JP6525019B2 - エンジンの製造方法 - Google Patents
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Description
この発明はエンジンの製造方法に関し、より詳細には、シリンダヘッドを備えるエンジンの製造方法に関する。
特開２０１１−２５６７３０号公報には、エンジンのシリンダヘッドの製造方法が開示されている。この方法は、燃焼室の一部を構成する凹部が形成されたシリンダヘッド素材を鋳造する工程と、当該シリンダヘッド素材のシリンダブロックとの合わせ面を切削加工する工程と、当該凹部の頂部に設けた基準面から当該合わせ面までの高さ方向の距離を計測する工程と、当該距離に基づいて当該凹部の表面の切削量を調整する工程と、を備えている。高さ方向の距離を計測すれば、燃焼室の容積の基準に対する誤差を求めることができる。従って、高さ方向の距離に基づいて凹部の表面の切削量を調整する上記方法によれば、燃焼室の容積を規定の範囲内に収めることができる。
ところで、エンジンの性能の向上を目的として、上記凹部の表面といった燃焼室の天井面に遮熱膜を形成することがある。上記天井面に遮熱膜を形成すると、燃焼室内で発生した熱が当該天井面を経由して外部に放散するのを抑える性能（遮熱性能）を高めることができる。一方、上記天井面に遮熱膜を形成すると、当該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、上記天井面に遮熱膜を形成したときには、その体積に応じて燃焼室の容積を調整するため工夫が必要となる。しかし、上記天井面に遮熱膜を形成するということは、当該天井面の切削が終わった後に遮熱膜を形成するということに他ならない。そのため、遮熱膜の形成後に上記天井面を切削することは現実的に難しい。
遮熱膜の形成後、上記天井面を切削加工する代わりに、遮熱膜の表面を切削することもできる。しかし、遮熱膜の膜厚は、上記遮熱性能と高い相関を有している。そのため、膜表面の研磨レベルの切削で済めば良いが、上記方法のように高さ方向の距離に基づいて遮熱膜の切削量を調整することでその膜厚が大きく減少した場合には、所望の遮熱性能が得られなくなるおそれがある。
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、シリンダヘッドの表面に形成された燃焼室の天井面に遮熱膜を形成する場合において、膜表面の必要以上の切削加工を回避して、燃焼室の容積を規定の範囲内に収めることが可能な製造方法を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記課題を解決するためのエンジンの製造方法であって、
燃焼室の天井面が形成された表面を有するシリンダヘッドを準備する準備工程と、
前記天井面に遮熱膜を形成する成膜工程と、
前記遮熱膜の体積を計測する計測工程と、
前記天井面と組み合わせるキャビティ付きピストンのランクを選択する選択工程であって、前記キャビティの容積に応じて設定したピストンのランクの中から、前記遮熱膜の計測体積の設計値からの乖離量に見合ったランクを選択する選択工程と、
を備えることを特徴としている。
燃焼室の天井面が形成された表面を有するシリンダヘッドを準備する準備工程と、
前記天井面に遮熱膜を形成する成膜工程と、
前記遮熱膜の体積を計測する計測工程と、
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を備えることを特徴としている。
第２の発明は、第１の発明において、
前記選択工程において選択したランクに関する情報を、前記シリンダヘッドの表面に記録する記録工程を更に備えることを特徴としている。
前記選択工程において選択したランクに関する情報を、前記シリンダヘッドの表面に記録する記録工程を更に備えることを特徴としている。
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記選択工程は、前記乖離量を最小にする容積のキャビティが形成されたピストンのランクを選択する工程であることを特徴としている。
前記選択工程は、前記乖離量を最小にする容積のキャビティが形成されたピストンのランクを選択する工程であることを特徴としている。
第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記成膜工程は、前記天井面に多孔質構造を有する遮熱膜を形成する工程であることを特徴としている。
前記成膜工程は、前記天井面に多孔質構造を有する遮熱膜を形成する工程であることを特徴としている。
第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記キャビティは、円錐状の突起部を囲む環状溝として前記ピストンのトップランドに形成され、
前記ピストンのランクが、前記トップランドの上端から前記環状溝の下端までのキャビティ深さに応じて設定されることを特徴としている。
前記キャビティは、円錐状の突起部を囲む環状溝として前記ピストンのトップランドに形成され、
前記ピストンのランクが、前記トップランドの上端から前記環状溝の下端までのキャビティ深さに応じて設定されることを特徴としている。
第１の発明によれば、キャビティの容積に応じて設定したピストンのランクの中から、遮熱膜の計測体積の設計値からの乖離量に見合ったランクを選択することができる。そのため、遮熱膜の計測体積が設計値から外れたとしても、選択したランクのキャビティ容積によって当該計測体積の乖離を軽減して、燃焼室の容積を規定の範囲内に収めることが可能となる。よって、膜表面の必要以上の切削加工を回避して、燃焼室の容積を規定の範囲内に収めることが可能となる。
第２の発明によれば、選択したランクに関する情報をシリンダヘッドの表面に記録しておくことができる。従って、実際にエンジンの組み立てを行うときに燃焼室の容積を規定の範囲内に収めることが可能となる。また、ピストンを新しいものに交換するときに、燃焼室の容積が変わるのを防止することもできる。
第３の発明によれば、遮熱膜の計測体積の設計値からの乖離量を最小にするランクを選択することができる。そのため、選択したランクのキャビティ容積によって計測体積の乖離を相殺して、燃焼室の容積を規定の範囲内に収めることができる。
第４の発明によれば、多孔質構造を有する遮熱膜による高い遮熱性能を発揮可能なエンジンを製造することができる。
第５の発明によれば、キャビティ深さに応じて設定したピストンのランクの中から、上述した乖離量に見合ったランクを選択することができる。
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エンジン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方法では先ず、エンジン（より具体的には、圧縮自着火式エンジン）のシリンダヘッド素材が鋳造される（ステップＳ１）。シリンダヘッド素材は、その表面に燃焼室の天井面を有している。なお、この燃焼室は、本実施の形態に係る方法によって製造したシリンダヘッドをシリンダブロックに組み付けたときに、シリンダブロックのボア面と、ボア面に収容されるピストンの頂面と、シリンダヘッドの下面と、シリンダヘッドに配設される吸気バルブおよび排気バルブの傘部の下面と、によって囲まれる空間として定義される。
シリンダヘッド素材は、また、吸気バルブが配設される吸気ポートと、排気バルブが配設される排気ポートと、を少なくとも備えている。ステップＳ１では、例えば、吸気ポートや排気ポートを形成するための複数の中子が鋳型の内部に配設される。次いで、鋳型の内部にアルミニウム合金の溶湯が流し込まれる。溶湯の凝固後に鋳型から取り出されるものが、シリンダヘッド素材である。なお、このようなシリンダヘッド素材の鋳造法は、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、シリンダヘッド素材の機械加工が行われる（ステップＳ２）。ステップＳ２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。ステップＳ２では、また、後述するステップＳ４で使用される位置決めピンを挿入するための穴、シリンダヘッド素材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。ステップＳ２では、更に、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、これらの加工の後に、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、シリンダヘッド素材の表面（燃焼室の天井面）に遮熱膜が形成される（ステップＳ３）。ステップＳ３では、例えば次のように遮熱膜が形成される。先ず、上記天井面の全体にニッケルクロム系のセラミックス粒子が溶射される。次いで、ニッケルクロム系の膜の表面全体にジルコニア粒子が溶射される。このような二段階の溶射によれば、ニッケルクロム系の中間層と、ジルコニアの表面層とを備える溶射膜を、遮熱膜として形成できる。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いる。故に、この溶射膜は、シリンダヘッド素材よりも熱伝導率と体積熱容量において低い遮熱膜として機能する。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、レーザー溶射等の各種方式が採用される。
なお、ステップＳ３では、ニッケルクロム系のセラミックス粒子やジルコニア粒子を溶射する代わりに、窒化珪素、イットリア、酸化チタンなどのセラミックス粒子や、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粒子を適宜組み合わせて溶射してもよい。また、ステップＳ３では、上記天井面に陽極酸化膜を形成してもよい。上記天井面に、中空粒子を含む断熱塗料の塗布膜を形成してもよい。上記天井面に、発泡剤によって気孔を有する無機シリカ膜を形成してもよい。これらの膜は、溶射膜と同様に多孔質構造を有し、シリンダヘッド素材よりも熱伝導率と体積熱容量において低い遮熱膜として機能する。また、ステップＳ３では、上記天井面に、断熱塗料の塗布膜や無機シリカ膜を形成してもよい。これらの膜は、多孔質構造を有しないものの、シリンダヘッド素材よりも熱伝導率の低い遮熱膜として機能する。
ステップＳ３では、目標とする熱物性（熱伝導率と体積熱容量）に応じて、上記天井面に形成する遮熱膜の膜厚が５０μｍ〜２００μｍの範囲で調整される。なお、遮熱膜の表面には、多孔質構造に由来する微細な凹凸が生じている場合がある。そのため、遮熱膜の膜厚の調整に際しては、膜表面の平滑化を目的とした研磨を行うことが望ましい。但し、遮熱膜の構造上、必要以上の研磨は遮熱膜の損傷に繋がるので、平滑化を目的とした研磨であっても、必要最小限の範囲に留めることが望ましい。
ステップＳ３に続いて、遮熱膜の膜厚が計測される（ステップＳ４）。図２は、遮熱膜の膜厚計測手法の一例を説明する図である。図２に示すように、シリンダヘッド素材１０は穴１２を有している。穴１２は、ステップＳ２で形成したものである。穴１２には、加工ステージ３０が有するＸ，Ｙ基準用の位置決めピン３２が挿入される。これにより、シリンダヘッド素材１０が加工ステージ３０の基準位置（Ｚ基準）に固定される。
図２には、シリンダヘッド素材１０が有する燃焼室の天井面１４の一部が描かれている。図２には、また、シリンダヘッド素材１０が有するポート（吸気ポートまたは排気ポート）１６が１つだけ描かれており、ポート１６の天井面１４側の開口部には、ステップＳ２で説明したシートリング１８が挿入されている。また、ポート１６と連通する穴には、ステップＳ２で説明したバルブガイド２０が挿入されている。天井面１４には、ステップＳ３で説明した遮熱膜２２が形成されている。
遮熱膜２２には、ＮＣ（Numerical Control）機械に装着された座標測定ユニット３４が対向している。座標測定ユニット３４の測定子３４ａを遮熱膜２２の近傍まで移動させることで、遮熱膜２２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に出力され、記録される。座標測定ユニット３４を用いた座標の計測は、遮熱膜２２の複数箇所において行うことが望ましい。この理由は、図３に示すように、遮熱膜２２が天井面１４に対して傾斜することがあるためである。例えば、座標の計測を複数箇所で行い、平均値を求めれば、遮熱膜２２の膜厚をより正確に求めることができる。
なお、ステップＳ４では、図２に示した座標測定ユニット３４を用いて遮熱膜２２の膜厚を計測する代わりに、レーザー変位計、ラインレーザ光を用いた段差計測、渦電流式の膜厚計等の公知の機器を用いて遮熱膜２２の膜厚を計測してもよい。
図１に戻り、製造方法の説明を続ける。ステップＳ４に続いて、上記天井面と組み合わせるピストンのランクが選択される（ステップＳ５）。ステップＳ５では、例えば、ステップＳ４で計測した遮熱膜の膜厚と、成膜面積との積から遮熱膜の体積が算出される。遮熱膜が多孔質構造を有する場合には、内部細孔を含んだ膜全体の体積として算出される。ステップＳ３で遮熱膜を形成する領域は予め分かっていることから、成膜面積は基本的に計測不要である。例えば、上記天井面の全体に遮熱膜を形成する場合は、上記天井面の表面積を成膜面積とすればよい。但し、遮熱膜の体積の算出に正確を期すのであれば、図２に示した座標測定ユニット３４などを用いて遮熱膜の座標を計測して成膜面積を算出してもよい。
ステップＳ５で選択されるピストンのランクは、キャビティの深さに応じたランクである。図４は、キャビティの深さにおいてのみ異なる２種類のピストンの例を示す図である。図４に示すピストン４０ａ，４０ｂは、キャビティ４２ａ，４２ｂをそれぞれ有している。キャビティ４２ａ，４２ｂは、円錐状の突起部を囲む断面略円弧状の環状溝として形成されている。キャビティ４２ａ，４２ｂの底面は、それぞれピストン４０ａ，４０ｂの頂面と共に燃焼室の壁面を構成する。キャビティの深さＣＤは、ピストンのトップランドの上端ＴＰから、環状溝の下端ＢＣまでの距離を意味する。図４に示すピストン４０ａとピストン４０ｂの深さＣＤを比べると、ピストン４０ａ（深さＣＤａ）よりも、ピストン４０ｂ（深さＣＤｂ）の方が深くなっている。ピストン４０ａは例えばランクＲ１に分類され、ピストン４０ｂは例えばランクＲ２に分類される。
なお、図４では、ピストンのランクとして２つのランクＲ１，Ｒ２を例示したが、ステップＳ５で選択対象となるピストンのランク数を３以上に設定できることは言うまでもない。ここで、深さＣＤの異なるピストンは、例えば、基準となるランクのピストンのキャビティの環状溝を切削加工することによって準備できる。
ステップＳ５では、例えば、同ステップにおいて算出した遮熱膜の体積と、設計値との乖離量を最小にすることのできるランクのピストンが選択される。この設計値は、上記天井面に形成する遮熱膜の体積として、ステップＳ３において調整する膜厚と成膜面積とを考慮して事前に設定されているものである。図５は、膜厚の異なる遮熱膜が形成された燃焼室の天井面と、キャビティの深さの異なるピストンとを組み合わせたエンジンの例を模式的に示す図である。なお、図５には、上死点でのピストンと遮熱膜のみが描かれおり、ピストンを収容するシリンダや遮熱膜が形成される天井面は省略されている。
図５に示す遮熱膜２２ａと遮熱膜２２ｂの膜厚ＴＦを比べると、遮熱膜２２ａ（膜厚ＴＦａ）よりも遮熱膜２２ｂ（膜厚ＴＦｂ）の方が厚くなっている。そこで、例えば、遮熱膜２２ａには、深さＣＤが相対的に大きいランクＲ１のピストン４０ａを組み合わせる。また、例えば、遮熱膜２２ｂには、深さＣＤが相対的に小さいランクＲ２のピストン４０ｂを組み合わせる。こうすることで、図５に示す２種類のエンジンの燃焼室の容積が、何れも所定範囲に収まることになる。
再び図１に戻り、製造方法の説明を続ける。ステップＳ５に続いて、ステップＳ５で選択したピストンのランクが、シリンダヘッドに刻印される（ステップＳ６）。この刻印は、上記天井面と組み合わせるべきピストンのランクを指示する情報として、外部から目視可能なシリンダヘッドの表面に記録される。この情報は、例えば、符号の打刻や、レーザー加工での彫刻によって行われる。但し、符号の代わりにＱＲコード（登録商標）を用いてもよい。また、符号の代わりに、切欠きの位置や個数による識別を用いてもよい。このような情報を記録することで、エンジンを組み立てる際だけでなく、エンジンを分解してピストンを新しいものに交換する際にも、上記天井面と組み合わせる最適なランクのピストンが選択されることになる。
以上説明した本実施の形態に係る方法によれば、上記天井面に形成した遮熱膜の体積に基づいて、上記天井面と組み合わせるべき最適なピストンのランクを決定することができる。従って、エンジンを組み立てる際に、燃焼室の容積を所定範囲に収めることができる。また、本実施の形態に係る方法によれば、最適なピストンのランクをシリンダヘッドに記録しておくこともできる。従って、エンジンを組み立てる際は勿論のこと、ピストンを新しいものに交換する際に燃焼室の容積が所定範囲から外れてしまうのを防止することができる。
なお、上記実施の形態においては、図１のステップＳ１，Ｓ２が第１の発明の「準備工程」に、ステップＳ３が同発明の「成膜工程」に、ステップＳ４が同発明の「計測工程」に、ステップＳ５が同発明の「選択工程」に、それぞれ相当している。
また、上記実施の形態においては、図１のステップＳ６が第２の発明の「記録工程」に相当している。
また、上記実施の形態においては、図１のステップＳ６が第２の発明の「記録工程」に相当している。
ところで、上記実施の形態においては、ピストンのランクをキャビティの深さに基づいて設定した。しかし、キャビティの深さの代わりに、キャビティの高さに基づいてピストンのランクを設定してもよい。図６は、キャビティの高さのみの異なる２種類のピストンの例を示す図である。図６に示すピストン５０ａ，５０ｂは、キャビティ５２ａ，５２ｂをそれぞれ有している。キャビティの高さＣＨは、環状溝の最深部Ｇｃから突起部の頂部Ｔｃまでの距離を意味する。図６に示すピストン５０ａとピストン５０ｂの高さＣＨを比べると、ピストン５０ａ（高さＣＨａ）よりも、ピストン５０ｂ（高さＣＨｂ）の方が低くなっている。ピストン５０ａは例えばランクＲ１に分類され、ピストン５０ｂは例えばランクＲ２に分類される。
また、キャビティの深さの代わりに、ピストン頂面方向のキャビティの幅に基づいてピストンのランクを設定してもよい。図７は、キャビティの幅のみの異なる２種類のピストンの例を示す図である。図７に示すピストン６０ａ，６０ｂは、キャビティ６２ａ，６２ｂをそれぞれ有している。キャビティ６２ａ，６２ｂの幅ＣＷは、環状溝の２つの側面Ｓｃの間の距離を意味する。図７に示すピストン６０ａとピストン６０ｂの幅ＣＷを比べると、ピストン６０ａ（幅ＣＷａ）よりも、ピストン６０ｂ（幅ＣＷｂ）の方が大きくなっている。ピストン６０ａは例えばランクＲ１に分類され、ピストン６０ｂは例えばランクＲ２に分類される。
更には、上述したキャビティの深さＣＤ、高さＣＨおよび幅ＣＷを任意に組み合わせてピストンのランクを設定してもよい。このように、ピストンのランクの設定手法は、キャビティの容積を変更する各種の変形例と組み合わせることができる。なお、燃焼室での燃焼に及ぼす影響を最小限にするという観点からすると、上記実施の形態のキャビティの深さに基づいてピストンのランクを設定することが最良である。
ところで、上述したステップＳ５において、基準となるランク以外のピストンが選択された場合は、当然ながらキャビティの形状が基準ランクの形状とは異なることになる。そのため、基準ランク以外のピストンをエンジンに組み込んだ場合は、キャビティ内の燃料噴霧の形状が意図しない形状となるおそれがある。このような不具合を避けるため、基準ランク以外のピストンをエンジンに組み込む場合は、インジェクタのシート状ガスケットの軸方向の厚みを調整することが望ましい。図８は、図５に示した２種類のエンジンのそれぞれにインジェクタを追加した図である。図８に示すように、ピストン４０ｂ（深さＣＤ ｂ ）をエンジンに組み込む場合は、ピストン４０ａ（深さＣＤ ａ ）をエンジンに組み込む場合に比べ、相対的に薄いガスケット４４を採用する。このような調整を行えば、インジェクタ４６の先端部と環状溝との間の距離を所定範囲に収めることができる。
また、上記実施の形態では、遮熱膜の体積の設計値からの乖離量を最小にするランクのピストンを選択することを前提として説明した。しかし、上記乖離量を最小にするランクとは異なるランクのピストンであっても、上記天井面と組み合わせたときに結果的に燃焼室の容積を所定範囲に収めることができるランクに属するピストン（例えば、上記乖離量を２番目に小さくするランクのピストン）であれば、上記乖離量を最小にするランクのピストンの代わりに選択することができる。つまり、上記乖離量に見合ったランクに属するピストンであれば、上記乖離量を最小にするランクのピストンの代わりに選択することができる。
１０ シリンダヘッド素材
１４ 燃焼室の天井面
２２，２２ａ，２２ｂ 遮熱膜
３４ 座標測定ユニット
４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂ ピストン
４２ａ，４２ｂ，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ キャビティ
ＣＤ，ＣＤａ，ＣＤｂ キャビティの深さ
ＣＨ，ＣＨａ，ＣＨｂ キャビティの高さ
ＣＷ，ＣＷａ，ＣＷｂ キャビティの幅
Ｒ１，Ｒ２ ランク
ＴＦ，ＴＦａ，ＴＦｂ 遮熱膜の膜厚
１４ 燃焼室の天井面
２２，２２ａ，２２ｂ 遮熱膜
３４ 座標測定ユニット
４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂ ピストン
４２ａ，４２ｂ，５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ キャビティ
ＣＤ，ＣＤａ，ＣＤｂ キャビティの深さ
ＣＨ，ＣＨａ，ＣＨｂ キャビティの高さ
ＣＷ，ＣＷａ，ＣＷｂ キャビティの幅
Ｒ１，Ｒ２ ランク
ＴＦ，ＴＦａ，ＴＦｂ 遮熱膜の膜厚
Claims (5)
- 燃焼室の天井面が形成された表面を有するシリンダヘッドを準備する準備工程と、
前記天井面に遮熱膜を形成する成膜工程と、
前記遮熱膜の体積を計測する計測工程と、
前記天井面と組み合わせるキャビティ付きピストンのランクを選択する選択工程であって、前記キャビティの容積に応じて設定したピストンのランクの中から、前記遮熱膜の計測体積の設計値からの乖離量に見合ったランクを選択する選択工程と、
を備えることを特徴とするエンジンの製造方法。 - 前記選択工程において選択したランクに関する情報を、前記シリンダヘッドの表面に記録する記録工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの製造方法。
- 前記選択工程は、前記乖離量を最小にする容積のキャビティが形成されたピストンのランクを選択する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの製造方法。
- 前記成膜工程は、前記天井面に多孔質構造を有する遮熱膜を形成する工程であることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載のエンジンの製造方法。
- 前記キャビティは、円錐状の突起部を囲む環状溝として前記ピストンのトップランドに形成され、
前記ピストンのランクが、前記トップランドの上端から前記環状溝の下端までのキャビティ深さに応じて設定されることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載のエンジンの製造方法。
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