JP6052142B2

JP6052142B2 - 内燃機関の遮熱膜の形成方法

Info

Publication number: JP6052142B2
Application number: JP2013236677A
Authority: JP
Inventors: 英男山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: JP2015096634A

Description

この発明は、内燃機関の遮熱膜の形成方法に関する。

従来、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に遮熱膜を形成する技術が知られている。例えば、特許文献１には、アルミニウムやその合金を母材とする燃焼室の壁面を構成する部材にアルマイトからなる陽極酸化皮膜を形成する技術が開示されている。燃焼室の壁面を構成する部材に陽極酸化皮膜のような遮熱膜が形成されることにより、燃焼室の壁面における断熱性が向上する。この結果、内燃機関における燃焼の熱効率を向上させることができる。

特開２０１３−０６０６２０号公報

ところで、上記の陽極酸化皮膜は、内燃機関の燃焼室内で高温に曝されると、燃焼室の壁面を構成する部材の熱膨張に引っ張られて亀裂が発生することがある。この結果、燃焼ガスと燃焼室の壁面を構成する部材とが直接接触して、内燃機関における断熱性が損なわれる恐れがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼室が高温になった際の陽極酸化皮膜の亀裂の発生を防止することができる内燃機関の遮熱膜の形成方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、
内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に陽極酸化皮膜を形成する内燃機関の遮熱膜の形成方法であって、
前記部材の表面にアルマイト皮膜を形成する工程と、
前記部材の温度を、前記燃焼室内で想定される最高温度以上、かつ、前記部材の軟化温度よりも低い温度にした状態で、前記アルマイト皮膜に封孔剤を塗布する工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、封孔剤の塗布の段階で、燃焼室の壁面を構成する部材を高温に晒すことができる。そして、仮に、部材の高温化に伴ってアルマイト皮膜に亀裂が発生した場合には、封孔剤によって予めこれを塞いでおくことができる。従って、本発明によれば、内燃機関の運転中の部材の熱膨張による陽極酸化皮膜の分断を防止することができる。この結果、アルマイト皮膜の内部への燃焼ガス及び燃料の侵入を抑制することができる。また、陽極酸化皮膜の断熱性が損なわれることを防止できる。

本実施の形態における遮熱膜について表した図である。封孔処理を行う温度について説明するための図である。陽極酸化皮膜の製膜処理工程と、エンジン内が高温場になった場合の陽極酸化皮膜について表した図である。封孔剤構成１について説明するための図である。封孔剤構成２について説明するための図である。

実施の形態１．
以下、本実施の形態に係る内燃機関の遮熱膜の形成方法について、図１、図２、そして図３を参照しながら説明する。

図１は、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に形成されている遮熱膜について表した図である。図１（ａ）には、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材（以下、部材１０という。）が表されている。部材１０は、アルミニウム合金が母材である。部材１０の表面には、遮熱膜として陽極酸化皮膜２０が形成されている。以下に、陽極酸化皮膜２０について説明する。

図１に示すように、陽極酸化皮膜２０は、アルマイト皮膜１４と封孔剤１６とから構成されている。アルマイト皮膜１４は、部材１０の母材であるアルミニウム合金を陽極酸化処理することにより形成される多孔質皮膜である。アルマイト皮膜１４と部材１０との間には、バリア層１２が形成されている。

封孔剤１６は、アルマイト皮膜１４の内部に形成された連通孔Ａを封止して、アルマイト皮膜１４の内部への燃焼ガス及び燃料の侵入を抑制し、陽極酸化皮膜２０の断熱性が損なわれることを防止する目的で設けられるものである。封孔剤１６としては、塗布硬化後、シリカ等の耐熱性のある材質が主成分として作用する材料（好ましくはポリシラザン又は、ポリシロキサン）が用いられる。また、熱膨張による応力緩和のため、亀裂部のみは弾性係数の低い材料であっても構わない。さらに、封孔剤１６を塗布することにより、陽極酸化皮膜２０の表面の粗度を改善することができる。さらに、陽極酸化皮膜２０の強度を向上させることができる。このように、封孔剤１６は、陽極酸化皮膜２０のもつ性能を維持し、陽極酸化皮膜２０の信頼性を向上させるために塗布されている。

ところで、エンジン運転中は、燃焼室内の温度が上昇して部材１０が熱膨張を引き起こす。このときに、部材１０の熱膨張に引っ張られて陽極酸化皮膜２０に亀裂が生じることがある。これについて、以下に図１（ｂ）を用いて説明する。なお、本明細書中において、部材１０が熱膨張を引き起こす部材１０の周囲の温度を高温場と表現する。

図１（ｂ）は、エンジン運転中に引き起こされる陽極酸化皮膜２０の変化について表した図である。図１（ｂ）には、エンジン運転中に燃焼室内が高温場に変化した際に、陽極酸化皮膜２０に亀裂が発生する様子が示されている。この亀裂は、燃焼室内が高温場になると熱膨張したアルミニウム合金に陽極酸化皮膜２０が引っ張られることで発生する。これは、アルマイトの熱膨張率がアルミニウム合金の約１／５であるために引き起こされる。この亀裂の発生により、アルマイト皮膜１４、バリア層１２、そして封孔剤１６が同時に分断してしまう。この結果、陽極酸化皮膜２０のもつ性能が維持できなくなる。

そこで、本実施の形態では、部材１０に陽極酸化皮膜２０を形成する製膜処理において、温度を高温場に設定してアルマイト皮膜１４に封孔剤１６を塗布する封孔処理を行う。これにより、エンジン運転中に燃焼室が高温場になった場合でも、陽極酸化皮膜２０のもつ性能が維持できる。以下、図２及び図３を参照して、この封孔処理について詳述する。

図２は、封孔処理を行う温度について説明するための図である。図２の縦軸は、ピストンの温度変化を示している。ここで、ピストンは、部材１０の具体例として用いられている。図２の横軸は、エンジン回転数の変化を示している。図２には、ピストンの温度変化とエンジン回転数との関係を示す実線が示されている。

図２に示される実線において、ピストン温度が最高値になる点が最高出力点として表示されている。また、図２には、アルミニウム合金が軟化する温度（以下、Ａｌ合金軟化温度という。）が示されている。ここで、本実施の形態において、封孔処理を行う温度である封孔剤塗布温度は、Ａｌ合金軟化温度と最高出力点との間の温度で設定される。これは、アルミニウム合金が軟化することなく、かつエンジンの燃焼室内で想定される最高温度以上の温度で封孔処理を行うためである。次に、封孔剤塗布温度で封孔処理を行う製膜処理の工程について、図３を参照して説明する。なお、部材１０を高温場の環境に置くことにより、部材１０の温度を封孔剤塗布温度にまで上昇させることができる。

図３は、陽極酸化皮膜２０の製膜処理工程と、エンジン内が高温場になった場合の陽極酸化皮膜２０について表した図である。図３（ａ）は、従来の技術で形成した陽極酸化皮膜２０について表した図である。従来の技術では、常温場において陽極酸化処理が施されて、部材１０にアルマイト皮膜１４が形成される。ここで、常温場とは、アルミニウム合金が熱膨張を引き起こすことのない部材１０の周囲の温度をいう。

次に、常温場において封孔処理が施されて、アルマイト皮膜１４に封孔剤１６が塗布される。

図３（ａ）には、エンジン運転中に燃焼室が高温場になった際、従来の技術によって形成された陽極酸化皮膜２０に亀裂が発生する様子が示されている。従来の技術では、この亀裂が生じることで陽極酸化皮膜２０のもつ性能が維持できなくなっていた。

図３（ｂ）は、本実施の形態の陽極酸化皮膜２０の形成方法について説明するための図である。本実施の形態では、常温場において陽極酸化処理が施されて、部材１０にアルマイト皮膜１４が形成される。次に、アルマイト皮膜１４が形成された部材１０を高温場の環境に置くことにより、部材１０が熱膨張を引き起こし、アルマイト皮膜１４に亀裂が生じる。次に、亀裂が生じたアルマイト皮膜１４に封孔剤１６を塗布する。これにより、アルマイト皮膜１４の亀裂が生じている部分にも封孔剤１６が含浸する。

このように、アルマイト皮膜１４の亀裂が生じている部分にも封孔剤１６を含浸させ封孔処理を行うことによって、エンジン運転中に燃焼室が高温場になり部材１０が熱膨張を引き起こしたときにも、陽極酸化皮膜２０の構造を維持させることができる。このため、部材１０の熱膨張による陽極酸化皮膜２０の分断を防止することができる。この結果、アルマイト皮膜１４の内部への燃焼ガス及び燃料の侵入を抑制することができる。また、陽極酸化皮膜２０の断熱性が損なわれることを防止できる。

［封孔剤構成１］
また、燃焼室内が高温場になっても陽極酸化皮膜２０のもつ性能を維持させるために、封孔剤の熱膨張率をアルミニウム合金の熱膨張率と同等のものにする構成（以下、封孔剤構成１という。）をとる手法がある。以下に、封孔剤構成１について図４を参照して説明する。

図４は、封孔剤構成１について説明するための図である。図４に示す陽極酸化皮膜２０には、部材のアルミニウム合金と熱膨張率が同等の封孔剤１６０が封孔処理されている。図４には、部材１０がエンジン運転中に熱膨張を引き起こす様子が表されている。図４には、部材１０の熱膨張に引っ張られてアルマイト皮膜１４に亀裂が生じる様子が表されている。しかし、封孔剤１６０は、部材１０の熱膨張に引っ張られても、その構造を維持している。これは、封孔剤１６０が部材１０と同等の熱膨張率を有するためである。このように、エンジン運転中に燃焼室が高温場になった場合でも封孔剤１６０には亀裂が生じない。

［封孔剤構成２］
また、燃焼室内が高温場になっても陽極酸化皮膜２０のもつ性能を維持するために、封孔剤とアルマイト皮膜との間に熱膨張率がアルミニウム合金と同等の層を設ける構成（以下、封孔剤構成２という。）をとる手法がある。封孔剤構成２について、図５を参照して説明する。

図５は、封孔剤構成２について説明するための図である。図５に示す封孔剤構成２の陽極酸化皮膜２０において、封孔剤１６とアルマイト皮膜１４との間に中間層１８が設けられている。中間層１８は、アルミニウム合金と同等の熱膨張率をもっている。中間層１８は、アルマイト皮膜１４と封孔剤１６との熱膨張差を緩和する目的で設けられている。これにより、封孔剤１６が部材１０の熱膨張に引っ張られて分断することを防止できる。

１０部材
１２バリア層
１４アルマイト皮膜
１６封孔剤
２０陽極酸化皮膜

Claims

内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に陽極酸化皮膜を形成する内燃機関の遮熱膜の形成方法であって、
前記部材の表面にアルマイト皮膜を形成する工程と、
前記部材の温度を、前記燃焼室内で想定される最高温度以上、かつ、前記部材の軟化温度よりも低い温度にした状態で、前記アルマイト皮膜に封孔剤を塗布する工程と、
を備えることを特徴とする内燃機関の遮熱膜の形成方法。