JP2018514701A - 内燃エンジン用ピストンの環状クーリングチャンネルの表面を被覆する方法および当該方法によって製造可能なピストン - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃エンジン用のピストン（１０）の、オイル流入およびオイル流出ボア（２３’，２３”）を有する環状クーリングチャンネル（２３）の表面（２４）を、六方晶窒化ホウ素を含む被覆媒体を用いて被覆する方法に関する。この方法は、少なくとも１つの熱硬化性の無機バインダと少なくとも１つの溶媒とをベースとした溶液を含む六方晶窒化ホウ素の懸濁液の形態における所定量の被覆媒体をクーリングチャンネル（２３）内に導入するステップａ）と、少なくとも２つの空間軸に関してピストン（１０）を動かすことによって、クーリングチャンネル（２３）の表面（２４）に被覆媒体を分散させるステップｂ）と、層状気流によってクーリングチャンネル（２３）の表面（２４）に分散した被覆媒体を乾燥させるステップｃ）と、被覆媒体を熱硬化させてクーリングチャンネル（２３）の表面（２４）に付着した被覆（２５）を完成させるステップｄ）とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、オイル供給ボアおよびオイル排出ボアを有する、内燃エンジン用ピストンの環状クーリングチャンネルの表面を被覆する方法であって、六方晶窒化ホウ素を含む被覆媒体を使用する方法に関する。本発明は、また、そのような方法によって製造可能なピストンに関する。

このような方法によって被覆されたピストンが知られている。クーリングチャンネルピストンは、高いエンジン出力を有する現代の内燃エンジンにおいて好んで使用される。なぜなら、クーリングチャンネルピストンは、単にインピンジメント噴射によって冷却されるピストンに比べて、エンジン動作中により多くの熱を除去することができ、よって最高動作温度が著しく低減され得るためである。

しかしながら、このコンセプトは、最近のより高いエンジン出力を有するエンジン設計において問題となることが判明している。短時間のエンジン動作の後でさえ、ピストンの高温領域、特にクーリングチャンネルにおいて強固に付着する炭素成分の付着物が発生する。この種の付着物は、また、断熱性を有しており、それにより熱放散が妨げられる。結果として、ピストン温度がエンジン動作中に不相応に上昇する。鋼製ピストンの場合、これにより多くのスケールが形成される。極端な例では、これらのピストンが熱くなりすぎて、鋼材料の不可逆的な劣化が生じる。エンジンが作動し続けると、これら鋼材料中のひび割れにつながり、したがってピストンの機能が完全に失われる。

特許文献１には、フルオロシランベースの耐付着性被覆が開示されている。

特許文献２には、装置および製造業のための保護被覆が開示されている。この保護被覆は、ポリマーベースのマトリクス、特にポリシロキサンを有しており、当該マトリクス中には粒子、特に六方晶窒化ホウ素の粒子が埋設されている。この種の被覆は、特に優れた非湿潤性を有していて、灰や焼塊などの断熱性固体の付着を阻止する。

欧州特許出願公開第２０９６２９０号明細書 独国特許出願公開第１０２００８０２０９０６号明細書

公知の被覆については、適用するのが非常に困難で、不均一な層厚みを有する被覆を作ってしまい、よってクーリングチャンネルの放熱フローを妨げる少なくとも局所的な断熱効果を生じさせることがわかっている。特に、クーリングチャンネルの表面全体を満足のいくように被覆することができない。

本発明の課題は、一般的な方法をさらに改良して、クーリングチャンネルの表面全体にわたって均一に薄い被覆を得ることを可能にすることである。

解決手段は、次のステップ、すなわち、クーリングチャンネル内に、少なくとも１つの熱硬化性の無機バインダと少なくとも１つの溶媒とをベースにした溶液を含む六方晶窒化ホウ素の懸濁液の形態における所定量の被覆媒体を導入するステップａ）と、少なくとも２つの空間軸に関してピストンを動かすことにより、クーリングチャンネルの表面にわたって被覆媒体を広げるステップｂ）と、層状気流を用いてクーリングチャンネルの表面にわたって広がった被覆媒体を乾燥させるステップｃ）と、被覆媒体を熱硬化させてクーリングチャンネルの表面に付着した被覆を完成させるステップｄ）とを含む方法に見出される。

本発明に係る方法は、クーリングチャンネルの表面全体に六方晶窒化ホウ素を含む被覆が設けられたピストンを製造することが可能であり、当該被覆がクーリングチャンネルの表面全体にわたって均一な厚み、好ましくは１０〜１００μｍの厚みを有することによって特徴付けられる。この結果として、クーリングチャンネルにおける放熱経路がわずかにしか、あるいは全く妨げられない。

有利な態様は、従属請求項に見出すことができる。

好適には、ステップａ）よりも前に、被覆媒体を最適に添加できるようにするために、クーリングチャンネルの表面の大きさが求められる。クーリングチャンネルが１９０ｃｍ²の表面積を有する場合、最適な添加は７ｍｌ、すなわち１ｃｍ²あたり約３６．８４μｌである。

好ましくは、ステップａ）よりも前に、表面に対する被覆の付着性を改善するために、クーリングチャンネルの表面が洗浄物質で洗浄される。適当な洗浄物質は、例えばメタノール、エタノール、アセトン、１−プロパノール、および２−プロパノール、ならびにその他の短鎖アルコールである。

ステップａ）で使用される被覆媒体は、好ましいバインダとして、少なくとも１つのポリシロキサンを含んでおり、当該ポリシロキサンは、好ましくはエタノールに溶けている。

追加のバインダとして、ケイ酸ナトリウムおよび／またはケイ酸カリウムを使用してもよく、それによりゾルゲル法を用いることが可能となる。

ステップｂ）において、ピストンは、例えば二軸ミキサ装置によって動かされてもよい。二軸ミキサ装置は、それ自体公知であって、塗料や顔料を混合するのに広く用いられる。

好ましくは、ステップｃ）において、速すぎる気流によってクーリングチャンネルの表面にわたって被覆媒体が不均一に分散するのを回避するために、１〜２ｍ／ｓの速度を有する層状気流が用いられる。被覆媒体の冷却は、室温で行われるのが好ましい。

ステップｄ）において、熱硬化は、例えば１８０〜２２０℃の温度で実行される。

図１は、本発明に係るピストンの例示的な実施形態を示す断面図である。 図２は、図１のピストンの本体の写真図であって、本発明に係る方法を用いて適用された被覆を有する。 図３は、ピストンの本体の別の写真図であって、不良な被覆を有する。

以下、本発明の例示的な実施形態について、添付の図面を参照してより詳細に説明する。図面は、概略的なものであって縮尺が正確ではない。

ピストン１０は、ピストンクラウン１２を有するピストンヘッド１１と、燃焼くぼみ１３と、外周ファイアランド１４と、ピストンリング（図示せず）を収容するためのリング溝を有する外周リング部１５とを備える。

ピストン１０は、また、ピストンピン（図示せず）を受けるためのボスボア１８が形成されるピストンボス１７を公知の態様で有するピストンスカート１６を備える。ピストンボス１７は、摺動面１９によって互いに接続されている。

例示的な実施形態では、ピストン１０は、鋼材料で作られた一体型ピストンとして設計されている。ここで、ピストン本体２１とピストン上側部２２とは、溶接またはロウ付けによって互いに永続的に接続されている。ピストン本体２１およびピストン上側部２２は、同じ材料で作られていてもよいし、異なる材料で作られていてもよい。

ピストン本体２１およびピストン上側部２２は、リング部１５の高さにおいて環状をなすクーリングチャンネル２３を共に形成しており、当該チャネルはオイル供給ボアおよびオイル排出ボア２３’，２３”を有する。クーリングチャンネル２３の表面２４には、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）を含む被覆２５が設けられている。被覆２５の厚みは、好ましくは２０〜４０μｍである。被覆２５の熱伝導率は、好ましくは４０〜５０Ｗ／ｍＫであって、六方晶窒化ホウ素の純度に依存する。被覆２５の摩擦係数は、６００℃の温度まで一定であって、０．２である。被覆２５の比表面積は、六方晶窒化ホウ素の純度に依存するものであって、５〜１５ｍ²／ｇである。

以下、クーリングチャンネル２３を被覆するための本発明に係る方法の例示的な実施形態について説明する。

まず、被覆媒体を最も適切に添加できるようにするために、クーリングチャンネル２３の表面積をｃｍ²単位で求める。

クーリングチャンネル２３の表面２４を、エタノールでしっかりと洗浄する。そのために、表面２４の大きさに応じて、１０〜３０ｍｌのエタノールをオイル供給ボアまたはオイル排出ボア２３’，２３”の一方を介してクーリングチャンネル２３に導入し、そして当該ボア２３’、２３”を（好ましくはゴム弾性材料製の）ストッパで閉じる。ピストン１０を動かし、それによりクーリングチャンネル内でエタノールを拡散させて表面２４全体をエタノールで確実に濡らす。このために、例えば二軸ミキサを使用してもよい。その後、ストッパを外して、残っているエタノールをクーリングチャンネル２３から排出する。クーリングチャンネル２３の表面２４を、室温で５分間、１〜２ｍ／ｓの流速を有する層状気流を用いてボア２３’、２３”の一方を介して乾かす。

被覆媒体として、エタノールに溶けたポリシロキサン中の六方晶窒化ホウ素粒子の懸濁液を使用する。例示的な実施形態では、懸濁液中の六方晶窒化ホウ素の含有量は、純粋なポリシロキサン溶液の体積ベースで、１０４ｇ／ｌである。例示的な実施形態では、ポリシロキサン含有量は、懸濁液の全体積ベースで、６１ｇ／ｌである。例示的な実施形態では、懸濁液のエタノール含有量は、懸濁液の全体積ベースで、６４７ｇ／ｌである。当該タイプの被覆媒体は、商業的に利用可能であって、例えばＨｅｎｚｅ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ＡＧ社（Ｇｒｕｎｄｗｅｇ １，８７４９３ Ｌａｕｂｅｎ）のＨｅＢｏＣｏａｔ（登録商標）４００Ｅであってもよい。重要なのは、被覆媒体がハロゲン含有物質、特にフッ素含有物質を含んでいないことである。

添加は、クーリングチャンネル２３の表面２４のｃｍ²単位での大きさに関連する。懸濁液の最適な添加は、１９０ｃｍ²の面積を有するクーリングチャンネル２３の表面２４に対して７ｍｌである。これは、例示的な実施形態において、４．５３ｇのエタノール、０．４３ｇのポリシロキサン、および０．７３ｇの六方晶窒化ホウ素に相当する。

１９０ｃｍ²の面積を有する表面２４を備えたクーリングチャンネル２３に対する被覆媒体の様々な添加に関するテストによって以下の結果が得られた。最適な添加および過度な添加の結果を図２および図３に示す。

被覆媒体を、必要に応じて添加装置、例えば定量ポンプの助けを借りて、ボア２３’，２３”の一方を介してクーリングチャンネル２３内に導入する。ボア２３’，２３”を、好ましくはゴム弾性材料でできたストッパで閉じる。

そして、ピストン１０を、少なくとも２つの空間軸に関して動かす。この動きは、クーリングチャンネルの表面２４にわたって均一に被覆媒体を広げるために必要である。これは回転ユニット、例えば公知の二軸ミキサを用いて行われるのが好ましく、当該回転ユニットによってピストン１０を、その縦軸回りおよび当該縦軸に垂直に延びる軸回りの両方において回転させる。

そして、ストッパを外す。クーリングチャンネル２３の表面２４に付着した被覆媒体を、室温（およそ２０℃）で約５分間、１〜２ｍ／ｓの流速を有する層状気流を用いて、ボア２３’、２３”の一方を介して乾燥させる。これにより、被覆媒体からエタノールが除去される。この乾燥ステップは、被覆媒体の欠陥のない均一な乾燥を実現するために必要である。層状気流の流速はそんなに高くなくてもよい。なぜなら、流速が高すぎると、ボア２３’、２３”の近くでクーリングチャンネル２３の表面２４に付着している被覆媒体が気圧で移動し、それにより不均一な厚みを有する被覆が形成されるためである。

熱処理による硬化を用いて完成した被覆２５を作る。当該熱処理では、ピストン１０を、２５〜６０分にわたって１８０〜２２０℃まで加熱する。これにより、ポリキシレンが、公知の態様で、六方晶窒化ホウ素粒子が埋設されたＳｉＯ₂マトリクスに変化する。

結果として得られる被覆２５は、１５〜１７ｍＮ／ｍの表面エネルギーと、２０〜４０μｍの層厚みとを有しており、当該層厚みは、クーリングチャンネル２３の表面２４全体にわたって一定である。その小さな層厚みのために、被覆２５は、ピストン１０の材料に対して断熱効果を有しない。被覆２５は、６００℃までの耐熱性を有する。

Claims (15)

1. 内燃エンジン用のピストン（１０）の、オイル供給ボアおよびオイル排出ボア（２３’，２３”）を有する環状クーリングチャンネル（２３）の表面（２４）を、六方晶窒化ホウ素を含む被覆媒体を使用して被覆する方法であって、
   上記クーリングチャンネル（２３）内に、少なくとも１つの熱硬化性の無機バインダと少なくとも１つの溶媒とをベースとした溶液を含む六方晶窒化ホウ素の懸濁液の形態における所定量の被覆媒体を導入するステップａ）と、
   少なくとも２つの空間軸に関して上記ピストン（１０）を動かすことにより、上記クーリングチャンネル（２３）の上記表面（２４）にわたって上記被覆媒体を広げるステップｂ）と、
   層状気流を用いて、上記クーリングチャンネル（２３）の上記表面（２４）に広がった上記被覆媒体を乾燥させるステップｃ）と、
   上記被覆媒体を熱硬化させて、上記クーリングチャンネル（２３）の上記表面（２４）に付着した被覆（２５）を完成させるステップｄ）とを含む
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１において、
   上記ステップａ）よりも前に、上記クーリングチャンネル（２３）の上記表面（２４）の大きさを求める
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１において、
   上記ステップａ）よりも前に、上記クーリングチャンネル（２３）の上記表面（２４）を洗浄物質で洗浄する
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項３において、
   上記洗浄物質を、メタノール、エタノール、アセトン、１−プロパノール、および２−プロパノールを含む群から選択する
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１において、
   上記ステップａ）において、上記バインダとして少なくとも１つのポリシロキサンを使用する
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項５において、
   上記溶媒としてエタノールを使用する
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１において、
   追加のバインダとして、ケイ酸ナトリウムおよび／またはケイ酸カリウムを使用する
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項１において、
   上記ステップａ）において、１９０ｃｍ²の上記クーリングチャンネル（２３）の表面（２４）を被覆するために、７ｍｌ量の上記被覆媒体を使用する
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項１において、
   上記ステップｂ）において、上記ピストン（１０）を二軸ミキサ装置によって動かす
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項１において、
    上記ステップｃ）において、１〜２ｍ／ｓの速度を有する層状気流を用いる
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１において、
    上記ステップｃ）において、上記乾燥を室温で行う
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１において、
    上記ステップｄ）において、上記熱硬化を１８０〜２２０℃の温度で行う
    ことを特徴とする方法。
13. 外周リング部（１５）および該リング部（１５）の高さで環状をなしてオイル供給ボアおよびオイル排出ボア（２３’，２３”）を含む環状クーリングチャンネル（２３）を有するピストンヘッド（１１）と、ピストンスカート（１６）とを備えた、内燃エンジン用のピストン（１０）であって、
    上記クーリングチャンネル（２３）の表面（２４）全体に、六方晶窒化ホウ素を含む被覆（２５）が設けられ、
    上記被覆（２５）は、上記クーリングチャンネル（２３）の上記表面（２４）の全体にわたって均一な厚みを有する
    ことを特徴とするピストン。
14. 請求項１３において、
    上記被覆（２５）の厚みは、２０〜４０μｍである
    ことを特徴とするピストン。
15. 請求項１３において、
    上記ピストン（１０）は、鋼材料でできている
    ことを特徴とするピストン。
    

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