JP2016217310A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとシリンダボアの内壁との潤滑を良好に行うことができるとともに、オイルによるピストンの引きずり抵抗を低減できる内燃機関のピストンを提供すること。
【解決手段】エンジンに設けられたピストン７は、少なくとも上部スカート部３６および下部スカート部３８に、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと平行に延びる縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂが形成され、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと直交する方向において、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂが、ピストンピンボス部１４、１５の延びる方向の範囲内に設置される。
【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としては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。このピストンは、ピストン本体から垂下した一対のスカート部と、一対のスカート部を互いに連続する一対のサイドウォール部と、一対のサイドウォール部に設けられ、ピストンピンを保持する一対のピストンピンボス部とを備えている。

スカート部は、熱膨張の影響を考慮してピストンの中心軸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、スカート部の表面には樹脂被膜が形成されている。

また、スカート部外周面のうち、スラスト方向に周面部分の左右両脇の部分に横縞状に被膜され、良好に潤滑されることで、この部分の箇所からピストンがシリンダに焼き付くことを防止している。

特許第４７４９３９８号公報

このような従来の内燃機関のピストンは、スカート部の円周方向の両側に、燃焼圧力をコネクティングロッドに伝えるピストンピンを支持するピストンピンボス部と接続されるサイドウォール部が設けられている。
これにより、サイドウォール部が接続するスカート部の両側が変形しにくくなり、スカート部がシリンダボア内壁に押付ける面圧（単位面積当たりの圧力）が、大きくなる。一方、剛性が低く、弾性変形し易いスカート部の下部の面圧は緩和されて低くなる。

このため、ピストンの往復動時においてピストンピンから燃焼圧力の一部が負荷された後に、シリンダボアの内壁にスカート部が接触する際のスカート部の表面には面圧の高い部位と低い部位が生じる。

これに加えて、バレル形状に形成されたスカート部は、中心軸方向における中央部が最大外径となる部位とシリンダボアとのクリアランスが小さく、中央部に対してピストンの中心軸方向の上部および下部とシリンダボアとのクリアランスが大きくなる。

したがって、樹脂被膜に面圧が大きい箇所と面圧が小さい箇所で均等な深さで凹部を形成した場合、凹部にオイルを導き入れる効果と凹部からオイルが流れ出て油膜厚さを薄くする働きがあることから、シリンダボアの内壁に高い面圧で接触し、かつ、低速での運転時にはシリンダボアの内壁とのクリアランスが小さいスカート部の部位にオイルが十分に供給されずに、潤滑不良を起こすおそれがある。

一方、シリンダボアの内壁に低い面圧で接触し、かつ、シリンダボアの内壁とのクリアランスが大きいスカート部の部位にはオイルが過剰に供給されてしまう。これにより、ピストンの中央部に対してピストンの中心軸方向の上部および下部でオイル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る。
この結果、オイルが抵抗となって、ピストンの剪断抵抗、すなわち、ピストンの引きずり抵抗が大きくなってしまい、燃費が悪化するおそれがある。

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、ピストンとシリンダボアの内壁との潤滑を良好に行うことができるとともに、オイルによるピストンの引きずり抵抗を低減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。

本発明は、ピストン本体と、ピストン本体から垂下した一対のスカート部と、ピストン本体から垂下され、ピストンピンを保持する一対のピストンピンボス部と、一対のスカート部と一対のピストンピンボス部とを接続する一対のサイドウォール部と、スカート部の外周面に設けられた樹脂被膜とを備え、スカート部が、ピストン本体の中心軸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中心軸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よりも下方において下部境界から中心軸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有し、スカート部が、スカート部の円周方向中央部からサイドウォール部に向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成された内燃機関のピストンであって、少なくとも上部スカート部および下部スカート部に対応する樹脂被膜に、ピストン本体の中心軸と平行に延びる縦溝を形成し、中心軸と直交する方向において、縦溝がピストンピンボス部の延びる方向の範囲内に設置されるものから構成されている。

上記の本発明によれば、ピストンとシリンダボアの内壁との潤滑性を向上できるとともに、オイルによるピストンの引きずり抵抗を低減できる。

図１は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の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の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の形態を示す図であり、車両の後方からピストンを見た図である。 図４は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、車両の幅方向からピストンを見た図である。 図５は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、車両の下方からピストンを見た図である。 図６は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、図３のＶI−ＶI方向矢視断面図である。 図７は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、ピストンとピストンのスカート部に加わる面圧との位置関係を示す図である。 図８は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、ピストンとピストンのスカート部の曲面との位置関係を示す図である。 図９は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、スカート部と、スカート部およびシリンダボアの内壁のクリアランスとの位置関係を示す図である。 図１０は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、スカート部の湾曲部と縦溝との位置関係を示す図である。 図１１は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、スカート部とシリンダボアの内壁とのクリアランスと縦溝との位置関係を示す図である。 図１２は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、ピストンが上昇した場合のオイルの流れを示す図である。 図１３は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、ピストンが降下した場合のオイルの流れを示す図である。 図１４は、本発明の内燃機関のピストンの一実施の形態を示す図であり、縦溝が形成されていないピストンと縦溝を有するピストンとにおいて、スカート部とシリンダボアの内壁との摩擦力とエンジン回転数とを示す図である。

以下、本発明に係る内燃機関のピストンの実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１〜図１４は、本発明に係る一実施の形態の内燃機関のピストンを示す図である。なお、図１〜図９、図１１〜図１３において、左右前後方向の矢印は、運転席から見た車両の左右前後方向を表す。

まず、構成を説明する。
図１において、車両に搭載された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、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。

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。本実施の形態では、４気筒エンジンを示しているが、気筒数は、４気筒に限定されるものではない。また、エンジン１としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等のエンジンから構成されてもよく、これに限定されるものでもない。

図２において、ピストン７は、シリンダボア６の内壁６ａに対して往復動自在に設けられたピストンクラウン部９（図３〜図５参照）と、ピストンクラウン部９から垂下した一対のスカート部１０、１１とを有する。ここで、本実施の形態のピストンクラウン部９は、本発明のピストン本体を構成する。

ピストン７は、ピストンクラウン部９から垂下し、ピストンピン１６（図１参照）を回転自在に保持する一対のピストンピンボス部１４、１５と、スカート部１０、１１のそれぞれの左側１０ａ、１１ａおよび右側１０ｂ、１１ｂとピストンピンボス部１４、１５とを接続する一対のサイドウォール部１２、１３とを有する。

ピストンピン１６は、円筒のピンから構成されており、ピストンピン１６の中心軸Ｃ１（図３参照）は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃおよび吸排気方向に対して直交する方向に延びている。
ここで、本実施の形態のスカート部１０、１１の左側１０ａ、１１ａが、本発明のスカート部の円周方向の一方側を構成し、スカート部１０、１１の右側１０ｂ、１１ｂが、本発明のスカート部の円周方向の他方側を構成する。また、左側１０ａ、１１ａおよび右側１０ｂ、１１ｂは、スカート部１０、１１の右端または左端から円周方向に一定の幅を有する部位である。

ピストンピンボス部１４、１５は、ピストンピン１６が挿入されるピストンピン装着穴１４Ａ、１５Ａを有し、ピストンピン１６は、ピストンピン装着穴１４Ａ、１５Ａに挿入された状態でピストンピンボス部１４、１５に支持される。

図１において、ピストンピン１６にはコネクティングロッド８の小径部８Ａが連結されており、コネクティングロッド８の大径部８Ｂは、クランクシャフト５に連結されている。これにより、ピストン７の往復動が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。

シリンダヘッド４には吸気ポート２１が形成されており、吸気ポート２１から吸入された空気は、ピストン７の上方のシリンダボア６に形成された燃焼室１８に導入される。
シリンダヘッド４には排気ポート２２が形成されており、燃焼室１８で燃焼された排気ガスは、排気ポート２２から排気される。

シリンダヘッド４には吸気カム２３Ａを有する吸気カム軸２３と、排気カム２４Ａを有する排気カム軸２４と、吸気カム２３Ａによって吸気ポート２１と燃焼室１８とを連通または遮断する吸気バルブ２５と、排気カム２４Ａによって吸気ポート２１と燃焼室１８とを連通または遮断する排気バルブ２６とが設けられている。

図２〜図４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３１、第２コンプレッションリング溝３２およびオイルリング溝３３が形成されている。

第１コンプレッションリング溝３１および第２コンプレッションリング溝３２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３３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３１および第２コンプレッションリング溝３２は、シリンダボア６の内壁６ａに接触することにより、燃焼室１８を密閉する機能を有する。

オイルリングは、ピストン７の往復動に伴ってシリンダボア６の内壁６ａに接触することにより、シリンダボア６の内壁６ａに付着しているオイルを掻き落とす機能を有する。

また、オイルリング溝３３の底部には複数のオイル戻し穴３４が形成されており、オイル戻し穴３４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３３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内を降下する行程において、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。

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上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。

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８Ｂに設けられたオイルジェット穴８ａ（図１参照）からオイルが供給される。これにより、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３５が形成される。

このため、オイル３５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、オイル導入部材として、特に、オイルジェット穴８ａに限定されるものではない。

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３３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３３からオイル戻し穴３４を通してピストンクラウン部９の内周面に排出され、スカート部１０、１１の間を通ってオイルパンに戻される。

スカート部１０、１１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接触することでピストン７の首振り挙動を抑制する機能を有する。
図３に示すように、スカート部１０は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと平行に延在する長辺とピストンクラウン部９の中心軸Ｃと垂直方向に延在する短辺とを備えている。なお、スカート部１１もスカート部１０と同様に長辺と短辺を有する。

図６において、スカート部１０、１１は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向における中央部が最大外径となる中央スカート部３７を有し、中央スカート部３７は、その断面がピストンクラウン部９の中心軸Ｃと平行となるように形成されている。

スカート部１０、１１は、中央スカート部３７の上部境界３７ａよりも上方に位置する上部スカート部３６を有しており、上部スカート部３６は、上部境界３７ａよりも上方において上部境界３７ａからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲している。

スカート部１０、１１は、中央スカート部３７の下部境界３７ｂよりも下方に位置する下部スカート部３８を有しており、下部スカート部３８は、上部境界３７ａよりも下方において上部境界３７ａからピストンクラウン部９の中心軸Ｃ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１０、１１は、バレル状に形成されている。
図６では、説明の便宜上、スカート部１０、１１を極端に湾曲させて描いているが、スカート部１０、１１は、実際にこのように極端に湾曲していないことは言うまでもない。

図５において、スカート部１０、１１は、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃからサイドウォール部１２、１３に向かって、すなわち、左側１０ａ、１１ａおよび右側１０ｂ、１１ｂに向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成されている。

円周方向中央部１０ｃ、１１ｃは、サイドウォール部１２とサイドウォール部１３とを結んだスカート部１０、１１の円周方向の頂点である。円周方向において、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスは、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃとシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが最も小さい。

図２、図５において、スカート部１０、１１の外周面には、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３９が一定の厚みを有して形成されている（図３も参照）。樹脂被膜３９は、シリンダボア６の内壁６ａに対向する中央スカート部３７、上部スカート部３６および下部スカート部３８の表面に形成されている。

樹脂被膜３９にはスカート部１０、１１の円周方向に隣接する縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂが形成されている。縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂは、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと同方向に延びており、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂは、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと直交する方向（車幅方向）において、ピストンピンボス部１４、１５の延びる方向の範囲内に設置されている（図７参照）。

図３において、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂの長さは、スカート部１０、１１の円周方向中央部１０ｃ、１１ｃ側の縦溝４３Ａ、４３Ｂが最も短く形成されており、サイドウォール部１２、１３側の縦溝４１が最も長く形成されている。また、縦溝４１と縦溝４３Ａ、４３Ｂの間に位置する縦溝４２Ａ、４２Ｂは、縦溝４１よりも短く、かつ、縦溝４３Ａ、４３Ｂよりも長く形成されている。

図７に示すように、縦溝４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂは、上部スカート部３６および下部スカート部３８に対応する樹脂被膜３９に形成されており、縦溝４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂに対してスカート部１０（図示していないがスカート部１１）の円周方向中央部１０ｃ（１１ｃ）側に位置する中央スカート部３７に対応する樹脂被膜３９には縦溝が形成されていない。

具体的には、上部スカート部３６において、縦溝４２Ａ、４３Ａは、樹脂被膜３９の上部３９ａから上部スカート部３６と中央スカート部３７との境界である上部境界３７ａの直上まで延びている。

縦溝４２Ｂ、４３Ｂは、下部スカート部３８において、樹脂被膜３９の下部３９ｂから下部スカート部３８と中央スカート部３７との境界である下部境界３７ｂの直下まで延びている。また、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向において、縦溝４３Ａ、４３Ｂは、縦溝４２Ａ、４２Ｂよりも上部境界３７ａおよび下部境界３７ｂから離れている。
縦溝４１は、上部スカート部３６、中央スカート部３７および下部スカート部３８に亙って延びている。

バレル形状に形成されるスカート部１０、１１において、シリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１の上下左右端の四隅との間のクリアランスが最も大きく、シリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１の上下左右中央部のクリアランスが最も小さい（図９参照）。なお、図９においては、ハッチングの間隔が短い程、クリアランスが小さいことを示している。

また、スカート部１０、１１の上下左右端の四隅と上下左右中央部との間に位置するシリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１のクリアランスは、シリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１の上下左右端の四隅との間のクリアランスよりも小さく、シリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１の上下左右中央部のクリアランスよりも大きい。

なお、スカート部１０、１１の上下左右端の四隅を大クリアランス領域５１、スカート部１０、１１の上下左右中央部を小クリアランス領域５２、大クリアランス領域５１および小クリアランス領域５２の間のスカート部１０、１１の領域を中クリアランス領域５３という。

図１０、図１１に示すように、本実施の形態の縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂは、スカート部１０、１１の大クリアランス領域５１に対応する樹脂被膜３９に形成されている。なお、図１１では、スカート部１０、１１において、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスと、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂとの位置関係を示している。

縦溝４３Ａ、４３Ｂは、スカート部１０、１１の大クリアランス領域５１の中でも、スカート部１０、１１の円周方向においてスカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが最も小さい部位に形成されている。

縦溝４１は、スカート部１０、１１の大クリアランス領域５１の中でも、スカート部１０、１１の円周方向においてスカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが最も大きい部位に形成されている。

樹脂被膜３９は、例えば、スクリーン印刷機を用いて、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）と二硫化モリブデンを主成分とする塗料をスカート部１０、１１に塗布したものであり、縦溝形状のマスキング処理をスカート部１０、１１に施すことで、樹脂被膜３９の厚さと同じ１０μｍの深さの縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂをスカート部１０、１１の表面に付与したものである。

次に、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの間に摩擦力が発生する原理を説明する。
ピストン７がシリンダボア６内を往復運動するときに、コネクティングロッド８およびピストンピン１６から燃焼圧力の一部がピストン７に負荷される。

この燃焼圧力によってスカート部１０またはスカート部１１がシリンダボア６の内壁６ａに接触する際に、ピストンピンボス部１４、１５とピストンピン１６との接触部位がスカート部１０、１１をシリンダボア６の内壁６ａに押し付けるときの押し付け力の入力点となる。

ピストン７の往復運動によってスカート部１０、１１およびシリンダボア６の内壁６ａとの間に発生する摩擦力は、スカート部１０、１１が燃焼圧力に起因する押し付け力を受けながらシリンダボア６の内壁６ａを往復動することで発生する。

図７は、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの間の面圧分布を示す図である。なお、図７において、ハッチングの間隔が短い程、面圧が大きいことを示している。
本実施の形態のピストン７において、ピストンピンボス部１４、１５とピストンピン１６との接触部位が、スカート部１０、１１をシリンダボア６の内壁６ａに押し付けるときの押し付け力の入力点となることにより、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの間の面圧は、ピストンピンボス部１４、１５の延びる方向と同じ領域のスカート部１０、１１の円周方向の領域が高くなる。

また、本実施の形態のスカート部１０、１１は、ピストンピン１６の中心軸Ｃ１と直交する方向のスカート部１０、１１の円周方向中央部が高くなるバレル形状に形成されるとともに、スカート部１０、１１は、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃからサイドウォール部１２、１３に向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成されている。

これにより、中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが最も小さくなり、ピストンピン１６の中心軸Ｃ１と直交する方向のスカート部１０、１１の円周方向中央部１０ｃ、１１ｃとシリンダボア６の内壁６ａとの面圧が最も高くなる。

このため、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが小さく、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの面圧が高い部位の潤滑条件は、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが大きく、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの面圧が低い部位の潤滑条件に比べて厳しくなる。

本実施の形態のピストン７は、このような厳しい潤滑条件で好適な潤滑を行うことができるようにしたものであり、以下、ピストン７を潤滑する方法を具体的に説明する。
なお、スカート部１０、１１は、いずれも同様の動作を行うので、以降の説明において、スカート部１０のみについて動作を説明する。また、以降の説明において、ピストン７の上流、下流という表現は、ピストン７の移動方向に対して上方が上流、下方が下流を意味する。

本実施の形態のピストン７は、スカート部１０の大クリアランス領域５１に縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂを設置することで、ピストン７が往復動するときに、スカート部１０、１１と大クリアランス領域５１とシリンダボア６の内壁６ａとの間にオイルを多く取り込むことができる。

図１２に示すようにピストン７が上昇すると、上流側から上部スカート部３６とシリンダボア６の内壁６ａとの間にオイルが導入される。
上部スカート部３６とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入されるオイルの一部は、オイルＯ１で示すように、ピストンピンボス部１４、１５の延びる方向と同じ領域の大クリアランス領域５１において縦溝４２Ａ、４３Ａに導入される。

縦溝４２Ａ、４３Ａに導入されたオイルＯ１は、ピストンピンボス部１４、１５の延びる方向の範囲内において、上部境界３７ａまで導かれた後に、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向における中央部が最大外径となる中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとの間の中クリアランス領域５３に導かれる。

スカート部１０は、左側１０ａおよび右側１０ｂから円周方向中央部１０ｃに向かうに従ってシリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１とのクリアランスが小さくなるので、中クリアランス領域５３に導かれたオイルＯ１は、オイルＯ２に示すようにスカート部１０の円周方向中央部１０ｃに向かって移動して、小クリアランス領域５２に導かれる。

これにより、潤滑条件の厳しいスカート部１０の小クリアランス領域５２および中クリアランス領域５３とシリンダボア６の内壁６ａとが潤滑される。
ところで、大クリアランス領域５１とシリンダボア６の内壁６ａとの間にはオイルが潤沢に存在するため、このオイルによる抵抗を受ける箇所になり得る。

本実施の形態のピストン７は、大クリアランス領域５１とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入されたオイルＯ１は、上流側の縦溝４１、４２Ａ、４３Ａから下流側の縦溝４１、４２Ｂ、４３Ｂに導かれる。これにより、余剰のオイルを縦溝４１、４２Ｂ、４３Ｂから下流側に滞ることなく円滑に排出することができ、オイルによるピストン７の引きずり抵抗を低減できる。

一方、図１３に示すようにピストン７が降下すると、上流側から下部スカート部３８とシリンダボア６の内壁６ａとの間にオイルが導入される。
下部スカート部３８とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入されるオイルの一部は、オイルＯ３で示すように、ピストンピンボス部１４、１５の延びる方向と同じ領域の大クリアランス領域５１において縦溝４２Ｂ、４３Ｂに導入される。

縦溝４２Ｂ、４３Ｂに導入されたオイルＯ３は、ピストンピンボス部１４、１５の延びる方向の範囲内において、下部境界３７ｂまで導かれた後に、中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとの間の中クリアランス領域５３に導かれる。

中クリアランス領域５３に導かれたオイルＯ３は、オイルＯ４に示すようにスカート部１０の円周方向中央部１０ｃに向かって移動して、中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとの間の小クリアランス領域５２に導かれる。
これにより、潤滑条件の厳しいスカート部１０の小クリアランス領域５２および中クリアランス領域５３とシリンダボア６の内壁６ａとが潤滑される。

また、大クリアランス領域５１とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入されたオイルは、上流側の縦溝４１、４２Ｂ、４３Ｂから下流側の縦溝４１、４２Ａ、４３Ａに導かれる。これにより、余剰のオイルを縦溝４１、４２Ｂ、４３Ｂから下流側に円滑に排出することができ、オイルによるピストン７の引きずり抵抗を低減できる。

特に、本実施の形態のピストン７は、大クリアランス領域５１の中でもスカート部１０とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが最も大きい部位において、上部スカート部３６から下部スカート部３８まで連続して延びる縦溝４１を有する。

これにより、ピストン７の往復動時に、大クリアランス領域５１の中でもクリアランスが大きいスカート部１０とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入されたオイルを縦溝４１によって下流側に滞ることなく円滑に排出することができるため、より多くの量のオイルを下流側に排出できる。

一方、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入されるオイルの量は、ピストン７の速度に比例する。このため、エンジン１の低回転域では、そのオイル量が少なくなり、小クリアランス領域５２および中クリアランス領域５３とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑不良が懸念される。
また、エンジン１の高回転域では、大クリアランス領域５１とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入されるオイル量が多くなり、オイルによるピストン７の引きずり抵抗が増大する。

本実施の形態のピストン７では、エンジン１の低回転域では、縦溝４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂから小クリアランス領域５２および中クリアランス領域５３とシリンダボア６の内壁６ａとの間に十分なオイルを導入して、小クリアランス領域５２および中クリアランス領域５３とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑性を向上できる。

また、エンジン１の高回転域では、大クリアランス領域５１とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入されるオイル量を縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂから下流側に滞ることなく円滑に排出することができ、オイルによるピストン７の引きずり抵抗を低減することができる。このようにエンジン１の回転数の増減にかかわらず、スカート部１０の潤滑とピストン７の引きずり抵抗の低減の両立を図ることができる。

図１４は、縦溝が形成されていない樹脂被膜と、縦溝４１Ａ等を有する本実施の形態の樹脂被膜３９とを用いてスカート部とシリンダボアの内壁との摩擦力を計測した実験データである。

この実験データは、ピストン単体摩擦力評価装置を用い、エンジン回転数を変えてピストンを作動した結果得られたものである。この実験データから明らかなように、本実施の形態の樹脂被膜３９を用いたピストン７は、従来の樹脂被膜を用いたピストンに比べてスカート部とシリンダボアの内壁との摩擦力が平均で約１０％低下したことを確認できた。

このように本実施の形態のピストン７によれば、少なくとも上部スカート部３６および下部スカート部３８に、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと平行に延びる縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂを形成し、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと直交する方向において、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂをピストンピンボス部１４、１５の延びる方向の範囲内に設置した。

これにより、ピストン７の往復動時に、クリアランスが小さく、シリンダボア６の内壁６ａに高圧で接触するスカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの間にオイルを導くことができる。このため、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑性を向上でき、スカート部１０、１１およびシリンダボア６の内壁６ａに焼き付けが発生することを防止できる。

また、本実施の形態のピストン７によれば、スカート部１０、１１の大クリアランス領域５１とシリンダボア６の内壁６ａとの間に導入された多量のオイルを、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂによってピストン７の移動方向の下流側に滞ることなく円滑に排出することができる。これにより、オイルによるピストン７の引きずり抵抗を低減でき、エンジン１の燃費が悪化することを防止できる。

また、本実施の形態のピストン７によれば、スカート部１０、１１が、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃからサイドウォール部１２、１３に向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成され、スカート部１０、１１の左側１０ａおよび右側１０ｂから円周方向中央部１０ｃ、１１ｃに向かうに従ってシリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１とのクリアランスが小さくなる。

そして、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂが、スカート部１０、１１の円周方向に隣接して形成され、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向において、スカート部１０、１１の円周方向中央部１０ｃ、１１ｃ側に設置される縦溝４３Ａ、４３Ｂの長さよりもサイドウォール部１２、１３側に設置される縦溝４１が長く形成される。

これにより、大クリアランス領域５１に円滑にオイルを導入することができ、潤滑に使用されない余剰のオイルを縦溝４１によってピストン７の下流側に滞ることなく円滑に排出することができる。このため、オイルによるピストン７の引きずり抵抗をより効果的に低減できる。

また、本実施の形態のピストン７によれば、縦溝４１よりも短い長さを有する縦溝４２Ａ、４３Ａが、樹脂被膜３９の上部３９ａから上部スカート部３６と中央スカート部３７との境界である上部境界３７ａの直上まで延びている。

さらに、縦溝４１よりも短い長さの縦溝４２Ｂ、４３Ｂが、樹脂被膜３９の下部３９ｂから下部スカート部３８と中央スカート部３７との境界である下部境界３７ｂの直上まで延びている。

これにより、シリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１とのクリアランスが小さく変化することでシリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１との面圧が高くなる上部境界３７ａおよび下部境界３７ｂに、縦溝４３Ａ、４３Ｂからオイルを確実に導入することができる。

このため、シリンダボア６の内壁６ａと中央スカート部３７との間にオイルを確実に導入することができ、シリンダボア６の内壁６ａと中央スカート部３７とを確実に潤滑することができる。

また、本実施の形態のピストン７によれば、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂの深さを１０μｍに形成しているので、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂにオイルを円滑に流通させることができる。なお、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂの深さは、５μｍ以上２０μｍ以下の範囲に形成されることが好ましい。

何故なら、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂの深さが５μｍ以下であると、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂに沿ってオイルを流すことが困難となり、好ましくない。また、縦溝４１、４２Ａ、４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｂの深さが２０μｍ以上であると、樹脂被膜３９の厚みが増大することで、過剰なオイルの滞留に繋がるため、好ましくない。

本発明の実施の形態を開示したが、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...エンジン（内燃機関）、６...シリンダボア、６ａ...内壁、７...ピストン、８...コネクティングロッド、８Ａ...小径部、９...ピストンクラウン部（ピストン本体）、１０，１１...スカート部、１０ａ，１１ａ...左側（スカート部の円周方向の一方側）、１０ｂ，１１ｂ...右側（スカート部の円周方向の他方側）、１０ｃ，１１ｃ...円周方向中央部、１２，１３...サイドウォール部、１４，１５...ピストンピンボス部、１６...ピストンピン、３６...上部スカート部、３７...中央スカート部、３７ａ...上部境界、３７ｂ...下部境界、３８...下部スカート部、３９...樹脂被膜、４１，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ...縦溝、Ｃ...中心軸（ピストン本体の中心軸）

Claims (4)

1. ピストン本体と、前記ピストン本体から垂下した一対のスカート部と、前記ピストン本体から垂下され、ピストンピンを保持する一対のピストンピンボス部と、前記一対のスカート部と前記一対のピストンピンボス部とを接続する一対のサイドウォール部と、前記スカート部の外周面に設けられた樹脂被膜とを備え、
   前記スカート部が、前記ピストン本体の中心軸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中心軸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よりも下方において前記下部境界から前記中心軸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有し、
   前記スカート部が、前記スカート部の円周方向中央部から前記サイドウォール部に向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成された内燃機関のピストンであって、
   少なくとも前記上部スカート部および前記下部スカート部に対応する前記樹脂被膜に、前記ピストン本体の中心軸と平行に延びる縦溝を形成し、
   前記中心軸と直交する方向において、前記縦溝が前記ピストンピンボス部の延びる方向の範囲内に設置されることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記縦溝は、前記スカート部の円周方向に隣接して複数個形成され、
   前記縦溝の前記中心軸方向の長さは、前記スカート部の円周方向中央部側よりも前記サイドウォール側に設置される縦溝が長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。
3. 前記複数の縦溝は、前記樹脂被膜の上部から前記上部境界の直上まで延び、前記樹脂被膜の下部から前記下部境界の直下まで延びるものを含む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. 前記縦溝の深さが、５μｍ以上２０μｍ以下の範囲に形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストン。
   

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