壁温スイング遮熱法によるエンジンの熱損失低減
1. はじめに
地球温暖化防止の観点から自動車へ の CO
2
削減の要求は強く，内燃機関 の熱効率向上への要求は，今後もます ます高まることが必至である．内燃機関の各種損失の中で，燃焼ガ スから燃焼室壁面への熱損失は大きな 割合を占める．このため，1980 年頃 から，燃焼室をセラミックスで断熱す る研究が行われてきた．しかしながら，
壁温度が常に上昇する（図 1：従来遮 熱壁）ことにより，性能低下や排気ガ スの悪化などの背反
（1）
が発生し，実用 化には至っていない．筆者らは，これらの欠点を克服する ために，吸気行程の燃焼室壁温を上げ ない「壁温スイング」遮熱法を提案
（2）
し，実現を目指してきた．本稿ではこ の新たな遮熱法を用いたエンジンの熱 損失低減技術について紹介する．
2. 壁温スイング遮熱コンセプト
一般的に，エンジン筒内において燃 焼ガスから燃焼室壁面への熱損失は式（1）で記述される．
Q’＝ h ×（T
gas
－Twall
） （1）ここで，Q’：単位面積当たりの熱損 失，h：熱伝達係数，T
gas
：ガス温度，T
wall
：燃焼室壁温度である．壁温スイング遮熱法は，サイクル中 の燃焼室壁温度がガス温度の変化に追 従するように上昇・降下する（図 1：
スイング遮熱壁）ことによってガスと 燃焼室壁の温度差を小さくし，熱損失 を低減することを狙っている．
筆者らの試算によれば，燃焼室壁面 に形成する遮熱膜の熱伝導率と体積比 熱を共に小さくするほど高いスイング 幅が得られ（図 2），熱損失の低減効 果は高くなる．たとえば，熱伝導率が 0.1W/mK，体積比熱が 100kJ/m
3
K の 遮熱膜をディーゼルエンジンのピスト ン，ヘッド，バルブの各表面に形成す ると熱効率が約 8% 向上する（2）
シミュ レーション予測が得られている．3. 材料開発
燃焼室壁面に形成される遮熱膜は，
エンジン稼働中の熱および応力への耐 久性に加え，前述の低熱伝導率かつ低 体積比熱の熱特性が求められる．この 特性を達成するため，外部から遮断さ
れた空隙を含む多孔質セラミックスに 着目した．ピストン材料に広く用いら れるアルミニウム合金を電解液中で電 荷をかけ酸化させると，中央に孔の空 いた柱状のアルミナがアルミニウム表 面から膜の厚さ方向に多数成長し，陽 極酸化皮膜が形成される．
筆者らは，従来の皮膜よりも膜内部 の空隙の量を増やし，かつ熱および応 力への耐久性を高めるために膜表面に シリカを充填したシリカ強化多孔質陽 極 酸 化 皮 膜（Silica ReinforcedPo- rousAnodizedaluminum： 略 称 SiR- PA）を新たに開発
（3）
した（図 3）．4. ディーゼルエンジンへの適用
開発した SiRPA 皮膜をディーゼル エンジンのピストン表面に形成し，表 面温度の計測と，性能評価を行った．表面温度の計測には，非接触かつ高 応答で温度測定が可能なレーザ誘起燐
りん
光法を適用した．SiRPA 皮膜の表面 温度は，通常のアルミ壁の条件に比べ て燃焼時のみ上昇し，吸気行程では低 下して（4）
，狙いどおりサイクル中に変 化することが確認できた．性能の評価結果では，SiRPA 皮膜 を形成したピストンは，通常のアルミ ピストンと比べて，排気ガスの悪化を 伴わずに，熱損失が低減し，仕事と排 気エネルギーが増加していることが確 認
（5）
できた．本結果より，吸気行程の 壁温度は上げず，燃焼行程でのみ壁温 度を上げることで排気ガスの悪化を伴 わず，熱効率を向上できることが確認 できた．5. おわりに
本稿では，内燃機関の熱損失を低減 し，低減したエネルギーをピストン仕 事と排気エネルギーに分配して熱効率 を向上させるための壁温スイング遮熱 法について，コンセプト，材料開発，
ディーゼルエンジンへの適用結果を紹 介した．
今後は，膜の遮熱特性を向上させる とともに，膜を形成する範囲を拡大し て，より高い熱効率向上率を追及して いく所存である．
な お， 本 技 術 は ThermoSwing WallInsulationTechnology， 略 称 TSWIN と 名 づ け ら れ， 新 開 発 2.8L
ターボディーゼルエンジンの一部仕様 にて世界で初めて実用化された．ここ に至るまでの研究開発の過程で多くの 関係者に貴重な助言と協力をいただい た．記して感謝の意を表する．
（原稿受付 2016 年 6 月 30 日）
〔脇坂佳史 （株）豊田中央研究所，
川口暁生 トヨタ自動車（株）〕
●文 献
（ 1 ）たとえば， Bryzik, W. and Kamo, R., TA- COM/Cummins Adiabatic Engine Pro- gram，SAE Technical Paper,（1983），
830314.
（ 2 ）小坂英雅・ほか，壁温スイング遮熱法によ るエンジンの熱損失低減―第 1 報，自動車 技術会論文集，44-1（2013），39-44．
（ ３ ）西川直樹・ほか，壁温スイング遮熱法によ るエンジンの熱損失低減―第 4 報，自動車 技術会論文集，47-1（2016），55-60.
（ ４ ）福井健二・ほか，レーザ誘起燐光法を用い た高応答温度計測技術，自動車技術会論文 集，47-1（2016），61-66.
（ ５ ）脇坂佳史・ほか，壁温スイング遮熱法によ るエンジンの熱損失低減―第 2 報，自動車 技術会論文集，47-1（2016），39-45.
図 1 壁スイングコンセプト
ガス 2 500
2 000 1 500 1 000 500 0
温度℃
－360 －180 TDC 180 360 クランク角°
スイング遮熱壁 従来遮熱壁
金属壁 スイング幅
図 2 熱物性とスイング幅の例
アルミニウム合金
1 000
100 10
10 100 1000 10000 1
1 0.1 0.01
スイング幅
（ディーゼル
高負荷） アルミナ（緻密質）
ジルコニア 鉄鋼
250K 500K 1000K 空気1500K 発泡樹脂
熱伝導率W/mK 耐熱樹脂
体積比熱kJ/m
3
K SiRPA図 3 SiRPA 皮膜の模式図
S-4800 1.5AV 1.5mm×200k SE（U.LAO） 200mn
シリカを充填
100µｍ
空隙
200nm
上面視アルミニウム合金 Si
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日本機械学会誌 2016. 9 Vol. 119 No.1174 525
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