内燃機関ピストンリングの摩擦特性に関する研究

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往復動内燃機関のピストンおよびピストンリングとシリンダライナ間の摩擦損失は,機関全体の摩擦損失の40〜50%を占めており,その摩擦低減は省エネルギーの観点から極めて重要である.さらにピストンやピストンリングの摩擦は焼付きの発生や摩耗現象とも密接に関連するために,その摩擦特性の究明は重要な課題である.本研究では,シリンダ径105mm,ストローク120mmの予燃焼室式単気筒ディーゼル機関のシリンダライナ部を静圧軸受機構で支持し,またシリンダ内ガス圧が摩擦の測定に介入しない独特のガス圧平衡機構を用いた試験装置を試作して,機関の実働運転時におけるピストン回りの摩擦力を精度良く測定した.その結果,ピストン回りの摩擦は,行程中央部では粘性摩擦が主体の特性を示すが,死点近傍では境界接触の介入により摩擦力のピークが現れ,高い燃焼ガスの圧力が作用する膨張行程の初期に摩擦力のピークが最大となることがわかった.低粘度の潤滑油を使用すると行程中央部の摩擦力は減少し,サイクル平均の摩擦損失の低減に有効であるが,死点直後の摩擦力のピークは増大して潤滑状態が苛酷になること,ピストンリングの段数や幅寸法が減少するとサイクル平均の摩擦損失は低減するが,同時に油膜厚さも低下するため死点における潤滑状態は苛酷になることなどがわかった.死点における摩擦力のピークの増大を防ぐためには,潤滑油に適正な摩擦調整剤を添加することやピストンリング摺動面にセラミックスを被覆することなどが有効であることが明らかになった.