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JP7593932B2 - Sliding structure of an internal combustion engine - Google Patents

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JP7593932B2 JP2021551418A JP2021551418A JP7593932B2 JP 7593932 B2 JP7593932 B2 JP 7593932B2 JP 2021551418 A JP2021551418 A JP 2021551418A JP 2021551418 A JP2021551418 A JP 2021551418A JP 7593932 B2 JP7593932 B2 JP 7593932B2
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Nippon Piston Ring Co Ltd
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Description

本発明は、シリンダとピストンを有する内燃機関の摺動構造等に関する。 The present invention relates to a sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder and a piston.

従来、シリンダとピストンを有する内燃機関では、燃費向上やオイル消費量削減の為、シリンダとピストンの摺動抵抗(摩擦力)を小さくする努力がなされている。本出願人は、ピストンリングとシリンダの摩擦力を低減する手法として、いわゆるディンプルライナを開発しており(例えば、特許5155924号公報参照)、シリンダの内壁面の行程中央部領域に複数の凹部を形成すること等によって、運転時の摺動抵抗を小さくしている。Conventionally, in internal combustion engines having cylinders and pistons, efforts have been made to reduce the sliding resistance (frictional force) between the cylinder and piston in order to improve fuel efficiency and reduce oil consumption. The applicant has developed a so-called dimple liner as a method for reducing the frictional force between the piston ring and the cylinder (see, for example, Patent Publication No. 5155924), which reduces the sliding resistance during operation by forming multiple recesses in the stroke center region of the inner wall surface of the cylinder.

本出願時点で未公知ではあるが、本発明者らの更なる研究により、このディンプルライナ技術について、更に燃費向上等を実現できる余地が残っていることが明らかとなった。Although this was not publicly known at the time of filing this application, further research by the inventors has revealed that there is still room for further improvements in fuel efficiency, etc. with this dimple liner technology.

本発明は、斯かる実情に鑑み、ディンプルライナに関して更なる燃費向上やオイル消費量削減を実現しようとするものである。 In light of this current situation, the present invention aims to achieve further improvements in fuel efficiency and reductions in oil consumption with dimple liners.

上記目的を達成する本発明は、シリンダとピストンを有する内燃機関の摺動構造であって、前記シリンダは、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全部又は一部となる行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、前記行程中央部領域における前記ピストンリングと接触する面の少なくとも一部には、触針式表面粗さ測定機によって測定される輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.140以下となる中央低粗さ領域が形成されることを特徴とする、内燃機関の摺動構造である。The present invention, which achieves the above-mentioned object, is a sliding structure for an internal combustion engine having a cylinder and a piston, wherein the cylinder has a plurality of recesses formed in its inner wall surface in a mid-stroke region that is all or part of the area between the lower surface position of the ring groove of the lowest piston ring at the top dead center of the piston and the upper surface position of the ring groove of the highest piston ring at the bottom dead center of the piston, and at least a portion of the surface that comes into contact with the piston ring in the mid-stroke region is formed with a central low-roughness region in which the arithmetic mean roughness Ra of the profile curve measured by a stylus-type surface roughness tester is 0.140 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の輪郭曲面の算術平均高さSaが0.20μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, it is characterized in that the arithmetic mean height Sa of the contour curved surface of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.20 μm or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の突出谷部深さSvkが0.41μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, it is characterized in that the protruding valley depth Svk of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.41 μm or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の突出山部高さSpkが0.16μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, it is characterized in that the protruding peak height Spk of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.16 μm or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域のコア部のレベル差Skが0.53μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, it is characterized in that the level difference Sk of the core portion of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.53 μm or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域における前記非接触式表面粗さ測定機によって測定される突出山部高さをE(Spk)、突出谷部深さをI(Svk)とした場合に、I/Eが2.6以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, when the height of the protruding peaks measured by the non-contact surface roughness measuring device in the central low roughness region is E (Spk) and the depth of the protruding valleys is I (Svk), the ratio I/E is 2.6 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、触針式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.120μm以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, it is characterized in that the arithmetic mean roughness Ra of the contour curve of the central low roughness region measured by a stylus-type surface roughness measuring instrument is 0.120 μm or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域は、前記行程中央部領域における上端縁近傍及び下端縁近傍を含むことを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, the central low roughness region is characterized by including the vicinity of the upper end edge and the vicinity of the lower end edge in the stroke central region.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記行程中央部領域の全体が、前記中央低粗さ領域となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, it is characterized in that the entire stroke central region becomes the central low roughness region.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域の触針式表面粗さ測定機によって測定される輪郭曲線の算術平均粗さRaが、0.090μm以下としても良い。In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, the arithmetic mean roughness Ra of the profile curve measured by a stylus-type surface roughness measuring device in the central low roughness region may be 0.090 μm or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域における粘度をμ、前記ピストンとの相対速度をU、前記ピストンに対する接触荷重をW、前記ピストンとの間の摩擦係数をfとし、ストライベック線図の評価パラメータをA=μ×U/Wと定義する際に、前記中央低粗さ領域における前記摩擦係数fの極小値fminは、前記評価パラメータAが0.0003以下の範囲内で達成されることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, when the viscosity in the central low roughness region is defined as μ, the relative speed with respect to the piston is defined as U, the contact load on the piston is defined as W, and the friction coefficient with respect to the piston is defined as f, and an evaluation parameter of a Stribeck diagram is defined as A = μ × U/W, the minimum value fmin of the friction coefficient f in the central low roughness region is achieved when the evaluation parameter A is in a range of 0.0003 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記極小値fminは、前記評価パラメータAが0.0001以上の範囲内で達成されることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, the minimum value fmin is characterized in that the evaluation parameter A is achieved within a range of 0.0001 or more.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域における粘度をμ、前記ピストンとの相対速度をU、前記ピストンに対する接触荷重をW、前記ピストンとの間の摩擦係数をfとし、ストライベック線図の評価パラメータをA=μ×U/Wと定義する際に、前記評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記摩擦係数fが0.07以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, when the viscosity in the central low roughness region is μ, the relative speed with respect to the piston is U, the contact load on the piston is W, and the friction coefficient with respect to the piston is f, and the evaluation parameter of the Stribeck diagram is defined as A = μ × U/W, the friction coefficient f in the central low roughness region is 0.07 or less anywhere within a range where the evaluation parameter A is 0.0003 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域における粘度をμ、前記ピストンとの相対速度をU、前記ピストンに対する接触荷重をW、前記ピストンとの間の摩擦係数をfとし、ストライベック線図の評価パラメータをA=μ×U/Wと定義する際に、前記評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記ピストンと前記シリンダが流体潤滑状態となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, when the viscosity in the central low roughness region is μ, the relative speed with respect to the piston is U, the contact load on the piston is W, and the friction coefficient with respect to the piston is f, and the evaluation parameter of the Stribeck diagram is defined as A = μ x U/W, the piston and the cylinder in the central low roughness region are in a fluid lubrication state anywhere within a range where the evaluation parameter A is 0.0003 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記ピストンリングに相当するトップリング、セカンドリングおよびオイルリングを用いた非燃焼状態の摩擦試験において、前記内燃機関の回転数をN(r/min)とし、前記中央低粗さ領域における前記ピストンリングとの間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)とする際に、前記中央低粗さ領域における前記摩擦損失平均有効圧Tの極小値Tminは、前記回転数Nが700以下の範囲内で達成されることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, in a friction test in a non-combustion state using a top ring, a second ring and an oil ring corresponding to the piston ring, when the rotation speed of the internal combustion engine is N (r/min) and the friction loss mean effective pressure (FMEP) between the piston ring and the central low roughness region is T (kPa), the minimum value Tmin of the friction loss mean effective pressure T in the central low roughness region is achieved when the rotation speed N is in the range of 700 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記極小値Tminは、前記回転数Nが600以下の範囲内で達成されることを特徴としても良い。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, the minimum value Tmin may be achieved within a range in which the rotation speed N is 600 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記ピストンリングに相当するトップリング、セカンドリングおよびオイルリングを用いた非燃焼状態の摩擦試験において、前記内燃機関の回転数をN(r/min)とし、前記中央低粗さ領域における前記ピストンリングとの間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)とする際に、前記回転数Nが700以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, in a friction test in a non-combustion state using a top ring, second ring and oil ring corresponding to the piston ring, when the rotation speed of the internal combustion engine is N (r/min) and the friction loss mean effective pressure (FMEP) between the piston ring and the central low roughness region is T (kPa), the friction loss mean effective pressure T in the central low roughness region is 14 kPa or less anywhere within a range where the rotation speed N is 700 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記ピストンリングに相当するトップリング、セカンドリングおよびオイルリングを用いた非燃焼状態の摩擦試験において、前記内燃機関の回転数をN(r/min)とし、前記中央低粗さ領域における前記ピストンリングとの間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)とする際に、前記回転数Nが700以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記ピストンと前記シリンダが流体潤滑状態となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, in a friction test in a non-combustion state using a top ring, second ring and oil ring corresponding to the piston ring, when the rotation speed of the internal combustion engine is N (r/min) and the friction loss mean effective pressure (FMEP) between the piston ring in the central low roughness region is T (kPa), the piston and the cylinder in the central low roughness region are in a fluid lubrication state anywhere within a range where the rotation speed N is 700 or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記内壁面のうち、前記行程中央部領域の上側端縁よりも上方側に、触針式表面粗さ測定機によって測定される輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.140μm以下となる上側低粗さ領域が形成され、前記上側低粗さ領域と前記中央低粗さ領域が連続する事を特徴としても良い。In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, an upper low-roughness region is formed on the inner wall surface above the upper edge of the stroke central region, and the arithmetic mean roughness Ra of the contour curve measured by a stylus-type surface roughness measuring instrument is 0.140 μm or less, and the upper low-roughness region and the central low-roughness region may be continuous.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記内壁面のうち、前記行程中央部領域の下側端縁よりも下方側に、触針式表面粗さ測定機によって測定される輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.140μm以下となる下側低粗さ領域が形成され、前記下側低粗さ領域と前記中央低粗さ領域が連続する事を特徴としても良い。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, a lower low-roughness region is formed on the inner wall surface below the lower edge of the stroke central region, and the lower low-roughness region and the central low-roughness region are continuous, so that the lower low-roughness region and the central low-roughness region have an arithmetic mean roughness Ra of 0.140 μm or less as measured by a stylus-type surface roughness measuring instrument.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記中央低粗さ領域の表面が未皮膜状態であることを特徴としても良い。 In relation to the sliding structure of the above-mentioned internal combustion engine, it may be characterized in that the surface of the central low roughness region is in an uncoated state.

本発明によれば、燃費を向上させ、または、オイル消費量を削減させるという優れた効果を奏し得る。The present invention has the excellent effect of improving fuel efficiency and reducing oil consumption.

本発明の第一実施形態に係る内燃機関の摺動構造に適用されるシリンダライナの軸方向に沿う断面図である。1 is a cross-sectional view taken along an axial direction of a cylinder liner that is applied to a sliding structure for an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention. (A)及び(B)は同シリンダライナの内周壁を周方向に展開した状態を示す展開図である。4A and 4B are development views showing the inner peripheral wall of the cylinder liner developed in the circumferential direction. 同シリンダライナの内周壁の軸直角方向の断面図である。2 is a cross-sectional view of the inner peripheral wall of the cylinder liner taken along a direction perpendicular to the axis. FIG. (A)は同内燃機関の摺動構造に適用されるピストン及びピストンリングを示す側面図であり、(B)は同ピストン及びピストンリングを示す部分拡大断面図であり、(C)はトップリングの部分拡大断面図であり、(D)はセカンドリングの部分拡大断面図である。FIG. 1A is a side view showing a piston and a piston ring applied to the sliding structure of the internal combustion engine, FIG. 1B is a partially enlarged cross-sectional view showing the piston and the piston ring, FIG. 1C is a partially enlarged cross-sectional view of a top ring, and FIG. 1D is a partially enlarged cross-sectional view of a second ring. (A)は2ピースタイプのオイルリングの断面図であり、(B)は3ピースタイプのオイルリングの断面図である。1A is a cross-sectional view of a two-piece type oil ring, and FIG. 1B is a cross-sectional view of a three-piece type oil ring. 一般的な内燃機関の摺動に関する(A)ストライベック線図、(B)FMEP線図である。1A is a Stribeck diagram and FIG. 1B is an FMEP diagram relating to sliding in a typical internal combustion engine. 一般的な内燃機関の摺動状態を測定する摩擦単体測定装置を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a typical friction unit measuring device for measuring the sliding state of an internal combustion engine. (A)は第一実施形態の内燃機関の摺動構造を説明するためのストライベック線図であり、(B)は同摺動構造のFMEP線図である。3A is a Stribeck diagram for explaining a sliding structure of an internal combustion engine of a first embodiment, and FIG. 3B is an FMEP diagram of the same sliding structure. 同内燃機関のシリンダライナとピストンリングの摺動行程を示す側面図である。FIG. 2 is a side view showing a sliding stroke of a cylinder liner and a piston ring of the internal combustion engine. (A)及び(B)は、同内燃機関の1ストローク中におけるシリンダライナとピストンリング摩擦力の変動を示すグラフ図である。4A and 4B are graphs showing the fluctuation of the friction force between a cylinder liner and a piston ring during one stroke of the same internal combustion engine. (A)は、本発明の第二実施形態に係る内燃機関の摺動構造に適用されるシリンダライナの軸方向に沿う断面図であり、(B)は同シリンダライナとピストンリングの摺動行程を示す側面図である。1A is a cross-sectional view along the axial direction of a cylinder liner applied to a sliding structure of an internal combustion engine related to a second embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a side view showing the sliding stroke of the same cylinder liner and a piston ring. マイクロテクスチャ技術が適用されるシリンダライナの例を示すシリンダライナの軸方向に沿う断面図である。1 is a cross-sectional view along the axial direction of a cylinder liner showing an example of a cylinder liner to which microtexture technology is applied.

以下、本発明の実施の形態に関して添付図面を参照して説明する。まず、本発明の第一実施形態に係る内燃機関の摺動構造について詳細に説明する。なお、本第一実施形態では、内燃機関がディーゼルエンジンとなる場合を例示するが、本発明はこれに限定されず、ガソリンエンジン等の他の種類の内燃機関に適用可能である。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. First, a detailed description will be given of the sliding structure of an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention. Note that, in this first embodiment, an example is shown in which the internal combustion engine is a diesel engine, but the present invention is not limited thereto and can be applied to other types of internal combustion engines, such as a gasoline engine.

<シリンダライナ><Cylinder liner>

図1に示すように、第一実施形態の内燃機関に係るシリンダライナ10の内壁面12には、複数の凹部14が形成される。凹部14は、内壁面12における行程中央部領域20に形成される。この行程中央部領域20とは、ピストン30の上死点T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、ピストン30の下死点U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範囲を最大とし、その内の全部または一部領域となる(ここでは全部の範囲が行程中央部領域20となり、その全体に凹部14が形成される場合を例示する)。行程中央部領域20の外側の領域を外部領域25と定義すると、この外部領域25は、行程中央部領域20の上死点側に隣接する上側外部領域25Aと、行程中央部領域20の下死点側に隣接する下側外部領域25Bから構成される。ピストン30がシリンダライナ10内を往復運動する際、上側外部領域25A、行程中央部領域20、下側外部領域25B、行程中央部領域20、上側外部領域25Aをこの順に繰り返し通過する。なお、上側外部領域25Aと行程中央部領域20の境界を上側境界27A、下側外部領域25Bと行程中央部領域20の境界を下側境界27Bと定義する。As shown in FIG. 1, a plurality of recesses 14 are formed on the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10 of the internal combustion engine of the first embodiment. The recesses 14 are formed in the stroke center region 20 of the inner wall surface 12. The stroke center region 20 is the entire or partial region within the maximum range from the lower surface position of the ring groove of the lowest piston ring at the top dead center T of the piston 30 to the upper surface position of the ring groove of the highest piston ring at the bottom dead center U of the piston 30 (here, the entire range is the stroke center region 20, and the recesses 14 are formed throughout the entire region). If the region outside the stroke center region 20 is defined as the outer region 25, the outer region 25 is composed of an upper outer region 25A adjacent to the top dead center side of the stroke center region 20 and a lower outer region 25B adjacent to the bottom dead center side of the stroke center region 20. When the piston 30 reciprocates within the cylinder liner 10, it repeatedly passes through the upper external region 25A, the stroke central region 20, the lower external region 25B, the stroke central region 20, and the upper external region 25A in this order. The boundary between the upper external region 25A and the stroke central region 20 is defined as an upper boundary 27A, and the boundary between the lower external region 25B and the stroke central region 20 is defined as a lower boundary 27B.

勿論、行程中央部領域20を超えて、複数の凹部14を形成することも可能であるが、オイル消費量(LOC)の観点では、行程中央部領域20の内部に限定的に凹部14を形成することが好ましい。Of course, it is possible to form multiple recesses 14 beyond the mid-stroke region 20, but from the standpoint of oil consumption (LOC), it is preferable to form recesses 14 limited to within the mid-stroke region 20.

<シリンダライナに形成されるディンプル><Dimples formed on the cylinder liner>

凹部14は、行程中央部領域20の内壁面12において、どの場所の軸直角方向の断面をとっても、少なくとも一つの凹部14がその断面に存在するように配置される。即ち、凹部14は、軸方向に重なり合うように配置される。この結果、行程中央部領域20を通過するピストンリングの外周面は、常に、少なくとも1つの凹部14と対向している。一方、上側外部領域25Aと下側外部領域25Bには凹部14が形成されない。The recesses 14 are arranged so that at least one recess 14 is present in any cross section taken in the axis-perpendicular direction at any location on the inner wall surface 12 of the stroke mid-region 20. That is, the recesses 14 are arranged so that they overlap in the axial direction. As a result, the outer peripheral surface of the piston ring passing through the stroke mid-region 20 always faces at least one recess 14. On the other hand, no recesses 14 are formed in the upper outer region 25A and the lower outer region 25B.

凹部14の形状は、軸方向に対して斜めに配置される方形(正方形又は長方形)となっており、結果として、複数の凹部14全体が斜め格子状に配置される。このようにすると、図2(A)の展開図に示すように、ある特定の凹部14に着目する場合、その凹部14の軸方向の最下点14bが、他の凹部14の軸方向の最上点14aよりも軸方向下側に位置する。このように、複数の凹部14が軸方向に重なり合うので、行程中央部領域20におけるあらゆる場所(例えば、矢視A、矢視B、矢視C)の軸直角方向断面において、凹部14が常に存在できる。ここでは、行程中央部領域20において、同じ面積となる複数の凹部14が、面方向(軸方向及び周方向)に均一に配置されている。The shape of the recess 14 is a square (square or rectangle) arranged diagonally with respect to the axial direction, and as a result, the multiple recesses 14 are arranged in a diagonal lattice pattern. In this way, as shown in the development view of FIG. 2(A), when focusing on a specific recess 14, the axial lowest point 14b of that recess 14 is located axially lower than the axial highest point 14a of the other recesses 14. In this way, since the multiple recesses 14 overlap in the axial direction, the recesses 14 can always be present in the axis-perpendicular cross section at every location (e.g., arrow view A, arrow view B, arrow view C) in the stroke central region 20. Here, multiple recesses 14 with the same area are uniformly arranged in the surface direction (axial and circumferential directions) in the stroke central region 20.

なお、図2(B)の展開図に示すように、同一面積となる複数の凹部14が、面方向に不均一に配置されていても良い。ここでは行程中央部領域20の軸方向端部における周方向の帯状領域20Pは、複数の凹部14が占める面積が小さくなっており、行程中央部領域20の軸方向中央部における周方向の帯状領域20Qは、複数の凹部14が占める面積が大きくなっている。As shown in the development view of Fig. 2(B), multiple recesses 14 of the same area may be arranged non-uniformly in the surface direction. Here, the area occupied by multiple recesses 14 is small in the circumferential band region 20P at the axial end of the stroke central region 20, and the area occupied by multiple recesses 14 is large in the circumferential band region 20Q at the axial center of the stroke central region 20.

凹部14の寸法や形状は特に限定されないが、シリンダやピストンリングの寸法や目的に応じて適宜選択される。例えば、凹部14は、行程中央部領域20のシリンダ軸方向に貫く(又は延びる)ようにスリット状又は帯状に形成されることができる。一方、シリンダの気密性の観点に鑑みると、凹部14のシリンダ軸方向の最大平均長さJ(図2(A)参照)を、ピストンの最も上位に位置するピストンリング(トップリング)のシリンダ軸方向長さ(幅)以下、具体的にはその5~100%程度とすることが好ましい。凹部14の平均長さJとは、複数の凹部14の軸方向の最大寸法にバラつきがある場合はその平均値を意味する。The dimensions and shape of the recesses 14 are not particularly limited, but are appropriately selected according to the dimensions and purpose of the cylinder and piston ring. For example, the recesses 14 can be formed in a slit or band shape so as to penetrate (or extend) through the stroke center region 20 in the cylinder axial direction. On the other hand, from the viewpoint of airtightness of the cylinder, it is preferable that the maximum average length J (see FIG. 2(A)) of the recesses 14 in the cylinder axial direction is equal to or less than the axial length (width) of the piston ring (top ring) located at the top of the piston, specifically, about 5 to 100% of that. The average length J of the recesses 14 means the average value when there is variation in the maximum axial dimensions of multiple recesses 14.

凹部14のシリンダ周方向の最大平均長さSは、0.1mm~15mmの範囲内が好ましく、0.3mm~5mmの範囲内が望ましい。これらの範囲より小さくなると、凹部14自体による摺動面積低減効果が十分に得られない場合がある。一方、これらの範囲より大きくなると、ピストンリングの一部が凹部内に入り込みやすくなり、ピストンリングが変形する等の不具合が発生する場合がある。The maximum average length S of the recess 14 in the cylinder circumferential direction is preferably in the range of 0.1 mm to 15 mm, and preferably in the range of 0.3 mm to 5 mm. If it is smaller than these ranges, the effect of reducing the sliding area by the recess 14 itself may not be sufficient. On the other hand, if it is larger than these ranges, part of the piston ring may easily get into the recess, causing problems such as deformation of the piston ring.

図3に示すように、凹部14のシリンダ径方向の最大平均長さR(最大平均深さR)は、0.1μm~1000μmの範囲内が好ましく、0.1μm~500μmの範囲内が望ましい。より望ましくは0.1μm~50μmに設定する。凹部14のシリンダ径方向の最大平均長さRが、これらの範囲より小さくなると、凹部14自体の摺動面積低減効果が十分に得られない場合がある。一方、これらの範囲より大きくしようとすると、加工が困難となり、また、シリンダの肉厚を厚くする必要がある等の不具合が生じ得る。As shown in Figure 3, the maximum average length R (maximum average depth R) of the recesses 14 in the cylinder diameter direction is preferably in the range of 0.1 µm to 1000 µm, and more preferably in the range of 0.1 µm to 500 µm. More preferably, it is set to 0.1 µm to 50 µm. If the maximum average length R of the recesses 14 in the cylinder diameter direction is smaller than these ranges, the effect of reducing the sliding area of the recesses 14 themselves may not be sufficiently obtained. On the other hand, if it is attempted to be made larger than these ranges, processing becomes difficult and problems such as the need to increase the thickness of the cylinder may occur.

図2に戻って、軸方向に同位置で周方向に隣り合う凹部14間のシリンダ周方向の最小の間隔Hの平均値は、0.05mm~15mmの範囲内が好ましく、0.1mm~5.0mmの範囲内が特に好ましい。これらの範囲より小さくなると、ピストンリングとシリンダライナの接触面積(摺動面積)が小さすぎて、安定して摺動できない可能性が有る。一方、これらの範囲より大きいと、凹部14自体の摺動面積低減効果が十分に得られない場合がある。Returning to Figure 2, the average value of the minimum distance H in the cylinder circumferential direction between circumferentially adjacent recesses 14 at the same axial position is preferably in the range of 0.05 mm to 15 mm, and particularly preferably in the range of 0.1 mm to 5.0 mm. If it is smaller than these ranges, the contact area (sliding area) between the piston ring and the cylinder liner may be too small to allow stable sliding. On the other hand, if it is larger than these ranges, the effect of reducing the sliding area of the recesses 14 themselves may not be sufficient.

ちなみに、複数の凹部が軸方向に重なるように配置するディンプルライナと異なるが、同種の凹部を形成するものとしてマイクロテクスチャ技術が存在するので、これについて簡単に説明する。マイクロテクスチャとは、図12に示すように、シリンダライナの内壁面のシリンダ軸方向に沿って、凹部が形成される領域Vと、凹部が全く存在しない領域Zとが、軸方向に重ならない状態で交互に繰り返されるようにし、ピストンリングがこの内壁面を移動する度に、凹部に対してエンジンオイルの流入・流出を生じさせ、その動圧によって油膜を厚くして摩擦力を下げる理論である Incidentally, although it is different from a dimple liner in which multiple recesses are arranged to overlap in the axial direction, there is a microtexture technology that forms a similar type of recess, so we will briefly explain this. As shown in Figure 12, microtexture is a theory in which regions V where recesses are formed and regions Z where no recesses exist are repeated alternately along the cylinder axial direction of the inner wall surface of the cylinder liner without overlapping in the axial direction, and every time the piston ring moves along this inner wall surface, engine oil flows in and out of the recesses, and the dynamic pressure thickens the oil film and reduces friction .

<シリンダライナに形成される中央低粗さ領域><Central low roughness area formed on cylinder liner>

シリンダライナ10の内壁面12には、行程中央部領域20の少なくとも一部において、触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さRa(JIS B 0601:2013))が0.140(μm)以下となり、好ましくは、表面粗さRaが0.120(μm)以下となる中央低粗さ領域22が形成される。具体的には、内周面12におけるピストンリング40と接触し得る面、即ち、内周面12における凹部14を除いた面の少なくとも一部の範囲の表面粗さRaを0.140(μm)以下に加工し、より好ましくは0.120(μm)以下に加工することで、中央低粗さ領域22を形成する。なお、本実施形態では、触針式表面粗さ測定機で測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さ)をRaと表示し、後述する非接触式表面粗さ測定機で測定される三次元表面粗さ(輪郭曲面の算術平均高さ(JIS B 0681-2:2018、ISO 25178-2:2012))をSaと表示する。In the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10, at least a part of the stroke center region 20 has a surface roughness (arithmetic mean roughness of the contour curve Ra (JIS B 0601:2013)) measured by a stylus surface roughness measuring instrument (JIS B 0651:2001) of 0.140 (μm) or less, preferably a central low-roughness region 22 having a surface roughness Ra of 0.120 (μm) or less. Specifically, the surface of the inner circumferential surface 12 that may come into contact with the piston ring 40, i.e., at least a part of the surface excluding the recess 14 on the inner circumferential surface 12, is processed to a surface roughness Ra of 0.140 (μm) or less, more preferably 0.120 (μm) or less, to form the central low-roughness region 22. In this embodiment, the surface roughness measured by the stylus surface roughness measuring instrument (arithmetic mean roughness of the contour curve) is represented as Ra, and the three-dimensional surface roughness measured by the non-contact surface roughness measuring instrument described later (arithmetic mean height of the contour curve (JIS B 0681-2:2018, ISO 25178-2:2012)) is represented as Sa.

中央低粗さ領域22は、より望ましくは、表面粗さRaが0.090(μm)以下に設定され、具体的に0.083(μm)に設定される。 More preferably, the surface roughness Ra of the central low-roughness region 22 is set to 0.090 (μm) or less, specifically 0.083 (μm).

この中央低粗さ領域22について、JIS B 0681-6:2014(ISO 25178-6:2010)に準じたレーザー顕微鏡を利用した非接触式表面粗さ測定機(測定倍率1080倍、視野サイズ259.4μm×259.4μm、カットオフ無し、高さ方向(Z方向)測定ピッチ0.06μm)で測定した場合の三次元表面粗さ値(JIS B 0681-2:2018、ISO 25178-2:2012)を以下に示す。
算術平均高さSa(μm):0.192以下、好ましくは0.163以下、更に望ましくは0.120以下(具体的には0.110に設定される)。
突出山部高さSpk(μm):0.159以下、好ましくは0.144以下、更に望ましくは0.121以下(具体的には0.116に設定される)。
コア部レベル差Sk(μm):0.521以下、好ましくは0.449以下、更に望ましくは0.340以下(具体的には0.315に設定される)。
突出谷部深さSvk(μm):0.409以下、好ましくは0.342以下、更に望ましくは0.241以下(具体的には0.218に設定される)。
The three-dimensional surface roughness value (JIS B 0681-2:2018, ISO 25178-2:2012) of this central low-roughness region 22 measured using a non-contact surface roughness measuring device (measurement magnification 1080x, field of view size 259.4 μm × 259.4 μm, no cutoff, height direction (Z direction) measurement pitch 0.06 μm) using a laser microscope in accordance with JIS B 0681-6:2014 (ISO 25178-6:2010) is shown below.
Arithmetic mean height Sa (μm): 0.192 or less, preferably 0.163 or less, and more preferably 0.120 or less (specifically, set to 0.110).
Protruding peak height Spk (μm): 0.159 or less, preferably 0.144 or less, and more preferably 0.121 or less (specifically, set to 0.116).
Core level difference Sk (μm): 0.521 or less, preferably 0.449 or less, and more preferably 0.340 or less (specifically, set to 0.315).
Protruding valley depth Svk (μm): 0.409 or less, preferably 0.342 or less, and more preferably 0.241 or less (specifically, set to 0.218).

とりわけ、本実施形態では、突出山部高さを小さくするだけでなく、突出谷部深さも積極的に小さくすることで、摺動中の摩擦力の低減を実現する。ちなみに、従来のシリンダライナでは、潤滑油の保持力を確保するために、突出谷部深さをある程度大きくする必要があり、それ伴って、突出山部高さを小さくすることが難しく、摺動中の摩擦力の低減に限界がある。一方、本実施形態では、隣接する凹部14に潤滑油が十分に保持されることから、ピストンリング40との接触表面自体は、潤滑油の保持力が小さくても、十分に油膜を形成できる。この趣旨の下、上記突出山部高さをE、上記突出谷部深さをIとした場合に、本実施形態の中央低粗さ領域22では、I/Eの値を2.6以下に設定することが好ましく、より好ましくは、2.4以下、更に望ましくは2.0以下とする。In particular, in this embodiment, not only the height of the protruding peaks is reduced, but also the depth of the protruding valleys is actively reduced, thereby reducing the frictional force during sliding. Incidentally, in conventional cylinder liners, in order to ensure the retention of lubricating oil, it is necessary to increase the depth of the protruding valleys to a certain extent, which makes it difficult to reduce the height of the protruding peaks, and there is a limit to the reduction of the frictional force during sliding. On the other hand, in this embodiment, since the lubricating oil is sufficiently retained in the adjacent recesses 14, even if the contact surface itself with the piston ring 40 has a low retention of lubricating oil, it is possible to form a sufficient oil film. With this in mind, when the protruding peak height is E and the protruding valley depth is I, in the central low roughness region 22 of this embodiment, it is preferable to set the value of I/E to 2.6 or less, more preferably 2.4 or less, and even more preferably 2.0 or less.

また、本実施形態では、行程中央部領域20におけるピストンリング40と接触し得る面の全部の範囲を中央低粗さ領域22としている。結果として、中央低粗さ領域22は、凹部14が形成される行程中央部領域20の上端縁近傍及び下端縁近傍を含む。更に、行程中央部領域20の上死点側に隣接する上側外部領域25Aには、表面粗さRaが0.120(μm)以下となる上側低粗さ領域23Aが形成され、行程中央部領域20の下死点側に隣接する下側外部領域25Bについは、下側低粗さ領域23Bが形成される。上側低粗さ領域23Aと、中央低粗さ領域22と、下側低粗さ領域23Bは、均一な表面粗さ状態で完全に連なっており、全体として一体的な連続表面となっている。In this embodiment, the entire range of the surface in the stroke center region 20 that can come into contact with the piston ring 40 is the central low-roughness region 22. As a result, the central low-roughness region 22 includes the vicinity of the upper edge and the vicinity of the lower edge of the stroke center region 20 where the recess 14 is formed. Furthermore, an upper low-roughness region 23A having a surface roughness Ra of 0.120 (μm) or less is formed in the upper outer region 25A adjacent to the top dead center side of the stroke center region 20, and a lower low-roughness region 23B is formed in the lower outer region 25B adjacent to the bottom dead center side of the stroke center region 20. The upper low-roughness region 23A, the central low-roughness region 22, and the lower low-roughness region 23B are completely connected with a uniform surface roughness state, and are an integral continuous surface as a whole.

行程中央部領域20の上端縁近傍及び下端縁近傍は、シリンダライナ10とピストン30の相対速度Uが低下することから、流体潤滑領域から境界潤滑領域に移行しやすい。しかし、この中央低粗さ領域22の存在によって、流体潤滑領域を優位に発現させることができる。いわゆるディンプルライナ技術は、流体潤滑領域でその効果を発揮し得ることから、行程中央部領域20の上端縁近傍及び下端縁近傍においても、ディンプルライナ技術の利点が得られる。なお、中央低粗さ領域22を、行程中央部領域20の上端縁近傍及び/又は下端縁近傍に限定して、形成することも可能であるが、本実施形態のように、行程中央部領域20の全体に中央低粗さ領域22を形成することが好ましい。シリンダライナ10とピストン30の相対速度Uがより低速度となった場合、行程中央部領域20の中央側にも境界潤滑領域が迫ってくることになるが、その場合であっても、流体潤滑領域の範囲を広げることが可能となる。Near the upper and lower edges of the stroke central region 20, the relative speed U between the cylinder liner 10 and the piston 30 decreases, so the region is likely to transition from the fluid lubrication region to the boundary lubrication region. However, the presence of this central low roughness region 22 allows the fluid lubrication region to be predominantly expressed. Since the so-called dimple liner technology can exert its effect in the fluid lubrication region, the advantages of the dimple liner technology can also be obtained near the upper and lower edges of the stroke central region 20. It is also possible to form the central low roughness region 22 limited to the upper and/or lower edges of the stroke central region 20, but it is preferable to form the central low roughness region 22 over the entire stroke central region 20 as in this embodiment. When the relative speed U between the cylinder liner 10 and the piston 30 becomes lower, the boundary lubrication region will approach the center of the stroke central region 20, but even in that case, it is possible to expand the range of the fluid lubrication region.

シリンダライナ10の内壁面12の中央部低粗さ領域22は、ホーニング盤を用いてホーニング加工を行うことで形成される。この際のホーニング砥石の粒度は、例えばF500又は#800よりも細かい砥粒(JIS R 6001-2:2017,ISO8486-2:2007)を使用することが好ましい。The central low-roughness region 22 of the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10 is formed by honing using a honing machine. The grain size of the honing stone used here is preferably finer than, for example, F500 or #800 (JIS R 6001-2: 2017, ISO8486-2: 2007).

更に、このホーニング加工によって中央部低粗さ領域22を形成した後は、その表面に皮膜処理を行わないことが好ましい。例えば、シリンダライナ10の製造工程で一般的に用いられるリン酸塩皮膜等を行うと、中央低粗さ領域22の表面性状が、皮膜によって変動するからである。Furthermore, after the central low-roughness region 22 is formed by this honing process, it is preferable not to perform a coating process on the surface. For example, if a phosphate coating, which is commonly used in the manufacturing process of the cylinder liner 10, is performed, the surface properties of the central low-roughness region 22 will vary depending on the coating.

<ピストン及びピストンリング><Pistons and piston rings>

図4(A)及び図4(B)にピストン30及びこのピストン30のリング溝に設置されるピストンリング40(トップリング50、セカンドリング60、オイルリング70)を示す。ピストンリング40は、シリンダライナ10の内壁面12に対して、外周面42が対向する状態でシリンダ軸方向に往復運動する。トップリング50は、ピストン30とシリンダライナ10との間のすき間を無くし、燃焼室からクランクケース側へと圧縮ガスが抜ける現象(ブローバイ)を防ぐ。セカンドリング60は、トップリング50と同様に、ピストン30とシリンダライナ10との間のすき間を無くす役割と、シリンダライナ10の内壁面12に付着する余分なエンジンオイルをかき落とす役割を兼ねる。オイルリング70は、シリンダライナ10の内壁面12についている余分なエンジンオイルをかき落として、適度な油膜を形成することで、ピストン30の焼きつきを防止する。4(A) and 4(B) show the piston 30 and the piston rings 40 (top ring 50, second ring 60, oil ring 70) installed in the ring groove of the piston 30. The piston ring 40 reciprocates in the cylinder axial direction with the outer peripheral surface 42 facing the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10. The top ring 50 eliminates the gap between the piston 30 and the cylinder liner 10, and prevents the phenomenon (blow-by) in which compressed gas escapes from the combustion chamber to the crankcase side. The second ring 60, like the top ring 50, has the role of eliminating the gap between the piston 30 and the cylinder liner 10 and the role of scraping off excess engine oil adhering to the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10. The oil ring 70 scrapes off excess engine oil on the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10 and forms an appropriate oil film, thereby preventing the piston 30 from burning.

図4(C)に拡大して示すように、トップリング50は、単一の環状部材であり、外周面52を断面視すると、径方向外側に凸となるいわゆるバレル形状となっている。具体的には、外周面52のシリンダ軸方向両外側縁は、シリンダ軸方向の外側に向かって内壁面12から離れる方向に傾斜している。なお、外周面52におけるシリンダライナ10の内壁面12に対する当あたり幅fは、例えば0.3mm以下に形成すると好適である。また、外周面52の触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さRa(JIS B 0601:2013))は、0.250(μm)以下が好ましい。As shown enlarged in FIG. 4(C), the top ring 50 is a single annular member, and when the outer peripheral surface 52 is viewed in cross section, it has a so-called barrel shape that is convex radially outward. Specifically, both outer edges of the outer peripheral surface 52 in the cylinder axial direction are inclined in a direction away from the inner wall surface 12 toward the outside in the cylinder axial direction. It is preferable that the contact width f of the outer peripheral surface 52 with respect to the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10 is formed to be, for example, 0.3 mm or less. In addition, the surface roughness (arithmetic mean roughness Ra of the profile curve (JIS B 0601:2013)) of the outer peripheral surface 52 measured by a stylus surface roughness measuring instrument (JIS B 0651:2001) is preferably 0.250 (μm) or less.

図4(D)に拡大して示すように、セカンドリング60は、単一の環状部材であり、その外周近傍は、シリンダ軸方向上端からシリンダ軸方向下側に向かうにつれて拡径するテーパ形状となっている。このテーパ形状の最外端に位置してシリンダライナ10の内壁面12と接触する外周面62は、断面視で平面形状となっている。なお、外周面62におけるシリンダライナ10の内壁面12に対する当たり幅fは、例えば0.3mm以下に形成すると好適である。また、外周面62の触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さRa(JIS B 0601:2013))は、0.250(μm)以下が好ましい。As shown enlarged in FIG. 4(D), the second ring 60 is a single annular member, and the vicinity of its outer periphery has a tapered shape that expands in diameter from the upper end in the cylinder axial direction toward the lower end in the cylinder axial direction. The outer peripheral surface 62, which is located at the outermost end of this tapered shape and contacts the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10, has a flat shape in a cross-sectional view. It is preferable that the contact width f of the outer peripheral surface 62 with the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10 is formed to be, for example, 0.3 mm or less. In addition, the surface roughness (arithmetic mean roughness Ra of the profile curve (JIS B 0601:2013)) of the outer peripheral surface 62 measured by a stylus surface roughness measuring instrument (JIS B 0651:2001) is preferably 0.250 (μm) or less.

なお、トップリング50やセカンドリング60の張力は、比較的低い値に設定されており、外周面52,62の当たり面に作用する面圧が、例えば0.5MPa以下となり、好ましくは0.3MPa以下となる。結果、トップリング50やセカンドリング60は、上死点近傍や下死点近傍を除けば、流体潤滑領域で摺動することが多い。The tension of the top ring 50 and the second ring 60 is set to a relatively low value, and the surface pressure acting on the contact surface of the outer circumferential surfaces 52, 62 is, for example, 0.5 MPa or less, and preferably 0.3 MPa or less. As a result, the top ring 50 and the second ring 60 often slide in the fluid lubrication region, except near the top dead center and the bottom dead center.

図5(A)に拡大して示すオイルリング70は、2ピースタイプであり、リング本体72と、コイルばね状のコイルエキスパンダ76を有する。リング本体72は、軸方向両端に配置される一対の環状のレール73,73と、この一対のレール73,73の間に配置されてこれらを連結する環状の柱部75を有する。一対のレール73,73及び柱部75を合わせた断面形状は略I形状又はH形状となっており、この形状を利用して、内周面側には、コイルエキスパンダ76を収容するための断面半円弧形状の内周溝79が形成される。また、一対のレール73,73には、それぞれ、柱部75を基準として径方向外側に突出する環状突起74,74が形成される。この環状突起74,74の突端に形成される外周面82,82が、シリンダライナ10の内壁面12と当接する。コイルエキスパンダ76は、内周溝79に収容されることで、リング本体72を径方向外側に押圧付勢する。なお、リング本体72の柱部75には、油戻し孔77が、周方向に複数形成される。The oil ring 70 shown in an enlarged view in FIG. 5A is a two-piece type, and has a ring body 72 and a coil spring-like coil expander 76. The ring body 72 has a pair of annular rails 73, 73 arranged at both axial ends, and an annular column portion 75 arranged between the pair of rails 73, 73 and connecting them. The cross-sectional shape of the pair of rails 73, 73 and the column portion 75 is approximately I-shaped or H-shaped, and by utilizing this shape, an inner peripheral groove 79 having a semicircular cross-sectional shape for accommodating the coil expander 76 is formed on the inner peripheral surface side. In addition, the pair of rails 73, 73 each have annular protrusions 74, 74 that protrude radially outward from the column portion 75. The outer peripheral surfaces 82, 82 formed at the tips of the annular protrusions 74, 74 abut against the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10. The coil expander 76 is housed in the inner circumferential groove 79, thereby pressing and biasing the ring body 72 radially outward. Note that a plurality of oil return holes 77 are formed in the column portion 75 of the ring body 72 in the circumferential direction.

図5(A)の一対の外周面82,82の各々の当たり幅は、0.02mm~0.30mmに形成されることが好ましく、例えば0.15mmに設定される。なお、オイルリング70の外周面82の当たり面に作用する面圧は、例えば1.0MPa~2.0MPaとなり、例えば1.75MPa程度となる。従って、オイルリング70は、エンジンの回転数が高い場合は、流体潤滑領域で摺動することが多いが、エンジンの回転数が下がると、境界潤滑領域で摺動することが多くなる。なお、外周面82,82の径方向断面の形状は、図5(A)では、シンプルな台形となる場合を例示するが、本発明はこれに限定されず、上側レール73の外周面82と下側レール73の外周面82において、互いに向かい合う側(コイルエキスパンダ76側)の隅部をステップ状に切り欠いた形状(いわゆるステップランド形状)としてもよい。また、外周面82の触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される表面粗さ(輪郭曲線の算術平均粗さRa(JIS B 0601:2013))は、0.450(μm)以下が好ましい。 The contact width of each of the pair of outer peripheral surfaces 82, 82 in FIG. 5(A) is preferably formed to be 0.02 mm to 0.30 mm, and is set to, for example, 0.15 mm. The surface pressure acting on the contact surface of the outer peripheral surface 82 of the oil ring 70 is, for example, 1.0 MPa to 2.0 MPa, for example, about 1.75 MPa. Therefore, when the engine speed is high, the oil ring 70 often slides in the fluid lubrication region, but when the engine speed decreases, it often slides in the boundary lubrication region. In FIG. 5(A), the radial cross-sectional shape of the outer peripheral surfaces 82, 82 is illustrated as a simple trapezoid, but the present invention is not limited to this, and the corners of the outer peripheral surface 82 of the upper rail 73 and the outer peripheral surface 82 of the lower rail 73 facing each other (the coil expander 76 side) may be cut out in a step shape (so-called step land shape). Furthermore, the surface roughness (arithmetic mean roughness Ra of the profile curve (JIS B 0601:2013)) of the outer peripheral surface 82 measured by a stylus type surface roughness measuring instrument (JIS B 0651:2001) is preferably 0.450 (μm) or less.

なお、オイルリング70は2ピースタイプに限られず、例えば図5(B)に示す3ピースタイプのオイルリング70であっても良い。このオイルリング70は、上下に分離している環状のサイドレール73a,73bと、このサイドレール73a,73bの間に配置されるスペーサエキスパンダ76sを有する。The oil ring 70 is not limited to a two-piece type, and may be, for example, a three-piece type oil ring 70 as shown in Fig. 5(B). This oil ring 70 has annular side rails 73a and 73b separated into upper and lower parts, and a spacer expander 76s disposed between the side rails 73a and 73b.

スペーサエキスパンダ76sは、鋼材をシリンダ軸方向に凹凸を繰り返す波形形状に塑性加工して形成される。この波型形状を利用して、上方側支持面78aと下方側支持面78bが形成され、一対のサイドレール73a,73bがそれぞれ軸方向に支持される。スペーサエキスパンダ76sの内周側端部には、軸方向外側に向かってアーチ状に立設される耳部74mを有する。この耳部74mは、サイドレール73a,73bの内周面に当接する。なお、スペーサエキスパンダ76sは、合口が付き合わされて、周方向に収縮状態でピストン30のリング溝に組み込まれる。結果、スペーサエキスパンダ76sの復元力によって、耳部74mがサイドレール73a,73bを径方向外側に押圧付勢する。The spacer expander 76s is formed by plastic processing a steel material into a wave-shaped shape with repeated concaves and convexes in the cylinder axial direction. Using this wave-shaped shape, an upper support surface 78a and a lower support surface 78b are formed, and a pair of side rails 73a and 73b are supported in the axial direction. The inner peripheral end of the spacer expander 76s has ears 74m that are arched outward in the axial direction. The ears 74m abut the inner peripheral surfaces of the side rails 73a and 73b. The spacer expander 76s is assembled into the ring groove of the piston 30 in a circumferentially contracted state with the joints butted together. As a result, the ears 74m press the side rails 73a and 73b radially outward due to the restoring force of the spacer expander 76s.

なお、図5(B)のサイドレール73a,73bの外周面82,82の各々の当たり幅fは、0.02mm~0.40mmに形成されることが好ましい。In addition, it is preferable that the contact width f of each of the outer peripheral surfaces 82, 82 of the side rails 73a, 73b in Figure 5 (B) be formed to be 0.02 mm to 0.40 mm.

<シリンダライナとピストンリングの摩擦態様><Friction between cylinder liner and piston ring>

次に、シリンダライナとピストンリングの摩擦態様について説明する。一般的な摺動時の摩擦係数の変化は、図6(A)に示すストライベック線図として表現される。このストライベック線図では、直接接触して摺動する固体接触領域110の摩擦態様、油性被膜を介して摺動する境界潤滑領域112の摩擦態様、粘性潤滑油膜を介して摺動する流体潤滑領域114における摩擦態様に分別される。また、境界潤滑領域112と流体潤滑領域114の間には、双方の状態が混在する混在潤滑領域113の摩擦態様が存在する。なお、このストライベック線図は、横軸が、「粘度μ」×「速度U」/「接触荷重W」を対数表示したものであり、縦軸が、摩擦係数(f)となる。従って、摩擦力が最も小さくなり得るのは流体潤滑領域114または混在潤滑領域113であり、この領域114、113を有効利用することが、低摩擦化、即ち、低燃費に有効となる。一方、速度Uが上昇しても、境界潤滑領域112の途中から流体潤滑領域114に移行できない場合は、点線に示すように、境界潤滑領域112がそのまま高速領域まで継続する状態になる。 Next, the frictional behavior of the cylinder liner and the piston ring will be described. The change in the friction coefficient during general sliding is expressed as a Stribeck diagram shown in FIG. 6(A). In this Stribeck diagram, the frictional behavior is divided into the frictional behavior of the solid contact region 110 where the pistons slide in direct contact with each other, the frictional behavior of the boundary lubrication region 112 where the pistons slide through an oily film, and the frictional behavior of the fluid lubrication region 114 where the pistons slide through a viscous lubricant film. In addition, between the boundary lubrication region 112 and the fluid lubrication region 114, there is a frictional behavior of the mixed lubrication region 113 where both states are mixed. In addition, in this Stribeck diagram, the horizontal axis is a logarithmic representation of " viscosity μ" × "speed U" / "contact load W", and the vertical axis is the frictional coefficient (f). Therefore, the frictional force can be smallest in the fluid lubrication region 114 or the mixed lubrication region 113, and effective use of these regions 114 and 113 is effective for reducing friction, that is, reducing fuel consumption. On the other hand, if the speed U increases but it is not possible to transition from the boundary lubrication region 112 to the hydrodynamic lubrication region 114, the boundary lubrication region 112 will continue into the high speed region, as shown by the dotted line.

ちなみに、流体潤滑領域114の摩擦力の大部分は、オイルのせん断抵抗であり、このせん断抵抗は、(粘度)×(速度)×(面積)/(油膜厚さ)で定義される。結果、せん断面積を低減することが、摩擦力の低減に直結する。Incidentally, most of the frictional force in the fluid lubrication region 114 is the shear resistance of the oil, which is defined as (viscosity) x (velocity) x (area) / (oil film thickness). As a result, reducing the shear cross-sectional area directly leads to a reduction in frictional force.

そこで、本実施形態では、ピストンリング40の外周面42のあたり面にオイルを積極的に流入させることで、素早く流体潤滑領域114に移行して低摩擦化を実現する。同時に、シリンダライナ10に対していわゆるディンプルライナ技術を適用することで、シリンダライナ10の行程中央部領域20に凹部14を形成して、オイルのせん断抵抗が生じる実質面積を減少させることで、より効率的に摩擦力の低下を達成する。Therefore, in this embodiment, oil is actively introduced into the contact surface of the outer circumferential surface 42 of the piston ring 40, quickly transitioning to the fluid lubrication region 114 and achieving low friction. At the same time, by applying so-called dimple liner technology to the cylinder liner 10, recesses 14 are formed in the stroke center region 20 of the cylinder liner 10, reducing the effective area where shear resistance of the oil occurs, thereby achieving a more efficient reduction in frictional force.

また、図6(A)のストライベック線図は、ピストン40の1ストローク中の摩擦係数(f)の動的変化を示すものであるが、摩擦態様を評価する他の指標として、摩擦損失平均有効圧力(FMEP:Friction Mean Effective Pressure)がある。この摩擦損失平均有効圧力は、1サイクルあたりの摩擦仕事を行程容積で割った値を示す。この摩擦損失平均有効圧力の線図(FMEP線図)を図6(B)に示す。FMEP線図では、横軸が、回転数(N)となり、縦軸が摩擦損失平均有効圧力(kPa)となる。回転数(N)が高いほど、1ストローク中の流体潤滑領域114が占める割合が増える。一方、回転数(N)が低くなると、1ストローク中の流体潤滑領域114が占める割合が減って、混在潤滑領域113(または境界潤滑領域112)が占める割合が増える。従って、図6(B)のFMEP線図の形状は、図6(A)のストライベック線図の流体潤滑領域114及び混在潤滑領域113の形状と比較的近似する。 The Stribeck diagram in FIG. 6(A) shows the dynamic change in the friction coefficient (f) during one stroke of the piston 40, but another index for evaluating the friction state is the friction loss mean effective pressure (FMEP). This friction loss mean effective pressure indicates the value obtained by dividing the friction work per cycle by the stroke volume. A diagram of this friction loss mean effective pressure (FMEP diagram) is shown in FIG. 6(B). In the FMEP diagram, the horizontal axis is the rotation speed (N) and the vertical axis is the friction loss mean effective pressure (kPa). The higher the rotation speed (N), the greater the proportion of the fluid lubrication region 114 in one stroke. On the other hand, when the rotation speed (N) becomes lower, the proportion of the fluid lubrication region 114 in one stroke decreases, and the proportion of the mixed lubrication region 113 (or boundary lubrication region 112) increases. Therefore, the shape of the FMEP diagram in FIG. 6B is relatively similar to the shapes of the hydrodynamic lubrication region 114 and the mixed lubrication region 113 in the Stribeck diagram in FIG. 6A.

次に、本第一実施形態のシリンダライナ10とピストンリング40の実際の摩擦態様等について説明する。なお、ピストン30に対して、これに設置されるトップリング50、セカンドリング60、オイルリング70の固定位置が、シリンダ軸方向に相対的に異なることから、シリンダライナ10と摩擦状態も厳密にはそれぞれのピストンリングで微差が生じるが、ここではセカンドリング60の位置を、ピストンリング40の基準位置として説明を行う。なお、最速通過点Cに限っては、トップリング50を基準としている。Next, the actual friction state between the cylinder liner 10 and the piston ring 40 of this first embodiment will be described. Note that the fixed positions of the top ring 50, second ring 60, and oil ring 70 installed on the piston 30 are relatively different in the cylinder axial direction, so strictly speaking, there are slight differences in the friction state between the cylinder liner 10 and each piston ring, but here, the position of the second ring 60 will be described as the reference position of the piston ring 40. Note that, for the fastest passing point C only, the top ring 50 is used as the reference.

<摩擦態様の測定方法(非燃焼時摩擦試験)><Method for measuring friction characteristics (non-combustion friction test)>

図7に、第一実施形態で採用したシリンダライナ10とピストンリング50の摩擦態様を測定する摩擦単体測定装置500を示す。摩擦単体測定装置500は、ピストンリング40側を固定し、シリンダライナ10側を上下に往復移動させることで、両者間の摩擦状態を測定する。即ち、この摩擦状態の測定は、内燃機関としての燃焼を生じさせない状態の摩擦試験(非燃焼時摩擦試験)となる。摩擦単体測定装置500は、ピストンリング40(トップリング、セカンドリング、オイルリングの3本)がセットされる仮想ピストン510を、ロードセル512を介して固定軸514によって保持する。このロードセル512によって、ピストンリング40に作用する上下方向の外力(摩擦力)を測定する。 Figure 7 shows the friction unit measuring device 500 used in the first embodiment to measure the friction state between the cylinder liner 10 and the piston ring 50. The friction unit measuring device 500 measures the friction state between the two by fixing the piston ring 40 side and moving the cylinder liner 10 side up and down. In other words, the measurement of this friction state is a friction test in a state where no combustion occurs in the internal combustion engine (non-combustion friction test). The friction unit measuring device 500 holds the virtual piston 510 on which the piston rings 40 (top ring, second ring, and oil ring) are set by a fixed shaft 514 via a load cell 512. The load cell 512 measures the external force (friction force) acting on the piston ring 40 in the vertical direction.

シリンダライナ10は、その外壁側において移動スリーブ530で保持される。移動スリーブ530の下端は駆動用ピストン540に保持される。この駆動用ピストン540は、特に図示しないクランクシャフトによって上下動するコンロッド550に保持される。結果、シリンダライナ10が上下方向に往復移動する。移動スリーブ530の外周には固定スリーブ560が配置される。固定スリーブ560は基台570に固定される。なお、固定軸514は、固定スリーブ560の上端の蓋部材562に固定されている。移動スリーブ530の外周面と固定スリーブ560の内周面は摺動自在となる。固定スリーブ560の内部には、温度調整ジャケット565が設けられており、この温度調整ジャケット565内に温水または冷水を循環させることで、固定スリーブ560の温度を制御可能となっている。The cylinder liner 10 is held by a movable sleeve 530 on its outer wall side. The lower end of the movable sleeve 530 is held by a driving piston 540. This driving piston 540 is held by a connecting rod 550 that moves up and down by a crankshaft (not shown). As a result, the cylinder liner 10 moves back and forth in the vertical direction. A fixed sleeve 560 is arranged on the outer periphery of the movable sleeve 530. The fixed sleeve 560 is fixed to a base 570. The fixed shaft 514 is fixed to a cover member 562 at the upper end of the fixed sleeve 560. The outer periphery of the movable sleeve 530 and the inner periphery of the fixed sleeve 560 are freely slidable. A temperature control jacket 565 is provided inside the fixed sleeve 560, and the temperature of the fixed sleeve 560 can be controlled by circulating hot or cold water inside the temperature control jacket 565.

本実施形態では、摩擦単体測定装置500による摩擦態様の測定条件として、潤滑油の規格を10W-30とし、油温を60度に設定し、クランクシャフトの回転数を215rpm~2154rpmに変化させた。In this embodiment, the measurement conditions for the friction behavior using the friction unit measuring device 500 were as follows: the lubricating oil standard was 10W-30, the oil temperature was set to 60 degrees, and the crankshaft rotation speed was changed from 215 rpm to 2154 rpm.

なお、トップリング50は、高さ(幅)2.5mmを採用し、外周面52の表面粗さRaを0.180(μm)、張力を16.7Nに設定した。セカンドリング60は、高さ(幅)2.0mmを採用し、外周面62の表面粗さRaを0.180(μm)、張力を12.3Nに設定した。オイルリング70は、高さ(幅)3.0mmを採用し、外周面82の表面粗さRaを0.330(μm)、張力を22.6Nに設定した。The top ring 50 had a height (width) of 2.5 mm, a surface roughness Ra of the outer peripheral surface 52 of 0.180 (μm), and a tension of 16.7 N. The second ring 60 had a height (width) of 2.0 mm, a surface roughness Ra of the outer peripheral surface 62 of 0.180 (μm), and a tension of 12.3 N. The oil ring 70 had a height (width) of 3.0 mm, a surface roughness Ra of the outer peripheral surface 82 of 0.330 (μm), and a tension of 22.6 N.

<シリンダライナとピストンリングの摩擦態様(ストライベック線図)><Friction between cylinder liner and piston ring (Stribeck diagram)>

本第一実施形態の摩擦態様を分析するために、中央低粗さ領域22の表面粗さRaを0.120(μm)にしたシリンダライナ10-Aと、表面粗さRaを0.083(μm)としたシリンダライナ10-Bを用意し、摩擦単体測定装置500を用いて摩擦態様を測定した。参考となる比較例として、シリンダライナ10と同一形状で表面粗さRaを0.160(μm)にしたシリンダライナXと、凹部14を形成せずに、その表面粗さRaを0.160(μm)にしたシリンダライナYを用意し、その他を同一条件に設定して、摩擦単体測定装置500を用いて摩擦態様を測定した。そのストライベック線図の測定結果を図8(A)、FMEP線図の測定結果を図8(B)に示す。なお、図8(A)(B)には、本第一実施形態に相当する仮想的なシリンダライナK(表面粗さRa0.140(μm))についての推測値も示す。In order to analyze the friction behavior of the first embodiment, a cylinder liner 10-A with a surface roughness Ra of 0.120 (μm) in the central low roughness region 22 and a cylinder liner 10-B with a surface roughness Ra of 0.083 (μm) were prepared, and the friction behavior was measured using the friction unit measuring device 500. As a comparative example for reference, a cylinder liner X with the same shape as the cylinder liner 10 and a surface roughness Ra of 0.160 (μm) and a cylinder liner Y with no recess 14 and a surface roughness Ra of 0.160 (μm) were prepared, and the other conditions were set to the same, and the friction behavior was measured using the friction unit measuring device 500. The measurement results of the Stribeck diagram are shown in FIG. 8(A), and the measurement results of the FMEP diagram are shown in FIG. 8(B). In addition, FIG. 8(A) and (B) also show estimated values for a hypothetical cylinder liner K (surface roughness Ra 0.140 (μm)) corresponding to the first embodiment.

まず、シリンダライナ10-A、10-B、Kの表面粗さ一覧を以下の表1に示す。なお、算術平均粗さRaは、触針式表面粗さ測定機(JIS B 0651:2001)によって測定される値であり、算術平均高さSa(μm)、突出山部高さSpk(μm)、突出谷部深さSvk(μm)、コア部レベル差:Sk(μm)は、すでに説明したレーザー顕微鏡を利用した非接触式表面粗さ測定機を用いて測定した値である。

Figure 0007593932000001
First, the surface roughness of the cylinder liners 10-A, 10-B, and K is listed in Table 1 below. The arithmetic mean roughness Ra is a value measured by a stylus-type surface roughness measuring instrument (JIS B 0651:2001), and the arithmetic mean height Sa (μm), protruding peak height Spk (μm), protruding valley depth Svk (μm), and core level difference: Sk (μm) are values measured by a non-contact surface roughness measuring instrument using a laser microscope as already explained.
Figure 0007593932000001

本実施形態のシリンダライナ10-A,10-Bと、比較例となるシリンダライナXは、行程中央部領域20の全体に凹部14が形成される。図9に示すように、ピストン30が、シリンダライナの上死点Tから下死点Uまで摺動する際の、シリンダライナとピストンリング40の摩擦係数の変動は、両者の相対速度に依存する。この相対速度は、エンジンの回転数(rpm)に対して一義的に決定する。ピストン30は、シリンダライナ10の上死点Tの速度が零の状態から下降して行程Aを経由し、途中で最高速度Cに達する。その後、行程Bを経由して下死点Uに到達すると速度が零となる。この間に、図8(A)のストライベック線図に沿って摩擦係数が常に変化する。In the cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment and the cylinder liner X of the comparative example, the recesses 14 are formed in the entire stroke central region 20. As shown in FIG. 9, the change in the friction coefficient between the cylinder liner and the piston ring 40 when the piston 30 slides from the top dead center T to the bottom dead center U of the cylinder liner depends on the relative speed between them. This relative speed is uniquely determined by the engine speed (rpm). The piston 30 descends from a state where the speed of the cylinder liner 10 at the top dead center T is zero, passes through stroke A, and reaches a maximum speed C on the way. After that, when it reaches the bottom dead center U via stroke B, the speed becomes zero. During this time, the friction coefficient constantly changes along the Stribeck diagram of FIG. 8 (A).

図8(A)のストライベック線図において、中央低粗さ領域22における粘度をμ、ピストン30(ピストンリング40)との相対速度をU、ピストン30に対する接触荷重をW、ピストン30との間の摩擦係数をf(グラフ縦軸)と定義し、評価パラメータをA=μ×U/W(グラフ横軸(対数表記))と定義する。 In the Stribeck diagram of FIG. 8(A), the viscosity in the central low roughness region 22 is defined as μ, the relative velocity with respect to the piston 30 (piston ring 40) is defined as U, the contact load with respect to the piston 30 is defined as W, and the friction coefficient with respect to the piston 30 is defined as f (vertical axis of the graph), and the evaluation parameter is defined as A=μ×U/W (horizontal axis of the graph (logarithmic notation)).

本実施形態のシリンダライナ10-A、10-Bでは、評価パラメータAが0.0003以下の範囲内に、中央低粗さ領域20における摩擦係数fの極小値fminが位置する。より望ましくは、評価パラメータAが0.0002以下の範囲内に摩擦係数fの極小値fminが位置する。一方、評価パラメータAが0.0001以上の範囲内に中央低粗さ領域20における摩擦係数fの極小値fminが位置する。In the cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment, the minimum value fmin of the friction coefficient f in the central low-roughness region 20 is located in a range where the evaluation parameter A is 0.0003 or less. More preferably, the minimum value fmin of the friction coefficient f is located in a range where the evaluation parameter A is 0.0002 or less. On the other hand, the minimum value fmin of the friction coefficient f in the central low-roughness region 20 is located in a range where the evaluation parameter A is 0.0001 or more.

更に、本実施形態のシリンダライナ10-A、10-Bでは、評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、中央低粗さ領域20における摩擦係数fが0.07以下となる。望ましくは摩擦係数fが0.06以下となる。Furthermore, in the cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment, the friction coefficient f in the central low-roughness region 20 is 0.07 or less when the evaluation parameter A is within a range of 0.0003 or less. Desirably, the friction coefficient f is 0.06 or less.

シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)と比べると分かるように、本実施形態のシリンダライナ10-A、10-Bでは、摩擦係数が0.07以下となる範囲が、評価パラメータAが0.0003以下となるグラフの左側に広がる。これは、低速度の摺動においても、流体潤滑領域114及び混在潤滑領域113となる範囲が広がることを意味し、極めて摩擦係数fの低い摺動態様となる。As can be seen by comparing with cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm) / with recesses), in cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment, the range where the friction coefficient is 0.07 or less extends to the left side of the graph where evaluation parameter A is 0.0003 or less. This means that even in low-speed sliding, the range where the fluid lubrication region 114 and mixed lubrication region 113 are formed expands, resulting in a sliding mode with an extremely low friction coefficient f.

参考として、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、評価パラメータAが0.0003を超える範囲になると、凹部14の効果が表れて摩擦係数fの上昇率が低下し、シリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)よりも摩擦率fが小さくなる。一方、評価パラメータAが0.0003~0.0005の範囲内で、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)のグラフとシリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)のグラフが交差し、評価パラメータAが0.0003以下になると、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の摩擦係数fが0.07を超える範囲で上昇して、シリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)の摩擦係数fを上回る。すなわち、従来のシリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、評価パラメータAが0.0003を超える範囲では、凹部14が摩擦係数fを小さくするように作用するが、評価パラメータAが0.0003以下の範囲になると、凹部14が摩擦係数fを増大させる。本発明者らの未公知の考察によると、従来のシリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、凹部14の存在によってシリンダライナとピストンリング40との実接触面積が小さくなるので、低速度領域において潤滑油による潤滑不足が生じやすく、境界潤滑領域に陥りやすいと推察された。For reference, in the case of cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses), when evaluation parameter A exceeds 0.0003, the effect of recesses 14 appears, the rate of increase in friction coefficient f decreases, and the friction coefficient f becomes smaller than that of cylinder liner Y (surface roughness Ra 0.160 (μm)/without recesses). On the other hand, when the evaluation parameter A is in the range of 0.0003 to 0.0005, the graph of the cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses) intersects with the graph of the cylinder liner Y (surface roughness Ra 0.160 (μm)/without recesses), and when the evaluation parameter A is 0.0003 or less, the friction coefficient f of the cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses) rises in the range exceeding 0.07 and exceeds the friction coefficient f of the cylinder liner Y (surface roughness Ra 0.160 (μm)/without recesses). That is, in the case of the conventional cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses), when the evaluation parameter A is in the range exceeding 0.0003, the recesses 14 act to reduce the friction coefficient f, but when the evaluation parameter A is in the range of 0.0003 or less, the recesses 14 increase the friction coefficient f. According to undisclosed considerations by the present inventors, in the case of the conventional cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses), the presence of the recesses 14 reduces the actual contact area between the cylinder liner and the piston ring 40, so that it is likely that insufficient lubrication by the lubricating oil occurs in the low speed range, and the cylinder liner is likely to fall into the boundary lubrication range.

本実施形態のシリンダライナ10-A、10-Bでは、中央低粗さ領域20の表面粗さRaが0.120(μm)以下に設定されるので、評価パラメータAが0.0003以下の低速度領域であって、かつ、凹部14によってピストンリング40との実接触面積が小さくても、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113を維持しやすくなる。また、仮に境界潤滑状態となった場合であっても、表面粗さが小さいので摩擦係数が小さく維持される。一般的に、シリンダライナの内周面の表面粗さRaを0.120(μm)以下にすると、接触面の潤滑油の保持力が低下して潤滑油不足に陥りやすいが、本実施形態では、中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14が、中央低粗さ領域20に対する潤滑油の貯留部として機能するので、中央低粗さ領域20において潤滑油不足が生じにくいという相乗効果も得られる。In the cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment, the surface roughness Ra of the central low roughness region 20 is set to 0.120 (μm) or less, so that even if the evaluation parameter A is in a low speed region of 0.0003 or less and the actual contact area with the piston ring 40 is small due to the recess 14, it is easy to maintain the fluid lubrication region 114 or the mixed lubrication region 113. In addition, even if a boundary lubrication state is reached, the friction coefficient is maintained small because the surface roughness is small. Generally, if the surface roughness Ra of the inner surface of the cylinder liner is set to 0.120 (μm) or less, the retention force of the lubricating oil on the contact surface decreases and it is easy to fall into a lubricating oil shortage, but in this embodiment, the recess 14 formed overlapping the central low roughness region 22 functions as a lubricating oil reservoir for the central low roughness region 20, so a synergistic effect is obtained in which the lubricating oil shortage is unlikely to occur in the central low roughness region 20.

更に、シリンダライナ10-A、10-Bにおいて、評価パラメータAが0.0003を超える範囲(高速領域)の摩擦係数fは、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の摩擦係数fと近似するか、あるいは、それよりも小さくなる。つまり、シリンダライナ10-A、10-Bは、高速度領域においても、中央低粗さ領域20が摩擦係数fの低減に貢献している。 Furthermore, in cylinder liners 10-A and 10-B, the friction coefficient f in the range where evaluation parameter A exceeds 0.0003 (high speed region) is close to or smaller than the friction coefficient f of cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses). In other words, in cylinder liners 10-A and 10-B, the central low-roughness region 20 contributes to reducing the friction coefficient f even in the high speed region.

なお、図8(A)のストライベック線図には、実測値ではないが、シリンダライナ10-Aと同じ構成で、中央低粗さ領域20の表面粗さRaが0.140(μm)に設定されるシリンダライナKの摩擦係数を推定表示する。シリンダライナKの摩擦係数は、表面粗さRaが0.160(μm)となる従来のシリンダライナX、Yの状態と、表面粗さRaが0.120(μm)となるシリンダライナ10-Aの中間値に近似すると推測できる。このシリンダライナKであっても、評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、中央低粗さ領域20における摩擦係数fが0.07以下となり、望ましくは摩擦係数fが0.06以下となる。更に、シリンダライナKにおいて、評価パラメータAが0.0003を超える範囲(高速領域)の摩擦係数fは、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の摩擦係数fと近似するか、あるいは、それよりも小さくなる。 The Stribeck diagram in FIG. 8(A) shows an estimated friction coefficient for cylinder liner K, which has the same configuration as cylinder liner 10-A and has a surface roughness Ra of 0.140 (μm) in the central low-roughness region 20, although this is not an actual measurement. The friction coefficient of cylinder liner K can be estimated to be close to the intermediate value between the state of conventional cylinder liners X and Y, which has a surface roughness Ra of 0.160 (μm), and cylinder liner 10-A, which has a surface roughness Ra of 0.120 (μm). Even for this cylinder liner K, the friction coefficient f in the central low-roughness region 20 is 0.07 or less, preferably 0.06 or less, within a range in which evaluation parameter A is 0.0003 or less. Furthermore, in cylinder liner K, the friction coefficient f in the range where evaluation parameter A exceeds 0.0003 (high speed region) is close to or smaller than the friction coefficient f of cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses).

<シリンダライナとピストンリングの摩擦態様(FMEP線図)><Friction between cylinder liner and piston ring (FMEP diagram)>

図8(B)のFMEP線図において、中央低粗さ領域22とピストンリング40の間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)(縦軸)と定義し、内燃機関の回転数をN(r/min)(横軸)と定義する。In the FMEP diagram of Figure 8 (B), the friction loss mean effective pressure (FMEP) between the central low roughness region 22 and the piston ring 40 is defined as T (kPa) (vertical axis), and the internal combustion engine speed is defined as N (r/min) (horizontal axis).

本実施形態のシリンダライナ10-A、10-Bでは、回転数Nが700以下の範囲内に、中央低粗さ領域20における摩擦損失平均有効圧Tの極小値Tminが位置する。より望ましくは、回転数Nが600以下の範囲内に摩擦損失平均有効圧Tの極小値Tminが位置する。In the cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment, the minimum value Tmin of the friction loss mean effective pressure T in the central low roughness region 20 is located in the range where the rotation speed N is 700 or less. More preferably, the minimum value Tmin of the friction loss mean effective pressure T is located in the range where the rotation speed N is 600 or less.

更に、本実施形態のシリンダライナ10-A、10-Bでは、回転数Nが700以下の範囲内のいずれかで、中央低粗さ領域20における摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下となるように設定する。 Furthermore, in the cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment, the friction loss mean effective pressure T in the central low roughness region 20 is set to be 14 kPa or less when the rotational speed N is within a range of 700 or less.

シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)と比べると分かるように、本実施形態のシリンダライナ10-A、10-Bでは、摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下に小さくなる範囲が、回転数Nが700以下(グラフの左側)に広がる。結果、低回転時においても、極めて摩擦損失の少ない摺動態様となる。 As can be seen by comparing with cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm) / with recesses), in cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment, the range in which the friction loss mean effective pressure T falls to 14 kPa or less is expanded to a rotation speed N of 700 or less (left side of the graph). As a result, even at low rotation speeds, the sliding mode has extremely low friction loss.

参考として、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、回転数Nが700を超える高回転領域になると、凹部14の効果が表れて摩擦損失の上昇率が低下し、特に回転数Nが1000を超えるとシリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)よりも摩擦損失が小さくなる。一方、回転数Nが1000~1300の範囲内で、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)のグラフとシリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)のグラフが交差する。回転数Nが1000以下になると、シリンダライナY(表面粗さRa0.160(μm)/凹部なし)の摩擦損失を上回り、700以下になると摩擦損失が14kPaを超える範囲で上昇する。すなわち、従来のシリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、回転数Nが1000を超える範囲では、凹部14が摩擦損失を小さくするように作用するが、回転数Nが1000以下の範囲になると、凹部14が摩擦損失を増大させるように作用する。本発明者らの未公知の考察によると、従来のシリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の場合、凹部14の存在によってシリンダライナとピストンリング40との実接触面積が小さくなるので、低回転領域において潤滑油による潤滑不足が生じやすく、境界潤滑領域が占有する比率が増大しやすいと推察された。For reference, in the case of cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses), when the rotation speed N reaches a high rotation range exceeding 700, the effect of the recesses 14 appears and the rate of increase in friction loss decreases, and in particular when the rotation speed N exceeds 1000, the friction loss becomes smaller than that of cylinder liner Y (surface roughness Ra 0.160 (μm)/without recesses). On the other hand, when the rotation speed N is in the range of 1000 to 1300, the graphs for cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses) and cylinder liner Y (surface roughness Ra 0.160 (μm)/without recesses) intersect. When the rotation speed N is 1000 or less, the friction loss exceeds that of cylinder liner Y (surface roughness Ra 0.160 (μm)/without recesses), and when the rotation speed N is 700 or less, the friction loss increases to a range exceeding 14 kPa. That is, in the case of the conventional cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses), when the rotation speed N exceeds 1000, the recesses 14 act to reduce friction loss, but when the rotation speed N is in the range of 1000 or less, the recesses 14 act to increase friction loss. According to undisclosed considerations by the present inventors, in the case of the conventional cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses), the actual contact area between the cylinder liner and the piston ring 40 is reduced due to the presence of the recesses 14, so it was presumed that insufficient lubrication by the lubricating oil is likely to occur in the low rotation speed region, and the proportion of the boundary lubrication region is likely to increase.

本実施形態のシリンダライナ10-A、10-Bでは、中央低粗さ領域20の表面粗さRaが0.120(μm)以下に設定されるので、回転数Nが700以下の低回転領域であっても、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113を維持することで摩擦損失が抑制される。また、仮に境界潤滑状態となった場合であっても、表面粗さが小さいので摩擦損失が抑制される。具体的に、回転数Nが700以下になると、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)を基準として、シリンダライナ10-Aの場合は2.0kPa程度、シリンダライナ10-Bの場合は4.0kPa程度の低減効果が得られる。一般的に、シリンダライナの内周面の表面粗さRaを0.120(μm)以下にすると、潤滑油の保持力が低下して潤滑油不足に陥りやすいが、本実施形態では、中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14が、中央低粗さ領域20に対する潤滑油の貯留部として機能するので、中央低粗さ領域20において潤滑油不足が生じにくいという相乗効果も得られる。In the cylinder liners 10-A and 10-B of this embodiment, the surface roughness Ra of the central low roughness region 20 is set to 0.120 (μm) or less, so that even in a low rotation region where the rotation speed N is 700 or less, friction loss is suppressed by maintaining the fluid lubrication region 114 or the mixed lubrication region 113. Even if a boundary lubrication state is reached, friction loss is suppressed because the surface roughness is small. Specifically, when the rotation speed N is 700 or less, a reduction effect of about 2.0 kPa is obtained for the cylinder liner 10-A and about 4.0 kPa is obtained for the cylinder liner 10-B, based on the cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses). Generally, when the surface roughness Ra of the inner surface of the cylinder liner is 0.120 (μm) or less, the lubricating oil retention ability decreases and the lubricating oil becomes insufficient. However, in this embodiment, the recess 14 formed overlapping the central low-roughness region 22 functions as a lubricating oil storage area for the central low-roughness region 20, thereby achieving a synergistic effect of making it less likely for lubricating oil shortage to occur in the central low-roughness region 20.

更に、シリンダライナ10-A、10-Bにおいて、回転数Nが700を超える高回転領域の摩擦損失は、シリンダライナX(表面粗さRa0.160(μm)/凹部あり)の摩擦損失と近似するか、あるいは、それよりも小さくなる。つまり、シリンダライナ10-A、10-Bでは、高回転領域においても、中央低粗さ領域20が摩擦損失に悪影響を及ぼすことがない。 Furthermore, in cylinder liners 10-A and 10-B, the friction loss in the high rotation range where the rotation speed N exceeds 700 is close to or smaller than the friction loss of cylinder liner X (surface roughness Ra 0.160 (μm)/with recesses). In other words, in cylinder liners 10-A and 10-B, the central low-roughness region 20 does not adversely affect the friction loss even in the high rotation range.

ちなみに、このFMEP線図は、非燃焼状態の摩擦試験に基づく。従って、実燃焼が生じる実際の内燃機関のFMEPは、燃焼圧力が作用することから、FMEP値はこれよりも上昇する。Incidentally, this FMEP diagram is based on friction tests in a non-combustion state. Therefore, the FMEP of an actual internal combustion engine where actual combustion occurs will be higher than this because of the effect of combustion pressure.

なお、図8(B)のFMEP線図には、実測値ではないが、シリンダライナ10-Aと同じ構成で、中央低粗さ領域20の表面粗さRaが0.140(μm)に設定されるシリンダライナKのFMEPを推定表示する。シリンダライナKのFMEP線図は、表面粗さRa0.160(μm)となる従来のシリンダライナX、YのFMEP線図と、表面粗さRa0.120(μm)となるシリンダライナ10-AのFMEP線図の中間値に近似すると推測できる。このシリンダライナKも、摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下に小さくなる範囲が、回転数Nが700以下(グラフの左側)に広がる。結果、低回転時においても、極めて摩擦損失の少ない摺動態様となる。 The FMEP diagram in FIG. 8(B) shows the estimated FMEP of cylinder liner K, which has the same configuration as cylinder liner 10-A and has a surface roughness Ra of 0.140 (μm) in the central low-roughness region 20, although it is not an actual measurement value. It can be assumed that the FMEP diagram of cylinder liner K is close to the intermediate value between the FMEP diagrams of conventional cylinder liners X and Y, which have a surface roughness Ra of 0.160 (μm), and the FMEP diagram of cylinder liner 10-A, which has a surface roughness Ra of 0.120 (μm). This cylinder liner K also has a range where the friction loss mean effective pressure T is 14 kPa or less, which expands to a rotation speed N of 700 or less (left side of the graph). As a result, even at low rotation speeds, the sliding mode has extremely low friction loss.

すなわち、シリンダライナKでは、回転数Nが700以下の低回転領域であっても、流体潤滑領域114または混在潤滑領域113を維持することで摩擦損失が抑制される。また、仮に境界潤滑状態となった場合であっても、表面粗さが小さいので摩擦損失が抑制される。一般的に、シリンダライナの内周面の表面粗さRaを0.140(μm)以下にすると、潤滑油の保持力が低下して潤滑油不足に陥りやすいが、本実施形態では、中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14が、中央低粗さ領域20に対する潤滑油の貯留部として機能するので、中央低粗さ領域20において潤滑油不足が生じにくいという相乗効果も得られる。That is, in the cylinder liner K, even in a low rotation region where the rotation speed N is 700 or less, friction loss is suppressed by maintaining the fluid lubrication region 114 or the mixed lubrication region 113. Also, even if a boundary lubrication state is reached, friction loss is suppressed because the surface roughness is small. Generally, if the surface roughness Ra of the inner surface of the cylinder liner is 0.140 (μm) or less, the lubricant retention force decreases and the lubricant is easily insufficient, but in this embodiment, the recess 14 formed overlapping the central low roughness region 22 functions as a lubricant storage portion for the central low roughness region 20, so that a synergistic effect is obtained in which the lubricant is less likely to be insufficient in the central low roughness region 20.

<1ストローク中の摩擦力の変化><Changes in frictional force during one stroke>

図10(A)には、回転数Nが646(低回転)となる場合のシリンダライナXとシリンダライナ10-Bのストローク中の摩擦力の変動を示す。図10(B)には、回転数Nが2154(高回転)となる場合のシリンダライナXとシリンダライナ10-Bのストローク中の摩擦力の変動を示す。なお、これらのグラフの横軸は、コンロッドの位相(角度)となる。図10(A)の低回転運転時は、シリンダライナ10-BとシリンダライナXの摩擦力に大きな差が生じていることがわかる。特に、上死点側に移動する行程では位相が45度~135度の範囲、下死点側に移動する行程では位相が225度から315度の範囲において、摩擦力の差が大きいことがわかる。特に、下死点側に移動する行程の180度~360度の範囲は、全般に亘って摩擦力が大幅に小さくなる。低回転時において、シリンダライナXは境界潤滑領域に近い摺動態様であるが、シリンダライナ10-Bは流体潤滑領域(又は混在潤滑領域)に近い摺動態様になると推察される。 Figure 10 (A) shows the variation in frictional force during the stroke of cylinder liner X and cylinder liner 10-B when the rotation speed N is 646 (low rotation). Figure 10 (B) shows the variation in frictional force during the stroke of cylinder liner X and cylinder liner 10-B when the rotation speed N is 2154 (high rotation). The horizontal axis of these graphs is the phase (angle) of the connecting rod. It can be seen that there is a large difference in frictional force between cylinder liner 10-B and cylinder liner X during low rotation operation in Figure 10 (A). In particular, it can be seen that the difference in frictional force is large in the phase range of 45 degrees to 135 degrees in the stroke moving toward the top dead center, and in the phase range of 225 degrees to 315 degrees in the stroke moving toward the bottom dead center. In particular, the frictional force is significantly smaller overall in the range of 180 degrees to 360 degrees in the stroke moving toward the bottom dead center. At low revolutions, it is presumed that the cylinder liner X slides in a manner close to the boundary lubrication region, whereas the cylinder liner 10-B slides in a manner close to the hydrodynamic lubrication region (or mixed lubrication region).

図10(B)の高回転運転時は、シリンダライナ10-Bの摩擦力が、シリンダライナXの摩擦力に対して、全般的に小さくなる。高回転運転時は、シリンダライナ10-BとシリンダライナXの双方が流体潤滑領域となるが、この流体潤滑領域においても、シリンダライナ10-Bの摩擦力の方が常に小さくなることが分かる。同時に、境界潤滑領域になりやすい下死点となる位相0度近傍及び360度近傍や、上死点となる位相180度近傍の摩擦力が、大幅に小さくなることが分かる。During high speed operation in Figure 10 (B), the frictional force of cylinder liner 10-B is generally smaller than the frictional force of cylinder liner X. During high speed operation, both cylinder liner 10-B and cylinder liner X are in the fluid lubrication region, but even in this fluid lubrication region, it can be seen that the frictional force of cylinder liner 10-B is always smaller. At the same time, it can be seen that the frictional force is significantly smaller near phases 0 degrees and 360 degrees, which are bottom dead center and near phase 180 degrees, which is top dead center, which are prone to becoming boundary lubrication regions.

<オイル消費量><Oil consumption>

本実施形態のシリンダライナ10とピストン30の摺動構造の場合、オイル消費量も抑制される。これは、中央低粗さ領域22に形成される潤滑油膜の絶対量が少なくなることに起因する。油膜の絶対量が減少しても、重畳的に凹部14が形成されているので、潤滑不足に陥ることはない。すなわち、本実施形態では、オイル消費量の低減と、十分な潤滑効果の双方を、合理的に解決することが可能となっている。本発明者らのシミュレーションによると、ディーゼルエンジンの場合、シリンダライナXと比較してシリンダライナ10-Bの方がLOC比率で約10%低減することが推察された。 In the case of the sliding structure of the cylinder liner 10 and piston 30 of this embodiment, oil consumption is also suppressed. This is due to the fact that the absolute amount of lubricating oil film formed in the central low roughness region 22 is reduced. Even if the absolute amount of oil film is reduced, there is no lack of lubrication because the recesses 14 are formed in an overlapping manner. In other words, this embodiment makes it possible to rationally achieve both reduced oil consumption and sufficient lubrication effect. According to simulations by the inventors, in the case of a diesel engine, it is estimated that the LOC ratio is reduced by approximately 10% with cylinder liner 10-B compared to cylinder liner X.

<第二実施形態のシリンダライナ><Cylinder liner of the second embodiment>

次に、本発明の第二の実施の形態に係る内燃機関の摺動構造に関して添付図面を参照して説明する。Next, the sliding structure of an internal combustion engine relating to the second embodiment of the present invention will be explained with reference to the attached drawings.

図11(A)に示すように、第二実施形態の内燃機関に係るシリンダライナ10の内壁面12には、複数の凹部14が形成される。凹部14は、内壁面12における行程中央部領域20のみに形成される。この行程中央部領域20は、ピストン30の上死点T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19A(以下、上死点側端縁とも呼ぶ)から、ピストン30の下死点Uおける最上位のピストンリングのリング溝の上面位置19B(以下、下死点側端縁とも呼ぶ)までの全範囲(以下、基準行程領域19と呼ぶ)の一部となっている。11A, a plurality of recesses 14 are formed in the inner wall surface 12 of the cylinder liner 10 of the internal combustion engine of the second embodiment. The recesses 14 are formed only in the stroke center region 20 of the inner wall surface 12. This stroke center region 20 is part of the entire range (hereinafter referred to as the reference stroke region 19) from the lower surface position 19A (hereinafter also referred to as the top dead center side edge) of the ring groove of the lowest piston ring at the top dead center T of the piston 30 to the upper surface position 19B (hereinafter also referred to as the bottom dead center side edge) of the ring groove of the uppermost piston ring at the bottom dead center U of the piston 30.

本実施形態の行程中央部領域20は、基準行程領域19の上死点側端縁19Aよりも下側にずれた位置となる。その結果、基準行程領域19の上死点側端縁19Aから、行程中央部領域20の上死点側の端縁27Aまでの間の全部には、凹部を有しない平滑な上側平滑領域130Aが形成される。上側平滑領域130Aはピストンリング40が通過する領域となる。In this embodiment, the stroke mid-region 20 is positioned below the top dead center edge 19A of the reference stroke region 19. As a result, a smooth upper smooth region 130A without recesses is formed in the entire area between the top dead center edge 19A of the reference stroke region 19 and the top dead center edge 27A of the stroke mid-region 20. The upper smooth region 130A is the region through which the piston ring 40 passes.

また、本実施形態の行程中央部領域20は、基準行程領域19の下死点側端縁19Bよりも上側にずれた位置となる。その結果、基準行程領域19の下死点側端縁19Bから、行程中央部領域20の下死点側の端縁27Bまでの間の全部には、凹部を有しない平滑な下側平滑領域130Bが形成される。下側平滑領域130Bはピストンリング40が通過する領域となる。In addition, the stroke mid-region 20 in this embodiment is positioned above the bottom dead center edge 19B of the reference stroke region 19. As a result, a smooth lower smooth region 130B without recesses is formed in the entire area between the bottom dead center edge 19B of the reference stroke region 19 and the bottom dead center edge 27B of the stroke mid-region 20. The lower smooth region 130B is the region through which the piston ring 40 passes.

本実施形態では、行程中央部領域20の上死点側の端縁27Aを、凹部14が形成される場所と凹部14が形成されない場所の境界線を意味する「上側境界」と呼ぶことがあり、また、行程中央部領域20の下死点側の端縁27Bを、凹部14が形成される場所と凹部14が形成されない場所の境界線を意味する「下側境界」と呼ぶこともある。なお、行程中央部領域20の下死点側の端縁(下側境界)27Bを、基準行程領域19の下死点側端縁19Bと一致させたり、それよりも下側まで広げたりしても良い。In this embodiment, the edge 27A on the top dead center side of the stroke mid-region 20 may be referred to as the "upper boundary" meaning the boundary between the place where the recess 14 is formed and the place where the recess 14 is not formed, and the edge 27B on the bottom dead center side of the stroke mid-region 20 may be referred to as the "lower boundary" meaning the boundary between the place where the recess 14 is formed and the place where the recess 14 is not formed. The edge (lower boundary) 27B on the bottom dead center side of the stroke mid-region 20 may be aligned with the bottom dead center side edge 19B of the reference stroke region 19 or may be extended below that.

また、行程中央部領域20の外側の領域を外部領域25と定義すると、この外部領域25は、行程中央部領域20の上死点側に隣接する上側外部領域25Aと、行程中央部領域20の下死点側に隣接する下側外部領域25Bから構成される。なお、上側外部領域25Aの一部には、上側平滑領域130Aが含まれることになり、下側外部領域23Bの一部には、下側平滑領域130Bが含まれることになる。If the area outside the mid-stroke region 20 is defined as the outer region 25, then this outer region 25 is composed of an upper outer region 25A adjacent to the top dead center side of the mid-stroke region 20, and a lower outer region 25B adjacent to the bottom dead center side of the mid-stroke region 20. A portion of the upper outer region 25A includes the upper smooth region 130A, and a portion of the lower outer region 23B includes the lower smooth region 130B.

本実施形態では、この行程中央部領域20の少なくとも一部において、触針式表面粗さ測定機によって測定される表面粗さ(算術平均粗さ)Raが0.140(μm)以下となり、好ましくは表面粗さRaが0.120(μm)以下となる、中央低粗さ領域22が形成される。ここでは、行程中央部領域20の全部を中央低粗さ領域22としている。結果として、中央低粗さ領域22は、凹部14が形成される行程中央部領域20の上端縁近傍及び下端縁近傍を含む。In this embodiment, a central low-roughness region 22 is formed in at least a portion of the central stroke region 20, in which the surface roughness (arithmetic mean roughness) Ra measured by a stylus surface roughness measuring device is 0.140 (μm) or less, preferably 0.120 (μm) or less. Here, the entire central stroke region 20 is defined as the central low-roughness region 22. As a result, the central low-roughness region 22 includes the vicinity of the upper edge and the vicinity of the lower edge of the central stroke region 20 where the recess 14 is formed.

この中央低粗さ領域22を、レーザー顕微鏡を利用した非接触式表面粗さ測定機で測定した場合の表面粗さ値を以下に示す。
算術平均高さSa(μm):0.192以下、好ましくは0.163以下、更に望ましくは0.120以下(具体的には0.110に設定される)。
突出山部高さSpk(μm):0.159以下、好ましくは0.144以下、更に望ましくは0.121以下(具体的には0.116に設定される)。
コア部レベル差Sk(μm):0.521以下、好ましくは0.449以下、更に望ましくは0.340以下(具体的には0.315に設定される)。
突出谷部深さSvk(μm):0.409以下、好ましくは0.342以下、更に望ましくは0.241以下(具体的には0.218に設定される)。
The surface roughness values of this central low-roughness region 22 when measured by a non-contact surface roughness measuring device using a laser microscope are shown below.
Arithmetic mean height Sa (μm): 0.192 or less, preferably 0.163 or less, and more preferably 0.120 or less (specifically, set to 0.110).
Protruding peak height Spk (μm): 0.159 or less, preferably 0.144 or less, and more preferably 0.121 or less (specifically, set to 0.116).
Core level difference Sk (μm): 0.521 or less, preferably 0.449 or less, and more preferably 0.340 or less (specifically, set to 0.315).
Protruding valley depth Svk (μm): 0.409 or less, preferably 0.342 or less, and more preferably 0.241 or less (specifically, set to 0.218).

更に、行程中央部領域20の上側に隣接する上側平滑領域130Aには、触針式表面粗さ測定機によって表面粗さ(算術平均粗さ)Raが0.140(μm)以下となり、好ましくは、表面粗さRaが0.120(μm)以下となる上側低粗さ領域23Aが形成される。本実施形態の上側低粗さ領域23Aは、上側平滑領域130Aに重畳しつつ、更に上方側に越えた範囲まで形成される。また、行程中央部領域20の下側に隣接する下側平滑領域130には、表面粗さ(算術平均粗さ)Raが0.140(μm)以下となり、好ましくは、表面粗さRaが0.120(μm)以下となる下側低粗さ領域23Bが形成される。本実施形態の下側低粗さ領域23Bは、下側平滑領域130Bに重畳しつつ、更に下方側に越えた範囲まで形成される。上側低粗さ領域23Aと、中央低粗さ領域22と、下側低粗さ領域23Bは、均一な表面粗さ状態で完全に連なっており、全体として一体的な連続平面となっている。Furthermore, in the upper smooth region 130A adjacent to the upper side of the stroke central region 20, an upper low-roughness region 23A is formed in which the surface roughness (arithmetic mean roughness) Ra is 0.140 (μm) or less, preferably 0.120 (μm) or less, as measured by a stylus surface roughness measuring device. The upper low-roughness region 23A of this embodiment is formed to extend further upward while overlapping the upper smooth region 130A. In addition, in the lower smooth region 130 adjacent to the lower side of the stroke central region 20, a lower low-roughness region 23B is formed in which the surface roughness (arithmetic mean roughness) Ra is 0.140 (μm) or less, preferably 0.120 (μm) or less. The lower low-roughness region 23B of this embodiment is formed to extend further downward while overlapping the lower smooth region 130B. The upper low-roughness region 23A, the central low-roughness region 22, and the lower low-roughness region 23B are completely connected with a uniform surface roughness, and as a whole form an integral, continuous flat surface.

この上側低粗さ領域23A及び/または下側低粗さ領域23Bを、レーザー顕微鏡を利用した非接触式表面粗さ測定機で測定した場合の表面粗さ値を以下に示す。
算術平均高さSa(μm):0.192以下、好ましくは0.163以下、更に望ましくは0.120以下(具体的には0.110に設定される)。
突出山部高さSpk(μm):0.159以下、好ましくは0.144以下、更に望ましくは0.121以下(具体的には0.116に設定される)。
コア部レベル差Sk(μm):0.521以下、好ましくは0.449以下、更に望ましくは0.340以下(具体的には0.315に設定される)。
突出谷部深さSvk(μm):0.409以下、好ましくは0.342以下、更に望ましくは0.241以下(具体的には0.218に設定される)。
The surface roughness values of the upper low-roughness region 23A and/or the lower low-roughness region 23B when measured by a non-contact surface roughness measuring device using a laser microscope are shown below.
Arithmetic mean height Sa (μm): 0.192 or less, preferably 0.163 or less, and more preferably 0.120 or less (specifically, set to 0.110).
Protruding peak height Spk (μm): 0.159 or less, preferably 0.144 or less, and more preferably 0.121 or less (specifically, set to 0.116).
Core level difference Sk (μm): 0.521 or less, preferably 0.449 or less, and more preferably 0.340 or less (specifically, set to 0.315).
Protruding valley depth Svk (μm): 0.409 or less, preferably 0.342 or less, and more preferably 0.241 or less (specifically, set to 0.218).

ピストン30がシリンダライナ10内を往復運動する際、上側外部領域25A(上側低粗さ領域23A)、行程中央部領域20(中央低粗さ領域22)、下側外部領域25B(下側低粗さ領域23B)、行程中央部領域20(中央低粗さ領域22)、上側外部領域25A(上側低粗さ領域23A)をこの順に繰り返し通過する。As the piston 30 reciprocates within the cylinder liner 10, it repeatedly passes through the upper outer region 25A (upper low roughness region 23A), the central stroke region 20 (central low roughness region 22), the lower outer region 25B (lower low roughness region 23B), the central stroke region 20 (central low roughness region 22) and the upper outer region 25A (upper low roughness region 23A) in this order.

上側平滑領域130の行程方向距離は、望ましくは、基準行程領域19の行程方向全距離の30%以上に設定される。また、行程中央部領域20における行程方向の中央点20Mは、基準行程領域における行程方向の中央点19Mと比較して、ピストンの下死点U側に位置する。The stroke direction distance of the upper smooth region 130 is preferably set to 30% or more of the total stroke direction distance of the reference stroke region 19. In addition, the stroke direction center point 20M of the stroke center region 20 is located on the bottom dead center U side of the piston compared to the stroke direction center point 19M of the reference stroke region.

最上位のピストンリング(後述するトップリング50)が内壁面12を最高速度で通過する位置を最速通過点Cと定義した場合、行程中央部領域20の上死点側の端縁(上側境界)27Aは、最速通過点C以下に設定される。本実施形態では、上死点側の端縁27Aと最速通過点Cが一致するように設定されている。If the position where the uppermost piston ring (top ring 50 described later) passes over the inner wall surface 12 at the highest speed is defined as the fastest passing point C, the top dead center side edge (upper boundary) 27A of the stroke center region 20 is set to be below the fastest passing point C. In this embodiment, the top dead center side edge 27A and the fastest passing point C are set to coincide with each other.

なお、シリンダライナ10の中央部低粗さ領域22、上側低粗さ領域23A及び下側低粗さ領域23Bは、ホーニング盤を用いてホーニング加工を行うことで形成される。この際のホーニング砥石の粒度は、例えばF500又は#800よりも細かい砥粒(JIS R 6001-2:2017,ISO8486-2:2007)を使用することが好ましい。このホーニング加工によって中央部低粗さ領域22、上側低粗さ領域23A及び下側低粗さ領域23Bを形成した後は、その表面に皮膜処理を行わないことが好ましい。例えば、シリンダライナ10の製造工程で一般的に用いられるリン酸塩皮膜等を行うと、中央低粗さ領域22、上側低粗さ領域23A及び下側低粗さ領域23Bの表面性状が、皮膜によって変動するからである。The central low-roughness region 22, the upper low-roughness region 23A, and the lower low-roughness region 23B of the cylinder liner 10 are formed by honing using a honing machine. It is preferable to use a honing stone with a finer abrasive grain than F500 or #800 (JIS R 6001-2: 2017, ISO8486-2: 2007). After the central low-roughness region 22, the upper low-roughness region 23A, and the lower low-roughness region 23B are formed by this honing process, it is preferable not to perform a coating treatment on the surface. For example, if a phosphate coating, which is commonly used in the manufacturing process of the cylinder liner 10, is performed, the surface properties of the central low-roughness region 22, the upper low-roughness region 23A, and the lower low-roughness region 23B will vary depending on the coating.

<上側低粗さ領域23Aの存在意義><The significance of the existence of the upper low-roughness region 23A>

既に述べたように、本実施形態では、凹部が重畳形成される中央低粗さ領域22よりも上死点側に、凹部が形成されない上側低粗さ領域23Aを備える。この上側低粗さ領域23Aの意義は次の通りである。ピストン30の上死点側は、燃焼室が存在することから高温環境となる。従って、シリンダライナ10の上死点側に凹部を形成して、凹部内にエンジンオイルを滞留させてしまうと、そのエンジンオイルが高温となり、気化することでオイル消費量が増大する。そこで、上側低粗さ領域23Aについては、凹部を形成しないことで、オイルの消費量を抑制する。一方、上側低粗さ領域23Aを本実施形態のように低粗さ化すると、潤滑不足が生じる可能性があるか、下側に隣接する中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14が潤滑油の貯留部として機能しており、この凹部14を介して、上側低粗さ領域23Aに潤滑油が積極的に供給されるので、潤滑不足が生じにくいという相乗効果も得られる。As already mentioned, in this embodiment, the upper low-roughness region 23A, in which no recess is formed, is provided on the top dead center side of the central low-roughness region 22 where the recess is overlapped. The significance of this upper low-roughness region 23A is as follows. The top dead center side of the piston 30 is a high-temperature environment because of the presence of a combustion chamber. Therefore, if a recess is formed on the top dead center side of the cylinder liner 10 and engine oil is allowed to remain in the recess, the engine oil will become hot and vaporize, increasing the amount of oil consumed. Therefore, by not forming a recess in the upper low-roughness region 23A, the amount of oil consumed is suppressed. On the other hand, if the upper low-roughness region 23A is made low-rough as in this embodiment, there is a possibility that lubrication shortage will occur, or the recess 14 overlapping the central low-roughness region 22 adjacent to the lower side functions as a lubricating oil reservoir, and lubricating oil is actively supplied to the upper low-roughness region 23A through this recess 14, so a synergistic effect is obtained in which lubrication shortage is less likely to occur.

また、ピストン30の上死点T側は、高温環境によってエンジンオイルの粘性も低下するので、油膜が形成されにくいが、上側低粗さ領域23Aによって表面粗さRaを0.120(μm)以下、好ましくは0.100(μm)以下とすることで、少ない油膜であっても積極的に流体潤滑領域または混在潤滑領域とする。仮に境界潤滑領域になったとしても、低粗さとなるので、摩擦係数が小さくて済む。更に、中央低粗さ領域22に重畳形成される凹部14に溜まる潤滑油によって、上側低粗さ領域23Aに対して潤滑油の供給できるので、上側低粗さ領域23Aにおける潤滑油不足も生じにくいという利点がある。 In addition, the viscosity of the engine oil is reduced due to the high temperature environment on the top dead center T side of the piston 30, so an oil film is difficult to form, but by making the surface roughness Ra 0.120 (μm) or less, preferably 0.100 (μm) or less by the upper low roughness region 23A, even a small oil film is actively made into a fluid lubrication region or a mixed lubrication region. Even if it becomes a boundary lubrication region, the roughness is low, so the friction coefficient is small. Furthermore, since the lubricating oil that accumulates in the recess 14 formed by overlapping with the central low roughness region 22 can supply lubricating oil to the upper low roughness region 23A, there is an advantage that lubricating oil shortage in the upper low roughness region 23A is unlikely to occur.

<第二実施形態のシリンダライナとピストンリングの摺動構造><Sliding structure of cylinder liner and piston ring in the second embodiment>

図11(B)には、シリンダライナ10をピストンリング40が上死点Tから下死点Uに向かって相対移動する行程を示す。ピストンリング40が、上側低粗さ領域23Aを相対移動する際中は、行程線A、Lとなる。そして、ピストンリング40が、中央低粗さ領域22を通過する際は行程線Mとなる。その後、シリンダライナ10の下側低粗さ領域23Bを、ピストンリング40が下死点側に向かって相対移動している最中は、行程線N、Bとなる。 Figure 11 (B) shows the stroke of the piston ring 40 moving relatively through the cylinder liner 10 from top dead center T towards bottom dead center U. While the piston ring 40 is moving relatively through the upper low roughness region 23A, it follows stroke lines A and L. Then, when the piston ring 40 passes through the central low roughness region 22, it follows stroke line M. Thereafter, while the piston ring 40 is moving relatively through the lower low roughness region 23B of the cylinder liner 10 towards the bottom dead center, it follows stroke lines N and B.

本第二実施形態の内燃機関に係る摺動構造によれば、第一実施形態と同様に、中央低粗さ領域22によって、低速移動時の摩擦係数を小さくすることができる。また、低回転時の摩擦損失を低減することが可能となる。更に、ピストンリング40が通過する上側低粗さ領域23Aによって、オイル消費量を抑制することができる。According to the sliding structure for the internal combustion engine of the second embodiment, as in the first embodiment, the central low-roughness region 22 can reduce the coefficient of friction during low-speed movement. It is also possible to reduce friction loss during low rotation. Furthermore, the upper low-roughness region 23A through which the piston ring 40 passes can suppress oil consumption.

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can of course be made without departing from the spirit and scope of the present invention.

10 シリンダライナ
12 内壁面
14 凹部
20 行程中央部領域
22 中央低粗さ領域
23A 上側低粗さ領域
23B 下側低粗さ領域
25 外部領域
25A 上側外部領域
25B 下側外部領域
30 ピストン
40 ピストンリング
110 固体接触領域
112 境界潤滑領域
113 混在潤滑領域
114 流体潤滑領域
REFERENCE SIGNS LIST 10 Cylinder liner 12 Inner wall surface 14 Recess 20 Stroke center region 22 Central low roughness region 23A Upper low roughness region 23B Lower low roughness region 25 Outer region 25A Upper outer region 25B Lower outer region 30 Piston 40 Piston ring 110 Solid contact region 112 Boundary lubrication region 113 Mixed lubrication region 114 Hydrodynamic lubrication region

Claims (15)

シリンダとピストンを有する内燃機関の摺動構造であって、
前記シリンダは、
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全部又は一部となる行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、
前記行程中央部領域では、どの場所の軸直角方向の断面をとっても、少なくとも一つの前記凹部が存在するように配置され、
前記行程中央部領域における前記ピストンリングと接触する面の少なくとも一部には、触針式表面粗さ測定機によって測定される輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.140μm以下となる中央低粗さ領域が形成され、
前記中央低粗さ領域における粘度をμ、前記ピストンとの相対速度をU、前記ピストンに対する接触荷重をW、前記ピストンとの間の摩擦係数をfとし、
ストライベック線図の評価パラメータをA=μ×U/Wと定義する際に、
前記中央低粗さ領域における前記摩擦係数fの極小値fminは、前記評価パラメータAが0.0003以下の範囲内で達成されることを特徴とする、
内燃機関の摺動構造。
A sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder and a piston,
The cylinder is
a plurality of recesses are formed in a stroke center region of the inner wall surface, the stroke center region being the whole or a part of a region between a lower surface position of a ring groove of a lowest piston ring at a top dead center of the piston and an upper surface position of a ring groove of a top piston ring at a bottom dead center of the piston;
In the stroke center region, at least one of the recesses is disposed in any cross section perpendicular to the axis,
a central low roughness region is formed in at least a portion of the surface in contact with the piston ring in the stroke central region, the central low roughness region having an arithmetic mean roughness Ra of a profile curve measured by a stylus surface roughness tester of 0.140 μm or less;
The viscosity in the central low roughness region is μ, the relative velocity with respect to the piston is U, the contact load with respect to the piston is W, and the friction coefficient with respect to the piston is f,
When the evaluation parameter of the Stribeck diagram is defined as A = μ × U/W,
The minimum value fmin of the friction coefficient f in the central low roughness region is achieved within a range where the evaluation parameter A is 0.0003 or less.
Sliding structure of an internal combustion engine.
シリンダとピストンを有する内燃機関の摺動構造であって、
前記シリンダは、
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全部又は一部となる行程中央部領域に複数の凹部が形成されており、
前記行程中央部領域では、どの場所の軸直角方向の断面をとっても、少なくとも一つの前記凹部が存在するように配置され、
前記行程中央部領域における前記ピストンリングと接触する面の少なくとも一部には、触針式表面粗さ測定機によって測定される輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.140μm以下となる中央低粗さ領域が形成され、
前記ピストンリングに相当するトップリング、セカンドリングおよびオイルリングを用いた非燃焼状態の摩擦試験において、前記内燃機関の回転数をN(r/min)とし、前記中央低粗さ領域における前記ピストンリングとの間の摩擦損失平均有効圧力(FMEP)をT(kPa)とする際に、
前記中央低粗さ領域における前記摩擦損失平均有効圧Tの極小値Tminは、前記回転数Nが700以下の範囲内で達成されることを特徴とする、
内燃機関の摺動構造。
A sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder and a piston,
The cylinder is
a plurality of recesses are formed in a stroke center region of the inner wall surface, the stroke center region being the whole or a part of a region between a lower surface position of a ring groove of a lowest piston ring at a top dead center of the piston and an upper surface position of a ring groove of a top piston ring at a bottom dead center of the piston;
In the stroke center region, at least one of the recesses is disposed in any cross section perpendicular to the axis,
a central low roughness region is formed in at least a portion of the surface in contact with the piston ring in the stroke central region, the central low roughness region having an arithmetic mean roughness Ra of a profile curve measured by a stylus surface roughness tester of 0.140 μm or less;
In a friction test in a non-combustion state using a top ring, a second ring, and an oil ring corresponding to the piston ring, the rotation speed of the internal combustion engine is N (r/min) and the friction loss mean effective pressure (FMEP) between the piston ring and the central low roughness region is T (kPa),
The minimum value Tmin of the friction loss mean effective pressure T in the central low roughness region is achieved within a range in which the rotation speed N is 700 or less.
Sliding structure of an internal combustion engine.
非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の輪郭曲面の算術平均高さSaが0.20μm以下となることを特徴とする、
請求項1又は2に記載の内燃機関の摺動構造。
The arithmetic mean height Sa of the contour curved surface of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.20 μm or less.
3. The sliding structure of an internal combustion engine according to claim 1 or 2.
非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の突出谷部深さSvkが0.41μm以下となることを特徴とする、
請求項1~3のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The protruding valley depth Svk of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.41 μm or less.
The sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3.
非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の突出山部高さSpkが0.16μm以下となることを特徴とする、
請求項1~4のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The central low roughness region has a protruding peak height (Spk) of 0.16 μm or less as measured by a non-contact surface roughness measuring device.
The sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4.
非接触式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域のコア部のレベル差Skが0.53μm以下となることを特徴とする、
請求項1~5のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The level difference Sk of the core portion of the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is 0.53 μm or less.
The sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5.
前記中央低粗さ領域における非接触式表面粗さ測定機によって測定される突出山部高さをE(Spk)、突出谷部深さをI(Svk)とした場合に、I/Eが2.6以下となることを特徴とする、
請求項1~6のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The present invention is characterized in that, when the height of the protruding peaks in the central low roughness region measured by a non-contact surface roughness measuring device is E (Spk) and the depth of the protruding valleys is I (Svk), the ratio I/E is 2.6 or less.
The sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6.
触針式表面粗さ測定機によって測定される前記中央低粗さ領域の輪郭曲線の算術平均粗さRaが0.120μm以下となることを特徴とする、
請求項1~7のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The arithmetic mean roughness Ra of the profile curve of the central low roughness region measured by a stylus type surface roughness measuring instrument is 0.120 μm or less.
The sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7.
前記中央低粗さ領域は、前記行程中央部領域における上端縁近傍及び下端縁近傍を含むことを特徴とする、
請求項1~8のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The central low roughness region includes a vicinity of an upper end edge and a vicinity of a lower end edge in the stroke central region.
The sliding structure for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8.
前記行程中央部領域の全体が、前記中央低粗さ領域となることを特徴とする、
請求項1~のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The entire stroke central region is the central low roughness region.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 9 .
前記極小値fminは、前記評価パラメータAが0.0001以上の範囲内で達成されることを特徴とする、
請求項1に記載の内燃機関の摺動構造。
The minimum value fmin is achieved when the evaluation parameter A is in a range of 0.0001 or more.
The sliding structure of an internal combustion engine according to claim 1.
前記評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記摩擦係数fが0.07以下となることを特徴とする、
請求項1に記載の内燃機関の摺動構造。
The friction coefficient f in the central low roughness region is 0.07 or less in any range in which the evaluation parameter A is 0.0003 or less.
The sliding structure of an internal combustion engine according to claim 1.
前記評価パラメータAが0.0003以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記ピストンと前記シリンダが流体潤滑状態となることを特徴とする、
請求項1に記載の内燃機関の摺動構造。
The piston and the cylinder in the central low roughness region are in a fluid lubrication state within a range in which the evaluation parameter A is 0.0003 or less.
The sliding structure of an internal combustion engine according to claim 1.
前記回転数Nが700以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記摩擦損失平均有効圧力Tが14kPa以下となることを特徴とする、
請求項2に記載の内燃機関の摺動構造。
The friction loss mean effective pressure T in the central low roughness region is 14 kPa or less when the rotation speed N is within a range of 700 or less.
The sliding structure of an internal combustion engine according to claim 2.
前記回転数Nが700以下となる範囲内のいずれかで、前記中央低粗さ領域における前記ピストンと前記シリンダが流体潤滑状態となることを特徴とする、
請求項2に記載の内燃機関の摺動構造。
The piston and the cylinder in the central low roughness region are in a fluid lubrication state at any one of the rotational speeds N within a range of 700 or less.
The sliding structure of an internal combustion engine according to claim 2.
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