JP3755389B2

JP3755389B2 - 内燃機関のシリンダブロック

Info

Publication number: JP3755389B2
Application number: JP2000275193A
Authority: JP
Inventors: 博文道岡; 俊裕高見
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2020-09-11
Also published as: JP2002089353A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のボアをそれぞれ形成する複数のシリンダライナが鋳ぐるまれた内燃機関のシリンダブロックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、別体に形成した円筒状のシリンダライナを金属材料にて鋳ぐるむことにより形成される内燃機関のシリンダブロックとして、例えば、シリンダライナの外周面に螺旋状或いは円周状の溝を形成したものや、その外周面をショットピーニング加工等により荒らして同外周面に凹凸を形成したもの等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のシリンダブロックでは、機関運転時に高温にさらされるシリンダライナの上端部とシリンダブロックの界面の接合力が充分でないため、シリンダライナ上端部側でボアが大きく変形してしまうとともに、シリンダライナが燃焼室側へ倒れ込むライナ倒れ込みが発生するおそれがあった。
【０００４】
ボアが大きく変形すると、ピストンリングの摺動面であるシリンダライナ内面（ボア壁）とピストンリングのフリクションが増えて燃費が低下し、エンジンの性能が低下してしまう。
【０００５】
また、ライナ倒れ込みが発生すると、シリンダライナとシリンダブロック間に空気層ができ、シリンダライナとシリンダブロック間での熱伝導率が低下してしまう。これにより、ピストンリングの摺動面であるシリンダライナ内面（ボア壁）の温度を充分低下させることができず、エンジンオイルの消費が増えてしまう。
【０００６】
本発明は、こうした事情に鑑みてなされたもので、機関運転時のライナ倒れ込みの防止及びボア変形の低減を図ってエンジンオイル消費及び燃費を低減し、エンジン性能の向上を図った内燃機関のシリンダブロックの提供を目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段およびその作用効果について記載する。
【００１０】
請求項１に係る発明は、複数のボアをそれぞれ形成する複数のシリンダライナが鋳ぐるまれた内燃機関のシリンダブロックにおいて、前記シリンダブロックと接触する前記シリンダライナの上端面を、同シリンダライナの外周面側から内周面側へ下り傾斜となる傾斜面に形成したことを特徴としている。
【００１１】
この発明によれば、シリンダライナの上端面を傾斜面にしたことにより、シリンダライナ上端部とシリンダブロックとの界面での接触面積が増大し、その界面での摩擦力が増大するので、シリンダライナとシリンダブロックの接合力が増大する。
【００１２】
こうした接合力の増大に加えて、前記傾斜面を、シリンダライナの外周面側から内周面側へ下り傾斜となる傾斜面にしたことにより、シリンダライナ上端部に押し下げ力が作用すると、その傾斜面の角度に応じてその上端部をシリンダブロック側へ押す分力が発生する。したがって、その分力と、前記面積の増大によるシリンダライナとシリンダブロックの接合力とにより、機関運転時のライナ倒れ込みをより一層防止することができるとともに、ボアの変形をより一層低減することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関のシリンダブロックにおいて、前記傾斜面に、所定の深さの溝或いは所定の粗さの凹凸が形成されていることを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、シリンダライナの傾斜面に所定の深さの溝或いは所定の粗さの凹凸を形成することにより、前記界面での接触面積がより増大するので、その界面での摩擦力がより増大する。これとともに、溝或いは凹凸の各々がシリンダブロックに対するシリンダライナのずれをロックする（阻止する）ので、シリンダライナがシリンダブロックに対してよりずれにくくなって前記接合力がより増大する。したがって、機関運転時のライナ倒れ込みをより一層防止することができるとともに、ボアの変形をより一層低減することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関のシリンダブロックを、多気筒内燃機関、例えば４気筒内燃機関に適用した各実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１は、本発明が適用された内燃機関１１の部分断面図である。ここで、内燃機関１１はシリンダブロック１２およびシリンダヘッド１３を備えている。このシリンダブロック１２のアッパ部１２ａ内部にはシリンダライナ１４が鋳ぐるまれていることによりボア１５が形成されている。このボア１５内にはピストン１６が上下動可能に配置されている。シリンダブロック１２のロア部１２ｂはクランクケースを形成している。
【００２４】
シリンダライナ１４は、図１及び図２に示すように、例えば遠心鋳造で製造された鋳鉄製の円筒体であり、シリンダブロック１２全体がＡｌ合金によるダイカスト法にて鋳造される際に同シリンダブロック１２に鋳ぐるまれている。このシリンダライナ（鋳鉄ライナ）１４は、シリンダブロック（アルミブロック）１２内部にドライライナとしてウォータジャケット１７とはシリンダブロック１２の隔壁１８にて隔てられるように鋳ぐるまれている。
【００２５】
第１実施形態では、シリンダライナ１４の上端部１９を、同上端部１９とシリンダブロック１２との界面での接触面積を増大させる形状とするために、シリンダライナ１４の上端面を、同ライナ１４の外周面１４ａ側からその内周面１４ｂ側へ下り傾斜となる傾斜面２０に面取り加工により形成してある。
【００２６】
本実施形態の具体例としての実施例１〜３と、比較例１，２とを、図８の表及び図９のグラフにそれぞれ示してある。図８の表では、各実施例及び各比較例における、鋳鉄ライナ１４が燃焼室側へ倒れ込むライナ倒れ込みの有無と、ボア変形量とを示してある。
【００２７】
ライナ倒れ込みの有無については、各実施例或いは各比較例の鋳鉄ライナ１４をボア径がφ８２のアルミブロック１２に鋳ぐるんだ後、同ブロック１２をシリンダヘッド１３に組み付けた状態で、恒温槽にて加熱（２００℃で８時間加熱）し、この後アルミブロック１２を冷却したときの測定結果を示してある。また、ボア変形量については、前記加熱後にアルミブロック１２を冷却した状態で、ボア１５の内径を内径測定装置で測定した結果を示してある。また、ボア変形量については、図９のグラフにおいても棒グラフで示してある。
【００２８】
[ 実施例１〜３]
実施例１は、図３及び図８に示すように、シリンダライナ１４を、その傾斜面２０の角度（内面取り角度）を１０°に形成したものである。
【００２９】
実施例２は、図４（ａ）及び図８に示すように、シリンダライナ１４を、その傾斜面２０の角度を４５°に形成したものである。
実施例３は、図４（ｂ）及び図８に示すように、シリンダライナ１４を、その傾斜面２０の角度を２０°に形成するとともに、その傾斜面に深さが０．２ｍｍの溝３０を形成したものである。
【００３０】
[ 比較例１，２，５]
比較例１のシリンダライナ１４は、遠心鋳造で製造した鋳鉄ライナで、図７及び図８に示すように、その上端面は平坦面であり、その上端面の角部を大きなアールに形成したものである。
【００３１】
比較例２のシリンダライナは、図８に示すように、その上端面を上記実施例１と同様の傾斜面に形成し、その傾斜面の角度を５°にしたものである。
比較例５のシリンダライナは、図８に示すように、その上端面を上記実施例１と同様の傾斜面に形成し、その傾斜面の角度を５°に形成するとともに、その傾斜面に深さが０．０５ｍｍの溝（ピッチが０．５ｍｍ程度のレコード溝の如き溝）を形成したものである。
【００３２】
以上説明した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）比較例１のように、シリンダライナ１４の上端面に実施例１〜３のような傾斜面２０を形成していないものでは、上記恒温槽での加熱によりライナ倒れ込みが発生し、また、ボア変形量（ボア１５の直径変化量）も８０μと大きい（図８，９参照）。
【００３３】
一方、比較例２のように、シリンダライナ１４の上端面に実施例１〜３のような傾斜面２０を形成してあるが、その角度が５°程度の小さいものでは、ライナ倒れ込みの発生は有るが、ボア変形量は６０μであり、比較例１より低減する（図８，９参照）。
【００３４】
一方、比較例５のように、比較例２のように角度の小さい傾斜面に、溝を形成してあるが、同溝の深さが０．０５ｍｍ程度の小さいものでは、シリンダブロック１２とシリンダライナ１４との間での滑りを抑えることができない。このため、ボア変形量は比較例２と同じ６０μとなり、その溝を設けたことによる効果がない（図８，９参照）。
【００３５】
これに対して、実施例１，２，３のように、シリンダライナ１４の上端面に傾斜面２０を形成し、同傾斜面２０の角度を１０°，４５°，２０°にしたものでは、ライナ倒れ込みの発生は無く、ボア変形量も１５μ〜３０μであり比較例１、２及び３に比べて大幅に少なくなる。
【００３６】
このように、シリンダライナ１４の上端面を、適度の角度の傾斜面２０に形成することにより、シリンダライナの上端部１９とシリンダブロック１２との界面の面積が増大する。このため、上端部１９に作用する応力が緩和されるとともに、その界面の摩擦力が増大するので、シリンダライナとシリンダブロックの接合力が増大する。
【００３７】
これにより、機関運転時に、シリンダライナ１４が燃焼室側（ボア１５側）へ倒れ込むのが抑制されるとともに、シリンダライナ１４の上端部１９でのボア１５の変形が抑制される。したがって、機関運転時のライナ倒れ込みを防止することができるとともに、ボアの変形を低減することができる。これにより、エンジン性能及びオイル消費が向上する。
【００３８】
（２）実施例１〜３のように、シリンダライナ１４の傾斜面２０を、同ライナ１４の外周面１４ａ側からその内周面１４ｂ側へ下り傾斜となる面にしたことにより、シリンダライナ１４の上端部１９に押し下げ力（シリンダヘッド１３の締結力）が作用すると、その傾斜面２０の角度に応じてその上端部１９をシリンダブロック１２側へ押す分力が発生する。この分力と、前記面積の増大によるシリンダライナ１４とシリンダブロック１２の接合力とにより、機関運転時のライナ倒れ込みをより一層防止することができるとともに、ボアの変形をより一層低減することができる。
【００３９】
（３）実施例３のように、シリンダライナ１４の傾斜面２０に深さが０．２ｍｍの溝３０を形成したものでは、ボア変形量が１５μになり、他の実施例２，３に比べて小さくなる傾向が見られる。
【００４０】
このように、シリンダライナ１４の傾斜面２０に所定の深さの溝３０を形成することにより、その傾斜面の表面積がより大きくなるとともに、溝３０の各々がシリンダブロック１２とシリンダライナ１４をロックする（係合する）。このため、前記界面の摩擦力がより増大し、シリンダライナ１４とシリンダブロック１２の接合力がより増大する。これにより、ライナ倒れ込みをより一層抑制することができるとともに、シリンダライナ１４の上端部でのボアの変形をより一層抑制することができる。
【００４１】
なお、溝３０の深さは、０．２ｍｍ以上にするのが好ましい。その深さが０．２ｍｍより小さいと、ライナ倒れ込み及びボアの変形を抑制する充分な効果が得られない。
【００４２】
（４）傾斜面２０の角度は、１０°〜４５°の範囲内の値に設定するのが好ましい。その角度が１０°より小さいと、シリンダライナ１４とシリンダブロック１２の接合力が小さすぎるからである。一方、その角度が４５°より大きいと、傾斜面２０の加工が困難になるとともに、ピストン１６が上昇した位置でピストンリングと摺接するシリンダライナ１４が存在しなくなるからである。
【００４３】
傾斜面２０の角度を１０°〜４５°の範囲内の値に設定することにより、図８及び図９の実施例１，２，３の場合のように、ライナ倒れこみを無くすことができ、ボア変形量を充分小さくすることができ、また、傾斜面２０の加工が比較的容易である。
【００４４】
（５）傾斜面２０の角度は、２０°〜４５°の範囲内の値に設定するのがより好ましい。その理由は、傾斜面２０の角度をその範囲内の値に設定することにより、図８及び図９の実施例２，３の場合のように、ボア変形量を実施例１の場合よりも小さくすることができるとともに、傾斜面２０の加工がより容易になるからである。
【００４５】
[ 第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態を図５に基づいて説明する。
本実施形態では、シリンダライナ１４の上端部１９を、同上端部１９とシリンダブロック１２との界面での接触面積を増大させる形状とするために、シリンダライナの１４の水平な上端面に、所定の深さの溝３０を形成してある。
【００４６】
[ 実施例４]
本実施形態の具体例としての実施例４と、比較例３とを、図８の表及び図９のグラフにそれぞれ示してある。実施例４のシリンダライナ１４は、図５及び図８に示すように、水平な上端面に、深さが０．２ｍｍの溝（ピッチが０．５ｍｍ程度のレコード溝のような溝）３０を形成したものである。
【００４７】
[ 比較例３]
比較例３のシリンダライナは、実施例４と同様に、水平な上端面に溝を形成したものであり、その溝の深さを０．０５ｍｍにしたものである。
【００４８】
以上説明した第２実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（６）比較例３のように、シリンダライナの水平な上端面に、溝を形成してあるが、同溝の深さが０．０５ｍｍ程度の小さいものでは、シリンダブロック１２とシリンダライナ１４との間での滑りを抑えることができない。このため、比較例３のボア変形量は上記比較例５よりも少ない７０μとなり、その溝を設けたことによる効果がない（図８，９参照）。
【００４９】
これに対して、実施例４のように、シリンダライナ１４の水平な上端面に、深さが０．２ｍｍの溝３０を形成したものでは、シリンダライナ１４の上端部１９とシリンダブロック１２との界面での接触面積が増大する。これとともに、溝３０の各々がシリンダブロック１２とシリンダライナ１４をロックする（係合する）ので、その界面の摩擦力がより増大し、シリンダライナ１４とシリンダブロック１２の接合力がより増大する。したがって、機関運転時のライナ倒れ込みをより一層防止することができるとともに、ボア変形をより一層低減することができる。
【００５０】
[ 第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態を図６に基づいて説明する。
本実施形態では、シリンダライナ１４の上端部１９を、同上端部１９とシリンダブロック１２との界面での接触面積を増大させる形状とするために、シリンダライナ１４の上端部１９に、同シリンダライナ１４の外周面１４ａから突出した鍔４０を形成したものである。
【００５１】
[ 実施例５，６]
本実施形態の具体例としての実施例５，６と、比較例４とを、図８の表及び図９のグラフにそれぞれ示してある。
【００５２】
実施例５のシリンダライナ１４は、図６（ａ）に示すように、シリンダライナ１４の上端部１９に、同シリンダライナ１４の外周面１４ａから突出した鍔４０を形成したものである。その鍔４０の大きさ（シリンダライナ１４の外周面１４ａからの突出長さ）Ｌは、ライナ１４の肉厚に対して（肉厚比で）１．０以上の大きさにするのが好ましい。
【００５３】
実施例６のシリンダライナ１４は、図６（ｂ）に示すように、シリンダライナ１４の上端部１９に、同シリンダライナ１４の外周面１４ａから突出した鍔４０を形成するとともに、同鍔４０の上面及びシリンダライナ１４の上端面にわたって深さが０．２ｍｍの溝３０を形成したものである。その鍔４０の大きさ（シリンダライナ１４の外周面１４ａからの突出長さ）Ｌは、実施例５と同じ大きさである。
【００５４】
[ 比較例４]
比較例４のシリンダライナは、シリンダライナ１４の上端部１９に、同シリンダライナ１４の外周面１４ａから突出した鍔を形成したものであり、その鍔の大きさは、実施例５の半分に（シリンダライナ１４の肉厚に対して肉厚比で０．５に）したものである。
【００５５】
以上説明した第２実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（７）比較例４では、実施例５の鍔４０と同様の鍔をシリンダライナ１４の上端部１９に形成してあるが、その鍔の大きさが実施例５の半分しかないものでは、シリンダブロック１２とシリンダライナ１４との間での滑りを抑えることができない。このため、ライナ倒れ込みが発生し、また、ボア変形量も７０μと大きい（図８，９参照）。
【００５６】
これに対して、実施例５及び実施例６のように、シリンダライナ１４の上端部１９に、同ライナ１４の外周面１４ａからの突出長さＬがシリンダライナ１４の肉厚に対して肉厚比で１．０以上の鍔４０を形成したものでは、ライナ倒れ込みが無く、ボア変形量も３０μと小さい。
【００５７】
このように、シリンダライナ１４の上端部１９に、同ライナ１４の肉厚に対して（肉厚比で）１．０以上の大きさの鍔４０を形成することにより、その上端部１９とシリンダブロック１２との界面での接触面積が増大する。このため、上端部１９に作用する応力が緩和されるとともに、その界面の摩擦力が増大するので、シリンダライナ１４とシリンダブロック１９の接合力が増大する。
【００５８】
これにより、機関運転時に、シリンダライナ１４が燃焼室側へ倒れ込むのが抑制されるとともに、シリンダライナ１４の上端部１９でのボア１５の変形が抑制される。したがって、機関運転時のライナ倒れ込みを防止することができるとともに、ボア変形を低減することができる。これにより、エンジン性能及びオイル消費が向上する。
【００５９】
（８）実施例６のように、シリンダライナ１４の上端部１９に、前記肉厚比で１．０以上の大きさの鍔４０を形成するとともに、同鍔４０の上面及びシリンダライナ１４の上端面にわたって深さが０．２ｍｍの溝３０を形成したものでは、ボア変形量は２５μとなり、実施例５よりもボア変形量を小さくすることができる。
【００６０】
このように、実施例５と同じ鍔４０の上端面に深さが０．２ｍｍの溝３０を形成することにより、鍔４０の上端面の表面積がより大きくなるとともに、溝３０の各々がシリンダブロック１２とシリンダライナ１４をロックする（係合する）。このため、前記界面の摩擦力がより増大し、シリンダライナ１４とシリンダブロック１２の接合力がより増大する。これにより、ライナ倒れ込みをより一層抑制することができるとともに、シリンダライナ１４の上端部でのボアの変形をより一層抑制することができる。
【００６１】
なお、溝３０の深さは、０．２ｍｍ以上にするのが好ましい。その深さが０．２ｍｍより小さいと、ライナ倒れ込み及びボアの変形を抑制する充分な効果が得られない。
【００６２】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、各実施形態は以下に示すようにその構成を変更して実施することもできる。
・上記第１実施形態の実施例３において、シリンダライナ１４の傾斜面２０に深さが０．２ｍｍの溝３０を形成してあるが、傾斜面２０に粗さが０．２ｍｍの凹凸を形成してもよい。
【００６３】
・上記第２実施形態の実施例４において、シリンダライナ１４の水平な上端面に深さが０．２ｍｍの溝３０を形成してあるが、その上端面に粗さが０．２ｍｍの凹凸を形成してもよい。
【００６４】
・上記第３実施形態の実施例６において、シリンダライナ１４の水平な上端面及び鍔４０の上面にわたって深さが０．２ｍｍの溝３０を形成してあるが、その上端面及び上面にわたって粗さが０．２ｍｍの凹凸を形成してもよい。
【００６５】
・上記各実施形態において、シリンダライナ１４を鋳鉄製ライナとしているが、シリンダライナ１４をアルミ粉末合金製のライナにしてもよい。
・上記各実施形態において、本発明に係る内燃機関のシリンダブロックを、４気筒内燃機関に適用したが、そのシリンダブロックを４気筒以外の多気筒内燃機関、例えば６気筒内燃機関にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における内燃機関の部分断面図。
【図２】第１実施形態のシリンダライナとシリンダブロックを示す断面図。
【図３】図２のＡ部の拡大図で、実施例１のシリンダライナを示す部分断面図。
【図４】（ａ）は実施例２のシリンダライナを示す部分断面図、（ｂ）は実施例３のシリンダライナを示す部分断面図。
【図５】実施例４のシリンダライナを示す部分断面図。
【図６】（ａ）は実施例５のシリンダライナを示す部分断面図、（ｂ）は実施例６のシリンダライナを示す部分断面図。
【図７】比較例１のシリンダライナを示す部分断面図。
【図８】各実施例及び比較例のライナ倒れ込みの有無及びボア変形量を表で示した図。
【図９】各実施例及び比較例のボア変形量を示すグラフ。
【符号の説明】
１１…内燃機関、１２…シリンダブロック、１３…シリンダヘッド、１４…シリンダライナ、１４ａ…外周面、１４ｂ…内周面、１５…ボア、１６…ピストン、１７…ウォータジャケット、１８…隔壁、１９…上端部、２０…傾斜面、３０…溝、４０…鍔。

Claims

複数のボアをそれぞれ形成する複数のシリンダライナが鋳ぐるまれた内燃機関のシリンダブロックにおいて、
前記シリンダブロックと接触する前記シリンダライナの上端面を、同シリンダライナの外周面側から内周面側へ下り傾斜となる傾斜面に形成したことを特徴とする内燃機関のシリンダブロック。
前記傾斜面に、所定の深さの溝或いは所定の粗さの凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のシリンダブロック。