JP2015169155A - 内燃機関のピストン及びピストンの塗膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーン印刷のスクリーンの線材からなる格子部の交点部を利用してスカート部外周面にほぼ一定の大きさの微小凹部を形成す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１の両スカート部３，４の外周面に、樹脂組成物による塗膜をスクリーン印刷機によって形成し、スクリーンに有する多くのメッシュを構成する線材によって塗膜に格子部を形成すると共に、該各格子部の各交点部で多孔状の凹部を形成するものであって、前記スクリーン印刷時における樹脂組成物の粘度を約３０Ｐａ・ｓ〜５０Ｐａ・ｓに設定すると共に、前記メッシュの数を６０／ｉｎｃｈ2〜１００／ｉｎｃｈ2に設定し、前記線材の線径を０．１４ｍｍ〜０．１ｍｍに設定した。【選択図】図６

Description

本発明は、外周面に塗膜が施された内燃機関のピストン及びピストンの塗膜形成方法に関する。

周知のように、例えば自動車用内燃機関のピストンの摩擦係数を改善する方法の一つとして、以下の特許文献１に記載された技術がある。

この技術は、ピストン基材のシリンダ壁面との摺動面(スカート部の外面)に、摺動用樹脂組成物からなる塗膜が形成されている。この塗膜は、表面に開口する多数の気孔が形成され、この各気孔内に含有された潤滑油によって摺動面とシリンダ壁面との間に油膜を形成して摩擦係数を低くするようになっている。

特許第５１７６３０６号公報

前記従来の技術にあっては、前記塗膜に形成された各気孔は、塗膜形成過程において塗布された摺動用樹脂組成物中の樹脂溶剤を急速加熱により突沸させることによって形成している。

しかしながら、前記樹脂溶剤を急速加熱すると、温度の高い部位から溶剤が揮発するため、気孔の数や大きさ、形成位置などをコントロールすることができず、数や大きさなどがばらばらの気孔になってしまう。

この結果、前記潤滑油の貯留性が不安定になって前記油膜が不均一になってしまい、良好な潤滑性が得られないおそれがある。

本発明は、スクリーン印刷によって形成された塗膜に、スクリーンの線材からなる格子部の交点部を利用してほぼ一定の微小凹部を形成することができる内燃機関のピストン及びピストンの塗膜形成方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、ピストン基材の径方向に形成された一対のスカート部の少なくとも一方の表面に樹脂組成物による塗膜を施した内燃機関のピストンであって、
前記塗膜をスクリーン印刷機によって形成し、該スクリーン印刷機のスクリーンに有する多くのメッシュを構成する線材によって塗膜に格子部を形成すると共に、該各格子部の各交点部に微小凹部を形成したことを特徴としている。

本発明によれば、ピストンのスカート部表面にスクリーン印刷におけるスクリーンの格子部の交点部を利用して複数の微小凹部を形成したことから、格子部を形成する線材や塗膜組成物の粘度などの印刷条件を変えることによって前記微小凹部の大きさや数を任意コントロールすることが可能になる。

本発明に係る内燃機関のピストンの一実施形態の斜視図である。 本発明のピストンの塗膜形成方法に供されるスクリーン印刷機によってスクリーンへ塗料を充填する工程を示す概略図である。 同スクリーン印刷機を用いてピストンのスカート部表面に樹脂組成物を印刷する状態を示す概略図である。 同スクリーン印刷機によるピストンのスカート部表面に樹脂組成物の印刷を完了した状態を示す概略図である。 Ａ〜Ｄはスクリーン印刷の実験中においてスカート部表面に塗布された樹脂組成物の各単体組成物が順次結合する状態を示し、Ｄではこの実験でピストン基材が露出しない凹部が形成された状態を示し、Ｅは図５ＣのＡ−Ａ線断面図。ＦはＢ−Ｂ線断面図、Ｇは図５ＤのＣ−Ｃ線断面図である。 Ａ〜Ｄはスクリーン印刷の実験中においてスカート部表面に塗布された樹脂組成物の各単体組成物が順次結合する状態を示し、Ｄではこの実験でピストン基材が露出するように凹部が形成された状態を示し、Ｅは図６ＣのＡ−Ａ線断面図。ＦはＢ−Ｂ線断面図、Ｇは図６ＤのＣ−Ｃ線断面図である。ている。

以下、本発明に係る内燃機関のピストン及び該ピストンの塗膜形成方法の実施形態を図面に基づいて詳述する。なお、本実施形態に供されるピストンは、例えば２０００ｃｃクラスの４サイクル・ガソリンエンジンに適用したものである。

〔第１実施形態〕
ピストン１は、図外のシリンダブロックに形成されたほぼ円柱状のシリンダ壁面内に摺動自在に設けられ、該シリンダ壁面と図外のシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するようになっていると共に、ピストンピンに連結されたコンロッドを介してクランクシャフトに連結されている。

前記ピストン１は、全体がＡＣ８Ａ Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金によって一体に鋳造され、図１に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面２ａ上に前記燃焼室を画成する冠部２と、該冠部２の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部３及び反スラスト側スカート４と、該各スカート部３、４の円周方向の両側端に連結された一対のエプロン部５，６と、を備えている。

前記冠部２は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、冠面２ａ上に吸排気弁との干渉を防止するバルブリセス７ａ、７ｂがそれぞれ形成されていると共に、外周部にプレッシャリングやオイルリングなどの３つのピストンリングを保持するリング溝７ｃ、７ｄ、７ｅが形成されている。

前記両スカート部３，４は、ピストン１の軸心を中心とした左右の対称位置に配置されて、横断面ほぼ円弧状に形成されていると共に、それぞれの肉厚はほぼ全体が比較的薄肉に形成されている。前記スラスト側スカート部３は、膨張行程時などにピストン１が下死点方向へストロークした際に、前記コンロッドの角度との関係で前記シリンダ壁面に傾きながら圧接するようになっている。一方、反スラスト側のスカート部４は、圧縮行程時などにピストン１が上昇ストロークした際に、シリンダ壁面に反対に傾きながら圧接するようになっている。前記各スカート部３，４のシリンダ壁面に対する圧接荷重は、燃焼圧力を受けてシリンダ壁面に圧接する前記スラスト側スカート部３の方が大きくなっている。

そして、前記ピストン１のスラスト側スカート部３と反スラスト側スカート部４の各表面には、図１及び図２に示すように、樹脂組成物などからなる塗膜８がそれぞれ施されている。

この塗膜８は、固体潤滑剤として耐摩耗性や耐摩擦性に優れたグラファイトが用いられていると共に、樹脂組成物(結合樹脂剤)として耐熱性、耐衝撃性に優れたポリアミドイミド樹脂が用いられている。また、樹脂溶剤としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドンが用いられている。

なお、固定潤滑剤としては、前記グラファイトの他に、例えば二硫化モリブデンを用いることが可能であり、また樹脂組成物としては、ポリアミドイミド樹脂以外の例えばエポキシ樹脂とポリイミド樹脂のいずれかを用いることも可能である。
〔スクリーン印刷工程〕
スクリーン印刷は、一般の作業工程によって行われ、まず、第１工程としては、図２に示すように、固定された例えばシルク布帛のスクリーン１０の上面にインク塗料である前記樹脂組成物１２を予め載せて、板状の第１スキージ（インク返し部材）１１をスクリーン１０の上面に押し付ける。その後、スクリーン１０を、矢印方向へ移動させてスクリーン１０の各繊維線材１０ａによって形成されたメッシュ１０ｂ(空隙)間に塗布充填する。

第２工程としては、図３に示すように、前記第１スキージ１１を上昇させてスクリーン１０から離間させると共に、樹脂組成物１２などが塗布された前記スクリーン１０を、図外の回転装置に取り付けられたピストン１のスカート部３，４の上面３ａ、４ａに当接させる。次に、別の第２スキージ１３の先端部をスクリーン１０の上面に押し付けた後、スクリーン１０を左矢印方向へ移動させると同時にピストン１を同方向へ回転させる。そうすると、前記スクリーン１０の各メッシュ１０ｂに充填されていた樹脂組成物１２が各スカート部３、４の上面に転写される。

第３工程としては、図４に示すように、スクリーン１０の移動とピストン１の回転を止めて、第２スキージ１３を上昇させてスクリーン１０から開放することによって各スカート部３，４の上面に樹脂組成物１２などが印刷される。

その後、各スカート部３，４上面に転写された樹脂組成物１２などの塗料が流動して均一厚さに引き延ばされ(レベリング)、通常はこのレベリングによって凹凸や孔のない均一な塗膜となるが、本実施形態では、後述する印刷条件を特定化することにより、図１右側の拡大図に示すように、塗膜８全体に無数のかつほぼ同一面積の凹部１５が整然と並べられた状態に形成される。

なお、前記印刷後からレベリングによる各凹部１５が形成される時間は、約数ｓｅｃ〜３０ｓｅｃである。

次の、前記無数の凹部１５が形成された状態でピストン１を所定温度で焼成することによって塗料中の樹脂溶剤を揮発させることにより、乾燥した前記塗膜８を得ることができる。
〔レベリング実験〕
以下、各スカート部３，４への印刷からレベリングまでの樹脂組成物１２などの変化状態を説明する。

図５Ａ〜Ｇ及び図６Ａ〜Ｇは、前記各スカート部３，４の上面３ａ、４ａに樹脂組成物１２が転写された後の前記レベリング時における変化状態を示し、後述する印刷条件を種々異ならせてレベリング状態を実験したものである。各スカート部３，４の上面３ａ、４ａに樹脂組成物１２の転写直後は、図５Ａ、図６Ａに示すように、樹脂組成物１２の各組成物単体１２ａが各メッシュ１０ｂの形状、つまり各メッシュ１０ｂを作り出す前記縦横の線材１０ａによって格子状に隔成されたほぼ正方形状に形成されている。

その後、所定の時間が経過すると、図５Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆや図６Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆに示すように、前記各組成物単体１２ａは自身の粘度によって正方形状が次第に崩れてそれぞれがほぼ円形状の拡がりをみせて、隣接する各組成物単体１２ａが互いに結合して各格子部１４の交点部１４ａが十字星の形状に変形する。

さらに所定時間経過後には、後述するスクリーン印刷の印刷条件によって前記各組成物単体１２ａの拡がり方が異なってくる。

つまり、図５Ｄに示すように、各組成物単体１２ａが全体的に拡がって前記各交点部１４ａの面積がさらに減少して該各交点部１４ａが消失してしまうが、この交点部１４ａ箇所は、図５Ｇに示すように、貫通されることなく凹溝状の微小凹部１５が形成され、経時的に樹脂組成物１２がこの状態で硬化する。したがって、前記各スカート部３，４の上面３ａ、４ａには、ほぼ一定面積の微小凹部１５が整然と無数に並べられた形になる。

一方、図６Ｄ、Ｇに示すように、各組成物単体１２ａ全体が結合されて、前記格子部の交点部１４ａ箇所の面積がさらに減少して小さな矩形状のほぼ一定形状の微小凹部１５（凹部）が形成され、この微小凹部１５は、スカート部３，４の表面は露出した多孔状に形成されている。その後、経時的に樹脂組成物１２がこの状態で硬化する。したがって、この場合も前記各スカート部３，４の上面３ａ、４ａには、ほぼ一定面積の多孔状の微小凹部１５が整然と無数に並べられた形になる。
〔実験結果〕
以下、本願発明者が、前記スクリーン印刷の印刷条件を変えて実験を行って各微小凹部１５を形成した結果について説明する。

すなわち、以下の表１、２に示すように、前記スクリーン１０を構成する繊維線材の線径(ｍｍ)や前記メッシュ１０ｂの数、樹脂組成物１２の塗料粘度(Ｐａ・ｓ)を変えて前記各微小凹部１５の形成の有無を実験した。

ここで、前記スクリーン１０を構成する繊維線材の線径は、０．０２３ｍｍ〜０．１２ｍｍとし、スクリーン１０の１インチ²(２．５４ｃｍ²)の面積中のメッシュ数は６０〜４００個とした。また、樹脂組成物（塗料）の粘度を７Ｐａ・ｓ〜５０Ｐａ・ｓに設定した。

これらメッシュの数や線径及び塗料粘度の組み合わせによって前記凹部１５が形成されるものと、形成されないものが現れた。

表１は前記実験での塗料粘度Ｐａ・ｓとメッシュ数との関係を示し、表２では塗料粘度Ｐａ・ｓと線径ｍｍとの関係を示している。表１、２に記載された×印は凹部１５が形成されていないもの、黒○印は凹部１５が形成されたものを示している。

前記実験では表１で示すように、２．５４ｃｍ²当たりのメッシュ数が６０〜４００個でも塗料粘度が７〜２０Ｐａ・ｓの場合では前記凹部１５が全く形成されない。これは、塗料粘度が低すぎて前記樹脂組成物１２の各組成物単体１２ａが大きく拡がってしまうことが原因であると考えられる。

また、メッシュ数を同じく６０〜４００個として、塗料粘度を３３〜５０Ｐａ・ｓに設定した実験では、メッシュ数が１５０個以上では凹部１５が形成されないが、６０〜１００個の領域で凹部１５が形成されることが分かった。メッシュ数が１５０個以上では、これらに充填された各組成物単体１２ａの個々の大きさ(面積)が小さくなってしまうので、前記樹脂組成物１２の各組成物単体１２ａが互いに拡がって各交点部１４ａが埋まってしまうことが原因と考えられる。また、メッシュ数が６０〜１００個の範囲では、各組成物単体１２ａの個々の面積が比較的大きくなることから、図６Ｄに示すように、各組成物単体１２ａ同士が完全に結合せず各交点部１４ａが埋まらないことから各微小凹部１５が形成されるものと考えられる。

また、前記表２に示すように、線径が０．０１〜０．０６ｍｍの場合は、塗料粘度が７〜５０Ｐａ・ｓであっても凹部１５は全く形成されない。線径が所定以下の場合は、各組成物単体１２ａ間が狭くなることから、塗料粘度との関係で樹脂組成物１２の組成物単体１２ａが拡がった際に、該各組成物単体１２ａ間の交点部１４ａを容易に埋めてしまうからであると考えられる。

しかし、線径が０．１０〜０．１４であっても、塗料粘度が３０Ｐａ・ｓ以下である場合は、凹部１５が形成されない。これは、塗料粘度が低いことから各組成物単体１２ａが流動し易くなるので、各交点部１４ａが埋まってしまうことに起因するものと考えられる。

そして、線径が同じく０．１０〜０．１４であっても、塗料粘度を３３〜５０Ｐａ・ｓに高く設定した場合は、図６Ｄに示す凹部１５が形成された。これは、塗料粘度を高めたことにより、各組成物単体１２ａの過度な流動性が抑制されたことによるものと考えられる。

したがって、前述した表１、２に示した実験結果を纏めた表３をみると、前記図５及び図６に示す各微小凹部１５が形成され得るスクリーン印刷条件は、サンプルＮｏ．１１〜Ｎｏ．３１(以下、１１〜３１と記す)におけるメッシュ数が６０〜４００個で、線径が０．０２３〜０．１４ｍｍ、塗料粘度が７〜５０Ｐａ・ｓの組み合わせでは、前記凹部１５が形成されないことが明らかである。

また、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０(以下、１〜１０と記す)の組み合わせ、つまり、メッシュ数６０〜１００個、線形０．１〜０．１４ｍｍ、塗料粘度３３〜５０Ｐａ・ｓの組み合わせでは、各微小凹部１５が形成されることが明らかである。

なお、この各微小凹部１５の大きさは線径に依存するが、最大１５０μｍの大きさになった。

したがって、本実施形態では、印刷条件であるスクリーン１０の線径とメッシ１０ｂ、樹脂組成物１２(塗料)の粘度を、表３に記載されたサンプル１〜１０までの組み合わせを採用することによって前記各微小凹部１５を形成したものである。

すなわち、サンプル１では、メッシュ数を８０個、線径０．１２ｍｍ、塗料粘度３３Ｐａ・ｓに設定し、サンプル２、３では、メッシュ数を１００個、線径を０．１と同じとし、塗料粘度を３３、４０Ｐａ・ｓにそれぞれ設定した。サンプル４〜１０については、メッシュ数を、８０、７０、６０、１００、８０、７０、６０個にそれぞれ設定し、線径を０．１２、０．１２、０．１４、０．１、０．１２、０．１２、０．１４ｍｍにそれぞれ設定し、さらに塗料粘度を４０、４０、５０、５０、５０、５０Ｐａ・ｓにそれぞれ設定した。

これらの印刷条件の組み合わせにより、スカート部３，４の表面に無数の微小凹部１５を所定のほぼ一定間隔で整然と並設することができると共に、この各微小凹部１５の数や大きさをほぼ一定にコントロールすることが可能になった。

この結果、前記潤滑油の貯留性が安定して各スカート部３，４とシリンダ壁との間の油膜の厚さがほぼ均一になって、常時良好な潤滑性が得られる。

本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば外径が異なる種々のピストンに適用できると共に、樹脂組成物としては別異の材料を用いることも可能である。

１…ピストン
３…スラスト側スカート部
４…反スラスト側スカート部
８…塗膜
１０…スクリーン
１１…第１スキージ
１２…樹脂組成物
１３…第２スキージ
１４…格子部
１４ａ…交点部
１５…微小凹部

Claims (6)

1. ピストン基材の径方向に形成された一対のスカート部の少なくとも一方の表面にスクリーン印刷によって塗膜を施す内燃機関のピストンの塗膜形成方法であって、
   前記ピストンのスカート部の表面に、スクリーンを介して所定粘度の樹脂組成物を転写させて前記塗膜を形成すると共に、前記スクリーンのメッシュを構成する線材によって前記塗膜に格子部を形成し、該各格子部の交点部に微小凹部を形成したことを特徴とする内燃機関のピストンの塗膜形成方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関のピストンの塗膜形成方法であって、
   前記樹脂組成物の粘度を約３０Ｐａ・ｓ〜５０Ｐａ・ｓに設定すると共に、
   前記メッシュの数を６０／ｉｎｃｈ²〜１００／ｉｎｃｈ²に設定したことを特徴とする内燃機関のピストンの塗膜形成方法。
3. 請求項２に記載の内燃機関のピストンの塗膜形成方法であって、
   前記メッシュを構成する線材の線径は０．１ｍｍ〜０．１４ｍｍであることを特徴とする内燃機関のピストンの塗膜形成方法。
4. ピストン基材の径方向に形成された一対のスカート部の少なくとも一方の表面に樹脂組成物による塗膜を施した内燃機関のピストンであって、
   前記塗膜をスクリーン印刷機によって形成し、
   該スクリーン印刷機のスクリーンのメッシュを構成する線材によって塗膜に格子部を形成すると共に、該各格子部の各交点部で多孔状の凹部を形成したことを特徴とする内燃機関のピストン。
5. 請求項４に記載の内燃機関のピストンであって、
   前記凹部の大きさは、幅が１５０μｍ以下に設定されていると共に、前記凹部の密度は６個／ｍｍ²〜１６個／ｍｍ²に設定したことを特徴とする内燃機関のピストン。
6. 請求項５に記載の内燃機関のピストンであって、
   前記各微小凹部は、底部に前記ピストン基材が露出するように多孔状に形成されていることを特徴とする内燃機関のピストン。

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