JP4749399B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、スカート部に摩擦抵抗を低減する樹脂被膜層が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、スカート部（４）の摺動面に樹脂被膜層（４３）が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、周方向中央部に形成された薄肉部（４１）と、薄肉部の両側方にそれぞれ形成された厚肉部（４２）とを有し、少なくとも厚肉部における樹脂被膜層に複数の凹部（４４）が形成されるようにした。

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複数の排油孔（２４）とを備え、排油孔は凹部に近接する位置に設けられていることが好ましい。

また、凹部は、前記ピストンの軸線方向に沿って配列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、ピストンの往復運動時にスカート部で面圧が最も高くなる厚肉部に潤滑油溜まり（オイルピット）としての凹部が配置される。潤滑油による潤滑は樹脂被膜層による潤滑よりも摩擦抵抗を小さくすることができるため、摩擦特性が改善される。また、面圧が高い部位において樹脂被膜層とシリンダ内壁との間の油膜切れ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、厚肉部の凹部において潤滑油が特に保持されることから、厚肉部のピストンの軸線方向位置に排油孔を設けたことにより過剰な潤滑油をピストンの往復運動時に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。また、凹部が軸線に沿って配値されていることから、スカート部の摺動面に十分な潤滑油を保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、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、ピストンのヘッド部側を上方とする。

図１及び図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。

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及び第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。

図３及び図４に示すように、スカート部４は、周方向の中央部に、径方向厚みが薄い薄肉部４１と、薄肉部４１の両側方のそれぞれに径方向厚みが厚い厚肉部４２とを備えている。そして、厚肉部４２の側端部、つまりスカート部４の側端部は、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。このように構成することによって、スカート部４は剛性を備え、シリンダ内壁より加えられる圧力に抗して摺動が可能となる。

厚肉部４２は径方向厚みが厚いことと、スカート支持壁５に接続していることとから薄肉部４１に比べて剛性が高い。そのため、スカート部４の周方向中央部の薄肉部４１を低剛性領域６とし、低剛性領域領域６の両側側、すなわち厚肉部４２を高剛性領域７とする。本実施形態では、スカート部４を周方向でおおよそ３等分し、中央部を薄肉部４１（低剛性領域６）とし、その両側方のそれぞれを厚肉部４２（高剛性領域７）としている。

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４３が所定の厚みを有して形成されている。樹脂被膜層４３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４３には、規則的に配列された凹部４４が形成されている。凹部４４は、本実施形態では樹脂被膜層４３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４３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。

また、凹部４４は、それぞれの厚肉部４２に複数設けられている。本実施形態では、１つのスカート部における２つの厚肉部４２のそれぞれに９個の凹部が設けられている。本実施形態では、更に薄肉部４１において１５個の凹部を設けているが薄肉部４１への凹部４４の配置は任意であり、他の実施形態においては設けなくてもよい。また、凹部４４を厚肉部４２において密に配置し、薄肉部４１において疎に配置してもよい。

本実施形態では、凹部４４は厚肉部４２及び薄肉部４１において、軸線方向に沿って配列されている。このような線状配置を所定の距離をおいて複数箇所で行い、凹部４４は全体として矩形の格子状に配置されている。他の実施形態においては、それぞれの領域の配列パターンを変更して凹部４４を配置してもよい。

オイルリング溝２３には、排油孔２４が形成されている。排油孔２４は、凹部４４に近接して設けられており、それぞれの厚肉部４２の軸線方向における上側にそれぞれ１個ずつ設けられている。また、本実施形態では、排油孔２４は、薄肉部４１の軸線方向における上側にも１個設けられている。なお、他の実施形態では薄肉部４１の上方には排油孔２４を設けなくてもよい。

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。ピストン１の往復運動によりスカート部がシリンダ内壁に押さえつけられる際に、最初は薄肉部４１（低剛性領域６）において面圧が上昇する。しかし、薄肉部４１は径方向厚みが薄いことから、薄肉部４１が径方向の中心方向へと変形して面圧の上昇は抑えられる。このとき、厚肉部４２（高剛性領域７）は径方向厚みが厚いことと、スカート支持壁５と接続していることとから変形し難く、薄肉部４１が変形することによって厚肉部４２がシリンダ内壁とより強く接触するようになるため、面圧が上昇する。

図５に示すように、スカート部４の面圧は厚肉部４２において薄肉部４１よりも高くなる。図５は、スカート部４がシリンダ内壁から受ける面圧を測定し、面圧分布を等高線により示したものである。スカート部４の周方向における側部では、等高線がスカート部の下方へと延びているため、軸線方向における位置が同じである場合には、両側方へと向かうほど面圧が高いことが判る。スカート部４の上方ほど面圧が高い理由は、スカート部４の上端部はヘッド部２と接続しており剛性が高いためである。図５に示すように、ピストン１の周方向において、面圧が低い値で一定している領域は、中央部の全体におけるおおよそ３分の１の領域である。そのため、スカート部を周方向でおおよそ３等分したときの両側方の面圧が高い領域は、厚肉部４２と一致する。

本実施形態では、ピストン１の往復運動時にシリンダ内壁からの圧力を受けてスカート部４の面圧が高くなる位置、つまり厚肉部４２に凹部４４が配置されている。凹部４４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４４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、面圧が高くなる厚肉部４２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４４を形成することで樹脂被膜層４３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４４により樹脂被膜層４３上に潤滑油が供給されるため、樹脂被膜層４３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４３が受ける負荷は低減され、長寿命化が可能となる。また、凹部が軸線に沿って配値されていることから、スカート部の摺動面に十分な潤滑油を保持することができる。

また、厚肉部４２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。潤滑油は厚肉部４２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へと捕集される過剰な潤滑油は、厚肉部４２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、凹部の形状、個数及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。 本発明の実施形態に係るピストンを示す底面図である。 図１の矢印ＩＶ−ＩＶ線に沿って見た断面図である。 ピストンのスカート部が受ける面圧分布を示すグラフである。

符号の説明

１ ピストン
２ ヘッド部
３ ピストンピンボア部
４ スカート部
５ スカート支持壁
６ 低剛性領域
７ 高剛性領域
２３ オイルリング溝
２４ 排油孔
４１ 薄肉部
４２ 厚肉部
４３ 樹脂被膜層
４４ 凹部

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダ内で燃焼空間の一部を形成する有底円筒形状のヘッド部と、前記ヘッド部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ボア部と、前記ヘッド部における前記一対のピストンボア部の周方向における間のそれぞれに設けられ、内燃機関のシリンダ内壁に摺接する一対のスカート部とを備え、前記スカート部の摺動面に樹脂被膜層が形成された内燃機関のピストンであって、
   前記ヘッド部の側面に形成されたオイルリング溝と、前記オイルリング溝と当該ピストンの内側とを連通する複数の排油孔とを備え、
   前記スカート部は、周方向中央部に形成された薄肉部と、前記薄肉部の両側方にそれぞれ形成された厚肉部とを有し、
   少なくとも前記厚肉部における前記樹脂被膜層に複数の凹部が形成され、
   前記排油孔は、前記厚肉部における前記凹部の前記ピストンの軸線方向上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。
2. 前記凹部は、前記ピストンの軸線方向に沿って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、前記厚肉部において、前記薄肉部よりも高密度に配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のピストン。

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