JP6451775B2 - 往復動ピストンエンジン - Google Patents

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。

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。

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。

特開２０１６−１２１５９７号公報

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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）。

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。

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）。

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。

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）。

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。

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）。

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。

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。

往復動ピストンエンジンの、気筒軸に沿い且つクランク軸と直交する方向の概略断面図である。 図１の要部拡大図であって、シリンダブロック及びピストンの断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 スラスト側スカート本体部の周辺を拡大して示した概略斜視図である。 図２の一部を拡大して示した図である。 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。 ミクロテクスチャ構造部における潤滑性流体の流れを模式的に示した断面図である。 ミクロテクスチャ構造部のプロファイルを説明するための模式図である。 第１摺動面と第２摺動面との間の最小隙間と最大隙間との比である隙間比と、負荷容量係数との関係を示すグラフである。 図２の一部を拡大した断面図である。 スラスト側スカート摺動面の一部を拡大した断面図である。 変形例１に係るミクロテクスチャ構造部を示した断面図である。 変形例２に係るミクロテクスチャ構造部を示した断面図である。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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。
2. 請求項１に記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
   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、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。
3. 請求項２に記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
   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、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
   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、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
   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、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
   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、ことを特徴とする往復動ピストンエンジン。