(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-08
(45)【発行日】2024-05-16
(54)【発明の名称】シリンダボア、及びそれを有するシリンダライナ又はシリンダブロック
(51)【国際特許分類】
F02F 1/00 20060101AFI20240509BHJP
F16J 10/04 20060101ALI20240509BHJP
【FI】
F02F1/00 C
F16J10/04
(21)【出願番号】P 2022153389
(22)【出願日】2022-09-27
【審査請求日】2022-11-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000000170
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】日比 大雅
【審査官】鶴江 陽介
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-223191(JP,A)
【文献】独国特許出願公開第102008026146(DE,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02F 1/00- 1/42
7/00
F16J 1/00- 1/24
7/00-10/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ピストンが摺動する摺動面を有し、
前記摺動面は、前記摺動面の上端部を含む第1領域と、前記摺動面の下端部を含む第2領域と、前記摺動面における前記第1領域及び前記第2領域の間の領域である第3領域と、を含み、
前記第3領域の径が前記第1領域及び前記第2領域の径よりも大きい
略バレル型の形状を有
し、
前記第3領域における最大径が、前記第1領域の径よりも0.05~0.3%大きく、
前記ピストンが摺動する方向において、前記第3領域の長さは、前記摺動面の全体の長さの20~75%であり、
前記ピストンが摺動する方向において、前記第1領域の長さは前記第2領域の長さよりも長く、且つ、前記第3領域の長さは前記第2領域の長さよりも長い
内燃機関用のシリンダボア。
【請求項2】
請求項
1に記載のシリンダボアを有する、シリンダライナ又はシリンダブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、シリンダボア、及びそれを有するシリンダライナ又はシリンダブロックに関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関におけるシリンダブロック又はシリンダライナに形成されるシリンダボアは、ヘッドボルトの締付や熱負荷により大きく変形する。この変形により、ピストンとのフリクションロスが増大し、燃費の悪化を招くことがある。
【0003】
このような問題に対し、近年では高度なホーニング技術が開発されており、実運転時において理想的な形状となるようにシリンダボアをホーニング加工することが可能である。例えば、特許文献1では、シリンダボアの下端を含む下部領域の径を、上端を含む上部領域の径よりも大きくした、略スカート型の形状を有するシリンダボアが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一般的に、ピストンスカートとシリンダボア間のクリアランスを拡大させることでフリクションは低減するが、一方で、ピストンの二次運動(スラップ)により振動騒音が悪化する。例えば、特許文献1に記載された形状の場合、径の大きい下端領域におけるピストンとのフリクションは低減する。一方で、ピストンヘッドが下端領域にある場合、すなわち、ピストンが下死点付近にある場合、ピストンが接するのは下端領域とのみになるが、ピストンと下端領域のクリアランスの大きさから、ピストンスラップの問題が生じるおそれがある。
【0006】
本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本開示は、ピストンスラップを過度に増加させずに、シリンダボアとピストンとのフリクションを低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一実施形態に係る内燃機関用のシリンダボアは、
ピストンが摺動する摺動面を有し、
前記摺動面は、前記摺動面の上端部を含む第1領域と、前記摺動面の下端部を含む第2領域と、前記摺動面における前記第1領域及び前記第2領域の間の領域である第3領域と、を含み、
前記第3領域の径が前記第1領域及び前記第2領域の径よりも大きい形状を有する。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、ピストンスラップを過度に増加させずに、シリンダボアとピストンとのフリクションを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】
図1は、本開示の一実施形態に係るシリンダボアと、従来例に係るシリンダボアを示す模式図である。
【
図2】
図2は、
図1に示す各シリンダボアのホーニングプロファイルを示すグラフである。
【
図3】
図3は、従来例に係るシリンダボアの使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示すグラフである。
【
図4】
図4は、従来例に係るシリンダボアの使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示す三次元グラフである。
【
図5】
図5は、実施例に係るシリンダボアの使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示すグラフである。
【
図6】
図6は、実施例に係るシリンダボアの使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示す三次元グラフである。
【
図7】
図7は、実施例及び従来例のシリンダボアにおけるピストンの二次運動の運動エネルギーを示すグラフである。
【
図8】
図8は、実施例及び従来例のシリンダボアとピストンスカートの摺動によるFMEP(Friction Mean Effective Pressure)を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本開示の一実施形態に係るシリンダボアについて図面を参照しながら説明する。なお、各図面に示された各構成要素の寸法は、説明の便宜上のものであって、実際の寸法とは異なる場合がある。
【0011】
図1は、本開示の一実施形態に係るシリンダボア1と、従来例に係るシリンダボア101を示す模式図である。
図1は、具体的には、各シリンダボアの縦断面にあらわれる摺動面(内面)の形状を示すものである。
【0012】
従来例に係るシリンダボア101は、摺動面が円筒状であり、上端から下端まで同一の径d11を有する。縦方向の長さ(ピストンが摺動する方向における長さ)h4は、本実施形態に係るシリンダボア1の長さh4と同じである。
【0013】
本実施形態に係るシリンダボア1の摺動面は、摺動面の上端部を含む第1領域11と、摺動面の下端部を含む第2領域12と、摺動面における第1領域11及び第2領域12の間の領域である第3領域13と、を含む。第3領域13の最大径d3は、第1領域11の径d1及び第2領域12の径d2よりも大きい。シリンダボア1は、最大径d3が径d1及び径d2よりも大きいものであればよいが、例えば、
図1に示すように、円筒形状の中間部分が膨らんだ略バレル型の形状を有することが好ましい。
【0014】
第3領域13の最大径d3は、例えば、フリクションの低減とピストンスラップの増加抑制の両立という観点から、第1領域の径d1の0.05~0.3%大きいことが好ましい。同様の観点から、第3領域13の縦方向の長さ(ピストンが摺動する方向における長さ)h3は、摺動面の全体の長さh4の20~75%であることが好ましい。
【0015】
本例において、第1領域11の径d1は、第2領域12の径d2と同じであるが、これに限定されない。径d1と径d2は異なっていてもよい。また、第3領域13の縦方向の長さh3は、第2領域12の縦方向の長さh2よりも長いことが好ましい。
【0016】
図2は、
図1に示すシリンダボア1とシリンダボア101のホーニングプロファイル(直径)を示すグラフである。具体的には、
図2は、実運転前のシリンダボア1とシリンダボア101の摺動面の直径を示す。
【0017】
既に述べたように、シリンダボアは、ヘッドボルトの締付や運転時の熱負荷によって形状が大きく変形する。
図3から
図6は、
図2に示すホーニングプロファイルを有する各シリンダボアについて、このような形状の変化をシミュレートした結果である。
【0018】
図3は、従来例に係るシリンダボア101の使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示すグラフである。
図3の左のグラフは、ヘッドボルト等の取付けをした場合のボアプロファイルを示す。
図3の右のグラフは、上記の取付けをしてさらに熱負荷をかけた場合のボアプロファイルを示す。すなわち、
図3の右のグラフは、実際の使用時に起こる変形をシミュレーションした結果である。このシミュレーション結果を三次元グラフで表したものが
図4である。なお、
図3の各グラフのボアプロファイルは、
図4に示すスラスト方向TH及び反スラスト方向ATHを含む方向のボアプロファイルである。
【0019】
図3及び
図4から、摺動面が上端から下端まで同一径の円筒状のシリンダボア101は、実際の使用時において、上端がスラスト方向TH及び反スラスト方向ATHに側に膨張すると予測される。
【0020】
図5は、本実施形態に係るシリンダボア1の使用時に起こる変形のシミュレーション結果を示すグラフである。
図5の左のグラフは、ヘッドボルト等の取付けをした場合のボアプロファイルを示す。
図5の右のグラフは、上記の取付けをしてさらに熱負荷をかけた場合のボアプロファイルを示す。すなわち、
図5の右のグラフは、実際の使用時に起こる変形をシミュレーションした結果である。このシミュレーション結果を三次元グラフで表したものが
図6である。なお、
図5の各グラフのボアプロファイルは、
図6に示すスラスト方向TH及び反スラスト方向ATHを含む方向のボアプロファイルである。
【0021】
図5及び
図6から、最大径d3が径d1及び径d2よりも大きい形状のシリンダボア1は、実際の使用時においては、上方の第1領域11が最も径が小さく、下方の第2領域12は中間部分である第3領域13よりやや小さい程度の径にまで膨張すると推測される。
【0022】
図7及び
図8は、
図4に示す形状に変形したシリンダボア101と、
図6に示す形状に変形したシリンダボア1について、ピストンがストロークした際のピストンの二次運動の運動エネルギーと、ピストンと摺動面とのフリクションをシミュレートしたものである。
図7及び
図8において、従来例はシリンダボア101の結果であり、実施例はシリンダボア1の結果である。また、従来例と実施例において、シミュレーション条件は同一である。
【0023】
図7のグラフから分かるように、実施例におけるピストンスラップ(二次運動の運動エネルギーの最大値)は、従来例とほぼ変わらない。一方で、実施例におけるFMEPは、従来例からほぼ半減している。これらのデータから、本実施形態に係るシリンダボア1は、ピストンスラップを過度に増加させずに、ピストンとのフリクションを低減させていることが分かる。
【0024】
この結果は、
図6に示すシリンダボア1のボアプロファイルにおいて、ボア上方の第1領域11ではクリアランスが狭く、ボア中腹の第3領域13及びボア下方の第2領域12でクリアランスが広くなっていることが原因と思われる。ピストンスラップは、特に爆発上死点において大きくなるが、ピストンが上死点にある場合はピストンヘッドがクリアランスの狭い第1領域11にあることで、ピストンスラップの過度の増加を抑制していると思われる。一方で、シリンダボア1の半分以上を占める第2領域12及び第3領域13ではクリアランスが広いので、ピストンとのフリクションを大きく下げていると思われる。また、第2領域12は、第3領域13よりはクリアランスが狭くなっている。これにより、ピストンが下死点近傍にある場合のピストンスラップの過度の増加も抑制していると思われる。
【0025】
よって、本実施形態に係るシリンダボア1は、内燃機関用のシリンダライナ又はシリンダブロックのシリンダボアとして、特に有用である。
【0026】
以上、本開示に係る一実施形態について詳述したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。本発明には、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
【0027】
[付記]
以上のとおり、本明細書には次の事項が開示されている。
(1) ピストンが摺動する摺動面を有し、
前記摺動面は、前記摺動面の上端部を含む第1領域と、前記摺動面の下端部を含む第2領域と、前記摺動面における前記第1領域及び前記第2領域の間の領域である第3領域と、を含み、
前記第3領域の径が前記第1領域及び前記第2領域の径よりも大きい形状を有する、
内燃機関用のシリンダボア。
このシリンダボアによれば、ピストンスラップを過度に増加させずに、シリンダボアとピストンとのフリクションを低減させることが可能である。
具体的には、第1領域と第2領域ではピストンスラップが増大しない程度のクリアランスとしつつ、シリンダボアの中腹の第3領域のクリアランスを広げることで、ピストンスラップを過度に悪化させることなく、フリクションを低減させることができる。よって、このシリンダボアを備えた内燃機関では、燃費の悪化を抑制することも可能である。
【0028】
(2) 前記第3領域における最大径が、前記第1領域の径よりも0.05~0.3%大きい、
上記(1)に記載のシリンダボア。
このシリンダボアによれば、ピストンスラップの過度な増大の抑制と、フリクションの低減という2つの目的を高いレベルで両立させることができる。
【0029】
(3) 前記ピストンが摺動する方向において、前記第3領域の長さは、前記摺動面の全体の長さの20~75%である、
上記(1)又は(2)に記載のシリンダボア。
このシリンダボアによれば、ピストンとのフリクションをより低減させることが可能になる。
【0030】
(4) 前記ピストンが摺動する方向において、前記第1領域の長さは前記第2領域の長さよりも長い、
上記(1)から(3)のいずれかに記載のシリンダボア。
ピストンスラップは、特に爆発上死点において大きくなる。この構成のように、ピストンが上死点にある場合にピストンヘッドが位置する第1領域の長さを第2領域の長さよりも長くすることで、ピストンスラップが大きくなりやすい爆発上死点において、ピストンヘッドの二次運動を第1領域によって抑制しやすくなり、ピストンスラップの過度な増大を効果的に抑制できる。
【0031】
(5) 上記(1)から(4)のいずれかに記載のシリンダボアを有する、シリンダライナ又はシリンダブロック。
上記(1)から(4)のいずれかに記載のシリンダボアは、ピストンスラップの過度な増大の抑制と、フリクションの低減を両立可能なものである。よって、これらのシリンダボアは、シリンダライナ又はシリンダブロックの内面形状として、特に有用である。
【符号の説明】
【0032】
1,101:シリンダボア
11:第1領域
12:第2領域
13:第3領域
d1~d4:直径
h1~h4:高さ