JP2022155552A - Slide structure for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリンダとピストンを有する内燃機関の摺動構造等に関する。 The present invention relates to a sliding structure and the like for an internal combustion engine having a cylinder and a piston.
従来、シリンダとピストンを有する内燃機関では、燃費向上やオイル消費量削減の為、シリンダとピストンの摺動抵抗(摩擦力)を小さくする努力がなされている。本出願人は、ピストンリングとシリンダの摩擦力を低減する手法として、いわゆるディンプルライナを開発しており(例えば、特許文献1参照)、シリンダの内壁面の行程中央部領域に複数の凹部を形成すること等によって、運転時の摺動抵抗を小さくしている。 BACKGROUND ART Conventionally, in an internal combustion engine having a cylinder and a piston, efforts have been made to reduce the sliding resistance (frictional force) between the cylinder and the piston in order to improve fuel efficiency and reduce oil consumption. The applicant has developed a so-called dimple liner as a technique for reducing the frictional force between the piston ring and the cylinder (see, for example, Patent Document 1), in which a plurality of recesses are formed in the stroke central region of the inner wall surface of the cylinder. By doing so, the sliding resistance during operation is reduced.
本出願時点で未公知ではあるが、本発明者らの更なる研究により、このディンプルライナ技術について、更に摩擦抵抗を低減することで、燃費向上等を実現できる余地が残っていることが明らかとなった。 Although it was unknown at the time of the filing of the present application, further research by the present inventors revealed that there is still room for improving fuel efficiency, etc., by further reducing frictional resistance with this dimple liner technology. became.
本発明は、斯かる実情に鑑み、ディンプルライナに関して更なる燃費向上やオイル消費量削減を実現しようとするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of such circumstances, the present invention seeks to further improve fuel efficiency and reduce oil consumption with respect to dimpled liners.
上記目的を達成する本発明は、ピストンリングを備えるピストンが内壁面を摺動するシリンダであって、前記内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の全部又は一部となる行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、前記凹部の側面には、以下の領域条件によって定義されるダレ領域が形成され、(領域条件)シリンダ軸方向に並ぶ少なくとも2つの前記凹部の形状を、隣接する複数の前記内壁面を含む状態で触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって、測定針先端半径2μm、断面曲線用のカットオフ値(波長)λsを2.5μmに設定して測定することで得られる断面曲線を基準とする:複数の前記内壁面を抽出して最小二乗法を用いて単一直線に変換した線を内壁面基準高さ線と定義する:前記内壁面基準高さ線から前記凹部の底側に0.15μmオフセットさせた線を、前記ダレ領域の上縁を意味する上部基準高さ線と定義する:前記上部基準高さ線から前記凹部の底側に0.50μmオフセットさせた線を、前記ダレ領域の下縁を意味する下部基準高さ線と定義する:前記内壁面から前記凹部の底面に向かう前記断面曲線が、該内壁面との境界近傍において、前記上部基準高さ線と最初に交差する上点と、前記下部基準高さ線と最初に交差する下点を結ぶ線分を、前記ダレ領域の仮想ダレ断面と定義する:前記ダレ領域における前記仮想ダレ断面の前記内壁面を基準とした勾配の絶対値が、0.00625~0.0167の範囲内に設定されることを特徴とするシリンダである。 The present invention for achieving the above object is a cylinder in which a piston having a piston ring slides on an inner wall surface, wherein the position of the lower surface of the ring groove of the lowest piston ring in the inner wall surface at the top dead center of the piston. to the upper surface position of the ring groove of the uppermost piston ring at the bottom dead center of the piston. , a sagging region defined by the following region conditions is formed, and (region condition) the shape of at least two of the recesses aligned in the cylinder axial direction is measured with a stylus surface roughness in a state including a plurality of adjacent inner wall surfaces. Using a measuring machine (JIS B 0651: 2001), the cross-sectional curve obtained by setting the measuring needle tip radius to 2 μm and the cutoff value (wavelength) λs for the cross-sectional curve to 2.5 μm is used as the reference: multiple The inner wall surface is extracted and converted to a single straight line using the least squares method. The line is defined as an upper reference height line that means the upper edge of the sagging region: a line offset by 0.50 μm from the upper reference height line to the bottom side of the recess is the lower edge of the sagging region defined as the lower reference height line: the upper point where the cross-sectional curve from the inner wall surface to the bottom surface of the recess first intersects the upper reference height line near the boundary with the inner wall surface , the line segment connecting the lower point that first intersects the lower reference height line is defined as the virtual sagging cross section of the sagging region: the absolute gradient of the virtual sagging cross section in the sagging region with respect to the inner wall surface A cylinder characterized by a value set within the range of 0.00625 to 0.0167.
上記シリンダに関連して、前記行程中央部領域における前記ピストンリングと接触する面の少なくとも一部には、触針式表面粗さ測定機によって測定される輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.140μm以下となる中央低粗さ領域が形成されることを特徴とする。 In relation to the cylinder, at least a portion of the surface in contact with the piston ring in the stroke center region has an arithmetic average roughness Ra of the contour curve measured by a stylus type surface roughness measuring instrument of 0.5. A central low-roughness region of 140 μm or less is formed.
上記シリンダに関連して、前記中央底粗さ領域の範囲内に、前記ダレ領域を有する前記凹部が形成されることを特徴とする。 In relation to the cylinder, the concave portion having the sagging region is formed within the range of the central bottom roughness region.
上記シリンダに関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の輪郭曲面の算術平均高さSaが0.20μm以下となることを特徴とする。 In relation to the above cylinder, the arithmetic mean height Sa of the profile curved surface of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring machine is 0.20 μm or less.
上記シリンダに関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の突出谷部深さSvkが0.41μm以下となることを特徴とする。 In relation to the above cylinder, the protruding valley depth Svk of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring machine is 0.41 μm or less.
上記シリンダに関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の突出山部高さSpkが0.16μm以下となることを特徴とする。 In relation to the cylinder, the height Spk of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.16 μm or less.
上記シリンダに関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域のコア部のレベル差Skが0.53μm以下となることを特徴とする。 In relation to the cylinder, the level difference Sk of the core portion of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring machine is 0.53 μm or less.
上記シリンダに関連して、前記中央低粗さ領域における前記非接触式表面粗さ測定機によって測定される突出山部高さをE(Spk)、突出谷部深さをI(Svk)とした場合に、I/Eが2.6以下となることを特徴とする。 In relation to the cylinder, E (Spk) is the protruding peak height and I (Svk) is the protruding valley depth measured by the non-contact surface roughness measuring device in the central low-roughness region. In this case, I/E is 2.6 or less.
上記シリンダに関連して、触針式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.120μm以下となることを特徴とする。 In relation to the above cylinder, the arithmetic mean roughness Ra of the contour curve of the central low roughness region measured by a stylus type surface roughness tester is 0.120 μm or less.
上記目的を達成する本発明は、シリンダとピストンを有する内燃機関の摺動構造であって、前記シリンダは、前記内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の全部又は一部となる行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、前記凹部の側面には、以下の領域条件によって定義されるダレ領域が形成され、(領域条件)シリンダ軸方向に並ぶ少なくとも2つの前記凹部の形状を、隣接する複数の前記内壁面を含む状態で触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって、測定針先端半径2μm、断面曲線用のカットオフ値(波長)λsを2.5μmに設定して測定することで得られる断面曲線を基準とする:複数の前記内壁面を抽出して最小二乗法を用いて単一直線に変換した線を内壁面基準高さ線と定義する:前記内壁面基準高さ線から前記凹部の底側に0.15μmオフセットさせた線を、前記ダレ領域の上縁を意味する上部基準高さ線と定義する:前記上部基準高さ線から前記凹部の底側に0.50μmオフセットさせた線を、前記ダレ領域の下縁を意味する下部基準高さ線と定義する:前記内壁面から前記凹部の底面に向かう前記断面曲線が、該内壁面との境界近傍において、前記上部基準高さ線と最初に交差する上点と、前記下部基準高さ線と最初に交差する下点を結ぶ線分を、前記ダレ領域の仮想ダレ断面と定義する:前記ダレ領域における前記仮想ダレ断面の前記内壁面を基準とした勾配の絶対値が、0.00625~0.0167の範囲内に設定されることを特徴とする、内燃機関の摺動構造である。 The present invention for achieving the above object is a sliding structure for an internal combustion engine having a cylinder and a piston, wherein the cylinder is located in the inner wall surface of the ring groove of the lowest piston ring at the top dead center of the piston. A plurality of recesses are formed in a stroke center region that is all or part of the area from the lower surface position to the upper surface position of the ring groove of the uppermost piston ring at the bottom dead center of the piston, and the side surfaces of the recess. , a sagging region defined by the following region conditions is formed, and (region conditions) the shape of at least two of the recesses lined up in the cylinder axial direction, including a plurality of adjacent inner wall surfaces, is a stylus type surface Based on the cross-sectional curve obtained by measuring with a roughness measuring machine (JIS B 0651: 2001) with a measuring needle tip radius of 2 μm and a cutoff value (wavelength) λs for the cross-sectional curve of 2.5 μm. : A line obtained by extracting a plurality of the inner wall surfaces and converting them into a single straight line using the method of least squares is defined as the inner wall surface reference height line: 0.15 μm from the inner wall surface reference height line to the bottom side of the recess. The offset line is defined as an upper reference height line that means the upper edge of the sagging region: a line offset by 0.50 μm from the upper reference height line to the bottom side of the recess is the sagging region Defined as a lower reference height line that means a lower edge: the cross-sectional curve from the inner wall surface to the bottom surface of the recess first intersects the upper reference height line near the boundary with the inner wall surface A line segment connecting a point and a lower point that first intersects the lower reference height line is defined as a virtual sagging cross section of the sagging region: a gradient of the virtual sagging cross section in the sagging region with respect to the inner wall surface is set within a range of 0.00625 to 0.0167.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記シリンダの前記行程中央部領域における前記ピストンリングと接触する面の少なくとも一部には、触針式表面粗さ測定機によって測定される輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.140μm以下となる中央低粗さ領域が形成されることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, at least part of the surface in contact with the piston ring in the stroke center region of the cylinder has a contour curve measured by a stylus surface roughness measuring machine. A central low-roughness region having an arithmetic mean roughness Ra of 0.140 μm or less is formed.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央底粗さ領域の範囲内に、前記ダレ領域を有する前記凹部が形成されることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the concave portion having the sagging region is formed within the range of the central bottom roughness region.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の輪郭曲面の算術平均高さSaが0.20μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the arithmetic mean height Sa of the contour curved surface of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.20 μm or less. do.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の突出谷部深さSvkが0.41μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the protruding trough depth Svk of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.41 μm or less.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の突出山部高さSpkが0.16μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the protruding peak height Spk of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.16 μm or less.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域のコア部のレベル差Skが0.53μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the level difference Sk of the core portion of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.53 μm or less.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域における前記非接触式表面粗さ測定機によって測定される突出山部高さをE(Spk)、突出谷部深さをI(Svk)とした場合に、I/Eが2.6以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, E (Spk) is the protruding peak height measured by the non-contact surface roughness measuring device in the central low roughness region, and I is the protruding valley depth. (Svk), the I/E is 2.6 or less.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、触針式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.120μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the arithmetic mean roughness Ra of the profile curve of the central low roughness region measured by a stylus type surface roughness tester is 0.120 μm or less. do.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域は、前記行程中央部領域における上端縁近傍及び下端縁近傍を含むことを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the central low-roughness region includes the vicinity of the upper edge and the vicinity of the lower edge in the stroke central region.
上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記行程中央部領域の全体が、前記中央低粗さ領域となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the entire stroke central region is the central low-roughness region.
なお、上記内燃機関の摺動構造では、以下の構成を採用してもよい。 The sliding structure for the internal combustion engine may employ the following configuration.
例えば、前記中央低粗さ領域における動粘度(動粘性率)をμ、前記ピストンとの相対速度をQ、前記ピストンに対する接触荷重をW、前記ピストンとの間の摩擦係数をfとし、ストライベック線図の評価パラメータをA=μ×Q/Wと定義する際に、前記中央低粗さ領域における前記摩擦係数fの極小値fminは、前記評価パラメータAが0.0003以下の範囲内で達成されることを特徴とできる。 For example, μ is the kinematic viscosity (coefficient of kinematic viscosity) in the central low-roughness region, Q is the relative speed with the piston, W is the contact load on the piston, and f is the coefficient of friction with the piston, Stribeck When defining the evaluation parameter of the diagram as A = μ × Q / W, the minimum value fmin of the friction coefficient f in the central low roughness region is achieved when the evaluation parameter A is 0.0003 or less It can be characterized as being
例えば、前記極小値fminは、前記評価パラメータAが0.0001以上の範囲内で達成されることを特徴とできる。 For example, the minimum value fmin can be characterized by being achieved within a range of the evaluation parameter A of 0.0001 or more.
例えば、前記中央低粗さ領域における動粘度(動粘性率)をμ、前記ピストンとの相対速度をQ、前記ピストンに対する接触荷重をW、前記ピストンとの間の摩擦係数をfとし、ストライベック線図の評価パラメータをA=μ×Q/Wと定義する際に、前記評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記摩擦係数fが0.07以下となることを特徴とできる。 For example, μ is the kinematic viscosity (coefficient of kinematic viscosity) in the central low-roughness region, Q is the relative speed with the piston, W is the contact load on the piston, and f is the coefficient of friction with the piston, Stribeck When defining the evaluation parameter of the diagram as A = μ × Q / W, the friction coefficient f in the central low roughness region is 0 in any of the ranges where the evaluation parameter A is 0.0003 or less .07 or less.
例えば、前記中央低粗さ領域における動粘度(動粘性率)をμ、前記ピストンとの相対速度をQ、前記ピストンに対する接触荷重をW、前記ピストンとの間の摩擦係数をfとし、ストライベック線図の評価パラメータをA=μ×Q/Wと定義する際に、前記評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記ピストンと前記シリンダが流体潤滑状態となることを特徴とできる。 For example, μ is the kinematic viscosity (coefficient of kinematic viscosity) in the central low-roughness region, Q is the relative speed with the piston, W is the contact load on the piston, and f is the coefficient of friction with the piston, Stribeck When defining the evaluation parameter of the diagram as A = μ × Q / W, the piston and the cylinder in the central low roughness region are in any range where the evaluation parameter A is 0.0003 or less It can be characterized by being in a fluid lubrication state.
例えば、前記ピストンリングに相当するトップリング、セカンドリングおよびオイルリングを用いた非燃焼状態の摩擦試験において、前記内燃機関の回転数をN(r/min)とし、前記中央低粗さ領域における前記ピストンリングとの間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)とする際に、前記中央低粗さ領域における前記摩擦損失平均有効圧Tの極小値Tminは、前記回転数Nが700以下の範囲内で達成されることを特徴とできる。 For example, in a friction test in a non-combustion state using a top ring, a second ring and an oil ring corresponding to the piston ring, the rotation speed of the internal combustion engine is N (r / min), and the central low roughness region When the friction loss mean effective pressure (FMEP) between the piston rings is T (kPa), the minimum value Tmin of the friction loss mean effective pressure T in the central low roughness region is obtained when the rotational speed N is 700 It can be characterized as being achieved within the following range.
例えば、前記ピストンリングに相当するトップリング、セカンドリングおよびオイルリングを用いた非燃焼状態の摩擦試験において、前記内燃機関の回転数をN(r/min)とし、前記中央低粗さ領域における前記ピストンリングとの間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)とする際に、前記回転数Nが700以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下となることを特徴とできる。 For example, in a friction test in a non-combustion state using a top ring, a second ring and an oil ring corresponding to the piston ring, the rotation speed of the internal combustion engine is N (r / min), and the central low roughness region When the friction loss average effective pressure (FMEP) between the piston ring and the piston ring is T (kPa), the friction loss in the central low roughness region in any range where the rotation speed N is 700 or less It can be characterized in that the average effective pressure T is 14 kPa or less.
例えば、前記ピストンリングに相当するトップリング、セカンドリングおよびオイルリングを用いた非燃焼状態の摩擦試験において、前記内燃機関の回転数をN(r/min)とし、前記中央低粗さ領域における前記ピストンリングとの間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)とする際に、前記回転数Nが700以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記ピストンと前記シリンダが流体潤滑状態となることを特徴とできる。 For example, in a friction test in a non-combustion state using a top ring, a second ring and an oil ring corresponding to the piston ring, the rotation speed of the internal combustion engine is N (r / min), and the central low roughness region When the friction loss average effective pressure (FMEP) between the piston ring is T (kPa), the piston in the central low roughness region and the It can be characterized in that the cylinder is in a fluid lubrication state.
本発明によれば、摩擦抵抗を低減し、燃費を向上させ、または、オイル消費量を削減させるという優れた効果を奏し得る。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can show the outstanding effect of reducing frictional resistance, improving fuel consumption, or reducing oil consumption.
以下、本発明の実施の形態に関して添付図面を参照して説明する。まず、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の摺動構造について詳細に説明する。なお、本第一実施形態では、内燃機関がディーゼルエンジンとなる場合を例示するが、本発明はこれに限定されず、ガソリンエンジン等の他の種類の内燃機関に適用可能である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, the sliding structure of the internal combustion engine according to the first embodiment of the invention will be described in detail. In the first embodiment, the internal combustion engine is a diesel engine, but the present invention is not limited to this, and can be applied to other types of internal combustion engines such as gasoline engines.
<シリンダライナ> <Cylinder liner>
図1に示すように、第一実施形態の内燃機関に係るシリンダライナ10の内壁面12には、複数の凹部14が形成される。凹部14は、内壁面12における行程中央部領域20に形成される。この行程中央部領域20とは、ピストン30の上死点Tにおける最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、ピストン30の下死点Uおける最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの範囲を最大とし、その内の全部または一部領域となる(ここでは全部の範囲が行程中央部領域20となり、その全体に凹部14が形成される場合を例示する)。行程中央部領域20の外側の領域を外部領域25と定義すると、この外部領域25は、行程中央部領域20の上死点側に隣接する上側外部領域25Aと、行程中央部領域20の下死点側に隣接する下側外部領域25Bから構成される。ピストン30がシリンダライナ10内を往復運動する際、上側外部領域25A、行程中央部領域20、下側外部領域25B、行程中央部領域20、上側外部領域25Aをこの順に繰り返し通過する。なお、上側外部領域25Aと行程中央部領域20の境界を上側境界27A、下側外部領域25Bと行程中央部領域20の境界を下側境界27Bと定義する。
As shown in FIG. 1, a plurality of
勿論、行程中央部領域20を超えて、複数の凹部14を形成することも可能であるが、オイル消費量(LOC)の観点では、行程中央部領域20の内部に限定的に凹部14を形成することが好ましい。
Of course, it is possible to form a plurality of
<シリンダライナに形成されるディンプル> <Dimples Formed on Cylinder Liner>
凹部14は、行程中央部領域20の内壁面12において、どの場所の軸直角方向の断面をとっても、少なくとも一つの凹部14がその断面に存在するように配置される。即ち、凹部14は、軸方向に重なり合うように配置される。この結果、行程中央部領域20を通過するピストンリングの外周面は、常に、少なくとも1つの凹部14と対向している。一方、上側外部領域25Aと下側外部領域25Bには凹部14が形成されない。
The
凹部14の形状は、軸方向に対して斜めに配置される方形(正方形又は長方形)となっており、結果として、複数の凹部14全体が斜め格子状に配置される。このようにすると、図2(A)の展開図に示すように、ある特定の凹部14に着目する場合、その凹部14の軸方向の最下点14bが、他の凹部14の軸方向の最上点14aよりも軸方向下側に位置する。このように、複数の凹部14が軸方向に重なり合うので、行程中央部領域20におけるあらゆる場所(例えば、矢視A、矢視B、矢視C)の軸直角方向断面において、凹部14が常に存在できる。ここでは、行程中央部領域20において、同じ面積となる複数の凹部14が、面方向(軸方向及び周方向)に均一に配置されている。
The shape of the
なお、図2(B)の展開図に示すように、同一面積となる複数の凹部14が、面方向に不均一に配置されていても良い。ここでは行程中央部領域20の軸方向端部における周方向の帯状領域20Pは、複数の凹部14が占める面積が小さくなっており、行程中央部領域20の軸方向中央部における周方向の帯状領域20Qは、複数の凹部14が占める面積が大きくなっている。
In addition, as shown in the developed view of FIG. 2B, a plurality of
凹部14の寸法や形状は特に限定されないが、シリンダやピストンリングの寸法や目的に応じて適宜選択される。例えば、凹部14は、行程中央部領域20のシリンダ軸方向に貫く(又は延びる)ようにスリット状又は帯状に形成されることができる。一方、シリンダの気密性の観点に鑑みると、凹部14のシリンダ軸方向の最大平均長さJ(図2(A)参照)を、ピストンの最も上位に位置するピストンリング(トップリング)のシリンダ軸方向長さ(幅)以下、具体的にはその5~100%程度とすることが好ましい。凹部14の平均長さJとは、複数の凹部14の軸方向の最大寸法にバラつきがある場合はその平均値を意味する。
The size and shape of the
凹部14のシリンダ周方向の最大平均長さSは、0.1mm~15mmの範囲内が好ましく、0.3mm~5mmの範囲内が望ましい。これらの範囲より小さくなると、凹部14自体による摺動面積低減効果が十分に得られない場合がある。一方、これらの範囲より大きくなると、ピストンリングの一部が凹部内に入り込みやすくなり、ピストンリングが変形する等の不具合が発生する場合がある。
The maximum average length S of the
図3(A)に示すように、凹部14のシリンダ径方向の最大平均長さR(最大平均深さR)は、0.1μm~1000μmの範囲内が好ましく、0.1μm~500μmの範囲内が望ましい。より望ましくは0.1μm~50μmに設定する。凹部14のシリンダ径方向の最大平均長さRが、これらの範囲より小さくなると、凹部14自体の摺動面積低減効果が十分に得られない場合がある。一方、これらの範囲より大きくしようとすると、加工が困難となり、また、シリンダの肉厚を厚くする必要がある等の不具合が生じ得る。なお、図3の凹部14は、説明の便宜上、最大平均長さJ方向に対して、最大平均長さR方向を大幅に誇張して描いている。
As shown in FIG. 3A, the maximum average length R (maximum average depth R) of the
図2に戻って、軸方向に同位置で周方向に隣り合う凹部14間のシリンダ周方向の最小の間隔Hcの平均値は、0.05mm~15mmの範囲内が好ましく、0.1mm~5.0mmの範囲内が特に好ましい。これらの範囲より小さくなると、ピストンリングとシリンダライナの接触面積(摺動面積)が小さすぎて、安定して摺動できない可能性が有る。一方、これらの範囲より大きいと、凹部14自体の摺動面積低減効果が十分に得られない場合がある。
Returning to FIG. 2, the average value of the minimum distance Hc in the cylinder circumferential direction between the
周方向に同位置で軸方向に隣り合う凹部14間のシリンダ軸方向の最小の間隔Haの平均値は、0.05mm~15mmの範囲内が好ましく、0.1mm~5.0mmの範囲内が特に好ましい。これらの範囲より小さくなると、ピストンリングとシリンダライナの接触面積(摺動面積)が小さすぎて、安定して摺動できない可能性が有る。一方、これらの範囲より大きいと、凹部14自体の摺動面積低減効果が十分に得られない場合がある。
The average value of the minimum distance Ha in the cylinder axial direction between the axially
更に、方向を問わずに、隣接する凹部14間の最小の間隔Hmの平均値は、0.001mm~15mmの範囲内が好ましく、0.001mm~5.0mmの範囲内が特に好ましい。これらの範囲より大きいと、凹部14自体の摺動面積低減効果が十分に得られない場合がある。
Furthermore, regardless of the direction, the average minimum distance Hm between
これらの間隔Hc、Ha、Hmは、換言すると、隣接する凹部14の間に残存する内壁面12の各方向の最小幅と同義となる。従って、詳細は図4(B)で後述するが、これらの間隔Hc、Ha、Hmは、一方の凹部14の上部基準高さ線G1と最初に交差する上点GSと、これに隣接する他方の凹部14の上部基準高さ線G1と最初に交差する上点GSとの距離を意味する。
In other words, these intervals Hc, Ha, and Hm are synonymous with the minimum width in each direction of the
なお、本実施形態では、とりわけ、シリンダ軸方向の間隔Haの平均値を0.05mm~15mmの範囲内にすることが好ましく、0.1mm~5.0mmの範囲内にすることが一層に好ましい。後述するダレ領域200が形成される凹部14及びその周囲の内壁面12に対して、図7(A)に示すシリンダ軸方向に摺動するピストンリング40の流体潤滑領域114の範囲を広げる際に、このシリンダ軸方向の内壁面12の間隔Haを確保することによって、ピストンリング40に作用する局所的な面圧変動を抑制することが可能となる。
In this embodiment, it is particularly preferable that the average value of the distance Ha in the axial direction of the cylinder is within the range of 0.05 mm to 15 mm, and more preferably within the range of 0.1 mm to 5.0 mm. . When expanding the range of the
<ディンプル内のダレ領域> <Sagging area in dimple>
図3(B)に拡大して示すように、凹部14の側面300において内壁面12と接近する縁(エッジ)近傍には、いわゆるダレ領域200が形成される。このダレ領域200は、内壁面12を基準面として、凹部14内に落ち込み始める小勾配の傾斜面となる。ダレ領域200は、凹部14の側面300の一部領域ととらえることができ、特に、内壁面12に近い領域となる。なお、このダレ領域200を、内壁面12の端部に形成される一部領域ととらえることもできる。いずれにしろ、ダレ領域200は、内壁面12と凹部14の境界近傍に局所的に形成される。
As shown enlarged in FIG. 3B, a so-called
ダレ領域200は、凹部14が形成されたシリンダライナ10の内壁面12に対して、ホーニング盤を用いたホーニング加工と、ホーニング加工後に行うポリシング加工によって形成される。特にポリシング加工を入念に行うことで、滑らかなダレ領域200を形成することが好ましい。
The sagging
本実施形態では、ダレ領域200の形状を客観的に評価するために、ダレ領域200を以下の通り定義する。
In this embodiment, in order to objectively evaluate the shape of the sagging
図4(A)に示すように、シリンダ周方向に同位置に存在してシリンダ軸方向に並ぶ少なくとも2つの凹部14の形状を、その最小間隔Haとなる場所を通過し、かつ、隣接する内壁面12を含む状態で、触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定する。なお、測定針の先端半径は標準的な2μmを採用し、断面曲線用のカットオフ値(波長)λsを2.5μmに選択して測定する。測定される断面曲線DKには、隣接する2つの凹部14と、2つの凹部14のシリンダ軸方向の両外側に広がる一対の内壁面12A,12Cと、2つの凹部14の間に存在する内壁面12Bが少なくとも含まれるようにする。
As shown in FIG. 4A, the shape of at least two
この断面曲線DKにおいて、3つの内壁面12A~12Cの範囲のみを抽出し、これらの壁面群12A~12Cを、最小二乗法を用いて単一直線250に変換する。この直線250は、内壁面12を平滑化した位置に相当しており、内壁面基準高さ線GKと定義される。
In this cross-sectional curve DK, only the range of three inner wall surfaces 12A-12C is extracted, and these
次いで、図4(B)に示すように、2つの凹部14に含まれる合計4つのダレ領域200の中から、特定したいダレ領域200を拡大抽出する。実際の壁面12A~12Cには、表面粗さに相当する微細な凹凸が含まれる。この凹凸の振幅はおおよそ0.3μmであることから、ダレ領域200を画定する際に、この表面粗さの影響を除外するため、内壁面基準高さ線GKから凹部14の基底側に0.15μmオフセットさせた線を、上部基準高さ線G1と定義する。この上部基準高さ線G1は、深さ方向におけるダレ領域200の仮想的な開始位置(開始高さ)を意味する。更に上部基準高さ線G1から、凹部14の基底側に0.50μmオフセットさせた線を下部基準高さ線G2と定義する。この下部基準高さ線G2は、ダレ領域200の仮想的な終了位置(終了高さ)を意味する。これによりダレ領域200のシリンダ径方向の長さ(ダレ高さ)DHは0.50μmと定義される。
Next, as shown in FIG. 4B, the sagging
内壁面12A~12Cから凹部14の底面方向(深さ方向)に向かう断面曲線DKが、内壁面12A~12Cの境界近傍において、上部基準高さ線G1と最初に交差する上点GSと、下部基準高さ線G2と最初に交差する下点GEを選択する。この上点GSと下点GEを直線で結んだ線分GGを、ダレ領域200の仮想ダレ断面GGと定義する。仮想ダレ断面GGにおける直線250と平行方向(ここではシリンダ軸方向)の長さが、ダレ領域200のダレ幅DWと定義される。直線250を基準とし、この仮想ダレ断面GGの勾配DH/DWの絶対値(以下、これをダレ勾配DAと定義する)を算出する。ダレ勾配DAが小さい場合、なだらかなダレ領域200が正しく形成されていることを意味し、ダレ勾配DAが大きい場合、ダレ領域200が未完成となることを意味する。
A cross-sectional curve DK extending from the inner wall surfaces 12A to 12C in the bottom direction (depth direction) of the
なお、断面曲線DKには、微細な凹凸等が含まれるため、測定ごとにばらつきが生じる。そこで、各ダレ領域200をターゲットとして、触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)による測定を60回実施し、算出される60個のダレ勾配DAの最大側から15個、最小側から15をカットして、中間の30個のデータから平均値を算出する。この平均値を、ダレ領域200の評価用ダレ勾配DAとする。なお、ここではダレ領域200の形成状況を評価する際に、ダレ勾配DAを利用する場合を例示するが、ダレ幅DWをそのまま用いて評価しても同義となる。
Note that the cross-sectional curve DK includes minute irregularities and the like, and therefore varies from measurement to measurement. Therefore, with each sagging
本実施形態では、ダレ領域200の評価用ダレ勾配DAが0.00625~0.0167(評価用ダレ幅DWが0.030~0.080)の範囲に設定される。
In this embodiment, the evaluation sag gradient DA of the
ちなみに、複数の凹部が軸方向に重なるように配置するディンプルライナと異なるが、同種の凹部を形成するものとしてマイクロテクスチャ技術が存在するので、これについて簡単に説明する。マイクロテクスチャとは、図15に示すように、シリンダライナの内壁面のシリンダ軸方向に沿って、凹部が形成される領域Vと、凹部が全く存在しない領域Zとが、軸方向に重ならない状態で交互に繰り返されるようにし、ピストンリングがこの内壁面を移動する度に、凹部に対してエンジンオイルの流入・流出を生じさせ、その動圧によって油膜を厚くして摩擦力を下げる理論である。本発明は、このようなマイクロテクスチャ技術にも適用可能である。即ち、本発明は、行程中央部領域に複数の凹部が形成されることで、ピストンリングとの接触面積を小さくする構造であれば、有効に適用可能である。 By the way, although different from the dimpled liner in which a plurality of recesses are arranged so as to overlap in the axial direction, there is a micro-texture technology for forming the same kind of recesses, so this will be briefly described. As shown in FIG. 15, the microtexture is a state in which a region V in which recesses are formed and a region Z in which no recesses are present do not overlap in the axial direction along the cylinder axial direction of the inner wall surface of the cylinder liner. The theory is that each time the piston ring moves on this inner wall surface, the engine oil flows in and out of the recess, and the dynamic pressure thickens the oil film and reduces the frictional force. . The present invention is also applicable to such micro-texture technology. That is, the present invention can be effectively applied to any structure that reduces the contact area with the piston ring by forming a plurality of recesses in the stroke central region.
<シリンダライナに形成される中央低粗さ領域> <Central low-roughness region formed in cylinder liner>
シリンダライナ10の内壁面12には、行程中央部領域20の少なくとも一部において、触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さRa(JIS B 0601:2013))が0.140(μm)以下となり、好ましくは、表面粗さRaが0.120(μm)以下となる中央低粗さ領域22が形成される。具体的には、内周面12におけるピストンリング40と接触し得る面、即ち、内周面12における凹部14を除いた面の少なくとも一部の範囲の表面粗さRaを0.140(μm)以下に加工し、より好ましくは0.120(μm)以下に加工することで、中央低粗さ領域22を形成する。なお、本実施形態では、触針式表面粗さ測定機で測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さ)をRaと表示し、後述する非接触式表面粗さ測定機で測定される三次元表面粗さ(輪郭曲面の算術平均高さ(JIS B 0681-2:2018、ISO 25178-2:2012))をSaと表示する。
The
中央低粗さ領域22は、より望ましくは、表面粗さRaが0.090(μm)以下に設定され、具体的に0.083(μm)に設定される。 The central low-roughness region 22 preferably has a surface roughness Ra of 0.090 (μm) or less, specifically 0.083 (μm).
この中央低粗さ領域22について、JIS B 0681-6:2014(ISO 25178-6:2010)に準じたレーザー顕微鏡を利用した非接触式表面粗さ測定機(測定倍率1080倍、視野サイズ259.4μm×259.4μm、カットオフ無し、高さ方向(Z方向)測定ピッチ0.06μm)で測定した場合の三次元表面粗さ値(JIS B 0681-2:2018、ISO 25178-2:2012)を以下に示す。
算術平均高さSa(μm):0.192以下、好ましくは0.163以下、更に望ましくは0.120以下(具体的には0.110に設定される)。
突出山部高さSpk(μm):0.159以下、好ましくは0.144以下、更に望ましくは0.121以下(具体的には0.116に設定される)。
コア部レベル差Sk(μm):0.521以下、好ましくは0.449以下、更に望ましくは0.340以下(具体的には0.315に設定される)。
突出谷部深さSvk(μm):0.409以下、好ましくは0.342以下、更に望ましくは0.241以下(具体的には0.218に設定される)。
For this central low-roughness region 22, a non-contact surface roughness measuring machine (measurement magnification: 1080 times, visual field size: 259.5 mm) using a laser microscope according to JIS B 0681-6: 2014 (ISO 25178-6: 2010) was used. 4 μm × 259.4 μm, no cutoff, height direction (Z direction) measurement pitch 0.06 μm) three-dimensional surface roughness value (JIS B 0681-2: 2018, ISO 25178-2: 2012) are shown below.
Arithmetic mean height Sa (μm): 0.192 or less, preferably 0.163 or less, more preferably 0.120 or less (specifically set to 0.110).
Projection peak height Spk (μm): 0.159 or less, preferably 0.144 or less, more preferably 0.121 or less (specifically set to 0.116).
Core portion level difference Sk (μm): 0.521 or less, preferably 0.449 or less, more preferably 0.340 or less (specifically set to 0.315).
Projection valley depth Svk (μm): 0.409 or less, preferably 0.342 or less, more preferably 0.241 or less (specifically set to 0.218).
とりわけ、本実施形態では、突出山部高さを小さくするだけでなく、突出谷部深さも積極的に小さくすることで、摺動中の摩擦力の低減を実現する。ちなみに、従来のシリンダライナでは、潤滑油の保持力を確保するために、突出谷部深さをある程度大きくする必要があり、それ伴って、突出山部高さを小さくすることが難しく、摺動中の摩擦力の低減に限界がある。一方、本実施形態では、隣接する凹部14に潤滑油が十分に保持されることから、ピストンリング40との接触表面自体は、潤滑油の保持力が小さくても、十分に油膜を形成できる。この趣旨の下、上記突出山部高さをE、上記突出谷部深さをIとした場合に、本実施形態の中央低粗さ領域22では、I/Eの値を2.6以下に設定することが好ましく、より好ましくは、2.4以下、更に望ましくは2.0以下とする。
Above all, in the present embodiment, not only the height of the protruded peak is reduced, but also the depth of the protruded valley is actively reduced, thereby reducing the frictional force during sliding. Incidentally, in the conventional cylinder liner, it is necessary to increase the depth of the protruding troughs to some extent in order to secure the lubricating oil retention force. There is a limit to the reduction of frictional force inside. On the other hand, in the present embodiment, since the lubricating oil is sufficiently retained in the adjacent
また、本実施形態では、行程中央部領域20におけるピストンリング40と接触し得る面の全部の範囲を中央低粗さ領域22としている。結果として、中央低粗さ領域22は、凹部14が形成される行程中央部領域20の上端縁近傍及び下端縁近傍を含む。更に、行程中央部領域20の上死点側に隣接する上側外部領域25Aには、表面粗さRaが0.120(μm)以下となる上側低粗さ領域23Aが形成され、行程中央部領域20の下死点側に隣接する下側外部領域25Bについは、下側低粗さ領域23Bが形成される。上側低粗さ領域23Aと、中央低粗さ領域22と、下側低粗さ領域23Bは、均一な表面粗さ状態で完全に連なっており、全体として一体的な連続表面となっている。
In the present embodiment, the central low-roughness region 22 is the entire range of the surface of the stroke
行程中央部領域20の上端縁近傍及び下端縁近傍は、シリンダライナ10とピストン30の相対速度Qが低下することから、流体潤滑領域から境界潤滑領域に移行しやすい。しかし、この中央低粗さ領域22の存在によって、流体潤滑領域を優位に発現させることができる。いわゆるディンプルライナ技術は、流体潤滑領域でその効果を発揮し得ることから、行程中央部領域20の上端縁近傍及び下端縁近傍においても、ディンプルライナ技術の利点が得られる。なお、中央低粗さ領域22を、行程中央部領域20の上端縁近傍及び/又は下端縁近傍に限定して、形成することも可能であるが、本実施形態のように、行程中央部領域20の全体に中央低粗さ領域22を形成することが好ましい。シリンダライナ10とピストン30の相対速度Qがより低速度となった場合、行程中央部領域20の中央側にも境界潤滑領域が迫ってくることになるが、その場合であっても、流体潤滑領域の範囲を広げることが可能となる。
Since the relative velocity Q between the
シリンダライナ10の内壁面12の中央低粗さ領域22は、ホーニング盤を用いてホーニング加工を行うことで形成される。この際のホーニング砥石の粒度は、例えばF500又は#800よりも細かい砥粒(JIS R 6001-2:2017,ISO8486-2:2007)を使用することが好ましい。
The central low-roughness region 22 of the
更に、このホーニング加工によって中央低粗さ領域22を形成した後は、その表面に化成処理を行わないことが好ましい。例えば、シリンダライナ10の製造工程で一般的に用いられるリン酸塩皮膜等を行うと、中央低粗さ領域22の表面性状が、皮膜によって変動するからである。一方で、表面性状の変動が小さい皮膜であれば、中央低粗さ領域22に化成処理を付加することも望ましい。
Furthermore, after the central low-roughness region 22 is formed by this honing process, it is preferable not to perform a chemical conversion treatment on the surface. For example, if a phosphate coating or the like, which is commonly used in the manufacturing process of the
<ピストン及びピストンリング> <Piston and piston ring>
図5A)及び図5(B)にピストン30及びこのピストン30のリング溝に設置されるピストンリング40(トップリング50、セカンドリング60、オイルリング70)を示す。ピストンリング40は、シリンダライナ10の内壁面12に対して、外周面42が対向する状態でシリンダ軸方向に往復運動する。トップリング50は、ピストン30とシリンダライナ10との間のすき間を無くし、燃焼室からクランクケース側へと圧縮ガスが抜ける現象(ブローバイ)を防ぐ。セカンドリング60は、トップリング50と同様に、ピストン30とシリンダライナ10との間のすき間を無くす役割と、シリンダライナ10の内壁面12に付着する余分なエンジンオイルをかき落とす役割を兼ねる。オイルリング70は、シリンダライナ10の内壁面12についている余分なエンジンオイルをかき落として、適度な油膜を形成することで、ピストン30の焼き付きを防止する。
5A) and 5B show the
図5(C)に拡大して示すように、トップリング50は、単一の環状部材であり、外周面52を断面視すると、径方向外側に凸となるいわゆるバレル形状となっている。具体的には、外周面52のシリンダ軸方向両外側縁は、シリンダ軸方向の外側に向かって内壁面12から離れる方向に傾斜している。なお、外周面52におけるシリンダライナ10の内壁面12に対する当たり幅fは、例えば0.3mm以下に形成すると好適である。また、外周面52の触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さRa(JIS B 0601:2013))は、0.250(μm)以下が好ましい。
As shown enlarged in FIG. 5(C), the
図5(D)に拡大して示すように、セカンドリング60は、単一の環状部材であり、その外周近傍は、シリンダ軸方向上端からシリンダ軸方向下側に向かうにつれて拡径するテーパ形状となっている。このテーパ形状の最外端に位置してシリンダライナ10の内壁面12と接触する外周面62は、断面視で平面形状となっている。なお、外周面62におけるシリンダライナ10の内壁面12に対する当たり幅fは、例えば0.3mm以下に形成すると好適である。また、外周面62の触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さRa(JIS B 0601:2013))は、0.250(μm)以下が好ましい。
As shown enlarged in FIG. 5(D), the
なお、トップリング50やセカンドリング60の張力は、比較的低い値に設定されており、外周面52,62の当たり面に作用する面圧が、例えば0.5MPa以下となり、好ましくは0.3MPa以下となる。結果、トップリング50やセカンドリング60は、上死点近傍や下死点近傍を除けば、流体潤滑領域で摺動することが多い。
The tension of the
図6(A)に拡大して示すオイルリング70は、2ピースタイプであり、リング本体72と、コイルばね状のコイルエキスパンダ76を有する。リング本体72は、軸方向両端に配置される一対の環状のレール73,73と、この一対のレール73,73の間に配置されてこれらを連結する環状の柱部75を有する。一対のレール73,73及び柱部75を合わせた断面形状は略I形状又はH形状となっており、この形状を利用して、内周面側には、コイルエキスパンダ76を収容するための断面半円弧形状の内周溝79が形成される。また、一対のレール73,73には、それぞれ、柱部75を基準として径方向外側に突出する環状突起74,74が形成される。この環状突起74,74の突端に形成される外周面82,82が、シリンダライナ10の内壁面12と当接する。コイルエキスパンダ76は、内周溝79に収容されることで、リング本体72を径方向外側に押圧付勢する。なお、リング本体72の柱部75には、油戻し孔77が、周方向に複数形成される。
An
図6(A)の一対の外周面82,82の各々の当たり幅は、0.02mm~0.30mmに形成されることが好ましく、例えば0.15mmに設定される。なお、オイルリング70の外周面82の当たり面に作用する面圧は、例えば1.0MPa~2.0MPaとなり、例えば1.75MPa程度となる。従って、オイルリング70は、エンジンの回転数が高い場合は、流体潤滑領域で摺動することが多いが、エンジンの回転数が下がると、境界潤滑領域で摺動することが多くなる。なお、外周面82,82の径方向断面の形状は、図6(A)では、シンプルな台形となる場合を例示するが、本発明はこれに限定されず、上側レール73の外周面82と下側レール73の外周面82において、互いに向かい合う側(コイルエキスパンダ76側)の隅部をステップ状に切り欠いた形状(いわゆるステップランド形状)としてもよい。また、外周面82の触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さRa(JIS B 0601:2013))は、0.450(μm)以下が好ましい。
The contact width of each of the pair of outer
なお、オイルリング70は2ピースタイプに限られず、例えば図6(B)に示す3ピースタイプのオイルリング70であっても良い。このオイルリング70は、上下に分離している環状のサイドレール73a,73bと、このサイドレール73a,73bの間に配置されるスペーサエキスパンダ76sを有する。
Note that the
スペーサエキスパンダ76sは、鋼材をシリンダ軸方向に凹凸を繰り返す波形形状に塑性加工して形成される。この波型形状を利用して、上方側支持面78aと下方側支持面78bが形成され、一対のサイドレール73a,73bがそれぞれ軸方向に支持される。スペーサエキスパンダ76sの内周側端部には、軸方向外側に向かってアーチ状に立設される耳部74mを有する。この耳部74mは、サイドレール73a,73bの内周面に当接する。なお、スペーサエキスパンダ76sは、合口が付き合わされて、周方向に収縮状態でピストン30のリング溝に組み込まれる。結果、スペーサエキスパンダ76sの復元力によって、耳部74mがサイドレール73a,73bを径方向外側に押圧付勢する。
The
なお、図6(B)のサイドレール73a,73bの外周面82,82の各々の当たり幅fは、0.02mm~0.40mmに形成されることが好ましい。
The contact width f of each of the outer
<シリンダライナとピストンリングの摩擦態様> <Friction mode between cylinder liner and piston ring>
次に、シリンダライナとピストンリングの摩擦態様について説明する。一般的な摺動時の摩擦係数の変化は、図7(A)に示すストライベック線図として表現される。このストライベック線図では、直接接触して摺動する固体接触領域110の摩擦態様、油膜を介して摺動する境界潤滑領域112の摩擦態様、粘性潤滑油膜を介して摺動する流体潤滑領域114における摩擦態様に分別される。また、境界潤滑領域112と流体潤滑領域114の間には、双方の状態が混在する混在潤滑領域113の摩擦態様が存在する。なお、このストライベック線図は、横軸が、「動粘度(動粘性率)μ」×「速度Q」/「接触荷重W」を対数表示したものであり、縦軸が、摩擦係数(f)となる。従って、摩擦力が最も小さくなり得るのは流体潤滑領域114または混在潤滑領域113であり、この領域114、113を有効利用することが、低摩擦化、即ち、低燃費に有効となる。一方、速度Qが上昇しても、境界潤滑領域112の途中から流体潤滑領域114に移行できない場合は、点線に示すように、境界潤滑領域112がそのまま高速領域まで継続する状態になる。
Next, the manner of friction between the cylinder liner and the piston ring will be described. Changes in the coefficient of friction during general sliding are expressed as a Stribeck diagram shown in FIG. 7(A). In this Stribeck diagram, the friction mode of the
ちなみに、流体潤滑領域114の摩擦力の大部分は、オイルのせん断抵抗であり、このせん断抵抗は、(粘度)×(速度)×(面積)/(油膜厚さ)で定義される。結果、せん断面積を低減することが、摩擦力の低減に直結する。
Incidentally, most of the frictional force in the
そこで、本実施形態では、ピストンリング40の外周面42の当たり面にオイルを積極的に流入させることで、素早く流体潤滑領域114に移行して低摩擦化を実現する。同時に、シリンダライナ10に対していわゆるディンプルライナ技術を適用することで、シリンダライナ10の行程中央部領域20に凹部14を形成して、オイルのせん断抵抗が生じる実質面積を減少させることで、より効率的に摩擦力の低下を達成する。
Therefore, in the present embodiment, by actively causing oil to flow into the contact surface of the outer
また、図7(A)のストライベック線図は、ピストン40の1ストローク中の摩擦係数(f)の動的変化を示すものであるが、摩擦態様を評価する他の指標として、摩擦損失平均有効圧力(FMEP:Friction Mean Effective Pressure)がある。この摩擦損失平均有効圧力は、1サイクルあたりの摩擦仕事を行程容積で割った値を示す。この摩擦損失平均有効圧力の線図(FMEP線図)を図7(B)に示す。FMEP線図では、横軸が、回転数(N)となり、縦軸が摩擦損失平均有効圧力(kPa)となる。回転数(N)が高いほど、1ストローク中の流体潤滑領域114が占める割合が増える。一方、回転数(N)が低くなると、1ストローク中の流体潤滑領域114が占める割合が減って、混在潤滑領域113(または境界潤滑領域112)が占める割合が増える。従って、図7(B)のFMEP線図の形状は、図7(A)のストライベック線図の流体潤滑領域114及び混在潤滑領域113の形状と比較的近似する。
The Stribeck diagram of FIG. 7(A) shows the dynamic change of the friction coefficient (f) during one stroke of the
<ダレ領域の実測結果> <Actual measurement result of sagging area>
次に、本第一実施形態のシリンダライナ10に形成されるダレ領域200の実測結果について図8を参照して説明する。図8(A)及び(B)は、凹部14のシリンダ径方向の最大平均長さR(最大平均深さR)を3.0μmとし、ポリシングによって凹部14の縁にダレ領域200を積極的に形成したものである。
Next, actual measurement results of the sagging
図8(A)には、ダレ領域200の断面曲線を60回測定した際のダレ幅DWの頻度を示す。ダレ幅DWが多少ばらついているもの、その平均値は0.036mmとなる。この平均ダレ幅DWをダレ勾配DAに換算すると0.0139となる。図8(B)には、図8(A)の60個のデータの中から、上位15点及び下位15点を除外した中央値のダレ幅DWの頻度を示す。ダレ幅DWの平均値は0.030mmとなる。この平均ダレ幅DWをダレ勾配DAに換算すると0.0167となる。
FIG. 8A shows the frequency of the sag width DW when the cross-sectional curve of the
図9に、比較例となるシリンダライナ10に形成されるダレ領域200の実測結果を示す。図9(A)及び(B)は、凹部14のシリンダ径方向の最大平均長さR(最大平均深さR)を3.0μmとし、凹部14の縁にダレ領域200を積極的に形成しなかったものである。
FIG. 9 shows the result of actual measurement of the sagging
図9(A)には、ダレ領域200の断面曲線を60回測定した際のダレ幅DWの頻度を示す。ダレ幅DWが多少ばらついているもの、その平均値は0.017mmとなる。この平均ダレ幅DWをダレ勾配DAに換算すると0.0294となる。図9(B)には、図9(A)の60個のデータの中から、上位15点及び下位15点を除外した中央値のダレ幅DWの頻度を示す。ダレ幅DWの平均値は0.016mmとなる。この平均ダレ幅DWをダレ勾配DAに換算すると0.0313となる。
FIG. 9A shows the frequency of the sag width DW when the cross-sectional curve of the
<ダレ領域の作用> <Action of sagging area>
本実施形態のシリンダライナ10によれば、凹部14と内壁面12の境界となるエッジ近傍に、ダレ領域200が形成されることから、ピストンリング40とダレ領域200の干渉が低減される。結果、ピストンリング40と、凹部14及びその周囲の内壁面12の間が、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113となる場合において、油膜が安定的に形成され、摩擦力が低減される。とりわけ、本実施形態のシリンダライナ10には、凹部14の周囲の内周壁12を、中央低粗さ領域22とすることで、シリンダライナ10とピストン30の相対速度Qがより低速度となった場合であっても、できる限り流体潤滑領域114を優位に発現させるようにしている。本実施形態では、中央底粗さ領域22と重畳する範囲に形成される凹部14にダレ領域200を形成することで、より一層、流体潤滑領域114の範囲を広げることが可能となる。
According to the
また、実際の測定や解析は困難であるものの、凹部14にダレ領域200を形成することで、凹部14内外の潤滑油の出入りが滑らかになると推測される。結果、凹部14内の潤滑油が、周囲の内壁面12に滑らかに案内されることで、内壁面12上の油膜形成が安定し得ると推測される。
Further, although actual measurement and analysis are difficult, it is presumed that by forming the sagging
なお、例えば、凹部14にダレ領域200が十分に形成されていない場合、ピストンリング40と凹部14のエッジに干渉が起こり得る。この干渉は、摺動抵抗の増大に直結すると同時に、周囲の内壁面12上の油膜形成に不安定な状態を誘引させ、結果として、流体潤滑領域114の範囲が狭められる。更に、ピストンリング40と凹部14のエッジに干渉が起こり、凹部14のエッジやピストンリングが欠損すると、その欠損片によって内壁面12にヘアライン状のキズが形成され得る。このキズも、内壁面12上の油膜形成を不安定にさせる要因となり、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113の維持が困難となって摩擦力の増大につながる。特に、凹部14の周囲の内周壁12を中央低粗さ領域22としている場合は、キズによる悪影響が顕在化しやすいことになる。
For example, if the recessed
次に、本第一実施形態のシリンダライナ10とピストンリング40の摩擦態様の測定方法等について説明する。なお、ピストン30に対して、これに設置されるトップリング50、セカンドリング60、オイルリング70の固定位置が、シリンダ軸方向に相対的に異なることから、シリンダライナ10と摩擦状態も厳密にはそれぞれのピストンリングで微差が生じるが、ここではセカンドリング60の位置を、ピストンリング40の基準位置として説明を行う。なお、最速通過点Cに限っては、トップリング50を基準としている。
Next, a method for measuring the friction state between the
<摩擦態様の測定方法(非燃焼時摩擦試験)> <Method for measuring friction mode (non-combustion friction test)>
図10に、第一実施形態で採用したシリンダライナ10とピストンリング50の摩擦態様を測定する摩擦単体測定装置500を示す。摩擦単体測定装置500は、ピストンリング40側を固定し、シリンダライナ10側を上下に往復移動させることで、両者間の摩擦状態を測定する。即ち、この摩擦状態の測定は、内燃機関としての燃焼を生じさせない状態の摩擦試験(非燃焼時摩擦試験)となる。摩擦単体測定装置500は、ピストンリング40(トップリング、セカンドリング、オイルリングの3本)がセットされる仮想ピストン510を、ロードセル512を介して固定軸514によって保持する。このロードセル512によって、ピストンリング40に作用する上下方向の外力(摩擦力)を測定する。
FIG. 10 shows a friction
シリンダライナ10は、その外壁側において移動スリーブ530で保持される。移動スリーブ530の下端は駆動用ピストン540に保持される。この駆動用ピストン540は、特に図示しないクランクシャフトによって上下動するコンロッド550に保持される。結果、シリンダライナ10が上下方向に往復移動する。移動スリーブ530の外周には固定スリーブ560が配置される。固定スリーブ560は基台570に固定される。なお、固定軸514は、固定スリーブ560の上端の蓋部材562に固定されている。移動スリーブ530の外周面と固定スリーブ560の内周面は摺動自在となる。固定スリーブ560の内部には、温度調整ジャケット565が設けられており、この温度調整ジャケット565内に温水または冷水を循環させることで、固定スリーブ560の温度を制御可能となっている。
The
例えば、摩擦単体測定装置500による摩擦態様の測定条件として、潤滑油の規格を10W-30とし、油温を60度に設定し、クランクシャフトの回転数を215rpm~2154rpmに変化させることができる。
For example, as the conditions for measuring the friction mode by the friction
また例えば、トップリング50は、高さ(幅)2.5mmを採用し、外周面52の表面粗さRaを0.180(μm)、張力を16.7Nに設定する。セカンドリング60は、高さ(幅)2.0mmを採用し、外周面62の表面粗さRaを0.180(μm)、張力を12.3Nに設定する。オイルリング70は、高さ(幅)3.0mmを採用し、外周面82の表面粗さRaを0.330(μm)、張力を22.6Nに設定する。
Further, for example, the
<実施例:摩擦力測定結果(非燃焼時摩擦試験)> <Example: Friction force measurement result (non-combustion friction test)>
実施例として、第一実施形態で採用した第一~第三シリンダライナ1001、1002、1003を製作し、各々について、図10の摩擦単体測定装置500を利用して摩擦力を測定した結果を図11(A)に示す。なお、第一~第三シリンダライナ1001、1002、1003の凹部14の輪郭形状は、図11(B)に示すように正円形状とし、その正円の直径を約0.50mm、凹部14のシリンダ径方向の最大平均長さ(最大平均深さ)を約5μmとし、ポリシングによって凹部14の縁にダレ領域200を積極的に形成し、その後の化成処理を行わないようにした。内壁面12と凹部14を合わせた総面積に対して、凹部14の面積占有率は40%となるように設定した。また、シリンダ軸方向のダレ幅DWは、第一シリンダライナ1001は0.030mm(ダレ勾配DAは0.0167)とし、第二シリンダライナ1002は0.050mm(ダレ勾配DAは0.0100)とし、第三シリンダライナ1003は0.080mm(ダレ勾配DAは0.0063)とした。
As an example, the first to
また、比較例となるシリンダライナ1099として、ダレ幅DWを0.019mm(ダレ勾配DAは0.0263)とし、他の仕様は第一~第三シリンダライナ1001、1002、1003と同様としたものを製作した。
Also, as a
図11(A)のグラフでは、比較例となるシリンダライナ1099の摩擦力を100%と設定した場合における、第一~第三シリンダライナ1001、1002、1003の摩擦力の比率を示す。この結果から分かるように、ダレ幅DWを大きくする程(ダレ勾配DAを小さくする程)、摩擦力が低下する事がわかる。 In the graph of FIG. 11(A), when the frictional force of the cylinder liner 1099 serving as a comparative example is set to 100%, the ratio of the frictional forces of the first to third cylinder liners 1001 , 1002 , and 1003 is show. As can be seen from these results, the larger the sag width DW (the smaller the sag gradient DA), the more the frictional force decreases.
<ダレ領域の形成による摩擦態様の変化> <Change in Friction Mode Due to Formation of Drooping Area>
本実施形態のシリンダライナ10では、摩擦単体測定装置500によって摩擦態様を測定することで、ダレ領域200の存在による摩擦力の低減を確認できる。とりわけ、本実施形態のシリンダライナ10には、中央底粗さ領域22と重畳する範囲に形成される凹部14にダレ領域200の存在により、例えば、シリンダライナ10とピストン30の相対速度Qがより低速度となった場合であっても、摩擦力の低減が可能となる。
In the
<中央低粗さ領域の存在の有無による摩擦態様の変化> <Change in Friction Mode Depending on the Presence or Absence of Central Low-Roughness Region>
本第一実施形態では、シリンダライナ10にダレ領域200と中央低粗さ領域22の双方を形成する場合を例示しているが、その作用を詳細に検証する観点では、中央低粗さ領域22のみの摩擦力への影響を明確化することが重要となる。そこで、中央低粗さ領域22を有するが、凹部14にダレ領域200を形成していない検証用シリンダライナについても、摩擦単体測定装置500によって摩擦態様を測定することが好ましい。以下、その実測結果を示す。
In the first embodiment, the
<中央低粗さ領域のみを有する検証用シリンダライナとピストンリングの摩擦態様> <Friction mode between verification cylinder liner having only central low-roughness region and piston ring>
(ストライベック線図について) (About the Stribeck diagram)
本第一実施形態における中央低粗さ領域の摩擦態様を顕在化させるために、ダレ領域200を形成することなく、中央低粗さ領域22の表面粗さRaを0.120(μm)にした検証用シリンダライナ10-Aと、表面粗さRaを0.083(μm)とした検証用シリンダライナ10-Bを用意し、摩擦単体測定装置500を用いて摩擦態様を測定した。参考として、検証用シリンダライナ10と同一形状(ダレ領域200なし)で表面粗さRaを0.160(μm)にした検証用シリンダライナXと、さらに凹部14そのものを形成せずに、その表面粗さRaを0.160(μm)にした検証用シリンダライナYを用意し、その他を同一条件に設定して、摩擦単体測定装置500を用いて摩擦態様を測定した。なお、全ての検証用シリンダライナ10-A,10-B,X,Yについて、化成処理を行わないようにした。そのストライベック線図の測定結果を図12(A)、FMEP線図の測定結果を図12(B)に示す。なお、図12(A)(B)には、ダレ領域200を形成することなく、中央低粗さ領域22の表面粗さRaをRa0.140(μm)にした仮想的な検証用シリンダライナKについての推測値も示す。
In order to actualize the friction mode of the central low-roughness region in the first embodiment, the surface roughness Ra of the central low-roughness region 22 was set to 0.120 (μm) without forming the sagging
まず、検証用シリンダライナ10-A、10-B、Kの表面粗さ一覧を以下の表1に示す。なお、算術平均粗さRaは、触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される値であり、算術平均高さSa(μm)、突出山部高さSpk(μm)、突出谷部深さSvk(μm)、コア部レベル差:Sk(μm)は、すでに説明したレーザー顕微鏡を利用した非接触式表面粗さ測定機を用いて測定した値である。
検証用シリンダライナ10-A,10-Bと、検証用シリンダライナXは、行程中央部領域20の全体に凹部14が形成される。図13に示すように、ピストン30が、検証用シリンダライナの上死点Tから下死点Uまで摺動する際の、検証用シリンダライナとピストンリング40の摩擦係数の変動は、両者の相対速度に依存する。この相対速度は、エンジンの回転数(rpm)に対して一義的に決定する。ピストン30は、検証用シリンダライナの上死点Tの速度が零の状態から下降して行程Aを経由し、途中で最高速度Cに達する。その後、行程Bを経由して下死点Uに到達すると速度が零となる。この間に、図12(A)のストライベック線図に沿って摩擦係数が常に変化する。
The verification cylinder liners 10-A and 10-B and the verification cylinder liner X are formed with
図12(A)のストライベック線図において、中央低粗さ領域22における動粘度(動粘性率)をμ、ピストン30(ピストンリング40)との相対速度をQ、ピストン30に対する接触荷重をW、ピストン30との間の摩擦係数をf(グラフ縦軸)と定義し、評価パラメータをA=μ×Q/W(グラフ横軸(対数表記))と定義する。
In the Stribeck diagram of FIG. 12(A), μ is the kinematic viscosity (kinematic viscosity) in the central low-roughness region 22, Q is the relative speed with the piston 30 (piston ring 40), and W is the contact load on the
検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、評価パラメータAが0.0003以下の範囲内に、中央低粗さ領域20における摩擦係数fの極小値fminが位置する。より望ましくは、評価パラメータAが0.0002以下の範囲内に摩擦係数fの極小値fminが位置する。一方、評価パラメータAが0.0001以上の範囲内に中央低粗さ領域20における摩擦係数fの極小値fminが位置する。
In the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the minimum value fmin of the friction coefficient f in the central low-
更に、検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、中央低粗さ領域20における摩擦係数fが0.07以下となる。望ましくは摩擦係数fが0.06以下となる。
Furthermore, in the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the friction coefficient f in the central low-
検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)と比べると分かるように、検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、摩擦係数が0.07以下となる範囲が、評価パラメータAが0.0003以下となるグラフの左側に広がる。これは、低速度の摺動においても、流体潤滑領域114及び混在潤滑領域113となる範囲が広がることを意味し、極めて摩擦係数fの低い摺動態様となる。
As can be seen from the comparison with the test cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/concave portion), the test cylinder liners 10-A and 10-B have a range in which the coefficient of friction is 0.07 or less. , spreads to the left of the graph when the evaluation parameter A is 0.0003 or less. This means that the range of the
これらの検証用シリンダライナの検証結果から分かるように、中央低粗さ領域22によって創出される上述の低摩擦係数状態に対して、更に、凹部14にダレ領域200を形成すると、この低摩擦係数が、長期間に亘って維持できることに繋がる。
As can be seen from the verification results of these verification cylinder liners, in addition to the above-described low friction coefficient state created by the central low roughness region 22, when the sagging
参考として、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、評価パラメータAが0.0003を超える範囲になると、凹部14の効果が表れて摩擦係数fの上昇率が低下し、検証用シリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)よりも摩擦係数fが小さくなる。一方、評価パラメータAが0.0003~0.0005の範囲内で、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)のグラフと検証用シリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)のグラフが交差し、評価パラメータAが0.0003以下になると、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の摩擦係数fが0.07を超える範囲で上昇して、検証用シリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)の摩擦係数fを上回る。すなわち、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、評価パラメータAが0.0003を超える範囲では、凹部14が摩擦係数fを小さくするように作用するが、評価パラメータAが0.0003以下の範囲になると、凹部14が摩擦係数fを増大させる。本発明者らの未公知の考察によると、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、凹部14の存在によってシリンダライナとピストンリング40との実接触面積が小さくなるので、低速度領域において潤滑油による潤滑不足が生じやすく、境界潤滑領域に陥りやすいと推察された。本実施形態のシリンダライナ10のダレ領域200は、この凹部14による潤滑不足(摩擦力の増大)を低減させる作用を発揮しうる。
As a reference, in the case of the verification cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses), when the evaluation parameter A exceeds 0.0003, the effect of the
検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、中央低粗さ領域20の表面粗さRaが0.120(μm)以下に設定されるので、評価パラメータAが0.0003以下の低速度領域であって、かつ、凹部14によってピストンリング40との実接触面積が小さくても、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113を維持しやすくなる。また、仮に境界潤滑状態となった場合であっても、表面粗さが小さいので摩擦係数が小さく維持される。一般的に、シリンダライナの内周面の表面粗さRaを0.120(μm)以下にすると、接触面の潤滑油の保持力が低下して潤滑油不足に陥りやすいが、本実施形態では、中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14が、中央低粗さ領域20に対する潤滑油の貯留部として機能するので、中央低粗さ領域20において潤滑油不足が生じにくいという相乗効果も得られる。
In the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the surface roughness Ra of the central low-
この際、更に、凹部14にダレ領域200を形成しておくと、凹部14内外の潤滑油の出入りが滑らかになると推測される。結果、潤滑油の貯留部となる凹部14から、周囲の中央低粗さ領域22に滑らかに潤滑油が案内されることで、中央低粗さ領域22における油膜形成が安定し得ると推測される。
At this time, it is presumed that if a sagging
更に、検証用シリンダライナ10-A、10-Bにおいて、評価パラメータAが0.0003を超える範囲(高速領域)の摩擦係数fは、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の摩擦係数fと近似するか、あるいは、それよりも小さくなる。つまり、検証用シリンダライナ10-A、10-Bは、高速度領域においても、中央低粗さ領域20が摩擦係数fの低減に貢献している。
Furthermore, in the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the friction coefficient f in the range (high-speed region) where the evaluation parameter A exceeds 0.0003 is / with concave portion), or smaller than it. That is, in the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the central low-
なお、図12(A)のストライベック線図には、実測値ではないが、検証用シリンダライナ10-Aと同じ構成で、中央低粗さ領域20の表面粗さRaが0.140(μm)に設定される検証用シリンダライナKの摩擦係数を推定表示する。検証用シリンダライナKの摩擦係数は、表面粗さRaが0.160(μm)となる検証用シリンダライナX、Yの状態と、表面粗さRaが0.120(μm)となる検証用シリンダライナ10-Aの中間値に近似すると推測できる。この検証用シリンダライナKであっても、評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、中央低粗さ領域20における摩擦係数fが0.07以下となり、望ましくは摩擦係数fが0.06以下となる。更に、検証用シリンダライナKにおいて、評価パラメータAが0.0003を超える範囲(高速領域)の摩擦係数fは、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の摩擦係数fと近似するか、あるいは、それよりも小さくなる。
In the Stribeck diagram of FIG. 12(A), the surface roughness Ra of the central low-
(FMEP線図について) (About FMEP diagram)
図12(B)のFMEP線図において、中央低粗さ領域22とピストンリング40の間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)(縦軸)と定義し、内燃機関の回転数をN(r/min)(横軸)と定義する。
In the FMEP diagram of FIG. 12(B), the friction loss average effective pressure (FMEP) between the central low roughness region 22 and the
検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、回転数Nが700以下の範囲内に、中央低粗さ領域20における摩擦損失平均有効圧Tの極小値Tminが位置する。より望ましくは、回転数Nが600以下の範囲内に摩擦損失平均有効圧Tの極小値Tminが位置する。
In the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the minimum value Tmin of the friction loss mean effective pressure T in the central low-
更に、検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、回転数Nが700以下の範囲内のいずれかで、中央低粗さ領域20における摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下となるように設定する。
Further, in the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the friction loss average effective pressure T in the central low-
検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)と比べると分かるように、検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下に小さくなる範囲が、回転数Nが700以下(グラフの左側)に広がる。結果、低回転時においても、極めて摩擦損失の少ない摺動態様となる。 As can be seen from a comparison with the verification cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/concave portion), the verification cylinder liners 10-A and 10-B have a small friction loss average effective pressure T of 14 kPa or less. range extends to rotation speed N of 700 or less (left side of the graph). As a result, even at low rotation, a sliding mode with extremely low friction loss is obtained.
参考として、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、回転数Nが700を超える高回転領域になると、凹部14の効果が表れて摩擦損失の上昇率が低下し、特に回転数Nが1000を超える検証用とシリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)よりも摩擦損失が小さくなる。一方、回転数Nが1000~1300の範囲内で、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)のグラフと検証用シリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)のグラフが交差する。回転数Nが1000以下になると、検証用シリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)の摩擦損失を上回り、700以下になると摩擦損失が14kPaを超える範囲で上昇する。すなわち、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、回転数Nが1000を超える範囲では、凹部14が摩擦損失を小さくするように作用するが、回転数Nが1000以下の範囲になると、凹部14が摩擦損失を増大させるように作用する。本発明者らの未公知の考察によると、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、凹部14の存在によってシリンダライナとピストンリング40との実接触面積が小さくなるので、低回転領域において潤滑油による潤滑不足が生じやすく、境界潤滑領域が占有する比率が増大しやすいと推察された。本実施形態のシリンダライナ10のダレ領域200は、この凹部14による摩擦損失の増大を抑制させる作用を発揮しうる。
As a reference, in the case of the test cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses), when the rotation speed N exceeds 700, the effect of the
検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、中央低粗さ領域20の表面粗さRaが0.120(μm)以下に設定されるので、回転数Nが700以下の低回転領域であっても、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113を維持することで摩擦損失が抑制される。また、仮に境界潤滑状態となった場合であっても、表面粗さが小さいので摩擦損失が抑制される。具体的に、回転数Nが700以下になると、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)を基準として、検証用シリンダライナ10-Aの場合は2.0kPa程度、検証用シリンダライナ10-Bの場合は4.0kPa程度の低減効果が得られる。一般的に、シリンダライナの内周面の表面粗さRaを0.120(μm)以下にすると、潤滑油の保持力が低下して潤滑油不足に陥りやすいが、本実施形態では、中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14が、中央低粗さ領域20に対する潤滑油の貯留部として機能するので、中央低粗さ領域20において潤滑油不足が生じにくいという相乗効果も得られる。
In the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the surface roughness Ra of the central low-
中央低粗さ領域22によって創出される上述の低摩擦損失状態において、更に、凹部14にダレ領域200を形成すると、この低摩擦損失状態が、長期間に亘って維持できることに繋がる。
In addition to the low friction loss state created by the central low-roughness region 22, further forming the sagging
更に、検証用シリンダライナ10-A、10-Bにおいて、回転数Nが700を超える高回転領域の摩擦損失は、検証用シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の摩擦損失と近似するか、あるいは、それよりも小さくなる。つまり、検証用シリンダライナ10-A、10-Bでは、高回転領域においても、中央低粗さ領域20が摩擦損失に悪影響を及ぼすことがない。
Furthermore, in the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the friction loss in the high rotation range where the number of revolutions N exceeds 700 is Close to or less than friction loss. That is, in the verification cylinder liners 10-A and 10-B, the central low-
ちなみに、このFMEP線図は、非燃焼状態の摩擦試験に基づく。従って、実燃焼が生じる実際の内燃機関のFMEPは、燃焼圧力が作用することから、FMEP値はこれよりも上昇する。 Incidentally, this FMEP diagram is based on a non-combustion friction test. Therefore, the FMEP value of an actual internal combustion engine in which actual combustion occurs is higher than this value due to the effect of the combustion pressure.
なお、図12(B)のFMEP線図には、実測値ではないが、検証用シリンダライナ10-Aと同じ構成で、中央低粗さ領域20の表面粗さRaが0.140(μm)に設定される検証用シリンダライナKのFMEPを推定表示する。検証用シリンダライナKのFMEP線図は、表面粗さRa0.160(μm)となる検証用シリンダライナX、YのFMEP線図と、表面粗さRa0.120(μm)となる検証用シリンダライナ10-AのFMEP線図の中間値に近似すると推測できる。この検証用シリンダライナKも、摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下に小さくなる範囲が、回転数Nが700以下(グラフの左側)に広がる。結果、低回転時においても、極めて摩擦損失の少ない摺動態様となる。
In the FMEP diagram of FIG. 12(B), the surface roughness Ra of the central low-
すなわち、検証用シリンダライナKでは、回転数Nが700以下の低回転領域であっても、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113を維持することで摩擦損失が抑制される。また、仮に境界潤滑状態となった場合であっても、表面粗さが小さいので摩擦損失が抑制される。一般的に、シリンダライナの内周面の表面粗さRaを0.140(μm)以下にすると、潤滑油の保持力が低下して潤滑油不足に陥りやすいが、検証用シリンダライナでは、中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14が、中央低粗さ領域20に対する潤滑油の貯留部として機能するので、中央低粗さ領域20において潤滑油不足が生じにくいという相乗効果も得られる。
That is, in the verification cylinder liner K, friction loss is suppressed by maintaining the
<オイル消費量> <Oil consumption>
本実施形態のシリンダライナ10とピストン30の摺動構造の場合、オイル消費量も抑制される。これは、中央低粗さ領域22に形成される潤滑油膜の絶対量が少なくなることに起因する。油膜の絶対量が減少しても、重畳的に、ダレ領域200を有する凹部14が形成されているので、凹部14内の潤滑油が、周囲の内壁面12に滑らかに案内されるようになり、潤滑不足に陥ることはない。すなわち、本実施形態では、オイル消費量の低減と、十分な潤滑効果の双方を、合理的に解決することが可能となっている。
In the case of the sliding structure of the
<第二実施形態のシリンダライナ> <Cylinder liner of the second embodiment>
次に、本発明の第二の実施の形態に係る内燃機関の摺動構造に関して添付図面を参照して説明する。 Next, a sliding structure for an internal combustion engine according to a second embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図14(A)に示すように、第二実施形態の内燃機関に係るシリンダライナ10の内壁面12には、複数の凹部14が形成される。この複数の凹部14には、第一実施形態と同様のダレ領域200が形成される。凹部14は、内壁面12における行程中央部領域20のみに形成される。この行程中央部領域20は、ピストン30の上死点Tにおける最下位のピストンリングのリング溝の下面位置19A(以下、上死点側端縁とも呼ぶ)から、ピストン30の下死点Uおける最上位のピストンリングのリング溝の上面位置19B(以下、下死点側端縁とも呼ぶ)までの全範囲(以下、基準行程領域19と呼ぶ)の一部となっている。
As shown in FIG. 14(A), a plurality of
本実施形態の行程中央部領域20は、基準行程領域19の上死点側端縁19Aよりも下側にずれた位置となる。その結果、基準行程領域19の上死点側端縁19Aから、行程中央部領域20の上死点側の端縁27Aまでの間の全部には、凹部を有しない平滑な上側平滑領域130Aが形成される。上側平滑領域130Aはピストンリング40が通過する領域となる。
The
また、本実施形態の行程中央部領域20は、基準行程領域19の下死点側端縁19Bよりも上側にずれた位置となる。その結果、基準行程領域19の下死点側端縁19Bから、行程中央部領域20の下死点側の端縁27Bまでの間の全部には、凹部を有しない平滑な下側平滑領域130Bが形成される。下側平滑領域130Bはピストンリング40が通過する領域となる。
Further, the stroke
本実施形態では、行程中央部領域20の上死点側の端縁27Aを、凹部14が形成される場所と凹部14が形成されない場所の境界線を意味する「上側境界」と呼ぶことがあり、また、行程中央部領域20の下死点側の端縁27Bを、凹部14が形成される場所と凹部14が形成されない場所の境界線を意味する「下側境界」と呼ぶこともある。なお、行程中央部領域20の下死点側の端縁(下側境界)27Bを、基準行程領域19の下死点側端縁19Bと一致させたり、それよりも下側まで広げたりしても良い。
In the present embodiment, the
また、行程中央部領域20の外側の領域を外部領域25と定義すると、この外部領域25は、行程中央部領域20の上死点側に隣接する上側外部領域25Aと、行程中央部領域20の下死点側に隣接する下側外部領域25Bから構成される。なお、上側外部領域25Aの一部には、上側平滑領域130Aが含まれることになり、下側外部領域23Bの一部には、下側平滑領域130Bが含まれることになる。
Further, if the area outside the stroke
本実施形態では、この行程中央部領域20の少なくとも一部において、触針式表面粗さ測定機によって測定される表面粗さ(算術平均粗さ)Raが0.140(μm)以下となり、好ましくは表面粗さRaが0.120(μm)以下となる、中央低粗さ領域22が形成される。ここでは、行程中央部領域20の全部を中央低粗さ領域22としている。結果として、中央低粗さ領域22は、凹部14が形成される行程中央部領域20の上端縁近傍及び下端縁近傍を含む。
In the present embodiment, in at least part of the stroke
この中央低粗さ領域22を、レーザー顕微鏡を利用した非接触式表面粗さ測定機で測定した場合の表面粗さ値を以下に示す。
算術平均高さSa(μm):0.192以下、好ましくは0.163以下、更に望ましくは0.120以下(具体的には0.110に設定される)。
突出山部高さSpk(μm):0.159以下、好ましくは0.144以下、更に望ましくは0.121以下(具体的には0.116に設定される)。
コア部レベル差Sk(μm):0.521以下、好ましくは0.449以下、更に望ましくは0.340以下(具体的には0.315に設定される)。
突出谷部深さSvk(μm):0.409以下、好ましくは0.342以下、更に望ましくは0.241以下(具体的には0.218に設定される)。
The surface roughness values of this central low-roughness region 22 measured by a non-contact surface roughness measuring machine using a laser microscope are shown below.
Arithmetic mean height Sa (μm): 0.192 or less, preferably 0.163 or less, more preferably 0.120 or less (specifically set to 0.110).
Projection peak height Spk (μm): 0.159 or less, preferably 0.144 or less, more preferably 0.121 or less (specifically set to 0.116).
Core portion level difference Sk (μm): 0.521 or less, preferably 0.449 or less, more preferably 0.340 or less (specifically set to 0.315).
Projection valley depth Svk (μm): 0.409 or less, preferably 0.342 or less, more preferably 0.241 or less (specifically set to 0.218).
更に、行程中央部領域20の上側に隣接する上側平滑領域130Aには、触針式表面粗さ測定機によって表面粗さ(算術平均粗さ)Raが0.140(μm)以下となり、好ましくは、表面粗さRaが0.120(μm)以下となる上側低粗さ領域23Aが形成される。本実施形態の上側低粗さ領域23Aは、上側平滑領域130Aに重畳しつつ、更に上方側に越えた範囲まで形成される。また、行程中央部領域20の下側に隣接する下側平滑領域130には、表面粗さ(算術平均粗さ)Raが0.140(μm)以下となり、好ましくは、表面粗さRaが0.120(μm)以下となる下側低粗さ領域23Bが形成される。本実施形態の下側低粗さ領域23Bは、下側平滑領域130Bに重畳しつつ、更に下方側に越えた範囲まで形成される。上側低粗さ領域23Aと、中央低粗さ領域22と、下側低粗さ領域23Bは、均一な表面粗さ状態で完全に連なっており、全体として一体的な連続平面となっている。
Furthermore, the upper
この上側低粗さ領域23A及び/または下側低粗さ領域23Bを、レーザー顕微鏡を利用した非接触式表面粗さ測定機で測定した場合の表面粗さ値を以下に示す。
算術平均高さSa(μm):0.192以下、好ましくは0.163以下、更に望ましくは0.120以下(具体的には0.110に設定される)。
突出山部高さSpk(μm):0.159以下、好ましくは0.144以下、更に望ましくは0.121以下(具体的には0.116に設定される)。
コア部レベル差Sk(μm):0.521以下、好ましくは0.449以下、更に望ましくは0.340以下(具体的には0.315に設定される)。
突出谷部深さSvk(μm):0.409以下、好ましくは0.342以下、更に望ましくは0.241以下(具体的には0.218に設定される)。
The surface roughness values of the upper low-
Arithmetic mean height Sa (μm): 0.192 or less, preferably 0.163 or less, more preferably 0.120 or less (specifically set to 0.110).
Projection peak height Spk (μm): 0.159 or less, preferably 0.144 or less, more preferably 0.121 or less (specifically set to 0.116).
Core portion level difference Sk (μm): 0.521 or less, preferably 0.449 or less, more preferably 0.340 or less (specifically set to 0.315).
Projection valley depth Svk (μm): 0.409 or less, preferably 0.342 or less, more preferably 0.241 or less (specifically set to 0.218).
ピストン30がシリンダライナ10内を往復運動する際、上側外部領域25A(上側低粗さ領域23A)、行程中央部領域20(中央低粗さ領域22)、下側外部領域25B(下側低粗さ領域23B)、行程中央部領域20(中央低粗さ領域22)、上側外部領域25A(上側低粗さ領域23A)をこの順に繰り返し通過する。
When the
上側平滑領域130Aの行程方向距離は、望ましくは、基準行程領域19の行程方向全距離の30%以上に設定される。また、行程中央部領域20における行程方向の中央点20Mは、基準行程領域における行程方向の中央点19Mと比較して、ピストンの下死点U側に位置する。
The stroke-direction distance of the upper
最上位のピストンリング(後述するトップリング50)が内壁面12を最高速度で通過する位置を最速通過点Cと定義した場合、行程中央部領域20の上死点側の端縁(上側境界)27Aは、最速通過点C以下に設定される。本実施形態では、上死点側の端縁27Aと最速通過点Cが一致するように設定されている。
If the position where the uppermost piston ring (
なお、シリンダライナ10の中央低粗さ領域22、上側低粗さ領域23A及び下側低粗さ領域23Bは、ホーニング盤を用いてホーニング加工を行うことで形成される。この際のホーニング砥石の粒度は、例えばF500又は#800よりも細かい砥粒(JIS R 6001-2:2017,ISO8486-2:2007)を使用することが好ましい。このホーニング加工によって中央低粗さ領域22、上側低粗さ領域23A及び下側低粗さ領域23Bを形成した後は、その表面に化成処理を行わないことが好ましい。例えば、シリンダライナ10の製造工程で一般的に用いられるリン酸塩皮膜等を行うと、中央低粗さ領域22、上側低粗さ領域23A及び下側低粗さ領域23Bの表面性状が、皮膜によって変動するからである。一方で、表面性状の変動が小さい皮膜であれば、中央低粗さ領域22、上側低粗さ領域23A及び下側低粗さ領域23Bに化成処理を付加することも望ましい。
The central low-roughness region 22, the upper low-
<ダレ領域の作用> <Action of sagging area>
本第二実施形態のシリンダライナ10によれば、凹部14と内壁面12の境界となるエッジ近傍に、ダレ領域200が形成されることから、ピストンリング40とダレ領域200の干渉が低減される。結果、ピストンリング40と、凹部14及びその周囲の内壁面12の間が、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113となる場合において、油膜が安定的に形成され、摩擦力が低減される。
According to the
また、実際の測定や解析は困難であるものの、凹部14にダレ領域200を形成することで、凹部14内外の潤滑油の出入りが滑らかになると推測される。結果、凹部14内の潤滑油が、周囲の内壁面12に滑らかに案内されることで、内壁面12上の油膜形成が安定し得ると推測される。
Further, although actual measurement and analysis are difficult, it is presumed that by forming the sagging
更に、ダレ領域200の存在によって、ピストンリング40と凹部14のエッジに干渉が生じにくいので、凹部14のエッジやピストンリングの欠損が抑制される。結果、欠損片によって上側低粗さ領域23Aにヘアライン状のキズを形成する事象を低減できる。
Furthermore, the existence of the sagging
<上側低粗さ領域23Aの存在意義>
<Significance of Existence of Upper
既に述べたように、本実施形態では、凹部が重畳形成される中央低粗さ領域22よりも上死点側に、凹部が形成されない上側低粗さ領域23Aを備える。この上側低粗さ領域23Aの意義は次の通りである。ピストン30の上死点側は、燃焼室が存在することから高温環境となる。従って、シリンダライナ10の上死点側に凹部を形成して、凹部内にエンジンオイルを滞留させてしまうと、そのエンジンオイルが高温となり、気化することでオイル消費量が増大する。そこで、上側低粗さ領域23Aについては、凹部を形成しないことで、オイルの消費量を抑制する。一方、上側低粗さ領域23Aを本実施形態のように低粗さ化すると、潤滑不足が生じる可能性があるか、下側に隣接する中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14が潤滑油の貯留部として機能しており、この凹部14を介して、上側低粗さ領域23Aに潤滑油が積極的に供給されるので、潤滑不足が生じにくいという相乗効果も得られる。
As already described, in the present embodiment, the upper
また、ピストン30の上死点T側は、高温環境によってエンジンオイルの粘性も低下するので、油膜が形成されにくいが、上側低粗さ領域23Aによって表面粗さRaを0.120(μm)以下、好ましくは0.100(μm)以下とすることで、少ない油膜であっても積極的に流体潤滑領域または混在潤滑領域とする。仮に境界潤滑領域になったとしても、低粗さとなるので、摩擦係数が小さくて済む。更に、中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14に溜まる潤滑油によって、上側低粗さ領域23Aに対して潤滑油の供給できるので、上側低粗さ領域23Aにおける潤滑油不足も生じにくいという利点がある。
In addition, since the viscosity of the engine oil decreases due to the high temperature environment on the side of the top dead center T of the
<第二実施形態のシリンダライナとピストンリングの摺動構造> <Sliding Structure Between Cylinder Liner and Piston Ring of Second Embodiment>
図14(B)には、シリンダライナ10をピストンリング40が上死点Tから下死点Uに向かって相対移動する行程を示す。ピストンリング40が、上側低粗さ領域23Aを相対移動する際中は、行程線A、Lとなる。そして、ピストンリング40が、中央低粗さ領域22を通過する際は行程線Mとなる。その後、シリンダライナ10の下側低粗さ領域23Bを、ピストンリング40が下死点側に向かって相対移動している最中は、行程線N、Bとなる。
FIG. 14(B) shows a stroke in which the
本第二実施形態の内燃機関に係る摺動構造によれば、第一実施形態と同様に、中央低粗さ領域22によって、低速移動時の摩擦係数を小さくすることができる。また、低回転時の摩擦損失を低減することが可能となる。更に、ピストンリング40が通過する上側低粗さ領域23Aによって、オイル消費量を抑制することができる。
According to the sliding structure of the internal combustion engine of the second embodiment, as in the first embodiment, the central low-roughness region 22 can reduce the coefficient of friction during low-speed movement. In addition, it is possible to reduce friction loss during low rotation. Furthermore, the oil consumption can be suppressed by the upper low-
尚、本発明は、上記した実施の形態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内において種々変更を加え得ることは勿論である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
10 シリンダライナ
12 内壁面
14 凹部
20 行程中央部領域
22 中央低粗さ領域
23A 上側低粗さ領域
23B 下側低粗さ領域
25 外部領域
25A 上側外部領域
25B 下側外部領域
30 ピストン
40 ピストンリング
110 固体接触領域
112 境界潤滑領域
113 混在潤滑領域
114 流体潤滑領域
200 ダレ領域
10
Claims (20)
前記内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の全部又は一部となる行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、
前記凹部の側面には、以下の領域条件によって定義されるダレ領域が形成され、
(領域条件)
シリンダ軸方向に並ぶ少なくとも2つの前記凹部の形状を、隣接する複数の前記内壁面を含む状態で触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって、測定針先端半径2μm、断面曲線用のカットオフ値(波長)λsを2.5μmに設定して測定することで得られる断面曲線を基準とする:
複数の前記内壁面を抽出して最小二乗法を用いて単一直線に変換した線を内壁面基準高さ線と定義する:
前記内壁面基準高さ線から前記凹部の底側に0.15μmオフセットさせた線を、前記ダレ領域の上縁を意味する上部基準高さ線と定義する:
前記上部基準高さ線から前記凹部の底側に0.50μmオフセットさせた線を、前記ダレ領域の下縁を意味する下部基準高さ線と定義する:
前記内壁面から前記凹部の底面に向かう前記断面曲線が、該内壁面との境界近傍において、前記上部基準高さ線と最初に交差する上点と、前記下部基準高さ線と最初に交差する下点を結ぶ線分を、前記ダレ領域の仮想ダレ断面と定義する:
前記ダレ領域における前記仮想ダレ断面の前記内壁面を基準とした勾配の絶対値が、0.00625~0.0167の範囲内に設定されることを特徴とするシリンダ。 A cylinder in which a piston having a piston ring slides on an inner wall surface,
All of the inner wall surface between the lower surface position of the ring groove of the lowest piston ring at the top dead center of the piston and the upper surface position of the ring groove of the highest piston ring at the bottom dead center of the piston, or A plurality of recessed portions are formed in the stroke central region that becomes a part,
A sagging region defined by the following region conditions is formed on the side surface of the recess,
(area conditions)
The shape of the at least two recesses arranged in the cylinder axial direction is measured by a stylus surface roughness measuring machine (JIS B 0651: 2001) in a state including a plurality of adjacent inner wall surfaces, with a measuring needle tip radius of 2 μm and a cross-sectional curve. Based on the cross-sectional curve obtained by setting the cutoff value (wavelength) λs for 2.5 μm and measuring:
A line obtained by extracting a plurality of the inner wall surfaces and converting them into a single straight line using the method of least squares is defined as the reference height line of the inner wall surface:
A line offset from the inner wall surface reference height line to the bottom side of the recess by 0.15 μm is defined as an upper reference height line that means the upper edge of the sagging region:
A line offset by 0.50 μm from the upper reference height line to the bottom side of the recess is defined as a lower reference height line, which means the lower edge of the sagging region:
The cross-sectional curve extending from the inner wall surface to the bottom surface of the recess first intersects the lower reference height line and the upper point where the upper reference height line first intersects in the vicinity of the boundary with the inner wall surface. A line segment connecting the lower points is defined as a hypothetical sag section of the sag region:
A cylinder, wherein an absolute value of a gradient with respect to the inner wall surface of the imaginary sagging section in the sagging region is set within a range of 0.00625 to 0.0167.
請求項1に記載のシリンダ。 At least a part of the surface in contact with the piston ring in the stroke center region has a low central roughness such that the arithmetic mean roughness Ra of the profile curve measured by a stylus surface roughness measuring device is 0.140 μm or less. characterized in that a narrow region is formed,
A cylinder according to claim 1.
請求項2に記載のシリンダ。 characterized in that the recess having the sagging region is formed within the range of the central bottom roughness region,
3. A cylinder according to claim 2.
請求項2又は3に記載のシリンダ。 The arithmetic mean height Sa of the contour curved surface of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.20 μm or less,
A cylinder according to claim 2 or 3.
請求項2~4のいずれか一項に記載のシリンダ。 The protruding valley depth Svk of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.41 μm or less,
A cylinder according to any one of claims 2-4.
請求項2~5のいずれか一項に記載のシリンダ。 The height Spk of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.16 μm or less,
A cylinder according to any one of claims 2-5.
請求項2~6のいずれか一項に記載のシリンダ。 The level difference Sk of the core portion of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.53 μm or less,
A cylinder according to any one of claims 2-6.
請求の範囲2~7のいずれか一項に記載のシリンダ。 When the protruding peak height measured by the non-contact surface roughness measuring device in the central low roughness region is E (Spk) and the protruding valley depth is I (Svk), I / E is 2.6 or less,
The cylinder according to any one of claims 2-7.
請求の範囲2~8のいずれか一項に記載のシリンダ。 The arithmetic mean roughness Ra of the contour curve of the central low roughness region measured by a stylus surface roughness measuring instrument is 0.120 μm or less,
The cylinder according to any one of claims 2-8.
前記シリンダは、
前記内壁面のうち、前記ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の全部又は一部となる行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、
前記凹部の側面には、以下の領域条件によって定義されるダレ領域が形成され、
(領域条件)
シリンダ軸方向に並ぶ少なくとも2つの前記凹部の形状を、隣接する複数の前記内壁面を含む状態で触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって、測定針先端半径2μm、断面曲線用のカットオフ値(波長)λsを2.5μmに設定して測定することで得られる断面曲線を基準とする:
複数の前記内壁面を抽出して最小二乗法を用いて単一直線に変換した線を内壁面基準高さ線と定義する:
前記内壁面基準高さ線から前記凹部の底側に0.15μmオフセットさせた線を、前記ダレ領域の上縁を意味する上部基準高さ線と定義する:
前記上部基準高さ線から前記凹部の底側に0.50μmオフセットさせた線を、前記ダレ領域の下縁を意味する下部基準高さ線と定義する:
前記内壁面から前記凹部の底面に向かう前記断面曲線が、該内壁面との境界近傍において、前記上部基準高さ線と最初に交差する上点と、前記下部基準高さ線と最初に交差する下点を結ぶ線分を、前記ダレ領域の仮想ダレ断面と定義する:
前記ダレ領域における前記仮想ダレ断面の前記内壁面を基準とした勾配の絶対値が、0.00625~0.0167の範囲内に設定されることを特徴とする、
内燃機関の摺動構造。 A sliding structure for an internal combustion engine having a cylinder and a piston,
The cylinder is
All of the inner wall surface between the lower surface position of the ring groove of the lowest piston ring at the top dead center of the piston and the upper surface position of the ring groove of the highest piston ring at the bottom dead center of the piston, or A plurality of recessed portions are formed in the stroke central region that becomes a part,
A sagging region defined by the following region conditions is formed on the side surface of the recess,
(area condition)
The shape of the at least two recesses arranged in the cylinder axial direction is measured by a stylus surface roughness measuring machine (JIS B 0651: 2001) in a state including a plurality of adjacent inner wall surfaces, with a measuring needle tip radius of 2 μm and a cross-sectional curve. Based on the cross-sectional curve obtained by setting the cutoff value (wavelength) λs for 2.5 μm and measuring:
A line obtained by extracting a plurality of the inner wall surfaces and converting them into a single straight line using the method of least squares is defined as the reference height line of the inner wall surface:
A line offset from the inner wall surface reference height line to the bottom side of the recess by 0.15 μm is defined as an upper reference height line that means the upper edge of the sagging region:
A line offset by 0.50 μm from the upper reference height line to the bottom side of the recess is defined as a lower reference height line, which means the lower edge of the sagging region:
The cross-sectional curve extending from the inner wall surface to the bottom surface of the recess first intersects the lower reference height line and the upper point where the upper reference height line first intersects in the vicinity of the boundary with the inner wall surface. A line segment connecting the lower points is defined as a hypothetical sag section of the sag region:
The absolute value of the gradient with reference to the inner wall surface of the virtual sag section in the sag region is set within the range of 0.00625 to 0.0167,
Sliding structure for internal combustion engines.
請求項10に記載の内燃機関の摺動構造。 At least part of the surface in contact with the piston ring in the stroke center region of the cylinder has an arithmetic mean roughness Ra of a profile curve measured by a stylus type surface roughness measuring instrument of 0.140 μm or less. characterized in that a central low-roughness region is formed,
The sliding structure for an internal combustion engine according to claim 10.
請求項11に記載の内燃機関の摺動構造。 characterized in that the recess having the sagging region is formed within the range of the central bottom roughness region,
The sliding structure for an internal combustion engine according to claim 11.
請求項11又は12に記載の内燃機関の摺動構造。 The arithmetic mean height Sa of the contour curved surface of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.20 μm or less,
The sliding structure for an internal combustion engine according to claim 11 or 12.
請求項11~13のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。 The protruding valley depth Svk of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.41 μm or less,
A sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 11 to 13.
請求項11~14のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。 The height Spk of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.16 μm or less,
A sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 11 to 14.
請求項11~15のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。 The level difference Sk of the core portion of the central low-roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.53 μm or less,
A sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 11 to 15.
請求項11~16のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。 When the protruding peak height measured by the non-contact surface roughness measuring device in the central low roughness region is E (Spk) and the protruding valley depth is I (Svk), I / E is 2.6 or less,
A sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 11 to 16.
請求項11~17のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。 The arithmetic mean roughness Ra of the contour curve of the central low roughness region measured by a stylus surface roughness measuring instrument is 0.120 μm or less,
A sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 11 to 17.
請求項11~18のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。 The central low-roughness region includes the vicinity of the upper edge and the vicinity of the lower edge in the stroke central region,
A sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 11 to 18.
請求項11~19のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。 The entire stroke central region is the central low-roughness region,
A sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 11 to 19.
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