JP4749398B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、摩擦抵抗を低減する樹脂被膜層がスカート部に形成された内燃機関のピストンに関するものである。

ピストンのスカート部は、シリンダ内壁と摺接することによって、シリンダ内での往復運動時におけるピストンの首振り運動を抑制する。そのため、スカート部表面の摩擦抵抗が大きいと、ピストンの往復運動時における摺動負荷が増大して燃費低下や磨耗等の問題が発生する。

そこで、スカート部表面に固体潤滑材を含有した樹脂被膜層を形成することにより摩擦特性を改善したものや、スカート部表面に微小な凹部を形成して当該凹部に潤滑油を保持するようにして摩擦特性を改善したものがある。しかし、樹脂被膜層を用いる方法では、樹脂被膜層は連続使用によって磨耗するため、長期間にわたってスカート部の摩擦特性を維持することが難しいという問題があった。また、凹部を設ける方法では、凹部以外の部分においては油膜形成が損なわれやすいため、摩擦特性の向上には限界があるという問題があった。

これらの問題に対処するものとして、スカート部表面に樹脂被膜層を形成し、当該樹脂被膜層に潤滑油溜まりとなる凹部を規則的に配列したものがある（例えば、特許文献１）。このような構成を採ることによって、スカート部表面には潤滑油が保持されるようになり、樹脂被膜層への負荷が低減して磨耗が少なくなる。また、油膜形成が不十分な部位においても樹脂被膜層が形成されているため、摩擦特性を向上させることができる。
特開２００６−１６１５６３号公報

しかしながら、スカート部がシリンダ内壁から受ける面圧は均一ではない。面圧の不均一は、ピストンの往復運動時における挙動やピストンの構造により生じる。仮に、面圧が高くなる部位に樹脂被膜層を設けた場合、樹脂被膜層は、磨耗や脱落といった損傷を受けやすくなる。また、摩擦抵抗に対しても潤滑油により潤滑する方が有利である。そのため、樹脂被膜層と凹部の配置によって、スカート部の摩擦特性および樹脂被膜層の寿命は大きく変化する。

本発明は、このような知見に鑑みなされたものであり、摩擦抵抗が小さく、かつ摩擦特性を長期間維持することができるスカート部を有する内燃機関のピストンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の凹部（４５）を有する樹脂被膜層（４４）がピストンリング下方に延在するスカート部（４）の摺動面に形成された内燃機関のピストン（１）であって、スカート部は、ピストンの軸線方向における略中央部に、当該ピストンの軸線からの距離を一定に維持しつつ軸線方向に延在するスカート胴部（４１）と、スカート胴部の下縁部から下方に延設され、下方に向かうにつれてピストンの軸線との距離が徐々に小さくなる第１縮径部（４２）とを有し、凹部は、スカート胴部と第１縮径部との境界である第１境界線（６）上に配列されるようにした。

また、スカート部は、スカート胴部の上縁部から上方に延設され、上方に向かうにつれて軸線との距離が徐々に小さくなる第２縮径部（４３）を有し、凹部は、スカート胴部と第２縮径部との境界である第２境界線（７）上に配列されていることが好ましい。

また、凹部は、第１境界線と第２境界線との間に、第１境界線と平行に配列されていることが好ましい。

また、凹部は、第１縮径部に第１境界線と平行に配列されていることが好ましい。

また、ピストンは、オイルリング溝（２３）と、当該オイルリング溝とピストン内側とを連通させる少なくとも１つ以上の排油孔（２４）とを有し、排油孔は、凹部の軸線方向に配置されていることが好ましい。

以上のように構成することによって、ピストンのスカート部は、スカート胴部が突出した凸面の形状を呈する。スカート部がこのように形成されたピストンは、シリンダ内を往復運動するときに第１境界線および第２境界線の近傍とスカート部の下縁部とにおいてシリンダ内壁と強く接触するようになる。これらのシリンダ内壁と強く接触する部位に、潤滑油を保持することができる凹部を配置することで、十分な潤滑油が供給されるようになり摩擦特性が改善される。また、スカート部に形成された樹脂被膜層とシリンダ内壁との直接接触を避けることができるため、樹脂被膜層の磨耗等の損傷が低減される。

また、第１境界線と第２境界線の間の領域に凹部を設けることによって、当該凹部によって保持された潤滑油が第１および第２境界線近傍に供給されるため、第１および第２境界線近傍において潤滑油が不足することが防止される。また、凹部が形成されたスカート部において潤滑油が特に保持されることから、凹部の軸線方向に排油孔を設けたことにより過剰な潤滑油を効率的に取り除くことができ、適切な潤滑油量を維持することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るピストンを示す正面図である。図２は、本発明の実施形態に係るピストンを示す側面図である。図３は、図１の矢印ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って見た断面図である。図４は、図３のＩＶ部を径方向に拡大して示す断面図である。図５は、本発明の実施形態に係るピストンを示す底面図である。なお、実施形態の説明にあたっては、ピストンのピストンリング側を上方とする。

図１および図２に示すように、ピストン１は、内燃機関のシリンダ内で燃焼空間の一部を画成するヘッド部２と、ヘッド部２の下方に設けられてピストンピンが挿入される一対のピストンピンボア部３と、ヘッド部２より下方に延設されてシリンダ内壁に摺接する一対のスカート部４と、各ピストンピンボア部３と各スカート部４とを接続するスカート支持壁５とを備えている。

図３に示すように、ヘッド部２は、有底円筒形状を呈している。また、ヘッド部２の上面は、運転時の熱膨張を考慮して、常温時においては楕円形状とするように形成されている。また、３つの環状溝をその側面に有している。これらの環状溝は、上方側より第１コンプレッションリング溝２１、第２コンプレッションリング溝２２、オイルリング溝２３である。ピストンの使用状態においては、第１および第２コンプレッションリング溝２１・２２にコンプレッションリング（図示しない）がそれぞれ嵌挿され、オイルリング溝２３にはオイルリング（図示しない）が嵌挿される。

スカート部４は、ピストン１の上下方向における略中央部に、ピストン１の軸線からの距離を維持しつつ上下方向に延在するスカート胴部４１を有する。スカート胴部４１の下縁部には、第１縮径部４２が下方に延設されている。第１縮径部４２は、下方に向かうにつれて軸線との距離が連続的に小さくなるように形成されている。また、スカート胴部４１の上縁部には、第２縮径部４３が上方に延設されている。第２縮径部４３は、上方に向かうにつれて軸線との距離が連続的に小さくなるように形成されている。その結果、図４に誇張して示すように、スカート部４の断面は、スカート胴部４１が径方向の外方に突出した形状を呈する。このような断面形状はスカート部４の周方向にわたって同様であり、ピストン１は樽型の形状を呈している。スカート胴部４１と第１縮径部４２との間の境界を第１境界線６とし、スカート胴部４１と第２縮径部４３との間の境界を第２境界線７とする。また、図５に示すように、スカート部４は周方向の両側端とスカート支持壁５と接続しており、径方向における断面形状は、ピストンピンの軸線方向を短径とする略楕円形状を呈している。

図１に示すように、スカート部４のシリンダ内壁との摺動面には、樹脂被膜層４４が所定の厚みを有して形成されている。樹脂被膜層４４は、例えば、低摩擦抵抗性および高耐熱性を有する単一樹脂により形成されてよく、また前記単一合成樹脂に固体潤滑剤を含む複合樹脂により形成されてもよい。

樹脂被膜層４４には、凹部４５が形成されている。凹部４５は、本実施形態では樹脂被膜層４４が形成されていない非被膜部位であるが、他の実施形態では被膜厚みが樹脂被膜層４４に比べて薄い部位であってもよい。いずれの場合においても、凹部は一定の容積を有するように成形されている。

凹部４５は、第１境界線６上と第２境界線７上とに、所定の間隔をおいて連続して配列されており、第１縮径部４２に、第１境界線と平行かつ所定の間隔をおいて連続して配置されている。また、凹部４５は、第１境界線６と第２境界線７との間の領域（スカート胴部４１）に、第１境界線と平行になるように互いに所定の間隔をおいて配置されている。本実施形態では、凹部４５は、第１境界線６上に７個、第２境界線７上に７個、スカート部４の下縁部に５個、第１境界線６と第２境界線７との間の領域に７個配置されており、更にスカート部４の上縁部に７個配置されている。他の実施形態では、スカート部４の上縁部に凹部４５を配置しなくてもよい。

オイルリング溝２３には、オイルリング溝２３とピストン内側とを連通させる排油孔２４が形成されている。排油孔２４は、スカート部４の近傍に設けられており、それぞれのスカート部４の軸線方向上方にそれぞれ３個ずつ設けられている。

以下、本実施形態による作用効果について説明する。本実施形態に示したピストン１の形状は一般的なピストンであり、このようなピストンのスカート部４は、往復運動時にシリンダ内壁との接触により加わる面圧がその部位によって異なる。なぜなら、ピストン１とシリンダとの間には焼き付き防止のために微小なクリアランスが形成されており、ピストン１が接続されるコンロッドの位置や傾きの影響を受けて、ピストン１は往復運動時にスラスト方向および反スラスト方向に移動し、また首振り運動を行うためである。

ピストン１の往復運動時におけるピストンの挙動について具体的に説明する。圧縮工程では、ピストン１はシリンダの反スラスト側の内壁に押さえつけられながらシリンダ内を移動するが、圧縮工程から膨張行程に移行するとき（上死点に達したとき）に、コンロッドの位置が反スラスト側からスラスト側に移動するため、ピストン１はシリンダ内壁の反スラスト側からスラスト側に移動する。このとき、ピストン１は、コンロッドの傾き変化の影響を受けて首振り運動をするため、シリンダに対して傾く。その結果、ピストン１はスカート部４の下縁部（第１縮径部４２）よりシリンダ内壁のスラスト側に接触する。

その後、ピストン１はシリンダのスラスト側の内壁に押さえつけられながらシリンダ内を下死点へと移動する。このとき、ピストン１はコンロッドの傾き変化の影響を受けて首振り運動（回転）し、シリンダ内壁のスラスト側と接する部位は、スカート部４の下縁部からスカート部４内を上方に移動する。ピストン１が下死点付近に位置するとき、ピストン１はスカート部の第２境界線７近傍でシリンダのスラスト側に接するようになる。下死点を通過すると、コンロッドが反スラスト側に位置するようになるため、ピストン１もシリンダの反スラスト側に接するようになる。このとき、ピストン１は下死点での姿勢を維持するため、スカート部４の下縁部でシリンダの反スラスト側に接する。そして、ピストン１は首振り運動をしながら上死点へと移動する。このようにピストン１は往復運動することから、ピストン１とシリンダ内壁との接する部位が変化する。

上述したピストン１の挙動とスカート部４の形状とに起因して、スカート部４において面圧が特に高くなる部位は、第１境界線６近傍、第２境界線７近傍およびスカート部の下縁部である。その理由は、スカート部の下縁部はピストン１が上死点および下死点を通過した直後にシリンダ内壁と接するためである。また、第１および第２境界線６・７近傍は、スカート胴部４１が径方向外方に突出した形状をしていることから、ピストン１が上死点と下死点との間を移動するときのピストン１の首振り運動において接触するためである。

本実施形態では、これらの面圧が高くなる位置に凹部４５が配置されている。凹部４５は一定の容積を有するため、潤滑油を保持することができる潤滑油溜まりとして作用する。そのため、スカート部４の凹部４５近傍の摺動面には、潤滑油が十分に供給され摩擦抵抗が低減される。

また、面圧が高くなる部位においては、樹脂被膜層は磨耗や脱落といった損傷を受けやすいが、凹部４５を形成することで樹脂被膜層４４の表面積が減少し、損傷を受ける部位が小さくなる。また、凹部４５により樹脂被膜層４４上に潤滑油が供給されるため、樹脂被膜層４４とシリンダ内壁との直接接触が低減される。このため、樹脂被膜層４４が受ける負荷は低減され、長寿命化が可能となる。

また、第１境界線６と第２境界線７との間の領域に凹部４５を配置しているため、当該領域に潤滑油が保持される。当該領域は第１および第２境界線６・７に近接しているため、第１および第２境界線６・７に潤滑油を供給することができる。これにより、第１および第２境界線６・７近傍において、潤滑油の保持量が低下することを防ぐことができる。

また、凹部４５のピストン１の軸線方向における上側に排油孔２４を設けたことにより、過剰な潤滑油を効率的にピストン１とシリンダ内壁の摺動面から取り除くことができる。潤滑油は凹部４５が配置されたスカート部４において多く保持されており、オイルリングによってオイルリング溝２３に捕集される過剰な潤滑油は、スカート部４の軸線方向における上方位置において多くなるためである。摺動面に適切な量の潤滑油が保持されることによって、潤滑が良好に行われるようになる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、本発明は、ピンオフセットさせるためにピストンピンボア部をピストンの中心から偏倚させたピストンにも同様に適用することができる。また、凹部の形状、個数および配列パターンは例示的なものであり本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施形態に係るピストンを示す正面図である。 本発明の実施形態に係るピストンを示す側面図である。 図１の矢印Ｉ−Ｉ線に沿って見た断面図である。 図３のＩＶ部を径方向に拡大して示す断面図である。 本発明の実施形態に係るピストンを示す底面図である。

符号の説明

１ ピストン
２ ヘッド部
３ ピストンピンボス部
４ スカート部
５ スカート支持壁
６ 第１境界線
７ 第２境界線
２３ オイルリング溝
２４ 排油孔
４１ スカート胴部
４２ 第１縮径部
４３ 第２縮径部
４４ 樹脂被膜層
４５ 凹部

Claims (5)

1. 複数の凹部を有する樹脂被膜層がピストンリング下方に延在するスカート部の摺動面に形成された内燃機関のピストンであって、
   前記スカート部は、
   前記ピストンの軸線方向における略中央部に、当該ピストンの軸線からの距離を一定に維持しつつ前記軸線方向に延在するスカート胴部と、
   前記スカート胴部の下縁部から下方に延設され、下方に向かうにつれて前記ピストンの軸線との距離が徐々に小さくなる第１縮径部と
   を有し、
   前記凹部は、前記スカート胴部と前記第１縮径部との境界である第１境界線上に配列されていることを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 前記スカート部は、前記スカート胴部の上縁部から上方に延設され、上方に向かうにつれて前記軸線との距離が徐々に小さくなる第２縮径部を有し、
   前記凹部は、前記スカート胴部と前記第２縮径部との境界である第２境界線上に配列されてい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. 前記凹部は、前記第１境界線と前記第２境界線との間に、前記第１境界線と平行に配列されていることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のピストン。
4. 前記凹部は、前記第１縮径部に前記第１境界線と平行に配列されていることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかの項に記載の内燃機関のピストン。
5. 前記ピストンは、オイルリング溝と、当該オイルリング溝とピストン内側とを連通させる少なくとも１つ以上の排油孔とを有し、
   前記排油孔は、前記凹部の前記軸線方向に配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの項に記載の内燃機関のピストン。

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