JP2017501327A - 薄肉シリンダ／ライナの摩擦力学的調製方法及びシリンダ／ライナ - Google Patents

Abstract

本発明は内燃機関のエンジンブロック用の薄肉摺動部品（20）をライニングする方法に関し、(i)前記摺動部品（20）を研磨する際にかけられる圧力は8MPa〜9MPaであり、(ii)前記摺動部品(20)の内表面(21)の少なくとも一部は、固体潤滑剤のナノ層を備え、前記固体潤滑剤のナノ層の粗さである、研磨後における突出山部高さ、コア部のレベル差及び突出谷部深さは、研磨前の突出山部高さ、コア部のレベル差及び突出谷部深さの3分の2以上である。

Description

本発明は、特に内燃機関のエンジンブロックに対して利用される、薄肉シリンダ/ライナの薄肉調製における摩擦力学的調製方法に関する。

近年、耐摩耗性が高くかつ摩擦が小さいエンジン材料及び/又はエンジン部品に対する需要が高まっている。自動車の分野、特に内燃機関のシリンダ/ボアの表面のライニング及び/又は処理の分野において最近行われている研究の目的は、摩擦による損失を低減させることより燃料消費量を減らし、その結果二酸化炭素排出量の抑制に貢献する、シリンダ/ボアの表面の材料及び仕上げを実現することである。近年では、特にナノテクノロジーによる解決方法が研究されている。

実行可能な解決方法の一つとして、欧州特許第2229467号明細書に開示されている方法は、エンジン部品のような機械構成部品を製造する方法である。この機械構成部品は、摩擦化学による調製及び固体潤滑剤等の物質の蒸着により、その表面の摩擦が低減されており、これら調製/蒸着により部品の表面が覆われる。

カナダ国特許第2704078号明細書は上記の欧州特許に非常に類似しており、固体潤滑剤を摩擦化学的に調製することにより低摩擦の部品を製造する工程に関し、特に固体潤滑剤をエンジンのシリンダライナに塗布する工程に関する。

最後に、上記2件の特許文献の同じファミリーに属する米国出願公開2010/0272942号明細書は、同様の製造工程に関し、この製造工程をシリンダライナ及びエンジンブロックシリンダの製造に活用することが強調されている。

上記3件の特許文献は、専用の金属機械加工工程に関するもので、これは部品の表面を極限の機械的高圧をかけて研磨することと、低摩擦の二硫化タングステン（WS₂）からなる耐摩耗膜を摩擦化学的に又は機械化学的に蒸着することと、を組み合わせて実現される。

しかし、上記の技術で活用される、摩擦力学的調製中に極限の高圧をかける方法は、ライナ/シリンダの摩擦や摩耗を低減するには有益であるが、軽量のエンジンブロックとして通常使用される薄肉のブロックにおいて、ライナ/シリンダが理想的円形から変形することがある。変形したエンジンブロックにおける上記のボア/シリンダで、潤滑油の消費の増加を防ぐには、高負荷に耐えるピストンリングを使用しなければならないが、これでは摩擦の低減は望めない。

高負荷に耐えうるピストンリングの使用時に上記摩擦を最小限に抑えるにあたり、上記ブロックにおけるボア/シリンダの当初の粗さを減少させることがあるが、これは望ましいことではない。実際、ボア/シリンダにはある程度の粗さを与えることが望ましい。なぜなら粗さが潤滑油の貯留部として機能することにより、エンジンの運転当初の数時間の間、部品と、ピストンリングと、エンジンブロックのボア/シリンダと、が軟化し得るからである。

このような欠点を克服するために、本発明の発明者達は、以下に記載された、研磨工程を低圧で行いつつ摩擦の著しい低減を達成する、改良された摩擦力学的調製工程を開発した。

本発明の目的は、内燃機関のエンジンブロックの薄肉摺動部品に、摩擦力学的調製を施す方法を提供することで、エンジンの燃料消費量及び前記エンジンの変形の低減を確実にすることである。

本発明の目的は内燃機関用の薄肉ブロックのライナ/シリンダに対して摩擦力学的調製を施す方法により達成されうる。この方法は：
(i)摺動部品を研磨する際にかけられる圧力は5MPa〜15MPaであり、
(ii)摺動部品の内表面の少なくとも一部は、固体潤滑剤のナノ層を備え、固体潤滑剤のナノ層の粗さである、研磨後における突出山部高さ、コア部のレベル差及び突出谷部深さは、研磨前の突出山部高さ、コア部のレベル差及び突出谷部深さの3分の2以上である。

本発明の内燃機関で使用される摺動部品の概略図である。 標準的なシリンダ（基準又は基準値）と、摩擦力学的調製を施されたシリンダと、において、摩擦平均有効圧力を計測（比較試験）した結果を示す図である。 エンジン回転速度が2500rpmにおける燃圧が0.93MPa(9.3バール)の時の摩擦力下における、標準的なライナ（基準又は基準値）と、摩擦力学的調製を施されたライナと、の間で行われた比較試験の結果を示す図である。 標準的なライナ（基準又は基準値）と、摩擦力学的調製を施されたライナと、の間で行われた、摩擦による損失に関する比較試験の結果を示す図である。 本発明の、内燃機関で使用される薄肉ライナを有する摺動部品の概略図であり、ライナがフローティング取り付けされている内燃機関で試験を行っている。

本発明は、図面に示される実施の形態を基に、より詳細に記載される。

従来技術の項で説明されたように、摩擦システムと、ピストンリング10と、ライナ/シリンダ20と、ピストン3と、の間の摩擦を最小限に抑制する二硫化タングステン（WS）ライニングを作製し、研磨により摩擦力学的調製を施すことは既に周知である。しかしこの解決方法では、シリンダの薄肉が1.6mm〜5mmの場合は、シリンダが変形する可能性があり、それにより摩擦システムのオイル/ガスのシールが悪影響を被る。

本発明は、前述の問題を低圧の高速研磨工程を利用することで解決する。この工程により、薄肉の摺動部品20の表面は、摩擦の低減と同時に変形の抑制に適したものとなる。なお前述の摺動部品20は、シリンダライナ又はエンジンブロックのシリンダ/ボアであってもよい。

なお、長い工具が作製されたことにより、この工程においてより低圧での作業が可能となり、僅かに遅い作業が、この低圧での作業により抑制される。さらに、摩擦力学的調製工程において同じ長さの工具が使用された場合は、該工程の所要時間はこの構成において50％増加するであろう。工程の所要時間が長くなっても、工具と摺動部品20との間の面である、他の部品と接触する摺動部品20の表面は、依然として摩擦膜を形成し、表面粗さを向上させる程度の粗さを有している。

以下の表1は、前記工程の前後における粗さ値を示している。前述の従来技術と異なり、粗さの減少は僅かに留まっていることが分かる。

表２は低圧処理の結果を確認するための試験の特徴を示す。

図２は各領域における摩擦平均有効圧力(FMEP)の計測値を示している。摩擦力学的調製を施されたライナ(b)では、摩擦平均有効圧力の5％〜11％の低下が見られた。繰り返し試験を行う間、標準的なライナ（基準値-a）でも同様に数値が低下したが、その低下の度合いは摩擦力学的調製を施された摺動部品20(b)に比較して非常に小さい。標準的なライナ（基準値-a）が繰り返し試験を行う中で摩擦平均有効圧力が僅かに低下するのは、ライニングが摩擦層からピストンリング及びピストンチャンバへ遷移するからである。この仮説は、今後の試験で研究されるであろう。各運転条件下での燃料の節約は(DFMEP/IMEP)で推定されるが、これにより燃料が0.13%〜0.27%節約される。

フローティング取り付けされたライナの試験により、ピストンのストロークに従って起こる摩擦力の詳細が解明されることが分かった。図3はエンジン回転速度が2500rpmにおける燃圧が0.93MPa(9.3バール)の時の摩擦力下における、標準的なライナ（基準又は基準値-a）と、摩擦力学的調製を施されたライナ20(b)と、の間の比較を示している。ここで摩擦力はクランクの運動方向に沿って計測される。予測されたように、摩擦の大幅な低減は拡張工程中で起こり、特にピストンの上死点での損失時に起こる。ここでは燃圧が最高かつピストンの速度が最低であり、境界潤滑領域へと続く。

燃料節約の観点から、摩擦による損失は摩耗力よりも重要である。図4はクランクシャフトの各角度における瞬間的な摩擦平均有効圧力を示している。図4から、クランクシャフトの角度が20°〜60°の間で摩擦平均有効圧力が最も低下することが分かり得るが、実際この低下は、ピストンのストロークを通じて見られる。エンジンを使用したテストにおいて議論されたように、摩擦層(b)は、エンジン回転速度が最高でかつ潤滑状態が流体力学的傾向となる状況下においてすら、有益な効果をもたらす。

試験後、摩擦力学的調製を施されたライナ20（b）は切断され、その部分的な状態が、ピストンリングのストロークに沿った三つの箇所１〜３で計測された。図５で示されるように、ピストンのストローク外に位置する低領域3は、本願の新しい調製を施された箇所を表すと推測された。中央部分2の状態は、ほぼ変化がないことが分かった。ゆえに、摩擦層は保護されたことが結論づけられた。これによりライナ20は、摩擦による摩耗から保護されその状態を維持し得た。予測されたように、反転する点では大きな摩耗が見られたが、これは摩擦層が除去され得た可能性を示している。しかし、反転する点において摩擦力が高くても、回転速度は低く摩擦による損失さえも低い。

表3は図5における領域1〜3に見られる粗さ値の差異を示している。

加えて、摩擦力学的調製を施したライナ20（b）を顕微鏡で分析した結果、その表面にタングステンの存在が確認された。

ゆえに本発明は前述した方法により作製された摺動部品に関する。

以上好適な実施の形態が記載されたが、本発明の範囲は、添付の請求項の内容のみによって限定される、他の実施可能な変形例に拡大されるが、これは均等物になり得る物を含む。

Claims (2)

1. 内燃機関用の薄肉ブロック（2）のライナ/シリンダに対して摩擦力学的調製を施す方法であって、
   (i)前記薄肉ブロック（2）の摺動部品を研磨する際にかけられる圧力は5MPa〜15MPaであり、
   (ii)前記薄肉ブロック（2）の摺動部品の内表面(21)の少なくとも一部は、固体潤滑剤からなるナノ層を備え、前記ナノ層の粗さである、研磨後における突出山部高さ、コア部のレベル差及び突出谷部深さは、研磨前の突出山部高さ、コア部のレベル差及び突出谷部深さの3分の2以上であることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法により作成された摺動部品。