説明

シリンダ

【課題】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シリンダを提供すること。
【解決手段】ピストンが内壁面を摺動するシリンダにおいて、前記シリンダの内壁面のうち、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を形成し、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を1〜80%の範囲内とし、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を形成し、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を形成しない。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ピストンがその内壁面を摺動するシリンダに関し、特には、ピストンとの往復動摩擦を低減することが可能なシリンダに関する。
【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CO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、耐摩耗性および耐焼付性に優れ、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、摩擦損失の低減が有効である。特に、往復運動を行なうピストンリングと、シリンダの内壁面との間では、摩擦低減が有効である。上記往復動摩擦の低減のためにはシリンダの内壁面の表面粗さを小さくすることが有効な手段であるとされているが、表面粗さが小さすぎると当該内壁面に保持される潤滑油がほとんどなくなるため、耐焼付性が低下するという不具合があった。耐焼付性を向上させるために特許文献1ではシリンダライナを、その内壁面の表面粗さが、ピストンの上死点側から下死点側に向って粗くなるように形成している。しかしながら、特許文献1においては下死点付近および行程中央部における上記表面粗さが大きいため、往復動摩擦が増大してしまうという不都合がある。
【0004】
また、特許文献2で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。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平8−200145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】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、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シリンダを提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するための本発明は、ピストンが内壁面を摺動するシリンダであって、前記シリンダの内壁面のうち、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ことを特徴とする。
【0008】
前記シリンダは、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ており、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。
【0009】
また、上記シリンダにあっては、前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以下であってもよい。
【0010】
また、前記シリンダにあっては、前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ってもよい。
【0011】
さらに、前記シリンダにあっては、前記凹部のシリンダ径方向の平均長さが0.1〜1000μmの範囲内であってもよい。
【0012】
さらにまた、前記シリンダが、内燃機関に用いられるものであってもよい。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、シリンダ内壁面の表面加工をシリンダ軸方向の位置によって異なるものとしているため、より具体的には、行程中央部領域のみに凹部を形成しているため、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、平均的に低減することが可能となる。
【0014】
また、本発明のシリンダは、シリンダの内壁面とピストンが摺動するタイプであっても、シリンダの内側に固着されたシリンダライナとピストンが摺動するタイプであっても同様の効果を得ることができる。
【0015】
また、本発明のシリンダにおいて、行程中央部領域における凹部が形成されていない箇所の十点平均粗さRzの値を所定の値以下とすることにより、往復動摩擦の低減に効果を発揮することができる。なお、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。
【0016】
また、本発明のシリンダにおいて、凹部のシリンダ軸方向の平均長さを最下位のピストンリングのシリンダ軸方向の長さ以下とすることにより、シリンダ内の気密性を高く維持することができる。
【0017】
また、本発明のシリンダにおいて、凹部のシリンダ径方向の平均長さを所定の範囲内とすることにより、往復動摩擦における潤滑油のせん断抵抗の影響を効率的に低減することができる。
【0018】
さらに、本発明のシリンダライナを、エネルギー効率の向上が特に求められている分野である内燃機関に用いることにより、高い効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の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2】本発明のシリンダにおける、行程中央部領域の範囲の一例を示す説明図である。
【図3】本発明の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4】本発明のシリンダにおける、凹部の配置の一例を示す概略展開図である。
【図5】本発明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6】本発明のシリンダにおける、凹部の配置の他の一例を示す概略展開図である。
【図7】本発明のシリンダにおける、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8】本発明の実施例で用いられたシリンダライナの寸法を示す概略図である。
【図9】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10】本発明の実施例において、往復動摩擦を測定するために用いられた装置の構成を示す概略断面図である。
【図11】本発明の実施例における測定結果を示すグラフである。
【図12】本発明の実施例における測定結果を示すグラフである。
【図13】本発明の実施例における測定結果を示すグラフである。
【図14】本発明の実施例における測定結果を示すグラフである。
【図15】本発明の実施例における測定結果を示すグラフである。
【図16】本発明の実施例における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】
【0020】
本発明のシリンダは、ピストンが内壁面を摺動するシリンダであって、前記シリンダの内壁面のうち、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ことを特徴とするものである。
【0021】
本発明のシリンダは、上記のような凹部が形成されているものであれば特に限定されるものではない。本発明のシリンダは、上記の凹部が形成されている内壁面の形状によってピストンとの往復動摩擦を低減する効果を奏するものであるため、ピストンと組み合わせて用いられ、当該ピストンがシリンダの内壁面上を摺動するものであれば、シリンダの用途、種類、材質等にかかわらず同様の効果を得ることができる。そのため、本発明のシリンダは、自動車や飛行機のエンジンなどの内燃機関、スターリングエンジンなどの外燃機関に加え、圧縮機などの、熱機関以外のシリンダとしても用いることができる。
【0022】
また、シリンダには、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ており、前記シリンダライナの内壁面上をピストンが摺動する、「シリンダライナタイプ」と、ピストンがシリンダの内壁面上を直に摺動する、「ライナレスタイプ」とがあるが、本発明はシリンダライナの有無にかかわらず、適用することができる。
【0023】
以下、このような本発明の各態様(シリンダライナタイプとライナレスタイプ)についてそれぞれ説明する。
【0024】
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。
【0025】
以下、本態様のシリンダについて、図面を用いて説明する。
【0026】
図1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。
【0027】
図1に例示するように本態様におけるシリンダライナ1の内壁面2には、複数個の凹部3が形成されている。この凹部3は、シリンダライナ1の内壁面2のうち、行程中央部領域4のみに形成されており、当該領域4以外の領域には形成されていない。行程中央部領域4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。
【0028】
図2は、本態様のシリンダ本体の内側に固着されるシリンダにおける、上記行程中央部領域4の範囲の一例を示す概略断面図である。
【0029】
図2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21aと、下死点停止位置におけるピストン21b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4は、シリンダライナ1の内壁面2のうち、上死点停止位置におけるピストン21aの最下位のピストンリング22のリング溝23の下面24位置から、下死点停止位置におけるピストン21bにおける最上位のピストンリング26のリング溝25の上面27位置までの間の領域である。図2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22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26は第1圧力リングである。
【0030】
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4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4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。
【0031】
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4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4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。
【0032】
またここで、行程中央部領域4に複数の凹部を無造作に形成した場合、行程中央部領域4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4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は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。
【0033】
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。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。
【0034】
以下、本態様のシリンダについて、項目を分けて詳細に説明する。
【0035】
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。
【0036】
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2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22のリング溝23の下面24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26のリング溝25の上面27位置である。本態様において凹部は、当該行程中央部領域のみに形成され、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。
【0037】
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。
【0038】
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3(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3(a)〜(c)のような横長の形状でも、図3(d)〜(g)のような縦長の形状でも、図3(h)〜(j)のような縦対横の比率がほぼ等しい形状でもよい。
【0039】
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。
【0040】
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。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る。
【0041】
これに対し、行程中央部領域におい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。
【0042】
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4(a)や(b)の場合を挙げることができる。
【0043】
図4(a)は、上述した図1の行程中央部領域4における、凹部3の配置の一例を示す概略展開図である。図4(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4(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3aの最下点5aが、その下方に最も近接する凹部3bの最上点6b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3bの最下点5bが、その下方に最も近接する凹部3cの最上点6c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。
【0044】
ここで、図4(b)も図4(a)と同様、上述した図1の行程中央部領域4における、凹部3の配置の一例を示す概略展開図である。図4(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4(a)にあっては、凹部3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4(b)に示すように、シリンダ軸方向の行程中央部領域4の端部近傍においては凹部3の面積を小さくし、行程中央部領域4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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
なお、本態様において上述した凹部の各平均長さは、図5に例示する各箇所の平均長さを意味するものとする。図5(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5(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5(a)に例示するように、シリンダ軸方向における、凹部3の長さの平均である。
【0050】
また、上記凹部3の周方向平均長さとは、図5(a)に例示するように、シリンダ周方向における、凹部3の長さの平均である。図5(b)に例示するように、前記凹部3の周方向平均長さとは、内壁面2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。
【0051】
また、上記凹部3の径方向長さとは、図5(b)に例示するように、凹部3の底面からシリンダライナ1の内壁面2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5(a)および(b)に例示するように、隣り合う凹部3の間隔の平均である。
【0052】
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6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6(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6(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6(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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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7(a)および(b)に例示するように、凹部3の面積をA、A、A、・・・Aとしたときの、上記行程中央部領域の面積に対するA、A、A、・・・A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3の面積A、A、A、・・・Aの合計Atotalと、行程中央部領域における凹部3以外の内壁面2の面積Bの合計Btotalとを用い、下記式で表される。なお、図7(a)に例示するように、ここで凹部3の面積とは、前記凹部3の底部の面積ではなく、内壁面2を含む断面における面積を意味する。
【0056】
【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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
6.シリンダと組み合わせて用いられるピストンリング
本態様のシリンダと組み合わせて用いられ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。
【0065】
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、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。
【0066】
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やダブルベベル形状、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
7.シリンダと組み合わせて用いられるピストン
本態様のシリンダと組み合わせて用いられるピストンについても、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を適宜選択することができる。
【0067】
本態様のシリンダは、その行程中央部領域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。したがって本態様のシリンダと組み合わせ用いるピストンにあっては、オイルを素早く排出するために、オイルドレイン孔(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よりも多く、大きくすることが好ましい。
【0068】
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。
【0069】
本態様において用いられるシリンダは、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。
【0070】
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。
【0071】
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】
【0072】
以下に実施例および比較例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
【0073】
(実験1)
以下の方法によりシリンダライナを加工し、当該シリンダライナの往復動摩擦力を測定した。
【0074】
<シリンダライナの加工>
図8(a)および(b)に示す寸法(mm)を有するシリンダライナ(材質:FC250)の行程中央部領域に、マスキング板を用い、以下の手順で凹部を形成した。凹部は、図5(a)に示す形状および配置で形成した。
【0075】
なお、使用したマスキング板はSUS420製であり、厚さは0.5mmである。
(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9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9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5(a)の通り菱形であり、軸方向長さ、周方向長さともに1.2mmであった。また、図5(b)に示す凹部のシリンダ径方向長さは5μm〜15μmであった。
【0076】
<往復動摩擦力の測定>
上記手順で加工したシリンダライナの往復動摩擦力(N)を図10に示す装置を用いて測定した。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。
【0077】
本実験例において、シリンダライナに形成された凹部は図8(a)に示す通りであり、図中の領域X、Zの部分の凹部の面積率を5%とし、領域Yの部分をそれぞれ変化させた。<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、以下それぞれの凹部の面積率を有するシリンダライナの摩擦力の測定結果を図11に示す。図11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%の従来例の摩擦力を1.00としたときの摩擦力比を示す。
・従来例 :凹部の面積率=0%(凹部なし)
・比較例1:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=0.5%
・実施例1:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=1%
・実施例2:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=20%
・実施例3:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=50%
・実施例4:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=80%
・比較例2:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=85%
図11から、上記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、摩擦力は上記面積率が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。
【0078】
次に、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、上記図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率を5%として、領域Yにおける凹部の面積率を50%とし、回転数が750rpmの際に、凹部のシリンダ径方向平均長さ(凹部の深さ)が0μm(従来例)、0.1μm、2μm、5μm、10μm、50μm、100μm、500μmの場合の測定結果を図12に示す。図12においては、凹部が形成されていない、つまり上記凹部のシリンダ径方向平均長さが0μmの従来例の摩擦力を1.00としたときの摩擦力比を示す。
【0079】
図12から、凹部のシリンダ径方向平均長さが5μm以上の場合に効果的に摩擦力が低減されていることが分かる。これは、通常の油膜厚さが5μm程度であると考えられるため、凹部のシリンダ径方向平均長さを5μm以上にすることでピストンリングが通過する際に潤滑油が凹部内に一時的に退避することが可能となり、潤滑油のせん断抵抗の影響を受けにくくなることに起因するものと考えられる。
【0080】
上記図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率を5%として、領域Yにおける凹部の面積率を50%とし、凹部のシリンダ径方向平均長さが10μm、回転数が750rpmの際に、シリンダライナの内壁面の十点平均粗さRzが0.5μm、2μm、4μm、5μmの場合の測定結果を図13に示す。図13においては、凹部が形成されておらず、かつシリンダの内壁面の十点平均粗さRzが2μmの従来例の摩擦力を1.00としたときの摩擦力比を示す。
【0081】
図13から、十点平均粗さRzが同じ場合でも、凹部が形成されているものは、凹部が形成されていないものに比べて摩擦力が大幅に低減されていることが分かる。また、凹部が形成されているもの同士を比較すると、十点平均粗さRzが2μmを超えると摩擦力が急激に大きくなっていることが分かる。これは、凹部を形成することにより接触面積が小さくなり、凹部が形成されていない場合と比べて摺動部分の面圧が高くなるため、摺動面の表面粗さの影響を受けやすくなることに起因するものと考えられる。
【0082】
(実験2)
図10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℃で回転数を750rpmとし摩擦力を測定した。
【0083】
本実験例においても、前記実験1と同様に、シリンダライナに形成された凹部は図8(a)に示す通りであり、図中の領域X、Zの凹部の面積率を5%とし、領域Yの凹部の面積率をそれぞれ変化させた。具体的には以下の通りである。
・実施例3:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=50%
・実施例5:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=1〜20%
・実施例6:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=20〜50%
・実施例7:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=50〜80%
・従来例 :凹部の面積率=0%(凹部なし)
・比較例3:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=0〜20%
・比較例4:図8(a)の領域XおよびZにおける凹部の面積率=5%
図8(a)の領域Yにおける凹部の面積率=50〜85%
なお、面積率を範囲をもって記載してあるものは、シリンダライナの周方向断面をランダムに数カ所測定し、その断面における凹部の面積率を測定し、その上限値と下限値をもって面積率の範囲としたからである。つまり、例えば実施例5は、行程中央部領域における領域Yのある部分の周方向断面の凹部面積率を測定した場合1%であり、違うある部分を測定した場合10%であり、さらに違う部分を測定した場合20%であり、その下限値が1%で上限値が20%であったことを意味する。一方で、例えば比較例3は、行程中央部領域における領域Yのある部分の周方向断面の凹部面積率を測定した場合0%であり(つまり、その断面には凹部が形成されていない)、違うある部分を測定した場合20%であり、その下限値が0%で上限値が20%であったことを意味する。従って、実施例3、5〜7、および比較例4については、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は、少なくとも1つの凹部が形成されていることになる。
【0084】
<評価>
機械的損失の測定結果を図14に示す。図14においては、凹部が形成されていない従来例1の機械的損失を1.00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。
【0085】
図14から、行程中央部に凹部を形成することにより機械的な損失が少なくなることが分かるとともに、実施例5と比較例3などを比較すると、行程中央部領域に単に凹部を形成するのみならず、当該領域におけるどの周方向断面においても凹部が必ず存在するように形成した方が、機械的な損失の低減に効果があることが分かる。
【0086】
(実験3)
図8(b)に示す寸法(mm)を有するシリンダライナ(材質:FC250)の行程中央部領域に、前記実験1と同様の要領で面積率5〜50%の凹部を形成した。面積率が5%の部分、50%の部分はそれぞれ図8(b)に示すとおりである。なお、凹部は、図5(a)に示す菱形であり、図5(b)に示す凹部のシリンダ径方向長さは5〜15μmであった。
【0087】
<往復動摩擦力の測定>
上記手順で加工したシリンダライナの往復動摩擦力(N)を図10に示す装置を用いて測定した。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1.5mm、径方向長さa1は1.5mm、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700rpm、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。
【0088】
<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で、凹部が形成されていない面積率0%の従来例、ピストンリングの軸方向長さh1(1.5mm)に対し、凹部の軸方向長さが2%、5%、50%、70%、98%、100%、105%、150%の場合の摩擦力測定結果を図15に示す。図15においては、凹部が形成されていない従来例の摩擦力を1としたときの摩擦力比を示す。
【0089】
図15からも明らかなように、シリンダライナの内壁面に凹部を形成した方が摩擦力を低減することができ、凹部の軸方向長さは、ピストンリングの軸方向長さに対して5%以上が好ましいことが分かる。
【0090】
(実験4)
実験3に引き続き、シリンダライナを実機に搭載しブローバイガス試験を行った。具体的には、排気量:8862cc、シリンダ数:6、シリンダ径、112mm、ストローク:150mmのディーゼルエンジンを用いた。また、回転数は1800rpmとし、水温は80℃とした。
【0091】
ピストンリングは3本構成とし、第1圧力リングはバレルフェース形状フルキーストンリング(h1=2.948mm、a1=4.35mm)、第2圧力リングはテーパーアンダーカット形状リング(h1=2mm、a1=4.3mm)、オイルリング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ピースオイルリング(h1=4mm、a1=2.35mm)を用いた。
【0092】
ここで、シリンダライナに形成された凹部は図8(b)の通りであり、その面積率は5〜50%である。
【0093】
凹部が形成されていない面積率0%の従来例、ピストンリングの軸方向長さh1(2.948mm)に対し、凹部の軸方向長さが2%、5%、50%、70%、98%、100%、105%、150%の場合のブローバイガス測定結果を図16に示す。なお、図16においては、凹部が形成されていない従来例のブローバイガス量を1としたときのブローバイガス量比を示す。
【0094】
図16からも明らかなように、凹部の軸方向長さが100%を超えると、つまり凹部の軸方向長さが、第1圧力リングの軸方向長さ(h1)よりも長くなると、ブローバイガス量が多くなってしまうことが分かる。
【0095】
実験4と実験3との結果から、凹部の軸方向長さは、最上位のピストンリングの軸方向長さ(h1)に対し5〜100%であることが好ましいことが分かる。
【0096】
なお、本発明は上記実施例には限定されないことは言うまでもない。例えば、上記実施例においては、凹部の形成にあたりブラスト加工法を用いたが、これに限定されることはなく、腐食溶液を用いる方法で行ってもよい。また、上記実施例においてはマスキング板を用いたが、これに限定されることはなく、樹脂からなるマスキングシート等を用いてもよい。
【符号の説明】
【0097】
1…シリンダライナ
2…内壁面
3…凹部
4…行程中央部領域

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ピストンが内壁面を摺動するシリンダであって、
前記シリンダの内壁面のうち、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ことを特徴とするシリンダ。
【請求項2】
前記シリンダは、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ており、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。
【請求項3】
前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以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のシリンダ。
【請求項4】
前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を特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のシリンダ。
【請求項5】
前記凹部のシリンダ径方向の平均長さが0.1〜1000μmの範囲内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シリンダ。
【請求項6】
前記シリンダが、内燃機関に用いられることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のシリンダ。

【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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【図14】
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【図15】
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【図16】
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【公開番号】特開2010−54045(P2010−54045A)
【公開日】平成22年3月11日(2010.3.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−86291(P2009−86291)
【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)】