JP6615742B2 - エンジンのピストン - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのピストンに係り、詳しくは、スカート部に樹脂皮膜とそれらの間に形成される凹部とを備えたものにおいて、凹部へのエンジンオイルの供給を改善することができるエンジンのピストンに関するものである。

従来、図５に示されるように、エンジンのピストンとして、スカート部１０１の表面に、樹脂皮膜１０２と凹部１０３とを備えたものがある。(例えば、特許文献１参照)

この種のピストンによれば、樹脂皮膜１０２でスカート部１０１のプロフィールが最適化され、ピストンスラップ音が低減されるとともに、凹部１０３に溜まったエンジンオイルでスカート部１０１の摩擦が低減される利点がある。

しかしながら、この従来技術では、図５に示されるように、一連の樹脂皮膜１０２にスポット状に複数の凹部１０３が配置されているため、エンジンオイルによるスカート部の摩擦低減機能が不十分であった。

即ち、図５に示されるように、一連の樹脂皮膜１０２にスポット状に複数の凹部１０３が配置されているため、凹部１０３が樹脂皮膜１０２に囲まれ、凹部１０３へのエンジンオイルの供給が困難である。このため、凹部１０３に十分な量のエンジンオイルが保持されず、エンジンオイルによるスカート部１０１の摩擦低減機能が不十分であった。

特許第４７４９３９９号公報(図１参照)

本発明の目的は、樹脂皮膜が施されているピストンにおいて、さらなる鋭意研究により、凹部へのエンジンオイルの供給を改善することができる、エンジンのピストンを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、エンジンのピストンにおいて、
スカート部１の表面に分散配置されている斑点状の樹脂皮膜２と、隣り合う前記斑点状の樹脂皮膜２，２どうしの間の前記スカート部１の表面１ａ及び前記隣り合う樹脂皮膜２，２により形成される凹部３と、によりなる網目状溝４が設けられ、
前記斑点状の樹脂皮膜２は、ピストン移動方向６の下手側が細くなった先細り六角形状に設定されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のエンジンのピストンにおいて、
スラスト側１２ａの前記スカート部１に形成されている前記樹脂皮膜２は、ピストン移動方向で反ピストンヘッド部１２Ａ側が細い先細り六角形状に形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載のエンジンのピストンにおいて、
反スラスト側１２ｂの前記スカート部１に形成されている前記樹脂皮膜２は、ピストン移動方向でピストンヘッド部１２Ａ側が細い先細り六角形状に形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のエンジンのピストンにおいて、
前記樹脂皮膜２の先細り角度θが２０〜３０度に設定されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジンのピストンにおいて、
前記スカート部１におけるピストン周方向の端部には、ピストン移動方向６に延びる外縁形状の樹脂皮膜２ｂが形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、網目状溝により、スカート部の表面が複数個に分かれてテクスチャリングされることにより、オイルの上下方向（ピストン移動方向）通路を設けることができ、オイルを各部により有効に供給することができる。
加えて、斑点状の樹脂皮膜が、ピストン移動方向の下手側が細くなった先細り六角形状に設定されているので、ピストンの移動に伴って、オイルが凹部に集まり易くなり、動圧効果が高まるようになる。従って、ピストンとシリンダとの摩擦係数が下がってフリクションロスが減り、パワー向上や燃費改善が可能になるとともに、耐久性も向上するようになる。

その結果、樹脂皮膜が施されているピストンにおいて、さらなる鋭意研究により、凹部へのエンジンオイルの供給を改善してフリクション低減が可能となるエンジンのピストンを提供することができる。

シリンダに内嵌されたピストンなどを示す縦断面図 スラスト側の樹脂皮膜を示し、（ａ）はピストンの側面図、（ｂ）は要部のコーティングパターンを示す図 反スラスト側の樹脂皮膜を示し、（ａ）はピストンの側面図、（ｂ）は要部のコーティングパターンを示す図 斑点状の樹脂皮膜の形状の説明図 従来技術に係るエンジンのピストンの側面図

以下に、本発明によるエンジンのピストンの実施の形態を、立形ディーゼルエンジンのピストンについて、図面を参照しながら説明する。各図において、簡単のため、円筒面であるスカート部１の樹脂皮膜２は、いずれも展開した形状として描いてある。以下、潤滑油であるエンジンオイルは、単にオイルと略称する。

立形ディーゼルエンジン及びそのピストンは、図１に示されるように、シリンダブロック（図示省略）におけるシリンダ１４の上部にシリンダヘッド１５が組み付けられており、ピストン１２は、シリンダ１４に内嵌され、ピストン１２にコネクティングロッド１６を介してクランク軸１７が連動連結されている。
シリンダヘッド１５には、吸気弁１８と排気弁１９と燃料インジェクタ２０が取り付けられている。

図１〜図３に示されるように、このピストン１２は、ピストンリング１３（図２では図示省略）が装備されるピストンヘッド部１２Ａと、その下方のピストンロワー部１２Ｂとを有している。
ピストンロワー部１２Ｂは、ピストンヘッド部１２Ａのような円筒形ではなく、ピストン移動方向６の方向視で円弧面を呈するスカート部１の一対と、それらの間のピン連結部１２ｐとを備える異形部分である。
スカート部１は、スラスト側１２ａと反スラスト側１２ｂとのそれぞれに位置する状態に形成されている。

スカート部１は、図１〜図３に示されるように、ピストン移動方向６でクランク軸側の端縁が傾斜している周方向端部１Ａ，１Ａと、それらの間で、かつ、クランク軸側に突出した周方向中央部１Ｂとを有する形状に形成されている。つまり、スカート部１は、ピストン周方向８で中央に寄るに従って下方に延びる形状に設定されている。図１は、ピストン１２が下方に移動中の状態を描いたものである。なお、２６は、ピストンリング１３（図１を参照）を装着するための周溝であり、２７はオイル孔である。

ピストン１２のスカート部１の表面１ａには、樹脂皮膜２と、樹脂皮膜２により形成される凹部３とを備えている。ピストン１２本体の素材には、鋳鉄またはアルミ合金等の金属が用いられている。樹脂皮膜２には、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂が用いられている。樹脂皮膜２には、遷移金属酸化物、グラファイト等の無機固体潤滑剤が含まれている。
次に、スカート部１に施されている樹脂皮膜２や凹部３、或いは樹脂皮膜２のコーティングパターンなどについて説明する。

図２（ａ），（ｂ）や図３（ａ），（ｂ）に示されるように、スカート部１の表面１ａに斑点状の樹脂皮膜２ａ（樹脂皮膜２の一例）が分散配置され、隣り合う斑点状の樹脂皮膜２ａどうしの間のスカート部１の表面１ａと、隣り合う斑点状の樹脂皮膜２ａ，２ａとにより形成される凹部３により網目状溝４が形成されている。網目状溝４は、斑点状の樹脂皮膜２ａ，２ａの間に形成され、その内底面は、斑点状の樹脂皮膜２ａで覆われていないスカート部１の金属表面１ａで形成されている。

スカート部１に形成されている斑点状の樹脂皮膜２ａ及び凹部３は、ピストン１２のスラスト側１２ａと反スラスト側１２ｂとに存在している。スラスト側１２ａとは、爆発工程においてクランク軸１７の回転方向とコネクティングロッド１６の傾斜とによりピストン１２が下降する時に、爆発圧力でピストン１２がシリンダ１４に押し付けられる側を言い、反スラスト側１２ｂはその反対側を言う。

図２，３に示されるように、斑点状の樹脂皮膜２ａは六角形状に形成されており、隣り合う斑点状の樹脂皮膜２ａ，２ａが若干の隙間（＝凹部３＝網目状溝４）を空けて縦横に規則正しく配列する状態でピストン１２の表面１ａに形成されている。
従って、隣り合う斑点状の樹脂皮膜２ａ，２ａは、ピストン移動方向６及びピストン周方向８には互いに重なる状態に配列されている。図２（ａ）の例では、斑点状の樹脂皮膜２ａはピストン移動方向６に、周方向端部１Ａでは５個（又は６個）並び、周方向中央部１Ｂでは７個（又は６個）並んでいる。つまり、多数の亀の甲形状の樹脂皮膜２ａが縦横に配列されている樹脂皮膜２のコーティングパターンである。

斑点状の樹脂皮膜２ａの複数が、スカート部１のピストン周方向８に所定間隔を置いて配置されて樹脂皮膜列５を形成しており、その樹脂皮膜列５の複数がピストン周方向に半ピッチずらしてピストン移動方向６に配列されており、それによって千鳥格子状に複数列配置されている。
樹脂皮膜列５の隣り合う斑点状の樹脂皮膜２ａ，２ａどうしの間に形成される溝部分７（＝凹部３）のピストン移動方向６側の両端開口部７ａ，７ｂは、ピストン移動方向６で隣り合う樹脂皮膜列５の斑点状の樹脂皮膜２ａ、詳しくは、斑点状の樹脂皮膜２ａにおけるピストン周方向８の中心に対向する構成とされている。

そして、図２，３に示されるように、スカート部１におけるピストン周方向８の双方の端部（＝周方向端部１Ａの端部）には、ピストン移動方向６に延びる外縁形状の樹脂皮膜２ｂが形成されている。外縁形状の樹脂皮膜２ｂは、ピストン移動方向６に長い矩形の帯状部分９に、斑点状の樹脂皮膜２ａの横半分部１０をピストン移動方向６に一つ飛びで３つ足して一体化したような、ピストン移動方向６に長くて大きい樹脂皮膜２に形成されている。

外縁形状の樹脂皮膜２ｂのピストン移動方向６の長さである縦長さＬは、スカート部１のピストン周方向の端部でのピストン移動方向長さの全域に亘る程度に設定されている。詳しくは、縦長さＬは、ピストン移動方向６に並ぶ５つの樹脂皮膜列５に亘る長さであって、周方向端部１Ａの端部におけるピストン１２の表面１ａのピストン移動方向６の全長Ｄ〔図２（ａ）や図３（ａ）を参照〕より少し短い長さである。

ピストン１２においては、スカート部１の広域に亘って、オイルの保持領域を形成することができる。スカート部１の表面１ａに、斑点状の樹脂皮膜２ａの多数が分散配置され、斑点状の樹脂皮膜２ａどうしの間に形成される凹部３で網目状溝４が形成されているので、スカート部１の広域に亘って、オイルの保持領域を形成することができる。

スカート部１のピストン周方向８で隣り合う斑点状の樹脂皮膜２ａどうしの間に形成される凹部３が、ピストン移動方向６で別の斑点状の樹脂皮膜２ａと隣り合う状態に設定されているので、ピストン１２の往復移動によって凹部３の両端開口部から流出するオイルがピストン移動方向６で隣の斑点状の樹脂皮膜２ａに衝突し、凹部３からのエンジンオイルの流出が抑制され、網目状溝４のオイル保持機能を高めることができる。

スカート部１の表面１ａが複数個に分かれてテクスチャリングされることにより、オイルの上下方向（ピストン移動方向６）通路を設けることができ、オイルを各部により有効に供給することができる。ピストン移動方向６で隣り合う樹脂皮膜列５，５どうしをピストン周方向８に互いに位置ずれさせて千鳥格子状に配置してあるので、ピストン１２の往復運動を利用して凹部３にオイルを積極的に供給することができる。

そして、スカート部１における樹脂皮膜２，２ａ，２ｂのコーティングでなる網目状溝４のピストン周方向８の両端部が、外縁状の樹脂皮膜２ｂで閉鎖されているから、スカート部１に導入されたオイルがピストン周方向に逃げ難くなり、スカート部１に（主に網目状溝４に）オイルが保持され易くなる。スカート部１のピストン周方向８の両端部の剛性が大きい箇所である場合には、樹脂皮膜２をシリンダライナと接触させられる。

また、オイルをスカート部１に効率良く保持できるので、オイルによる流体膜には正圧が発生し、摺動面を浮上させ、フリクション低減が図れ、従って、燃費低減の効果が期待できる。また、エンジンの耐焼き付き性も向上するようになる。特に、寒冷時でもオイル保持ができる利点もある。なお、外縁形状の樹脂皮膜２ｂを持たないピストンでも良い。

次に、樹脂皮膜２ａの形状について補足説明する。図２〜図４に示されるように、多数の斑点状の樹脂皮膜２ａは、ピストン移動方向６の下手側が細くなった先細り六角形状に設定されている。
つまり、図４に示されるように、樹脂皮膜２ａは、正六角形におけるピストン移動方向６で下手側の二つの辺２１，２２をそれらの外側から少しずつ短くされて、左右対称で先細り六角形状に設定されている。具体的には、ピストン移動方向６に沿う二つの辺２３，２４によりなされる挟み角、即ち先細り角度θが２０〜３０度（２０度≦θ≦３０度）に設定されている。好ましくは、θは２４〜２６度に設定されている。

図２（ａ），（ｂ）に示されるように、スラスト側１２ａのスカート部１は、爆発によってピストン１２が下降移動する際にシリンダ１４に強く押し付けられるので、樹脂皮膜２ａは、反ピストンヘッド部１２Ａ側（コネクティングロッド側）が細くなる先細り六角形に形状設定されている。

ピストン１２が下降移動するときには、ピストン周方向８の幅が広くなった網目状溝４（凹部３）の側からオイルが凹部３に集まり易くなり、動圧効果（へリングボーン形状による動圧効果）が高まる。従って、ピストン１２とシリンダ１４との摩擦係数が下がってフリクションロスが減り、パワー向上や燃費改善が可能になるとともに、耐久性も向上するようになる。この動圧効果によるフリクション低減効果は、次の述べる反スラスト側１２ｂにおいても同様に得ることができる。

図３（ａ），（ｂ）に示されるように、反スラスト側１２ｂのスカート部１は、ピストンが上昇移動移動する際にシリンダ１４に押し付けられるので、樹脂皮膜２ａは、ピストンヘッド部１２Ａ側（反コネクティングロッド側）が細くなる先細り六角形に形状設定されている。つまり、スラスト側１２ａのスカート部１の樹脂皮膜２ａとは先細り向きが互いに真逆の関係になっている。

〔別実施形態〕
斑点状の樹脂皮膜２ａや樹脂皮膜２の先細り六角形は、ピストン移動方向６に長いものでも良いし、反対に短いものでも良い。また、スカート部１における配置場所（周方向の端部など）によっては、先細り角度θが左右非対称に設定されることも考えられる。

１ スカート部
１ａ 表面
２ 樹脂皮膜
２ａ 斑点状の樹脂皮膜
２ｂ 外縁形状の樹脂皮膜
３ 凹部
４ 網目状溝
６ ピストン移動方向
１２Ａ ピストンヘッド部
１２ａ スラスト側
１２ｂ 反スラスト側
θ 先細り角度

Claims (5)

1. スカート部の表面に分散配置されている斑点状の樹脂皮膜と、隣り合う前記斑点状の樹脂皮膜どうしの間の前記スカート部の表面及び前記隣り合う樹脂皮膜により形成される凹部と、によりなる網目状溝が設けられ、
   前記斑点状の樹脂皮膜は、ピストン移動方向の下手側が細くなった先細り六角形状に設定されているエンジンのピストン。
2. スラスト側の前記スカート部に形成されている前記樹脂皮膜は、ピストン移動方向で反ピストンヘッド部側が細い先細り六角形状に形成されている請求項１に記載のエンジンのピストン。
3. 反スラスト側の前記スカート部に形成されている前記樹脂皮膜は、ピストン移動方向でピストンヘッド部側が細い先細り六角形状に形成されている請求項１に記載のエンジンのピストン。
4. 前記樹脂皮膜の先細り角度が２０〜３０度に設定されている請求項１〜３の何れか一項に記載のエンジンのピストン。
5. 前記スカート部におけるピストン周方向の端部には、ピストン移動方向に延びる外縁形状の樹脂皮膜が形成されている請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジンのピストン。

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