JP2002219563A - 繊維強化金属製シリンダライナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 強度増大を図り、耐磨耗性を高めた往復動型
内燃機関の繊維強化金属製シリンダライナを提供する。 【解決手段】 シリンダライナの負荷の大きい部位に強
化繊維量が多く、負荷の小さい部位に、強化繊維量が少
なく分布するよう強化繊維を積層した繊維強化金属製シ
リンダライナである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、往復動型内燃機関
における繊維強化金属製シリンダライナに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】４ストロークサイクル往復動型内燃機関
01では、図１６に図示されるように、シリンダブロック
02に一体に鋳込まれたシリンダライナ03内をピストン04
が上下に摺動し、ピストン04に上端が枢着されたコネク
ティングロッド05を介して図示されないクランクシャフ
トが回転駆動されるようになっている。

【０００３】ピストン04の頂部外周面には、周方向に指
向したピストンリング溝06が、上下方向に亘り所定間隔
毎に複数条形成され、該ピストンリング溝06にそれぞれ
ピストンリング07が嵌装されている。

【０００４】図１６に図示のように、ピストン04が上死
点に位置した時にピストンリング07が接するシリンダラ
イナ03の部位Ａと、これよりやや下方に位置し最大燃焼
圧力発生時におけるピストンリング07が接するシリンダ
ライナ03の部位Ｂと、図１７に図示のように、ピストン
04が下死点に位置した状態におけるピストンリング07が
接するシリンダライナ03の部位Ｃとが、前述したよう
に、大きな側圧や衝撃力を受けるとともに、大きな摩擦
力を受ける。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】往復動型内燃機関にお
いては、ピストンが上死点または下死点に向い一方向へ
シリンダライナ内を摺動し、これらの上・下死点に到達
した瞬間に、一時的に静止した後、逆方向へ摺動し、か
つこれら上・下死点Ａ、Ｃ近傍の部分では、潤滑油の油
膜が薄くなるため、これらの上・下死点において、シリ
ンダライナはピストンの摺動による影響を受け易い。

【０００６】そして、上死点Ａでは、燃焼ガスに触れて
高温に加熱されるので、シリンダブロックに対しシリン
ダライナが膨張・収縮を繰り返し、これによるシリンダ
ブロックとシリンダライナとの間の密着性に悪影響が生
ずる。

【０００７】また、ピストンが上・下死点以外で往復動
している間では、コネクティングロッドがピストンの摺
動方向に対して傾斜しているため、ピストンがシリンダ
ライナ内周面の一方に押付けられ、この押付け力は常に
変化するとともに方向も変わり、シリンダライナ内周面
では側圧を受け、特に最大燃焼圧力を受ける部位Ｂで
は、側圧が大幅に増大し、やはり、シリンダライナに大
きな衝撃力が加えられる。このため、ピストン打音に与
える影響が大きい。

【０００８】本発明は上記従来技術の欠点を解消し、シ
リンダライナの強度増大を図り、耐磨耗性を高めようと
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段および効果】本願発明は、
このようなシリンダライナの内周面における局部的な大
きな摩耗や損傷を回避できる繊維強化金属製シリンダラ
イナの改良に係り、請求項１記載発明は、内燃機関の繊
維強化金属製シリンダライナであって、該シリンダライ
ナの負荷の大きな部位に強化繊維量が多く、該シリンダ
ライナの負荷の小さな部位に、強化繊維量が少なく分布
するよう強化繊維が積層されたことを特徴とするもので
ある。

【００１０】請求項１記載の発明では、シリンダライナ
の負荷の大きな部位は、シリンダライナの負荷の小さな
部位よりも、大量の強化繊維量で強化されているため、
負荷の大きな部位に働く衝撃力に耐え、摩擦による磨耗
ができるだけ阻止され、シリンダライナの強度、耐久性
の向上を達成することができ、前述の課題が解消する。

【００１１】また、請求項２記載のように発明を構成す
ることにより、シリンダライナの負荷の大きな部位は、
シリンダライナの負荷の小さな部位よりも、強度の優れ
た強化繊維で強化されるため、負荷の大きな部位に働く
側圧力や衝撃力等に十分に耐え、シリンダライナの強度
が大幅に増大し、ピストン打音が大幅に低減する。

【００１２】さらに、請求項３記載のように発明を構成
することにより、シリンダライナの負荷の大きな部位は
シリンダライナの負荷の小さな部位よりも摺動性を有し
ているため、負荷の増大に伴なう摩擦力が軽減され、耐
摩耗性が高められる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本出願の請求項１記載の発明の第
１実施形態について、図１ないし図６に基いて説明す
る。

【００１４】本実施形態の往復動型内燃機関において
は、シリンダライナは、シリンダライナ用繊維予備成形
体、以下これをシリンダライナプリフォーム２と呼ぶ、
で複合強化されている。このシリンダライナプリフォー
ム２は、まず図１に図示される工程で予備成形される。

【００１５】繊維径が約３μｍでシリカ分が少なく靭性
に富み強度の高い多結晶質アルミナ連続繊維と、繊維径
が約７μｍの自己潤滑性に富み強度の高い炭素繊維をそ
れぞれ乾式あるいは湿式プレスにより長さ１００μｍの
長さに短く切り揃え後、アルミナ繊維および炭素繊維を
解繊し、アルミナ繊維および炭素繊維を相互に結合する
バインダーを溶解した水溶液を加えたスラリー状液を用
意する。

【００１６】図２に図示された組立分解自在の鋼板製円
筒状中空体３の周壁３ａには、多数の小孔３ｂが形成さ
れ、大きな負荷を受けるシリンダライナの部位Ａ，Ｂ，
Ｃに対応した個所には、前記小孔３ｂの配置密度が他の
部位の密度よりも高く設定されている。該円筒状中空体
３の多数の小孔を有する周壁３ａの外面に、網目が均一
に分布した金網（図示せず）を重ねて吸引治具４を構成
した後、吸引したアルミナ・炭素繊維層６を吸引治具４
から簡単に取外せるようにするための不織布５を、図３
に示すように、該吸引治具４の外周面に重ねる。

【００１７】この吸引治具４を前記スラリー状液中に浸
漬し、該吸引治具４の上下パイプ４ａを介して吸引治具
４の内部から該スラリー状液を吸引し、該吸引治具４の
不織布５の外面上に前記多結晶質アルミナ連続繊維およ
び炭素繊維を積層し、円筒状中空体３と平行な図示され
ないローラでこれを加圧すると、図４に示すようなアル
ミナ・炭素繊維層６を形成することができる。

【００１８】上記アルミナ・炭素繊維層６とその内面に
接した不織布５とを吸引治具４から外してから、乾燥
し、その後、不織布５をアルミナ・炭素繊維層６の内面
から剥がし、その層内に含まれているバインダーを焼成
すると、図５に示すシリンダライナプリフォーム２（図
５の２層円筒の内層）を予備成形することができる。

【００１９】前記シリンダライナプリフォーム２を用
い、高圧鋳造法により、軽金属の一種であるアルミニウ
ム合金、例えば、ＡＤＣ１４（これは Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍ
ｇ の量が大）、を複合強化して、図５に図示の繊維強
化軽金属製シリンダライナ１を作成する。

【００２０】このように作成された繊維強化軽金属製シ
リンダライナ１を、シリンダブロック用金型（図示せ
ず）に装入し、繊維強化軽金属製シリンダライナ１のマ
トリックス金属であるアルミニウム合金と同一、または
異なった成分の軽合金、例えばＡＤＣ１０,１２、の溶
湯を高圧鋳造法により前記シリンダブロック用金型に充
填し、図６のシリンダブロック19を鋳造し、鋳造された
シリンダブロック19における繊維強化軽金属製シリンダ
ライナ１の内周面にホーニング研削加工を施す。

【００２１】図１ないし図６に図示の実施形態では、大
きな側圧や衝撃力を受けるシリンダライナの部位Ａ，
Ｂ，Ｃに対応する位置の円筒状中空体３の小孔３ｂの密
度が、他の部位の小孔３ｂの密度よりも高いため、この
部位の不織布５の表面に大量のアルミナ・炭素繊維が積
層し、シリンダライナプリフォーム２のこの部分は厚く
なるが、このアルミナ・炭素繊維層６がプレスにて肉厚
を均一化されるので、繊維体積率が増大する。

【００２２】従って、このシリンダライナプリフォーム
２で複合強化された繊維強化軽金属製シリンダライナ１
では、部位Ａ，Ｂ，Ｃの強化繊維の体積率が増大し、こ
の部分の機械的な強度、剛性が向上するので、この部分
は大きな負荷を確実に負担することができる。また、シ
リンダライナ１の部位Ａ，Ｂ，Ｃが大きな負荷で強く摩
擦されても、摩耗が少ないので、これを用いた往復動型
内燃機関は耐久性が向上する。

【００２３】図１ないし図６に図示の実施形態では，シ
リンダライナの強化すべき部位の強化繊維の量を増大さ
せることによって、この部位の強度、耐摩耗性を向上さ
せるとともに、高価な強化繊維を負荷に対応して合理的
に配分して、コストダウンを図ることができたが、請求
項２および請求項３に記載の発明を具体化した図７ない
し図１４に図示する第２実施形態によって、同様な効果
を果すこともできる。

【００２４】第２実施形態では、まず図７に示される工
程でシリンダライナプリフォーム12（図１４の２層円筒
の内層）が予備成形される。即ち、繊維径が約３μｍで
シリカ分が少なく靭性に富み強度の高い多結晶質アルミ
ナ連続繊維をプレスにより１００μｍ長さに短く切り揃
えるとともに、繊維径が約７μｍの自己潤滑性に富み強
度の高い炭素繊維をプレスにより液中で長さ１００μｍ
の長さに短く切り揃え、アルミナ繊維および炭素繊維を
相互に結合するバインダを溶解した水溶液に、前記アル
ミナ繊維および炭素繊維を解繊して、スラリー状液を用
意する。

【００２５】更に、前記のようにして用意したアルミナ
繊維、および炭素繊維からなるスラリー状液よりも濃度
の低い第２の液を用意する。

【００２６】そして、図８に図示された組立分解自在の
鋼板製円筒状中空体13は、その周壁13ａに多数の小孔13
ｂが均一に分散されて形成されている。図９に示される
ように、該円筒状中空体13の周壁13ａの外面に不織布14
を重ね、さらに図１０に示されるように、該不織布14上
にて、シリンダライナにおいて大きな負荷を受ける部位
Ａ，Ｂ，Ｃに対応した個所を露出させ、その他の個所を
密閉シート15で覆って、吸引治具16を構成する。

【００２７】図１０に図示された状態の吸引治具16を、
アルミナ繊維・炭素繊維の解繊スラリー状液中に浸漬
し、該吸引治具16の上下パイプ16ａを介して吸引治具16
の内部から該スラリー状液を吸引し、該吸引治具16にお
いて密閉シート15で覆われてない不織布14の外面上に前
記アルミナ繊維および炭素繊維を積層し、吸引治具16の
周面に図示されないローラを当てて加圧脱水し、また
は、袋状ラバープレスでこの積層を加圧脱水すると、図
１１に図示のように、大きな負荷を受ける部位Ａ，Ｂ，
Ｃに、強度および摺動性の優れたアルミナ繊維・炭素繊
維層17を形成することができる。

【００２８】次に、周方向に帯状に形成された前記アル
ミナ繊維・炭素繊維層17の外面を、図１２に図示するよ
うに、密閉シート15で覆い、この吸引治具16を前記アル
ミナ繊維の解繊スラリー状液中に浸漬し、該吸引治具16
の上下パイプ16ａを介して吸引治具16の内部から該スラ
リー状液を吸引し、該吸引治具16における密閉シート15
で覆われていない不織布14の外面上に前記アルミナ繊維
を積層し、これを脱水した後、密閉シート15を外すと、
図１３に図示するように、小負荷部位にアルミナ・炭素
繊維スラリー濃度の低い第２アルミナ繊維・炭素繊維層
18を形成することができる。

【００２９】そして、これら第１アルミナ繊維・炭素繊
維層17、および第２アルミナ繊維・炭素繊維層18を乾燥
・焼成すると、図１４に示すようなシリンダライナプリ
フォーム12（図１４の２層円筒の内層）を予備成形する
ことができる。このシリンダライナプリフォーム12を用
い、高圧鋳造法によってマトリックス金属の溶湯を図示
されないシリンダライナ金型に加圧注入して、図１４に
示される繊維強化軽金属製シリンダライナ11を作成す
る。

【００３０】この繊維強化軽金属製シリンダライナ11で
は、負荷の大きな部位Ａ，Ｂ，Ｃでは、強度と摺動性と
が優れた第１アルミナ繊維・炭素繊維層17で複合強化さ
れているため、これらの部位は大きな負荷を十分に負担
でき、また、他の部位は高価な炭素繊維が少ない安価な
第２アルミナ繊維・炭素繊維層18で複合強化されている
ため、コストダウンが可能である。

【００３１】さらに、密閉シート15の側縁部近傍では、
不織布14は完全に密封されえないため、密閉シート15の
側縁部に繊維層が交互に体積し、第１アルミナ繊維・炭
素繊維層17と第２アルミナ繊維・炭素繊維層18との境界
部では、両者が混じり合った状態で積層し、負荷の大き
な部位と、そうでない部位との物理的性質は、ゆるやか
に変化するので、ピストンは繊維強化軽金属製シリンダ
ライナ11内を円滑に摺動することができる。特に、負荷
の大きな部位では、第１アルミナ繊維・炭素繊維層17で
シリンダライナプリフォーム12が構成されているため、
この部位は摺動性に富み、大きな負荷でも十分な耐摩耗
性を有している。

【００３２】図１５は多気筒型内燃機関用に成形された
多連形シリンダライナ21の一実施形態の斜視図である。
この形態のシリンダライナを用いることによって、単筒
形のシリンダライナを用いて多気筒シリンダブロックを
作る場合に比して気筒間隔の狭いシリンダブロックを製
作することが出来、内燃機関をコンパクト化することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るシリンダライナプ
リフォームの予備成形工程図である。

【図２】同実施形態の円筒状中空体の斜視図である。

【図３】同実施形態の金網の外側に不織布を設けた吸引
治具の斜視図である。

【図４】同実施形態の吸引治具においてアルミナ・炭素
繊維層が形成された状態の斜視図である。

【図５】同実施形態の繊維強化軽金属製シリンダライナ
の斜視図である。

【図６】同実施形態のシリンダライナを備えたシリンダ
ブロックの断面図である。

【図７】本発明の第２実施形態に係るシリンダライナプ
リフォームの予備成形工程図。

【図８】同実施形態の円筒状中空体の斜視図である。

【図９】同実施形態の不織布を備えた円筒状中空体の斜
視図である。

【図１０】同実施形態の一部を密閉シートで覆った吸引
治具の斜視図である。

【図１１】同実施形態の吸引治具においてアルミナ繊維
・炭素繊維層が形成された状態の斜視図である。

【図１２】同実施形態の一部を密閉シートで覆った吸引
治具の斜視図である。

【図１３】同実施形態の吸引治具においてアルミナ繊維
・炭素繊維層とアルミナ繊維層とが共に形成された状態
の斜視図である。

【図１４】同実施形態の繊維強化軽金属製シリンダライ
ナの斜視図である。

【図１５】多連形シリンダライナの斜視図である。

【図１６】従来の４ストロークサイクル往復動型内燃機
関の断面図である。

【図１７】従来の４ストロークサイクル往復動型内燃機
関の断面図である。

【符号の説明】

１…繊維強化軽金属製シリンダライナ、２…シリンダラ
イナプリフォーム、３…円筒状中空体、３ａ…周壁、３
ｂ…小孔、４…吸引治具、４ａ…上下のパイプ、５…不
織布、６…アルミナ・炭素繊維層、11…繊維強化軽金属
製シリンダライナ、12…シリンダライナプリフォーム、
13…円筒状中空体、13ａ…周壁、14…不織布、15…密閉
シート、16…吸引治具、16ａ…上下のパイプ、17…第１
アルミナ繊維・炭素繊維層、18…第２アルミナ繊維・炭
素繊維層、19…シリンダブロック、21…多連形シリンダ
ライナ、01…往復動型内燃機関、02…シリンダブロッ
ク、03…シリンダライナ、04…ピストン、05…コネクテ
ィングロッド、06…ピストンリング溝、07…ピストンリ
ング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田口 隆 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3G024 AA22 AA24 AA25 AA26 CA05 FA01 FA05 FA06 FA07 HA01 HA07 HA18 3J044 AA02 BA01 BB23 BC12 DA09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の繊維強化金属製シリンダライ
   ナであって、 該シリンダライナの負荷の大きな部位に強化繊維量が多
   く、該シリンダライナの負荷の小さな部位に、強化繊維
   量が少なく分布するよう強化繊維が積層されたことを特
   徴とする繊維強化金属製シリンダライナ。
2. 【請求項２】 内燃機関の繊維強化金属製シリンダライ
   ナであって、 該シリンダライナの負荷の大きな部位の強化繊維が、該
   シリンダライナの負荷の小さな部位の強化繊維よりも強
   度の優れた強化繊維が用いられたことを特徴とする繊維
   強化金属製シリンダライナ。
3. 【請求項３】 内燃機関の繊維強化金属製シリンダライ
   ナであって、 該シリンダライナの負荷の大きな部位の強化繊維が、該
   シリンダライナの負荷の小さな部位の強化繊維よりも摺
   動性が優れた強化繊維が用いられたことを特徴とする繊
   維強化金属製シリンダライナ。