CN217682005U

CN217682005U - 气缸

Info

Publication number: CN217682005U
Application number: CN202221033865.4U
Authority: CN
Inventors: 大泉贵志; 田牧清治; 川合清行
Original assignee: TPR Co Ltd; TPR Industry Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd; TPR Industry Co Ltd
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2032-04-29
Also published as: WO2023067833A1; JP7369253B2; JP2023061357A; CN114704406A

Abstract

本实用新型涉及气缸。该气缸在气缸内周面具有槽加工，所述槽加工包括：珩磨加工槽；以及槽宽和槽深比该珩磨加工槽大的凹槽，所述珩磨加工槽和所述凹槽沿气缸周向延伸，且相对于与气缸轴向垂直的方向具有倾斜角，对于所述气缸内周面，在曲轴转角为50°以上140°以下时的油环的滑动区域中，能在气缸轴向上选择出存在四处以上所述凹槽的4mm的长度。

Description

气缸

技术领域

本实用新型涉及在内燃机中使用的气缸。

背景技术

对于内燃机的气缸而言，主流是其内周面为铸铁制的气缸。例如，可以举出将铸铁制的气缸套镶铸于铝合金缸体中的构造、铸铁制整块(monobloc)构造、插入了铸铁制干式套或铸铁制湿式套的构造。

另一方面，也存在在气缸的内周面进行了耐磨耗性优异的喷镀、镀敷等涂层处理(coating)的构造、设为铝合金直线滑动的构造。

在这些构造中，均要求削减CO₂排放量和化石燃料的使用量，因此，对通过控制气缸内周面的粗糙度、构造来实现的摩擦减少技术进行研究。

例如，在专利文献1中公开了一种气缸，作为在不进行复杂的加工的情况下能降低摩擦平均有效压力的内燃机的气缸，将其内壁面划分为上方区域、下方区域以及行程中央部区域，行程中央部区域的表面粗糙度比上方区域和下方区域的表面粗糙度大。

在专利文献2中公开了在进行了珩磨加工的气缸套的内周表面沿轴向具有波纹，由此良好地维持活塞与气缸套之间的润滑状态。

此外，在专利文献3中公开了在气缸套的活塞环滑动面，沿活塞环的滑动方向形成为波状的凹凸面，在第一活塞环的滑动行程的中央部附近将波形成得最深，由此改善气缸套的润滑性能。

而且，在专利文献4中公开了将内壁面设为：在气缸内壁面中的行程中央部区域形成有凹部，将行程中央部区域的面积中的所有凹部的面积的合计设为 1％～80％，在行程中央部区域以外的区域未形成凹部，由此降低活塞环与气缸内壁面的往复运动摩擦。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2019－78267号公报

专利文献2：日本实开平4－106560号公报

专利文献3：日本特公昭60－001504号公报

专利文献4：日本专利第5513945号公报

在上述专利文献1中记载了，已知在作为气缸套的内壁面与活塞环的滑动速度大的区域的行程中央部区域中，摩擦损失中的油的剪切阻力的影响变大，内燃机的摩擦损失在工作量大的行程中央部附近明显。因此，在不使油耗性能恶化的情况下减小行程中央部附近的摩擦对于削减CO₂排放量是有效的，在上述专利文献1中，提出了增大行程中央部的表面粗糙度。然而，对于在调整了砂轮的珩磨加工后通过平顶加工而形成的平顶面的表面粗糙度而言，无法充分获得摩擦减少效果，存在改善的余地。

此外，像上述专利文献2那样，在气缸的内周表面仅存在波纹，轴向上波纹间距为10mm～20mm，波纹深度为1μm～5μm时，可能会对活塞环的活动造成影响，无法充分获得摩擦减少的效果，存在改善的余地。

此外，像上述专利文献3那样，在气缸套的内表面的波深度为0.005mm～ 0.1mm时，油耗性能和摩擦特性可能会变差。

而且，像上述专利文献4那样，在形成有多个凹部的面的最大高度Ry为 0.1μm以上30μm以下时，无法充分获得摩擦减少的效果，存在改善的余地。

实用新型内容

本实用新型的课题在于，提供一种能通过与已经提出的方法不同的方法来获得更高的摩擦减少效果的气缸。

本发明人等为了解决上述问题而推进研究，发现通过在气缸内周面中的行程中央区域中，以具有珩磨加工槽并且具有一定数量以上的槽宽和槽深比珩磨加工槽大的凹槽的方式进行表面加工，能获得较高的摩擦减少效果，从而完成了本实用新型。

本实用新型为一种气缸，在气缸内周面具有槽加工，其中，

所述槽加工包括：珩磨加工槽；以及槽宽和槽深比该珩磨加工槽大的凹槽，

所述珩磨加工槽和所述凹槽沿气缸周向延伸，且相对于与气缸轴向垂直的方向具有倾斜角，

对于所述气缸内周面，在曲轴转角为50°以上140°以下时的油环的滑动区域中，能在气缸轴向上选择出4mm的长度，其中，在该长度中存在四处以上所述凹槽。

优选的是，在上述曲轴转角为50°以上140°以下时的油环的滑动区域中，所述珩磨加工槽和所述凹槽具有凹槽彼此交叉的部位。

此外，优选的是，槽宽为30μm以上。

此外，优选的是，在所述选择出的4mm的长度中，还满足以下的(i)～(vi) 所示的参数中至少一项。

(i)包络波纹度曲线的波纹度图形的平均深度W为0.28μm以上，

(ii)(包络波纹度曲线的波纹度图形的平均深度W)×(波纹度图形的平均长度AW)为80μm²以上300μm²以下，

(iii)(包络波纹度曲线的核心部的水平差Rke)/(粗糙度曲线的核心部的水平差Rk)为0.6以下，

(iv)(包络波纹度曲线的突出谷部的平均深度Rvke)/(粗糙度曲线的突出谷部的平均深度Rvk)为0.9以下，

(v)(包络波纹度曲线的突出峰部的平均高度Rpke+包络波纹度曲线的核心部的水平差Rke+包络波纹度曲线的突出谷部的平均深度Rvke)/(粗糙度曲线的突出峰部的平均高度Rpk+粗糙度曲线的核心部的水平差Rk+粗糙度曲线的突出谷部的平均深度Rvk)为0.9以下，

(vi)(包络波纹度曲线的突出谷部的平均深度Rvke)/(包络波纹度曲线的波纹度图形的平均深度W)为1.0以下。

此外，优选如下的方案，对于所述气缸内周面，在包括上止点的曲轴转角为0°以上且小于50°时的油环的滑动区域中，无法在气缸轴向上选择出4mm 的长度，其中，在该长度中存在四处以上所述凹槽。

实用新型效果

像本实用新型这样，通过在行程中央区域除了形成珩磨加工槽之外还形成凹槽，在不使油耗性能明显恶化的情况下，能提供与以往水平相比能降低滑动面的摩擦并且改善燃料效率的气缸。而且，作为优选的方案，通过在上止点附近减少凹槽或使凹槽不存在，能谋求兼顾油耗性能。

附图说明

图1是本实施方式的气缸套的剖面示意图。

图2是放大了本实施方式的气缸套的内周面的一部分的放大示意图。

图3是以实施例进行的摩擦试验的试验机的剖面示意图。

附图标记说明：

10：气缸套；1：油环的上止点；2：油环的下止点；3：中央区域；4：虚线区域；41：长度；5：上止点区域；6：下止点区域；20：曲轴式单缸电动带动试验机；21：气缸套；23：止动器；24：传感器。

具体实施方式

本实用新型的一个实施方式是气缸，在气缸内周面具有槽加工，其中，所述槽加工包括：珩磨加工槽；以及槽宽和槽深比该珩磨加工槽大的凹槽，所述珩磨加工槽和所述凹槽沿气缸周向延伸，且相对于与气缸轴向垂直的方向具有倾斜角，所述气缸内周面在曲轴转角50°以上140°以下时的油环的滑动区域 (以下也称作中央区域。)中，能在气缸轴向上选择出存在四处以上所述凹槽的4mm的长度。使用图1对本实施方式进行说明。

图1是气缸套的剖视图。气缸可以是将铸铁制的气缸套镶铸于铝合金制缸体中的构造，也可以是铸铁制整块构造，还可以是插入了铸铁制干式套或铸铁制湿式套的构造，但以下以使用气缸套的方案进行说明。

典型而言，气缸套10是铸铁制的气缸套，但也可以由铝合金、铜合金形成，其材质没有特别限定。

气缸套10设置于内燃机的气缸体，活塞在其内部沿图1所示的上下方向(气缸套轴向)滑动。需要说明的是，在图1中，燃烧室侧为图中的“上”，曲轴室侧为图中的“下”。

图1所示的点划线1表示油环的上止点，点划线2表示油环的下止点。

图1的气缸套10的内周面具有槽加工，槽加工包括：珩磨加工槽；以及槽宽和槽深比该珩磨加工槽大的凹槽。

珩磨加工槽可以是通过已知的方法珩磨的加工槽，珩磨加工的次数、珩磨加工中使用的砂轮的形状、种类、粒度等没有特别限定。此外，也可以通过珩磨加工在气缸套的内周面形成网纹(cross hatch)。在形成网纹的情况下，其角度(锐角)优选为2°以上，可以为5°以上，可以为10°以上。此外，通常为60°以下，可以为45°以下，可以为30°以下，可以为15°以下。

槽宽和槽深比珩磨加工槽大的凹槽是通过与珩磨加工不同的方法形成的槽，例如可以通过对气缸套表面进行磨削、塑性加工、刻蚀、激光加工等来形成。在本实施方式中，通过形成能成为油腔(oil pocket)的凹槽，能减小滑动时与活塞、活塞环的接触面积，能降低油的剪切阻力。

凹槽只要槽宽和槽深比珩磨加工槽大即可，其大小没有特别限定，但从获得油的剪切阻力降低效果的观点出发，槽宽的下限优选为30μm以上，更优选为 50μm以上，进一步优选为70μm以上，特别优选为100μm以下。另一方面，若凹槽的槽宽太宽，则由于活塞环的表面压力会上升而活塞环容易发生磨耗，此外凹槽的制作也会变得困难，因此槽宽的上限优选为860μm以下，可以为800μm 以下，可以为500μm以下，可以为300μm以下。槽深通常为1.0μm～2.0μm，可以为0.5μm以上，可以为0.7μm以上，可以为10.0μm以下，可以为9.0μm以下。在一个例子中，槽宽为200μm左右，深度为1.0μm左右。

例如可以使用接触式粗糙度计(株式会社小坂研究所制SURFCORDER SE600)，以径向5000倍、轴向100倍的倍率对珩磨加工槽和凹槽的槽宽进行测量。就测量部位而言，在轴向上测量三处、从轴向的各测量部位起沿周向按 90°间隔各测量四处，共测量12处，将各轮廓曲线中的轴向的最大开口部的长度的平均值设为槽宽。需要说明的是，测量倍率也可以根据测量对象的槽宽的最小值而适当变化，例如也可以是，在对珩磨加工槽进行测量的情况下，以径向5000倍、轴向500倍的倍率进行测量。

此外，也可以使用非接触式激光测量仪(例如Keyence公司制VK-X1000) 来作为槽宽的测量仪器。

在本实施方式中，在工作量大的行程中央附近减少摩擦，因此在气缸套10 的内周面中的、作为曲轴转角为50°以上140°以下时的油环的滑动区域的中央区域3中，具有上述凹槽。使用图2对此进行说明。

图2是放大了图1的中央区域3中的虚线区域4的放大示意图。

虚线区域4具有由图中细线表示的珩磨加工槽和由图中粗线表示的凹槽。珩磨加工槽和凹槽在气缸的周向延伸，且相对于与气缸轴向垂直的方向具有倾斜角。珩磨加工槽的倾斜角的角度没有特别限定。

另一方面，凹槽的倾斜角也没有特别限定，但可以为2°以上，可以为5°以上，可以为10°以上。此外，通常为60°以下，可以为45°以下，可以为 30°以下，可以为15°以下。需要说明的是，对于凹槽而言，在上述曲轴转角为50°以上140°以下时的油环的滑动区域中，凹槽彼此交叉，由此使滑动环境变得更均匀，因此优选。

在本实施方式中，能以在气缸轴向上存在四处以上凹槽的方式选择出4mm 的长度41。在图2中，在长度41中存在五处凹槽。如此，不仅在气缸内周面具有凹槽，还将凹槽形成为在中央区域中能在气缸轴向上选择出存在四处以上所述凹槽的4mm的长度，由此，能减小滑动时与活塞、活塞环的接触面积，降低油的剪切阻力。

在4mm的长度41中存在的凹槽的数量不特别限定于四处以上，也可以是能以存在五处凹槽的方式选择出4mm的长度41的方案，还可以是存在六处以上凹槽的方案。另一方面，若凹槽过多，则油耗性能有时会变差，因此在长度 4mm中存在的凹槽的上限优选为60处以下，也可以为40处以下，还可以为20 处以下。

需要说明的是，在测量气缸内周面的圆度时，凹槽被检测为朝向外周侧凹陷，因此通过测量气缸内周面的圆度也能掌握凹槽的存在。

优选的是，在所述选择出的4mm的长度中，还满足以下的(i)～(vi)所示的参数中的至少一个。

(i)包络波纹度曲线的波纹度图形的平均深度W为0.28μm以上，

通过满足(i)的平均深度W，能提高保油性，因此优选。平均深度W优选为0.4以上，上限没有特别限定，但通常为1.0以下。

通过满足(ii)的W×AW的值，能获得进一步的摩擦减少效果，因此优选。 W×AW的值优选为90以上，且优选为270以下。

通过满足(iii)的Rke/Rk的值，能获得进一步的摩擦减少效果，因此优选。 Rke/Rk的值优选为0.5以下，下限没有特别限定，但通常为0.1以上。

通过满足(iv)的Rvke/Rvk的值，能降低油的剪切阻力，因此优选。Rvke/Rvk 的值优选为0.7以下，下限没有特别限定，但通常为0.05以上。

通过满足(v)的(Rpke+Rke+Rvke)/(Rpk+Rk+Rvk)的值，能使气缸表面的凹槽的形状合适，因此优选。(Rpke+Rke+Rvke)/(Rpk+Rk+Rvk) 的值优选为0.75以下，下限没有特别限定，但通常为0.1以上。

通过满足(vi)的Rvke/W的值，即通过使Rvke与W之比的值与实施了以往的珩磨加工的气缸内周相比减小，能获得摩擦减少效果，因此优选。Rvke/W 优选为0.75以下，下限没有特别限定，但通常为0.1以上。

需要说明的是，包括Rke、Rvke、Rpke、W、AW在内的图形参数的测量依据ISO12085进行，采用在气缸周向四处测量出的值的平均。需要说明的是， ISO规定的评价长度为3.2mm，在作为测量对象的4mm中的任意的3.2mm中进行测量即可。

包括Rk、Rvk、Rpk在内的粗糙度参数的测量条件依据ISO4287进行，采用在气缸周向四处测量出的值的平均。需要说明的是，ISO规定的评价长度为 4.0mm。

对于本实施方式的气缸套的内周面，只要在上述中央区域3中，珩磨加工槽和凹槽以满足特定的要件的方式存在即可，除此以外的部分没有特别限定。可以对内周面整个面进行珩磨加工，也可以具有基于喷镀的喷镀被膜等被膜处理。

其中，从不使油耗性能和摩擦特性明显恶化的观点出发，优选的是，对于所述气缸内周面，在包括上止点的曲轴转角为0°以上且小于50°时的油环的滑动区域(以下也称作上止点区域。在图1中为附图标记5的区域。)中，无法在气缸轴向上选择出存在四处以上所述凹槽的4mm的长度的方案，更优选不存在所述凹槽的方案。

除此之外，优选的是，在包括下止点的曲轴转角为超过140°且180°以下时的油环的滑动区域(以下也称作下止点区域。在图1中为附图标记6的区域。) 中，无法在气缸轴向上选择出存在四处以上所述凹槽的4mm的长度的方案。此外，在下止点区域中存在凹槽的情况下，有时由于凹槽妨碍油压的产生而摩擦特性变差，因此更优选不存在凹槽的方案。

需要说明的是，从获得进一步的摩擦减少效果的观点出发，优选的是，在中央区域3中，特别是曲轴转角为80°～110°时的油环的滑动区域中，能在气缸轴向上选择出存在四处以上所述凹槽的4mm的长度的方案。

气缸内周面中的油环的滑动区域因发动机的设计而异，但一般而言，油环的滑动区域是将气缸套的上端设为起点时、从全长的1/5位置起到全长的3/4位置为止的区域，凹槽存在于该范围的全部或一部分。作为一个例子，在发动机的缸径为φ100mm的情况下，气缸套的全长为194mm左右，从气缸套的上端起 39mm～146mm左右的范围相当于油环的滑动区域。

当形成本实施方式的气缸内周面时，以满足上述要件的方式适当应用形成珩磨加工槽和凹槽的方法即可。

需要说明的是，即使是未配置气缸套的气缸体，也能与气缸套的内周面同样地对气缸体的内周面进行加工。

气缸的缸径没有特别限定，可以对各种缸径的气缸应用上述凹槽形状，但从制造方面考虑，缸径优选为φ50mm以上，更优选为φ60mm以上，此外，优选为φ250mm以下，更优选为φ200mm以下。

[实施例]

以下，通过实施例对本实用新型进行更详细的说明，但本实用新型不仅限定于以下的实施例。

使用铸铁材料准备了内径(缸径)φ83mm、壁厚1.5mm的气缸套。该气缸套的内周面通过珩磨加工(网纹：锐角20°)而加工成Rvk为0.17～2.50μm(实施例1～4)、0.88～1.22μm(实施例5～7)、0.50～0.75μm(实施例8～9)、 0.41～0.86μm(实施例10～13)、0.38～0.46μm(实施例14～16)。

(实施例1～16)

接着，将在气缸套装接了活塞环的活塞的、油环的上止点的位置设为曲轴转角为0°，将油环的下止点的位置设为曲轴转角为180°，对于气缸套内周面中的曲轴转角为80°以上110°以下的滑动区域，在实施例1、5～7、14～16 中，进行粗糙度小的珩磨加工，在实施例2～4中，进行粗糙度大的珩磨加工，在实施例8～13中，进行珩磨加工以成为通常的粗糙度，其后，形成了槽宽和槽深比珩磨加工槽大的凹槽。需要说明的是，在实施例5～13中，适当变更了凹槽的深度，此外，在实施例1～4、14～16中，将凹槽的深度设为均匀。

需要说明的是，凹槽的形成相对于与气缸套轴向垂直的方向具有平均2.5°的倾斜角。此外，通过上述加工，在实施例1～16的气缸套的曲轴转角为80°以上110°以下的区域中，能在气缸轴向上选择出存在四处以上凹槽的4mm的长度。另一方面，在实施例1～16的气缸套的曲轴转角为0°以上且小于50°的区域以及曲轴转角为超过140°且180°以下的区域中，无法在气缸轴向上选择出存在四处以上凹槽的4mm的长度。

对于选择出的存在四处以上凹槽的长度，获取气缸套内周面的轮廓曲线，分别计算出Rk、Rpk、Rvk、Rke、Rpke、Rvke、W、AW的值。将结果表示于表1。

(比较例1～6)

通过对表面进行珩磨加工来将气缸套的内周表面加工为表2的粗糙度。而且，在比较例6中，形成了槽宽和槽深比珩磨加工槽大的凹槽。需要说明的是，在比较例1～6的气缸套的表面的任意区域中，均无法在气缸轴向上选择出存在四处以上凹槽的4mm的长度。

使用接触式粗糙度计(株式会社小坂研究所制SURFCORDER SE600)，以径向5000倍、轴向100倍的倍率对在上述获得的实施例1～16以及比较例1～6 的气缸套形成的凹槽的槽宽进行了测量。就测量部位而言，在轴向上测量三处、从轴向的各测量部位起沿周向按90°间隔各测量四处，共测量12处，将各轮廓曲线中的轴向的最大开口部的长度的平均值设为槽宽。需要说明的是，对于不具有凹槽的比较例1～5，以径向5000倍、轴向500倍的倍率对珩磨加工槽的槽宽进行了测量。将结果表示于表1、表2。

对上述获得的实施例1～16以及比较例1～6的气缸套实施了以下的摩擦试验和油耗实机测试。

＜摩擦试验＞

摩擦试验在单缸浮动套试验机(获取一个周期中的活塞、活塞环的摩擦变化的试验机)中通过大气开放电动带动(motoring)评价来实施。在摩擦试验中，使用了缸径φ83mm冲程86mm的曲轴式单缸电动带动试验机20(浮动套方式)。图3表示摩擦试验中使用的曲轴式单缸电动带动试验机的剖面示意图。气缸套21是径向的活动被止动器23限制、仅在轴向可动的构造。通过装配于气缸套 21的传感器24来检测作用于气缸套21的轴向的滑动摩擦力。通过将该滑动摩擦力的每一个周期的摩擦转矩除以排气量而得到的摩擦平均有效压力(FMEP： Friction Mean Effective Pressure)来进行了评价。

试验条件设为冷却水温80℃，发动机油的温度80℃，发动机油使用10W－ 30(粘度分类：SAE J300)，在评价转速为600rpm至2000rpm的期间进行了测量。

根据以比较例3(BM)的值为100％的情况的相对值，将FMEP按以下的基准进行分类，将A、B设为合格水平。将结果表示于表1、表2。

·80％以下：A

·超过80％且90％以下：B

·超过90％且100％以下：C

·超过100％：D

＜油耗实机测试＞

油耗实机测试使用了8L的柴油发动机。运转时用新油作为油，以2000rpm ×全负荷(Full Load)运转规定的时间，用抽取法对运转前后的油的重量差进行了比较。

根据以比较例3(BM)的值为100％的情况的相对值，将油耗按以下的基准进行分类，将α、β设为合格水平。将结果表示于表1、表2。

·超过100％且110％以下：α

·超过110％且130％以下：β

·130％以上：γ

根据其结果，通过在该区域适当地形成凹槽，在不使油耗性能明显恶化的情况下，能减少摩擦。

[表1]

[表2]

Claims

1.一种气缸，在气缸内周面具有槽加工，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，

在上述曲轴转角为50°以上140°以下时的油环的滑动区域中，所述凹槽具有凹槽彼此交叉的部位。

3.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于，

所述凹槽的槽宽为30μm以上。

4.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于，

在所述选择出的4mm的长度中，包络波纹度曲线的波纹度图形的平均深度W为0.28μm以上。

5.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于，

在所述选择出的4mm的长度中，(包络波纹度曲线的波纹度图形的平均深度W)×(波纹度图形的平均长度AW)为80μm²以上300μm²以下。

6.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于，

在所述选择出的4mm的长度中，(包络波纹度曲线的核心部的水平差Rke)/(粗糙度曲线的核心部的水平差Rk)为0.6以下。

7.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于，

在所述选择出的4mm的长度中，(包络波纹度曲线的突出谷部的平均深度Rvke)/(粗糙度曲线的突出谷部的平均深度Rvk)为0.9以下。

8.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于，

在所述选择出的4mm的长度中，(包络波纹度曲线的突出峰部的平均高度Rpke+包络波纹度曲线的核心部的水平差Rke+包络波纹度曲线的突出谷部的平均深度Rvke)/(粗糙度曲线的突出峰部的平均高度Rpk+粗糙度曲线的核心部的水平差Rk+粗糙度曲线的突出谷部的平均深度Rvk)为0.9以下。

9.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于，

在所述选择出的4mm的长度中，(包络波纹度曲线的突出谷部的平均深度Rvke)/(包络波纹度曲线的波纹度图形的平均深度W)为1.0以下。

10.根据权利要求1或2所述的气缸，其特征在于，

对于所述气缸内周面，在包括上止点的曲轴转角为0°以上且小于50°时的油环的滑动区域中，无法在气缸轴向上选择出4mm的长度，其中，在该长度中存在四处以上所述凹槽。