JP6051790B2

JP6051790B2 - 内燃機関のピストン

Info

Publication number: JP6051790B2
Application number: JP2012244373A
Authority: JP
Inventors: 直洋小口
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: JP2014092124A

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、燃焼圧を受けた際に、ピストンピンを通してコンロッドを押し下げると同時に、潤滑油層を介してシリンダ内壁と接触することによって姿勢を保とうとする。よって、ピストンのスカート部とシリンダ内壁との潤滑状態の改善は、ピストンのスカート部とシリンダ内壁との摩擦抵抗を低減することにつながる。

近年、摩擦低減とシリンダ内壁との焼付き防止のため、スカート部に樹脂被膜層が設けられているピストンが提案されている。さらに、そのような樹脂被膜層の表面に複数の凹部を設けることで、ピストンは、より多くの潤滑油を保持でき、摩擦抵抗を低減できる（例えば特許文献１参照）。

特許第４７４９３９９号公報

ところで、エンジン低回転時や内燃機関の膨張行程時以外の行程時などの、ピストンとシリンダ内壁との接触力が小さい場合でも、凹部が潤滑油を保持するようになる。
しかし、ピストンとシリンダ内壁との接触力が小さい場合には、ピストンとシリンダ内壁との間に潤滑油層が形成されやすい。そして、そのような状況では、ピストンとシリンダ内壁との接触面に位置される樹脂被膜層の凹部が保持する潤滑油が、かえってピストンの摺動によるせん断抵抗を増加させ、摩擦抵抗を増加させてしまう恐れがある。

本発明の目的は、スカート部に樹脂被膜層及び凹部を設ける場合でも、ピストンとシリンダ内壁との間に潤滑油層が形成されやすい状況で、摩擦抵抗が増加してしまうのを防止することである。

前記課題を解決するために、（１）本発明の一態様は、シリンダボアの内面に対し潤滑油層を介して摺動する内燃機関のピストンであって、円柱形状をなすピストンクラウン部と前記ピストンクラウン部の一端面から当該ピストンクラウン部の軸方向に対して平行に延びるスカート部と前記ピストンクラウン部の一端面に形成されピストンピンが挿入されるピストンピン孔が形成されているピストンピンボス部とを有し、ピストン中心軸の周方向における前記スカート部の外周面の形状は、前記ピストンピン孔の中心軸に一致する短軸を有しかつ前記ピストンピン孔の中心軸に直交する長軸を有する楕円形状をなし、前記スカート部の外周面において長軸方向に位置する領域は、前記シリンダボアの内面に対して隙間を有する中央領域と前記周方向において前記中央領域を挟むように位置され前記シリンダボアの内面に対して前記中央領域が有する前記隙間よりも大きい隙間を有する外側領域とを有し、前記スカート部の外周面の前記中央領域及び前記外側領域には、樹脂被膜層が形成され、前記外側領域に形成される前記樹脂被膜層の表面には、潤滑油を保持可能な凹部が形成され、前記中央領域に形成される前記樹脂被膜層の表面は、前記凹部が形成されることなく平滑面となっていることを特徴とする内燃機関のピストンを提供する。

（２）本発明の一態様では、前記スカート部の外周面の前記中央領域は、前記周方向において曲率を有して形成され、前記スカート部の外周面の前記外側領域は、前記周方向において前記中央領域の曲率とは異なる曲率を有しつつ前記シリンダボアの内面に対して前記中央領域の前記隙間よりも大きい隙間を有するように形成され、前記スカート部の外周面の前記中央領域と前記スカート部の外周面の前記外側領域との前記周方向における境界は、ピストン往復運動方向に平行な境界線となることが好ましい。

（１）の態様の発明によれば、エンジン低回転時や内燃機関の膨張行程時以外の行程時などの、ピストンとシリンダボアの内面との接触力が小さい場合は、ピストンのスカート部の外周面の中央領域の樹脂被膜層が主にシリンダボアの内面に接触する。そして、この樹脂被膜層の表面は凹部がなく平滑面であるために、ピストンの摺動によるせん断抵抗が低減される。このように、ピストンとシリンダボアの内面との接触力が小さい場合、ピストンは、シリンダボアの内面に対して摺動する際の摩擦抵抗を低減できる。

また、（１）の態様の発明によれば、エンジン高回転時や内燃機関の膨張行程時などの、ピストンとシリンダボアの内面との接触力が大きい場合は、ピストンのスカート部が変形し、そのスカート部の外周面の中央領域の樹脂被膜層に加えて外側領域の樹脂被膜層もシリンダボアの内面に接触するようになる。そして、スカート部の外周面の外側領域の樹脂被膜層の表面には潤滑油を保持可能な凹部が形成されているため、当該凹部から摺動面に潤滑油を供給することができる。このように、ピストンとシリンダボアの内面との接触力が大きい場合にも、ピストンは、シリンダボアの内面に対して摺動する際の摩擦抵抗を低減できる。

（２）の態様の発明によれば、スカート部の外周面の中央領域及び外側領域が周方向で互いに異なる曲率を有することで、シリンダボアの内面に対する隙間を中央領域及び外側領域で異なるものにすることができる。

図１は、本実施形態に係る内燃機関のピストンの構成例を示す図であって、樹脂被膜層が設けられている側からみた側面図である。図２は、図１に示す外観に対し鉛直方向からみたピストンの構成例を示す側面図である。図３は、ピストンの構成例を示す上面図である。図４は、スカート部の外周面の形状の一例を示す図である。図５は、スカート部が変形する一例を説明する図である。

本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、内燃機関のピストンを挙げている。内燃機関のピストンは、シリンダボアの内面に対し潤滑油層を介して摺動する。
（構成）

図１乃至図３には、本実施形態に係るピストン１の構成例を示す。ここで、図１は、樹脂被膜層が設けられている側からみたピストン１の構成を示す側面図である。また、図２は、図１に示す外観に対し鉛直方向からみたピストン１の構成を示す側面図である。また、図３は、ピストン１の構成を示す上面図である。

図１乃至図３に示すように、ピストン１は、ピストンクラウン部１０、ピストンピンボス部２０、及びスカート部３０を有している。
ピストンクラウン部１０は、略円柱形状をなす。このピストンクラウン部１０は、円盤形状の頂面部１１と、頂面部１１の外周部から下方向に延びるランド部１２とを有している。そして、ランド部１２の外周面には、下方向に向って順番に、１ｓｔリング溝１３、２ｎｄリング溝１４、及びオイルリング溝１５が形成されている。また、ピストンクラウン部１０の下端部には、複数のオイル孔１６が形成されている。ここで、オイル孔１６は、ピストンクラウン部１０を貫通する孔であり、ピストン１（具体的には、ピストンクラウン部１０）とシリンダボア２の内面２ａとの間に潤滑油を供給するための孔である。このオイル孔１６から供給される潤滑油によって、ピストン１（具体的には、ピストンクラウン部１０）とシリンダボア２の内面２ａとの間に潤滑油層１００が形成される。そして、ピストンクラウン部１０の下部に、ピストンピンボス部２０とスカート部３０とが一体となって設けられている。

ピストンピンボス部２０には、ピストンピンが挿入されるピストンピン孔２１が形成されている。ピストンピン孔２１の軸方向は、ピストン１の軸方向、すなわち、ピストン往復方向と直交する。このピストンピン孔２１の軸方向における長さは、ピストンクラウン部１０の直径よりも短くなっている。

スカート部３０は、ピストンクラウン部１０の下部から当該ピストンクラウン部１０の軸方向に対して平行となるように下方向に延びている。そして、このスカート部３０におけるピストン１の周方向の外周面は、略楕円形状をなす。前述のピストンピンボス部２０は、ピストンピン孔２１の軸方向がこのスカート部３０の短軸に一致するように設けられている。また、スカート部３０の外周面の長軸側の長さ（すなわち、長径）は、ランド部１２の外周面の直径と略一致している。

よって、図３に示すように、スカート部３０の外周面は、ピストンピン孔２１の中心軸Ａに対して直交する軸（すなわち、長軸）Ｂの位置（以下、基準位置という。）Ｃの角度を０°として、その基準位置Ｃからピストン１の周方向に角度を増加させていくと、ピストン１の中心軸（すなわち、当該ランド部１２の中心軸でもある）Ｏからの距離（すなわち、スカート部３０の半径）が短くなる。

そして、本実施形態では、スカート部３０の長軸側の外周面３１には、樹脂被膜層３２が形成され、その樹脂被膜層３２の表面に複数の凹部３３が形成されている。
なお、以下の説明では、周方向は、特に説明がなければ、ピストン１の周方向を意味する。

ここで、前述のように、基準位置Ｃから周方向に角度を増加させていったとき、ピストン１の中心軸Ｏからスカート部３０の外周面３１までの距離が減少する。そして、本実施形態では、スカート部３０の長軸側の外周面３１は、基準位置Ｃから周方向に角度を増加させていったときに前記距離の減少量が変化する変曲点を有するように形成されている。これによって、スカート部３０の外周面３１は、その変曲点を境界として、基準位置Ｃを含む領域であってシリンダボア２の内面２ａに対して所定の隙間を有する中央領域（すなわち、変曲点に対する内側領域）３１ａと、周方向で中央領域３１ａを挟むように位置されてシリンダボア２の内面２ａに対して中央領域３１ａが有する隙間よりも大きい隙間を有する外側領域（すなわち、変曲点に対する外側領域）３１ｂとを有する。

そして、本実施形態では、スカート部３０の外周面３１の中央領域３１ａ及び外側領域３１ｂに樹脂被膜層３２が形成されている。そして、外側領域３１ｂの樹脂被膜層３２の表面に、潤滑油を保持可能な凹部３３が形成されている。一方、中央領域３１ａの樹脂被膜層３２の表面は、そのような凹部３３が形成されることなく、平滑面３２ａとされている。ここで、凹部３３は、樹脂被膜層３２の表面に規則的に複数配置されている。

図４には、スカート部３０の外周面３１の形状の一例を示す。ここで、図４（ａ）は、図１と同様、樹脂被膜層３２が設けられている側からみたピストン１の構成を示す側面図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のピストン１のＤ−Ｄ断面を示す断面図である。また、図４（ｃ）は、スカート部３０の外周面３１の基準位置Ｃ付近の形状を説明する図である。

図４（ｃ）に示すように、スカート部３０の外周面３１の中央領域３１ａは、周方向において所定の曲率を有して楕円形状に形成されている。また、スカート部３０の外周面３１の外側領域３１ｂは、中央領域３１ａの曲率とは異なる曲率を有しつつシリンダボア２の内面２ａに対して中央領域３１ａが有する隙間よりも大きい隙間を有して楕円形状に形成されている。このように、スカート部３０の外周面３１は、曲率が互いに異なる２つの楕円から構成される、いわゆる複合楕円形状を有し、これら２つの楕円形状の交点Ｅで前述の変曲点が構成される。そして、中央領域３１ａと外側領域３１ｂとの周方向における境界は、ピストン往復方向に平行な境界線をなす。

（作用等）
次に、ピストン１における作用等の一例について説明する。
図５には、燃焼圧の変化によるスカート部３０の変形の一例を示す。ここで、図５（ａ）は、燃焼圧が低い場合（すなわち、シリンダボア２とスカート部３０との面圧が低い場合）を示す図である。また、図５（ｂ）は、燃焼圧が高い場合（すなわち、シリンダボア２とスカート部３０との面圧が高い場合）を示す図である。

図５（ａ）から図５（ｂ）への変化として示すように、燃焼圧が高くなると、ピストン１のスカート部３０が熱膨張によって外周方向に広がるため、及び、燃焼圧により、シリンダボア２にピストン１が強く押し付けられ、ピストン１自体が変形するため、スカート部３０の外周面３１の外側領域３１ｂ（具体的には、当該外側領域３１ｂの樹脂被膜層３２）もシリンダボア２の内面２ａと接触するようになる。これによって、シリンダボア２の内面２ａとスカート部３０の外周面３１との接触範囲が広がる。

このように、エンジン低回転時や内燃機関の膨張行程時以外の行程時などの、ピストン１とシリンダボア２の内面２ａとの接触力が小さい場合は、ピストン１のスカート部３０の外周面３１の中央領域３１ａの樹脂被膜層３２が主にシリンダボア２の内面２ａに接触する。その一方で、エンジン高回転時や内燃機関の膨張行程時などの、ピストン１とシリンダボア２の内面２ａとの接触力が大きい場合は、ピストン１のスカート部３０が変形し、そのスカート部３０の外周面３１の中央領域３１ａの樹脂被膜層３２に加えて外側領域３１ｂの樹脂被膜層３２もシリンダボア２の内面２ａに接触するようになる。

これによって、ピストン１とシリンダボア２の内面２ａとの接触力が小さく潤滑油層１００が形成されやすい状況では、スカート部３０の平滑な面がシリンダボア２の内面２ａと接触するため、摩擦抵抗が低減される。また、ピストン１とシリンダボア２の内面２ａとの接触力が大きく潤滑油層１００が形成されにくい状況では、スカート部３０とシリンダボア２の内面２ａとの接触面に樹脂被膜層３２の凹部３３から潤滑油が供給されるため、摩擦抵抗が低減される。

（本実施形態の変形例等）
本実施形態では、ピストン１のスカート部３０の厚さが変化する境界部の外側（具体的には外側の樹脂被膜層３２の表面）に凹部３３を配置した場合でも同様の効果を得ることができる。

また、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、請求項１により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１ピストン、２シリンダボア、２ａシリンダボアの内面、１０ピストンクラウン部、２０ピストンピンボス部、２１ピストンピン孔、３０スカート部、３１外周面、３１ａ中央領域、３１ｂ外側領域、３２樹脂被膜層、３３凹部

Claims

シリンダボアの内面に対し潤滑油層を介して摺動する内燃機関のピストンであって、
円柱形状をなすピストンクラウン部と前記ピストンクラウン部の一端面から当該ピストンクラウン部の軸方向に対して平行に延びるスカート部と前記ピストンクラウン部の一端面に形成されピストンピンが挿入されるピストンピン孔が形成されているピストンピンボス部とを有し、
ピストン中心軸の周方向における前記スカート部の外周面の形状は、前記ピストンピン孔の中心軸に一致する短軸を有しかつ前記ピストンピン孔の中心軸に直交する長軸を有する楕円形状をなし、
前記スカート部の外周面において長軸方向に位置する領域は、前記シリンダボアの内面に対して隙間を有する中央領域と前記周方向において前記中央領域を挟むように位置され前記シリンダボアの内面に対して前記中央領域が有する前記隙間よりも大きい隙間を有する外側領域とを有し、
前記スカート部の外周面の前記中央領域及び前記外側領域には、樹脂被膜層が形成され、
前記外側領域に形成される前記樹脂被膜層の表面には、潤滑油を保持可能な凹部が形成され、
前記中央領域に形成される前記樹脂被膜層の表面は、前記凹部が形成されることなく平滑面となっていることを特徴とする内燃機関のピストン。
前記スカート部の外周面の前記中央領域は、前記周方向において曲率を有して形成され、前記スカート部の外周面の前記外側領域は、前記周方向において前記中央領域の曲率とは異なる曲率を有しつつ前記シリンダボアの内面に対して前記中央領域の前記隙間よりも大きい隙間を有するように形成され、前記スカート部の外周面の前記中央領域と前記スカート部の外周面の前記外側領域との前記周方向における境界は、ピストン往復運動方向に平行な境界線とな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。