JP6572851B2 - 内燃機関のシリンダブロックおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のシリンダブロックおよびその製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、燃焼室の熱をシリンダブロック下方に逃がさないための遮熱構造を備える内燃機関が開示されている。具体的には、この内燃機関では、シリンダヘッド側のヘッドライナとシリンダブロック側のシリンダライナとの間に、低熱伝導材が配置されている。

実開平６−２２５４７号公報 特開２００７−１６７３４号公報 特開２００７−１６７３５号公報 特開２００７−１６７３６号公報 特開２００７−２９７９２３号公報

特許文献１に記載の構成では、シリンダブロックのシリンダボア壁部に関しては、シリンダ軸方向においてシリンダヘッドに近い側から遠い側への熱伝導を抑制することができない。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、シリンダ軸方向においてシリンダヘッドに近い側から遠い側へのシリンダボア壁部内の熱伝導を抑制できるようにした内燃機関のシリンダブロックを提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関のシリンダブロックは、ピストンを往復移動可能に保持するシリンダボア壁部と、エンジン冷却水を流通させるウォータジャケットとを備えている。シリンダ軸方向における前記シリンダボア壁部の少なくとも一部では、前記シリンダ軸方向においてシリンダヘッドに近い層の密度よりも前記シリンダヘッドから遠い層の密度が低い。前記シリンダボア壁部は、シリンダライナと、前記シリンダライナの外周側であって前記ウォータジャケットよりもシリンダ径方向内側に位置する主壁部と、を含む。そして、前記シリンダボア壁部の前記少なくとも一部は、前記シリンダ軸方向における前記主壁部の少なくとも一部である。

前記シリンダボア壁部は、シリンダライナを含んでいてもよい。そして、前記シリンダボア壁部の前記少なくとも一部は、前記シリンダ軸方向における前記シリンダライナの少なくとも一部であってもよい。

前記シリンダ軸方向における前記シリンダボア壁部の前記少なくとも一部では、前記シリンダヘッドから遠くなるにつれ密度が段階的に低くなっていてもよい。

前記シリンダボア壁部は、前記シリンダ軸方向の一部において、前記シリンダヘッドに近い層の密度よりも前記シリンダヘッドから遠い層の密度が低くなるように構成されたものであってもよい。前記シリンダボア壁部は、前記シリンダ軸方向の前記一部よりも前記シリンダヘッドに近い側に、前記一部内で前記シリンダヘッドに最も近い最高密度層の密度よりも低い低密度層を含んでいてもよい。そして、前記低密度層は、前記最高密度層と同じ材質で設けられていてもよい。

また、本発明に係る内燃機関のシリンダブロックの製造方法は、ピストンを往復移動可能に保持するシリンダボア壁部を備えるシリンダブロックに関するものである。前記シリンダボア壁部は、シリンダ軸方向における少なくとも一部において、前記シリンダ軸方向においてシリンダヘッドに近い層の密度よりも前記シリンダヘッドから遠い層の密度が低くなるように構成されている。そのうえで、前記製造方法は、造形ヘッドを有する３次元造形機を用いて前記シリンダボア壁部をＸ、ＹおよびＺ軸により定義される３次元空間上で造形する造形工程を備える。前記Ｚ軸の方向は、前記シリンダ軸方向と平行である。前記造形工程は、前記造形ヘッドを前記Ｙ軸の方向に移動させながら前記Ｘ軸の方向に往復移動させる動作を繰り返すことによって前記シリンダボア壁部の一層を形成する一層形成工程と、前記一層形成工程を実行することによって形成される前記シリンダボア壁部の各層が、当該各層の密度変化対象部位において前記シリンダヘッドに近い層の密度よりも前記シリンダヘッドから遠い層の密度が低くなる態様で前記Ｚ軸の方向に積層されるようにしつつ、前記一層形成工程を繰り返し実行させる積層工程と、を含む。

前記製造方法に係る前記シリンダブロックは、エンジン冷却水を流通させるウォータジャケットを備えていてもよい。また、前記製造方法に係る前記シリンダボア壁部は、シリンダライナを含んでいてもよい。前記造形工程が実行される対象となる前記シリンダボア壁部は、前記シリンダライナであってもよい。そして、前記製造方法は、前記シリンダライナを前記シリンダ軸方向から見たときにシリンダボア中心を通りかつ前記Ｘ軸と平行な直線と前記シリンダライナの外周とが交わる２点の位置において前記シリンダライナが前記ウォータジャケットに面するように、前記シリンダライナを前記シリンダボア壁部に組み込むライナ組込工程をさらに備えていてもよい。

前記製造方法に係るシリンダブロックは、エンジン冷却水を流通させるウォータジャケットを備えていてもよい。また、前記製造方法に係る前記シリンダボア壁部は、シリンダライナと、前記シリンダライナの外周側であって前記ウォータジャケットよりもシリンダ径方向内側に位置する主壁部と、を含んでいてもよい。前記造形工程が実行される対象となる前記シリンダボア壁部は、前記主壁部であってもよい。そして、前記Ｘ軸の方向は、前記主壁部を前記シリンダ軸方向から見たときにシリンダボア中心を通りかつ前記Ｘ軸と平行な直線と前記主壁部の外周とが交わる２点の位置において前記主壁部が前記ウォータジャケットに面するように設定されていてもよい。

シリンダボア壁部の密度が低いと、シリンダボア壁部の熱伝導率が低くなる。本発明では、シリンダ軸方向におけるシリンダボア壁部の少なくとも一部は、シリンダ軸方向においてシリンダヘッドに近い層の密度よりもシリンダヘッドから遠い層の密度が低くなるように構成されている。このように、本発明によれば、シリンダボア壁部に対してシリンダ軸方向に密度変化を与えることにより、シリンダ軸方向においてシリンダヘッドに近い側から遠い側へのシリンダボア壁部内の熱伝導を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関のシリンダブロックをシリンダ軸方向においてシリンダヘッド側から見下ろした図である。 図１中に示すＡ−Ａ線で切断されたシリンダブロックの断面形状を概略的に表した図である。 図２に示すシリンダライナを表した斜視図である。 シリンダライナの造形工程の流れを説明するための図である。 図２中に示すＢ−Ｂ線で切断されたシリンダブロックの断面形状を表した図である。 本発明の実施の形態１に係るシリンダブロックの効果を説明するための図である。 内燃機関の間欠運転制御を伴って走行可能なハイブリッド車両において冷間状態から内燃機関の各温度が上昇していく動作の一例を表したタイムチャートである。 本発明の実施の形態２に係るシリンダブロックが備えるシリンダライナを表した斜視図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係るシリンダライナを表した斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る内燃機関のシリンダブロックの断面形状を表した図である。 シリンダブロックをシリンダ軸方向においてシリンダヘッド側から見下ろした図である。 図１１中の矢印Ｃ方向からシリンダブロックを見た図である。 本発明の実施の形態４に係るシリンダブロックが備えるシリンダライナを表した斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下に示す実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、各実施の形態に記載の例および他の各変形例は、明示した組み合わせ以外にも可能な範囲内で適宜組み合わせてもよい。なお、各図面において、同一または類似の構成要素には同一の符号を付している。

実施の形態１．
［実施の形態１のシリンダブロックの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関のシリンダブロック１０をシリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８（図２参照）側から見下ろした図である。図１に示すシリンダブロック１０は、一例として、直列４気筒用であり、一列に並んだ４つのシリンダボア１２を備えている。

シリンダブロック１０は、シリンダボア１２を構成する部位であるシリンダボア壁部１４を備えている。シリンダボア壁部１４は、シリンダボア１２内に挿入されたピストン（図示省略）を往復移動可能に保持する。また、シリンダブロック１０は、シリンダボア壁部１４を囲むように形成され、エンジン冷却水を循環させるウォータジャケット１６を備えている。本実施形態では、シリンダ軸方向からシリンダブロック１０を見たときにウォータジャケット１６よりもシリンダ径方向の内側に位置する部位を、シリンダボア壁部１４と称している。

より具体的には、図１に示す一例では、シリンダボア壁部１４は、４つのシリンダボア１２のそれぞれを構成する壁部が一体的に連結した構造（いわゆる、サイアミーズ構造）を有している。そして、ウォータジャケット１６は、シリンダ軸方向からシリンダブロック１０を見たときに、このように一体的に連結されたシリンダボア壁部１４の全周をシリンダボア壁部１４の形状に沿って取り囲むように形成されている。したがって、図１に示す一例では、ウォータジャケット１６は、個々のシリンダボア壁部１４の全周ではなくシリンダ周方向の一部を囲むように形成されている。

図２は、図１中に示すＡ−Ａ線で切断されたシリンダブロック１０の断面形状を概略的に表した図である。なお、Ａ−Ａ線は、シリンダ軸方向から見てシリンダボア１２の中心を通っている。

図２に示すように、本実施形態のシリンダボア壁部１４は、シリンダボア１２を構成するために円筒状のシリンダライナ２０を備えている。したがって、シリンダライナ２０の内周面がシリンダボア１２の周面として機能する。シリンダライナ２０は、シリンダ軸方向においては、ピストンの摺動範囲と対応しており、シリンダボア１２のほぼ全体に及ぶように形成されている。なお、図２に示す一例では、ウォータジャケット１６は、シリンダ軸方向におけるシリンダボア壁部１４の一部（より具体的には、シリンダヘッド１８に近い側の部位）を囲むように形成されている。

図３は、図２に示すシリンダライナ２０を表した斜視図である。図３に示すように、シリンダライナ２０は、密度の高い高密度層２０ａと、高密度層２０ａよりも密度の低い（換言すると、高密度層２０ａよりも空隙率の高い）低密度層２０ｂとによる２層構造を有している。高密度層２０ａは、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い側に設けられており、低密度層２０ｂは、高密度層２０ａよりもシリンダヘッド１８から遠い側に設けられている。このような構造により、シリンダライナ２０では、シリンダ軸方向の全体において、シリンダヘッド１８に近い層（すなわち、高密度層２０ａ）の密度よりもシリンダヘッド１８から遠い層（すなわち、低密度層２０ｂ）の密度が低くなっている。また、高密度層２０ａと低密度層２０ｂとは一体的に形成されている。

さらに付け加えると、シリンダボア壁部１４におけるシリンダライナ２０以外の部位を含むシリンダブロック１０は、金属材料（一例として、アルミニウム合金）により構成されている。同様に、シリンダライナ２０も、金属材料（一例として、アルミニウム合金）により構成されている。そして、高密度層２０ａと低密度層２０ｂとは、同じ材質であってシリンダ軸方向において密度の異なる２層として構成されている。また、高密度層２０ａの密度は、一例として、シリンダライナ２０の外周側に位置するシリンダボア壁部１４の密度と同等である。

図３に示す一例では、高密度層２０ａと低密度層２０ｂとは同じ厚さ（シリンダ軸方向の厚さ）で設けられている。しかしながら、高密度層２０ａと低密度層２０ｂとの厚さの比は１：１に限られず、高密度層２０ａが、必要に応じて低密度層２０ｂよりも厚く形成されてもよい。また、逆に、高密度層２０ａが低密度層２０ｂよりも薄く形成されてもよい。

また、図３に示す一例では、高密度層２０ａのシリンダ径方向の厚さは、低密度層２０ｂのそれと同じである。この点に関し、密度を下げたことによる高密度層２０ａに対する低密度層２０ｂの強度低下を補うために、低密度層２０ｂのシリンダ径方向の厚さを高密度層２０ａのそれよりも大きくしてもよい。より具体的には、例えば、密度差が大きいほど、低密度層２０ｂのシリンダ径方向の厚さをより大きくしてもよい。なお、シリンダライナ２０の内周面には、耐摩耗性を向上させるために硬質処理を施してもよい。

［実施の形態１のシリンダブロックの製造方法］
本実施形態のシリンダブロック１０の製造方法は、シリンダ軸方向に密度変化を有するシリンダライナ２０を製造するために３次元造形機を利用する。３次元造形機は、一般的に、３次元の造形対象物（本実施形態では、シリンダライナ２０）の３次元データを所定方向（本実施形態では、後述のＺ軸の方向）で複数の層に分割し、各層の形状データに基づいて造形材（本実施形態では、アルミニウム合金）を最下層から順に積層していくことで、その３次元データに合わせた造形対象物を形成するものである。一方、シリンダブロック１０におけるシリンダライナ２０以外の部位は、鋳造を用いて製造される。すなわち、本実施形態では、シリンダライナ２０以外のシリンダボア壁部１４の部位については、シリンダ軸方向において密度が異なるようには製造されていない。

本実施形態の製造方法は、３次元造形機を用いてシリンダライナ２０を造形する造形工程と、シリンダライナ２０をシリンダボア壁部１４に組み込むライナ組込工程を備えている。以下、各工程について詳述する。

（シリンダライナの造形工程）
図４は、シリンダライナ２０の造形工程の流れを説明するための図である。図４（Ａ）はシリンダライナ２０が造形されていく過程を表した斜視図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）中の各過程でのシリンダライナ２０をＹ軸方向から見た図である。造形工程は、シリンダライナ２０を図４中に示すＸ、ＹおよびＺ軸により定義される３次元空間上で造形する工程である。Ｚ軸方向は、シリンダ軸方向と平行である。

造形工程は、一層形成工程と積層工程とを含んでいる。まず、一層形成工程について説明する。造形工程に利用する３次元造形機の方式は特に限定されないが、本実施形態では一例として、次のような方式が用いられる。すなわち、シリンダライナ２０の材料である金属粉末を噴射するノズルと、噴射された金属粉末を焼き固めるためのレーザ光を照射するレーザ光源とを有する造形ヘッド２２（図４（Ａ）参照）を備える３次元造形機が用いられる。

一層形成工程では、造形ヘッド２２は、シリンダライナ２０を包含する所定範囲内でＸＹ平面上を、図４（Ａ）に「移動方向」として示すようにＹ軸方向に移動しながらＸ軸方向に往復移動する動作を繰り返すように構成されている。そして、造形ヘッド２２は、この動作の実行中にシリンダライナ２０の造形に必要な位置にあるときに、ノズルによる金属粉末の噴射と、噴射された金属粉末へのレーザ光の照射とを実行するように構成されている。シリンダライナ２０の造形に必要な位置情報は、３次元データに基づいて取得される。以上のような一層形成工程によれば、シリンダライナ２０の一層を形成することができる。なお、上述の方式以外にも、例えば、層毎に一層分の金属粉末を敷き詰める装置と、レーザ光源のみを有する造形ヘッドとを備え、シリンダライナ２０の造形に必要な位置にのみレーザ光の照射を行う方式の３次元造形機を用いてもよい。

次に、積層工程は、次のような態様で一層形成工程を繰り返し実行する工程である。すなわち、積層工程は、一層の形成が終わる毎に、造形ヘッド２２をＺ軸方向に所定の送りピッチだけ移動させたうえで、次の層の形成のために一層形成工程を実行させる。送りピッチは、一層の厚さに相当する。図４に示す一例では、積層は、Ｚ軸方向（シリンダ軸方向）においてシリンダヘッド１８から遠い側からそれに近い側に向けて進行していく。ここで、積層工程による積層は、一層形成工程を実行することによって形成されるシリンダライナ２０の各層が、シリンダヘッド１８に近い層（すなわち、高密度層２０ａ）の密度よりもシリンダヘッド１８から遠い層（すなわち、低密度層２０ｂ）の密度が低くなる態様でＺ軸方向に積層されるようにしながら実行される。したがって、積層工程によれば、図４に示すように、低密度層２０ｂが先に形成され、次いで、高密度層２０ａが形成される。なお、本実施形態のシリンダライナ２０では、一層形成工程を実行することによって形成されるシリンダライナ２０の各層の全体が、本発明における「密度変化対象部位」に相当している。

Ｚ軸方向における各層の密度の変化は、造形ヘッド２２が有するノズルへの金属粉末の充填率を変更することで行うことができる。より具体的には、例えば、ノズルの充填率が低くなると、レーザ光の照射により金属粉末を焼き固めることで得られる層の中で占める空隙の割合（空隙率）が高くなる、すなわち、層の密度が低くなる。したがって、積層が進んで造形対象が低密度層２０ｂから高密度層２０ａに切り替わるときにノズルの充填率を高くすることで、密度の異なる２層を形成することができる。

（ライナ組込工程）
ライナ組込工程は、上述の造形工程により製造されたシリンダライナ２０をシリンダボア壁部１４に組み込む工程である。本実施形態では、シリンダライナ２０は、一例として、シリンダライナ２０以外のシリンダブロック１０の部位を鋳造により製造する際に、シリンダブロック１０の鋳型内に鋳込まれることによってシリンダボア壁部１４に組み込まれる。ただし、シリンダライナをシリンダボア壁部に組み込む手法は、上述のものに限られず、例えば、シリンダライナは、圧入によってシリンダボア壁部に組み込まれてもよい。

図５は、図２中に示すＢ−Ｂ線で切断されたシリンダブロック１０の断面形状を表した図である。本実施形態のライナ組込工程は、次のような態様で実行される。すなわち、ライナ組込工程によれば、図５に示すようにシリンダライナ２０をシリンダ軸方向から見たときにシリンダボア中心Ｐ０を通りかつＸ軸と平行な直線（仮想線）Ｌ１とシリンダライナ２０の外周とが交わる２点Ｐ１、Ｐ２の位置においてシリンダライナ２０がウォータジャケット１６に面するという態様で、シリンダライナ２０がシリンダボア壁部１４に組み込まれる。

さらに付け加えると、図５に示す例は、上記態様でシリンダライナ２０をシリンダボア壁部１４に組み込む場合の一例である。そして、この例では、内燃機関の吸気側と排気側とを結ぶ方向（シリンダ軸方向から見てシリンダボア１２の列方向と直交する方向）とシリンダライナ２０の造形時のＸ軸方向とが平行となるように、シリンダライナ２０がシリンダボア壁部１４に組み込まれている。

［実施の形態１の効果］
図６は、本発明の実施の形態１に係るシリンダブロック１０の効果を説明するための図であり、図２と同じ断面を表している。本実施形態のシリンダライナ２０は、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い側に設けられた高密度層２０ａと、シリンダヘッド１８から遠い側に設けられた低密度層２０ｂとによる２層構造を有している。シリンダライナ２０の密度が低い（すなわち、空隙率が高い）と、シリンダライナ２０の熱伝導率が低くなる。燃焼ガスからの熱は、主にシリンダヘッド１８に近い側においてシリンダボア壁部１４に伝えられる。上述の２層構造を有するシリンダライナ２０を含むシリンダボア壁部１４によれば、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い側から遠い側への熱伝導（図６中の矢印参照）を抑制することができる。

また、本実施形態のシリンダブロック１０によれば、シリンダ軸方向における上述の熱伝導を抑制できることに伴い、内燃機関の暖機時にシリンダヘッド１８に近い側の端部でのシリンダボア壁温度Ｔｋ１を早期に上昇し易くできるようになる。これにより、シリンダボア１２の周面（シリンダライナ２０の内周面）とピストンとの間の油膜温度が上昇するので、両者の間でのフリクションを低減できる。さらに、シリンダ軸方向における上述の熱伝導の抑制は、シリンダヘッド１８に近い側の部位において、シリンダ径方向外側への熱伝達（すなわち、シリンダボア壁部１４からウォータジャケット１６への熱伝達）の促進にも寄与する。以上のように、本実施形態の構成によれば、より少ない熱エネルギで内燃機関の早期暖機性を高められるシリンダブロック構造が得られる。

また、シリンダボア壁部１４からウォータジャケット１６（すなわち、エンジン冷却水）への熱伝達の向上効果は、内燃機関の暖機後においても以下の点で好ましい。すなわち、冷却水への熱伝達の向上により、内燃機関の高負荷運転時において上記シリンダボア壁温度Ｔｋ１を下げ易くなるので、耐ノック性を向上させられる。このように、本実施形態のシリンダブロック構造によれば、早期暖機性の向上と、暖機後の冷却性能とを好適に両立させられるようになる。

次に、図７を参照して、本実施形態のシリンダブロック構造の効果が得られる状況の一例を説明する。図７は、内燃機関の間欠運転制御を伴って走行可能なハイブリッド車両（内燃機関と電動モータとを動力源とする車両）において冷間状態から内燃機関の各温度が上昇していく動作の一例を表したタイムチャートである。Ｔｋ２は、図６に示すように、シリンダヘッド１８から遠い側の端部でのシリンダボア壁温度であり、Ｔｗはウォータジャケット１６内の冷却水の温度である。図７中の実線は、本シリンダブロック構造が採用された車両に対応し、同図中の破線は、本シリンダブロック構造が採用されていない車両に対応する。

間欠運転制御によれば、内燃機関の運転は、図７に示すように、車両の加速期間においては実行され、車両の減速期間においては停止される。また、車速がゼロとなる車両停止期間中にも、内燃機関の運転は停止される（アイドリングストップ）。本実施形態のシリンダブロック構造の採用に伴うシリンダ軸方向での熱伝導の抑制効果により、図７に示すタイムチャートから次のことが分かる。すなわち、図７中のシリンダボア壁温度Ｔｋ１の実線の波形によれば、破線の波形と比べて、エンジン運転中に温度Ｔｋ１が上昇し易いことと、エンジン停止中に温度Ｔｋ１が低下しにくいことが分かる。これらのことは、シリンダヘッド１８から遠い側の温度Ｔｋ２の実線と破線の波形の比較からも分かる。すなわち、温度Ｔｋ２の実線の波形によれば、破線の波形と比べて、エンジン運転中およびエンジン停止中に温度Ｔｋ２の上昇が抑制されている。また、冷却水温度Ｔｗの実線の波形によれば、破線の波形と比べて、温度Ｔｋ１と同様にエンジン運転中に温度Ｔｋ１が上昇し易いことが分かる。また、この冷却水温度Ｔｗの早期上昇効果に付随して、内燃機関が備える暖機必要部品（例えば、ＥＧＲクーラ）の昇温を促進させたり、車両室内の暖房性能を向上させたりすることができる。さらに、本実施形態のシリンダブロック構造によれば、図７に示す例とは異なり、発熱量の少ないアイドリング運転がなされる場合にも、温度Ｔｋ１の低下を抑制させられる。また、エンジン暖機中にシリンダブロックへの通水を停止する制御があるが、本シリンダブロック構造は、このような通水停止制御との相性も良い。すなわち、通水停止により、エンジン暖機中に温度Ｔｋ１の早期上昇効果を助長させられる。

また、本実施形態では、上述のように、シリンダ軸方向において密度の異なる２層構造を有するシリンダライナ２０は、３次元造形機を利用した造形工程により造形される。上記構造のシリンダライナ２０は、３次元造形機以外にも、例えば、焼結により製造することもできる。具体的には、焼結により金属粉末を焼き固めるときの金属粉末の充填の度合いを変更することで、シリンダライナに対してシリンダ軸方向に密度変化を与えることも可能である。しかしながら、３次元造形機の利用により、焼結と比べて容易にシリンダライナを製造できるようになる。

また、上述の造形工程によれば、シリンダライナ２０の各層では、造形ヘッド２２がＸ軸方向に往復移動される。このような造形ヘッド２２の動作に起因して、シリンダ軸方向の断面でシリンダライナ２０を見た場合には、図５中に概念的に表したように、Ｘ軸に平行な直線からなる縞状で各層が形成されるようになる。このような断面を有するシリンダライナ２０では、内周側から外周側への熱伝導は、Ｘ軸に平行な方向の方が、Ｘ軸に直交する方向（すなわち、上記の縞状の各直線を跨ぐように熱が伝えられる態様）よりも良くなる。この点に関し、本実施形態のライナ組込工程によれば、図５に示すようにシリンダボア中心Ｐ０を通りかつＸ軸と平行な直線Ｌ１とシリンダライナ２０の外周とが交わる２点Ｐ１、Ｐ２の位置においてシリンダライナ３０がウォータジャケット１６に面するという態様で、シリンダライナ２０がシリンダボア壁部１４に組み込まれる。これにより、シリンダ径方向外側への伝熱を促進させたい部位（すなわち、シリンダライナ２０ではシリンダヘッド１８に近い側に設けられた高密度層２０ａ）において当該伝熱を効果的に促進させることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、積層工程における積層の順番は、低密度層２０ｂ、次いで高密度層２０ａの順である。しかしながら、積層の順番は、Ｚ軸方向をこの例と逆方向に設定することで、高密度層２０ａ、次いで低密度層２０ｂの順であってもよい。また、シリンダライナ２０の各層の密度は、ノズルの充填率以外に、例えば、上述の送りピッチを変更することによっても変化させることができる。すなわち、例えば、一方の層の送りピッチを他方の層のそれよりも短くすることで、一方の層の密度を他方の密度よりも高くすることができる。したがって、密度変化を与えるために、ノズルの充填率の調整とともに、あるいはそれに代え、送りピッチの調整を行ってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、シリンダライナ２０の高密度層２０ａと低密度層２０ｂとが３次元造形機により一体的に形成された例を挙げた。しかしながら、例えば高密度層２０ａおよび低密度層２０ｂのように、本発明のシリンダボア壁部において密度の異なる複数の層は、一層もしくは任意の複数層毎にシリンダ軸方向に分割して形成されてもよい。そして、これらの複数の層は、最終的にシリンダブロックに組み込まれる際に組み合わされるようになっていればよい。

実施の形態２．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図８は、本発明の実施の形態２に係るシリンダブロックが備えるシリンダライナ３０を表した斜視図である。本実施形態のシリンダブロックは、シリンダライナ２０がシリンダライナ３０に置き換えられている点を除き、上述した実施の形態１のシリンダブロック１０と同様に構成されている。

図８に示すように、シリンダライナ３０は、シリンダ軸方向において密度の異なる３層構造を有している。シリンダライナ３０は、この点において、２層構造のシリンダライナ２０と相違している。具体的には、シリンダライナ３０は、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い側から順に、高密度層３０ａ、中密度層３０ｂおよび低密度層３０ｃを有している。高密度層３０ａは、最も密度が高く、中密度層３０ｂは、２番目に密度が高く、低密度層３０ｃは、最も密度が低い。このような構造により、本実施形態のシリンダライナ３０においても、シリンダ軸方向の全体において、シリンダヘッド１８に近い層の密度よりもシリンダヘッド１８から遠い層の密度が低くなっている。より詳細には、シリンダライナ３０では、シリンダヘッド１８から遠くなるにつれ密度が段階的に（一例として、３段階で）低くなっている。

さらに付け加えると、高密度層３０ａと中密度層３０ｂと低密度層３０ｃとは、同じ材質で構成されている。また、高密度層３０ａの密度は、一例として、シリンダライナ３０の外周側に位置するシリンダボア壁部の密度と同等である。また、図８に示す一例では、各層の厚さに関しては、高密度層３０ａが最も厚く、中密度層３０ｂが２番目に厚く、低密度層３０ｃが最も薄く形成されている。しかしながら、これらの３層の厚さの比は、上記の例に限られず、適用される内燃機関の仕様（例えば、筒内温度分布）の違いに応じて任意に設定してもよい。また、上述した３層構造を有するシリンダライナ３０についても、実施の形態１のシリンダライナ２０と同様の手法で製造することができる。すなわち、実施の形態１の積層工程に対し、シリンダ軸方向において密度が２回変化するように積層工程を変更すればよい。

以上説明した本実施形態のシリンダライナ３０によれば、２層構造のシリンダライナ２０と比べて、密度の異なる層が多段化されている。これにより、シリンダボア壁部におけるシリンダ軸方向の各部位において、シリンダボア１２側からシリンダボア壁部への熱の伝わり方をより細かく（より高い自由度で）制御できるようになる。また、同じ材質であっても、密度が異なると熱膨張に差が生じる。この点に関し、シリンダ軸方向におけるシリンダライナの両端に位置する層の密度の設定が同じである前提の下では、密度の異なる層の多段化により、隣接する層間の密度差を小さくできるようになる。これにより、隣接する層の境界での熱膨張差を抑制できるようになる。

ところで、上述した実施の形態２においては、シリンダ軸方向において密度の異なる３層構造のシリンダライナ３０を例に挙げた。しかしながら、密度の異なる層の多段化に関し、本発明に係るシリンダライナの層の数は、シリンダヘッドから遠くなるにつれ密度が段階的に低くなっていれば、３つに限られず、４つ以上であってもよい。そして、多段化されたシリンダライナは、例えば、以下の図９に示すような構成であってもよい。

図９は、本発明の実施の形態２の変形例に係るシリンダライナ４０を表した斜視図である。図９に示すシリンダライナ４０は、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い側から順に、高密度層４０ａ、中密度層４０ｂおよび低密度層４０ｃを有している。そのうえで、シリンダライナ４０は、中密度層４０ｂの構成が中密度層３０ｂの構成と異なるという点において、実施の形態２の中密度層３０ｂと相違している。すなわち、中密度層４０ｂは、中密度層３０ｂのように密度が一定の層ではなく、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８から遠くなるにつれて密度が徐々に小さくなる層である。実施の形態１において説明した３次元造形機を利用する造形工程によれば、一層を最小単位として、各層の密度を変化させることもできるので、シリンダライナに対してシリンダ軸方向において実質的に連続的な密度変化を与えることもできる。したがって、中密度層４０ｂは、例えば、上記造形工程を利用して製造することができる。なお、シリンダライナは、中密度層だけでなく、シリンダライナの全体において実質的に連続的な密度変化を伴うように構成されていてもよい。

実施の形態３．
次に、図１０〜図１２を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

［実施の形態３のシリンダブロックの構成］
図１０は、本発明の実施の形態３に係る内燃機関のシリンダブロック５０の断面形状（図２と同等の位置での断面形状）を表した図である。本実施形態のシリンダブロック５０は、シリンダボア壁部５２の構成において、実施の形態１のシリンダブロック１０と相違している。

本実施形態のシリンダボア壁部５２は、シリンダライナ５４と、シリンダライナ５４の外周側であってウォータジャケット１６よりもシリンダ径方向内側に位置する主壁部５６と、を含んでいる。そのうえで、本実施形態では、シリンダライナ５４は一例として密度の異なる複数の層で形成されておらず、その代わりに、主壁部５６が、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い層の密度よりもシリンダヘッド１８から遠い層の密度が低くなるように構成されている。

より具体的には、主壁部５６は、一例として、図９に示すシリンダライナ４０と同様の態様での密度の設定を伴いつつ、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い側から順に、高密度層５６ａ、中密度層５６ｂおよび低密度層５６ｃを有している。

［実施の形態３のシリンダブロックの製造方法］
図１１は、シリンダブロック５０をシリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８側から見下ろした図であり、図１２は、図１１中の矢印Ｃ方向（すなわち、シリンダボア１２の列方向の一方）からシリンダブロック５０を見た図である。本実施形態においても、Ｚ軸方向は、シリンダ軸方向と平行であって、かつ、一例としてシリンダヘッド１８から遠い側からシリンダヘッド１８に近い側に向かう方向である。

本実施形態のシリンダブロック５０では、主壁部５６を含み、かつ、シリンダライナ５４を除く部位が３次元造形機を利用して製造される。シリンダライナ５４を除くシリンダブロック５０の部位の製造は、基本的には、造形対象をシリンダライナから当該部位に置き換えつつ、実施の形態１において上述した造形工程と同様の造形工程を実行することで行うことができる。ただし、本実施形態では、図１２中に範囲Ｄとして示すように、シリンダブロック５０においてシリンダ軸方向に密度変化を与えたい「密度変化対象部位」は、シリンダライナ５４を除くシリンダブロック５０の全体ではなく、主壁部５６である。また、造形ヘッド２２を備える３次元造形機によれば、造形対象物の一層を形成する過程においても、ノズルへの金属粉末の充填率を変更することで、一層中の部位毎に密度を変化させることも可能である。そこで、本実施形態では、一層中の主壁部５６に該当する部位と、主壁部５６の外周に該当する部位とが存在する層については、主壁部５６に該当する部位のみを密度変化の対象としつつ造形工程が実行される。なお、本実施形態においては密度変化対象部位ではないシリンダライナ５４は、公知の任意の製造方法で製造すればよい。そして、シリンダライナ５４は、３次元造形機を用いて製造された主壁部５６に対して、例えば圧入によって挿入すればよい。

また、本実施形態の造形工程で用いられるＸ軸方向は、図１１に示すように主壁部５６をシリンダ軸方向から見たときにシリンダボア中心Ｐ０を通りかつＸ軸と平行な直線Ｌ２と主壁部５６の外周とが交わる２点Ｐ３、Ｐ４の位置において主壁部５６がウォータジャケット１６に面するように設定されている。また、図１１に示す例では、実施の形態１と同様に、Ｘ軸方向は、内燃機関の吸気側と排気側とを結ぶ方向（シリンダ軸方向から見てシリンダボア１２の列方向と直交する方向）と平行になっている。

［実施の形態３の効果］
本実施形態のシリンダブロック５０のように、シリンダボア壁部５２の主壁部５６に対して上述の密度変化が与えられている構成によっても、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い側から遠い側への熱伝導を抑制することができる。

また、上述のように、本実施形態の造形工程で用いられるＸ軸方向は、図１１に示すようにシリンダボア中心Ｐ０を通りかつＸ軸と平行な直線Ｌ２と主壁部５６の外周とが交わる２点Ｐ３、Ｐ４の位置において主壁部５６がウォータジャケット１６に面するように設定されている。このようなＸ軸方向の設定によれば、実施の形態１のライナ組込工程の効果として既に説明したのと同様に、シリンダ径方向外側への伝熱を促進させたい部位（すなわち、主壁部５６では主に高密度層５６ａ）において当該伝熱を効果的に促進させることができる。

ところで、上述した実施の形態３においては、シリンダボア壁部５２の主壁部５６に対して上述の密度変化が与えられた例を挙げた。しかしながら、このような例に代え、シリンダライナと主壁部の双方に対して上述の密度変化が与えられていてもよい。

また、主壁部に対して密度変化を与える場合には、主壁部５６の例以外にも、例えば、実施の形態１および２のシリンダライナ２０または３０と同様に、シリンダ軸方向において密度の異なる２層または３層を有するように主壁部を構成してもよい。

また、上述した実施の形態３においては、シリンダライナ５４を除くシリンダブロック５０の部位全体を３次元造形機によって製造することとしている。しかしながら、このような例に代え、シリンダライナを除くシリンダブロックの部位のうち、主壁部のみを例えば３次元造形機を用いて製造し、製造された主壁部を鋳造により製造されたシリンダブロックの本体に組み付ける製造方法を採用してもよい。

また、本発明の対象となるシリンダブロックは、シリンダライナを有しないシリンダボア壁部を有するものであって、当該シリンダボア壁部の主壁部に上述の密度変化を与えるように構成されていてもよい。

実施の形態４．
次に、図１３を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。図１３は、本発明の実施の形態４に係るシリンダブロックが備えるシリンダライナ６０を表した斜視図である。本実施形態のシリンダブロックは、シリンダライナ２０がシリンダライナ６０に置き換えられている点を除き、実施の形態１のシリンダブロック１０と同様に構成されている。

図１３に示すように、シリンダライナ６０は、シリンダ軸方向において密度の異なる３層構造を有している。シリンダライナ６０は、この点において、２層構造のシリンダライナ２０と相違している。具体的には、シリンダライナ６０は、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い層の密度よりもシリンダヘッド１８から遠い層の密度が低くなるように構成される複数の層としては、シリンダヘッド１８に近い側から順に、高密度層６０ａおよび低密度層６０ｂの２層を有している。高密度層６０ａは、この２層のうちで最も密度が高い最高密度層であり、低密度層６０ｂは、高密度層６０ａよりも密度の低い層である。

さらに、シリンダライナ６０は、シリンダ軸方向において高密度層６０ａよりもシリンダヘッド１８に近い側で高密度層６０ａに隣接する層として、高密度層６０ａの密度よりも低い低密度層６０ｃを備えている。このように、本実施形態のシリンダライナ６０では、シリンダ軸方向における全体ではなく一部（すなわち、高密度層６０ａおよび低密度層６０ｂ）において、シリンダヘッド１８に近い層の密度よりもシリンダヘッド１８から遠い層の密度が低くなるように構成されている。また、低密度層６０ｃは、高密度層６０ａおよび低密度層６０ｂと同じ材質で設けられている。

以上説明した本実施形態のシリンダライナ６０によれば、高密度層６０ａおよび低密度層６０ｂに関しては、実施の形態１と同様に、シリンダ軸方向においてシリンダヘッド１８に近い側から遠い側への熱伝導を抑制することができる。そのうえで、シリンダライナ６０によれば、シリンダ軸方向において高密度層６０ａよりもシリンダヘッド１８に近い側に低密度層６０ｃを備えている。このような構成によれば、上述の熱伝導を抑制させる要求に加えてシリンダヘッド１８側からシリンダブロック側への伝熱を抑制する要求のある内燃機関において、これらの２つの要求をともに満たせるようになる。

ところで、上述した実施の形態４においては、シリンダ軸方向におけるシリンダライナ６０の一部（すなわち、高密度層６０ａおよび低密度層６０ｂ）のみが、シリンダヘッド１８に近い層の密度よりもシリンダヘッド１８から遠い層の密度が低くなるように構成された例を挙げた。しかしながら、このような例に代え、シリンダライナの外周側であってウォータジャケットよりもシリンダ径方向内側に位置する主壁部（例えば、主壁部５６）のシリンダ軸方向の一部のみが、シリンダヘッドに近い層の密度よりもシリンダヘッドから遠い層の密度が低くなるように構成されていてもよい。そして、当該主壁部は、シリンダ軸方向における上記一部よりもシリンダヘッドに近い側に、上記一部内でシリンダヘッドに最も近い最高密度層の密度よりも低い低密度層を含んでいてもよい。そして、この低密度層は、最高密度層と同じ材質で設けられていてもよい。

１０、５０ シリンダブロック
１２ シリンダボア
１４、５２ シリンダボア壁部
１６ ウォータジャケット
１８ シリンダヘッド
２０、３０、４０、５４、６０ シリンダライナ
２０ａ、３０ａ、４０ａ、６０ａ シリンダライナの高密度層
２０ｂ、３０ｃ、４０ｃ、６０ｂ、６０ｃ シリンダライナの低密度層
２２ ３次元造形機の造形ヘッド
３０ｂ、４０ｂ シリンダライナの中密度層
５６ シリンダボア壁部の主壁部
５６ａ 主壁部の高密度層
５６ｂ 主壁部の中密度層
５６ｃ 主壁部の低密度層

Claims (7)

1. 内燃機関のシリンダブロックであって、
   ピストンを往復移動可能に保持するシリンダボア壁部と、
   エンジン冷却水を流通させるウォータジャケットと、
   を備え、
   シリンダ軸方向における前記シリンダボア壁部の少なくとも一部では、前記シリンダ軸方向においてシリンダヘッドに近い層の密度よりも前記シリンダヘッドから遠い層の密度が低く、
   前記シリンダボア壁部は、シリンダライナと、前記シリンダライナの外周側であって前記ウォータジャケットよりもシリンダ径方向内側に位置する主壁部と、を含み、
   前記シリンダボア壁部の前記少なくとも一部は、前記シリンダ軸方向における前記主壁部の少なくとも一部であることを特徴とする内燃機関のシリンダブロック。
2. 前記シリンダボア壁部は、シリンダライナを含み、
   前記シリンダボア壁部の前記少なくとも一部は、前記シリンダ軸方向における前記シリンダライナの少なくとも一部であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のシリンダブロック。
3. 前記シリンダ軸方向における前記シリンダボア壁部の前記少なくとも一部では、前記シリンダヘッドから遠くなるにつれ密度が段階的に低くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のシリンダブロック。
4. 前記シリンダボア壁部は、前記シリンダ軸方向の一部において、前記シリンダヘッドに近い層の密度よりも前記シリンダヘッドから遠い層の密度が低くなるように構成されたものであって、
   前記シリンダボア壁部は、前記シリンダ軸方向の前記一部よりも前記シリンダヘッドに近い側に、前記一部内で前記シリンダヘッドに最も近い最高密度層の密度よりも低い低密度層を含み、
   前記低密度層は、前記最高密度層と同じ材質で設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の内燃機関のシリンダブロック。
5. 請求項１に記載の内燃機関のシリンダブロックの製造方法であって、
   造形ヘッドを有する３次元造形機を用いて前記シリンダボア壁部をＸ、ＹおよびＺ軸により定義される３次元空間上で造形する造形工程を備え、
   前記Ｚ軸の方向は、前記シリンダ軸方向と平行であって、
   前記造形工程は、
   前記造形ヘッドを前記Ｙ軸の方向に移動させながら前記Ｘ軸の方向に往復移動させる動作を繰り返すことによって前記シリンダボア壁部の一層を形成する一層形成工程と、
   前記一層形成工程を実行することによって形成される前記シリンダボア壁部の各層が、当該各層の密度変化対象部位において前記シリンダヘッドに近い層の密度よりも前記シリンダヘッドから遠い層の密度が低くなる態様で前記Ｚ軸の方向に積層されるようにしつつ、前記一層形成工程を繰り返し実行させる積層工程と、
   を含むことを特徴とする内燃機関のシリンダブロックの製造方法。
6. 前記シリンダブロックは、エンジン冷却水を流通させるウォータジャケットを備え、
   前記シリンダボア壁部は、シリンダライナを含み、
   前記造形工程が実行される対象となる前記シリンダボア壁部は、前記シリンダライナであって、
   前記製造方法は、前記シリンダライナを前記シリンダ軸方向から見たときにシリンダボア中心を通りかつ前記Ｘ軸と平行な直線と前記シリンダライナの外周とが交わる２点の位置において前記シリンダライナが前記ウォータジャケットに面するように、前記シリンダライナを前記シリンダボア壁部に組み込むライナ組込工程をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関のシリンダブロックの製造方法。
7. 前記シリンダブロックは、エンジン冷却水を流通させるウォータジャケットを備え、
   前記シリンダボア壁部は、シリンダライナと、前記シリンダライナの外周側であって前記ウォータジャケットよりもシリンダ径方向内側に位置する主壁部と、を含み、
   前記造形工程が実行される対象となる前記シリンダボア壁部は、前記主壁部であって、
   前記Ｘ軸の方向は、前記主壁部を前記シリンダ軸方向から見たときにシリンダボア中心を通りかつ前記Ｘ軸と平行な直線と前記主壁部の外周とが交わる２点の位置において前記主壁部が前記ウォータジャケットに面するように設定されていることを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関のシリンダブロックの製造方法。

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