JPH0842393A - 流体浴シリンダ壁内で作動しうるピストン装置 - Google Patents
流体浴シリンダ壁内で作動しうるピストン装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ピストンとシリンダとの間の隙間容積をほぼ
ゼロにする装置を得ること。 【構成】 流体浴シリンダ内で作動しうるピストン装置
は、シリンダ壁（３７）に対して締りばめするように構
成された少なくとも一つの環状ランド（３６）を有する
ピストン本体（１０）、前記少なくとも一つのランド
（３６）に接着され、流体浴シリンダ壁に対して間隙を
ほぼゼロにしかつそれを維持する摩耗性コーティング
（１５）、および(i) ランド（３６）から熱を伝導する
ためのコーティング内の伝熱体（２３）、(ii)ピストン
から熱を抽出するため内面に沿って移動する伝熱流体を
うけ入れるのに有効なピストン本体内面（５２）、の少
なくとも一方の形式のヒートシンクを有する。摩耗性コ
ーティングは、グラファイト、二硫化モリブデンおよび
窒化ホウ素よりなるグループから選択された少なくとも
二つの固体潤滑材を有する。コーティング内の伝熱体は
コーティング全体に分布された銅粒子よりなり、摩耗性
コーティングの重量の少なくとも70〜90％を占める。
ゼロにする装置を得ること。 【構成】 流体浴シリンダ内で作動しうるピストン装置
は、シリンダ壁（３７）に対して締りばめするように構
成された少なくとも一つの環状ランド（３６）を有する
ピストン本体（１０）、前記少なくとも一つのランド
（３６）に接着され、流体浴シリンダ壁に対して間隙を
ほぼゼロにしかつそれを維持する摩耗性コーティング
（１５）、および(i) ランド（３６）から熱を伝導する
ためのコーティング内の伝熱体（２３）、(ii)ピストン
から熱を抽出するため内面に沿って移動する伝熱流体を
うけ入れるのに有効なピストン本体内面（５２）、の少
なくとも一方の形式のヒートシンクを有する。摩耗性コ
ーティングは、グラファイト、二硫化モリブデンおよび
窒化ホウ素よりなるグループから選択された少なくとも
二つの固体潤滑材を有する。コーティング内の伝熱体は
コーティング全体に分布された銅粒子よりなり、摩耗性
コーティングの重量の少なくとも70〜90％を占める。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はピストン装置を設計、製
造する技術、とくにその中で作動する周囲のシリンダ壁
に対してほぼゼロの間隙を達成するピストンの構造に関
する。
造する技術、とくにその中で作動する周囲のシリンダ壁
に対してほぼゼロの間隙を達成するピストンの構造に関
する。
【０００２】
【従来の技術】本発明は現代の商業用内燃エンジンピス
トンシリンダ装置の特徴的課題、すなわち、過大な隙間
容積、早期のリング疲労故障、および過大な流体の吹抜
けまたは導入されたオイルの燃焼の課題の解決を指向し
ている。隙間容積とは一般的に下部圧縮リングのシール
点までのリング溝空間を含む、ピストンとシリンダ壁と
の間の上部空間であり、その空間はピストンクラウンと
孔壁との間の間隙によって増加しまた溝のサイズによっ
て増加する。大きい隙間容積は未燃焼燃料が燃焼室内に
残ることを可能にし、それにより排出物を増加する。こ
のことは燃焼を開始しかつ維持するため多量の燃料が燃
焼室に噴射される冷間始動において組合わされ、その結
果未燃焼燃料は、触媒の冷間始動状態のため、排ガス触
媒によっては容易に変換されない。シリンダ孔壁に対す
るピストンの構造は、通常最大速度／負荷状態において
間隙を最少に設定され、したがって孔壁材料に対するピ
ストン材料の熱膨張（すなわち、アルミニウムピストン
対鋳鉄孔壁）は、隙間容積を冷間始動状態まで増加させ
る。
トンシリンダ装置の特徴的課題、すなわち、過大な隙間
容積、早期のリング疲労故障、および過大な流体の吹抜
けまたは導入されたオイルの燃焼の課題の解決を指向し
ている。隙間容積とは一般的に下部圧縮リングのシール
点までのリング溝空間を含む、ピストンとシリンダ壁と
の間の上部空間であり、その空間はピストンクラウンと
孔壁との間の間隙によって増加しまた溝のサイズによっ
て増加する。大きい隙間容積は未燃焼燃料が燃焼室内に
残ることを可能にし、それにより排出物を増加する。こ
のことは燃焼を開始しかつ維持するため多量の燃料が燃
焼室に噴射される冷間始動において組合わされ、その結
果未燃焼燃料は、触媒の冷間始動状態のため、排ガス触
媒によっては容易に変換されない。シリンダ孔壁に対す
るピストンの構造は、通常最大速度／負荷状態において
間隙を最少に設定され、したがって孔壁材料に対するピ
ストン材料の熱膨張（すなわち、アルミニウムピストン
対鋳鉄孔壁）は、隙間容積を冷間始動状態まで増加させ
る。
【０００３】ピストンが、シリンダ孔壁内でピストンク
ラウンと孔壁との間に間隙なしに、またすべての作動状
態の下で摩擦が少ないかまたはなしで往復動することが
理想的である。しかしながら、向合う材料が耐久性を保
持するために、それらはピストンリングに対してニッケ
ルまたはクロームでコーティングされた鉄または鋼、孔
壁に対してしばしば耐摩耗性コーティングによってコー
ティングされた鉄またはアルミニウム、およびピストン
スカートに対してしばしば耐摩耗性コーティングにより
コーティングされる鉄またはアルミニウムのような、摩
擦をもっとも小さくするものでない材料に制限されてき
た。これらのコーティングのすべては、−２８．８〜２
０４℃（２０〜４００°Ｆ）のような極限的温度サイク
ルに対して安定でなければならない。したがって、低温
で安定な低摩擦材料は隙間容積を減少するのに適してい
るとは考えられない。
ラウンと孔壁との間に間隙なしに、またすべての作動状
態の下で摩擦が少ないかまたはなしで往復動することが
理想的である。しかしながら、向合う材料が耐久性を保
持するために、それらはピストンリングに対してニッケ
ルまたはクロームでコーティングされた鉄または鋼、孔
壁に対してしばしば耐摩耗性コーティングによってコー
ティングされた鉄またはアルミニウム、およびピストン
スカートに対してしばしば耐摩耗性コーティングにより
コーティングされる鉄またはアルミニウムのような、摩
擦をもっとも小さくするものでない材料に制限されてき
た。これらのコーティングのすべては、−２８．８〜２
０４℃（２０〜４００°Ｆ）のような極限的温度サイク
ルに対して安定でなければならない。したがって、低温
で安定な低摩擦材料は隙間容積を減少するのに適してい
るとは考えられない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ピストンリングの早期
の疲労故障はそれらの溝内において圧縮リングを押上げ
る高いガス圧によって発生する可能性があり、一方ピス
トンは孔壁に衝突し、それらの張力に抗して静止したリ
ングをきしませかつ応力を加え、それらは適合しないシ
リンダ壁に引きずられる。往復動する力は大きさおよび
方向を 180°ごとに変化し（また７２０°ごとに着火圧
力の大きい変化がある）、そのような応力はリングの衝
撃負荷を構成する。衝撃負荷は溝の摩耗、リングの不安
定性（通常フラッタと称する）、および最終的に疲労に
よるリングの損傷をもたらす。またそのようなリングは
それらの溝内のリングの大きい摩擦によって加速されて
いちじるしく高温になり、ある場合には微少な溶接が発
生する可能性がある。熱をピストンから抽出して冷却ジ
ャケットによる除去を容易にすべく、シリンダ孔に搬送
するために、リングを通る以外の一層よい熱通路が利用
できるならば、それは好ましいことである。
の疲労故障はそれらの溝内において圧縮リングを押上げ
る高いガス圧によって発生する可能性があり、一方ピス
トンは孔壁に衝突し、それらの張力に抗して静止したリ
ングをきしませかつ応力を加え、それらは適合しないシ
リンダ壁に引きずられる。往復動する力は大きさおよび
方向を 180°ごとに変化し（また７２０°ごとに着火圧
力の大きい変化がある）、そのような応力はリングの衝
撃負荷を構成する。衝撃負荷は溝の摩耗、リングの不安
定性（通常フラッタと称する）、および最終的に疲労に
よるリングの損傷をもたらす。またそのようなリングは
それらの溝内のリングの大きい摩擦によって加速されて
いちじるしく高温になり、ある場合には微少な溶接が発
生する可能性がある。熱をピストンから抽出して冷却ジ
ャケットによる除去を容易にすべく、シリンダ孔に搬送
するために、リングを通る以外の一層よい熱通路が利用
できるならば、それは好ましいことである。
【０００５】ピストンリングを通過する燃焼ガスまたは
流体オイルの吹抜けまたは移動は、ピストン装置設計に
おける従来からの課題である。流体は燃焼室からピスト
ンリングの後側、前側または切れ目（通常端部間隙と称
する）を通って移動できる。これらの漏洩通路と組合わ
された上記リングの運動は、通常オイルフィルムのかき
取り不良を伴い、オイルを燃焼室内へ上向きに移動さ
せ、その結果燃焼室壁上の沈澱物による汚染を生ずる。
クランクケースへの燃焼ガスの吹抜けは、エンジン圧縮
度を減少し、エンジンの設計出力を低下させる。ピスト
ンリングを通る上向きまたは下向きのそのような漏洩
は、たいてい、それらの溝内のピストンリングの大きい
摩擦によって増大される。シリンダ孔壁に面するピスト
ンクラウンの壁は従来吹抜けを防止するため利用される
ことはなかった。
流体オイルの吹抜けまたは移動は、ピストン装置設計に
おける従来からの課題である。流体は燃焼室からピスト
ンリングの後側、前側または切れ目（通常端部間隙と称
する）を通って移動できる。これらの漏洩通路と組合わ
された上記リングの運動は、通常オイルフィルムのかき
取り不良を伴い、オイルを燃焼室内へ上向きに移動さ
せ、その結果燃焼室壁上の沈澱物による汚染を生ずる。
クランクケースへの燃焼ガスの吹抜けは、エンジン圧縮
度を減少し、エンジンの設計出力を低下させる。ピスト
ンリングを通る上向きまたは下向きのそのような漏洩
は、たいてい、それらの溝内のピストンリングの大きい
摩擦によって増大される。シリンダ孔壁に面するピスト
ンクラウンの壁は従来吹抜けを防止するため利用される
ことはなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴は、
流体浴シリンダ壁内で作動しうるピストン装置が、 (a) シリンダ壁に対して締りばめするように構成された
少なくとも一つの環状ランドを有するピストン本体、
(b) 流体浴シリンダ壁に対して間隙をほぼゼロにしかつ
これを維持するのに有効な少なくとも一つのランドに接
着された摩耗性コーティング、および(c) (i) ランドか
ら熱を伝導するためのコーティング内の伝熱体、および
(ii)ピストンから熱を抽出するためその内面に沿って移
動する伝熱流体をうけ入れるのに有効なピストン本体内
面、の少なくとも一方の形状のヒートシンクを有するこ
とである。そのような装置は上部ピストンクラウン壁上
の摩耗性コーティングの使用によって隙間容積をほぼ消
滅することができ、またシリンダ孔壁に対してきわめて
小さい摩擦を導入するように構成される。そのような摩
耗性コーティングは、ピストン装置の作動後、それらの
間の間隙をほぼゼロにして、ピストン頂部のランドとシ
リンダ孔壁との間のオイルフィルムの圧搾のみを可能に
する。
流体浴シリンダ壁内で作動しうるピストン装置が、 (a) シリンダ壁に対して締りばめするように構成された
少なくとも一つの環状ランドを有するピストン本体、
(b) 流体浴シリンダ壁に対して間隙をほぼゼロにしかつ
これを維持するのに有効な少なくとも一つのランドに接
着された摩耗性コーティング、および(c) (i) ランドか
ら熱を伝導するためのコーティング内の伝熱体、および
(ii)ピストンから熱を抽出するためその内面に沿って移
動する伝熱流体をうけ入れるのに有効なピストン本体内
面、の少なくとも一方の形状のヒートシンクを有するこ
とである。そのような装置は上部ピストンクラウン壁上
の摩耗性コーティングの使用によって隙間容積をほぼ消
滅することができ、またシリンダ孔壁に対してきわめて
小さい摩擦を導入するように構成される。そのような摩
耗性コーティングは、ピストン装置の作動後、それらの
間の間隙をほぼゼロにして、ピストン頂部のランドとシ
リンダ孔壁との間のオイルフィルムの圧搾のみを可能に
する。
【０００７】好ましくは、摩耗性コーティングは(i) ピ
ストンランドからシリンダ孔壁への高度に伝熱性の熱通
路を形成し、早期のリング疲労を減少するため、銅箔の
ような伝熱材料、および(ii)吹抜けに加えて摩耗をいち
じるしく減少するため高度に有効な固体潤滑材フィルム
を含んでいる。固体潤滑材を含むコーティングは、溝お
よびピストンリングの表面をカバーして、ピストンリン
グの減摩作動（ならびにリングとリング溝の間隙をほぼ
ゼロにすること）、および一層吹抜けを減少するため使
用することができる。隙間容積をさらに一層完全に除去
するため、ピストンリングの厚さに対する溝の寸法は、
溝面およびピストンリング外面が前記のような固体潤滑
材フィルムによってコーティングされるならば、間隙が
10ミクロン以上にならないようにいちじるしく狭くされ
る。
ストンランドからシリンダ孔壁への高度に伝熱性の熱通
路を形成し、早期のリング疲労を減少するため、銅箔の
ような伝熱材料、および(ii)吹抜けに加えて摩耗をいち
じるしく減少するため高度に有効な固体潤滑材フィルム
を含んでいる。固体潤滑材を含むコーティングは、溝お
よびピストンリングの表面をカバーして、ピストンリン
グの減摩作動（ならびにリングとリング溝の間隙をほぼ
ゼロにすること）、および一層吹抜けを減少するため使
用することができる。隙間容積をさらに一層完全に除去
するため、ピストンリングの厚さに対する溝の寸法は、
溝面およびピストンリング外面が前記のような固体潤滑
材フィルムによってコーティングされるならば、間隙が
10ミクロン以上にならないようにいちじるしく狭くされ
る。
【０００８】
【実施例】図１に示すように、ピストン本体１０は、流
体冷却エンジンブロック１２の一部を構成する、シリン
ダ壁１１内で往復作動可能であり、シリンダ孔壁１１と
少なくとも一つの環状ピストンランド（ピストン頂部ラ
ンド１４または他のランド１６および１７のような）と
の間のほぼゼロの環状作動間隙が、各ランドに接着され
た摩耗性コーティング１５の使用によって達成される。
ランドは円形でかつシリンダ孔壁１１に対して締りばめ
するような大きさ、すなわち約５ミクロンの半径方向距
離だけシリンダ孔壁１１の孔１１Ａよりわずかに直径を
小さくされている。摩耗性コーティング１５は、固体潤
滑材ならびに伝熱粒子を含有している。コーティングは
ランドとシリンダ孔壁の間隙１３に等しいか、好ましく
は僅かに厚い厚さにランド１４（または他のランド）に
沈着され、そこで最初のエンジン作動の際、コーティン
グ１５は摩耗し研磨されてシリンダ孔壁の内周に一致す
る平滑な面１８になり、コーティングとシリンダ孔壁上
のオイルフィルム２０との間の間隙は本質的に無いかあ
ってもごく僅かである。本明細書における“摩耗”なる
語はコーティングが所望の程度まで意図的に摩耗される
ことを意味している。摩耗性はテフロン（商標名）のよ
うな軟らかい物質または溶解しうる物質を含む事を意味
しない。コーティングの研磨された摩耗面は、Ra５ない
し15の平滑度を有する。
体冷却エンジンブロック１２の一部を構成する、シリン
ダ壁１１内で往復作動可能であり、シリンダ孔壁１１と
少なくとも一つの環状ピストンランド（ピストン頂部ラ
ンド１４または他のランド１６および１７のような）と
の間のほぼゼロの環状作動間隙が、各ランドに接着され
た摩耗性コーティング１５の使用によって達成される。
ランドは円形でかつシリンダ孔壁１１に対して締りばめ
するような大きさ、すなわち約５ミクロンの半径方向距
離だけシリンダ孔壁１１の孔１１Ａよりわずかに直径を
小さくされている。摩耗性コーティング１５は、固体潤
滑材ならびに伝熱粒子を含有している。コーティングは
ランドとシリンダ孔壁の間隙１３に等しいか、好ましく
は僅かに厚い厚さにランド１４（または他のランド）に
沈着され、そこで最初のエンジン作動の際、コーティン
グ１５は摩耗し研磨されてシリンダ孔壁の内周に一致す
る平滑な面１８になり、コーティングとシリンダ孔壁上
のオイルフィルム２０との間の間隙は本質的に無いかあ
ってもごく僅かである。本明細書における“摩耗”なる
語はコーティングが所望の程度まで意図的に摩耗される
ことを意味している。摩耗性はテフロン（商標名）のよ
うな軟らかい物質または溶解しうる物質を含む事を意味
しない。コーティングの研磨された摩耗面は、Ra５ない
し15の平滑度を有する。
【０００９】ピストンクラウン２２からの直接熱通路２
１がコーティングマトリツクス２４の（銅のような）伝
熱粒子または箔を分散することによってコーティングの
全体に形成され、さらにまたはその代わりに、ピストン
本体自体を通ってピストン本体１０の内面５２への、ピ
ストンクラウン２２からの直接熱通路が熱を除去するた
めそこに噴射された冷却流体２６によって形成される。
しかして、ランドから熱を伝導するためのコーティング
内の伝熱体（粒子２３）、またはピストン内面５２に沿
って移動する伝熱流体２６の形式のヒートシンクは、そ
こから熱を抽出する。
１がコーティングマトリツクス２４の（銅のような）伝
熱粒子または箔を分散することによってコーティングの
全体に形成され、さらにまたはその代わりに、ピストン
本体自体を通ってピストン本体１０の内面５２への、ピ
ストンクラウン２２からの直接熱通路が熱を除去するた
めそこに噴射された冷却流体２６によって形成される。
しかして、ランドから熱を伝導するためのコーティング
内の伝熱体（粒子２３）、またはピストン内面５２に沿
って移動する伝熱流体２６の形式のヒートシンクは、そ
こから熱を抽出する。
【００１０】ピストン装置は、（内燃エンジンのよう
な）熱発生エンジンまたは（ポンプまたは圧縮機におけ
るような）非熱発生エンジン装置のいずれにおいても有
効である。熱エンジンにおいて、コーティング内におけ
る伝熱体の使用は、ピストンおよび摩耗性コーティング
の温度が特定の水準を越えることなく、したがってエン
ジンまたはコーティングの寿命のある間熱的安定性を維
持するある種の超低摩擦材料の使用を可能にするのに確
実に有効である。ポンプまたは圧縮機のような非熱型エ
ンジンにおいて、ヒートシンクは理想的にはピストンク
ラウンの熱発生を抑制してピストンがシリンダ孔壁より
いちじるしく膨脹するのを阻止するのに有効な冷却流体
の移動体である。圧縮機において、ピストンは通常アル
ミニウムから作られ、シリンダ孔壁は通常鋳鉄から作ら
れる。孔壁に対するコーティングの最初の締りばめによ
って、最初の始動中ピストンの熱膨脹差は摩耗性コーテ
ィングを過度に摩耗させ、ほぼ間隙ゼロを達成すること
によるコーティングの嵌合の利点を損なう。（これに関
連して摩耗性コーティングの機能を認識することが必要
である。冷却流体すなわちオイルはつねに“ほぼゼロ”
のピストン−クラウン／孔間隙を維持する。冷却材が故
障するとコーティングは摩耗してしまい、エンジンの故
障は防止される。
な）熱発生エンジンまたは（ポンプまたは圧縮機におけ
るような）非熱発生エンジン装置のいずれにおいても有
効である。熱エンジンにおいて、コーティング内におけ
る伝熱体の使用は、ピストンおよび摩耗性コーティング
の温度が特定の水準を越えることなく、したがってエン
ジンまたはコーティングの寿命のある間熱的安定性を維
持するある種の超低摩擦材料の使用を可能にするのに確
実に有効である。ポンプまたは圧縮機のような非熱型エ
ンジンにおいて、ヒートシンクは理想的にはピストンク
ラウンの熱発生を抑制してピストンがシリンダ孔壁より
いちじるしく膨脹するのを阻止するのに有効な冷却流体
の移動体である。圧縮機において、ピストンは通常アル
ミニウムから作られ、シリンダ孔壁は通常鋳鉄から作ら
れる。孔壁に対するコーティングの最初の締りばめによ
って、最初の始動中ピストンの熱膨脹差は摩耗性コーテ
ィングを過度に摩耗させ、ほぼ間隙ゼロを達成すること
によるコーティングの嵌合の利点を損なう。（これに関
連して摩耗性コーティングの機能を認識することが必要
である。冷却流体すなわちオイルはつねに“ほぼゼロ”
のピストン−クラウン／孔間隙を維持する。冷却材が故
障するとコーティングは摩耗してしまい、エンジンの故
障は防止される。
【００１１】ほぼゼロの間隙（５ミクロンまたはそれ以
下の半径方向間隙）によって、ピストンは、シリンダ孔
壁上のオイルフィルムが損傷しても、その間のガス圧搾
フィルム潤滑なしでシリンダ壁内で作動することができ
る。コーティングとシリンダ孔壁またはその上のオイル
フィルムとの間隙１９が５ミクロン以上、たとえば10ま
たは15ミクロンになるように設計されまたはそうなるこ
とができる場合、摩耗性コーティングは所要量の固体フ
ィルム潤滑材を含有すべきである。固体潤滑材は、ここ
では２３．３〜１９０℃（−１０〜３７５°Ｆ）におい
て０．０３〜０．０６より大きくない摩擦係数を有し、
かつそれらの温度で安定な固体材料を含むものと定義す
る。そのような基準に適合するコーティングは、少なく
とも３１５℃（６００°Ｆ）までの高温においてよく機
能しまたオイルを吸着する、固体潤滑材の特殊な組合わ
せとすべきである。この高温における機能は、オイル潤
滑材および／または冷却材の故障の場合ピストンの機能
を安全に保護することである。（潤滑性がその結晶構造
中に吸収された水性物質の存在によって促進されるグラ
ファイトのような）潤滑材は、高温で潤滑材に水を補充
するのを助けるコーティングの（エポキシポリマのよう
な）マトリックス内に保持される。固体フィルム潤滑材
はグラファイト、二硫化モリブデンおよび窒化ホウ素よ
りなるグループから選択された少なくとも二つの要素の
混合物を含み、混合物は沈着のためポリマエマルジョン
に保持され、ポリマ（ポリアミドまたは熱硬化型エポキ
シ）はランド面にフィルムコーティングを接着する。接
着のため、ピストンランドは酸化されるか電解処理され
るとともに接着に先立ってマイクロエッチングされるの
が好ましい。グラファイトは、一旦選択されると、混合
物重量の２９〜５８％の量だけ含有すべきである。グラ
ファイトは通常２０４℃（４００°Ｆ）付近の温度まで
固体潤滑材として有効である。二硫化モリブデンは、選
択されるとき、混合物重量の２９〜５８％の量だけ含有
すべきであり、もっとも重要なことは、少なくとも３０
４℃（５８０°Ｆ）の温度まで有効に混合物の負荷支持
能力を増加することであるが、空気または非還元性雰囲
気においては３０４℃（５８０°Ｆ）を越えると破壊す
る。二硫化モリブデンは、オイルの有無に応じて摩擦を
変化し、もっとも重要なことは、その温度で少なくとも
０．７０３kg／cm2 （１０ｐｓｉ）の負荷を支持するこ
とである。二硫化モリブデンはまた、本発明の構成にお
いて有用なオイル吸着材である。窒化ホウ素は、選択さ
れるとき、混合物重量の７〜１６％の量だけ含有すべき
であり、３７１℃（７００°Ｆ）の高温まで混合物の安
定性を増進し、また二硫化モリブデン、グラファイトな
らびにポリマの各成分に対し同時に温度を安定させる。
窒化ホウ素は有効なオイル吸着材である。
下の半径方向間隙）によって、ピストンは、シリンダ孔
壁上のオイルフィルムが損傷しても、その間のガス圧搾
フィルム潤滑なしでシリンダ壁内で作動することができ
る。コーティングとシリンダ孔壁またはその上のオイル
フィルムとの間隙１９が５ミクロン以上、たとえば10ま
たは15ミクロンになるように設計されまたはそうなるこ
とができる場合、摩耗性コーティングは所要量の固体フ
ィルム潤滑材を含有すべきである。固体潤滑材は、ここ
では２３．３〜１９０℃（−１０〜３７５°Ｆ）におい
て０．０３〜０．０６より大きくない摩擦係数を有し、
かつそれらの温度で安定な固体材料を含むものと定義す
る。そのような基準に適合するコーティングは、少なく
とも３１５℃（６００°Ｆ）までの高温においてよく機
能しまたオイルを吸着する、固体潤滑材の特殊な組合わ
せとすべきである。この高温における機能は、オイル潤
滑材および／または冷却材の故障の場合ピストンの機能
を安全に保護することである。（潤滑性がその結晶構造
中に吸収された水性物質の存在によって促進されるグラ
ファイトのような）潤滑材は、高温で潤滑材に水を補充
するのを助けるコーティングの（エポキシポリマのよう
な）マトリックス内に保持される。固体フィルム潤滑材
はグラファイト、二硫化モリブデンおよび窒化ホウ素よ
りなるグループから選択された少なくとも二つの要素の
混合物を含み、混合物は沈着のためポリマエマルジョン
に保持され、ポリマ（ポリアミドまたは熱硬化型エポキ
シ）はランド面にフィルムコーティングを接着する。接
着のため、ピストンランドは酸化されるか電解処理され
るとともに接着に先立ってマイクロエッチングされるの
が好ましい。グラファイトは、一旦選択されると、混合
物重量の２９〜５８％の量だけ含有すべきである。グラ
ファイトは通常２０４℃（４００°Ｆ）付近の温度まで
固体潤滑材として有効である。二硫化モリブデンは、選
択されるとき、混合物重量の２９〜５８％の量だけ含有
すべきであり、もっとも重要なことは、少なくとも３０
４℃（５８０°Ｆ）の温度まで有効に混合物の負荷支持
能力を増加することであるが、空気または非還元性雰囲
気においては３０４℃（５８０°Ｆ）を越えると破壊す
る。二硫化モリブデンは、オイルの有無に応じて摩擦を
変化し、もっとも重要なことは、その温度で少なくとも
０．７０３kg／cm2 （１０ｐｓｉ）の負荷を支持するこ
とである。二硫化モリブデンはまた、本発明の構成にお
いて有用なオイル吸着材である。窒化ホウ素は、選択さ
れるとき、混合物重量の７〜１６％の量だけ含有すべき
であり、３７１℃（７００°Ｆ）の高温まで混合物の安
定性を増進し、また二硫化モリブデン、グラファイトな
らびにポリマの各成分に対し同時に温度を安定させる。
窒化ホウ素は有効なオイル吸着材である。
【００１２】固体フィルム潤滑材混合物の個々の成分の
粒子サイズ制御は、引続いて機械加工するのを回避し、
摩耗したときオイルに浮游したままになるため重要であ
る。粒子はきわめて微細であるのが好ましく、平均サイ
ズは１〜５ミクロン以上とすべきでない。グラファイト
は、好ましくは０．３〜４．５ミクロンの範囲の二硫化
モリブデンおよび約５ミクロンの窒化ホウ素に、０．５
〜４．０ミクロンの範囲で混合物内に導入することがで
きる。混合物は通常ボールミルで粉砕され、０．３〜
４．０ミクロンの平均粒子サイズに製造される。窒化ホ
ウ素は０．３５kg／cm2 （５ｐｓｉ）の負荷を支持する
ことができるが、混合物の部分が上記ポリマ内にグラフ
ァイトおよび窒化ホウ素を含むとき、２０４℃（４００
°Ｆ）までの温度で３５．１５kg／cm2 （５００ｐｓ
ｉ）の負荷を支持することができる。しかして、最善の
混合物は三つの成分すべてを含有し、３７１℃（７００
°Ｆ）までの高温での温度安定性、約０．７０３kg／cm
2 （１０ｐｓｉ）以上の負荷支持容量および勝れたオイ
ル吸着性を備える。三つの成分すべての組合わせは、室
温で０．０７〜０．０８の範囲の摩擦係数、および３７
１℃（７００°Ｆ）において０．０３の摩擦係数を有す
る。
粒子サイズ制御は、引続いて機械加工するのを回避し、
摩耗したときオイルに浮游したままになるため重要であ
る。粒子はきわめて微細であるのが好ましく、平均サイ
ズは１〜５ミクロン以上とすべきでない。グラファイト
は、好ましくは０．３〜４．５ミクロンの範囲の二硫化
モリブデンおよび約５ミクロンの窒化ホウ素に、０．５
〜４．０ミクロンの範囲で混合物内に導入することがで
きる。混合物は通常ボールミルで粉砕され、０．３〜
４．０ミクロンの平均粒子サイズに製造される。窒化ホ
ウ素は０．３５kg／cm2 （５ｐｓｉ）の負荷を支持する
ことができるが、混合物の部分が上記ポリマ内にグラフ
ァイトおよび窒化ホウ素を含むとき、２０４℃（４００
°Ｆ）までの温度で３５．１５kg／cm2 （５００ｐｓ
ｉ）の負荷を支持することができる。しかして、最善の
混合物は三つの成分すべてを含有し、３７１℃（７００
°Ｆ）までの高温での温度安定性、約０．７０３kg／cm
2 （１０ｐｓｉ）以上の負荷支持容量および勝れたオイ
ル吸着性を備える。三つの成分すべての組合わせは、室
温で０．０７〜０．０８の範囲の摩擦係数、および３７
１℃（７００°Ｆ）において０．０３の摩擦係数を有す
る。
【００１３】熱硬化性ポリマはエポキシまたはポリアミ
ドよりなり、混合物の３０〜６０％の量だけ含有するこ
とが好ましい。ポリマは１９０℃（３７５°Ｆ）で橋掛
け結合して丈夫なセメント状構造を形成し、そり構造は
オイルを吸着する間グラファイトに炭化水素および水蒸
気移送を達成し、かつリン酸エステル型エポキシまたは
リン酸亜鉛によって予備コーティングされたアルミニウ
ム金属支持体にきわめてよく接着する。ポリマはまたジ
シアニドイミドのようなポリマに硬化剤を２〜５％の量
含有すべきであり、ポリマはまた２．４．６トリジメチ
ルアミノエチルフェノールのような分散剤を０．３ 〜
１．５％の量含有する。そのようなポリマの担体はミネ
ラルスピリットまたはブチルアセテートとすることがで
きる。
ドよりなり、混合物の３０〜６０％の量だけ含有するこ
とが好ましい。ポリマは１９０℃（３７５°Ｆ）で橋掛
け結合して丈夫なセメント状構造を形成し、そり構造は
オイルを吸着する間グラファイトに炭化水素および水蒸
気移送を達成し、かつリン酸エステル型エポキシまたは
リン酸亜鉛によって予備コーティングされたアルミニウ
ム金属支持体にきわめてよく接着する。ポリマはまたジ
シアニドイミドのようなポリマに硬化剤を２〜５％の量
含有すべきであり、ポリマはまた２．４．６トリジメチ
ルアミノエチルフェノールのような分散剤を０．３ 〜
１．５％の量含有する。そのようなポリマの担体はミネ
ラルスピリットまたはブチルアセテートとすることがで
きる。
【００１４】コーティングは５〜１５ミクロンの粒子サ
イズの銅箔が存在することにより、摩耗性であり、粒子
は少なくとも２好ましくは１０の縦横比を有する。本発
明の摩耗性コーティングがピストン装置の周囲において
どのように作用するかを理解するため、ピストンの他の
特徴を説明する必要がある。図４に示されたような通常
の三リングアルミニウム合金（すなわち１２〜１８％シ
リコン）ピストン構造は、アルミニウムまたは鋳鉄シリ
ンダ孔壁内で作動するのに適している。ピストン本体
は、ピストン本体に環状に形成されたいくつかのリング
溝３０，３１，３２を有し、リング溝はピストンの側壁
３３をピストンランドとして前記した構造に分離する。
ただ一つの角のある圧縮リングは（三溝式ピストンの場
合）頂部の二つの、または（四溝式ピストンの場合）上
の三つのリング溝に支持され、動的かつ調節可能にピス
トン本体とシリンダ孔壁との間に接触を維持する。頂部
リング（頂部圧縮リング）３４は、ピストンクラウン２
２のほぼ５〜６mm下方に、または１０mm以上下方にさえ
設置される。頂部リング溝３０と頂部リング自体との間
隙は、従来技術では約４０〜５０ミクロン（０．００２
インチ）であるが、（本発明では）１０ミクロン以下に
制限される。そのような１０ミクロンの間隙は、溝およ
びリングを下記に記載する固体フィルム潤滑材コーティ
ング６０を溝およびリングにコーティングすることによ
って可能になる。頂部ランド３６とシリンダ孔壁３７と
の間隙の直径は、冷間始動または孔が比較的ゆっくり膨
脹する間に、ピストンクラウンの迅速な膨脹を誘導する
他の状態の間における干渉を防止するように設計される
（下面へのオイル噴射がこの期間内のピストンクラウン
の膨脹を防止することを想起すべきである。）。リング
面（すなわち孔面またはオイルフィルム上に載置する
面）は、迅速な動水力学的フィルム形成および上方なら
びに下方へのピストン移動の間に容易に摺動しうるよう
にするため、たる型である。
イズの銅箔が存在することにより、摩耗性であり、粒子
は少なくとも２好ましくは１０の縦横比を有する。本発
明の摩耗性コーティングがピストン装置の周囲において
どのように作用するかを理解するため、ピストンの他の
特徴を説明する必要がある。図４に示されたような通常
の三リングアルミニウム合金（すなわち１２〜１８％シ
リコン）ピストン構造は、アルミニウムまたは鋳鉄シリ
ンダ孔壁内で作動するのに適している。ピストン本体
は、ピストン本体に環状に形成されたいくつかのリング
溝３０，３１，３２を有し、リング溝はピストンの側壁
３３をピストンランドとして前記した構造に分離する。
ただ一つの角のある圧縮リングは（三溝式ピストンの場
合）頂部の二つの、または（四溝式ピストンの場合）上
の三つのリング溝に支持され、動的かつ調節可能にピス
トン本体とシリンダ孔壁との間に接触を維持する。頂部
リング（頂部圧縮リング）３４は、ピストンクラウン２
２のほぼ５〜６mm下方に、または１０mm以上下方にさえ
設置される。頂部リング溝３０と頂部リング自体との間
隙は、従来技術では約４０〜５０ミクロン（０．００２
インチ）であるが、（本発明では）１０ミクロン以下に
制限される。そのような１０ミクロンの間隙は、溝およ
びリングを下記に記載する固体フィルム潤滑材コーティ
ング６０を溝およびリングにコーティングすることによ
って可能になる。頂部ランド３６とシリンダ孔壁３７と
の間隙の直径は、冷間始動または孔が比較的ゆっくり膨
脹する間に、ピストンクラウンの迅速な膨脹を誘導する
他の状態の間における干渉を防止するように設計される
（下面へのオイル噴射がこの期間内のピストンクラウン
の膨脹を防止することを想起すべきである。）。リング
面（すなわち孔面またはオイルフィルム上に載置する
面）は、迅速な動水力学的フィルム形成および上方なら
びに下方へのピストン移動の間に容易に摺動しうるよう
にするため、たる型である。
【００１５】第２リング（油かきまたは第２圧縮リン
グ）３８は、頂部溝３０の約３〜５mmまたはそれ以上下
方に設置された第２溝内に設置されている。頂部リング
溝３０と第２リング溝３１との間のピストン外面は、第
２ランド３９である（ガソリンまたは火花点火エンジン
のリングパックは通常三つのリングからなり、一方ディ
ーゼルエンジンにおいては、四つまたはそれ以上のリン
グが設置される。）。また第２リング溝は、固体フィル
ム潤滑材コーティングが実施されるならば、１０ミクロ
ンの間隙を備えることができる。第２リング面は、ピス
トンの下降運動中過大な摩擦損失を招くことなくシリン
ダ壁からオイル層をかき取るのを容易にするため、外端
においてわずかに丸くされたテーパ付きくさび型形状と
することができる（この丸みは摩耗のためまたは予め設
けたもののいずれともすることができる。）。また、好
ましくは約２０〜２００ｃｐの粘度を有する薄いオイル
フィルムを維持するため過剰なオイルをかき取るのに役
立つ。第３リング４０は、第３リング溝３２に嵌合して
孔面にオイルフィルムを維持するとともに過剰なオイル
をかき取ってサンプ４７に戻すように注意深く設計され
たオイル制御リングである。各溝およびリングは摩耗性
コーティングについて記載された混合物内の固体潤滑材
６０によってコーティングされる。ランドコーティング
と溝またはリングコーティングとの唯一の相違点は、ラ
ンドコーティングにおいて摩耗性を増進する銅箔の存在
である。
グ）３８は、頂部溝３０の約３〜５mmまたはそれ以上下
方に設置された第２溝内に設置されている。頂部リング
溝３０と第２リング溝３１との間のピストン外面は、第
２ランド３９である（ガソリンまたは火花点火エンジン
のリングパックは通常三つのリングからなり、一方ディ
ーゼルエンジンにおいては、四つまたはそれ以上のリン
グが設置される。）。また第２リング溝は、固体フィル
ム潤滑材コーティングが実施されるならば、１０ミクロ
ンの間隙を備えることができる。第２リング面は、ピス
トンの下降運動中過大な摩擦損失を招くことなくシリン
ダ壁からオイル層をかき取るのを容易にするため、外端
においてわずかに丸くされたテーパ付きくさび型形状と
することができる（この丸みは摩耗のためまたは予め設
けたもののいずれともすることができる。）。また、好
ましくは約２０〜２００ｃｐの粘度を有する薄いオイル
フィルムを維持するため過剰なオイルをかき取るのに役
立つ。第３リング４０は、第３リング溝３２に嵌合して
孔面にオイルフィルムを維持するとともに過剰なオイル
をかき取ってサンプ４７に戻すように注意深く設計され
たオイル制御リングである。各溝およびリングは摩耗性
コーティングについて記載された混合物内の固体潤滑材
６０によってコーティングされる。ランドコーティング
と溝またはリングコーティングとの唯一の相違点は、ラ
ンドコーティングにおいて摩耗性を増進する銅箔の存在
である。
【００１６】ピストンスカート６２は、ピストン衝突に
関連する騒音ならびにオイル消費および吹抜けを制御す
るのに重要な役割を演ずる。オイルリングはピストンス
カートとともにピストン装置の摩擦の少なくとも６０％
を構成し、ピストンランド上における固体フィルム潤滑
材コーティングの使用は、コーティングに対する間隙が
ガス圧搾フィルム潤滑装置に必要な範囲内にあるなら
ば、摩擦をいちじるしく減少する。ピストンの衝突は、
ピストンが連結杆４４に点４３においてピン止めされ、
連結杆４４はオイルサンプ４７を保持するクランクケー
ス４６内で作動するクランク軸４５に連結されているこ
とから生ずる。ピストンクラウンは装置５０によって点
火され、かつ弁装置４９によって交互に装入、排出され
る燃焼室４８の高温ガスにさらされる。
関連する騒音ならびにオイル消費および吹抜けを制御す
るのに重要な役割を演ずる。オイルリングはピストンス
カートとともにピストン装置の摩擦の少なくとも６０％
を構成し、ピストンランド上における固体フィルム潤滑
材コーティングの使用は、コーティングに対する間隙が
ガス圧搾フィルム潤滑装置に必要な範囲内にあるなら
ば、摩擦をいちじるしく減少する。ピストンの衝突は、
ピストンが連結杆４４に点４３においてピン止めされ、
連結杆４４はオイルサンプ４７を保持するクランクケー
ス４６内で作動するクランク軸４５に連結されているこ
とから生ずる。ピストンクラウンは装置５０によって点
火され、かつ弁装置４９によって交互に装入、排出され
る燃焼室４８の高温ガスにさらされる。
【００１７】図３に示されたように、摩耗性コーティン
グのポリマおよび固体潤滑材の混合物は、縦横比が少な
くとも２〜２０で粒子サイズが１５ミクロンを越えない
重量で８０〜９０％の銅箔と、混合され（正味の結合剤
対顔料の比率は３５：６５以下とすべきである。）、水
性基または有機溶剤基を使用する熱硬化性結合剤に対し
て、結合剤対顔料の比率は３０：７０以下とすべきであ
る。銅粒子サイズの選択はコーティングを通る妨害され
ない熱調節通路を形成するようにすべきであるが、好ま
しくはアルミニウムピストンの層に対して勝れた接着性
を備えるべきである。
グのポリマおよび固体潤滑材の混合物は、縦横比が少な
くとも２〜２０で粒子サイズが１５ミクロンを越えない
重量で８０〜９０％の銅箔と、混合され（正味の結合剤
対顔料の比率は３５：６５以下とすべきである。）、水
性基または有機溶剤基を使用する熱硬化性結合剤に対し
て、結合剤対顔料の比率は３０：７０以下とすべきであ
る。銅粒子サイズの選択はコーティングを通る妨害され
ない熱調節通路を形成するようにすべきであるが、好ま
しくはアルミニウムピストンの層に対して勝れた接着性
を備えるべきである。
【００１８】装置の最初の作動の際、摩耗性材料はオイ
ル潤滑材によって運び去られ、懸濁物としてオイルフィ
ルタによって除去されるか、あるいはオイル中に存在す
べく十分に微細な形状になり、オイル中の減摩添加剤に
類似した摩擦面における減摩作用を奏する。銅自体は低
摩擦係数を有し（Ｆ＝０．２）、エンジンの周囲におい
て酸化され酸化物の形式で低摩擦係数を生ずる（酸化第
１銅に対して０．１２〜０．１５、酸化第２銅に対して
０．２ 〜０．３）。これに反し、鉄、アルミニウムの
ような他の材料は大きい摩擦係数（酸化第１鉄は０．２
５〜０．３、酸化第２鉄は０．３５〜０．４および酸化
アルミニウムは０．４以上）を有する酸化物を生ずる。
ル潤滑材によって運び去られ、懸濁物としてオイルフィ
ルタによって除去されるか、あるいはオイル中に存在す
べく十分に微細な形状になり、オイル中の減摩添加剤に
類似した摩擦面における減摩作用を奏する。銅自体は低
摩擦係数を有し（Ｆ＝０．２）、エンジンの周囲におい
て酸化され酸化物の形式で低摩擦係数を生ずる（酸化第
１銅に対して０．１２〜０．１５、酸化第２銅に対して
０．２ 〜０．３）。これに反し、鉄、アルミニウムの
ような他の材料は大きい摩擦係数（酸化第１鉄は０．２
５〜０．３、酸化第２鉄は０．３５〜０．４および酸化
アルミニウムは０．４以上）を有する酸化物を生ずる。
【００１９】コーティングを塗布する前に、リングのラ
ンド面は好ましくは“ぎざぎざ”を付けられまたは粗面
にされ（Ｒａ５〜２５ミクロン）、フッ化水素酸エッチ
ング、グリットブラストおよびフッ化水素酸エッチン
グ、またはリン酸処理もしくは硬質陽極酸化処理のよう
な表面処理を施され、適当なコーティング接着性および
コーティングされたピストンの寿命のある間の耐久性を
生ずる。シリンダ孔内への僅かにサイズの大きいコーテ
ィングしたピストンの組込みは、ピストンまたはピスト
ン端部孔を約−２３℃（−１０°Ｆ）に冷却する収縮ば
めとすることができる。
ンド面は好ましくは“ぎざぎざ”を付けられまたは粗面
にされ（Ｒａ５〜２５ミクロン）、フッ化水素酸エッチ
ング、グリットブラストおよびフッ化水素酸エッチン
グ、またはリン酸処理もしくは硬質陽極酸化処理のよう
な表面処理を施され、適当なコーティング接着性および
コーティングされたピストンの寿命のある間の耐久性を
生ずる。シリンダ孔内への僅かにサイズの大きいコーテ
ィングしたピストンの組込みは、ピストンまたはピスト
ン端部孔を約−２３℃（−１０°Ｆ）に冷却する収縮ば
めとすることができる。
【００２０】コーティングの大きい摩耗性のため、ピス
トン自体は対応するコーティングを有し、設置したとき
実際にゼロのピストンランド／孔間隙を達成するよう
な、サイズにされる。オイルに対するコーティングの親
和力は、ピストンランドと孔面との間にならびにリング
とリング溝との間に、オイルフィルムを維持するのを助
ける。設置されたピストンの作動の際、コーティングは
十分に摩耗してコーティングの形状をシリンダ孔に適合
させる一方、ほぼ間隙ゼロを維持する。その結果ピスト
ンリングランド／孔間隙は対応する隙間容積をほぼ解消
し、リング溝を下方に設計し、リング溝を（現在の５mm
より大きく）下方に移動することが可能になる。このこ
とは（孔の構造に適合する特徴を有する）コーティング
されたアルミニウムリングが使用されるとき部分的に有
利である。間隙が５ミクロンに等しいかそれ以下である
とき、ピストンを通過する燃焼ガスの流れは、ピストン
の運動状態においてきわめて少なく、ガス圧搾フィルム
を形成し、ガスフィルムはきわめて高い潤滑性および低
摩擦特性を有する。一般に高温のため、ガスの粘性は大
きく、ガスの粘性は温度とともに増加し、対応してガス
フィルムの負荷支持容量は増加する。これに反し、オイ
ルの粘性は温度上昇とともに低下し、その結果オイルフ
ィルムの負荷支持容量の低下を生ずる。ピストンの膨脹
衝程の間、コーティングされたランドは環状間隙の（ガ
ス圧による）ガス圧搾フィルムによってカバーされ、ピ
ストンを支持する。
トン自体は対応するコーティングを有し、設置したとき
実際にゼロのピストンランド／孔間隙を達成するよう
な、サイズにされる。オイルに対するコーティングの親
和力は、ピストンランドと孔面との間にならびにリング
とリング溝との間に、オイルフィルムを維持するのを助
ける。設置されたピストンの作動の際、コーティングは
十分に摩耗してコーティングの形状をシリンダ孔に適合
させる一方、ほぼ間隙ゼロを維持する。その結果ピスト
ンリングランド／孔間隙は対応する隙間容積をほぼ解消
し、リング溝を下方に設計し、リング溝を（現在の５mm
より大きく）下方に移動することが可能になる。このこ
とは（孔の構造に適合する特徴を有する）コーティング
されたアルミニウムリングが使用されるとき部分的に有
利である。間隙が５ミクロンに等しいかそれ以下である
とき、ピストンを通過する燃焼ガスの流れは、ピストン
の運動状態においてきわめて少なく、ガス圧搾フィルム
を形成し、ガスフィルムはきわめて高い潤滑性および低
摩擦特性を有する。一般に高温のため、ガスの粘性は大
きく、ガスの粘性は温度とともに増加し、対応してガス
フィルムの負荷支持容量は増加する。これに反し、オイ
ルの粘性は温度上昇とともに低下し、その結果オイルフ
ィルムの負荷支持容量の低下を生ずる。ピストンの膨脹
衝程の間、コーティングされたランドは環状間隙の（ガ
ス圧による）ガス圧搾フィルムによってカバーされ、ピ
ストンを支持する。
【００２１】伝熱粒子が存在する結果、熱はコーティン
グを通ってシリンダ孔壁またはシリンダ孔壁上のオイル
フィルムに伝導され、またピストンからピストン下面５
２に向けられる冷却オイルジェットまたはスプレー５１
によって抽出される。オイルはサンプ４７から吸込まれ
（オイルポンプが圧力を加える）、クランク軸および連
結杆を通って輸送され、そこで半径方向通路６１を通っ
てピストン下面５２に噴射される。両方の伝熱通路は膨
脹および排気衝程の間ピストンを冷却するため組合わさ
れ、（吸入衝程中）装入ガスへの熱入力を最少にする。
そこで熱エンジンの容積効率が改善される。圧縮機また
はポンプのような非熱発生エンジンにおいてさえも、熱
の抽出はコーティングを過度に摩耗しないように最初の
押込みの間ピストンの熱膨脹を制御し、低摩擦および間
隙の減少のため、ポンプ効率はいちじるしく改善され
る。
グを通ってシリンダ孔壁またはシリンダ孔壁上のオイル
フィルムに伝導され、またピストンからピストン下面５
２に向けられる冷却オイルジェットまたはスプレー５１
によって抽出される。オイルはサンプ４７から吸込まれ
（オイルポンプが圧力を加える）、クランク軸および連
結杆を通って輸送され、そこで半径方向通路６１を通っ
てピストン下面５２に噴射される。両方の伝熱通路は膨
脹および排気衝程の間ピストンを冷却するため組合わさ
れ、（吸入衝程中）装入ガスへの熱入力を最少にする。
そこで熱エンジンの容積効率が改善される。圧縮機また
はポンプのような非熱発生エンジンにおいてさえも、熱
の抽出はコーティングを過度に摩耗しないように最初の
押込みの間ピストンの熱膨脹を制御し、低摩擦および間
隙の減少のため、ポンプ効率はいちじるしく改善され
る。
【００２２】冷却流体またはジェット５１は、冷間始動
の間の頂部リングランドのコーティングの過度の摩耗を
回避する。コーティングの制限された摩耗は、冷却剤ま
たはオイルポンプの故障の場合にピストンと孔との焼付
きおよび引きずりを防止する。経験によれば、エンジン
オイルの流れは、通常の１０〜３０重量オイル潤滑材に
よって気温−３２℃（０°Ｆ）のとき始動後０．５〜
１．５秒の間に最高の動圧に達する（または５〜３０重
量オイル潤滑材の場合半秒より短い）。ピストンのクラ
ウンは少なくとも最初の１秒において５回の着火サイク
ルを経過し、２１〜６５℃（７０〜１５０°Ｆ）の範囲
の温度に達するためピストンクラウンに対するエンジン
アイドリングに１０〜２０秒を要した。この期間中、冷
却流体の温度は−３２℃（０°Ｆ）またはその付近にあ
り、したがって孔の直径はほぼ変化しない。ピストン冷
却のない場合（または故障の場合）ピストンクラウンの
相対的熱発生は孔との干渉を生じ、摩耗性コーティング
を過度に摩耗させる。そのような過度の摩耗は、ほぼゼ
ロの間隙によって達成される上記利点を無効にする。し
かしながら、ピストン装置に対する重大な損傷はピスト
ン冷却が故障したときでも防止される。
の間の頂部リングランドのコーティングの過度の摩耗を
回避する。コーティングの制限された摩耗は、冷却剤ま
たはオイルポンプの故障の場合にピストンと孔との焼付
きおよび引きずりを防止する。経験によれば、エンジン
オイルの流れは、通常の１０〜３０重量オイル潤滑材に
よって気温−３２℃（０°Ｆ）のとき始動後０．５〜
１．５秒の間に最高の動圧に達する（または５〜３０重
量オイル潤滑材の場合半秒より短い）。ピストンのクラ
ウンは少なくとも最初の１秒において５回の着火サイク
ルを経過し、２１〜６５℃（７０〜１５０°Ｆ）の範囲
の温度に達するためピストンクラウンに対するエンジン
アイドリングに１０〜２０秒を要した。この期間中、冷
却流体の温度は−３２℃（０°Ｆ）またはその付近にあ
り、したがって孔の直径はほぼ変化しない。ピストン冷
却のない場合（または故障の場合）ピストンクラウンの
相対的熱発生は孔との干渉を生じ、摩耗性コーティング
を過度に摩耗させる。そのような過度の摩耗は、ほぼゼ
ロの間隙によって達成される上記利点を無効にする。し
かしながら、ピストン装置に対する重大な損傷はピスト
ン冷却が故障したときでも防止される。
【００２３】
【発明の効果】ピストン本体の環状ランドを流体浴シリ
ンダ壁に対して締りばめするような大きさに構成し、ラ
ンドに摩耗性コーティングを接着し、コーティング内に
伝熱体を設けおよび／またはピストン本体内面に伝熱流
体を噴射してピストン本体の温度上昇したがってその熱
膨脹を抑制することにより、流体浴シリンダ壁に対する
間隙をほぼゼロにしかつこれを維持してピストンとシリ
ンダとの間の隙間容積を最少にし、一方摩擦を小さくす
ることによって、エンジンの効率をいちじるしく改善す
ることができた。
ンダ壁に対して締りばめするような大きさに構成し、ラ
ンドに摩耗性コーティングを接着し、コーティング内に
伝熱体を設けおよび／またはピストン本体内面に伝熱流
体を噴射してピストン本体の温度上昇したがってその熱
膨脹を抑制することにより、流体浴シリンダ壁に対する
間隙をほぼゼロにしかつこれを維持してピストンとシリ
ンダとの間の隙間容積を最少にし、一方摩擦を小さくす
ることによって、エンジンの効率をいちじるしく改善す
ることができた。
【図１】本発明の特徴を備えたピストンおよびシリンダ
孔壁装置の部分断面図。
孔壁装置の部分断面図。
【図２】図１の円２で囲んだ部分の拡大図。
【図３】図１の円３で囲んだ部分の拡大図。
【図４】オイル潤滑が、燃焼区域に露出されたピストン
本体から熱を抽出するため、ピストン本体内面にどのよ
うに実施されるかを示す、本発明のピストンおよびシリ
ンダ装置全体を示す断面図。
本体から熱を抽出するため、ピストン本体内面にどのよ
うに実施されるかを示す、本発明のピストンおよびシリ
ンダ装置全体を示す断面図。
１０ ピストン本体 １１ シリンダ孔壁 １１Ａ シリンダ孔 １２ 流体冷却エンジンブロック １４ ピストン頂部ランド １５ 摩耗性コーティング １６ ランド １７ ランド １９ 半径方向間隙 ２０ オイルフィルム ２２ ピストンクラウン ２３ 伝熱粒子 ２４ コーティングマトリックス ２５ ピストン内面 ２６ 伝熱流体 ３０ 頂部リング溝 ３１ リング溝 ３２ リング溝 ３３ 側壁 ３４ 頂部リング ３６ 頂部ランド ３７ シリンダ孔壁 ３８ 第２リング ３９ 第２ランド ４０ 第３リング ４４ 連結杆 ４５ クランク軸 ４６ クランクケース ４７ サンプ ４８ 燃焼室 ４９ 弁装置 ５０ 点火装置 ５１ 冷却流体またはジェット ５２ ピストン内面 ６０ 固体フィルム潤滑材 ６１ 半径方向通路 ６２ ピストンスカート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 5/00 Ｆ
Claims (10)
- 【請求項１】 流体浴シリンダ壁内で作動しうるピスト
ン装置において、 (a) 前記シリンダ壁に対して締りばめするように構成さ
れた少なくとも一つの環状ランドを有するピストン本
体、 (b) 前記流体浴シリンダ壁に対して間隙をほぼゼロにし
かつこれを維持するのに有効な前記少なくとも一つのラ
ンドに接着された摩耗性コーティング、および (c) (i) 前記ランドから熱を伝導するための前記コーテ
ィング内の伝熱体、および(ii)ピストンから熱を抽出す
るためその内面に沿って移動する伝熱流体をうけ入れる
のに有効なピストン本体内面、の少なくとも一方の形式
のヒートシンクを有する、流体浴シリンダ壁内で作動し
うるピストン装置。 - 【請求項２】 前記摩耗性コーティングはさらに固体潤
滑材を有する、請求項１に記載のピストン装置。 - 【請求項３】 前記固体潤滑材はグラファイト、二硫化
モリブデンおよび窒化ホウ素よりなるグループから選択
された少なくとも二つを有する、請求項２に記載のピス
トン装置。 - 【請求項４】 ヒートシンクはコーティング内の伝熱体
であり、前記伝熱体は前記コーティング全体に分布した
銅粒子である、請求項３に記載のピストン装置。 - 【請求項５】 前記銅粒子は重量で前記摩耗性コーティ
ングの少なくとも７０〜９０％を占め、かつ２〜２０の
縦横比を有する、請求項４に記載のピストン装置。 - 【請求項６】 前記銅粒子はピストン装置の作動の際酸
化物に変換され、該酸化物はさらに前記コーティング内
で固体潤滑材になる、請求項５に記載のピストン装置。 - 【請求項７】 前記ヒートシンクは流体浴本体内面であ
って、前記流体は前記ピストンの温度をシリンダ壁温度
より１０℃（５０°Ｆ）以上高くない温度に維持するた
め前記本体内面に沿って噴射される冷却流体の形式を有
する、請求項１に記載のピストン装置。 - 【請求項８】 前記コーティングされたピストンと油浴
シリンダ孔との間の半径方向間隙は５〜10ミクロンより
大きくない請求項１に記載のピストン装置。 - 【請求項９】 ポンプ、圧縮機または熱エンジンであっ
て、油浴ピストンおよびシリンダ装置はシリンダ壁に沿
ってオイルフィルムを担持し、前記オイルフィルムは５
〜２００ｃｐの範囲の粘性を有する前記装置において、 (a) 中心運動軸線および前記シリンダ孔壁と締りばめ関
係にある少なくとも一つのランドを有するピストン本
体、 (b) 前記ピストン本体の前記軸線に沿ってまたはその周
りに隔置され、シリンダ壁に面する前記ピストン本体の
複数の溝、 (c) 前記シリンダ孔壁のオイルフィルムと前記ピストン
本体との間隙をほぼゼロにするのに有効な少なくとも一
つの前記ランドに接着された摩耗性コーティング、 (d) ピストン本体と孔壁との間に接触を動的にかつ調節
可能に維持するため前記溝内に支持された圧搾シール要
素、および (e) 前記溝およびシール要素をコーティングする固体フ
ィルム潤滑材を有する、前記油浴ピストンおよびシリン
ダ装置。 - 【請求項１０】 前記装置はさらに、(i) ランドから熱
を伝導するためのコーティング内の少なくとも一つの伝
熱体の形式のヒートシンクおよび、(ii)ピストンから熱
を抽出するためその内面に沿って移動する伝熱流体をう
け入れるのに有効な本体内面を有する、請求項９に記載
の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US270950 | 1988-11-09 | ||
| US08/270,950 US5469777A (en) | 1994-07-05 | 1994-07-05 | Piston assembly having abradable coating |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0842393A true JPH0842393A (ja) | 1996-02-13 |
Family
ID=23033539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7168939A Pending JPH0842393A (ja) | 1994-07-05 | 1995-07-04 | 流体浴シリンダ壁内で作動しうるピストン装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5469777A (ja) |
| JP (1) | JPH0842393A (ja) |
| CA (1) | CA2153017A1 (ja) |
| DE (1) | DE19524367A1 (ja) |
| GB (1) | GB2291160B (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| RU2722915C1 (ru) * | 2019-10-15 | 2020-06-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Шатунно-поршневая группа для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания |
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- 1995-07-04 JP JP7168939A patent/JPH0842393A/ja active Pending
- 1995-07-05 GB GB9513722A patent/GB2291160B/en not_active Expired - Fee Related
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