JP2017082703A

JP2017082703A - シリンダヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2017082703A
Application number: JP2015212989A
Authority: JP
Inventors: 洋希猪熊; Hiroki Iguma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: JP6390584B2

Abstract

【課題】シリンダヘッドの底面に多孔質構造を有する遮熱膜を形成する場合において、遮熱膜の損傷を回避しつつ燃焼室の容積のその設計値への合わせ込みを行うことのできる新規な手法を提供する。【解決手段】本実施の形態に係る製造方法では先ず、シリンダヘッド本体が鋳造される（ステップＳ１）。続いて、バルブガイドとシートリングの内周面の切削加工を除く、シリンダヘッド本体に対する機械加工が行われる（ステップＳ２）。続いて、シリンダヘッド本体の底面に溶射膜が形成される（ステップＳ３）。続いて、溶射膜の膜厚が計測される（ステップＳ４）。続いて、バルブガイドとシートリングの内周面が切削加工される（ステップＳ５）。ステップＳ５においては、ステップＳ４で計測した溶射膜１４の膜厚方向の座標に基づいて、内周面１６ａの切削加工量が調節される。【選択図】図１

Description

この発明はシリンダヘッドの製造方法に関し、より詳細には、遮熱膜が底面に形成されるシリンダヘッドの製造方法に関する。

例えば特許文献１には、内燃機関の燃焼室の壁面の一部を構成するシリンダヘッドの底面に、アルマイトからなる遮熱膜を形成する技術が開示されている。アルマイトは多孔質構造を有しており、シリンダヘッドの母材であるアルミニウム合金よりも単位体積当たりの熱容量の低い遮熱膜として機能する。従って、このシリンダヘッドをシリンダブロックに組み付けることで画成される燃焼室の遮熱性を向上でき、内燃機関の冷却損失を低減できる。

特開２０１３−０２４１４３号公報特開平１０−０７１５１４号公報特開２００５−３０５５８１号公報

ところで、シリンダヘッドの底面に遮熱膜を形成すると、この遮熱膜の体積分だけ燃焼室の容積が減少することになる。そのため、遮熱膜の形成を前提とするのであれば、遮熱膜を形成する前の燃焼室の容積をこれから形成する遮熱膜の体積分だけ大きくしたシリンダヘッドを鋳造すればよいことになる。しかし、遮熱膜の膜厚がその設計値から外れることがあることから、遮熱膜を形成する場合は、そうでない場合に比べて、燃焼室の容積をその設計値に合わせるのが難しいという問題がある。この問題は、例えば遮熱膜の膜厚をその設計値よりも厚く形成しておき、その後の切削加工等によって薄くしていくという手法を採用することで解消できる。しかし、上述したアルマイトのような遮熱膜はその多孔質構造が故に脆く、膜厚の設計値への合わせ込みとはいえ必要以上の薄膜化をすることは膜自体の損傷に繋がるおそれがあった。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、シリンダヘッドの底面に多孔質構造を有する遮熱膜を形成する場合において、遮熱膜の損傷を回避しつつ燃焼室の容積のその設計値への合わせ込みを行うことのできる新規な手法を提供することを目的とする。

本発明に係るシリンダヘッドの製造方法は、吸気バルブおよび排気バルブの底面と共に内燃機関の燃焼室の壁面の一部を構成し、尚且つ、前記吸気バルブおよび前記排気バルブを着座させるためのシートリングが取り付けられたシリンダヘッド本体の底面に、多孔質構造を有する遮熱膜を形成する形成ステップと、前記シートリングのバルブ着座面を切削加工する切削加工ステップと、を備えている。この製造方法は、前記遮熱膜の形成後、尚且つ、前記バルブ着座面の切削加工前に、前記遮熱膜の膜厚を計測する計測ステップを更に備えており、前記切削加工ステップにおいて、前記燃焼室の容積がその設計値と等しくなるように前記膜厚に基づいて前記バルブ着座面の切削加工量を調節することを特徴としている。

本発明によれば、多孔質構造を有する遮熱膜の形成後、尚且つ、シートリングのバルブ着座面の切削加工前にこの遮熱膜の膜厚を計測し、更にはこの膜厚に基づいて燃焼室の容積がその設計値と等しくなるようにバルブ着座面の切削加工量を調節できる。よって、本発明によれば、遮熱膜の損傷を回避しつつ燃焼室の容積のその設計値への合わせ込みを行うことができる。

本発明の実施の形態に係るシリンダヘッドの製造方法を説明するフロー図である。図１のステップＳ４での溶射膜の膜厚計測手法を説明するための図である。バルブガイドとシートリングの内周面の一般的な切削加工手法を説明するための図である。図３の切削加工手法を採用した場合における、バルブ傘部の底面の基準位置からの距離を説明するための図である。図１のステップＳ５での切削加工手法を説明するための図である。図１のステップＳ５を経た後における、吸気バルブまたは排気バルブの傘部の底面の基準位置からの距離を説明するための図である。図１のステップＳ５を経た後における、吸気バルブまたは排気バルブの傘部の底面の基準位置からの距離を説明するための図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係るシリンダヘッドの製造方法を説明するフロー図である。図１に示すように、本実施の形態に係る製造方法では先ず、シリンダヘッド本体が鋳造される（ステップＳ１）。シリンダヘッド本体はアルミニウム合金製であり、その内部に少なくとも吸気ポートと排気ポートとウォータージャケットとを備えている。本ステップでは、これらを形成するための複数の中子を鋳型の内部に配設し、同内部にアルミニウム合金の浴湯を流し込むことでシリンダヘッド本体を鋳造する。なお、このようなシリンダヘッド本体の鋳造法は、例えば特開２０００−３５６１６５号公報に開示されているように公知であることから、これ以上の説明は省略する。

ステップＳ１に続いて、シリンダヘッド本体に対する機械加工が行われる（ステップＳ２）。本ステップでは、吸気バルブおよび排気バルブのステム部を支持するためのバルブガイドや、これらのバルブの傘部を着座させるためのシートリングを取り付けるための穴が穴開け加工により形成される。また、本ステップでは、シリンダヘッドをシリンダブロックに締結するための穴、潤滑油を流すための油路等が穴開け加工により形成される他、必要に応じてこれらの穴や、ステップＳ１で形成した吸気ポートおよび排気ポートの内面の切削加工が行われる。そして、これらの一連の機械加工の後、バルブガイドとシートリングが対応する穴に圧入、焼嵌め、または冷嵌めによって挿入される。

ステップＳ２に続いて、シリンダヘッド本体の底面に溶射膜が形成される（ステップＳ３）。本ステップでは先ず、ニッケルクロム系のセラミックスを溶射ガンから噴き付けてセラミックスを成膜し、次いで、その表面にジルコニアを更に噴き付けてジルコニアを成膜する。このような二段階成膜を行うことで、ニッケルクロム系のセラミックス中間層とジルコニア表面層とからなる溶射膜を形成できる。この溶射膜は、溶射の過程で形成された内部気泡に由来する多孔質構造を有しており、その構造ゆえにシリンダヘッド本体を構成するアルミニウム合金よりも単位体積当たりの熱容量の低い遮熱膜として機能する。なお、本ステップにおける溶射方式は特に限定されず、フレーム溶射、高速フレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、レーザ溶射等の各種方式が採用される。

また、ステップＳ３では、溶射材として、ニッケルクロム系のセラミックスやジルコニアの代わりに、シリカ、窒化珪素、イットリア、酸化チタンなどのセラミックス、サーメット、ムライト、コージライト、ステアタイトなどの複合セラミックスを適宜組み合わせて使用することもできる。更には、ステップＳ３では、溶射膜の代わりに、シリンダヘッド本体の底面の陽極酸化によりアルマイトを成膜してもよく、中空粒子を含む断熱塗料のシリンダヘッド本体の底面への塗布等により成膜してもよい。これらの膜は多孔質構造を有することから、ステップＳ３で形成した溶射膜と同様、アルミニウム合金よりも単位体積当たりの熱容量の低い遮熱膜として機能する。

ステップＳ３では、シリンダヘッド本体の底面のうちの、内燃機関の燃焼室の壁面を構成する領域に、溶射膜が形成される。溶射膜の形成に際しては、溶射材を噴き付ける領域の外側だけでなく、この領域の内側のバルブガイド、シートリングや各種穴（例えば、燃焼室にインジェクタや筒内圧センサを取り付けるための穴）に溶射材が付着しないよう、マスキング部材（例えば、鉄板、銅板等）が適宜配置される。なお、ここでいう燃焼室とは、シリンダヘッド本体の底面と、シリンダブロックのボア面、ピストンの頂面、吸気バルブおよび排気バルブの傘部の底面とで画定される空間を指す。また、燃焼室の壁面には、シリンダヘッド本体の底面と、ピストンの頂面と、吸気バルブおよび排気バルブの傘部の底面とが含まれる。

ステップＳ３では、目標とする熱物性（具体的には、単位体積当たりの熱容量および熱伝導率）に応じて、溶射膜の膜厚が５０μｍ〜２００μｍの範囲で調節される。なお、形成された溶射膜の表面には微細な凹凸が生じている場合があることから、ステップＳ４の前に、その表面を研磨加工等によって平滑化しておくことが望ましい。

ステップＳ３に続いて、溶射膜の膜厚が計測される（ステップＳ４）。図２は、溶射膜の膜厚計測手法を説明するための図である。図２に示すように、シリンダヘッド本体１０は加工ステージ２０上に載せられ、尚且つ、シリンダヘッド本体１０の所定位置に設けられた穴１２にＸ，Ｙ基準用の位置決めピン２２が挿入されている。これにより、シリンダヘッド本体１０は予め定められている基準位置で位置決めされると共に、その位置で一時的に固定されている。溶射膜１４はステップＳ３で形成された膜であり、この溶射膜１４には、ＮＣ機械に装着された座標測定ユニット２４が対向している。座標測定ユニット２４の測定子２４ａを溶射膜１４の近傍まで前進させることで、溶射膜１４の膜厚方向の座標が計測される。座標の計測値は、ＮＣ機械のコントローラ（図示しない）に出力され、記録される。

ステップＳ４に続いて、バルブガイドとシートリングの内周面が切削加工される（ステップＳ５）。本ステップでの切削加工手法を説明する前に、バルブガイドとシートリングの内周面の一般的な切削加工手法を、図３を参照しながら説明する。図３に示すシリンダヘッド本体３０は、溶射膜が形成されていない他は図２に示したシリンダヘッド本体１０と同一であり、加工ステージ２０上に位置決め固定されている。加工に使用される工具２６は、シートリング１６の内周面１６ａを切削加工するバイト２６ａと、バルブガイド１８の内周面１８ａを切削加工するリーマ２６ｂとを備えている。リーマ２６ｂを回転させつつ前進させることで、内周面１８ａが切削加工される。次いで、リーマ２６ｂを後退させると共に、バイト２６ａを回転させつつ前進させることで、内周面１６ａにバルブ着座面が形成される。

図３に示した切削加工手法においては、基準位置（Ｚ基準）から内周面１６ａとバルブ着座面との境界までの寸法が所定値となるように、バイト２６ａの回転軸方向における工具２６の移動が制限されている。つまり、バイト２６ａによる内周面１６ａの切削加工量が一定とされている。従って、吸気バルブまたは排気バルブがバルブ着座面に着座した場合における、当該バルブの傘部の底面の基準位置からの距離は概ね一定となる。このことについて、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、バルブ傘部４０がバルブ着座面１６ｂに着座した場合、バルブ傘部４０の底面４０ａは基準位置（Ｚ基準）から概ね一定の距離に位置することになる。つまり、このバルブ傘部４０の燃焼室への飛び出し量は概ね一定となる。

このような一般的な切削加工手法とは異なり、ステップＳ５においては、ステップＳ４で計測した溶射膜１４の膜厚方向の座標に基づいて、内周面１６ａの切削加工量が調節される。本ステップでの切削加工手法を、図５を参照しながら説明する。図５に示すシリンダヘッド本体１０は、図２同様、加工ステージ２０上に位置決め固定されている。また、図３の説明の際に述べたように、工具２６のリーマ２６ｂを回転させつつ前進させることで内周面１８ａが切削加工される。また、リーマ２６ｂを後退させると共に、バイト２６ａを回転させつつ前進させることで、内周面１６ａにバルブ着座面が形成される。

但し、ステップＳ５では先ず、ステップＳ４で計測した座標を用いて燃焼室の容積のその設計値からの乖離量が算出される。続いて、この乖離量だけ内周面１６ａの切削加工量が増減される。具体的には、この乖離量に基づいて、基準位置から内周面１６ａとバルブ着座面との境界までの寸法が算出される。ここで、燃焼室には吸気バルブと排気バルブが少なくとも１つずつ設けられることから、燃焼室に取り付けられるシートリング１６の数は少なくとも２つである。従って、上述した寸法の算出に際しては、算出した乖離量をシートリング１６の個数で除す。最後に、算出した寸法に基づいて、工具２６のリーマ２６ｂの中心軸方向における移動量が算出される。なお、このステップＳ５の処理は、ＮＣ機械のコントローラにおいて行われる。

図６乃至図７は、ステップＳ５を経た後における、吸気バルブまたは排気バルブの傘部の底面の基準位置からの距離を説明するための図である。図６は溶射膜１４の膜厚がその設計値（狙い膜厚）よりも小さい場合に該当する。この図と図４を比較すると分かるように、溶射膜１４の膜厚がその設計値よりも小さい場合、バルブ傘部４０の燃焼室への飛び出し量は、図４で説明した飛び出し量よりも多くなる。一方、図７は溶射膜１４の膜厚がその設計値（狙い膜厚）よりも大きい場合に該当する。この図と図４を比較すると分かるように、溶射膜１４の膜厚がその設計値よりも大きい場合、バルブ傘部４０の燃焼室への飛び出し量は、図４で説明した飛び出し量よりも少なくなる。

ステップＳ３を経ることで溶射膜１４の膜厚は５０μｍ〜２００μｍの範囲の設計値に調節されているはずである。しかしながら、ステップＳ３直後の溶射膜１４の膜厚がその設計値から外れることがある。溶射膜１４の膜厚がその設計値よりも大きい場合は、溶射膜１４を切削加工して薄くしていくこともできる。しかし、内部気泡を有するという溶射膜１４の構造がゆえに、平滑化といった目的を超える切削加工は膜を損傷してしまう可能性があり、望ましくない。一方、溶射膜１４の膜厚がその設計値よりも小さい場合は、このような薄膜化を行わずに済むものの、燃焼室の容積がその設計値から乖離してしまうという問題が依然として残る。

燃焼室の容積がその設計値から乖離するという問題は、シリンダヘッド本体１０の底面が複数の燃焼室の壁面を構成する場合に大きくなる。即ち、複数の燃焼室の容積がそれぞれの設計値から乖離することで、異なる燃焼室間の容積が揃わず、圧縮比がバラついてしまう。この点、ステップＳ５の処理によれば、溶射膜１４の膜厚がその設計値から多少外れていたとしても、燃焼室の容積をその設計値に簡易に合わせ込むことができる。従って、シリンダヘッド本体１０の底面が複数の燃焼室の壁面を構成する場合においても、全ての燃焼室の容積を設計値に揃えて圧縮比のバラつきを抑えることができる。

ところで、上述した実施の形態においては、燃焼室に取り付けられる全てのシートリング１６において内周面１６ａの切削加工量を調節した。しかし、本発明においては、この切削加工量の調節を、一部のシートリング１６において行ってもよい。例えば、排気バルブに対応するシートリング１６の切削加工量を固定し、吸気バルブに対応するシートリング１６の内周面１６ａの切削加工量を調節してもよい。または、シリンダヘッド本体１０が吸気ポートとして、燃焼室内にスワールを生成するためのタンジェンシャルポートと、流量確保用のヘリカルポートとを備える場合、吸気バルブに対応するシートリング１６の切削加工量を固定し、排気バルブに対応するシートリング１６の内周面１６ａの切削加工量を調節してもよい。

上述した実施の形態のように、シートリング１６の全ての内周面１６ａの切削加工量を調節した場合は、それぞれの内周面１６ａでの分担量を少なくできるので、各燃焼室における吸気効率または排気効率に与える影響を減らすことができるという利点がある。また、排気バルブ（または吸気バルブ）に対応するシートリング１６の切削加工量を固定した場合は、排気効率（または吸気効率）に与える影響を最小限にできるという利点がある。また、タンジェンシャルポートといった特定の機能を有するポートが形成されている場合に、そのポートに対応して設けられるシートリング１６の切削加工量を固定した場合は、その特定の機能に影響が及ぶことを回避できるという利点がある。このように、本発明においては、内燃機関の構成や各種利点に応じて、切削加工量の調節を行うシートリング１６を適宜選択することができる。

１０，３０シリンダヘッド本体
１２穴
１４溶射膜
１６シートリング
１６ａ内周面
１６ｂバルブ着座面
１８バルブガイド
１８ａ内周面
２０加工ステージ
２２位置決めピン
２４座標測定ユニット
２４ａ測定子
２６工具
２６ａバイト
２６ｂリーマ
４０バルブ傘部
４０ａ底面

Claims

吸気バルブおよび排気バルブの底面と共に内燃機関の燃焼室の壁面の一部を構成し、尚且つ、前記吸気バルブおよび前記排気バルブを着座させるためのシートリングが取り付けられたシリンダヘッド本体の底面に、多孔質構造を有する遮熱膜を形成する形成ステップと、
前記シートリングのバルブ着座面を切削加工する切削加工ステップと、
を備えるシリンダヘッドの製造方法であって、
前記遮熱膜の形成後、尚且つ、前記バルブ着座面の切削加工前に、前記遮熱膜の膜厚を計測する計測ステップを更に備え、
前記切削加工ステップにおいて、前記燃焼室の容積がその設計値と等しくなるように前記膜厚に基づいて前記バルブ着座面の切削加工量を調節することを特徴とするシリンダヘッドの製造方法。