(57)【要約】【課題】エンジン等に構成される摺動部において、潤滑油の低粘度化による高効率を、却って摩擦抵抗が増える不都合なく実現できる構造を提供する。【解決手段】自動車用エンジンにおいて、バルブステム１３と、これをスライド移動自在に外嵌支持するバルブガイド１４とで、潤滑油を介在する摺動部Ｓ１を構成し、バルブガイド１４に外嵌支持された状態でバルブステム１３に外嵌されるシール部材１５の内周面、及びバルブステム１３の軸部１３Ｂの外周面に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層１９を形成する。【選択図】図３  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低粘度の潤滑油を介在して摺動部を構成する構造部材の摺動面に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層が形成されている摺動部構造。
【請求項２】
請求項１において、
前記摺動部が、エンジンのバルブステムと、これをスライド移動自在に外嵌支持するバルブガイドとから構成されるとともに、前記バルブガイドに支持された状態で前記バルブステムに外嵌されるシール部材の内周面、又は／及び前記バルブステムの外周面に、前記膜層が形成されている摺動部構造。
【請求項３】
請求項１において、
前記摺動部が、エンジンのクランク軸とこれに外嵌されるオイルシールとから構成されるとともに、前記オイルシールにおけるシールリップの先端部、又は／及び前記クランク軸におけるオイルシールと接触する部分の外周面に、前記膜層が形成されている摺動部構造。
【請求項４】
請求項２における前記シール部材の内周面、又は請求請３におけるシールリップの先端部における前記膜層が形成された部位には、微細な亀裂状部分が形成されている摺動部構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車におけるエンジン、ミッション、車軸支持部といった、潤滑油が介在される摺動部構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有限である石油資源を節約して大事に使うという観点から、内燃機関を有する自動車、つまりはエンジン、ミッション等においては、以前にもまして高効率化、省エネルギー化が課題となっている。自動車用エンジン等の高効率化や省エネルギー化を図るための要因には種々のものがあるが、とりわけ、これら双方の課題を満たすには、摺動部のフリクション（摩擦抵抗）を減らす手段が有効である。
【０００３】
つまり、エンジン、ミッション等において摺動部の低フリクション化を図ることであり、その一つとしてエンジンオイルやミッションオイルといった潤滑油の低粘度化が挙げられる。潤滑油を低粘度化できれば、多くの箇所において摩擦抵抗を減らすことができるので、前述の高効率化や省エネルギー化が図れるとともに、燃費や出力の向上が可能となる優れた手段となる。潤滑油が介在される摺動部を持つエンジンの例としては、特許文献１において開示された、動弁系のものが知られている。
【０００４】
参考として、図８に粘度別の潤滑油（エンジンオイル）の、温度と動粘度との関係を表す折れ線グラフを示す。ラインａ，ｂは、ディーゼルエンジン用の通常粘度の潤滑油を示し、ラインｃ，ｄは、ガソリンエンジン用の通常粘度の潤滑油を示している。そして、ラインｅ，ｆは、開発中の低粘度の潤滑油を示している。低粘度の潤滑油は、あらゆる温度域において、一般的な潤滑油よりも低粘度状態であることが判る。
【特許文献１】特開２０００−０９７００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、潤滑油の粘度を下げて行くと、都合の悪い状況が生じることもある、ということが分かってきた。例えば、上下方向に摺動するバルブステムにおいては、バルブガイドの上側においてバルブステムに外嵌するシール部材を設けることで、潤滑油が過剰にバルブガイド側に供給される不都合、所謂「オイル下がり」を防止している。
【０００６】
ところが、潤滑油の粘度が下がると、シール部材とバルブステムとの間に潤滑油が浸入し易くなるので、それを防ぐべく、シール部材のバルブステム締付け力を強くせざるを得ないが、それによってシール部材とバルブステムとの摺動抵抗が増えることとなり、結局、低フリクション化にならないのである。
【０００７】
このように、潤滑油を低粘度化して行くと、摺動部においては境界潤滑部位の潤滑改善が必要になってくるので、むやみに粘度を下げ難い面がある。また、その問題に、潤滑油の側で対処するには、潤滑油に各種の添加剤を新たに加える必要があり、簡単に実現できるものでもない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、エンジン等に構成される摺動部において、潤滑油の低粘度化による高効率を、上述のような不都合なく実現できる構造を提供せんとする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の構成は、摺動部構造において、低粘度の潤滑油を介在して摺動部を構成する構造部材の摺動面に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の構成は、請求項１において、
前記摺動部が、エンジンのバルブステムと、これをスライド移動自在に外嵌支持するバルブガイドとから構成されるとともに、前記バルブガイドに支持された状態で前記バルブステムに外嵌されるシール部材の内周面、又は／及び前記バルブステムの外周面に、前記膜層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の構成は、請求項１において、
前記摺動部が、エンジンのクランク軸とこれに外嵌されるオイルシールとから構成されるとともに、前記オイルシールにおけるシールリップの先端部、又は／及び前記クランク軸におけるオイルシールと接触する部分の外周面に、前記膜層が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の構成は、
請求項２における前記シール部材の内周面、又は請求請３におけるシールリップの先端部における前記膜層が形成された部位には、微細な亀裂状部分が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の構成においては、摺動部を構成する構造部材の摺動面に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層を形成したので、詳しくは実施例において説明するが、膜層によって構造部剤の摺動面が、際立って円滑で耐久性に富む状態になる。その結果、潤滑油の低粘度化によって、却って境界潤滑部位の摩擦係数が増加することが相殺可能になり、耐久性を損なうことなく、低粘度化による高効率化が行える摺動部構造を提供することができる。
【００１４】
請求項２の構成においては、潤滑油を、添加剤を特別に必要としない、従来よりも低粘度なものとしながらも、境界潤滑部位であるバルブステムとシール部材との間に潤滑油が過剰に供給される不都合（例：「オイル下がり」）が生じないものとなる。その結果、フリクションが少ない高効率で、燃費や出力向上が図られるエンジンの実現に寄与できる摺動部構造を提供できる。
【００１５】
このように、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層を摺動部に適用することで、上述のようにエンジンの高効率化を図る手段としては、請求項３のように、エンジンのクランク軸とこれに外嵌されるオイルシールとの摺動部構造も挙げられる。
【００１６】
請求項４の構成においては、詳しくは実施例において説明するが、シール部材の内周面やシールリップにおけるダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層が形成された部分に、予め、微細な亀裂状部分を形成してあるので、摺動部として組付けた時点において、それら亀裂状部分に潤滑油が入り込んで、摺動部の平滑化が可能となる。その結果、低粘度の潤滑油を用いる摺動部構造において、組付け直後から、膜層による摩擦係数低減効果が発揮でき、良好なシール性と長寿命化とを高次元で両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明による摺動部構造の例として、自動車用エンジンの各部に適用した場合について、図面に基づいて説明する。
【００１８】
自動車用の内燃機関は、図１に示すように、水冷式のエンジンＡと、直噴型の燃料噴射装置Ｂと、排気装置Ｃ等から構成されている。エンジンＡは、シリンダヘッド１、吸排弁機構２、シリンダブロック３、オイルパン４、シリンダブロック３のボア部３Ａに往復上下動自在に内嵌されるピストン５、クランクシャフト６、及びこれらピストン５とクランクシャフト６とを連結するコネクティングロッド７等から構成されている。尚、図１は、ピストン５が最も下降した、所謂「下死点」の状態を示している。
【００１９】
燃料噴射装置Ｂは、着火し易い状態の混合ガスを燃焼室９に供給するものであって、空気をインテークマニホールド８及び吸気弁２Ａを通して燃焼室９に送り込むエアー供給機構１０と、燃焼室９に燃料を直接に噴射する燃料噴射機構１１等から構成されている。排気装置Ｃは、排気弁２Ｂを通って燃焼室９から排出される排気ガスを、消音並びに冷却する排気管１２等から構成されている。
【００２０】
このエンジンＡにおいては、エンジンオイル（潤滑油の一例）を介在して摺動部Ｓ１〜Ｓ３を構成するものであって、その摺動面に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層が形成されている構造部材が複数設定されている。これにより、エンジンオイルの低粘度化を図って、よりフリクションが低減された高効率エンジンとしながら、各摺動部Ｓ１〜Ｓ３（図３、図６、図７を参照）の良好なシール機能、並びに良好な耐久性が維持されての優れた内燃機関を構成している。
【００２１】
エンジンオイルＧ（図７参照）は低粘度のものを使用しており、例えば、動粘度が、油温４０℃では５９．０〜０，７ｍｍ2／Ｓ、油温１００℃では１０．１〜０．３６ｍｍ2／Ｓのものが望ましく採用される。次に、幾つかの摺動部Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の具体構造について説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明の実施例１による摺動部構造は、図２、図３に示すように、シリンダヘッド１部位に配備された吸排弁機構２において構成されている。この実施例１による第１摺動部Ｓ１は、吸排いずれの側の弁２Ａ，２Ｂでも採用されているが、代表として、以下においては、吸気弁２Ａのものについて説明する。
【００２３】
図２において、バルブステム１３は、弁座部１３Ａ、軸部１３Ｂ、リフター１３Ｃ、シム１３Ｄから成り、軸部１３Ｂがほぼ上下方向にスライド移動自在に、シリンダヘッド１に一体的に装備されたバルブガイド１４に内嵌支持されている。リフター１３Ｃとシリンダヘッド１との間には、吸気弁２Ａを閉じ状態に戻すための内外リターンバネ１６が装備されるとともに、シム１３Ｄに接触して吸気弁２Ａを強制的に開き状態にするためのカム１７、及びこれが一体的に形成されたカムシャフト１８が装備されている。
【００２４】
第１摺動部Ｓ１は、図２、図３に示すように、吸気側のバルブステム１３と、これをスライド移動自在に外嵌支持するバルブガイド１４とから構成されている。軸部１３Ｂにおけるバルブガイド１４の上側には、バルブガイド１４に外嵌支持された状態で軸部１３Ｂに外嵌されて接触する筒状のステムシール（シール部材の一例）１５が装備されている。ステムシール１５は、ゴム製のシールリング１５Ａと、嵌合支持機能を補強するための金属筒１５Ｂと、軸部１３Ｂの緊迫力を補助する環状の巻きバネ１５Ｃとで構成されている。
【００２５】
そして、ステムシール１５におけるシールリング１５Ａの内周面、及びバルブステム１３における軸部１３Ｂの外周面には、ダイヤモンド状硬質炭素膜［ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）膜］による膜層１９が形成されている。
【００２６】
ここで、膜層１９の主要材質であるダイヤモンド状硬質炭素膜について説明する。ダイヤモンド状硬質炭素膜は、耐久性があり、表面が滑らかなうえに下地材料への付着性が優れている。膜質は、緻密性に富んでおり、グラファイトや高分子カーボンのような構造の材料では透過できる溶液でも、緻密なＤＬＣ膜を浸透、通過することはできない。ＤＬＣはアモルファスであるため、ダイヤモンドの結晶構造のような長範囲規制性を有していない。硬度の点からダイヤモンドやサファイヤのような超硬材料のグループに分類されている。可視光線や赤外線を通し、電気抵抗が高く、低摩擦性や耐摩耗性に優れ、化学的に不活性である。
【００２７】
そして、室温でＤＬＣの成膜が可能であるという利点がある。その成膜方法としては、スパッタリングとプラズマＣＶＤ法とを合体させ、傾斜的にＤＬＣ膜を生成するＭｅ−ＤＬＣ（メタルＤＬＣ：チタンやクロムをＤＬＣに混合させる）を成膜するプラズマブースタースパッタリング法（ＰＢＳ法）等がある。
【００２８】
膜層１９の種類としては、図４（ａ）に示すように、母材（軸部１３Ｂ）の外周面にダイヤモンド状硬質炭素膜１９ａを単層で積層する構造や、図４（ｂ）に示すように、母材（軸部１３Ｂ）の外周面に、Ｓｉ層１９ｂを介してダイヤモンド状硬質炭素膜１９ａを積層する二層構造がある。或いは、図４（ｃ）に示すように、母材（軸部１３Ｂ）の外周面に、Ｃｒ中間層１９ｃ、Ｗ−Ｃ傾斜合金化層１９ｄ、及びＷ含有のダイヤモンド状硬質炭素膜１９ａを積層して成る三層構造のものもある。
【００２９】
図４（ｃ）に示す三層構造の膜層１９では、Ｃｒ中間層１９ｃによる優れた密着性、Ｗ−Ｃ傾斜合金化層１９ｄによる被膜弾性、及びＷ含有のダイヤモンド状硬質炭素膜１９ａによる優れた耐摩耗性、耐摺動性を有している。
【００３０】
このように、摺動面であるバルブステム１３の軸部１３Ｂの外周面と、同じく摺動面であるステムシール１５の内周面とに、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層１９を形成したので、軸部１３Ｂとステムシール１５との間に低粘度のエンジンオイルが必要以上に入り込まないように、ステムシール１５の軸部１３Ｂの緊迫力を比較的強いものとしながらも、軸部１３Ｂとシールリング１５Ａとの滑り抵抗（摩擦抵抗）を著しく小さくすること（摩擦係数を低減すること）ができる。
【００３１】
つまり、境界潤滑部位であるステムシール１５と軸部１３Ｂとの間に過剰にエンジンオイルが供給される不都合、所謂「オイル下がり」が生じないようにしながら、エンジンオイルを、添加剤を特別に必要としない、従来よりも低粘度なものとすることができる。その結果、フリクションが少ない高効率で、燃費や出力向上が図られるエンジンの実現に寄与することができる。
【実施例２】
【００３２】
実施例２による摺動部は、図１において、エンジンのクランク軸６とこれに外嵌されるオイルシール３７とから構成されている。詳しく説明すると、図５、図６に示すように、クランク軸６は、その複数のクランクジャーナル２３を、シリンダブロック３と、これの下面に一体的に組み付けられる下部ケース３Ｋとの夫々に形成された軸受部３１，３２によって回転自在に支承されており、クランク軸６の一端は、シリンダブロック３から横側方に突出され、その突出フランジ状軸端６ａには、ボルト３８を用いてフライホイール３３が取付けられている。尚、２４は、クランク軸６におけるコネクティングロッド７を回転自在に支持するクランクピン部である。
【００３３】
各軸受部３１，３２の夫々には、横外方に突出した大径ボス部３１ａ，３２ａが形成されており、これら大径ボス部３１ａ，３２ａとフランジ状軸端６ａとの間を密封する状態で装備されている。そして、例えば、図６に示すように、ゴム製のシール部材３７と、これを一体的に有して大径ボス部３１ａ，３２ａに内嵌固定される外芯金３６とで成る固定側シールリング３４と、フランジ状軸端６ａの外周面に外嵌固定される断面Ｌ字形状の内芯金の単品で成る回転側シールリング３５とによる組合せシール３０が構成されている。この場合、オイルシールはシール部材３７に相当しており、クランク軸におけるオイルシールと接触する部分は、回転側シールリング３５に相当する。
【００３４】
環状のシール部材３７は、内芯金３５におけるリング面を呈する縦壁部３５ｂに摺設する第１シールリップ３７ａと、内芯金３５における筒状部３５ａの外周面に摺接する第２及び第３シールリップ３７ｂ，３７ｃを有している。これら第１〜第３シールリップ３７ａ〜３７ｃ夫々の先端部、及びこれら各先端部と接触する内芯金３５の対応する箇所に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層１９が形成されている。つまり、組合せシール３０におけるシールリップ３７ａ〜３７ｃの先端部、又は／及びクランク軸６におけるオイルシール３０と接触する部分の外周面に、ＤＬＣ膜による膜層１９が形成されている。
【００３５】
この第２摺動部Ｓ２により、クランク軸６とオイルシール３７との摩擦抵抗が大きく低減され、シリンダブロック３に内装されているエンジンオイルの外部への漏れ出しを良好に阻止しながら、フランジ状軸端６ａと各シールリップ３７ａ〜３７ｃとの摩擦抵抗を大きく軽減できるようになり、この点でもエンジンの高効率化に寄与可能となる。
【実施例３】
【００３６】
実施例３による第３摺動部構造Ｓ３は、図７に示すように、実施例２におけるシール部材３７のシールリップ３７ａ〜３７ｃの先端部における膜層１９が形成された部位に、微細な割れ（亀裂状部分の一例）４１を形成したものである。例として、第２シールリップ３７ｂの場合について説明する。尚、割れ４１を予め形成する手段を、実施例１による第１摺動部構造Ｓ１におけるステムシール１５の内周面に適用しても良い。
【００３７】
図７は、図６における第２シールリップ３７ｂの先端部の拡大図を示している。第２シールリップ３７ｂの先端部、特に内芯金３５と接触する内周部分には、多数の割れ４１が形成されており、使用状態では、それら割れ４１に、低粘度のエンジンのオイルＧが入り込んだ状態になっている。割れ４１は軸方向（図７の紙面に向って左右方向）だけでなく、径方向（図７の紙面に向って前後方向）にも多数発生する。
【００３８】
ところで、膜層１９が形成されたことで、シールリップ３７ａ〜３７ｃの表面硬度が増し、低摩擦係数化が図られて耐久性に優れるようになるが、反面、膜層１９が形成されたシールリップ３７ａ〜３７ｃ先端部は脆くなってしまう。そのため、膜層１９が形成された状態で、内芯金３５に嵌合すると、それによるシールリップ３７ａ〜３７ｃの弾性変形に追従できず、シール部材３５の膜層１９に割れ４１が生じるのである。この割れ４１は、膜層１９のみに止まらず、シール部材３７の内部にまで及ぶこともある。
【００３９】
従って、固定側シールリング３４と回転側シールリング３５とを組付けた際に、初めてシールリップ３７ａ〜３７ｃに割れ４１が生じると、直ぐにはエンジンオイルＧが割れ４１に入り込まないので、シールリップ３７ａ〜３７ｃと内芯金３５との接触部は、荒れた接触状態になって面圧が増してしまい、ある程度の時間が経過するまでは、膜層１９の摩擦低減効果が有効とならないおそれがある。
【００４０】
そこで、組付けに先だって、シール部材３７における膜層１９が形成された部分（第２シールリップ３７ｂの先端部）に、割れ４１を形成しておくことにより、エンジンオイルＧが割れ４１中に入り込む機会が大幅に増え、固定側シールリング３４と回転側シールリング３５とを組付けた際には、殆どの割れ４１にはエンジンオイルＧが入り込んだ状態とすることが可能になる。その結果、組付けられている固定側シールリング３４と回転側シールリング３５とを一旦外し、接触部にエンジンオイルＧを塗り付けてから、再組付けする等の、割れ４１にエンジンオイルＧを充填させる処理が不要になり、実質的に組付け工数が削減できる利点も得られる。
【００４１】
即ち、シールリップ３７ａ〜３７ｃの先端にコーティングされたダイヤモンド状硬質炭素膜の膜層１９によって表面硬度が増すため、内芯金３５に嵌合させて押圧接触させると、それによって微細な割れ４１がシールリップ先端部に多数形成されてしまうようになる。この場合、シール部材３７を内芯金３５に嵌合させることで初めてシールリップに割れが生じる状態では、エンジンオイルＧが割れ４１の内部までには到達し難いことから、面圧が下がるには長い時間が必要となる。
【００４２】
これに対して、第３摺動部構造Ｓ３のように、シールリップ３７ａ〜３７ｃの膜層１９が形成された部分を、予め微細な割れ４１が形成された状態にしておけば、内芯金３５に嵌合する際には、既にそれら割れ４１にエンジンオイルＧが入り込んで平滑化された状態になっている。従って、シール部材３７を内芯金３５に嵌合させて組付けたそのときから低面圧状態になるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】自動車用内燃機関の概略構造を示す一部断面の側面図
【図２】吸気弁の構造を示すシリンダヘッド要部の断面図
【図３】第１摺動部の構造を示す要部の断面図（実施例１）
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）共に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層構造を示す断面図
【図５】クランクシャフト端部周辺の構造を示す一部切欠きの側面図
【図６】クランク軸に装備されるオイルシールの構造を示す断面図（実施例２）
【図７】図６のシール部材における第２シールリップ先端部構造を示す拡大断面図（実施例３）
【図８】各種潤滑油の動粘度と油温との関係を折れ線グラフで示す図
【符号の説明】
【００４４】
３                シリンダブロック
６                クランクシャフト
６ａ              接触する部分
１３              バルブステム
１４              バルブガイド
１５              シール部材
１９              ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層
３７              オイルシール
３７ａ〜３７ｃ    シールリップ
４１              亀裂状部分
Ｓ１〜Ｓ３        摺動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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