JP2013238193A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室に作用する熱応力を緩和するとともに、断熱性を向上させることができるエンジンの燃焼室構造を提供する。
【解決手段】エンジン１の燃焼室１０の内壁面１１に金属被覆層１２が形成されたエンジンの燃焼室構造である。金属被覆層１２は、複数の金属薄膜１２ａ〜１２ｆが積層されたものである。金属薄膜１２ａと前記燃焼室１０の内壁面１１、および、積層された各金属薄膜１２ａ〜１２ｆ同士は、非接合部分が形成されるように、点溶接で接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの燃焼室の構造に係り、特にエンジンの燃焼室の内壁面に金属被覆層が形成されたエンジンの燃焼室構造に関する。

エンジンは燃料のガソリン等を燃焼させ、そのときに生まれる力を利用して動力とする。一般的な４サイクルエンジンでは、吸気、圧縮、膨張（燃焼）、排気という４つの行程（ストローク）を１つの周期（サイクル）として繰り返している。

エンジンの熱効率が向上すると、燃費向上や排気温度向上による触媒活性向上の効果がある。したがって今日なおエンジンの熱効率を向上させるための努力が続けられている。エンジンの熱効率向上のためには、まず燃焼中の熱を逃がさないことが考えられる。このためには、膨張（燃焼）行程で燃焼室内の温度が高いことが望まれる。この場合、燃焼室の壁面に求められる特性は、熱伝導率が小さいこと、すなわち断熱性が高いことである。

ところで、近年のエンジンの高出力化に伴い、燃焼室内の温度は高まることから、燃焼室では局部的な熱負荷が高くなる傾向にあり、これが燃焼室を構成する部材に熱歪みや亀裂を生じることがある。

このような熱歪み等を考慮して点を鑑みて、たとえば、温度分布が形成されている中空円筒状軸対称的な構造であり、且つ熱応力を受ける構造体部品において、高温側の温度を有する構造体部品の表面に耐熱被覆層を設け、該耐熱被覆層は膜厚方向に対して、構造体部品の表面から、順に、柱状晶組織と微細結晶粒組織との積層組織を呈し、該耐熱被覆層は熱応力の負荷により膜厚方向にクラックを生じる構造体部品が提案されている（例えば特許文献１参照）。

このような構造体部品によれば、耐熱被覆層の柱状晶組織が熱応力の負荷より、膜厚方向に微細なクラックを発生させることにより、耐熱被覆層に作用する熱衝撃および熱応力を緩和することができる。

特開平０９−００３６４７号公報

しかしながら、特許文献１に示す耐熱被覆層は、柱状晶組織が熱応力の負荷より、膜厚方向に微細なクラックを発生させて、耐熱被覆層への熱応力を緩和させているが、この微細なクラックはランダムに生じ、クラックが膜表面に向かって進行し、膜表面にまでこのクラックが到達するおそれがあった。

このように、膜表面へのクラックの到達により、耐熱被覆層の表層に熱が溜まりやすくなってしまい、この結果耐熱被覆層が破損するおそれがあった。さらに、膜表面へのクラックの到達は、燃焼室の見かけ上の表面積を増加させてしまう。これにより、燃焼室は所望の熱特性（断熱性）を得られないことがあった。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室に作用する熱応力を緩和するとともに、断熱性を向上させることができるエンジンの燃焼室構造を提供することにある。

上記課題を鑑みて、本発明に係るエンジンの燃焼室構造は、エンジンの燃焼室の内壁面に金属被覆層が形成されたエンジンの燃焼室構造であり、前記金属被覆層は、複数の金属薄膜が積層されたものであり、前記金属薄膜と前記燃焼室の内壁面、および、積層された各金属薄膜同士は、非接合部分が形成されるように、点溶接で接合されていることを特徴とする。

本発明によれば、前記金属薄膜と前記燃焼室の内壁面、および、積層された各金属薄膜同士は、非接合部分が形成されるように点溶接で接合されているので、各部材同士の接合部分がスポット的となる。これにより、金属薄膜に作用する熱応力を抑制（緩和）することができる。この熱応力の抑制（緩和）により、金属薄膜にクラック等が発生し難く、金属被覆層の表面積の増加による熱伝導率の増加を抑制することができる。さらに、燃焼室の内壁面と、金属薄膜との間の非接合部分、および金属薄膜同士の非接合部分の間には、僅かな間隙が形成されるので、この間隙が空気層となって、燃焼室内の断熱性を高めることができる。

また、複数の金属薄膜を重ね合わせて積層した状態で、溶接部分が、金属被覆層の厚さ方向に沿って連続するように、一度にこれらを点溶接されてもよく、複数回に分けて積層および点溶接を繰り返してもよい。

また、複数回に分けて、積層および点溶接を繰り返す場合には、以下の燃焼室構造が好ましい。すなわち、前記複数の金属薄膜は、一方側の面に点溶接された部分と、他方側の面に点溶接された部分とが、膜厚方向に対して異なる位置となるように接合された金属薄膜を含むことになる。

この態様によれば、複数の金属薄膜のうち、一方側の面に点溶接された部分と、他方側の面に点溶接された部分とが、膜厚方向に対して異なる位置となるように接合された金属薄膜を設けることにより、金属被覆層の表面から燃焼室の内壁面までの熱伝達のルートを不連続にすることができる。これにより、燃焼室内における金属被覆層の断熱性を高めることができる。

さらに、複数の金属薄膜は、耐熱性を有する金属材料等同じ材料で構成されていてもよいが、より好ましい態様としては、前記複数の金属薄膜は、前記燃焼室の内壁面に近い金属薄膜ほど、前記燃焼室の内壁面を構成する材料の熱膨張係数に近い材料で構成されている。

この態様によれば、燃焼室の内壁面に近づくほど、燃焼室の内壁面の材料の熱膨張係数に近い材料で、金属薄膜が構成されているので、燃焼室の内壁面と金属被覆層との熱膨張差を低減し、これらの間における熱応力を緩和することができる。

さらに好ましい態様としては、エンジンの燃焼室の内壁面に隣接する金属薄膜、または、金属被覆層の中間層を構成する金属薄膜に、複数の貫通孔が形成されている。エンジンの燃焼室の内壁面に隣接する金属薄膜、または、金属被覆層の中間層を構成する金属薄膜に、貫通孔を設けることにより、金属被覆層に気孔を設けることができる。これにより、金属被覆層の断熱性をさらに向上させることができる。

本発明によれば、燃焼室に作用する熱応力を緩和するとともに、断熱性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るエンジンの燃焼室構造の模式的断面図。 本発明の第２実施形態に係るエンジンの燃焼室構造の模式的断面図。 本発明の第３実施形態に係るエンジンの燃焼室構造の模式的断面図。

以下に、図１〜３を参照して、本発明のいくつかの実施形態を説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンの燃焼室構造の模式的断面図である。ここで、本実施形態にかかるエンジン燃焼室とは、シリンダブロックのボア内面と、そのボアに組み付けられたピストンの上面と、シリンダブロックの上面に対向配置されたシリンダヘッドの底面とで囲まれた空間のことをいう。

本実施形態では、エンジンの燃焼室を構成する部材（シリンダヘッド、ピストン、シリンダブロック等）の材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。ここで、図１に示すように、エンジン１の燃焼室１０の内壁面１１（具体的には母材２０の表面）には、金属被覆層１２が形成されている。

金属被覆層１２は、複数の金属薄膜１２ａ〜１２ｆが積層されたものであり、金属被覆層１２の表面から燃焼室１０の内壁面１１まで、厚さ方向に沿って連続した接合部１７により接合されている。

具体的には、燃焼室１０の内壁面１１に隣接する金属薄膜１２ａと、燃焼室１０の内壁面１１とは、非接合部分１５が形成されるように、接合部（点溶接部）１７，１７，…を介して点溶接で接合されている。さらに、燃焼室１０の内壁面１１に積層された各金属薄膜１２ａ〜１２ｆも、隣接する金属薄膜同士に非接合部分１５が形成されるように、接合部１７，１７，…を介して点溶接で接合されている。

ここで、燃焼室１０の内壁面１１がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合、各金属薄膜１２ａ〜１２ｆは、例えば、チタンまたはステンレス鋼などの材料であってもよい。しかしながら、本実施形態では、複数の金属薄膜１２ａ〜１２ｆは、燃焼室１０の内壁面１１に近い金属薄膜ほど、燃焼室１０の内壁面１１を構成するアルミニウム合金の熱膨張係数に近い材料で構成されている。

具体的には、母材側である燃焼室１０の内壁面１１に隣接する金属薄膜１２ａ，１２ｂは、銅または銅合金からなる薄膜であり、金属被覆層１２の中間層を構成する金属薄膜１２ｃ，１２ｄは、ステンレスやクロム鋼からなり、金属被覆層１２の表層を構成する金属薄膜１２ｅ，１２ｆは、チタンまたはチタン合金からなる。

また、別の態様としては、母材側の金属薄膜１２ａ，１２ｂ、１２ｃは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる薄膜であり、金属被覆層１２の表面側を構成する金属薄膜１２ｄ，１２ｅ，１２ｆが、ステンレスやクロム鋼からなってもよい。

このような金属被覆層１２は、以下のようにして形成することができる。まず、高精度圧延等により圧延された金属薄膜１２ａ〜１２ｆを準備する。各金属薄膜は、１０〜５０μｍの厚さであり、好ましくは２０μｍ程度である。

次に、上述した材質の順に、各金属薄膜を燃焼室１０の内壁面１１に積層する。金属薄膜が積層された状態で、この金属薄膜を、燃焼室を構成する母材壁面にアーク溶接やレーザ溶接などを利用して点溶接する。レーザ溶接の場合には、たとえば、集光性の高い（例えば集光径が３０μｍ程度）シングルモードファイバーレーザーを用いて、出力３０Ｗ、パルス幅３０μｓｅｃ、レーザ走査速度１〜２ｍ／ｍｉｎ、パージガスにアルゴンガス１５Ｌ／ｍｉｎの条件で、５〜２０ｍｍ（例えば１０ｍｍ程度）のピッチで点溶接を行う。

ここでは、エンジン１の燃焼室１０を構成する部材（シリンダヘッド、ピストン、シリンダブロック等）に直接的に金属被覆層１２を形成してもよいが、例えば、燃焼室の内壁面の形状に応じた部材を準備し、この部材に金属被覆層を被覆後、この部材とともに鋳包むことにより、エンジン１の燃焼室１０を構成する部材（シリンダヘッド、シリンダブロック等）を鋳造してもよい。

このようして得られた燃焼室構造は、金属薄膜１２ａと燃焼室１０の内壁面１１、および、積層された各金属薄膜１２ａ〜１２ｆ同士は、非接合部分１５が形成されるように接合部（点溶接部）１７で接合されているので、各部材同士の接続部分がスポット的である。これにより、金属被覆層１２の内部に作用する熱応力を抑制（緩和）することができる。

また、熱応力の抑制（緩和）により、金属薄膜１２ａ〜１２ｆにクラック等が発生し難く、クラックの発生に伴う金属被覆層１２の表面積の増加を抑え、金属被覆層１２による熱伝導率の増加を抑制することができる。

また、燃焼室１０の内壁面１１と、金属薄膜１２ａ〜１２ｆとの間の非接合部分１５、および金属薄膜１２ａ〜１２ｆ同士の非接合部分１５の間には、僅かな間隙が形成されるので、この間隙が空気層となって、燃焼室１０内の断熱性を高めることができる。

さらに、燃焼室１０の内壁面１１に隣接する金属薄膜１２ａ，１２ｂは、燃焼室１０の内壁面１１のアルミニウムまたはアルミニウム合金の熱膨張係数に近い銅または銅合金としたので、金属薄膜１２ａ，１２ｂにチタンまたはチタン合金を用いたものに比べて、燃焼室１０の内壁面１１と金属被覆層１２との熱膨張差を低減し、これらの間における熱応力を緩和することができる。さらに、金属被覆層１２の表層を構成する金属薄膜１２ｅ，１２ｆは、チタンまたはチタン合金としたので、燃焼室１０の内壁面の耐熱性を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態に係るエンジンの燃焼室構造の模式的断面図である。第２実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が、第１実施形態と相違する点は、金属被覆層１２が構成する金属薄膜の点溶接の位置である。従って、第１実施形態のものと同様の構成は、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図２に示すように、第２実施形態では、複数の金属薄膜１２ａ〜１２ｆは、一方側の面に点溶接された部分と、他方側の面に点溶接された部分とが、膜厚方向に対して異なる位置となるように接合された金属薄膜１２ｂ，１２ｄを含んでいる。

すなわち、第１の実施形態の金属被覆層１２には、厚さ方向に沿って連続した接合部１７が形成されているのに対して、第２の実施形態の金属被覆層１２Ａには、厚さ方向に沿って、非連続となるように接合部１７ａ，１７ｂ，１７ｃが形成されている。

具体的には、母材側である燃焼室１０の内壁面１１に隣接する第１層目および第２層目となる金属薄膜１２ａ，１２ｂが、内壁面１１に等間隔に接合部１７ａ，１７ａ，…により接合されている。

また、金属被覆層１２Ａの中間層を構成する第３層目および第４層目となる金属薄膜１２ｃ，１２ｄは、第２層目となる金属薄膜１２ｂの接合部同士１７ａ，１７ａ，…の間の位置において（すなわち厚さ方向に対してオフセットした位置において）、第２層目となる金属薄膜１２ｂに、接合部１７ｂ，１７ｂ，…により接合されている。

さらに、金属被覆層１２Ａの表層を構成する第５層目および第６層目となる金属薄膜１２ｅ，１２ｆは、第４層目となる金属薄膜１２ｄの接合部同士１７ｂ，１７ｂ，…の間の位置において（すなわち厚さ方向に対してオフセットした位置において）、第４層目となる金属薄膜１２ｄに、接合部１７ｃ，１７ｃ，…により接合されている。

このような接合は、母材側である燃焼室１０の内壁面１１に、第１層目および第２層目となる金属薄膜１２ａ，１２ｂを積層し、内壁面１１に対して等間隔に接合部１７ａ，１７ａ，…が形成されるように、レーザにより点溶接する。

次に、金属被覆層１２Ａの中間層を構成する第３層目および第４層目となる金属薄膜１２ｃ，１２ｄを、第２層目となる金属薄膜１２ｂに積層し、膜厚方向に対して接合部同士１７ａ，１７ａ，…の間に、接合部１７ｂ，１７ｂ，…が形成されるように、レーザにより点溶接する。

最後に金属被覆層１２Ａの表層を構成する第５層目および第６層目となる金属薄膜１２ｅ，１２ｆを、第４層目となる金属薄膜１２ｄに積層し、膜厚方向に対して接合部同士１７ｂ，１７ｂ，…の間に、接合部１７ｃ，１７ｃ，…が形成されるように、レーザにより点溶接する。

このようにして得られた燃焼室構造は、複数の金属薄膜１２ａ〜１２ｆのうち、一方側の面に点溶接された部分と、他方側の面に点溶接された部分とが、膜厚方向に対して異なる位置となるように接合された金属薄膜１２ｂ，１２ｄを設けることにより、金属被覆層１２Ａの表面から燃焼室の内壁面までの熱伝達のルートを不連続にすることができる。これにより、燃焼室１０内における金属被覆層１２Ａの断熱性を高めることができる。

さらに、第１実施形態に比べて、接合部１７ａ〜１７ｃを金属被覆層１２Ａ内に分散させたことにより、金属被覆層１２Ａに作用する熱応力を分散させ、金属被覆層１２Ａに作用する熱応力を、第１実施形態のものに比べてより緩和することができる。

〔第３実施形態〕
図３は、本発明の第３実施形態に係るエンジンの燃焼室構造の模式的断面図である。第３実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が、第２実施形態と相違する点は、金属被覆層の内部にさらに空隙を設けた点である。従って、第２実施形態のものと同様の構成は、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図３に示すように、金属被覆層１２Ｂの中間層を構成する金属薄膜１２ｃ，１２ｄに、複数の貫通孔１８，１８，…が形成されている。ここで、貫通孔１８の個数および位置は、燃焼室が要求される断熱性能等に応じて選定することができる。例えば、図３に示すように、燃焼室から接合部１７ｃに伝達された熱を逃がすように、第３層目となる金属薄膜１２ｃにおける接合部１７ｃに隣接する位置に、貫通孔１８を形成してもよい。

このような貫通孔１８は、例えばエッチングにより化学的に形成してもよく、機械加工またはレーザ加工により形成してもよい。また、貫通孔１８は、１０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

このようにして、金属被覆層１２Ｂの中間層を構成する金属薄膜１２ｃ，１２ｄに、貫通孔１８，１８，…を設けることにより、金属被覆層１２Ｂに気孔を形成することができる。これにより、金属被覆層１２Ｂの断熱性をさらに向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成にほかの実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

第３実施形態では、前記複数の金属薄膜のうち、金属被覆層の中間層を構成する金属薄膜に、複数の貫通孔を形成したが、複数の金属薄膜のうち、金属被覆層の表面を構成する金属薄膜以外の金属薄膜に、複数の貫通孔を設ければ同様の効果が得られる。従って、たとえば、複数の金属薄膜のうち、エンジンの燃焼室の内壁面に隣接する金属薄膜に、複数の貫通孔が形成されていてもよい。

１：エンジン，１０：燃焼室，１１：内壁面、１２，１２Ａ，１２Ｂ：金属被覆層、１２ａ〜１２ｆ：金属薄膜、１５：非接合部分、１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ：接合部、１８：貫通孔

Claims (4)

1. エンジンの燃焼室の内壁面に金属被覆層が形成されたエンジンの燃焼室構造であり、
   前記金属被覆層は、複数の金属薄膜が積層されたものであり、
   前記金属薄膜と前記燃焼室の内壁面、および、積層された各金属薄膜同士は、非接合部分が形成されるように、点溶接で接合されていることを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 前記複数の金属薄膜は、一方側の面に点溶接された部分と、他方側の面に点溶接された部分とが、膜厚方向に対して異なる位置となるように接合された金属薄膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
3. 前記複数の金属薄膜は、前記燃焼室の内壁面に近い金属薄膜ほど、前記燃焼室の内壁面を構成する材料の熱膨張係数に近い材料で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの燃焼室構造。
4. 前記複数の金属薄膜のうち、エンジンの燃焼室の内壁面に隣接する金属薄膜、または、金属被覆層の中間層を構成する金属薄膜には、複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの燃焼室構造。

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