JP2017511440A - 対向ピストンエンジンのシリンダ用のライナー部品 - Google Patents

Abstract

長手軸方向に分離配置された排気ポート及び吸気ポートを具備してなるシリンダの構造は、シリンダライナーの排気ポートブリッジ部及び／又は上死点（ＴＣ）部において、溝及び／又はスロット上に焼結された粉末状金属（ＰＭ）のリングを備えている。つまり、シリンダライナーの排気ポート部３４には、冷却剤通路としての溝３５上においてＰＭ製の排気ポートリング６３が焼結されている。また、シリンダライナーの上死点部３３には、冷却剤通路としてのスロット３７上においてＰＭ製の補強リング５３が焼結されている。【選択図】図３Ｂ

Description

［関連出願］
本願は、米国特許出願１３／１３６，４０２であって既に米国特許第８，４８５，１４７号となっているものの分割出願であるところの、ＵＳ２０１３／０２９８８５３Ａ１として公開された米国特許出願１３／９４２，５１５の発明主題と関連した発明主題を内包するものである。

［技術分野］
本発明の分野は、対向ピストンエンジンのポート付きシリンダの構造をカバーする（守備範囲とする）。より具体的には、本発明の分野は、ライナーを取り囲む粉末状物質のリングによって区画形成されるところの冷却通路および補強性部材を備えたライナー部品に向けられている。

図１を参照すると、対向ピストンエンジンは、（二つの）ピストン２０，２２が対向状態で動く少なくとも１つのシリンダを含んでいる。関連の米国特許第８，４８５，１４７号に教示されるように、対向ピストンエンジン用のシリンダは、ボア１２、並びに、機械加工又は形成されている長手軸方向に変位した排気ポート１４及び吸気ポート１６を有するライナー１０を含む。一つ又はそれ以上のインジェクター（噴射器）ポート１７がライナーの側面を貫通して開口している。二つのピストン２０，２２は、それらの端面２０ｅ，２２ｅが互いに対向した状態でボア１２内に配置されている。圧縮ストロークにおいて、両ピストンは、それらがシリンダ内の最奥位置にあるところのそれぞれの上死点（ＴＣ）位置に向かって動く。燃焼が起こると、両ピストンはＴＣから離れ、それぞれに対応するポートに向かって動く。ＴＣからの移動時、両ピストンは、それらがシリンダ内での最外位置にあるところのそれぞれの下死点（ＢＣ）位置に近づくまで、それらに関連するポートを閉じた状態に保つ。ピストンがＴＣ又はその近傍にあるとき、ライナーの環状部２５は、燃焼が起きるボア体積を、つまり、ピストンエンド（ピストン端）の近傍におけるボア体積の一部を取り囲む。便宜上、ライナーのその部分は“ＴＣ”部として参照される。エンジンの駆動時、ＴＣ部２５は、燃焼の温度及び圧力により極度のひずみを被る。その結果、燃焼の効果を和らげるために、構造的な補強及び冷却手段についての必要性が存在する。

前記‘１４７特許は、ライナーが、ライナー側壁のＴＣ部を取り囲む環状の補強バンド（補強帯）と、ライナーのＴＣ部の上に受承された金属スリーブとを具備してなるところのシリンダ構造を開示する。その補強バンドは、燃焼の圧力に抵抗するフープ強さ（輪状強度）を提供する。金属スリーブとライナーとの間に配置された溝（群）は、液体冷却剤用のチャネル（通路）を提供する。ライナーにドリル加工された長手軸方向の冷却剤通路は、排気ポートのブリッジ部を通って延び、前記溝（群）から液体冷却剤を移送する。その溝（群）は、液体冷却剤を補強リングの近傍から各ポートに向けて導き、ドリル加工された通路は、排気ポートにとっての冷却の追加手段を提供する。

明らかに、対向ピストンのシリンダライナーは、ユニークな工学面及び製造面での挑戦を提起する。薄い排気ポートのブリッジ部は、エンジンの作動時に大変熱い排気ガスに曝され、その結果、構造的な完全性を維持すべく冷却材の流れを必要とする。更に、とりわけライナーの環状ＴＣ部における、シリンダの燃焼体積部は、燃焼の極度の温度と高圧に耐えるべく、追加的な強度と冷却剤流れを必要とする。

排気ポートのブリッジ部を貫く冷却剤通路を生み出す一つの手順は、ガンドリル加工(gun drilling)を含む（例えば、上述の‘１４７特許を参照）。別の手順によれば、ポートのブリッジ部にスロット（細長い孔又は溝）が機械加工又は鋳造され、次いでそれが金属リングで覆われ、その金属リングは、当該リングをライナーに装着すべく、圧入、溶接、ハンダ付け、あるいはロウ付けされる。この点に関しては、例えば米国特許第１，８１８，５５８号および米国特許第１，８９２，２７７号を参照されたし。燃焼が起こるライナーの高圧ＴＣ部は、ライナーの外面に形成された冷却剤通路用の溝（群）を有してもよく、その溝（群）は、圧入式の硬質スチール製のリング又はスリーブで覆われて冷却剤を包囲し、スリーブのＴＣ部におけるフープストレス（輪状応力）を緩和する。この点に関しては、米国特許第１，４１０，３１９号及び上述の‘１４７特許を参照されたし。これらの構造は全て、制限を持つ（制約がある）。冷間圧入結合は、精密製造、追加の部品及び精密組立てを必要とし、これらはいずれも高コストにつながる。溶接による結合は、局所領域において結合片のミクロ構造を変化させ、欠陥率やスクラップ率を増大させ得る焼き戻し特性や機械的特性を変えてしまう。ハンダ付け又はロウ付けによる結合は、時間と共に各種の結果を伴って悪化（劣化）し得る基材物質を含む。排気温度に耐えることができる物質（材料）は高価である。

米国特許第８，４８５，１４７号 米国特許第１，４１０，３１９号

排気ポートブリッジ部に機械加工された又は他の方法で生み出された溝（群）上に粉末状金属（ＰＭ）リングを焼結すること（工程）は、リングとライナーとの間に結合を創出するようなリングのマイクロ溶融(micro-melting)を含む。ライナー壁に機械加工された又は他の方法で形成された冷却用スロットをカバーする肉薄な金属チューブを用いながら、ライナーの中央バンド（中央の帯状部）にＰＭリングを焼結することは、シリンダの製造コストを低減することを可能にする。この明細書に説明されている技術は、二つの部品を焼成温度に加熱し、ライナー材料にＰＭ粒子をマイクロ溶融させることを含む。このことは、ＰＭリングとシリンダライナーとの間に一体的な結合(integral bond)を生み出す。

図１は、シリンダ内でそれぞれの下死点位置近くにある対向ピストンを備えた対向ピストンエンジンの概略図であり、「先行技術」と表示されている。 図２は、本願開示の第１実施形態に従うシリンダライナー構造を示す等角斜視での断面図である。 図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、第１実施形態に従うシリンダライナーの組立て手順を示す。 図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、第１実施形態に従うシリンダライナーの組立て手順を示す。 図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、第１実施形態に従うシリンダライナーの組立て手順を示す。 図４は、本願開示の第２実施形態に従うシリンダライナー構造を示す等角斜視での断面図である。

本願開示によれば、対向ピストンエンジン用のシリンダライナーは、ボアと、環状のＴＣ部（上死点部）と、長手軸方向に分離配置された排気ポート及び吸気ポートであって該シリンダから排気ガスを出すと共に該シリンダ内に空気を充填する排気ポート及び吸気ポートを有している。ポートの各々は、側壁（サイドウォール）のソリッド部分（固体部分）によって分離されるところの、ライナー側壁を貫通する一連続又は多連続の開口から構成されている。なお、これらのソリッド部分は「ブリッジ（又はブリッジ部）」と呼ばれる。幾つかの説明においては、それぞれの排気及び吸気用開口は「ポート」として参照される、ただし、そのような「ポート」の円周配列の構造及び機能は、図１に示され且つここで話題とされるポート構造と何ら違いは無い。

図２は、対向ピストンエンジン用のシリンダライナー部品３０の第１の（構造）実施形態を示す部分断面図である。そのライナー構造は、ＴＣ及び排気部３３，３４を有するライナー３２と、冷却剤カバーチューブ４３と、補強リング５３と、排気ポートリング６３とを備えている。この構造は、ライナーを形成し、そのライナー上に冷却剤カバーチューブを圧入し(press-fit)、そして焼結プロセスにより前記補強リング及び排気カバーリングを前記ライナー及び冷却剤カバーチューブに結合することにより、組み立てられる。この点で、ライナー、カバーチューブ及び（両）リングの材料組成は、焼結プロセスとの適合性（又は互換性）のために選択される。この制約の範囲内で、ライナー、冷却剤カバーチューブ及び（両）リングの具体的な材料組成が、エンジンの負荷範囲や高度（海抜）等のような対向ピストンエンジンの予期される走行条件に基づいて選択される。例えば、ライナー３２は鉄から作られてもよく、チューブ４３はロール加工されたスチール（あるいは、可能性としてアルミニウム）から作られてもよい。リング５３及び６３は、粉末状金属(powdered metal)（ＰＭ）部品である。

ライナー３２は、排気部３４において予め定められた排気ポートブリッジ位置３６を通るように機械加工された又は他の方法で生み出された溝３５を伴って、且つ、ＴＣ部３３において予め定められた領域を通るように機械加工された又は他の方法で生み出されたスロット（細長い孔又は溝）３７を伴って、製造されている。好ましくは、インジェクタ―ポート用の排気ポート開口及び穴もまた、ライナー３２に機械加工され又は他の方法で生み出される。ロール加工された薄壁なスチール製の冷却通路カバーチューブ４３は、冷却用のスロット３７を包囲する（又は包む）に十分な幅をもって製造されている。

リング５３及び６３は、金属粉の回転楕円体粒子(spheroidal particle)（２０ミクロン以下）の圧縮によって又は金属射出成形によって製造されている。ＰＭ圧縮プロセスは、成形型内に金属粉末を注入すること（工程）、そしてその後、焼成プロセスを開始及び維持すると共に適切な高密度化を達成する程度に粉末が凝集するのを可能ならしめるに十分に高い圧力で当該材料を圧縮すること（工程）を含む。金属射出成形(Metal injection molding)（ＭＩＭ）は、ポリエチレンのような熱（可塑）性ポリマーと金属粉末を混合すること（工程）、そしてその後、典型的なプラスチック射出成形プロセスにおけるように、混合物を成形型内にインジェクションすること（工程）を含む。その混合物は成形型内で硬化され、その後、ポリマーは、それが焼結される前に結合分離プロセスにおいて有機化合物と共に除去される。

好ましくは、ＰＭ材料は、ニッケル・スチール材料のようなスチールベースの（スチールを基調とする）合金材料を含む。この場合のニッケル・スチール材料は、ＦＮ−０２ｘｘ（２％ ＮｉＦｅ）からＦＮ−０４ｘｘ（４％ ＮｉＦｅ）（それらのいずれも、幾分かの熱処理および焼結後調質のオプションを有している）の範囲の組成を有するものである。ＰＭ材料の代替的な種族（ファミリー）としては、ＦＬＣ−０５ｘｘがあり、それはある種の望ましい特性を有しており、焼結プロセスからそれの後熱処理を得ており、それにより焼結後の焼き戻しを必要としない。

シリンダライナー用に選択された材料は、ＰＭ材料の（仮に必要であれば）焼結や後熱処理の要求（要件）に準拠していなければならない。一例として、ＦＮ−０２０８−ＨＴ１００のＰＭ材料は、ＣＬ４０鉄製（スチール製）ライナーの後熱処理要件に準拠しているが、ＣＬ３０鉄から作られたライナーとは協働しないであろう。もしＴＣ部に対してもっと高い強度が必要とされるならば、ＣＬ３０ライナーとのＦＣＬ−０５０８リングの使用は望ましいであろう、というのも、どちら（の素材）も後熱処理を必要としないからである。

固有の熱伝達要求が相対的に低い、例えば海運（用）エンジンの高腐食性環境のような状況においては、ＦＮ−０４ｘｘ（４％ ＮｉＦｅ）や５０％Ｎｉ５０％Ｆｅ材料が、より良好な熱伝達性を有するところのＦＮ−０２ｘｘ（２％ＮｉＦｅ）やＦＣ−０５ｘｘよりもむしろ望ましいかもしれない。

これらのプロセスに対して要求されてもよいような表面の洗浄は、先行技術での手順で用いられているであろうやり方とは異なるやり方を含む。遊離した鉄粒子を有する材料は、迅速に酸化を始めるであろうから、二つの表面を結合するための以前のプロセスは、二つの部品間での酸化層という結果につながるかもしれない。それ故、焼結プロセスの際、ガス（典型的には９０％Ｎおよび１０％Ｈ）が導入され、その結果、焼結温度が６００℃に達したときに、酸素（及び遊離炭素）が水素と反応し、オキシダント（酸化剤、酸化体）を取り除くと共に全ての表面を効果的に「洗浄」する。

［排気ブリッジ冷却通路カバープロセス］
図３Ａ〜３Ｃは、排気ポートブリッジ用の冷却剤通路(coolant passageways)を生み出す対向ピストンエンジン用シリンダのライナー部品を製造するプロセスを示す。該プロセスは、上記での説明にあるようなライナーを形成すること、及び、ＰＭ排気リングを形成すること、並びに、その後に図２及び３Ａに示すようにライナー３２の排気ポート部３４上に排気ポートリング６３を位置決めすることを含む。ライナー３２は、それに排気リング６３が取り付けられた状態で、焼結オーブン内で焼成温度にさらされ、図３Ｂに示すように対向するリング６３の環状内面とライナー排気部３４の外面との間に一体的な結合を形成する。これは溝（群）３５をカバーし（覆い）、それによってリングと排気ポート部との間に冷却剤通路を形成する。図３Ｃのように、ライナーのＯＤが要求通りに機械加工され、その後、予め定められた排気ポート開口３８が、排気リング６３を貫通切断することで形成される。

［中央冷却通路および補強カバープロセス］
図３Ａ〜３Ｃは、ライナーのＴＣ部３３用の冷却剤通路および補強リングを生み出す対向ピストンエンジン用シリンダのライナー部品を製造するプロセスを示す。該プロセスは、上記での説明にあるようなライナーを形成すること、冷却通路カバーチューブを形成すること、及び、ＰＭ補強リングを形成すること、並びに、ライナー３２のＴＣ部３３に冷却（剤）通路チューブ４３を取り付けることを含む。次に、補強リング５３が、図３Ａに示すように、補強リング５３の環状内面がチューブ４３の円筒状外面に対面した状態で、チューブ４３上に位置決めされる。ライナー３２は、それに対してチューブ４３及びリング５３が取り付けられた状態で、焼結オーブン内で焼成温度にさらされ、図３Ｂに示すようにリングとチューブの対向面間に一体的な結合を形成する。これはスロット（群）３７をカバーし（覆い）、それによってリングとＴＣ部との間に冷却剤通路を形成する。図３Ｃのように、ライナーのＯＤが要求通りに機械加工され、その後、一つ又はそれ以上の予め定められたインジェクタ―ポート開口３９が、補強リング５３及びチューブ４３を貫通するドリル加工によって形成される。

図４は、本願開示の第２実施形態に従うシリンダライナー構造を示す。この実施形態では、薄壁なスチール製の冷却チャンバーチューブが取り除かれて、ＰＭ中央リング７３がＴＣ領域３３の全体をカバーするに十分に大きく作られて、それによってスロット３７をカバーしている（覆っている）。組み立てられた部品が焼結オーブン内で焼成温度に加熱されると、ＰＭ中央リング７３とライナー３２の外面との間に漏れの無い一体的な結合が形成され、かくして薄壁なスチール製チューブの必要性が省かれる。

［両プロセスのための一般的な条件／要件］
ＰＭ材料が焼結時にマイクロ溶融する対象となる任意の物質のクリーニングが、強固な溶融結合を提供するためには重要である。ライナー、カバーチューブ、及び焼結用のＰＭ材料リングを準備する際には、ライナーが立てられると共に、リングは、それが焼結されることになるライナーの位置に正確に軸方向に位置決めされるようにセラミック基材又は支持体にセットされる。上述の前記二つのプロセスは、同時的に又は順番に実施することができる。同時焼結が好ましいけれども、使用される材料のいくつかについて焼結後硬化処理の必要性のために、両プロセスを別々に行うことが必要かもしれない。幾つかの金属は硬化処理のために素早い冷却を必要とすることがあり、その一方で、その他の金属は硬化を確実にするためにゆっくりとした冷却を必要とすることがある。中央冷却及び強化プロセスのための代替的な手順は、冷却剤通路カバーチューブを取り除くと共に、ＰＭ補強リングをＴＣ領域冷却通路の全体をカバーするに十分に幅広にすることになるであろう。この手順において、ＰＭ補強リングは、二つの（物の）間に一体的な結合を形成すべく、直接的にライナーにマイクロ溶融するであろう。この手順は、製造を単純化すると共に、シリンダのＴＣ部における冷却剤通路の完全で漏れの無いシールを確実なものとする。

本明細書では対向ピストンエンジン用のシリンダライナー構造の実施形態が図解され説明されているが、そのような実施形態は単なる例示として提供されているのは明らかであろう。この明細書で述べられた原理を変更することなく具体化するような変更例、変化、追加および置換の類は、当業者にとって明らかなことであるとすべきであろう。

３２ シリンダライナー
３３ ライナーの上死点部
３４ 排気ポート部
３５ 溝（冷却剤通路）
３６ 排気ポートのブリッジ部
３７ スロット（冷却剤通路）
３８ 排気ポート開口
３９ インジェクターポート開口
４３ 冷却剤（冷却通路）カバーチューブ
５３ 補強リング
６３ 排気ポートリング

Claims (20)

1. 対向ピストンエンジンのシリンダ用のライナー部品を製造する方法であって、
   鉄系材料のシリンダライナー（３２）を形成する工程と、
   粉末状金属（ＰＭ）材料のリング（６３）を形成する工程と、
   前記シリンダライナーの排気ポート部（３４）上に前記リング（６３）を位置決めする工程と、
   前記排気ポート部と前記リングの対向面を結合することで、前記リングと前記排気ポート部との間に冷却剤通路（６３，３５）を形成する工程と、
   を備えてなる方法。
2. 前記リング（６３）及び前記排気ポート部（３４）を通って延びる排気ポート開口（３８）を形成する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
3. スチールベースの合金から前記リング（６３）を形成することを更に備える、請求項２に記載の方法。
4. 前記シリンダライナー（３２）を形成する工程は、前記排気ポート部における排気ポートのブリッジ位置に溝（３５）を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 対向ピストンエンジンのシリンダ用のライナー部品を製造する方法であって、
   鉄系材料のシリンダライナー（３２）を形成する工程と、
   スチール又はアルミニウム材料のチューブ（４３）を形成する工程と、
   粉末状金属（ＰＭ）材料のリング（５３）を形成する工程と、
   前記ライナーの上死点部（３３）上に前記チューブを装着することで、前記チューブと前記上死点部との間に冷却剤通路（５３，３７）を形成する工程と、
   前記シリンダライナーの上死点部と整合した状態で、前記チューブ上に前記リングを位置決めする工程と、
   前記チューブと前記リングの対向面を結合することで、前記上死点部を補強する工程と、
   を備えてなる方法。
6. 前記リング、前記チューブ及び前記上死点部を通って延びる１つ以上のインジェクタ―ポート開口（３９）を形成する工程を更に備える、請求項５に記載の方法。
7. スチールベースの合金から前記リングを形成することを更に備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記シリンダライナーを形成する工程は、前記上死点部の環状領域にスロット（３７）を形成することを含む、請求項５に記載の方法。
9. 対向ピストンエンジンのシリンダ用のライナー部品を製造する方法であって、
   鉄系材料のシリンダライナー（３２）を形成する工程と、
   粉末状金属（ＰＭ）材料のリング（５３）を形成する工程と、
   前記シリンダライナーの上死点部（３３）上に前記リングを位置決めする工程と、
   前記上死点部と前記リングの対向面を結合することで、前記上死点部を補強する工程と、
   を備えてなる方法。
10. 前記リング及び前記上死点部を通って延びる１つ以上のインジェクタ―ポート開口（３９）を形成する工程を更に備える、請求項９に記載の方法。
11. スチールベースの合金から前記リングを形成することを更に備える、請求項１０に記載の方法。
12. 前記シリンダライナーを形成する工程は、前記上死点部の環状領域にスロット（３７）を形成することを含む、請求項９に記載の方法。
13. 対向ピストンエンジンのシリンダ用のライナー部品を製造する方法であって、
    鉄系材料のシリンダライナー（３２）を形成する工程と、
    粉末状金属（ＰＭ）材料のリング（５３）を形成する工程と、
    前記シリンダライナーの上死点部（３３）上に前記リングを位置決めする工程と、
    前記上死点部と前記リングの対向面を結合することで、前記リングと前記上死点部との間に冷却剤通路（５３，３７）を形成する工程と、
    を備えてなる方法。
14. 前記リング及び前記上死点部を通って延びる１つ以上のインジェクタ―ポート開口（３９）を形成する工程を更に備える、請求項１３に記載の方法。
15. スチールベースの合金から前記リングを形成することを更に備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記シリンダライナーを形成する工程は、前記上死点部の環状領域にスロットを形成することを含む、請求項１３に記載の方法。
17. 対向ピストンエンジンのシリンダ用のライナー部品であって、
    鉄系材料のシリンダライナー（３２）と、
    前記シリンダライナーの一部（３３，３４）に位置決めされた、粉末状金属（ＰＭ）材料のリング（５３，６３）と、
    前記リングと前記シリンダライナーの一部の対向面間における結合と、
    前記リングと前記シリンダライナーの一部との間における冷却剤通路と、
    を備えてなるライナー部品。
18. 前記シリンダライナーの一部は、排気ポート部（３４）及び上死点部（３３）のうちの一方または両方である、請求項１７に記載のライナー部品。
19. 前記シリンダライナーの一部は、排気ポートのブリッジ部（３６）において溝（３５）を備えており、
    当該ライナー部品は、前記排気ポートのブリッジ部間において、前記リング及び前記シリンダライナー部を通って開口する排気ポート開口（３８）を更に備える、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のライナー部品。
20. 前記シリンダライナーの一部は、スロット（３７）を含む上死点部（３３）であり、
    当該ライナー部品は、前記リング及び前記上死点部を通って開口する１つ以上のインジェクタ―ポート開口（３９）を更に備える、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のライナー部品。

Images