CN110985225B - 气缸套及气缸孔 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种气缸套或气缸孔，所述气缸套或气缸孔能够减少滑动面的摩擦，并降低油耗。在气缸孔的活塞滑动方向，相比于位于燃烧室侧的第一滑动区域所具有的槽部，位于曲柄侧的第二滑动区域所具有的槽部在深度为0.3μm的位置处的槽面积率更高、并且在指定的范围内，由此能够使摩擦降低，并且使油耗降低。

Description

气缸套及气缸孔

技术领域

本发明涉及用于内燃机的气缸套及气缸孔。

背景技术

对于气缸的内壁(气缸孔)，为了减少与活塞滑动时的摩擦，进行实施槽等微细加工的操作。

例如，在专利文献1中，以提供不会产生冲程端处的断油、并且能够降低冲程中央部处的摩擦损失的低摩擦滑动部件为目的，提出了一种低摩擦滑动部件，所述低摩擦滑动部件在被形成于滑动表面的平滑面上具备深度进行规则变化的细微凹部，在凹部间形成有平顶状的凸部。

此外，在专利文献2中公开了一种如下所述的气缸本体，即，为了减少由于在滑动面形成槽部而可能产生的擦伤，将滑动面的表面粗糙度、槽部的深度设置在规定的范围内，且将槽部的开口缘设置成凸曲面。

专利文献1：日本特开2002-235852号公报

专利文献2：日本特开2017-67271号公报

发明内容

本发明的课题在于提供一种气缸套及气缸孔，其采用与上述专利文献所提出的技术不同的技术，从而能够降低滑动面的摩擦，并降低油耗。

本发明人为了解决上述课题而进行了研究，得到了如下所述的见解：在气缸孔的活塞滑动方向，在燃烧室侧区域和曲柄室侧区域，滑动环境不同。即，发现了气缸孔当中的燃烧室侧区域的滑动环境润滑油少，边界润滑是主导的，在气缸孔当中的曲柄室侧区域的滑动环境比较润泽地存在润滑油，流体润滑是主导的。进而，基于该见解，发现通过相应于气缸孔的各区域而使气缸孔的表面性状适当，从而能够降低滑动面的摩擦，并降低油耗，而完成了发明。

本发明的一个实施方式是用于内燃机的铸铁制气缸套，

其中，在所述气缸套的气缸孔形成有多个槽部，

所述气缸孔在活塞滑动方向上，具有所述槽部的性状不同的第一滑动区域及第二滑动区域，

所述第一滑动区域相对于第二滑动区域更靠近燃烧室侧，所述第一滑动区域的槽面积率为10％以下，且所述第二滑动区域的槽面积率为15％以上40％以下。

另外，上述槽面积率是距离气缸孔表面的深度为0.3μm的位置处的槽部的面积的比例。

此外，本发明的另一个实施方式是内燃机的气缸孔，

其中，在所述气缸孔形成有多个槽部，

所述气缸孔在活塞滑动方向上，具有所述槽部的性状不同的第1滑动区域及第2滑动区域，

所述第一滑动区域相对于第二滑动区域更靠近燃烧室侧，所述第一滑动区域的槽面积率为10％以下，且所述第二滑动区域的槽面积率为15％以上40％以下。

所述槽面积率是指，距离气缸孔表面的深度为0.3μm位置处的槽部的面积的比例。

优选所述内燃机为柴油用内燃机，此外，优选所述第一滑动区域和第二滑动区域是连续的区域，其边界存在于曲柄角50°以上80°以下的范围。

优选所述第二滑动区域的槽面积率为18％以上36％以下的方式。

对于所述第2滑动区域的表面粗糙度，优选Ra为0.13μm以上、0.45μm以下、Rk为0.36μm以上、0.82μm以下、Rvk为0.35μm以上、1.22μm以下，对于所述第1滑动区域的表面粗糙度，优选Ra为0.08μm以上、0.11μm以下、Rk为0.20μm以上、0.27μm以下。

根据本发明，能提供可降低滑动面的摩擦并降低油耗的气缸套及气缸孔。即，能提供可实现兼顾低燃耗和低油耗的内燃机的气缸套及气缸孔。此外，在柴油用内燃机的情况下，作为油环使用2个环的情况较多，此时，由于油环滑动面平坦，因而无法期待伴随由楔子效果引起的滑动部的油膜厚度增加的、流体润滑区域处的摩擦降低。因此，本发明能够期待伴随通过增加槽面积率而流体润滑区域处的滑动面积减少的摩擦减少，因而能良好地适用于柴油用内燃机。

附图说明

图1是本实施方式的气缸套的截面示意图。

图2的(a)、图2的(b)均是示意性地表示被形成于现有技术的气缸孔的槽的形状的截面图。

图3是示意性地表示被形成于本实施方式的气缸孔的槽的形状的截面图。

具体实施方式

本发明的一个实施方式是适用于柴油用内燃机的铸铁制气缸套，在所述气缸套的气缸孔形成有多个槽部。进而，气缸孔在活塞滑动方向具有所述槽部的性状不同的第1滑动区域及第2滑动区域。此外，本发明的另一实施方式可以是气缸孔。即，也可以是不存在气缸套的气缸孔。在这种情况下，也同样在气缸孔形成有多个槽部。进而，气缸孔在活塞滑动方向具有所述槽部性状不同的第一滑动区域及第二滑动区域。利用图1对具备气缸套的实施方式进行说明。

图1是气缸套的截面图。气缸套10为典型的铸铁制气缸套，也可由铝合金、铜合金形成。

气缸套10被设置在内燃机的气缸本体，活塞沿在图1中上下方向在其内部滑动。

图中虚线4表示油环的上死点(TDC)，虚线5表示油环的下死点(BDC)，气缸孔包含第一滑动区域1和第二滑动区域2，其中，所述第一滑动区域1包含上死点4；所述第二滑动区域2包含下死点5。第一滑动区域1和第二滑动区域2可以是介由边界3连续的区域。

在本实施方式中，第二滑动区域2的槽面积率比第一滑动区域1的槽面积率高。此外，第一滑动区域1的槽面积率可为10％以下，第二滑动区域2的槽面积率可为15％以上40％以下。使用图2和3来说明槽面积率。

图2是示出在现有实施方式中被形成于气缸孔的槽的截面的示意图。图2的(a)表示气缸孔表面槽的一个方式，此外图2的(b)表示气缸孔表面槽的另一个方式。在图2的(a)和(b)中，关于气缸孔表面的表面槽面积率，图2的(b)按照变大的方式形成槽。进而，在图2的(b)槽面积率变大，并且槽深度即Rvk的值也变大。在通常的槽形成的过程中，在使槽面积率增大时，Rvk的值也变大。

在此，气缸孔当中的曲柄室侧区域的滑动环境即第二滑动区域2中，相对润泽地存在润滑油，流体润滑区域是主导的。本发明人研究了在流体润滑区域占主导的第二滑动区域中降低摩擦的方法，结果想到了如下方法：通过适当增大距离气缸孔表面的深度为0.3μm处的槽面积率而不是气缸孔表面的最表面的槽面积率，能够减少流体润滑区域处的油膜剪切面积、减少摩擦。

图3是示出本实施方式中的被形成于气缸孔的槽的截面的示意图。在本实施方式中，关注气缸孔表面粗糙度和距离气缸孔表面的深度为0.3μm的位置处的槽的比例，适当地控制各自的值，由此能够减少第二滑动区域的摩擦，其结果是使油耗降低。即，通过将距离气缸孔表面的深度为0.3μm位置处的槽部的比例即槽面积率设置成在第二滑动区域比在第一滑动区域高，由此能够减少在流体润滑区域中油膜剪切面积，降低摩擦。在优选的方式中，满足以下条件：在第一滑动区域1中，Ra为0.08μm以上、0.11μm以下，Rk为0.20μm以上、0.27μm以下，此外在第二滑动区域中，Ra为0.13μm以上、0.45μm以下，Rk为0.36μm以上、0.82μm以下，Rvk为0.35μm以上，1.22μm以下。

此外，第一滑动区域的槽面积率与第二滑动区域的槽面积率之差优选为5％以上，更优选为10％以上，进一步优选为15％以上。另外，上限优选为40％以下，更优选为35％以下。

此外，在第二滑动区域中，通过将距离气缸孔表面的深度为0.3μm的位置处的槽部的比例即槽面积率设置为15％以上，在流体润滑区域中油膜剪切面积减少，能够降低摩擦。另一方面，在槽面积率超过40％时，无法抑制LOC(Lubricating Oil Consumption，润滑油消耗量)。

另外，在使深度比0.3μm浅的位置处的槽部的比例增大的情况下，油膜剪切面积的减少不充分，存在难以得到摩擦的降低效果的倾向。此外，通过测量0.3μm的深度，能够消除由Rpk(初始磨损高度)引起的噪声。

第二滑动区域的槽面积率优选为15％以上，更优选为18％以上，此外优选为40％以下，更优选为36％以下。

第一滑动区域及第二滑动区域的槽面积率是距离气缸孔表面的深度为0.3μm的位置处的槽部的面积的比例，其按以下步骤进行测定。此外，关于定义也一并表示作为基准的气缸孔表面。

首先，使用Struers制Repliset-F1或F5，制作气缸孔表面的复制品(2cm×2cm)。复制品优选至少制作气缸孔的相对置的两处。使用(株)Keyence制形状解析激光显微镜(VK-X150)并利用50倍的物镜观察所制成的复制品。此后，使用观察软件“VK Analyzer”，对观察数据进行倾斜校正、反转(由于复制品的凸部相当于气缸孔的槽部)。将反转后的数据通过“体积·面积解析”提取“高度的直方图”，将其频率最大位置作为阈值，确定为“气缸孔表面”。此外，将距离该表面的深度为0.3μm位置处的槽面积的观察区域所占的比例设为槽面积率。槽面积率期望是气缸孔最表面(实体的最小内径位置)，但考虑到数据的偏差(Rpk成分的影响)，测定位置设为距离气缸孔表面的深度为0.3μm。另外，槽面积率设为气缸孔的相对置的两处各10点的平均值。

气缸孔表面的第二滑动区域的Ra优选为0.13μm以上，更优选为0.15μm以上，此外，优选为0.45μm以下，更优选为0.38μm以下。由于Ra为0.13μm以上、0.45μm以下，能够抑制LOC(Lubricating Oil Consumption，润滑油消耗量)，并且能够抑制擦伤的产生。

气缸孔表面的第二滑动区域的Rk优选为0.36μm以上，更优选为0.37μm以上，此外，优选为0.82μm以下，更优选为0.73μm以下。由于Rk为0.36μm以上、0.82μm以下，所以能够抑制LOC(Lubricating Oil Consumption，润滑油消耗量)，并且能够抑制擦伤的产生。

气缸孔表面的第二滑动区域的Rvk优选为0.35μm以上，更优选为0.37μm以上，此外，优选为1.22μm以下，还优选为1.02μm以下。由于Rk为0.35μm以上、1.22μm以下，所以能够抑制由于摩擦的恶化而引起的LOC(Lubricating Oil Consumption，润滑油消耗量)。

气缸孔在活塞滑动方向具有与所述槽部性状不同的第一滑动区域及第二滑动区域，优选第一滑动区域及第二滑动区域连续，此时，其边界优选存在于油环的曲柄角50°以上80°以下的范围。通过边界在上述曲柄角的范围，从而气缸孔的壁温高，在由于油的蒸发而导致的油耗增多的第一滑动区域使槽面积率降低，油耗降低的效果变得更加显著。

另外，曲柄角是指以活塞的上死点为基准(0°)的发动机的旋转角度。

只要第二滑动区域满足上述槽面积率，则本实施方式的第一滑动区域没有特别限定，但优选槽面积率为10％以下。第一滑动区域与第二滑动区域不同，边界润滑是主导的，优选减小槽面积率和/或减小表面粗糙度，而降低由固体接触引起的摩擦力。

此外，第一滑动区域与第二滑动区域不同，其靠近燃烧室，因而存在使油被加热而LOC恶化的倾向。因此，优选减小槽面积率和/或减小表面粗糙度，降低来自气缸孔表面的油蒸发量。

气缸孔表面的第一滑动区域的Ra优选为0.08μm以上、且优选为0.11μm以下。由于Ra为0.08μm以上、0.11μm以下，所以能够抑制LOC(Lubricating Oil Consumption，润滑油消耗量)。

气缸孔表面的第一滑动区域的Rk优选为0.20μm以上、且优选为0.27μm以下。通过Rk为0.20μm以上、0.27μm以下，从而能够抑制LOC(Lubricating Oil Consumption，润滑油消耗量)。

就本实施方式涉及的气缸套的气缸孔而言，通过在第一滑动区域和第二滑动区域改变珩磨加工，适当调整珩磨加工的次数、珩磨加工中使用的磨石的形状、种类、粒径等，能够制造本实施方式涉及的气缸套的气缸孔。

可以通过珩磨加工在气缸孔上形成网纹。在形成网纹时，其角度(锐角)优选为2°以上，更优选为5°以上，进一步优选为10°以上。此外，通常其角度(锐角)为60°以下，优选为45°以下，更优选为30°以下，进一步优选为15°以下。

示出本实施方式的气缸套的气缸孔的加工工序的一例。

铸造气缸套后，按粗(粗：Rough)珩磨、精(Fine)珩磨、I珩磨、II珩磨的顺序加工，直到气缸孔面尺寸接近完成尺寸。之后，通过III珩磨·IV珩磨和V珩磨的珩磨加工工序，形成规定的表面粗糙度。第一滑动区域由III珩磨进行加工，第二滑动区域由IV珩磨进行加工。III珩磨的磨石使用比IV珩磨的磨石粒径小的磨石。

以上表示气缸套的气缸孔依然为基材的情况，实施磷酸盐被膜等的化成处理时，可以在珩磨的最终加工工序之前追加覆盖被膜的工序。

此外，由于珩磨机械的控制系统的约束，也可以适当追加工序，或者，使用可多种控制的珩磨机械时，也可以省略加工工序。

另外，即使是未配置气缸套的气缸孔，也能够与气缸套的气缸孔同样地进行加工。

【实施例】

接下来，根据实施例详细说明本发明，但是本发明并不仅限定于以下的实施例。

使用铸铁材料，准备了内径φ100级的气缸套。通过对该气缸套的气缸孔进行珩磨加工，获得了表1所示的槽面积率的气缸套。此后，为了实施试验，将气缸套搭载至发动机实机。另外，气缸孔的上部(燃烧室侧)和下部(曲柄室侧)的边界设置成油环的曲柄角65°。

【表1】

表1

使用上述实施例1～4及比较例1～10的气缸套以及装有以下所示的活塞环的活塞，进行了实机评价。实机评价的运转条件及评价标准如下。表2中示出结果。

<活塞环>

在试验中使用的活塞环当中，顶部环(Topring)的宽度(气缸1的轴向尺寸)为3.0mm，外周面为桶状，基材使用利用与JIS SUS440B对应的材料且在外周面实施了利用电弧离子镀法的CrN被膜的材料。顶部环张力的孔径比是0.22(N/mm)。

此外，第二环的宽度(气缸1的轴向尺寸)为3.0mm，外周面呈锥形，基材使用利用与FC250对应的材料且在外周面实施了硬质Cr镀层的材料。第二环张力的孔径比是0.25(N/mm)。

组合油环的组合宽度h为2.5mm，基材使用利用与JIS SUS420J2对应的材料且在外周面实施了氮化的材料。油环张力的孔径比是0.30(N/mm)。

<关于油耗量测量试验的方法>

接下来，说明用本实施方式的气缸套进行的油耗量测量试验。在油耗量测量试验中，使用了孔径φ100mm级的发动机。发动机的试运转后，负荷条件以全负荷的状态，冷却水温设为95℃，发动机油的温度设为105℃，发动机油使用了10W-30(等级：JASO规格，粘度分类：SAE J300)。然后，将发动机的平均活塞速度设为V，在V为8.3m/s的条件下评价了油耗量(LOC：Luburication Oil Consumption，润滑油消耗量)。该平均活塞速度是根据发动机的旋转速度和冲程(行程)求出的平均速度。油耗量测量是通过根据评价前后的油总重量差计算的抽出法测量的。

<关于燃料消耗试验的方法>

接下来，说明使用本实施方式的气缸套进行的燃料消耗试验。在油耗量测量试验中，使用了孔径φ100mm级的发动机。发动机的试运转后，负荷条件以全负荷的状态，冷却水温设为95℃，发动机油的温度设为105℃，发动机油使用了10W-30(等级：JASO规格，粘度分类：SAE J300)。然后，将发动机的平均活塞速度设为V，在V为3.3～9.2m/s的区间区域，测量使用燃料、实际扭矩，根据评价时的使用燃料和实际扭矩计算了燃料消耗量。该平均活塞速度是根据发动机的旋转速度和冲程(行程)求出的平均速度。

<关于擦伤试验的方法>

接下来，说明使用本实施方式的气缸套进行的擦伤试验。在擦伤试验中，使用了孔径φ100mm级的发动机。发动机的试运转后，负荷条件以全负荷的状态，冷却水温设为120℃，发动机油的温度设置成无人工控制，发动机油使用了10W-30(等级：JASO规格，粘度分类：SAE J300)。然后，将发动机的平均活塞速度设为V，在V为8.3m/s的条件下进行了评价。该平均活塞速度是根据发动机的旋转速度和冲程(行程)求出的平均速度。

<评价标准>

·燃料消耗试验

◎：相比于基准比改善0.5％以上

〇：相比于基准比改善大于0％且小于0.5％

△：相比于基准比恶化0％～小于0.5％

×：相比于基准比恶化0.5％以上

·擦伤试验(利用目视确认)

〇：没有发生擦伤

×：发生擦伤

·油耗量试验

◎：相比于基准比改善10％以上

〇：相比于基准比改善大于0％且小于10％

△：相比于基准比恶化0％～小于10％

×：相比于基准比恶化10％以上

另外，作为基准，使用在第一滑动区域、第二滑动区域槽面积率均为18％左右的气缸孔。

【表2】

表2

接下来，使用实施例2的气缸套，使油环的曲柄角变化而进行了实机评价。实机评价的运转条件和评价标准与上述相同。结果示于表3中。

【表3】

表3

接下来，为了确认气缸孔的槽面积率与摩擦的关系，进行了摩擦试验。摩擦试验改变槽面积率而不改变气缸孔的表面粗糙度，按以下步骤进行。结果示于表4中。根据表4的结果，可知：通过槽面积率为15～50％，在600～1500rpm的范围转速进行变化的全部情况下，能够降低摩擦。

<摩擦试验>

使用单缸浮动套试验(1次循环中的活塞，捕捉活塞环的摩擦变化的试验)，通过大气动力评估(atmospheric motoring evaluation)实施摩擦试验。在摩擦测量试验中，使用了孔径83mm且冲程86mm的曲柄式单缸电机试验机(浮动套方式)。

试验条件如下所述：冷却水温设为80℃，发动机油温度设为80℃，发动机油使用10W-30(等级：JASO规格，粘度分类：SAE J300)，对于评价转速，在600rpm至2000rpm之间进行了评价。

【表4】

表4

【符号说明】

10：气缸套

1：第一滑动区域

2：第二滑动区域

3：边界

4：上死点

5：下死点

Claims (12)

1.一种用于内燃机的铸铁制气缸套，其特征在于，

在所述气缸套的气缸孔形成有多个槽部，

所述气缸孔在活塞滑动方向上具有所述槽部的性状不同的第一滑动区域及第二滑动区域，

所述第一滑动区域相对于第二滑动区域更靠近燃烧室侧，所述第一滑动区域的槽面积率为10％以下，并且所述第二滑动区域的槽面积率为15％以上40％以下，

其中，所述槽面积率是指，距离气缸孔表面的深度为0.3μm的位置处的槽部的面积的比例。

2.根据权利要求1所述的铸铁制气缸套，其特征在于，

所述第一滑动区域和所述第二滑动区域为连续的区域，其边界存在于曲柄角50°以上80°以下的范围。

3.根据权利要求1所述的铸铁制气缸套，其特征在于，

所述第二滑动区域的槽面积率为18％以上36％以下。

4.根据权利要求1所述的铸铁制气缸套，其特征在于，

对于所述第二滑动区域的表面粗糙度，Ra为0.13μm以上0.45μm以下，Rk为0.36μm以上0.82μm以下，Rvk为0.35μm以上1.22μm以下。

5.根据权利要求1所述的铸铁制气缸套，其特征在于，

对于所述第一滑动区域的表面粗糙度，Ra为0.08μm以上0.11μm以下，Rk为0.20μm以上0.27μm以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的铸铁制气缸套，其特征在于，

所述内燃机为柴油用内燃机。

7.一种内燃机的气缸孔，其特征在于，

在所述气缸孔形成有多个槽部，

所述气缸孔在活塞滑动方向上具有所述槽部的性状不同的第一滑动区域及第二滑动区域，

所述第一滑动区域相对于第二滑动区域更靠近燃烧室侧，所述第一滑动区域的槽面积率为10％以下，并且所述第二滑动区域的槽面积率为15％以上40％以下，

其中，所述槽面积率是指，距离气缸孔表面的深度为0.3μm的位置处的槽部的面积的比例。

8.根据权利要求7所述的气缸孔，其特征在于，

所述第一滑动区域和所述第二滑动区域为连续的区域，其边界存在于曲柄角50°以上80°以下的范围。

9.根据权利要求7所述的气缸孔，其特征在于，

所述第二滑动区域的槽面积率为18％以上36％以下。

10.根据权利要求7所述的气缸孔，其特征在于，

对于所述第二滑动区域的表面粗糙度，Ra为0.13μm以上0.45μm以下，Rk为0.36μm以上0.82μm以下，Rvk为0.35μm以上1.22μm以下。

11.根据权利要求7所述的气缸孔，其特征在于，

对于所述第一滑动区域的表面粗糙度，Ra为0.08μm以上0.11μm以下，Rk为0.20μm以上0.27μm以下。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的气缸孔，其特征在于，

所述内燃机为柴油用内燃机。

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