内燃机及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201480043432.9 | 申请日 | 2014-07-30 | 公开(公告)号 | CN105452503B | 公开(公告)日 | 2017-11-21 |
| 申请人 | 丰田自动车株式会社; | 发明人 | 西川直树; 牧野浩; 高岸令央奈; 川口晓生; 胁坂佳史; 清水富美男; 堀江俊男; | ||||
| 摘要 | 在其中 阳极 氧 化 物膜(10)在面对 燃烧室 的一部分或所有壁表面上形成的 内燃机 中，阳极氧化物膜(10)具有30μm至170μm的厚度，阳极氧化物膜(10)具有微米级直径的第一微孔(1a)、具有 纳米级 直径的纳米孔和具有微米级直径的第二微孔(1b)，其中第一微孔(1a)和纳米孔在阳极氧化物膜(10)的厚度方向或基本厚度方向上从阳极氧化物膜(10)的表面向阳极氧化物膜(10)的内部延伸，第二微孔(1b)提供于阳极氧化物膜(10)内部，将至少一部分第一微孔(1a)和纳米孔用由封闭剂(2)转化的封闭件(2)密封，且不将至少一部分第二微孔(1b)密封。 | ||||||
| 权利要求 | 1.内燃机，其中阳极氧化物膜在面对燃烧室的一部分或所有铝基壁表面上形成，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 内燃机及其制造方法[0001] 发明背景1.发明领域 [0003] 2.相关技术描述 [0004] 内燃机，例如汽油机和柴油机主要由发动机气缸体、气缸盖和活塞形成。内燃机的燃烧室由气缸体的镗孔面、组装在镗孔中的活塞的顶面、气缸盖的底面和置于气缸盖中的进气和排气阀的顶面限定。随着近来内燃机的高功率要求，重要的是降低内燃机的冷却损失。作为降低冷却损失的一个措施，存在在燃烧室的内壁上形成由陶瓷构成的绝热膜的方法。 [0006] 为此，在燃烧室内表面上形成的绝热膜理想地由不仅具有耐热性和绝热性能，当然还具有低热导率和低热容量的材料形成。即，为了不稳态地提高壁温度，膜应具有低热容量以在进气冲程中遵循新鲜空气温度而降低壁温度。此外，除了低热导率低热容量之外，膜理想地由可经得住燃烧室中燃烧时的爆炸压力、注射压力以及热膨胀和热收缩的重复应力并且具有对基体材料如气缸体的高附着力的材料形成。 [0007] 关于现有已知技术，日本专利申请公开No.58-192949(JP 58-192949 A)描述了一种活塞，其中耐酸铝层在顶面上形成且陶瓷层在耐酸铝层的表面上形成，和活塞的制造方法。用该活塞，耐酸铝层在顶面上形成，所以活塞具有优异的耐热性能和优异的绝热性能。 [0008] 这样，用在面对内燃机的燃烧室的壁表面上形成的耐酸铝层(阳极氧化物膜)，可形成具有优异绝热性能、低热导率和低热容量的内燃机。除这些能力外，优异的摆动特性也是阳极氧化物膜所需的重要能力。“摆动特性”为尽管阳极氧化物膜具有绝热能力，阳极氧化物膜的温度遵循燃烧室中的气体温度的特性。 [0009] 顺便提及，当显微镜观察上述阳极氧化物膜时，阳极氧化物膜具有这一结构：大量孔相互邻接，大量裂纹存在于阳极氧化物膜的表面上，一部分裂纹向内(即在阳极氧化物膜的厚度方向或基本厚度方向上)延伸，且在不同于厚度方向的方向(与厚度方向垂直的水平方向或基本水平方向)上延伸的大量内部缺陷存在于膜中。发明人等人确定这些裂纹和内部缺陷为具有约1μm至100μm的微米级直径(或横截面上的最大直径)的微孔。“裂纹”源自铸造铝合金的结晶产物。 [0010] 除上述微米级裂纹和内部缺陷外，阳极氧化物膜内部还存在具有纳米级直径的大量小孔(纳米孔)。一般而言，还存在纳米孔以在阳极氧化物膜的厚度方向或基本厚度方向上从阳极氧化物膜的表面延伸。“纳米孔”源自阳极化且规则地排列。 [0011] 这样，待形成的阳极氧化物膜通常具有具有微米级直径或横截面最大尺寸的微孔如表面裂纹和内部缺陷，和大量纳米级纳米孔。 [0012] 发明人等人在日本专利申请公开No.2013-060620(JP 2013-060620 A)中描述了涉及内燃机的技术，其中具有低热导率、低热容量、优异绝热性能和优异转换特性的阳极氧化物膜提供于面对燃烧室的一部分或所有壁表面上，和内燃机的制造方法。更具体而言，大量纳米孔在其中封闭剂不渗入纳米孔中的状态下通过将孔密封处理应用于存在于在面对燃烧室的壁表面上形成的阳极氧化物膜内部的纳米级小孔而形成，因此保持至少一部分纳米孔不被密封。随后，将封闭剂应用于较大的微米级间隙中，因此将至少一部分间隙用由以上封闭剂转化的封闭件密封。因此，内燃机，其中具有优异绝热性能、高强度和优异摆动特性的阳极氧化物膜在面对燃烧室的一部分或所有壁表面上提供。 [0013] 用JP 2013-060620 A所述内燃机及其制造方法，确保预定的孔隙率，因为纳米孔不密封，且这确保绝热性能。然而，难以确保足够的孔隙率，因为不密封的孔是纳米孔。因此，需要提高阳极氧化物膜的厚度以确保绝热性能。例如，可通过将阳极氧化物膜的厚度设置为约300-500μm而形成具有优异绝热性能的阳极氧化物膜；然而，形成具有该厚度的阳极氧化物膜耗费一定制造时间，导致制造成本的提高。 [0014] 发明概述 [0015] 本发明提供内燃机，其中在面对燃烧室的一部分或所有壁表面上提供具有低热导率、低热容量、优异绝热性能、优异摆动特性和极薄厚度的阳极氧化物膜，和内燃机的制造方法。 [0016] 本发明的第一方面提供其中阳极氧化物膜在面对燃烧室的一部分或所有铝基壁表面上形成的内燃机。在内燃机中，阳极氧化物膜具有30μm至170μm的厚度，阳极氧化物膜具有具有微米级直径的第一微孔、具有纳米级直径的纳米孔和具有微米级直径的第二微孔，其中第一微孔和纳米孔在阳极氧化物膜的厚度方向或基本厚度方向上从阳极氧化物膜的表面向阳极氧化物膜的内部延伸，第二微孔提供于阳极氧化物膜的内部，将至少一部分第一微孔和纳米孔用由封闭剂转化的封闭件密封，且不将至少一部分第二微孔密封。 [0017] 根据本发明第一方面的内燃机包含在燃烧室的一部分或所有上的阳极氧化物膜(或热屏蔽膜)。然而，将在阳极氧化物膜的厚度方向或基本厚度方向上从阳极氧化物膜的表面向阳极氧化物膜的内部延伸的至少一部分具有微米级直径的第一微孔和具有纳米级直径的纳米孔密封；而不将存在于膜内部的至少一部分第二微孔密封。因此，容许阳极氧化物膜甚至以小的厚度具有高孔隙率且具有高绝热性能。这样，当将至少一部分第一微孔和纳米孔用封闭件密封时，可抑制发动机气缸中的高温高压燃烧气体进入膜的内部。如果不能抑制燃烧气体进入膜的内部，则绝热效果在气体进入的部分降低，所以绝热效果在膜的整体降低。另一方面，当如上所述密封时，可抑制燃烧气体进入膜的内部，所以可行使而不损害膜的原始绝热能力。 [0018] 此处，“第一微孔”意指从阳极氧化物膜的表面延伸至阳极氧化物膜的内部的裂纹，且“第二微孔”意指不存在于阳极氧化物膜的表面上，而是存在于膜的内部的内部缺陷。 [0019] 短语“将至少一部分第一微孔和纳米孔用由封闭剂转化的封闭件密封”不仅意指其中将存在于阳极氧化物膜中的具有微米级直径的第一微孔和具有纳米级直径的纳米孔用封闭件密封的模式，而且例如意指其中将存在于阳极氧化物膜的表面层至特定深度的范围内的第一微孔和纳米孔密封，且存在于比该深度更深的范围内的第一微孔和纳米孔不密封的模式。 [0020] 短语“不将至少一部分第二微孔密封”不仅意指其中存在于阳极氧化物膜中的所有具有微米级直径的第二微孔都不密封，而且例如存在于从阳极氧化物膜的表面层至特定深度的范围内的第二微孔密封且存在于比该深度更深的范围内的第二微孔不密封的模式，或者其中第二微孔的周围被封闭件密封且微孔内部未用封闭件填充的模式。 [0021] 在根据其中不在膜的表面层上提供，而是存在于膜内部的所有第二微孔都不密封的模式的阳极氧化物膜中，阳极氧化物膜能够确保高孔隙率和优异的绝热性能；然而，实际上，封闭剂还渗入与面对膜表面的第一微孔或纳米孔连通的第二微孔中，且那些第二微孔用封闭件密封。 [0022] 第一微孔和纳米孔在阳极氧化物膜的厚度方向或基本厚度方向上延伸。此处“基本厚度方向”意指包括例如第一微孔和纳米孔在相对于厚度方向倾斜的方向上延伸的模式和其中第一微孔和纳米孔相对于厚度方向以Z字形延伸的模式。 [0023] 另一方面，第二微孔例如包括其中第二微孔在阳极氧化物膜内部在与阳极氧化物膜的厚度方向垂直的方向上延伸的模式，其中第二微孔在相对于与厚度方向垂直的方向倾斜的方向上延伸的模式，和其中第二微孔相对于与厚度方向垂直的方向以Z字形延伸的模式。 [0024] 在说明书中，各个第一微孔、各个纳米孔等的“直径”字面上意指圆柱形状情况下的直径，并且在椭圆柱形状或棱柱形状的情况下，意指横截面中具有最大尺寸的一侧。因此，对于具有不同于圆柱形状的形状的孔，“直径”读取为“具有当量面积的圆的直径”。 [0025] 措辞将微孔或纳米孔“密封”意指将封闭剂例如应用于构成微孔或纳米孔的裂纹或内部缺陷，且裂纹或内部缺陷被由封闭剂转化的封闭件填埋，将其封闭。特别地，如上文已经描述的，第二微孔意指微孔的周围用封闭件覆盖且微孔的内部未用封闭件填充。“封闭剂”为包含无机物质的涂料，且“封闭件”为由包含无机物质的涂料转化的物质。根据发明人，提供于在面对内燃机的燃烧室的壁表面上形成的阳极氧化物膜中的各个微米级微孔的直径或横截面最大尺寸通常确定落入约1至100μm的范围内，且各个纳米级纳米孔的直径或横截面最大尺寸通常确定落入约10至100nm的范围内。 [0026] 约1至100μm和约10至100nm的范围的上述确定可如下进行。分别从阳极氧化物膜的横截面的SEM图像照片数据和TEM图像照片数据中提取指定面积内的微孔和纳米孔，测量提取的微孔和纳米孔的直径或最大尺寸，并得到各平均值。因此，确定尺寸。 [0027] 本发明内燃机可意欲用于汽油机和柴油机中的任一种。如上文已经描述的，内燃机主要由发动机气缸体、气缸盖和活塞形成。内燃机的燃烧室由气缸体的镗孔面、组装在镗孔中的活塞的顶面、气缸盖的底面和置于气缸盖中的进气和排气阀的顶面限定。 [0028] 上述阳极氧化物膜可在面对燃烧室的所有壁表面上形成或者可仅在一部分壁表面上形成。在后一种情况下，例如膜可仅在活塞的顶面上或者仅在阀顶面上形成。 [0030] 用本发明内燃机，一部分或所有微米级第二微孔未密封，所以阳极氧化物膜甚至以30μm至170μm的厚度，即较小厚度，具有高孔隙率和优异的绝热性能。 [0031] 此处，用封闭件密封的阳极氧化物膜具有20-70％的孔隙率。 [0032] 根据发明人，已知阳极氧化物膜中微孔与纳米孔的比为约3:1。由于以各试片为原型，20-70％范围内的孔隙率的分解为第一和第二微孔占20-50％，且纳米孔占0-20％。以所有或一部分微米级第二微孔未密封的构型，可确保20-70％的孔隙率，所以内燃机包含具有高绝热性能的阳极氧化物膜。 [0034] 形成封闭件的封闭剂可以为聚硅氧烷、聚硅氮烷和硅酸钠中的任一种。其中，聚硅氧烷或聚硅氮烷，其为具有容许平滑地渗入阳极氧化物膜中的微孔或纳米孔中的粘度且包含能够不经高温加热(烧制)而固化并提供通过固化得到的极高硬度封闭件的室温固化无机物质的涂料。 [0035] 形成内燃机的铝基壁表面的铝基材料可包含Si、Cu、Mg、Ni和Fe中的至少一种作为合金组分。 [0036] Si、Cu、Mg、Ni和Fe由发明人确定为贡献于阳极氧化物膜中的微孔放大的元素。特别地，第二微孔的放大导致确保高孔隙率。 [0037] 本发明第二方面提供其中阳极氧化物膜在面对燃烧室的一部分或所有铝基壁表面上形成的内燃机的制造方法。该制造方法包括：在一部分或所有铝基壁表面上形成阳极氧化物膜的第一步骤，其中阳极氧化物膜具有具有微米级直径的第一微孔、具有纳米级直径的纳米孔和具有微米级直径的第二微孔，其中第一微孔和纳米孔在阳极氧化物膜的厚度方向或基本厚度方向上从阳极氧化物膜的表面向阳极氧化物膜的内部延伸，第二微孔在阳极氧化物膜内提供，阳极氧化物膜具有30μm至170μm的厚度；和形成经受密封的阳极氧化物膜的第二步骤，其中将封闭剂应用于阳极氧化物膜的表面上，封闭剂渗入至少一部分第一微孔和纳米孔中，封闭剂转化成封闭件，将至少一部分第一微孔和纳米孔用封闭件密封且不将至少一部分第二微孔密封。 [0038] 此处，封闭剂可以为如上文已经描述的聚硅氧烷、聚硅氮烷等。通过使用这些中的一种，封闭剂可较光滑地渗入小微米级或纳米级孔中，封闭剂可在较低温度下转化成二氧化硅，并且可在封闭剂固化成具有高硬度的固化产物(例如石英玻璃)以后改进阳极氧化物膜的强度。 [0040] 如上文已经描述的，待制造的阳极氧化物膜可具有20-70％的孔隙率。 [0041] 形成内燃机的铝基壁表面的铝基材料可包含Si、Cu、Mg、Ni和Fe中的至少一种作为合金组分。 [0042] 用本发明制造方法，至少将第一微孔和纳米孔用封闭剂密封，所以得到包含具有高硬度的阳极氧化物膜的内燃机。 [0043] 由于阳极氧化物膜具有30μm至170μm的厚度，即阳极氧化物膜是较薄的，形成阳极氧化物膜所需的时间可能是短的，结果是可降低制造成本。 [0044] 根据本发明人，例如在用于客车的小型增压直喷式柴油机中，在等于其中发动机转速为2100rpm且平均有效压力为1.6MPa的状态的最佳燃料经济点下，估计最多得到5％的燃料经济性改进。5％燃料经济性改进为可证实为显著区别且不被实验时的测量误差掩藏的值。与燃料经济性改进的同时，估计废气温度由于热屏蔽而提高约15℃。废气温度的提高有效地降低实际机器中恰在起动以后NOx还原催化剂的加热时间，且为证明NOx净化率改进和NOx降低的值。 [0045] 另一方面，在评估阳极氧化物膜的摆动特性时进行的冷却试验(快速冷却试验)中，阳极氧化物膜应用于其上的试片仅用于单侧面，试片的正面温度通过将具有预定温度的冷却空气喷射到试片的正面(阳极氧化物膜应用于其上的面)而降低，同时将背面(阳极氧化物膜未应用于其上的面)用预定的高温射流连续地加热，测量温度，产生由膜表面温度和时间形成的冷却曲线，并评估温降速率。温降速率为例如由图中读取膜表面温度降低40℃所需的时间，并评估为40℃温降时间。 [0046] 快速冷却试验在多个试片上进行，测量各个试片的40℃温降时间，并产生关于由燃料经济性改进率和40℃温降时间限定的多个图的近似曲线。 [0047] 当读取对应于上述5％燃料经济性改进率的40℃温降时间值时，发明人确认40℃温降时间为45msec这一事实。当40℃温降时间缩短时，膜的热导率和热容量降低，且燃料经济性改进效果提高。 [0048] 如从以上描述中所理解，用本发明内燃机及其制造方法，在阳极氧化物膜的厚度方向或基本厚度方向上从阳极氧化物膜的表面向阳极氧化物膜的内部延伸的至少一部分具有微米级直径的第一微孔和具有纳米级直径的纳米孔用封闭件密封；而不将存在于膜内部的至少一部分第二微孔密封。因此，可提供包含即使厚度为小的时，具有高孔隙率和高绝热性能的阳极氧化物膜的内燃机。 [0050] 下面参考附图描述本发明示例实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性，其中类似的数字表示类似的元件，且其中： [0051] 图1为示意性显示根据本发明一个实施方案将在面对内燃机的燃烧室的壁表面上形成的阳极氧化物膜中微孔和纳米孔密封以前的状态的纵断面图； [0052] 图2为图1中部分II的放大图； [0053] 图3为图1中箭头III方向上的视图； [0054] 图4为根据参比例的阳极氧化物膜的视图，其对应于图1； [0055] 图5为阐述通过根据本发明实施方案的内燃机的制造方法形成的阳极氧化物膜的视图； [0056] 图6为图5中的箭头VI方向上的视图； [0057] 图7为示意性地显示内燃机的纵断面图，其中阳极氧化物膜在面对燃烧室的所有壁表面上形成； [0058] 图8A为阐述冷却试验的概要的示意图； [0059] 图8B为显示基于冷却试验结果的冷却曲线和得自冷却曲线的40℃温降时间的图； [0060] 图9为冷却试验中燃料经济性改进率与40℃温降时间之间的关系图； [0061] 图10为显示关于45msec实现孔隙率与阳极氧化物膜之间的关系的试验结果的图； [0062] 图11为显示关于阳极氧化物膜的厚度与维氏硬度之间的关系的试验结果的图； [0063] 图12为显示关于阳极氧化物膜的厚度与孔隙率之间的关系的实验结果的图； [0064] 图13A为显示实施例2的截面图的SEM照片； [0065] 图13B为显示对比例3的截面图的SEM照片； [0066] 图14A为显示实施例2的平面图的TEM照片； [0067] 图14B为实施例2的平面图的EDX分析图； [0068] 图15为显示关于形成铝基壁表面的材料中Cu的量与孔隙率之间的关系的试验结果的图； [0069] 图16为显示关于形成铝基壁表面的材料中Si的量与孔隙率之间的关系的试验结果的图； [0070] 图17A为显示对比例4的截面图的SEM照片； [0071] 图17B为显示对比例6的截面图的SEM照片；和 [0072] 图17C为显示实施例4的截面图的SEM照片。 [0073] 实施方案详述 [0074] 在下文中参考附图描述根据本发明实施方案的内燃机及其制造方法。在所述实施例中，阳极氧化物膜在面对内燃机的燃烧室的所有壁表面上形成。然而，阳极氧化物膜可仅在面对燃烧室的一部分壁表面上形成，例如仅在活塞的顶面以及仅在阀的顶面上形成。 [0075] 内燃机及其制造方法的实施方案 [0076] 图1和图5以指定顺序显示内燃机的制造方法的流程图。更具体而言，图1为示意性地显示在面对本发明内燃机的燃烧室的壁表面上形成的阳极氧化物膜中微孔和纳米孔密封以前的状态的纵断面图。图2为图1中部分II的放大图。图3为图1中箭头III方向上的视图。 [0077] 首先，通过向面对内燃机的燃烧室(未显示)的铝基壁表面B上应用阳极化而形成阳极氧化物膜1。即，内燃机主要由发动机气缸体、气缸盖和活塞形成。内燃机的燃烧室由气缸体的镗孔面、组装在镗孔中的活塞的顶面、气缸盖的底面和置于气缸盖中的进气和排气阀的顶面限定。待形成的阳极氧化物膜在面对燃烧室的所有壁表面上形成。 [0078] 构成内燃机的燃烧室的铝基壁表面B可例如通过将铝、铝合金或铝化铁基材料阳极化而形成。在由铝或铝合金作为基础材料构成的壁表面上形成的阳极氧化物膜为耐酸铝。 [0079] 如图1所示，当显微镜观察到阳极氧化物膜1在构成燃烧室壁表面的铝基壁表面B的表面上形成时，第一微孔1a(纵向裂纹)存在于阳极氧化物膜1的表面上，且第二微孔1b(内部缺陷)存在于阳极氧化物膜1的内部。第一微孔1a在阳极氧化物膜1的厚度方向或基本厚度方向上延伸且具有微米级直径。第二微孔1b在阳极氧化物膜1的水平方向或基本水平方向上延伸且具有微米级直径。 [0080] 这些第一微孔1a和第二微孔1b具有约1-100μm的截面直径或最大尺寸。当不是普通铝合金，而是与普通铝合金相比包含Si、Cu、Mg、Ni、Fe中的至少一种的铝合金时，各微孔的直径或截面尺寸倾向于进一步提高。 [0081] 如图2和图3所示，除第一和第二微孔1a、lb外，大量纳米级小孔(纳米孔1c)也存在于阳极氧化物膜1内部。纳米孔1c以及第一微孔1a在阳极氧化物膜1的厚度方向或基本厚度方向上延伸。各个纳米孔1c的横截面的直径或最大尺寸为约10-100nm。 [0082] 根据本发明实施方案的内燃机的制造方法意欲在面对内燃机的燃烧室的壁表面上形成具有优异绝热性能的最薄阳极氧化物膜。具体而言，在制造方法中，将面对膜表面的第一微孔1a和纳米孔1c用封闭剂密封，但不将存在于膜内部的第二微孔1b密封。因此，膜具有高孔隙率，所以制造了具有优异绝热性能的膜，即使膜为薄层。 [0083] 因此，具有30μm至170μm的厚度t的薄层阳极氧化物膜1通过阳极化(第一步骤)在面对燃烧室的铝基壁表面B的表面上形成。 [0084] 由于在第一步骤中形成的阳极氧化物膜1的厚度t为小的，在膜的厚度方向或基本厚度方向上延伸的各个第一微孔1a的长度也是小的，所以第一微孔1a难以与存在于膜内部的第二微孔1b连通。以该结构，在随后的第二步骤中应用封闭剂时，封闭剂渗入第一微孔1a中，但不渗入第二微孔1b中。因此，可抑制第二微孔1b以防用封闭剂密封。 [0085] 图4显示在铝基壁表面B的表面上形成且具有300μm或更大的厚度t'的阳极氧化物膜1’。 [0086] 当厚度提高时，为表面裂纹的各个第一微孔1a'的长度也提高。因此，第一微孔1a'容易与存在于膜内部的第二微孔1b'连通，且存在在随后的第二步骤中应用的封闭剂通过第一微孔1a'并渗入第二微孔1b'中以将第二微孔1b'密封的高可能性。 [0087] 随后，如图5和图6所示，在第二步骤中，将封闭剂2应用于第一微孔1a和纳米孔1c上以用尽可能多的封闭剂2将至少一部分第一微孔1a和纳米孔1c密封且不将第二微孔1b密封，不与第一微孔1a连通。因此，形成应用于该结构的密封处理，使得将第一微孔1a和纳米孔1c用由封闭剂2转化的封闭件2密封并且不将第二微孔1b密封或基本不密封的阳极氧化物膜10。 [0088] 应用封闭剂2的方法可以为使阳极氧化物膜进入包含封闭剂2的外壳中的方法，将封闭剂2喷雾到阳极氧化物膜的表面上的方法，刮涂，旋涂，刷涂等。 [0089] 封闭剂2可以为聚硅氧烷、聚硅氮烷等。通过使用这些中的一种，容许封闭剂2较光滑地渗入小第一微孔1a或小纳米孔1c中，封闭剂2可以在较低的温度下转化成二氧化硅，并且可在封闭剂2固化成具有高硬度的固化产物如石英玻璃以后改进阳极氧化物膜10的厚度。 [0090] 这样，由于存在于形成的阳极氧化物膜10内部的部分或所有微米级第二微孔1b不密封，阳极氧化物膜10具有高孔隙率。因此，阳极氧化物膜10具有优异的绝热性能，尽管厚度是小的，即厚度为30μm至170μm。 [0091] 图7示意性地显示其中阳极氧化物膜10在面对燃烧室的所有壁表面上形成的内燃机。 [0092] 所述内燃机N意欲用于柴油机，并且大略由气缸体SB、气缸盖SH、进气口KP、排气口HP、进气阀KV、排气阀HV和活塞PS形成。冷却套J在气缸体SB内形成。气缸盖SH置于气缸体SB上。进气口KP和排气口HP限定在气缸盖SH内部。进气阀KV和排气阀HV分别安装在进气口KP和排气口HP面对燃烧室NS的开口处，以便可上下移动。提供活塞PS以便可上下通过气缸体SB的下部开口。当然，本发明内燃机可意欲用于汽油机。 [0093] 构成内燃机N的组件都由铝或铝合金(包括高强度铝合金)形成。特别地，铝材料包含Si、Cu、Mg、Ni和Fe中的至少一种作为合金内容物，所以促进各个微孔的直径放大，并且可改进孔隙率。 [0094] 在由内燃机N的组件限定的燃烧室NS的内部，阳极氧化物膜10在这些组件面对燃烧室NS处的壁表面(气缸镗孔面SB'、气缸盖底面SH'、活塞顶面PS'和阀顶面KV'、HV')上形成。 [0095] 摆动特性评估试验、强度评估试验及其结果 [0096] 发明人制造了通过在表2所示条件下在具有下表1所示组分组成的基础材料上形成阳极氧化物膜而得到的多个试片，通过同时进行冷却试验并进行强度试验而评估各阳极氧化物膜的摆动特性，并得到阳极氧化物膜的厚度、摆动特性和强度之间的关系。 [0097] 表1(各组分以质量％表示) [0098]组分 Cu Si Mg Zn Fe Mn Ti Al 合金1 0 12.0 0.78 0.11 0.18 <0.01 <0.01 余量 合金2 0.2 12.0 0.78 0.11 0.18 <0.01 <0.01 余量 合金3 0.4 12.0 0.78 0.11 0.18 <0.01 <0.01 余量 合金4 0.8 12.0 0.78 0.11 0.18 <0.01 <0.01 余量 合金5 0.4 0 0.78 0.11 0.18 <0.01 <0.01 余量 合金6 0.4 2.0 0.78 0.11 0.18 <0.01 <0.01 余量 合金7 0.4 5.0 0.78 0.11 0.18 <0.01 <0.01 余量 [0099] 表2 [0101] 将阳极氧化物膜的孔密封的方法以这样的方式进行：将阳极氧化物膜放入沸腾纯水中30分钟。在形成阳极氧化物膜时，封闭剂为聚硅氮烷，并产生使用二丁醚作为溶剂的20％聚硅氮烷溶液。应用封闭剂的方法以以下方式进行。将溶液用刷应用于具有所选择的厚度的阳极氧化物膜的整个表面上，在几分钟内将应用的溶液用暖空气干燥，然后将溶液用刷再次应用(重复该方法5次)，并将所得产物在烧成炉中在180℃下烧制8小时，因此将阳极氧化物膜的微孔和纳米孔密封。 [0102] 如图8A所示，摆动特性评估试验的概要如下。使用其中将阳极氧化物膜应用于单侧面上的试片TP。将整个试片TP通过用750℃的高温空气射流(图中的“热”)加热背面(未应用阳极氧化物膜的面)而稳定在约250℃下，室温射流预先以预定流速流过的喷嘴通过直线电机移到试片TP正面(阳极氧化物膜应用于其上的面)的前面，然后开始冷却(这提供25℃冷却空气(图中的“空气”)，此时高温空气射流继续向背面)。试片TP的阳极氧化物膜表面的温度通过外部提供的辐射温度计测量，测量冷却时的温度降低，并产生图8B所示冷却曲线。冷却试验为模拟进气冲程中燃烧室内壁，并评估绝热膜的热表面上的冷却速率的试验方法。在具有低热导率和低热容量的绝热膜的情况下，快速冷却的速率倾向于提高。 [0103] 由产生的冷却曲线读取降低40℃所需的时间并作为40℃温降时间评估膜的热特性。 [0104] 另一方面，根据发明人，在实验时，5％的燃料经济性改进率设定为由构成本发明内燃机的燃烧室的阳极氧化物膜的能力实现的目标值。5％的燃料经济性改进率设定为能够清楚地证明燃料经济性改进并且不会由于试验误差而掩藏的值，并且可通过随着废气温度的提高降低NOx还原催化剂的加热时间而将NOx还原。图9显示由发明人确定的冷却试验中燃料经济性改进率与40℃温降时间之间的关系图。 [0105] 根据该图，对应于5％的燃料经济性改进率，冷却试验中的40℃温降时间确定为45msec，且45msec或更短可设置为表示优异摆动特性的指数。 [0106] 另一方面，维氏显微硬度试验用作强度试验，评估部分设定为横截面中阳极氧化物膜的中心部分，且负荷设定为0.025kg。在测量试片TP的阳极氧化物膜的密度中，整个膜的密度根据JIS H8688测量，纳米孔的孔隙率由Autosorb测量，且微孔的孔隙率通过从由密度计算的总孔隙率中减去纳米孔的孔隙率而得到。试验结果显示于图10中。 [0107] 从图10中，对30μm厚度的阳极氧化物膜而言，满足45msec的40℃温降时间的阳极氧化物膜的孔隙率为20％。当厚度提高时，满足45msec的40℃温降时间的阳极氧化物膜的孔隙率降低。 [0108] 根据该结果，构成本发明内燃机的阳极氧化物膜具有30μm或更大的厚度，所以孔隙率可定义为20％或更高。 [0109] 在下文中，根据对比例1-5和实施例1-3的各个试片的规格、孔隙率、维氏硬度等的结果显示于表3中。图11显示关于各阳极氧化物膜的厚度与维氏硬度之间的关系的试验结果。图12显示关于各阳极氧化物膜的厚度与孔隙率之间的关系的试验结果。图13A为实施例2的截面图的SEM照片。图13B为对比例3的截面图的SEM照片。图14A为实施例2的平面图的TEM照片。图14B为实施例2的平面图的EDX分析图。 [0110] 表3 [0111] [0112] [0113] 根据表3、图11和图12，在各个实施例1-3中，维氏硬度高于或等于目标值300HV，且孔隙率也满足20％或更高。 [0114] 证明在其中不提供封闭剂的对比例5或其中封闭剂不浸入阳极氧化物膜中的对比例2中，各阳极氧化物膜的硬度是低的，且由于封闭剂密封第一微孔和纳米孔这一事实，确保各阳极氧化物膜的硬度。 [0115] 另外，由对比例1证明当阳极氧化物膜的厚度小于30μm时，不能实现20％或更高的孔隙率，因此，在40℃温降时间短于或等于45msec的情况下不满足优异的摆动特性。 [0116] 此外，由图13B证明当阳极氧化物膜的厚度超过170μm时，促进纵向裂纹，纵向裂纹与存在于膜内的内部缺陷连通，应用于阳极氧化物膜的表面层上的封闭剂浸入内部缺陷中并密封内部缺陷，因此孔隙率降低。由图14B中所示实施例2的EDX分析图证明Si在各个纳米孔中反应并浸渍聚硅氮烷，其为封闭剂。 [0117] 接着，显示确认各合金中的Cu含量和Si含量与孔隙率之间的关系的试验结果。下表4显示根据实施例1、4、5和对比例6-9的各个试片的规格、孔隙率、维氏硬度等。图15为显示关于形成铝基壁表面的材料中的Cu含量与孔隙率之间的关系的试验结果的图。图16为显示关于形成铝基壁表面的材料中的Si含量与孔隙率的试验结果的图。图17A、图17B和图17C分别为对比例4、对比例6和实施例4的截面图的SEM照片。 [0118] 表4 [0119] [0120] [0121] 由试验证明在Si含量高于或等于20％的情况下，100μm或更大的膜形成是不可能的，因为Si干扰膜生长，在Cu含量高于或等于7％的情况下，100μm或更大的膜形成是不可能的，因为微孔由于在Cu处产生的气体而放大，且难以形成膜。 [0122] 由表4和图15证明当Cu含量高于或等于0.4％时可使微孔放大并可确保所需孔隙率(20％或更高)。 [0123] 由表4和图16证明当Si含量高于或等于5％时，可使微孔放大并可确保所需孔隙率(20％或更高)。 [0124] 从图17A至图17C中获悉对比例4中几乎不存在微孔且对比例6中存在轻微量的微孔；而在实施例4中存在大量微孔，并且可确保高孔隙率。 [0125] 参考附图详细描述了本发明；然而，具体构型不限于该实施方案。本发明还包括设计、变化等而不偏离本发明的范围。 |
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