(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に陽極酸化被膜が形成されてなる内燃機関であって、
前記陽極酸化被膜は、該被膜を形成する中空セルのそれぞれが隣接する中空セルと空隙なく結合する結合領域と、３以上の隣接する中空セル間に空隙があって中空セル同士が結合していない非結合領域を備えた構造を呈しており、
中空セル内にある第１の空隙と前記非結合領域を形成する前記空隙（第２の空隙）からその気孔率が規定され、該気孔率が１３．４より大きく、４１．３％未満の範囲である内燃機関。
【請求項２】
前記気孔率が１５〜４０％の範囲である請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記陽極酸化被膜の厚みが１００〜５００μｍの範囲である請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記中空セルの有する第１の空隙の平均孔径：φと中空セルの平均セル直径：ｄの比：φ／ｄが０．３〜０．６の範囲である請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項５】
前記陽極酸化被膜の表面が、沸騰水または水蒸気による封孔処理、もしくは孔を具備しない薄膜でのコーティング処理、もしくは双方の処理が施されている請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項６】
前記陽極酸化被膜がアルマイト被膜である請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項７】
内燃機関の燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に陽極酸化被膜を形成して内燃機関を製造する内燃機関の製造方法であって、
前記壁面の一部もしくは全部を酸性電解液内に浸漬して陽極とし、該酸性電解液内に陰極を形成して両極間に最大で１３０〜２００Ｖの範囲に調整された電圧を印加し、かつ、１．６〜２．４ｃａｌ／ｓ／ｃｍ２の範囲に調整された抜熱速度で電気分解をおこない、前記壁面の一部もしくは全部の表面に、中空セルのそれぞれが隣接する中空セルと空隙なく結合する結合領域と、３以上の隣接する中空セル間に空隙があって中空セル同士が結合していない非結合領域を備えた構造を呈し、中空セル内にある第１の空隙と前記非結合領域を形成する前記空隙（第２の空隙）から規定された気孔率を１３．４より大きく、４１．３％未満の範囲に調製して陽極酸化被膜を有する内燃機関を製造する内燃機関の製造方法。
【請求項８】
内燃機関の燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に陽極酸化被膜を形成して内燃機関を製造する内燃機関の製造方法であって、
前記壁面の一部もしくは全部を酸性電解液内に浸漬して陽極とし、該酸性電解液内に陰極を形成して両極間に最大で１３０〜２００Ｖの範囲に調整された電圧を印加し、かつ、１．６〜２．４ｃａｌ／ｓ／ｃｍ２の範囲に調整された抜熱速度で電気分解をおこない、前記壁面の一部もしくは全部の表面に、中空セルのそれぞれが隣接する中空セルと空隙なく結合する結合領域と、３以上の隣接する中空セル間に空隙があって中空セル同士が結合していない非結合領域を備えた構造を呈している陽極酸化被膜の中間体を形成する第１の工程、
前記陽極酸化被膜の中間体をその表面に具備する前記壁面の一部もしくは全部を酸による孔拡大処理にて空隙を広げ、中空セル内にある第１の空隙と前記非結合領域を形成する前記空隙（第２の空隙）から規定される気孔率を１３．４より大きく、４１．３％未満の範囲に調製する第２の工程からなる内燃機関の製造方法。
【請求項９】
前記気孔率が１５〜４０％の範囲に調製される請求項７または８に記載の内燃機関の製造方法。
【請求項１０】
前記酸性電解質の温度が−５〜５℃の範囲に調整されている請求項７〜９のいずれかに記載の内燃機関の製造方法。
【請求項１１】
前記陽極酸化被膜の厚みが１００〜５００μｍの範囲に調整される請求項７〜１０のいずれかに記載の内燃機関の製造方法。
【請求項１２】
前記中空セルの有する第１の空隙の平均孔径：φと中空セルの平均セル直径：ｄの比：φ／ｄが０．３〜０．６の範囲に調整される請求項７〜１１のいずれかに記載の内燃機関の製造方法。
【請求項１３】
前記陽極酸化被膜を形成後に、沸騰水または水蒸気による封孔処理、もしくは孔を具備しない薄膜でのコーティング処理、もしくは双方の処理を施す工程をさらに備える請求項７〜１２のいずれかに記載の内燃機関の製造方法。
【請求項１４】
前記陽極酸化被膜がアルマイト被膜である請求項７〜１３のいずれかに記載の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、内燃機関とその製造方法にかかり、特に内燃機関の燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に陽極酸化被膜が形成されてなる内燃機関と、この陽極酸化被膜の形成方法に特徴のある内燃機関の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関は、主にエンジンブロックとシリンダヘッドから構成されており、その燃焼室は、シリンダブロックのボア面と、このボアに組み込まれたピストン頂面と、シリンダヘッドの底面と、シリンダヘッド内に配設された吸入および排気バルブの頂面から画成されている。昨今の内燃機関に要求される高出力化にともなってその冷却損失を低減することが重要になってくるが、この冷却損失を低減する方策の一つとして、燃焼室の内壁にセラミックスからなる断熱被膜を形成する方法を挙げることができる。
【０００３】
しかし、上記するセラミックスは一般に低い熱伝導率を有し、かつ高い熱容量を有することから、定常的な表面温度上昇による吸気効率の低下やノッキング（燃焼室内に熱が篭ることに起因する異常燃焼）が発生するために燃焼室の内壁への被膜素材として普及していないのが現状である。
【０００４】
このことから、燃焼室の壁面に形成される断熱被膜は、耐熱性と断熱性は勿論のこと、低熱伝導率と低熱容量の素材から形成されるのが望ましい。さらに、この低熱伝導率および低熱容量であることに加えて、燃焼室内での燃焼時の爆発圧や噴射圧、熱膨張と熱収縮の繰り返し応力に耐え得る素材から被膜が形成されること、およびシリンダブロック等の母材への密着性が高い素材から被膜が形成されることが望ましい。
【０００５】
ここで、従来の公開技術に目を転じるに、シリンダヘッドの底面とこのシリンダヘッド内に画成されたウォータージャケットの内面の双方にミクロ的に多孔質で二酸化珪素系もしくは酸化アルミニウム系の被膜が陽極酸化にて形成されたシリンダヘッドが特許文献１に開示されている。このシリンダヘッドによれば、ヘッド底面とジャケット内面の双方にミクロ的に多孔質な被膜が設けられていることで、ヘッド底面およびジャケット内面の表面積がこの被膜によって拡大され、燃焼室で発生する熱を被膜を介して内部へ効率よく吸収することができ、ジャケット内面では内部に吸収された熱が被膜を介して冷却水へ効率よく放出されることになる。そのため、吸熱によって暖まり易く、放熱によって冷め易いものであって、温度上昇が抑えられたシリンダヘッドとなるというものである。
【０００６】
また、他の特許文献２，３には、内燃機関の燃焼室を形成する母材よりも低い熱伝導率を有し、かつ母材と同等もしくは母材よりも低い熱容量を有する材料の内部に気泡が形成された断熱用薄膜を有する内燃機関が開示されている。
【０００７】
このように上記する特許文献１〜３には、内燃機関の燃焼室の内壁に低熱伝導率で低熱容量の被膜を形成する技術が開示されており、上記するように性能に優れた断熱被膜となり得る。
【０００８】
しかし、これらの被膜構造では、燃焼室内での燃焼時の爆発圧や噴射圧、熱膨張と熱収縮の繰り返し応力に耐え得る被膜、もしくはこれらの圧力や応力を緩和できる被膜となるか否かは定かでなく、本発明者等によれば、これらの被膜構造が優れた圧力もしくは応力緩和性能を有するとは言い難いとの知見が得られている。その理由の一つは、陽極酸化によってできる被膜では、その構成セルが内部に空隙を有するものの、隣接セル同士ではほぼ隙間なく化学結合したミクロ構造を呈していることから、これらのセル間で応力緩和を十分に図ることは難しいというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１１３７３７号公報
【特許文献２】特開２００９−２４３３５２号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／０２０２０６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、低熱伝導率かつ低熱容量であって、しかも、燃焼室内での燃焼時の爆発圧や噴射圧、熱膨張−収縮の繰り返し応力の緩和性能に優れ、もって高耐久な陽極酸化被膜を燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に具備する内燃機関と、この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】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による内燃機関は、燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に陽極酸化被膜が形成されてなる内燃機関であって、前記陽極酸化被膜は、該被膜を形成する中空セルのそれぞれが隣接する中空セルと結合する結合領域と、３以上の隣接する中空セル間において中空セル同士が結合していない非結合領域を備えた構造を呈しており、中空セル内にある第１の空隙と前記非結合領域を形成する第２の空隙からその気孔率が規定されるものである。
【００１２】
本発明の内燃機関は、その燃焼室の一部もしくは全部に陽極酸化被膜（もしくは遮熱膜）を有するものであるが、従来の陽極酸化被膜と異なり、そのミクロ構造は、中空セルがその内部に空隙（第１の空隙）を有することのほかに、隣接する中空セル同士のたとえば３重点に非結合領域となる空隙（第２の空隙）を有し、中空セル同士が接触する結合領域は化学結合した構造を呈する被膜を有するものである。
【００１３】
空隙を有する陽極酸化被膜であることから、低熱伝導率と低熱容量の双方の性能を有するものであるが、中空セル同士が化学結合しながらもセル間にも別途の空隙（第２の空隙）を具備していることで、燃焼室内での燃焼時の爆発圧や噴射圧といった圧力緩和性能や熱膨張−収縮の繰り返し応力を緩和する性能をも有する被膜となる。なお、被膜を構成する隣接した３以上の中空セルすべての３重点等に第２の空隙が形成されていることのほかに、すべての３重点等のうちの一部にのみ第２の空隙が形成された被膜であってもよい。
【００１４】
ここで、本発明の内燃機関は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのいずれを対象としたものであってもよく、その構成は既述するように、エンジンブロックとシリンダヘッドから主として構成され、その燃焼室は、シリンダブロックのボア面と、このボアに組み込まれたピストン頂面と、シリンダヘッドの底面と、シリンダヘッド内に配設された吸入および排気バルブの頂面から画成されている。
【００１５】
そして、上記するミクロ構造の陽極酸化被膜は、燃焼室に臨む壁面の全部に形成されてもよいし、その一部にのみ形成されてもよく、後者の場合には、たとえばピストン頂面のみ、もしくはバルブ頂面のみに被膜が形成される等の実施の形態を挙げることができる。
【００１６】
また、内燃機関の燃焼室を構成する母材は、アルミニウムやその合金、チタンやその合金を挙げることができ、アルミニウムやその合金を母材とする壁面に形成される陽極酸化被膜はアルマイトとなる。
【００１７】
ここで、燃焼室壁面に低熱伝導率・低熱容量の陽極酸化被膜（遮熱膜）を形成することによる燃費向上のメカニズムを図２０を参照して説明する。内燃機関において、燃焼室に臨む壁面の表面温度は一般に、吸気・圧縮・燃焼・排気の１サイクル内においてほとんど変化することなく一定であり（図２０における一般的な壁温度のグラフ）、ガス温度（図２０における筒内ガスのグラフ）との温度差が熱損失となる。その一方で、燃焼室に臨む壁面に低熱伝導率・低熱容量の遮熱膜を形成すると、遮熱膜の表面の温度が燃焼ガス温度の変化に追随するように１サイクル中で変化する（図２０における本発明の内燃機関の遮熱膜の壁温度のグラフ）。その結果、燃焼ガス温度と壁表面温度の温度差が遮熱膜がない場合よりも低減し、熱損失が減少する。この熱損失の減少分はピストン仕事の増加や排気温度の上昇となり、ピストン仕事の増加分が燃費向上に繋がる。なお、このことは、本発明者等による上記特許文献３で詳述されている内容である。
前記陽極酸化被膜において、その厚みは１００〜５００μｍの範囲であるのが好ましい。
【００１８】
本発明者等によれば、断熱性能を有する陽極酸化被膜の厚みが１００μｍを下回ると燃焼サイクル中の被膜表面の温度上昇が不十分で断熱性能が不十分となり、後述する燃費改善を達成できない。この燃費改善性能を保証するための最低限の厚みを１００μｍに規定したものである。
【００１９】
一方、陽極酸化被膜の厚みが５００μｍを超えてしまうと、今度はその熱容量が大きくなってしまい、陽極酸化被膜自体が熱を溜め易くなってしまうことで、スイング特性（断熱性能を具備しながらも、燃焼室内のガス温度に陽極酸化被膜の温度が追随する特性）が阻害されることもまた本発明者等によって特定されている。尤も、５００μｍより厚いアルマイト等を成膜すること自体極めて困難であることから、製造効率性、製造容易性の観点からも陽極酸化被膜の厚みの上限は５００μｍとなる。
また、前記気孔率は１５〜４０％の範囲であるのが好ましい。
【００２０】
本発明者等によれば、気孔率１５〜４０％を有し、１００〜５００μｍの厚さを有する陽極酸化被膜を内燃機関の燃焼室の全面に形成することにより、たとえば乗用車用の小型過給直接噴射ディーゼルエンジンであって、機関回転数が２１００ｒｐｍ、図示平均有効圧力が１．６ＭＰａ相当の燃費最良点において、最大５％の燃費向上が得られることが見積もられている。ここで、５％の燃費向上というのは、実験の際に、計測誤差として埋もれることなく、明らかに有意な差として燃費向上が証明できる値である。また、燃費向上と同時に、遮熱によって排気ガス温度が約１５℃上昇することが見積もられているが、この排気ガス温度の上昇は、実機においてはスタート直後におけるＮＯＸ低減触媒の暖気時間を短縮することに有効であり、ＮＯＸ浄化率が向上してＮＯＸ低減が確認できる値である。
【００２１】
一方、陽極酸化被膜の熱特性を評価する際におこなわれる冷却試験（急冷試験）では、片面のみに陽極酸化被膜を施したテストピースを用い、背面（陽極酸化被膜を施していない面）を所定の高温噴流で加熱し続けながら、テストピースの正面（陽極酸化被膜を施している面）から所定温度の冷却エアーを噴射してテストピースの正面温度を低下させてその温度を測定し、被膜表面温度と時間からなる冷却曲線を作成して、温度降下速度を評価するものである。この温度降下速度は、たとえば被膜表面温度が４０℃低下するのに要した時間をグラフから読み取り、４０℃降下時間として評価するものである。
【００２２】
テストピースの気孔率（第１の空隙と第２の空隙の和をもって陽極酸化被膜の気孔率が規定される）を種々変化させて急冷試験を実施してそれぞれのテストピースにおける４０℃降下時間を測定し、たとえば気孔率と４０℃降下時間で規定される複数のプロットに関して近似曲線を作成する。
【００２３】
そして、上記する５％の燃費向上率に対応する４０℃降下時間の値（たとえば４５ｍｓｅｃ）とこの近似曲線の交点からその気孔率を読取ると、これが１５％になることが本発明者等によって特定されている。なお、４０℃降下時間が短いほど、被膜の熱伝導率および熱容量が低く、燃費向上効果が高い。
【００２４】
一方、気孔率を種々変化させて陽極酸化被膜のテストピースを作成し、それぞれのマイクロビッカース硬さを測定して気孔率とマイクロビッカース硬さで規定される複数のプロットに関して近似曲線を作成する。燃焼室の母材がアルミニウムからなる場合に、成膜されるアルマイトの硬さは母材であるアルミニウムよりも硬いのが望ましいことより、アルミニウムのマイクロビッカース硬さを閾値として上記近似曲線とこの閾値から決定される気孔率を読取ると、これが４０％になることが本発明者等によって特定されている。
【００２５】
このように、冷却試験、マイクロビッカース硬さ試験、および５％の燃費向上率から、陽極酸化被膜の気孔率の範囲を１５〜４０％の範囲に規定したものである。
【００２６】
また、この気孔率を種々変化させた際の陽極酸化被膜を構成する各中空セルの平均セル直径：ｄと第１の空隙の平均孔径：φ（空隙の直径の平均値）の比：φ／ｄの最適な範囲を求めると、上記する気孔率の１５〜４０％の範囲に対応する範囲が０．３〜０．６となることもまた本発明者等によって特定されている。
【００２７】
さらに、前記陽極酸化被膜の表面は、沸騰水または水蒸気による封孔処理、もしくは孔を具備しない薄膜でのコーティング処理、もしくは双方の処理がされているのが好ましい。また、沸騰水に、封孔促進剤としてケイ酸ナトリウムなどを加えたものを用いてもよい。
【００２８】
気孔を具備する陽極酸化被膜内に燃料や燃焼ガスが染み込むのを防止するために、水硝子等の無機系封止材等を陽極酸化被膜に比して薄層にコーティングされた薄膜などが陽極酸化被膜に対して表面処理されたものである。陽極酸化被膜が既述する種々の性能を発揮すること、および膜厚が厚くなり過ぎないことの双方の観点から、上記する１００〜５００μｍの膜厚の陽極酸化被膜に対してたとえば１０μｍ程度かそれ以下の厚みの薄膜であるのがよい。
【００２９】
また、本発明は内燃機関の製造方法にも及ぶものであり、この製造方法は、内燃機関の燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に陽極酸化被膜を形成して内燃機関を製造する内燃機関の製造方法であって、前記壁面の一部もしくは全部を酸性電解液内に浸漬して陽極とし、該酸性電解液内に陰極を形成して両極間に最大電圧が１３０〜２００Ｖの範囲に調整された電圧を印加し、かつ、１．６〜２．４ｃａｌ／ｓ／ｃｍ２の範囲に調整された抜熱速度で電気分解をおこない、前記壁面の一部もしくは全部の表面に、中空セルのそれぞれが隣接する中空セルと結合する結合領域と、３以上の隣接する中空セル間において中空セル同士が結合していない非結合領域を備えた構造を呈している陽極酸化被膜を有する内燃機関を製造するものである。
【００３０】
既述するミクロ構造の陽極酸化被膜を内燃機関の燃焼室の壁面の一部もしくは全部に形成するための陽極酸化処理の条件として、本発明者等によれば、壁面の一部もしくは全部が浸漬される酸性電解液内の陽極および陰極間に最大電圧が１３０〜２００Ｖの範囲に調整された電圧を印加し、かつ、１．６〜２．４ｃａｌ／ｓ／ｃｍ２の範囲に調整された抜熱速度で電気分解をおこなうのがよいとの知見が得られている。すなわち、上記する条件の下で電気分解をおこなうことにより、成膜される陽極酸化被膜の底部（深部）まで酸を浸透させることができ、陽極酸化被膜の底部に至る全範囲の第１、第２の空隙を所望の大きさで生成することができる。
【００３１】
ここで、「抜熱速度」とは、電解液が単位時間、単位面積当たりに奪う熱量のことであり、１．６〜２．４ｃａｌ／ｓ／ｃｍ２の範囲の抜熱速度とすることで、電解液の温度が−５〜５℃の範囲に調整されることとなる。
【００３２】
また、本発明による内燃機関の製造方法の他の実施の形態は、前記壁面の一部もしくは全部を酸性電解液内に浸漬して陽極とし、該酸性電解液内に陰極を形成して両極間に最大で１３０〜２００Ｖの範囲に調整された電圧を印加し、かつ、１．６〜２．４ｃａｌ／ｓ／ｃｍ２の範囲に調整された抜熱速度で電気分解をおこない、前記壁面の一部もしくは全部の表面に、中空セルのそれぞれが隣接する中空セルと結合する結合領域と、３以上の隣接する中空セル間において中空セル同士が結合していない非結合領域を備えた構造を呈している陽極酸化被膜の中間体を形成する第１の工程、前記陽極酸化被膜の中間体をその表面に具備する前記壁面の一部もしくは全部を酸による孔拡大処理にて空隙を広げ、中空セル内にある第１の空隙と前記非結合領域を形成する第２の空隙から規定される気孔率を調整する第２の工程からなるものである。
【００３３】
本実施の形態の製造方法は、既述する製造方法と同様の条件下にて電気分解してなる陽極酸化被膜（本実施の形態では中間体）に対して、さらに、孔拡大処理にて第１、第２の空隙をより一層広げることにより、所望する範囲内の気孔率をより一層確実に形成することを保証する製造方法である。
【００３４】
具体的には、第１の工程で製造された陽極酸化被膜の中間体に対して、次に、この中間体を別途の酸による孔拡大処理（酸エッチング処理であって空隙を大きくするための処理）することで、中空セルの内部を溶かして第１の空隙を拡大させ、これと同時に中空セル間の第２の空隙周りも溶かして第２の空隙を拡大させ、全体の気孔率の調整をおこなうことで、低熱伝導かつ低熱容量で圧力緩和性能、熱応力緩和性能に優れた陽極酸化被膜を燃焼室の壁面の一部もしくは全部に備えた内燃機関を製造することができる。
【００３５】
そして、本発明の製造方法においても、陽極酸化被膜の厚みを１００〜５００μｍの範囲に調整するのが好ましく、気孔率が１５〜４０％の範囲に調整されるのが好ましく、したがって中空セルの有する第１の空隙の平均孔径：φと中空セルの平均セル直径：ｄの比：φ／ｄが０．３〜０．６の範囲に調整されるのが好ましい。
【００３６】
さらに、本発明による内燃機関の製造方法の好ましい実施の形態は、前記陽極酸化被膜を形成後に、沸騰水または水蒸気による封孔処理、もしくは孔を具備しない薄膜でのコーティング処理、もしくは双方の処理を施す工程をさらに備える製造方法である。
【００３７】
既述する本発明の内燃機関と同様に、陽極酸化被膜内に燃料や燃焼ガスが染み込むのを防止するために封孔処理をおこない、もしくは薄膜を表面コーティングし、もしくはそれらの双方をおこなう工程をさらに有するものであり、たとえば薄膜を表面コーティングする場合には、生成された陽極酸化被膜の表面に水硝子等の無機系封止材等を薄層にコーティングすることにより、その内部に燃料や混合ガス等が浸透するのが防止されて陽極酸化被膜の有する種々の性能を保証することができる。
【発明の効果】
【００３８】
以上の説明から理解できるように、本発明の内燃機関とその製造方法によれば、中空セルがその内部に空隙（第１の空隙）を有し、さらに隣接する中空セル同士のたとえば３重点にも空隙（第２の空隙）を有して、中空セル同士が接触する結合領域で化学結合した構造を呈する陽極酸化被膜が内燃機関の燃焼室の壁面の一部もしくは全部に形成されていることにより、低熱伝導および低熱容量で断熱性に優れ、燃焼室内での燃焼時の爆発圧等や熱膨張−収縮の繰り返し応力の緩和性能にも優れ、もって高耐久な被膜を具備する内燃機関を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の内燃機関の一実施の形態の縦断面図である。
【図２】（ａ）は、内燃機関の燃焼室に臨む陽極酸化被膜のミクロ構造を説明した斜視図であって、その表面の薄膜とともに示した図であり、（ｂ）は縦断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）はともに、本発明の内燃機関の製造方法の実施の形態のフロー図である。
【図４】内燃機関の製造方法の第１の工程における最大電圧範囲と抜熱速度範囲を示すとともにそれ以外の範囲を説明したマトリックス図である。
【図５】（ａ）は比較例（硬質アルマイト領域）の陽極酸化被膜の陽極酸化処理（第１の工程）後の被膜表面の断面のＳＥＭ写真図であり、（ｂ）は比較例の陽極酸化被膜の陽極酸化処理後の被膜底面の断面のＳＥＭ写真図であり、（ｃ）は実施例（発明領域）の陽極酸化被膜の陽極酸化処理後の被膜表面の断面のＳＥＭ写真図であり、（ｄ）は実施例の陽極酸化被膜の陽極酸化処理後の被膜底面の断面のＳＥＭ写真図である。
【図６】（ａ）は比較例（硬質アルマイト領域）の陽極酸化被膜の孔拡大処理（第２の工程）後の被膜表面の断面のＳＥＭ写真図であり、（ｂ）は比較例の陽極酸化被膜の孔拡大処理後の被膜底面の断面のＳＥＭ写真図であり、（ｃ）は実施例（発明領域）の陽極酸化被膜の孔拡大処理後の被膜表面の断面のＳＥＭ写真図であり、（ｄ）は実施例の陽極酸化被膜の孔拡大処理後の被膜底面の断面のＳＥＭ写真図である。
【図７】比較例（プラズマ陽極酸化領域）の陽極酸化被膜の断面のＳＥＭ写真図である。
【図８】（ａ）は実験で使用されたテストピースの元となる鋳造体を示す斜視図であり、（ｂ）は鋳造体から切り出されたテストピースを示す斜視図である。
【図９】（ａ）は冷却試験の概要を説明する模式図であり、（ｂ）は冷却試験結果に基づく冷却曲線とこれから割り出される４０℃降下時間を示す図である。
【図１０】燃費向上率と冷却試験における４０℃降下時間の相関グラフを示す図である。
【図１１】４０℃降下時間と気孔率の相関グラフを示す図である。
【図１２】マイクロビッカース硬さと気孔率の相関グラフを示す図である。
【図１３】最適な気孔率範囲に対応する、第１の空隙の平均孔径：φと中空セルの平均セル直径：ｄの比：φ／ｄを説明するグラフを示した図である。
【図１４】（ａ）は実験で使用した比較例１のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図であり、（ｂ）は比較例２のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図であり、（ｃ）は比較例３のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図である。
【図１５】（ａ）は実験で使用した実施例１のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図であり、（ｂ）は実施例２のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図であり、（ｃ）は実施例３のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図であり、（ｄ）は実施例４のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図である。
【図１６】（ａ）は実験で使用した比較例４のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図であり、（ｂ）は比較例５のアルマイトの断面のＳＥＭ写真図である。
【図１７】燃費向上率５％に相当する４０℃降下時間を満たす最大電圧範囲の下限値を規定する実験結果のグラフを示した図である。
【図１８】（ａ）は実施例および比較例の孔拡大処理時間と気孔率の相関グラフを示す図であり、（ｂ）は孔拡大処理時間と表面温度降下速度の相間グラフを示す図である。
【図１９】（ａ）は孔拡大処理がない場合の陽極酸化被膜表面のＳＥＭ写真図であり、（ｂ）は孔拡大処理が２０分おこなわれた場合の陽極酸化被膜表面のＳＥＭ写真図であり、（ｃ）は孔拡大処理が４０分おこなわれた場合の陽極酸化被膜表面のＳＥＭ写真図である。
【図２０】燃焼室の壁面に本発明の内燃機関を構成する低熱伝導率・低熱容量の遮熱膜（陽極酸化被膜）を形成することによる燃費向上のメカニズムの説明に際し、クランク角ごとの筒内ガス温度や一般的な壁表面の温度、本発明の内燃機関を構成する陽極酸化被膜の膜表面温度を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面を参照して本発明の内燃機関とその製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示例は内燃機関の燃焼室に臨む壁面の全部に陽極酸化被膜が形成された形態を示しているが、ピストンの頂面のみ、もしくはバルブの頂面のみ等、燃焼室に臨む壁面の一部のみに陽極酸化被膜が形成された形態であってもよい。
【００４１】
図１は、本発明の内燃機関の一実施の形態の縦断面図であり、図２は、内燃機関の燃焼室に臨む陽極酸化被膜のミクロ構造を薄膜とともに示した図であり、図３は、本発明の内燃機関の製造方法の一実施の形態のフロー図である。
【００４２】
図示する内燃機関１０は、ディーゼルエンジンをその対象としたものであり、その内部に冷却水ジャケット１１が形成されたシリンダブロック１と、シリンダブロック１上に配設されたシリンダヘッド２と、シリンダヘッド２内に画成された吸気ポート２１および排気ポート２２とそれらが燃焼室ＮＳに臨む開口に昇降自在に装着された吸気バルブ３および排気バルブ４と、シリンダブロック１の下方開口から昇降自在に形成されたピストン５から大略構成されている。なお、本発明の内燃機関がガソリンエンジンを対象としたものであってもよいことは勿論のことである。
【００４３】
この内燃機関１０を構成する各構成部材はともにアルミニウムもしくはその合金から形成されている。なお、構成部材がアルミニウムもしくはその合金以外の素材で形成され、かつ、構成部材の表面がアルミニウムもしくはその合金にてアルミ化されている形態であってもよい。
【００４４】
また、内燃機関１０の各構成部材で画成された燃焼室ＮＳ内には、それらが燃焼室ＮＳに臨む壁面（シリンダボア面１２、シリンダヘッド底面２３、ピストン頂面５１、バルブ頂面３１，４１）において、所定の厚みを有し、かつ図２で示すミクロ構造を呈する陽極酸化被膜６１，６２，６３，６４が形成されている。
【００４５】
シリンダボア面１２の表面に形成された陽極酸化被膜６１を代表として取り上げてそのミクロ構造およびその製造方法を説明する。
【００４６】
アルミニウムもしくはその合金からなるシリンダボア面１２の表面に形成された陽極酸化被膜６１はアルマイトであるが、この陽極酸化被膜６１は内部に第１の空隙Ｋ１を具備する多数の中空セルＣから形成されており、より具体的には、中空セルＣのそれぞれが隣接する中空セルＣ，Ｃと化学結合するとともに、３重点等の３以上の隣接する中空セルＣ，…間において中空セル同士が結合していない非結合領域に別途の第２の空隙Ｋ２を備えたミクロ構造を呈した被膜となっている。
【００４７】
従来の陽極酸化被膜は、図示する陽極酸化被膜６１のように３以上の隣接する中空セルＣ，…間における第２の空隙Ｋ２を備えた構造を呈しておらず、内部に空隙を有する中空セル同士が相互に隙間なく化学結合しているものである。
【００４８】
これに対して、図示する陽極酸化被膜６１は中空セルＣの内部の第１の空隙と、中空セルＣ、…同士が結合していない非結合領域にある別途の第２の空隙Ｋ２を有しており、これら第１の空隙Ｋ１と第２の空隙Ｋ２からその気孔率が規定される。これら第１の空隙Ｋ１の大きさの調整や、第２の空隙Ｋ２の生成およびその大きさの調整は、陽極酸化被膜を成膜する電気分解の際の最大電圧や酸性電解液の温度（もしくは抜熱速度）を所望に調整するとともに、後工程である酸エッチング処理等からなる孔拡大処理によっておこなわれるものである。
【００４９】
この気孔率は、後述する本発明者等による実験により、１５〜４０％の範囲に調整されているのが望ましい。そして、この気孔率は陽極酸化被膜の厚み中央部を切断し、イオン研磨したものをＳＥＭ画像解析にて測定することにより、その範囲の特定が可能である。
また、第１の空隙Ｋ１の平均孔径：φと中空セルＣの平均セル直径：ｄの比：φ／ｄに関しては、上記する１５〜４０％の気孔率範囲に対応するφ／ｄが０．３〜０．６の範囲となる。
【００５０】
さらに、陽極酸化被膜６１の厚み：ｔ１は、１００〜５００μｍの範囲に調整されているのが望ましいこともまた本発明者等によって実証されている。すなわち、本発明者等によれば、断熱性能を有する陽極酸化被膜の厚みが１００μｍを下回ると燃焼サイクル中の被膜表面の温度上昇が不十分で断熱性能が不十分となり、燃費改善を達成できない。そのため、この燃費改善性能を保証するための最低限の厚みを１００μｍに規定したものである。一方、陽極酸化被膜の厚みが５００μｍを超えてしまうと、今度はその熱容量が大きくなってしまい、陽極酸化被膜自体が熱を溜め易くなってしまうことでスイング特性が阻害されることもまた本発明者等によって特定されている。さらに、５００μｍより厚いアルマイト等を成膜すること自体極めて困難であることから、製造効率性、製造容易性の観点からも陽極酸化被膜の厚みの上限は５００μｍとなる。なお、この膜厚の測定は、たとえば渦電流式膜厚測定機を使用し、１０点の平均を取る等してその特定をおこなうことができる。
【００５１】
陽極酸化被膜６１が第１の空隙Ｋ１を有する中空セルＣの３重点等に別途の第２の空隙Ｋ２を具備するミクロ構造を呈していることにより、低熱伝導率と低熱容量の双方の性能を有するとともに、燃焼室ＮＳ内での燃焼時の爆発圧や噴射圧といった圧力緩和性能や熱膨張−収縮の繰り返し応力を緩和する性能をも有することになる。
【００５２】
また、上記するように、その厚みが１００〜５００μｍの範囲に調整されていることによって、その製造容易性を担保し、かつ断熱性能を具備しながらも、燃焼室ＮＳ内のガス温度に陽極酸化被膜の温度が追随する、いわゆるスイング特性を有する被膜となる。
【００５３】
さらに、第１の空隙Ｋ１と第２の空隙Ｋ２から規定される気孔率の範囲が１５〜４０％の範囲に調整されていることにより、たとえば乗用車用の小型過給直接噴射ディーゼルエンジンであって、機関回転数が２１００ｒｐｍ、図示平均有効圧力が１．６ＭＰａ相当の燃費最良点において、最大５％の燃費向上が得られることが本発明者等によって見積もられている。また、燃費向上と同時に、遮熱によって排気ガス温度が約１５℃上昇することにより、スタート直後におけるＮＯＸ低減触媒の暖気時間の短縮化に繋がり、ＮＯＸ浄化率が向上してＮＯＸ低減を実現できる。
【００５４】
陽極酸化被膜６１の表面には、第１、第２の空隙Ｋ１，Ｋ２を具備する陽極酸化被膜６１内に燃料や燃焼ガスが染み込むのを防止するために、水硝子等の無機系封止材等を陽極酸化被膜６１に比して薄層にコーティングされた薄膜７が形成されている。
【００５５】
この薄膜７の厚み：ｔ２は、陽極酸化被膜が既述する種々の性能を発揮すること、および膜厚が厚くなり過ぎないことの双方の観点から、上記する１００〜５００μｍの膜厚：ｔ１の陽極酸化被膜６１に対してたとえば１０μｍ程度かそれ以下の厚みに調整されているのがよい。
【００５６】
次に、図３ａのフロー図および図４を参照して図示する内燃機関１０の製造方法を概説する。ここで、図４は、内燃機関の製造方法の第１の工程における最大電圧範囲と抜熱速度範囲を示すとともにそれ以外の範囲を説明したマトリックス図である。
【００５７】
まず、各部材の燃焼室ＮＳに臨む壁面を不図示の硫酸等の酸性電解液内に浸漬して陽極とし、酸性電解液内に陰極を形成して両極間に最大電圧が１３０〜２００Ｖの範囲に調整された電圧を印加し、かつ、１．６〜２．４ｃａｌ／ｓｅｃ／ｃｍ２の範囲に調整された抜熱速度で電気分解をおこない、陽極酸化被膜を形成する（ステップＳ１）。この数値範囲に関しては後述する。
ここで、「抜熱速度」とは、電解液が単位時間、単位面積当たりに奪う熱量のことである。
【００５８】
この陽極酸化処理工程では、上記条件下で成膜がおこなわれることにより、中空セルの成長が促進されて、第１、第２の空隙を広げて気孔率が１５〜４０％の範囲に調整され、かつ、１００〜５００μｍの範囲の膜厚の被膜を成膜することができる。
【００５９】
所望する気孔率の陽極酸化被膜が生成されたら、極酸化被膜の表面を、沸騰水または水蒸気による封孔処理、もしくは孔を具備しない薄膜でのコーティング処理、もしくは双方の処理を施すことにより、陽極酸化被膜の気孔内に燃料や混合ガス等が浸透しない陽極酸化被膜が燃焼室の壁面に形成された内燃機関が製造される（ステップＳ２）。
【００６０】
一方、図３ｂは他の実施の形態の製造方法を示すフロー図である。この製造方法では、図３ａのステップＳ１と同様の方法で陽極酸化被膜の中間体を形成し（第１の工程、陽極酸化処理工程、ステップＳ１）、次いで、この中間体に対してリン酸等の酸による孔拡大処理（酸エッチング処理）をおこなうことにより、第１、第２の空隙を広げて１５〜４０％の範囲の気孔率に調整する（第２の工程、孔拡大処理工程、ステップＳ２）。すなわち、この形態の製造方法では、この第２のステップを有することにより、１５〜４０％の範囲の気孔率の調整がより一層保証される。
【００６１】
所望する気孔率となるようにその調整がおこなわれて所望厚の陽極酸化被膜が生成されたら、図３ａの製造方法と同様に極酸化被膜の表面に封孔処理やコーティング処理、もしくは双方の処理をおこなうことで内燃機関が製造される（ステップＳ３）。
【００６２】
図４は、本発明者等によって作成された酸性電解液内の電極間に印加される最大電圧範囲と抜熱速度範囲によって規定される本発明の第１の工程の各条件範囲（図中の発明領域）と、この範囲外の領域をマトリックスで示したものである。
【００６３】
最大電圧が１３０〜２００Ｖの範囲、抜熱速度１．６〜２．４ｃａｌ／ｓ／ｃｍ２の範囲にそれぞれ調整されることで、この陽極酸化処理工程において陽極酸化被膜を所望の厚みに成膜するとともに、この段階において所望する大きさの第１、第２の空隙を形成することができる（後工程での孔拡大処理工程によって所望する気孔率の空隙を形成するための前処理として、この段階である程度の大きさの空隙としておく）。
【００６４】
本発明者等によれば、１．６〜２．４ｃａｌ／ｓ／ｃｍ２の範囲の抜熱速度で、かつ電解液の温度が−５〜５℃の範囲に調整されることが望ましい。なお、この抜熱速度の調整は、電解液の温度と電解液の攪拌回転数の双方で調整することができる。
【００６５】
そして、発明領域と同様の抜熱速度領域であって、発明領域よりも最大電圧が低い領域（１００Ｖ未満の最大電圧）は、中空セルの大きさが小さくなってしまい、セル間の第２の空隙が形成されない硬質アルマイト領域となる。
【００６６】
一方、発明領域と同様の抜熱速度領域であって、発明領域よりも最大電圧が高い領域（２００Ｖを超える最大電圧）は、中空セルが形成されないプラズマ陽極酸化領域となる。
【００６７】
さらに、発明領域よりも低い抜熱速度領域では、陽極酸化被膜が１００μｍ以上の所望する膜厚を形成することができず、セル間が化学結合にて連結しない被膜が成膜されることが特定されている。
【００６８】
ここで、図４で示す発明領域にて成膜した陽極酸化被膜（実施例）と、硬質アルマイト領域（硬質領域）で成膜した陽極酸化被膜（比較例）およびプラズマ陽極酸化領域（プラズマ領域）で成膜した陽極酸化被膜（比較例）の処理条件を以下の表１，２に示す。また、実施例と各比較例のＳＥＭ写真図を図５，６，７に示す。より具体的には、実施例の陽極酸化処理後の被膜表面（燃焼室側）の断面のＳＥＭ写真図を図５ｃ、被膜底面（被膜が形成された部材表面側）の断面のＳＥＭ写真図を図５ｄに示しており、比較例（硬質アルマイト領域）の陽極酸化処理後の被膜表面の断面のＳＥＭ写真図を図５ａ、被膜底面の断面のＳＥＭ写真図を図５ｂに示している。また、実施例の孔拡大処理後の被膜表面の断面のＳＥＭ写真図を図６ｃ、被膜底面の断面のＳＥＭ写真図を図６ｄに示しており、比較例（硬質アルマイト領域）の孔拡大処理後の被膜表面の断面のＳＥＭ写真図を図６ａ、被膜底面の断面のＳＥＭ写真図を図６ｂに示している。さらに、比較例（プラズマ陽極酸化領域）の陽極酸化被膜の断面のＳＥＭ写真図を図７に示している。
【００６９】
【表１】
0005315308.tif 000002
【００７０】
【表２】
0005315308.tif 000003
【００７１】
図５，６より、実施例の被膜は、陽極酸化処理によってその表面も底面もともにある程度の大きさの空隙を具備したある程度の大きさの中空セルが生成されており、孔拡大処理によってセルの一部が溶けてセル内の空隙もセル間の３重点等にある空隙も大きな空隙となっており、かつ各セルは大きな外径を有して相互に結合（化学結合）していることが確認できる。
【００７２】
これに対して、硬質アルマイト領域にて成膜された比較例の被膜は陽極酸化処理の段階で極めて小さな空隙しか生成されておらず、孔拡大処理によってもセル内の空隙はわずかに拡大するだけで大きさとしては不十分であり、かつセル間の３重点等に空隙はできていない。
【００７３】
また、図７より、プラズマ陽極酸化領域にて成膜された比較例の被膜は中空セル自体の生成が確認できない。
【００７４】
[気孔率範囲を特定する実験とその結果]
本発明者等は、冷却試験とマイクロビッカース硬さ試験、および燃費向上率から陽極酸化被膜における最適な気孔率範囲を特定する実験をおこなった。まず、冷却試験の実施に当たり、表３で示す成分組成のアルミニウム合金を不図示の鋳造金型（３０ｋｇ溶解炉を用いて大気溶解し、７００℃で鋳造）にて鋳造して図８ａで示す鋳造体を製作し、これを図８ｂで示すように厚み１ｍｍで切り出してテストピースを製作した。このテストピースの片面に陽極酸化被膜を成膜したものを使用して冷却試験を実施した。
【００７５】
【表３】
0005315308.tif 000004
【００７６】
この冷却試験の概要は、図９ａで示すように、片面のみに陽極酸化被膜を施したテストピースＴＰを用い、背面（陽極酸化被膜を施していない面）を７５０℃の高温噴射で加熱して（図中のHeat）テストピースＴＰの全体を２５０℃程度に安定させ、予め所定の流速で室温噴流を流しておいたノズルをリニアモーターでテストピースＴＰの正面（陽極酸化被膜を施している面）に移動させて冷却を開始する（２５℃の冷却エアー（図中のAir）を提供するものであり、この際に背面の高温噴射は継続する）。テストピースＴＰの陽極酸化被膜表面の温度をその外部にある放射温度計で測定し、その冷却時の温度低下を測定して、図９ｂで示す冷却曲線を作成する。この冷却試験は燃焼室内壁の吸気行程を模擬した試験方法であり、加熱された断熱被膜表面の冷却速度を評価するものである。なお、低熱伝導率で低熱容量の断熱被膜の場合には急冷速度が速くなる傾向を示す。
【００７７】
作成された冷却曲線から４０℃低下するのに要する時間を読み取り、４０℃降下時間として被膜の熱特性を評価する。
【００７８】
本実験では、図９ｂで示すように２５０℃程度で安定した１００ｍｓから正面冷却を開始し、４０℃降下時間として４５ｍｓが測定されている。
【００７９】
一方、本発明者等によれば、実験の際に、計測誤差として埋もれることなく燃費向上率を明確に証明でき、かつ、排気ガス温度の上昇によってＮＯＸ低減触媒の暖気時間を短縮し、ＮＯＸ低減を実現できる値として燃費向上率５％を本発明の内燃機関の燃焼室を構成する陽極酸化被膜の性能によって達成する一つの目標値とし、これを達成するための気孔率の範囲を特定する。ここで、図１０には、本発明者等によって特定されている燃費向上率と冷却試験における４０℃降下時間の相関グラフを示している。
【００８０】
燃費向上率８％、５％、２．５％、１．３％に対応する４０℃降下時間を求めた結果に基づいて図１０で示すごとく近似曲線（２次曲線）が作成される。なお、燃費向上率５％に対応する４０℃降下時間は図９ｂで特定された４５ｍｓに一致している。
【００８１】
ここで、冷却試験と気孔率の関係、マイクロビッカース硬さと気孔率の関係を示す各相関グラフの作成に当たり、以下の表４で示す陽極酸化処理工程条件（および実施例に関しては孔拡大処理工程条件）下で、比較例１〜５、実施例１〜４の９種類の気孔率の相違する陽極酸化被膜のテストピースを作成した。各テストピースの陽極酸化被膜厚、気孔率、マイクロビッカース硬さ、および４０℃降下時間に関する測定結果を表５に示す。
【００８２】
なお、マイクロビッカース硬さ試験では、陽極酸化被膜の断面中央部のマイクロビッカース硬さを測定するものとし、測定荷重を０．０２５ｋｇで各テストピースともに５点の測定点の平均値をマイクロビッカース硬さとしている。
【００８３】
【表４】
0005315308.tif 000005
【００８４】
【表５】
0005315308.tif 000006
【００８５】
冷却試験と気孔率の関係を特定するに当たり、比較例１〜５および実施例１〜４の各テストピースに対して図９ａで示す方法で実験をおこない、その結果を図１１のようにプロットしてその近似曲線を求めた。近似曲線と燃費向上率１％、２％、５％に相当する４０℃降下時間（１％は１１０ｍｓｅｃ、２％は８０ｍｓｅｃ、５％は４５ｍｓｅｃ）、およびアルミ母材の４０℃降下時間閾値（４４０ｍｓｅｃ）をともに図１１に示している。
【００８６】
図１１および表５より、燃費向上率５％に相当する４０℃降下時間閾値となる４５ｍｓｅｃと各テストピースの近似曲線との交点の気孔率は１５％であり、これを陽極酸化被膜の気孔率の数値限定範囲の下限値に規定する。なお、表５より、比較例１〜３の各テストピースはともに４０℃降下時間が４５ｍｓｅｃを超えており、これらの陽極酸化被膜では燃費向上率５％を達成するのが困難であることが実証されている。
【００８７】
また、図１２には、各テストピースのマイクロビッカース硬さおよび気孔率をプロットし、これらの近似曲線を示すとともに、アルミ母材の硬さの閾値範囲であるＨＶ０．０２５：１１０〜１５０の範囲をグレーで示している。
【００８８】
図１２および表５より、近似曲線と母材であるアルミニウムのマイクロビッカース硬さ１１０の交点の気孔率は４０％であり、これを陽極酸化被膜の気孔率の数値限定範囲の上限値に規定する。
【００８９】
以上の結果から、内燃機関の燃焼室の壁面に形成されるアルマイト（陽極酸化被膜）の気孔率の最適範囲を１５〜４０％の範囲に規定することができる。
【００９０】
また、表５のφ／ｄと気孔率の相関グラフを図１３に示している。同図より、気孔率１５〜４０％の最適範囲に対応するφ／ｄ範囲は０．３〜０．６となることが分かる。なお、φ／ｄ範囲が０．３〜０．６の範囲にあっても、比較例３，５のように、気孔率が１５％を下回る、もしくは４０％を上回るものは本発明の内燃機関の燃焼室に形成される陽極酸化被膜の最適な実施例とは言えないため、気孔率の上記最適範囲を前提として、φ／ｄの最適範囲が上記のように設定されることになる。
【００９１】
また、図１４、１５、１６には、各実施例および比較例の断面のＳＥＭ写真図を示している。より具体的には、図１４ａは比較例１、図１４ｂは比較例２、図１４ｃは比較例３、図１５ａは実施例１、図１５ｂは実施例２、図１５ｃは実施例３、図１５ｄは実施例４、図１６ａは比較例４、図１６ｂは比較例５の各アルマイトの断面のＳＥＭ写真図である。
【００９２】
各図より、比較例のものは十分な大きさの気孔を有しておらず、またセル間に十分な隙間が存在しないもの（比較例１，２，３）や、空隙が大き過ぎたり、セル同士が十分に化学結合していないもの（比較例４，５）が確認できる。それに対して、実施例のものは、セルがある程度の大きさの空隙を内部に備えるとともに、セル間の３重点においてもある程度の大きさの空隙（非結合領域）を有し、しかもこの空隙が大き過ぎないことによってセル同士は点または面で化学結合した結合領域を具備していることが確認できる。
【００９３】
[最大電圧と表面温度降下速度の関係を特定するための実験とその結果]
本発明者等は、以下の表６で示すように、陽極酸化処理の際の最高電圧を種々変化させ、各最高電圧によるテストピースにおける表面温度降下速度（４０℃降下時間）を測定した。この測定結果をプロットして、プロット値の近似曲線を作成したものを図１７に示している。
【００９４】
【表６】
0005315308.tif 000007
【００９５】
表６および図１７より、各テストピースの表面温度降下速度の測定値と燃費向上率５％に相当する表面温度降下速度４５（ｍｓ／４０℃）の閾値の交点の最大電圧は１３０Ｖであり、最大電圧がこれ以上であれば特性も良好となることから、陽極酸化処理工程における印加電圧の下限値：１３０Ｖの根拠が本実験にて担保されている。なお、印加電圧の上限値：２００Ｖは、これを超えた領域でプラズマ陽極酸化領域になるという知見に基づいている。
【００９６】
[陽極酸化被膜の孔拡大処理時間と気孔率および表面温度降下速度の関係を特定するための実験とその結果]
本発明者等は、孔拡大処理時間と気孔率および表面温度降下速度の関係を特定するための実験をおこなった。具体的には、図４で示す硬質アルマイト領域と発明領域で陽極酸化処理をおこなって成膜したものに対してそれぞれ、孔拡大処理時間が０分、２０分、４０分で処理して生成された陽極酸化被膜の気孔率と表面温度降下速度を測定した。以下、表７に各テストピースの陽極酸化処理工程および孔拡大処理工程の各種条件と、測定された被膜厚平均と気孔率、および表面温度降下速度を示している。また、図１８ａに孔拡大処理時間と気孔率の相間グラフを示しており、図１８ｂに孔拡大処理時間と表面温度降下速度の相間グラフを示している。さらに、図１９ａ，ｂ，ｃにそれぞれ、陽極酸化処理工程が発明領域であって孔拡大処理時間が０分（孔拡大処理なし）、２０分、４０分で処理された陽極酸化被膜の被膜表面のＳＥＭ写真図を示している。
【００９７】
【表７】
0005315308.tif 000008
【００９８】
表７および図１８ａより、陽極酸化処理工程が発明領域にあるものは最終的に成膜された被膜の気孔率が２０％以上となっている。しかし、孔拡大処理を４０分実施すると、表７、図１８ａ，ｂより、気孔率は４０％をわずかに超え、表面温度降下速度も４５ｍｓｅｃをわずかに超えることから、４０分未満で孔拡大処理をおこなうのがよいことが実証されている。
【００９９】
また、図１９ａ，ｂ，ｃの各ＳＥＭ写真図より、孔拡大処理のない図１９ａの写真図では被膜の気孔が十分でなく、４０分の孔拡大処理が実施された図１９ｃでは被膜の気孔が大き過ぎるのに対して（ポーラス組織が破壊されることによる）、２０分の孔拡大処理が実施された図１９ｂでは、被膜が気孔を具備しながらも、セル同士が結び付いていることによってある程度の密実性を有していることが確認できる。
【０１００】
[ディーゼルエンジンでの実機性能評価実験とその結果]
本発明者等はさらに、以下の諸条件の下でアルマイト被膜をエンジンの燃焼室のピストン頂面にのみ形成し、その燃費向上率やＮＯＸ増減率等のエンジン性能を測定した。
【０１０１】
ここで、使用エンジン諸元は、水冷横型単気筒DIディーゼルエンジンでφ78×80（382cc）、5.1kW@2600rpmであり、アルマイト諸元は膜厚が150μm（封孔処理後：沸騰水処理）で気孔率：15％相当である。アルマイト処理した部品はディーゼルピストンの頂面の前面（燃焼室のピストン側のみ）であり、燃焼室に臨む他の部材であるシリンダヘッドやバルブ、シリンダブロックへのアルマイト処理はおこなっていない。
【０１０２】
エンジン性能を示す３つの指標を測定したところ、燃費向上率は1.3％の向上（改善）、スモーク増減率は29％の低減、ＮＯＸ増減率は4％の低減という結果が得られた。
【０１０３】
本発明者等によれば、ディーゼルエンジンの燃焼室に臨む壁面のうち、ピストン頂面のみにアルマイト被膜を形成した場合に比して、全壁面に同様のアルマイト被膜を形成した場合は2.5倍程度の燃費向上率を達成できることが見積もられている。また、前記の無過給（自然吸気）のＤＩディーゼルエンジンに比して、過給機付きのディーゼルエンジンでは同様の被膜を形成した際に1.6倍程度の燃費向上率の増加が認められることが見積もられている。従って、過給機付き直填ディーゼルエンジンの燃焼室全体に本発明の構成要素である被膜を形成すると、5％の熱効率向上が達成できる。
【０１０４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１０５】
１…シリンダブロック、１１…冷却水ジャケット、１２…シリンダボア面（壁面）、２…シリンダヘッド、２１…吸気ポート、２２…排気ポート、２３…シリンダヘッド底面（壁面）、３…吸気バルブ、３１…バルブ頂面（壁面）、４…排気バルブ、４１…バルブ頂面（壁面）、５…ピストン、５１…ピストン頂面（壁面）、１０…内燃機関、６１，６２，６３，６４…陽極酸化被膜、７…孔を具備しない薄膜、ＮＳ…燃焼室、Ｃ…中空セル、Ｋ１…第１の空隙、Ｋ２…第２の空隙
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0005315308.tif 000022
【図１５】
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【図１６】
0005315308.tif 000024
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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