JP2011052607A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】高面圧部位における潤滑油の導入及び保持特性を良好に維持すると共に、フリクション（摩擦損失）の低減を図ることができる内燃機関のピストンを提供する。
【解決手段】ピストン１０のスカート部２０の少なくともスラスト方向外周面に、ピストン１０の上下運動方向において、スカート部２０のほぼ中央の高面圧領域２０Ａを挟む少なくとも上側領域及び下側領域に撥油膜層４０Ｕ及び撥油膜層４０Ｌが形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

一般に、内燃機関のピストンは、該ピストンの周囲に刻設されるピストンリング溝に保持されるピストンリングを介してシリンダーボア内に嵌挿され、該ピストンがピストンピン、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されることによって、ピストンの往復運動とクランクシャフトの回転運動との間で運動変換が行なわれる。

なお、ピストンリングとシリンダーボア内面との間、及びピストンピン廻りに揺動されるピストンのスカート部とシリンダーボア内面との間には潤滑油を存在させ、該潤滑油によって各両者間の潤滑を良好に行うことにより、フリクション（摩擦損失）の低減などが図られている。

ここで、シリンダ内の空気を圧縮する圧縮行程や燃焼行程などにおいては、ピストン上面側から圧力が作用するが、ピストンに連結されているコネクティングロッドはクランク角度に応じて往復運動方向におけるシリンダ中心軸に対して傾く。結果として、力の釣り合いより、ピストンをシリンダーボア内面に向けて押圧する側圧（スラスト力）が発生し、それによってピストンのスカート部がシリンダーボア内面へ押し付けられてスカート部のシリンダーボア内面への接触面における面圧が上昇する。このため、ピストンのスカート部とシリンダーボア内面との間の特に面圧上昇による高面圧部位の潤滑特性を改善して、ピストンのスカート部とシリンダーボア内面との間で発生するフリクションを低減し、スカッフィング（溶着）の発生や、長期に亘る摩耗を抑制することなどが要求されている。

このような要求を満たすために、種々の技術が提案されている。例えば、特許文献１には、ピストンのスカート部の所定範囲内に、固体潤滑膜が存在する凸状部分と、固体潤滑膜が存在しない凹状部分とを含み、凸状部分間に存在する凹状部分に潤滑油を保持させることができる、例えば、多数の平行横波線、多数の平行横直線、又は格子状のパターンからなる固体潤滑膜を、印刷方法により形成するようにしたピストンが開示されている。

特開２００５−３２０９３４号公報

ところで、上述の、ピストンのスカート部とシリンダーボア内面との間で発生するフリクションを低減し、スカッフィング（溶着）の発生や、長期に亘る摩耗を抑制するという要求を満たすためには、以下の事項が必要である。すなわち、１）特に、面圧上昇による高面圧部位に対し、適切に潤滑油の導入を行うこと、２）上記高面圧部位に導入された潤滑油を保持すること、及び、３）上記高面圧部位における油膜厚さの増大を図ることである。

しかしながら、上述の特許文献１に開示されたピストンでは、固体潤滑膜を印刷方法により形成するようにしていることから、経年劣化により固体潤滑膜の摩減ないしは剥離により、固体潤滑膜による潤滑作用及び潤滑油保持作用が失われるおそれがあった。特に、フリクション（摩擦損失）の低減のために最も十分な潤滑作用が必要とされる面圧上昇による高面圧部位において、この固体潤滑膜の摩減ないしは剥離の可能性が大きいことから、さらなる改善が要望されている。

そこで、本発明の目的は、上記従来の実情に鑑みなされたもので、高面圧部位における潤滑油の導入及び保持特性を良好に維持すると共に、フリクション（摩擦損失）の低減を図ることができる内燃機関のピストンを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関のピストンの一形態は、ピストンのスカート部の少なくともスラスト方向外周面に、ピストンの上下運動方向において、前記スカート部のほぼ中央の高面圧領域を挟む少なくとも上側領域及び下側領域に撥油膜層が形成されていることを特徴とする。

ここで、前記撥油膜層は、前記スカート部のほぼ中央の高面圧領域を除いて、前記上側領域及び下側領域と周方向の両側に形成されていてもよい。

また、前記撥油膜層は、前記ピストンのスカート部の反スラスト方向外周面にも形成され、該撥油膜層が形成されない領域の面積は、スラスト方向側が反スラスト方向側よりも広くされていることが好ましい。

上記本発明に係る内燃機関のピストンの一形態によれば、ピストンのスカート部の少なくともスラスト方向外周面に、ピストンの上下運動方向において、前記スカート部のほぼ中央の高面圧領域を挟む少なくとも上側領域及び下側領域に撥油膜層が形成されている。かくて、ピストンの上昇行程時においては、ピストン及びシリンダーボア内面の間に存在する潤滑油とスカート部のほぼ中央の高面圧領域の上側領域に形成されている撥油膜層との間に滑りが発生し、高面圧領域に積極的に潤滑油が導入される。したがって、この高面圧領域において油膜厚さが増大ないしは確保され高い油膜圧力が得られる。そして、高面圧領域とその下側領域との境界付近では、潤滑油と下側領域に形成されている撥油膜層との間に発生する滑りにより、高面圧領域の下端部での油膜の剥離が促進されて粘性抵抗が低減される。

一方、ピストンの下降行程時においても、ピストン及びシリンダーボア内面の間に存在する潤滑油とスカート部のほぼ中央の高面圧領域の下側領域に形成されている撥油膜層との間に滑りが発生し、高面圧領域に積極的に潤滑油が導入される。したがって、この高面圧領域において油膜厚さが増大ないしは確保され高い油膜圧力が得られる。そして、高面圧領域とその上側領域との境界付近では、潤滑油と上側領域に形成されている撥油膜層との間に発生する滑りにより、高面圧領域の上端部での油膜の剥離が促進されて粘性抵抗が低減される。この結果、ピストンの上昇時及び下降時のいずれにおいても、高面圧領域での潤滑油の導入及び保持特性が良好に維持され、油膜厚さが増大ないしは確保され高い油膜圧力が得られると共に、粘性抵抗が低減されることにより、フリクション（摩擦損失）の低減を図ことができる内燃機関のピストンが得られる。

加えて、撥油膜層は、摩減ないしは剥離の可能性の高い高面圧領域に形成する必要がないことから、耐久上も優れている。

また、前記撥油膜層は、前記ピストンのスカート部の反スラスト方向外周面にも形成され、該撥油膜層が形成されない領域の面積が、スラスト方向側が反スラスト方向側よりも広くされている形態によれば、燃焼行程でのピストン下降時にスラスト力が作用するスラスト方向外周面とその逆側の反スラスト方向外周面とでは、その力の大きさが異なり、高面圧領域のシリンダーボア内面との接触面積が変化することになるが、撥油膜層が形成されない領域の面積をスラスト力の大きさに応じて広くして、最適化することができる。

本発明が適用されるピストンの基本構成を説明するための図であり、（Ａ）はピストンピン孔方向から見た側面図、（Ｂ）は（Ａ）の丸で囲った部分の拡大断面図である。 （Ａ）は同上のピストンのＡ―Ａ線断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の丸で囲った部分の拡大断面図である。 同上のピストンのスラスト方向から見た正面図である。 本発明の第１の実施形態に係るピストンのスラスト方向から見た正面図である。 本発明の第２の実施形態に係るピストンのスラスト方向から見た正面図である。 本発明の第３の実施形態に係るピストンのスラスト方向から見た正面図である。 本発明の第４の実施形態に係るピストンを示し、（Ａ）はスラスト方向から見た正面図、（Ｂ）は反スラスト方向から見た背面図である。 本発明に係るピストンの作動を説明するための説明図であり、（Ａ）はシリンダーボア内面とピストンスカート部の高面圧部位付近の関係を誇張して示す断面図、（Ｂ）は高面圧部位に生ずる油膜圧力、（Ｃ）は高面圧部位付近での潤滑油の速度分布を示す。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明が適用される基本構成を有するピストン１０は、図１及び図２に示すように、ピストンリングが順にそれぞれ装着される複数の外周溝１４、１６、１８が形成されたピストンランド１２を有し、その下方にスカート部２０及び不図示のピストンピンが嵌合されるピンボス２２を有している。ピンボス２２にはクランク軸の長手方向と略平行な軸線を有するピストンピン孔２４が開設されている。そして、ピンボス２２はピストンピン孔２４の軸線に直交して平行に配置されたサイドウォール２６と一体に形成され、該サイドウォール２６の両端がそれぞれスカート部２０に連続して形成されている。

なお、３つのピストンリングのうち、ピストン頂面（燃焼室）に最も近い部位の外周溝１４に取り付けられるトップリング及びトップリングの次にピストン頂面に近い部位の外周溝１６に取り付けられるセカンドリングは、主に燃焼室からシリンダーボア内に圧縮ガスや燃焼ガスが漏出するのを防止するコンプレッションリングとして機能し、また、ピストン頂面に最も遠い部位の外周溝１８に取り付けられるオイルリングは、シリンダーボア（クランクケース）から燃焼室にオイルが持ち込まれるのを防止すべく機能する。

ここで、ピストン１０はその母材として、例えば、アルミニウム合金で形成され、このピストン１０の冷間時でのスカート部２０の外周面は、図１（Ｂ）に誇張して示すように、ピストン１０の軸線Ｘに関して、ピストンピン孔２４の軸線を含む平面内の最大径Ｒmax位置から上下方向に進むにつれ径Ｒが縮小するように、いわゆるバレル状に形成されている。さらに、スカート部２０の外周面は、図２（Ｂ）に示すように、ピストン１０の軸線Ｘを含み、ピンボス２２のピストンピン孔２４の軸線Ｙに直交する平面内の最大径Ｒmax位置から周方向左右に進むにつれ径Ｒが真円（破線で示す）の径から縮小するように、換言すると、ピンボス２２のピストンピン孔２４の軸線方向が短径で、これに直交するスラスト方向が長径となる断面楕円形状の一部となる、いわゆるオーバル状に形成されている。かくて、図３に示すように、スカート部２０のほぼ中央部に、不図示のシリンダーボア内面に対して、周りに比べ相対的に高い面圧で接触するほぼ円形ないしは楕円形の高面圧領域２０Ａが存在することになる。なお、この高面圧領域２０Ａのシリンダーボア内面との接触面積は、上述のように、ピストン１０に加わる力に応じ、スカート部２０の弾性変形により変化する。

そして、本発明の第１の実施形態では、まず、図４に示すように、母材として例えばアルミニウム合金で形成されたピストン１０におけるスカート部２０のスラスト及び反スラスト方向外周面に、ピストン１０の上下運動方向において、スカート部２０の上述のほぼ中央の高面圧領域２０Ａを挟む上側領域及び下側領域に例えばスクリーン法により上側撥油膜層４０Ｕ及び下側撥油膜層４０Ｌが形成されている。

なお、上述の実施形態における高面圧領域２０Ａは、ピストン１０の母材表面のままで非撥油性面とされるか、又は、撥油膜層よりも撥油性の低い低撥油膜層が形成されて低撥油性面とされてもよい。

ここで、上述した本発明の第１の実施形態における、スカート部２０のほぼ中央の高面圧領域２０Ａの非撥油性面と、その上側領域及び下側領域に形成されている上側撥油膜層４０Ｕ及び下側撥油膜層４０Ｌの撥油性面とによりもたらされる作用効果について、図８を参照して説明する。

今、図８（Ａ）において、ＣＢをシリンダーブロック、ＣＢＳをシリンダーボア内面とし、これに対してピストン１０のスカート部２０が、それらの隙間Ｇに潤滑油ＬＵが介在されて摺動しているものとする。ここで、図８（Ａ）に示すピストン１０のスカート部２０は実際には上昇行程にあるが、説明の便宜上、ピストン１０のスカート部２０が固定であり、シリンダーブロックＣＢ（シリンダーボア内面ＣＢＳ）が白抜き矢印で示すように相対速度Ｖで下降しているものとする。

そうすると、隙間Ｇに介在されている潤滑油ＬＵは、シリンダーボア内面ＣＢＳの下降に伴い、シリンダーボア内面ＣＢＳとピストン１０のスカート部２０との間に形成された隙間Ｇ内を同じく下方向に流動するとみなすことができる。このとき、シリンダーボア内面ＣＢＳの下降方向の上流側においては、潤滑油ＬＵとスカート部２０の撥油性面の上側撥油膜層４０Ｕとの間に滑りが生じることから、図８（Ｃ）に示すように、スカート部２０の撥油性面の上側撥油膜層４０Ｕに接触している側の潤滑油ＬＵの速度がシリンダーボア内面ＣＢＳに接触している側の速度Ｖとほぼ等しくなる一様な速度分布となり、隙間Ｇでの平均速度が大きく、延いては、流量も多くなる。

これに対し、非撥油性面とされている高面圧領域２０Ａでは、潤滑油ＬＵとの間に滑りがなく、スカート部２０の非撥油性面の高面圧領域２０Ａに接触している側の潤滑油ＬＵの速度は、ピストン１０が固定とみなされていることから、ほぼ０となり、シリンダーボア内面ＣＢＳに接触している側の速度Ｖに対して、図８（Ｃ）に示すような傾斜した速度分布となる。この結果、隙間Ｇでの平均速度は高面圧領域２０Ａにおいて低下する。かくて、一定の断面積の隙間Ｇを流れる潤滑油ＬＵの流量の釣り合いの結果として、高面圧領域２０Ａにおいて油膜厚さが増大ないしは確保され、図８（Ｂ）に示すように、隙間Ｇの高面圧領域２０Ａに対応する部位に、撥油膜層を備えない場合の従来の油膜圧力Ｐa（破線）に比べ大きな油膜圧力Ｐb(実線)を発生させることができる。この大きな油膜圧力Ｐbによりスカート部２０の高面圧領域２０Ａがシリンダーボア内面ＣＢＳから半径方向内方に離間されるので、ピストン１０のスカート部２０とシリンダーボア内面ＣＢＳとのフリクション（摩擦損失）が低減される。

一方、高面圧領域２０Ａとその下側領域との境界付近では、潤滑油ＬＵと下側領域に形成されている下側撥油膜層４０Ｌとの間に発生する滑りにより、潤滑油ＬＵのスカート部２０の撥油性面の下側撥油膜層４０Ｌに接触している側の速度とシリンダーボア内面ＣＢＳに接触している側の速度Ｖとがほぼ等しい一様な速度分布となり、隙間Ｇでの平均速度が大きく、延いては、流量も多くなる。かくて、高面圧領域２０Ａの下端部での油膜の剥離が促進されて、負圧（図８（Ｂ）の破線）の発生が抑制され、潤滑油ＬＵによる粘性抵抗が低減され、フリクション（摩擦損失）が低減される。

なお、上記の作用効果についての説明は、ピストン１０のスカート部２０が上昇行程にある場合について行ったが、ピストン１０のスカート部２０が下降行程にある場合も同様であるので、重複説明を避ける。但し、この下降行程にある場合には、上記の説明において、ピストン１０のスカート部２０が固定であることは同じであるが、シリンダーブロックＣＢ（シリンダーボア内面ＣＢＳ）が図８（Ａ）に示すのとは逆に相対速度Ｖで上昇しているものとし、上記の説明中の上側撥油膜層４０Ｕと下側撥油膜層４０Ｌとを置き換えて読むと共に、図８（Ｃ）の速度分布については１８０度反転させればよい。

次に、本発明の第２の実施形態を図５に示す。この第２の実施形態では、ピストン１０におけるスカート部２０のスラスト及び反スラスト方向外周面に、スカート部２０の上述のほぼ中央の楕円形の高面圧領域２０Ａを除き、上側領域及び下側領域と周方向の両側に連続して、例えばスクリーン法や撥油フィルムの貼付法により撥油膜層４０Ａが形成されている。なお、図５にはスカート部２０のスラスト方向外周面のみを示す。この第２の実施形態によれば、撥油膜層４０Ａを簡単に形成することができる。

また、本発明の第３の実施形態を図６に示す。なお、図６にはスカート部２０のスラスト方向外周面のみを示す。この第３の実施形態では、ピストン１０におけるスカート部２０のスラスト及び反スラスト方向外周面に、上述の第２の実施形態における連続する撥油膜層４０Ａの周方向の両側を除去し、高面圧領域２０Ａに連なる間隙通路２０Ｐ、２０Ｐを形成する形態で、上側撥油膜層４０ＵＡ及び下側撥油膜層４０ＬＡが形成されている。この第３の実施形態によれば、上述のようにして非撥油性面の高面圧領域２０Ａに導入された潤滑油ＬＵが、同じく非撥油性面の間隙通路２０Ｐ、２０Ｐを介して流出することが抑制されるので、高面圧領域２０Ａにおける油膜厚を確保することができる。

さらに、本発明の第４の実施形態を、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す。この第４の実施形態では、ピストン１０におけるスカート部２０のスラスト及び反スラスト方向外周面に、それぞれ、上述の第２の実施形態における撥油膜層４０Ａと同じ形態の連続する撥油膜層４０ＡＴ及び撥油膜層４０ＡＡＴが形成されている。但し、図７（Ａ）に示すスラスト方向外周面に形成された撥油膜層４０ＡＴと図７（Ｂ）に示す反スラスト方向外周面に形成された撥油膜層４０ＡＡＴとは、撥油膜層が形成されない領域の面積が、スラスト方向側が反スラスト方向側よりも広くなるようにされている。換言すると、スラスト方向側の高面圧領域２０Ａと反スラスト方向側の高面圧領域２０Ｂとの面積はスラスト方向側が反スラスト方向側よりも広くなるようにされている。かくて、燃焼行程でのピストン下降時と圧縮行程でのピストンの上昇時とで異なるスラスト力の大きさに応じて、撥油膜層が形成されない領域の面積を広くすることにより、スラスト方向側の高面圧領域２０Ａと反スラスト方向側の高面圧領域２０Ｂとの面積を最適化することができる。

１０ ピストン
２０ スカート部
２０Ａ 高面圧領域
２０Ｐ 間隙通路
４０Ａ 撥油膜層
４０Ｕ 上側撥油膜層
４０Ｌ 下側撥油膜層
ＣＢ シリンダーブロック
ＣＢＳ シリンダーボア内面
Ｇ 隙間
ＬＵ 潤滑油
Ｖ 相対速度

Claims (3)

1. ピストンのスカート部の少なくともスラスト方向外周面に、ピストンの上下運動方向において、前記スカート部のほぼ中央の高面圧領域を挟む少なくとも上側領域及び下側領域に撥油膜層が形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記撥油膜層は、前記スカート部のほぼ中央の高面圧領域を除いて、前記上側領域及び下側領域と周方向の両側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
3. 前記撥油膜層は、前記ピストンのスカート部の反スラスト方向外周面にも形成され、該撥油膜層が形成されない領域の面積は、スラスト方向側が反スラスト方向側よりも広くされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン。

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