JP2021143597A - 燃焼可視化エンジン - Google Patents
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Abstract
【課題】無潤滑環境下であってもピストンリングの交換頻度を低減することができ、透過性シリンダの内壁への摩耗物の付着を抑制できるピストンリングを備えた燃焼可視化エンジンを提供することを課題とする。【解決手段】内部が観察可能に可視化された透過性部材からなるシリンダ、及び前記シリンダ内を摺動するピストン、を含む無潤滑環境下で使用される燃焼可視化エンジンにおいて、ピストンリング基材の少なくとも外周面にＤＬＣ被膜を有するピストンリングを用いる。【選択図】図１
Description
本発明は、透過性材料からなる透過性シリンダと、透過性シリンダ内を摺動するピストンと、該ピストンに備えられたピストンリングと、からなる燃焼可視化エンジンに関する。
シリンダの内部における燃焼状態を確認する方法として、特許文献１及び特許文献２に挙げられるような、石英ガラス等の透過性材料により形成された透過性シリンダを用いた燃焼観察用エンジンが知られている。
これらの燃焼観察用エンジンでは、シリンダが石英ガラス等の材料で形成されており、鋳鉄材料で製造したシリンダよりも傷がつきやすい。そのため特許文献１では、内側リングと外側リングがフッ素系樹脂によって形成されている。また特許文献２では、透過性シリンダ内を摺動するピストンに備えられたピストンリングの外周面を、フッ化炭素樹脂をベースとしたガラス材料よりも軟質な金属を所定の混合比率で混合した複合材料で形成することが開示されている。
特許文献１に開示されるように、外側リングをフッ素系樹脂によって形成すること、及び特許文献２に開示されているように、ピストンリングの外周面をフッ化炭素樹脂をベースとした複合材料で形成することで、シリンダ内壁の傷を抑制できる。しかしながら一方で、フッ素系樹脂は耐摩耗性が低いため、シリンダ内壁との摺動による摩擦により摩耗し、ピストンリングの交換頻度が非常に高いという問題点があった。また、フッ素系樹脂が摩擦により摩耗した際に生じる摩耗物によって、透過性シリンダ内壁の汚れが発生し、燃焼観察に支障が生じる場合があった。
本発明はこのような課題を解決するものであり、無潤滑環境下であってもピストンリングの交換頻度を低減することができ、透過性シリンダの内壁への摩耗物の付着を抑制できるピストンリングを備えた燃焼可視化用エンジン部材を提供することを課題とする。
本発明者は、上記課題を解決すべく検討し、ピストンリングの外周面にＤＬＣ被膜を有するピストンリングを用いることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、内部が観察可能に可視化された透過性部材からなるシリンダ、及び前記シリンダ内を摺動するピストン、を含む無潤滑環境下で使用される燃焼可視化エンジンであって、前記ピストンはシリンダ内壁を圧接するピストンリングを備え、該ピストンリングはピストンリング基材の少なくとも外周面にＤＬＣ被膜を有する、燃焼可視化エンジンである。
本発明は、内部が観察可能に可視化された透過性部材からなるシリンダ、及び前記シリンダ内を摺動するピストン、を含む無潤滑環境下で使用される燃焼可視化エンジンであって、前記ピストンはシリンダ内壁を圧接するピストンリングを備え、該ピストンリングはピストンリング基材の少なくとも外周面にＤＬＣ被膜を有する、燃焼可視化エンジンである。
前記ＤＬＣ被膜は水素を含まないＤＬＣ被膜であることが好ましく、また前記ＤＬＣ被
膜表面は、円周方向計測において、表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることや、表面粗さＲｚが２．０μｍ以下であることが好ましい。
膜表面は、円周方向計測において、表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることや、表面粗さＲｚが２．０μｍ以下であることが好ましい。
本発明により、無潤滑環境下で使用される燃焼可視化シリンダにおいて、ピストンリングの交換頻度を低減することができる。また、透過性シリンダの内壁に摩耗物が付着することにより、燃焼観察に支障がでることを抑制できる。
本発明の一実施形態は、内部が観察可能に可視化された透過性部材からなるシリンダ、及び前記シリンダ内を摺動するピストン、を含む、無潤滑環境下で使用される燃焼可視化エンジンである。
図１は、本発明の実施形態に係る燃焼可視化エンジン１０の一部を拡大して示す、断面模式図である。ガラスシリンダ２は、透過性部材からなるシリンダの一例である。シリンダ内部の燃焼状況を可視化できる限りにおいて、透過性部材はガラスに限られるわけではなく、他の材料を用いてもよい。耐熱性や汎用性の観点から、通常石英ガラスシリンダが用いられる。
ガラスシリンダ２の上部にはシリンダヘッド部材１が取り付けられ、ガラスシリンダ２とシリンダヘッド１とはガスケット（図示しない）を介して圧着、シールされる。
図１は、本発明の実施形態に係る燃焼可視化エンジン１０の一部を拡大して示す、断面模式図である。ガラスシリンダ２は、透過性部材からなるシリンダの一例である。シリンダ内部の燃焼状況を可視化できる限りにおいて、透過性部材はガラスに限られるわけではなく、他の材料を用いてもよい。耐熱性や汎用性の観点から、通常石英ガラスシリンダが用いられる。
ガラスシリンダ２の上部にはシリンダヘッド部材１が取り付けられ、ガラスシリンダ２とシリンダヘッド１とはガスケット（図示しない）を介して圧着、シールされる。
ガラスシリンダ２の内部には、ピストンリング溝にピストンリング４を装着したピストン３が配置される。ピストン３はガラスシリンダ２内を上下に可動し、その際ピストンリング４の外周面はガラスシリンダ２のシリンダボア面に圧接して摺動する。
ガラスシリンダ２は、鋳鉄材料で製造したシリンダよりも傷がつきやすいため、シリンダボアに圧接するピストンリングの外周面は、テフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂により形成する必要があった。しかしながらフッ素系樹脂で形成されたピストンリングの外周面は耐摩耗性が十分ではなく、ファイアリング試験を１時間程度行うのみでピストンリングが有するシール機能が損なわれ、そのためピストンリングの交換頻度が高いという問題点を見出した。更に、樹脂で形成されたピストンリングの外周面の摩耗により、摩耗物がガラスシリンダに付着して、燃焼観察に支障を生じ得ることを見出した。
本実施形態では、上記ガラスシリンダなどの透過性シリンダを用いた際に生じる課題を解決するため、ピストンリングの外周面にＤＬＣ被膜を有する。ＤＬＣ被膜は水素を含まないのＤＬＣ被膜であることが好ましく、実施被膜の測定結果では、製造時の雰囲気影響による被膜内水素含有量が５．０ａｔ％以下であってよく、３．０ａｔ％以下であってよく、１．０ａｔ％以下であってよく、０．５ａｔ％以下であってよい。水素を含まないＤＬＣ被膜を用いることで固体摺動時の摩擦係数が低くなり好ましい。
ＤＬＣ被膜は、その他の元素を含んでもよく、例えばＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖなどを含んでもよいが、これらに限らない。これらの元素を含む場合、合計量が４０ａｔ％以下であることが好ましく、３０ａｔ％以下であってよく、２０ａｔ％以下であってよい。
ＤＬＣ被膜の硬さは特段限定されないが、ＨＶ５００以上であってよく、ＨＶ１０００以上であってよく、ＨＶ３０００以下であってよく、ＨＶ２０００以下であってよい。
ＤＬＣ被膜の硬さは特段限定されないが、ＨＶ５００以上であってよく、ＨＶ１０００以上であってよく、ＨＶ３０００以下であってよく、ＨＶ２０００以下であってよい。
ピストンリングの一形態の断面模式図を図２に示す。ピストンリング４は、ピストンリング基材４１の外周面に下地層４２及びＤＬＣ被膜４３を有する。ピストンリング基材４１は、従来からピストンリング基材として使用されている材質であれば、材質は特に限定されない。例えば、ステンレス鋼材、鋼材などが好適に用いられ、具体的には、マルテンサイト系ステンレス鋼、シリコンクロム鋼などが好適に用いられる。
ピストンリング４は、ピストンリング基材４１上に、下地層４２を備えることでＤＬＣ被膜４３とピストンリング基材４１との密着性を向上させることができるが、必ずしも必要ではない。下地層４２としては、Ｃｒめっき被膜、窒化クロム被膜、窒化チタン被膜などがあげられる。
ＤＬＣ被膜４３の厚みは特段限定されず、通常０．５μｍ以上であり、１μｍ以上であってよく、また通常１０μｍ以下であり、５μｍ以下であってよい。また、ＤＬＣ被膜の表面は、ラッピング仕上げなどを施すことで、粗さを小さくすることが好ましい。一例では、ＤＬＣ被膜の表面粗さＲｚが２．０μｍ以下であってよく、１．６μｍ以下であってよく、また０．０５μｍ以上であってよい。表面粗さＲａが０．２μｍ以下であってよく、０．１μｍ以下であってよく、０．０５μｍ以下であってよく、また、０．０１μｍ以上であってよい。表面粗さを小さくすることで、ガラスシリンダ２の内壁への傷を抑制できる。ＲｚはＪＩＳ Ｂ ０６０１で規定される最大高さであり、Ｒａは算術平均粗さであり、いずれも円周方向に計測された値である。
ガラスシリンダ２の内壁の粗さは、通常Ｒｚが２．０μｍを超え、２．５μｍ程度であり、また通常Ｒａが０．２μｍを超え、０．３μｍ程度であり、ピストンリング４のＤＬＣ被膜の表面粗さをこれより小さくすることにより、摺動時にピストンリング４がガラスシリンダ２の内壁を攻撃しないようにすることができる。
水素を含まないＤＬＣをピストンリング外周面に形成する方法は、既知の方法を用いることができ、イオンプレーティング法やスパッタリング法などがあげられる。
以下、本発明について、実施例により詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
＜比較例１＞
図１に概略を示す燃焼可視化エンジンを用い、ファイアリング可視化試験を行った。ピストンリングとしてはシリコンクロム鋼を基材として用い、フッ素系樹脂を外周面にコーティングすることで製造したピストンリングを用いた。
１時間の可視化試験で、フッ素系樹脂のピストンリングは摩耗し、シール機能が損なわれたため、試験継続のためには、ピストンリングの交換が必要であって。また、ガラス面にフッ素系樹脂の摩耗物が付着し、ガラスシリンダの視認性が悪化した。
＜比較例１＞
図１に概略を示す燃焼可視化エンジンを用い、ファイアリング可視化試験を行った。ピストンリングとしてはシリコンクロム鋼を基材として用い、フッ素系樹脂を外周面にコーティングすることで製造したピストンリングを用いた。
１時間の可視化試験で、フッ素系樹脂のピストンリングは摩耗し、シール機能が損なわれたため、試験継続のためには、ピストンリングの交換が必要であって。また、ガラス面にフッ素系樹脂の摩耗物が付着し、ガラスシリンダの視認性が悪化した。
＜実施例１＞
ピストンリングとして、フッ素系樹脂に代えて水素を含まないＤＬＣ被膜（Ｈ０．５ａｔ％以下、厚み４μｍ、表面粗さＲｚ１．０μｍ、Ｒａ０．０５μｍ）を用い、ファイアリング可視化試験を行った。
ピストンリングとして、フッ素系樹脂に代えて水素を含まないＤＬＣ被膜（Ｈ０．５ａｔ％以下、厚み４μｍ、表面粗さＲｚ１．０μｍ、Ｒａ０．０５μｍ）を用い、ファイアリング可視化試験を行った。
（結果）
１時間可視化試験を継続しても、ピストンリングのシール機能は維持され、ピストンリングの交換は必要なかった。また、ガラス面への摩耗物の付着がなく、ガラスシリンダの視認性は良好であった。
１時間可視化試験を継続しても、ピストンリングのシール機能は維持され、ピストンリングの交換は必要なかった。また、ガラス面への摩耗物の付着がなく、ガラスシリンダの視認性は良好であった。
＜参考例＞
シリコンクロム鋼を基材として、外周面にコーティングをしていないピストンリングを用いた。結果、ピストンリングがすぐに摩耗し、使用不可能であった。実施例、比較例、参考例での運転可能時間をまとめたグラフを図３に示す。
シリコンクロム鋼を基材として、外周面にコーティングをしていないピストンリングを用いた。結果、ピストンリングがすぐに摩耗し、使用不可能であった。実施例、比較例、参考例での運転可能時間をまとめたグラフを図３に示す。
１０ 燃焼可視化エンジン
１ シリンダヘッド
２ ガラスシリンダ
３ ピストン
４ ピストンリング
４１ ピストンリング基材
４２ 下地層
４３ ＤＬＣ被膜
１ シリンダヘッド
２ ガラスシリンダ
３ ピストン
４ ピストンリング
４１ ピストンリング基材
４２ 下地層
４３ ＤＬＣ被膜
以下、本発明について、実施例により詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
＜比較例１＞
図１に概略を示す燃焼可視化エンジンを用い、ファイアリング可視化試験を行った。ピストンリングとしてはシリコンクロム鋼を基材として用い、フッ素系樹脂を外周面にコーティングすることで製造したピストンリングを用いた。
１時間の可視化試験で、フッ素系樹脂のピストンリングは摩耗し、シール機能が損なわれたため、試験継続のためには、ピストンリングの交換が必要であった。また、ガラス面にフッ素系樹脂の摩耗物が付着し、ガラスシリンダの視認性が悪化した。
＜比較例１＞
図１に概略を示す燃焼可視化エンジンを用い、ファイアリング可視化試験を行った。ピストンリングとしてはシリコンクロム鋼を基材として用い、フッ素系樹脂を外周面にコーティングすることで製造したピストンリングを用いた。
１時間の可視化試験で、フッ素系樹脂のピストンリングは摩耗し、シール機能が損なわれたため、試験継続のためには、ピストンリングの交換が必要であった。また、ガラス面にフッ素系樹脂の摩耗物が付着し、ガラスシリンダの視認性が悪化した。
Claims (4)
- 内部が観察可能に可視化された透過性部材からなるシリンダ、及び前記シリンダ内を摺動するピストン、を含む無潤滑環境下で使用される燃焼可視化エンジンであって、
前記ピストンはシリンダ内壁を圧接するピストンリングを備え、
該ピストンリングはピストンリング基材の少なくとも外周面にＤＬＣ被膜を有する、燃焼可視化エンジン。 - 前記ＤＬＣ被膜は水素を含まないＤＬＣ被膜である、請求項１に記載の燃焼可視化エンジン。
- 前記ＤＬＣ被膜表面は、円周方向計測において、表面粗さＲａが０．２μｍ以下である、請求項１または２に記載の燃焼可視化エンジン。
- 前記ＤＬＣ被膜表面は、円周方向計測において、表面粗さＲｚが２．０μｍ以下である、請求項１または２に記載の燃焼可視化エンジン。
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