DE112014000847T5

DE112014000847T5 - Wärmeisolierende Schicht auf einer Komponentenoberfläche und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE112014000847T5
Application number: DE112014000847.8T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Inoue; Nobuo Sakate; Shinji Kadoshima; Satoshi Nanba
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2015-11-05
Also published as: CN105121824A; JP2015068302A; WO2015045286A1; JP6321934B2; US20160025035A1

Abstract

Eine wärmeisolierende Schicht 21, die auf einer Oberfläche einer Komponente 19 vorgesehen ist, die einem Motorbrennraum zugewandt ist, enthält hohle Partikel 23 aus einem anorganischen Oxid, ein Füllstoffmaterial 25 und ein glasartiges Material 27, das Kieselsäure als Hauptbestandteil enthält. Das glasartige Material 27 liegt nicht in Pulverform vor und umgibt und bindet die hohlen Partikel 23 und das Füllstoffmaterial 25 miteinander.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine wärmeisolierende Schicht, die auf einer Oberfläche einer Komponente vorgesehen wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen der wärmeisolierenden Schicht.
Technischer Hintergrund
In den 80-er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde das Vorsehen einer wärmeisolierenden Schicht an einem dem Motorbrennraum zugewandten Abschnitt als Verfahren zum Verbessern des Wärmewirkungsgrads des Motors vorgeschlagen. Später wurde eine wärmeisolierende Schicht aus einem gesinterten Keramikpressling oder eine wärmeisolierende Schicht aus einer thermischen Spritzschicht, die Zirkonoxid(ZrO₂)-Partikel mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit enthält, vorgeschlagen.
Der gesinterte Keramikpressling kann jedoch aufgrund von thermischer Beanspruchung und Temperaturschock Rissbildung erfahren und aufgrund des Entstehens der Risse abgelöst werden. Die aus einem gesinterten Keramikpressling hergestellten wärmeisolierenden Schichten wurden daher nicht für eine praktische Nutzung, insbesondere bei relativ großen Flächen von Teilen, wie etwa der oberen Fläche des Kolbens, der Innenumfangsfläche einer Zylinderbuchse und der Bodenfläche eines Zylinderkopfs, eingesetzt.
Die Spritzschichten werden dagegen zur Nutzung an der Innenfläche der Zylinderbuchse und der Trochoidfläche des Wankelmotors verwendet. Sie dienen aber dazu, die Verschleißbeständigkeit zu verbessern, und dienen nicht dazu, die Wärmebeständigkeit zu verbessern. Um die Spritzschicht als wärmeisolierende Schicht zu verwenden, ist es bevorzugt, wie vorstehend beschrieben Material niedriger Wärmeleitfähigkeit, das als Hauptbestandteil ZrO₂ enthält, aufzuspritzen.
Patentschrift 1 offenbart zum Beispiel das Ausbilden von Vorsprüngen und Vertiefungen in einer dem Brennraum zugewandten Oberfläche eines Motorteils und das Füllen, durch Spritzen, der Vertiefungen mit Material niedriger Wärmeleitfähigkeit, das ZrO₂ als Hauptbestandteil enthält. Weiterhin offenbart Patentschrift 2 einen Verbrennungsmotor, der mit einer wärmeisolierenden Folie versehen ist, die zu Partikeln ausgebildete mehrere erste wärmeisolierende Materialien, ein zu einer Folie ausgebildetes zweites wärmeisolierendes Material und Verstärkungsfasern umfasst. Patentschrift 2 offenbart auch, dass Beispiele des zweiten wärmeisolierenden Materials Keramiken, wie etwa Zirkonoxid (ZrO₂), Silizium, Titan oder Zirkonium, Keramiken, die Kohlenstoff und Sauerstoff als Hauptkomponente enthalten, oder hochfeste und hoch wärmebeständige Keramikfasern, umfassen können und weiterhin eine Kombination dieser Materialien umfassen können.
Liste der Anführungen
Patentschrift

Patentschrift 1: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2005-146925
Patentschrift 2: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2009-243352

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die Spritzschicht in Patentschrift 1 und das wärmeisolierende Material, z. B. Keramik, in Patentschrift 2 bestehen jedoch aus Partikeln (Pulvern), die miteinander gebunden sind, und weisen daher zwischen den Partikeln einen Spalt auf, d. h. sind porös. Bei einem so genannten Direkteinspritzmotor, bei dem Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird, erreicht der eingespritzte Kraftstoff aus diesem Grund die Kolbenoberfläche und dringt durch den Spalt in die wärmeisolierende Schicht ein. Dadurch kann der Kraftstoff nicht zur Verbrennung beitragen. Wenn sich ferner der Kraftstoff nach Eindringen in die wärmeisolierende Schicht allmählich in Kohlenstoff verwandelt und als Kohlenstoffablagerungen zurückbleibt, kann er eine Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht steigern und kann zu einer Leistungsabnahme führen.
In den letzten Jahren hat bei einem Direkteinspritzbenzinmotor die homogene Kompressionszündung (HCCl) Aufmerksamkeit erfahren und wird als Verbrennungssystem entwickelt, das die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors verbessert. Da aber die Verbrennungstemperatur der HCCl niedrig ist, werden ein Reduzieren eines Kühlverlusts von dem Motorbrennraum und dadurch ein Verbessern des Wärmewirkungsgrads gefordert. Somit wird das Vorsehen einer wärmeisolierenden Schicht mit einer hohen Wärmeisolationseigenschaft auf Oberflächen von z. B. einem Kolben, einem Zylinderkopf, einem Ventil und einer Zylinderbuchse, die dem Motorbrennraum zugewandt sind, gefordert.
Die vorliegende Erfindung erfolgte, um die vorstehenden Probleme zu lösen, und soll eine wärmeisolierende Schicht vorsehen, die bei Vorsehen zum Beispiel auf einer dem Motorbrennraum zugewandten Komponente ein Eindringen von Kraftstoff in die wärmeisolierende Schicht verhindern kann, über einen langen Zeitraum eine hohe Wärmeisolationseigenschaft wahren kann und den Wärmewirkungsgrad des Motors verbessern kann.
Lösung des Problems
Zum Verwirklichen der vorstehenden Aufgabe wurde bei der vorliegenden Erfindung ein glasartiges Material, das nicht in Pulverform vorliegt, als Material für eine wärmeisolierende Schicht auf einer Oberfläche einer Komponente verwendet.
Im Einzelnen umfasst eine wärmeisolierende Schicht auf einer Oberfläche einer Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung: hohle Partikel aus einem anorganischen Oxid; ein Füllstoffmaterial; und ein glasartiges Material, das Kieselsäure als Hauptbestandteil enthält, wobei das glasartige Material nicht in Pulverform vorliegt und die hohlen Partikel und das Füllstoffmaterial miteinander bindet.
Gemäß der wärmeisolierenden Schicht auf der Oberfläche der Komponente der vorliegenden Erfindung umgibt das glasartige Material die hohlen Partikel und das Füllstoffmaterial und bindet diese miteinander. Daher ist es möglich, einen Zustand zu erzeugen, in dem der Spalt zwischen den hohlen Partikeln und der Spalt zwischen den hohlen Partikeln und dem Füllstoffmaterial gefüllt werden. Zudem liegt das glasartige Material nicht in Pulverform vor und ist im Gegensatz zu der porösen Spritzschicht und der keramischen Schicht aus z. B. Zirkonoxid von dichter Beschaffenheit. Wenn somit zum Beispiel die wärmeisolierende Schicht auf einer Komponentenoberfläche vorgesehen wird, die dem Motorbrennraum zugewandt ist, kann ein Eindringen des in den Motorbrennraum eingespritzten Kraftstoffs in die wärmeisolierende Schicht verhindert werden. Dadurch kann eine Erzeugung von Kohlenstoffabscheidungen aufgrund des Eindringens des Kraftstoffs in die wärmeisolierende Schicht vermieden werden und eine Abnahme der Wärmeisolationseigenschaft wird verhindert. Der Wärmewirkungsgrad des Motors kann daher verbessert werden.
Bei der wärmeisolierenden Schicht auf der Oberfläche der Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung liegen die Volumenverhältnisse (Vol.-%) der hohlen Partikel, des Füllstoffmaterials und des glasartigen Materials bevorzugt in den folgenden Bereichen: hohle Partikel:Füllstoffmaterial:glasartiges Material = 40 bis 75:1 bis 5:23 bis 58.
Dies bedeutet, dass das Volumenverhältnis der hohlen Partikel als Bestandteil der wärmeisolierenden Schicht groß ist und es möglich ist, eine große Menge Luft in der wärmeisolierenden Schicht aufzunehmen. Somit ist es möglich, die Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht zu reduzieren und die Wärmeisolationseigenschaft der wärmeisolierenden Schicht zu verbessern. Das Festlegen des Volumenverhältnisses der hohlen Partikel in der wärmeisolierenden Schicht auf 75 Vol.-% oder weniger macht es ferner möglich, eine ausreichende Menge des glasartigen Materials sicherzustellen, das zwischen den hohlen Partikeln bindet, und macht es daher möglich, einen haltbaren Film zu bilden.
Wenn quantitative Verhältnisse der hohlen Partikel, des Füllstoffmaterials und des glasartigen Materials durch Massenverhältnis (Masse-%), nicht durch Volumenverhältnis (Vol.-%), ausgedrückt werden, ist es bevorzugt, dass das Massenverhältnis des glasartigen Materials am höchsten ist und dass die Massenverhältnisse der hohlen Partikel, des Füllstoffmaterials und des glasartigen Materials in den folgenden Bereichen liegen: hohle Partikel:Füllstoffmaterial:glasartiges Material = 17 bis 48:5 bis 14:44 bis 75.
Analog zu der vorstehenden Beschreibung macht es dies möglich, die Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht zu reduzieren und die Wärmeisolationseigenschaft der wärmeisolierenden Schicht zu verbessern. Gleichzeitig wird es möglich, eine ausreichende Menge des glasartigen Materials sicherzustellen und einen haltbaren Film zu bilden.
Die Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht an der Oberfläche der Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,15 W/m·K oder mehr und 0,4 W/m·K oder weniger.
Die volumenspezifische Wärme der wärmeisolierenden Schicht an der Oberfläche der Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung liegt ferner bevorzugt in einem Bereich von 400 kJ/m³·K oder mehr und 1300 kJ/m³·K oder weniger.
Wenn eine solche wärmeisolierende Schicht mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit oder einer niedrigen volumenspezifischen Wärme wie vorstehend beschrieben auf einer dem Motorbrennraum zugewandten Oberfläche einer Komponente vorgesehen wird, kann ein Wärmeverlust in dem Brennraum stärker reduziert werden. Ferner löst die wärmeisolierende Schicht mit einer niedrigen volumenspezifischen Wärme das Problem, dass in dem Ansaugtakt des Motors eine Ansaugfüllmenge reduziert wird, weil die Temperatur einer solchen wärmeisolierenden Schicht durch die Ansaugluft verringert wird. Daher wird der Wärmewirkungsgrad verbessert.
Bei der erfindungsgemäßen wärmeisolierenden Schicht an der Oberfläche der Komponente ist es bevorzugt, dass die hohlen Partikel mindestens eines von Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid als Hauptkomponente enthalten und dass ein mittlerer Durchmesser der hohlen Partikel 5 μm oder mehr und 30 μm oder weniger beträgt.
Wenn der mittlere Durchmesser des hohlen Partikels 5 μm oder mehr beträgt, kann eine größere Menge Luft in dem Partikel aufgenommen werden, wogegen bei einem mittleren Durchmesser des hohlen Partikels von 30 μm oder weniger bezüglich der Höhe der wärmeisolierenden Schicht mehr Partikel in der wärmeisolierenden Schicht enthalten sein können. Dies macht es möglich, eine erforderliche Menge an Luft für eine hohe Isolationseigenschaft zu erhalten. Wenn zudem der mittlere Durchmesser der hohlen Partikel 30 μm oder weniger beträgt, ist es möglich, die Oberflächenrauheit der wärmeisolierenden Schicht zu reduzieren. Wenn diese wärmeisolierende Schicht zum Beispiel auf einer dem Motorbrennraum zugewandten Oberfläche einer Komponente vorgesehen wird, ist es möglich, einen lokalen Anstieg der Oberflächentemperatur der wärmeisolierenden Schicht zu verhindern und eine anomale Verbrennung in dem Motor sowie eine Wärmebeschädigung der wärmeisolierenden Schicht zu verhindern.
Bei der wärmeisolierenden Schicht auf der Oberfläche der Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Füllstoffmaterial aus mindestens einem von einem fasrigen anorganischen Oxid oder einem Übergangsmetalloxid bestehen.
Das fasrige anorganische Oxid steigert die Festigkeit der wärmeisolierende Schicht und verringert die Erzeugung von Rissen. Das Übergangsmetalloxid trägt zu einer Zunahme der Härte der wärmeisolierenden Schicht bei.
Ein Verfahren zum Herstellen einer wärmeisolierenden Schicht auf einer Oberfläche einer Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte: Erzeugen einer Komponente, auf der die wärmeisolierende Schicht ausgebildet wird; Mischen einer Lösung, die einen durch eine Wärmebehandlung zu einem glasartigen Material werdenden Präkursor enthält, und hohler Partikel sowie eines Füllstoffmaterials; Aufbringen einer durch das Mischen erhaltenen Mischung an der Oberfläche der Komponente; und durch Vornehmen einer Wärmebehandlung an der aufgebrachten Mischung bei 90°C oder mehr und 160°C oder weniger über 40 Minuten oder weniger Umwandeln des Präkursors in das glasartige Material.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der wärmeisolierenden Schicht auf der Oberfläche der Komponente ist es möglich, auf der Oberfläche der Komponente die wärmeisolierende Schicht, die die hohlen Partikel, das Füllstoffmaterial und das Kieselsäure als Hauptbestandteil enthaltende glasartige Material enthält, zu bilden. Bei der erhaltenen wärmeisolierenden Schicht wird eine Mischlösung, in der die Präkursorlösung, die hohlen Partikel und das Füllstoffmaterial miteinander gemischt sind, einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch der Präkursor in das glasartige Material verwandelt wird. Somit umgibt das glasartige Material die hohlen Partikel und das Füllstoffmaterial und bindet sie miteinander. Dadurch ist es möglich, einen Zustand zu erzeugen, in dem der Spalt zwischen den hohlen Partikeln und der Spalt zwischen den hohlen Partikeln und dem Füllstoffmaterial mit dem glasartigen Material gefüllt werden. Bei der erhaltenen wärmeisolierenden Schicht wird das glasartige Material ferner durch Erwärmen und Härten seiner Präkursorlösung erhalten. D. h. das glasartige Material liegt nicht in Pulverform vor und ist von dichter Beschaffenheit. Wenn zum Beispiel die wärmeisolierende Schicht auf einer dem Motorbrennraum zugewandten Oberfläche einer Komponente vorgesehen wird, ist es somit möglich, ein Eindringen von Kraftstoff in die wärmeisolierende Schicht zu verhindern. Dies macht es möglich, die Erzeugung von Kohlenstoffablagerungen aufgrund des Eindringens von Kraftstoff in die wärmeisolierende Schicht zu vermeiden und eine Reduzierung der Wärmeisolationseigenschaft zu verhindern. Somit kann eine wärmeisolierende Schicht, die den Wärmewirkungsgrad des Motors verbessern kann, erhalten werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der wärmeisolierenden Schicht auf der Oberfläche der Komponente kann Siliziumalkoxid als Präkursor verwendet werden.
Vorteile der Erfindung
Eine erfindungsgemäße wärmeisolierende Schicht auf einer Oberfläche einer Komponente kann zum Beispiel bei Vorsehen auf einer einem Motorbrennraum zugewandten Komponentenoberfläche ein Eindringen von Kraftstoff in die wärmeisolierende Schicht verhindern, über einen langen Zeitraum eine hohe Wärmeisolationseigenschaft wahren und somit den Wärmewirkungsgrad des Motors verbessern. Ferner kann eine solche wärmeisolierende Schicht, die die vorstehenden Vorteile aufweist, durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der wärmeisolierenden Schicht auf einer Oberfläche einer Komponente erhalten werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittansicht einer Motorstruktur nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittansicht einer wärmeisolierenden Schicht auf einer einem Motorbrennraum zugewandten Komponentenoberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine vergrößerte Querschnittansicht einer wärmeisolierenden Schicht auf einer einem Motorbrennraum zugewandten Komponentenoberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer wärmeisolierenden Schicht auf einer einem Motorbrennraum zugewandten Komponentenoberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Anteilsverhältnis von hohlen Partikeln in einer wärmeisolierenden Schicht und einer Wärmeleitfähigkeit und einer volumenspezifischen Wärme der wärmeisolierenden Schicht zeigt.
Beschreibung einer Ausführungsform
Nachstehend wird eine Ausführungsform zum Implementieren der vorliegenden Erfindung beruhend auf den Zeichnungen beschrieben. Die folgende Ausführungsform ist lediglich ein bevorzugtes Beispiel der Beschaffenheit und soll nicht den Schutzumfang, die Anwendungen und Nutzung der Erfindung beschränken.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung bei einer in 1 gezeigten, dem Brennraum des Motors zugewandten Komponente genutzt.
<Motormerkmale>
Bei dem in 1 gezeigten Direkteinspritzmotor E ist das Bezugszeichen 1 ein Kolben; das Bezugszeichen 3 ist ein Zylinderblock; das Bezugszeichen 5 ist ein Zylinderkopf; das Bezugszeichen 7 ist ein Einlassventil zum Öffnen/Schließen einer Einlassöffnung 9 des Zylinderkopfs 5; das Bezugszeichen 11 ist ein Auslassventil zum Öffnen/Schließen einer Auslassöffnung 13; und das Bezugszeichen 15 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse. Der Brennraum des Motors ist durch die obere Fläche des Kolbens 1, den Zylinderblock 3, den Zylinderkopf 5 und die Ventilkopfflächen (d. h. dem Brennraum zugewandte Flächen) der Einlass- und Auslassventile 7 und 11 gebildet. In der oberen Fläche des Kolbens 1 ist eine Aushöhlung 17 ausgebildet. In der Zeichnung sind eine Zündkerze und eine Zylinderbuchse nicht dargestellt.
Es ist bekannt, dass in der Theorie der Wärmewirkungsgrad des Motors umso höher wird, je höher das geometrische Verdichtungsverhältnis und je höher das Luftüberschussverhältnis des Arbeitsmediums ist. In der Realität weist die Verbesserung des Wärmewirkungsgrads aufgrund der Zunahme des Verdichtungsverhältnisses und des Überschussluftverhältnisses aber einen oberen Grenzwert auf, da der Kühlverlust umso mehr zunimmt, je höher das Verdichtungsverhältnis ist und je höher das Luftüberschussverhältnis ist.
D. h. der Kühlverlust hängt von einem Wärmeübergangskoeffizienten von dem Arbeitsmedium zu der Motorbrennraumwand, der Fläche des Wärmeübergangs und einer Temperaturdifferenz zwischen der Benzintemperatur und der Wandtemperatur ab. Bei dem Motorbrennraum ist somit eine wärmeisolierende Schicht, deren Wärmeleitfähigkeit niedriger als die des metallischen Grundmaterials von Motorteilen ist, auf der Oberfläche des metallischen Grundmaterials ausgebildet.
<Aufbau der wärmeisolierenden Schicht>
Nun wird der Aufbau der wärmeisolierenden Schicht, die auf der dem Motorbrennraum zugewandten Komponentenoberfläche vorgesehen ist, unter Bezug auf 2 und 3 beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine auf der oberen Fläche des Kolbens vorgesehene wärmeisolierende Schicht als eine dem Motorbrennraum zugewandte Oberfläche einer Komponente erläutert. Eine auf einer dem Motorbrennraum zugewandten Oberfläche einer anderen Komponente (z. B. eines Zylinderblocks) vorgesehene wärmeisolierende Schicht kann aber ebenfalls den gleichen Aufbau aufweisen.
Wie in 2 gezeigt ist, ist auf der oberen Fläche 19a eines Kolbenkörpers 19, der eine Motorkomponente ist, (d. h. auf einer dem Motorbrennraum zugewandten Oberfläche einer Komponente) eine wärmeisolierende Schicht 21 vorgesehen. An einem mittleren Abschnitt der oberen Fläche 19a des Kolbenkörpers 19 ist ein ausgesparter Abschnitt, der der Aushöhlung 17 entspricht, ausgebildet. Die wärmeisolierende Schicht 21 weist eine gleichmäßige Dicke auf, wobei sie der Form der oberen Fläche 19a folgt. Der Kolbenkörper 19 der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einer Aluminiumlegierung mit einem T6-Zustand. Ferner wird die obere Fläche 19a des Kolbenkörpers 19, auf der die wärmeisolierende Schicht 21 vorgesehen ist, einem Oberflächenaufrauhungsprozess wie etwa einem Strahlprozess und einer anodisierenden Behandlung (einer Alumitbehandlung) unterzogen. Somit werden in der oberen Fläche 19a des Kolbenkörpers 19 Vorsprünge und Vertiefungen gebildet, was eine Verbesserung des Anhaftvermögens zwischen dem Kolbenkörper 19 und der wärmeisolierenden Schicht 21 ermöglicht. Dadurch wird ein Lösen der wärmeisolierenden Schicht 21 von dem Kolbenkörper 19 verhindert. Es können andere Methoden verwendet werden, solange sie Prozesse zum Verbessern des Anhaftvermögens zwischen dem Kolbenkörper 19 und der wärmeisolierenden Schicht 21 sind. Zum Beispiel kann die obere Fläche 19a des Kolbenkörpers 19 einem chemischen Umwandlungsprozess unterzogen werden.
Wie in 3 gezeigt ist, enthält die wärmeisolierende Schicht 21 der vorliegenden Ausführungsform hohle Partikel 23 aus einem anorganischen Oxid, ein Füllstoffmaterial 25 und ein glasartiges Material 27 mit einer Kieselsäure als Hauptbestandteil. Der Schichtaufbau der wärmeisolierenden Schicht 21 wird durch das glasartige Material 27 gebildet, das die hohlen Partikel 23 und das Füllstoffmaterial 25 umgibt und diese miteinander bindet. Das glasartige Material 27 bindet zwischen den hohlen Partikeln 23 und zwischen den hohlen Partikeln 23 und dem Füllstoffmaterial 25 durch Füllen des Spalts dazwischen. Das glasartige Material 27 liegt ferner nicht in Pulverform vor und ist von dichter Beschaffenheit. Das lässt das Bestehen eines Spalts, durch den der Kraftstoff tritt, zwischen den hohlen Partikeln 23 und in dem glasartigen Material 27 selbst nicht zu, und dadurch ist es möglich, ein Eindringen des in den Motorbrennraum eingespritzten Kraftstoffs in die wärmeisolierende Schicht 21 zu verhindern.

In der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, keramikbasierte hohle Partikel, wie etwa Flugascheballons, Shirasu-Ballons, Siliziumdioxidballons und Aerogelballons, die eine Si-basierte Oxidkomponente (z. B. Siliziumdioxid (SiO₂)) oder eine Al-basierte Oxidkomponente (z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃)) enthalten, zu verwenden. Das Material und die Partikelgröße jedes Ballons sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

Art des hohlen Partikels	Material	Partikelgröße (μm)
Flugascheballon	SiO₂, Al₂O₃	1–300
Shirasu-Ballon	SiO₂, Al₂O₃	5–600
Siliziumdioxidballon	SiO₂, Al₂O₃	0,09–0,11
Aerogelballon	SiO₂	0,02–0,05

Zum Beispiel ist die chemische Zusammensetzung des Flugascheballons wie folgt: 40,1 bis 74,4 Masse-% SiO₂; 15,7 bis 35,2 Masse-% Al₂O₃; 1,4 bis 17,5 Masse-% Fe₂O₃; 0,2 bis 7,4 Masse-% MgO; und 0,3 bis 10,1 Masse-% CaO. Die chemische Zusammensetzung des Shirasu-Ballons ist wie folgt: 75 bis 77 Masse-% SiO₂; 12 bis 14 Masse-% Al₂O₃; 1 bis 2 Masse-% Fe₂O₃; 3 bis 4 Masse-% Na₂O; 2 bis 4 Masse-% K₂O; und 2 bis 5 Masse-% IgLoss. Der mittlere Durchmesser (D50) des hohlen Partikels 23 beträgt vorzugsweise 5 μm oder mehr und 30 μm oder weniger. Wenn der mittlere Durchmesser des hohlen Partikels 5 μm oder mehr beträgt, kann eine größere Menge an Luft in dem Partikel aufgenommen werden, wogegen bei einem mittleren Durchmesser des hohlen Partikels von 30 μm oder weniger bezüglich der Höhe der wärmeisolierenden Schicht mehr Partikel in der wärmeisolierenden Schicht enthalten sein können. Dies macht es möglich, eine erforderliche Menge an Luft für eine hohe Isolationseigenschaft zu erhalten. Wenn zudem der mittlere Durchmesser der hohlen Partikel 30 μm oder weniger beträgt, ist es möglich, die Oberflächenrauheit der wärmeisolierenden Schicht zu reduzieren, eine lokale Zunahme der Oberflächentemperatur zu verhindern und eine anomale Verbrennung in dem Motor und Wärmebeschädigung der wärmeisolierenden Schicht zu verhindern.
Es ist bevorzugt, dass die wärmeisolierende Schicht 21 solche hohlen Partikel 23 bei einem Volumenverhältnis von 40 Vol.-% oder mehr und 75 Vol.-% oder weniger enthält. Ferner ist es bevorzugt, dass die wärmeisolierende Schicht 21 die hohlen Partikel 23 bei einem Massenverhältnis von 17 Masse-% oder mehr und 48 Masse-% oder weniger enthält. Bei dieser Zusammensetzung ist der Anteil der hohlen Partikel 23 als Komponente der wärmeisolierenden Schicht 21 groß, d. h. 40 Vol.-% oder mehr oder 17 Masse-% oder mehr. Das bedeutet, dass eine große Menge an Luft in der wärmeisolierenden Schicht 21 enthalten sein kann. Dadurch kann die Wärmeleitfähigkeit und das wärmespezifische Volumen der wärmeisolierenden Schicht 21 reduziert werden und die Wärmeisolationseigenschaft der wärmeisolierenden Schicht 21 kann verbessert werden. Das Festlegen des Volumenverhältnisses der hohlen Partikel 23 in der wärmeisolierenden Schicht 21 auf 75 Vol.-% oder weniger oder das Massenverhältnis auf 48 Masse-% oder weniger macht es ferner möglich, eine ausreichende Menge des glasartigen Materials 27 sicherzustellen, das zwischen den hohlen Partikeln 23 bindet, und macht es daher möglich, einen haltbaren Film zu bilden. Es ist bevorzugt, wie vorstehend erwähnt durch Anpassen des Anteils der hohlen Partikel 23 in der wärmeisolierenden Schicht 21 die wärmeisolierende Schicht 21 mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,15 0.15 W/m·K oder mehr und 0,4 W/m·K oder weniger oder mit einer niedrigen volumenspezifischen Wärme von etwa 400 kJ/m³·K oder mehr und 1300 kJ/m³·K oder weniger zu erhalten. Die Beziehung zwischen dem Anteil der hohlen Partikel 23 in der wärmeisolierenden Schicht 21 und der Wärmeleitfähigkeit und dem spezifischen Volumen der wärmeisolierenden Schicht 21 wird später näher beschrieben.
In dem Fall, da die wärmeisolierende Schicht 21 die hohlen Partikel 23 in dem vorstehenden Bereich enthält, ist es bevorzugt, dass das Füllstoffmaterial 25 bei einem Volumenverhältnis von 1 Vol.-% oder mehr und 5 Vol.-% oder weniger in der wärmeisolierenden Schicht 21 enthalten ist und dass das glasartige Material 27 bei einem Volumenverhältnis von 23 Vol.-% oder mehr und 58 Vol.-% oder weniger in der wärmeisolierenden Schicht 21 enthalten ist. Ferner ist es bevorzugt, dass das Füllstoffmaterial 25 bei einem Massenverhältnis von 5 Masse-% oder mehr und 14 Masse-% oder weniger in der wärmeisolierenden Schicht 21 enthalten ist und dass das glasartige Material 27 bei einem Massenverhältnis von 44 Masse-% oder mehr und 75 Masse-% oder weniger in der wärmeisolierenden Schicht 21 enthalten ist. Das Füllstoffmaterial 25 ist in der wärmeisolierenden Schicht 21 enthalten, um die wärmeisolierende Schicht 21 zu verstärken, und besteht vorzugsweise aus hochfesten und hoch wärmebeständigen Materialien. Zum Beispiel können fasrige anorganische Oxide und Übergangsmetalloxide vorteilhaft verwendet werden. Ferner wird das glasartige Material 27 verwendet, um zwischen den hohlen Partikeln 23 und zwischen den hohlen Partikeln 23 und dem Füllstoffmaterial 25 zu binden, wodurch die wärmeisolierende Schicht 21 gebildet wird. Wenn der Anteil des glasartigen Materials 27 in der wärmeisolierenden Schicht 21 23 Vol.-% oder mehr oder 44 Masse-% oder mehr beträgt, erlaubt dies ein ausreichendes Binden der hohlen Partikel 23 und der hohlen Partikel 23 und des Füllstoffmaterials 25 miteinander und es ist möglich, einen haltbaren Film zu bilden. Ferner macht es das Festlegen des Volumenverhältnisses des glasartigen Materials 27 in der wärmeisolierenden Schicht 21 auf 58 Vol.-% oder weniger oder 75 Masse-% oder weniger möglich, eine ausreichende Menge der hohlen Partikel 23, die die Wärmeisolationseigenschaft steigern, sicherzustellen, und macht es daher möglich, die wärmeisolierende Schicht 21 mit hoher Wärmeisolationseigenschaft zu erhalten.
<Verfahren zum Herstellen einer wärmeisolierenden Schicht>
Nun wird unter Bezug auf 4 ein Verfahren zum Vorsehen der vorstehend beschriebenen wärmeisolierenden Schicht auf der oberen Fläche des Kolbens als dem Motorbrennraum zugewandte Komponentenoberfläche erläutert. Auch wenn in der folgenden Beschreibung ein Verfahren zum Vorsehen der wärmeisolierenden Schicht auf der oberen Fläche des Kolbenkörpers erläutert wird, kann die wärmeisolierende Schicht an anderen Motorkomponenten, z. B. einem Zylinderblock, durch das gleiche Verfahren, wie es beim Vorsehen der wärmeisolierenden Schicht auf dem Kolbenkörper verwendet wird, vorgesehen werden.
Zunächst wird ein Kolbenkörper (ein Grundteil), der aus einer Aluminiumlegierung besteht und eine Motorkomponente ist, erzeugt (Schritt S1). Der Kolbenkörper wird entfettet, um Fett und Fingerabdrücke zu entfernen, die an der Oberfläche anhaften, an der die wärmeisolierende Schicht vorzusehen ist. Ferner wird die obere Fläche des Kolbenkörpers vorzugsweise einem Oberflächenaufrauhungsprozess (einer Oberflächenbehandlung) unterzogen, um das Anhaftvermögen zwischen dem Kolbenkörper und der wärmeisolierenden Schicht zu verbessern (Schritt S2). Zum Beispiel ist ein Strahlprozess (z. B. Sandstrahlen) als Oberflächenbehandlung bevorzugt. Zum Beispiel kann der Strahlprozess durch eine Druckluftstrahlmaschine unter Verwenden von Aluminiumoxid der Partikelgröße #30 als Strahlgut unter den Prozessbedingungen eines Drucks von 0,39 MPa, einer Zeit von 45 Sekunden und einer Entfernung von 100 mm durchgeführt werden. Alternativ kann eine Alumitbehandlung durchgeführt werden, um das Anhaftvermögen zwischen dem Kolbenkörper und der wärmeisolierenden Schicht zu verbessern. Zum Beispiel kann die Alumitbehandlung in einem Oxalsäurebad unter den Prozessbedingungen einer Badtemperatur von 20°C, einer elektrischen Stromdichte von 2 A/dm² und einer Zeit von 20 Minuten durchgeführt werden. Die Oberflächenbehandlung ist nicht darauf beschränkt, und es kann zum Beispiel ein chemischer Umwandlungsprozess genutzt werden.
Als Materialien für die wärmeisolierende Schicht werden hohle Partikel, ein Füllstoffmaterial und eine Präkursorlösung des glasartigen Materials erzeugt (Schritt S3). Zum Beispiel können die vorstehend erwähnten Shirasu-Ballons und Siliziumdioxidballons als hohle Partikel verwendet werden. Als Füllstoffmaterial können fasrige anorganische Oxide, Übergangsmetalloxide, etc. verwendet werden. Im Einzelnen können Kaliumtitanatfasern vorteilhaft verwendet werden. Jedes Material, das sich durch Wärmebehandlung in ein glasartiges Material, das Kieselsäure als Hauptbestandteil enthält, umwandeln kann, kann als Präkursor verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Siliziumalkoxidlösung (z. B. G-90, hergestellt von izumo inc.) als Präkursor verwendet werden. Nach der Erzeugung der vorstehenden Materialien werden die Materialien gerührt und gemischt, um eine Mischlösung zu erzeugen (Schritt S4).
Nach dem Erzeugen des Kolbenkörpers in der vorstehend beschriebenen Weise und dem Erzeugen der Mischlösung, in der die vorstehenden Materialien gemischt sind, wird die Mischlösung durch Spritzen oder Rotationsbeschichten oder mit einem Pinsel auf die obere Fläche des Kolbenkörpers aufgebracht (Schritt S5).
Danach wird die Wärmebehandlung an der aufgebrachten Mischlösung durchgeführt, um den Präkursor, der zu dem glasartigen Material werden soll, zu härten (Schritt S6). Die Wärmebehandlung wird 40 Minuten lang oder weniger an der aufgebrachten Mischung bei 90°C oder mehr und 160°C oder weniger durchgeführt. Die Bedingungen der Wärmebehandlung können innerhalb der vorstehenden Bereiche abhängig von dem Material des Präkursors entsprechend eingestellt werden. Zum Beispiel wird im Fall des Verwendens von G-90, das von izumo inc. hergestellt wird, zuerst die Wärmebehandlung bei etwa 100°C etwa 10 Minuten lang durchgeführt, um ein Lösungsmittel und Wasser aus der Mischlösung zu entfernen und die Mischlösung zu trocknen, und danach wird die Wärmebehandlung bei etwa 150°C etwa 30 Minuten lang durchgeführt, um den Präkursor zu härten, damit er ein glasartiges Material wird, das Kieselsäure als Hauptbestandteil enthält.
Die wärmeisolierende Schicht, die die hohlen Partikel, das Füllstoffmaterial und das glasartige Material enthält, kann auf der oberen Fläche des Kolbenkörpers, d. h. auf einer dem Motorbrennraum zugewandten Komponentenoberfläche, in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet werden. Bei der so gebildeten wärmeisolierenden Schicht wird das glasartige Material durch Verglasen der Präkursorlösung erhalten und liegt nicht in Pulverform vor. Das glasartige Material bindet zwischen den hohlen Partikeln und zwischen den hohlen Partikeln und dem Füllstoffmaterial durch Füllen des Spalts dazwischen. Somit ist die wärmeisolierende Schicht nicht porös und es kann ein Eindringen des Kraftstoffs in die wärmeisolierende Schicht verhindert werden. Dadurch kann die Wärmeisolationseigenschaft über einen langen Zeitraum beibehalten werden und der Wärmewirkungsgrad des Motors kann entsprechend verbessert werden.
<Leistungstest für die wärmeisolierende Schicht>
Nachstehend werden Ergebnisse einer Untersuchung einer Beziehung zwischen einem Anteilsverhältnis der hohlen Partikel in der wärmeisolierenden Schicht, die durch das vorstehende Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wurde und auf der dem Motorbrennraum zugewandten Komponentenoberfläche vorgesehen ist, und der Wärmeleitfähigkeit und der volumenspezifischen Wärme der wärmeisolierenden Schicht erläutert. Es wurden wärmeisolierende Schichten, in denen die hohlen Partikel bei unterschiedlichen Anteilsverhältnissen enthalten waren, die zwischen 0 Vol.-% und 75 Vol.-% schwankten, gebildet, und die Wärmeleitfähigkeit und die volumenspezifische Wärme der jeweiligen wärmeisolierenden Schichten wurden unter den wärmeisolierenden Schichten hinsichtlich der Unterschiede bei den Mengen der hohlen Partikel verglichen. Im Einzelnen wurden fünf Arten von wärmeisolierenden Schichten, die die hohlen Partikel bei 0 Vol.-%, 40 Vol.-%, 60,7 Vol.-%, 67,8 Vol.-% bzw. 75 Vol.-% enthielten, gebildet. Das Anteilsverhältnis zwischen dem Füllstoffmaterial und dem glasartigen Material wurde so gesteuert, dass es in dem Rest der wärmeisolierenden Schicht ausgenommen der hohlen Partikel konstant war, d. h. Füllstoffmaterial:glasartiges Material = 7:93 (Volumenverhältnis).
Die wärmeisolierenden Schichten wurden bei dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren unter Verwenden der vorstehend beschriebenen Shirasu-Ballons als hohle Partikel, von Kaliumtitanatfasern als Füllstoffmaterial und G-90 aus Siliziumalkoxid, das von izumo inc. hergestellt wird, als Präkursor erhalten. Die wärmeisolierende Schicht wurde auf dem Grundteil aus Aluminiumlegierung ausgebildet.
Es wurden die Temperaturleitfähigkeit (m²/s), die Dichte (kg/m³) und die gewichtsspezifische Wärme (kJ/kg·K) der jeweiligen erhaltenen wärmeisolierenden Schichten gemessen. Diese wurden durch übliche Verfahren gemessen. Im Einzelnen wurde die Temperaturleitfähigkeit durch die Laser-Flash-Methode gemessen; die Dichte wurde durch die Archimedes-Methode gemessen; und die gewichtsspezifische Wärme wurde durch dynamische Differenzkalorimetrie (DDK) gemessen. Die Messungen wurden unter einer Bedingung von 25°C durchgeführt. Die volumenspezifische Wärme und die Wärmeleitfähigkeit wurden durch die folgenden Gleichungen jeweils beruhend auf den Messergebnissen berechnet: volumenspezifische Wärme (kJ/m³·K) = Dichte × Temperaturleitfähigkeit; und Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) = Temperaturleitfähigkeit × Dichte × gewichtsspezifische Wärme. Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt.
Wie in 5 gezeigt ist, nehmen die Wärmeleitfähigkeit und die volumenspezifische Wärme der wärmeisolierenden Schicht ab, wenn das Anteilsverhältnis der hohlen Partikel in der wärmeisolierenden Schicht steigt. In dem Fall, da die wärmeisolierende Schicht keine hohlen Partikel enthält (0 Vol.-%), betrug im Einzelnen die Wärmeleitfähigkeit 0,63 W/m·K und die volumenspezifische Wärme betrug 2159 kJ/m³·K, wogegen in dem Fall, da das Anteilsverhältnis der hohlen Partikel auf 40 Vol.-% angehoben war, die Wärmeleitfähigkeit 0,4 W/m·K betrug und die volumenspezifische Wärme auf 1300 kJ/m³·K reduziert war. In dem Fall, da das Anteilsverhältnis der hohlen Partikel in der wärmeisolierenden Schicht auf 75 Vol.-% angehoben ist, betrug die Wärmeleitfähigkeit ferner 0,15 W/m·K und die volumenspezifische Wärme war auf 400 kJ/m³·K reduziert.
Ferner wurde auf der oberen Fläche eines Kolbens eine wärmeisolierende Schicht (mit einer Dicke von etwa 75 μm), die die hohlen Partikel bei 60,7 Vol.-% enthielt, ausgebildet, und der Kolben wurde in einem seriengefertigten Benzinmotor eingebaut, um einen Langzeittest in einem Modus hoher Beschleunigung und Abbremsung durchzuführen. Das Ergebnis war, dass sich kein Ablösen der wärmeisolierenden Schicht fand, und es wurde bestätigt, dass die Langzeitzuverlässigkeit hoch war.
Dies zeigt, dass es durch Aufnehmen der hohlen Partikel in der wärmeisolierenden Schicht erfindungsgemäß möglich ist, eine wärmeisolierende Schicht vorzusehen, deren Wärmeleitfähigkeit und volumenspezifische Wärme niedrig sind, deren Wärmeisolationseigenschaft hoch ist und deren Haltbarkeit hoch ist.
Die vorliegende Erfindung ist für die Bildung einer wärmeisolierenden Schicht nicht nur auf dem Brennraum eines Motors zugewandten Komponenten, sondern auch auf Oberflächen verschiedener Arten von Komponenten für industrielle Nutzung oder zur Verwendung durch Verbraucher brauchbar.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
3: Zylinderblock
5: Zylinderkopf
7: Einlassventil
11: Auslassventil
19: Kolbenkörper
19a: obere Fläche
21: wärmeisolierende Schicht
23: hohle Partikel
25: Füllstoffmaterial
27: glasartiges Material

Claims

Wärmeisolierende Schicht, die auf einer Oberfläche einer Komponente vorgesehen ist, wobei die wärmeisolierende Schicht umfasst: hohle Partikel aus einem anorganischen Oxid; ein Füllstoffmaterial; und ein glasartiges Material, das Kieselsäure als Hauptbestandteil enthält, wobei das glasartige Material nicht in Pulverform vorliegt und die hohlen Partikel und das Füllstoffmaterial umgibt und miteinander bindet.
Wärmeisolierende Schicht nach Anspruch 1, wobei Volumenverhältnisse (Vol.-%) der hohlen Partikel, des Füllstoffmaterials und des glasartigen Materials in den folgenden Bereichen liegen: hohle Partikel:Füllstoffmaterial:glasartiges Material = 40 bis 75:1 bis 5:23 bis 58.
Wärmeisolierende Schicht nach Anspruch 1, wobei unter den Massenverhältnissen (Masse-%) der hohlen Partikel, des Füllstoffmaterials und des glasartigen Materials das Massenverhältnis des glasartigen Materials am höchsten ist und die Massenverhältnisse der hohlen Partikel, des Füllstoffmaterials und des glasartigen Materials in den folgenden Bereichen liegen: hohle Partikel:Füllstoffmaterial:glasartiges Material = 17 bis 48:5 bis 14:44 bis 75.
Wärmeisolierende Schicht nach Anspruch 2, wobei eine Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht in einem Bereich von 0,15 W/m·K oder mehr und 0,4 W/m·K oder weniger liegt.
Wärmeisolierende Schicht nach Anspruch 2, wobei eine volumenspezifische Wärme der wärmeisolierenden Schicht in einem Bereich von 400 kJ/m³·K oder mehr und 1300 kJ/m³·K oder weniger liegt.
Wärmeisolierende Schicht nach Anspruch 1, wobei die hohlen Partikel mindestens eines von Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid als Hauptkomponente enthalten und ein mittlerer Durchmesser der hohlen Partikel 5 μm oder mehr und 30 μm oder weniger beträgt.
Wärmeisolierende Schicht nach Anspruch 1, wobei das Füllstoffmaterial aus mindestens einem von einem fasrigen anorganischen Oxid oder einem Übergangsmetalloxid besteht.
Wärmeisolierende Schicht nach Anspruch 1, wobei die Komponente eine einem Motorbrennraum zugewandte Motorkomponente ist.
Verfahren zum Herstellen einer wärmeisolierenden Schicht auf einer Oberfläche einer Komponente, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Komponente, auf der die wärmeisolierende Schicht ausgebildet wird; Mischen einer Lösung, die einen durch eine Wärmebehandlung zu einem glasartigen Material werdenden Präkursor enthält, und hohler Partikel sowie eines Füllstoffmaterials; Aufbringen einer durch das Mischen erhaltenen Mischung an der Oberfläche der Komponente; und durch Vornehmen einer Wärmebehandlung an der aufgebrachten Mischung bei 90°C oder mehr und 160°C oder weniger über 40 Minuten oder weniger Umwandeln des Präkursors in das glasartige Material.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei als Präkursor Siliziumalkoxid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Komponente eine einem Motorbrennraum zugewandte Motorkomponente ist.