JP2009030521A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】スカートの摺動面周端部にある潤滑油を摺動面中央部に導くことが可能なピストンを提供する。
【解決手段】ピストン２０において、スカート４０の摺動面４４には、固体潤滑性を有する固体潤滑樹脂層５５と、撥油性を有する撥油性樹脂層５０のうち、いずれかが面している。摺動面４４には、摺動面周端部４８から摺動面中央部４６に向けて、摺動面中心線Ｅに対して傾斜を付けて延びており、摺動面周端部４８からの潤滑油を摺動面中央部４６に導くことが可能な案内溝６０が形成されている。撥油性樹脂層５０は、案内溝６０の溝底６２となっている。固体潤滑樹脂層５５が、シリンダ壁１５とスカート４０Ｂの摺動面４４との間で生じる摺動抵抗を低減すると共に、案内溝６０の溝底６２である撥油性樹脂層５０が摺動面周端部４８に付着しているオイルを、摺動面中央部４６に導くことで、摺動面４４における油膜厚さを均一化することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関に用いられるピストンに関し、詳細には、スカートの摺動面に、コート材の層が形成されているピストンに関する。

内燃機関に用いられるピストンには、通常、シリンダボア内におけるピストンの首振り挙動を抑制するために、ピストンスカート（以下、単に「スカート」）と記す）が設けられている。スカートがシリンダボアの内壁面（以下、シリンダ壁と記す）に摺接し、撓み変形することで、ピストンの首振り挙動を抑制しつつ、ピストンとシリンダ壁との摩擦が増大することを抑制している。

スカートは、ピストンとシリンダ壁との摩擦を低減するため、適度に撓み変形することが求められており、通常、薄い壁体で構成されている。スカートの摺動面のうちピストン周方向の端部（以下、摺動面周端部と記す）を補強するために、ピストンには、一般的に、摺動面周端部とピストンピンボスとを接続する壁体である接続壁が設けられている。これら、接続壁、スカート及びピストンピンボスは、ピストンの頂部から延設されており、筒状をなしている。なお、スカートの端であり、頂部から最も離れている部位を、以下、スカートの「裾」と記す。また、摺動面周端部に対して、スカートの摺動面のうちピストン周方向の中央部を、「摺動面中央部」と記す。

このようなピストンにおいては、スカートとシリンダ壁との摺動抵抗を低減するために、スカートの外周面である摺動面には、樹脂等のコート材の層を形成することが知られており、さらに、摺動面においてコート材の層が形成されない溝状の部分を形成することで、この部分に潤滑油を導くことが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１に記載のピストンでは、シリンダ壁との摺動面に、樹脂製のコート材の層が形成されている。さらに、特許文献１のピストンでは、樹脂コート材の層が形成されない部分（非コート部）が、摺動面周端部の裾側からスカートの周方向の中央部の頂部側に向けて、溝状に延びている。このような溝状の非コート部を設けることで、シリンダ壁に付着している油を、ピストン往復運動中に非コート部内に導き、これを摺動面に供給している。

また、特許文献２に記載のピストンでは、スカートの摺動面（外周面）に、二硫化モリブデン等を含む固体潤滑材の層（被膜）が存在する部分である凸状部分と、固体潤滑材の層（被膜）が存在しない部分である凹状部分が交互に設けられている。凹状部分に潤滑油を保持し、これを凸状部分に供給することで、スカート摺動面の耐磨耗性を向上させると共に摺動抵抗を低減している。

実開平４−８８７５０号公報 特開２００５−３２０９３４号公報

ところで、内燃機関用のピストンは、内燃機関の作動時に受ける熱により変形する。この熱変形を考慮して、ピストンのスカートは、冷間時において、ピストンピンボスのピン穴が延びる方向（以下、ピストンピン軸心方向と記す）に短軸を有し、且つスラスト力および反スラスト力が作用する方向（以下、スラスト方向と記す）に長軸を有する楕円形状に沿って形成されている。このように冷間時に楕円形状をなしているピストンは、内燃機関に複数形成されたシリンダボアの間から熱を受けてピストンピン軸心方向に膨張することで、真円形状に近づくことが可能となっている。

また、このようなピストンのスカートは、摺動面のうち頂部側が、スカート裾側に比べてピストン中心軸側よりに位置するよう構成されている。内燃機関の作動時に頂部から受ける熱により、スカート外周面のうち頂部側がピストン径方向外側に変形することで、スカート外周面がシリンダ壁から受ける面圧を均一なものとすることが可能となっている。

このように構成されたピストンを有する内燃機関を、低回転速度や低負荷で作動させた場合、摺動面の周端部（以下、摺動面周端部と記す）のうち特に頂部側において、摺動面周端部とシリンダ壁との隙間間隔（以下、クリアランスと記す）が、スカート外周面の他の部位に比べて大きくなると共に、油膜の厚さが厚くなる。このように油膜の厚さが他の部位に比べて大きい部位があると、オイルのせん断抵抗が大きくなる、すなわちシリンダ壁との摺動抵抗が大きくなるという問題が生じる。また、スカート外周面とシリンダ壁とのクリアランスが大きいことで、スカート外周面がシリンダ壁に当接するときに生じる打音（スラップ音）が大きくなるという問題も生じる。

また、内燃機関を高回転速度や高負荷で作動させた場合、ピストンのスラスト方向への熱膨張により、摺動面中央部とシリンダ壁とのクリアランスが、スカート外周面の他の部位に比べて小さくなり、油膜の厚さが薄くなる。このため、摺動面中央部に磨耗や焼き付きが生じる虞が生じる。

したがって、内燃機関用のピストンにおいては、スカート外周面のうち摺動面周端部にある潤滑油を摺動面中央部に導くことで、スカート外周面における油膜の厚さを、極力均一にすることが可能な技術が要望されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スカートの摺動面周端部にある潤滑油を摺動面中央部に導くことが可能なピストンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るピストンは、内燃機関に用いられるピストンであって、スカートの摺動面には、撥油性を有する撥油性樹脂層が設けられており、撥油性樹脂層は、摺動面のピストン周方向の中央である摺動面中心線に対して傾斜して延びていることを特徴とする。

本発明に係るピストンにおいて、摺動面には、固体潤滑性を有する固体潤滑樹脂層と、撥油性樹脂層とのいずれかが面しており、撥油性樹脂層は、固体潤滑樹脂層に比べて撥油性の高いものであるものとすることができる。

本発明に係るピストンにおいて、撥油性樹脂層は、摺動面のピストン周方向の端部である周端部から摺動面中心線に向かうに従ってスカート裾側に位置するよう、延びているものとすることができる。

本発明に係るピストンにおいて、摺動面には、摺動面周端部から摺動面中央部に向けて、摺動面中心線に対して傾斜を付けて延びており、摺動面周端部からの潤滑油を摺動面中央部に導くことが可能な案内溝が形成されており、案内溝の溝底には、撥油性樹脂層が摺動面として露出しているものとすることができる。

本発明に係るピストンにおいて、案内溝は、摺動面中心線に対して傾斜して延びる複数の傾斜部と、摺動面中心線に沿って延びており、各傾斜部の摺動面中心線側の端同士を接続する接続部と、を有するものとすることができる。

本発明に係るピストンにおいて、撥油性樹脂層は、傾斜部のうち最も頂部側にある端は、オイルリング溝の形状を規定する壁面に接しているものとすることができる。

本発明に係るピストンにおいて、摺動面は、ピストンを主に構成する基材の上に、複数の樹脂層が重ねて設けられて構成されており、撥油性樹脂層は、基材の直上に設けられており、固体潤滑樹脂層は、案内溝の形状をなす貫通孔が形成されており、撥油性樹脂層の直上に固体潤滑樹脂層が設けられて、案内溝の溝底に撥油性樹脂層が露出しているものとすることができる。

本発明によれば、摺動面周端部に多く付着しているオイルを、摺動面に露出している撥油性樹脂層により摺動面中央部に導くことができ、スカートの摺動面における油膜厚さを、なるべく均一なものとすることができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

まず、本実施例に係るピストンの構成について、図１を用いて説明する。図１は、内燃機関におけるピストン周辺の構成を示す断面図である。なお、図１には、本発明に関連する要部のみを模式的に示している。

図１に示すように、内燃機関１０は、機関本体を構成する部品として、シリンダブロック１２、ピストン２０、コネクティングロッド１６（以下、単に「コンロッド」と記し、図に二点鎖線で示す）、及び図示しないクランク軸、シリンダヘッド等を有している。シリンダブロック１２には、シリンダボア１４が形成されており、ピストン２０は、後述するピストンリングをシリンダボア１４の内壁面１５（以下、シリンダ壁と記す）に摺接させながら、シリンダボア１４内を往復運動する。ピストン２０は、ピストンピン１８によりコンロッド１６に対して首振り可能に接続されている。内燃機関１０は、ピストン２０が受けた機械的動力をクランク軸の回転運動に変換して出力することができる。

シリンダブロック１２には、ピストン２０の頂面２２に対向してシリンダボア１４を塞ぐようにシリンダヘッド（図示せず）が結合されている。シリンダブロック１２には、ピストン２０の頂面２２の裏側の面２６（以下、天井面と記す）に対向して、クランク軸を収容するクランクケース（図示せず）が形成されている。

ピストン２０は、その中心軸（図に一点鎖線Ｃで示す）が、シリンダボア１４の軸心に一致するようにシリンダボア１４内に挿入されている。なお、以下の説明において、シリンダボア１４の軸心、すなわちピストン２０の中心軸Ｃに沿う方向を、「ピストン軸方向」と記す。また、シリンダボア１４の径方向すなわちピストン２０の径方向を、単に「ピストン径方向」と記して、図に矢印Ｒで示す。

また、ピストン軸方向のうちピストン２０がシリンダヘッド側に向かう向きを「ヘッド側」と記し、図に矢印Ｕで示す。また、ピストン軸方向のうちピストン２０がクランクケースに向かう向きを「クランク側」と記し、図に矢印Ｄで示す。

ピストン２０の頂部３０の外周面３０ａには、シリンダ壁１５と摺接するためのピストンリングとして、コンプレッションリング７２，７４，及びオイルリング７６が装着されている。なお、ピストン２０の「頂部」３０とは、頂面２２を含むピストン軸方向のヘッド側の部分であり、いわゆるピストンクラウンである。

ピストン２０の頂部３０の外周面３０ａには、トップリング７２、セカンドリング７４、及びオイルリング７６が装着可能に、トップリング溝３２、セカンドリング溝３４、及びオイルリング溝３６が形成されている。

オイルリング溝は、頂部の外周面３０ａに形成された複数のリング溝３２，３４，３６のうち最もクランク側すなわちスカート裾４０ｅ側に形成されている。オイルリング溝３６は、頂部３０の外周面３０ａの全周に亘って形成されている。

オイルリング溝３６に装着されるオイルリング７６は、シリンダ壁１５と摺接して、シリンダ壁１５に付着している余分な潤滑油（以下、単に「オイル」と記す）を掻き落とす機能を有している。オイルリング７６がシリンダ壁１５から掻き落としたオイルの一部は、オイルリング溝３６内に取り込まれる。

また、ピストン２０には、ピストンピン１８を回転可能に保持するピストンピンボス（以下、単に「ピンボス」と記す）が設けられている。ピンボス９０には、ピストンピン１８が挿し込まれるピストンピン穴９２（以下、単に「ピン穴」と記す）が形成されている。ピンボス９０は、ピストン２０の頂部３０の天井面２６からクランク側に延設されている。

また、ピンボス９０は、ピストン周方向Ｇには、後述する接続壁と接続されている。ピストン２０が頂面２２から受けた力は、ピンボス９０のピン穴９２からピストンピン１８（図に二点鎖線で示す）を介してコンロッド１６に伝達される。なお、ピンボス９０に形成されたピン穴９２の軸心方向を、以下の説明において、「ピストンピン軸心方向」と記して、図に矢印Ｐで示す。これに対し、ピストンピン軸心方向Ｐ及びピストン中心軸Ｃに直交しており、ピストンとシリンダ壁との間でスラスト力及び反スラスト力が作用する方向を、「スラスト方向」と記して、図に矢印Ｔで示す。

また、ピストン２０の頂部３０よりクランク側には、シリンダボア１４内におけるピストン２０の首振り挙動を抑制するため、スカート４０が設けられている。スカート４０は、ピストン２０の頂部３０からピストン軸方向をクランク側に延設されている。なお、スカート４０のうちピストン軸方向で最もクランク側にある部位を、以下にスカート４０の「裾」と記して符号４０ｅで示す。

また、スカート４０のうち、頂部３０の外周面３０ａと略同一の曲率で湾曲しており、ピストン２０がシリンダボア１４内に設けられてシリンダ壁１５と対向する外周面を、以下に「摺動面」と記して符号４４で示す。スカート４０の摺動面４４のうち少なくとも一部がシリンダ壁１５と摺接することで、ピストンの首振り挙動が抑制される。摺動面４４の詳細については、後述する。

次に、本実施例に係るピストンの冷間時におけるスカートの形状について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、ピストンの冷間時におけるスカートの形状を示す図である。図３は、ピストンの冷間時におけるスカートの断面形状を示す図である。なお、図２において、スカートは破線で示されており、ピンボス等については表示を省略している。また、シリンダボア１４の周方向すなわちピストン２０の中心軸Ｃを中心とする周方向を「ピストン周方向」と記し、図に矢印Ｇで示す。

図２に示すように、内燃機関１０のシリンダブロック１２には、複数のシリンダボア１４が、クランク軸が延びる方向、すなわちピストンピン軸心方向Ｐに、列をなして設けられており、各シリンダボア１４のシリンダ壁１５内には、ピストン２０が配設されている。内燃機関１０の作動時において、シリンダブロック１２は、隣り合うシリンダボア１４の間にある部位１７が、他の部位に比べて高温となる。このため、ピストン２０は、ピストン中心軸Ｃに対してピストンピン軸心方向Ｐにある部位２４が、シリンダボア１４間の部位１７からの熱を受けて、ピストンピン軸心方向Ｐに熱変形することとなる。

このため、スカート４０は、ピストン２０の冷間時において、ピストンピン軸心方向に短軸を有し、スラスト方向Ｔに長軸を有する略楕円形状に沿って形成されている。このような楕円形状に沿って形成されているスカート４０は、シリンダボア１４間にある部位１７からの熱を受けてピストンピン軸心方向Ｐに膨張して変形することで、真円形状に近づくこととなる。

また、ピストン２０は、シリンダボア１４内で燃焼する燃焼ガスの熱を、頂部３０から受ける。頂部３０から受けた熱は、頂部３０からスカート４０の裾４０ｅに向けて伝導される。このため、スカート４０のうち頂部３０側の部位が、スカート裾４０ｅ側の部位に比べて高温となり、図に二点鎖線Ｈで示すように、スラスト方向Ｔに熱変形し易いものとなっている。

このため、図３に示すように、スカート４０は、ピストン２０の冷間時において、摺動面４４のうち頂部３０側の部位が、スカート裾４０ｅ側の部位に比べてピストン中心軸Ｃ側に位置するよう、構成されている。すなわち、スカート４０の摺動面４４とシリンダ壁１５との隙間間隔（クリアランス）は、摺動面４４のうちスカート裾４０ｅ側に比べて、頂部３０側の部位が大きくなるよう設定されている。このような形状に設定されているスカート４０は、頂部３０からの熱を受けて、摺動面４４のうち頂部３０側の部位がスラスト方向Ｔに変形する（変形後の形状を図３に二点鎖線で示す）ことで、摺動面４４がシリンダ壁１５に沿った形状に近づくこととなる。

このようにスカート４０が構成されたピストン２０は、内燃機関１０の作動状態に応じて熱変形して、シリンダ壁１５との隙間間隔が変化して、摺動面４４に付着する油膜の厚さが変化する。以下、内燃機関の各作動状態におけるスカートの摺動面における油膜厚さの分布について、図４及び図５を用いて説明する。図４は、内燃機関が低回転速度又は低負荷で作動している場合の、スカートの摺動面における油膜厚さ分布を示す図である。図５は、内燃機関が高回転速度又は高負荷で作動している場合の、スカートの摺動面のおける油膜厚さ分布を示す図である。

なお、スカートの摺動面４４のうちピストン周方向Ｇの中央を示す線を、以下の説明において「摺動面中心線」と記し、図に一点鎖線Ｅで示す。摺動面中心線Ｅは、スカートの摺動面４４上を通る線であり、且つ、図１に示すピストン中心軸Ｃと略平行な線となっている。

また、スカートの摺動面４４のうち、ピストン周方向Ｇの中央部を、以下に「摺動面中央部」と記し、符号４６で示す。摺動面中央部４６は、スカートの摺動面４４のうち、摺動面中心線Ｅを含む領域となっている。これに対して、スカートの摺動面４４のうち、ピストン周方向Ｇの端部を、以下に「摺動面周端部」と記し、符号４８で示す。

内燃機関１０が低回転速度又は低負荷で作動している場合、図４に示すように、スカート４０の摺動面中央部４６、特に、スカート裾４０ｅ側の部位が、摺動面４４のうち最もシリンダ壁１５（図２参照）との隙間間隔が小さく、油膜の厚さが最適な領域（図に、「中」で示す）となっている。摺動面中心線Ｅからピストン周方向Ｇを摺動面周端部４８に向けて離れるに従って、シリンダ壁１５との隙間間隔すなわち油膜厚さは、大きくなっている。摺動面周端部４８には、図に「大」で示すように、油膜厚さが他の部位に比べて過剰に厚い領域が存在している。

このような油膜厚さが過剰に大きい領域では、オイルのせん断力が大きいため、スカート４０の摺動面４４とシリンダ壁１５との摺動抵抗（フリクション）が大きくなる。また、この領域においては、摺動面４４とシリンダ壁１５との隙間間隔が大きくなるため、摺動面４４がシリンダ壁１５に当接して生じる打音（スラップ音）が大きくなるという問題が生じる。

一方、内燃機関１０が高回転速度又は高負荷で作動している場合、図５に示すように、スカート４０の摺動面周端部４８が、摺動面４４のうち最もシリンダ壁１５との隙間間隔が大きく、油膜厚さが最適な領域となっている（図に「中」で示す）。摺動面周端部４８からピストン周方向Ｇを摺動面中心線Ｅに向けて近づくに従って、油膜厚さは薄くなっている。摺動面中央部４６には、図に「小」で示すように、油膜厚さが他の部位に比べて過剰に薄い領域が存在している。

このような油膜厚さが過剰に薄い領域では、摺動面４４とシリンダ壁１５がオイルを介さずに接触する虞がある。スカート４０の摺動面４４とシリンダ壁１５が、直に接触するとシリンダ壁１５や摺動面４４に磨耗や焼き付きが生じる虞がある。

したがって、ピストン２０のスカート４０には、内燃機関１０の各作動状態において、油膜が比較的厚い摺動面周端部４８から、油膜が比較的薄い摺動面中央部４６に、オイルを導くことで、摺動面４４における油膜の厚さを均一にすることが可能な技術が要望されている。

そこで、本発明に係るピストンにおいて、摺動面には、撥油性を有する樹脂を含む撥油性樹脂層が設けられており、撥油性樹脂層は、摺動面のピストン周方向の中央である摺動面中心線に対して傾斜して延びている。以下に、図６及び図７を用いて説明する。図６は、ピストンのスカートを摺動面側から見た図である。図７は、ピストンの基材４１上に形成された樹脂コート材の層の断面図である。図８は、変形例１に係るピストンのスカートをピストン周方向に展開して摺動面側から見た図である。図９は、変形例２に係るピストンのスカートをピストン周方向に展開して摺動面側から見た図である。図１０は、変形例３に係るピストンのスカートをピストン周方向に展開して摺動面側から見た図である。なお、図７は、図６のＡ−Ａ線による断面図となっている。

図６及び図７に示すように、ピストン２０は、主に、アルミ合金等の金属製の基材４１で構成されている。スカート４０の外周面であり、シリンダ壁１５と摺接する面である摺動面４４には、オイルを保持すると共に摺動抵抗を低減するため、基材４１のピストン径方向Ｒ外側（以下、単に「基材上」と記す）に、樹脂コーティングが施されている。つまり、スカート４０は、基材４１上に樹脂製のコート材の層（以下、樹脂コート層）が複数形成されて、摺動面４４を構成している。

スカート４０の基材４１上には、樹脂コート層として、シリンダ壁１５との摺動抵抗を低減するための固体潤滑樹脂層５５と、撥油性を有してオイルを移動させる撥油性樹脂層５０が形成されている。これにより、スカート４０の摺動面４４には、固体潤滑樹脂層５５と、撥油性樹脂層５０のいずれかが面している。

摺動面４４には、図６に示すように、摺動面中心線Ｅに対して線対称に、帯状の撥油性樹脂層５０が複数箇所、面している。撥油性樹脂層５０は、所定の幅を有する帯状をなしており、直線状に延びている。摺動面４４は、摺動面周端部４８から摺動面中心線Ｅに向かうに従って摺動面４４の頂部３０側からスカート裾４０ｅ側に位置するよう、摺動面中心線Ｅに対して所定の角度（例えば、４５度）で傾斜して延びている。

固体潤滑樹脂層５５は、例えば、潤滑材としての二硫化モリブデンと、結合材としてのポリアミドイミド樹脂の混合物で構成される。固体潤滑樹脂層５５は、自己潤滑性を有する固体潤滑材である二硫化モリブデンを含むことで、高い潤滑性を有している。なお、固体潤滑材には、二硫化モリブデン以外にも、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を用いることができる。固体潤滑樹脂層５５は、撥油性樹脂層５０に比べて高い潤滑性を有するように、その組成が設定されている。

一方、撥油性樹脂層５０は、例えば、撥油性を有する部材としてのフッ素樹脂と、結合材としてのポリアミドイミド樹脂の混合物で構成される。フッ素樹脂を含むことで、撥油性樹脂層５０は、高い撥油性を有している。なお、フッ素樹脂には、ＰＴＦＥ等の様々なフッ素樹脂を用いることができる。撥油性樹脂層５０は、前述の固体潤滑樹脂層５５に比べて、高い撥油性（油を弾く能力）を有するように、その組成が設定されている。

これら樹脂コート層である固体潤滑樹脂層５５と撥油性樹脂層５０は、図７に示すように、スカート４０の基材４１上に重ねられて設けられて、基材４１上に２重の層をなしている。スカート４０の基材４１の直上には、全面に亘って、撥油性樹脂層５０が形成されている。さらに、撥油性樹脂層５０の直上には、固体潤滑樹脂層５５が形成されている。固体潤滑樹脂層５５には、後述する案内溝６０の形状をなす貫通孔５８が複数形成されており、撥油性樹脂層５０の上に、貫通孔５８が形成された固体潤滑樹脂層５５を重ねることで、摺動面４４において貫通孔５８から撥油性樹脂層５０が帯状に露出することとなる。

このようにしてスカート４０の摺動面４４には、固体潤滑樹脂層５５の貫通孔５８により側壁６４の形状が規定されて、ピストン中心軸Ｃ側（図２参照）に窪んで、摺動面周端部４８からのオイルを摺動面中央部４６に導くことが可能な案内溝６０が形成されている。案内溝６０の溝底６２には、撥油性樹脂層５０が露出しており、摺動面４４の一部を構成している。案内溝６０の側壁６４は、固体潤滑樹脂層５５で構成されている。図６に示すように、溝底６２に撥油性油脂層５０を有する案内溝６０は、摺動面周端部４８から摺動面中心線Ｅに向かうに従って摺動面４４の頂部３０側からスカート裾４０ｅ側に位置するよう、摺動面中心線Ｅに対して傾斜して延びている。

このように構成されたピストン２０は、シリンダボア１４内を往復運動しているとき、摺動面周端部４８が、摺動面中央部４６に比べて油膜が厚いものとなっている。加えて、シリンダ壁１５に付着しているオイルをピストン２０リングが掻き落としているため、摺動面周端部４８のうち頂部３０側の部位４８ａにオイルが多く付着している。このオイルは、オイルの自重や、シリンダ壁１５とオイルリングの間をヘッド側からクランク側に吹き抜けるブローダウンガスにより、摺動面周端部４８において、案内溝６０内に流入する。

摺動面周端部４８において、案内溝６０内に流入したオイルは、溝底６２を摺動面中央部４６に向けて流れる。溝底６２は、撥油性樹脂層５０で構成されているため、案内溝６０内において、オイルは、溝底６２に粘着することなく、良好に摺動面中央部４６に流れることができる。案内溝６０のうち、摺動面中心線Ｅ側の端６８に流れ着いたオイルは、ここから摺動面中央部４６にある固体潤滑樹脂層５５の上に供給される。このようにして、案内溝６０の溝底６２に面する撥油性樹脂層５０は、スカート４０の摺動面周端部４８にあるオイルを、摺動面中央部４６に導くことができる。これにより、スカート４０の摺動面４４における油膜厚さをより均一化することが可能となる。

以上に説明したように本実施例に係るピストン２０では、スカート４０の摺動面４４には、摺動面中心線Ｅに対して傾斜している撥油性樹脂層５０が設けられるものとした。内燃機関１０の作動時において、摺動面周端部４８に多く付着しているオイルを、摺動面４４に露出している撥油性樹脂層５０により摺動面中央部４６に導くことができ、スカート４０の摺動面４４における油膜厚さを、より均一なものとすることができる。

また、本実施例に係るピストン２０では、摺動面４４には、固体潤滑性を有する固体潤滑樹脂層５５と、撥油性を有する撥油性樹脂層５０のいずれかが面しており、撥油性樹脂層５０は、固体潤滑樹脂層５５に比べて、撥油性の高いものとなっている。潤滑性に優れた固体潤滑樹脂層５５が、シリンダ壁１５とスカート４０の摺動面４４との間で生じる摺動抵抗を低減すると共に、撥油性樹脂層５０が摺動面周端部４８に付着しているオイルを摺動面中央部４６に導くことで、摺動面４４における油膜厚さを均一化することができる。

また、本実施例に係るピストン２０では、撥油性樹脂層５０は、摺動面周端部４８から摺動面中心線Ｅに向かうに従って、スカート裾４０ｅ側に位置するようの延びているものとしたので、摺動面周端部４８にあるオイルを、オイルの自重やブローダウンガスを利用して、撥油性樹脂層５０に沿って摺動面中央部４６に向けて流すことができる。

また、本実施例に係るピストン２０では、摺動面４４には、摺動面周端部４８から摺動面中央部４６に向けて、摺動面中心線Ｅに対して傾斜を付けて延びている案内溝６０が形成されており、案内溝６０の溝底６２には、撥油性樹脂層５０が露出しているものとしたので、摺動面周端部４８にあるオイルを溝内に取り込み、撥油性樹脂層５０の溝底６２を、摺動面中央部４６に向けて流すことができる。溝底６２が撥油性樹脂層５０で構成されているため、溝底６２にオイルが付着することなく、摺動面周端部４８からのオイルを摺動面中央部４６に導くことができる。

なお、本実施例に係るピストン２０において、摺動面中心線Ｅを中心として線対称に、両側にそれぞれ３つの、撥油性樹脂層５０を溝底６２とする案内溝６０を設けるものとしたが、案内溝６０及び撥油性樹脂層５０の態様は、これに限定されるものではない。

例えば、図８に示す変形例のように、スカート４０の摺動面４４のうち頂部３０側には、摺動面周端部４８から摺動面中心線Ｅに向かうに従ってスカート裾４０ｅ側に位置するよう摺動面中心線Ｅに対して傾斜して延びており、かつ、他の案内溝６０に比べて短く構成された、案内溝６０Ｂを設け、その溝底６２に撥油性樹脂層５０を有するものとしても良い。案内溝６０Ｂを設けることで、摺動面中央部４６のうち頂部３０側の部位４６ａにもオイルを導くことができる。

また、図９に示す変形例のように、スカート４０の摺動面４４のうち、摺動面中心線Ｅに対してピストン周方向の一方側と他方側で、溝底６２に撥油性樹脂層５０を有する案内溝６０の摺動面中央部４６側の端が、摺動面中心線Ｅに沿う方向において交互に配設されるものとしても良い。このように案内溝６０すなわち撥油性樹脂層５０の摺動面中央部４６側の端を配設することで、摺動面中心線Ｅに沿う方向において均一に、摺動面中央部４６にオイルを供給することができる。

また、図１０に示す変形例のように、溝底６２に撥油性樹脂層５０を有する案内溝６０が、摺動面中心線Ｅまで延びているものとしても良い。このように、溝底６２に撥油性樹脂層５０を有する案内溝６０の摺動面中央部４６側の端を、摺動面中心線Ｅに沿って設定することで、摺動面周端部４８からのオイルを、摺動面中央部４６のうち摺動面中心線Ｅが通る部位まで確実に導くことができる。

本実施例に係るピストンの構成について、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、ピストンのスカートを摺動面側から見た図である。図１２は、オイルリング溝と案内溝との配置関係を示す図である。本実施例に係るピストンは、スカートの摺動面中央部において、案内溝の摺動面中心線Ｅ側の端を接続する接続溝が設けられている点で、実施例１と異なり、以下に詳細を説明する。なお、実施例１と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例に係るピストン２０Ｂにおいて、図１１に示すように、スカート４０Ｂの摺動面４４には、摺動面中心線Ｅに対して線対称に、２つの案内溝７０が形成されている。案内溝６０は、摺動面周端部４８から摺動面中心線Ｅに向かうに従って摺動面４４Ｂの頂部３０側からスカート裾４０ｅ側に位置するよう、摺動面中心線Ｅに対して傾斜して延びている傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）と、複数ある傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）の摺動面中心線Ｅ側の端同士を接続している接続部７２とを有している。

加えて、複数ある傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）のうち、最もピストン頂部３０側にある傾斜部６０Ｅの摺動面周端部４８側、すなわちピストン頂部３０側の端６０ｅは、オイルリング溝３６まで達している。詳細には、図１２に示すように、案内溝６０の傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）の溝底６２が、オイルリング溝３６のスカート裾４０ｅ側の側壁３６ａに連続しており、傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）の溝底６２には、撥油性樹脂層５０が面している。つまり、撥油性樹脂層５０は、案内溝７０の傾斜部６０Ｅに沿って、オイルリング溝３６にまで達している。

このように構成されたピストン２０Ｂは、クランク側に移動（下降）して、オイルリング７６がシリンダ壁１５に付着している余分なオイルを掻き落とすと、オイルの一部は、オイルリング溝３６内に取り込まれる。オイルリング溝３６よりもクランク側にある、傾斜部６０Ｅのピストン頂部３０側（摺動面周端部４８側）の端６０ｅに流入する。これにより、オイルリングがシリンダ壁１５から掻き落とすオイルを積極的に案内溝７０に供給することができる。

案内溝７０の傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）は、ピストン頂部３０側の端６０ｅ、すなわち摺動面４４Ｂ部側の端６０ｅから流入したオイルを摺動面中心線Ｅ側に流し、接続部７２に流入させる。接続部７２は、各傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）から摺動面中心軸Ｅ側に流れてきたオイルを合流させて、摺動面中心線Ｅに沿って、スカート裾４０ｅ側に流す。

このように、オイルリングが掻き落とし、摺動面周端部４８のうち頂部３０側にあるオイルを、傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）により摺動面中央部４６の頂部３０側に導くと共に、摺動面中央部４６の頂部３０側に導かれたオイルを、接続部７２により、速やかに摺動面中央部４６に流して、スカート裾４０ｅ側の部位に向けて導くことができる。これにより、内燃機関１０が高回転速度・高負荷領域で作動している状態において、油膜厚さが最も薄くなる摺動面中央部４６に、速やかに潤滑油を供給することができる。

以上に説明したように本実施例に係るピストン２０Ｂでは、摺動面中心線Ｅに対して傾斜して延びる複数の傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）と、摺動面中心線Ｅに沿って延びて、各傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）の摺動面中心線Ｅ側の端同士を接続する接続部７２とを有しており、接続部７２は、各傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）からのオイルを合流させるものとした。これにより、摺動面周端部４８にあるオイルを傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）により摺動面中央部４６に導くと共に、摺動面中央部４６に導かれたオイルを、スカート裾４０ｅ側に速やかに導くことができる。

また、本実施例に係るピストン２０Ｂでは、案内溝６０の傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）のうち最もピストン頂部３０側にある端６０ｅは、オイルリング溝３６に連通しているものとしたので、オイルリングが掻き落として、オイルリング溝３６内に取り込まれたオイルを、ピストン頂部３０側の端６０ｅから案内溝７０の傾斜部（６０Ｅ，６０Ｆ）に流入させることができる。

なお、上述した各実施例において、ピストン（２０；２０Ｂ）を主に構成する基材４１の直上には、撥油性樹脂層５０が設けられており、固体潤滑樹脂層５５は、案内溝（６０；７０）の形状をなす貫通孔が形成されており、撥油性樹脂層５０の直上に固体潤滑樹脂層５５が設けられて、案内溝（６０；７０）の溝底６２に撥油性樹脂層５０が露出しているものとしたが、溝底に撥油性樹脂層を有する案内溝の態様は、これに限定されるものではない。

例えば、図１３に示すように、基材４１の直上に、溝の幅に比べて幅広い撥油性樹脂層５０を設けて、さらに、基材４１と撥油性樹脂層５０の端部とを覆うように固体潤滑樹脂層５５を設けるものとしても良い。このように撥油性樹脂層５０と固体潤滑樹脂層５５を形成することで、撥油性樹脂層５０が基材４１から剥がれてしまうことをより確実に防止することができる。

また、図１４に示すように、基材４１の直上に、撥油性樹脂層５０と、固体潤滑樹脂層５５とを、並列に設けるものとしても良い。撥油性樹脂層５０の使用量を最小限にして、溝底６２に撥油性樹脂層５０を有する案内溝（６０；７０）を実現することができる。

また、上述した各実施例において、摺動面（４４；４４Ｂ）には、撥油性樹脂層５０を溝底６２とする案内溝（６０；７０）を設けるものとしたが、摺動面（４４；４４Ｂ）における撥油性樹脂層５０と固体潤滑樹脂層５５の配置関係は、これに限定されるものではない。摺動面周端部４８からのオイルを摺動面中央部４６に導くことができれば良く、例えば、図１５に示すように、案内溝（６０；７０）を設けることなく、摺動面（４４；４４Ｂ）において、撥油性樹脂層５０の表面５０ａと固体潤滑樹脂層５５の表面５５ａが連続しているものとしても良い。このように構成した場合、シリンダ壁１５と摺動面（４４；４４Ｂ）の撥油性樹脂層５０の表面５０ａとの間の隙間で以って、摺動面周端部４８からのオイルを摺動面中央部４６に導くことができる。

また、上述した各実施例において、撥油性樹脂層５０は、摺動面周端部４８から摺動面中心線Ｅに向かうに従って、スカート裾４０ｅ側に位置するよう、延びているものとしたが、撥油性樹脂層５０が、摺動面中心線Ｅに対して傾斜する角度は、これに限定されるものではない。例えば、摺動面周端部４８から摺動面中心線Ｅに向かうに従って、ピストン頂部３０側に位置するよう、延びているものとしても良い。このように撥油性樹脂層５０が延びる角度を設定することで、ピストン（２０；２０Ｂ）がクランク側への移動している時に、シリンダ壁１５と、ピストン（２０；２０Ｂ）の摺動面（４４；４４Ｂ）との速度差からオイルに生じるせん断力を利用して、摺動面周端部４８にあるオイルを摺動面中央部４６に導くことができる。

以上のように、本発明は、内燃機関用のピストンに有用であり、特に、自動車に原動機として搭載される内燃機関に適している。

実施例１に係る内燃機関におけるピストン周辺の構成を示す断面図である。 実施例１に係るピストンの冷間時におけるスカートの形状を示す図である。 実施例１に係るピストンの冷間時におけるスカートの断面形状を示す図である。 内燃機関が低回転速度又は低負荷で作動している場合の、スカートの摺動面における油膜厚さ分布を示す図である。 内燃機関が高回転速度又は高負荷で作動している場合の、スカートの摺動面における油膜厚さ分布を示す図である。 実施例１に係るピストンのスカートを摺動面側から見た図である。 実施例１に係るピストンの基材上に形成された樹脂コート層の断面図である。 実施例１の変形例に係るピストンのスカートを摺動面側から見た展開図である。 実施例１の変形例に係るピストンのスカートを摺動面側から見た展開図である。 実施例１の変形例に係るピストンのスカートを摺動面側から見た展開図である。 実施例２に係るピストンのスカートを摺動面側から見た図である。 実施例２に係るピストンにおけるオイルリング溝と案内溝との配置関係を示す図である。 他の態様に係るピストンの基材上に形成された樹脂コート層の断面図である。 他の態様に係るピストンの基材上に形成された樹脂コート層の断面図である。 他の態様に係るピストンの基材上に形成された樹脂コート層の断面図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ シリンダブロック
１５ シリンダ壁
２０，２０Ｂ， ピストン
３０ 頂部（ピストン頂部）
３６ オイルリング溝
４０ スカート
４１ 基材
４４，４４Ｂ 摺動面（外周面）
４６ 摺動面中央部
４８ 摺動面周端部
５０ 撥油性樹脂層
５５ 固体潤滑樹脂層
６０，６０Ｂ 案内溝
６０Ｅ，６０Ｆ 案内溝の傾斜部
６２ 案内溝の溝底
６４ 案内溝の側壁
７０ 案内溝
７２ 案内溝の接続部

Claims (7)

1. 内燃機関に用いられるピストンであって、
   スカートの摺動面には、撥油性を有する撥油性樹脂層が設けられており、
   撥油性樹脂層は、摺動面のピストン周方向の中央である摺動面中心線に対して傾斜して延びていることを特徴とするピストン。
2. 請求項１に記載のピストンにおいて、
   摺動面には、固体潤滑性を有する固体潤滑樹脂層と、撥油性樹脂層とのいずれかが面しており、
   撥油性樹脂層は、固体潤滑樹脂層に比べて撥油性の高いものであることを特徴とするピストン。
3. 請求項１又は２に記載のピストンにおいて、
   撥油性樹脂層は、摺動面のピストン周方向の端部である周端部から摺動面中心線に向かうに従ってスカート裾側に位置するよう、延びていることを特徴とするピストン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストンにおいて、
   摺動面には、摺動面周端部から摺動面中央部に向けて、摺動面中心線に対して傾斜を付けて延びており、摺動面周端部からの潤滑油を摺動面中央部に導くことが可能な案内溝が形成されており、
   案内溝の溝底には、撥油性樹脂層が摺動面として露出していることを特徴とするピストン。
5. 請求項４に記載のピストンにおいて、
   案内溝は、
   摺動面中心線に対して傾斜して延びる複数の傾斜部と、
   摺動面中心線に沿って延びており、各傾斜部の摺動面中心線側の端同士を接続する接続部と、
   を有することを特徴とするピストン。
6. 請求項５に記載のピストンにおいて、
   撥油性樹脂層は、傾斜部のうち最も頂部側にある端は、オイルリング溝の形状を規定する壁面に接していることを特徴とするピストン。
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載のピストンにおいて、
   摺動面は、ピストンを主に構成する基材の上に、複数の樹脂層が重ねて設けられて構成されており、
   撥油性樹脂層は、基材の直上に設けられており、
   固体潤滑樹脂層は、案内溝の形状をなす貫通孔が形成されており、
   撥油性樹脂層の直上に固体潤滑樹脂層が設けられて、案内溝の溝底に撥油性樹脂層が露出していることを特徴とするピストン。

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