内燃发动机和制造内燃发动机的方法 |
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| 申请号 | CN201180040733.2 | 申请日 | 2011-08-23 | 公开(公告)号 | CN103080386A | 公开(公告)日 | 2013-05-01 |
| 申请人 | 丰田自动车株式会社; | 发明人 | 肘井巧; 西川直树; 川口晓生; 中田浩一; 胁坂佳史; 小坂英雅; 清水富美男; | ||||
| 摘要 | 一种内燃 发动机 （10），在所述内燃发动机中在面向 燃烧室 （NS）的壁的全部或一部分上形成有 阳极 氧 化 覆膜（61、62、63、64），其中，所述阳极氧化覆膜（61、62、63、64）具有设置有结合区域和非结合区域的结构，在所述结合区域内形成所述覆膜的中空晶胞（C）中的每一个都与相邻的中空晶胞（C）结合，在所述非结合区域内三个或更多个相邻的中空晶胞（C）不彼此结合，并且其中，所述阳极氧化覆膜（61、62、63、64）的孔隙率是由存在于所述中空晶胞（C）中的第一空隙（K1）和形成所述非结合区域的第二空隙（K2）确定的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种内燃发动机，在所述内燃发动机中在面向燃烧室的壁的全部或一部分上形成有阳极氧化覆膜，所述内燃发动机的特征在于： |
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| 说明书全文 | 内燃发动机和制造内燃发动机的方法技术领域[0001] 本发明涉及内燃发动机和制造该内燃发动机的方法。更特别地，本发明涉及一种内燃发动机，在所述内燃发动机中在面向所述内燃发动机的燃烧室的壁的全部或一部分上形成有阳极氧化覆膜，并且涉及一种制造内燃发动机的方法，所述方法具有形成该阳极氧化覆膜的特征。 背景技术[0002] 内燃发动机例如汽油机或柴油机主要由发动机气缸体和气缸盖构成，并且其燃烧室由气缸体的气缸孔表面、安装在该气缸孔中的活塞的顶表面、气缸盖的底表面以及配臵在气缸盖中的进气和排气门的顶表面限定而成。伴随当前内燃发动机所要求的较高输出，降低内燃发动机的冷却损失变成关键。用于降低该冷却损失的一种策略是在燃烧室的内壁上形成热绝缘陶瓷覆膜。 [0003] 但是，这些陶瓷一般具有低导热性并具有高热容量，导致出现进气效率降低和爆燃（保留在燃烧室内的热量所导致的异常燃烧），并且因此，当前，这些陶瓷作为燃烧室的内壁上的覆膜材料的应用没有普及。 [0004] 考虑到上述情况，形成在燃烧室的壁上的热绝缘覆膜当然必须耐热且热绝缘，并且最好由具有低导热性和低热容量的材料形成。另外，除了低导热性和低热容量之外，覆膜最好由能够承受燃烧室内燃烧期间的膨胀压力和喷射压力以及源自热膨胀和热收缩的重复应力的材料形成，并且还最好由对例如气缸体等的母材具有高粘附性的材料形成。 [0005] 在这里考虑传统公开的技术时，日本专利申请公报No.2003-113737（JP-A-2003-113737）所公开的气缸盖在气缸盖的底表面和限定于该气缸盖内的水套的内表面两者上具有由阳极氧化形成的多孔二氧化硅系或氧化铝系覆膜。通过在该气缸盖中在气缸盖的底表面和水套的内表面两者上配臵多孔覆膜，气缸盖的底表面和水套内表面的表面积由这种覆膜扩大，并且结果，燃烧室内产生的热量能够穿过覆膜被有效吸收到内部并且向内吸收的热量能够在水套内表面处穿过覆膜被有效排出到冷却剂中。因此，通过热量吸收容易加温，而通过热量释放容易冷却，从而获得温度升高被抑制的气缸盖。 [0006] 日本专利申请公报No.2009-243352（JP-A-2009-243352）和WO2009/020206所公开的内燃发动机具有热绝缘薄膜，在该热绝缘薄膜中，在导热性比形成内燃发动机的燃烧室的母材低且热容量与该母材一样或者比该母材低的材料的内部形成有气泡。 [0007] 上述JP-A-2003-113737、JP-A-2009-243352和WO2009/020206所公开的技术是在内燃发动机的燃烧室的内壁上形成具有低导热性和低热容量的覆膜的技术，并且能够提供展示如上所述良好性能的热绝缘覆膜。 [0008] 但是，不清楚这些覆膜结构是否能提供能够承受燃烧室内燃烧期间的膨胀压力和喷射压力以及源自热膨胀和热收缩的重复应力的覆膜，或者能提供能够缓和这些压力和应力的覆膜。本发明人发现，很难说这些覆膜结构具有良好的压力缓和或者应力缓和性能。其一个原因是通过阳极氧化生成的覆膜具有其中构成晶胞在内部具有空隙、而相邻的晶胞基本无间隙地彼此化学结合的微观结构，并且结果，难以在这些晶胞之间产生令人满意的应力缓和。 发明内容[0009] 本发明是在考虑上述问题的情况下作出的并且提供了一种内燃发动机，该内燃发动机在面向燃烧室的壁的全部或一部分上配备有阳极氧化覆膜，该阳极氧化覆膜具有低导热性和低热容量并展示出缓和燃烧室内燃烧期间的膨胀压力和喷射压力以及源自热膨胀-收缩的重复应力的良好能力，并且因此高度耐久。本发明还涉及一种制造所述内燃发动机的方法。 [0010] 因此，根据本发明的第一方面，提供了一种内燃发动机，在所述内燃发动机中在面向燃烧室的壁的全部或一部分上形成有阳极氧化覆膜，其中，所述阳极氧化覆膜具有设臵有结合区域和非结合区域的结构，在所述结合区域内形成所述覆膜的中空晶胞中的每一个都与相邻的中空晶胞结合，在所述非结合区域内三个或更多个相邻的中空晶胞不彼此结合，并且其中，所述阳极氧化覆膜的孔隙率是由存在于所述中空晶胞中的第一空隙和形成所述非结合区域的第二空隙确定的。 [0011] 本发明的内燃发动机在其燃烧室的全部或一部分上具有阳极氧化覆膜（或热绝缘膜）。但是，与传统的阳极氧化覆膜不同，本发明的内燃发动机的覆膜具有这样的微观结构，在该微观结构中，除了在其内部具有空隙（第一空隙）的中空晶胞以外，还具有在例如相邻的中空晶胞之间的三重点（注意：多晶金属由多个单晶体（在此为多个晶胞）构成，这会导致各单晶体之间的相邻关系；当相邻的关系发生时，三个单晶体重合的点称为三重点）处形成非结合区域的空隙（第二空隙），而中空晶胞彼此接触的结合区域具有化学结合结构。 [0012] 由于阳极氧化覆膜具有空隙，所以它具有低导热性和低热容量，但是由于它在中空晶胞也彼此化学结合的同时还设臵有在各晶胞之间的另外的空隙（第二空隙），所以这种覆膜附加地具有缓和压力（即，燃烧室中燃烧期间的膨胀压力和喷射压力）的能力和缓和源自热膨胀-收缩的重复应力的能力。除了在构成覆膜的三个或更多个相邻中空晶胞的所有三重点等处形成第二空隙以外，还可以是仅在所有三重点等的一部分处形成第二空隙的膜。 [0013] 本发明的内燃发动机可指汽油机或柴油机，并且关于其结构，如上所述，可主要由发动机气缸体和气缸盖构成。内燃发动机的燃烧室由气缸体的气缸孔表面、安装在该气缸孔中的活塞的顶表面、气缸盖的底表面以及配臵在气缸盖中的进气和排气门的顶表面限定而成。 [0014] 具有上述微观结构的阳极氧化覆膜可形成在面向燃烧室的壁的全部上或者可仅形成在所述壁的一部分上，并且后一种情况可例示为例如仅在活塞的顶表面上或仅在气门顶表面上的实施例。 [0016] 参照图20说明由于在燃烧室壁上形成低导热性和低热容量的阳极氧化覆膜（热绝缘膜）而改善燃料消耗的机理。在内燃发动机中，面向燃烧室的壁的表面温度通常恒定并且在进气-压缩-燃烧-排气的一个循环期间基本没有变化（图20中针对一般的壁温度的曲线），并且相对于气体温度（图20中针对缸内气体的曲线）的温度差构成热损失。另一方面，当在面向燃烧室的壁上形成低导热性和低热容量的绝缘膜时，热绝缘膜的表面的温度在一个循环期间以追随燃烧气体温度变化的方式变化（图20中针对本发明的内燃发动机的热绝缘膜的壁温度的曲线）。结果，燃烧气体温度与壁表面温度之间的温度差比没有热绝缘膜的情况低并且于是热损失减小。热损失的这种减小转化为活塞作功增大以及排气温度升高，并且活塞作功增大与燃料消耗改善有关。这是本发明人在上述WO2009/020206中详细说明的内容。上述阳极氧化覆膜的厚度优选在100至500μm的范围内。 [0017] 根据本发明人，当热绝缘的阳极氧化覆膜具有低于100μm的厚度时，在燃烧循环期间覆膜表面的温度上升不充分且热绝缘性能变得不充分，并且不能实现后述的燃料消耗改善。因此，最小厚度设定为100μm以便确保这种燃料消耗改善。 [0018] 另一方面，本发明人还发现，当阳极氧化覆膜的厚度超过500μm时，此时它承担大热容量并且由于这样阳极氧化覆膜本身易于储存热量，所以会损害摆动特性（swing behavior）（在提供热绝缘性能的同时，阳极氧化覆膜的温度追随燃烧室内的气体温度的特性）。由于厚度大于500μm的防蚀铝膜的制造本身很困难，所以从制造效率和便于制造的角度来说，500μm也是阳极氧化覆膜的厚度的上限。上述的孔隙率也优选在15%至40%。 [0019] 本发明人推定，在内燃发动机的整个燃烧室表面上形成具有15%至40%的孔隙率和100至500μm的厚度的阳极氧化覆膜在与2100rpm的发动机转速和1.6MPa的指示平均有效压力对应的最优燃料消耗点例如为用于乘用车的小型增压直喷式柴油机可提供5%的最大燃料消耗改善率。该5%的燃料消耗改善率是对于克服实验测量误差的燃料消耗改善来说证明了清楚显著差异的值。另外推定，在燃料消耗改善的同时，排气温度由于热绝缘而上升约15℃。在实际的发动机中，排气温度的这种上升对于在刚刚起动之后缩短NOx还原催化剂的预热时间是有效的，并且是NOx净化率改善且能够确认NOx减少的值。 [0020] 另一方面，在阳极氧化覆膜的热性能评价期间进行的冷却试验（急冷试验）中，使用仅在一个侧面上施加有阳极氧化覆膜的试件，并且，在以指定的高温喷流继续加热背面（没有施加阳极氧化覆膜的侧面）的同时，从试件的正面（施加了阳极氧化覆膜的侧面）喷射指定温度的冷却空气。这用于降低试件的正面温度，并且该温度被测量，并由覆膜表面的温度和时间构建冷却曲线以便评价温度降低速度。例如通过40℃降低时间（从曲线读取并且是覆膜表面的温度降低40℃所需的时间）来评价该温度降低速度。 [0021] 使用具有不同孔隙率（用第一空隙和第二空隙的总和确定阳极氧化覆膜的孔隙率）的试件进行急冷试验；为这些试件中的每一个测量40℃降低时间；并且例如，对由孔隙率和40℃降低时间限定的多个点构建近似曲线。 [0022] 通过读取该近似曲线与40℃降低时间的对应于上述5%燃料消耗改善率的值（例如，45msec）的交点处的孔隙率，本发明人确定该孔隙率为15%。40℃降低时间越短，覆膜的导热性和热容量越低且燃料消耗改善效果越高。 [0023] 另一方面，以不同的孔隙率制造阳极氧化覆膜试件，并测量每个试件的显微维氏硬度，并且对由孔隙率和显微维氏硬度限定的多个点构建近似曲线。当燃烧室的母材由铝构成时，所得到的防蚀铝膜最好比铝母材硬，并且当使用铝的显微维氏硬度作为阈值对此进行考虑时，本发明人确定在读取由近似曲线和该阈值建立的孔隙率时孔隙率的值为40%。 [0024] 因而，阳极氧化覆膜的孔隙率的范围基于冷却试验、显微维氏硬度试验和5%的燃料消耗改善率被设定为15%至40%的范围。 [0025] 另外，当在孔隙率变化时寻求比率φ/d的最优范围时，其中φ是构成阳极氧化覆膜的中空晶胞的第一空隙的平均孔径（孔径的平均值）且d是中空晶胞的平均晶胞直径，本发明人已确认与上述15%至40%的孔隙率范围对应的范围为0.3至0.6。 [0027] 为了防止燃料和燃烧气体进入多孔阳极氧化覆膜中，例如，施加以比阳极氧化覆膜薄的层涂覆的无机密封剂（例如硅酸钠）的薄膜作为对阳极氧化覆膜的表面处理。从使阳极氧化覆膜发挥上述各种性能和避免过大的膜厚度两方面的观点来看，与膜厚度为100至500μm的上述阳极氧化覆膜相比，薄膜的厚度例如最好约为10μm或更小。 [0028] 如上所述，阳极氧化覆膜还优选为防蚀铝覆膜。另外，该阳极氧化覆膜的显微维氏硬度优选在110至400HV0.025的范围内。 [0029] 在另一方面，本发明提供了一种制造内燃发动机的方法，如下所述。这样，所述制造方法是通过在面向内燃发动机中的燃烧室的壁的全部或一部分上形成阳极氧化覆膜来制造内燃发动机的方法，其中，通过将所述壁的全部或一部分浸渍到酸性电解液中而形成阳极，在酸性电解液中形成阴极，且然后在两个电极之间施加被调节为最大在130至200V2 的范围内的电压，并且以被调节为从1.6至2.4cal/s/cm 的范围的除热速度进行电解，以由此形成这样一种内燃发动机，该内燃发动机在所述壁的全部或一部分的表面上具有阳极氧化覆膜，所述阳极氧化覆膜具有设臵有结合区域和非结合区域的结构，在所述结合区域内中空晶胞中的每一个都与相邻的中空晶胞结合，在所述非结合区域内三个或更多个相邻的中空晶胞不彼此结合。 [0030] 关于用于在内燃发动机的燃烧室壁的全部或一部分上形成具有上述微观结构的阳极氧化覆膜的阳极氧化处理的条件，本发明人发现：有利地通过在所述壁的全部或一部分所浸渍的酸性电解液中在阳极与阴极之间施加被调节为在130至200V的范围内的最大2 电压并且同时将除热速度调节为从1.6至2.4cal/s/cm 的范围来进行电解。这样，在这些条件下进行电解能够使酸渗透到所形成的阳极氧化覆膜的底部区域（深部区域）内，并且能够在到达阳极氧化覆膜的底部区域的整个范围上以期望的尺寸形成第一和第二空隙。 [0031] 所述“除热速度”是每单位时间每单位表面积由电解液捕集的热量，并且将电解液2 的温度调节为从-5至5℃的范围可提供在从1.6至2.4cal/s/cm 的范围内的除热速度。 [0032] 根据本发明的制造内燃发动机的方法的另一个实施例优选包括：第一步骤，所述第一步骤通过将所述壁的全部或一部分浸渍到酸性电解液中而形成阳极，在酸性电解液中形成阴极，且然后在两个电极之间施加被调节为最大在130至200V的范围内的电压，并且2 以被调节为从1.6至2.4cal/s/cm 的范围的除热速度进行电解，以由此在所述壁的全部或一部分的表面上形成阳极氧化覆膜的中间体，所述阳极氧化覆膜具有设臵有结合区域和非结合区域的结构，在所述结合区域内中空晶胞中的每一个都与相邻的中空晶胞结合，在所述非结合区域内三个或更多个相邻的中空晶胞不彼此结合；第二步骤，所述第二步骤通过对设臵在所述阳极氧化覆膜的所述中间体的表面上的所述壁的全部或一部分进行使用酸的孔扩大处理而扩大所述阳极氧化覆膜的所述中间体的空隙来调节由存在于所述中空晶胞中的第一空隙和形成所述非结合区域的第二空隙确定的孔隙率。 [0033] 所述制造方法——通过在与上述制造方法中同样的条件下进行电解所提供的阳极氧化覆膜（该阳极氧化覆膜对应于所述中间体）的孔扩大处理来进一步扩大第一和第二空隙——而能够确保更可靠地形成在期望范围内的孔隙率。 [0034] 具体地，通过随后对由第一步骤生成的阳极氧化覆膜的中间体进行另外的基于酸的孔扩大处理（酸蚀刻处理以便扩大空隙），能通过溶解中空晶胞的内部而扩大第一空隙并同时通过溶解中空晶胞之间的第二空隙的周边而扩大第二空隙来调节整体孔隙率。这样能够制造在燃烧室壁的全部或一部分上设臵有高导热性、高热容量的阳极氧化覆膜的内燃发动机，该阳极氧化覆膜展示出良好的压力缓和性能和良好的热应力缓和性能。 [0035] 另外，在本发明的制造方法中，阳极氧化覆膜的厚度优选地被调节为从100至500μm的范围；孔隙率优选地被调节为从15%至40%的范围；且由此比率φ/d优选地被调节为从0.3至0.6的范围，其中φ是存在于中空晶胞中的第一空隙的平均孔径，d是中空晶胞的平均晶胞直径。 [0036] 在根据本发明的制造内燃发动机的方法的优选实施例中，该制造方法在形成上述阳极氧化覆膜之后附加地包括利用沸腾水或水蒸气进行密封处理或者利用无孔的薄膜进行被覆处理或者进行这两种处理的步骤。 [0037] 与本发明的上述内燃发动机一样，为了避免燃料和燃烧气体进入阳极氧化覆膜，可附加地包括进行密封处理或者利用薄膜对表面进行被覆或者进行这两种处理的步骤。例如，在利用薄膜对表面进行被覆的情况下，利用无机密封剂如硅酸钠的薄层对所生成的阳极氧化覆膜的表面进行被覆能够防止燃料和混合气体渗透入阳极氧化覆膜的内部并且能够由此确保阳极氧化覆膜所具有的各种性能。 [0038] 所述阳极氧化覆膜还优选地为防蚀铝覆膜。另外，所述阳极氧化覆膜的显微维氏硬度优选在从110至400HV0.025的范围内。 [0039] 从上述说明能够理解，本发明的内燃发动机及其制造方法通过在内燃发动机的燃烧室的壁的全部或一部分上形成结构为在中空晶胞内部具有空隙（第一空隙）且例如在相邻中空晶胞之间的三重点处也具有空隙（第二空隙）、同时在中空晶胞彼此接触的结合区域内发生化学结合的阳极氧化覆膜能够提供设臵有这样一种覆膜的内燃发动机，该覆膜具有低导热性和低热容量及由此具有良好的热绝缘性能，且还具有缓和燃烧室内燃烧期间的膨胀压力等以及源自热膨胀-收缩的重复应力的良好能力，并且因此高度耐久。附图说明 [0040] 在下面参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述中将说明本发明的特征、优点及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中： [0041] 图1是根据本发明实施例的内燃发动机的纵剖视图； [0042] 图2A是说明面向内燃发动机的燃烧室的阳极氧化覆膜的微观结构并且还示出阳极氧化覆膜的表面处的薄膜的透视图； [0043] 图2B是示出图2A所示的阳极氧化覆膜和薄膜的纵剖视图； [0044] 图3A是根据所示实施例的制造内燃发动机的方法的流程图； [0045] 图3B是根据另一实施例的制造方法的流程图； [0046] 图4是示出制造内燃发动机的方法的第一步骤中的最大电压范围和除热速度范围并且还说明除此以外的范围的矩阵图； [0048] 图5B是根据比较示例的阳极氧化覆膜在阳极氧化处理之后覆膜底面的截面的SEM照片； [0049] 图5C是根据示例（本发明区域）的阳极氧化覆膜在阳极氧化处理之后覆膜表面的截面的SEM照片； [0050] 图5D是根据示例的阳极氧化覆膜在阳极氧化处理之后覆膜底面的截面的SEM照片； [0051] 图6A是根据比较示例（硬质防蚀铝区域）的阳极氧化覆膜在孔扩大处理（第二步骤）之后覆膜表面的截面的SEM照片； [0052] 图6B是根据比较示例的阳极氧化覆膜在孔扩大处理之后覆膜底面的截面的SEM照片； [0053] 图6C是根据示例（本发明区域）的阳极氧化覆膜在孔扩大处理之后覆膜表面的截面的SEM照片； [0054] 图6D是根据示例的阳极氧化覆膜在孔扩大处理之后覆膜底面的截面的SEM照片； [0055] 图7是根据比较示例（等离子体阳极氧化区域）的阳极氧化覆膜的截面的SEM照片； [0056] 图8A是示出作为实验中所使用的试件的来源的铸造体的透视图； [0057] 图8B是示出从铸造体切出的试件的透视图； [0058] 图9A是说明冷却试验的方案的示意图； [0059] 图9B示出基于冷却试验的结果的冷却曲线和从该冷却曲线得到的40℃降低时间； [0060] 图10是燃料消耗改善百分率与冷却试验中的40℃降低时间之间的关系的曲线图； [0061] 图11是40℃降低时间与孔隙率之间的关系的曲线图； [0062] 图12是显微维氏硬度与孔隙率之间的关系的曲线图； [0063] 图13是说明相对于最优孔隙率范围的φ/d的曲线图，其中φ是第一空隙的平均孔径，d是中空晶胞的平均晶胞直径； [0064] 图14A是实验中所使用的比较示例1的防蚀铝的截面的SEM照片； [0065] 图14B是比较示例2的防蚀铝的截面的SEM照片； [0066] 图14C是比较示例3的防蚀铝的截面的SEM照片； [0067] 图15A是实验中所使用的示例1的防蚀铝的截面的SEM照片； [0068] 图15B是示例2的防蚀铝的截面的SEM照片； [0069] 图15C是示例3的防蚀铝的截面的SEM照片； [0070] 图15D是示例4的防蚀铝的截面的SEM照片； [0071] 图16A是实验中所使用的比较示例4的防蚀铝的截面的SEM照片； [0072] 图16B是比较示例5的防蚀铝的截面的SEM照片； [0073] 图17是建立满足与5%燃料消耗改善率对应的40℃降低时间的最大电压范围下限的实验结果的曲线图； [0074] 图18A是孔扩大处理时间与孔隙率之间在示例和比较示例中的关系的曲线图； [0075] 图18B是孔扩大处理时间与表面温度降低速度之间的关系的曲线图； [0076] 图19A是在不进行孔扩大处理的情况下阳极氧化覆膜的表面的SEM照片； [0077] 图19B是在已进行20分钟的孔扩大处理时阳极氧化覆膜的表面的SEM照片； [0078] 图19C是在已进行40分钟的孔扩大处理时阳极氧化覆膜的表面的SEM照片；以及[0079] 图20是说明由于在燃烧室壁上形成构成本发明的内燃发动机的低导热性、低热容量的热绝缘膜（阳极氧化覆膜）而改善燃料消耗的机理的曲线图，该图示出分别作为曲柄角度的函数的缸内气体温度、一般的壁表面的温度和构成本发明的内燃发动机的阳极氧化覆膜的膜表面温度。 具体实施方式[0080] 下面参照附图说明本发明的内燃发动机及其制造方法的实施例。尽管所示的示例示出的是在面向内燃发动机的燃烧室的整个壁上形成阳极氧化覆膜的实施例，但也可具有仅在面向燃烧室的壁的一部分上（例如，仅在活塞的顶表面上或仅在气门的顶表面上）形成阳极氧化覆膜的实施例。 [0081] 图1是本发明的内燃发动机的实施例的纵剖视图；图2A和2B是示出面向内燃发动机的燃烧室的阳极氧化覆膜的薄膜和微观结构的图；图3A是本发明的内燃发动机的制造方法的实施例的流程图。 [0082] 所示的内燃发动机10是指柴油发动机并且大体由其内形成有冷却水套11的气缸体1、配臵在气缸体1上方的气缸盖2、限定在气缸盖2内的进气口21和排气口22、以可自由地上下移位的方式安装在其中进气口21和排气口22面向燃烧室NS的开口中的进气门3和排气门4以及从气缸体1的下开口以可自由地上下移位的方式形成的活塞5构成。本发明的内燃发动机当然也可以是汽油发动机。 [0083] 构成所述内燃发动机10的各种组成部件由铝或其合金制成。在另一实施例中，组成部件可由除铝或其合金以外的材料形成并且组成部件的表面可使用铝或其合金来铝化。 [0084] 另外，具有指定厚度并且展示图2A和2B所示的微观结构的阳极氧化覆膜61、62、63、64在由内燃发动机10的各组成部件限定而成的燃烧室NS内形成在面向燃烧室NS的壁处（气缸孔表面12、气缸盖底表面23、活塞顶表面51和气门顶表面31、41）。 [0085] 将使用形成在气缸孔12的表面上的阳极氧化覆膜61作为示例来说明所述微观结构和制造所述微观结构的方法。 [0086] 形成在铝或铝合金气缸孔12的表面上的阳极氧化覆膜61是防蚀铝，并且该阳极氧化覆膜61由多个内部设臵有第一空隙K1的中空晶胞C形成，更具体地说，是具有其中每个中空晶胞C都与相邻的中空晶胞C、C化学地结合并且在三个或更多个相邻的中空晶胞C…不彼此结合的非结合区域内（如三重点）设臵有另外的第二空隙K2的微观结构的覆膜。 [0087] 传统的阳极氧化覆膜不具有与所示的阳极氧化覆膜61一样在三个或更多个相邻的中空晶胞C、…之间设臵有第二空隙K2的结构；而是，在传统的阳极氧化覆膜中，包含内部空隙的中空晶胞与其它中空晶胞化学地结合而在其间没有间隙。 [0088] 相比而言，所示的阳极氧化覆膜61具有位于中空晶胞C的内部的第一空隙K1且具有存在于中空晶胞C、…不彼此结合的非结合区域内的另外的第二空隙K2，并且阳极氧化覆膜61的孔隙率由该第一空隙K1和第二空隙K2确定。第一空隙K1的尺寸以及第二空隙K2的生成和尺寸能够通过如所期望地调节生成阳极氧化覆膜的电解期间的最大电压和酸性电解液温度（或除热速度）以及通过孔扩大处理（如酸蚀刻处理）形式的后处理来调节。 [0089] 基于本发明人的实验，参见下文，所述孔隙率最好被调节为从15%至40%的范围。孔隙率范围能够通过在阳极氧化覆膜的厚度方向的中央部切断该阳极氧化覆膜、进行离子束抛光并通过SEM图像分析进行测量来确定。另外，关于比率φ/d，其中φ是第一空隙K1的平均孔径，d是中空晶胞C的平均晶胞直径，在从0.3至0.6的范围内的φ/d对应于15%至40%的上述孔隙率范围。 [0090] 另外，本发明人还发现，阳极氧化覆膜61的厚度t1最好被调节为从100至500μm的范围。也即，根据本发明人，当热绝缘的阳极氧化覆膜具有低于100μm的厚度时，在燃烧循环期间的覆膜表面的温度上升不充分并且热绝缘性能变得不充分且不能实现燃料消耗的改善。为此，最小厚度被设定为100μm以便确保燃料消耗的这种改善。另一方面，本发明人还确定，当阳极氧化覆膜的厚度超过500μm时，此时需要承担大的热容量并且由于这样阳极氧化覆膜本身易于储存热量，所以会妨害摆动性能。由于比500μm厚的防蚀铝膜的制造本身很困难，所以从制造效率和便于制造的角度来说，500μm也是阳极氧化覆膜的厚度的上限。覆膜厚度能够使用例如涡流膜厚度分析器来测量并且能够通过取10个点的平均值来确定。 [0091] 由于阳极氧化覆膜61具有例如在具有第一空隙K1的各中空晶胞C之间的三重点处设臵有另外的第二空隙K2的微观结构，所以阳极氧化覆膜61具有低导热性和低热容量，并且与此结合还具有缓和压力（如燃烧室NS内燃烧期间的膨胀压力和喷射压力）的能力以及缓和源自热膨胀-收缩的重复应力的能力。 [0092] 另外，将阳极氧化覆膜的厚度如上所述调节为100至500μm的范围确保了其便于制造，并且提供了具有热绝缘性能以及摆动性能（即，阳极氧化覆膜的温度追随燃烧室NS内的气体温度）的膜。 [0093] 另外，本发明人推定，通过将由第一空隙K1和第二空隙K2确定的孔隙率的范围调节为15%至40%的范围，能够在与2100rpm的发动机转速和1.6MPa的指示平均有效压力对应的最优燃料消耗点例如为用于乘用车的小型增压直喷式柴油机获得5%的最大燃料消耗改善率。另外，在燃料消耗改善的同时，排气温度由于热绝缘而上升约15℃，这会大大缩短在刚刚起动之后NOX还原催化剂的预热时间，并改善NOX净化率且能够实现NOX的减少。 [0094] 为了防止燃料和燃烧气体进入设臵有第一和第二空隙K1、K2的阳极氧化覆膜61，可通过以比阳极氧化覆膜61薄的层施加无机密封剂（例如硅酸钠）而在阳极氧化覆膜61的表面形成薄膜7。 [0095] 从使阳极氧化覆膜发挥上述各种性能和避免过大的膜厚度两方面的观点来看，与阳极氧化覆膜61的膜厚度t1为100至500μm相比，该薄膜7的厚度t2例如最好调节为约10μm或更小的厚度。 [0096] 下面参照图3A和图4的流程图概述制造所示的内燃发动机10的方法。图4是示出制造内燃发动机的方法的第一步骤中的最大电压范围和除热速度范围并且还说明除此以外的其它范围的矩阵图。 [0097] 阳极氧化覆膜首先是通过将面向燃烧室NS的特定部件的壁浸渍到例如为硫酸的酸性电解液（未示出）中而形成阳极、在酸性电解液中形成阴极并且然后在两个电极之间施2 加被调节为最大在130至200V的范围内的电压并且以被调节为从1.6至2.4cal/s/cm 的范围的除热速度进行电解来形成的（步骤S1）。这些数值范围在下面讨论。所述“除热速度”是每单位时间每单位表面积由电解液捕集的热量。 [0098] 在该阳极氧化处理步骤中在上述条件下进行膜形成是用于促进中空晶胞生长，以便扩大第一和第二空隙并由此将孔隙率调节为15%至40%的范围，以及使得能够以100至500μm的范围内的膜厚度生成覆膜。 [0099] 一旦生成了具有期望孔隙率的阳极氧化覆膜，便对阳极氧化覆膜的表面利用沸腾水或水蒸气进行密封处理，或者利用无孔的薄膜进行被覆处理，或者进行这两种处理，以便由此制造出具有形成在燃烧室壁上且不会使燃料或混合气体进入阳极氧化覆膜的气孔中的阳极氧化覆膜的内燃发动机（步骤S2）。 [0100] 图3B是示出制造方法的另一实施例的流程图。在该制造方法中，通过与图3A中的步骤S1中相同的方法来形成阳极氧化覆膜的中间体（第一步骤，阳极氧化处理步骤，步骤S11），并且对该中间体然后进行使用酸（例如磷酸）的孔扩大处理（酸蚀刻处理）以扩大第一和第二空隙并将孔隙率范围调节为15%至40%（第二步骤，孔扩大处理步骤，步骤S12）。换句话说，在本实施例的制造方法中，通过具有所述第二步骤来执行更可靠的15%至40%孔隙率范围的调节。 [0101] 一旦已通过进行所述调节以产生期望孔隙率而生成了具有期望厚度的阳极氧化覆膜，与图3A中的制造方法一样，使阳极氧化覆膜的表面经过密封处理或被覆处理或这两种处理来制造内燃发动机（步骤S13）。 [0102] 图4以本发明人所构造的矩阵的形式示出由除热速度范围和酸性电解液中电极之间所施加的最大电压的范围设定的用于本发明第一步骤的条件范围（图中的本发明区域），并且还示出该范围以外的区域。 [0103] 通过将最大电压调节为130至200V的范围并且将除热速度调节为1.6至2.4cal/2 s/cm 的范围，能够在该阳极氧化处理步骤中以期望厚度形成阳极氧化覆膜，并且能够在此阶段形成具有期望尺寸的第一和第二空隙（在此阶段能够初步生成特定尺寸的空隙作为前处理，以便通过实施为后处理的孔扩大处理步骤形成具有期望孔隙率的空隙）。 [0104] 根据本发明人，对于从1.6至2.4cal/s/cm2的范围内的除热速度，电解液的温度最好被调节为从-5至5℃的范围。除热速度能够使用电解液的温度和电解液的搅拌速度两者来调节。 [0105] 在除热速度区域与本发明区域相同但是最大电压低于本发明区域即最大电压低于100V的区域中，中空晶胞尺寸最终较小并且出现其中在各晶胞之间没有形成第二空隙的硬质防蚀铝区域。 [0106] 另一方面，在除热速度区域与本发明区域相同但是最大电压高于本发明区域即最大电压超过200V的区域中，出现其中未形成中空晶胞的等离子体阳极氧化区域。 [0107] 另外，在低于本发明区域的除热速度区域中，阳极氧化覆膜不能形成至少100μm的期望膜厚度，并且已经确定，形成了其中在晶胞之间不存在通过化学结合实现的连接的覆膜。 [0108] 下面在表1和2中示出用于在图4所示的本发明区域中形成阳极氧化覆膜（示例）、在硬质防蚀铝区域（硬质区域）中形成阳极氧化覆膜（比较示例）和在等离子体阳极氧化区域（等离子体区域）中形成阳极氧化覆膜（比较示例）的处理条件。在图5A至5D、图6A至6D和图7中示出示例和比较示例的SEM照片。更具体地，图5C包含在示例的阳极氧化处理之后覆膜表面（燃烧室侧）的截面的SEM照片；图5D包含在示例的阳极氧化处理之后覆膜底面（形成有覆膜的部件的表面侧）的截面的SEM照片；图5A包含在根据比较示例（硬质防蚀铝区域）的阳极氧化处理之后覆膜表面的截面的SEM照片；图5B包含根据比较示例（硬质防蚀铝区域）的阳极氧化处理之后覆膜底面的截面的SEM照片；图6C包含示例的孔扩大处理之后覆膜表面的截面的SEM照片；图6D包含示例的孔扩大处理之后覆膜底面的截面的SEM照片；图6A包含比较示例（硬质防蚀铝区域）中的孔扩大处理之后覆膜表面的截面的SEM照片；图6B包含比较示例（硬质防蚀铝区域）中的孔扩大处理之后覆膜底面的截面的SEM照片。图7包含比较示例（等离子体阳极氧化区域）的阳极氧化覆膜的截面的SEM照片。 [0109] 表1 [0110] [0111] 表2 [0112] [0113] 在示例的覆膜的情况下，能够从图5和6确认：阳极氧化处理已经在覆膜的表面及其底面两者处生成具有特定尺寸空隙的特定尺寸的中空晶胞；晶胞的一部分已经通过孔扩大处理溶解以便为晶胞内的空隙和例如在晶胞之间的三重点处的空隙生成大空隙；以及晶胞具有大的外径并且彼此结合（化学结合）。 [0114] 与此相比，在其中在硬质防蚀铝区域中进行膜形成的比较示例的覆膜的情况下，在阳极氧化处理阶段仅生成非常小的空隙；孔扩大处理导致晶胞内的空隙仅微小扩大，从而导致不令人满意的尺寸；以及在晶胞之间的例如三重点处没有生成空隙。 [0115] 另外，在其中在等离子体阳极氧化区域中进行膜形成的比较示例的覆膜的情况下，如图7所示，不能确认中空晶胞生成本身。 [0116] 下面说明确定孔隙率范围的实验和这些实验的结果。本发明人进行冷却实验、显微维氏硬度实验，以及由燃料消耗改善率确定用于阳极氧化覆膜的最优孔隙率范围的实验。首先，关于冷却实验的进行，通过使用铸模（未示出）以表3所示的成分铸造铝合金来制造图8A所示的铸造体（通过使用30kg熔炉在空气中进行熔融而在700℃进行铸造），并且通过以1mm的厚度来切割铸造体而制造试件，如图8B所示。仅在每个试件的单个侧面上形成阳极氧化覆膜，并且使用所得到的试件进行冷却实验。 [0117] 表3 [0118] [0119] 冷却实验概述如下。如图9A所示，使用其中仅在单个侧面上形成了阳极氧化覆膜的试件TP；以750℃的高温喷流（图中以“热量”指示）加热背面（没有施加阳极氧化覆膜的侧面）并且使试件TP整体稳定在约250℃；以及通过使用线性电机将已经以指定流量喷射室温喷流的喷嘴移动到试件TP的正面（已施加了阳极氧化覆膜的侧面）而开始冷却（在背面上的高温喷流继续的同时供给25℃的冷却空气（图中以“空气”指示））。使用外部配臵的辐射温度计来测量试件TP上的阳极氧化覆膜的表面的温度，以便测量该冷却间隔期间的温度降低，并构建图9B所示的冷却曲线。所述冷却实验是模拟燃烧室的内壁处的进气冲程并且评价已被加热的热绝缘覆膜的表面的冷却速度的实验方法。低导热性、低热容量的热绝缘膜将展示快速急冷速度。 [0120] 从由此构建的冷却曲线读取降低40℃所需的时间以给出40℃降低时间，并且通过该40℃降低时间来评价覆膜的热特性。 [0121] 在所考虑的实验中，在稳定在约250℃达100ms之后开始正面冷却，如图9B所示，并且测量45ms的40℃降低时间。 [0122] 本发明人使用5%燃料消耗改善率作为由构成本发明内燃发动机的燃烧室的阳极氧化覆膜的性能在实验期间要达成的目标值。5%燃料消耗改善率是能够清楚验证燃料消耗改善而不会受测量误差蒙蔽并且通过排气温度升高能够缩短NOx还原催化剂的预热时间且能够实现NOx减少的值。本发明人试图确定用于实现该目标值的孔隙率范围。图10所示的曲线图是本发明人所确定的燃料消耗改善率与冷却实验中的40℃降低时间之间的关系。 [0123] 基于与8%、5%、2.5%和1.3%的燃料消耗改善率对应的40℃降低时间的结果构建图10所示的近似曲线（二次曲线）。与5%的燃料消耗改善率对应的40℃降低时间与图9B中确定的45ms一致。 [0124] 为了构建对于冷却实验与孔隙率之间的关系以及对于显微维氏硬度与孔隙率之间的关系的关系曲线图，根据比较示例1至5和示例1至4，使用阳极氧化覆膜的九种不同的孔隙率，在下表4中所示的阳极氧化处理步骤条件（和用于示例的孔扩大处理步骤条件）下制造试件。在表5中对每个试件示出阳极氧化覆膜厚度、孔隙率、显微维氏硬度和40℃降低时间的测量结果。 [0125] 在显微维氏硬度实验中，在阳极氧化覆膜的截面的中央部测量显微维氏硬度，将0.025kg的测量载荷下对每个试件在5个测量点的平均值用作显微维氏硬度。 [0126] 表4 [0127] [0128] 表5 [0129] [0130] [0131] 为了确定冷却实验与孔隙率之间的关系，使用图9A所示的方法对比较示例1至5和示例1至4的试件进行实验，结果如图11所示地绘制并由此确定近似曲线。图11示出近似曲线、对应于1%、2%和5%的燃料消耗改善率的40℃降低时间（1%对应110msec、2%对应80msec，5%对应45msec），以及铝母材的40℃降低时间阈值（440msec）。 [0132] 基于图11和表5，在作为对应于5%燃料消耗改善率的40℃降低时间阈值的45msec与用于各个试件的近似曲线的交点处的孔隙率为15%，且然后这被设定为阳极氧化覆膜的孔隙率的数值限制范围的下限。对于比较示例1至3中的试件，如表5所示，40℃降低时间超过45msec，从而确认这些阳极氧化覆膜难以实现5%的燃料消耗改善率。 [0133] 图12中绘出试件的显微维氏硬度和孔隙率，图12还给出了对应的近似曲线。以灰色示出作为铝母材硬度的阈值范围的110至150HV0.025的范围。 [0134] 基于图12和表5，在近似曲线与铝母材的110显微维氏硬度之间的交点处的孔隙率为40%，并且这被设定为阳极氧化覆膜的孔隙率的数值限制范围的上限。如从图12所读取的，阳极氧化覆膜的显微维氏硬度可为110至400HV0.025以提供15%至40%的阳极氧化覆膜的孔隙率。 [0135] 基于上述结果，形成在内燃发动机的燃烧室壁上的防蚀铝（阳极氧化覆膜）的孔隙率的最优范围能被设定为15%至40%的范围。 [0136] 图13中示出表5中的φ/d与孔隙率相关联的曲线图。从该图可理解，对应于15%至40%的最优孔隙率范围的φ/d范围为0.3至0.6。当φ/d在0.3至0.6的范围内、同时孔隙率小于15%或大于40%时，如在比较示例3和5中那样，不能说这些是要形成在本发明内燃发动机的燃烧室上的阳极氧化覆膜的最优示例，并且因此，用孔隙率的上述最优范围作为先决条件如上所述地设定用于φ/d的最优范围。 [0137] 图14A至14C、15A至15D、16A和16B示出示例和比较示例中截面的SEM照片。更具体地，图14A是比较示例1的防蚀铝的截面的SEM照片；图14B是比较示例2的防蚀铝的截面的SEM照片；图14C是比较示例3的防蚀铝的截面的SEM照片；图15A是示例1的防蚀铝的截面的SEM照片；图15B是示例2的防蚀铝的截面的SEM照片；图15C是示例3的防蚀铝的截面的SEM照片；图15D是示例4的防蚀铝的截面的SEM照片；图16A是比较示例4的防蚀铝的截面的SEM照片；图16B是比较示例5的防蚀铝的截面的SEM照片。 [0138] 基于上述各图，比较示例不具有足够大的气孔，并且从这些图还能够确认：在晶胞之间不存在充分的间隙（比较示例1、2和3），并且空隙过大和/或晶胞彼此没有充分地化学结合（比较示例4和5）。与此相比，对于示例能够确认：晶胞在其内部设臵有特定尺寸的空隙；特定尺寸的空隙还存在于晶胞之间的三重点（非结合区域）处；并且由于这些空隙没有过大，提供了其中晶胞在点或面彼此化学结合的结合区域。 [0139] 现在说明用于确定最大电压与表面温度降低速度之间的关系的实验，该关系是这些实验的结果。如表6所示，本发明人对于在阳极氧化处理中使用不同的最大电压准备的试件测量作为最大电压的函数的表面温度降低速度（40℃降低时间）。如图17所示，这些测量结果在图中标出并且对于标出值构建近似曲线。 [0140] 表6 [0141] [0142] 从表6和图17中已知130V是各个试件上的表面温度降低速度的测量值与对应于5%燃料消耗改善率的表面温度降低速度的阈值45（ms/40℃）的交点处的最大电压，并且已知当最大电压为130V或高于130V时特性也良好，这些实验为阳极氧化处理步骤中所施加电压的下限为130V提供了基础。所施加电压的220V上限是基于高于该220V的区域为等离子体阳极氧化区域的知识。 [0143] 下面说明用于确定阳极氧化覆膜的孔扩大处理时间与孔隙率和表面温度降低速度之间的关系的实验，该关系是这些实验的结果。本发明人进行实验以便确定孔扩大处理时间与孔隙率和表面温度降低速度之间的关系。具体地，在图4所示的硬质防蚀铝区域和本发明区域中进行阳极氧化处理；对每个所得到的覆膜进行孔扩大处理达0、20或40分钟的时间；并且在所得到的阳极氧化覆膜上测量孔隙率和表面温度降低时间。对于每个试件在下面的表7中给出：阳极氧化处理步骤和孔扩大处理步骤中的条件以及平均覆膜厚度、孔隙率和表面温度降低速度的测量值。图18A中给出孔扩大处理时间与孔隙率之间的关系的曲线图，而图18B中给出孔扩大处理时间与表面温度降低速度之间的关系的曲线图。图19A至19C是通过本发明区域中的阳极氧化处理步骤生成并且以孔扩大处理时间分别为0分钟（未进行孔扩大处理）、20分钟和40分钟进行处理的阳极氧化覆膜的覆膜表面的SEM照片。 [0144] 表7 [0145] [0146] 根据表7和图18A，使用本发明区域中的阳极氧化处理步骤所生成的最终覆膜具有至少20%的孔隙率。但是，当进行孔扩大处理40分钟时，孔隙率稍微超过40%，如表7及图18A和18B所示，并且由于表面温度降低时间也稍微超过45msec，所以表明进行孔扩大处理最好少于40分钟。 [0147] 图19A至19C中的SEM照片确认：没有进行孔扩大处理的图19A的照片中覆膜内的气孔不足，而进行40分钟孔扩大处理的图19C中覆膜内的气孔过大（由于多孔结构破坏）；与此相比，在进行20分钟孔扩大处理的图19B中，覆膜设臵有气孔并且由于晶胞彼此结合还具有一定的密实性。 [0148] 下面说明对于柴油发动机的发动机性能评价实验，所述发动机性能评价是这些实验的结果。本发明人使用下述条件仅在发动机燃烧室中的活塞的顶表面上进行防蚀铝覆膜的形成，并测量发动机性能，例如燃料消耗改善率和NOx变化。 [0149] 在此使用的发动机具有下列规格：水冷卧式单缸DI柴油发动机、φ78×80（382cc）、5.1kW@2600rpm。防蚀铝规格如下：膜厚度=150μm（在密封处理：沸腾水处理之后）、对应于15%的孔隙率。经过防蚀铝处理的部件是柴油机活塞的顶部的前表面（仅燃烧室的活塞侧），并且面向燃烧室的其它部件如气缸盖、气门和气缸体没有进行防蚀铝处理。 [0150] 指示发动机性能的三个参数的测量结果如下：燃料消耗率上升（改善）1.3%、烟雾变化率降低29%，并且NOx变化率降低4%。 [0151] 本发明人推定，与仅在面向柴油发动机的燃烧室的壁表面之中的活塞顶表面上形成防蚀铝覆膜相比，在整个壁表面上形成同样的防蚀铝覆膜能够实现约2.5倍大的燃料消耗改善。另外，本发明人推定，与上述非增压（自然进气）DI柴油发动机相比，通过在配备有增压器的柴油发动机中形成同样的覆膜，能发现约1.6倍的燃料消耗改善率的增大。因此，在配备有增压器的直喷式柴油发动机的整个燃烧室上形成作为本发明构成要素的覆膜能够实现5%的燃料消耗改善率。 [0152] 以上已利用附图详细说明了本发明的实施例，但具体结构不限于这些实施例，本发明涵盖不背离本发明基本特征的设计变型、工艺改型等。 |
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