JP2011007244A - 内燃機関用乾式シリンダライナ - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて冷却効率に優れた乾式シリンダライナを提供すること。
【解決手段】軸方向における上部の外周にフランジ部を有する乾式シリンダライナにおいて、少なくとも、フランジ部１１の下からシリンダライナの軸方向長さの５％の領域にわたる外周面に、シリンダライナの母材よりも線膨張係数が高い金属からなる熱膨張皮膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用乾式シリンダライナに関し、より具体的には、ディーゼルエンジン等の内燃機関の運転時において、シリンダブロックとの密着性がよく放熱性に優れた乾式シリンダライナに関する。

ディーゼルエンジン等においては、シリンダライナの胴部（外周面）が冷却水に直接接触しない乾式シリンダライナがよく使用される（例えば、特許文献１や特許文献２）。

最も一般的な乾式シリンダライナは、軸方向における上部の外周にフランジ部を有し、当該フランジ部の下方には研磨逃げ溝が形成されている。そして、当該乾式シリンダライナは、シリンダブロックのシリンダボア孔に挿入され、フランジ部がガスケットとともにシリンダヘッドの下面とシリンダブロックの上面との間で、ヘッドボルトで締め付け固定されている。

このような乾式シリンダライナは、湿式シリンダライナと比べて、構成が簡単であることから、シリンダライナ同士の間隔を短くしたコンパクトなシリンダブロック設計が可能であり、日本国内で主流となっている。またシリンダライナとシリンダブロックとが別体であるため、シリンダライナをシリンダブロックから取り外してメンテナンスや交換をすることができる点で優れている。

特開平８−１７７６１６号公報 特開２００２−３９３８６号公報

しかしながら、乾式シリンダライナは、シリンダライナとシリンダブロックとの間に距離があるため、シリンダライナとシリンダブロックとの間にウォータージャケットを有する湿式シリンダライナと比べて冷却効率が劣る場合がある。

また、上述のように乾式シリンダライナにあっては、シリンダブロックとの着脱を容易にするため、シリンダライナとシリンダブロックとの間に数〜数十μｍの隙間（クリアランス）が設けられているのが通常であり、内燃機関の運転時においては、当該隙間にオイル、オイル残渣、または空気などが混入しており、これらがシリンダライナからシリンダブロックへの熱の伝搬を阻害している場合があり、この点も湿式シリンダライナに比べて冷却効率が劣る原因と考えられる。

近年は、内燃機関の出力向上の要請や燃費向上の要請に伴い、シリンダ内の燃焼圧が増加の傾向にあり、内燃機関運転時におけるシリンダライナの温度も２４０℃を超えることが確認されており、乾式シリンダライナの冷却効率の向上は急務の課題である。

本発明は、このような状況に鑑みなされたものであり、従来に比べて冷却効率に優れた乾式シリンダライナを提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、軸方向における上部の外周にフランジ部を有する内燃機関用乾式シリンダライナであって、少なくとも、前記フランジ部の下からシリンダライナの軸方向長さの５％にわたる外周面には、シリンダライナの母材よりも線膨張係数が高い金属からなる熱膨張皮膜が形成されていることを特徴とする。

また、当該発明にあっては、前記熱膨張皮膜の膜厚が、シリンダライナの母材の径方向厚さに対して、２〜４０％であることが好ましい。

また、当該発明にあっては、熱膨張皮膜を形成する金属が、アルミニウム、銀、銅、および亜鉛の何れか一種、もしくはこれら二種以上の合金であることが好ましい。

本発明の乾式シリンダライナによれば、そのフランジ部の下から所定領域にわたる外周面に、シリンダライナの母材よりも線膨張係数が高い金属からなる熱膨張皮膜が形成されているので、内燃機関の運転時（高温時）においては、熱膨張皮膜が膨張することで、シリンダライナ外周面に設けられた熱膨張皮膜とシリンダブロックとの隙間（クリアランス）がなくなり、互いに密着する状態とすることができるため、シリンダライナの熱をシリンダブロックへ効率よく伝搬することができ、冷却効率を向上することができる。その一方で、本発明のシリンダライナは、内燃機関の停止時（低温時）においては、熱膨張皮膜は膨張しないので、シリンダライナ（およびその外周面に設けられた熱膨張皮膜）とシリンダブロックとの間には隙間（クリアランス）が存在し、したがって、従来の乾式シリンダライナが有していた着脱の容易さはそのままである。

さらに、冷却効率を向上することによりシリンダライナの摩耗を低減することも可能となる。

なお、シリンダライナ外周面において、そのフランジ部の下から所定領域に熱膨張皮膜を形成しているのは、当該部分が内燃機関の運転時に最も高温となる部分であり、当該部分の冷却効率を向上するためである。

また、前記熱膨張皮膜の膜厚をシリンダライナの母材の径方向厚さに対して２〜４０％に設定することにより、熱膨張皮膜の熱膨張により、シリンダライナ外周面に設けられた熱膨張皮膜とシリンダブロックとの空間を充分に埋めることが可能となる。

また、熱膨張皮膜を形成する金属をアルミニウム、銀、銅、および亜鉛の何れか一種、もしくはこれら二種以上の合金とすることにより、前記効果を充分に発揮することができるとともに、これらの金属（合金）は熱伝導率にも優れているため、シリンダライナの熱をシリンダブロックへ効率よく伝搬し、冷却効率を向上することができる。

本発明の乾式シリンダライナの一部、およびその周辺の概略断面図である（内燃機関が停止している状態）。 本発明の乾式シリンダライナの一部、およびその周辺の概略断面図である（内燃機関が運転している状態）。 各種金属の線膨張係数と熱伝導率を表す図である。 各乾式シリンダライナのフランジ部の下からの距離とその部分の温度との関係を示す図である。

図１および図２は、本発明の乾式シリンダライナの一部、およびその周辺の概略断面図であり、図１は内燃機関が停止している状態、図２は内燃機関が運転している状態を模式的に示している。

図示するように、本発明の乾式シリンダライナ１０は、軸方向における上部の外周にフランジ部１１を有し、当該フランジ部の下方には研磨逃げ溝１２が形成されている。そして、当該乾式シリンダライナ１０は、シリンダブロック２０のシリンダボア孔２１に挿入され、フランジ部１１がガスケット２２とともにシリンダヘッド２３の下面とシリンダブロック２０の上面との間で、ヘッドボルト２４で締め付け固定されている。なお、軸方向における上部とは、シリンダヘッド側を意味する。

そして、本発明の乾式シリンダライナ１０は、フランジ部１１の下から所定領域にわたる外周面２５に、シリンダライナの母材よりも線膨張係数が高い金属からなる熱膨張皮膜１３が形成されていることに特徴を有する。

このような本発明の乾式シリンダライナ１０によれば、図１に示すように、内燃機関の停止時（低温時）においては、熱膨張皮膜１３は膨張していない状態であり、シリンダライナ１０（およびその外周面２５に設けられた熱膨張皮膜１３）とシリンダブロック２０との間には隙間（クリアランス）が存在し、したがって、従来の乾式シリンダライナと同様に、容易にシリンダライナ１０の着脱をすることができる。一方で、図２に示すように、内燃機関の運転時（高温時）においては、熱膨張皮膜１３が熱膨張し、シリンダライナ外周面２５に設けられた熱膨張皮膜１３とシリンダブロック２０との隙間（クリアランス）がなくなり、互いに密着する状態となる。したがって、シリンダライナ１０の熱をシリンダブロック２０へ効率よく伝搬することができ、冷却効率を向上することができる。熱膨張皮膜１３よりもシリンダブロック２０の方が硬度を高くすることが好ましく、このようにすることによって、膨張した熱膨張皮膜１３がこれよりも硬度が高いシリンダブロック２０に密着することになり、両者の隙間をなくし、より効率的に熱を伝搬することができる。

（熱膨張皮膜の材質）
ここで、本発明の乾式シリンダライナ１０に設けられる熱膨張皮膜１３の材質としては、シリンダライナ１０の母材よりも線膨張係数が高い金属であり、上述の作用効果を奏することが可能であれば特に限定されることはない。

図３は、各種金属の線膨張係数と熱伝導率を表す図である。

例えば、シリンダライナ１０の母材が鋳鉄の場合、その線膨張係数は１０×１０^−６／℃であるため、これよりも線膨張係数が高い銀、銅、アルミニウム、亜鉛などを採用することが可能である。また、上述ように、熱膨張皮膜１３は、シリンダライナ１０の熱をシリンダブロックへ伝搬する（逃がす）作用を奏する必要があることから、線膨張係数に加え、熱伝導率も高い方が好ましい。当該観点からも、図３に示す銀、銅、アルミニウム、亜鉛は好適であり、線膨張係数と熱伝導率のバランスに加え、加工のし易さやコストを考慮すると、アルミニウムが特に好適である。

また、熱膨張皮膜１３の材質としては、金属単体のみならず、合金を用いることも可能であり、例えばＡｌ−Ｓｉ合金などは好適に用いることができる。

（熱膨張皮膜の厚さ）
熱膨張皮膜１３の厚さについては特に限定されることはなく、シリンダライナ１０とシリンダブロックとの隙間の大きさ、熱膨張皮膜１３の材質、内燃機関運転時における当該皮膜の温度、シリンダライナ１０の母材の厚さ等を考慮し、熱膨張した際に、シリンダライナ外周面２５に設けられた熱膨張皮膜１３とシリンダブロック２０との隙間（クリアランス）が理論上ゼロとなるように適宜設計すればよい。

具体的には、例えば、シリンダライナ１０（熱膨張皮膜を形成した場合は当該皮膜表面）とシリンダブロック２０との隙間を１０μｍ程度に設定し、シリンダライナの母材の径方向厚さが１．５〜３．０ｍｍ程度であると仮定した場合、熱膨張皮膜１３の厚さは、シリンダライナ１０の母材の径方向厚さの２〜４０％とすることが好ましい。２％よりも薄いと熱膨張量が不十分であり、シリンダブロックと密着することができない場合があり、一方で４０％よりも厚いと、熱膨張皮膜１３の強度が低下し、内燃機関運転時に当該皮膜の欠けや剥離が生じるおそれがある。また、４０％よりも厚いと、コスト的にも問題となる場合がある。

（熱膨張皮膜を設ける場所）
本発明の乾式シリンダライナ１０にあっては、熱膨張皮膜１３は、少なくともフランジ部１１の下から所定領域にわたる外周面２５に形成されていればよい。当該部分は、内燃機関の運転時に最も高温となる部分であり、当該部分における冷却効率を向上する必要があるからである。

より具体的には、シリンダライナ内を摺動するピストンに設けられている第一圧力リングが位置する部分に設けることが好ましく、少なくとも、フランジ部１１の下からシリンダライナ１０の軸方向長さの５％の領域に熱膨張皮膜１３を設けることが好ましい。

なお、本発明においては、「少なくとも」上記の領域に熱膨張皮膜１３が形成されていればよく、したがって、シリンダライナ１０の外周面全域に熱膨張皮膜１３を形成することも可能であり、さらには、上記の領域以外に部分的に形成してもよい。

（熱膨張皮膜の形成方法）
熱膨張皮膜１３の形成方法については特に限定されることはなく、上述した材質を用い上述の厚さをもった皮膜を形成することが可能であればいかなる方法であってもよい。

例えば、各種めっき法、各種溶射法、パルス放電によるコーティングなどを挙げることができ、中でも溶射法やパルス放電によるコーティングが特に好ましい。これらの方法は、皮膜形成時間が短くて済み、特に溶射法は皮膜の厚膜化が容易である。

・実験１
以下に示す乾式シリンダライナおよびシリンダブロックを準備し、図１に示す如くフランジ部１１の下から４０ｍｍにわたるシリンダライナ外周面２５に（図１の符号Ｌ参照）、アルミニウムを溶射することにより熱膨張皮膜を形成した。なお、当該熱膨張皮膜の厚さの違いにより、それぞれを実施例１〜４及び比較例１とする。
＜シリンダライナ＞
母材の材質：片状黒鉛鋳鉄（Ｃ：３．１０質量％、Ｓｉ：２．０質量％、Ｍｎ：０．７６質量％、Ｐ：０．３０質量％、Ｓ：０．０６質量％、Ｃｕ：０．４５質量％、Ｍｏ：０．２５質量％、Ｂ：０．０９質量％）
寸法：直径１３７ｍｍ、径方向厚さ２．５ｍｍ、軸方向長さ（フランジ部を含む）２２８ｍｍ、外周面の軸方向長さ２２２ｍｍ
＜シリンダブロック＞
材質：ＦＣ２５０
シリンダライナ外周面に設けられた熱膨張皮膜の表面とシリンダブロックとの隙間（比較例１にあってはシリンダライナ外周面とシリンダブロックとの隙間）：１０μｍ
（実施例１）
熱膨張皮膜の厚さ：シリンダライナの径方向厚さの２％（５μｍ）
（実施例２）
熱膨張皮膜の厚さ：シリンダライナの径方向厚さの４％（１０μｍ）
（実施例３）
熱膨張皮膜の厚さ：シリンダライナの径方向厚さの２０％（５０μｍ）
（実施例４）
熱膨張皮膜の厚さ：シリンダライナの径方向厚さの１％（２．５μｍ）
（比較例１）
熱膨張皮膜の厚さ：０（ゼロ）皮膜なし

上記実施例１〜４および比較例１の乾式シリンダライナをそれぞれシリンダブロックにセットし、エンジンは１３Ｌの６気筒で、シリンダライナのＴ．Ｄ．Ｃ．部の温度が２４０℃以上とし、１００時間運転して、各乾式シリンダライナ外周面の第一圧力リングのＴ．Ｄ．Ｃ．部にあたる箇所の円周方向８箇所（４５°毎）の温度を測定した。その結果を図４に示す。

図４は、各乾式シリンダライナのフランジ部の下からの距離とその部分の温度との関係を示す図である。

図４からも明らかなように、従来の乾式シリンダライナ（比較例１：熱膨張皮膜なし）と比べて、本発明の実施例１〜４の乾式シリンダライナは、シリンダライナの上端面に近い部分における温度が低く、冷却効率が向上していることが分かる。特に、実施例１〜３、つまり熱膨張皮膜の厚さが、シリンダライナの径方向厚さに対して２％以上だと、冷却効率が飛躍的に向上することが分かる。

・実験２
以下に示す乾式シリンダライナおよびシリンダブロックを準備し、シリンダライナ外周面２５にアルミニウムを溶射することにより厚さ１０μｍ（シリンダライナの径方向厚さの４％）の熱膨張皮膜を形成した。なお、当該熱膨張皮膜のシリンダ軸方向長さ（図１の符号Ｌ参照）の違いにより、それぞれを実施例５〜６及び比較例２〜４とする。
＜シリンダライナ＞
前記実験１と同じ
＜シリンダブロック＞
前記実験１と同じ
（実施例５）
熱膨張皮膜のシリンダライナ軸方向長さ：フランジ部下から１２ｍｍ（シリンダライナの軸方向長さの５％）
（実施例６）
熱膨張皮膜のシリンダライナ軸方向長さ：フランジ部下から２２ｍｍ（シリンダライナの軸方向長さの９．６％）
（比較例２）
熱膨張皮膜のシリンダライナ軸方向長さ：０（ゼロ）皮膜なし
（比較例３）
熱膨張皮膜のシリンダライナ軸方向長さ：フランジ部下から７ｍｍ（シリンダライナの軸方向長さの３％）
（比較例４）
熱膨張皮膜のシリンダライナ軸方向長さ：フランジ部下から３ｍｍ（シリンダライナの軸方向長さの１％）

上記実施例５〜６および比較例２〜４の乾式シリンダライナをそれぞれシリンダブロックにセットし、エンジンは９Ｌの６気筒で、シリンダライナのＴ．Ｄ．Ｃ．部の温度が２４０℃以上とし、１００時間運転して、各乾式シリンダライナ外周面の第一圧力リングのＴ．Ｄ．Ｃ．部にあたる箇所の摩耗量を測定した。その結果を表１に示す。

なお、表１における摩耗指数は、比較例２（熱膨張皮膜なし）の摩耗量を１００とした場合の割合を示す。

表１からも明らかなように、従来の乾式シリンダライナ（比較例２：熱膨張皮膜なし）と比べて、本発明の実施例５〜６の乾式シリンダライナは、シリンダライナの上端面に近い部分における冷却効率が向上しているため、シリンダライナ外周面の摩耗量も低減できることが分かる。また、比較例３〜４の乾式シリンダライナと比較すると、熱膨張皮膜の長さがシリンダライナの軸方向長さの５％以上必要であることが分かる。

１０…乾式シリンダライナ
１１…フランジ部
１２…研磨逃げ溝
１３…熱膨張皮膜
２０…シリンダブロック
２１…シリンダボア孔
２２…ガスケット
２３…シリンダヘッド
２４…ヘッドボルト
２５…シリンダライナ外周面

Claims (3)

1. 軸方向における上部の外周にフランジ部を有する内燃機関用乾式シリンダライナであって、
   少なくとも、前記フランジ部の下からシリンダライナの軸方向長さの５％にわたる外周面には、シリンダライナの母材よりも線膨張係数が高い金属からなる熱膨張皮膜が形成されていることを特徴とする内燃機関用乾式シリンダライナ。
2. 前記熱膨張皮膜の膜厚が、シリンダライナの母材の径方向厚さに対して、２〜４０％であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用乾式シリンダライナ。
3. 前記熱膨張皮膜を形成する金属が、アルミニウム、銀、銅、および亜鉛の何れか一種、もしくはこれら二種以上の合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用乾式シリンダライナ。

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