JP4900222B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

内燃機関のピストンは、該ピストンの周囲に刻設されるピストンリング溝に保持されるピストンリングを介してシリンダボア内に嵌挿され、該ピストンがピストンピン、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されることによって、ピストンの往復運動とクランクシャフトの回転運動との間で運動変換が行なわれる。

なお、ピストンリングとシリンダボア間、及びピストンピン廻りに揺動されるピストンのスカート部とシリンダボア間には潤滑油を存在させ、該潤滑油によって各両者間の潤滑を良好に行うことにより、スカッフィング（溶着）や摩擦を抑制すると共にフリクションの低減などが図られている。

ここで、シリンダ内の空気を圧縮する圧縮行程や燃焼行程などにおいては、ピストン上面側から圧力が作用するが、ピストンに連結されているコネクティングロッドはクランク角度に応じて往復運動方向におけるシリンダ中心軸に対して傾く。結果として、力の釣り合いより、ピストンをシリンダボア内壁に向けて押圧する側圧が発生し、それによってピストンのスカート部がシリンダボア内壁へ押し付けられて往復運動される。このため、ピストンのスカート部とシリンダボア内との間の潤滑特性を改善して、ピストンのスカート部とシリンダボア内壁との間で発生するスカッフィング（溶着）を防止すると共に、摩耗を長期に亘って抑制すること、及びフリクションを低減することが要求されている。

このような要求を満たすべく、例えば特許文献１には、ピストンのスカート部におけるスラスト両脇周面部分にポリアミドイミド樹脂に２硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）を混合したものからなる潤滑材を被覆したピストンが開示されている。

しかし、特許文献１のように、ポリアミドイミド樹脂に２硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）を混合したものからなる潤滑材を被覆したような場合には、初期なじみ性は高いものの耐摩耗性が低いため所定時間の運転後には摩耗が進行してピストン母材（アルミ合金）が露呈してしまうため、長期に亘って潤滑特性を高く維持することは困難である。

このため、特許文献２には、ピストンのスカート部の外周面に条痕を有し、潤滑油の存在下でシリンダボア部に対し摺動するスカート部の摺動面を硬質炭素薄膜で被覆して、耐スカッフ性及び耐摩耗性を向上させ、フリクションの低減を図ったものが開示されている。

特開２００１−２８０４９６号公報 特開２００５−２８８９号公報

しかしながら、特許文献１のようにスカート部におけるスラスト両脇周面部分に潤滑材を被覆した場合には、長期間放置後において、潤滑油がピストンのスカート部とシリンダボア内壁間から脱落しやすいため、特に長期間放置後の始動時などに、ピストンのスカート部とシリンダボア間の潤滑が不十分になるおそれがある。

また、特許文献２のようにスカート部の摺動面の全域を硬質炭素薄膜で被覆した場合には、耐スカッフ性及び耐摩耗性の向上は期待できるが、ピストンのスカート部における面圧分布を考慮すると無用な部分まで被覆されており、材料費のコスト上昇分や上述の特許文献１で指摘した潤滑油の保持特性に関し、さらなる改善が要望されている。

そこで、本発明の目的は、上記従来の実情に鑑みなされたもので、潤滑油の保持特性を良好に維持すると共に、耐スカッフ性及び耐摩耗性を向上させてフリクションの低減を図ことができる内燃機関のピストンを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関のピストンの一形態は、スカート部の少なくともスラスト方向外周面にＳｎメッキ層が形成されると共に、前記Ｓｎメッキ層上に前記スカート部のスラスト方向中央部分を残して略ロ字状に硬質炭素皮膜が形成されていることを特徴とする。

上記形態によれば、スカート部の少なくともスラスト方向外周面に形成されたＳｎメッキ層上にスカート部のスラスト方向中央部分を残して略ロ字状に硬質炭素皮膜が形成されている。かくて、ロ字状の凸状部分を形成する硬質炭素皮膜によって、材料費の軽減を図りつつスカート部シリンダボア内壁間の潤滑特性を良好なものとして、スカート部とシリンダボア内壁間のなじみを良くして、スカッフィングの発生を効果的に抑制することができる。さらに、ロ字状に形成された硬質炭素皮膜により囲繞された凹状部分でもって潤滑油を比較的多量に保持することにより、該多量に保持された潤滑油を硬質炭素皮膜に効果的に供給して耐摩耗性を向上させると共にフリクションを低減することができる。

ここで、前記硬質炭素皮膜の上辺縁部は、オイルリング溝の側壁縁に接していることが好ましい。

この形態によれば、オイルリングによって掻き落とされた潤滑油が硬質炭素皮膜へ誘導されるので、硬質炭素皮膜の磨耗が抑制されると共に流体潤滑域が拡大され、さらにフリクションを低減することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。

本発明の一実施の形態に係るピストン１０は、図１及び図２に示すように、ピストンリングが順にそれぞれ装着される複数の外周溝１４、１６、１８が形成されたピストンランド１２を有し、その下方にスカート部２０及び不図示のピストンピンが嵌合されるピンボス２２を有している。ピンボス２２にはクランク軸の長手方向と略平行な軸線を有するピストンピン孔２４が開設されている。そして、ピンボス２２はピストンピン孔２４の軸線に直交して平行に配置されたサイドウォール２６と一体に形成され、該サイドウォール２６の両端がそれぞれスカート部２０に連続して形成されている。

なお、３つのピストンリングのうち、ピストン頂面（燃焼室）に最も近い部位の外周溝１４に取り付けられるトップリング及びトップリングの次にピストン頂面に近い部位の外周溝１６に取り付けられるセカンドリングは、主に燃焼室からシリンダボア内に圧縮ガスや燃焼ガスが漏出するのを防止するコンプレッションリングとして機能し、また、ピストン頂面に最も遠い部位の外周溝１８に取り付けられるオイルリングは、シリンダボア（クランクケース）から燃焼室にオイルが持ち込まれるのを防止すべく機能する。したがって、この外周溝１８を以下オイルリング溝１８と称す。

ここで、本発明の一実施の形態に係るピストン１０はその母材として、例えば、アルミニウム合金で形成され、このピストン１０の冷間時でのスカート部２０のスラスト方向外周面は、ピンボス２２のピストンピン孔２４の軸線方向が短径で、これに直交するスラスト方向が長径となる断面楕円形状の一部となるように形成されている。

そして、本実施形態では、図３に示すように、母材としてアルミニウム合金で形成されたピストン１０におけるスカート部２０の少なくともスラスト方向外周面にＳｎメッキ層３０が形成されている。なお、母材の表面粗さはＲａ０．６μｍ以下とされ、上にメッキされるＳｎメッキ層３０の表面粗さの低下を防いでいる。また、このＳｎメッキ層３０は、後述するように、なじみ層として機能すべく層厚２〜３μｍとされている。そして、このＳｎメッキ層３０の上に、図１及び図２にも示すように、スカート部２０のスラスト方向中央部分を残して、ロ字状パターンの硬質炭素皮膜としてＤＬＣ皮膜（ダイヤモンドライクカーボン皮膜）４０が、例えばＰＶＤ法やＣＶＤ法によって形成されている。このＤＬＣ皮膜４０は、炭素元素を主として構成された非晶質のものであり、具体的には、炭素元素だけから成るａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、水素を含有するａ−Ｃ：Ｈ（水素アモルファスカーボン）、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）等の金属元素を一部に含むＭｅＣ（メタルカーボン又は金属炭化物）が挙げられるが、大幅な摩擦低減効果を発揮させる観点から、水素含有量が少ないものほど好ましく、水素含有量が原子比で１％以下、より好ましくは水素含有量が原子比で０．５％以下、さらには水素を含まないａ−Ｃ系（アモルファスカーボン系）材料を好適に用いることができる。そして、ＤＬＣ皮膜４０は、本実施形態では膜厚がＳｎメッキ層３０より厚い５μｍ以上、硬度がＨｖ１０００以下、粗さがＲａ０．１μｍ以下とされている。

ここで、層厚２〜３μｍのＳｎメッキ層３０上のＤＬＣ皮膜４０の厚みが１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、８μｍ及び１０μｍのピストンを用意し、荷重往復動試験装置による耐久試験を行った結果、厚みが４μｍ以下の場合には残留膜厚が存在しなかったのに対し、厚みが５μｍ、８μｍ及び１０μｍの場合にはそれぞれ１μｍ、３μｍ及び５μｍまでの残留膜厚が存在した。したがって、ＤＬＣ皮膜４０の厚みは５μｍ以上であることが好ましい。なお、仮に残留膜厚が存在しない場合でも、Ｓｎメッキ層３０がなじみ層として作用するのでアルミニウム合金の母材の損傷は防止される。

また、ＤＬＣ皮膜４０の硬度がＨｖ５００、Ｈｖ１０００、Ｈｖ１５００及びＨｖ２０００のピストンを用意し、同じく、荷重往復動試験装置による耐久試験を行った結果、相手側部材の磨耗量はそれぞれ０．８μｍ、１μｍ、３μｍ及び５μｍであった。そして、磨耗量が３μｍ及び５μｍの場合には相手側部材は鏡面化された。したがって、ＤＬＣ皮膜４０の硬度がＨｖ１０００以下であれば、相手側部材への攻撃性が少なく鏡面化が抑制され、潤滑油の保持性を損なわずにＤＬＣ皮膜４０自体の磨耗も少ないので、ＤＬＣ皮膜４０の硬度はＨｖ１０００以下であることが好ましい。

さらに、ＤＬＣ皮膜４０の粗さがＲａ０．１μｍ、Ｒａ０．２μｍ、Ｒａ０．３μｍ及び０．５μｍのピストンを用意し、同じく、荷重往復動試験装置による耐久試験を行った結果、摩擦係数（μ）はそれぞれ０．０２、０．０２５、０．０３及び０．０５であった。ＤＬＣ皮膜４０の粗さがＲａ０．１μｍの場合には、摩擦係数は低μの０．０２ｍでありフリクションが小さくて好ましい。

ここで、形成するＤＬＣ皮膜４０のロ字状パターンの具体例としては、図４のスカート部２０の面圧分布線図において斜線で示す面圧大の領域を最小限覆うような種々のパターンを採用することができる。

なお、本実施形態では、ＤＬＣ皮膜４０の上辺縁部４０Ａが、オイルリング溝１８の下側の側壁縁１８Ａにほぼ接するように形成されている。かくて、スカート部２０のスラスト方向外周面のＳｎメッキ層３０の上に、ＤＬＣ皮膜４０が存在し皮膜厚さ分だけ凸状となる部分Ｘと、ＤＬＣ皮膜４０が存在せず皮膜厚さ分だけ凹状となるスラスト方向中央部分Ｙとが形成される。

これにより、以下のような作用効果を奏することができる。すなわち、ＤＬＣ皮膜４０が存在するロ字状の凸状部分Ｘによって、スカート部２０と図示しないシリンダボア内壁間の潤滑特性を良好なものとして、スカート部２０とシリンダボア内壁間のなじみを良くして、スカッフィングの発生を効果的に抑制すると共に、ＤＬＣ皮膜４０が存在しない凹状部分Ｙにより潤滑油を比較的多量に保持し、該多量に保持される潤滑油を凸状部分Ｘに効果的に供給して耐摩耗性を向上させると共にフリクションを低減することができる。

そして、面圧大の領域を覆うロ字状の凸状部分Ｘを硬度がＨｖ１０００以下の比較的軟質としたことから、シリンダボア内壁への攻撃性も低減され、且つ鏡面化も避けられるので、ＤＬＣ皮膜４０自体も潤滑油保持特性を維持することができる。このため、耐スカッフィング特性、耐摩耗性を向上させることができる。

更に、ＤＬＣ皮膜４０の上辺縁部４０Ａが、オイルリング溝１８の下側の側壁縁１８Ａにほぼ接するように形成されているので、オイルリングによって掻き落とされた潤滑油がＤＬＣ皮膜４０にまず誘導され、ＤＬＣ皮膜４０の磨耗が抑制されると共に流体潤滑域が拡大される。そして、ＤＬＣ皮膜４０が存在しない凹状部分Ｙにより潤滑油を比較的多量に保持するので、例えば長期間放置後の始動時におけるスカート部２０とシリンダボア内壁間の潤滑油不足に起因するスカート部２０とシリンダボア内壁間のスカッフィングの発生を効果的に抑制することができる。従って、潤滑油の保持性は劣るが耐摩耗性に優れるＤＬＣ皮膜４０を採用することができ、以って摩耗を長期に亘って抑制すること、及びフリクションを長期に亘って低く維持することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係るピストンの外観を示す斜視図である。 同上ピストンをスラスト方向から見た側面図である。 ＤＬＣ皮膜された部位の断面図である。 （ａ）はスカート部における面圧分布を示す説明図であり、（ｂ）はスカート部のピストン軸線を含む中央面に沿う断面図である。

符号の説明

１０ ピストン
１８ オイルリング溝
１８Ａ 下側の側壁縁
２０ スカート部
３０ Ｓｎメッキ層
４０ ＤＬＣ皮膜
４０Ａ 上辺縁部

Claims (2)

1. スカート部の少なくともスラスト方向外周面にＳｎメッキ層が形成されると共に、前記Ｓｎメッキ層上に前記スカート部のスラスト方向中央部分を残して略ロ字状に硬質炭素皮膜が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. 前記硬質炭素皮膜の上辺縁部は、オイルリング溝の側壁縁に接し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。

Images