JPH0513969Y2 - - Google Patents

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JPH0513969Y2
JPH0513969Y2 JP1986176580U JP17658086U JPH0513969Y2 JP H0513969 Y2 JPH0513969 Y2 JP H0513969Y2 JP 1986176580 U JP1986176580 U JP 1986176580U JP 17658086 U JP17658086 U JP 17658086U JP H0513969 Y2 JPH0513969 Y2 JP H0513969Y2
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Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は内燃機関、特に、アルミニウム合金製
シリンダブロツクと、そのシリンダブロツクのシ
リンダボア内壁を摺動するアルミニウム合金製ピ
ストンとを備えた内燃機関に関する。
[Detailed Description of the Invention] Industrial Application Field The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly, to an internal combustion engine equipped with an aluminum alloy cylinder block and an aluminum alloy piston that slides on the inner wall of the cylinder bore of the cylinder block.

従来技術および解決しようとする課題 この種ピストンは内燃機関の運転中熱膨張する
ため、この熱膨張を予め見込んで、ピストンとシ
リンダボア内壁との間には常温下において或る程
度の〓間が設けられる。この〓間はピストンクリ
アランスと称され、シリンダボア内径とピストン
最大外径との差で表わされる。ピストンクリアラ
ンスが小さ過ぎると、ピストンとシリンダボア内
壁との間に焼付きを生じ易く、逆にピストンクリ
アランスが大き過ぎると、圧縮圧力の低下、ブロ
ーバイ(吹抜け)、オイル上り、ダイリユーシヨ
ン(ガソリンによるエンジンオイルの希釈)等の
原因となり、またピストンスラツプが発生する。
Prior Art and Problems to be Solved This type of piston undergoes thermal expansion during operation of an internal combustion engine, so in anticipation of this thermal expansion, a certain amount of space is provided between the piston and the inner wall of the cylinder bore at room temperature. It will be done. This gap is called piston clearance and is expressed as the difference between the cylinder bore inner diameter and the piston maximum outer diameter. If the piston clearance is too small, seizure will easily occur between the piston and the inner wall of the cylinder bore, while if the piston clearance is too large, it will cause a drop in compression pressure, blow-by, oil leakage, and dilution (gasoline engine This may cause oil dilution) and cause piston slap.

シリンダボア内壁を摺動するピストンのスカー
ト部は、連接棒の傾斜によつて生ずるサイドスラ
ストを受けるので、往復動するピストンが運動方
向を変える時に、ピストンクリアランスに起因し
てシリンダボア内壁に衝撃を与える。これがピス
トンスラツプである。ピストンスラツプが激しい
と、ピストンリングとリング溝の摩耗を早め、エ
ンジンオイルの消費量を増す等の不具合が生じる
ため、それ等の現象が生じない範囲で最小のピス
トンクリアランスを設定しなければならない。
The skirt of the piston sliding on the inner wall of the cylinder bore is subjected to side thrust caused by the inclination of the connecting rod, so that when the reciprocating piston changes its direction of motion, it impacts the inner wall of the cylinder bore due to the piston clearance. This is the piston slap. Severe piston slap causes problems such as accelerated wear of the piston rings and ring grooves and increased engine oil consumption, so the minimum piston clearance must be set within a range that does not cause these phenomena.

そこで、アルミニウム合金製ピストンを採用
し、またシリンダブロツクをアルミニウム合金よ
り構成すると共に耐摩耗性が要求されるシリンダ
ボア内壁を強化用繊維およびアルミニウム合金マ
トリツクスよりなる複合構造とした内燃機関が開
発され、この機関によればピストンクリアランス
を小さく設定することが可能である。
Therefore, an internal combustion engine has been developed that uses an aluminum alloy piston, a cylinder block made of an aluminum alloy, and a composite structure for the inner wall of the cylinder bore, which requires wear resistance, made of reinforcing fibers and an aluminum alloy matrix. According to the engine, it is possible to set the piston clearance small.

ところが、ピストンクリアランスをできるだけ
小さくすると、特に、シリンダボア内壁およびピ
ストンにおけるサイドスラストを受けるスカート
部間の摺動特性が問題となつた。
However, when the piston clearance is made as small as possible, problems especially arise in the sliding characteristics between the inner wall of the cylinder bore and the skirt portion of the piston that receives side thrust.

本考案は前記に鑑み、前記のような複合構造を
有するシリンダボア内壁およびピストンにおける
スカート部間の摺動特性を向上させることができ
るようにした前記内燃機関を提供することを目的
とする。
In view of the above, an object of the present invention is to provide the internal combustion engine, which has the above-described composite structure and can improve the sliding characteristics between the inner wall of the cylinder bore and the skirt portion of the piston.

課題を解決するための手段および作用効果 本考案は、アルミニウム合金製シリンダブロツ
クと、そのシリンダブロツクのシリンダボア内壁
を摺動するアルミニウム合金製ピストンとを備え
た内燃機関において、前記シリンダボア内壁を、
体積分率Vfが8〜30%のアルミナ繊維および体
積分率Vfが0.3〜15%の炭素繊維よりなるハイブ
リツド型強化用繊維とアルミニウム合金マトリツ
クスとよりなる複合構造とし、前記ピストンは、
そのスカート部外周面に、硬さHvが250以上の鉄
メツキ皮膜と、その鉄メツキ皮膜上に形成された
錫メツキ皮膜とを有することを特徴とする。
Means and Effects for Solving the Problems The present invention provides an internal combustion engine equipped with an aluminum alloy cylinder block and an aluminum alloy piston that slides on the cylinder bore inner wall of the cylinder block.
The piston has a composite structure consisting of a hybrid reinforcing fiber made of alumina fiber with a volume fraction Vf of 8 to 30% and carbon fiber with a volume fraction Vf of 0.3 to 15%, and an aluminum alloy matrix,
It is characterized by having an iron plating film having a hardness Hv of 250 or more on the outer peripheral surface of the skirt portion, and a tin plating film formed on the iron plating film.

シリンダボア内壁を前記のように構成すると、
その機械的強度を十分高い水準に維持することが
でき、またその耐摩耗性および耐焼付き性を向上
させることができる。特に、強化用繊維をハイブ
リツド型にして、その一部に自己潤滑能を有する
炭素繊維を用いているので、シリンダボア内壁の
スコーリング限界特性、スカツフイング限界特性
等の摺動特性向上のみならずピストンにおけるス
カート部の摺動特性を向上させる上で有効であ
る。
When the cylinder bore inner wall is configured as described above,
Its mechanical strength can be maintained at a sufficiently high level, and its wear resistance and seizure resistance can be improved. In particular, the reinforcing fibers are of a hybrid type, and some of them are made of carbon fibers with self-lubricating ability, which not only improves the sliding properties such as the scoring limit characteristics of the cylinder bore inner wall and the scuffing limit characteristics, but also improves the piston. This is effective in improving the sliding characteristics of the skirt portion.

一方、ピストンのスカート部に前記のようなメ
ツキ皮膜を設けると、機関のなじみ運転段階にお
いては、錫メツキ皮膜が前記複合構造のシリンダ
ボア内壁に対して優れた潤滑性を発揮し、またそ
の皮膜自体が融点232℃といつた優れた耐熱特性
を保有するので、スカート部におけるスコーリン
グ、焼付き等の発生を回避することができる。そ
して、なじみ運転段階を経過して錫メツキ皮膜の
耐用期間を過ぎた後は鉄メツキ皮膜が前記複合構
造のシリンダボア内壁に対して優れた耐摩耗性お
よび耐焼付き性を発揮するので、ピストンの延命
を図ることができる。
On the other hand, when a plating film as described above is provided on the skirt portion of the piston, the tin plating film exhibits excellent lubricity against the inner wall of the cylinder bore of the composite structure during the break-in stage of the engine, and the film itself Since it has excellent heat resistance properties with a melting point of 232°C, it is possible to avoid the occurrence of scoring, seizure, etc. in the skirt portion. After the break-in operation stage has passed and the service life of the tin plating film has expired, the iron plating film exhibits excellent wear resistance and seizure resistance on the inner wall of the cylinder bore of the composite structure, extending the life of the piston. can be achieved.

このように本考案によれば、前記複合構造を有
するシリンダボア内壁およびアルミニウム合金製
ピストンにおけるスカート部間の摺動特性を十分
に向上させることができる。
As described above, according to the present invention, the sliding characteristics between the inner wall of the cylinder bore having the composite structure and the skirt portion of the aluminum alloy piston can be sufficiently improved.

実施例 第1図に示す内燃機関において、シリンダブロ
ツク3はアルミニウム合金より構成され、そのシ
リンダボア内壁4は強化用繊維とアルミニウム合
金マトリツクスとよりなる複合構造を有する。シ
リンダブロツク3のシリンダボア内壁4を摺動す
るピストン1もシリンダブロツク3同様にアルミ
ニウム合金より構成される。
Embodiment In the internal combustion engine shown in FIG. 1, the cylinder block 3 is made of an aluminum alloy, and the cylinder bore inner wall 4 has a composite structure made of reinforcing fibers and an aluminum alloy matrix. The piston 1 sliding on the cylinder bore inner wall 4 of the cylinder block 3 is also made of aluminum alloy like the cylinder block 3.

シリンダブロツク3の製造に当つては、強化用
繊維よりなる円筒状繊維成形体を300℃に予熱し
て予熱温度200℃の金型内に設置し、次いで730〜
740℃のアルミニウム合金(JIS ADC12材)の溶
湯を注入圧260Kg/cm2で金型内に注入するもので、
これによりシリンダブロツク3の鋳造と同時に繊
維成形体に溶湯が充填されて複合構造を有するシ
リンダボア内壁4が形成される。
In manufacturing the cylinder block 3, a cylindrical fiber molded body made of reinforcing fibers is preheated to 300°C, placed in a mold with a preheating temperature of 200°C, and then heated to 730°C.
Molten aluminum alloy (JIS ADC12 material) at 740℃ is injected into the mold at an injection pressure of 260Kg/ cm2 .
As a result, the fiber molded body is filled with molten metal at the same time as the cylinder block 3 is cast, and the cylinder bore inner wall 4 having a composite structure is formed.

強化用繊維としては、体積分率Vfが8〜30%
のアルミナ繊維および体積分率Vfが0.3〜15%の
炭素繊維よりなるハイブリツド型強化用繊維が用
いられている。
As a reinforcing fiber, the volume fraction Vf is 8 to 30%.
A hybrid reinforcing fiber consisting of alumina fiber with a volume fraction of 0.3 to 15% and carbon fiber with a volume fraction Vf of 0.3 to 15% is used.

アルミナ繊維において、そのSiO2含有量は25
重量%以下、好ましくは2〜5重量%である。ま
たAl2O3中のα−Al2O3は10〜60%、好ましくは
45%以下である。さらに、アルミナ繊維中には非
繊維粒子(シヨツト)が含まれるが、その含有量
は、粒径150μm以上のものを2.5重量%以下に抑
えるのが好ましい。
In alumina fiber, its SiO2 content is 25
It is not more than 2% by weight, preferably 2 to 5% by weight. Also, α-Al 2 O 3 in Al 2 O 3 is 10 to 60%, preferably
Less than 45%. Furthermore, although the alumina fibers contain non-fiber particles (shot), it is preferable to limit the content of non-fiber particles (shot) having a particle size of 150 μm or more to 2.5% by weight or less.

この場合、アルミナ繊維の体積分率Vfが8%
を下回ると、シリンダボア内壁4を十分に強化で
きず、その耐摩耗性および耐焼付き性が低下す
る。一方、体積分率Vfが30%を上回ると、アル
ミニウム合金溶湯の充填性が悪化して複合化を十
分に行うことができず、またシリンダボア内壁4
の硬さが増して相手材であるピストン1の摩耗量
が増加し、その上熱伝導率も低下する。
In this case, the volume fraction Vf of alumina fiber is 8%
If it is below, the cylinder bore inner wall 4 cannot be sufficiently strengthened, and its wear resistance and seizure resistance decrease. On the other hand, if the volume fraction Vf exceeds 30%, the filling property of the molten aluminum alloy deteriorates, making it impossible to achieve sufficient composite formation.
The hardness of the piston 1 increases, and the amount of wear on the piston 1, which is the mating material, increases, and the thermal conductivity also decreases.

炭素繊維は自己潤滑能を有するので、シリンダ
ボア内壁4のスコーリング限界特性およびスカツ
フイング限界特性を向上させると共にピストン1
におけるスカート部2の摺動特性を向上させる効
果を有する。ただし、炭素繊維の体積分率Vfが
15%を上回ると、アルミナ繊維量との関係で総体
積分率Vfが大きくなるため、繊維成形体の成形
性が悪化し、一方、体積分率Vfが0.3%を下回る
と、その自己潤滑能を十分に発揮させることがで
きない。
Since carbon fiber has a self-lubricating ability, it improves the scoring limit characteristics and scrunching limit characteristics of the cylinder bore inner wall 4, and also improves the piston 1.
This has the effect of improving the sliding characteristics of the skirt portion 2. However, the volume fraction Vf of carbon fiber is
When it exceeds 15%, the total volume fraction Vf increases in relation to the amount of alumina fibers, and the formability of the fiber molded product deteriorates.On the other hand, when the volume fraction Vf falls below 0.3%, its self-lubricating ability decreases. I can't make it work to its full potential.

シリンダボア内壁4におけるハイブリツド型強
化用繊維の一例としては、アルミナ繊維〔97重量
%Al2O3(α−Al2O333%)、3重量%SiO2〕の体
積分率Vf12%、炭素繊維の体積分率Vf9%を挙げ
ることができる。
Examples of hybrid reinforcing fibers in the cylinder bore inner wall 4 include alumina fiber [97% by weight Al 2 O 3 (α-Al 2 O 3 33%), 3% by weight SiO 2 ] with a volume fraction of Vf 12%, carbon fiber The volume fraction of Vf is 9%.

ピストン1はアルミニウム合金(JIS AC8B
材)の鋳造品であり、第2図に示すようにスカー
ト部2の外周面に、硬さHvが250以上の鉄メツキ
皮膜5とその鉄メツキ皮膜5上に形成された錫メ
ツキ皮膜6とが設けられている。
Piston 1 is made of aluminum alloy (JIS AC8B
As shown in Fig. 2, the skirt portion 2 has an iron plating film 5 with a hardness of 250 or more Hv and a tin plating film 6 formed on the iron plating film 5, as shown in Fig. 2. is provided.

鉄メツキ皮膜5の厚さは30μm、硬さHvは300
程度が適当であり、また錫メツキ皮膜6の厚さは
1〜10μmが適当である。鉄メツキ皮膜5の硬さ
Hvは、電解条件、主として光沢剤の添加量、PH、
硫酸、浴温、電流密度によつて調整される。
The thickness of the iron plating film 5 is 30 μm, and the hardness Hv is 300.
The thickness of the tin plating film 6 is suitably 1 to 10 μm. Hardness of iron plating film 5
Hv is determined by electrolytic conditions, mainly the amount of brightener added, PH,
Adjusted by sulfuric acid, bath temperature, and current density.

鉄メツキ皮膜5の硬さHvと摩耗特性との関係
を調べるため、シリンダボア内壁4の前記例と同
材質、即ちアルミナ繊維の体積分率Vfが12%で
炭素繊維の体積分率Vfが9%のアルミニウム合
金製回転板および硬さHvの異なる鉄メツキ皮膜
5を有する複数のアルミニウム合金製チツプを用
いてチツプ・オン・デイスク摩耗試験を行なつた
ところ、第3図の結果が得られた。第3図によれ
ば、鉄メツキ皮膜5の硬さHv250以上において、
スカツフイング発生面圧が大きくなつており、優
れた摺動特性を得ることができる。
In order to investigate the relationship between the hardness Hv of the iron plating film 5 and the wear characteristics, the cylinder bore inner wall 4 was made of the same material as in the above example, that is, the volume fraction Vf of alumina fiber was 12% and the volume fraction Vf of carbon fiber was 9%. When a chip-on-disk wear test was conducted using an aluminum alloy rotating plate and a plurality of aluminum alloy chips having iron plating films 5 of different hardnesses Hv, the results shown in FIG. 3 were obtained. According to FIG. 3, when the hardness of the iron plating film 5 is Hv250 or more,
The surface pressure that causes scuffing is increased, and excellent sliding characteristics can be obtained.

試験例 1 前記内燃機関において、機関のなじみ運転段階
を想定して、シリンダボア内壁(アルミナ繊維の
体積分率Vf12%、炭素繊維の体積分率Vf9%)4
の表面をガソリン等で洗浄し、本考案例として
の、スカート部2に鉄メツキ皮膜5および錫メツ
キ皮膜6を有するアルミニウム合金製ピストン
1、スカート部に鉄メツキ皮膜および錫メツキ皮
膜のいずれも設けられていない比較例アルミニウ
ム合金製ピストンAおよびスカート部に鉄メツキ
皮膜のみを有する比較例ピストンBを用いて機関
を運転する実機摺動試験を行なつた。
Test example 1 In the internal combustion engine, assuming the engine break-in operation stage, the inner wall of the cylinder bore (volume fraction of alumina fiber Vf 12%, volume fraction of carbon fiber Vf 9%) 4
The surface of the aluminum alloy piston 1 having an iron plating film 5 and a tin plating film 6 on the skirt portion 2 as an example of the present invention, and both an iron plating film and a tin plating film on the skirt portion are provided. An actual machine sliding test was conducted in which an engine was operated using a comparative example piston A made of an aluminum alloy, which was not coated, and a comparative example piston B, which had only an iron plating film on the skirt portion.

その結果、本考案例ピストン1のスカート部2
には何等損傷が生じなかつたが、ピストンAでは
焼付きが発生し、またピストンBではその鉄メツ
キ皮膜に摺動方向に沿う細いスコーリングが発生
していることが確認された。
As a result, the skirt portion 2 of the piston 1 according to the present invention
Although no damage occurred to piston A, it was confirmed that seizure had occurred in piston A, and thin scoring had occurred in the iron plating film of piston B along the sliding direction.

試験例 2 チツプ・オン・デイスク摩耗試験を行なうため
に、鋳鉄製回転板Cと、本考案例に該当する、体
積分率Vfが12%のアルミナ繊維および体積分率
Vfが9%の炭素繊維で強化したアルミニウム合
金(JIS ADC12材)製回転板Dを用意した。
Test Example 2 In order to conduct a chip-on-disk wear test, a cast iron rotating plate C and alumina fibers with a volume fraction Vf of 12% and a volume fraction corresponding to the example of the present invention were used.
A rotating plate D made of aluminum alloy (JIS ADC12 material) reinforced with carbon fiber having a Vf of 9% was prepared.

またJIS AC8B材製チツプE、表面に硬度
Hv400の鉄メツキ皮膜を有するJIS AC8B材製チ
ツプGおよび本考案例に該当する、表面に鉄メツ
キ皮膜および錫メツキ皮膜を有するJIS AC8B材
製チツプHを用意した。
In addition, the chip E made of JIS AC8B material has hardness on the surface.
A chip G made of JIS AC8B material having an iron plating film of Hv400 and a chip H made of JIS AC8B material having an iron plating film and a tin plating film on the surface corresponding to the present invention example were prepared.

前記回転板とチツプとを用い、回転板の回転速
度を2.5m/秒とし、押付け荷重を変化させつつ、
無潤滑状態でチツプ・オン・デイスク摩耗試験を
行なつた。第4図は試験結果を示す。
Using the rotary plate and the chip, the rotating speed of the rotary plate was set to 2.5 m/sec, and while changing the pressing load,
Chip-on-disk wear tests were conducted without lubrication. Figure 4 shows the test results.

第4図の組合せC−Eと同D−Eとの比較か
ら、アルミニウム合金製チツプを鋳鉄製回転板に
摺接させる場合に比して、アルミニウム合金製チ
ツプを繊維強化されたアルミニウム合金製回転板
に摺接させる場合の方がスコーリング限界特性お
よびスカツフイング限界特性が低下することが判
る。
From the comparison between the combinations C-E and D-E in Figure 4, it is clear that compared to the case where the aluminum alloy chips are in sliding contact with the cast iron rotating plate, the aluminum alloy chips are replaced with fiber-reinforced aluminum alloy rotating plates. It can be seen that the scoring limit characteristics and scuffing limit characteristics are lower when the sheet is in sliding contact with the plate.

また組合せD−Eと同D−Gと同D−H(本考
案例)との比較から、アルミニウム合金製チツプ
の表面に鉄メツキ皮膜を設けることによりスコー
リング限界特性等が向上し、鉄メツキ皮膜上に錫
メツキ皮膜を設けることによりスコーリング限界
特性等が大幅に向上することが判る。
In addition, from a comparison of the combinations D-E, D-G, and D-H (example of the present invention), it was found that by providing an iron plating film on the surface of the aluminum alloy chip, the scoring limit characteristics, etc. were improved. It can be seen that by providing a tin plating film on the film, the scoring limit characteristics etc. are significantly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本考案の一実施例に係る内燃機関の要
部断面図、第2図はピストンにおけるスカート部
の要部拡大断面図、第3図は鉄メツキ皮膜の硬さ
とスカツフイング発生面圧との関係を示すグラ
フ、第4図は各種回転板およびチツプを用いたチ
ツプ・オン・デイスク摩耗試験結果を示すグラフ
である。 1……ピストン、2……スカート部、3……シ
リンダブロツク、4……シリンダボア内壁、5…
…鉄メツキ皮膜、6……錫メツキ皮膜。
Fig. 1 is a sectional view of the main part of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is an enlarged sectional view of the main part of the skirt portion of the piston, and Fig. 3 shows the hardness of the iron plating film and the surface pressure that causes scuffing. FIG. 4 is a graph showing the results of a chip-on-disc wear test using various rotating plates and chips. 1... Piston, 2... Skirt portion, 3... Cylinder block, 4... Cylinder bore inner wall, 5...
...Iron plating film, 6...Tin plating film.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] アルミニウム合金製シリンダブロツク3と、そ
のシリンダブロツク3のシリンダボア内壁4を摺
動するアルミニウム合金製ピストン1とを備えた
内燃機関において、前記シリンダボア内壁4を、
体積分率Vfが8〜30%のアルミナ繊維および体
積分率Vfが0.3〜15%の炭素繊維よりなるハイブ
リツド型強化用繊維とアルミニウム合金マトリツ
クスとよりなる複合構造とし、前記ピストン1
は、そのスカート部2外周面に、硬さHvが250以
上の鉄メツキ皮膜5と、その鉄メツキ皮膜5上に
形成された錫メツキ皮膜6とを有することを特徴
とする内燃機関。
In an internal combustion engine equipped with an aluminum alloy cylinder block 3 and an aluminum alloy piston 1 that slides on the cylinder bore inner wall 4 of the cylinder block 3, the cylinder bore inner wall 4 is
The piston 1 has a composite structure consisting of a hybrid reinforcing fiber made of alumina fiber with a volume fraction Vf of 8 to 30% and carbon fiber with a volume fraction Vf of 0.3 to 15%, and an aluminum alloy matrix.
An internal combustion engine characterized by having an iron plating film 5 having a hardness Hv of 250 or more on the outer peripheral surface of the skirt portion 2, and a tin plating film 6 formed on the iron plating film 5.
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