(57)【要約】【課題】  簡単かつ低コストな構成でありながら、硫酸に対する耐食性に優れ延いては耐摩耗性に優れるシリンダライナを提供することを目的とする。【解決手段】  このため、本発明に係るシリンダライナ１０は、往復直線運動するピストン１をピストンリングであるトップリング２、セカンドリング４、オイルリング５等を介して嵌挿保持するシリンダライナ１０であって、ピストン１の往復直線運動方向における、シリンダライナ１０の内壁面のピストン上死点位置におけるピストンリングであるトップリング２との当接部分を少なくとも含む範囲に、耐食性の高い材料２０を適用したことを特徴とする。【選択図】図１
2013148026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復直線運動するピストンをピストンリングを介して嵌挿保持するシリンダライナであって、
ピストンの往復直線運動方向における、シリンダライナの内壁面のピストン上死点位置におけるピストンリングであるトップリングとの当接部分を少なくとも含む範囲に、耐食性の高い材料を適用したことを特徴とするシリンダライナ。
【請求項２】
耐食性の高い材料が、Ｃｒを多く含む鉄系材料であることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナ。
【請求項３】
耐食性の高い材料のシリンダライナへの適用が、溶射であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリンダライナ。
に適湯は、
【請求項４】
ピストンの往復直線運動方向におけるシリンダライナの内壁面への耐食性の高い材料の適用範囲の下端は、ピストン上死点位置における前記トップリングの直近のピストンリングのリング溝上端よりピストン上死点側に位置するように設定されたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のシリンダライナ。
【請求項５】
ピストンの往復直線運動方向におけるシリンダライナの内壁面への耐食性の高い材料の適用範囲の下端は、ピストン上死点位置におけるピストンリングであるオイルリングのシリンダライナとの当接部の上端と、該オイルリングの直近のピストンリングのリング溝の下端と、の間に設定されたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のシリンダライナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のシリンダライナに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のシリンダライナは、高速で往復運動するピストン及びピストンリングを気密性を保ちながら摺動自在に嵌挿保持する必要があることから、シリンダライナ材としては、ピストンやピストンリング等にスカッフ等を生じさせることなく良好に摺動させることができると共に、長期間に亘ってピストン及びピストンリングに対して激しく攻撃等することなく自身も摩耗等しないようにすることが望まれる。
【０００３】
このようなことから、従来より、種々の改良等が行われ、黒鉛と炭化物とを所定に分散させた組織を有する各種の合金鋳鉄が提案されているが、耐スカッフ性、耐摩耗性に優れる鋳鉄として、例えば、片状黒鉛鋳鉄（ねずみ鋳鉄）が採用されることが多い。
なお、特許文献１、特許文献２や特許文献３などには、シリンダライナ材の改良例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２１４４８２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０６９８６号公報
【特許文献３】特開２００８−１０６３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、内燃機関からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であり、このためのシステム（装置）の一つとして、内燃機関からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムが採用されている。
【０００６】
このようなＥＧＲシステムにおいては、ＥＧＲガスを燃焼室に還流させるため、吸気行程等において燃焼室内で膨張して冷却され、ＥＧＲガスから凝縮水が発生するおそれがある。
【０００７】
近年においては、なお一層効果的にＮＯｘの排出量を低減するために、燃焼室内に還流させるＥＧＲガスをＥＧＲクーラ等により冷却するなどしてＥＧＲガス量を増加させることも行われているため、より一層ＥＧＲガスから凝縮水が発生し易い状態となっており、燃焼室内壁（特に、温度の低いシリンダライナ内壁）にＥＧＲガスの凝縮水が付着するおそれが高くなっている。
【０００８】
ここで、ＥＧＲガスは燃料中の硫黄分を含むため、凝縮水には硫酸が含まれることになるので、この硫酸を含む凝縮水が内燃機関の燃焼室などの内壁等に付着・滞留などすると、鋳鉄などからなるシリンダライナに腐食や損傷等を引き起こすおそれがある。
【０００９】
すなわち、図６に示すように、燃焼室内で発生した硫酸を含む凝縮水は、ピストン１の上死点付近においてシリンダライナ３の内壁に付着するおそれがある。
【００１０】
そして、その付着した凝縮水中の硫酸は、図７においてトップリング（ピストンリング）２付近（図６のＡ部）を拡大して示すように、シリンダライナ３の内壁を腐食して孔食（凹凸）を発生させる（図７（Ａ）参照）。
【００１１】
このあと、更に腐食が進行すると、図７（Ｂ）に示すように、シリンダライナ３の内壁面に露呈したセメンタイトが、燃焼圧を背面から受けて高面圧でシリンダライナ３と当接するトップリング２により掻き落とされてシリンダライナの母材から脱落する。
【００１２】
この脱落したセメンタイトは非常に硬く脆い特性を有するため、図７（Ｃ）に示すように、シリンダライナ３の内壁と、トップリング２或いは他のピストンリング（セカンドリングやオイルリングなど）と、の間で砕かれるなどして研磨粉のように作用して、シリンダライナ３の内壁面やピストリング表面の摺動面の摩耗を促進してしまうことになる。
【００１３】
その結果、図７（Ｄ）に示すように、シリンダライナ３の内壁面、特にトップリング付近の摩耗が大きくなり、これによりオイル消費量の増大やブローバイ等の増大を招くといったおそれが高まり、内燃機関の寿命や信頼性等を損なうおそれが想定される。
【００１４】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであって、簡単かつ低コストな構成でありながら、硫酸に対する耐食性に優れ延いては耐摩耗性に優れるシリンダライナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このため、本発明に係るシリンダライナは、
往復直線運動するピストンをピストンリングを介して嵌挿保持するシリンダライナであって、
ピストンの往復直線運動方向における、シリンダライナの内壁面のピストン上死点位置におけるピストンリングであるトップリングとの当接部分を少なくとも含む範囲に、耐食性の高い材料を適用したことを特徴とする。
【００１６】
本発明において、耐食性の高い材料が、Ｃｒを多く含む鉄系材料であることを特徴とすることができる。
【００１７】
本発明において、耐食性の高い材料のシリンダライナへの適用が、溶射であることを特徴とすることができる。
【００１８】
本発明において、ピストンの往復直線運動方向におけるシリンダライナの内壁面への耐食性の高い材料の適用範囲の下端は、ピストン上死点位置における前記トップリングの直近のピストンリングのリング溝上端よりピストン上死点側に位置するように設定されたことを特徴とすることができる。
【００１９】
ここで、下端や下側はピストン下死点側端やピストン下死点側に相当し、上端や上側はピストン上死点側端やピストン上死点側に相当するものである（本明細書全体において同様である）。
【００２０】
また、本発明において、ピストンの往復直線運動方向におけるシリンダライナの内壁面への耐食性の高い材料の適用範囲の下端は、ピストン上死点位置におけるピストンリングであるオイルリングのシリンダライナとの当接部の上端と、該オイルリングの直近のピストンリングのリング溝の下端と、の間に設定されたことを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、簡単かつ低コストな構成でありながら、硫酸に対する耐食性に優れ延いては耐摩耗性に優れるシリンダライナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る一実施の形態のシリンダライナの構造例を示す断面図（ピストン摺動方向と平行な平面で断面を取った断面図）である。
【図２】同上実施の形態に係るシリンダライナの内壁面に適用される硬質皮膜のピストン往復直線運動方向における適用範囲の一例を示す断面図（ピストン摺動方向と平行な平面で断面を取った断面図）である。
【図３】同上実施の形態に係るシリンダライナの内壁面に適用される硬質皮膜のピストン往復直線運動方向における適用範囲の他の一例を示す断面図（ピストン摺動方向と平行な平面で断面を取った断面図）である。
【図４】同上実施の形態に係るシリンダライナの内壁面に適用される硬質皮膜の成分の一例を示す表である。
【図５】シリンダライナに嵌挿保持されて往復直線運動するピストンのピストン位置における摩擦力変化を示すタイムチャートである。
【図６】硫酸を含む凝縮水のシリンダライナへのアタックの様子を説明する断面図である。
【図７】図６のＡ部を抜き出して拡大した図で、摩耗のメカニズムを説明する拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００２４】
本発明者等は、種々の検討及び実験を重ねた結果、耐摩耗性に優れると共に耐食性に優れたシリンダライナを見い出すに至った。
【００２５】
すなわち、シリンダライナの摩耗は、図６及び図７で説明したように、ピストン上死点付近でのトップリング２の当接位置から始まりピストン下死点方向の摺動部に拡大していく特性がある。
【００２６】
このため、このピストン上死点位置でのトップリング２の当接位置から下死点方向に向かう摩耗が比較的大きい部分に  耐食性の高い層を形成することで、摩耗を抑制することが可能と考えられる。
【００２７】
つまり、本発明者は、図７（Ａ）にて示したように、膨張行程においてＥＧＲガスから凝縮水が発生し、この硫酸を含む凝縮水がピストン上死点付近におけるトップリング２の位置付近のシリンダライナ３の内壁面に付着して腐食が起こり、この腐食が進行すると、図７（Ｂ）に示したようにセメンタイトがシリンダライナの内壁面に露呈して脱落し、これが研磨粉となって、図７（Ｂ）に示したようにシリンダライナの内壁面の摩耗を促進するといったメカニズムを解明したことから、本発明者は、初期の硫酸による腐食（図７（Ａ）参照）を抑制することができれば、セメンタイト等の脱落（図７（Ｂ）参照）を抑制することができ、延いては図７（Ｃ）、図７（Ｄ）に示したような摩耗の促進を抑制することができるため、シリンダライナの内壁面のピストン上死点付近でのトップリング２の当接位置付近に、耐食性の高い層を形成することとした。
【００２８】
すなわち、本実施の形態では、例えば、図１に示すように、ピストン１の上死点付近におけるトップリング２の当接位置付近のシリンダライナ１０の内壁面に、硫酸に対する耐食性の高い材料２０を適用するようにした。
【００２９】
硫酸に対する耐食性の高い材料２０としては、Ｃｒを多く含む鉄系の硬質コーティングなどを採用することができ、例えば、ＰＶＤ、ＣＶＤ、イオンプレーティング、スパッタリング、溶射などの手法により硬質コーティングを形成することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態において、この耐食性の高い材料（硬質コーティング）２０は、シリンダライナ１０の内壁面の周方向においては全周に亘って適用することができる。
【００３１】
また、硫酸に対する耐食性の高い材料（硬質コーティング）２０を適用するピストンの往復直線運動方向における範囲としては、図１に示すように、ピストン１の上死点付近におけるトップリング２との当接部分を少なくとも含む範囲とすることができる。
【００３２】
なお、例えば、図２に示すように、耐食性の高い材料（硬質コーティング）２０を適用する範囲（ピストン往復直線運動方向）の上死点側上端は、ピストン１の上死点位置におけるトップリング２の当接部分より上側とし、下死点側下端はピストン１のセカンドランドまで延びてピストン１の上死点位置におけるセカンドリング４のリング溝の上端より上側となるように設定することができる。
【００３３】
これにより、ピストン１の上死点位置において、トップリング２が、硬質コーティング２０とシリンダライナ１０の母材との上端付近の境目を攻撃して硬質コーティング２０の剥離が発生するなどのおそれを抑制することができる。
【００３４】
また、ピストン１の上死点位置において、セカンドリング４が、硬質コーティング２０とシリンダライナ１０の母材との下端側付近の境目を攻撃して硬質コーティング２０の剥離が発生するなどのおそれを抑制することができる。
【００３５】
更に、耐食性の高い材料を適用する範囲（ピストン往復直線運動方向）の下死点側下端は、図３に示すように、ピストン１の上死点位置におけるオイルリング５のシリンダライナ１０との当接部の最上端と、オイルリング５の直近のピストンリング（トップリング２、セカンドリング４或いはサードリング）のリング溝の下端と、の間に設定することができる。なお、セカンドリング４やサードリングは省略される場合もある。また、場合によっては、オイルリング５の直近のピストンリングは、４ｔｈリングなどである場合もある。
【００３６】
これによって、ピストン１の上死点位置において、オイルリング５その他のオイルリング５の直近のピストンリング（トップリング２、セカンドリング４或いはサードリング）が、硬質コーティング２０とシリンダライナ１０の母材との下端側付近の境目を攻撃して硬質コーティング２０の剥離が発生するなどのおそれを抑制することができる。
【００３７】
なお、マスキング等の製造工程の煩雑さなどを考慮すると、耐食性の高い材料（硬質コーティング）２０を適用する範囲（ピストン往復直線運動方向）の上端は、シリンダライナ１０の上端まで或いはその付近まで延在させた構成とすることも可能である。
【００３８】
また、耐食性の高い材料（硬質コーティング）２０を適用する範囲（ピストン往復直線運動方向）の下死点側下端は、オイルリング５のリング溝の下端より下側まで伸ばすことも可能である。
【００３９】
ここで、耐食性の高い材料（硬質コーティング、例えば溶射皮膜）２０の材質（成分）の一例を、図４に示す。
図４に示すように、硬質コーティング（例えば溶射皮膜）の成分値としては、Ｍｎ＝〜０．５（ｗｔ％）、Ｎｉ＝〜０．３（ｗｔ％）、Ｃｒ＝２５〜３０（ｗｔ％）、Ｍｏ＝３．５〜４．５（ｗｔ％）、Ｆｅ＝残部とすることができる。
【００４０】
なお、硬質コーティング（皮膜）の硬度としては、例えば、８００Ｈｖ〜１０００Ｈｖ程度とすることができる。
【００４１】
なお、硬質コーティングを溶射やスパッタリングなどにより適用した後に、シリンダライナ１０の内壁表面を整えるために、切削加工やホーニング加工などを施すこともできる。
【００４２】
ところで、溶射やスパッタリングその他の方法によって硬質皮膜を形成する場合、シリンダライナ１０の内壁表面には微小凹凸が多数形成され、この微小凹凸がオイル溜りとして機能することになるので、摺動面としての潤滑特性は改善される。
【００４３】
よって、硬質皮膜を形成して硫酸に対する耐食性を改善することができると同時に、初期馴染み特性を改善することができると共に、長期的な摩耗を抑制することが可能である。
【００４４】
このように、本実施の形態では、シリンダライナ１０の内壁面のピストン上死点位置でのトップリング２の当接部分を含む範囲（領域）に、硫酸に対する耐食性の高い材料を適用（コーティング等）するようにしたので、膨張行程において発生する硫酸を含む凝縮水が付着して硫酸による攻撃（図７（Ａ）参照）を受けても耐えることができるため、図７（Ｂ）に示したようにセメンタイト等がシリンダライナの内壁面に露呈して脱落し、これが研磨粉となって図７（Ｃ）延いては図７（Ｄ）に示したようにシリンダライナ１０の内壁面の摩耗を促進するといった現象の発生を抑制することができ、以って長期に亘ってシリンダライナ１０の内壁面の摩耗を低減することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、図１〜図３に示したように、ピストン往復直線運動方向において、シリンダライナ１０の内壁面のピストン上死点位置でのトップリング２の当接部位分を含む範囲に、硫酸に対する耐食性の高い材料を適用するようにしたので、適用範囲を狭くして製品コストや製造時間などの削減を図りながら、摩耗発生の初期におけるセメンタイト等の脱落を効果的に防止することができ、延いては長期に亘って摩耗を低減することができる。
【００４６】
更に、本実施の形態では、硫酸に対する耐食性の高い材料が適用されるピストン往復直線運動方向におけるシリンダライナ１０の内壁面のピストン上死点位置でのトップリング２の当接部分を含む範囲の下端が、各ピストンリングのシリンダライナ１０の内壁面との当接位置（上死点位置）と重ならないようにしたので、摺動速度が０となり潤滑特性の悪いピストン上死点位置で、硫酸に対する耐食性の高い材料と、シリンダライナの母材と、の境目を、ピストンリングが攻撃し、硫酸に対する耐食性の高い材料の剥離が発生するなどのおそれを効果的に抑制することができる。
【００４７】
なお、ピストン上死点付近は、ピストン速度が０となるため、流体潤滑における油膜形成が良好に行えないため、境界潤滑或いは固体接触となる部分が局所的に発生するなど潤滑特性が非常に厳しくなるため、図５に示すように、摩擦力が最大となり、シリンダライナの摩耗に対して厳しいものとなる。特に、トップリングの背面には高い燃焼圧が作用するため、接触面圧がピストンリング中最も高くなるため、潤滑特性及び摩耗特性に厳しいものとなる（図７（Ｄ）等参照）。
【００４８】
ところで、本実施の形態に係るシリンダライナ１０の母材の材料は、従来の鋳鉄材とすることができ、例えば、片状黒鉛鋳鉄（ねずみ鋳鉄）などとすることができる。
【００４９】
また、本実施の形態に係るシリンダライナ１０は、内燃機関のシリンダライナとして採用されることができるが、これに限定されるものではなく、他への利用が制限されるものでもなく、種々の目的や要求等に応じて、様々な利用に供することができるものである。
【００５０】
また、本実施の形態に係る鋳鉄材からなるシリンダライナが用いられる内燃機関は、ディーゼル燃焼機関に限定されるものではなく、ガソリンその他の燃料を使用する内燃機関とすることができ、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の内燃機関とすることができる。
【００５１】
更には、本実施の形態に係るシリンダライナ１０は、外燃機関のシリンダライナとして利用することができる。
【００５２】
また、本実施の形態に係るシリンダライナ１０は、燃焼を伴わないエアコンプレッサなどのシリンダライナとして利用することもできる。
【００５３】
また、本実施の形態に係るシリンダライナ１０は、シリンダライナに限定されるものでもなく、シリンダライナを採用せずシリンダブロックに直接ピストンを嵌挿させる場合に、そのシリンダボアの内壁面に同様の処理を施すことも可能である。
【００５４】
以上で説明した本発明に係る一実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、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可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１      ピストン
２      トップリング（ピストンリング）
４      セカンドリング（ピストンリング）
５      オイルリング（ピストンリング）
１０    シリンダライナ
２０    耐食性の高い材料（硬質コーティング、硬質皮膜）
【図１】
2013148026.tif 000003
【図２】
2013148026.tif 000004
【図３】
2013148026.tif 000005
【図４】
2013148026.tif 000006
【図５】
2013148026.tif 000007
【図６】
2013148026.tif 000008
【図７】
2013148026.tif 000009