JPS5925868B2 - 内燃機関のピストン - Google Patents

内燃機関のピストン

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JPS5925868B2
JPS5925868B2 JP331279A JP331279A JPS5925868B2 JP S5925868 B2 JPS5925868 B2 JP S5925868B2 JP 331279 A JP331279 A JP 331279A JP 331279 A JP331279 A JP 331279A JP S5925868 B2 JPS5925868 B2 JP S5925868B2
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JP
Japan
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piston
engine
coating
weight
internal combustion
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JP331279A
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JPS5596342A (en
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寿郎 八木
清臣 住田
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Toyo Kogyo Co Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/02Bearing surfaces
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
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    • F05C2201/0409Molybdenum

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関、特にレシプロピストンエンジンの
ピストンに関するものである。
一般に実開昭50−27210号公報に示すようなレシ
プロピストンエンジンは、例えば第1図に示すようにシ
リンダ本体1内をピストン2が上下往復動して、シリン
ダ本体1とシリンダヘッド3とで形成された燃焼室4に
吸気、圧縮、爆発、膨張および排気の各行程を順に行わ
せるようにしたものである。
尚、5〜7はピストン2の外周面に装着されたピストン
リングであって、そのうち5はトップリング、6はセカ
ンドリング、7はオイルリングである。
8は吸気ポート、9は吸気弁、10は排気ポート、11
は排気弁、12は点火栓、13はピストン2とクランク
軸(図示せず)とを連結する連接棒である。
上記のようにレシプロピストンエンジンは構造的に半球
状の燃焼室4を形成するものであるため、ピストン2外
周面のうちトップランド部2a表面とシリンダ本体1内
周壁とトップリング5とによって囲まれ一方が燃焼室4
に連通している空隙(以下、△H部という)を半球状の
燃焼室4の全周に有するものである。
この△H部はガス流が小さく、シリンダ本体1およびピ
ストン2の両局壁から冷却されて温度も上昇しにくいた
め、火炎が伝播しに<<、未燃焼ガスを発生しがちで排
気ガス中のHC(以下、Raw HCと称す)成分を増
大させることとなる。
これを防止するためにはレシプロピストンエンジンにお
ける△H部を構造的および寸法的にクリアランスのない
ものとすればよいが、ピストン2が上下往復動し、且つ
エンジン各部のアンバランスな熱膨張下においても十分
な上下動可能クリアランスを得るためには、かなりの△
H(通常約400μ程度)が必要で機械的には排除でき
ないものである。
また、レシプロピストンエンジンにおけるピストン2は
連接棒13を介してクランク軸とクランク運動を行うも
のであるため、ピストン2のスカート部2b外表面とシ
リンダ本体1内周壁との間に多少のクリアランスを設け
ていても、圧力変動等によってピストン2のスカート部
2bがシリンダ本体1内周壁に衝合して、スカート部2
bの焼付きを発生するとともに、騒音を発生し、エンジ
ン1騒音の一因をなすという問題があった。
そこで、上記ピストン騒音を低減するものとして特開昭
50−128046号公報に、ピストン本体のスカート
部に外筒を挿入し、ピストン本体と外筒との間にオイル
又は板ばねを介在してピストンとライナ間の衝撃力を緩
和するものが開示されている。
しかし、これではピストンの構造が複雑となり、また外
筒とライナのなじみ性はさほど良くならないものである
また、本願出願人はピストンの両側スカート部表面にフ
ッ素樹脂被膜を形成してピストンの摩耗と騒音を低減す
るものを考えた(特願昭53−71167号参照)。
しかし、フッ素樹脂を塗布して焼付ける際、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、通常の焼付は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は切らないた
め、厚く塗布して最後に通常の温度で焼付ける際に泡立
ち状になって剥離しやすくなり、被覆層の厚さの点で使
用範囲が制限されるものである。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、上記△
H部におけるピストン外周面のトップランド部表面に下
記の物性を有する材料をコーティングして上記△H部の
クリアランスを可及的に小さくすることによりRawH
Cを減少させ得ることを知見し、且つピストン外周面用
コーテイング材として要求される物性を持つ材料を開発
し、よってエンジン性能に支障を与えることなくRaw
HCを効果的に低減できるようにしたレシプロピストン
エンジンのピストンを提供するものである。
すなわち、上記ピストン外周面用コーテイング材として
必要な物性とは、■300℃で変質しない耐熱性、@シ
リンダ本体1と衝合時自らが摩耗し相手を傷つけないこ
と、Oしかしながらそれ自体は耐摩耗性が優れているこ
と、@シリンダ本体内周壁と接触時焼付きや耐剪断性不
足によって剥離を生じないこと、■厚塗りおよび重ね塗
りの容易なこと、@望ましくは弾性を有し緩衝作用のあ
ること、■ピストンへの密着力が十分あることである。
本発明は、このような物性を満足するものとして、鱗片
状アルミニウム10〜25重量係および二硫化モリブデ
ン(MoS2) 15〜30重量係を分散せしめたエポ
キシ樹脂よりなるコーティング材料を開発し、このコー
テイング材をレシプロピストンエンジンのピストン外周
面のうちトップランド部表面に層厚30μ以上に焼付け
てなることを特徴とするものである。
さらに、本発明は、上記コーテイング材をレシプロピス
トンエンジンのピストン外周面のうちトップランド部表
面に層厚30μ以上に焼付けるとともに、オイルリング
溝下方のスカート部外表面に5〜150μ以上に焼付け
ることにより、上記Raw HCの低減に加えて、上記
スカート部のシリンダ本体内周壁に対するなじみを良く
し、且つ騒音防止を図り得るようにしたものである。
以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
尚、レシプロピストンエンジンの概略構造については第
1図により既述したので、その詳細な説明は省略する。
第1図ないし第3図において、14はピストン外周面の
うちトップランド部2a表面に設けた第1コーティング
層、15はピストン外周面のうちオイルリング7のリン
グ溝下方のスカート部2b外表面に設けた第2コーティ
ング層であって、第1コーティング層14の層厚は30
μ以上に、また第2コーティング層15の層厚は5〜1
50μに設定されており、両コーティング層14,15
は第3図に詳示するように、鱗片状アルミニウム16を
10〜25重量%、二硫化モリブデン(MO82) 1
7を15〜30重量%それぞれ分散せしめたエポキシ樹
脂18よりなるコーティング材料を塗布、焼付けしたも
のである。
上記コーティング材料の成分のうちエポキシ樹脂18は
、上述のピストン外周面用コーテイング材として必要な
物性のうち@、■、θおよび■の性質(すなわち、自ら
摩耗し相手を傷つけないこと、厚塗りおよび重ね塗りの
容易性、緩衝性、密着力を有すること)を十分に保有し
、■、0および○の性質(すなわち耐熱性、耐摩耗性、
耐剥離性)はいま一つ不足するものであるが、鱗片状ア
ルミニウム16は○の耐剥離性、すなわち剪断強度を向
上させ、且つコーティング層14,15の耐熱性(■の
性質)を向上させるものであり、また二硫化モリブデン
17は@の耐剥離性、特に焼付きを防止するもので、シ
リンダ本体1との間の潤滑性を確保し、結果的にOの耐
摩耗性を向上させるものである。
よって、エポキシ樹脂18に麟片状アルミニウム16お
よび二硫化モリブデン17を含有することにより、ピス
トン外周面用コーテイング材としての必要な物性■〜■
の全てを保有することになる。
尚、上記鱗片状アルミニウム16の含有量は10重量%
未満では上記効果(すなわち耐剥離性および耐熱性の向
上)をあげるのには不足し、25重量%を超えるさ効果
が飽和してコーティング層14,15の強度(すなわち
密着力)を却って低下させるので、10〜25重量%の
範囲に設定されている。
また、上記二硫化モリブデン17の含有量は15重量%
未満では上記効果(すなわち耐剥離性および耐摩耗性の
向上)をあげるのに不足し、30重量%を超えると効果
が飽和し、却ってコーティング層14,15の密着強度
の低下に結びつくので好ましくなく、よって15〜30
重量%の範囲に設定されている。
さらに、上記第1コーティング層14の層厚は30μ未
満ではコーティングによるクリアランスの減少効果を十
分にあげるに至らず、少なくとも30μ以上必要であり
、またその上限は通常△H部のクリアランスが略400
μ程度である関係上200μ程度に制約される。
また、上記第2コーティング層15の層厚は5μ未満で
はコーティング効果をあげるのに不足し、150μを超
えるとコーティング効果が飽和し、却ってシリンダ本体
1との接触による騒音を増大させるので、5〜150μ
の範囲に設定されている○ 次に、本発明の実施例について説明すれば、本発明のコ
ーテイング材の一例として鱗片状アルミニウム20重量
係、二硫化モリブデン25重量%、エポキシ樹脂残部か
らなるものをシンナーに溶解して、ハケでピストン外周
面のトップランド部表面およびピストンリングランド部
、オイルリング7のリング溝下方のスカート部外表面に
塗布し、塗布後180°Cで30分間加熱して焼付ける
ことにより、上記ピストン外周面のうちトップランド部
表面に層厚150μの第1コーティング層を、スカート
部外表面に層厚30μの第2コーティング層を形成した
ピストンリングランド部のコーティング層は、ピストン
リングランド部がシリンダ本体1内周壁と弱い当たりで
時々接触する際のなじみ性を良くするために形成された
ものであり、その厚さは5〜10μと薄い。
尚、ピストンリングランド部のコーティング層は、Ra
wHCの低減およびピストン騒音の低減にはほとんど効
果がないため、必ずしも形成する必要はない。
また、上記コーティング材料の成分のうちエポキシ樹脂
(シリコン系)と鱗片状アルミニウムとはその混合物と
して市販品の「サントモDHxM−1(三井物産化工機
販売株式会社製)」を使用した。
このようなコーティング層を設けたピストンを2000
ccの4気筒レシプロピストンエンジンに用いて、エン
ジン回転数4000 r、p、mの全負荷運転を100
時間行った後、次のRaw HCの測定および分解検査
を行った。
尚、4000r、p、mの全負荷運転を100時間行っ
た際には第1コーティング層の層厚は平均120μに、
第2コーティング層の層厚は平均20μとなり、それぞ
れ当初に比べ30μおよび10μ摩耗していた。
先ず、RawHCの測定として、エンジン回転数700
r、p、mのアイドリング運転で、空燃比A/F 1
4の条件のもとて上記本発明例とコーティング層を設け
ない無処理のもの(従来例)(!:において未燃焼HC
成分の排出量の測定を行い、その結果を下記表1に示す
上記表1より明らかなように、本発明例においては従来
例に比べてRaw HCが25%減少することが判る。
また、分解検査として、上記本発明例と本発明に係る上
記コーティング材料から鱗片状アルミニウムを除去した
コーテイング材による場合(比較例1)と上記コーティ
ング材料から二硫化モリブデンを除去したコーテイング
材による場合(比較例2)とにおいて各コーティング層
の剥離の有無および熱による燃焼変質の有無を検査し、
その結果を下記表2に示す。
同様に、上記本発明例、従来例、比較例1および比較例
2の各スカート部においてその焼付きの有無の検査並び
に騒音の測定を行い、その結果を下記表3°に示す。
さらに、上記第1コーティング層(トップランド部に設
けたもの)の層厚の測定を行うと、当初150μの層厚
がエンジンのならし運転(4000r、p、mの全負荷
運転)を20時間行った際には摩耗して略120μ程度
となり、引続いてならし運転を継続しても層厚は変わら
ず、はぼ一定の値(120μ)を示す。
すなわち、第1コーティング層の層厚はならし運転を一
定時間行った後は一定の値となることが判る。
以上説明したように、本発明によれば、レシプロピスト
ンエンジンのピストン外周面のうちトップランド部表面
に、鱗片状アルミニウム10〜25重量係および二硫化
モリブデン15〜30重量係を分散せしめたエポキシ樹
脂を層厚30μ以上に焼付けてなることにより、△H部
のクリアランスを小さくしてRaw HCの低減を図る
ことができるとともに、上記コーティング材料は耐熱性
、密着力、潤滑性、耐剥離性等ピストン外周面用コーテ
イング材としての必要な物性に優れ、高い耐久性を有す
るものであるので、レシプロピストンエンジンの性能に
支障を与えることなく使用可能であるという利点を併せ
有する。
さらに、上記コーティング材料をピストン外周面のうち
トップランド部表面に層厚30μ以上焼付けるとともに
、オイルリング溝下方のスカート部外表面に5〜150
μ焼付けてなることにより、上記Raw HCの低減に
加えて、ピストンのスカート部のシリンダ本体に対する
なじみを良くするとともに、騒音の発生を低減させるこ
とができるものである。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の実施態様を例示するもので、第1図はレ
シプロピストンエンジンの概略構造を示す縦断面図、第
2図はピストン部の縦断面図、第3図はコーティング層
の拡大断面図である。 1・・・・・・シリンダ本体、2・・・・・・ピストン
、2a・・・・・・トップランド部、2b・・・・・・
スカート部、3・・・・・・シリンダヘッド、4・・・
・・・燃焼室、5・・・・・・トップリング、6・・・
・・・セカンドリング、7・・・・・・オイルリング、
8・・・・・・吸気ポート、9・・・・・・吸気弁、1
0・・・・・・排気ポート、11・・・・・・排気弁、
12・・・・・・点火栓、13・・・・・・連接棒、1
゛4・・・・・・第1コーティング層、15・・・・・
・第2コーティング層、16・・・・・・鱗片状アルミ
ニウム、17・・・・・・二硫化モリブデン、18・・
・・・・エポキシ樹脂。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 レシプロピストンエンジンのピストン外周面のうち
    トップランド部表面に、鱗片状アルミニウム10〜25
    重量係および二硫化モリブデン15〜30重量係を分散
    せしめたエポキシ樹脂を層厚30μ以上に焼付けてなる
    ことを特徴とする内燃機関のピストン。 2 鱗片状アルミニウム10〜25重量係および二硫化
    モリブデン15〜30重量係を分散せしめたエポキシ樹
    脂を、レシプロピストンエンジンのピストン外周面のう
    ちトップランド部表面に層厚30μ以上に焼付けるとと
    もに、オイルリング溝下方のスカート部外表面に5〜1
    50μ焼付けてなることを特徴とする内燃機関のピスト
    ン。
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