JP2014214737A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの軸線方向に加わる荷重が小さい場合に、潤滑油によるピストンの摺動抵抗を低減することができる内燃機関のピストンを提供すること。
【解決手段】エンジン１のピストン７において、スカート部１３が、中央樹脂被膜層２１Ａが形成され、ピストンクラウン部９の軸線方向Ｏにおける中央部が最大外径となる中央スカート部１３Ａと、上部樹脂被膜層２１Ｂが形成され、中央スカート部１３Ａの上部境界１３ａよりも上方が中央スカート部１３Ａから軸線方向Ｏに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する上部スカート部１３Ｂと、下部樹脂被膜層２１Ｃが形成され、中央スカート部１３Ａの下部境界１３ｂに対して下方が中央スカート部１３Ａから軸線方向Ｏに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する下部スカート部１３Ｃとを備えており、樹脂被膜層２１は、中央樹脂被膜層２１Ａの表面が平滑面に形成され、上部樹脂被膜層２１Ｂおよび下部樹脂被膜層２１Ｃにオイルを保持する凹部２２、２３が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関し、特に、シリンダボアの内壁に対して樹脂被膜層を介して摺動するスカート部を有する内燃機関のピストンに関する。

従来、内燃機関のシリンダボアの内壁に対して往復動自在に設けられたピストンは、往復動時におけるピストンの首振り運動を抑制するために、スカート部を備えている。
このようなスカート部を有するピストンにあっては、シリンダボアの内壁に対向するスカート部の表面の摩擦抵抗が大きいと、ピストンの往復動時の摺動抵抗が増大して燃費の悪化や磨耗等の問題が発生する。

このため、従来のピストンとしては、スカート部の表面に樹脂被膜層を形成し、この樹脂被膜層の表面全面に潤滑油溜まりとなる凹部を規則的に配列することにより、ピストンの摺動抵抗を低減するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許４７４９３９８号公報

しかしながら、このような従来のピストンにあっては、樹脂被膜層の表面全面に潤滑油溜まりとなる凹部を規則的に配列しているため、樹脂被膜層全体に潤滑油が貯留されてしまう。このため、内燃機関のクランクシャフトの低回転時や膨張行程以外の行程などのように、ピストンの軸線方向に加わる荷重が小さい場合に、ピストンの摺動抵抗が大きくなってしまう。
具体的には、スカート部は、ピストンの軸線方向中央部が最大外径となるバレル状に形成されており、ピストンの軸線方向に加わる荷重が小さい場合には、スカート部とシリンダボアとの接触圧を低くするために、この最大外径部がシリンダボアに当接することで、ピストンの首振り運動を抑制している。

このため、上述したようにピストンの軸線方向に加わる荷重が小さい場合に、最大外径部が潤滑油を掻くようにしてピストンがシリンダボアの内壁に対して往復動することになり、この潤滑油が抵抗となって、ピストンの軸線方向の抵抗、すなわち、ピストンの剪断抵抗が大きくなってしまう。この結果、ピストンの摺動抵抗が大きくなってしまう。

特に、内燃機関の冷機時からの暖機運転時のように潤滑油の粘性が高い場合には、ピストンの往復動時に潤滑油の抵抗がより一層大きくなってしまうため、ピストンの摺動抵抗がより一層大きくなってしまうことになる。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、ピストンの軸線方向に加わる荷重が小さい場合に、潤滑油によるピストンの摺動抵抗を低減することができる内燃機関のピストンを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、シリンダボアの内壁に対して往復動自在に設けられ、外周部にピストンリングを有するピストン本体と、ピストン本体の下方に設けられ、シリンダボアの内壁に対向する面に樹脂被膜層が形成されたスカート部とを備え、スカート部が、ピストン本体の軸線方向における中央部が最大外径となる中央スカート部と、中央スカート部の上部境界よりも上方において上部境界から軸線方向に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する上部スカート部と、中央スカート部の下部境界に対して下方において下部境界から軸線方向に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する下部スカート部とを備えた内燃機関のピストンであって、中央スカート部に形成された樹脂被膜層の表面が平滑面に形成され、上部スカート部および下部スカート部に形成された樹脂被膜層の表面に潤滑油を保持する保持部が形成されるものから構成されている。

上記課題を解決するために、本発明の第２の態様としては、上部スカート部の保持部の合計容積に対して、下部スカート部の保持部の合計容積が大きく形成されるようにしてもよい。

このように上記の第１の態様によれば、中央スカート部に位置する樹脂被膜層の表面が平滑面に形成されるので、中央スカート部に位置する樹脂被膜層に保持される潤滑油量を少なくすることができる。
このため、内燃機関の低回転時や膨張行程以外の行程のように、ピストンの軸線方向に加わる荷重が小さく、ピストンとシリンダボアの内壁との接触圧が小さい場合に、中央スカート部に形成された樹脂被膜層がシリンダボアの内壁と接触したときに、シリンダボアの内壁と中央スカート部に形成された樹脂被膜層との間に介在される潤滑油量を少なくすることができる。
したがって、中央スカート部が潤滑油から受ける抵抗を少なくして、ピストンの剪断抵抗を小さくすることができ、ピストンの摺動抵抗を低減することができる。

また、ピストンの軸線方向に加わる力が大きくなる内燃機関の高回転時や膨張行程には、ピストンとシリンダボアの内壁との接触圧が大きくなり、スカート部が変形するため、中央スカート部に加えて上部スカート部および下部スカート部に形成された樹脂被膜層がシリンダボアの内壁に接触する。
第１の態様のピストンは、上部スカート部および下部スカート部に形成された樹脂被膜層の表面に潤滑油を保持する複数の保持部が形成されるので、保持部からシリンダボアの内壁と上部スカート部および下部スカート部に形成された樹脂被膜層との間に潤滑油を供給して潤滑性能を高めることができるため、ピストンの摺動抵抗を低減することができる。この結果、内燃機関の運転状態の全域において内燃機関の燃費が悪化するのを防止することができる。

上記の第２の態様によれば、上部スカート部に形成された樹脂被膜層の保持部の合計容積に対して、下部スカート部に形成された樹脂被膜層の保持部の合計容積が大きく形成されているので、上部スカート部に対して変形量が大きくシリンダボアの内壁に対する接触圧が大きい下部スカート部の樹脂被膜層とシリンダボアの内壁との間に、上部スカート部に形成された樹脂被膜層とシリンダボアの内壁との間よりも多くの潤滑油を供給することができる。
このため、ピストンの往復動時にスカート部全体に十分な量の潤滑油を供給することができ、ピストンの往復動時の摺動抵抗を低減することができる。これに加えて、樹脂被膜層の磨耗を抑制して樹脂被膜層の耐久性を向上させることができる。

図１は、本発明の内燃機関のピストンの一実施形態を示す図であり、内燃機関の要部構成図である。 図２は、本発明の内燃機関のピストンの一実施形態を示す図であり、ピストンおよびシリンダボアを示す図である。 図３は、本発明の内燃機関のピストンの一実施形態を示す図であり、図２のＡ方向から見たピストンの構成図である。 図４は、本発明の内燃機関のピストンの一実施形態を示す図であり、図３のＢ方向矢視図である。 図５は、本発明の内燃機関のピストンの一実施形態を示す図であり、図３のＣ−Ｃ方向矢視断面図である。 図６は、本発明の内燃機関のピストンの一実施形態を示す図であり、ピストンのスカート部のバレル形状を強調した図３のＤ−Ｄ方向矢視断面図である。

以下、本発明に係る内燃機関のピストンの実施形態について、図面を用いて説明する。
図１〜図６は、本発明に係る一実施形態の内燃機関のピストンを示す図である。
まず、構成を説明する。図１において、内燃機関としてのエンジン１は、クランクケース２が一体に設けられたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に取付けられたシリンダヘッド４とを含んで構成されている。
シリンダブロック３のシリンダボア６内にはピストン７が収納されており、このピストン７は、例えば、アルミニウム合金等によって構成されている。

ピストン７は、シリンダボア６に対して上下方向に往復動する。そして、ピストン７は、コネクティングロッド８を介してクランクシャフト５に連結されており、ピストン７の往復動は、コネクティングロッド８を介してクランクシャフト５の回転運動に変換される。

ここで、シリンダボア６は、気筒数に応じてエンジン１に設けられており、シリンダボア６は、４気筒であれば、エンジン１に４つ設けられている。本実施形態では、シリンダボアにピストンが収納されたエンジンであれば、どのような形態の内燃機関でもよい。

図２〜図５に示すように、ピストン７は、ピストン本体としてのピストンクラウン部９と、ピストンピン装着穴１０が形成されたピンボス部１１を有する一対のサイドウォール部１２と、ピンボス部１１を挟んで対向して円周方向端部が一対のサイドウォール部１２に連続するとともに、ピストンクラウン部９から下方に延在する一対のスカート部１３とを含んで構成されている。
また、図１に示すように、ピストンピン装着穴１０にはピストンピン１４が回転自在に挿通されており、このピストンピン１４を介してピストン７とコネクティングロッド８とが連結される。

図２、図３において、ピストンクラウン部９の外周部にはピストンクラウン部９の上方から順に第１コンプレッションリング溝１５、第２コンプレッションリング溝１６およびオイルリング溝１７が形成されている。
第１コンプレッションリング溝１５および第２コンプレッションリング溝１６には図示しない環状の第１コンプレッションリングおよび第２コンプレッションリングがそれぞれ嵌合されており、オイルリング溝１７にはピストンリングとしての図示しない環状のオイルリングが嵌合されている。

第１コンプレッションリング溝１５および第２コンプレッションリング溝１６は、シリンダボア６の内壁６ａに摺接することにより、ピストン７の上方のシリンダボア６に形成された図１に示す燃焼室１８を密閉する機能を有している。
また、オイルリングは、ピストン７の上下動に伴ってシリンダボア６の内壁６ａに摺接することにより、シリンダボア６の内壁６ａに付着している潤滑油としてのオイルを掻き落とす機能を有している。

また、オイルリング溝１７の底部には複数のオイル戻し穴１９が形成されており、このオイル戻し穴１９は、ピストンクラウン部９のスラスト側と反スラスト側に形成され、オイルリング溝１７の底部からピストン７のピストンクラウン部９の内周面に向かって開口している。

ここで、スラスト側とは、ピストン７がシリンダボア６内を下降する行程において、クランクシャフト５の回転力によってクランクシャフト５の軸線方向と直交する方向のスラスト力がシリンダボア６の内壁６ａに掛かるピストン７の面である。
また、反スラスト側とは、ピストン７がシリンダボア６内を上昇する行程において前記スラスト力と反対方向のスラスト力がシリンダボア６の内壁６ａに掛かるピストン７の面である。

また、ピストン７とシリンダボア６との間にはコネクティングロッド８の大径部に設けられたオイルジェット穴８ａからクランクシャフト５の回転に伴って噴射されるオイルが供給されるようになっており、図２に示すように、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの間にはオイル層２０が形成される。

このため、オイル層２０によってピストン７が冷却されるとともに、ピストン７の外周部とシリンダボア６の内壁６ａとの間が潤滑される。なお、潤滑部材としては、特に、オイルジェットに限定されるものではない。

また、クランクケース２の下部には図示しないオイルパンが設けられており、シリンダボア６はオイルパンに連通している。したがって、ピストン７がシリンダボア６内を上下方向に往復動するのに伴って、オイルリング溝１７に嵌合されたオイルリングがシリンダボア６の内壁６ａに付着したオイルを掻き落とすと、このオイルは、オイルリング溝１７からオイル戻し穴１９を介してピストンクラウン部９の内周面を通してオイルパンに還流される。
また、スカート部１３は、ピストン７の往復動時にスラスト側または反スラスト側に摺接することでピストン７の首振り挙動を抑制するようになっている。

図３に示すように、スカート部１３は、ピストンクラウン部９の軸線方向Ｏと平行に延在する長辺と軸線方向Ｏと垂直方向に延在する短辺とを備えており、図６に示すように、ピストンクラウン部９の軸線方向における中央部が最大外径となる中央スカート部１３Ａを有している。

また、スカート部１３は、中央スカート部１３Ａの上部境界１３ａよりも上方に位置する上部スカート部１３Ｂを有しており、この上部スカート部１３Ｂは、上部境界１３ａからピストンクラウン部９に連接される上端に向かってピストンクラウン部９の軸線方向Ｏに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲している。

また、スカート部１３は、中央スカート部１３Ａの下部境界１３ｂよりも下方に位置する下部スカート部１３Ｃを有しており、この下部スカート部１３Ｃは、下部境界１３ｂから自由端となる下端に向かってピストンクラウン部９の軸線方向Ｏに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲している。このようにスカート部１３は、バレル状に形成されている。
なお、図６では、説明の便宜上、スカート部１３を極端に湾曲させて描いているが、実際は、このように極端に湾曲していないことは、いうまでもない。

図２、図３に示すように、スカート部１３の表面には、例えば、スクリーン法により低摩擦抵抗性および高耐熱性を有する樹脂被膜層２１が一定の厚みを有して形成されており、この樹脂被膜層２１は、中央スカート部１３Ａ、上部スカート部１３Ｂおよび下部スカート部１３Ｃの表面に形成されている。

中央スカート部１３Ａに形成された中央樹脂被膜層２１Ａの表面は、凹部が形成されていない平滑面となっている。また、上部スカート部１３Ｂおよび下部スカート部１３Ｃに形成された上部樹脂被膜層２１Ｂおよび下部樹脂被膜層２１Ｃの表面には保持部としての同一形状の凹部２２、２３が形成されており、この凹部２２、２３にはオイルが保持されるようになっている。ここで、上部スカート部１３Ｂは、下部スカート部１３Ｃよりも面積が小さく形成されており、凹部２２の数に対して凹部２３の数が多く形成されている。したがって、凹部２２の合計容積に対して凹部２３の合計容積は、大きくなっている。

次に、作用を説明する。
エンジン１の低回転時や膨張行程以外の行程においては、ピストン７の軸線方向に加わる荷重が小さく、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの接触圧が小さい。この場合には、主に、平滑面を有する中央樹脂被膜層２１Ａがシリンダボア６の内壁６ａに摺接しながら、ピストン７がシリンダボア６に沿って往復動する。このとき、中央樹脂被膜層２１Ａがオイル層２０を介してシリンダボア６の内壁６ａに摺接する。

本実施形態のピストン７の中央樹脂被膜層２１Ａは、凹部を有さない平滑面に形成されているため、シリンダボア６の内壁６ａと中央樹脂被膜層２１Ａとの間に介在されるオイル量が少なくなり、中央スカート部１３Ａがオイルから受ける抵抗を少なくすることができる。このため、軸線方向Ｏと平行なピストン７の剪断抵抗を小さくすることができ、ピストン７の摺動抵抗を低減することができる。

特に、本実施形態のピストン７は、シリンダボア６の内壁６ａと中央樹脂被膜層２１Ａとの間に介在されるオイル量を少なくすることができるため、エンジン１の冷機時からの暖機運転時のようにオイルの粘性が高い場合にあっても、ピストン７の往復動時にオイルの抵抗を低減して、ピストン７の摺動抵抗を従来よりも低減することができる。
したがって、エンジン１の低回転時や膨張行程以外の行程にピストン７の摺動抵抗を低減することができ、エンジン１の燃費が悪化するのを防止することができる。

一方、軸線方向Ｏに加わる力が大きくなるエンジン１の高回転時や膨張行程には、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの接触圧が大きくなるため、スカート部１３が変形して、中央スカート部１３Ａに加えて上部スカート部１３Ｂおよび下部スカート部１３Ｃがシリンダボア６の内壁６ａに接触する。
本実施形態のピストン７は、上部樹脂被膜層２１Ｂおよび下部樹脂被膜層２１Ｃの表面にオイルを保持する複数の凹部２２、２３が形成されているので、凹部２２、２３からシリンダボア６の内壁６ａとスカート部１３との間に潤滑に十分なオイルを供給することができる。

このため、ピストン７の潤滑性能を高めることができ、ピストン７の摺動抵抗を低減することができる。以上の結果、エンジン１の運転状態の全域においてエンジン１の燃費が悪化するのを防止することができる。
また、スカート部１３が変形する場合には、ピストンクラウン部９に連接される上部スカート部１３Ｂに対して、下端が自由端となる下部スカート部１３Ｃの変形量が大きくなる。

このため、上部樹脂被膜層２１Ｂとシリンダボア６の内壁６ａとの接触圧よりも下部樹脂被膜層２１Ｃとシリンダボア６の内壁６ａとの接触圧が大きくなり、上部樹脂被膜層２１Ｂとシリンダボア６の内壁６ａとの摺動抵抗に対して下部樹脂被膜層２１Ｃとシリンダボア６の内壁６ａとの摺動抵抗が大きくなる。
本実施形態のピストン７は、凹部２２に対して凹部２３の数が多く形成されているので、下部樹脂被膜層２１Ｃとシリンダボア６の内壁６ａとの間に、上部樹脂被膜層２１Ｂとシリンダボア６の内壁６ａとの間よりも多くのオイルを供給することができる。

このため、ピストン７の往復動時にスカート部１３全体に潤滑に充分な量のオイルを供給することができ、ピストン７の往復動時の摺動抵抗を低減することができる。これに加えて、樹脂被膜層２１の磨耗を抑制して樹脂被膜層２１の耐久性を向上させることができる。
なお、本実施形態のピストン７は、凹部２２および凹部２３を同一形状にしているが、凹部２２と凹部２３とを異なる形状にしてもよい。要は、本実施形態のピストン７は、凹部２２の合計容積に対して凹部２３の合計容積を大きくして、凹部２２よりも凹部２３に多くのオイルを保持できるようにすればよいのである。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１…エンジン（内燃機関）、６…リンダボア、６ａ…内壁、７…ピストン、９…ピストンクラウン部（ピストン本体）、１３…スカート部、１３Ａ…中央スカート部、１３Ｂ…上部スカート部、１３Ｃ…下部スカート部、１３ａ…上部境界、１３ｂ…下部境界、２１…樹脂被膜層、２１Ａ…中央樹脂被膜層、２１Ｂ…上部樹脂被膜層、２１Ｃ…下部樹脂被膜層、２２，２３…凹部（保持部）、Ｏ…軸線方向

Claims (2)

1. シリンダボアの内壁に対して往復動自在に設けられ、外周部にピストンリングを有するピストン本体と、前記ピストン本体の下方に設けられ、前記シリンダボアの内壁に対向する面に樹脂被膜層が形成されたスカート部とを備え、
   前記スカート部が、前記ピストン本体の軸線方向における中央部が最大外径となる中央スカート部と、前記中央スカート部の上部境界よりも上方において前記上部境界から前記軸線方向に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する上部スカート部と、前記中央スカート部の下部境界に対して下方において前記下部境界から前記軸線方向に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する下部スカート部とを備えた内燃機関のピストンであって、
   前記中央スカート部に形成された前記樹脂被膜層の表面が平滑面に形成され、前記上部スカート部および前記下部スカート部に形成された前記樹脂被膜層の表面に潤滑油を保持する保持部が形成されることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記上部スカート部の前記保持部の合計容積に対して、前記下部スカート部の前記保持部の合計容積が大きく形成され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。

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