JP2020084778A - エンジン用シリンダ - Google Patents

Abstract

【課題】ガソリンエンジンでは、低燃費化の要求に伴うアイドリング停止機構等によってシリンダの摩耗対策が厳しくなる状況にあり、さらなる改善が望まれていた。【解決手段】ボア内面ＢＡに、多数の微細凹部Ｄ１を配列したテクスチャ領域ＴＡを有し、テクスチャ領域ＴＡは、ピストンＰの上死点から下降前半領域内の所定位置に至る上側範囲ＵＡと、下死点から上昇前半領域内の所定位置に至る下側範囲ＬＡとであり、上側範囲ＵＡと下側範囲ＬＡとは互いに離間しているエンジン用シリンダＣＹとし、ボア内面ＢＡの耐摩耗性の向上と同時に低摩擦化を実現した。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等のエンジン用シリンダに関し、とくに、ボア内面の耐摩耗性を改善したエンジン用シリンダに関するものである。

従来において、ボア内面の耐摩耗性を考慮したエンジン用シリンダとしては、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載のエンジン用シリンダは、ボア内面の全体にクロスハッチを形成している。クロスハッチは、ホーニング砥石の回転と上下動の軌跡により幾何学的に形成される多数の微細な交差溝であり、いわゆる油溜まりとして機能する。そして、上記のエンジン用シリンダは、クロスハッチの角度を設定することにより、ピストンの摺動時の摩擦を低減して耐摩耗性と摩擦特性を向上させる。

特開２０１４−４３８２８号公報

しかしながら、近年のガソリンエンジンでは、低燃費化の要求に伴うアイドリング停止機構や低粘度エンジン油の使用の拡大により、シリンダの摩耗対策が厳しくなる状況にあることから、さらなる改善が望まれていた。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、とくに、ピストンの上下動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの回転運動に伝達される構造上、シリンダのボア内面において摩耗する位置や領域に所定の傾向があることに着目し、ボア内面の耐摩耗性の向上と同時に低摩擦化を実現するエンジン用シリンダを提供することを目的としている。

本発明に係わるエンジン用シリンダは、ボア内面に、多数の微細凹部を配列したテクスチャ領域を有し、テクスチャ領域は、ピストンの上死点から下降前半領域内の所定位置に至る上側範囲と、ピストンの下死点から上昇前半領域内の所定位置に至る下側範囲とであり、上側範囲と下側範囲とは互いに離間していることを特徴としている。

本発明に係わるエンジン用シリンダは、ピストンの上下動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの回転運動に伝達される構造上、シリンダのボア内面において摩耗する位置や領域に所定の傾向がある。テクスチャ領域である上側範囲及び下側範囲は、摩耗が生じ易い部分であり、試験等により位置や領域を特定することが可能である。テクスチャ領域では、微細凹部がいわゆる油溜まりとして機能し、ボア内面とピストンとの間に油を介在させて互いの摺動接触による摩擦を低減する。

本発明に係わるエンジン用シリンダは、上記構成を採用したことにより、ボア内面の耐摩耗性の向上と同時に低摩擦化を実現することができる。また、本発明に係わるエンジン用シリンダは、ボア内面の一部である上側範囲及び下側範囲にテクスチャ領域を形成すれば耐摩耗性向上の効果が得られるので、ボア内面の加工時間の短縮や製造コストの低減などにも貢献することができる。

本発明に係わるエンジン用シリンダの第１実施形態を説明するシリンダの断面図（Ａ）及びシリンダに対するピストンの摺動接触範囲を示す説明図（Ｂ）である。 ピストンの上下運を説明する各々断面図（Ａ）〜（Ｄ）である。 クランクピンの位置によりテクスチャ領域を決定する要領を説明する各々断面図（Ａ）（Ｂ）である。 テクスチャ領域の微細凹部を説明する平面図（Ａ）、及び微細凹部の拡大平面図とこれに対応する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるエンジン用シリンダの第２実施形態を説明する断面図（Ａ）、及びシリンダボアの周方向におけるテクスチャ領域の範囲を説明する平面図（Ｂ）である。 第３実施形態としてテクスチャ領域における微細凹部の他の例を説明する平面図（Ａ）、及び微細凹部の拡大平面図とこれに対応する断面図（Ｂ）である。

〈第１実施形態〉
図１〜図４は、本発明に係わるエンジン用シリンダの第１実施形態を説明する図である。
図１（Ａ）に示すエンジン用シリンダ（以下、単に「シリンダ」と記す）ＣＹは、エンジンにおいて、ピストンＰを往復動可能に収容する。なお、以下においては、ピストンＰの燃焼室側の移動端である上死点、及びピストンのクランクシャフト側の移動端である下死点を基準にして、構成部位の上下関係を説明する。

シリンダＣＹは、ボア内面ＢＡに多数の微細凹部を配列したテクスチャ領域ＴＡを有している。テクスチャ領域ＴＡは、ピストンＰの上死点から下降前半領域内の所定位置に至る上側範囲ＵＡと、ピストンＰの下死点から上昇前半領域内の所定位置に至る下側範囲ＬＡとであり、上側範囲ＵＡと下側範囲ＬＡとは互いに離間している。

この実施形態の上側範囲ＵＡ及び下側範囲ＬＡは、ボア内面ＢＡの全周わたって設けてある。また、上側範囲ＵＡと下側範囲ＬＡとの間は、とくに限定されないが、望ましくは鏡面仕上げが施される。

より具体的には、テクスチャ領域ＴＡの上側範囲ＵＡは、図中に点線で示すピストンＰの上死点から、ピストンＰの下死点に至る範囲を１０分割したときに、上死点から３／１０の位置に至る範囲である。他方、下側範囲ＬＡは、７／１０の位置から、ピストンＰの下死点に至る範囲である。

但し、ピストンＰは、図１（Ｂ）に示すように、上側から順に第１〜第３のリングＲ１〜Ｒ３を備えている。最下段の第３リングＲ３は、オイルリングである。したがって、ピストンＰは、最上段の第１リングＲ１から最下段の第３リングＲ３に至る間が、ボア内面ＢＡに対する摺動接触範囲ＳＡである。

そこで、テクスチャ領域ＴＡの設定に際し、ピストンＰの上死点から下死点に至る範囲は、ピストンＰの一点を基準にするのではなく、上記のピストンＰの摺動接触範囲ＳＡを基準にしている。つまり、本発明において、ピストンＰの上死点から下死点に至る範囲は、上記の摺動接触範囲ＳＡを包含する範囲であり、上死点にあるピストンＰの第１リングＲ１の位置から、下死点にあるピストンＰの第３リングＲ３に至る範囲である。そして、この範囲の中でピストンリングとボアとの非接触部を除く上側範囲ＵＡ及び下側範囲ＬＡの設定基準にしている。

上記のテクスチャ領域ＴＡを設定するにあたり、実際に使用したエンジンのボア内面に生じた摩耗状況を調査した。その結果、ボア内面には摩耗する位置や領域に以下の傾向があり、その傾向とピストンの姿勢とに有意な関係性があることを突き止めた。

具体的には、ボア内面の全体にクロスハッチを形成したエンジンを用い、十分になじみ運転が終了した後や、耐久試験の終了後にボア内面を観察した結果、摩耗が原因と思われるクロスハッチの摩耗や消失を確認した。また、クロスハッチの摩耗や消失は、ボア内面全面ではなく、部分的であることも確認した。

クロスハッチの摩耗や消失は、ピストン及びピストンリングのかじりや焼付きの発生に至る懸念があり、さらには、ピストン及びピストンリングとボア内面との摩擦増大、オイルの消費、ブローバイガス、及びピストン打音等の増大につながりかねない。

ボア内面に上記の部分的な摩耗が生じるのは、ピストンの上下動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの回転運動に伝達される構造によるものである。このため、ピストンには、ボア内面に対して水平方向に押付けられる側圧と呼ばれる圧力が発生する箇所がある。

エンジンにおいて、ピストンＰは、図２に示すように、ピストンピンＰＰを介してコネクティングロッドＣＲの上端に連結してある。コネクティングロッドＣＲは、クランクピンＣＰを介してクランクシャフトのアームに連結してある。図中の一点鎖線は、クランクシャフトの回転軸を中心とするクランクピンＣＰの回動軌跡である。

ピストンＰは、図２（Ａ）に示す上死点から下降を開始すると、図２（Ｂ）に示すように、コネクティングロッドＣＲの傾斜に伴って、その傾斜方向にごく僅かに傾くと共に、図中の矢印で示すコネクティングロッドＣＲの倒れ方向に押し付けられる。

また、ピストンＰは、図２（Ｃ）に示す下死点に達した後、上昇を開始すると、図２（Ｃ）に示すように、コネクティングロッドＣＲの傾斜に伴って、その傾斜方向にごく僅かに傾くと共に、図中の矢印で示すコネクティングロッドＣＲの倒れ方向に押し付けられる。このように、ピストンＰに側圧が生じる位置は、下降時と上昇時とで１８０度異なる位置である。

なお、図２では、理解し易くする都合上、ピストンＰがボア内面ＢＡに押し付けられる位置を下降時（Ｂ）及び上昇時（Ｄ）の双方を同じ位置（高さ）に示している。実際には、ピストンＰには、燃焼による膨張圧力や圧縮時の圧力が加わるので、ピストンＰに側圧が生じる位置は、下降直後及び上昇直後の範囲である。また、ピストンＰに側圧が生じる位置でクロスハッチの摩耗が生じることは、調査により確認している。

本発明は、以上の調査結果に基づいて、先述した如くテクスチャ領域ＴＡとしての上側範囲ＵＡ及び下側範囲ＬＡを設定している。

また、各範囲ＵＡ及びＬＡは、図３に示すように、クランクシャフトの回転軸に対するクランクピンＣＰの回動角度から設定することも可能である。すなわち、図３（Ａ）に示すように、ピストンＰが実線で示す上死点から、点線で示す下降位置に至る範囲におけるクランクピンＣＰの回動角度θｃから上側範囲ＵＡを設定する。換言すれば、クランクピンＣＰが上記の回動角度θｃの範囲にあるときのピストンＰの移動範囲を上側範囲ＵＡとする。この際、上側範囲ＵＡは、先述したピストンＰの摺動接触範囲ＳＡを包含する。

下側範囲ＬＡは、同様に、図３（Ｂ）に示すように、ピストンＰが実線で示す下死点から、点線で示す上降位置に至る範囲におけるクランクピンＣＰの回動角度θｃから上側範囲ＵＡを設定することができる。

一例として、上側範囲ＵＡは、ピストンＰが上死点にある状態でのクランクピンＣＰの回動角度θｃを０度とした場合、回動角度θｃが０度〜４０度の範囲に対応するピストンＰの下降範囲にすることが望ましい。また、下側範囲ＬＡは、回動角度θｃが１８０度〜２２０度の範囲に対応するピストンＰの上昇範囲にすることが望ましい。

なお、テクスチャ領域ＴＡの上側範囲ＵＡ及び下側範囲ＬＡは、シリンダＣＹの軸線方向に適当な余裕をもって設定することが望ましい。このため、上側範囲ＵＡ及び下側範囲ＬＡは、先述したピストンＰの往復動範囲を１０分割して設定した範囲と、クランクピンＣＰの回動角度θｃに基づいて設定した範囲とが、完全に一致しなくても構わない。

図４は、上記のテクスチャ領域ＴＡに形成した微細凹部Ｄ１を示す図である。微細凹部Ｄ１は、基本的に、開口部の平面形状が、ピストンＰの上下動方向のうちの少なくとも一方向への先細り部分Ｓ１を有する形状である。

この実施形態の微細凹部Ｄ１は、概略として鏃状を成しており、中央の先細り部分Ｓ１と、これとは逆向きの両側の先細り部分Ｓ２，Ｓ２とを有している。また、この実施形態では、ピストンＰの上昇方向への先細り部分Ｓ１を有する微細凹部Ｄ１と、ピストンの下降方向への先細り部分Ｓ１を有する微細凹部Ｄ１とを１組とし、この組を多数配列してテクスチャ領域ＴＡを形成している。つまり、２つの微細凹部Ｄ１，Ｄ１は、中央の先細り部分Ｓ１が互いに逆向きになる配置である。

さらに、微細凹部Ｄ１は、図４（Ｂ）の断面に示すように、深さが、中央の先細り部分Ｓ１の先端方向に漸次減少している。さらに、微細凹部Ｄ１は、より望ましい実施形態として、開口部の外接円の直径が０．０５ｍｍ〜５ｍｍであるものとし、また、最大深さが１μｍ〜２０μｍであるものとすることができる。

さらに、微細凹部Ｄ１は、その開口部の縁が、ピストンＰの進行方向に交差する直線ではなく、同進行方向に交差する円弧である。これは、ボア内面ＢＡにおいて微細凹部Ｄ１の無い平面では摩擦が増大するので、その摩擦の増大量を極力小さくするためである。

上記の微細凹部Ｄ１は、成形方法がとくに限定されるものではないが、成形形状に対する自由度が高いレーザ加工法により成形することができ、それ以外には、ショットピーニング法、ブラスト法、及びエッチング法などにより成形することもできる。

上記構成を備えたシリンダＣＹは、テクスチャ領域ＴＡにおいて、微細凹部Ｄ１がいわゆる油溜まりとして機能し、ボア内面ＢＡとピストンＰとの間に油を介在させて互いの摺動接触による摩擦を低減する。

これにより、シリンダＣＹは、ボア内面ＢＡの耐摩耗性の向上と同時に低摩擦化を実現することができ、しかも、ボア内面ＢＡの一部である上側範囲ＵＡ及び下側範囲ＬＡにテクスチャ領域ＴＡを形成すれば耐摩耗性の効果が得られるので、ボア内面ＢＡの加工時間の短縮や製造コストの低減などにも貢献することができる。

また、シリンダＣＹは、微細凹部Ｄ１の開口部の平面形状が、ピストンＰの上下動方向のうちの少なくとも一方向への先細り部分Ｓ１を有する形状としたことにより、その一方向における動圧効果を得ることができる。

具体的には、微細凹部Ｄ１に対して、ピストンＰが先細り部分Ｓ１の先端方向に摺動する際、ボア内面ＢＡの油が摺動方向に押し流されると同時に、先細り部分Ｓ１により油の圧力が集中的に高くなり、ピストンＰとボア内面ＢＡとの直接的な接触を阻止する。これにより、ピストンＰとボア内面ＢＡとの間の油膜を維持して摩擦を低減し、耐摩耗性を向上させることとなる。

さらに、シリンダＣＹは、先細り部分Ｓ１を互いに逆向きにした２つの微細凹部Ｄ１，Ｄ１を１組とし、多数の組を配置してテクスチャ領域（範囲ＵＡ，ＬＡ）ＴＡを形成しているので、ピストンＰの上下動のいずれの方向においても上記の動圧効果を得ることができる。

さらに、シリンダＣＹは、微細凹部Ｄ１の深さを先細り部分Ｓ１の先端方向に漸次減少させることにより、上記の動圧効果をより高めることができる。さらに、シリンダＣＹは、微細凹部Ｄ１の開口部の外接円の直径や、微細凹部の最大深さを適切な範囲に設定することによっても、上記の動圧効果をより高めることができる。さらに、シリンダＣＹは、微細凹部Ｄ１の開口部の縁を円弧により形成することによっても、上記の動圧効果をより高めることができる。このように、シリンダＣＹは、微細凹部Ｄ１の形状や深さに異方性をもたせることで、動圧効果のさらなる向上を実現する。

そして、上記のシリンダＣＹは、動圧効果による耐摩耗性の向上により、ピストンのかじりや焼付きの発生、オイルの消費やブローバイガスの増大、ピストン打音の増大などの防止にも貢献することができる。

〈第２実施形態〉
図５に示すシリンダＣＹは、テクスチャ領域ＴＡが、ボア内面ＢＡの半周若しくはそれ以下の範囲に設けてある。すなわち、テクスチャ領域ＴＡは、ピストンＰが上側範囲ＵＡ及び下側範囲ＬＡにあるときに、ボア軸線ＢＣに対してクランクピンＣＰの回動範囲の反対側となる位置でボア円周上の９０度〜１８０度の範囲に形成してある。

先の実施形態では、図２に基づいて説明したように、ピストンＰの下降過程及び上昇過程において、ボア内面ＢＡに対してピストンＰがコネクティングロッドＣＲの倒れ方向に押し付けられ、側圧が生じることを説明した。この際、ピストンＰに側圧が生じる位置は、下降時と上昇時とで１８０度異なる位置である。

そこで、この実施形態のシリンダＣＹは、主に側圧が生じる位置、つまり、図２（Ｂ）に示す下降過程では、ボア軸線ＢＣに対してクランクピンＣＰの回動範囲の反対側（図中で右側）となる位置に上側範囲ＵＡを設けている。他方、図２（Ｄ）に示す上昇過程では、ボア軸線ＢＣに対してクランクピンＣＰの回動範囲の反対側（図中で左側）となる位置に下側範囲ＬＡを設けている。なお、図５（Ｂ）中で下側の太い矢印は、コネクティングロッドＣＲの揺動方向を示している。

上記のシリンダＣＹは、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、必要最小限の範囲にテクスチャ領域ＴＡを形成することになるので、ボア内面ＢＡの耐摩耗性を向上させつつ、加工時間のさらなる短縮や製造コストのさらなる低減を実現することができる。

〈第３実施形態〉
図６は、本発明に係わるシリンダの第３実施形態として、テクスチャ領域ＴＡにおける微細凹部の他の例を示す図である。図示の微細凹部Ｄ２は、上下方向に頂点を有する概略菱形状であって、４辺が中心に向けて凸となる曲線で形成されている。これにより、微細凹部Ｄ２は、上側及び下側に先細り部分Ｓ１，Ｓ１を有している。

また、微細凹部Ｄ２は、その深さが、図６（Ｂ）の右側に示すように、左右の対角線を中心にして各先細り部分Ｄ１の先端に向けて夫々漸次減少している。この微細凹部Ｄ２の形状は、図６（Ａ）に示すように、同一直径の複数の円を縦横に半径分ずらせて配置することで決定されている（黒色の部分）。

上記の微細凹部Ｄ２を含むテクスチャ領域ＴＡは、シリンダＣＹのボア内面ＢＡにおいて、先の各実施形態と同様の効果を得ることができる。また、微細凹部Ｄ２は、ピストンＰの上下動方向のいずれの方向でも、上下の先細り部分Ｓ１，Ｓ１による動圧効果を得ることができ、しかも、深さを先細り部分Ｓ１の先端方向に漸次減少させることで、動圧効果をより高めることができ、耐摩耗性のさらなる向上に貢献することができる。

〈実施例〉
本発明に係わるエンジン用シリンダの効果を確認するため、二輪車用ガソリンエンジンと、浮動ライナーエンジンを用いて試験を行った。

排気量２５０ｃｃ単気筒の市販レース用二輪車のガソリンエンジンを用意し、実施例１〜５については、ピコ秒パルスレーザを用いて、ボア内面に微細凹部を有するテクスチャ領域を形成した。テクスチャ領域は、ピストンの上死点から下死点に至る範囲を１０分割し、上死点から３／１０の位置に至る範囲を上側範囲とし、７／１０の位置から下死点に至る範囲を下側範囲とした（図１参照）。

実施例１は、円形ディンプルである微細凹部を形成した。実施例２は、先細り部分を有する微細凹部を形成した。実施例３及び４は、先細り部分を有し且つ深さが先細り部分の先端方向に漸次減少している微細凹部を形成した。実施例５は、先細り部分が互いに逆向きになる２つの微細凹部を１組とした（図４参照）。比較例１は、ボア内面の全体にクロスハッチを形成した。比較例２は、ボア内面を鏡面仕上げとした。

そして、上記の実施例１〜５及び比較例１，２について、レースを想定した耐久モードでエンジンを所定時間にわたって運転し、その後、エンジンを分解してシリンダのボア内面を目視で観察した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、比較例１は、ボア内面の上側範囲（ＵＡ）及び下側範囲（ＬＡ）に相当する部分に、摺動方向に沿った５本以上の線状傷が認められ、比較例２は、広範囲に凝着痕が認められた。これに対して、実施例１〜５は、摺動痕が軽微若しくは観察されない結果であり、とくに、実施例４及び５は、明確な摺動痕が全く観察できなかった。これにより、本発明に係わるシリンダを採用することにより、耐摩耗性の向上と同時に低摩擦化を実現できることを確認した。

次に、ピストンの摩擦損失測定用として浮動ライナーエンジンを使用し、実施例１〜５及び比較例１，２と同じ仕様のシリンダを浮動ライナーエンジンに組み込み、摩擦力測定を実施した。その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、比較例１の相対摩擦力を１００とした場合、実施例１〜５及び比較例２には、相対摩擦力の明らかな低下が認められた。そして、実施例１〜５は、比較例２よりも相対摩擦力がさらに低いことが認められ、充分な摩擦低減効果が得られることを確認した。

以上の試験結果から、本発明に係わるエンジン用シリンダは、省燃費型ガソリンエンジン用のシリンダとして、耐摩耗性の向上のみならず、摩擦低減効果によるさらなる省燃費化やエンジン騒音低減に非常に有効であることを確認した。

なお、本発明に係わるエンジン用シリンダは、その構成が上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、例えば、テクスチャ領域に形成する微細凹部の形状、大きさ、配置などを適宜選択することができる。

ＢＡ ボア内面
ＢＣ ボア軸線
ＣＰ クランクピン
ＣＹ シリンダ
Ｄ１，Ｄ２ 微細凹部
ＬＡ 下側範囲
Ｒ１〜Ｒ４ ピストンリング
ＳＡ 摺動接触範囲
ＴＡ テクスチャ領域
ＵＡ 上側範囲

Claims (9)

1. ボア内面に、多数の微細凹部を配列したテクスチャ領域を有し、
   テクスチャ領域は、ピストンの上死点から下降前半領域内の所定位置に至る上側範囲と、ピストンの下死点から上昇前半領域内の所定位置に至る下側範囲とであり、上側範囲と下側範囲とは互いに離間していることを特徴とするエンジン用シリンダ。
2. ピストンの上死点から下死点に至る範囲を１０分割したときに、
   上側範囲が、上死点から３／１０の位置に至る範囲であり、
   下側範囲が、７／１０の位置から下死点に至る範囲であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン用シリンダ。
3. ボア内面に対するピストンの摺動接触範囲が、最上段のピストンリングから最下段のピストンリングに至る間であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン用シリンダ。
4. テクスチャ領域は、ピストンが上側範囲及び下側範囲にあるときに、
   ボア軸線に対してクランクピンの回動範囲の反対側となる位置でボア円周上の９０度〜１８０度の範囲に形成してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン用シリンダ。
5. 微細凹部の開口部の平面形状が、ピストンの上下動方向のうちの少なくとも一方向への先細り部分を有する形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジン用シリンダ。
6. ピストンの上昇方向への先細り部分を有する微細凹部と、ピストンの下降方向への先細り部分を有する微細凹部とを１組とし、この組を多数配列してテクスチャ領域を形成していることを特徴とする請求項５に記載のエンジン用シリンダ。
7. 微細凹部の深さが、先細り部分の先端方向に漸次減少していることを特徴とする請求項５又は６に記載のエンジン用シリンダ。
8. 微細凹部の開口部の外接円の直径が、０．０５ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のエンジン用シリンダ。
9. 微細凹部の最大深さが、１μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載のエンジン用シリンダ。

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