JP2017522520A - ブッシング及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般にブッシングに関するものであり、より具体的には、特に高性能内燃機関に使用されるブッシングに関する発明である。発明の実施形態の１つによると、ブッシング（１０）は支持面（１１）及びスライド面（１２）の２つの構成部を備えており、このスライド面がブッシングの断面において凸形状をしていること、及びこの凸形状がスライド面の周方向中心（Ｐ）からずれていることを特徴とする。

Description

本発明は一般にブッシングに関し、より限定的には特に高性能内燃機関に使用されるブッシングに関する。

既知のオットーサイクルやディーゼルサイクルに用いられる内燃機関は良く知られており、人や商品を輸送するための輸送機関、例えば自動車、トラックもしくは機関車を含む輸送車両又は貨物車両などに広く使われている。端的に言うと、これらのエンジンは、化石燃料や再生可能エネルギー燃料などの高濃度炭化水素の燃料を使用し、燃焼による熱エネルギーを運動エネルギーに変換している。

近年、大気中に放出されるＣＯ_２の大半の原因となっている、内燃機関からの排出を減少させることにますます関心が向けられている。気候の変動は今日の重要な環境問題の１つであり、深刻な結果をもたらす可能性がある。この問題は温室効果の増大によって引き起こされており、二酸化炭素を含む温室効果ガスの濃度増加に起因している。

最近では、粒子物質や他の温室効果ガスだけでなく、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素ガス（ＨＣ）、酸化窒素（ＮＯ_Ｘ）などの環境に有害なガスの排出を低減するために、一連の異なる技術が内燃機関に統合されている。ガス排出の低減は、特にエンジンの熱効率の増加と、それに伴う明確な燃料消費の削減に起因する。

この点について、電子注入や触媒作用、粒子フィルターなどの技術の使用がかなり広まっており、それらは実際に内燃機関において必須のものとなっている。一方、直接燃料注入やディーゼルサイクルに使用されるコモンレールシステムなどのより最近の技術や、長年知られていた技術のより広範囲での使用、例えば機械圧縮やターボチャージャーなどがエネルギー効率を増加するために使用され、ますます厳しい排出基準を満たしている。

その結果、燃焼エンジンはシリンダー内のピストンに与えられた排気量に対する出力、いわゆる比出力、がより大きくなるように発達している。１９８０年代のオットーサイクルエンジンの性能は平均して５０ｈｐ／Ｌであったが、今日では容易に１００ｈｐ／Ｌを超えることができる。このことは、シリンダー内での燃焼による圧力が相当に増加していること、そして、燃焼エンジンはより大きな機械的圧力、高回転、高温度の下で作動していることを意味している。このように同じ部品であっても、組立品の信頼性と期待される耐用期間（現在、オットーサイクル自動車ではおよそ３００，０００ｋｍと概算される）とを保証するために、これらのより厳しい作動条件に耐えるように設計される必要がある。

燃焼エンジンが生み出す負荷に最もさらされる部品の１つはブッシングであり、支持体として用いられて摩擦を減らすために、クランクシャフト、カムシャフトなどのベアリング及びコネクティングロッドにおいて使用される。ブッシングは通常２つの構成部を備えている。つまり、ブッシングはベアリング又はコネクティングロッド端部の、周方向に重ねられた２つの半円形の部分によって形成される。ブッシングは通常、そのような回転する部品間の摩擦を減らすために柔らかい材質で作られると共に、当業者には良く知られるように、組立を容易にし、組立品の誤差を許容し、微粒子に適応できる。

しかしながら、上述したように、内燃機関の作動条件はますます厳しくなっており、コネクティングロッドによって、及び／又は、ベアリング内に組み込まれたシャフトによって、作用される圧力に耐えなければならないブッシングは、より大きな摩耗にさらされる。この摩耗は通常、潤滑油の供給が少ないブッシングの側端に近い範囲で顕著となる。結果として、ブッシングは通常、オイルを流すための開口を中心部に備える。

ブッシングの摩耗は、望まない現象である。なぜなら、それによってオイルの漏れや浪費だけでなく、エンジン性能の低下が引き起こされるからである。

本発明は上述の又はその他の欠点を克服するためのものである。

従って、本発明の第１の目的は、内燃機関の高性能作動条件に耐えることができるブッシングを提供することである。

本発明の他の目的は、先行技術と比較してより大きな摩耗耐性を備えるブッシングを提供することである。

本発明の更なる目的は、作動時において、先行技術と比較してよりオイル膜の分配を高めるブッシングを提供することである。

上で述べた目的を達成するために、本発明は特に内燃機関に用いられるブッシングに関し、支持面及びスライド面の２つの構成部を備え、スライド面がブッシングの断面において凸形状を有し、この凸形状は、スライド面の周方向中心からずれている。

本発明の追加の、及び／又は代わりの実施形態によると、以下の特徴が個々に、又は技術的に可能な組み合わせによって示される。

本開示において「ブッシング」という言葉は、内燃機関のコネクティングロッドとクランクシャフトとを連結するために、及び／又は、ピストンとコネクティングロッドとを連結するために、及び／又は、内燃機関内のあらゆるベアリング内で、使用されるブッシュ又はスリーブを指しており、バイメタルブッシュやトリメタルブッシュを含む異なる材質から作られる。「ブッシング」、「スリーブ」、「ライニング」、「ブッシュ」は本開示において同じ意味である。

さらに、本開示において、内燃機関が「高性能」とは、その内部のブッシングの内面又は外面における少なくとも１つの点において、５０ＭＰａと同等かそれ以上の圧力がかかるような内燃機関とする。

前記ブッシングはバイメタルブッシングである。

前記ブッシングはトリメタルブッシングである。

前記凸形状は、ブッシングの断面において円弧形状である。

前記凸形状は、ブッシングの断面において台形状である。

前記スライド面の周方向中心から凸形状の位置までのずれは、１０°以上２５°以下であり、限定的には１４°以上１８°以下であり、より限定的にはおよそ１６°である。

前記スライド面の周方向中心から凸形状の位置までのずれは、２５°以上５５°以下であり、限定的には３０°以上５０°以下であり、より限定的には３５°以上４５°以下である。

前記凸形状の高さは２μｍ以上２０μｍ以下であり、限定的には３μｍ以上１５μｍ以下であり、より限定的にはおよそ１０μｍである。

前記凸形状の角度範囲は、０°以上９０°以下であり、限定的には２０°以上７０°以下であり、より限定的にはおよそ６０°である。

本発明はまた、内燃機関にとって典型的な他の要素と共に、少なくとも１つのベアリングとコネクティングロッドとを備え、少なくとも１つの本発明によるブッシングとを含む内燃機関に関する。

先行技術における２つの構成部を備えるブッシングを模式的に描いた斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施形態におけるブッシングの凸形状が設けられた領域を模式的に描いた断面図である。 本発明の他の実施形態におけるブッシングの凸形状が設けられた領域を模式的に描いた断面図である。 本発明のブッシングの凸形状が設けられ得る領域を示した側面図である。 凸形状のとり得る角度範囲を示した図５相当図である。 本発明のブッシングの凸形状が設けられ得る領域を示した部分的な平面図である。

本発明の目的、利点、効果、技術的改良及び機能的改良は、特定の実施形態についての以下の添付図面による描写によってより良く理解され得る。これらの図は模式図であり、寸法や性質は実際のものと対応していない。というのは、それらは単に例示的に本発明を描写、図式化するためのものにすぎず、特許請求の範囲に規定された以上の何等の限定も行わない。

本発明は以下において、特定の実施形態に関して添付の図面を参照しつつ説明される。特定の実施形態が詳細に記述され、図面に示されるが、それらは発明の本質の例示であり、発明をここでの記述によって描写され示されるものに排他的に限定するものではない。以下に示された実施形態とは異なる教示はそれぞれ個別に、又は同様の技術的効果を備えるあらゆる適用可能な組み合わせでもって使用される。

本発明におけるブッシングは、特に内燃機関に使用することを意図されているが、高い摩耗耐久性と高圧耐久性とを兼ね備えたブッシングが必要となる、あらゆる適用例に使用することができる。さらに、本発明におけるブッシングは、特に内燃機関のコネクティングロッド、クランクシャフトやカムシャフトのベアリングに使用することができる。

図１は、先行技術におけるブッシング１０を模式的に描いた斜視図であり、２つの部分から構成されている。当業者には知られているように、ブッシングはベアリング又はコネクティングロッド内に据え付けられる表面（支持面１１）を備えている。その反対側であり回転部が係合する面は、本明細書においてはスライド面１２と呼ぶ。ここに示されたブッシングは模式的なものであり、ブッシングと関わる他の要素、例えば潤滑油を流すためのオリフィス、通路、フランジなどは明瞭性のために省略している。

図２は、図１のブッシングの断面図である。内燃機関に用いられるブッシングは一般に、支持面１１の半径方向内側に炭素鋼の層を備え、スライド面１２側は、鉛及びスズベースの（バビットメタル又はホワイトメタルとして知られる）合金か、様々な濃度のスズ及びアルミベースの合金、又は様々な濃度の鉛を含む銅ベースの合金で構成される。ブッシングは、中間層を備えるトリメタルブッシングとすることもできる。加えて、ブッシングはスライド面にポリマー層を備えることもでき、フィラーはあってもなくてもよい。ブッシングの材質は、本発明の目的には関連がない。

図２に戻って、先行技術のブッシングは平らなスライド面１２を備える。平らなスライド面を備えるブッシングの問題点は、オイル膜が端部周辺において十分に供給されず、その辺りにおいて摩耗が大きくなる。

この問題を克服するために、図３には本発明の第１実施形態のブッシングが模式的に断面図で描かれている。図で示されるように、本発明では、ブッシングのスライド面１２′が断面凸形状を備えることを提案する。つまり、断面においてブッシングの側方端部から、円弧形状が略中央において頂点となってまた減少するように湾曲している。曲率半径Ｒは変化させることができるが、凸形状の最も高い点と低い点との間の高さｈは、２μｍ以上２０μｍ以下であり、より好ましくは３μｍ以上１５μｍ以下であり、更に好ましくは１５μｍである。

言うまでもなく、「凸形状」という言葉は必ずしも曲率半径を備える断面をもつ形状を指すのではなく、ブッシングの半径方向内側に突き出た形状を指すと理解されるべきであり、断面においても長手方向においてもどのような形状でもよく、ブッシングの断面における中心点と両端部とで、高さが異なるものとすることができる。

この点において、図４は本発明の他の実施形態におけるブッシングの断面図であり、凸形状が台形状の断面を備えており、側壁が角度をもって立ち上がり、平らな頂面を備えている。このようにして、台形状の側壁の傾斜の角度は変化させることができ、最も高い点と最も低い点との間の高さｈは、２μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは３μｍ以上１５μｍ以下、更に好ましくは１５μｍとすることができる。

本発明の実施形態によると、好ましくは凸形状をブッシングの両端からみた中心からずらした位置に配置すべきである。図５は本発明のブッシングの模式的側面図であり、周方向中心Ｐは、ブッシングの両端部１３，１４によって形成される、軸方向の平面上に沿う周方向中央だと理解される。つまり、半円構造を備える２部構成のブッシングにおいて、周方向中心は両端部１３，１４からそれぞれ９０°離れた位置ということとなる。

このことは、凸形状は周方向中心Ｐに配置される必要はなく、角度をつけてずらした位置に配置され得ることを示している。特に、このずらす角度βはベアリングに用いられる場合には、ブッシングの周方向中心から１０°以上２５°以下としてもよく、限定的には１４°以上１８°以下であり、より限定的にはおよそ１６°となる。あるいは、コネクティングロッドの端部に用いられる場合には、ブッシングの周方向中心から２５°以上５５°以下としてもよく、限定的には３０°以上５０°以下であり、より限定的には３５°以上４５°以下となる。

凸形状を周方向中心Ｐからずらすことは、通常最も圧力がかかる部分に凸形状を配置することができるという点で有利であり、それによってスライド面におけるオイル膜の分配が促され、摩耗を抑制し最小限に抑えることができる。上述したように、最も圧力がかかる部分は、ベアリングに用いられる場合には、ブッシングの周方向中心から１０°以上２５°以下の部分であり、特に１４°以上１８°以下の部分であり、さらに言うとおよそ１６°の部分となる。あるいは、コネクティングロッドの端部に用いられる場合には、ブッシングの周方向中心から２５°以上５５°以下の部分であり、特に３０°以上５０°以下の部分であり、さらに言うと３５°以上４５°以下の部分である。

このように、凸形状はスライド面１２′，１２′′全体に、つまりブッシングのスライド面における軸方向の全体に沿って延びている必要はなく、その一部に設けられていればよく、スライド面の残りは先行技術で知られるように平らな形状でよい。このように、図６は凸形状が角度範囲γで０°以上９０°以下の部分を、限定的には２０°以上７０°以下の部分、さらに限定的にはおよそ６０°の部分でどのように広がるかを示している。このように、凸形状の軸方向の区分けは最適に円弧状や台形状、又は他の形状の組み合わせとすることができる。つまり図７に示すように、凸形状は軸方向の中心で頂点となるように増加し、同じ長さで減少する頂部を備えることとなる。

言うまでもなく、今までの説明における模式図では、凸形状は所定の象限に示されていたが、ブッシングの意図した用途に応じて反対側の象限に設けることもできる。つまり、ここで示された角度は一例としての位置であって、本文献によると正の値も負の値もとることができ、さらに言うと３６０°の整数倍の値もとることができる。つまり、最初の例とした３０°は６０°，９０°，１２０°，１５０°，１８０°などとなることは当業者にとっては明らかである。言うまでもなく、度数で規定された値はラジアンで表すことも可能である。

本発明は以上において特定の実施形態によって記述されたが、当業者は上述では考慮されなかった代替物や組み合わせを、それによってここでの教示の範囲を超えるものでなければ、実行することができる。さらに、ここでの記述では考慮されなかった他の適用物への拡張をすることもできる。結局のところ、添付された特許請求の範囲によって本発明の原理と対応する均等物が網羅されていると理解されるべきである。

Claims (10)

1. 特に高性能内燃機関に使用されるブッシング（１０）であって、
   支持面（１１）とスライド面（１２）の２つの構成部を備えており、
   前記ブッシングの断面において、前記スライド面が凸形状を備え、該凸形状が前記スライド面の周方向中心（Ｐ）からずれている
   ことを特徴とするブッシング。
2. 請求項１において、
   バイメタルブッシングである
   ことを特徴とするブッシング。
3. 請求項１において、
   トリメタルブッシングである
   ことを特徴とするブッシング。
4. 請求項１において、
   前記凸形状は、前記ブッシングの断面において円弧形状である
   ことを特徴とするブッシング。
5. 請求項１において、
   前記凸形状は、前記ブッシングの断面において台形状である
   ことを特徴とするブッシング。
6. 請求項１において、
   前記スライド面（１２）の周方向中心（Ｐ）から凸形状の位置までのずれは、
   １０°以上２５°以下であり、
   限定的には１４°以上１８°以下であり、
   より限定的にはおよそ１６°である
   ことを特徴とするブッシング。
7. 請求項１において、
   前記スライド面（１２）の周方向中心（Ｐ）から凸形状の位置までのずれは、
   ２５°以上５５°以下であり、
   限定的には３０°以上５０°以下であり、
   より限定的には３５°以上４５°以下である
   ことを特徴とするブッシング。
8. 請求項１において、
   前記凸形状の高さ（ｈ）は２μｍ以上２０μｍ以下であり、
   限定的には３μｍ以上１５μｍ以下であり、
   より限定的にはおよそ１０μｍである
   ことを特徴とするブッシング。
9. 請求項１において、
   前記凸形状の角度範囲（γ）は、０°以上９０°以下であり、
   限定的には２０°以上７０°以下であり、
   より限定的にはおよそ６０°である
   ことを特徴とするブッシング。
10. 請求項１から９のいずれか１つに記載されたブッシングの少なくとも１つと、
    少なくとも１つのベアリングと、コネクティングロッドとを備える
    ことを特徴とする内燃機関。