(57)【要約】【課題】往復動ピストン式内燃機関のシリンダーヘッドの表面特性を向上する。【解決手段】往復動ピストン式内燃機関1のシリンダーヘッド2の金属加工部を被覆するのに、マイクロアーク酸化処理を用いる。また、往復動ピストン式内燃機関1のシリンダーヘッド2に、マイクロアーク酸化処理を用いて被覆された領域（ガス交換バルブ7, 7'、バルブ・ガイド8, 8'、バルブ・シート・リング9, 9'）を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動ピストン式内燃機関（1）の軽金属よりなるシリンダーヘッド（2）を被覆するためにマイクロアーク酸化処理を使用する方法。
【請求項２】
上記シリンダーヘッド（2）がガス交換バルブのディスクが接触する領域（9, 9’）において被覆される請求項１のマイクロアーク酸化処理の使用方法。
【請求項３】
上記シリンダーヘッド（2）がガス交換バルブのガイドの接触領域（8, 8’）において被覆される請求項１のマイクロアーク酸化処理の使用方法。
【請求項４】
吸気及び排気ポート（10, 11）が被覆される請求項１のマイクロアーク酸化処理の使用方法。
【請求項５】
バルブ・ウェブ（12）が被覆される請求項１のマイクロアーク酸化処理の使用方法。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法により被覆された往復動ピストン式内燃機関のためのシリンダーヘッド。
【請求項７】
マイクロアーク酸化法を用いて往復動ピストン式内燃機関（1）のためのシリンダーヘッド（2）の被覆方法であって、
マイクロアーク処理の間、表面被膜が生成しないように、被覆領域以外をカバーする請求項２〜５のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動ピストン式内燃機関のシリンダーヘッド用金属加工品に対する被覆処理の使用に関する。軽金属に対する公知のマイクロアーク酸化処理（プラズマアーク若しくはプラズマ電解酸化法又はマイクロアーク放電酸化法としても知られる）は、往復動ピストン式内燃機関のシリンダーヘッドの表面特性を向上させるために用いられる。本発明はまた、マイクロアーク酸化処理法を用いて被覆された領域を持つ往復動ピストン式内燃機関のシリンダーヘッドと、シリンダーヘッド製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の往復動ピストン式内燃機関は、コネクティング・ロッドを介してクランクシャフトを回転させるピストンを保持する少なくとも１つのシリンダーと、ピストンとシリンダーとにより形成される燃焼室をその上部で閉じるシリンダーヘッドと、を有する。シリンダーヘッドは通常、燃焼ガスの吸排気のために複数のガス交換バルブを含む。軽金属又は軽金属合金で出来たシリンダーヘッドを用いることは従来技術の一部である。しかしながら、軽金属のシリンダーヘッドは、軽金属が動作要件に合致しない領域を持つ。例えば、ガス交換バルブを導くのに用いられる領域は、黄銅又は焼結合金から作られたライナーにより補強される。ガス交換バルブのシール面はまた、バルブ・シート・リングとして知られる硬化鋼合金から作られたリングにより補強されるのが通常である。
【０００３】
軽金属のマイクロアーク酸化処理は、例えば、特許文献１、特許文献２又は非特許文献１から公知である。更に、シリンダー及びピストンを被覆するためにマイクロアーク酸化処理を用いることも公知である。
【０００４】
マイクロアーク酸化処理に求められる条件は、１つ又は複数の加工品が漬けられる、特定の電解質水溶液を含有する酸性又は塩基性電解質浴を含む。加工品が陽極を形成する一方、容器が陰極を形成する。一定の電流密度で小さなアークが形成されるまで、この場合にはシリンダーヘッドである加工品に電圧が印加される。一定時間後、これは、約0.02〜0.5 mmの厚さであるのが通常の、酸化表面層となる。この表面層は、大幅に向上した硬さと、低減した摩擦及び向上した耐磨耗性により、特徴付けられる。最も外側に形成された多孔質領域は、最初の使用に先立ち、機械的に除去される。
【０００５】
更に、酸化層の熱伝導性は、元の材料に比べて大幅に低減し、それで、一定の遮熱性が得られる。
【特許文献１】国際公開第００／０５４９３号パンフレット
【特許文献２】米国特許第６１９７１７８号明細書
【非特許文献１】「軽量量耐磨耗性パワートレイン部品用途でのマイクロアーク酸化被膜の摩擦と磨耗特性（Friction and wear characteristics of micro-arc oxidation coating for light weight, wear resistant, powertrain component application）」，ＳＡＥペーパー，１９９７年，９７００２２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マイクロアーク酸化法がシリンダーヘッドの各種領域に付加されるならば、例えば遮熱性や耐磨耗性の向上など各種の改良を得ることが可能である。表面が酸化されるべきでない領域は、処理が用いられている間、カバーされなければならない。
【０００７】
それで、本発明の課題は、軽金属のマイクロアーク酸化処理を用いることにより、往復動ピストン式内燃機関のシリンダーヘッドを、製品寿命を延ばしながら同時に製造コストを低減するように、改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１による方法を使用することにより、達成される。従属項によれば、更に有利である。
【０００９】
本発明によれば、往復動ピストン式内燃機関のための軽金属から作られたシリンダーヘッドが、上述のマイクロアーク酸化処理により被覆される。上述のように、マイクロアーク酸化処理の結果、約0.02〜0.05 mmの厚さの酸化表面層が形成される。この表面層は、母材とは大幅に異なる特性を持つ。例えば、硬さが大幅に向上しており、耐磨耗性が向上しており、そして熱伝導性が低減している。これらの特性は、領域によって異なる目的を持つシリンダーヘッドにおいて、有利に用いられ得る。
【００１０】
それで本発明によれば、ガス交換バルブのためのシリンダーヘッドのシール面が、マイクロアーク被膜を用いて被覆される。従来技術の中には、軽金属シリンダーヘッドの場合、これらシール面のためのバルブ・シール・リングとして知られるものを使用するものがある。これは、軽金属は、ガス交換バルブが閉じる際のシール面に対する衝撃が発生する負荷に長期にわたり耐えれないので、必要である。それで、バルブ・シート・リングは、硬化鋼から作られるのが通常である。シール面がマイクロアーク酸化を用いることにより被覆される結果として、シリンダーヘッドのシール面が、バルブ・シート・リング使用の必要性がないように、硬化される。これは、シリンダーヘッドにおける処理工程を削減し、バルブ・シート・リングの製作と嵌め込み工程を省略する。この構成の更なる利点は、被覆領域が通常用いられるバルブ・シート・リングよりも大幅に薄く、結果として、冷却水通路がバルブにより近くなるように、シリンダーヘッドを構成することが可能になる、ということである。
【００１１】
本発明によるシリンダーヘッドにおけるマイクロアーク酸化処理の更なる用途として、ガス交換バルブのバルブ・ガイドがある。シリンダーヘッドの軽金属は、通常、摺動するベアリング・ガイドに生じる要件を満足しない。それで、合金又は焼結材製のガイド・ライナーが、鋼材製であるのが通常のガス交換バルブをガイドするのに用いられる。このようなライナーは、動作潤滑油がない又は充分な量供給されていない場合の一定の非常用動作特性、及び／又は、このように非常用動作特性を確保するために少量の潤滑油を貯蔵する一定の多孔性を提供する。本発明により、ガス交換バルブのガイドが、シリンダーヘッドの軽金属から直接機械加工され、それからマイクロアーク酸化処理を用いて被覆されるならば、先に列挙したガス交換バルブのガイド特性が得られ、結果的に、別個のガイド・ライナーを用いる必要がない。
【００１２】
更に、本発明によれば、マイクロアーク酸化処理を用いて、シリンダーヘッドの吸排気ポートが被覆されると、有利である。吸排気ポートとは、シリンダーに燃焼空気を吸入し、シリンダーから排気を放出する通路を意味する。上述のように、マイクロアーク酸化処理により形成される表面層は、軽金属シリンダーヘッドよりも熱伝導率が低い。この断熱性は、僅かであっても、燃焼空気の吸入ポートには有用である。というのが、エンジンが高温であるときに燃焼空気が加熱される程度が小さく、それで、空気が低温であるほどその密度は高いという事実を考慮すると、燃焼空気によるシリンダーの充填率が向上するからである。更に、排気ポートを被覆するのも適切である。断熱性は、排気が大幅に冷却されないということを意味し、そして結果として、通常下流に接続される排気浄化触媒がより迅速にライトオフ温度に到達するということを意味する。
【００１３】
本発明の更なる有利な構成は、シリンダーヘッドにおける二つのバルブ・シートの間にあるバルブ・ウェブと呼ばれるウェブを被覆するものである。この領域は通常、排気ポートと吸気ポートとの間の壁の薄さに起因して特に大きな熱応力に晒されるのが通常である。マイクロアーク酸化処理を用いて、この領域を被覆することによりこの領域の断熱性を高めることは、有利である。
【００１４】
本発明はまた、上述の領域の少なくとも１つにおいてマイクロアーク酸化処理を用いて生成される被膜を持つシリンダーヘッドに適用できる。
【００１５】
更にまた、本発明は、上述の領域の少なくとも１つにおいてシリンダーヘッドが被覆される際の処理を提案している。被覆されるべきでない領域は、適切な方法でカバーされる。例えば、特定の要件に応じて、シリンダーヘッドの１つ又は複数の領域又はシリンダーヘッド全体を公知の方法で被覆することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、往復動ピストン式内燃機関1の一部断面図である。この図は、シリンダーヘッド2、シリンダーブロックの一部3、シリンダー4、そしてシリンダー4内で移動可能に配置されたピストン5、を示している。ピストン5は、シリンダー4及びシリンダーヘッド2と共に、燃焼室6を形成する。燃焼空気が、二つのガス交換バルブ7, 7’の一方と吸気ポート10を通過し燃焼室6内へ進む一方、排気は、二つのガス交換バルブ7, 7’の他方と排気ポート11を通過して、燃焼室を出る。ガス交換バルブ7, 7’は通常、バルブ・ガイド8, 8’内で移動可能に構成される。ガス交換バルブ7, 7’のシール面が形成されるバルブ・シート・リング9, 9’が、シリンダーヘッド2内に設定される。
【００１７】
本発明によれば、軽金属製シリンダーヘッド2が、ガス交換バルブ7, 7’のシール面の領域において、マイクロアーク酸化法を用いて被覆される。この領域において、ガス交換バルブ7, 7’は、閉じるときに高速でシリンダーヘッドを叩くので、通常の硬化鋼で出来たバルブ・シート・リング9, 9’が普通用いられてきた。対照的に、この領域が上述のようにマイクロ酸化法により被覆されたならば、その被覆層は、その要件を満足し、結果として、バルブ・シート・リング9, 9’を省略することが出来る。
【００１８】
同様のことが、その中でガス交換バルブ7, 7’が取り付けられるバルブ・ガイド8, 8’の領域にもいえる。シリンダーヘッド2の軽金属は、ガス交換バルブ7, 7'のベアリングに求められる要件を満足しないのが通常である。ガス交換バルブ7, 7’の摺動ベアリング構成は、充分な耐磨耗性を持たねばならないだけでなく、非常用動作特性も持たなければならない。というのが、内燃機関1の始動時に、潤滑油が全てのベアリング位置に到達するのに、1, 2秒かかるからである。本発明によれば、ガス交換バルブ7, 7’のこのベアリング配置領域が、マイクロアーク酸化法による酸化表面層で覆われる。この層は、充分に対磨耗性があり、またやや多孔質であり、一定量のオイルが保持され、それが非常用動作特性を所望のものとする。それで、個々のバルブ・ガイド8, 8’を配置することが出来る。PTFE（テフロン（登録商標））若しくは低摩擦ラッカーの被膜を追加することも考えられる。
【００１９】
本発明によれば、内燃機関1の吸気ポート10及び／又は排気ポート11を被覆することが有利となり得る。この被膜は、基材よりも熱伝導率が低い。吸気側において、これは、燃焼ガスが加熱される程度が小さく、それで、低温で密度が高い燃焼ガスそれでより多くの燃焼ガスが燃焼室6へと入ることが可能である。排気側においては、この断熱性のために、排気がそれ程迅速に冷却せず、結果として、例えば排気浄化触媒装置がそれのライトオフ温度により迅速に到達するので、有利である。
【００２０】
バルブ・ウェブ12の領域は、大きな温度差とかなりの機械的負荷に晒されるので、この領域での断熱性もまた好都合である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】内燃機関の一部断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
1  往復動ピストン式内燃機関
2  シリンダーヘッド
7, 7'  ガス交換バルブ
10  吸気ポート
11  排気ポート
12  バルブ・ウェブ
【図１】
2004340130.tif 000003