WO2021250859A1 - シリンダライナ及びシリンダボア - Google Patents

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WO2021250859A1
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cylinder liner
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piston
cylinder
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清治 田牧
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, and a combination of the cylinder liner or the cylinder bore and a piston provided with a piston ring.
  • the inner peripheral surface (cylinder bore) of the cylinder liner is finely machined such as a groove in order to reduce friction when sliding with the piston. Then, in order to further reduce friction and improve scuff resistance, it has been proposed to change the fine processing of the groove on the inner peripheral surface of the cylinder liner in the axial direction of the cylinder liner.
  • a portion (Z1, Z2, Z3) having three inner surfaces along the axial direction of the cylinder liner that is, a first portion (Z1) near the top dead center of the piston and a second portion in the center. It is divided into (Z2) and a third portion (Z3) near the bottom dead center of the piston, and each of the three portions (Z1, Z2, Z3) has a specific roughness value and a predetermined length.
  • Cylinder liners are disclosed.
  • the roughness Rvk of the first portion (Z1) is 1.10 to 2.80 ⁇ m
  • the roughness Rvk of the second portion (Z2) is 0.30 to 1.00 ⁇ m
  • the roughness Rvk of the second portion (Z2) is 0.30 to 1.00 ⁇ m. It is disclosed that the roughness Rvk of the above is 0.30 to 2.80 ⁇ m.
  • the inner wall surface of the cylinder of an internal combustion engine is defined in an upper region, a lower region, and a stroke central region, and the surface roughness of the stroke central region is defined as the upper region and the stroke central region. It is disclosed that it is larger than the surface roughness of the lower region.
  • the method disclosed above discloses a major direction for improving fuel efficiency and reducing oil consumption.
  • the scope of disclosure is very wide, and the disclosure of specific numerical values is scarce, so the effectiveness was insufficient. Therefore, the present invention provides a new method capable of improving fuel efficiency by reducing friction on the sliding surface from the conventional level without increasing oil consumption from the conventional level by a method different from the above-mentioned technology. The challenge is to provide.
  • the present inventors proceeded with studies to solve the above problems, and confirmed how the friction between the piston and the inner peripheral surface of the cylinder liner changes depending on the position of the piston. Then, further studies are carried out based on the friction change data, and by controlling the friction in the place where the torque due to the friction is high, instead of simply controlling the friction in the place where the friction is large, the friction is reduced and the fuel consumption is improved. I found it important to do so. Then, based on this knowledge, by controlling the roughness of the inner peripheral surface of the cylinder liner at a specific position, the friction of the sliding surface can be reduced from the conventional level without increasing the oil consumption from the conventional level. We have found that fuel efficiency can be improved and completed the present invention.
  • one embodiment of the present invention is a cylinder liner and a cylinder bore used in an internal combustion engine.
  • a plurality of grooves are formed on the inner peripheral surface of the cylinder liner or the cylinder bore.
  • the inner peripheral surface of the cylinder liner or the cylinder bore has a first sliding region, a second sliding region, and a third sliding region in which the properties of the groove portion are different in the piston sliding direction.
  • the first sliding region, the second sliding region, and the third sliding region are continuous regions, and the first sliding region is more than the second sliding region.
  • the surface roughness Rvk of the first sliding region is 0.05 ⁇ m or more and 0.3 ⁇ m or less, and the surface roughness Rvk of the second sliding region is 0.4 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less.
  • 3 is a cylinder liner having a surface roughness Rvk of 0.15 ⁇ m or more and 0.7 ⁇ m or less in the sliding region.
  • the boundary between the first sliding region and the second sliding region preferably exists in the sliding range of the oil ring provided on the piston in the range of the crank angle of 40 ° or more and 60 ° or less, and the second. It is preferable that the boundary between the sliding region and the third sliding region exists in the sliding range of the oil ring provided on the piston in the range of the crank angle of 130 ° or more and 150 ° or less. Further, it is preferable that the internal combustion engine is a diesel internal combustion engine.
  • Another embodiment of the present invention is a combination of a piston for an internal combustion engine having the cylinder liner or cylinder bore, a piston provided with a compression ring and an oil ring, and a cylinder liner or cylinder bore.
  • the ratio (P / D) of the total tension P (N) of the compression ring and the oil ring provided on the piston to the inner circumference D (mm) of the cylinder liner or the cylinder bore is 0.45 N / mm or less.
  • the ratio (P / D) of the total tension P (N) of the compression ring and the oil ring provided on the piston to the inner circumference D (mm) of the cylinder liner or the cylinder bore shall be 0.18 N / mm or more.
  • the oil ring is a two-piece type oil ring, and the contact width of one side of the oil ring in the cylinder liner axial direction on the contact surface between the outer peripheral surface of the oil ring and the cylinder bore is 0.07 mm or more. It is preferably 0.3 mm or less.
  • the oil ring has a tapered shape in which at least one of the contact portions between the oil ring and the cylinder bore has an outer diameter increasing on the crankcase side, or a barrel shape in which the apex of the barrel is on the crankcase side. It is preferable to have.
  • One embodiment of the present invention is a cylinder liner and a cylinder bore preferably used for an internal combustion engine for diesel engines, and a plurality of grooves are formed on the inner peripheral surface of the cylinder of the cylinder liner or the cylinder bore.
  • the inner peripheral surface of the cylinder has a first sliding region, a second sliding region, and a third sliding region in which the properties of the groove portion 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 made 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 inside the cylinder liner 10 in the vertical direction (cylinder liner axial direction) shown in FIG.
  • the combustion chamber side is "upper” and the crank chamber side is "lower”.
  • the chain line 6 shown in FIG. 1 indicates the top dead center (TDC) of the oil ring
  • the chain line 7 indicates the bottom dead center (BDC) of the oil ring
  • the inner peripheral surface of the cylinder liner is the first including the top dead center 6.
  • the sliding region 1 of the above, the third sliding region 3 including the bottom dead center 7, and the second sliding region 2 located in the middle thereof are included.
  • the first sliding region 1, the second sliding region 2, and the third sliding region 3 may be continuous regions via the boundaries 4 and 5.
  • the surface roughness Rvk of the first sliding region is 0.05 ⁇ m or more and 0.3 ⁇ m or less
  • the surface roughness Rvk of the second sliding region is 0.4 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less.
  • the surface roughness Rvk of the third sliding region is 0.15 ⁇ m or more and 0.7 ⁇ m or less.
  • the surface roughness curve is formed into a roughness shape in which the height of the mountain portion is smaller and the depth of the valley portion is deeper than the other regions. It has been found that the shear resistance of the oil film in the above can be reduced and the friction in the region can be reduced, which contributes to the improvement of the fuel efficiency as a whole.
  • the boundary of the "region” referred to here is represented by the rotation angle of the crank with respect to the top dead center of the oil ring among the piston rings provided on the piston (0 °).
  • a first sliding region, a second sliding region, and a third sliding region having different properties of the groove portion are continuous in the piston sliding direction.
  • the boundary between the first sliding region and the second sliding region preferably exists in the sliding range of the oil ring provided on the piston in the range of the crank angle of 40 ° or more and 60 ° or less, and the second sliding region.
  • the boundary between the moving region and the third sliding region preferably exists in the sliding range of the oil ring provided on the piston in the range of the crank angle of 130 ° or more and 150 ° or less.
  • the surface roughness Rvk is reduced in the first sliding region where the wall temperature of the cylinder bore is high and the oil consumption due to the evaporation of the oil is large, so that the oil consumption is reduced.
  • the effect of the above becomes more remarkable, and the surface roughness Rvk in the second sliding region where the torque of friction change is large becomes larger than the surface roughness Rvk in the third sliding region, and the piston and the cylinder bore It is possible to improve fuel efficiency by comprehensively reducing friction with.
  • the honing process is changed between the first sliding region, the second sliding region, and the third sliding region, and the number of honing processes and honing are performed. It can be manufactured by appropriately adjusting the shape, type, particle size, etc. of the grindstone used in the processing.
  • a cross hatch may be formed on the inner peripheral surface of the cylinder liner or the cylinder bore by honing.
  • the angle acute angle
  • the 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.
  • the inner peripheral surface dimensions are processed in the order of rough (Rough) boring, fine (Fine) boring, I honing, and II honing to near the completed dimensions. Then, a predetermined surface roughness is formed by the honing process of III honing / IV honing and V honing.
  • I honing a grindstone with coarse abrasive grains is used.
  • the first sliding region is processed by II honing, and a grindstone with super-finished abrasive grains is used.
  • the second sliding region is machined by III honing, and a grindstone with coarse abrasive grains is used.
  • the third sliding region is processed by IV honing, and the grindstone of the grindstone inside is used.
  • the V-honing is performed by using a grindstone so that the first sliding region, the second sliding region, and the third sliding region are continuous regions.
  • the above shows the case where the inner peripheral surface of the cylinder liner remains as a base material, and when a chemical conversion treatment such as a phosphate coating is applied, 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, a process may be added as appropriate, or when a honing machine capable of various controls is used, the machining process may be omitted. Even if the cylinder block does not have a cylinder liner, the cylinder bore can be machined in the same manner as the inner peripheral surface of the cylinder liner.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a combination of a piston equipped with a piston ring and a cylinder liner.
  • a piston ring groove is formed in the piston 12, and a first groove 13, a second groove 14, and a third groove 15 are formed from the combustion chamber side.
  • a top ring 13a which is a compression ring, is attached to the first groove 13
  • a second ring 14a which is a compression ring, is attached to the second groove 14
  • a combination oil ring 15a is attached to the third groove 15.
  • the right end portion of the top ring 13a, the second ring 14a, and the combined oil ring 15a shown in FIG. 2 is a sliding surface that slides in contact with the inner wall of the cylinder liner 11, and the outer peripheral surface thereof is covered with a hard coating. May be good.
  • the ratio (P / D) of the total tension P (N) of the compression rings 13a and 14a and the oil ring 15a provided on the piston to the inner peripheral diameter D (mm) of the cylinder liner or the cylinder bore is. It is preferably 0.45 N / mm or less. Further, it is more preferably 0.18 N / mm or more.
  • the oil ring 15a is preferably a two-piece type oil ring, and in the case of a two-piece type oil ring, the cylinder liner axial direction on the contact surface between the outer peripheral surface of the oil ring 15a and the cylinder liner 11. It is preferable that the contact width of one side of the oil ring is 0.07 mm or more and 0.3 mm or less.
  • the friction test was carried out by an atmospheric open motoring evaluation using a single-cylinder floating liner tester (a tester that captures changes in friction between the piston and piston ring during one cycle).
  • 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.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the crank type single cylinder motoring tester used for the friction test.
  • the cylinder liner 21 has a structure in which the behavior in the radial direction is restricted by the stopper 23 and the cylinder liner 21 can move only in the axial direction.
  • the sensor 24 attached to the cylinder liner 21 detects the axial sliding friction force acting on the cylinder liner 21.
  • This sliding friction force was evaluated by the friction mean effective pressure (FMEP) obtained by dividing the friction torque per cycle by the displacement.
  • the test conditions were that the cooling water temperature was 80 ° C., the engine oil temperature was 80 ° C., the engine oil was 10 W-30 (viscosity classification: SAE J300), and the evaluation rotation speed was measured between 600 rpm and 2000 rpm.
  • a cylinder liner having an inner diameter of ⁇ 83 mm was prepared using a cast iron material. Using this cylinder liner, the position of the piston and the magnitude of the friction torque were measured.
  • the ratio of the total piston ring tension to the inner diameter of the cylinder liner is 0.46 N / mm, and the combination with the cylinder liner whose inner peripheral surface roughness of the cylinder liner is Rvk 1.9 ⁇ m is the conventional specification (comparative example).
  • the ratio of the total tension of the piston ring to the inner diameter is 0.34 N / mm, the inner peripheral surface roughness of the cylinder liner is 0.2 ⁇ m for the surface roughness Rvk of the first sliding region, and the surface of the third sliding region.
  • FIG. 5 shows the FMEP ratio of the present invention (Example) when the conventional specification (Comparative Example) at a rotation speed of 2000 rpm of the testing machine is set to 100.
  • the inner peripheral surface roughness of the cylinder liner is such that the surface roughness Rvk of the first sliding region is from 0.04 ⁇ m to 0.4 ⁇ m, and the surface roughness Rvk of the second sliding region is from 0.3 ⁇ m to 1.
  • the surface roughness Rvk of the third sliding region was changed from 0.1 ⁇ m to 0.8 ⁇ m, and each FMEP was measured. The results are shown in Table 1.
  • Table 1 also shows the results of setting the first sliding region, the second sliding region, and the third sliding region to Rvk 0.2 ⁇ m and Rvk 1.9 ⁇ m.
  • the ratio of the total tension of the piston ring to the inner diameter of the cylinder liner is 0.46 N / mm, and the combination with the cylinder liner whose inner peripheral surface roughness of the cylinder liner is Rvk 1.9 ⁇ m is the conventional specification, and the FMEP at that time is 100. %, Various piston ring total tensions and cylinder liner inner peripheral surface properties were tested, FMEP reduced by 20% or more S, 10% or more and less than 20% reduction A, more than 0% and less than 10% reduction B, Equivalent or less was evaluated as C.
  • the Scotch yoke type friction tester 30 has a cylinder liner 31, a piston 32, a connecting rod 33, and a holding member 34. A top ring, a second ring, and an oil ring are mounted on the piston 32, respectively.
  • the inner peripheral surface roughness of the cylinder liner is such that the surface roughness Rvk of the first sliding region is from 0.04 ⁇ m to 0.4 ⁇ m, and the surface roughness Rvk of the second sliding region is from 0.3 ⁇ m to 1.7 ⁇ m.
  • the surface roughness Rvk of the third sliding region was changed from 0.1 ⁇ m to 0.8 ⁇ m, and the amount of residual oil in each was measured.
  • the results are shown in Table 1.
  • total tension / Cyl in Table 1 is the ratio of the total tension of the piston ring to the inner diameter of the cylinder liner.
  • the ratio of the total tension of the piston ring to the inner diameter of the cylinder liner is 0.45 N / mm, and the combination with the cylinder liner whose inner peripheral surface roughness of the cylinder liner is Rvk 1.9 ⁇ m is the conventional specification, and the amount of residual oil at that time is set.
  • the top ring has a width (axial dimension of cylinder 1) of 1.2 mm
  • the outer peripheral surface has a barrel shape
  • the base material uses a material equivalent to JIS SUS440B
  • the outer peripheral surface has an arc ion play.
  • a CrN-coated material by the Ting method was used.
  • the cylinder liner inner diameter ratio of the top ring tension was 0.07 (N / mm).
  • the second ring had a width (axial dimension of the cylinder 1) of 1.2 mm, a tapered outer peripheral surface, a base material equivalent to FC250, and a hard Cr plating on the outer peripheral surface.
  • the cylinder liner inner diameter ratio of the second ring tension was 0.05 (N / mm).
  • the combined oil ring had a combined width h of 2.0 mm, and the base material used was a material equivalent to JIS SUS420J2, and the outer peripheral surface was nitrided.
  • the cylinder liner inner diameter ratio of the oil ring tension was 0.17 (N / mm).
  • the contact width on one side of the oil ring was 0.1 mm, and the contact width on the other side was also 0.1 mm.

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Abstract

オイル消費を従来水準よりも増加させることなく、摺動面のフリクションを従来水準よりも低減させて燃費を改善できる、シリンダライナを提供することを課題とする。　内燃機関に用いられるシリンダライナ又はシリンダボアにおいて、シリンダライナ又はシリンダボアの内周面は第１の摺動領域、第２の摺動領域及び第３の摺動領域を有し、それぞれの表面粗さＲｖｋは０．０５μｍ以上０．３μｍ以下、０．４μｍ以上１．５μｍ以下、０．１５μｍ以上０．７μｍ以下とすることで、オイル消費を維持しながら、フリクション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、並びに該シリンダライナ又はシリンダボアとピストンリングを備えたピストンとの組み合わせに関する。
　シリンダライナの内周面（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。そして、更なる摩擦の低減や、耐スカッフ性を高めるため、シリンダライナの内周面の溝の微細加工を、シリンダライナの軸方向で変化させることが提案されている。
　例えば特許文献１には、ボア内周面に沿って摺動するピストンリングのトップリングが上死点となる位置のクランク角を０度としたとき、当該クランク角が２０度近辺までのボア内周面頭部領域を、当該頭部領域から基端の基部領域より面粗度を大きくすることが開示されている。その結果、エンジンが最も摩擦損失や耐スカッフ性を高める必要がある領域に多量のオイルを保持できることから、オイル消費を低減することができ、ＨＣ量等の発生を抑制できることが開示されている。
　また、特許文献２には、シリンダライナの軸方向に沿って内面が３つの部分（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）、すなわち、ピストン上死点近傍の第１部分（Ｚ１）と、中央の第２部分（Ｚ２）と、ピストンの下死点近傍の第３部分（Ｚ３）とに、分割され、３つの部分（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の各々は、特定の粗さ値および所定の長さを有するシリンダライナが開示されている。そして、第１部分（Ｚ１）の粗さＲｖｋが１．１０～２．８０μｍであり、第２部分（Ｚ２）の粗さＲｖｋが０．３０～１．００μｍであり、第３部分（Ｚ３）の粗さＲｖｋが０．３０～２．８０μｍであることが開示されている。
　更に特許文献３には、内燃機関のシリンダであって、その内壁面は上方領域と下方領域と、行程中央部領域に画成されており、行程中央部領域の表面粗さは、上方領域及び下方領域の表面粗さよりも大きいこと、が開示されている。
特開２００２－３６４４５５号公報 特開２０１７－１１０８０４号公報 特開２０１９－７８２６７号公報
　上記開示された方法では、燃費の向上やオイル消費の低減に関して、大きな方向性は開示されている。しかしながら開示の範囲が非常に広く、また具体的な数値の開示も乏しいことから、実効性が不十分であった。そこで本発明は、上記技術とは異なる方法により、オイル消費を従来水準よりも増加させることなく、摺動面のフリクションを従来水準よりも低減させて燃費を改善することができる、新たな方法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、ピストンとシリンダライナの内周面とのフリクションが、ピストンの位置によりどのように変化するかを確認した。そしてフリクションの変化データに基づいて更に検討を進め、単にフリクションが大きい箇所におけるフリクションを制御するのではなく、フリクションによるトルクが高い箇所におけるフリクションを制御することが、フリクションを低減させて燃費を改善するためには重要であることを見出した。そして当該知見に基づき、シリンダライナの内周面の特定の位置における粗さを制御することで、オイル消費を従来水準よりも増加させることなく、摺動面のフリクションを従来水準よりも低減させて燃費を改善できることを見出し、本発明を完成させた。
　即ち本発明の一形態は、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であって、
　前記シリンダライナ又はシリンダボアの内周面には、複数の溝部が形成されており、
　前記シリンダライナ又はシリンダボアの内周面は、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の摺動領域と、第２の摺動領域と、第３の摺動領域と、を有し、
　前記第１の摺動領域と第２の摺動領域と第３の摺動領域とは連続した領域であって、且つ、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の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．０５μｍ以上０．３μｍ以下であり、前記第２の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．４μｍ以上１．５μｍ以下であり、前記第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．１５μｍ以上０．７μｍ以下である、シリンダライナ、である。
　前記第１の摺動領域と第２の摺動領域との境界は、クランク角４０°以上６０°以下の範囲においてピストンに備えられるオイルリングの摺動範囲に存在することが好ましく、前記第２の摺動領域と第３の摺動領域との境界は、クランク角１３０°以上１５０°以下の範囲においてピストンに備えられるオイルリングの摺動範囲に存在することが好ましい。また、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い。
　また、本発明の別の形態は、上記シリンダライナ又はシリンダボアと、コンプレッションリング及びオイルリングを備えたピストンと、を有する内燃機関用ピストンとシリンダライナ又はシリンダボアとの組み合わせであって、
　前記シリンダライナ又はシリンダボアの内周径Ｄ（ｍｍ）に対する、前記ピストンに備えられたコンプレッションリング及びオイルリングの合計張力Ｐ（Ｎ）の比（Ｐ／Ｄ）は、０．４５Ｎ／ｍｍ以下である、組み合わせである。
　前記シリンダライナ又はシリンダボアの内周径Ｄ（ｍｍ）に対する、前記ピストンに備えられたコンプレッションリング及びオイルリングの合計張力Ｐ（Ｎ）の比（Ｐ／Ｄ）は０．１８Ｎ／ｍｍ以上であることが好ましく、前記オイルリングは２ピースタイプのオイルリングであって、前記オイルリングの外周面と前記シリンダボアとの接触面における、シリンダライナ軸方向の前記オイルリング片側一方の接触幅が０．０７ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは、前記オイルリングは、オイルリングとシリンダボアとの接触部形状の少なくともいずれか一方がクランクケース側に外径が増加するテーパ形状、またはクランクケース側にバレルの頂点があるバレル形状、であることが好ましい。
　本発明により、オイル消費を従来水準よりも増加させることなく、摺動面のフリクションを従来水準よりも低減させて燃費を改善できるシリンダライナ又はシリンダボアを提供できる。そして、組み合わせて使用するピストンリングの張力を特定の範囲のものとし、好ましくはオイルリングとシリンダボアとの接触幅を特定の範囲のものとすることで、燃費改善効果がより顕著なものとなる。
本実施形態に係るシリンダライナの断面模式図である。 シリンダライナと、ピストンリングを備えたピストンと、の組み合わせを示す断面模式図である。 実施例で行ったフリクション試験の、試験機の断面模式図である。 実施例で行ったフリクション試験の、結果を表すグラフである。 実施例で行ったフリクション試験の、結果を表すグラフである。 実施例で行った残留油量評価試験の、試験機の断面模式図である。
　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シリンダライナ及びシリンダボアであって、前記シリンダライナ又はシリンダボアのシリンダの内周面には、複数の溝部が形成されている。そして、シリンダの内周面は、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、第２の摺動領域、及び第３の摺動領域を有している。本実施形態について、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に記載の上下方向（シリンダライナ軸方向）に摺動する。なお、図１において、燃焼室側が「上」であり、クランク室側が「下」である。
　図１に記載の鎖線６はオイルリングの上死点（ＴＤＣ）を、鎖線７はオイルリングの下死点（ＢＤＣ）を示し、シリンダライナの内周面は、上死点６を含む第１の摺動領域１と、下死点７を含む第３の摺動領域３と、その中間に位置する第２の摺動領域２と、を含む。第１の摺動領域１と第２の摺動領域２と第３の摺動領域３とは、境界４及び５を介して連続した領域であり得る。
　本実施形態では、第１の摺動領域の表面粗さＲｖｋが０．０５μｍ以上０．３μｍ以下であり、第２の摺動領域の表面粗さＲｖｋが０．４μｍ以上１．５μｍ以下であり、第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋが０．１５μｍ以上０．７μｍ以下である。
　本発明者らが検討したところ、ピストンとシリンダライナの内周面とのフリクションを総合的に低減するためには、単にフリクションが大きい領域におけるフリクションを低減させるのではなく、フリクションによるトルクが大きい位置におけるフリクションを低減させることが、燃費を改善するためには重要であることを見出した。すなわち本実施形態でいうところの第２の摺動領域において、その表面粗さ曲線を他の領域よりも山部高さを小さく谷部深さを深くなる粗さ形状にすることで、当該領域における油膜のせん断抵抗を低減し、当該領域のフリクションを低減させることができ、全体としての燃費の改善に貢献することを見出した。なお、ここでいう「領域」の境界は、ピストンに備えられたピストンリングのうちオイルリングの上死点を基準（０°）とした、クランクの回転角度により表される。
　図１に記載のシリンダライナ１０の内周面は、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、第２の摺動領域、及び第３の摺動領域が連続して存在する。
　第１の摺動領域と第２の摺動領域との境界は、クランク角４０°以上６０°以下の範囲においてピストンに備えられるオイルリングの摺動範囲に存在することが好ましく、第２の摺動領域と第３の摺動領域との境界は、クランク角１３０°以上１５０°以下の範囲においてピストンに備えられるオイルリングの摺動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の摺動領域にて表面粗さＲｖｋを小さくすることになり、オイル消費低減の効果がより顕著となるとともに、フリクション変化のトルクが大きい第２の摺動領域において表面粗さＲｖｋを、第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋよりも大きくすることになり、ピストンとシリンダボアとのフリクションを総合的に低減して、燃費を改善することができる。オイル消費を低減するには第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋよりも第１の摺動領域の表面粗さＲｖｋを小さくしたほうが好ましい。
　本実施形態に係るシリンダライナ又はシリンダボアの内周面は、第１の摺動領域と第２の摺動領域と第３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、粒度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ライナ又はシリンダボアの内周面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内周面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ホーニングの順に内周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。
　Ｉホーニングでは粗の砥粒の砥石を用いる。第１の摺動領域はＩＩホーニングで加工し、超仕の砥粒の砥石を用いる。第２の摺動領域はＩＩＩホーニングで加工し、粗の砥粒の砥石を用いる。第３の摺動領域はＩＶホーニングで加工し、中の砥粒の砥石を用いる。Ｖホーニングは、仕の砥石を用いて、第１の摺動領域と第２の摺動領域と第３の摺動領域が連続した領域となるよう加工する。
　以上は、シリンダライナの内周面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ブロックであっても、シリンダライナの内周面と同様に、シリンダボアを加工することができる。
　本発明の別の実施形態は、上記説明したシリンダライナ又はシリンダボアと、コンプレッションリング及びオイルリングを備えたピストンと、を有する内燃機関用ピストンとシリンダライナ又はシリンダボアとの組み合わせである。本実施形態について、図２を用いて説明する。
　図２は、ピストンリングが装着されたピストンと、シリンダライナとの組み合わせの一例を示す断面図である。
　ピストン１２にはピストンリング溝が形成され、燃焼室側から第１の溝１３、第２の溝１４、及び第３の溝１５が形成されている。第１の溝１３には、コンプレッションリングであるトップリング１３ａが装着され、第２の溝１４には、コンプレッションリングであるセカンドリング１４ａが装着され、第３の溝１５には、組合せオイルリング１５ａが装着される。
　トップリング１３ａ、セカンドリング１４ａ、組合せオイルリング１５ａの図２記載の右端部は、シリンダライナ１１の内壁と接触して摺動する摺動面であり、その外周面は硬質被膜により被覆されていてもよい。
　本実施形態では、シリンダライナ又はシリンダボアの内周径Ｄ（ｍｍ）に対する、前記ピストンに備えられたコンプレッションリング１３ａ及び１４ａ並びにオイルリング１５ａの合計張力Ｐ（Ｎ）の比（Ｐ／Ｄ）は、０．４５Ｎ／ｍｍ以下であることが好ましい。また、０．１８Ｎ／ｍｍ以上であることがより好ましい。上記範囲を満たすシリンダライナと、コンプレッションリング及びオイルリングを備えたピストンと、の組み合わせにより、更にシリンダライナとピストンリングとのフリクションを低減させることができる。
　また、前記オイルリング１５ａは、２ピースタイプのオイルリングであることが好ましく、２ピースタイプのオイルリングである場合、オイルリング１５ａの外周面とシリンダライナ１１との接触面における、シリンダライナ軸方向の前記オイルリング片側一方の接触幅が０．０７ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。上記接触幅の範囲を満たすシリンダライナと、コンプレッションリング及びオイルリングを備えたピストンと、の組み合わせにより、更にシリンダライナとピストンリングとのフリクションを低減させることができる。
　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。
＜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機（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機）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。図３に、フリクション試験に用いたクランク式単気筒モータリング試験機の断面模式図を示す。シリンダライナ２１はストッパ２３により径方向の挙動が制限され、軸方向のみ可動できる構造である。シリンダライナ２１に取り付けられたセンサ２４によりシリンダライナ２１に作用する軸方向の摺動摩擦力を検出する。この摺動摩擦力の１サイクル当たりの摩擦トルクを排気量で除した摩擦平均有効圧力（ＦＭＥＰ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｍｅａｎ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）により評価した。
　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（粘度分類：ＳＡＥ　Ｊ３００）を用い、評価回転数は６００ｒｐｍから２０００ｒｐｍの間を測定した。
　鋳鉄材を用いて、内径φ８３ｍｍのシリンダライナを準備した。このシリンダライナを用いて、ピストンの位置と摩擦トルクの大きさを測定した。
　シリンダライナ内径に対するピストンリング合計張力の比が０．４６Ｎ／ｍｍであり、シリンダライナの内周面粗さを全面Ｒｖｋ１．９μｍとしたシリンダライナとの組み合わせを従来仕様（比較例）とし、シリンダライナ内径に対するピストンリング合計張力の比が０．３４Ｎ／ｍｍであり、シリンダライナの内周面粗さを第１の摺動領域の表面粗さＲｖｋが０．２μｍ、第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋが０．５μｍ、第２の摺動領域の表面粗さＲｖｋを０．８μｍとしたシリンダライナとの組み合わせを本発明（実施例）として、それぞれの試験機の回転速度が１５００ｒｐｍにおけるオイルリングのクランク角と摩擦力の測定を行った。結果を図４に示す。
　また試験機の回転速度が２０００ｒｐｍにおける従来仕様（比較例）を１００としたときの本発明（実施例）のＦＭＥＰ比を図５に示す。
　図４から、第２の摺動領域（オイルリングのクランク角で約４０°～約１５０°の範囲）の表面粗さＲｖｋを０．８μｍとした場合において、全領域に亘って表面粗さＲｖｋを１．９μｍとした場合よりも摩擦力が低減することが理解できる。
　図５から、従来仕様に対し本発明が試験機の回転速度が２０００ｒｐｍにおいて２０％以上ＦＭＥＰが低減することが理解できる。
　これらの結果より、当該領域のフリクションを低減することで、燃費の改善効果が大きいことを着想した。
＜表面粗さＲｖｋによるＦＭＥＰ比評価＞
　次に、シリンダライナの内周面粗さを第１の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．０４μｍから０．４μｍまで、第２の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．３μｍから１．７μｍまで、第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．１μｍから０．８μｍまでの間で変更し、それぞれのＦＭＥＰを測定した。結果を表１に示す。
　第１の摺動領域、第２の摺動領域及び第３の摺動領域をＲｖｋ０．２μｍとＲｖｋ１．９μｍとした結果も表１に示す。
　シリンダライナ内径に対するピストンリングの合計張力の比が０．４６Ｎ／ｍｍであり、シリンダライナの内周面粗さを全面Ｒｖｋ１．９μｍとしたシリンダライナとの組み合わせを従来仕様とし、その時のＦＭＥＰを１００％として、各種のピストンリング合計張力およびシリンダライナ内周面性状について試験し、ＦＭＥＰが２０％以上低減をＳ、１０％以上２０％未満低減をＡ、０％超１０％未満の低減をＢ、同等以下をＣとして評価した。
＜残留油量評価試験＞
　残留油量評価試験機には、ボア×ストロークが内径φ８３×８６ｍｍのスコッチヨーク式摩擦試験機を使用した。潤滑油にはＳＡＥ粘度が０Ｗ－２０のエンジンオイルを用い、油水温を８０℃に設定した。本条件にて運転速度１０００ｒｐｍで３０ｓ運転後、ピストン停止位置を下死点位置に固定して、シリンダライナ壁面に残された油を濾紙で拭き取り、電子天秤にて、拭き取り前後の濾紙の重さ変化を測定した。図６に、残留油量評価試験に用いたスコッチヨーク式摩擦試験機の断面模式図を示す。スコッチヨーク式摩擦試験機３０は、シリンダライナ３１と、ピストン３２と、コンロッド３３と、保持部材３４を有する。ピストン３２には、トップリングと、セカンドリングと、オイルリングがそれぞれ装着されている。
　シリンダライナの内周面粗さを第１の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．０４μｍから０．４μｍまで、第２の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．３μｍから１．７μｍまで、第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．１μｍから０．８μｍまでの間で変更し、それぞれの残留油量を測定した。結果を表１に示す。なお、表１における「合計張力／Ｃｙｌ」は、シリンダライナ内径に対するピストンリング合計張力の比である。
　シリンダライナ内径に対するピストンリング合計張力の比が０．４５Ｎ／ｍｍであり、シリンダライナの内周面粗さを全面Ｒｖｋ１．９μｍとしたシリンダライナとの組み合わせを従来仕様とし、その時の残留油量を１００％として、各種のピストンリング合計張力およびシリンダライナ内周面性状について試験し、残留油量が２０％以上低減をＳ、１０％以上２０％未満低減をＡ、０％超１０％未満の低減をＢ、同等以下をＣとして評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
＜ピストンリングとの組み合わせ＞
　組み合わせに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１．２ｍｍ、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シリンダライナ内径比は、０．０７（Ｎ／ｍｍ）であった。
　また、セカンドリングは、幅（シリンダ１の軸方向寸法）が１．２ｍｍ、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シリンダライナ内径比は、０．０５（Ｎ／ｍｍ）であった。
　組合せオイルリングは、組合せ幅ｈが２．０ｍｍ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シリンダライナ内径比は、０．１７（Ｎ／ｍｍ）であった。オイルリング片側一方の接触幅は０．１ｍｍであり、その反対側の接触幅も０．１ｍｍであった。
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　　第３の摺動領域
４　　境界
５　　境界
６　　上死点
７　　下死点
１１　シリンダライナ
１２　ピストン
１３　第１の溝
１４　第２の溝
１５　第３の溝
１３ａ　トップリング
１４ａ　セカンドリング
１５ａ　オイルリング
２０　クランク式単気筒モータリング試験機
２１　シリンダライナ
２３　ストッパ
２４　センサ
３０　スコッチヨーク式摩擦試験機
３１　シリンダライナ
３２　ピストン
３３　コンロッド
３４　保持部材

Claims (11)

  1. 　内燃機関に用いられるシリンダライナであって、
    　前記シリンダライナの内周面には、複数の溝部が形成されており、
    　前記シリンダライナの内周面は、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の摺動領域と、第２の摺動領域と、第３の摺動領域と、を有し、
    　前記第１の摺動領域と第２の摺動領域と第３の摺動領域とは連続した領域であって、且つ、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の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．０５μｍ以上０．３μｍ以下であり、前記第２の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．４μｍ以上１．５μｍ以下であり、前記第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．１５μｍ以上０．７μｍ以下である、シリンダライナ。
  2. 　前記第１の摺動領域と第２の摺動領域との境界は、クランク角４０°以上６０°以下の範囲においてピストンに備えられるオイルリングの摺動範囲に存在する、請求項１に記載のシリンダライナ。
  3. 　前記第２の摺動領域と第３の摺動領域との境界は、クランク角１３０°以上１５０°以下の範囲においてピストンに備えられるオイルリングの摺動範囲に存在する、請求項１に記載のシリンダライナ。
  4. 　前記内燃機関がディーゼル用内燃機関である、請求項１～３のいずれか１項に記載のシリンダライナ。
  5. 　内燃機関のシリンダボアであって、
    　前記シリンダボアの内周面には、複数の溝部が形成されており、
    　前記シリンダボアの内周面は、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の摺動領域と、第２の摺動領域と、第３の摺動領域と、を有し、
    　前記第１の摺動領域と第２の摺動領域と第３の摺動領域とは連続した領域であって、且つ、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の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．０５μｍ以上０．３μｍ以下であり、前記第２の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．４μｍ以上１．５μｍ以下であり、前記第３の摺動領域の表面粗さＲｖｋは０．１５μｍ以上０．７μｍ以下である、シリンダボア。
  6. 　前記第１の摺動領域と第２の摺動領域との境界は、クランク角４０°以上６０°以下の範囲においてピストンに備えられるオイルリングの摺動範囲に存在する、請求項５に記載のシリンダボア。
  7. 　前記第２の摺動領域と第３の摺動領域との境界は、クランク角１３０°以上１５０°以下の範囲においてピストンに備えられるオイルリングの摺動範囲に存在する、請求項１に記載のシリンダボア。
  8. 　前記内燃機関がディーゼル用内燃機関である、請求項５～７のいずれか１項に記載のシリンダボア。
  9. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のシリンダライナ又は請求項５～８のいずれか１項に記載のシリンダボアと、コンプレッションリング及びオイルリングを備えたピストンと、を有する内燃機関用ピストンとシリンダライナ又はシリンダボアとの組み合わせであって、
    　前記シリンダライナ又はシリンダボアの内周径Ｄ（ｍｍ）に対する、前記ピストンに備えられたコンプレッションリング及びオイルリングの合計張力Ｐ（Ｎ）の比（Ｐ／Ｄ）は、０．４５Ｎ／ｍｍ以下である、組み合わせ。
  10. 　前記シリンダライナ又はシリンダボアの内周径Ｄ（ｍｍ）に対する、前記ピストンに備えられたコンプレッションリング及びオイルリングの合計張力Ｐ（Ｎ）の比（Ｐ／Ｄ）は、０．１８Ｎ／ｍｍ以上である、請求項９に記載の組み合わせ。
  11. 　前記オイルリングは２ピースタイプのオイルリングであって、前記オイルリングの外周面と前記シリンダライナ又はシリンダボアとの接触面における、シリンダライナ又はシリンダボア軸方向の前記オイルリング片側一方の接触幅が０．０７ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である、請求項９又は１０に記載の組み合わせ。
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