JP6269297B2

JP6269297B2 - ピストン頂面皮膜方法

Info

Publication number: JP6269297B2
Application number: JP2014091239A
Authority: JP
Inventors: 学立野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: JP2015209804A

Description

この発明は、ピストン頂面皮膜方法に関する。

従来、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に断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ピストンの頂面にアルマイト皮膜を形成する技術が開示されている。この技術では、形成したアルマイト皮膜の表面が断熱性のある封孔材で皮膜される。そして、アルマイト皮膜に塗布した封孔材の表面が平滑になるように研磨される。

特開２０１２−０７２７４５号公報

しかしながら、特許文献１の技術において、封孔材を研磨する際にアルマイト皮膜が露出する可能性がある。このため、アルマイト皮膜が露出しないように封孔材を厚く塗布する必要が生じる。この結果、断熱膜の断熱性能および信頼性低下、封孔材にかかるコストが増加してしまう。

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、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に断熱膜を形成するに際して断熱膜の断熱性能および信頼性低下、コストの増加を防止するピストン頂面皮膜方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、ピストン頂面皮膜方法であって、
ピストン頂面に陽極酸化処理を施してその表面に凹部および凸部を有するアルマイト皮膜を形成し、前記アルマイト皮膜の表面を封孔材で封孔する方法であって、
前記アルマイト皮膜に向かう方向に力が作用する雰囲気下で第１の封孔材を塗布し、
前記第１の封孔材の硬化後、前記第１の封孔材を研磨し、
前記第１の封孔材の研磨後、第２の封孔材を塗布し、
前記第２の封孔材の塗布後、前記アルマイト皮膜から離れる方向であって、前記ピストン頂面に対して垂直な方向に力が作用する雰囲気下で前記第２の封孔材を硬化させることを特徴とする。

第１の発明によれば、第２の封孔材の塗布後、アルマイト皮膜から離れる方向であって、ピストン頂面に対して垂直な方向に力が作用する雰囲気下で第２の封孔材を硬化させることができる。ピストン頂面に対して垂直な方向に力が作用すれば、硬化前の第２の封孔材が凹部側から凸部側に移動する。そのため、仮に、第１の封孔材の研磨の際に凸部がピストン頂面に露出したとしても、凹部側から凸部側に移動してきた第２の封孔材によってこれを覆うことができる。従って、燃焼ガスがアルマイト皮膜に侵入することを防止することができる。この結果、燃焼ガスによるアルマイト皮膜の破壊を防止することができる。また、第２の封孔材が露出したアルマイト皮膜の空孔内に入り込むことで、アルマイト皮膜の強度を向上させる。

断熱膜について説明するための図である。研磨前の断熱膜について表した図である。研磨後の断熱膜について表した図である。第１の封孔材硬化後のヒビ及び欠陥について表した図である。実施の形態１において、ピストンの頂面に第２の封孔材を塗布する方法について説明するための図である。実施の形態１において、ピストンを回転させている様子を説明するための図である。実施の形態１の方法で形成された断熱膜を表した図である。実施の形態２において、第２の封孔材の塗布について説明するための図である。実施の形態２において、第２の封孔材の塗布について説明するための図である。実施の形態２の方法で形成された断熱膜を表した図である。

実施の形態１．
以下、内燃機関のピストンの頂面に形成される断熱膜について、図１を参照して説明する。

図１は、断熱膜について説明するための図である。図１には、アルミが母材であるピストンの表面に膜厚で７０〜２００μｍの断熱膜が形成されている様子が表されている。

断熱膜は、セラミック系断熱材と比較して、低熱伝導率及び低熱容量である。断熱膜は、高断熱、ガス温度に追従して断熱効果を得ることを目的として形成される。断熱膜は、セラミック系断熱材のように常に燃焼室壁温を高温に保ち燃焼室ガス温度を高温に保つ断熱と違い、エンジンのサイクル間でのガス温度に追従させ瞬時の燃焼による高温を断熱できる。

断熱膜は、アルマイト皮膜と封孔材とから構成されている。アルマイト皮膜は、ピストン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。

封孔材は、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し、断熱膜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。封孔材としては、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。封孔材を塗布することで、断熱膜の強度を向上させることができる。このように、封孔材は、断熱膜のもつ性能を維持し、断熱膜の信頼性を向上させるために塗布されている。

また、封孔材は、アルマイト皮膜に含浸させることを重視し、アルマイト皮膜の表面及びアルマイト皮膜内部空孔表面を数μｍで皮膜する。このように数μｍの薄さで皮膜することで、熱容量を低減することができる。さらに、封孔材は、アルマイト皮膜のポーラス孔の穴を封止する。また、断熱膜には、アルマイト皮膜の形成時のヒビ、空孔が存在する。このヒビ、空孔が封孔材によって埋められることで、燃焼ガスの侵入を防止し、同時に断熱膜が強化される。さらに、封孔材を塗布することで、アルマイト皮膜の熱疲労を防止することができる。

ところで、断熱膜は、燃焼ガスの流動や燃焼ガスの混合を妨げないように、表面が平滑であることが望ましい。ところが、断熱膜は、その生成上、母材のシリコン量、電解液の冷却、循環により、表面粗さがピストンのアルミ母材より悪化する。このため、封孔材が塗布された後の断熱膜は、面粗度の改善のため、数μｍから数十μｍの研磨が行われる。断熱膜の研磨について、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、研磨前の断熱膜について表した図である。研磨前の断熱膜の表面には、数十μｍの高低差の凹凸が生じている。また、断熱膜の凹部において、封孔材であるポリシラザンが堆積している箇所がある。なお、本明細書において、図２に示されるような研磨前の断熱膜に塗布された封孔材を第１の封孔材と称する。

図３は、研磨後の断熱膜について表した図である。研磨後の断熱膜は、研磨前の断熱膜に比べて、凹凸の高低差が数μｍまで減少している。このように、断熱膜を研磨することで、表面の粗度を改善することができる。

しかしながら、図３に示すように、断熱膜の表面を研磨して第１の封孔材を除去することで、アルマイト皮膜が露出することがある。このため、アルマイト皮膜に燃焼ガスが侵入し、アルマイト皮膜が破壊されることがある。

また、図３に示すように、研磨後の断熱膜には、凹部に第１の封孔材が堆積している箇所が存在する。第１の封孔材が堆積している箇所が存在すると、第１の封孔材硬化後にヒビや欠陥が生じる。図４は、第１の封孔材硬化後のヒビ及び欠陥について表した図である。図４に示すような第１の封孔材のヒビや欠陥が生じると、断熱膜の表面の粗度が悪化する。

上記のアルマイト皮膜の露出及び封孔材硬化後の欠陥を防止するために第１の封孔材を厚塗りすると、第１の封孔材にかかるコストが増加してしまう。また、第１の封孔材に断熱性を持たせるのは、材料、工法ともに高価である。

そこで、実施の形態１では、まず、ピストンの頂面に形成されたアルマイト皮膜に第１の封孔材が塗布される。次に、第１の封孔材が塗布された断熱膜の表面が研磨される。そして、研磨後の断熱膜の表面に再度封孔材を塗布する。本明細書において、研磨後の断熱膜に再度塗布される封孔材を第２の封孔材と称する。以下、第２の封孔材の塗布について、図５及び図６を参照して説明する。

図５は、実施の形態１において、ピストンの頂面に第２の封孔材を塗布する方法について説明するための図である。図５には、ピストンの頂面に向けて第２の封孔材がスプレーの噴霧によって塗布される様子が示されている。

図６は、実施の形態１において、ピストンを回転させている様子を説明するための図である。図６に示すように、研磨後の断熱膜に第２の封孔材を塗布した後、ピストンの頂面を外側に向けた状態でピストンを回転させる。これにより、遠心力で硬化前の第２の封孔材を凹部から凸部に移動させることができる。さらに、回転させることで断熱膜の表層の空気が入れ替わり、乾燥が促進される。なお、ピストンを回転させる際に過熱することで、封孔材の溶媒の揮発が促進され、硬化にかかる時間を短縮することができる。

図７は、実施の形態１の方法で形成された断熱膜を表した図である。図７には、第１の封孔材の表面に均一に第２の封孔材が塗布されている様子が示されている。第２の封孔材塗布後の断熱膜の表面の粗さは、第１の封孔材塗布後に研磨された断熱膜とほぼ同等である。

図７の矢印は、第２の封孔材を塗布した後にピストンを回転させたときの封孔材の流れを示している。図７の矢印が示すように、凹部に塗布された封孔材は、遠心力によって凸部に移動する。第２の封孔材がこのように移動することで、封孔材が凹部に溜まらないため、封孔材の硬化後のヒビや欠陥が生じることを防止することができる。

さらに、第２の封孔材が凸部に移動するため、露出したアルマイト皮膜を第２の封孔材で覆うことができる。これにより、燃焼ガスがアルマイト皮膜に侵入することを防止することができる。この結果、燃焼ガスによるアルマイト皮膜の破壊を防止することができる。また、第２の封孔材が露出したアルマイト皮膜の空孔内に入り込むことで、アルマイト皮膜の強度を向上させる。

実施の形態２．
実施の形態２は、第２の封孔材塗布後に、ピストンの向きを変えることで実施の形態１と同様に断熱膜の表面に第２の封孔材を均一に塗布することを目的とする。以下、実施の形態２における封孔材を塗布する手法について、図８及び図９を参照して説明する。

図８は、実施の形態２において、第２の封孔材の塗布について説明するための図である。図８には、ピストンの頂面に向けて第２の封孔材が塗布される様子が示されている。図９は、実施の形態２において、第２の封孔材の塗布について説明するための図である。図９には、第２の封孔材を塗布した後、ピストンが反転された状態が示されている。このように、実施の形態２では、ピストンに第２の封孔材を塗布した後、ピストンを反転させ第２の封孔材を移動させる手法を採用している。以下、実施の形態２の手法によって形成された断熱膜について、図１０を参照して説明する。

図１０は、実施の形態２の方法で形成された断熱膜を表した図である。図１０に示すように、第２の封孔材塗布後にピストンを反転させることで、第２の封孔材が重力によって凸部に移動する。これにより、実施の形態１と同様に、露出したアルマイト皮膜に第２の封孔材を塗布することができる。さらに、断熱膜の凹部に堆積していた第２の封孔材が重力によって凸部に移動するため、凹部に第２の封孔材が堆積しない。このため、封孔材硬化後のヒビや欠陥が発生することを防止することができる。

Claims

ピストン頂面に陽極酸化処理を施してその表面に凹凸を有するアルマイト皮膜を形成し、前記アルマイト皮膜の表面を封孔材で封孔する方法であって、
前記アルマイト皮膜に向かう方向に力が作用する雰囲気下で第１の封孔材を塗布し、
前記第１の封孔材の硬化後、前記第１の封孔材を研磨し、
前記第１の封孔材の研磨後、第２の封孔材を塗布し、
前記第２の封孔材の塗布後、前記アルマイト皮膜から離れる方向であって、前記ピストン頂面に対して垂直な方向に力が作用する雰囲気下で前記第２の封孔材を硬化させることを特徴とするピストン頂面皮膜方法。