JP2018159376A

JP2018159376A - 内燃機関、および内燃機関用のクランクケースおよび／またはシリンダ・ライナを製造する方法

Info

Publication number: JP2018159376A
Application number: JP2018038287A
Authority: JP
Inventors: シャルフペーター; Scharf Peter
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2017-03-04
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2018-10-11
Also published as: RU2018107671A3; CN115612964A; EP3369840B1; CN108546902A; US20180251880A1; US10550461B2; DE102017002078A1; EP3369840A1; RU2018107671A; RU2757087C2; BR102018004303A2

Abstract

【課題】内燃機関用クランクケースまたはシリンダ・ライナ製造方法であって、耐磨耗性、耐腐食性に優れ、容易に機械加工できまたはホーニング仕上げでき、かつ費用対効果も高い被覆材料を用いる。【解決手段】本発明は、少なくとも１つのシリンダ（５）を有する内燃機関、特に往復動内燃機関に関する。内燃機関は、シリンダ（５）のシリンダ壁部（３）が、被覆材料（７）によって、内燃機関のクランクケース（１）またはシリンダ・ライナの被覆によってシリンダ・バレルを形成する壁部領域に少なくとも形成されている。本発明によれば、被覆材料（７）は、合金元素として、クロム、ニッケル、銅およびニオブを含む合金鋼、特に高合金の合金鋼で形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前文に記載の内燃機関、特に往復動内燃機関（内燃レシプロ・エンジン）に関し、また、請求項４の前文に記載の内燃機関用のクランクケースまたはシリンダ・ライナを製造する方法に関する。

内燃機関の開発における重要な目標は、耐摩耗性および耐腐食性が最大限になるように、内燃機関のシリンダ・バレル（胴部）を設計することである。ここで、内燃機関の高い耐用年数を確保できるようにするためには、シリンダ・バレルの高い耐摩耗性が重要である。例えば、硫黄含有量が比較的高い燃料だけが主に利用可能な低品質燃料の国として知られている国がまだ存在するので、シリンダ・バレルの高い耐腐食性が必要である。そのような燃料の燃焼は硫酸凝縮物を生じさせ、これらによってシリンダ・バレルの所謂腐食摩耗が生じる可能性がある。さらに、腐食性の凝縮物は、排気再循環を伴う内燃機関の場合でも、増大された度合で形成される。

独国特許出願公開第１０２０１５２０７８３３号Ａ１には、少なくとも１つのシリンダ・バレルがクロム、モリブデン、炭素およびセラミックを含む材料で形成された内燃機関用のシリンダ・クランクケースが開示されている。シリンダ・バレルの被覆（コーティング）中のクロムおよびセラミックの含有量は、燃料燃焼期間中にシリンダ内で発生し得る酸、特に硫酸、による腐食攻撃を防ぐ（弱める）ことを意図している。

独国特許出願公開第１０２０１５２０７８３３号

しかし、シリンダ・バレルの被覆用のセラミック粒子を含む被覆材料を使用するとき、被覆の後のシリンダ・バレルのホーニング仕上げ（honing：ホーニング加工、研磨）は、研磨作用性のセラミック粒子が原因で、かなり困難になる、という欠点がある。

従って、本発明の目的は、内燃機関、特に往復動内燃機関、およびさらに、内燃機関用のクランクケースまたはシリンダ・ライナを製造するための方法を実現することであり、その際、少なくとも１つのシリンダ・バレルは、特に耐磨耗性、耐腐食性の被覆材料であって、同時に容易に機械加工できまたはホーニング仕上げできかつ費用対効果も高い被覆材料で、被覆されているかまたは被覆されるものである。

発明の概要
本発明の目的は、独立請求項の特徴によって達成することができる。好ましい変形形態（展開形態）は、従属請求項に開示されている。

特許請求の範囲の請求項１は、少なくとも１つのシリンダを有する内燃機関、特に往復動内燃機関、を提案しており、そのシリンダのシリンダ壁部は、被覆材料を用いた、内燃機関のクランクケースのまたはシリンダ・ライナの被覆によってシリンダ・バレルを形成する少なくとも壁部領域に形成されている。本発明によれば、被覆材料は、少なくとも、クロム、ニッケル、銅およびニオブを合金化元素として含む合金鋼、特に高合金の合金鋼、によって形成される。

驚くことに、試験で見出されたように、そのような被覆または滑り層（摺動層、スライド層）を有するシリンダ・バレルは、燃料燃焼期間中に形成される腐食性凝縮物に対して、非常に良好なトライボロジ（摩擦学的）性質（摩擦および摩耗特性）および優れた耐食性を有する。本出願では、この合金鋼被覆は、他の合金鋼の場合としばしば同様に、汚れを生じる傾向もない。さらに、この被覆材料で形成された表面は、この被覆材料が研磨剤として作用するセラミック粒子を含まないので、特に簡単な方法でかつ僅かな費用で、機械加工またはホーニング仕上げすることもできる。さらに、そのような合金元素を含む合金鋼が市販されているので、本発明による被覆材料は費用対効果（費用効率）が高い。

好ましい特定の構成において、本発明による合金鋼は、鋼１．４５４２（規格ＤＩＮＥＮ１００８８−３）またはＸ５ＣｒＮｉＣｕＮｂ１６−４でまたは鋼１．４５４８（規格ＤＩＮＥＮ１００８８−３）またはＸ５ＣｒＮｉＣｕＮｂ１７−４−４で形成される。これらは、航空宇宙旅行産業で一般的に使用される市販の鋼である。

さらに、本発明による内燃機関を有する車両、特に商用車も、請求項に記載される。

本発明による車両によって得られる利点は、既に認識されている本発明による内燃機関の利点と同じであり、従ってこれらの利点はここでは繰り返さない。

さらに、出願人は、本発明による被覆を有するシリンダ・クランクケースまたはシリンダ・ライナに関する請求項を作成する権利を留保する。

また、上述の目的を達成するために、内燃機関用のクランクケースまたはシリンダ・ライナを製造する方法であって、被覆装置によってクランクケースのシリンダ壁部にまたはシリンダ・ライナのシリンダ壁部に被覆材料が付着される（applied：塗布）方法が提案される。本発明によれば、少なくとも、クロム、ニッケル、銅およびニオブを合金元素として含む合金鋼、特に高合金の合金鋼が、被覆材料として、シリンダ壁部に付着される。

本発明による手順（方法）によって得られる利点は、同様に、既に認識されている本発明による内燃機関の利点と同様であり、同様にここでは繰り返さない。

本発明による好ましい手順では、被覆材料は、溶射法（thermal spray method）によって付着され、その際、被覆装置は、加熱および吹付け装置で形成され、特にプラズマ・バーナ（プラズマ・トーチ）で形成され、それによって被覆材料が加熱されて溶融され、溶融された被覆材料がクランクケースのシリンダ壁部にまたはシリンダ・ライナのシリンダ壁部に吹き付けられる。従って、本発明による被覆材料は、単純で効果的な形態で必要な品質でシリンダ壁部に付着することができる。

好ましい特定の構成では、溶射方法は大気（圧）プラズマ溶射（ＡＰＳ）で形成され、その際、溶射材料または被覆材料が、供給装置によって粉末形態で加熱および吹付け装置の加熱領域に搬送され、特に、プラズマ・バーナの形態の加熱および吹付け装置のプラズマ・ジェット中に吹き込まれる（注入）される。従って、本発明による被覆材料は、簡単で効果的な形態でシリンダ壁部に付着させることができる。

代替形態として、溶射法はワイヤ・アーク溶射（ＷＡＳ）で形成することもでき、その際、溶射材料は、供給装置によってワイヤ形態で加熱および吹付け装置の加熱領域に搬送される。このようにして、本発明による被覆材料は、特に単純な方法で、特に少ない費用で、シリンダ壁部に付着させることができる。

さらに、被覆材料をシリンダ壁部に付着させた後で、被覆材料で形成された表面が、ホーニング工具（ツール）、特にホーン（hone：砥石）、を有するホーニング装置によって機械加工されることが、好ましい。ホーニング装置によるこの後（機械）加工のおかげで、本発明による被覆材料で形成されたクランクケースの滑り層またはシリンダ・ライナの滑り層のトライボロジ（tribological）特性が大幅に改善され、その結果、シリンダ・バレルの摩耗およびシリンダ内で案内されるピストンの摩耗が効果的に弱められる（打ち消される）。

さらに、クランクケースのまたはシリンダ・ライナのシリンダ・バレルの被覆用の被覆材料として、少なくとも、クロム、ニッケル、銅およびニオブを合金化元素として含む合金鋼、特に高合金の合金鋼、の使用が、請求項に記載されている。

本発明による使用によって得られる利点は、同様に、既に認識されている本発明による内燃機関の利点と同様であり、従ってこれらの利点は同様にここでは繰り返さない。

本発明およびその有利な実施形態および／または変形形態（展開形態）およびその利点は、以下で図面を参照して単なる例によってさらに詳細に説明する。

図１は、本発明による内燃機関のクランクケースの断面図を示している。図２は、本発明による手順の説明の基礎となる概略図を示している。図３は、本発明による内燃機関の第２の実施形態の断面を示している。

図１は、本発明による内燃機関のクランクケース１の部分断面図である。この図に示されているシリンダ５のシリンダ壁部３は、ここでは、滑り層６を形成する被覆材料７で全体的にまたは連続的に形成されている。しかし、代替形態として、シリンダ壁部３が、シリンダ５のシリンダ・バレル部分９にのみまたはシリンダ・バレル部分９の一部に被覆材料７によって被覆されるようにすることも、考えられるであろう。

被覆材料７は、合金元素として、クロム、ニッケル、銅およびニオブを含む合金鋼で形されている。この被覆材料７は、特に、耐磨耗性、耐腐食性があり、また機械加工も簡単である。具体的には、合金鋼は、例えば、鋼１．４５４２（規格ＤＩＮＥＮ１００８８−３）でまたは鋼１．４５４８（規格ＤＩＮＥＮ１００８８−３）で形成することができる。

滑り層６は、ここでは、クランクケース１（５）の例えばアルミニウムで形成された基材（基礎材、基部材料）１０に直接付着される。代替形態として、少なくとも１つの支持層または安定化層を、クランクケース１（５）の滑り層６と基材１０の間に設けることもできるであろうし、それによって、基材１０の可能な塑性変形による滑り層６の支持層または安定化層の破砕（fracturing：破損）が弱められる（防止される）。

以下、図２を参照して、クランクケース１（５）を製造するための本発明による手順を、より詳細に説明する。

図２は、被覆装置１１の一部を概略的に示しており、これ（装置）によって、クランクケース１（５）のシリンダ壁部１３を被覆材料７で被覆することができる。ここで、被覆材料７は、溶射法によって、ここでは例として大気（圧）プラズマ溶射（ＡＰＳ）によって、クランクケース１（５）の未被覆のシリンダ壁部１３に付着（塗布）される。

具体的には、被覆材料７は、ここでは、粉末形態で、被覆装置１１のプラズマ・バーナ１７の供給ライン（管）１５を通してプラズマ・バーナ１７の加熱領域１９に搬送されるか、またはプラズマ・バーナ１７（１１）のプラズマ・ジェット中に吹き込まれる（注入される）。その被覆材料粉末は、そのプラズマの高温によって加熱され、それによって溶融される。そのプラズマ・ジェットまたはプラズマ流は、溶融粉末粒子を運んで行き、それらを、被覆対象のクランクケース１（５）のシリンダ壁部１３上に噴出させまたは吹付ける。

従って、プラズマ・バーナ１７はここでは加熱および吹付け装置を形成し、これ（装置）によって、被覆材料７を溶融させて溶融状態でクランクケース１（５）のシリンダ壁部１３（３）上に吹き付けることができる。大気プラズマ溶射の代替形態として、被覆材料７は、例えばワイヤ・アーク溶射（ＷＡＳ）によって、シリンダ壁部１３に付着させることもできるであろう。

被覆材７をシリンダ壁部１３に付着させた後、被覆材料で形成された表面は、ホーニング装置（図示せず）によって機械加工されまたはホーニング仕上げされる。このようにして、被覆材料７で形成されたクランクケース１（５）の滑り層６のトライボロジ特性が最適化される。

図３は、本発明による内燃機関２１の第２の実施形態の部分断面図を示している。ここでは、内燃機関２１のクランクケース２３ではなく、内燃機関２１のシリンダ・ライナ２７が、内燃機関２１のシリンダ・バレルを形成するクランクケース２３のライナ凹所２５に挿入される。従って、ここでは、被覆材料７からなる滑り層６は、クランクケース２３にではなく、内燃機関２１のシリンダ・ライナ２７に付着される。

１クランクケース
３シリンダ壁部
５シリンダ
６滑り層
７被覆材料
９シリンダ・バレル
１０基材
１１被覆装置
１３未被覆のシリンダ壁部
１５供給ライン
１７プラズマ・バーナ
１９加熱領域
２１内燃機関
２３シリンダ・クランクケース
２５ライナ凹所
２７シリンダ・ライナ

Claims

少なくとも１つのシリンダ（５）を有する内燃機関、特に往復動内燃機関であって、
前記シリンダ（５）のシリンダ壁部（３）が、被覆材料（７）を用いた前記内燃機関（２１）のクランクケース（５）のまたはシリンダ・ライナ（２７）の被覆によってシリンダ・バレルを形成する少なくとも壁部領域に形成され、
特徴として、
前記被覆材料（７）は、合金元素として、クロム、ニッケル、銅およびニオブを含む合金鋼で、特に高合金の合金鋼で、形成されているものである、
内燃機関。
前記合金鋼が、鋼１．４５４２（ＤＩＮＥＮ１００８８−３）または鋼１．４５４８（ＤＩＮＥＮ１００８８−３）で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関を有する車両、特に商用車。
内燃機関用のクランクケースまたはシリンダ・ライナの製造方法であって、
被覆装置（１１）によって前記クランクケース（５）または前記シリンダ・ライナ（２７）のシリンダ壁部（１３）に被覆材料（７）が付着され、
特徴として、
合金元素として、クロム、ニッケル、銅およびニオブを含む合金鋼、特に高合金の合金鋼が、前記被覆材料（７）として前記シリンダ壁部（１３）に付着されることを特徴とする、
方法。
前記合金鋼が、鋼１．４５４２（ＤＩＮＥＮ１００８８−３）または鋼１．４５４８（ＤＩＮＥＮ１００８８−３）で形成されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
前記被覆材料（７）は、溶射法によって付着され、前記被覆装置（１１）は、加熱および吹付け装置（１７）で、特にプラズマ・バーナで、形成され、それによって、前記被覆材料（７）が加熱されて溶融され、前記溶融された被覆材料（７）が前記クランクケース（５）または前記シリンダ・ライナ（２７）の前記シリンダ壁部（１３）上に吹き付けられることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
前記溶射法は大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）で形成され、前記溶射材料（７）は、供給装置（１５）によって粉末の形態で前記加熱および吹付け装置（１７）の加熱領域（１９）に搬送される、特に、プラズマ・バーナの形態の加熱および吹付け装置のプラズマ・ジェット中に吹き込まれるものであることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記溶射法はワイヤ・アーク溶射（ＷＡＳ）で形成され、前記溶射材料（７）は、供給装置によってワイヤの形態で前記加熱および吹付け装置の加熱領域に搬送されるものであることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記被覆材料（７）が付着された後で、前記被覆材料（７）で形成された表面は、ホーニング工具、特にホーン、を有するホーニング装置によって機械加工されるものであることを特徴とする、請求項４乃至８のいずれかに記載の方法。
クランクケース（５）またはシリンダ・ライナ（２７）のシリンダ・バレルの被覆用の被覆材料（７）として、クロム、ニッケル、銅およびニオブを合金化元素として含む合金鋼、特に高合金の合金鋼、の使用であって、
好ましくは、前記合金鋼が、鋼１．４５４２（ＤＩＮＥＮ１００８８−３）または鋼１．４５４８（ＤＩＮＥＮ１００８８−３）で形成されている、
合金鋼の使用。