JP2019120185A - シリンダーの周壁面構造 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張行程においてピストンとの間に生じる摩擦を低減することのできるシリンダーの周壁面構造を提供する。【解決手段】シリンダー２０の周壁面２１は、ピストン２５が対向する領域として上段領域４１、中段領域４２、および、下段領域４３を有する。中段領域４２は、一様に、かつ、規則的に配列された複数の凹部４５を第１面積率で有する第１領域４６と、ピストン２５の下動時にピストン２５が偏倚するスラスト側に位置し、シリンダー２０の周方向における両側とピストン２５の下動方向側とが第１領域４６で囲まれた第２領域４７であって、凹部４５が形成されていない第２領域４７と、で構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダーの周壁面構造に関する。

レシプロ式のエンジンにおいては、ピストンとシリンダーの周壁面との間の隙間であるピストンクリアランスに潤滑油が供給されている。また、例えば、特許文献１のように、シリンダーの周壁面に複数の小さな凹部を配列することでピストンとシリンダーの周壁面との間に作用する面圧を高め、ピストンとシリンダーの周壁面との間の摩擦抵抗を低減することが行われている。

特許第５２９７３８４号公報

近年、燃費向上等を目的としたエンジンのダウンサイジングにともなう高出力化によって、膨張行程においてピストンとシリンダーの周壁面との間に生じる面圧が上昇する傾向にある。こうした面圧の上昇は、図７に示すストライベック線図において、ピストンとシリンダーの周壁面との間の潤滑状態を流体潤滑状態Ａから混合潤滑状態Ｂあるいは境界潤滑状態Ｃへ移行させてしまい、結果として摩擦抵抗の増大を招くおそれがある。

本発明は、膨張行程においてピストンとの間に生じる摩擦を低減することのできるシリンダーの周壁面構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するシリンダーの周壁面構造は、ピストンが上下動するシリンダーの周壁面構造であって、前記シリンダーの周壁面は、前記ピストンが対向する領域として上段領域、中段領域、および、下段領域を有し、前記中段領域は、規則的に配列された複数の凹部を第１面積率で有する第１領域と、前記ピストンの下動時に前記ピストンが偏倚するスラスト側に位置し、前記シリンダーの周方向における両側と前記ピストンの下動方向側とが前記第１領域で囲まれた第２領域であって、凹部が形成されていない、若しくは、規則的に配列された複数の凹部を前記第１面積率よりも低い第２面積率で有する前記第２領域と、で構成されている。

上記構成によれば、ピストンに爆発荷重が作用し面圧が大きくなる期間においてピストンが第２領域を摺動しやすくなる。これにより、ピストン膨張行程においてシリンダーの周壁面とピストンとの間に生じる面圧の過度な上昇を抑えることができる。その結果、潤滑状態が流体潤滑状態に維持されやすくなり、膨張行程においてシリンダーの周壁面とピストンとの間で生じる摩擦を低減することができる。

上記構成のシリンダーの周壁面構造において、前記中段領域は、前記ピストンの上死点を基準としたクランク角度１０°ＣＡ以上において前記ピストンの下端が対向する位置に、前記ピストンの下動方向側における前記第１領域と前記第２領域との境界を有することが好ましい。

上記構成によれば、ピストンの下端が第２領域に対向する期間に筒内圧力が高く、かつ、ピストンに高い爆発荷重が作用する期間を含ませることが可能となる。これにより、シリンダーの周壁面とピストンとの間に生じる面圧の過度な上昇を効果的に抑えることができる。

上記構成のシリンダーの周壁面構造において、前記中段領域は、前記ピストンの上死点を基準としたクランク角度３０°ＣＡ以下において前記ピストンの下端が対向する位置に前記境界を有することが好ましい。

上記構成によれば、ピストンに爆発荷重が作用したあとの期間において、シリンダーの周壁面とピストンとの間に生じる面圧がスラスト側において過度に低下することを抑えることが可能である。

上記構成のシリンダーの周壁面構造において、前記第２領域は、前記シリンダーの周方向において、前記ピストンのスラスト方向に沿う仮想線を二等分線とする前記シリンダーの中心軸回りの角度が４５°以上の領域であることが好ましい。
上記構成によれば、爆発荷重が作用するピストンの下端が摺動する領域をより確実に第２領域に設定することができる。

上記構成のシリンダーの周壁面構造において、前記第２領域は、前記シリンダーの周方向において、前記仮想線を二等分線とする前記シリンダーの中心軸回りの角度が９０°以下の領域であることが好ましい。

上記構成によれば、爆発荷重が作用するピストンのスラストによる面圧の過度な上昇を抑えつつ、第１領域のうちでシリンダーの周方向において第２領域に隣接する部分において面圧が過度に低下することを抑えることができる。

上記構成のシリンダーの周壁面構造は、前記第２領域が凹部の形成されていない領域であることが好ましい。
上記構成によれば、ピストンの下端が第２領域を摺動する際にシリンダーの周壁面とピストンとの間に生じる面圧の過度な上昇を確実に抑えることができる。

シリンダーの周壁面構造の一実施形態が適用されたシリンダーにピストンが収容された状態を示す図。 （ａ）シリンダー内をピストンが下動している状態の一例を示す図、（ｂ）シリンダー内をピストンが上動している状態の一例を示す図。 （ａ）第１領域における凹部の配列の一例を示す図、（ｂ）凹部が形成されていない第２領域を示す図、（ｃ）第２領域における凹部の配列の一例を示す図。 シリンダーの周方向における第２領域の範囲を模式的に示す図。 シリンダーの周壁面を展開した平面図。 クランク角度に対する熱発生率および筒内圧力の関係の一例を示す図。 ストライベック線図の一例を示す図。

図１〜図６を参照して、シリンダーの周壁面構造の一実施形態について説明する。図１は、シリンダーの周壁面構造の一実施形態が適用されたシリンダーにピストンが収容された状態を示す図であって、上死点に位置しているピストンを実線で示し、下死点に位置しているピストンを二点鎖線で示す図である。

図１に示すように、シリンダー２０は、シリンダーブロック部１１に形成される周壁面２１と、シリンダーヘッド部１２に形成される上壁面２２とを有している。シリンダー２０は、シリンダー２０の中心軸Ｃ方向に沿って上下動可能なピストン２５を収容している。シリンダー２０には、シリンダー２０の周壁面２１、上壁面２２、および、ピストン２５に囲まれる空間である燃焼室２６が形成される。

ピストン２５には、１以上のピストンリングが装着される。たとえば、ピストン２５には、燃焼室２６の気密性を高めるトップリング２７およびセカンドリング２８、ならびに、シリンダー２０に付着するオイル量を調整するオイルリング２９が装着される。ピストン２５のうち、最上位に位置するピストンリング（図１においてはトップリング２７）よりも上方の部分をトップランドという。ピストン２５は、図１における紙面鉛直方向に延びるピストンピン３０によってコンロッド３１の小端部に回動可能に連結されている。コンロッド３１は、小端部の反対側に位置する大端部が図示されないクランクシャフトに回動可能に連結されている。クランクシャフトは、ピストン２５の上下動にともなって吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が繰り返し行われることで図１における紙面鉛直方向に延びる回転軸を軸として回転する。

吸気行程においては、ピストン２５の上死点から下死点への下動にともない、シリンダー２０の上壁面２２に開口する吸気ポート３３を通じてシリンダー２０に吸入空気が流入する。圧縮行程においては、ピストン２５の下死点から上死点への上動にともない、吸気行程にてシリンダー２０に吸入された吸入空気が圧縮される。こうして圧縮された吸入空気は、燃料噴射弁３４から燃料が噴射されることにより混合気を生成する。

膨張行程においては、混合気の燃焼にともなう爆発荷重がピストン２５の上面に作用することにより、ピストン２５が上死点から下死点へと押し下げられる。こうした膨張行程におけるピストン２５の下動により、クランクシャフトに対してコンロッド３１を介して回転力が付与される。排気行程においては、ピストン２５の下死点から上死点への上動にともない、燃焼後の混合気である排気ガスがシリンダー２０の上壁面２２に開口する排気ポート３５を通じてシリンダー２０から排出される。

図２（ａ）に示すように、膨張行程において、ピストン２５は、コンロッド３１からの反力を受けることで一方側へと偏倚した状態で下動する。このように膨張行程においてピストン２５が偏倚する側をスラスト側、スラスト側の反対側を反スラスト側という。また、膨張行程においてピストン２５が偏倚する方向をスラスト方向、スラスト方向の反対方向を反スラスト方向という。スラスト方向および反スラスト方向は、ピストンピン３０の延在方向（クランクシャフトの回転軸に沿う方向）とシリンダー２０の軸方向（ピストン２５の上下動方向）とに直交する方向である。

また、膨張行程において、ピストン２５は、スラスト側の部位よりも反スラスト側の部位が下側に位置するようにピストンピン３０を中心として反スラスト側へ傾倒した状態で下動する。そのため、ピストン２５は、スラスト側の下端３６がシリンダー２０の周壁面２１を摺動するように下動する。なお、こうしたピストン２５の偏倚および傾倒は、ピストン２５が下動する吸入行程でも生じる。

図２（ｂ）に示すように、圧縮行程および排気行程において、ピストン２５は、コンロッド３１に押し上げられることで反スラスト側へ偏倚した状態で上動する。また、ピストン２５は、ピストンピン３０を中心として反スラスト側の部位よりもスラスト側の部位が下側に位置するようにスラスト側へ傾倒した状態で上動する。そのため、ピストン２５は、反スラスト側の下端３７がシリンダー２０の周壁面２１を摺動するように上動する。

図１および図２に示すように、シリンダー２０の周壁面２１は、ピストン２５が対向する領域として、ピストン２５の上死点側から順に、上段領域４１、中段領域４２、および、下段領域４３を有している。上段領域４１および下段領域４３は、後述する凹部の形成されていない平坦面である。中段領域４２は、ブラスト法やエッチング法などによって形成された微小な複数の凹部４５を有している。中段領域４２では、凹部４５が開口していない部分がピストン２５からの圧力を受ける受圧部として機能する。中段領域４２は、ピストン２５が上死点に位置しているときに最下位のピストンリング（この場合はオイルリング２９）よりも下動方向側の部位が対向する位置から、ピストン２５が下死点に位置しているときにピストン２５のトップランドが対向する位置までの領域に設定される。

中段領域４２は、第１面積率Ｒａ１で凹部４５を有する第１領域４６と、第２面積率Ｒａ２で凹部４５を有する第２領域４７とで構成されている。ここでいう面積率は、たとえば第１領域４６であれば、第１領域４６の総面積Ｓ１に対して凹部４５の総開口面積Ｓｄ１が占める割合（＝Ｓｄ１／Ｓ１）である。

図３（ａ）に示すように、第１領域４６は、凹部４５が一様に、かつ、規則的に配列された領域である。凹部４５は、たとえば、直径Ｄ１の複数の凹部４５がピッチＰ１で列を構成し、かつ、隣の列の凹部４５との中心間の角度が角度θ１で千鳥状に配列される。

第２領域４７は、第１面積率Ｒａ１よりも低い第２面積率Ｒａ２（＜Ｒａ１）を有している。第２領域４７は、たとえば図３（ｂ）に示すように、第２面積率Ｒａ２が０であり、第２領域４７に凹部４５が存在しない領域である。また、第２領域４７は、たとえば図３（ｃ）に示すように、直径Ｄ２の複数の凹部４５がピッチＰ２、角度θ２にて一様に、かつ、規則的に千鳥状に配列された領域である。この場合、第２領域４７は、第１面積率Ｒａ１よりも低い第２面積率Ｒａ２で凹部４５が形成されていればよく、直径Ｄ２、ピッチＰ２、および、角度θ２のなかに直径Ｄ１、ピッチＰ１、および、角度θ１と同じ値が含まれていてもよい。すなわち、第２領域４７は、単位面積における受圧面積が第１領域４６も大きい領域であり、同じ圧力であればピストン２５との間に生じる面圧が第１領域よりも小さい領域である。

第２領域４７は、中段領域４２においてスラスト側、かつ、ピストン２５の上動方向側に位置する領域である。第２領域４７は、シリンダー２０の周方向における両側、および、ピストン２５の下動方向側が第１領域４６で囲まれた領域であり、中段領域４２において第１領域４６の一部をピストン２５の上動方向側から凹状に切り欠くような領域である。第２領域４７は、周壁面２１の展開図において、長方形状を有する構成に限らず、たとえば台形形状を有する構成であってもよい。この場合、下端３６が第２領域４７を摺動する確実性を高めるうえで境界５１が幅広となることが好ましい。なお、凹部４５の配列は、図３（ａ）および図３（ｃ）に示すような千鳥配列に限らず、たとえば凹部４５が格子状に配置される配列であってもよい。また、第１領域４６と第２領域４７とにおいて凹部４５の配列が異なる構成であってもよい。

図４に示すように、シリンダー２０の周方向における第２領域４７の範囲は、スラスト方向に沿う仮想線５０を二等分線とするシリンダー２０の中心軸Ｃ回りの角度θの範囲である。角度θは、シリンダー２０の内径、ピストン２５の形状や外径、および、ピストン２５とシリンダー２０との間の隙間であるピストンクリアランスなど、各種設計値に基づいて設定される値である。

角度θは、膨張行程においてピストン２５の下端３６が摺動する領域がより確実に第２領域４７の一部となる値に設定されることが好ましい。こうした観点から角度θは、３０°以上であることが好ましく、４５°以上であることがより好ましい。また、角度θは、第１領域４６のうちシリンダー２０の周方向で第２領域４７に隣接する部分においてシリンダー２０とピストン２５との間に生じる面圧が過度に低下することが抑えられる値に設定される。こうした観点から、角度θは、１２０°以下であることが好ましく、９０°以下であることがより好ましい。角度θの一例は９０°である。

図５に示すように、ピストン２５の下動方向側における第１領域４６と第２領域４７との境界５１は、混合気の燃焼中にピストン２５の下端３６が対向する位置に設定される。境界５１は、ピストン２５に作用する爆発荷重が高い期間においてピストン２５の下端３６を第２領域４７に対向する位置に設定されることが好ましい。こうした観点から、境界５１は、燃料噴射量に基づく発生熱量Ｑ１に対する熱発生率に基づく発生熱量の積算値Ｑ２の割合Ｒｑ（＝Ｑ２／Ｑ１）が９０％に到達したあとにピストン２５の下端３６が対向する位置に設定されることが好ましい。

具体的には、境界５１は、燃焼室２６の圧力である筒内圧力が高く、かつ、ピストン２５に高い爆発荷重が作用する期間において、ピストン２５の下端３６がより確実に第２領域４７に対向させることが好ましい。こうした観点から、境界５１は、上死点を基準としてクランク角度１０°ＣＡ以上でピストン２５の下端３６が対向する位置に設定されることが好ましい。

また、境界５１は、ピストン２５に爆発荷重が作用したあとの期間において、シリンダー２０の周壁面２１とピストン２５との間に生じる面圧が過度に低下することが抑えられる位置に設定されることが好ましい。こうした観点から、境界５１は、上死点を基準としてクランク角度３０°ＣＡ以下でピストン２５の下端３６が対向する位置に設定されることが好ましい。

たとえば、図６に示すように、上死点を基準（＝０°ＣＡ）としたクランク角度に対して筒内圧力Ｐｃおよび熱発生率Ｑｓが推移するエンジンにおいては、上記割合Ｒｑが９０％に到達するクランク角度２８°ＣＡにおいてピストン２５の下端３６が対向している位置に境界５１が設定されることが好ましい。

上述した構成のシリンダーの周壁面構造の作用について説明する。
上述したシリンダー２０においては、膨張行程においてピストン２５がスラスト側に偏倚し、かつ、傾倒した状態で下動する。その際、ピストン２５の下端３６は、筒内圧力が高く、かつ、爆発荷重によりシリンダー２０の周壁面２１に対する圧力が高くなる期間において第２領域４７を摺動する。第２領域４７は、第１面積率Ｒａ１よりも低い第２面積率Ｒａ２を有していることから、第１領域４６よりも受圧面積が大きい。そのため、ピストン２５の下端３６とシリンダー２０の周壁面２１との間に生じる面圧を小さくすることができる。これにより、面圧の過度な上昇が抑えられることから、ピストン２５とシリンダー２０の周壁面２１との間の潤滑状態が流体潤滑状態に維持されやすくなる。その結果、同期間におけるピストン２５とシリンダー２０の周壁面２１との摩擦を低減することができる。

そして、シリンダー２０の周壁面２１に対するピストン２５の圧力が低くなると、ピストン２５の下端３６は、第２領域４７よりも受圧面積の小さい第１領域４６を摺動する。これにより、面圧の過度な低下が抑えられ、ピストン２５とシリンダー２０の周壁面２１との間の潤滑状態を流体潤滑状態に維持しつつ、これらの間に生じる摩擦を低減することができる。

上記実施形態のシリンダーの周壁面構造によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）膨張行程においてピストン２５とシリンダー２０の周壁面２１との間に生じる面圧の過度な上昇を抑えることができる。その結果、潤滑状態が流体潤滑状態に維持されやすくなることから、膨張行程全体としてピストン２５とシリンダー２０の周壁面２１との間の摩擦を低減することができる。

（２）シリンダー２０の周壁面２１は、反スラスト側が第１面積率Ｒａ１の第１領域４６で構成されている。そのため、圧縮行程や排気行程において、ピストン２５が反スラスト側に偏倚し、かつ、スラスト側へ傾倒した状態で上動する際に、ピストン２５とシリンダー２０の周壁面２１との間に生じる面圧を適度に上昇させることができる。その結果、ピストン２５の上動時におけるピストン２５とシリンダー２０の周壁面２１との間の摩擦を低減することができる。

（３）第１領域４６と第２領域４７との境界５１は、上死点を基準とするクランク角度１０°以上においてピストン２５の下端３６が対向する位置に設定されることが好ましい。こうした構成によれば、膨張行程における筒内圧力Ｐｃが高い期間であり、かつ、ピストン２５に作用する爆発荷重が高い期間においてピストン２５の下端３６を第２領域４７に対向させることができる。これにより、過度な上昇を効果的に抑えることができる。また、ピストン２５の下端３６が境界５１に到達したときに割合Ｒｑが９０％に到達している確率を高めることもできる。

（４）境界５１は、上死点を基準とするクランク角度３０°以下においてピストン２５の下端３６が対向する位置に設定されることが好ましい。こうした構成によれば、シリンダー２０の周壁面２１に対してピストン２５が付与する圧力が低くなったときにピストン２５の下端３６が第１領域４６を摺動する。これにより、爆発荷重が作用したのちにシリンダー２０の周壁面２１とピストン２５との間に生じる面圧の過度な低下を抑えることができる。

（５）シリンダー２０の周方向における第２領域４７の角度θは、３０°以上であることが好ましい。こうした構成によれば、膨張行程においてピストン２５の下端３６が摺動する領域をより確実に第２領域４７の一部に設定することができる。

（６）シリンダー２０の周方向における第２領域４７の角度θは、９０°以下であることが好ましい。こうした構成によれば、第２領域４７においては面圧の過度な上昇を抑えつつ、第１領域４６のうちシリンダー２０の周方向で第２領域４７に隣接する部分においてはシリンダー２０とピストン２５との間に生じる面圧が過度に低下することを抑えることができる。すなわち、シリンダー２０のスラスト側全体においてピストン２５との間に生じる摩擦を効果的に低減することができる。
（７）第２領域４７が凹部４５の形成されていない領域（Ｒａ２＝０）であることにより、第２領域４７における面圧の過度な上昇をより確実に抑えることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・シリンダー２０は、ピストン２５を上下動可能に収容するものであればよい。そのため、シリンダー２０は、シリンダーブロック部１１に対する機械加工により形成されたものであってもよい。また、シリンダー２０は、シリンダーブロック部１１に形成された孔に対してシリンダーライナーが装着されることにより形成されるものであってもよい。すなわち、シリンダーライナーが上述した周壁面構造を有していてもよい。

・凹部４５は、一様に、かつ、規則的に配列されていればよい。そのため、凹部４５の開口は、円形に限らず、楕円形状であってもよいし、多角形状であってもよい。また、第１領域４６に形成される凹部と第２領域４７に形成される凹部とが互いに異なる形状の開口を有していてもよい。

・シリンダーブロック部１１とシリンダーヘッド部１２とは、別々の部材（シリンダーブロックとシリンダーヘッド）であってもよいし、一体的に連結されたモノブロックであってもよい。

・シリンダーの周壁面構造が適用されるエンジンは、レシプロ式のエンジンであればよく、ディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンやガスエンジンであってもよい。また、燃料の噴射方式も燃焼室に直接噴射する方式に限らず、たとえば吸気ポート３３などに燃料を噴射する方式であってもよい。

Ｃ…中心軸、１１…シリンダーブロック部、１２…シリンダーヘッド部、２０…シリンダー、２１…周壁面、２２…上壁面、２５…ピストン、２６…燃焼室、２７…トップリング、２８…セカンドリング、２９…オイルリング、３０…ピストンピン、３１…コンロッド、３３…吸気ポート、３４…燃料噴射弁、３５…排気ポート、３６，３７…下端、４１…上段領域、４２…中段領域、４３…下段領域、４５…凹部、４６…第１領域、４７…第２領域、５０…仮想線、５１…境界。

Claims (6)

1. ピストンが上下動するシリンダーの周壁面構造であって、
   前記シリンダーの周壁面は、
   前記ピストンが対向する領域として上段領域、中段領域、および、下段領域を有し、
   前記中段領域は、
   規則的に配列された複数の凹部を第１面積率で有する第１領域と、
   前記ピストンの下動時に前記ピストンが偏倚するスラスト側に位置し、前記シリンダーの周方向における両側と前記ピストンの下動方向側とが前記第１領域で囲まれた第２領域であって、凹部が形成されていない、若しくは、規則的に配列された複数の凹部を前記第１面積率よりも低い第２面積率で有する前記第２領域と、で構成されている
   シリンダーの周壁面構造。
2. 前記中段領域は、前記ピストンの上死点を基準としたクランク角度１０°ＣＡ以上において前記ピストンの下端が対向する位置に、前記ピストンの下動方向側における前記第１領域と前記第２領域との境界を有する
   請求項１に記載のシリンダーの周壁面構造。
3. 前記中段領域は、前記ピストンの上死点を基準としたクランク角度３０°ＣＡ以下において前記ピストンの下端が対向する位置に前記境界を有する
   請求項２に記載のシリンダーの周壁面構造。
4. 前記第２領域は、前記シリンダーの周方向において、前記ピストンのスラスト方向に沿う仮想線を二等分線とする前記シリンダーの中心軸回りの角度が３０°以上の領域である
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリンダーの周壁面構造。
5. 前記第２領域は、前記シリンダーの周方向において、前記仮想線を二等分線とする前記シリンダーの中心軸回りの角度が９０°以下の領域である
   請求項４に記載のシリンダーの周壁面構造。
6. 前記第２領域が凹部の形成されていない領域である
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のシリンダーの周壁面構造。

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