CN110685814B - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明是在面向燃烧室的铝系壁面的至少一部分形成有阳极氧化被膜的内燃机。所述阳极氧化被膜具有纳米孔、第1微米孔和第2微米孔，所述纳米孔为多个，沿所述阳极氧化被膜的大致厚度方向延伸，所述第1微米孔自该阳极氧化被膜的表面朝向内部延伸，所述第2微米孔存在于该阳极氧化被膜的内部，所述纳米孔的表面开口直径为0nm以上且小于30nm，所述纳米孔的内部直径大于所述表面开口直径，所述阳极氧化被膜的膜厚为15μm～130μm，所述阳极氧化被膜的气孔率为23％以上。

Description

内燃机
技术领域
本公开涉及一种内燃机。
背景技术
汽油发动机、柴油发动机等内燃机主要由发动机缸体、缸盖以及活塞构成。其燃烧室由缸体的缸孔表面、装入于该孔的活塞顶面、缸盖的底面和配置在缸盖内的进气门以及排气门的顶面构成。随着最近的内燃机所要求的高输出化，谋求降低该内燃机的冷却损失。作为降低该冷却损失的方案之一，能够举出在燃烧室的内壁形成隔热被膜的方法。
形成于燃烧室的壁面的隔热被膜，最好由当然具有耐热性和隔热性，并且低导热系数和低热容量的原料形成。即，为了稳定地不使壁温度上升，隔热被膜最好为低热容量，以在进气行程中使壁温度追随着新鲜空气温度下降。此外，最好是在该低导热系数以及低热容量的基础上，还能够承受燃烧室内的燃烧时的爆发压力、喷射压力以及热膨胀与热收缩的交变应力的被膜以及与缸体等的母材的密合性高的被膜。
作为上述这样的隔热被膜的例子，能够使用阳极氧化被膜。通过在面向(日文：臨む)内燃机的燃烧室的壁面形成有阳极氧化被膜，能够制作隔热性优异、此外为低热传导性且具有低热容量的内燃机。并且，在上述这些性能的基础上，具有优异的摇摆(日文：スイング)特性也是阳极氧化被膜另外要求的重要的性能。这里，“摇摆特性”是指虽然具备隔热性能，但阳极氧化被膜的温度却追随于燃烧室内的气体温度的特性。
作为对具有形成于面向燃烧室的壁面的阳极氧化被膜的内燃机进行公开的文献，例如能够举出下述日本特开2013-60620以及日本特开2015-31226。
在日本特开2013-60620中公开了一种内燃机，该内燃机在面向燃烧室的壁面的一部分或全部形成有阳极氧化被膜，上述阳极氧化被膜在内部具有空隙和与该空隙相比是微小的纳米孔，该空隙的至少一部分由密封剂转化而成的密封物密封，该纳米孔的至少一部分呈未被密封的构造。在日本特开2013-60620中，在阳极氧化被膜的表面上配置有密封物。
在日本特开2015-31226中公开了一种内燃机，该内燃机在面向燃烧室的铝系壁面的一部分或全部形成有阳极氧化被膜，上述阳极氧化被膜的膜厚在30μm～170μm的范围内，上述阳极氧化被膜具有从该阳极氧化被膜的表面朝向内部沿该阳极氧化被膜的厚度方向或大致厚度方向延伸的、直径为微米尺寸的第1微米孔以及直径为纳米尺寸的纳米孔，和位于该阳极氧化被膜的内部且直径为微米尺寸的第2微米孔，上述第1微米孔以及上述纳米孔的至少一部分由密封剂转化而成的密封物密封，上述第2微米孔的至少一部分呈未被密封的构造。在日本特开2015-31226中，与日本特开2013-60620同样，也在阳极氧化被膜的表面上配置有密封物。
发明内容
在日本特开2013-60620以及日本特开2015-31226中，通过在阳极氧化被膜之上配置密封物，提高了被膜强度。但是，当使用密封剂时，由于存在于阳极氧化被膜的孔被密封，所以为了获得良好的摇摆特性而重要的气孔率下降。另外，由于密封剂的存在，使热容量增加，有时不能获得良好的摇摆特性。此外，需要进行配置密封剂的作业、材料等，所以使成本增加。
另一方面，在单纯地消除密封剂时，发生燃烧气体向纳米孔的侵入。当发生燃烧气体向纳米孔的进入时，气体所进入的部分的隔热效果减小，所以作为膜整体的隔热效果下降。结果，为了施加充分的隔热性，变得需要加厚阳极氧化被膜。但是，若加厚阳极氧化被膜，这就导致摇摆特性的下降。
本公开提供一种形成有具有良好的隔热性以及摇摆特性的阳极氧化被膜的内燃机。
(1)本发明的技术方案涉及一种在面向燃烧室的铝系壁面的至少一部分具备阳极氧化被膜的内燃机。上述阳极氧化被膜具有沿上述阳极氧化被膜的大致厚度方向延伸的多个纳米孔、自该阳极氧化被膜的表面朝向内部延伸的第1微米孔、和存在于该阳极氧化被膜的内部的第2微米孔。上述纳米孔在上述阳极氧化被膜的表面的表面开口直径为0nm以上且小于30nm。上述纳米孔在内部的内部直径大于上述表面开口直径。上述阳极氧化被膜的膜厚为15μm～130μm。上述阳极氧化被膜的气孔率为23％以上。
(2)也可以是，上述纳米孔的表面开口直径与上述内部直径之差为7nm以上。
(3)也可以是，上述纳米孔在上述阳极氧化被膜的表面不开口。
(4)也可以是，上述纳米孔的表面开口直径与上述内部直径之差为20nm以上。
(5)也可以是，形成上述铝系壁面的铝系材料包含从Si以及Cu中选择的至少1种金属，该金属在铝系材料中的含量为5质量％以上。
(6)也可以是，在上述阳极氧化被膜之上未配置密封物。
(7)也可以是，上述阳极氧化被膜暴露于上述燃烧室。
(8)也可以是，上述内燃机具备活塞，上述阳极氧化被膜至少形成于活塞顶面。
(9)也可以是，形成于上述活塞顶面的阳极氧化被膜包含膜厚为15μm～60μm的薄膜部。
(10)也可以是，上述薄膜部配置于上述活塞顶面中的实质上有助于形成翻转流的部分。
(11)也可以是，上述薄膜部以外的形成于上述活塞顶面的阳极氧化被膜的膜厚超过60μm且为100μm以下。
(12)也可以是，上述活塞顶面包含凹部(日文：キャビティ部)，在该凹部配置有上述薄膜部。
(13)也可以是，上述活塞顶面还包含气门口凹槽部(日文：バルブリセス部)，在上述凹部的基础上加之在上述气门口凹槽部也配置有上述薄膜部。
(14)也可以是，上述活塞顶面还包括挤气部，上述挤气部处的阳极氧化被膜的膜厚大于60μm且在100μm以下。
(15)也可以是，在包含上述活塞顶面的中心的中央区域配置有上述薄膜部，在位于上述中央区域的外侧的外侧区域配置的阳极氧化被膜的膜厚超过60μm且在100μm以下。
(16)也可以是，上述中央区域的面积SC与上述外侧区域的面积SO之比(SC:SO)为1:5～5:1。
采用本公开，能够提供一种形成有具有良好的隔热性以及摇摆特性的阳极氧化被膜的内燃机。
附图说明
以下，参照附图说明本发明的示例性实施例的特征、优点和技术及工业上的意义，相似的附图标记表示相似的元素，其中，
图1是用于说明本实施方式的内燃机的结构例的示意性剖视图。
图2是用于对本实施方式的内燃机的形成于面向燃烧室的铝系壁面的阳极氧化被膜的结构例进行说明的示意性剖视图。
图3是图2的I部分的放大图。
图4A是在实施例4获得的试件E4的表面的SEM图像，图4B是试件E4的内部的SEM图像。
图5A是在比较例2获得的试件C2的表面的SEM图像，图5B是试件C2的内部的SEM图像。
图6是将形成于活塞顶面的阳极氧化被膜的膜厚改变而模拟了进气效率变化率后得到的结果。
图7是将形成于活塞顶面的阳极氧化被膜的膜厚改变而模拟了冷却损失改善率后得到的结果。
图8是将形成于活塞顶面的阳极氧化被膜的膜厚改变而模拟了缸内平均气体温度差后得到的结果。
图9是表示本实施方式的内燃机的结构例的概略剖视图。
图10是表示活塞顶面的结构例的概略俯视图。
图11是表示活塞顶面的结构例的概略俯视图。
图12A是说明了冷却试验的概要的示意图。
图12B是表示基于冷却试验结果的冷却曲线和由此推断出的40℃下降时间的图。
图13是表示燃料效率提高率与冷却试验中的40℃下降时间的相关曲线图的图。
图14是表示与45msec达成气孔率和阳极氧化被膜的膜厚的关系相关的实验结果的图。
图15是表示用于形成阳极氧化被膜的装置的结构例的概略图。
具体实施方式
本实施方式的内燃机在面向燃烧室的铝系壁面的至少一部分具备阳极氧化被膜，上述阳极氧化被膜具有沿上述阳极氧化被膜的大致厚度方向延伸的多个纳米孔、自该阳极氧化被膜的表面朝向内部延伸的第1微米孔、和存在于该阳极氧化被膜的内部的第2微米孔，上述纳米孔在上述阳极氧化被膜的表面的表面开口直径为0nm以上且小于30nm，上述纳米孔在内部的内部直径大于上述表面开口直径，上述阳极氧化被膜的膜厚为15μm～130μm，上述阳极氧化被膜的气孔率为23％以上。
采用本实施方式，能够提供一种形成有具有良好的隔热性以及摇摆特性的阳极氧化被膜的内燃机。更具体而言，本实施方式使纳米孔的表面开口直径较窄。因此，能够抑制燃烧气体向纳米孔的侵入，具有较高的隔热性。另外，通过使阳极氧化被膜的膜厚较薄为15μm～130μm并且将气孔率设为规定的范围，能够实现低热容量化，并且能使阳极氧化被膜具备优异的摇摆特性。
以下，参照附图说明本实施方式的内燃机的结构。
图1是用于说明本实施方式的内燃机的结构例的示意性剖视图。在图1中，在面向燃烧室的壁面的全部形成有阳极氧化被膜10。图1中示出的内燃机N将柴油发动机作为对象，该内燃机N大致由如下部分构成，即，在内部形成有冷却水套J的缸体SB、配置在缸体SB之上的缸盖SH、在缸盖SH内划分出的进气口KP以及排气口HP、升降自如地安装于该进气口KP以及排气口HP面向燃烧室NS的开口的进气门KV以及排气门HV、和自缸体SB的下方开口升降自如地形成的活塞PS。在利用内燃机N的各构成构件划分出的燃烧室NS内，在各构成构件面向燃烧室NS的壁面(气缸孔表面SB'、缸盖底面SH'、活塞顶面PS'、气门顶面KV'、HV')形成有阳极氧化被膜10。
在本实施方式中，内燃机也可以将汽油发动机、柴油发动机的任一者作为对象。内燃机的结构如已述的那样，主要由发动机缸体、缸盖和活塞构成。其燃烧室例如由缸体的缸孔表面、装入于该缸孔的活塞顶面、缸盖的底面和配置在缸盖内的吸入门以及排气门的顶面构成。
在本实施方式中，构成内燃机的各构成构件由铝系材料构成。铝系壁面是由铝系材料构成的壁构件的壁面。作为铝系材料，例如能够举出铝、铝的合金或对铁系材料实施了镀铝后得到的材料等。铝系材料例如包含高强度铝合金。通过阳极氧化处理而形成于将铝、铝的合金作为母材的壁面的阳极氧化被膜成为铝阳极化处理膜。
图2是表示本实施方式的内燃机的形成于面向燃烧室的铝系壁面的阳极氧化被膜的结构例的概略剖视图。另外，图3是图2的I部分的放大图，是用于说明纳米孔的构造的概略剖视图。在图2中，对铝系壁面进行阳极氧化处理而形成有阳极氧化被膜1。阳极氧化被膜1具有纳米孔1c(图3)、第1微米孔1a和第2微米孔1b，上述纳米孔1c为多个，自阳极氧化被膜1的表面朝向内部沿上述阳极氧化被膜1的大致厚度方向延伸，上述第1微米孔1a自阳极氧化被膜1的表面朝向内部延伸，上述第2微米孔1b存在于阳极氧化被膜的内部。如图3所示，纳米孔1c在阳极氧化被膜的表面开口，纳米孔在阳极氧化被膜的表面的开口直径小于纳米孔在内部的开口直径。如图2所示，沿阳极氧化被膜1的大致厚度方向延伸的第1微米孔1a(龟裂)存在于在构成燃烧室的壁面的铝系壁面之上形成的阳极氧化被膜1的表面。另外，第2微米孔1b(内部缺陷)存在于阳极氧化被膜1的内部。
在本说明书中，“纳米孔”是指沿阳极氧化被膜的大致厚度方向延伸的纳米尺寸的孔。纳米尺寸是指具有与纳米孔的最大截面积(在面积达到最大的水平截面处的截面积)相同的面积的圆的直径(也称为当量圆直径(日文：円相当直径))为nm级(1nm以上且小于1μm)。纳米孔不必一定在阳极氧化被膜的表面具有开口，也可以不在被膜表面开口。另外，水平方向是指铝系壁面的表面方向。
在本说明书中，“第1微米孔”是指自阳极氧化被膜的表面向内部延伸的孔(例如龟裂)。第1微米孔在阳极氧化被膜的表面开口，具有与该第1微米孔的开口面积相同的面积的圆的直径(当量圆直径)为μm级(1μm以上)。第1微米孔通常自阳极氧化被膜的表面朝向内部沿阳极氧化被膜的大致厚度方向延伸。
在本说明书中，“第2微米孔”是指存在于阳极氧化被膜的内部的孔(例如内部缺陷)。第2微米孔不面向阳极氧化被膜的表面，即，不在阳极氧化被膜的表面开口。具有与第2微米孔的最大截面积(在面积达到最大的水平截面处的截面积)相同的面积的圆的直径为μm级(1μm以上)。例如，第2微米孔的当量圆直径在1μm～100μm的范围内。
纳米孔、第1微米孔沿阳极氧化被膜的大致厚度方向延伸。“大致厚度方向”是指包含沿自厚度方向倾斜的方向延伸的形态、自厚度方向反复曲折地蜿蜒延伸的形态等。第2微米孔包含在阳极氧化被膜的内部沿与阳极氧化被膜的厚度方向正交的方向延伸的形态、沿自与厚度方向正交的方向倾斜的方向延伸的形态和沿与厚度方向正交的方向反复曲折地延伸的形态等。
另外，对于阳极氧化被膜的截面的SEM图像照相数据和TEM图像照相数据，分别提取一定区域内的微米孔、纳米孔而测量直径(当量圆直径)，求出各个微米孔、纳米孔的直径的平均值，从而能够进行上述的纳米孔、微米孔的开口直径的测量。
在本实施方式中，阳极氧化被膜可以形成于面向燃烧室的壁面的全部，也可以只形成于该壁面的一部分。作为后者的实施方式，例如能够举出只在活塞顶面或只在气门顶面形成有被膜的形态。
在本实施方式中，通过在面向内燃机的燃烧室的铝系壁面进行阳极氧化处理，能够形成阳极氧化被膜。
在本实施方式中，纳米孔在阳极氧化被膜的表面的开口直径为0nm以上且小于30nm。当纳米孔在表面的开口直径小于30nm的情况下，能够有效地抑制气体向纳米孔的侵入。通过能够抑制燃烧气体的侵入，能够抑制隔热效果的减小。假如在无法抑制燃烧气体向被膜内部的侵入时，由于气体所侵入的部分的隔热效果减小，所以作为膜整体，隔热效果也下降。从更有效地抑制气体的侵入的观点出发，纳米孔在表面的开口直径优选为20nm以下，更优选为15nm以下，进一步优选为10nm以下，特别优选为5nm以下。此外，纳米孔在表面的开口直径更优选为0nm，即，纳米孔更优选不在阳极氧化被膜的表面开口。当纳米孔不在阳极氧化被膜的表面开口的情况下，显著地抑制气体向纳米孔的侵入。
在本实施方式中，纳米孔在内部的孔径(也称为内部直径)大于上述的在表面的开口直径。即，纳米孔在铝系壁面的阳极氧化处理时形成，纳米孔在被膜表面的开口处直径减小，从表面到一定程度的深度(例如从开口到约10μm)，直径逐渐扩大，然后保持基本恒定的截面积(水平截面积)地自表面向内部延伸。“纳米孔在内部的开口直径”是指在该保持基本恒定的截面积地延伸的孔部分的开口直径。纳米孔的内部直径例如为25nm以上、30nm以上、35nm以上、40nm以上、50nm以上。
通过根据阳极氧化被膜的表面的SEM图像求出纳米孔的当量圆直径(平均值)，能够获得纳米孔的表面开口直径。能够使用市面上销售的软件根据SEM图像求出纳米孔的当量圆直径。作为软件，例如能够举出WinROOF(三谷商事株式会社制)。
通过用横截面抛光机等自表面切削阳极氧化被膜直到规定的深度，并根据由SEM拍摄所暴露的表面而获得的图像求出纳米孔的当量圆直径，能够获得纳米孔的内部直径。与表面开口直径同样，能够使用市面上销售的软件根据SEM图像求出当量圆直径。例如能在阳极氧化被膜的厚度方向的中央测量“纳米孔的内部直径”。
图4A是在实施例4获得的试件E4的表面的SEM图像，图4B是试件E4的内部的SEM图像。如图4A所示，纳米孔在被膜表面不开口，具有对燃烧气体的侵入进行抑制的构造。另外，图5A是在比较例2获得的试件C2的表面的SEM图像，图5B是试件C2的内部的SEM图像。如图5A所示，纳米孔在被膜表面以较大的尺寸开口，具有使燃烧气体易于侵入的构造。
在本实施方式中，纳米孔的表面开口直径与内部直径之差优选为7nm以上，更优选为10nm以上，更优选为15nm以上，进一步优选为20nm以上。纳米孔的表面开口直径与内部直径之差越大，越能增加气孔率。在具体的实施方式中，纳米孔优选在被膜表面不开口，并且内部直径为20nm以上，更优选为25nm以上，进一步优选为30nm以上。
在本实施方式中，阳极氧化被膜的膜厚(图2的t)为15μm～130μm。另外，在本实施方式中，阳极氧化被膜的气孔率为23％以上。阳极氧化被膜的气孔率优选为80％以下。在本实施方式中，阳极氧化被膜是15μm～130μm的较薄的厚度，但由于纳米孔的表面开口直径比内部直径小且具有规定的气孔率，所以虽然是薄层，但隔热性却优异，并且摇摆特性优异。另外，由于阳极氧化被膜的膜厚较薄，所以阳极氧化被膜的形成所需的时间缩短，由此也能实现制造成本的削减。
通过在阳极氧化被膜的截面上的5处测量膜厚，并求出平均值，能够获得膜厚。
可以利用以下的方法测量气孔率。根据阳极氧化被膜的面积和膜厚求出被膜的体积，另外根据被膜被去除前后的重量差求出被膜的重量，算出被膜的视密度(日文：かさ密度)。使用所获得的被膜的视密度和氧化铝密度(3.9g/cm3)，利用以下的算式算出气孔率。气孔率＝1－(被膜的视密度/氧化铝密度)。
在本实施方式中，用于形成铝系壁面的铝系材料，优选包含5质量％以上的从Si以及Cu中选择的至少1种的金属。在从Si以及Cu中选择的至少1种金属在铝系材料中的含量为5质量％以上的情况下，能够促进微米孔(特别是第2微米孔)的形成，由此能够有效地提高气孔率。铝系材料中的Si的含量优选为5质量％～20质量％。另外，铝系材料中的Cu的含量优选为0.3质量％～7质量％。铝系材料中的Al的含量例如为70质量％以上、75质量％以上。另外，铝系材料中的Al的含量例如为95质量％以下、90质量％以下。另外，作为铝系材料中所包含的金属，除Al、Si以及Cu以外，还能举出例如Mg、Zn、Ni、Fe、Mn、Ti等。
能够利用冷却试验(骤冷试验)评价阳极氧化被膜的摇摆特性。在冷却试验中，使用只在单面施加了阳极氧化被膜而得到的试件，一边利用规定的高温射流持续加热背面(未施加阳极氧化被膜的面)，一边自试件的正面(形成有阳极氧化被膜的面)喷射规定温度的冷却空气而使试件的正面温度下降，测量该正面温度。并且，根据被膜表面温度和时间做成冷却曲线。并且，根据该冷却曲线评价温度下降速度。例如从曲线图读取被膜表面温度下降40℃所需的时间(40℃下降时间)，从而评价该温度下降速度。
具体而言，对多个试件实施骤冷试验，测量各个试件的40℃下降时间，关于由燃料效率提高率和40℃下降时间规定的多个图表做成近似曲线。并且，读取上述的对应于5％的燃料效率提高率的40℃下降时间的值。可知：在该值为45msec以下的情况下，具有优异的燃料效率提高效果。另外，40℃下降时间越短，被膜的导热系数以及热容量越低，燃料效率提高效果越高。
在本实施方式中，优选在阳极氧化被膜之上未配置密封物。另外，在本实施方式中，优选使阳极氧化被膜暴露于上述燃烧室。当在阳极氧化被膜之上配置有密封物时，纳米孔以及/或者第1微米孔被密封物密封，气孔率下降。另外，密封物的存在使热容量增大。因此，优选不在阳极氧化被膜之上配置密封物。
通过将铝系材料浸泡于酸性电解液(例如硫酸水溶液)并通电，制作本实施方式的阳极氧化被膜。具体而言，在制膜装置中，当在注入有电解液的状态下对电极间施加电压而进行电解时，作为阳极的铝系材料的壁面(例如活塞顶面)被氧化而形成阳极氧化被膜。为了形成本实施方式的阳极氧化被膜，可以适当地调整阳极氧化处理的条件。例如，能够利用施加电压调整阳极氧化被膜的气孔率。另外，能够根据施加时间调整阳极氧化被膜的厚度。另外，优选在制膜处理中，使用冷却装置去除氧化反应热。另外，为了去除来自材料壁面的氧化反应热，优选使电解液流流抵成膜面地进行阳极氧化处理。具体而言，能够利用具有像图15所示那样的结构的装置形成阳极氧化被膜。在图15中，作为阳极201发挥功能的铝系材料(成膜样品)的成膜面201a配置为浸泡于电解液203中。在图15中示出了阴极202。另外，排出部204配置在电解液203中，该排出部204排出电解液而产生电解液流。在图15中，排出部204配置为使排出口朝向成膜面201a，以使产生的电解液流抵达成膜面201a。通过采用上述这样的结构，能够调整来自排出口的电解液的流量，从而高效地去除成膜面的氧化反应热。通过高效地去除成膜面的氧化反应热，能够减小阳极氧化被膜的纳米孔的表面开口直径。另外，能够增大纳米孔的表面开口直径与内部直径之差。
电解液的温度例如为0℃～10℃，优选为0℃～4℃。
电流密度例如为0.1A/cm2～1.0mA/cm2。
通电时间(成膜时间)例如为5秒～180秒。
在本实施方式中，优选将阳极氧化被膜至少形成于活塞顶面。具体而言，优选在内燃机的活塞顶面整体形成有阳极氧化被膜。另外，在本实施方式中，形成于活塞顶面的阳极氧化被膜优选包含膜厚为15μm～60μm的薄膜部。
图6是改变阳极氧化被膜的膜厚而模拟了进气效率变化率后得到的结果。如图6所示，可知：当阳极氧化被膜的膜厚超过60μm时，进气效率下降。因此，在本实施方式中，从进气效率的观点出发，形成于活塞顶面的阳极氧化被膜优选包含膜厚为15μm～60μm的薄膜部。
另外，在本实施方式中，上述薄膜部优选配置于活塞顶面中的实质上有助于形成翻转流的部分。实质上有助于形成翻转流的部分是指翻转流积极地接触的部分。另外，在本实施方式中，薄膜部以外的阳极氧化被膜的膜厚优选超过60μm且为100μm以下。以下，将膜厚超过60μm且为100μm以下的阳极氧化被膜部分称为厚膜部。图7是表示改变阳极氧化被膜的膜厚而模拟了冷却损失改善率后得到的结果的曲线图。如图7所示，可知：阳极氧化被膜的膜厚越厚，隔热性越提高，所以冷却损失越得到改善。另一方面，如图8所示，可知阳极氧化被膜越厚，点火前的缸内平均气体温度差越高。当缸内平均气体温度差变高时，易于发生爆燃。在本实施方式中，在活塞顶面中的实质上有助于形成翻转流的部分配置有膜厚为15μm～60μm的薄膜部。通过使实质上有助于形成翻转流的部分的阳极氧化被膜较薄，能够有效地抑制高转速区域的进气加热(参照图6)。另外，在另一方面，在本实施方式中，从冷却损失以及爆燃的抑制的观点出发，将配置于实质上有助于形成翻转流的部分的薄膜部以外的阳极氧化被膜的膜厚设为超过60μm且为100μm以下。这从冷却损失的观点出发，优选如图7所示地使阳极氧化被膜尽量厚，但当阳极氧化被膜变得过厚时，如图8所示易于发生爆燃。因此，将阳极氧化被膜的膜厚的上限设为100μm，取得了冷却损失与爆燃的抑制的平衡。在阳极氧化被膜的膜厚为100μm以下的情况下，如根据图8可理解的那样，缸内平均气体温度差小于1℃，能够有效地抑制爆燃。由此，在本实施方式中，通过将形成于活塞顶面的阳极氧化被膜中的实质上有助于形成翻转流的部分设为薄膜部，有效地抑制进气加热，另外从冷却损失的观点出发，将其他部分设为膜厚部，但届时从爆燃的抑制的观点出发，将膜厚的上限设为100μm。由此，能够获得在进气加热的抑制、冷却损失的降低以及爆燃的抑制上取得了平衡的内燃机。
以下，具体地说明上述的实施方式。
图9是表示本实施方式的内燃机的结构例的概略剖视图。内燃机100包括缸体112、紧固于该缸体112的缸盖114以及在形成于缸体112的缸孔内往复移动的活塞120，利用缸盖114的下表面的屋脊型的缸内顶部116、缸体112的内壁112a以及活塞120的顶面(活塞顶面)划分出燃烧室130。在缸盖114形成有与燃烧室130连通的进气口140和排气口150，在进气口140和排气口150的靠燃烧室130侧的开口端部具有进气门142和排气门152。另外，在图9中分别只示出了1个进气口140以及1个排气口150，但本发明并不限定于此。通常，在缸盖114分别各配置两个进气口140以及两个排气口150。另外，在燃烧室130的大致中央，换言之在屋脊型的缸内顶部116的大致中央配置有火花塞160。
图10是表示活塞顶面的结构例的概略俯视图。另外，在图9中示出的活塞120相当于图10中的IX-IX线剖视图。如图10所示，在活塞顶面的中央区域形成有向缸盖114的相反侧(图9的下方)凹陷的凹部170。通过设置凹部170，能够抑制翻转流A(参照图9)的衰减。通过利用凹部170高效地生成翻转流，能在混合气体内诱发乱流，提高燃烧速度。另外，有时也将翻转流利用为供气层状化的手段。喷射器(未图示)通常以前端部面向凹部170的中央的状态配置于缸盖114。
另外，在活塞顶面形成有用于避免进气门142以及排气门152的干扰的进气门口凹槽部(日文：吸気バルブリセス部)180a以及排气门口凹槽部(日文：排気バルブリセス部)180b。在图10中，用虚线表示进气门口凹槽部180a以及排气门口凹槽部180b。在图10所示的例子中，进气门口凹槽部180a以及排气门口凹槽部180b相对于活塞顶面的中心在比凹部170靠外侧的位置局部形成。适当地设定进气门口凹槽部180a以及排气门口凹槽部180b的深度。例如，气门口凹槽面的位置能够设定在比型腔面的最下点的位置高的位置。在图10所示的例子中，对应于两个进气门以及两个排气门地在活塞顶面分别形成两个进气门口凹槽部180a以及两个排气门口凹槽部180b，沿气缸周向相互空开间隔地配置有4个气门口凹槽。
此外，在图10中，在活塞顶面的凹部170、进气门口凹槽部180a以及排气门口凹槽部180b的外侧，形成有与缸内顶部116协同地形成挤气流的挤气部190。利用挤气部190的存在，在压缩行程时(特别是在压缩行程后期)，挤压空气的气体因活塞向上止点侧的移动而被推出从而流入腔中。由此，能够产生挤气流。
在本实施方式中，如图9所示，优选是，活塞顶面包含凹部170，在该凹部170形成有上述的膜厚为15μm～60μm的薄膜部。如上所述，凹部相当于实质上有助于形成翻转流的部分。因此，通过在凹部设置阳极氧化被膜，能够有效地抑制进气加热。另外，在活塞顶面还包含由进气门口凹槽部180a以及排气门口凹槽部180b构成的气门口凹槽部的情况下，优选在凹部以及该气门口凹槽部都形成膜厚为15μm～60μm的薄膜部。气门口凹槽部也是翻转流积极地接触的部分，由于被认为是实质上有助于形成翻转流的部分，所以优选也将该部分的阳极氧化被膜设为薄膜部。另外，形成于活塞顶面的阳极氧化被膜中的除薄膜部以外的阳极氧化被膜的膜厚，优选超过60μm且为100μm以下。如上所述，在活塞顶面的除了实质上有助于形成翻转流的部分以外的部分，从冷却损失的观点出发，优选使阳极氧化被膜的厚度尽量大，但从爆燃的抑制的观点出发，将膜厚的上限设为100μm。由此，能够获得在进气加热的抑制、冷却损失的降低以及爆燃的抑制上取得了平衡的内燃机。作为形成有厚膜部的部分，例如能够举出上述的挤气部190。在图9中，在挤气部190之上形成有厚膜部。
在图9以及图10中，说明了实质上有助于形成翻转流的部分是凹部的形态，但本实施方式并不限定于此。在本实施方式中，例如也可以如图11所示，在活塞顶面的俯视图中，在包含活塞顶面的中心的中央区域210配置薄膜部，在包围该中央区域的外侧的外侧区域220配置厚膜部。即，在本实施方式中，能在包含活塞顶面的中心的中央区域配置有薄膜部，在位于该中央区域的外侧的外侧区域配置的阳极氧化被膜的膜厚超过60μm且为100μm以下。翻转流与活塞顶面中的包含中心的中央区域积极地接触。因此，根据上述的理由，优选在中央区域设置薄膜部，在该薄膜部的外侧区域设置厚膜部。由此，能够获得在进气加热的抑制、冷却损失的降低以及爆燃的抑制上取得了平衡的内燃机。中央区域的面积SC与外侧区域的面积SO之比(SC:SO)例如为1:5～5:1、1:4～4:1、1:3～3:1。另外，中央区域的形状没有特别限制，但例如为大致圆形或大致椭圆形。活塞顶面的中心是指例如重心。
为了在活塞顶面设置薄膜部以及厚膜部，例如可以利用掩蔽处理(日文：マスキング)。另外，通常，阳极氧化被膜在铸件表面(日文：鋳肌面)的情况下，膜厚增大，阳极氧化被膜在研磨面的情况下，膜厚减小。能够利用此现象来设置薄膜部以及厚膜部。例如，通过对具有由研磨面构成的凹部以及气门口凹槽部和由铸件表面构成的挤气部的活塞顶面进行阳极氧化处理，能够利用一次的被膜处理工序设置薄膜部以及厚膜部。
以下，使用实施例说明本实施方式，但以下的实施例并不限制本实施方式。
准备具有在以下的表1中示出的成分组成的铝系母材(母材A以及B)。
[表1]
Cu Si Mg Zn Fe Mn Ti Al
母材A 0.8 12 0.78 0.11 0.18 ＜0.01 ＜0.01 其余
母材B 0.0 2.0 0.78 0.11 0.18 ＜0.01 ＜0.01 其余
(单位：质量％)
(实施例1)在实施例中，使用具有图15所示那样的结构的装置，在上述铝系母材A以及B上形成了阳极氧化被膜。具体而言，将母材A浸泡在硫酸水溶液(电解液)中，将母材A设为阳极并将SUS设为阴极，通过通电而实施。此时，对母材表面的除被处理面以外的部分进行掩蔽处理，从而使被处理面与阴极之间发生通电。另外，电解液中的硫酸浓度为20质量％，电解液的温度(浴温)设为5℃。使用直流电源以0.5A/cm2的电流密度进行了通电。将成膜时间设为40秒。另外，将来自排出部的电解液的流量设定为20L/min。在通电结束后，自电解液取出各母材并用蒸馏水彻底清洗，在吹送压缩空气而去除了水分后，在大气中使各母材充分地干燥。由此，制作了试件E1。
(实施例2)除了将来自排出部的电解液的流量设定为25L/min以外，其他与实施例1同样地制作了试件E2。
(实施例3)除了将来自排出部的电解液的流量设定为30L/min以外，其他与实施例1同样地制作了试件E3。
(比较例1)除了使用母材B来代替母材A以外，其他与实施例1同样地制作了试件C1。
(比较例2)除了将来自排出部的电解液的流量设定为25L/min以外，其他与比较例1同样地制作了试件C2。
(比较例3)除了将来自排出部的电解液的流量设定为5L/min以外，其他与实施例1同样地制作了试件C3。
(比较例4)除了将来自排出部的电解液的流量设定为15L/min以外，其他与实施例1同样地制作了试件C4。
[阳极氧化被膜的膜厚的测量]关于所获得的试件E1～试件E3以及试件C1～试件C4，利用下述方法测量了阳极氧化被膜的膜厚，结果均为15nm。用SEM观察了被膜的截面，测量了5处的膜厚并求出平均值，从而测量了阳极氧化被膜的膜厚。
[气孔率的测量]关于所获得的试件E1～试件E3以及试件C1～试件C4，利用下述方法测量了气孔率。根据阳极氧化被膜的面积和膜厚求出被膜的体积，另外，根据被膜被去除前后的重量差求出被膜的重量，算出被膜的视密度。使用所获得的被膜的视密度和氧化铝密度(3.9g/cm3)，利用以下的算式算出气孔率。
气孔率＝1－(被膜的视密度/氧化铝密度)
在表2中表示结果。
[纳米孔的表面开口直径的测量]关于所获得的试件E1～试件E3以及试件C1～试件C4，利用下述方法测量了纳米孔的表面开口直径。利用SEM拍摄阳极氧化被膜的表面而获得了SEM图像。使用图像解析软件WinROOF(三谷商事株式会社制)根据所获得的SEM图像求出纳米孔的当量圆直径。
[纳米孔的内部直径的测量]关于所获得的试件E1～试件E3以及试件C1～试件C4，利用下述方法测量了纳米孔的内部直径。使用横截面抛光机等切削阳极氧化被膜，利用SEM拍摄暴露的表面而获得了SEM图像。使用图像解析软件WinROOF(三谷商事株式会社制)根据所获得的图像求出纳米孔的当量圆直径。
[40℃下降时间的测量(摇摆特性评价试验)]关于所获得的试件E1～试件E3以及试件C1～试件C4，利用下述方法评价了阳极氧化被膜的摇摆特性。
如图12A所示，使用只在单面施加了阳极氧化被膜的上述的试件(TP)，以750℃的高温喷射来加热背面(未施加阳极氧化被膜的面)而将试件的整体维持为250℃左右的恒定的温度。接着，使预先以规定的流速被通以室温射流的喷嘴移动到试件的正面(施加有阳极氧化被膜的面)，开始冷却。另外，自喷嘴提供25℃的冷却空气，此时持续进行背面的高温喷射。并且，利用辐射温度计测量了试件的阳极氧化被膜的表面的温度，测量了该阳极氧化被膜在冷却时的温度的下降，做成图12B所示的冷却曲线。该冷却试验是模拟了燃烧室内壁的进气行程的试验方法，对加热后的隔热被膜表面的冷却速度进行评价。另外，在低导热系数且低热容量的隔热被膜的情况下，体现出骤冷速度加快的倾向。根据所做成的冷却曲线读取下降40℃所需的时间，作为40℃下降时间而评价了被膜的热特性。
另外，作为根据阳极氧化被膜的性能达成的一个目标值，能够举出5％的燃料效率改善率。该5％的燃料效率改善率能够不会在实验时被当作计量误差地清楚地证明燃料效率提高率，并且是能够通过排气气体温度的上升而缩短NOx降低催化剂的制热时间从而实现NOx的降低的值。这里，图13表示由本发明人等确定的燃料效率提高率与冷却试验中的40℃下降时间的相关曲线图。根据该图13，能将相当于5％的燃料效率改善率的冷却试验中的40℃下降时间确定为45毫秒，将45毫秒以下作为体现优异的摇摆特性的一个指标。
在下述表2中表示气孔率的测量和摇摆特性的评价结果。
[表2]
Figure BDA0002114834040000181
Figure BDA0002114834040000191
根据表2可知，在实施例1～实施例3中能够获得45毫秒的40℃下降时间，试件E1～试件E3体现优异的摇摆特性。另外，在图14中表示涉及45msec达成气孔率与阳极氧化被膜的膜厚的关系的实验结果的图。如图14所示，可知：当阳极氧化被膜变厚时，满足45毫秒来作为40℃下降时间而所需的阳极氧化被膜的气孔率降低。即，本实施方式中的阳极氧化被膜的膜厚规定为15μm以上，所以当气孔率为23％以上时，作为40℃下降时间，满足45毫秒。
以上，使用附图详细说明了本发明的实施方式，但具体的结构并不限定于本实施方式，即使有在不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更等，那些设计变更也包含在本发明中。

Claims (12)

1.一种内燃机，在面向燃烧室的铝系壁面的至少一部分具备阳极氧化被膜，其特征在于，
所述阳极氧化被膜具有沿所述阳极氧化被膜的大致厚度方向延伸的多个纳米孔、自该阳极氧化被膜的表面朝向内部延伸的第1微米孔、和存在于该阳极氧化被膜的内部的第2微米孔，
所述纳米孔在所述阳极氧化被膜的表面的表面开口直径为0nm以上且小于30nm，
所述纳米孔在内部的内部直径大于所述表面开口直径，
所述阳极氧化被膜的膜厚为15μm以上且130μm以下，
所述阳极氧化被膜的气孔率为23％以上，
所述内燃机具备活塞，
所述阳极氧化被膜至少形成于活塞顶面，
形成于所述活塞顶面的阳极氧化被膜包含膜厚为15μm以上且60μm以下的薄膜部，
所述薄膜部配置于所述活塞顶面中的实质上有助于形成翻转流的部分，
所述薄膜部以外的形成于所述活塞顶面的阳极氧化被膜的膜厚超过60μm且为100μm以下。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，
所述纳米孔的表面开口直径与所述内部直径之差为7nm以上。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，
所述纳米孔在所述阳极氧化被膜的表面不开口。
4.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于，
所述纳米孔的表面开口直径与所述内部直径之差为20nm以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，
形成所述铝系壁面的铝系材料包含从Si以及Cu中选择的至少1种金属，
该金属在铝系材料中的含量为5质量％以上。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其特征在于，
在所述阳极氧化被膜之上未配置密封物。
7.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，
所述阳极氧化被膜暴露于所述燃烧室。
8.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，
所述活塞顶面包含凹部，
在该凹部配置有所述薄膜部。
9.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，
所述活塞顶面还包含气门口凹槽部，
在所述凹部以及所述气门口凹槽部都配置有所述薄膜部。
10.根据权利要求8或9所述的内燃机，其特征在于，
所述活塞顶面还包含挤气部，
阳极氧化被膜在所述挤气部的膜厚超过60μm且在100μm以下。
11.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，
在包含所述活塞顶面的中心的中央区域配置有所述薄膜部，
在位于所述中央区域的外侧的外侧区域配置的阳极氧化被膜的膜厚超过60μm且在100μm以下。
12.根据权利要求11所述的内燃机，其特征在于，
所述中央区域的面积与所述外侧区域的面积之比为1:5～5:1。
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