JP2009114926A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】スカート部のシリンダ内壁に対する摩擦抵抗を，より一層効果的に低減し得る内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】ピストンＰの往復運動時，シリンダ内壁Ｃａに押圧されるスカート部３のスラスト面３ａに，ピストンＰの運動方向に向かって開口する入口１３ａを有するオイルポケット１３を画成する門形のオイルガイド壁１１を多数形成し，スカート部３及びシリンダ内壁Ｃａ間に介在するオイルがピストンＰの運動に伴ない前記オイルポケット１３に導入されることでスラスト面３ａ及びシリンダ内壁Ｃａ間に動圧流体軸受が構成されるようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は，スカート部の，シリンダ内壁に対する摩擦抵抗の低減を図り，機関の出力及び低燃費性の向上に寄与する内燃機関用ピストンの改良に関する。

内燃機関用ピストンにおいて，スカート部の，シリンダ内壁に対する摩擦抵抗の低減を図るべく，スカート部のスラスト面に無数の微細条痕を形成し，それらにオイルを保持させることが従来広く知られている（例えば特許文献１，２参照）。
特開２００３−１３７９９号公報 特開２００５−２８８９号公報

本発明は，スカート部のスラスト面にオイルを保持するだけでなく，ピストン運動を利用して上記オイルによりスラスト面に動圧流体軸受を構成するようにし，スカート部のシリンダ内壁に対する摩擦抵抗を，より一層効果的に低減し得る内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明は，ピストンの往復運動時，シリンダ内壁に押圧されるスカート部のスラスト面に，ピストンの運動方向に向かって開口する入口を有するオイルポケットを画成する門形のオイルガイド壁を多数形成し，スカート部及びシリンダ内壁間に介在するオイルがピストンの運動に伴ない前記オイルポケットに導入されることでスラスト面及びシリンダ内壁間に動圧流体軸受が構成されるようにしたことを第１の特徴とする。

また本発明は，第１の特徴に加えて，ピストンの膨張行程時にシリンダ内壁に押圧されるスカート部の第１スラスト面と，ピストンの圧縮行程時にシリンダ内壁に押圧されるスカート部の第２スラスト面とに，前記オイルガイド壁を，それぞれのオイルポケットの入口を相互に逆向きにして形成したことを第２の特徴とする。

さらに本発明は，第１又は第２の特徴に加えて，前記オイルポケットの，スカート部の周方向に沿う横幅を，前記入口から奥に向かって狭めたことを第３の特徴とする。

さらにまた本発明は，第１〜第３の特徴の何れかに加えて，前記オイルポケットには，前記第１スラスト面又は第２スラスト面より高い底面を形成したことを第４の特徴とする。

さらにまた本発明は，第４の特徴に加えて，前記オイルガイド壁及びオイルポケット底面を，前記スラスト面に印刷される耐摩耗性コーティング層で構成したことを第５の特徴とする。

尚，本発明のピストンにおいて，上方とはヘッド部の頂面側を，下方とはヘッド部の頂面と反対側を指すもので，天地の方向を指すものではない。

本発明の第１の特徴によれば，ピストンの往復運動時，スカート部の，多数のオイルガイド壁を備えるスラスト面がシリンダ内壁に対して摺動すると，各オイルガイド壁により画成されるオイルポケットが，その入口を移動方向に向けているので，各オイルガイド壁は，移動しながらスカート部及びシリンダ内壁に介在する潤滑オイルを掻き集めて，それぞれのオイルポケットの入口から奥に押し込み，これによりオイルポケット内に充分なオイル量を確保することができ，したがってスラスト面にスラスト荷重が作用したとき，そのオイルに対する圧搾効果（スキューズアクション）により油膜圧力を発生させ，スラスト面及びシリンダ内壁間に動圧流体軸受を構成する。そして上記スラスト面は，この動圧流体軸受を介してシリンダ内壁に支承されつゝ移動することになるから，スラスト面及びシリンダ内壁間の摩擦抵抗を効果的に低減させ，その摩擦抵抗による動力損失を減少させ，機関出力及び低燃費性の向上をもたらすことができる。

本発明の第２の特徴によれば，ピストンの膨張行程時には，スカート部の第１スラスト面を動圧流体軸受を介してシリンダ内壁に支承させ，また圧縮行程時には，スカート部の第２スラスト面を動圧流体軸受を介してシリンダ内壁に支承させることができ，ピストンとシリンダ内壁との間の摩擦抵抗をより効果的に低減させ，機関出力及び低燃費性の向上を大いに図ることができる。

本発明の第３の特徴によれば，オイルポケットの，スカート部の周方向に沿う横幅を入口から奥に向かって狭めたので，スカート部及びシリンダ内壁間のオイルは，ピストンの運動に伴ないオイルポケットの入口から奥へ移動するにつれて，オイルポケットの中心部側に寄せ集められ，オイルポケット内の圧力を効果的に上昇させることができ，これにより前記動圧流体軸受の強度を効果的に高めることができる。

本発明の第４の特徴によれば，オイルポケットの底面を第１スラスト面又は第２スラスト面より高く形成したことで，ピストンの運動に伴ない，スカート部及びシリンダ内壁に介在する潤滑オイルがオイルポケットを通過するとき，スラスト面より高いオイルポケットの底面と，この底面より高いオイルガイド壁とにより順次段階的に絞られ，この楔効果（ウエッジアクション）によって，より高い油膜圧力を発生させ，前記動圧流体軸受の強度を更に効果的に高めることができる。

本発明の第５の特徴によれば，オイルガイド壁及びオイルポケット底面は，スラスト面に耐摩耗性コーティング層を印刷することで形成されるので，その形成が簡単であるのみならず，上記耐摩耗性コーティング層の大きさ及び厚みを管理することで，オイルガイド壁及びオイルポケット底面の高さ等，オイルポケットの各部の寸法を正確且つ容易に得ることができ，このオイルポケットよりなる動圧流体軸受の性能の安定化を容易に図ることができる。

本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて以下に説明する。

図１は本発明の第１実施例に係る内燃機関用ピストンの縦断正面図，図２は図１の２矢視図，図３は図１の３矢視図，図４は図２の４−４線拡大断面図，図５は図２の拡大部に対応する参考例図である。

先ず，本発明の第１実施例より説明する。図１において，内燃機関のシリンダＣ内を往復運動するピストンＰは，シリンダＣ上部の燃焼室に頂面を臨ませるヘッド部１と，このヘッド部１の下面に一体に連設される前後一対のピンボス部２と，ヘッド部１の下端周縁部に一体に連設される円筒状のスカート部３とよりなっており，ヘッド部１の外周面には，ピストンリング４を装着する複数条のリング溝５が設けられ，一対のピンボス部２のピン孔２ａには，コンロッドＲの小径端部を支持するピストンピン７が装着される。このピストンＰは，アルミニューム合金製である。

このピストンＰにおいて，スカート部３は，シリンダ内壁Ｃａに摺動自在に嵌合して，ピストンＰ全体の往復運動姿勢を適正に保持するものであって，特にピストンＰの膨張行程及び圧縮行程では，傾斜するコンロッドＲのからの反力によりシリンダ内壁Ｃａに強く押圧される。こゝで，ピストンＰの膨張行程でシリンダ内壁Ｃａに押圧されるスカート部３の一側面を第１スラスト面３ａと呼び，ピストンＰの圧縮行程でシリンダ内壁Ｃａに押圧されるスカート部３の他側面を第２スラスト面３ｂと呼ぶ。

図２に示すように，上記第１スラスト面３ａには，入口１３ａを下向きに開口したオイルポケット１３を画成する門形の第１オイルガイド壁１１が多数形成される。また図３に示すように，第２スラスト面３ｂには，下方に向かって開口する入口１３ａを有するオイルポケット１３を画成する門形の第２オイルガイド壁１２が多数形成される。その際，何れのオイルポケット１３も，スカート部３の周方向に沿う横幅ｗが入口１３ａからその奥に向かって狭まるように，第１及び第２オイルガイド壁１１，１２により画成される。またオイルポケット１３の底面１３ｂは，対応するスラスト面３ａ，３ｂから一段高く形成される。こうして，各スラスト面３ａ，３ｂとオイルポケット底面１３ｂ間には第１段部１４ａが形成され，オイルポケット底面１３ｂ及び各オイルガイド壁１１，１２間には第２段部１４ｂが形成される。

次に，第１及び第２オイルガイド壁１１，１２の形成方法を図２〜図４により説明する。

先ず，第１及び第２スラスト面３ａ，３ｂの全域に，第１耐摩耗性コーティング層１５を印刷により形成し，次いでこの第１耐摩耗性コーティング層１５上の，第１及び第２オイルガイド壁１１，１２及びそれらのオイルポケット１３を含む領域に第２耐摩耗性コーティング層１６を印刷により形成し，最後に第２耐摩耗性コーティング層１６上の，第１及び第２オイルガイド壁１１，１２に対応する領域に第３耐摩耗性コーティング層１７を形成する。第１〜第３耐摩耗性コーティング層１５〜１７を構成する印刷剤としては，例えばグラファイトを含む固体潤滑材と，ポリアミドイミド樹脂を含むバインダ樹脂とを混練したものを使用し，これら第１〜第３耐摩耗性コーティング層１５〜１７は印刷後，乾燥固化される。而して，第２耐摩耗性コーティング層１６の厚みがオイルポケット１３の底面１３ｂの高さに相当し，第３耐摩耗性コーティング層１７の厚みがオイルポケット１３の高さに対応する。

尚，各スラスト面３ａ，３ｂへの第１耐摩耗性コーティング層１５の接合強度を高めるために，各スラスト面３ａ，３ｂに無数の微細条痕を形成しておくことは有効である。

オイルポケット１３及びオイルガイド壁１１の大きさの一例を図２に示し，また第１〜第３耐摩耗性コーティング層１５〜１７の厚みの一例を図４に示す。

次に，この実施例の作用について説明する。

いま，図１〜図３において，ピストンＰが膨張行程にあり，矢印Ａに示すように下降しているとする。この場合は，スカート部３の，多数の第１オイルガイド壁１１を備える第１スラスト面３ａがシリンダ内壁Ｃａ側に押圧されながら下降するが，第１オイルガイド壁１１により画成されるオイルポケット１３は，その入口１３ａを下方に向けているので，多数の第１オイルガイド壁１１は，下降しながらスカート部３及びシリンダ内壁Ｃａに介在する潤滑オイルを掻き集めて，それぞれのオイルポケット１３の入口１３ａから奥に押し込み，これによりオイルポケット１３内に充分なオイル量を確保することができ，したがって第２スラスト面３ｂにスラスト荷重が作用したとき，そのオイルに対する圧搾効果（スキューズアクション）により油膜圧力を発生させ，スラスト面及びシリンダ内壁間に動圧流体軸受を構成する。そして第１スラスト面３ａは，このような動圧流体軸受を介してシリンダ内壁Ｃａに支承されつゝ下降することになるから，第１スラスト面３ａ及びシリンダ内壁Ｃａ間の摩擦抵抗を効果的に低減させ，その摩擦抵抗による動力損失を減少させ，機関出力及び低燃費性の向上をもたらすことができる。

特に，オイルポケット１３は，スカート部３の周方向の横幅が入口１３ａから奥に向かって狭めてあるので，スカート部３及びシリンダ内壁Ｃａ間のオイルは，下降するオイルポケット１３の入口１３ａから奥へ移動するに伴ない，オイルポケット１３の中心部側に寄せ集められることで，オイルポケット１３内の圧力を効果的に上昇させることができ，これにより前記動圧流体軸受の強度を効果的に高めることができる。

次に，図１及び図３において，ピストンＰが圧縮行程にあり，矢印Ｂに示すように下降しているとする。この場合は，スカート部３の，多数の第２オイルガイド壁１２を備える第２スラスト面３ｂがシリンダ内壁Ｃａ側に押圧されながら下降するが，第２オイルガイド壁１２により画成されるオイルポケット１３は，オイルポケット１３とは反対に，その入口１３ａを上方に向けているので，多数の第２オイルガイド壁１２は，上昇しながらスカート部３及びシリンダ内壁Ｃａに介在する潤滑オイルを掻き集め，それぞれのオイルポケット１３の入口１３ａから奥に押し込むので，前記前記ピストンＰの膨張行程時と同様の作用により，第２スラスト面３ｂ及びシリンダ内壁Ｃａ間に強力な動圧流体軸受を構成することができ，したがって，この場合も，第２スラスト面３ｂ及びシリンダ内壁Ｃａ間の摩擦抵抗を効果的に低減させ，その摩擦抵抗による動力損失を減少させ，機関出力及び低燃費性の向上をもたらすことができる。

また膨張行程及び圧縮行程の何れの場合においても，ピストンＰの運動に伴ない，スカート部３及びシリンダ内壁Ｃａ間に介在する潤滑オイルが各オイルポケット１３を通過するときは，スラスト面３ａ，３ｂ及びオイルポケット底面１３ｂ間の第１段部１４ａと，このオイルポケット底面１３ｂ及びオイルガイド壁１１，１２間の第２段部１４ｂとにより順次段階的に絞られ，この楔効果（ウエッジアクション）によって，より高い油膜圧力を発生させるので，この楔効果とオイルポケット１３によるオイルの掻き集め効果との相乗により，油膜圧力をより高めて，動圧流体軸受の強度を更に効果的に高めることができる。

尚，図５に示す参考例のように，オイルガイド壁１１，１２を，オイルポケットを画成しない直線状に形成して，高さが順次高くなる第１及び第２段部１４ａ，１４ｂを残すだけでも，前記オイルの掻き集め効果は弱まるものゝ，動圧流体軸受を得る上で充分な楔効果が得られる。図５中，前実施例との対応部分には同一の参照符号を付して，重複する説明を省略する。

また第１及び第２オイルガイド壁１１，１２は，第１及び第２スラスト面３ａ，３ｂに第１〜第３耐摩耗性コーティング層１５〜１７を印刷することで形成されるので，その形成が簡単であるのみならず，上記耐摩耗性コーティング層１５〜１７の大きさ及び厚みを管理することで，オイルガイド壁１１，１２及びオイルポケット底面１３ｂの高さ等，オイルポケット１３の各部の寸法を正確且つ容易に得ることができ，このオイルポケット１３よりなる動圧流体軸受の性能の安定化を容易に図ることができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

本発明に係る内燃機関用ピストンの縦断正面図。 図１の２矢視図。 図１の３矢視図。 図２の４−４線拡大断面図。 図２の拡大部に対応する参考例図。

符号の説明

Ｐ・・・・・・ピストン
ｗ・・・・・・オイルポケットの横幅
３・・・・・・スカート部
３ａ・・・・・第１スラスト面
３ｂ・・・・・第２スラスト面
１１・・・・・オイルガイド壁（第１オイルガイド壁）
１２・・・・・オイルガイド壁（第２オイルガイド壁）
１３・・・・・オイルポケット
１３ａ・・・・オイルポケットの入口
１３ｂ・・・・オイルポケットの底面
１５〜１７・・・耐摩耗性コーティング層

Claims (5)

1. ピストン（Ｐ）の往復運動時，シリンダ内壁（Ｃａ）に押圧されるスカート部（３）のスラスト面（３ａ，３ｂ）に，ピストン（Ｐ）の運動方向に向かって開口する入口（１３ａ）を有するオイルポケット（１３）を画成する門形のオイルガイド壁（１１，１２）を多数形成し，スカート部（３）及びシリンダ内壁（Ｃａ）間に介在するオイルがピストン（Ｐ）の運動に伴ない前記オイルポケット（１３）に導入されることでスラスト面（３ａ，３ｂ）及びシリンダ内壁（Ｃａ）間に動圧流体軸受が構成されるようにしたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 請求項１記載のピストンにおいて，
   ピストン（Ｐ）の膨張行程時にシリンダ内壁（Ｃａ）に押圧されるスカート部（３）の第１スラスト面（３ａ）と，ピストン（Ｐ）の圧縮行程時にシリンダ内壁に押圧されるスカート部（３）の第２スラスト面（３ｂ）とに，前記オイルガイド壁（１１，１２）を，それぞれのオイルポケット（１３）の入口（１３ａ）を相互に逆向きにして形成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
3. 請求項１又は２記載のピストンにおいて，
   前記オイルポケット（１３）の，スカート部（３）の周方向に沿う横幅（ｗ）を，前記入口（１３ａ）から奥に向かって狭めたことを特徴とする内燃機関用ピストン。
4. 請求項１〜３の何れかに記載のピストンにおいて，
   前記オイルポケット（１３）には，前記第１スラスト面（３ａ）又は第２スラスト面（３ｂ）より高い底面（１３ａ）を形成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
5. 請求項４記載のピストンにおいて，
   前記オイルガイド壁（１１，１２）及びオイルポケット底面（１３ａ）を，前記スラスト面（３ａ，３ｂ）に印刷される耐摩耗性コーティング層（１６，１７）で構成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。

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