(57)【要約】本発明は、内燃エンジンのシリンダハウジングのためのシリンダ摺動面（１４，１１４）を備えたシリンダボア（１０，１１０）に関する。シリンダボア（１０，１１０）内では、上死点（ＯＳ）および下死点（ＵＳ）が規定される。シリンダボア（１０，１１０）内を上下に動きかつピストンリング（２１）およびピストンシャフト（２２）を有するピストン（２０）は、エンジン動作中に、各死点において速度（Ｖ０）がほぼゼロになる一方、上死点（ＯＳ）と下死点（ＵＳ）との間の領域（１５，１１５）において最大速度（Ｖｍａｘ）に到達する。本発明は、領域（１５，１１５）に少なくとも２つの環状くぼみ（１８ａ，１８ｂ；１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ）が形成され、くぼみの直径（Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ）が、領域（１５，１１５）の上におけるシリンダボア（１０，１１０）の直径（Ｄ１）よりも大きく、かつ領域（１５，１１５）の下における直径（Ｄ３）よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンのシリンダハウジングのためのシリンダ摺動面（１４，１１４）を備えたシリンダボア（１０，１１０）であって、
上記シリンダボア（１０，１１０）では、上死点（ＯＳ）および下死点（ＵＳ）が規定されており、
上記シリンダボア（１０，１１０）内を上下に動きかつピストンリング（２１）およびピストンスカート（２２）を有するピストン（２０）は、エンジン動作中に、上記死点で速度（Ｖ0）がゼロに近づく一方、上記上死点（ＯＳ）と上記下死点（ＵＳ）との間の領域（１５，１１５）で最大速度（ｖmax）に到達し、
上記領域（１５，１１５）に、少なくとも２つの環状くぼみ（１８ａ，１８ｂ；１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ）が形成されており、
上記くぼみの直径（Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ）は、上記領域（１５，１１５）の上における上記シリンダボア（１０，１１０）の直径（Ｄ１）よりも大きく、かつ上記領域（１５，１１５）の下における直径（Ｄ３）よりも大きい
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項２】
請求項１において、
上記直径（Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ）は、互いに同じ大きさを有する
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項３】
請求項１において、
上記直径（Ｄ１，Ｄ３）は、互いに同じ大きさを有する
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項４】
請求項１において、
上記直径（Ｄ１，Ｄ３）は、その軸方向高さ（ｈ１，ｈ３）にわたって一定である
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項５】
請求項１において、
上記シリンダボア（１０，１１０）の上記直径（Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ）は、上記領域（１５，１１５）の上における上記シリンダボア（１０，１１０）の上記直径（Ｄ１）および／または上記領域（１５，１１５）の下における上記直径（Ｄ３）よりも５〜３０μｍ大きい
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項６】
請求項１において、
上記くぼみ（１８ａ，１８ｂ；１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ）の領域における上記シリンダ摺動面（１４，１１４）の粗さＲｚは、上記くぼみ（１８ａ，１８ｂ；１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ）以外の領域における粗さよりも小さい
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項７】
請求項１において、
上記くぼみ（１８ａ，１８ｂ；１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ）の領域における上記シリンダ摺動面（１４，１１４）の粗さＲｚは、３μｍ未満である
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項８】
請求項７において、
上記くぼみ（１８ａ，１８ｂ；１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ）の領域における上記シリンダ摺動面（１４，１１４）の粗さＲｚは、１μｍ未満である
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項９】
請求項８において、
上記くぼみ（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）の領域における上記シリンダ摺動面（１４，１１４）の粗さＲｚは、０．５μｍ未満である
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項１０】
請求項１において、
上記シリンダ摺動面（１４，１１４）は、上記くぼみ以外の領域の少なくとも一部において、上記くぼみ（１８ａ，１８ｂ；１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ）の領域よりも高い硬度（ビッカース硬度またはブリネル硬度）を有する
ことを特徴とするシリンダボア。
【請求項１１】
内燃エンジンのシリンダハウジングのためのシリンダ摺動面（１４，１１４）を備えたシリンダボア（１０，１１０）と、ピストン（２０）とからなる装置であって、
上記シリンダボア（１０，１１０）では、上死点（ＯＳ）および下死点（ＵＳ）が規定されており、
上記ピストン（２０）は、上記シリンダボア（１０，１１０）内を上下に動きかつピストンリング（２１）およびピストンスカート（２２）を有していて、エンジン動作中に、上記死点で速度（Ｖ0）がゼロに近づく一方、上記上死点（ＯＳ）と上記下死点（ＵＳ）との間の領域（１５，１１５）で最大速度（ｖmax）に到達し、
上記領域（１５，１１５）に、少なくとも２つの環状くぼみ（１８ａ，１８ｂ；１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ）が形成されており、
上記くぼみの直径（Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃ）は、上記領域（１５，１１５）の上における上記シリンダボア（１０，１１０）の直径（Ｄ１）よりも大きく、かつ上記領域（１５，１１５）の下における直径（Ｄ３）よりも大きい
ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
少なくとも上記ピストンスカート（２２）は、鋼材料で構成されている
ことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１１において、
少なくとも１つの上記ピストンリング（２１）は、少なくとも上記シリンダ摺動面（１４，１１４）との接触領域に、ＰＶＤ法によって作製されるＣｒＮ被覆またはＤＬＣ被覆を有する
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
少なくとも２つのシリンダを備えた自動車用の内燃エンジンのための請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンのシリンダハウジングのためのシリンダ摺動面を有するシリンダボアに関する。ここで、シリンダボア内では上死点および下死点が規定され、シリンダボア内を上下に動くピストンは、エンジン動作中に当該死点で速度がゼロに近づく一方、上死点と下死点との間の領域で最大速度に到達する。
【背景技術】
【０００２】
件のタイプのシリンダボアが、例えば特許文献１に開示されている。そのようなシリンダボアのシリンダ摺動面は、異なる高さ領域において局所的に異なる粗さ構造を有する。
【０００３】
特許文献２には、上および下死点領域に微細構造を有するシリンダ摺動面を備えたシリンダボアが開示されている。
【０００４】
原則として、シリンダ摺動面は、当該シリンダ摺動面と、シリンダボア内を案内されるピストンのピストンリングとの間の潤滑を最適化するために所定の粗さを有するべきである。なぜなら、そのようなシリンダ摺動面のくぼみに潤滑油が受けられるためである。しかしながら、現代の内燃エンジンにおいては、シリンダ摺動面の粗さを低減することによって摩擦を最小限に抑えることが要求される。ところが、この方法によると、シリンダ摺動面とピストンとの間の潤滑が悪影響を受ける。さらに注意すべきこととして、ピストンスカートは、シリンダ内でのピストンの最適な案内を確保するために、シリンダ摺動面に対して可能な限りタイトに接触するべきである。他方で、ピストンスカートとシリンダ摺動面との間の遊びを大きくすることで摩擦を低減できることが知られている。それにより誘発されるピストンの二次運動の増加や結果として生じるノイズ発生のために、そのような方法は実際にはある程度までしか実施されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１２２０１３４２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０３６０１４８号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００８０２６１４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献３では、上死点と下死点との間の領域におけるシリンダ径を各死点におけるシリンダ径よりも大きく設計することが提案されている。この基礎となっているのは、ピストンは、ノイズ発生を効果的に回避するために上および下死点の領域においてのみタイトに案内されれば足りるという考え方である。しかしながら、特に多気筒エンジンまたは動作中に外力の影響を受けるエンジンの場合、上死点と下死点との間の領域で自由に動けるピストンは、大きな横方向の加速度を受けることでノイズを発生させる傾向にあることが示された。
【０００７】
よって、本発明の課題は、内燃エンジンのための件のタイプのシリンダボアを、エンジン動作中にピストンの案内に悪影響を与えたり、望ましくないノイズ発生をもたらしたりすることなく、シリンダ摺動面とピストンスカートとの間における摩擦損失を可能な限り低減できるように改良することである。また、シリンダ摺動面とピストンスカートまたはピストンリングとの間の潤滑が維持されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
解決手段は、領域に少なくとも２つの環状くぼみを形成し、当該くぼみの直径を、領域の上におけるシリンダボアの直径よりも大きく、かつ領域の下における直径よりも大きくすることである。
【０００９】
本発明は、また、本発明に係るシリンダボアとピストンとからなる装置に関する。
【００１０】
本発明によると、「シリンダボア」の語は、エンジンブロックに収容されるシリンダライナと、エンジンブロックに直接的に組み込まれるボアとの両方を意味するものと理解される。以下では、「シリンダ摺動面」は、シリンダライナの、またはエンジンブロックに直接的に組み込まれるボアの表面を意味する両方の場合において理解される。
【００１１】
本発明に係る解決手段は、ピストンスカートの領域でシリンダボア内を上下に案内されるピストンがエンジン動作中にその最大速度に到達するシリンダボアの当該領域の少なくとも一部において、本発明に係るシリンダボアがこの領域の上下よりも大きな直径を有する少なくとも２つのくぼみを備えるという事項によって特徴付けられる。本発明によると、潤滑膜の厚みが増大するため、この領域において摩擦が最小限に抑えられる。その結果、ピストンスカートとシリンダ摺動面との間における流体力学的な摩擦成分が低減される。また、ピストンリングとシリンダ摺動面との間の摩擦挙動が改善される。
【００１２】
本発明によると、ピストンスカートが、シリンダ内で少なくとも部分的に案内される。なぜなら、ピストンスカートとタイトにスライド接触する摺動面領域がくぼみ間に存在するためである。同時に、本発明にしたがって設けられるくぼみによって、ピストン速度が高まる領域においてピストンスカートとシリンダ摺動面との間の遊びが増える。これにより、ピストンスカートとシリンダ摺動面との間の摩擦が効果的に低減される。同時に、隣り合うシリンダまたは乗物の動きから生じる横方向の加速度によってピストンが面振れすることでピストンスカートがシリンダ摺動面にぶつかって望ましくないノイズ発生がもたらされるような状況が回避される。
【００１３】
有利な態様は、従属請求項から明らかになるだろう。
【００１４】
本発明にしたがって設けられる環状くぼみの直径は、好ましくは互いに同じである。すなわち、各環状くぼみは、互いに同じ大きさを有する。これにより、本発明に係るシリンダボアの製造が容易化される。シリンダボアの上および下死点の領域における直径も、好ましくは互いに同じである。すなわち、それらの領域は、互いに同じ大きさを有する。また、シリンダボアの上および下死点の領域における直径は、シリンダボア内でのピストンスカートの最適な案内を実現するために、一定であることが好ましい。
【００１５】
上死点と下死点との間の領域の少なくとも一部におけるシリンダボアの直径は、この領域の上および／または下におけるシリンダボアの直径よりも５〜３０μｍ大きいことが好ましい。当業者が予期し得ないこととして、この値は、可能な限り摩擦を低減することとピストン案内機能の信頼性との間の最適な折衷としてエンジン動作において明らかにされたものである。
【００１６】
本発明に係るくぼみと、当該くぼみ以外のシリンダ摺動面における上部または下部の表面との間の移行部分は、好ましくは丸みを帯びて設計されている。このことの利点は、本発明にしたがって設計されたシリンダボアにおいて、ピストンまたはピストンリングが、本発明にしたがって設けられたくぼみを常に滑るように通過することである。
【００１７】
くぼみの領域におけるシリンダ摺動面の粗さＲｚは、くぼみ以外の領域における粗さよりも小さいことが好ましい。当業者が予期し得ないこととして、本発明にしたがって設けられるくぼみの領域において粗さを小さくすることによって、シリンダ摺動面とピストンまたはピストンリングとの間の摩擦をさらに大幅に低減できることがわかった。
【００１８】
本発明にしたがって設けられるくぼみの領域における粗さＲｚは、好ましくは３μｍ未満、特に好ましくは１μｍ未満、とりわけ０．５μｍ未満である。
【００１９】
好ましい態様では、シリンダ摺動面は、本発明にしたがって設けられたくぼみ以外の領域の少なくとも一部において、くぼみの領域よりも高い硬度（ビッカース硬度またはブリネル硬度）を有する。このことは、例えば公知の誘導焼入れプロセスによって実現可能である。もちろん、シリンダ摺動面の全体が、ピストンと接触しない領域におけるシリンダボアの材料、例えばシリンダライナの材料よりも高い硬度を有していてもよい。
【００２０】
シリンダボアとピストンとからなる本発明に係る装置は、例えば、鋼材料で構成されたピストンスカートを有し、および／または少なくとも１つのピストンリングが設けられたピストンを備えていてもよく、少なくともシリンダ摺動面との接触領域に、ＰＶＤ法によって作製されたＣｒＮ被覆またはＤＬＣ被覆を有していてもよい。これにより、ピストンスカートまたはピストンリングとシリンダ摺動面との間の摩擦がさらに低減される。また、当該被覆は、加えて、ピストンリングおよびシリンダボアの両方の摺動面摩耗を低減することがわかった。
【００２１】
本発明は、少なくとも２つのシリンダを備えた自動車用の内燃エンジンに特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、シリンダライナ内を上下に案内されるピストンを有するシリンダライナの形態における本発明に係るシリンダボアの第１の例示的な実施形態を示す図であって、シリンダライナに関連付けられたピストンスカートのエンジン動作中の速度変化図を伴っている。
【図２】図２は、シリンダライナ内を上下に案内されるピストンを有するシリンダライナの形態における本発明に係るシリンダボアの別の例示的な実施形態を示す図であって、シリンダライナに関連付けられたピストンスカートのエンジン動作中の速度変化図を伴っている。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の縮尺は正確なものではない。
【００２４】
図１に示す本発明に係るシリンダボア１０は、シリンダライナ１１の形態に構成されている。シリンダライナ１１は、例えば鋳鉄材料、例示的な実施形態では層状黒鉛を含む鋳鉄材料で構成されていてもよく、また例えば遠心鋳造法によって製造されてもよい。例示的な実施形態では、シリンダライナ１１は、外周フランジ１３とシリンダ摺動面１４とを有するシャフト１２を備える。
【００２５】
ピストン２０は、ピストンリング２１およびピストンスカート２２を有していて、エンジン動作中にシリンダライナ１１内を上下に案内される。エンジン動作中、ピストンスカート２２は、シリンダ摺動面１４に沿って上死点ＯＳと下死点ＵＳとの間を移動する。各死点ＯＳ，ＵＳでは、ピストン２０の速度ｖ0がゼロに近づく。最小速度ポイントは、ピストンスカート２２の最大負荷ポイントにおいてピストン２０自体に規定される。エンジン動作中、ピストンスカート２２は、上死点ＯＳと下死点ＵＳとの間の領域１５内で、最大速度ｖmaxを含むより大きな速度ｖに到達する。
【００２６】
この領域１５には、本発明によると、領域１５の上における直径Ｄ１および領域１５の下における直径Ｄ３よりも大きな直径Ｄ２ａ，Ｄ２ｂを有する２つの環状くぼみ１８ａ，１８ｂが設けられる。直径Ｄ２ａ，Ｄ２ｂと直径Ｄ１，Ｄ３との間の差は、好ましくは５〜３０μｍである。
【００２７】
領域１５の上および下には、エンジン動作中にピストンリング２１と摩擦接触するシリンダ摺動面１４の摺動面領域１４ａ，１４ｂが形成されている。
【００２８】
また、図１に示すように、直径Ｄ２ａ，Ｄ２ｂは、互いに同じ大きさを有する。直径Ｄ１，Ｄ３も、互いに同じ大きさを有する。さらに、直径Ｄ１，Ｄ３は、各々の高さｈ１，ｈ３にわたって一定である。
【００２９】
くぼみ１８ａ，１８ｂの間には、エンジン動作中にピストンリング２１と摩擦接触する環状の摺動面領域１４ｃが設けられている。これは、エンジン動作中にピストン２０が摺動面領域１４ａ，１４ｂ，１４ｃに沿って確実に案内されることを意味しており、その結果、生じ得る横方向の加速度に起因するピストンスカート２２の面振れが回避される。
【００３０】
図２に示す本発明に係るシリンダボア１１０は、同様にシリンダライナ１１１の形態に構成されている。シリンダライナ１１１は、例えば鋳鉄材料、例示的な実施形態では層状黒鉛を含む鋳鉄材料で構成されていてもよく、また例えば遠心鋳造法によって製造されてもよい。例示的な実施形態では、シリンダライナ１１１は、外周フランジ１１３とシリンダ摺動面１１４とを有するシャフト１１２を備える。
【００３１】
ピストン２０は、ピストンリング２１およびピストンスカート２２を有していて、エンジン動作中にシリンダライナ１１１内を上下に案内される。エンジン動作中、ピストンスカート２２は、シリンダ摺動面１１４に沿って上死点ＯＳと下死点ＵＳとの間を移動する。各死点ＯＳ，ＵＳでは、ピストン２０の速度ｖ0がゼロに近づく。最小速度ポイントは、ピストンスカート２２の最大負荷ポイントにおいてピストン２０自体に規定される。エンジン動作中、ピストンスカート２２は、上死点ＯＳと下死点ＵＳとの間の領域１１５内で、最大速度ｖmaxを含むより大きな速度ｖに到達する。
【００３２】
この領域１１５には、本発明によると、領域１１５の上における直径Ｄ１および領域１１５の下における直径Ｄ３よりも大きな直径Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃを有する３つの環状くぼみ１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃが設けられる。直径Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃと直径Ｄ１，Ｄ３との間の差は、好ましくは５〜３０μｍである。
【００３３】
領域１１５の上および下には、エンジン動作中にピストンリング２１と摩擦接触するシリンダ摺動面１１４の摺動面領域１１４ａ，１１４ｂが形成されている。
【００３４】
また、図１に示すように、直径Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ，Ｄ２ｃは、互いに同じ大きさを有する。直径Ｄ１，Ｄ３も、互いに同じ大きさを有する。さらに、直径Ｄ１，Ｄ３は、各々の高さｈ１，ｈ３にわたって一定である。
【００３５】
くぼみ１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃの間には、エンジン動作中にピストンリング２１と摩擦接触する２つの環状の摺動面領域１１４ｃ，１１４ｄが設けられている。これは、エンジン動作中にピストン２０が摺動面領域１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄに沿って確実に案内されることを意味しており、その結果、生じ得る横方向の加速度に起因するピストンスカート２２の面振れが回避される。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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