JP7419731B2 - エンジンのシリンダブロック - Google Patents

Description

この発明は、円筒状のシリンダライナが鋳込まれたエンジンのシリンダブロックに関する。

従来から、円筒状を成す鋳鉄製のシリンダライナを一体に鋳込んだアルミニウム合金製のシリンダブロックが一般的である。この種のシリンダブロックは、シリンダライナによってシリンダボアの内面の一部が形成され、そのシリンダボア内にピストンが往復動可能に嵌合されることで、エンジンの一部が構成されている。ピストン外周に設けられたピストンリングが、シリンダライナの内面に擦接することで、燃焼室内の気密性を保ちながら、部材の耐摩耗性、耐久性が高められている。

例えば、特許文献１には、シリンダライナの上端面の最外径部に凸状の係合部を備えることで、シリンダライナの外径側の稜線部の形状を、先鋭な角部のない弧状とした技術が開示されている。凸状の係合部がシリンダブロックの母材に係合することで、シリンダライナとシリンダブロックの母材との間での局所的な応力集中を防ぐことができるとされている。

また、特許文献２には、シリンダライナの外周面及びシリンダヘッド側の上端面に、溶射被膜を形成した技術が開示されている。シリンダライナの外周面及びシリンダヘッド側の上端面に溶射被膜が形成されることで、鋳込み固定された後のシリンダライナとシリンダブロックの母材との密着性、熱伝導性が高められるとされている。

特開２０１５－４８８２８号公報 特開２０１１－２０２５７６号公報

従来のシリンダブロックでは、エンジンの稼働中にシリンダライナの上端面とシリンダブロックの母材との間の微小な隙間に、燃焼室側からの燃焼ガスが繰り返し侵入する傾向がある。燃焼ガスは、高圧の圧力波となって燃焼室側から隙間へ侵入する。

このような燃焼ガスの侵入によって、シリンダライナの上端面とシリンダブロックの母材との間の隙間の大きさは、拡縮を繰り返すこととなる。このため、シリンダブロックの母材には、その拡縮に伴う繰り返し応力に耐え得る強度と耐久性が求められている。このため、逆に、シリンダライナの上端面とシリンダブロックの母材との間の隙間への燃焼ガスの侵入が抑制できれば、シリンダブロックの長寿命化や経済設計が可能であると考えられる。

そこで、この発明の課題は、シリンダライナの上端面とシリンダブロックの母材との間の隙間への燃焼ガスの侵入を抑制することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、円筒状を成す鋳鉄製のシリンダライナがアルミニウム素材を含むシリンダ母材に鋳込み固定されたエンジンのシリンダブロックにおいて、前記シリンダライナの上端面に形成されたアルミニウム素材を含む表面層と、前記上端面と前記表面層との間に形成される合金層とを備えたエンジンのシリンダブロックを採用した。

ここで、前記シリンダライナの上端面に形成された凹部又は凸部からなる屈曲形成部を有し、前記合金層は、前記凹部又は凸部に沿って形成されている構成を採用することができる。

また、前記凹部は、フラットな底面と、前記底面の内周側端から前記上端面に立ち上がる内側側面と、前記底面の外周側端から前記上端面に立ち上がる外側側面とを備え、前記シリンダライナの軸心に直交する基準面に対する前記内側側面の裾部から頂部に至る仰角は、前記基準面に対する前記外側側面の裾部から頂部に至る仰角よりも小さく設定されている構成を採用することができる。

これらの各態様において、前記シリンダライナの前記上端面と外周面との間の稜線部に、外径側へ向かうにつれて下方へ向かう傾斜角部を備え、前記表面層及び前記合金層は前記屈曲形成部から前記傾斜角部まで連続して形成されている構成を採用することができる。

この発明は、シリンダライナの上端面とシリンダブロックの母材との間の隙間への燃焼ガスの侵入を抑制することができる。

この発明の実施形態を示し、（ａ）はシリンダブロックの要部拡大図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。 （ａ）～（ｇ）は、それぞれ図１の実施形態の変形例を示す要部拡大図である。 シリンダブロックの斜視図である。 エンジンの縦断面図である。

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、この発明のシリンダライナ１０が鋳込み固定されたシリンダブロック１の要部を示している。図２（ａ）～（ｇ）はそれぞれその変形例である。また、図３はシリンダブロック１の全体像を、図４はシリンダブロック１を用いたエンジンＥの縦断面を示している。

シリンダブロック１はアルミニウム合金製であって、ダイカスト等の鋳造法によって製造されている。シリンダブロック１は、その下部にクランクケースが一体に成形されている。

図３及び図４に示すように、シリンダブロック１には、円筒状を成す鋳鉄製のシリンダライナ１０が鋳造時の鋳込みにより一体に固定されている。すなわち、アルミニウム素材を含むシリンダブロック１の母材（以下、シリンダ母材Ａと称する）に、鋳鉄製のシリンダライナ１０が鋳込み固定されている。

シリンダライナ１０の上端面１０ａの位置は、シリンダブロック１の頂面１ａよりもやや下方にある。また、シリンダライナ１０の下端面１０ｄの位置は、クランクケースのやや上方にある。このため、シリンダ母材Ａは、シリンダライナ１０の上端面１０ａ、外周面１０ｂ及び下端面１０ｄの全域を覆うように、各面に密着している。すなわち、シリンダライナ１０の上端面１０ａと外周面１０ｂ、下端面１０ｄは、シリンダ母材Ａに覆われる。

このため、燃焼室２の内壁を構成するシリンダボアの内面は、シリンダブロック１の頂面１ａ近くではシリンダ母材Ａで構成され、その下部では、シリンダライナ１０の内周面１０ｃで構成されている。このシリンダボア内にピストン３が往復動可能に嵌合され、シリンダライナ１０の内周面１０ｃに、ピストン３の外周に設けられたピストンリングが擦接することで、燃焼室２内の気密性が保たれている。なお、ピストンリングが往復動する範囲は、全てシリンダライナ１０によって燃焼室２の内壁が構成されている。

また、シリンダブロック１の頂面１ａはフラット面で構成されている。エンジンＥは、この頂面１ａ上にガスケットを介してシリンダヘッドが一体に結合されている。また、ピストン３は、コネクティングロッド４を介して、クランクケース内に収容されたクランクシャフト５に連結されている。

次に、シリンダライナ１０とシリンダブロック１を構成するシリンダ母材Ａとの固定構造について説明する。

図１に示すように、シリンダライナ１０は、その上端面１０ａに形成された凹部又は凸部からなる屈曲形成部１１を備えている。図１の例では、屈曲形成部１１として凹部を採用している。凹部は、この実施形態のように、シリンダライナ１０の上端面１０ａにおいて、周方向に沿って全周に連続的に設けられていることが望ましい。凹部の形状は、フラットな底面と、底面の内周側端から上端面１０ａに向かって直角に立ち上がる内側側面と、底面の外周側端から上端面１０ａに向かって直角に立ち上がる外側側面とを備えたものとしている。

また、シリンダライナ１０の上端面１０ａと外周面１０ｂとの間の稜線部に、外径側へ向かうにつれて下方へ向かう傾斜角部１３を備えている。図１の例では、傾斜角部１３として、外径側へ向かうにつれて直線状に下方へ向かう傾斜面を採用している。傾斜角部１３は、この実施形態のように、シリンダライナ１０の上端面１０ａにおいて、周方向に沿って全周に連続的に設けられていることが望ましい。

屈曲形成部１１と傾斜角部１３を含む上端面１０ａの表面全域に、アルミニウム素材を含む被膜部１２が形成されている。すなわち、図１の例では、被膜部１２は、屈曲形成部１１よりも内周側（燃焼室２側）、屈曲形成部１１、屈曲形成部１１から傾斜角部１３までの範囲、傾斜角部１３の全域に連続している。

被膜部１２は、アルミニウム粉末をレーザ溶射等の手法によって溶射することで形成される表面層１２ｂと、その溶射によって、溶射したアルミニウム素材がシリンダライナ１０の鋳鉄と溶け込んで形成される合金層１２ａとで構成されている。したがって、シリンダライナ１０と表面層１２ｂとの間に、シリンダライナ１０の素材とアルミニウム素材とが溶け込んだ合金層１２ａが存在することになる。

一般的に、溶射とは、吹き付ける素材を融解あるいは溶融させて、それを母材の表面に噴射することにより行われる。このため、母材はあまり熱せられず、溶射された素材が母材と溶け込むことはなく、両者は機械的な結合となるのが通常である。しかし、この発明では、アルミニウム素材を含む表面層１２ｂを溶射によって形成する際に、同時に、シリンダライナ１０の素材である鉄（鋳鉄）と溶射された素材であるアルミニウムとの合金層１２ａを形成するようにしたので、表面層１２ｂとシリンダライナ１０との密着性を高めることができる。このとき、溶射する素材の溶射時における温度を、シリンダライナ１０の素材である鉄（鋳鉄）の融点以上とすることが望ましい。

なお、表面層１２ｂは、シリンダライナ１０との間に合金層１２ａが形成されている限りにおいて溶射以外の手法により形成してもよく、例えば、アルミニウム素材を融解させたもの、あるいは、溶融させたもの（溶媒で溶かしたもの）を塗布する手法、あるいは、その他各種のコーティング、メッキ、その他周知の手法を採用できる。ここで、この実施形態のように、表面層１２ｂと合金層１２ａとを同時に形成してもよいが、シリンダライナ１０に合金層１２ａを形成した後に表面層１２ｂを形成してもよい。

このような表面層１２ｂと合金層１２ａを形成したシリンダライナ１０を、シリンダブロック１の製造時にシリンダ母材Ａに鋳込み成形（インサート成形）することで、表面層１２ｂとシリンダ母材Ａとの密着性を高めることができる。表面層１２ｂとシリンダ母材Ａとが同じアルミニウム素材であることにより、両者の溶け込みが促進されるからである。また、前述のように、表面層１２ｂとシリンダライナ１０とは、その間に合金層１２ａが介在することで、互いの密着性が高められている。これは、一般に、アルミニウムよりも鋳鉄の方が融点が高いことも、溶け込み促進の要素の一つと考えられる。なお、シリンダライナ１０を構成する鋳鉄素材に、アルミニウム素材を溶射するという点についても、この発明における新規な点の一つである。

以上のように、この発明では、シリンダライナ１０の上端面１０ａに屈曲形成部１１を設けて、その屈曲形成部１１を含む上端面１０ａに、アルミニウム素材を含む表面層１２ｂと合金層１２ａを形成したので、シリンダライナ１０とシリンダ母材Ａとの密着性がより一層高まるので、両者の隙間への燃焼ガスの侵入を抑制することができる。

この燃焼ガス侵入の抑制効果は、表面層１２ｂとシリンダ母材Ａとの溶け込み度合いの強化と、表面層１２ｂとシリンダライナ１０との間の合金層１２ａの形成と、屈曲形成部１１の設定による、表面層１２ｂと合金層１２ａ、表面層１２ｂとシリンダ母材Ａとの間の隙間の屈曲構造（迷路構造）による相乗効果であると考えられる。隙間が屈曲構造（迷路構造）を有している箇所において、向かい合う部材同士の素材の溶け込みが促進されていることが有効である。さらに、応力が集中しやすい傾斜角部１３において、表面層１２ｂとシリンダ母材Ａとの溶け込み度合いの強化が図られている点も、隙間の拡大防止に寄与している。

上記実施形態の変形例を図２（ａ）～（ｇ）に示す。

図２（ａ）の例は、屈曲形成部１１を構成する凹部の形状を、フラットな底面１１ａと、底面１１ａの内周側端から上端面１０ａに向かって傾斜して立ち上がる内側側面１１ｂと、底面１１ａの外周側端から上端面１０ａに向かって傾斜して立ち上がる外側側面１１ｃとを備えたものとしている。内側側面１１ｂは、底面１１ａの内周側端を裾部として上端面１０ａとの接続点である頂部まで立ち上がっている。また、外側側面１１ｃは、底面１１ａの外周側端を裾部として上端面１０ａとの接続点である頂部まで立ち上がっている。

ここで、シリンダライナ１０の軸心に直交する基準面に対する内側側面１１ｂの裾部から頂部に至る仰角αは、その基準面に対する外側側面１１ｃの裾部から頂部に至る仰角βよりも小さく設定されている。すなわち、凹部の形状は、シリンダボアの軸心から遠い方の側面の立ち上がり角度βを、近い方の側面の立ち上がり角度αよりも大きく設定している。このため、表面層１２ｂとシリンダ母材Ａとの間の隙間へのガスの侵入がさらに効果的に抑制できる。これは、燃焼室２側から隙間の奥部に向かうにつれて、隙間の屈曲構造における屈曲角度が大きき（α＜β）なるからである。

図２（ｂ）の例は、屈曲形成部１１を、内周側から外周側へ向かって並列する複数凹部で構成したものである。各凹部の底面は凹状に湾曲している。ただし、図２（ｂ）では、屈曲形成部１１を構成する凹部を、傾斜角部１３を除く上端面１０ａ全域に設けているが、燃焼室２に近い内周側は燃焼に伴う熱影響を受けやすい範囲でもあるので、屈曲形成部１１は、図１や図２（ａ）に示すように、シリンダライナ１０の内周面１０ｃからやや離れた位置を内周側の端部とすることが望ましい。

図２（ｃ）の例は、屈曲形成部１１を、内周側から外周側へ向かって徐々に下方へ傾斜する底面１１ｄを有する凹部で構成したものである。底面１１ｄは凹状に湾曲している。凹部の内周側の端部は、シリンダライナ１０の内周面１０ｃよりもやや外周側に位置し、凹部の外周側の端部は、シリンダライナ１０の外周面１０ｂに至っている。

図２（ｄ）の例は、屈曲形成部１１を、同じく凹状に湾曲する底面１１ｄを有する凹部で構成したものである。凹部の内周側の端部は、シリンダライナ１０の内周面１０ｃよりもやや外周側に位置し、凹部の外周側の端部は、シリンダライナ１０の外周面１０ｂよりもやや内周側に位置している。

図２（ｅ）の例は、屈曲形成部１１を構成する凹部の形状を、フラットな底面１１ｆと、底面１１ｆの内周側端から上端面１０ａに向かって傾斜して立ち上がる内側側面１１ｇとを備えたものとしている。ここで、内側側面１１ｇを、底面１１ｆから直角に立ち上がる形態としてもよい。凹部の内周側の端部は、シリンダライナ１０の内周面１０ｃよりもやや外周側に位置し、凹部の外周側の端部は、シリンダライナ１０の外周面１０ｂに至っている。なお、この例では、凹部の形成範囲を、シリンダライナ１０の厚さ方向中央よりも外周側に限定しているが、凹部の形成範囲は、シリンダライナ１０の厚さ方向中央よりも内周側に入り込んでいてもよい。

図２（ｆ）の例は、図２（ｅ）の凹部の形状を図２（ｃ）の形状に変更したものである。凹状の底面１１ｈを有する凹部の形成範囲は、シリンダライナ１０の厚さ方向中央よりも外周側に限定されている。

図２（ｇ）の例は、屈曲形成部１１の設定を省略し、シリンダライナ１０の上端面１０ａを凹凸の無いフラット面としたものである。屈曲形成部１１が無い仕様においても、シリンダライナ１０の上端面１０ａに、アルミニウム素材を含む表面層１２ｂと合金層１２ａを形成することにより、シリンダライナ１０とシリンダ母材Ａとの密着性を高める効果が期待できる。

上記の各実施形態では、屈曲形成部１１を設定する際に、その屈曲形成部１１を上端面１０ａよりも下方へ凹む凹部で構成したが、屈曲形成部１１を上端面１０ａよりも上方へ突出する凸部で構成してもよい。凸部は、上記各例と同じように、シリンダライナ１０の上端面１０ａにおいて、周方向に沿って全周に連続的に設けられていることが望ましい。なお、各実施形態において、必要に応じて傾斜角部１３の設置を省略することが可能である。

また、上記の各実施形態では、表面層１２ｂ及び合金層１２ａは、シリンダライナ１０の上端面１０ａの半径方向（ライナ厚さ方向）全域に形成したが、表面層１２ｂ及び合金層１２ａは、シリンダライナ１０の上端面１０ａの一部であってもよい。ただし、屈曲形成部１１を設定する場合、表面層１２ｂ及び合金層１２ａは屈曲形成部１１全体を含む領域に、また、屈曲形成部１１と傾斜角部１３とを設定する場合、表面層１２ｂ及び合金層１２ａは屈曲形成部１１から傾斜角部１３まで連続して形成されていることが望ましい。

１ シリンダブロック
２ 燃焼室
１０ シリンダライナ
１０ａ 上端面
１０ｂ 外周面
１１ 屈曲形成部
１１ａ 底面
１１ｂ 内側側面
１１ｃ 外側側面
１２ 被膜部
１２ａ 合金層
１２ｂ 表面層
１３ 傾斜角部
Ａ シリンダ母材
Ｅ エンジン

Claims (4)

1. 円筒状を成す鋳鉄製のシリンダライナが溶射被膜を介してアルミニウム素材を含むシリンダ母材に鋳込み固定されたエンジンのシリンダブロックにおいて、
   前記溶射被膜は、前記シリンダライナの融点以上の温度でアルミニウム素材が溶解又は溶融して前記シリンダライナの上端面に形成されたアルミニウム素材を含む表面層と、
   前記上端面と前記表面層との間に形成される合金層と
   が形成されているエンジンのシリンダブロック。
2. 前記シリンダライナの上端面に形成された凹部又は凸部からなる屈曲形成部を有し、
   前記合金層は、前記凹部又は凸部に沿って形成する請求項１に記載のエンジンのシリンダブロック。
3. 前記凹部は、フラットな底面と、前記底面の内周側端から前記上端面に立ち上がる内側側面と、前記底面の外周側端から前記上端面に立ち上がる外側側面と、を備え、
   前記シリンダライナの軸心に直交する基準面に対する前記内側側面の裾部から頂部に至る仰角は、前記基準面に対する前記外側側面の裾部から頂部に至る仰角よりも小さく設定されている請求項２に記載のエンジンのシリンダブロック。
4. 前記シリンダライナの前記上端面と外周面との間の稜線部に、外径側へ向かうにつれて下方へ向かう傾斜角部を備え、
   前記表面層及び前記合金層は前記屈曲形成部から前記傾斜角部まで連続して形成されている請求項２又は３に記載のエンジンのシリンダブロック。

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