JP2017001235A

JP2017001235A - 断熱構造体

Info

Publication number: JP2017001235A
Application number: JP2015115914A
Authority: JP
Inventors: 和晃西尾; Kazuaki Nishio; 幸治笠原; Koji Kasahara; 下田　健二; Kenji Shimoda; 健二下田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2017-01-05

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼室に臨む部分に断熱層を設けることで冷却損失低減による熱効率の改善を図るようにした内燃機関において、高回転域においても、吸入気体の過熱等に起因するポンプ損失が生じるのを抑制できるようにした断熱構造体を提供する。【解決手段】断熱構造体Ａは、アルミニウム合金である基材３の表面に形成される中間層２および遮熱層１を備える断熱構造体Ａであって、中間層２は基材３に対して銅粒子がコールドスプレーされた層であり、遮熱層１は中間層２に対してジルコニアおよびシリカよりなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする酸化物粒子を溶射して形成された層であり、中間層２の厚みは２０〜１５０μｍ、遮熱層１の厚みは１０〜２５０μｍであり、遮熱層１の熱伝導率λ１は基材３の熱伝導率λ３よりも小さく、かつ、中間層２の熱伝導率λ２は基材３の熱伝導率λ３よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、断熱構造体に関する。

内燃機関の熱効率を高める目的で、燃焼室に臨む部分を遮熱膜とすることが知られている。その一例が特許文献１に記載されており、そこに記載の遮熱膜は、ピストン基材に対して溶射されたジルコニア粒子と気孔部とを含む第１酸化物層と、前記第１酸化物層に対して溶射された、当該第１酸化物層のジルコニア粒子の平均粒径よりも平均粒径が小さい、アルミナ、シリカおよびジルコニアよりなる群から選ばれる１種を主成分とする酸化物粒子を含む第２酸化物層とを有するとともに、前記ピストン基材と前記第１酸化物層との間には、両者の密着性をよくするために、アンダーコート層として、Ｎｉ−２０Ｃｒ合金がピストン基材表面にプラズマ溶射されている。

特開２０１３−１８５２０２号公報

燃焼室に特許文献１に記載の構造の遮熱膜を備えた内燃機関では、遮熱膜（断熱層）が存在することで、外部に熱として奪われるエネルギーである冷却損失を低減することができ、熱効率の改善が期待できる。また、第１酸化物層に含まれる気孔部が第２酸化物層によって封孔されることで、燃料等が断熱構造体に浸み込むのも抑制される。

しかし、高回転域での運転となると燃焼間隔が短くなり、遮熱膜の表面温度が次の燃焼までに十分に下がりきれず、遮熱膜の表面の温度（ベース壁温）が上がっていく現象が生じる。図８はその状態を説明する図であり、横軸はクランク角（°）を、縦軸は遮熱膜の表面温度（℃）を示している。高回転域となり燃焼間隔が短くなると図に（ａ）で示すように温度の低下が不十分となり、次第にベース壁温が図に破線（ｂ）で示すように上昇する。ベース壁温が上昇すると、吸気行程中に吸入気体が受熱して膨張することから充填効率が低下し、また、圧縮行程中に作動ガスが受熱してシリンダ内圧力が上昇することで圧縮行程での負の仕事が増大する等により、ポンプ損失が増大する。高回転域で生じるこのポンプ損失増大の影響で、当該内燃機関に本来期待されている冷却損失低減効果が相殺されるようになり、全体として燃費の改善効果が得られないことが起こる。

本発明は、上記の課題を解決することを課題としており、具体的には、内燃機関の燃焼室に臨む部分に断熱層を設けることで冷却損失低減による熱効率の改善を図るようにした内燃機関において、高回転域においても、吸入気体の過熱等に起因するポンプ損失が生じるのを抑制できるようにした断熱構造体を提供することを課題とする。

本発明による断熱構造体は、アルミニウム合金である基材の表面に形成される中間層および遮熱層を備える断熱構造体であって、前記中間層は前記基材であるアルミニウム合金基材に対して銅粒子がコールドスプレーされた層であり、前記遮熱層は前記中間層に対してジルコニアおよびシリカよりなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする酸化物粒子を溶射して形成された層であり、前記中間層の厚みは２０〜１５０μｍ、前記遮熱層の厚みは１０〜２５０μｍであり、前記遮熱層の熱伝導率は前記基材の熱伝導率よりも小さく、かつ、前記中間層の熱伝導率は前記基材の熱伝導率よりも大きい、ことを特徴とする。

本発明による断熱構造体は、アルミニウム合金である基材と、前記基材の表面にコールドスプレーされた銅粒子からなる中間層と、前記中間層に溶射されたジルコニアおよびシリカよりなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする酸化物粒子からなる遮熱層とで構成される。そして、前記遮熱層の熱伝導率をλ１、前記中間層の熱伝導率をλ２、前記基材の熱伝導率をλ３としたときに、各熱伝導率λは、λ１＜λ３＜λ２の関係にある。したがって、遮熱層が保有する熱は、遮熱層が基材に直接溶射されている場合に遮熱層から基材に伝熱するのと比較して、中間層に対して伝熱しやすくなる。また、λ３＜λ２の関係にあるので、中間層から基材への伝熱は抑制される。

そのために、本発明による断熱構造体を燃焼室に臨む部分に備えるようにした場合、低回転域では外部に熱として奪われるエネルギーである冷却損失を低減することができる。また、高回転域において燃焼間隔が短くなった場合でも、燃焼室内の熱は断熱構造体を構成する遮熱層から中間層に伝熱しやすくなっていることから、ベース壁温である遮熱層の表面温度が過度に上昇するのを回避でき、空気過熱が生じ難くなる。そのために、高回転域における吸気過熱等に起因するポンプ損失の増大を回避することが可能となり、当該内燃機関に本来期待されている冷却損失低減効果を高回転域においてもそのまま維持できるようになる。

特に、後の実施例に示すように、前記中間層の厚みは２０〜１５０μｍ、前記遮熱層の厚みは１０〜２５０μｍであることで、所期の目的は確実に達成される。

本発明による本発明による断熱構造体を燃焼室に臨む部分に備えるようにすることにより、その内燃機関は、高回転域での吸気過熱が生じ難くなり、吸気加熱によるポンプ損失が抑制され、冷却損失低減効果が相殺されることなく、燃費改善効果が大きくなる。

本発明による断熱構造体の一例を模式的に示す図。本発明による断熱構造体を備えた内燃機関を模式的に示す図。シミュレーションによる効果検証で用いた断熱構造体を説明する図。シミュレーションでの入熱条件を示す図。シミュレーション結果を示す図。中間層の膜厚と壁温上昇幅（スイング幅：ΔＴ）関係を示すグラフ。遮熱層の膜厚と燃費改善率の関係を示すグラフ。ベース壁温の上昇を説明するための図。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明による断熱構造体の一実施の形態を模式的に示す図であり、図２は本発明による断熱構造体を備えた内燃機関を模式的に示す図である。

図１に示されるように、本発明による断熱構造体Ａは、基本構成として、遮熱層１と中間層２と基材３とを備える。基材３はアルミニウム合金からなる層であり、中間層２は前記基材３であるアルミニウム合金基材に対して銅粒子がコールドスプレーされた層であり、遮熱層１は前記中間層２に対してジルコニアおよびシリカよりなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする酸化物粒子を溶射して形成された層である。断熱構造体Ａは断熱を要する任意の箇所で使用できるが、好ましくは、図２に示すように、内燃機関Ｂにおける燃焼室に臨む部分に用いられる。

図２において、１１はシリンダーブロック、１２はシリンダーヘッドであり、シリンダーブロック１１のシリンダーボア１３内をピストン１４が往復動している。シリンダーヘッド１２には吸気ポート１５や排気ポート１６等が設けられ、そこには吸気弁１７や排気弁１８が取り付けられている。このような内燃機関Ｂにおいて、シリンダーボア１３とシリンダーヘッド１２とピストン１４で囲まれる領域が一般に燃焼室と呼ばれており、前記したように、内燃機関の熱効率を高める目的で、燃焼室に臨む部分に遮熱膜１９を形成することが行われる。具体的には、シリンダーボア１３の内周面、シリンダーヘッド１２のシリンダーボア１３に面する面、吸気ポート１５や排気ポート１６のリンダーボア１３に面する面、ピストン１４の頂面などに遮熱膜１９が形成される。

図１に示した本発明による断熱構造体Ａが、前記した燃焼室に臨む部分に適用される場合には、前記した基材３がシリンダーブロック１１あるいはシリンダーヘッド１２に対応することとなり、それらはアルミニウム合金であることがほとんどであることから、本発明による断熱構造体Ａにおいて、基材３はアルミニウム合金である基材とされている。そして、前記中間層２および遮熱層１は、シリンダーブロック１１あるいはシリンダーヘッド１２等の燃焼室に面した側に形成される。

断熱構造体Ａにおいて、前記中間層２は前記基材３（シリンダーブロック１１あるいはシリンダーヘッド１２等）であるアルミニウム合金基材に対して銅粒子がコールドスプレーされた層であり、中間層２の熱伝導率λ２は、基材３であるシリンダーブロック１１あるいはシリンダーヘッド１２を構成するアルミニウム合金の熱伝導率λ３（通常９６Ｗ／ｍＫ程度）よりも大きい。また、中間層２はコールドスプレー被膜であり、コールドスプレー被膜は溶射皮膜と比較してほとんど酸化されず、材料粒子の特性を維持することができ、かつ気孔率が低いという特性も備える。

遮熱層１は、前記中間層２に対してジルコニアおよびシリカよりなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする酸化物粒子を溶射して形成された層であり、遮熱層１の熱伝導率λ１は通常２Ｗ／ｍＫ程度以下であり、前記基材３であるシリンダーブロック１１あるいはシリンダーヘッド１２を構成するアルミニウム合金の熱伝導率λ３よりも小さい。すなわち、本発明による断熱構造体Ａにおいては、遮熱層１の熱伝導率λ１＜基材３の熱伝導率λ３＜中間層２の熱伝導率λ２、の関係になっている。また、前記中間層２の厚みは２０〜１５０μｍであり、前記遮熱層１の厚みは１０〜２５０μｍである。

次に、本発明者らが行ったシミュレーションモデルによる解析結果について説明する。
図３はシミュレーションモデルを示しており、基材３には厚さｔ＝８ｍｍのアルミニウム合金ＡＣ４Ｄを想定した。アルミニウム合金ＡＣ４Ｄの熱伝導率λ３は９６．２Ｗ／ｍＫ、体積比熱は２６３８ｋＪ／ｍ^３Ｋである。遮熱層１には厚さｔ＝８０μｍのジルコニア溶射膜（ＺｒＯ_２−３３ｗｔ％ＳｉＯ_２）を想定した。このジルコニア溶射膜熱伝導率λ１は０．９５Ｗ／ｍＫ、体積比熱は１８５０ｋＪ／ｍ^３Ｋである。

中間層２には、本発明に相当するものとして、コールドスプレーにて銅粒子を成膜した場合と、従来技術に相当するものとして、Ｎｉ−２０Ｃｒのプラズマ溶射皮膜（前記した特許文献１：特開２０１３−１８５２０２号公報に記載される断熱構造体におけるアンダーコート層）を想定した場合の２水準とした。いずれも、厚さｔ＝５０μｍと想定した。なお、コールドスプレーにて銅粒子を成膜した中間層２(本発明に該当する)の熱伝導率λ３は３８９Ｗ／ｍＫ、体積比熱は３４４０ｋＪ／ｍ^３Ｋであり、Ｎｉ−２０Ｃｒのプラズマ溶射皮膜である中間層２(従来技術に該当する)の熱伝導率λ３は１２．６Ｗ／ｍＫ、体積比熱は３６６０ｋＪ／ｍ^３Ｋである。

シミュレーションでは、遮熱層１の表面を入熱側とし、基材３の外側面から放熱されるとした。入熱条件は、図４に示すように、低回転域である８００ｒｐｍ(図４(ａ))と、高回転域である２４００ｒｐｍ(図４(ｂ))の２水準を想定した。なお、図４において、横軸は時間（ｓｅｃ）であり、縦軸は熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）である。また、放熱条件は、９５ｄｅｇｒｅｅの冷却水に５０００Ｗ／ｍ^２Ｋの熱伝達率で常時放熱されるとした。

計算には、計算ソフトＡＮＳＹＳＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌを用い、有限要素法による過渡（非定常）伝熱解析によった。そして、定常時での遮熱層１の表面温度Ｔ１の変化および中間層２の表面温度Ｔ２の変化を求めた。また、遮熱層１の表面温度Ｔ１の変化から、遮熱層１表面温度の変化幅（スイング幅）ΔＴを求めた。それらの結果を図５に示した。なお、図５において、横軸はクランク角（°）であり、縦軸は温度（℃）である。

図５に示すように、低回転域である８００ｒｐｍにおいては、前記スイング幅ΔＴは、従来技術相当では２１９℃、本発明相当では２１６℃であり、ほぼ等しい値であるが、高回転域である２４００ｒｐｍでは、従来技術相当では２４３℃、本発明相当では２９０℃であり、本発明相当でのスイング幅ΔＴは、従来技術相当に比べて大きくなっている。これは、高回転域（２４００ｒｐｍ）でも、最高温度はともに４６０〜４７０℃であるが、図４（ｂ）に示すように、高回転域では燃焼間隔が短くなることで、従来技術相当では、遮熱層１の表面温度の低下が不十分になり、吸気開始時に２７９℃まで上昇するのに対し、本発明相当では、遮熱層１の表面温度が吸気開始時に２２３℃までの上昇であり、その差がスイング幅ΔＴの違いになっていることがわかる。

本発明相当において、高回転域（２４００ｒｐｍ）で従来技術相当と比較して遮熱層１の表面温度の低下が生じるのは、中間層２を、その熱伝導率λ２が、ジルコニアおよびシリカよりなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする酸化物粒子を溶射して形成された遮熱層１の熱伝導率λ１より大きく、かつアルミニウム合金である基材３の熱伝導率λ３よりも大きい、銅粒子の層により形成した結果である。

次に、中間層２および遮熱層１の厚みについて検証した。中間層２については、前記した２４００ｒｐｍのシミュレーションを中間層２の厚みを変えて実施し、膜厚（μｍ）とスイング幅ΔＴ（℃）との関係を求めた。その結果を図６に示した。図６において、横軸は中間層２の膜厚（μｍ）、縦軸はスイング幅ΔＴ（℃）である。図６に示すように、膜厚２０μｍ未満では従来技術相当とスイング幅ΔＴの有意差は不十分であり、膜厚が１５０μｍを超えるとスイング幅ΔＴの増加は見られなくなった。このことから、本発明相当において、中間層２の膜厚は、２０〜１５０μｍの範囲が有意な範囲である。

遮熱層１については、遮熱層１の膜厚と燃費改善率（ＢＳＦＣ）の影響を、上記したシミュレーションで得られた温度結果を内燃機関モデル（ＧＴＰｏｗｅｒ）に錬成させ燃費を試算することにより解析した。図７にその解析結果を示した。図７において、横軸は遮熱層１の膜厚（μｍ）であり、縦軸はＢＳＦＣ改善率（％）である。

前記したように、内燃機関において燃焼室に臨む部分を遮熱すると、ヘッド側に逃げてしまったエネルギー（冷却損失）が減り、ガスがピストンを押す力がアップするので（すなわち、正味出力が向上）、燃費は小さく（良く）なる。計算では、前記内燃機関モデルに所要の条件を入れると、その時の燃費が算出されるので、ヘッドの温度を、アルミニウム合金である基材のみのとき（従来技術相当）と、基材の上に本発明による中間層２と遮熱層１を形成したときの２通り計算し、その差の割合で「ＢＳＦＣ改善率（％）」を表した。ただし、コールドスプレーにて銅粒子を成膜した中間層２の厚みｔ＝５０μｍで一定とし、ジルコニア溶射膜（ＺｒＯ_２−３３ｗｔ％ＳｉＯ_２）である遮熱層１の厚みを３μｍ〜３００μｍの間で変化させた。

図７に示すように、遮熱層１の膜厚が増大するにつれて改善率は向上するが、５０〜６０μｍ前後で最大となり、それ以上厚くなると次第に改善率は低下していく。０．１５％以上の改善率であれば有意な改善率とみなすことができるので、本発明相当において、遮熱層１の膜厚は、図７のグラフから、１０〜２５０μｍの範囲が有意な範囲であるとみなすことができる。

上記のように、本発明相当の内燃機関では、燃焼室に臨む部分に本発明による断熱構造体を備えることにより、高回転域において、従来技術のものと比較して、前記スイング幅ΔＴ（℃）が増加し（図５で（イ）で示される）、それにより冷却損失低減効果が改善され、また、吸気時の遮熱膜表面温度の低下により（図５で（ロ）で示される）、吸気過熱が生じ難くなり、吸気加熱によるポンプ損失が低減することがわかる。それにより、冷却損失低減効果が相殺されることなく、燃費改善効果が大きくなる。

次に、本発明による断熱構造体を内燃機関の燃焼室に臨む部分に実際に形成した例を説明する。

鋳物用アルミ合金ＡＣ４Ｄ製のＥ／Ｇヘッド下面に、マスキングを装着し、ＯＣＰＳ社製のＤｙｍｅｔ４１３を用いて、コールドスプレーにより銅粒子を５０μｍで成膜した。コールドスプレーの条件は、ノズル径５ｍｍφ、投射距離１０ｍｍ、ガス温度５００℃、ガス圧４．７ｂａｒ、ガス流量３００ｌ／ｍｉｎ、ガス種Ａｉｒ、Ｎ_２、またはＨｅ、銅粒子粉末（福田金属箔工業製、Ｃｕ−Ａｔ−Ｇ−１００、平均粒子径５２μｍ、分布１５０μｍ）、銅粒子粉末の供給量４０ｇ・ｍｉｎ、で行った。

上記のコールドスプレー後、エリコンメテコ社製ＳｉｎｐｌｅｘＰｒｏを用いて、セラミックス（ＺｒＯ_２−３３ｗｔ％ＳｉＯ_２、平均粒子径２８μｍ、分布−１０＋４５μｍ）をプラズマ溶射により１５０μｍ程度に成膜した。成膜条件は、出力４０ｋＷ、Ａｒガス流量６０ｌ／ｍｉｎ、Ｈ_２ガス流量１０ｌ／ｍｉｎ、溶射距離１００ｍｍ、粉末供給量６０ｇ／ｍｉｎとした。

成膜後、マスキングを取り外し、所定膜厚（８０μｍ）まで研削し、その後、内部に浸入した粉末の洗浄を実施した。これにより、Ｅ／Ｇヘッド下面に本発明による断熱構造体を備えた部材が得られた。

Ａ…本発明による断熱構造体、
１…ジルコニアおよびシリカよりなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする酸化物粒子を溶射して形成された遮熱層、
２…銅粒子がコールドスプレーされた中間層、
３…アルミニウム合金である基材。

Claims

アルミニウム合金である基材の表面に形成される中間層および遮熱層を備える断熱構造体であって、
前記中間層は前記基材であるアルミニウム合金基材に対して銅粒子がコールドスプレーされた層であり、
前記遮熱層は前記中間層に対してジルコニアおよびシリカよりなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする酸化物粒子を溶射して形成された層であり、
前記中間層の厚みは２０〜１５０μｍ、前記遮熱層の厚みは１０〜２５０μｍであり、
前記遮熱層の熱伝導率は前記基材の熱伝導率よりも小さく、かつ、前記中間層の熱伝導率は前記基材の熱伝導率よりも大きい、
ことを特徴とする断熱構造体。