JP2015183526A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】スカート部の摺動抵抗を一層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】スカート部１３の表面には、樹脂被膜層２１が形成される。樹脂被膜層２１は、上部スカート部の表面に形成される第１樹脂被膜層２１Ｂと、下部スカート部の表面に形成される第１樹脂被膜層２１Ｃと、中央スカート部の表面に形成される第２樹脂被膜層２１Ａとからなる。第１樹脂被膜層２１Ｂおよび第１樹脂被膜層２１Ｃは膜厚を有する。第２樹脂被膜層２１Ａは第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃよりも厚さが大きく形成される。また、第２樹脂被膜層２１Ａは第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃよりも硬度が低く形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関し、特に、スカート部に樹脂被膜層が形成された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係数が大きいと、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スカート部の摩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、摩擦係数の低い樹脂からなる樹脂被膜層をスカート部の表面に設けることで、スカート部の摺動抵抗を低減するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１６７２０９号公報

しかしながら、このような従来の内燃機関のピストンにあっては、樹脂被膜層全体で常にシリンダボアの内壁に接触しているため、シリンダボアの内壁に接触する樹脂被膜層の面積が大きかった。このため、従来の内燃機関のピストンではスカート部の摺動抵抗を充分に低減することができず、より一層の摺動抵抗の低減が求められていた。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、スカート部の摺動抵抗を一層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。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１の態様は、ピストンリング溝が形成されたクラウン部と、クラウン部の下方に配置されたスカート部とを備え、スカート部が、スカート部の軸線方向中央部に配置され、外径が最大外径に形成される中央スカート部と、スカート部の上部に配置され、上方に向かうに連れ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、スカート部の下部に配置され、下方に向かうに連れ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有し、クラウン部およびスカート部がシリンダボアの内壁に対して潤滑油層を介して摺動する内燃機関のピストンであって、上部スカート部および下部スカート部の表面に、第１樹脂被膜層が設けられ、中央スカート部の表面に、第１樹脂被膜層よりも厚さが大きい第２樹脂被膜層が設けられたものから構成されている。

本発明の第２の態様としては、ピストンピンが装着されるピストンピン装着孔が形成されたピンボス部を備え、第２樹脂被膜層は、スカート部の表面へのピンボス部の中心軸線の投影部を含むように設けられることが好ましい。

本発明の第３の態様としては、第２樹脂被膜層は、第１樹脂被膜層よりも硬度が低いことが好ましい。

本発明の第４の態様としては、第１樹脂被膜層が、スカート部の表面に設けられる下部被膜層からなり、第２樹脂被膜層が、下部被膜層と、下部被膜層の表面に設けられる上部被膜層とからなることが好ましい。

本発明の第１の態様によれば、スカート部のうちシリンダボアの内壁に近接しており最大外径となる中央スカート部に、第１樹脂被膜層よりも厚さが大きい第２樹脂被膜層を形成したため、シリンダボアの内壁との接触力が小さいときは、中央スカート部のみが第２樹脂被膜層を介してシリンダボアの内壁と接触し、ピストンとシリンダボアの内壁との接触面積を低減することができる。このため、スカート部の摺動抵抗を一層低減することができる。

また、シリンダボアの内壁との接触力が小さいときに第２樹脂被膜層とシリンダボアの内壁が接触するため、第２樹脂被膜層の摩耗を低減することができる。

本発明の第２の態様によれば、スカート部におけるピンボス部の中心軸線の投影部は、ピストンの摺動時に大きいスラスト力を受けるため、この投影部の箇所に第２樹脂被膜層を設けることにより、スカート部とシリンダボアの内壁との接触面圧を低減することができる。このため、ピストン摺動時の摩擦抵抗を低減することができる。

本発明の第３の態様によれば、スカート部とシリンダボアの内壁との接触力が強いときは、第１樹脂被膜層より硬度が低い第２樹脂被膜層が弾性変形することで、第２樹脂被膜層だけでなく第１樹脂被膜層もシリンダボアの内壁に接触するため、シリンダボアの内壁との接触面積が大きくなるとともに、接触面圧を低減することができる。このため、スカート部とシリンダボアの内壁との接触力が強いときのスカートの摺動抵抗を、樹脂被膜層の膜厚が均一のときと同等にすることができる。

また、シリンダボアの内壁との接触面圧が低減されることにより、第１樹脂被膜層および第２樹脂被膜層の摩耗を低減することができる。

本発明の第４の態様によれば、第２樹脂被膜層を、下部被膜層の表面に上部被膜層を設けた２層構造にすることで、第２樹脂被膜層の厚さを第１樹脂被膜層よりも大きくすることができる。

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、ピストンのスカート部のバレル形状を強調した図３のＢ−Ｂ方向矢視断面図である。 図５（ａ）、図５（ｂ）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５（ａ）は接触力が小さいときの樹脂被膜層の状態を示す側面図であり、図５（ｂ）は接触力が大きいときの樹脂被膜層の状態を示す側面図である。 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、第２樹脂被膜層がスカート部の表面へのピンボス部の中心軸線の投影部を含むように設けられる状態を示す図である。

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、気筒数に応じて内燃機関１に設けられ、シリンダボア６は、４気筒であれば、内燃機関１に４つ設けられる。本実施形態では、シリンダボアにピストンが収納された内燃機関であれば、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、燃焼室１８に対向するクラウン部９と、ピストンピン装着孔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、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る。ピンボス部１１の中心軸線Ｏ２は、ピストン７の軸線Ｏ１の垂直方向に延在する。

また、図１に示すように、ピストンピン装着孔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、クラウン部９の外周部にはクラウン部９の上方から順に、ピストンリング溝としての、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する。

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する。

また、オイルリング溝１７の底部には複数のオイル戻し孔１９が形成されており、このオイル戻し孔１９は、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のクラウン部９の内周面に向かって開口する。

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に作用するピストン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孔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との間には潤滑油層２０が形成される。

このため、潤滑油層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する。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からオイル戻し孔１９を介してクラウン部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。

図３に示すように、スカート部１３は、ピストン７の軸線Ｏ１の方向と平行に延在する長辺と、軸線Ｏ１の垂直方向に延在する短辺とを備えており、図４に示すように、軸線Ｏ１の方向における中央部（軸線方向中央部）が最大外径となる中央スカート部１３Ａを有する。

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からクラウン部９に連接される上端に向かってピストン７の軸線Ｏ１の方向に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する。

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７の軸線Ｏ１の方向に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する。

このようにスカート部１３は、バレル形状に形成されており、中央スカート部１３Ａが最もシリンダボア６の内壁６ａに近接する。なお、図４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が形成される。樹脂被膜層２１は、上部スカート部１３Ｂの表面に形成される第１樹脂被膜層２１Ｂと、下部スカート部１３Ｃの表面に形成される第１樹脂被膜層２１Ｃと、中央スカート部１３Ａの表面に形成される第２樹脂被膜層２１Ａとからなる。

第１樹脂被膜層２１Ｂおよび第１樹脂被膜層２１Ｃは互いに等しい組成および膜厚を有する。第２樹脂被膜層２１Ａは第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃよりも厚さが大きく形成される。

このため、第２樹脂被膜層２１Ａは、図５（ａ）に示すように、第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃよりもシリンダボア６側に突出しており、シリンダボア６の内壁６ａとの隙間が最も小さい。また、第２樹脂被膜層２１Ａは第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃよりも硬度が低く形成される。

ここで、第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃはスカート部１３の表面に設けられる下部被膜層から形成されてもよい。第２樹脂被膜層２１Ａは、この下部被膜層と、下部被膜層の表面に設けられる上部被膜層から形成されてもよい。すなわち、第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃが下部被膜層の１層からなり、第２樹脂被膜層２１Ａが下部被膜層と上部被膜層からなる２層構造としてもよい。

なお、図６に示すように、第２樹脂被膜層２１Ａは、スカート部１３の表面へのピンボス部１１の中心軸線Ｏ２の投影部１３Ｏ２を含むように設けられることが好ましい。ここで、投影部１３Ｏ２とは、ピンボス部１１の中心軸線Ｏ２から、水平に、すなわちスカート部１３の表面に直交する方向に投影したときに、その投影線がスカート部１３の表面に交わる部位のことである。

次に、作用を説明する。内燃機関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との接触力が小さい。この場合、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの接触力が小さいため、スカート部１３は、中央スカート部１３Ａが最大外径となるバレル形状を保つ。

本実施形態では、中央スカート部１３Ａの表面に、第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃよりも厚さが大きい第２樹脂被膜層２１Ａが設けられるため、図５（ａ）に示すように、第２樹脂被膜層２１Ａのみがシリンダボア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。このため、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの接触面積を低減することができる。したがって、スカート部１３の摺動抵抗を一層低減することができる。

また、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの接触力が小さいときに、第２樹脂被膜層２１Ａとシリンダボア６の内壁６ａが接触するため、第２樹脂被膜層２１Ａの摩耗を低減することができる。

また、第２樹脂被膜層２１Ａは、好適には、図６に示すように、スカート部１３の表面へのピンボス部１１の中心軸線Ｏ２の投影部１３Ｏ２を含むように設けられる。

このため、スカート部１３におけるピンボス部１１の中心軸線Ｏ２の投影部１３Ｏ２は、ピストン７の摺動時に大きいスラスト力を受けるため、この投影部１３Ｏ２の箇所に第２樹脂被膜層２１Ａを設けることにより、スカート部１３とシリンダボア６の内壁６ａとの接触面圧を低減することができる。このため、ピストン摺動時の摩擦抵抗を低減することができる。

また、本実施形態では、第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃが、スカート部１３の表面に設けられる下部被膜層からなり、第２樹脂被膜層２１Ａが、下部被膜層と、下部被膜層の表面に設けられる上部被膜層とからなる。

このため、第２樹脂被膜層２１Ａを、下部被膜層の表面に上部被膜層を設けた２層構造にすることで、第２樹脂被膜層２１Ａの厚さを第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃよりも大きくすることができる。

一方、内燃機関１の高回転時や膨張行程においては、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの接触力が大きくなるため、バレル形状が緩和するようにスカート部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。

また、この場合には、第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃよりも第２樹脂被膜層２１Ａの硬度が低いため、図５（ｂ）に示すように、第２樹脂被膜層２１Ａが弾性変形することで、第２樹脂被膜層２１Ａだけでなく第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃもシリンダボア６の内壁６ａに接触する。

このため、シリンダボア６の内壁６ａとの接触面積が大きくなるとともに、接触面圧を低減することができる。したがって、スカート部１３とシリンダボア６の内壁６ａとの接触力が強いときのスカート部１３の摺動抵抗を、樹脂被膜層の膜厚が均一のときと同等にすることができる。

また、シリンダボア６の内壁６ａとの接触面圧が低減されることにより、第１樹脂被膜層２１Ｂ、２１Ｃおよび第２樹脂被膜層２１Ａの摩耗を低減することができる。

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およ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…内燃機関、６…シリンダボア、６ａ…内壁、７…ピストン、９…クラウン部、１０…ピストンピン装着孔、１１…ピンボス部、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、１５…第１コンプレッションリング溝（ピストンリング溝）、１６…第２コンプレッションリング溝（ピストンリング溝）、１７…オイルリング溝（ピストンリング溝）、２１Ａ…第２樹脂被膜層、２１Ｂ…第１樹脂被膜層、２１Ｃ…第１樹脂被膜層

Claims (4)

1. ピストンリング溝が形成されたクラウン部と、前記クラウン部の下方に配置されたスカート部とを備え、
   前記スカート部が、
   前記スカート部の軸線方向中央部に配置され、外径が最大外径に形成される中央スカート部と、
   前記スカート部の上部に配置され、上方に向かうに連れ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、
   前記スカート部の下部に配置され、下方に向かうに連れ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有し、
   前記クラウン部および前記スカート部がシリンダボアの内壁に対して潤滑油層を介して摺動する内燃機関のピストンであって、
   前記上部スカート部および前記下部スカート部の表面に、第１樹脂被膜層が設けられ、
   前記中央スカート部の表面に、前記第１樹脂被膜層よりも厚さが大きい第２樹脂被膜層が設けられたことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. ピストンピンが装着されるピストンピン装着孔が形成されたピンボス部を備え、
   前記第２樹脂被膜層は、前記スカート部の表面への前記ピンボス部の中心軸線の投影部を含むように設けら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。
3. 前記第２樹脂被膜層は、前記第１樹脂被膜層よりも硬度が低い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. 前記第１樹脂被膜層が、前記スカート部の表面に設けられる下部被膜層からなり、
   前記第２樹脂被膜層が、前記下部被膜層と、前記下部被膜層の表面に設けられる上部被膜層とからなることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の内燃機関のピストン。

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