JP2023020383A - シリンダブロック、及びボア面の加工条件の設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低燃費と低ＬＯＣ／低ブローバイガスとを両立するボア面性状を提供する。【解決手段】シリンダブロック１のボア面２のＲｋ＋Ｒｐｋの値を所定値（例えば０．５μｍ）以下とし、ボア面２の油溜り量Ｖｏを所定値（例えば０．００５ｍｍ３／ｃｍ２）以上とし、ボア面２の表層油溜り量Ｄを所定値（例えば０．２５μｍ）以下とする。【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダブロック、及びボア面の加工条件の設定方法に関する。

一般的な内燃機関エンジンの実働時は、様々な部位で摺動抵抗が発生する。そのうち、シリンダブロックのボア面とピストンの外周面との間の摺動抵抗が最も大きいため、この部位のフリクション低減を行うことがエンジンの燃費向上に最も効果的である。

例えば、下記の特許文献１には、ボア面と摺動するピストンリングの外周面の十点平均粗さ（Ｒｚ）を０．７μｍ以下、且つ、初期摩耗粗さ（Ｒｐｋ）を０．０７～０．１４μｍとすることが示されている。これにより、初期なじみにおいて短時間で相手材の面粗度が改善され、大幅な摩擦損失低減効果を得ることができる、とされている。

また、下記の特許文献２には、シリンダブロックのボア面にレーザ加工により多数の微細な窪みを形成するにあたり、窪みを奥部側よりも口元側が開いた形状とすることが示されている。これにより、窪みに保有されるオイルを含む油膜のせん断抵抗が小さくなり、相手側部材との間の摩擦係数が小さくなる、とされている。

特開２００７－２３２０２６号公報 特開２００４－２３０４０２号公報

ボア面には、ホーニング加工等の研削あるいは研磨加工を施すことが一般的に行われる。この場合、ボア面には無数の線状の加工痕が残り、この加工痕が油溜まりとして機能する。従って、ボア面に形成される加工痕の本数を多くすれば、ボア面に保持されるオイル量が増えるため、両者の間のフリクションが低減されて低燃費化が図られる。しかし、ボア面に保持されるオイル量が増えると、燃焼室内で燃焼するオイル量が増えるため、ＬＯＣが悪化する。また、ボア面に、クランク室から燃焼室まで繋がる深溝の加工痕が形成されると、燃焼室内の燃焼ガスが加工痕を介してクランク室に侵入しやすくなるため、ブローバイガス量が増大する恐れがある。

そこで、本発明は、低燃費と低ＬＯＣ／低ブローバイガスとを両立するボア面性状を提供することを目的とする。

本発明者らは、ボア面が以下の条件を全て満たせば、低燃費と低ＬＯＣ／低ブローバイガスとを両立できることを見出した。
（１）Ｒｋ＋Ｒｐｋの値が所定値以下である。
（２）油溜り量Ｖｏが所定値以上である。
（３）表層油溜り量Ｄが所定値以下である。

油溜り量Ｖｏは下記の式で表され、ボア面の谷部に保持される単位面積当たりのオイル量を示している。
Ｖｏ＝（１００－Ｍｒ２）×Ｒｖｋ／２０００ ［ｍｍ^３／ｃｍ^２］

表層油溜り量Ｄは下記の式で表され、ボア面の表面付近に保持されるオイル量を示している。
Ｄ＝Ｒｋ×（１－（Ｍｒ１＋Ｍｒ２）／２００）＋Ｒｖｋ×（１／２－Ｍｒ２／２００） ［μｍ］

Ｒｋ、Ｒｐｋ、Ｒｖｋ、Ｍｒ１、およびＭｒ２は、ＪＩＳ Ｂ０６７１－２－２００２ (ＩＳ０１３５６５－２－１９９６) に規定するコア部のレベル差Ｒｋ、突出山部高さＲｐｋ、突出谷部深さＲｖｋ、コア部の負荷長さ率Ｍｒ１、Ｍｒ２である。具体的には、図６に示す粗さ曲線（左図）の負荷曲線（右図）において、横軸方向に４０％離れた２点を結ぶ直線（割線）を引き、傾斜が最も緩くなる割線を等価直線Ｌとする。この等価直線Ｌが、Ｍｒ＝０％及びＭｒ＝１００％の位置で縦軸と交わる点から、横軸と平行な水平直線Ｈ１、Ｈ２を引く。これらの二本の水平直線Ｈ１、Ｈ２の縦方向間隔が「コア部のレベル差Ｒｋ」である。また、負荷曲線のうち、上側の水平直線Ｈ１よりも上側の領域の縦方向寸法が「突出山部高さＲｐｋ」、下側の水平直線Ｈ２よりも下側の領域の縦方向寸法が「突出谷部深さＲｖｋ」である。また、各水平曲線Ｈ１、Ｈ２と負荷曲線との交点の横軸座標が「コア部の負荷長さ率Ｍｒ１、Ｍｒ２」である。

上記の条件（１）に示すようにボア面のＲｋ＋Ｒｐｋの値が所定値以下であることは、ボア面の粗さ曲線における山部及び中間部の割合が小さいこと、すなわち、ボア面に、ピストンリングと接触してフリクションが生じる山部が少ない状態を示す。

上記の条件（２）に示すようにボア面の油溜り量Ｖｏが所定値以上であることは、ボア面に保持されるオイル総量が多いことを示す。これにより、ボア面とシリンダとの摺動部に十分なオイルが供給されるため、低燃費化が図られる。

上記の条件（３）に示すようにボア面の表層油溜り量Ｄが所定値以下であることは、ボア面の表面付近に保持されるオイルが少ないことを示す。このように、本発明に係るボア面は、ボア面に保持されるオイル総量は多いが（条件（２））、ボア面の表層に保持されるオイルは少ない（条件（３））。すなわち、ボア面の谷部にオイルを保持してオイル総量を確保しながら、ボア面の表面付近に保持されるオイルを少なくしている。このように、ボア面の表面付近に保持されるオイルが少ないことで、燃焼室で燃焼するオイル量が低減され、ＬＯＣが改善される。

また、ボア面の山部高さが低く、且つ、ボア面の表面付近に保持されるオイル量が少ないことは、ボア面の表面にフラットな面が多いこと、すなわち、ボア面の加工痕（谷部）の本数が少ないことを表している。このように、ボア面の加工痕の本数が少ないことで、燃焼室の燃焼ガスが加工痕を介してクランク室に侵入しにくくなるため、ブローバイガス量が低減される。

具体的には、例えば、ボア面のＲｋ＋Ｒｐｋの値が０．５μｍ以下、ボア面の油溜り量Ｖｏが０．００５ｍｍ^３／ｃｍ^２以上、ボア面の表層油溜まり量Ｄが０．２５μｍ以下とされる。

加工痕のクロスハッチ角度は所定の範囲内に設定することが好ましく、具体的には、２０°以上４５°以下とすることが好ましい。

上記のようなボア面を得るための加工条件の設定方法は、シリンダブロックのボア面にホーニング加工を施す工程と、ホーニング加工後のボア面のＲｋ＋Ｒｐｋ、油溜り量Ｖｏ、表層油溜り量Ｄの値を測定する工程と、前記ボア面のＲｋ＋Ｒｐｋ、油溜り量Ｖｏ、表層油溜り量Ｄの値に基づいてホーニング加工条件を調整する工程とを有する。

以上のようなボア面性状を有するシリンダブロックによれば、低燃費と低ＬＯＣ／低ブローバイガスとを両立することができる。

シリンダブロックのボア面にホーニング加工を施す様子を示す断面図である。 （ａ）はボーリング加工後のボア面の断面図、（ｂ）は荒ホーニング加工後のボア面の断面図、（ｃ）は仕上げホーニング加工後のボア面の断面図、（ｄ）は超仕上げホーニング加工後のボア面の断面図である。 シリンダブロックの断面図である。 上図は、比較品のボア面を内周側から撮影した写真であり、下図は同ボア面の面粗度波形である。 上図は、実施品のボア面を内周側から撮影した写真であり、下図は同ボア面の面粗度波形である。 左図は、測定対象表面の粗さ曲線であり、右図は同粗さ曲線の負荷曲線である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

シリンダブロック１のボア面２は、図１に示すようなホーニングヘッド１０によりホーニング加工が施される。ホーニングヘッド１０は、ヘッド本体１１と、ヘッド本体１１の外周面に取り付けられた複数（例えば６個）の砥石１２とを有する。ホーニングヘッド１０をシリンダブロック１のボアの内周に挿入し、砥石１２をボア面２に押し付けながら回転させると共に、軸方向に往復動させることにより、ボア面２に研削あるいは研磨を施す。

ホーニング加工は、複数の工程に分けて行われる。本実施形態では、荒ホーニング加工、仕上げホーニング加工、及び超仕上げホーニング加工が順に行われる。

ホーニング加工前のボア面２には、図２（ａ）に示すように、ボーリング加工等の切削による粗い加工痕２ａ（例えば深さ２０μｍ程度）が形成されている。このボア面２に荒ホーニング加工を施すことにより、切削加工痕２ａが削り落とされ、図２（ｂ）に示すように、砥石による細かい加工痕２ｂ（例えば深さ５μｍ程度）が形成される。

その後、ボア面２に仕上げホーニング加工を施す。仕上げホーニング加工では、荒ホーニング加工の砥石よりも砥粒の細かい砥石１２が用いられる。これにより、荒ホーニングによる加工痕２ｂが削り落とされ、ボア面２の寸法が調整される。仕上げホーニング加工後のボア面２には、図２（ｃ）に示すように、荒ホーニング加工による加工痕２ｂよりも細かく、深谷部２ｄを有する加工痕２ｃ（例えば深さ２μｍ程度）が形成される。

その後、ボア面に超仕上げホーニング加工を施す。超仕上げホーニング加工では、仕上げホーニング加工の砥石よりも砥粒の細かい砥石１２が用いられる。これにより、図２（ｄ）に示すように、仕上げホーニング加工による加工痕２ｃの山部が削られて略平坦面２ｅが形成される。超仕上げホーニング加工後のボア面２には、仕上げホーニング加工で形成された深谷部２ｄが残っている。

上記のようなホーニング加工が施されたボア面２は、以下の条件（１）～（３）を全て満たしている。
（１）Ｒｋ＋Ｒｐｋが０．５μｍ以下（好ましくは０．２５μｍ以下）
（２）油溜り量Ｖｏが０．００５ｍｍ^３／ｃｍ^２以上（好ましくは０．００７ｍｍ^３／ｃｍ^２以上）
（３）表層油溜り量Ｄが０．２５μｍ以下（好ましくは０．２μｍ以下）

上記の条件（１）～（３）を満たすボア面２は、図２（ｄ）に示されるように、超仕上げによる極めて微小な凹凸を有する略平坦面２ｅと、略平坦面２ｅの谷部よりもはるかに深い深谷部２ｄが形成される。

上記の条件（２）より、ボア面２には十分な量のオイルが保持されるため、ボア面２とピストンとの摺動部に十分なオイルを供給して低燃費化を図ることができる。また、上記の条件（３）より、ボア面２の表面付近（山部）に保持されるオイルが少ないため、燃焼室で燃焼するオイル量が低減され、ＬＯＣが改善される。さらに、上記の条件（１）及び（３）より、ボア面２に形成される深谷部２ｄの本数が少ないため、加工痕（深谷部２ｄ）を介して燃焼室からクランク室に侵入する燃焼ガスが低減され、ブローバイガス量が低減される。以上により、ボア面２が上記の条件（１）～（３）を満たすことで、低燃費と低ＬＯＣ／低ブローバイガス量を両立させることが可能となる。

ホーニング加工の加工条件は、上記のようなボア面２が形成されるように調整される。具体的に、図２（ｄ）に示すような表面性状のボア面２を形成するためには、仕上げホーニング加工で、少ない本数の深谷部２ｄを深く掘り込むことが重要である｛図２（ｃ）参照｝。このために、仕上げホーニング加工の砥石の種類（砥粒の大きさや密集度、バインダーの種類等）やホーニングヘッド１０の制御条件（回転速度や加工時間等）を調整する。本実施形態では、シリンダヘッド１のサンプルのボア面２に所定の条件で上記のホーニング加工を施した後、ボア面２のＲｋ＋Ｒｐｋ、油溜り量Ｖｏ、表層油溜り量Ｄの値を測定する。そして、これらの値が上記の条件（１）～（３）を満たすように、ホーニング加工の加工条件を調整する。以上の工程を繰り返すことで、上記の条件（１）～（３）を満たすボア面２を形成するためのホーニング加工の加工条件が設定される。

ホーニング加工が施されたボア面２には、図３に示すように、クロスハッチ状の加工痕が形成され、図示例では深谷部２ｄが線として現れている。ボア面２の加工痕のクロスハッチ角度θは所定の範囲内であることが好ましく、具体的には２０°以上４５°以下に設定することが好ましい。本実施形態では、加工痕のクロスハッチ角度θが３０°に設定される。

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、ホーニング加工のうち、超仕上げホーニング加工を省略してもよい。この場合、エンジンの完成時のボア面２は図２（ｃ）に示すような表面性状を有しているが、慣らし運転時にボア面２とピストンが摺動することにより、ボア面２の山部が削られて、図２（ｄ）と同様のボア面２が形成される。この場合、工程数が削減されるため、生産性の向上及び製造コストの低減が図られる。一方、上記のように超仕上げホーニング加工を施せば、エンジンの完成時に既に上記の条件（１）～（３）を満たすボア面２が形成されているため、運転初期から低燃費、低ＬＯＣ、低ブローバイガスの特性を有している。何れの場合でも、所定時間以上（例えば１００時間以上）の慣らし運転後のボア面２が、上記の条件（１）～（３）を満たしている。

また、超仕上げホーニングの後に、さらに細かい砥石でホーニング加工（例えば、バリ取りホーニング加工）を施してもよい。

本発明の効果を確認するため、以下の試験を行った。

まず、ボア面性状の異なる２種類のシリンダブロック（比較品及び実施品）を形成した。比較品及び実施品のボア面には、上記の実施形態のように荒ホーニング加工、仕上げホーニング加工、及び超仕上げホーニング加工が施されており、仕上げホーニング加工の加工条件（特に、砥石の種類）が異なる。比較品及び実施品を用いてエンジンを組み立て、それぞれについてモータリングベンチで慣らし運転を行った。慣らし運転は、一定の回転数２０００ｒｐｍで１００時間以上行った。エンジンオイルは、粘度が０Ｗ―１６のものを使用した。

慣らし運転を行った後、比較品及び実施品のボア面のうち、ピストンとの摺動領域の上部、中部、下部において、それぞれ周方向に離間した３か所（合計９か所）で写真及び面粗度波形を取得した。図４は、比較品のボア面の一箇所における写真及び面粗度波形を示し、図５は、実施品のボア面の一箇所における写真及び面粗度波形を示す。そして、比較品、実施品のそれぞれにおいて、各部の面粗度波形からＲｐｋ、Ｒｋ、Ｒｖｋ、Ｍｒ１、およびＭｒ２の値を算出し、これらの値の平均値に基づいて下記の表１に示す各パラメータの値を算出した。

また、慣らし運転後の比較品及び実施品を有するエンジンを用いて、運転時のフリクショントルク（すなわちメカニカルロス）、ＬＯＣ、及びブローバイガス量を測定した。具体的には、エンジンのクランク軸とモータとの間にトルク計を挟んで取り付け、モータでエンジンのクランク軸を回転させたときのトルク計の値をフリクショントルクとした。その結果、実施品の運転時のフリクショントルクは、比較品よりも１０～２０％程度小さかった。従って、実施品は比較品よりもメカニカルロスが少ない、すなわちボア面とピストンとの間のフリクションが小さく、燃費低減が期待できることが確認された。また、比較品は、優れたＬＯＣ及びブローバイガス量を示すものであり、実施品でもこれと同等のＬＯＣ及びブローバイガス量が得られた。以上より、ボア面のＲｋ＋Ｒｐｋの値が０．５μｍ以下であり、油溜り量Ｖｏが０．００５ｍｍ^３／ｃｍ^２以上であり、表層油溜り量Ｄが０．２５μｍ以下である実施品は、これらの条件を満たさない比較品と比べて、燃費が低減されると共に、低ＬＯＣ／低ブローバイガス量を維持できることが確認された。

すなわち、ボア面のＲｋ＋Ｒｐｋの値については値をある一定以下とし、さらに前記ボア面の油溜り量Ｖｏについてはある一定以上とする一方で、前記ボア面の表層油溜り量Ｄについてはある一定以下とするという、相反するとも考えられる設定条件とすることで、燃費の低減共に、低ＬＯＣ／低ブローバイガス量の維持に寄与できることを見出した。

１ シリンダブロック
２ ボア面
２ａ 加工痕
２ｂ 加工痕
２ｃ 加工痕
２ｄ 深谷部
２ｅ 平坦面
１０ ホーニングヘッド
１１ ヘッド本体
１２ 砥石
θ クロスハッチ角度

Claims (4)

1. ボア面のＲｋ＋Ｒｐｋの値が所定値以下であり、
   前記ボア面の油溜り量Ｖｏが所定値以上であり、
   前記ボア面の表層油溜り量Ｄが所定値以下であるシリンダブロック。
2. ボア面のＲｋ＋Ｒｐｋの値が０．５μｍ以下であり、
   前記ボア面の油溜り量Ｖｏが０．００５ｍｍ^３／ｃｍ^２以上であり、
   前記ボア面の表層油溜り量Ｄが０．２５μｍ以下である請求項１に記載のシリンダブロック。
3. 前記ボア面に形成される加工痕のクロスハッチ角度が２０°以上４５°以下である請求項１又は２に記載のシリンダブロック。
4. シリンダブロックのボア面にホーニング加工を施す工程と、
   ホーニング加工後の前記ボア面のＲｋ＋Ｒｐｋ、油溜り量Ｖｏ、表層油溜り量Ｄの値を測定する工程と、
   前記ボア面のＲｋ＋Ｒｐｋ、油溜り量Ｖｏ、表層油溜り量Ｄの値に基づいてホーニング加工条件を調整する工程とを有するボア面の加工条件の設定方法。

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