(57)【要約】本発明は、内燃エンジン用のシリンダライナ（１０）、より具体的にはエンジンブロック（８）に鋳込まれるシリンダライナ（１０）であって、外周面（２）が、特定の粗さと、シリンダライナ（１０）とエンジンブロック（８）との間の結合を促進することのできる被覆（５）とを有し、空隙（４）の形成を抑制しかつエンジンブロック（８）への優れた熱輸送を促進するシリンダライナ（１０）に関する。被覆（５）は、純ニッケル（Ｎｉ９９）であって、当該金属で被覆されたライナ（１０）の高圧ダイカスト法または低圧ダイカスト法もしくは重力ダイカスト法による挿入を可能とする純ニッケルで構成されているという一定の特徴を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミ製の内燃エンジンブロック（８）に挿入されるシリンダライナ（１０）であって、
外周面（２）および該外周面（２）に付された被覆（５）を有する鋳鉄製の筒状体（１）を備えており、
上記外周面（２）は、特定の粗さを有し、
上記被覆（５）は、少なくとも９８体積％の純ニッケルと、酸素および／または炭素および／またはマンガンおよび／または銅などの残部を占める不純物とからなる
ことを特徴とするシリンダライナ。
【請求項２】
請求項１において、
上記外周面（２）は、０．６０μｍ以上、好ましくは０．７０μｍ、より好ましくは０．９０μｍの特定の粗さを有する
ことを特徴とするシリンダライナ。
【請求項３】
請求項１において、
上記被覆（５）は、電着によって設けられる
ことを特徴とするシリンダライナ。
【請求項４】
請求項１において、
上記被覆（５）は、３〜２０μｍ、好ましくは３〜１０μｍの厚みを有する
ことを特徴とするシリンダライナ。
【請求項５】
請求項１において、
上記シリンダライナ（１０）は、高圧ダイカスト法（ＨＰＤＣ）または低圧ダイカスト法（ＬＰＤＣ）もしくは重力ダイカスト法によってエンジンブロック（８）に挿入される
ことを特徴とするシリンダライナ。
【請求項６】
アルミ製の内燃エンジンブロック（８）に挿入されるシリンダライナ（１０）であって、
外周面（２）および該外周面（２）に付された被覆（５）を有する鋳鉄製の筒状体（１）を備えており、
上記被覆（５）の融点は、１５００〜１７００℃であり、
上記エンジンブロック（８）の融点は、５００〜７００℃である
ことを特徴とするシリンダライナ。
【請求項７】
請求項１に記載のシリンダライナ（１０）を少なくとも１つ備えた内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンの構成要素、特にアルミ製エンジンブロックに鋳込みによって挿入するためのシリンダライナであって、ライナとエンジンブロックとの間の優れた結合および熱輸送を、用いられる鋳込み技術に関係なく、促進することのできる被覆が外周面に設けられた構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジン用のシリンダライナは、一般的に、ライナの外周部周りにおいてエンジンブロックに鋳込むことによってエンジンブロックに組み込まれる。
【０００３】
現在、シリンダライナを挿入するために用いられ得る、エンジンブロックを鋳造するための２つのプロセス、すなわち高圧ダイカスト法（ＨＰＤＣ）および重力ダイカスト法としても知られる低圧ダイカスト法（ＬＰＤＣ）が存在する。これら２つのタイプの間における主な違いは、前者が鋳型内にアルミを注入するために圧力を用い、その後の金属が低圧ダイカスト法の場合よりも低温になることである。
【０００４】
適用される技術的解決策に関係なく、内燃エンジンのシリンダライナは、それが受け持つ仕事のタイプのために著しい摩耗を受けるエンジン構成要素である。シリンダライナがさらされるストレスは、特に、シリンダボア内でライナにかかる軸方向ストレスや、エンジンブロックに燃焼熱を輸送する機能を含む。
【０００５】
熱輸送およびライナスリーブ厚みは、動作中における熱的および機械的歪みを最小限に抑える点で重要な因子である。大きな歪みを有するエンジンは、構成要素の高レベルな摩耗や、また高レベルなオイル／燃料消費および二酸化炭素排出量を伴う傾向にある。よって、熱輸送の増大は様々な好影響をもたらす。なぜなら、それにより構成要素の過度な摩耗が回避され、燃料／オイル消費および汚染ガス排出の状態が改善されるためである。加えて、より優れた熱輸送は、エンジンブロックの寸法の低減およびそれによるエンジンブロックの軽量化をも可能とする。
【０００６】
一般的に、シリンダライナは鉄を含む材料、特に鋳鉄で構成され、また近年のエンジンブロックはアルミまたは通常シリコンを含むアルミ合金で鋳造される。よって、本発明の技術分野は、鋳鉄製のシリンダライナ、任意のアルミ合金製のエンジンブロック、ならびに高圧および低圧ダイカスト法を含むものである。
【０００７】
挿入シリンダライナを備えた内燃エンジンに固有の技術的問題を解決するという観点から、現行の技術は、溶射コーティングプロセスによって、ＡｌＳｉ層が直接的に設けられた外周面を有するか、または代替的に中間合金層が設けられたシリンダライナを提示している。
【０００８】
上述の解決策は、シリンダライナ周りにエンジンブロックの合金を鋳造することから生じる典型的な問題の１つを十分には解決しない。まず、１５％以下のシリコンを含むアルミ層の使用を通じてエンジンブロック合金に対する被覆の化学的類似性の程度を特定しようとする純粋な関心事に関わらず、合金の類似性のために被覆は同じ融点（ブロック合金材料が固相から液相に変化する温度）を有する。そのような構成は、溶融金属がエンジンブロック鋳型に流し込まれてシリンダライナを囲む時点で、当該溶融金属がライナ被覆の材料を加熱し始め、それにより被覆の相変化が促進されてしまうという欠点を有する。このタイプの変化はエンジンブロックの鋳造材料によって被覆材料が全体的に取り去られてしまうことを引き起こし、それによりシリンダライナの鉄含有材料が露出して、エンジンブロックのうちシリンダライナに隣り合う領域における欠陥、すなわち接触不良（空隙、図３の符号１５を参照）が生じる。
【０００９】
空隙として知られる上述の鋳造欠陥は、シリンダの内部で行われる燃焼によって生じる熱のエンジンブロックへの正常な輸送を損ない、よって熱的歪みを増大させると共にエンジンの早期の摩耗、さらにはエンジンの焼付きをもたらすという大きなデメリットを有する。さらに、ライナは１．２〜８．０ｍｍの大きなライナ厚みを有する。
【００１０】
特許文献１には、溶射コーティングによってＡｌＳｉ層が設けられたハイブリッドライナが開示されている。そのような（ＡｌＳｉのみで被覆された）ライナを備えたエンジンブロックは、高圧ダイカスト法（ＨＰＤＣ）によって製造される。よって、当該（溶融）金属は、ＡｌＳｉ状態図の「液相」線に近接した鋳造温度において溶射される。なぜなら、溶融金属の凝固時間はある程度短縮される必要があるためである。それに代えて、より高い温度が適用される場合、それは低圧ダイカスト法（ＬＰＤＣ）において典型的であるのだが、溶射コーティングによって付加される層は完全に液化され、ＡｌＳｉ層を適用することによる利益は損なわれ、エンジンの良好な動作を損なうような典型的な欠陥が生じる。そのような欠陥は、エンジンブロックとシリンダライナとの間の空隙である（図３を参照）。このような欠陥は、重力ダイカスト法、すなわち低圧ダイカスト法（ＬＰＤＣ）を用いてブロックが鋳造される場合に悪化する。よって、上記特許文献１において開示された技術は、ブロックに対する高圧ダイカスト法のみを許容し、重力ダイカスト法の使用は許容しない。
【００１１】
どのような従来技術の解決策が用いられようと、限られた成功しか得られないだろうし、また高圧ダイカスト法によって製造されるエンジンブロックに対してのみでなく低圧ダイカスト法によって製造されるエンジンブロックに対しての良好な結果は得られないだろう。
【００１２】
上述した問題に加えて、溶射コーティングによって得られるＡｌＳｉ被覆は、通常２００／３００μｍを超える厚みを有する。エンジンブロックの金属は、鋳造において、その注入温度が高くなるにしたがってシリンダライナの被覆を取り去るだろう。上述した欠陥を生じさせる溶融による被覆の全体的な取り去りを防止する意図をもって被覆の厚みを変えることが可能であったとしても、この解決策は２つの理由のために非現実的である。
【００１３】
厚みが増大すると、第一にシリンダライナに設けられる被覆がより高価になり、第二にインターボア間隔（あるライナの中心と隣り合うライナの中心との間の距離）が大きくなる。この測定値はエンジンブロックのサイズを定めるために使用される。インターボア間隔が短くなるほど、同じシリンダ径に対してエンジンブロックが小さくなる。
【００１４】
または、被覆は、ニッケル−リン（ＮｉＰ）合金のような合金であってもよいし、あるいはニッケルのような純金属であってもよい。溶射コーティングによって形成されるＡｌＳｉ被覆と違って、ニッケル合金材料または純ニッケルは低圧または重力ダイカスト法を用いる場合にあり得る解決策であり、十分なニッケル／アルミ拡散がなされる。
【００１５】
特許文献２には、冷却液と接触しながら動作する機械的構成要素のための、堆積によって形成されるニッケル−ボロン（ＮｉＢ）、ニッケル−リン（ＮｉＰ）またはニッケル−コバルト−リン（ＮｉＣｏＰ）などのニッケル合金を含む被覆が開示されている。この被覆は、耐食性および耐キャビテーション性を有するが、熱輸送および構成要素中の空隙の存在に関する利点は提供しない。
【００１６】
また、特許文献３には、シリンダライナの鋳鉄とエンジンブロックのアルミとの間の合金要素としての純ニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）の被覆が開示されている。同文献によると、純ニッケルの融点が高いために（約１４００℃）、適用方法が高圧ダイカスト法である場合には十分な程度の拡散が生じない。
【００１７】
したがって、任意の鋳造技術（ＨＰＤＣまたはＬＰＤＣ）を用いることによる鋳鉄製ライナのアルミ合金製エンジンブロックへの挿入を可能にすると共に、ライナとエンジンブロックとの間のより優れた結合性およびより優れた熱輸送ならびにインターボア間隔の低減を可能にし、それにより高レベルの内燃エンジン耐久性を実現する解決策を見つける必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−００８２０９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第５１４８７８０号明細書
【特許文献３】特開昭５９−０３０４６５号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１１／１５４９８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の目的は、特定の粗さと、エンジンブロックに対する結合空隙の形成を抑制できる被覆とを有し、それにより優れた結合性および燃焼室とエンジンブロックとの間の良好な熱輸送を実現するシリンダライナを提供することである。
【００２０】
本発明の別の目的は、任意のダイカスト法、すなわち高圧および低圧ダイカスト法によって形成可能な純ニッケル（Ｎｉ９９）被覆を有し、それにより被覆金属の融点を用いる方法に応じて変えることのできる鋳鉄製シリンダライナを提供することである。
【００２１】
本発明の別の目的は、１０〜２０μｍ厚の被覆を有し、挿入されるシリンダライナのためのインターボア間隔を低減することを可能とするシリンダライナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の主題は、アルミ製の内燃エンジンブロックに挿入されるシリンダライナであって、外周面およびこの外周面に付された被覆を有する鋳鉄製の筒状体を備えており、外周面が、特定の粗さを有し、被覆が、少なくとも９８体積％の純ニッケルと、酸素および／または炭素および／またはマンガンおよび／または銅などの残部を占める不純物とからなる、シリンダライナである。
【００２３】
本発明の目的は、また、アルミ製の内燃エンジンブロックに挿入されるシリンダライナであって、外周面およびこの外周面に付された被覆を有する鋳鉄製の筒状体を備えており、被覆の融点が、１５００〜１７００℃であり、エンジンブロックの融点が、５００〜７００℃である、シリンダライナの形成によって達成される。
【００２４】
また、本発明の主題は、上記のシリンダライナを少なくとも１つ備えた内燃エンジンである。
【００２５】
エンジンブロック挿入用シリンダライナについては、下記の図面に基づいた詳細な説明によってより深く理解できるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、シリンダライナの斜視図である。
【図２】図２は、シリンダライナを備えたエンジンブロックの斜視図である。
【図３】図３は、従来技術に係るシリンダライナの断面の金属組織の写真である。
【図４】図４は、本発明に係るシリンダライナの断面の金属組織の写真である。
【図５】図５は、シリンダライナの断面の金属組織の写真であって、拡散層を示してある。
【図６】図６は、本発明に係るシリンダライナの断面の金属組織の写真である。
【図７】図７は、起伏形状の外周面を有するシリンダライナの写真である。
【図８】図８は、粗い外周面を有するシリンダライナの写真である。
【図９】図９は、ねじ山形状の外周面を有するシリンダライナの写真である。
【図１０】図１０は、様々な粗さを有するシリンダライナにおける結合力を規定するグラフ図である。
【図１１】図１１は、シリンダライナに設けられた様々なタイプの被覆における熱輸送を規定するグラフ図である。
【図１２】図１２は、挿入シリンダライナを備えたエンジンブロックの平面図である。
【図１３】図１３は、エンジンブロックの細部を示す平面図であって、挿入シリンダライナ間の距離を示してある。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の分野は、内燃エンジンに、より具体的にはシリンダライナ１０とエンジンブロック８との間の相互作用に関する。挿入ライナ１０を備えたエンジンブロック８は、鋳型内に予め配置されたシリンダライナ１０周りに溶融金属を注入することによって得られる。典型的には、エンジンブロック８の金属はアルミまたはアルミ合金などの軽金属である。
【００２８】
シリンダライナ１０は、そのエンジンブロック８への結合が確実になされることを必要とし、鋳型内に注入された溶融金属の冷却後に金属の存在しない領域１５（鋳造欠陥）が生じないことをも必要とする。従来技術に関して説明したように、そのような組合せを実現することはやや複雑である。
【００２９】
本発明を正しく理解するために、特定の概念および例を明らかにする必要がある。上述したように、アルミ合金製のエンジンブロック８にシリンダライナを組み込むためには２つのタイプの鋳造法が存在する。ＨＰＤＣと表記される高圧ダイカスト法と、ＬＰＤＣと表記される低圧ダイカスト法とである。ＨＰＤＣは、広く使用されていて、アルミの加圧注入によって当該アルミの低温を補償する。その場合、アルミが比較的急速に冷めるため、被覆５があまり取り去られない傾向にある。ＬＰＤＣの場合には、被覆が、１つの同じ厚みのために、より大きな摩耗を受ける傾向にあり、空隙１５として知られる欠陥を生ずる（図３を参照）。ブロックを鋳造するために用いられる技術は、現行の概念によると、被覆５の厚みと、また熱輸送の質と直接的に相互に影響する。
【００３０】
加えて、ライナ１０とエンジンブロック８との間の良好な結合を実現することが必要であり、それは被覆５とエンジンブロック８のアルミ合金との間の化学的類似性から直接的にもたらされる。
【００３１】
最後に、エンジンブロック８のサイズについて考慮する必要がある。知られているように、主な生産者はエンジン設計者に対してエンジンサイズを最小化するよう要求しており、それはインターボア間隔１２（図１２および図１３を参照）を低減することに相当する。例えば、被覆５の厚みの低減がインターボア間隔１２の低減につながる。ＬＰＤＣでは、従来技術の被覆は空隙１５が生じないようにするために分厚いものである必要があるという事実を考慮すると、インターボア間隔１２を首尾よく低減すると同時により薄く、よって２つのダイカスト技術（ＨＰＤＣおよびＬＰＤＣ）のいずれかを用いたライナ１０の挿入を可能とする被覆５の実現がいっそう有利な解決策である。
【００３２】
図１に示すように、シリンダライナ１０は中空筒状体またはチューブ１を備えている。この中空筒状体１は、概して、鋳鉄またはねずみ鋳鉄などの鉄含有合金で構成されている。中空筒状体１は、２つの面、特にピストンが軸方向に運動する内周面３と、外周面２とを有する。エンジンブロック８の溶融金属によって囲まれるのはこの外側領域であるが、それは外周面２に被覆５が付された後のことであり、それにより本発明が構成される。
【００３３】
本発明の被覆５は外周面２に直接的に付されるものであって、当該外周面２はわずかな不純物を含む純ニッケル（Ｎｉ９９）で構成されている。換言すれば、適用されるニッケルは、商業的にＮｉ９９として知られているニッケル、すなわち被覆として適用可能なほぼ純粋なニッケルであって、そのかなり高い純度に関わらず、低比率の不純物は常に存在している。しかしながら、当該不純物は、エンジンブロック８と共に合金化する層の形成には影響しない（図４を参照）。好ましい実施形態として、被覆５は、少なくとも９８体積％の純ニッケルと、酸素および／または炭素および／またはマンガンおよび／または銅などの残部を占める不純物とからなる。
【００３４】
この被覆５は、電着プロセスによって設けられる。被覆５のために電着プロセスを使用することは、本発明の結果にとっての主要な条件の１つである。従来技術では、通常は溶射コーティングプロセスが使用され、そのことが２００μｍを超える被覆厚みにつながっていた。電着によると、しかしながら、好ましくは３〜２０μｍ、より好ましくは３〜１０μｍ、すなわち従来技術によって実現される厚みの１０％以下の範囲の厚みを有する被覆を形成することが可能となる。それ自体によって、この特徴は、既にインターボア間隔１２の低減を大いに保証するものであり、被覆５の厚みを低減することによって当該工程に関連するコストをも低減する。
【００３５】
本発明の被覆５は、図６、図７および図８に示すように、特定の粗さを有するシリンダライナ１０に適用されるものであって、当該外周面２は、起伏を伴う表面（図７を参照）、粗い表面（図８を参照）またはねじ山形状を伴う表面（図９を参照）を有してもよい。特定の粗さを有する当該面２は、本願出願人による特許文献４にあるように、ライナ１０とエンジンブロック８との間の結合強度および熱輸送を向上させる。
【００３６】
滑らかなライナ１０に対して純ニッケルの被覆５を適用することは、従来技術から既に知られている。しかしながら、この適用はエンジンブロック８のアルミとライナ１０の鋳鉄との間における拡散層６の形成をもたらし（図５を参照）、脆弱な金属間化合物（鉄−ニッケル−アルミ）が形成され、それがエンジンの動作中に破損する可能性がある。
【００３７】
本発明は、特定の粗さを有する外周面２を備えたライナ１０を使用するものであり、それによりエンジンブロック８のアルミとライナ１０の鋳鉄との間の接触面積がより大きくなる。また、乱流の材料流れが鋳造中に生じ、それによりアルミと外周面２との間の接触時間が短縮され、よって拡散層６の形成が妨げられ、鋳造ギャップの充填およびそれに続くブロック８に対するライナ１０の結合がもたらされる。
【００３８】
拡散層６の不在および純ニッケルの被覆５は、ライナ１０の結合性を指数関数的に向上させる。図１０に見られるように、外周面２が特定の粗さを有するライナ１０は、０．６０μｍ未満の粗さを有する場合に比べて、０．７０μｍの粗さを有するものを使用した方が、２倍の強度をもって結合する。さらに、０．９０μｍの粗さを用いる場合、ライナ１０は、０．６０μｍ未満の粗さを有するライナ１０と比較して３０倍の結合強度を呈する。
【００３９】
また、図１０は、ニッケルの被覆５の適用とライナ１０の粗さとを組み合わせたときに、ライナ１０の結合性が指数関数的に増大することを示している。ニッケルの被覆を伴うライナ１０は、０．６０μｍ未満の粗さが０．７０μｍに増大されると３倍に増大した結合強度を有し、さらに、０．６０μｍ未満の粗さが０．９０μｍに増大されるとライナ１０の結合は５５倍強くなる。すなわち、粗さのみを有してニッケルの被覆５が適用されないライナ１０と比較して２５倍強い結合が得られる。
【００４０】
図５に見られるように、０．６０μｍ未満の粗さを有する外周面２を備えたライナ１０にニッケルの被覆５を適用すると拡散層６が形成される。この拡散層６の形成は、ブロック８に対するライナ１０の比較的弱い結合につながり、またエンジン動作中における破損の発生可能性をも生じさせる。
【００４１】
一方、図６は、０．６０μｍ以上、好ましくは０．７０μｍ、より好ましくは０．９０μｍの粗さを有する外周面２を備えたライナ１０を示している。この場合、拡散層６は存在せず、よってブロック８に対するライナ１０の結合が強められ、さらに破損の発生が抑制される。
【００４２】
熱輸送効率に関しては、図１１に、ライナ１０がＮｉ９９の被覆５を有する場合、何らかの被覆を有さない他のライナ１０と比較して、当該効率が２０％増大することがはっきりと示されている。
【００４３】
図１１は、本発明が、従来技術と比べて熱輸送に関する明らかな利点を提供すること、シリンダライナ１０のボアの歪みの優れた制御性を促進すること、およびピストンとライナ１０との間のクリアランスを改善することを示している。これにより、潤滑油および燃料の消費量が低減されると共に（リングに対して接線方向に働く負荷が摩損を低減するようにより小さくなることを考慮して）、したがって二酸化炭素排出量が低減される。
【００４４】
全ての既存の従来技術に対する純ニッケル（Ｎｉ９９）の被覆の利点は、表面の粗さと、ライナ１０の被覆５の純ニッケルの融点（１５００〜１７００℃）とエンジンブロック８のアルミ合金の融点（５００〜７００℃）との間の差異とに関連する。この温度における差異は、粗さと相まって、ライナ１０がエンジンブロック８に挿入されるときのより大きな結合強度を保証する。
【００４５】
また、図４に見られるように、本発明は、空隙１５を伴わないライナ１０の挿入を見事に促進する。
【００４６】
本発明のコンセプトは、このように、エンジンブロック８にアルミ合金を使用する現代のエンジンにとっての選択肢となる。被覆５の厚みは例えば１０μｍまたは１２μｍ（図４を参照）とかなり薄いので、ライナ１０の小さな外径公差と組み合わさったライナ１０の十分な結合が、コンパクトな、すなわちより短いインターボア間隔１２を有するエンジンブロック８の設計を可能とする。
【００４７】
そのプロセスの特性のために２００μｍ近くの厚みを有する被覆が形成される従来技術において使用されていた溶射コーティングプロセスと比較して、本発明は、例えば１０μｍの被覆を使用するものであり、この違いがシリンダのインターボア間隔の低減につながる（図１３を参照）。
【００４８】
この低減はエンジンブロック８の大幅な軽量化をもたらし、このことは上述した利点による主な生産者の主要な目的である。
【００４９】
好ましい例示的な実施形態について記載してきたが、本発明の範囲は、他の実現可能な変形例を含むものであって、実現可能な等価物を含む添付のクレームの内容によってのみ制限される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
2017528639.tif 000016
2017528639.tif 000017
2017528639.tif 000018