JP2012509406A - 排気口をコーティングする方法、並びに該方法を実施する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼機関（１０）のシリンダーヘッド（１２）内部に配置されるシリンダー（１４）の少なくとも１つの排気口（２０）をコーティングする方法であって、該排気口（２０）が、該シリンダー（１４）と排気装置（４０）とを接続する。少なくとも１つの排気口（２０）を画定する前記リンダーヘッド（１２）の１つ以上の表面部分（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）は、前記シリンダー側及び前記排気装置側の両方から材料を噴霧することにより、少なくとも部分的にコーティングされる。本発明は、前記方法を実施する装置にも言及している。
【選択図】図３ｃ

Description

本発明は、独立請求項の前文に記載される、排気口をコーティングする方法、並びに該方法を実施する装置に関する。

特許文献１は、断熱コーティングのような塗膜層で様々な部分を被覆したエンジンを開示している。具体的には、排気マニホールドの内側表面及びターボチャージャより前のパイプの内側表面、並びに場合によってはシリンダーヘッドのその他の領域をコーティングすることにより、排気ガスの温度を上昇させ、ターボチャージャの効率を高めることができる。内側表面にコーティングを施すために様々な被着技術が提案されるが、そのような方法として、例えば可溶性先駆物質の溶液に含浸させた後、熱又は化学分解を実施する方法、火炎溶射又はプラズマ溶射のような熱溶射方法、あるいはスラリーを塗布した後、熱処理を実施して乾燥させる方法などがある。しかし、可溶性先駆物質及び／又はスラリーを用いたウェットコーティング後の後処理は、時間がかかり、化合物の扱いは面倒である。さらに、被覆しようとする表面には、複雑な形状を呈するものがある。

米国特許第５，９８７，８８２号明細書

本発明の目的は、材料の信頼性の高い被着を達成する排気口の複雑な内側表面のコーティング方法を提供することである。別の目的は、この方法を実施する装置を提供することである。

上記の目的は、独立請求項の特徴により達成される。他の請求項及び明細書では、本発明の有利な実施形態を開示している。

燃焼機関のシリンダーヘッド内部に配置されるシリンダーの少なくとも１つの排気口をコーティングする方法であって、該排気口はシリンダーと排気装置とを接続する、上記方法が提案される。少なくとも１つの排気口を画定するリンダーヘッドの１つ以上の表面部分を、シリンダー側及び排気装置側の両方から材料を噴霧することにより、少なくとも部分的にコーティングする。

吸込口と吐出口との間で、排気口は湾曲した形状をしている。両側から排気口をコーティングすることにより、高いコーティング品質で、排気口の複雑な形状をコーティングすることが可能である。シリンダーヘッドを後処理しなければならない可能性があるウェットコーティングなどの他のコーティング技術と比較して、スプレーコーティングは、容易に施すことができ、しかも再現可能である。燃焼機関、特に燃焼室の形状変更を回避できる。コーティングは完成部品に施すことから、エンジン部品の鋳造工程の変更を回避できる。

高い断熱をもたらす断熱コーティングにより、排気吐出口の高度な被覆を達成することができる。好ましくは、コーティング材料は、高温の排気ガスからシリンダーヘッド及び／又は燃焼機関への熱伝達を低減する、あるいは排除する遮熱コーティングであってよい。上記の材料は、１つの包括的ステップで、数百マイクロメーター以下の厚さで噴霧することができる。コーティングは、好ましくはプラズマ溶射により施される遮熱コーティングであってよい。場合によっては、トップコートを塗装する前に、ベースコートを被着させることができる。トップコートは、好ましくはセラミック断熱材であり、例として、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）、及びマグネシア安定化ジルコニア（ＭｇＯ−ＺｒＯ２）−、カルシア安定化ジルコニア（ＣａＯ−ＺｒＯ２）−、セリア安定化ジルコニア（ＣｅＯ２−ＺｒＯ２）−安定化ジルコニア（ＺｒＯ２−ＺｒＯ２）、並びにジルコン（ＺｒＳｉＯ４）、ジルコニウム酸塩（例えば、ＣａＺｒＯ３）、チタン酸塩（例えば、ＣａＴｉＯ３）などがある。

従って、排気ガスはターボチャージャに入るとき高温である。ターボチャージャのために利用可能なエネルギーが多ければ多いほど、燃焼機関内での燃焼過程用の空気を圧縮するコンプレッサーを駆動するために多量のエネルギーを提供できる。

本発明の好ましい実施形態では、少なくとも１つの排気口を、排気口の第１部分及び第２部分を個別にコーティングすることにより、少なくとも部分的にコーティングできる。排気口壁のコーティングは、排気口の各部分について制御された方法で実施できる。吸込口及び吐出口領域を個別にコーティングすることにより、高いコーティング品質で、排気口の複雑な形状をコーティングすることが可能である。

本発明のさらに好ましい実施形態では、排気口の第１部分を第１スプレーガンにより供給される材料でコーティングすることができる。好ましい改善形態では、第１部分をコーティングする第１スプレーガンは、排気口の外側に配置される。好ましくは、排気口の第１部分をコーティングする材料は、第１スプレーガンの縦方向延長線に一致する方向に沿って被着させることができる。好適には、スプレーガンは、噴霧方向と交差するように配置された軸を中心にして回転させることができる。

本発明の別の好適な実施形態では、排気口の第２部分を第２スプレーガンにより供給される材料でコーティングすることができる。好適な改善形態においては、排気口の第２部分をコーティングする材料は、排気口内部から供給できる。好ましくは、排気口の第２部分をコーティングする材料は、第２スプレーガンの縦方向延長線に一致する方向に対してある角度で被着させることができる。好適には、第２スプレーガンは、その縦方向延長線と平行に配置された軸を中心にして回転する。第１スプレーガン及び第２スプレーガンは、同時に、又は逐次作動させることが可能である。同時操作によって、１つ以上の排気口をコーティングする処理時間が短縮される。また、逐次操作によって、１つ以上の排気口のコーティングを実施するための、より単純な装置が可能になる。

本発明のさらに別の好適な実施形態において、第１部分をコーティングする材料は、第２部分をコーティングする材料より速い被着速度で被着させることができる。第１部分には、燃焼機関の作動中、より高い熱負荷がかかるため、厚いコーティングによって排気口の断熱を高めるようにする。従って、本発明の別の好適な実施形態では、シリンダーヘッド燃焼面側の第１部分は、排気口の排気マニホールド側での第２部分のコーティングより速い被着速度でコーティングすることができる。

好適には、排気口は、熱溶射、好ましくはプラズマ溶射によりコーティングすることができる。熱溶射又はプラズマ溶射により、信頼性の高い接着強度及び均一性で第１表面部分及び第２表面部分のコーティングが達成される。

本発明の別の好適な実施形態では、排気口は、コーティングする前に、洗浄ステップで処理できる。洗浄ステップによって、第１表面部分及び第２表面部分に被着させたコーティングの接着を改善できる。これに代わり、又はこれに加えて、トップコートでコーティングする前に、第１部分及び第２部分をボンドコートでコーティングすることにより、コーティングの接着強度をさらに高めることができる。

本発明の別の態様においては、排気口のコーティングを実施する装置が提案される。第１スプレーガン及び第２スプレーガンが、シリンダーヘッドの排気口の第１部分及び第２部分に材料を被着させるために提供される。

本発明の好適な実施形態では、第１スプレーガンのノズルを、第１スプレーガンの縦方向延長線に一致する方向に沿って材料を噴霧するように配置する。このスプレーガンは、前進方向に噴霧する単純な設計を有する。

本発明の別の好ましい実施形態では、第２スプレーガンのノズルを、第２スプレーガンの縦方向延長線に一致する方向に対してある角度で材料を被着させるように配置する。これによって、排気口の内側から側方向に材料を被着させることが可能になる。

本発明の別の好適な実施形態では、第１スプレーガン及び／又は第２スプレーガンは、排気口に対して回転可能に配置される。あるいは、排気口を第１スプレーガン及び／又は第２スプレーガンに対して回転可能に配置することも可能である。スプレーコーティング中に、第１及び／又は第２スプレーガンを回転させれば、均一なコーティング厚さを達成できる。

本発明の別の形態では、シリンダー側と排気装置側の両方から、少なくとも１つの排気口を画定するシリンダーヘッドの１つ以上の表面部分のスプレーコーティングを少なくとも部分的に実施する方法によって、断熱材でコーティングされた少なくとも１つの排気口を含むシリンダーヘッドが提案される。

本発明は、上記及びその他の目的並びに利点と一緒に、以下の実施形態の詳細な説明から最も明確に理解されよう。しかし、本発明は、図面に概略的に示すこれらの実施形態に限定されるものではない。

シリンダーヘッドを備えた燃焼機関、ターボチャージャ及び触媒装置を含む装置を示す図である。 シリンダーヘッドの燃焼面側の図である。 シリンダーヘッドの排気マニホールド側の図である。 本発明の排気口の第１部分に材料を被着させる第１スプレーガンと共に、排気口の縦断面を示す図である。 本発明の排気口の第２部分に材料を被着させる第２スプレーガンと共に、排気口の縦断面を示す図である。 コーティングしようとする表面部分を一緒に示す図である。

これらの図面において、同じ又は類似の要素は同じ参照番号で示すものとする。図面は、単に概略的に示すものであり、本発明の具体的なパラメーターを表すことを意図するものではない。また、図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すことを目的とするのであり、本発明の範囲を制限するものとして考えるべきではない。

図１は、シリンダーヘッド１２を有する燃焼機関１０と、燃焼機関１０の排気マニホールド１８にそのタービン側が接続されるターボチャージャ５０と、排気ガスに含まれる排出物質を減少させる排気後処理装置６０とを含む装置を概略的に示す。このような装置の一般的な組立については、当分野において公知である。

燃焼機関１０のシリンダーヘッド１２の内部には、多数のシリンダー１４が設けられており、各シリンダー内において、通常の方式での燃焼機関１０の燃焼過程の作用により、ピストン１６が上下に運動可能である。燃焼中に発生した排気ガスは、各シリンダー１４に割り当てられた排気口２０から排気マニホールド１８に排出される。排気口２０は、シリンダーヘッド１２の壁によって画定される流路である。

図２ａ及び図２ｂは、シリンダーヘッド１２の燃焼面側３２の図（図２ａ）と、例として６つのシリンダー１４（各々排気口２０を備える）を含むシリンダーヘッド１２の排気マニホールド側３６の図（図２ｂ）を示す。

燃焼面側３２の排気口２０は、２つの開口部２０ｂ、２０ｃを示すのに対し、排気マニホールド側３６では、排気口２０は、１つの開口部２０ａを示す。各シリンダー１４（図１）はまた、シリンダー１４（図１）に空気を供給する２つの吸込開口部（参照番号で示していない）も有する。

図３ａ、図３ｂと組み合わせて図２ａ、図２ｂを参照にすると、燃焼面側３２及び排気マニホールド側３６は、互いに垂直に配置されており、排気口２０は、２つの部分２２ｂ、２２ｃ及び２２ａを有し、これらの部分は、垂直に配置された燃焼面側３２と排気マニホールド側３６との間で湾曲している。燃焼面側３２の２つの部分２２ｂ、２２ｃは、排気マニホールド側３６の部分２２ａと合流するが、これは、図３ａ、３ｂ及び３ｃにおいて、より明瞭に見ることができる。

排気口２０の縦断面図を図３ａ及び図３ｂに示すが、これらの図には、排気口２０の第１表面部分２２ｂ、２２ｃに材料を被着させる第１スプレーガン１００（図３ａ）と、排気口２０の第２表面部分２２ａに材料を被着させる第２スプレーガン１１０（図３ｂ）も共に示す。図３ｃは、コーティングしようとする排気口２０の第１表面部分２２ｂ、２２ｃと、第２表面部分２２ａを一緒に示す。図３ｃの例示的実施形態では、第１部分及び第２部分２２ｂ、２２ｃ及び２２ａは、同時にスプレーコーティングすることができる。

第１部分２２ｂ、２２ｃをコーティングするスプレーガン１００のノズル１０６は、排気口２０の壁に対し、排気口２０の第１部分２２ｂ、２２ｃの内側に材料を被着させるような角度で、排気口２０の外側に配置される（図３ａ）。第１スプレーガン１００からの材料は、第１スプレーガン１００の縦方向延長線に一致する方向１０２に沿って被着させる。第１スプレーガン１００は、第１部分の第１要素２０ｂの軸１２０ｂを中心として、また、第１部分の第２要素２０ｃの軸１２０ｃを中心として回転させることができる。軸１２０ｂ、１２０ｃは、２つの第１部分２２ｂ、２２ｃの開口部２０ｂ、２０ｃに近接した壁とほぼ平行である。

２つの第１部分２２ｂ、２２ｃにおける一点鎖線は、スプレーガン１００からの材料を被着させることができる表面領域を示す。好ましくは、スプレーガン１００は、断熱コーティング材の被着を正確に制御するためにロボット装置（図示なし）によって操作される。

２つの第１部分２２ｂ、２２ｃは、１つの第１スプレーガン１００で順次コーティングしてもよく、あるいは、２つの第１スプレーガン１００で同時にコーティングしてもよい。

図３ｂは、排気口２０の第２部分２２ａにおけるコーティングを実施する方法を示す図である。排気口２０の第２部分２２ａは、第２スプレーガン１１０により供給される材料によりコーティングされる。第２スプレーガン１１０により噴霧される材料は、排気口２０の内部に配置されたノズル１１６から供給され、ここで、第２部分２２ａをコーティングする材料は、第２スプレーガン１１０の縦方向延長線と一致する方向１１２に対してある角度で設定された方向１１４に被着させる。

第２スプレーガン１１０は、第２部分２２ａの開口部２０ａに近接した壁にほぼ平行に配置される。軸１２０ａを中心として第２スプレーガン１１０を回転させることにより、排気口２０の第２部分２２ａをコーティングすることができる。軸１２０ａは、方向１１２に対して平行に配置される。好ましくは、第２スプレーガン１１０は、断熱コーティングの被着を正確に制御するためにロボット装置（図示なし）によって操作される。

好適には、各部分２２ａ及び２２ｂ、２２ｃのコーティングは、コンパクトな工程で実施できる。好ましくは、表面処理ステップを実施した後、コーティングステップを行う。例として、コーティングしようとする表面は、グリットブラスチングなどで処理する。続く任意のステップにおいて、断熱コーティングの接着強度を高めるために、スプレーガン１００及び１１０で、ボンドコート層、例えば、金属を基材とする塗膜層を被着させることによって、第１のコーティングを実施できる。選択的ボンドコート層の厚さは、数マイクロメーターから数十マイクロメーターの範囲であってよい。

ボンドコートの被着後、又は表面処理ステップ後に、ボンドコート層を塗装しない場合には、トップコート層を前述の方法で被着させる。

好ましくは、スプレーガン１００、１１０のサイズが異なるため、トップコート層は、２つの第１部分２２ｂ、２２ｃには高い被着率で、また第２部分２２ａには低い被着率で被着させることができる。コーティング部分２２ａに用いられるスプレーガン１１０は、受口２０ａ内に嵌るようにはるかに小さいことから、コーティング材料の粒子を溶融させるのに利用できる電力が低く、しかも粉末供給量も低い可能性がある。例えば、ある試験では、部分２２ｂ及び２２ｃの電力が４０ｋＷであるのに対して、部分２２ａの電力は約６ｋＷに達する程度となりうる。

有利なことに、トップコート層は、数百マイクロメーター以下の厚さで被着させることができ、この厚さで高温の排気ガスの好適な断熱が達成される。

高温の排気ガスとシリンダーヘッド１２との間に断熱を付与することによって、シリンダーヘッド１２に対する熱損失及びその冷却材を減少させることにより、シリンダーヘッド１２の出口での排気ガス温度を上昇させることが可能である。従って、ターボチャージャ５０（図１）において利用可能な電力を増加させることができる。その結果、燃焼機関１０の燃料消費を低下させることができる。

Claims (30)

1. 燃焼機関（１０）のシリンダーヘッド（１２）内部に配置されるシリンダー（１４）の少なくとも１つの排気口（２０）をコーティングする方法であって、該排気口（２０）が、該シリンダー（１４）と排気装置（４０）とを接続する前記方法において、少なくとも１つの排気口（２０）を画定する前記リンダーヘッド（１２）の１つ以上の表面部分（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を、前記シリンダー側及び前記排気装置側の両方から材料を噴霧することにより、少なくとも部分的にコーティングすることを特徴とする、方法。
2. 前記排気口（２０）の第１部分（２２ｂ、２２ｃ）及び第２部分（２２ａ）を個別にコーティングすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記排気口（２０）の前記第１部分（２２ｂ、２２ｃ）を、第１スプレーガン（１００）により供給される材料でコーティングすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１部分（２２ｂ、２２ｃ）をコーティングする前記スプレーガン（１００）のノズル（１０６）を前記排気口（２０）の外側に配置することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記排気口（２０）の前記第２部分（２２ａ）を、第２スプレーガン（１１０）により供給される材料でコーティングすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記排気口（２０）内部の位置から前記材料を供給することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１スプレーガン及び／又は前記第２スプレーガン（１００、１１０）を、スプレーコーティング中に軸（１２０ｂ、１２０ｃ；１２０ａ）を中心として回転させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記第１部分（２２ｂ、２２ｃ）をコーティングする前記材料が、前記第２部分（２２ａ）をコーティングする前記材料より速い被着速度で被着させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. シリンダーヘッド燃焼面側（３２）の第１部分（２２ｂ、２２ｃ）は、前記排気口（２０）の排気マニホールド側（３６）の第２部分（２６）のコーティングより速い被着速度でコーティングすることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 第１スプレーガン（１００）及び第２スプレーガン（１１０）が、シリンダーヘッド（１２）の排気口（２０）の第１部分及び第２部分（２２ｂ、２２ｃ；２２ａ）に材料を被着させるために設けられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の方法を実施する装置。
11. 前記第１スプレーガン（１００）のノズル（１０６）が、前記第１スプレーガン（１００）の縦方向延長線に一致する方向（１０２）に沿って材料を被着させるように配置されることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 前記第２スプレーガン（１１０）のノズル（１１６）が、前記第２スプレーガン（１１０）の縦方向延長線に一致する方向（１１２）に対してある角度で材料を被着させるように配置されることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 前記第１スプレーガン及び／又は前記第２スプレーガン（１００、１１０）が、前記排気口（２０）に対して回転可能に配置されることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の装置。
14. 第１スプレーガン及び／又は第２スプレーガン（１００、１１０）が、前記排気口（２０）に対して回転可能に配置されることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれかに記載の装置。
15. 請求項１〜９のいずれかに記載の方法によりコーティングされた少なくとも１つの排気口（２０）を含む、シリンダーヘッド（１２）。
16. 燃焼機関のシリンダーヘッド内部に配置されるシリンダーの少なくとも１つの排気口をコーティングする方法であって、前記排気口は前記シリンダーと排気装置とを接続し、少なくとも１つの排気口を画定する前記リンダーヘッドの１つ以上の表面部分を、前記シリンダー側及び前記排気装置側の両方から材料を噴霧することにより、少なくとも部分的にコーティングする、方法。
17. 前記排気口の第１部分及び第２部分を個別にコーティングすることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記排気口の第１部分を、第１スプレーガンにより供給される材料でコーティングする、請求項１６に記載の方法。
19. 第１部分をコーティングする前記スプレーガンのノズルを、前記排気口の外側に配置する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記排気口の第２部分を、第２スプレーガンにより供給される材料でコーティングする、請求項１６に記載の方法。
21. 前記排気口内部の位置から材料を供給する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第１スプレーガン及び／又は前記第２スプレーガンを、スプレーコーティング中に１つの軸を中心として回転させる、請求項１６に記載の方法。
23. 前記第１部分をコーティングする前記材料を、前記第２部分をコーティングする前記材料より速い被着速度で被着させることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
24. シリンダーヘッド燃焼面側の第１部分は、前記排気口の排気マニホールド側の第２部分のコーティングより速い被着速度でコーティングする、請求項１６に記載の方法。
25. 第１スプレーガン及び第２スプレーガンが、シリンダーヘッドの排気口の第１部分及び第２部分に材料を被着させるために設けられる、請求項１６に記載の方法を実施する装置。
26. 前記第１スプレーガンのノズルが、前記第１スプレーガンの縦方向延長線の軸に沿って材料を被着させるように配置される、請求項２５に記載の装置。
27. 前記第２スプレーガンのノズルが、前記第２スプレーガンの縦方向延長線の軸に対してある角度で材料を被着させるように配置される、請求項２５又は２６に記載の装置。
28. 前記第１スプレーガン及び／又は前記第２スプレーガンが、前記排気口に対して回転可能に配置される、請求項２５に記載の装置。
29. 前記第１スプレーガン及び／又は前記第２スプレーガンが、前記排気口に対して回転可能に配置される、請求項２５に記載の装置。
30. 請求項１６に記載の方法によりコーティングされた少なくとも１つの排気口を含む、シリンダーヘッド。

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