(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関の性能低下及び遮熱膜のはがれ等を防止することができる内燃機関の遮熱膜の形成方法を提供する。【解決手段】内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に陽極酸化皮膜を形成する内燃機関の遮熱膜の形成方法であって、前記部材１０において陽極酸化皮膜を成膜する領域の周りを多孔質部材２８で囲い、前記多孔質部材で囲まれた領域内に電解液３０を供給して陽極酸化皮膜を形成する工程を備えることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に陽極酸化皮膜を形成する内燃機関の遮熱膜の形成方法であって、
前記部材において陽極酸化皮膜を成膜する領域の周りを多孔質部材で囲い、前記多孔質部材で囲まれた領域内に電解液を供給して陽極酸化皮膜を形成する工程を備えることを特徴とする内燃機関の遮熱膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の遮熱膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に遮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燃焼室の壁面を構成する部材にアルマイトからなる陽極酸化皮膜を形成する技術が開示されている。燃焼室の壁面を構成する部材に陽極酸化皮膜のような遮熱膜が形成されることにより、燃焼室の壁面における断熱性が向上する。この結果、内燃機関における燃焼の熱効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１５９０５９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１２３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の技術で遮熱膜が形成されると、遮熱膜の端部（以下、膜端部ともいう。）と燃焼室の壁面を構成する部材との間に段差が生じる。この段差は、燃焼室内におけるガスの流速を減少させ、内燃機関の性能低下を引き起こす原因となる。加えて、上記の段差がガスにさらされることで、遮熱膜のはがれが生じることがある。また、遮熱膜形成後に上記の段差を滑らかにしようとすると、加工するためのコストが発生する。このため、遮熱膜形成時に膜端部を滑らかにして上記の段差を生じさせない製膜方法を確立すべきとの要求があった。
【０００５】
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、内燃機関の性能低下及び遮熱膜のはがれ等を防止することができる内燃機関の遮熱膜の形成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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の遮熱膜の形成方法であって、
内燃機関の燃焼室の壁面を構成する部材に陽極酸化皮膜を形成する内燃機関の遮熱膜の形成方法であって、
前記部材において陽極酸化皮膜を成膜する領域の周りを多孔質部材で囲い、前記多孔質部材で囲まれた領域内に電解液を供給して陽極酸化皮膜を形成する工程を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１の発明によれば、膜端部に段差が生じることなく、膜端部を滑らかに形成することができる。このため、膜端部の段差に起因する内燃機関の性能の低下、さらに燃焼室の壁面を構成する部材の亀裂の発生などを防止することができる。また、製膜処理と同時に滑らかな膜端部が得られるため、段差を加工するコストがかからない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の遮熱膜形成方法によって遮熱膜が形成されたピストンの断面図である。
【図２】陽極酸化皮膜の構造を説明するための図である。
【図３】従来の技術によって製膜処理が行われた後のピストンの冠面を表した図である。
【図４】段差によって発生するエンジンへの悪影響について説明するための図である。
【図５】実施の形態１における製膜処理方法に用いる製膜装置を説明するための図である。
【図６】実施の形態１においてピストンの冠面にアルマイト皮膜が製膜される様子を説明するための図である。
【図７】実施の形態２においてピストンの冠面にアルマイト皮膜が製膜される様子を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る内燃機関の遮熱膜の形成方法について、図１乃至図６を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、従来の遮熱膜形成方法によって遮熱膜が形成されたピストンの断面図である。図１には、ピストン１０が表されている。ピストン１０の冠面には、遮熱膜として陽極酸化皮膜１２が形成されている。
【００１１】
また、ピストン１０の冠面の中央には、キャビティ１４が凹設されている。なお、実施の形態１で説明するピストン１０において、キャビティ１４の表面には陽極酸化皮膜１２が形成されていない。このため、陽極酸化皮膜１２の形成領域は、ピストン１０の冠面のみである。
【００１２】
次に、陽極酸化皮膜１２の構造について、図１のＸ部分を拡大した模式図である図２を参照して説明する。
【００１３】
図２は、陽極酸化皮膜１２の構造を説明するための図である。図２に示すように、陽極酸化皮膜１２は、アルマイト皮膜１２ａと、封孔材１２ｂとから構成されている。アルマイト皮膜１２ａは、ピストン１０の母材であるアルミニウム合金の陽極酸化処理により形成される多孔質皮膜である。封孔材１２ｂは、アルマイト皮膜１２ａの上面に形成された亀裂１２ｃや内部に形成された連通孔１２ｄを封止してアルマイト皮膜１２ａの熱疲労を抑制する目的で設けられるものである。封孔材１２ｂ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。
【００１４】
図２に示した構造の陽極酸化皮膜１２は、アルミニウム合金よりも低熱伝導率かつ低熱容量であることは言うまでもなく、従来のセラミック系の遮熱膜よりも低熱伝導率かつ低熱容量である。そのため、セラミック系遮熱膜のように燃焼室の壁面を常に高温に保つのではなく、エンジンのサイクル間で変動する燃焼室内のガス温度に追従させることが可能となる。即ち、燃焼室の壁面温度を吸入〜圧縮行程（２サイクルエンジンの場合、上昇行程）においては低温にし、膨張〜排気行程（２サイクルエンジンの場合、下降行程）においては高温にできる。従って、陽極酸化皮膜１２を形成したピストン１０によれば、エンジンの熱効率のみならず吸気効率をも向上できるので、燃費の向上やＮＯｘ排出量の低減といった効果を得ることが可能となる。
【００１５】
ところで、従来の技術によって陽極酸化皮膜１２を形成すると、ピストン１０と陽極酸化皮膜１２の端部との間に段差が生じる。この段差は、エンジンにおいて様々な悪影響を及ぼす可能性がある。以下に、図３及び図４を参照して、この段差によって生じるエンジンへの悪影響について説明する。
【００１６】
図３は、従来の技術によって製膜処理が行われた後のピストン１０の冠面を表した図である。図３には、ピストン１０とアルマイト皮膜１２ａの膜端部との間において、段差Ａが生じている様子が表されている。従来の技術では、この段差Ａが生じたままアルマイト皮膜１２ａに封孔材１２ｂが塗布されていた。
【００１７】
図４は、段差Ａによって発生するエンジンへの悪影響について説明するための図である。図４には、エンジンの燃焼室における燃焼ガスの流動が矢印Ｓによって示されている。さらに、図４には、燃焼ガスが段差Ａに当たることによって、燃焼ガスの流動が乱れる様子が矢印Ｔで示されている。段差Ａによる燃焼ガスの流動の乱れは、燃焼ガスの流速を低下させる。このため、エンジンにおいて燃焼遅れが発生する。この結果、燃費の低下、ＮＯＸ及びＨＣの増加による排気性能の低下等のエンジン性能の低下が引き起こされる。
【００１８】
また、図４には、陽極酸化皮膜１２の膜端部が燃焼ガスにさらされることで、膜端部に欠けが発生している様子が破線Ｕによって表されている。破線Ｕで示される欠けが生じることで、その欠けた部分における封孔材１２ｂが消失する。これにより、その欠けた部分から陽極酸化皮膜１２の剥がれが生じる。ここで、陽極酸化皮膜１２とピストン１０の母材のアルミとの境界は、応力が集中する箇所である。このため、この箇所でピストン１０の熱疲労が発生して、ピストン１０に亀裂が発生することがある。
【００１９】
これらの段差Ａによる悪影響を生じさせないためにも、滑らかな膜端部を形成する必要がある。しかしながら、陽極酸化皮膜１２の形成後に段差Ａを滑らかに加工するためには加工費分のコストがかかってしまう。
【００２０】
そこで、実施の形態１では、ピストン１０に陽極酸化皮膜１２を形成する際に、膜端部が滑らかになる製膜処理方法を実施する。以下に、図５及び図６を参照して、この製膜処理方法について詳述する。
【００２１】
図５は、実施の形態１における製膜処理方法に用いる製膜装置を説明するための図である。図５には、ピストン１０の冠面に陽極酸化皮膜１２を形成するための製膜装置２０が表されている。製膜装置２０には、ピストン１０が設置されている。ピストン１０は、その底部を電極２４によって支えられる形で保持されている。ピストン１０は、その側面を冷却装置２６によって囲まれた状態で保持されている。
【００２２】
図５に示すように、ピストン１０の冠面の外周部は、多孔質の弾性体で構成される多孔質部材２８によって密閉されている。同様に、ピストン１０の冠面とキャビティ１４との境界は、多孔質部材２８によって密閉されている。ここで、多孔質の弾性体とは、液体が浸透する物質のことであり、例えばスポンジがこれにあたる。
【００２３】
ピストン１０の冠面と多孔質部材２８とが構成する空間には、酸性電解液３０が注入される。これにより、ピストン１０の冠面に酸性電解液３０が接触する。酸性電解液３０には、電極２２が設けられている。なお、図５中に矢印で示すように、酸性電解液３０は一端から注入されると共に、他端から排出される。
【００２４】
製膜装置２０において、酸性電解液３０が注入された状態で電極２２、２４の間に電圧を印加して電気分解を行うと、陽極としてのピストン１０の冠面が酸化されてアルマイト皮膜１２ａが形成される。アルマイト皮膜１２ａの空孔率は印加電圧により、アルマイト皮膜１２ａの厚さは印加時間により、それぞれ所望の値に調節される。なお、製膜処理中、酸化反応熱を除去するため冷却装置２６によってピストン１０が冷却される。
【００２５】
図６は、実施の形態１においてピストン１０の冠面にアルマイト皮膜１２ａが製膜される様子を説明するための図である。また、図６は、図５のＹ部分の拡大模式図である。
【００２６】
図６（ａ）は、製膜処理前の多孔質部材２８を表す図である。図６（ａ）には、多孔質部材２８に酸性電解液３０が浸透する様子が矢印Ｄで示されている。ここで、実施の形態１で用いられている多孔質部材２８は、多孔質部材２８内における密度が部分的に異なっている。ここで、密度とは、単位体積当たりの液体の入る孔の数である。多孔質部材２８において、この孔の数が相対的に多い部分を粗い部分、孔の数が相対的に少ない部分を密な部分と表現する。
【００２７】
実施の形態１における多孔質部材２８は、酸性電解液３０側かつピストン１０の冠面側の部分が粗い部分である。上記の粗い部分には水分が浸透し易いため、酸性電解液３０は、この粗い部分に優先的に浸透する。多孔質部材２８における浸透率の違いは、図６の矢印Ｅによって示されている。具体的には、矢印Ｅが示す方向にいくにつれて浸透率が高くなる。
【００２８】
図６（ｂ）は、製膜処理後の多孔質部材２８を表す図である。図６（ｂ）には、製膜処理によってアルマイト皮膜１２ａが形成された状態が示されている。形成されたアルマイト皮膜１２ａは、滑らかな膜端部を形成している。このように、多孔質部材２８内において酸性電解液３０の浸透率に差異を設けることで、アルマイト皮膜１２ａに段差を生じさせることなく、滑らかな膜端部を形成することができる。
【００２９】
図６（ｃ）は、シール再生時の多孔質部材２８を表す図である。図６（ｃ）には、多孔質部材２８が押し潰されることによって、浸透していた酸性電解液３０が排出される様子が示されている。酸性電解液３０の排出後には、ピストン１０における製膜領域を洗浄し、乾燥させる。その後、製膜領域に封孔処理が施されて陽極酸化皮膜１２が形成される。
【００３０】
実施の形態１による陽極酸化皮膜１２の形成方法によれば、膜端部に段差が生じることなく、膜端部を滑らかに形成することができる。このため、段差が生じることで発生していた燃費の低下及びＮＯＸ及びＨＣの増加による排気性能の低下等のエンジン性能の低下、陽極酸化皮膜１２の剥がれに起因するピストン１０の亀裂の発生などを防止することができる。さらに、製膜処理と同時に滑らかな膜端部が得られるため、段差を加工するコストがかからない。
【００３１】
実施の形態１において、多孔質部材２８の密度に部分的な差異を持たせたが、多孔質部材２８内における浸透率に差異を持たせる方法はこれに限定されるものではない。例えば、酸性電解液３０を外気との圧力差で制御することで多孔質部材２８への浸透率に差異を持たせてもよい。また、多孔質部材２８において密度の部分的な差異を設けると共に酸性電解液３０の圧力の制御を行ってもよい。本変形例は、後述する実施の形態２においても同様に適用可能である。
【００３２】
また、実施の形態１では、冠面にキャビティ１４が設けられたピストン１０を用いて説明を行ったがこれに限定されるものではない。キャビティ１４が設けられていないピストンにおいても、冠面の外周部における膜端部を滑らかにする目的で実施の形態１の遮熱膜の形成方法が用いられてもよい。本変形例は、後述する実施の形態２においても同様に適用可能である。
【００３３】
また、実施の形態１では、燃焼室の壁面を構成する部材の具体例としてピストン１０を用いたがこれに限られるものではない。本発明では、陽極酸化皮膜を成膜する燃焼室の壁面を構成する部材として、吸気バルブ、排気バルブ、そしてシリンダヘッド等が用いられてもよい。本変形例は、後述する実施の形態２においても同様に適用可能である。
【００３４】
実施の形態２．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２の内燃機関の遮熱膜の形成方法では、実施の形態１と同様の構成において、酸性電解液３０が接触している部分と反対側の多孔質部材２８を冷却水に浸す。そして、この冷却水に圧力をかけて酸性電解液３０の染み込み易さを制御することで、滑らかな膜端部を得ることを特徴とする。
【００３５】
図７は、実施の形態２においてピストン１０の冠面にアルマイト皮膜１２ａが製膜される様子を説明するための図である。図７（ａ）は、製膜処理前の多孔質部材２８を表す図である。図７（ａ）には、多孔質部材２８において、酸性電解液３０の反対側に冷却水３６が接触している様子が表されている。さらに、冷却水３６は、多孔質部材２８への染み込み易さを制御されている。
【００３６】
具体的に、冷却水３６は、多孔質部材２８において、ピストン１０の冠面側が染み込みにくく、ピストン１０の冠面と反対側にいくにつれて染み込み易くなるように制御されている。これにより、多孔質部材２８に染み込み酸性電解液３０は冷却水３６によって希釈される。このため、図７（ａ）に示すように、酸性電解液３０は、ピストン１０の冠面側に染み込み易くなる。
【００３７】
図７（ａ）に示す多孔質部材２８には、２つの完全シール部３２、３４が設けられている。完全シール部３２は、冷却水３６が多孔質部材２８を超えて酸性電解液３０が注入されている領域にまで浸透してしまうことを防止するために設けられている。逆に、完全シール部３４は、酸性電解液３０が多孔質部材２８を超えて冷却水３６が注入されている領域にまで浸透してしまうことを防止するために設けられている。
【００３８】
図７（ｂ）には、製膜処理後の多孔質部材を表す図である。図７（ｂ）には、ピストン１０の冠面にアルマイト皮膜１２ａが形成されており、かつ膜端部が滑らかに形成されている。このように、実施の形態２の陽極酸化皮膜１２の形成方法によれば、膜端部を滑らかに形成することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ピストン
１２  陽極酸化皮膜
２０  製膜装置
２８  多孔質部材
３０  酸性電解液
【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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【図７】
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