(57)【要約】【課題】ピストンとシリンダボアの内壁との潤滑性能を向上でき、ピストンの摩擦損失を低減できる内燃機関のピストンを提供すること。【解決手段】ピストン７によれば、上部スカート部３６に位置する凹部４１のうち、上部境界３７ａ側に位置する凹部の４１の下端は、上部境界３７ａよりも上方に距離Ｓだけ離れており、中央スカート部３７に位置する凹部４１のうち、上部境界３７ａ側に位置する凹部の４１の上端は、上部境界３７ａよりも下方に距離Ｓだけ離れている。下部スカート部３８に位置する凹部４１のうち、下部境界３７ｂ側に位置する凹部４１の上端は、下部境界３７ｂよりも下方に距離Ｓだけ離れており、中央スカート部３７に位置する凹部４１のうち、下部境界３７ｂ側に位置する凹部の４１の下端は、下部境界３７ｂよりも上方に距離Ｓだけ離れている。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダボアの内壁に対して往復動自在に設けられたピストン本体と、前記ピストン本体から下方に延びる一対のスカート部と、ピストンピンを保持する一対のピストンピンボス部と、前記一対のスカート部とを互いに接続する一対のサイドウォール部と、前記シリンダボアの内壁に対向する前記スカート部の面に設けられた樹脂被膜層とを備え、
前記スカート部が、前記ピストン本体の中心軸方向における中央部が最大外径となり、かつ、前記ピストン本体の中心軸と平行な面を有する中央スカート部と、前記中央スカート部の上部境界よりも上方において前記上部境界から前記ピストン本体の中心軸に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する上部スカート部と、前記中央スカート部の下部境界よりも下方において前記下部境界から前記ピストン本体の中心軸に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する下部スカート部とを有する内燃機関のピストンであって、
前記樹脂被膜層にオイルを保持する複数の凹部が形成され、
前記複数の凹部のうち、前記上部境界側または前記下部境界側に位置する凹部は、前記上部境界および前記下部境界から離れていることを特徴とする内燃機関のピストン。
【請求項２】
前記スカート部は、前記スカート部の円周方向中央部から前記サイドウォール部との接続部に向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成されており、
前記凹部は、前記スカート部の円周方向よりも前記ピストン本体の中心軸方向に長い縦長凹部と、前記ピストン本体の中心軸方向よりも前記スカート部の円周方向に長い横長凹部とを含んで構成されており、
前記スカート部の円周方向中央部に前記縦長凹部が形成され、前記スカート部の円周方向中央部よりも前記サイドウォール側に前記横長凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン。
【請求項３】
前記上部境界から前記ピストン本体の中心軸に向かって縮径する前記上部スカート部の縮径量に対して、前記下部境界から前記ピストン本体の中心軸に向かって縮径する前記下部スカート部の縮径量が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストン。
【請求項４】
前記ピストン本体の中心軸方向と平行に延び、前記スカート部を通る仮想平面上において、前記上部境界から前記上部スカート部の所定の縮径量に至るまでの第１の距離が、前記下部境界から前記下部スカート部の所定の縮径量に至るまでの第２の距離よりも大きくなるように、前記上部スカート部と前記下部スカート部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関のピストン。
【請求項５】
前記ピストンピンは、前記ピストン本体の中心軸と直交する中心軸を有し、
前記ピストンピンは、その中心軸が前記ピストン本体の中心軸方向で上部スカート部の範囲に位置するように設置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関のピストン。
【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】
従来、内燃機関のシリンダボアの内壁に対して往復動自在に設けられるピストンとしては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。このピストンは、ピストン本体から垂下した一対のスカート部と、一対のスカート部を互いに連結する一対のサイドウォール部と、一対のサイドウォール部に設けられ、ピストンピンを保持する一対のピストンピンボス部とを備えている。
【０００３】
スカート部は、熱膨張の影響を考慮してピストンの中心軸方向中央部が最大外径となるバレル状に形成されている。スカート部は、ピストン本体の中心軸と平行な面を有するスカート胴部と、スカート胴部の下端の第１境界線から下方に行くにつれてピストン本体の中心軸との距離が連続的に小さくなる第１縮径部を有する。
【０００４】
スカート部は、スカート胴部の上端の第２境界線から上方に行くにつれてピストン本体の中心軸との距離が連続的に小さくなる第２縮径部を有するバレル形状に形成されている。
【０００５】
スカート部の表面には樹脂被膜層が形成されており、樹脂被膜層の表面全面にはオイル溜まりとなる凹部が所定の間隔で配列されている。このピストンは、凹部にオイルを保持することでピストンの摩擦抵抗を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４７４９３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の内燃機関のピストンにあっては、凹部が第１境界線上と第２境界線上に形成されているので、これら境界線上に位置する凹部が油圧を保持し難い。
【０００８】
凹部の周辺には動圧を油膜に変えるため一定量の平面が必要であり、境界線上に形成された凹部の場合には、境界線上で動圧がスカート部の円周方向に漏れてしまい、油膜成長に寄与しない。このため、シリンダボアの内壁とピストンとの潤滑性能が低下し、ピストンの摩擦損失が増大するおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記のような事情に着目してなされたものであり、ピストンとシリンダボアの内壁との潤滑性能を向上でき、ピストンの摩擦損失を低減できる内燃機関のピストンを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、シリンダボアの内壁に対して往復動自在に設けられたピストン本体と、前記ピストン本体から下方に延びる一対のスカート部と、ピストンピンを保持する一対のピストンピンボス部と、前記一対のスカート部とを互いに接続する一対のサイドウォール部と、前記シリンダボアの内壁に対向する前記スカート部の面に設けられた樹脂被膜層とを備え、前記スカート部が、前記ピストン本体の中心軸方向における中央部が最大外径となり、かつ、前記ピストン本体の中心軸と平行な面を有する中央スカート部と、前記中央スカート部の上部境界よりも上方において前記上部境界から前記ピストン本体の中心軸に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する上部スカート部と、前記中央スカート部の下部境界よりも下方において前記下部境界から前記ピストン本体の中心軸に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する下部スカート部とを有する内燃機関のピストンであって、前記樹脂被膜層にオイルを保持する複数の凹部が形成され、前記複数の凹部のうち、前記上部境界側または前記下部境界側に位置する凹部は、前記上部境界および前記下部境界から離れていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
このように上記の本発明によれば、ピストンとシリンダボアの内壁との潤滑性能を向上でき、ピストンの摩擦損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の内燃機関のピストンの一実施例を示す図であり、内燃機関の構成図である。
【図２】図２は、本発明の内燃機関のピストンの一実施例を示す図であり、ピストンおよびシリンダボアを示す図である。
【図３】図３は、本発明の内燃機関のピストンの一実施例を示す図であり、シリンダボアの内壁と接する面からピストンを見た図である。
【図４】図４は、本発明の内燃機関のピストンの一実施例を示す図であり、車両の下方からピストンを見た図である。
【図５】図５は、本発明の内燃機関のピストンの一実施例を示す図であり、図３のIＶ−IＶ方向矢視断面図である。
【図６】図６は、本発明の内燃機関のピストンの一実施例を示す図であり、ピストンとピストンのスカート部の曲面との位置関係を示す図である。
【図７】図７は、本発明の内燃機関のピストンの一実施例を示す図であり、凹部の構成図である。
【図８】図８は、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンのスカート部の上部境界および下部境界と凹部との位置関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンにおける中央スカート部の円周方向の曲率の変化を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンのスカートプロファイルを示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンの傾斜角度とクランク角度との関係と従来のピストンの傾斜角度とクランク角度との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の内燃機関のピストンの一実施例を示す図であり、ピストンとピストンのスカート部に加わる面圧との位置関係を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンにおいて、上部境界および下部境界からの凹部の端部までの距離とスカート部の摩擦係数との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンにおいて、スカート部とシリンダボアの内壁のクリアランスと動圧との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンと従来のピストンの摩擦損失測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施の形態に係る内燃機関のピストンは、シリンダボアの内壁に対して往復動自在に設けられたピストン本体と、ピストン本体から下方に延びる一対のスカート部と、ピストンピンを保持する一対のピストンピンボス部と、一対のスカート部とを互いに接続する一対のサイドウォール部と、シリンダボアの内壁に対向するスカート部の面に設けられた樹脂被膜層とを備え、スカート部が、ピストン本体の中心軸方向における中央部が最大外径となり、かつ、ピストン本体の中心軸と平行な面を有する中央スカート部と、中央スカート部の上部境界よりも上方において上部境界からピストン本体の中心軸に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する上部スカート部と、中央スカート部の下部境界よりも下方において下部境界からピストン本体の中心軸に向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する下部スカート部とを有する内燃機関のピストンであって、樹脂被膜層にオイルを保持する複数の凹部が形成され、複数の凹部のうち、上部境界側または下部境界側に位置する凹部は、上部境界および下部境界から離れている。
これにより、本発明の一実施の形態に係る内燃機関のピストンは、ピストンとシリンダボアの内壁との潤滑性能を向上でき、ピストンの摩擦損失を低減できる。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンについて、図面を用いて説明する。
図１から図１５は、本発明の一実施例に係る内燃機関のピストンを示す図である。図１から図９、図１２において、上下前後左右方向は、車両に設置された状態の内燃機関を基準とし、前後方向に対して直交する方向が左右方向、内燃機関の高さ方向が上下方向である。
【００１５】
まず、構成を説明する。
図１において、車両に搭載された内燃機関としてのエンジン１は、クランクケース２が一体に設けられたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に取付けられたシリンダヘッド４とを含んで構成される。
【００１６】
シリンダブロック３のシリンダボア６内にはピストン７が収納されており、ピストン７は、例えば、アルミニウム合金等によって構成される。ピストン７は、シリンダボア６に対して上下方向に往復動する。
【００１７】
ピストン７は、コネクティングロッド８を介してクランクシャフト５に連結されており、ピストン７の往復動は、コネクティングロッド８を介してクランクシャフト５の回転運動に変換される。本実施例のエンジン１は、クランクシャフト５が車両の幅方向（左右方向）に延びる横置きエンジンから構成されている。
【００１８】
ここで、シリンダボア６は、気筒数に応じてエンジン１に設けられており、シリンダボア６は、４気筒であれば、エンジン１に４つ設けられている。本実施例では、４気筒エンジンを示しているが、気筒数は、４気筒に限定されるものではない。また、エンジン１としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等のエンジンから構成されてもよく、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに限定されるものではない。
【００１９】
図２において、ピストン７は、シリンダボア６の内壁６ａに対して往復動自在に設けられたピストンクラウン部９（図３、図４参照）と、ピストンクラウン部９から下方に延びる一対のスカート部１０、１１とを有する。ここで、本実施例のピストンクラウン部９は、本発明のピストン本体を構成する。
【００２０】
ピストン７は、スカート部１０、１１のそれぞれの左側１０ａ、１１ａおよび右側１０ｂ、１１ｂに接続する一対のサイドウォール部１２、１３と、一対のサイドウォール部１２、１３に設けられ、ピストンピン１６（図１参照）を回転自在に保持する一対のピストンピンボス部１４、１５とを有する。
【００２１】
ピストンピン１６は、円筒のピンから構成されており、ピストンピン１６の中心軸Ｃ１（図３参照）は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃに対して直交する方向に延びている。左側１０ａ、１１ａおよび右側１０ｂ、１１ｂは、スカート部１０、１１の右端または左端から円周方向に一定の幅を有する部位である。
【００２２】
ピストンピンボス部１４、１５は、ピストンピン１６が挿入されるピストンピン装着穴１４Ａ、１５Ａを有し、ピストンピン１６は、ピストンピン装着穴１４Ａ、１５Ａに挿入された状態でピストンピンボス部１４、１５に支持される。
【００２３】
図１において、ピストンピン１６にはコネクティングロッド８の小径部８Ａが連結されており、コネクティングロッド８の大径部８Ｂは、クランクシャフト５に連結されている。これにより、ピストン７の往復動がコネクティングロッド８を介してクランクシャフト５の回転運動に変換される。
【００２４】
シリンダヘッド４には吸気ポート２１が形成されており、吸気ポート２１から吸入された空気は、ピストン７の上方のシリンダボア６に形成された燃焼室１８に導入される。
【００２５】
シリンダヘッド４には排気ポート２２が形成されており、燃焼室１８で燃焼された排気ガスは、排気ポート２２から排気される。
【００２６】
シリンダヘッド４には吸気カム２３Ａを有する吸気カム軸２３と、排気カム２４Ａを有する排気カム軸２４と、吸気カム２３Ａによって吸気ポート２１と燃焼室１８とを連通または遮断する吸気バルブ２５と、排気カム２４Ａによって排気ポート２２と燃焼室１８とを連通または遮断する排気バルブ２６とが設けられている。
【００２７】
図２、図３において、ピストンクラウン部９の外周部にはピストンクラウン部９の上方から順に第１コンプレッションリング溝３１、第２コンプレッションリング溝３２およびオイルリング溝３３が形成されている。
【００２８】
第１コンプレッションリング溝３１および第２コンプレッションリング溝３２には図示しない環状の第１コンプレッションリングおよび第２コンプレッションリングがそれぞれ嵌合されており、オイルリング溝３３にはピストンリングとしての図示しない環状のオイルリングが嵌合されている。
【００２９】
第１コンプレッションリング溝３１および第２コンプレッションリング溝３２は、シリンダボア６の内壁６ａに接触することにより、燃焼室１８を密閉する機能を有する。
【００３０】
オイルリングは、ピストン７の往復動に伴ってシリンダボア６の内壁６ａに接触することにより、シリンダボア６の内壁６ａに付着しているオイルを掻き落とす機能を有する。
【００３１】
オイルリング溝３３の底部には複数のオイル戻し穴３４が形成されており、オイル戻し穴３４は、ピストンクラウン部９のスラスト側と反スラスト側に形成され、オイルリング溝３３の底部からピストン７のピストンクラウン部９の内周面に向かって開口している。
【００３２】
ここで、スラスト側とは、ピストン７がシリンダボア６内を降下する行程において、クランクシャフト５の回転力によってクランクシャフト５の軸線方向と直交する方向のスラスト力がシリンダボア６の内壁６ａに掛かるピストン７の面である。
【００３３】
反スラスト側とは、ピストン７がシリンダボア６内を上昇する行程においてスラスト力と反対方向のスラスト力がシリンダボア６の内壁６ａに掛かるピストン７の面である。
【００３４】
ピストン７とシリンダボア６との間にはコネクティングロッド８の大径部８Ｂに設けられたオイルジェット穴８ａ（図１参照）からオイルが供給される。これにより、図２に示すように、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの間にはオイル３５による油膜が形成される。
【００３５】
このため、オイル３５によってピストン７が冷却されるとともに、ピストン７の外周部とシリンダボア６の内壁６ａとの間が潤滑される。なお、オイル導入部材として、特に、オイルジェット穴８ａに限定されるものではない。
【００３６】
クランクケース２の下部には図示しないオイルパンが設けられており、シリンダボア６はオイルパンに連通している。ピストン７がシリンダボア６内を上下方向に往復動するのに伴って、オイルリング溝３３に嵌合されたオイルリングがシリンダボア６の内壁６ａに付着したオイルを掻き落とすと、このオイルは、オイルリング溝３３からオイル戻し穴３４を通してピストンクラウン部９の内周面に排出され、スカート部１０、１１の間を通ってオイルパンに戻される。
【００３７】
スカート部１０、１１は、ピストン７の往復動時にスラスト側または反スラスト側に接触することでピストン７の首振り挙動を抑制する機能を有する。
【００３８】
図３に示すように、スカート部１０は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと平行に延びる長辺とピストンクラウン部９の中心軸Ｃと垂直方向に延びる短辺とを備えている。なお、スカート部１１もスカート部１０と同様に長辺と短辺を有する。
【００３９】
図５、図６において、スカート部１０、１１は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向における中央部が最大外径となる中央スカート部３７を有し、中央スカート部３７は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと平行な平面に形成されている。ここで、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃは、スカート部１０、１１の中心軸と同一軸上にある。
【００４０】
スカート部１０、１１は、中央スカート部３７の上部境界３７ａよりも上方に位置する上部スカート部３６を有しており、上部スカート部３６は、上部境界３７ａよりも上方において上部境界３７ａからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲している。
【００４１】
なお、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向において、上部境界３７ａは、ピストンピン１６の中心軸Ｃ１よりも下方に位置するようにスカート部１０、１１に形成されている。すなわち、ピストンピン１６は、その中心軸Ｃ１がピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向で上部スカート部３６の範囲に位置するように設置されている。
【００４２】
スカート部１０、１１は、中央スカート部３７の下部境界３７ｂよりも下方に位置する下部スカート部３８を有しており、下部スカート部３８は、上部境界３７ａよりも下方において上部境界３７ａからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲している。このようにスカート部１０、１１は、バレル状に形成されている。
【００４３】
上部境界３７ａからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって縮径する上部スカート部３６の縮径量に対して、下部境界３７ｂからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって縮径する下部スカート部３８の縮径量は、大きく形成されている。
【００４４】
図５、図６では、説明の便宜上、スカート部１０、１１を極端に湾曲させて描いているが、スカート部１０、１１は、実際にこのように極端に湾曲していないことは言うまでもない。
【００４５】
図４において、スカート部１０、１１は、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃからサイドウォール部１２、１３との接続部に向かって、すなわち、左側１０ａ、１１ａおよび右側１０ｂ、１１ｂに向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成されている。
【００４６】
ここで、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃは、サイドウォール部１２とサイドウォール部１３とを結んだスカート部１０、１１の円周方向の頂点である。円周方向において、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスは、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃとシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが最も小さい。
【００４７】
図９に示すように、中央スカート部３７の円周方向中央部１１ｃとピストンクラウン部９の中心軸Ｃを結んだ仮想平面Ｌ１と、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃに対して仮想平面Ｌ１に対して５°傾斜した仮想平面Ｌ２を設定する。
【００４８】
このとき、中央スカート部３７の円周方向中央部１１ｃに対して仮想平面Ｌ２を通る中央スカート部３７の縮径量ＳＳは、０．００５ｍｍ以下、０．００２ｍｍ以上の範囲にすることが望ましい。
【００４９】
図２、図４において、スカート部１０、１１の表面には、例えば、スクリーン法により低摩擦損失性および高耐熱性を有する樹脂被膜層３９が一定の厚みを有して形成されている。樹脂被膜層３９は、シリンダボア６の内壁６ａに対向する中央スカート部３７、上部スカート部３６および下部スカート部３８の表面に形成されている。
【００５０】
図３において、樹脂被膜層３９には複数の凹部４１、４２が形成されており、凹部４１、４２は、一例として樹脂被膜層３９の厚さと同じ５μｍ以上２０μｍ以下の深さを有する。図７において、凹部４１、４２は、外縁を円弧とした大円部４３Ａおよび小円部４３Ｂ、４３Ｃから構成されている。
【００５１】
大円部４３Ａは、半径Ｒの円から構成されており、小円部４３Ｂ、４３Ｃは、半径Ｒよりも小さい半径を有し、大円部４３Ａよりも面積の小さい円から構成されている。小円部４３Ｂ、４３Ｃは、大円部４３Ａに重なっており、小円部４３Ｂ、４３Ｃは、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向において大円部４３Ａを挟むように形成され、大円部４３Ａに連通されている。
【００５２】
図８において、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向、すなわち、上下方向で上部境界３７ａ側と下部境界３７ｂ側に位置し、かつ、凹部４１と同じ高さに設置されている凹部４２は、凹部４１の上端４１ａよりも下方で、かつ凹部４１の下端４１ｂよりも上方に位置している。これにより、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向において凹部４２に対して凹部４１が上部境界３７ａと下部境界３７ｂに近い。
【００５３】
凹部４１のうち、上部境界３７ａ側または下部境界３７ｂ側に位置する凹部４１は、上部境界３７ａおよび下部境界３７ｂから離れている。
【００５４】
具体的には、上部スカート部３６に位置する凹部４１のうち、上部境界３７ａ側に位置する凹部の４１の下端４１ｂは、上部境界３７ａよりも上方に距離Ｓだけ離れている。
【００５５】
中央スカート部３７に位置する凹部４１のうち、上部境界３７ａ側に位置する凹部の４１の上端４１ａは、上部境界３７ａよりも下方に距離Ｓだけ離れている。下部スカート部３８に位置する凹部４１のうち、下部境界３７ｂ側に位置する凹部４１の上端４１ａは、下部境界３７ｂよりも下方に距離Ｓだけ離れている。
【００５６】
中央スカート部３７に位置する凹部４１のうち、下部境界３７ｂ側に位置する凹部の４１の下端４１ｂは、下部境界３７ｂよりも上方に距離Ｓだけ離れている。距離Ｓは、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に設定されることが望ましい。
【００５７】
図３に示すように、凹部４１は、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃにおいてピストンクラウン部９の中心軸Ｃに沿って設置されている。
【００５８】
凹部４１は、大円部４３Ａおよび小円部４３Ｂ、４３Ｃの配列方向を長手方向とした場合に、長手方向がピストンクラウン部９の中心軸Ｃと同方向の縦長になるように設置される。すなわち、凹部４１は、スカート部１０、１１の円周方向よりもピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向に長くなるように縦長に配列されている。本実施例の凹部４１は、本発明の縦長凹部を構成する。
【００５９】
凹部４２は、大円部４３Ａおよび小円部４３Ｂ、４３Ｃの配列方向を長手方向とした場合に、長手方向がピストンクラウン部９の中心軸Ｃと直交する方向となるように横長に設置されている。すなわち、凹部４２は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向よりもスカート部１０、１１の円周方向に長くなるように横長凹部に設置されている。本実施例の凹部４２は、本発明の横長凹部を構成する。
【００６０】
凹部４１は、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃに形成されている。凹部４２は、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃよりもサイドウォール部１２、１３側に形成されている。
【００６１】
なお、図７に示す凹部４１、４２は、縦長に設置される凹部と横長に設置される凹部とは関係なく、凹部そのものの形状を示しており、この凹部４１、４２が樹脂被膜層３９に形成された状態で縦長の凹部４１および横長の凹部４２となる。
【００６２】
スカート部１１は、スカート部１０と同様に凹部４１、４２が形成されているため、以降は、スカート部１０の凹部４１、４２について説明する。スカート部１０に形成された凹部４１、４２とスカート部１１に形成された凹部４１、４２は、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃに対して対称である。
【００６３】
スカート部１０の単位面積当りの凹部４１、４２の設置数である設置密度は、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃが最も高い。凹部４１、４２は、スカート部１０の円周方向中央から離れるに従って、すなわち、サイドウォール部１２、１３に向かうに従って設置密度が徐々に低くなる。
【００６４】
樹脂被膜層３９は、例えば、スクリーン印刷機を用いて、一例として、黒鉛と、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）と、ポリテトラフルオロエチレンとを主成分とする潤滑樹脂塗料をスカート部１０、１１に塗布したものであり、大円部４３Ａおよび小円部４３Ｂ、４３Ｃと同形状のマスキング処理をスカート部１０、１１に施すことで、凹部４１、４２をスカート部１０、１１の表面に付与している。
【００６５】
これにより、オイルを保持する複数の凹部４１、４２は、外縁を樹脂被膜層とし、底部を樹脂被膜層が形成されていない非膜部位として形成される。なお、樹脂被膜層３９の製造方法や材料は、特に限定されるものではない。
【００６６】
図６において、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向と平行に延び、スカート部１０を通る仮想平面Ｌ３上において、上部境界３７ａから上部スカート部３６の所定の縮径量Ｓ１に至るまでの第１の距離Ｈ１は、下部境界３７ｂから下部スカート部３８の所定の縮径量Ｓ１に至るまでの第２の距離Ｈ２よりも大きくなるように、上部スカート部３６と下部スカート部３８が形成されている。
【００６７】
次に、作用を説明する。
スカート部１０、１１の円周方向の領域とシリンダボア６の内壁６ａとの接触圧が高くなるのは、以下の理由による。
【００６８】
ピストン７がシリンダボア６内を往復動するときに、コネクティングロッド８およびピストンピン１６から燃焼圧力の一部がピストン７に負荷された後に、シリンダボア６の内壁６ａにスカート部１０またはスカート部１１が接触する際に、ピストンピンボス部１４、１５とピストンピン１６の接触部位がスカート部１０、１１をシリンダボア６の内壁６ａに押し付けるときの押し付け力の入力点となる。
【００６９】
ピストン７の往復動によってスカート部１０、１１およびシリンダボア６の内壁６ａとの間に発生する摩擦力は、スカート部１０、１１が燃焼圧力に起因する押し付け力を受けながらシリンダボア６の内壁６ａを上下動することで発生する。
【００７０】
一方、ピストン７は、シリンダボア６の内径とピストン７の外径差の分だけ、すなわち、シリンダボア６の内壁６ａとピストン７のクリアランス分だけ、シリンダボア６に対してピストンピン１６の中心軸Ｃ１を中心とする傾斜（揺動）の自由度を有する。
【００７１】
ピストン７において、上部スカート部３６の縮径量を下部スカート部３８の縮径量よりも大きくすると、上部スカート部３６とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスの増大に伴いピストン７の傾斜量が大きくなり、下部スカート部３８がシリンダボア６に高い圧力で接触して摩擦が生じる。
【００７２】
特に、膨張工程においては、高い燃焼圧がピストン７に付加されてピストン７を傾斜させる回転力（モーメント）が大きくなる。このモーメントは、ピストンピン１６の中心軸Ｃ１からの距離に比例するため、下部スカート部３８の下端に作用するモーメントがスカート部１０またはスカート部１１の部位で最も大きくなる。これにより、シリンダボア６に対するピストン７の摩擦が増大してしまい、エンジン１の燃費に悪影響を与える。
【００７３】
本実施例のピストン７によれば、スカート部１０、１１が、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向における中央部が最大外径となり、かつ、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃと平行な面を有する中央スカート部３７を有する。
【００７４】
さらに、スカート部１０、１１は、中央スカート部３７の上部境界３７ａよりも上方において上部境界３７ａからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する上部スカート部３６と、中央スカート部３７の下部境界３７ｂよりも下方において下部境界３７ｂからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって外径が漸次小さくなるように湾曲する下部スカート部３８とを有する。
【００７５】
これにより、中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスをピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向に一定に維持し、中央スカート部３７では傾きのない安定したピストン７の姿勢を保持できる。
【００７６】
また、ピストン７において、上部境界３７ａからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって縮径する上部スカート部３６の縮径量に対して、下部境界３７ｂからピストンクラウン部９の中心軸Ｃに向かって縮径する下部スカート部３８の縮径量が大きく形成されている。
【００７７】
このため、上部スカート部３６の縮径により、ピストン７を制御する傾斜角までピストン７を強制的に傾斜できる。これに加えて、ピストン７の傾斜によって発生する下部スカート部３８の下端とシリンダボア６の内壁６ａとの干渉を抑制でき、シリンダボア６に対する下部スカート部３８の摩擦損失を低減できる。この結果、エンジン１の燃費性能を向上できる。
【００７８】
また、下部スカート部３８の下端とシリンダボア６の内壁６ａとの干渉を抑制できるので、干渉による打音を低減でき、騒音によって搭乗者に不快感を与えることを防止できる。
【００７９】
図１０は、本実施例のピストン７のスカートプロファイルを示し、プラス側が下部スカート部の下端側であり、マイナス側が下部スカート部の上端側、すなわち、下部境界３７ｂである。破線は、従来のピストンを示し、実線は、本実施例のピストン７を示す。本実施例の下部スカート部３８の縮径量を従来のピストン下部スカート部の縮径量よりも大きく、上部スカート部３６の縮径量を従来のピストンの上部スカート部の縮径量よりも小さくしている。
【００８０】
図１１は、本実施例のピストン７と従来のピストンとをそれぞれエンジンに搭載して可動させたときのピストンの傾斜角度を示している。
【００８１】
図１１に示すように、本実施例のピストン７は、４ストロークエンジンの１サイクル（クランク２回転、７２０度分）の傾斜角度の全域を通して従来のピストンよりも傾斜角度が小さく、従来のピストンよりも正立状態で駆動される時間が長いことが分かる。
【００８２】
すなわち、本実施例のピストン７は、従来のピストンに比べて、下部スカート部３８の下端とシリンダボア６の内壁６ａとの接触を抑制でき、摩擦損失を低減できることが明らかである。
【００８３】
また、本実施例のピストン７によれば、ピストンピン１６は、その中心軸Ｃ１がピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向で上部スカート部３６の範囲に位置するように設置されている。これにより、ピストンピン１６の中心軸Ｃ１を中心としてピストン７を制御する傾斜角までピストン７を強制的に傾斜できる。
【００８４】
次に、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑について説明する。
図１２は、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの間の面圧分布を示す図であ。図１２において、斜線の間隔が狭い領域（斜線の密度が高い領域）と面圧の大きさとは比例しており、斜線の間隔が狭い領域ほど、面圧が大きくなる。
【００８５】
本実施例のスカート部１０、１１は、ピストンピン１６の中心軸Ｃ１と直交する方向のスカート部１０、１１の円周方向中央部１０ｃ、１１ｃが高くなるバレル形状に形成されるとともに、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃからサイドウォール部１２、１３に向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成されている。
【００８６】
これにより、中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが最も小さくなり、中央スカート部３７からピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向外方で、かつ、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃから円周方向外方に向かうに従ってシリンダボア６の内壁６ａとの接触圧が小さくなる。
【００８７】
このため、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが小さく、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの接触面圧が高い部位の潤滑条件は、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが大きく、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの接触面圧が低い部位の潤滑条件に比べて厳しくなる。
【００８８】
本実施例のピストン７は、このような厳しい潤滑条件で好適な潤滑を行うことができるようにしたものであり、以下、ピストン７を潤滑する方法を具体的に説明する。
【００８９】
なお、スカート部１０、１１は、いずれも同様の動作を行うので、以降の説明において、スカート部１０のみについて動作を説明する。また、以降の説明において、ピストン７の上流、下流という表現は、ピストン７の移動方向に対して前方が上流、後方が下流を意味する。
【００９０】
本実施例のピストン７は、スカート部１０とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが小さく、スカート部１０とシリンダボア６の内壁６ａとの接触面圧が高い部位において、樹脂被膜層３９に縦長の凹部４１と横長の凹部４２を形成した。
【００９１】
凹部４１、４２は、大円部４３Ａと、大円部４３Ａよりも面積の小さい円から構成され、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向において大円部４３Ａを挟むように設置された小円部４３Ｂ、４３Ｃとを有する。
【００９２】
これにより、ピストン７の上下動時において、凹部４１、４２によってオイルの動圧を発生させることができる。
【００９３】
ピストン７が上昇すると、上流側（燃焼室１８側）から上部スカート部３６とシリンダボア６の内壁６ａとの間にオイルが導入される。このオイルは、凹部４１において、上流の小円部４３Ｂから下流の大円部４３Ａに導入されてオイル量が増大した後、大円部４３Ａから下流の小円部４３Ｃに導入され、オイルが急激に絞られることにより、高い動圧を発生する。
【００９４】
また、凹部４２においては、大円部４３Ａから下流の大円部４３Ａ、小円部４３Ｂ、４３Ｃに導入されてオイル量が増大した後、大円部４３Ａ、小円部４３Ｂ、４３Ｃから下流の大円部４３Ａに導入されることで、オイルが急激に絞られて高い動圧を発生する。
【００９５】
特に、摩擦境界（二つの物体の接触面）に発生する動圧の大きさは、円の内径によって異なり、動圧が大きい程、オイルの膜厚が厚くなる。
【００９６】
但し、凹部４２においては、上流から下流に流れるオイルの絞り量が少なくなるので、凹部４１に比べて発生するオイルの動圧が小さくなる。
【００９７】
これにより、ピストン７の上昇時に、スカート部１０がシリンダボア６の内壁６ａから離れる方向に圧力が加わり、シリンダボア６の内壁６ａに対するクリアランスが小さく、かつ、シリンダボア６の内壁６ａに対する接触面圧が大きい中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとの間のオイルの膜厚を厚くすることができる。
【００９８】
一方、ピストン７が降下すると、上流側（クランクシャフト５側）から下部スカート部３８とシリンダボア６の内壁６ａとの間にオイルが導入される。このオイルは、凹部４１において、上流の小円部４３Ｃから下流の大円部４３Ａに導入されてオイル量が増大した後、大円部４３Ａから下流の小円部４３Ｂに導入されることで、オイルが急激に絞られて高い動圧を発生する。
【００９９】
また、凹部４２においては、大円部４３Ａから上流の大円部４３Ａ、小円部４３Ｂ、４３Ｃに導入されてオイル量が増大した後、大円部４３Ａ、小円部４３Ｂ、４３Ｃから下流の大円部４３Ａに導入されることで、オイルが急激に絞られて高い動圧を発生する。
【０１００】
これにより、ピストン７の降下時に、中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとの間にオイルの膜厚を厚くすることができる。
【０１０１】
すなわち、本実施例の凹部４１、４２は、一定の量のオイルを保持する機能と、保持したオイルに圧力を与えてシリンダボア６とピストン７とを引き離す機能を有する。
【０１０２】
このように本実施例のピストン７によれば、スカート部１０、１１が、円周方向中央部１０ｃ、１１ｃからサイドウォール部１２、１３に向かって円周方向に曲率が大きくなるように形成されており、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃに縦長の凹部４１が形成され、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃよりもピストンクラウン部９側に横長の凹部４２が形成されている。
【０１０３】
これにより、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃ、１１ｃとシリンダボア６の内壁とのクリアランスの小さい領域のオイルの動圧を凹部４１によって高くできる。
【０１０４】
また、スカート部１０の円周方向中央部１０ｃ、１１ｃとシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスの小さい小クリアランス領域の流速を、スカート部１０、１１の円周方向中央部１０ｃ、１１ｃからサイドウォール部１２、１３側に離れたスカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスの大きい大クリアランス領域の流速よりも速くできる。
【０１０５】
このため、流速の速いオイルによって流速の遅いオイルを小クリアランス領域に引き寄せることでき、シリンダボア６の内壁６ａに対するクリアランスが小さく、かつ、シリンダボア６の内壁６ａに対する接触面圧が大きい中央スカート部３７とシリンダボア６の内壁６ａとの間に多くのオイルを集めることができる。このため、ピストン７の上下動時にピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑性能を向上でき、ピストン７の摩擦損失をより効果的に低減できる。
【０１０６】
一方、スカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが大きい大クリアランス領域のオイルの量は、小クリアランス領域のオイルの量よりも多い。これにより、大クリアランス領域のオイルの膜厚が厚すぎると、ピストン７がオイルから粘性抵抗を受けてしまうため、大クリアランス領域では、低い動圧を発生させることが望ましい。
【０１０７】
本実施例のピストン７によれば、スカート部１０とシリンダボア６の内壁６ａとのクリアランスが大きい大クリアランス領域では、横長の凹部４２を設置することにより、凹部４１、４２の形状を同一形状としつつ、適度な動圧を発生させてオイルの膜厚が過剰に厚くなるのを防止できる。
【０１０８】
また、本実施例のピストン７によれば、上部スカート部３６に位置する凹部４１のうち、上部境界３７ａ側に位置する凹部の４１の下端４１ｂは、上部境界３７ａよりも上方に距離Ｓだけ離れており、中央スカート部３７に位置する凹部４１のうち、上部境界３７ａ側に位置する凹部の４１の上端４１ａは、上部境界３７ａよりも下方に距離Ｓだけ離れている。
【０１０９】
下部スカート部３８に位置する凹部４１のうち、下部境界３７ｂ側に位置する凹部４１の上端４１ａは、下部境界３７ｂよりも下方に距離Ｓだけ離れており、中央スカート部３７に位置する凹部４１のうち、下部境界３７ｂ側に位置する凹部の４１の下端４１ｂは、下部境界３７ｂよりも上方に距離Ｓだけ離れている。
【０１１０】
これにより、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑性能をより効果的に向上でき、ピストン７の摩擦損失をより効果的に低減できる。
【０１１１】
具体的には、凹部４１の周辺には動圧を油膜に変えるため一定量の平面が必要であり、上部境界３７ａ上および下部境界３７ｂ上に凹部４１が形成されると、上部境界３７ａ上および下部境界３７ｂ上でスカート部１０、１１の円周方向に漏れてしまい、油圧成長に寄与しない。このため、シリンダボア６の内壁６ａに対してピストン７の摩擦損失が増大するおそれがある。
【０１１２】
図１３において、上部境界３７ａおよび下部境界３７ｂから凹部４１の端部までの距離Ｓと摩擦係数との関係を示す。
【０１１３】
凹部４１と上部境界３７ａおよび下部境界３７ｂとの距離Ｓが０．０５ｍｍ以下では、油膜の減少に伴って摩擦係数が大きくなる。また、距離Ｓが０．０５ｍｍで摩擦係数が最小となり、０．５ｍｍを囲えると摩擦係数は一定値で収束する。
【０１１４】
本実施例のピストン７においては、凹部４１のうち、上部境界３７ａ側または下部境界３７ｂ側に位置する凹部４１は、上部境界３７ａおよび下部境界３７ｂから０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下だけ離れて設置されている。
【０１１５】
これにより、凹部４１の本来のオイルの保持機能と動圧効果の両方を効果的に得ることができる。このため、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑性能をより効果的に向上でき、ピストン７の摩擦損失をより効果的に低減できる。
【０１１６】
また、本実施例のピストン７によれば、ピストンクラウン部９の中心軸Ｃ方向と平行に延び、スカート部１０を通る仮想平面Ｌ３上において、上部境界３７ａから上部スカート部３６の所定の縮径量Ｓ１に至るまでの第１の距離Ｈ１が下部境界３７ｂから下部スカート部３８の所定の縮径量Ｓ１に至るまでの第２の距離Ｈ２よりも大きくなるように、上部スカート部３６と下部スカート部３８が形成されている。これにより、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑性能をより効果的に向上でき、ピストン７の摩擦損失をより効果的に低減できる。
【０１１７】
具体的には、第１の距離Ｈ１と第２の距離Ｈ２においては、ピストン７が上下動する際に、第１の距離Ｈ１に対応する上部スカート部３６とシリンダボア６の内壁６ａとの間、第２の距離Ｈ２に対応する下部スカート部３８とシリンダボア６の内壁６ａとの間でそれぞれ潤滑油膜がクサビ効果による動圧によって増加する。これにより、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑性能をより効果的に向上でき、ピストン７の摩擦損失をより効果的に低減できる。
【０１１８】
図１４に、縮径量（シリンダボア６の内壁６ａとスカート部１０、１１とのクリアランス）Ｓ１と動圧の関係を示す。
【０１１９】
図１４から明らかなように、動圧は、０．００２ｍｍで最大値を示しており、０．００５ｍｍで最小値を示し、０．００６ｍｍで消滅する。したがって、縮径量Ｓ１は、０．００５ｍｍ以下０．００２ｍｍ以上にすることが望ましい。
【０１２０】
また、第１の距離Ｈ１を第２の距離Ｈ２よりも大きくすることにより、上部スカート部３６の縮径量に対して、下部スカート部３８の縮径量が大きく形成された場合であっても、上部スカート部３６とシリンダボア６の内壁６ａの間の潤滑油膜によるくさび効果を大きくできる。
【０１２１】
このため、ピストン７の傾斜によって発生する下部スカート部３８の下端とシリンダボア６の内壁６ａとの干渉をより効果的に抑制できる。
【０１２２】
また、本実施例のピストン７によれば、スカート部１０、１１の円周方向において、中央スカート部３７の円周方向中央部１０ｃに対して仮想平面Ｌ２を通る中央スカート部３７の縮径量ＳＳを、図１４に基づいて０．００５ｍｍ以下、０．００２ｍｍ以上の範囲に設定している。
【０１２３】
これにより、スカート部１０、１１の円周方向におけるスカート部１０、１１とシリンダボア６の内壁６ａとの間の潤滑油膜によるくさび効果を大きくできる。このため、ピストン７とシリンダボア６の内壁６ａとの潤滑性能をより効果的に向上でき、ピストン７の摩擦損失を低減できる。
【０１２４】
図１５は、本実施例のアルミニウム製のピストン７と従来のピストンのそれぞれを排気量６６０ｃｃの３気筒ガソリンエンジンに適用し、本実施例のピストン７と従来品との摩擦損失の評価を行った結果を示す図である。
【０１２５】
摩擦損失の評価を行った結果、本実施例のピストン７を用いたエンジンは、１０００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍのいずれの回転数においても、従来品よりも摩擦損失を低減できることが証明された。
【０１２６】
本実施例の凹部４１、４２は、外縁を円弧とした大円部４３Ａおよび小円部４３Ｂ、４３Ｃから構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、縦方向や横方向に長い凹部であれば、どのような形状でも良い。
【０１２７】
本実施例のエンジン１は、クランクシャフト５が車両の幅方向に延びる横置きエンジンから構成されているが、エンジン１は、クランクシャフト５が車両の前後方向に延びる縦置きエンジンから構成されてもよい。
【０１２８】
本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【０１２９】
１...エンジン（内燃機関）、６...シリンダボア、６ａ...内壁、７...ピストン、９...ピストンクラウン部（ピストン本体）、１０，１１...スカート部、１０ｃ，１１ｃ...円周方向中央部（スカート部の円周方向中央部）、１２，１３...サイドウォール部、１４...ピストンピンボス部、１６...ピストンピン、３６...上部スカート部、３７...中央スカート部、３７ａ...上部境界、３７ｂ...下部境界、３８...下部スカート部、３９...樹脂被膜層、４１...凹部（縦長凹部）、４２  ...凹部（横長凹部）、Ｃ...ピストンクラウン部の中心軸（ピストン本体の中心部）、Ｃ１...ピストンピンの中心軸、Ｈ１...第１の距離、Ｈ２...第２の距離、Ｌ３...スカート部を通る仮想平面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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