WO2019043932A1

WO2019043932A1 - 内燃機関

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Publication number: WO2019043932A1
Application number: PCT/JP2017/031703
Authority: WO
Inventors: 樋口　毅; 昭信伊東; 直也田井中; 金子　格三; 裕聡星川; 匡哉中島
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-03-07

Abstract

内燃機関（１）は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金製のシリンダブロック（２１）を有し、上死点におけるピストン（２３）の位置を変更することにより圧縮比を変更可能となっている。内燃機関（１）は、シリンダボア（２２）の内周面（２２ａ）の全面に、Ｃｒを８重量％以上含有するＦｅを主成分とする鉄系合金の溶射被膜（５１）を有している。酸が長時間とどまる可能性のある範囲の摺動面に、Ｃｒの含有率が８重量％以上となる耐酸性の高い溶射被膜（５１）を形成するので、内燃機関（１）のシリンダボア（２２）の耐久性を飛躍的に高めることができる。

Description

内燃機関

　本発明は、上死点におけるピストンの位置を変更することにより圧縮比を変更可能な内燃機関に関する。

　例えば、特許文献１には、アルミニウム合金製のシリンダブロックにおいて、ボア内面にアーク溶射により耐摩耗性と被削性の双方に優れたアーク溶射被膜を形成する技術が開示されている。

　特許文献１においては、意図するアーク溶射被膜を形成するにあたって、主成分をＦｅ（鉄）として少なくとも１１重量％のＣｒ（クロム）が含有されたアーク溶射用線材を用いている。

　しかしながら、特許文献１においては、溶射被膜中のＣｒの含有率に関する記載がなく、溶射被膜が十分な耐酸性を持たない虞がある。

特開２００８－２４００２９号公報

　本発明の内燃機関は、上死点におけるピストンの位置を変更することで圧縮比を変更可能なものであって、シリンダボアの内周面のうち、少なくとも最高圧縮比のときピストンが摺動し最低圧縮比のとき上記ピストンが摺動しない範囲に、Ｃｒを８重量％以上含有するＦｅを主成分とする鉄系合金の溶射被膜を有する。

　本発明によれば、酸が長時間とどまる可能性のある範囲の摺動面に、Ｃｒの含有率が８重量％以上となる耐酸性の高い溶射被膜が形成される。そのため、上死点におけるピストンの位置を変更することにより圧縮比を変更可能な内燃機関のシリンダボアの耐久性を飛躍的に高めることができる。

本発明に係る内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図。本発明に係る内燃機関のシリンダブロックとピストンを拡大して示した説明図。腐食試験の結果を示した説明図。

　以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図である。

　内燃機関１は、駆動源として自動車等の車両に搭載されるものであって、吸気通路２と排気通路３とを有している。吸気通路２は、吸気弁４を介して燃焼室５に接続されている。排気通路３は、排気弁６を介して燃焼室５に接続されている。

　内燃機関１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射する第１燃料噴射弁７と、吸気弁４上流側の吸気通路２内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁８と、を有している。第１燃料噴射弁７及び第２燃料噴射弁８から噴射された燃料は、燃焼室５内で点火プラグ９により点火される。

　吸気通路２には、吸気中の異物を捕集するエアクリーナ１０と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１１と、電動のスロットル弁１２と、が設けられている。

　エアフローメータ１１は、スロットル弁１２の上流側に配置されている。エアフローメータ１１は、温度センサを内蔵したものであって、吸気導入口の吸気温度を検出可能となっている。エアクリーナ１０は、エアフローメータ１１の上流側に配置されている。なお、図１中の１３は、吸気通路２のコレクタ部である。

　排気通路３には、三元触媒等の排気触媒１４が設けられている。

　また、内燃機関１は、シリンダブロック２１のシリンダボア２２内を往復動するピストン２３を有している。

　ピストン２３は、図１及び図２に示すように、ピストン冠面側の第１ピストンリング２４、第１ピストンリング２４よりピストン冠面から離れた第２ピストンリング２５と、第２ピストンリング２５よりピストン冠面から離れたオイルリング２６とを有している。第１ピストンリング２４及び第２ピストンリング２５は、いわゆるコンプレッションリングであって、ピストン２３とシリンダボア２２の内周面２２ａとの隙間を無くし、気密保持のために用いられるものである。オイルリング２６は、シリンダボア２２の内周面２２ａから余分なオイルを掻き落とすために用いられるものである。

　また、内燃機関１は、ピストン２３の上死点位置を変更することで内燃機関１の機械的圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構３１を有している。すなわち、内燃機関１は、シリンダボア２２の内周面２２ａに対するピストン２３の摺動範囲を変更することで機械的圧縮比を変更可能なものとなっている。換言すれば、内燃機関１は、シリンダに対するピストン２３の摺動範囲を変更することで機械的圧縮比を変更可能なものである。機械的圧縮比とは、ピストン２３の上死点位置と下死点位置とによって決まる圧縮比である。

　可変圧縮比機構３１は、図１に示すように、ピストン２３とクランクシャフト３２のクランクピン３３とを複数のリンクで連係した複リンク式ピストン－クランク機構を利用したものであって、クランクピン３３に回転可能に装着されたロアリンク３４と、このロアリンク３４とピストン２３とを連結するアッパリンク３５と、偏心軸部３６ａが設けられた制御軸３６と、偏心軸部３６ａとロアリンク３４とを連結するコントロールリンク３７と、を有している。

　クランクシャフト３２は、複数のジャーナル部３８及びクランクピン３３を備えている。ジャーナル部３８は、シリンダブロック２１とクランク軸受ブラケット３９との間に回転可能に支持されている。

　アッパリンク３５は、一端がピストンピン４０に回転可能に取り付けられ、他端が第１連結ピン４１によりロアリンク３４と回転可能に連結されている。コントロールリンク３７は、一端が第２連結ピン４２によりロアリンク３４と回転可能に連結されており、他端が制御軸３６の偏心軸部３６ａに回転可能に取り付けられている。第１連結ピン４１及び第２連結ピン４２は、ロアリンク３４に対して圧入固定されている。

　制御軸３６は、クランクシャフト３２と平行に配置され、かつシリンダブロック２１に回転可能に支持されている。詳述すると、制御軸３６は、クランク軸受ブラケット３９と制御軸軸受ブラケット４３との間に回転可能に支持されている。

　シリンダブロック２１の下部には、オイルパンアッパ４４が取り付けられている。また、オイルパンアッパ４４の下部にはオイルパンロア４５が取り付けられている。

　そして、この制御軸３６は、歯車機構４６を介して電動モータからなるアクチュエータ４７によって回転駆動され、その回転位置が制御されている。

　アクチュエータ４７の駆動により制御軸３６が回転してその回転位置が変化すると、コントロールリンク３７の揺動支点となる偏心軸部３６ａの位置が変化する。つまり、電動モータ５６により制御軸３６の回転位置を変更することで、ロアリンク３４の姿勢が変化し、ピストン２３のピストンモーション（ストローク特性）の変化、すなわちピストン２３の上死点位置及び下死点位置の変化を伴って、内燃機関１の機械的圧縮比が連続的に変更される。

　内燃機関１のシリンダブロック２１は、図２に示すように、シリンダボア２２の内周面２２ａの全面に、溶射被膜５１を有している。つまり、シリンダブロック２１は、その内周面２２ａの全面に、溶射被膜５１が形成されている。溶射被膜５１は、シリンダボア２２の内周面２２ａに機械加工により凹凸（図示せず）を設けた後に形成される。

　シリンダブロック２１は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金製であり、例えば、ＪＩＳ規格におけるＡＤＣ１２のアルミダイカストである。換言すると、シリンダブロック２１の組成は、例えば、Ｃｕが１．５～３．５％、Ｓｉが９．６～１２．０％、Ｍｇが０．３％以下、Ｚｎが１．０％以下、Ｆｅが１．３％以下、Ｍｎが０．５％以下、Ｎｉが０．５％以下、Ｓｎが０．２％以下、Ｐｂが０．２％以下、Ｔｉが０．３０％以下、Ａｌが残部となっている。

　溶射被膜５１は、Ｃｒ（クロム）を８重量％以上含有したＦｅ（鉄）を主成分とする鉄系合金からなり、例えば２５０μｍの厚さに形成されている。詳述すると、溶射被膜５１には、酸化していないＣｒが８重量％以上含有されている。溶射被膜５１の表面粗さは、研削加工により中心線平均粗さＲａが０．０５μｍ程度に仕上げられている。

　溶射被膜５１は、例えば、窒素ガスをキャリアとしたアーク溶射にて形成されている。アーク溶射で溶射被膜５１を形成する場合、溶射材料に用いられる線材（アーク溶射用線材）は、例えばＣｒを８重量％以上含有するものが使用される。なお、溶射被膜５１は、アーク溶射以外の溶射方法を用いて形成してもよい。

　内燃機関１のシリンダボア２２の内周面２２ａにはオイルが存在し、かつそのオイルはピストン２３の摺動によって常に掻き落とされている。そのため、燃焼ガス中の水がシリンダボア２２の内周面２２ａに付着して酸となっても、酸がシリンダボア２２の内周面２２ａに長くとどまることがなく、シリンダボア２２の内周面２２ａの腐食が問題とることはない。

　しかしながら、ピストン２３の摺動範囲が変化する可変圧縮比機構３１を備える内燃機関１の場合、摺動面でありながらシリンダボア２２の内周面２２ａに酸が長時間とどまる状態が発生し得る。すなわち、可変圧縮比機構３１を備える内燃機関１では、圧縮比が高いときのみピストン２３が摺動し、圧縮比が低いときにはピストン２３が摺動しない範囲がシリンダボア２２の上方（シリンダヘッド側）に存在する。

　つまり、シリンダボア２２の内周面２２ａのうち、ピストン往復運動方向（図２おける上下方向）で、最高圧縮比の上死点時における第１ピストンリング２４の位置Ｐ１と、最低圧縮比の上死点時における第１ピストンリング２４の位置Ｐ２との間の範囲Ａにおいては、摺動面でありながらシリンダボア２２の内周面２２ａに酸が長時間とどまる状態が発生し得る。

　このため、低圧縮比運転中に当該範囲に付着した酸は、ピストン２３の第１ピストンリング２４によって掻き落とされることなくシリンダボア２２の内周面２２ａにとどまり、内周面２２ａを腐食させる虞がある。

　このような状態で最高圧縮比運転が行われると、腐食した内周面２２ａ上をピストン２３の第１ピストンリング２４が摺動することとなり、腐食部分が剥がれ落ちる虞がある。腐食部分が剥がれ落ちて新生面（腐食していない面）が露出すると、次の低圧縮比運転時にその新生面が腐食することになる。このようなサイクルの発生により、内周面２２ａの腐食が進行する虞がある。

　ここで、本願発明者らは、溶射被膜５１中のＣｒの含有率を８重量％以上とすることで、溶射被膜５１の耐酸性が飛躍的に高まることを実験により確認した。

　以下に、本願発明者らが行った、溶射被膜の腐食試験の方法と結果について説明する。

　本腐食試験では、Ｆｅを主成分とする鉄系合金からなる溶射被膜中のＣｒの含有量が異なる試験片Ａ～Ｋを用い、各試験片Ａ～Ｋを２５℃にて硝酸１％水溶液に１時間浸漬して溶射被膜の腐食量を比較した。

　試験片Ａ～Ｋは、ＪＩＳ規格でＡＤＣ１２のアルミダイカストのシリンダブロックのシリンダボアの内周面から２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさで切り出したものである。試験片が切り出されるシリンダボアの内周面は、機械加工により凹凸を設け、その後、窒素ガスをキャリアとしたアーク溶射で約２５０μｍの厚さの溶射被膜を形成されている。また、試験片が切り出されるシリンダボアの内周面の溶射被膜は、表面に研削加工が行われて、中心線平均粗さＲａが０．０５μｍ程度に仕上げられている。

　なお、切り出された各試験片Ａ～Ｋには、溶射被膜が形成されていない面に、酸による腐食を防ぐため樹脂コーティングが行われている。すなわち、アルミニウム合金が露出している試験片の側面及び裏面に、酸による腐食を防ぐため樹脂コーティングが行われている。

　各試験片Ａ～Ｋの腐食量は、樹脂コーティングを行った試験片の重量と、樹脂コーティングを行った試験片を２５℃にて硝酸１％水溶液に１時間浸漬し、浸漬後十分に乾燥させたあとの重量と、の差分である。

　腐食試験の結果を表１及び図３に示す。図３は、表１の内容をグラフ化したものである。

　試験片Ａは、溶射被膜にＣｒを含まないものである。試験片Ａに上記の腐食試験を施すと、Ｃｒを含まない溶射被膜から硝酸により表面の金属成分が溶出し、重量が２９２．４ｍｇ減少した。つまり、試験片Ａにおいては、溶射被膜の腐食量が、２９２．４ｍｇであった。

　試験片Ｂは、溶射被膜にＣｒを１．０５重量％含むものである。試験片Ｂに上記の腐食試験を施すと、重量が３２１ｍｇ減少した。つまり、試験片Ｂおいては、溶射被膜の腐食量が、３２１ｍｇであった。

　試験片Ｃは、溶射被膜にＣｒを２．４重量％含むものである。試験片Ｃに上記の腐食試験を施すと、重量が３０８ｍｇ減少した。つまり、試験片Ｃにおいては、溶射被膜の腐食量が、３０８ｍｇであった。

　試験片Ｄは、溶射被膜にＣｒを７重量％含むものである。試験片Ｄに上記の腐食試験を施すと、重量が３２．８ｍｇ減少した。つまり、試験片Ｄにおいては、溶射被膜の腐食量が、３２．８ｍｇであった。

　試験片Ｅは、溶射被膜にＣｒを１０重量％含むものである。試験片Ｅに上記の腐食試験を施すと、重量が３．２ｍｇ減少した。つまり、試験片Ｅにおいては、溶射被膜の腐食量が、３．２ｍｇであった。また、試験片Ｅにおいては、溶射被膜に、酸化物等の腐食生成物は観察されず、腐食量そのものが低減していることが確認された。

　試験片Ｆは、溶射被膜にＣｒを１１．６重量％含むものである。試験片Ｆに上記の腐食試験を施すと、重量が４．６ｍｇ減少した。つまり、試験片Ｆにおいては、溶射被膜の腐食量が、４．６ｍｇであった。

　試験片Ｇは、溶射被膜にＣｒを１６．４重量％含むものである。試験片Ｇに上記の腐食試験を施すと、重量が０．４ｍｇ減少した。つまり、試験片Ｇにおいては、溶射被膜の腐食量が、０．４ｍｇであった。

　試験片Ｈは、溶射被膜にＣｒを１７重量％含むものである。試験片Ｈに上記の腐食試験を施すと、重量が０．２ｍｇ減少した。つまり、試験片Ｈにおいては、溶射被膜の腐食量が、０．２ｍｇであった。

　試験片Ｉは、溶射被膜にＣｒを１８．２重量％含むものである。試験片Ｉに上記の腐食試験を施すと、重量の減少が０ｍｇであった。つまり、試験片Ｉにおいては、溶射被膜の腐食量は０ｍｇであった。

　試験片Ｊは、溶射被膜にＣｒを２３．４重量％含むものである。試験片Ｊに上記の腐食試験を施すと、重量の減少が０ｍｇであった。つまり、試験片Ｊにおいては、溶射被膜の腐食量は０ｍｇであった。

　試験片Ｋは、溶射被膜にＣｒを２７．１重量％含むものである。試験片Ｋに上記の腐食試験を施すと、重量の減少が０ｍｇであった。つまり、試験片Ｋにおいては、溶射被膜の腐食量は０ｍｇであった。

　以上の結果から、溶射被膜の腐食量は、溶射被膜中のＣｒが３～８重量％の間で約１／１００程度まで減少し、溶射被膜中のＣｒが８重量％以上でほとんど腐食が確認されなかった。

　つまり、本願発明者らは、溶射被膜中のＣｒ含有量と溶射被膜の腐食量との関係性において、溶射被膜におけるＣｒの含有量が３～８重量％の間に臨界を見いだした。

　換言すれば、本願発明者らは、溶射被膜中のＣｒの含有率による溶射被膜の耐酸性が、Ｃｒの含有量が８重量％前後で大きく変化することを実験により確認した。すなわち、溶射被膜中のＣｒの含有率を８重量％以上とすることで、溶射被膜の耐酸性が飛躍的に高まることを実験により確認した。

　そこで、シリンダボア２２の内周面２２ａに、酸化していないＣｒが８重量％以上含有されている溶射被膜５１を形成した。

　これにより、内燃機関１は、酸が長時間とどまる可能性のある範囲の摺動面に耐酸性の高い溶射被膜５１を有する。従って、上死点におけるピストン２３の位置を変更することで圧縮比を変更可能な内燃機関１において、シリンダボア２２の耐久性を飛躍的に高めることができる。

　なお、上述した実施例の内燃機関１は、シリンダボア２２の内周面２２ａの全面に溶射被膜５１を有しているが、シリンダボア２２の内周面２２ａのうち、少なくとも最高圧縮比のときピストン２３が摺動し最低圧縮比のときピストン２３が摺動しない範囲に溶射被膜５１を有するようにしてもよい。換言すると、内燃機関１は、シリンダボア２２の内周面２２ａのうち、ピストン往復運動方向（図２おける上下方向）で、少なくとも最高圧縮比の上死点時における第１ピストンリング２４の位置Ｐ１と最低圧縮比の上死点時における第１ピストンリング２４の位置Ｐ２との間に溶射被膜５１を有するようにしてもよい。つまり、内燃機関１は、シリンダボア２２の内周面２２ａのうち、上述した範囲Ａにのみ溶射被膜５１を形成するようにしてもよい。

　この場合にも、溶射被膜５１がシリンダボア２２の内周面２２ａの全面に形成された場合と略同一の作用効果を奏することができる。

　また、内燃機関１は、シリンダボア２２の内周面２２ａのうち、ピストン２３の摺動範囲の全域に溶射被膜５１を有するようにしてもよい。つまり、内燃機関１は、シリンダボア２２の内周面２２ａのうち、ピストン２３が摺動する可能性のある範囲の全域に溶射被膜５１を有するようにしてもよい。換言すると、内燃機関１は、シリンダボア２２の内周面２２ａのうち、例えば、第１ピストンリング２４と、第２ピストンリング２５またはオイルリング２６が摺動する可能性のある範囲の全域に溶射被膜５１を形成するようにしてもよい。

Claims

　アルミニウムあるいはアルミニウム合金製のシリンダブロックと、上死点におけるピストンの位置を変更することにより圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、を有する内燃機関において、
　上記ピストンが往復動する上記シリンダブロックのシリンダボアの内周面のうち、少なくとも最高圧縮比のとき上記ピストンが摺動し最低圧縮比のとき上記ピストンが摺動しない範囲に、Ｃｒを８重量％以上含有するＦｅを主成分とする鉄系合金の溶射被膜を有する内燃機関。
　上記シリンダボアの内周面のうち、上記ピストンの摺動範囲の全域に上記溶射被膜を有する請求項１に記載の内燃機関。
　上記シリンダボアの内周面の全面に上記溶射被膜を有する請求項１に記載の内燃機関。