(57)【要約】【課題】オイル消費や燃料消費を不利にすることなく、ピストン摩擦特性及び磨耗特性を低減する。【解決手段】ピストン14を摺動支持するための少なくとも一つのシリンダ・ボア10の壁16に、シリンダ・ボア壁16とピストン14との間の摩擦を低減するための潤滑油を保持するためのポケット24が形成する。ポケット24は細長い形状であり、シリンダ・ボアの軸に対して実質的に平行な軸を持つ。さらに、ポケット24は、ピストン14がその上死点位置にあるときにピストン14を支持する第一の領域'a'に配設されている。このシリンダを製造する方法も提供される。【選択図】図１
2007127123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンを摺動支持するための少なくとも一つのシリンダ・ボアの壁に、該シリンダ・ボアと該ピストンとの間の摩擦を低減するための潤滑油を保持するためのポケットが形成されたエンジンであって、
上記ポケットが細長い形状で、上記シリンダ・ボアの軸に対して実質的に平行な軸を持ち、さらに、上記ピストンがその上死点位置にあるときに該ピストンを支持する第一の領域に配設されている、
エンジン。
【請求項２】
上記ポケットの深さが、5μmと60μmとの間である、請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
上記ポケットの深さが、5μmと30μmの間である、請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
上記ポケットの軸方向の長さが、0.1mmと4mmとの間である、
請求項１乃至３のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項５】
上記ポケットの軸方向の長さが、0.5mmと2mmとの間である、
請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
上記ポケットの幅が、5μmと90μmとの間である、
請求項１乃至５のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項７】
上記ポケットの幅が、30μmと90μmとの間である、
請求項６のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項８】
複数の上記ポケットが、上記シリンダ・ボアの径方向及び軸方向に関して、0.5mmと2mmとの間の間隔を空けて配設されている、
請求項１乃至７のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項９】
上記シリンダ・ボアの軸方向に関して互いに隣接する複数の上記ポケットが、径方向に互いの軸をオフセットして互い違いに配設されている、
請求項１乃至８のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項１０】
上記ポケットが、上記ピストンがその下死点にあるときに上記ピストンを支持する第二の領域に配設されている、
請求項１乃至９のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項１１】
上記エンジンの上記少なくとも一つのシリンダのシリンダ・ボア壁が、上記第一領域及び上記第二領域の少なくとも一方の外側に、異なる表面起伏を持つ、
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項１２】
上記第一領域及び上記第二領域の少なくとも一方の外側に形成される上記表面起伏が、上記シリンダ・ボアの軸に対して45°以上の角度の軸を持つ溝或いは第二ポケットを有する、
請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
上記溝或いは上記第二ポケットの軸が、上記シリンダ・ボア軸に対して略90°である、
請求項１２に記載のエンジン。
【請求項１４】
エンジンの製造方法において、
必要とされる直径及び真円度を有するシリンダ・ボア壁を製造する工程と、
上記シリンダ・ボア壁内に、使用状態においてシリンダ・ボアと該シリンダ・ボアに摺動支持されるピストンとの間の摩擦を低減するための潤滑油を保持するポケットを機械加工形成する工程とを有し、
上記ポケットが、細長形状で、上記シリンダ・ボアの軸に対して実質的に平行の軸を持って形成され、使用状態において上記ピストンがその上死点にあるときに、該ピストンを支持する第一の領域に機械加工形成される、
方法。
【請求項１５】
上記ポケットの深さが、5μmと60μmとの間の寸法に機械加工形成される、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
上記ポケットの深さが、5μmと30μmとの間の寸法に機械加工形成される、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
上記ポケットの長さが、0.1mmと4mmとの間の寸法に機械加工形成される、
請求項１４乃至１６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
上記ポケットの軸方向の長さが、0.5mmと2mmとの間の寸法に機械加工形成される、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記ポケットの幅が、5μmと90μmとの間の寸法に機械加工形成される、
請求項１４乃至１８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２０】
上記ポケットの幅が、30μmと90μmとの間の寸法に機械加工形成される、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
複数の上記ポケットが、上記シリンダ・ボアの径方向及び軸方向に関して、0.5mmと2mmとの間の間隔を空けて配設するよう機械加工形成される、
請求項１４乃至２０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２２】
上記シリンダ・ボアの軸方向に関して互いに隣接する複数の上記ポケットが、径方向に互いの軸をオフセットして互い違いに配設するよう機械加工形成される、
請求項１４乃至２１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２３】
上記ポケットが、上記ピストンがその下死点にあるときに上記ピストンを支持する第二の領域に配設するよう機械加工形成される、
請求項１４乃至２２のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２４】
上記エンジンの上記少なくとも一つのシリンダのシリンダ・ボア壁が、上記第一領域及び上記第二領域の少なくとも一方の外側に、異なる表面起伏を持つよう機械加工形成される、
請求項１４乃至２３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２５】
上記第一領域及び上記第二領域の少なくとも一方の外側に形成される上記表面起伏が、上記シリンダ・ボアの軸に対して45°以上の角度の軸を持つ溝或いは第二ポケットを有するよう機械加工形成される、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
上記溝或いは上記第二ポケットの軸が、上記シリンダ・ボア軸に対して略90°である、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
上記ポケットが、ホーニングによって形成される、
請求項１４乃至２６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２８】
上記ポケットが、レーザー・ホーニングによって形成される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
上記ポケットが上記シリンダ・ボア壁内に機械加工形成された後、該シリンダ・ボア壁の複数のポケットの間を、表面形状の中線とその頂部及び谷部との間の平均距離が0.1μm Raより小さい表面構成を供給すべく機械加工する、
請求項１４乃至２８のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関（エンジン）及び、エンジンの製造に関連する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダ壁と、各シリンダ内にスライド可能に拘束されるピストンとの間の潤滑油として使用されるオイルを保持するため、エンジンの各シリンダ壁には有る程度の粗さを持つことが必要であることが知られている。実際に、シリンダ壁の表面は、数多くの頂部と溝部を有し、オイルは溝部の中に蓄えられる。更に、エンジンの製造において、そのようなオイル保持面を提供すべくエンジンの各シリンダの壁に望ましい表面仕上げを行うため、ホーニング処理を使用することも良く知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１が、正則曲面仕上げを行うためにレーザー・ビームを用いて部品表面の微細加工を行う工程を記載する。その工程によって作られ得る、種々の表面仕上げの例が示されている。
【０００４】
特許文献２が、軸方向の線状部或いは溝を生成するための、シリンダ・ボア壁の軸方向ホーニング処理を記載する。この方法で作られる溝付きのシリンダ壁が遭遇する課題は、使用時において、複数の連続的な溝が、排気ガスがピストンリングを超えて吹き抜けるのを助長する点である。更なる課題は、シリンダ壁内にピストンの移動方向に関する不連続性が存在しないとき、シリンダ壁の磨り減りが生じる傾向がある点である。これらの理由により、製造者は、一般的にシリンダ・ボアの軸に対して45°から60°の間に指向された溝を有する表面仕上げを生成するため、クロスハッチング・ホーニング処理を使用する傾向がある。
【０００５】
従来のクロスハッチング・ホーニング処理は、好適なオイル保持特性及び、適度なピストン摩擦特性を持つが、ピストン摩擦がエンジンの燃料消費量に対して、依然として大きな影響を与えている。したがって、シリンダのピストン摩擦特性及び磨耗特性を更に低減することが望まれている。
【０００６】
より低いピストン摩擦を持つエンジン及び、そのようなエンジンを製造する方法を提供するのが本発明の目的である。
【特許文献１】独国特許出願公開第196 14 328号明細書
【特許文献２】米国特許5,655,955号明細書
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の観点によれば、ピストンを摺動支持するための少なくとも一つのシリンダ・ボアの壁に、シリンダ・ボアとピストンとの間の摩擦を低減するための潤滑油を保持するためのポケットが形成されたエンジンであって、ポケットが細長い形状で、シリンダ・ボアの軸に対して実質的に平行な軸を持ち、そして、ピストンが上死点位置にあるときにピストンを支持する第一の領域に配設されているエンジンを提供する。
【０００８】
シリンダ・ボア壁の、ピストンが上死点位置にあるときにピストンを支持する第一の領域に設けられた、シリンダ・ボアの軸に対して実質的に平行な軸を持つ細長形状のポケットを使用することにより、オイル消費・燃料消費を不利にすることなく、低減されたピストン摩擦特性及び磨耗特性を得ることが可能となる。
【０００９】
ポケットは、5μm（マイクロ・メートル）と60μmの間の深さで、0.1mm（ミリ・メートル）から4mmの間の長さで、5μmから90μmの間の広さが適切である。好ましくは、ポケットは、5μmと30μmの間の深さで、0.5mmから2mmの間の長さで、30μmから90μmの間の広さである。
【００１０】
好ましくは、複数のポケットが、互いに0.5mmから2mm、離れて配設される。
【００１１】
好ましくは、軸方向に互いに隣接するポケットが、各軸が径方向に互いにオフセットするよう互い違いに配設される。
【００１２】
好ましくは、ポケットが、ピストンがその下死点にあるときにピストンを支持する第二の領域に配設される。
【００１３】
エンジンの少なくとも一つのシリンダのシリンダ・ボア壁は、第一の領域及び/又は第二の領域の外側で、壁内に異なる表面起伏を持ち得る。好ましくは、シリンダ・ボア壁の第一の領域及び/又は第二の領域の外側に形成される表面起伏は、シリンダ・ボアの軸に対して45°以上の角度の軸を持つ溝若しくは第二のポケットを有する。より好ましくは、その溝若しくは第二のポケットの軸は、シリンダ・ボアの軸に対して略90°である。
【００１４】
本発明の第二の観点によれば、所望の直径及び真円度を有するシリンダ・ボア壁を製造する工程、シリンダ・ボア壁内に、使用状態においてシリンダ・ボアとシリンダ・ボアに摺動支持されるピストンとの間の摩擦を低減するための潤滑油を保持するポケットを機械加工形成する工程を有し、ポケットが、細長形状で、シリンダ・ボアの軸に対して実質的に平行の軸を持って形成され、使用状態においてピストンがその上死点にあるときにピストンを支持する第一の領域に機械加工形成される、エンジンのシリンダの製造方法が提供される。
【００１５】
ポケットは、5μmと60μmの間の深さで、0.1mmから4mmの間の長さで、5μmから90μmの間の広さに機械加工形成されるのが適切である。好ましくは、ポケットは、5μmと30μmの間の深さで、0.5mmから2mmの間の長さで、30μmから90μmの間の広さに機械加工形成される。
【００１６】
好ましくは、複数のポケットが、互いに0.5mmから2mm、離れるように機械加工形成される。
【００１７】
好ましくは、軸方向に互いに隣接するポケットが、各軸が径方向に互いにオフセットすべく互い違いに配設するよう機械加工形成される。
【００１８】
好ましくは、ポケットが、ピストンがその下死点にあるときにピストンを支持する第二の領域に配設されるよう機械加工形成される。
【００１９】
エンジンの少なくとも一つのシリンダのシリンダ・ボア壁は、第一の領域及び/又は第二の領域の外側で、壁内に異なる表面起伏を持つように機械加工形成され得る。好ましくは、シリンダ・ボア壁の第一の領域及び/又は第二の領域の外側に形成される表面起伏は、シリンダ・ボアの軸に対して45°以上の角度の軸を持つ溝若しくは第二のポケットを有すよう機械加工形成される。より好ましくは、その溝若しくは第二のポケットの軸は、シリンダ・ボアの軸に対して略90°に機械加工形成される。
【００２０】
ポケットはホーニング処理によって機械加工形成され、好ましくはレーザー・ホーニングによって機械加工形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１及び図２を参照すると、マルチシリンダ・ディーゼルエンジンの一つのシリンダ10の断面図が示される。シリンダ10は、エンジンのシリンダ・ブロック12の中に形成され、ピストン14がシリンダ・ボア壁16によって摺動支持され、ピストン14とシリンダ・ボア壁との間のシールを提供する多数のピストン・リング18を持つ。図１は、ピストン14が、その上死点位置を占めているのを表わし、一方で図２は、ピストン14が、その下死点位置を占めているのを表わす。
【００２２】
シリンダ・ヘッド20が、締結手段（不図示）によって、シリンダ10の上端部を閉じるべくシリンダ・ブロック12に取り付けられる。シリンダ・ヘッド20は、シリンダ10の中に選択的に空気が入るのを許容し、そして、シリンダ10の外に選択的に排気ガスを流出させるのを許容する、多くのバルブ手段（不図示）を支持する。燃料噴射ノズル22が、シリンダ10内に燃料を噴射すべくシリンダ・ヘッド20に支持される。
【００２３】
図３に示されるように、シリンダ・ボア壁16は、リング反転領域において壁内に形成される、規則的な間隔で置かれた多数のポケット24を持つ。リング反転領域とは、エンジンの作動中、ピストンがその上死点及び下死点にあって、ピストンの移動方向が反転する際にピストン・リング18によって占められるシリンダ・ボア壁の領域である。ピストン上死点位置に対応するリング反転領域が、図１内において'a'と記された二つの一点鎖線の間の領域として示され、ピストン下死点位置に対応するリング反転領域が、図２内において'b'と記された二つの一点鎖線の間の領域として示される。ポケット24は、図中において矢印Ｘで示されるシリンダ・ボアの軸に対して実質的に平行に指向する軸を備えた細長形状である。なお、ポケット24の軸のシリンダ・ボアの軸に対する傾きは10°までの如何なる値を取り得る。各ポケット24は、略20μmの深さで、略1mmの長さで、略60μmの幅である。ポケットは、シリンダ・ボア回りに、シリンダ・ボアに関して径方向及び軸方向に互いに略1mmの間隔を置いて配設され、軸方向に隣接するポケットが、各軸が径方向に互いにオフセットするよう互い違いに配設されている。ポケットは、そこにおいてピストン14が下死点より高い負荷を受ける上死点に対応するリング反転領域'a'にのみ形成され得るが、本実施形態においては、例示の目的のため、ポケットはリング反転領域'a'及び'b'の両方に形成されている。なお、ポケットは、5μmと60μmの間の深さで、0.1mmから4mmの間の長さで、5μmから90μmの間の広さが適切であり、より好ましくは、5μmと30μmの間の深さで、0.5mmから2mmの間の長さで、30μmから90μmの間の広さが良い。また、複数のポケット間の間隔は、0.5mmから2mmが適切である。
【００２４】
各ポケットの回りは、0.1μm Raより小さな表面構成を持つ、非常に滑らかな面25である。Raとは、英国工業規格BS1134において設定されている、表面形状の中線とその頂部及び谷部との間の平均距離の単位である。
【００２５】
リング反転領域'a’及び'b'の外側において、シリンダ・ボア壁16は異なる表面起伏を備えて形成され、この実施形態の場合においては、規則的間隔で配設された第二ポケット26を備える。第二ポケット26は、図４に示すように、シリンダ・ボアの軸に対して略90°の角度の軸を持つ。各第二ポケット26は、略20μmの深さ、略1mmの長さ及び、略60μmの幅を持つ。第二ポケットは、シリンダ・ボアに関する径方向及び軸方向に、互いに略3mm離れて配設される。各第二ポケットの間は、0.1μm Raより小さな表面構成を持つ、比較的滑らかな面27である。ここに記載される第二ポケット26の構成は、単なる例示であり、例えば特許文献１に記載されているような、クロス・ハッチングやクロス溝を含む、代替の表面構成特性が使用され得ることが、認識されるであろう。
【００２６】
上述した寸法及び表面仕上げの内容は単なる例示であり、異なる適用例のために、代替の寸法及び表面仕上げが使用され得ることが、認識されるであろう。
【００２７】
エンジンの作動中、ピストン14が下死点と上死点との間を移動する際、ピストン及びピストン・リング18はシリンダ・ボア壁に沿って摺動し、リング反転領域'a'及び'b'の外側の第二ポケット26内に保持されたオイルの流体潤滑を受ける。図示されたようなピストン移動方向に対して実質的に90°の軸を持つ第二のポケットや、連続的な溝のような従来の表面構成は、流体潤滑の下で低摩擦を提供することが知られている。表面起伏特性が無かったらオイルの表面張力が滑らかな表面の'濡れ'を妨げるので、滑らかな表面仕上げの不連続性の不足は、ボアの磨り減りをもたらす。一方、表面が粗くなるほど、オイル消費が大きくなり、そして摩擦が大きくなる。
【００２８】
ピストン14がその下死点及び上死点に近づいたとき、ピストンの相対速度は、下死点及び上死点における零まで、急速に低減する。これらの領域においては、流体潤滑の効果も急速に低減し、混合潤滑の影響が有力になる。本実施形態の構成によれば、リング反転領域において、ピストンの移動方向に対して0°から10°の間の軸を備えた、ここに記載する形式の細長いポケット24が、ピストン・リング18のための有利な潤滑油源を提供し、更に、各ポケットの回りの非常に滑らかな表面仕上げ（Ra＜0.1μm）の使用を可能にするので、低いオイル消費を確かなものとする。ポケットと、非常に滑らかな表面との組み合わせが、従来のシリンダ・ボア壁表面起伏特性より、低い摩擦特性及び低い磨耗特性と共に、低いオイル消費を提供する。溝よりむしろポケット24を使用することが、シリンダ・ボアの軸に平行な連続する溝によって促進される現象である磨り減りや排気ガスの吹き抜けの傾向を低減する。従って、このように機械加工されたシリンダ・ボア壁は、リング反転領域とは異なる領域において、摩擦、磨耗及びオイル消費を低減するため、一般的な潤滑効果を利用する。
【００２９】
シリンダ・ブロック12は、シリンダ・ボア壁の表面仕上げを行うため、以下の工程によって機械加工される。
【００３０】
(a)必要とされる直径及び真円度のシリンダ・ボアを形成するため、ブロックをドリル加工若しくは、旋削加工する。
【００３１】
(b)シリンダ・ボアの軸に対して45°と60°の間の角度において、従来のクロス・ハッチ方法でダイアモンド或いはセラミックを用いてシリンダ・ボアを粗くホーニングする。
【００３２】
(c)（特許文献１に記載されているような）レーザー・ホーニング方法を用いて、リング反転領域'a'及び'b'に、細長のポケット24を機械加工形成し、リング反転領域の外側に第二ポケット26を機械加工形成する。  
【００３３】
(d)シリンダ・ボアの軸に対して45°から60°の角度において、通常のクロス・ハッチの様式の従来のホーニング方法を用いて、滑らかな表面（Ra＜0.1μm）を生成すべくシリンダ・ボアを精密ホーニングする。この工程は、表面上に移動した、磨耗を引き起こし得る如何なる物質をも取り除く。
【００３４】
ポケット24を形成するため及び、他の滑らかな表面内に第二のポケット26を形成するため、レーザー機械加工処理を使用するのが望ましい。その理由は、そのようなレーザー機械加工処理は、各ポケットを正確に形成することを可能とし、そして、ポケットの配置サイズ、形状及び、向きに関してかなりの自由度を許容するからである。しかしながら、電子ビーム・ホーニング或いは、他の適切な機械式ホーニングのような、代替の精密ホーニング方法及び/又は、ポケット機械加工形成方法が、レーザー・ホーニングの代わりに使用され得ることは認識されるであろう。
【００３５】
本発明を、具体的な実施形態を参照して、例示の目的で説明してきたが、本発明がこの実施形態に限定されず、説明された実施形態に対する種々の代替実施形態および修正実施形態が、本発明の範囲から逸脱することなく作られ得ることは、この技術分野の当業者によって認識されるであろう。例えば、本発明をシリンダ壁がシリンダ・ブロック内に直接的に機械加工形成されたエンジンに関して説明してきたが、本発明は、シリンダ・ライナーを使用するエンジンにも等しく適用可能であることは認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ピストンが上死点の位置にある、エンジンのシリンダの一つの断面図である。
【図２】ピストンが下死点の位置にある、エンジンのシリンダの一つの断面図である。
【図３】図１及び図２のシリンダの、オイル保持ポケットを持つシリンダ・ボア壁の一部を示す図である。
【図４】図１及び図２のシリンダの、オイル保持溝を持つシリンダ・ボア壁の一部を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
10    シリンダ
12    シリンダ・ブロック
14    ピストン
16    シリンダ・ボア壁
18    ピストン・リング
20    シリンダ・ヘッド
24    ポケット
26    第二ポケット
【図１】
2007127123.tif 000003
【図２】
2007127123.tif 000004
【図３】
2007127123.tif 000005
【図４】
2007127123.tif 000006