JPH09100742A - 内燃機関用エンジンブロックの製造方法 - Google Patents

内燃機関用エンジンブロックの製造方法

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JPH09100742A
JPH09100742A JP8192377A JP19237796A JPH09100742A JP H09100742 A JPH09100742 A JP H09100742A JP 8192377 A JP8192377 A JP 8192377A JP 19237796 A JP19237796 A JP 19237796A JP H09100742 A JPH09100742 A JP H09100742A
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spray
liner
cylinder
engine block
block
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JP8192377A
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David J Domanchuk
デイヴィッド・ジェイ・ドマンチュク
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C4/18—After-treatment
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量で、耐磨耗性を有し、傷が発生しにく
く、更に軽量であるエンジンブロックシリンダボアライ
ナー、及びこのライナーを内燃機関内に形成する方法を
提供する。 【解決手段】シリンダブロックを有するエンジンブロッ
クを機械加工し、所定の内径及び所定の外形で溶射成形
シリンダライナーを形成し、シリンダブロックを加熱
し、ボア内にシリンダライナーを挿入し、そして該ライ
ナーが圧縮力によってボア内の適所に固定されるよう
に、シリンダブロックが冷却される内燃機関用のエンジ
ンブロック製造方法である。この溶射成形ライナーは、
円筒体であって、所定の熱特性、磨耗と傷の発生に対す
る抵抗力を有する材料で形成される。この円筒体は、溶
射成形で形成された外側表面、及び溶射成形で形成され
た内側表面を有する。このライナーは、単溶射成形層又
は異なる材料による多溶射成形層とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に関し、
特に、ライナーを備えた内燃エンジンブロックに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】自動車などのエンジンブロックは、一般
的には鋳造された鉄又はアルミニウム材料から製造され
ている。鋳鉄エンジンブロックは丈夫で耐摩耗性はある
が、重すぎるという欠点がある。アルミニウムエンジン
ブロックでは軽量であるという利点はあるものの、ピス
トン及びリングと、それに対応するシリンダ壁との間の
摩耗及びすり傷の発生に対する抵抗性が小さいという欠
点がある。アルミニウムエンジンブロックには、摩耗と
傷の発生に対する抵抗性を改良するため、幾つかの技術
が使用されている。その技術の１つとして、鋳鉄シリン
ダライナーの挿入がある。しかしながら、エンジンブロ
ックとシリンダライナーの双方が互いに正確に合わさる
ように大幅な機械加工を行わなければならない。鋳鉄ラ
イナーの周囲にアルミニウムブロックを鋳造することも
知られているが、これは鋳造プロセスを複雑にするもの
となる。その上、鋳鉄ライナーは、アルミニウムエンジ
ンブロックの重量を増大させるという欠点を有する。他
の技術は、アルミニウムブロック全体をシリコン含有量
が高いアルミニウム合金で鋳造する。この材料は耐摩耗
性に優れているが、機械加工が困難で、鋳造も困難であ
る。
【０００３】更に別の技術としては、シリコン含有量が
低いアルミニウム合金でアルミニウムブロック全体を鋳
造し、そのブロックのボア、即ちアルミニウム合金のラ
イナーにメッキを施して、耐摩耗性を改良するものがあ
る。該メッキは、一般的には、シリコンカーバイド又は
ホウ素窒化物の粒子の制御された細密散布を金属基体に
一様に分布させたニッケル合金からなる。メッキはサイ
クルタイムが長く、材料コストが高いという欠点があ
る。
【０００４】更なる技術としては、アルミニウムブロッ
クのボアに溶射によりコーティングを設けるものがあ
る。これは、鋳鉄ライナーの摩耗とすり傷の発生に対す
る抵抗特性を提供するものとなる。ボアに対して、溶射
により直接コーティングをすることは、以下のような欠
点を有する。
【０００５】１．溶射によるコーティングを付着又は接
着させるための粗面を提供するために、その溶射を行う
前にボアの表面処理が必要となる。
【０００６】２．コーティングの定期的な接着テスト
（付着を保証するために必要となるもの）は一般に、本
質的に破壊的なものであり、それ故エンジンブロックを
廃棄する必要が生じる。
【０００７】３．過度の溶射(over-spray)が他の機械加
工面と接触しないことを確実にするために、エンジンブ
ロックの広範なマスキングが必要となる。
【０００８】４．コーティングの微細構造と厚さの定期
的なチェックは、一般に、本質的に破壊的なものであ
り、従って接着テストと同様に、エンジンブロックを廃
棄する必要が生じる。
【０００９】５．溶射を行う前にエンジン冷却剤通路に
熱水を通すことによりシリンダ壁面に予熱を与える必要
があり、次いで、金属が溶射されている際に、熱による
鋳造物の損傷を防ぐように鋳造物を冷却する。
【００１０】６．冷却通路の開口をシールしてエンジン
ブロック鋳造物を通る水の流れを許容する特別な固定具
でその鋳造物を支持する必要がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の方法の欠点を克服したライナーを有するエンジンブロ
ックの製造方法を提供すること、改良されたエンジンブ
ロックを提供すること、及び改良されたライナーを提供
することである。
【００１２】更に本発明の目的は、鋳造アルミニウムブ
ロックに通常使用されている鋳鉄ライナーと比較して一
層軽量な溶射ライナーを提供することである。
【００１３】また、本発明の目的は、鋳造アルミニウム
エンジン用の溶射成形によるシリンダボアライナーを提
供することである。この溶射成形によるライナーは、摩
耗と傷の発生に対する抵抗力をピストン及びピストンリ
ングとシリンダ壁との間に与えるものである。
【００１４】更に本発明の目的は、ライナーの溶射成形
後に外径の更なる処理を必要としない溶射成型ライナー
を提供することである。ライナーの溶射成形プロセス
は、機械加工された円筒の内径に所定の直径まで溶射を
行うことからなる。その結果として、組立ての準備が整
った滑らかな外径が得られる。この滑らかな外径は、エ
ンジンブロックのアルミニウムボアに優れた熱伝達性を
付与する。
【００１５】更に、本発明の別の目的は、如何なる材料
でも使用可能な溶射成形ライナーを提供することであ
る。この溶射成形ライナーは、溶射成形プロセスにより
形成される。溶射成形に使用するために粉末状又はワイ
ヤ状に製造可能な材料であれば如何なるものであって
も、溶射成形ライナーに使用できる可能性を有してい
る。このような材料としては、例えば、合金、純粋な金
属、クラッド合成鋼(Clad composites)、及びサーメッ
ト等がある。
【００１６】更に、本発明の他の目的は、２つの材料層
の組み合わせを有する溶射成形ライナーを提供すること
である。例えば、溶射成形ライナーは、その外側の層
に、熱伝達性に優れた特定の材料を使用し、内側の層
に、摩耗とすり傷の発生に対する抵抗性を付与する特定
の材料を使用することができる。
【００１７】更に、本発明の目的は、結合剤又は接着剤
を外径に使用した溶射成形ライナーを提供することであ
る。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の内燃機関用エン
ジンブロックの製造方法は、シリンダボアを有するエン
ジンブロックを製造し、所定の内径及び所定の外径を有
する溶射成形シリンダライナーを形成し、前記シリンダ
ブロックを加熱して、そのボア内に前記シリンダライナ
ーを挿入し、その後シリンダブロックを冷却して前記ラ
イナーをボア内の適所に圧縮力により固定するステップ
から成る。
【００１９】所定の内径及び所定の外径を有する溶射成
形シリンダライナーの形成は、機械加工された管の内径
に所定の直径まで溶射を行うライナーの溶射成形プロセ
スによる。このライナーの溶射成形に際しては、如何な
る材料でも使用可能であり、溶射成形に使用するために
粉末状又はワイヤ状に製造可能な材料であれば如何なる
ものであっても使用できる可能性を有している。このよ
うな材料としては、例えば、合金、純粋な金属、クラッ
ド合成鋼(Clad composites)、及びサーメット等があ
る。
【００２０】また、このライナーの溶射成形に際して
は、２つの材料層の組み合わせを有する溶射成形ライナ
ーとすることもできる。例えば、溶射成形ライナーの外
側の層には、熱伝達性に優れた特定の材料を使用し、内
側の層には、摩耗とすり傷の発生に対する抵抗性を付与
する特定の材料を使用することができる。
【００２１】本発明における溶射成形ライナーの組立て
方法の一例としては、アルミニウムブロックを予熱して
エンジンブロックのボアを膨張させ、溶射成形ライナー
を挿入する方法がある。該ブロックはその後冷却され、
溶射成形ライナーの周りに焼きばめ又は圧縮ばめ(compr
ession fit)が生じて、溶射成形ライナーが固定され
る。ライナーとアルミニウムボアとの熱膨張係数の違い
によって、高温でエンジンが稼働している際に圧縮ばめ
が弱まることとなる。このような場合には、付着又は結
合剤を使用して、アルミニウムブロックのボアに対する
ライナーの固定を強化する必要がある。
【００２２】この溶射成形プロセスにより形成されたシ
リンダライナーは、溶射成型の結果、溶射成形後に外径
の更なる処理を必要とせず、溶射成型ライナー組立ての
準備が整った滑らかな外径となる。この滑らかな外径
は、エンジンブロックのアルミニウムボアへの優れた熱
伝達性を付与する。更にこの溶射ライナーは、鋳造アル
ミニウムブロックに通常使用されている鋳鉄ライナーと
比較して一層軽量であり、摩耗と傷の発生に対する抵抗
力をピストン及びピストンリングとシリンダ壁との間に
与えるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明によれば、図１に示すよう
に、薄壁溶射成形シリンダボアライナー10が、内燃機関
内に配設される。該溶射成形ライナー10は、摩耗と傷の
発生に対する抵抗力のある表面を、ピストン11及びピス
トンリング９とエンジンブロックのボア12との間に与え
るものである。
【００２４】溶射成形は、溶射プロセスによって構造部
品を製造するものである。プラズマ溶射は、溶射成形ラ
イナー10（図２参照）の製造に使用される好ましい溶射
成形技術である。プラズマガン13を使用し、粉末状材料
14は、加熱されたプラズマガス（hot gas plasma）内に
注入され、そこで加熱され、再利用可能な管状鋳型１５
の内面に加速される。管状鋳型15とプラズマガン13と
は、管状鋳型の軸を中心として相互に回転する。該管状
鋳型15とプラズマガン13とが相互に軸方向に移動して材
料層が管状鋳型15の内面に形成され、その結果、この材
料が凝固した際に単一の溶射成形ライナー10が成形され
る。このライナー10は、鋳型から取り出し、所定長さに
機械加工して、前述したようにエンジンブロックのボア
に挿入することができる。該ライナー10は、融解又は半
融解状態の粒子を堆積させることにより管状鋳型の内面
に成形される。管状鋳型15は、好ましくは、一定の回転
数(fixed RPM)で回転する取付具16に据え付けられる。
次いで、プラズマガン13は、管状鋳型が回転している際
にその管状鋳型15の内方及び外方へと軸方向に移動し
て、管状鋳型15の内面17に材料を溶射する。
【００２５】管状鋳型15の内面17は、完成したライナー
の外径（O.D.）と一致する所定の内径(I.D.)に機械加工
される。この管状鋳型15の所定の直径は、冷却後の溶射
成形ライナー10の収縮を考慮して大きめに形成される。
プラズマガンの通過回数は、溶射成形ライナー10に要求
される材料厚さを基に算出される。通常は0.010〜0.060
インチ（約0.254〜1.524mm）の厚さとなる。
【００２６】溶射粉末材料は、所望の熱伝達特性、耐摩
耗性及び傷の発生に対する抵抗性を得るのに適するもの
であれば如何なる材料でもよい。プラズマ溶射のために
粉末状に製造することのできるものであれば、どのよう
な材料でも溶射成形に使用できる可能性がある。例を挙
げれば、合金、純粋な金属、被覆複合物、及びサーメッ
トがある。例えば、アルミニウムエンジンブロックに用
いられるライナーにとって申し分のない材料としては、
Fe-Cr; Mo-Ni-Cr; Fe-Mo-B-Cがある。その他の材料とし
ては、固体潤滑剤を含有する金属又は合金がある。
【００２７】図４に示すように、２つの異なる層を溶射
成形ライナー18の形成に使用できる。例えば、優れた熱
伝達特性を有する材料の薄い層19を、最初に管状鋳型15
の内面17に形成し、その次に、摩耗、すり傷の発生に対
する優れた抵抗性、及び優れた耐摩擦特性を有する材料
から成る層20を形成する。例えば、前記の外側の層１９
をアルミニウム合金で形成し、内側の層２０をMo-Ni-Cr
で形成することができる。理想的には、極めて安価であ
りながら摩耗とすり傷の発生に対する抵抗特性を有する
材料が、溶射成形ライナーにとって最適である。
【００２８】本実施例では、溶射成形ライナーの製造に
プラズマガンが好適に使用されているが、本発明の範囲
は、この種のガンだけに限定されるものではない。本発
明に使用可能な異なる種類の溶射ガンとしては、高速酸
素燃料(High-velocity oxi-fuel)、２線式のワイヤーア
ーク(dual wire arc)、及びプラズマを用いたトランス
ファーワイヤーアーク(plasma transfer wire arc)等が
挙げられる。加えて、これらシステムの中には、ワイヤ
ー状態で溶射ガンに供給される材料を使用するものがあ
る。粉末材料の場合と同様に、通常ワイヤー状で供給さ
れるものあれば、どのような材料でも溶射成形ライナー
に使用できる可能性がある。
【００２９】適当な厚さの材料層が管状鋳型15の内径に
形成された後、該管状鋳型１５を冷却して、溶射成形ラ
イナー10を収縮させると共に管状鋳型15からの分離を許
容し、これにより、溶射成形ライナー10の取り出しを容
易にすることができる。
【００３０】溶射成形ライナー10を管状鋳型15から取り
出した後、溶射成形ライナーの両端部が直角になるよう
に事後機械加工操作を行う必要がある場合がある。これ
は、マンドレルにライナーを取付けて、そのライナーの
各端部の小部分を高速ボラゾン又はダイアモンドホイー
ルで切り取ることによって行うことができる。
【００３１】溶射成形ライナー10を製造し機械加工した
後、その溶射成形ライナー10はエンジンブロックのボア
内に組み込む準備が整ったものとなる。
【００３２】管状鋳型15の内径に溶射することによるラ
イナーの溶射成形における特有の特徴の１つは、滑らか
で完全に仕上げられた外径が形成されることにある。組
み立て前にそのライナーの外径の更なる処理を行う必要
はない。滑らかな外径はアルミニウムブロックへの適当
な熱伝導を行うための要件である。
【００３３】図５に示すように、実際の溶射成形ライナ
ー10の組み立てでは、ブロック21のシリンダボア12が所
定の直径に機械加工されることが要求される。この直径
は、アルミニウムブロックが所定の温度に加熱された際
に、そのボアが完成状態の溶射成形ライナー10の外径よ
りも大きい直径へと拡張するように設計される。その
後、該ライナーは、エンジンブロック21のボア12内に挿
入することが可能となる。このブロック21は、その後室
温まで冷却されて、溶射成形ライナー10の周りに焼きば
め又は圧縮ばめが生じ、これにより溶射成形ライナー10
が適所に固定される。
【００３４】なお、ライナーとアルミニウムボアブロッ
クとの間の熱膨張係数の違いによって、高温でエンジン
が稼働している際に圧縮ばめが弱まることとなる。従っ
て、アルミニウムブロックのボアにライナーを確実に固
定する為に、溶射成形ライナー10の外径表面に接着剤又
は結合剤の使用が必要となる場合がある。理想的には、
溶射成形ライナー材料は、その熱膨張係数をアルミニウ
ムブロックの熱膨張係数とほぼ一致させて、高温でエン
ジンが稼働している際に圧縮ばめが弱まる可能性を最小
限にするべきである。さらに、ライナーをエンジンブロ
ックに挿入した後、それがボアに対して適所に配置され
ている状態で、そのライナーの内径がホーニング仕上げ
によって機械加工される。ライナーを保持する圧縮力
は、ブロック内に挿入した後のライナーの内径の機械加
工に必要な研ぎ力(honing force)よりも大きい。圧縮力
が研ぎ力に打ち勝つのに十分なものでない場合には、溶
射成形ライナーはボア内で回転することとなる。この回
転は、ブロックを使いものにならなくし、該ブロックを
廃棄させることとなる。接着剤又は結合剤を使用するこ
とにより、このような回転が発生する可能性を最小限に
することができる。
【００３５】溶射成形ライナーの挿入に続き、該エンジ
ンブロックは、ホーニング仕上げ操作に移ることができ
る。このホーニング仕上げ操作は、所定のボアサイズが
得られるまで、所定量の材料を溶射成形ボアの内径から
取り除く。この時点で、このエンジンブロックは、エン
ジンの構成要素の更なる組み立てを行う準備が整ったも
のとなる。
【００３６】次の実施例は、本発明の典型的なものであ
る。
【００３７】
【実施例】
［実施例１］ 管状鋳型材料 真鍮 ライナー材料 Fe-Cr エンジンブロック材料 319アルミニウム ライナーの溶射厚さ 0.040インチ（約1.016mm） このように、本発明によって提供される溶射成形ライナ
ーは、軽量で、摩耗と傷の発生に対する所望の抵抗性を
有し、製造後における外径の追加的な処理を必要とせ
ず、一様な壁厚を生み出す所定の方法で製造されるもの
であることが理解されよう。
【００３８】
【発明の効果】本発明によれば、シリンダボア内に、製
造後の外径処理を必要とすることなく、溶射成形により
一様な壁厚で、軽量で、要求される摩耗と傷の発生に対
する抵抗性を有する溶射成形ライナーを挿入したエンジ
ンブロックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一つのシリンダボア内に溶射成形シリンダライ
ナーを備える内燃機関を示す断面図である。
【図２】回転式固定具に取り付けられた断面で示す管状
鋳型の内径に材料を堆積させる溶射成形ガンを示す側面
図である。
【図３】薄壁溶射成形シリンダライナーを示す断面図で
ある。
【図４】二層溶射成形シリンダライナーを示す部分断面
図である。
【図５】エンジンブロックの機械加工されたシリンダボ
ア内に組み付けられた溶射成形ライナーを示す断面図で
ある。
【符号の説明】
９ ピストンリング １０ シリンダボアライナー １１ ピストン １２ ボア １３ プラズマガン １４ 粉末状材料 １５ 管状鋳型 １６ 取付具 １７ 管状鋳型内面 １８ 溶射成形ライナー １９ 層 ２０ 層 ２１ エンジンブロック

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関用エンジンブロックの製造方法で
    あって、 シリンダボアを有するエンジンブロックを製造し、 所定の内径及び所定の外径を有する溶射成形シリンダラ
    イナーを形成し、 前記シリンダブロックを加熱し、 前記ボア内に前記シリンダライナーを挿入し、 シリンダブロックの冷却を許容して前記ライナーをボア
    内に圧縮力により固定させる、という各ステップから成
    る、内燃機関用エンジンブロックの製造方法。
  2. 【請求項２】溶射成形シリンダライナーの内径を所定の
    直径に機械加工するステップを含む、請求項１に記載の
    内燃機関用エンジンブロックの製造方法。
  3. 【請求項３】ブロック内にある際にシリンダライナーの
    内径をホーニング仕上げすることからなる前記ライナー
    の機械加工を行うステップを含む、請求項１に記載の内
    燃機関用エンジンブロックの製造方法。
  4. 【請求項４】各シリンダライナーが、第１の溶射成形層
    と第２の溶射成形層とからなる、請求項１に記載の内燃
    機関用エンジンブロックの製造方法。
  5. 【請求項５】シリンダボアとシリンダライナーとの間に
    結合剤を使用するステップを含む、請求項１に記載の内
    燃機関用エンジンブロックの製造方法。
  6. 【請求項６】シリンダライナーを挿入する前にシリンダ
    ブロックを加熱するステップを含む、請求項１に記載の
    内燃機関用エンジンブロックの製造方法。
  7. 【請求項７】所定の直径を有する溶射成形シリンダライ
    ナーを形成するステップが、 溶射成形ガンを使用し、 所定の内径を有する管状鋳型を使用し、 この管状鋳型内に溶射成形ガンを軸方向に配置し、 溶射成形ガンに対して管状鋳型を回転させると同時に、
    所望の厚さの材料層が該管状鋳型に形成されるまで前記
    溶射成形ガンを介して材料を射出すると共にその溶射成
    形ガンを管状鋳型の軸に沿って往復動させる、という各
    ステップからなる、請求項１〜６の何れか１項に記載の
    内燃機関用エンジンブロックの製造方法。
  8. 【請求項８】所定の熱特性と摩耗及びすり傷の発生に対
    する抵抗性とを有する所定の材料から製造された円筒体
    からなり、 前記円筒体の外面が溶射成形で形成され、 前記円筒体の内面が溶射成形で形成されていることを特
    徴とする、溶射成形シリンダライナー。
  9. 【請求項９】前記ライナーが単一の溶射成形層からな
    る、請求項８に記載の溶射成形シリンダライナー。
  10. 【請求項１０】前記ライナーが、異なる材料を用いた複
    数の溶射成形層からなる、請求項８に記載の溶射成形シ
    リンダライナー。
  11. 【請求項１１】アルミニウムエンジンブロックが、管状
    ボアを有し、 前記各ボア内に１つの溶射成形ライナーを配置し、 前記各シリンダライナーが、所定の熱特性を有している
    材料で形成した円筒体からなり、 前記円筒体の外面が溶射成形で形成され、 前記円筒体の内面が溶射成形で形成され、 前記各シリンダライナーは、前記前記エンジンブロック
    と前記ライナーとの間の圧縮力により、それぞれのボア
    に保持されていることからなるアルミニウムエンジンブ
    ロック。
  12. 【請求項１２】前記ライナーが、単一の溶射成形ライナ
    ーからなる、請求項11に記載のエンジンブロック及び溶
    射成形シリンダライナー。
  13. 【請求項１３】前記各ライナーが、異なる材料を用いた
    複数の溶射成形層からなる、請求項11に記載のエンジン
    ブロック及び溶射成形シリンダライナー。
JP8192377A 1995-07-20 1996-07-22 内燃機関用エンジンブロックの製造方法 Pending JPH09100742A (ja)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US124495P 1995-07-20 1995-07-20
US08/592,459 US5598818A (en) 1996-01-26 1996-01-26 Method of providing a cylinder bore liner in an internal combustion engine
US001244 1996-01-26
US592459 1996-01-26

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