JP2014095336A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】往復運動する内燃機関のピストンにおいて、油膜による動圧を利用して効果的に摺動摩擦損失を低減させる。
【解決手段】シリンダ１内に摺動自在に設けられ、上面１１ａが燃焼空間Ｓを画成する円柱状のピストンヘッド１１と、ピストンヘッド１１の下方にピストンヘッド１１と一体に設けられ、ピストンピン２を支持する一対のピン支持壁（１２Ｌ、１２Ｒ）と、一対のピン支持壁を連結し、シリンダ１の内壁に摺接する一対のスカート１３Ｆ、１３Ｒとを備えるピストン１０において、一対のスカート１３Ｆ、１３Ｒの外側面１３ａＦ、１３ａＢうちの少なくとも一方に、上方に向けて開く向きの少なくとも１つのＶ字溝２１を形成し、Ｖ字溝２１を、ピストン１０の軸線１０Ｘ方向においてピストンピン２の軸線２Ｘよりも下側のみに配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

レシプロ型内燃機関では、ピストンに燃焼圧力や慣性力が交番的に作用することに起因し、ピストンスカート部のスラスト側や反スラスト側で摩擦抵抗が発生しやすくなる。そのため、このようなスラスト荷重が作用するピストンのスラスト側および反スラスト側には、ピストンの首振りを防止するべくピストンヘッドの下方（クランクシャフト側）にスカートが設けられる。そして、強制給油が困難な環境下で往復摺動運動するピストンにおいては、ピストン（スカート）−シリンダ間の摺動摩擦（摩擦損失）を低減させるために様々な技術が提案されている。

例えば、スカートの表面に油膜を保持するために、スラスト側のスカート表面には、スカートの下端から上方に延び、油圧が最も高くなるとするピストンの軸方向の中間位置近傍で閉じられるかたちに多数の条痕または溝を形成し、反スラスト側のスカート表面には、スカートの上端から下方に延び、油圧が最も高くなるとするピストンの軸方向の中間位置近傍で閉じられるかたちに多数の条痕または溝を形成したピストンが提案されている（特許文献１参照）。

また、スカートの表面に万遍なく潤滑油を供給および滞留できるようにするために、周方向に波状を呈するコーティングをピストンの軸方向に間隔をおいて複数設け、潤滑油がピストンの軸方向または螺旋方向に流通しうるようにこのコーティングを分断する潤滑油通路を設けることで、この波状のコーティングを独立した上開きおよび下開きのＶ字凸部に形成したピストンが提案されている（特許文献２参照）。

登録実用新案第２５５４４３０号公報 特開２０１０−１３３３６５号公報

しかしながら、特許文献１のピストンでは、スカート表面におけるピストンの軸方向の中間位置近傍に油膜を保持することはできるが、面圧（側圧）が最も高くなる位置がピストンの首振りによって変化することが考慮されていないため、効果的な摩擦低減効果が期待できない。

一方、特許文献２のピストンでは、スラスト側および反スラスト側の両方のスカート表面に同じ形状の凸部を形成するため、面圧が高くなる位置の摺動摩擦を低減させることができず、やはり効果的な摩擦低減効果は期待できない。また、特許文献２のピストンでは、潤滑油の保持による摩擦低減は図られているものの、潤滑油のくさび作用やスクイズ作用によって生じる動圧による効果は考慮されていない。すなわち、特許文献２のピストンでは、上開きおよび下開きのＶ字凸部が互いに打ち消し合うように動圧を発生させるため、これら凸部が発生させる動圧によっては摩擦低減効果は期待できない。

理想的なピストンの潤滑は、少ない潤滑油で摺動面の油膜を保持し、保持した油膜に高い動圧を発生させて境界潤滑を抑制することにより、効果的に摩擦損失を低減させることで達成されるが、上記したように、往復運動するピストンの両方向に対してこのような条件を満足する技術はこれまでなかった。

本発明は、このような従来技術に含まれる課題を解消するべく案出されたものであり、往復運動する内燃機関のピストンにおいて、油膜による動圧を利用して効果的に摺動摩擦損失を低減させることをその目的とする。

このような課題を解決するために、内燃機関のピストン（１０）において、内燃機関のシリンダ（１）内に摺動自在に設けられ、上面（１１ａ）が燃焼空間（Ｓ）を画成する円柱状のピストンヘッド（１１）と、前記ピストンヘッドの下方に前記ピストンヘッドと一体に設けられ、ピストンピン（２）を支持する一対のピン支持壁（１２Ｌ、１２Ｒ）と、前記一対のピン支持壁を連結し、前記シリンダの内壁に摺接する一対のスカート（１３Ｆ、１３Ｒ）とを備え、前記一対のスカートのうち少なくとも一方の外側面（１３ａ）には、上方に向けて開く向きの少なくとも１つのＶ字溝（２１）が形成され、前記Ｖ字溝がピストン軸線（１０Ｘ）方向において前記ピストンピンの軸線（２Ｘ）よりも下側のみに配置されている構成とする。

ピストンは、上死点と下死点との間で行う往復運動の最中に首振り運動を行うため、スカートはその下端近傍で面圧が最も高くなる。また、Ｖ字溝は、潤滑油を保持し、Ｖ字の下部（閉じる部分）に向かって流れる潤滑油に動圧を発生させる。そこで、ピストンをこのような構成とすることにより、Ｖ字溝が潤滑油に高い動圧を発生させ、油膜形成による流体潤滑に近い状態を形成してピストンの摺動による摩擦損失を低減させることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記Ｖ字溝が前記一対のスカートの両方の外側面（１３ａＦ、１３ａＢ）に形成されている構成とすることができる。

この構成によれば、スラスト側のスカートにおいては、ピストンピンの軸線よりも下側に設けたＶ字溝がピストン上昇時にシリンダ内壁面と接触しながらＶ字の下方に流れる潤滑油にくさび効果を発生させることでピストン上昇時の摺動摩擦を低減させる。ピストン下降時にはこのスラスト側のＶ字溝は逆くさび効果となるが、下降時のピストンの首振り姿勢によりシリンダ内壁面と接触する区間が短いため摺動摩擦増大の悪影響は少ない。また、反スラスト側のスカートにおいては、Ｖ字溝が、ピストン下降時に同じく逆くさび膜を形成して摺動摩擦を増大させる一方、爆発行程では上死点直後のピストン変位が微少な区間でピストンに首振りが生じてＶ字溝の下端に向けたスクイズ作用によってこれよりも大きな摩擦低減効果を潤滑油に発揮させ、一方のスカートのみにＶ字溝を形成する場合に比べて摩擦損失をより低減させることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記スカートは、ピストン軸線（１０Ｘ）方向の中間位置にピストン軸線方向に所定長さにわたって形成され、ピストン軸線から外側面までの距離が同一とされた中間胴部（１７）と、それぞれ当該中間胴部の上端および下端からピストン軸線方向に延設され、ピストン軸線から外側面までの距離がピストン軸線方向に進むにつれて徐々に縮小する上側縮径部（１８）および下側縮径部（１９）とを有するバレル形状を呈し、前記Ｖ字溝は、上端が前記中間胴部に位置し、下端が前記下側縮径部に位置し且つ前記スカートの下端に接続しないように形成された構成とすることができる。

この構成によれば、スカートがバレル形状を呈することによってシリンダ内壁との接触面積が縮小されて摩擦損失が低減するうえ、特に反スラスト側のＶ字溝が燃焼時のピストン首振りによるスクイズ効果で動圧を発生させることで、より効果的に摩擦損失を低減させることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記一対のスカートのうち少なくとも一方の外側面には、ピストン軸線を通って前記ピストンピンと直交する面（２２）に対して対称に奇数個の前記Ｖ字溝が形成され、互いに隣接するＶ字溝同士が所定の間隔をもって配置された構成とすることができる。

この構成によれば、最も面圧が高くなる部位にＶ字溝により高い動圧を発生させることができ、ピストンの摺動による摩擦損失を効果的に低減させることができる。

このように本発明によれば、油膜による動圧を利用して効果的に摺動摩擦損失を低減させることのできる内燃機関のピストンを提供することができる。

本発明に係るピストンをピストンピン軸方向から見た側面図 図１に示すピストンをII方向から見たスラスト側の側面図 図１に示すピストンをIII方向から見た反スラスト側の側面図 図１に示すピストンのスカートフォームを示すグラフ ピストンの姿勢およびスラスト側スカートの下端の接触範囲を示す図 ピストンの姿勢および反スラスト側スカートの下端の接触範囲を示す図 スラスト側スカートのみにＶ字溝を形成したピストンのフリクショントルクを示す図 反スラスト側スカートのみにＶ字溝を形成したピストンのフリクショントルクを示す図 複数個のＶ字溝を１列に配置したスカート外側面の展開図 複数個のＶ字溝を２列に配置したスカート外側面の展開図

以下、図面を参照して、自動車用ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと称する）に適用した本発明に係るピストン１０の実施の形態について詳細に説明する。なお、実施形態の説明にあたっては、図１中の上方を上とし、右方を前、左方を後とし、紙面手前側を右方とし、対で設けられる部材や部位に対しては、符号の後に方向を示す添字としてＬ（左）、Ｒ（右）、Ｆ（前）、Ｂ（後）を付し、総称する場合には添字を付さずに、例えば、スカート１３、その外側面１３ａと記す。

図１に示すように、エンジンでは、シリンダブロックに円筒状のシリンダ１が形成され、このシリンダ１の内部にアルミニウム合金製のピストン１０が摺動可能に収容されるとともに、ピストンピン２により連結された図示しない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。

ピストン１０は、シリンダ１内に摺動自在に設けられ、上面１１ａが燃焼空間Ｓを画成する円柱状のピストンヘッド１１と、ピストンヘッド１１の下方にピストンヘッド１１と一体に設けられ、ピストンピン２を支持する左右一対のサイドウォール１２Ｌ（図２参照）、１２Ｒと、一対のサイドウォール１２Ｌ、１２Ｒを連結し、シリンダ１の内壁に摺接する前後一対のスカート１３Ｆ、１３Ｂとを備えている。

燃焼ガスの圧力が作用するピストンヘッド１１の上面１１ａには、図示しない燃焼室が凹設され、ピストンヘッド１１の外周には、トップリング、セカンドリング、及びオイルリング（図示せず）がそれぞれ取り付けられるリング溝１４が形成されている。

図２および図３に併せて示すように、一対のサイドウォール１２Ｌ、１２Ｒには、ピン挿通孔１５が形成されるピンボス部１６Ｌ、１６Ｒが一体形成されており、ピン挿通孔１５に挿通されたピストンピン２が、図示しないクランクシャフトと平行に延在した状態で両端を一対のピンボス部１６Ｌ、１６Ｒにより保持される。一対のサイドウォール１２Ｌ、１２Ｒは、ピストンピン２の軸線２Ｘに直交する向きに延在し、ピストン１０の軸線１０Ｘを通ってピストンピン２の軸線２Ｘに直交する面（以下、スラスト方向面２２と称する）に対して対称な位置に配置される。

一対のスカート１３Ｆ、１３Ｂは、本実施形態では排気側となる前側および吸気側となる後側にそれぞれ配置され、シリンダ１の内周面に沿うように円弧状断面に形成される。ここでは一対のスカート１３Ｆ、１３Ｂは、ピストンヘッド１１から垂下した態様で設けられ、一対のサイドウォール１２Ｌ、１２Ｒとともに全体として略小判形断面をなす閉断面構造を形成する。

本実施形態では、前側に配置されたスカート１３Ｆが反スラスト側となり、後側に配置されたスカート１３Ｂがスラスト側となっている。なお、スラスト側は、膨張行程時に燃焼圧力によりピストン１０が押圧された際に、コネクティングロッドの傾斜によりピストンピン２の軸線２Ｘと直交する向きに発生するピストン１０をシリンダ１に押し付けるスラスト荷重（横力）が作用する側であり、反スラスト側は、膨張行程時のスラスト荷重と反対向きのスラスト荷重が作用する側である。

スカート１３は、図４によく示されるように、ピストン１０の軸線１０Ｘ方向（スカート１３の高さ方向）の中間位置にピストン１０の軸線方向に所定長さにわたって形成され、ピストン１０の軸線１０Ｘから外側面１３ａまでの距離（半径）が同一とされた中間胴部１７と、それぞれ中間胴部１７の上端および下端からピストン１０の軸線方向に延設され、ピストン１０の軸線１０Ｘから外側面１３ａまでの距離（半径）がピストン１０の軸線方向に進むにつれて徐々に縮小する上側縮径部１８および下側縮径部１９とを有するバレル形状を呈している。

スカート１３の外側面１３ａは、固体潤滑被膜２０によってその大部分が覆われている。固体潤滑被膜２０は、例えばグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどを素材として印刷法によって形成される。固体潤滑被膜２０は、５μｍ〜２０μｍの厚さに形成される。

図２に示すように、スラスト側のスカート１３Ｂの外側面１３ａＢには、上方に向けて開くＶ字溝２１が３つ形成されている。各Ｖ字溝２１は、固体潤滑被膜２０を塗布しないこと、つまりコーティングの切欠により形成され、ピストン１０の軸線方向においてピストンピン２の軸線２Ｘよりも下側のみに配置される。３つのＶ字溝２１は、４８度の開き角を有する同一形状および同一の大きさに形成され、ピストン１０の軸線方向について同一の位置に周方向に配設される。これら３つのＶ字溝２１は、スラスト方向面２２面に対して対称、すなわち、スカート１３の外側面１３ａの展開状態においては、スカート１３の外側面１３ａとスラスト方向面２２との交線（以下、スカート中心線１３Ｘと称する）を対称軸として線対称に配置される。また、これらＶ字溝２１は、隣接するＶ字溝２１との間に所定の間隔をあけて配置される。

図３に示すように、反スラスト側のスカート１３Ｆの外側面１３ａＦにも、スラスト側と同様にＶ字溝２１が形成されている。

本実施形態では、図４に示すように、スカート１３の高さをＨとしたときに、Ｖ字溝２１は、スカート１３の下端から０．０４Ｈから０．２５Ｈの範囲に配置されている。つまり、Ｖ字溝２１は、スカート１３の高さＨの０．２１倍の大きさ（高さ）に形成され、上端が中間胴部１７に位置し、下端が下側縮径部１９に位置し且つスカート１３の下端および固体潤滑被膜２０の下端に接続しないように配置される。また本実施形態では、スカート１３の下端から０．５６Ｈの高さにピストンピン２の軸線２Ｘが位置しており、Ｖ字溝２１は、スカート１３の下端からピストンピン２の軸線２Ｘまでの高さ０．５６Ｈの半分の高さ０．２８Ｈよりも下方の範囲に配置されている。

以下、本発明に至る経緯および本発明に至るまでに行った実験の内容および結果について説明する。

まず、ピストン１０の首振り運動について説明する。図５および図６は、Ｖ字溝２１を形成せずに上記ピストン１０と同じ形状に形成したピストンの上面の圧縮行程、膨張行程、排気行程および吸気行程における挙動を示す模式図であり、それぞれ（Ａ）は高負荷時（エンジン回転速度：４０００ｒｐｍ）を、（Ｂ）は低負荷時（エンジン回転速度：１５００ｒｐｍ）を示している。また、図５には、スラスト側のスカート下端がシリンダ内壁に接触する範囲を黒塗り矢印で示し、図６には、反スラスト側のスカート下端がシリンダ内壁に接触する範囲を黒塗り矢印で示している。図５および図６に示すピストンの上面の傾きは、ピストン１０の首振りの程度を示している。

図５および図６に示すように、ピストンの挙動には運転負荷の違いにかかわらず共通の規則性があることがわかる。この規則性には、ディーゼルエンジン用のピストンにおいては、ピストンヘッド１１が重く、運転負荷の違いによる吸気負圧の変化が少ないことが少なからず寄与しているものと考えられるが、ガソリンエンジン用のピストンにおいても類似した挙動となる。ピストンの挙動は具体的には次の通りである。圧縮行程においてスラスト側のスカート下端をシリンダ内壁に近づける向き（以下、スラスト側と呼ぶ）に傾斜していたピストンは、膨張行程における初期（爆発時近傍）で反対（以下、反スラスト側と呼ぶ）に傾斜の向きを変え、膨張行程の半ばから終盤にかけて再度スラスト側に傾斜の向きを変え、排気行程の後半で反スラスト側に傾斜の向きを変え、吸気行程のはじめに反スラスト側だった傾斜の向きを吸気行程のおわりにスラスト側に変えている。

スカート下端がシリンダ内壁に接触する範囲は、スラスト側（図５）では、ピストンが下死点から上死点に向かう圧縮行程および排気行程（以下、両行程を上昇行程と総称する）において、ピストンが上死点から下死点に向かう膨張行程および吸気行程（以下、両行程を下降行程と総称する）よりも大きくなっている。特に下降行程においては、膨張行程ではスカート下端の接触は生じず、吸気行程のみでスカート下端の接触が生じている。したがって、スラスト側のスカートでは、動圧を発生させる凹部を、上昇行程において機能するような形状にすることが好ましいと推測できる。

一方、反スラスト側（図６）では、スカート下端がシリンダ内壁に接触する範囲は、下降行程において上昇行程よりも大きくなっている。したがって、反スラスト側のスカートでは、動圧を発生させる凹部を、下降行程において機能するような形状にすることが好ましいと推測できる。

そこでまず、スラスト側のみに上記と同じＶ字溝２１を形成したピストンを用いてフリクショントルクを計測した。その結果、図７に示すとおり、スラスト側にＶ字溝２１を形成した実線で示すピストンのフリクショントルクは、破線で示すＶ字溝２１を形成しないピストンのフリクショントルクに比べて全エンジン回転速度領域において低下した。一方、スラスト側のみに上記Ｖ字溝２１を上下逆さま（下開き）に形成したピストンを用いたフリクショントルクを計測したところ、Ｖ字溝２１を全く形成しないピストンに対するフリクショントルクの低減効果はなかった。これらの結果から、スラスト側のスカート１３Ｂの下端に上開きのＶ字溝２１を形成すると、スラスト側のスカート１３Ｂの下端が上昇行程においてより長くシリンダ壁面に接触することから、上昇行程におけるＶ字溝２１によるくさび効果（摩擦損失低減効果）が下降行程におけるＶ字溝２１による摩擦損失増大効果よりも大きくなるものと考察できる。

次に、反スラスト側については、スカート１３Ｆの下端がシリンダ内壁に接触する範囲が下降行程において上昇行程よりも大きいことから、反スラスト側のみに上記Ｖ字溝２１を上下逆さま（下開き）に形成したピストンを用いてフリクショントルクを計測した。その結果、Ｖ字溝２１を全く形成しないピストンに比べてフリクショントルクが低減することはなかった。ところが、反スラスト側のみに上記上開きのＶ字溝２１を形成したピストンを用いてフリクショントルクを計測したところ、図８に示すように、実線で示す反スラスト側にＶ字溝２１を形成したピストンのフリクショントルクは、破線で示すＶ字溝２１を全く形成しないピストンのフリクショントルクに比べて全エンジン回転速度領域において大幅に低下した。

これは、反スラスト側では、上開きのＶ字溝２１による上昇行程での逆くさび膜による摩擦損失の増大量が、下降行程でのくさび作用による摩擦損失の低減量よりも大きくなるものと考えられる一方で、ピストンが膨張行程所期の下降速度の遅い爆発時近傍で急激な首振りを行って反スラスト側のスカート下端をシリンダ内壁に接触させており、このときにＶ字溝２１が潤滑油に絞り膜作用（スクイズ作用）による高い動圧を発生させ、これによる摩擦損失の低減量が逆くさび作用による摩擦損失の増大量よりも極めて大きいことによるものと考えられる。

また、スラストおよび反スラスト側に形成するＶ字溝２１の数を変更するとともに、その配置を上記形態と同じピストン１０の軸線方向位置（同一円周上）で変更して、同様に実験を行ったところ、Ｖ字溝２１の向きについては同様な傾向が得られた。ただし、複数のＶ字溝２１を離間させず、Ｗ字状に連結させた場合には、フリクショントルクは低減することはなく、逆に悪化することもあった。これは、上開きの２つのＶ字溝２１の連結部分が下開きのＶ字を構成し、この下開きのＶ字部分が、Ｖ字溝２１の持つ一方向性のくさび効果を他方向への摺動時に発揮して摺動摩擦に悪影響を及ぼすためと考察できる。そのため、複数のＶ字溝２１を形成する場合は、互いに隣接する２つの上開きＶ字溝２１を離間させる必要がある。一方、互いに隣接する２つのＶ字溝２１の間隔を大きくすると、Ｖ字溝２１が、スカート中心線１３Ｘから離れて摩擦低減効果が小さくなるため、互いに隣接する２つの上開きＶ字溝２１の離間寸法は、１ｍｍ程度以上でなるべく小さな値にするとよい。

いずれの数のＶ字溝２１を形成するとしても、スカート１３の外側面１３ａにおいては、スカート中心線１３Ｘ上で面圧（側圧）が最も高くなるため、スカート中心線１３Ｘ付近にＶ字溝２１を配置し、且つスカート中心線１３Ｘ上に下端が位置するようにＶ字溝２１を配置するとよく、さらにスカート中心線１３Ｘに対して対称となるように奇数個のＶ字溝２１を配置するとよい。なお、偶数個のＶ字溝２１を形成した場合であっても一定の効果を得ることができるが、この場合にも偶数個のＶ字溝２１をスカート中心線１３Ｘに対して対称となるように配置するとよい。奇数個および偶数個のいずれの数のＶ字溝２１を形成する場合であっても、スカート中心線１３Ｘから離れた位置ではＶ字溝２１による摩擦低減効果は小さくなるため、ピストン１０の軸線方向視でピストン１０の軸線１０Ｘを中心にしてスラスト方向面２２から左右に１０度程度の範囲にＶ字溝２１を配置すると効果的である。

上開きのＶ字溝２１のくさび効果は、Ｖ字の広い上側から流入する潤滑油を狭い下側から流出させることによるものであり、潤滑油を流出させるＶ字の下側部分が面圧の高いスカート中心線１３Ｘに近いほうが効果的となる。そのため、複数のＶ字溝２１を配置する場合には、スカート中心線１３Ｘから離れて配置されるＶ字溝２１の下部をスカート中心線１３Ｘ寄りに変位させるとよい。具体的には、Ｖ字溝２１を奇数個形成する場合には、図９（Ａ）に示すように、中央に配置されるＶ字溝２１については、右側直線部２１ｒおよび左側直線部２１ｌのスカート中心線１３Ｘに対する傾斜角度α、αを同一の値とし、中央以外に配置されるＶ字溝２１については、スカート１３の外側面１３ａ上におけるピストン１０の軸線１０Ｘと平行な線２１Ｘに対し、スカート中心線１３Ｘに近い側の直線部分２１ｐの傾斜角度βの値を、スカート中心線１３Ｘから遠い側の直線部分２１ｄの傾斜角度γよりも小さくするとよい。一方、Ｖ字溝２１を偶数個形成する場合には、図９（Ｂ）に示すように、スカート中心線１３Ｘに対して対称をなす対のＶ字溝２１について、スカート１３の外側面１３ａ上におけるピストン１０の軸線１０Ｘと平行な線２１Ｘに対し、スカート中心線１３Ｘに近い側の直線部分２１ｐの傾斜角度βの値を、スカート中心線１３Ｘから遠い側の直線部分２１ｄの傾斜角度γよりも小さくするとよい。

さらに、Ｖ字溝２１を複数個形成する場合に、周方向に配置されるＶ字溝２１をピストン１０の軸線１０Ｘ方向に複数列配置してもよい。この場合、１列に形成されるＶ字溝２１は複数個に限定されるものではないが、図１０に示すように、ピストン１０の軸線１０Ｘ方向に互いに隣接する列のＶ字溝２１が周方向にオフセットする千鳥状の配置とするとよく、さらに、ピストン１０の軸線１０Ｘ方向に互いに隣接するＶ字溝２１の一部同士が重なり合って、ピストン１０の軸線方向視において隙間が生じないような配置とするとよい。このような配置にすることにより、スカート１３の外側面１３ａとシリンダ内壁との間に存在する潤滑油を効果的に集めてＶ字溝２１の頂点付近での高い動圧の発生を促進することができ、ピストン１０の軸線１０Ｘ方向に互いに隣接する列のＶ字溝２１が周方向において一致する網目状の配置に比べ、摩擦低減効果が高くなる。

また、Ｖ字溝２１をピストン１０の軸線１０Ｘ方向に複数列配置する場合には、最も下方の列のＶ字溝２１を奇数個とし、下から２列目を偶数個とするとよい。３列以上にわたってＶ字溝２１を形成する場合には、最も下方の列から順番に、奇数と偶数とを繰り返すとよい。このような配置とすることにより、効果的に潤滑油を集めて高い動圧を発生させ、摩擦損失をより効果的に低減させることができる。また、Ｖ字溝２１をピストン１０の軸線１０Ｘ方向に複数列配置する場合についても、スカート中心線１３Ｘから離れて配置されるＶ字溝２１の下部をスカート中心線１３Ｘ寄りに変位させるとよい。

一方、Ｖ字溝２１の配置を上記形態と同じ周方向位置のままピストン１０の軸線１０Ｘ方向に変化させ、同様に実験を行ったところ、Ｖ字溝２１を形成するピストン１０の軸線方向位置によっても摩擦低減効果に差異があった。具体的には、Ｖ字溝２１を、スカート下端からピストンピン２の軸線２Ｘまでの高さの１／２の範囲に配置した場合には、上記したようにスラスト側および反スラスト側ともに比較的大きな摩擦低減効果が得られ、ピストンピン２の軸線２Ｘから上方の範囲とした場合には、摩擦低減効果は得られず、逆にフリクショントルクが大きくなることもあった。これは、ピストン１０の首振りにより、スカート１３の外側面１３ａにおいてもピストン１０の軸線方向位置によって面圧が異なること、および上開きのＶ字溝２１の効果が一方向性を持つことによるものと考えられる。

このようなことから、ピストン１０の軸線方向については、Ｖ字溝２１をピストンピン２の軸線２Ｘよりも下方の範囲のみに配置するとよく、Ｖ字溝２１をピストン１０の軸線方向について小さな範囲に設ける場合には、スカート下端からピストンピン２の軸線２Ｘまでの高さの１／２の範囲にＶ字溝２１を配置するとよい。

このように、一対のスカート１３Ｆ、１３Ｒの外側面１３ａＦ、１３ａＢのうちの少なくとも一方に、上方に向けて開く向きの少なくとも１つのＶ字溝２１が形成され、Ｖ字溝２１がピストン１０の軸線１０Ｘ方向においてピストンピン２の軸線２Ｘよりも下側のみに配置されてことにより、Ｖ字溝２１が潤滑油に高い動圧を発生させ、油膜形成によって流体潤滑に近い状態が形成されてピストン１０の摺動による摩擦損失が低減する。

本実施形態では、Ｖ字溝２１が一対のスカート１３Ｆ、１３Ｒの両方の外側面１３ａＦ、１３ａＢに形成されており、これにより、スラスト側のスカート１３Ｂにおいては、Ｖ字溝２１がピストン１０の上昇時にＶ字の下方に流れる潤滑油にくさび効果を発生させることでピストン上昇時の摩擦損失を低減させ、反スラスト側のスカート１３Ｆにおいては、Ｖ字溝２１が、ピストン下降時に逆くさび膜を形成して摺動摩擦を増大させる一方、スクイズ作用によってこれよりも大きな摩擦低減効果を潤滑油に発揮させ、一方のスカート１３のみにＶ字溝２１を形成する場合に比べて摩擦損失がより低減する。

本実施形態では、スカート１３がバレル形状を呈することによってシリンダ１の内壁との接触が抑制されて摩擦損失が低減するうえ、Ｖ字溝２１が上端を中間胴部１７に、下端を下側縮径部１９に位置させるように形成されることにより、Ｖ字溝２１が効果的に動圧を発生させ、摩擦損失がより効果的に低減する。

本実施形態では、一対のスカート１３Ｆ、１３Ｒの外側面１３ａＦ、１３ａＢのうちの少なくとも一方に、スカート中心線１３Ｘ（スラスト方向面２２）に対して対称に奇数個のＶ字溝２１が形成され、互いに隣接するＶ字溝２１同士が所定の間隔をもって配置されており、これにより、最も面圧が高くなる部位にＶ字溝２１により高い動圧を発生させることができ、ピストン１０の摺動による摩擦損失が効果的に低減する。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、スカート１３の外側面１３ａに固体潤滑被膜２０がコーティングされており、コーティングの切欠によりＶ字溝２１が形成されているが、凹み加工（条痕溝加工）によってスカート１３の外側面１３ａに凹部を形成してもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、素材など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した本発明に係るピストン１０の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜取捨選択することが可能である。

１ シリンダ
２ ピストンピン
２Ｘ ピストンピンの軸線
１０ ピストン
１０Ｘ ピストンの軸線
１１ ピストンヘッド
１１ａ ピストンヘッドの上面
１２ サイドウォール（ピン支持壁）
１２Ｌ 左側のサイドウォール
１２Ｒ 右側のサイドウォール
１３ スカート
１３Ｆ 前側（反スラスト側）のスカート
１３Ｂ 後側（スラスト側）のスカート
１３ａ スカートの外側面
１３ａＦ 前側（反スラスト側）のスカート１３Ｆの外側面
１３ａＢ 後側（スラスト側）のスカート１３Ｂの外側面
１３Ｘ スカート中心線
１７ 中間胴部
１８ 上側縮径部
１９ 下側縮径部
２０ 固体潤滑被膜
２１ Ｖ字溝
２２ スラスト方向面（ピストン軸線を通ってピストンピンと直交する面）
Ｓ 燃焼空間

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダ内に摺動自在に設けられ、上面が燃焼空間を画成する円柱状のピストンヘッドと、
   前記ピストンヘッドの下方に前記ピストンヘッドと一体に設けられ、ピストンピンを支持する一対のピン支持壁と、
   前記一対のピン支持壁を連結し、前記シリンダの内壁に摺接する一対のスカートとを備え、
   前記一対のスカートのうち少なくとも一方の外側面には、上方に向けて開く向きの少なくとも１つのＶ字溝が形成され、
   前記Ｖ字溝がピストン軸線方向において前記ピストンピンの軸線よりも下側のみに配置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Ｖ字溝が前記一対のスカートの両方の外側面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. 前記スカートは、ピストン軸線方向の中間位置にピストン軸線方向に所定長さにわたって形成され、ピストン軸線から外側面までの距離が同一とされた中間胴部と、それぞれ当該中間胴部の上端および下端からピストン軸線方向に延設され、ピストン軸線から外側面までの距離がピストン軸線方向に進むにつれて徐々に縮小する上側縮径部および下側縮径部とを有するバレル形状を呈し、
   前記Ｖ字溝は、上端が前記中間胴部に位置し、下端が前記下側縮径部に位置し且つ前記スカートの下端に接続しないように形成されたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストン。
4. 前記一対のスカートのうち少なくとも一方の外側面には、ピストン軸線を通って前記ピストンピンと直交する面に対して対称に奇数個の前記Ｖ字溝が形成され、互いに隣接するＶ字溝同士が所定の間隔をもって配置されたことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン。

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