(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダとそのシリンダボア内を摺動するアルミニウム合金からなるピストンとを有するシリンダ・ピストン機関において、
前記ピストンの表面粗さは０．５〜２．０μｍＲｚであり、
前記シリンダボアを区画する表面部分はＪＩＳ規格鋳鉄ＦＣ２５０製シリンダボアライナから構成され、該表面部分の表面粗さは１．５〜２．５μｍＲｚであることを特徴とするシリンダ・ピストン機関。
【請求項２】
前記ピストンを構成する前記アルミニウム合金は、Ｃｕを０．８〜１．３質量％、Ｓｉを１１．０〜１３．０質量％、Ｍｇを０．７〜１．３質量％、Ｎｉを０．８〜２．０質量％、残部をＡｌ及び不可避的不純物とするアルミニウム合金又はＣｕを２．０〜４．０質量％、Ｓｉを８．０〜１０．５質量％、Ｍｇを０．４〜０．８質量％、Ｍｎを０．４〜０．８質量％、残部をＡｌ及び不可避的不純物とするアルミニウム合金のいずれかである請求項１記載のシリンダ・ピストン機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンがアルミニウム合金からなるシリンダ・ピストン機関に関する。本発明のシリンダ・ピストン機関は特にガソリンエンジンに用いるのに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
ガスリンエンジンのシリンダ・ピストン機関に用いられるピストンとして、従来スカート部に条痕が形成されたピストンが用いられていた。ピストンのスカート部に形成された条痕によってピストンのスカート部とシリンダボアを区画する表面即ちシリンダボア面との間に隙間が生じ、耐スカッフ性を向上させていた。
【０００３】
しかしこのようにスカート部に条痕が形成された結果、スカート部の表面粗さは概ね６〜１０Ｒｚとなり、ピストンのスカート部表面とシリンダボア面との摩擦係数が大きくなるという問題が生じていた。またスカート部に条痕が形成されたピストンをシリンダボア内を摺動させることにより、圧力損失が発生するという問題が生じていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし条痕を無くしてピストンのスカート部の表面粗さを小さくすることにより摩擦係数を小さくしようとすると、ピストンのスカート部の表面とシリンダボア面とが焼付き易くなるおそれがある。即ちピストンの耐スカッフ性が低下してしまう。
【０００５】
また燃費の向上の観点から、近年内燃機関についても軽量化が要請され、そのためピストンにアルミニウム合金が用いられるようになってきている。しかしアルミニウム合金は一般に焼付き易い性質を有している。従って摩擦係数を低下させるためにアルミニウム合金からなるピストンのスカート部から条痕を無くして表面粗さを小さくすると、ピストンに焼付きが益々発生しやすくなるおそれがある。
【０００６】
そこで本発明の目的とするところは、軽量化を要請を満たすためにピストンにアルミニウム合金を用いつつ、低い摩擦係数を有しかつ耐スカッフ性に優れたシリンダ・ピストン機関を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意研究の結果、シリンダとそのシリンダボア内を摺動するアルミニウム合金からなるピストンとを有するシリンダ・ピストン機関において、前記ピストンの表面粗さは０．５〜２．０μｍＲｚであり、前記シリンダボアを区画する表面部分は、ＪＩＳ規格鋳鉄ＦＣ２５０製シリンダボアライナから構成され、該表面部分の表面粗さは１．５〜２．５μｍＲｚであることを特徴とするシリンダ・ピストン機関を発明した。
【０００８】
本発明のシリンダ・ピストン機関においては、ピストンの表面を０．５〜２．０μｍＲｚとし、摺動する相手であるシリンダボアの区画する表面部分をＪＩＳ規格鋳鉄ＦＣ２５０からなるシリンダボアライナを用いてその表面部分を１．５〜２．５μｍＲｚとすることで低い摩擦係数を得ると同時に焼付きを防止し優れた耐スカッフ性を有することを実現した。
【０００９】
また本発明者は、シリンダとそのシリンダボア内を摺動するアルミニウム合金からなるピストンとを有するシリンダ・ピストン機関において、前記ピストンの表面粗さは０．５〜２．０μｍＲｚであり、前記シリンダボアを区画する表面部分は基部としてのアルミニウム合金製シリンダボアライナ上に形成された鉄基系溶射皮膜から構成され、前記表面部分の表面粗さは０．５〜２．５μｍＲｚであることを特徴とするシリンダ・ピストン機関を発明した。
【００１０】
上記シリンダ・ピストン機関は、参考発明であり、ピストンの表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとし、相手材のシリンダボアを区画する表面部分の表面粗さを０．５〜２．５μｍＲｚとすることで低い摩擦係数を得ると同時に焼付きを防止し優れた耐スカッフ性を得ることを実現した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明のシリンダ・ピストン機関の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の構成は、シリンダとそのシリンダボア内を摺動するアルミニウム合金からなるピストンとを有するシリンダ・ピストン機関において、ピストンの表面粗さは０．５〜４．５μｍＲｚであり、シリンダボアを区画する表面（以下適宜「シリンダボア面」という）部分はＪＩＳ規格鋳鉄ＦＣ２５０製シリンダボアライナ又はＡｌ−Ｓｉ合金製シリンダボアライナから構成され、表面部分の表面粗さは１．５〜３．５μｍＲｚである。
【００１３】
上述したようにピストンの材料としてアルミニウム合金を用いることにより軽量化を可能とすることができる。そしてピストンのスカート部の表面粗さを０．５〜４．５μｍＲｚとすることで優れた耐スカッフ性を維持しつつ、摩擦係数を小さくすることができる。また表面粗さを０．５〜４．５μｍＲｚとすることで条痕をなくすことができ、シリンダ・ピストン機関の圧力損失を少なくすることができる。
【００１４】
この場合アルミニウム合金からなるピストンの表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとすることが好ましい。表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとすることで、ピストンのスカート部の表面とシリンダボア面との焼付きを防止しつつ、低フリクション化を実現することができる。
【００１５】
またピストンに用いるアルミニウム合金として、Ｃｕを０．８〜１．３質量％、Ｓｉを１１．０〜１３．０質量％、Ｍｇを０．７〜１．３質量％、Ｎｉを０．８〜２．０質量％、残部をＡｌ及び不可避的不純物とするアルミニウム合金（以下「第１アルミニウム合金」という）又はＣｕを２．０〜４．０質量％、Ｓｉを８．０〜１０．５質量％、Ｍｇを０．４〜０．８質量％、Ｍｎを０．４〜０．８質量％、残部をＡｌ及び不可避的不純物とするアルミニウム合金（以下「第２アルミニウム合金」という）を用いることが好ましい。これらを用いることによって、高硬度、高耐摩耗性を実現でき、また良好な耐熱耐腐食性を有することができる。
【００１６】
またシリンダボア面部分を従来から用いられている鋳鉄ＦＣ２５０製シリンダボアライナで構成した場合には、シリンダボア面の表面粗さは１．５〜３．５μｍＲｚとすることができ、１．５〜２．５μｍＲｚとすることが好ましい。鋳鉄ＦＣ２５０製シリンダボアライナは、Ａｌ−Ｓｉ合金製シリンダボアライナと比較すると、耐スカッフ性により優れていることから表面粗さを１．５〜２．５μｍＲｚとして更に低い摩擦係数を図りつつ優れた耐スカッフ性を維持することができる。なおこの場合にシリンダボア面の表面粗さを１．５〜３．５μｍＲｚとすると同時にピストンのスカート部の表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとすることが更に好ましい。この範囲内のピストンの表面粗さとシリンダボア面の表面粗さの組み合わせで、優れた耐スカッフ性を維持しつつ更に低い摩擦係数を実現することができる。
【００１７】
シリンダボア面部分をＡｌ−Ｓｉ合金製シリンダボアライナで構成する場合には、シリンダボア面の表面の粗さを１．５〜３．５μｍＲｚとすることができる。鋳鉄ＦＣ２５０製シリンダボアライナを用いた場合よりもＡｌ−Ｓｉ合金製シリンダボアライナを用いることで軽量化を図ることができる。またシリンダボア面部分の高硬度、高耐摩耗性を実現でき、また良好な耐熱耐腐食性を有することができる。なおこのシリンダボアライナに用いるＡｌ−Ｓｉ合金としてはＡｌ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2等のアルミニウム複合材料を挙げることができる。
【００１８】
（参考発明の形態）
参考発明の形態の構成は、シリンダとそのシリンダボア内を摺動するアルミニウム合金からなるピストンとを有するシリンダ・ピストン機関において、ピストンの表面粗さは０．５〜４．５μｍＲｚであり、シリンダボアを区画する表面部分は基部としてのアルミニウム合金製シリンダボアライナ上に形成された前記鉄基系溶射皮膜から構成され、前記表面部分の表面粗さは０．５〜３．５μｍＲｚである。
【００１９】
ピストンの材料としてアルミニウム合金を用い、またシリンダボア面部分の基部としてアルミニウム合金製シリンダボアライナを用いることで第１の実施の形態よりも更なる軽量化を可能とすることができる。またピストンのスカート部の表面粗さを０．５〜４．５μｍＲｚとすることで優れた耐スカッフ性を維持しつつ低い摩擦係数を実現することができる。また表面粗さを０．５〜４．５μｍＲｚとすることで条痕をなくすことでき、シリンダ・ピストン機関の圧力損失を低くすることができる。
【００２０】
この場合第１の実施の形態の場合と同様にアルミニウム合金からなるピストンの表面粗さは０．５〜２．０μｍＲｚとすることが好ましい。このようにピストンの表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとすることで、ピストンのスカート部の表面とシリンダボア面との焼付きを防止しつつ、低い摩擦係数を実現することができる。このアルミニウム合金は、第１アルミニウム合金又は第２アルミニウム合金を用いることが好ましい。これらを用いることによって、高硬度、高耐摩耗性を実現でき、また良好な耐熱耐腐食性を有することができる。
【００２１】
シリンダボアを区画する表面部分を基部としてのアルミニウム合金製シリンダボアライナ上に形成された鉄基系溶射皮膜から構成した場合には、表面部分の表面粗さは０．５〜３．５μｍＲｚとすることができる。
【００２２】
鉄基系溶射皮膜がシリンダボア面に構成されているので、第１の実施の形態の場合よりも更に表面粗さを小さくして、優れた耐スカッフ性を維持しつつ更なる低フリクション化を図ることができる。
【００２３】
なお溶射皮膜として鉄基系のものを用いることにより、モリブデン系、硫黄系等の通常用いられるオイル中に含まれる添加剤成分、例えばＭｏＳ2等が溶射皮膜中の鉄に有効に作用して、更なる低フリクション化を促進することができる。なお鉄基系溶射皮膜としては、全体の質量を１００質量％としてＣが概ね１質量％、Ｓｉが概ね１．２質量％で、残りがＦｅという組成からなる皮膜を用いることができる。この場合皮膜の厚さとしては、０．０５〜２ｍｍとすることができ、０．１〜０．２ｍｍとすることが好ましい。この鉄基系溶射皮膜は通常の方法で皮膜することができる。この溶射の後、仕上げホーニングとして表面を０．１〜０．５ｍｍ程度切削し、粗さを調整することができる。
【００２４】
シリンダボア面の表面粗さを０．５〜２．５μｍＲｚとすることが好ましい。このように０．５〜２．５μｍＲｚとすることで更に低フリクション化を図ることができる。この場合にシリンダボア面の表面粗さを０．５〜２．５μｍＲｚとすると同時に、ピストンのスカート部の表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとすることが更に好ましい。この範囲内のピストンの表面粗さとシリンダボア面の表面粗さの組み合わせで、優れた耐スカッフ性を維持しつつ更に低い摩擦係数を実現することができる。
【００２５】
またこの場合シリンダボア面の基部として用いるアルミニウム合金としては、Ａｌ−１０質量％Ｓｉ押出材、Ａｌ−１５質量％Ｓｉ押出材等のアルミニウム合金を用いることができる。
【００２６】
なおピストンの表面、シリンダボア面の表面粗さを上記数値の範囲内にするには、通常のホーニングによって仕上げることができる。
【００２７】
本実施の形態で説明したシリンダとピストンとの組み合わせからなるシリンダ・ピストン機関は自動車等のエンジンに用いることができる。
【００２８】
【実施例】
（摩擦係数の測定）
本発明のシリンダ・ピストン機関について、往復摺動試験機を用いて摩擦試験を行って摩擦係数を測定をした。
【００２９】
摩擦試験の概略を図１に示す。シリンダボアを区画する表面部分に用いるシリンダボアライナの切り出し材２０とピストンの切り出し材１０とを用意した。そしてシリンダボアライナの切り出し材２０を水平方向に往復運動させながら、このシリンダボアライナの切り出し材２０の摺動面２１にピストンの切り出し材１０を荷重して、摩擦係数を測定した。
【００３０】
なおシリンダボアライナの切り出し材２０の形状は、縦６０ｍｍ、横３０ｍｍ、高さ５ｍｍとした。またピストンの切り出し材の形状１０は、縦１０ｍｍ、横２０ｍｍ、高さ５ｍｍとし、ピストンの切り出し材２０の摺動面２１は、スカート形状であり、シリンダボアライナの切り出し材１０の摺動面１１は、スカート形状に対応した形状であった。
【００３１】
なおエンジン油は、粘度５Ｗ−３０の市販油を用い、これをシリンダボアライナの切り出し材の表面に潤沢に塗布した。
【００３２】
摩擦試験の試験条件は、表１に示す通りである。
【００３３】
【表１】
0004415238.tif 000002
【００３４】
摩擦係数は上述の試験条件で、試験開始５分経過後に摩擦係数を測定した。
【００３５】
▲１▼鋳鉄ＦＣ２５０からなるシリンダボアライナの切り出し材と第１アルミニウム合金からなるピストンの切り出し材とを用いて上述した摩擦試験を行い、摩擦係数（フリクション）を測定した。
【００３６】
ピストンの切り出し材の表面粗さは、０．５μｍＲｚ、１．０μｍＲｚ、１．５μｍＲｚ、２．０μｍＲｚ、２．５μｍＲｚ、３．０μｍＲｚ、４．５μｍＲｚ、５．５μｍＲｚとし、シリンダボアライナの切り出し材の表面粗さは０．５μｍＲｚ、１．０μｍＲｚ、１．５μｍＲｚ、２．０μｍＲｚ、２．５μｍＲｚ、３．０μｍＲｚ、３．５μｍＲｚとし、これらの組み合わせて測定した。
【００３７】
なおピストンの切り出し材の表面粗さが０．５〜４．５μｍＲｚで、シリンダボアライナの切り出し材の表面粗さが１．５〜３．５μｍＲｚが本発明のシリンダ・ピストン機関の範囲内である。
【００３８】
摩擦試験を行って得られた摩擦係数を表２及び図２に示す。なお図２中のボア粗さとはシリンダボアライナの切り出し材の表面粗さを意味し、ピストン粗さとはピストンの切り出し材の表面粗さを意味する。
【００３９】
【表２】
0004415238.tif 000003
【００４０】
図２及び表２から分かるように、いずれの組み合わせでも摩擦係数は、０．１６以下である。ただピストンの切り出し材の表面粗さによって多少のばらつきがあるが、シリンダボアライナの切り出し材の表面粗さが下がるにつれて摩擦係数も低下するが、概ね１．５μｍＲｚから１．０μｍＲｚとなる辺りで摩擦係数の上昇が見られ、焼付きが生じやすくなっていると考えられる。従って優れた耐焼き付き性を維持する観点からは、シリンダボアライナの切り出し材の表面粗さは１．５μｍＲｚ〜３．５μｍＲｚとすることが妥当である。
【００４１】
なおピストンの切り出し材の表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとし、シリンダボアライナの切り出し材の表面粗さを１．５〜２．０μｍＲｚとすると、いずれの組み合わせにおいても、摩擦係数が０．１未満となり、低い摩擦係数を得ることができる。従ってピストンに第１アルミニウム合金を用い、シリンダボアライナに鋳鉄ＦＣ２５０を用いた場合には、シリンダボア面の表面粗さを１．５〜２．５μｍＲｚとし、ピストンのスカート部の表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとすることが好ましい。
【００４２】
▲２▼またアルミニウム合金（Ａｌ−１０質量％Ｓｉ）上に鉄基系溶射皮膜（約１質量％Ｃと約１．２質量％Ｓｉと残りがＦｅ）が形成されたシリンダボアライナの切り出し材と第１アルミニウム合金からなるピストンの切り出し材とを用いて摩擦試験を行い、摩擦係数（フリクション）を測定した。なお鉄基系溶射皮膜の膜厚は０．１ｍｍであった。
【００４３】
ピストンの切り出し材の表面粗さとシリンダボアライナの切り出し材の表面粗さの組み合わせは▲１▼で記載した組み合わせと同一である。
【００４４】
なおピストンの切り出し材の表面粗さが０．５〜４．５μｍＲｚで、シリンダボアライナの切り出し材の表面粗さが０．５〜３．５μｍＲｚが参考発明のシリンダ・ピストン機関の範囲内である。
【００４５】
摩擦試験を行って得られた摩擦係数を表３及び図３に示す。なお図３中のボア粗さ及びピストン粗さの意味は図２の場合と同一である。
【００４６】
【表３】
0004415238.tif 000004
【００４７】
シリンダボアライナの切り出し材の表面に鉄基系皮膜を溶射してある場合には、３．５μｍＲｚから０．５μｍＲｚまで摩擦係数が低下している。この範囲内においては摩擦係数の上昇はなく、表面粗さを低下させても焼付きが生じやすくなるということはないと考えられる。
【００４８】
なおピストンの切り出し材の表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとし、シリンダボアライナの切り出し材の表面粗さを０．５〜２．０μｍＲｚとすると、いずれの組み合わせにおいても、摩擦係数が０．１未満となり、低い摩擦係数を得ることができ、優れた耐スカッフ性を維持することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のシリンダ・ピストン機関は、ピストンに用いる材料としてアルミニウム合金を用いることにより、シリンダ・ピストン機関の軽量化を図りつつ、優れた耐スカッフ性及び低い摩擦係数を維持することができる。
【００５０】
また従来ピストンのスカート部に条痕が設けられ、そのために圧力損失が生じていたところ、スカート部の表面粗さを小さくすることで条痕を無くした結果、圧力損失を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  摩擦試験の概略を示す図である。
【図２】  表２に記載した摩擦係数と表面粗さの関係を示したグラフである。
【図３】  表３に記載した摩擦係数と表面粗さの関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１０：ピストンの切り出し材
１１：ピストンの切り出し材の摺動面
２０：シリンダボアライナの切り出し材
２１：シリンダボアライナの切り出し材の摺動面
【図１】
0004415238.tif 000005
【図２】
0004415238.tif 000006
【図３】
0004415238.tif 000007