JP2006002606A - Cylinder block - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関のシリンダブロックのシリンダボア(以下、単に「ボア」という)にシリンダライナを設けたシリンダブロックに関する。 The present invention relates to a cylinder block in which a cylinder liner is provided in a cylinder bore (hereinafter simply referred to as “bore”) of a cylinder block of an internal combustion engine.
従来、内燃機関のアルミニウム合金製のシリンダブロックでは、耐摩耗性の向上とピストンの摺動抵抗の向上とを図るために、ボアに強化材が設けられたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
従来、エンジンのシリンダブロックは、軽量化に伴いアルミニウム合金のダイカスト鋳造により形成されて、ボアには、耐摩耗性や摺動性を考慮して前記強化材や良質の鋳鉄などからなるシリンダライナが設置されている。
Conventionally, an engine cylinder block is formed by die casting of an aluminum alloy as the weight is reduced, and the bore is provided with a cylinder liner made of the reinforcing material or high-quality cast iron in consideration of wear resistance and slidability. is set up.
しかしながら、前記特許文献1に記載されたシリンダブロックの強化材は、Fe,Cr,Niなどのステンレス鋼から構成された金属多孔体をシリンダブロックに複合化したものであり、シリンダブロックを形成するアルミニウム合金などの金属材料と比較して、質量が重く、シリンダブロックの軽量化およびコンパクト化において問題点があった。
However, the cylinder block reinforcing material described in
前記特許文献1に記載のシリンダブロックは、ボアの摺動性の向上を図ったものであるが、同一構造のエンジンにおいて、出力の向上を図ろうとした場合、熱負荷および燃焼圧力が増大することから大幅な構造変更が必要となり、次のような問題点が発生する。
The cylinder block described in
(1)燃焼圧力が高くなるにしたがって、シリンダブロックのデッキ面に設置されるヘッドガスケット(以下、単に「ガスケット」という)が燃焼ガスをシールするのに高い面圧が必要となる。このため、従来のシリンダブロックでは、ボア回りの剛性が低く、ヘッドボルトの締結軸力がボアにかかる効率が悪いので、締結軸力を大幅に上げなければならないという問題点がある。
(2)ガスケットの面圧が高くなった場合、従来のシリンダブロックでは、シリンダブロックのガスケットの締結面での座屈強度が低い。このため、前記ガスケットの締結面で座屈が起きて、十分な面圧が確保できないという問題点がある。
(3)ボア回りの熱負荷が大きくなった場合、従来の構造のシリンダブロックでは、ボア回りの強化によって熱伝導性が低下するものがあり、ボア回りの放熱性が悪くなるという問題点がある。
(1) As the combustion pressure increases, a higher surface pressure is required for a head gasket (hereinafter simply referred to as “gasket”) installed on the deck surface of the cylinder block to seal the combustion gas. For this reason, the conventional cylinder block has a problem that the rigidity around the bore is low, and the efficiency with which the fastening axial force of the head bolt is applied to the bore is poor, so that the fastening axial force must be significantly increased.
(2) When the surface pressure of the gasket increases, the conventional cylinder block has a low buckling strength on the fastening surface of the gasket of the cylinder block. For this reason, there is a problem that buckling occurs on the fastening surface of the gasket and sufficient surface pressure cannot be secured.
(3) When the thermal load around the bore is increased, there is a problem that in the cylinder block having the conventional structure, thermal conductivity is lowered due to strengthening around the bore, and heat dissipation around the bore is deteriorated. .
また、ボア回りにアルミニウム合金を使用した従来の構造のシリンダブロックでは、次のような問題点がある。
(1)エンジン低温始動時に、シリンダブロックとピストンの温度上昇特性の相違によって、シリンダブロックの温度上昇よりもピストンの温度上昇の方が早くなるため、ピストンの熱膨張率を考慮したクリアランスを設ける必要がある。
(2)ボアの熱膨張率が大きい場合は、エンジン暖機後のボアの拡張が大きくなり、シリンダブロックとピストンとの間のクリアランスが大きくなるため、ピストンの首振りが大きくなり、NV(Noise and Vibration)が増大する。
また、ピストンリングの合い口が広がることで、オイルが燃焼室に抜けて消費が激しくなったり、燃焼ガスがクランク室に抜けてオイル劣化が激しくなったりする問題点がある。
The conventional cylinder block using an aluminum alloy around the bore has the following problems.
(1) When starting the engine at a low temperature, the temperature rise of the piston is faster than the temperature rise of the cylinder block due to the difference in temperature rise characteristics between the cylinder block and the piston. There is.
(2) When the thermal expansion coefficient of the bore is large, the expansion of the bore after the engine is warmed up and the clearance between the cylinder block and the piston becomes large, so the swing of the piston becomes large and the NV (Noise and Vibration) increases.
Further, there is a problem that the piston ring has a wide opening, so that oil flows into the combustion chamber and consumption increases, or combustion gas flows into the crank chamber and oil deterioration becomes severe.
そこで、本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、ボア回りの摺動性を確保しつつ高熱伝導性、高剛性、低膨張性を備えるとともに、軽量、コンパクト化および高出力化が可能なシリンダブロックを提供することにある。 Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, and the object of the present invention is to ensure high thermal conductivity, high rigidity, and low expansion while ensuring slidability around the bore. An object of the present invention is to provide a cylinder block that is light in weight, compact, and capable of increasing output.
前記課題を解決するために、請求項1に記載のシリンダブロックは、ピストンを備える内燃機関のシリンダブロックのボアに、シリンダライナが複合化されたシリンダブロックにおいて、前記シリンダライナは、複数の球状セル(セラミック成形体の空隙部分)と、隣合う前記複数の球状セル同士を連通させる連通孔(ウィンドとも称される)とで構成された三次元網目構造のセラミック成形体(プリフォームとも称される)の前記球状セルに金属が充填された金属基複合部材(MMC:Metal Matrix Composite)からなることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the cylinder block according to
請求項1に記載の本発明によれば、シリンダライナを構成するセラミック成形体は、金属が充填された球状セルを有する金属基複合部材からなる。この金属基複合部材が製造される際に、各球状セル内に溶融した金属が充填されて、連通孔を通じて金属が行き渡る。このため、その金属基複合部材には、高剛性、高熱伝導性、低膨張性が備えられる。
すなわち、セラミック成形体は、金属がそれよりも剛性が高い球状セルにより拘束された状態であるため、剛性向上効果が高くなる高剛性化を有する。また、セラミック成形体は、金属よりも熱伝導率の高いセラミックス(球状セル)であるため、セラミックスを優先して熱が流れることにより、全体の熱伝導率の向上効果が高くなる高熱伝導性化を有する。さらに、セラミック成形体は、金属よりも熱膨張率の低い球状セルに拘束された状態であるため、熱膨張率の低減効果が高くなる低熱膨張性を有する。
このようなシリンダライナが複合化されたシリンダブロックは、シリンダライナが高剛性などの機械的強度を備えているため、従来の鋳鉄製やステンレス製のシリンダライナよりも剛性および強度が上がるため、同一の大きさで、より高出力なエンジンを作ることができるようになる。
また、エンジン全体としては、次のようなことができるようになる。
(1)ボア回りの剛性が向上し、燃焼ガスのシール性を向上させることができる。
(2)ボア回りの熱伝導性が向上し、ボア回りの熱引け性を向上させることができる。
(3)ボア回りの熱膨張が低下し、エンジンの運転に伴う熱でシリンダブロックが熱膨張・収縮しても、シリンダライナに摺動自在に挿入されるピストンとのクリアランスが高温時に、熱膨張によって増加することを低減できるようになる。これにより、ピストンの首振りおよびNVを抑制することができる。また、ピストンリングの合い口が広がりも抑制することができ、これに伴いオイルの消費やオイル劣化を防止できるようになる。
According to the first aspect of the present invention, the ceramic molded body constituting the cylinder liner is made of a metal matrix composite member having spherical cells filled with metal. When this metal matrix composite member is manufactured, the molten metal is filled in each spherical cell, and the metal spreads through the communication holes. For this reason, the metal matrix composite member is provided with high rigidity, high thermal conductivity, and low expansion.
That is, since the ceramic molded body is in a state in which the metal is constrained by the spherical cell having higher rigidity, the ceramic molded body has high rigidity that increases the rigidity improvement effect. In addition, since the ceramic compact is a ceramic (spherical cell) with higher thermal conductivity than metal, high heat conductivity can be achieved by increasing the overall thermal conductivity when heat flows preferentially to ceramics. Have Furthermore, since the ceramic molded body is in a state of being constrained by a spherical cell having a lower thermal expansion coefficient than that of a metal, it has a low thermal expansion property that increases the thermal expansion coefficient reduction effect.
The cylinder block in which these cylinder liners are combined has the same rigidity and strength as conventional cylinder liners made of cast iron or stainless steel because the cylinder liner has high rigidity and other mechanical strength. This makes it possible to create a higher output engine.
The engine as a whole can do the following.
(1) The rigidity around the bore is improved and the sealing performance of the combustion gas can be improved.
(2) The thermal conductivity around the bore is improved, and the heat sinkability around the bore can be improved.
(3) Even if the cylinder block is thermally expanded and contracted due to the heat associated with engine operation, the thermal expansion around the bore decreases, and the thermal expansion occurs when the clearance with the piston slidably inserted into the cylinder liner is high. It becomes possible to reduce the increase. Thereby, piston swing and NV can be suppressed. In addition, the opening of the piston ring can be prevented from spreading, and accordingly, oil consumption and oil deterioration can be prevented.
請求項2に記載のシリンダブロックは、請求項1に記載のシリンダブロックであって、前記金属基複合部材における前記セラミック成形体の体積分率(Vf:Volume Fraction)が、10〜40%であることを特徴とする。
ここで、「体積分率」とは、金属基複合部材の体積に占めるセラミック成形体の割合を示すものである。例えば、セラミック成形体の体積分率が25%の場合、金属基複合部材の体積の4分の1をセラミック成形体が占め、金属が残り4分の3の中に含まれる。
The cylinder block according to
Here, the “volume fraction” indicates the ratio of the ceramic molded body to the volume of the metal matrix composite member. For example, when the volume fraction of the ceramic molded body is 25%, the ceramic molded body occupies a quarter of the volume of the metal matrix composite member, and the metal is contained in the remaining three quarters.
請求項2に記載の本発明によれば、球状セルが最密充填構造状に配列されたセラミック成形体を使用してシリンダライナが製造されるので、金属基複合部材におけるセラミック成形体の体積分率が従来の金属基複合部材と比較して小さくなる。その結果、球状セルの空隙に溶融する金属が含浸し易くなり、セラミック成形体の機械的強度や耐衝撃性が向上される。なお、体積分率は、好ましくは15〜30%である。 According to the second aspect of the present invention, since the cylinder liner is manufactured using the ceramic molded body in which the spherical cells are arranged in a close-packed structure, the volume of the ceramic molded body in the metal matrix composite member The rate is smaller than that of a conventional metal matrix composite member. As a result, the molten metal is easily impregnated into the voids of the spherical cells, and the mechanical strength and impact resistance of the ceramic molded body are improved. The volume fraction is preferably 15 to 30%.
請求項3に記載のシリンダブロックは、請求項1または請求項2に記載のシリンダブロックであって、前記セラミック成形体は、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)、アルミナ(Al2O3)または窒化アルミニウム(AlN)のうちの何れか1種を含むことを特徴とする。 The cylinder block according to claim 3 is the cylinder block according to claim 1 or 2, wherein the ceramic molded body is made of silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), alumina (Al 2 O 3 ) or aluminum nitride (AlN).
請求項3に記載の本発明によれば、例えば、セラミック成形体が炭化珪素からなる場合には、高熱伝導性、高強度、高剛性、耐摩耗性および低熱膨張性を備えたシリンダライナを得ることができる。
また、セラミック成形体が窒化珪素からなる場合には、高強度、高剛性、耐摩耗性および低熱膨張性を備えたシリンダライナを得ることができる。
セラミック成形体がアルミナからなる場合には、高強度、高剛性、耐摩耗性および低熱膨張性を備えたシリンダライナを得ることができる。
セラミック成形体が窒化アルミニウムからなる場合には、高熱伝導性、高強度、高剛性、耐摩耗性および低熱膨張性を備えたシリンダライナを得ることができる。
According to the third aspect of the present invention, for example, when the ceramic molded body is made of silicon carbide, a cylinder liner having high thermal conductivity, high strength, high rigidity, wear resistance, and low thermal expansion is obtained. be able to.
Further, when the ceramic molded body is made of silicon nitride, a cylinder liner having high strength, high rigidity, wear resistance, and low thermal expansion can be obtained.
When the ceramic molded body is made of alumina, a cylinder liner having high strength, high rigidity, wear resistance and low thermal expansion can be obtained.
When the ceramic molded body is made of aluminum nitride, a cylinder liner having high thermal conductivity, high strength, high rigidity, wear resistance, and low thermal expansion can be obtained.
請求項4に記載のシリンダブロックは、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のシリンダブロックであって、前記シリンダライナは、ウォータジャケットとボア内面との間に配置されていることを特徴とする。
The cylinder block according to claim 4 is the cylinder block according to any one of
請求項4に記載の本発明によれば、金属基複合部材からなるシリンダライナが、ウォータジャケットとボア内面との間に配置されていることにより、ボア回りの熱伝導性が向上して、ボア回りの熱引け性が向上されるとともに、ボア回りの熱膨張が低下して、エンジンの高温時に、シリンダブロックが熱膨張・収縮しても、ピストンとのクリアランスが増加することを低減できるようになる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the cylinder liner made of the metal matrix composite member is disposed between the water jacket and the bore inner surface, the thermal conductivity around the bore is improved, and the bore The thermal expansion around the bore is improved, and the thermal expansion around the bore is reduced, so that the increase in clearance with the piston can be reduced even if the cylinder block is thermally expanded or contracted at a high engine temperature. Become.
請求項4に記載のシリンダブロックは、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のシリンダブロックであって、前記シリンダライナには、ウォータジャケットが形成されていることを特徴とする。 A cylinder block according to a fourth aspect is the cylinder block according to any one of the first to fourth aspects, wherein a water jacket is formed on the cylinder liner.
請求項4に記載の本発明によれば、シリンダライナには、ウォータジャケットが形成されていることにより、シリンダライナがエンジンの熱で高温になることと、熱膨張することと、高温時にシリンダライナとピストンとのクリアランスが大きくなることとが抑制されて、温度に左右されない前記クリアランスやシール性を有するシリンダブロックを提供することが可能となる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the water jacket is formed on the cylinder liner, the cylinder liner is heated to a high temperature by the heat of the engine, is thermally expanded, and the cylinder liner is at a high temperature. An increase in the clearance between the piston and the piston is suppressed, and it becomes possible to provide a cylinder block having the clearance and the sealing property that is not affected by temperature.
請求項6に記載のシリンダブロックは、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のシリンダブロックであって、前記シリンダブロックを形成するための鋳型に、前記三次元網目構造の前記セラミック成形体を置いて、前記鋳型に金属を流し込んで一体成形することを特徴とする。
A cylinder block according to
請求項6に記載の本発明によれば、このように鋳型によってシリンダライナとシリンダブロックとを一体成形することにより、シリンダライナとシリンダブロックの境界面がなくなるため、強度および熱伝導が向上する。 According to the sixth aspect of the present invention, since the cylinder liner and the cylinder block are integrally formed with the mold in this manner, the boundary surface between the cylinder liner and the cylinder block is eliminated, so that the strength and heat conduction are improved.
本発明のシリンダブロックによれば、ボア回りの摺動性を確保しつつ高熱伝導性、高剛性、低膨張性を備えるとともに、軽量、コンパクト化および高出力化が可能なシリンダブロックを得ることができる。 According to the cylinder block of the present invention, it is possible to obtain a cylinder block that has high thermal conductivity, high rigidity, and low expansion while ensuring slidability around the bore, and that is lightweight, compact, and capable of high output. it can.
以下、添付図面を参照して、本発明に係るシリンダブロックの一実施の形態を詳細に説明する。
なお、本発明に係るシリンダブロックは、適用される内燃機関の形式および種類は限定されず、以下、その一例として、直列4気筒型ガソリンエンジンを説明する。
Hereinafter, an embodiment of a cylinder block according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
The cylinder block according to the present invention is not limited to the type and type of the internal combustion engine to which the cylinder block is applied. Hereinafter, an in-line four-cylinder gasoline engine will be described as an example.
図1は、本発明の実施の形態に係るシリンダブロックを示す一部断面を有する斜視図である。図2は、本発明の実施の形態に係るシリンダブロックを示す要部平面図である。図3は、図2のX−X断面図である。 FIG. 1 is a perspective view having a partial cross section showing a cylinder block according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of a main part showing the cylinder block according to the embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
≪エンジン≫
図1に示すように、エンジンEは、シリンダブロック1と、ピストン3(図3参照)とを備えている。
なお、エンジンEには、そのほかシリンダブロック1の上に、図示しないガスケット、シリンダヘッドおよびヘッドカバーが配設され、シリンダブロック1の下側に図示しないロアケースおよびオイルパンが配設されている。
≪Engine≫
As shown in FIG. 1, the engine E includes a
In addition, in the engine E, a gasket, a cylinder head, and a head cover (not shown) are arranged on the
≪シリンダブロック≫
シリンダブロック1には、後記のように、シリンダライナ2の母材を構成する円筒状のセラミック成形体4(図5参照)を埋め金として鋳型内に配置し、このセラミック成形体4にアルミニウム合金などの金属9(図5参照)を鋳込んでそのシリンダライナ2とともに一体形成されてなる。シリンダブロック1のデッキ面1aには、例えば、シリンダライナ2のセラミック成形体4(図5参照)が内設される4連続のバレル孔に相当する部分1b(以下、単に「バレル孔1b」という)と、このバレル孔1bの周辺に穿設される10個のボルト穴1cと、前記バレル孔1bの周辺部位に設けられたウォータジャケット1d,1eと、が面一に配置されている。そのデッキ面1aには、図示しないガスケットを介してシリンダヘッド(図示せず)が載置され、ヘッドボルト(図示せず)によって締結される。
なお、前記バレル孔1bは、以下の説明において、便宜上、「バレル孔」と呼ぶこととするが、実際には、後記のように、鋳型内に配置されたシリンダライナ2の母材のセラミック成形体4に金属9を流し込んでシリンダブロック1とともに一体成形されるため、シリンダライナ2とシリンダブロック1との境界面(バレル孔1b)がない(図5参照)。
≪Cylinder block≫
In the
In the following description, the
<ウォータジャケット>
図1および図2に示すウォータジャケット1d,1e,1f(図3参照)は、ピストン3(図3参照)がシリンダライナ2に熱によって焼き付くことを防止するために、シリンダライナ2の周辺のシリンダブロック1およびシリンダヘッド(図示せず)内に冷却水を循環させる流水路であり、シリンダブロック1内において1つに繋がっている。
ウォータジャケット1d,1eは、シリンダブロック1を冷却するための冷却水を流す流路であり、シリンダライナ2に周辺に略等間隔で配置されている。
このウォータジャケット1dは、平面視して三角形に形成されており、比較的狭い間隔を空けて1列に連設される各シリンダライナ2間の左右にそれぞれに配設され、ウォータジャケット1dの壁面の一部をシリンダライナ2が形成している。
ウォータジャケット1eは、平面視して長円形をしており、シリンダライナ2の周囲に配置されている。
なお、そのウォータジャケット1eの外側には、シリンダヘッド(図示せず)を循環したオイルを下方に流すための貫通孔1gが穿設されている。
図3に示すウォータジャケット1fは、シリンダライナ2内においてピストン3が摺動する周辺に配設され、シリンダライナ2の外周面2dとシリンダブロック1とによって形成されて、冷却水がシリンダライナ2の周囲を循環するように形成されている。
<Water jacket>
The
The
The
The
A through
A
≪シリンダライナ≫
図1に示すように、シリンダライナ2は、ピストン3(図3参照)が摺動自在に挿入されるボア2aを有する円筒状の金属基複合部材8(図5参照)からなり、シリンダスリーブとも称されている。シリンダライナ2は、完成されたときに、金属基複合部材8(図5参照)となる複合化部2bと、複合化されない非複合化部2cとから形成されている。シリンダライナ2は、例えば、このシリンダライナ2の母材を構成する4つのセラミック成形体4(図5参照)を、所定間隔を空けて4連続に1列に配置した状態で、シリンダブロック1内に埋め金として一体に鋳込まれて、ウォータジャケット1d,1e,1f(図3参照)とボア2aの内面との間に配置されている。シリンダライナ2は、後記するように、エンジンEが高温になったときに、熱膨張してピストン3(図3参照)とのクリアランスが拡大されることを防止するために、熱膨張率がアルミニウム合金からなるシリンダブロック1の熱膨張率より低い複合材からなる。このシリンダライナ2は、後記する球状セル5と、隣合う球状セル5同士を連通させる連通孔6とで構成された三次元網目構造7のセラミック成形体4の球状セル5に金属9が充填されてなる金属基複合部材8によって形成されている(図5参照)。
≪Cylinder liner≫
As shown in FIG. 1, the
≪セラミック成形体≫
図4は、本発明の実施の形態に係るシリンダブロックに鋳込まれるシリンダライナを形成するセラミック成形体の模式図である。
セラミック成形体4は、シリンダライナ2の母材を形成する三次元網目構造7の材料からなり、図1に示すシリンダライナ2と同一形状に形成されている。図4に示すように、セラミック成形体4は、その内部に複数の球状セル5が形成されている。セラミック成形体4は、例えば、炭化珪素からなるが、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのエンジニアリングセラミックであってもよい。
≪Ceramic molded body≫
FIG. 4 is a schematic diagram of a ceramic molded body forming a cylinder liner cast into the cylinder block according to the embodiment of the present invention.
The ceramic molded body 4 is made of the material of the three-dimensional network structure 7 that forms the base material of the
<球状セル>
図5は、セラミック成形体を使用して製造された金属基複合部材の概念図である。
図5に示すように、球状セル5は、セラミック成形体4を使用して後記する金属基複合部材8が製造された際に、金属9が充填された部分であり、内径が略均一な球状の気泡で形成されている。この球状セル5は、セラミック成形体4内で、例えば、最密充填構造状に配列されているため、各球状セル5がセラミック成形体4内で緻密に、かつ均一に配置されることとなる。
<Spherical cell>
FIG. 5 is a conceptual diagram of a metal matrix composite member produced using a ceramic molded body.
As shown in FIG. 5, the
<連通孔>
図5に示すように、連通孔6は、セラミック成形体4を使用して金属基複合部材8を製造する際に、各球状セル5を連通させることによって、各球状セル5内に溶融した金属9を行き渡らせるためのものである。この連通孔6の内径は、設定した球状セル5の内径に応じて設定され、球状セル5の内径のメジアン(MD)に対する連通孔6の内径のメジアン(Md)の比(Md/MD)が0.5未満であることが好ましい。このように連通孔6の内径を設定することによって、このセラミック成形体4でシリンダライナ(金属基複合部材8)2の熱膨張率が、より低減される。
<Communication hole>
As shown in FIG. 5, when the metal
<金属基複合部材>
図5に示すように、金属基複合部材8は、前記セラミック成形体4の球状セル5および連通孔6に金属9が充填されてなるシリンダライナ2を形成する材料である。この金属基複合部材8では、各球状セル5内の金属9が、均一な外径を有する球状に形成されて、球状セル5内で拘束されている。そして、球状の金属9は、前記最密充填構造状の配列となるように金属基複合部材8内に分布している。なお、金属基複合部材8におけるセラミック成形体4の体積分率Vfは、10〜40%である。
<Metal matrix composite member>
As shown in FIG. 5, the metal
<金属>
金属9は、シリンダライナ2の母材のセラミック成形体4に鋳込まれてシリンダライナ2を完成させるとともに、シリンダブロック1を形成するための材料である。図5に示すように、前記球状セル5に充填された金属9同士は、連通孔6に充填された金属9によって繋げられて、金属基複合部材8内に広がっている。
また、前記メジアン(Md)の比(Md/MD)が0.5未満であるセラミック成形体4を使用して製造された金属基複合部材8では、球状セル5に充填された金属9の外径のメジアンに対する連通孔6に充填された金属9の外径のメジアンの比が、前記Md/MDと等しく、0.5未満となっている。
なお、金属基複合部材8に使用される金属9は、例えば、アルミニウム合金からなるが、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム合金などであってもよい。
<Metal>
The
In the metal
The
≪シリンダブロックの製造方法≫
次に図6を主に、各図を参照してシリンダブロックの製造方法を説明する。
なお、本発明の実施の形態に係るシリンダブロックにおいて、図5に示すシリンダライナ2を形成する三次元網目構造7のセラミック成形体4からなる金属基複合部材8の製造方法は、特に限定されないが、その一例として金属9をアルミニウム合金とした場合を説明する。
≪Cylinder block manufacturing method≫
Next, a method of manufacturing a cylinder block will be described mainly with reference to FIG.
In the cylinder block according to the embodiment of the present invention, the method for manufacturing the metal
<シリンダライナのセラミック成形体の製造>
図6は、本実施の形態に係るシリンダブロックの製造工程を示す工程図である。
シリンダライナ2の強化材のセラミック成形体4の製造工程S1は、図6に示すように、予め設定された温度で気化する微小球を準備する工程(微小球の準備工程S2)と、微小球およびセラミック粒子を型内に充填する工程(充填工程S3)と、微小球を気化させる工程(気化工程S4)と、セラミック粒子を焼結する工程(焼結工程S5)とで主に構成される。次に、それらの工程S2〜S5をさらに詳しく説明する。
<Manufacture of ceramic molded body of cylinder liner>
FIG. 6 is a process diagram showing a manufacturing process of the cylinder block according to the present embodiment.
As shown in FIG. 6, the manufacturing process S1 of the ceramic molded body 4 of the reinforcing material of the
<微小球の準備工程>
微小球の準備工程S2で準備される微小球は、その外径の標準偏差が所定値以下の真球の粒子で構成されている。この微小球は、例えば、ポリ(メタ)アクリル酸メチル、ポリスチレンなどの樹脂で構成されている。
<Preparation process of microsphere>
The microspheres prepared in the microsphere preparation step S2 are composed of true spherical particles having a standard deviation of the outer diameter of a predetermined value or less. The microsphere is made of, for example, a resin such as poly (meth) methyl acrylate or polystyrene.
<充填工程>
図7は、シリンダライナを製造するときの充填工程で製造される「セラミック粒子で被覆された微小球」の概念図である。
充填工程S3では、図7に示すように、外径が均一である真球の微粒子からなるセラミック粒子11と、このセラミック粒子11に覆われて外径が均一な微小球10と、が型内に充填される。この充填工程S3では、微小球10が型内に充填されるに先立って、微小球10の表面がセラミック粒子11で覆われる。セラミック粒子11および後記するセラミック粉体12(図8参照)は、例えば、炭化珪素からなり、後記の焼結工程S5で焼成されてセラミック成形体4(図5参照)の骨格を形成するものである。
なお、セラミック粒子11および後記セラミック粉体12(図8参照)は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのエンジニアリングセラミックでもよい。
<Filling process>
FIG. 7 is a conceptual diagram of “microspheres coated with ceramic particles” manufactured in a filling process when manufacturing a cylinder liner.
In the filling step S3, as shown in FIG. 7,
The
次に、セラミック粒子11で被覆された微小球10とセラミックスラリとの混合物が調製される。このセラミックスラリは、セラミック粉体12を水などの分散媒中に分散させたものであり、セラミック粉体12(図8参照)と分散媒とをボールミルなどを使用して混合することによって得られる。このセラミックスラリの粘度は、0.05Pa・s〜5Pa・s程度に調整されることによって、セラミック粒子11で被覆された微小球10同士の間にセラミックスラリ(つまり、セラミック粉体12)が十分に行き渡る。
Next, a mixture of the
図8は、シリンダライナを製造するときの充填工程で製造される成形体材料の概念図である。
次に、前記混合物は、例えば、石膏などからなる脱水可能な型に流し込まれて、この型を介して減圧濾過される。すると、この混合物の液体成分であるセラミックスラリ中の分散媒は、混合物から抜け出ていく。その結果、図8に示すように、混合物中の固形分である「セラミック粒子11で被覆された微小球10」が相互に寄り合うとともに、「セラミック粒子11で被覆された微小球10」の間にセラミック粉体12が充填された成形体材料13が得られる。そして、この成形体材料13は、乾燥した後に次の気化工程S4で処理される。
FIG. 8 is a conceptual diagram of a molded body material manufactured in a filling process when manufacturing a cylinder liner.
Next, the mixture is poured into a dewaterable mold made of, for example, gypsum, and filtered under reduced pressure through the mold. Then, the dispersion medium in the ceramic slurry which is a liquid component of this mixture escapes from the mixture. As a result, as shown in FIG. 8, the “
<気化工程>
図9は、シリンダライナを製造するときの気化工程で製造される焼結用成形体の概念図である。
この気化工程S4では、図8に示す成形体材料13が、炉内にて所定の昇温速度で加熱されると、成形体材料13内の微小球10が気化される。すると、図9に示すように、成形体材料13(図8参照)の微小球10(図8参照)が存在していた部分が空洞化して球状セル5となる。その一方で、微小球10が気化する際に発生したガス圧によって、微小球10を被覆するセラミック粒子11が外れる。この際、隣合う球状セル5同士が近接した箇所のセラミック粒子11が優先的に外れる。その結果、図9に示すように、球状セル5同士を連通させる連通孔6が形成される。
このように球状セル5および連通孔6が形成された成形体材料13(図8参照)は、次の焼結工程S5で使用される焼結用成形体14となる。
なお、この焼結用成形体14では、焼結用成形体14内に複数の球状セル5が前記した最密充填構造状に配列されているとともに、図9に示すように、セラミック粒子11が三次元網目構造7を形成している。
<Vaporization process>
FIG. 9 is a conceptual diagram of a sintered compact produced in a vaporization process when producing a cylinder liner.
In the vaporization step S4, when the molded body material 13 shown in FIG. 8 is heated in the furnace at a predetermined temperature increase rate, the
The molded body material 13 (see FIG. 8) in which the
In this sintered compact 14, a plurality of
<焼結工程>
この焼結工程S5では、気化工程S4で得られた焼結用成形体14(図9参照)が焼成される。この焼結工程S5で、焼結用成形体14(図9参照)が焼成されることによって、球状セル5を取り囲むセラミック粒子11およびセラミック粉体12は焼結して一体となる。その結果、焼結用成形体14は、図5に示すようなセラミック成形体4となるとともに、図1に示すような円筒状のシリンダライナ2の形に形成される。
<Sintering process>
In this sintering step S5, the sintered compact 14 (see FIG. 9) obtained in the vaporization step S4 is fired. In the sintering step S5, the sintered compact 14 (see FIG. 9) is fired, so that the
<シリンダブロックおよびシリンダライナの製造工程>
次に、このようにして製造されたシリンダライナ2のセラミック成形体4を埋め金として、このシリンダライナ2およびシリンダブロック1(図1参照)を一体形成する製造工程S6を説明する。
シリンダブロック1およびシリンダライナ2の製造工程S6は、複数のシリンダライナ2の母材のセラミック成形体4を埋め金としてアルミニウム合金などの金属9でシリンダライナ2とシリンダブロック1とを同時に鋳造する工程であり、図6に示すように、ブロック金型内への設置工程S7と、複合化鋳造工程S8と、加工工程S9とでボア回り複合化シリンダが形成される。次に、それらの工程S7〜S9をさらに詳しく説明する。
<Manufacturing process of cylinder block and cylinder liner>
Next, the manufacturing process S6 in which the
The manufacturing process S6 of the
<ブロック金型内への設置工程>
ブロック金型内への設置工程S7では、前記シリンダライナ2の製造工程S1によって製造された各シリンダライナ2のセラミック成形体4を金型(鋳型)内の所定位置にセットする。
<Installation process in block mold>
In the installation process S7 in the block mold, the ceramic molded body 4 of each
<複合化鋳造工程>
次の複合化鋳造工程S8では、その金型内に図1に示すシリンダブロック1の本体を形成する金属、およびシリンダライナ2の母材のセラミック成形体4の球状セル5に充填される金属9でもあるアルミニウム合金を流し込んで、シリンダライナ2を鋳ぐるみしたシリンダブロック1を一体形成する。これにより、シリンダブロック1内には、球状セル5にアルミニウム合金(金属9)が充填されたシリンダライナ2が一体成形されるとともに、ウォータジャケット1d,1e,1fが形成される。このように製造されたシリンダライナ2は、このシリンダライナ2とシリンダブロック1との境界面がないため、高強度、高剛性、耐摩耗性および低熱膨張性を得ることができる。
<Composite casting process>
In the next composite casting step S8, the
<加工工程>
次に、複合化鋳造工程S8で形成されたシリンダブロック1を金型から取り外して冷却後、加工工程S9で、図1に示すボルト穴1cの奥に雌ねじを形成するタップ加工を行うとともに、鋳造時に形成されたバリなどを削除して最終仕上げする研削加工を行う。これにより、ボア回り複合化シリンダブロックが完成される。
<Processing process>
Next, after removing the
≪組み付け≫
このようにして完成されたシリンダブロック1には、デッキ面1a上に図示しないガスケットやシリンダヘッドやヘッドカバーが取り付けられ、シリンダブロック1の下に図示しないロアケースやオイルパンが取り付けられることでエンジンEの組み付けが完了する。
≪Assembly≫
In the
≪作用≫
このようにして完成されたエンジンEが運転されると、運転に伴い熱を発生する。その熱は、シリンダブロック1、シリンダライナ2およびピストン3などを加熱するとともに、シリンダブロック1およびシリンダライナ2によって形成されたウォータジャケット1d,1eを流れる冷却液によって冷却されて、所定温度内まで上昇する。
≪Action≫
When the engine E thus completed is operated, heat is generated with the operation. The heat heats the
シリンダライナ2が複合化されたシリンダブロック1は、シリンダライナ2が高剛性などの機械的強度を備えていることにより、従来の鋳鉄製やステンレス製のシリンダライナよりも剛性および強度が上昇されるため、従来の同一の大きさエンジンと比較して、エンジンEの出力を高くすることができる。
また、エンジンE全体としては、ボア回りの剛性が向上されることにより、燃焼ガスのシール性が向上される。また、ボア回りの熱伝導性が向上されることにより、ボア回りの熱引け性が向上される。さらに、ボア回りの熱膨張が低下されることにより、エンジンEの運転に伴う熱でシリンダブロック1が熱膨張・収縮しても、シリンダライナ2とピストンとのクリアランスが熱膨張によって増加することを抑制することができるようになる。
The
Further, as the engine E as a whole, the rigidity around the bore is improved, so that the sealing performance of the combustion gas is improved. Moreover, the thermal conductivity around the bore is improved by improving the thermal conductivity around the bore. Further, since the thermal expansion around the bore is reduced, the clearance between the
シリンダライナ2は、三次元網目構造7のセラミック成形体4からなることにより、球状セル5の分布の均一性が高く、高熱伝導性および高剛性を具備するとともに、熱膨張率がシリンダブロック1の本体を形成しているアルミニウム合金より低く、熱膨張が少ない。
このため、シリンダライナ2は、熱膨張が少なく、エンジンEが高温になったときに、このシリンダライナ2とピストン3とのクリアランスが増大することを防止することができる。また、シリンダライナ2は、熱伝導がよいため、熱が逃げ易く、熱引け性に優れている。
The
For this reason, the
≪本実施の形態の効果≫
前記工程S2〜S9で形成されたシリンダライナ2(図1参照)は、次のような効果を奏する。
(1)図5に示すように、シリンダライナ2が球状セル5内に充填された金属9が球状になっているので、金属9の熱膨張に異方性が生じない。
(2)シリンダライナ2では、金属9がそれよりも剛性が高い球状セル5内で拘束されるとともに、金属9が金属基複合部材8内で三次元網目構造7を形成するように分布するため、従来の金属基複合部材と比較して、剛性が向上される。これにより、ボア回りの剛性が向上されて、従来と同等のヘッドボルトの締結軸力で、より高い燃焼ガス圧力をシールすることができる。さらに、シリンダブロック1のヘッドガスケットの締結面の座屈強度が向上し、ヘッドガスケットの面圧を従来よりも高くすることが可能となる。
(3)シリンダライナ2では、金属9がそれよりも熱膨張率の低い球状セル5内で拘束されるとともに、金属9が金属基複合部材8内で三次元網目構造7を形成するように分布する。その結果、このシリンダライナ2は、金属基複合部材8内に充填された金属9の熱膨張が均一で、従来の金属基複合部材と比較して、熱膨張率が小さくなる。
さらに、ボア2aの方向の熱膨張率が低減されることにより、ピストンPとボア2a間のクリアランスを抑えることができるため、騒音、振動特性およびブローバイ特性を向上させることが可能となる。
(4)シリンダライナ2は、セラミック成形体4が金属よりも熱伝導率の高いセラミックス(球状セル)であることにより、このセラミックスを優先して熱が流れるため、熱伝導率が向上される。したがって、ボア回りの冷却性が向上して、高出力化も可能である。
(5)シリンダライナ2を形成する金属基複合部材8は、球状セル5に充填された金属9が最密充填構造状に配列されているので、セラミック成形体4の機械的強度や耐衝撃性が向上されて、シリンダライナ2の機械的強度を向上させる。その結果、セラミック成形体4の体積分率Vfを小さくできるため、金属基複合部材8は、球状セル5の空隙に溶融した金属9が含浸し易くなる。
(6)前記金属基複合部材8において、球状セル5の内径のメジアン(MD)に対する連通孔6の内径のメジアン(Md)の比(Md/MD)が0.5未満であるセラミック成形体4を使用して製造されたシリンダライナ2は、金属基複合部材8の熱膨張率がさらに低減されて小さくなり、エンジン暖機後のボアの拡張を小さくして、シリンダブロックとピストンとの間のクリアランスをも小さくできるため、ピストンの首振りを解消させることができる。
また、ピストンリングの合い口の広がりを抑制して、オイルの消費やオイルの劣化を防止することができるようになる。
<< Effects of the present embodiment >>
The cylinder liner 2 (see FIG. 1) formed in the steps S2 to S9 has the following effects.
(1) As shown in FIG. 5, since the
(2) In the
(3) In the
Furthermore, since the clearance between the piston P and the bore 2a can be suppressed by reducing the coefficient of thermal expansion in the direction of the bore 2a, noise, vibration characteristics and blow-by characteristics can be improved.
(4) Since the
(5) Since the metal
(6) In the metal
In addition, it is possible to prevent the oil consumption and the deterioration of the oil by suppressing the expansion of the joint of the piston ring.
なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。次に、本発明の変形例を説明する。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and the present invention extends to these modifications and changes. Of course. Next, a modified example of the present invention will be described.
≪変形例≫
図10は、本発明の実施の形態に係るシリンダブロックの変形例を示す要部平面図である。図11は、図10のY−Y断面図である。
例えば、前記したシリンダライナ2(金属基複合部材2)は、図1に示すような円筒形状に限定されるものではない。シリンダライナ2(金属基複合部材2)は、ボア2aを有するものであればよく、例えば、図10および図11に示すように、外周面21aの上下端部から外側方向に突出した略鍔状の突起21bであってもよい。
そして、各突起21bの間には、ウォータジャケット21eが設けられる。
また、図10に示すように、シリンダライナ21の連結部21cにある突起21b内には、ウォータジャケット21dを形成してもよい。
さらに、図11に示すように、シリンダブロック20には、シリンダライナ21の外周面21aに面して、この外周面21aが壁面の一部を形成するウォータジャケット20aを形成してもよい。
≪Modification≫
FIG. 10 is a main part plan view showing a modification of the cylinder block according to the embodiment of the present invention. 11 is a YY cross-sectional view of FIG.
For example, the above-described cylinder liner 2 (metal matrix composite member 2) is not limited to a cylindrical shape as shown in FIG. The cylinder liner 2 (metal matrix composite member 2) may be any as long as it has a bore 2a. For example, as shown in FIG. 10 and FIG. 11, a substantially bowl-like shape protruding outward from the upper and lower ends of the outer
A water jacket 21e is provided between the
Further, as shown in FIG. 10, a water jacket 21 d may be formed in the
Furthermore, as shown in FIG. 11, the cylinder block 20 may be formed with a
このように、シリンダライナ21にウォータジャケット21d,20aを直接形成することにより、ウォータジャケット21d,20aは、さらに、シリンダライナ21を冷却する冷却効率を上昇させて、シリンダライナ21とピストン3(図3参照)との間のクリアランスが大きくなることを抑制することができる。
Thus, by directly forming the
また、前記実施の形態では、球状セル5の配置が面心立方格子を形成するように配置されて面心最密充填構造状に配列しているが、本発明は、六方最密充填構造状または体心最密充填構造状に球状セル5が配置されたものであってもよい。さらには、アモルファスのように、ランダムに配置されていてもよい。
前記実施の形態では、セラミック成形体4が略立方体の形状になっているが、本発明は製造する金属基複合部材8の形状に応じて適宜に変更することができる。
Further, in the above-described embodiment, the
In the above embodiment, the ceramic molded body 4 has a substantially cubic shape, but the present invention can be appropriately changed according to the shape of the metal
なお、シリンダライナ2は、前記した製造工程S2〜S6と同様な工程によって、セラミック成形体4にアルミニウム合金などの金属9を充填してなる金属基複合部材8(図5参照)によってシリンダライナの完成品を形成した後、シリンダブロック1を形成するための鋳型に、そのシリンダライナをインサートして金属9を流し込んでシリンダブロック1に一体成形するようにしてもよい。
このようにしてシリンダブロック1を製造した場合であっても、シリンダライナ2は、金属基複合部材8で形成されてからシリンダブロック1に一体に鋳込まれることにより、高強度、高剛性、高熱伝導性、低膨張性、耐摩耗性および低熱膨張性を備えたものとなる。
The
Even when the
1,20 シリンダブロック
1d,1e,20a,21d ウォータジャケット
2,21 シリンダライナ
2a ボア
3 ピストン
4 セラミック成形体
5 球状セル
6 連通孔
7 三次元網目構造
8 金属基複合部材
9 金属
E エンジン
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記シリンダライナは、複数の球状セルと、隣合う前記複数の球状セル同士を連通させる連通孔とで構成された三次元網目構造のセラミック成形体の前記複数の球状セルに金属が充填された金属基複合部材からなること
を特徴とするシリンダブロック。 In a cylinder block in which a cylinder liner is combined with a bore of a cylinder block of an internal combustion engine including a piston,
The cylinder liner is a metal in which a plurality of spherical cells of a ceramic molded body having a three-dimensional network structure configured by a plurality of spherical cells and a communication hole that allows the adjacent spherical cells to communicate with each other are filled with metal. A cylinder block comprising a base composite member.
を特徴とする請求項1に記載のシリンダブロック。 The cylinder block according to claim 1, wherein a volume fraction of the ceramic molded body in the metal matrix composite member is 10 to 40%.
を特徴とする請求項1または請求項2に記載のシリンダブロック。 The cylinder block according to claim 1 or 2, wherein the ceramic molded body includes any one of silicon carbide, silicon nitride, alumina, and aluminum nitride.
を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のシリンダブロック。 The cylinder block according to any one of claims 1 to 4, wherein a water jacket is formed on the cylinder liner.
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