JP5514593B2 - シリンダ - Google Patents
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本発明の第一態様のシリンダは、シリンダ本体とその内側に固着されたシリンダライナとから構成され、前記シリンダライナの内壁面に上記複数の凹部が形成されているものである。本態様においては、シリンダ本体の内壁面とシリンダライナの外壁面とが固着されており、ピストンは上記シリンダライナの内壁面上を摺動するものであるため、上記シリンダライナが固着されているシリンダ本体の内壁面には、凹部は設けられている必要はない。
本態様のシリンダにおける複数の凹部3の形成方法については、特に限定されることはなく、上述した各条件を満たす凹部3を形成することができれば、いかなる方法をも採用することができる。
本態様のシリンダにおける凹部内周面の一部に形成される表面処理層13の形成方法についても特に限定はなく、上述した各条件を満たす表面処理層13を凹部内周面に形成することができれば、いかなる方法をも採用することができる。例えば、フッ素樹脂及び/又は銅系金属を適当な溶剤に溶解または分散させた塗工液を、スプレーコーティング法などを用いて凹部内周面に塗布することで凹部内周面の所望の箇所に表面処理層13を形成することができる。
また、本態様において、凹部内周面に形成される表面処理層13の形成位置について特に限定はなく、凹部内周面において潤滑油が保持されやすい部分(潤滑油が残留しやすい部分)や煤等が付着しやすい部分に形成すればよい。例えば、図1に例示するように凹部内周面全面に形成してもよく、凹部内周面の一部に形成してもよい。なお、凹部内周面のうち凹部底面及び凹部底面近傍の面には潤滑油が特に残留しやすく、また煤が付着しやすいことから、少なくとも、凹部底面に表面処理層13が形成されていることが好ましい。なお、凹部底面とは、凹部内周面を形成する面のうちシリンダ内壁面2から最も遠い場所に位置する面をいう。
次に、本態様のシリンダライナにおける凹部の形成位置の一例を、図4、図5を参照して具体的に説明する。なお、図4は、本発明のシリンダを構成するシリンダライナ内壁面の凹部の形成位置の一例を示す説明図であり、図5は、本態様のシリンダ本体の内側に固着されるシリンダライナにおける、上記行程中央部領域4の範囲の一例を示す概略断面図である。
本態様において用いられるシリンダ本体は、前記シリンダライナをその内側に固着することができればよく、その材質や寸法などは用途や運転温度等に応じて適宜設計可能である。
本態様のシリンダと組み合わせて用いられるピストンリングについては、特に限定されることはなく、現在公知である種々のピストンリングを適宜選択することができる。
本態様のシリンダと組み合わせて用いられるピストンについても、特に限定されることはなく、現在公知である種々のピストンを適宜選択することができる。
本態様の第二態様のシリンダは、上記「第一態様」のようなシリンダライナは用いられておらず、シリンダ本体の内壁面に直に上記凹部が形成され、ピストンが当該シリンダの内壁面上を直に摺動するものである。
図10(a)および(b)に示す寸法(mm)を有するシリンダライナ(材質:FC250)の行程中央部領域に、マスキング板を用い、以下の手順で凹部を形成した。凹部は、図6(a)に示す形状および配置で形成した。
(1)シリンダライナの内壁面に前記マスキング板を固定した。
(2)図11に示すように、シリンダライナ90をブラスト加工機のターンテーブル91に固定した。
(3)図11に示すように、シリンダライナ90の内側にブラスト加工機の砥粒噴出口92を挿入し、ターンテーブル91を回転させ、かつ砥粒噴出口92を上下に移動させながら、砥粒をシリンダライナ90の内壁面に吐出させ(砥粒噴出口92が上昇している時のみ砥粒を吐出させた。)、面積率が行程中央部領域の50%となるように凹部の形成を行った。なお、砥粒材としてはアルミナを用い、砥粒径は53〜74μmのものを用いた。砥粒噴出圧は約2MPaであり、ターンテーブル91の回転数は4rpmとした。また、砥粒噴出口92の上下移動時間は5min×2回とした。
(4)ターンテーブル91からシリンダライナ90を取り外し、ついでマスキング板をシリンダライナから取り外した。
(5)シリンダライナ90の内壁面にホーニング加工を行った。なお、ホーニング加工は、形成された凹部の端部に罵詈が生じている場合があり、これを削除するためである。
(6)形成された凹部の形状は、図6(a)の通り菱形であり、軸方向平均長さ、周方向平均長さともに1.4mmであった。また、凹部のシリンダ径方向平均長さは10μmであった。
上記手順で加工したシリンダライナの凹部内周面に表面処理層を形成し、実施例1〜実施例4のシリンダライナを作成した。また、表面処理層の形成後の各凹部の底面の最大高さRyを1μm〜5μmとした。
銅系金属及びフッ素樹脂が含有された表面処理層の形成
平均粒径2μmの銅粉末をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)と混合し、スプレーコーティングにて凹部内周面全面に1μm〜5μmの厚さとなるように塗布し、塗布後焼結乾燥させることで銅系金属及びフッ素樹脂を含有する表面処理層を形成した。
フッ素樹脂が含有された表面処理層の形成
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を、スプレーコーティングにて凹部内周面全面に1μm〜5μmの厚さとなるように塗布し、塗布後焼結乾燥させることでフッ素樹脂を含有する表面処理層を形成した。
銅系金属が含有された表面処理層の形成
硫酸銅溶液へ凹部が加工されたシリンダライナを浸漬させ電解めっきを施すことにより凹部内周面全面に銅系金属を含有する表面処理層を形成した。
リン酸塩皮膜処理による表面処理層の形成
リン酸マンガンの処理液を用いて、凹部内周面全面に、リン酸マンガン皮膜からなる表面処理層を形成した。
表面処理層を形成しない以外は、実施例1〜4と同様の方法により比較例1のシリンダライナを形成した。
<煤堆積率の測定>
上記手順で加工した図10(a)に示す実施例1〜4、比較例のシリンダライナの凹部内への煤堆積率の測定を行った。なお、煤堆積率は任意の50mm×50mmの範囲内において、目視にて凹部内に50%以上の煤が堆積している凹部の個数を計数し、計数された凹部の個数を、任意の50mm×50mmの範囲内に存在する凹部の個数で除することにより測定した。評価結果を図12に示す。なお、エンジンとしては、排気量:9000cc、シリンダ数:6、シリンダ径、112mm、ストローク:150mmのディーゼルエンジンを用い、エンジンの回転数は2700rpmとし、加重は全負荷、水温は90℃の条件で運転を行った。
<評価>
表面処理層を凹部内周面に形成しなかった比較例1のシリンダライナの煤堆積率は18%であるのに対し、銅系金属及び/又はフッ素樹脂を含有、又はリン酸塩皮膜からなる表面処理層を凹部内周面に形成した実施例1〜4のシリンダライナの煤堆積率は3%〜7%と、凹部内周面に表面処理層を形成することで煤堆積率を大幅に低減することができた。
<往復動摩擦力の測定>
上記手順で加工した図10(b)に示すシリンダライナの往復動摩擦力(N)を図13に示す装置を用いて測定した。シリンダライナの内壁面の凹部が形成されていない箇所の十点平均粗さRzが2μm、凹部のシリンダ径方向平均長さが10μm、表面処理層は実施例3に示した方法により凹部内周面全面1μm〜5μmの厚さになるように形成し、形成後の凹部の底面の最大高さRyを1μm〜5μmとし、回転数が750rpmの際に、上述した面積率が、0%、1%、10%、30%、50%、60%、80%である場合の往復動摩擦力の測定結果を図14に示す。図14においては、上記凹部が形成されていない(上記面積率が0%)の従来品の摩擦力を1.00としたときの摩擦力比を示す。なお、この際に用いた試験片ピストンリングの軸方向長さh1は1.2mm、径方向長さa1は3.2mm、ピストンリングの接線方向張力Ftは9.8Nであった。また、往復動摩擦力の測定時の回転数は50〜750rpm、ピストンリング周辺温度は80℃であり、供給油はSAE粘度10W−30のものを用いた。
図14から、上記面積率が1%〜80%の範囲においては、効果的に摩擦力が低減されており、摩擦力は上記面積率が50%のときに最小となることが分かる。これは、上記面積率を増加させていくと、50%までは接触面積の減少効果により摩擦力が減少し、上記面積率が50%を超えると接触面積が小さくなることによって摺動部の面圧が過剰に高くなり、摩擦力が増加することに起因するものと考えられる。
<機械的損失の測定>
図13に示す装置を用いて、摩擦力による機械的損失(FMEP)を求めた。その際の試験方法は、ピストンに試験片ピストンリングをセットし、馴染み運転をした後、オイル温度80℃にてエンジンスピードに相当する回転数を変化させて、摩擦力を測定した。本実施例においては、行程中央部領域にのみ凹部が形成されたシリンダライナ(実施例5)、凹部が形成されていないシリンダライナ(比較例2−1)、摺動端にのみ凹部が形成されたシリンダライナ(比較例2−2)、摺動端及び行程中央部領域に凹部が形成されたシリンダライナ(比較例2−3)について、摩擦力を測定した。なお、上記行程中央部領域に凹部を形成する場合には、上記行程中央部領域の面積を100%としたときに、全凹部の面積の合計が50%となるように形成した。また、上記摺動端とは、図13に例示する装置のシリンダライナの、上記シリンダライナの上端からピストンの上死点における試験片のピストンリングのリング溝の下面位置までの領域(上側摺動端)、及びピストンの下死点における試験片ピストンリングのリング溝の上面位置から上記シリンダライナの下端までの領域(下側摺動端)を意味するものとする。測定結果を図15に示す。図15においては、凹部が形成されていない比較例2−1のシリンダライナの機械的損失を1としたときの、その他のシリンダライナの機械的損失比を示す。
図15から、行程中央部領域にのみに凹部が形成された実施例5のシリンダライナは、凹部が形成されていない比較例2−1のシリンダライナや、摺動端に凹部が形成されている比較例2−2及び比較例2−3よりも機械的損失が少ないことがわかる。
2…内壁面
3…凹部
4…行程中央部領域
13…表面処理層
Claims (5)
- ピストンが内壁面を摺動するシリンダであって、
前記シリンダの内壁面のうち、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領域である行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、
前記凹部内周面の少なくとも一部には、フッ素樹脂が含有されてなる表面処理層、又はリン酸塩皮膜処理がされてなる表面処理層が形成されており、
前記行程中央部領域は、当該行程中央部領域の面積を100%としたときの、全凹部の面積の合計が1%〜80%の範囲内であり、前記シリンダ内壁面の、当該行程中央部領域以外の領域には前記凹部が形成されていないことを特徴とするシリンダ。 - 前記シリンダは、シリンダ本体とその内側に固着されたシリンダライナとから構成されており、前記シリンダライナの内壁面に前記複数の凹部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のシリンダ。
- 前記凹部の底面に、前記表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のシリンダ。
- 前記表面処理層を形成後の前記凹部の最大高さRyが、0.1μm以上30μm以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のシリンダ。
- 前記シリンダが、内燃機関に用いられることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のシリンダ。
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