(57)【要約】  シリンダ内で摺動往復運動を行う、内燃機関のためのピストン、及びピストンを製造する方法。ピストンは、ピストンヘッドと、少なくとも１つの支持面を有するピストンスカートとを有する。少なくとも１つの支持面には少なくとも部分的に第１のオーバーレイが設けられており、第２のオーバーレイは少なくとも第１のオーバーレイの一部に提供されている。第１のオーバーレイは第２のオーバーレイよりも大きな耐摩耗性を有する。
2009522480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のためのピストンにおいて、
ピストンヘッドと、
少なくとも１つの支持面を有するピストンスカートとが設けられており、該ピストンスカートがシリンダ内で摺動往復運動を行うようになっており、
前記少なくとも１つの支持面に第１のオーバーレイが設けられており、
少なくとも第１のオーバーレイの部分に提供された第２のオーバーレイが設けられており、第１のオーバーレイが第２のオーバーレイよりも大きな耐摩耗性を有することを特徴とする、内燃機関のためのピストン。
【請求項２】
前記第１のオーバーレイが２つ以上の個々の層から成る、請求項１記載のピストン。
【請求項３】
前記第２のオーバーレイが２つ以上の個々の層から成る、請求項１記載のピストン。
【請求項４】
前記第２のオーバーレイが第１のオーバーレイよりも大きな層厚さを有する、請求項１記載のピストン。
【請求項５】
前記第１のオーバーレイが少なくとも１つの支持面の全体を被覆しており、前記第２のオーバーレイが第１のオーバーレイの一部を被覆している、請求項１記載のピストン。
【請求項６】
第２のオーバーレイが、ストライプの形式で第１のオーバーレイ上に提供されている、請求項５記載のピストン。
【請求項７】
第２のオーバーレイが、波形のストライプの形状で第１のオーバーレイ上に提供されている、請求項５記載のピストン。
【請求項８】
前記第２のオーバーレイが、虎柄ストライプの形状で第１のオーバーレイ上に提供されている、請求項５記載のピストン。
【請求項９】
前記第１のオーバーレイが、０．０５〜０．１５の摩擦係数を備える材料から成る、請求項１記載のピストン。
【請求項１０】
第１のオーバーレイが、５００〜４０００Ｈｖの硬さを備える固体潤滑材から成る、請求項１記載のピストン。
【請求項１１】
前記第１のオーバーレイが、２〜１６Φｍの厚さを備える固体潤滑材から成る、請求項１記載のピストン。
【請求項１２】
前記第２のオーバーレイが、８〜２５Φｍの厚さを備える固体潤滑材から成る、請求項１記載のピストン。
【請求項１３】
内燃機関のためのピストンを製造する方法において、ピストンが、ピストンヘッドと、シリンダ内で摺動往復運動を行うピストンスカートとを有しており、ピストンスカートが少なくとも１つの支持面を有しており、前記方法が以下のステップ：
ａ）ピストンスカートの支持面を機械的にクリーニングし；
ｂ）ピストンスカートの支持面を化学的にクリーニングし；
ｃ）ピストンスカートの支持面の少なくとも一部に第１のオーバーレイを提供し；
ｄ）第１のオーバーレイの少なくとも一部に第２のオーバーレイを提供する
を含むことを特徴とする、内燃機関のためのピストンを製造する方法。
【請求項１４】
第１のオーバーレイを提供するためにスクリーン印刷が使用され、前記方法のステップｃ）が行われると第１のオーバーレイが硬化させられる、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
第２のオーバーレイを提供するためのスクリーン印刷が使用され、前記方法のステップｄ）が行われると第２のオーバーレイが硬化させられる、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
さらに、ステップｃ）及びｄ）を少なくとも一回繰り返すことを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
第１のオーバーレイが、少なくとも１つの支持面に、該支持面の全体において提供され、第２のオーバーレイが第１のオーバーレイの一部に提供される、請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、シリンダにおいて滑り往復運動を行う、ピストンヘッド及びピストンスカートを備えた内燃機関のためのピストンに関し、ピストンスカートは少なくとも１つの支持面を有する。本発明はさらにこのようなピストンを製造する方法に関する。
【０００２】
２．従来の技術
自動車のための公知の内燃機関は、その他の構成部材に加えて、シリンダにおいて往復運動を行うピストンと共に、１つ又は２つ以上のシリンダ及びこのシリンダに関連したシリンダヘッドとを備えたエンジンブロックを有する。ピストンはピストンヘッド及び隣接するピストンスカートを有する。ピストンスカートの領域において、取り付けられたピストンピンを収容するためのボアが設けられており、ピストンピンには、クランクシャフトと結合されたコネクティングロッドが着座させられている。
【０００３】
ピストンは、点火されたガソリン混合物又はディーゼル燃料によって加えられる燃焼圧力の結果シリンダにおいて直線的な下方移動を行うが、ピストンは同時に、クランクシャフトにおけるコネクティングロッドの円運動と、ピストンとシリンダとの間の間隙との結果、側方移動も生じる。ピストンが往復運動する間、この側方移動はピストンスカートの支持面とシリンダの内壁面との間に摩擦を生ぜしめる。金属対金属の移動から生じるピストンとシリンダとの間のこの摩擦をできるだけ小さくするために、潤滑膜、例えば油がピストンの支持面とシリンダの内壁との間に生ぜしめられる。内燃機関において生じる高温において、潤滑膜はその効果を急速に失い、不十分な潤滑、ひいてはピストンの摺動特性の損失を生じる。
【０００４】
この欠点は、ピストンスカートの支持面が、耐摩耗性でかつ低い摩擦係数を有するオーバーレイでコーティングすることにつながる。さらに、このオーバーレイに、付加的な潤滑剤、例えば油が導入及び収集される凹所又は溝を提供することが知られている。この形式の公知のピストンは、国際特許出願ＷＯ２００５／０４２９５３号に詳細に説明されている。
【０００５】
発明の概要
したがって、本発明の目的は、長期間に亘って、作動中に生じる高温においてさえもシリンダ内でのピストンの確実な低摩擦の機能を保証する摺動特性を有する前記形式のピストンを提供することである。
【０００６】
この目的は、シリンダにおける摺動往復運動を行う、ピストンヘッド及びピストンスカートを備えた内燃機関のためのピストンによって達成される。ピストンスカートは、少なくとも部分的に第１のオーバーレイが設けられた少なくとも１つの支持面を有しており、第１のオーバーレイの少なくとも一部に第２のオーバーレイが提供されている。第１のオーバーレイは第２のオーバーレイよりも大きな耐摩耗性を有している。
【０００７】
このようなピストンを製造するための本発明による方法は以下の方法ステップによって区別される：
ａ）ピストンスカートの支持面の機械的なクリーニング
ｂ）ピストンスカートの支持面の化学的なクリーニング
ｃ）ピストンスカートの支持面の少なくとも一部における第１のオーバーレイの提供
ｄ）第１のオーバーレイの少なくとも一部における第２のオーバーレイの提供。
【０００８】
本発明によるピストンは、特に有利な摺動特性によって区別される。異なる摩耗特性を備えた２つのオーバーレイの提供により、選択される材料及び個々のオーバーレイのために選択される層厚さのより大きな可変性が許容され、これにより、本発明によるピストンの摺動特性は個々のケースの必要条件に適合させられ、ひいては最適化されることができる。異なる摩耗特性を備えた２つのオーバーレイの提供は、特に、本発明によるピストンの摺動特性を、ピストンの耐用年数の間の様々な段階に適応させることを可能にし、このことは、ピストンの純粋に構造的な設計によって限定された程度までしか可能ではない。
【０００９】
特に、内燃機関又はピストンのならし運転段階の間の本発明によるピストンの摺動特性は最適化されることができる。例えば、第２のオーバーレイの層厚さの適切な選択により、本発明によるピストンの支持面とシリンダの内壁との間の間隙が、耐用年数のその後の段階において本発明によるピストンの摺動特性を損なうことなく減じられることができる。なぜならば、第２のオーバーレイは所定の期間の後（ならし運転段階の終了時）に摩耗されるからである。
【００１０】
図面の簡単な説明
本発明のその他の目的及び特徴は、添付の図面に関連して考慮された以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、図面は、例示としてのみ設計されており、発明の制限の規定として設計されていない。
【００１１】
図面において、同じ参照符号は複数の図面を通じて同じエレメントを示している。
【００１２】
図１は、シリンダと、シリンダにおいて往復運動を行う本発明によるピストンとを備えた、エンジンブロックの部分的な断面図である。
【００１３】
図２は、図１に示されたような、本発明によるピストンの斜視図である。
【００１４】
好適な実施形態の詳細な説明
ここで図面を詳細に参照すると、図１及び図２は、本発明によるピストン１０の典型的な実施形態を示している。ピストン１０は、内燃機関のエンジンブロック１２のシリンダ１１に往復運動可能に取り付けられている。ピストン１０は、ピストンヘッド１３と、ピストンヘッドに軸方向で隣接したピストンスカート１４とを有する。ピストンヘッド１３は、ピストンリング（図示せず）を受容するための、ピストンヘッドの周囲に亘って配置されたリング溝１５を有する。ピストンスカート１４の領域において、ピストンピン１７を受容するためのボア１６が設けられている。コネクティングロッド２０はピストンピン１７及びクランクシャフト（図示せず）と結合されている。
【００１５】
典型的な実施形態において、ピストンスカート１４は、２つの互いに反対向きの支持面１８，１９を有しており、これらの支持面は、ピストン１０の往復運動の間にシリンダ１１の内壁２１に沿って摺動する。クランクシャフト上でのコネクティングロッド２０の円運動と、支持面１８，１９とシリンダ１１の内壁２１との間の間隙とにより、ピストン１０は側方移動を生じ、この側方移動は、シリンダ１１内でのピストン１０の往復運動の間に、ピストンスカート１４の支持面１８,１９とシリンダ１１の内壁２１との間に摩擦を生ぜしめる。
【００１６】
支持面１８，１９それぞれには第１のオーバーレイ２２が設けられている。第１のオーバーレイ２２は好適には、５００Ｈｖ〜４０００Ｈｖのビッカース硬さ及び０．０５〜０．１５の摩擦係数を備えた材料から成る。適切な材料の例は、ダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）コーティング、セラミックコーティング、グラファイトを含むチキソトロープエポキシエマルジョンコーティング、モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン、又はそれぞれの組合せ又は金属（Ｆｅ，Ｔｉ，Ｎｉ又はその他）とのそれぞれの組合せである。第１のオーバーレイ２２は、以下のようなパラメータの範囲を備える固体潤滑材から成ることもできる。第１のオーバーレイ２２の層厚さは、２〜１６Φｍ、好適には５〜１０Φｍである。第１のオーバーレイ２２は好適には支持面１８，１９を全体的に被覆しているが、支持面１８，１９の一部のみを被覆することもできる。第１のオーバーレイ２２は２つ以上の個々の層から成ることもできる。個々の層は同じ材料又は異なる材料から形成されていることができる。材料の適切な組合せの例はDow Corning Molykote D-10及びDow Corning Molykote D-88である。各層の層厚さは２Φｍ〜１６Φｍであることができる。
【００１７】
典型的な実施形態において、第１のオーバーレイ２２は六角形であるが、特定のコーティングの天然の化学的性質に応じて、立方晶系、非晶質又はその他であることもできる。
【００１８】
第２のオーバーレイ２３は第１のオーバーレイ２２に提供されている。典型的な実施形態において、第２のオーバーレイ２３は第１のオーバーレイ２２の一部にのみ提供されている。しかしながら、第２のオーバーレイ２３は第１のオーバーレイ２２の全体を被覆することもできる。また、オーバーレイ２３は、オーバーレイ２２から予めマスクされた支持面１８,１９の区分を被覆することができる。
【００１９】
第２のオーバーレイ２３は好適には、以下に列挙されるパラメータを備えた固体潤滑材から成る。第２のオーバーレイ２３の層厚さは、８〜２５Φｍ、好適には１２〜１５Φｍである。第２のオーバーレイ２３の層厚さは好適には、第１のオーバーレイ２２の層厚さよりも大きい。第２のオーバーレイ２３は同様に２つ以上の個々の層から成ることができる。個々の層は同じ材料又は異なる材料から形成されることができる。材料の適切な組合せの例は、グラファイトを含むエポキシエマルジョン又はモリブデン又はポリテトラフルオロエチレン又はこれらの又はその他の組合せである。各層の層厚さは８Φｍ〜１５Φｍであることができる。
【００２０】
典型的な実施形態において、第２のオーバーレイ２３は六角形構造（グラファイト）を有するが、その他の構造も可能である。
【００２１】
第２のオーバーレイ２３は好適にはストライプの形状、典型的な実施形態においては虎柄ストライプ２４の形状で第１のオーバーレイ２２上に提供されている。しかしながら、第２のオーバーレイ２３は、あらゆるその他の所望の形状のストライプで、例えば波又はリング又はカテナリージオメトリの形状で、第１のオーバーレイ２２に提供されることもできる。
【００２２】
本発明によるピストンは、例えばコーティングされていない支持面１８，１９の機械的クリーニング（ブラッシング、サンドブラスト等）及び／又は化学的クリーニング（酸及び／又はアルカリを用いるエッチング）を行い、次いで支持面に個々に各層を提供し、使用された材料に応じて硬化させることによって、形成されることができる。層は、例えば様々な印刷方法（スクリーン印刷、輪転機印刷、パッド印刷等）又は堆積法（ＰＶＤ、プラズマ、スパッタリング、イオンビーム等）によって提供されることができる。
【００２３】
典型的な実施形態において、本発明によるピストン１０は以下のように製造された：
１．機械的クリーニング
２．化学的クリーニング
３．Ｆｅ粒子を備えたグラファイトのチキソトロープエマルジョンのスクリーン印刷
４．熱による硬化
５．化学的クリーニング
６．グラファイト、モリブデン、及びＰＴＦＥのチキソトロープエマルジョンのスクリーン印刷
７．熱による硬化。
【００２４】
したがって、本発明の幾つかの実施形態のみが図示及び説明されているが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、前記実施形態に多くの変更が加えられることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】シリンダと、シリンダにおいて往復運動を行う本発明によるピストンとを備えた、エンジンブロックの部分的な断面図である。
【図２】図１に示されたような、本発明によるピストンの斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ピストン、  １１  シリンダ、  １２  エンジンブロック、  １３  ピストンヘッド、  １４  ピストンスカート、  １５  リング溝、  １６  ボア、  １７  ピストンピン、  １８，１９  支持面、  ２０  コネクティングロッド、  ２１  内壁、  ２２  第１のオーバーレイ、  ２３  第２のオーバーレイ
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2009522480.tif 000005
2009522480.tif 000006
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