专利名称：内燃发动机和制造内燃发动机的方法
技术领域：
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：
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络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。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。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。在这里考虑传统公开的技术时，日本专利申请公报N0.2003-113737(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铬多孔覆膜，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。日本专利申请公报N0.2009-243352 (JP-A-2009-243352)和 W02009/020206 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。上述JP-A-2003-113737、JP-A-2009-243352 和 TO2009/020206 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。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
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。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铬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。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。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铬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。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络在气缸盖中的进气和排气门的顶表面限定。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。形成内燃发动机的燃烧室的母材可例如为铝和其合金以及钛和其合金。当阳极氧化覆膜形成在母材为铝或其合金的壁上时，形成防蚀铝覆膜。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W02009/020206中详细说明的内容。上述阳极氧化覆膜的厚度优选在100至500 μ m的范围内。根据本发明人，当热绝缘的阳极氧化覆膜具有低于100 μ m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100 μ m以便确保这种燃料消耗改善。另一方面，本发明人还发现，当阳极氧化覆膜的厚度超过500 μ m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(swingbehavior)(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500 μ m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，500 μ m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%。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500 μ m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°C。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。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°C降低时间(从曲线读取并且是覆膜表面的温度降低40°C所需的时间)来评价该温度降低速度。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°C降低时间；并且例如，对由孔隙率和40°C降低时间限定的多个点构建近似曲线。通过读取该近似曲线与40°C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°C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。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%。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。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。阳极氧化覆膜的表面优选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。可使用例如已添加硅酸钠作为密封促进剂的沸腾水。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500 μ m的上述阳极氧化覆膜相比，薄膜的厚度例如最好约为10 μ m或更小。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。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溃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，并且以被调节为从1.6至2.4cal/s/cm2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铬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。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溃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的范围内的最大电压并且同时将除热速度调节为从1.6至2.4cal/s/cm2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。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，并且将电解液的温度调节为从-5至5°C的范围可提供在从1.6至2.4cal/s/cm2的范围内的除热速度。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溃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，并且以被调节为从1.6至2.4cal/s/cm2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铬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铬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。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一而能够确保更可靠地形成在期望范围内的孔隙率。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铬有高导热性、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。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500 μ m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。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。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。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。
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铬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。
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:图1是根据本发明实施例的内燃发动机的纵剖视图；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；图2B是示出图2A所示的阳极氧化覆膜和薄膜的纵剖视图；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；图3B是根据另一实施例的制造方法的流程图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；图5A是根据比较示例(硬质防蚀铝区域)的阳极氧化覆膜在阳极氧化处理(第一步骤)之后通过扫描电子显微镜(SEM)对覆膜表面的截面拍摄的照片；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；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；图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;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；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；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；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;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;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；图8B是示出从铸造体切出的试件的透视图；图9A是说明冷却试验的方案的示意图；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°C降低时间；图10是燃料消耗改善百分率与冷却试验中的40°C降低时间之间的关系的曲线图；图11是40°C降低时间与孔隙率之间的关系的曲线图；图12是显微维氏硬度与孔隙率之间的关系的曲线图；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；图14A是实验中所使用的比较示例I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是实验中所使用的示例I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MD是示例4的防蚀铝的截面的SEM照片；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；
图16B是比较示例5的防蚀铝的截面的SEM照片；图17是建立满足与5%燃料消耗改善率对应的40°C降低时间的最大电压范围下限的实验结果的曲线图；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；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；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；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；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。
具体实施例方式下面参照
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。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。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、配铬在气缸体I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I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。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。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)。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。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由多个内部设铬有第一空隙Kl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0..不彼此结合的非结合区域内(如三重点)设铬有另外的第二空隙K2的微观结构的覆膜。传统的阳极氧化覆膜不具有与所示的阳极氧化覆膜61 —样在三个或更多个相邻的中空晶胞C、…之间设铬有第二空隙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。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Kl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Kl和第二空隙K2确定。第一空隙Kl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。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Kl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。另外，本发明人还发现，阳极氧化覆膜61的厚度tl最好被调节为从100至500 μ m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ΙΟΟμπι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ΙΟΟμπι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500 μ m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500 μ m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，500 μ m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。由于阳极氧化覆膜61具有例如在具有第一空隙Kl的各中空晶胞C之间的三重点处设铬有另外的第二空隙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。另外，将阳极氧化覆膜的厚度如上所述调节为100至500 μ m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。另外，本发明人推定，通过将由第一空隙Kl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°C，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。为了防止燃料和燃烧气体进入设铬有第一和第二空隙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。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tl为100至500 μ m相比，该薄膜7的厚度t2例如最好调节为约10 μ m或更小的厚度。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。阳极氧化覆膜首先是通过将面向燃烧室NS的特定部件的壁浸溃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/cm2的范围的除热速度进行电解来形成的(步骤SI)。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。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500 μ m的范围内的膜厚度生成覆膜。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)。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SI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SI I )，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。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S 13 )。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。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/s/cm2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)。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°C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。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。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。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ΙΟΟμπι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。下面在表I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6么包含比较示例(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。表I
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: 所述阳极氧化覆膜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 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。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，所述阳极氧化覆膜的厚度在从100至500 μ m的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的内燃发动机，其特征在于，所述孔隙率在从15%至40%的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，比率Φ/d在从0.3至0.6的范围内，其中Φ是存在于所述中空晶胞中的所述第一空隙的平均孔径，并且d是所述中空晶胞的平均晶胞直径。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，所述阳极氧化覆膜的表面已利用沸腾水或水蒸气进行过密封处理，或者已利用无孔的薄膜进行过被覆处理，或者已进行过这两种处理。
6.根据权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于，所述薄膜包括无机密封剂。
7.根据权利 要求1至3中任一项所述的内燃发动机，其特征在于，所述阳极氧化覆膜是防蚀铝覆膜。
8.根据权利要求7所述的内燃发动机，其特征在于，所述阳极氧化覆膜的显微维氏硬度在从110至400HV0.025的范围内。
9.一种制造内燃发动机的方法，所述方法是通过在面向所述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所述内燃发动机的，所述方法包括: 通过将所述壁的全部或一部分浸溃到酸性电解液中而形成阳极，在所述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，并且以被调节为从1.6至2.4cal/s/cm2的范围的除热速度进行电解；以及 在所述壁的全部或一部分的表面上生成阳极氧化覆膜，所述阳极氧化覆膜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。
10.根据权利要求9所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于还包括: 形成所述阳极氧化覆膜的中间体的第一步骤；和 通过对设置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的第二步骤。
11.根据权利要求9所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于，所述酸性电解质的温度被调节为从-5至5°C的范围。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于，所述阳极氧化覆膜的厚度被调节为从100至500 μ m的范围。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于，所述孔隙率被调节为从15至40%的范围。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于，比率Φ/d被调节为从0.3至0.6的范围，其中Φ是存在于所述中空晶胞中的所述第一空隙的平均孔径，并且d是所述中空晶胞的平均晶胞直径。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于还包括: 在形成所述阳极氧化覆膜之后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。
16.根据权利要求15所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于，所述薄膜包括无机密封剂。
17.根据权利要求9至16 中任一项所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于，所述阳极氧化覆膜是防蚀铝覆膜。
18.根据权利要求17所述的制造内燃发动机的方法，其特征在于，所述阳极氧化覆膜的显微维氏硬度被调节为从110至400HV0.025的范围。
全文摘要
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。
文档编号F02B77/11GK103080386SQ201180040733
公开日2013年5月1日 申请日期2011年8月23日 优先权日2010年8月25日
发明者肘井巧, 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 申请人:丰田自动车株式会社