(57)【要約】【課題】この発明は、内燃機関の製造方法に関し、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】バルブ孔１６の最大径よりも大きな最大径を有するバルブ１４をバルブ孔１６に装着した状態で、燃焼室天井面１２およびバルブ１４の傘表面１８のそれぞれに溶射材を溶射して遮熱膜２０を形成する成膜工程と、遮熱膜２０の形成後に、バルブ１４の傘部１４ａの径が所定の径となるようにバルブ１４を加工するバルブ加工工程と、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、前記シリンダヘッドに設けられたバルブ孔を開閉するバルブにおける前記燃焼室に面する表面である傘表面とに遮熱膜が形成される内燃機関の製造方法であって、
前記バルブ孔の最大径よりも大きな最大径を有する前記バルブを前記バルブ孔に装着した状態で、前記燃焼室天井面および前記傘表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、
前記遮熱膜の形成後に、前記バルブの傘部の径が所定の径となるように前記バルブを加工するバルブ加工工程と、
を備える内燃機関の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の製造方法に関し、より詳細には、燃焼室に面する表面に遮熱膜が形成されたシリンダヘッドおよびバルブを備える内燃機関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】
燃焼室に面するシリンダヘッドの表面およびバルブの表面に、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、シリンダヘッドの表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の傘部との間に成膜材が進入し、成膜材がバルブシートと傘部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内燃機関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】
本発明に係る内燃機関の製造方法は、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、前記シリンダヘッドに設けられたバルブ孔を開閉するバルブにおける前記燃焼室に面する表面である傘表面とに遮熱膜が形成される内燃機関の製造方法である。前記製造方法は、前記バルブ孔の最大径よりも大きな最大径を有する前記バルブを前記バルブ孔に装着した状態で、前記燃焼室天井面および前記傘表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、前記遮熱膜の形成後に、前記バルブの傘部の径が所定の径となるように前記バルブを加工するバルブ加工工程と、を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、バルブの傘部の径方向の端部がバルブ孔の上方に位置する状態で遮熱膜の形成を実施できるようになる。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】本発明の実施の形態に係るバルブ加工工程の具体例を説明するための図である。
【図５】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６】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７】マスキング材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】溶射工程の具体例について説明するための図である。
【図９】マスキング材およびバルブの取り外し行程により、マスキング材およびバルブ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１０】バルブ加工工程の対象部位を示した図である。
【図１１】バルブ組み付け工程により、バルブがシリンダヘッドに再び組み付けられた状態を表した図である。
【図１２】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内燃機関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】
［製造対象の内燃機関の要部］
まず、本実施形態に係る内燃機関の製造方法によって製造され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（後述の図３等参照）によって開閉されるバルブ孔１６が形成されている。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の表面（以下、「傘表面」と称する）１８（後述の図３等参照）には、遮熱膜２０（後述の図３等参照）が形成される。
【００１３】
［内燃機関の製造方法］
次に、本実施形態に係る内燃機関の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、成膜工程としての「溶射工程」と、「バルブ加工工程」とを有している。溶射工程によれば、バルブ孔１６の最大径よりも大きな最大径を有するバルブ１４をバルブ孔１６に装着した状態で天井面１２および傘表面１８のそれぞれに溶射材を溶射することにより、遮熱膜２０が形成される。また、バルブ加工工程によれば、遮熱膜２０の形成後に、バルブ１４の径が所定の径となるようにバルブ１４が加工される。なお、溶射工程およびバルブ加工工程以外の工程については、一般的な内燃機関の製造方法と同様の工程を用いればよい。
【００１４】
（前提とする成膜工程の実行態様と課題）
天井面１２に遮熱膜を形成する際には、バルブ孔１６に接続されるポート（吸気ポートおよび排気ポート）２２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１６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。
【００１５】
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および図４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。
【００１６】
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の傘部との間に溶射材（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傘部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、バルブシートと傘部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、バルブ孔の周囲のシリンダヘッドの表面に形成された遮熱膜（溶射被膜）が、傘表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。
【００１７】
（溶射工程の特徴点）
図３は、本実施形態の溶射工程の特徴点を説明するための図である。より具体的には、図３（Ｂ）は溶射前のバルブ孔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。
【００１８】
図３に示すように、バルブ１４の径は傘表面（燃焼室に面する側の表面）１８において最大となり、バルブ孔１６（バルブシート２４）の径も燃焼室に面する側の端部において最大となる。本実施形態では、溶射工程のために、バルブ孔１６の最大径よりも大きな最大径を有するバルブ１４が用意される。
【００１９】
また、図３に示すように、バルブ１４の傘部１４ａにおけるバルブシート２４との接触面は、ポート２２側に細くなるテーパ状に形成されており、上記接触面に対応するバルブシート２４（バルブ孔１６）の表面も同様のテーパ状に形成されている。したがって、バルブ孔１６の最大径よりも大きな最大径を有するバルブ１４がバルブ孔１６に装着された状態では、バルブ１４の傘表面１８の位置は、図３（Ｂ）に示すように遮熱膜２０が形成されていない状態での天井面１２の位置（基準位置）よりも高くなる（換言すると、燃焼室に面する側に突出する）。本実施形態では、図３（Ｃ）に示すように、天井面１２の基準位置に対する傘表面１８の高さが、天井面１２に形成される遮熱膜２０の表面の上記基準位置に対する高さよりも高くなる態様でバルブ１４がバルブ孔１６に装着されるように、バルブ１４の傘部１４ａの形状が決定されている。本実施形態では、一例として、天井面１２の基準位置に対する傘表面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。
【００２０】
本実施形態では、上述のように最大径が決定されたバルブ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、図３（Ｂ）中に記号Ａを付して示す部位（すなわち、傘表面１８側の傘部１４ａの径方向の端部の周囲の部位）では、図３（Ｂ）中に矢印Ｂにより示す溶融粒子の供給方向で見たときに、傘表面１８が傘部１４ａとバルブシート２４との隙間を覆うようになる。これにより、この隙間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。
【００２１】
さらに、本実施形態では、装着されるバルブ１４の最大径の設定に関する配慮だけでなく、傘表面１８の高さに対して上述の配慮がなされている。そして、このように傘表面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、傘表面１８において遮熱膜２０が形成される位置から図３（Ｃ）に示すように離間させられる。このため、図２（Ｃ）に示す態様での遮熱膜２０間での架橋も防止することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
（バルブ加工工程）
図４は、本実施形態のバルブ加工工程の具体例を説明するための図である。より具体的には、図４（Ｂ）は溶射後であってバルブ加工前のバルブ孔１６周りの構成の拡大図であり、図４（Ａ）および図４（Ｃ）はそれぞれバルブ加工後のバルブ孔１６周りの構成の全体図および拡大図である。
【００２４】
バルブ加工工程は、上述のように、バルブ１４の径が所定の径となるようにバルブ１４を加工するものである。具体的には、図４中にハッチングを付して示す部位が、バルブ加工工程による加工の対象となる部位である。加工後の傘部１４ａにおけるテーパ状の各位置での径（上述の所定の径）は、図４（Ｃ）に示すように、遮熱膜２０が形成されていない場合の天井面１２の位置（すなわち、上記の基準位置）と傘表面１８の位置とが同等の高さとなるように決定されている。このようなバルブ加工工程を設けることで、上述の溶射工程の実施後に、天井面１２の位置と傘表面１８の位置とを同等の高さに合わせることができる。
【００２５】
（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５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５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。
【００２６】
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５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
【００２７】
２．バルブ取り付け工程
図６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６（Ａ）は、図６（Ｂ）中に示すＣ−Ｃ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、図３を参照して説明した構成のバルブ１４が図６に示すように取り付けられる。この際、バルブ１４は、内燃機関の運転時にバルブ１４がバルブ孔１６を開閉できるように完全な状態で組み付けるのではなく、バルブ１４がバルブ孔１６に仮配置される。これは、後のバルブ加工工程の実施のために、溶射後にバルブ１４をバルブ孔１６から一旦取り外す必要があるためである。
【００２８】
３．マスキング材取り付け工程
図７は、マスキング材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Ｃ−Ｃ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および傘表面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２８が上記の非対象部位の表面に取り付けられる。
【００２９】
４．溶射工程（成膜工程）
図８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８（Ａ）は、図７（Ａ）と同じ部位の断面形状を表しており、図８（Ｂ）は、プラズマ溶射装置３０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３０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３０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。
【００３０】
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
【００３１】
５．マスキング材およびバルブの取り外し工程
図９は、マスキング材２８およびバルブ１４の取り外し行程により、マスキング材２８およびバルブ１４が取り外された後のシリンダヘッド１０を表している。
【００３２】
６．バルブ加工工程
図１０は、バルブ加工工程の対象部位を示した図である。バルブ加工工程によるバルブ１４の傘部１４ａの追加の加工対象となる部位についての説明は、図４を参照して既述した通りである。なお、バルブ加工工程によれば、図１０に示すように、傘表面１８のうちで加工対象となる部位の上に形成された遮熱膜２０についても除去されることになる。
【００３３】
７．バルブ組み付け工程
図１１は、バルブ組み付け工程により、バルブ１４がシリンダヘッド１０に再び組み付けられた状態を表している。
【００３４】
８．仕上げ工程
図１２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１２（Ｂ）に示すように、一例として、回転する砥石３２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１２（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。
【００３５】
図５〜図１２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、バルブ加工工程、バルブ組み付け工程、および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と傘表面１８とに遮熱膜２０を形成できるようになる。
【００３６】
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、本発明に係る内燃機関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】
【００３７】
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  バルブの傘部
１６  バルブ孔
１８  バルブの傘表面
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  マスキング材
３０  プラズマ溶射装置
３２  砥石
【図１】
2018003813.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2018003813.tif 000011
【図１０】
2018003813.tif 000012
【図１１】
2018003813.tif 000013
【図１２】
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