DE112011102782B4

DE112011102782B4 - Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm für eine Verbrennungskraftmaschine und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE112011102782B4
Application number: DE201111102782
Authority: DE
Inventors: Takumi Hijii; Akio Kawaguchi; Koichi Nakata; Yoshifumi Wakisaka; Fumio Shimizu; Naoki Nishikawa; Hidemasa Kosaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2031-08-24
Also published as: RU2013107719A; DE112011102782T5; US20130146041A1; WO2012025812A3; RU2551017C2; WO2012025812A2; CN103080386B; DE112011102782T8; JP2012046784A; US8893693B2; CN103080386A; JP5315308B2; WO2012025812A8

Abstract

Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine (10), wobei der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) auf einer gesamten Wand, die einer Brennkammer (NS) gegenüberliegt, oder einem Teil davon ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) eine Struktur hat, die einen Bindungsbereich hat, in welchem eine jede von ein erstes Loch (K1) aufweisenden hohlen Zellen (C), die den Beschichtungsfilm bilden, an benachbarte hohle Zellen (C) geklebt ist, sowie einen Nichtbindungsbereich, in welchem drei oder mehr benachbarte hohle Zellen (C) nicht aneinander kleben, und eine Porosität des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) bestimmt wird durch das erste Loch (K1), das in der hohlen Zelle (C) ausgebildet ist, und ein zweites Loch (K2), das den Nichtbindungsbereich bildet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm für eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm für eine Verbrennungskraftmaschine. Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm für eine Verbrennungskraftmaschine, der auf einer gesamten, einer Brennkammer gegenüberliegenden, Wand, oder einem Teil dieser Wand, ausgebildet ist, und ein Verfahren zum Ausbilden dieses anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise ein Benzinmotor oder ein Dieselmotor, besteht hauptsächlich aus einem Motorblock und einem Zylinderblock, und die Brennkammer ist definiert durch eine Bohrungsfläche des Zylinderblocks, der Kopf- oder Oberfläche des in dieser Bohrung installierten Kolbens, der Bodenfläche des Zylinderkopfes und den Kopfflächen der Einlass- und Auslassventile, die im Zylinderkopf angeordnet sind. Einhergehend mit den heutzutage von Verbrennungskraftmaschinen geforderten, höher werdenden Ausgangsleistungen war es wesentlich, die Kühlverluste zu senken. Eine Strategie zum Senken der Kühlverluste ist es, einen wärmeisolierenden keramischen Beschichtungsfilm an der Innenwand der Brennkammer auszubilden.
Jedoch hat derartige Keramik allgemein eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität, was das Auftreten einer verringerten Ansaugeffizienz und ein Klopfen (anormale Verbrennung, die durch Wärme verursacht wird, die in der Brennkammer gehalten wird) verursacht, weshalb heute deren Verwendung als Beschichtungsfilmmaterial an den Innenwänden der Brennkammer nicht weit verbreitet ist.
Aufgrund des Vorstehenden muss der wärmeisolierende Beschichtungsfilm, der auf der Wand der Brennkammer ausgebildet ist, sicherlich wärmebeständig und Wärme isolierend sein, und wird bevorzugt aus einem Material gebildet, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie eine niedrige Wärmekapazität hat. Zudem ist ein derartiger Beschichtungsfilm, zusätzlich zur niedrigen Wärmeleitfähigkeit und niedrigen Wärmekapazität, bevorzugt aus einem Material gebildet, das dem Expansionsdruck und dem Einspritzdruck während der Verbrennung in der Brennkammer sowie den wiederholten Belastungen aufgrund der thermischen Ausdehnung und des thermischen Schrumpfens widerstehen kann, und ist zudem bevorzugt aus einem Material gebildet, das ein hohes Haftvermögen an einem Grundmaterial, beispielsweise des Zylinderblocks und dergleichen hat.
Betrachtet man den bekannten Stand der Technik auf diesem Gebiet, so zeigt der in der japanischen Offenlegungsschrift JP 2003-113737 A offenbarte Zylinderkopf einen mikroporösen Silikondioxid- oder Aluminiumoxid-Beschichtungsfilm, der durch anodische Oxidation sowohl auf der Bodenfläche des Zylinderkopfes und der Innenfläche eines Wassermantels, der in diesem Zylinderkopf definiert ist, ausgebildet ist. Durch die Anordnung des mikroporösen Beschichtungsfilm im Zylinderkopf sowohl auf der Bodenfläche des Zylinderkopfes als auch auf der Innenfläche des Wassermantels wird der Oberflächenbereich der Bodenfläche des Kopfes und der Mantelinnenfläche durch diesen Beschichtungsfilm vergrößert, und die in der Brennkammer erzeugte Wärme bzw. Hitze kann daher effektiv über den Beschichtungsfilm nach Innen absorbiert werden, und die nach innen absorbierte Wärme kann effektiv über den Beschichtungsfilm an der Mantelinnenfläche in das Kühlmittel abgegeben werden. Daher kommt es leicht zu einem Erwärmen durch die Wärmeabsorption, während es leicht zu einem Abkühlen aufgrund der Wärmeabgabe kommt, was letztlich zu einem Zylinderkopf führt, bei welchem ein Temperaturanstieg unterdrückt werden kann.
Die in der japanischen Offenlegungsschrift JP 2009-243352 A und in der WO 2009/020206 A1 offenbarte Verbrennungskraftmaschine hat einen wärmeisolierenden dünnen Film, in dem Blasen innerhalb eines Materials ausgebildet sind, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat, als das Grundmaterial, das die Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine bildet, und das eine Wärmekapazität hat, die gleich oder geringer ist als die des Grundmaterials.
Die in den vorstehend genannten Druckschriften aus dem Stand der Technik JP 2003-113737 A , JP 2009-243352 A und WO 2009/020206 A1 offenbarten Gegenstände haben einen Beschichtungsfilm mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmekapazität, der an der Innenwand der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, und können somit wärmeisolierende Beschichtungsfilme vorschlagen, die, wie vorstehend beschrieben, ausgezeichnete Eigenschaften zeigen.
Jedoch ist nicht klar, ob diese Beschichtungsfilmstrukturen Beschichtungsfilme schaffen, welche dem Expansionsdruck und Einspritzdruck während der Verbrennung in der Brennkammer sowie den wiederholten Belastungen aufgrund der thermischen Ausdehnung und des thermischen Schrumpfens widerstehen können, oder Beschichtungsfilme schaffen können, die diese Drücke und Belastungen aushalten bzw. entspannen können. Die Erfinder haben festgestellt, dass es schwierig ist zu sagen, dass diese Beschichtungsfilmstrukturen ein ausgezeichnetes Druckentspannungsverhalten oder Belastungsentspannungsverhalten zeigen. Ein Grund hierfür ist, dass der durch anodische Oxidation erzeugte Beschichtungsfilm eine Mirkostruktur hat, in welcher die bildenden Zellen Löcher in ihrem Inneren aufweisen, während angrenzende Zellen nahezu lückenlos chemisch aneinander geklebt sind, so dass es schwierig ist, eine zufriedenstellende Belastungsentspannung zwischen diesen Zellen einzustellen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde im Lichte der vorstehenden Probleme gemacht und schafft einen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm für eine Verbrenngskraftmaschine nac Anspruch 1 und ein Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm nach Anspruch 9. Der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm ist auf einer gesamten Wand, die einer Brennkammer gegenüberliegt, oder einem Teil davon, ausgebildet. Der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie eine niedrige Wärmekapazität, und eine ausgezeichnete Fähigkeit zum Entspannen bzw. Aushalten des Expansionsdrucks und des Einspritzdrucks während der Verbrennung in der Brennkammer sowie der wiederholten Belastungen aufgrund der thermischen Ausdehnung und des thermischen Schrumpfens zeigt, und der daher höchst haltbar ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, der auf einer gesamten Wand, die einer Brennkammer gegenüberliegt, oder einem Teil davon ausgebildet ist, wobei der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm eine Struktur hat, die einen Bindungsbereich hat, in welchem eine jede von hohlen Zellen, die den Beschichtungsfilm bilden, an benachbarte hohle Zellen geklebt ist, sowie einen Nichtbindungsbereich, in welchem drei oder mehr benachbarte hohle Zellen nicht aneinander kleben, und wobei eine Porosität des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms bestimmt wird durch ein erstes Loch, das in der hohlen Zelle ist, und ein zweites Loch, das den Nichtbindungsbereich bildet.
Der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm (oder einen wärmeisolierenden Film) ist auf der gesamten oder einem Teil der Brennkammer ausgebidlet. Jedoch hat die Verbrennungskraftmaschine der vorliegenden Erfindung einen Beschichtungsfilm der, im Gegensatz zu herkömmlichen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilmen, eine Mirkostruktur hat, die – zusätzlich zu den hohlen Zellen mit einem Loch (erstes Loch) in ihrem Inneren – ein Loch (zweites Loch) hat, das einen Nichtbindungsbereich, beispielsweise an einem Tripelpunkt von angrenzenden hohlen Zellen, bildet (es sei angemerkt, dass polykristalline Metalle aus einer Mehrzahl von Einheitskristallen (hier eine Mehrzahl von Zellen) bestehen, was zu angrenzenden Beziehungen unter diesen führt; wenn dies auftritt, wird der Punkt, an welchem drei Einheitskristalle zusammenfallen bzw. zusammentreffen als Tripelpunkt bezeichnet), während der Bindungsbereich, in welchem die hohlen Zellen miteinander in Kontakt stehen, eine chemisch verbundene Struktur hat.
Da der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm Löcher hat, hat er sowohl eine niedrige Wärmeleitfähigkeit als auch eine niedrige Wärmekapazität, aber da er auch mit einem separaten Loch (dem zweiten Loch) zwischen/unter den Zellen ausgebildet ist, während die hohlen Zellen zudem chemisch aneinanderkleben, hat dieser Beschichtungsfilm zusätzlich die Fähigkeit, Druck, d. h. den Expansionsdruck und den Einspritzdruck während der Verbrennung in der Brennkammer, zu entspannen, sowie die Fähigkeit, die entsprechenden Belastungen aufgrund der thermischen Ausdehnung-Schrumpfung zu entspannen bzw. aufzunehmen oder auszuhalten. Zudem kann, bezüglich der Ausbildung eines zweiten Loches an jedem Tripelpunkt und dergleichen von drei oder mehr aneinander angrenzenden hohlen Zellen, die den Beschichtungsfilm bilden, dies ein Film sein, in welchem das zweite Loch nur an einem Abschnitt aller Tripelpunkte und dergleichen ausgebildet ist.
Die Verbrennungskraftmaschine der Erfindung kann ein Benzinmotor oder ein Dieselmotor sein und besteht, im Hinblick auf ihren Aufbau, wie vorstehend beschrieben hauptsächlich aus einem Motorblock und einem Zylinderkopf. Ihre Brennkammer wird definiert durch eine Bohrungsfläche des Zylinderblocks, der Kopf- bzw. Oberfläche des in dieser Bohrung installierten Kolbens, der Bodenfläche des Zylinderkopfes und den Kopfflächen der Einlass- und Auslassventile, die im Zylinderkopf angeordnet sind.
Der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm mit der vorstehend beschriebenen Mirkostruktur kann über die gesamte Wand, die der Brennkammer gegenüber liegt bzw. zu dieser hin gewandt ist, oder nur über einen Teil dieser Wand ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall beispielsweise nur die obere Fläche des Kolbens oder nur die Ventilkopffläche entsprechend ausgeführt sein können.
Das Grundmaterial, das die Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine bildet, kann beispielsweise Aluminium oder dessen Legierungen und Titan und dessen Legierungen sein. Ein Alumitbeschichtungsfilm wird ausgebildet, wenn der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm auf einer Wand ausgebildet wird, deren Grundmaterial Aluminium oder eine Legierung hiervon ist.
Der Mechanismus zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund der Ausbildung eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (des wärmeisolierenden Films) mit niedriger Wärmeleitfähigkeit – niedriger Wärmekapazität auf der Wand der Brennkammer wird Bezug nehmend auf 20 beschrieben. Bei einer Verbrennungskraftmaschine ist die Oberflächentemperatur der Wand, die der Brennkammer gegenüber liegt bzw. zu dieser hin gerichtet ist üblicherweise konstant und unterliegt nahezu keinen Schwankungen während eines Zyklus von Ansaugen – Verdichten – Verbrennen – Ausstoßen (der Graph in 20 für die normale Wandtemperatur), und die Temperaturdifferenz vs. die Gastemperatur (Graph in 20 für das Zylindergas) bildet den Wärmeverlust. Wenn dagegen ein Isolierfilm mit niedriger Wärmeleitfähigkeit – niedriger Wärmekapazität auf der Wand, die der Brennkammer gegenüberliegt, ausgebildet ist, variiert die Temperatur der Oberfläche des wärmeisolierenden Films während eines Zyklus derart, dass sie der Temperatur des Verbrennungsgases folgt (Graph in 20 für die Wandtemperatur des wärmeisolierenden Films der Verbrennungskraftmaschine der Erfindung). Daher ist die Temperaturdifferenz zwischen der Verbrennungsgastemperatur und der Wandoberflächentemperatur geringer als wenn der wärmeisolierende Film fehlen würde, und der Wärmeverlust bzw. thermische Verlust wird verringert. Diese Verringerung des Wärmeverlustes führt zu einer Zunahme der Kolbenarbeit und einer Zunahme der Abgastemperatur, wobei die Zunahme der Kolbenarbeit mit einem verbesserten Kraftstoffverbrauch in Beziehung steht. Dies wird von den Erfindern detailliert in der vorstehend genannten WO 2009/020206 A1 beschrieben. Die Dicke des vorstehend genannten anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 500 μm.
Gemäß den Erfindern ist, wenn der wärmeisolierende anodische Oxidationsbeschichtungsfilm eine Dicke von weniger als 100 μm hat, der Temperaturanstieg der Beschichtungsfilmoberfläche während des Verbrennungszyklus unpassend, so dass das wärmeisolierende Verhalten unpassend wird und eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, wie nachfolgend beschrieben werden wird, nicht erreicht werden kann. Die Minimaldicke ist daher auf 100 μm eingestellt, um die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs zu gewährleisten.
Dem gegenüber haben die Erfinder auch herausgefunden, dass, wenn die Dicke des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms 500 μm übersteigt, dies eine große Wärmekapazität in diesem Punkt bedeutet und das Schwingungsverhalten (die Eigenschaft, dass die Temperatur des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms der Gastemperatur in der Brennkammer folgt, während er gleichzeitig ein wärmeisolierenden Verhalten zeigt) wird beeinträchtigt, da der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm dann selbst Wärme speichert. 500 μm ist daher die Obergrenze der Dicke des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms vom Standpunkt der Herstellungseffizienz und der Leichtigkeit der Herstellung, da die Herstellung eines Alumitfilms, der dicker ist als 500 μm, ziemlich schwierig ist. Die vorstehend genannte Porosität liegt vorzugsweise im Bereich von 15 bis 40%.
Die Erfinder gehen davon aus, dass das Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms mit einer Porosität von 15 bis 40% und einer Dicke von 100 bis 500 μm auf der gesamten Oberfläche der Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine eine maximale Kraftstoffeinsparung von beispielsweise 5% für einen kleinen, aufgeladenen und direkteinspritzenden Dieselmotor für ein Personenkraftfahrzeug mit einem optimalen Kraftstoffverbrauchspunkt bei einer Motordrehzahl von 2100 U/min und einem indizierten mittleren Druck von 1,6 MPa schafft. Diese 5%ige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs ist ein Wert, der einen deutlichen Unterschied zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs zeigt, der über einen experimentellen Meßfehler hinausgeht. Überdies wird davon ausgegangen, dass gleichzeitig mit der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs die Abgastemperatur um etwa 15°C durch die Wärmeisolierung erhöht wird. Bei einem aktuellen Verbrennungsmotor ist diese Erhöhung der Abgastemperatur effektiv zur Verkürzung der Aufwärmzeit des NO_x-Reduktionskatalysators unmittelbar nach dem Start und zeigt einen Wert, um welchen die NO_x-Reinigungsrate verbessert wird und eine Verringerung des NO_x festgestellt werden kann.
Andererseits wird, bei einem Kühltest (Abschrecktest), der während der Evaluierung der thermischen Eigenschaften des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms durchgeführt wird, ein Teststück bzw. eine Probe mit einem nur auf einer Seite ausgebildeten anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm verwendet, und kalte Luft wird, während die Rückseite (die Seite, auf welcher kein anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm ausgebildet ist) weiter mit einem vorgegebenen Hochtemperaturstrahl aufgeheizt wird, mit einer vorgegebenen Temperatur von der Vorderseite des Teststücks (die Seite, auf welcher der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm ausgebildet ist) aufgesprüht. Dies dient zum Senken der Temperatur der Vorderseite des Teststücks und diese Temperatur wird gemessen und eine Kühlkurve wird aus der Temperatur der Beschichtungsfilmoberfläche und der Zeit konstruiert, um die Temperaturabfallrate bzw. – geschwindigkeit zu evaluieren. Diese Temperaturabfallrate wird beispielsweise über die 40°C-Abfallzeit evaluiert, die aus dem Graph ausgelesen wird, und stellt die Zeit dar, die notwendig ist, dass die Temperatur der Beschichtungsfilmoberfläche um 40°C fällt.
Der Kühl. bzw. Abschrecktest (Quench-Test) wird unter Verwendung von Teststücken bzw. Proben mit unterschiedlicher Porosität (die Porosität des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms wird ermittelt unter Verwendung der Summe des ersten Lochs bzw. der ersten Lücke und des zweiten Lochs bzw. der zweiten Lücke) durchgeführt; die 40°C-Abfallzeit wird für jede Probe bzw. jedes Teststück gemessen; und eine angepasste Kurve wird beispielsweise für die zahlreichen Areale, die durch die Porosität und die 40°C-Abfallzeit definiert sind, konstruiert.
Durch Ablesen der Porosität am Schnittpunkt dieser Kurve mit dem Wert der 40°C-Abfallzeit (beispielsweise 45 msec.), welcher der 5%igen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs entspricht, wie oben dargestellt, haben die Erfinder herausgefunden, dass die Porosität 15% ist. Die Wärmeleitfähigkeit sowie die Wärmekapazität des Beschichtungsfilms sind, bei kürzeren 40°C-Abfallzeiten, niedriger und der verbessernde Effekt auf den Kraftstoffverbrauch ist höher.
Daneben werden Teststücke mit dem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm mit verschiedener Porosität hergestellt und die Mikro-Vickershärte einer jeden Probe wird gemessen und eine angepasste Kurve (fitted curve) wird für die zahlreichen Punkte oder Areale, die durch die Porosität und die Mikro-Vickershärte definiert sind, konstruiert. Wenn das Grundmaterial der Brennkammer aus Aluminium besteht, ist der resultierende Alumitfilm vorzugsweise härter als das Aluminium-Grundmaterial und die Erfinder haben, unter entsprechender Berücksichtigung dieser Erkenntnis bei Verwendung der Mikro-Vickershärte des Aluminiums als Grenzwert, einen Wert von 40% für die Porosität bestimmt, wenn die durch die Kurve eingestellte Porosität und dieser Grenzwert abgelesen werden.
Der Bereich der Porosität des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm ist daher, basierend auf dem Kühltest, dem Mikro-Vickershärtetest und der 5%igen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, auf einen Bereich von 15 bis 40% eingestellt.
Wenn zudem der optimale Bereich für das Verhältnis ϕ/d – wobei ϕ ein durchschnittlicher Porendurchmesser des ersten Lochs (Durchschnittswert des Porendurchmessers) und d ein durchschnittlicher Zellendurchmesser der hohlen Zellen ist, die den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm bilden, gesucht wird, wenn die Porosität variiert wird, wurde von den Erfindern herausgefunden, dass der Bereich, der dem vorstehend beschriebenen Porositätsbereich von 15 bis 40% entspricht, im Bereich von 0,3 bis 0,6 liegt.
Die Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms wird vorzugsweise einer Versiegelungsbehandlung mit kochendem Wasser oder Dampf, oder einer Beschichtungsbehandlung mit einem dünnen Film, der die Poren lackiert, oder beiden Behandlungen unterworfen wurde. Kochendes Wasser, dem beispielsweise Natriumsilikat als Dichtbeschleuniger beigemengt wurde, kann verwendet werden.
Um das Eindringen von Kraftstoff und Verbrennungsgasen in den porösen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm zu vermeiden wird beispielsweise ein dünner Film eines anorganisches Dichtmittels wie Natriumsilikat in einer Schicht, die dünner als der anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm ist, als Oberflächenbehandlung auf den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm aufgebracht. Mit dem Ziel, sowohl den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm mit den vorstehenden Eigenschaften zu haben, als auch eine übermäßige Filmdicke zu vermeiden, hat der dünne Film, im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm mit dessen Schicht- bzw. Filmdicke von 100 bis 500 μm vorzugsweise eine Dicke von 10 μm oder weniger.
Wie vorstehend beschrieben, ist der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm vorzugsweise ein Alumitbeschichtungsfilm. Zudem liegt die Mikro-Vickershärte des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms vorzugsweise im Bereich von 110 bis 400 HV0,025.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms für eine Verbrennungskraftmaschine, wie nachfolgend beschrieben wird. Dieses Herstellungsverfahren ist demnach ein Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms für eine Verbrennungskraftmaschine, bei welchem der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm auf einer gesamten Wand, die einer Brennkammer gegenüberliegt, oder einem Teil dieser Wand, wobei eine Anode ausgebildet wird durch Eintauchen einer gesamten Wand oder eines Teiles davon in ein säurehaltiges bzw. saures Elektrolysebad, eine Kathode in dem sauren Elektrolysebad ausgebildet wird, und anschließend eine Spannung, die auf den Bereich von 130 bis höchstens 200 V eingestellt ist, zwischen den beiden Elektroden angelegt wird und eine Elektrolyse bei einer Wärmeabfuhrrate im Bereich von 1,6 bis 2,4 cal/s/cm² durchgeführt wird, um dadurch auf der Oberfläche der gesamten Wand oder eines Teils davon, einen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm herzustellen, der eine Struktur hat, die einen Bindungsbereich hat, in welchem eine jede von hohlen Zellen, die den Beschichtungsfilm bilden, an benachbarte hohle Zellen geklebt ist, sowie einen Nichtbindungsbereich, in welchem drei oder mehr benachbarte hohle Zellen nicht aneinander kleben.
Bezüglich der Bedingungen für die anodische Oxidationsbehandlung zum Ausbilden des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms mit der vorstehend beschriebenen Mikrostruktur auf einem Teil oder der gesamten Brennkammerwand der Verbrennungskraftmaschine haben die Erfinder herausgefunden, dass die Elektrolyse vorzugsweise durch Anlegen einer Spannung, die auf eine Maximalspannung im Bereich von 130 bis 200 V eingestellt ist, zwischen der Anode und der Kathode in einem sauren Elektrolysebad ausgeführt wird, in welches die Wand ganz oder teilweise eingetaucht ist, während die Wärmeabfuhrrate im Bereich von 1,6 bis 2,4 cal/s/cm² eingestellt wird. Das Ausführen der Elektrolyse unter diesen Bedingungen kann die Säure dazu bringen, in den Bodenbereich (tiefen Bereich) des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms einzudringen, der ausgebildet wird, und ermöglich dass Ausbilden der ersten und zweiten Löcher bzw. Lücken (voids) in der gewünschten Größe über den gesamten Bereich, der bis zum Bodenbereich des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms reicht.
Diese „Wärmeabfuhrrate” ist die Menge der Wärme, die durch das Elektrolysebad pro Zeiteinheit pro Oberflächenbereich aufgenommen wird, und das Einstellen der Temperatur des Elektrolysebads im Bereich von –5°C bis 5°C führt zu einer Wärmeabfuhrrate im Bereich von 1,6 bis 2,4 cal/s/cm².
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung umfasst vorzugsweise einen ersten Schritt zum Ausbilden einer Anode durch Eintauchen einer gesamten Wand oder eines Teiles davon in ein saures Elektrolysebad, Ausbilden einer Kathode in dem sauren Elektrolysebad und anschließendes Anlegen einer Spannung, die auf den Bereich von 130 bis höchstens 200 V eingestellt ist, zwischen den beiden Elektroden und Durchführen einer Elektrolyse bei einer Wärmeabfuhrrate im Bereich von 1,6 bis 2,4 cal/s/cm², um dadurch auf der Oberfläche der gesamten Wand oder eines Teils davon, eine Zwischenstufe des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms herzustellen, der eine Struktur hat, die einen Bindungsbereich hat, in welchem eine jede von hohlen Zellen, die den Beschichtungsfilm bilden, an benachbarte hohle Zellen geklebt ist, sowie einen Nichtbindungsbereich, in welchem drei oder mehr benachbarte hohle Zellen nicht aneinander kleben; und einen zweiten Schritt zum Einstellen einer Porosität, die bestimmt wird durch ein erstes Loch, das in der hohlen Zelle ist, und ein zweites Loch, das den Nichtbindungsbereich bildet, durch Aufweiten von Löchern der Zwischenstufe des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms durch Ausführen einer Porenaufweitungsbehandlung unter Verwendung einer Säure auf der gesamten Wand oder eines Teils davon, die auf der Oberfläche der Zwischenstufe des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms ausgebildet ist.
Dieses Herstellungsverfahren – durch das weiter Aufweiten der ersten und zweiten Löcher durch die Porenaufweitungsbehandlung des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms, der durch die Elektrolyse unter den gleichen Bedingungen wie in dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren geschaffen wird (der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm entspricht der Zwischenstufe) – kann eine noch zuverlässigere Erzeugung der Porosität in dem gewünschten Bereich sicherstellen.
Insbesondere kann, durch anschließendes Ausführen einer separaten, säurebasierten Porenaufweitungsbehandlung (einer Säureätzbehandlung zum Aufweiten der Löcher) auf einer im ersten Schritt erzeugten Zwischenstufe des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms, die Porosität als ganzes durch Aufweiten der ersten Löcher durch Auflösen des Inneren der hohlen Zellen, und durch gleichzeitiges Aufweiten der zweiten Löcher durch Auflösen des Umfangs bzw. der Umgebung der zweiten Löcher zwischen den hohlen Zellen eingestellt werden. Dies ermöglicht die Herstellung der Verbrennungskraftmaschine, die, an einem Teil oder der gesamten Brennkammerwand, mit einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmekapazität versehen ist, der ein ausgezeichnetes Druckentspannungsverhalten und ein ausgezeichnetes Entspannungsverhalten bei thermischer Belastung zeigt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat das Verfahren zudem einen Schritt zum Durchführen einer Versiegelungsbehandlung mit kochendem Wasser oder Dampf, oder einer Beschichtungsbehandlung mit einem dünnen Film, der die Poren lackiert, oder beide Behandlungen, nach dem Ausbilden des vorstehend beschriebenen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms.
Wie bei der vorstehend beschriebenen Verbrennungskraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm kann, um das Eindringen von Kraftstoff und Verbrennungsgasen in den porösen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm zu vermeiden, ein zusätzlicher Schritt zum Ausführen einer Versiegelungsbehandlung oder einer Beschichtungsbehandlung mit einem dünnen Film, oder beide Behandlungen vorgesehen sein. Das Beschichten der Oberfläche des ausgebildeten anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms mit einem dünnen Film aus einem anorganischen Dichtmittel wie Natriumsilikat kann das Eindringen von Kraftstoff und Mischgasen in das Innere des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms verhindern, und kann somit die verschiedenen Eigenschaften, die der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm hat, sicherstellen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht können die Verbrennungskraftmaschine sowie das erfindungsgemäße Verfahren z – aufgrund der Ausbildung eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms mit einer Struktur, die ein Loch bzw. eine Lücke (das erste Loch) im Inneren der hohlen Zellen hat, und zudem ein Loch bzw. eine Lücke (das zweite Loch) beispielsweise an Tripelpunkten von angrenzenden Zellen hat, auf einem Teil oder der ganzen Wand einer Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine, während ein chemisches Verkleben bzw. Verbinden in den Bindungsbereichen auftritt, in welchen die hohlen Zellen miteinander in Kontakt stehen – eine Verbrennungskraftmaschine schaffen, die einen Beschichtungsfilm bzw. eine Beschichtung aufweist, der/die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität hat, und daher ein ausgezeichnetes Wärmeisolationsverhalten aufweist, sowie eine ausgezeichnete Fähigkeit, den Expansionsdruck und dergleichen während der Verbrennung in der Brennkammer und die wiederholten Belastungen aufgrund der thermischen Ausdehnung-Schrumpfung zu entspannen bzw. aufzunehmen oder auszuhalten, und daher höchst haltbar ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung der Erfindung werden nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
1 eine Längsschnittdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine;
2A eine perspektivische Darstellung, die die Mikrostruktur des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms, der der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine gegenüberliegt, zeigt, und die ferner den dünnen Film auf der Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms zeigt;
2B eine Längsschnittdarstellung, die den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm und den dünnen Film aus 2A zeigt;
3A ein Flußschaubild eines Verfahrens zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der Ausführungsform;
3B ein Flußschaubild eines Herstellungsverfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform;
4 eine Matrixdarstellung, die den maximalen Spannungsbereich und den Wärmeabfuhrratenbereich beim ersten Schritt des Verfahrens zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms für eine Verbrennungskraftmaschine zeigt, und die auch nicht geeignete Bereiche beschreibt;
5A eine Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Aufnahme eines Querschnitts der Beschichtungsfilmoberfläche nach der anodischen Oxidationsbehandlung (erster Schritt) bei einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemäß einem Vergleichsbeispiel (harter Alumitbereich);
5B eine REM-Aufnahme eines Querschnitts der Unter- bzw. Bodenseite des Beschichtungsfilms nach der anodischen Oxidationsbehandlung bei einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemäß dem Vergleichsbeispiel;
5C eine REM-Aufnahme eines Querschnitts der Beschichtungsfilmoberfläche nach der anodischen Oxidationsbehandlung bei einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemäß einem Beispiel (Erfindungsbereich);
5D eine REM-Aufnahme eines Querschnitts der Unter- bzw. Bodenseite des Beschichtungsfilms nach der anodischen Oxidationsbehandlung bei einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemäß dem Beispiel;
6A eine REM-Aufnahme eines Querschnitts der Beschichtungsfilmoberfläche nach der Porenaufweitungsbehandlung bei einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemäß dem Vergleichsbeispiel;
6B eine REM-Aufnahme eines Querschnitts der Unter- bzw. Bodenseite des Beschichtungsfilms nach der Porenaufweitungsbehandlung bei einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemäß dem Vergleichsbeispiel;
6C eine REM-Aufnahme eines Querschnitts der Beschichtungsfilmoberfläche nach der Porenaufweitungsbehandlung bei einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemäß einem Beispiel (Erfindungsbereich);
6D eine REM-Aufnahme eines Querschnitts der Unter- bzw. Bodenseite des Beschichtungsfilms nach der Porenaufweitungsbehandlung bei einem anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemäß dem Beispiel;
7 eine REM-Aufnahme eines Querschnitts eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms gemäß einem Vergleichsbeispiel (anodischer Plasmaoxidationsbereich);
8A eine perspektivische Darstellung, die einen Rohling zeigt, der als Quelle für die in den Experimenten genutzten Teststücke dient;
8B eine perspektivische Darstellung eines Teststücks bzw. einer Probe, das/die vom Rohling abgeschnitten wurde;
9A eine schematische Darstellung eines Kühltests;
9B eine Kühlkurve basierend auf den Ergebnissen des Kühltests und die 40°C-Abfallzeit, die aus dieser Kühlkurve erhalten wird;
10 einen Graph, der die Korrelation zwischen der prozentualen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und der 40°C-Abfallzeit des Kühltests zeigt;
11 einen Graph, der die Korrelation zwischen der 40°C-Abfallzeit und der Porosität zeigt;
12 einen Graph, der die Korrelation zwischen der Mikro-Vickershärte und der Porosität zeigt;
13 einen Graph, der ϕ/d vs. den optimalen Porositätsbereich zeigt, wobei ϕ der durchschnittliche Porendurchmesser des ersten Lochs und d der durchschnittliche Zellendurchmesser der hohlen Zellen ist;
14A eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des in den Experimenten verwendeten Vergleichsbeispiels 1;
14B eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des Vergleichsbeispiels 2;
14C eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des Vergleichsbeispiels 3;
15A eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des in den Experimenten verwendeten Beispiels 1;
15B eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des Beispiels 2;
15C eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des Beispiels 3;
15D eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des Beispiels 4;
16A eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des in den Experimenten verwendeten Vergleichsbeispiels 4;
16B eine REM-Aufnahme eines Querschnitts des Alumits des Vergleichsbeispiels 5;
17 einen Graph der experimentellen Ergebnisse, welche die untere Grenze des maximalen Spannungsbereich einstellen, der die 40°C-Abfallzeit entsprechend einer 5%igen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erfüllt;
18A einen Graph, der die Korrelation zwischen der Porenaufweitungsbehandlung und der Porosität in den Beispielen und den Vergleichsbeispielen zeigt;
18B einen Graph, der die Korrelation zwischen der Porenaufweitungsbehandlung und der Oberflächentemperatur-Abfallrate zeigt;
19A eine REM-Aufnahme der Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms ohne Porenaufweitungsbehandlung;
19B eine REM-Aufnahme der Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms, wenn eine 20-minütige Porenaufweitungsbehandlung ausgeführt wurde;
19C eine REM-Aufnahme der Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms, wenn eine 40-minütige Porenaufweitungsbehandlung ausgeführt wurde; und
20 einen Graph zur Unterstützung der Erklärung des Mechanismus für den verbesserten Kraftstoffverbrauch aufgrund der Ausbildung eines wärmeisolierenden Films mit niedriger Wärmeleitfähigkeit – niedriger Wärmekapazität (anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm) auf der Wand der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine der vorliegenden Erfindung, wobei der Graph die Zylindergastemperatur, die Temperatur auf einer herkömmlichen Wandfläche und die Filmoberflächentemperatur des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine jeweils als Funktion des Kurbelwinkels zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der Verbrennungskraftmaschine und des Verfahrens zu deren Herstellung im Sinne der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnung beschrieben. Obgleich die dargestellten Beispiele Ausführungsformen zeigen, bei welchen der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm über die gesamte zur Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine hin gerichtete Wand ausgebildet ist, sind auch Ausführungsformen möglich, bei welchen der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm nur an einem Teil der zur Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine hin gerichteten Wand ausgebildet ist; z. B. nur an der oberen Oberfläche des Kolbens oder nur an der Kopffläche des Ventils.
1 ist eine Längsschnittdarstellung einer Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine der Erfindung; die 2A und 2B sind Darstellungen, die den dünnen Film und die Mikrostruktur eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms zeigen, der der Brennkammer gegenüberliegt bzw. dieser zugewandt ist; und 3A zeigt ein Flußschaubild einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine.
Die dargestellte Verbrennungskraftmaschine 10 ist ein Dieselmotor und besteht im Wesentlichen aus: einem Zylinderblock 1 mit einem darin ausgebildeten Kühlmantel 11, einem Zylinderkopf 2, der über dem Zylinderblock 1 angeordnet ist, einem Ansauganschluß 21 und einem Auslassanschluß 22, die im Zylinderkopf 2 ausgebildet sind, und einem Einlassventil 3 sowie einem Auslassventil 4, die in einer frei vertikal verschiebbaren Weise in Öffnungen angebracht sind, an welchen der Ansauganschluß 21 und der Auslassanschluß 22 der Brennkammer NS gegenüberliegen, sowie einem Kolben 5, der in einer frei vertikal verschiebbaren Weise in einer unteren Öffnung des Zylinderblocks 1 ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine der Erfindung kann selbstverständlich auch ein Benzinmotor (Ottomotor) sein.
Die verschiedenen Bauteile, welche die Verbrennungskraftmaschine 10 bilden, bestehen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein Bauteil aus einem anderen Material als Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, und die Oberfläche des Bauteils kann mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aluminiert bzw. aluminiumummantelt sein.
Zudem ist ein anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm 61, 62, 63, 64 mit einer vorgegebenen Dicke und der in den 2A und 2B gezeigten Mikrostruktur in der Brennkammer NS, die durch die Bauteile der Verbrennungskraftmaschine 10 definiert wird, an den Wänden ausgebildet, die der Brennkammer NS gegenüberliegen bzw. zu dieser gerichtet sind (der Zylinderbohrungsoberfläche 12, der Zylinderkopfbodenfläche 23, der Kolbenoberfläche bzw. -kopffläche 51 und den Ventilkopfflächen 31, 41).
Diese Mirkostruktur und das Verfahren zur Herstellung dieser Mirkostruktur werden nachfolgend unter Verwendung eines Beispiels beschrieben, bei dem ein anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm 61 an der Oberfläche der Zylinderbohrung 12, ausgebildet ist.
Der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm 61, der an der Oberfläche der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinderbohrung 12 ausgebildet ist, ist Alumit (alumite), und dieser anodische Oxidationsbeschichtungsfilm 61 besteht aus einer Mehrzahl von hohlen Zellen C, die mit einer ersten Lücke bzw. einem ersten Loch (first void) K1 in ihrem Inneren ausgebildet sind, und ist insbesondere ein Beschichtungsfilm, der einen Mikrostruktur hat, in welcher jede der hohlen Zellen C chemisch mit angrenzenden hohlen Zellen C, C verbunden bzw. verklebt ist, und der eine separate zweite Lücke bzw. ein separates zweites Loch (second void) K2 in einem Nichtbindungsbereich hat, in welchem drei oder mehr angrenzende hohle Zellen C nicht miteinander verbunden bzw. verklebt sind, ..., z. B. ein Tripelpunkt.
Ein herkömmlicher anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm hat keine Struktur wie der dargestellte anodische Oxidationsbeschichtungsfilm 61, in welchem das zweite Loch K2 zwischen drei oder mehr angrenzenden hohlen Zellen C ausgebildet ist, ...; im Gegenteil, bei einem herkömmlichen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm sind die inneren, Löcher aufweisenden hohlen Zellen chemisch miteinander verbunden, ohne dass eine Lücke zwischen diesen besteht.
Im Gegensatz hierzu hat der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm 61 ein erstes Loch K1 im Inneren der hohlen Zelle C und ein separates zweites Loch K2 in dem Nichtbindungsbereich, in dem die hohlen Zellen C, ..., nicht miteinander verbunden sind, und die Porosität des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms 61 wird anhand des ersten Lochs K1 und des zweiten Lochs K2 bestimmt. Die Größe des ersten Lochs K1 und die Herstellung und Größe des zweiten Lochs K2 können durch geeignetes Einstellen einer Maximalspannung und der Temperatur eines sauren Elektrolysebades (oder der Wärmeabfuhrrate) während der Elektrolyse, anhand welcher der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm erzeugt wird, und einer Nachbehandlung in Form einer Porenaufweitungsbehandlung, beispielsweise einer Ätzbehandlung mit Säure, eingestellt werden.
Basierend auf Experimenten, welche die Erfinder durchgeführt haben, siehe unten, wird die Porosität vorzugsweise im Bereich von 15 bis 40% eingestellt. Dieser Porositätsbereich kann durch Schneiden des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms in der Mitte seiner Dickenrichtung, Ausführen einer Ionenstrahlpolitur und Durchführen einer Messung mittels REM-Bildanalyse identifiziert werden. Überdies entspricht, bezüglich des Verhältnisses ϕ/d, wobei ϕ der durchschnittliche bzw. mittlere Porendurchmesser des ersten Lochs K1 ist, und d der durchschnittliche bzw. mittlere Zellendurchmesser der hohlen Zelle C ist, ein ϕ/d im Bereich von 0,3 bis 0,6 der vorstehend genannten Porosität von 15 bis 40%.
Darüber hinaus haben die Erfinder auch herausgefunden, dass die Dicke t1 des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms 61 vorzugsweise auf einen Bereich von 100 bis 500 μm eingestellt wird. Das bedeutet, dass, wenn der wärmeisolierende anodische Oxidationsbeschichtungsfilm eine Dicke unter 100 μm hat und der Temperaturanstieg der Beschichtungsfilmoberfläche während des Verbrennungszyklus unpassend ist und das Wärmeisolationsverhalten unpassend wird, gemäß den Erfindern keine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erzielt werden kann. Aufgrund dessen ist die minimale Dicke auf 100 μm eingestellt, um die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs sicherzustellen. Dagegen haben die Erfinder auch festgestellt, dass, wenn die Dicke des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms 500 μm übersteigt, an diesem Punkt eine hohe Wärmekapazität gegeben ist, und das Schwingverhalten beeinträchtigt wird, da der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm dann selbst Wärme speichert. Somit sind, vom Standpunkt der Herstellungseffizienz und Einfachheit der Herstellung, 500 μm die Obergrenze der Dicke des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms, da die Herstellung eines Alumitfilms mit einer Dicke über 500 μm selbst ziemlich schwierig ist. Die Beschichtungsfilmdicke kann beispielsweise unter Verwendung eines Wirbelstrom-Filmdicke-Analysegerätes gemessen werden, und kann durch Verwendung des Mittelwertes von zehn Punkten bestimmt werden.
Der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm 61 hat, aufgrund der Mikrostruktur, welche die separaten zweiten Löcher K2 beispielsweise an Tripelpunkten der hohlen Zellen C, welche die ersten Löcher K1 haben, aufweist, sowohl eine niedrige Wärmeleitfähigkeit als auch eine niedrige Wärmekapazität, und, in Kombination hiermit, auch die Fähigkeit, Druck, z. B. Expansionsdruck und Einspritzdruck während der Verbrennung in der Brennkammer NS, zu entspannen, sowie die Fähigkeit, wiederholte Belastungen aufgrund der thermischen Ausdehnung-Schrumpfung auszuhalten bzw. zu entspannen (relax).
Zudem gewährleistet das Einstellen der Dicke auf den Bereich von 100 bis 500 μm, wie vorstehend beschrieben, eine einfache Herstellung und schafft einen Film mit einem wärmeisolierenden Verhalten und einem Schwingverhalten, d. h. die Temperatur des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms folgt der Gastemperatur in der Brennkammer NS.
Darüber hinaus gehen die Erfinder davon aus, dass durch das Einstellen des Porositätsbereichs, der durch das erste Loch K1 und das zweite Lock K2 bestimmt wird, auf den Bereich von 15 bis 40%, eine maximale Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs von 5% erhalten wird, beispielsweise bei kleinen, turbogeladenen Dieselmotoren für Personenkraftfahrzeuge mit einem optimalen Krafstoffverbrauchspunkt bei einer Drehzahl von 2100 U/min und einem indizierten mittleren Druck von 1,6 MPa. Zudem wird, gleichzeitig mit der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, die Abgastemperatur durch die Wärmeisolierung um etwa 15°C erhöht, was zu einer Verringerung der Aufwärmzeit des NO_x-Reduktionskatalysators unmittelbar nach dem Start führt und die NO_x Reinigungsrate verbessert, und somit zu einer Verringerung von NO_x führt.
Um das Eindringen von Kraftstoff und Verbrennungsgasen in den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm 61, der die ersten und zweiten Löcher K1, K2 hat, zu vermeiden, kann ein dünner Film 7 auf der Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms 61, durch Aufbringen eines anorganischen Dichtmittels, wie beispielsweise Natriumsilikat, in einer dünneren Schicht als der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm 61, ausgebildet werden.
Ausgehend von dem Standpunkt, sowohl den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften zu haben, als auch eine übermäßig große Filmdicke zu vermeiden, wird die Dicke t2 des dünnen Films 7, im Gegensatz zur Dicke t1 des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms 61 von 100 bis 500 μm, vorzugsweise auf eine Dicke von beispielsweise 10 μm oder weniger eingestellt.
Das Verfahren zum Herstellen der dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flußschaubild aus 3A und auf 4 zusammengefasst. 4 zeigt eine Matrixdarstellung, welche den maximalen Spannungsbereich und den Wärmeabfuhrratenbereich bei einem ersten Schritt des Verfahrens zum Herstellen der Verbrennungskraftmaschine zeigt, und die ferner die nicht passenden Bereicht beschreibt.
Ein anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm wird zunächst (Schritt S1) durch Ausbilden einer Anode durch Eintauchen der Wand des bestimmten Bauteils, das der Brennkammer NS gegenüberliegt, in ein saures Elektrolysebad (nicht dargestellt) aus, z. B., Schwefelsäure, Ausbilden einer Kathode in dem sauren Elektrolysebad, anschließendes Anlegen einer Spannung, die auf den Bereich von 130 bis maximal 200 V eingestellt ist, zwischen den beiden Elektroden, und Durchführen der Elektrolyse bei einer Wärmeabfuhrrate, die im Bereich von 1,6 bis 2,4 cal/s/cm² eingestellt ist, ausgebildet. Diese numerischen Wertebereiche werden nachfolgend diskutiert. Die „Wärmeabfuhrrate” ist die Menge der durch das Elektrolysebad pro Zeiteinheit pro Oberflächenbereich aufgenommenen Wärme.
Das Ausführen der Filmbildung unter den vorgenannten Bedingungen in dem Schritt der anodischen Oxidationsbehandlung dient zum Fördern des Wachstums der hohlen Zellen, um die ersten und zweiten Löcher aufzuweiten, um dadurch die Porosität im Bereich von 15 bis 40% einzustellen, und um das Herstellen des Beschichtungsfilms mit einer Filmdicke im Bereich von 100 bis 500 μm zu ermöglichen.
Sobald der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm mit der gewünschten Porosität ausgebildet wurde, wird die Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (Schritt S2) einer Versiegelungsbehandlung mit kochendem Wasser oder Dampf, oder eine Beschichtungsbehandlung mit einem dünnen Film, der die Poren lackiert, oder beiden Behandlungen unterworfen, um dadurch eine Verbrennungskraftmaschine auszubilden, die, auf der Wand der Brennkammer, einen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm hat, der keinen Kraftstoff oder Verbrennungsgase in die Poren des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms aufnimmt.
3B zeigt ein Flußschaubild einer anderen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens. Bei diesem Herstellungsverfahren wird eine Zwischenstufe des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms nach dem gleichen Verfahren wie in Schritt S1 aus 3A hergestellt (erster Schritt: anodischer Oxidationsbehandlungsschritt, Schritt S11), und diese Zwischenstufe wird dann einer Porenaufweitungsbehandlung unter Verwendung einer Säure, z. B. Phosphorsäure (Säureätzbehandlung), unterzogen, um die ersten und zweiten Löcher aufzuweiten und eine Einstellung auf einen Porositätsbereich von 15 bis 40% durchzuführen (zweiter Schritt: Porenaufweitungsbehandlungsschritt, S12). In anderen Worten: mit dem Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform wird, aufgrund des zweiten Schritts, eine noch zuverlässigere Einstellung im Porositätsbereich von 15 bis 40% ausgeführt.
Sobald der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm mit der gewünschten Dicke durch Ausführen dieser Anpassung hergestellt wurde, um die gewünschte Porosität zu erzeugen, wird die Verbrennungskraftmaschine durch Unterziehen der Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (Schritt S13), wie bei dem Herstellungsverfahren nach 3A, einer Versiegelungsbehandlung, oder einer Beschichtungsbehandlung, oder beiden Behandlungen, hergestellt.
4 zeigt, in Form einer Matrix, die durch die Erfinder aufgestellt wurde, den Bedingungsbereich für den ersten Schritt der Erfindung (der Erfindungsbereich in der Figur), wie er durch den Wärmeabfuhrratenbereich und den Bereich der zwischen den Elektroden im Elektrolysebad angelegten Maximalspannung eingestellt ist, und zeigt auch Bereiche außerhalb dieses Bereichs.
Durch Einstellen der Maximalspannung im Bereich von 130 bis 200 V und Einstellen der Wärmeabfuhrrate im Bereich von 1,6 bis 2,4 cal/s/cm² kann ein anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm in der gewünschten Dicke im anodischen Oxidationsbehandlungsschritt ausgebildet werden, und erste und zweite Löcher mit der gewünschten Größe können in diesem Zustand ausgebildet werden (Löcher mit einer gewissen Größe können vorab in diesem Zustand als Vorbehandlung zum Ausbilden der Löcher mit der gewünschten Porosität durch den Porenaufweitungsbehandlungsschritt als Nachbehandlung ausgebildet werden).
Gemäß den Erfindern wird die Temperatur des Elektrolysebades vorzugsweise in dem Bereich von –5°C bis 5°C eingestellt, um eine Wärmeabfuhrrate im Bereich von 1,6 bis 2,4 cal/s/cm² zu erhalten. Die Wärmeabfuhrrate kann unter Verwendung der Temperatur des Elektrolysebades und der Rührgeschwindigkeit für das Elektrolysebad eingestellt werden.
In dem Bereich, der die gleiche Wärmeabfuhrrate wie der Erfindungsbereich hat, jedoch eine niedrigere Maximalspannung als der Erfindungsbereich, d. h. die Maximalspannung unter 100 V liegt, ist die Größe der hohlen Zellen gering und ein Hartalumitbereich wird gebildet, in welchem keine zweiten Löcher zwischen den Zellen gebildet werden.
In dem Bereich dagegen, der die gleiche Wärmeabfuhrrate wie der Erfindungsbereich hat, die Maximalspannung jedoch höher ist, als der Erfindungsbereich, d. h. die Maximalspannung 200 V übersteigt, wird ein anodischer Plasmaoxidationsbereich gebildet, in welchem keine hohlen Zellen ausgebildet werden.
Überdies kann, im Wärmeabfuhrratenbereich unterhalb des Erfindungsbereichs, der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm nicht in der gewünschten Schicht- bzw. Filmdicke von zumindest 100 μm ausgebildet werden, und es wurde festgestellt, dass ein Beschichtungsfilm ausgebildet wird, in dem keine Verbindung durch chemisches Verkleben zwischen des Zellen gegeben ist.

Behandlungsbedingungen werden nachstehend in Tabellen 1 und 2 gezeigt für: einen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm, der im Erfindungsbereich in 4 ausgebildet wurde (Beispiel); einen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm, der im Hartalumitbereich (harter Bereich) ausgebildet wurde (Vergleichsbeispiel); und einen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm, der im anodischen Plasmaoxidationsbereich (Plasmabereich) ausgebildet wurde (Vergleichsbeispiel). REM-Aufnahmen des Beispiels und der Vergleichsbeispiele sind in den 5A bis 5D, 6A bis 6D und 7 dargestellt. Genauer gesagt zeigt 5C eine REM-Aufnahme des Querschnitts der Oberfläche des Beschichtungsfilms (Seite der Brennkammer) nach der anodischen Oxidationsbehandlung des Beispiels; 5D zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts der Bodenseite des Beschichtungsfilms (Seite auf der Oberfläche des Bauteils, auf welchem der Beschichtungsfilm ausgebildet ist) nach der anodischen Oxidationsbehandlung des Beispiels; 5A zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts der Oberfläche des Beschichtungsfilms nach der anodischen Oxidationsbehandlung gemäß einem Vergleichsbeispiel (Hartalumitbereich); und 5B zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts der Bodenfläche des Beschichtungsfilms nach der anodischen Oxidationsbehandlung gemäß dem Vergleichsbeispiel (Hartalumitbereich). 6C zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts der Oberfläche des Beschichtungsfilms nach der Porenaufweitungsbehandlung des Beispiels; 6D zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts der Bodenseite des Beschichtungsfilms nach der Porenaufweitungsbehandlung des Beispiels; 6A zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts der Oberfläche des Beschichtungsfilms nach der Porenaufweitungsbehandlung gemäß einem Vergleichsbeispiel (Hartalumitbereich); und 6B zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts der Bodenfläche des Beschichtungsfilms nach der Porenaufweitungsbehandlung gemäß dem Vergleichsbeispiel (Hartalumitbereich). 7 zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms eines Vergleichsbeispiels (anodischer Plasmaoxidationsbereich). Tabelle 1

	Bedingungen beim Schritt der anodischen Oxidationsbehandlung
	Elektrolyse bad	Wärmeabfuhrrate (cal/s/cm²)	Badtempe ratur (°C)	Maximalspannung (V)	Stromdichte (mA/cm²)	Behandlungszeit (min)	durch. Filmdicke (μm)	Porosität (%)
(1) Erfindungsbereich	20% Schwefelsäure	1.9	0	120	90	60	155	20.1
(2) harter Bereich
		2.6		50	10	120	141	3.5
(3) Plasmabereich
		1.9		250	50	60	13	-

Tabelle 2

	Bedingungen beim Porenaufweitungsbehandlungsschritt
	Säure	Temperatur (°C)	Behandlungszeit (min)	durch. Filmdicke (μm)	Porosität (%)
(1) Erfindungsbereich	5% Phosphorsäure	25	20	143	33.8
(2) harter Bereich	5% Phosphorsäure	25	20	131	7.0
(3) Plasmabereich	-	-	-	-	-

Für den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm des Beispiels kann anhand der 5 und 6 bestätigt werden, dass die anodische Oxidationsbehandlung sowohl auf der Oberfläche des Beschichtungsfilms als auch auf dessen Bodenseite hohle Zellen mit einer gewissen Größe erzeugt hat, die Löcher von einer gewissen Größe haben; dass ein Abschnitt der Zellen durch den Porenaufweitungsschritt aufgelöst wurde, um große Löcher sowohl bei den Löchern in den Zellen als auch den Löchern an, z. B. den Tripelpunkten unter den Zellen, zu formen; und dass die Zellen große Außendurchmesser haben und miteinander verbunden (chemisch verklebt bzw. verbunden) sind.
Im Gegensatz hierzu wurden, bei dem Beschichtungsfilm des Vergleichsbeispiels, in welchem das Ausbilden der Schicht im Hartalumitbereich ausgeführt wurde, nur sehr kleine Löcher bei der anodischen Oxidationsbehandlung ausgebildet; die Porenaufweitungsbehandlung ergibt lediglich eine geringe Aufweitung der Löcher in den Zellen, was zu einer nicht zufriedenstellenden Größe führt; und die Löcher sind beispielsweise nicht an den Tripelpunkten der Zellen ausgebildet.
Zudem kann, bei dem Beschichtungsfilm des Vergleichsbeispiels, bei dem das Ausbilden des Films im anodischen Plasmaoxidationsbereich ausgeführt wurde, das Ausbilden hohler Zellen an sich nicht bestätigt werden, wie in 7 gezeigt ist.
Nachfolgend werden Experimente, welche den Porositätsbereich identifizieren, sowie die Ergebnisse dieser Experimente, beschrieben. Die Erfinder haben Kühltests, Mikro-Vickershärtetests sowie Experimente durchgeführt, um den optimalen Porositätsbereich für den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm aus der prozentualen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs zu identifizieren. Zunächst wurde, hinsichtlich der Durchführung des Kühltests, der in 8A gezeigte Rohling durch Vergießen einer Aluminiumlegierung mit der in Tabelle 3 gezeigten Zusammensetzung unter Verwendung einer Gussform (nicht dargestellt) ausgebildet (das Gießformen wurde bei 700°C und Aufschmelzen in Luft mit einem 30 kg Schmelzofen durchgeführt), und Teststücke bzw. Proben wurden durch Schneiden des Rohlings in 1 mm große Stücke, wie in
8B gezeigt, hergestellt. Der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm wurde auf einer einzelnen Seite eines jeden Teststücks ausgebildet und dann wurde der Kühltest unter Verwendung des resultierenden Teststücks ausgeführt. Tabelle 3

Bestandteil Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Ti Al

Menge (Masse%) 0.99 12.3 0.98 0.11 0.29 < 0.01 1.27 < 0.01 Rest (balance)
Der Kühltest wird wie folgt zusammengefasst. Wie in 9A gezeigt ist, wird ein Teststück bzw. eine Probe TP verwandt, bei welchem/welcher ein anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm lediglich auf einer einzelnen Seite ausgebildet wurde; die Rückseite (diejenige Seite, auf welcher der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm nicht aufgebracht wurde) wird mit einem 750°C Hochtemperaturstrahl (angedeutet durch „WÄRME” in der Figur) aufgeheizt, und das Teststück TP als ganzes wird bei etwa 250°C stabilisiert; das Abkühlen wird durch Bewegen einer Düse, die bereits einen Raumtemperaturstrahl mit einer vorgegebenen Strömungsrate ausstößt, zur Vorderseite der Probe TP (der Seite, auf welcher der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm ausgebildet ist) mittels eines Linearmotors begonnen (Kühlluft mit 25°C (angedeutet durch „LUFT” in der Figur) wird zugeführt, während der Hochtemperaturstrahl weiterhin auf die Rückseite aufgebracht wird). Die Temperatur der Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms des Teststücks TP wird mittels eines außen angeordneten Strahlungsthermometers gemessen, um den Temperaturabfall während des Kühlintervalls zu messen, und die in 9B gezeigt Kühlkurve wird erzeugt. Dieser Kühltest ist ein Testverfahren, das den Ansaughub an der Innenwand der Brennkammer simuliert und evaluiert die Kühlrate für die Oberfläche des wärmeisolierenden Beschichtungsfilms, der erhitzt wurde. Ein Wärmeisolationsfilm mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und niedrigen Wärmekapazität zeigt eine rasche Abkühlgeschwindigkeit.
Die für einen Abfall von 40°C benötigte Zeit wird aus der derart konstruierten Kühlkurve ausgelesen, um eine 40°C-Abfallzeit zu ermitteln, und die thermischen Eigenschaften des Beschichtungsfilms werden durch bzw. über diese 40°C-Abfallzeit evaluiert.
Im hier betrachteten Experiment wird das Kühlen der Vorderseite nach Stabilisierung bei etwa 250°C für 100 ms begonnen, und, wie in 9B gezeigt ist, 45 ms wird als 40°C-Abfallzeit gemessen.
Die Erfinder haben eine 5%ige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs als den während der Experimente durch die Leistung des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms, der die Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine der vorliegenden Erfindung bildet, zu erreichenden Sollwert verwendet. Eine 5%ige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs ist ein Wert, der eindeutig eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bestätigen kann, ohne durch einen Meßfehler verfälscht zu werden, und der, durch den Anstieg der Abgastemperatur, die Aufwärmzeit für den NO_x-Reduktionskatalysator verkürzen und eine Verringerung des NO_x realisieren kann. Die Erfinder haben den Porositätsbereich zum Erzielen dieses Sollwerts gesucht. Der in 10 gezeigte Graph zeigt die Korrelation zwischen der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, die durch die Erfinder bestimmt wurde, und der 40°C-Abfallzeit im Kühltest.
Eine angepasste Kurve (quadratische Kurve) wird, wie in 10 gezeigt ist, basierend auf der 40°C-Abfallzeit für Verbesserungen des Kraftstoffverbrauchs um 8%, 5%, 2,5% und 1,3% erzeugt. Die einer 5%igen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs entsprechende 40°C-Abfallzeit stimmt mit den 45 ms aus 9B überein.
Um einen Korrelationsgraphen für die Beziehung zwischen dem Kühltest und der Porosität, sowie für die Beziehung zwischen der Mikro-Vickershärte und der Porosität zu erzeugen, wurden Proben unter den in der untenstehenden Tabelle 4 gezeigten Bedingungen für den anodischen Oxidationsbehandlungsschritt (und Bedingungen für den Porenaufweitungsbehandlungsschritt für die Beispiele) mit neun verschiedenen Porositäten für den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm entsprechend den Vergleichsbeispielen 1 bis 5 und den Beispielen 1 bis 4 hergestellt. Die Messergebnisse der Dicke des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms, der Porosität, der Mikro-Vickershärte und der 40°C-Abfallzeit sind für jedes Teststück in der Tabelle 5 dargestellt.

Bei dem Mikro-Vickershärtetest wurde die Mikro-Vickershärte in der Mitte des Querschnitts des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms gemessen und der Mittelwert von fünf Meßpunkten einer jeden Probe bzw. eines jeden Teststücks bei einer Meßlast von 0,025 kg wurde als Mikro-Vickershärte verwendet. Tabelle 4

TP	Bedingungen beim anodischen Oxidationsbehandlungsschritt
TP	Wärmeabfuhrrate (cal/s/cm²)	Badtemperatur (°C)	Maximalspannung (V)	Stromdichte (mA/cm²)	Behandlungszeit (hr)	Porenaufweitungsbehandlungszeit (min)
Vergl.-Bsp. 1	2.6	0	50	10	2	-
Vergl.-Bsp. 2	1.0	10	50	30	1	-
Vergl.-Bsp. 3	1.6	5	100	30	2	-
Beispiel 1	1.6	5	135	30	2	-
Beispiel 2	2.4	–3	160	90	1	-
Beispiel 3	2.0	0	150	90	1	-
Beispiel 4	2.0	0	150	90	1	20
Vergl.-Bsp. 4	2.0	0	140	90	1	40
Vergl.-Bsp. 5	2.0	0	150	90	1	60
Grundmaterial	-	-	-	-	-	-

Tabelle 5

TP	Messwerte für die anodischen Oxidationsbeschichtungsfilme
TP	Beschichtungsfildicke (μm)	Porosität (%)	MikroVickershärte (HV0.025)	40°CAbfallzeit (msec)	durch. Zellendurchmesser: (nm)	durch. Porendurchmesser: ϕ (nm)	ϕ/d
Vergl.-Bsp. 1	100	3.0	444	250	80	10	0.13
Vergl.-Bsp. 2	60	9.2	440	187.3	90	20	0.22
Vergl.-Bsp. 3	116	13.4	431	50.4	90	30	0.33
Beispiel 1	124	25.6	350	44.5	110	50	0.45
Beispiel 2	156	31.5	294	40.3	80	40	0.50
Beispiel 3	155	20.1	379	44.0	100	40	0.40
Beispiel 4	143	33.8	250	42.7	150	90	0.60
Vergl.-Bsp. 4	136	41.3	91	41.9	140	90	0.64
Vergl.-Bsp. 5	138	43.0	101	41.7	160	90	0.56
Grundmaterial	-	-	130	440	-	-	-

Um die Beziehung zwischen dem Kühltest und der Porosität zu bestimmen, wurden Experimente unter Verwendung des in 9A gezeigten Verfahrens mit den Teststücken der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 und der Beispiele 1 bis 4 durchgeführt, und die Ergebnisse wurden wie in 11 gezeigt aufgezeichnet, wodurch die angepasste Kurve bestimmt wurde. 11 zeigt die angepasste Kurve, die 40°C-Abfallzeiten entsprechend der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 1%, 2% und 5% (110 msec. für 1%, 80 msec. für 2% und 45 msec. für 5%) und den 40°C-Abfallzeitgrenzwert des Aluminiumgrundmaterials (440 msec.).
Basierend auf 11 und Tabelle 5 ist die Porosität am Schnittpunkt von 45 msec., was dem 40°C-Abfallzeitgrenzwert entsprechend einer 5%igen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs entspricht, und der angepassten Kurve für das einzelne Teststück 15%, und dieser Wert wird dann als der untere Grenzwert in einem numerischen Begrenzungsbereich für die Porosität des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms eingestellt. Die 40°C-Abfallzeit übersteigt 45 msec. für die Teststücke in den Vergleichsbeispielen 1 bis 3, wie in Tabelle 5 gezeigt ist, was die Schwierigkeit bestätigt, eine 5%ige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs mit diesen anodischen Oxidationsbeschichtungsfilmen zu erreichen.
Die Mikro-Vickershärte und die Porosität der Teststücke sind in 12 abgebildet und ergeben ebenfalls die entsprechende angepasste Kurve. Der Bereich von 110 bis 150 HV0,025, der den Grenzwert für die Härte das Aluminiumgrundmaterials darstellt, ist grau dargestellt.
Basierend auf 12 und Tabelle 5 ist die Porosität am Schnittpunkt zwischen der angepassten Kurve (fitted curve) und der 110 Mikro-Vickershärte des Aluminiumgrundmaterials 40%, und dieser Wert wird als der obere Grenzwert im numerischen Begrenzungsbereich für die Porosität des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms eingestellt. Wie aus der 12 ersichtlich ist, kann die Mikro-Vickershärte des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms auf 110 bis 400 HV0,025 gebracht werden, um eine Porosität für den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm von 15% bis 40% zu schaffen.
Basierend auf den vorstehenden Ergebnissen kann der optimale Bereich der Porosität des Alumits (des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms), das auf der Wand der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, auf den Bereich von 15 bis 40% eingestellt werden.
Ein Graph, der ϕ/d in Tabelle 5 mit der Porosität korreliert, ist in 13 dargestellt. Es ist aus dieser Figur ersichtlich, dass der ϕ/d-Bereich, der der optimalen Porosität von 15 bis 40% entspricht, 0,3 bis 0,6 ist. Wenn ϕ/d im Bereich von 0,3 bis 0,6 liegt während die Porosität kleiner ist als 15% oder größer ist als 40%, wie bei den Vergleichsbeispielen 3 und 5, kann nicht festgestellt werden, dass dies optimale Beispiele des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms sind, der auf der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine der Erfindung ausgebildet werden soll, so dass folglich der optimale Bereich für ϕ/d wie vorstehend angeführt mit dem vorstehend beschriebenen Optimalbereich für die Porosität als Grundvoraussetzung eingestellt wird.
REM-Aufnahmen der Querschnitte der Beispiele und Vergleichsbeispiele sind in den 14A bis 14C, 15A bis 15D, 16A und 16B gezeigt. Genauer gesagt ist 14A eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Vergleichsbeispiel 1; 14B eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Vergleichsbeispiel 2; 14C eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Vergleichsbeispiel 3; 15A eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Beispiel 1; 15B eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Beispiel 2; 15C eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Beispiel 3; 15D eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Beispiel 4; 16A eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Vergleichsbeispiel 4; und 16B eine REM-Aufnahme des Querschnitts des Alumits von Vergleichsbeispiel 5.
Ausgehend von den jeweiligen Figuren ist ersichtlich, dass die Vergleichsbeispiele keine angemessen großen Poren haben, und das Folgende kann anhand dieser Figuren ferner bestätigt werden: es sind keine angemessenen Lücken zwischen den Zellen vorhanden (Vergleichsbeispiele 1, 2 und 3) und die Lücken sind übermäßig groß und/oder die Zellen sind nicht angemessen chemisch miteinander verbunden (Vergleichsbeispiele 4 und 5). Demgegenüber kann das Folgende für die Beispiele bestätigt werden: die Zellen weißen in ihrem Inneren Lücken bzw. Löcher mit einer gewissen Größe auf; Löcher mit einer gewissen Größe sind zudem an Tripelpunkten der Zellen vorhanden (Nichtbindungsbereiche); und ein Bindungsbereich ist, da die Löcher nicht übermäßig groß sind, vorhanden, in welchem die Zellen chemisch miteinander entweder an Punkten oder Seiten verbunden bzw. verklebt sind.

Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der Maximalspannung und der Oberflächentemperaturabfallrate bzw. -geschwindigkeit, wie auch die Ergebnisse dieser Experimente, werden nachfolgend beschrieben. Die Erfinder haben die Oberflächentemperaturabfallrate (40°C-Abfallzeit) als Funktion der Maximalspannung an Teststücken gemessen, die unter Verwendung verschiedener Maximalspannungen in der anodischen Oxidationsbehandlung hergestellt wurden, wie in Tabelle 6 gezeigt. Diese Messergebnisse wurden aufgezeichnet und eine Kurve wurde aus den aufgezeichneten Ergebnissen erzeugt, wie in 17 gezeigt ist. Tabelle 6

Bedingungen beim anodischen Oxidationsbehandlungsschritt						durch. Beschichtungsfilm dicke (μm)	Oberflächentemperaturabfallrate ms/40°C)
Elektrolysebad	Wärme-abfuhrrate (cal/s/cm²)	Badtemperatur (C°)	Stromdichte (mA/cm²)	Behandlungszeit (min)	Maximalspannung (V)	durch. Beschichtungsfilm dicke (μm)	Oberflächentemperaturabfallrate ms/40°C)
10% Shwefelsäure	1.9	0	150	30	42	95	64.1
			150	30	50	106	62.4
			90	60	110	199	49.5
			90	60	116	199	50.1
			90	45	103	159	55.5
			90	100	137	252	41.1
20% Schwefelsäure			90	60	128	186	45.0
20% Schwefelsäure			90	60	133	170	44.0

Ausgehend davon, dass, gemäß Tabelle 6 und 17, 130 V die Maximalspannung beim Schnittpunkt der gemessenen Werte der Oberflächentemperaturabfallrate der jeweiligen Teststücke und dem Grenzwert von 45 (ms/40°C) für die Oberflächentemperaturabfallrate entsprechend der 5%igen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs ist, und dass die Eigenschaften ebenso ausgezeichnet sind, wenn die Maximalspannung bei oder über 130 V liegt, bieten diese Ergebnisse die Grundlage für den unteren Grenzwert von 130 V für die angelegte Spannung im Schritt der anodischen Oxidationsbehandlung. Die 200 V Obergrenze für die angelegte Spannung basiert auf dem Wissen, dass der Bereich über 200 V ein anodischer Plasmaoxidationsbereich ist.
Experimente zum Identifizieren der Beziehung zwischen der Porenaufweitungsbehandlungszeit für den anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm und die Oberflächentemperaturabfallrate, wie auch die Ergebnisse dieser Experimente, werden nachfolgend beschrieben. Die Erfinder haben Experimente durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Porenaufweitungsbehandlungszeit und der Porosität und der Oberflächentemperaturabfallrate zu identifizieren. Insbesondere wurden anodische Oxidationsbehandlungen im Hartalumitbereich und im Erfindungsbereich, wie in 4 gezeigt, durchgeführt; die jeweiligen Beschichtungsfilme wurden einer Porenaufweitungsbehandlung für eine Zeitdauer von 0, 20 oder 40 Minuten unterzogen; und die Porosität und die Oberflächentemperaturabfallzeit wurden am resultierenden anodischen Oxidationsbeschichtungsfilm gemessen. Nachfolgend werden in Tabelle 7 für jedes Teststück aufgelistet: die Bedingungen beim anodischen Oxidationsbehandlungsschritt und Porenaufweitungsbehandlungsschritt sowie die gemessenen Werte für die durchschnittliche Beschichtungsfilmdicke, Porosität und Oberflächentemperaturabfallrate. Ein Graph der Korrelation zwischen der Porenaufweitungsbehandlungszeit und der Porosität ist in 18A dargestellt und ein Graph der Korrelation zwischen der Porenaufweitungsbehandlungszeit und der Oberflächentemperaturabfallrate ist in 18B dargestellt. Die 19A bis 19C zeigen REM-Aufnahmen der Oberfläche des Beschichtungsfilms für anodische Oxidationsbeschichtungsfilme, die in einem anodischen Oxidationsbehandlungsschritt im Erfindungsbereich erzeugt wurden und jeweils für eine Porenaufweitungsbehandlungszeit von 0 Minuten (keine Porenaufweitungsbehandlung), 20 Minuten und 40 Minuten behandelt wurden.
Tabelle 7 (siehe am Ende dieser Beschreibung)
Gemäß der Tabelle 7 und 18A haben die endgültigen Beschichtungsfilme, die unter Verwendung des anodischen Oxidationsbehandlungsschrittes im Erfindungsbereich hergestellt wurden, eine Porosität von zumindest 20%. Wenn jedoch die Porenaufweitungsbehandlung für 40 Minuten ausgeführt wird, übersteigt die Porosität 40% knapp, wie in Tabelle 7 und den 18A und 18B gezeigt ist; und, da die Oberflächentemperaturabfallzeit ebenso etwas 45 msec. übersteigt, wird geezeigt, dass die Porenaufweitungsbehandlung vorzugsweise für weniger als 40 Minuten ausgeführt wird.
Die REM-Aufnahmen in den 19A bis 19C bestätigen das Folgende: die Poren des Beschichtungsfilms sind in der Aufnahme von 19A, bei welchem keine Porenaufweitungsbehandlung ausgeführt wurde, unpassend, während die Poren im Beschichtungsfilm von 19C, bei dem eine 40 minütige Porenaufweitungsbehandlung durchgeführt wurde, (aufgrund der Zerstörung der porösen Struktur) zu groß sind; in 19B hingegen, wo eine 20 minütige Porenaufweitungsbehandlung durchgeführt wurde, wurde ein Beschichtungsfilm mit Poren geschaffen, der zudem eine gewisse Kompaktheit zeigt, da die Zellen miteinander verbunden sind.
Experimente zur Evaluierung der Motorleistung bei einem Dieselmotor, wie auch die Ergebnisse dieser Experimente, werden nachfolgend beschrieben. Die Erfinder haben einen Alumitbeschichtungsfilm unter den nachfolgend beschriebenen Bedingungen nur auf der Kopf- bzw. oberen Fläche des Kolbens in der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und die Motorleistung, z. B. die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und die NO_x-Veränderung gemessen.
Die hierbei verwendete Verbrennungskraftmaschine hatte die folgenden Spezifikationen: wassergekühlter, liegender Einzylinder DI-Dieselmotor, ϕ 78 × 80 (382 cc), 5,1 kW @ 2600 U/min. Die Spezifikationen für das Alumit sind wie folgt: Filmdicke = 150 μm (nach Versiegelungsbehandlung: Behandlung mit kochendem Wasser), Porosität entsprechend 15%. Der alumitbehandelte Gegenstand war die Front (nur die Kolbenseite der Brennkammer) des Kopfes bzw. der Oberseite des Dieselkolbens, und es wurde keine Alumitbehandlung auf den anderen Bauteilen, die der Brennkammer zugewandt sind, z. B. dem Zylinderkopf, den Ventilen und dem Zylinderblock, durchgeführt.
Drei Parameter, welche die Motorleistung anzeigen, wurden mit den folgenden Ergebnissen gemessen: der Kraftstoffverbrauch wurde um 1,3% gesteigert (verbessert), die Rauchänderung nahm um 29% ab und die NO_x-Veränderung nahm um 4% ab.
Die Erfinder gehen davon aus, dass eine etwa 2,5-mal größere Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erzielt werden kann, wenn, entgegen der Ausbildung des Alumitbeschichtungsfilms nur auf der Kolbenoberfläche von den Wandflächen, die zur Brennkammer des Dieselmotors gerichtet sind, der gleiche Alumitbeschichtungsfilm auf der gesamten Wandfläche ausgebildet wird. Zudem nehmen die Erfinder an, dass eine etwa 1,6-fache Steigerung der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs durch Ausbilden des gleichen Alumitbeschichtungsfilms in einem turbogeladenen Dieselmotor im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen, nicht aufgeladenen (herkömmliche Ansaugung) DI Dieselmotor wahrgenommen werden kann. Dementsprechend kann eine 5%ige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs durch Ausbilden des Beschichtungsfilms, der das strukturelle Element der Erfindung darstellt, über die gesamte Brennkammer eines turbogeladenen direkteinspritzenden Dieselmotors erzielt werden.
Ausführungsformen der Erfindung wurden detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, jedoch sind bestimmte Strukturen nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt; vielmehr können auch verschiedene Variationen, Abwandlungen und dergleichen ausgeführt werden, ohne von den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen, von der Erfindung umfasst.

Claims

Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine (10), wobei der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) auf einer gesamten Wand, die einer Brennkammer (NS) gegenüberliegt, oder einem Teil davon ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) eine Struktur hat, die einen Bindungsbereich hat, in welchem eine jede von ein erstes Loch (K1) aufweisenden hohlen Zellen (C), die den Beschichtungsfilm bilden, an benachbarte hohle Zellen (C) geklebt ist, sowie einen Nichtbindungsbereich, in welchem drei oder mehr benachbarte hohle Zellen (C) nicht aneinander kleben, und eine Porosität des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) bestimmt wird durch das erste Loch (K1), das in der hohlen Zelle (C) ausgebildet ist, und ein zweites Loch (K2), das den Nichtbindungsbereich bildet.
Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) im Bereich von 100 bis 500 μm liegt.
Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität im Bereich von 15 bis 40% liegt.
Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis ϕ/d im Bereich von 0,3 bis 0,6 liegt, wobei ϕ ein durchschnittlicher Porendurchmesser des ersten Lochs (K1) in der hohlen Zelle (C) ist und d ein durchschnittlicher Zellendurchmesser der hohlen Zelle ist.
Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) einer Versiegelungsbehandlung mit kochendem Wasser oder Dampf, oder einer Beschichtungsbehandlung mit einem dünnen Film (7), der die Poren lackiert, oder beiden Behandlungen unterworfen wurde.
Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Film (7) ein anorganisches Dichtmittel aufweist.
Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) ein Alumitbeschichtungsfilm ist.
Anodischer Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro-Vickershärte des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) im Bereich von 110 bis 400 HV0,025 liegt.
Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm auf einer gesamten Wand, die einer Brennkammer (NS) der Verbrennungskraftmaschine (10) gegenüberliegt, oder einem Teil der Wand, ausgebildet ist, aufweisend: Bereitstellen einer Anode durch Eintauchen einer gesamten Wand oder eines Teiles davon in ein saures Elektrolysebad, Bereitstellen einer Kathode in dem sauren Elektrolysebad, und anschließendes Anlegen einer Spannung, die auf den Bereich von 130 bis höchstens 200 V eingestellt ist, zwischen den beiden Elektroden und Durchführen einer Elektrolyse bei einer Wärmeabfuhrrate im Bereich von 1,6 bis 2,4 cal/s/cm²; und Herstellen, auf der Oberfläche der gesamten Wand oder eines Teils davon, eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) der eine Struktur hat, die einen Bindungsbereich hat, in welchem eine jede von ein erstes Loch (K1) aufweisenden hohlen Zellen (C), die den Beschichtungsfilm bilden, an benachbarte hohle Zellen (C) geklebt ist, sowie einen Nichtbindungsbereich, in welchem drei oder mehr benachbarte hohle Zellen (C) nicht aneinander kleben.
Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter aufweist: einen ersten Schritt zum Ausbilden einer Zwischenstufe des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64); und einen zweiten Schritt zum Einstellen einer Porosität, die bestimmt wird durch das erstes Loch (K1), das in der hohlen Zelle (C) ausgebildet ist, und ein zweites Loch (K2), das den Nichtbindungsbereich bildet, durch Aufweiten von Löchern der Zwischenstufe des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) durch Ausführen einer Porenaufweitungsbehandlung unter Verwendung einer Säure auf der gesamten Wand oder eines Teils davon, die auf der Oberfläche der Zwischenstufe des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) ausgebildet ist.
Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des sauren Elektrolyts im Bereich von –5°C bis 5°C eingestellt ist.
Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) im Bereich von 100 bis 500 μm liegt.
Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter aufweist: einen Schritt zum Durchführen einer Versiegelungsbehandlung mit kochendem Wasser oder Dampf, oder einer Beschichtungsbehandlung mit einem dünnen Film (7), der die Poren lackiert, oder beider Behandlungen, nach dem Ausbilden des anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64).
Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Film (7) ein anorganisches Dichtmittel aufweist.
Verfahren zum Ausbilden eines anodischen Oxidationsbeschichtungsfilms (61, 62, 63, 64) für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der anodische Oxidationsbeschichtungsfilm (61, 62, 63, 64) ein Alumitbeschichtungsfilm ist.