JP4746874B2 - 軽合金製シリンダライナの組成体 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

この発明は自動車エンジン技術に係り、特にピストン内燃エンジンのシリンダブロックあるいはクランクケース内に鋳込まれるシリンダライナに関する。

今日において内燃エンジンのシリンダブロックあるいはクランクケースは軽量化のために一般的にアルミニウムによって製造される。しかしながら、低価格で良好に鋳造ならびに加工し得るアルミニウム合金は比較的に低い耐熱性と低劣なシリンダボアのピストン摺動面上の耐摩耗性を伴っている。従って、この種の摺動部材はピストンリングを有するピストンには不適格である。

ピストン摺動面の耐摩耗性を高めるために、例えばシリンダライナを過共晶アルミニウム−ケイ素合金から製造することが知られている。

この際に問題となる点は、シリンダブロックあるいはクランクケース内におけるシリンダライナの固定である。このため、これは完成したシリンダブロック内に特に圧入または熱接合によって挿入するか、あるいはシリンダブロックの鋳造に際してアルミニウム合金によって包囲して鋳込まれるが、このシリンダブロックの鋳込みの方が好適な加工方法と見られている。

シリンダライナの鋳込みに際して、これまではこれを個々にクランクケースの鋳型内に挿入しており、例えば錐形状の位置決めスリーブ上に差し付けてその後アルミニウム合金によって包囲して鋳込んでいた。特別な処置を施さないと、この方法によっても技術的な問題が生じ、これは特に最低限保持する必要がある鋳造中のシリンダ間のウェブ幅（ｗｅｂ ｗｉｄｔｈ）に関するものである。従って、一般的に採用されるダイカスト工法に際して、ライナ間の空間に完全に溶融材が充填されることが保証され溶融材の冷却後に縦ずれおよび回転ずれを起こさないようにシリンダブロック内にライナが固定されるよう、ライナ間の距離を少なくとも数ｍｍ（一般的に２−３ｍｍ）に保持することが必要となる。このことは、あまり頻繁には採用されない注型成形や砂型成形等の遅速に充填される鋳造方法によるライナの鋳込みに際してさらに顕著なものとなり、これにおいてはライナの鋳込みに際してより大きなライナ間の距離を保持する必要がある。

内燃エンジンの製造に際して、シリンダ内径の中間距離はエンジンの設計の中心的な大きさであり、その変更によって大きな構造変更がもたらされる可能性がある。この種の問題を回避するために、実用上においてシリンダ内径の中間距離は実質的に一定の大きさとみなされる。同じ要件がシリンダブロックの構造長に該当するとともに、それに従ってその内部に鋳込まれピストン行程の最大許容長を規定するシリンダライナの最大長に該当する。従って、鋳造技術上不可欠なライナ間の最低距離によってシリンダ空間の直径を制限され、これによって所与のエンジン設計において達成される排気量が限定されることが問題となる。

さらに、シリンダブロック内に鋳込まれるライナ間の距離が小さ過ぎる場合、ライナ間のウェブ領域の強度が低下することが判明している。このことは特にシリンダクランクケースのねじれ強度に対して有効であり、シリンダクランクケースは内燃エンジンの稼働に際して高いねじれ負荷に耐える必要があることが知られている。特に内燃エンジンが高い回転数で稼働している場合、ライナ間のウェブ領域に裂け目または割れが生じる危険性があり、これは最悪の場合ライナの緩みならびにそれによって生じるエンジンの停止につながることがある。

別の点として、近代的な内燃エンジンにおいて、常に高くなる燃焼室内の温度と圧力のためシリンダヘッドとシリンダブロックとの間に存在するシリンダヘッドガスケットに強力な負荷がかかることを挙げる必要がある。従って、気密性が欠落することを防止するために、充分に大きな圧力をもってシリンダヘッドをシリンダブロックに圧接する（“余荷重”）必要があるが、ここで高い圧力のためにシリンダヘッドまたはシリンダブロックに不要な変形が生じる危険性があることに配慮しなければならない。特に、シリンダヘッドの高い圧力によってシリンダヘッドガスケットの下側における可塑性の材料変形が増進される（“圧力変形”）。この現象は特にこの場合問題であるシリンダヘッドガスケットのビードの下側のウェブ領域に発生し、これによって特にシリンダ内径の中間距離が小さい場合気密性の欠如が発生する危険性がある。

さらに、従来の方法によれば、シリンダブロック内へライナを鋳込むために、スリーブ上に差し立てたライナが充分に固定できず鋳込みプロセス中に動いてしまいその結果実用においてしばしば欠陥の原因となってしまう問題が生じる。

ドイツ特許第６９６１１７５１Ｔ２号公報には、弾力性のシリコン接着剤が充填されたライナからなるライナ構造をシリンダブロック内に鋳込むシリンダブロックの製造方法が示されている。このライナ構造内において、ライナが指向している方向においてライナが相互に移動可能となっている。

ドイツ特許第６９３０４７１８Ｔ２号公報ならびにドイツ特許第６９２１８３９５Ｔ２号公報には、モノリシックに鋳込まれたシリンダライナ構造が示されている。

従って、本発明の目的は、冒頭に記述した従来のシリンダブロック内にシリンダライナを鋳込む方法の問題を克服することである。

このため、本発明によれば、シリンダライナの軸間距離がシリンダブロックのシリンダ内径中間距離に相当する列状に配置された複数のシリンダライナが互いに圧力嵌めあるいはインタロック式に結合される、内燃エンジンのシリンダブロック内に鋳込むための内包された硬質相を有する軽金属製の予加工された個々のシリンダライナの組成体が提供される。

シリンダライナが既に結合されており従って鋳込む際にシリンダライナ間の空間に溶融材を流し込む必要がないため、ライナとして鋳込むシリンダライナ間の距離を従来の個々のライナの鋳込みと比べて小さく選択することができる。シリンダライナは、間隔をもってすなわち間隔保持具を用いて、間隔をおかずにすなわちその外周面が接触して、あるいは低減された間隔をもってすなわちシリンダライナ壁厚を削減して結合し、シリンダブロック内に鋳込むことができる。このことによって、所与のシリンダ内径中間距離においてライナの内径を従来のものに比べて拡大しそれによってより大きなシリンダ排気量を達成することができる。従って、同等なストローク長および同等なシリンダ内径中間距離においてより大きな排気量を達成しそれによって効果的に内燃機関の出力を高めることができる。

本発明に係るシリンダライナ組成体において、ライナ間距離が極めて小さいかあるいは消滅しても、従来の鋳造技術上の制限にかかわらず鋳込みに際して既にライナが確実に結合されているため、回転および縦ずれを防止できるシリンダライナの固定は常に保証されている。内燃エンジンの稼動中における個々のライナの結合組成体からの解放については、特にライナ間のウェブ距離が極めて小さくまた内燃エンジンの回転数が高い際に個々のライナの緩みの危険性が生じる従来の技術の技術と異なって、（常に可能な）シリンダライナの充分に強固な固定においてはこれを危惧する必要がない。加えて、強固なシリンダライナ組成体のためシリンダブロックのねじれ剛性が大幅に改善される。

さらに、シリンダライナ組成体の鋳込みに際して、従来の技術は各ライナを個別に位置決めして固定する必要があるが、これと異なってシリンダライナ組成体を全体として位置決めおよび固定すれば充分である点も好適である。鋳込みに際しての組成体内における個々のシリンダライナの動きがあり得ないため、鋳込むライナ間の相対位置は常に同じである。依然として必要な組成体の位置決めおよび固定は、従来の技術による個々のライナの場合に比べて原則的により簡便、安全、かつ特に迅速に達成可能である。このことは、シリンダブロックの製造において不良品率を低下することに寄与し、また時間的な優位性から製造工程を加速することを可能にする。

シリンダライナは従来の溶接方法を用いた結合部の着合によって好適に結合することができる。これに関して、例えばレーザビーム溶接、電子ビーム溶接あるいは摩擦溶接を使用することができる。一方、シリンダライナをインタロック式のみによって、あるいはインタロック式を併用して結合することもできる。例えば、シリンダライナを断面軸に沿った一種のあり継ぎによって結合することができ、これによってシリンダライナを断面軸に対して垂直な方向において固定することができる。

本発明に係るシリンダライナ組成体の好適な構成において、シリンダライナはその外側周囲面に着合に適した当接面を有している。この当接面は例えば組成体の結合に際して相互に着合される平坦面とすることができる。平坦面とすると、シリンダライナをさらに“短い”距離をもって鋳込むことができ、これによって所与のシリンダ内径中心距離および所与のストローク長においてかつ最小限必要なシリンダライナの壁厚に留意しながらシリンダライナの断面積ならびにライナの行程容積をさらに拡大することができるという特別な利点が得られる。

前述したように、シリンダライナは隣接するシリンダライナ間の間隔をおかずにあるいは低減した間隔をもって結合することができ、従って中空シリンダ軸の距離が鋳込まれるライナの所与のシリンダ内径中間距離に常に一致することが保証される。

近代的な内燃エンジンにおいてシリンダヘッドガスケットは燃焼室内の高い温度および圧力のため常に大きな負荷にさらされており、これは極めて高い圧力をもってシリンダヘッドをシリンダブロック上に圧接する必要があるためである。これに伴った不要な作用（例えば圧力変形）を防止するために、冷却によって材料の液化点に到達させずこれによって可塑性の変形を防止すれば好適である。

このため、本発明に係る組成体は隣接するシリンダライナ間の結合領域に少なくとも１つの冷却液伝送用の片側あるいは両側が開口したチャネルを備えることが好適である。片側あるいは両側が開口したチャネルを通じて冷却液を還流させ結合領域を冷却することにより、シリンダヘッドの高い予加圧による材料の圧力変形が防止されることが好適である。

この種のチャネルは、隣接するシリンダライナの少なくとも一方の外周面内の結合領域に窪みを設けて形成することができる。従って、チャネルは隣接するシリンダライナの一方の外周面内の窪みによって形成するか、あるいは両方の外周面内に窪みを形成してこれらの窪みを合わせてチャネルを完成することができる。

これに代えて、チャネルは結合部に設け固定されたチャネル中空形材によって形成することができる。このチャネル中空形材はまず結合するシリンダライナ間に配置され、その後これが結合される。シリンダライナを結合するために、隣接するシリンダライナをいずれもその間に配置されているチャネル中空形材上で例えば結合継ぎ目によって固定することができる。加えて、列状のシリンダライナ配列に沿ったチャネル中空形材の長さにわたって、シリンダライナの距離を所与のシリンダ内径中央距離に関して調節することができる。他方、冷却液を搬送するためのチャネルはシリンダライナ間に設けられた所定の距離を保持するための間隔保持形材によって形成することができる。チャネル中空形材においてチャネルはこのチャネル中空形材によってのみ形成されるが、間隔保持形材においては隣接するシリンダライナの外周面の一部も利用される点において異なっている。

冷却液搬送用のチャネルは実質的にライナとして鋳込まれたシリンダライナの燃料を燃焼するために設けられた空間の高さのみに位置することが好適であり、これによって最も過酷に稼働する領域の高い温度を冷却するよう作用する。特に、この種のチャネルはライナとして鋳込まれたシリンダライナのシリンダヘッドガスケットに隣接する端部の高さ上にのみ位置することが好適であり、従って特にシリンダヘッドガスケットに隣接した領域が冷却され、シリンダヘッドガスケットの直下に位置している材料の圧力変形を抑制することができる。

本発明によれば、硬質相が埋め込まれた軽金属合金製のシリンダライナは必要に応じて過共晶性のアルミニウム−珪素合金によって形成することができる。この合金内において埋め込まれた硬質相は珪素によって構成されている。アルミニウム配列に適合するその他の材料は、例えばＳｉＣ，ＴｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３とすることができる。

アルミニウム−珪素合金内の珪素含有率は合金の総重量に対して１２ないし４０重量％、特に１７ないし３０重量％、さらに好適には２５重量％である。

ライナとして鋳込むための硬質相が埋め込まれた軽金属合金、例えば過共晶性のアルミニウム−珪素合金製のシリンダライナは、溶射皮膜方法によって好適に製造することができ、この方法はそれ自体既知でありここで詳細に説明する必要は無い。

冷却チャネルを形成するチャネル中空形材を製造するための材料は、例えばアルミニウム合金等の成形し易い軽金属合金とすることが好適であり、これにおいては硬質相を示す成分の過共晶性の含有は不要である。

本発明に係るシリンダライナ組成体内において、シリンダライナは３ないし８ｍｍ、特に４ｍｍの壁厚を有することが好適である。

組成体は２，３，４，５，６または８個のシリンダライナを含むことが好適である。例えば、４個の結合されたシリンダライナからなる組成体を４気筒直列エンジンのシリンダブロック内にライナとして鋳込むか、あるいはこれを２つＶ８エンジン（４気筒×２列）のシリンダブロック内にライナとして鋳込むことができる。同様に、Ｖ６エンジンにおいては、それぞれ３個の結合されたシリンダライナからなる２つの組成体をライナとして設けることができる。

シリンダライナ組成体はシリンダブロック内あるいはクランクケース内に鋳込む際に正確かつ簡便に位置決めするためにそのために組成体上に設けられた位置決めあるいは確認マークを備えることができる。

本発明の対象は、さらに前述した本発明に係るシリンダライナ組成体の製造方法であり、これにおいては、溶射皮膜、熱押出し成形、ならびに熱変形からなる連続するステップによって硬質相が埋め込まれた軽金属から製造されたシリンダライナを圧力嵌めおよび／またはインタロック式に結合する。特に、溶射皮膜によって形成されたボルトを３００ないし５５０℃の領域の温度によって熱押出し成形し、その後３００ないし４５０℃の温度で混練する。

さらに、本発明は前述した本発明に係るシリンダライナ組成体を鋳込む方法に係り、これにおいて組成体はシリンダブロックを形成している鋳型内に配置され、軽金属材料によって被覆して鋳込まれる。この際ダイカスト方式を使用することが好適である。鋳型内におけるシリンダライナ組成体の位置決めはこのシリンダライナ組成体上に設けられた位置決めマークによって行うことが好適である。シリンダライナ組成体がチャネルを備えている場合、このチャネルは溶融材を浸透させない塩または砂製の核によって形成することが好適である。

次に、本発明の実施例につき、添付図面を参照しながら説明する。

図中において、同一の構成部品は同一の参照符合によって示されている。

まず図１を参照すると、内燃エンジンのシリンダブロックあるいはクランクケース内に鋳込むための本発明に係るシリンダライナ結合体１が示されている。図１に示されているように、３つのシリンダ形状のシリンダライナ２，３，４が互いに離間距離をおかずにその外周面で直接接して一列に鋳込まれており、ここでシリンダライナの軸間には所与のシリンダブロックのシリンダ内径中間距離に相当する距離が保持されている。

このシリンダライナは溶射皮膜によって加工され、合金の総重量に対して２５重量％の珪素含有率を有するアルミニウム−珪素合金から形成される。シリンダライナの壁厚は約４ｍｍとなる。シリンダライナは溶接によって結合されている。

この３つのシリンダライナからなる組成体は、２つ組み合わせることによって例えばＶ６エンジン（２列×３気筒）のライナとして鋳込むことに適している。

図２には、組成体に加工される多様なシリンダライナの断面軸に垂直な平面に沿った断面図が示されている。最上の部分図ａ）には、外周面上に平坦面５の形状に形成された当接面を備えたシリンダライナ２，３，４が示されている。平坦面５は、シリンダライナを結合する際に互いに着合するように形成されている。中央の部分図ｂ）には、外周面内に窪み７が形成されたシリンダライナ２，３，４が示されている。窪み７は、シリンダライナの結合に際して共有の中空部すなわち冷却液を伝送するためのチャネルが形成されるように配置されている。部分図ｃ）には、窪み７に隣接した外周面内に平坦面６の形式の当接面を備えたシリンダライナ２，３，４が示されており、この当接面はシリンダライナの結合に際して着合するものである。

図３には、図２のシリンダライナの結合後の断面軸に垂直な断面が示されている。部分図ａ）には平坦面５上で結合されたシリンダライナ２，３，４が示されている。図３に示されているように、隣接しているシリンダライナはいずれも結合継ぎ目９によって結合されている。図ｂ）には、窪み７を備えたシリンダライナ２，３，４が結合された状態で示されている。隣接するシリンダライナの窪みはいずれも冷却液を伝送するための共有のチャネル８を形成している。隣接しているシリンダライナは結合継ぎ目９によって結合されている。図ｃ）には当接面６上で結合されたシリンダライナ２，３，４が示されている。隣接するシリンダライナの窪みはいずれも冷却液を伝送するための共有のチャネル８を形成している。隣接しているシリンダライナは結合継ぎ目９によって結合されている。

当接面６によって、一方で隣接するシリンダライナ間の着合面が部分図ｂ）に示された構成に比べて拡大し、他方でこれによって窪みの深さが一定である際にも異なったチャネル８の容量を実現し異なった冷却効果を達成するように冷却液を伝送することができる。さらに、当接面６の着合によってシリンダライナの距離をより小さいシリンダ内径中間距離に適合させることができる。

図４には、２つのシリンダライナ間にチャネル中空形材１０（部分図ａ））または間隔保持形材１１（部分図ｂ））が設けられたシリンダライナ２，３，４が示されている。図４に示された構成においてシリンダライナはいずれも平坦面５の形式の当接面を備えており、これはいずれもチャネル中空形材１０あるいは間隔保持形材１１に対して両面から着合する。チャネル中空形材１０あるいは間隔保持形材１１はいずれも結合継ぎ目９を介して隣接するシリンダライナと結合される。各チャネル中空形材１０は冷却液を伝送するためのチャネル８を形成する。同様に各間隔保持形材１１も隣接するシリンダライナの外周面部分と共に冷却液を伝送するためのチャネル８を形成する。適宜なチャネル中空形材１０あるいは間隔保持形材１１の構成によってシリンダライナ軸の距離を所与のシリンダ内径中間距離に従って調節することができる。同様に、チャネルの容量を調節して異なった冷却効果を達成するように冷却液を伝送することができる。

本発明は前述した実施例の構成に限定されるものでないことは勿論である。特に、前述した構成を適宜に組み合わせることが可能である。

本発明に係るシリンダライナ組成体を示す透視図である。 結合前のシリンダライナの断面軸に垂直に切断した断面図であり、冷却チャネルを備えないもの（図ａ）、２種類の異なった構成からなる冷却チャネルを備えたもの（図ｂ、ｃ）が示されている。 図２のシリンダライナの結合後の断面軸に沿って切断した断面図であり、シリンダライナは結合継ぎ目を介して結合されている。 シリンダライナの結合後の断面軸に沿って切断した断面図であり、２つのシリンダライナ間にチャネル形材（図ａ）またはチャネルを形成する間隔保持形材（図ｂ）が設けられている。

Claims (18)

1. 内燃エンジンのシリンダブロックあるいはクランクケース内に鋳込むための内包された硬質相を有する軽金属製の予加工された個々のシリンダライナの組成体であり、シリンダライナの軸間距離がシリンダブロックあるいはクランクケースのシリンダ内径中間距離に相当する列状に配置された複数のシリンダライナ（２，３，４）が互いに結合され、
   隣接する前記シリンダライナ間の結合領域に少なくとも１つの冷却液伝送用の片側あるいは両側が開口したチャネル（８）を備え、
   前記チャネル（８）は間隔保持形材（１１）と、隣接する前記シリンダライナの外周面の一部とによって形成されることを特徴とする組成体。
2. 前記シリンダライナは互いに結合継ぎ目（９）によって前記間隔保持形材（１１）を介して結合されることを特徴とする請求項１記載の組成体。
3. 前記結合継ぎ目（９）はレーザビーム溶接、電子ビーム溶接あるいは摩擦溶接によって形成されることを特徴とする請求項２記載の組成体。
4. 前記シリンダライナはその外側周囲面に着合に適した、平坦面（５，６）の形式の当接面を有し、前記シリンダライナの当接面は前記間隔保持形材（１１）に当接することを特徴とする請求項１記載の組成体。
5. 前記チャネル（８）は実質的に鋳込まれた前記シリンダライナの燃料を燃焼するために設けられた空間の高さのみに位置することを特徴とする請求項１記載の組成体。
6. 前記シリンダライナはアルミニウム−珪素合金によって形成されることを特徴とする請求項１記載の組成体。
7. 前記アルミニウム−珪素合金内の珪素含有率は合金の総重量に対して１２ないし４０重量％であることを特徴とする請求項６記載の組成体。
8. 前記アルミニウム−珪素合金内の珪素含有率は合金の総重量に対して１７ないし３０重量％であることを特徴とする請求項６記載の組成体。
9. 前記アルミニウム−珪素合金内の珪素含有率は合金の総重量に対して２５重量％であることを特徴とする請求項６記載の組成体。
10. 前記シリンダライナは溶射皮膜方法によって製造することを特徴とする請求項１記載の組成体。
11. 前記シリンダライナは３ないし８ｍｍの壁厚を有することを特徴とする請求項１記載の組成体。
12. 前記シリンダライナは４ｍｍの壁厚を有することを特徴とする請求項１記載の組成体。
13. ２，３，４，５，６または８個のシリンダライナからなることを特徴とする請求項１記載の組成体。
14. 請求項１記載の鋳込まれた前記シリンダライナの組成体を内包するシリンダブロックあるいはクランクケース。
15. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の前記シリンダライナの組成体を製造する方法であって、溶射皮膜、熱押出し成形、ならびに熱変形からなる連続するステップによって製造された前記シリンダライナを互いに圧力嵌めおよび／またはインタロック式に結合することからなる方法。
16. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の前記シリンダライナの組成体を内燃エンジンのシリンダブロックあるいはクランクケース内に鋳込む方法であって、前記組成体はシリンダブロックあるいはクランクケースを形成している鋳型内に配置され、軽金属材料によって被覆して鋳込まれることからなる方法。
17. 前記組成体の前記鋳型内における位置決めは前記組成体上に設けられた位置決めマークによって行うことからなる請求項１６記載の方法。
18. 冷却液を伝送するための少なくとも１つのチャネルが溶融材を浸透させない塩または砂製の核によって形成されることからなる請求項１５記載の方法。

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