JP2021143597A - 燃焼可視化エンジン - Google Patents

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【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。
特開2006−233789号公報 特開2011−112034号公報
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。
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。
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。
燃焼可視化エンジンの一部を拡大して示す、断面模式図である。 ピストンリングの断面模式図である。 実施例、比較例、参考例の運転可能時間を示すグラフである。
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。
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。
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。
<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。
(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。
<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。
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
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。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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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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