JP6178303B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
本発明は、たとえば内燃機関の燃焼室に臨む壁面に形成される遮熱膜の形成方法とこの形成方法で形成された遮熱膜を少なくとも一部に備えた内燃機関に関するものである。
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画成されている。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、燃焼室の内壁にセラミックスからなる遮熱膜を形成する方法を挙げることができる。
しかし、上記するセラミックスは一般に低い熱伝導率を有し、かつ高い熱容量を有することから、定常的な表面温度上昇による吸気効率の低下やノッキング（燃焼室内に熱が篭ることに起因する異常燃焼）が発生するために燃焼室の内壁への遮熱膜の素材として普及していないのが現状である。
このことから、燃焼室の壁面に形成される遮熱膜は、耐熱性と断熱性は勿論のこと、低熱伝導率と低熱容量の素材から形成されるのが望ましい。すなわち、定常的に壁温度を上げないように、吸気行程では、新規温度に追従して壁温度を下げるために低熱容量とするのがよい。さらに、この低熱伝導率および低熱容量であることに加えて、燃焼室内での燃焼時の爆発圧や噴射圧、熱膨張と熱収縮の繰り返し応力に耐え得る素材から遮熱膜が形成されること、およびシリンダブロック等の母材への密着性が高い素材から遮熱膜が形成されることが望ましい。
ここで、従来の公開技術に目を転じるに、頂面にアルマイト層が形成され、アルマイト層の表面にセラミック層が形成されたピストンとその製造方法が特許文献１に開示されている。このピストンによれば、頂面にアルマイト層が形成されていることで耐熱性と断熱性に優れているとしている。
このように、内燃機関の燃焼室に臨む壁面にアルマイト層（陽極酸化被膜）が形成されることにより、断熱性に優れ、さらには低熱伝導で低熱容量を有した内燃機関を形成することができる。そして、これらの性能に加えて、さらに優れたスイング特性を有することもまた、陽極酸化被膜に要求される重要な性能となっている。ここで、「スイング特性」とは、断熱性能を具備しながらも、燃焼室内のガス温度に陽極酸化被膜の温度が追随する特性のことである。
上記する陽極酸化被膜をミクロ的に見ると、この陽極酸化被膜は多数のセルが隣接した構造を呈しており、その表面には多数の亀裂が存在し、亀裂の一部は内部に延びており（すなわち、陽極酸化被膜の厚み方向もしくは略厚み方向に延びている）、膜内には、厚み方向とは異なる方向（厚み方向に直交する水平方向もしくは略水平方向）に延びる内部欠陥も多数存在している。そして、これらの亀裂や内部欠陥は、1μm〜数十μmの範囲程度のミクロサイズの直径（もしくは断面寸法の最大径）のミクロ孔であることが分かっている。なお、この「亀裂」は、鋳造用アルミニウム合金の晶出物に由来するものである。
また、陽極酸化被膜の内部には、上記するミクロサイズの亀裂や内部欠陥のほかに、多数のナノサイズの直径の微小孔（ナノ孔）も存在しており、一般には、このナノ孔も陽極酸化被膜の表面からその厚み方向もしくは略厚み方向に延びた状態で存在している。なお、この「ナノ孔」は、陽極酸化処理に由来して規則的に配列したものである。
このように、形成される陽極酸化被膜は一般に、断面の直径もしくは最大寸法がミクロサイズの表面亀裂や内部欠陥等のミクロ孔と、ナノサイズの多数のナノ孔を内包している。
ところで、上記する陽極酸化被膜からなる遮熱膜の表面の粗さが粗いと、異常燃焼を招き易く、このことが燃費効率の低下に繋がる。そこで、陽極酸化被膜からなる遮熱膜の表面粗さを低減するべく、当該表面を研磨することが一般におこなわれている。この際、陽極酸化被膜は既述するようにその内部に多数のミクロ孔を有することから、研磨を繰り返しても内部のミクロ孔が表面に現れてしまい、遮熱膜表面の平滑度が一向に向上しないといった課題がある。
ここで、特許文献２には、アルミ合金製母材の表面に陽極酸化処理によるポーラス層を形成し、ポーラス層の上に母材よりも熱伝導率の低い被覆層が設けられた断熱構造が開示されている。ポーラス層の有する表面の凹凸によるアンカー効果により、ポーラス層と被覆層の密着性が向上するとしている。しかしながら、ポーラス層（陽極酸化被膜）の表面が凹凸を有していることから、仮にその表面に被覆層を設けたとしても表面凹凸が被覆層の表面にも少なからず反映されてしまい、ポーラス層と被覆層からなる遮熱膜の表面粗さの改善には繋がらない。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、多数のミクロ孔を具備する陽極酸化被膜からなる遮熱膜の表面粗さを効果的に小さくすることのできる遮熱膜の形成方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による遮熱膜の形成方法は、直径がミクロサイズのミクロ孔および直径がナノサイズのナノ孔を有した陽極酸化被膜をアルミニウム系基材表面に形成する第１のステップ、フィラーを含有した封止剤を前記陽極酸化被膜の表面に塗工し、該封止剤にて前記ミクロ孔および前記ナノ孔の少なくとも一部を封止して遮熱膜を形成する第２のステップからなるものである。
本発明の遮熱膜の形成方法は、たとえば燃焼室を構成するピストン頂面やエンジンブロック等のアルミニウム系壁面に適用されるものであり、アルミニウム系壁面に陽極酸化被膜を形成した後、フィラーを含有した封止剤を陽極酸化被膜の表面に塗工することにより、特に陽極酸化被膜の表面に臨むミクロ孔にフィラーが入り込み、封止剤で該ミクロ孔が封止されて遮熱膜の表面粗さを効果的に改善することができ、表面粗さの小さな遮熱膜を形成することができる。
ここで、「ミクロ孔」とは、直径がミクロサイズで陽極酸化被膜の表面から内部に延びている亀裂や、陽極酸化被膜の表面に臨まずに被膜内部に存在している内部欠陥のことを総称する意味である。また、本明細書において、ミクロ孔やナノ孔等の「直径」とは、これらが円柱状の場合は文字通りの直径を意味するが、楕円柱状や角柱状の場合には断面における最大寸法の辺のことを意味するものとする。したがって、円柱状以外の形状の孔に対しては、「直径」を「同等面積相当の円の直径」と読み替えるものとする。
また、ミクロ孔やナノ孔を「封止する」とは、これらを構成する亀裂や内部欠陥にフィラーを含有した封止剤を塗工等し、このフィラーを含有した封止剤が転化してなるフィラーを含有した封止物で埋めて閉塞することを意味している。
また、本発明者等によれば、内燃機関の燃焼室に臨む壁面に形成される陽極酸化被膜が具備するミクロサイズのミクロ孔の断面の直径もしくは最大寸法として、1〜数十μm程度の範囲が一般的であることが特定されており、ナノサイズの断面の直径もしくは最大寸法として、10〜100nm程度の範囲が一般的であることが特定されている。なお、上記する、1〜数十μmの範囲や10〜100nmの範囲の特定は、陽極酸化被膜の断面のSEM画像写真データ、TEM画像写真データに対して一定エリア内のミクロ孔やナノ孔をそれぞれ抽出して直径や最大寸法を測定し、それぞれの平均値を求めることによってサイズの特定をおこなうことができる。
ここで、前記封止剤はシリコンを主成分とする物質からなるのが好ましい。
また、前記封止剤としては、ポリシロキサンやポリシラザン、ケイ酸ナトリウムのいずれか一種を適用することができるが、中でも、陽極酸化被膜内のミクロ孔やナノ孔内にスムーズに浸透する粘度を有し、かつ、高温加熱処理（焼成）をおこなわずして硬化でき、しかも、硬化してできる封止物の硬度が極めて高くなる常温硬化型の無機物を含んだ塗料のポリシロキサンもしくはポリシラザンを適用するのが好ましい。さらに、封止剤に含有されるフィラーの大きさとしては、ミクロ孔やナノ孔を構成する亀裂や内部欠陥を埋めて閉塞するために、適切な大きさであることが必要である。具体的には10nm〜1μm、好ましくは10nm〜100nm程度である。
また、本発明は内燃機関にも及ぶものであり、この内燃機関は、燃焼室に臨むアルミニウム系壁面の一部もしくは全部に陽極酸化被膜が形成されてなる内燃機関であって、前記陽極酸化被膜は、該陽極酸化被膜の表面から内部に向かって該陽極酸化被膜の厚み方向もしくは略厚み方向に延びる、直径がミクロサイズの第１のミクロ孔および直径がナノサイズのナノ孔と、該陽極酸化被膜の内部にあって直径がミクロサイズの第２のミクロ孔と、を有しており、前記第１のミクロ孔および前記ナノ孔の少なくとも一部はフィラーが含有された封止剤が転化してなるフィラーが含有された封止物で封止され、前記第２のミクロ孔の少なくとも一部は封止されていない構造を呈しているものである。
本発明の内燃機関は、その燃焼室の一部もしくは全部に陽極酸化被膜（もしくは遮熱膜）を有するものであるが、陽極酸化被膜の表面から内部に向かって該陽極酸化被膜の厚み方向もしくは略厚み方向に延びる、直径がミクロサイズの第１のミクロ孔および直径がナノサイズのナノ孔の少なくとも一部はフィラーが含有された封止物で封止されている一方で、被膜内部に存在する第２のミクロ孔の少なくとも一部は封止されていない構造を呈していることにより、膜厚が薄い場合でも高い気孔率を有し、高い断熱性を有することを可能としたものである。このように、第１のミクロ孔とナノ孔の少なくとも一部がフィラーが含有された封止物で封止されていることにより、遮熱膜の表面の平滑性が良好になることで燃費効率が向上し、さらには、エンジン筒内の高温・高圧の燃焼ガスが膜の内部に進入するのを抑制することができる。仮に燃焼ガスの膜内部への進入が抑制できないとすると、ガスが進入した部分は断熱効果が目減りするので、膜全体としても断熱効果が低下することになる。一方、上記のように封止されていれば、燃焼ガスが膜の内部に進入することを抑制できるので、膜が本来持っている断熱性能を損なうことなく発揮することができる。
ここで、「第１のミクロ孔」とは、陽極酸化被膜の表面から内部に延びている亀裂のことを意味しており、「第２のミクロ孔」とは、陽極酸化被膜の表面に臨まずに被膜内部に存在している内部欠陥のことを意味している。
また、「前記第１のミクロ孔および前記ナノ孔の少なくとも一部はフィラーが含有された封止剤が転化してなるフィラーが含有された封止物で封止され」とは、陽極酸化被膜中に存在する直径がミクロサイズの第１のミクロ孔と直径がナノサイズのナノ孔の全部がフィラーを含有した封止物で封止された形態のほか、第１のミクロ孔とナノ孔のうち、陽極酸化被膜の表層から一定深度までの範囲が封止され、それよりも以深の範囲は封止されていない形態などを含む意味である。
また、「前記第２のミクロ孔の少なくとも一部は封止されていない」とは、陽極酸化被膜中に存在する直径がミクロサイズの第２のミクロ孔の全部が封止されていない形態のほか、陽極酸化被膜の表層から一定深度までに存在する第２のミクロ孔は封止され、それ以深の第２のミクロ孔は封止されていない形態、さらには、第２のミクロ孔の周囲がフィラーを含有した封止物で覆われ、ミクロ孔の内部は封止物で満たされていない形態などを含む意味である。
被膜の表層に臨まずに被膜の内部に存在する第２のミクロ孔の全部が封止されていない形態の陽極酸化被膜においては、高い気孔率を確保でき、断熱性に優れた陽極酸化被膜となるが、実際には、被膜の表面に臨む第１のミクロ孔やナノ孔に連通する第２のミクロ孔にもフィラーを含有した封止剤が浸透し、フィラーを含有した封止物にて封止されることになる。
第１のミクロ孔やナノ孔は、陽極酸化被膜の厚み方向もしくは略厚み方向に延びている。ここで、「略厚み方向」とは、厚み方向から傾斜した方向に延びる形態や、厚み方向からジグザグに蛇行して延びる形態などを含む意味である。
一方、第２のミクロ孔は、たとえば陽極酸化被膜の内部において、陽極酸化被膜の厚み方向に直交する方向に延びる形態や、厚み方向に直交する方向から傾斜した方向に延びる形態、厚み方向に直交する方向にジグザグに延びる形態などがある。
本発明の内燃機関は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのいずれを対象としたものであってもよく、その構成は既述するように、エンジンブロックやシリンダヘッド、ピストンから主として構成され、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画成されている。
そして、上記する陽極酸化被膜は、燃焼室に臨む壁面の全部に形成されてもよいし、その一部にのみ形成されてもよく、後者の場合には、たとえばピストン頂面のみ、もしくはバルブ頂面のみに被膜が形成される等の実施の形態を挙げることができる。
また、内燃機関の燃焼室を構成する母材は、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を挙げることができ、これらの壁面に形成される陽極酸化被膜はアルマイトとなる。
本発明の内燃機関によれば、ミクロサイズの第２のミクロ孔の一部もしくは全部が封止されていない構造を呈していることにより、高い気孔率の陽極酸化被膜となっており、たとえば膜厚が30μm〜170μmの範囲という比較的薄い膜厚であっても断熱性に優れた陽極酸化被膜を具備するものとなる。
以上の説明から理解できるように、本発明の遮熱膜の形成方法によれば、フィラーを含有した封止剤を陽極酸化被膜の表面に塗工し、該封止剤にてミクロ孔およびナノ孔の少なくとも一部を封止して遮熱膜を形成することにより、特に陽極酸化被膜の表面に臨むミクロ孔にフィラーが入り込み、封止剤で該ミクロ孔が封止されて遮熱膜の表面粗さを効果的に改善することができ、表面粗さの小さな遮熱膜を形成することができる。
以下、図面を参照して本発明の遮熱膜の形成方法の実施の形態を説明する。
（遮熱膜の形成方法の実施の形態）
図１は本発明の遮熱膜の形成方法の第１のステップを説明した模式図であり、図２は第２のステップを説明した模式図である。
図１は本発明の遮熱膜の形成方法の第１のステップを説明した模式図であり、図２は第２のステップを説明した模式図である。
まず、図１で示すように、アルミニウム系壁面Ｗの表面に陽極酸化被膜Ｍを形成する（第１のステップ）。アルミニウム系壁面Ｗ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て陽極酸化処理されたものなどを挙げることができ、アルミニウムやその合金を母材とする壁面に形成される陽極酸化被膜Ｍはアルマイトとなる。
図１で示すように、アルミニウム系壁面Ｗの表面に形成された陽極酸化被膜Ｍをミクロ的に見ると、その表面には、陽極酸化被膜Ｍの厚み方向もしくは略厚み方向に延びて直径がミクロサイズのミクロ孔Ｐｍ（縦の亀裂）が存在しており、陽極酸化被膜Ｍの内部には、陽極酸化被膜Ｍの水平方向もしくは略水平方向に延びて直径がミクロサイズの別途のミクロ孔Ｐｍ（内部欠陥）が存在している。
そして、これらのミクロ孔Ｐｍは、ミクロ孔Ｐｍの断面の直径もしくは最大寸法が1〜数十μm程度の範囲となっている。なお、一般のアルミニウム合金のみならず、これに比してアルミニウム合金がSi、Cu、Mg、Ni、Feの少なくとも一種を含んでいる場合には、ミクロ孔Ｐｍの直径や断面寸法がさらに大きくなる傾向にある。
また、陽極酸化被膜Ｍの内部には、図１で示すように、ミクロサイズのミクロ孔Ｐｍのほかにも、多数のナノサイズの微小孔（ナノ孔Ｐｎ）も存在しており、このナノ孔Ｐｎもミクロ孔Ｐｍと同様、陽極酸化被膜Ｍの厚み方向もしくは略厚み方向に延びている。そして、このナノ孔Ｐｎの断面の直径もしくは最大寸法は、10〜100nm程度の範囲となっている。
次に、図２で示すように、フィラーＦを含有した封止剤Ｃを陽極酸化被膜Ｍの表面に塗工することにより、フィラーＦが含有された封止剤Ｃが転化してなるフィラーＦが含有された封止物Ｃと、陽極酸化被膜Ｍと、からなる遮熱膜ＨＢが形成される。なお、封止物Ｃは陽極酸化被膜Ｍの表面に臨むミクロ孔Ｐｍやナノ孔Ｐｎに入り込んでこれらの孔を塞いで膜強度を高めるほかに、陽極酸化被膜Ｍの表面を防護する保護膜にもなっている。
ここで、使用する封止剤Ｃとしては、加熱処理でシリコンに転化するポリシロキサン、ポリシラザンなどを挙げることができ、具体的には、上記ポリシロキサンとして、メチルシリケート、エチルシリケート、プロピルシリケート等や、シランアルコキシドが考えられる。これらを使用することにより、比較的スムーズに小さなミクロ孔Ｐｍやナノ孔Ｐｎ内に浸透させることができ、比較的低温でシリコンに転化でき、硬化後には硬度の高いシリカガラス等の硬化体となって陽極酸化被膜Ｍの強度向上を図ることができる。
また、使用するフィラーＦとしては、シリコンやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等のフィラーを適用できる。
また、フィラーＦを含有した封止剤Ｃの塗工方法としては、封止剤Ｃが収容された容器内に陽極酸化被膜Ｍをディッピングする方法や、陽極酸化被膜Ｍの表面にフィラーＦを含有した封止剤Ｃをスプレーする方法、ブレードコート法、スピンコート法、刷毛塗り法などを適用することができる。
封止剤ＣがフィラーＦを含有していることから、特に陽極酸化被膜Ｍの表面に臨むミクロ孔ＰｍにフィラーＦが入り込み、封止剤Ｃでミクロ孔Ｐｍが封止されて遮熱膜ＨＢの表面粗さを効果的に改善することができ、表面粗さの小さな遮熱膜ＨＢを形成することができる。
また、図２で示すように、陽極酸化被膜Ｍの表面に露出するミクロ孔Ｐｍやナノ孔Ｐｎは封止剤Ｃが転化してなるフィラーＦを含有した封止物Ｃで封止され、その一方で陽極酸化被膜Ｍの内部に存在するミクロ孔Ｐｍは封止されていない、もしくはほとんど封止されていない構造の遮熱膜ＨＢが形成される。そのため、高い気孔率を確保でき、断熱性に優れた遮熱膜ＨＢとなる。
次に、図示する遮熱膜の形成方法の適用例を図３を参照して説明する。ここで、図３は、燃焼室に臨む壁面の全部に遮熱膜ＨＢが形成されてなる内燃機関を模擬したものである。
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。
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。そして、特にアルミニウム系材料が合金成分として、Si、Cu、Mg、Ni、Feの少なくとも一種を含んでいることにより、ミクロ孔Ｐｍの口径拡大が促進され、気孔率の向上が図られている。
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に臨む壁面（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’）に対して図示する形成方法がそれぞれ適用され、それぞれの壁面に遮熱膜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遮熱膜の形成方法が適用されて遮熱膜ＨＢが形成されてもよいことは勿論のことである。
（遮熱膜の表面粗さに関する実験とその結果）
本発明者等は、以下の表１の成膜条件の下で実施例1〜9、比較例1〜3の各遮熱膜を基材の表面に形成し、以下の実験手順を経て各遮熱膜の表面粗さを測定する実験をおこなった。
本発明者等は、以下の表１の成膜条件の下で実施例1〜9、比較例1〜3の各遮熱膜を基材の表面に形成し、以下の実験手順を経て各遮熱膜の表面粗さを測定する実験をおこなった。
[表１]
＜実験手順＞
（１）20×40×2mm(厚さ)のアルミ試料に対し、電流密度51.6mA/cm2の条件で膜厚70μmの陽極酸化被膜を成膜した。
（２）陽極酸化被膜の表面粗さをJIS B 0601に準拠して測定した。
（３）表１に挙げた組み合わせで封止剤とフィラーを混合し、攪拌した。
（４）封止剤とフィラーの混合攪拌したものをスピンコーティングで成膜した。
（５）炉にて180℃×8時間焼成した。
（６）陽極酸化被膜の表面粗さをJIS B 0601に準拠して測定した。
（１）20×40×2mm(厚さ)のアルミ試料に対し、電流密度51.6mA/cm2の条件で膜厚70μmの陽極酸化被膜を成膜した。
（２）陽極酸化被膜の表面粗さをJIS B 0601に準拠して測定した。
（３）表１に挙げた組み合わせで封止剤とフィラーを混合し、攪拌した。
（４）封止剤とフィラーの混合攪拌したものをスピンコーティングで成膜した。
（５）炉にて180℃×8時間焼成した。
（６）陽極酸化被膜の表面粗さをJIS B 0601に準拠して測定した。
＜実験結果＞
表面粗さに関する測定結果を以下の表２と図４に示す。
表面粗さに関する測定結果を以下の表２と図４に示す。
[表２]
表２と図４より、比較例1〜3の塗工前後の表面粗さ比はいずれも90%以上で大きな改善が見られていないのに対し、実施例1〜9の塗工前後の表面粗さ比は30〜80%程度と、比較例に比して大きく改善していることが分かる。この実験結果より、フィラーを含む封止剤を使用することによる被膜の表面粗さの改善効果が確認できた。
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。
ＨＢ…遮熱膜、Ｍ…陽極酸化被膜、Ｃ…封止剤（封止物）、Ｆ…フィラー、Ｗ…アルミニウム系壁面（アルミニウム母材）、Ｐｍ…ミクロ孔、Ｐｎ…ナノ孔
Claims (3)
- 燃焼室に臨むアルミニウム系壁面の一部もしくは全部に陽極酸化被膜が形成されてなる内燃機関であって、
前記陽極酸化被膜は、該陽極酸化被膜の表面から内部に向かって該陽極酸化被膜の厚み方向もしくは略厚み方向に延びる、直径がミクロサイズの第１のミクロ孔および直径がナノサイズのナノ孔と、該陽極酸化被膜の内部にあって直径がミクロサイズの第２のミクロ孔と、を有しており、
前記第１のミクロ孔および前記ナノ孔の少なくとも一部はフィラーが含有された封止剤が転化してなるフィラーが含有された封止物で封止され、前記第２のミクロ孔の少なくとも一部は封止されていない構造を呈している内燃機関。 - 前記封止剤および前記封止物がシリコンを成分とする物質からなる請求項１に記載の内燃機関。
- 前記封止剤および前記封止物がポリシロキサンもしくはポリシラザンのいずれか一種からなる請求項１または２に記載の内燃機関。
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