特許 7593932 内燃機関の摺動構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】内燃機関の摺動構造

(51)【国際特許分類】

   F16J 10/04 20060101AFI20241126BHJP

   F02F 1/00 20060101ALI20241126BHJP

   F02F 1/10 20060101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

F16J10/04

F02F1/00 F

F02F1/10 A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021551418

(86)(22)【出願日】2020-09-30

(86)【国際出願番号】 JP2020037294

(87)【国際公開番号】W WO2021066067

(87)【国際公開日】2021-04-08

【審査請求日】2022-11-07

(31)【優先権主張番号】P 2019179141

(32)【優先日】2019-09-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390022806

【氏名又は名称】日本ピストンリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112689

【弁理士】

【氏名又は名称】佐原 雅史

(74)【代理人】

【識別番号】100128934

【弁理士】

【氏名又は名称】横田 一樹

(72)【発明者】

【氏名】田森 博幸

(72)【発明者】

【氏名】安藤 肇

(72)【発明者】

【氏名】諸井 一巳

【審査官】後藤 健志

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０２３５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２５５８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１２５８３２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第５８３３２７６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０１７／２０９１３５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｊ １０／０４

Ｆ０２Ｆ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項5】

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。

【請求項6】

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。

【請求項7】

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。

【請求項8】

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。

【請求項9】

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。

【請求項10】

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１～９のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。

【請求項11】

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。

【請求項12】

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。

【請求項13】

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。

【請求項14】

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。

【請求項15】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

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。

【0004】

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。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【発明の効果】

【0026】

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。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】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。

【図2】（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。

【図3】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。

【図4】（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。

【図5】（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。

【図6】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。

【図7】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。

【図8】（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。

【図9】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。

【図10】（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。

【図11】（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。

【図12】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。

【発明を実施するための形態】

【0028】

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。

【0029】

＜シリンダライナ＞

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

＜シリンダライナに形成されるディンプル＞

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

＜シリンダライナに形成される中央低粗さ領域＞

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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）。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

＜ピストン及びピストンリング＞

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

＜シリンダライナとピストンリングの摩擦態様＞

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

＜摩擦態様の測定方法（非燃焼時摩擦試験）＞

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

＜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）＞

【0072】

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。

【0073】

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。

【表1】

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

＜シリンダライナとピストンリングの摩擦態様（ＦＭＥＰ線図）＞

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

＜１ストローク中の摩擦力の変化＞

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

＜オイル消費量＞

【0098】

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。

【0099】

＜第二実施形態のシリンダライナ＞

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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。

【0107】

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）。

【0108】

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。

【0109】

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）。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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。

【0113】

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。

【0114】

＜上側低粗さ領域２３Ａの存在意義＞

【0115】

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。

【0116】

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。

【0117】

＜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＞

【0118】

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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【符号の説明】

【0121】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】