JP2013170555A - 断熱構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基材２０上の断熱層２１として、断熱効果に優れ、しかも、繰返し応力や熱応力に伴う疲労等によるクラックや剥離が生じ難くて、耐久性にも優れたものが得られるようにする。
【解決手段】基材２０が、鋼又はＴｉ合金基材であり、断熱層２１が、基材２０上に設けられた、該基材２０の主成分金属とＡｌとを含む金属間化合物層２１ａと、該金属間化合物層２０ａ上に直接又はＡ１層を介して設けられたＡｌ陽極酸化層２１ｂとを有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、基材上に断熱層が設けられた断熱構造体及びその製造方法に関する技術分野に属する。

１９８０年代に、エンジンの熱効率を高める方法として、エンジン燃焼室に臨む部分に断熱層を設けることが提案され（例えば特許文献１参照）、その後も、セラミックス焼結体又は低熱伝導性を有するＺｒＯ_２粒子を含む溶射層からなる断熱層が提案されている。

ここで、エンジンの燃焼室に臨むエンジン部品としては、ピストン、シリンダライナ、シリンダヘッドに加えて、吸気バルブ及び排気バルブがある。エンジン燃焼室を断熱するに当たり、これらバルブにおける傘部の燃焼室に臨む表側面部の面積は、シリンダヘッドの燃焼室天井面において無視できない程度の大きさを占めている。

そこで、例えば特許文献２には、エンジンバルブの傘部の表面に断熱材料からなる断熱皮膜を設け、軸部（ステム部）の表面に伝熱性の良好な伝熱皮膜を設けることが開示されている。この特許文献２によれば、断熱皮膜の材料として、耐熱性及び断熱性を有するセラミックス系材料、例えば、アルミナ、コージェライト、ジルコニア、ジルコン、酸化チタン、マグネシア等のセラミックス系酸化物が例示され、ガス炎、アーク溶接法、プラズマ溶射法、爆発溶射法、スパッタリング、イオンプレーティング等の手段を用いて断熱皮膜を形成することが開示されている。

国際公開第８９／０３９３０号パンフレット 特開２０１０−０８４６９３号公報

上記エンジン燃焼室に臨む部分に設けられる断熱層をセラミックス焼結体で構成した場合には、セラミックス焼結体に、熱応力や熱衝撃によるクラックが発生したり、セラミックス焼結体が割れたりするという問題に直面し、特に、ピストン頂面、シリンダライナ、シリンダヘッド下面等のように、比較的大きな面積を有する部分へのセラミックス焼結体の適用は実用に至ったことがない。一方、溶射層は、シリンダライナやロータリエンジンのトロコイド面への採用で実績があるものの、これは、断熱のためではなく、耐摩耗性の向上を目的としたものである。溶射層を断熱層とするためには、上記のようにＺｒＯ_２を主体とする低熱伝導材料を溶射することが好ましいが、このような溶射層は、サーメット系の層よりも粒子間の密着性が劣り、繰返し応力や熱応力に伴う疲労等によりクラックの発生が生じ易いという問題がある。

特にバルブは、往復動の度にバルブシートと或る程度の衝撃力でもって当接する。そして、この当接している間、バルブシートとバルブとの間には密閉力が要求され、この要求を満足させるべく、バルブのステム部には軸方向に引張力が付与される。したがって、バルブの傘部の外周部には、上記衝撃力と上記引張力による押圧力とが作用して、変形が繰り返される。このため、特許文献２のように、セラミックス系酸化物を溶射法等で断熱層を形成しても、繰返し応力や熱応力に伴う疲労等によって断熱層にクラックが生じ、断熱層の剥離に至る虞がある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基材上の断熱層として、断熱効果に優れ、しかも、繰返し応力や熱応力に伴う疲労等によるクラックや剥離が生じ難くて、耐久性にも優れたものが得られるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、基材上に断熱層が設けられた断熱構造体を対象として、上記基材は、鋼又はＴｉ合金基材であり、上記断熱層は、上記基材上に設けられた、該基材の主成分金属とＡｌとを含む金属間化合物層と、該金属間化合物層上に直接又はＡ１層を介して設けられたＡｌ陽極酸化層とを有する、という構成とした。

上記の構成により、断熱層の最表面が、基材よりも熱伝導率が低いＡｌ陽極酸化層（アルミナ）で構成されているとともに、その下層の金属間化合物層（Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物層又はＴｉ−Ａｌ金属間化合物層）の熱伝導率が比較的低いので、優れた断熱効果が得られる。しかも、Ａｌ陽極酸化層は、表面に多数の微細な凹部を有するポーラスアルミナ層であり、その凹部が空気層となるので、熱伝導率が非常に低くなる。また、Ａｌ陽極酸化層は、基材よりも耐熱性に優れているとともに、金属間化合物層によって、基材とＡｌ陽極酸化層との熱膨張差を吸収することができるので、断熱層に、繰返し応力や熱応力に伴う疲労等によるクラックや剥離が生じ難くなり、断熱層の耐久性が向上する。さらに、金属間化合物層とＡｌ陽極酸化層との間に、該両層に共通のＡｌ成分を含むＡｌ層を介在させることで、断熱層におけるクラックや剥離の発生をより一層効果的に抑制することができる。一方、熱伝導率が比較的高いＡｌ層が介在しても、基本的には、最表面のＡｌ陽極酸化層により、高い断熱効果が得られるので、問題はなく、Ａｌ層の厚みを出来る限り薄くすることで、より一層高い断熱効果が得られるようになる。

上記断熱構造体において、上記基材は、エンジンのバルブを構成する、ことが好ましい。

このように本発明の断熱層をエンジンのバルブに適用することで、本発明の作用効果を有効に発揮させることができる。

上記基材がエンジンのバルブを構成する場合において、上記断熱層は、上記バルブにおいて少なくとも傘部におけるエンジン燃焼室に臨む表側表面に設けられている、ことが好ましい。

このことで、エンジンの燃焼室の熱がバルブに伝わるのを抑制して、エンジンの図示熱効率を向上させることができる。

上記傘部の表側表面の断熱層は、傘部中心部が傘部外周部よりも厚くなるように設けられていてもよい。

すなわち、断熱層がない場合、傘部の表側表面における中心部の温度は、外周部よりも高くなる傾向にある。したがって、傘部の表側表面における中心部の断熱層厚みを外周部の断熱層厚みよりも厚くすることで、傘部の表側表面の断熱層による断熱効果を効果的に高めることができる。

或いは、上記傘部の表側表面の断熱層は、傘部外周部が傘部中心部よりも厚くなるように設けられていてもよい。

すなわち、傘部の表側表面における外周部は、傘部の裏側表面におけるバルブシートに当接する部分の近傍であって、繰り返し変形する部分である。したがって、傘部の表側表面における外周部の断熱層厚みを中心部の断熱層厚みよりも厚くすることで、傘部の表側表面の断熱層におけるクラックや剥離の発生を有効に抑制することができる。

上記断熱層は、上記バルブにおいて、上記傘部の表側表面に設けられているとともに、該傘部におけるポートに臨む裏側表面ないしステム部の傘部側端部の表面に設けられている、ことが好ましい。

このことにより、排気バルブにおける傘部の裏側表面ないしステム部の傘部側端部の表面には、燃焼室から排気ポートに排出される高温の排気ガスが接触し易いが、この排気ガスが接触し易い部分に断熱層を設けることで、該部分が高温にならずに済み、排気バルブの熱疲労を抑制することができる。また、吸気バルブにおける傘部の裏側表面ないしステム部の傘部側端部の表面に断熱層を設けることで、その断熱層を設けた部分に接触し易い吸気が、その部分から受熱するのを抑制して、吸気温度を低くすることができ、これにより、燃焼時のガス温度（圧縮行程で圧縮されたガス温度）を低下させて、ガス温度と断熱層の温度との差温を小さくすることができ、この結果、燃焼室の断熱効果を高めることができる。

本発明の別の態様は、基材上に断熱層が設けられた断熱構造体の製造方法の発明であり、この発明では、鋼又はＴｉ合金基材に対しフラックス処理する工程と、上記フラックス処理した基材の少なくとも一部を溶融アルミニウム内に所定時間浸漬した後、該浸漬した部分を、該溶融アルミニウムから引き上げることで、該浸漬した部分上に、基材側から順に、基材の主成分金属とＡｌとを含む金属間化合物層と、Ａｌ層とを形成する工程と、上記基材における上記金属間化合物層及びＡｌ層を形成した部分を、所定形状に機械加工する工程と、次いで、上記Ａｌ層に対して陽極酸化処理して、該Ａｌ層の少なくとも表面側をＡｌ陽極酸化層とする工程と、を含むものとする。

この発明により、基材に対するフラックス処理によって基材表面が活性化され、これにより、基材を溶融アルミニウム内に浸漬したときに、基材の主成分金属とＡｌとを含む金属間化合物層の形成が促進される。そして、フラックス処理した基材の少なくとも一部を溶融アルミニウム内に所定時間浸漬した後、該浸漬した部分を、該溶融アルミニウムから引き上げれば、該浸漬した部分上に、基材側から順に、金属間化合物層と、Ａｌ層とが形成される。このＡｌ層の厚みの精度は良くないので、機械加工によって、必要な形状に精度良く仕上げる。次いで、Ａｌ層に対して陽極酸化処理して、該Ａｌ層の少なくとも表面側をＡｌ陽極酸化層とする。Ａｌ層の厚み方向の全体がＡｌ陽極酸化層となってもよいが、上記の如く、金属間化合物層とＡｌ陽極酸化層との間に、厚みを出来る限り薄くしたＡｌ層が介在していることが好ましい。こうして、上述した断熱構造体が得られる。

以上説明したように、本発明によると、断熱層が、鋼又はＴｉ合金基材上に設けられた、該基材の主成分金属とＡｌとを含む金属間化合物層と、該金属間化合物層上に直接又はＡ１層を介して設けられたＡｌ陽極酸化層とを有することにより、断熱効果に優れ、しかも、繰返し応力や熱応力に伴う疲労等によるクラックや剥離が生じ難くて、耐久性にも優れた断熱層が得られる。また、このような断熱層が設けられた断熱構造体を容易に製造することができる。

本発明の実施形態に係る断熱構造体が適用された吸気及び排気バルブを備えたエンジンを示す断面図である。 仕様が相異なるエンジンの幾何学的圧縮比と図示熱効率との関係を示すグラフである。 仕様が相異なるエンジンの空気過剰率と図示熱効率との関係を示すグラフである。 排気バルブを示す断面図である。 断熱層を拡大して示す断面図である。 断熱層が設けられた排気バルブの製造方法を示す工程図である。 仕様が相異なるエンジンの負荷（正味平均有効圧力（ＢＭＥＰ））と図示熱効率との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

この実施形態では、本発明に係る断熱構造体を、図１に示すエンジンにおける後述の吸気及び排気バルブ４，６に適用している。

図１において、１はピストン、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はシリンダヘッド３の吸気ポート５を開閉する吸気バルブ、６は排気ポート７を開閉する排気バルブ、８は燃料噴射弁である。尚、点火プラグの図示は省略している。

吸気バルブ４は、傘部４ａと、傘部４ａの裏側に設けられたステム部４ｂとを有する。また、吸気バルブ４の傘部４ａは、不図示の吸気バルブ駆動機構によりステム部４ｂを介して駆動されて、吸気ポート５を開閉する。傘部４ａにより吸気ポート５が閉じられているとき、傘部４ａの裏側表面（吸気ポート５に臨む面）の外周部が、吸気バルブシート１５に当接している。同様に、排気バルブ６は、傘部６ａと、傘部６ａの裏側に設けられたステム部６ｂとを有する。排気バルブ６の傘部６ａは、不図示の排気バルブ駆動機構によりステム部６ｂを介して駆動されて、排気ポート７を開閉する。傘部６ａにより排気ポート７が閉じられているとき、傘部６ａの裏側表面（排気ポート７に臨む面）の外周部が、排気バルブシート１６に当接している。

上記エンジンの燃焼室は、ピストン１の頂面、シリンダブロック２のシリンダボアの内周面、シリンダヘッド３の下面、並びに、吸気及び排気バルブ４，６の傘部４ａ，６ａの表側表面（燃焼室に臨む面）で形成される。ピストン１の頂面には、キャビティ９が形成されている。

本実施形態では、ピストン１、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３は、アルミニウム合金鋳物で構成され、吸気及び排気バルブ４，６は、耐熱鋼で構成されている。

上記エンジンは、幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０とされ、少なくとも部分負荷域での空気過剰率λ＝２．５〜６．０で運転されるリーンバーンエンジンである。このため、エンジンの冷却損失を大幅に低減させなければ、すなわち、エンジンの断熱性を高くしなければ、その幾何学的圧縮比ε及び空気過剰率λに見合う所期の熱効率を得ることができない。この点をモデル計算による図示熱効率に基づいて説明する。すなわち、幾何学的圧縮比εを増大させていったとき、燃焼室を断熱構造にするか否かで、また、空気過剰率λの大小で、図示熱効率がどのように影響されるかをモデル計算した。

図２はその結果を示す。同図において、「断熱なし」は、燃焼室に断熱構造を採用していない従来のエンジンを意味し、「断熱あり」は、「断熱なし」の従来のエンジンよりも燃焼室の断熱率を５０％高めたエンジンを意味する。「200kPa」及び「500kPa」はエンジン負荷（正味平均有効圧力）の大きさを表す。

まず、「断熱なし 200kPa λ＝１」の場合、幾何学的圧縮比εの増大に伴って図示熱効率が増大しているが、幾何学的圧縮比ε＝５０を超えても図示熱効率は大きく改善せず、幾何学的圧縮比ε＝５０での理論効率は８０％程度であるから、当該エンジンの図示熱効率はかなり低い。この差の大部分は冷却損失及び排気損失である。

「断熱なし 200kPa λ＝２」の場合、空気過剰率の増加により比熱比が小さくなるため、図示熱効率が高くなっているが、それでも、理論効率からみれば低い。「断熱なし 200kPa λ＝４」及び「断熱なし 200kPa λ＝６」をみると、幾何学的圧縮比εが１５又は２５を超えると、該幾何学的圧縮比εが大きくなるほど図示熱効率が低下している。これは、空気過剰率λが大きい（混合気の空気密度が高い）ことから、高圧縮比になると燃焼時のガス圧が非常に高くなり、ガス圧及び温度の関数である熱伝達率が高くなって冷却損失が大きくなるためである。すなわち、空気過剰率λの増大（比熱比の増大）による熱効率の上昇を上回って冷却損失が大きくなるためである。

これに対して、「断熱あり 200kPa λ＝２．５」では、幾何学的圧縮比εの増大に伴って図示熱効率が増大している。空気過剰率λを高めた「断熱あり 200kPa λ＝６」では、幾何学的圧縮比εが４０を超えると、図示熱効率が若干下がり気味になるものの、図示熱効率は幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０において非常に高い値になっている。エンジン負荷を高めた「断熱あり 500kPa λ＝２．５」でも、図示熱効率は幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０において高い値になっている。

図３は空気過剰率λと図示熱効率との関係をみたグラフである。「断熱なし 200kPa ε＝１５」では、空気過剰率λ＝４．５付近で図示熱効率がピークになり、それよりも空気過剰率λが増大するほど図示熱効率が低下している。これに対して、「断熱あり 200kPa ε＝４０」では、空気過剰率λ＝６．０付近で図示熱効率がピークになっている。幾何学的圧縮比εが高いことと、断熱による冷却損失抑制の効果である。

上記リーンバーンエンジンの場合、少なくとも部分負荷域では空気過剰率λ＝２．５以上で運転するから、ＮＯｘ発生の抑制に有利になる。幾何学的圧縮比εが高くなると、燃焼温度が高くなるが、空気過剰率λをエンジン負荷が高くなるほど大きくなるように制御することにより、燃焼最高温度が１８００Ｋを超えないようにしてＮＯｘ発生を抑制することができる。

また、図示は省略するが、上記エンジンの吸気系には吸気を冷却するインタークーラーが設けられている。これにより、圧縮開始時の筒内ガス温度が低くなり、燃焼時のガス圧及び温度の上昇が抑えられ、冷却損失の低減（図示熱効率の改善）に有利になる。

そこで、上記幾何学的圧縮比ε＝２０〜５０及び空気過剰率λ＝２．５〜６．０で運転されるエンジンにおいて、冷却損失を低減して図示熱効率を高めるべく、燃焼室に臨む面（燃焼室を区画する面）に断熱層を設ける。この燃焼室に臨む面は、ピストン１の頂面、シリンダブロック２のシリンダボアの内周面、シリンダヘッド３の下面（燃焼室の天井面）、並びに、吸気バルブ４及び排気バルブ６の傘部４ａ，６ａの表側表面である。上記断熱層は、燃焼室内の燃焼ガスの熱が、燃焼室に臨む面を通じて放出されることを抑制するため、各面を構成する基材よりも熱伝導率が低く設定される。

本実施形態では、本発明に係る断熱構造体を、吸気及び排気バルブ４，６に適用しており、また、吸気及び排気バルブ４，６の断熱構造は同じであるので、以下、排気バルブ６の断熱構造について詳細に説明する。

図４に示すように、排気バルブ６の傘部６ａにおける表側表面に断熱層２１が設けられている。また、本実施形態では、傘部６ａにおける裏側表面ないしステム部６ｂの傘部側端部の表面に断熱層２１が設けられている。但し、傘部６ａの裏側表面における傘部外周縁部（排気バルブシート１６に当接する部分）には、断熱層２１が設けられていない。また、ステム部６ｂの傘部側端部を除く表面にも断熱層２１が設けられていない。尚、傘部６ａの裏側表面の全体に断熱層２１を設けてもよく、或いは、排気バルブ６の全体に断熱層２１を設けることも可能である。

断熱層２１は、図５に拡大して示すように、排気バルブ６を構成する基材２０上に設けられることになる。本実施形態では、基材２０は、耐熱鋼（ＳＵＨ１１）基材である。そして、断熱層２１は、基材２０上に設けられた、該基材２０の主成分金属（本実施形態では、Ｆｅ）とＡｌとを含む金属間化合物層２１ａ（Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物層）と、該金属間化合物層２１ａ上に直接又はＡ１層を介して設けられたＡｌ陽極酸化層２１ｂとを有する。図５では、金属間化合物層２１ａ上に直接、Ａｌ陽極酸化層２１ｂが設けられているが、金属間化合物層２１ａとＡｌ陽極酸化層２１ｂとの間に、厚みを出来る限り薄くしたＡｌ層が介在していることが好ましい。

Ａｌ陽極酸化層２１ｂは、図５に示すように、表面に多数の微細な凹部を有するポーラスアルミナ層であり、その凹部が空気層となっている。これにより、アルミナ自体が熱伝導率が低い上に、上記空気層により、Ａｌ陽極酸化層２１ｂの熱伝導率が基材２０に対してかなり低くなる。また、金属間化合物層２１ａを構成するＦｅ−Ａｌ金属間化合物の熱伝導率も基材２０よりも若干低い。表１に、室温及び４００℃における、耐熱鋼、Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物及びＡｌ陽極酸化層２１ｂの熱伝導率を示す。尚、表１では、室温及び４００℃におけるＴｉ−Ａ１金属間化合物の熱伝導率も併せて示す。

上記傘部６ａの表側表面の断熱層２１は、傘部中心部が傘部外周部よりも厚くなるように設けられていてもよく、傘部外周部が傘部中心部よりも厚くなるように設けられていてもよい（図４では、傘部中心部の断熱層２１厚みを傘部外周部の断熱層２１厚みよりも厚くしている）。或いは、傘部６ａの表側表面の断熱層２１の厚みを略一定になるようにしてもよい。

次に、上記断熱層２１が設けられた排気バルブ６（本発明に係る断熱構造体）の製造方法について、図６の工程図を参照して説明する。

最初のステップＳ１で、排気バルブ６の最終形状に対して断熱層２１を除いた形状に予め形成しておいた基材２１に対して前処理を行う。具体的には、脱脂、酸による洗浄、その酸の中和及び水洗を順次行う。

次のステップＳ２で、上記前処理を行った基材２０に対してフラックス処理を行う。このとき使用するフラックスとしては、例えば、ＫＣｌ（塩化カリウム）等の塩化物系を主成分とし、これにＡｌＦ_３等のフッ化物系等を混合したものである。本実施形態では、基材２０の表面全体に対して前処理及びフラックス処理を行うが、断熱層２１を設ける部分ないしその周辺に対して前処理及びフラックス処理を行うようにしてもよい。

次のステップＳ３で、上記フラックス処理した基材２０を溶融アルミニウム（約７００℃）内に所定時間浸漬する。本実施形態では、基材２０の一部（傘部２０ａ及びステム部２０ｂの傘部側端部）のみを溶融アルミニウム内に浸漬する。基材２０は、上記フラックス処理により活性化されており、約７００℃という高温と相俟って、基材２０の該浸漬した部分上には、基材２０の主成分金属（Ｆｅ）とＡｌとを含む金属間化合物層２１ａ（Ｆｅ−Ａｌ金属間化合物層）の形成が促進される。

次のステップＳ４で、上記浸漬した部分を、上記溶融アルミニウムから引き上げる。これにより、基材２０の該浸漬した部分上に、基材２０側から順に、金属間化合物層２１ａと、Ａｌ層とが形成される。このＡｌ層は、上記引き上げ時に、金属間化合物層２１ａ上に付着したものであり、引き上げ直後には多量に付着しているので、エアブラストや振動、遠心分離等によって或る程度の量を除去し、その後、温水洗浄及び乾燥を行う。

次のステップＳ５で、上記基材２０における上記金属間化合物層２１ａ及びＡｌ層を形成した部分を、所定形状（排気バルブ６としての最終形状）に機械加工して、必要な形状に精度良く仕上げる。このとき、傘部６ａの表側表面において、傘部中心部の断熱層２１厚みを傘部外周部の断熱層２１厚みよりも厚くしようとする場合には、傘部中心部のＡ１層厚みが傘部外周部のＡ１層厚みよりも厚くなるように機械加工し、傘部外周部の断熱層２１厚みを傘部中心部の断熱層２１厚みよりも厚くしようとする場合には、傘部外周部のＡ１層厚みが傘部中心部のＡ１層厚みよりも厚くなるように機械加工する。また、本実施形態では、傘部６ａの裏側表面における傘部外周縁部（排気バルブシート１６に当接する部分）のＡｌ層及び金属間化合物層２１ａを機械加工により除去する。

次のステップＳ６で、上記Ａｌ層に対して陽極酸化処理して、該Ａｌ層の少なくとも表面側をＡｌ陽極酸化層２１ｂとする。Ａｌ陽極酸化層２１ｂの厚みは、印加する電圧に比例するので、その印加電圧の設定によって、Ａｌ陽極酸化層２１ｂの厚みを制御することができ、この結果、Ａｌ層の全体をＡｌ陽極酸化層２１ｂにすることもでき、金属間化合物層２１ａとＡｌ陽極酸化層２１ｂとの間にＡｌ層を残すようにすることもできる。

こうして、断熱層２１が設けられた排気バルブ６が完成する。この断熱層２１の最表面であるＡｌ陽極酸化層２１ｂの熱伝導率が基材２０の熱伝導率よりも低く、その下層の金属間化合物層２１ａの熱伝導率も基材２０の熱伝導率よりも若干低いので、優れた断熱効果が得られるようになる。また、Ａｌ陽極酸化層２１ｂは、基材２０よりも耐熱性に優れているとともに、金属間化合物層２１ａによって、基材２０とＡｌ陽極酸化層２１ｂとの熱膨張差を吸収することができるので、断熱層２１に、繰返し応力や熱応力に伴う疲労等によるクラックや剥離が生じ難くなり、断熱層２１の耐久性が向上する。さらに、金属間化合物層２１ａとＡｌ陽極酸化層２１ｂとの間に、該両層２１ａ，２１ｂに共通のＡｌ成分を含むＡｌ層を介在させることで、断熱層２１におけるクラックや剥離の発生をより一層効果的に抑制することができる。一方、熱伝導率が比較的高いＡｌ層が介在しても、基本的には、最表面のＡｌ陽極酸化層２０ｂにより、高い断熱効果が得られるので問題はなく、Ａｌ層の厚みを出来る限り薄くすることで、より一層高い断熱効果が得られるようになる。

また、傘部６ａの表側表面の断熱層２１を、傘部中心部が傘部外周部よりも厚くなるように設けた場合には、傘部６ａの表側表面において外周部よりも高温になる中心部の断熱層２１の厚みを厚くすることで、傘部６ａの表側表面の断熱層２１による断熱効果を効果的に高めることができる。

一方、傘部６ａの表側表面における外周部は、傘部６ａの裏側表面におけるバルブシートに当接する部分の近傍であって、繰り返し変形する部分である。したがって、傘部６ａの表側表面の断熱層２１を、傘部外周が傘部中心部よりも厚くなるように設けることで、傘部６ａの表側表面の断熱層２１におけるクラックや剥離の発生を有効に抑制することができる。

さらに、排気バルブ６における傘部６ａの裏側表面ないしステム部６ｂの傘部側端部の表面には、燃焼室から排気ポート７に排出される高温の排気ガスが接触し易いが、この排気ガスが接触し易い部分に断熱層２１を設けることで、該部分が高温にならずに済み、排気バルブ６の熱疲労を抑制することができる。また、吸気バルブ４の場合には、傘部４ａの裏側表面ないしステム部４ｂの傘部側端部の表面に断熱層２１を設けることで、その断熱層２１を設けた部分に接触し易い吸気が、その部分から受熱するのを抑制して、吸気温度を低くすることができ、これにより、燃焼時のガス温度（圧縮行程で圧縮されたガス温度）を低下させて、ガス温度と断熱層２１の温度との差温を小さくすることができ、この結果、燃焼室の断熱構造と相俟って、燃焼室の断熱効果を高めることができる。

図７は、以下のエンジンＡ〜Ｃの図示熱効率が、エンジン負荷（正味平均有効圧力（ＢＭＥＰ））の大きさに対してどのように変化するかをモデル計算した結果を示す。

エンジンＡは、図２の「断熱なし」のエンジンと同様のエンジンであって、燃焼室に断熱構造を採用していないエンジンである。このエンジンＡのピストン、シリンダブロック及びシリンダヘッドは、アルミニウム合金鋳物で構成され、吸気及び排気バルブは、耐熱鋼で構成されている。

エンジンＢは、エンジンＡのピストンの頂面、シリンダブロックのシリンダボアの内周面及びシリンダヘッドの下面に対して断熱構造を採用したものであり、吸気及び排気バルブには断熱構造を採用していない。ピストン、シリンダブロック及びシリンダヘッドにおける断熱構造は、ピストン、シリンダブロック及びシリンダヘッドの燃焼室を構成する表面に対して、部分安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）を溶射したものである。

エンジンＣは、エンジンＢの吸気及び排気バルブに対して、上記実施形態の断熱層２１と同様の断熱層を設けたものであり、ピストンの頂面、シリンダブロックのシリンダボアの内周面及びシリンダヘッドの下面における断熱構造は、エンジンＢと同じである。

図７から分かるように、ピストン、シリンダブロック及びシリンダヘッドに対して断熱構造を採用したエンジンＢでは、エンジンＡよりも図示熱効率が上昇する。そして、本発明を適用して吸気及び排気バルブにも断熱構造を採用したエンジンＣでは、図示熱効率が更に上昇し、本発明に係る断熱構造体の断熱効果が良好であることが分かる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、上記実施形態では、基材２０が鋼基材（詳細には、耐熱鋼基材）である場合を示したが、基材２０がＴｉ合金基材であってもよい。この場合、金属間化合物層２１ａは、基材２０の主成分金属（Ｔｉ）とＡｌとを含むＴｉ−Ａｌ金属間化合物層となる。Ｔｉ−Ａｌ金属間化合物の熱伝導率は、Ｔｉの熱伝導率と同程度であるが、Ｔｉの熱伝導率と共に比較的低く、また、最表面のＡｌ陽極酸化層２１ｂが基材２０（Ｔｉ）よりもかなり低い熱伝導率であるので、高い断熱効果が得られる。基材２０がＴｉ合金基材である場合も、上記実施形態で説明した製造方法と同様に、断熱構造体を製造することができる。

また、上記実施形態では、本発明に係る断熱構造体をエンジンの吸気及び排気バルブ４，６に適用したが、これに限らず、種々の部材に適用することができる。その部材の材料が、鋼又はＴｉ合金でなくても、その部材の表面部を鋼又はＴｉ合金で構成して、本発明を適用することも可能である。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、基材上に断熱層が設けられた断熱構造体及びその製造方法に有用であり、特に基材がエンジンのバルブを構成する場合に有用である。

４ 吸気バルブ
６ 排気バルブ
２０ 基材
２１ 断熱層
２１ａ 金属間化合物層
２１ｂ Ａｌ陽極酸化層

Claims (7)

1. 基材上に断熱層が設けられた断熱構造体であって、
   上記基材は、鋼又はＴｉ合金基材であり、
   上記断熱層は、上記基材上に設けられた、該基材の主成分金属とＡｌとを含む金属間化合物層と、該金属間化合物層上に直接又はＡ１層を介して設けられたＡｌ陽極酸化層とを有することを特徴とする断熱構造体。
2. 請求項１記載の断熱構造体において、
   上記基材は、エンジンのバルブを構成することを特徴とする断熱構造体。
3. 請求項２記載の断熱構造体において、
   上記断熱層は、上記バルブにおいて少なくとも傘部におけるエンジン燃焼室に臨む表側表面に設けられていることを特徴とする断熱構造体。
4. 請求項３記載の断熱構造体において、
   上記傘部の表側表面の断熱層は、傘部中心部が傘部外周部よりも厚くなるように設けられていることを特徴とする断熱構造体。
5. 請求項３記載の断熱構造体において、
   上記傘部の表側表面の断熱層は、傘部外周部が傘部中心部よりも厚くなるように設けられていることを特徴とする断熱構造体。
6. 請求項３〜５のいずれか１つに記載の断熱構造体において、
   上記断熱層は、上記バルブにおいて、上記傘部の表側表面に設けられているとともに、該傘部におけるポートに臨む裏側表面ないしステム部の傘部側端部の表面に設けられていることを特徴とする断熱構造体。
7. 基材上に断熱層が設けられた断熱構造体の製造方法であって、
   鋼又はＴｉ合金基材に対しフラックス処理する工程と、
   上記フラックス処理した基材の少なくとも一部を溶融アルミニウム内に所定時間浸漬した後、該浸漬した部分を、該溶融アルミニウムから引き上げることで、該浸漬した部分上に、基材側から順に、基材の主成分金属とＡｌとを含む金属間化合物層と、Ａｌ層とを形成する工程と、
   上記基材における上記金属間化合物層及びＡｌ層を形成した部分を、所定形状に機械加工する工程と、
   次いで、上記Ａｌ層に対して陽極酸化処理して、該Ａｌ層の少なくとも表面側をＡｌ陽極酸化層とする工程と、
   を含むことを特徴とする断熱構造体の製造方法。

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