JP6805615B2 - 内燃機関のシリンダブロック - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のシリンダブロックに関する。

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。

特開２０１４−１０５６１９号公報 特開２００１−２００７５１号公報 特開２００５−３３０８７３号公報 特開２００７−０１６７３５号公報

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。

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。

本発明の一態様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。そして、前記第１遮熱膜は、前記第２遮熱膜の体積比熱よりも小さな体積比熱を有する。前記第２遮熱膜は、前記第１遮熱膜と比べて厚くてもよい。
また、本発明の他の態様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。そして、前記第２遮熱膜は、前記第１遮熱膜と比べて厚い。
上記の一態様及び他の態様において、前記ピストンには、トップリングが設けられ、かつ、前記第１遮熱膜と前記第２遮熱膜との境界は、前記ピストンが上死点に位置するときの前記トップリングの上端位置又は下端位置であってもよい。

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。

本発明の実施の形態に係る内燃機関が備えるシリンダブロックの要部の構成を模式的に表した図である。 図１に示す内燃機関の一部を拡大して示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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／ｍ^３Ｋ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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

1. 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、
   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、
   前記第１遮熱膜は、前記第２遮熱膜の体積比熱よりも小さな体積比熱を有することを特徴とするシリンダブロック。
2. 前記第２遮熱膜は、前記第１遮熱膜と比べて厚いことを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロック。
3. 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、
   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、
   前記第２遮熱膜は、前記第１遮熱膜と比べて厚いことを特徴とするシリンダブロック。
4. 前記ピストンには、トップリングが設けられ、
   前記第１遮熱膜と前記第２遮熱膜との境界は、前記ピストンが上死点に位置するときの前記トップリングの上端位置又は下端位置であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のシリンダブロック。

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