ピストン
【課題】ピストン摺動部における、摩耗の低減、耐焼き付き性の向上、摩擦低減を大幅に改善できるピストンを提供する。
【解決手段】ピストン摺動部であるスカート部１７の表面に、針状の形態の固体潤滑材３０がランダムな方向に形成されているピストン１０とした。これによれば、スカート部１７の表面１７ａにおけるオイル流動をあらゆる方向へ発生させることができ、この結果、油膜形成能力を向上させ、耐焼き付き性の向上、摩擦、摩耗の低減を図ることができる。
【解決手段】ピストン摺動部であるスカート部１７の表面に、針状の形態の固体潤滑材３０がランダムな方向に形成されているピストン１０とした。これによれば、スカート部１７の表面１７ａにおけるオイル流動をあらゆる方向へ発生させることができ、この結果、油膜形成能力を向上させ、耐焼き付き性の向上、摩擦、摩耗の低減を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に用いられるピストンは、コネクティングロッドやクランクシャフトに連結され、シリンダボア内で上下動することによりクランクシャフトにおいて軸出力を発生させる。一般的に、ピストンには、少なくとも一つのコンプレッションリング溝とオイルリング溝とが形成されており、その夫々に、主として燃焼室の気密性を保持するコンプレッションリングとシリンダボア壁面の油膜の最適化を図るオイルリングとが取り付けられている。また、このピストンには、主として横揺れを抑制すると共にシリンダへ熱を逃がすスカート部が設けられている。
【０００３】
ピストンは、そのコンプレッションリングやオイルリング、スカート部がシリンダボア壁面に接しながら上下動する。このため、従来から、スカート部等の異常摩耗や焼き付きを防止するための種々の技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１は、ピストンのスカート部の表面にマイクロディンプルを形成し、このマイクロディンプルにオイルを溜めることにより、摩擦抵抗を低減する技術を開示している。
【０００５】
また、例えば、特許文献２は、ピストンのスカート部に、潤滑油を保持させることができる固体潤滑被膜を印刷方法により形成し、摩擦抵抗を低減する技術を開示している。
【０００６】
【特許文献１】特開平２００６−１６９８２号公報
【特許文献２】特開平２００５−３２０９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に開示された技術では、マイクロディンプルにオイルを溜めるため、オイルの流動は少なく、局部的に油膜が厚い箇所が発生するため、オイルせん断により摩擦が増加し、摩擦抵抗の低減効果が充分ではない。
【０００８】
また、特許文献２に開示された技術では、固体潤滑被膜の凸部に沿ってオイルが流動するので、規則的なオイル流動により油膜分布が不均一となり、潤滑不良の部分が形成される可能性があり、摩擦抵抗の低減効果が充分ではない。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ピストン摺動部における、摩耗の低減、耐焼き付き性の向上、摩擦低減を大幅に改善できるピストンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るピストンは、ピストン摺動部の表面に、針状の形態の固体潤滑材がランダムな方向に形成されている、ことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、針状の形態の固体潤滑材をランダムな方向、すなわち、方向性を持たないようにあらゆる方向へ形成することにより、ピストン摺動部の表面におけるオイル流動をあらゆる方向へ発生させることができ、この結果、油膜形成能力を向上させることができる。
【００１２】
上記構成において、前記固体潤滑材が形成される下地層が撥油性樹脂被膜で形成されている、構成を採用できる。
【００１３】
この構成によれば、下地層を撥油性樹脂被膜で形成することにより、固体潤滑被膜と相まってオイル流動をさらに促進させて油膜形成の確保が可能になる。また、新旧オイルの入れ替えを促進させ、摺動面スラッジ（デポジット）を洗浄することで、オイル寿命を延ばすことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ピストン摺動部における、摩耗の低減、耐焼き付き性の向上、摩擦低減が大幅に改善したピストンが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態にかかるピストンの構造を示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線方向の断面図である。
【００１７】
ピストン１０は、一般的には、全体がアルミニウムをベースとする合金にて形成されている。このピストン１０は、外周部に複数本のピストンリング溝１１およびオイルリング溝１２が加工された頭部１３、図示しないピストンピン装着穴等が形成された一対のサイドウォール部１６、一対のサイドウォール部１６に隣接する一対のスカート部１７等から構成されている。
【００１８】
スカート部１７の外周面１７ａは、シリンダボアの内径よりも数十マイクロメートル程度小径に形成され図示しないシリンダボアの内周面に対して摺接し得る。すなわち、スカート部１７は、ピストン摺動部を構成している。
【００１９】
スカート部１７の外周面１７ａには、固体潤滑材（固体潤滑被膜）３０が針状の形態でランダムな方向、すなわち、方向性を持たないように形成されている。図１（Ｂ）に示すように、固体潤滑材３０は、外周面１７ａから突出する凸状に形成されている。
【００２０】
固体潤滑材３０は、例えば、ＭｏＳ2（二硫化モリブデン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）等で形成されている。
【００２１】
上記したように、ピストン摺動部の表面におけるオイル流動をあらゆる方向へ発生させることができ、この結果、油膜形成能力を向上させることができる。また、オイル保持時間・オイル保持量をコントロールすることで、スカート部１７の面圧に対する油膜の保持を適正化することが可能となり、摩耗低減、耐焼付き性向上、摩擦の低減が可能となる。
【００２２】
ここで、固体潤滑材３０による効果をさらに図２を参照して説明すると、図２に示すスカート部１７の略全体に相当する領域Ｒ１のように、比較的広い領域が固体潤滑材３０により均一に摩耗し、かつ、摩耗深さも比較的小さい。
【００２３】
一方、図３に示すように、スカート部１７の外周面１７ａに固体潤滑材３０が設けられていない従来のピストン２００においては、スカート部１７の肩部に対応する領域Ｒ２とスカート部１７の下端部に相当する領域Ｒ３に示すように、局所的な領域において摩耗が発生しやすく、かつ、その摩耗量も比較的大きい。
【００２４】
また、図４に示すように、本実施形態に係るピストンは、焼付け性についても、従来のピストンに比べて大幅に向上するのが分かる。
【００２５】
尚、本実施形態に係るピストン１０では、スカート部１７の面圧分布に応じて固体潤滑材３０の分布を密と粗に配置することにより、スカート部１７全体の油膜厚さの適正化が可能となる。さらに、油膜厚さの適正化に伴い、騒音も低減できる。
【００２６】
図５は、本発明の他の実施形態に係るピストンの構造を示す側面図である。
尚、図５において、図１と同一構成部分には同一の符号を使用している。
【００２７】
図５に示すピストン１０Ａは、スカート部１７の外周面１７ａに撥油性樹脂被膜４０が形成され、この撥油性樹脂被膜４０上に固体潤滑材３０が設けられている。すなわち、固体潤滑材３０の下地層が撥油性樹脂被膜４０で形成されている。
【００２８】
撥油性樹脂被膜４０は、例えば、フッ素樹脂等から形成され、スカート部１７上のオイルの流動性を高めるために形成されている。
【００２９】
撥油性樹脂被膜４０を固体潤滑材３０の下地層とすることにより、固体潤滑材３０と相まってオイルの流動性をさらに高めて、新旧オイルの入れ替えを促進させ、摺動部スラッジを洗浄することで、オイル寿命を向上させることができる。
【００３０】
図６は、本発明のさらに他の実施形態に係るピストンの構造を示す側面図である。
尚、図６において、図１と同一構成部分には同一の符号を使用している。
【００３１】
図６に示すピストン１０Ｂは、スカート部１７の外周面１７ａの肩部１７ｓと下端部１７ｅとに分離して、針状のランダムな固体潤滑材３０Ａ，３０Ｂがそれぞれ設けられている。
【００３２】
また、ピストン１０Ｂのスカート部１７の外周面１７ａは、油膜厚さを適正化し、摩擦を低減するために、鏡面加工されている。
【００３３】
ピストン１０Ｂにおいて、スカート部１７の肩部１７ｓは、熱膨張に伴い、シリンダボアと強く接触するため、面圧が比較的高い。
【００３４】
このため、本実施形態では、スカート部１７の肩部１７ｓに選択的に固体潤滑材３０Ａを設けることにより、オイル流動を促進しかつ摩擦係数の低減効果により、摩耗及び摩擦を低減できる。
【００３５】
また、スカート部１７の下端部１７ｅは、首振り揺動（スラップ運動）に伴い、シリンダボアと強く接触する。
【００３６】
このため、本実施形態では、スカート部１７の下端部１７ｅに選択的に固体潤滑材３０Ｂを設けることにより、下端部１７ｅにオイルの流体膜を発生させ、面圧を低減し、摩耗及び摩擦を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態にかかるピストンの構造を示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線方向の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るピストンの摩耗領域を説明するための図である。
【図３】比較例に係るピストンの摩耗領域を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るピストンにおける耐焼付性能を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るピストンの構造を示す側面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係るピストンの構造を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０、１０Ａ，１０Ｂ…ピストン
１１…ピストンリング溝
１２…オイルリング溝
１３…頭部
１６…サイドウォール部
１７…スカート部
３０…固体潤滑材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に用いられるピストンは、コネクティングロッドやクランクシャフトに連結され、シリンダボア内で上下動することによりクランクシャフトにおいて軸出力を発生させる。一般的に、ピストンには、少なくとも一つのコンプレッションリング溝とオイルリング溝とが形成されており、その夫々に、主として燃焼室の気密性を保持するコンプレッションリングとシリンダボア壁面の油膜の最適化を図るオイルリングとが取り付けられている。また、このピストンには、主として横揺れを抑制すると共にシリンダへ熱を逃がすスカート部が設けられている。
【０００３】
ピストンは、そのコンプレッションリングやオイルリング、スカート部がシリンダボア壁面に接しながら上下動する。このため、従来から、スカート部等の異常摩耗や焼き付きを防止するための種々の技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１は、ピストンのスカート部の表面にマイクロディンプルを形成し、このマイクロディンプルにオイルを溜めることにより、摩擦抵抗を低減する技術を開示している。
【０００５】
また、例えば、特許文献２は、ピストンのスカート部に、潤滑油を保持させることができる固体潤滑被膜を印刷方法により形成し、摩擦抵抗を低減する技術を開示している。
【０００６】
【特許文献１】特開平２００６−１６９８２号公報
【特許文献２】特開平２００５−３２０９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に開示された技術では、マイクロディンプルにオイルを溜めるため、オイルの流動は少なく、局部的に油膜が厚い箇所が発生するため、オイルせん断により摩擦が増加し、摩擦抵抗の低減効果が充分ではない。
【０００８】
また、特許文献２に開示された技術では、固体潤滑被膜の凸部に沿ってオイルが流動するので、規則的なオイル流動により油膜分布が不均一となり、潤滑不良の部分が形成される可能性があり、摩擦抵抗の低減効果が充分ではない。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ピストン摺動部における、摩耗の低減、耐焼き付き性の向上、摩擦低減を大幅に改善できるピストンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るピストンは、ピストン摺動部の表面に、針状の形態の固体潤滑材がランダムな方向に形成されている、ことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、針状の形態の固体潤滑材をランダムな方向、すなわち、方向性を持たないようにあらゆる方向へ形成することにより、ピストン摺動部の表面におけるオイル流動をあらゆる方向へ発生させることができ、この結果、油膜形成能力を向上させることができる。
【００１２】
上記構成において、前記固体潤滑材が形成される下地層が撥油性樹脂被膜で形成されている、構成を採用できる。
【００１３】
この構成によれば、下地層を撥油性樹脂被膜で形成することにより、固体潤滑被膜と相まってオイル流動をさらに促進させて油膜形成の確保が可能になる。また、新旧オイルの入れ替えを促進させ、摺動面スラッジ（デポジット）を洗浄することで、オイル寿命を延ばすことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ピストン摺動部における、摩耗の低減、耐焼き付き性の向上、摩擦低減が大幅に改善したピストンが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態にかかるピストンの構造を示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線方向の断面図である。
【００１７】
ピストン１０は、一般的には、全体がアルミニウムをベースとする合金にて形成されている。このピストン１０は、外周部に複数本のピストンリング溝１１およびオイルリング溝１２が加工された頭部１３、図示しないピストンピン装着穴等が形成された一対のサイドウォール部１６、一対のサイドウォール部１６に隣接する一対のスカート部１７等から構成されている。
【００１８】
スカート部１７の外周面１７ａは、シリンダボアの内径よりも数十マイクロメートル程度小径に形成され図示しないシリンダボアの内周面に対して摺接し得る。すなわち、スカート部１７は、ピストン摺動部を構成している。
【００１９】
スカート部１７の外周面１７ａには、固体潤滑材（固体潤滑被膜）３０が針状の形態でランダムな方向、すなわち、方向性を持たないように形成されている。図１（Ｂ）に示すように、固体潤滑材３０は、外周面１７ａから突出する凸状に形成されている。
【００２０】
固体潤滑材３０は、例えば、ＭｏＳ2（二硫化モリブデン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）等で形成されている。
【００２１】
上記したように、ピストン摺動部の表面におけるオイル流動をあらゆる方向へ発生させることができ、この結果、油膜形成能力を向上させることができる。また、オイル保持時間・オイル保持量をコントロールすることで、スカート部１７の面圧に対する油膜の保持を適正化することが可能となり、摩耗低減、耐焼付き性向上、摩擦の低減が可能となる。
【００２２】
ここで、固体潤滑材３０による効果をさらに図２を参照して説明すると、図２に示すスカート部１７の略全体に相当する領域Ｒ１のように、比較的広い領域が固体潤滑材３０により均一に摩耗し、かつ、摩耗深さも比較的小さい。
【００２３】
一方、図３に示すように、スカート部１７の外周面１７ａに固体潤滑材３０が設けられていない従来のピストン２００においては、スカート部１７の肩部に対応する領域Ｒ２とスカート部１７の下端部に相当する領域Ｒ３に示すように、局所的な領域において摩耗が発生しやすく、かつ、その摩耗量も比較的大きい。
【００２４】
また、図４に示すように、本実施形態に係るピストンは、焼付け性についても、従来のピストンに比べて大幅に向上するのが分かる。
【００２５】
尚、本実施形態に係るピストン１０では、スカート部１７の面圧分布に応じて固体潤滑材３０の分布を密と粗に配置することにより、スカート部１７全体の油膜厚さの適正化が可能となる。さらに、油膜厚さの適正化に伴い、騒音も低減できる。
【００２６】
図５は、本発明の他の実施形態に係るピストンの構造を示す側面図である。
尚、図５において、図１と同一構成部分には同一の符号を使用している。
【００２７】
図５に示すピストン１０Ａは、スカート部１７の外周面１７ａに撥油性樹脂被膜４０が形成され、この撥油性樹脂被膜４０上に固体潤滑材３０が設けられている。すなわち、固体潤滑材３０の下地層が撥油性樹脂被膜４０で形成されている。
【００２８】
撥油性樹脂被膜４０は、例えば、フッ素樹脂等から形成され、スカート部１７上のオイルの流動性を高めるために形成されている。
【００２９】
撥油性樹脂被膜４０を固体潤滑材３０の下地層とすることにより、固体潤滑材３０と相まってオイルの流動性をさらに高めて、新旧オイルの入れ替えを促進させ、摺動部スラッジを洗浄することで、オイル寿命を向上させることができる。
【００３０】
図６は、本発明のさらに他の実施形態に係るピストンの構造を示す側面図である。
尚、図６において、図１と同一構成部分には同一の符号を使用している。
【００３１】
図６に示すピストン１０Ｂは、スカート部１７の外周面１７ａの肩部１７ｓと下端部１７ｅとに分離して、針状のランダムな固体潤滑材３０Ａ，３０Ｂがそれぞれ設けられている。
【００３２】
また、ピストン１０Ｂのスカート部１７の外周面１７ａは、油膜厚さを適正化し、摩擦を低減するために、鏡面加工されている。
【００３３】
ピストン１０Ｂにおいて、スカート部１７の肩部１７ｓは、熱膨張に伴い、シリンダボアと強く接触するため、面圧が比較的高い。
【００３４】
このため、本実施形態では、スカート部１７の肩部１７ｓに選択的に固体潤滑材３０Ａを設けることにより、オイル流動を促進しかつ摩擦係数の低減効果により、摩耗及び摩擦を低減できる。
【００３５】
また、スカート部１７の下端部１７ｅは、首振り揺動（スラップ運動）に伴い、シリンダボアと強く接触する。
【００３６】
このため、本実施形態では、スカート部１７の下端部１７ｅに選択的に固体潤滑材３０Ｂを設けることにより、下端部１７ｅにオイルの流体膜を発生させ、面圧を低減し、摩耗及び摩擦を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態にかかるピストンの構造を示す図であって、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線方向の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るピストンの摩耗領域を説明するための図である。
【図３】比較例に係るピストンの摩耗領域を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るピストンにおける耐焼付性能を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るピストンの構造を示す側面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態に係るピストンの構造を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０、１０Ａ，１０Ｂ…ピストン
１１…ピストンリング溝
１２…オイルリング溝
１３…頭部
１６…サイドウォール部
１７…スカート部
３０…固体潤滑材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン摺動部の表面に、針状の形態の固体潤滑材がランダムな方向に形成されている、
ことを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記固体潤滑材が形成される下地層が撥油性樹脂被膜で形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項１】
ピストン摺動部の表面に、針状の形態の固体潤滑材がランダムな方向に形成されている、
ことを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記固体潤滑材が形成される下地層が撥油性樹脂被膜で形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−７９５３５（Ｐ２００９−７９５３５Ａ）
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４９２２２（Ｐ２００７−２４９２２２）
【出願日】平成１９年９月２６日（２００７．９．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２６日（２００７．９．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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