JPWO2015029661A1 - エンジンおよびそれを備えたエンジン作業機 - Google Patents
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Abstract
エンジンの耐久性を維持しつつ、軽量化に優れたマグネシウム合金からなるシリンダを有するエンジン作業機を提供する。エンジン作業機は、シリンダボア２３にピストン１５が組み込まれるシリンダ１６を有するエンジンと、エンジンにより駆動される作業具とを有している。シリンダ１６はマグネシウム合金からなる。シリンダボア２３、またはシリンダボア２３とシリンダ１６の外面とを含めたシリンダ全体に、ニッケルメッキ皮膜、または銅メッキ皮膜を形成する。
Description
本発明は、エンジンにより作業具を駆動するようにしたチェンソーや刈払機等の手持ち式のエンジン作業機に関する。
作業具をエンジンにより駆動するようにした携帯作業用のエンジン作業機には、チェンソー、刈払機、ブロワ等がある。チェンソーは、チェーン形の鋸歯であるソーチェンを作業具として木材等の作業対象物を切断するために使用される。刈払機は、操作桿の先端に作業具としての刈刃を備え、主に草刈りに使用される。ブロワは、作業具としてのファンを備え、送風により路面の落葉や塵芥などを吹き寄せるために使用される。
チェンソーや刈払機に代表される手持ち式のエンジン作業機の多くは、エンジンの高出力化および小型化のみならず、軽量化が求められているため、エンジンのシリンダとしてはアルミニウム合金が採用されている。エンジンをさらに軽量化するには、アルミニウム合金よりも比重の小さいマグネシウム合金をシリンダの素材とすることが考えられる。
しかしながら、マグネシウム合金を素材としたシリンダは、酸化に弱く、温度が２００〜３００℃となると強度が低下するため、エンジン作業機の動力源として用いられるエンジンのシリンダにマグネシウム合金を使用することは、エンジンの耐久性、耐摩耗性等が十分に得られないという課題がある。
シリンダの素材として部分的にマグネシウム合金を使用するようにしたエンジンブロックが特許文献１に記載されている。このエンジンブロックは、マグネシウム合金からなるシリンダブロック本体と、アルミニウム合金や鋳鉄等からなるシリンダライナとを有し、シリンダライナをシリンダブロック本体内に鋳込むようにしている。このエンジンブロックにおいては、シリンダ鋳鉄とマグネシウム合金との接触による電食の発生を防止するために、シリンダライナとシリンダブロック本体との間に、電気絶縁層を介在させるようにしている。
しかしながら、シリンダブロック本体にアルミニウム合金や鋼材等からなるシリンダライナを鋳込むようにすると、エンジンブロックの製造コストが高くなるだけでなく、軽量化の効果が十分に得られないという課題がある。特に、チェンソー等の手持ち式のエンジン作業機は、作業者が手に持って作業を行うので、エンジン作業機の作業性を高めるには、エンジンの軽量化が必須となっている。
本発明の目的は、エンジンの耐久性を維持しつつ、軽量化に優れたマグネシウム合金からなるシリンダを有するエンジン作業機を提供することにある。
本発明のエンジンは、シリンダボアにピストンが組み込まれるシリンダを有するエンジンであって、前記シリンダはマグネシウム合金からなり、前記シリンダボア、または前記シリンダボアと前記シリンダの外面とを含めたシリンダ全体または一部に、ニッケルメッキ皮膜、または銅メッキ皮膜を形成した。エンジン作業機は、エンジンと当該エンジンにより駆動される作業具とを有している。
このエンジンは、シリンダがアルミニウム合金に比して軽量であるマグネシウム合金からなるので、シリンダを含めてエンジン作業機の軽量化を容易に達成することができる。マグネシウム合金からなるシリンダは、シリンダ温度が２００〜３００℃になると、強度が低下することが避けられなかったが、シリンダボアまたはシリンダ全体にニッケルメッキ皮膜を施すことにより、シリンダ強度を高めてシリンダの耐久性を向上させることができる。シリンダボアに第１層としてニッケルメッキ皮膜を施して、その表面に第２層としてクロムメッキ皮膜を施すと、シリンダボアの耐摩耗性も向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示されるように、エンジン作業機としてのチェンソー１０は作業機本体１１を有している。作業機本体１１の先端部にはガイドバー１２が取り付けられ、ガイドバー１２にはソーチェン１３が掛け回されている。作業機本体１１には、動力源としての図示しないエンジンと、エンジンのクランク軸により回転駆動されるスプロケットとが設けられている。ガイドバー１２に掛け回されているソーチェン１３はスプロケットにも掛け回されている。すなわち、ソーチェン１３は、スプロケットとガイドバー１２とに亘って掛け回されており、スプロケットが回転駆動されると、ガイドバー１２の外周部に沿ってソーチェン１３が回動する。作業者は、回動するソーチェン１３を樹木などの対象物に押し当てることによって、対象物を切断したり、削ったりすることができる。
図２は、エンジン作業機としてのチェンソー１０に組み込まれたエンジン１４の一部を示す断面図である。エンジン１４は、図示しないクランク軸が回転自在に装着されるクランクケースと、ピストン１５が直線往復動自在に組み込まれるシリンダ１６とを有しており、クランクケースとシリンダ１６とによりエンジン本体が形成される。ピストン１５は図示しないコネクティングロッドによりクランク軸に連結されており、ピストン１５の往復運動がクランク軸の回転運動に変換される。
エンジン１４は２サイクルの空冷エンジンであり、シリンダ１６には複数の放熱フィン２１が外方に突出して設けられている。シリンダ１６には、吸気口に連通する流路が設けられたインシュレータを介して気化器が取り付けられており、インシュレータによりシリンダ１６の熱が気化器に伝わることを防止している。インシュレータおよび気化器などは図示省略されている。気化器には、フィルタエレメントにより清浄化された外部空気と、図示しない燃料タンクからの燃料が供給され、気化器により混合気が生成され、混合気は吸気口からエンジン本体内に供給される。供給された混合気は点火プラグ２２により点火される。シリンダ１６には排気口に連通させてマフラが取り付けられている。
図３は図２のＡ部を示す拡大断面図であり、図４は図２のＢ部を示す拡大断面図である。
図２に示されるように、シリンダ１６には、シリンダボア２３が設けられており、ピストン１５はシリンダボア２３内に組み込まれる。複数の放熱フィン２１が外方に突出してシリンダ１６に設けられている。シリンダ１６は、マグネシウム合金を素材として鋳造により製造されている。マグネシウム合金により鋳造されたシリンダ１６は、機械加工により、シリンダボア２３が所定の内径に加工される。クランク軸が回転自在に支持されるクランクケースも、シリンダ１６と同様にマグネシウム合金により製造される。
マグネシウム合金の比重は、アルミニウム合金の比重の２／３程度であり、シリンダ１６をアルミニウム合金により製造する場合に比して、シリンダ１６の重量を軽量化することができる。これにより、チェンソー１０の軽量化を達成することができる。クランクケースもマグネシウム合金により形成すると、シリンダ１６とクランクケースとにより構成されるエンジン１４の軽量化を達成することができる。
シリンダボア２３を含めたシリンダ１６の内面と、放熱フィン２１が設けられたシリンダ１６の外面とを含めたシリンダ１６全体に、ニッケルメッキ処理により、ニッケルメッキ皮膜が施される。図３はシリンダボア２３の部分に施されたニッケルメッキ皮膜３１を示し、図４は放熱フィン２１の表面に施されたニッケルメッキ皮膜４１を示す。なお、図３および図４においては、それぞれのニッケルメッキ皮膜３１，４１の厚みは誇張して示されている。ニッケルメッキ皮膜３１，４１は、無電解ニッケルメッキ処理により施される。このメッキは、電気メッキとは相違し、通電による電子ではなく、メッキ液に含まれる還元剤の酸化により放出される電子により、液に含浸することでシリンダ１６に金属ニッケル皮膜を析出させる処理方法である。
ニッケルメッキ皮膜３１，４１の厚みは、１０〜２０μｍである。ニッケルメッキ皮膜の厚みをこの範囲に設定すると、シリンダ１６の放熱性を損なうことなく、シリンダ１６の強度を増加させることができる。マグネシウム合金からなるシリンダ１６の全体にニッケルメッキ皮膜を施すと、シリンダ１６の強度を増加させることができるだけでなく、マグネシウム合金の酸化を防止でき、シリンダ１６の耐食性、耐摩耗性を高めることができる。無電解ニッケルメッキによる皮膜は、シリンダ１６の温度を２００〜３００℃に高めると、ベーキング処理が行われて、皮膜の強度を高めることができる。これにより、高温強度が低いマグネシウム合金の強度が補われ、シリンダ１６の耐久性を向上させることができる。ニッケルメッキ皮膜３１，４１の組成は、ニッケルＮｉが９０〜９２％であり、リンＰが８〜１０％である。
チェンソー１０を組み立てた後に、実際にエンジン１４を駆動させると、燃焼ガスによりシリンダ１６の温度が２００〜３００℃の温度となって、ニッケルメッキ皮膜３１，４１には自動的にベーキング処理が施される。その場合には、エンジン１４の燃焼調整の際に、１０分程度エンジンを駆動すると、燃焼プロファイルで所定のベーキング硬度の７０％が達成される。その後のエンジン運転により残りの３０％を硬化完了させることができる。ただし、シリンダ１６を製造させる工程において、シリンダ１６を熱処理することにより、ベーキング処理を行うようにしても良い。
無電解ニッケルメッキによりニッケルメッキ皮膜３１，４１を施す前には、予め、シリンダ１６に銅メッキからなる前処理皮膜３２，４２を施しておく。このように前処理皮膜３２，４２を施すと、ニッケルメッキ皮膜３１，４１とシリンダ１６との密着性を高めることができる。
マグネシウム合金の酸化を防止し、シリンダ１６の強度を維持しつつ、その耐食性、耐摩耗性を高めるための皮膜としては、ニッケルメッキ皮膜に代えて、銅メッキ皮膜をシリンダ１６の全体に施すようにしても良い。その銅メッキ皮膜の厚みは、ニッケルメッキ皮膜３１，４１と同様に、１０〜２０μｍである。銅メッキ皮膜の厚みをこの範囲に設定すると、シリンダ１６の放熱性を損なうことなく、シリンダ１６の強度を増加させることができる。
シリンダボア２３には、ピストン１５に設けられたピストンリング１５ａが摺動接触することになるので、ピストンリング１５ａが摺動する部分の耐摩耗性を高めるために、図３に示すように、ニッケルメッキ皮膜３１の表面にはクロムメッキ皮膜３３が施されている。このように、シリンダボア２３の内周面は、ニッケルメッキ皮膜３１を第１層とし、その表面に第２層としてのクロムメッキ皮膜３３が積層形成されている。シリンダボア２３の耐摩耗性を高めるために、シリンダ１６に直接クロムメッキ皮膜を施すと、クロム酸によりシリンダ１６が腐食することから、シリンダ１６の表面にクロムメッキを施すことができなかった。これに対し、第１層としてシリンダ１６に施されたニッケルメッキ皮膜３１の表面に、第２層としてクロムメッキ皮膜３３を積層形成すると、シリンダボア２３の表面にクロムメッキ皮膜３３を施すことができ、シリンダボア２３の内周面がクロムメッキ被膜となる。これにより、マグネシウム合金からなるシリンダ１６の耐久性と耐摩耗性とを高めることができ、マグネシウム合金からなるシリンダ１６の実用化が可能となる。シリンダ１６の内面としては、ピストンリング１５ａが摺動するシリンダボア２３以外に点火プラグ２２が取り付けられるシリンダ頂部や、これの反対側のシリンダ開口部の内面がある。これらの内面についても、クロムメッキ皮膜３３を施すようにしても良く、内面全体を同時にクロムメッキ皮膜を施すと、処理効率を高めることができる。
第１層のニッケルメッキ皮膜３１の上に施す第２層としては、上述したクロムメッキ皮膜３３に代えて、鉄メッキ皮膜、またはニジカルメッキ皮膜としても良く、いずれの皮膜もシリンダボア２３の耐摩耗性を高めることができる。
図２に示すシリンダ１６においては、シリンダボア２３の内面には、図３に示されるように、ニッケルメッキ皮膜３１とクロムメッキ皮膜３３とを層状に積層させている。これに対し、シリンダ１６の外面には、図４に示されるように、ニッケルメッキ皮膜４１が施されており、クロムメッキ皮膜３３は施されていない。ただし、シリンダ１６の全体つまり内面と外面の全てについて、２層のメッキ皮膜を施すようにしても良い。その場合の第２層目の皮膜としては、上述したように、クロムメッキ皮膜、鉄メッキ皮膜、またはニジカル皮膜のいずれとしても良い。
クランクケースも同様にマグネシウム合金により製造されており、これの全表面にニッケルメッキ皮膜、または銅メッキ皮膜を施すことにより、クランクケースの酸化を防止でき、クランクケースの耐食性、耐摩耗性を高めることができる。
上述のように、マグネシウム合金の比重は、アルミニウム合金の比重の約２／３であり、シリンダ１６をアルミニウム合金に代えて、マグネシウム合金により製造すると、シリンダ１６を軽量化することができ、エンジン作業機の軽量化を容易に達成することができる。マグネシウム合金は、エンジン運転中のシリンダ温度が２００〜３００℃になると、シリンダ強度が低下したり、シリンダボア２３が摩耗したり、酸化腐食したりすることが避けられなかった。これに対し、シリンダボア２３またはシリンダ全体にニッケルメッキ皮膜、または銅メッキ皮膜を施すと、シリンダ１６の強度を高めることができ、シリンダ１６の耐久性を向上させることができる。
さらに、ニッケルメッキ皮膜の表面にクロムメッキ皮膜を施して、２層構造のメッキ皮膜を形成すると、耐摩耗性も向上させることができる。したがって、シリンダボア２３にニッケルメッキ皮膜３１とクロムメッキ皮膜３３とを施すと、ピストンリング１５ａが摺動接触するシリンダボア２３の耐摩耗性を向上させることができる。
チェンソー１０等のエンジン作業機は、エンジン１４を停止させて作業対象物に対する作業を一時的に中断させた後に、エンジン１４を再起動させて作業を継続することがある。エンジン１４を停止したときには、シリンダ１６は高熱となっており、その高熱はインシュレータを介して気化器にまで伝達される。このため、エンジン停止時にインシュレータや気化器内に残留していた混合気が気化され、エンジン再起動までの中断時間が短いと、エンジン再起動を円滑に行うことができない場合がある。
これに対し、シリンダ１６をマグネシウム合金により製造すると、エンジン停止時から長い時間が経過しなくとも、シリンダ１６の温度は放熱されて短時間で冷却される。これにより、アルミニウム合金製のシリンダに比して、マグネシウム合金からなるシリンダ１６を有するエンジンにおいては、エンジン停止時から再起動までに長い時間を経過させることなく、円滑にエンジン１４を再起動させることができる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図１および図２は、エンジン作業機としてのチェンソー１０を示すが、エンジン作業機としては、作業者が手に持って作業を行うようにした携帯型のものであれば、刈払機等の他のエンジン作業機にも本発明を適用することができる。また、図示したエンジン１４は空冷２サイクルエンジンであるが、４サイクルエンジンのシリンダとしても本発明を適用することができる。
１０…チェンソー（エンジン作業機）、１１…作業機本体、１２…ガイドバー、１３…ソーチェン、１４…エンジン、１５…ピストン、１５ａ…ピストンリング、１６…シリンダ、２１…放熱フィン、２２…点火プラグ、２３…シリンダボア、３１…ニッケルメッキ皮膜、３２…前処理皮膜、３３…クロムメッキ皮膜、４１…ニッケルメッキ皮膜、４２…前処理皮膜。
本発明のエンジンは、シリンダボアにピストンが組み込まれるシリンダを有するエンジンであって、前記シリンダはマグネシウム合金からなり、前記シリンダボアに、ニッケルメッキ皮膜、または銅メッキ皮膜を形成し、前記ニッケルメッキ皮膜、または前記銅メッキ皮膜を第１層とし、クロムメッキ皮膜、鉄メッキ皮膜、ニカジルメッキ皮膜のいずれかを、第２層として前記第１層の表面に積層形成した。エンジン作業機は、エンジンと当該エンジンにより駆動される作業機とを有している。
第１層のニッケルメッキ皮膜３１の上に施す第２層としては、上述したクロムメッキ皮膜３３に代えて、鉄メッキ皮膜、またはニカジルメッキ皮膜（ニッケルシリコンカーバイドメッキ皮膜）としても良く、いずれの皮膜もシリンダボア２３の耐摩耗性を高めることができる。
図２に示すシリンダ１６においては、シリンダボア２３の内面には、図３に示されるように、ニッケルメッキ皮膜３１とクロムメッキ皮膜３３とを層状に積層させている。これに対し、シリンダ１６の外面には、図４に示されるように、ニッケルメッキ皮膜４１が施されており、クロムメッキ皮膜３３は施されていない。ただし、シリンダ１６の全体つまり内面と外面の全てについて、２層のメッキ皮膜を施すようにしても良い。その場合の第２層目の皮膜としては、上述したように、クロムメッキ皮膜、鉄メッキ皮膜、またはニカジルメッキ皮膜のいずれとしても良い。
Claims (7)
- シリンダボアにピストンが組み込まれるシリンダを有するエンジンであって、前記シリンダはマグネシウム合金からなり、前記シリンダボア、または前記シリンダボアと前記シリンダの外面とを含めたシリンダ全体または一部に、ニッケルメッキ皮膜、または銅メッキ皮膜を形成した、エンジン。
- 前記ニッケルメッキ皮膜は、無電解ニッケルメッキにより形成するようにした、請求項１記載のエンジン。
- 前記ニッケルメッキ皮膜、前記銅メッキ皮膜の厚さは、１０〜２０μｍである、請求項１または２記載のエンジン。
- 前記シリンダボアに形成されたニッケルメッキ皮膜を第１層とし、クロムメッキ皮膜、鉄メッキ皮膜、ニジカルメッキ皮膜のいずれかを、第２層として前記第１層の表面に積層形成した、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン。
- 前記第１層のニッケルメッキ皮膜を前記シリンダボアに施す前に、前記シリンダボアに０．５〜２０μｍの銅メッキからなる前処理皮膜を形成するようにした、請求項４記載のエンジン。
- シリンダ全体または一部に形成されたニッケルメッキ皮膜を第１層とし、クロムメッキ皮膜、鉄メッキ皮膜、ニジカルメッキ皮膜のいずれかを、第２層として前記第１層の表面に積層形成した、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンジンと、当該エンジンにより駆動される作業具を備えた、エンジン作業機。
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