內(nèi)燃機(jī)及其制造方法
【專利摘要】一種內(nèi)燃機(jī)，其具有在至少一部分面對燃燒室的壁表面上形成的陽極氧化涂層，其中，所述陽極氧化涂層具有空隙和比所述空隙更小的納米孔；至少一部分所述空隙以通過轉(zhuǎn)化密封劑而得到的密封物密封；以及至少一部分所述納米孔未被密封。
【專利說明】內(nèi)燃機(jī)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)及其制造方法。本發(fā)明特別涉及一種內(nèi)燃機(jī)，其面對內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的壁表面部分或全部設(shè)置有陽極氧化涂層。本發(fā)明還涉及一種內(nèi)燃機(jī)的制造方法，其特征在于用于形成所述陽極氧化涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如汽油發(fā)動機(jī)或柴油發(fā)動機(jī)的內(nèi)燃機(jī)主要配置有發(fā)動機(jī)缸體、氣缸蓋和活塞。其燃燒室是由氣缸體的缸內(nèi)徑表面、并入缸內(nèi)徑中的活塞頂、氣缸蓋的底表面以及配置于氣缸蓋中的進(jìn)氣閥和排氣閥的頂部限定的。由于最新的內(nèi)燃機(jī)要求低燃料消耗，因此重要的是降低冷卻損失。作為用于降低冷卻損失的對策之一，可采用在燃燒室的內(nèi)壁上形成陶瓷絕熱涂層的方法。
[0003]然而，上述陶瓷通常具有低熱導(dǎo)率和高熱容量。當(dāng)燃燒室的內(nèi)壁由陶瓷制成時，由于表面溫度的逐步增加，進(jìn)氣效率劣化且造成爆震(由于燃燒室內(nèi)的熱的限制導(dǎo)致的不規(guī)則燃燒)；因此，在現(xiàn)在，并不流行以所述陶瓷作為燃燒室的內(nèi)壁的涂層材料。
[0004]由此，在燃燒室的壁表面上形成的絕熱涂層理想地是由不僅具有耐熱和絕熱性能還具有低熱導(dǎo)率和低熱容量的材料形成。也就是說，為了不使壁溫逐步升高，理想地是，在進(jìn)氣沖程中，絕熱涂層的熱容量低以隨進(jìn)氣溫度降低壁溫。此外，除了低熱導(dǎo)率和低熱容量之外，理想地是以這樣的材料形成涂層，所述材料能夠承受在燃燒室中的最高燃燒壓力和燃料噴射壓力以及在燃燒期間的熱膨脹和熱收縮的交變應(yīng)力，并與基體材料(如氣缸體)的粘合性高。
[0005]在日本專利申請公開第2003-113737號(JP2003-113737A)中公開了一種氣缸蓋，其中，在氣缸蓋的底表面和在氣缸蓋中限定的水套的內(nèi)表面上都通過陽極氧化形成了微孔二氧化硅或氧化鋁涂層。根據(jù)該氣缸蓋，由于微孔涂層同時配置于蓋底表面和夾套內(nèi)表面上，因此通過該涂層擴(kuò)大了蓋底表面和夾套內(nèi)表面的表面積；因此，在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的熱可以通過涂層在其內(nèi)部被有效地吸收。在夾套的內(nèi)表面上，吸收至內(nèi)部的熱可以通過涂層有效地釋放至冷卻水中。因此，能夠得到這樣的氣缸蓋，其中抑制了溫度升高，且所述材料通過吸收熱量迅速被加熱或者通過釋放熱量迅速被冷卻。
[0006]與之類似，當(dāng)陽極氧化涂層在面對內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的壁表面上形成時，可以形成具有低熱導(dǎo)率和低熱容量，并具有優(yōu)異的絕熱性能的內(nèi)燃機(jī)。除了這些性能以外，陽極氧化涂層需要進(jìn)一步具有優(yōu)異的溫度擺動特性(temperature swing characteristics)。在此，“溫度擺動特性”是這樣的特征，其中在具有絕熱性能的同時，所述陽極氧化涂層的溫度跟隨燃燒室內(nèi)的氣體溫度。
[0007]當(dāng)用顯微鏡觀察所述陽極氧化涂層時，在其表面上有許多裂紋。在該陽極氧化涂層內(nèi)部，有許多連接到所述裂紋的缺陷。通常，從涂層的表面至其內(nèi)部都存在形成這些裂紋和缺陷的許多空隙。本發(fā)明的發(fā)明人已確定，這些裂紋和缺陷具有在約I至ΙΟμπι范圍內(nèi)的尺寸。[0008]此外，在所述陽極氧化涂層內(nèi)部，除了所述微米級的空隙以外，還存在許多納米級的精細(xì)孔(納米孔)。
[0009]陽極氧化涂層通常包括空隙，如微米級的表面裂紋和內(nèi)部缺陷，以及許多納米級的納米孔。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)確認(rèn):盡管就涂層強度的觀點而言，理想地為密封(嵌入，堵塞)這些微米級的空隙，但是就溫度擺動特性的觀點而言，理想地為使許多納米孔以具有納米尺寸的孔的狀態(tài)保留在陽極氧化涂層中。
[0010]在此，作為密封所述微米級表面裂紋(空隙)的常規(guī)技術(shù)，可以引用在日本專利申請公開第2005-298945號(JP2005-298945A)中公開的耐腐蝕表面處理制品及其制備方法。
[0011]JP2005-298945A公開了這樣的技術(shù)，其中將由全氫聚硅氮烷及其縮聚物得到的硅組分填充到表面裂紋中以進(jìn)行密封。
[0012]如在JP2005-298945A中公開，在相對大尺寸的表面裂紋通過填充全氫硅氮烷而被密封時，空隙被密封，且可以增強涂層強度。然而，僅通過在陽極氧化涂層中填充全氫聚硅氮烷，在涂層中存在的納米孔也被密封了。因此，難以形成具有優(yōu)異的溫度擺動特性的陽極氧化涂層。
[0013]本發(fā)明提供了一種內(nèi)燃機(jī)，其在部分或全部的面對燃燒室的壁表面上設(shè)置有具有低熱導(dǎo)率和低熱容量、絕熱性能優(yōu)異、且溫度擺動性能優(yōu)異的陽極氧化涂層。本發(fā)明還提供了該內(nèi)燃機(jī)的制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的內(nèi)燃機(jī)是在至少一部分面對燃燒室的壁表面上形成有陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述陽極氧化涂層具有空隙和比所述空隙更小的納米孔；至少一部分所述空隙以通過轉(zhuǎn)化密封劑而得到的密封物密封；以及至少一部分所述納米孔未被密封。
[0015]在第一實施方式中的內(nèi)燃機(jī)具有在至少一部分燃燒室上的陽極氧化涂層(或絕熱涂層)。在另一方面，在第一實施方式的內(nèi)燃機(jī)中，與常規(guī)陽極氧化涂層不同，至少部分的存在于其表面上的裂紋和存在于其內(nèi)部的缺陷(均為微米級的空隙)被通過轉(zhuǎn)化密封劑而得到的密封物密封，且由此形成了高強度涂層。此外，在第一實施方式的內(nèi)燃機(jī)中，存在于陽極氧化涂層中的許多納米孔(納米尺寸的孔)中的至少一部分未被密封；因此，形成了具有含有許多微小的孔的結(jié)構(gòu)的涂層。
[0016]“至少一部分空隙以通過轉(zhuǎn)化密封劑而得到的密封物密封”是指，不同于在陽極氧化涂層中存在的全部微米級空隙都被密封物密封的模式，僅在距陽極氧化涂層的表面層超過一定深度的納米孔未被密封的模式。此外，“至少一部分納米孔未被密封”是指，不同于在陽極氧化涂層中存在的全部納米尺寸孔未被密封的模式，僅在距陽極氧化涂層的表面層超過一定深度存在的納米孔未被密封的模式?？梢哉f，就陽極氧化涂層的硬度和溫度擺動特性的觀點而言，以密封物密封全部微米級空隙且沒有密封全部納米尺寸孔的模式的涂層是合意的。然而，空隙和納米孔為微米級和納米級的孔，因此，事實上，得到這樣的涂層模式:僅在陽極氧化涂層的表面區(qū)域上的空隙被密封物密封且表面區(qū)域的納米孔未被密封，或者這樣的涂層模式，其中，分散有并未被密封物密封的空隙和未被密封的納米孔(全部納米孔的一部分)。[0017]“密封”表面裂紋和內(nèi)部缺陷指的是在微米級尺寸的空隙上涂布密封劑從而以通過轉(zhuǎn)化密封劑得到的密封物掩蔽和堵塞。所述“密封劑”是包含無機(jī)材料的涂布液體，且所述“密封物”是通過轉(zhuǎn)化該包含無機(jī)材料的涂布材料而得到的物質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人，已確認(rèn)了在面對內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的壁表面上形成的陽極氧化涂層具有的微米級尺寸空隙的尺寸在約I至10 μ m的范圍內(nèi)。
[0018]“納米孔未被密封”是指納米孔具有納米尺寸孔，其內(nèi)部并未被通過轉(zhuǎn)化密封劑得到的密封物堵塞的模式。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人，已確認(rèn)了在面對內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的壁表面上形成的陽極氧化涂層具有的納米孔的孔隙尺寸在約20至200nm的范圍內(nèi)?？梢砸赃@樣的方式進(jìn)行對I至10 μ m范圍和20至200nm范圍的確定:由陽極氧化涂層的橫截面的SEM圖像照片數(shù)據(jù)和TEM圖像照片數(shù)據(jù)，在特定的區(qū)域中分別提取出空隙和納米孔，并測量其最大尺寸，從而得到相應(yīng)的平均值以確定所述尺寸。
[0019]在第一實施方式中的內(nèi)燃機(jī)可以為在汽油發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)中使用的任一種。其配置主要配置有發(fā)動機(jī)缸體、氣缸蓋和活塞。其燃燒室是由氣缸體的缸內(nèi)徑表面、并入缸內(nèi)徑中的活塞頂、氣缸蓋的底表面以及配置于氣缸蓋中的進(jìn)氣閥和排氣閥的頂部限定的。
[0020]可以在全部地面對燃燒室的壁表面或者僅在其部分上形成陽極氧化涂層。在后者的情況下，可采用僅在活塞頂或閥頂形成陽極氧化涂層的實施方式。
[0021]此外，成形為內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的基體材料的例子包括，鋁及其合金、鈦及其合金、以及鍍鋁并進(jìn)一步陽極氧化的鐵基材料。在由鋁及其合金的基體材料成形的壁表面上形成的陽極氧化涂層成為防蝕鋁。不僅在普通鋁合金的情況中，而且在具有比以上更高組成比例的銅組分、鎳組分和鈦組分的高強度鋁合金的情況下，成為表面裂紋或內(nèi)部缺陷的空隙的尺寸趨于更大。因此，在密封劑涂布到這些孔隙上并轉(zhuǎn)化為密封物時，涂層強度的改進(jìn)變得更顯著。
[0022]根據(jù)第一內(nèi)燃機(jī)，在至少一部分面對其燃燒室的壁表面上形成的陽極氧化涂層中，至少一部分相對大的微米級尺寸的空隙以通過轉(zhuǎn)化密封劑而得到的密封物密封；以及至少一部分納米級尺寸的納米孔未被密封。由此得到了具有陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)，該陽極氧化涂層具有優(yōu)異的絕熱性能，高機(jī)械強度，且還具有優(yōu)異的溫度擺動特性，其中陽極氧化涂層的表面溫度跟隨燃燒室內(nèi)的氣體溫度。
[0023]所述密封物可以是主要由氧化硅組成的物質(zhì)。
[0024]可以采用聚硅氧烷、聚硅氮烷和硅酸鈉的任何一種作為形成所述密封物的密封齊U?？梢圆捎眠@樣的包含可常溫固化的無機(jī)物質(zhì)的聚硅氧烷或聚硅氮烷的涂布材料，所述涂布材料具有能順利滲透到在陽極氧化涂層中的空隙中的粘度、能夠在無需應(yīng)用高溫處理(燒結(jié))的情況下固化且通過固化得到的密封物的硬度非常高。
[0025]本發(fā)明的第二實施方式是在至少一部分面對燃燒室的壁表面上形成有陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)的制造方法，包括:密封納米孔的周圍，所述陽極氧化涂層在其內(nèi)部具有空隙和比所述空隙涂層更小的納米孔；以及，在所述空隙上涂布密封劑，從而以通過轉(zhuǎn)化密封劑得到的密封物密封至少一部分所述空隙，以形成至少一部分納米孔未被密封的陽極氧化涂層。
[0026]在面對內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的陽極氧化涂層中，作為以“至少一部分微米級尺寸的空隙被密封且至少一部分納米級尺寸的納米孔未被密封”這樣的方式形成陽極氧化涂層的方法，納米孔的周圍被密封以形成形成了封閉空間的納米孔。
[0027]“密封處理”是(通過膨脹納米孔的表面壁)形成納米孔的表面壁以確保其內(nèi)部的納米尺寸的孔的過程。密封處理的例子包括以下多個處理方法的實施方式。
[0028]S卩，可以采用將陽極氧化涂層置于加壓水蒸氣中的方法、將陽極氧化涂層浸潰于沸水中的方法、以及將陽極氧化涂層浸潰于含有無機(jī)物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì)的溶劑中的方法。
[0029]在任一所述方法中，初始納米孔的周圍膨脹了，且在納米孔內(nèi)部形成了通過膨脹形成的涂層，構(gòu)成納米孔的納米尺寸孔隙通過膨脹的涂層限定以確?？紫丁Ｔ诿芊獠襟E之前的納米孔的狀態(tài)中，納米尺寸孔并未完全由其外圍的區(qū)域限定，且未保持納米尺寸孔的形狀。因此，在其自身狀態(tài)中，在以下所述的第二步驟中涂布的密封劑侵入到納米孔的內(nèi)部，從而以通過轉(zhuǎn)化密封劑得到的密封物密封。
[0030]在另一方面，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)根據(jù)如此的密封步驟，例如微米級尺寸的表面裂紋和內(nèi)部缺陷的空隙不會被密封。如上所述，“密封處理”是孔的表面壁(通過膨脹孔的表面壁以收縮孔的內(nèi)部尺寸)完全由其外部的區(qū)域所限定的過程。然而，在微米級尺寸空隙中，空隙尺寸太大而不能形成膨脹涂層，從而不能完全地由其外部限定空隙的全部表面。
[0031]如上所述，在所述第一步驟中，在陽極氧化涂層中形成(限定)了尺寸在約20至200nm范圍內(nèi)的許多納米孔。
[0032]在所述第二步驟中，在微米級尺寸的空隙上涂布了密封劑，且通過轉(zhuǎn)化該密封劑得到的密封物密封了至少一部分所述空隙。由此，可以形成其中至少一部分納米孔未被密封的陽極氧化涂層。
[0033]在此，如上所述，密封劑的例子包括聚硅氧烷和聚硅氮烷。這是由于在使用它們時，可以無需高溫?zé)崽幚?燒結(jié))，密封劑可以相對容易地滲入到微米尺寸空隙的內(nèi)部，而且在固化后，形成硬度高的硬物體(例如，氧化硅玻璃)并可以改進(jìn)陽極氧化涂層的強度。
[0034]此外，用于涂布密封劑的方法并無特別限制。然而，可以采用使陽極氧化涂層浸潰到密封劑中的方法、將密封劑從陽極氧化涂層的表面噴涂的方法、刮刀涂布法、旋涂法、以及刷涂法。
[0035]由于納米孔的表面在第一步驟中被密封，在第二步驟中涂布的密封劑被禁止侵入到納米孔中。結(jié)果，可以制造出在至少一部分燃燒室上具有溫度擺動特性優(yōu)異的陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人估算，例如對于用于乘用車的渦輪增壓直噴式柴油發(fā)動機(jī)在2IOOrpm的轉(zhuǎn)數(shù)下，并在對應(yīng)于平均有效壓力1.6MPa的最佳燃料消耗點時，可以得到最大5%的燃料消耗的改進(jìn)。5%的燃料消耗的改進(jìn)不是指在測量時被測量誤差涵蓋的值，而是指可被清楚地證實為顯著差異的值。此外，在燃料消耗的改進(jìn)的同時，還估算，廢氣溫度由于絕熱而上升了約15°C。然而，廢氣溫度的升高可有效縮短緊接在實機(jī)啟動后NOx還原催化劑的預(yù)熱時間，且提高NOx還原率且能夠證實NOx還原的值。
[0037]另一方面，按照以下方式進(jìn)行在評估陽極氧化涂層的溫度擺動特性時進(jìn)行的冷卻測試(快速冷卻測試)。即，對于其中一側(cè)上形成了陽極氧化涂層的試樣，在以預(yù)定的高溫噴流繼續(xù)加熱另一側(cè)(未形成陽極氧化涂層的一側(cè))的同時，從試樣的前側(cè)(形成陽極氧化涂層的一側(cè))噴射預(yù)定溫度的冷空氣以降低試樣的前側(cè)溫度，測量其溫度，制得涂布表面溫度和時間的冷卻曲線，從而評估溫度降低的速率。通過從圖上讀取使涂層表面溫度降低到40 V所需的時間而評價溫度降低速率，作為40 V降低時間。
[0038]使多個試樣經(jīng)過快速冷卻測試，測量每一個試樣的40°C溫度降低時間，并得到通過燃料消耗改進(jìn)率和40°C溫度降低時間而限定的多個圖的近似曲線。
[0039]然后，當(dāng)讀取到對應(yīng)于燃料消耗改進(jìn)率5%的40°C溫度降低時間時，本發(fā)明的發(fā)明人確認(rèn)其為45m-sec。40°C溫度降低時間越短，涂層的熱導(dǎo)率和熱容量越低，燃料消耗的改進(jìn)效果越聞。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的實施方式中的內(nèi)燃機(jī)及其制造方法，在面對燃燒室的壁表面上形成的陽極氧化涂層內(nèi)存在的納米尺寸孔被密封時，許多納米孔表現(xiàn)出未滲透密封劑，且至少一部分納米孔未被密封，然后，當(dāng)密封劑被涂布在微米級的相對大的空隙時，至少部分空隙被通過轉(zhuǎn)化所述密封劑而得到的密封物密封。由此制造了在至少一部分或者全部的面對燃燒室的壁表面上具有陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)，該陽極氧化涂層具有優(yōu)異的絕熱性能，高機(jī)械強度，且還具有優(yōu)異的溫度擺動特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]以下將參考附圖描述本發(fā)明的示例性實施方式的特征、優(yōu)點以及技術(shù)和工業(yè)重要性，其中，相似的標(biāo)號表示相似的元件，且其中:
[0042]圖1是模擬涉及本發(fā)明實施方式的內(nèi)燃機(jī)的在面對燃燒室的壁表面上形成的陽極氧化涂層中的空隙和納米孔上施加處理以前的狀態(tài)的垂直截面圖；
[0043]圖2是圖1的II部分的放大圖；
[0044]圖3A和圖3B是依次解釋涉及本發(fā)明實施方式的內(nèi)燃機(jī)的制造方法的密封步驟的示意圖；
[0045]圖4是描述形成陽極氧化涂層的步驟的示意圖，且為用于描述根據(jù)本發(fā)明本實施方式的內(nèi)燃機(jī)的制造方法而形成的陽極氧化涂層的圖；
[0046]圖5是模擬對通過將本發(fā)明實施方式的制造方法應(yīng)用到在全部面對燃燒室的壁表面上形成的陽極氧化涂層所形成的內(nèi)燃機(jī)的垂直截面圖；
[0047]圖6A是用于描述冷卻實驗概況的示意圖，且圖6B是顯示出基于冷卻實驗的結(jié)果和由其得到的40°C降低時間的冷卻曲線的圖；
[0048]圖7是顯示出燃料消耗改進(jìn)率和在冷卻實驗中40°C降低時間的相互關(guān)系圖的圖表;
[0049]圖8是顯示出得到陽極氧化涂層的溫度擺動特性和機(jī)械強度的實驗結(jié)果的圖；以及
[0050]圖9A為顯示構(gòu)成表面裂紋和內(nèi)部缺陷的微米級尺寸空隙被密封劑密封的狀態(tài)的SEM圖像照片，且圖9B為顯示出納米孔的SEM圖像照片。
【具體實施方式】
[0051]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的實施方式及其制造方法。說明性實施例顯示出在面對內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的全部壁表面上形成陽極氧化涂層的模式。然而，可使用僅在面對燃燒室的壁表面的一部分上，如僅在活塞頂或閥頂上形成陽極氧化涂層的模式。[0052]圖1至圖4依次顯示出內(nèi)燃機(jī)的制造方法的流程圖。更具體而言，圖1是模擬對空隙和納米孔應(yīng)用處理之前的狀態(tài)的垂直截面圖，圖2是圖1的II部分的放大圖，圖3A和圖3B依次為解釋本實施方式的內(nèi)燃機(jī)的制造方法的密封步驟的示意圖，以及圖4是描述形成陽極氧化涂層的步驟的示意圖和描述根據(jù)本實施方式的內(nèi)燃機(jī)的制造方法而形成的陽極氧化涂層的圖。
[0053]首先，在面對內(nèi)燃機(jī)(未示出)的燃燒室的壁表面上應(yīng)用陽極氧化步驟以形成陽極氧化涂層。也就是說，內(nèi)燃機(jī)主要配置有氣缸體、氣缸蓋和活塞。其燃燒室是由氣缸體的缸內(nèi)徑表面、并入缸內(nèi)徑中的活塞頂、氣缸蓋的底表面以及配置于氣缸蓋中的進(jìn)氣閥和排氣閥的頂部限定的。在面對燃燒室的全部壁表面上形成陽極氧化涂層。
[0054]此外，成形為內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的基體材料的例子包括，鋁及其合金、鈦及其合金、以及鍍鋁并進(jìn)一步陽極氧化的鐵基材料。在配置為鋁及其合金的基體材料的壁表面上形成的陽極氧化涂層成為防蝕鋁。
[0055]如圖1所示，當(dāng)用顯微鏡觀察在成形為燃燒室的壁表面的鋁基材料B的表面上形成的陽極氧化涂層I時，在其表面存在許多裂紋la。在陽極氧化涂層I的內(nèi)部，存在延續(xù)到裂紋Ia的許多缺陷?？傮w而言，從涂層的表面至其內(nèi)部遍布形成這些裂紋Ia和缺陷Ib的許多空隙。
[0056]裂紋Ia和缺陷Ib具有在約I至10 μ m范圍內(nèi)的微米級尺寸。不僅在普通鋁合金的情況中，而且在其中的銅組分、鎳組分和鈦組分的組成比例高于上述的高強度鋁合金的情況下，構(gòu)成表面裂紋或內(nèi)部缺陷的空隙的尺寸趨于更大。
[0057]此外，在所述陽極氧化涂層I的內(nèi)部，如圖2所示，除了微米級空隙的表面裂紋Ia和內(nèi)部缺陷Ib以外，還存在許多納米級尺寸的孔(納米孔)lc。所述納米孔的孔隙尺寸通常在約20至200nm的范圍內(nèi)。
[0058]在本實施方式中的內(nèi)燃機(jī)的制造方法包括提高在面對內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的壁表面上形成的陽極氧化涂層的性能的處理步驟。在本實施方式中，以這樣的方式形成陽極氧化涂層，至少一部分微米級尺寸空隙的裂紋Ia和缺陷Ib (即，其全部或者在從表面層至涂層I的一定深度的范圍內(nèi)存在的)被密封，且至少一部分的納米級尺寸的納米孔Ic (B卩，其全部或者在從表面層至涂層I超過一定深度的范圍內(nèi)存在的)未被密封。作為所述制造方法的第一步驟，納米孔Ic的周圍被密封以形成形成了封閉空間的納米孔。
[0059]密封步驟是形成納米孔的表面壁(膨脹納米孔的表面壁以收縮納米孔的內(nèi)部尺寸)以確保其內(nèi)部的納米尺寸的孔的步驟。由此，在第二步驟中涂布的密封劑被禁止侵入到納米孔的內(nèi)部中并使其密封。
[0060]作為密封步驟，可以采用將陽極氧化涂層置于加壓水蒸氣中的方法、將陽極氧化涂層浸潰于沸水中的方法、以及將陽極氧化涂層浸潰于含有無機(jī)物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì)的溶劑中的方法。
[0061]根據(jù)將陽極氧化涂層置于加壓水蒸氣中的方法，在徹底地以水清洗以后，將設(shè)置有陽極氧化涂層的形成燃燒室的構(gòu)件置于壓力密封容器中，并通過將3至5大氣壓的水蒸氣通入在容器中20至30分鐘進(jìn)行密封。
[0062]根據(jù)將陽極氧化涂層浸潰于沸水中的方法，在徹底地清洗設(shè)置有陽極氧化涂層的形成燃燒室的部件以后，該部件被浸潰于加熱到95至100°C的純水(pH從5.5至6.5)的水浴中30分鐘以密封。
[0063]根據(jù)將陽極氧化涂層浸潰于含有無機(jī)物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì)的溶劑中的方法，將形成燃燒室的部件浸潰于乙酸鎳或乙酸鈷的水浴中，且將該水浴保持在95°C以上10至20分鐘。
[0064]在將陽極氧化涂層置于水蒸氣中或高溫水浴中時，如圖3A中所示，納米孔Ic的周圍的涂層朝向納米孔Ic內(nèi)部的方向(XI方向)上膨脹(起泡)，以及最終如圖3B中所示，通過膨脹形成涂層lc’’，限定了液體不能從其外部侵入的狀態(tài)的納米尺寸(納米孔lc’)。根據(jù)所述第一步驟，在陽極氧化涂層中形成(限定)了尺寸在約20至200nm范圍內(nèi)的許多納米孔 lc，。
[0065]然后，作為第二步驟，如圖4中所示，在微米級尺寸空隙的裂紋Ia和缺陷Ib上涂布密封劑2以密封至少一部分空隙。由此，形成了陽極氧化涂層10，其中由于膨脹的涂層lc’’并未被密封，至少部分的納米孔lc’處于液體不能侵入的狀態(tài)。
[0066]在此，用于涂布密封劑2的方法的例子包括使陽極氧化涂層浸入到容納了密封劑2的容器中的方法、將密封劑2從陽極氧化涂層的表面噴涂的方法、刮刀涂布法、旋涂法、以及刷涂法。
[0067]作為密封劑2，可以采用聚硅氧烷和聚硅氮烷。這是由于其使用可以無需高溫?zé)崽幚?燒結(jié))，密封劑可以相對容易地滲入到微米尺寸裂紋Ia和缺陷Ib中，而且在固化后，形成硬度高的硬物體(例如，氧化硅玻璃)，從而導(dǎo)致提高了陽極氧化涂層10的強度。
[0068]由于納米孔的表面在第一步驟中被密封，在第二步驟中涂布的密封劑被禁止侵入到納米孔中。結(jié)果，可以制造出在其至少一部分燃燒室上設(shè)置有溫度擺動特性優(yōu)異的陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)。
[0069]圖5模擬了根據(jù)所述制造方法，在面對燃燒室的全部壁表面上設(shè)置有陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)。
[0070]在圖5中所示的內(nèi)燃機(jī)N為柴油發(fā)動機(jī)。內(nèi)燃機(jī)N大致包括:氣缸體SB，其在其內(nèi)部具有冷卻水套J ;氣缸蓋SH，其置于氣缸體SB上；進(jìn)氣口 KP和排氣口 HP，其被限定所述氣缸蓋上；進(jìn)氣閥KV和排氣閥HV，其可自由升降地附著到所述進(jìn)氣口 KP和所述排氣口HP面對的開口處；燃燒室NS ;以及活塞PS，其可自由升降地從所述氣缸體SB的下部開口形成。本發(fā)明可以應(yīng)用于汽油發(fā)動機(jī)。
[0071]組裝內(nèi)燃機(jī)N的各構(gòu)成部件均由鋁或其合金(包括高強度鋁合金)形成。
[0072]在由內(nèi)燃機(jī)N的各構(gòu)成部件限定的燃燒室NS中，在各構(gòu)成部件面對燃燒室NS(氣缸體的缸內(nèi)徑表面SB’、氣缸蓋底表面5!1’、活塞頂部？5’、閥頂部1^和HV)的壁表面上，形成了陽極氧化涂層10。
[0073][冷卻測試及其結(jié)果]本發(fā)明的發(fā)明人通過向具有在以下表1中所示的成分組成的基體材料上在表2中所示的條件下形成陽極氧化涂層而制備了多種類型的試樣，進(jìn)行冷卻測試以評估所述陽極氧化涂層的溫度擺動特性，同時進(jìn)行強度測試并進(jìn)一步進(jìn)行實驗以得到陽極氧化涂層的溫度擺動特性和強度之間的關(guān)系。
[0074][表 I]
[0075]
【權(quán)利要求】
1.一種在至少一部分面對燃燒室的壁表面上形成有陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)，其特征在于: 所述陽極氧化涂層具有空隙和比所述空隙更小的納米孔； 至少一部分所述空隙以通過轉(zhuǎn)化密封劑而得到的密封物密封；以及 至少一部分所述納米孔未被密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述密封物是主要由氧化硅制成的物質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機(jī)，其中，所述密封劑是聚硅氧烷或聚硅氮烷中的任一種。
4.一種制造在至少一部分面對燃燒室的壁表面上形成有陽極氧化涂層的內(nèi)燃機(jī)的方法，包括: 密封納米孔的周圍，所述陽極氧化涂層在其內(nèi)部具有空隙和比所述空隙更小的納米孔；以及 在所述空隙上涂布密封劑，并用通過轉(zhuǎn)化所述密封劑而得到的密封物密封至少一部分所述空隙，以形成至少一部分納米孔未被密封的陽極氧化涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述密封物是主要由氧化硅組成的物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，所述密封劑是聚硅氧烷或聚硅氮烷中的任一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的方法，其中，密封是將陽極氧化涂層置于加壓水蒸氣中的方法、將陽極氧化涂層浸潰于沸水中的方法、以及將陽極氧化涂層浸潰于含有無機(jī)物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì)的溶劑中的方法中的任意一種。
【文檔編號】F02F3/14GK103842560SQ201280044469
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月12日
【發(fā)明者】西川直樹, 肘井巧, 川口曉生, 八塚遼太, 清水富美男, 脅坂佳史, 小坂英雅 申請人:豐田自動車株式會社