JP6451775B2 - Reciprocating piston engine - Google Patents
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Description
本発明は、気筒内を往復動するピストンを備えた往復動ピストンエンジンに関する。 The present invention relates to a reciprocating piston engine having a piston that reciprocates in a cylinder.
従来より、エンジンの燃費性能を高めるために機械損失を低減することが検討されている。 Conventionally, it has been studied to reduce the mechanical loss in order to improve the fuel efficiency of the engine.
例えば、特許文献１には、気筒内を往復動するピストンを備えた往復動ピストンエンジンにおいて、ピストンが気筒内を往復動する際の気筒の内周面とピストンの外周面との間の摺動抵抗を小さくして、これにより機械損失の低減を図ったものが開示されている。 For example, in Patent Document 1, in a reciprocating piston engine having a piston that reciprocates within a cylinder, sliding between the inner peripheral surface of the cylinder and the outer peripheral surface of the piston when the piston reciprocates within the cylinder. There is disclosed a technique in which the resistance is reduced to thereby reduce the mechanical loss.
しかし、従来の浮揚構造では、ピストンの外周面を気筒の内周面に対して浮揚させる浮揚力を十分に確保できない場合があった。すなわち、これらピストンと気筒と間に、空気、水、オイルなどの潤滑性流体を介在させて前記浮揚を実現させようとしても、エンジン負荷が高い場合のようにピストンに気筒の内周面に接近する方向の大きな力が作用した場合に、ピストンの外周面が気筒の内周面に接触してしまうことがあった。この場合、摺動抵抗を十分に低減させることはできない。 However, in the conventional levitation structure, the levitation force that levitates the outer peripheral surface of the piston with respect to the inner peripheral surface of the cylinder may not be sufficiently secured. That is, even if a lubricating fluid such as air, water, or oil is interposed between the piston and the cylinder to achieve the levitation, the piston approaches the inner peripheral surface of the cylinder as when the engine load is high. When a large force in the direction to act is applied, the outer peripheral surface of the piston may come into contact with the inner peripheral surface of the cylinder. In this case, the sliding resistance cannot be reduced sufficiently.
本発明の目的は、ピストンと気筒との間の摺動抵抗を低減させることができる往復動ピストンエンジンを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a reciprocating piston engine that can reduce sliding resistance between a piston and a cylinder.
前記課題を解決するために、本発明は、気筒内を上下方向に往復動するピストンと、当該ピストンにピストンピンを介して当該ピストンピンの軸周りに搖動可能に連結されるコンロッドとを備えた往復動ピストンエンジンにおいて、前記ピストンは、燃焼室の下面を構成するピストンヘッドと、当該ピストンヘッドから下方に延びるスカート部とを備え、前記スカート部は、前記ピストンピンの軸および前記気筒の中心軸と直交する方向についてスラスト側に位置するスラスト側スカート本体部と反スラスト側に位置する反スラスト側スカート本体部とを備え、前記スラスト側スカート本体部および反スラスト側スカート本体部は、前記気筒の内周面と隙間をおいて対峙し且つ当該内周面に対して上下方向に摺動する外周面を備え、前記気筒の内周面と前記スカート部の外周面との間には潤滑性流体が介在され、前記スラスト側スカート本体部の外周面と前記反スラスト側スカート本体部の外周面とは、上下方向に沿った断面において前記気筒の内周面側に張り出す張出形状部をそれぞれ有し、前記スラスト側スカート本体部の外周面は、さらに、ピストンの周方向に延びる複数の溝からなるミクロテクスチャ構造部を含み、前記張出形状部は、当該張出形状部の上下方向の中央に設けられて前記気筒の内周面に最も近い部分をマクロ側頂部、当該張出形状部の上下方向の両端部に設けられて前記気筒の内周面から最も遠い部分をマクロ側底部とし、前記マクロ側頂部における前記隙間を最小隙間ｈ３、前記マクロ側底部における前記隙間を最大隙間ｈ４とするとき、ｈ４／ｈ３＝１．５〜５．０、の範囲に設定されており、前記ミクロテクスチャ構造部の前記溝の各々は、前記ピストンの周方向に延び且つ下側が深く上側が浅くなる傾き面を有し、前記ミクロテクスチャ構造部の前記溝の、前記気筒の内周面に最も近い部分をミクロ側頂部、最も遠い部分をミクロ側底部とし、前記ミクロ側頂部と前記気筒の内周面との間の隙間を最小隙間ｈ１とし、前記ミクロ側底部と前記気筒の内周面との間の隙間を最大隙間ｈ２とするとき、ｈ２／ｈ１＝１．５〜５．０、の範囲に設定されており、前記ミクロテクスチャ構造部は、前記スラスト側スカート本体部の外周面に設けられた前記張出形状部のうちの上下方向の中央部分にのみ形成されており、前記反スラスト側スカート本体部の外周面は、ミクロテクスチャ構造部を具備しない外周面である、ことを特徴とする往復動ピストンエンジンを提供する（請求項１）。 In order to solve the above problems, the present invention includes a piston that reciprocates in a cylinder in the vertical direction, and a connecting rod that is slidably coupled to the piston around the axis of the piston pin via a piston pin. In the reciprocating piston engine, the piston includes a piston head constituting a lower surface of the combustion chamber, and a skirt portion extending downward from the piston head, wherein the skirt portion includes an axis of the piston pin and a central axis of the cylinder. A thrust side skirt main body portion positioned on the thrust side and an anti-thrust side skirt main body portion positioned on the anti-thrust side, the thrust side skirt main body portion and the anti-thrust side skirt main body portion of the cylinder An outer peripheral surface facing the inner peripheral surface with a gap and sliding in the vertical direction with respect to the inner peripheral surface; Between the inner circumferential surface and the outer peripheral surface of the skirt portion is interposed lubricating fluid, wherein the outer peripheral surface of the thrust side skirt body portion and the outer peripheral surface of the counter-thrust side skirt main body, along a vertical direction In the cross-section, each has a protruding shape portion projecting toward the inner peripheral surface side of the cylinder, and the outer peripheral surface of the thrust side skirt main body portion further includes a microtextured structure portion including a plurality of grooves extending in the circumferential direction of the piston. The projecting shape portion is provided at the center in the vertical direction of the projecting shape portion, and the portion closest to the inner peripheral surface of the cylinder is at the top on the macro side, and both ends in the vertical direction of the projecting shape portion. When the provided portion farthest from the inner peripheral surface of the cylinder is the macro side bottom, the gap at the macro side top is the minimum gap h3, and the gap at the macro side bottom is the maximum gap h4, h4 / h3 = .5～5.0, is set to a range of, each of the grooves of the micro texture structure has a circumferential inclination surface direction extending and lower deep upper becomes shallow of said piston, said micro The portion of the groove of the texture structure portion that is closest to the inner peripheral surface of the cylinder is the micro side top portion, and the farthest portion is the micro side bottom portion, and the gap between the micro side top portion and the inner peripheral surface of the cylinder is minimized. When the gap h1 is set and the gap between the micro side bottom portion and the inner peripheral surface of the cylinder is the maximum gap h2, h2 / h1 = 1.5 to 5.0 is set. The texture structure portion is formed only in the center portion in the vertical direction of the protruding shape portion provided on the outer peripheral surface of the thrust side skirt main body portion, and the outer peripheral surface of the anti-thrust side skirt main body portion is Has micro-texture structure A reciprocating piston engine characterized by having an outer peripheral surface that is not provided is provided.
この往復動ピストンによれば、スラスト側スカート本体部の外周面に形成された前記ミクロテクスチャ構造部の作用によって、ピストンが燃焼室内での混合気の燃焼に伴って押し下げられる際に、スラスト側スカート本体部が気筒の内周壁に対して浮揚するようになる。そのため、ピストンと気筒との間の摺動抵抗を低減できる。 According to this reciprocating piston, when the piston is pushed down by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber by the action of the microtexture structure portion formed on the outer peripheral surface of the thrust side skirt main body portion, the thrust side skirt The main body part floats with respect to the inner peripheral wall of the cylinder. Therefore, sliding resistance between the piston and the cylinder can be reduced.
具体的には、ピストンの下降時、前記潤滑性流体はスラスト側スカート本体部と気筒の内周面との間を下方から上方に相対的に流れる。これに対して、前記ミクロテクスチャ構造部が備えるミクロサイズの溝の各々は、下側が深く上側が浅くなる傾き面を有している。そのため、潤滑性流体は、前記傾き面によって比較的広い空間から比較的狭い空間に閉じ込められる動作を繰り返しながら上方に流れることになり、この閉じ込めの作用により、気筒の内周面に対してスラスト側スカート本体部の外周面に大きな浮揚力が発生する。 Specifically, when the piston is lowered, the lubricating fluid relatively flows from the lower side to the upper side between the thrust side skirt body and the inner peripheral surface of the cylinder. On the other hand, each of the micro-sized grooves provided in the microtextured structure has an inclined surface that is deeper on the lower side and shallower on the upper side. Therefore, the lubricating fluid flows upward while repeating the operation of being confined from a relatively wide space to a relatively narrow space by the inclined surface, and this confinement action causes a thrust side to the cylinder inner peripheral surface. A large levitation force is generated on the outer peripheral surface of the skirt body.
ここで、ピストンには、燃焼に伴って押し下げられる際にそのスラスト側の部分に最も強い横方向の力（気筒の内周面に近づく方向の力）が加えられるため、スラスト側の部分と気筒との摺動抵抗が高くなりやすい。これに対して、本実施形態では、ピストンのスカート部のうちスラスト側に設けられたスラスト側スカート本体部の外周面にのみミクロテクスチャ構造部が設けられている。従って、ミクロサイズの溝を有し比較的加工が難しいミクロテクスチャ構造部の加工領域を小さく抑えて作業性およびコストを良好にしつつ、効果的に気筒とピストンとの摺動抵抗を低減できる。 Here, the piston exerts the strongest lateral force (force toward the inner peripheral surface of the cylinder) on the thrust side when it is pushed down with combustion. The sliding resistance tends to be high. On the other hand, in the present embodiment, the microtextured structure portion is provided only on the outer peripheral surface of the thrust side skirt main body portion provided on the thrust side of the piston skirt portion. Accordingly, it is possible to effectively reduce the sliding resistance between the cylinder and the piston while suppressing the processing region of the micro-texture structure portion having a micro-size groove and being relatively difficult to process to improve workability and cost.
また、この構成によれば、ミクロテクスチャ構造部において、最小隙間ｈ１と、最小隙間ｈ１と最大隙間ｈ２との隙間比ｈ２／ｈ１とが前記の数値範囲に設定されることで、スラスト側スカート本体部を気筒の内周面から一層良好に浮揚させることができ、前記摺動抵抗を格段に低減させることができる。 Further , according to this configuration, in the microtextured structure portion, the minimum gap h1 and the gap ratio h2 / h1 between the minimum gap h1 and the maximum gap h2 are set within the above numerical range, so that the thrust side skirt body The part can be lifted more satisfactorily from the inner peripheral surface of the cylinder, and the sliding resistance can be remarkably reduced.
さらに、張出形状部において、最小隙間ｈ３と最大隙間ｈ４との比がｈ４／ｈ３＝１．５〜５．０、の範囲に設定されていることで、スラスト側スカート本体部と気筒の内周面との間の摺動抵抗をより一層低減できるとともに、反スラスト側スカート本体部と気筒の内周面との間の摺動抵抗も低減でき、ピストンと気筒との間の摺動抵抗をより確実に小さくできる。 Further, in the projecting shape portion, the ratio of the minimum gap h3 and the maximum gap h4 is set in a range of h4 / h3 = 1.5 to 5.0, so The sliding resistance between the piston and the cylinder can be further reduced, and the sliding resistance between the anti-thrust side skirt body and the inner peripheral surface of the cylinder can be reduced. Can be made smaller more reliably.
具体的には、ピストンの上方および下方への移動時において、その移動方向の下流側から張出形状部と気筒の内周面との間に流入した潤滑性流体をマクロ側頂部付近において閉じ込めることができ、これにより気筒の内周面に対して両スカート本体部の外周面に浮揚力を生じさせることができる。しかも、前記最小隙間ｈ３と、この最小隙間ｈ３と前記最大隙間ｈ４との隙間比ｈ４／ｈ３とが前記の数値範囲に設定されることで、両スカート本体部を気筒の内周面からより確実に浮揚させることができる。 Specifically, when the piston moves upward and downward, the lubricating fluid that flows between the protruding shape portion and the inner peripheral surface of the cylinder from the downstream side in the moving direction is confined in the vicinity of the top portion on the macro side. As a result, a levitation force can be generated on the outer peripheral surfaces of the two skirt main body portions with respect to the inner peripheral surface of the cylinder. In addition, since the minimum gap h3 and the gap ratio h4 / h3 between the minimum gap h3 and the maximum gap h4 are set within the above numerical range, both the skirt main body portions can be more reliably viewed from the inner peripheral surface of the cylinder. Can be levitated.
前記構成において、前記ミクロテクスチャ構造部の前記溝は、当該溝の下側の開口縁と前記ミクロ側底部との間の第１面と、当該溝の上側の開口縁と前記ミクロ側底部との間の第２面と、を含み、前記第１面及び前記第２面は前記気筒の内周面に対して傾きを持つ平面であって、前記第１面は、前記気筒の内周面に対して前記第２面よりも大きい傾きを持つ面であり、前記第２面が前記傾き面であるのが好ましい（請求項２）。 In the above configuration, the groove of the microtextured structure portion includes a first surface between an opening edge on the lower side of the groove and the micro side bottom portion, an opening edge on the upper side of the groove and the micro side bottom portion. The first surface and the second surface are inclined planes with respect to the inner peripheral surface of the cylinder, and the first surface is formed on the inner peripheral surface of the cylinder. a surface having a greater slope than said second surface for, preferably the second surface is the slope surface (claim 2).
この構成によれば、ピストンの下降時において、比較的大きい傾きを持つ前記第１面の領域において潤滑性流体の流れが拡がり、比較的小さい傾きを持つ前記第２面（前記傾き面）によって潤滑性流体の流れが徐々に閉じ込められてゆくという動作が繰り返され、これにより良好な浮揚力が生成される。 According to this configuration, when the piston descends, the flow of the lubricating fluid spreads in the region of the first surface having a relatively large inclination, and lubrication is performed by the second surface (the inclined surface) having a relatively small inclination. The operation of gradually confining the flow of the sexual fluid is repeated, thereby generating a good levitation force.
前記構成において、前記第１面は、前記気筒の内周面に対する傾き角が７０°〜９０°の範囲に設定されているのが好ましい（請求項３）。 In the configuration, the first surface is preferably inclined angle is set in the range of 70 ° to 90 ° with respect to the inner peripheral surface of the cylinder (claim 3).
この構成によれば、前記溝の上下方向の幅の大半を、前記傾き面として機能する前記第２面にて構成することができる。従って、前記潤滑性流体の閉じ込め効果を高めることができる。 According to this configuration, most of the vertical width of the groove can be configured by the second surface that functions as the inclined surface. Therefore, the confinement effect of the lubricating fluid can be enhanced.
前記構成において、前記複数の溝が上下方向に並ぶピッチは、１μｍ〜１ｍｍの範囲に設定されているのが好ましい（請求項４）。 The said structure WHEREIN: It is preferable that the pitch in which these some groove | channels are located in an up-down direction is set to the range of 1 micrometer-1 mm (Claim 4 ).
この構成によれば、前記複数の溝のピッチが適正化され、一層大きい浮揚力を発生させることが可能となる。 According to this configuration, the pitch of the plurality of grooves is optimized, and a larger levitation force can be generated.
前記構成において、前記複数の溝は、前記ピストンの周方向の両端部分が閉鎖されるように前記スラスト側スカート本体部の外周面のうち前記ピストンの周方向の中央部分に設けられているのが好ましい（請求項５）。 In the above configuration, the plurality of grooves are provided in a central portion in the circumferential direction of the piston among the outer peripheral surfaces of the thrust side skirt main body so that both end portions in the circumferential direction of the piston are closed. Preferred (Claim 5 ).
この構成によれば、溝内に流入した潤滑性流体が溝からピストンの周方向の外側に抜け出るのを抑制できる。従って、潤滑性流体をより確実に傾き面と気筒の内周面との間に閉じ込めて、前記閉じ込め効果を高めることができる。 According to this structure, it can suppress that the lubricating fluid which flowed in in the groove | channel escapes from the groove | channel to the outer side of the circumferential direction of a piston. Therefore, the lubricating fluid can be more reliably confined between the inclined surface and the inner peripheral surface of the cylinder, thereby enhancing the confinement effect.
前記構成において、前記ピストンピンの軸は、当該軸と直交する断面において、前記ピストンの中心軸よりも反スラスト側に位置するのが好ましい（請求項６）。 The said structure WHEREIN: It is preferable that the axis | shaft of the said piston pin is located in an anti-thrust side rather than the center axis | shaft of the said piston in the cross section orthogonal to the said axis | shaft (Claim 6 ).
このようにすれば、前記のように、ミクロテクスチャ構造部によってピストンのスラスト側の部分と気筒の内周面との接触を回避しながら、ピストンピンの軸を反スラスト側に位置させることで燃焼の爆発力をコンロッドに効果的に付与することができる。 In this way, as described above, the micro-texture structure portion avoids contact between the thrust side portion of the piston and the inner peripheral surface of the cylinder, and the piston pin shaft is positioned on the anti-thrust side for combustion. The explosive power can be effectively applied to the connecting rod.
本発明によれば、ピストンと気筒の内周面との間に良好な浮揚力を発生させ、両者間の摺動抵抗を低減させることができる。 According to the present invention, a good levitation force can be generated between the piston and the inner peripheral surface of the cylinder, and the sliding resistance between them can be reduced.
（１）エンジンの全体構造
以下、図面に基づいて本発明の実施形態に係る往復動ピストンエンジンについて説明する。往復動ピストンエンジン１００は、気筒２内を往復動するピストン５と、コンロッド８を介してピストン５に連結されたクランク軸７とを備えたエンジンである。気筒２は、円筒面状の内周面を有している。図１は、気筒２の中心軸に沿い且つクランク軸７の中心軸（回転中心線）Ｘ２と直交する断面における往復動ピストンエンジン１００の概略断面図である。往復動ピストンエンジン１００は、例えば、図１の紙面と直交する方向に複数の気筒２が設けられた直列４気筒の４サイクルエンジンである。図２は、図１の一部を拡大して示した図である。
(1) Overall structure of engine Hereinafter, a reciprocating piston engine according to an embodiment of the present invention will be described based on the drawings. The reciprocating piston engine 100 is an engine that includes a piston 5 that reciprocates in the cylinder 2 and a crankshaft 7 that is connected to the piston 5 via a connecting rod 8. The cylinder 2 has a cylindrical inner peripheral surface. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a reciprocating piston engine 100 in a cross section along the central axis of the cylinder 2 and orthogonal to the central axis (rotation center line) X2 of the crankshaft 7. The reciprocating piston engine 100 is, for example, an in-line four-cylinder four-cycle engine in which a plurality of cylinders 2 are provided in a direction orthogonal to the paper surface of FIG. FIG. 2 is an enlarged view of a part of FIG.
往復動ピストンエンジン１００は、気筒２が形成されたシリンダブロック３、シリンダブロック３に取付けられるシリンダヘッド４を備える。以下では、図１の上下方向であって気筒２に対するピストン５の往復動方向を上下方向といい、シリンダヘッド４側を上、シリンダブロック３側を下として説明する。また、適宜、図１の左右方向を左右方向として説明する。このように、請求項および以下の説明における上下方向はピストンの往復動方向を表し、上、下、はそれぞれシリンダヘッド４側と、シリンダブロック３側とを表している。従って、例えば、ピストン５が水平方向に往復動する場合には、請求項および以下の説明における上下方向は、水平方向を表すことになる。 The reciprocating piston engine 100 includes a cylinder block 3 in which a cylinder 2 is formed, and a cylinder head 4 attached to the cylinder block 3. In the following, the reciprocating direction of the piston 5 with respect to the cylinder 2 in the vertical direction in FIG. 1 will be referred to as the vertical direction, and the cylinder head 4 side will be described as the upper side and the cylinder block 3 side as the lower side. Moreover, the left-right direction of FIG. 1 is demonstrated as a left-right direction suitably. Thus, the vertical direction in the claims and the following description represents the reciprocating direction of the piston, and the upper and lower directions represent the cylinder head 4 side and the cylinder block 3 side, respectively. Therefore, for example, when the piston 5 reciprocates in the horizontal direction, the vertical direction in the claims and the following description represents the horizontal direction.
気筒２内には、ピストン５の冠面５Ａと気筒２の内周壁（内周面、以下、適宜、気筒内周壁という）２Ａと、シリンダヘッド４の下面とによって燃焼室６が区画されている。シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。なお、図１では、これらポート９、１０開口部分を開閉する吸気バルブおよび排気バルブの図示は省略している。また、図１では、シリンダヘッド４に設けられる点火プラグ等の図示も省略している。 In the cylinder 2, a combustion chamber 6 is defined by a crown surface 5 </ b> A of the piston 5, an inner peripheral wall (an inner peripheral surface, hereinafter referred to as a cylinder inner peripheral wall) 2 </ b> A of the cylinder 2, and a lower surface of the cylinder head 4. . An intake port 9 and an exhaust port 10 communicating with the combustion chamber 6 are formed in the cylinder head 4. In FIG. 1, the intake valves and the exhaust valves that open and close the opening portions of the ports 9 and 10 are not shown. Further, in FIG. 1, illustration of a spark plug and the like provided in the cylinder head 4 is also omitted.
ピストン５には、コンロッド８の上端部８１が連結されている。具体的には、コンロッド８の上端部８１とピストン５とは、クランク軸７の中心軸Ｘ２と平行な方向に延びる円筒状のピストンピン５１によって連結されている。コンロッド８はピストン５に対してピストンピン５１の中心軸Ｘ３回りに搖動可能に連結されている。 An upper end portion 81 of a connecting rod 8 is connected to the piston 5. Specifically, the upper end portion 81 of the connecting rod 8 and the piston 5 are connected by a cylindrical piston pin 51 extending in a direction parallel to the central axis X <b> 2 of the crankshaft 7. The connecting rod 8 is connected to the piston 5 so as to be swingable about the central axis X3 of the piston pin 51.
コンロッド８の下端部８２には、クランク軸７が連結されている（エンジン１００が直列多気筒エンジンの場合は、クランク軸７は気筒２の配列方向に延びている）。燃焼室６内で燃料と空気の混合気が燃焼すると、ピストン５とコンロッド８とが上下方向に往復動し、これに伴ってクランク軸７がその中心軸Ｘ２回りに回転する。 A crankshaft 7 is connected to the lower end portion 82 of the connecting rod 8 (when the engine 100 is an in-line multi-cylinder engine, the crankshaft 7 extends in the arrangement direction of the cylinders 2). When the fuel / air mixture burns in the combustion chamber 6, the piston 5 and the connecting rod 8 reciprocate in the vertical direction, and the crankshaft 7 rotates about the central axis X2 accordingly.
（２）ピストンの詳細構造
ピストン５は、その上部を構成するピストンヘッド２０と、ピストンヘッド２０から下方に延びるスカート部３０とを含む。ピストンヘッド２０は、燃焼室６の下面として機能するピストン冠面５Ａを有する。本実施形態では、ピストンヘッド２０の外周面に、コンプレッションリング等がはめ込まれる溝２９が形成されている。また、本実施形態では、ピストンヘッド２０とスカート部３０とは一体物として成形されている。
(2) Detailed Structure of Piston The piston 5 includes a piston head 20 that constitutes an upper portion thereof, and a skirt portion 30 that extends downward from the piston head 20. The piston head 20 has a piston crown surface 5 </ b> A that functions as the lower surface of the combustion chamber 6. In the present embodiment, a groove 29 into which a compression ring or the like is fitted is formed on the outer peripheral surface of the piston head 20. Moreover, in this embodiment, the piston head 20 and the skirt part 30 are shape | molded as an integral object.
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面の概略図である。スカート部３０は、上下方向と直交する断面において、気筒２の内周壁２Ａに沿うように円弧状にそれぞれ延びる左右一対のスカート本体部３１、３２と、これらスカート本体部３１、３２間に位置して略平板状の外周面を有する一対の平板部３９とを含む。 FIG. 3 is a schematic view of a cross section taken along line III-III in FIG. The skirt portion 30 is positioned between a pair of left and right skirt body portions 31 and 32 that extend in an arc shape along the inner peripheral wall 2A of the cylinder 2 in a cross section perpendicular to the vertical direction, and the skirt body portions 31 and 32. And a pair of flat plate portions 39 having a substantially flat outer peripheral surface.
具体的には、ピストン５は、ピストンピン５１の中心軸（軸）Ｘ３および気筒軸と直交する方向についてスラスト側に位置するスラスト側スカート本体部３１と、反スラスト側に位置する反スラスト側スカート本体部３２とを有する。 Specifically, the piston 5 includes a thrust side skirt body 31 positioned on the thrust side in a direction orthogonal to the central axis (axis) X3 of the piston pin 51 and the cylinder axis, and an anti-thrust side skirt positioned on the anti-thrust side. A main body 32.
図１の例では、燃焼室６内での燃焼に伴って上死点付近に位置するピストン５に下向きの力が加えられると破線に示すようにコンロッド８の下端部８２がピストンピン５１の中心軸Ｘ３に対して右側に移動してクランク軸７が時計回りに回転するようになっている。従って、図１において、左側がクランク軸７の回転方向の上流側およびスラスト側であり、右側がクランク軸７の回転方向の下流側および反スラスト側である。つまり、図２に示すように、上死点付近に位置するピストン５に下向きの力Ｆｂが加えられたとき、コンロッド８には、この力Ｆｂのうち右斜め下方に延びるコンロッド８の軸線に沿う右斜め下向きの成分Ｆｃが加えられ、ピストン５には左向きの力Ｆｓ（いわゆる横方向に作用するスラスト力）が加えられることになる。 In the example of FIG. 1, when a downward force is applied to the piston 5 located near the top dead center with combustion in the combustion chamber 6, the lower end portion 82 of the connecting rod 8 is positioned at the center of the piston pin 51 as indicated by a broken line. The crankshaft 7 is rotated clockwise by moving to the right with respect to the axis X3. Therefore, in FIG. 1, the left side is the upstream side and the thrust side in the rotational direction of the crankshaft 7, and the right side is the downstream side and the anti-thrust side in the rotational direction of the crankshaft 7. That is, as shown in FIG. 2, when a downward force Fb is applied to the piston 5 located near the top dead center, the connecting rod 8 follows the axis of the connecting rod 8 extending obliquely downward to the right of the force Fb. A component Fc obliquely downward to the right is applied, and a leftward force Fs (a so-called thrust force acting in the lateral direction) is applied to the piston 5.
ここで、本実施形態では、図２に示す断面において、ピストンピン５１の中心軸Ｘ３は、ピストン５の中心線Ｘ１に対して右側つまり反スラスト側にずれており、燃焼の爆発力が効果的にクランク軸７に伝達されるようになっている。つまり、ピストン５が上死点付近において前記爆発力を受けて押し下げられるとき、図１および図２に示す断面において、コンロッド８の軸線はピストンピン５１の中心軸Ｘ３上の点から右斜め下側に傾斜する。そのため、ピストンピン５１の中心軸Ｘ３を前記のように配置すれば、ピストン５が前記のように押し下げられた際に、図１の破線で示すように、爆発力を受けるピストン５の冠面５Ａとコンロッド８の軸線とのなす角度がより直角に近くなるように、ピストン５を傾けること（図１および図２において反時計回りであってクランク軸７の回転方向と反対方向に傾けること）ができ、コンロッド８およびクランク軸７に爆発力を効率よく伝達することができる。 Here, in the present embodiment, in the cross section shown in FIG. 2, the center axis X3 of the piston pin 51 is shifted to the right side, that is, the anti-thrust side with respect to the center line X1 of the piston 5, and the combustion explosive force is effective. Is transmitted to the crankshaft 7. That is, when the piston 5 is pushed down by receiving the explosive force in the vicinity of the top dead center, the axis of the connecting rod 8 is diagonally downward to the right from the point on the central axis X3 of the piston pin 51 in the cross section shown in FIGS. Inclined to. Therefore, if the center axis X3 of the piston pin 51 is arranged as described above, when the piston 5 is pushed down as described above, as shown by the broken line in FIG. Inclining the piston 5 (inclining counterclockwise in FIGS. 1 and 2 in the direction opposite to the rotation direction of the crankshaft 7) so that the angle formed by the axis of the connecting rod 8 and the axis of the connecting rod 8 is closer to a right angle. Therefore, the explosive force can be efficiently transmitted to the connecting rod 8 and the crankshaft 7.
各スカート本体部３１、３２は、それぞれ、気筒内周壁２Ａと対峙して、ピストン５の往復動に伴って気筒内周壁２Ａに沿って上下方向に摺動する外周面３１Ｓ、３２Ｓを有している。 Each of the skirt body portions 31 and 32 has outer peripheral surfaces 31S and 32S that face the cylinder inner peripheral wall 2A and slide in the vertical direction along the cylinder inner peripheral wall 2A as the piston 5 reciprocates. Yes.
各スカート本体部３１、３２の外周面３１Ｓ、３２Ｓと気筒内周壁２Ａとの間には、それぞれ隙間Ｇ１、Ｇ２が形成されている。隙間Ｇ１、Ｇ２を含むピストン５の外周面と気筒内周壁２Ａとの間には、潤滑性流体Ｆが介在している。潤滑性流体Ｆは、液体又は気体のいずれであっても良く、例えば空気（粘度＝１．８×１０−５［Ｐａ・ｓ］）、水（８．９×１０−４［Ｐａ・ｓ］）、或いは０Ｗ−２０クラスの低粘度オイル（６．８×１０−３［Ｐａ・ｓ］）であり、特に好ましくは空気である。 Gaps G1 and G2 are formed between the outer peripheral surfaces 31S and 32S of the skirt main body portions 31 and 32 and the cylinder inner peripheral wall 2A, respectively. A lubricating fluid F is interposed between the outer peripheral surface of the piston 5 including the gaps G1 and G2 and the cylinder inner peripheral wall 2A. The lubricating fluid F may be either liquid or gas, for example, air (viscosity = 1.8 × 10 −5 [Pa · s]), water (8.9 × 10 −4 [Pa · s]). ) Or low viscosity oil of the 0W-20 class (6.8 × 10 −3 [Pa · s]), particularly preferably air.
（２−１）ミクロテクスチャ構造
スラスト側スカート本体部３１の外周面３１Ｓ（以下、適宜、スラスト側外周面３１Ｓという）には、ピストン５の往復動時（つまり、スラスト側スカート本体部３１の気筒内周壁２Ａに対する上下方向の摺動時）に、スラスト側外周面３１Ｓを気筒内周壁２Ａに対して浮揚させるためのミクロテクスチャ構造部４０が備えられている。
(2-1) Micro-textured structure The outer peripheral surface 31S of the thrust side skirt main body 31 (hereinafter referred to as the thrust side outer peripheral surface 31S as appropriate) is in the reciprocating motion of the piston 5 (that is, the cylinder of the thrust side skirt main body 31). A micro-texture structure portion 40 is provided for levitation of the thrust side outer peripheral surface 31S with respect to the cylinder inner peripheral wall 2A (when sliding in the vertical direction with respect to the inner peripheral wall 2A).
図４は、スラスト側スカート本体部３１周辺を拡大して示した概略斜視図である。図５は、図２の一部を拡大した図であってスラスト側外周面３１Ｓに設けられたミクロテクスチャ構造部４０を拡大して示した図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線における断面を周方向に展開した図である。 FIG. 4 is a schematic perspective view showing the periphery of the thrust side skirt body 31 in an enlarged manner. FIG. 5 is an enlarged view of a part of FIG. 2 and is an enlarged view of the microtexture structure portion 40 provided on the thrust side outer peripheral surface 31S. 6 is a developed view of the cross section taken along line VI-VI in FIG. 5 in the circumferential direction.
ミクロテクスチャ構造部４０は、スラスト側外周面３１Ｓに形成されたピストン５の周方向（つまり上下方向と直交する方向）に延びる複数の溝４１からなる。各溝４１は、ミクロンオーダーの溝幅を有する微小な溝であり、上下方向に所定のピッチで配列されている。なお、溝４１の延びる方向は、上下方向に対して完全に直交する方向でなくとも良く、後述する浮揚の効果が得られる限りにおいて前記直交方向から傾いていても良い。例えば、前記直交方向に対して１０°〜２０°程度傾いた方向に延びる溝４１であっても良い。 The microtextured structure portion 40 is composed of a plurality of grooves 41 extending in the circumferential direction of the piston 5 formed on the thrust side outer peripheral surface 31S (that is, in a direction orthogonal to the vertical direction). Each groove 41 is a minute groove having a groove width on the order of microns, and is arranged at a predetermined pitch in the vertical direction. The direction in which the groove 41 extends may not be completely orthogonal to the vertical direction, and may be inclined from the orthogonal direction as long as the effect of levitation described later is obtained. For example, the groove 41 may extend in a direction inclined by about 10 ° to 20 ° with respect to the orthogonal direction.
本実施形態では、スラスト側外周面３１Ｓのうち上下方向の中央且つピストン５の周方向の中央となる部分であって燃焼に伴うピストン５の下降時に気筒内周壁２Ａに最も近接しやすい部分、にのみミクロテクスチャ構造部４０が設けられている。なお、スラスト側スカート本体部３１と、反スラスト側スカート本体部３２とは、図１に示す断面においてピストン５の左右両端となる部分からピストン５の周方向の両側（図１の紙面の手前側と奥側）にほぼ同じ距離延びるような形状を有している。これに伴い、図６に示すように、各溝４１は、その周方向の両端部分が閉鎖されている。 In the present embodiment, the thrust side outer peripheral surface 31S is a portion that is the center in the vertical direction and the center in the circumferential direction of the piston 5 and that is most proximate to the cylinder inner peripheral wall 2A when the piston 5 descends due to combustion. Only the microtextured structure 40 is provided. The thrust side skirt main body 31 and the anti-thrust side skirt main body 32 are arranged on both sides in the circumferential direction of the piston 5 from the left and right ends of the piston 5 in the cross section shown in FIG. And the rear side) extend substantially the same distance. Accordingly, as shown in FIG. 6, each groove 41 is closed at both ends in the circumferential direction.
＜溝の構造及び作用＞
この実施形態では、ミクロテクスチャ構造部４０が備える複数の溝４１は、上下方向に沿う断面において、鋸歯形状を形成している。
<Groove structure and action>
In this embodiment, the plurality of grooves 41 included in the microtexture structure portion 40 form a sawtooth shape in a cross section along the vertical direction.
具体的には、気筒内周壁２Ａは、上下方向に沿う断面において上下方向に延びる面であり、溝４１の各々は、気筒内周壁２Ａに最も近い部分であるミクロ側頂部４２と、最も遠い部分であるミクロ側底部４３と、ミクロ側頂部４２とミクロ側底部４３との間の傾き面４４とを備える。傾き面４４は、下側が深く、上側が浅くなる傾き面である。 Specifically, the cylinder inner peripheral wall 2A is a surface extending in the vertical direction in a cross section along the vertical direction, and each of the grooves 41 is a part farthest from the micro side top 42 which is the portion closest to the cylinder inner peripheral wall 2A. And a slant surface 44 between the micro side top portion 42 and the micro side bottom portion 43. The inclined surface 44 is an inclined surface that is deeper on the lower side and shallower on the upper side.
一つの溝４１の開口縁は、上側の開口縁である上側縁部４１Ｕと下側の開口縁である下側縁部４１Ｄとを含む。これら縁部４１Ｕ、４１Ｄは、上下方向に隣接する一対の頂部４２でもある。換言すると、一つの溝４１のミクロ側頂部４２が、この一つのミクロ側溝４１の上側に隣接する溝４１の下側縁部４１Ｄを兼ねている。つまり、隣接する溝４１間にプラトー部のような平面部は存在せず、複数の溝４１が上下方向に連設されている。従って、溝ピッチＬ１は、上側縁部４１Ｕと下側縁部４１Ｄとの間の上下方向の長さ（溝幅）と同じである。 The opening edge of one groove 41 includes an upper edge 41U that is an upper opening edge and a lower edge 41D that is a lower opening edge. These edge parts 41U and 41D are also a pair of top parts 42 adjacent to an up-down direction. In other words, the micro side top portion 42 of one groove 41 also serves as the lower edge portion 41D of the groove 41 adjacent to the upper side of the one micro side groove 41. That is, there is no flat portion such as a plateau portion between adjacent grooves 41, and a plurality of grooves 41 are continuously provided in the vertical direction. Accordingly, the groove pitch L1 is the same as the length (groove width) in the vertical direction between the upper edge 41U and the lower edge 41D.
溝４１は、下側縁部４１Ｄとミクロ側底部４３との間の第１面４５と、上側縁部４１Ｕとミクロ側底部４３との間の第２面４６とを有している。第１面４５は気筒内周壁２Ａと直交して、ピストン５の周方向に延びる平面である。第２面４６は、気筒２の内周壁２Ａに対して傾きを持ちピストン５の周方向に延びる平面である。ただし、第２面４６は、第１面４５のような直交面ではなく、比較的緩い傾きを持つ平面である。本実施形態では、第２面４６が前述の傾き面４４である。また、第２面４６（傾き面４４）の上下方向の幅が溝幅（溝ピッチＬ１）と一致している。 The groove 41 has a first surface 45 between the lower edge portion 41 </ b> D and the micro side bottom portion 43, and a second surface 46 between the upper edge portion 41 </ b> U and the micro side bottom portion 43. The first surface 45 is a flat surface extending in the circumferential direction of the piston 5 orthogonal to the cylinder inner peripheral wall 2A. The second surface 46 is a flat surface that is inclined with respect to the inner peripheral wall 2 </ b> A of the cylinder 2 and extends in the circumferential direction of the piston 5. However, the second surface 46 is not an orthogonal surface like the first surface 45 but a plane having a relatively gentle inclination. In the present embodiment, the second surface 46 is the inclined surface 44 described above. Further, the vertical width of the second surface 46 (inclined surface 44) matches the groove width (groove pitch L1).
複数の溝４１は、微小な切削刃を用いた各種の切削加工によって形成することができる。例えば、ピストン５を旋盤で回転させながら切削刃をスラスト側外周面３１Ｓに当接させることで、必要な溝４１を形成することができる。なお、スラスト側外周面３１Ｓの一部の領域にのみ溝４１を設ける場合には、微小な切削刃を楕円又は円の軌跡を描きながらスラスト側外周面３１Ｓに当接させる楕円振動切削加工によって、必要な溝４１を形成することができる。 The plurality of grooves 41 can be formed by various cutting processes using a minute cutting blade. For example, the necessary groove 41 can be formed by bringing the cutting blade into contact with the thrust side outer peripheral surface 31S while rotating the piston 5 with a lathe. In the case where the groove 41 is provided only in a partial region of the thrust side outer peripheral surface 31S, an elliptical vibration cutting process in which a minute cutting blade is brought into contact with the thrust side outer peripheral surface 31S while drawing an elliptical or circular locus, Necessary grooves 41 can be formed.
図７は、図５に対応する図であってピストン５の往復動時の潤滑性流体Ｆの流れＦＡを模式的に示した断面図である。ピストン５が下方に移動すると、気筒内周壁２Ａとスラスト側外周面３１Ｓとの間の隙間Ｇ１には、潤滑性流体Ｆがピストン５の移動方向の下流側である下側から上側へ向けて相対的に流れ込み、隙間Ｇ１には下側から上側へ流れる流れＦＡが形成される。この流れＦＡは層流である。 FIG. 7 is a view corresponding to FIG. 5, and is a cross-sectional view schematically showing the flow FA of the lubricating fluid F when the piston 5 reciprocates. When the piston 5 moves downward, the lubricating fluid F is relative to the gap G1 between the cylinder inner peripheral wall 2A and the thrust side outer peripheral surface 31S from the lower side, which is the downstream side in the moving direction of the piston 5, from the lower side to the upper side. In the gap G1, a flow FA flowing from the lower side to the upper side is formed. This flow FA is a laminar flow.
ここで、溝４１の各々は、前記のように下側が深く上側が浅くなる傾き面４４を有する。従って、ピストン５の下降時において、前記層流ＦＡは、比較的広い空間から比較的狭い空間に閉じ込められる動作を繰り返しながら流れる。つまり、上側に向かうに連れて気筒内周壁２Ａとの隙間Ｇ１を狭くする傾き面４４によって、流れＦＡは徐々に狭い空間へ閉じ込められ、密度が高められる。このような閉じ込めの作用により、スラスト側外周面３１Ｓには気筒内周壁２Ａから離間する方向の力つまり気筒内周壁２Ａに対して浮揚する大きな浮揚力が付与されることになる。そして、これにより、スラスト側外周面Ｓ３１と気筒内周壁２Ａとの間の摺動抵抗が低減される。 Here, each of the grooves 41 has the inclined surface 44 in which the lower side is deep and the upper side is shallow as described above. Therefore, when the piston 5 descends, the laminar flow FA flows while repeating the operation of being confined in a relatively narrow space from a relatively large space. That is, the flow FA is gradually confined in a narrow space by the inclined surface 44 that narrows the gap G1 with the cylinder inner peripheral wall 2A as it goes upward, and the density is increased. By such an action of confinement, the thrust side outer peripheral surface 31S is given a force in a direction away from the cylinder inner peripheral wall 2A, that is, a large levitation force that floats with respect to the cylinder inner peripheral wall 2A. As a result, the sliding resistance between the thrust side outer circumferential surface S31 and the cylinder inner circumferential wall 2A is reduced.
特に、本実施形態では、前記のように、各溝４１の周方向の両端部分が閉鎖されているので、溝４１に入り込んだ潤滑性流体Ｆが溝４１内から周方向の外側に抜けてしまうのが抑制され、潤滑性流体Ｆは効果的に気筒内周壁２Ａと傾き面４４との間に閉じ込められる。 In particular, in the present embodiment, as described above, since both end portions in the circumferential direction of each groove 41 are closed, the lubricating fluid F that has entered the groove 41 escapes from the groove 41 to the outside in the circumferential direction. The lubricating fluid F is effectively confined between the cylinder inner peripheral wall 2A and the inclined surface 44.
＜ミクロテクスチャ構造部のプロファイル＞
ミクロテクスチャ構造部４０による摺動浮揚の作用を効果的に発現させるためには、溝４１のプロファイルを適正化する必要がある。このプロファイルにおいて重要となるのが、溝４１のミクロ側頂部４２と気筒内周壁２Ａとの間の距離である最小隙間ｈ１と、ミクロ側底部４３と気筒内周壁２Ａとの間の距離である最大隙間ｈ２との比である隙間比ｈ２／ｈ１である。また、最小隙間ｈ１を、最適な範囲に設定することも肝要となる。この点を、図８を参照して説明する。
<Profile of micro-texture structure>
In order to effectively express the action of sliding levitation by the microtexture structure portion 40, the profile of the groove 41 needs to be optimized. What is important in this profile is the minimum gap h1 that is the distance between the micro side top 42 of the groove 41 and the cylinder inner peripheral wall 2A, and the maximum that is the distance between the micro side bottom 43 and the cylinder inner peripheral wall 2A. The gap ratio h2 / h1 is a ratio to the gap h2. It is also important to set the minimum gap h1 within an optimum range. This point will be described with reference to FIG.
図８は、ミクロテクスチャ構造部４０のプロファイルを説明するための模式図である。以下の説明では、所定の被摺動部材Ａの被摺動面ＳＡに沿って、傾き面からなる摺動面ＳＢを有する摺動部材Ｂが摺動方向Ｈ１へ摺動するときについて説明する。摺動面ＳＢは、被摺動面ＳＡに最も近い部分となる頂部Ｐと、頂部Ｐの摺動方向Ｈ１の下流側に配置され被摺動面ＳＡに対して最も遠い底部Ｑとを有し、摺動方向Ｈ１の上流側から下流側に向かって被摺動面ＳＡから徐々に離間する形状を有している。 FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a profile of the microtexture structure portion 40. In the following description, the case where the sliding member B having the sliding surface SB formed of the inclined surface slides in the sliding direction H1 along the sliding surface SA of the predetermined sliding member A will be described. The sliding surface SB has a top portion P that is the portion closest to the sliding surface SA, and a bottom portion Q that is disposed on the downstream side in the sliding direction H1 of the top portion P and is farthest from the sliding surface SA. The shape is gradually separated from the sliding surface SA from the upstream side to the downstream side in the sliding direction H1.
摺動部材Ｂが摺動方向Ｈ１へ速度Ｕで摺動しているとき、摺動面ＳＢと被摺動面ＳＡとの間に生じる摺動浮揚力Ｗは、次の式（１）により求めることができる。 When the sliding member B slides in the sliding direction H1 at the speed U, the sliding levitation force W generated between the sliding surface SB and the sliding surface SA is obtained by the following equation (1). be able to.
式（１）において、ηは摺動面ＳＢと被摺動面ＳＡとの間に介在する潤滑性流体Ｆの粘度、Ｂは摺動面ＳＢの摺動方向の長さ（図８における頂部Ｐから底部Ｑまでの長さ）、Ｃは摺動面ＳＢの摺動方向Ｈ１と直交する方向の長さ（図８の紙面と直交する方向の長さ）、Ｕは摺動面ＳＢの摺動速度である。ｈ１は、最小隙間であって、頂部Ｐと被摺動面ＳＡとの間の距離、つまり、摺動面ＳＢと被摺動面ＳＡとの間の隙間Ｇの最小値である。ｍは、前述の隙間比であって、底部Ｑと被摺動面ＳＡとの間の距離、つまり、隙間Ｇの最大値を最大隙間ｈ２としたときの、最小隙間ｈ１と最大隙間ｈ２との比率であり、ｍ＝ｈ２／ｈ１で表される。 In Equation (1), η is the viscosity of the lubricating fluid F interposed between the sliding surface SB and the sliding surface SA, and B is the length of the sliding surface SB in the sliding direction (the top portion P in FIG. 8). C is a length in a direction perpendicular to the sliding direction H1 of the sliding surface SB (a length in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 8), and U is a sliding of the sliding surface SB. Is speed. h1 is the minimum gap, which is the distance between the top portion P and the sliding surface SA, that is, the minimum value of the gap G between the sliding surface SB and the sliding surface SA. m is the aforementioned gap ratio, and is the distance between the bottom Q and the sliding surface SA, that is, the minimum gap h1 and the maximum gap h2 when the maximum value of the gap G is the maximum gap h2. It is a ratio and is represented by m = h2 / h1.
式（１）において、第２項目を負荷容量係数Ｋｗとすると（Ｋｗ＝６／（ｍ−１）２｛ｌｎｍ−２（ｍ−１）／（ｍ＋１）｝）、摺動浮揚力Ｗはこの負荷容量係数Ｋｗに比例することになる。 In equation (1), if the second item is the load capacity coefficient Kw (Kw = 6 / (m−1) 2 {lnm−2 (m−1) / (m + 1)}), the sliding levitation force W is This is proportional to the load capacity coefficient Kw.
図９は、負荷容量係数Ｋｗと隙間比ｍとの関係を示したグラフである。このグラフに示されるように、摺動浮揚力Ｗは、隙間比ｍが２．２のときに最大となり、隙間比ｍがこの値から離間するほど小さくなる。この知見より、隙間比ｍを２．２近傍に設定すれば高い摺動浮揚力Ｗを得ることができる。具体的には、隙間比ｍを１．５〜５．０の範囲とすることで、摺動浮揚力Ｗを、図９のラインＣ以上とすることができる。この場合、摺動浮揚力Ｗとして、その最大値（隙間比ｍが２．２のときの値）の６０％以上となる高い値を得ることができる。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the load capacity coefficient Kw and the gap ratio m. As shown in this graph, the sliding levitation force W becomes maximum when the gap ratio m is 2.2, and becomes smaller as the gap ratio m is separated from this value. From this finding, a high sliding levitation force W can be obtained if the gap ratio m is set in the vicinity of 2.2. Specifically, by setting the gap ratio m in the range of 1.5 to 5.0, the sliding levitation force W can be made equal to or higher than the line C in FIG. In this case, as the sliding levitation force W, a high value that is 60% or more of the maximum value (value when the gap ratio m is 2.2) can be obtained.
式（１）に基づくと、最小隙間ｈ１が小さいほど摺動浮揚力Ｗは大きくなる。しかし、小さすぎる最小隙間ｈ１は、被摺動面ＳＡと摺動面ＳＢとの間に生じる摩擦係数を大きくする。つまり、最小隙間ｈ１について、前記摩擦係数を小さく抑えることのできる最適な範囲が存在する。前記摩擦係数の大小は、摺動面ＳＢの摺動浮揚時における摩擦の大小に相当し、摩擦係数が小さいほど良好な摺動浮揚が実現できる。この観点から、望ましい最小隙間ｈ１は、０．５μｍ〜２．０μｍの範囲である。ｈ１が２．０μｍを超過すると、上掲の式（１）より、摺動浮揚力Ｗが小さくなる傾向が顕著となる。一方、ｈ１が０．５μｍを下回ると、前記摩擦係数が大きくなり、良好な摺動浮揚を阻害する傾向が顕著となる。 Based on equation (1), the sliding levitation force W increases as the minimum gap h1 decreases. However, the minimum gap h1 that is too small increases the coefficient of friction generated between the sliding surface SA and the sliding surface SB. That is, there exists an optimum range in which the friction coefficient can be kept small for the minimum gap h1. The magnitude of the friction coefficient corresponds to the magnitude of friction during sliding levitation of the sliding surface SB. The smaller the friction coefficient, the better the sliding levitation can be realized. From this viewpoint, the desirable minimum gap h1 is in the range of 0.5 μm to 2.0 μm. When h1 exceeds 2.0 μm, the tendency of the sliding levitation force W to become smaller becomes significant from the above equation (1). On the other hand, when h1 is less than 0.5 μm, the coefficient of friction increases, and the tendency to inhibit good sliding levitation becomes significant.
以上より、スラスト側外周面３１Ｓに設けられたミクロテクスチャ構造部４０のプロファイルの溝４１のプロファイルとしては、
隙間比ｍ＝ｈ２／ｈ１＝１．５〜５．０
の範囲に設定することが望ましい。さらに、
最小隙間ｈ１＝０．５μｍ〜２．０μｍ
の範囲に設定することが望ましい。
最大隙間ｈ２、及び最大隙間ｈ２と最小隙間ｈ１との差分ｈ２−ｈ１である溝深さＤは、ｈ１及びｍが設定されることにより、自ずと決定される。好ましい溝深さＤは、（ｈ１＿ｍｉｎ×ｍ＿ｍｉｎ−ｈ１＿ｍｉｎ）〜（ｈ１＿ｍａｘ×ｍ＿ｍａｘ−ｈ１＿ｍａｘ）より、０．２５μｍ〜８．０μｍの範囲である。
From the above, as the profile of the groove 41 of the profile of the microtextured structure portion 40 provided on the thrust side outer peripheral surface 31S,
Gap ratio m = h2 / h1 = 1.5-5.0
It is desirable to set it within the range. further,
Minimum gap h1 = 0.5 μm to 2.0 μm
It is desirable to set it within the range.
The groove depth D, which is the maximum gap h2, and the difference h2-h1 between the maximum gap h2 and the minimum gap h1, is naturally determined by setting h1 and m. A preferable groove depth D is in the range of 0.25 μm to 8.0 μm from (h1_min × m_min−h1_min) to (h1_max × m_max−h1_max).
なお、望ましい最小隙間ｈ１は、スラスト側外周面３１Ｓおよびピストン５が現に摺動動作（往復動動作）を実行している際に望まれる隙間である。そのため、ピストン５が往復動に伴って熱膨張した状態で前記の最小隙間ｈ１が確保されるよう、常温設計値を定めることが望ましい。 The desirable minimum gap h1 is a gap desired when the thrust side outer peripheral surface 31S and the piston 5 are actually performing a sliding operation (reciprocating operation). Therefore, it is desirable to determine the normal temperature design value so that the minimum gap h1 is ensured in a state where the piston 5 is thermally expanded with reciprocation.
また、気筒内周壁２Ａは、平滑度が高い面であることが望ましい。換言すると、最小隙間ｈ１は、気筒内周壁２Ａの表面粗さよりも大きい値に設定されていることが望ましい。これは、摺動浮揚時において、スラスト側外周面３１Ｓと気筒内周壁２Ａとが接触しないようにするためである。例えば、気筒内周壁２Ａの表面粗さ（算術平均粗さＲａ）が０．６μｍである場合、最小隙間ｈ１を０．５μｍに設定すると、溝４１のミクロ側頂部４２が気筒内周壁２Ａに接触し得る。この接触を回避できるよう、最小隙間ｈ１は、気筒内周壁２Ａの表面粗さの２倍程度以上に設定することが望ましい。 Further, the cylinder inner peripheral wall 2A is desirably a surface having high smoothness. In other words, it is desirable that the minimum gap h1 is set to a value larger than the surface roughness of the cylinder inner peripheral wall 2A. This is to prevent the thrust side outer peripheral surface 31S and the cylinder inner peripheral wall 2A from contacting each other during sliding levitation. For example, when the surface roughness (arithmetic mean roughness Ra) of the cylinder inner peripheral wall 2A is 0.6 μm, the micro side apex 42 of the groove 41 contacts the cylinder inner peripheral wall 2A when the minimum gap h1 is set to 0.5 μm. Can do. In order to avoid this contact, it is desirable that the minimum gap h1 is set to about twice or more the surface roughness of the cylinder inner peripheral wall 2A.
また、複数の溝４１の溝ピッチＬ１は、１μｍ〜１ｍｍの範囲、好ましくは５μｍ〜１００μｍの範囲に設定されていることが望ましい。短すぎる溝ピッチＬ１及び長すぎる溝ピッチＬ１を持つ溝４１からなるミクロテクスチャ構造部４０は、いずれも前述の閉じ込めの作用を良好に発揮することができない。上記の範囲に溝ピッチＬ１を設定することで、大きい浮揚力を発生させることが可能となる。 The groove pitch L1 of the plurality of grooves 41 is desirably set in the range of 1 μm to 1 mm, preferably in the range of 5 μm to 100 μm. None of the microtextured structure portions 40 composed of the grooves 41 having the groove pitch L1 that is too short and the groove pitch L1 that is too long can exhibit the above-described confinement action satisfactorily. By setting the groove pitch L1 in the above range, a large levitation force can be generated.
（２−２）マクロプロファイル
本実施形態では、ピストン５と気筒内周壁２Ａとの摺動抵抗をより一層小さく抑えるために、スカート本体部３１、３２に摺動抵抗を抑えることができるマクロな構造が適用されている。
(2-2) Macro Profile In this embodiment, in order to further reduce the sliding resistance between the piston 5 and the cylinder inner peripheral wall 2A, a macro structure that can suppress the sliding resistance to the skirt body portions 31 and 32. Has been applied.
ここで、ミクロテクスチャ構造部４０は、スカート本体部３１、３２のうちスラスト側スカート本体部３１にのみ設けられており、反スラスト側スカート本体部３２には設けられていないが、前記マクロ構造はスラスト側スカート本体部３１と反スラスト側スカート本体部３２との両方に設けられている。 Here, the micro-texture structure 40 is provided only on the thrust side skirt body 31 of the skirt bodies 31 and 32 and is not provided on the anti-thrust side skirt body 32. It is provided on both the thrust side skirt main body 31 and the anti-thrust side skirt main body 32.
図１０は、図２の一部を拡大した図であってスカート本体部３１、３２周辺を示した断面図である。以下では、主として反スラスト側スカート本体部３２について説明する。 FIG. 10 is an enlarged view of a part of FIG. 2, and is a cross-sectional view showing the periphery of the skirt body portions 31 and 32. Hereinafter, the anti-thrust side skirt main body 32 will be mainly described.
反スラスト側スカート本体部３２の外周面である反スラスト側外周面３２Ｓは、上下方向に沿う断面において、気筒内周壁２Ａ側に張り出す張出形状部Ｍを有している。ここでは、張出形状部Ｍが弓形形状を有する例を示している。また、本実施形態では、反スラスト側外周面３２Ｓ全体が気筒内周壁２Ａ側に張り出しており、この全体が張出形状部Ｍとして機能している。 The anti-thrust side outer peripheral surface 32S, which is the outer peripheral surface of the anti-thrust side skirt main body portion 32, has an overhanging shape portion M that projects to the cylinder inner peripheral wall 2A side in a cross section along the vertical direction. Here, an example in which the projecting shape portion M has an arcuate shape is shown. Further, in the present embodiment, the entire anti-thrust side outer peripheral surface 32S protrudes toward the cylinder inner peripheral wall 2A, and this entire functions as the protruding shape portion M.
張出形状部Ｍは、上下方向の中央部に、最も気筒内周壁２Ａ側に張り出したマクロ側頂部Ｐ１を有し、上下方向の両端部に、最も気筒内周壁２Ａ側への張り出しが小さいマクロ側底部Ｑ１、Ｑ２を有している。なお、図１０等では理解を容易にするために、反スラスト側外周面３２Ｓの弓形形状を大きく誇張して描いており、実際には目視では判別困難なミクロンオーダーの張り出しを有する弓形形状である。 The projecting shape portion M has a macro-side apex P1 that projects to the cylinder inner peripheral wall 2A side at the center in the vertical direction, and a macro that projects to the cylinder inner peripheral wall 2A side at both ends in the vertical direction. It has side bottoms Q1 and Q2. In order to facilitate understanding in FIG. 10 and the like, the arc shape of the anti-thrust side outer peripheral surface 32S is greatly exaggerated and is actually an arc shape having a micron-order overhang that is difficult to visually identify. .
この張出形状部Ｍにおいて、ピストン５が往復動すると、周辺に存在する潤滑性流体Ｆは反スラスト側外周面３２Ｓと気筒内周壁２Ａとの間の隙間Ｇ２に引き込まれる。行き場を失った潤滑性流体Ｆは、反スラスト側外周面３２Ｓと気筒内周壁２Ａとの間を拡大させる方向に抗力を生じさせる。この抗力が、反スラスト側外周面３２Ｓを気筒内周壁２Ａから浮揚させるように作用する。より具体的には、反スラスト側スカート本体部３２に上方向の速度Ｕ２が与えられたときには、上側のマクロ側底部Ｑ２からマクロ側頂部Ｐ１に向かって潤滑性流体Ｆが隙間Ｇ２に入り込み、反スラスト側外周面３２Ｓと気筒内周壁２Ａとの間に摺動浮揚力が生じる。一方、反スラスト側スカート本体部３２に下側の速度Ｕ１が与えられたときには、下側のマクロ側底部Ｑ１からマクロ側頂部Ｐ１に向かって潤滑性流体Ｆが隙間Ｇ２に入り込み、これにより、反スラスト側外周面３２Ｓと気筒内周壁２Ａとの間に摺動浮揚力が生じる。 In this projecting shape portion M, when the piston 5 reciprocates, the lubricating fluid F present in the periphery is drawn into the gap G2 between the anti-thrust side outer peripheral surface 32S and the cylinder inner peripheral wall 2A. The lubricating fluid F that has lost its destination generates a drag in a direction in which the space between the anti-thrust side outer peripheral surface 32S and the cylinder inner peripheral wall 2A is enlarged. This drag acts so that the anti-thrust side outer peripheral surface 32S is levitated from the cylinder inner peripheral wall 2A. More specifically, when an upward velocity U2 is given to the anti-thrust side skirt body 32, the lubricating fluid F enters the gap G2 from the upper macro side bottom Q2 toward the macro side top P1, A sliding levitation force is generated between the thrust side outer peripheral surface 32S and the cylinder inner peripheral wall 2A. On the other hand, when the lower speed U1 is given to the anti-thrust side skirt body 32, the lubricating fluid F enters the gap G2 from the lower macro side bottom Q1 toward the macro side top P1, thereby A sliding levitation force is generated between the thrust side outer peripheral surface 32S and the cylinder inner peripheral wall 2A.
このように、張出形状部Ｍは、反スラスト側外周面３２Ｓの上下方向の全長を利用して摺動浮揚力を発生させるマクロプロファイルを有する面である。 As described above, the projecting shape portion M is a surface having a macro profile that generates a sliding levitation force by using the entire length in the vertical direction of the anti-thrust side outer peripheral surface 32S.
このマクロプロファイルについても、図８、図９及び式（１）に示した技術思想を適用することができる。すなわち、張出形状部Ｍのマクロ側頂部Ｐ１と気筒内周壁２Ａとの間の距離を最小隙間ｈ３とし、マクロ側底部Ｑ１、Ｑ２と気筒内周壁２Ａとの間の距離を最大隙間ｈ４とするとき、その隙間比ｍ＝ｈ４／ｈ３を、１．５〜５．０の範囲に設定することが望ましい。なお、最小隙間ｈ３は、自ずと溝４１についての最小隙間ｈ１と同じく０．５μｍ〜２．０μｍとなる。また、最大隙間ｈ４及び山高さＤＡ（ｈ４−ｈ３）は、最小隙間ｈ３及び隙間比ｍが設定されることにより、自ずと決定される。 The technical concept shown in FIGS. 8, 9 and Equation (1) can also be applied to this macro profile. That is, the distance between the macro-side top portion P1 of the projecting shape portion M and the cylinder inner peripheral wall 2A is the minimum clearance h3, and the distance between the macro-side bottom portions Q1 and Q2 and the cylinder inner peripheral wall 2A is the maximum clearance h4. At this time, it is desirable to set the gap ratio m = h4 / h3 in the range of 1.5 to 5.0. The minimum gap h3 is naturally 0.5 μm to 2.0 μm, similar to the minimum gap h1 for the groove 41. Further, the maximum gap h4 and the peak height DA (h4-h3) are naturally determined by setting the minimum gap h3 and the gap ratio m.
また、このマクロプロファイルに関しても、気筒内周壁２Ａの平滑度は高くされることが望ましい。従って、最小隙間ｈ３は、気筒内周壁２Ａの表面粗さよりも大きい値、例えば、気筒内周壁２Ａの表面粗さの２倍程度以上に設定することが望ましい。 In addition, regarding this macro profile, it is desirable that the smoothness of the cylinder inner peripheral wall 2A be increased. Therefore, the minimum gap h3 is desirably set to a value larger than the surface roughness of the cylinder inner peripheral wall 2A, for example, about twice or more the surface roughness of the cylinder inner peripheral wall 2A.
このように設定された張出形状部Ｍは、前記のように、スラスト側外周面３１Ｓにも設けられている。ただし、スラスト側外周面３１Ｓでは、図１０の破線に示すように、張出形状部Ｍにさらにミクロテクスチャ構造部４０が設けられている。具体的には、張出形状部Ｍのうちマクロ側頂部Ｐ１から上方および下方にわたる領域にミクロテクスチャ構造部４０が設けられており、この部分を拡大した図１１に示すように、気筒内周壁２Ａ側に張り出すスラスト側外周面３１Ｓに対して複数の溝４１が形成されている。 The overhanging shape portion M set in this way is also provided on the thrust side outer peripheral surface 31S as described above. However, on the thrust side outer peripheral surface 31S, as shown by the broken line in FIG. Specifically, the micro-texture structure portion 40 is provided in a region extending from the macro side top portion P1 to the upper side and the lower side in the projecting shape portion M. As shown in FIG. 11 in which this portion is enlarged, the cylinder inner peripheral wall 2A A plurality of grooves 41 are formed on the thrust side outer peripheral surface 31S projecting to the side.
（３）作用等
以上のように、本実施形態では、スラスト側外周面３１Ｓつまりスラスト側に位置するスラスト側スカート本体部３１の外周面３１Ｓにミクロテクスチャ構造部４０が設けられて、このスラスト側外周面３１Ｓに、ピストン５の周方向に延び且つ下側（反燃焼室側）が深く上側（燃焼室側）が浅くなる傾き面４４を有する複数の溝４１が形成されている。
(3) Operation and the like As described above, in the present embodiment, the micro-texture structure portion 40 is provided on the thrust side outer peripheral surface 31S, that is, the outer peripheral surface 31S of the thrust side skirt main body portion 31 positioned on the thrust side. A plurality of grooves 41 having inclined surfaces 44 extending in the circumferential direction of the piston 5 and having a deep lower side (anti-combustion chamber side) and a shallow upper side (combustion chamber side) are formed on the outer peripheral surface 31S.
そのため、前記のように、ピストン５の下降時において、傾き面４４によって潤滑性流体Ｆの流れＦＡを徐々に狭い空間へ閉じ込めてその密度を高め、これによりスラスト側外周面３１Ｓに気筒内周壁２Ａに対する大きな浮揚力を付与することができ、スラスト側外周面３１Ｓと気筒内周壁２Ａとの間の摺動抵抗を低減することができる。 Therefore, as described above, when the piston 5 is lowered, the flow FA of the lubricating fluid F is gradually confined in a narrow space by the inclined surface 44 to increase its density, and thereby the cylinder inner peripheral wall 2A is formed on the thrust side outer peripheral surface 31S. Can be imparted with a large levitation force, and the sliding resistance between the thrust side outer peripheral surface 31S and the cylinder inner peripheral wall 2A can be reduced.
特に、本実施形態では、ミクロ側頂部４２と気筒内周壁２Ａとの隙間を最小隙間ｈ１とし、ミクロ側底部４３と気筒内周壁２Ａとの間の隙間を最大隙間ｈ２として、これらが、ｈ２／ｈ１＝１．５〜５．０、の範囲に設定されている。また、ミクロ側頂部４２と気筒内周壁２Ａとの隙間である最小隙間ｈ１が、ｈ１＝０．５μｍ〜２．０μｍの範囲に設定されている。そのため、スラスト側スカート本体部を気筒の内周壁から一層良好に浮揚させることができ、前記摺動抵抗を格段に低減させることができる。 In particular, in the present embodiment, the gap between the micro-side top portion 42 and the cylinder inner peripheral wall 2A is the minimum gap h1, and the gap between the micro-side bottom portion 43 and the cylinder inner peripheral wall 2A is the maximum gap h2, and these are h2 / The range is set to h1 = 1.5 to 5.0. Further, a minimum gap h1 which is a gap between the micro side apex portion 42 and the cylinder inner peripheral wall 2A is set in a range of h1 = 0.5 μm to 2.0 μm. Therefore, the thrust side skirt main body can be lifted more favorably from the inner peripheral wall of the cylinder, and the sliding resistance can be greatly reduced.
しかも、本実施形態では、スカート本体部３１、３２のうちスラスト側のスカート本体部（スラスト側スカート本体部）３１の外周面３１Ｓであって気筒内周壁２Ａと最も接触しやすい部分にのみミクロテクスチャ構造部４０が設けられている。すなわち、前記のように、燃焼に伴うピストン５の下降時にはスラスト側向きの力Ｆｓが加えられるため、ピストン５はスラスト側に変位しやすく、スラスト側スカート本体部３１の外周面３１Ｓと気筒内周壁２Ａとが最も接触しやすくなる。従って、ミクロサイズの溝を有し比較的加工が難しいミクロテクスチャ構造部４０の加工領域を小さく抑えて作業性およびコストを良好にしつつ、効果的に気筒２とピストン５との摺動抵抗を低減できる。 Moreover, in the present embodiment, the microtexture is only applied to the outer peripheral surface 31S of the thrust side skirt main body portion (thrust side skirt main body portion) 31 of the skirt main body portions 31 and 32 that is most likely to come into contact with the cylinder inner peripheral wall 2A. A structure 40 is provided. That is, as described above, since the thrust-side force Fs is applied when the piston 5 descends due to combustion, the piston 5 is easily displaced to the thrust side, and the outer peripheral surface 31S of the thrust-side skirt body 31 and the cylinder inner peripheral wall 2A is most easily contacted. Accordingly, the sliding resistance between the cylinder 2 and the piston 5 is effectively reduced while the working area and cost are improved by suppressing the machining area of the micro-texture structure portion 40 having a micro-sized groove that is relatively difficult to machine. it can.
特に、本実施形態では、ピストンピン５１の中心軸Ｘ３がピストン５の中心線Ｘ１に対して右側つまり反スラスト側にずれており、前記のようにピストン５はクランク軸７の回転方向と反対方向つまりスラスト側に傾きやすく、スラスト側スカート本体部３１の外周面３１Ｓと気筒内周壁２Ａとがより接触しやすいが、この接触を回避することができる。すなわち、ピストンピン５１の中心軸Ｘ３をピストン５の中心線Ｘ１に対して反スラスト側にずらして前記のように燃焼の爆発力を効果的にクランク軸７に伝達しつつ、前記接触を回避して気筒２とピストンと５の摺動抵抗を低減できる。 In particular, in the present embodiment, the center axis X3 of the piston pin 51 is shifted to the right side, that is, the anti-thrust side with respect to the center line X1 of the piston 5, and as described above, the piston 5 is in the direction opposite to the rotation direction of the crankshaft 7. That is, it is easy to incline toward the thrust side, and the outer peripheral surface 31S of the thrust side skirt main body 31 and the cylinder inner peripheral wall 2A are more likely to contact, but this contact can be avoided. That is, the center axis X3 of the piston pin 51 is shifted to the anti-thrust side with respect to the center line X1 of the piston 5 to effectively transmit the combustion explosive force to the crankshaft 7 as described above, while avoiding the contact. Thus, the sliding resistance between the cylinder 2 and the piston 5 can be reduced.
さらに、本実施形態では、スラスト側外周面３１Ｓと反スラスト側外周面３２Ｓとに、張出形状部Ｍをそれぞれ設けている。そして、張出形状部Ｍが、マクロ側頂部Ｐ１と気筒内周壁２Ａとの隙間を最小隙間ｈ３とし、マクロ側底部Ｑ１、Ｑ２と気筒内周壁２Ａとの間の隙間を最大隙間ｈ４として、これらが、ｈ４／ｈ３＝１．５〜５．０、の範囲に設定されている。特に、本実施形態では、この最小隙間ｈ３が、ｈ３＝０．５μｍ〜２．０μｍの範囲に設定されている。そのため、スラスト側スカート本体部３１の外周面３１Ｓを気筒内周壁２Ａから一層良好に浮揚させることができるとともに、反スラスト側スカート本体部３２の外周面３２Ｓも気筒内周壁２Ａから浮揚させることができ、前記摺動抵抗を格段に低減させることができる。 Furthermore, in this embodiment, the overhang | projection shape part M is provided in the thrust side outer peripheral surface 31S and the anti-thrust side outer peripheral surface 32S, respectively. The projecting shape portion M has a gap between the macro side top portion P1 and the cylinder inner peripheral wall 2A as a minimum gap h3, and a gap between the macro side bottom portions Q1 and Q2 and the cylinder inner peripheral wall 2A as a maximum gap h4. Is set in a range of h4 / h3 = 1.5 to 5.0. In particular, in the present embodiment, the minimum gap h3 is set in a range of h3 = 0.5 μm to 2.0 μm. Therefore, the outer peripheral surface 31S of the thrust side skirt main body 31 can be floated better from the cylinder inner peripheral wall 2A, and the outer peripheral surface 32S of the anti-thrust side skirt main body 32 can also be levitated from the cylinder inner peripheral wall 2A. The sliding resistance can be remarkably reduced.
また、本実施形態では、ミクロテクスチャ構造部４０の溝４１の下側縁部４１Ｄとミクロ側底部４３との間の第１面４５と、溝４１の上側縁部４１Ｕとミクロ側底部４３との間の第２面４４とが、気筒内周壁２Ａに対して傾きを持つ平面であり、且つ、第１面４５が、気筒内周壁２Ａに対して第２面４６よりも大きい傾きを持つ面であり、第２面４６が傾き面４４として機能している。 In the present embodiment, the first surface 45 between the lower edge 41D of the groove 41 of the microtextured structure portion 40 and the micro side bottom 43, the upper edge 41U of the groove 41, and the micro side bottom 43 The second surface 44 is a plane having an inclination with respect to the cylinder inner peripheral wall 2A, and the first surface 45 is a surface having an inclination greater than the second surface 46 with respect to the cylinder inner peripheral wall 2A. In addition, the second surface 46 functions as the inclined surface 44.
そのため、比較的大きい傾きを持つ第１面４５の領域において潤滑性流体Ｆの流れを拡がらせた後、比較的小さい傾きを持つ第２面４６によって潤滑性流体Ｆの流れを徐々に閉じ込めてゆくことができ、ミクロテクスチャ構造部４０およびスラスト側外周面３１Ｓに良好な浮揚力を付与することができる。 Therefore, after spreading the flow of the lubricating fluid F in the region of the first surface 45 having a relatively large inclination, the flow of the lubricating fluid F is gradually confined by the second surface 46 having a relatively small inclination. Thus, a favorable levitation force can be applied to the microtexture structure portion 40 and the thrust side outer peripheral surface 31S.
特に、第１面４５が気筒内周壁２Ａに対して直交する方向に延びるように、つまり、第１面４５の気筒内周壁２Ａに対する傾き角が９０°に設定されており、溝４１の上下方向の幅の大半を、傾き面４４として機能する第２面４６にて構成することができる。従って、潤滑性流体Ｆの閉じ込め効果を高めることができる。 In particular, the inclination angle of the first surface 45 with respect to the cylinder inner peripheral wall 2A is set to 90 ° so that the first surface 45 extends in a direction orthogonal to the cylinder inner peripheral wall 2A. Most of the width can be constituted by the second surface 46 that functions as the inclined surface 44. Therefore, the confinement effect of the lubricating fluid F can be enhanced.
また、複数の溝４１が上下方向に並ぶピッチが、１μｍ〜１ｍｍの範囲に設定されているので、一層大きい浮揚力を発生させることができる。 Further, since the pitch in which the plurality of grooves 41 are arranged in the vertical direction is set in the range of 1 μm to 1 mm, a larger levitation force can be generated.
また、本実施形態では、各溝４１の周方向の両端部分が閉鎖されている。そのため、前記のように、溝４１に入り込んだ潤滑性流体Ｆが溝４１内から周方向の外側に抜けてしまうのが抑制されて、潤滑性流体Ｆが効果的に気筒内周壁２Ａと傾き面４４との間に閉じ込められる。従って、より確実に浮揚力を高めることができる。 Moreover, in this embodiment, the both ends of the circumferential direction of each groove | channel 41 are closed. Therefore, as described above, the lubricating fluid F that has entered the groove 41 is prevented from escaping from the groove 41 to the outside in the circumferential direction, and the lubricating fluid F is effectively separated from the cylinder inner peripheral wall 2A and the inclined surface. 44. Therefore, the levitation force can be increased more reliably.
（４）変形例
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
(4) Modifications Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this.
例えば、ピストンピン５１の中心軸Ｘ３を、ピストン５の中心線Ｘ１と交差するように配置してもよい。 For example, the center axis X3 of the piston pin 51 may be arranged so as to intersect the center line X1 of the piston 5.
また、前記実施形態では、溝４１の摺動方向（上下方向）Ｈ１の断面形状が鋸歯型のものを例示したが、傾き面４４が摺動方向Ｈ１の下流側（下側）が深く上流側（上側）が浅くなる傾向を具備している限りにおいて形状を変形して良い。例えば、底部４３が鋭角的なものとせず、Ｒ面としてもよい。また、傾き面４４が緩やかな凸面又は凹面であっても良い。 In the above embodiment, the groove 41 has a sawtooth shape in the sliding direction (vertical direction) H1, but the inclined surface 44 is deeper on the downstream side (lower side) in the sliding direction H1 and upstream. The shape may be deformed as long as (upper side) has a tendency to become shallow. For example, the bottom 43 may not be an acute angle but may be an R surface. Further, the inclined surface 44 may be a gentle convex surface or a concave surface.
＜変形例１＞
図１２は、変形例１に係るミクロテクスチャ構造部４０ａを備えたスラスト側外周面３１Ｓの断面図である。前記の実施形態では、溝４１の第１面４５が気筒内周壁２Ａに対して直交する方向に延びる平面である例を示した。変形例１では、第１面４５が前記直交する方向から傾いた面である例を示す。
<Modification 1>
FIG. 12 is a cross-sectional view of the thrust side outer peripheral surface 31S provided with the microtexture structure portion 40a according to the first modification. In the above-described embodiment, an example in which the first surface 45 of the groove 41 is a plane extending in a direction orthogonal to the cylinder inner peripheral wall 2A has been described. Modification 1 shows an example in which the first surface 45 is a surface inclined from the orthogonal direction.
ミクロテクスチャ構造部４０ａの溝４１は、その下側縁部４１Ｄである頂部４２と底部４３との間の第１面４５と、上側縁部４１Ｕである頂部４２と底部４３との間の第２面４６とを含む。第１面４５及び第２面４６のいずれも第１摺動面１Ｓに対して傾きを持つ平面である。第１面４５は、第１摺動面１Ｓに対して傾き角θ１を持ち、第２面４６は、第１摺動面１Ｓに対して傾き角θ２を持つ。ここで、第１面４５は、第２面４６よりも大きい傾きを持つ面（θ１＞θ２）である。第１面４５の、第１摺動面１Ｓに対する傾き角θ１の望ましい範囲は、７０°〜９０°である。なお、第２面４６の傾き角θ２は、θ１に対して十分小さいことが望ましく、例えば１０°〜５５°程度の範囲から選択することができる。 The groove 41 of the microtextured structure 40a has a first surface 45 between the top 42 and the bottom 43 that is the lower edge 41D, and a second between the top 42 and the bottom 43 that is the upper edge 41U. Surface 46. Both the first surface 45 and the second surface 46 are flat surfaces that are inclined with respect to the first sliding surface 1S. The first surface 45 has an inclination angle θ1 with respect to the first sliding surface 1S, and the second surface 46 has an inclination angle θ2 with respect to the first sliding surface 1S. Here, the first surface 45 is a surface (θ1> θ2) having a larger inclination than the second surface 46. A desirable range of the inclination angle θ1 of the first surface 45 with respect to the first sliding surface 1S is 70 ° to 90 °. The inclination angle θ2 of the second surface 46 is preferably sufficiently small with respect to θ1, and can be selected from a range of about 10 ° to 55 °, for example.
第１面４５は、気筒内周壁２Ａに対して直交する平面であることが望ましいが、前記の制限の範囲で前記直交する方向に対して傾いた平面であってもよい。このような第１面４５を持つ溝４１であれば、潤滑性流体Ｆの層流（流れＦＡ）がスラスト側外周面３１Ｓと気筒内周壁２Ａとの間の隙間Ｇ１を流入方向Ｈ２に沿って流れる際、比較的大きい傾き角θ１を持つ第１面４５の領域において急に前記層流の幅が拡がり、比較的小さい傾き角θ２を持つ第２面４６（傾き面４４）によって徐々に前記層流が閉じ込められてゆくという動作が繰り返される。このような層流の動作によって、良好な浮揚力が生成される。 The first surface 45 is preferably a plane orthogonal to the cylinder inner peripheral wall 2A, but may be a plane inclined with respect to the orthogonal direction within the above-mentioned range. If the groove 41 has such a first surface 45, the laminar flow (flow FA) of the lubricating fluid F passes through the gap G1 between the thrust side outer peripheral surface 31S and the cylinder inner peripheral wall 2A along the inflow direction H2. When flowing, the width of the laminar flow suddenly expands in the region of the first surface 45 having a relatively large inclination angle θ1, and the layer gradually increases by the second surface 46 (inclination surface 44) having a relatively small inclination angle θ2. The operation of confining the flow is repeated. A good levitation force is generated by the operation of the laminar flow.
＜変形例２＞
図１３は、変形例２に係るミクロテクスチャ構造部４０ｂを備えたスラスト側外周面３１Ｓの断面図である。前記の実施形態では、複数の溝４１が摺動方向（上下方向）Ｈ１に密に連設されている例を示した。変形例２では、隣接する溝４１間にプラトー（ｐｌａｔｅａｕ）が設けられている例を示す。
<Modification 2>
FIG. 13 is a cross-sectional view of the thrust side outer peripheral surface 31S provided with the microtexture structure portion 40b according to the second modification. In the above-described embodiment, the example in which the plurality of grooves 41 are closely connected in the sliding direction (vertical direction) H1 has been described. In the second modification, an example in which a plateau is provided between adjacent grooves 41 is shown.
ミクロテクスチャ構造部４０ｂは、複数の溝４１と、隣接する溝４１の間に配置されたプラトー部４９とを含む。プラトー部４９は、気筒内周壁２Ａと略平行な平面である。プラトー部４９は、一の溝４１の上側縁部４１Ｕとなる頂部４２と、前記一の溝４１の上側に隣接する溝４１の下側縁部４１Ｄとの間に延びる平面である。この場合、溝ピッチＬ１は、摺動方向Ｈ１における溝４１の上側縁部４１Ｕ〜下側縁部４１Ｄの長さである溝幅Ｌ２と、プラトー部４９の長さとが加算されたものとなる。このように、溝間にプラトー部４９が存在している態様であっても、プラトー部４９が溝幅Ｌ２に対して長すぎるものでない限り、浮揚力を発生させることができる。 The microtextured structure part 40 b includes a plurality of grooves 41 and a plateau part 49 disposed between the adjacent grooves 41. The plateau part 49 is a plane substantially parallel to the cylinder inner peripheral wall 2A. The plateau part 49 is a flat surface extending between the top part 42 which becomes the upper edge part 41U of one groove 41 and the lower edge part 41D of the groove 41 adjacent to the upper side of the one groove 41. In this case, the groove pitch L1 is obtained by adding the groove width L2, which is the length of the upper edge 41U to the lower edge 41D of the groove 41 in the sliding direction H1, and the length of the plateau portion 49. Thus, even if the plateau part 49 exists between the grooves, the levitation force can be generated as long as the plateau part 49 is not too long with respect to the groove width L2.
プラトー部４９は平滑度が高い面であることが望ましい。プラトー部４９は、最小隙間ｈ１を規定する頂部４２と同じ高さ位置にある面であり、その平滑度が低いと第１摺動面１Ｓとの接触が問題になるからである。この場合、ミクロ側頂部４２と気筒内周壁２Ａとの間の最小隙間ｈ１は、気筒内周壁２Ａの表面粗さと、プラトー部４９の表面粗さとを合算した合算表面粗さよりも大きい値に設定されることが望ましい。例えば、気筒内周壁２Ａ及びプラトー部４９の算術平均粗さＲａがいずれも０．５μｍである場合、最小隙間ｈ１はこれらの合算表面粗さ１μｍを越える値、好ましくは２倍以上の値に設定することが望ましい。 The plateau portion 49 is desirably a surface having high smoothness. This is because the plateau portion 49 is a surface at the same height as the top portion 42 that defines the minimum gap h1, and if the smoothness is low, contact with the first sliding surface 1S becomes a problem. In this case, the minimum gap h1 between the micro side top portion 42 and the cylinder inner peripheral wall 2A is set to a value larger than the total surface roughness obtained by adding the surface roughness of the cylinder inner peripheral wall 2A and the surface roughness of the plateau portion 49. It is desirable. For example, when the arithmetic average roughness Ra of the cylinder inner peripheral wall 2A and the plateau part 49 is both 0.5 μm, the minimum gap h1 is set to a value that exceeds these combined surface roughnesses 1 μm, preferably a value that is twice or more. It is desirable to do.
２ 気筒
２Ａ 気筒内周壁（気筒の内周面）
５ ピストン
３０ スカート部
３１ スラスト側スカート本体部
３１Ｓ スラスト側外周面（スラスト側スカート本体部の外周面）
３２ 反スラスト側スカート本体部
３２Ｓ 反スラスト側外周面（反スラスト側スカート本体部の外周面）
４０ ミクロテクスチャ構造部
４１ 溝
４２ ミクロ側頂部
４３ ミクロ側底部
４４ 傾き面
Ｍ 張出形状部
Ｆ 潤滑性流体
Ｌ１ 溝ピッチ
Ｐ１ マクロ側頂部
Ｑ１、Ｑ２ マクロ側底部
2 cylinders 2A cylinder inner wall (cylinder inner surface)
5 Piston 30 Skirt portion 31 Thrust side skirt main body portion 31S Thrust side outer peripheral surface (outer peripheral surface of thrust side skirt main body portion)
32 Anti-thrust side skirt main body 32S Anti-thrust side outer peripheral surface (outer peripheral surface of anti-thrust side skirt main body)
40 Micro-textured structure portion 41 Groove 42 Micro-side top portion 43 Micro-side bottom portion 44 Inclined surface M Overhang shape portion F Lubricating fluid L1 Groove pitch P1 Macro-side top portion Q1, Q2 Macro-side bottom portion
Claims (6)
前記ピストンは、燃焼室の下面を構成するピストンヘッドと、当該ピストンヘッドから下方に延びるスカート部とを備え、
前記スカート部は、前記ピストンピンの軸および前記気筒の中心軸と直交する方向についてスラスト側に位置するスラスト側スカート本体部と反スラスト側に位置する反スラスト側スカート本体部とを備え、
前記スラスト側スカート本体部および反スラスト側スカート本体部は、前記気筒の内周面と隙間をおいて対峙し且つ当該内周面に対して上下方向に摺動する外周面を備え、
前記気筒の内周面と前記スカート部の外周面との間には潤滑性流体が介在され、
前記スラスト側スカート本体部の外周面と前記反スラスト側スカート本体部の外周面とは、上下方向に沿った断面において前記気筒の内周面側に張り出す張出形状部をそれぞれ有し、
前記スラスト側スカート本体部の外周面は、さらに、ピストンの周方向に延びる複数の溝からなるミクロテクスチャ構造部を含み、
前記張出形状部は、当該張出形状部の上下方向の中央に設けられて前記気筒の内周面に最も近い部分をマクロ側頂部、当該張出形状部の上下方向の両端部に設けられて前記気筒の内周面から最も遠い部分をマクロ側底部とし、前記マクロ側頂部における前記隙間を最小隙間ｈ３、前記マクロ側底部における前記隙間を最大隙間ｈ４とするとき、
ｈ４／ｈ３＝１．５〜５．０、
の範囲に設定されており、
前記ミクロテクスチャ構造部の前記溝の各々は、前記ピストンの周方向に延び且つ下側が深く上側が浅くなる傾き面を有し、
前記ミクロテクスチャ構造部の前記溝の、前記気筒の内周面に最も近い部分をミクロ側頂部、最も遠い部分をミクロ側底部とし、前記ミクロ側頂部と前記気筒の内周面との間の隙間を最小隙間ｈ１とし、前記ミクロ側底部と前記気筒の内周面との間の隙間を最大隙間ｈ２とするとき、
ｈ２／ｈ１＝１．５〜５．０、
の範囲に設定されており、
前記ミクロテクスチャ構造部は、前記スラスト側スカート本体部の外周面に設けられた前記張出形状部のうちの上下方向の中央部分にのみ形成されており、
前記反スラスト側スカート本体部の外周面は、ミクロテクスチャ構造部を具備しない外周面であることを特徴とする往復動ピストンエンジン。 In a reciprocating piston engine comprising a piston that reciprocates up and down in a cylinder and a connecting rod that is slidably connected to the piston around the axis of the piston pin via a piston pin.
The piston includes a piston head constituting a lower surface of the combustion chamber, and a skirt portion extending downward from the piston head,
The skirt portion includes a thrust side skirt body portion positioned on the thrust side in a direction orthogonal to the axis of the piston pin and the central axis of the cylinder, and an anti-thrust side skirt body portion positioned on the anti-thrust side,
The thrust side skirt main body and the anti-thrust side skirt main body have an outer peripheral surface that faces the inner peripheral surface of the cylinder with a gap and slides vertically with respect to the inner peripheral surface,
A lubricating fluid is interposed between the inner peripheral surface of the cylinder and the outer peripheral surface of the skirt portion,
The outer peripheral surface of the thrust side skirt main body portion and the outer peripheral surface of the anti-thrust side skirt main body portion each have a protruding shape portion that protrudes toward the inner peripheral surface side of the cylinder in a cross section along the vertical direction,
The outer peripheral surface of the thrust side skirt main body further includes a microtextured structure portion including a plurality of grooves extending in the circumferential direction of the piston,
The overhanging portion is provided at the center in the vertical direction of the overhanging shape portion, and is provided at the top portion on the macro side closest to the inner peripheral surface of the cylinder, and at both ends in the vertical direction of the overhanging shape portion. When the portion farthest from the inner peripheral surface of the cylinder is the macro side bottom, the gap at the macro side top is the minimum gap h3, and the gap at the macro side bottom is the maximum gap h4.
h4 / h3 = 1.5-5.0,
Is set to the range of
Each of the grooves of the microtextured structure portion has an inclined surface extending in the circumferential direction of the piston and deeper on the lower side and shallower on the upper side,
A portion of the groove of the microtextured structure portion that is closest to the inner peripheral surface of the cylinder is a micro side top portion, and a farthest portion is a micro side bottom portion, and a gap between the micro side top portion and the inner peripheral surface of the cylinder Is the minimum gap h1, and the gap between the micro side bottom and the inner peripheral surface of the cylinder is the maximum gap h2.
h2 / h1 = 1.5-5.0,
Is set to the range of
The microtextured structure part is formed only at the center part in the vertical direction of the projecting shape part provided on the outer peripheral surface of the thrust side skirt main body part,
A reciprocating piston engine, wherein an outer peripheral surface of the anti-thrust side skirt main body portion is an outer peripheral surface that does not include a microtextured structure portion.
前記ミクロテクスチャ構造部の前記溝は、当該溝の下側の開口縁と前記ミクロ側底部との間の第１面と、当該溝の上側の開口縁と前記ミクロ側底部との間の第２面と、を含み、
前記第１面及び前記第２面は前記気筒の内周面に対して傾きを持つ平面であって、
前記第１面は、前記気筒の内周面に対して前記第２面よりも大きい傾きを持つ面であり、
前記第２面が前記傾き面である、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。 The reciprocating piston engine according to claim 1 ,
The groove of the microtextured structure portion includes a first surface between the lower opening edge of the groove and the micro side bottom, and a second surface between the upper opening edge of the groove and the micro side bottom. And including a surface,
The first surface and the second surface are flat surfaces inclined with respect to the inner peripheral surface of the cylinder,
The first surface is a surface having a larger inclination than the second surface with respect to the inner peripheral surface of the cylinder,
A reciprocating piston engine, wherein the second surface is the inclined surface.
前記第１面は、前記気筒の内周面に対する傾き角が７０°〜９０°の範囲に設定されている、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。 The reciprocating piston engine according to claim 2 ,
2. The reciprocating piston engine according to claim 1, wherein an inclination angle of the first surface with respect to an inner peripheral surface of the cylinder is set in a range of 70 ° to 90 °.
前記複数の溝が上下方向に並ぶピッチは、１μｍ〜１ｍｍの範囲に設定されている、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。 The reciprocating piston engine according to any one of claims 1 to 3 ,
A reciprocating piston engine characterized in that a pitch in which the plurality of grooves are arranged in the vertical direction is set in a range of 1 μm to 1 mm.
前記複数の溝は、前記ピストンの周方向の両端部分が閉鎖されるように前記スラスト側スカート本体部の外周面のうち前記ピストンの周方向の中央部分に設けられている、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。 In the reciprocating piston engine of any one of Claims 1-4 ,
The plurality of grooves are provided in a central portion in the circumferential direction of the piston in an outer peripheral surface of the thrust side skirt body so that both end portions in the circumferential direction of the piston are closed. A reciprocating piston engine.
前記ピストンピンの軸は、当該軸と直交する断面において、前記ピストンの中心軸よりも反スラスト側に位置する、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。
The reciprocating piston engine according to any one of claims 1 to 5 ,
The reciprocating piston engine according to claim 1, wherein a shaft of the piston pin is located on a side opposite to the thrust side of a central axis of the piston in a cross section orthogonal to the shaft.
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