JP2010285934A - 内燃機関のピストン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の見かけ上の粘度を低減させ、摺動抵抗を下げると共にエンジンの耐久性及び燃費を向上させるようにした内燃機関のピストン構造を提供する。
【解決手段】シリンダボア８内に収容されるピストン１のスカート部３の中央部分に潤滑油膜６が形成された状態でシリンダボア８内を昇降する内燃機関のピストン構造において、前記ピストン１がシリンダボア８内を昇降する際、ピストン１とシリンダボア８との間の空気９を前記潤滑油膜６が形成された油膜形成範囲Ａに導くための空気導入溝３１，３２を、前記スカート部３の表面に設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のピストン構造に関する。

一般に、内燃機関のピストンは、図６に示すようにオイルリング溝等が形成される円筒状のヘッド部２と、ヘッド部２から下方に延設されるスカート部３とから構成されており、シリンダボア（図示せず）の中を潤滑油で潤滑された状態で上下方向に往復運動するようになっている。

ピストン１は、燃焼によって生じる膨張や歪を考慮してシリンダボア内壁面との間にクリアランスを有しており、このクリアランスに潤滑油（エンジンオイル）が介在されている。

しかしながら、シリンダボア内壁面とスカート部３表面（外周面）との間の全体が潤滑油で満たされているわけでなく、通常、図６に塗りつぶして示した楕円内が潤滑油で満たされて潤滑油膜６が形成される（油膜形成範囲Ａ）。そして油膜形成範囲Ａ以外の部分は、空気で満たされている。

ピストン１の往復運動時、スカート部３外周面はシリンダボア内壁面との間に形成された潤滑油膜６を介して摺動するが、潤滑油膜６が形成されていると、その部分では必ず摺動抵抗が生じることになる。

ピストン１に摺動抵抗が生じると、エンジンの燃費が悪化する原因となり、ピストン１の摺動抵抗は低いことが望ましく、この摺動抵抗を下げる方法として、従来よりスカート部３にスリットを形成してスカート部３の剛性を低くしたり（特許文献１）、スカート部３の一部分をカットしたものがある。

特開２００５−１８８３０３号公報

ところで、スカート部３の剛性を低くすることとは別に、潤滑油膜６の摺動抵抗は、オイルの粘度と潤滑油膜６の厚さに比例することが分かっている。そこで本出願人は、潤滑油の見かけの粘度を低減させることによって摺動抵抗が下がることに着目し、潤滑油の見かけの粘度を低減させ、よってピストン１の摺動抵抗を下げるようにした内燃機関のピストン構造を開発するに至った。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、潤滑油の見かけの粘度を低減させ、摺動抵抗を下げることにより燃費を向上させるようにした内燃機関のピストン構造を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、シリンダボア内に収容されるピストンのスカート部の中央部分に潤滑油膜が形成された状態でシリンダボア内を昇降する内燃機関のピストン構造において、前記ピストンがシリンダボア内を昇降する際、ピストンとシリンダボアとの間の空気を、前記潤滑油膜が形成された油膜形成範囲に導くための空気導入溝を前記スカート部の表面に設けたことを特徴とする。

また前記空気導入溝は、前記スカート部の表面に前記ピストンの昇降方向に沿ってあるいは昇降方向に対して斜めに前記油膜形成範囲の外側から内側に向かって設けられるのが好ましい。

上記構成によれば、ピストンがシリンダボアに対して昇降するのに伴って、スカート部の中央部分に形成される油膜形成範囲の潤滑油膜にピストンとシリンダボアとの間の空気を泡状に分布させることができ、結果として潤滑油膜の見かけの粘度が下がるので、ピストンの摺動抵抗を下げることができる。

また前記空気導入溝は、その溝幅及び溝深さの少なくとも一方を前記油膜形成範囲の内側から外側に向けて末広がりに形成されるのが好ましい。

上記構成によれば、より空気を導入しやすくなる。

本発明によれば、潤滑油の見かけの粘度を低減させ、摺動抵抗を下げると共にエンジンの耐久性及び燃費を向上させるようにした内燃機関のピストン構造を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストンを示す図で、（Ａ）は正面図で、（Ｂ）は（Ａ）の矢視Ｘから見たスカート部の拡大図である。 図２は、図１に示す内燃機関のピストンの斜視図である。 図３（Ａ）は、図１のピストンの矢視Ｘから見た図の左半分を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＡ―Ａ線で断面したときのスカート部とシリンダボア内壁面との関係を示す図であり、スカート部の形状を横方向に拡大した図である。 図４は、スカート部とシリンダボア内壁面との間の潤滑油膜に、空気が入る状態を示す説明図で、（Ａ）はピストン上昇時を示し、（Ｂ）はピストン下降時を示す図である。 図５は、スカート部とシリンダボア内壁面との間の潤滑油膜から空気が排出される状態を示す説明図で、（Ａ）はピストン上昇時を示し、（Ｂ）はピストン下降時を示す図である。 図６は、従来の内燃機関のピストンの斜視図である。

本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

なお、図１〜図５の本実施形態において、図６の従来例で示した部材と同等の機能を有する部材については同一の符号を付して説明する。

図１及び図２に示すように、ピストン１は、シリンダ（図示せず）内に燃焼室を形成する円筒状のヘッド部２と、このヘッド部２から下方に延設される一対のスカート部３（以下、スカート部３という）と、ピストンピン孔５が形成されている肉厚のピンボス部４から構成されている。

ヘッド部２の外周面には、上側から順に２つのピストンリング溝２０，２１と１つのオイルリング溝２２とが形成されている。各ピストンリング溝２０，２１には、ピストンリング（図示せず）が嵌め込まれ、オイルリング溝２２には、オイルリング（図示せず）が嵌め込まれる。

ピンボス部４の中心部に形成されているピストンピン孔５には、ピストン１とコンロッド（図示せず）とを連結するためのピストンピン（図示せず）が挿入される。

スカート部３は、シリンダボア内壁面８ａ（図３）を上下方向に摺動して、ピストン１の昇降を案内すると共に、燃焼によって生じる熱をシリンダブロック７へ逃がすようになっている。スカート部３は、ヘッド部２の下側にピンボス部４を挟んで互いに対向して配設されており、スカート部３がシリンダボア内壁面８ａに当たる方向であるスラスト、反スラスト方向（ピストンピン孔５の軸方向に対して直角の方向）に位置する表面には、汎用のスクリーン印刷法によりカーボンないし二硫化モリブデンでコーティング層３０が施されている（図２参照）。

このようなピストン１は、シリンダボア８内に挿入され、その側面がシリンダボア内壁面８ａに対向している。ピストン１の側面のうち、ヘッド部２のリング溝２０，２１に装着されたピストンリング（図示せず）がシリンダボア内壁面８ａに摺接されて気密を保っている。ピストン１は、圧縮行程ではシリンダボア内壁面８ａを上昇し、爆発行程で燃焼ガスの圧力により下降される。

ところで、スカート部３とシリンダボア内壁面８ａとの間に有する隙間（クリアランス）には、摺動抵抗を少なくするためにエンジンオイルなどの潤滑油が介在しており、この潤滑油は図１（Ｂ）及び図２に示すような楕円状の潤滑油膜６が形成される。潤滑油膜６は、図１（Ｂ）及び図２のＡで示す範囲に形成されており（油膜形成範囲Ａ）、油膜形成範囲Ａ以外では、シリンダボア内壁面８ａとの間に空気９が介在している。

また潤滑油膜６の摺動抵抗は、潤滑油の粘度に比例しており、粘度は空気が混入すると低下する。したがってスカート部３表面の潤滑油膜６に、ピストン１側面とシリンダボア内壁面８ａとの間に介在している空気を導入すれば、潤滑油膜６の見かけの粘度が下がることになる。

これを実現するため、本発明は、ピストン１がシリンダボア８内を昇降する際、ピストン１側面とシリンダボア８内面との間の空気９を、潤滑油膜６が形成された油膜形成範囲Ａに導くための空気導入溝３１，３２をスカート部３表面に設けたものである。

すなわち、図１及び図２に示すように空気導入溝３１，３２が各スカート部３，３表面の油膜形成範囲Ａを外側から内側に向かって横切るように形成されている。詳しくは上方端から油膜形成範囲Ａの略中央に向けて空気導入溝３１を３本刻設し、同様に下方端から油膜形成範囲Ａの略中央に向けて空気導入溝３２を３本刻設している。空気導入溝３１，３２の溝幅は、例えば１〜２ｍｍであり、溝深さは１０μｍ程度である。

空気導入溝３１，３２は、スカート部３表面に施されているコーティング層３０を一部削り取ることで形成してもよい。あるいは最初からマスキングして、コーティングが施されないコーティング欠落部を設けることで空気導入溝３１，３２を形成してもよい。

また、通常、ピストン１は、前記したように印刷タイプ（スクリーン印刷）のコーティングであるため、最初から溝のある形状でコーティングすることも可能である。

空気導入溝３１は、スカート部３表面のコーティング層３０の上方端側に空気９の入口３１ａが形成されており、空気導入溝３２は、スカート部３表面のコーティング層３０の下方端側に空気９の入口３２ａが形成されている（図３（Ｂ）参照）。空気導入溝３１，３２は、その溝幅及び溝深さの少なくとも一方を油膜形成範囲Ａの内側から外側に向けて末広がりに形成されている。すなわち、空気９の入口３１ａ，３２ａ側を末広がりに形成して空気９を導入しやすくしている。

空気導入溝３１，３２を通って潤滑油膜６に導入された空気９は泡状に分布され、結果として潤滑油の見かけの粘度が下がるので、ピストン１の摺動抵抗を下げることができる。

また入口３１ａ，３２ａから導入された空気９が、油膜形成範囲Ａにおいて均一に泡状に分布されるように、空気導入溝３１，３２は、例えば途中で二股に分岐している。

なお、空気導入溝３１，３２は、空気９が油膜形成範囲Ａに容易に導入でき、しかも空気９が油膜形成範囲Ａにおいて均一に泡状に分布されるのであれば、空気導入溝３１，３２の本数は３本以外でよく、またその形状も図示した二股に分岐するものに限定されない。

スカート部３表面とシリンダボア内壁面８ａの間に形成される潤滑油膜６と空気９について、図３（Ｂ）により説明する。

図３（Ｂ）は、分かり易くするためにシリンダボア内壁面８ａとスカート部３表面との隙間及びスカート部３の形状を横方向に大きく拡大して描いてある。

スカート部３表面とシリンダボア内壁面８ａとの間の隙間に介在する潤滑油は、ピストン１の上昇時や下降時に、スカート部３表面に前記の油膜形成範囲Ａにわたって潤滑油膜６が形成され、油膜形成範囲Ａ以外の箇所は空気９で満たされる。すなわち、図３（Ｂ）で示すスカート部３上方とシリンダボア内壁面８ａとの隙間であるＢ部の箇所、及びスカート部３下方とシリンダボア内壁面８ａとの隙間であるＣ部の箇所は空気９で満たされる。

したがって、スカート部３表面に本発明の空気導入溝３１，３２を形成し、Ｂ部及びＣ部に対応する箇所にそれぞれ空気導入溝３１，３２の入口３１ａ，３２ａを形成することによって、ピストン１の昇降に伴ってＢ部またはＣ部の空気９が入口３１ａ，３２ａから空気導入溝３１，３２を伝わって潤滑油膜６に導入されることになる。

以下、図４及び図５に基づいて、本実施形態による内燃機関のピストン構造の作用について説明する。

ピストン１が上昇するときは、図４（Ａ）に示すようにスカート部３表面とシリンダボア内壁面８ａの間に形成されている潤滑油膜６に、Ｂ部の空気９が空気導入溝３１の入口３１ａより入り込み、空気導入溝３１内を伝わり、空気９は潤滑油膜６内で泡状に分布されていく。ピストン１が上昇するに伴い、図５（Ａ）に示すように新たに空気９が導入され、空気９が泡状に分布した潤滑油膜６ａが形成され、ピストン１の動きに取り残された潤滑油膜６ｂから空気９がスカート部３下方に排出される。

またピストン１が下降するときは、図４（Ｂ）に示すようにスカート部３表面とシリンダボア内壁面８ａの間に形成されている潤滑油膜６に、Ｃ部の空気９が空気導入溝３２の入口３２ａより入り込み、空気導入溝３２内を伝わり、空気９は潤滑油膜６内で泡状に分布されていく。ピストン１が下降するに伴い、図５（Ｂ）に示すように新たに空気９が導入され、空気９が泡状に分布した潤滑油膜６ａが形成され、ピストン１の動きに取り残された潤滑油膜６ｂから空気９がスカート部３上方に排出される。

これによって、スカート部３表面とシリンダボア内壁面８ａとの間の空気９が、ピストン１の昇降に伴って空気導入溝３１，３２内を伝わりながら潤滑油膜６に導入され、空気９が泡状に分布されることになる。その結果として、潤滑油膜６の見かけの粘度が低減されるので、ピストン１の摺動抵抗を下げることができる。

エンジンのメカロスの大部分は、ピストン周りの摺動抵抗によるものだと云われており、この摺動抵抗の低減が燃費の向上へ繋がるが、本発明によれば、空気９を導入して潤滑油膜６の見かけの粘度を低減させることで摺動抵抗を下げるものであり、空気９の導入は外部手段を用いることなく、ピストン１の昇降に伴って行われるもので特別の装置を必要としないで実現できる。

またスカート部３表面とシリンダボア内壁面８ａは、エンジン作動時に高速で上下動するピストン１の摺接面であるため、耐摩耗性とともに潤滑性（低摩擦性）が要求される部位であるが、上記のように空気９を泡状に混入して粘度の低い油膜形成部分を設けるようにすれば、低粘度の潤滑油の存在によりスカート部３表面とシリンダボア内壁面８ａの摩耗を効果的に抑制できるとともに、コンロッド等から供給される潤滑油（エンジンオイル）によってスカート部３表面とシリンダボア内壁面８ａの潤滑性を充分に確保することができる。

このように本発明によれば、摩耗を抑制しかつ潤滑性（低摩擦性）を確保することで、エンジンの耐久性を維持させながら、ピストン１の摺動抵抗を下げて燃費の改善を効果的に図ることができる。

１ ピストン（ピストン本体）
２ ヘッド部
３ スカート部
４ ピンボス部
５ ピストンピン孔
６ 潤滑油膜
７ シリンダブロック
８ シリンダボア
８ａ シリンダボア内壁面
９ 空気
２０，２１ リング溝
２２ オイルリング溝
３０ コーティング層
３１，３２ 空気導入溝
３１ａ，３２ａ 入口
Ａ 油膜形成範囲

Claims (3)

1. シリンダボア内に収容されるピストンのスカート部の中央部分に潤滑油膜が形成された状態でシリンダボア内を昇降する内燃機関のピストン構造において、
   前記ピストンがシリンダボア内を昇降する際、ピストンとシリンダボアとの間の空気を前記潤滑油膜が形成された油膜形成範囲に導くための空気導入溝を、前記スカート部の表面に設けたことを特徴とする内燃機関のピストン構造。
2. 前記空気導入溝は、前記スカート部の表面に前記ピストンの昇降方向に沿ってあるいは昇降方向に対して斜めに前記油膜形成範囲の外側から内側に向かって設けられたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン構造。
3. 前記空気導入溝は、その溝幅及び溝深さの少なくとも一方を前記油膜形成範囲の内側から外側に向けて末広がりに形成された請求項１又は請求項２記載の内燃機関のピストン構造。

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