JP2017014906A - 遮熱膜の製造方法及び内燃機関の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法において、従来よりも生産性を向上させる。
【解決手段】燃焼室５を形成するシリンダヘッド４に設けられたバルブ穴４ｂ，４ｃをバルブ６，７によって閉鎖する閉鎖工程Ｓ３と、バルブ６，７によってバルブ穴４ｂ，４ｃを閉鎖した状態で燃焼室５に臨むシリンダヘッド４の底面４ａ及びバルブ６，７の底面６ａ，７ａに溶射材を溶射して遮熱膜８を形成する溶射工程Ｓ４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車のエンジン等の内燃機関の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法に関する。

従来からエンジン燃焼室を構成する部品の基材表面に断熱層が形成されたエンジン燃焼室部材の断熱構造体の製造方法が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載の方法は、エンジン燃焼室を構成する部品の基材表面に断熱層が形成された断熱構造体の製造方法であって、上記部品を用意し、無機酸化物の中空状粒子とＳｉ系樹脂とを混合し、当該混合物を上記部品の基材表面に塗布する樹脂塗布工程と、上記混合物の塗布表面を、３５０℃以上の温度で加熱して酸化させる表面酸化工程と、を含む。

特許文献１に記載の方法において、上記表面酸化工程は、エンジンの組立後に実施されるエンジンの着火試験の際に行われる。このように、特許文献１によれば、エンジンの着火試験の際に混合物の塗布表面を酸化させてＳｉＯ_２を含む表面層を形成することで、断熱構造体の製造方法を大幅に簡略化することができ、また、エンジン燃焼室において燃焼熱に曝される部分だけが酸化されるので、表面層を形成する部分を必要最小限度に抑えることができる、とされている。

また、従来から内燃機関の燃焼室表面に燃焼生成物が付着堆積するのを防止するための表面処理方法が知られている（下記特許文献２を参照）。特許文献２に記載の表面処理方法は、内燃機関の燃焼室表面を構成する各部品の少なくとも該燃焼室に臨む表面、および該燃焼室に連なる吸、排気ポートの表面に、デポジットの付着防止を目的としたコーティング剤を塗布し、これら各部品を組付けた後機関を運転して、燃焼室に発生する燃焼ガスの熱により前記コーティング剤を焼結する。

特許文献２によれば、前記表面処理方法において燃焼室を構成する各部品の表面に塗布したコーティング剤は、これら部品を組付けて燃焼室を構成した後機関を運転することにより、該燃焼室に発生する高温の燃焼ガスの熱を有効利用して焼結するため、専用の焼結装置を不要とすることができて大幅なコストダウンを図ることができる、とされている。

特開２０１４−００１７１８号公報 特開２０００−０４５８５９号公報

前記従来の方法では、コーティング剤を塗布する際に、シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートに対する異物の侵入を防止するため、吸気ポート及び排気ポートをマスキング材で覆うマスキング工程を実施する必要があり、生産性が低下する。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法において、従来よりも生産性を向上することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の遮熱膜の製造方法は、内燃機関の遮熱膜の製造方法であって、少なくとも、燃焼室を形成するシリンダヘッドに設けられたバルブ穴をバルブによって閉鎖する閉鎖工程と、前記バルブによって前記バルブ穴を閉鎖した状態で前記燃焼室に臨む前記シリンダヘッド及び前記バルブの底面に溶射材を溶射して前記遮熱膜を形成する溶射工程と、を有することを特徴とする。

シリンダヘッドは、シリンダブロック及びピストン等のその他の部品とともに内燃機関の燃焼室を形成する部品であり、バルブ穴として吸気バルブ穴と排気バルブ穴とを有している。燃焼室を画成する各部材の母材としては、例えば、アルミニウム、鋼、チタン、ニッケル、銅、及びこれらの合金を用いることができる。バルブ穴は、シリンダヘッドに組み付けられたバルブによって開閉される。

本発明の遮熱膜の製造方法では、閉鎖工程においてシリンダヘッドのバルブ穴がバルブによって閉鎖される。溶射工程では、バルブによってバルブ穴が閉鎖された状態で、燃焼室に臨むシリンダヘッド及びバルブの底面に溶射材が溶射されて遮熱膜が形成される。遮熱膜の材料、すなわち溶射材としては、燃焼室を形成する各部材の母材と同様に、例えば、アルミニウム、鋼、チタン、ニッケル、銅、及びこれらの合金を用いることができる。

溶射工程は、例えば、溶射装置を用いて実施することができる。具体的には、溶射装置にアルミニウム粉末等の溶射材の粉末、冷却水、作動ガスであるアルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス等を充填し、溶射装置の電極間に電圧を印加する。これにより、溶射装置に充填された溶射材が、溶射装置の先端のシールド筒から不活性ガスによってプラズマジェットとなって放出され、燃焼室に臨むシリンダヘッド及びバルブの底面に溶射されて遮熱膜が形成される。

また、溶射工程で溶射材を溶射して遮熱膜を形成する前に、閉鎖工程によってシリンダヘッドに設けられたバルブ穴をバルブによって閉鎖することで、溶射材がバルブ穴に侵入するのを防止できる。したがって、溶射材がバルブ穴に侵入するのを防止するために溶射工程の前にマスキング材によってバルブ穴を覆うマスキング工程を省略することができ、マスキング工程を有する従来の方法よりも生産性を向上させることができる。さらに、溶射工程の後にマスキング材を除去するマスキング材除去工程も省略することができ、マスキング材除去工程を有する従来の方法よりも、生産性を向上させることができる。

また、本発明の内燃機関の製造方法は、前述の遮熱膜の製造方法を用いた内燃機関の製造方法であって、閉鎖工程において、内燃機関の運転時にバルブ穴がバルブによって開閉可能になるように、バルブをシリンダヘッドに組み付けることを特徴とする。閉鎖工程において、シリンダヘッドのバルブ穴にバルブを単に配置して閉鎖するだけでなく、シリンダヘッドに対するバルブの組み付け工程を完了することで、溶射工程の後にシリンダヘッドからバルブを取り外して再度シリンダヘッドにバルブを組み付ける必要がなく、生産性が向上する。

また、本発明の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法は、閉鎖工程において、バルブ穴の開口部に傾斜面を有するシリンダヘッドと、該開口部の傾斜面に対応する傾斜面を有するバルブとを用いることができる。この場合、シリンダヘッドの傾斜面とバルブの傾斜面とを当接させて開口部を閉鎖する。これにより、マスキング材によって密閉することが困難な傾斜面を有するバルブ穴の開口部を、バルブによって確実に閉鎖し、バルブ穴への異物の侵入をより確実に防止することができる。

なお、本発明の内燃機関の製造方法において、閉鎖工程及び溶射工程以外の工程については、従来の内燃機関の製造方法と同様の工程を実施することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法によれば、マスキング工程を省略して、従来よりも生産性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の製造方法による内燃機関の要部断面図。 本発明の実施形態に係る遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法を示すフロー図。 従来の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法を示すフロー図。

以下、本発明の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。

まず、図１を参照して本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法によって製造される内燃機関について説明する。図１は、本実施形態の内燃機関の製造方法による内燃機関１の要部断面図である。

内燃機関１は、例えば、自動車のガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関であり、ピストン２と、シリンダブロック３と、シリンダヘッド４とを備え、これらの部材によって燃焼室５が形成されている。

燃焼室５は、シリンダブロック３のボア面３ａと、このボアに組み込まれたピストン２の頂面２ａと、シリンダヘッド４の底面４ａと、シリンダヘッド４内に配設された吸気バルブ６及び排気バルブ７の底面６ａ，７ａによって画成されている。燃焼室５を画成する各部材の母材としては、例えば、アルミニウム、鋼、チタン、ニッケル、銅、及びこれらの合金を用いることができる。

シリンダヘッド４は、バルブ６，７によって開閉される複数のバルブ穴４ｂ，４ｃを有し、具体的には、吸気バルブ６によって開閉される吸気バルブ穴４ｂと、排気バルブ７によって開閉される排気バルブ穴４ｃとを有している。バルブ穴４ｂ，４ｃの開口部には、バルブ６，７の傾斜面６ｂ，７ｂの形状に対応する形状の傾斜面４ｄが設けられている。バルブ穴４ｂ，４ｃの開口部の傾斜面４ｄが、バルブ６，７の傾斜面６ｂ，７ｂに当接することで、バルブ穴４ｂ，４ｃが密閉される。

燃焼室５を画成するシリンダヘッド４の底面４ａと吸気バルブ６及び排気バルブ７の底面６ａ，７ａには、遮熱膜８が形成されている。遮熱膜８は、燃焼室５に臨む壁面の一部であるシリンダヘッド４の底面４ａと吸気バルブ６及び排気バルブ７の底面６ａ，７ａに形成されている。なお、遮熱膜８は、ピストン２の頂面２ａとシリンダブロック３のボア面３ａを含む、燃焼室５に臨む壁面の全部に形成してもよい。遮熱膜８は、例えば、金属と該金属の酸化物である金属酸化物によって形成された複数の層によって構成することができる。

遮熱膜８の材料としては、燃焼室５を画成する各部材の母材と同様に、例えば、アルミニウム、鋼、チタン、ニッケル、銅、及びこれらの合金を用いることができる。遮熱膜８は、車両の定常走行時において高燃費かつ高効率なエンジン性能に寄与する観点から、例えば、λ=0.4(W/mK)程度以下の低熱伝導率であり、かつ体積比熱容量が1200(kJ/m³K)程度以下の低熱容量であることが好ましい。

内燃機関１は、図示を省略する燃料噴射弁と点火プラグとを備えている。内燃機関１は、吸気バルブ６を開いて吸気バルブ穴４ｂから燃焼室５に空気を取り込むときに燃料噴射弁によって燃料を噴射して混合気を生成し、点火プラグによって燃焼室５内の混合気に点火した後、排気バルブ７を開いて排気バルブ穴４ｃから燃焼室５内の排気を排出する。

以下、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法について、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法を示すフロー図である。

本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法は、燃焼室５を形成するシリンダヘッド４に設けられたバルブ穴４ｂ，４ｃをバルブ６，７によって閉鎖する閉鎖工程Ｓ３と、バルブ６，７によってバルブ穴４ｂ，４ｃを閉鎖した状態で燃焼室５に臨むシリンダヘッド４の底面４ａ及びバルブ６，７の底面６ａ，７ａに溶射材を溶射して遮熱膜８を形成する溶射工程Ｓ４と、を有することを最大の特徴としている。

より詳細には、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法では、閉鎖工程Ｓ３及び溶射工程Ｓ４の前に、シリンダヘッド製造工程Ｓ１及びバルブ製造工程Ｓ２が実施される。また、シリンダヘッド製造工程Ｓ１及びバルブ製造工程Ｓ２と並行して、シリンダブロック３、ピストン２等、内燃機関１のその他の部品の製造工程が実施されるが、これらの製造工程については、説明を省略する。

シリンダヘッド製造工程Ｓ１は、シリンダヘッド鋳造工程Ｓ１１と切削工程Ｓ１２とを含む。シリンダヘッド鋳造工程Ｓ１１では、燃焼室５を形成する部材の母材として挙げた材料を溶融させてシリンダヘッド４を鋳造する。切削工程Ｓ１２では、鋳造されたシリンダヘッド４を切削する。切削工程Ｓ１２において、シリンダヘッド４のバルブ穴４ｂ，４ｃの開口部に傾斜面４ｄが設けられる。

傾斜面４ｄは、バルブ穴４ｂ，４ｃの開口部の全周に亘って、バルブ穴４ｂ，４ｃの開口端から深さ方向の所定の範囲に設けられ、燃焼室５に近付くにしたがって開口部が拡径し、燃焼室５から遠ざかるにしたがって開口部が縮径するように傾斜している。バルブ穴４ｂ，４ｃの開口部の傾斜面４ｄの形状は、バルブ穴４ｂ，４ｃの開口部を開閉するバルブ６，７の傾斜面６ｂ，７ｂの形状に対応して設けられる。これにより、バルブ穴４ｂ，４ｃの開口部の傾斜面４ｄは、バルブ６，７の傾斜面６ｂ，７ｂに当接してバルブ穴４ｂ，４ｃを密閉する。

バルブ製造工程Ｓ２は、シリンダヘッド製造工程Ｓ１と並行して実施される。閉鎖工程Ｓ３では、バルブ製造工程Ｓ２で製造されたバルブ６，７によってシリンダヘッド４に設けられたバルブ穴４ｂ，４ｃを閉鎖する。本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法では、閉鎖工程Ｓ３において、内燃機関１の運転時にシリンダヘッド４のバルブ穴４ｂ，４ｃがバルブ６，７によって開閉されるように、バルブ６，７をシリンダヘッド４に完全な状態で組み付ける。

なお、閉鎖工程Ｓ３では、必ずしもバルブ６，７をシリンダヘッド４に完全な状態で組み付ける必要はなく、単にバルブ６，７によってバルブ穴４ｂ，４ｃを閉鎖するように、バルブ６，７をバルブ穴４ｂ，４ｃに仮配置するだけでもよい。閉鎖工程Ｓ３の終了後、シリンダヘッド４のバルブ穴４ｂ，４ｃをバルブ６，７によって閉鎖した状態で、溶射工程Ｓ４を実施する。

溶射工程Ｓ４では、燃焼室５を形成するシリンダヘッド４に設けられたバルブ穴４ｂ，４ｃをバルブ６，７によって閉鎖した状態で、燃焼室５に臨むシリンダヘッド４の底面４ａ及びバルブ６，７の底面６ａ，７ａに溶射材を溶射して遮熱膜８を形成する。

より詳細には、例えば、図示を省略する溶射装置を用意し、溶射装置にアルミニウム粉末等の溶射材の粉末、冷却水、及び作動ガスであるアルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを充填し、溶射装置の電極間に電圧を印加する。これにより、溶射装置に充填された溶射材が、溶射装置の先端のシールド筒から不活性ガスによってプラズマジェットとなって放出され、燃焼室５に臨むシリンダヘッド４の底面４ａ及びバルブ６，７の底面６ａ，７ａに溶射されて遮熱膜８が形成される。

本実施形態の内燃機関の製造方法は、溶射工程Ｓ４の後に、内燃機関１を組み立てる内燃機関組立工程Ｓ５を実施することで、完成品としての内燃機関１を得る。内燃機関組立工程Ｓ５は、シリンダヘッド４とシリンダブロック３とを組み付ける工程を含む。

ここで、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法の効果を説明するために、本実施形態の方法と従来の方法とを比較する。

図３は、溶射によって遮熱膜８を形成する従来の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法を示すフロー図である。図３に示す従来の方法では、図２に示す本実施形態の製造方法と同様にシリンダヘッド製造工程Ｓ１を有しているが、その後、マスキング工程Ｓ６を実施している点で異なっている。マスキング工程Ｓ６では、シリンダヘッド４のバルブ穴４ｂ，４ｃに溶射材等の異物が侵入するのを防止するために、バルブ穴４ｂ，４ｃをマスキング材によって覆う。

図３に示す従来の方法では、マスキング工程Ｓ６の完了後、シリンダヘッド４の溶射工程Ｓ４１を実施し、燃焼室５に臨むシリンダヘッド４の底面４ａに遮熱膜８を形成する。また、シリンダヘッド４の溶射工程Ｓ４１とは別に、バルブ製造工程Ｓ２によって製造したバルブ６，７の溶射工程Ｓ４２を実施し、燃焼室５に臨むバルブ６，７の底面６ａ，７ａに遮熱膜８を形成する。また、シリンダヘッド４の溶射工程Ｓ４１の完了後、マスキング材を除去するマスキング材除去工程Ｓ７を実施する。その後、遮熱膜８が形成されたシリンダヘッド４に遮熱膜８が形成されたバルブ６，７を組み付ける組付工程Ｓ８を実施する。その後、シリンダヘッド４とシリンダブロック３とを組み付ける工程を含む内燃機関組立工程Ｓ９を実施する。

これに対し、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法は、溶射工程Ｓ４の前にシリンダヘッド４のバルブ穴４ｂ，４ｃをバルブ６，７によって閉鎖する閉鎖工程Ｓ３を実施し、その状態で溶射工程Ｓ４を実施する。そのため、溶射工程Ｓ４においてバルブ６，７によってバルブ穴４ｂ，４ｃに溶射材等の異物が侵入するのを防止することができ、バルブ穴４ｂ，４ｃをマスキング材によって覆うマスキング工程Ｓ６及びそのマスキング材を除去するマスキング材除去工程Ｓ７を省略することができる。したがって、従来よりも内燃機関１の製造工程を簡略化し、生産性を向上させることができる。

また、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法では、溶射工程Ｓ４において、シリンダヘッド４の底面４ａ及びバルブ６，７の底面６ａ，７ａに遮熱膜８を一括して形成することができる。これにより、シリンダヘッド４とバルブ６，７に対する遮熱膜８の形成を別の溶射工程Ｓ４１，Ｓ４２で実施する従来の方法と比較して、工程を削減して生産性を向上させることができる。

また、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法では、閉鎖工程Ｓ３において、内燃機関１の運転時にシリンダヘッド４のバルブ穴４ｂ，４ｃをバルブ６，７によって開閉させることができるように、バルブ６，７をシリンダヘッド４に完全な状態で組み付けている。そのため、閉鎖工程Ｓ３において、シリンダヘッド４のバルブ穴４ｂ，４ｃにバルブ６，７を単に仮配置して閉鎖するだけの場合と異なり、溶射工程Ｓ４の後にシリンダヘッド４からバルブ６，７を取り外し、内燃機関組立工程Ｓ５の前にシリンダヘッド４にバルブ６，７を組み付ける組付工程を実施する必要がなくなり、生産性が向上する。

なお、閉鎖工程Ｓ３において、単にバルブ６，７をバルブ穴４ｂ，４ｃに仮配置して閉鎖するだけの場合は、内燃機関組立工程Ｓ５の前にバルブ６，７をシリンダヘッド４に組み付ける組付工程を実施する必要がある。しかし、この場合には、溶射工程Ｓ４においてバルブ６，７に対する溶射が不十分であった場合に、シリンダヘッド４からバルブ６，７を容易に取り外して、再度、バルブ６，７のみに溶射を行うことが容易になる。

また、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法では、閉鎖工程Ｓ３において、バルブ穴４ｂ，４ｃの開口部に傾斜面４ｄを有するシリンダヘッド４と、バルブ穴４ｂ，４ｃの開口部の傾斜面４ｄに対応する傾斜面６ｂ，７ｂを有するバルブ６，７とを用いている。そして、シリンダヘッド４の傾斜面４ｄとバルブ６，７の傾斜面６ｂ，７ｂとを当接させてバルブ穴４ｂ，４ｃの開口部を閉鎖している。それにより、マスキング材によって密閉することが困難な傾斜面４ｄを有するバルブ穴４ｂ，４ｃの開口部を、バルブ６，７によって確実に密閉し、バルブ穴４ｂ，４ｃへの異物の侵入をより確実に防止することができる。

以上説明したように、本実施形態の遮熱膜の製造方法及びそれを用いた内燃機関の製造方法によれば、マスキング工程Ｓ６及びマスキング材除去工程Ｓ７を省略して、従来よりも生産性を向上させることができる。なお、本実施形態の内燃機関の製造方法において、図２に示す工程以外の工程については、従来の内燃機関の製造方法と同様の工程を採用することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、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。

１ 内燃機関
４ シリンダヘッド
４ａ 底面
４ｂ 吸気バルブ穴（バルブ穴）
４ｃ 排気バルブ穴（バルブ穴）
４ｄ 傾斜面
５ 燃焼室
６ 吸気バルブ（バルブ）
６ａ 底面
６ｂ 傾斜面
７ 排気バルブ（バルブ）
７ａ 底面
７ｂ 傾斜面
８ 遮熱膜
Ｓ３ 閉鎖工程
Ｓ４ 溶射工程

Claims (2)

1. 内燃機関の遮熱膜の製造方法であって、
   燃焼室を形成するシリンダヘッドに設けられたバルブ穴をバルブによって閉鎖する閉鎖工程と、前記バルブによって前記バルブ穴を閉鎖した状態で前記燃焼室に臨む前記シリンダヘッド及び前記バルブの底面に溶射材を溶射して遮熱膜を形成する溶射工程と、を有することを特徴とする遮熱膜の製造方法。
2. 請求項１に記載の遮熱膜の製造方法を用いた内燃機関の製造方法であって、
   前記閉鎖工程において、前記内燃機関の運転時に前記バルブ穴が前記バルブによって開閉されるように前記バルブを前記シリンダヘッドに組み付けることを特徴とする内燃機関の製造方法。

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