JP2015063946A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ピストンが下死点位置にあるときにピストンの一部がシリンダボアの下端縁からはみ出すように構成された内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine configured such that a part of a piston protrudes from a lower end edge of a cylinder bore when the piston is at a bottom dead center position.
ピストンが下死点位置にあるときにピストンの一部がシリンダボアの下端縁からはみ出す内燃機関の一例が特許文献1に開示されている。特許文献1では、このような内燃機関における、ピストンが下死点位置付近にあるときの首振り運動に起因する打音を減少させるように、ピストンピンの中心をシリンダの中心に対して所定距離だけオフセットさせるとともに、シリンダボア下端を下方に延長するようにしている。 Patent Document 1 discloses an example of an internal combustion engine in which a part of the piston protrudes from the lower end edge of the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position. In Patent Document 1, in such an internal combustion engine, the center of the piston pin is set at a predetermined distance from the center of the cylinder so as to reduce the hitting sound caused by the swing motion when the piston is near the bottom dead center position. And the lower end of the cylinder bore is extended downward.
ところで、ピストンが下死点位置にあるときにピストンの一部がシリンダボアの下端縁からはみ出すように構成される内燃機関は一般にそのコンパクト化およびそれに伴う軽量化に寄与する。これに、上記特許文献1の内燃機関におけるシリンダボアの下端の延長は即さないであろう。 By the way, an internal combustion engine configured such that a part of the piston protrudes from the lower end edge of the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position generally contributes to downsizing and accompanying weight reduction. For this reason, the extension of the lower end of the cylinder bore in the internal combustion engine of Patent Document 1 will not be realized.
一方、ピストンが下死点位置にあるときにピストンスカート部の一部がシリンダボアの下端縁からはみ出す内燃機関では、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボアにピストンが接することができる部分が元来限られている。したがって、このような内燃機関では、ピストンが下死点位置にあるときのシリンダボアとピストンとの間でのフリクションが特に高まる傾向にある。このようなフリクションは例えば燃費の点から抑制されることが望まれる。 On the other hand, in an internal combustion engine in which a part of the piston skirt protrudes from the lower end edge of the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position, the portion where the piston can contact the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position is the original. It is limited since then. Therefore, in such an internal combustion engine, the friction between the cylinder bore and the piston tends to increase particularly when the piston is at the bottom dead center position. Such friction is desired to be suppressed from the viewpoint of fuel consumption, for example.
本発明の目的は、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボアの下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、ピストンとシリンダボアとの間のフリクションを抑制することにある。 An object of the present invention is to suppress friction between a piston and a cylinder bore in an internal combustion engine in which a part of the piston protrudes from a lower end edge of the cylinder bore when the piston is at a bottom dead center position.
本発明の一の態様によれば、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、ピストンピン摺動部に摩擦低減手段が設けられていることを特徴とする内燃機関が提供される。 According to one aspect of the present invention, in the internal combustion engine in which a part of the piston protrudes from the lower end edge of the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position, the friction reducing means is provided at the piston pin sliding portion. An internal combustion engine is provided.
上記構成を有する本発明によれば、ピストンピン摺動部に摩擦低減手段が設けられているので、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボアの下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、ピストンの下死点位置付近でのピストンの姿勢を改善し、ピストンとシリンダボアとの間のフリクションを抑制することが可能になる。 According to the present invention having the above configuration, since the friction reducing means is provided in the piston pin sliding portion, in the internal combustion engine in which a part of the piston protrudes from the lower end edge of the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position. The piston posture near the bottom dead center position of the piston can be improved and the friction between the piston and the cylinder bore can be suppressed.
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に実施形態に係る内燃機関10の、特にその機関本体部の断面模式図を示す。内燃機関10では、シリンダブロック12に形成されたシリンダボア14内にピストン16が摺動可能に配設され、ピストン16の往復運動がクランクシャフト18の回転運動にかえられるように、ピストンピン20およびコンロッド22を介して、ピストン16はクランクシャフト18に接続されている。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an internal combustion engine 10 according to the embodiment, in particular, an engine body portion thereof. In the internal combustion engine 10, the piston 16 is slidably disposed in the cylinder bore 14 formed in the cylinder block 12, and the piston pin 20 and the connecting rod are changed so that the reciprocating motion of the piston 16 is changed to the rotational motion of the crankshaft 18. The piston 16 is connected to the crankshaft 18 via 22.
図1は、ピストン16が下死点位置近傍にあるときを表している。図1から明らかなように、内燃機関10は、ピストン16が下死点位置にあるときに、ピストン16のスカート部16aの一部(クランクシャフト側部分)がシリンダボア14の下端縁14aからはみ出す、つまりシリンダボア14の下端縁14aから突き出て露出するように構成されている。このような内燃機関10は、内燃機関の高さ方向のコンパクト化を図ることに貢献し得、さらにはその軽量化に貢献し得る。 FIG. 1 shows the case where the piston 16 is in the vicinity of the bottom dead center position. As is apparent from FIG. 1, in the internal combustion engine 10, when the piston 16 is at the bottom dead center position, a part of the skirt portion 16 a (crankshaft side portion) of the piston 16 protrudes from the lower end edge 14 a of the cylinder bore 14. That is, the cylinder bore 14 is configured to protrude and be exposed from the lower end edge 14a. Such an internal combustion engine 10 can contribute to downsizing the internal combustion engine in the height direction, and can further contribute to weight reduction.
内燃機関10では、ピストンピン20の表面はダイヤモンドライクカーボン(DLC)によりコーティングされている。特に、ピストンピン20の摺動部としての外周面に、摩擦低減手段としてのDLC膜が形成されている。なお、DLC膜は、主として炭化水素あるいは炭素から成る硬質膜である。 In the internal combustion engine 10, the surface of the piston pin 20 is coated with diamond-like carbon (DLC). In particular, a DLC film as a friction reducing means is formed on the outer peripheral surface as the sliding portion of the piston pin 20. The DLC film is a hard film mainly made of hydrocarbon or carbon.
ピストンピン20はピストン16のピン孔16bに摺動可能に挿入され、かつ、コンロッド22の小端孔(図示せず)に摺動可能に挿入されている。したがって、ピストンピン20には、ピン孔16に対して摺動するピン孔摺動部と、コンロッド22に対して摺動するコンロッド摺動部とがある。ピストンピン20のこれらピン孔摺動部およびコンロッド摺動部に、DLC膜が形成されている。ピストンピン20におけるDLC膜は、ピストンピン20の摺動部での摩擦係数を下げることに貢献する。 The piston pin 20 is slidably inserted into the pin hole 16 b of the piston 16 and slidably inserted into a small end hole (not shown) of the connecting rod 22. Accordingly, the piston pin 20 has a pin hole sliding portion that slides with respect to the pin hole 16 and a connecting rod sliding portion that slides with respect to the connecting rod 22. A DLC film is formed on the pin hole sliding portion and the connecting rod sliding portion of the piston pin 20. The DLC film on the piston pin 20 contributes to lowering the coefficient of friction at the sliding portion of the piston pin 20.
このように、ピストンピン20にDLCコーティングを施すことにより、下死点およびその付近でのピストン16の姿勢、換言すると、シリンダボア中心線Cに対するピストン16の傾き傾向を改善することができる。そして、その結果、ピストン16からシリンダボア14に及ぼされる圧力が局所的に高まることを抑制し、それらの間でのフリクションを抑制することが可能になる。この理由は、例えば、次のようなものであろう。 Thus, by applying DLC coating to the piston pin 20, it is possible to improve the inclination of the piston 16 with respect to the cylinder bore center line C, in other words, the posture of the piston 16 at the bottom dead center and the vicinity thereof. As a result, the pressure exerted on the cylinder bore 14 from the piston 16 is prevented from locally increasing, and the friction between them can be suppressed. The reason for this is, for example, as follows.
内燃機関10では、ピストンが下死点位置付近にあるとき、シリンダ14の下端縁14aに沿って、場合によってはそれに擦れ合いながらピストン16は下方に(つまりクランクシャフト18側に向けて)動き、下死点位置に達し、そして上方に動く。このようにピストン移動方向が変わるとき、ピストンピン20にDLC膜が形成されているので、ピストンやコンロッドに対してピストンピンが相対的に回り易く、よってコンロッドの動きに対するピストン姿勢の追従が抑制される。したがって、ピストンが下死点位置付近にあるとき、シリンダボアに対してピストンを押し付ける力が過大になることを抑制することができる。その結果、ピストンからシリンダに及ぼされる圧力の局所的な高まりを抑制でき、ピストンとシリンダとの間の油膜切れを抑制でき、シリンダボアとピストンとの間での摩擦力つまりフリクションを緩和または抑制することができる。 In the internal combustion engine 10, when the piston is in the vicinity of the bottom dead center position, the piston 16 moves downward (that is, toward the crankshaft 18) while rubbing against the lower end edge 14a of the cylinder 14 in some cases, Reach the bottom dead center position and move up. When the piston moving direction changes in this way, since the DLC film is formed on the piston pin 20, the piston pin easily rotates relative to the piston and the connecting rod, and thus the follow-up of the piston posture to the movement of the connecting rod is suppressed. The Therefore, when the piston is in the vicinity of the bottom dead center position, it is possible to suppress an excessive force for pressing the piston against the cylinder bore. As a result, local increase in pressure exerted from the piston to the cylinder can be suppressed, oil film breakage between the piston and cylinder can be suppressed, and frictional force, that is, friction between the cylinder bore and piston can be reduced or suppressed. Can do.
なお、ピストンピン摺動部に、摩擦低減手段としてのDLC膜が設けられるのであれば、そのコーティングはピストンピン以外になされてもよい。例えば、ピストンピン摺動部を構成する、ピストン16、特にそのピン孔16bおよびコンロッド22の小端部、特にその孔(図示せず)にDLCコーティングが施されてもよい。また、ピストンピン20と、ピストン16のピン孔16bおよびコンロッド22の小端部の孔との両方に、DLCコーティングが施されてもよい。ただし、ピストンピンにDLCコーティングを施すことは少ない作業で、好ましくは1回の作業で可能であるので、コスト面で有利である。なお、DLCコーティングはプラズマ・イオンを利用したPVD法またはCVD法で一般に行われることができる。 In addition, if the DLC film | membrane as a friction reduction means is provided in a piston pin sliding part, the coating may be made other than a piston pin. For example, DLC coating may be applied to the piston 16, particularly its pin hole 16 b and the small end of the connecting rod 22, particularly its hole (not shown), which constitute the piston pin sliding part. Further, DLC coating may be applied to both the piston pin 20 and the pin hole 16b of the piston 16 and the hole at the small end of the connecting rod 22. However, since it is possible to apply DLC coating to the piston pin with less work, and preferably with one work, it is advantageous in terms of cost. The DLC coating can be generally performed by a PVD method or a CVD method using plasma ions.
あるいは、ピストンピンと、ピストンと、コンロッドとの間のフリクションを低減するように、摩擦係数を小さくする他の表面処理や低摩擦材が、摩擦低減手段としてピストンピン摺動部に適用されてもよい。さらに、摩擦低減手段として、ピストンピン摺動部における油膜形成を補強または促すべく、オイルを保持することができるように溝や凹凸を形成することが採用されてもよい。 Alternatively, other surface treatments or low friction materials that reduce the friction coefficient may be applied to the piston pin sliding portion as friction reducing means so as to reduce the friction between the piston pin, the piston, and the connecting rod. . Furthermore, as a friction reducing means, in order to reinforce or promote oil film formation in the piston pin sliding portion, it is possible to adopt a groove or unevenness so that oil can be held.
ピストンピン摺動部におけるDLC膜の作用および効果を、実験により調べた。その実験結果を以下に説明する。 The action and effect of the DLC film at the piston pin sliding portion were examined by experiments. The experimental results will be described below.
(実験1)
上記内燃機関10をモデル化して、コンピュータ計算を行った。一例として、エンジン回転速度を2000rpm、エンジン負荷を図示平均有効圧(Indicated Mean Effective Pressure、IMEP)で650kPaとして行った、コンピュータ計算の結果を図2から図4に示す。
(Experiment 1)
The internal combustion engine 10 was modeled and a computer calculation was performed. As an example, FIG. 2 to FIG. 4 show the results of computer calculations performed at an engine rotation speed of 2000 rpm and an engine load of 650 kPa at the indicated mean effective pressure (IMEP).
図2は、クランク角(CA)に対して、シリンダボアに対するピストンの傾き角の変化を表したグラフである。図3は、図2のクランク角が−175°であるときの、つまり、吸気下死点直後での、シリンダボア下端部におけるピストンからの圧力の上昇部とその最大圧力とを示す。図4は、クランク角(図2のクランク角に対応)に対して、ピストンとシリンダボアとの間の摩擦力の変化を表したグラフである。なお、図3の圧力はシリンダボア面に直角な方向での力に相当し、図4の摩擦力はシリンダボア面に沿う方向での力に相当する。図2から図4では、ピストンピン摺動部にDLC膜があるモデル(本発明に係るモデル)での結果が「DLC」として示され、これに対して、ピストンピン摺動部にDLC膜がないモデルでの結果が「DLC無」として示されている。また、図3において、(a)はDLC膜がある場合の結果であり、(b)はDLC膜が無い場合の結果であり、符号「Th」はスラスト側を示し、符号「ATh」は反スラスト側を示す。 FIG. 2 is a graph showing a change in the tilt angle of the piston with respect to the cylinder bore with respect to the crank angle (CA). FIG. 3 shows an increase in pressure from the piston at the lower end of the cylinder bore and its maximum pressure when the crank angle in FIG. 2 is −175 °, that is, immediately after the intake bottom dead center. FIG. 4 is a graph showing a change in the frictional force between the piston and the cylinder bore with respect to the crank angle (corresponding to the crank angle in FIG. 2). The pressure in FIG. 3 corresponds to a force in a direction perpendicular to the cylinder bore surface, and the frictional force in FIG. 4 corresponds to a force in a direction along the cylinder bore surface. In FIG. 2 to FIG. 4, the result of the model having the DLC film on the piston pin sliding portion (model according to the present invention) is shown as “DLC”, whereas the piston pin sliding portion has the DLC film on the piston pin sliding portion. Results with no model are shown as "no DLC". In FIG. 3, (a) shows the result when the DLC film is present, (b) shows the result when there is no DLC film, the symbol “Th” indicates the thrust side, and the symbol “ATh” Indicates the thrust side.
図2のグラフは、ピストンが下死点(クランク角が180°および−180°)位置付近にあるとき、DLC膜がある場合の方が、そうでない場合に比べて、シリンダボア中心線に対するピストンの傾き角が小さい傾向を示す。図3は、DLC膜がある場合の方が、そうでない場合に比べて、シリンダボア下端部での圧力上昇部の領域が小さい傾向を有し、その最大圧力が小さいことを示す。なお、図3においてDLC膜がある場合の最大圧力は18MPaであり、そうでない場合の最大圧力は24MPaである。また、図示しないが、クランク角が−180°であるときの、つまりピストンが下死点位置にあるときの、DLC膜がある場合の最大圧力は15MPaであり、そうでない場合の最大圧力20MPaよりも小さかった。さらに、図4は、DLC膜がある場合の方が、そうでない場合に比べて、ピストンが下死点位置付近、特に下死点直後の位置にあるときにおけるピストンとシリンダボアとの間での摩擦力が小さいことを示す。 The graph of FIG. 2 shows that when the piston is near the bottom dead center (crank angle is 180 ° and −180 °), the piston with respect to the cylinder bore centerline is better when the DLC film is present than when the piston is not. The inclination angle tends to be small. FIG. 3 shows that when the DLC film is present, the region of the pressure increase portion at the lower end of the cylinder bore tends to be smaller and the maximum pressure is smaller than when the DLC film is not. In FIG. 3, the maximum pressure when the DLC film is present is 18 MPa, and the maximum pressure when the DLC film is not present is 24 MPa. Although not shown, when the crank angle is −180 °, that is, when the piston is at the bottom dead center position, the maximum pressure when the DLC film is present is 15 MPa, and the maximum pressure when the crank angle is not 20 MPa. Was also small. Further, FIG. 4 shows that the friction between the piston and the cylinder bore when the DLC film is present is close to the bottom dead center position, particularly immediately after the bottom dead center, compared to the case where the DLC film is not. Indicates that the force is small.
図2から図4より明らかなように、ピストンピン摺動部にDLC膜があることで、シリンダボアに対するピストンの姿勢を改善でき、ピストンが吸気下死点位置付近にあるときのシリンダ面圧の局所的な高まりを抑制でき、シリンダボアとピストンとの間の摩擦力つまりフリクションを低減できる。 As apparent from FIGS. 2 to 4, the piston pin sliding portion has the DLC film, so that the posture of the piston with respect to the cylinder bore can be improved, and the local pressure of the cylinder surface when the piston is in the vicinity of the intake bottom dead center position is improved. And the friction force between the cylinder bore and the piston, that is, the friction can be reduced.
また、図5は、下死点位置においてシリンダボアからピストンがはみ出さない内燃機関のモデルでの図4に対応する結果を示すが、DLC膜の有無の違いで顕著な違いは認められなかった。これは、このような内燃機関では、ピストンが下死点位置にあるときにも、ピストンはシリンダボアにより十分支えられているので、そもそも、シリンダボア中心線に対してピストンが傾き難いことによるであろう。 FIG. 5 shows the result corresponding to FIG. 4 in the model of the internal combustion engine in which the piston does not protrude from the cylinder bore at the bottom dead center position, but no significant difference was observed depending on the presence or absence of the DLC film. This is because, in such an internal combustion engine, even when the piston is at the bottom dead center position, the piston is sufficiently supported by the cylinder bore, so that the piston is hardly tilted with respect to the center line of the cylinder bore in the first place. .
以上、図2から図5より、ピストンピン摺動部にDLC膜を設けることが、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関における、下死点付近でのフリクションの改善に有効であることが明らかである。 As described above, from FIG. 2 to FIG. 5, the DLC film is provided on the piston pin sliding portion so that when the piston is at the bottom dead center position, in the internal combustion engine in which a part of the piston protrudes from the lower end edge of the cylinder bore. It is clear that it is effective in improving the friction at the same time.
(実験2)
実機試験により、エンジン回転速度を一定かつエンジン負荷を一定として、ピストンとシリンダボアとの間のフリクションつまり摩擦力の変化を調べた。その結果を図6、図7に示す。図6および図7の横軸は図2のクランク角に対応し、それらの縦軸は異なる向きの摩擦力を正負で表す。したがって、図6および図7では、摩擦力の大きさ(絶対値)が小さいほどフリクションが小さいことを示し、好まれる。「DLC」および「DLC無」の表記は、図2から図5にしたがう。なお、図6(a)および図6(b)は、クランク角が−180°のところでつなげて理解されるべきグラフであり、これは図7(a)および図7(b)においても同様である。
(Experiment 2)
In an actual machine test, the change of the friction between the piston and the cylinder bore, that is, the frictional force, was investigated with the engine rotation speed and the engine load constant. The results are shown in FIGS. 6 and FIG. 7 corresponds to the crank angle in FIG. 2, and the vertical axes thereof represent the frictional forces in different directions as positive and negative. Therefore, in FIGS. 6 and 7, the smaller the magnitude (absolute value) of the frictional force is, the smaller the friction is. The notations “DLC” and “without DLC” are in accordance with FIGS. 6 (a) and 6 (b) are graphs to be understood by connecting them at a crank angle of −180 °, and this is the same in FIGS. 7 (a) and 7 (b). is there.
図6、図7の実験で用いた内燃機関は、共に、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンスカート部の一部がはみ出す内燃機関である。ただし、図6は、ピストンのピストンピン中心をシリンダ中心に対して所定距離(0.65mm)オフセットさせた内燃機関での実験結果を示し、図7はそのオフセット量がゼロの内燃機関での実験結果を示す。なお、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、シリンダとピストンとの局所的な磨耗等を減少させる目的で、ピストンピンの中心をシリンダの中心に対して所定距離(1.5mm〜3mm)だけオフセットさせることは、特許文献1に開示されている。 Both the internal combustion engines used in the experiments of FIGS. 6 and 7 are internal combustion engines in which part of the piston skirt portion protrudes from the lower end edge of the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position. However, FIG. 6 shows the experimental result in the internal combustion engine in which the piston pin center of the piston is offset by a predetermined distance (0.65 mm) from the cylinder center, and FIG. 7 shows the experimental result in the internal combustion engine in which the offset amount is zero. Results are shown. In an internal combustion engine in which part of the piston protrudes from the bottom edge of the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position, the piston pin center is the center of the cylinder for the purpose of reducing local wear between the cylinder and the piston. It is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228561 that the offset is made by a predetermined distance (1.5 mm to 3 mm).
図6では、ピストンのシリンダボア内での移動方向が変わった吸気下死点直後に、DLC膜が形成されていない内燃機関でそのフリクションが、DLC膜がある内燃機関でのフリクションと比べて、急激に高まっている。また、図7も、その程度は図6ほどではないが、同様の結果を示す。これらは、DLC膜をピストンピン摺動部、この実験ではピストンピンに形成することで、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンスカート部の一部がはみ出す内燃機関における下死点付近、特にその直後でのフリクションを改善できることを表す。 In FIG. 6, immediately after the intake bottom dead center where the moving direction of the piston in the cylinder bore has changed, the friction of the internal combustion engine in which the DLC film is not formed is sharper than that in the internal combustion engine with the DLC film. Is growing. Also, FIG. 7 shows similar results, although not as much as FIG. These are formed by forming a DLC film on the piston pin sliding part, in this experiment, on the piston pin, so that when the piston is at the bottom dead center position, a part of the piston skirt part protrudes from the bottom edge of the cylinder bore. This indicates that the friction near the point, particularly immediately after that, can be improved.
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限られない。特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。 Embodiments of the present invention are not limited to the embodiments described above. All modifications, applications, and equivalents included in the spirit of the present invention defined by the claims are included in the present invention.
10 内燃機関
12 シリンダブロック
14 シリンダボア
16 ピストン
18 クランクシャフト
20 ピストンピン
22 コンロッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine 12 Cylinder block 14 Cylinder bore 16 Piston 18 Crankshaft 20 Piston pin 22 Connecting rod
Claims (1)
ピストンピン摺動部に摩擦低減手段が設けられていることを特徴とする内燃機関。 In the internal combustion engine in which a part of the piston protrudes from the lower end edge of the cylinder bore when the piston is at the bottom dead center position,
An internal combustion engine characterized in that a friction reducing means is provided in a piston pin sliding portion.
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