(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をバルブ孔１６に装着した状態で、バルブ孔１６に対して相対的にバルブ１４を回転させながら、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を備える。【選択図】図５
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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、
前記バルブを前記バルブ孔に装着した状態で、前記バルブ孔に対して相対的に前記バルブを動かしながら、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、バルブとシリンダヘッドとが成膜材を介して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、前記バルブを前記バルブ孔に装着した状態で、前記バルブ孔に対して相対的に前記バルブを動かしながら、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を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、バルブをバルブ孔に装着した状態で、バルブ孔に対して相対的にバルブを動か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】バルブ回転ユニットの構成を説明するための図である。
【図４】バルブヘッド端面側からバルブおよびシリンダヘッドを見た図である。
【図５】溶射工程の実施中のバルブ孔周りの構成を表した図である。
【図６】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７】バルブ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８】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９】溶射工程の具体例について説明するための図である。
【図１０】マスキング材およびバルブ回転ユニットの取り外し行程により、マスキング材およびバルブ回転ユニット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１１】仕上げ工程の具体例について説明するための図である。
【図１２】バルブ加振ユニットに取り付けられたバルブを表した図である。
【図１３】溶射工程の実施中のバルブ孔周りの構成を表した図である。
【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各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】
実施の形態１．
［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〜図５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】
（実施の形態１のシリンダヘッドの製造方法の特徴点）
本実施形態に係るシリンダヘッドの製造方法は、遮熱膜２０を形成する「成膜工程」に相当する「溶射工程」を含んでいる。溶射工程によれば、バルブ１４をバルブ孔１６に装着した状態で、バルブ孔１６に対して相対的にバルブ１４を動かしながら、天井面１２およびバルブヘッド端面１８のそれぞれに溶射材を供給することによって遮熱膜２０が形成される。
【００１７】
図３は、バルブ回転ユニット２４の構成を説明するための図である。溶射工程に先立ち、図３に示すようにバルブステム１４ｂがバルブガイド２２に挿入されることにより、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、バルブシート１６ａ（後述の図５参照）に対向するバルブヘッド１４ａの部位とバルブシート１６ａとが接触する態様でシリンダヘッド１０に装着される。そのうえで、本実施形態では、溶射工程の実施中にバルブ孔１６に対して相対的にバルブ１４を動かせるようにするために、バルブ回転ユニット２４が用いられる。
【００１８】
バルブ回転ユニット２４は、バルブ固定機構２６と電動モータ２８とを備えている。溶射工程に先立ち、バルブヘッド１４ａの反対側のバルブステム１４ｂの端部が、バルブ固定機構２６に取り付けられる。バルブ固定機構２６は、バルブ周方向におけるバルブ１４の回転を許容し、かつ、バルブ軸方向のバルブ１４の移動を拘束する態様でバルブステム１４ｂを支持するように構成されている。電動モータ２８は、バルブ固定機構２６により支持されたバルブステム１４ｂを回転駆動可能に構成されている。
【００１９】
図４は、バルブヘッド端面１８側からバルブ１４およびシリンダヘッド１０を見た図であり、溶射対象となる範囲を示している。図５は、溶射工程の実施中のバルブ孔１６周りの構成を表した図である。図４に示すように、溶射は天井面１２とバルブヘッド端面１８とを対象として実施される。本実施形態の溶射工程では、バルブ回転ユニット２４によりバルブ１４を回転させているため、天井面１２とバルブヘッド端面１８との境目において遮熱膜２０がせん断される。その結果、図４および図５に示すように、天井面１２側の遮熱膜２０とバルブヘッド端面１８側の遮熱膜２０との間には、僅かながら隙間（空気層）が生じる。
【００２０】
溶射工程の実施中には、バルブ１４の回転が継続される。これにより、上記隙間を維持しながら溶射工程が進行していき、その間に、天井面１２およびバルブヘッド端面１８のそれぞれの側の遮熱膜２０が凝固する。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のを防止することができる。また、仮に溶融粒子がバルブシート１６ａとこれに対向するバルブヘッド１４ａとの間に進入することがあったとしても、バルブ１４がバルブ孔１６（バルブシート１６ａ）に対して回転しているので図２（Ｂ）に示す態様での架橋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】
（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６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６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３０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６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．バルブ取り付け工程
図７は、バルブ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７（Ａ）は、図７（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。バルブ取り付け工程では、各気筒の各バルブ孔１６に対してバルブ１４が図７に示すように取り付けられる。この際、バルブ１４は、図７（Ａ）に示すようにバルブ回転ユニット２４に取り付けられる。
【００２５】
３．マスキング材取り付け工程
図８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８（Ａ）は、図８（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３２が上記の非対象部位の表面に取り付けられる。
【００２６】
４．溶射工程（成膜工程）
図９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９（Ａ）は、図８（Ａ）と同じ部位の断面形状を表しており、図９（Ｂ）は、プラズマ溶射装置３４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３４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３４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、バルブ回転ユニット２４の電動モータ２８を作動させることによって、上述のようにバルブ孔１６に対してバルブ１４を相対的に動かしながら（回転させながら）実施される。バルブ１４の回転のための電動モータ２８の作動は、溶射された溶射材が凝固するのに必要な時間中は継続して実行される。また、溶射工程の実施中に作動する際の電動モータ２８の回転速度は、一例として、毎分の回転数で数回転から数十回転とすることができる。
【００２７】
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
【００２８】
５．マスキング材およびバルブ回転ユニットの取り外し工程
図１０は、マスキング材３２およびバルブ回転ユニット２４の取り外し行程により、マスキング材３２およびバルブ回転ユニット２４が取り外された後のシリンダヘッド１０を表している。
【００２９】
６．仕上げ工程
図１１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１１（Ｂ）に示すように、一例として、回転する砥石３６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１１（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。
【００３０】
図６〜図１１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バルブ回転ユニットの取り外し工程、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。
【００３１】
実施の形態２．
次に、図１２および図１３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態は、溶射工程の実施中にバルブ孔１６に対して相対的にバルブ１４を動かす際のバルブ１４の動かし方において、上述した実施の形態１と相違している。具体的には、本実施形態では、上述のバルブ回転ユニット２４に代え、以下に説明するバルブ加振ユニット３８が用いられる。
【００３２】
図１２は、バルブ加振ユニット３８に取り付けられたバルブ１４を表した図である。本実施形態では、溶射工程に先立ち、バルブヘッド１４ａの反対側のバルブステム１４ｂの端部が、バルブ加振ユニット３８に取り付けられる。バルブ加振ユニット（トランスデューサー）３８は、溶射工程の実施中にバルブ１４をバルブガイド２２に沿って上下に振動（より具体的には、微振動）させるために用いられる。バルブ加振ユニット３８による加振周波数は、一例として、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとすることができる。
【００３３】
図１３は、溶射工程の実施中のバルブ孔１６周りの構成を表した図である。バルブ加振ユニット３８を用いてバルブ１４を上下に振動させた場合にも、実施の形態１のようにバルブ１４を回転させた場合と同様に、天井面１２とバルブヘッド端面１８との境目において遮熱膜２０がせん断されるようになる。その結果、この場合にも、図１３に示すように、天井面１２側の遮熱膜２０とバルブヘッド端面１８側の遮熱膜２０との間には、僅かながら隙間（空気層）が生じる。
【００３４】
溶射工程の実施中には、バルブ１４の微振動が継続される。これにより、上記隙間を維持しながら溶射工程が進行していき、その間に、天井面１２およびバルブヘッド端面１８のそれぞれの側の遮熱膜２０が凝固する。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のを防止することができる。また、仮に溶融粒子がバルブシート１６ａとこれに対向するバルブヘッド１４ａとの間に進入することがあったとしても、バルブ１４がバルブ孔１６（バルブシート１６ａ）に対して微振動しているので図２（Ｂ）に示す態様での架橋も防止することができる。なお、バルブ加振ユニット３８を用いる場合にも、バルブ１４を動かすユニットが異なる点を除き、図６〜図１１を参照して上述した遮熱膜形成手順の具体例を採用することができる。
【００３５】
ところで、上述した実施の形態１および２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】
【００３６】
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
１６ａ  バルブシート
１８  バルブヘッド端面
２０  遮熱膜
２２  バルブガイド
２４  バルブ回転ユニット
２６  バルブ固定機構
２８  電動モータ
３０  レーザーマーキング装置
３２  マスキング材
３４  プラズマ溶射装置
３６  砥石
３８  バルブ加振ユニット
【図１】
2018031317.tif 000003
【図２】
2018031317.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】
2018031317.tif 000009
【図８】
2018031317.tif 000010
【図９】
2018031317.tif 000011
【図１０】
2018031317.tif 000012
【図１１】
2018031317.tif 000013
【図１２】
2018031317.tif 000014
【図１３】
2018031317.tif 000015