JP6579027B2 - 内燃機関のシリンダボア壁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダボア壁に関するものである。

往復運動を行なうピストンに取付けられたピストンリングとシリンダボア壁との間における往復摩擦を低減する従来の技術として、たとえば、特開２０１０−２３６４４４号公報（特許文献１）に開示されるものが知られている。

特開２０１０−２３６４４４号公報

特許文献１の技術は、シリンダボア壁における、ピストンが上死点にある時の最下位のピストンリングのリング溝の下面位置からピストンが下死点にある時の最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の行程中央部領域に、複数の凹部を面積率が１〜８０％となるように形成するというものである。

ところで、特許文献１に開示されるような単純形状の凹部をシリンダボア壁に多数形成すると、ピストンリングとシリンダボア壁の往復摩擦は低減されるものの、ピストンリングとシリンダボア壁の間に形成される油膜に圧力を発生させる部分（凹部以外の部分）の面積が少なくなるため、面圧が上昇して油膜の厚さが薄くなる。その結果、ピストンリングとシリンダボア壁との間の潤滑に必要な油膜を確保することが難しくなる。油膜不足になると、ピストンリングとシリンダボア壁との間の潤滑状態が流体潤滑から境界潤滑となり、摩擦抵抗の増加および焼き付きが発生する。従って、従来の構成では、十分な油膜を確保するために、シリンダボア壁に形成することができる凹部の面積率が制限されており、往復摩擦を十分に低減することができなかった。

そこで、この発明は上記の問題点を解決するためになされたものである。この発明は、ピストンとシリンダボア壁との間の流体潤滑を維持しつつ、両部材の往復摩擦を低減することが可能な内燃機関のシリンダボア壁を提供することを目的とする。

この発明に従った内燃機関のシリンダボア壁のピストンが摺動する摺動表面には複数の複合凹部が形成されており、複数の複合凹部は、それぞれ、第一凹部と、第一凹部に連続して第一凹部を取り囲む第二凹部と、を備え、第二凹部は、ピストンに嵌合するピストンリングとの間で動圧効果を発生するように摺動表面に連続する楔状部分を有し、摺動表面からの第二凹部の深さは摺動表面からの前記第一凹部の深さよりも浅い。

このように構成された内燃機関のシリンダボア壁では、第一凹部に連続して第一凹部を取り囲むように、第一凹部よりも浅い第二凹部が設けられるため、第二凹部において油膜を確保することができる。そのため、ピストンとシリンダボア壁との間の流体潤滑を維持することができる。さらに、第二凹部は、ピストンに嵌合するピストンリングとの間で動圧効果を発生するように設けられるため、シリンダボア壁とピストンの往復摩擦を低減することが可能である。

好ましくは、複合凹部は、第一凹部と第二凹部との境界部で表面の傾斜が不連続に変化し、境界部における摺動表面に対する第一凹部の表面の傾斜角は摺動表面に対する第二凹部の表面の傾斜角よりも大きい。この場合、第二凹部の表面の傾斜が小さくなるため、第二凹部で確実に油膜を確保することができる。

好ましくは、複数の複合凹部はピストンの上死点から下死点までの摺動範囲に対応するシリンダボア壁の部分に設けられ、ピストンの上死点に対応して設定される上死点領域またはピストンの下死点に対応して設定される下死点領域において形成される複数の複合凹部の密度は、上死点領域と下死点領域の間に設定される中間領域において形成される複数の複合凹部の密度よりも低い。この場合、ピストンスピードが遅い上死点および下死点付近で複合凹部の数が少なくなるため、十分な油膜を確保することができる。ピストンスピードが速い上死点および下死点間で複合凹部が多いため油膜をせん断しやすい。その結果、抵抗を低減することができる。

好ましくは、複数の複合凹部はピストンの上死点から下死点までの摺動範囲に対応するシリンダボア壁の部分に設けられ、ピストンの上死点に対応して設定される上死点領域またはピストンの下死点に対応して設定される下死点領域において形成される複数の第二凹部の摺動表面からの深さは、上死点領域と下死点領域の間に設定される中間領域において形成される複数の第二凹部の摺動表面からの深さより浅い。この場合、ピストンスピードが遅い上死点および下死点付近では第二凹部の摺動表面からの深さが浅くなるため、十分な油膜を確保することができる。

好ましくは、第二凹部の摺動表面からの深さは第一凹部と第二凹部との境界部分で最も深い。

好ましくは、第二凹部の摺動表面からの深さは第一凹部と第二凹部との境界から離れた部分で最も深い。

上記の構成によれば、ピストンとシリンダボア壁との間の流体潤滑を維持しつつ、両部材の往復摩擦を低減することが可能な内燃機関のシリンダボア壁を提供することができる。

ピストンの斜視図である。 図１中の矢印ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図２中のＩＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。 第一凹部および第二凹部の深さを示すシリンダボア壁の断面図である。 シリンダの一部断面を含む斜視図である。 移動するピストンリングとシリンダボア壁上での油膜との関係を示す断面図である。 実施の形態２に従ったシリンダボア壁の断面図である。 実施の形態３に従ったシリンダボア壁の断面図である。 実施の形態４に従ったシリンダボア壁の斜視図である。 実施の形態５に従ったシリンダボア壁の斜視図である。

（実施の形態１）
以下、本発明の各実施形態に係るシリンダボア壁について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。また、各実施の形態を組み合わせることも可能である。

図１は、ピストンの斜視図である。図１で示すように、ピストン１は、ピストントップ２を有するピストントップ２には、燃焼室を構成する凹部４が設けられている。なお、ピストン１はディーゼルエンジン用またはガソリンエンジン用のいずれであってもよい。

ピストン１の側面には、ランド１０と、ピストンリング溝１１，１２，１３が設けられている。ピストンリング溝１１，１２，１３は環状であり、各々のピストンリング溝１１，１２，１３には、ピストンリングが嵌合する。ピストンリング溝１１，１２にはコンプレッションリングが嵌合し、ピストンリング溝１３にオイルリングが嵌合する。

図２は、図１中の矢印ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図２で示すように、ランド１０にはシリンダボア壁１００が対向する。ピストンリング溝１１にピストンリング２０が嵌合している。シリンダボア壁１００は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンのいずれのシリンダボア壁１００であってもよい。

図３は、図２中のＩＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。図３で示すように、シリンダボア壁１００には複合凹部１１０が形成されている。複合凹部１１０は、中央に位置する第一凹部１１１と、第一凹部１１１を取り囲む第二凹部１１２とを備える。ピストンリング２０の幅Ｗ１よりもバレルフェースの幅Ｗ２は狭い。この例では、第一凹部１１１の幅Ｗ３は、第二凹部１１２の幅Ｗ４よりも広いように記載されているが、第一凹部１１１の幅Ｗ３は第二凹部１１２の幅Ｗ４よりも狭くてもよい。

オイル１０１がシリンダボア壁１００の摺動表面１００ａ、第一凹部１１１および第二凹部１１２内を潤滑している。オイル１０１は摺動表面１００ａとピストンリング２０との間に介在することで、ピストンリング２０が摺動表面１００ａに対して滑らかに摺動することを助ける。

第二凹部１１２は第一凹部１１１に比較して摺動表面１００ａからの深さが浅い凹部であり、摺動表面１００ａに連続して設けられている。このため、第二凹部１１２と摺動表面１００ａとの境界近傍には楔状部分１１２ａが形成される。楔状部分１１２ａを形成する第二凹部１１２の表面は、摺動表面１００ａに対してわずかに傾斜した面、即ち、摺動表面１００ａとのなす角である傾斜角が小さい面を備えている。従って、第二凹部１１２の楔状部分１１２ａ上をピストンリング２０が通過する際に、楔状部分１１２ａに保持するオイル１０１に動圧効果が発生する。具体的には、ピストン１が往復動動作すると、シリンダボア壁１００を摺動するピストンリング２０によって、楔状部分１１２ａとピストンリング２０との間のオイル１０１の膜（以下、油膜とも称する）に正圧が発生する。そして、その油膜には、ピストンリング２０をシリンダボア壁１００の表面から浮上させる力が発生する。つまり、楔状部分１１２ａにおけるシリンダボア壁１００とピストンリング２０との潤滑状態は流体潤滑状態となる。その結果、楔状部分１１２ａとピストンリング２０との間に十分な量のオイル１０１の膜を確保でき、摩擦抵抗の増加を抑制することができる。

図４は、第一凹部および第二凹部の深さを示すシリンダボア壁の断面図である。図４で示すように、第一凹部１１１の深さＤ１は、第二凹部１１２の深さＤ２よりも深い。深い凹部である第一凹部１１１によってオイル１０１の膜が分断されるので、ピストンリング２０が移動する際の油膜のせん断力が不要となり、摩擦力を低減することができる。第二凹部１１２は浅い凹部であるため、第二凹部の端部（第二凹部と摺動面との境界付近）が楔状となる。この楔状の部分の動圧効果により、第二凹部１１２とピストンリング２０との間に油圧を発生させることが可能である。

シリンダボア壁１００は、第一の深さＤ１の第一凹部１１１と、第一凹部１１１に連続して第一凹部１１１を取り囲む、第二の深さＤ２の第二凹部１１２とを備える。第一の深さＤ１は第二の深さＤ２よりも深い。第一の深さＤ１および第２の深さＤ２は、摺動表面１００ａからの深さである。第二凹部１１２は、ピストン１に嵌合するピストンリング２０との間で動圧効果を発生するように摺動表面１００ａに連続する楔状部分１１２ａを有する。第一凹部１１１と第二凹部１１２との境界１２１では、表面の傾斜が不連続に変化し、境界１２１近傍で摺動表面１００ａに対する第一凹部１１１の表面の傾斜角は第二凹部１１２の表面の傾斜よりも大きい。第二凹部１１２の深さＤ２は第一凹部１１１と第二凹部１１２との境界１２１部分で最も深い。

複数の第一凹部１１１の第一の深さＤ１は、それぞれ異なっていてもよい。複数の第二凹部１１２の第二の深さＤ２は、それぞれ異なっていてもよい。複数の第一凹部１１１の大きさは、それぞれ異なっていてもよい。複数の第二凹部１１２の大きさは、それぞれ異なっていてもよい。

図５は、シリンダの一部断面を含む斜視図である。図５で示すように、シリンダボア壁１００の摺動表面１００ａに複数の複合凹部１１０が配置されている。複合凹部１１０は、シリンダボア壁１００の上下方向に列を形成するように配置されている。すなわち、複数の複合凹部１１０は格子状に配置されている。複合凹部１１０は、ピストンリング２０と摺動する部分に設けられる。

図６は、移動するピストンリングとシリンダボア壁上での油膜との関係を示す断面図である。図６で示すように、ピストンリング２０は、第一凹部１１１および第二凹部１１２上を矢印２１で示す方向に移動する。この状態で、第一凹部１１１とピストンリング２０との間に隙間が形成される。その結果、第一凹部１１１において油膜が分断される。ピストンリング２０の移動時に油膜をせん断する必要がなく、摩擦力が低減される。ピストンリング２０の第二凹部１１２はステップ形状または傾斜形状であるため、マイクロ動圧効果により第二凹部１１２において油膜圧力が上昇する。第二凹部１１２とピストンリング２０との間で油膜を形成しやすくすることにより、境界潤滑状態での摺動となることを防止できる。

第一凹部１１１および第二凹部１１２は、たとえば、ショットピーニングにより形成される。さらに、シリンダボア壁１００はシリンダライナとして、シリンダブロックと別に構成されてもよい。シリンダライナは、たとえば、鉄合金またはアルミニウム合金により構成される。

シリンダライナを用いずにシリンダブロックによりシリンダボア壁１００を構成してもよい。この場合、シリンダボア壁１００の耐摩耗性を高めるために、シリンダボア壁１００の組成が、シリンダブロック本体の組成と異なっていてもよい。

以上のように構成された実施の形態１に従ったシリンダボア壁１００では、第二凹部１１２の効果により、摺動条件が厳しい上死点および下死点付近まで第一凹部１１１を形成することができる。その結果第一凹部１１１による油膜のせん断力低減の効果をピストンリング２０の上下工程の広範囲にて得られる。そのため、低摩擦力化が可能となり、低燃費を実現することができる。

第二凹部１１２を設けるため油膜を確保しやすくなる。その結果、焼き付きに対するロバスト性が向上する。

特許文献１（特開２０１０−２３６４４４号公報）では、凹部の面積比の上限は８０％であった。これに対して、実施の形態１に従った複合凹部１１０には第二凹部１１２が存在し、第二凹部１１２の動圧効果によって複合凹部１１０の面積比を大きくすることができる。具体的には、複合凹部１１０の面積比が８０％を超えても油膜を確保することができる。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に従ったシリンダボア壁の断面図である。図７で示すように、第二凹部１１２の深さＤ２は第一凹部１１１と第二凹部１１２との境界１２１から離れた部分で最も深い。第二凹部１１２の最も深い位置から測定した境界１２１の高さはＡとなる。このように、第二凹部１１２をＵ字形状とすることで、第二凹部１１２によりオイルを保持しやすくなる。

具体的には、第二凹部１１２の油膜がピストンリング２０からの圧力を受けても逃げにくい。そのため、ピストンリング２０の移動方向が上側および下側のいずれであっても油圧の発生を促進し、より油膜を確保しやすい。

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３に従ったシリンダボア壁の断面図である。図８で示すように実施の形態３に従ったシリンダボア壁１００は、第三凹部１１３を有する。第三凹部１１３は、隣接する二つの第二凹部１１２の間に設けられる。第三凹部１１３の深さは第一凹部１１１の深さよりも浅い。第二凹部１１２と第三凹部１１３との間は楔形状となる。

このように構成されたシリンダボア壁１００では楔形状の数を増やすことによって動圧効果が得られる領域を増加させることができる。その結果、油膜を確保しやすくなる。

（実施の形態４）
図９は、実施の形態４に従ったシリンダボア壁の斜視図である。図９で示すように、複数の複合凹部１１０は、シリンダボア壁１００の摺動表面１００ａに千鳥状に配置されている。千鳥状に配置することにより、格子状に配置する場合と比較して、高密度に複数の複合凹部１１０を配置することができる。

複合凹部１１０を高密度に配置することで油膜を形成しやすくなり、ピストンリング２０とシリンダボア壁１００との間の摩擦を低減できる。

（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５に従ったシリンダボア壁の斜視図である。図１０で示すように、実施の形態５に従ったシリンダボア壁１００では、上死点に対応する上死点領域１００Ｔおよび下死点に対応する下死点領域１００Ｂ付近では複合凹部１１０の密度（単位面積あたりの複合凹部１１０の数）が低く、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂの間において複合凹部１１０の密度が高い。

すなわち、複数の複合凹部１１０はピストン１の上死点から下死点までの摺動範囲に対応するシリンダボア壁１００の部分に設けられる。ピストン１の上死点領域１００Ｔに対応して設定される上死点領域またはピストン１の下死点に対応して設定される下死点領域１００Ｂにおいて形成される複数の複合凹部１１０の密度は、上死点領域と下死点領域の間に設定される中間領域において形成される複数の複合凹部１１０の密度よりも低い。

ピストンスピードは上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂでゼロであり、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂの中間地点で最も速い。そのため、ピストンスピードが遅い部分で複合凹部１１０を少なくし、ピストンスピードが速い部分で複合凹部１１０を多くしている。

ピストンスピードが速い部分で複合凹部１１０を多くすることによりピストンリング２０とシリンダボア壁１００との間の油膜をせん断しやすくなる。その結果、抵抗を軽減することが可能となる。ピストンスピードが遅い部分で複合凹部１１０を少なくすることにより、油膜を確保している。

なお、すべての部分で複合凹部１１０の密度を一定にして、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂ付近では第二凹部１１２の深さが低く、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂの間において第二凹部１１２の深さが深くてもよい。図１０で示すように、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂ付近では複合凹部１１０の密度（単位面積あたりの複合凹部１１０の数）が低く、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂの間において複合凹部１１０の密度が高く、かつ、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂ付近では第二凹部１１２の深さが低く、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂの間において第二凹部１１２の深さが深くてもよい。

すなわち複数の複合凹部１１０はピストン１の上死点から下死点までの摺動範囲に対応するシリンダボア壁１００の部分に設けられ、ピストン１の上死点に対応して設定される上死点領域１００Ｔまたはピストンの下死点に対応して設定される下死点領域１００Ｂにおいて形成される複数の第二凹部１１２の深さは、上死点領域１００Ｔと下死点領域１００Ｂの間に設定される中間領域において形成される複数の第二凹部１１２の深さより浅い。

ピストンスピードは上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂでゼロであり、上死点領域１００Ｔおよび下死点領域１００Ｂの中間地点で最も速い。そのため、ピストンスピードが遅い部分で複合凹部１１０の第二凹部１１２を浅くし、ピストンスピードが速い部分で複合凹部１１０の第二凹部１１２を深くしている。

ピストンスピードが速い部分で複合凹部１１０の第二凹部１１２を深くすることによりピストンリング２０とシリンダボア壁１００との間の油膜をせん断しやすくなる。その結果、抵抗を軽減することが可能となる。ピストンスピードが遅い部分で複合凹部１１０の第二凹部１１２を浅くすることにより、油膜を確保している。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、車両に搭載される内燃機関のシリンダボア壁の分野において用いることができる。

１ ピストン、２ ピストントップ、４ 凹部、１０ ランド、１１，１２，１３ ピストンリング溝、２０ ピストンリング、１００ シリンダボア壁、１００ａ 摺動表面、１００Ｂ 下死点領域、１００Ｔ 上死点領域、１０１ オイル、１１０ 複合凹部、１１１ 第一凹部、１１２ 第二凹部、１１３ 第三凹部、１２１ 境界。

Claims (6)

1. 内燃機関のシリンダボア壁であって、
   前記シリンダボア壁のピストンが摺動する摺動表面には複数の複合凹部が形成されており、
   前記複数の複合凹部は、それぞれ、
   中央に位置する第一凹部と、
   前記第一凹部に連続して前記第一凹部を取り囲む第二凹部と、を備え、
   前記第二凹部は、前記ピストンに嵌合するピストンリングとの間で動圧効果を発生するように前記摺動表面に連続する楔状部分を有し、前記摺動表面からの前記第二凹部の深さは前記摺動表面からの前記第一凹部の深さよりも浅い、内燃機関のシリンダボア壁。
2. 前記複合凹部は、前記第一凹部と前記第二凹部との境界部で表面の傾斜が不連続に変化しており、前記境界部における前記摺動表面に対する前記第一凹部の表面の傾斜角は前記摺動表面に対する前記第二凹部の表面の傾斜角よりも大きい、請求項１に記載の内燃機関のシリンダボア壁。
3. 前記複数の複合凹部は前記ピストンの上死点から下死点までの摺動範囲に対応する前記シリンダボア壁の部分に設けられ、
   前記ピストンの上死点に対応して設定される上死点領域または前記ピストンの下死点に対応して設定される下死点領域において形成される前記複数の複合凹部の密度は、前記上死点領域と前記下死点領域の間に設定される中間領域において形成される前記複数の複合凹部の密度よりも低い、請求項１または請求項２に記載の内燃機関のシリンダボア壁。
4. 前記複数の複合凹部は前記ピストンの上死点から下死点までの摺動範囲に対応する前記シリンダボア壁の部分に設けられ、
   前記ピストンの上死点に対応して設定される上死点領域または前記ピストンの下死点に対応して設定される下死点領域において形成される前記複数の第二凹部の前記摺動表面からの深さは、前記上死点領域と前記下死点領域の間に設定される中間領域において形成される前記複数の第二凹部の前記摺動表面からの深さより浅い、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関のシリンダボア壁。
5. 前記第二凹部の前記摺動表面からの深さは前記第一凹部と前記第二凹部との境界部分で最も深い、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関のシリンダボア壁。
6. 前記第二凹部の前記摺動表面からの深さは前記第一凹部と前記第二凹部との境界から離れた部分で最も深い、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関のシリンダボア壁。

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