(57)【要約】【課題】この発明は、シリンダヘッドの製造方法に関し、シリンダヘッドに形成されたバルブ孔にバルブを装着した状態でシリンダヘッドおよびバルブに遮熱膜を形成する場合において、成膜材によるバルブとシリンダヘッドとの架橋を防止できるようにすることを目的とする。【解決手段】バルブ１４とバルブ孔１６との間に隙間を設けつつバルブ１４をバルブ孔１６に装着するバルブ装着工程と、当該バルブ装着工程の実施後に、バルブ１４のバルブステム１４ｂの側からバルブヘッド１４ａの側に向かうエアーを上記隙間に供給しながら、燃焼室天井面１２およびバルブヘッド端面１８のそれぞれに溶射材を供給して遮熱膜２０を形成する成膜工程と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に面するシリンダヘッドの表面である燃焼室天井面と、前記燃焼室天井面に開口するバルブ孔を開閉するバルブのバルブヘッドの燃焼室側の端面であるバルブヘッド端面とに遮熱膜が形成された前記シリンダヘッドの製造方法であって、
前記バルブと前記バルブ孔との間に隙間を設けつつ前記バルブを前記バルブ孔に装着するバルブ装着工程と、
前記バルブ装着工程の実施後に、前記バルブのバルブステムの側から前記バルブヘッドの側に向かう気体を前記隙間に供給しながら、前記燃焼室天井面および前記バルブヘッド端面のそれぞれに成膜材を供給して前記遮熱膜を形成する成膜工程と、
を備えるシリンダヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シリンダヘッドの製造方法に関し、より詳細には、シリンダヘッドの燃焼室天井面と、燃焼室天井面に開口するバルブ孔を開閉するバルブの燃焼室側のバルブヘッド端面とに遮熱膜が形成されたシリンダヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、燃焼室を構成するピストン、シリンダブロック、シリンダヘッドおよび吸排気バルブの表面に断熱層が形成されたエンジン燃焼室部材の断熱構造体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−００１７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シリンダヘッドの燃焼室天井面と燃焼室側のバルブヘッド端面とに、溶射等を利用して遮熱膜を形成することが考えられる。ここで、シリンダヘッドの燃焼室天井面に遮熱膜を形成する際には、シリンダヘッドに形成されたポート（吸気ポートおよび排気ポート）に対する異物の進入を防止する必要がある。このためにポートの端部であるバルブ孔をマスキング材で覆うマスキング工程とマスキング材を除去する工程とを設けると、生産性の低下が懸念される。
【０００５】
そこで、遮熱膜を形成する際の生産性向上のために、バルブ孔にバルブ（吸気バルブおよび排気バルブ）を装着した状態で、溶射材等の成膜材をシリンダヘッドに供給することが考えられる。しかしながら、バルブをバルブ孔に装着した状態で遮熱膜の形成が実施されると、バルブ孔に設けられたバルブシートとこれと接触するバルブヘッドとの間に成膜材が進入し、成膜材がバルブシートとバルブヘッドとを架橋することが生じ得る。その結果、バルブをシリンダヘッドから分離させるための追加の工程が必要になる可能性がある。
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、シリンダヘッドに形成されたバルブ孔にバルブを装着した状態でシリンダヘッドおよびバルブに遮熱膜を形成する場合において、成膜材によるバルブとシリンダヘッドとの架橋を防止できるようにしたシリンダヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るシリンダヘッドの製造方法は、燃焼室に面するシリンダヘッドの表面である燃焼室天井面と、前記燃焼室天井面に開口するバルブ孔を開閉するバルブのバルブヘッドの燃焼室側の端面であるバルブヘッド端面とに遮熱膜が形成された前記シリンダヘッドの製造方法である。前記製造方法は、前記バルブと前記バルブ孔との間に隙間を設けつつ前記バルブを前記バルブ孔に装着するバルブ装着工程と、前記バルブ装着工程の実施後に、前記バルブのバルブステムの側から前記バルブヘッドの側に向かう気体を前記隙間に供給しながら、前記燃焼室天井面および前記バルブヘッド端面のそれぞれに成膜材を供給して前記遮熱膜を形成する成膜工程と、を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、バルブとバルブ孔との間に隙間を設けつつバルブをバルブ孔に装着した状態で、バルブステム側からバルブヘッド側に向かう気体を上記隙間に供給しながら遮熱膜が形成される。これにより、成膜材によるバルブとシリンダヘッドとの架橋を防止しつつ、バルブをバルブ孔に装着した状態で遮熱膜を形成することによる生産性向上を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】内燃機関のシリンダヘッドを、燃焼室天井面を含むシリンダヘッドの底面の側から見た図である。
【図２】バルブをバルブ孔に装着した状態で遮熱膜を形成する場合の課題を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る溶射工程の特徴点を説明するための図である。
【図４】燃焼室天井面の粗面化工程の具体例について説明するための図である。
【図５】バルブ装着工程およびエアー供給ノズル取り付け工程の具体例について説明するための図である。
【図６】マスキング材取り付け工程の具体例について説明するための図である。
【図７】溶射工程の具体例について説明するための図である。
【図８】マスキング材およびエアー供給ノズルの取り外し行程により、マスキング材およびエアー供給ノズルが取り外された後のシリンダヘッドを表した図である。
【図９】バルブ位置変更工程が実施された後のシリンダヘッドを表した図である。
【図１０】仕上げ工程の具体例について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明のシリンダヘッドの製造方法に係る実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
［製造対象のシリンダヘッドを備える内燃機関の要部］
まず、本実施形態に係るシリンダヘッドの製造方法によって製造されるシリンダヘッドを備える内燃機関の要部について説明する。図１は、内燃機関のシリンダヘッド１０を、燃焼室天井面（以下、単に「天井面」とも称する）１２を含むシリンダヘッド１０の底面の側から見た図である。図１は、一例として、直列４気筒型エンジンのシリンダヘッド１０を表している。
【００１２】
天井面１２は、燃焼室に面するシリンダヘッド１０の表面に相当する。各天井面１２には、バルブ（吸気バルブまたは排気バルブ）１４によって開閉されるバルブ孔１６が形成されている（開口している）。図１に示す一例では、４つのバルブ孔１６が形成されている。天井面１２、および、天井面１２と同じく燃焼室に面する側のバルブ１４の端面（より具体的には、バルブヘッド１４ａの燃焼室側の端面であるバルブヘッド端面）１８には、遮熱膜２０が形成される。なお、バルブヘッド１４ａを有するバルブ１４、バルブヘッド端面１８、および遮熱膜２０は、後述の図３等に表わされている。
【００１３】
［シリンダヘッドの製造方法］
（前提とする成膜工程の実行態様と課題）
シリンダヘッドの燃焼室天井面に遮熱膜を形成する際には、バルブ孔に接続されるポート（吸気ポートおよび排気ポート）に対する異物の進入を防止する必要がある。このためにバルブ孔をマスキング材で覆うマスキング工程とマスキング材を除去するマスキング除去工程とを設けると、生産性の低下が懸念される。この点への対策として、本実施形態でも採用されるように、バルブ孔にバルブを装着した状態で溶射材をシリンダヘッドに供給することが考えられる。これにより、マスキング工程とマスキング除去工程とを省略することが可能となる。
【００１４】
図２は、バルブをバルブ孔に装着した状態で遮熱膜を形成する場合の課題を説明するための図であり、図２は、図３を参照して後述する本実施形態の特徴的な製造方法が用いられていない例である。図２（Ａ）は、バルブをバルブ孔に装着した状態で、一例として溶射を用いて遮熱膜が形成された後のバルブ孔周りの構成を模式的に表している。
【００１５】
後述の本実施形態の特徴的な手法を伴わずにバルブを装着した状態で遮熱膜が形成されると、図２（Ｂ）に示すような課題が生じる。すなわち、バルブ孔に設けられたバルブシートとこれと接触するバルブヘッドとの間に溶射材（より具体的には、溶融粒子）が進入し、溶射材がバルブシートとバルブヘッドとを架橋することが生じ得る。この態様での架橋が生じると、バルブシートとバルブヘッドとが溶射材によって固着する可能性がある。また、図２（Ｃ）に示すように、バルブ孔の周囲の天井面に形成された遮熱膜（溶射被膜）が、バルブヘッド端面に形成された遮熱膜と架橋することもあり得る。以上のように、これらの態様での架橋が生じると、バルブをシリンダヘッドから分離させるための追加の工程が必要になる。
【００１６】
（本実施形態のシリンダヘッドの製造方法の特徴点）
図３は、本実施形態のシリンダヘッド１０の製造方法の特徴点を説明するための図である。本実施形態に係るシリンダヘッドの製造方法は、「バルブ装着工程」と、遮熱膜２０を形成する「成膜工程」に相当する「溶射工程」とを含んでいる。図３（Ｂ）は溶射工程の実施中のバルブ孔１６周りの構成の拡大図であり、図３（Ａ）および図３（Ｃ）はそれぞれ溶射工程の実施後のバルブ孔１６周りの構成の全体図および拡大図である。
【００１７】
バルブ装着工程は、溶射工程に先立って実施される工程である。バルブ装着工程によれば、図３（Ｂ）に示すように、バルブ１４とバルブ孔１６との間に隙間を設けつつバルブ１４がバルブ孔１６に装着される。より具体的には、バルブ１４は、天井面１２に溶射される遮熱膜２０の表面の位置よりもバルブヘッド端面１８の位置の方が高くなるように持ち上げられており、これにより、上記隙間が設けられる。図３（Ｂ）に示す一例では、天井面１２の基準位置（遮熱膜２０が形成されていない状態での天井面１２の位置）に対するバルブヘッド端面１８の高さは、バルブ１４の組み付け誤差を考慮して、遮熱膜２０の厚さＸの５倍の値（５Ｘ）とされている。
【００１８】
溶射工程は、バルブ装着工程によってバルブ１４がバルブ孔１６に装着された状態で実施される。溶射工程によれば、図３（Ｂ）に示すように、バルブステム１４ｂの側（換言すると、ポート２２側）からバルブヘッド１４ａの側に向かう気体を上述の隙間に供給しながら、天井面１２およびバルブヘッド端面１８のそれぞれに対して溶射材を供給して遮熱膜２０が形成される。本実施形態では、上記気体の一例として、エアーが用いられる。溶射中に供給されるエアーの圧力は、一例として０．３ＭＰａ程度とすることができる。溶射工程が終了すると、エアーの供給が停止され、図３（Ｃ）に示すように、バルブ１４の位置が下げられる。
【００１９】
以上説明したように、バルブ装着工程および溶射工程によれば、バルブ１４とバルブ孔１６との間に隙間を設け、この隙間に対してバルブステム１４ｂの側からバルブヘッド１４ａの側にエアーを供給しながら遮熱膜２０が形成される。このエアーの供給により、上記隙間（バルブシート２４）への溶融粒子の進入を防ぐことができるので、図２（Ｂ）に示す態様での架橋を防止することができる。
【００２０】
さらに、本実施形態では、バルブ装着工程においてバルブ１４を持ち上げる際のバルブヘッド端面１８の高さに対して上述の配慮がなされている。そして、このようにバルブヘッド端面１８の高さへの配慮がなされたバルブ１４がバルブ孔１６に装着された状態で溶射が行われる。その結果、天井面１２において遮熱膜２０が形成される位置を、バルブヘッド端面１８において遮熱膜２０が形成される位置から図３（Ｂ）に示すように離間させることができる。このため、図２（Ｃ）に示す態様にて遮熱膜２０間での架橋が生じることも防止することができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態の溶射工程によれば、上述の架橋への対策としてバルブ１４をシリンダヘッド１０から分離させるための追加の工程を必要とすることなしに、バルブ孔１６にバルブ１４を装着した状態で溶射材をシリンダヘッド１０に溶射することによる生産性向上を実現できるようになる。
【００２２】
（バルブ装着工程および溶射工程を含む遮熱膜形成手順の具体例）
１．燃焼室天井面の粗面化工程
図４は、燃焼室天井面１２の粗面化工程の具体例について説明するための図である。本実施形態では、天井面１２への遮熱膜２０の密着性を高めるために、遮熱膜２０を形成する前に、遮熱膜２０の形成対象である天井面１２を粗面化するための粗面化工程が実施される。すなわち、粗面化の対象部位は、図４に示すように、天井面１２である。粗面化は、一例として、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ製のレーザーマーキング装置２６を利用したレーザーマーキング処理によって実施される。なお、粗面化工程は、レーザーマーキング処理以外にも機械加工、ショットブラストまたはウォータージェット等を用いて実施されてもよい。
【００２３】
具体的なレーザーマーキング処理条件の一例は次の通りである。
＜使用設備＞
設備：Ｐａｎａｓｏｎｉｃ  ＬＰ−ＭＡ０５
対象：ＡＤヘッド
処理範囲：図４中に示す天井面１２（４気筒分）
＜設定条件＞
出力：８０Ｗ
ピッチ幅：５０μｍ
スキャン速度：９００ｍｍ／ｓｅｃ
印字パルス：１０μｓ
線径：７０μｍ
【００２４】
２．バルブ装着工程およびエアー供給ノズル取り付け工程
図５は、バルブ装着工程およびエアー供給ノズル取り付け工程の具体例について説明するための図である。より具体的には、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）中に示すＡ−Ａ線でバルブ１４周りの構成を切断して示す図である。図５（Ａ）に示すように、バルブ装着工程では、上述のようにバルブ１４とバルブ孔１６との間に隙間が設けられる態様でバルブ１４が各気筒の各バルブ孔１６に対して取り付けられる。図５（Ｂ）は各気筒のバルブ１４が取り付けられた状態を示している。
【００２５】
エアー供給ノズル取り付け工程では、図５（Ａ）に示すように、吸気の上流側からポート（吸気ポートおよび排気ポート）２２に対してエアー供給ノズル２８が取り付けられる。
【００２６】
３．マスキング材取り付け工程
図６は、マスキング材取り付け工程の具体例について説明するための図である。より具体的には、図６（Ａ）は、図６（Ｂ）中に示すＡ−Ａ線でバルブ１４周りの構成を切断して示す図である。マスキング材取り付け工程では、シリンダヘッド１０の底面における遮熱膜形成の対象部位（すなわち、天井面１２およびバルブヘッド端面１８）以外の非対象部位に溶射材が溶射されることを防止するために、マスキング材３０が上記の非対象部位の表面に取り付けられる。
【００２７】
４．溶射工程（成膜工程）
図７は、溶射工程の具体例について説明するための図である。より具体的には、図７（Ａ）は、図６（Ａ）と同じ部位の断面形状を表しており、図７（Ｂ）は、プラズマ溶射装置３２によって溶射が行われている様子を表している。本実施形態で用いられるプラズマ溶射装置３２は、エリコンメテコ製のＳｉｎｐｌｅｘＰｒｏである。溶射工程では、遮熱膜２０は、プラズマ溶射装置３２によって遮熱層（例えば、２５０μｍ）と中間層（例えば、５０μｍ）の二層構造を有するように形成される。そして、このような態様での遮熱膜２０の形成は、エアー供給ノズル２８を作動させることによって上述のようにバルブ１４とバルブ孔１６との隙間にエアーを供給しながら実施される。
【００２８】
具体的な材料と主要な溶射条件の一例は次の通りである。
（１）中間層
＜材料＞
Ｎｉ−２０Ｃｒ（平均粒径：２８μｍ）
＜溶射条件＞
プラズマガス：Ａｒ−Ｈ２，ガス流量：４０Ｌ／ｍｉｎ（Ａｒ），４Ｌ／ｍｉｎ（Ｈ２）
プラズマ電流：４５０Ａ
粉末供給量：３０ｇ／ｍｉｎ
溶射距離：１５０ｍｍ
（２）遮熱層
＜材料＞
ＺｒＯ２  ３３％ＳｉＯ２（平均粒径：２７μｍ）
＜溶射条件＞
プラズマガス：Ａｒ−Ｈ２，ガス流量：６０Ｌ／ｍｉｎ（Ａｒ），７Ｌ／ｍｉｎ（Ｈ２）
プラズマ電流：４５０Ａ
粉末供給量：５０ｇ／ｍｉｎ
溶射距離：１００ｍｍ
【００２９】
５．マスキング材およびエアー供給ノズルの取り外し工程
図８は、マスキング材３０およびエアー供給ノズル２８の取り外し行程により、マスキング材３０およびエアー供給ノズル２８が取り外された後のシリンダヘッド１０を表している。
【００３０】
６．バルブ位置変更工程
バルブ位置変更工程は、上述の隙間を設けるために持ち上げられていたバルブ１４の位置を下げる工程である。図９は、バルブ位置変更工程が実施された後のシリンダヘッド１０を表している。より具体的には、バルブ位置変更工程の実施により、バルブ１４の位置は、バルブシート２４に対向するバルブヘッド１４ａの部位と、バルブシート２４とが接触する位置まで下げられる。
【００３１】
７．仕上げ工程
図１０は、仕上げ工程の具体例について説明するための図である。遮熱膜（より具体的には、遮熱層）２０の仕上げ工程は、図１０（Ｂ）に示すように、一例として、回転する砥石３４を所定方向に往復動作させて行う平面研削を利用して行うことができる。図１０（Ａ）は、仕上げ工程がなされた後の遮熱膜２０を表している。このような仕上げ工程によれば、遮熱層の膜厚の調整によって遮熱膜２０の膜厚を狙いとする値に調整することができる。本実施形態では、一例として、遮熱膜２０の膜厚が７０μｍとなるように仕上げ工程が実施される。なお、仕上げ工程後の遮熱膜２０の表面粗さは、一例としてＲａ１．５μｍである。
【００３２】
図４〜図１０を参照して説明したように、天井面１２の粗面化工程、バルブ装着工程およびエアー供給ノズル取り付け工程、マスキング材取り付け工程、溶射工程、マスキング材およびエアー供給ノズルの取り外し工程、バルブ位置変更工程、ならびに仕上げ工程を順に実施することで、バルブ１４とシリンダヘッド１０との間が溶射材によって架橋することを防止しつつ、天井面１２とバルブヘッド端面１８とに遮熱膜２０を形成できるようになる。
【００３３】
ところで、上述した実施の形態においては、遮熱膜２０の形成のためにプラズマ溶射を利用する溶射工程を例に挙げた。しかしながら、本発明に係るシリンダヘッドの製造方法に適用可能な成膜工程は、基材（シリンダヘッドおよびバルブ）の表面の凹凸に倣って均一な膜を形成できるものであれば上述の溶射工程に限られない。したがって、成膜工程は、例えば、フレーム溶射またはＨＶＯＦ溶射等のプラズマ溶射以外の溶射方法を利用するものであってもよいし、あるいは、所定の成膜材の塗布またはスプレー等を利用するものであってもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０  シリンダヘッド
１２  燃焼室天井面
１４  バルブ（吸気バルブおよび排気バルブ）
１４ａ  バルブヘッド
１４ｂ  バルブステム
１６  バルブ孔
１８  バルブヘッド端面
２０  遮熱膜
２２  ポート（吸気ポートおよび排気ポート）
２４  バルブシート
２６  レーザーマーキング装置
２８  エアー供給ノズル
３０  マスキング材
３２  プラズマ溶射装置
３４  砥石
【図１】
2018031312.tif 000003
【図２】
2018031312.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018031312.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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