JP2004360597A - エンジンのピストン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンのスカート部にスカッフ防止のための条痕を形成したものにおいて、スカート部表面と気筒内壁面との摺動抵抗を低減させ、燃費向上を図る。
【解決手段】エンジン１に設けられるピストン２のスカート部１４表面に螺旋状となるよう条痕１５を形成する。この条痕１５は、隣り合う条痕１５同士との間隔、つまりピッチＰを１００μｍから５００μｍの範囲に設定するとともに、隣り合う条痕１５との頂部１７からの条痕１５の最大深さＤは、１μｍ以上に設定する。更に、該ピストンの往復動方向に対して垂直な方向から見て、隣り合う該条痕の頂部から条痕の深さ方向の距離が、０．８μｍとなるそれぞれの条痕の表面同士における往復動方向の長さをＬとした場合、ピッチ（Ｐ）に対するＬの比（Ｌ／Ｐ）を、１０％以上に設定する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの気筒内に往復動可能に配置されるピストンに関し、特にピストンのスカート部に形成される条痕の技術に属すものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エンジンのシリンダーブロックの気筒内には、ピストンが配置されており、このピストン外形のクランク軸側にはスカート部が形成されている。また、気筒内壁面とスカート部表面（外周面）との間はオイル（エンジンオイル）によって湿潤に保たれており、これにより、ピストンは気筒内をスムーズに往復動可能となる。
このようなピストンのスカート部に対して、例えば下記の特許文献１は、条痕を加工形成したものを開示する。条痕とは、スカート部の外周面において周方向に亘って、例えば、螺旋状に施されるＵ字状若しくはＶ字状の溝であり、この溝の深さは、数μｍから数十μｍぐらいで、ピストンの往復動方向に対して垂直な方向から見た場合における隣り合う溝同士の間隔、つまりピッチは、略数十μｍから数百μｍ程度である。
【０００３】
【特許文献１】
特公平５−３５２６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、こうした条痕は、ピストンが高速で往復動する際において、スカート部表面やスカート部表面と接触する気筒内壁面に発生するスカッフ（焼き付き）を防止する効果を備えるが、一方で、条痕により、スカート部表面と気筒内壁面との間における摺動抵抗が増大して燃費が悪化するといった問題がある。
つまり、スカッフは、気筒内壁面と密接に摺動するピストンのスカート部に条痕を形成することにより、条痕に溜まった比較的多量のオイルによって、気筒内壁面とピストンのスカート部表面との間を極めて湿潤に保つことで、スカッフが防止される。これに対し、摺動抵抗の増大は、スカート部表面の隣り合う条痕の頂部と気筒内壁面との間に存在するオイルが条痕内に流れ、この頂部と気筒内壁面との間のオイル油膜の圧力が低下し、この部分における摺動抵抗が大きくなると考えられており、スカート部表面に条痕がないときは、摺動抵抗は減少傾向にある。
このように、スカッフの防止と摺動抵抗低減との観点から、条痕の形状は最適に設定する必要があるが、従来において、これらの観点から条痕の形状を最適化したものはなく、比較的重大な欠陥であるスカッフに対する対策を優先する余り、摺動抵抗が増大して燃費が悪化するといった問題があった。
【０００５】
本発明は、以上のような課題に勘案してなされたもので、その目的は、ピストンのスカート部の表面に条痕を形成したものにおいて、条痕を最適な形状に規定することにより、スカート部表面と気筒内壁面との間におけるスカッフを防止しつつ、この間の摺動抵抗を低減し、燃費向上を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の請求項１記載の発明においては、エンジンの気筒内に配置されるピストンのスカート部分の表面に、上記スカート部の表面と上記気筒の内壁面との間におけるスカッフが抑制されるように、周方向に亘って溝状の条痕を形成するとともに、該ピストンの往復動方向中心軸を通る該ピストン断面において、隣り合う該条痕を、略一定のピッチ（Ｐ）で形成したエンジンのピストン構造において、該ピストンの往復動方向中心軸を通る該ピストン断面において、隣り合う該条痕の頂部から条痕の深さ方向の距離が、０．８μｍとなるそれぞれの該条痕の表面同士における往復動方向の長さをＬとした場合、ピッチ（Ｐ）に対するＬの比（Ｌ／Ｐ）を、１０％以上に設定したことを特徴としている。
このような構成により、スカッフの抑制を図る条痕において、隣り合う条痕同士のピッチをＰとし、該ピストンの往復動方向中心軸を通る該ピストンの断面において、隣り合う該条痕の頂部から条痕の深さ方向の距離が０．８μｍとなるそれぞれの条痕の表面同士における往復動方向の長さをＬとした場合、上記ピッチ（Ｐ）に対するＬの比（Ｌ／Ｐ）を１０％以上とすることで、摺動抵抗の低減が図れる。
この摺動抵抗を低減可能な理由は明らかではないが、条痕の頂部から条痕の深さ方向までの距離が０．８μｍまでの範囲内に存在するオイルが、主にピストンの往復動による動的圧力を発生させており、この動的圧力がピストンのスカート部に形成された条痕の頂部と気筒内壁面との間のオイル油膜圧力を増大させると考えられる。このオイル油膜圧力が増大すると、摺動抵抗が低減する傾向にある。
そして、ピッチ（Ｐ）に対する、上記条痕の頂部からの深さが０．８μｍ以内となる該条痕の一部における往復動方向の長さ（Ｌ）の比（Ｌ／Ｐ）を、１０％以下に設定することで、条痕内で、条痕の頂部からの深さが０．８μｍ以内のオイルによる動的圧力が、条痕の頂部と気筒内壁面との間のオイル油膜圧力を適宜な圧力に保ち、適切なオイル油膜を形成することにより、スカート部表面と気筒内壁面との間のスカッフを防止しつつ、摺動抵抗を低減できると考えられる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１において、上記条痕のピッチ（Ｐ）に対するＬの比（Ｌ／Ｐ）を、１５％以上に設定することを特徴としている。
このような構成により、スカッフ防止のために形成した条痕による摺動抵抗を、更に低減できる。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１あるいは請求項２において、上記条痕のピッチ（Ｐ）が１００μｍから５００μｍの場合において、条痕の上記頂部からの該条痕の最大深さ（Ｄ）が、１μｍ以上とすることを特徴としている。
このような構成により、条痕に保持されるオイル量を、スカート部表面と気筒内壁面との間に発生するスカッフを抑制可能とする適切な量に設定することができ、確実にスカッフ防止を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（全体構成）
図１に示すように、本発明にかかるガソリンエンジン１の円筒形状のピストン２は、エンジン１のシリンダーブロック３に形成された気筒（シリンダ）４内に配置される。また、シリンダーブロック３の上部には、シリンダーヘッド５が固定されており、シリンダーヘッド５の下面で気筒４に対応する位置は、ペントルーフ形状の面６が形成されて、気筒内壁面４ａとペントルーフ形状の面６とピストン２の頂部とにより、燃焼室７が形成されている。
またピストン２の下方側（ピストン２に対し燃焼室７がある方向とは反対側）は、コンロッド８が連結されており、このコンロッド８はエキセントリックなシャフトであるクランクシャフト（図示せず）に連結される。
シリンダーブロック３の気筒４は、シリンダーライナー９をシリンダーブロック３に鋳込むことで形成されており、シリンダーライナー９の外周側には、シリンダーブロック３を冷却するための冷却水通路１０が形成されている。
【００１２】
また、シリンダーヘッド５には、吸気ポート１１と排気ポート１２とが形成されており、ぞれぞれは、図示しない吸気弁及び排気弁により燃焼室７と連通可能となる。
尚、シリンダーブロック３、シリンダーヘッド５及びシリンダーライナー９はいずれもアルミニウム製であるが、この内シリンダーライナー９だけ鋳鉄製であっても良いし、すべてが鋳鉄製であっても良い。
【００１３】
ピストン２の上部には、その周方向に亘って上方から順に２本のピストンリング溝１１、１２とオイルリング溝１３とが形成され、これに夫々、ピストンリング１１ａ、１２ａと、オイルリング１３ａとが嵌挿されている。
また、オイルリング溝１３より下方側の外周部であり、ピストン２の往復動方向中心軸に対して垂直な方向から見て略樽状となるスカート部１４には、周方向に条痕１５が加工形成されている。尚、スカート部は略樽状でなく、釣鐘状でも構わない。
【００１４】
図２は、スカート部１４に対して条痕１５を加工形成する際の概略を示す図である。但し、紙面横方向がピストン２の往復動方向（エンジン１の上下方向）であり、紙面の下側がピストン２の往復動方向中心軸（つまり、ピストン２を往復動方向から見た時のピストン２の中心点を通り、往復動方向に沿った軸）側となる。
図２に示すように、ピストン２のスカート部１４に対し、条痕加工用の刃１６の刃先を当接させるとともに、ピストン２を、往復動方向を軸として回転させ、刃１６を、一定の速度で往復動方向（図２の白抜き矢印方向）に移動させることで、スカート部１４表面に条痕１５を加工成形する。このような加工方法により、スカート部１４には、Ｕ字状の溝が周方向に亘って螺旋状に形成される。また、この時、条痕１５の最大深さＤ（図３参照）が一定となるように、樽状となるスカート部１４の表面の軌跡に対する刃の位置（つまり、ピストン２の往復動方向中心軸からの距離）を調整することにより、スカート部１４を横方向から見て、樽状で且つすべての条痕１５の最大深さＤを略一定にできる。また、同時に、刃１６の往復動方向の速度を調整することで、すべての隣り合う条痕１５の間隔、つまりピッチＰ（図３参照）も略一定にすることが可能である。
【００１５】
条痕１５は、スカート部１４の表面と気筒内壁面４ａとの間のスカッフ防止を目的として形成されるが、このためには一般に、条痕１５のピッチＰを１００μｍから５００μｍの範囲内にするとともに、条痕１５の最大深さＤを１μｍ以上にすれば良いとされる。条痕１５の形状を、このような条件に適合させることで、条痕１５により保持されるオイル量が、スカッフを防止可能な量となり、スカッフ防止が図れるものと考えられる。
より好ましくは、条痕のピッチＰが１００μｍから２００μｍの範囲内であれば、条痕１５の最大深さＤは２μｍ以上が好ましく、条痕のピッチＰが２００μｍから５００μｍの範囲内であれば、条痕１５の最大深さＤは１μｍ以上３０μｍ以下（好ましくは、２０μｍ以下）とすることが好ましい。
【００１６】
尚、条痕１５のピッチＰを、１００μｍより小さくすると、スカート部表面において螺旋状に形成される条痕１５を加工する際の条痕１５全体の長さが極めて長くなるため、条痕１５成形のための加工処理時間が長くなり、生産性が悪化し、条痕１５のピッチＰを、５００μｍより大きくすると、必然的に条痕の幅も広くなり、先の細い条痕加工用の刃１６による単位時間当たりの切削量が増大し、このような刃１６の加工負荷の増大により生産性が悪化する。また、条痕１５の最大深さＤを３０μｍ以上にしてもスカッフ防止効果の増大は望めず、加工上の観点から生産性が悪化する。
【００１７】
このようにしてスカート部１４表面に条痕１５を加工成形したピストン２を、シリンダーブロック３の気筒４内に挿入させることでエンジン１を製造する。
【００１８】
また、本実施形態では、１本の条痕１５がスカート部１５の外周に螺旋状となるよう形成したが、１本の条痕１５をスカート部１４外周に沿って円を描くように形成し、このような条痕１５をスカート部１４表面に対し往復動方向に亘って複数本配置するとともに、これら複数本の条痕１５の間隔が所定のピッチ毎となるよう形成しても良い。
【００１９】
図３（ａ）及び（ｂ）は、スカート部１４の表面と気筒内壁面４ａとの間隙を、ピストン２の往復動方向中心軸を通る断面として示した拡大図である。但し、紙面横方向がピストン２の往復動方向（エンジン１の上下方向）であり、紙面の下側がピストン２の往復動方向中心軸側となる。
図３（ａ）は、条痕１５の加工時に刃１６の往復動方向の移動速度を低速にした場合に形成される条痕１５と気筒内壁面４ａとの間隙の拡大図である。この場合、条痕１５はＵ字状で、且つ凹状となるが、隣の条痕１５とを仕切る頂部１７は頂状となる。
【００２０】
図３（ａ）において、隣り合う条痕１５との間隔、つまり、ピッチＰは、隣り合う頂部１７同士の間隔であり、また、条痕１５の深さＤは、頂部１７からピストン２の往復動方向中心軸側における条痕１５の面までの距離となる。ＬＤは、頂部１７からピストン２の往復動方向中心軸側に０．８μｍ離間した線であり、この線ＬＤ上を含んで、線ＬＤからピストン２の外周側における条痕１５の往復動方向の距離をＬとする。つまり、Ｌは、隣り合う条痕１５において、線ＬＤと交わるそれぞれの条痕１５の表面上の点同士における往復動方向の距離である。図３（ａ）の本実施形態においては、ピッチＰに対するＬの比（Ｌ／Ｐ）を、１０％以上、より好ましくは１５％以上とする。これにより、ピストン２のスカート部と気筒内壁面４ａ（つまり、シリンダーライナー９の内壁面）との間に発生するスカッフを防止しつつ、この間の摺動抵抗を低減して燃費を向上できる。
【００２１】
また、図３（ｂ）は、条痕１５の加工時に刃１６の往復動方向の移動速度を高速にした場合に形成される条痕１５と気筒内壁面４ａとの間隙の拡大図である。この場合も、条痕１５はＵ字状で且つ凹状となるが、隣りの条痕１５との間の頂部１７は、ピストン３の往復動方向に対し平行で、気筒内壁面４ａと近接に対面する面が形成される。
図３（ｂ）において、隣り合う条痕１５とのピッチＰは、頂部１７の一方端と隣り合う頂部１７の一方端との間隔であり、また、条痕１５の深さＤは、頂部１７からピストン２の内方側における条痕１５の面までの距離となる。ＬＤは、頂部１７からピストン２の内方側に０．８μｍ離間した線で、この線ＬＤ上を含んで、線ＬＤからピストン２の外周側における条痕１５の往復動方向の距離をＬとする。つまり、Ｌは、隣り合う条痕１５において、線ＬＤと交わるそれぞれの条痕１５の表面上の点同士における往復動方向の距離である。
図３（ｂ）の本実施形態においても、上述の図３（ａ）と同様に、ピッチＰに対するＬの比（Ｌ／Ｐ）が、１０％以上、より好ましくは１５％以上とすることで、ピストン２のスカート部と気筒内壁面４ａとの間に発生するスカッフを防止しつつ、この間の摺動抵抗を低減して燃費を向上できる。
【００２２】
このように、Ｌ／Ｐを規定することで、スカッフを防止しつつ摺動抵抗を低減できる理由は、明らかではないが、以下のように考えられる。
スカート部１４の表面と気筒内壁面４ａとの間は、オイル（エンジンオイル）により湿潤が保持されているが、その内、条痕１５の頂部１７からピストン３の内方側、つまり条痕１５の深さ方向に、０．８μｍの位置までに存在するオイルが、主にピストン３の往復動による動的圧力を発生させる。この動的圧力が大きい場合、スカート部１４の条痕１５の頂部１７と気筒内壁面４ａとの間に発生するオイル油膜圧力も増大される。このオイル油膜圧力は、スカート部１４表面と気筒内壁面４ａとを離間させる方向に作用するものであるため、オイル油膜圧力の増大により、適切な厚さのオイル油膜が生成され、スカート部１４の表面と気筒内壁面４ａとの間における摺動抵抗の低減が可能となるものと考えられる。
仮にＬ／Ｐが１０％未満の場合、スカート部１４の条痕１５の頂部１７における面積、つまり、スカート部１４表面の内、気筒内壁面４ａと比較的接近する頂部１７の面積が小さくなるため、ピストン３の往復動により発生される動的圧力が大きくて単位面積当たりのオイルの油膜圧力を増大できたとしても、面積が少ない分だけ、全体的な油膜圧力が低減し、適切な厚さのオイル油膜を生成することができずに、摺動抵抗が増大するものと考えられる。
【００２３】
尚、条痕におけるＬ／Ｐの上限は、条痕のピッチＰに応じて異なる。これは、上述したスカッフの防止可能な条痕形状の規定から求まるもので、ピッチＰが１００μｍから２００μｍ以下の場合、Ｌ／Ｐは３０％以下（好ましくは、２０％以下）、ピッチＰが２００μｍから２５０μｍ以下の場合、Ｌ／Ｐは４０％以下（好ましくは３０％以下）、ピッチＰが２５０μｍから３００μｍ以下の場合、Ｌ／Ｐは５０％以下（好ましくは４０％以下）、ピッチＰが３００μｍから３５０μｍ以下の場合、Ｌ／Ｐは６０％以下（好ましくは５０％以下）、ピッチＰが３５０μｍから４００μｍ以下の場合、Ｌ／Ｐは７０％以下（好ましくは６０％以下）、ピッチＰが４００μｍから４５０μｍ以下の場合、Ｌ／Ｐは９０％以下（好ましくは８０％以下）、ピッチＰが４５０μｍから５００μｍ以下の場合、Ｌ／Ｐは１００％以下で、この条件では条痕の深さが０．８μｍ以下でも条痕さえあればスカッフが防止できることになる。
【００２４】
次に、Ｌ／Ｐと機械損失平均有効圧との関係について実験結果について説明する。
図４は、ＬＤを０．８μｍとした時におけるＬ／Ｐと機械損失平均有効圧との関係についての実験結果を示す。
先ずは、サンプルとしてそれぞれの条痕１５のピッチＰと深さＤとが調整された異なる条痕１５形状を持つ１２個のピストンが準備され、各ピストンについて機械損失平均有効圧力を測定した。因みに、条痕１５の加工の際に使用する刃１６としては、図２に示すように刃先の断面が略半円形のものを使用しており、このため条痕１５の形状も刃先の先端形状と等しくなるため、条痕１５の形状を略半円状の一部軌跡であるとして、ピッチＰと深さＤから、幾何学的にＬ／Ｐを求めている。
図４の横軸にＬ／Ｐが示され、縦軸には、機械損失平均有効圧が示されているが、機械平均有効圧とは、ピストン２の外周面と気筒内壁面４ａとの間の摺動抵抗を示しており、機械平均有効圧が大きい程、摺動抵抗も大きくなる。
【００２５】
また、図４において、黒丸（●）で示されるプロットは、図３（ａ）に示すように頂部１７が頂状となるタイプの条痕が施されたピストン２であり、白抜き三角（△）で示されるプロットは、図３（ｂ）に示すように頂部１７が面となるタイプの条痕が施されたピストン２である。
図４に示すように、Ｌ／Ｐが１０％未満の場合では、機械損失平均有効圧が大きく、Ｌ／Ｐが増大するにつれ、機械損失平均有効圧が急激に減少する。そして、Ｌ／Ｐが１０％以上では、機械損失平均有効圧が減少し、摺動抵抗を低減できる。
更に、Ｌ／Ｐを１５％以上とすると、スカート部１５に条痕を形成させず鏡面状態にした場合とほぼ同等な位まで機械損失平均有効圧を減少させて、摺動抵抗を大幅に低減でき、Ｌ／Ｐを２０以上とすると、機械損失平均有効圧を略最低値まで減少でき、これにより摺動抵抗も最低レベルにすることが可能となる。
【００２６】
また、図４の実験の際に使用したいくつかのサンプルのデータから、ＬＤの定義を変更して、Ｌ／Ｐと機械損失平均有効圧との関係について求めた結果を図５、図６に示す。具体的には、図５（ａ）、５図（ｂ）は、ＬＤをそれぞれ０．４μｍ、０．６μｍとした時におけるＬ／Ｐと機械損失平均有効圧との関係を示し、図６（ａ）、図６（ｂ）は、ＬＤをそれぞれ１．０μｍ、１．２μｍとしたときにおけるＬ／Ｐとの機械損失平均有効圧との関係を示す。
【００２７】
これによれば、図５、図６の（ａ）、（ｂ）いずれのグラフも、図４のグラフに対して不規則的な傾向を示しており、本発明において、ＬＤとして、条痕１５の頂部から条痕１５の深さ方向に０．８μｍ離間した位置を規定することにより、より確実に摺動抵抗の低減を可能とする条痕形状を規定することができる。
【００２８】
（他の実施形態）
以上の実施形態においては、条痕１５の溝の形状を、スカート部１４表面においてピストン２の往復動方向断面から見て、Ｕ字状としたが、本発明は、これような形状に限定されるものではなく、図７の（ａ）（ｂ）に示すように断面がＶ字状で、同様に頂状や平面状の頂部１７を有する条痕１５にも適応可能である。また、本実施形態では、ガソリンを燃料とする火花点火式エンジンについて適用したが、軽油を燃料とする高圧縮比を有するディーゼルエンジンのピストンにおいても適用可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る発明においては、ピストンのスカート部の表面にスカッフ防止用の条痕を形成したものにおいて、ピストンの往復動方向中心軸を通るピストン断面において、隣り合う条痕を略一定にピッチ（Ｐ）で形成するとともに、隣り合う条痕において、条痕の頂部から条痕の深さ方向の距離が０．８μｍとなるそれぞれの条痕の表面同士における往復動方向の長さをＬとし、Ｐに対するＬの比（Ｌ／Ｐ）を１０％以上に設定することにより、スカート部表面と気筒内壁面との間におけるスカッフを防止しつつ、この間の摺動抵抗を低減して燃費を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジン１の全体構成図。
【図２】条痕１５の加工方法を説明する概略図。
【図３】条痕１５のＬとＰとの定義を説明する概略図。
【図４】Ｌ／Ｐと機械損失平均有効圧との関係を示すグラフ。
【図５】Ｌ／Ｐと機械損失平均有効圧との関係を示すグラフ。
【図６】Ｌ／Ｐと機械損失平均有効圧との関係を示すグラフ。
【図７】他の実施形態における条痕１５の形状を示す断面図。
【符号の説明】
１：エンジン
２：ピストン
４：気筒（シリンダ）
４ａ：気筒内壁面
１４：スカート部
１５：条痕
１７：頂部

Claims (3)

1. エンジンの気筒内に配置されるピストンのスカート部分の表面に、上記スカート部の表面と上記気筒の内壁面との間におけるスカッフが抑制されるように、周方向に亘って溝状の条痕を形成するとともに、該ピストンの往復動方向中心軸を通る該ピストン断面において、隣り合う該条痕を、略一定のピッチ（Ｐ）で形成したエンジンのピストン構造において、
   該ピストンの往復動方向中心軸を通る該ピストン断面において、隣り合う該条痕の頂部から条痕の深さ方向の距離が、０．８μｍとなるそれぞれの該条痕の表面同士における往復動方向の長さをＬとした場合、ピッチ（Ｐ）に対するＬの比（Ｌ／Ｐ）を、１０％以上に設定したことを特徴とするエンジンのピストン構造。
2. 上記条痕のピッチ（Ｐ）に対するＬの比（Ｌ／Ｐ）を、１５％以上に設定することを特徴とする請求項１記載のエンジンのピストン構造。
3. 上記条痕のピッチ（Ｐ）が１００μｍから５００μｍの場合において、条痕の上記頂部からの該条痕の最大深さ（Ｄ）が、１μｍ以上とすることを特徴とする請求項１、あるいは請求項２記載のエンジンのピストン構造。

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