JP2018021537A - Cylinder block of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、内燃機関のシリンダブロックに関する。 The present invention relates to a cylinder block of an internal combustion engine.
例えば、特許文献1には、内燃機関のピストンが開示されている。このピストンの頂面には、冷却損失低減のために、遮熱膜が形成されている。 For example, Patent Document 1 discloses a piston for an internal combustion engine. A heat shield film is formed on the top surface of the piston to reduce cooling loss.
更なる熱損失(冷却損失および機械損失など)の低減を図るためには、シリンダブロックのシリンダボアの内周面に遮熱膜を設けることも考えられる。また、シリンダボアの内周面においてシリンダ軸線方向の上方側の部位(主に、燃焼室を構成する部位)とその下方側の部位との間では、燃焼に伴う温度上昇に差異がある。シリンダブロック周りの構造では、この差異に伴う熱膨張の不均一に起因する機械損失の存在が課題の1つとなっている。 In order to further reduce heat loss (cooling loss, mechanical loss, etc.), it is conceivable to provide a heat shielding film on the inner peripheral surface of the cylinder bore of the cylinder block. In addition, there is a difference in temperature rise caused by combustion between an upper portion in the cylinder axial direction (mainly a portion constituting the combustion chamber) and a lower portion thereof on the inner peripheral surface of the cylinder bore. In the structure around the cylinder block, one of the problems is the presence of mechanical loss due to non-uniform thermal expansion due to this difference.
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、機械損失を低減しつつ、シリンダボアの内周面に遮熱膜を設けられるようにしたシリンダブロックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a cylinder block in which a thermal barrier film is provided on the inner peripheral surface of a cylinder bore while reducing mechanical loss. .
本発明に係るシリンダブロックは、内部をピストンが往復移動するシリンダボアを備えるシリンダブロックであって、第1遮熱膜と第2遮熱膜とを備える。前記第1遮熱膜は、前記シリンダボアの内周面におけるシリンダ軸線方向の上方側の部位に形成されている。前記第2遮熱膜は、前記第1遮熱膜が形成された前記部位と比べて前記シリンダ軸線方向の下方側に位置する部位において前記内周面に形成され、前記第1遮熱膜の熱伝導率よりも小さな熱伝導率を有する。 The cylinder block which concerns on this invention is a cylinder block provided with the cylinder bore which a piston reciprocates inside, Comprising: A 1st heat insulation film | membrane and a 2nd heat insulation film | membrane are provided. The first heat shield film is formed on a portion of the inner peripheral surface of the cylinder bore on the upper side in the cylinder axial direction. The second thermal barrier film is formed on the inner peripheral surface at a portion located on the lower side in the cylinder axial direction as compared with the portion where the first thermal barrier film is formed. The thermal conductivity is smaller than the thermal conductivity.
本発明によれば、シリンダ軸線方向における下方側の第2遮熱膜の熱伝導率が同方向における第1遮熱膜の熱伝導率よりも低くなるように構成されている。このため、燃焼による温度上昇が小さいシリンダボアの下方側の部位については、熱が周辺に逃げにくくすることができる。そして、燃焼による温度上昇が大きいシリンダボアの上方側の部位では、下方側の部位と比べて熱が周辺に逃げ易くすることができる。このため、これらの部位間の温度差を小さくすることができる。これにより、これらの部位間で熱膨張率の差が小さくなる。したがって、本発明によれば、機械損失を低減しつつ、シリンダボアの内周面に遮熱膜を設けられるようになる。 According to the present invention, the thermal conductivity of the second thermal barrier film on the lower side in the cylinder axis direction is configured to be lower than the thermal conductivity of the first thermal barrier film in the same direction. For this reason, about the site | part below the cylinder bore with the small temperature rise by combustion, it can make it difficult for heat to escape to the periphery. And, in the upper part of the cylinder bore where the temperature rise due to combustion is large, heat can easily escape to the periphery as compared with the lower part. For this reason, the temperature difference between these parts can be made small. Thereby, the difference of a thermal expansion coefficient between these parts becomes small. Therefore, according to the present invention, a thermal barrier film can be provided on the inner peripheral surface of the cylinder bore while reducing mechanical loss.
以下、図1および図2を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る内燃機関10が備えるシリンダブロック12の要部の構成を模式的に表した図であり、シリンダ軸線Lを通る平面で切断されたシリンダ周りの構成を示している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a main part of a
図1に示すように、内燃機関10は、シリンダブロック12と、シリンダブロック12上に図示しないガスケットを介して取り付けられるシリンダヘッド14とを備えている。また、内燃機関10の各気筒は、シリンダブロック12の内部を往復移動するピストン16を備えている。なお、図1では、説明の便宜上、上死点(TDC)に位置するときのピストン16と、下死点(BDC)に位置するときのピストン16のそれぞれが図示されている。
As shown in FIG. 1, the
シリンダブロック12は、シリンダボア12aを構成する部位として、円筒状のシリンダライナ12bを備えている。なお、シリンダブロック12には、シリンダライナ12bの外周側に、内燃機関10を冷却する冷却水が流れるウォータジャケット18が形成されている。
The
さらに、本実施形態の内燃機関10では、シリンダブロック12においてピストン16と対向する部位であるシリンダライナ12bの内周面(すなわち、シリンダボア12aの内周面)28に、第1遮熱膜20および第2遮熱膜22が形成されている。次に、図1とともに図2を新たに参照して、遮熱膜20および22の詳細な配置部位および遮熱特性について説明する。
Further, in the
図2は、図1に示す内燃機関10の一部を拡大して示す図である。図2に示すように、ピストン16は、その側部に、トップリング用溝16aに取り付けられたトップリング24を備えている。なお、ピストン16の側部には、トップリング24と同様に気密を保つためのコンプレッションリングであるセカンドリング(図示省略)を取り付けるためのセカンドリング用溝16bと、オイルリング(図示省略)を取り付けるためのオイルリング用溝16cとが形成されている。トップリング用溝16aは、シリンダ軸線方向Dにおいて、これらの溝16a〜16cのうちで最も燃焼室26に近い位置に設けられている。燃焼室26は、シリンダヘッド14、シリンダライナ12bおよびピストン16により囲まれた空間である。また、ピストン16の摺動範囲は、図1に示すように、ピストン16が上死点に位置するときのトップリング24の上端位置から、ピストン16が下死点に位置するときのピストン16のスカート16dの下端位置までの範囲として規定することができる。
FIG. 2 is an enlarged view showing a part of the
(シリンダ軸線方向における第1および第2遮熱膜の配置部位)
第1遮熱膜20は、シリンダライナ12bの内周面(すなわち、シリンダボア12aの内周面)28におけるシリンダ軸線方向Dの上方側の部位28aに形成されている。より具体的には、本実施形態では、このような態様で形成される第1遮熱膜20の一例として、図2に示すように、第1遮熱膜20は、燃焼時のトップリング24の下端位置に対して上方側(すなわち、燃焼室26側)に位置する内周面28の部位28aに形成されている。
(Location of the first and second thermal barrier films in the cylinder axis direction)
The first
一方、第2遮熱膜22は、第1遮熱膜20が形成された部位28aと比べてシリンダ軸線方向Dの下方側に位置する部位28bにおいて内周面28に形成されている。また、シリンダボア12aの周方向に関しては、第1遮熱膜20および第2遮熱膜22は、当該周方向の全体に及んで形成されている。
On the other hand, the second
(第1および第2遮熱膜の遮熱特性)
第1遮熱膜20は、低熱伝導率を有するように構成されている。ここでいう第1遮熱膜20についての「低熱伝導率」とは、2W/mK以下の熱伝導率を意味する。ここで、第1遮熱膜20が配置されるシリンダライナ12bの内周面28の部位28aは、燃焼ガスの影響を直接受ける部位である。より具体的には、図2中に矢印を用いて示す熱の流れAのように、部位28aには、燃焼ガスの熱が直接的に伝えられる。また、燃焼ガスからトップリング24を介して部位28aに伝えられる熱の流れBも存在する。なお、本実施形態のピストン16は、一例として、その頂部に遮熱膜16eを備えているため、図2中に示すようにピストン16の頂部からトップリング24を介して部位28aに伝えられる熱の流れCは抑制される。
(Thermal barrier properties of the first and second thermal barrier films)
The first
また、第2遮熱膜22は、第1遮熱膜20の熱伝導率よりもさらに低い熱伝導率(すなわち、2W/mK未満)を有するように構成されている。第2遮熱膜22が配置される部位28b(すなわち、燃焼時のトップリング24の下端位置よりも下方側の部位)は、燃焼ガスの影響を直接受けないため、部位28bの熱源は、主にピストン摺動による発熱分となる。
Further, the second
シリンダ軸線方向Dにおける下方側の第2遮熱膜22の熱伝導率が同方向Dにおける上方側の第1遮熱膜20の熱伝導率よりも低いという上述の構成によれば、燃焼による温度上昇が小さいシリンダ軸線方向Dの下方側の部位28bについては、特に暖機時に熱がウォータジャケット18側に逃げにくくすることができる。そして、燃焼による温度上昇が大きいシリンダライナ12bの上方側の部位28aでは、部位28bと比べて熱がウォータジャケット18側に逃げ易くすることができる。このため、部位28aと部位28bの温度差(すなわち、シリンダライナ12bの上下温度差)を小さくすることができる。これにより、部位28aと部位28bとの間で熱膨張率の差が小さくなる。このため、特に暖機時において機械損失を低減させられるようになる。
According to the above configuration in which the thermal conductivity of the lower second
また、熱伝導率に関する上述の構成によれば、特に暖機時に、シリンダ軸線方向Dにおける上方側の部位28aが集中的に昇温することを抑制できる。これにより、部位28aでのピストン16とシリンダ壁(第1遮熱膜20の表面)とのクリアランスと、部位28bでのピストン16のシリンダ壁(第2遮熱膜22の表面)とのクリアランスとの差が大きくなることを抑制できる。このため、暖機時にピストン打音が大きくなることを抑制できるようになる。
In addition, according to the above-described configuration relating to the thermal conductivity, it is possible to prevent the temperature of the
また、第1遮熱膜20に対して低熱伝導特性を付与することで、いわゆるスイング幅(1サイクル中のシリンダボア壁面温度の変動幅)を拡大させることができ、これにより、冷却損失の低減を図ることもできる。
In addition, by providing the first
さらに、本実施形態の第1遮熱膜20は、低熱容量(低体積比熱)特性が得られるように構成されている。ここでいう第1遮熱膜20についての「低体積比熱」とは、2200kJ/m3K以下の体積比熱を意味する。このような低熱容量特性を第1遮熱膜20に付与することで、シリンダ内に流入した吸気の加熱を抑制することができる。このため、ノックを抑制することができる。なお、上述のように、第2遮熱膜22が配置される下方側の部位28bは、燃焼ガスの影響を直接受けず、また、吸気加熱(ノック)への影響も少ない。このため、本実施形態では、上述の低熱容量特性は第2遮熱膜22には付与されていない。
Furthermore, the first
(第1および第2遮熱膜の構成例)
次に、本実施形態において用いられる上述の第1および第2遮熱膜20、22の遮熱特性の構成例について説明する。本実施形態では、第1および第2遮熱膜20、22の材料として、準結晶構造を有する合金(一例として、アルミニウム、鉄、クロムおよびコバルトを主成分とする合金)が用いられている。このような合金は、100μm以下の球形のアトマイズ粉末を用いて形成することができる。
(Configuration example of first and second thermal barrier films)
Next, a configuration example of the heat shield characteristics of the first and second
準結晶の主な特性は次の通りである。すなわち、準結晶の電子線回折像は5回、8回、10回または12回対称を示す。また、準結晶の回折図形には、鋭い回折スポットが現れており、準結晶の構造は、アモルファスのようなランダムな構造ではなく、高い秩序度を有している。さらに付け加えると、第1および第2遮熱膜20、22はピストン16との摺動部に設けられるため、第1および第2遮熱膜20、22の材料としては、低摩擦材料(具体的には、摩擦係数μが0.5以下の材料)を使用することが望ましい。上述の特性を有する準結晶構造を有する合金を遮熱材として利用することで、低熱伝導率、低熱容量および低摩擦係数を好適に両立させることができる。
The main characteristics of the quasicrystal are as follows. That is, the electron diffraction pattern of the quasicrystal exhibits symmetry of 5, 8, 10, or 12 times. In addition, a sharp diffraction spot appears in the diffraction pattern of the quasicrystal, and the structure of the quasicrystal is not a random structure such as amorphous, but has a high degree of order. In addition, since the first and second
本実施形態では、第1および第2遮熱膜20、22として、準結晶構造を有する準結晶膜が使用されている。図1および図2に示すように、第1遮熱膜20は相対的に薄い膜とされ、一方、第2遮熱膜22は相対的に厚い膜とされる。このように膜厚に差を設けるために、シリンダライナ12bの内周面28は、部位28bの径が部位28aの径よりも大きくなるように形成されている。このような第1および第2遮熱膜20、22の構成例によれば、第1遮熱膜20と第2遮熱膜22との間での膜厚の比率を適切に設定することにより、第1遮熱膜20に対して低熱伝導特性を付与するとともに、第2遮熱膜22の熱伝導率が第1遮熱膜20の熱伝導率よりも低いという上述の構成を付与することができる。また、第1遮熱膜20に対して、上述の低熱容量(低体積比熱)特性を付与することもできる。
In the present embodiment, quasicrystalline films having a quasicrystalline structure are used as the first and second
ところで、実施の形態1においては、第1遮熱膜20と第2遮熱膜22との境界が、燃焼時のトップリング24の下端位置である例について説明を行った。しかしながら、本発明の対象となる第1および第2遮熱膜の配置部位は、シリンダボアの内周面におけるシリンダ軸線方向Dの上方側の部位に第1遮熱膜が形成され、かつ、第1遮熱膜が形成された上記部位と比べてシリンダ軸線方向Dの下方側に位置する上記内周面の部位に第2遮熱膜が形成されるようになっていれば、実施の形態1で説明した態様以外の態様で決定されてもよい。このため、上述の例に代え、例えば、燃焼時のトップリングの上端位置(概ね10〜20ATDC)を境界として、当該境界の上方側には第1遮熱膜が形成され、当該境界の下方側には第2遮熱膜が形成されるようになっていてもよい。
By the way, in Embodiment 1, the example in which the boundary between the first
また、実施の形態1においては、シリンダライナ12bの内周面28がシリンダボア12aの内周面として機能する例について説明を行った。しかしながら、本発明の対象となるシリンダブロックは、必ずしもシリンダライナを備えるものでなくてもよい。すなわち、第1および第2遮熱膜は、シリンダライナを備えていないシリンダブロックの基材に形成されたシリンダボアの内周面に形成されていてもよい。
In the first embodiment, the example in which the inner
10 内燃機関
12 シリンダブロック
12a シリンダボア
12b シリンダライナ
14 シリンダヘッド
16 ピストン
16a トップリング用溝
18 ウォータジャケット
20 第1遮熱膜
22 第2遮熱膜
24 トップリング
26 燃焼室
28 シリンダライナ(シリンダボア)の内周面
28a、28b 内周面の部位
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記シリンダボアの内周面におけるシリンダ軸線方向の上方側の部位に形成された第1遮熱膜と、
前記第1遮熱膜が形成された前記部位と比べて前記シリンダ軸線方向の下方側に位置する部位において前記内周面に形成され、前記第1遮熱膜の熱伝導率よりも小さな熱伝導率を有する第2遮熱膜と、
を備えることを特徴とするシリンダブロック。 A cylinder block having a cylinder bore in which a piston reciprocates,
A first heat-shielding film formed on an upper portion of the inner peripheral surface of the cylinder bore in the cylinder axial direction;
Heat conduction smaller than the thermal conductivity of the first thermal barrier film, formed on the inner peripheral surface at a site located on the lower side in the cylinder axis direction compared to the site where the first thermal barrier film is formed. A second thermal barrier film having a rate;
A cylinder block comprising:
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WO2021166278A1 (en) | 2020-02-18 | 2021-08-26 | 三菱重工エンジン&ターボチャージャ株式会社 | Heat-insulating film member |
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KR20220104828A (en) | 2020-02-18 | 2022-07-26 | 미츠비시 쥬고 엔진 앤드 터보차저 가부시키가이샤 | no heat shield |
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