(57)【要約】【課題】燃焼室の壁面を構成する部品の母材表面に断熱膜が形成された内燃機関において、当該母材内部にまで亀裂が進展することを防止する。【解決手段】内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部品の母材表面にショットピーニングを実施することによって、当該母材表面に圧縮残留応力を付与して、圧縮残留応力層を形成する。その後、母材よりも熱伝導率及び単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜を、溶射によって、圧縮残留応力層上に形成する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の製造方法であって、
前記内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部品の母材の表面にショットピーニングを実施することによって、前記表面に圧縮残留応力層を形成する工程と、
前記母材よりも熱伝導率及び単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜を、溶射によって、前記圧縮残留応力層上に形成する工程と
を含む
内燃機関の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に面する断熱膜を有する内燃機関及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、内燃機関を開示している。当該内燃機関の燃焼室は、ピストンの上面とシリンダヘッドの底面に挟まれている。燃焼室に面するピストンの上面には、キャビティが形成されている。また、燃焼室に面するシリンダヘッドの底面には、全体的に断熱膜が形成されている。但し、断熱膜の膜厚は一様ではない。ピストンのキャビティに対向するキャビティ領域及びキャビティ領域の周りの周縁領域を考えたとき、周縁領域の断熱膜には研磨加工が施される。その結果、周縁領域における断熱膜は、キャビティ領域における断熱膜よりも薄くなる。例えば、周縁領域における断熱膜の膜厚は５０〜１５０μｍであり、キャビティ領域における断熱膜の膜厚は１５０〜２５０μｍである。
【０００３】
特許文献２も、シリンダヘッドの燃焼室壁面に断熱膜（遮熱膜）が形成された内燃機関を開示している。当該断熱膜を形成する際、スプレーや刷毛を用いることにより、燃焼室壁面に断熱膜が塗布される。また、断熱膜を塗布する前に、燃焼室壁面に付着している油脂等の汚れを除去するために、燃焼室壁面に対してショットブラストが行われる。
【０００４】
特許文献３は、燃焼室壁面に断熱コーティング膜を形成する技術を開示している。当該技術によれば、燃焼室壁面に塗料を塗布して塗膜を形成し、塗膜を焼き付けることにより、断熱コーティング膜が形成される。断熱コーティング膜を形成する前の予備処理として、燃焼室壁面にショットブラスト、エッチング、化成処理等が行われてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−０７５２２６号公報
【特許文献２】特開２０１６−１９６８３４号公報
【特許文献３】特開２０１２−１７２６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の先行技術では、シリンダヘッドの底面に断熱膜が形成される。高温の燃焼室に曝される断熱膜の表面に微小亀裂が存在する場合、その微小亀裂が起点となって亀裂が進展する可能性がある。そのような亀裂がシリンダヘッドの内部まで進展すると、疲労強度が低下し、シリンダヘッドが破損しやすくなる。
【０００７】
本発明の１つの目的は、燃焼室の壁面を構成する部品の母材表面に断熱膜が形成された内燃機関において、当該母材内部にまで亀裂が進展することを防止することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの観点において、内燃機関の製造方法が提供される。
その製造方法は、
前記内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部品の母材の表面にショットピーニングを実施することによって、前記表面に圧縮残留応力層を形成する工程と、
前記母材よりも熱伝導率及び単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜を、溶射によって、前記圧縮残留応力層上に形成する工程と
を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、断熱膜を形成する際の下地処理として、母材表面に対してショットピーニングが実施され、それにより、高強度の圧縮残留応力層が形成される。そして、その圧縮残留応力層上に、溶射によって断熱膜が形成される。言い換えれば、母材と断熱膜との界面に、高強度の圧縮残留応力層が形成される。従って、仮に断熱膜の表面に微小亀裂が発生したとしても、その亀裂が母材内部まで進展することが防止される。すなわち、疲労強度の低下を防止し、部品の破損を防止することが可能となる。
【００１０】
また、ショットピーニングによって母材表面は粗くなる。その結果、溶射において優れたアンカー効果が実現される。すなわち、溶射によって形成される断熱膜と母材との密着力が向上する。このように、本発明によれば、ショットピーニングを実施することによって、疲労強度の増強と密着力の向上の両立が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る内燃機関のピストンの構造を概略的に示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの構造を概略的に示す平面図である。
【図４】本実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの断熱膜の形成方法を説明するための断面図である。
【図５】本実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの断熱膜の形成方法を説明するための断面図である。
【図６】本実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの断熱膜の形成方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る内燃機関及びその製造方法を説明する。
【００１３】
１．内燃機関の構造
図１は、本実施の形態に係る内燃機関１の構造を概略的に示す断面図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮着火式のエンジン（ディーゼルエンジン）である。この内燃機関１は、主な構成として、燃焼室１０、シリンダブロック２０、ピストン３０、及びシリンダヘッド４０を備えている。燃焼室１０は、シリンダブロック２０、ピストン３０、及びシリンダヘッド４０によって囲まれた空間である。
【００１４】
より詳細には、シリンダブロック２０は、燃焼室１０の側壁を形成する円筒形状のシリンダライナ２１（シリンダボア）を備えている。シリンダライナ２１の円筒形状の中心軸は、以下「中心軸Ｃ」と呼ばれる。また、以下の説明において、中心軸Ｃに平行な方向は「Ｚ方向」と呼ばれ、Ｚ方向と直交する平面は「ＸＹ平面」と呼ばれる。
【００１５】
ピストン３０は、シリンダライナ２１の内周面に沿ってＺ方向に摺動するように設けられている。このピストン３０の上面３１が、燃焼室１０に面しており、燃焼室１０の底面を形成している。ピストン３０の上面３１は、以下、「ピストン上面３１」と呼ばれる。
【００１６】
シリンダヘッド４０は、ピストン上面３１と対向するようにシリンダブロック２０上に設置されている。このシリンダヘッド４０の底面４１が、燃焼室１０に面しており、燃焼室１０の上面を形成している。シリンダヘッド４０の底面は、以下、「ヘッド底面４１」と呼ばれる。ヘッド底面４１は、ＸＹ平面とほぼ平行である。
【００１７】
このように、燃焼室１０は、シリンダライナ２１、ピストン上面３１、及びヘッド底面４１によって囲まれている。特に、ピストン３０が移動するＺ方向において、ピストン上面３１とヘッド底面４１とは対向しており、燃焼室１０は、それらピストン上面３１とヘッド底面４１によって挟まれている。
【００１８】
シリンダヘッド４０には、更に、燃料噴射弁５０及びグロープラグ６０が取り付けられている。燃料噴射弁５０は、燃焼室１０に燃料を噴射する。典型的には、燃料噴射弁５０は、中心軸Ｃの近傍に取り付けられる。グロープラグ６０は、内燃機関１の始動補助装置として機能する。
【００１９】
図２は、Ｚ方向から見たピストン３０の構造を概略的に示すＸＹ平面図である。図２中の線Ｉ−Ｉ’に沿った内燃機関１の断面構造が、図１で示された断面構造に相当する。以下、図１及び図２を参照して、本実施の形態に係るピストン３０のピストン上面３１について詳しく説明する。
【００２０】
本実施の形態に係るピストン３０のピストン上面３１には、凹状のキャビティ３２が形成されている。このキャビティ３２は、燃焼室１０の一部である。ピストン上面３１のうちキャビティ３２が形成されている部分は、以下「キャビティ面３１Ａ」と呼ばれる。つまり、ピストン上面３１のうちキャビティ面３１Ａが、凹状のキャビティ３２を形成している。一方、ピストン上面３１のうちキャビティ３２が形成されていない部分、すなわち、キャビティ面３１Ａ以外の部分は、以下「非キャビティ面３１Ｂ」と呼ばれる。非キャビティ面３１Ｂは、ＸＹ平面と平行であり、ピストン上面３１のうちシリンダヘッド４０に最も近い。
【００２１】
図１及び図２に示される例において、キャビティ３２は、中心軸Ｃを含む中央領域に形成されている。非キャビティ面３１Ｂは、ピストン上面３１の周縁領域に円環状に形成されている。キャビティ面３１Ａは、円環状の非キャビティ面３１Ｂに囲まれるように形成されている。
【００２２】
図３は、Ｚ方向から見たシリンダヘッド４０の構造を概略的に示すＸＹ平面図である。図３中の線Ｉ−Ｉ’に沿った内燃機関１の断面構造が、図１で示された断面構造に相当する。シリンダヘッド４０には、吸気バルブ７０及び排気バルブ８０も形成されている。吸気バルブ７０は、燃焼室１０に空気を導入する吸気ポート（図示されない）を開閉するように設けられている。排気バルブ８０は、燃焼室１０から排気を排出する排気ポート（図示されない）を開閉するように設けられている。以下、図１及び図３を参照して、本実施の形態に係るシリンダヘッド４０のヘッド底面４１について詳しく説明する。
【００２３】
本実施の形態に係るシリンダヘッド４０のヘッド底面４１には、断熱膜４２が形成されている。断熱膜４２の熱伝導率は、シリンダヘッド４０の母材のものよりも低い。また、断熱膜４２の単位体積当たりの熱容量は、シリンダヘッド４０の母材のものよりも低い。例えば、シリンダヘッド４０の母材はアルミニウム合金であり、断熱膜４２はセラミック系材料で形成される。このような断熱膜４２がヘッド底面４１に形成されることにより、ヘッド底面４１からの冷却損失が低減される。
【００２４】
図３に示される例では、断熱膜４２は、ヘッド底面４１の一部にだけ形成されている。より詳細には、シリンダヘッド４０のヘッド底面４１は、第１領域４１Ａと第２領域４１Ｂとに区分けされる。第１領域４１Ａは、ピストン上面３１のキャビティ３２と対向する領域である。一方、第２領域４１Ｂは、ピストン上面３１の非キャビティ面３１Ｂと対向する領域である。第２領域４１Ｂは、円環状の非キャビティ面３１Ｂに対応して円環状になっており、第１領域４１Ａは、円環状の第２領域４１Ｂに囲まれている。そして、断熱膜４２は、第２領域４１Ｂには形成されておらず、第１領域４１Ａだけに形成されている。
【００２５】
ピストン上面３１の非キャビティ面３１Ｂとヘッド底面４１の第２領域４１Ｂとの間の空間は、スキッシュエリアである。断熱膜４２を第２領域４１Ｂには形成せず、第１領域４１Ａにだけ形成することにより、スキッシュエリアのクリアランスを容易に確保することが可能になる。
【００２６】
但し、本実施の形態に係る内燃機関１の構造は、図１〜図３で示されたものに限られない。例えば、断熱膜４２は、ヘッド底面４１の全体に形成されてもよい。
【００２７】
２．製造方法
次に、本実施の形態に係る内燃機関１の製造方法、特にシリンダヘッド４０の断熱膜４２の形成方法について詳しく説明する。図４〜図６は、本実施の形態に係るシリンダヘッド４０の断熱膜４２の形成方法を説明するための断面図である。
【００２８】
図４には、シリンダヘッド４０の母材１００が示されている。母材１００は、例えばアルミニウム合金である。母材表面１００Ｓは、シリンダヘッド４０がシリンダブロック２０に組み付けられたときに燃焼室１０側に向く面である。その母材表面１００Ｓに対してショットピーニングが実施される。
【００２９】
図５には、ショットピーニング実施後の母材１００が示されている。ショットピーニングが実施された結果、母材表面１００Ｓの表面は粗くなり、また、母材表面１００Ｓ近傍に圧縮残留応力（compressive residual stress）が付与される。圧縮残留応力が付与され、疲労強度が高くなった層は、以下「圧縮残留応力層１００Ｒ」と呼ばれる。例えば、圧縮残留応力層１００Ｒは５０μｍ以上形成される。
【００３０】
その後、図６に示されるように、母材１００の圧縮残留応力層１００Ｒ上に断熱膜４２が形成される。この断熱膜４２は、母材１００よりも熱伝導率の低い材料を溶射することによって成膜される。溶射皮膜の内部には施工の過程で気泡が形成される。これにより、断熱膜４２の単位体積当たりの熱容量は、母材１００よりも低くなる。
【００３１】
このように、本実施の形態によれば、断熱膜４２を形成する際の下地処理として、シリンダヘッド４０の母材１００に対してショットピーニングが実施され、それにより、高強度の圧縮残留応力層１００Ｒが形成される。そして、その圧縮残留応力層１００Ｒ上に、溶射によって断熱膜４２が形成される。言い換えれば、母材１００と断熱膜４２との界面に圧縮残留応力層１００Ｒが形成される。これによる効果は、次の通りである。
【００３２】
溶射によって形成される断熱膜４２の表面には、微小亀裂が存在する可能性がある。断熱膜４２は高温の燃焼室１０に曝されるが、断熱膜４２の表面に微小亀裂が存在する場合、その微小亀裂が起点となって亀裂が進展する可能性がある。そのような亀裂がシリンダヘッド４０の母材１００の内部まで進展すると、疲労強度が低下し、シリンダヘッド４０が破損しやすくなる。本実施の形態によれば、断熱膜４２と母材１００との界面に、高強度の圧縮残留応力層１００Ｒが形成される。従って、仮に断熱膜４２の表面に微小亀裂が発生したとしても、その亀裂がシリンダヘッド４０の母材１００の内部まで進展することが防止される。すなわち、シリンダヘッド４０の疲労強度の低下を防止し、シリンダヘッド４０の破損を防止することが可能となる。
【００３３】
また、ショットピーニングによって母材表面１００Ｓは粗くなる。その結果、溶射において優れたアンカー効果が実現される。すなわち、溶射によって形成される断熱膜４２と母材１００との密着力が向上する。このように、本実施の形態によれば、ショットピーニングを実施することによって、疲労強度の増強と密着力の向上の両立が可能となる。
【００３４】
尚、本実施の形態に係る断熱膜４２の形成方法の適用先は、シリンダヘッド４０だけに限られない。本実施の形態に係る断熱膜４２の形成方法は、燃焼室１０の壁面を構成する他の部品（例えばシリンダライナ２１）にも適用可能である。その場合でも本実施の形態と同じ効果が得られる。
【符号の説明】
【００３５】
１    内燃機関
１０    燃焼室
２０    シリンダブロック
２１    シリンダライナ
３０    ピストン
３１    ピストン上面
３１Ａ  キャビティ面
３１Ｂ  非キャビティ面
３２    キャビティ
４０    シリンダヘッド
４１    ヘッド底面
４１Ａ  第１領域
４１Ｂ  第２領域
４２    断熱膜
５０    燃料噴射弁
６０    グロープラグ
７０    吸気バルブ
８０    排気バルブ
１００    母材
１００Ｓ  母材表面
１００Ｒ  圧縮残留応力層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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