JP2009174327A - エンジンブロックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程に要する時間の延長を抑制しつつ、シリンダ内周面の潤滑性を適切に調節することのできるエンジンブロックの製造方法を提供する。
【解決手段】シリンダライナ１２の内周面を研削工具によって水溶性切削油を用いて研削する研削工程を備えるエンジンブロック１０の製造方法において、研削工程が終了した後に、シリンダライナ１２の内周面のうち、同内周面に沿って往復動するピストン１３に設けられたピストンリング１４が摺動する部位のみにプラズマを照射する照射工程を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、シリンダ内周面に被覆膜が形成された後に同膜表面が研削されるエンジンブロックの製造方法に関する。

内燃機関の運転に伴って、エンジンブロックのシリンダ内周面と、同内周面に沿って往復動するピストンに設けられたピストンリングとの間には摩擦が生じる。この摩擦によりシリンダ内周面が磨耗するため、シリンダによってはこの磨耗を防止するシリンダライナが圧入されている若しくは鋳込まれているものがある。

シリンダライナは、例えばアルミニウム合金からなる筒状部材であって、その内周面が耐摩耗性を向上させる鉄系金属によって被覆された後、この被覆表面がホーニング加工されることによって製造される。

上記ホーニング加工時には、被覆表面とそれを研削する砥石との間で発生する摩擦を減少させるために、非水溶性切削油と比較して切削時における冷却性能の優れる水溶性切削油が用いられている。このことによって、摩擦熱の発生を抑制することが可能となるため、被覆表面と砥石との癒着や、被覆膜の熱膨張に起因して膜厚等の寸法が不均一になることを抑制することができる。このように摩擦を抑制できる一方、水溶性切削油はその溶媒である水によって希釈されているため、切削油中に多量に存在する水と被覆材料である鉄系金属との間で酸化反応が起こる可能性が高い。

ところで、内燃機関の運転時においてはシリンダライナの内周面には、摺動するピストンリングとの間に発生する摩擦を抑制するために潤滑油が供給される。この潤滑油の含有物質であるカルボン酸等の持つ水酸基と、被覆膜表面に存在する水酸基、例えば膜表面の鉄がイオン化した後、空気中の水に由来する水酸化イオンと反応して生成される水酸化鉄の持つ水酸基とが水素結合して吸着膜を形成する。そして、この吸着膜がシリンダライナの内周面を覆うことによって、同シリンダライナの内周面とピストンリングとの摩擦が軽減される。

しかしながら、ホーニング加工後の被覆膜表面は、研削に伴う酸化によって水酸基の数が減少しているため、潤滑油との反応性が低下している。従って、エンジン組み付け時に潤滑油を塗布しても、製品ごとに被覆膜の表面特性が違うことや塗布される油量が不均一であることが原因となり、膜表面とピストンリングとの間が十分に潤滑されず、それらが直に接することによって膜表面が損傷するおそれがある。このことに対処するために、従来においては、製造後の被覆膜表面に多量の潤滑油を塗布することにより潤滑油の不足を補うようにしている。ところが、多量の潤滑油は潤滑性を補うものの潤滑が必要である部位以外にも付着し、それらの汚れ等の異物を吸着する可能性がある。

なお、こうした課題は、シリンダライナを備えるエンジンブロックに限らず、シリンダ内周面に被覆膜が形成された後に研削が行われるエンジンブロックであれば概ね共通して発生し得る。

そこで特許文献１の発明においては、ピストンが往復動するエンジンブロックのシリンダ内周面を研削する工程を経た後、シリンダ内を負圧にしてプラズマを発生させるとともにプラズマ中のイオンをシリンダ内周面に注入する工程を新たに設けている。このことによってシリンダ内周面の耐摩耗性が向上するため、シリンダ内周面と潤滑油との反応性の
低下に起因する潤滑性の低下を補うことができる。
特開平１１−２０３９２３号公報

しかしながら、上述の発明においてはシリンダ内を負圧にする必要があるとともに、シリンダ内周面の全体がプラズマに曝されるため、同内周面の全体にプラズマ中のイオンが注入されることとなる。したがって、シリンダ内を負圧にする工程に時間を要するだけでなく、内周面の潤滑油付着性を部分的に向上させることができない。その結果、シリンダ内周面の潤滑油付着性が過度に向上し、潤滑油の消費量が増大するおそれがある。

この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造工程に要する時間の延長を抑制しつつ、シリンダ内周面の潤滑性を適切に調整することのできるエンジンブロックの製造方法を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、エンジンブロックのシリンダ内周面を研削工具によって水溶性切削油を用いて研削する研削工程を備えるエンジンブロックの製造方法において、前記研削工程が終了した後に、前記内周面のうち、同内周面に沿って往復動するピストンに設けられたピストンリングが摺動する部位のみにプラズマを照射する照射工程を備えることをその要旨とする。

上記工程によれば、エンジンブロックのシリンダ内周面が研削工程で用いられる水溶性切削油によって酸化され、潤滑油との反応性が低い状態となった場合であっても、次工程においてプラズマを照射することによって、内周表面の酸化金属を空気中等に存在する周辺の水と反応させ、同金属に水酸基を付加することができる。その結果、潤滑油に含有されるカルボン酸等の極性分子と水素結合をすることが可能となり、内周面の潤滑性を改善することができる。

また、ピストンがシリンダの内周面に沿って往復動する際には、同ピストンに設けられたピストンリングとシリンダの内周面との間に摩擦が生じる。しかしながら、ピストンリングが摺動する範囲は、シリンダの全長のうちの所定の範囲であるから、内周面において摩擦の発生する部位、すなわち潤滑油による潤滑が必要である部位もこの所定の範囲に限られることとなる。

この点、請求項１に記載の発明によれば、照射工程においてプラズマを照射する部位をシリンダ内周面のうちのピストンリング摺動部のみとしているため、潤滑が必要である部位の潤滑性を改善しつつ、潤滑油がその他の部位に無駄に付着することを抑制し、オイルパンへ戻る潤滑油量の減少を抑えることが可能となるため、潤滑油の消費量が増大することを抑制することができる。更には、照射する内周面の面積を抑えることによって照射工程に要する時間を短縮することが可能となるため、エンジンブロックの製造工程に要する時間の延長を抑制することができる。

なお、研削工程よりも前の工程において、プラズマ溶射等によってシリンダの内周面に材料を吹き付けて被覆している場合、この被覆膜の表面および内部には微細な穴である溶射ピットや微粒子同士の隙間である空孔が形成され、その後の研削によってこれらの周縁に突起部が形成されることがある。この突起部は、ピストンリングの摺動に伴って被覆膜から剥離する場合があり、この剥離そのものや剥離片によって被覆膜の表面が損傷するおそれがある。

この点、請求項１に記載の発明によれば、照射工程におけるプラズマ放電によって発生するエネルギーにより膜表面が加熱される。この加熱により、熱容量の小さい突起部を溶融させた場合には、その形状を滑らかにすることができるため、ピストンリングの摺動に伴う突起部の剥離を抑制することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明によるように、照射工程においてシリンダ内周面に紫外線を照射することによっても、紫外線照射により大気中の酸素から発生したオゾンが分解する際に生じる活性酸素の作用で、内周表面の金属に水酸基を付加することができるため、請求項１と同様に、製造工程に要する時間の延長を抑制しつつ、シリンダ内周面の潤滑性を適切に調整することが可能である。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のエンジンブロックの製造方法において、前記照射工程を大気中で行うことをその要旨とする。
上記工程によれば、照射工程を大気中で行うため、シリンダ内を負圧にする必要がなく、製造工程に要する時間の延長を更に抑制することができる。

以下、この発明の一実施形態を図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態におけるエンジンブロックの製造方法によって製造されたシリンダライナを備えるエンジンブロック及びピストンの一部断面構造を示している。

同図１に示されるように、エンジンブロック１０に形成されたシリンダ１１には、その内周面の磨耗を防ぐためにシリンダライナ１２が設けられている。また、このシリンダライナ１２の内周面に沿って往復動するピストン１３には、その上端側から順に、燃焼室の気密性を保つための２本のコンプレッションリング１４ａ，１４ｂと、エンジンオイルが燃焼室に浸入することを防ぐためのオイルリング１４ｃとの３本のピストンリング１４が設けられている。

ピストン１３がシリンダライナ１２の内周面に沿って往復動することにともなって、３本のピストンリング１４は同シリンダライナ１２の内周面に沿って摺動するため、ライナ１２の内周面とピストンリング１４との間には摩擦が生じる。なお、ピストンリング１４が摺動する範囲は、凡そ同図１に示した範囲Ａに限られる。

次に、本実施形態におけるシリンダライナの製造工程について、図２を参照して説明する。
図２に示されるように、シリンダライナ１２の製造工程においてはまず、成形工程においてシリンダライナ１２が成形される。具体的には、押し出し成形されたアルミニウム合金の筒状材料からライナ１２の長さ分だけ切断されることによってシリンダライナ１２は成形される。

次に、成形されたシリンダライナ１２の内周面に被覆膜が形成される被覆膜形成工程が実行される。この工程では、先の工程において成形されたシリンダライナ１２の内周面に、例えばプラズマ溶射によって被覆膜が形成される。被覆膜の材料としては、耐摩耗性を向上させる鉄系金属等を用いることができる。

そして、形成された被覆膜の表面を平滑にするとともに、その厚さを略均一にするために研削工程が実行される。具体的には、被覆膜の表面が砥石によって研削されるホーニング加工が施される。ホーニング加工時には、鉄系金属からなる被覆膜とそれを研削する工具である砥石との間に摩擦が生じる。この摩擦にともなう摩擦熱や被覆膜をせん断する際
に発生するせん断熱は、被覆表面と砥石との癒着や、被覆膜が熱膨張することによる膜厚等の寸法のばらつきの原因となる。従って、本実施形態においては、非水溶性（油性）切削油と比較して冷却性能に優れた水溶性切削油を用いることによって摩擦の低減を図っている。また、水溶性切削油を用いた場合、溶媒である多量の水が切削油中に存在するため、ホーニング加工によって被覆表面及び水の温度が上昇することに伴って、被覆膜を形成する鉄系金属に含有される金属のうち、例えば鉄が、周辺に多量に存在する水及び大気中の酸素と反応することによって酸化される。

ところで、内燃機関の運転時においては、摺動するピストンリングとの間に発生する摩擦を抑制するために被覆膜表面に潤滑油が供給される。この潤滑油は、内燃機関のエンジンブロックの下部に設けられたオイルパンから、ライナのピストンリング摺動部を含む機関の摺動部へ、エンジンブロックの油孔を通じて供給された後、再びオイルパンへと戻される。上述のように、この潤滑油の含有物質であるカルボン酸等の持つ水酸基と、被覆膜表面に存在する水酸基、例えば膜表面の鉄がイオン化した後、空気中の水に由来する水酸化イオンと反応して生産される水酸化鉄の持つ水酸基とが水素結合して吸着膜を形成する。そして、この吸着膜が被覆膜表面を覆うことによって、同膜の表面とピストンリングとの摩擦が軽減される。

しかし、本実施形態においては、被覆膜はホーニング加工によってその表面が酸化されるため、膜表面に存在する水酸基の数が減少し、潤滑油との反応性が低下しているおそれがある。そのため、このシリンダライナが設けられたエンジンブロックを備える内燃機関にあっては、組み付け直後の機関運転時において被覆膜表面とピストンリングとの間が十分に潤滑されず、それらが直に接することによって膜表面が損傷することが懸念される。ただし、上述のようにピストンリングが被覆膜の表面に沿って摺動する範囲は所定の範囲に限られるため、被覆膜のうち潤滑油と結合することによって吸着膜を形成する必要のある部位も同様の範囲に限定される。

従って本実施形態においては、同図２に示すように、研削工程が終了した後に、被覆膜表面のうち、潤滑油との反応性を改善する必要のある部位にのみプラズマを照射する照射工程を備えるようにしている。この工程においては、内部に電極が設けられたノズルと高周波高電圧発生装置とを備えるプラズマ発生器を用いてプラズマを発生させる。具体的には、大気中においてノズル内に圧縮空気を供給するとともに、電極に高周波の高電圧かけることによって、同電極とノズルの先端部との間にアーク放電プラズマを発生させる。そしてこのプラズマが、ノズルの先端から被覆膜表面のうちの機関運転に伴ってピストンリングが摺動する部位、すなわち図１における範囲Ａの範囲に順次照射される。このことによって、プラズマ照射部位の酸化金属は、空気中等に存在する周辺の水と反応し、水酸基を有するようになる。

なお、被覆膜形成工程におけるプラズマ溶射によって、この被覆膜の表面および内部には微細な穴である溶射ピットや微粒子同士の隙間である空孔が形成され、その次の研削工程におけるホーニング加工によってこれらの周縁に突起部が形成されることがある。その後、照射工程においてプラズマが照射されると、放電エネルギーによって膜表面が加熱される。この加熱により、熱容量の小さい突起部を溶融させた場合には、その形状が滑らかになる場合もある。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）照射工程においてプラズマを照射する部位をシリンダライナ１２の被覆膜表面のうちピストンリング１４の摺動する部位のみとしている。その結果、潤滑が必要である部位の潤滑性を改善しつつ、潤滑油がその他の部位に無駄に付着することを抑制し、潤滑油を貯留するオイルパンへ戻る潤滑油量の減少を抑えることが可能となるため、潤滑油の消
費量が増大することを抑制することができる。更には、照射する内周面の面積を抑えることによって照射工程に要する時間を短縮することが可能となるため、シリンダライナ１２の製造工程に要する時間の延長を抑制することができる。

（２）照射工程において放電されるプラズマの発生するエネルギーにより膜表面が加熱される。この加熱により、熱容量の小さい突起部を溶融させた場合には、その形状を滑らかにすることができるため、ピストンリング１４の摺動に伴う突起部の剥離を抑制することが可能となる。

（３）プラズマの照射を大気中で行うため、シリンダ１１内を負圧にする必要がなく、製造工程に要する時間の延長を更に抑制することができる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。

・本実施形態の照射工程においては、被覆膜の表面にプラズマを照射することにしている。これに限らず、被覆膜表面に紫外線を照射するようにしてもよい。これによっても、ホーニング加工によって酸化された膜表面の潤滑性を改善することができる。また、シリンダ内周面に部分的に紫外線を照射することによりオゾンを発生させることのできる環境下であれば、紫外線の照射工程を必ずしも大気中で行う必要はない。

・本発明は、成形工程後に被覆膜形成工程を設けないシリンダライナ１２の製造方法に適用することも可能である。
・本発明は、シリンダライナ１２を備えていないエンジンブロック１０の製造工程において、そのシリンダ１１の内周面を加工する方法として適用することも可能である。

本発明の一実施形態におけるエンジンブロック及びピストンの一部断面構造を示す部分断面図。 同実施形態のシリンダライナ製造工程を示す図。

符号の説明

１０…エンジンブロック、１１…シリンダ、１２…シリンダライナ、１３…ピストン、１４…ピストンリング、１４ａ，１４ｂ…コンプレッションリング、１４ｃ…オイルリング。

Claims (3)

1. エンジンブロックのシリンダ内周面を研削工具によって水溶性切削油を用いて研削する研削工程を備えるエンジンブロックの製造方法において、
   前記研削工程が終了した後に、前記内周面のうち、同内周面に沿って往復動するピストンに設けられたピストンリングが摺動する部位のみにプラズマを照射する照射工程を備える
   ことを特徴とするエンジンブロックの製造方法。
2. エンジンブロックのシリンダ内周面を研削工具によって水溶性切削油を用いて研削する研削工程を備えるエンジンブロックの製造工程において、
   前記研削工程が終了した後に、前記内周面のうち、同内周面に沿って往復動するピストンに設けられたピストンリングが摺動する部位のみに紫外線を照射する照射工程を備える
   ことを特徴とするエンジンブロックの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンブロックの製造方法において、
   前記照射工程を大気中で行う
   ことを特徴とするエンジンブロックの製造方法。

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