JP6214829B1 - 内燃エンジン用の湿式シリンダライナ、湿式シリンダライナの製造方法及び内燃エンジン - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃エンジンの構成要素に関し、特にキャビテーションによる壊食作用に抗する際のシリンダライナ（１０）の耐久性が向上するように、シリコーン接着剤を含んだ第一層（１）が付着され、その上に酸化シリコンナノ粒子を含んだエラストマーからなる第二層（２）が付着された周囲の外表面（１２）を持つ湿式のシリンダライナ（１０）に関するものである。

Description

本発明は、内燃エンジンの構成要素に関し、特にキャビテーションによる壊食作用に抗する際のシリンダライナの耐久性が向上するように、シリコーン接着剤を含んだ第一層が付着され、その上に酸化シリコンナノ粒子を含んだエラストマーからなる第二層が付着された周囲の外表面を持つ湿式のシリンダライナに関するものである。

重量車両又は大型車両のためのディーゼル内燃エンジン用のシリンダライナは、一般に冷却水又は冷却液により取り囲まれて、発生した熱を放散させるように作用する外表面を持つ。これらの湿式シリンダライナは、湿式のスリーブ又はシリンダライナとしてよく知られているものであるが、キャビテーションによる壊食として知られる故障メカニズムの影響を受けやすい。

キャビテーションとは、急激な圧力低下を端緒とする、液体中における気泡の形成である。シリンダの運動が湿式シリンダライナの外部に高速振動をもたらす結果、冷却液は、それが加速された際に、最低圧力点を下回るまで圧力低下を生じて、液体の沸騰が生じる。このようにして局所的に冷却液の沸騰が生じる結果、気泡が形成される。圧力が局所的に再度上昇したとき、液体中に形成された気泡が破壊される。気泡の破壊領域がライナの外表面近傍であれば、気泡が当該外表面に壊食を引き起こし得る。これが材料の損耗を、ひいては湿式シリンダライナの破損さえも促進する。

上記のような条件のもと、キャビテーション現象は湿式シリンダライナの外表面近傍における任意の箇所で起こり得るが、２つの反復型キャビテーションが観測されている。第一型のキャビテーションは、二次的な運動によりピストンの衝撃がもたらされる、湿式シリンダライナの最大力の領域（スラスト側又は反スラスト側）で生じる。第二型のキャビテーションは、冷却液が高速で流れる、シリンダライナとエンジンブロックとの間の嵌め合い面で生じる。これらの高速流は、局所的に液体の圧力を低下させ、かつシリンダライナのわずかな運動により影響を受ける。

従来、キャビテーション現象とそれから生じる壊食とを予防し又は低減する試みがなされてきた。例えば、特許文献１には、摩耗及びキャビテーションへの耐性が強化された湿式のシリンダライナが記載されている。その外表面にて、当該シリンダライナは、熱伝導性ポリマーからなるポリマー被膜層を備える。当該ポリマーには熱伝導剤が添加されており、ポリマーマトリックスと当該マトリックスに分散された熱伝導剤とを含んだ異質被膜となっている。

特許文献２には、外表面にて、溶射され、加硫され、又は当該外表面上に固着され得る、天然ゴム又は合成ゴムの被膜を備えた湿式のシリンダライナが記載されている。

他の技術とともに、両文献は、キャビテーションによる壊食や、湿式シリンダライナの破損の可能性に対する、効果的な解決策を提供していない。

したがって、シリンダライナのより少ない質量損耗を維持し、かつシリンダライナの破損の可能性を未然に防ぐように、キャビテーションによる壊食にさらされた際の優れた耐久性を保証し得る、湿式シリンダライナのための解決策を見出すことが必要である。

韓国公開特許第２００７−００６０３２６号公報 英国特許第７６９５４号明細書

本発明の目的は、キャビテーションに対する耐性を持つ外表面を備えた湿式シリンダライナを提供することにある。

本発明の他の目的は、キャビテーションにより引き起こされる壊食作用に対するライナの外表面の耐性を向上させるように、例えばシリコーン接着剤からなる第一層と、酸化シリコンナノ粒子を含んだシラン・エラストマーからなる第二層とを備えた湿式シリンダライナを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、キャビテーションに対する耐性を向上させるように、湿式シリンダライナに被膜層を付着させる方法を提供することにある。

本発明の１つの主題は、第一層と第二層とが順次付着された周囲の外表面を持つ鉄合金製のシリンダ本体を有し、第二層は冷却液と外表面に付着された第一層との間のインターフェイスとして作用する、内燃エンジン用の湿式のシリンダライナであって、第一層は少なくとも１つのシリコーン接着剤又は少なくとも１つの二液性エポキシ接着剤からなり、第二層は酸化シリコンナノ粒子と接着促進剤とを含んだシラン・エラストマー組成物を有し、第二層はキャビテーションによる壊食にさらされ、第一層は高温時の耐久インターフェイスとして作用するようなシリンダライナである。

本発明の他の主題は、内燃エンジン用の湿式のシリンダライナの製造方法であって、
遠心鋳造及び研磨をするステップｉ）と、
第一層が付着される面をブラストするステップｉｉ）と、
外表面にシリコーン接着剤からなる第一層を溶射又は印刷した後にシリンダライナを周囲温度にて少なくとも３０分間保持するステップ、又は、二液性エポキシ接着剤からなる第一層を溶射した後にシリンダライナを周囲温度にて少なくとも２４時間保持するステップｉｉｉ）と、
第一層の上に、酸化シリコンナノ粒子と接着促進剤とを含んだシラン・エラストマー組成物を有する第二層を溶射又は印刷した後に、シリンダライナを周囲温度にて少なくとも２４時間保持し、又は、温度１１５℃にて少なくとも３０分間保持するステップｉｖ）とを備えた製造方法である。

本発明の更に他の主題は、上記した湿式のシリンダライナを少なくとも１つ備えた内燃エンジンである。

次に一覧表示された図面を基礎とした以下の詳細な説明を通じて、内燃エンジン用の湿式シリンダライナがより良く理解され得るであろう。

シリンダライナの斜視図である。 本発明に係るシリンダライナに付着される層構造の横断面図である。 間接キャビテーション検査におけるシリンダライナの質量損耗に対する耐性を示す図である。

本発明は、内燃エンジン用の湿式シリンダライナ１０に関する。特に、本発明は、２層からなる被膜が付着された周囲の外表面１２を持つシリンダライナ１０に関する。この被膜は、ライナ１０の外表面１２に直接付着させられた、シリコーン接着剤を含んだ第一層１と、当該第一層１の上に付着させられた、酸化シリコンナノ粒子を含んだシラン・エラストマーからなる第二層２とを備える。その結果、ライナ１０は、外表面１２の壊食を低減する、キャビテーションに対する高い耐性を持ち、ライナ１０の質量損耗が少なくなり、したがって高い耐久性が得られる。

本発明を正確に理解するため、キャビテーションによる壊食として知られる故障メカニズムの作用を説明する必要がある。まず、キャビテーション現象は、水又は液体の中でのみ、負荷による圧力変化により引き起こされることによって生じる。湿式シリンダライナ１０は、その外表面１２が冷却液に取り囲まれているので、キャビテーションの作用にさらされる。

内燃エンジンが作動しているとき、シリンダの内部に圧力変化が生じる。これは、冷却液が低圧領域と高圧領域とを通過することを意味する。冷却液の低い圧力が最低圧力点を下回ったとき、液体の沸騰が生じて、気泡が形成される。これが高圧領域を通過するとき、ライナの外表面１２のまわりで気泡が急激に破壊される。このような気泡の形成と破壊が頻繁に生じる結果、ライナ１０の壊食が発生し、ライナの質量損耗、ひいてはその耐久性低減が引き起こされる。気泡の破壊は、ライナの外表面に孔をあけることもあり、ライナ１０の破損につながる。

図１に示すように、湿式シリンダライナ１０は、一般に鋳鉄のような鉄合金製の、管状又は中空のシリンダ本体１１を有する。このシリンダ本体１１は、特に２つの面を、すなわちピストンの軸方向の運動が行われる内表面１３と、周囲の外表面１２とを有する。外表面１２は、冷却水又は冷却液によって取り囲まれ、かつ本発明をなす被膜の付着を受けるものである。

図２から分かるように、本発明に係る被膜は、２層、すなわちライナ１０の外表面１２に直接付着させられた、シリコンを含んだポリマーからなる第一層１と、当該第一層１の上に付着させられた、酸化シリコンナノ粒子と接着促進剤とを含んだシラン・エラストマーからなる第二層２とを有する。

第一層１の組成は、好ましくはシリコーン接着剤であるが、これに代えて、高温耐性を向上させるように銅粒子を添加した二液性エポキシ接着剤も採用し得る。第一層１に用いられるシリコーン接着剤は、圧力ガンを用いた溶射法又は印刷法により付着させられる。この場合、第一層１が外表面１２に密着するように、この層が周囲温度にて少なくとも３０分間保持される。代替案では、二液性エポキシ接着剤がライナの外表面に溶射された後、周囲温度にて少なくとも２４時間保持される。

特に、第二層２は、ポリジメチルシロキサンからなるシラン・エラストマー組成物により強化された層であり、８〜２２体積％、好ましくは１６〜２２体積％の酸化シリコンナノ粒子と、ビニルシラン型及びエポキシシラン型又はアミノシラン型の、８〜９体積％の接着促進剤とを有する。

酸化シリコンナノ粒子は、１０〜８００ｎｍ、好ましくは３００〜６００ｎｍのサイズを持つ。第一層１の上に第二層２が溶射された後、ライナ１０は、周囲温度にて少なくとも２４時間保持され、あるいは、温度１１５℃まで加熱する加速法によれば、少なくとも３０分間保持される。

第一層及び第二層１，２は、５０〜５００μｍ、好ましくは５０〜３００μｍの合計の厚みを有する。一方、第一層１は、５〜５０μｍの厚みを持つ。

内燃エンジン用の湿式シリンダライナ１０の製造方法は、
遠心鋳造及び研磨をするステップｉ）と、
第一層１が付着される面をブラストするステップｉｉ）と、
外表面１２にシリコーン接着剤からなる第一層１を溶射又は印刷した後にライナ１０を周囲温度にて少なくとも３０分間保持するステップ、又は、二液性エポキシ接着剤からなる第一層１を溶射した後にライナ１０を周囲温度にて少なくとも２４時間保持するステップｉｉｉ）と、
第一層１の上に、酸化シリコンナノ粒子と接着促進剤とを含んだシラン・エラストマー組成物を有する第二層２を溶射又は印刷した後に、ライナ１０を周囲温度にて少なくとも２４時間保持し、又は、温度１１５℃にて少なくとも３０分間保持するステップｉｖ）とを備える。

第一層及び第二層１．２を付着する方法は、ライナ１０の外表面１２の総面積のうち全て、すなわち１００％にて、又は、ライナ１０の外表面１２の総面積のうちの一部、５０％にて実行され得る。

本発明の主題は、テストベンチにて実行された検査結果を示す図３から分かるように、従来技術に比べて明らかに有利である。

図３の分析結果では、湿式シリンダライナの質量損耗率がｍｇ／ｈ（ミリグラム毎時）で表示されている。ここで、従来技術に係るライナ１０はパーライト鋳鉄からなる。

湿式シリンダライナの質量損耗を評価するための検査は、テストベンチ上のキャビテーション検査を含んだＡＳＴＭ−Ｇ３２規格に従って実行された。

従来技術に係るライナ１０は、４．９ｍｇ／ｈの質量損耗率を示す。本発明に係るライナは０．５ｍｇ／ｈの質量損耗率を示すことも、観測された。

本発明に係るシリンダライナ１０は、従来技術に係るライナ１０に比べて８５〜９０％も質量損耗が少ないという有利性が注目されよう。このように、本発明に係るシリンダライナ１０は、従来技術による解決策と比べて、質量損耗率の大幅な低減を達成する。

このような質量損耗率の低減は、本発明が提案する２層のシラン・エラストマー被膜がシリンダライナ１０の耐性向上を保証し、キャビテーションによる壊食作用によって引き起こされる継続的な損傷又は破損から湿式シリンダライナを保護することを、証明するものである。

ここまで好ましい実施形態のいくつかの例を説明してきたが、本発明の範囲はその他の変形例を含むものと、また本発明は添付の請求項の内容とその均等範囲によってのみ限定されるものと理解されるべきである。

Claims (13)

1. 第一層（１）と第二層（２）とが順次付着された周囲の外表面（１２）を持つ鉄合金製のシリンダ本体（１１）を有し、前記第二層（２）は、冷却液と前記外表面（１２）に付着された前記第一層（１）との間のインターフェイスとして作用する、内燃エンジン用の湿式のシリンダライナ（１０）であって、
   前記第一層（１）は、少なくとも１つのシリコーン接着剤又は少なくとも１つの二液性エポキシ接着剤からなり、
   前記第二層（２）は、酸化シリコンナノ粒子と接着促進剤とを含んだシラン・エラストマー組成物を有し、
   前記第二層（２）はキャビテーションによる壊食にさらされ、前記第一層（１）は高温時の耐久インターフェイスとして作用することを特徴とするシリンダライナ。
2. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
   前記第二層（２）は、ポリジメチルシロキサン型のシラン・エラストマー組成物を有することを特徴とするシリンダライナ。
3. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
   前記第二層（２）は、ビニルシラン型及びエポキシシラン型又はアミノシラン型の接着促進剤を有することを特徴とするシリンダライナ。
4. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
   前記第二層（２）は、８〜２２体積％、好ましくは１６〜２２体積％の酸化シリコンナノ粒子を有することを特徴とするシリンダライナ。
5. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
   前記第二層（２）は、８〜９体積％の接着促進剤を有することを特徴とするシリンダライナ。
6. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
   前記第二層（２）は、１０〜８００ｎｍ、好ましくは３００〜６００ｎｍのサイズを持つ酸化シリコンナノ粒子を有することを特徴とするシリンダライナ。
7. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
   前記第一層及び第二層（１，２）は、５０〜５００μｍ、好ましくは１５０〜３００μｍの合計の厚みを有することを特徴とするシリンダライナ。
8. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
   前記第一層（１）は、５〜５０μｍの厚みを持つことを特徴とするシリンダライナ。
9. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
   前記第一層（１）は、溶射法又は印刷法により付着させられていることを特徴とするシリンダライナ。
10. 請求項１記載のシリンダライナにおいて、
    前記第二層（２）は、溶射法又は印刷法により付着させられていることを特徴とするシリンダライナ。
11. 遠心鋳造及び研磨をするステップｉ）と、第一層（１）が付着される面をブラストするステップｉｉ）とを備えた、内燃エンジン用の湿式のシリンダライナ（１０）の製造方法（２０）であって、
    外表面（１２）にシリコーン接着剤からなる第一層（１）を溶射又は印刷した後に前記シリンダライナ（１０）を周囲温度にて少なくとも３０分間保持するステップ、又は、二液性エポキシ接着剤からなる第一層（１）を溶射した後に前記シリンダライナ（１０）を周囲温度にて少なくとも２４時間保持するステップｉｉｉ）と、
    前記第一層（１）の上に、酸化シリコンナノ粒子と接着促進剤とを含んだシラン・エラストマー組成物を有する第二層（２）を溶射又は印刷した後に、前記シリンダライナ（１０）を周囲温度にて少なくとも２４時間保持し、又は、温度１１５℃にて少なくとも３０分間保持するステップｉｖ）とを更に備えたことを特徴とする製造方法。
12. 請求項１１記載の製造方法において、
    前記第一層及び第二層（１，２）の付着は、前記シリンダライナ（１０）の前記外表面（１２）の総面積のうち１００％にて、又は、前記シリンダライナ（１０）の前記外表面（１２）の総面積のうち５０％にて実行されることを特徴とする製造方法。
13. 請求項１記載の湿式のシリンダライナ（１０）を少なくとも１つ備えたことを特徴とする内燃エンジン。