WO2021090410A1 - シリンダライナ及びシリンダボア - Google Patents

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less
cylinder bore
sliding
cylinder
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昌幸 大平
直喜 梅田
清治 田牧
喬 佐藤
貴志 大泉
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Ｔｐｒ株式会社
Ｔｐｒ工業株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/004—Cylinder liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/18—Other cylinders
    • F02F1/20—Other cylinders characterised by constructional features providing for lubrication

Definitions

  • the present invention relates to a cylinder liner and a cylinder bore used in an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 aims to provide a low-friction sliding member that does not run out of oil at the stroke end and can reduce friction loss at the center of the stroke, and is formed on the sliding surface.
  • a low-friction sliding member has been proposed in which a smooth surface is provided with fine recesses whose depth changes regularly, and plateau-shaped protrusions are formed between the recesses.
  • Patent Document 2 in order to reduce scuffing that may occur by forming a groove on the sliding surface, the surface roughness of the sliding surface and the depth of the groove are set within a certain range, and the opening edge of the groove is set.
  • a cylinder block having a convex curved surface is disclosed.
  • An object of the present invention is to provide a cylinder liner and a cylinder bore capable of reducing friction on a sliding surface and reducing oil consumption by a technique different from the technique proposed in the above patent document.
  • the present inventors have proceeded with studies to solve the above problems, and have obtained the finding that the sliding environment differs between the combustion chamber side region and the crank chamber side region in the piston sliding direction of the cylinder bore. That is, the sliding environment in the combustion chamber side region of the cylinder bore is low in lubricating oil and boundary lubrication is dominant, and the sliding environment in the crank chamber side region of the cylinder bore is relatively abundant in lubricating oil and fluid lubrication. Found to be dominant. Then, based on the knowledge, it was found that the friction of the sliding surface can be reduced and the oil consumption can be reduced by making the surface texture of the cylinder bore appropriate according to each region of the cylinder bore, and the invention was completed. It was.
  • One embodiment of the present invention is a cast iron cylinder liner used in an internal combustion engine.
  • a plurality of grooves are formed in the cylinder bore of the cylinder liner.
  • the cylinder bore has a first sliding region and a second sliding region in which the properties of the groove are different in the piston sliding direction.
  • the first sliding region is located closer to the combustion chamber than the second sliding region, and the groove area ratio of the first sliding region is 10% or less, and the second sliding region.
  • the groove area ratio of the sliding region is 15% or more and 40% or less, which is a cast iron cylinder liner.
  • the groove area ratio is the ratio of the area of the groove at a depth of 0.3 ⁇ m from the surface of the cylinder bore.
  • Another embodiment of the present invention is a cylinder bore of an internal combustion engine.
  • a plurality of grooves are formed in the cylinder bore.
  • the cylinder bore has a first sliding region and a second sliding region in which the properties of the groove are different in the piston sliding direction.
  • the first sliding region is located closer to the combustion chamber than the second sliding region, and the groove area ratio of the first sliding region is 10% or less, and the second sliding region.
  • the groove area ratio of the sliding region of the internal combustion engine is 15% or more and 40% or less.
  • Groove area ratio Ratio of the area of the groove at a depth of 0.3 ⁇ m from the surface of the cylinder bore
  • the internal combustion engine is preferably a diesel internal combustion engine, and the first sliding region and the second sliding region are continuous regions, and the boundary thereof is a crank angle of 50 ° or more and 80 °. It preferably exists in the following range.
  • the groove area ratio of the second sliding region is preferably 18% or more and 36% or less.
  • the surface roughness of the second sliding region is Ra of 0.13 ⁇ m or more and 0.45 ⁇ m or less, Rk of 0.36 ⁇ m or more and 0.82 ⁇ m or less, and Rvk of 0.35 ⁇ m or more and 1.
  • the surface roughness of the first sliding region is preferably 22 ⁇ m or less, Ra is 0.08 ⁇ m or more and 0.11 ⁇ m or less, and Rk is 0.20 ⁇ m or more and 0.27 ⁇ m or less. preferable.
  • a cylinder liner and a cylinder bore capable of reducing friction on a sliding surface and reducing oil consumption. That is, it is possible to provide a cylinder liner and a cylinder bore that can achieve an internal combustion engine that achieves both low fuel consumption and low oil consumption.
  • a two-piece ring is often used as an oil ring. In this case, since the sliding surface of the oil ring is flat, the oil film thickness of the sliding part increases due to the wedge effect. Friction reduction in the associated fluid lubrication region cannot be expected. Therefore, the present invention can be expected to reduce friction due to the reduction of the sliding area in the fluid lubrication region by increasing the groove area ratio, and thus can be suitably applied to an internal combustion engine for diesel engines.
  • One embodiment of the present invention is a cast iron cylinder liner preferably used for an internal combustion engine for diesel engines, and a plurality of grooves are formed in the cylinder bore of the cylinder liner.
  • the cylinder bore has a first sliding region and a second sliding region in which the properties of the groove are different in the piston sliding direction.
  • another embodiment of the present invention may be a cylinder bore. That is, it may be a cylinder bore in which a cylinder liner does not exist. Even in such a case, a plurality of grooves are similarly formed in the cylinder bore.
  • the cylinder bore has a first sliding region and a second sliding region in which the properties of the groove are different in the piston sliding direction.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a cylinder liner.
  • the cylinder liner 10 is typically a cast iron cylinder liner, but may be formed of an aluminum alloy or a copper alloy.
  • the cylinder liner 10 is installed in a cylinder block of an internal combustion engine, and a piston slides in the cylinder block in the vertical direction in FIG.
  • the chain line 4 indicates the top dead center (TDC) of the oil ring
  • the chain line 5 indicates the bottom dead center (BDC) of the oil ring
  • the cylinder bore is the first sliding region 1 including the top dead center 4 and the bottom.
  • the second sliding region 2 including the dead center 5 is included.
  • the first sliding region 1 and the second sliding region 2 may be continuous regions via the boundary 3.
  • the groove area ratio of the second sliding region 2 is higher than the groove area ratio of the first sliding region 1. Further, the groove area ratio of the first sliding region 1 may be 10% or less, and the groove area ratio of the second sliding region 2 may be 15% or more and 40% or less. The groove area ratio will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of a groove formed in a cylinder bore in a conventional embodiment.
  • FIG. 2A shows one form of the cylinder bore surface groove
  • FIG. 2B shows another form of the cylinder bore surface groove.
  • FIGS. 2 (a) and 2 (b) grooves are formed so that FIG. 2 (b) becomes larger with respect to the surface groove area ratio on the surface of the cylinder bore.
  • the groove area ratio is large, and at the same time, the groove depth, that is, the value of Rvk is also large.
  • the groove area ratio is increased, the value of Rvk also increases.
  • the lubricating oil is relatively abundant and the fluid lubrication region is dominant.
  • the depth from the cylinder bore surface was not the groove area ratio of the outermost surface of the cylinder bore surface. It was conceived that the oil film shear area in the fluid lubrication region can be reduced and the friction can be reduced by appropriately increasing the groove area ratio at 0.3 ⁇ m.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of a groove formed in the cylinder bore in the present embodiment.
  • the cylinder bore surface roughness and the ratio of the grooves at a depth of 0.3 ⁇ m from the cylinder bore surface are appropriately controlled to reduce the friction in the second sliding region.
  • oil consumption can be reduced. That is, by making the groove area ratio, which is the ratio of the grooves at a depth of 0.3 ⁇ m from the cylinder bore surface, higher in the second sliding region than in the first sliding region, the oil film shear area in the fluid lubrication region. Can be reduced and friction can be reduced.
  • Ra is 0.08 ⁇ m or more and 0.11 ⁇ m or less in the first sliding region 1
  • Rk is 0.20 ⁇ m or more and 0.27 ⁇ m or less in the first sliding region 1
  • Ra is in the second sliding region. It is satisfied that 0.13 ⁇ m or more and 0.45 ⁇ m or less, Rk is 0.36 ⁇ m or more and 0.82 ⁇ m or less, and Rvk is 0.35 ⁇ m or more and 1.22 ⁇ m or less.
  • the difference between the groove area ratio of the first sliding region and the groove area ratio of the second sliding region may be 5% or more, 10% or more, and 15% or more. It's okay.
  • the upper limit may be 40% or less, and may be 35% or less.
  • the groove area ratio which is the ratio of the grooves at a depth of 0.3 ⁇ m from the cylinder bore surface, to 15% or more, the oil film shear area is reduced in the fluid lubrication region. Friction can be reduced. On the other hand, if it exceeds 40%, LOC (Lubricating Oil Consumption) cannot be suppressed.
  • the groove area ratio of the second sliding region is preferably 15% or more, preferably 18% or more, and preferably 40% or less, and may be 36% or less.
  • the groove area ratio of the first and second sliding regions is the ratio of the area of the groove at a position at a depth of 0.3 ⁇ m from the surface of the cylinder bore, and is measured by the following procedure.
  • the definition of the reference cylinder bore surface is also shown.
  • a replica (2 cm ⁇ 2 cm) of the surface of the cylinder bore is created using RepliSet-F1 or F5 manufactured by Struers. It is preferable to create at least two replicas having cylinder bores facing each other. The created replica is observed with a shape analysis laser microscope (VK-X150) manufactured by KEYENCE CORPORATION using a 50x objective lens.
  • the observation data is tilt-corrected and inverted (because the convex portion of the replica hits the groove portion of the cylinder bore) with the observation software "VK Analyzer".
  • the "height histogram” is extracted from the inverted data by "volume / area analysis”, and the most frequent position is defined as the "cylinder bore surface” as a threshold value.
  • the ratio of the groove area at a depth of 0.3 ⁇ m from the surface to the observation area was defined as the groove area ratio.
  • the groove area ratio is preferably the outermost surface of the cylinder bore (the position of the minimum inner diameter of the substance), but the measurement position is set to a depth of 0.3 ⁇ m from the surface of the cylinder bore in consideration of data variation (effect of the Rpk component).
  • the groove area ratio is an average value of 10 points at each of the two opposing locations of the cylinder bores.
  • Ra of the second sliding region on the surface of the cylinder bore is preferably 0.13 ⁇ m or more, may be 0.15 ⁇ m or more, and is preferably 0.45 ⁇ m or less, preferably 0.38 ⁇ m or less. Good. When Ra is 0.13 ⁇ m or more and 0.45 ⁇ m or less, LOC (Lubricating Oil Consumption) can be suppressed, and the generation of scuff can be suppressed.
  • the Rk of the second sliding region on the surface of the cylinder bore is preferably 0.36 ⁇ m or more, preferably 0.37 ⁇ m or more, and preferably 0.82 ⁇ m or less, preferably 0.73 ⁇ m or less. Good. When Rk is 0.36 ⁇ m or more and 0.82 ⁇ m or less, LOC (Lubricating Oil Consumption) can be suppressed, and the generation of scuff can be suppressed.
  • the Rvk of the second sliding region on the surface of the cylinder bore is preferably 0.35 ⁇ m or more, preferably 0.37 ⁇ m or more, and preferably 1.22 ⁇ m or less, preferably 1.02 ⁇ m or less. Good. When Rk is 0.35 ⁇ m or more and 1.22 ⁇ m or less, LOC (Lubricating Oil Consumption) caused by deterioration of friction can be suppressed.
  • the cylinder bore has a first sliding region and a second sliding region in which the properties of the groove are different in the piston sliding direction, but the first sliding region and the second sliding region are continuous.
  • the boundary preferably exists in the range of the crank angle of the oil ring of 50 ° or more and 80 ° or less. Since the boundary is within the range of the crank angle, the wall temperature of the cylinder bore is high, and the groove area ratio is lowered in the first sliding region where the oil consumption due to the evaporation of oil is large, so that the oil consumption is reduced. The effect becomes more pronounced.
  • the crank angle means the rotation angle of the engine with the top dead center of the piston as a reference (0 °).
  • the first sliding region according to the present embodiment is not particularly limited as long as the second sliding region satisfies the groove area ratio, but the groove area ratio is preferably 10% or less.
  • the first sliding region is dominated by boundary lubrication, which reduces the groove area ratio and / or the surface roughness to reduce the frictional force due to solid contact. It is preferable to reduce.
  • the first sliding region is close to the combustion chamber, so that the oil is heated and the LOC tends to deteriorate. Therefore, it is preferable to reduce the groove area ratio and / or the surface roughness to reduce the amount of oil evaporated from the cylinder bore surface.
  • Ra of the first sliding region on the surface of the cylinder bore may be 0.08 ⁇ m or more, and may be 0.11 ⁇ m or less. When Ra is 0.08 ⁇ m or more and 0.11 ⁇ m or less, LOC (Lubricating Oil Consumption) can be suppressed.
  • the Rk of the first sliding region on the surface of the cylinder bore may be 0.20 ⁇ m or more, and may be 0.27 ⁇ m or less. When Rk is 0.20 ⁇ m or more and 0.27 ⁇ m or less, LOC (Lubricating Oil Consumption) can be suppressed.
  • the honing process is changed between the first sliding region and the second sliding region, and the number of honing processes and the shape, type, and particle diameter of the grindstone used in the honing process are changed. It can be manufactured by appropriately adjusting the above.
  • a cross hatch may be formed in the cylinder bore by honing.
  • the angle (acute angle) is preferably 2 ° or more, 5 ° or more, and 10 ° or more. Further, it is usually 60 ° or less, 45 ° or less, 30 ° or less, and 15 ° or less.
  • FIG. 1 An example of the processing process of the cylinder bore of the cylinder liner in this embodiment is shown.
  • the cylinder bore surface dimensions are processed to the vicinity of the completed dimensions in the order of rough (Rough) boring, fine boring, I honing, and II honing.
  • a predetermined surface roughness is formed by the honing process of III honing / IV honing and V honing.
  • the first sliding region is machined by III honing and the second sliding region is machined by IV honing.
  • a step of coating the coating may be added before the final processing step of honing. Further, depending on the restrictions of the control system of the honing machine, steps may be added as appropriate, or when a honing machine capable of various controls is used, the machining step may be omitted. Even if the cylinder bore is not provided with a cylinder liner, it can be processed in the same manner as the cylinder bore of the cylinder liner.
  • a cylinder liner having an inner diameter of ⁇ 100 class was prepared using a cast iron material. By honing the cylinder bore of this cylinder liner, a cylinder liner having a groove area ratio shown in Table 1 was obtained. After that, the cylinder liner was installed in the actual engine for the implementation test. The boundary between the upper part (combustion chamber side) and the lower part (crank chamber side) of the cylinder bore was set to a crank angle of 65 ° for the oil ring.
  • the top ring has a width (axial dimension of cylinder 1) of 3.0 mm
  • the outer peripheral surface has a barrel shape
  • the base material is a material equivalent to JIS SUS440B.
  • the one coated with CrN coating by the ting method was used.
  • the bore diameter ratio of the top ring tension is 0.22 (N / mm).
  • the second ring had a width (axial dimension of the cylinder 1) of 3.0 mm, a tapered outer peripheral surface, a base material equivalent to FC250, and a hard Cr plating on the outer peripheral surface.
  • the bore diameter ratio of the second ring tension is 0.25 (N / mm).
  • the combined oil ring had a combined width h of 2.5 mm, and the base material used was a material equivalent to JIS SUS420J2, and the outer peripheral surface was nitrided.
  • the bore diameter ratio of the oil ring tension is 0.30 (N / mm).
  • ⁇ Evaluation criteria> Fuel consumption test ⁇ : 0.5% or more improvement from base ratio ⁇ : Greater than 0% and less than 0.5% improvement from base ratio ⁇ : 0% to less than 0.5% worse than base ratio ⁇ : 0 from base ratio Deterioration of 5.5% or more ⁇ Scuff test (visual confirmation) ⁇ : No scuff generation ⁇ : Scuff generation / oil consumption test ⁇ : 10% or more improvement from base ratio ⁇ : Greater than 0% and less than 10% improvement from base ratio ⁇ : 0% to less than 10% worse than base ratio ⁇ : 10% or more worse than the base ratio
  • the base uses a cylinder bore with a groove area ratio of about 18% in both the first sliding region and the second sliding region.
  • the friction test was carried out by a single-cylinder floating liner test (a test that captures changes in friction between the piston and piston ring during one cycle) and evaluated by open motoring.
  • a crank type single cylinder motoring tester (floating liner method) having a bore diameter of 83 mm and a stroke of 86 mm was used.
  • the test conditions are that the cooling water temperature is 80 ° C, the engine oil temperature is 80 ° C, the engine oil is 10W-30 (grade: JASO standard, viscosity classification: SAE J300), and the evaluation rotation speed is evaluated between 600 rpm and 2000 rpm. did.

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Abstract

摺動面のフリクションを低減させ、且つオイル消費を低減させることができる、シリンダライナ又はシリンダボアを提供することを課題とする。 シリンダボアのピストン摺動方向において、クランク側に位置する第２の摺動領域が有する前記溝部は、燃焼室側に位置する第１の摺動領域が有する溝部よりも深さ０．３μｍの位置での溝面積率が高く、且つ特定の範囲内であることで、フリクションを低減させ、オイル消費を低減させることができる。

Description

シリンダライナ及びシリンダボア
　本発明は、内燃機関に用いられるシリンダライナ及びシリンダボアに関する。
　シリンダの内壁（シリンダボア）には、ピストンと摺動する際の摩擦を低減させるため、溝などの微細加工を施すことが行われている。
　例えば特許文献１には、ストローク端における油切れが生じることがなく、しかもストローク中央部における摩擦損失を低減することができる低摩擦摺動部材を提供することを目的とし、摺動表面に形成された平滑面に深さが規則的に変化する微細な凹部を備え、凹部間にプラトー状の凸部が形成されている低摩擦摺動部材が提案されている。
　また、特許文献２には、摺動面に溝部を形成することで発生し得るスカッフを低減させるため、摺動面の表面粗さや溝部の深さを一定の範囲内とし、且つ溝部の開口縁を凸曲面としたシリンダブロックが開示されている。
特開２００２－２３５８５２号公報 特開２０１７－６７２７１号公報
　本発明は、上記特許文献で提案された技術とは異なる技術により、摺動面のフリクションを低減させ、且つオイル消費を低減させることができる、シリンダライナ及びシリンダボアを提供することを課題とする。
　本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を進め、シリンダボアのピストン摺動方向において、燃焼室側領域とクランク室側領域で、摺動環境が異なっているという知見を得た。すなわち、シリンダボアのうち燃焼室側領域の摺動環境は潤滑オイルが少なく、境界潤滑が支配的となり、シリンダボアのうちクランク室側領域の摺動環境は潤滑オイルが比較的潤沢に存在し、流体潤滑が支配的となっていることを見出した。そして、当該知見に基づき、シリンダボアの各領域に応じてシリンダボアの表面性状を適切にすることで、摺動面のフリクションを低減させ、且つオイル消費を低減させることができることを見出し、発明を完成させた。
　本発明の一実施形態は、内燃機関に用いられる鋳鉄製シリンダライナであって、
　前記シリンダライナのシリンダボアには、複数の溝部が形成されており、
　前記シリンダボアは、ピストン摺動方向において、前記溝部の性状が異なる第１の摺動領域及び第２の摺動領域を有し、
　前記第１の摺動領域は第２の摺動領域に対してより燃焼室側に位置しており、前記第１の摺動領域の溝面積率は、１０％以下であり、且つ前記第２の摺動領域の溝面積率は、１５％以上４０％以下である、鋳鉄製シリンダライナである。
　なお、上記溝面積率は、シリンダボア表面から深さ０．３μｍの位置での溝部の面積の割合である。
　また、本発明の別の実施形態は、内燃機関のシリンダボアであって、
　前記シリンダボアには、複数の溝部が形成されており、
　前記シリンダボアは、ピストン摺動方向において、前記溝部の性状が異なる第１の摺動領域及び第２の摺動領域を有し、
　前記第１の摺動領域は第２の摺動領域に対してより燃焼室側に位置しており、前記第１の摺動領域の溝面積率は、１０％以下であり、且つ前記第２の摺動領域の溝面積率は、１５％以上４０％以下である、内燃機関のシリンダボア。
　溝面積率：シリンダボア表面から深さ０．３μｍの位置での溝部の面積の割合
　前記内燃機関がディーゼル用内燃機関であることが好ましく、また、前記第１の摺動領域と第２の摺動領域とは連続した領域であって、その境界は、クランク角５０°以上８０°以下の範囲に存在することが好ましい。
　前記第２の摺動領域の溝面積率は、１８％以上３６％以下である形態が好ましい。
　前記第２の摺動領域の表面粗さは、Ｒａが０．１３μｍ以上、０．４５μｍ以下であり、Ｒｋが０．３６μｍ以上、０．８２μｍ以下であり、Ｒｖｋが０．３５μｍ以上、１．２２μｍ以下であることが好ましく、前記第１の摺動領域の表面粗さは、Ｒａは０．０８μｍ以上、０．１１μｍ以下であり、Ｒｋが０．２０μｍ以上、０．２７μｍ以下であることが好ましい。
　本発明により、摺動面のフリクションを低減させ、且つオイル消費を低減させることができるシリンダライナ及びシリンダボアを提供できる。すなわち、低燃費と低オイル消費を両立させた内燃機関を達成し得る、シリンダライナ及びシリンダボアを提供できる。また、ディーゼル用内燃機関の場合にはオイルリングとして２ピースリングが用いられることが多く、この場合にはオイルリング摺動面が平らであるため、くさび効果よる摺動部の油膜厚さ増加に伴う流体潤滑領域でのフリクション低減は期待できない。そのため、本発明は、溝面積率を増加させることで流体潤滑領域での摺動面積の低減に伴うフリクション低減が期待できるため、ディーゼル用内燃機関に好適に適用され得る。
本実施形態に係るシリンダライナの断面模式図である。 （ａ）、（ｂ）共に、従来技術に係るシリンダボアに形成された溝の形状を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係るシリンダボアに形成された溝の形状を模式的に示す断面図である。
　本発明の一実施形態は、ディーゼル用内燃機関に好適に用いられる鋳鉄製シリンダライナであって、前記シリンダライナのシリンダボアには、複数の溝部が形成されている。そして、シリンダボアは、ピストン摺動方向において、前記溝部の性状が異なる第１の摺動領域及び第２の摺動領域を有している。また、本発明の別の実施形態は、シリンダボアであり得る。すなわちシリンダライナが存在しないシリンダボアであってよい。そのような場合であっても同様に、シリンダボアには複数の溝部が形成されている。そして、シリンダボアは、ピストン摺動方向において、前記溝部の性状が異なる第１の摺動領域及び第２の摺動領域を有している。シリンダライナを備えた実施形態について、図１を用いて説明する。
　図１は、シリンダライナの断面図である。シリンダライナ１０は、典型的には鋳鉄製のシリンダライナであるが、アルミニウム合金や銅合金により形成されてもよい。
　シリンダライナ１０は、内燃機関のシリンダブロックに設置されて、その内部をピストンが図１中上下方向に摺動する。
　図中鎖線４はオイルリングの上死点（ＴＤＣ）を、鎖線５はオイルリングの下死点（ＢＤＣ）を示し、シリンダボアは、上死点４を含む第１の摺動領域１と、下死点５を含む第２の摺動領域２を含む。第１の摺動領域１と第２の摺動領域２とは、境界３を介して連続した領域であり得る。
　本実施形態では、第２の摺動領域２の溝面積率が、第１の摺動領域１の溝面積率よりも高い。また、第１の摺動領域１の溝面積率が１０％以下であり、第２の摺動領域２の溝面積率が、１５％以上４０％以下であり得る。溝面積率について、図２及び３を用いて説明する。
　図２は、従来の実施形態において、シリンダボアに形成された溝の断面を示す模式図である。図２（ａ）はシリンダボア表面溝の一形態を、また図２（ｂ）はシリンダボア表面溝の別の形態を示す。図２（ａ）と（ｂ）では、シリンダボア表面における表面溝面積率について、図２（ｂ）が大きくなるように溝が形成されている。そして、図２（ｂ）は溝面積率が大きいと同時に、溝深さ、すなわちＲｖｋの値も大きくなっている。一般的な溝形成のプロセスにおいては、溝面積率を大きくする場合にはＲｖｋの値も大きくなる。
　ここで、シリンダボアのうちクランク室側領域の摺動環境、すなわち第２の摺動領域２では、潤滑オイルが比較的潤沢に存在し、流体潤滑領域が支配的となっている。本発明者らは、流体潤滑領域が支配的となっている第２の摺動領域において、フリクションを低減させる方法を検討したところ、シリンダボア表面の最表面の溝面積率ではなく、シリンダボア表面から深さ０．３μｍでの溝面積率を適度に大きくすることで、流体潤滑領域における油膜せん断面積が減少し、フリクションを低減できることに想到した。
　図３は、本実施形態におけるシリンダボアに形成された溝の断面を示す模式図である。本実施形態では、シリンダボア表面粗さとシリンダボア表面から深さ０．３μｍの位置での溝の割合に着目し、それぞれの値を適切に制御することで、第２の摺動領域におけるフリクションを低減させ、結果オイル消費を低減させることができる。すなわち、シリンダボア表面から深さ０．３μｍの位置での溝部の割合である溝面積率を、第２の摺動領域では第１の摺動領域より高くすることで、流体潤滑領域において油膜せん断面積が減少し、フリクションを低減できる。好ましい形態では、第１の摺動領域１ではＲａは０．０８μｍ以上、０．１１μｍ以下であり、Ｒｋが０．２０μｍ以上、０．２７μｍ以下であり、また第２の摺動領域ではＲａが０．１３μｍ以上、０．４５μｍ以下であり、Ｒｋが０．３６μｍ以上、０．８２μｍ以下であり、Ｒｖｋが０．３５μｍ以上であり、１．２２μｍ以下であることを満足する。
　また、第１の摺動領域の溝面積率と、第２の摺動領域の溝面積率との差は、５％以上であってよく、１０％以上であってよく、１５％以上であってよい。また上限は４０％以下であってよく、３５％以下であってよい。
　また、第２の摺動領域において、シリンダボア表面から深さ０．３μｍの位置での溝部の割合である溝面積率を１５％以上とすることで、流体潤滑領域において油膜せん断面積が減少し、フリクションを低減できる。一方で、４０％を超える場合には、ＬＯＣ（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を抑制することが出来ない。
　なお、０．３μｍよりも浅い位置の溝部の割合を大きくした場合であっても、油膜せん断面積の減少が不十分であり、フリクションの低減効果が得られにくい傾向にある。また、０．３μｍの深さを測ることで、Ｒｐｋ（初期摩耗高さ）によるノイズを打ち消すことができる。
　第２の摺動領域の溝面積率は、１５％以上であることが好ましく、１８％以上であってよく、また４０％以下であることが好ましく、３６％以下であってよい。
　第１、及び第２の摺動領域の溝面積率は、シリンダボア表面から深さ０．３μｍの位置での溝部の面積の割合であり、次のような手順で測定する。また基準となるシリンダボア表面を定義についても合わせて示す。
　まず、Ｓｔｒｕｅｒｓ製ＲｅｐｌｉＳｅｔ－Ｆ１もしくはＦ５を使用し、シリンダボア表面のレプリカ（２ｃｍ×２ｃｍ）を作成する。レプリカは、少なくともシリンダボアの対向する２か所を作成することが好ましい。作成したレプリカを、（株）キーエンス製形状解析レーザ顕微鏡（ＶＫ－Ｘ１５０）にて５０倍の対物レンズを用いて観察する。その後、観察ソフト『ＶＫ　Ａｎａｌｙｚｅｒ』にて観察データを傾き補正、反転（レプリカの凸部がシリンダボアの溝部にあたるため）する。反転したデータを『体積・面積解析』にて『高さのヒストグラム』を抽出し、その最頻度位置をしきい値として『シリンダボア表面』と定める。また、その表面から深さ０．３μｍ位置の溝面積の観察領域に占める割合を溝面積率とした。溝面積率はシリンダボア最表面（実体の最小内径位置）が望ましいが、データのばらつき（Ｒｐｋ成分の影響）を考慮し、測定位置はシリンダボア表面から深さ０．３μｍとした。なお、溝面積率は、シリンダボアの対向する２か所それぞれ１０点の平均値とする。
　シリンダボア表面における第２の摺動領域のＲａは、０．１３μｍ以上であることが好ましく、０．１５μｍ以上であってよく、また０．４５μｍ以下であることが好ましく、０．３８μｍ以下であってよい。Ｒａが０．１３μｍ以上、０．４５μｍ以下であることで、ＬＯＣ（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を抑制することができ、またスカッフの発生を抑制できる。
　シリンダボア表面における第２の摺動領域のＲｋは、０．３６μｍ以上であることが好ましく、０．３７μｍ以上であってよく、また０．８２μｍ以下であることが好ましく、０．７３μｍ以下であってよい。Ｒｋが０．３６μｍ以上、０．８２μｍ以下であることで、ＬＯＣ（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を抑制することができ、またスカッフの発生を抑制できる。
　シリンダボア表面における第２の摺動領域のＲｖｋは、０．３５μｍ以上であることが好ましく、０．３７μｍ以上であってよく、また１．２２μｍ以下であることが好ましく、１．０２μｍ以下であってよい。Ｒｋが０．３５μｍ以上、１．２２μｍ以下であることで、フリクションの悪化に起因するＬＯＣ（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を抑制することができる。
　シリンダボアは、ピストン摺動方向において、前記溝部の性状が異なる第１の摺動領域及び第２の摺動領域を有するが、第１の摺動領域及び第２の摺動領域が連続していることが好ましく、その場合、その境界は、オイルリングのクランク角５０°以上８０°以下の範囲に存在することが好ましい。境界が上記クランク角の範囲にあることで、シリンダボアの壁温が高く、オイルの蒸発によるオイル消費が多くなる第1の摺動領域にて溝面積率を低くすることになり、オイル消費低減の効果がより顕著となる。
　なお、クランク角とは、ピストンの上死点を基準（０°）とした、エンジンの回転角度を意味する。
　本実施形態に係る第１の摺動領域は、第２の摺動領域が上記溝面積率を充足する限り特に限定されないが、溝面積率が１０％以下であることが好ましい。第１の摺動領域は第２の摺動領域とは異なり、境界潤滑が支配的であり、溝面積率を小さくし、及び／又は表面粗さを小さくして、固体接触に起因する摩擦力を低減することが好ましい。
　また、第１の摺動領域は第２の摺動領域とは異なり、燃焼室が近いためオイルが熱せられてＬＯＣが悪化する傾向にあった。そのため、溝面積率を小さくし、及び／又は表面粗さを小さくして、シリンダボア表面からのオイル蒸発量を低減とすることが好ましい。
　シリンダボア表面における第１の摺動領域のＲａは、０．０８μｍ以上であってよく、０．１１μｍ以下であってよい。Ｒａが０．０８μｍ以上、０．１１μｍ以下であることで、ＬＯＣ（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を抑制することができる。
　シリンダボア表面における第１の摺動領域のＲｋは、０．２０μｍ以上であってよく、０．２７μｍ以下であってよい。Ｒｋが０．２０μｍ以上、０．２７μｍ以下であることで、ＬＯＣ（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　Ｏｉｌ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を抑制することができる。
　本実施形態に係るシリンダライナのシリンダボアは、第１の摺動領域と第２の摺動領域とでホーニング加工を変更し、ホーニング加工の回数や、ホーニング加工で用いる砥石の形状、種類、粒子径等を適宜調整することで、製造することができる。
　ホーニング加工によりシリンダボアにクロスハッチが形成されてもよい。クロスハッチを形成する場合、その角度（鋭角）は２°以上が好ましく、５°以上であってよく、１０°以上であってよい。また通常６０°以下であり、４５°以下であってよく、３０°以下であってよく、１５°以下であってよい。
　本実施形態におけるシリンダライナのシリンダボアの加工工程の一例を示す。
　シリンダライナを鋳造後、ラフ（粗：Ｒｏｕｇｈ）ボーリング、ファイン（Ｆｉｎｅ）ボーリング、Ｉホーニング、ＩＩホーニングの順にシリンダボア面寸法を完成寸法近傍まで加工する。その後、ＩＩＩホーニング・ＩＶホーニングおよびＶホーニングのホーニング加工工程により、所定の表面粗さを形成する。第１の摺動領域はＩＩＩホーニングで加工し、第２の摺動領域はＩＶホーニングで加工する。ＩＩＩホーニングの砥石はＩＶホーニングの砥石よりも粒径が細かいものを使用する。
　以上は、シリンダライナのシリンダボアが基材のままである場合を示し、リン酸塩被膜等の化成処理を施している場合、ホーニングの最終加工工程前に被膜を被覆する工程が追加され得る。
　また、ホーニング機械の制御系の制約により、適宜、工程を追加してもよく、または、多様な制御が可能なホーニング機械を使用する場合は、加工工程を省略してもよい。
　なお、シリンダライナを配置しないシリンダボアであっても、シリンダライナのシリンダボアと同様に、加工することができる。
　以下、本発明について、実施例により詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
　鋳鉄材を用いて、内径φ１００クラスのシリンダライナを準備した。このシリンダライナのシリンダボアをホーニング加工することで、表１に示す溝面積率のシリンダライナを得た。その後、シリンダライナを実施試験のため、エンジン実機に搭載した。なお、シリンダボアにおける上部（燃焼室側）と下部（クランク室側）との境界は、オイルリングのクランク角６５°とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記実施例１～４及び比較例１～１０のシリンダライナと、以下に示すピストンリングを装着したピストンを用いて、実機評価を行った。実機評価の運転条件、及び評価基準は以下のとおりとした。結果を表２に示す。
＜ピストンリング＞
　試験において用いたピストンリングのうち、トップリングは、幅（シリンダ１の軸方向寸法）が３．０ｍｍ、外周面はバレル形状、基材は、ＪＩＳ　ＳＵＳ４４０Ｂ相当材を用い、外周面にアークイオンプレーティング法によるＣｒＮ被膜を施したものを用いた。トップリング張力のボア径比は、０．２２（Ｎ／ｍｍ）である。
　また、セカンドリングは、幅（シリンダ１の軸方向寸法）が３．０ｍｍ、外周面はテーパ形状、基材は、ＦＣ２５０相当材を用い、外周面に硬質Ｃｒめっきを施したものを用いた。セカンドリング張力のボア径比は、０．２５（Ｎ／ｍｍ）である。
　組合せオイルリングは、組合せ幅ｈが２．５ｍｍであり、基材は、ＪＩＳ　ＳＵＳ４２０Ｊ２相当材を用い、外周面に窒化を施したものを用いた。オイルリング張力のボア径比は、０．３０（Ｎ／ｍｍ）である。
＜オイル消費量測定試験の方法について＞
　続いて、本実施の形態のシリンダライナを用いて行った、オイル消費量測定試験について説明する。オイル消費量測定試験においては、ボア径φ１００ｍｍクラスのエンジンを使用した。エンジンのならし運転後、負荷条件は全負荷の状態で、冷却水温は９５℃、エンジンオイルの温度は１０５℃とし、エンジンオイルは１０Ｗ－３０（等級：ＪＡＳＯ規格、粘度分類：ＳＡＥ　Ｊ３００）を用いた。そして、エンジンの平均ピストン速度をＶとし、Ｖが８．３ｍ／ｓの条件でオイル消費量（ＬＯＣ：Ｌｕｂｕｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｏｉｌ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を評価した。この平均ピストン速度は、エンジンの回転速度とストローク（行程）から求められる平均速度である。オイル消費量測定は、評価前後のオイル総重量差から算出する抜き出し法により測定した。
＜燃料消費試験の方法について＞
　続いて、本実施の形態のシリンダライナを用いて行った、燃料消費試験について説明する。オイル消費量測定試験においては、ボア径φ１００ｍｍクラスのエンジンを使用した。エンジンのならし運転後、負荷条件は全負荷の状態で、冷却水温は９５℃、エンジンオイルの温度は１０５℃とし、エンジンオイルは１０Ｗ－３０（等級：ＪＡＳＯ規格、粘度分類：ＳＡＥ　Ｊ３００）を用いた。そして、エンジンの平均ピストン速度をＶとし、Ｖが３．３～９．２ｍ／ｓの区間領域で使用燃料、実トルクを測定し、燃料消費量を評価時の使用燃料と実トルクから算出した。この平均ピストン速度は、エンジンの回転速度とストローク（行程）から求められる平均速度である。
＜スカッフ試験の方法について＞
　続いて、本実施の形態のシリンダライナを用いて行った、スカッフ試験について説明する。スカッフ試験においては、ボア径φ１００ｍｍクラスのエンジンを使用した。エンジンのならし運転後、負荷条件は全負荷の状態で、冷却水温は１２０℃、エンジンオイルの温度は成り行きとし、エンジンオイルは１０Ｗ－３０（等級：ＪＡＳＯ規格、粘度分類：ＳＡＥ　Ｊ３００）を用いた。そして、エンジンの平均ピストン速度をＶとし、Ｖが８．３ｍ／ｓの条件で評価した。この平均ピストン速度は、エンジンの回転速度とストローク（行程）から求められる平均速度である。
＜評価基準＞
・燃料消費試験
◎：ベース比より０．５％以上改善
〇：ベース比より０％より大きく０．５％未満改善
△：ベース比より０％～０．５％未満悪化
×：ベース比より０．５％以上悪化
・スカッフ試験（目視による確認）
〇：スカッフ発生なし
×：スカッフ発生
・オイル消費量試験
◎：ベース比より１０％以上改善
〇：ベース比より０％より大きく１０％未満改善
△：ベース比より０％～１０％未満悪化
×：ベース比より１０％以上悪化
　なお、ベースは、第１摺動領域、第２摺動領域共に溝面積率１８％程度のシリンダボアを使用。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　次に、実施例２のシリンダライナを用い、オイルリングのクランク角を変化させて実機評価を行った。実機評価の運転条件、及び評価基準は上記と同様とした。結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に、シリンダボアの溝面積率と、フリクションとの関係を確認するため、フリクション試験を行った。フリクション試験は、シリンダボアの表面粗さを変化させることなく溝面積率を変化させ、以下の手順により行った。結果を表４に示す。表４の結果から、溝面積率が１５～５０％であることで、６００～１５００ｒｐｍに回転数が変化したすべての場合において、フリクションを低減できることが理解できる。
＜フリクション試験＞
　フリクション試験は単気筒浮動ライナ試験（１サイクル中のピストン、ピストンリングのフリクション変化をとらえる試験）にて大気開放モータリング評価にて実施した。フリクション測定試験においては、ボア径８３ｍｍでストローク８６ｍｍのクランク式単気筒モータリング試験機（浮動ライナ方式）を使用した。
　試験条件は冷却水温が８０℃、エンジンオイルの温度が８０℃とし、エンジンオイルが１０Ｗ－３０（等級：ＪＡＳＯ規格、粘度分類：ＳＡＥ　Ｊ３００）を用い、評価回転数は６００ｒｐｍから２０００ｒｐｍの間で評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
１０　シリンダライナ
１　　第１の摺動領域
２　　第２の摺動領域
３　　境界
４　　上死点
５　　下死点

Claims (12)

  1. 　内燃機関に用いられる鋳鉄製シリンダライナであって、
    　前記シリンダライナのシリンダボアには、複数の溝部が形成されており、
    　前記シリンダボアは、ピストン摺動方向において、前記溝部の性状が異なる第１の摺動領域及び第２の摺動領域を有し、
    　前記第１の摺動領域は第２の摺動領域に対してより燃焼室側に位置しており、前記第１の摺動領域の溝面積率は、１０％以下であり、且つ前記第２の摺動領域の溝面積率は、１５％以上４０％以下である、鋳鉄製シリンダライナ。
    溝面積率：シリンダボア表面から深さ０．３μｍの位置での溝部の面積の割合
  2. 　前記第１の摺動領域と第２の摺動領域とは連続した領域であって、その境界は、クランク角５０°以上８０°以下の範囲に存在する、請求項１に記載の鋳鉄製シリンダライナ。
  3. 　前記第２の摺動領域の溝面積率は、１８％以上３６％以下である、請求項１又は２に記載の鋳鉄製シリンダライナ。
  4. 　前記第２の摺動領域の表面粗さは、Ｒａが０．１３μｍ以上、０．４５μｍ以下であり、Ｒｋが０．３６μｍ以上、０．８２μｍ以下であり、Ｒｖｋが０．３５μｍ以上、１．２２μｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の鋳鉄製シリンダライナ。
  5. 　前記第１の摺動領域の表面粗さは、Ｒａは０．０８μｍ以上、０．１１μｍ以下であり、Ｒｋが０．２０μｍ以上、０．２７μｍ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の鋳鉄製シリンダライナ。
  6. 　前記内燃機関がディーゼル用内燃機関である、請求項１～５のいずれか１項に記載の鋳鉄製シリンダライナ。
  7. 　内燃機関のシリンダボアであって、
    　前記シリンダボアには、複数の溝部が形成されており、
    　前記シリンダボアは、ピストン摺動方向において、前記溝部の性状が異なる第１の摺動領域及び第２の摺動領域を有し、
    　前記第１の摺動領域は第２の摺動領域に対してより燃焼室側に位置しており、前記第１の摺動領域の溝面積率は、１０％以下であり、且つ前記第２の摺動領域の溝面積率は、１５％以上４０％以下である、内燃機関のシリンダボア。
    溝面積率：シリンダボア表面から深さ０．３μｍの位置での溝部の面積の割合
  8. 　前記第１の摺動領域と第２の摺動領域とは連続した領域であって、その境界は、クランク角５０°以上８０°以下の範囲に存在する、請求項７に記載のシリンダボア。
  9. 　前記第２の摺動領域の溝面積率は、１８％以上３６％以下である、請求項７又は８に記載のシリンダボア。
  10. 　前記第２の摺動領域の表面粗さは、Ｒａが０．１３μｍ以上、０．４５μｍ以下であり、Ｒｋが０．３６μｍ以上、０．８２μｍ以下であり、Ｒｖｋが０．３５μｍ以上、１．２２μｍ以下である、請求項７～９のいずれか１項に記載のシリンダボア。
  11. 　前記第１の摺動領域の表面粗さは、Ｒａは０．０８μｍ以上、０．１１μｍ以下であり、Ｒｋが０．２０μｍ以上、０．２７μｍ以下である、請求項７～１０のいずれか１項に記載のシリンダボア。
  12. 　前記内燃機関がディーゼル用内燃機関である、請求項７～１１のいずれか１項に記載のシリンダボア。
     
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