KR20200004753A

KR20200004753A - 내연 기관

Info

Publication number: KR20200004753A
Application number: KR1020190076745A
Authority: KR
Inventors: 나오키 니시카와; 아키오 가와구치; 히데오 야마시타; 게이스케 다나카; 도시오 호리에; 요시후미 와키사카; 후미오 시미즈
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2020-01-14
Also published as: US10801403B2; CN110685814A; RU2722126C1; KR102184204B1; EP3591198B1; EP3591198A1; JP7084234B2; CN110685814B; JP2020007929A; BR102019013354A2; US20200011237A1

Abstract

본 실시 형태는, 연소실(NS)에 면하는 알루미늄계 벽면의 적어도 일부에 양극 산화피막(10)이 형성되어 있는 내연 기관이다. 상기 양극 산화피막(10)은, 상기 양극 산화피막의 대략 두께 방향으로 연장되는 복수의 나노 구멍(1c)과, 해당 양극 산화피막(10)의 표면으로부터 내부를 향해 연장되는 제1 마이크로 구멍(1a)과, 해당 양극 산화피막(10)의 내부에 존재하는 제2 마이크로 구멍(1b)을 갖고, 상기 나노 구멍(1c)의 표면 개구 직경은 0㎚ 이상 30㎚ 미만이고, 상기 나노 구멍(1c)의 내부 직경은 상기 표면 개구 직경보다도 크고, 상기 양극 산화피막(10)의 막 두께는 15㎛ 이상 130㎛ 이하이고, 상기 양극 산화피막(10)의 기공률은 23％ 이상이다.

Description

내연 기관 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 개시는 내연 기관에 관한 것이다.

가솔린 엔진이나 디젤 엔진 등의 내연 기관은, 주로 엔진 블록이나 실린더 헤드, 피스톤으로 구성되어 있다. 그 연소실은, 실린더 블록의 보어면과, 이 보어에 조립되어 넣어진 피스톤 정상면과, 실린더 헤드의 저면과, 실린더 헤드 내에 배치된 흡입 및 배기 밸브의 정상면으로 구성되어 있다. 요즘의 내연 기관에 요구되는 고출력화에 수반하여, 그 냉각 손실을 저감시키는 것이 요구되고 있다. 이 냉각 손실을 저감시키는 수단의 하나로서, 연소실의 내벽에 단열 피막을 형성하는 방법을 들 수 있다.

연소실의 벽면에 형성되는 단열 피막은, 내열성과 단열성은 물론, 저열전도율과 저열용량의 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 정상적으로 벽 온도를 높이지 않도록, 흡기 행정에서는, 신기(freshair) 온도에 추종하여 벽 온도가 낮아지도록, 단열 피막은 저열용량인 것이 바람직하다. 또한, 이 저열전도율 및 저열용량인 것에 더하여, 연소실 내에서의 연소 시의 폭발압이나 분사압, 열팽창과 열수축의 반복 응력에 견딜 수 있는 피막인 것, 및 실린더 블록 등의 모재에 대한 밀착성이 높은 피막인 것이 바람직하다.

이와 같은 단열 피막의 예로서, 양극 산화피막을 사용할 수 있다. 내연 기관의 연소실에 면하는 벽면에 양극 산화피막이 형성됨으로써, 단열성이 우수하고, 나아가 저열전도성이며 저열용량을 갖는 내연 기관을 제작할 수 있다. 그리고, 이들 성능에 더하여, 우수한 스윙 특성을 갖는 것도 또한, 양극 산화피막에 요구되는 중요한 성능이다. 여기서, 「스윙 특성」이란, 단열 성능을 구비하면서도, 연소실 내의 가스 온도에 양극 산화피막의 온도가 추종하는 특성이다.

연소실에 면하는 벽면에 형성된 양극 산화피막을 갖는 내연 기관을 개시하는 문헌으로서, 예를 들어 하기 일본 특허 공개 제2013-60620 및 일본 특허 공개 제2015-31226을 들 수 있다.

일본 특허 공개 제2013-60620에는 연소실에 면하는 벽면의 일부 혹은 전부에 양극 산화피막이 형성되어 이루어지는 내연 기관이며, 상기 양극 산화피막은 그 내부에 공극과 해당 공극에 비해 미소한 나노 구멍을 갖고, 해당 공극의 적어도 일부는 밀봉제가 전화되어 이루어지는 밀봉물로 밀봉되고, 해당 나노 구멍의 적어도 일부는 밀봉되어 있지 않은 구조를 나타내고 있는 내연 기관이 개시되어 있다. 일본 특허 공개 제2013-60620에서는 양극 산화피막의 표면 상에 밀봉물이 배치되어 있다.

일본 특허 공개 제2015-31226에는 연소실에 면하는 알루미늄계 벽면의 일부 혹은 전부에 양극 산화피막이 형성되어 이루어지는 내연 기관이며, 상기 양극 산화피막은 막 두께가 30㎛ 내지 170㎛의 범위에 있고, 상기 양극 산화피막은 해당 양극 산화피막의 표면으로부터 내부를 향해 해당 양극 산화피막의 두께 방향 혹은 대략 두께 방향으로 연장되는, 직경이 마이크로 사이즈인 제1 마이크로 구멍 및 직경이 나노 사이즈인 나노 구멍과, 해당 양극 산화피막의 내부에 있고 직경이 마이크로 사이즈인 제2 마이크로 구멍을 갖고 있고, 상기 제1 마이크로 구멍 및 상기 나노 구멍의 적어도 일부는 밀봉제가 전화되어 이루어지는 밀봉물로 밀봉되고, 상기 제2 마이크로 구멍의 적어도 일부는 밀봉되어 있지 않은 구조를 나타내고 있는 내연 기관이 개시되어 있다. 일본 특허 공개 제2015-31226에서도, 일본 특허 공개 제2013-60620과 마찬가지로, 양극 산화피막의 표면 상에 밀봉물이 배치되어 있다.

일본 특허 공개 제2013-60620 및 일본 특허 공개 제2015-31226에서는, 양극 산화피막 위에 밀봉물을 배치함으로써, 피막 강도를 향상시키고 있다. 그러나, 밀봉제를 사용하면, 양극 산화피막에 존재하는 구멍이 밀봉되기 때문에, 양호한 스윙 특성을 얻기 위해 중요한 기공률이 저하되어 버린다. 또한, 밀봉제의 존재로 인해 열용량이 증가하여, 양호한 스윙 특성이 얻어지지 않는 경우가 있다. 또한, 밀봉제를 배치하는 작업이나 재료 등이 필요해지기 때문에, 비용이 증가되어 버린다.

한편, 단순하게 밀봉제를 없애면, 나노 구멍으로의 연소 가스의 침입이 일어난다. 연소 가스의 나노 구멍으로의 진입이 일어나면, 가스가 진입한 부분에 있어서의 단열 효과가 감소하므로, 막 전체적인 단열 효과가 저하되게 된다. 그 결과, 충분한 단열성을 부여하기 위해서는, 양극 산화피막을 두껍게 할 필요가 생긴다. 그러나, 양극 산화피막을 두껍게 하면, 금번에는 스윙 특성의 저하로 연결되어 버린다.

본 개시는 양호한 단열성 및 스윙 특성을 갖는 양극 산화피막이 형성된 내연 기관을 제공한다.

(1) 본 발명의 양태는, 연소실에 면하는 알루미늄계 벽면의 적어도 일부에 양극 산화피막을 구비하는 내연 기관에 관한 것이다. 상기 양극 산화피막은, 상기 양극 산화피막의 대략 두께 방향으로 연장되는 복수의 나노 구멍과, 해당 양극 산화피막의 표면으로부터 내부를 향해 연장되는 제1 마이크로 구멍과, 해당 양극 산화피막의 내부에 존재하는 제2 마이크로 구멍을 갖는다. 상기 나노 구멍의 상기 양극 산화피막의 표면에 있어서의 표면 개구 직경은 0㎚ 이상 30㎚ 미만이다. 상기 나노 구멍의 내부에 있어서의 내부 직경은 상기 표면 개구 직경보다도 크다. 상기 양극 산화피막의 막 두께는 15㎛ 이상 130㎛ 이하이다. 상기 양극 산화피막의 기공률은 23％ 이상이다.

(2) 상기 나노 구멍의 표면 개구 직경과 상기 내부 직경의 차가 7㎚ 이상이어도 된다.

(3) 상기 나노 구멍이, 상기 양극 산화피막의 표면에 개구되어 있지 않아도 된다.

(4) 상기 나노 구멍의 표면 개구 직경과 상기 내부 직경의 차가 20㎚ 이상이어도 된다.

(5) 상기 알루미늄계 벽면을 형성하는 알루미늄계 재료가, Si 및 Cu에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하고, 해당 금속의 알루미늄계 재료 중의 함유량이 5질량％ 이상이어도 된다.

(6) 상기 양극 산화피막 위에 밀봉물이 배치되어 있지 않아도 된다.

(7) 상기 양극 산화피막이 상기 연소실에 노출되아 있어도 된다.

(8) 상기 내연 기관이 피스톤을 구비하고, 상기 양극 산화피막이 적어도 피스톤 정상면에 형성되어 있어도 된다.

(9) 상기 피스톤 정상면에 형성된 양극 산화피막이, 막 두께가 15㎛ 이상 60㎛ 이하인 박막부를 포함하고 있어도 된다.

(10) 상기 박막부가, 상기 피스톤 정상면 중 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분에 배치되어 있어도 된다.

(11) 상기 박막부 이외의 상기 피스톤 정상면에 형성된 양극 산화피막의 막 두께가 60㎛ 초과 100㎛ 이하여도 된다.

(12) 상기 피스톤 정상면이 캐비티부를 포함하고, 해당 캐비티부에 상기 박막부가 배치되어 있어도 된다.

(13) 상기 피스톤 정상면이 밸브 리세스부를 더 포함하고, 상기 캐비티부에 더하여 상기 밸브 리세스부에도 상기 박막부가 배치되어 있어도 된다.

(14) 상기 피스톤 정상면이 스퀴시부를 더 포함하고, 상기 스퀴시부에 있어서의 양극 산화피막의 막 두께가 60㎛ 초과 100㎛ 이하여도 된다.

(15) 상기 피스톤 정상면의 중심을 포함하는 중앙 영역에 상기 박막부가 배치되고, 상기 중앙 영역의 외측에 위치하는 외측 영역에 배치된 양극 산화피막의 막 두께가 60㎛ 초과 100㎛ 이하여도 된다.

(16) 상기 중앙 영역의 면적 S_C와 상기 외측 영역의 면적 S_O의 비(S_C:S_O)가 1:5 내지 5:1이어도 된다.

본 개시에 의해, 양호한 단열성 및 스윙 특성을 갖는 양극 산화피막이 형성된 내연 기관을 제공할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술된다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 내연 기관의 구성예를 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 내연 기관의 연소실에 면하는 알루미늄계 벽면에 형성된 양극 산화피막의 구성예를 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 3은 도 2의 I부의 확대도이다.
도 4a는 실시예 4에서 얻어진 테스트 피스 E4의 표면의 SEM 화상이고, 도 4b는 테스트 피스 E4의 내부의 SEM 화상이다.
도 5a는 비교예 2에서 얻어진 테스트 피스 C2의 표면의 SEM 화상이고, 도 5b는 테스트 피스 C2의 내부의 SEM 화상이다.
도 6은 피스톤 정상면에 형성되는 양극 산화피막의 막 두께를 바꾸어 흡기 효율 변화율을 시뮬레이션한 결과이다.
도 7은 피스톤 정상면에 형성되는 양극 산화피막의 막 두께를 바꾸어 냉각 손실 개선율을 시뮬레이션한 결과이다.
도 8은 피스톤 정상면에 형성되는 양극 산화피막의 막 두께를 바꾸어 통내 평균 가스 온도 차를 시뮬레이션한 결과이다.
도 9는 본 실시 형태에 관한 내연 기관의 구성예를 도시하는 개략 단면도이다.
도 10은 피스톤 정상면의 구성예를 도시하는 개략 평면도이다.
도 11은 피스톤 정상면의 구성예를 도시하는 개략 평면도이다.
도 12a는 냉각 시험의 개요를 설명한 모식도이고, 도 12b는 냉각 시험 결과에 기초하는 냉각 곡선과 이것으로부터 산출되는 40℃ 강하 시간을 도시한 도면이다.
도 13은 연비 향상률과 냉각 시험에 있어서의 40℃ 강하 시간의 상관 그래프를 도시한 도면이다.
도 14는 45msec 달성 기공률과 양극 산화피막의 막 두께의 관계에 관한 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 15는 양극 산화피막을 형성하기 위한 장치의 구성예를 도시하는 개략도이다.

본 실시 형태는, 연소실에 면하는 알루미늄계 벽면의 적어도 일부에 양극 산화피막이 형성되어 있는 내연 기관이며, 상기 양극 산화피막은 상기 양극 산화피막의 대략 두께 방향으로 연장되는 복수의 나노 구멍과, 해당 양극 산화피막의 표면으로부터 내부를 향해 연장되는 제1 마이크로 구멍과, 해당 양극 산화피막의 내부에 존재하는 제2 마이크로 구멍을 갖고, 상기 나노 구멍의 상기 양극 산화피막의 표면에 있어서의 표면 개구 직경은 0㎚ 이상 30㎚ 미만이고, 상기 나노 구멍의 내부에 있어서의 내부 직경은 상기 표면 개구 직경보다도 크고, 상기 양극 산화피막의 막 두께는 15㎛ 이상 130㎛ 이하이고, 상기 양극 산화피막의 기공률은 23％ 이상인, 내연 기관이다.

본 실시 형태에 의해, 양호한 단열성 및 스윙 특성을 갖는 양극 산화피막이 형성된 내연 기관을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태는, 나노 구멍의 표면 개구 직경이 좁게 되어 있다. 그 때문에, 나노 구멍으로의 연소 가스의 침입이 억제되어, 높은 단열성을 가질 수 있다. 또한, 양극 산화피막의 막 두께를 15㎛ 이상 130㎛ 이하로 얇게 함으로써, 또한 기공률을 소정의 범위로 함으로써, 저열용량화를 도모함과 함께, 우수한 스윙 특성을 구비시킬 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 실시 형태의 내연 기관의 구성에 대하여 설명한다.

도 1은 본 실시 형태에 관한 내연 기관의 구성예를 설명하기 위한 모식적 단면도이다. 도 1에 있어서, 연소실에 면하는 벽면의 전부에 양극 산화피막(10)이 형성되어 있다. 도 1에 있어서 도시하는 내연 기관 N은 디젤 엔진을 대상으로 하는 것이고, 그 내부에 냉각수 재킷 J가 형성된 실린더 블록 SB와, 실린더 블록 SB 상에 배치된 실린더 헤드 SH와, 실린더 헤드 SH 내에 구획 형성된 흡기 포트 KP 및 배기 포트 HP와 그것들이 연소실 NS에 면하는 개구에 승강 가능하게 장착된 흡기 밸브 KV 및 배기 밸브 HV와, 실린더 블록 SB의 하방 개구로부터 승강 가능하게 형성된 피스톤 PS로 대략 구성되어 있다. 내연 기관 N의 각 구성 부재로 구획 형성된 연소실 NS 내에는, 그것들이 연소실 NS에 면하는 벽면(실린더 보어면 SB', 실린더 헤드 저면 SH', 피스톤 정상면 PS', 밸브 정상면 KV', HV')에 양극 산화피막(10)이 형성되어 있다.

본 실시 형태에 있어서, 내연 기관은, 가솔린 엔진이나 디젤 엔진의 어느 것을 대상으로 한 것이어도 된다. 내연 기관의 구성은, 이미 설명한 바와 같이, 엔진 블록나 실린더 헤드, 피스톤으로 주로 구성된다. 그 연소실은, 예를 들어 실린더 블록의 보어면과, 이 보어에 조립되어 넣어진 피스톤 정상면과, 실린더 헤드의 저면과, 실린더 헤드 내에 배치된 흡입 및 배기 밸브의 정상면으로 구성되어 있다.

본 실시 형태에 있어서, 내연 기관을 구성하는 각 구성 부재는, 알루미늄계 재료로 구성된다. 알루미늄계 벽면은 알루미늄계 재료로 구성되는 벽부재의 벽면이다. 알루미늄계 재료로서는, 예를 들어 알루미늄이나 그 합금, 또는 철계 재료에 알루미늄 도금을 실시한 것 등을 들 수 있다. 알루미늄계 재료는, 예를 들어 고강도 알루미늄 합금을 포함한다. 알루미늄이나 그 합금을 모재로 하는 벽면에 양극 산화 처리에 의해 형성되는 양극 산화피막은 알루마이트로 된다.

도 2는 본 실시 형태의 내연 기관의 연소실에 면하는 알루미늄계 벽면에 형성된 양극 산화피막의 구성예를 도시하는 개략 단면도이다. 또한, 도 3은 도 2의 I부의 확대도이고, 나노 구멍의 구조를 설명하기 위한 개략 단면도이다. 도 2에 있어서, 알루미늄계 벽면이 양극 산화 처리되어, 양극 산화피막(1)이 형성되어 있다. 양극 산화피막(1)은 양극 산화피막(1)의 표면으로부터 내부를 향해 상기 양극 산화피막(1)의 대략 두께 방향으로 연장되는 복수의 나노 구멍(1c)(도 3)과, 양극 산화피막(1)의 표면으로부터 내부를 향해 연장되는 제1 마이크로 구멍(1a)과, 양극 산화피막의 내부에 존재하는 제2 마이크로 구멍(1b)을 갖는다. 도 3에 도시한 바와 같이, 나노 구멍(1c)은 양극 산화피막의 표면에 개구되어 있고, 나노 구멍의 양극 산화피막의 표면에 있어서의 개구 직경은, 나노 구멍의 내부에 있어서의 개구 직경보다도 작게 되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 연소실의 벽면을 구성하는 알루미늄계 벽면 상에 형성된 양극 산화피막(1)의 표면에는, 양극 산화피막(1)의 대략 두께 방향으로 연장되는 제1 마이크로 구멍(1a)(균열)이 존재하고 있다. 또한, 양극 산화피막(1)의 내부에는 제2 마이크로 구멍(1b)(내부 결함)이 존재하고 있다.

본 명세서에 있어서, 「나노 구멍」이란, 양극 산화피막의 대략 두께 방향으로 연장되는, 나노 사이즈의 구멍을 의미한다. 나노 사이즈란, 나노 구멍의 최대 단면적(면적이 최대가 되는 수평 단면에서의 단면적)과 동일한 면적을 갖는 원의 직경(원 상당 직경이라고도 칭함)이 ㎚오더(1㎚ 이상 1㎛ 미만)인 것을 의미한다. 나노 구멍은 반드시 양극 산화피막의 표면에 개구를 가질 필요는 없고, 피막 표면에 개구되어 있지 않아도 된다. 또한, 수평 방향이란, 알루미늄계 벽면의 면 방향을 의미한다.

본 명세서에 있어서, 「제1 마이크로 구멍」이란, 양극 산화피막의 표면으로부터 내부로 연장되어 있는 구멍(예를 들어, 균열)을 의미한다. 제1 마이크로 구멍은 양극 산화피막의 표면에 개구되어 있고, 그 개구 면적과 동일한 면적을 갖는 원의 직경(원 상당 직경)이 ㎛오더(1㎛ 이상)이다. 제1 마이크로 구멍은, 통상, 양극 산화피막의 표면으로부터 내부를 향해 양극 산화피막의 대략 두께 방향으로 연장되어 있다.

본 명세서에 있어서, 「제2 마이크로 구멍」이란, 양극 산화피막의 내부에 존재하고 있는 구멍(예를 들어, 내부 결함)을 의미한다. 제2 마이크로 구멍은 양극 산화피막의 표면에 면하고 있지 않고, 즉, 양극 산화피막의 표면에 개구되어 있지 않다. 제2 마이크로 구멍의 최대 단면적(면적이 최대가 되는 수평 단면에서의 단면적)과 동일한 면적을 갖는 원의 직경이 ㎛오더(1㎛ 이상)이다. 예를 들어, 제2 마이크로 구멍의 원 상당 직경은 1 내지 100㎛의 범위이다.

나노 구멍이나 제1 마이크로 구멍은 양극 산화피막의 대략 두께 방향으로 연장되어 있다. 「대략 두께 방향」이란, 두께 방향으로부터 경사진 방향으로 연장되는 형태나, 두께 방향으로부터 지그재그로 사행되어 연장되는 형태 등을 포함하는 것을 의미한다. 제2 마이크로 구멍은, 양극 산화피막의 내부에 있어서, 양극 산화피막의 두께 방향에 직교하는 방향으로 연장되는 형태나, 두께 방향에 직교하는 방향으로부터 경사진 방향으로 연장되는 형태, 두께 방향에 직교하는 방향으로 지그재그로 연장되는 형태 등을 포함한다.

또한, 상기한 나노 구멍이나 마이크로 구멍의 개구 직경의 측정은, 양극 산화피막의 단면 SEM 화상 사진 데이터, TEM 화상 사진 데이터에 대하여 일정 에어리어 내의 마이크로 구멍이나 나노 구멍을 각각 추출하여 직경(원 상당 직경)을 측정하고, 각각의 평균값을 구함으로써 행할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서, 양극 산화피막은, 연소실에 면하는 벽면의 전부에 형성되어도 되고, 그 일부에만 형성되어도 된다. 후자의 실시 형태로서, 예를 들어 피스톤 정상면에만, 또는 밸브 정상면에만 피막이 형성되는 형태를 들 수 있다.

본 실시 형태에 있어서, 양극 산화피막은 내연 기관의 연소실에 면하는 알루미늄계 벽면에 양극 산화 처리를 행함으로써 형성할 수 있다.

본 실시 형태에 있어서, 나노 구멍의 양극 산화피막의 표면에 있어서의 개구 직경은 0㎚ 이상 30㎚ 미만이다. 나노 구멍의 표면에 있어서의 개구 직경이 30㎚ 미만인 경우, 나노 구멍으로의 가스의 침입을 효과적으로 억제할 수 있다. 연소 가스의 침입을 억제할 수 있는 것에 의해, 단열 효과의 감소를 억제할 수 있다. 가령 연소 가스의 피막 내부로의 침입을 억제할 수 없다고 하면, 가스가 침입한 부분의 단열 효과가 감소하므로, 막 전체적으로도 단열 효과가 저하되게 된다. 나노 구멍의 표면에 있어서의 개구 직경은 가스의 침입을 더 효과적으로 억제한다는 관점에서, 20㎚ 이하인 것이 바람직하고, 15㎚ 이하인 것이 보다 바람직하고, 10㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5㎚ 이하인 것이 특히 바람직하다. 나아가, 나노 구멍의 표면에 있어서의 개구 직경은 0㎚인 것이 보다 바람직하고, 즉, 나노 구멍이 양극 산화피막의 표면에 개구되어 있지 않은 것이 보다 바람직하다. 나노 구멍이 양극 산화피막의 표면에 개구를 갖지 않는 경우, 나노 구멍으로의 가스의 침입이 현저하게 억제된다.

본 실시 형태에 있어서, 나노 구멍의 내부에 있어서의 구멍 직경(내부 직경이라고도 칭함)은, 상술한 표면에 있어서의 개구 직경보다도 크게 되어 있다. 즉, 나노 구멍은 알루미늄계 벽면의 양극 산화 처리 시에 형성되지만, 나노 구멍은 피막 표면의 개구이고 직경이 작게 되어 있고, 표면으로부터 어느 정도의 깊이까지(예를 들어, 개구로부터 약 10㎛까지) 서서히 직경이 넓어지고, 그 후에는 거의 일정한 단면적(수평 단면적)을 유지하면서 표면으로부터 내부로 연신되어 있다. 「나노 구멍의 내부에 있어서의 개구 직경」이란, 그 거의 일정한 단면적을 유지하면서 연신되어 있는 구멍 부분에 있어서의 개구 직경을 가리킨다. 나노 구멍의 내부 직경은, 예를 들어 25㎚ 이상이고, 30㎚ 이상이고, 35㎚ 이상이고, 40㎚ 이상이고, 50㎚ 이상이다.

나노 구멍의 표면 개구 직경은 양극 산화피막의 표면의 SEM 화상으로부터 나노 구멍의 원 상당 직경(평균값)을 구함으로써 얻을 수 있다. 나노 구멍의 원 상당 직경은 SEM 화상으로부터 시판의 소프트를 사용하여 구할 수 있다. 소프트로서는, 예를 들어 WinROOF(미타니 쇼지 가부시키가이샤제)를 들 수 있다.

나노 구멍의 내부 직경은 크로스 섹션 폴리셔 등을 사용하여 표면으로부터 소정의 깊이까지 양극 산화피막을 깎고, 노출된 표면을 SEM에 의해 촬영하여 얻어진 화상으로부터 나노 구멍의 원 상당 직경을 구함으로써 얻을 수 있다. 원 상당 직경은 표면 개구 직경과 마찬가지로, SEM 화상으로부터 시판의 소프트를 사용하여 구할 수 있다. 「나노 구멍의 내부 직경」은, 예를 들어 양극 산화피막의 두께 방향의 중앙에서 측정할 수 있다.

도 4a는 실시예 4에서 얻어진 테스트 피스 E4의 표면의 SEM 화상이고, 도 4b는 테스트 피스 E4의 내부의 SEM 화상이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 나노 구멍은 피막 표면에 개구되어 있지 않고, 연소 가스의 침입이 억제되는 구조를 갖는다. 또한, 도 5a는 비교예 2에서 얻어진 테스트 피스 C2의 표면의 SEM 화상이고, 도 5b는 테스트 피스 C2의 내부의 SEM 화상이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 나노 구멍은 피막 표면에 있어서 큰 사이즈로 개구되어 있고, 연소 가스의 침입이 발생하기 쉬운 구조를 갖고 있다.

본 실시 형태에 있어서, 나노 구멍의 표면 개구 직경과 내부 직경의 차는, 7㎚ 이상인 것이 바람직하고, 10㎚ 이상인 것이 보다 바람직하고, 15㎚ 이상인 것이 보다 바람직하고, 20㎚ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 나노 구멍의 표면 개구 직경과 내부 직경의 차가 커질수록, 기공률을 증가시킬 수 있다. 구체적인 실시 형태에 있어서, 나노 구멍은 피막 표면에 있어서 개구되어 있지 않고, 내부 직경이 20㎚ 이상인 것이 바람직하고, 25㎚ 이상인 것이 보다 바람직하고, 30㎚ 이상인 것이 더욱 바람직하다.

본 실시 형태에 있어서, 양극 산화피막의 막 두께(도 2의 t)는 15㎛ 이상 130㎛ 이하이다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 양극 산화피막의 기공률은 23％ 이상이다. 양극 산화피막의 기공률은 80％ 이하인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서, 양극 산화피막은 15㎛ 이상 130㎛ 이하라는 얇은 두께이지만, 나노 구멍의 표면 개구 직경이 내부 직경보다도 작고 또한 소정의 기공률을 갖기 때문에, 박층임에도 단열성이 우수함과 함께 스윙 특성이 우수하다. 또한, 양극 산화피막의 막 두께가 얇기 때문에, 양극 산화피막의 형성에 필요로 하는 시간은 짧아지고, 이로써 제조 비용의 삭감을 도모할 수도 있다.

막 두께는, 양극 산화피막의 단면에 있어서, 막 두께를 5개소에서 측정하여 그 평균값을 구함으로써 얻을 수 있다.

기공률은 이하의 방법에 의해 측정할 수 있다. 양극 산화피막의 면적과 막 두께로부터 피막의 체적을 구하고, 또한 피막의 중량을 피막 제거 전후의 중량차로부터 구하고, 피막의 부피 밀도를 산출한다. 얻어진 피막의 부피 밀도와 알루미나 밀도(3.9g/㎤)를 사용하여, 이하의 식에 의해 기공률을 산출한다.

기공률＝1－(피막의 부피 밀도/알루미나 밀도)

본 실시 형태에 있어서, 알루미늄계 벽면을 형성하는 알루미늄계 재료는, Si 및 Cu에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 5질량％ 이상 포함하는 것이 바람직하다. Si 및 Cu에서 선택되는 적어도 1종의 금속의 알루미늄계 재료 중의 함유량이 5질량％ 이상인 경우, 마이크로 구멍(특히 제2 마이크로 구멍)의 형성이 촉진되고, 이로써 기공률을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 알루미늄계 재료 중의 Si의 함유량은, 5질량％ 이상 20질량％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 알루미늄계 재료 중의 Cu의 함유량은 0.3질량％ 이상 7질량％ 이하인 것이 바람직하다. 알루미늄계 재료 중의 Al의 함유량은, 예를 들어 70질량％ 이상이고, 75질량％ 이상이다. 또한, 알루미늄계 재료 중의 Al의 함유량은, 예를 들어 95질량％ 이하이고, 90질량％ 이하이다. 또한, 알루미늄계 재료 중에 포함되는 금속으로서는, Al, Si 및 Cu 이외에도, 예를 들어 Mg, Zn, Ni, Fe, Mn, Ti 등을 들 수 있다.

양극 산화피막의 스윙 특성은 냉각 시험(급랭 시험)에 의해 평가할 수 있다. 냉각 시험에서는, 편면에만 양극 산화피막을 실시한 테스트 피스를 사용하여, 배면(양극 산화피막을 실시하고 있지 않은 면)을 소정의 고온 분류로 계속해서 가열하면서, 테스트 피스의 정면(양극 산화피막을 형성한 면)으로부터 소정 온도의 냉각 에어를 분사하여 테스트 피스의 정면 온도를 저하시키고, 그 정면 온도를 측정한다. 그리고, 피막 표면 온도와 시간으로부터 냉각 곡선을 작성한다. 그리고, 이 냉각 곡선으로부터 온도 강하 속도를 평가한다. 이 온도 강하 속도는, 예를 들어 피막 표면 온도가 40℃ 저하되는 데 필요한 시간(40℃ 강하 시간)을 그래프로부터 판독함으로써 평가한다.

구체적으로는, 복수의 테스트 피스에 대하여 급랭 시험을 실시하고, 각각의 테스트 피스에 있어서의 40℃ 강하 시간을 측정하여, 연비 향상률과 40℃ 강하 시간으로 규정되는 복수의 플롯에 관하여 근사 곡선을 작성한다. 그리고, 상기한 5％의 연비 향상률에 대응하는 40℃ 강하 시간의 값을 판독한다. 이것이 45msec 이하인 경우, 우수한 연비 향상 효과를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 40℃ 강하 시간이 짧을수록, 피막의 열전도율 및 열용량이 낮아, 연비 향상 효과가 높다.

본 실시 형태에 있어서, 양극 산화피막 위에 밀봉물이 배치되어 있지 않은 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 양극 산화피막이, 상기 연소실에 노출되어 있는 것이 바람직하다. 양극 산화피막 위에 밀봉물이 배치되면, 나노 구멍 및/또는 제1 마이크로 구멍이 밀봉물로 밀봉되어, 기공률이 저하되어 버린다. 또한, 밀봉물의 존재에 의해 열용량이 커져 버린다. 그 때문에, 양극 산화피막 위에 밀봉물이 배치되지 않는 것이 바람직하다.

본 실시 형태의 양극 산화피막은, 알루미늄계 재료를 산성 전해액(예를 들어, 황산 수용액)에 침지하여 전기를 흐르게 함으로써 제작된다. 구체적으로는, 제막 장치에 있어서, 전해액이 주입된 상태에서 전극 사이에 전압을 인가하여 전기 분해를 행하면, 양극으로서의 알루미늄계 재료의 벽면(예를 들어, 피스톤 정상면)이 산화되어 양극 산화피막이 형성된다. 본 실시 형태에 있어서의 양극 산화피막을 형성하기 위해, 양극 산화 처리의 조건을 적절히 조정할 수 있다. 예를 들어, 인가 전압에 의해, 양극 산화피막의 기공률을 조정할 수 있다. 또한, 인가 시간에 의해, 양극 산화피막의 두께를 조정할 수 있다. 또한, 제막 처리 중, 냉각 장치를 사용하여 산화 반응열을 제거하는 것이 바람직하다. 또한, 재료 벽면으로부터의 산화 반응열을 제거하기 위해, 성막면에 전해액류를 흘려 닿게 하면서 양극 산화 처리를 행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 15에 도시한 바와 같은 구성을 갖는 장치에 의해, 양극 산화피막을 형성할 수 있다. 도 15에 있어서, 양극(201)으로서 기능하는 알루미늄계 재료(성막 샘플)의 성막면(201a)이 전해액(203) 중에 잠기도록 배치되어 있다. 도 15에는 음극(202)이 도시되어 있다. 또한, 토출부(204)가 전해액(203) 중에 배치되어 있고, 해당 토출부(204)는 전해액을 토출하여 전해액류를 발생시킨다. 도 15에 있어서, 토출부(204)는 발생하는 전해액류가 성막면(201a)에 닿도록, 그 토출구를 성막면(201a)을 향하게 하여 배치되어 있다. 이와 같은 구성을 채용함으로써, 토출구로부터의 전해액의 유량을 조정함으로써, 성막면의 산화 반응열을 효율적으로 제거할 수 있다. 성막면의 산화 반응열을 효율적으로 제거함으로써, 양극 산화피막의 나노 구멍의 표면 개구 직경을 작게 할 수 있다. 또한, 나노 구멍의 표면 개구 직경과 내부 직경의 차를 크게 할 수 있다.

전해액의 온도는, 예를 들어 0℃ 이상 10℃ 이하이고, 바람직하게는 0℃ 이상 4℃ 이하이다.

전류 밀도는, 예를 들어 0.1A/㎠ 이상 1.0mA/㎠ 이하이다.

통전 시간(성막 시간)은, 예를 들어 5초 이상 180초 이하이다.

본 실시 형태에 있어서, 양극 산화피막은 적어도 피스톤 정상면에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 내연 기관의 피스톤 정상면 전체에 양극 산화피막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 피스톤 정상면에 형성된 양극 산화피막은 막 두께가 15㎛ 이상 60㎛ 이하인 박막부를 포함하는 것이 바람직하다.

도 6은 양극 산화피막의 막 두께를 바꾸어 흡기 효율 변화율을 시뮬레이션한 결과이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 양극 산화피막의 막 두께가 60㎛를 초과하면, 흡기 효율이 저하되는 것을 알 수 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에 있어서는, 흡기 효율의 관점에서, 피스톤 정상면에 형성된 양극 산화피막이, 막 두께가 15㎛ 이상 60㎛ 이하인 박막부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 상기 박막부는 피스톤 정상면 중 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분이란, 텀블류가 적극적으로 접촉하는 부분이다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 박막부 이외의 양극 산화피막의 막 두께는 60㎛ 초과 100㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이하, 막 두께가 60㎛ 초과 100㎛ 이하인 양극 산화피막 부분을 후막부라고 칭한다. 도 7은 양극 산화피막의 막 두께를 바꾸어 냉각 손실 개선율을 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 양극 산화피막의 막 두께가 두꺼워질수록, 단열성이 향상되기 때문에, 냉각 손실이 개선되는 것을 알 수 있다. 한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 양극 산화피막이 두꺼워질수록, 점화 전의 통내 평균 가스 온도 차가 높아지는 것을 알 수 있다. 통내 평균 가스 온도 차가 높아지면, 노킹이 일어나기 쉬워진다. 본 실시 형태에 있어서는, 피스톤 정상면 중 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분에 막 두께가 15㎛ 이상 60㎛ 이하인 박막부를 배치한다. 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분의 양극 산화피막을 얇게 함으로써, 고회전 영역에서의 흡기 가열을 효과적으로 억제할 수 있다(도 6 참조). 또한 한편, 본 실시 형태에서는, 냉각 손실 및 노킹 억제의 관점에서, 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분에 배치된 박막부 이외의 양극 산화피막의 막 두께를 60㎛ 초과 100㎛ 이하로 한다. 이것은, 냉각 손실의 관점에서는 도 7에 도시된 바와 같이 되기 위해 양극 산화피막이 두꺼운 편이 바람직하지만, 양극 산화피막이 지나치게 두꺼워지면, 도 8에 도시된 바와 같이 노킹이 일어나기 쉬워진다. 그 때문에, 양극 산화피막의 막 두께의 상한을 100㎛로 하여, 냉각 손실과 노킹 억제의 균형을 잡은 것이다. 양극 산화피막의 막 두께가 100㎛ 이하인 경우, 도 8로부터 이해되는 바와 같이 통내 평균 가스 온도 차는 1℃ 미만으로 되어, 노킹을 효과적으로 억제할 수 있다. 이상으로부터, 본 실시 형태에서는, 피스톤 정상면에 형성된 양극 산화피막 중, 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분을 박막부로 함으로써 흡기 가열을 효과적으로 억제하고, 또한 냉각 손실의 관점에서 그 밖의 부분을 막 두께부로 하지만, 그 때에 노킹 억제의 관점에서 막 두께의 상한을 100㎛로 한다. 이로써, 흡기 가열의 억제, 냉각 손실의 저감 및 노킹의 억제에 있어서 균형이 잡힌 내연 기관을 얻을 수 있다.

이하, 상술한 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 9는 본 실시 형태에 관한 내연 기관의 구성예를 도시하는 개략 단면도이다. 내연 기관(100)은 실린더 블록(112), 이것에 체결되는 실린더 헤드(114) 및 실린더 블록(112)에 형성된 보어 내를 왕복 이동하는 피스톤(120)을 구비하고, 실린더 헤드(114)의 하면의 펜트 루프형의 통내 천장부(116), 실린더 블록(112)의 내벽(112a) 및 피스톤(120)의 정상면(피스톤 정상면)에 의해 연소실(130)이 구획 형성되어 있다. 실린더 헤드(114)에는 연소실(130)에 연통하는 흡기 포트(140)와 배기 포트(150)가 형성되고, 각각의 연소실(130)측의 개구 단부에 흡기 밸브(142)와 배기 밸브(152)를 구비하고 있다. 또한, 도 9에는 흡기 포트(140) 및 배기 포트(150)는 각각 1개만이 도시되어 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로는, 흡기 포트(140) 및 배기 포트(150)는 각각 2개씩 실린더 헤드(114)에 배치되어 있다. 또한, 연소실(130)의 대략 중앙, 환언하면, 펜트 루프형의 통내 천장부(116)의 대략 중앙에 점화 플러그(160)가 배치되어 있다.

도 10은 피스톤 정상면의 구성예를 도시하는 개략 평면도이다. 또한, 도 9에 도시되는 피스톤(120)은, 도 10에 있어서의 IX-IX선에서의 단면도에 상당한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 피스톤 정상면의 중앙 영역에는, 실린더 헤드(114)와는 반대측(도 9의 하방향)으로 오목한 캐비티부(170)가 형성되어 있다. 캐비티부(170)를 마련함으로써, 텀블류 A(도 9 참조)의 감쇠를 억제할 수 있다. 캐비티부(170)에 의해 텀블을 효율적으로 생성시킴으로써, 혼합기 내에 혼란이 유발되어, 연소 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 텀블류는 급기 층상화의 수단으로서 이용되는 경우도 있다. 인젝터(도시하지 않음)는, 일반적으로, 그 선단부가 캐비티부(170)의 중앙에 면하는 상태에서 실린더 헤드(114)에 배치된다.

또한, 피스톤 정상면에는 흡기 밸브(142) 및 배기 밸브(152)와의 간섭을 회피하기 위한 흡기 밸브 리세스부(180a) 및 배기 밸브 리세스부(180b)가 형성되어 있다. 도 10에 있어서, 흡기 밸브 리세스부(180a) 및 배기 밸브 리세스부(180b)는 점선으로 나타나 있다. 도 10에 도시하는 예에서는, 흡기 밸브 리세스부(180a) 및 배기 밸브 리세스부(180b)는 피스톤 정상면의 중심에 대하여 캐비티부(170)보다 외측에 부분적으로 형성되어 있다. 흡기 밸브 리세스부(180a) 및 배기 밸브 리세스부(180b)의 깊이는 적절히 설정되는 것이다. 예를 들어, 밸브 리세스면의 위치는, 캐비티면의 최하점의 위치보다도 높은 위치에 설정할 수 있다. 도 10에 도시하는 예에서는, 2개의 흡기 밸브 및 2개의 배기 밸브에 대응하여 각각 2개의 흡기 밸브 리세스부(180a) 및 배기 밸브 리세스부(180b)가 피스톤 정상면에 형성되고, 실린더 주위 방향에 관하여 4개의 밸브 리세스가 서로 간격을 두고 배치되어 있다.

또한, 도 10에 있어서, 피스톤 정상면의 캐비티부(170), 흡기 밸브 리세스부(180a) 및 배기 밸브 리세스부(180b)의 외측에는 통내 천장부(116)와 협동하여 스퀴시류를 형성하는 스퀴시부(190)가 형성되어 있다. 스퀴시부(190)의 존재에 의해, 압축 행정 시(특히 압축 행정 후기)에 있어서 스퀴시 에어리어의 가스가 피스톤의 상사점측으로의 이동에 의해 압출되어 캐비티에 유입된다. 이로써 스퀴시류를 발생시킬 수 있다.

본 실시 형태에 있어서, 도 9에 도시한 바와 같이, 피스톤 정상면이 캐비티부(170)를 포함하고, 해당 캐비티부(170)에, 상술한, 막 두께가 15㎛ 이상 60㎛ 이하인 박막부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 캐비티부는 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분에 상당한다. 그 때문에, 캐비티부에 양극 산화피막을 마련함으로써, 흡기 가열을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 피스톤 정상면이 흡기 밸브 리세스부(180a) 및 배기 밸브 리세스부(180b)로 이루어지는 밸브 리세스부를 더 포함하는 경우, 캐비티부에 더하여 해당 밸브 리세스부에도 막 두께가 15㎛ 이상 60㎛ 이하인 박막부가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 밸브 리세스부도 텀블류가 적극적으로 접촉하는 부분이고, 텀블류의 형성에 실질적으로 기여하는 부분이라고 생각되기 때문에, 이 부분의 양극 산화피막도 박막부로 하는 것이 바람직하다. 또한, 피스톤 정상면에 형성된 양극 산화피막 중, 박막부 이외의 양극 산화피막의 막 두께는 60㎛ 초과 100㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분 이외의 피스톤 정상면에 있어서는, 냉각 손실의 관점에서 양극 산화피막의 두께가 가능한 한 큰 편이 바람직하지만, 노킹 억제의 관점에서 막 두께의 상한을 100㎛로 한다. 이로써, 흡기 가열의 억제, 냉각 손실의 저감 및 노킹의 억제에 있어서 균형이 잡힌 내연 기관을 얻을 수 있다. 후막부가 형성되는 부분으로서는, 예를 들어 상술한 스퀴시부(190)를 들 수 있다. 도 9에서는 스퀴시부(190) 위에 후막부가 형성되어 있다.

도 9 및 10에서는, 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분이 캐비티부인 형태에 대하여 설명했지만, 본 실시 형태는 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 실시 형태에서는, 예를 들어 도 11에 도시한 바와 같이, 피스톤 정상면의 평면도에 있어서, 피스톤 정상면의 중심을 포함하는 중앙 영역(210)에 박막부를 배치하고, 해당 중앙 영역의 외측을 둘러싸는 외측 영역(220)에 후막부를 배치해도 된다. 즉, 본 실시 형태에서는, 피스톤 정상면의 중심을 포함하는 중앙 영역에 박막부가 배치되고, 해당 중앙 영역의 외측에 위치하는 외측 영역에 배치된 양극 산화피막의 막 두께가 60㎛ 초과 100㎛ 이하인 구성으로 할 수 있다. 텀블류는, 피스톤 정상면 중 중심을 포함하는 중앙 영역에 적극적으로 접촉한다. 그 때문에, 상술한 이유에 의해, 중앙 영역에 박막부를 마련하고, 그 외측 영역에 후막부를 마련하는 것이 바람직하다. 이로써, 흡기 가열의 억제, 냉각 손실의 저감 및 노킹의 억제에 있어서 균형이 잡힌 내연 기관을 얻을 수 있다. 중앙 영역의 면적 S_C와 외측 영역의 면적 S_O의 비(S_C:S_O)는, 예를 들어 1:5 내지 5:1이고, 1:4 내지 4:1이고, 1:3 내지 3:1이다. 또한, 중앙 영역의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 대략 원형 또는 대략 타원형이다. 피스톤 정상면의 중심이란, 예를 들어 무게 중심을 의미한다.

피스톤 정상면에 있어서 박막부 및 후막부를 마련하기 위해서는, 예를 들어 마스킹을 이용할 수 있다. 또한, 일반적으로, 양극 산화피막은 주조 표면에서는 막 두께가 커지고, 연마면에서는 막 두께가 작아진다. 이것을 이용하여 박막부 및 후막부를 마련할 수 있다. 예를 들어, 연마면으로 구성되는 캐비티부 및 밸브 리세스부 및 주조 표면으로 구성되는 스퀴시부를 갖는 피스톤 정상면을 양극 산화 처리함으로써, 1회의 피막 처리 공정에 의해 박막부 및 후막부를 마련할 수 있다.

이하, 본 실시 형태를 실시예를 사용하여 설명하지만, 본 실시 형태는 이하의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

이하의 표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 알루미늄계 모재(모재 A 및 B)를 준비했다.

(실시예 1) 실시예에 있어서 도 15에 도시한 바와 같은 구성을 갖는 장치를 사용하여 상기 알루미늄계 모재 A 및 B에 양극 산화피막을 형성했다. 구체적으로는, 황산 수용액(전해액) 중에 모재 A를 침지시켜, 모재 A를 양극으로 하고, SUS를 음극으로 하여 통전함으로써 실시했다. 이때, 피처리면을 제외한 모재 표면을 마스킹함으로써, 피처리면과 음극 사이에서 통전이 일어나도록 구성했다. 또한, 전해액 중의 황산 농도는 20질량％이고, 전해액의 온도(욕온)는 5℃로 했다. 통전은, 직류 전원을 사용하여, 전류 밀도를 0.5A/㎠로 행하였다. 성막 시간은 40초로 했다. 또한, 토출부로부터의 전해액의 유량을 20L/min으로 설정했다. 통전 종료 후, 각 모재를 전해액으로부터 취출하여 증류수로 잘 세정하고, 압축 공기를 분사하여 수분을 제거한 후, 대기 중에서 충분히 건조시켰다. 이로써, 테스트 피스 E1을 제작했다.

(실시예 2) 토출부로부터의 전해액의 유량을 25L/min으로 설정한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 테스트 피스 E2를 제작했다.

(실시예 3) 토출부로부터의 전해액의 유량을 30L/min으로 설정한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 테스트 피스 E3을 제작했다.

(비교예 1) 모재 A 대신에 모재 B를 사용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 테스트 피스 C1을 제작했다.

(비교예 2) 토출로부터의 전해액의 유량을 25L/min으로 설정한 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여 테스트 피스 C2를 제작했다.

(비교예 3) 토출부로부터의 전해액의 유량을 5L/min으로 설정한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 테스트 피스 C3을 제작했다.

(비교예 4) 토출부로부터의 전해액의 유량을 15L/min으로 설정한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 테스트 피스 C4를 제작했다.

[양극 산화피막의 막 두께의 측정] 얻어진 테스트 피스 E1 내지 E3 및 C1 내지 C4에 대하여, 하기 방법에 의해 양극 산화피막의 막 두께를 측정한바, 모두 15㎚였다. 양극 산화피막의 막 두께는, 피막의 단면을 SEM으로 관찰하고, 막 두께를 5개소에서 측정하여 그 평균값을 구함으로써 측정했다.

[기공률의 측정] 얻어진 테스트 피스 E1 내지 E3 및 C1 내지 C4에 대하여, 하기 방법에 의해 기공률을 측정했다. 양극 산화피막의 면적과 막 두께로부터 피막의 체적을 구하고, 또한 피막의 중량을 피막 제거 전후의 중량 차로부터 구하고, 피막의 부피 밀도를 산출한다. 얻어진 피막의 부피 밀도와 알루미나 밀도(3.9g/㎤)를 사용하여, 이하의 식에 의해 기공률을 산출한다.

기공률＝1－(피막의 부피 밀도/알루미나 밀도)

결과를 표 2에 나타낸다.

[나노 구멍의 표면 개구 직경의 측정] 얻어진 테스트 피스 E1 내지 E3 및 C1 내지 C4에 대하여, 하기 방법에 의해, 나노 구멍의 표면 개구 직경을 측정했다. 양극 산화피막의 표면을 SEM에 의해 촬영하여 SEM 화상을 얻었다. 얻어진 SEM 화상으로부터 나노 구멍의 원 상당 직경을 화상 해석 소프트웨어 WinROOF(미타니 쇼지 가부시키가이샤제)를 사용하여 구했다.

[나노 구멍의 내부 직경의 측정] 얻어진 테스트 피스 E1 내지 E3 및 C1 내지 C4에 대하여, 하기 방법에 의해, 나노 구멍의 내부 직경을 측정했다. 크로스 섹션 폴리셔 등을 사용하여 양극 산화피막을 깎고, 노출된 표면을 SEM에 의해 촬영하여 SEM 화상을 얻었다. 얻어진 화상으로부터 나노 구멍의 원 상당 직경을 화상 해석 소프트웨어 WinROOF(미타니 쇼지 가부시키가이샤제)를 사용하여 구했다.

[40℃ 강하 시간의 측정(스윙 특성 평가 시험)] 얻어진 테스트 피스 E1 내지 E3 및 C1 내지 C4에 대하여, 하기 방법에 의해 양극 산화피막의 스윙 특성을 평가했다.

도 12a에 도시한 바와 같이, 편면에만 양극 산화피막을 실시한 상술한 테스트 피스(TP)를 사용하여, 배면(양극 산화피막을 실시하지 않고 있는 면)을 750℃의 고온 분사로 가열하여 테스트 피스의 전체를 250℃ 정도의 일정한 온도로 유지한다. 이어서, 미리 소정의 유속으로 실온 분류를 흘려 둔 노즐을 테스트 피스의 정면(양극 산화피막을 실시하고 있는 면)으로 이동시키고, 냉각을 개시한다. 또한, 노즐로부터는, 25℃의 냉각 에어가 제공되고, 이때, 배면의 고온 분사는 계속된다. 그리고, 테스트 피스의 양극 산화피막의 표면의 온도를 방사 온도계로 측정하고, 그 냉각 시의 온도 저하를 측정하여, 도 12b에 도시하는 냉각 곡선을 작성한다. 이 냉각 시험은 연소실 내벽의 흡기 행정을 모의한 시험 방법이고, 가열된 단열 피막 표면의 냉각 속도를 평가하는 것이다. 또한, 저열전도율이고 또한 저열용량의 단열 피막의 경우에는 급랭 속도가 빨라지는 경향을 나타낸다. 작성된 냉각 곡선으로부터 40℃ 저하되는 데 필요로 하는 시간을 판독하고, 40℃ 강하 시간으로서 피막의 열특성을 평가했다.

또한, 양극 산화피막의 성능에 의해 달성하는 하나의 목표값으로서, 5％의 연비 개선율을 들 수 있다. 이 5％의 연비 개선율은, 실험 시에 계측 오차로서 묻히는 일 없이 연비 향상률을 명확하게 증명할 수 있고, 또한 배기 가스 온도의 상승에 의해 NOx 저감 촉매의 난기 시간을 단축하여 NOx의 저감을 실현할 수 있는 값이다. 여기서, 도 13은 본 발명자들에 의해 특정되어 있는 연비 향상률과 냉각 시험에 있어서의 40℃ 강하 시간의 상관 그래프를 도시하고 있다. 이 도 13으로부터, 5％의 연비 개선율에 상당하는 냉각 시험에 있어서의 40℃ 강하 시간은 45밀리초로 특정되어 있고, 45밀리초 이하를 우수한 스윙 특성을 나타내는 하나의 지표로 할 수 있다.

기공률의 측정, 스윙 특성의 평가 결과를 하기 표 2에 나타낸다.

표 2로부터, 실시예 1 내지 3에 있어서, 45밀리초의 40℃ 강하 시간이 얻어져 있고, 테스트 피스 E1 내지 E3이 우수한 스윙 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 도 14에, 45msec 달성 기공률과 양극 산화피막의 막 두께의 관계에 관한 실험 결과를 나타낸 도면을 도시한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 양극 산화피막이 두꺼워지면, 40℃ 강하 시간으로서 45밀리초를 만족시키는 데 필요한 양극 산화피막의 기공률은 낮아지는 것을 알 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 있어서의 양극 산화피막의 막 두께는 15㎛ 이상이라고 규정되어 있기 때문에, 기공률이 23％ 이상이면, 40℃ 강하 시간으로서 45밀리초를 만족시키게 된다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 상세하게 설명했지만, 구체적인 구성은 이 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서의 설계 변경 등이 있어도, 그것들은 본 발명에 포함되는 것이다.

Claims

연소실(NS)에 면하는 알루미늄계 벽면의 적어도 일부에 양극 산화피막(10)을 구비하는 내연 기관이며,
상기 양극 산화피막(10)은, 상기 양극 산화피막(10)의 대략 두께 방향으로 연장되는 복수의 나노 구멍(1c)과, 해당 양극 산화피막(10)의 표면으로부터 내부를 향해 연장되는 제1 마이크로 구멍(1a)과, 해당 양극 산화피막(10)의 내부에 존재하는 제2 마이크로 구멍(1b)을 갖고,
상기 나노 구멍(1c)의 상기 양극 산화피막(10)의 표면에 있어서의 표면 개구 직경은 0㎚ 이상 30㎚ 미만이고,
상기 나노 구멍(1c)의 내부에 있어서의 내부 직경은 상기 표면 개구 직경보다도 크고,
상기 양극 산화피막(10)의 막 두께는 15㎛ 이상 130㎛ 이하이고,
상기 양극 산화피막(10)의 기공률은 23％ 이상인, 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 나노 구멍(1c)의 표면 개구 직경과 상기 내부 직경의 차가 7㎚ 이상인, 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 나노 구멍(1c)이, 상기 양극 산화피막(10)의 표면에 개구되어 있지 않은, 내연 기관.
제3항에 있어서, 상기 나노 구멍(1c)의 표면 개구 직경과 상기 내부 직경의 차가 20㎚ 이상인, 내연 기관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄계 벽면을 형성하는 알루미늄계 재료가, Si 및 Cu에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하고,
해당 금속의 알루미늄계 재료 중의 함유량이 5질량％ 이상인, 내연 기관.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양극 산화피막(10) 위에 밀봉물이 배치되어 있지 않은, 내연 기관.
제6항에 있어서,상기 양극 산화피막(10)이 상기 연소실(NS)에 노출되어 있는, 내연 기관.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내연 기관이 피스톤(120)을 구비하고,
상기 양극 산화피막이 적어도 피스톤 정상면(PS')에 형성되어 있는, 내연 기관.
제8항에 있어서, 상기 피스톤 정상면(PS')에 형성된 양극 산화피막(10)이, 막 두께가 15㎛ 이상 60㎛ 이하인 박막부를 포함하는, 내연 기관.
제9항에 있어서, 상기 박막부가, 상기 피스톤 정상면(PS') 중 텀블류를 형성하는 데 실질적으로 기여하는 부분에 배치되어 있는, 내연 기관.
제10항에 있어서, 상기 박막부 이외의 상기 피스톤 정상면(PS')에 형성된 양극 산화피막(10)의 막 두께가 60㎛ 초과 100㎛ 이하인, 내연 기관.
제9항에 있어서, 상기 피스톤 정상면(PS')이 캐비티부(170)를 포함하고,
해당 캐비티부(170)에 상기 박막부가 배치되어 있는, 내연 기관.
제12항에 있어서, 상기 피스톤 정상면(PS')이 밸브 리세스부(180a, 180b)를 더 포함하고,
상기 캐비티부(170)에 더하여 상기 밸브 리세스부(180a, 180b)에도 상기 박막부가 배치되어 있는, 내연 기관.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 피스톤 정상면(PS')이 스퀴시부(190)를 더 포함하고,
상기 스퀴시부(190)에 있어서의 양극 산화피막(10)의 막 두께가 60㎛ 초과 100㎛ 이하인, 내연 기관.
제9항에 있어서, 상기 피스톤 정상면(PS')의 중심을 포함하는 중앙 영역(210)에 상기 박막부가 배치되고,
상기 중앙 영역(210)의 외측에 위치하는 외측 영역(220)에 배치된 양극 산화피막(10)의 막 두께가 60㎛ 초과 100㎛ 이하인, 내연 기관.
제15항에 있어서, 상기 중앙 영역(210)의 면적과 상기 외측 영역(220)의 면적의 비가 1:5 내지 5:1인, 내연 기관.