專利名稱：在內壁面形成有凹凸的氣缸的制作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機的氣缸，涉及在內壁的壁面上形成有凹凸的氣缸。即，本發明涉及如下所述的技術:在以潤滑劑為媒介進行相對運動的兩個表面中的至少一個表面上形成微細凹凸而減少摩擦和磨耗。
背景技術：
內燃機具有接受由燃料燃燒產生的爆炸力而運動的活塞和對上述活塞的運動進行引導的氣缸。氣缸還稱為氣筒(氣筒)，在汽油發動機或柴油發動機中，將燃料與空氣一起噴入到氣缸內并點火、爆炸,通過其爆炸力來使活塞移動。將上述氣缸的內部或內壁稱為膛(bore)，將氣缸的內壁的壁面還稱為膛面。活塞在氣缸的內部(膛)移動并不斷地與氣缸的內壁進行摩擦。特別是，增進活塞與氣缸內壁之間的密閉，為了不泄露空氣或燃料、爆炸氣體，在活塞上部的周圍具備活塞環，但是上述活塞環與氣缸內壁之間的摩擦特別嚴重。活塞環與氣缸內壁以一般稱為機油的潤滑劑為媒介彼此平行地進行相對運動。此時，機油起到在活塞環與氣缸內壁之間形成潤滑膜來減少活塞環與氣缸內壁之間的摩擦的作用。一般來說，從流體潤滑理論清楚地可知:如氣缸的內壁和活塞，兩個表面平行時，即使該兩個表面以液體潤滑劑為媒介進行相對運動，在該潤滑劑內部也不會產生流體動壓。如上所述，氣缸與活塞的平行的相對運動不僅是很難形成潤滑膜的運動，而且由于氣缸中的高燃燒壓和燃燒熱，以在活塞(或活塞環)與氣缸內壁之間始終缺少機油的狀態下運轉。由此，在活塞環和氣缸內壁上產生嚴重的摩擦和磨耗。在這種運轉條件下長時間運轉時，燃料消耗或機油消耗量肯定增加，根據情況有時還成為更換發動機的原因。為了減少與活塞環摩擦的氣缸內壁的磨耗，以往開發有熱處理、表面粗糙度改善、搪磨(horning)等方法。但是，隨著發動機的工作環境向對活塞環磨耗脆弱的方向改變，要求能夠比以往的方法更有效地減少活塞環的磨耗的方法。
發明內容
技術課題對此，本發明人知道當在進行相對運動的兩個表面中的至少一個表面上加工多個微細凹凸時，即使該兩個表面平行地進行相對運動，在兩個面之間也會產生流體動壓，由此能夠改善潤滑性，并基于此完成了本發明。在本發明中，在內燃機的氣缸10的內壁11上形成凹凸40、50來減少氣缸和活塞環的磨耗。在本發明中，在氣缸內壁面上形成凹凸而由上述凹凸來收集如機油那樣的潤滑齊U，從而上述潤滑劑改善氣缸內壁與活塞或活塞環之間的潤滑狀態，從而減少在邊界面上產生的磨耗。即，在本發明中，提供在內壁上形成有微細凹凸的氣缸。本發明的微細凹凸，能夠比以往的熱處理、表面粗糙度改善、磨缸等方法更有效地減少氣缸和活塞環的磨耗。在本發明中，特別是在氣缸上找出能夠使磨耗減少效果極大化的位置，在該位置上形成微細凹凸，從而能夠有效地減少氣缸與活塞或活塞環的磨耗。在本發明中，還在最佳的位置上形成所需程度的微細凹凸，從而提供能夠縮短氣缸制造費用和制造時間的方案。解決技術課題的方法本發明提供如下所述的氣缸:在上止點(Top Dead Center ;TDC)與下止點(BottomDead Center ;BDC)之間的區間、即沖程距離(L)區間中的至少一部分的區域上形成有微細凹凸。上止點(TDC)是指活塞在氣缸中運動而上升到最高地點時活塞頭部的位置，下止點(BDC)是指活塞在氣缸中運動而下降到最低地點時活塞頭部的位置。另外，沖程距離是指活塞頭部在氣缸內部移動的區間，意味著上止點與下止點之間的區間。在圖1、圖2a和2b中用“TDC”表示的是氣缸的上止點，用“BDC”表示的是氣缸的下止點，用“L”表示的上止點與下止點之間的區間為沖程距離。本發明涉及對插入到內部的活塞的運動進行引導的氣缸，提供如下所述的氣缸:在上述氣缸的內壁面上形成有多個凹凸，在活塞沖程距離區間中，在從上止點(TDC)起5至50%距離的區域中的至少一部分的區域上形成有多個凹凸。在本發明中，將氣缸沖程距離區間中的從上止點(TDC)起5至50%距離的區域稱為第I區域(100)(參照圖2a)。上述凹凸可以形成在整個上述第I區域上，也可以僅形成在上述第I區域的一部分上。不管上述凹凸是在整個上述第I區域上形成還是僅在上述第I區域的一部分上形成，上述凹凸也能夠在形成凹凸的區域內分開均勻的間隔來形成。以均勻的間隔形成凹凸在制造工序等方面存在優點。根據本發明的一例，能夠在上述活塞的沖程距離中的從上止點(TDC)起5%至50%距離的區域(第I區域；100)中的至少30%以上的區域上形成多個凹凸。即，能夠以上述凹凸分布在上述第I區域(100)中的至少30%以上的區域中的方式在氣缸內壁形成凹凸。根據本發明的其他一例，還能夠在活塞的沖程距離中的從上止點(TDC)起8至32%距離的區域中的至少一部分的區域上形成多個凹凸。在本發明中，將氣缸沖程距離中的從上止點(TDC)起8%至32%距離的區域稱為第2區域(200)(參照圖2a)。上述凹凸可以形成在整個上述第2區域，也可以僅形成在上述第2區域的一部分上。不管上述凹凸是形成在整個上述第2區域傷還是僅形成在上述第2區域的一部分上，上述凹凸也能夠在形成凹凸的區域內隔著均勻的間隔而形成。以均勻的間隔形成凹凸在制造工序等方面存在優點。根據本發明的一例，能夠在上述活塞的沖程距離中的從上止點(TDC)起8%至32%距離的區域(第2區域；200)中的至少30%以上的區域上形成多個凹凸。即，能夠以上述凹凸分布在上述第2區域(200)中的至少30%以上的區域的方式在氣缸內壁形成凹凸。如果在氣缸內壁凹凸過少，則潤滑劑收集空間減少而很難體現充分的潤滑效果，另外如果在氣缸內壁凹凸過多，則不是凹凸的部分、即與活塞環摩擦的部分的面積過多地減少，反而在其摩擦部分上，表面壓力增加而有可能弱化摩擦特性。在本發明中，不特別限定上述凹凸的形狀。只要是凹入形成而能夠收集潤滑油的形狀，則凹凸的形狀可以是任何形狀。但是，如果凹凸的形狀不合適，則摩擦減少的效果有可能不大。基于表面微細凹凸的摩擦和磨耗減少技術的核心，可以說是以摩擦和磨耗最少的方式確定凹凸的形狀、排列方法。但是，使摩擦和磨耗最少的凹凸的形狀、排列方法，由于會根據兩個面的接觸形狀、負載、滑動速度等運轉條件而受到很大的影響，因此確定其要件不是簡單的作業。例如，在接觸部的形狀為線形狀、點形狀、或者面形狀時用于使摩擦和磨耗最少的凹凸的形狀和排列方法各不同。因此，關于用于減少摩擦和磨耗的表面凹凸形成技術的開發，必須先進行對其工作環境或運轉條件的確認和定義，在所確定的工作環境或運轉條件下開發最佳的凹凸形狀及其排列。另一方面，在氣缸內表面加工微細凹凸有可能會增加燃料消耗或機油消耗量。為了防止這些，必須在最佳的區域形成凹凸。在本發明中，提示了用于凹凸加工的最佳的區域并提案了用于磨耗改善的該凹凸的最佳形狀，使得在不增加燃料和油消耗量的同時減少活塞環磨耗。根據本發明的一例，上述凹凸的形狀可以是凹面鏡形狀的微細孔(參照圖4)。根據氣缸的規格或使用形狀，凹凸的深度和密度有可能不同。根據上述本發明的一例，可以使上述凹面鏡形狀的微細孔的深度為0.0lmm 0.03mm、直徑為0.07mm 0.17mm。此時，在形成有上述凹面鏡形狀的微細孔的區域的整個面積中，上述凹面鏡形狀的微細孔純占面積比例為5% 15%。以下，將上述面積比例成為
山/又 ο參照圖4，在形成有上述凹面鏡形狀的微細孔的區域的整個面積中，上述凹面鏡形狀的微細孔純占面積比例、即密度可以如以下公式I計算。數學式I微細孔的純面積比例(密度)=卜X (Db/2) 2} / (Da) 2根據本發明的其他一例，上述凹凸的形狀也可以是波線槽形狀(參照圖6)。在上述本發明的一例中，可以使上述波線槽形狀的凹凸的深度為0.01 0.03mm、線寬為0.08 0.18mm。上述波線槽形狀的凹凸的長度和凹凸之間的間隔可以根據凹凸的密度而變化成各種長度和間隔。根據本發明的一例，在形成并分布有上述波線槽形狀的凹凸的區域的整個面積中，上述波線槽形狀的凹凸純占面積比例可以是8% 18%。參照圖6，在形成有上述波線槽形狀的凹凸的區域的整個面積中，上述波線槽形狀的凹凸純占面積比例、即密度可以如以下公式2那樣計算。數學式2波線槽形狀凹凸的純面積比例(密度)=(LcXLb)/{ (La+Lc) X (Lb+Ld) }根據本發明的一例，上述波線槽的長度和間隔可以成為密度的變量。當然，也可以是其他要素成為密度的變量。
發明效果根據本發明，通過在氣缸內壁上部形成凹凸，從而捕獲促進磨耗的磨耗粒子，在潤滑劑不足的狀況下供給潤滑劑，增大活塞環與氣缸內壁之間的油膜壓力，從而能夠減少氣缸與活塞或活塞環的磨耗。特別是，當在氣缸內壁中的從上止點起沖程距離8 32%區域上形成凹凸時，減少氣缸與活塞或活塞環的磨耗的效果非常優秀。本發明的一例的凹面鏡形狀的微細孔形凹凸，加工容易且捕獲磨耗粒子、供給潤滑劑、增大油膜壓力的效果突出。關于上述凹面鏡形狀的微細孔形凹凸，特別是在深度為
0.01 0.03mm、直徑為0.07 0.17mm、密度為5 15%時，捕獲磨耗粒子、供給潤滑劑、增大油膜壓力的效果突出。波線槽形狀的凹凸的加工也容易，捕獲磨耗粒子、供給潤滑劑、增大油膜壓力的效果優秀。上述波線槽形狀凹凸特別是在深度為0.01 0.03mm、線寬為0.08 0.18mm、密度為8 18%時，捕獲磨耗粒子、供給潤滑劑、增大油膜壓力的效果突出。根據本發明，改善在內燃機彼此進行相對運動的活塞環與氣缸膛之間的潤滑狀態，從而能夠將活塞環的磨耗減少70%以上。
圖1是示出一般氣缸的圖，示出了上止點(TDC)和下止點(BDC)。圖2a是為了說明在氣缸內壁上形成微細凹凸的位置的圖，左邊表示氣缸沖程距離中的從上止點(TDC)起5至50%距離的區域、即第I區域(100)，右邊表示氣缸沖程距離中的從上止點(TDC)起8至32%距離的區域、即第2區域(200)。圖2b是說明在氣缸內壁形成微細凹凸的位置的示意圖。圖3是示出在應用于實施例1至10的氣缸中的內壁的磨耗分布的圖表。圖4是形象化了在氣缸內壁上形成的微細孔形狀凹凸的樣子的圖，示出了微細孔形狀凹凸的規格和設計變量。圖5是在將圖4所示的微細孔形狀凹凸形成在氣缸內壁而進行了磨耗試驗時，示出活塞環的磨耗的圖表。圖6是形象化了在氣缸內壁上形成的波線槽形狀凹凸的樣子的圖，示出了波線槽形狀凹凸的規格和設計變量。圖7是在將圖6所示的波線槽形狀凹凸形成在氣缸內壁而進行了磨耗試驗時，示出活塞環的磨耗的圖表。圖8是比較了在氣缸內壁形成微細凹凸的情況和沒有形成微細凹凸的情況時的活塞環的磨耗量的圖表。此時，氣缸內壁的微細凹凸分別形成在從上止點起沖程距離的5 50%區域、從上止點起沖程距離的5 50%區域以外的區域、從上止點起沖程距離的8 32%區域以及從上止點起沖程距離的8 32%以外的區域中。圖9是按照從氣缸內壁的上止點起沖程距離的5 50%區域中形成有凹凸的部分的面積比例來比較了磨耗量的圖表。圖10是按照在從氣缸內壁的上止點起沖程距離的8 32%區域中形成有凹凸的部分的面積比例來比較了磨耗量的圖表。
標號說明10:氣缸11:氣缸內壁40:凹面鏡形狀的微細孔形凹凸50:波線槽形狀的凹凸TDC:上止點BDC:下止點L:沖程距離
具體實施例方式以下，參照實施例和附圖，進一步詳細說明本發明。<實施例1 10>在本發明中，為了確認形成多個凹凸(微細凹凸)而能夠使氣缸與活塞環的磨耗減少效果極大化的氣缸內部的區域，首先測量了實際使用的氣缸內壁的磨耗狀態。以從氣缸下端部起測量的距離為基準，按照各個距離來測量了磨耗狀態，并在圖3中示出。圖3中的距離(Length)表示從氣缸下端部向上端側上升的距離。該氣缸的沖程距離為12.6cm、上止點為20cm地點、下止點為7.4cm地點。參照圖3，可知在16 19cm區域上產生最大的磨耗。當用圖2的A、B來標記圖3的磨耗區域時，由于A=lcm、B=4cm,該氣缸的沖程距離L為12.6cm,因此A/L=0.08、B/L=0.32。因此，可以說本實施例的氣缸是在從上止點起沖程距離的8% 32%區域上產生最多的磨耗的氣缸。為了確認由將本發明的凹面鏡形狀的微細孔形凹凸形成在氣缸內壁而引起的活塞環與氣缸的磨耗改善效果，如下地執行了磨耗試驗。將如圖4所示的凹面鏡形狀的微細孔形凹凸，如下表I所示，形成在氣缸上而執行了磨耗試驗。此處，關于凹面鏡形狀的微細孔形凹凸，將直徑、深度、密度作為設計變量，此處直徑為Db、深度為Dc，能夠數學式I求出上述凹凸的密度。表I
權利要求
1.一種氣缸，其在內部插入有活塞而對活塞的運動進行引導，該氣缸的特征在于， 在上述氣缸的內壁上形成多個凹凸，在活塞的沖程距離區間中，在從上止點(TDC)起5%至50%距離內的區域中的至少一部分區域中形成有多個凹凸。
2.根據權利要求1所述的氣缸，其特征在于， 在上述活塞的沖程距離區間中，在從上止點(TDC)起5%至50%距離內的區域中的至少30%以上的區域中形成有上述多個凹凸。
3.根據權利要求1所述的氣缸，其特征在于， 在上述活塞的沖程距離區間中，在從上止點(TDC)起8%至32%距離內的區域中的至少一部分區域中形成有上述多個凹凸。
4.根據權利要求3所述的氣缸，其特征在于， 在上述活塞的沖程距離區間中，在從上止點(TDC)起8%至32%距離內的區域中的至少30%以上的區域中形成有上述多個凹凸。
5.根據權利要求1至4中的任意一項所述的氣缸，其特征在于， 上述凹凸的形狀為凹面鏡形狀的微細孔。
6.根據權利要求5所述的氣缸,其特征在于， 上述凹面鏡形狀的微細孔的深度為0.0lmm 0.03mm,直徑為0.07mm 0.17mm。
7.根據權利要求6所述的氣缸，其特征在于， 形成有上述凹面鏡形狀的微細孔的區域的整個面積中、上述凹面鏡形狀的微細孔純占面積為5% 15%。
8.根據權利要求1至4中的任意一項所述的氣缸，其特征在于， 上述凹凸的形狀為波線槽形狀。
9.根據權利要求8所述的氣缸，其特征在于， 上述波線槽形狀的凹凸的深度為0.0lmm 0.03mm,線寬為0.08mm 0.18mm。
10.根據權利要求9所述的氣缸，其特征在于， 形成有上述凹凸的區域的整個面積中、上述凹凸純占面積的密度為8% 18%。
全文摘要
本發明涉及氣缸，該氣缸為了提高耐久性而在內壁形成微細凹凸。本發明的上述微細凹凸，增大活塞環與氣缸內壁之間的油膜壓力，在缺少機油的地方圓滑地供給機油，從而能夠減少活塞環與氣缸內壁之間的磨耗。
文檔編號F02F1/20GK103201487SQ201080069964
公開日2013年7月10日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者金圣基 申請人:斗山英維高株式會社