JP2008190639A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ内壁面とピストン周面との間に十分な油量を常時保持可能として、ピストンの摺動摩擦の低減維持、および摺動性能の向上を図る。
【解決手段】シリンダＳ中空部内で往復摺動するピストン１のスカート部３にエンジンオイルを保持するようにした凹部状のオイル溜め部５を、螺旋状条痕Ｒの一部を切除し、またその凹部底面を粗面にして形成する。オイル溜め部５は、開口大きさが１ｍｍから１０ｍｍ程度、深さが２μｍから３０μｍ程度、開口形状が円形、楕円形、三角形、四角形、多角形、台形、菱形、星形更には数字、文字、記号のいずれかによって形成する。また、オイル溜め部５は、開口大きさ、深さ、数量を調整することにより、ピストン１自体のサブグラムレベルでの重量均一性を可能とし、開口形状、配列パターンの調整で、製造履歴情報等を刻印状に記録してピストン１自体の個別化による識別を可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば４サイクル等の内燃エンジンにおいて、シリンダ中空部内で往復摺動する耐熱アルミニウム合金製のピストンに関する。

燃料の吸気・圧縮・燃焼・排気の４つの行程によって駆動する４サイクルの内燃エンジンは、燃料を燃焼させて得られたエネルギーでシリンダ内部のピストンを上下させ、それをコンロッドとクランクシャフトとによって回転運動に置き換える構成となっている。そのため、シリンダの上部に設けられた燃焼室である所謂シリンダヘッドに吸気バルブと排気バルブとが組み込まれている。

そして、ピストンは燃焼室内の爆発によって生じるガス圧力を受けて上死点と下死点との間を移動すると同時に、吸気行程では新しい空気を吸入し、排気行程では燃焼したガスを排気ポートに押し出す。このときピストンは常に高温の燃焼ガスや低温の空気にさらされており、耐熱性に優れていなければならない。しかも、往復運動による慣性力を低減するためには軽量であることも重要である。このため、従来における殆どのピストンは、軽量で且つ強度のある耐熱アルミニウム合金が使用されている。
特になし

従来における内燃エンジンでは、ピストンのシリンダ内壁面との摩擦抵抗を軽減するために潤滑油としてエンジンオイルを使用する。エンジンオイルはピストンに付着するものの、シリンダ内壁面とピストン周面との間の非常に小さなクリアランスにおいては、ピストンとシリンダーとの接触状態では十分な油量を常時保持しておくことができない。

また、ピストン周面とシリンダ内壁面との焼付防止、および両面同士の馴染みを良くするために、スカート部にコーティングやメッキ等の被膜処理を施すこともあるが、摩耗が激しいために時間が経つにつれてコーティングが摩耗し、摩擦抵抗が上昇してしまうという問題点を有していた。

そこで、本発明は叙上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、シリンダ中空部内でのピストンの往復摺動中において、シリンダ内壁面とピストン周面との間に十分な油量を常時保持しておくことができ、ピストンの摺動摩擦の低減維持、および摺動性能の向上を可能にしたピストンを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明にあっては、シリンダＳ中空部内で往復摺動するピストン１において、ピストン１のスカート部３にエンジンオイルを保持するよう凹部状のオイル溜め部５を形成して成り、オイル溜め部５はスカート部３に形成されている螺旋状条痕Ｒの一部を凹部状に切除し、この凹部底面を粗面にして形成することができる。
オイル溜め部５は、開口大きさが１ｍｍから１０ｍｍ程度、深さが２μｍから３０μｍ程度、形状が円形、楕円形、三角形、四角形、多角形、台形、菱形、星形、数字、文字、記号のいずれかによって形成されて成るものとできる。
オイル溜め部５は、開口大きさ、深さ、数量が調整して形成されているものとでき、また、開口形状、配列パターンが調整して形成されているものとできる。

以上のように構成された本発明に係るピストンにあって、ピストン１のスカート部３に形成されたオイル溜め部５は、スカート部３外周面とシリンダＳ内壁面との間でピストン１自体を摺動させるときのエンジンオイルを充分に保持させる。
オイル溜め部５は、スカート部３の螺旋状条痕Ｒの一部を凹部状に切除し、その凹部底面が粗面に形成されることで、表面積を増大させる結果、エンジンオイルの保持力を増大させ、スカート部３外周面とシリンダＳ内壁面との摺動を一層円滑にさせる。
また、開口大きさが１ｍｍから１０ｍｍ程度、深さが２μｍから３０μｍ程度、開口形状が円形、楕円形、三角形、四角形、多角形、台形、菱形、星形、数字、文字、記号のいずれかによって形成されて成るオイル溜め部５は、これの形成加工によって、加工時でスカート部３の「ス」等の内部状況の非破壊的観察、あるいはメッキ、コーティング等の被膜６の密着性の非破壊的観察を可能にさせる。
さらに、開口大きさ、深さ、数量が調整して形成されているオイル溜め部５は、ピストン１重量を調整可能にさせる。
そして、オイル溜め部５の開口形状、配列パターンが適宜に調整されて特定情報を意味する開口形状、配列パターンとなることで、例えばピストン製造履歴等の多数の情報を記録可能にさせる。

本発明によれば、シリンダＳ中空部内でのピストン１の往復摺動中において、シリンダＳ内壁面とピストン１周面との間に十分な油量を常時保持しておくことができ、ピストン１の摺動摩擦の低減維持、および摺動性能の向上を可能にする。

すなわち、これは本発明が、シリンダＳ中空部内で往復摺動するピストン１において、ピストン１のスカート部３にエンジンオイルを保持するよう凹部状のオイル溜め部５を形成して成るからである。これにより、エンジンオイルを保持させるピストン１の表面積を増大させ、スカート部３外周面とシリンダＳ内壁面との間にエンジンオイルを充分に保持でき、ピストン１の摺動性能を常時維持できると共に、低摩擦の向上に伴う省エネルギーの達成により環境に優しいものとなる多機能型のピストン１が得られる。

また、オイル溜め部５は、スカート部３の螺旋状条痕Ｒの一部を凹部状に切除し、その凹部底面を粗面にして形成してあることで、エンジンオイルを保持する表面積を大幅に増大させるから、エンジンオイルの保持力を一層向上させる。そして、条痕Ｒのみで保持するのに比し、極めて大きな保持力が得られ、スカート部３外周面とシリンダＳ内壁面との摺動を一層円滑にさせ、燃費の向上にも大きく寄与する。

さらに、ピストン１周面とシリンダＳ内壁面との焼付防止、および両面同士の馴染みを良くするために、スカート部３にコーティングやメッキ等の被膜６を施してあっても、従来では磨耗が激しくピストン１の耐用寿命に比較して被膜６の耐用寿命が短いという不都合があったのに対し、本発明に係るオイル溜め部５はピストン１に一体形成されるため、その不都合は解消される。

また、オイル溜め部５は、開口大きさが１ｍｍから１０ｍｍ程度、深さが２μｍから３０μｍ程度、開口形状が円形、楕円形、三角形、四角形、多角形、台形、菱形、星形、数字、文字、記号のいずれかによって形成されて成るので、ピストン１表面に対する形成加工時では、表面近傍におけるスカート部３の「ス」等の内部状況のいわば非破壊的観察、更にはメッキ、コーティング等の被膜６の密着度のいわば非破壊的観察が可能となる。すなわち、内部状況の非破壊観察とは、鋳造・鍛造等のダイカスト成形で作られるピストン１には、表面または表面に近い内部に「ス」が発生しやすい。このため、オイル溜め部５を切削、腐食処理等で形成することによりスカート部３の「ス」の存否等を容易に目視、検査、観察できる。また、被膜６の密着度の非破壊的観察とは、スカート部３にコーティング、メッキ等の被膜６を施す場合、その密着度の観察は破壊検査によることが多いが、オイル溜め部５の切削等の加工処理はピストン１にダメージを与えないレベルの破壊であるため、切削部位と表面被膜処理部位との境界線の現れ方を検査することで被膜６の密着度を容易に観察できる。

さらに、オイル溜め部５は、開口大きさ、深さ、数の調整による切削等の形成加工によって、ピストン１自体のサブグラムレベルでの重量統一を可能とし、ピストン１重量の均一化による複数のピストン１相互間のバランスの向上を達成できる。すなわち、通常、ピストン１は複数で使われ、１セット内の各ピストン１の重量はなるべく均一であることが望ましい。しかしながら、従来では、鋳造・鍛造等のダイカスト成形で作られるピストン１のサブグラムレベルでの重量統一に困難があったのに対し、本発明では製造・加工工程の最終段階でオイル溜め部５を形成する時にこのオイル溜め部５の開口大きさ、深さ、数量等を適宜調整することで容易にサブグラムレベルでの重量均一性が可能となる。

そして、オイル溜め部５は、オイル溜め部５自体の開口形状、配列パターンを適宜に調整できるから、製造履歴情報に対応した例えば視認可能な刻印状のものとして記録させることで、ピストン１自体の識別・個別化を可能とする。すなわち、スカート部３に形成されるオイル溜め部５の所定内容となる開口形状、配列パターン等の適宜な選定は、ピストン１の製造履歴等の多数の情報を記録させるものとでき、容易に製造出所等の個別化を図り、識別を可能とする。

尚、上記の課題を解決するための手段、発明の効果の項夫々において付記した符号は、図面中に記載した構成各部を示す部分との参照を容易にするために付したもので、図面中の符号によって示された構造・形状に本発明が限定されるものではない。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の一形態を説明する。図において示される符号１は、例えば４サイクル等の内燃エンジンに使用される耐熱アルミニウム合金製のピストンである。このピストン１は、図１に示すように、例えば４気筒用のシリンダＳの内壁面に複合メッキ被膜等を形成して成る中空部内で往復摺動させることでコンロッドＣを介してクランクシャフトＫを回転させて駆動力を得るものである。

ピストン１の具体的な構成は、図２に示すように、上面がシリンダＳ上部における中空部の爆発・燃焼室側に向けられた円板状のヘッド部２と、このヘッド部２の下側に一体延設された円筒状のスカート部３とから成る。ヘッド部２の外周には例えば３つのリング溝を形成してあり、各リング溝にはピストンリングとして圧縮用のトップリング４ａ、圧縮用のセカンドリング４ｂ、オイルリング４ｃそれぞれが取付けられる。また、スカート部３の表面にはコーティングやメッキ等の被膜６が施され、この被膜６にはスカート部３周面で螺旋状となる微細な条痕Ｒが施されている（図２（Ａ）参照）。

尚、圧縮用のトップリング４ａは、シリンダＳ内の排気ガスに最も接触しやすい位置に配置されているため、外周面すなわちシリンダＳ内壁面のメッキ被膜に接触する面に例えばＣｒＮ等の被膜処理を施してある。

そして、スカート部３の外周には左右対称位置に凹設された略矩形状の両凹陥部３ａの中央にピン孔３ｂを対状に設け、これら両ピン孔３ｂにピストンピンＰの両端が挿入固定される。このピストンピンＰ中央にはコンロッドＣの上端が回動可能に枢着されてスカート部３の下部開口側から下方に延びた状態とし、さらにコンロッドＣ下端はクランクシャフトＫに連繋されている。

また、ピストン１のスカート部３表面には、ピストン１自体のシリンダＳ内壁面に対する摺動摩擦を低減させるために、エンジンオイルを溜めておくように凹部状に窪ませたオイル溜め部５を、ピストン１のダイカスト成形後にサンドブラスト、切削、腐食処理その他の物理的処理、化学的処理の加工によって形成してある。このオイル溜め部５は、螺旋状条痕Ｒの一部を所定形状の開口部となるように切除し、切除することで僅かに窪ませるものとなり、その底部は微細な凹凸を呈する粗面になるように形成してある（図２（Ｂ）参照）。また、微細な凹凸の粗面とすることで、スカート部３の表面積を実質的に増加させるものとしている。

このオイル溜め部５の大きさ・形状は、ピストン１のサイズ如何を問わず特に制限はないが、例えば開口大きさが１ｍｍから１０ｍｍ程度の円形で、さらに好ましくは大きさが約２〜３ｍｍ程度の円形となるようにしてある。

また、オイル溜め部５の深さは、特に制限はないが、ピストン１自体の強度等に影響しない程度の深さレベルとし、例えば２μｍから３０μｍ程度の深さで、さらに好ましくは約５〜１０μｍ程度の深さとなるようにしてある。

これらのオイル溜め部５の開口大きさ、形状、深さ等は、エンジンオイルの粘度その他を考慮して、シリンダＳ内でピストン１が円滑に摺動するに十分な潤滑性が得られるようにされる。

尚、オイル溜め部５は、開口形状を円形とする他に例えば楕円形、三角形、四角形、多角形、台形、菱形、星形更には数字、文字、記号等の外郭形その他を呈するいずれかの形状によって形成されていても良い。また、ピストン１のダイカスト成形の際に、同時にオイル溜め部５が形成されるようにしても良い。

次に、以上のように構成された最良の形態についてのピストン１の製造の一例について説明する。ダイカスト成形によりピストン１が形成された後に、ピストン１のスカート部３表面にエンジンオイルを溜めておくための微細なオイル溜め部５を螺旋状条痕Ｒの一部を切除して凹部状に加工し、その底面を粗面に形成するように、サンドブラスト、切削、腐食処理その他の所定加工処理によって形成する。

このとき、このオイル溜め部５を、例えば開口大きさが１ｍｍから１０ｍｍ程度の円形で、さらに好ましくは開口大きさが約２〜３ｍｍ程度の円形とする。また、オイル溜め部５の深さは、例えば２μｍから３０μｍ程度の深さで、さらに好ましくは約５〜１０μｍ程度の深さとする。

また、複数のシリンダＳが組み合わせられるエンジン用としての１セット内の各ピストン１の重量をできるだけ均一となるようにするために、このオイル溜め部５の形成を利用して重量の均一化を行う。すなわち、ピストン１のダイカスト成形による製造・加工工程の最終段階で形成されるオイル溜め部５の開口大きさ、深さ、数量等を適宜調整することによりサブグラムレベルでの重量の均一性を図る。

さらに、このオイル溜め部５をサンドブラスト、切削その他等で形成することによって、その加工形成時では、ピストン１の内部状況のいわば非破壊観察、例えば鋳造・鍛造等のダイカスト成形でピストン１のスカート部３の表面または表面に近い内部に存在し得る「ス」の有無を検査、観察する。あるいは、スカート部３に施された被膜６の密着度のいわば非破壊的観察、例えばスカート部３にコーティング、メッキ等の被膜６を施す場合、その密着度を、形成部位と表面処理部位との境界線の現れ方等で検査する。

そして、スカート部３に形成されるオイル溜め部５の開口形状、配列パターン等を変更・調整することにより、製造履歴等の多数の情報をいわば刻印状に記録させ、製造出所等の個別化を図り、識別を可能にする。

尚、本発明の特徴は、スカート部３にオイル溜め部５を形成することであり、これの開口大きさ、形状、数量などはピストン１自体にダメージを与えないレベルならば、特に制限は無い。また、ピストン１には非常に多くの種類や大きさがあり、例えば大型船の内燃ピストン１等の直径１メートル近い巨大なものから、芝刈り機のピストン１等の直径数センチメートル程度の小さなものまで、オイル溜め部５を設けたピストン１として幅広く利用できる。

本発明を実施するための最良の形態における内燃エンジンのシリンダ中空部にピストンを組込んだ状態を示す一部の拡大図を含む切欠斜視図である。 同じく要部の拡大断面図で、その（Ａ）はオイル溜め部加工前、（Ｂ）はオイル溜め部加工後を示す。

符号の説明

Ｓ…シリンダ Ｃ…コンロッド
Ｋ…クランクシャフト Ｐ…ピストンピン
Ｒ…条痕
１…ピストン ２…ヘッド部
３…スカート部 ３ａ…凹陥部
３ｂ…ピン孔 ４ａ…圧縮用のトップリング
４ｂ…圧縮用のセカンドリング ４ｃ…オイルリング
５…オイル溜め部 ６…被膜

Claims (5)

1. シリンダ中空部内で往復摺動するピストンにおいて、ピストンのスカート部にエンジンオイルを保持するよう凹部状のオイル溜め部を形成して成ることを特徴とするピストン。
2. オイル溜め部は、スカート部に形成されている螺旋状条痕の一部を凹部状に切除し、この凹部底面を粗面にして形成してある請求項１記載のピストン。
3. オイル溜め部は、開口大きさが１ｍｍから１０ｍｍ程度、深さが２μｍから３０μｍ程度、形状が円形、楕円形、三角形、四角形、多角形、台形、菱形、星形、数字、文字、記号のいずれかによって形成されて成る請求項１記載のピストン。
4. オイル溜め部は、開口大きさ、深さ、数量が調整して形成されている請求項１または２記載のピストン。
5. オイル溜め部は、開口形状、配列パターンが調整して形成されている請求項１乃至３のいずれか記載のピストン。

Images