JP4006644B2

JP4006644B2 - 内燃機関用動弁機構

Info

Publication number: JP4006644B2
Application number: JP2003197732A
Authority: JP
Inventors: 豊馬渕; 眞加納; 孝浩浜田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2023-07-16
Also published as: JP2005036666A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カムシャフトと該カムシャフトとバルブステムの間に介在するバルブリフターから成り、例えば自動車用のエンジンにおいて、カムシャフトの回転を吸排気バルブの開閉作動に変換する動弁機構に係わり、さらに詳しくはアルミニウム合金を用いた軽量カムシャフトと低摩擦バルブリフターを組合せることによって、摩擦特性及び耐摩耗性を向上させた内燃機関用動弁機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の内燃機関におけるカムシャフトの軽量化技術としては、カム（カムロブ）をアルミニウム合金のダイカストによって成形し、鋼管の側面にはんだ付けによって接合することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１記載の組立カムシャフトにおいては、カムの原料として、ＪＩＳＨ５２０２に規定されるＡＣ４Ｃ材（Ａｌ−９％Ｓｉ−０．５％Ｍｇ）を使用し、これに強化材としてのアルミナあるいは炭化ケイ素を分散させることによって耐摩耗性を確保するようにしているが、相手攻撃性が強く、摺動相手材であるバルブリフターが摩耗する場合がある。
【０００３】
また、アルミニウム合金中に１６％以上のＳｉを含有させた軽量カムシャフトも知られており、この場合、Ｓｉの添加によって自身の耐摩耗性が向上する一方、分散されたＳｉ相の硬度がさほど高くならないために相手攻撃性が低く、自身のカムロブの摩耗抑制と相手摺動部材の摩耗抑制とを両立させることができる（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２５６８１９号公報
【特許文献１】
特開２００１−２１４７１１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に記載の軽量カムシャフトにおいては、１６％以上のものＳｉを含有するため、原料費の上昇と被削性の悪化によるコストアップという問題点があり、Ｓｉなどの添加元素をできるだけ削減してコスト低減を図りながら、相手攻撃性を高めることなく自身の耐摩耗性を確保することが従来の軽量カムシャフトにおける課題となっていた。
【０００６】
本発明は、従来の軽量カムシャフトにおける上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、カムシャフトのカムロブとこれに摺接するバルブリフター間の摩擦抵抗を軽減して、これらの耐摩耗性を低コストで両立させることができ、内燃機関の性能及び信頼性を向上させると共に、その燃費を改善することができる内燃機関用動弁機構を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を達成すべく、カムロブと相手摺動部材であるバルブリフターとの間に生じる摩擦力を軽減するため、カムロブ材料や表面処理、さらにはこれら部材間の摺動面に介在する潤滑材成分について鋭意検討を重ねた結果、カムロブと摺接するバルブリフターの冠面に水素含有量の少ない炭素系硬質薄膜を成膜すると共に、特定の無灰摩擦調整剤を添加した潤滑油を用いることによって、Ｓｉ含有量を増すことなくカムロブ部の耐摩耗性を向上させることができると共に、バルブリフターと間の摩擦特性を大幅に向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明の内燃機関用動弁機構は、上記知見に基づくものであって、少なくともカムロブ部がアルミニウム合金から成るカムシャフトと、上記カムロブと潤滑油を介して摺動する直動バルブリフターを備え、上記潤滑油が脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び／又は脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤を含有すると共に、上記アルミニウム合金が２％以上のＳｉを含有し、さらにカムロブとの摺動面であるバルブリフターの冠面に水素含有量が１ａｔ％以下である非晶質硬質炭素薄膜から成る被膜がＰＶＤ法によって施されていることを特徴としている。また、同様の潤滑油を介して摺動する同様のカムシャフトとバルブリフターを備えた内燃機関用動弁機構であって、上記アルミニウム合金が３〜４％のＳｉを含有し、さらにバルブリフターの冠面に水素含有量が１ａｔ％以下の非晶質硬質炭素薄膜から成る被膜が施され、上記カムシャフトのカムロブのノーズ部における表面粗さＲａが０．０３〜０．１２μｍ、望ましくは０．０３〜０．０７μｍであると共に、上記バルブリフターの冠面上に形成された非晶質炭素薄膜の表面粗さＲａが０．０１〜０．０３μｍであることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、更に詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を示すものとする。なお、非晶質硬質炭素薄膜中の水素含有量については、ａｔ（原子）％とする。
【００１０】
図１は、本発明の内燃機関用動弁機構の構成を示す概略図であって、図に示す動弁機構は、カムロブ１ａを備えたカムシャフト１と、バルブステム３の上端部に装着されたバルブリフター２から成り、バルブステム３は、バルブリフター２と共に、圧縮コイルスプリング４によって図中上方に付勢され、閉弁状態に保持されている。
カムシャフト１が回転すると、カムロブ１ａがバルブリフター２と共にバルブステム３を押し下げることによって開弁するようになっており、カムシャフト１の回転速度に応じた周期でバルブの開閉が行われることになる。
【００１１】
本発明の動弁機構においては、上記カムシャフト１のカムロブ１ａがアルミニウム合金材料から成り、少なくとも２％のＳｉを含有していることから耐摩耗性が確保されると共に、カムロブ１ａとの摺動面であるバルブリフター２の冠面に、１０ａｔ％以下の水素を含有する非晶質硬質炭素薄膜２ａによる被覆が施してあり、これらの摺動面が脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び／又は脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤を含有する潤滑油によって潤滑されていることから、カムロブ−バルブリフター間の摩擦抵抗が大幅に低減し、カムロブ１ａの摩耗量も大幅に減少することになる。
【００１２】
上記カムシャフト１は、図２に示すような形状を有し、例えば、図２（ａ）に示すように、カムロブ部１ａのみを上記したような少なくとも４％のＳｉを含有するアルミニウム合金から鋳造や粉末鍛造などによって成形したのち、金属管１ｂの外周部に接合することによって製造することができる（組み立てカムシャフト）。当然のことながら、図２（ｂ）に示すような一体カムシャフトを採用することもでき、少なくともカムロブ１ａの部分が上記のようなアルミニウム合金から成るものであれば、製造方法については特に限定されない。
また、上記組み立てカムシャフトにおける金属管１ｂの素材についても特に限定されないが、軽量化の観点からは、アルミニウムやマグネシウム合金などの軽量金属合金を用いることが好ましい。
【００１３】
上記アルミニウム合金においては、Ｓｉ含有量が増すほど、耐摩耗性が向上する傾向が認められる。但し、Ｓｉ含有量が余りに多くなると、上記したように被削性が劣化し、原料費の上昇と相俟ってコスト的なデメリットが生じるようになるので注意を要する。
【００１４】
上記カムシャフト１のカムロブ１ａの表面粗さ、すなわちバルブリフター２の冠面に形成された硬質炭素薄膜２ａに摺接するカムロブノーズ部の表面粗さについては、Ｒａで０．０８μｍ以下であることが摺動の安定性の面から望ましい。すなわち、カムロブ１ａのノーズ部における表面粗さＲａが０．０８μｍを超えると、表面粗さの突起による硬質炭素薄膜２ａの割れを防止できなくなる可能性がある。
【００１５】
一方、バルブリフター２は、図３に示すようなカップ状をなし、上記したように、例えばアルミニウム合金などから成る基材におけるカムロブ１ａとの摺接面である冠面上に非晶質硬質炭素薄膜２ａが成膜してある。
【００１６】
上記非晶質硬質炭素薄膜２ａとしては、例えば炭素原子を主として構成されるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）材料を用いることができる。
このＤＬＣ材料は、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ^３結合）とグラファイト結合（ＳＰ^２結合）の両方から成る。具体的には、炭素元素だけから成るａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）等の金属元素を一部に含むＭｅＣなどを好適に用いることができる。
【００１７】
硬質炭素薄膜２ａ中の水素含有量が増加すると摩擦係数が増すことから、潤滑油中での摺動時の摩擦係数を十分に低下させ、より安定した摺動特性を確保するためには、１ａｔ％以下とする必要がある。
【００１８】
そして、このような水素含有量の低い硬質炭素薄膜は、例えばスパッタリング法やイオンプレーティング法など、水素や水素含有化合物を実質的に使用しないＰＶＤ法によって成膜することによって得られる。
この場合、成膜時に水素を含まないガスを用いるだけでなく、場合によっては反応容器や基材保持具のベーキングや、基材表面のクリーニングを十分に行ったうえで成膜することが被膜中の水素量を減らすために望ましい。
【００１９】
また、上記硬質炭素薄膜２ａの表面粗さについては、Ｒａ（中心線平均粗さ）で０．０４μｍ以下とすることが望ましく、これによって上記摩擦調整剤を含有する潤滑油のもとで、両部材の摺動状態が長期に亘って安定に維持されるようになる。このとき、平均粗さＲａが０．０４μｍを超えると、局部的にメタルコンクトが生じ、摩擦係数が大幅に増加する傾向があり、また、相手カム材の摩耗を増加させる。
なお、硬質炭素薄膜の表面粗さについては、成膜前の素材表面粗さによってほぼ決定され、成膜面の表面粗さが実質的に硬質炭素薄膜の表面粗さとなることから、成膜前の素材表面粗さをＲｚで２μｍ以下とすれば、Ｒｚ＝２μｍ以下の表面粗さを備えた硬質炭素薄膜を得ることができる。
【００２０】
次に、本発明に用いる潤滑油の組成について詳細に説明する。
本発明に用いる潤滑油は、潤滑油基油に、脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び／又は脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤を含有させたものであって、このような潤滑油をバルブリフター２の硬質炭素薄膜２ａとカムロブ１ａとの摺接面に介在させることによって両部材が極めて低摩擦で摺動し得るようになる。
【００２１】
ここで、上記潤滑油基油としては特に限定されるものではなく、鉱油、合成油、油脂及びこれらの混合物など、潤滑油の基油として通常使用されるものであれば、種類を問わず使用することができる。
鉱油としては、具体的には、原油を常圧蒸留及び減圧蒸留して得られた潤滑油留分を溶剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、水素化精製、硫酸洗浄、白土処理等の精製処理等を適宜組み合わせて精製したパラフィン系又はナフテン系等の油やノルマルパラフィン等が使用でき、溶剤精製、水素化精製処理したものが一般的であるが、芳香族分をより低減することが可能な高度水素化分解プロセスやＧＴＬＷａｘ（ガス・トウー・リキッド・ワックス）を異性化した手法で製造したものを用いることがより好ましい。
【００２２】
合成油としては、具体的には、ポリ−α−オレフィン（例えば、１−オクテンオリゴマー、１−デセンオリゴマー、エチレン−プロピレンオリゴマー等）、ポリ−α−オレフィンの水素化物、イソブテンオリゴマー、イソブテンオリゴマーの水素化物、イソパラフィン、アルキルベンゼン、アルキルナフタレン、ジエステル（例えば、ジトリデシルグルタレート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジオクチルセバケート等）、ポリオールエステル（例えば、トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、トリメチロールプロパンイソステアリネート等のトリメチロールプロパンエステル；ペンタエリスリトール２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールペラルゴネート等のペンタエリスリトールエステル）、ポリオキシアルキレングリコール、ジアルキルジフェニルエーテル、ポリフェニルエーテル等が挙げられる。中でも、１−オクテンオリゴマー、１−デセンオリゴマー等のポリ−α−オレフイン又はその水素化物が好ましい例として挙げられる。
【００２３】
本発明に用いる潤滑油の基油は、鉱油系基油又は合成系基油を単独あるいは混合して用いる以外に、２種類以上の鉱油系基油、あるいは２種類以上の合成系基油の混合物であっても差し支えない。また、上記混合物における２種類以上の基油の混合比も特に限定されず任意に選ぶことができる。
【００２４】
潤滑油基油中の硫黄分について、特に制限はないが、基油全量基準で、０．２％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１％以下、さらには０．０５％以下であることが好ましい。特に、水素化精製鉱油や合成系基油の硫黄分は、０．００５％以下、あるいは実質的に硫黄分を含有していない（５ｐｐｍ以下）ことから、これらを基油として用いることが好ましい。
【００２５】
また、潤滑油基油中の芳香族含有量についても、特に制限はないが、内燃機関用潤滑油組成物として長期間低摩擦特性を維持するためには、全芳香族含有量が１５％以下であることが好ましく、より好ましくは１０％以下、さらには５％以下であることが好ましい。即ち、潤滑油基油の全芳香族含有量が１５％を超える場合には、酸化安定性が劣るため好ましくない。
なお、ここで言う全芳香族含有量とは、ＡＳＴＭＤ２５４９に規定される方法に準拠して測定される芳香族留分（ａｒｏｍａｔｉｃｓｆｒａｃｔｉｏｎ）含有量を意味している。
【００２６】
潤滑油基油の動粘度にも、特に制限はないが、内燃機関用潤滑油として使用する場合には、１００℃における動粘度が２ｍｍ^２／ｓ以上であることが好ましく、より好ましくは３ｍｍ^２／ｓ以上である。一方、その動粘度は、２０ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましく、１０ｍｍ^２／ｓ以下、特に８ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましい。潤滑油基油の１００℃における動粘度が２ｍｍ^２／ｓ未満である場合には、十分な耐摩耗性が得られない上に蒸発特性が劣る可能性があるため好ましくない。一方、動粘度が２０ｍｍ^２／ｓを超える場合には低摩擦性能を発揮しにくく、低温性能が悪くなる可能性があるため好ましくない。本発明においては、上記基油の中から選ばれる２種以上の基油を任意に混合した混合物等が使用でき、１００℃における動粘度が上記の好ましい範囲内に入る限りにおいては、基油単独の動粘度が上記以外のものであっても使用可能である。
【００２７】
また、潤滑油基油の粘度指数にも、特別な制限はないが、８０以上であることが好ましく、１００以上であることがさらに好ましく、特に内燃機関用潤滑油として使用する場合には、１２０以上であることが好ましい。潤滑油基油の粘度指数を高めることでよりオイル消費が少なく、低温粘度特性、省燃費性能に優れた内燃機関用潤滑油を得ることができる。
【００２８】
上記脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び／又は脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤としては、炭素数６〜３０、好ましくは炭素数８〜２４、特に好ましくは炭素数１０〜２０の直鎖状又は分枝状炭化水素基を有する脂肪酸エステル、脂肪酸アミン化合物、及びこれらの任意混合物を挙げることができる。炭素数が６〜３０の範囲外のときは、摩擦低減効果が十分に得られない可能性がある。
【００２９】
炭素数６〜３０の直鎖状又は分枝状炭化水素基としては、具体的には、へキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、トリコシル基、テトラコシル基、ペンタコシル基、ヘキサコシル基、ヘプタコシル基、オクタコシル基、ノナコシル基、トリアコンチル基等のアルキル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、トリデセニル基、テトラデセニル基、ペンタデセニル基、ヘキサデセニル基、ヘプタデセニル基、オクタデセニル基、ノナデセニル基、イコセニル基、ヘンイコセニル基、ドコセニル基、トリコセニル基、テトラコセニル基、ペンタコセニル基、ヘキサコセニル基、ヘプタコセニル基、オクタコセニル基、ノナコセニル基、トリアコンテニル基等のアルケニル基などを挙げることができる。
なお、上記アルキル基及びアルケニル基には、考えられる全ての直鎖状構造及び分枝状構造が含まれ、また、アルケニル基における二重結合の位置は任意である。
【００３０】
また、上記脂肪酸エステルとしては、かかる炭素数６〜３０の炭化水素基を有する脂肪酸と脂肪族１価アルコール又は脂肪族多価アルコールとのエステルなどを例示でき、具体的には、グリセリンモノオレート、グリセリンジオレート、ソルビタンモノオレート、ソルビタンジオレートなどを特に好ましい例として挙げることができる。
上記脂肪族アミン化合物としては、脂肪族モノアミン又はそのアルキレンオキシド付加物、脂肪族ポリアミン、イミダゾリン化合物等、及びこれらの誘導体等を例示できる。具体的には、ラウリルアミン、ラウリルジエチルアミン、ラウリルジエタノールアミン、ドデシルジプロパノールアミン、パルミチルアミン、ステアリルアミン、ステアリルテトラエチレンペンタミン、オレイルアミン、オレイルプロピレンジアミン、オレイルジエタノールアミン、Ｎ−ヒドロキシエチルオレイルイミダゾリン等の脂肪族アミン化合物や、これら脂肪族アミン化合物のＮ，Ｎ−ジポリオキシアルキレン−Ｎ−アルキル（又はアルケニル）（炭素数６〜２８）等のアミンアルキレンオキシド付加物、これら脂肪族アミン化合物に炭素数２〜３０のモノカルボン酸（脂肪酸等）や、シュウ酸、フタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等の炭素数２〜３０のポリカルボン酸を作用させて、残存するアミノ基及び／又はイミノ基の一部又は全部を中和したりアミド化した、いわゆる酸変性化合物等が挙げられる。好適な例としては、Ｎ，Ｎ−ジポリオキシエチレン−Ｎ−オレイルアミン等が挙げられる。
【００３１】
また、本発明に用いる潤滑油に含まれる脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び／又は脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤の含有量は、特に制限はないが、組成物全量基準で、０．０５〜３．０％であることが好ましく、更に好ましくは０．１〜２．０％、特に好ましくは０．５〜１．４％であることがよい。上記含有量が０．０５％未満であると摩擦低減効果が小さくなり易く、３．０％を超えると潤滑油組成物への溶解性や貯蔵安定性が著しく悪化し、沈殿物が発生し易いので、好ましくない。
【００３２】
一方、本発明に用いる潤滑油は、ポリブテニルコハク酸イミド及び／又はその誘導体を含有することが好適である。
上記ポリブテニルコハク酸イミドとしては、次の一般式（１）及び（２）
【００３３】
【化１】

【００３４】
【化２】

で表される化合物が挙げられる。これら一般式におけるＰＩＢは、ポリブテニル基を示し、高純度イソブテン又は１−ブテンとイソブテンの混合物をフッ化ホウ素系触媒又は塩化アルミニウム系触媒で重合させて得られる数平均分子量が９００〜３５００、望ましくは１０００〜２０００のポリブテンから得られる。上記数平均分子量が９００未満の場合は清浄性効果が劣り易く、３５００を超える場合は低温流動性に劣り易いため、望ましくない。
また、上記一般式におけるｎは、清浄性に優れる点から１〜５の整数、より望ましくは２〜４の整数であることがよい。更に、上記ポリブテンは、製造過程の触媒に起因して残留する微量のフッ素分や塩素分を吸着法や十分な水洗等の適切な方法により、５０ｐｐｍ以下、より望ましくは１０ｐｐｍ以下、特に望ましくは１ｐｐｍ以下まで除去してから用いることもよい。
【００３５】
さらに、上記ポリブテニルコハク酸イミドの製造方法としては、特に限定はないが、例えば、上記ポリブテンの塩素化物又は塩素やフッ素が充分除去されたポリブテンと無水マレイン酸とを１００〜２００℃で反応させて得られるポリブテニルコハク酸を、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン等のポリアミンと反応させることにより得ることができる。
【００３６】
一方、上記ポリブテニルコハク酸イミドの誘導体としては、上記般式（１）又は（２）で表される化合物に、ホウ素化合物や含酸素有機化合物を作用させて、残存するアミノ基及び／又はイミノ基の一部又は全部を中和したり、アミド化した、いわゆるホウ素変性又は酸変性化合物を例示できる。その中でもホウ素含有ポリブテニルコハク酸イミド、特にホウ素含有ビスポリブテニルコハク酸イミドが最も好ましいものとして挙げられる。
【００３７】
上記ホウ素化合物としては、ホウ酸、ホウ酸塩、ホウ酸エステル等が挙げられる。具体的には、上記ホウ酸として、オルトホウ酸、メタホウ酸及びテトラホウ酸などが挙げられる。また、上記ホウ酸塩としては、アンモニウム塩等、具体的には、例えばメタホウ酸アンモニウム、四ホウ酸アンモニウム、五ホウ酸アンモニウム、八ホウ酸アンモニウム等のホウ酸アンモニウムが好適例として挙げられる。また、ホウ酸エステルとしては、ホウ酸と好ましくは炭素数１〜６のアルキルアルコールとのエステル、より具体的には例えば、ホウ酸モノメチル、ホウ酸ジメチル、ホウ酸トリメチル、ホウ酸モノエチル、ホウ酸ジエチル、ホウ酸トリエチル、ホウ酸モノプロピル、ホウ酸ジプロピル、ホウ酸トリププロピル、ホウ酸モノブチル、ホウ酸ジブチル、ホウ酸トリブチル等が好適例として挙げられる。なお、ホウ素含有ポリブテニルコハク酸イミドにおけるホウ素含有量Ｂと窒素含有量Ｎとの質量比「Ｂ／Ｎ」は、通常０．１〜３であり、好ましくは、０．２〜１である。
また、上記含酸素有機化合物としては、具体的には、例えばぎ酸、酢酸、グリコール酸、プロピオン酸、乳酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ラウリン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、ペンタデカン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、オレイン酸、ノナデカン酸、エイコサン酸等の炭素数１〜３０のモノカルボン酸や、シュウ酸、フタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等の炭素数２〜３０のポリカルポン酸並びにこれらの無水物、又はエステル化合物、炭素数２〜６のアルキレンオキサイド、ヒドロキシ（ポリ）オキシアルキレンカーボネート等が挙げられる
【００３８】
なお、本発明に用いる潤滑油において、ポリブテニルコハク酸イミド及び／又はその誘導体の含有量は特に制限されないが、０．１〜１５％が望ましく、より望ましくは１．０〜１２％であることが好ましい。０．１％未満では清浄性効果に乏しくなることがあり、１５％を超えると含有量に見合う清浄性効果が得られにくく、抗乳化性が悪化し易い。
【００３９】
更にまた、本発明に用いる潤滑油は、次の一般式（３）
【００４０】
【化３】

で表されるジチオリン酸亜鉛を含有することが好適である。
上記式（３）中のＲ^４、Ｒ^５、Ｒ^６及びＲ^７は、それぞれ別個に炭素数１〜２４の炭化水素基を示す。これら炭化水素基としては、炭素数１〜２４の直鎖状又は分枝状のアルキル基、炭素数３〜２４の直鎖状又は分枝状のアルケニル基、炭素数５〜１３のシクロアルキル基又は直鎖状若しくは分枝状のアルキルシクロアルキル基、炭素数６〜１８のアリール基又は直鎖状若しくは分枝状のアルキルアリール基、炭素数７〜１９のアリールアルキル基等のいずれかであることが望ましい。また、アルキル基やアルケニル基は、第１級、第２級及び第３級のいずれであってもよい。
【００４１】
上記Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６及びＲ^７としては、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、へキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、トリコシル基、テトラコシル基等のアルキル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ブタジエニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、トリデセニル基、テトラデセニル基、ペンタデセニル基、ヘキサデセニル基、ヘプタデセニル基、オレイル基等のオクタデセニル基、ノナデセニル基、イコセニル基、ヘンイコセニル基、ドコセニル基、トリコセニル基、テトラコセニル基等のアルケニル基、シクロペンチル基、シクロへキシル基、シクロヘプチル基等のシクロアルキル基、メチルシクロペンチル基、ジメチルシクロペンチル基、エチルシクロペンチル基、プロピルシクロペンチル基、エチルメチルシクロペンチル基、トリメチルシクロペンチル基、ジエチルシクロペンチル基、エチルジメチルシクロペンチル基、プロピルメチルシクロペンチル基、プロピルエチルシクロペンチル基、ジ−プロピルシクロペンチル基、プロピルエチルメチルシクロペンチル基、メチルシクロへキシル基、ジメチルシクロへキシル基、エチルシクロへキシル基、プロピルシクロへキシル基、エチルメチルシクロへキシル基、トリメチルシクロへキシル基、ジエチルシクロヘキシル基、エチルジメチルシクロヘキシル基、プロピルメチルシクロヘキシル基、プロピルエチルシクロヘキシル基、ジ−プロピルシクロへキシル基、プロピルエチルメチルシクロヘキシル基、メチルシクロヘプチル基、ジメチルシクロヘプチル基、エチルシクロヘプチル基、プロピルシクロヘプチル基、エチルメチルシクロヘプチル基、トリメチルシクロヘプチル基、ジエチルシクロヘプチル基、エチルジメチルシクロヘプチル基、プロピルメチルシクロヘプチル基、プロピルエチルシクロヘプチル基、ジ−プロピルシクロヘプチル基、プロピルエチルメチルシクロヘプチル基等のアルキルシクロアルキル基、フェニル基、ナフチル基等のアリール基、トリル基、キシリル基、エチルフェニル基、プロピルフェニル基、エチルメチルフェニル基、トリメチルフェニル基、ブチルフェニル基、プロピルメチルフェニル基、ジエチルフェニル基、エチルジメチルフェニル基、テトラメチルフェニル基、ペンチルフェニル基、ヘキシルフェニル基、ヘプチルフェニル基、オクチルフェニル基、ノニルフェニル基、デシルフェニル基、ウンデシルフェニル基、ドデシルフェニル基等のアルキルアリール基、ベンジル基、メチルベンジル基、ジメチルベンジル基、フェネチル基、メチルフェネチル基、ジメチルフェネチル基等のアリールアルキル基、等が例示できる。
なお、Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６及びＲ^７がとり得る上記炭化水素基には、考えられる全ての直鎖状構造及び分枝状構造をが含まれ、また、アルケニル基の二重結合の位置、アルキル基のシクロアルキル基への結合位置、アルキル基のアリール基への結合位置、及びアリール基のアルキル基への結合位置は任意である。また、上記炭化水素基の中でも、その炭化水素基が、直鎖状又は分柱状の炭素数１〜１８のアルキル基である場合若しくは炭素数６〜１８のアリール基、又は直鎖状若しくは分枝状アルキルアリール基である場合が特に好ましい。
【００４２】
上記ジチオリン酸亜鉛の好適な具体例としては、例えば、ジイソプロピルジチオリン酸亜鉛、ジイソブチルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｓｅｃ−ブチルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｓｅｃ−ペンチルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｎ−ヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｓｅｃ−ヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジ−オクチルジチオリン酸亜鉛、ジ−２−エチルヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｎ−デシルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｎ−ドデシルジチオリン酸亜鉛、ジイソトリデシルジチオリン酸亜鉛、及びこれらの任意の組合せに係る混合物等が挙げられる。
【００４３】
また、上記ジチオリン酸亜鉛の含有量は、特に制限されないが、より高い摩擦低減効果を発揮させる観点から、潤滑油全量基準且つリン元素換算量で、０．１％以下であることが好ましく、また０．０６％以下であることがより好ましく、更にはジチオリン酸亜鉛が含有されないことが特に好ましい。ジチオリン酸亜鉛の含有量がリン元素換算量で０．１％を超えると、ＤＬＣ部材と鉄基部材との摺動面における上記脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤や上記脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤の優れた摩擦低減効果が阻害されるおそれがある。
【００４４】
上記ジチオリン酸亜鉛の製造方法としては、従来方法を任意に採用することができ、特に制限されないが、具体的には、例えば、上記Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６及びＲ^７に対応する炭化水素基を持つアルコール又はフェノールを五二硫化りんと反応させてジチオリン酸とし、これを酸化亜鉛で中和させることにより合成することができる。なお、上記ジチオリン酸亜鉛の構造は、使用する原料アルコールによって異なることは言うまでもない。
本発明においては、上記一般式（３）に包含される２種以上のジチオリン酸亜鉛を任意の割合で混合して使用することもできる。
【００４５】
上述のように、本発明に用いる潤滑油は、ＤＬＣなどの硬質炭素薄膜と金属材料との摺動面に用いた場合に、極めて優れた低摩擦特性を示すものであるが、特に内燃機関用潤滑油として必要な性能を高める目的で、金属系清浄剤、酸化防止剤、粘度指数向上剤、他の無灰摩擦調整剤、他の無灰分散剤、磨耗防止剤若しくは極圧剤、防錆剤、非イオン系界面活性剤、抗乳化剤、金属不活性化剤、消泡剤等を単独で又は複数種を組合せて配合し、必要な性能を高めることができる。
【００４６】
上記金属系清浄剤としては、潤滑油用の金属系清浄剤として通常用いられる任意の化合物が使用できる。例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のスルホネート、フェネート、サリシレート、ナフテネート等を単独で又は複数種を組合せて使用できる。ここで、上記アルカリ金属としてはナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）等、上記アルカリ土類金属としてはカルシウム（Ｃａ）やマグネシウム（Ｍｇ）等が例示できる。また、具体的な好適例としては、Ｃａ又はＭｇのスルフォネート、フェネート及びサリシレートが挙げられる。
なお、これら金属系清浄剤の全塩基価及び添加量は、要求される潤滑油の性能に応じて任意に選択できる。通常、全塩基価は、過塩素酸法で０〜５００ｍｇＫＯＨ／ｇ、望ましくは１５０〜４００ｍｇＫＯＨ／ｇであり、その添加量は潤滑油全量基準で、通常０．１〜１０％である。
【００４７】
また、上記酸化防止剤としては、潤滑油用の酸化防止剤として通常用いられる任意の化合物を使用できる。例えば、４，４’−メチレンビス（２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール）、オクタデシル−３−（３，５−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート等のフェノール系酸化防止剤、フェニル−α−ナフチルアミン、アルキルフェニル−α−ナフチルアミン、アルキルジフェニルアミン等のアミン系酸化防止剤、並びにこれらの任意の組合せに係る混合物等が挙げられる。また、かかる酸化防止剤の添加量は、潤滑油全量基準で、通常０．０１〜５％である。
【００４８】
さらに、上記粘度指数向上剤としては、具体的には、各種メタクリル酸エステルから選ばれる１種又は２種以上のモノマーの共重合体やその水添物等のいわゆる非分散型粘度指数向上剤、及び更に窒素化合物を含む各種メタクリル酸エステルを共重合させたいわゆる分散型粘度指数向上剤等が例示できる。また、他の粘度指数向上剤の具体例としては、非分散型又は分散型エチレン−α−オレフィン共重合体（α−オレフィンとしては、例えばプロピレン、１−ブテン、１−ペンテン等）及びその水素化物、ポリイソブチレン及びその水添物、スチレン−ジエン水素化共重合体、スチレン−無水マレイン酸エステル共重合体、並びにポリアルキルスチレン等も例示できる。
これら粘度指数向上剤の分子量は、せん断安定性を考慮して選定することが必要である。具体的には、粘度指数向上剤の数平均分子量は、例えば分散型及び非分散型ポリメタクリレートでは５０００〜１００００００、好ましくは１０００００〜８０００００がよく、ポリイソブチレン又はその水素化物では８００〜５０００、エチレン−α−オレフィン共重合体又はその水素化物では８００〜３０００００、好ましくは１００００〜２０００００がよい。また、かかる粘度指数向上剤は、単独で又は複数種を任意に組合せて含有させることができるが、通常その含有量は、潤滑油基準で０．１〜４０．０％であることが望ましい。
【００４９】
更にまた、他の無灰摩擦調整剤としては、ホウ酸エステル、高級アルコール、脂肪族エーテル等の無灰摩擦調整剤、ジチオリン酸モリブデン、ジチオカルバミン酸モリブデン、二硫化モリブデン等の金属系摩擦調整剤等が挙げられる。
また、他の無灰分散剤としては、数平均分子量が９００〜３５００のポリブテニル基を有するポリブテニルベンジルアミン、ポリブテニルアミン、数平均分子量が９００未満のポリブテニル基を有するポリブテニルコハク酸イミド等及びそれらの誘導体等が挙げられる。
さらに、上記磨耗防止剤又は極圧剤としては、ジスルフィド、硫化油脂、硫化オレフィン、炭素数２〜２０の炭化水素基を１〜３個含有するリン酸エステル、チオリン酸エステル、亜リン酸エステル、チオ亜リン酸エステル及びこれらのアミン塩等が挙げられる。
更にまた、上記防錆剤としては、アルキルベンゼンスルフォネート、ジノニルナフタレンスルフォネート、アルケニルコハク酸エステル、多価アルコールエステル等が挙げられる。
また、上記非イオン系界面活性剤及び抗乳化剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルナフチルエーテル等のポリアルキレングリコール系非イオン系界面活性剤等が挙げられる。
さらに、上記金属不活性化剤としては、イミダゾリン、ピリミジン誘導体、チアジアゾール、ベンゾトリアゾール、チアジアゾール等が挙げられる。
更にまた、上記消泡剤としては、シリコーン、フルオロシリコーン、フルオロアルキルエーテル等が挙げられる。
なお、これら添加剤を本発明に用いる潤滑油に含有させる場合には、その含有量は、潤滑油量基準で、他の摩擦調整剤、他の無灰分散剤、磨耗防止剤又は極圧剤、防錆剤、及び抗乳化剤については０．０１〜５％、金属不活性剤については０．００５〜１％、消泡剤については０．０００５〜１％の範囲から適宜選択できる。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明を実施例と比較例によって、更に具体的に説明するが、本発明は、これら実施例のみに限定されるものではない。
【００５１】
〔１〕カムシャフト
Ｓｉ含有量の異なるアルミニウム合金を用い、ダイカストによって市販品と同じ形状のカムロブを形成してカムシャフトとした。なお、一部実施例については、Ａｌ−２０Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系の急冷粉末合金から成る焼結材とした。
いずれのカムロブも粗材からダイヤモンド砥石を用いた研削加工によって、種々の表面粗さを備えた所定形状に成形した。なお、表面粗さがＲａ０．１μｍ以下のものについては、テープラッピングによって最終仕上を施した。
【００５２】
〔２〕バルブリフター
ＳＣＭ４２０材（浸炭焼入れ）から成る所定形状のリフター基材の冠面に超仕上げ砥石による研磨加工を施し、表面粗さをＲａ０．０２μｍ以下（一部、Ｒａ０．２μｍ以下）に仕上げたのち、当該冠面上にＰＶＤアーク式イオンプレーティング法又はプラズマＣＶＤ法によって、水素含有量が異なる厚さ０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜して、非晶質硬質炭素薄膜とした。なお、水素含有量については、原料種や成膜条件を変更することによって調整した。また、一部比較例については、非晶質硬質炭素薄膜を成膜することなく、後述する摩耗試験を実施した。
【００５３】
〔３〕潤滑油
ベースオイルとしてのポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）に、脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤としてグリセリンモノオレート、あるいは脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤としてオレイルアミン変性物を１％添加したものを潤滑油として使用した。なお、ＰＡＯの粘度については、１００℃における粘度を５Ｗ３０に合わせた。
また、一部比較例には、鉱物油に、無灰摩擦調整剤を含まない市販の添加剤パッケージを１％添加したものを用いた。
【００５４】
〔４〕性能評価
本発明の摺動特性改善効果を確認するため、上記カムシャフトとバルブリフターと潤滑油とを組合わせ、下記の条件のもとに、直動式動弁機構を模擬した単体摩耗試験を実施し、摩擦係数とカムロブの摩耗量を測定した。この結果を表１に示す。
（評価条件）
カムシャフト回転数：３００ｒｐｍ
最大面圧：７００ＭＰａ
油種：５Ｗ３０相当の粘度グレードとなる潤滑油
油温：１００℃
評価時間：１００時間
摩耗量測定：最大長さ変化
【００５５】
【表１】

【００５６】
表１に示すように、２％以上のＳｉ含有量のアルミニウム合金から成るカムロブを備えたカムシャフトと、冠面に水素含有量が１０ａｔ％以下のＤＬＣ（非晶質硬質炭素薄膜）を成膜したバルブリフターと、ポリアルファオレフィン中に１％のグリセリンモノオレート又はオレイルアミン変性物を添加した潤滑油を組合わせた試験Ｎｏ．１〜６、とりわけ水素含有量が１ａｔ％以下の試験Ｎｏ．１，２，３（実施例）においては、このような摩擦調整剤が添加されていない潤滑油や、ＤＬＣ被膜がなかったり、水素含有量の高いＤＬＣ被膜を形成したりしたバルブリフターを組合わせた試験Ｎｏ．７〜１２（比較例）に較べて、摩擦係数が低く、カムロブの摩耗量も少なくなることが確認された。
なお、カムロブにＳｉ含有量が１８％の焼結Ａｌ材を用いた試験Ｎｏ．６（参考例）においては、摩擦係数もカムロブ摩耗量も少ないことが確認されたが、製造コストの点で難点がある。
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、カムシャフトの、Ｓｉ含有量が２％以上のアルミニウム合金から成るカムロブと、バルブリフターの冠面に成膜された水素含有量１ａｔ％以下の非晶質硬質炭素薄膜とが脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び／又は脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤を含有する潤滑油を介して摺接することとしたため、これら部材間の摩擦特性及び耐摩耗性を大幅に改善することができ、内燃機関の効率及び信頼性向上、燃費改善に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関用動弁機構の構成を示す概略説明図である。
【図２】（ａ）図１に示したカムシャフトの一例として組み立てカムシャフトの構造を示す部分断面図である。
（ｂ）図１に示したカムシャフトの他の例として一体カムシャフトの構造を示す部分断面図である。
【図３】図１に示したバルブリフターの拡大断面図である。
【符号の説明】
１カムシャフト
１ａカムロブ
２バルブリフター
２ａ非晶質硬質炭素薄膜

Claims

アルミニウム合金から成るカムロブを有するカムシャフトと、上記カムシャフトのカムロブと潤滑油を介して摺動する直動バルブリフターを備えた動弁機構において、上記潤滑油が脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び／又は脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤を含有すると共に、上記アルミニウム合金が２％以上のＳｉを含有し、さらに上記バルブリフターの冠面に、ＰＶＤ法によって水素含有量が１ａｔ％以下の非晶質硬質炭素薄膜から成る被膜が施されていることを特徴とする内燃機関用動弁機構。
上記カムシャフトのカムロブのノーズ部における表面粗さＲａが０．０８μｍ以下であると共に、上記バルブリフターの冠面上に形成された非晶質炭素薄膜の表面粗さＲａが０．０４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用動弁機構。
アルミニウム合金から成るカムロブを有するカムシャフトと、上記カムシャフトのカムロブと潤滑油を介して摺動する直動バルブリフターを備えた動弁機構において、上記潤滑油が脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び／又は脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤を含有すると共に、上記アルミニウム合金が３〜４％のＳｉを含有し、さらに上記バルブリフターの冠面に水素含有量が１ａｔ％以下の非晶質硬質炭素薄膜から成る被膜が施され、上記カムシャフトのカムロブのノーズ部における表面粗さＲａが０．０３〜０．１２μｍであると共に、上記バルブリフターの冠面上に形成された非晶質炭素薄膜の表面粗さＲａが０．０１〜０．０３μｍであることを特徴とする内燃機関用動弁機構。
上記カムシャフトのカムロブのノーズ部における表面粗さＲａが０．０３〜０．０７μｍであることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用動弁機構。