JP7484984B2 - シリンダボア、及びそれを有するシリンダライナ又はシリンダブロック - Google Patents

Description

本開示は、シリンダボア、及びそれを有するシリンダライナ又はシリンダブロックに関する。

内燃機関におけるシリンダブロック又はシリンダライナに形成されるシリンダボアは、ヘッドボルトの締付や熱負荷により大きく変形する。この変形により、ピストンとのフリクションロスが増大し、燃費の悪化を招くことがある。

このような問題に対し、近年では高度なホーニング技術が開発されており、実運転時において理想的な形状となるようにシリンダボアをホーニング加工することが可能である。例えば、特許文献１では、シリンダボアの下端を含む下部領域の径を、上端を含む上部領域の径よりも大きくした、略スカート型の形状を有するシリンダボアが提案されている。

国際公開第２０１８－９２１７６号

一般的に、ピストンスカートとシリンダボア間のクリアランスを拡大させることでフリクションは低減するが、一方で、ピストンの二次運動(スラップ)により振動騒音が悪化する。例えば、特許文献１に記載された形状の場合、径の大きい下端領域におけるピストンとのフリクションは低減する。一方で、ピストンヘッドが下端領域にある場合、すなわち、ピストンが下死点付近にある場合、ピストンが接するのは下端領域とのみになるが、ピストンと下端領域のクリアランスの大きさから、ピストンスラップの問題が生じるおそれがある。

本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本開示は、ピストンスラップを過度に増加させずに、シリンダボアとピストンとのフリクションを低減させることを目的とする。

本開示の一実施形態に係る内燃機関用のシリンダボアは、
ピストンが摺動する摺動面を有し、
前記摺動面は、前記摺動面の上端部を含む第１領域と、前記摺動面の下端部を含む第２領域と、前記摺動面における前記第１領域及び前記第２領域の間の領域である第３領域と、を含み、
前記第３領域の径が前記第１領域及び前記第２領域の径よりも大きい形状を有する。

本開示によれば、ピストンスラップを過度に増加させずに、シリンダボアとピストンとのフリクションを低減させることができる。

図１は、本開示の一実施形態に係るシリンダボアと、従来例に係るシリンダボアを示す模式図である。 図２は、図１に示す各シリンダボアのホーニングプロファイルを示すグラフである。 図３は、従来例に係るシリンダボアの使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示すグラフである。 図４は、従来例に係るシリンダボアの使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示す三次元グラフである。 図５は、実施例に係るシリンダボアの使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示すグラフである。 図６は、実施例に係るシリンダボアの使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示す三次元グラフである。 図７は、実施例及び従来例のシリンダボアにおけるピストンの二次運動の運動エネルギーを示すグラフである。 図８は、実施例及び従来例のシリンダボアとピストンスカートの摺動によるＦＭＥＰ（Friction Mean Effective Pressure）を示すグラフである。

以下、本開示の一実施形態に係るシリンダボアについて図面を参照しながら説明する。なお、各図面に示された各構成要素の寸法は、説明の便宜上のものであって、実際の寸法とは異なる場合がある。

図１は、本開示の一実施形態に係るシリンダボア１と、従来例に係るシリンダボア１０１を示す模式図である。図１は、具体的には、各シリンダボアの縦断面にあらわれる摺動面（内面）の形状を示すものである。

従来例に係るシリンダボア１０１は、摺動面が円筒状であり、上端から下端まで同一の径ｄ１１を有する。縦方向の長さ（ピストンが摺動する方向における長さ）ｈ４は、本実施形態に係るシリンダボア１の長さｈ４と同じである。

本実施形態に係るシリンダボア１の摺動面は、摺動面の上端部を含む第１領域１１と、摺動面の下端部を含む第２領域１２と、摺動面における第１領域１１及び第２領域１２の間の領域である第３領域１３と、を含む。第３領域１３の最大径ｄ３は、第１領域１１の径ｄ１及び第２領域１２の径ｄ２よりも大きい。シリンダボア１は、最大径ｄ３が径ｄ１及び径ｄ２よりも大きいものであればよいが、例えば、図１に示すように、円筒形状の中間部分が膨らんだ略バレル型の形状を有することが好ましい。

第３領域１３の最大径ｄ３は、例えば、フリクションの低減とピストンスラップの増加抑制の両立という観点から、第１領域の径ｄ１の０．０５～０．３％大きいことが好ましい。同様の観点から、第３領域１３の縦方向の長さ（ピストンが摺動する方向における長さ）ｈ３は、摺動面の全体の長さｈ４の２０～７５％であることが好ましい。

本例において、第１領域１１の径ｄ１は、第２領域１２の径ｄ２と同じであるが、これに限定されない。径ｄ１と径ｄ２は異なっていてもよい。また、第３領域１３の縦方向の長さｈ３は、第２領域１２の縦方向の長さｈ２よりも長いことが好ましい。

図２は、図１に示すシリンダボア１とシリンダボア１０１のホーニングプロファイル（直径）を示すグラフである。具体的には、図２は、実運転前のシリンダボア１とシリンダボア１０１の摺動面の直径を示す。

既に述べたように、シリンダボアは、ヘッドボルトの締付や運転時の熱負荷によって形状が大きく変形する。図３から図６は、図２に示すホーニングプロファイルを有する各シリンダボアについて、このような形状の変化をシミュレートした結果である。

図３は、従来例に係るシリンダボア１０１の使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示すグラフである。図３の左のグラフは、ヘッドボルト等の取付けをした場合のボアプロファイルを示す。図３の右のグラフは、上記の取付けをしてさらに熱負荷をかけた場合のボアプロファイルを示す。すなわち、図３の右のグラフは、実際の使用時に起こる変形をシミュレーションした結果である。このシミュレーション結果を三次元グラフで表したものが図４である。なお、図３の各グラフのボアプロファイルは、図４に示すスラスト方向ＴＨ及び反スラスト方向ＡＴＨを含む方向のボアプロファイルである。

図３及び図４から、摺動面が上端から下端まで同一径の円筒状のシリンダボア１０１は、実際の使用時において、上端がスラスト方向ＴＨ及び反スラスト方向ＡＴＨに側に膨張すると予測される。

図５は、本実施形態に係るシリンダボア１の使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示すグラフである。図５の左のグラフは、ヘッドボルト等の取付けをした場合のボアプロファイルを示す。図５の右のグラフは、上記の取付けをしてさらに熱負荷をかけた場合のボアプロファイルを示す。すなわち、図５の右のグラフは、実際の使用時に起こる変形をシミュレーションした結果である。このシミュレーション結果を三次元グラフで表したものが図６である。なお、図５の各グラフのボアプロファイルは、図６に示すスラスト方向ＴＨ及び反スラスト方向ＡＴＨを含む方向のボアプロファイルである。

図５及び図６から、最大径ｄ３が径ｄ１及び径ｄ２よりも大きい形状のシリンダボア１は、実際の使用時においては、上方の第１領域１１が最も径が小さく、下方の第２領域１２は中間部分である第３領域１３よりやや小さい程度の径にまで膨張すると推測される。

図７及び図８は、図４に示す形状に変形したシリンダボア１０１と、図６に示す形状に変形したシリンダボア１について、ピストンがストロークした際のピストンの二次運動の運動エネルギーと、ピストンと摺動面とのフリクションをシミュレートしたものである。図７及び図８において、従来例はシリンダボア１０１の結果であり、実施例はシリンダボア１の結果である。また、従来例と実施例において、シミュレーション条件は同一である。

図７のグラフから分かるように、実施例におけるピストンスラップ（二次運動の運動エネルギーの最大値）は、従来例とほぼ変わらない。一方で、実施例におけるＦＭＥＰは、従来例からほぼ半減している。これらのデータから、本実施形態に係るシリンダボア１は、ピストンスラップを過度に増加させずに、ピストンとのフリクションを低減させていることが分かる。

この結果は、図６に示すシリンダボア１のボアプロファイルにおいて、ボア上方の第１領域１１ではクリアランスが狭く、ボア中腹の第３領域１３及びボア下方の第２領域１２でクリアランスが広くなっていることが原因と思われる。ピストンスラップは、特に爆発上死点において大きくなるが、ピストンが上死点にある場合はピストンヘッドがクリアランスの狭い第１領域１１にあることで、ピストンスラップの過度の増加を抑制していると思われる。一方で、シリンダボア１の半分以上を占める第２領域１２及び第３領域１３ではクリアランスが広いので、ピストンとのフリクションを大きく下げていると思われる。また、第２領域１２は、第３領域１３よりはクリアランスが狭くなっている。これにより、ピストンが下死点近傍にある場合のピストンスラップの過度の増加も抑制していると思われる。

よって、本実施形態に係るシリンダボア１は、内燃機関用のシリンダライナ又はシリンダブロックのシリンダボアとして、特に有用である。

以上、本開示に係る一実施形態について詳述したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。本発明には、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

［付記］
以上のとおり、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） ピストンが摺動する摺動面を有し、
前記摺動面は、前記摺動面の上端部を含む第１領域と、前記摺動面の下端部を含む第２領域と、前記摺動面における前記第１領域及び前記第２領域の間の領域である第３領域と、を含み、
前記第３領域の径が前記第１領域及び前記第２領域の径よりも大きい形状を有する、
内燃機関用のシリンダボア。
このシリンダボアによれば、ピストンスラップを過度に増加させずに、シリンダボアとピストンとのフリクションを低減させることが可能である。
具体的には、第１領域と第２領域ではピストンスラップが増大しない程度のクリアランスとしつつ、シリンダボアの中腹の第３領域のクリアランスを広げることで、ピストンスラップを過度に悪化させることなく、フリクションを低減させることができる。よって、このシリンダボアを備えた内燃機関では、燃費の悪化を抑制することも可能である。

（２） 前記第３領域における最大径が、前記第１領域の径よりも０．０５～０．３％大きい、
上記（１）に記載のシリンダボア。
このシリンダボアによれば、ピストンスラップの過度な増大の抑制と、フリクションの低減という２つの目的を高いレベルで両立させることができる。

（３） 前記ピストンが摺動する方向において、前記第３領域の長さは、前記摺動面の全体の長さの２０～７５％である、
上記（１）又は（２）に記載のシリンダボア。
このシリンダボアによれば、ピストンとのフリクションをより低減させることが可能になる。

（４） 前記ピストンが摺動する方向において、前記第１領域の長さは前記第２領域の長さよりも長い、
上記（１）から（３）のいずれかに記載のシリンダボア。
ピストンスラップは、特に爆発上死点において大きくなる。この構成のように、ピストンが上死点にある場合にピストンヘッドが位置する第１領域の長さを第２領域の長さよりも長くすることで、ピストンスラップが大きくなりやすい爆発上死点において、ピストンヘッドの二次運動を第１領域によって抑制しやすくなり、ピストンスラップの過度な増大を効果的に抑制できる。

（５） 上記（１）から（４）のいずれかに記載のシリンダボアを有する、シリンダライナ又はシリンダブロック。
上記（１）から（４）のいずれかに記載のシリンダボアは、ピストンスラップの過度な増大の抑制と、フリクションの低減を両立可能なものである。よって、これらのシリンダボアは、シリンダライナ又はシリンダブロックの内面形状として、特に有用である。

１，１０１：シリンダボア
１１：第１領域
１２：第２領域
１３：第３領域
ｄ１～ｄ４：直径
ｈ１～ｈ４：高さ

Claims (2)

1. ピストンが摺動する摺動面を有し、
   前記摺動面は、前記摺動面の上端部を含む第１領域と、前記摺動面の下端部を含む第２領域と、前記摺動面における前記第１領域及び前記第２領域の間の領域である第３領域と、を含み、
   前記第３領域の径が前記第１領域及び前記第２領域の径よりも大きい略バレル型の形状を有し、
   前記第３領域における最大径が、前記第１領域の径よりも０．０５～０．３％大きく、
   前記ピストンが摺動する方向において、前記第３領域の長さは、前記摺動面の全体の長さの２０～７５％であり、
   前記ピストンが摺動する方向において、前記第１領域の長さは前記第２領域の長さよりも長く、且つ、前記第３領域の長さは前記第２領域の長さよりも長い
   内燃機関用のシリンダボア。
2. 請求項１に記載のシリンダボアを有する、シリンダライナ又はシリンダブロック。
   

Images