JP2023121035A

JP2023121035A - エンジン

Info

Publication number: JP2023121035A
Application number: JP2022024236A
Authority: JP
Inventors: 広輝宮代; Hiroki Miyashiro
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-08-30

Abstract

【課題】簡単な構造でクランクシャフトのＮＶの発生を抑制しエンジンの振動音を低減することができるエンジンを提供すること。
【解決手段】エンジン１０は、シリンダブロック１１およびクランクシャフト１２を有し、シリンダブロック１１とクランクシャフト１２との間に位置し、クランクシャフト１２の径方向に作用する力を受けるすべり軸受１３を有し、すべり軸受１３とシリンダブロック１１との間にポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリフェニルサルファイド樹脂から選択される少なくとも１種を含む耐熱性樹脂のコーティング層１４を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダブロックとクランクシャフトとの間に軸受が設けられているエンジンに関する。

この種のエンジンは、その駆動時にクランクシャフトの振動がエンジン全体を振動させ振動音が発生する。このような振動音を吸音するため、吸音層を形成する吸音パネル材と、吸音層上に表面層を形成する表面パネル材と、吸音層と表面層との間に弾性層を形成する弾性体とを備え、自動車のフロア等の遮音を必要とする部位に設置される自動車用遮音パネルが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０２１－１４６８７７号公報

エンジン駆動時のクランクシャフトの振動は、クランクシャフトの軸受を介してシリンダブロックに伝達され、締結強度の比較的に低い補器類の振動が増幅される。これによりエンジンからの振動音が増幅されるのでエンジン全体の振動音を低減することが必要である。特許文献１に記載の自動車用遮音パネルにおいては、自動車のフロア等の遮音を必要とする部位に設置することにより、クランクシャフトの振動および騒音（ＮＶ：Noise Vibration、以下ＮＶという。）をエンジン全体から外部に伝達しないよう遮断することが可能であるが、遮音構造が複雑になり、簡単な構造でクランクシャフトから発生するＮＶを起因とするエンジンの振動音を低減することができないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、簡単な構造でクランクシャフトのＮＶの発生を抑制しエンジンの振動音を低減することができるエンジンを提供することを課題とする。

本発明に係るエンジンは、シリンダブロックおよびクランクシャフトを有するエンジンであって、前記シリンダブロックと前記クランクシャフトとの間に位置し、前記クランクシャフトの径方向に作用する力を受ける軸受を有し、前記軸受と前記シリンダブロックとの間にポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリフェニルサルファイド樹脂から選択される少なくとも１種を含む耐熱性樹脂のコーティング層を有することを特徴とする。

本発明に係るエンジンにおいては、クランクシャフトで発生するＮＶが、耐熱性樹脂のコーティング層を介してシリンダブロックに伝達されるので、エンジンのＮＶの発生が抑制されエンジンの振動音が低減される。

本発明に係るエンジンによれば、簡単な構造でクランクシャフトのＮＶの発生を抑制しエンジンの振動音を低減することができるエンジンを提供することができる。

本発明の実施形態に係るエンジンの図であり、図１（ａ）は、シリンダブロックの一部をエンジンの底面側から見た軸受組付け部分の斜視図を示し、図１（ｂ）は、シリンダブロックにクランクシャフトを組付けた状態のシリンダブロックの底面図を示す。本発明の実施形態に係るすべり軸受をクランクシャフトの径方向に切断したすべり軸受の断面図。本発明の実施形態に係るエンジンにおける面圧とＮＶ低減効果との関係を示すグラフ。本発明の実施形態に係るエンジンにおける加速度レベルとコーティング層の有無との関係を示すグラフ。

本発明に係るエンジンを適用した実施形態に係るエンジン１０の構成について図面を参照して説明する。エンジン１０は、直列４気筒エンジンで構成されているが、気筒数はこれに限られない。また、エンジン１０は、ガソリンエンジンであっても、ディーゼルエンジンであってもよい。

エンジン１０は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、シリンダブロック１１と、クランクシャフト１２と、本発明に係る軸受としてのすべり軸受１３と、コーティング層１４と、スラスト軸受１５と、クランクキャップ１６と、キャップボルト１７と、により構成されている。エンジン１０は、クランクシャフト１２で発生するＮＶをコーティング層１４で低減して、シリンダブロック１１に伝達させるという機能を有する。

シリンダブロック１１は、シリンダとクランクケースが一体化された構造で構成され金属材料で形成されている。シリンダブロック１１の底面側にはクランク軸方向に直交する径方向に凹んだ半円状の凹部１１ａが５か所形成されており、凹部１１ａには、すべり軸受１３が装着される。また、各凹部１１ａを形成するシリンダブロック１１の壁部のクランク軸方向の一方側には、受座１１ｂが形成され、クランク軸方向の他方側には、受座１１ｃが形成されている。

図１（ａ）に示すように、各受座１１ｂ、１１ｃにはスラスト軸受１５がそれぞれ装着され、受座１１ｂ、１１ｃは、スラスト軸受１５が装着された状態で、スラスト軸受１５が、凹部１１ａを形成する壁部の側壁面から僅かに突出するように構成されている。クランク軸方向に直交する方向で凹部１１ａの近傍のシリンダブロック１１の底面には、一対のボルト締結部１１ｄが凹部１１ａを挟んで対向して形成されており、ボルト締結部１１ｄには、キャップボルト１７が締結される。

クランクシャフト１２は、クランク機構によって、図示しないピストンの往復運動を回転運動に変換するシャフトで構成されており、高い強度、剛性、耐摩耗性を有する金属材料で形成されている。クランクシャフト１２は、ピストンと図示しないコネクティングロッドを介して連結されている。クランクシャフト１２は図示しない軸受部を有しており、軸受部が、シリンダブロック１１の凹部１１ａとクランクキャップ１６との間に、すべり軸受１３を介して回転自在にシリンダブロック１１に保持されている。クランクシャフト１２は、クランク軸の径方向、いわゆるラジアル方向に作用する荷重をすべり軸受１３で受け止めるように構成され、クランク軸方向、いわゆるスラスト方向に作用する荷重をスラスト軸受１５で受け止めるように構成されている。

すべり軸受１３は、クランクシャフト１２の径方向の荷重を受けるように構成されており、金属材料で形成されている。すべり軸受１３は、図１（ａ）に示すように、円筒形状のパイプをその軸を含む平面で二分割した半割円筒形状の一対の軸受で構成されている。一方のすべり軸受１３は、シリンダブロック１１の凹部１１ａに装着され、他方のすべり軸受はクランクキャップ１６に装着されている。すべり軸受１３は、図１（ａ）の１点鎖線および図２のハッチングに示すように、径方向の外周端面、即ち背面１３ａに厚さ約１００μｍのコーティング層１４が塗布されている。クランクシャフト１２のＮＶはコーティング層１４を介してシリンダブロック１１に伝達される。

以下、エンジン１０におけるコーティング層１４の最適な塗布箇所について検討した。実施形態に係るエンジン１０では、ＮＶがクランクシャフト１２からすべり軸受１３を介してシリンダブロック１１に伝達されるので、（ａ）クランクシャフト１２とすべり軸受１３との間、（ｂ）すべり軸受１３とシリンダブロック１１との間、にコーティング層１４を形成することが考えられる。

（ａ）クランクシャフト１２とすべり軸受１３との間
（ａ１）すべり軸受１３の内側の表面と接触するクランクシャフト１２の外周表面に塗布する。
（ａ２）クランクシャフト１２の外周表面と接触するすべり軸受１３の内側の表面に塗布する。
（ｂ）すべり軸受１３とシリンダブロック１１との間
（ｂ１）シリンダブロック１１におけるクランク軸の径方向の表面と接触するすべり軸受１３の背面１３ａに塗布する。
（ｂ２）すべり軸受１３の背面１３ａと接触するシリンダブロック１１におけるクランク軸の径方向の表面に塗布する。

（ａ１）および（ａ２）に関しては、すべり軸受１３とクランクシャフト１２とが片当たりで接触する部位になるため、接触部が高面圧（ＭＰａ）になり易い。コーティング層１４は、面圧の上昇に伴い塗布した耐熱性樹脂が潰れ、図３に示すように、ＮＶ低減効果が目減りしていく性質を有している。その結果、可能な限り面圧が低くなる箇所にコーティング層１４を塗布することが好ましい。

したがって、接触部に作用する面圧が比較的に低い（ｂ１）および（ｂ２）にコーティング層１４を塗布することが好ましい。（ｂ１）および（ｂ２）は、同様の効果が得られることが予想されるが、シリンダブロック１１に塗布する場合、狙い箇所以外の部分へのコーティング溶液の付着を避けるため、マスキング等の工程が必要になると考えられる。そのため（ｂ１）のシリンダブロック１１におけるクランク軸の径方向の表面と接触するすべり軸受１３の背面１３ａに塗布する方が、製造コストの低減を図ることができる。したがって、（ｂ１）、即ち実施形態のすべり軸受１３の背面１３ａがコーティング層１４の最適な塗布箇所となる。

コーティング層１４は、１００℃以上、好ましくは、１４０℃以上の熱変形温度を有するものであれば限定されないが、具体的には、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ポリエーテルサルフォン樹脂（ＰＥＳＵ）、ポリフェニルサルファイド樹脂（ＰＰＳ）から選択される少なくとも１種である耐熱性樹脂で形成される。

コーティング層１４に使用される有機溶剤は、バインダーとして使用する耐熱性樹脂の種類に応じて選択される。例えば、耐熱性樹脂としてポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）を用いる場合に、有機溶剤として、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ－エチルピロリドン（ＮＥＰ）、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン（ＤＭＩ）、γ－ブチルラクトン（ＧＢＬ）などが挙げられる。また、耐熱性樹脂としてエポキシ樹脂（ＥＰ）を用いる場合には、有機溶剤として、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、トルエンなどが挙げられる。

一般に、耐摩耗性、耐焼付性、低摩耗特性を付与するために、前述のバインダー中に硬質粒子であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、固体潤滑剤である二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、グラファイトなどを添加するが、コーティング層１４は、このような添加剤とは異なる添加剤を用いる。コーティング層１４の添加剤としては、「振動エネルギーを熱エネルギーに変換」する材料が候補剤として選定される。候補剤として、耐熱性樹脂自体が低弾性率を有する変形材料および耐熱性樹脂自体の内部でエネルギー散逸が起こり易い材料がある。

耐熱性樹脂自体が低弾性率を有する変形材料として、下記の（１）～（３）が挙げられ、耐熱性樹脂自体の内部でエネルギー散逸が起こり易い材料として、下記の（４）、（５）が挙げられる。

（１）は、熱可塑性エラストマーであり、常温では、ゴムの特色を有し、高温では、熱可塑性プラスチックと同等の性能を有している。具体的には、スチレン系、オレフィン系、塩化ビニル系、ウレタン系、エステル系、アミド系などの多数の種類が挙げられる。

（２）は、ウレタン系化合物、ポリエチレン系化合物、エステル重合体などが挙げられる。（３）は、ゴム系材料であるブチルゴム、フッ素ゴムなどが挙げられる。（４）は、マイクロカプセル系材料が挙げられる。（５）は、発泡材料、多孔質体、不織布、層状化合物など、材料内部に空気層を有する材料全般が挙げられる。

スラスト軸受１５は、図１（ａ）に示すように、円環形状の板材をその軸を含む平面で二分割した半割円環形状の一対のスラスト軸受１５で構成されている。一方のスラスト軸受１５は、シリンダブロック１１の受座１１ｂに装着され、他方のスラスト軸受１５は、受座１１ｃに装着される。一対のスラスト軸受１５は、受座１１ｂ、１１ｃにエンジンオイルの粘着を利用して貼り付けられる。

クランクキャップ１６は、クランクシャフト１２の図示しない軸受部をすべり軸受１３を介して回転自在にシリンダブロック１１に保持するように構成されており、シリンダブロック１１の凹部１１ａと同様の凹部が形成されている。この凹部には、すべり軸受１３が装着される。クランクキャップ１６には、シリンダブロック１１の底面に形成されたボルト締結部１１ｄに対向する位置に貫通孔が形成されている。この貫通孔には、キャップボルト１７が挿入されるように構成されている。

キャップボルト１７は、各クランクキャップ１６を所定の締め付けトルク（Ｎ・ｍ）でシリンダブロック１１にねじ結合し、二分割された半割円筒形状の一対のすべり軸受１３をクランクキャップ１６で保持することで、クランクシャフト１２をシリンダブロック１１に回転自在に保持している。

実施形態に係るエンジン１０の効果について説明する。
実施形態に係るエンジン１０は、シリンダブロック１１とクランクシャフト１２との間に位置し、クランクシャフト１２の径方向に作用する力を受ける一対のすべり軸受１３を有し、すべり軸受１３の背面１３ａとシリンダブロック１１との間にポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ポリエーテルサルフォン樹脂（ＰＥＳＵ）、ポリフェニルサルファイド樹脂（ＰＰＳ）から選択される少なくとも１種である耐熱性樹脂で形成されるコーティング層１４を有している。

実施形態に係るエンジン１０は、すべり軸受１３の背面１３ａにコーティング層１４を有しており、コーティング層１４が、耐熱性樹脂で形成されているので、クランクシャフト１２で発生するＮＶがコーティング層１４により低減されてシリンダブロック１１に伝達される。すべり軸受１３とシリンダブロック１１との間の振動伝播量を減少させることができる。その結果、すべり軸受１３の背面１３ａにコーティング層１４を形成するだけの簡単な構造で、クランクシャフト１２のＮＶを起因とするシリンダブロック１１の振動音の発生が抑制され、エンジンの振動音が低減されるという効果が得られる。

また、実施形態に係るエンジン１０は、従来の部品構造をそのまま維持することができるので、エンジン１０の生産工程を変更する必要がないという効果が得られ、エンジン性能の信頼性が低下しないという効果が得られる。コーティング層１４を形成するだけの簡単な構造なので、材料コストを安価にすることができるという効果が得られる。また、実施形態に係るエンジン１０は、最も振動量が多い爆発を起因とするクランクシャフト１２の振動の伝達を抑制することができるので振動音の低減効果が大きい。

実施形態に係るエンジン１０の効果を確認するため、次の振動試験を行った。振動試験は、すべり軸受１３にコーティング層１４が形成されていないエンジンと、コーティング層１４が形成されている実施形態に係るエンジン１０に対して実施した。

まず、エンジン１０のクランクシャフト１２の図１（ｂ）に示す１点鎖線の楕円で囲った部分をハンマーで叩くハンマリングを実施し、クランクシャフト１２に振動を発生させた。発生した振動がシリンダブロック１１の全体に伝達される状態について加速度レベル（ｄＢ）を検出可能な加速度ピックで検出した。

試験結果を図４のグラフに示す。図４のグラフは、横軸がすべり軸受１３のコーティング層１４の有無を棒グラフで表し、縦軸が加速度レベル（ｄＢ）で小から大までの目盛で表されている。すべり軸受１３にコーティング層１４が形成されていないエンジンでは、加速度レベルは７５（ｄＢ）を超えているのに対して、実施形態に係るエンジン１０では、加速度レベルは６７（ｄＢ）程度に抑えられていた。コーティング層１４による実施形態に係るエンジン１０のＮＶの低減の有効性が確認され、エンジンの振動音が低減されたことが確認された。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・エンジン、１１・・・シリンダブロック、１１ａ・・・凹部、１１ｂ、１１ｃ・・・受座、１１ｄ・・・ボルト締結部、１２・・・クランクシャフト、１３・・・すべり軸受（軸受）、１３ａ・・・背面、１４・・・コーティング層、１５・・・スラスト軸受、１６・・・クランクキャップ、１７・・・キャップボルト

Claims

シリンダブロックおよびクランクシャフトを有するエンジンであって、
前記シリンダブロックと前記クランクシャフトとの間に位置し、前記クランクシャフトの径方向に作用する力を受ける軸受を有し、前記軸受と前記シリンダブロックとの間にポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリフェニルサルファイド樹脂から選択される少なくとも１種を含む耐熱性樹脂のコーティング層を有することを特徴とするエンジン。