JP2007511696A - 内燃機関の構成部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関の運転中に他の領域（５）よりも熱的に高負荷を受ける少なくとも一つの領域（４）を含む内燃機関の構成部品（１）が開示されている。熱的により高負荷を受ける領域（４）は、熱的により低い負荷を受ける領域（５）よりも小さい熱膨張係数（α_２）を備える。

Description

本発明は請求項１の前段により詳細に定義されている内燃機関の構成部品に関する。本発明は更に内燃機関の構成部品の製造方法に関する。

例えばシリンダヘッド又はピストンのような内燃機関の構成部品において、より高負荷の領域で熱膨張が妨げられる場合、これらの領域に非常に大きな機械的応力が引き起こされるため、強い可塑化及びそれに関連するこれらの領域内での材料疲労によってクラックの形成が生じるという問題が熱サイクルの間に頻繁に発生する。この熱膨張の妨げは、熱的により高負荷を受ける材料が熱的により低い負荷を受ける材料よりも強く膨張する傾向があるために起きる。熱的により高負荷を受ける領域は一般に構成部品の中央にあるため外側への膨張は不可能であって、その結果は上記の応力、特に圧縮応力となり、それは冷却過程の間に材料強度を超え得る引張応力に変わる。

従来の最先端技術に従って出来る限り細かく安定したミクロ組織を調整するために、鋳造技術の改善及びその後の熱処理によりこの問題を解決するための試みがなされて来た。しかしながらこれらの手段は全体の構成部品に影響を及ぼすため、上記の問題はこれらの手段によっては解決出来ない。

従って本発明の課題は、構成部品の様々な領域にわたって分布する高い熱的負荷が変化する場合であっても、構成部品の破損に関して最先端技術から知られる問題を避けることが出来る内燃機関の構成部品及び、その製造方法を提供することである。

本発明によれば、この課題は請求項１に記載の特徴により解決される。

本発明によれば、構成部品の熱的に高負荷を受ける領域は熱的により低い負荷を受ける領域に比べて小さい熱膨張係数を示し、それは全体の構成部品が温度上昇の間に均等に膨張出来ることをもたらす。本発明の構成部品の様々な領域が均等に膨張する結果として膨張における妨げがなく、従って塑性変形の領域がないため、加熱及びその後の冷却の際に構成部品において実質的に応力がないかもしくは非常に僅かの応力しか発生せず、それによって従来存在した許容応力を超えることによるクラック形成の危険性は生じない。

構成部品内の温度条件に本発明の熱膨張係数を適用することにより、材料の疲労及び／又はクラック形成は後の時点に、もしくはより高負荷にシフトされることが可能で、本発明の構成部品は内燃機関においてより高出力及び／又はより長寿命で使用できる。

本発明による構成部品の製造方法は請求項９の特徴から見ることができる。

構成部品の基材が溶融され付加材料が導入されることにより、熱的により高負荷を受ける領域において熱膨張係数の変化がもたらされる。このアプローチは熱的により高負荷を受ける領域において特に正確な合金組成の管理を可能にする。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に示されている。以下に、本発明の例示が基本的に図に基づいて説明される。

図７、８及び９は最先端技術から知られる−その全体が示されていない−内燃機関の構成部品１を示す。構成部品１はこの場合シリンダヘッド１ａであり、そこで図１、５及び６はシリンダヘッド１ａの分離面２における視図を示す。シリンダヘッド１ａの代わりに、構成部品１は同様に内燃機関のピストン又は他の熱的に非常に大きな負荷を受ける部品でも可である。

シリンダヘッド１ａはその間に以下で中間域４ａと呼ばれる熱的により高負荷を受ける領域４が位置する、複数のバルブ穴３を含む。この中間域４ａは内燃機関の運転中、構成部品１の残り部分もしくは構成部品１の別の領域５よりも熱的に高負荷を受ける。シリンダヘッド１ａと関連する内燃機関は３もしくは６シリンダを有するため、合計で三つの中間域４ａが備えられている。各シリンダには四つのバルブ穴３が設けられているため、中間域４ａは基本的に交差した形の設計を有する。各シリンダ当たり二つのバルブ穴３が設けられている場合、中間域２ａはまた線形の設計を有し得る。ピストンの場合、熱的により高負荷を受ける領域４はとりわけピストン燃焼室であろう。勿論、内燃機関のシリンダ数は必要により変えられる。

構成部品１がその全体において望ましくはアルミ、特にアルミ−シリコン合金の一様な材料を備える場合、それは一定の熱膨張係数α_１を示す。構成部品１の温度は図７に示す非加熱状態の場合、同様に一定レベルＴ_０にある。

図８は加熱された状態における構成部品１を示す。そのとき構成部品１の内部、すなわち熱的により高負荷を受ける領域４において、領域５のより低い温度Ｔ_１と比べて高い温度Ｔ_２が存在する。熱的により高負荷を受ける領域４の膨張は、しかしながら領域５のより小さい膨張により妨げられるため、加熱された条件において領域４の可塑化が生じる。

図９に示すように構成部品１が温度Ｔ_０に冷却されて戻った場合、これは構成部品１の内部、特に熱的により高負荷を受ける領域４において引張応力を生じ、それは最終的に点線で示されるようなクラックの形成をもたらし得る。クラックの形成は−ここに示されていない−点火プラグ穴、又は−同様に示されていない−噴射穴にも生じ得る。

図１〜６は本発明による構成部品１を示す。上述の問題とは対照的に内燃機関の運転中に構成部品１の均等な膨張を達成するため、熱的により高負荷を受ける領域４は熱膨張係数α_１を更に示し続ける熱的により低い負荷を受ける領域５よりも小さい熱膨張係数α_２を示す。構成部品１の非処理の状態を図１及び２に示す。

構成部品１を製造するため、図３に示すような溶融池６が生じるように熱的により高負荷を受ける領域４は溶かされる。この溶融はビーム・プロセス、特にレーザビーム７を用いて行なわれることが望ましい。レーザビーム７を用いる代わりに電子ビーム又は同様のものが採用され得る。更に、溶融池６はＴＩＧプロセス又はその他の適切なプロセス及び方法により作られることも可能であろう。

図４に示すように構成部品１の熱膨張係数α_１を、熱的により高負荷を受ける領域４の値α_２へと前述の低減に導く付加材料８が導入される。付加材料８として、セラミック材料（粉末又は短いファイバーの形態、例えばＡｌ_２Ｏ_３）が用いられることが望ましい。更に、付加材料はシリコンを含むか又は、例えばＡｌ−Ｆｅ−Ｚｒ／Ｃｅを基本とする金属間分散の形態であり得る。

図５による例示から内燃機関の運転中、従って構成部品１の対応する加熱の間、熱的により高負荷を受ける領域４のより高い温度Ｔ_２にもかかわらず、熱的により高負荷を受ける領域４の材料は熱的により低い負荷を受ける領域５の材料よりも少なく膨張し、従ってそれにより熱膨張において妨げられないため、二つの領域４及び５にわたって均等な膨張が生じることが見られる。

最後に、図６は構成部品１の冷却後の状態を示し、クラックの形成が記録されないことが見られる。

第一の条件における本発明の視図を示す。 第一の条件における、図１の線分ＩＩ−ＩＩに従ったシリンダヘッドの中間域を通る断面を示す。 第二の条件における、図２のシリンダヘッドの中間域を示す。 第三の条件における、図２のシリンダヘッドの中間域を示す。 第二の条件における、図１の構成部品の視図を示す。 第三の条件における、図１の構成部品の視図を示す。 第一の条件における、最先端技術による構成部品の視図を示す。 第二の条件における、図７の構成部品の視図を示す。 第三の条件における、図７の構成部品の視図を示す。

Claims (12)

1. 内燃機関の運転中にその他の領域よりも熱的に高負荷を受ける少なくとも一つの領域を有する前記内燃機関の構成部品において、
   前記熱的により高負荷を受ける領域（４）が熱的により低い負荷を受ける領域（５）に比べて、より小さい熱膨張係数（α_２）を示すことを特徴とする構成部品。
2. 前記熱的により高負荷を受ける領域（４）が前記熱的により低い負荷を受ける領域（５）に対して変更された合金組成を有することを特徴とする請求項１に記載の構成部品。
3. 前記熱的により高負荷を受ける領域（４）がセラミック材料又は金属間化合物を含むことを特徴とする請求項２に記載の構成部品。
4. アルミ材料を含むことを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載の構成部品。
5. 前記構成部品がシリンダヘッド（１ａ）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の構成部品。
6. 前記熱的により高負荷を受ける領域（４）がそれぞれのバルブ穴（３）の間に位置する中間域（４ａ）であることを特徴とする請求項５に記載の構成部品。
7. 前記構成部品（１）がピストンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の構成部品。
8. 前記熱的により高負荷を受ける領域（４）がピストン燃焼室又は窪みの縁であることを特徴とする請求項７に記載の構成部品。
9. 内燃機関の構成部品の製造方法であって、
   前記内燃機関の運転中に前記構成部品（１）のその他の領域よりも熱的に高負荷を受ける領域（４）が溶融され、付加材料（８）が溶融によって生じた溶融池(６)内へ導入され、それにより前記熱的により高負荷を受ける領域（４）が前記熱的により低い負荷を受ける領域（５）よりも小さい熱膨張係数α_２を得ることを特徴とする方法。
10. 前記溶融がビーム・プロセスを通じて行なわれることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記ビーム・プロセスを実施するためにレーザビーム（７）が用いられることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記付加材料（８）がセラミック材料であることを特徴とする請求項９、１０あるいは１１に記載の方法。

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