JP2017203408A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの下降時の摩擦を低減することが可能なピストンを提供することを目的とする。【解決手段】ピストンスカート１４のうち少なくともスラスト側のピストンスカート１４の外周面には、ピストンスカート１４の周方向に延びる複数の条痕２１が設けられており、複数の条痕２１は、それぞれ、ピストン１０の往復に沿って互いに距離を隔てて配置される２つの角部２８と、２つの角部２８の間に設けられて潤滑油を保持する潤滑油保持溝２７と、潤滑油保持溝２７のピストン上昇方向側端部に隣接配置された傾斜部２６と、を有し、傾斜部２６は、ピストンスカート１４の下降方向端部に近づくにつれてシリンダボアの内面から遠さかるように、２つの角部２８を結ぶ直線２５に対して０°を超え６°以下の傾斜角を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンに関して、より特定的には、ピストンスカートに条痕が設けられたピストンに関するものである。

ピストンスカートの外周面に複数の条痕を設けることで潤滑性を高めた従来のピストンが、たとえば、特開２００８−２３２１７２号公報（特許文献１）、特開２０１１−２２０２６７号公報（特許文献２）、特開平１０−１０３５１１号公報（特許文献３）に開示されている。

特許文献１には、外周面に条痕が複数形成されたピストンスカートにおいて、隣り合う条痕の間に平坦面を設け、ピストンにスラスト力が働いた場合にこれを平坦面で受け止める構成が開示されている。

特許文献２には、シリンダボア内を往復動する際に広い摺動面積を確保するためにピストンスカートの外周面に断面円弧状の突起部が複数形成されたピストンが開示されている。

特許文献３には、ピストンスカートの外周面に断面が末広がりテーパ状の周溝が多段に形成されるとともに、隣りあう周溝の間に平坦部が形成されたピストンが開示されている。

特開２００８−２３２１７２号公報 特開２０１１−２２０２６７号公報 特開平１０−１０３５１１号公報

シリンダボア内を往復動するピストンを備える内燃機関において、ピストンとシリンダボア壁（以下、ボア壁とも称する）との間の摺動摩擦損失が最も大きくなるタイミングは膨張行程の前半である。これは、燃焼室での燃料の爆発によりピストンが大きなスラスト荷重を受けてボア壁に押し付けられるためである。従って、膨張行程の前半、即ち、ピストン下降行程の初期においてピストンとシリンダボアの間の摺動面における摩擦力を低減することができれば、１サイクルにおける摩擦仕事を低減することができる。

そこで、この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ピストン下降時の摺動摩擦損失を減少させることが可能なピストンを提供することを目的とする。

この発明に従ったピストンは、内燃機関のシリンダボアの内面に対して潤滑油を介して摺動するピストンであって、ピストンは、ピストンスカートを有し、ピストンスカートのうち少なくともスラスト側のピストンスカートの外周面には、ピストンスカートの周方向に延びる複数の条痕が設けられており、複数の条痕は、それぞれ、ピストンの往復運動方向に沿って互いに距離を隔てて配置される２つの角部と、２つの角部の間に設けられて潤滑油を保持する潤滑油保持溝と、潤滑油保持溝のピストン上昇方向側端部に隣接配置された傾斜部と、を有し、傾斜部は、ピストンスカートの下降方向端部に近づくにつれてシリンダボアの内面から遠さかるように、２つの角部を結ぶ直線に対して０°を超え６°以下の傾斜角を有する。

このように構成されたピストンでは、くさび効果（動圧効果）によってピストンスカートとシリンダボア壁との間の摺動摩擦損失を減少させることができる。具体的には、潤滑油保持溝には潤滑油が保持されている。ピストンが下降する際に潤滑油保持溝内の潤滑油は、傾斜部とシリンダボア壁との間に形成される狭い空間部へと流れる。その空間部に圧力が発生しピストンをシリンダボア壁から浮かせた流体潤滑状態にする。潤滑油の進入場所がくさびのような形状をしているので、この現象をくさび効果（動圧効果）という。つまり、シリンダボア壁に対するピストンスカートの傾斜部の動きを利用して潤滑油に運動エネルギーを付与し、その運動エネルギーにより、シリンダボア壁とピストンスカートとの間で流体潤滑状態を維持することが可能となる。

好ましくは、傾斜角は１°以上３°以下である。この場合、動圧効果を最大にすることが可能となる。

好ましくは、潤滑油保持溝は、断面形状が円弧形状の溝部を有する。この場合、潤滑油保持溝の断面形状が円弧形状であるため潤滑油保持溝から傾斜部へスムーズに潤滑油が流れる。なお、「円弧形状」とは、真円度／円弧の半径が１０％以下であることをいう。真円度は、ＪＩＳ Ｂ７４５１：１９９７の真円度測定機により測定される。

好ましくは、前記複数の条痕は連続して設けられ、１つの前記条痕の前記傾斜部のピストン上昇方向側端部に隣接して別の前記条痕の前記潤滑油保持溝が設けられる。さらに、条痕が連続して設けられるため、多くの傾斜部を形成することができる。その結果、ピストンの下降工程において、より大きな動圧効果を得ることができる。

この発明に従えば、ピストンの下降工程でピストンのスカートで動圧効果を発生させることができる。その結果、ピストンのスカートとボア壁との間での摩擦仕事を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係るピストンの一部断面図を含む正面図である。 図１中のＩＩで囲んだ部分を拡大して示すピストン、およびそのピストンに対向するボア壁の断面図である。 図２中の１つの条痕を拡大して示す断面図である。 傾斜部の傾斜角θと、ピストンの下降時における角部による潤滑油の掻き落とし量との関係を示すグラフである。 傾斜部の傾斜角θと、ピストンの下降時に傾斜部とボア壁との間で発生する動圧との関係を示すグラフである。 レシプロエンジンのクランク角とピストン速度との関係を示すグラフである。 レシプロエンジンの膨張工程においてピストンへ加わる力を示す模式図である。 実施の形態２に従ったピストンに設けられた条痕と、ボア壁とを示す断面図である。 実施の形態３に従ったピストンに設けられた条痕と、ボア壁とを示す断面図である。 実施の形態４に従ったピストンに設けられた条痕と、ボア壁とを示す断面図である。

以下、本発明の各実施形態に係るピストン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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るピストンの一部断面図を含む正面図である。図２は、図１中のＩＩで囲んだ部分を拡大して示すピストン、およびそのピストンに対向するボア壁の断面図である。

図１で示すように、ピストン１０は、ランド１２およびピストンスカート１４を有する。ランド１２にはピストンリング溝１１ａ，１１ｂおよびオイルリング溝１１ｃが設けられる。ピストン１０には、ピストンピンを挿入するための貫通孔１３が設けられる。ピストン１０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。さらに、ピストン１０は筒内に直接燃料を噴射するエンジン用、吸気ポート内で燃料を噴射するエンジン用のいずれであってもよい。図１において、ピストンスカート１４に斜線を付した部分は、ピストンスカート１４の断面を示す。矢印１０ｕはピストン１０の上昇方向を示す。矢印１０ｄはピストン１０の下降方向を示す。ピストン１０は、シリンダボア内において、矢印１０ｕと矢印１０ｄで示す方向に往復運動をする。上昇方向とはピストン１０が燃焼室に近づく方向であり、下降方向とは、ピストン１０がクランクシャフトに近づく方向である。

図２では、仮想的に、ピストン１０に対面するボア壁１０１を記載している。図２で示すようにピストンスカート１４には、複数の条痕２１が設けられる。各々の条痕２１は、傾斜部２６と、傾斜部２６に連なる溝２７とを有する。傾斜部２６は図２で示す断面において、直線２５に対して傾斜している。直線２５は、１つの角部２８と別の角部２８とを結ぶ。１つの条痕２１において、上側（矢印１０ｕで示す側）に傾斜部２６が位置し、下側（矢印１０ｄで示す側）に溝２７が位置している。各々の条痕２１の間に角部２８が位置している。

この実施の形態では、複数の条痕２１が連続して設けられている。すなわち、１つの条痕２１に隣接するように別の条痕２１が設けられる。しかしながら、複数の条痕２１は、必ずしも連続して設けられる必要はない。ある条痕２１に隣接するように条痕２１以外の形状（たとえば平坦面）が設けられて、その平坦面に隣接するように別の条痕２１が設けられてもよい。

図３は、図２中の１つの条痕を拡大して示す断面図である。図４は、傾斜部の傾斜角θと、ピストンの下降時における角部による潤滑油の掻き落とし量との関係を示すグラフである。ピストン１０の下降時には、傾斜部２６が中心軸１０ｃに対してなす傾斜角θにより、角部２８がボア壁１０１の潤滑油を掻き落とす量が変化する。傾斜角θが小さければ角部２８が潤滑油を掻き落とす量は少なくなる。傾斜角θが６°以下であれば、油膜を保持できる。傾斜角θが６°を超えると、角部２８によるボア壁１０１の潤滑油を掻き落とす量が大きくなり過ぎる。

傾斜部２６の下側に傾斜部２６と溝２７との境界部２６ａが設けられている。境界部２６ａでは、傾斜部２６および溝２７の傾斜が不連続に変化する。境界部２６ａより上側（矢印１０ｕで示す方向側）が傾斜部２６である。

傾斜部２６の下側、即ち、境界部２６ａの下側には断面形状が円弧形状である溝２７が設けられている。円弧形状の溝２７は、傾斜部２６のようにピストン１０が上昇する工程において、ピストン１０に動圧を発生させることはないが、そもそもピストン１０の上昇工程では爆発工程に起因するスラスト荷重が発生しないため動圧を発生させる必要が無い。

条痕２１は、概円弧状の溝２７と、概直線状の傾斜部２６を有する。傾斜部２６の上端部が下端部よりボア壁１０１側にあり、直線２５に対してなす角度θが０°を超え６°以下である。溝２７と傾斜部２６が交互に繰り返される。１つの条痕２１は、２つの角部２８の間に設けられる。

ピストン１０のピストンスカート１４には、ピストンスカート１４の周方向（ピストンリング溝１１ａ，１１ｂが延びる方向に沿った方向）に延びる少なくとも１つの条痕２１が設けられており、条痕２１は、ピストンの往復運動方向に平行な断面において傾斜部２６を有し、傾斜部２６は、ピストンスカート１４の下部に近づくにつれてピストン１０の中心軸１０ｃに近づくように、ピストン１０の中心軸１０ｃに対して０°を超え６°以下の傾斜角θを有する。

ピストンスカート１４のうち少なくともスラスト側のピストンスカート１４の外周面には、ピストンスカート１４の周方向に延びる複数の条痕２１が設けられており、複数の条痕２１は、それぞれ、ピストンの往復に沿って互いに距離を隔てて配置される２つの角部２８と、２つの角部２８の間に設けられて潤滑油を保持する潤滑油保持溝としての溝２７と、溝２７のピストン上昇方向側端部に隣接配置された傾斜部２６とを有する。傾斜部２６は、ピストンスカート１４の下降方向端部に近づくにつれてシリンダボアの内面としてのボア壁１０１から遠さかるように、２つの角部２８を結ぶ直線２５に対して０°を超え６°以下の傾斜角θを有する。

図５は、傾斜部の傾斜角θと、ピストンの下降時に傾斜部とボア壁との間で発生する動圧との関係を示すグラフである。図５で示すように傾斜部２６の傾斜角θを変化させると、傾斜部２６で発生する動圧が変化する。傾斜角θが０°を超え６°以下であれば十分な動圧が発生していることが分かる。傾斜角θが１°以上３°以下であれば、より大きな動圧が発生することが分かる。

図６は、レシプロエンジンのクランク角とピストン速度との関係を示すグラフである。図７は、レシプロエンジンの膨張工程においてピストンへ加わる力を示す模式図である。図６および図７で示すように、クランク角に応じてピストン１０の速度は変化する。ピストン１０はシリンダ１０１内で上下運動（往復運動）をする。ピストン１０の貫通孔１３にピストンピン１５が挿入されている。ピストンピン１５には、コネクティングロッド１６が回動可能に取り付けられている。コネクティングロッド１６は、ベアリング１７ａによりクランクシャフト１７ｂに接続されている。

図６のクランク角が０°のときはピストン１０は上死点に位置している。膨張行程（クランク角が０°以降）では、ピストン１０は、矢印１０ａで示す方向から力を受けて下方向に押し下げられる。その際、コネクティングロッド１６から矢印１３ａで示す方向の反力を受けるこの反力は矢印１３ｂで示す第一成分と、矢印１３ｃで示す第二成分とに分解される。第一成分の作用によりピストン１０はスラスト側へ押し付けられる。さらに下降時には矢印１０ｒで示す方向に回動する。

図２および図３の傾斜部２６を設けることで、ピストン１０が下方向に移動したときに図５で示す動圧が傾斜部２６とボア壁１０１との間で発生する。その結果、ピストン１０とボア壁１０１との間で流体潤滑が維持されるため、境界潤滑となった場合と比較して摩擦力が低下する。これにより燃費を向上させることができる。

より具体的には、溝２７は潤滑油を保持し焼き付きを防止する。傾斜部２６を設けることにより、ピストン１０が下降工程に差し掛かった際に、傾斜部２６とボア壁１０１との間にくさび効果で動圧を発生させる。そのため、傾斜部２６を持たないピストンと比較して、下降工程開始時において短時間でピストンスカート１４の潤滑状態を境界潤滑から流体潤滑に移行させることができる。その結果、摩擦仕事を低減できる。

膨張行程では、ピストン１０は図５のように燃焼室の爆発圧力（矢印１０ａ）を受けて下方に押し下げられる。その際にコネクティングロッド１６から受ける反力のスラスト成分（矢印１３ｂ）により、ピストンは右回り（矢印１０ｒ）に回りながらスラスト側に押し付けられる。押し付けられた状態で下降するため、膨張行程では他の行程より大きな摩擦が発生しやすい。しかしながら、傾斜部２６での動圧効果により、摩擦の発生を抑制することができる。また、ピストンの速度は、図６のクランク角０°の上死点で０であり、そこから加速する。上死点近傍では速度が遅い状態で大きなスラスト荷重を受けるため、ピストンスカート１４とボア壁１０１の油膜が薄くなり、境界潤滑になりやすい。傾斜部２６での動圧効果により、早期に境界潤滑から流体潤滑へ移行させることができる。

つまり、上記の構成を採用することで従来のピストンよりも短時間でピストンスカート１４の潤滑状態を境界潤滑から流体潤滑に移行させることができる。その結果、摩擦仕事（損失）が低減され、熱効率向上、燃費低減、出力およびトルク向上を図ることができる。

また、信頼性面でも、ピストンスカート１４の摩耗低減、ボア壁１０１の摩耗低減の効果を奏することができる。

（実施の形態２）
図８は、実施の形態２に従ったピストンに設けられた条痕と、ボア壁とを示す断面図である。図８で示すように、実施の形態２に従ったピストン１０のピストンスカート１４では、図８のピストンの往復運動方向に平行な断面において傾斜部１２６が曲線で構成されており、溝２７と傾斜部１２６との境界部１２６ａは変曲点となっている。境界部１２６ａの前後において、傾斜部１２６および溝１２７の傾斜が連続的に変化する。

境界部１２６ａから上側（矢印１０ｕ側）が傾斜部１２６であり、傾斜部１２６のどの部分においても直線２５に対する傾斜角θは０°を超え６°以下である。このように構成されたピストン１０でも、実施の形態１のピストン１０と同様の効果がある。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に従ったピストンに設けられた条痕と、ボア壁とを示す断面図である。図９で示すように、実施の形態３に従ったピストン１０のピストンスカート１４は、図９のピストンの往復運動方向に平行な断面において傾斜部２６が直線部分を有する。傾斜部２６と溝２７の境界部２６ａは滑らかに傾斜している。すなわち、傾斜部２６から溝２７へ遷移する部分において傾斜部２６および溝２７の傾斜が連続的に変化する。

境界部１２６ａから上側（矢印１０ｕ側）が傾斜部１２６であり、傾斜部１２６のどの部分においても直線２５に対する傾斜角θは０°を超え６°以下である。このように構成されたピストン１０でも、実施の形態１のピストン１０と同様の効果がある。

（実施の形態４）
図１０は、実施の形態４に従ったピストンに設けられた条痕と、ボア壁とを示す断面図である。図１０で示すように、実施の形態４に従ったピストン１０のピストンスカート１４は、図１０のピストンの往復運動方向に平行な断面において溝２７が直線部分を有する。

境界部１２６ａから上側（矢印１０ｕ側）が傾斜部１２６であり、傾斜部１２６のどの部分においても直線２５に対する傾斜角θは０°を超え６°以下である。境界部２６ａから溝２７の直線部分が開始する。このように構成されたピストン１０でも、実施の形態１のピストン１０と同様の効果がある。

上記の実施の形態１から４の少なくとも２つの条痕を組み合わせてピストンスカート１４を構成することも可能である。

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分野において用いることができる。

１０ ピストン、１０ｃ 中心軸、１１ａ，１１ｂ ピストンリング溝、１１ｃ オイルリング溝、１２ ランド、１３ 貫通孔、１４ ピストンスカート、１５ ピストンピン、１６ コネクティングロッド、１７ａ ベアリング、１７ｂ クランクシャフト、２１ 条痕、２５ 直線、２６，１２６ 傾斜部、２６ａ，１２６ａ 境界部、２７ 溝、２８ 角部、１０１ ボア壁。

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダボアの内面に対して潤滑油を介して摺動するピストンであって、
   前記ピストンは、ピストンスカートを有し、
   前記ピストンスカートのうち少なくともスラスト側の前記ピストンスカートの外周面には、前記ピストンスカートの周方向に延びる複数の条痕が設けられており、
   前記複数の条痕は、それぞれ、前記ピストンの往復運動方向に沿って互いに距離を隔てて配置される２つの角部と、前記２つの角部の間に設けられて潤滑油を保持する潤滑油保持溝と、前記潤滑油保持溝の前記ピストン上昇方向側端部に隣接配置された傾斜部と、を有し、
   前記傾斜部は、前記ピストンスカートの下降方向端部に近づくにつれてシリンダボアの内面から遠さかるように、前記２つの角部を結ぶ直線に対して０°を超え６°以下の傾斜角を有する、ピストン。
2. 前記傾斜角は１°以上３°以下である、請求項１に記載のピストン。
3. 前記潤滑油保持溝は、断面形状が円弧形状の溝部を有する、請求項１または請求項２に記載のピストン。
4. 前記複数の条痕は連続して設けられ、１つの前記条痕の前記傾斜部の前記ピストン上昇方向側端部に隣接して別の前記条痕の前記潤滑油保持溝が設けられる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のピストン。

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