JP7280073B2 - 多気筒内燃機関用シリンダブロック及びその製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、多気筒内燃機関のシリンダブロックとその製造方法に関するものである。

多気筒内燃機関のシリンダブロックにはシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されており、シリンダボアの内部にピストンが嵌め込まれている。そして、シリンダブロックは一般にアルミ製であることから、強度や耐熱性の確保、フリクションの低減等のために鋼製のシリンダライナーを鋳込むことが行われているが、アルミも鋼も熱伝動率が高いため、特にボア間部において熱膨張が大きくなって、シリンダボアの真円度が低下しやくなっている。

更に述べると、アルミ製のシリンダブロックは鋳造時の残留応力が大きいため、機関の運転によって温度が上昇すると、特にボア間部がシリンダブロックの幅方向（クランク軸線と直交した方向）に伸びる傾向が高くなって、シリンダボアがシリンダブロックの幅方向に長い楕円形に変形する傾向が高くなる。

他方、例えば特許文献１に開示されているように、シリンダボアの内面に、鉄系の材料から成るライナー層を溶射によって形成することが行われており、この溶射ライナー層を採用すると、耐磨耗性や耐蝕性を向上できる利点や、軽量化による燃費向上の利点、或いは、高い放熱性によってシリンダボアの内面の温度上昇を抑制できるためノッキングの防止にも有効である利点などがある。

特開２００８－２４００２９号公報

溶射によるライナー層は、上記のとおり優れた利点を有するが、ライナー層は全周に亙って均一な厚さになっている一方、ボア間では冷却水による冷却効果が低いため、ボア間部においてライナー層からの放熱の割合が相対的に低くなり、結果として、シリンダボアがシリンダブロックの幅方向に長い楕円形状になる傾向を呈して、鋼製ライナーと同様に、燃焼ガスの吹き抜けの増大やピストンとの間のフリクション増大による出力低下、ブローバイガスの増大といった問題が現れていた。

この点については、シリンダボアの内周のうちボア間部に溶射ライナー層を形成せずに、ウォータジャケットへの放熱量が大きい部分に溶射ライナー層をするといったことが考えられるが、この場合は、アルミの地肌が露出している部分ではピストンとの間のフリクションが大きくなるため、エネルギロスを無くす効果が低下する問題や、加工に多大の手間が掛かる問題、或いは、アルミが部分的に露出するため耐磨耗性や耐蝕性が不十分になるといった問題が懸念される。

本願発明はこのような現状を契機に成されたものであり、溶射によるライナー層の利点を最大限に享受しつつ、受熱量の相違に起因した熱変形の問題を解消しようするものである。

本願発明は、シリンダブロックとその製法とを含んでおり、シリンダブロックの構成は請求項１で特定している。

すなわち、シリンダブロックは、
「複数のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されており、前記各シリンダボアの内周面に、放熱性に優れたライナー層が溶射によって形成されている」
という基本構成において、
「前記各シリンダボアの内周のうち隣り合ったシリンダボアの間をボア間部、前記各シリンダボアの内周のうちクランク軸線方向に向いて前後中間部を中間位置として、前記各シリンダボアの中心から内周までの距離が、前記中間位置からボア間位置までは徐々に縮小して、前記シリンダボア群の並び方向の端に位置したシリンダボアにおいて前記中間位置を挟んで前記ボア間部と反対側の半周部では同一半径になっている一方、
前記ライナー層の内周は真円になっており、従って、前記ライナー層の厚さが、前記中間位置からボア間部に向けては徐々に縮小して、前記シリンダボア群の並び方向の端に位置したシリンダボアにおいて前記中間位置を挟んで前記ボア間部と反対側の半周部では等厚になっている」
という特徴を有している。

製造方法は請求項２で特定している。すなわち、この製法は、
「複数のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されており、前記各シリンダボアの内周面に、放熱性に優れたライナー層が溶射によって形成されている」
というシリンダブロックの製造方法であって、
「前記ライナー層が設けられていない本体を鋳造又はダイキャストで製造する工程と、前記ライナー層を溶射によって形成する工程とを備えており、
前記各シリンダボアの内周のうち隣り合ったシリンダボアの間をボア間部、前記各シリンダボアの内周のうちクランク軸線方向に向いて前後中間部を中間位置として、前記鋳造又はダイキャストでの製造工程で、前記各シリンダボアの中心から内周までの距離が、前記中間位置からボア間位置までは徐々に縮小して、前記シリンダボア群の並び方向の端に位置したシリンダボアにおいて前記中間位置を挟んで前記ボア間部と反対側の半周部では同一半径になった状態に製造し、
次いで、前記ライナー層を溶射によって略等厚に形成し、
その後、前記ライナー層の内周を真円に加工することにより、前記ライナー層の厚さが、前記中間位置からボア間部に向けては徐々に縮小して、前記シリンダボア群の並び方向の端に位置したシリンダボアにおいて前記中間位置を挟んで前記ボア間部と反対側の半周部では等厚になるように形成される」
という特徴を有している。

本願発明では、溶射ライナー層はシリンダボアの全周に形成されているため、ピストンとのフリクションは全周に亙って均一に保持できると共に、耐磨耗性や耐蝕性も確保できる。そして、溶射ライナー層は、ボア間部において薄くなっているため、ボア間部での放熱性が向上して、全周に亙って放熱量を均一化できる。その結果、ライナー層及びシリンダボアが熱膨張によって楕円形状になることを防止又は著しく抑制して、高い真円度を維持することができる。

従って、本願発明では、溶射ライナー層の利点である耐磨耗性や耐蝕性、低フリクション等の効果を享受しつつ、シリンダボアに高い真円度を維持させて、メカロスの低減やブローバイガス低減の効果を向上できる。

また、請求項２では、溶射ライナー層の厚さを異ならせることを、いったん溶射ライナー層を等厚に形成してから真円に切削加工することによって容易に実現できるため、製造上の困難性はない。従って、現実性にも優れている。

実施形態の平面図である。 部分的な拡大平面図である。 製造工程の途中段階での部分平面図である。 加工後の部分的な拡大平面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向はクランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。内燃機関では、一般に、タイミングチェーンが配置されている側を前と呼び、ミッションが配置されている側を後ろと呼んでいるので、本実施形態でもその呼び方を踏襲している。図１，２に方向を明示している。

(1).構造の説明
本実施形態は自動車用３気筒内燃機関のシリンダブロックに適用している。従って、シリンダブロック１には、３つのシリンダボア２，３，４が前後方向に並んで形成されている。３つのシリンダボアを個別に特定する場合は、前から順に、第１シリンダボア２，第２シリンダボア３，第３シリンダボア４と呼ぶこととする。

シリンダブロック１は３気筒であるため、第１シリンダボア２と第２シリンダボア３との間、及び、第２シリンダボア３と第３シリンダボア４との間に、ボア間部５が存在している。また、シリンダブロック１には、シリンダボア２，３，４の群を囲う環状のウォータジャケット６が形成されており、ウォータジャケット６は、ボア間部５に向けて入り込んだ凹入部６ａを備えている。

シリンダブロック１はアルミを素材とした鋳造品又はダイキャスト品であり、各シリンダボア２，３，４の内周には、鉄系の複合素材からなるライナー層７，８，９が溶射によって形成されている。ライナー層７，８，９は、アルミよりも高い硬度で耐磨耗性、耐蝕性に優れていると共に、鋼製のシリンダライナーよりも放熱性にも優れている。

各シリンダボア２，３，４は円形であるため、前後方向の中間位置１０において最も左右幅が大きくなっている。そして、各ライナー層７，８，９の内周は真円になっているが、各ライナー層７，８，９の厚さについて述べると、まず、第１ライナー層７及び第３ライナー層９では、図２に示すように、中間位置１０の箇所が最も厚くて中間位置１０からボア間部５に向けて厚さが徐々に縮小しており、ボア間部５と反対側の半分の領域２ａ（図２参照）では、中間位置１０と同じ厚さになっている。

従って、第１ライナー層７及び第３ライナー層９の外形は、ボア間部５に近い半分の領域は、左右長手の楕円を左右に半割した形状になって、ボア間部５と反対側の半分の領域２ａは真円を左右に半割した形状になっている。

他方、第２シリンダボア３では、前後のボア間部５に挟まれていることから、図２に示すように、前後ボア間部５の箇所が最も薄くて中間位置１０が最も厚くなり、中間位置１０から前後ボア間部５に向けて厚さが徐々に縮小している。従って、第２ライナー層８の外形は、左右方向に長い楕円形状になっている。

ライナー層７，８，９は鉄系の複合材料であり、ピストンとのフリクションは非常に小さい。そして、各ライナー層７，８，９はシリンダボア２，３，４の全周に亙って形成されているため、ピストンの動きはスムースであると共に、耐磨耗性や耐蝕性の低下の問題はない。

そして、ライナー層７，８，９の放熱量は厚さに反比例するが、熱の籠もりが大きいボア間部５の箇所において最も薄くて、ウォータジャケット６への放熱量が大きい部分は厚くなっているため、放熱量の相違によってライナー層７，８，９が不均一に熱変形することを著しく抑制できる。その結果、機関の運転状態において、ライナー層７，８，９の内周を高い真円度に維持できる。

このように、溶射によるライナー層７，８，９をシリンダボア２，３，４の全周に亙って形成しつつ、ライナー層７，８，９の内周を高い真円度に維持できるため、ピストンとの摩擦を低減しつつ燃焼ガスの吹き抜けも著しく抑制できるのであり、その結果、エネルギロスを無くして出力及び燃費の向上に貢献できる。

(2).製造方法
次に、シリンダブロック１の製造方法を説明する。第２シリンダボア３を取り上げて説明すると、シリンダブロック１の本体を鋳造又はダイキャストで製造するにおいて、第２シリンダボア３を左右方向に長い楕円形状に製造し、それから、溶射によって第２ライナー層８を全周に亙って略等厚に形成する。次いで、図４に示すように、第２ライナー層８の内周を真円に切削加工する。

溶射に際して、ライナー層８をボア間部５の部位が薄くなるように不等厚に形成することも考えられるが、材料の噴射量の制御が難しいと想定される。この点、本実施形態のように、溶射によって略等厚に形成してから真円に切削加工すると、従来の装置で容易にライナー層８を形成しつつ、真円の内周面を形成できる。

鋳造又はダイキャストによってシリンダブロック１の本体を製造してから、ライナー層８の溶射工程の前に、シリンダボア３をホーニング加工などで精密加工することも可能であるし、加工を施すことなくダイレクトに溶射することも可能である。また、第２シリンダボア３は、鋳造やダイキャストでは真円に形成してその後に切削加工によって楕円に形成することも可能であるが、鋳造時又はダイキャスト時に楕円に形成しておくと、加工の手間を省くことができる。

第１シリンダボア２及び第３シリンダボア４も同様であり、鋳造又はダイキャストでの製造時に、ボア間部５に近い半分の領域を楕円形状に形成して、それから溶射によるライナー層７，９の形成、切削加工によるライナー層内周面の真円化という工程を経ることになる。いずれにおいても、ライナー層内周面の真円化工程は、１回の加工で完了することも可能であるし、粗削りと仕上げ工程との２段階の工程で行うことも可能である。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。

本願発明は、シリンダブロック及びその製法に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２～４ シリンダボア
２ａ 第１シリンダボアにおいてライナー層が等厚になっている半周部
５ ボア間部
６ ウォータジャケット
７～９ ライナー層
１０ 中間位置

Claims (2)

1. 複数のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されており、前記各シリンダボアの内周面に、放熱性に優れたライナー層が溶射によって形成されている構成であって、
   前記各シリンダボアの内周のうち隣り合ったシリンダボアの間をボア間部、前記各シリンダボアの内周のうちクランク軸線方向に向いて前後中間部を中間位置として、前記各シリンダボアの中心から内周までの距離が、前記中間位置からボア間位置までは徐々に縮小して、前記シリンダボア群の並び方向の端に位置したシリンダボアにおいて前記中間位置を挟んで前記ボア間部と反対側の半周部では同一半径になっている一方、
   前記ライナー層の内周は真円になっており、従って、前記ライナー層の厚さが、前記中間位置からボア間部に向けては徐々に縮小して、前記シリンダボア群の並び方向の端に位置したシリンダボアにおいて前記中間位置を挟んで前記ボア間部と反対側の半周部では等厚になっている、
   多気筒内燃機関用シリンダブロック。
2. 複数のシリンダボアがクランク軸線方向に並んで形成されており、前記各シリンダボアの内周面に、放熱性に優れたライナー層が溶射によって形成されている、というシリンダブロックの製造方法であって、
   前記ライナー層が設けられていない本体を鋳造又はダイキャストで製造する工程と、前記ライナー層を溶射によって形成する工程とを備えており、
   前記各シリンダボアの内周のうち隣り合ったシリンダボアの間をボア間部、前記各シリンダボアの内周のうちクランク軸線方向に向いて前後中間部を中間位置として、前記鋳造又はダイキャストでの製造工程で、前記各シリンダボアの中心から内周までの距離が、前記中間位置からボア間位置までは徐々に縮小して、前記シリンダボア群の並び方向の端に位置したシリンダボアにおいて前記中間位置を挟んで前記ボア間部と反対側の半周部では同一半径になった状態に製造し、
   次いで、前記ライナー層を溶射によって略等厚に形成し、
   その後、前記ライナー層の内周を真円に加工することにより、前記ライナー層の厚さが、前記中間位置からボア間部に向けては徐々に縮小して、前記シリンダボア群の並び方向の端に位置したシリンダボアにおいて前記中間位置を挟んで前記ボア間部と反対側の半周部では等厚になるように形成される、
   多気筒内燃機関用シリンダブロックの製造方法。

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