JP2017015053A - Method for manufacturing internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、たとえば燃焼室に臨む基材の表面に断熱膜を備えた内燃機関の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an internal combustion engine provided with a heat insulating film on the surface of a base material facing a combustion chamber, for example.
ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関は、主にエンジンブロックやシリンダヘッド、ピストンから構成されており、その燃焼室は、シリンダブロックのボア面と、このボアに組み込まれたピストン頂面と、シリンダヘッドの底面と、シリンダヘッド内に配設された吸入および排気バルブの頂面から構成されている。昨今の内燃機関に要求される高出力化にともなってその冷却損失を低減することが重要になってくるが、この冷却損失を低減する方策の一つとして、燃焼室の内壁に熱伝導率の低い多孔質の断熱膜を形成する方法を挙げることができ、この多孔質の断熱膜によってエンジンの熱効率を高めることができる。 An internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine is mainly composed of an engine block, a cylinder head, and a piston. The combustion chamber has a bore surface of the cylinder block, a piston top surface incorporated in the bore, and a cylinder. It consists of the bottom surface of the head and the top surface of the intake and exhaust valves disposed in the cylinder head. It is important to reduce the cooling loss with the increase in output required for recent internal combustion engines. As one of the measures to reduce this cooling loss, the thermal conductivity of the inner wall of the combustion chamber is reduced. The method of forming a low porous heat insulation film can be mentioned, and the thermal efficiency of the engine can be increased by this porous heat insulation film.
ところで、内燃機関の燃焼室の基材の表面に多孔質の断熱膜が露出している場合に、断熱膜の気孔内に燃料が入り込み、正常な燃焼が妨げられる惧れがある。また、多孔質の表面から付着粒子が脱落し、ピストンやピストンリングとシリンダの間に噛み込んで傷付きやスカッフィングを発生させる惧れがある。 By the way, when the porous heat insulating film is exposed on the surface of the base material of the combustion chamber of the internal combustion engine, fuel may enter the pores of the heat insulating film, and normal combustion may be hindered. Moreover, there is a possibility that the adhered particles fall off from the porous surface and get caught between the piston or piston ring and the cylinder to cause scratches or scuffing.
そこで、このような問題を解消するべく、特許文献１には、エンジンの燃焼室を構成する内壁に多孔質断熱層（断熱多孔質層）が形成され、この上に緻密な断熱層（表面緻密層）が形成されたエンジン燃焼室構造が開示されている。特許文献１に記載のエンジン燃焼室構造によれば、断熱層が表面緻密層と断熱多孔質層の二層構造であることから、エンジン燃焼室の断熱性能が向上し、燃費が向上するとしている。 Therefore, in order to solve such a problem, Patent Document 1 discloses that a porous heat insulating layer (heat insulating porous layer) is formed on the inner wall constituting the combustion chamber of the engine, and a dense heat insulating layer (surface dense) is formed thereon. An engine combustion chamber structure in which a layer) is formed is disclosed. According to the engine combustion chamber structure described in Patent Document 1, since the heat insulating layer is a two-layer structure of a surface dense layer and a heat insulating porous layer, the heat insulating performance of the engine combustion chamber is improved, and fuel consumption is improved. .
ところで、特許文献１で開示される断熱層を構成する表面緻密層と断熱多孔質層は全くの別部材であり、これら別部材同士を接着剤やろう材等の接合層を介して接続する旨の記載がある。 By the way, the surface dense layer and the heat insulating porous layer constituting the heat insulating layer disclosed in Patent Document 1 are completely separate members, and these separate members are connected to each other through a bonding layer such as an adhesive or a brazing material. Is described.
このように、断熱多孔質層と表面緻密層が異なる材料からなる別部材であることより、双方の熱膨張率が異なり、エンジンの駆動や停止に伴う熱応力が繰り返し印加された際に、断熱多孔質層と表面緻密層の界面から表面緻密層に亘る亀裂が生じ易く、表面緻密層が剥離するといった問題が懸念される。また、断熱膜の製造においては、断熱多孔質層と表面緻密層を別工程で製作し、断面多孔質層の表面に接着剤を塗布し、乾燥したり、ろう付け等した後に表面緻密層の接着を図ることから、製造に多工程を要し、生産性が低くなるといった問題もある。 As described above, since the heat insulating porous layer and the surface dense layer are separate members made of different materials, both of them have different thermal expansion coefficients, and when the thermal stress accompanying driving and stopping of the engine is repeatedly applied, There is a concern that cracks tend to occur from the interface between the porous layer and the surface dense layer to the surface dense layer, and the surface dense layer peels off. In the production of the heat insulating film, the heat insulating porous layer and the surface dense layer are produced in separate steps, and the surface dense layer is coated with an adhesive on the surface of the cross-sectional porous layer and dried or brazed. Since bonding is intended, there are also problems that a multi-step manufacturing is required and productivity is lowered.
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃焼室に臨む基材の表面において、断熱性能に優れ、亀裂や剥離の生じ難い断熱膜を効率的に形成できる内燃機関の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is an internal combustion engine that can efficiently form a heat insulating film that is excellent in heat insulating performance and hardly causes cracking or peeling on the surface of the base material facing the combustion chamber of the internal combustion engine. An object is to provide a manufacturing method.
前記目的を達成すべく、本発明による内燃機関の製造方法は、燃焼室に臨む基材の表面に断熱膜を備えた内燃機関の製造方法であって、前記基材の表面に多孔質断熱層を形成する第１のステップと、前記多孔質断熱層の表面を溶融させ、凝固させることで、該多孔質断熱層の表面に表面緻密層を形成し、該多孔質断熱層と該表面緻密層からなる前記断熱膜を形成する第２のステップと、を備えたものである。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing an internal combustion engine according to the present invention is a method of manufacturing an internal combustion engine having a heat insulating film on the surface of a base material facing a combustion chamber, wherein a porous heat insulating layer is formed on the surface of the base material. A surface dense layer is formed on the surface of the porous heat insulating layer by melting and solidifying the surface of the porous heat insulating layer, and the porous heat insulating layer and the surface dense layer. And a second step of forming the heat insulating film.
本発明の内燃機関の製造方法は、多孔質断熱層の表面を溶融させ、凝固させて多孔質断熱層の表面に表面緻密層を形成することにより、同じ素材で気孔率の異なる二つの連続した層（表面緻密層は気孔がない層であってもよい）からなる断熱膜を形成することにより、別部材同士を接着して形成された断熱膜の場合に生じ得る亀裂や剥離といった課題を解消できるものである。また、多孔質断熱層の表面を溶融させて表面緻密層を形成することから、多孔質断熱層と表面緻密層を別部材で形成し、双方を接着等する形成方法に比して工程数は格段に少なくなり、生産効率も格段に向上する。 In the method for manufacturing an internal combustion engine of the present invention, the surface of the porous heat insulation layer is melted and solidified to form a dense surface layer on the surface of the porous heat insulation layer, thereby making it possible to form two consecutive different porosities with the same material. By forming a heat insulation film consisting of layers (the surface dense layer may be a layer without pores), problems such as cracks and peeling that may occur in the case of a heat insulation film formed by bonding different members It can be done. Also, since the surface dense layer is formed by melting the surface of the porous heat insulating layer, the number of steps is smaller than the forming method in which the porous heat insulating layer and the surface dense layer are formed by separate members and bonded together. The production efficiency will be greatly improved.
ここで、断熱膜が形成される内燃機関の燃焼室に臨む基材とは、シリンダブロックのボア面、このボアに組み込まれたピストン頂面、シリンダヘッドの底面、シリンダヘッド内に配設された吸入および排気バルブの頂面のいずれか一つもしくは複数が対象である。また、基材を構成する母材としては、アルミニウムやその合金、鉄系の材料にアルミメッキを施したものなどを挙げることができる。 Here, the base material facing the combustion chamber of the internal combustion engine in which the heat insulating film is formed is disposed in the bore surface of the cylinder block, the piston top surface incorporated in the bore, the bottom surface of the cylinder head, and the cylinder head. One or more of the top surfaces of the intake and exhaust valves are targeted. Moreover, as a base material which comprises a base material, what plated aluminum with aluminum, its alloy, and an iron-type material etc. can be mentioned.
また、多孔質断熱層は、たとえば低密度のZrO2−SiO2を多孔質化することで、多孔質構造と相俟って、低熱伝導率と低体積熱容量の両立を図ることができる。ZrO2−SiO2粉末等を溶射することにより、基材の表面に吹き付ける等することで多孔質断熱層の形成をおこなうことができる（第１のステップ）。 In addition, the porous heat insulating layer can achieve both low thermal conductivity and low volume heat capacity in combination with the porous structure, for example, by making low-density ZrO 2 —SiO 2 porous. By spraying a ZrO 2 —SiO 2 powder or the like, the porous heat insulating layer can be formed by spraying on the surface of the base material (first step).
なお、多孔質断熱層を二層の溶射層から形成してもよい。たとえば、無機粉末（ベントナイト粉末等）とNi系合金粉末（Ni-Cr粉末等）を混合し、この混合粉末を溶射にて基材の表面に吹き付けて第一の溶射層を形成し、この上に、ZrO2−SiO2粉末等を溶射にて吹き付けて第二の溶射層を形成することができる。 The porous heat insulating layer may be formed from two sprayed layers. For example, inorganic powder (such as bentonite powder) and Ni-based alloy powder (such as Ni-Cr powder) are mixed, and this mixed powder is sprayed onto the surface of the substrate to form the first sprayed layer. Further, a second sprayed layer can be formed by spraying ZrO 2 —SiO 2 powder or the like by spraying.
第２のステップにおける多孔質断熱層の表面の溶融は、たとえばレーザビーム、電子ビーム、イオンビーム等の高エネルギビームを照射することによっておこなわれる。 The surface of the porous heat insulating layer in the second step is melted by irradiating a high energy beam such as a laser beam, an electron beam, or an ion beam.
ここで、第２のステップにて多孔質断熱層の表面に形成される「表面緻密層」とは、多孔質断熱層の溶融および凝固によって気孔が完全に閉塞した表面層、もしくは、気孔が残っていても断熱層に比して格段に気孔率の低い表面層のことである。 Here, the “surface dense layer” formed on the surface of the porous heat insulating layer in the second step is a surface layer in which pores are completely closed by melting and solidification of the porous heat insulating layer, or pores remain. Even if it is, it is a surface layer whose porosity is remarkably low compared with a heat insulation layer.
なお、溶射された多孔質断熱層の表面を封孔処理する従来の方法としては、低融点金属（Cu、Zn等）を含浸させたり、シリカ系に変化する溶剤を塗布し、焼付ける方法などが挙げられる。しかしながら、これらの方法では、熱伝導率が増加したり、溶剤が気孔の全部に浸入したり、焼付け処理に高温で長時間を要するなどの課題があり、内燃機関の製造ラインに導入し難い。これらの方法に対し、本発明のように多孔質断熱層の表面を溶融させて表面緻密層を形成する方法では、この表面処理に上記するレーザビーム等を使用することで短時間の処理が実現でき、内燃機関の製造ラインへの導入に好適となる。 In addition, as a conventional method for sealing the surface of the thermally sprayed porous heat insulating layer, a method of impregnating with a low melting point metal (Cu, Zn, etc.) or applying and baking a solvent that changes to a silica type, etc. Is mentioned. However, these methods have problems such as an increase in thermal conductivity, penetration of the solvent into all of the pores, and the baking process requiring a long time at a high temperature, and are difficult to introduce into the production line of the internal combustion engine. In contrast to these methods, in the method of forming a dense surface layer by melting the surface of the porous heat insulation layer as in the present invention, a short time treatment is realized by using the above-mentioned laser beam or the like for this surface treatment. This is suitable for introduction into an internal combustion engine production line.
ここで、第２のステップにおいて、多孔質断熱層の表面にカーボンを被覆した後にレーザビームを照射することにより、多孔質断熱層の表面を溶融させるのが好ましい。 Here, in the second step, it is preferable to melt the surface of the porous heat insulating layer by irradiating a laser beam after coating the surface of the porous heat insulating layer with carbon.
多孔質断熱層の表面にカーボンを被覆した後にレーザビームの照射をおこなうことで、レーザビームの吸収率を高めることができ、多孔質断熱層の全体を効率的かつ均一に溶融（再溶融）させることが可能になる。 Laser beam irradiation after covering the surface of the porous thermal insulation layer can increase the absorption rate of the laser beam, and the entire porous thermal insulation layer can be efficiently and uniformly melted (remelted). It becomes possible.
また、再溶融されてできた表面緻密層にカーボンが含有されていることで燃焼時の輻射熱を吸収し易くでき、輻射伝熱を有効に多孔質断熱層に吸収させることができ、多孔質断熱層の表面温度を急峻に上昇させることができる。 In addition, the inclusion of carbon in the dense surface layer that has been remelted makes it easy to absorb the radiant heat during combustion, and the radiant heat transfer can be effectively absorbed by the porous heat insulating layer, The surface temperature of the layer can be increased sharply.
さらに、燃焼後の多孔質断熱層の温度を放射によって早期に降下させることができ、高い冷却損失低減効果が得られる。 Furthermore, the temperature of the porous heat insulation layer after combustion can be lowered early by radiation, and a high cooling loss reduction effect can be obtained.
ここで、「カーボン」とは、グラファイトや煤などを包含する意味である。 Here, “carbon” means to include graphite, soot and the like.
また、第２のステップにおいて、多孔質断熱層の厚みの20%以下で、10μm以上の層厚の表面緻密層を形成するのが好ましい。 In the second step, it is preferable to form a dense surface layer having a thickness of 10 μm or more, which is 20% or less of the thickness of the porous heat insulating layer.
たとえばレーザビームの照射にて多孔質断熱層の表面を溶融させて表面緻密層を形成するに当たり、多孔質断熱層と表面緻密層の界面から多孔質断熱層にかけて、亀裂が生じない表面緻密層の層厚を本発明者等が検証した。その結果、表面緻密層の厚みを多孔質断熱層の厚みの20%以下にするのがよいことが特定されている。 For example, when forming the surface dense layer by melting the surface of the porous heat insulating layer by laser beam irradiation, the surface dense layer is not cracked from the interface between the porous heat insulating layer and the surface dense layer to the porous heat insulating layer. The inventors verified the layer thickness. As a result, it has been specified that the thickness of the surface dense layer should be 20% or less of the thickness of the porous heat insulating layer.
また、断熱膜形成粒子の脱落を防止する観点から、表面緻密層の厚さは10μm以上にするのがよいことが特定されている。 Further, it has been specified that the thickness of the surface dense layer should be 10 μm or more from the viewpoint of preventing the heat insulating film forming particles from falling off.
以上の説明から理解できるように、本発明の内燃機関の製造方法によれば、多孔質断熱層と、当該多孔質断熱層の表面が溶融されてできた表面緻密層とからなる断熱膜を具備することにより、亀裂や剥離の生じ難い断熱膜によって断熱性に優れた内燃機関を提供することができる。 As can be understood from the above description, according to the method for manufacturing an internal combustion engine of the present invention, a heat insulating film comprising a porous heat insulating layer and a surface dense layer formed by melting the surface of the porous heat insulating layer is provided. By doing so, it is possible to provide an internal combustion engine having excellent heat insulating properties by a heat insulating film that is less likely to be cracked or peeled off.
以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の製造方法の実施の形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of a method for manufacturing an internal combustion engine of the present invention will be described with reference to the drawings.
（内燃機関の製造方法の実施の形態１）
図１は本発明の内燃機関の製造方法の実施の形態１のフロー図である。
(Embodiment 1 of manufacturing method of internal combustion engine)
FIG. 1 is a flowchart of Embodiment 1 of the method for manufacturing an internal combustion engine of the present invention.
内燃機関の製造方法は、図１で示すように、まず、内燃機関の燃焼室に臨む基材の表面に多孔質断熱層を形成する（ステップＳ１：第１のステップ）。 In the method for manufacturing an internal combustion engine, as shown in FIG. 1, first, a porous heat insulating layer is formed on the surface of the base material facing the combustion chamber of the internal combustion engine (step S1: first step).
ここで、内燃機関の燃焼室に臨む基材とは、シリンダブロックのボア面やこのボアに組み込まれたピストン頂面、シリンダヘッドの底面、シリンダヘッド内に配設された吸入および排気バルブの頂面のいずれか一つもしくは複数である。また、基材は、アルミニウムやその合金、鉄系の材料にアルミメッキを施したものなどから形成される。 Here, the base material facing the combustion chamber of the internal combustion engine refers to the bore surface of the cylinder block, the top surface of the piston incorporated in the bore, the bottom surface of the cylinder head, and the top of the intake and exhaust valves provided in the cylinder head. One or more of the faces. The base material is formed of aluminum, an alloy thereof, or an iron-based material subjected to aluminum plating.
対象の基材の表面に対し、たとえばZrO2−SiO2粉末等を溶射して吹き付けることにより、ZrO2−SiO2系の溶射被膜からなる多孔質断熱層を形成することができる。 A porous heat insulating layer made of a ZrO 2 —SiO 2 -based spray coating can be formed by spraying, for example, a ZrO 2 —SiO 2 powder on the surface of the target substrate.
また、無機粉末（ベントナイト粉末等）とNi系合金粉末（Ni-Cr粉末等）を混合し、この混合粉末を溶射にて基材の表面に吹き付けて第一の溶射層を形成し、この上に、ZrO2−SiO2粉末等を溶射にて吹き付けて第二の溶射層を形成し、第一、第二の溶射層からなる多孔質断熱層を基材の表面に形成してもよい。 Also, inorganic powder (such as bentonite powder) and Ni-based alloy powder (such as Ni-Cr powder) are mixed, and this mixed powder is sprayed onto the surface of the substrate to form a first sprayed layer. Alternatively, a ZrO 2 —SiO 2 powder or the like may be sprayed to form a second sprayed layer, and a porous heat insulating layer made of the first and second sprayed layers may be formed on the surface of the substrate.
基材の表面に多孔質断熱層が形成されたら、多孔質断熱層の表面を溶融させ、凝固させることで多孔質断熱層の表面に表面緻密層を形成し、多孔質断熱層と表面緻密層からなる断熱膜を形成する（ステップＳ２：第２のステップ）。 When the porous heat insulation layer is formed on the surface of the substrate, the surface of the porous heat insulation layer is melted and solidified to form a surface dense layer on the surface of the porous heat insulation layer. The heat insulation film | membrane which consists of is formed (step S2: 2nd step).
この多孔質断熱層の表面の溶融は、レーザビーム、電子ビーム、イオンビーム等の高エネルギビームを照射することによっておこなう。 The surface of the porous heat insulating layer is melted by irradiation with a high energy beam such as a laser beam, an electron beam, or an ion beam.
レーザビーム等を多孔質断熱層の表面に照射し、表面を溶融させ、凝固させることにより、気孔が完全に閉塞した表面緻密層、もしくは、気孔が残っていても多孔質断熱層に比して格段に気孔率の低い表面緻密層が形成される。 By irradiating the surface of the porous heat insulation layer with a laser beam, etc., melting the surface and solidifying it, the surface dense layer with completely closed pores, or even if pores remain, compared with the porous heat insulation layer A surface dense layer having a remarkably low porosity is formed.
図示する断熱膜の形成方法によれば、多孔質断熱層の表面を溶融させて表面緻密層を形成することから、多孔質断熱層と表面緻密層を別部材で形成し、双方を接着等する形成方法に比して工程数は格段に少なくなり、生産効率も格段に向上する。 According to the method for forming a heat insulating film shown in the figure, the surface of the porous heat insulating layer is melted to form a surface dense layer. Therefore, the porous heat insulating layer and the surface dense layer are formed by separate members, and both are bonded together. Compared with the forming method, the number of processes is remarkably reduced, and the production efficiency is remarkably improved.
また、多孔質断熱層の表面を溶融させ、凝固させて多孔質断熱層の表面に表面緻密層を形成することにより、同じ素材で気孔率の異なる二つの連続した層からなる断熱膜を形成することにより、別部材同士を接着して形成された断熱膜の場合に生じ得る亀裂や剥離といった課題を解消することができる。 In addition, the surface of the porous heat insulating layer is melted and solidified to form a dense surface layer on the surface of the porous heat insulating layer, thereby forming a heat insulating film composed of two continuous layers made of the same material and having different porosity. Thus, problems such as cracks and peeling that may occur in the case of a heat insulating film formed by bonding different members to each other can be solved.
（内燃機関の製造方法の実施の形態２）
図２は本発明の内燃機関の製造方法の実施の形態２のフロー図である。
(Embodiment 2 of manufacturing method of internal combustion engine)
FIG. 2 is a flowchart of Embodiment 2 of the method for manufacturing an internal combustion engine of the present invention.
図２で示す製造方法は、図１で示す形成方法のステップＳ１，Ｓ２の間に、多孔質断熱層の表面にカーボンを被覆するというステップＳ２’を含む製造方法である。 The manufacturing method shown in FIG. 2 is a manufacturing method including step S <b> 2 ′ in which the surface of the porous heat insulating layer is covered with carbon between steps S <b> 1 and S <b> 2 of the forming method shown in FIG. 1.
ここで、カーボンとは、グラファイトや煤などである。 Here, the carbon is graphite or soot.
多孔質断熱層の表面にカーボンを被覆した後にレーザビームの照射をおこなうことで、レーザビームの吸収率を高めることができ、多孔質断熱層の全体を効率的かつ均一に溶融（再溶融）させることができる。 Laser beam irradiation after covering the surface of the porous thermal insulation layer can increase the absorption rate of the laser beam, and the entire porous thermal insulation layer can be efficiently and uniformly melted (remelted). be able to.
また、再溶融されてできた表面緻密層にカーボンが含有されていることで燃焼時の輻射熱を吸収し易くでき、輻射伝熱を有効に多孔質断熱層に吸収させることができ、多孔質断熱層の表面温度を急峻に上昇させることができる。さらに、燃焼後の多孔質断熱層の温度を放射によって早期に降下させることができ、高い冷却損失低減効果が得られる。 In addition, the inclusion of carbon in the dense surface layer that has been remelted makes it easy to absorb the radiant heat during combustion, and the radiant heat transfer can be effectively absorbed by the porous heat insulating layer, The surface temperature of the layer can be increased sharply. Furthermore, the temperature of the porous heat insulation layer after combustion can be lowered early by radiation, and a high cooling loss reduction effect can be obtained.
（断熱膜の実施例）
図３（ａ）は、断熱膜の形成方法の実施の形態１によって形成された断熱膜の断面組織を示した写真図である。図示する断熱膜は、第一の溶射層、第二の溶射層の２層構造の断熱膜である。
(Example of heat insulation film)
FIG. 3A is a photographic diagram showing a cross-sectional structure of the heat insulating film formed by the first embodiment of the heat insulating film forming method. The illustrated heat insulating film is a heat insulating film having a two-layer structure of a first sprayed layer and a second sprayed layer.
図示する表面緻密層の厚みt2は、断熱膜全体の厚みt1の17%程度である。 The thickness t2 of the surface dense layer shown is about 17% of the thickness t1 of the entire heat insulating film.
本発明者等は、多孔質断熱層へのレーザビームの照射による再溶融と急冷凝固により、亀裂の発生の有無を検証した。そこで、まず、亀裂発生のないレーザビームの照射条件を検討した結果、レーザビームの種類としては、生産性の観点からレーザマーキング機を使用し、ナノ秒パルスのファイバーレーザ装置にて出力、周波数、スキャン速度を変化させながら、亀裂の生じない条件範囲を検証した。 The inventors of the present invention verified the presence or absence of cracks by remelting and rapid solidification by irradiating the porous heat insulation layer with a laser beam. Therefore, first, as a result of examining the irradiation conditions of the laser beam without cracking, as a type of laser beam, using a laser marking machine from the viewpoint of productivity, output, frequency, While changing the scanning speed, a range of conditions where no cracks occurred was verified.
その結果、表面緻密層の厚みを多孔質断熱層の厚みの20%以下に設定することで亀裂が生じないことが分かり、図示例のように20%以下の17%程度の厚みの表面緻密層としている。 As a result, it can be seen that cracks do not occur by setting the thickness of the surface dense layer to 20% or less of the thickness of the porous heat insulation layer, and the surface dense layer having a thickness of about 17% of 20% or less as shown in the example It is said.
また、断熱膜形成粒子の脱落を防止する観点から、表面緻密層の厚さは10μm以上にするのがよいことが分かった。 Further, it was found that the thickness of the surface dense layer should be 10 μm or more from the viewpoint of preventing the heat insulating film forming particles from falling off.
図示する断熱膜の表面緻密層は、多孔質断熱層の厚みの20%以下（多孔質断熱層全体が700μm程度で表面緻密層の厚みはその17%程度）で、10μm以上の層厚（100μm程度）を有しており、したがって、亀裂が生じていない。 The surface dense layer of the heat insulating film shown in the figure is 20% or less of the thickness of the porous heat insulating layer (the whole porous heat insulating layer is about 700 μm and the thickness of the surface dense layer is about 17%), and the layer thickness is 10 μm or more (100 μm Therefore, no cracks are generated.
これに対し、図３（ｂ）で示す比較例は、表面緻密層の厚みが多孔質断熱層の厚みの30%程度であることから、多孔質断熱層内部や断熱膜内部から表面緻密層に亘る亀裂が発生していることが分かる。 On the other hand, in the comparative example shown in FIG. 3 (b), the thickness of the surface dense layer is about 30% of the thickness of the porous heat insulating layer. It can be seen that cracks have occurred.
また、図４は断熱膜の形成方法の実施の形態２によって形成された断熱膜の断面組織を示した写真図である。 FIG. 4 is a photograph showing a cross-sectional structure of the heat insulating film formed by the second embodiment of the method for forming the heat insulating film.
写真図から明らかなように、表面緻密層の内部に多数のカーボンが内在している。ここで、図示例では、多孔質断熱層の表面にカーボンを塗布してレーザビームの照射をおこなうことで、レーザビームの吸収率は0.9と極めて高い値となった。 As is apparent from the photograph, a large number of carbons are present inside the dense surface layer. Here, in the illustrated example, the absorption rate of the laser beam was as extremely high as 0.9 by applying carbon to the surface of the porous heat insulating layer and irradiating the laser beam.
なお、高放射率材（高吸収率材）は金属酸化物系の材料もあり得るが、光の波長に対して高い放射を示すカーボン（グラファイト、煤系の材料）が好適である。また、カーボンの被覆に関し、通常の黒色潤滑・離型剤として適用されるグラファイトスプレーを使用することができ、このグラファイト成分は被膜を形成する樹脂材料に対して50質量%以下添加されている。 The high emissivity material (high absorptance material) may be a metal oxide material, but carbon (graphite, a soot-based material) that exhibits high radiation with respect to the wavelength of light is suitable. Further, regarding carbon coating, graphite spray applied as a normal black lubricant / release agent can be used, and this graphite component is added in an amount of 50% by mass or less based on the resin material forming the film.
図４で示す断熱膜では、市販のグラファイトスプレーを多孔質断熱層に厚み10μm以下塗布し、レーザビームを照射したものである。表面緻密層におけるグラファイト量は塗布厚さや含有量によって制御できるが、面積率で0.5〜10%の範囲が望ましい。0.5%未満では放射に寄与する割合が小さく、10%を超えると熱伝導量が上昇するためである。 In the heat insulating film shown in FIG. 4, a commercially available graphite spray is applied to a porous heat insulating layer with a thickness of 10 μm or less and irradiated with a laser beam. The amount of graphite in the surface dense layer can be controlled by the coating thickness and content, but the area ratio is preferably in the range of 0.5 to 10%. If less than 0.5%, the contribution to radiation is small, and if it exceeds 10%, the amount of heat conduction increases.
次に、内燃機関の製造方法の適用例を図５を参照して説明する。ここで、図５は、燃焼室に臨む基材の全部に断熱膜ＨＢが形成されてなる内燃機関を模擬したものである。 Next, an application example of the method for manufacturing an internal combustion engine will be described with reference to FIG. Here, FIG. 5 simulates an internal combustion engine in which a heat insulating film HB is formed on the entire base material facing the combustion chamber.
図示する内燃機関Ｎは、ディーゼルエンジンをその対象としたものであり、その内部に冷却水ジャケットＪが形成されたシリンダブロックＳＢと、シリンダブロックＳＢ上に配設されたシリンダヘッドＳＨと、シリンダヘッドＳＨ内に画成された吸気ポートＫＰおよび排気ポートＨＰとそれらが燃焼室ＮＳに臨む開口に昇降自在に装着された吸気バルブＫＶおよび排気バルブＨＶと、シリンダブロックＳＢの下方開口から昇降自在に形成されたピストンＰＳから大略構成されている。 The illustrated internal combustion engine N is intended for a diesel engine, a cylinder block SB having a cooling water jacket J formed therein, a cylinder head SH disposed on the cylinder block SB, and a cylinder head An intake port KP and an exhaust port HP defined in SH, an intake valve KV and an exhaust valve HV that are mounted so as to be able to be raised and lowered in an opening facing the combustion chamber NS, and a lower opening of the cylinder block SB are formed to be movable The piston PS is generally constituted.
この内燃機関Ｎを構成する各構成部材はともに、アルミニウムもしくはその合金（高強度アルミニウム合金を含む）から形成されている。 Each component constituting the internal combustion engine N is made of aluminum or an alloy thereof (including a high-strength aluminum alloy).
内燃機関Ｎの各構成部材で画成された燃焼室ＮＳ内には、それらが燃焼室ＮＳに臨む基材の表面（シリンダボア面ＳＢ’、シリンダヘッド底面ＳＨ’、ピストン頂面ＰＳ’、バルブ頂面ＫＶ’，ＨＶ’）に対して図示する製造方法がそれぞれ適用され、それぞれの表面に断熱膜ＨＢが形成される。なお、図示を省略するが、内燃機関Ｎを構成する各構成部材の一部の表面にのみ本発明の内燃機関の製造方法が適用されて断熱膜ＨＢが形成されてもよいことは勿論のことである。 In the combustion chamber NS defined by each component of the internal combustion engine N, the surface of the base material (the cylinder bore surface SB ′, the cylinder head bottom surface SH ′, the piston top surface PS ′, the valve top) that faces the combustion chamber NS. The manufacturing methods shown in the figure are applied to the surfaces KV ′ and HV ′), and the heat insulating film HB is formed on each surface. In addition, although illustration is abbreviate | omitted, of course, the manufacturing method of the internal combustion engine of this invention may be applied only to the one part surface of each structural member which comprises the internal combustion engine N, and the heat insulation film | membrane HB may be formed. It is.
（内燃機関の製造方法の実施例）
本発明者等は、以下で示す溶射材料、溶射条件、およびレーザビームの照射条件にて断熱膜を形成した。ここで、図６（ａ）は多孔質断熱層（第一の溶射層）を形成する粉末の写真図であり、図６（ｂ）は多孔質断熱層（第二の溶射層）を形成する粉末の写真図である。
(Embodiment of manufacturing method of internal combustion engine)
The present inventors formed a heat insulating film under the following spraying material, spraying conditions, and laser beam irradiation conditions. Here, FIG. 6A is a photograph of the powder forming the porous heat insulating layer (first sprayed layer), and FIG. 6B forms the porous heat insulating layer (second sprayed layer). It is a photograph figure of powder.
＜溶射材料＞
まず、基材の表面に直接形成される第一の溶射層は、Ni-Cr合金粉末（ガスアトマイズ粒子：粒径10〜45μm）とベントナイト粉末（スプレー造粒粉末：粒径45μm以下）を造粒焼結し、図６（ａ）のような粉末を用いた。溶射皮膜中のベントナイト面積率60%を得るために、Ni-50Crとベントナイトの混合割合は重量比で65：35とした。
<Spraying material>
First, the first sprayed layer directly formed on the surface of the substrate is granulated with Ni-Cr alloy powder (gas atomized particles: particle size 10 to 45 μm) and bentonite powder (spray granulated powder: particle size 45 μm or less). Sintered and used the powder as shown in FIG. In order to obtain a bentonite area ratio of 60% in the sprayed coating, the mixing ratio of Ni-50Cr and bentonite was 65:35 by weight.
次に、第二の溶射層は、ZrO2-SiO2粉末としてジルコンサンドの粉砕粉を分級し（粒径10〜45μm）、使用した（組成：ZrO2-33wt%SiO2-0.7Al2O3-0.15TiO2-0.1Fe2O3）。 Next, the second sprayed layer classified and used the pulverized powder of zircon sand as ZrO 2 —SiO 2 powder (particle size: 10 to 45 μm) (composition: ZrO 2 —33 wt% SiO 2 —0.7Al 2 O). 3 -0.15TiO 2 -0.1Fe 2 O 3 ).
＜溶射条件＞
シリンダヘッド（アルミ合金）にショットブラストを実施後（表面粗さRa7μm）、溶射はプラズマ溶射装置（METCO F4ガン）を使用し、以下の溶射条件にて実施した。
<Spraying conditions>
After performing shot blasting on the cylinder head (aluminum alloy) (surface roughness Ra7μm), spraying was performed using a plasma spraying device (METCO F4 gun) under the following spraying conditions.
第一の溶射層に関しては、プラズマガス：Ar-H2、ガス流量：Aｒ：30L/min 、H2：8L/min、プラズマ電流：450A、プラズマ電圧：60V、粉末供給量：30g/min、溶射距離：150mmである。 Regarding the first sprayed layer, plasma gas: Ar—H 2 , gas flow rate: Ar: 30 L / min, H 2 : 8 L / min, plasma current: 450 A, plasma voltage: 60 V, powder supply amount: 30 g / min, Thermal spray distance: 150 mm.
第二の溶射層に関しては、プラズマガス：Ar-H2、ガス流量：Aｒ：40L/min 、H2：12L/min、プラズマ電流：600A、プラズマ電圧：60V、粉末供給量：50g/min、溶射距離：100mmである。 Regarding the second sprayed layer, plasma gas: Ar—H 2 , gas flow rate: Ar: 40 L / min, H 2 : 12 L / min, plasma current: 600 A, plasma voltage: 60 V, powder supply amount: 50 g / min, Thermal spray distance: 100 mm.
溶射後に多孔質断熱層の仕上げ研削を実施し（表面粗さ：Ra2）、所定の膜厚（全膜厚300μm）に仕上げた。図７（ａ）はシリンダヘッドに溶射して多孔質断熱層を形成した際の写真図であり、図７（ｂ）は多孔質断熱層の断面組織を示した写真図である。 After thermal spraying, the porous heat insulating layer was subjected to finish grinding (surface roughness: Ra2), and finished to a predetermined film thickness (total film thickness 300 μm). FIG. 7A is a photographic view when a porous heat insulating layer is formed by thermal spraying on a cylinder head, and FIG. 7B is a photographic view showing a cross-sectional structure of the porous heat insulating layer.
＜レーザビームの照射条件＞
市販のレーザマーカー用ファイバーレーザにて、溶射部位全面にレーザビームの照射を実施した。ここで、表面緻密層の断熱膜に対する厚さ比率が10%になるように以下の条件に設定した。
<Laser beam irradiation conditions>
Laser beam irradiation was performed on the entire surface of the sprayed part with a commercially available fiber laser for laser marker. Here, the following conditions were set so that the thickness ratio of the surface dense layer to the heat insulating film was 10%.
レーザビームの照射条件に関し、スポット径：φ50μ、周波数：200kHz、出力：60W、スキャンスピード：600mm/sec、走査ピッチ50μmである。 Regarding the laser beam irradiation conditions, the spot diameter is φ50 μ, the frequency is 200 kHz, the output is 60 W, the scan speed is 600 mm / sec, and the scan pitch is 50 μm.
また、上記レーザビーム処理の前にグラファイトスプレーを施したもの（厚さ10μm）も併せて作製した。その後、平面研削盤によって仕上げ加工をおこなった。 In addition, a sample (thickness 10 μm) to which graphite spray was applied before the laser beam treatment was also produced. Then, finishing was performed with a surface grinder.
（エンジン効率と耐久性を評価した実験、表面粒子の脱落の有無を検証した実験とそれらの結果）
本発明者等は、エンジン効率と耐久性を評価する実験をおこなうとともに、表面緻密層を構成する粒子の脱落性を評価するべく、テープ剥がし試験をおこなった。
(Experiments evaluating engine efficiency and durability, experiments verifying the presence or absence of surface particles and their results)
The present inventors conducted experiments to evaluate engine efficiency and durability, and conducted a tape peeling test in order to evaluate the detachability of particles constituting the surface dense layer.
テープは、NICHIBAN 布粘着テープ 高品位タイプ＜LS＞ No.102N 橙 50mm×25mを使用し、多孔質断熱層を脱脂して表面にテープを貼り、引き剥がしを10回おこない、前後での気孔の増加を観察して2×20mm範囲での剥離数を測定した。実験結果を図８に示す。ここで、図８の上図は引き剥がし前の写真図であり、下図は引き剥がし後の写真図である。 The tape is NICHIBAN cloth adhesive tape high quality type <LS> No.102N orange 50mm × 25m, degrease the porous heat insulation layer, apply the tape on the surface, peel it off 10 times, Observing the increase, the number of peels in the 2 × 20 mm range was measured. The experimental results are shown in FIG. Here, the upper figure of FIG. 8 is a photographic view before peeling, and the lower figure is a photographic view after peeling.
まず、以下の表１に、実施例1、比較例1の断熱膜の仕様と、テープ試験結果、エンジン効率結果、および耐久性結果を示す。 First, the following Table 1 shows the specifications of the heat insulating films of Example 1 and Comparative Example 1, the tape test results, the engine efficiency results, and the durability results.
表１より、表面緻密層を具備しない比較例1は粒子脱落数が45でピストン傷付きが発生したのに対し、表面緻密層を備えた実施例1は粒子脱落数が0でピストン傷付きも発生せず、亀裂や剥離もない良好な結果となった。 From Table 1, the comparative example 1 which does not have the surface dense layer has a particle dropout number of 45 and the piston is damaged, whereas the example 1 which has the surface dense layer has a particle dropout number of 0 and the piston is damaged. It did not occur, and there were no cracks or peeling.
この結果より、多孔質断熱層の表面が溶融してできた表面緻密層を備えた断熱膜は耐久性が高く、粒子の脱落も生じないことが分かった。 From this result, it was found that the heat insulating film provided with the dense surface layer formed by melting the surface of the porous heat insulating layer has high durability and does not drop off particles.
次に、複数の実施例および比較例の結果を以下の表２に示す。 Next, the results of a plurality of examples and comparative examples are shown in Table 2 below.
表２より、比較例2〜4は表面緻密層を有しているものの、比較例2、3は膜厚が10μm以下の5μmであることから、粒子の脱落数が40個であり、ピストン傷付きが発生した。また、比較例4は表面緻密層の厚さが断熱膜全体の25%（20%以上）と厚過ぎることで、粒子脱落数を評価することができなかった。 From Table 2, although Comparative Examples 2 to 4 have a dense surface layer, Comparative Examples 2 and 3 have a film thickness of 5 μm, which is 10 μm or less. Appearance occurred. In Comparative Example 4, the thickness of the surface dense layer was too thick at 25% (20% or more) of the entire heat insulating film, so that the number of particle dropouts could not be evaluated.
対して、実施例1〜5の表面緻密層の膜厚はいずれも断熱膜全体の20%以下となっており、10μm以上の膜厚であることにより、粒子脱落数は0、冷却損失低減率も低く、ピストン傷付きも発生せず、亀裂や剥離もない良好な結果となった。 On the other hand, the film thickness of the surface dense layer of each of Examples 1 to 5 is 20% or less of the entire heat insulating film, and is 10 μm or more, so that the number of particle dropouts is 0, and the cooling loss reduction rate However, the piston was not damaged, and there were no cracks or peeling.
この実験結果より、断熱膜が表面緻密層を有していることのみならず、表面緻密層の膜厚は断熱膜全体の20%以下で、かつ10μm以上が望ましいことが分かった。 From the experimental results, it was found that not only the heat insulating film had a surface dense layer, but also the film thickness of the surface dense layer was 20% or less of the whole heat insulating film and preferably 10 μm or more.
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
ＨＢ…断熱膜、Ｎ…内燃機関、ＮＳ…燃焼室 HB ... heat insulation film, N ... internal combustion engine, NS ... combustion chamber
Claims (3)
前記基材の表面に多孔質断熱層を形成する第１のステップと、
前記多孔質断熱層の表面を溶融させ、凝固させることで、該多孔質断熱層の表面に表面緻密層を形成し、該多孔質断熱層と該表面緻密層からなる前記断熱膜を形成する第２のステップと、を備える内燃機関の製造方法。 A method of manufacturing an internal combustion engine provided with a heat insulating film on a surface of a base material facing a combustion chamber,
A first step of forming a porous heat insulating layer on the surface of the substrate;
A surface dense layer is formed on the surface of the porous heat insulation layer by melting and solidifying the surface of the porous heat insulation layer, and the heat insulation film comprising the porous heat insulation layer and the surface dense layer is formed. And a step of manufacturing the internal combustion engine.
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|---|---|---|---|---|
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