JPH0131026B2

JPH0131026B2 -

Info

Publication number: JPH0131026B2
Application number: JP57219704A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Yamagata
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1982-12-14
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1989-06-22
Also published as: JPS59108850A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、レシプロエンジンのピストンに関す
る。

レシプロエンジンにおいては、ピストン外表面
とシリンダ内壁面との間のピストンクリアランス
を縮少させることがエンジン騒音、特にピストン
のスラツプ音の低減に有効である。しかし、この
ピストンクリアランスは、スカート部の熱膨脹を
抑制するようにしたオートサーマテイツクピスト
ンにおいても40μ程度が限界で、それ以上の縮少
はピストンの摺動抵抗の増大やこれに伴うピスト
ンの焼付きをもたらす。そのため、上記スラツプ
音を十分低減できないのが実情である。

このような問題に対しては、ピストンの外表面
に所要の特性を有する被覆材をコーテイングする
ことによつて、摺動抵抗を増大させることなくピ
ストンクリアランスを縮少させることが試みられ
ている。例えば、本件出願人の先行特許出願（特
願昭54−3312号）によれば、ピストンの外表面
に、鱗片状アルミニウム10〜25重量％と二硫化モ
リブデン（MoS₂）15〜30重量％とをエポキシ樹
脂に分散させてなる被覆材を所定の層厚で焼付け
ることを特徴とする発明が開示されている。この
発明によれば、ピストンの特にスカート部におけ
るシリンダ内周壁に対するなじみが良くなり、騒
音が低減される。しかし、上記の如き組成の被覆
材は摩耗のし易い性質を有するため、エンジンの
ラツプ運転によつて早期に最適のピストンプロフ
イルを形成する上で有利である反面、その最適プ
ロフイルないし最適ピストンクリアランスを長期
間持接することが困難で、クリアランスが次第に
増大して騒音が大きくなる欠点がある。

また、本件出願人による他の特許出願（特願昭
53−71167号）によれば、ピストンの両側スカー
ト部表面にフツ素樹脂被膜を形成することによ
り、ピストンの摩耗と騒音を低減するようにした
発明が開示されている。上記フツ素樹脂被膜は耐
摩耗性に優れ、エンジンの使用によつてピストン
クリアランスが次第に増大するといつたことはな
い。しかし、溶剤の沸点が高く、通常の温度で焼
付けた被覆層に、さらに塗り重ねることは困難で
あり、通常の焼付け温度より低い温度で焼付けて
厚く塗り重ねた場合では該溶剤が抜け切らないた
め、厚く湿布して最後に通常の温度で焼付ける際
に泡立ち状になる等、層厚の点で使用範囲が制限
される。また、耐摩耗性が良すぎるため、通常の
状態では短時間のラツプ運転によつて最適プロフ
イルを形成することができない。

本発明は、レシプロエンジンのピストンに関す
る上記のような実情を踏まえ、その問題点を解消
すべくなされたもので、ピストンのスカート部外
表面に被覆材をコーテイングすることにより、ピ
ストンクリアランスを縮少させる場合において、
摺動抵抗の増大を来たさず、且つエンジンのラツ
プ運転によつて短時間で最適のピストンプロフイ
ルが得られると共に、そのプロフイルないし最適
のピストンクリアランスが長期間持続されるよう
に構成したものである。これにより、スラツプ音
低減効果が長期間維持されると共に、潤滑油消費
量の少い信頼性の高いピストンを実現することを
目的とする。

即ち、本発明ピストンは、スカート部外表面
に、エポキシ樹脂、フエノール樹脂、シリコン樹
脂、ポリイミド系樹脂のうちのいずれか１種から
なる耐熱性樹脂35〜75重量％中に鱗片状アルミニ
ウム10〜40重量％とフツ素樹脂粉末15〜55重量％
とを分散させてなる被覆材を層厚15μ以上で焼付
け、且つ該被覆材の表面粗さを５〜20μに調整し
たことを特徴とする。このような構成によれば、
上記被覆材の摩擦係数が小さいことによつて、摺
動抵抗の増大を来たさずにピストンクリアランス
を縮少することができると共に、上記フツ素樹脂
の働きで耐摩耗性が向上して、最適プロフイル形
成後のピストンクリアランスが略一定に保持さ
れ、しかもこの最適プロフイルが被覆材の表面粗
さを上記範囲に調整することによつて、早期に形
成されるのである。

以下、本発明を図面に基づいて詳明に説明す
る。

第１図は本発明によるピストンを示すもので、
このピストン１のスカート部２、即ちオイルリン
グ溝３より下方の部分の外表面は被覆材４によつ
てコーテイングされている。この被覆材４は、第
２図に示すように、耐熱性樹脂５に鱗片状アルミ
ニウム６とフツ素樹脂粉末７とを分散含有させ、
これを熱硬化させたものである。

上記耐熱性樹脂は、ピストンスカート部の温度
が特にデイーゼルエンジンの場合に200℃を超え
ることがある関係で、250℃程度の温度に耐える
ことができ、且つ燃料、潤滑油、ブローバイガス
等によつて犯されないものでなければならない。
これに適合するものとしては、エポキシ樹脂、フ
エノール樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド系樹脂
等がある。また、該樹脂は、ピストンスカート部
の外表面に対する接着剤としての機能が必要で、
そのためには被覆材の全体に対する比率が最低35
重量％必要である。尚、該樹脂の比率の上限は、
鱗片状アルミニウム及びフツ素樹脂粉末の最低必
要量から75重量％となる。

鱗片状アルミニウムは、被覆材の耐熱性向上及
びせん断荷重に対する耐剥離性向上のために添加
されるもので、その作用を実現させるためには10
重量％以上の添加が必要である。ただし、40重量
％を超えると効果が飽和し、逆に被覆材の強度、
即ちピストン外表面に対する密着力が低下する。

フツ素樹脂粉末は、被覆材の耐摩耗性向上剤
で、粉末を用いる理由は、液状フツ素樹脂が次の
ような欠点を有するからである。即ち、液状フツ
素樹脂は、ベース樹脂との混溶性が極めて悪く、
また300℃以上の高温で熱硬化させなければ本来
の特性を得られないのであるが、この温度ではア
ルミ合金製ピストンの場合に該ピストンの強度を
激減させるのである。尚、該フツ素樹脂粉末の粒
径は、被覆材の表面粗さとの関係で24μ以下が好
ましい。

このフツ素樹脂粉末が被覆材の摩耗性向上にど
のように関与するかを第３図のグラフに示す。こ
のグラフは、フツ素樹脂粉末の比率を10、15、
19、26、32、40重量％とし、耐熱性樹脂はエポキ
シ樹脂を用いた被覆材の夫々について、一定の条
件下でのテスト運転による摩耗量（ピストン直径
の減少量）を比較したもので、従来例としては前
記特許出願（特願昭54−3312号）で開示されてい
る二硫化モリブデン20重量％、鱗片状アルミニウ
ム25重量％、エポキシ樹脂55重量％でなる被覆材
についてのデータを示した。尚、テスト条件は、
被覆材のコート厚さ20μ、表面粗さ２〜3μ、コー
テイング時のピストンクリアランス0μ、被覆材
の熱硬化条件が225℃、30分（従来例は180℃、30
分）で、フツ素樹脂粉末の比率を15重量％とした
被覆材については、熱硬化条件を180℃、30分と
したものについても行つており、これは、第３図
の破線の棒グラフで示している。そして、使用エ
ンジンは1.5のガソリンエンジン、運転条件は
3000RPM、全負荷、50時間べある。これによれ
ば、フツ素樹脂粉末10重量％の場合には従来例と
の有意差が小さいが、15重量％以上では摩耗量が
著しく減少し、フツ素樹脂粉末が被覆材の耐摩耗
性を向上させていることがわかる。

また、被覆材の耐摩耗性は、第４図に示すよう
に熱硬化条件によつても影響される。即ち、熱硬
化温度を高くする程耐摩耗性が向上するが、225
℃付近で飽和し、また160℃では耐摩耗性が十分
でない。従つて、ピストン強度に与える影響を考
慮すれば180℃〜225℃が好ましく、その場合の焼
付け時間は30分以上が必要である。ここで、第４
図のデータは、被覆剤の組成がフツ素樹脂粉末26
重量％、鱗片状アルミニウム30重量％、エポキシ
樹脂44重量％の場合のものであり、テスト条件
は、上記第３図に示すテストと同じである。

尚、上記被覆材の各成分としては、例えば耐熱
性樹脂及び鱗片状アルミニウムは、エポキシ樹脂
に鱗片状アルミニウムを含有させてなるサントモ
DHX−M1（商品名）が、またフツ素樹脂粉末は、
三井フロロケミカルTLP−10（商品名）が使用さ
れる。また、該被覆材のコーテイング方法として
は、スプレー、転写、シート貼着、静電塗装等が
ある。

以上のように、フツ素樹脂粉末の添加によつて
耐摩耗性に優れた被覆材が実現される。しかし、
耐摩耗性が良すぎると、被覆材コーテイング後の
短時間のラツプ運転によつて最適のピストンプロ
フイルないしピストンクリアランスを得ることが
困難となる。そこで、被覆材のコーテイング時の
表面粗さを比較的粗い一定の範囲に調整し、見か
けの耐摩耗性を低下させて初期摩耗を促進させる
ことにより、短時間のラツプ運転によつて最適プ
ロフイルが形成されるように図る。この最適プロ
フイルを形成するには、2.5μ以上（半径分）の被
覆材の摩耗量が必要である。

ところで、現状のピストンクリアランスは、直
径分、即ちシリンダ内径とピストン外径の差で、
ガソリンエンジンの場合30〜60μ、デイーゼルエ
ンジンの場合40〜200μであるが、被覆材をコー
テイングしたピストンの場合は、ガソリンエンジ
ンの場合10〜30μ、デイーゼルエンジンの場合20
〜40μにまで、摺動抵抗の増大を来たすことなく
縮少することが出来る。これを、被覆材をコーテ
イングしていないクリアランス40μのピストン
と、被覆材をコーテイングしたクリアランス20μ
のピストンを例にとつて確認すれば、第５図に示
すように両者の抵抗損失は殆んど差がなく、被覆
材をコーテイングした場合、ピストンクリアラン
スを半減させ得ることがわかる。尚、被覆剤をコ
ーテイングしたピストンであつても、クリアラン
ス0μの場合は抵抗損失が大きい。ここで、この
テストにおける被覆剤は、フツ素樹脂粉末26重量
％、鱗片状アルミニウム30重量％、エポキシ樹脂
44重量％のものを225℃で30分の熱硬化を行つた
もので、表面粗さは２〜3μである。また、使用
エンジンは2.0のガソリンエンジンである。

即ち、被覆材をコーテイングしたピストンにつ
いては、ラツプ運転による初期摩耗によつて、ガ
ソリンエンジンの場合10〜30μ、デイーゼルエン
ジンの場合20〜40μの最適ピストンクリアランス
が得られればよく、しかも、この初期摩耗時にピ
ストンスカート部の最適プロフイルが得られれば
よい。これが得られるようにコーテイングの表面
粗さが調整される。

第６図は、被覆材のコーテイング時の表面粗さ
とラツプ運転による初期摩耗の関係を示すもの
で、ガソリンエンジン及びデイーゼルエンジンの
夫々について一気筒当りの排気量に応じて一定の
幅がある。今、現状のピストンについてピストン
クリアランスが0μになるように被覆材をコーテ
イングし、これをラツプ運転による初期摩耗によ
つて上記最適ピストンクリアランスを得るものと
する。先ず、ガソリンエンジンの場合、現状のピ
ストンクリアランスが30〜60μ（直径分）である
から、コート厚さは15〜30μ（半径分）となり、
これを最適クリアラン10〜30μ（直径分）となる
まで摩耗させるには、摩耗量は５〜15μ（半径分）
で、残存コート厚さは10〜15μ（半径分）となる。
この摩耗量を得るには、第６図の点ａ，ｂで示す
ように、コーテイング時の表面粗さを約７〜20μ
に調整すればよい。また、デイーゼルエンジンの
場合は、現状のピストンクリアランス40〜200μ
（直径分）であるから、コート厚さは20〜100μ
（半経分）となり、これを最適クリアランス20〜
40μ（直径分）まで摩耗させるには、10〜40μ（半
径分）の摩耗量が必要で、残存コート厚さは10〜
80μ（半径分）となる。この摩耗量を得るには、
第６図の点ｃ，ｄで示すように、コーテイング時
の表面粗さを約10〜12μに調整すればよい。これ
を綜合すれば、ばらつきを考慮して、被覆材のコ
ーテイング時に、コート厚さを15μ以上、表面粗
さを５〜20μの範囲に調整すればよいことにな
り、この表面粗さの範囲においては2.5μ以上（半
径分）被覆材が摩耗するため、ピストンスカート
部の最適プロフイルも形成することができる。
尚、上記テスト条件はフツ素樹脂粉末26重量％、
鱗片状アルミニウム30重量％、エポキシ樹脂44重
量％の被覆材を225℃で30分の熱硬化を行つたも
ので、また、各エンジンのラツプ運転は、各エン
ジンに応じて無負荷から全負荷に変化させながら
20時間行つたものである。上記のように表面粗さ
を調整された被覆材は、第７，８図に示すように
10時間のラツプ運転により初期摩耗が略完了し、
以後は殆んど摩耗しない。ここで、第７，８図の
実験データは、いずれもフツ素樹脂粉末26重量
％、鱗片状アルミニウム30重量％、エポキシ樹脂
44重量％の被覆材について225℃、30分の熱硬化
を行なつたもので、第７図は、1.5のガソリン
エンジンで、3500RPM、3/4負荷、10時間のラツ
プ運転を行なつた場合、第８図は、3.0のデイ
ーゼルエンジンで、2500RPM、3/4負荷、10時間
のラツプ運転を行なつた場合である。

次に、以上のような検討結果に基づいて、具体
的実施例について行なつた被覆材の耐久性（運転
時間に対する摩耗量の変化）、及び騒音の継時変
化の確認テストの結果を説明する。ここでは、被
覆材がフツ素樹脂粉末26重量％、鱗片状アルミニ
ウム30重量％、エポキシ樹脂44重量％で、熱硬化
条件が225℃、30分の第１実施例Ａと、フツ素樹
脂粉末15重量％、鱗片状アルミニウム34重量％、
エポキシ樹脂51重量％、で、熱硬化条件が上記第
１実施例Ａと同様の第２実施例Ｂと、二硫化モリ
ブデン20量％、鱗片状アルミニウム25重量％、エ
ポキシ樹脂55重量％で、熱硬化条件が180℃、30
分の従来例について比較した。

第９図は、テスト開始時のピストンクリアラン
スが0μ、被覆材のコート厚さが20μ、表面粗さが
２〜3μで、1.5のガソリンエンジンについて
3000RPM、全負荷運転を行つた場合の結果を示
すもので、実施例Ａ、Ｂは従来例に比較してとも
に摩耗量が著しく少く、しかも、運転開始後、短
時間で摩耗量が殆んど変化しなくなる。また、第
１０図は、テスト開始時のピストンクリアランス
が10μ、被覆材のコート厚さが35μ、表面粗さが
２〜3μで、3.0のデイーゼルエンジンについて
3800RPM、全負荷の運転を行つた場合で、第９
図の場合と同様の結果である。更に、第１１図
は、ピストンクリアランスが0μ（非コートの従来
例は170μ）、被覆材の表面粗さが15μの状態から
運転を開始した場合の騒音レベルの経時変化を示
すもので、2.5のデイーゼルエンジンについて
3000RPM、全負荷の運転を行つた場合である。
その結果、従来例は極く短い走行距離で騒音レベ
ルが非コートの場合と同じレベルに達するが、実
施例Ａ、Ｂはともに低レベルに保持される。

以上のように本発明によれば、レシプロエンジ
ンのピストンにおいて、摺動抵抗の増大を来たす
ことなくピストンクリアランスを縮少させること
ができると共に、その最適ピストンクリアランス
及びピストンスカート部の最適プロフイルが短時
間のラツプ運転により得られ、しかも長期間保持
されることになる。これにより、スラツプ音等の
低減効果が長期間維持されると共に、潤滑油消費
量が少なく、信頼性の高いピストンが実現され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したピストンの一部縦断
面図、第２図は第１図における被覆材の拡大縦断
面図、第３図は被覆材へのフツ素樹脂粉末添加量
と耐摩耗性の関係を示すグラフ、第４図は被覆材
の熱硬化温度と耐摩耗性の関係を示すグラフ、第
５図は被覆材をコーテイングしたピストンの摺動
抵抗を示すグラフ、第６図は被覆材の表面粗さと
摩耗量の関係を示すグラフ、第７，８図は被覆材
の初期摩耗の状態を示すグラフ、第９，１０図は
本発明の実施例と従来例の耐久性を比較するグラ
フ、第１１図は同じく騒音レベルを比較するグラ
フである。１……ピストン、２……スカート部、４……被
覆材、５……耐熱性樹脂、６……鱗片状アルミニ
ウム、７……フツ素樹脂粉末。

Claims

【特許請求の範囲】

１エポキシ樹脂、フエノール樹脂、シリコン樹
脂、ポリイミド系樹脂のうちいずれか１種からな
る耐熱性樹脂35〜75重量％中に鱗片状アルミニウ
ム10〜40重量％とフツ素樹脂粉末15〜55重量％と
を分散させてなる被覆材がスカート部外表面に層
厚15μ以上で焼付け被覆されており、且つこの被
覆材の表面粗さが５〜20μに調節されていること
を特徴とするエンジンのピストン。