JP2012092928A - Piston-cylinder sliding structure and reciprocating internal combustion engine using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリンダの表面あらさを適正にするとともに、ピストンリングの耐摩耗性を改善するピストン・シリンダ摺動構造に係り、詳細には潤滑油を介して相対的に摺動し得るシリンダ・ピストン摺動構造及び該ピストン・シリンダ摺動構造を用いた往復動内燃機関に関するものである。 The present invention relates to a piston / cylinder sliding structure that optimizes the surface roughness of a cylinder and improves the wear resistance of a piston ring, and more specifically, a cylinder / piston that can slide relative to each other via lubricating oil. The present invention relates to a sliding structure and a reciprocating internal combustion engine using the piston / cylinder sliding structure.
ピストン・シリンダ摺動構造及び該ピストン・シリンダ摺動構造を用いる往復動内燃機関においては、図5に示す如く、シリンダ2の内面(シリンダボアの内面)2aに、潤滑油を保持するホーニング条痕15をホーニング加工により形成し、ホーニング条痕15に保持される潤滑油によりシリンダ2の内面に潤滑油膜を形成することがなされている。ホーニング加工を行うホーニング加工機は、周知のように、回転軸の先端部側に、円周方向に間隔をおいて砥石が設けた装置であり、シリンダ2の中心軸に回転軸の中心軸を合わせた状態で回転軸を回転させながらシリンダブロックのクランク軸側からシリンダヘッドの取り付け側に挿入し、各挿入位置で砥石をシリンダ2の内面2aに適宜圧力で押し付けられることによってシリンダ2の内面2aを研削する装置である。このホーニング加工機は、砥石の番手を変えることにより、シリンダ2の内面2aの表面あらさを変えることができ、回転方向の切り替えによって、前述のクロスハッチ状のホーニング条痕15を形成することができる。図5に示したホーニング条痕15は、このようにしてシリンダ2の内面2aに形成される。
In a piston / cylinder sliding structure and a reciprocating internal combustion engine using the piston / cylinder sliding structure, as shown in FIG. 5, a
ホーニング条痕15を形成したピストン・シリンダ摺動構造及び該ピストン・シリンダ摺動構造を用いる往復動内燃機関において、シリンダ2の内面に潤滑油膜が形成され、シリンダ2の内面とピストン(他方の部材)3のスカートとの間やシリンダ2の内面2aとピストンリング5、6、7との間が潤滑油膜により潤滑されると、シリンダ2の内面とピストン(他方の部材)3のスカート、シリンダ2の内面2aとピストンリング5、6、7との間の摩擦係数は実質的に低下し、摩擦係数の減少によってピストンとシリンダとの間の相対的なフリクションが減少する。
また、潤滑油膜の潤滑により各部の耐摩耗性も実質的に向上する。このため、ピストン・シリンダ摺動構造及び該ピストン・シリンダ摺動構造においては、フリクションの減少に応じてエネルギ損失が小さくなり、ピストン・シリンダ摺動構造を用いる往復動内燃機関において燃費が向上する。
なお、この種の先行技術として、特許文献1に、シリンダの内面を、シリンダの軸方向において複数の領域に区分し、各領域に形成されるクロスハッチ状のホーニング条痕の角度を領域ごとに適正化することによりオイル流動性とオイル保持性とを良好にし、オイル流動性により摺動面の冷却効果を高め、オイル保持性によりピストンとシリンダライナとの相対的なフリクションを低減することが記載されている。
In a piston / cylinder sliding structure in which a
Moreover, the wear resistance of each part is substantially improved by lubricating the lubricating oil film. For this reason, in the piston / cylinder sliding structure and the piston / cylinder sliding structure, energy loss is reduced as the friction decreases, and fuel efficiency is improved in a reciprocating internal combustion engine using the piston / cylinder sliding structure.
As a prior art of this type,
しかし、シリンダ2の内面2aにクロスハッチ状のホーニング条痕15を形成し、潤滑油により潤滑油膜が形成されていてもピストンリング5、6、7の表面あらさに起因する凸部(山)が、隣接するホーニング条痕間の山に入り込んでしまうと相互間に摩擦力が発生してしまうと、摩擦力によってピストンのフリクションが増加してしまい、内燃機関の燃費向上が妨げられてしまうことがある。
このため、図6に示すように、ホーニング条痕15の頂部を研削によって除去し、ピストンリング5、6、7の表面あらさに起因する凸部とホーニング条痕15,15間の凸部との接触(干渉)を防止することによって、摩擦力の発生を抑制することが試みられているが、研削の程度やバラツキによっては一定の効果を得ることができない。
However, even if the cross hatched
For this reason, as shown in FIG. 6, the top of the
そこで、本発明は、ピストン・シリンダ摺動構造及び該ピストン・シリンダ摺動構造を用いた往復動内燃機関において、シリンダの表面あらさを適正にするとともに、ピストンリングの耐摩耗性を改善することにより、シリンダ、ピストン間の相対的なフリクションを低減することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a piston / cylinder sliding structure and a reciprocating internal combustion engine using the piston / cylinder sliding structure by making the surface roughness of the cylinder appropriate and improving the wear resistance of the piston ring. The object is to reduce the relative friction between the cylinder and the piston.
第1の発明によれば、スカートを有するピストンと、該ピストンを潤滑油を介して摺動自在にかつ往復動自在に収容するシリンダと、前記ピストンをクランク軸に連結するコンロッドと、前記ピストンの外周面に円周方向に沿って張設されるピストンリングとを備え、前記ピストンの往復運動を前記ピストンとクランク軸とを連結するコンロッドを介して前記クランク軸に回転駆動力として伝達するシリンダ・ピストン摺動構造において、前記シリンダは筒形に形成され、前記ピストンリングは前記シリンダの内面に潤滑油を介して相対的に摺動し得るリング状に形成されており、さらに前記シリンダの前記ピストンリングとの摺動面が鏡面に形成され、前記ピストンリングの摺動面にはこれを覆う非晶質硬質炭素皮膜が形成されているものである。 According to the first invention, a piston having a skirt, a cylinder that slidably and reciprocally moves the piston via lubricating oil, a connecting rod that connects the piston to a crankshaft, A cylinder having a piston ring stretched in the circumferential direction on the outer circumferential surface, and transmitting the reciprocating motion of the piston as a rotational driving force to the crankshaft via a connecting rod connecting the piston and the crankshaft. In the piston sliding structure, the cylinder is formed in a cylindrical shape, and the piston ring is formed in a ring shape that can slide relative to the inner surface of the cylinder via lubricating oil, and further, the piston of the cylinder A sliding surface with the ring is formed in a mirror surface, and an amorphous hard carbon film is formed on the sliding surface of the piston ring. A.
第1の発明によれば、シリンダの潤滑面の摩擦係数はシリンダの潤滑面が鏡面とされることで小さく、ピストンリングの潤滑面の摩擦係数もピストンリングの潤滑面に非晶質硬質炭素皮膜が形成されることで小さくなる。さらに、シリンダの潤滑面は鏡面とされることで表面あらさが向上し、ピストンリングの潤滑面の表面あらさは、ピストンリングの潤滑面が緻密な非晶質硬質炭素皮膜で構成されることで向上している。また、シリンダとピストンリングは相互に表面あらさの影響を受け難くなるので、表面あらさに起因する摩擦力の発生も抑制される。 According to the first invention, the friction coefficient of the lubrication surface of the cylinder is small because the lubrication surface of the cylinder is a mirror surface, and the friction coefficient of the lubrication surface of the piston ring is also an amorphous hard carbon film on the lubrication surface of the piston ring. It becomes small by forming. Furthermore, the lubrication surface of the cylinder is mirror-finished to improve the surface roughness, and the surface roughness of the piston ring lubrication surface is improved by the fact that the lubrication surface of the piston ring is composed of a dense amorphous hard carbon film. is doing. Further, since the cylinder and the piston ring are hardly affected by the surface roughness, the generation of frictional force due to the surface roughness is also suppressed.
つまり、第1の発明によれば、シリンダの潤滑油の保持力が従来のクロスハッチ条痕の保持力より低下するが、摩擦係数の低下によるフリクションロスの減少がこれを補うので、潤滑性が良好になる。また、シリンダの鏡面化による摩擦抵抗の減少、非晶質硬質炭素皮膜による摩擦係数の減少により摩擦抵抗における潤滑油の占める割合が減少するので潤滑油の消費量を大幅に減少させることができる。また、耐摩耗性の点では、非晶質硬質炭素皮膜は耐摩耗性が高く、シリンダの潤滑面はこれに作用する摩擦力が小さくなり、潤滑油により潤滑されるので摩耗し難い。従って、第1の発明によれば、従来よりもフリクションロスが小さく、潤滑油の消費量の低い、省エネルギのシリンダ・ピストン摺動構造を提供することができる。 In other words, according to the first invention, the holding force of the lubricating oil in the cylinder is lower than the holding force of the conventional crosshatch streak, but the reduction in friction loss due to the reduction in the friction coefficient compensates for this, so that the lubricity is improved. Become good. Further, since the ratio of the lubricating oil in the frictional resistance is reduced by the reduction of the frictional resistance due to the mirror surface of the cylinder and the reduction of the friction coefficient by the amorphous hard carbon film, the consumption of the lubricating oil can be greatly reduced. Also, in terms of wear resistance, the amorphous hard carbon film has high wear resistance, and the lubricating surface of the cylinder has a small frictional force acting on it, and is hard to wear because it is lubricated by lubricating oil. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide an energy-saving cylinder / piston sliding structure that has a smaller friction loss than that of the prior art and that consumes less lubricating oil.
この場合、好ましくは、前記鏡面の表面あらさの範囲が十点平均あらさで0.1〜0.5Rzに定められる。鏡面の表面あらさが0.5Rzを超えると、シリンダとピストンリングの表面あらさに起因する摩擦力が発生し、フリクションロスが増大することがあり、また、十点平均あらさで0.1Rz未満となると、シリンダにおける潤滑油の保持力が低下し、潤滑面全面に潤滑油膜を形成するのに適さない。鏡面の表面あらさの範囲を十点平均あらさ(JIS)で0.1〜0.5Rzに定めると、潤滑面の潤滑性が保持され、フリクションロスが低下する。 In this case, preferably, the surface roughness range of the mirror surface is set to 0.1 to 0.5 Rz in terms of 10-point average roughness. If the surface roughness of the mirror surface exceeds 0.5 Rz, a frictional force due to the surface roughness of the cylinder and the piston ring may be generated, resulting in an increase in friction loss, and a ten-point average roughness of less than 0.1 Rz. The holding power of the lubricating oil in the cylinder is reduced, which is not suitable for forming a lubricating oil film on the entire lubricating surface. When the range of the surface roughness of the mirror surface is set to 0.1 to 0.5 Rz in terms of 10-point average roughness (JIS), the lubricity of the lubricating surface is maintained and the friction loss is reduced.
また、好ましくは、前記シリンダに対して前記ピストンを上死点位置に停止させた状態で、前記シリンダの内面を、スカート下端面より下方の領域と上方の領域とに区分して上方の領域を前記鏡面に形成し下方の領域を潤滑油がシリンダ内面に保持されるように条痕が設けられるとよい。 Preferably, with the piston stopped at the top dead center position with respect to the cylinder, the inner surface of the cylinder is divided into a region below the lower end surface of the skirt and a region above the skirt. It is preferable that a streak is provided so that the lubricating oil is held on the inner surface of the cylinder in a lower region formed on the mirror surface.
ピストンに異物が付着すると、異物がシリンダの潤滑面に接触し、擦傷を発生させる要因となるが、シリンダの潤滑面のうち、シリンダの潤滑面の少なくともピストンの異物との摺動面に潤滑油膜により接触を抑制する条痕を設けて、条痕に潤滑油を保持させる。この潤滑油は、シリンダの潤滑面の少なくともピストンの異物との摺動面に潤潤滑膜を作り、異物の接触に起因した傷の発生を防止する。この場合、異物は、ピストンを上死点位置に停止させた状態で、ピストンのスカートの下端面よりも下側の領域に集中して擦傷が発生する。このため、好ましくは、ピストンを上死点位置に停止させた状態でシリンダの内面をスカート下端面より下方の領域と上方の領域とに区分して下方の領域全面に条痕が設けられる。これにより、異物の接触が潤滑油膜により抑制され、擦傷、異常摩耗等の損傷からシリンダを保護することができる。 When foreign matter adheres to the piston, the foreign matter comes into contact with the lubrication surface of the cylinder and causes scratches. Of the lubrication surface of the cylinder, a lubricating oil film is formed on at least the sliding surface of the cylinder lubrication surface with the foreign matter of the piston A streak that suppresses contact is provided, and the lubricant is held in the streak. This lubricating oil forms a lubrication film on at least the sliding surface of the lubricating surface of the cylinder with the foreign material of the piston, and prevents the occurrence of scratches due to the contact of the foreign material. In this case, the foreign matter concentrates in a region below the lower end surface of the piston skirt and causes scratches with the piston stopped at the top dead center position. For this reason, preferably, the piston is stopped at the top dead center position, and the inner surface of the cylinder is divided into a region below the lower end surface of the skirt and a region above the skirt, and a streak is provided on the entire lower region. Thereby, the contact of foreign matter is suppressed by the lubricating oil film, and the cylinder can be protected from damage such as abrasion and abnormal wear.
好ましくは、前記条痕がホーニング加工によりクロスハッチ状に形成される。ホーニング加工によりクロスハッチ状にホーニング条痕が形成されると、これに保持される潤滑油により、潤滑油膜が形成されるので、擦傷、異常摩耗等の損傷の発生が防止され、シリンダの信頼性が向上する。
この場合、好ましくは、前記クロスハッチ状の条痕が形成された潤滑面の表面あらさの範囲は2〜3μmに定められる。
クロスハッチ状の条痕が形成された潤滑面の表面あらさが2μm未満となると、潤滑油膜の形成が安定せず、3μmを超えると、一方の部材、他方の部材間に摩擦抵抗が発生し好ましくない。前記クロスハッチ状の条痕が形成された潤滑面の表面あらさの範囲が2〜3μmに定めるとこのような不具合が解消される。
Preferably, the streak is formed in a cross hatch shape by honing. When honing marks are formed in a cross-hatch shape by honing, a lubricant film is formed by the lubricating oil retained by the honing process, preventing damage such as abrasion and abnormal wear, and cylinder reliability. Will improve.
In this case, preferably, the range of the surface roughness of the lubricating surface on which the cross-hatch-like streaks are formed is set to 2 to 3 μm.
If the surface roughness of the lubricated surface on which cross-hatched streaks are formed is less than 2 μm, the formation of the lubricating oil film is not stable, and if it exceeds 3 μm, frictional resistance is generated between one member and the other member. Absent. When the range of the surface roughness of the lubricating surface on which the cross-hatch-like streaks are formed is set to 2 to 3 μm, such a problem is solved.
第2の発明は、第1の発明のピストン・シリンダ摺動構造を往復動内燃機関のピストンとシリンダに用いたものである。第2の発明によれば、第1の発明と同様に、ピストン・シリンダ摺動構造が動作するため、ピストンリング、シリンダの耐磨耗性を確保することができるとともに、フリクションロスが小さいので燃費が向上する。また、潤滑油の消費量を低減することができる。 In the second invention, the piston / cylinder sliding structure of the first invention is used for a piston and a cylinder of a reciprocating internal combustion engine. According to the second invention, since the piston / cylinder sliding structure operates as in the first invention, the wear resistance of the piston ring and the cylinder can be ensured and the friction loss is small, so the fuel consumption is reduced. Will improve. Moreover, the consumption of lubricating oil can be reduced.
本発明によれば次の如き効果を発揮する。
請求項1記載の発明によれば、シリンダの鏡面化による摩擦抵抗(摩擦係数)の減少、非晶質硬質炭素皮膜による摩擦抵抗(摩擦係数)の減少により摩擦抵抗における潤滑油の占める割合を減少させることができるので、フリクションロスを従来よりも大幅に減少させることができる。また、摩擦抵抗の減少により潤滑油に依存する割合が減少するので潤滑油の消費量を大幅に減少させることができる。さらに、非晶質硬質炭素皮膜は耐摩耗性が高く、シリンダの潤滑面は潤滑油により潤滑されかつ摩擦力の発生が抑制されるので耐磨耗性を向上させることができる。従って、従来よりもフリクションロスが小さく、潤滑油の消費量の低い、省エネルギのシリンダ・ピストン摺動構造を提供することができる。
The present invention exhibits the following effects.
According to the first aspect of the present invention, the ratio of the lubricating oil to the frictional resistance is reduced by reducing the frictional resistance (friction coefficient) by mirroring the cylinder and by reducing the frictional resistance (friction coefficient) by the amorphous hard carbon film. Therefore, the friction loss can be greatly reduced as compared with the prior art. Further, since the ratio depending on the lubricating oil decreases due to the reduction of the frictional resistance, the consumption of the lubricating oil can be greatly reduced. Furthermore, the amorphous hard carbon film has high wear resistance, and the lubrication surface of the cylinder is lubricated with lubricating oil and the generation of frictional force is suppressed, so that the wear resistance can be improved. Therefore, it is possible to provide an energy saving cylinder / piston sliding structure that has a smaller friction loss and lower consumption of lubricating oil than conventional ones.
請求項2記載の発明によれば、鏡面の表面あらさの範囲を十点平均あらさ(JIS)で0.1〜0.5Rzに定めることで、潤滑面の潤滑性が保持できるので、フリクションロスを低下させることができる。 According to the second aspect of the present invention, the lubricity of the lubricated surface can be maintained by setting the range of the surface roughness of the mirror surface to 0.1 to 0.5 Rz with a 10-point average roughness (JIS), so that the friction loss is reduced. Can be reduced.
請求項3、4及び5記載の発明によれば、潤滑油膜によって、異物のシリンダ内面への接触を抑制するので、擦傷、異常摩耗等の損傷からシリンダを保護することができる。また、クロスハッチ状のホーニング条痕に保持される潤滑油により、潤滑油膜が形成されるので、擦傷、異常摩耗等の損傷の発生が防止され、シリンダの信頼性が向上する。 According to the third, fourth, and fifth aspects of the invention, the lubricant film prevents the foreign matter from contacting the inner surface of the cylinder, so that the cylinder can be protected from damage such as scratches and abnormal wear. In addition, since the lubricating oil film is formed by the lubricating oil held in the cross hatched honing streak, damage such as scratches and abnormal wear is prevented, and the reliability of the cylinder is improved.
請求項6記載の発明によれば、このような第1の発明のピストン・シリンダ摺動構造を往復動内燃機関に用いるので、従来よりもフリクションロスが小さく、潤滑油の消費量が低いのに加え、燃費が向上し、ピストンリング、シリンダの耐磨耗性を向上することができる。
According to the invention described in
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
なお、本実施形態は、本発明に係るピストン・シリンダ摺動構造を往復動内燃機関に適用したものである。
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, as long as there is no specific description, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Only.
In this embodiment, the piston / cylinder sliding structure according to the present invention is applied to a reciprocating internal combustion engine.
(実施形態1)
図7は、往復動内燃機関(以下、単に、内燃機関という)のシリンダブロックの構造を示すものである。往復動内燃機関は、ピストン3と、該ピストン3を、潤滑油を介して摺動自在にかつ往復動自在に収容するシリンダライナ1と、前記ピストン3をクランク軸(図示せず)にピストンピン17を介して連結するコンロッド13と、ピストン3の外周面に円周方向に沿って張設されるピストンリング5、6、7とを備え、クランク軸にコンロッド13を介して回転駆動力を伝達する。クランク軸12はこれに連結された出力軸(図示せず)に伝達し、出力軸を回転させる。
(Embodiment 1)
FIG. 7 shows the structure of a cylinder block of a reciprocating internal combustion engine (hereinafter simply referred to as an internal combustion engine). The reciprocating internal combustion engine includes a
図1は、図7に示した往復動内燃機関のシリンダブロックにおける断面図である。本実施形態では、シリンダ2がピストン・シリンダ摺動構造におけるシリンダに該当し、ピストンリング5、6、7がピストン・シリンダ摺動構造におけるピストンリングに該当する。
1 is a cross-sectional view of a cylinder block of the reciprocating internal combustion engine shown in FIG. In the present embodiment, the
シリンダライナ1は、シリンダ2を有する筒状部材であり、ピストン3を摺動自在かつ往復動自在に案内する。ピストン3にはシリンダ2の内面2aと潤滑油を介して摺動するスカート3aがピストンピン17を挟んだ両側に一体に設けられており、ピストン3の外周部上部であるトップランド4に複数の環状の溝8、9、10が形成されている。複数の溝8、9、10は、軸方向に間隔を隔てて設けられており、それぞれにピストンリング5、6、7が装着されている。これらピストンリング5、6、7は、弾性により拡縮自在であり、弾性的に拡開した状態で前記リング溝8、9、10に嵌めこまれている。ピストンリング5、6、7は、シリンダ2の内面2a内に組み込まれたとき、その弾性に対応した圧力でシリンダ2の内面2aと潤滑油を介して接触する。
The
ピストンリング5、6は、シリンダ2の内面2aとの間でガス漏れを防止するコンプレッションリングであり、ピストンリング7は、シリンダ2の内面2aに保持されている余分な潤滑油を掻き落として焼付けを防止するオイルリングである。
ピストンリング5、6、7のうち、少なくともピストンリング7のシリンダ2の内面2aとの潤滑面には、図3に示す如く、これを覆うように非晶質硬質炭素皮膜11が形成される。この非晶質硬質炭素皮膜(Diamond―Like Carbon,DLC)11は、現状では、負パルスバイアスイオンビーム蒸着装置により成膜することが好ましいが、耐磨耗性、摩擦係数の低い硬質な非晶質硬質炭素皮膜11を蒸着により成膜できる蒸着装置であれば、PVD、CVD(プラズマCVD含む)等の成膜装置を用いて形成してもよい。
The piston rings 5 and 6 are compression rings that prevent gas leakage with the
As shown in FIG. 3, an amorphous
この場合、非晶質硬質炭素皮膜11の膜厚の範囲は、1〜5μmに定めるとよい。非晶質硬質炭素皮膜11の膜厚が下限値未満となると、耐久性の不具合が発生し、上限値を超えると、硬質皮膜は靭性が低いため割れ、欠けの不具合が発生する。非晶質硬質炭素皮膜11は、硬質で耐磨耗性に優れ、しかもCrめっきと比較して摩擦係数が小さいので、シリンダ2の内面(摺動面)2aに対する摩擦抵抗が小さくなり、フリクション低減、ひいては、燃費向上に貢献できる。
In this case, the range of the film thickness of the amorphous
一方、シリンダ2の内面2aは、スーパーフィニッシュ加工により、鏡面に形成されている。ここで、スーパーフィニッシュ加工とは、ホーニング加工機により、シリンダライナ1の内面2aを研削した後、バフ等の研磨機、又はホーニング加工機の砥石を例えばバフに変えた研削加工機により、鏡面の表面あらさを所定の値に仕上げる加工のことをいう。鏡面の表面あらさの範囲は、本実施形態においては、十点平均あらさで0.1〜0.5Rzに定められる。
On the other hand, the
鏡面の表面あらさが0.5Rzを超えると、シリンダ2の内面2aに対してピストン3の表面あらさに起因する摩擦抵抗が発生し、フリクションが増大することがあり、十点平均あらさが0.1Rz未満となると、シリンダライナ1の内面2aにおける潤滑油の保持力が低下し、潤滑面全面に潤滑油膜を形成するのに適さない。鏡面の表面あらさの範囲を、十点平均あらさで0.1〜0.5Rzに定めると、鏡面によりシリンダライナ1に対する摩擦抵抗が小さくなり、摩擦抵抗の減少分、ピストン3のフリクションが低下し、フリクションが低下すると内燃機関の燃費が向上する。また、シリンダ2の内面2aの潤滑面全面に形成する潤滑油膜の厚みを薄くすることが可能になり、潤滑油の消費量を低減することができる。
If the surface roughness of the mirror surface exceeds 0.5 Rz, frictional resistance due to the surface roughness of the
次に、上記の実施形態で示したシリンダ2とピストンリング7が耐摩耗性に優れ、摺動面における摩擦係数の低減効果を発揮することについての検証を目的として摺動面についてエンジン回転数(機関回転数)とフリクショントルクの測定を行った。図4はこの結果を示す。
Next, for the purpose of verifying that the
従来例(Line A)は、Crめっきを施したピストンリング7を装着した場合のピストン3のエンジン回転数とフリクショントルク (摩擦力)の関係を示し、実施形態1(Line B)は、シリンダ2の内面2aを鏡面とし、ピストンリング7の摺動面に、前記非晶質硬質炭素皮膜11を形成した場合のエンジン回転数とフリクショントルク (摩擦力)との関係を示すものである。
The conventional example (Line A) shows the relationship between the engine rotational speed of the
図4に示すように、実施形態1と従来例のフリクショントルクを比較すると、どのエンジン回転数においても実施形態1(Line B)のフリクショントルクが従来例(Line A)のフリクショントルクよりも低くなる。つまり、従来は、潤滑面に潤滑油膜を形成するには、潤滑油を取り込んで保持する条痕、例えば、クロスハッチ状のホーニング条痕15をシリンダ2の潤滑面又はピストン3の潤滑面に形成することが好ましいとされており、クロスハッチ状のホーニング条痕15の潤滑油の保持力に依存するところが大きかった。
As shown in FIG. 4, when comparing the friction torque between the first embodiment and the conventional example, the friction torque of the first embodiment (Line B) is lower than the friction torque of the conventional example (Line A) at any engine speed. . That is, conventionally, in order to form a lubricating oil film on the lubricating surface, a streak for taking in and retaining the lubricating oil, for example, a cross hatched honing
しかし、シリンダ2の潤滑面を鏡面として摩擦係数を小さくし、ピストンリング7のシリンダ2の潤滑面、すなわち、シリンダ2の内面2aとの潤滑面に非晶質硬質炭素皮膜11を形成して摩擦係数を小さくすると、摩擦抵抗の減少に関して潤滑油に依存する割合が減少するので、潤滑性が良好になる。
また、シリンダ2の内面2aを鏡面に形成すると、シリンダ2の内面2aとピストンリング7の相互の表面あらさに起因する摩擦力の発生も抑制することができるので、これもフリクショントルクの低減に寄与している。
加えて、摩擦抵抗の減少に関して潤滑油に依存する割合が小さくなるので、潤滑油の消費量も減少する。
However, the friction coefficient is reduced by using the lubrication surface of the
Further, if the
In addition, since the ratio depending on the lubricating oil is reduced with respect to the reduction of the frictional resistance, the consumption of the lubricating oil is also reduced.
一方、非晶質硬質炭素皮膜11は耐磨耗性が高く、潤滑油膜が薄い場合でも摩耗することがないので、非晶質硬質炭素皮膜11の耐摩耗性に関して支障が発生することもない。
従って、実施形態1のシリンダ2とピストンリング7によれば、シリンダ2、ピストンリング7の相対的なフリクショントルクが低下し、フリクショントルクの減少分、往復動内燃機関の燃費を向上させることができ、省エネルギ化に貢献できる。
On the other hand, since the amorphous
Therefore, according to the
(実施形態2)
次に、図2を参照して本発明の実施形態2について説明する。
この実施形態は、実施形態1のピストン3とシリンダ2の相互干渉を防止することにより、シリンダ2における縦傷の発生を防止できるようにしたものである。
(Embodiment 2)
Next,
In this embodiment, the occurrence of vertical scratches in the
すなわち、実施形態1の往復動内燃機関においてシリンダ2の内面2aの表面あらさを小さくし鏡面とすると、図1に示す如く、シリンダ2の内面2aに縦傷(擦傷)Sが発生することがある。ピストン3を上死点位置に停止した状態で、シリンダ2の縦傷Sの発生箇所を検討すると、ピストン3のスカート3aの下端面を境界として境界より下方を下側の領域Eとし、上方側を上方の領域Fとすると、縦傷Sは、下側の領域Eに複数集中して発生している。
原因としては、ピストン3のスカート3aの表面に埋没したシリンダライナ1の摩耗鉄粉やステダイト粉が挙げられており、シリンダ2の内面2aの縦傷Sは、これらの摩耗鉄粉やステダイト粉との接触により発生した研削摩耗痕であると考えられる。
That is, when the surface roughness of the
As the cause, wear iron powder and steadite powder of the
そこで、縦傷Sの発生を特定するため、従来のホーニング加工によりシリンダ2にホーニング条痕15を形成した従来の往復動内燃機関において、縦傷Sの発生状態を調査すると、従来の往復動内燃機関においては、シリンダ2にこのような縦傷Sが発生したとの報告はされていない。従って、縦傷Sは、シリンダ2の内面2aのあらさが小さいほど、すなわち、鏡面とするほど発生しやすくなる傾向があるものと考えられる。
Therefore, in order to specify the occurrence of the vertical scratch S, in the conventional reciprocating internal combustion engine in which the honing
そこで、本実施形態2では、図2に示す如く、縦傷Sの発生を抑制するために、ピストン3の摺動面(外周面)又はシリンダ2の内面2aの摺動面のうち、異物の付着部に対応する位置に、例えば、従来技術で説明したクロスハッチ状のホーニング条痕15を設けて、潤滑油を保持し、潤滑油膜によって異物との接触(干渉)を抑制する。
Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 2, in order to suppress the occurrence of the vertical scratches S, the foreign matter of the sliding surface (outer peripheral surface) of the
本実施形態2では、ホーニング条痕15は、ピストン3を上死点位置に停止した状態でピストン3のスカート3aの下端面の位置をシリンダ2の領域の境界として、境界よりも下方を下方の領域Eとし、境界より上方側を上方側の領域Fとして下方側の領域Eに従来と同様のホーニング加工を施し、クロスハッチ状のホーニング条痕15を形成する一方、上方の領域Fを実施形態1にて説明した鏡面とし、ピストンリング7の摺動面に、非晶質硬質炭素皮膜11を形成している。
In the second embodiment, the honing
この場合、クロスハッチ状のホーニング条痕15を形成した下方の領域Eの表面あらさの範囲は、2〜3μmに定められる。下方の領域Eの表面あらさが2μm未満となると、潤滑油膜の形成が安定せず、3μmを超えると、シリンダ2とピストン3との間に摩擦抵抗が発生するようになり、好ましくない。従って、クロスハッチ状の条痕15を形成する潤滑面の表面あらさの範囲は2〜3μmに定めるとよい。なお、表面あらさの2〜3μmは、条痕の深さを示すものである。
In this case, the range of the surface roughness of the lower region E where the cross hatched honing
実施形態2にかかる内燃機関の潤滑構造によれば、縦傷Sの発生が、クロスハッチ状のホーニング条痕15に保持された潤滑油が形成する潤滑油膜により防止することができ、実施形態1と同様にシリンダ2の潤滑面とピストンリング5、6、7との間の潤滑を好適に保ちながら両者間の摩擦力の発生を防止することが可能となり、フリクションロスが小さく、燃費がよく、潤滑油の消費量の少ない往復動内燃機関とすることができる。
According to the lubricating structure of the internal combustion engine according to the second embodiment, the occurrence of the vertical scratches S can be prevented by the lubricating oil film formed by the lubricating oil held in the cross hatched honing
なお、本実施形態2では、非晶質硬質炭素皮膜11を少なくともピストンリング7に設ける説明をしたが、ピストン3のスカート3aを微細構造の非晶質硬質炭素皮膜11で覆うようにしてもよい。また、シリンダ2の内面2aを微細構造の非晶質硬質炭素皮膜11覆うようにしてもよい。このようにすると、シリンダ2、ピストン3の耐磨耗性をさらに向上させ、フリクションロスをさらに減少させることができる。
In the second embodiment, the amorphous
本発明によれば、ピストン・シリンダ摺動構造及び該ピストン・シリンダ摺動構造において、シリンダの表面あらさを適正にするとともに、ピストンリングの耐摩耗性を改善することにより、シリンダ、ピストン間の相対的なフリクションを低減できるため、往復動内燃機関への利用に適している。 According to the present invention, in the piston / cylinder sliding structure and the piston / cylinder sliding structure, the surface roughness of the cylinder is made appropriate, and the wear resistance of the piston ring is improved. Therefore, it is suitable for use in a reciprocating internal combustion engine.
1 シリンダライナ
2 シリンダ
2a シリンダの内面
3 ピストン
3a ピストンのスカート
4 トップランド
5、6、7 ピストンリング
8、9、10 リング溝
11 非晶質硬質状炭素皮膜(DLC)
12 クランク軸
13 コンロッド
S 縦傷
DESCRIPTION OF
12
Claims (6)
前記シリンダは筒形に形成され、前記ピストンリングは前記シリンダの内面に潤滑油を介して相対的に摺動し得るリング状に形成されており、
さらに前記シリンダの前記ピストンリングとの摺動面が鏡面に形成され、
前記ピストンリングの摺動面にはこれを覆う非晶質硬質炭素皮膜が形成されていることを特徴とするピストン・シリンダ摺動構造。 A piston having a skirt, a cylinder that slidably and reciprocally accommodates the piston via lubricating oil, a connecting rod that connects the piston to a crankshaft, and an outer peripheral surface of the piston in a circumferential direction A piston ring extending along the piston ring, and a piston / cylinder sliding structure that transmits the reciprocating motion of the piston as a rotational driving force to the crankshaft via a connecting rod that connects the piston and the crankshaft.
The cylinder is formed in a cylindrical shape, and the piston ring is formed in a ring shape that can slide relative to the inner surface of the cylinder via lubricating oil,
Furthermore, a sliding surface with the piston ring of the cylinder is formed in a mirror surface,
A piston / cylinder sliding structure characterized in that an amorphous hard carbon film is formed on the sliding surface of the piston ring.
Priority Applications (1)
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| JP2010242016A JP2012092928A (en) | 2010-10-28 | 2010-10-28 | Piston-cylinder sliding structure and reciprocating internal combustion engine using the same |
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