であり且つ外周側である領域６６に引っ張り応力が生じる。さらに、図３（ｃ）のように、多孔質断熱部材６２の温度変化の時間的遅れによって、多孔質断熱部材６２の表面から１００μｍ程度の内部では温度が一時的に低くなり、引っ張り応力が生じることになる。このため、多孔質断熱部材６２の表面から内部側であり且つ外周側である領域６６では、２重に引っ張り応力がかかることになり、破損が生じ易くなる。そこで、このような課題の解決を図り、破損の発生が抑制可能な多孔質断熱部材の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図４は、実施例１に係る多孔質断熱部材１０を備えた内燃機関１００の構成を示す模式図の例である。図４のように、シリンダブロック１２にはシリンダ１４が設けられている。シリンダ１４内には往復動するピストン１６が設けられている。シリンダ１４の側壁には円筒形状のシリンダライナ１８が設けられていて、ピストン１６との摺動面を形成している。
【００１８】
シリンダブロック１２の上側にはシリンダヘッド２０が配置されている。ピストン１６の頂面２２とシリンダヘッド２０の下面２４とで区画される領域が燃焼室２６である。燃焼室２６の壁面は、ピストン１６の頂面２２、シリンダヘッド２０の下面２４、吸気弁２８および排気弁３０の傘部であって燃焼室２６に露出する下面３２で構成されている。ピストン１６の頂面２２には多孔質断熱部材１０が設けられている。
【００１９】
シリンダヘッド２０には、吸気ポート３４および排気ポート３６が設けられている。燃焼室２６と吸気ポート３４との連通は、吸気弁２８の開閉によって制御される。また、燃焼室２６と排気ポート３６との連通は、排気弁３０によって制御される。燃焼室２６には、吸気ポート３４を通って燃焼に必要な混合ガスが流入する。また、燃焼室２６で発生した燃焼ガスは、排気ポート３６を通って外部に排出される。
【００２０】
図５（ａ）は、図４におけるピストン１６を拡大した断面模式図の例であり、図５（ｂ）は上面模式図の例である。図５（ａ）および図５（ｂ）のように、燃焼室２６の壁面であるピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０が設けられている。多孔質断熱部材１０の外周部３８は中央部４０に比べて引っ張り強度が大きくなっている。
【００２１】
ここで、図６を用いて、多孔質断熱部材１０について詳細に説明する。図６は、ピストン１６の頂面２２に設けられた多孔質断熱部材１０を示す模式図の例である。図６のように、ピストン１６の頂面２２に設けられた多孔質断熱部材１０は例えば多孔質シリカである。多孔質断熱部材１０は、例えば球状メソポーラスシリカ粒子である多孔質粒子４２が、例えば金属酸化物からなるバインダ４４によって連結した構造を有する。球状メソポーラスシリカ粒子は、平均粒径が０．１〜３．０μｍ程度であり、粒径の揃った粒子である。また、球状メソポーラスシリカ粒子には、中心部から表面に向かって、平均孔径が例えば１〜１０ｎｍ程度の無数の細孔が形成されている。このように、粒径が小さく、且つ、粒径の揃った複数の球状メソポーラスシリカ粒子がバインダによって接点で連結されているため、球状メソポーラスシリカ粒子同士は隙間なく積層されている。また、無数の細孔が球状メソポーラスシリカ粒子に形成されていることで、多孔質断熱部材１０全体として７０％以上の高い空孔率が実現されている。このため、多孔質断熱部材１０は優れた断熱性を有する。
【００２２】
多孔質断熱部材１０の外周部３８における多孔質粒子４２を連結するバインダ４４の量は、多孔質断熱部材１０の中央部４０における多孔質粒子４２を連結するバインダ４４の量に比べて多い。例えば、多孔質粒子４２を１００重量部とした場合に、多孔質断熱部材１０の中央部４０におけるバインダ４４は２０重量部以下であるのに対し、外周部３８におけるバインダ４４は２０〜４０重量部である。
【００２３】
ここで、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０を形成する製造方法について説明する。製造工程は、多孔質断熱部材１０の前駆体を調整する第１工程と、前駆体からなる層をピストン１６の頂面２２に配置する第２工程と、前駆体とピストン１６の頂面２２とを一体的に焼成し、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０の層を形成する第３工程と、を備える。
【００２４】
第１工程は、例えば球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体と、反応性結合材とを混合する工程である。第１工程を詳しく説明する。まず、シリカ原料と界面活性剤を含む原料を溶媒中で混合し、所定の温度条件以下で反応させることで、球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体を製造する。球状メソポーラスシリカ粒子には中心部から表面に向かって無数の細孔が形成されており、この細孔内にマスキング物質が充填された状態で反応性結合材と混合する。マスキング物質として、例えば球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体の調整に使用する界面活性剤を用いることができる。反応性結合材は、液体状態または溶液に溶解させた状態で球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体と混合するため、反応性結合材が、表面張力によって、球状メソポーラスシリカ粒子の間に偏在し易くなり、球状メソポーラスシリカ粒子間を接点で連結し易くなる。
【００２５】
第２工程は、第１工程を経て調整された多孔質断熱部材１０の前駆体を、ピストン１６の頂面２２にシート状に配置する工程である。例えば、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０の前駆体を配置した後、プレッサーにより上方から多孔質断熱部材１０の前駆体を一定の面圧で加圧してシート状に成型する。その後、多孔質断熱部材１０の外周部３８におけるバインダ４４の量が、中央部４０におけるバインダ４４の量に比べて多くなるよう、シート状に成型した多孔質断熱部材１０の前駆体の外周部に反応性結合材を追加して滴下する。
【００２６】
第３工程は、シート状に成型した多孔質断熱部材１０の前駆体とピストン１６の頂面２２とを一体的に焼成して、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０の層を形成する工程である。多孔質断熱部材１０の前駆体とピストン１６の頂面２２とを一体的に焼成することで、反応性結合材が重合してバインダ４４となり、球状メソポーラスシリカ粒子間を接点で連結させる反応と、球状メソポーラスシリカ粒子が直接またはバインダ４４を介して間接的にピストン１６の頂面２２と結合する反応と、細孔内に充填されたマスキング物質が除去される反応とが同時に進行する。これにより、図６に示したような、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０を形成することができる。なお、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０を形成する製造方法は、上記製造方法に限られるわけではなく、例えば、球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体を用いる代わりに、粒子状で焼成済みの球状メソポーラスシリカ粒子を用いて、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０を形成してもよい。
【００２７】
このように、多孔質断熱部材１０は、図６に示すように、多孔質粒子４２がバインダ４４によって連結された構造を有し、多孔質断熱部材１０の外周部３８におけるバインダ４４の量が、中央部４０におけるバインダ４４の量に比べて多い構造をしている。バインダ４４の量が多くなると、多孔質粒子４２間の結合力が大きくなるため、引っ張り強度が大きくなる。したがって、図５で示したように、多孔質断熱部材１０の外周部３８は中央部４０に比べて引っ張り強度が大きくなる。
【００２８】
比較例で説明したように、多孔質断熱部材１０の表面から内部側でありかつ外周側である領域には、表面温度の上昇によって表面の端部４６が伸長（図６の矢印）することに起因した引っ張り応力と、温度変化の時間的遅れに起因した引っ張り応力とがかかる。このため、実施例１のように、多孔質断熱部材１０の外周部３８の引っ張り強度を中央部４０の引っ張り強度に比べて大きくすることで、多孔質断熱部材１０の表面から内部側でありかつ外周側である領域に上述の引っ張り応力がかかった場合であっても破損することを抑制できる。
【００２９】
また、実施例１のように、多孔質断熱部材１０の外周部３８におけるバインダ４４の量を増加させ、中央部４０におけるバインダ４４の量の増加を抑制することで、多孔質断熱部材１０の熱伝導率や熱容量が増加することを抑制できる。したがって、実施例１によれば、多孔質断熱部材１０の熱伝導率および熱容量の増加を抑制しつつ、多孔質断熱部材１０に破損が生じることを抑制できる。
【００３０】
実施例１において、多孔質断熱部材１０の外周部３８におけるバインダ４４の量を増やすことで、外周部３８の引っ張り強度を中央部４０の引っ張り強度よりも大きくする場合を例に示したがこれに限られるわけではない。その他の方法によって、多孔質断熱部材１０の外周部３８における引っ張り強度を中央部４０における引っ張り強度よりも大きくする場合でもよい。
【００３１】
実施例１において、多孔質粒子４２は球状メソポーラスシリカ粒子であり、バインダ４４は金属酸化物である場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。バインダ４４は、例えばＳｉなどの半金属の酸化物である場合でもよい。
【００３２】
また、実施例１において、多孔質断熱部材１０はピストン１６の頂面２２に備わる場合を例に示したが、例えばシリンダヘッド２０の下面２４や、吸気弁２８および排気弁３０の傘部の下面３２など、燃焼室２６の壁面に備わる場合が好ましい。また、多孔質断熱部材１０は、内燃機関１００の燃焼室２６の壁面以外に備わる場合や、内燃機関１００以外に装置に備わる場合でもよい。
【実施例２】
【００３３】
図７は、実施例２に係る多孔質断熱部材５０を示す模式図の例である。実施例２に係る多孔質断熱部材５０も実施例１と同様に、内燃機関１００の燃焼室２６の壁面であるピストン１６の頂面２２に備わるが、この点については、図４および図５で説明しているため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００３４】
図７のように、ピストン１６の頂面２２に設けられた多孔質断熱部材５０は、多孔質断熱部材５０の外周部５２において、表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域Ｙにおける多孔質粒子４２を連結するバインダ４４の量が、多孔質断熱部材５０の中央部５４における多孔質粒子４２を連結するバインダ４４の量に比べて多い構造をしている。なお、多孔質断熱部材５０の表面とは、ピストン１６の頂面２２に接する面に対して反対側の面であり、燃焼室２６に露出する面である。その他の構成については、実施例１と同じであり、図６で説明しているため、ここでは説明を省略する。また、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材５０を形成する製造方法についても、実施例１で説明した製造方法と同様の方法を用いることができるため、ここでは説明を省略する。
【００３５】
実施例２では、多孔質断熱部材５０は、多孔質断熱部材５０の外周部５２であって表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域Ｙにおけるバインダ４４の量が、中央部５４におけるバインダ４４の量に比べて多い構造をしている。多孔質断熱部材５０の熱伝導率が０．０５〜０．５Ｗ／ｍｋの場合に、多孔質断熱部材５０の表面温度の上昇により表面の端部５６が伸長（図７の矢印）することに起因した引っ張り応力は、多孔質断熱部材５０の表面から５０〜２００μｍ程度の間の外周部５２にかかり易くなる。このため、多孔質断熱部材５０の外周部５２であって表面から深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域Ｙは破損が発生し易くなる。したがって、領域Ｙでの破損を抑制するために、多孔質断熱部材５０の外周部５２であって表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域Ｙにおけるバインダ４４の量を多くして引っ張り強度を高くすることが好ましい。
【００３６】
また、実施例２では、バインダ４４の量を増やした領域が実施例１に比べて小さいため、多孔質断熱部材５０の熱伝導率および熱容量の増加をより抑制することができる。よって、実施例２によれば、多孔質断熱部材５０の破損を抑制しつつ、多孔質断熱部材５０の熱伝導率および熱容量の増加をより抑制できる。
【００３７】
実施例２において、バインダ４４の量を増やす領域Ｙは、多孔質断熱部材５０の表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域である場合を例に示した。このように、多孔質断熱部材５０の表面温度の上昇により表面の端部５６が伸長することに起因した引っ張り応力が発生する領域のバインダ４４の量を増やす場合が好ましい。よって、例えば、多孔質断熱部材５０の熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍｋ以下の場合には、表面温度の上昇により表面端部が伸長することに起因した引っ張り応力は、多孔質断熱部材の表面から０μｍ〜５０μｍ程度の間の外周部にかかり易くなる。よって、多孔質断熱部材５０の熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍｋ以下の場合には、多孔質断熱部材の外周部であって表面からの深さが０μｍ〜５０μｍの間の領域におけるバインダの量を多くすることが好ましい。
【００３８】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 多孔質断熱部材
１２ シリンダブロック
１４ シリンダ
１６ ピストン
１８ シリンダライナ
２０ シリンダヘッド
２２ ピストンの頂面
２６ 燃焼室
２８ 吸気弁
３０ 排気弁
３４ 吸気ポート
３６ 排気ポート
３８ 多孔質断熱部材の外周部
４０ 多孔質断熱部材の中央部
４２ 多孔質粒子
４４ バインダ
５０ 多孔質断熱部材
５２ 多孔質断熱部材の外周部
５４ 多孔質断熱部材の中央部
１００ 内燃機関
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質断熱部材およびこれを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室の壁面に断熱部材を設けることで、低負荷時における冷却損失を低減させる技術が提案されている。その一方で、内燃機関の燃焼室の壁面に断熱部材を設けて燃焼室を断熱すると、高負荷時において燃焼室の壁温が高くなり、ノッキングや異常燃焼などが発生する場合がある。ノッキングなどの発生を抑制するために、例えば、特許文献１には、ピストンの頂面の一部分にのみ多孔質の断熱部材を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１９３７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多孔質の断熱部材は、例えば低熱伝導率かつ低熱容量の断熱特性を有する。このような断熱特性を有する多孔質断熱部材を燃焼室の壁面に設けると、多孔質断熱部材は、燃焼室内に発生する燃焼ガスの温度に追従して温度変化する。この温度変化に起因して、多孔質断熱部材の外周部で破損が発生する場合がある。この破損は、時間経過と共に多孔質断熱部材全体に進行してしまう場合がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、破損の発生が抑制可能な多孔質断熱部材およびこれを備えた内燃機関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】
【０００６】
上記目的は、外周部の引っ張り強度が中央部の引っ張り強度よりも大きいことを特徴とする多孔質断熱部材によって達成できる。これによれば、多孔質断熱部材の破損の発生を抑制できる。
【０００７】
上記構成において、多孔質粒子がバインダによって連結された構造を有し、前記外周部における前記バインダの量が、前記中央部における前記バインダの量に比べて多い構成とすることができる。この構成によれば、多孔質断熱部材の熱伝導率および熱容量の増加を抑制しつつ、多孔質断熱部材の破損の発生を抑制できる。
【０００８】
上記構成において、熱伝導率が０．０５〜０．５Ｗ／ｍｋである場合において、前記外周部であって表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域における前記バインダの量が、前記中央部における前記バインダの量に比べて多い構成とすることができる。この構成によれば、多孔質断熱部材の破損を抑制しつつ、多孔質断熱部材の熱伝導率および熱容量の増加をより抑制できる。
【０００９】
上記目的は、燃焼室の壁面に請求項１から３のいずれか一項記載の多孔質断熱部材を備えることを特徴とする内燃機関によって達成できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、多孔質断熱部材の破損の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、比較例に係る多孔質断熱部材の断面模式図の例である。
【図２】図２は、多孔質断熱部材の表面温度変化を示す模式図の例である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｄ）は、多孔質断熱部材の深さ方向の温度を示す模式図の例である。
【図４】図４は、実施例１に係る多孔質断熱部材を備えた内燃機関の構成を示す模式図の例である。
【図５】図５（ａ）は、図４におけるピストンの断面模式図の例であり、図５（ｂ）は上面模式図の例である。
【図６】図６は、実施例１に係る多孔質断熱部材を示す模式図の例である。
【図７】図７は、実施例２に係る多孔質断熱部材を示す模式図の例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず初めに、本発明が解決しようとする課題について詳細に説明する。図１は、比較例の係る多孔質断熱部材を示す断面模式図の例である。図１のように、内燃機関の燃焼室の壁面６０に低熱伝導率かつ低熱容量の多孔質断熱部材６２が設けられている。多孔質断熱部材６２は、例えば多孔質シリカである。内燃機関では、クランク角度に応じて、例えば吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程の動作が行われる。吸気行程は、ピストンを下降させ、シリンダ内に混合ガスを流入する。圧縮行程は、ピストンを上昇させ、シリンダ内の混合ガスを圧縮する。燃焼・膨張行程は、混合ガスに着火し、燃焼ガスを発生させてピストンを押し下げる。排気行程は、ピストンを上昇させ、シリンダ内の燃焼ガスを排出する。このような４行程が行われることで、燃焼室内のガス温度は変化する。多孔質断熱部材６２は低熱容量であることから、燃焼室内のガス温度の変化に追従して温度が変化する。
【００１３】
図２は、多孔質断熱部材６２の表面温度変化を示す模式図の例であり、横軸はクランク角［°ＣＡ］、縦軸は多孔質断熱部材６２の表面温度［Ｋ］である。なお、多孔質断熱部材６２の表面とは、燃焼室に露出している側の面のことをいう。図２のように、クランク角度に応じて吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程の４行程が推移するため、クランク角度に応じて多孔質断熱部材６２の表面温度は変化する。例えば、クランク角が０［°ＣＡ］から１８０［°ＣＡ］の間は吸気行程であり、シリンダ内に混合ガスが流入されるため、多孔質断熱部材６２の表面温度は混合ガスの温度に追従して低下する。クランク角が１８０［°ＣＡ］から３６０［°ＣＡ］の間は圧縮行程である。この間も多孔質断熱部材６２は混合ガスに曝されているため、表面温度は低下する。クランク角が３６０［°ＣＡ］から５４０［°ＣＡ］の間は燃焼・膨張行程である。シリンダ内の混合ガスに着火することで燃焼ガスが発生し、多孔質断熱部材６２の表面温度は急激に上昇する。その後の膨張行程では、多孔質断熱部材６２の表面温度は徐々に低下する。クランク角が５４０［°ＣＡ］から７２０［°ＣＡ］は排気行程である。排気行程の間も、多孔質断熱部材６２の表面温度は徐々に低下する。
【００１４】
図３（ａ）から図３（ｄ）は、多孔質断熱部材６２の深さ方向の温度を示す模式図の例であり、横軸は多孔質断熱部材６２の深さ（μｍ）であり、縦軸は多孔質断熱部材６２の温度（Ｋ）である。図３（ａ）は図２におけるクランク角２００［°ＣＡ］（図２の領域７０）での、図３（ｂ）はクランク角３５４［°ＣＡ］（図２の領域７２）での、図３（ｃ）はクランク角４０５［°ＣＡ］（図２の領域７４）での、図３（ｄ）はクランク角５００［°ＣＡ］（図２の領域７６）での、多孔質断熱部材６２の深さ方向の温度を示している。
【００１５】
図３（ａ）から図３（ｄ）のように、多孔質断熱部材６２の内部の温度はあまり変化していないのに対し、多孔質断熱部材６２の表面温度は大きく変化している。図１における多孔質断熱部材６２の表面中央部６４では、例えば多孔質断熱部材６２を構成する多孔質粒子がその周りに位置する多孔質粒子に拘束されているため、温度変化が発生すると圧縮応力と引っ張り応力とが生じる。図３（ｂ）および図３（ｃ）に示されているように、圧縮応力の方が引っ張り応力よりも大きいが、多孔質断熱部材６２が例えば多孔質シリカのような多孔質セラミック材からなる場合、多孔質セラミック材は引っ張り強度よりも圧縮強度の方が大きいため、上記の圧縮応力には十分耐え得る。
【００１６】
一方、多孔質断熱部材６２の表面の端部６８（図１参照）では、例えば多孔質断熱部材６２を構成する多孔質粒子は、その周りを多孔質粒子で完全には囲まれてなく、拘束がされていない状態である。このため、図３（ｃ）のように、多孔質断熱部材６２の表面温度が上昇すると、表面の端部６８は熱膨張により伸長する。図１の矢印のように、多孔質断熱部材６２の表面の端部６８が伸長することで、この伸長に起因して、多孔質断熱部材６２の表面から内部側であり且つ外周側である領域６６に引っ張り応力が生じる。さらに、図３（ｃ）のように、多孔質断熱部材６２の温度変化の時間的遅れによって、多孔質断熱部材６２の表面から１００μｍ程度の内部では温度が一時的に低くなり、引っ張り応力が生じることになる。このため、多孔質断熱部材６２の表面から内部側であり且つ外周側である領域６６では、２重に引っ張り応力がかかることになり、破損が生じ易くなる。そこで、このような課題の解決を図り、破損の発生が抑制可能な多孔質断熱部材の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図４は、実施例１に係る多孔質断熱部材１０を備えた内燃機関１００の構成を示す模式図の例である。図４のように、シリンダブロック１２にはシリンダ１４が設けられている。シリンダ１４内には往復動するピストン１６が設けられている。シリンダ１４の側壁には円筒形状のシリンダライナ１８が設けられていて、ピストン１６との摺動面を形成している。
【００１８】
シリンダブロック１２の上側にはシリンダヘッド２０が配置されている。ピストン１６の頂面２２とシリンダヘッド２０の下面２４とで区画される領域が燃焼室２６である。燃焼室２６の壁面は、ピストン１６の頂面２２、シリンダヘッド２０の下面２４、吸気弁２８および排気弁３０の傘部であって燃焼室２６に露出する下面３２で構成されている。ピストン１６の頂面２２には多孔質断熱部材１０が設けられている。
【００１９】
シリンダヘッド２０には、吸気ポート３４および排気ポート３６が設けられている。燃焼室２６と吸気ポート３４との連通は、吸気弁２８の開閉によって制御される。また、燃焼室２６と排気ポート３６との連通は、排気弁３０によって制御される。燃焼室２６には、吸気ポート３４を通って燃焼に必要な混合ガスが流入する。また、燃焼室２６で発生した燃焼ガスは、排気ポート３６を通って外部に排出される。
【００２０】
図５（ａ）は、図４におけるピストン１６を拡大した断面模式図の例であり、図５（ｂ）は上面模式図の例である。図５（ａ）および図５（ｂ）のように、燃焼室２６の壁面であるピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０が設けられている。多孔質断熱部材１０の外周部３８は中央部４０に比べて引っ張り強度が大きくなっている。
【００２１】
ここで、図６を用いて、多孔質断熱部材１０について詳細に説明する。図６は、ピストン１６の頂面２２に設けられた多孔質断熱部材１０を示す模式図の例である。図６のように、ピストン１６の頂面２２に設けられた多孔質断熱部材１０は例えば多孔質シリカである。多孔質断熱部材１０は、例えば球状メソポーラスシリカ粒子である多孔質粒子４２が、例えば金属酸化物からなるバインダ４４によって連結した構造を有する。球状メソポーラスシリカ粒子は、平均粒径が０．１〜３．０μｍ程度であり、粒径の揃った粒子である。また、球状メソポーラスシリカ粒子には、中心部から表面に向かって、平均孔径が例えば１〜１０ｎｍ程度の無数の細孔が形成されている。このように、粒径が小さく、且つ、粒径の揃った複数の球状メソポーラスシリカ粒子がバインダによって接点で連結されているため、球状メソポーラスシリカ粒子同士は隙間なく積層されている。また、無数の細孔が球状メソポーラスシリカ粒子に形成されていることで、多孔質断熱部材１０全体として７０％以上の高い空孔率が実現されている。このため、多孔質断熱部材１０は優れた断熱性を有する。
【００２２】
多孔質断熱部材１０の外周部３８における多孔質粒子４２を連結するバインダ４４の量は、多孔質断熱部材１０の中央部４０における多孔質粒子４２を連結するバインダ４４の量に比べて多い。例えば、多孔質粒子４２を１００重量部とした場合に、多孔質断熱部材１０の中央部４０におけるバインダ４４は２０重量部以下であるのに対し、外周部３８におけるバインダ４４は２０〜４０重量部である。
【００２３】
ここで、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０を形成する製造方法について説明する。製造工程は、多孔質断熱部材１０の前駆体を調整する第１工程と、前駆体からなる層をピストン１６の頂面２２に配置する第２工程と、前駆体とピストン１６の頂面２２とを一体的に焼成し、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０の層を形成する第３工程と、を備える。
【００２４】
第１工程は、例えば球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体と、反応性結合材とを混合する工程である。第１工程を詳しく説明する。まず、シリカ原料と界面活性剤を含む原料を溶媒中で混合し、所定の温度条件以下で反応させることで、球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体を製造する。球状メソポーラスシリカ粒子には中心部から表面に向かって無数の細孔が形成されており、この細孔内にマスキング物質が充填された状態で反応性結合材と混合する。マスキング物質として、例えば球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体の調整に使用する界面活性剤を用いることができる。反応性結合材は、液体状態または溶液に溶解させた状態で球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体と混合するため、反応性結合材が、表面張力によって、球状メソポーラスシリカ粒子の間に偏在し易くなり、球状メソポーラスシリカ粒子間を接点で連結し易くなる。
【００２５】
第２工程は、第１工程を経て調整された多孔質断熱部材１０の前駆体を、ピストン１６の頂面２２にシート状に配置する工程である。例えば、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０の前駆体を配置した後、プレッサーにより上方から多孔質断熱部材１０の前駆体を一定の面圧で加圧してシート状に成型する。その後、多孔質断熱部材１０の外周部３８におけるバインダ４４の量が、中央部４０におけるバインダ４４の量に比べて多くなるよう、シート状に成型した多孔質断熱部材１０の前駆体の外周部に反応性結合材を追加して滴下する。
【００２６】
第３工程は、シート状に成型した多孔質断熱部材１０の前駆体とピストン１６の頂面２２とを一体的に焼成して、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０の層を形成する工程である。多孔質断熱部材１０の前駆体とピストン１６の頂面２２とを一体的に焼成することで、反応性結合材が重合してバインダ４４となり、球状メソポーラスシリカ粒子間を接点で連結させる反応と、球状メソポーラスシリカ粒子が直接またはバインダ４４を介して間接的にピストン１６の頂面２２と結合する反応と、細孔内に充填されたマスキング物質が除去される反応とが同時に進行する。これにより、図６に示したような、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０を形成することができる。なお、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０を形成する製造方法は、上記製造方法に限られるわけではなく、例えば、球状メソポーラスシリカ粒子の前駆体を用いる代わりに、粒子状で焼成済みの球状メソポーラスシリカ粒子を用いて、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材１０を形成してもよい。
【００２７】
このように、多孔質断熱部材１０は、図６に示すように、多孔質粒子４２がバインダ４４によって連結された構造を有し、多孔質断熱部材１０の外周部３８におけるバインダ４４の量が、中央部４０におけるバインダ４４の量に比べて多い構造をしている。バインダ４４の量が多くなると、多孔質粒子４２間の結合力が大きくなるため、引っ張り強度が大きくなる。したがって、図５で示したように、多孔質断熱部材１０の外周部３８は中央部４０に比べて引っ張り強度が大きくなる。
【００２８】
比較例で説明したように、多孔質断熱部材１０の表面から内部側でありかつ外周側である領域には、表面温度の上昇によって表面の端部４６が伸長（図６の矢印）することに起因した引っ張り応力と、温度変化の時間的遅れに起因した引っ張り応力とがかかる。このため、実施例１のように、多孔質断熱部材１０の外周部３８の引っ張り強度を中央部４０の引っ張り強度に比べて大きくすることで、多孔質断熱部材１０の表面から内部側でありかつ外周側である領域に上述の引っ張り応力がかかった場合であっても破損することを抑制できる。
【００２９】
また、実施例１のように、多孔質断熱部材１０の外周部３８におけるバインダ４４の量を増加させ、中央部４０におけるバインダ４４の量の増加を抑制することで、多孔質断熱部材１０の熱伝導率や熱容量が増加することを抑制できる。したがって、実施例１によれば、多孔質断熱部材１０の熱伝導率および熱容量の増加を抑制しつつ、多孔質断熱部材１０に破損が生じることを抑制できる。
【００３０】
実施例１において、多孔質断熱部材１０の外周部３８におけるバインダ４４の量を増やすことで、外周部３８の引っ張り強度を中央部４０の引っ張り強度よりも大きくする場合を例に示したがこれに限られるわけではない。その他の方法によって、多孔質断熱部材１０の外周部３８における引っ張り強度を中央部４０における引っ張り強度よりも大きくする場合でもよい。
【００３１】
実施例１において、多孔質粒子４２は球状メソポーラスシリカ粒子であり、バインダ４４は金属酸化物である場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。バインダ４４は、例えばＳｉなどの半金属の酸化物である場合でもよい。
【００３２】
また、実施例１において、多孔質断熱部材１０はピストン１６の頂面２２に備わる場合を例に示したが、例えばシリンダヘッド２０の下面２４や、吸気弁２８および排気弁３０の傘部の下面３２など、燃焼室２６の壁面に備わる場合が好ましい。また、多孔質断熱部材１０は、内燃機関１００の燃焼室２６の壁面以外に備わる場合や、内燃機関１００以外に装置に備わる場合でもよい。
【実施例２】
【００３３】
図７は、実施例２に係る多孔質断熱部材５０を示す模式図の例である。実施例２に係る多孔質断熱部材５０も実施例１と同様に、内燃機関１００の燃焼室２６の壁面であるピストン１６の頂面２２に備わるが、この点については、図４および図５で説明しているため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００３４】
図７のように、ピストン１６の頂面２２に設けられた多孔質断熱部材５０は、多孔質断熱部材５０の外周部５２において、表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域Ｙにおける多孔質粒子４２を連結するバインダ４４の量が、多孔質断熱部材５０の中央部５４における多孔質粒子４２を連結するバインダ４４の量に比べて多い構造をしている。なお、多孔質断熱部材５０の表面とは、ピストン１６の頂面２２に接する面に対して反対側の面であり、燃焼室２６に露出する面である。その他の構成については、実施例１と同じであり、図６で説明しているため、ここでは説明を省略する。また、ピストン１６の頂面２２に多孔質断熱部材５０を形成する製造方法についても、実施例１で説明した製造方法と同様の方法を用いることができるため、ここでは説明を省略する。
【００３５】
実施例２では、多孔質断熱部材５０は、多孔質断熱部材５０の外周部５２であって表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域Ｙにおけるバインダ４４の量が、中央部５４におけるバインダ４４の量に比べて多い構造をしている。多孔質断熱部材５０の熱伝導率が０．０５〜０．５Ｗ／ｍｋの場合に、多孔質断熱部材５０の表面温度の上昇により表面の端部５６が伸長（図７の矢印）することに起因した引っ張り応力は、多孔質断熱部材５０の表面から５０〜２００μｍ程度の間の外周部５２にかかり易くなる。このため、多孔質断熱部材５０の外周部５２であって表面から深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域Ｙは破損が発生し易くなる。したがって、領域Ｙでの破損を抑制するために、多孔質断熱部材５０の外周部５２であって表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域Ｙにおけるバインダ４４の量を多くして引っ張り強度を高くすることが好ましい。
【００３６】
また、実施例２では、バインダ４４の量を増やした領域が実施例１に比べて小さいため、多孔質断熱部材５０の熱伝導率および熱容量の増加をより抑制することができる。よって、実施例２によれば、多孔質断熱部材５０の破損を抑制しつつ、多孔質断熱部材５０の熱伝導率および熱容量の増加をより抑制できる。
【００３７】
実施例２において、バインダ４４の量を増やす領域Ｙは、多孔質断熱部材５０の表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域である場合を例に示した。このように、多孔質断熱部材５０の表面温度の上昇により表面の端部５６が伸長することに起因した引っ張り応力が発生する領域のバインダ４４の量を増やす場合が好ましい。よって、例えば、多孔質断熱部材５０の熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍｋ以下の場合には、表面温度の上昇により表面端部が伸長することに起因した引っ張り応力は、多孔質断熱部材の表面から０μｍ〜５０μｍ程度の間の外周部にかかり易くなる。よって、多孔質断熱部材５０の熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍｋ以下の場合には、多孔質断熱部材の外周部であって表面からの深さが０μｍ〜５０μｍの間の領域におけるバインダの量を多くすることが好ましい。
【００３８】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 多孔質断熱部材
１２ シリンダブロック
１４ シリンダ
１６ ピストン
１８ シリンダライナ
２０ シリンダヘッド
２２ ピストンの頂面
２６ 燃焼室
２８ 吸気弁
３０ 排気弁
３４ 吸気ポート
３６ 排気ポート
３８ 多孔質断熱部材の外周部
４０ 多孔質断熱部材の中央部
４２ 多孔質粒子
４４ バインダ
５０ 多孔質断熱部材
５２ 多孔質断熱部材の外周部
５４ 多孔質断熱部材の中央部
１００ 内燃機関
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周部の引っ張り強度が、中央部の引っ張り強度よりも大きいことを特徴とする多孔質断熱部材。
【請求項２】
多孔質粒子がバインダによって連結された構造を有し、前記外周部における前記バインダの量が、前記中央部における前記バインダの量に比べて多いことを特徴とする請求項１記載の多孔質断熱部材。
【請求項３】
熱伝導率が０．０５〜０．５Ｗ／ｍｋである場合において、前記外周部であって表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域における前記バインダの量が、前記中央部における前記バインダの量に比べて多いことを特徴とする請求項２記載の多孔質断熱部材。
【請求項４】
燃焼室の壁面に請求項１から３のいずれか一項に記載の多孔質断熱部材を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項１】
外周部の引っ張り強度が、中央部の引っ張り強度よりも大きいことを特徴とする多孔質断熱部材。
【請求項２】
多孔質粒子がバインダによって連結された構造を有し、前記外周部における前記バインダの量が、前記中央部における前記バインダの量に比べて多いことを特徴とする請求項１記載の多孔質断熱部材。
【請求項３】
熱伝導率が０．０５〜０．５Ｗ／ｍｋである場合において、前記外周部であって表面からの深さが５０μｍ〜２００μｍの間の領域における前記バインダの量が、前記中央部における前記バインダの量に比べて多いことを特徴とする請求項２記載の多孔質断熱部材。
【請求項４】
燃焼室の壁面に請求項１から３のいずれか一項に記載の多孔質断熱部材を備えることを特徴とする内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２２５４０７（Ｐ２０１１−２２５４０７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９９０７９（Ｐ２０１０−９９０７９）
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【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１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【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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