JP2008513647A - 耐キャビテーションディーゼルシリンダライナ - Google Patents

Abstract

ディーゼルエンジン用の湿式シリンダライナ（１６）には、キャビテーションによって引き起こされる壊食の影響を排除するための表面組織（２８）が設けられる。表面組織（２８）は、エンジンの冷却剤流路（２０）内のシリンダライナ（１６）の外面（２６）の周囲に施されるリン酸マンガンのコーティング（３０）として形成してもよい。リン酸マンガンは、平均粒子サイズが２から８μｍで、塊状であり、はっきりとしたファッセットが作成され、カリフラワーのような配列を持たない結晶構造およびその結晶を囲む識別可能な経路網が形成されるように施される。この結晶構造は、固有の粘着力および表面張力の影響を伴なって作用し、シリンダライナ（１６）の外面（２６）周囲に停滞流体層を作成する。この停滞流体層は、自己回復する装甲板のように機能する。シリンダライナ（１６）が急速に湾曲することでキャビテーションの泡が生じると、これらの泡は停滞流体層によって外面（２６）からある距離を隔てて保持される。泡が爆縮するにつれて、その運動エネルギが、シリンダライナ（１６）の外面（２６）に直接放散されず、停滞流体層内に放散される。リン酸マンガンコーティング（３０）は、水分子を固定するためのラビリンスまたはエンジン冷却剤として作用するので、停滞流体層の形成が促進される。

Description

発明の背景
関連出願の相互参照
本願は、２００４年９月１４日に出願された，米国仮特許出願番号第６０／６０９，９０６号の優先権を主張する。

技術分野
この発明は、往復ピストンと連係して燃焼チャンバを形成するタイプのディーゼルエンジン用のシリンダライナに関し、特に、キャビテーションによって引き起こされる壊食の破壊的影響を克服するために設計された、表面処理を有するディーゼルエンジンに関する。

関連技術
大半の高負荷ディーゼルエンジンは、冷却剤をシリンダの外側で循環させ、熱を効果的に放散させる湿式スリーブシリンダライナを有する。これらの湿式スリーブライナは、キャビテーション壊食として知られる故障メカニズムに影響されやすい。

キャビテーションは、シリンダライナの外壁に沿って生じる局部的な低圧領域である。これは、ディーゼルエンジンの点火の際に生じる高いシリンダ圧力によりシリンダ壁が湾曲することで起こる。燃焼中、シリンダ壁は急速に膨張し、それから元の形状に戻る。シリンダ壁の膨張は、シリンダ圧力の上昇による出力増加の要求に伴なってより顕著となっている。顕微鏡レベルでは、内側のシリンダ壁が動くことで、シリンダ壁付近の冷却剤に低圧領域が生じる。この圧力領域が冷却剤の蒸気圧点より下に落ち込むと、蒸気泡が生じる。この低圧領域が高圧領域に戻るとき、蒸気泡がつぶれ、爆縮が起こり、シリンダ壁に点腐食が発生する。この点腐食が確認されないまま放置されると、シリンダライナの完全性が損なわれるおそれがある。

キャビテーションの現象およびそれによって生じる点腐食を防止または低減しようとする１つの先行技術の試みは、添加剤を含有する特殊な冷却剤を配合することからなる。概して、これらの添加剤は、２つのカテゴリに分類される。すなわち、boradeまたは亜硝酸塩をベースとするものと、有機化合物（カルボン酸／脂肪酸）から配合されるものである。前者のグループは、冷却剤の表面張力を低下させるという原理に基づいて作用するものであり、泡の内部で達するピーク圧力を低下させ、「ソフトな」爆縮を起こすようにする。有機化合物から配合される冷却剤の溶液も、表面張力を低下させ、さらにライナの外面を化合物の防食層で覆うものであり、その化合物は、冷却剤の化学組成によって継続的に新しくされる。

このような特殊な配合の冷却剤は、キャビテーションによって引き起こされる壊食を抑制するのにある程度は効果的であるが、膨張性があり、さらに必ずしも容易に利用可能であるわけではない。たとえば、整備技術者が補給品の中にこれらの特殊な添加剤を有していない場合、便宜上、何らかの冷却剤および／または水を使用する可能性がある。

したがって、高価で特殊な配合の冷却剤の利用可能性に依存しない、キャビテーションによって引き起こされる壊食を抑制する改良された方法が必要である。

湿式シリンダライナをキャビテーションによって引き起こされる壊食から保護するための別の試みは、爆縮の泡による破壊作用によりよく耐え得るように、ライナの外面をめっきをするか、またはその他の方法で強化するという原理でなされる。たとえば、過去にはニッケルおよびニッケルクロムの電気めっきが用いられていた。さらに、ライナがキャビテーション壊食に耐えられるようにするために、その他の表面処理および外被技術が提案されている。これらの先行技術の手法により、ライナの製造作業におけるコストおよび複雑さが相当増すこととなった。たいていの場合、これらの手法によってライナの重量が大幅に増えるか、またはその他のいくつかの副次的なマイナス効果が生じている。したがって、ディーゼルエンジンのオーバーホールの費用を大きく増大させることのない、キャビテーションによって引き起こされる壊食に対する代替の解決策が必要である。

発明の概要
この発明の第１の局面に従って、液冷内燃機関用シリンダライナは、往復ピストンを受けるのに適した概ね円筒形の穴を有し、かつ、燃焼プロセスの熱エネルギが機械エネルギに変換されるチャンバの一部を形成する管状本体を含む。シリンダライナは、上端と下端とを含む。外面は、管状本体を概ね囲み、かつ、上端と下端との間に延在する。外面の少なくとも一部は、液体冷却媒体と直接接触して、ライナから熱エネルギを液体冷却媒体に伝達するのに適している。外面の少なくとも一部は、平均サイズが２から８μｍの塊状粒子から本質的に構成される表面組織を含み、各々の粒子はファセットが作られ、経路網によって囲まれている。この表面組織は、シリンダライナの外面に効果的に粘着する液体の薄い停滞層を形成するのに有効である。この冷却剤の薄い停滞層は、一体形の再生可能なシールドとして作用し、つぶれた泡の爆縮エネルギを吸収し、その後すぐに回復する。

この発明の第２の局面に従って、内燃機関用の液冷シリンダブロックは、冷却剤流路を含むクランクケースを含む。シリンダライナはクランクケース内に配置され、上端と下端との間に延在する概ね円筒形の穴を定める概ね管状の本体を有する。シリンダライナの本体は、ライナから熱エネルギを、冷却剤流路を流れる液体冷却媒体に伝達するために、少なくとも部分的に冷却剤流路に対して露出した外面を含む。冷却剤流路内にある外面の少なくとも一部は、平均サイズが２から８μｍの塊状粒子から本質的に構成される表面組織を含む。この粒子は各々、ファセットが形成され、かつ、ライナの外面に対して粘着性のある液体の薄い停滞層を作ることのできる経路網によって囲まれている。

粘着性および表面張力は、冷却媒体、特に極性を有する冷却媒体の特性に影響を及ぼすものであり、毛管現象として結び付けられ、取り扱われる。したがって、停滞層が作られた後、キャビテーションから生じた泡はシリンダライナの外面から隔てたところで保たれるようになる。さらに、爆縮するキャビティから起こった衝突噴流はより長い経路で移動し、停滞流体層によって形成された粘着性の膜を乗り越えなければならなくなる。したがって、停滞層は、爆縮する泡によって入ってくる高い運動エネルギを素早く放散させるシールドを形成する。

この発明の新規な表面組織は、一般的な配合および特殊な配合の両方における多種多様な液体冷却媒体を、キャビテーションによって引き起こされる壊食から保護する。この新規な表面組織は、一般的な材料およびプロセスで容易に作ることができる。

この発明のこれらの特徴および利点ならびにその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面と関連して考えると、より容易に認識されるであろう。

好適な実施例の詳細な説明
図面を参照して、同一の番号はそれぞれの図面全体を通して同一のまたは対応する部分を示しており、内燃機関用の液冷シリンダブロックを概ね１０として図１に示す。シリンダブロック１０は、その大部分が、典型的には鉄またはアルミニウムから成型されるクランクケース１２から構成される。クランクケース１２は、ヘッドガスケット（図示せず）を受けるのに適したヘッド面１４を含む。概ね１６として示すシリンダライナは、クランクケース１２内に装着されるので、完全に組み立てられると、往復ピストン（図示せず）は、概ね円筒形の穴１８の内部を摺動することができ、かつ、燃焼プロセスの熱エネルギが機械エネルギに変換されるチャンバの一部を形成することができる。シリンダライナ１６とクランクケース１２との間に意図的に設けられた空間は、冷却剤流路２０を形成し、その流路を通って、シリンダライナ１６から熱エネルギを取り除く目的で液体冷却媒体が循環する。シリンダライナ１６は、ヘッド面１４に対応付けられた上端２２と、クランクケース１２内で回転可能に運ばれるクランク軸（図示せず）に向かって開いている下端２４とによって定められる。シリンダライナ１６は、上端および下端でクランクケース１２に固定される外面２６を含む。これらの固定点の間で、外面２６は冷却剤流路２０に対して露出しており、冷却剤流路２０内を循環して流れる液体冷却媒体を通して対流熱を伝達する。

機関の通常運転中、特に高負荷状態の間、シリンダライナの支持されていない部分、すなわち冷却剤流路２０に対して露出した管状本体の部分は、穴１８の内部の圧力変動によって湾曲する。図２で強調して示しているこの湾曲によって、外面２６付近の冷却液は低圧領域および高圧領域を通って循環するようになる。低圧段階が冷却液の蒸気圧点より下に落ち込むと、蒸気泡が生じ、それから管状本体が膨張するにつれて急速につぶれる。この状態は極度に高い周波数で発生し、非常に高い温度を誘発して、金属基板の点腐食を引き起こす。キャビテーションによって引き起こされる点腐食によって、最後にはライナを貫通する穴が開いてしまう場合もある。

シリンダライナ１６の外面２６を保護するために、外面２６全体、または外面２６における、少なくともキャビテーションによって引き起こされる壊食に最も影響されやすい部分に表面組織２８を形成する。たいていの場合、穴１８の圧力変動により外面２６の中央部分が最も大きく変位するので、そこにキャビテーションによって引き起こされる壊食が生じやすい。図３には、外面２６全体が表面組織２８で覆われた状態を示している。

大きく拡大した図４で最もよく示しているように、表面組織２８は本質的に、２から８μｍの平均的な幅および標準的な変位を有する塊状粒子から構成される。結晶のような粒子は各々、ファセットが形成され、走査電子顕微鏡による１０００倍の拡大画像で見たとき、固く圧縮されて並んだ集合体の外観を呈する経路網によって囲まれ、各粒子はいくつかの平面を有し、その平均的な粒子サイズは２から８μｍである。粒子は概ね無秩序に分散しているが、緊密に充填されていることによって、隣接する粒子間の平均最大距離は８μｍ未満となっている。すなわち、隣接する房状の結晶粒子間の谷間によって形成される経路網の平均最大幅は、８μｍ未満である。

組織化された表面２８は、外面２６に対して粘着性のある液体の極薄の停滞層を意図的に作るのに効果的である。典型的には、この停滞冷却液の層は、冷却媒体の組成および粘性に応じて、２から２０μｍの厚さがあり、この等級の大きさ（１０^−６）では、特にその液体物質が水のように極性を有する場合、その液体物質は、粘着力によって表面に強く結合する。さらにこの大きさでは、表面張力の影響が極めて顕著となる。したがって、粘着性および表面張力の影響は、表面組織２８によって利用され、毛管現象として働くように結び付けられる。したがって、キャビテーションによる泡は、ライナ１６の外面２６から隔てたこの停滞層によって保持される。さらに、爆縮するキャビティから生じる衝突噴
流は、より長い経路を有して移動し、かつ、停滞流体層によって形成される粘着性の膜を乗り越えなければならなくなる。このシールド作用によって、爆縮する泡から入ってくる高い運動エネルギが素早く放散される。爆縮する泡によって停滞層が破られたとしても、この層は、新たなキャビテーションによる泡の発生に要するサイクル時間内で急速に回復し、再構成される。緊密なスペーシングと合わせて、平均的な粒子サイズ（幅および変位）が２から８μｍという特定の範囲にあることで、流体冷却媒体内における粘着性および表面張力効果が結び付いて、外面２６周囲の停滞流体層を構成する毛管現象として作用することができる。

表面組織２８は、一般に利用可能な技術により、シリンダライナ１６の外面２６に形成することができる。たとえば、表面組織２８の形成には、化学エッチングまたはレーザエッチングの技術、さらに機械研削、スタンピング、ローリングまたは研磨吹付けの技術を用いることができる。しかしながら、好ましくは、表面組織２８は、シリンダライナ１６の材料とは異なる材料からなるコーティング３０によって形成される。したがって、シリンダライナ１６を鋼鉄または鋳鉄（またはその他の）材料から作製する一方で、コーティング３０は異なる材料であってもよい。このコーティング材料は、水分子（またはエンジン冷却液）を固定させて停滞流体層の形成を促すラビリンスとして作用するように好適に処理されるリン酸マンガン成分を含んでいてもよい。たとえば、１つのリン酸マンガンベースのコーティング材料には、一般にＭｎ_５Ｈ_２（ＰＯ_４）_４−４Ｈ_２Ｏと記述されるウロー石を含有していてもよい。ウロー石は、標準的なリン酸イオン基における４つの酸素のうちの１つを水酸化物またはＯＨ基で置換えた化学的性質を有する、ある種の希少鉱物である。

リン酸マンガンのコーティング技術に従って表面組織２８を形成する上で、シリンダライナ１６は、金属表面処理業の特定の部門で知られている標準的な手法を用いて作られる外面２６を有する。しかしながら、このような標準的な手法には以下の改良を加えることができる。まずライナ１６を、体積による濃度１２から１５％および最大温度３８℃の硫酸から構成される酸洗い液のステージにかける。他の酸を用いてもよいが、好ましい手段はこの酸洗い液である。さらに、結晶成長抑制剤のステージを、０．３から０．８ｏｚ／ｇａｌの濃度で用いる。リン酸マンガン槽は、最大０．３％の鉄を含有して、全酸／遊離酸比率が少なくとも６．５とする。温かい（たとえば５０から７０℃の）オイルシールのステージを、好ましくは体積による濃度１０から１５％の水溶性油とともに用いて、シリンダライナ１６を保存期間中に保護する。

走査電子顕微鏡によって１０００倍で解析した場合（図４）、得られたコーティング３０は、結晶（粒子）サイズが２から８μｍで、塊状であり、はっきりしたファセットが作成され、「カリフラワー」のような形態を持たない均一な構造、および結晶すなわち粒子を取り巻く識別可能な経路網を示している。ここで記載したタイプのリン酸マンガンのコーティングは長期にわたって業界で用いられてきたものであるので、これらは再生可能という点で非常に強力であることが証明されている。第二に、リン酸マンガンのコーティング処理は、金属表面処理の中では非常に安価であり、かつ環境に優しい処理である。

図６は、シリンダライナ１６´を製造するための代替の技法を示し、その外面２６´は、キャビテーションによって引き起こされる壊食の破壊作用によりよく耐えるように強化されている。この実施例に従って、外面２６´の限定された局部的な再溶解／冷硬（chilling）は、レーザビーム３２´で遂行される。ここで、工業用レーザ３４´は非反射性の外面２６´に当たると、金属基板によってヒートシンクとして作用し、それから急速に冷えて鋳造冷硬構造として作用する、制御性の高い溶解／冷却を生じさせる。冷硬した表面は基板材料の変態硬化から生じ、すり減りおよび疲労に対する耐性が高い。このような再溶解／冷硬した表面は、正確にはキャビテーションの状態で典型的なシリンダライナを壊
食する根本的なメカニズムである高いヘルツ応力の下で優れた性能を示す。この冷硬した層（チル層）の半径方向の深さは、典型的には２０から２００μｍの間にあり、ライナ１６´の外面２６´におけるキャビテーションの起こりやすい箇所であるその位置に設けられる。レーザ３４´を調節して、外面２６´全体を覆う代わりに、処理されたパッチ３６´を作成することが十分に可能である。

好ましくは、レーザ３４´は、ＣＯ_２またはＮＤ：ＹＡＧまたはダイオードタイプからなる。動作の際に、少なくともライナ１６´を回転させる、好ましくはさらにライナ１６´を平行移動させるための設備を有する適切な割出し可能治具（図示せず）にシリンダライナ１６´を取り付ける。レーザ３４´は、外面２６´を照射して、ヒートシンクとしての基質作用によって急速に凝固する溶融プールを発生させる。冷硬した表面は、これによって生じる。一方、この治具によって生み出される回転および一時的な動きが結び付いて、連続的なまたはパターン化された領域３６´として、キャビテーションの起こりやすい領域を包囲する再溶融帯域を生じさせる。

明らかに、上記の教示に照らして、この発明の数多くの変形および変種が可能である。したがって、この発明は、前掲の特許請求の範囲内で、特に記載した以外でも実施可能である点を理解されたい。

クランクケースおよびその中に配置される湿式シリンダライナを含む、内燃機関用の液冷シリンダブロックの簡略化した断面図である。 壁の湾曲によるシリンダライナの外面に生じるキャビテーションの泡を強調して示した、図１で２として境界線で囲んだ領域の拡大図である。 この発明に従うシリンダライナの斜視図である。 約１０００倍に拡大された新規な表面組織の外観を示す顕微鏡写真図である。 液体の停滞層によって外面からある距離を隔ててキャビテーションの泡が保持されている、この発明に従うシリンダライナおよび表面組織の一部を示す拡大部分断面図である。 レーザビームで処理されているシリンダライナの外面の一部を示す、この発明のある代替例の斜視図である。

Claims (10)

1. 液冷内燃機関用のシリンダライナであって、前記シリンダライナは、
   往復ピストンを受けるのに適した概ね円筒形の穴を有し、かつ、燃焼プロセスの熱エネルギが機械エネルギに変換されるチャンバの一部を形成する管状本体と、
   上端と、
   下端と、
   前記管状本体を覆い、かつ、前記上端と下端との間に延在する外面とを含み、前記外面の少なくとも一部は、液体冷却媒体と直接接触して、前記ライナから熱エネルギを液体冷却媒体に伝えるのに適しており、さらに
   前記外面の少なくとも一部は本質的に、平均サイズが２から８μｍの塊状粒子から構成される表面組織を含み、前記粒子は各々、ファセットが形成され、かつ、経路網に囲まれている、シリンダライナ。
2. 前記管状本体は第１の材料から構成され、前記表面組織は前記第１の材料と異なる第２の材料から構成されるコーティングを含む、請求項１に記載のシリンダライナ。
3. 前記コーティングはリン酸マンガンを含む、請求項２に記載のシリンダライナ。
4. 前記コーティングは本質的に、Ｍｎ_５Ｈ_２（ＰＯ_４）_４−４Ｈ_２Ｏから構成される、請求項３に記載のシリンダライナ。
5. 前記粒子のうち隣接する粒子間の最大距離は８μｍ未満である、請求項１に記載のシリンダライナ。
6. 内燃機関用の液冷シリンダブロックであって、前記ブロックは、
   冷却剤流路を含むクランクケースと、
   前記クランクケース内に配置されるシリンダライナとを含み、前記シリンダライナは、シリンダライナの上端と下端との間に延在する穴を定める概ね管状の本体を有し、
   前記シリンダライナの前記本体は、前記ライナから熱エネルギを、前記冷却剤流路内を流れる液体冷却媒体に伝達するために、前記冷却剤流路に対して少なくとも部分的に露出した外面を含み、
   前記冷却剤流路に対して露出している前記外面の少なくとも一部は、平均サイズが２から８μｍである結晶粒子から本質的に構成される表面組織を含む、液冷シリンダブロック。
7. 前記管状本体は第１の材料から構成され、前記表面組織は前記第１の材料と異なる第２の材料から構成されるコーティングを含む、請求項６に記載のシリンダライナ。
8. 前記コーティングはリン酸マンガンを含む、請求項７に記載のシリンダライナ。
9. 前記コーティングは本質的に、Ｍｎ_５Ｈ_２（ＰＯ_４）_４−４Ｈ_２Ｏからなる、請求項８に記載のシリンダライナ。
10. 前記粒子のうち隣接する粒子間の最大距離は８μｍ未満である、請求項６に記載のシリンダライナ。

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