シリンダとピストンの組み合わせ
【課題】内壁面に凹部が設けられたシリンダに最適であり、低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性に優れたシリンダとピストンの組み合わせを提供すること。
【解決手段】 シリンダを、その内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、前記行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計が１〜８０％の範囲内であり、かつ、当該行程中央部領域における、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が形成されており、前記シリンダの内壁面の、前記行程中央部領域以外の領域には前記凹部が形成されていないシリンダとし、ピストンを、前記シリンダの内壁面を摺動し、ピストンにおけるピストンスカート部は、その表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下であるピストンとする。
【解決手段】 シリンダを、その内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、前記行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計が１〜８０％の範囲内であり、かつ、当該行程中央部領域における、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が形成されており、前記シリンダの内壁面の、前記行程中央部領域以外の領域には前記凹部が形成されていないシリンダとし、ピストンを、前記シリンダの内壁面を摺動し、ピストンにおけるピストンスカート部は、その表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下であるピストンとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダとピストンの組み合わせに関する。具体的には、低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性に優れたシリンダとピストンの組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化をはじめとする環境問題が地球規模で大きくクローズアップされ、大気中のＣＯ２削減に向けた内燃機関の燃費改善技術の開発が大きな課題となっており、その一環として、エンジン等に用いられる摺動部材の摩擦損失の低減が求められている。これに鑑み、近年において、耐摩耗性および耐スカッフ性に優れ、かつ、摩擦力の低減効果を最大限に発現することが可能な摺動部材の材料・表面処理・改質の技術の開発が進められている。
【０００３】
内燃機関の燃費改善など、シリンダが用いられる装置のエネルギー効率を向上させるためには、摩擦低減が有効である。特に、往復運動を行なうピストン（およびピストンリング）と、シリンダの内壁面との間では、摩擦低減が有効である。
【０００４】
上記往復摩擦の低減のために、特許文献１ではシリンダライナの内壁面にくぼみ（凹部）を形成することにより、ピストン（およびピストンリング）とシリンダライナとの往復動摩擦を低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９７１８号公報
【特許文献２】特開２００７−４６６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常用いられているピストンのピストンスカート部は、保油性の確保を主な目的としてその表面に凹部が形成されているが、上記特許文献１には、摩擦損失や摩耗を低減するために、シリンダの内面をアルミニウム合金で形成し、シリンダボア内面に多数の微細凹部を形成し、ピストンリングおよびピストンのピストンスカート部の表面に硬質カーボン膜を被覆した内燃機関が開示されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１には、シリンダボア内面のどの位置に凹部を形成するのかについて明確に開示はされていない。
【０００８】
また、特許文献２には、シリンダライナの内壁面にくぼみを形成することにより、ピストンリングと、シリンダライナとの往復動摩擦を低減する技術が開示されている。特許文献２においては、摺動速度の違いによってシリンダライナをシリンダの軸方向に複数の領域に分割し、領域ごとにくぼみの形状を異なるものとすることにより、往復動摩擦の低減効果を高めている。
【０００９】
しかしながら、特許文献２においては、摺動面の少なくとも摺動部材が折り返す摺動端近傍部分に、円形状のくぼみが多数形成されている。ピストンが上死点、下死点に達した際には摺動速度が遅くなるため、上記摺動端近傍部分にくぼみが形成されている場合は油膜が薄くなり、金属接触を起こしやすくなって摩擦が大きくなるという不具合がある。
【００１０】
本発明は、このような現状においてなされたものであり、内壁面に凹部が設けられたシリンダに最適であり、低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性に優れたシリンダとピストンの組み合わせを提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、シリンダとピストンとの組み合わせであって、
前記シリンダは、その内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、前記行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計が１〜８０％の範囲内であり、かつ、当該行程中央部領域における、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が形成されており、前記シリンダの内壁面の、前記行程中央部領域以外の領域には前記凹部が形成されていないシリンダであり、前記ピストンは、前記シリンダの内壁面を摺動し、ピストンにおけるピストンスカート部は、その表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、上記発明にあっては、前記シリンダが、シリンダ本体と、当該シリンダ本体の内側に固着されるシリンダライナとからなり、前記シリンダライナの内壁面に、前記複数の凹部が形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、シリンダ内壁面の行程中央部領域に複数の凹部が形成されたシリンダを用い、かつこれ組み合わせられるピストンにおいて、そのピストンスカート部の表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下、つまり平滑化しているため、当該ピストンスカート部とシリンダとの間を流体潤滑状態とすることができ、これにより低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上することができる。
【００１４】
なお、従来のピストンにおけるピストンスカート部の表面には意図的に凹部が形成されており、当該凹部により保油性を担保していたが、本発明のピストンのピストンスカート部によっては保油性を担保することができなくなるが、これと組み合わされるシリンダの内壁面に複数の凹部が形成されているため、保油性については当該シリンダ内壁面の凹部によって充分に担保することができ、スカッフが発生することはない。
【００１５】
つまり、本発明のピストンは、内壁面に凹部が設けられたシリンダと組み合わせるのに最適であり、本発明のピストンによって流体潤滑状態をつくりつつ、これと組み合わされるシリンダによって、保油性、低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させることができる。
【００１６】
また、シリンダの内壁面の行程中央部領域のみに凹部を形成することにより、ピストンリングが摺動する領域において、ピストンリングとシリンダの内壁面との往復動摩擦を低減することができる。また、行程中央部領域における凹部の形成面積率を所定の範囲内とすることにより、接触面積が小さくなり、潤滑油のせん断抵抗に起因する摩擦力を小さく維持することができる。さらに、本発明においては、行程中央部領域に形成される複数の凹部は、シリンダ軸方向に重なるように形成されているため、接触面積を効率的かつ、平均的に摩耗を低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のシリンダとピストンを組み合わせた状態を示す一部切欠正面図である。
【図２】図１に示すピストンのピストンスカート部を正面とした場合の正面図である。
【図３】本発明において用いられるシリンダを構成するシリンダライナの内壁面の凹部の形成位置の一例を示す説明図である。
【図４】本発明において用いられるシリンダにおける、行程中央部領域の範囲の一例を示す説明図である。
【図５】本発明において用いられるシリンダに形成される凹部の形状の例を示す概略展開図である。
【図６】本発明において用いられるシリンダにおける、凹部の配置の一例を示す概略展開図である。
【図７】本発明において用いられるのシリンダに形成される凹部の寸法位置を説明する概略展開図および概略断面図である。
【図８】本発明において用いられるシリンダにおける、凹部の配置の他の一例を示す概略展開図である。
【図９】本発明において用いられるシリンダにおける、面積率を説明する概略断面図および概略展開図である。
【図１０】本発明の実施例において、凹部の形成時の状態を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の実施例および比較例における測定結果を示すグラフである。
【図１２】参考実験１のシリンダライナの展開図である。
【図１３】往復動摩擦力を測定するための装置の説明図である。
【図１４】参考実験１の測定結果を示すグラフである。
【図１５】参考実験２の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明のシリンダとピストンの組み合わせについて、図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のシリンダとピストンを組み合わせた状態を示す一部切欠正面図である。
【００２０】
図１に示すように、円筒状を呈するシリンダ１０の内部にはピストン２０が挿入されている。
【００２１】
そして、本発明のピストン２０は、ピストンピン２１を介して回転可能に設けられたコネクティングロッド２２に連結され、上下方向（図中の矢印参照）へ往復動可能に設けられている。また、ピストン２０は、ピストンピン２１に対してピストンピン２１の軸線と直交する方向に配置されるピストンスカート部２３と、ピストンリング溝２４とを有している。
【００２２】
一方で、上記ピストン２０と組み合わされるシリンダ１０の内壁面１１には、複数の凹部１２が設けられている。ここで、図１に示すシリンダ１０は、ピストン２０がシリンダ内壁面上を直に摺動する、いわゆる「ライナレスタイプ」のシリンダであるが、本発明はこのタイプに限定されることはなく、シリンダ本体とその内側に固着されたシリンダライナとから構成される、いわゆる「シリンダライナタイプ」のシリンダであってもよい（以下に詳述する。）。
【００２３】
（１）ピストン
図２は、図１に示すピストンのピストンスカート部を正面とした場合の正面図である。
【００２４】
図２中の符号２５はオイルドレイン孔であり、符号２４はピストンリング溝である。なお、この図に示すピストンには、ピストンリングは示されていない。
【００２５】
このような本発明のピストン２０は、そのピストンスカート部２３の表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下に平滑化されている。ここで、「十点平均粗さＲｚ」は、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）に基づくものである。
【００２６】
本発明のピストン２０によれば、当該ピストンスカート部２３とシリンダ１０の内壁面１１との間を流体潤滑状態とすることができ、これにより低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させることができる。一方で、本発明のピストン２０と組み合わされるシリンダ１０の内壁面１１には複数の凹部１２が形成されているため、保油性については当該シリンダ内壁面の凹部１２によって充分に担保することができ、スカッフが発生することはない。
【００２７】
本発明のピストン２０のピストンスカート部２３を平滑化する（十点平均粗さＲｚを６μｍ以下にする）方法については、特に限定されることはなく、従来公知の方法を適宜選択することができる。具体的には、旋削、切削、研磨、コーティング膜の被覆、等を挙げることができる。
【００２８】
また、少なくともピストンスカート部２３の表面を平滑化すればよく、ピストン２０における他の部分、例えばリング溝２４の間に位置するランド部分２７や、ピストンスカート部２３の裏面側などについては、必ずしも平滑化する必要はない。
【００２９】
さらに、本発明においては、ピストンスカート部２３の表面、言い換えれば、シリンダの内壁面と摺動する平面が平滑化されていればよい。したがって、ピストンスカート部２３に溝が形成されている場合には、当該溝の内部にあっては必ずしも平滑化する必要はない。ただし、ピストンスカート部２３に溝を形成する場合、当該溝の幅が過大であったり、溝同士の間隔が過小であったりすると、全体としての平滑化が不十分となることがある。したがって溝を設ける場合、当該溝同士の間隔は少なくとも０．３ｍｍ以上とすることが必要であり、ピストンスカート部２３の全表面に対する溝の面積率は３０％以下とする必要がある。
【００３０】
ここで、本発明のピストン２０を構成するピストンリングについては、特に限定されることはなく、現在公知である種々のピストンリングを適宜選択することができる。
【００３１】
特に、ピストンリングの外周摺動面は、その目的や用途により種々の形状を呈しているが、本態様のシリンダは、すべての外周摺動面の形状が異なる全てのピストンリングと組み合わせが可能である。
【００３２】
例えば、３本リング構成（２本の圧力リングと、１本のオイルリング）のピストンリングの場合にあっては、第一圧力リングの外周摺動面がバレル形状、偏心バレル形状、テーパ形状等が好ましく、第２圧力リングの外周摺動面が、テーパ形状、アンダーカット形状、アンダーフック形状等が好ましく、合口形状は中断アンダーカット形状が好ましく、オイルリングにあっては、コイルエキスパンダとオイルリング本体とからなる２ピース構成オイルリングや２本のサイドレールとスペーサエキスパンダからなる３ピース構成オイルリング等を用いることができ、特に２ピース構成オイルリングの外周摺動面形状がストレート形状、ダブルベベル形状もしくはバレル形状、オイルリング本体の上レールの上面側及び下レールの下面側のみがバレル形状とすることが好ましく、このような組み合わせをすることにより大幅なＬＯＣの改善効果が期待できる。
【００３３】
さらに、本発明のピストン２０と組み合わされるシリンダは、その内壁面に複数の凹部を有しているため、当該凹部がオイル溜まりとして機能し、従来のシリンダ（凹部なし）と比べてオイル量が増大することにより、ピストンリングによるオイルのかき残しが生じ、凹部にかき残されたオイルが摺動面に流れ出し、上昇してきたピストンリングにかき上げられたり、残存するオイルが蒸発してしまうことによるＬＯＣの悪化が懸念される。本発明のピストン２０にあっては、オイルを素早く排出するために、オイルドレイン孔２５（オイルをクランクケースに排出するための孔）をスラスト方向、反スラスト方向にそれぞれ２〜６箇所形成したり、オイルドレイン孔２５の直径を大きくするなどの工夫をしてもよい。さらに、スラスト方向のオイルドレイン孔２５の数や大きさを反スラスト方向に形成されるオイルドレイン孔２４よりも多く、大きくすることが好ましい。
【００３４】
（２）シリンダ
次に、上述したピストンと組み合わされるシリンダについて説明する。シリンダには、いわゆる「シリンダライナタイプ」と「ライナレスタイプ」の２種類があるが、本発明においては、何れをも用いることができる。以下にそれぞれについて説明する。
【００３５】
Ａ．第一態様（シリンダライナタイプ）
本発明の第一態様のシリンダは、シリンダ本体とその内側に固着されたシリンダライナとから構成され、前記シリンダライナの内壁面に上記複数の凹部が形成されているものである。本態様においては、シリンダ本体の内壁面とシリンダライナの外壁面とが固着されており、ピストンは上記シリンダライナの内壁面上を摺動するものであるため、上記シリンダライナが固着されているシリンダ本体の内壁面には、凹部は設けられている必要はない。
【００３６】
以下、本態様のシリンダについて、図面を用いて説明する。
【００３７】
図３は、本態様のシリンダ本体（図示せず）の内壁面に固着されているシリンダライナにおける、シリンダライナ内壁面の凹部の形成位置の一例を示す説明図である。
【００３８】
図３に例示するように本態様におけるシリンダライナ３１の内壁面３２には、複数個の凹部３３が形成されている。
【００３９】
ここで、シリンダライナの内壁面３２において、凹部３３が形成される領域は行程中央部領域である。当該凹部３３は、ピストン（およびピストンリング）とシリンダライナ内壁面との接触面積を小さくすることにより低摩擦性を向上し、さらに保油性を担保することを目的として形成されるものであり、当該目的を達成するためには、行程中央部領域３４にのみ形成すべきである。
【００４０】
行程中央部領域３４は、ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、上記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である。
【００４１】
図４は、本態様のシリンダ本体の内側に固着されるシリンダライナにおける、上記行程中央部領域３４の範囲の一例を示す概略断面図である。
【００４２】
図４は、ピストンが往復動する際の、上死点停止位置におけるピストン４１ａと、下死点停止位置におけるピストン４１ｂとを同一の断面図に示すものである。上記行程中央部領域３４は、シリンダライナ３１の内壁面３２のうち、上死点停止位置におけるピストン４１ａの最下位のピストンリング４２のリング溝４３の下面４４位置から、下死点停止位置におけるピストン４１ｂにおける最上位のピストンリング４６のリング溝４５の上面４７位置までの間の領域である。図４は、３本のピストンリング（第１圧力リング、第２圧力リング、オイルコントロールリング）が用いられる構成のピストンを示しており、最下位のピストンリング４２はオイルコントロールリングであり、最上位のピストンリング４６は第１圧力リングである。
【００４３】
シリンダが用いられる装置のエネルギー効率を向上させる、例えば、エンジンの燃費を向上させるためには、ピストンリングと、シリンダの内壁面（本態様においてはシリンダライナの内壁面）との摩擦損失低減が有効である。摩擦損失の低減方法は摺動条件によって異なるが、特にピストンは上死点で速度が０になる等の特徴を持つため、摺動する位置により異なる。そこで本態様のシリンダを構成するシリンダライナにおいては、その内壁面の行程中央部領域３４のみに凹部を形成するとともに、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が存在するように、換言すれば、各凹部をシリンダ軸方向において重なるように形成することによって、行程中央部領域３４の全ての領域において摩擦力を低減することを可能とした。
【００４４】
すなわち、ピストンの移動速度が比較的小さい上死点付近および下死点付近では、シリンダライナの内壁面の表面粗さを小さくすることにより、往復動摩擦の低減を図ることができる。しかしながら、シリンダライナの内壁面と、ピストンリングとの摺動速度が大きい領域である行程中央部領域３４では、潤滑油のせん断抵抗の影響が大きくなる。そのため本態様においては、シリンダライナの内壁面のうち、上記行程中央部領域３４にのみ凹部を形成することで、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積を小さくし、潤滑油のせん断抵抗の影響を低減することを可能とした。
【００４５】
またここで、行程中央部領域３４に複数の凹部を無造作に形成した場合、行程中央部領域３４全体では、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が小さくなるが、微視的には、摺動するピストンリングの幅（シリンダの軸方向の長さ）は行程中央部領域３４にくらべて非常に短いため、場所によっては、凹部が形成されていない部分も存在する可能性があり、当該部分においては、ピストンリング摺動面とシリンダライナの内壁面とが１００％接触をしていることとなってしまい、上記効果を十分に発揮できない可能性があるところ、本態様においては、上述の通り、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が存在するように、換言すれば、各凹部をシリンダ軸方向において重なるように形成されているため、摺動するピストンリングは常に凹部と接触していることとなり、その結果、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が１００％となることはなく、上記効果を常に発揮することができる。
【００４６】
なお、ピストンリングが摺動する領域全てに凹部を形成した場合、つまり行程中央部領域以外の領域にも凹部を形成した場合、上記接触面積が小さくなることにより接触面圧が増加し、上死点および下死点の近傍では境界潤滑となるため、摩擦力が増加してしまう場合がある。また、このような部分に凹部があると、不要な油だまりとなってしまい、これが燃焼し油の消費量が多くなってしまうこともある。
【００４７】
以下、本態様のシリンダについて、項目を分けてさらに詳細に説明する。
【００４８】
１．行程中央部領域
まず、本態様において、凹部が形成される領域である行程中央部領域について説明する。
【００４９】
本態様において、「行程中央部領域」とは、上述したように、ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である。例えば、図４に例示するように、ピストンの上方から第１圧力リング、第２圧力リング、オイルコントロールリングの順番で３つのピストンリングが配置されている場合、上記行程中央部領域の上端はオイルコントロールリング４２のリング溝４３の下面４４位置であり、下端は最上位のピストンリングである第１圧力リング４６のリング溝４５の上面４７位置である。本態様において凹部は、当該行程中央部領域３４のみに形成され、それ以外の領域には凹部は形成されない。なお、本態様は、上述したように、３本のピストンリングが用いられる構成に限定されるものではなく、ピストンリングが２本の構成（圧力リング、オイルコントロールリングが１本ずつ）や、ピストンリングが１本の構成（ガスシールと、オイルコントロールとを兼ね備えたピストンリング）においても同様に適用することができる。
【００５０】
２．凹部
次に、本態様のシリンダを構成するシリンダライナの内壁面の前記行程中央部領域に形成される凹部について説明する。
【００５１】
本態様において、前記行程中央部領域に形成される凹部の形状は特に限定される者ではなく、当該凹部の配置等に応じて適宜調整することができる。例えば、図５（ａ）〜（ｊ）に例示するように、直線および／または曲線から構成される形状の凹部を形成することができる。凹部は、図５（ａ）〜（ｃ）のような横長の形状でも、図５（ｄ）〜（ｇ）のような縦長の形状でも、図５（ｈ）〜（ｊ）のような縦対横の比率がほぼ等しい形状でもよい。
【００５２】
ここで、本態様のシリンダにおいては、行程中央部領域におけるシリンダ周方向の全ての断面に前記凹部が少なくとも一つは形成されていることを特徴としている。これにより、接触面積を効率的、かつ平均的に低減することができる。
【００５３】
前述したように、周方向の断面を考えた場合、ある断面に凹部が一つも形成されていないと、当該断面をピストンリングが通過する際は、凹部が複数個形成されている断面を通過する際と比べ、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が大きくなる場合がある。そのため、潤滑油のせん断抵抗の影響が大きくなり、結果として往復動摩擦も大きくなってしまう。
【００５４】
これに対し、行程中央部領域におけるシリンダ周方向の全ての断面に凹部を少なくとも一つ形成することにより、行程中央部領域のどの周方向断面をピストンリングが通過する場合であっても、接触面積を確実かつ平均的に低減することができるため、往復動摩擦も確実に低減することができる。
【００５５】
本態様の特徴である「シリンダ周方向の全ての断面において、複数個の凹部のうちの少なくとも一つの凹部が形成されている」状態の例としては、図６（ａ）や（ｂ）の場合を挙げることができる。
【００５６】
図６（ａ）は、上述した図３の行程中央部領域３４における、凹部３３の配置の一例を示す概略展開図である。図６（ａ）においては、図面の上下方向がシリンダの軸方向であり、図面の左右方向がシリンダの周方向である。図６（ａ）に例示するように、シリンダ周方向に引いた線Ｘは、凹部３３ａの最下点３５ａが、その下方に最も近接する凹部３３ｂの最上点３６ｂよりも下側に位置する。また、シリンダ周方向に引いた線Ｙは、凹部３３ｂの最下点３５ｂが、その下方に最も近接する凹部３３ｃの最上点３６ｃよりも下方に位置する。このように、上下に近接する凹部同士を、シリンダ軸方向に重なるように配置することにより、シリンダ周方向の全ての断面において複数個の凹部のうちの少なくとも一つの凹部を形成することができる。以上より、ピストンが往復した際に、行程中央部領域において、摺動するピストンリングが、シリンダ軸方向のどの位置においてもシリンダ内壁面との接触面積を小さくすることができ、往復動摩擦の低減に効果を奏する。
【００５７】
ここで、図６（ｂ）も図６（ａ）と同様、上述した図３の行程中央部領域３４における、凹部３３の配置の一例を示す概略展開図である。図６（ｂ）においても図面の上下方向がシリンダの軸方向であり、図面の左右方向がシリンダの周方向である。図６（ａ）にあっては、凹部３３がシリンダ軸方向にわたって均一の面積で形成されているが、この態様に限定されることはなく、図６（ｂ）に示すように、シリンダ軸方向の行程中央部領域３４の端部近傍においては凹部３３の面積を小さくし、行程中央部領域３４の中央部近傍においては凹部の面積を大きくしてもよい。
【００５８】
本態様において上記凹部の寸法は特に限定されるものではなく、シリンダや共に用いられるピストンリングの寸法等に応じて適宜調整することができる。凹部は、行程中央部領域をシリンダ軸方向に貫くように形成されていてもよいが、シリンダの気密性保持の観点から、上記凹部のシリンダ軸方向の平均長さが、用いられるピストンリングのうちの、最上位のピストンリングのシリンダ軸方向の長さ以下であることが好ましい。より具体的には、用いられるピストンリングのうちの、最上位のピストンリングのシリンダ軸方向の長さの５〜１００％程度とすることが好ましい。
【００５９】
凹部のシリンダ周方向平均長さは、０．１ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内が好ましく、０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内が特に好ましい。シリンダ周方向平均長さがこの範囲に満たない場合は、凹部を形成した効果が十分に得られない場合がある。一方で、周方向平均長さがこの範囲を超える場合は、ピストンリングの一部が凹部内へ入り込み、ピストンリングが変形する等の不具合が発生する場合がある。
【００６０】
凹部のシリンダ径方向平均長さは、０．１μｍ〜１０００μｍの範囲内が好ましく、０．１μｍ〜５００μｍの範囲内がさらに好ましく、０．１μｍ〜５０μｍの範囲内が特に好ましい。凹部のシリンダ径方向平均長さがこの範囲に満たない場合は、凹部を形成した効果が十分に得られない場合がある。一方で、径方向平均長さがこの範囲を超える場合は、加工が困難であり、また、シリンダライナの径方向長さを長くする（肉厚を厚くする）必要がある等の不具合が生じる場合がある。
【００６１】
本態様においては、隣り合う凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）は、０．１〜１５ｍｍの範囲内が好ましく、０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内が特に好ましい。隣り合う凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）がこの範囲に満たない場合には、ピストンリングが摺動するシリンダライナの内壁面の幅が小さすぎて、ピストンリングとシリンダライナの内壁面とが安定して摺動できない可能性がある。一方で、この範囲を超える場合には、凹部を形成した効果が十分に得られない可能性がある。
【００６２】
なお、本態様において上述した凹部の各平均長さは、図７に例示する各箇所の平均長さを意味するものとする。図７（ａ）は、シリンダライナの内壁面の、シリンダ軸方向を図面の上下方向に示した概略展開図である。また、図７（ｂ）は、シリンダライナの、周方向における概略断面図である。前記凹部の軸方向平均長さとは、図７（ａ）に例示するように、シリンダ軸方向における、凹部３３の長さの平均である。
【００６３】
また、上記凹部３３の周方向平均長さとは、図７（ａ）に例示するように、シリンダ周方向における、凹部３３の長さの平均である。図７（ｂ）に例示するように、前記凹部３３の周方向平均長さとは、内壁面３２を含む面における長さの平均を意味するものとし、前記凹部の面積についても同様とする。
【００６４】
また、上記凹部３３の径方向平均長さとは、図７（ｂ）に例示するように、凹部３３の底面からシリンダライナ３１の内壁面３２までの長さの平均である。また、上記凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）とは、図７（ａ）および（ｂ）に例示するように、隣り合う凹部３３の間隔の平均である。
【００６５】
本態様において、凹部の配置は、前述の通り、「シリンダ周方向の全ての断面に前記凹部が少なくとも一つは形成されている」ように配置する以外、特に限定されるものではない。例えば図８はシリンダライナの内周を周方向に開いた展開図を示すが、図８（ａ）に例示するように、凹部が行程中央部領域をシリンダ軸方向に貫くように形成されていてもよいし、図８（ｂ）に例示するように、シリンダライナの内壁面上にらせん状に形成されていてもよい。また、図８（ｃ）および（ｄ）に例示するように、シリンダ軸方向に特定の長さを有する形状の凹部が一定間隔をおいて配置されていてもよい。さらに、凹部は不規則（ランダム）に配置されていてもよい。加えて、１つのシリンダライナの内壁面上に形成される複数個の凹部の形状や寸法は、互いに異なっていても同一であってもよい。
【００６６】
本態様においては、上記行程中央部領域のみに複数の凹部が形成されており、行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計が１〜８０％の範囲内であり、シリンダ周方向の断面当たりに形成される凹部の個数が少なくとも一つ以上であればよく、その他は特に限定されるものではない。しかしながら、シリンダ周方向の一断面に形成される凹部の個数が少なすぎる場合には、凹部を形成し、接触面積を低減することによって得られる往復動摩擦力低減効果が十分に得られない可能性がある。したがって、シリンダ周方向の各断面毎に当該効果を十分に発揮できる程度の凹部を形成することが好ましい。
【００６７】
往復動摩擦力低減効果が得られる程度の凹部とは、共に用いられるピストンの往復動の速度等によって異なるものであるが、本態様においては、行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計を１〜８０％とすることが好ましく、１０〜６０％がより好ましく、２０〜５０％が特に好ましい。上記面積率がこの範囲に満たないと、凹部を形成した効果が十分に得られない場合があり、一方で、上記面積率がこの範囲を超えると、接触面積が小さすぎ、ピストンリングがシリンダライナの内壁面を安定して摺動できなくなる等の不都合が生じる可能性がある。前記往復動摩擦力低減効果の観点から、凹部の寸法の好ましい範囲がある。そのため、１つ１つの凹部の寸法を考慮しつつ、面積率が上記範囲内となるように、かつ、全てのシリンダ周方向断面に少なくとも１つの凹部が形成されるように、凹部の個数およびその配置を調整することが必要である。
【００６８】
本態様において、「行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計」とは、図９（ａ）および（ｂ）に例示するように、凹部３３の面積をＡ１、Ａ２、Ａ３、・・・Ａｎとしたときの、上記行程中央部領域の面積に対するＡ１、Ａ２、Ａ３、・・・Ａｎの合計の比率を意味するものである。面積率は、行程中央部領域における凹部３３の面積Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・Ａｎの合計Ａｔｏｔａｌと、行程中央部領域における凹部３３以外の内壁面３２の面積Ｂの合計Ｂｔｏｔａｌとを用い、下記式で表される。なお、図９（ａ）に例示するように、ここで凹部３３の面積とは、前記凹部３の底部の面積ではなく、内壁面３２を含む断面における面積を意味する。
【００６９】
【数１】
本態様においては、上述した凹部の形状、寸法、配置、面積率等は、行程中央部領域の全てにおいて同じでもよいし、領域によって異なっていてもよい。例えば、行程中央部領域において、シリンダ軸方向の各領域で上記面積率が異なっていてもよく、行程中央部領域の上方部分および下方部分においては凹部面積が小さく、行程中央部領域の中央部分においては凹部面積が大きくなっていてもよい。上記面積率等は段階的に変化しても、連続的に変化してもよい。
【００７０】
３．シリンダライナ
本態様におけるシリンダライナは、シリンダ本体の内側に固着して用いられるものであり、ピストンに装着されたピストンリングが、その内壁面上を摺動するものである。本態様のシリンダライナの寸法や材質等は、シリンダ本体の寸法や材質、共に用いられるピストンリング等との相性、さらには運転温度などを考慮し、適宜設計可能である。
【００７１】
本態様においては、ピストンリングと、シリンダライナの内壁面との往復動摩擦力低減の観点から、上記行程中央部領域の、前記凹部が形成されていない箇所の十点平均粗さＲｚが４μｍ以下とすることが好ましく、２μｍ以下とすることがさらに好ましく、１μｍ以下とすることが特に好ましい。また、本態様においては、シリンダライナの内壁面における、上死点付近の領域、下死点付近の領域、および行程中央部領域等、ピストンが摺動する全ての領域が上記表面粗さを有することが好ましい。なお、上記十点平均粗さＲｚとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）にて規定されているものである。
【００７２】
４．シリンダ本体
本態様において用いられるシリンダ本体は、前記シリンダライナをその内側に固着することができればよく、その材質や寸法などは用途や運転温度等に応じて適宜設計可能である。
【００７３】
５．凹部の形成方法
本態様のシリンダの行程中央部領域における複数の凹部の形成方法については、特に限定されることはなく、上述した各条件を満たす凹部を形成することができれば、いかなる方法をも採用することができる。
【００７４】
例えば、マスキングした後、砥粒を吹き付けることにより凹部を形成するブラスト加工法（後述する実施例で採用）や、マスキングした後、腐食溶液につけ込むことにより凹部を形成する方法、さらには凸版印刷においてインクの代わりに腐食液を使用した腐食加工方法などを採用することができる。
【００７５】
また、本態様のシリンダにおいては、最終的に凹部が形成されていればよく、必ずしも、製造工程においてシリンダ表面を除去して凹部とする必要はなく、逆にシリンダ表面に凸部を形成することにより、結果として当該凸部が形成されなかった部分を凹部としてもよい。
【００７６】
この場合、具体的には、所定のマスキングした後、各種ＰＶＤ法によってＰＶＤ皮膜を凸部として形成する方法、またＰＶＤ皮膜の他、クロム、銅、錫、亜鉛、ニッケル、ニッケル−リン等のめっき皮膜や、その他四三酸化鉄、リン酸マンガン、二硫化モリブデン、フッ素樹脂、グラファイト皮膜等用いることができる。
【００７７】
Ｂ．第二態様（ライナレスタイプ）
本態様の第二態様のシリンダは、上記「第一態様」のようなシリンダライナは用いられておらず、シリンダ本体の内壁面に直に上記凹部が形成され、ピストンが当該シリンダの内壁面上を直に摺動するものである。
【００７８】
本態様において用いられるシリンダ本体は、その内壁面に直に前記凹部が形成されたものであればよく、その寸法や材質については特に限定されることはない。
【００７９】
本態様のシリンダは、シリンダライナが用いられず、シリンダ本体の内壁面上に直に凹部が形成されること以外については、上記「Ａ．第一態様」のシリンダライナタイプのシリンダと同様であるため、ここでの説明は省略する。すなわち、「Ａ．第一態様」の「１．行程中央部領域」および「２．凹部」については、本態様のライナレスタイプにもそのまま適用することができ、本態様のシリンダは、その内壁面の行程中央部領域に所定の凹部を設けることにより、上記「第一態様」と同様な効果を奏するものである。
【００８０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。たとえば、本発明のシリンダ内壁面の材質は、アルミ、アルミ系合金、鋳鉄、鋳鋼、鋼など、従来より使用されている各種材料を用いることができる。
【実施例】
【００８１】
以下に実施例と比較例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
【００８２】
＜ピストンおよびシリンダの準備・加工＞
（本発明のピストン）
従来公知のピストンを用意し、そのピストンスカート部に対し、ダイヤモンドチップによる切削加工をすることにより、その表面の十点平均粗さＲｚを２μｍとした。当該ピストンを「本発明のピストン」とする。
【００８３】
（従来のピストン）
従来公知のピストンを準備し、ピストンスカート部の表面の十点平均粗さＲｚを測定したところ１０μｍであった。当該ピストンを「従来のピストン」とする。
【００８４】
（本発明のシリンダライナ）
従来公知のシリンダライナ（材質：ＦＣ２５０）（凹部なし）を用意し、その行程中央部領域にマスキング板（ＳＵＳ４２０、厚さ：０．５ｍｍ）を用い、以下の手順で凹部を形成した。なお凹部は、図７（ａ）に示す菱形形状とし、配置も図７（ａ）と同様とした。
（１）シリンダライナの内壁面に前記マスキング板を固定した。
（２）図１０に示すように、シリンダライナ９０をブラスト加工機のターンテーブル９１に固定した。
（３）図１０に示すように、シリンダライナ９０の内側にブラスト加工機の砥粒噴出口９２を挿入し、ターンテーブル９１を回転させ、かつ砥粒噴出口９２を上下に移動させながら、砥粒をシリンダライナ９０の内壁面に吐出させた（砥粒噴出口９２が上昇している時のみ砥粒を吐出させた。）。なお、砥粒材としてはアルミナを用い、砥粒径は５３〜７４μｍのものを用いた。砥粒噴出圧は約２ＭＰａであり、ターンテーブル９１の回転数は４ｒｐｍとした。また、砥粒噴出口９２の上下移動時間は５ｍｉｎ×２回とした。
（４）ターンテーブル９１からシリンダライナ９０を取り外し、ついでマスキング板をシリンダライナから取り外した。
（５）シリンダライナ９０の内壁面にホーニング加工を行った。なお、ホーニング加工は、形成された凹部の端部に罵詈が生じている場合があり、これを削除するためである。
（６）形成された凹部の形状は、図７（ａ）の通り菱形であり、軸方向長さ、周方向長さともに１．４ｍｍであった。また、図７（ｂ）に示す凹部のシリンダ径方向長さは５μｍであった。また、行程中央部領域における凹部の面積率は５０％であった。
【００８５】
当該シリンダライナを「本発明のシリンダライナ」とする。
【００８６】
（従来のシリンダライナ）
従来のシリンダライナ（材質：ＦＣ２５０）（凹部なし）を用意した。これを「従来のシリンダライナ」とする。
【００８７】
（実施例１）
上記「本発明のピストン」と「本発明のシリンダライナ」とを組み合わせて、本発明の実施例１の組み合わせとした。
【００８８】
（比較例１）
上記「本発明のピストン」と「従来のシリンダライナ」とを組み合わせて、比較例１の
組み合わせとした。
【００８９】
（比較例２）
上記「従来のピストン」と「本発明のシリンダライナ」とを組み合わせて、比較例２の組み合わせとした。
【００９０】
（従来例１）
上記「従来のピストン」と「従来のシリンダライナ」とを組み合わせて、従来例１の組み合わせとした。
【００９１】
＜実機試験による摩擦力の測定＞
上記実施例１、従来例１および比較例１〜２の組み合わせを、それぞれ以下の条件の実機（エンジン）に搭載し、摩擦力を測定した。
【００９２】
・実機の種類：ディーゼルエンジン
・排気量：９０００ｃｃ
・シリンダ数：６
・シリンダ径：１１２ｍｍ
・ストローク：１５０ｍｍ
・回転数：２７００ｒｐｍ
・荷重：全負荷
・水温：９０℃
・油温：成り行き
＜評価＞
図１１は、実施例および各比較例における摩擦力測定の結果である。
【００９３】
この評価は、従来例１の組み合わせの摩擦力を基準（１００％）とし、これに対する実施例１および比較例１〜２の摩擦力の割合を示したものである。
【００９４】
図１１に示すように、本発明のピストンとシリンダライナの組み合わせ（実施例１）は、従来のピストンと従来のシリンダライナとの組み合わせ（従来例１）と比べて１０％も摩擦力を低減することができた。
【００９５】
一方、従来のピストンと本発明のシリンダライナの組み合わせ（比較例２）は、上記比較例３の組み合わせと比較すると、多少の摩擦力低減効果はあるものの、ピストンのピストンスカート部表面に凹部が存在しているため、理想的な流体潤滑状態とはならず、当該部分において摩擦が生じていることが分かる。
【００９６】
また、本発明のピストンと従来のシリンダライナの組み合わせ（比較例１）にあっては、ピストンのスカート部およびシリンダライナの内壁面のいずれにも凹部がないため、これらの間の保油性を担保することができず、スカッフが発生してしまった。
【００９７】
以上からも、本発明のピストンは、内壁面に凹部が形成されたシリンダに用いるべきであり、また、凹部が形成されたシリンダと組み合わせた場合、飛躍的な低摩擦性を奏することが分かる。
【００９８】
＜参考実験１：往復動摩擦力の測定＞
本発明のシリンダとピストンの組み合わせにおいて用いられるシリンダの性能を評価するため、往復動摩擦力の測定を行った。具体的には以下の通りである。
【００９９】
図１２において斜線が付されている行程中央部領域に、上記（本発明のシリンダライナ）に記載した（１）〜（６）の手順で、種々の面積率で凹部を形成し、図１３に示す装置を用いて往復動摩擦力を測定した。この際に用いた試験片ピストンリングの軸方向長さｈ１は１．２ｍｍ、径方向長さａ１は３．２ｍｍ、ピストンリングの接線方向張力Ｆｔは９．８Ｎであった。また、往復動摩擦力の測定時の回転数は５０〜７５０ｒｐｍ、ピストンリング周辺温度は８０℃であり、供給油はＳＡＥ粘度１０Ｗ−３０のものを用いた。
【０１００】
＜参考実験１の評価＞
シリンダライナの内壁面の凹部が形成されていない箇所の十点平均粗さＲｚが２μｍ、凹部のシリンダ径方向平均長さが１０μｍ、回転数が７５０ｒｐｍの際において、凹部の面積率が、０％、１％、１０％、３０％、５０％、６０％、８０％、９０％の場合の往復摩擦力の測定結果を図１４に示す。なお、図１４においては、凹部が形成されていない、つまり上記面積率が０％の従来のシリンダライナ摩擦力を１．００としたときの摩擦力比を示す。
【０１０１】
図１４から、凹部の面積率が行程中央部領域の全域にわたって１〜８０％の範囲においては、効果的に摩擦力が低減されており、摩擦力は凹部の面積率が５０％の時に最小となることが分かる。これは、凹部の面積率を増加させていくと、５０％までは接触面積の減少効果により摩擦力が減少し、上記面積率が５０％を超えると接触面積が小さくなることによって摺動部の面圧が過剰に高くなり、摩擦力が増加することに起因するものと考えられる。
【０１０２】
＜参考実験２：摩擦力による機械的損失の測定＞
さらに、本発明のシリンダとピストンの組み合わせにおいて用いられるシリンダの性能を評価するため、摩擦力による機械的損失（ＦＭＥＰ）の測定を行った。具体的には以下の通りである。
【０１０３】
図１３に示す装置を用いて、摩擦力による機械的損失（ＦＭＥＰ）を求めた。その際の試験方法は、ピストンに試験片ピストンリングをセットし、馴染み運転をした後、オイル温度８０℃にてエンジンスピードに相当する回転数を変化させて、摩擦力を測定した。本参考実験においては、行程中央部領域にのみ凹部が形成されたシリンダライナ（参考実施例１）、凹部が形成されていないシリンダライナ（参考比較例１）、摺動端にのみ凹部が形成されたシリンダライナ（参考比較例２）、摺動端及び行程中央部領域に凹部が形成されたシリンダライナ（参考比較例３）について、摩擦力を測定した。なお、上記行程中央部領域に凹部を形成する場合には、上記行程中央部領域の面積を１００％としたときに、全凹部の面積の合計が５０％となるように形成した。また、上記摺動端とは、図１３に例示する装置のシリンダライナの、上記シリンダライナの上端からピストンの上死点における試験片のピストンリングのリング溝の下面位置までの領域（上側摺動端）、及びピストンの下死点における試験片ピストンリングのリング溝の上面位置から上記シリンダライナの下端までの領域（下側摺動端）を意味するものとする。
【０１０４】
＜参考実験２の評価＞
測定結果を図１５に示す。図１５においては、凹部が形成されていない参考比較例１のシリンダライナの機械的損失を１としたときの、その他のシリンダライナの機械的損失比を示す。
【０１０５】
図１５から、行程中央部領域にのみに凹部が形成された参考実施例１のシリンダライナは、凹部が形成されていない参考比較例１のシリンダライナや、摺動端に凹部が形成されている参考比較例２及び参考比較例３よりも機械的損失が少ないことがわかる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…シリンダ
１１…シリンダ内壁面
１２、３３…凹部
２０…ピストン
２３…ピストンスカート部
３１…シリンダライナ
３２…シリンダライナ内壁面
３４…行程中央部領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダとピストンの組み合わせに関する。具体的には、低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性に優れたシリンダとピストンの組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化をはじめとする環境問題が地球規模で大きくクローズアップされ、大気中のＣＯ２削減に向けた内燃機関の燃費改善技術の開発が大きな課題となっており、その一環として、エンジン等に用いられる摺動部材の摩擦損失の低減が求められている。これに鑑み、近年において、耐摩耗性および耐スカッフ性に優れ、かつ、摩擦力の低減効果を最大限に発現することが可能な摺動部材の材料・表面処理・改質の技術の開発が進められている。
【０００３】
内燃機関の燃費改善など、シリンダが用いられる装置のエネルギー効率を向上させるためには、摩擦低減が有効である。特に、往復運動を行なうピストン（およびピストンリング）と、シリンダの内壁面との間では、摩擦低減が有効である。
【０００４】
上記往復摩擦の低減のために、特許文献１ではシリンダライナの内壁面にくぼみ（凹部）を形成することにより、ピストン（およびピストンリング）とシリンダライナとの往復動摩擦を低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９７１８号公報
【特許文献２】特開２００７−４６６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常用いられているピストンのピストンスカート部は、保油性の確保を主な目的としてその表面に凹部が形成されているが、上記特許文献１には、摩擦損失や摩耗を低減するために、シリンダの内面をアルミニウム合金で形成し、シリンダボア内面に多数の微細凹部を形成し、ピストンリングおよびピストンのピストンスカート部の表面に硬質カーボン膜を被覆した内燃機関が開示されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１には、シリンダボア内面のどの位置に凹部を形成するのかについて明確に開示はされていない。
【０００８】
また、特許文献２には、シリンダライナの内壁面にくぼみを形成することにより、ピストンリングと、シリンダライナとの往復動摩擦を低減する技術が開示されている。特許文献２においては、摺動速度の違いによってシリンダライナをシリンダの軸方向に複数の領域に分割し、領域ごとにくぼみの形状を異なるものとすることにより、往復動摩擦の低減効果を高めている。
【０００９】
しかしながら、特許文献２においては、摺動面の少なくとも摺動部材が折り返す摺動端近傍部分に、円形状のくぼみが多数形成されている。ピストンが上死点、下死点に達した際には摺動速度が遅くなるため、上記摺動端近傍部分にくぼみが形成されている場合は油膜が薄くなり、金属接触を起こしやすくなって摩擦が大きくなるという不具合がある。
【００１０】
本発明は、このような現状においてなされたものであり、内壁面に凹部が設けられたシリンダに最適であり、低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性に優れたシリンダとピストンの組み合わせを提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、シリンダとピストンとの組み合わせであって、
前記シリンダは、その内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、前記行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計が１〜８０％の範囲内であり、かつ、当該行程中央部領域における、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が形成されており、前記シリンダの内壁面の、前記行程中央部領域以外の領域には前記凹部が形成されていないシリンダであり、前記ピストンは、前記シリンダの内壁面を摺動し、ピストンにおけるピストンスカート部は、その表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、上記発明にあっては、前記シリンダが、シリンダ本体と、当該シリンダ本体の内側に固着されるシリンダライナとからなり、前記シリンダライナの内壁面に、前記複数の凹部が形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、シリンダ内壁面の行程中央部領域に複数の凹部が形成されたシリンダを用い、かつこれ組み合わせられるピストンにおいて、そのピストンスカート部の表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下、つまり平滑化しているため、当該ピストンスカート部とシリンダとの間を流体潤滑状態とすることができ、これにより低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上することができる。
【００１４】
なお、従来のピストンにおけるピストンスカート部の表面には意図的に凹部が形成されており、当該凹部により保油性を担保していたが、本発明のピストンのピストンスカート部によっては保油性を担保することができなくなるが、これと組み合わされるシリンダの内壁面に複数の凹部が形成されているため、保油性については当該シリンダ内壁面の凹部によって充分に担保することができ、スカッフが発生することはない。
【００１５】
つまり、本発明のピストンは、内壁面に凹部が設けられたシリンダと組み合わせるのに最適であり、本発明のピストンによって流体潤滑状態をつくりつつ、これと組み合わされるシリンダによって、保油性、低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させることができる。
【００１６】
また、シリンダの内壁面の行程中央部領域のみに凹部を形成することにより、ピストンリングが摺動する領域において、ピストンリングとシリンダの内壁面との往復動摩擦を低減することができる。また、行程中央部領域における凹部の形成面積率を所定の範囲内とすることにより、接触面積が小さくなり、潤滑油のせん断抵抗に起因する摩擦力を小さく維持することができる。さらに、本発明においては、行程中央部領域に形成される複数の凹部は、シリンダ軸方向に重なるように形成されているため、接触面積を効率的かつ、平均的に摩耗を低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のシリンダとピストンを組み合わせた状態を示す一部切欠正面図である。
【図２】図１に示すピストンのピストンスカート部を正面とした場合の正面図である。
【図３】本発明において用いられるシリンダを構成するシリンダライナの内壁面の凹部の形成位置の一例を示す説明図である。
【図４】本発明において用いられるシリンダにおける、行程中央部領域の範囲の一例を示す説明図である。
【図５】本発明において用いられるシリンダに形成される凹部の形状の例を示す概略展開図である。
【図６】本発明において用いられるシリンダにおける、凹部の配置の一例を示す概略展開図である。
【図７】本発明において用いられるのシリンダに形成される凹部の寸法位置を説明する概略展開図および概略断面図である。
【図８】本発明において用いられるシリンダにおける、凹部の配置の他の一例を示す概略展開図である。
【図９】本発明において用いられるシリンダにおける、面積率を説明する概略断面図および概略展開図である。
【図１０】本発明の実施例において、凹部の形成時の状態を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の実施例および比較例における測定結果を示すグラフである。
【図１２】参考実験１のシリンダライナの展開図である。
【図１３】往復動摩擦力を測定するための装置の説明図である。
【図１４】参考実験１の測定結果を示すグラフである。
【図１５】参考実験２の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明のシリンダとピストンの組み合わせについて、図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のシリンダとピストンを組み合わせた状態を示す一部切欠正面図である。
【００２０】
図１に示すように、円筒状を呈するシリンダ１０の内部にはピストン２０が挿入されている。
【００２１】
そして、本発明のピストン２０は、ピストンピン２１を介して回転可能に設けられたコネクティングロッド２２に連結され、上下方向（図中の矢印参照）へ往復動可能に設けられている。また、ピストン２０は、ピストンピン２１に対してピストンピン２１の軸線と直交する方向に配置されるピストンスカート部２３と、ピストンリング溝２４とを有している。
【００２２】
一方で、上記ピストン２０と組み合わされるシリンダ１０の内壁面１１には、複数の凹部１２が設けられている。ここで、図１に示すシリンダ１０は、ピストン２０がシリンダ内壁面上を直に摺動する、いわゆる「ライナレスタイプ」のシリンダであるが、本発明はこのタイプに限定されることはなく、シリンダ本体とその内側に固着されたシリンダライナとから構成される、いわゆる「シリンダライナタイプ」のシリンダであってもよい（以下に詳述する。）。
【００２３】
（１）ピストン
図２は、図１に示すピストンのピストンスカート部を正面とした場合の正面図である。
【００２４】
図２中の符号２５はオイルドレイン孔であり、符号２４はピストンリング溝である。なお、この図に示すピストンには、ピストンリングは示されていない。
【００２５】
このような本発明のピストン２０は、そのピストンスカート部２３の表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下に平滑化されている。ここで、「十点平均粗さＲｚ」は、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）に基づくものである。
【００２６】
本発明のピストン２０によれば、当該ピストンスカート部２３とシリンダ１０の内壁面１１との間を流体潤滑状態とすることができ、これにより低摩擦性、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させることができる。一方で、本発明のピストン２０と組み合わされるシリンダ１０の内壁面１１には複数の凹部１２が形成されているため、保油性については当該シリンダ内壁面の凹部１２によって充分に担保することができ、スカッフが発生することはない。
【００２７】
本発明のピストン２０のピストンスカート部２３を平滑化する（十点平均粗さＲｚを６μｍ以下にする）方法については、特に限定されることはなく、従来公知の方法を適宜選択することができる。具体的には、旋削、切削、研磨、コーティング膜の被覆、等を挙げることができる。
【００２８】
また、少なくともピストンスカート部２３の表面を平滑化すればよく、ピストン２０における他の部分、例えばリング溝２４の間に位置するランド部分２７や、ピストンスカート部２３の裏面側などについては、必ずしも平滑化する必要はない。
【００２９】
さらに、本発明においては、ピストンスカート部２３の表面、言い換えれば、シリンダの内壁面と摺動する平面が平滑化されていればよい。したがって、ピストンスカート部２３に溝が形成されている場合には、当該溝の内部にあっては必ずしも平滑化する必要はない。ただし、ピストンスカート部２３に溝を形成する場合、当該溝の幅が過大であったり、溝同士の間隔が過小であったりすると、全体としての平滑化が不十分となることがある。したがって溝を設ける場合、当該溝同士の間隔は少なくとも０．３ｍｍ以上とすることが必要であり、ピストンスカート部２３の全表面に対する溝の面積率は３０％以下とする必要がある。
【００３０】
ここで、本発明のピストン２０を構成するピストンリングについては、特に限定されることはなく、現在公知である種々のピストンリングを適宜選択することができる。
【００３１】
特に、ピストンリングの外周摺動面は、その目的や用途により種々の形状を呈しているが、本態様のシリンダは、すべての外周摺動面の形状が異なる全てのピストンリングと組み合わせが可能である。
【００３２】
例えば、３本リング構成（２本の圧力リングと、１本のオイルリング）のピストンリングの場合にあっては、第一圧力リングの外周摺動面がバレル形状、偏心バレル形状、テーパ形状等が好ましく、第２圧力リングの外周摺動面が、テーパ形状、アンダーカット形状、アンダーフック形状等が好ましく、合口形状は中断アンダーカット形状が好ましく、オイルリングにあっては、コイルエキスパンダとオイルリング本体とからなる２ピース構成オイルリングや２本のサイドレールとスペーサエキスパンダからなる３ピース構成オイルリング等を用いることができ、特に２ピース構成オイルリングの外周摺動面形状がストレート形状、ダブルベベル形状もしくはバレル形状、オイルリング本体の上レールの上面側及び下レールの下面側のみがバレル形状とすることが好ましく、このような組み合わせをすることにより大幅なＬＯＣの改善効果が期待できる。
【００３３】
さらに、本発明のピストン２０と組み合わされるシリンダは、その内壁面に複数の凹部を有しているため、当該凹部がオイル溜まりとして機能し、従来のシリンダ（凹部なし）と比べてオイル量が増大することにより、ピストンリングによるオイルのかき残しが生じ、凹部にかき残されたオイルが摺動面に流れ出し、上昇してきたピストンリングにかき上げられたり、残存するオイルが蒸発してしまうことによるＬＯＣの悪化が懸念される。本発明のピストン２０にあっては、オイルを素早く排出するために、オイルドレイン孔２５（オイルをクランクケースに排出するための孔）をスラスト方向、反スラスト方向にそれぞれ２〜６箇所形成したり、オイルドレイン孔２５の直径を大きくするなどの工夫をしてもよい。さらに、スラスト方向のオイルドレイン孔２５の数や大きさを反スラスト方向に形成されるオイルドレイン孔２４よりも多く、大きくすることが好ましい。
【００３４】
（２）シリンダ
次に、上述したピストンと組み合わされるシリンダについて説明する。シリンダには、いわゆる「シリンダライナタイプ」と「ライナレスタイプ」の２種類があるが、本発明においては、何れをも用いることができる。以下にそれぞれについて説明する。
【００３５】
Ａ．第一態様（シリンダライナタイプ）
本発明の第一態様のシリンダは、シリンダ本体とその内側に固着されたシリンダライナとから構成され、前記シリンダライナの内壁面に上記複数の凹部が形成されているものである。本態様においては、シリンダ本体の内壁面とシリンダライナの外壁面とが固着されており、ピストンは上記シリンダライナの内壁面上を摺動するものであるため、上記シリンダライナが固着されているシリンダ本体の内壁面には、凹部は設けられている必要はない。
【００３６】
以下、本態様のシリンダについて、図面を用いて説明する。
【００３７】
図３は、本態様のシリンダ本体（図示せず）の内壁面に固着されているシリンダライナにおける、シリンダライナ内壁面の凹部の形成位置の一例を示す説明図である。
【００３８】
図３に例示するように本態様におけるシリンダライナ３１の内壁面３２には、複数個の凹部３３が形成されている。
【００３９】
ここで、シリンダライナの内壁面３２において、凹部３３が形成される領域は行程中央部領域である。当該凹部３３は、ピストン（およびピストンリング）とシリンダライナ内壁面との接触面積を小さくすることにより低摩擦性を向上し、さらに保油性を担保することを目的として形成されるものであり、当該目的を達成するためには、行程中央部領域３４にのみ形成すべきである。
【００４０】
行程中央部領域３４は、ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、上記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である。
【００４１】
図４は、本態様のシリンダ本体の内側に固着されるシリンダライナにおける、上記行程中央部領域３４の範囲の一例を示す概略断面図である。
【００４２】
図４は、ピストンが往復動する際の、上死点停止位置におけるピストン４１ａと、下死点停止位置におけるピストン４１ｂとを同一の断面図に示すものである。上記行程中央部領域３４は、シリンダライナ３１の内壁面３２のうち、上死点停止位置におけるピストン４１ａの最下位のピストンリング４２のリング溝４３の下面４４位置から、下死点停止位置におけるピストン４１ｂにおける最上位のピストンリング４６のリング溝４５の上面４７位置までの間の領域である。図４は、３本のピストンリング（第１圧力リング、第２圧力リング、オイルコントロールリング）が用いられる構成のピストンを示しており、最下位のピストンリング４２はオイルコントロールリングであり、最上位のピストンリング４６は第１圧力リングである。
【００４３】
シリンダが用いられる装置のエネルギー効率を向上させる、例えば、エンジンの燃費を向上させるためには、ピストンリングと、シリンダの内壁面（本態様においてはシリンダライナの内壁面）との摩擦損失低減が有効である。摩擦損失の低減方法は摺動条件によって異なるが、特にピストンは上死点で速度が０になる等の特徴を持つため、摺動する位置により異なる。そこで本態様のシリンダを構成するシリンダライナにおいては、その内壁面の行程中央部領域３４のみに凹部を形成するとともに、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が存在するように、換言すれば、各凹部をシリンダ軸方向において重なるように形成することによって、行程中央部領域３４の全ての領域において摩擦力を低減することを可能とした。
【００４４】
すなわち、ピストンの移動速度が比較的小さい上死点付近および下死点付近では、シリンダライナの内壁面の表面粗さを小さくすることにより、往復動摩擦の低減を図ることができる。しかしながら、シリンダライナの内壁面と、ピストンリングとの摺動速度が大きい領域である行程中央部領域３４では、潤滑油のせん断抵抗の影響が大きくなる。そのため本態様においては、シリンダライナの内壁面のうち、上記行程中央部領域３４にのみ凹部を形成することで、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積を小さくし、潤滑油のせん断抵抗の影響を低減することを可能とした。
【００４５】
またここで、行程中央部領域３４に複数の凹部を無造作に形成した場合、行程中央部領域３４全体では、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が小さくなるが、微視的には、摺動するピストンリングの幅（シリンダの軸方向の長さ）は行程中央部領域３４にくらべて非常に短いため、場所によっては、凹部が形成されていない部分も存在する可能性があり、当該部分においては、ピストンリング摺動面とシリンダライナの内壁面とが１００％接触をしていることとなってしまい、上記効果を十分に発揮できない可能性があるところ、本態様においては、上述の通り、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が存在するように、換言すれば、各凹部をシリンダ軸方向において重なるように形成されているため、摺動するピストンリングは常に凹部と接触していることとなり、その結果、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が１００％となることはなく、上記効果を常に発揮することができる。
【００４６】
なお、ピストンリングが摺動する領域全てに凹部を形成した場合、つまり行程中央部領域以外の領域にも凹部を形成した場合、上記接触面積が小さくなることにより接触面圧が増加し、上死点および下死点の近傍では境界潤滑となるため、摩擦力が増加してしまう場合がある。また、このような部分に凹部があると、不要な油だまりとなってしまい、これが燃焼し油の消費量が多くなってしまうこともある。
【００４７】
以下、本態様のシリンダについて、項目を分けてさらに詳細に説明する。
【００４８】
１．行程中央部領域
まず、本態様において、凹部が形成される領域である行程中央部領域について説明する。
【００４９】
本態様において、「行程中央部領域」とは、上述したように、ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である。例えば、図４に例示するように、ピストンの上方から第１圧力リング、第２圧力リング、オイルコントロールリングの順番で３つのピストンリングが配置されている場合、上記行程中央部領域の上端はオイルコントロールリング４２のリング溝４３の下面４４位置であり、下端は最上位のピストンリングである第１圧力リング４６のリング溝４５の上面４７位置である。本態様において凹部は、当該行程中央部領域３４のみに形成され、それ以外の領域には凹部は形成されない。なお、本態様は、上述したように、３本のピストンリングが用いられる構成に限定されるものではなく、ピストンリングが２本の構成（圧力リング、オイルコントロールリングが１本ずつ）や、ピストンリングが１本の構成（ガスシールと、オイルコントロールとを兼ね備えたピストンリング）においても同様に適用することができる。
【００５０】
２．凹部
次に、本態様のシリンダを構成するシリンダライナの内壁面の前記行程中央部領域に形成される凹部について説明する。
【００５１】
本態様において、前記行程中央部領域に形成される凹部の形状は特に限定される者ではなく、当該凹部の配置等に応じて適宜調整することができる。例えば、図５（ａ）〜（ｊ）に例示するように、直線および／または曲線から構成される形状の凹部を形成することができる。凹部は、図５（ａ）〜（ｃ）のような横長の形状でも、図５（ｄ）〜（ｇ）のような縦長の形状でも、図５（ｈ）〜（ｊ）のような縦対横の比率がほぼ等しい形状でもよい。
【００５２】
ここで、本態様のシリンダにおいては、行程中央部領域におけるシリンダ周方向の全ての断面に前記凹部が少なくとも一つは形成されていることを特徴としている。これにより、接触面積を効率的、かつ平均的に低減することができる。
【００５３】
前述したように、周方向の断面を考えた場合、ある断面に凹部が一つも形成されていないと、当該断面をピストンリングが通過する際は、凹部が複数個形成されている断面を通過する際と比べ、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が大きくなる場合がある。そのため、潤滑油のせん断抵抗の影響が大きくなり、結果として往復動摩擦も大きくなってしまう。
【００５４】
これに対し、行程中央部領域におけるシリンダ周方向の全ての断面に凹部を少なくとも一つ形成することにより、行程中央部領域のどの周方向断面をピストンリングが通過する場合であっても、接触面積を確実かつ平均的に低減することができるため、往復動摩擦も確実に低減することができる。
【００５５】
本態様の特徴である「シリンダ周方向の全ての断面において、複数個の凹部のうちの少なくとも一つの凹部が形成されている」状態の例としては、図６（ａ）や（ｂ）の場合を挙げることができる。
【００５６】
図６（ａ）は、上述した図３の行程中央部領域３４における、凹部３３の配置の一例を示す概略展開図である。図６（ａ）においては、図面の上下方向がシリンダの軸方向であり、図面の左右方向がシリンダの周方向である。図６（ａ）に例示するように、シリンダ周方向に引いた線Ｘは、凹部３３ａの最下点３５ａが、その下方に最も近接する凹部３３ｂの最上点３６ｂよりも下側に位置する。また、シリンダ周方向に引いた線Ｙは、凹部３３ｂの最下点３５ｂが、その下方に最も近接する凹部３３ｃの最上点３６ｃよりも下方に位置する。このように、上下に近接する凹部同士を、シリンダ軸方向に重なるように配置することにより、シリンダ周方向の全ての断面において複数個の凹部のうちの少なくとも一つの凹部を形成することができる。以上より、ピストンが往復した際に、行程中央部領域において、摺動するピストンリングが、シリンダ軸方向のどの位置においてもシリンダ内壁面との接触面積を小さくすることができ、往復動摩擦の低減に効果を奏する。
【００５７】
ここで、図６（ｂ）も図６（ａ）と同様、上述した図３の行程中央部領域３４における、凹部３３の配置の一例を示す概略展開図である。図６（ｂ）においても図面の上下方向がシリンダの軸方向であり、図面の左右方向がシリンダの周方向である。図６（ａ）にあっては、凹部３３がシリンダ軸方向にわたって均一の面積で形成されているが、この態様に限定されることはなく、図６（ｂ）に示すように、シリンダ軸方向の行程中央部領域３４の端部近傍においては凹部３３の面積を小さくし、行程中央部領域３４の中央部近傍においては凹部の面積を大きくしてもよい。
【００５８】
本態様において上記凹部の寸法は特に限定されるものではなく、シリンダや共に用いられるピストンリングの寸法等に応じて適宜調整することができる。凹部は、行程中央部領域をシリンダ軸方向に貫くように形成されていてもよいが、シリンダの気密性保持の観点から、上記凹部のシリンダ軸方向の平均長さが、用いられるピストンリングのうちの、最上位のピストンリングのシリンダ軸方向の長さ以下であることが好ましい。より具体的には、用いられるピストンリングのうちの、最上位のピストンリングのシリンダ軸方向の長さの５〜１００％程度とすることが好ましい。
【００５９】
凹部のシリンダ周方向平均長さは、０．１ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内が好ましく、０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内が特に好ましい。シリンダ周方向平均長さがこの範囲に満たない場合は、凹部を形成した効果が十分に得られない場合がある。一方で、周方向平均長さがこの範囲を超える場合は、ピストンリングの一部が凹部内へ入り込み、ピストンリングが変形する等の不具合が発生する場合がある。
【００６０】
凹部のシリンダ径方向平均長さは、０．１μｍ〜１０００μｍの範囲内が好ましく、０．１μｍ〜５００μｍの範囲内がさらに好ましく、０．１μｍ〜５０μｍの範囲内が特に好ましい。凹部のシリンダ径方向平均長さがこの範囲に満たない場合は、凹部を形成した効果が十分に得られない場合がある。一方で、径方向平均長さがこの範囲を超える場合は、加工が困難であり、また、シリンダライナの径方向長さを長くする（肉厚を厚くする）必要がある等の不具合が生じる場合がある。
【００６１】
本態様においては、隣り合う凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）は、０．１〜１５ｍｍの範囲内が好ましく、０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内が特に好ましい。隣り合う凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）がこの範囲に満たない場合には、ピストンリングが摺動するシリンダライナの内壁面の幅が小さすぎて、ピストンリングとシリンダライナの内壁面とが安定して摺動できない可能性がある。一方で、この範囲を超える場合には、凹部を形成した効果が十分に得られない可能性がある。
【００６２】
なお、本態様において上述した凹部の各平均長さは、図７に例示する各箇所の平均長さを意味するものとする。図７（ａ）は、シリンダライナの内壁面の、シリンダ軸方向を図面の上下方向に示した概略展開図である。また、図７（ｂ）は、シリンダライナの、周方向における概略断面図である。前記凹部の軸方向平均長さとは、図７（ａ）に例示するように、シリンダ軸方向における、凹部３３の長さの平均である。
【００６３】
また、上記凹部３３の周方向平均長さとは、図７（ａ）に例示するように、シリンダ周方向における、凹部３３の長さの平均である。図７（ｂ）に例示するように、前記凹部３３の周方向平均長さとは、内壁面３２を含む面における長さの平均を意味するものとし、前記凹部の面積についても同様とする。
【００６４】
また、上記凹部３３の径方向平均長さとは、図７（ｂ）に例示するように、凹部３３の底面からシリンダライナ３１の内壁面３２までの長さの平均である。また、上記凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）とは、図７（ａ）および（ｂ）に例示するように、隣り合う凹部３３の間隔の平均である。
【００６５】
本態様において、凹部の配置は、前述の通り、「シリンダ周方向の全ての断面に前記凹部が少なくとも一つは形成されている」ように配置する以外、特に限定されるものではない。例えば図８はシリンダライナの内周を周方向に開いた展開図を示すが、図８（ａ）に例示するように、凹部が行程中央部領域をシリンダ軸方向に貫くように形成されていてもよいし、図８（ｂ）に例示するように、シリンダライナの内壁面上にらせん状に形成されていてもよい。また、図８（ｃ）および（ｄ）に例示するように、シリンダ軸方向に特定の長さを有する形状の凹部が一定間隔をおいて配置されていてもよい。さらに、凹部は不規則（ランダム）に配置されていてもよい。加えて、１つのシリンダライナの内壁面上に形成される複数個の凹部の形状や寸法は、互いに異なっていても同一であってもよい。
【００６６】
本態様においては、上記行程中央部領域のみに複数の凹部が形成されており、行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計が１〜８０％の範囲内であり、シリンダ周方向の断面当たりに形成される凹部の個数が少なくとも一つ以上であればよく、その他は特に限定されるものではない。しかしながら、シリンダ周方向の一断面に形成される凹部の個数が少なすぎる場合には、凹部を形成し、接触面積を低減することによって得られる往復動摩擦力低減効果が十分に得られない可能性がある。したがって、シリンダ周方向の各断面毎に当該効果を十分に発揮できる程度の凹部を形成することが好ましい。
【００６７】
往復動摩擦力低減効果が得られる程度の凹部とは、共に用いられるピストンの往復動の速度等によって異なるものであるが、本態様においては、行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計を１〜８０％とすることが好ましく、１０〜６０％がより好ましく、２０〜５０％が特に好ましい。上記面積率がこの範囲に満たないと、凹部を形成した効果が十分に得られない場合があり、一方で、上記面積率がこの範囲を超えると、接触面積が小さすぎ、ピストンリングがシリンダライナの内壁面を安定して摺動できなくなる等の不都合が生じる可能性がある。前記往復動摩擦力低減効果の観点から、凹部の寸法の好ましい範囲がある。そのため、１つ１つの凹部の寸法を考慮しつつ、面積率が上記範囲内となるように、かつ、全てのシリンダ周方向断面に少なくとも１つの凹部が形成されるように、凹部の個数およびその配置を調整することが必要である。
【００６８】
本態様において、「行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計」とは、図９（ａ）および（ｂ）に例示するように、凹部３３の面積をＡ１、Ａ２、Ａ３、・・・Ａｎとしたときの、上記行程中央部領域の面積に対するＡ１、Ａ２、Ａ３、・・・Ａｎの合計の比率を意味するものである。面積率は、行程中央部領域における凹部３３の面積Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・Ａｎの合計Ａｔｏｔａｌと、行程中央部領域における凹部３３以外の内壁面３２の面積Ｂの合計Ｂｔｏｔａｌとを用い、下記式で表される。なお、図９（ａ）に例示するように、ここで凹部３３の面積とは、前記凹部３の底部の面積ではなく、内壁面３２を含む断面における面積を意味する。
【００６９】
【数１】
本態様においては、上述した凹部の形状、寸法、配置、面積率等は、行程中央部領域の全てにおいて同じでもよいし、領域によって異なっていてもよい。例えば、行程中央部領域において、シリンダ軸方向の各領域で上記面積率が異なっていてもよく、行程中央部領域の上方部分および下方部分においては凹部面積が小さく、行程中央部領域の中央部分においては凹部面積が大きくなっていてもよい。上記面積率等は段階的に変化しても、連続的に変化してもよい。
【００７０】
３．シリンダライナ
本態様におけるシリンダライナは、シリンダ本体の内側に固着して用いられるものであり、ピストンに装着されたピストンリングが、その内壁面上を摺動するものである。本態様のシリンダライナの寸法や材質等は、シリンダ本体の寸法や材質、共に用いられるピストンリング等との相性、さらには運転温度などを考慮し、適宜設計可能である。
【００７１】
本態様においては、ピストンリングと、シリンダライナの内壁面との往復動摩擦力低減の観点から、上記行程中央部領域の、前記凹部が形成されていない箇所の十点平均粗さＲｚが４μｍ以下とすることが好ましく、２μｍ以下とすることがさらに好ましく、１μｍ以下とすることが特に好ましい。また、本態様においては、シリンダライナの内壁面における、上死点付近の領域、下死点付近の領域、および行程中央部領域等、ピストンが摺動する全ての領域が上記表面粗さを有することが好ましい。なお、上記十点平均粗さＲｚとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）にて規定されているものである。
【００７２】
４．シリンダ本体
本態様において用いられるシリンダ本体は、前記シリンダライナをその内側に固着することができればよく、その材質や寸法などは用途や運転温度等に応じて適宜設計可能である。
【００７３】
５．凹部の形成方法
本態様のシリンダの行程中央部領域における複数の凹部の形成方法については、特に限定されることはなく、上述した各条件を満たす凹部を形成することができれば、いかなる方法をも採用することができる。
【００７４】
例えば、マスキングした後、砥粒を吹き付けることにより凹部を形成するブラスト加工法（後述する実施例で採用）や、マスキングした後、腐食溶液につけ込むことにより凹部を形成する方法、さらには凸版印刷においてインクの代わりに腐食液を使用した腐食加工方法などを採用することができる。
【００７５】
また、本態様のシリンダにおいては、最終的に凹部が形成されていればよく、必ずしも、製造工程においてシリンダ表面を除去して凹部とする必要はなく、逆にシリンダ表面に凸部を形成することにより、結果として当該凸部が形成されなかった部分を凹部としてもよい。
【００７６】
この場合、具体的には、所定のマスキングした後、各種ＰＶＤ法によってＰＶＤ皮膜を凸部として形成する方法、またＰＶＤ皮膜の他、クロム、銅、錫、亜鉛、ニッケル、ニッケル−リン等のめっき皮膜や、その他四三酸化鉄、リン酸マンガン、二硫化モリブデン、フッ素樹脂、グラファイト皮膜等用いることができる。
【００７７】
Ｂ．第二態様（ライナレスタイプ）
本態様の第二態様のシリンダは、上記「第一態様」のようなシリンダライナは用いられておらず、シリンダ本体の内壁面に直に上記凹部が形成され、ピストンが当該シリンダの内壁面上を直に摺動するものである。
【００７８】
本態様において用いられるシリンダ本体は、その内壁面に直に前記凹部が形成されたものであればよく、その寸法や材質については特に限定されることはない。
【００７９】
本態様のシリンダは、シリンダライナが用いられず、シリンダ本体の内壁面上に直に凹部が形成されること以外については、上記「Ａ．第一態様」のシリンダライナタイプのシリンダと同様であるため、ここでの説明は省略する。すなわち、「Ａ．第一態様」の「１．行程中央部領域」および「２．凹部」については、本態様のライナレスタイプにもそのまま適用することができ、本態様のシリンダは、その内壁面の行程中央部領域に所定の凹部を設けることにより、上記「第一態様」と同様な効果を奏するものである。
【００８０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。たとえば、本発明のシリンダ内壁面の材質は、アルミ、アルミ系合金、鋳鉄、鋳鋼、鋼など、従来より使用されている各種材料を用いることができる。
【実施例】
【００８１】
以下に実施例と比較例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
【００８２】
＜ピストンおよびシリンダの準備・加工＞
（本発明のピストン）
従来公知のピストンを用意し、そのピストンスカート部に対し、ダイヤモンドチップによる切削加工をすることにより、その表面の十点平均粗さＲｚを２μｍとした。当該ピストンを「本発明のピストン」とする。
【００８３】
（従来のピストン）
従来公知のピストンを準備し、ピストンスカート部の表面の十点平均粗さＲｚを測定したところ１０μｍであった。当該ピストンを「従来のピストン」とする。
【００８４】
（本発明のシリンダライナ）
従来公知のシリンダライナ（材質：ＦＣ２５０）（凹部なし）を用意し、その行程中央部領域にマスキング板（ＳＵＳ４２０、厚さ：０．５ｍｍ）を用い、以下の手順で凹部を形成した。なお凹部は、図７（ａ）に示す菱形形状とし、配置も図７（ａ）と同様とした。
（１）シリンダライナの内壁面に前記マスキング板を固定した。
（２）図１０に示すように、シリンダライナ９０をブラスト加工機のターンテーブル９１に固定した。
（３）図１０に示すように、シリンダライナ９０の内側にブラスト加工機の砥粒噴出口９２を挿入し、ターンテーブル９１を回転させ、かつ砥粒噴出口９２を上下に移動させながら、砥粒をシリンダライナ９０の内壁面に吐出させた（砥粒噴出口９２が上昇している時のみ砥粒を吐出させた。）。なお、砥粒材としてはアルミナを用い、砥粒径は５３〜７４μｍのものを用いた。砥粒噴出圧は約２ＭＰａであり、ターンテーブル９１の回転数は４ｒｐｍとした。また、砥粒噴出口９２の上下移動時間は５ｍｉｎ×２回とした。
（４）ターンテーブル９１からシリンダライナ９０を取り外し、ついでマスキング板をシリンダライナから取り外した。
（５）シリンダライナ９０の内壁面にホーニング加工を行った。なお、ホーニング加工は、形成された凹部の端部に罵詈が生じている場合があり、これを削除するためである。
（６）形成された凹部の形状は、図７（ａ）の通り菱形であり、軸方向長さ、周方向長さともに１．４ｍｍであった。また、図７（ｂ）に示す凹部のシリンダ径方向長さは５μｍであった。また、行程中央部領域における凹部の面積率は５０％であった。
【００８５】
当該シリンダライナを「本発明のシリンダライナ」とする。
【００８６】
（従来のシリンダライナ）
従来のシリンダライナ（材質：ＦＣ２５０）（凹部なし）を用意した。これを「従来のシリンダライナ」とする。
【００８７】
（実施例１）
上記「本発明のピストン」と「本発明のシリンダライナ」とを組み合わせて、本発明の実施例１の組み合わせとした。
【００８８】
（比較例１）
上記「本発明のピストン」と「従来のシリンダライナ」とを組み合わせて、比較例１の
組み合わせとした。
【００８９】
（比較例２）
上記「従来のピストン」と「本発明のシリンダライナ」とを組み合わせて、比較例２の組み合わせとした。
【００９０】
（従来例１）
上記「従来のピストン」と「従来のシリンダライナ」とを組み合わせて、従来例１の組み合わせとした。
【００９１】
＜実機試験による摩擦力の測定＞
上記実施例１、従来例１および比較例１〜２の組み合わせを、それぞれ以下の条件の実機（エンジン）に搭載し、摩擦力を測定した。
【００９２】
・実機の種類：ディーゼルエンジン
・排気量：９０００ｃｃ
・シリンダ数：６
・シリンダ径：１１２ｍｍ
・ストローク：１５０ｍｍ
・回転数：２７００ｒｐｍ
・荷重：全負荷
・水温：９０℃
・油温：成り行き
＜評価＞
図１１は、実施例および各比較例における摩擦力測定の結果である。
【００９３】
この評価は、従来例１の組み合わせの摩擦力を基準（１００％）とし、これに対する実施例１および比較例１〜２の摩擦力の割合を示したものである。
【００９４】
図１１に示すように、本発明のピストンとシリンダライナの組み合わせ（実施例１）は、従来のピストンと従来のシリンダライナとの組み合わせ（従来例１）と比べて１０％も摩擦力を低減することができた。
【００９５】
一方、従来のピストンと本発明のシリンダライナの組み合わせ（比較例２）は、上記比較例３の組み合わせと比較すると、多少の摩擦力低減効果はあるものの、ピストンのピストンスカート部表面に凹部が存在しているため、理想的な流体潤滑状態とはならず、当該部分において摩擦が生じていることが分かる。
【００９６】
また、本発明のピストンと従来のシリンダライナの組み合わせ（比較例１）にあっては、ピストンのスカート部およびシリンダライナの内壁面のいずれにも凹部がないため、これらの間の保油性を担保することができず、スカッフが発生してしまった。
【００９７】
以上からも、本発明のピストンは、内壁面に凹部が形成されたシリンダに用いるべきであり、また、凹部が形成されたシリンダと組み合わせた場合、飛躍的な低摩擦性を奏することが分かる。
【００９８】
＜参考実験１：往復動摩擦力の測定＞
本発明のシリンダとピストンの組み合わせにおいて用いられるシリンダの性能を評価するため、往復動摩擦力の測定を行った。具体的には以下の通りである。
【００９９】
図１２において斜線が付されている行程中央部領域に、上記（本発明のシリンダライナ）に記載した（１）〜（６）の手順で、種々の面積率で凹部を形成し、図１３に示す装置を用いて往復動摩擦力を測定した。この際に用いた試験片ピストンリングの軸方向長さｈ１は１．２ｍｍ、径方向長さａ１は３．２ｍｍ、ピストンリングの接線方向張力Ｆｔは９．８Ｎであった。また、往復動摩擦力の測定時の回転数は５０〜７５０ｒｐｍ、ピストンリング周辺温度は８０℃であり、供給油はＳＡＥ粘度１０Ｗ−３０のものを用いた。
【０１００】
＜参考実験１の評価＞
シリンダライナの内壁面の凹部が形成されていない箇所の十点平均粗さＲｚが２μｍ、凹部のシリンダ径方向平均長さが１０μｍ、回転数が７５０ｒｐｍの際において、凹部の面積率が、０％、１％、１０％、３０％、５０％、６０％、８０％、９０％の場合の往復摩擦力の測定結果を図１４に示す。なお、図１４においては、凹部が形成されていない、つまり上記面積率が０％の従来のシリンダライナ摩擦力を１．００としたときの摩擦力比を示す。
【０１０１】
図１４から、凹部の面積率が行程中央部領域の全域にわたって１〜８０％の範囲においては、効果的に摩擦力が低減されており、摩擦力は凹部の面積率が５０％の時に最小となることが分かる。これは、凹部の面積率を増加させていくと、５０％までは接触面積の減少効果により摩擦力が減少し、上記面積率が５０％を超えると接触面積が小さくなることによって摺動部の面圧が過剰に高くなり、摩擦力が増加することに起因するものと考えられる。
【０１０２】
＜参考実験２：摩擦力による機械的損失の測定＞
さらに、本発明のシリンダとピストンの組み合わせにおいて用いられるシリンダの性能を評価するため、摩擦力による機械的損失（ＦＭＥＰ）の測定を行った。具体的には以下の通りである。
【０１０３】
図１３に示す装置を用いて、摩擦力による機械的損失（ＦＭＥＰ）を求めた。その際の試験方法は、ピストンに試験片ピストンリングをセットし、馴染み運転をした後、オイル温度８０℃にてエンジンスピードに相当する回転数を変化させて、摩擦力を測定した。本参考実験においては、行程中央部領域にのみ凹部が形成されたシリンダライナ（参考実施例１）、凹部が形成されていないシリンダライナ（参考比較例１）、摺動端にのみ凹部が形成されたシリンダライナ（参考比較例２）、摺動端及び行程中央部領域に凹部が形成されたシリンダライナ（参考比較例３）について、摩擦力を測定した。なお、上記行程中央部領域に凹部を形成する場合には、上記行程中央部領域の面積を１００％としたときに、全凹部の面積の合計が５０％となるように形成した。また、上記摺動端とは、図１３に例示する装置のシリンダライナの、上記シリンダライナの上端からピストンの上死点における試験片のピストンリングのリング溝の下面位置までの領域（上側摺動端）、及びピストンの下死点における試験片ピストンリングのリング溝の上面位置から上記シリンダライナの下端までの領域（下側摺動端）を意味するものとする。
【０１０４】
＜参考実験２の評価＞
測定結果を図１５に示す。図１５においては、凹部が形成されていない参考比較例１のシリンダライナの機械的損失を１としたときの、その他のシリンダライナの機械的損失比を示す。
【０１０５】
図１５から、行程中央部領域にのみに凹部が形成された参考実施例１のシリンダライナは、凹部が形成されていない参考比較例１のシリンダライナや、摺動端に凹部が形成されている参考比較例２及び参考比較例３よりも機械的損失が少ないことがわかる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…シリンダ
１１…シリンダ内壁面
１２、３３…凹部
２０…ピストン
２３…ピストンスカート部
３１…シリンダライナ
３２…シリンダライナ内壁面
３４…行程中央部領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダとピストンとの組み合わせであって、
前記シリンダは、
その内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、
前記行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計が１〜８０％の範囲内であり、
かつ、当該行程中央部領域における、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が形成されており、
前記シリンダの内壁面の、前記行程中央部領域以外の領域には前記凹部が形成されていないシリンダであり、
前記ピストンは、
前記シリンダの内壁面を摺動し、
ピストンにおけるピストンスカート部は、その表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下であることを特徴とするシリンダとピストンの組み合わせ。
【請求項２】
前記シリンダが、シリンダ本体と、当該シリンダ本体の内側に固着されるシリンダライナとからなり、前記シリンダライナの内壁面に、前記複数の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダとピストンの組み合わせ。
【請求項１】
シリンダとピストンとの組み合わせであって、
前記シリンダは、
その内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、
前記行程中央部領域の面積を１００％としたときの、全凹部の面積の合計が１〜８０％の範囲内であり、
かつ、当該行程中央部領域における、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が形成されており、
前記シリンダの内壁面の、前記行程中央部領域以外の領域には前記凹部が形成されていないシリンダであり、
前記ピストンは、
前記シリンダの内壁面を摺動し、
ピストンにおけるピストンスカート部は、その表面の十点平均粗さＲｚが６μｍ以下であることを特徴とするシリンダとピストンの組み合わせ。
【請求項２】
前記シリンダが、シリンダ本体と、当該シリンダ本体の内側に固着されるシリンダライナとからなり、前記シリンダライナの内壁面に、前記複数の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダとピストンの組み合わせ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２３６４４４（Ｐ２０１０−２３６４４４Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８６２８９（Ｐ２００９−８６２８９）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
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