JP6231781B2 - シリンダライナ用の厚さの異なるコーティング - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題は、一般に内燃エンジンのシリンダライナに関し、より具体的には、このようなシリンダライナ用の厚さの異なるコーティングに関する。

典型的な内燃エンジンは、１つまたは複数のピストンと、シリンダブロックと、１つまたは複数のシリンダライナとを含む。シリンダライナまたはスリーブは、シリンダブロックの中に入れられてシリンダを形成する円筒状部品である。シリンダライナはエンジンの重要な構成要素である。シリンダライナは、ピストンに対して滑動する表面として機能する一方で、潤滑油を留める。シリンダライナは、低摩擦および高い摩耗防止性を有するのが望ましい。摩耗は、滑動する固体間に生じる固着摩耗の表面損傷の形態であり、表面歪みの生成において、微細で、通常は局所的な荒れをもたらす。シリンダライナは、高温および高圧の下にあり、ピストンとピストンリングが高速で滑動する。したがって、かなりの耐熱性および耐磨耗性を有するように、シリンダライナには低摩擦係数が望ましい。

シリンダライナに、望ましい低摩擦係数ならびに耐熱性および耐磨耗性を与えるように、コーティングが開発されている。コーティングを施すための複数の技術が存在し、さまざまなコーティング材料を使用することができる。使用することができるコーティング技術には、とりわけ、プラズマ溶射、高速酸素燃料溶射、レーザコーティングおよび化学的気相成長法、ならびに電気化学的コーティングがある。コーティングに用いられる材料には、とりわけ、セラミック、セラミックと金属の混合物（サーメット）、合金、金属化合物（例えば酸化チタン）が含まれ得る。シリンダライナのコーティングに用いられる材料は高価であり、エンジンの製造コストがかなり増加する。

例示の限定的でない一実施形態によれば、本発明が関するのは、前後軸を画定し、第１の終端および第２の終端、中間部分を有するライナ本体と、内面と、前後軸に沿って厚さが変化する内面コーティングとを含む、内燃エンジン用のシリンダライナである。

別の実施形態では、本発明は、ピストンと、内面および潤滑油を有するライナとを含む内燃エンジン組立体に関する。この内燃エンジンは、ライナの領域においてより薄いコーティングを有する、ライナの内面コーティングも含み、潤滑剤が、少なくとも部分的な動圧潤滑をもたらす。

別の実施形態では、本発明は、内燃エンジンのためにシリンダライナをコーティングする方法に関する。この方法は、ライナの第１の内面を、所定の厚さの第１の層でコーティングするステップと、第２の内面を、所定の厚さの第２の層でコーティングするステップと、中間の内面を、コーティングせずに残しておくステップとを含む。

別の実施形態では、この方法は、中間部分を、第１の層および第２の層より薄い第３の層でコーティングするステップを含む。

本発明の他の特徴および利点が、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から、本発明の原理を一例として示す添付図面とともに解釈されて明らかになるであろう。

一実施形態によるライナを有する限定的でないピストン組立体の断面図である。 一実施形態によるライナを有する限定的でないピストン組立体の断面図である。 一実施形態によるシリンダ内径を有する限定的でないピストン組立体の断面図である。 一実施形態によるライナの限定的でない断面図である。 一実施形態によるライナの限定的でない断面図である。 一実施形態によるライナの限定的でない断面図である。 一実施形態によるライナの限定的でない断面図である。 一実施形態によるライナの限定的でない断面図である。 一実施形態によるライナの限定的でない断面図である。

内燃エンジン組立体１１の実施形態の代表的な実例が、図１に示されている。内燃エンジン組立体１１は、シリンダヘッド１５を有し、吸気口１７および排気口１９も有する、シリンダブロック１３を含むことができる。シリンダブロック１３には、シリンダライナ２１およびピストン２３が配置されている。いくつかの実施形態では、シリンダライナ２１は、ブロック１３の中に設置されるシリンダブロック１３の個別の構成要素とすることができる。他の実施形態では、シリンダライナ２１は、ブロック１３の一体化している部分とすることができ、ブロック１３の、ピストン２３が配置される部分だけを説明する。ピストン２３は、接続ロッド２５に結合されてもよく、圧縮リング２７および２９、ならびにピストン２３の周縁部上に配置されたオイル制御リング３０も含むことができる。シリンダライナ２１は、ライナ本体ＸＸに施されたコーティング３１を含むことができる。図１の実施形態に示されるように、コーティング３１は、上死点におけるより厚いコーティング（ＴＤＣコーティング３３）および下死点におけるより厚いコーティング（ＢＤＣコーティング３５）を有する、変化する厚さを有することができる。中間行程部分３７におけるコーティングは、ＴＤＣコーティング３３およびＢＤＣコーティング３５より薄くてもよい。いくつかの実施形態では、中間行程部分３７のいくらかまたはすべてにおいて、コーティングがなくてもよい。シリンダライナ２１の内面３９に、コーティング３１が施される。図１は下死点のピストンを示し、図２は中間行程のピストン２３を示す。いくつかの実施形態では、シリンダライナ２１は、コーティング３１が施された後に、シリンダライナ２１および／またはコーティング３１に沿った一定の内部穴径（または半径）を形成するように、穴を空けられる、または研磨される。他の実施形態では、シリンダライナ２１は、コーティング３１が施された後に、穴を空けられる、または研磨されるが、内部穴径は、シリンダライナ２１および／またはコーティング３１に沿って一定でないままである。さらに他の実施形態では、シリンダライナ２１および／またはコーティング３１は、コーティング３１が施された後、穴を空けられる、または研磨されることがない。エンジン組立体には、ピストン２３と、シリンダライナ２１またはコーティング３１との間の摩擦を低減するのに役立つ潤滑剤（図示せず）が備わっていてもよい。

原則として、シリンダライナ２１のコーティング３１は、耐磨耗性ならびに低摩擦の特性をもたらさなければならない。摩擦は、表面のタイプによって影響を受ける。潤滑された表面の摩擦は、（実質的に動圧潤滑がない領域の）境界摩擦、（動圧潤滑がある領域の）流体摩擦、および（少なくとも部分的な動圧潤滑がある領域の）混合摩擦として分類されてもよい。境界摩擦は、完全に乾燥して、表面凹凸の接触しかない表面間の摩擦に関する。流体摩擦は、潤滑剤によって完全に分離された、表面凹凸の接触がない表面間の摩擦に関する。境界摩擦と流体摩擦が組み合わさったとき、混合摩擦が生じる。流体摩擦は動圧潤滑に関連しており、境界摩擦は潤滑の境界条件に関連している。潤滑は、動圧潤滑から境界潤滑へと移行する。動圧潤滑は、ピストンの滑動速度が高い中間行程の近傍で促進される。ピストン行程の上死点および下死点ならびにその近くでは、滑動速度は、可動潤滑が動圧潤滑から境界潤滑へと移行するものであった。境界潤滑では、オイル膜が壊れ、表面凹凸の接触となって磨耗する。上死点（ＴＤＣ）では、有効なオイルがより少なく、圧力がより高く、高温のために粘度がよりより低いので、磨耗条件は最も厳しいものである。磨耗は、ピストン中間行程で最小になる。したがって、シリンダライナ２１の上死点および下死点の領域は、コーティングをより多くするのが望ましい。中間行程領域は、必要とするコーティングがより少ない。ピストンの中間行程領域で、より薄いコーティングを用いることにより、コーティング材料の使用量が顕著に低減され得る。

図３は、個別のシリンダライナ構成要素のない内燃エンジン組立体１１の実施形態（この実施形態のライナは、シリンダブロック１３の一体化された部分である）の代表的な実例である。この内燃エンジン組立体は、シリンダヘッド１５を有し、吸気口１７および排気口１９も有する、シリンダブロック１３を含むことができる。シリンダブロック１３には、ピストン２３が配置されている。ピストン２３は、接続ロッド２５に結合されてもよく、圧縮リング２７および２９、ならびにピストン２３の周縁部上に配置されたオイル制御リング３０も含むことができる。シリンダブロック１３は、コーティング３１を含むことができる。図３の実施形態に示されるように、コーティング３１は、上死点におけるより厚いコーティング（ＴＤＣコーティング３３）および下死点におけるより厚いコーティング（ＢＤＣコーティング３５）を有する、変化する厚さを有することができる。中間行程３７におけるコーティングは、ＴＤＣコーティング３３およびＢＤＣコーティング３５より薄くてもよい。シリンダブロック１３の内面３９に、コーティング３１が施される。

図４〜図９は、シリンダライナ２１に必要なコーティング材料の量を低減するのに使用することができる、コーティング塗布のさまざまな実施形態を示す。図４は、シリンダライナ２１の縦軸に沿った部分断面図を示す。図４に示されるように、シリンダライナ２１の本体は、概念的に３つの部分に分割され得る。第１の終端部分４１は、ピストン２３の上死点位置に対応し得る。シリンダライナ２１は、第１の内面４３を有してもよく、これに対して第１の終端部分コーティング４４が施されてもよい。第２の終端部分４５は、ピストン２３の下死点位置に対応し得る。シリンダライナ２１は、第２の内面４７を有してもよく、これに対して第２の終端部分コーティング４８が施されてもよい。中間部分４９は、中間部分コーティング５２が施され得る中間の内面５１に関連してもよく、第１の終端部分コーティング４４、第２の終端部分コーティング４８、および中間部分コーティング５２は、同一の材料とすることができ、またはコーティング３１用の別の材料から成るものでもよい。図４に示された実施形態では、第１の終端部分コーティング４４および第２の終端部分コーティング４８は中間部分コーティング５２より厚く、肉厚部分から中心部分へと直線的にテーパ化してもよい。図５は、中間部分コーティング５２が施されていない実施形態を示す。図６は、第１の終端部分コーティング４４のみが施されている実施形態を示す。図４〜図６の実施形態では、コーティングの厚さは、シリンダライナ２１の前後軸に沿って直線的に変化するが、コーティングの断面は、直線以外に曲線を包含してもよいことが当業者には明らかであろう。図７〜図９は、コーティング３１の厚さがステップ関数で変化する実施形態を示す。図６では、第１の内面４３および第２の内面４７にコーティングが施される。この実例では、第１の終端部分コーティング４４および第２の終端部分コーティング４８の厚さは、シリンダライナ２１の前後軸に沿って変化しない。中間部分コーティング５２は、第１の終端部分コーティング４４および第２の終端部分コーティング４８より薄い。図８は、中間の内面５１にはコーティングが施されない実施形態を示す。図９は、第１の終端部分コーティング４４のみが施されている実施形態を示す。

一実施形態では、シリンダライナ２１のコーティングは、とりわけ、プラズマ溶射、高速酸素燃料溶射、レーザコーティングおよび化学的気相成長法、ならびに電気化学的コーティングなど、コーティングの利用可能な方法のうち任意のものによって達成されてもよい。コーティングプロセスは、第１の内面４３を所定の厚さの第１の層でコーティングするステップと、第２の内面４７を所定の厚さの第２の層でコーティングするステップと、中間の内面５１を、コーティングせずに残しておくステップとを含むことができる。別の実施形態では、第１の終端部分コーティング４４より薄い、中間の内面５１のコーティングを施すことにより、コーティングが達成されてもよい。別の実施形態では、コーティングは、第１の内面４３にのみ施される。

本明細書に用いられるとき、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」、「少なくとも１つの」、および、「１つまたは複数の」は、互換性があるように用いられる。本明細書に用いられるとき、用語「近く」は、領域、位置、または対象の近傍に配置されていることを意味する。本明細書に用いられるとき、用語「直線的に」は、実質的に直線である方向を説明するのに用いられ、小さな度合いの曲率を有する方向を包含し得る。本明細書に用いられる、コーティングの「厚さ」は、半径方向に沿ったコーティングの寸法である。また、本明細書に用いられるとき、用語「より薄い」は、以前に明示されたコーティングの寸法より小さい寸法を有するコーティングの厚さに関する。本明細書に用いられるとき、用語「所定の厚さ」は、熱および接触損傷からシリンダライナの保護を保証するために前もって確立された厚さを指す。

当業者には理解されるように、いくつかの例示的実施形態に関して上記で説明された多くの多種多様な特徴および構成が、本発明の別の可能な実施形態を形成するためにさらに選択的に適用され得る。簡単にするために、また当業者の能力に配慮して、すべての可能な繰返しが提供されている、または詳細に議論されているわけではないが、すべての組合せ、および以下のいくつかの請求項によって、または別様に包含された可能な実施形態が本出願の一部分であることが意図されている。さらに、本発明のいくつかの例示的実施形態の上記説明から、当業者なら、改良形態、変更形態および修正形態に気付くであろう。当業者の能力範囲内の、そのような改良形態、変更形態および修正形態も、添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。さらに、前述のものが、本出願の説明された実施形態にのみ関連し、多数の変更形態および修正形態が、本明細書の以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本出願の趣旨および範囲から逸脱することなく行われ得ることが明らかであろう。

１１ 内燃エンジン組立体
１３ シリンダブロック
１５ シリンダヘッド
１７ 吸気口
１９ 排気口
２１ シリンダライナ
２３ ピストン
２５ 接続ロッド
２７ 圧縮リング
２９ 圧縮リング
３０ オイル制御リング
３１ コーティング
３３ ＴＤＣにおけるコーティング
３５ ＢＤＣにおけるコーティング
３７ 中間行程におけるコーティング
３９ 内面
４１ 第１の終端部分
４３ 第１の内面
４４ 第１の終端部分コーティング
４５ 第２の終端部分
４７ 第２の内面
４８ 第２の終端部分コーティング
４９ 中間部分
５１ 中間の内面
５２ 中間部分コーティング

Claims (17)

1. ライナ本体とコーティングとを備える内燃エンジン用シリンダライナであって、
   前記ライナ本体は、前記ライナ本体の長手方向軸に沿って第１の変動幅を有する環状壁を備え、
   前記環状壁は、第１の終端、第２の終端および中間部分を有し、
   前記コーティングは、前記環状壁の内面に配置され、前記長手方向軸に沿って第２の変動幅を有し、
   前記環状壁と前記コーティングの組み合わせにより、前記長手方向軸に垂直な方向の前記シリンダライナ幅を画定し、
   前記シリンダライナ幅は、前記第１の変動幅と前記第２の変動幅の双方により画定され、
   前記シリンダライナ幅は、前記長手方向軸に沿って均一であり、
   前記環状壁上の前記コーティングの前記第２の変動幅は、前記第１の終端から前記中間部分まで漸減し、かつ、前記中間部分から前記第２の終端まで漸増する、
   シリンダライナ。
2. 前記コーティングが、前記第１の終端の近くの前記内面および前記第２の終端の近くの前記内面でより厚く、
   前記中間部分の前記内面がコーティングされない、
   請求項１に記載のシリンダライナ。
3. 前記コーティングが、セラミック、セラミックと金属の混合物、合金、および金属化合物から成る群から選択されるコーティング材料を含む、請求項１または２に記載のシリンダライナ。
4. 前記内面の前記コーティングが、ピストンの上死点に対応する内面の領域でより厚い、請求項１から３のいずれかに記載のシリンダライナ。
5. 前記内面の前記コーティングが、ピストンの下死点に対応する内面の領域でより厚い、請求項１から４のいずれかに記載のシリンダライナ。
6. ピストンとライナとコーティングとを備える内燃エンジン組立体であって、
   前記ライナは、前記ライナ本体を備え、
   前記ライナ本体は、前記ライナ本体の長手方向軸に沿って第１の変動幅を有する環状壁を備え、
   前記コーティングは、前記環状壁の内面に配置され、前記長手方向軸に沿って第２の変動幅を有し、
   前記環状壁と前記コーティングの組み合わせにより、前記長手方向軸に垂直な方向の前記シリンダライナ幅を画定し、
   前記シリンダライナ幅は、前記第１の変動幅と前記第２の変動幅の双方により画定され、
   前記シリンダライナ幅は、前記長手方向軸に沿って均一であり、
   前記コーティングの前記第２の変動幅は、前記ライナの第１の終端から中間部分まで漸減し、かつ、前記中間部分から前記ライナの第２の終端まで漸増する、
   内燃エンジン組立体。
7. 前記コーティングは、前記ライナ本体の少なくとも１つの長手軸方向端部に隣接する前記コーティングよりも、前記ピストンの中間行程部分の方が小さな寸法を有する、請求項６に記載の内燃エンジン組立体。
8. 前記コーティングは、前記ライナ本体の前記長手方向軸に沿って直線的に変化する、請求項６または７に記載の内燃エンジン組立体。
9. 前記コーティングが、セラミック、セラミックと金属の混合物、合金、および金属化合物から成る群から選択されるコーティング材料を含む、請求項６から８のいずれかに記載の内燃エンジン組立体。
10. 前記内面の前記コーティングが、ピストンの上死点に対応する内面の領域でより厚い、請求項６から９のいずれかに記載の内燃エンジン組立体。
11. 前記内面の前記コーティングが、ピストンの下死点に対応する内面の領域でより厚い、請求項６から１０のいずれかに記載の内燃エンジン組立体。
12. ピストンとライナ本体とコーティングとを備える内燃エンジン組立体であって、
    前記ライナ本体は、前記ライナ本体の長手方向軸に沿って第１の変動幅を有する環状壁を備え、
    前記環状壁は、第１の終端、第２の終端および中間部分を有し、
    前記コーティングは、前記環状壁の内面に配置され、前記長手方向軸に沿って第２の変動幅を有し、
    前記環状壁と前記コーティングの組み合わせにより、前記長手方向軸に垂直な方向の前記シリンダライナ幅を画定し、
    前記シリンダライナ幅は、前記第１の変動幅と前記第２の変動幅の双方により画定され、
    前記シリンダライナ幅は、前記長手方向軸に沿って均一であり、
    前記環状壁の前記コーティングの前記第２の変動幅は、前記第１の終端から前記中間部分まで直線的に減少し、かつ、前記中間部分から前記第２の終端まで直線的に増加する、
    内燃エンジン組立体。
13. 前記コーティングが、セラミック、セラミックと金属の混合物、合金、および金属化合物から成る群から選択されるコーティング材料を含む、請求項１２に記載の内燃エンジン組立体。
14. 前記コーティングの前記第２の変動幅は、前記中間部分に対応する内面の領域のコーティングよりも、前記ピストンの上死点に対応する内面の領域の方がより厚い、請求項１２または１３に記載の内燃エンジン組立体。
15. 前記コーティングの前記第２の変動幅は、前記中間部分に対応する内面の領域のコーティングよりも、前記ピストンの下死点に対応する内面の領域の方がより厚い、請求項１２から１４のいずれかに記載の内燃エンジン組立体。
16. 前記ピストンが、接続ロッドに結合されるように構成され、
    前記ピストンが、圧縮リングと、前記ピストンの周縁部に配置されたオイル制御リングとを備える、
    請求項１２から１５のいずれかに記載の内燃エンジン組立体。
17. 前記第２の変動幅は、前記ライナ本体を熱および接触損傷からの保護を保証するように予め確立されている、請求項１２から１６のいずれかに記載の内燃エンジン組立体。