JP5720481B2 - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用ピストン（以下、単に「ピストン」と称する場合がある。）に関し、特に、ピストンのスカート部に形成される溝の構成に関する。

一般的な内燃機関では、シリンダ内に収納されたピストンの昇降運動がコンロッドを介してクランクシャフトに伝達されて、クランクシャフトが回転するように構成されている。また、通常、上記したピストンの外周部にはスカート部が形成されている。

ところで、ピストンは、内燃機関の稼働条件によってストライベック曲線における境界潤滑領域−混合潤滑領域−流体潤滑領域にわたる幅広い潤滑条件下で作動する。そのため、ピストンのスラスト側と反スラスト側では潤滑状況が異なり、ピストンの部位によっても潤滑状況が異なる。

このような潤滑状況の差異は、上記したスカート部内においても生じる。つまり、ピストンがシリンダ内面に沿って摺動する際に、スカート部には面圧の異なる複数の部分が発生し、この複数の部分のうちの面圧が高い部分（高面圧部）は油膜が薄い状態となり、特に、ピストンが上死点に達した際に油膜が最も薄くなる。これに伴って、焼付きや摩耗が発生しやすくなるという問題が生じる。

このため、スカート部に潤滑油を保持させることを目的として、レーザーや切削加工によるパターニングによってスカート部の外周面に潤滑油溜りを形成する方法が提案されてきた。また、微視的に固体接触（スカート部とシリンダ内面の接触）が発生する境界潤滑領域や混合潤滑領域における耐焼付き性及び摺動特性を向上させるために、スカート部の外周面に表面処理を行う方法が提案されてきた。

さらに、スカート部の外周面に上記したパターニングと表面処理を同時に行う方法も提案されており、その安価で簡便な方法の例として、樹脂コートに対するパターニングが存在する。また、ピストンの摺動時にスカート部の外周面の両端部（低面圧部）から中央部（高面圧部）に潤滑油を導くようにパターニングを行う方法が提案されている（特許文献１及び２参照）。

特開２００９−３０５２１号公報 特表２００７−５０９２７９号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載されたピストンは、スカート部の外周面の中央部に潤滑油を保持させる機能が低かった。そのため、ピストンの摺動時にスカート部の外周面の中央部の油膜が薄くなり、スカート部とシリンダ内面の摩擦抵抗が大きくなって、燃費の低下を招く虞が有った。

また、特許文献２に記載されたピストンにおいては、スカート部の中央に潤滑油の貯蔵チャネル（同文献の図３及び図３Ａ参照）が設けられているものの、潤滑油の貯蔵量は不十分である。更に、この貯蔵チャネルは、ピストンの摺動方向（上下方向）と平行に設けられているため、ピストンの摺動に伴って貯蔵チャネル内の潤滑油が減少しやすいという問題が有る。

そこで、本発明は上記の事情を考慮し、スカート部とシリンダ内面の摩擦抵抗を低減させ、燃費を向上させることが可能なピストンを提供することを目的とする。

本発明は、シリンダ内面に沿って摺動する際、スカート部の中央に高面圧部が発生し、該高面圧部の両側に低面圧部が発生する内燃機関用ピストンであって、前記高面圧部には、水平溝が設けられ、前記水平溝には、少なくとも上下いずれか一方に向かって部分的に拡張する保持部が設けられ、前記低面圧部には、前記高面圧部側に向かって下傾し、前記水平溝の端部に接続される傾斜溝が設けられていることを特徴とする。

このような構成を採用することにより、ピストンの上昇時には、低面圧部から高面圧部に潤滑油を円滑に流入させ、ピストンの下降時には、潤滑油の一部を高面圧部に留めることが可能となる。そのため、ピストンが上死点に達した際においても、高面圧部に一定量の潤滑油を保持させて、高面圧部とシリンダ内面の固体接触を抑制することができる。これに伴って、高面圧部とシリンダ内面の摩擦抵抗を低減させ、燃費を向上させることが可能となる。また、ピストンの昇降時に一定量の潤滑油を上記した保持部に保持させることが可能になり、高面圧部に潤滑油を保持させる機能が更に向上する。これに伴って、高面圧部とシリンダ内面の固体接触を一層効果的に抑制することが可能となり、高面圧部とシリンダ内面の摩擦抵抗を一層低減させることが可能となる。

更に、前記傾斜溝には、少なくとも上下いずれか一方に向かって部分的に拡張する保持部が設けられていても良い。

このような構成を採用することで、ピストンの昇降時に高面圧部だけでなく低面圧部にも一定量の潤滑油を保持させることができ、スカート部に潤滑油を保持させる機能が更に向上する。

更にまた、前記水平溝及び前記傾斜溝は、上下に複数段ずつ所定の間隔を介して設けられ、前記各水平溝の間及び前記各傾斜溝の間には、前記水平溝及び前記傾斜溝とは独立した凹部が設けられていても良い。

このような構成を採用することにより、凹部に常時一定量の潤滑油を保持させておくことが可能となり、スカート部に潤滑油を保持させる機能がより一層向上する。

本発明によれば、スカート部とシリンダ内面の摩擦抵抗を低減させ、燃費を向上させることが可能なピストンを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態にかかるピストンを示す側面図である。 本発明の第１の実施形態にかかるピストンのスカート部において、（ａ）は、ピストン上昇時の潤滑油の流れを示す側面図であり、（ｂ）は、ピストン下降時の潤滑油の流れを示す側面図である。 本発明の第２の実施形態にかかるピストンを示す側面図である。 図３の要部拡大図である。 本発明の第３の実施形態にかかるピストンを示す側面図である。 本発明の第４の実施形態にかかるピストンを示す側面図である。

以下、図面に基づき、本発明にかかるピストン１の好適な実施形態について説明する。
＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態について、図１、図２を用いて説明する。なお、本実施形態では説明の便のため、図１における左側をピストン１の正面側（前側）とした場合について説明する。

図１に示されるように、ピストン１は、内燃機関のシリンダ２内に昇降可能に収納されている。ピストン１は、アルミ合金材などにより有蓋円筒形状に形成されている。ピストン１は、その上端に設けられるクラウン部３と、クラウン部３の前後両側から下方に延びる前後一対のピンボス部５と、クラウン部３の外周から下方に延びる左右一対のスカート部６（図１では、手前側のスカート部６のみを表示）と、を備えている。

クラウン部３の上方には、シリンダ２とシリンダヘッド７の間に燃焼室８が形成されている。クラウン部３の外周には、環状のリング溝１０が設けられ、このリング溝１０にピストンリング（図示せず）が取り付けられている。

各ピンボス部５には、ピン孔１１が水平方向に設けられている。図示を省略するが、ピン孔１１にはピストンピンが取り付けられ、このピストンピンを介して、ピストン１にコンロッドが接続され、コンロッドにはクランクシャフトが接続されている。そして、ピストン１の昇降運動がコンロッドを介してクランクシャフトの回転に変換されるように構成されている。

各スカート部６は、シリンダ内面１２に沿って弧状に湾曲している。スカート部６の外周面１３には、樹脂コートが施されている。この樹脂コートは、例えば、二硫化モリブデン、グラファイト、ＰＴＦＥなどの固体潤滑剤をポリアミドイミドなどの熱硬化性樹脂に分散させた薬剤を、スプレー式、スクリーン印刷式、パッド印刷式などの方式によりスカート部６の外周面１３に塗布することで形成されており、薬剤の塗布部分が凸部、薬剤の非塗布部分が凹部（潤滑油溜まり）となっている。なお、図１及び図２において、薬剤の塗布部分Ｓ（樹脂コート部分Ｓ）には多数のドットが付されている（図３以降においても同様である）。

内燃機関の稼働に伴うピストン１の摺動時において、スカート部６の外周面１３は均一な応力分布とはならず、面圧の異なる複数の部分が発生する。例えば、本実施形態のスカート部６の場合、この複数の部分のうちの面圧が高い方の部分（以下、「高面圧部１４」と称する。）がスカート部６の前後方向中央に発生し、上記した複数の部分のうちの面圧が低い方の部分（以下、「低面圧部１５」と称する。）が高面圧部１４の前後両側に発生する。なお、図１、図２において表示されている二点鎖線Ｘ、Ｘは、高面圧部１４と低面圧部１５の境界を示している（図３以降においても同様である）。

スカート部６の高面圧部１４には、水平方向（本実施形態では前後方向）に沿って水平溝１６が設けられている。水平溝１６は、クラウン部３のリング溝１０と略平行に設けられている。水平溝１６は、前述した樹脂コートに対するパターニングによって形成されている。つまり、樹脂コートが施されていない部分（薬剤の非塗布部分）が、水平溝１６になっている。水平溝１６は、上下に複数段ずつ所定の間隔を介して設けられている。

スカート部６の低面圧部１５には、高面圧部１４側に向かって下傾する傾斜溝１７が設けられている。傾斜溝１７の水平方向に対する傾斜角度は５度〜６０度であり、さらに好ましくは１０度〜３０度である。傾斜溝１７は、上記した水平溝１６と同様に、樹脂コートに対するパターニングによって形成されている。つまり、樹脂コートが施されていない部分（薬剤の非塗布部分）が傾斜溝１７になっている。傾斜溝１７は、上下に複数段ずつ所定の間隔を介して設けられており、傾斜溝１７の高面圧部１４側の端部は、水平溝１６の両端部に接続されている。

上記の如く構成されたものにおいて、スカート部６の外周面１３の油膜は、ピストン１が上死点に達する際に最も薄くなり、これに伴って高面圧部１４とシリンダ内面１２の間で微視的な固体接触が発生し、摩擦抵抗の上昇や焼付きや摩耗が発生しやすくなる。これに対して、本実施形態では以下のようにして、上記各不具合を回避している。

まず、ピストン１の上昇時には、図２（ａ）に矢印で示されるように、傾斜溝１７から水平溝１６に潤滑油が流入し、低面圧部１５から高面圧部１４に潤滑油が供給される。その際に、傾斜溝１７が高面圧部１４側に向かって下傾しているため、傾斜溝１７に沿って潤滑油が水平溝１６に円滑に流入する。これに伴って、油膜が薄く、潤滑状態が厳しくなる高面圧部１４に潤滑油を集中させ、高面圧部１４における油膜の希薄化を抑制することが可能となる。

また、ピストン１の下降時には、図２（ｂ）に斜め横向きの矢印で示されるように、一部の潤滑油が水平溝１６の両端部から傾斜溝１７に流出する。一方で、別の一部の潤滑油は、図２（ｂ）の部分拡大図に上向きの矢印で示されるように、傾斜溝１７に流出することなく、水平溝１６によって高面圧部１４内に保持される。

本実施形態ではこのように、ピストン１の摺動時に発生する面圧の差でスカート部６の外周面１３を領域分けし、高面圧部１４と低面圧部１５にそれぞれ異なるパターンの溝１６、１７を設けている。そして、ピストン１の上昇時には、低面圧部１５から高面圧部１４に潤滑油を円滑に流入させ、ピストン１の下降時には、潤滑油の一部を高面圧部１４に留めている。そのため、従来技術と比較して高面圧部１４の油膜を厚くすることが可能となり、ピストン１が上死点に達した際にも、高面圧部１４に一定量の潤滑油を保持させることができる。これに伴って、高面圧部１４とシリンダ内面１２の固体接触を抑制することができ、高面圧部１４とシリンダ内面１２の摩擦抵抗を低減させることが可能となるため、摺動性及び燃費が向上する。

また、本実施形態では、スカート部６の外周面１３に施された樹脂コートに対するパターニングによって水平溝１６及び傾斜溝１７が形成されているため、安価且つ容易な方法により水平溝１６及び傾斜溝１７を形成することが可能となる。また、樹脂コートでスカート部６の潤滑機能を高めつつ、水平溝１６及び傾斜溝１７で潤滑油の保持機能を高めることができるため、高面圧部１４とシリンダ内面１２の摩擦抵抗を一層低減させて、燃費の向上を図ることが可能となる。

本実施形態では、樹脂コートに対するパターニングによって水平溝１６及び傾斜溝１７を形成しているが、他の異なる実施形態では、レーザー加工や機械加工（切削加工）によってスカート部６の外周面１３に対して直接パターニングを行っても良い。

本実施形態では、水平溝１６と傾斜溝１７を上下に複数段ずつ所定の間隔を介して設けたが、他の異なる実施形態では、水平溝１６と傾斜溝１７が一段ずつであっても良い。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について、図３及び図４を用いて説明する。なお、スカート部６の高面圧部１４以外の部分の構成については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図３に示されるように、高面圧部１４の各水平溝１６には、上方に向かって部分的に拡張する複数個の上側保持部２０ａが設けられると共に、下方に向かって部分的に拡張する複数個の下側保持部２０ｂが設けられている。各保持部２０ａ、２０ｂは、樹脂コートに対するパターニングによって形成されている。つまり、樹脂コートが施されていない部分（薬剤の非塗布部分）が、各保持部２０ａ、２０ｂになっている。

図４に最も良く示されるように、各保持部２０ａ、２０ｂは半円状を成しており、上側保持部２０ａと下側保持部２０ｂは、それぞれ対応する位置に設けられている。このような保持部２０ａ、２０ｂの形状及び配置は、各水平溝１６を形成する直線状のパターンに正円状のパターンを組み合わせることで、容易に実現することができる。

一の水平溝１６に形成される各保持部２０ａ、２０ｂと上記した一の水平溝１６の上下に配置される水平溝１６に形成される各保持部２０ａ、２０ｂの位置は、前後にずれている。つまり、上下に隣接して配置された水平溝１６同士で、各保持部２０ａ、２０ｂの位置が重ならないように配置されている。

上記の如く構成されたものにおいて、各保持部２０ａ、２０ｂはピストン１の摺動に伴う影響を受けにくく、ピストン１の下降時には上側保持部２０ａに潤滑油が保持され、ピストン１の上昇時には下側保持部２０ｂに潤滑油が保持される。これに伴って、潤滑油が水平溝１６から傾斜溝１７に流出するのを防止することが可能となり、ピストン１の昇降時に一定量の潤滑油を高面圧部１４に保持させて、高面圧部１４とシリンダ内面１２の固体接触を一層効果的に抑制することが可能となる。これに伴って、高面圧部１４とシリンダ内面１２の摩擦抵抗を一層低減させることが可能となる。

本実施形態では、各保持部２０ａ、２０ｂを半円状としたが、他の異なる実施形態では、各保持部２０ａ、２０ｂを三角形、四角形などの半円以外の形状としても良い。また、本実施形態では、上側保持部２０ａと下側保持部２０ｂの両方を水平溝１６に設ける場合について説明したが、他の異なる実施形態では、上側保持部２０ａと下側保持部２０ｂのいずれか一方のみを水平溝１６に設けても良い。但し、潤滑油が高面圧部１４から低面圧部１５に流出しやすいピストン１の下降時において一定量の潤滑油を高面圧部１４に確実に保持させるためには、少なくとも上側保持部２０ａが形成されているのが好ましい。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について、図５を用いて説明する。なお、スカート部６の低面圧部１５以外の部分の構成については、第２の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

第２の実施形態では、高面圧部１４の水平溝１６のみに上側保持部２０ａ及び下側保持部２０ｂを設けていたが、本実施形態では、高面圧部１４の水平溝１６だけでなく低面圧部１５の傾斜溝１７にも部分的に拡張する上側保持部２１ａ及び下側保持部２１ｂを設けている。

傾斜溝１７に設けられた各保持部２１ａ、２１ｂは、樹脂コートに対するパターニングによって形成されている。つまり、樹脂コートが施されていない部分（薬剤の非塗布部分）が、傾斜溝１７になっている。

各保持部２１ａ、２１ｂは半円状を成しており、上側保持部２１ａと下側保持部２１ｂは、それぞれ対応する位置に設けられている。このような保持部２１ａ、２１ｂの形状及び配置は、各傾斜溝１７を形成する直線状のパターンに正円状のパターンを組み合わせることで、容易に実現することができる。

一の傾斜溝１７に形成される各保持部２１ａ、２１ｂと上記した一の傾斜溝１７の上下に配置される傾斜溝１７に形成される各保持部２１ａ、２１ｂの位置は、前後にずれている。つまり、上下に隣接して配置された傾斜溝１７同士で、各保持部２１ａ、２１ｂの位置が重ならないように配置されている。

本実施形態のように、高面圧部１４の水平溝１６だけでなく低面圧部１５の傾斜溝１７にも上側保持部２１ａ及び下側保持部２１ｂを設けることで、ピストン１の昇降時において高面圧部１４だけでなく低面圧部１５にも一定量の潤滑油を保持させることができる。そのため、スカート部６に潤滑油を保持させる機能が更に向上する。

なお、傾斜溝１７に設ける各保持部２１ａ、２１ｂについても、水平溝１６に設ける各保持部２０ａ、２０ｂと同様に、三角形、四角形等の半円以外の形状としても良い。また、本実施形態では、上側保持部２１ａと下側保持部２１ｂの両方を傾斜溝１７に設ける場合について説明したが、他の異なる実施形態では、上側保持部２１ａと下側保持部２１ｂのいずれか一方のみを傾斜溝１７に設けても良い。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について、図６を用いて説明する。なお、スカート部６の高面圧部１４と低面圧部１５以外の部分の構成については、第３の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

第４の実施形態では、上記した第３の実施形態の構成に加えて、水平溝１６及び傾斜溝１７とは独立した多数の凹部２２がスカート部６の外周面１３に設けられている。各凹部２２は、樹脂コートに対するパターニングによって形成されている。つまり、樹脂コートが施されていない部分（薬剤の非塗布部分）が、凹部２２になっている。各凹部２２は、正円状を成している。換言すると、各凹部２２は、正円状のパターンによって形成されている。本実施形態では、各水平溝１６の間に凹部２２が上下２段で各段複数個ずつ配置され、各傾斜溝１７の間に凹部２２が一段で複数個配置されている。なお、最上段の水平溝１６及び傾斜溝１７の上方には、凹部２２が上下３段で各段複数個ずつ配置されている。

各凹部２２の位置は、その上下の凹部２２及び保持部２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの位置と前後にずれている。つまり、上下に隣接して配置された凹部２２同士や凹部２２と保持部２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは、互いの位置が重ならないように配置されている。

このように水平溝１６、傾斜溝１７、保持部２０ａ、２０ｂ及び保持部２１ａ、２１ｂと、多数の凹部２２を組み合わせることで、凹部２２にも常時一定量の潤滑油を保持させておくことが可能となり、スカート部６に潤滑油を保持させる機能を一層高めて、摩擦抵抗を更に低減させることが可能となる。

本実施形態では、凹部２２を正円状としたが、他の異なる実施形態では、凹部２２を三角形、四角形などの多角形や楕円などの正円以外の形状としても良い。

なお、本発明に係るピストン１は、自動車、自動二輪車、雪上車、ＡＴＶ（不整地走行車両）、船外機など、あらゆる用途の内燃機関に適用することが可能である。

１ 内燃機関用ピストン
６ スカート部
１２ シリンダ内面
１３ 外周面
１４ 高面圧部
１５ 低面圧部
１６ 水平溝
１７ 傾斜溝
２０ａ、２０ｂ 保持部
２１ａ、２１ｂ 保持部
２２ 凹部

Claims (3)

1. シリンダ内面に沿って摺動する際、スカート部の中央に高面圧部が発生し、該高面圧部の両側に低面圧部が発生する内燃機関用ピストンであって、
   前記高面圧部には、水平溝が設けられ、前記水平溝には、少なくとも上下いずれか一方に向かって部分的に拡張する保持部が設けられ、
   前記低面圧部には、前記高面圧部側に向かって下傾し、前記水平溝の端部に接続される傾斜溝が設けられていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記傾斜溝には、少なくとも上下いずれか一方に向かって部分的に拡張する保持部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
3. 前記水平溝及び前記傾斜溝は、上下に複数段ずつ所定の間隔を介して設けられ、前記各水平溝の間及び前記各傾斜溝の間には、前記水平溝及び前記傾斜溝とは独立した凹部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。