JP7129759B2 - 遮熱被膜層形成方法、および、遮熱被膜層を備えるエンジン部品 - Google Patents

Description

本開示は、遮熱被膜層形成方法、および、遮熱被膜層を備えるエンジン部品に関する。

現在、自動車等の移動体や施設の動力としては、主に、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、ガスエンジン等のエンジン（内燃機関）が使用されており、エンジンの低燃費率化（効率向上）は、顧客メリットや環境負荷低減の観点から重要となっている。エンジンの低燃費化のためには、エンジンの筒内燃焼に起因する熱損失の低減が大きな役割を果たすことから、例えば特許文献１～４では断熱材を燃焼室の壁面に塗布することにより熱損失の低減を図っている。

具体的には、特許文献１には、燃焼室の壁面（触火面）を形成するエンジン部品の基材の表面に、熱伝導率の低いセラミック等の低熱伝導率体層を溶射によって形成することが開示されている。特許文献２には、燃焼室に臨むアルミニウム系壁面に陽極酸化被膜（遮熱膜）を形成することが開示されている。この特許文献２には、陽極酸化被膜に一般に形成される表面亀裂（第１のミクロ孔、ナノ孔）を封止物で封止し、内部欠陥（第２のミクロ孔）の少なくとも一部は封止しないことにより、低熱伝導率かつ低熱容量であって、断熱性およびスイング特性に優れた薄い陽極酸化被膜を形成することも開示されている。なお、上記のスイング特性については、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であると説明されている。

また、特許文献３～４には、内燃機関の燃焼室など、高温ガスに晒される金属部材の基材の表面に形成される断熱膜（断熱層）に中空粒状体を分散させることで、高い断熱効果をえることが開示されている。特許文献３では、シリカガラスの殻で囲まれた中空部を有する中空粒状体を含むバインダをスプレイで基材上に塗布した後に焼成することで、遮熱性及び耐久性の高い遮熱膜を形成している。特許文献４では、ポリマー粒子をセラミック前駆体に分散させた分散材を、ポリマー粒子の炭化温度以上で焼成することにより、ポリマー粒子を炭素粒子に変化させることで、断熱特性を高めている。

特開２００５－１４６９２５号公報 特開２０１５－３１２２６号公報 特開２０１３－１７７６９３号公報 特開２０１４－１０１２５８号公報

例えば燃焼室の壁面に、低熱伝導率かつ高熱容量のセラミックなどの断熱層に形成すると、断熱層によって定常的な燃焼室表面温度の上昇が生じて、体積効率の低下を招く可能性がある。また、特にガスエンジンにおいては、給気が壁面によって温められることでノッキングが発生し易い状態となり、燃焼の悪化を引き起こす可能性もある。この点、特許文献２では、エンジン部品の表面に形成される陽極酸化被膜（遮熱膜）が低熱伝導率かつ低熱容量であることから、体積効率の低下やノッキングの発生の抑制を図れる。

しかしながら、エンジン部品の表面への陽極酸化被膜の形成はその基材がアルミニウムやチタンなどである必要があり、例えば鋳鉄材には形成できないなど、陽極酸化処理を適用可能な材料が限定される。この点、鋳鉄製のエンジン部品の表面にアルミニウムをメッキした後、陽極酸化処理を行うことで、エンジン部品の表面に陽極酸化被膜を形成する方法も考えられるが、コストが増大する。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、幅広い基材材料に適用可能な、低熱伝導率かつ低熱容量の遮熱被膜層を形成する遮熱被膜層形成方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱被膜層形成方法は、
エンジンを構成するエンジン部品の遮熱被膜層を形成する遮熱被膜層形成方法であって、
セラミックおよび樹脂を含有するコーティング材を前記エンジン部品の基材に溶射する溶射ステップと、
前記溶射ステップによって前記エンジン部品の基材に溶射された前記コーティング材からなる樹脂含有セラミック層に含有される前記樹脂を加熱により除去することにより、複数の空孔を有する多孔質セラミック層を有する前記遮熱被膜層を形成する樹脂除去ステップと、を備える。

上記（１）の構成によれば、溶射によってコーティング材を基材に堆積させた後、堆積されたコーティング材（樹脂含有セラミック層）に含有されている樹脂を加熱によって除去する。このように、溶射によって、一般に低熱伝導率、高熱容量であり断熱性に優れるセラミックの内部に空孔を形成することにより、断熱性に加えて、低熱伝導率、低熱容量の性質を有する多孔質セラミック層を備える遮熱被膜層をエンジン部品の基材上に低コストで形成することができる。よって、例えば、燃焼室の壁面を形成するエンジン部品の表面に遮熱被膜層を形成することにより、燃焼行程時には断熱効果による熱損失の低減を図ることができると共に、給気行程時には壁面温度の上昇が抑制されることによる体積効率の向上、ノッキングの発生の抑制を図ることができ、エンジンの燃費性能（効率）の向上を図ることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記樹脂除去ステップは、前記エンジンの燃焼行程で発生する熱により前記加熱を行う。
上記（２）の構成によれば、エンジンの運転時における燃焼による熱を利用して、樹脂除去ステップが行われる。これによって、樹脂除去ステップを行うための加熱工程を、エンジン（エンジン部品）の製造工程における一工程として個別に設ける必要がなく、製造時間、製造コストの抑制を図ることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）～（２）の構成において、
前記樹脂含有セラミック層または前記多孔質セラミック層の厚さは５０μｍ～２００μｍであり、かつ、前記コーティング材または前記樹脂含有セラミック層に含有される前記樹脂の最大径は１μｍ～８０μｍである。
多孔質セラミック層が厚すぎると、給気行程時に給気の温度に追従した温度低下の程度が小さくなるなど、ガス温度の変化への追従性が悪化する。また、樹脂の最大径が大きすぎると、空孔がその分大きくなり、多孔質セラミック層の耐久性などを低下させる一方で、樹脂の最大径が小さすぎると、ガス温度の変化への追従性が悪化する。
上記（３）の構成によれば、ガス温度の変化への良好な追従性および耐久性を有する遮熱被膜層を形成することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）～（３）の構成において、
前記コーティング材における前記セラミックに対する前記樹脂の混合比は、５重量％～４０重量％である。
上記（４）の構成によれば、混合比を上記のように制御することにより、遮熱被膜層が備える多孔質セラミック層の気孔率を３０％～６０％にすることができ、性能、信頼性の面から燃焼室などに適した遮熱被膜層を形成することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）～（４）の構成において、
前記溶射ステップの後に、前記樹脂含有セラミック層または前記多孔質セラミック層の表面を覆うための表面緻密層を形成する表面緻密層形成ステップを、さらに備える。
コーティング材の溶射により堆積された樹脂含有セラミック層の表面に樹脂が達している場合には、樹脂含有セラミック層から樹脂を除去した後にできる空孔へ、未燃の燃料や排ガスが侵入することによる遮熱被膜層の耐久性や遮熱性などが低下する可能性が考えられる。
上記（５）の構成によれば、表面緻密層によって遮熱被膜層の表面を封止することができ、上述した耐久性や遮熱性の低下などの防止を図ることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記表面緻密層形成ステップは、前記表面緻密層を形成する材料を溶射することにより、前記表面緻密層を形成する。
上記（６）の構成によれば、表面緻密層の形成を、樹脂含有セラミック層の堆積方法と同じ方法となる溶射により行うことによって、製造コストを抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記表面緻密層形成ステップは、前記樹脂含有セラミック層または前記多孔質セラミック層の表面を溶融することにより、前記表面緻密層を形成する。
上記（７）の構成によれば、例えば、樹脂含有セラミック層または多孔質セラミック層の表面にレーザ溶融処理を行うなど、その表面の溶融処理によって表面緻密層を形成できるので、製造コストを抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（５）～（７）の構成において、
前記表面緻密層の気孔率は２０％以下である。
上記（８）の構成によれば、遮熱被膜層の空孔を確実に封止することが可能な表面緻密層を、その強度を確保しつつ、形成することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）～（８）の構成において、
前記遮熱被膜層の表面を研磨する表面平滑処理ステップを、さらに備える。
遮熱被膜層の表面が粗いと、エンジンの摺動部における摩擦抵抗の増大や、ガス流れを阻害するなど、エンジンの効率を低下させる可能性がある。
上記（９）の構成によれば、遮熱被膜層によって、エンジンの摺動部における摩擦抵抗の増大や、ガス流れの阻害が生じるのを防止することができる。なお、遮熱被膜層の表面は、表面緻密層を有する場合には表面緻密層の表面であり、表面緻密層を有しない場合には樹脂含有セラミック層または多孔質セラミック層の表面となる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）～（９）の構成において、
前記基材は、コーティング層を有している。
上記（１０）の構成によれば、コーティング材と基材との密着性、耐酸化性等を向上することができる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係るエンジン部品は、
エンジンを構成するエンジン部品であって、
基材と、
前記基材の表面に形成された、複数の球状の空孔を有する多孔質セラミック層を含む遮熱被膜層と、を備え、
前記多孔質セラミック層の気孔率は３０～６０％である。

上記（１１）の構成によれば、エンジン部品は、その基材の表面に形成された気孔率が３０～６０％である多孔質セラミック層を有する遮熱被膜層を備える。また、上述した溶射を用いた遮熱被膜層形成方法によって多孔質セラミック層の空孔は、柱状ではない、球状の形状を有する。これによって、エンジン部品の表面を断熱化しつつ、低熱伝導率、低熱容量の性質を備えるものにすることができる。換言すれば、エンジン部品の表面を断熱化しつつ、給気や排ガスのガス温度の変化に良好に追従するものとすることができる。よって、例えば燃焼室を形成するエンジン部品が遮熱被膜層を備えることで、燃焼行程や排気工程においては、燃焼熱や排ガスの温度に追従して壁温が上昇されるので、熱損失を抑制することができる。また、給気行程や圧縮工程においては、給気の温度に追従して壁温が低下されるので、体積効率の向上およびノッキングの抑制を図ることができる。したがって、このようなエンジン部品をエンジンが備えることにより、燃費性能を向上させることができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）の構成において、
前記遮熱被膜層の厚さは５０μｍ～２００μｍであり、かつ、前記球状の空孔の最大径は１μｍ～８０μｍである。
上記（１２）の構成によれば、上記（３）と同様の効果を奏することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１１）の構成において、
前記遮熱被膜層は、前記多孔質セラミック層の表面を覆う表面緻密層を有する。
上記（１３）の構成によれば、上記（５）と同様の効果を奏することができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１２）の構成において、
前記表面緻密層の気孔率は２０％以下である。
上記（１４）の構成によれば、さらに、上記（８）と同様の効果を奏することができる。

（１５）幾つかの実施形態では、上記（１１）～（１４）の構成において、
前記基材は、コーティング層を有している。
上記（１５）の構成によれば、さらに、上記（１０）と同様の効果を奏することができる。

（１６）幾つかの実施形態では、上記（１１）～（１５）の構成において、
前記エンジン部品の基材は鋳鉄で形成される。
上記（１６）の構成によれば、陽極酸化被膜処理などができない鋳鉄材を基材とするエンジン部品であっても、その表面に、複数の球状の空孔を有する多孔質セラミック層を含む遮熱被膜層が形成されたエンジン部品を提供することができる。

（１７）幾つかの実施形態では、上記（１１）～（１６）の構成において、
前記多孔質セラミック層は、セラミックおよび樹脂を含有するコーティング材を前記基材に溶射した後、加熱によって、溶射された前記コーティング材から前記樹脂を除去することにより、前記基材の表面に形成されている。
上記（１７）の構成によれば、溶射により、球状の空孔を形成することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、幅広い基材材料に適用可能な、低熱伝導率かつ低熱容量の遮熱被膜層を形成する遮熱被膜層形成方法が提供される。

本発明の一実施形態に係る遮熱被膜層形成方法のフローを示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン部品の表面に形成された遮熱被膜層を概略的に示す図であり、例えば図２のＡの拡大図に対応する。 本発明の一実施形態に係る遮熱被膜層形成方法のフローを示す図であり、遮熱被膜層は表面緻密層を有する。 本発明の一実施形態に係る遮熱被膜層による効果を説明する図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る遮熱被膜層形成方法のフローを示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係るエンジン７の構成を概略的に示す断面図である。図３は、本発明の一実施形態に係るエンジン部品６の表面に形成された遮熱被膜層１を概略的に示す図であり、例えば図２のＡの拡大図に対応する。図４は、本発明の一実施形態に係る遮熱被膜層形成方法のフローを示す図であり、遮熱被膜層１は表面緻密層４を有する。図５は、本発明の一実施形態に係る遮熱被膜層１による効果を説明する図である。

図１に示す遮熱被膜層形成方法は、エンジン部品６の遮熱被膜層１を形成する方法である。換言すれば、遮熱被膜層１を備えるエンジン部品６を製造する製造方法でもある。図２に示すように、上記のエンジン部品６はエンジン７を構成する部品である。図２に示すエンジン７は副室式ガスエンジンであり、例えば、エンジン本体を構成するシリンダブロック７１およびシリンダヘッド７２はエンジン部品６である。また、エンジン本体の内部においてシリンダを形成するシリンダ壁７ｗを覆うように設置されているシリンダライナ７３や、シリンダと共に主燃焼室Ｒｍを画定するピストン７４、主燃焼室Ｒｍに面する給気バルブ７５ｉ、排気バルブ７５ｅ、噴孔により主燃焼室Ｒｍと連通する副室を有する副室形成部材７６も、エンジン部品６である。さらに、エンジン本体に接続される給気管７７ｉおよび排気管７７ｅ、排気管７７ｅ側に設置されるタービンＴおよび給気管７７ｉ側に設置されるコンプレッサＣを有する過給機７８もエンジン部品６である。

このように複数のエンジン部品６のなかで、遮熱被膜層１は、例えば主燃焼室Ｒｍの壁面（触火面）などの、エンジン７の燃焼によって高熱にさらされるような部分を含むエンジン部品６の表面に形成するのが望ましい。このようなエンジン部品６としては、例えば、図２に示すように、主燃焼室Ｒｍの壁面を形成するシリンダのシリンダ壁７ｗやシリンダ壁７ｗの少なくとも一部を覆うシリンダライナ７３、ピストン７４の他、副室形成部材７６の主燃焼室Ｒｍに面する部分、バルブ（７５ｉ、７５ｅ）、過給機７８のタービンハウジングなどのハウジングの排ガスｅと接触する面、などが挙げられる。ただし、これらには限定されず、遮熱被膜層１は、上記以外のエンジン部品６に形成されても良い。また、遮熱被膜層１は、個々のエンジン部品６の表面の少なくとも一部に形成される。

他方、上記の遮熱被膜層１は、図３に示すように、複数の空孔Ｓを内部に有するセラミック層（多孔質セラミック層３）を備えている。そして、下記で説明する遮熱被膜層形成方法によってエンジン部品６の基材５の表面に形成されることにより、空孔Ｓは球状の形状を有する。幾つかの実施形態では、図３および図４に示すように、遮熱被膜層１は、多孔質セラミック層３と、多孔質セラミック層３の表面（基材５と接する側の反対側となる面）を覆うように形成された表面緻密層４と、を備えている。他の幾つかの実施形態では、図１に示すように、遮熱被膜層１は、表面緻密層４を備えておらず、多孔質セラミック層３からなっていても良い。

よって、エンジン部品６は、基材５と、この基材５の表面に形成された、複数の球状の空孔を有する多孔質セラミック層３を少なくとも含む遮熱被膜層１と、を有することになる。例えばエンジン本体が鋳鉄を主成分とする鋳鉄製であれば、基材５は鋳鉄で形成されることになる。幾つかの実施形態では、図１、図４に示すように、基材５は、コーティング層５２を有していても良い。図１、図４に示す実施形態では、コーティング層５２は、例えば、Ｎｉ－Ｃｒなどの金属材料による金属コーティング層となっている。この場合には、基材５は、表面のコーティング層５２と、コーティング層５２以外を形成する部分（以下、バルク部５１）とから形成される。このコーティング層５２は基材５と遮熱被膜層１との密着性等の向上を目的とするものであり、バルク部５１と異なる材料からなっても良いし、同一の材料であっても良い。コーティング層５２は、金属以外の材料を含んでいても良いし、金属以外の材料からなっていても良い。バルク部５１と同一の材料である場合には製造方法が異なるなどによって、バルク部５１とは特性が異なるものとされる。

以下、上述したようなエンジン部品６の遮熱被膜層１を形成する遮熱被膜層形成方法について、図１、図４を用いて詳細に説明する。図１、図４に示すように、遮熱被膜層形成方法は、溶射ステップ（Ｓ１）と、樹脂除去ステップ（Ｓ２）と、を備える。

溶射ステップ（Ｓ１）は、セラミック２ｃおよび樹脂２ｒを含有するコーティング材Ｍをエンジン部品６の基材５に溶射する。本ステップにより、所定の径（以下、樹脂径Ｌｒ）を有する球状の樹脂２ｒが内部に複数分散された状態で存在するセラミック層（以下、樹脂含有セラミック層２）が基材５の表面に所定の厚さＬで形成される。これは、粉末状の樹脂２ｒを構成する樹脂２ｒの各粒子が球状をしているためであり、粒子同士の凝集が少ないことや、粒子の流動性が良いことによる。ここで、球状とは、全体として柱状ではなく、球状に近いという意味であり、厳密に球であることを要しない。略球状であっても良い。例えば、全体として楕円体状や、球状で表面に突起や凹みが部分的にあっても、全体として球状（略球状）であれば、ここでいう球状に含まれる。なお、樹脂含有セラミック層２に存在する樹脂径Ｌｒは、溶射ステップ（Ｓ１）の前にコーティング材Ｍに存在する樹脂２ｒの樹脂径Ｌｒよりも、溶射時の高温の雰囲気によって樹脂径Ｌｒが減少していても良い。

コーティング材Ｍは、例えば粉体のセラミック２ｃと粉体の樹脂２ｒとを混合して準備される。セラミック２ｃは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であっても良い。あるいは、ジルコニア（ＺｒＯ２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、コーディライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）、フェライト（ＭｅＦｅ２Ｏ４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などのセラミックであっても良い。ＹＳＺは、熱伝導率の観点から優れている。他方、樹脂２ｒは、ポリエステル、ポリイミド、ＡＢＳ、ナイロン、ポリカーボネート、ポリスチレンなどであっても良い。

また、溶射は、コーティング材Ｍを加熱により溶融または軟化させて微粒子状にし、加速させて基材５に衝突させることで、コーティング材Ｍを堆積させるコーティング技術である。溶射により、基材５の表面上に厚さＬのコーティング材Ｍを堆積することが可能である。なお、コーティング材Ｍの溶射の際には基材５を予熱しても良く、この場合には、溶射により基材５に堆積されるコーティング材Ｍと基材５との間の歪みや残留応力が生じにくい。逆に、コーティング材Ｍの溶射の際には基材５を予熱しなくても良く、予熱によるコストを不要とできる。

溶射を用いてコーティング材Ｍを基材５の表面に堆積するによって、例えば陽極酸化被膜の形成ができない鋳鉄をバルク部５１とするエンジン部品６であっても、溶射であれば物理的に表面に遮熱被膜層１を形成（成膜。以下同様。）することから、遮熱被膜層１を形成することが可能であると共に、製造効率が高い。さらに、セラミック２ｃとして熱伝導率の低いＹＳＺを用いた場合、陽極酸化被膜に比べて膜厚を薄くすることが可能である。その他、溶射であれば、焼結により行う場合よりも、割れに対して強い多孔質セラミック層３を形成することが可能であること、常温での成膜も可能であるため真空蒸着のようにエンジン部品６を真空中に置くなどの必要がなく、大型のエンジン部品６に対しても容易に適用可能であること、めっき処理よりも、遮熱性および基材５との密着性に優れた層の形成が可能であること、といった利点が挙げられる。つまり、溶射によって、耐久性や質の良い層（膜）を低コストで形成（成膜）できる。

樹脂除去ステップ（Ｓ２）は、溶射ステップ（Ｓ１）によってエンジン部品６の基材５に溶射されたコーティング材Ｍからなる樹脂含有セラミック層２に含有される樹脂２ｒを加熱により除去することにより、複数の空孔Ｓを有する多孔質セラミック層３を有する遮熱被膜層１を形成する。換言すれば、加熱によって、樹脂含有セラミック層２に含有される樹脂２ｒを空孔Ｓに置き換える。本ステップによって、樹脂２ｒが気化する温度以上に加熱されることで、樹脂含有セラミック層２に存在していた樹脂２ｒが気化し、外部に抜け出だしていく。これによって、樹脂含有セラミック層２において気化する前の樹脂２ｒを取り囲んでいたセラミックにより、空孔Ｓが形成される。例えば、中空ガラス等の中空材の材料が多孔質セラミック層３には残存せず、多孔質セラミック層３の破損の可能性を低減でき、信頼性の向上を図ることができる。

この樹脂除去ステップ（Ｓ２）は、幾つかの実施形態では、エンジン部品６をエンジン７に組み込む前や、エンジン７の試験前の製造の一工程（加熱工程）として行っても良い。他の幾つかの実施形態では、エンジン７の燃焼行程で発生する熱により加熱を行っても良い。すなわち、エンジン７の燃焼行程は、燃焼サイクルの一工程であり、樹脂除去ステップ（Ｓ２）は、エンジン部品６を用いてエンジン７に組み立てた後、エンジン７で燃料を燃焼させてエンジン７を運転することにより行われる。本実施形態は、エンジン７の運転時に遮熱被膜層１の温度に樹脂２ｒが消失する温度に達するような場合に可能であり、エンジン７の運転時における燃焼による熱を利用して行われる。これによって、樹脂除去ステップ（Ｓ２）を行うための加熱工程を、エンジン７（エンジン部品６）の製造工程における一工程として個別に設ける必要がなく、製造時間、製造コストの抑制を図ることが可能となる。こうして、エンジン部品６の基材５の表面に、樹脂径Ｌｒと同様の径を有する空孔Ｓが内部に複数分散された状態で存在する多孔質セラミック層３が、樹脂含有セラミック層２と同様の厚さで形成される。

次に、上述した２つのステップ（Ｓ１およびＳ２）を有する遮熱被膜層形成方法について、図１のフローに沿って説明する。なお、図４の同一のステップも以下の説明と同じである。なお、以下の説明では、コーティング層５２を金属コーティング層５２として説明する。

まず、図１のステップＳ０において、前準備として、表面に金属コーティング層５２を有した基材５を形成するために、基材５のバルク部５１の表面に金属コーティング層５２を形成している。この金属コーティング層５２は、バルク部５１と、上述した遮熱被膜層１との密着性や耐酸化性の向上の目的で施工される。なお、本ステップは任意のステップであり、エンジン部品６の基材５の表面に金属コーティング層５２が既に形成されている場合には、本ステップを改めて実行する必要がないことは言うまでもない。また、本ステップは、例えば、バルク部５１が合金である場合などに行っても良い。

引き続くステップＳ１において、上述した溶射ステップを実行し、基材５の表面に樹脂含有セラミック層２を形成する。具体的には、加熱により溶融もしくは軟化した微粒子状のコーティング材ＭをノズルＮから吹き付けて、コーティング材Ｍを基材５上に凝固・堆積させる。なお、基材５を５００℃～６００℃程度に予熱し、この状態で、ノズルＮから吹き付けても良い。その後、ステップＳ２において、上述した樹脂除去ステップを実行し、樹脂含有セラミック層２に含有された樹脂２ｒを空孔Ｓに置き換えることで、多孔質セラミック層３を形成する。

上述した溶射ステップ（Ｓ１）および樹脂除去ステップ（Ｓ２）を備える遮熱被膜層形成方法により主燃焼室Ｒｍの壁面に遮熱被膜層１を形成した場合について、エンジン７の１燃焼サイクルにおける表面温度の変化を、図５を用いて説明する。図５には、比較例として、主燃焼室Ｒｍが、その壁面に、上述した遮熱被膜層１が有するような空孔Ｓを有しないセラミック層（断熱層）を有する場合（細点線）と、上述した遮熱被膜層１および断熱層を有しない場合となる膜なしの場合（一点鎖線）の２つを記載している。ここで、図５では、太破線で示すように、主燃焼室Ｒｍの給気ａや排ガスｅのガス温度は、４サイクルエンジンの１サイクルにおいて、燃焼行程での燃焼により最高温度は温度Ｔ７まで達する一方で、給気行程において給気ａ（新気）が導入されることにより、温度Ｔ０まで大きく低下している。なお、以下の説明では、温度はＴ７＞Ｔ６＞Ｔ５＞Ｔ４＞Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ１＞Ｔ０である。

このようなガス温度（太破線）の変化に対して、図５に示すように、比較例である膜なしの場合（一点鎖線）では、１燃焼サイクルにおける表面温度（壁面温度）は、温度Ｔ１でほぼ一定となっている。この場合は、図示された他の場合と比較して断熱性が悪く、主燃焼室Ｒｍでの燃焼により生じた熱は、シリンダ壁７ｗ内部のウォータジャケット（不図示）を流れる冷却水で冷やされることで、比較的低温である温度Ｔ１で維持されている。

また、他の比較例として、主燃焼室Ｒｍが断熱層を有している場合（細点線）では、断熱層により主燃焼室Ｒｍの熱が逃げづらく、断熱層の表面温度（細点線）は温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ３付近で上下に変動している。具体的には、クランク角度の変化に従って、燃焼行程においては一時的に温度Ｔ３より高い温度Ｔ４付近まで上昇し、その後はなだらかに低下するように推移しており、最終的には、給気行程の終了後に温度Ｔ３よりも低い温度Ｔ２にまで低下している。このように、断熱層の場合は、膜なしの場合（一点鎖線）よりも断熱性は向上される。その一方で、断熱層は高熱容量のため、特に給気行程において、ガス温度が温度Ｔ４よりも高い温度Ｔ５から温度Ｔ０まで急激に低下するのに比較して、なだらかにしか変化しておらず、ガス温度（太破線）への追従性が小さい。

これに対して、本発明の遮熱被膜層１の表面温度（太実線）は、燃焼行程において温度Ｔ６にまで上昇していたところから、給気行程では、温度Ｔ１を下回る温度Ｔ１と温度Ｔ０との間の温度にまで低下している。つまり、細破線で示す断熱層の比較例が給気行程においてなだらかに低下するのに比べて、ガス温度の低下に対してより良く追従している。よって、給気行程においてガス温度に追従して温度が低下されるので、主燃焼室Ｒｍの温度が低下しており、体積効率の向上およびノッキングの発生の抑制がなされている。他方、図５に示す実施形態では、本発明の遮熱被膜層１の表面温度（太実線）は、燃焼行程における最高温度が、比較例の断熱層（細破線）の最高温度（温度Ｔ４）よりも高い温度Ｔ６にまで上昇しているなど、燃焼行程において温度がさらに逃げづらくなっており、断熱性が向上されることで、熱損失が低減されている。

上記の構成によれば、溶射によってコーティング材Ｍを基材５に堆積させた後、堆積されたコーティング材Ｍ（樹脂含有セラミック層２）に含有されている樹脂２ｒを加熱によって除去する。このように、溶射によって、一般に低熱伝導率、高熱容量であり断熱性に優れるセラミック２ｃの内部に空孔Ｓを形成することにより、断熱性に加えて、低熱伝導率、低熱容量の性質を有する多孔質セラミック層３を備える遮熱被膜層１をエンジン部品６の基材５上に低コストで形成することができる。よって、例えば、燃焼室の壁面を形成するエンジン部品６の表面に遮熱被膜層１を形成することにより、燃焼行程時には断熱効果による熱損失の低減を図ることができると共に、給気行程時には壁面温度の上昇が抑制されることによる体積効率の向上、ノッキングの発生の抑制を図ることができ、エンジン７の燃費性能（効率）の向上を図ることができる。

また、幾つかの実施形態では、樹脂含有セラミック層２または多孔質セラミック層３の厚さは５０μｍ～２００μｍであり、かつ、コーティング材Ｍまたは樹脂含有セラミック層２に含有される樹脂２ｒの最大径は１μｍ～８０μｍである。ここで、多孔質セラミック層３が厚すぎると、給気行程時に給気ａの温度に追従した温度低下の程度が小さくなるなど、給気ａや排ガスｅなどのガス温度の変化への追従性が悪化する。また、樹脂２ｒの最大の樹脂径Ｌｒが大きすぎると、空孔Ｓがその分大きくなり、多孔質セラミック層３の耐久性などを低下させる一方で、樹脂２ｒの最大の樹脂径Ｌｒが小さすぎると、ガス温度の変化への追従性が悪化する。そこで、上述したように、樹脂含有セラミック層２または多孔質セラミック層３の厚さを５０μｍ～２００μｍとしている。なお、樹脂含有セラミック層２を５０μｍ～２００μｍとすることにより、遮熱被膜層１の多孔質セラミック層３の厚さも５０μｍ～２００μｍとなる。

また、コーティング材Ｍに混合される樹脂２ｒの樹脂径Ｌｒは、大きすぎた場合には、樹脂２ｒの除去後に形成される空孔Ｓが多孔質セラミック層３を貫通する状態が生じる可能性などがあることから、樹脂含有セラミック層２の厚さＬよりも小さくするのが良い（Ｌｒ＜Ｌ）。樹脂含有セラミック層２または多孔質セラミック層３の厚さが５０μｍ～２００μｍの場合には、コーティング材Ｍに混合される樹脂２ｒの樹脂径Ｌｒは１μｍ～８０μｍ程度であり、溶射時の高温の雰囲気によって樹脂径Ｌｒが減少する場合にはその分（α）を付加した１μｍ～（８０＋α）μｍ程度となる。つまり、樹脂径Ｌｒは１μｍ～８０μｍ程度であって、かつ、樹脂含有セラミック層２または多孔質セラミック層３の厚さよりも小さいものとなる。好ましくは、樹脂径Ｌｒは、多孔質セラミック層３（樹脂含有セラミック層２）の厚さＬの１／２～１／１０である。なお、樹脂２ｒの最大の樹脂径Ｌｒを１μｍ～８０μｍとすることで、遮熱被膜層１の多孔質セラミック層３の空孔Ｓの最大径も１μｍ～８０μｍとなる。

上記の構成によれば、ガス温度の変化への良好な追従性および耐久性を有する遮熱被膜層１を形成することができる。

また、幾つかの実施形態では、コーティング材Ｍにおけるセラミックに対する樹脂の混合比は、５重量％～４０重量％である。これによって、遮熱被膜層１が備える多孔質セラミック層３の気孔率を、例えば３５％～４５％といった４０％前後など、３０％～６０％にすることができ、性能、信頼性の面から燃焼室などに適した遮遮熱被膜層１を形成することができる。なお、気孔率は、多孔質セラミック層３の内部に形成された空孔Ｓや内部欠陥などの空隙の体積をＶｒ、空隙を含む多孔質セラミック層３の体積をＶｃとすると、Ｖｒ÷Ｖｃとなる。

次に、遮熱被膜層１が表面緻密層４を有する実施形態について、図４を用いて説明する。
幾つかの実施形態では、遮熱被膜層形成方法は、図４に示すように、溶射ステップ（Ｓ１）の後に、樹脂含有セラミック層２または多孔質セラミック層３の表面を覆うための表面緻密層４を形成する表面緻密層形成ステップ（Ｓ１１）を、さらに備える。例えば、表面緻密層４の材料４ｍは、断熱性の高いセラミックを材料としても良い。ここで、コーティング材Ｍの溶射により堆積された樹脂含有セラミック層２の表面に樹脂２ｒが達している場合には、樹脂含有セラミック層２から樹脂２ｒを除去した後にできる空孔Ｓへ未燃燃料や排ガスｅが侵入することによって、遮熱被膜層１の耐久性や遮熱性などが低下する可能性が考えられる。

この点、表面緻密層４は内部に小さな気孔（内部欠陥）が内在するが、表面緻密層４の材料は、樹脂含有セラミック層２のコーティング材Ｍとは異なり樹脂２ｒを含んでおらず、上述した空孔Ｓよりも気孔（内部欠陥）のサイズは小さく、多孔質セラミック層３よりも緻密となる。よって、空孔Ｓのサイズが大きく、多孔質セラミック層３を厚さ方向で貫通するよう空孔Ｓが存在している場合であっても、多孔質セラミック層３の表面に位置する空孔Ｓも含めて、表面緻密層４によってこれらの空孔への未燃燃料や排ガスｅなどのガスの進入を防ぐことができ、高い遮熱効果および耐久性を得ることが可能となる。

なお、表面緻密層４は、エンジン部品６に形成された遮熱被膜層１の全体に形成されても良いし、エンジン部品６に形成された遮熱被膜層１の一部に形成されても良い。例えば、副室式ガスエンジンであれば噴孔から噴出するトーチ火炎が衝突する部分、ディーゼルエンジンであれば噴霧火炎が衝突する部分など、表面緻密層４を部分的に設けることで、遮熱被膜層１の信頼性を局所的に向上させることもできる。また、強度を確保する必要がある場合など、表面緻密層４の厚さＬｓが厚くなると、それだけ、遮熱被膜層１のガス温度への追従性が悪化する可能性があるが、表面緻密層４を必要な個所のみ部分的に形成することで、このような追従性が悪化する領域を最低限に留めることが可能となる。

上記の構成によれば、表面緻密層４によって遮熱被膜層１の表面を封止することができ、上述した耐久性や遮熱性の低下などの防止を図ることができる。

また、上述したように、表面緻密層４は、多孔質セラミック層３の表面の空孔Ｓを封止できる程度に密な膜である必要がある。また、気孔率は表面緻密層４の強度にも影響する。よって、幾つかの実施形態では、表面緻密層４の気孔率は２０％以下に制御される。これによって、遮熱被膜層１の空孔Ｓを確実に封止することが可能な表面緻密層４を、その強度を確保しつつ、形成することができる。

また、表面緻密層４の厚さＬｓは、燃焼時の最大ガス圧に応じて決めても良く、一般的なエンジン（最大筒内圧１０ＭＰａ～２０ＭＰａ）に適用する場合には、気孔径が大きいほど厚さＬｓを厚くすることで、表面緻密層４の強度を保つことができる。例えば、多孔質セラミック層３のセラミックがＹＳＺである場合には、表面緻密層４の厚さＬｓは、空孔Ｓの径（つまり、樹脂径Ｌｒ）の４０％～６０％程度であっても良い。

上述した表面緻密層形成ステップ（Ｓ１１）は、幾つかの実施形態では、表面緻密層４を形成する材料４ｍを溶射することにより、表面緻密層４を形成しても良い（図４参照）。これによって、表面緻密層４の形成を、樹脂含有セラミック層２の堆積方法と同じ方法となる溶射により行うことによって、製造コストを抑制することができる。ただし、本実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、表面緻密層形成ステップ（Ｓ１１）は、樹脂含有セラミック層２または多孔質セラミック層３の表面を溶融することにより、表面緻密層４を形成しても良い。これによって、例えば、樹脂含有セラミック層２または多孔質セラミック層３の表面にレーザを照射することによりその表面を溶融するレーザ溶融処理などの溶融処理によって表面緻密層を形成できるので、製造コストを抑制することができる。その他の幾つかの実施形態では、表面緻密層形成ステップ（Ｓ１１）は、蒸着などのめっき処理によって、表面緻密層４を形成しても良い。

また、幾つかの実施形態では、遮熱被膜層形成方法は、図４に示すように、遮熱被膜層１の表面を研磨する表面平滑処理ステップ（Ｓ１２）を、さらに備える。遮熱被膜層１の表面が粗いと、エンジン７の摺動部における摩擦抵抗の増大や、給気ａや排ガスｅといったガスの流れを阻害するなど、エンジン７の効率（燃費）を低下させる可能性がある。よって、遮熱被膜層１の表面を滑らかに仕上げることにより、ガス流れの摩擦抵抗の低減を図ることができ、また、ピストン７４やシリンダ壁７ｗなどのエンジン７の摺動部であれば摺動性や耐摩耗性の向上を図ることができる。また、表面緻密層４の材料の溶射の際の表面緻密層４の成膜時の条件や、レーザ照射条件などの溶融処理の際の条件により、表面緻密層４の表面の粗さを１０μｍ程度に滑らかにした場合には、表面平滑処理ステップ（Ｓ１２）は省略しても良い。

上述した表面緻密層形成ステップ（Ｓ１１）および表面平滑処理ステップ（Ｓ１２）をさらに備える遮熱被膜層形成方法を、図４のステップ順に説明する。
図４に示す実施形態では、上述した溶射ステップ（Ｓ１）の実行後であって、上述した樹脂除去ステップ（Ｓ２）の実行前のステップＳ１１において、上述した表面緻密層形成ステップ（Ｓ１１）を実行している。引き続く、ステップＳ１２において、上述した表面平滑処理ステップ（Ｓ１２）を実行し、表面緻密層４の表面の研磨を行う。その後、樹脂除去ステップ（Ｓ２）を、エンジン７の運転、あるいは、エンジン７の運転前の加熱工程で行っている。

ただし、本実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、樹脂除去ステップ（Ｓ２）の実行後に、表面緻密層形成ステップ（Ｓ１１）、表面平滑処理ステップ（Ｓ１２）を、この順番で実行しても良い。なお、この場合には、樹脂除去ステップ（Ｓ２）は、エンジン７の運転ではなく加熱工程により行われる。

また、遮熱被膜層１は表面緻密層４を備えていない場合には、遮熱被膜層形成方法は、表面緻密層形成ステップ（Ｓ１１）を備えていない。この場合には、表面平滑処理ステップ（Ｓ１２）は、多孔質セラミック層３の表面を研磨あるいは溶融することになる。幾つかの実施形態では、遮熱被膜層形成方法は、溶射ステップ（Ｓ１）、樹脂除去ステップ（Ｓ２）、表面平滑処理ステップ（Ｓ１２）の順で各ステップを実行しても良い。他の幾つかの実施形態では、遮熱被膜層形成方法は、溶射ステップ（Ｓ１）、表面平滑処理ステップ（Ｓ１２）、樹脂除去ステップ（Ｓ２）、の順で各ステップを実行しても良い。

上記の構成によれば、遮熱被膜層１によって、エンジン７の摺動部における摩擦抵抗の増大や、ガス流れの阻害が生じるのを防止することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 熱被膜層
２ 樹脂含有セラミック層
２ｃ セラミック
２ｒ 樹脂
３ 多孔質セラミック層
４ 表面緻密層
４ｍ 表面緻密層４を形成する材料
５ 基材
５１ バルク部
５２ コーティング層（金属コーティング層）
６ エンジン部品
７ エンジン
７ｗ シリンダ壁
７１ シリンダブロック
７２ シリンダヘッド
７３ シリンダライナ
７４ ピストン
７５ｅ 排気バルブ
７５ｉ 給気バルブ
７６ 副室形成部材
７７ｅ 排気管
７７ｉ 給気管
７８ 過給機
Ｃ コンプレッサ
Ｔ タービン
Ｒｍ 主燃焼室
ａ 給気
ｅ 排ガス
Ｎ ノズル
Ｍ コーティング材
Ｌｒ 樹脂径
Ｓ 空孔

Claims (15)

1. エンジンを構成するエンジン部品の遮熱被膜層を形成する遮熱被膜層形成方法であって、
   セラミックおよび樹脂を含有するコーティング材を前記エンジン部品の基材に溶射する溶射ステップと、
   前記溶射ステップによって前記エンジン部品の基材に溶射された前記コーティング材からなる樹脂含有セラミック層に含有される前記樹脂を加熱により除去することにより、複数の空孔を有する気孔率３０～６０％の多孔質セラミック層を有する前記遮熱被膜層を形成する樹脂除去ステップと、を備え、
   前記コーティング材または前記樹脂含有セラミック層に含有される前記樹脂の最大径は１μｍ～８０μｍ（ただし、１０μｍ以下、且つ、７０μｍ以上を除く）であり、
   前記コーティング材における前記セラミックに対する前記樹脂の混合比は、５重量％～４０重量％（ただし、７．７重量％以下を除く）であり、
   前記樹脂の最大径は、前記多孔質セラミック層の厚さの１／２～１／１０である
   ことを特徴とする遮熱被膜層形成方法。
2. 前記樹脂除去ステップは、前記エンジンの燃焼行程で発生する熱により前記加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の遮熱被膜層形成方法。
3. 前記樹脂含有セラミック層または前記多孔質セラミック層の厚さは５０μｍ～２００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の遮熱被膜層形成方法。
4. 前記溶射ステップの後に、前記樹脂含有セラミック層または前記多孔質セラミック層の表面を覆うための表面緻密層を形成する表面緻密層形成ステップを、さらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の遮熱被膜層形成方法。
5. 前記表面緻密層形成ステップは、前記表面緻密層を形成する材料を溶射することにより、前記表面緻密層を形成することを特徴とする請求項４に記載の遮熱被膜層形成方法。
6. 前記表面緻密層形成ステップは、前記樹脂含有セラミック層または前記多孔質セラミック層の表面を溶融することにより、前記表面緻密層を形成することを特徴とする請求項４に記載の遮熱被膜層形成方法。
7. 前記表面緻密層の気孔率は２０％以下であることを特徴とする請求項４～６のいずれか１項に記載の遮熱被膜層形成方法。
8. 前記遮熱被膜層の表面を研磨する表面平滑処理ステップを、さらに備えることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の遮熱被膜層形成方法。
9. 前記基材は、コーティング層を有していることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の遮熱被膜層形成方法。
10. エンジンを構成するエンジン部品であって、
    基材と、
    前記基材の表面に形成された、複数の球状の空孔を有する多孔質セラミック層を含む遮熱被膜層と、を備え、
    前記多孔質セラミック層の気孔率は３０～６０％であり、かつ、前記球状の空孔の最大径は１μｍ～８０μｍ（ただし、１０μｍ以下、且つ、７０μｍ以上を除く）であり、
    前記多孔質セラミック層は、セラミックおよび樹脂を含有するコーティング材を前記基材に溶射した後、加熱によって、溶射された前記コーティング材から前記樹脂を除去することにより、前記基材の表面に形成されており、
    前記樹脂の最大径は、前記多孔質セラミック層の厚さの１／２～１／１０である
    ことを特徴とするエンジン部品。
11. 前記遮熱被膜層の厚さは５０μｍ～２００μｍであることを特徴とする請求項１０に記載のエンジン部品。
12. 前記遮熱被膜層は、前記多孔質セラミック層の表面を覆う表面緻密層を有することを特徴とする請求項１０に記載のエンジン部品。
13. 前記表面緻密層の気孔率は２０％以下であることを特徴とする請求項１２に記載のエンジン部品。
14. 前記基材は、コーティング層を有していることを特徴とする請求項１０～１３のいずれか１項に記載のエンジン部品。
15. 前記エンジン部品の基材は鋳鉄で形成されることを特徴とする請求項１０～１４のいずれか１項に記載のエンジン部品。
    

Images