JP4779841B2 - Internal combustion engine - Google Patents

Description

本発明は、摩擦損失や摩耗を低減するためにシリンダのボア内面に多数の微細凹部が形成された往復動内燃機関に関する。   The present invention relates to a reciprocating internal combustion engine in which a large number of minute recesses are formed on the bore inner surface of a cylinder in order to reduce friction loss and wear.

自動車用の内燃機関では、ＣＯ２などの排出を削減するために、摩擦損失や摩耗を低減し、運転効率の向上が求められている。特に、ピストンリングやピストンスカート部とシリンダボアとの間の摩擦損失の低減は、重要な課題であり、最近では鋳鉄製ライナーのないモノブロックエンジンなども開発されている。   In an internal combustion engine for automobiles, in order to reduce emissions of CO2, etc., it is required to reduce friction loss and wear and improve driving efficiency. In particular, reducing friction loss between the piston ring or piston skirt and the cylinder bore is an important issue, and recently, a monoblock engine without a cast iron liner has been developed.

このようなモノブロックエンジンでは、ピストンリングの上下面に、クロムメッキ皮膜や窒化層やＰＶＤ（Physical Vaper Deposition）皮膜が形成される例が多いが、窒化層やＰＶＤ皮膜を有するピストンリングは、アルミニウム合金製ピストンのリング溝を攻撃する傾向があるといわれている。   In such a monoblock engine, there are many examples in which a chrome plating film, a nitride layer, or a PVD (Physical Vapor Deposition) film is formed on the upper and lower surfaces of the piston ring. It is said that there is a tendency to attack the ring groove of the alloy piston.

これに対して、固体潤滑材を含有させた合成樹脂被覆をピストンリングの上下面に施すと、エンジン運転の初期にアルミニウム凝着を抑止できることが知られているが、合成樹脂被覆は、耐摩耗性が低いので、アルミニウム凝着抑止効果が長続きしないという不具合がある。   On the other hand, it is known that when a synthetic resin coating containing a solid lubricant is applied to the upper and lower surfaces of the piston ring, aluminum adhesion can be suppressed at the initial stage of engine operation. Since the property is low, there is a problem that the effect of inhibiting aluminum adhesion does not last long.

下記特許文献１には、アルミニウムあるいはアルミニウム合金（以下、アルミニウム合金と略称）からなるピストンの頂面、側壁あるいはリング溝や、鋼製のピストンリングに人造ダイヤモンド材の薄い被覆を施し、摩擦損失、熱腐食及び浸食作用に対抗し、耐久性を高める内燃機関が開示されている。しかし、ここには、ピストンあるいはシリンダの内面などに所定膜厚の人造ダイヤモンド材の薄い被覆を形成する点が開示されているのみで、被覆の詳細については何ら示されていない。   In the following Patent Document 1, the top surface, side wall, or ring groove of a piston made of aluminum or an aluminum alloy (hereinafter abbreviated as aluminum alloy) or a steel piston ring is coated with a thin artificial diamond material, and friction loss, An internal combustion engine has been disclosed that resists thermal corrosion and erosion and increases durability. However, it only discloses that a thin coating of an artificial diamond material having a predetermined film thickness is formed on the inner surface of a piston or cylinder, and details of the coating are not shown.

また、ピストンリングの表面にコーティングするコーティング材に関して言及されている例は多いが、ピストンリングの相手材であるシリンダのボア表面の性状や材料に関しては殆ど言及されていない。   In addition, there are many examples mentioned regarding the coating material that coats the surface of the piston ring, but little mention is made about the properties and materials of the bore surface of the cylinder that is the counterpart material of the piston ring.

そこで、本発明者らは、アルミニウム合金製のシリンダ内で摺動するピストンのピストンリングやピストンスカート部の表面にコーティングするコーティング材や、シリンダのボア表面の性状や材料の種類によって耐摩擦損失や摩耗が大きく異なることを見出すことにより、本発明を完成させたのである。
特開平３−２６０３６２号公報（特許請求の範囲第１項〜第４項、第３頁左上欄、第４頁右上欄など参照） Accordingly, the present inventors have determined that the friction loss and the coating material coated on the surface of the piston ring and piston skirt portion of the piston sliding in the cylinder made of aluminum alloy, the nature of the bore surface of the cylinder, The present invention was completed by finding that the wear was greatly different.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-260362 (see claims 1 to 4; upper left column on page 3, upper right column on page 4)

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、シリンダボアの表面性状の改良と、ピストンリングやピストンスカート部に対するコーティング材料の改良により、シリンダとピストンとの間の摩擦損失や摩耗を大幅に低減した内燃機関を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the problems associated with the prior art described above, and the friction between the cylinder and the piston is improved by improving the surface properties of the cylinder bore and improving the coating material for the piston ring and the piston skirt. An object of the present invention is to provide an internal combustion engine with greatly reduced loss and wear.

上記目的を達成するための本発明は、少なくともボア内面がアルミニウム合金により形成されかつ前記ボア内面に多数の微細凹部が形成されたシリンダと、当該シリンダのボア内で潤滑油の存在下で摺動可能に設けられ、ピストンリングおよびピストンスカート部が硬質カーボン膜で被覆されたピストンと、を有し、前記ピストンスカート部は、前記ピストンの摺動方向と直交する方向に周溝が形成され、当該周溝は相互間の山部の断面形状が尖端部分を削落し平坦部にしたプラトー形状であり、当該周溝の溝底から平坦部までの最大高さ(Ｈ２)が５μ以下とされた内燃機関であって、前記硬質カーボン膜は、算術平均粗さ（Ｒａ１）が、０．０５μｍ以下でかつ表面粗さ曲線のスキューネス値（Ｒｓｋ値）がマイナスとなっていることを特徴とするとする内燃機関である。 In order to achieve the above object, the present invention provides a cylinder having at least a bore inner surface formed of an aluminum alloy and a plurality of fine recesses formed in the bore inner surface, and sliding in the presence of lubricating oil in the bore of the cylinder. capable provided, comprising a piston piston rings and piston skirt is coated with a hard carbon film, wherein the piston skirt, a circumferential groove is formed in a direction orthogonal to the sliding direction of the piston, the the circumferential grooves are plateau shape cross-sectional shape of the ridges between each other was dropped flat portion cutting the pointed portion, the maximum height from the groove bottom of the circumferential groove to the flat portion (H2) is less 5μ In the internal combustion engine, the hard carbon film has an arithmetic average roughness (Ra1) of 0.05 μm or less and a skewness value (Rsk value) of a surface roughness curve is negative. It is an internal combustion engine to be.

本発明によれば、多数の微細凹部が形成されたアルミニウム合金製のボア内面を有するシリンダ内で摺動し、ピストンリングおよびピストンスカート部が硬質カーボン膜で被覆されたピストンの前記ピストンスカート部において、硬質カーボン膜の算術平均粗さ（Ｒａ１）が０．０５μｍ以下であると、油膜保持能力が向上し、摩擦係数が低減し、相手アルミニウム合金への耐攻撃性が減少する。また、Ｒｓｋ値をマイナスにすると、さらに油膜保持能力が向上し、耐摩耗性、耐焼き付き性、耐相手攻撃性を一層高めることができる。しかも、前記ピストンスカート部がピストンの摺動方向と直交する方向に周溝が形成され、当該周溝が相互間の山部の断面形状が尖端部分を削落し平坦部にしたプラトー形状とすれば、これによっても油膜形成能力が十分発揮され、相手アルミニウム合金を攻撃する虞が極めて少なくなる。 According to the present invention, in the piston skirt portion of the piston that slides in a cylinder having an inner bore made of aluminum alloy in which a large number of fine recesses are formed and the piston ring and the piston skirt portion are covered with a hard carbon film. When the arithmetic average roughness (Ra1) of the hard carbon film is 0.05 μm or less, the oil film holding ability is improved, the friction coefficient is reduced, and the attack resistance to the counterpart aluminum alloy is reduced. Further, when the Rsk value is negative, the oil film holding ability is further improved, and the wear resistance, seizure resistance, and resistance to attack by the opponent can be further enhanced. Moreover, if the piston skirt portion is formed with a circumferential groove in a direction perpendicular to the sliding direction of the piston, and the circumferential groove has a plateau shape in which the cross-sectional shape of the mountain portion between them is a pointed portion cut off to a flat portion. Also by this, the oil film forming ability is sufficiently exhibited, and the possibility of attacking the counterpart aluminum alloy is extremely reduced.

以下、本発明に係る内燃機関について、詳細に説明する。   Hereinafter, an internal combustion engine according to the present invention will be described in detail.

図１は本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略断面図、図２は図１の要部を拡大して示す断面説明図、図３は本実施形態のピストンリングの断面図、図４は本実施形態のピストンスカート部を示す断面図、図５（Ａ）（Ｂ）はシリンダボア内面に形成された微細凹部の形成例を示す説明図、図６（Ａ）（Ｂ）は微細凹部の断面形状例を示すもので、図５の６−６線に沿う拡大断面図である。   1 is a schematic cross-sectional view showing an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional explanatory view showing an essential part of FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view of a piston ring of this embodiment, and FIG. Is a cross-sectional view showing the piston skirt portion of this embodiment, FIGS. 5A and 5B are explanatory views showing examples of formation of fine recesses formed on the inner surface of the cylinder bore, and FIGS. 6A and 6B are views of fine recesses. It shows a cross-sectional shape example, and is an enlarged cross-sectional view along line 6-6 in FIG.

内燃機関は、図１に示すように、アルミニウム合金製のピストン１に設けられたピン２が、クランクシャフト３とコネクティングロッド４を介して連結され、アルミニウム合金製のシリンダ５のボア６内で、潤滑油の存在下で往復摺動可能に設けられている。   In the internal combustion engine, as shown in FIG. 1, a pin 2 provided on an aluminum alloy piston 1 is connected via a crankshaft 3 and a connecting rod 4, and in a bore 6 of an aluminum alloy cylinder 5, It is provided so as to be able to reciprocate in the presence of lubricating oil.

ピストン１は、シリンダ５内での往復摺動時に、ボア６の内周面６ａとピストンリング７やピストンスカート部８との間に摩擦が生じることから、本実施形態では、ピストン１側とボア６の内周面６ａ側にそれぞれ摩擦損失や摩耗を大幅に低減する摩擦低減手段が施されている。   When the piston 1 reciprocates in the cylinder 5, friction occurs between the inner peripheral surface 6a of the bore 6 and the piston ring 7 or the piston skirt portion 8, so in this embodiment, the piston 1 and the bore Friction reducing means for significantly reducing friction loss and wear is provided on the inner peripheral surface 6a side of the cylinder 6, respectively.

まず、ピストン１側の摩擦低減手段は、図２，３に示すように、ピストン１の上部に設けられたピストンリング７とピストンスカート部８の表面に硬質カーボン膜９（図２，図３参照）を施すことにより構成されている。   First, as shown in FIGS. 2 and 3, the friction reducing means on the piston 1 side includes a hard carbon film 9 (see FIGS. 2 and 3) on the surfaces of the piston ring 7 and the piston skirt 8 provided on the top of the piston 1. ).

さらに詳述する。図２は便宜的にピストン１とシリンダ５との間を離間して示しているが、図２に示すように、ピストンリング７は、ピストン１とシリンダ５のボア６との間のすき間を無くし、燃焼室からクランクケース側に圧縮ガスが抜けることを防ぐコンプレッションリング（トップリング７ａとセカンドリング７ｂ）と、ボア６の内周面６ａについている余分なエンジンオイルをかき落とし、適度な油膜を形成してピストンの焼きつきを防止するオイルリング７ｃとを有している。 Further details will be described. FIG. 2 shows the piston 1 and the cylinder 5 separated for convenience, but the piston ring 7 eliminates the gap between the piston 1 and the bore 6 of the cylinder 5 as shown in FIG. , a compression ring which prevents compressed gas in the crank case side comes off from the combustion chamber (G Ppuringu 7a and second ring 7b), scraped excess engine oil attached to the inner peripheral surface 6a of the bore 6, to form an appropriate oil film And an oil ring 7c for preventing the seizure of the piston.

これら全てのピストンリング７に硬質カーボン膜９を被覆してもよいが、セカンドリング７ｂに硬質カーボン膜９をコーティングすると、オイル消費は抑制されるものの、摺動中にセカンドリング７ｂの先端がボア６の内周面６ａに十分なじまず、結果としてボア６の内周面６ａを攻撃する虞がある。したがって、本実施形態では、トップリング７ａとオイルリング７ｃのみに、図３に示すように、硬質カーボン膜９を全体的にコーティングし、オイル消費を抑制しつつ、耐摩耗性を向上させている。   All of these piston rings 7 may be coated with the hard carbon film 9, but if the second ring 7b is coated with the hard carbon film 9, the oil consumption is suppressed, but the tip of the second ring 7b is bored during sliding. There is a risk that the inner peripheral surface 6a of the bore 6 will be attacked as a result. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 3, only the top ring 7a and the oil ring 7c are coated with a hard carbon film 9 as a whole to improve wear resistance while suppressing oil consumption. .

また、ピストン１は、シリンダ５のボア６内でピストンピン２を中心に傾斜作動し、ピストンスカート部８とボア６の内周面６ａとの間で摺動摩擦が生じるので、本実施形態では、図４に示すように、ピストンスカート部８の表面にも硬質カーボン膜９をコーティングしている。   Further, the piston 1 is tilted around the piston pin 2 in the bore 6 of the cylinder 5, and sliding friction occurs between the piston skirt portion 8 and the inner peripheral surface 6 a of the bore 6. As shown in FIG. 4, the surface of the piston skirt portion 8 is also coated with a hard carbon film 9.

このようにピストンリング７やピストンスカート部８を被覆する硬質カーボン膜９は、膜厚ｔが０．５μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましい。膜厚ｔが０．５μｍ以下の場合には、摩耗により母材が露出する虞があり、２０μｍ以上になると、成膜時間が長くなり生産性が劣るばかりでなく、膜剥離などの耐久性の面で問題を生じる可能性がある。   Thus, the hard carbon film 9 covering the piston ring 7 and the piston skirt portion 8 preferably has a film thickness t of 0.5 μm or more and 20 μm or less. When the film thickness t is 0.5 μm or less, the base material may be exposed due to wear. When the film thickness is 20 μm or more, the film formation time becomes long and the productivity is deteriorated. May cause problems.

また、硬質カーボン膜９の硬さは、ビッカース硬さ（ＨＶ）で２５００以下とすることが好ましい。このようにすれば、相手材であるアルミニウム合金製のシリンダ５のボア内周面６ａに対する耐攻撃性が極めて減少し、摩耗を抑制することができる。   The hardness of the hard carbon film 9 is preferably 2500 or less in terms of Vickers hardness (HV). In this way, the attack resistance against the bore inner peripheral surface 6a of the cylinder 5 made of aluminum alloy which is the counterpart material is extremely reduced, and wear can be suppressed.

硬質カーボン膜９の算術平均粗さ（Ｒａ１）は、０．０５μｍ以下であって、しかも、Ｒｓｋ値（スキューネス；JIS B0601:2001）をマイナス、つまり、プラトー状の表面粗さ曲線の高さ方向のパラメータであるスキューネス値（Ｒｓｋ値）をマイナスにすることである。これは、プラトー状の表面粗さ曲線における凹部が下に凸となるようにすることが好ましい。なお、スキューネスとは、平均値のまわりの３次モーメントをσ3で正規化したもので、平均値のまわりの非対称性を示す指標として用いられており、以下の式により求められる値である。 The arithmetic average roughness (Ra1) of the hard carbon film 9 is 0.05 μm or less, and the Rsk value (skewness; JIS B0601: 2001) is negative, that is, the height direction of the plateau-like surface roughness curve The skewness value (Rsk value), which is a parameter of, is made negative. It is preferable that the concave portion in the plateau-like surface roughness curve is convex downward . Skewness is a value obtained by normalizing a third moment around an average value by σ3 and used as an index indicating asymmetry around the average value, and is obtained by the following equation.

算術平均粗さ（Ｒａ１）が０．０５μｍ以下であると、油膜保持能力が向上し、摩擦係数が低減し、相手アルミニウム合金への耐攻撃性が減少する。さらに、Ｒｓｋ値をマイナスにすると、さらに油膜保持能力が向上し、耐摩耗性、耐焼き付き性、耐相手攻撃性を一層高めることができる。   When the arithmetic average roughness (Ra1) is 0.05 μm or less, the oil film holding ability is improved, the friction coefficient is reduced, and the attack resistance to the counterpart aluminum alloy is reduced. Further, when the Rsk value is negative, the oil film holding ability is further improved, and the wear resistance, seizure resistance, and opponent attack resistance can be further enhanced.

なお、硬質カーボン膜９の算術平均粗さ（Ｒａ１）は、例えば、触針式表面形状測定装置ＦｏｒｍＴａｌｙｓｕｒｆ−１２０Ｌ（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）により測定される。   The arithmetic average roughness (Ra1) of the hard carbon film 9 is measured by, for example, a stylus type surface shape measuring device FormTalisurf-120L (manufactured by Taylor-Hobson).

ピストンスカート部８は、平滑な面に硬質カーボン膜９を形成してもよいが、その表面に滑り方向（つまり、図４の両矢印で示す摺動方向）と直交する方向に伸延する円周溝１０を形成し、これに硬質カーボン膜９をコーティングしてもよい。これにより油膜保持能力が一層向上し、より好ましいものとなる。   The piston skirt portion 8 may be formed with a hard carbon film 9 on a smooth surface, but the circumference extends on the surface in a direction perpendicular to the sliding direction (that is, the sliding direction indicated by the double arrow in FIG. 4). The grooves 10 may be formed and coated with the hard carbon film 9. As a result, the oil film holding ability is further improved, which is more preferable.

円周溝１０の断面形状としては、図４に示すように、いわゆるプラトー形状であることが好ましい。プラトー形状とは、円周溝１０相互間の山部の断面形状が、尖端部分を削落し平坦部１０ａにしたものである。プラトー形状にしたピストンスカート部８は、油膜形成能力が十分発揮され、相手アルミニウム合金を攻撃する虞が極めて少なくなるが、プラトー形状でない場合には、油膜が十分形成されず、相手アルミニウム合金を攻撃する可能性が高くなる。 The cross-sectional shape of the circumferential groove 10 is preferably a so-called plateau shape as shown in FIG. The plateau shape means that the cross-sectional shape of the mountain portion between the circumferential grooves 10 is a flat portion 10a by cutting off the tip portion. The plateau-shaped piston skirt 8 has a sufficient ability to form an oil film, and there is very little risk of attacking the mating aluminum alloy. However, if it is not a plateau shape, the oil film is not sufficiently formed and attacks the mating aluminum alloy. Is more likely to do.

円周溝１０の形成に当っては、溝底から平坦部１０ａまでの最大深さＨ１が５μｍ以下とすることが好ましい。最大深さＨ１が５μｍ以下であれば、保油性の向上によりアルミニウム合金の相手ライナー材への攻撃性が極めて減少するとともに、摩擦や磨耗が飛躍的に小さくなる。最大深さＨ１が５μｍより大きくなると、円周溝１０の深さが深すぎ、金属接触が大きくなり、十分な摩擦係数低下効果が得られない虞が生じる。   In forming the circumferential groove 10, it is preferable that the maximum depth H1 from the groove bottom to the flat portion 10a is 5 μm or less. When the maximum depth H1 is 5 μm or less, the aggressiveness of the aluminum alloy to the mating liner material is greatly reduced due to the improvement in oil retention, and the friction and wear are drastically reduced. When the maximum depth H1 is larger than 5 μm, the depth of the circumferential groove 10 is too deep, the metal contact becomes large, and there is a possibility that a sufficient friction coefficient lowering effect cannot be obtained.

ただし、円周溝１０が形成されたピストンスカート部８であっても、その算術平均粗さ（Ｒａ２）は、０．２μｍ以下とすることが好ましい。このようにすると、上述した摩擦係数低下効果がさらに発現されるという優れた効果がもたらされる。   However, even in the piston skirt portion 8 in which the circumferential groove 10 is formed, the arithmetic mean roughness (Ra2) is preferably 0.2 μm or less. If it does in this way, the outstanding effect that the friction coefficient reduction effect mentioned above will be expressed further will be brought about.

一方、シリンダ５側の摩擦低減手段は、図２に示すように、アルミニウム合金よりなるシリンダボア６内面に複数の微細な凹部１１を施すことにより形成している。   On the other hand, as shown in FIG. 2, the friction reducing means on the cylinder 5 side is formed by providing a plurality of minute recesses 11 on the inner surface of the cylinder bore 6 made of an aluminum alloy.

微細凹部１１は、開口部の外形が矩形、円形あるいは楕円形など種々のものを使用することができるが、その配置状態は、図５（Ａ）に示すように、千鳥格子状の配置としてもよく、図５（Ｂ）に示すように、正方格子状の配置としてもよい。各微細凹部１１の断面形状は、図６（Ａ）（Ｂ）に拡大して示すように、断面Ｕ字状あるいは断面矩形状など種々の形状を有するものを使用することができる。   As the fine recesses 11, various shapes such as a rectangular shape, a circular shape, or an oval shape can be used for the opening, but the arrangement state is a staggered arrangement as shown in FIG. Alternatively, as shown in FIG. 5B, a square lattice arrangement may be employed. As the cross-sectional shape of each fine recess 11, as shown in enlarged views in FIGS. 6A and 6B, those having various shapes such as a U-shaped cross section or a rectangular cross section can be used.

微細凹部１１は、シリンダボア６内面の面積に対して開口部の合計面積の割合（面積率）が、０．５％〜１０％とすることが好ましい。面積率が、０．５％以下であれば、油膜厚さを増大させる効果が十分発現されず、１０％以上であれば、接触部に対する凹部の面積が大きすぎ、金属接触が増加する虞があり好ましくない。   The fine recess 11 preferably has a ratio (area ratio) of the total area of the openings to 0.5% to 10% with respect to the area of the inner surface of the cylinder bore 6. If the area ratio is 0.5% or less, the effect of increasing the oil film thickness is not sufficiently exhibited. If the area ratio is 10% or more, the area of the concave portion with respect to the contact portion is too large, and the metal contact may increase. There is not preferable.

微細凹部１１の深さＨ２は、０．５μｍ〜２０μｍが好ましい。０．５μｍ以下であれば、保油性が十分でなく、２０μｍ以上であれば、不必要に油溜りができ好ましくない。したがって、０．５μｍ〜２０μｍの範囲であれば、摩擦が小さく、耐久性に優れたシリンダ５となる。微細凹部１１の深さの測定は、三次元表面構造解析顕微鏡ＮｅｗＶｉｅｗ５０３２（ザイゴ株式会社製）を用い、非接触三次元白色光位相変調干渉方式などにより測定する。   The depth H2 of the fine recess 11 is preferably 0.5 μm to 20 μm. If it is 0.5 μm or less, the oil retaining property is not sufficient, and if it is 20 μm or more, an oil reservoir can be unnecessarily formed, which is not preferable. Therefore, if it is the range of 0.5 micrometer-20 micrometers, it will become the cylinder 5 with small friction and excellent durability. The depth of the fine recess 11 is measured by a non-contact three-dimensional white light phase modulation interference method using a three-dimensional surface structure analysis microscope NewView 5032 (manufactured by Zygo Corporation).

微細凹部１１の開口部の摺動方向（図５中、両矢印方向）の最大長さＬは、５００μｍ以下であることが好ましい。微細凹部１１の最大長さＬが５００μｍ以上になると、接触部に対する微細凹部１１の面積が大きすぎるため、金属接触が増加する方向であり好ましくない。   The maximum length L in the sliding direction of the opening of the fine recess 11 (in the direction of the double arrow in FIG. 5) is preferably 500 μm or less. When the maximum length L of the fine concave portion 11 is 500 μm or more, the area of the fine concave portion 11 with respect to the contact portion is too large, which is not preferable because metal contact increases.

微細凹部１１の滑り方向（図５中、両矢印方向）の最大長さＬに対する、微細凹部１１の底面の極値を示す長さＳの比、つまり、Ｓ／Ｌは０．２以下とすることが好ましい。   The ratio of the length S indicating the extreme value of the bottom surface of the fine concave portion 11 to the maximum length L in the sliding direction of the fine concave portion 11 (the direction of a double arrow in FIG. 5), that is, S / L is 0.2 or less. It is preferable.

Ｓ／Ｌが０．２以下であれば、微細凹部１１による動圧効果が効果的に発現されることで油膜厚さが増大し、摩擦係数が極めて小さく、焼き付き防止性に優れたシリンダ５を得ることができる。しかし、Ｓ／Ｌが０．２以上になると、動圧効果が減少し、摩擦低減効果が減少する虞がある。   If S / L is 0.2 or less, the dynamic pressure effect by the fine recesses 11 is effectively expressed, the oil film thickness increases, the friction coefficient is extremely small, and the cylinder 5 having excellent seizure prevention properties is obtained. Obtainable. However, when S / L is 0.2 or more, the dynamic pressure effect is reduced, and the friction reduction effect may be reduced.

前述したように微細凹部１１を千鳥格子状あるいは正方格子状に配置した場合には、微細凹部１１が存在しない部分が生じるが、この部分の平均的な表面粗さ（他の部分と区別するために「算術平均粗さ」（Ｒａ３）と称す）は、０．０５μｍ以下であることが好ましい。   As described above, when the fine concave portions 11 are arranged in a staggered lattice or square lattice shape, there is a portion where the fine concave portions 11 are not present, but the average surface roughness of this portion (distinguishable from other portions). Therefore, the “arithmetic mean roughness” (referred to as Ra3) is preferably 0.05 μm or less.

算術平均粗さ（Ｒａ３）が０．０５μｍ以下であれば、油膜厚さを増大させる効果が十分発現され、金属接触が抑制され摩擦が小さく、耐久性に優れたシリンダ５を得ることができる。また、算術平均粗さ（Ｒａ３）が０．０５μｍ以上になると、油膜厚さが小さい場合に金属接触が増大し、摩擦の増大や、摩耗が増大するなどの影響が懸念される。   If the arithmetic average roughness (Ra3) is 0.05 μm or less, the effect of increasing the oil film thickness is sufficiently exhibited, the metal contact is suppressed, the friction is small, and the cylinder 5 having excellent durability can be obtained. Further, when the arithmetic average roughness (Ra3) is 0.05 μm or more, there is a concern that the metal contact increases when the oil film thickness is small, and the influence such as an increase in friction and wear increases.

シリンダ５は、アルミニウム合金製であるが、シリンダ５のボア内面のアルミニウム合金のＳｉ含有率は、１２％以下とすることが好ましい。このようにすると、問題なく摺動するシリンダ５を得ることができ、特に、Ｓｉ量を減らすことで、加工が容易になる。 The cylinder 5 is made of an aluminum alloy, but the Si content of the aluminum alloy on the bore inner surface of the cylinder 5 is preferably 12% or less. In this way, it is possible to obtain a slide to Cie cylinder 5 without problems, in particular, by reducing the amount of Si, the processing is facilitated.

前述したピストンリング７とシリンダ５、ピストンスカート部１０とシリンダ５の２種類の摺動形態それぞれについて、種々の材料、面積率、微細凹部の配置状態、表面粗さなどを有するものにつき実験を行い、摩擦係数や摩耗量を測定し、評価法により効果を確認した。   Experiments were conducted on the piston ring 7 and cylinder 5 and the piston skirt 10 and cylinder 5 having various materials, area ratios, arrangement of fine recesses, surface roughness, etc. The coefficient of friction and the amount of wear were measured, and the effect was confirmed by an evaluation method.

＜ピストンリングとシリンダ＞
図７はピストンリングとシリンダとの往復摺動試験状態を示す概略斜視図である。ピストンリングとシリンダの実験には、図７に示すような、往復摺動試験に使用したシリンダ用のプレート材は、４０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍ厚の板材であって、ＡＤＣ１４およびＡＤＣ１２という２種類の板材である。表面は、各種仕上げ加工を施すとともに、微細凹部１１（図７では不図示）を所定の面積率、断面形状で形成し、千鳥あるいは正方状の配置して、評価に供した。 <Piston ring and cylinder>
FIG. 7 is a schematic perspective view showing a reciprocal sliding test state between the piston ring and the cylinder. For the piston ring and cylinder experiment, the cylinder plate material used in the reciprocating sliding test as shown in FIG. 7 is a plate material of 40 mm × 60 mm × 5 mm thickness, and two types of plate materials, ADC14 and ADC12. It is. The surface was subjected to various finishing processes, and fine recesses 11 (not shown in FIG. 7) were formed with a predetermined area ratio and cross-sectional shape, and arranged in a staggered or square shape for evaluation.

往復摺動試験に使用したピストンリング用の部材としては、ＳＣＭ４３５の浸炭焼入れ焼き戻し材であり、種々の硬さを有するものである。接触幅は４０ｍｍ、接触部分の曲率半径ｒは３０ｍｍで、この接触部分の表面には各種薄膜がコーティングされている。   The piston ring member used in the reciprocating sliding test is a carburizing and tempering material of SCM435 and has various hardnesses. The contact width is 40 mm, the radius of curvature r of the contact portion is 30 mm, and the surface of this contact portion is coated with various thin films.

各種薄膜のコーティングは、非晶質硬質カーボン膜９をイオンプレーディング法（以下、ＰＶＤ法）およびＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）法により形成した。またコーティング後、表面に形成されたドロップレットと呼ばれる突起をテープラップフィルムにより、必要に応じて除去した後、試験に供した。   For the coating of various thin films, the amorphous hard carbon film 9 was formed by an ion plating method (hereinafter referred to as PVD method) and a CVD (Chemical Vaper Deposition) method. Further, after coating, protrusions called droplets formed on the surface were removed with a tape wrap film as necessary, and then subjected to a test.

実験条件は、２５℃の潤滑油（５Ｗ３０）を０．８ｃｃ／ｍｉｎで滴下し、垂直荷重Ｆ１として２５Ｋｇｆを加えつつ、摺動距離３０ｍｍを、摺動速度６００回／ｍｉｎで往復摺動させることにより行った。   The experimental condition is that 25 ° C. lubricating oil (5W30) is dropped at 0.8 cc / min, and a sliding distance of 30 mm is reciprocated at a sliding speed of 600 times / min while applying 25 kgf as the vertical load F1. It went by.

ここに、断面Ｕ字形状の微細凹部１１（下記表１、表２では「Ｕ」で示す）は、マスクブラスト処理により規則的に形成した。マスクブラスト処理は、光リソグラフィ技術を利用し、樹脂製マスクに微細凹部の形状を形成し、その樹脂マスクを円筒内面表面に貼り付けた後、平均粒径２０μｍのアルミナ砥粒を、投射ノズルからワークまでの距離を１００ｍｍとし、投射流量１００ｇ／ｍｉｎ、投射圧０．４ＭＰａの条件下で投射し、微細凹部１１（図７では不図示）を成形した。   Here, the fine recesses 11 having a U-shaped cross section (indicated by “U” in Tables 1 and 2 below) were regularly formed by mask blasting. The mask blasting process uses optical lithography technology to form a fine concave shape on the resin mask, and after the resin mask is attached to the inner surface of the cylinder, alumina abrasive grains having an average particle diameter of 20 μm are applied from the projection nozzle. The distance to the workpiece was set to 100 mm, and projection was performed under the conditions of a projection flow rate of 100 g / min and a projection pressure of 0.4 MPa to form a fine recess 11 (not shown in FIG. 7).

断面矩形状（下記表１、表２では「Ｒ」で示す）の微細凹部１１は、インデント加工により規則的に形成した。インデント加工は、所望の形状となるような超硬製の工具を試作し、その工具を押し込むことにより塑性加工によって形成した。インデント加工により生じた微細凹部１１の周辺の盛り上がりは、粒径９μｍのテープラップフィルムを使用したラッピング加工により除去した。   The fine recesses 11 having a rectangular cross section (indicated by “R” in Tables 1 and 2 below) were regularly formed by indentation. Indent processing was performed by making a trial manufacture of a cemented carbide tool having a desired shape and pressing the tool to perform plastic processing. The bulge around the fine recess 11 caused by the indenting process was removed by a lapping process using a tape wrap film having a particle diameter of 9 μm.

（実施例１）
実施例１のシリンダ用のプレート材は、ＡＤＣ１４を使用し、これに形成した微細凹部１１は、インデント加工によって形成した断面矩形状のもので、大きさは、８０μm×３２０μｍ、面積率２．５％とし、深さＨ２は３μｍとした。これらの配置は、図３に示す正三角形状に配置した千鳥格子配置とした。 Example 1
The plate material for the cylinder of Example 1 uses ADC14, and the fine recess 11 formed in the plate is rectangular in cross section formed by indenting, and the size is 80 μm × 320 μm, and the area ratio is 2.5. %, And the depth H2 was 3 μm. These arrangements were a staggered arrangement arranged in a regular triangle shape shown in FIG.

また、ピストンリング用の部材は、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成した。またコーティング後、表面に形成されたドロップレットと呼ばれる突起を必要に応じてテープラップフィルムにより研磨し、除去した後、試験に供した。算術平均粗さＲａ１は、０．０２μｍであり、ビッカース硬さ（ＨＶ）は２０００であった。   The piston ring member was formed by forming the amorphous hard carbon film 9 by the CVD method. Further, after coating, protrusions called droplets formed on the surface were polished with a tape wrap film if necessary, and then subjected to a test. The arithmetic average roughness Ra1 was 0.02 μm, and the Vickers hardness (HV) was 2000.

実施例１につき、前述の実験を行った結果、後述する比較例１の摩擦係数を「１」、摩耗量を「１」とした場合、実施例１のものは、摩擦係数が「０．１０」、摩耗量を「０．０７」という値であり、比較例１より摩擦係数および耐摩耗性の点ですぐれることが確認された。   As a result of conducting the above-described experiment for Example 1, when the friction coefficient of Comparative Example 1 described later is “1” and the wear amount is “1”, the friction coefficient of Example 1 is “0.10”. The amount of wear was “0.07”, which was confirmed to be superior to that of Comparative Example 1 in terms of the coefficient of friction and wear resistance.

（実施例２）
実施例２のシリンダ用のプレート材は、ＡＤＣ１２を使用し、これに形成した微細凹部１１は、配置、大きさ、面積率、深さＨ２が実施例１と同様とした。また、ピストンリング用の部材は、実施例１と同様とした。 (Example 2)
The cylinder plate material of Example 2 used ADC12, and the fine recesses 11 formed thereon were the same as in Example 1 in terms of arrangement, size, area ratio, and depth H2. The piston ring member was the same as in Example 1.

同様の実験を行った結果、摩擦係数が「０．１１」、摩耗量を「０．１３」という値になった。実施例２も、比較例１より摩擦係数および耐摩耗性の点ですぐれることが確認された。   As a result of the same experiment, the friction coefficient was “0.11” and the wear amount was “0.13”. Example 2 was also confirmed to be superior to Comparative Example 1 in terms of friction coefficient and wear resistance.

（実施例３）
実施例３のシリンダ用のプレート材は、ＡＤＣ１２を使用し、これに形成した微細凹部１１は、実施例１と同様の、断面形状、配置、大きさ、面積率、深さＨ２とした。また、ピストンリング用の部材は、非晶質硬質カーボン膜９をＰＶＤ法により形成した。算術平均粗さＲａ１は、０．０２μｍであり、ビッカース硬さ（ＨＶ）は２８００であった。 (Example 3)
As the plate material for the cylinder of Example 3, ADC 12 was used, and the fine recesses 11 formed on the plate had the same cross-sectional shape, arrangement, size, area ratio, and depth H2 as in Example 1. Further, the piston ring member was formed by forming the amorphous hard carbon film 9 by the PVD method. The arithmetic average roughness Ra1 was 0.02 μm, and the Vickers hardness (HV) was 2800.

同様の実験を行った結果、摩擦係数が「０．１０」、摩耗量を「０．１０」という値になった。実施例３も、比較例１より摩擦係数および耐摩耗性の点ですぐれることが確認された。   As a result of the same experiment, the friction coefficient was “0.10” and the wear amount was “0.10”. Example 3 was also confirmed to be superior to Comparative Example 1 in terms of friction coefficient and wear resistance.

（実施例４）
実施例４のシリンダ用のプレート材は、ＡＤＣ１２を使用し、これに形成した微細凹部１１は、実施例１と同様の、断面形状、大きさ、面積率、深さＨ２であるが、配置を正方状とした。また、ピストンリング用の部材は、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成した。算術平均粗さＲａ１は、０．０２μｍであり、ビッカース硬さ（ＨＶ）は２０００であった。 Example 4
The plate material for the cylinder of Example 4 uses ADC12, and the fine recesses 11 formed thereon have the same cross-sectional shape, size, area ratio, and depth H2 as in Example 1, but the arrangement is It was square. The piston ring member was formed by forming the amorphous hard carbon film 9 by the CVD method. The arithmetic average roughness Ra1 was 0.02 μm, and the Vickers hardness (HV) was 2000.

同様の実験を行った結果、摩擦係数が「０．１３」、摩耗量を「０．２０」という値になった。実施例４も、比較例１より摩擦係数および耐摩耗性の点ですぐれることが確認された。   As a result of the same experiment, the friction coefficient was “0.13” and the wear amount was “0.20”. Example 4 was also confirmed to be superior to Comparative Example 1 in terms of friction coefficient and wear resistance.

（実施例５）
実施例５のシリンダ用のプレート材は、ＡＤＣ１２を使用し、これに形成した微細凹部１１は、実施例１と同様の、千鳥配置、大きさ、面積率、深さＨ２であるが、断面形状をＵ字状とした。また、ピストンリング用の部材は、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成した。算術平均粗さＲａ１は、０．０２μｍであり、ビッカース硬さ（ＨＶ）は２０００であった。 (Example 5)
The plate material for the cylinder of Example 5 uses ADC12, and the fine recesses 11 formed in this plate have the same staggered arrangement, size, area ratio, and depth H2 as in Example 1, but the cross-sectional shape. Was U-shaped. The piston ring member was formed by forming the amorphous hard carbon film 9 by the CVD method. The arithmetic average roughness Ra1 was 0.02 μm, and the Vickers hardness (HV) was 2000.

同様の実験を行った結果、摩擦係数が「０．１４」、摩耗量を「０．２３」という値になった。実施例５も、比較例１より摩擦係数および耐摩耗性の点ですぐれることが確認された。   As a result of the same experiment, the friction coefficient was “0.14” and the wear amount was “0.23”. Example 5 was also confirmed to be superior to Comparative Example 1 in terms of friction coefficient and wear resistance.

（実施例６）
実施例６のシリンダ用のプレート材は、ＡＤＣ１２を使用し、これに形成した微細凹部１１は、実施例１と同様の、千鳥配置、大きさ、面積率、深さＨ２であるが、断面形状を矩形状とした。また、ピストンリング用の部材は、研磨することなく、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成した。算術平均粗さＲａ１は、０．０２μｍであり、ビッカース硬さ（ＨＶ）は２０００であった。 (Example 6)
The plate material for the cylinder of Example 6 uses ADC12, and the fine concave portions 11 formed on this plate have the same staggered arrangement, size, area ratio, and depth H2 as in Example 1, but the cross-sectional shape. Was rectangular. The piston ring member was formed by the CVD method without polishing the amorphous hard carbon film 9 without polishing. The arithmetic average roughness Ra1 was 0.02 μm, and the Vickers hardness (HV) was 2000.

同様の実験を行った結果、摩擦係数が「０．６３」、摩耗量を「０．６７」という値になった。実施例６も、比較例１より摩擦係数および耐摩耗性の点ですぐれることが確認された。   As a result of the same experiment, the friction coefficient was “0.63” and the wear amount was “0.67”. Example 6 was also confirmed to be superior to Comparative Example 1 in terms of friction coefficient and wear resistance.

（比較例１）
比較例１としてのシリンダ用のプレート材は、ＦＣＡ材を使用し、クロスハッチを全面に形成し、算術平均粗さＲａ３が０．３μｍとしたものである。 (Comparative Example 1)
The plate material for a cylinder as Comparative Example 1 uses an FCA material, has a cross hatch formed on the entire surface, and has an arithmetic average roughness Ra3 of 0.3 μm.

また、比較例１のピストンリング用の部材は、クロムメッキを行い、中心線平均荒さＲａ３が０．２μｍとなるようにしたもので、ビッカース硬さ（ＨＶ）は８００である。   The member for the piston ring of Comparative Example 1 is chrome-plated so that the center line average roughness Ra3 is 0.2 μm, and the Vickers hardness (HV) is 800.

この比較例１につき、前述の実験を行った場合の摩擦係数は「１」、摩耗量を「１」と設定する。   For Comparative Example 1, the friction coefficient when the above-described experiment is performed is set to “1”, and the wear amount is set to “1”.

（比較例２）
比較例２のシリンダ用のプレート材は、ＡＤＣ１２を使用し、これに微細凹部１１を形成せず、中心線平均荒さＲａ３を０．０２μｍとした。また、比較例２のピストンリング用の部材は、クロムメッキし、算術平均粗さＲａ１を、０．２μｍとし、ビッカース硬さ（ＨＶ）は８００とした。 (Comparative Example 2)
As the plate material for the cylinder of Comparative Example 2, ADC12 was used, the fine concave portion 11 was not formed thereon, and the center line average roughness Ra3 was set to 0.02 μm. The member for the piston ring of Comparative Example 2 was chrome-plated, the arithmetic average roughness Ra1 was 0.2 μm, and the Vickers hardness (HV) was 800.

同様の実験を行った結果、摩擦係数は比較例１に対し「０．７５」、摩耗量は比較例１に対し「２０」という値になった。   As a result of the same experiment, the friction coefficient was “0.75” for Comparative Example 1 and the wear amount was “20” for Comparative Example 1.

（比較例３）
比較例３のシリンダ用のプレート材は、ＡＤＣ１４を使用し、比較例１と同様、クロスハッチを全面に形成し、中心線平均荒さＲａ３が０．３μｍとしたものである。 (Comparative Example 3)
The plate material for the cylinder of Comparative Example 3 uses ADC14, has a cross hatch formed on the entire surface as in Comparative Example 1, and has a center line average roughness Ra3 of 0.3 μm.

また、比較例３のピストンリング用の部材は、Ａｌ分散ＮｉＰメッキを行い、算術平均粗さＲａ１が０．１μｍとなるようにしたもので、ビッカース硬さ（ＨＶ）は８００である。   Further, the piston ring member of Comparative Example 3 is obtained by performing Al-dispersed NiP plating so that the arithmetic average roughness Ra1 is 0.1 μm, and the Vickers hardness (HV) is 800.

同様の実験を行った結果、摩擦係数は比較例１に対し「０．５０」、摩耗量は比較例１に対し「６」という値になった。   As a result of the same experiment, the friction coefficient was “0.50” for Comparative Example 1 and the wear amount was “6” for Comparative Example 1.

これらをまとめると、下記の表１に示すようになる。   These are summarized as shown in Table 1 below.

＜ピストンスカート部とシリンダ＞
図８はピストンスカート部とシリンダとの往復摺動試験状態を示す概略斜視図である。ピストンスカート部とシリンダの実験には、図８に示すような、内接する２つ半円筒材である、ライナー切り出し材（シリンダ材）と、ピストン切り出し材（ピストン材）とを用いた。より具体的には、ボア径８６ｍｍに相当するピストンとシリンダをそれぞれ切り出し、試験に供した。 <Piston skirt and cylinder>
FIG. 8 is a schematic perspective view showing a reciprocal sliding test state between the piston skirt portion and the cylinder. In the experiment of the piston skirt portion and the cylinder, a liner cutting material (cylinder material) and a piston cutting material (piston material), which are two semicylindrical materials inscribed as shown in FIG. 8, were used. More specifically, a piston and a cylinder corresponding to a bore diameter of 86 mm were cut out and used for the test.

シリンダ材としては、ＡＤＣ１２およびＦＣＡという２種類を使用した。表面は、前述したピストンリングとシリンダの摺動形態の場合と同様、各種仕上げ加工を施すとともに、微細凹部１１を所定の面積率、断面形状で形成し、千鳥状の配置とした。   Two types of cylinder materials, ADC12 and FCA, were used. The surface was subjected to various finishing processes, as in the case of the sliding form of the piston ring and cylinder described above, and the fine recesses 11 were formed in a predetermined area ratio and cross-sectional shape to form a staggered arrangement.

ピストン材としては、種々の硬さの材料を使用した。表面は、ピストンスカート部１０に形成されている条痕（切削目）を必要に応じてラッピングを行ってプラトー形状とし、その条痕の深さおよびプラトー形状の平坦部の表面粗さを制御した。その後、必要に応じて各種コーティングを行った。   As the piston material, various hardness materials were used. As for the surface, the striation (cutting line) formed in the piston skirt portion 10 is lapped as necessary to form a plateau shape, and the depth of the striation and the surface roughness of the flat portion of the plateau shape are controlled. . Then, various coatings were performed as needed.

実験条件は、８０℃の５Ｗ３０の潤滑油を０．８ｃｃ／ｍｉｎで滴下し、垂直荷重Ｆ２として７５Ｋｇｆを加えつつ、摺動速度６００回／ｍｉｎで往復摺動させることにより行った。   The experimental conditions were such that 5W30 lubricating oil at 80 ° C. was dropped at 0.8 cc / min and reciprocated at a sliding speed of 600 times / min while applying 75 kgf as the vertical load F2.

なお、この摺動形態における微細凹部１１の形成方法は、前述したピストンリングとシリンダの摺動形態の場合と同様である。また、ピストンスカート部に、非晶質硬質カーボン膜９を形成する方法も前述したピストンリングとシリンダの摺動形態の場合と同様である。 In addition, the formation method of the fine recessed part 11 in this sliding form is the same as that of the case of the sliding form of a piston ring and a cylinder mentioned above. Further, the method of forming the amorphous hard carbon film 9 on the piston skirt is the same as in the above-described sliding form of the piston ring and the cylinder.

（実施例７）
実施例７のシリンダ材は、ＡＤＣ１２を使用し、これに形成した微細凹部１１は、インデント加工によって形成した断面矩形状のもので、面積率２．５％とし、深さＨ２は３μｍとした。配置状態は、図３に示す正三角形状に配置した千鳥格子とした。 (Example 7)
The cylinder material of Example 7 used ADC12, and the fine concave portion 11 formed on the cylinder material had a rectangular cross section formed by indenting, and had an area ratio of 2.5% and a depth H2 of 3 μm. The arrangement state is a staggered lattice arranged in a regular triangle shape shown in FIG.

また、ピストン材は、ピストンスカート部１０の部分をプラトー形状とし、その条痕の深さＨ１は５μｍとし、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成し、このビッカース硬さ（ＨＶ）は２８００であった。   Further, the piston material has a plateau shape at the piston skirt portion 10, the striation depth H 1 is 5 μm, an amorphous hard carbon film 9 is formed by a CVD method, and this Vickers hardness (HV) is 2800.

実施例７につき、前述の実験を行った結果、後述する比較例４の摩擦係数を「１」、摩耗量を「１」とした場合、実施例７のものは、摩擦係数が「０．８０」、摩耗量を「０．３３」という値であり、後述する比較例４〜６の摩擦係数および耐摩耗性より優れていることが確認された。   As a result of conducting the above-described experiment with respect to Example 7, when the friction coefficient of Comparative Example 4 described later is “1” and the wear amount is “1”, the friction coefficient of Example 7 is “0.80”. The amount of wear was “0.33”, which was confirmed to be superior to the friction coefficient and wear resistance of Comparative Examples 4 to 6 described later.

（実施例８）
実施例８のシリンダ材は、ＡＤＣ１２で、微細凹部１１の、断面矩形状、面積率、深さ、配置状態は実施例７と同様とした。 (Example 8)
The cylinder material of Example 8 was ADC12, and the cross-sectional rectangular shape, area ratio, depth, and arrangement state of the fine recesses 11 were the same as those of Example 7.

また、ピストン材は、ピストンスカート部１０の部分をプラトー形状とし、その条痕の深さＨ１は３μｍとし、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成し、このビッカース硬さ（ＨＶ）は２０００であった。   Also, the piston material has a plateau shape at the piston skirt portion 10, the striation depth H 1 is 3 μm, an amorphous hard carbon film 9 is formed by a CVD method, and this Vickers hardness (HV) is 2000.

実施例８につき、前述の実験を行った結果、摩擦係数は「０．７０」、摩耗量を「０．１７」という値であり、比較例４〜６の摩擦係数および耐摩耗性より優れていることが確認された。   As a result of conducting the above-described experiment for Example 8, the friction coefficient is “0.70” and the wear amount is “0.17”, which is superior to the friction coefficient and wear resistance of Comparative Examples 4 to 6. It was confirmed that

（実施例９）
実施例９のシリンダ材は、ＡＤＣ１２で、微細凹部１１の、断面矩形状、面積率、深さ、配置状態は実施例７と同様とした。 Example 9
The cylinder material of Example 9 was ADC12, and the cross-sectional rectangular shape, area ratio, depth, and arrangement state of the fine recesses 11 were the same as those of Example 7.

また、ピストン材は、「条痕なし」とし、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成し、このビッカース硬さ（ＨＶ）は２０００であった。   The piston material was “no streak” and the amorphous hard carbon film 9 was formed by the CVD method. The Vickers hardness (HV) was 2000.

実施例９につき、前述の実験を行った結果、摩擦係数は「０．４０」、摩耗量を「０．０３」という値であり、比較例４〜６の摩擦係数および耐摩耗性より優れていることが確認された。   As a result of conducting the above-described experiment for Example 9, the friction coefficient is “0.40” and the wear amount is “0.03”, which is superior to the friction coefficient and wear resistance of Comparative Examples 4 to 6. It was confirmed that

（比較例４）
比較例４のシリンダ材は、ＦＣＡで、微細凹部１１ではなく、算術平均粗さＲａ２が０．３μｍのクロスハッチとした。 (Comparative Example 4)
The cylinder material of Comparative Example 4 was FCA, not a fine recess 11 but a cross hatch with an arithmetic average roughness Ra2 of 0.3 μm.

また、ピストン材は、ピストンスカート部１０の部分がプラトー形状を有しない、深さが１０μｍの条痕を形成し、その表面をクロムメッキした。そのビッカース硬さ（ＨＶ）は８００であった。   Moreover, the piston material formed the streak of 10 micrometers in depth in which the piston skirt part 10 part does not have a plateau shape, and the surface was chromium-plated. Its Vickers hardness (HV) was 800.

比較例４につき、前述の実験を行った場合の摩擦係数は「１」、摩耗量を「１」と設定する。   For Comparative Example 4, the friction coefficient when the above-described experiment is performed is set to “1”, and the wear amount is set to “1”.

（比較例５）
比較例５のシリンダ材は、ＡＤＣ１２で、これに形成した微細凹部１１は、インデント加工によって形成した断面矩形状のもので、面積率２．５％とし、深さＨ２は３μｍとした。配置状態は、図３に示す正三角形状に配置した千鳥格子とした。 (Comparative Example 5)
The cylinder material of Comparative Example 5 was ADC12, and the fine recess 11 formed in the cylinder material was rectangular in cross section formed by indent processing, the area ratio was 2.5%, and the depth H2 was 3 μm. The arrangement state is a staggered lattice arranged in a regular triangle shape shown in FIG.

また、ピストン材は、ピストンスカート部１０の部分がプラトー形状を有しない、深さＨ１が１０μｍの条痕を形成し、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成した。そのビッカース硬さ（ＨＶ）は２０００であった。   In addition, the piston material was formed with a streak having a piston skirt portion 10 having no plateau shape, a depth H1 of 10 μm, and an amorphous hard carbon film 9 formed by a CVD method. Its Vickers hardness (HV) was 2000.

比較例５につき、前述の実験を行った結果、摩擦係数が「１．１」、摩耗量を「３．３」という値であった。   As a result of conducting the above-described experiment for Comparative Example 5, the friction coefficient was “1.1” and the wear amount was “3.3”.

（比較例６）
比較例６のシリンダ材は、ＡＤＣ１２で、これに微細凹部１１は形成せず、算術平均粗さＲａ２が０．０２μｍのものとした。 (Comparative Example 6)
The cylinder material of Comparative Example 6 was ADC12, in which the fine recesses 11 were not formed, and the arithmetic average roughness Ra2 was 0.02 μm.

また、ピストン材は、深さＨ１が５μｍの条痕を形成しているが、ピストンスカート部１０の部分がプラトー形状を有しない、また、表面も研磨せず、非晶質硬質カーボン膜９をＣＶＤ法により形成した。そのビッカース硬さ（ＨＶ）は２０００であった。   Further, the piston material forms a streak having a depth H1 of 5 μm, but the portion of the piston skirt portion 10 does not have a plateau shape, the surface is not polished, and the amorphous hard carbon film 9 is formed. It formed by CVD method. Its Vickers hardness (HV) was 2000.

比較例６につき、前述の実験を行った結果、摩擦係数が「０．９５」、摩耗量を「１」という値であった。   As a result of conducting the above-described experiment for Comparative Example 6, the friction coefficient was “0.95” and the wear amount was “1”.

これらをまとめると、下記の表２に示すようになる。   These are summarized as shown in Table 2 below.

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、上述した実施形態では、ピストン側に硬質カーボン膜９を形成したが、場合によってはシリンダ側に形成してもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. For example, in the embodiment described above, the hard carbon film 9 is formed on the piston side, but may be formed on the cylinder side in some cases.

本発明は、潤滑油の存在下で摺動する摺動部材の摺動摩擦を低減した内燃機関、特に、ピストンとシリンダに利用することができる。   The present invention can be used for an internal combustion engine in which sliding friction of a sliding member that slides in the presence of lubricating oil is reduced, in particular, a piston and a cylinder.

本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. 図１の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of FIG. 本実施形態のピストンリングの断面図である。It is sectional drawing of the piston ring of this embodiment. 本実施形態のピストンスカート部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piston skirt part of this embodiment. シリンダボア内面に形成された微細凹部の形成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of formation of the fine recessed part formed in the cylinder bore inner surface. 微細凹部の断面形状例を示すもので、図５の６−６線に沿う拡大断面図である。An example of a cross-sectional shape of the fine recess is shown, and is an enlarged cross-sectional view taken along line 6-6 of FIG. ピストンリングとシリンダとの往復摺動試験状態を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the reciprocating sliding test state of a piston ring and a cylinder. ピストンスカート部とシリンダとの往復摺動試験状態を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the reciprocating sliding test state of a piston skirt part and a cylinder.

符号の説明Explanation of symbols

１…ピストン、
５…シリンダ、
６…シリンダボア、
６ａ…シリンダボア内面、
７…ピストンリング、
７ａ…トップリング、
７ｃ…オイルリング、
８…ピストンスカート部、
９…硬質カーボン膜、
１１…微細凹部、
Ｈ１…周溝の深さ、
Ｈ２…微細凹部の深さ、
Ｌ…微細凹部の摺動方向の表面長さ、
Ｒａ１…硬質カーボン膜の算術平均粗さ、
Ｒａ２…ピストンスカート部の算術平均粗さ、
Ｒａ３…微細凹部間の算術平均粗さ、
Ｓ…微細凹部の底面の極値を示す長さ、
ｔ…膜厚。 1 ... Piston,
5 ... cylinder,
6 ... Cylinder bore,
6a ... Cylinder bore inner surface,
7 ... Piston ring,
7a ... Top ring,
7c ... oil ring,
8 ... piston skirt,
9: Hard carbon film,
11 ... fine recess,
H1 ... Circumferential groove depth,
H2: Depth of fine recess,
L: Surface length in the sliding direction of the fine recess,
Ra1: Arithmetic average roughness of the hard carbon film,
Ra2 ... arithmetic mean roughness of the piston skirt,
Ra3: Arithmetic mean roughness between fine recesses,
S: Length indicating the extreme value of the bottom surface of the fine recess,
t: film thickness.

Claims (8)

少なくともボア内面がアルミニウム合金により形成されかつ前記ボア内面に多数の微細凹部が形成されたシリンダと、当該シリンダのボア内で潤滑油の存在下で往復摺動可能に設けられ、ピストンリングおよびピストンスカート部が硬質カーボン膜で被覆されたピストンと、を有し、前記ピストンスカート部は、前記ピストンの摺動方向と直交する方向に周溝が形成され、当該周溝は相互間の山部の断面形状が尖端部分を削落し平坦部にしたプラトー形状であり、当該周溝の溝底から平坦部までの最大高さ(Ｈ２)が５μ以下とされた内燃機関であって、前記硬質カーボン膜は、算術平均粗さ（Ｒａ１）が、０．０５μｍ以下でかつ表面粗さ曲線のスキューネス値（Ｒｓｋ値）がマイナスとなっていることを特徴とするとする内燃機関。 A cylinder in which at least the bore inner surface is formed of an aluminum alloy and a plurality of minute recesses are formed in the bore inner surface; and a piston ring and a piston skirt that are slidable in the presence of lubricating oil in the bore of the cylinder. A piston covered with a hard carbon film, and the piston skirt has a circumferential groove formed in a direction perpendicular to the sliding direction of the piston, and the circumferential groove is a cross section of a mountain portion between each other. shape is plateau shape you dropped flat portion cutting the tip portion, and an internal combustion engine in which the maximum height (H2) is less 5μ from the groove bottom of the circumferential groove to the flat portion, the hard carbon film Is an internal combustion engine characterized in that the arithmetic average roughness (Ra1) is 0.05 μm or less and the skewness value (Rsk value) of the surface roughness curve is negative. 前記シリンダボア内面を形成するアルミニウム合金は、Ｓｉ含有率が１２％以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to claim 1, wherein the aluminum alloy forming the inner surface of the cylinder bore has a Si content of 12% or less. 前記微細凹部は、前記シリンダボア内面の面積に対する面積率が、０．５％以上１０％以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。   3. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the fine recess has an area ratio of 0.5% to 10% with respect to the area of the inner surface of the cylinder bore. 前記微細凹部は、深さ（Ｈ２）が、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。 The fine recess depth (H2) is an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that at 0.5μm or 20μm or less. 前記微細凹部は、摺動方向の表面長さ（Ｌ）が５００μｍ以下であり、さらに、千鳥状に配置し、当該微細凹部が存在しない面の算術平均粗さ（Ｒａ２）が０．０５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。 The fine recesses have a surface length (L) in the sliding direction of 500 μm or less, and are arranged in a staggered manner, and the arithmetic average roughness (Ra2) of the surface where the fine recesses are not present is 0.05 μm or less. internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, characterized in that there. 前記微細凹部は、摺動方向の表面長さを「Ｌ」、当該微細凹部の底面の摺動方向の長さを「Ｓ」とした場合、Ｓ／Ｌが０．２以下としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。 When the surface length in the sliding direction is “L” and the length in the sliding direction of the bottom surface of the micro concave portion is “S”, the fine concave portion has an S / L of 0.2 or less. internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5. 前記硬質カーボン膜は、膜厚（ｔ）が、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。   2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the hard carbon film has a thickness (t) of 0.5 μm or more and 20 μm or less. 前記硬質カーボン膜は、硬さ（Ｈｖ）が、２５００以下であることを特徴とする請求項１又は７に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to claim 1 or 7, wherein the hard carbon film has a hardness (Hv) of 2500 or less.