(57)【要約】【課題】機械損失を可及的に低減することのできる往復動ピストンエンジンを提供する。【解決手段】第２摺動面３１Ｓに、第１摺動面２Ａ側に張り出す張出形状部３１Ｓを設ける。そして、張出形状部３１Ｓのうち最も張り出した部分となる頂部Ｐｓにおける第１摺動面２Ａと第２摺動面３１Ｓとの間の隙間を最小隙間ｈ１とし、最も第１摺動面２Ａに対して離間した位置となる裾部Ｑｓにおけるこの隙間を最大隙間ｈ２とするときに、ｈ１＝０．５μｍ〜４０μｍ、ｈ２／ｈ１＝１．５〜５．０の範囲に設定するとともに、低回転数領域Ａ１では摺動面間に空気を介在させ、高回転数領域Ａ２では潤滑用の液体を介在させる。【選択図】図６
2018145887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内を往復動するピストン及びクランク機構を備えた往復動ピストンエンジンにおいて、
第１摺動面を有する第１部材と、
前記第１摺動面と隙間を置いて対峙する第２摺動面を有し、前記ピストンの往復動時に前記第１部材に対して所定の摺動方向に相対移動する第２部材と、
前記第１摺動面と前記第２摺動面との間に空気よりも粘度の高い潤滑用の液体を供給する潤滑用液体供給装置とを備え、
前記第２摺動面は、前記摺動方向に沿った断面において、前記第１摺動面側に張り出す張出形状部を有し、
前記張出形状部は、最も張り出した部分となる頂部と、この頂部の少なくとも前記摺動方向の下流側に配置され最も前記第１摺動面に対して離間した位置となる裾部とを含み、
前記張出形状部において、前記頂部における前記隙間を最小隙間ｈ１とし、前記裾部における前記隙間を最大隙間ｈ２とするとき、
ｈ１＝０．５μｍ〜４０μｍ、
ｈ２／ｈ１＝１．５〜５．０、
の範囲に設定されており、
前記潤滑用液体供給装置は、エンジン回転数が予め設定された基準回転数以下のときには前記潤滑用の液体を前記第１摺動面と前記第２摺動面との間に供給する一方、エンジン回転数が前記基準回転数よりも高いときには、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間に空気の層が形成されるように前記潤滑用の液体の供給を停止することを特徴とする往復動ピストンエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
前記潤滑用の液体は、水と低粘度オイルとの少なくとも一方であることを特徴とする往復動ピストンエンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
前記第１部材の材質と前記第２部材の材質とは、互いに同一であることを特徴とする往復動ピストンエンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
前記第１部材が、前記気筒であり、
前記第２部材が、前記気筒内を往復動するピストンのスカート部であって、
前記スカート部の、前記気筒の内周壁と対峙する外周壁に前記張出形状部が設けられていることを特徴とする往復動ピストンエンジン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
前記ピストンに連結されて当該ピストンの往復動に伴って回転するクランクシャフトと、当該クランクシャフトを回転可能に支持するクランク軸受とを有し、
前記第１部材が、前記クランクシャフトであり、
前記第２部材が、前記クランク軸受であって、
前記クランク軸受の、前記クランクシャフトの外周壁と対峙する内周壁に前記張出形状部が設けられていることを特徴とする往復動ピストンエンジン。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の往復動ピストンエンジンにおいて、
前記ピストンとクランクシャフトとを連結するコンロッドを備え、
前記コンロッドは、前記クランクシャフトの一部を構成するクランクピンが挿通された状態で当該クランクピンと相対回転するクランクピン軸受を備え、
前記第１部材が、前記クランクピンであって、
前記第２部材が、前記クランクピン軸受であって、
前記クランクピン軸受の、前記クランクピンの外周壁と対峙する内周壁に前記張出形状部が設けられていることを特徴とする往復動ピストンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒内を往復動するピストン及びクランク機構を備えた往復動ピストンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンの燃費性能を高めるために機械損失を低減することが検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、気筒内を往復動するピストンを備えた往復動ピストンエンジンにおいて、ピストンの外周壁と気筒の内周壁との間に生じる摩擦抵抗を小さくし、これにより機械損失の低減を図ったものが開示されている。
【０００４】
具体的には、特許文献１のエンジンでは、前記摩擦抵抗を低減するためにピストンを気筒の内周壁から浮揚させるべく、微小な凹部が複数形成された被膜層をピストンの外周壁に設けてこれら凹部に動圧が生じるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１２１５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記各凹部に生じる動圧だけでは、ピストンに係る負荷が高い場合においてピストンを気筒の内周壁から適切に浮揚させることが困難となる。このため、機械損失の低減には限界がある。
【０００７】
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で機械損失を可及的に低減することのできる往復動ピストンエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、気筒内を往復動するピストン及びクランク機構を備えた往復動ピストンエンジンにおいて、第１摺動面を有する第１部材と、前記第１摺動面と隙間を置いて対峙する第２摺動面を有し、前記ピストンの往復動時に前記第１部材に対して所定の摺動方向に相対移動する第２部材と、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間に空気よりも粘度の高い潤滑用の液体を供給する潤滑用液体供給装置とを備え、前記第２摺動面は、前記摺動方向に沿った断面において、前記第１摺動面側に張り出す張出形状部を有し、前記張出形状部は、最も張り出した部分となる頂部と、この頂部の少なくとも前記摺動方向の下流側に配置されて前記第１摺動面に対して最も離間した位置となる裾部とを含み、前記張出形状部において、前記頂部における前記隙間を最小隙間ｈ１とし、前記裾部における前記隙間を最大隙間ｈ２とするとき、
ｈ１＝０．５μｍ〜４０μｍ、
ｈ２／ｈ１＝１．５〜５．０、
の範囲に設定されており、前記潤滑用液体供給装置は、エンジン回転数が予め設定された基準回転数以下のときには前記潤滑用の液体を前記第１摺動面と前記第２摺動面との間に供給する一方、エンジン回転数が前記基準回転数よりも高いときには、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間に空気の層が形成されるように前記潤滑用の液体の供給を停止することを特徴とする往復動ピストンエンジンを提供する（請求項１）。
【０００９】
このエンジンによれば、第２摺動面に前記張出形状部を設けるという簡単な構成で、第２摺動面と第１摺動面との間に介在する潤滑用の液体を裾部側から頂部側に移動させて、この潤滑用の液体によって両摺動面間に両者を離間させる方向の力を作用させることができる。しかも、前記最小隙間ｈ１の寸法、および最小隙間ｈ１と最大隙間ｈ２との比が前記範囲に設定されていることで、両摺動面間の摩擦係数を小さくし、かつ、前記の両摺動面を離間させる方向の力を大きくすることができる。従って、第２摺動面を第１摺動面からより確実に浮揚させることができ、第２部材の摺動時に生じる摩擦抵抗ひいては機械損失を格段に低減することができる。
【００１０】
さらに、このエンジンによれば、エンジン回転数が基準回転数以下の低回転数領域であって粘度の低い空気では得られる摺動浮揚力が小さくなりやすい領域では、空気よりも粘度が高い潤滑用の液体を両摺動面間に供給することで摺動面どうしの接触を抑制してこれにより摩擦抵抗を小さく抑えることができるとともに、その他の高回転数領域では、粘度の低い両摺動面間に介在させる流体を粘度の低い空気とすることで摩擦抵抗を小さく抑えることができる。従って、エンジンの全運転領域において第２部材の摺動に伴う摩擦抵抗および機械損失を確実に小さくすることができる。
【００１１】
前記構成において、前記潤滑用の液体は、水と低粘度オイルとの少なくとも一方であるのが好ましい（請求項２）。
【００１２】
この構成によれば、潤滑用の液体として、粘度が比較的低い水または粘度の低いオイルが用いられるため、摺動面間に生じる摩擦抵抗をより確実に小さくすることができる。なお、ここでは、０Ｗ−２０程度のオイル、すなわち、粘度が、６．８×１０−３［Ｐａ・ｓ］程度以下のオイルを低粘度オイルという。
【００１３】
前記構成において、前記第１部材の材質と前記第２部材の材質とは、互いに同一であるのが好ましい（請求項３）。
【００１４】
このようにすれば、熱膨張差に起因する最小隙間ｈ１および最大隙間ｈ２の変動を抑制することができ、これらの隙間をより確実に前記の適切な範囲に収めることができる。
【００１５】
前記構成において、前記第１部材が、前記気筒であり、前記第２部材が、前記気筒内を往復動するピストンのスカート部であって、前記スカート部の、前記気筒の内周壁と対峙する外周壁に前記張出形状部が設けられているのが好ましい（請求項４）。
【００１６】
このようにすれば、ピストンの往復動時にピストンのスカート部と気筒の内周壁との間に生じる摩擦抵抗を小さくして、エンジン全体で生じる機械損失を効果的に低減することができる。
【００１７】
また、前記構成において、前記ピストンに連結されて当該ピストンの往復動に伴って回転するクランクシャフトと、当該クランクシャフトを回転可能に支持するクランク軸受とを有し、前記第１部材が、前記クランクシャフトであり、前記第２部材が、前記クランク軸受であって、前記クランク軸受の、前記クランクシャフトの外周壁と対峙する内周壁に前記張出形状部が設けられているのが好ましい（請求項５）。
【００１８】
このようにすれば、クランクシャフトの回転時にこれとクランク軸受との間に生じる摩擦抵抗を小さくすることができる。
【００１９】
また、前記構成において、前記ピストンとクランクシャフトとを連結するコンロッドを備え、前記コンロッドは、前記クランクシャフトの一部を構成するクランクピンが挿通された状態で当該クランクピンと相対回転するクランクピン軸受を備え、前記第１部材が、前記クランクピンであって、前記第２部材が、前記クランクピン軸受であって、前記クランクピン軸受の、前記クランクピンの外周壁と対峙する内周壁に前記張出形状部が設けられているのが好ましい（請求項６）。
【００２０】
このようにすれば、コンロッドの回転時にこれとクランクピン軸受との間に生じる摩擦抵抗を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明によれば、簡単な構成で、エンジンの機械損失を可及的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明に係る往復動ピストンエンジンを示す概略図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面の概略図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面の概略図である。
【図４】コンロッドとクランクシャフトとの関係を示す図である。
【図５】コンロッドとクランクシャフトとの関係を示す図である。
【図６】ピストン周辺を拡大して示した図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面の概略図である。
【図８】スカート摺動面を模式的に示した図である。
【図９】最適な摺動面のプロファイルを説明するための図である。
【図１０】隙間比と浮揚容量係数との関係を示したグラフである。
【図１１】最小隙間と摩擦係数との関係を示したグラフである。
【図１２】ピストンの首ふり運動を説明するための図である。
【図１３】クランクジャーナル部周辺の概略断面図である。
【図１４】コンロッド大端部周辺の概略概略図である。
【図１５】エンジンの制御系を示すブロック図である。
【図１６】潤滑用液体ポンプの制御領域を示した図である。
【図１７】図１７（Ａ）は、第２実施形態に係るピストンの正面図、図１７（Ｂ）は、ピストンの側面図である。
【図１８】図１７（Ａ）のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
【図１９】図１７（Ａ）のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。
【図２０】図２０（Ａ）は中立状態における、図２０（Ｂ）は首ふりが生じたときのスカート部の概略図である。
【図２１】図２１（Ａ）〜（Ｃ）は、ピストンの往復動に伴う、スカート部の揺動状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（１）全体構造
以下、図面に基づいて本発明の実施形態に係る往復動ピストンエンジンについて説明する。往復動ピストンエンジン１００（以下では、単にエンジンという場合がある）は、気筒２内を往復動するピストン５及びクランク機構を備えたエンジンである。この往復動ピストンエンジン１００は、例えば、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として、また、車両の駆動源として利用されるモータ等をアシストする装置として車両に搭載される。
【００２４】
図１は、往復動ピストンエンジン１００の概略断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面の概略図である。エンジン本体１は、気筒２が形成されたシリンダブロック３およびシリンダブロック３に取付けられるシリンダヘッド４を備える。以下では、図１の上下方向であって気筒２の中心軸方向を上下方向といい、シリンダヘッド４側を上、シリンダブロック３側を下として説明する。
【００２５】
図２に示すように、本実施形態では、エンジン本体１は直列４気筒エンジンであって、シリンダブロック３には、４つの気筒２が一列に並んだ状態で形成されている。気筒２内には、例えば、ガソリンを主成分とする燃料が供給され、この燃料と空気との混合気が気筒２内で燃焼する。
【００２６】
各気筒２内には、それぞれ、ピストン５が上下方向に往復動可能に収納されている。気筒２内には、ピストン５の冠面５Ａと気筒２の内周壁２Ａと、シリンダヘッド４の下面とによって、前記混合気が内側で燃焼する燃焼室６が区画されている。
【００２７】
シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の底面には、吸気ポート９の下流端である吸気側開口部４Ａと、排気ポート１０の上流端である排気側開口部４Ｂとが形成されている。シリンダヘッド４には、吸気側開口部４Ａを開閉する吸気バルブ１１と、排気側開口部４Ｂを開閉する排気バルブ１２とが組み付けられている。本実施形態のエンジン１００は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンである。吸気側開口部４Ａと排気側開口部４Ｂとは、各気筒２につき２つずつ設けられるとともに、吸気バルブ１１および排気バルブ１２も２つずつ設けられている。
【００２８】
シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグ１８が各気筒２につき１つずつ取り付けられている。また、シリンダヘッド４には、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１７が、各気筒２につき１つずつ取り付けられている。
【００２９】
各ピストン５には、コンロッド８の上端部８２がそれぞれ連結されている。各コンロッド８の下端部８１には、気筒２の配列方向に延びるクランクシャフト７が連結されている。燃焼室６内で燃料と空気との混合気が燃焼すると、ピストン５とコンロッド８とが上下方向に往復動し、これに伴ってクランクシャフト７がその中心軸回りに回転する。クランクシャフト７とコンロッド８とは、それぞれ、エンジンのクランク機構を構成する部材である。
【００３０】
（２）クランク機構の構造
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面の概略図である。図４および図５は、コンロッド８とクランクシャフト７との関係を説明するために、コンロッド８の下端部付近を拡大して示した概略図である。
【００３１】
図２に示すように、クランクシャフト７は、その回転軸を中心とする略円柱状の複数のクランクジャーナル部７１と、これらクランクジャーナル部７１間に設けられて、コンロッド８の下端部８１に挿通されるクランクピン７２とを有している。以下では、適宜、コンロッド８の下端部８１をコンロッド大端部８１という。
【００３２】
シリンダブロック３には、ピストン５の下方となる位置に、気筒２の配列方向に並ぶ複数の貫通孔３ａ（図例では、５つの貫通孔３ａ）が形成されている。これらの貫通孔３ａには、それぞれ略円環状のクランク軸受（第２部材）４０が嵌装されている。図３等に示すように、クランクジャーナル部（第１部材）７１は、このクランク軸受４０内に挿通されてこれに回転可能に支持されており、クランクジャーナル部７１の外周壁（第１摺動面）７１Ａは、クランク軸受４０の内周壁（第２摺動面）４０Ａに沿って摺動する。図４の例では、クランクジャーナル部７１は矢印Ｙ３１の方向に回転する。
【００３３】
コンロッド大端部８１には、略円形の貫通孔８１ａが形成されている。この貫通孔８１ａには、コンロッド大端部８１と一体に回転する略円環状のクランクピン軸受８３が嵌装されている。クランクシャフト７のクランクピン７２は、クランクピン軸受８３内に挿通されてこれに回転可能に支持されている。
【００３４】
クランクピン軸受８３を含むコンロッド８とクランクピン７２を含むクランクシャフト７とは、図４および図５に示すように、相対的に回転する。具体的には、図４に示す状態からピストン５が下降すると、図５に示すように、コンロッド８は矢印Ｙ２１の方向（図５では反時計回り）に回転しつつ下降する。一方、クランクピン７２はクランクジャーナル部７１の中心軸に対して矢印Ｙ２２の方向（図５では時計回り）に公転する。そして、クランクピン軸受８３は、クランクピン７２に対して矢印Ｙ２１に示す方向（図５では反時計回り）に相対的に回転する。このように、ピストン５の往復動に伴って、クランクピン７２（第１部材）の外周壁７２Ａ（第１摺動面）は、クランクピン軸受（第２部材）８３の内周壁８３Ａ（第２摺動面）に対して矢印Ｙ２１の方向に摺動する。
【００３５】
（３）潤滑用液体供給システム
図２に示すように、エンジン１００には、エンジン本体１の摺動部分に潤滑用の液体（以下、適宜、潤滑用液体という）を供給するための潤滑用液体供給システム２００が設けられている。本実施形態では、後述するように、低回転数領域Ａ１において、気筒２の内周壁２Ａとピストン５の外周壁との間、クランクジャーナル部７１とクランク軸受４０との間、および、クランクピン７２とクランクピン軸受８３との間に、それぞれ潤滑用液体が供給される。以下、適宜、これら気筒２の内周壁２Ａとピストン５の外周壁との間の部分、クランクジャーナル部７１とクランク軸受４０との間の部分、および、クランクピン７２とクランクピン軸受８３との間の部分を、まとめて、エンジン本体１の摺動部分という。
【００３６】
本実施形態では、潤滑用液体として、水（以下、潤滑用水という）が用いられる。特に、潤滑用水として、防錆剤が添加された水が用いられる。例えば、メチルモルホリン、エチルモルホリン等のアルキルモルホリン類の防錆剤や、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン等の有機アミン類の防錆剤や、カルボン酸アルカリ金属塩等の防錆剤の１つまたは２つ以上の防錆剤が添加されている。また、本実施形態では、潤滑用水に、凝固点を低下させるエチレングリコール等の物質も添加されており、潤滑用水が０度で凍らないように調整されている。
【００３７】
潤滑用水供給システム２００は、エンジン本体１の下方に配置されて潤滑用液体（潤滑用水）を貯留するパン２０９に設けられたストレーナ２０１と、潤滑用液体潤滑用液体ポンプ２０２と、圧力調整部２０３と、フィルター２０４と、潤滑用液体経路２１０と、複数の潤滑用液体噴射装置２１０とを有する。潤滑用液体噴射装置２１０は、潤滑用液体（潤滑用水）をピストン５の下面に向かって噴射する装置であり、各ピストン５の下方にそれぞれ１つずつピストン５の下面を向く姿勢で配置されている。潤滑用液体ポンプ２０２は、ストレーナ２０１を介してパン２０９から潤滑用液体（潤滑用水）をくみ上げる。くみ上げられた潤滑用液体（潤滑用水）は圧力調整部２０３で適切な圧力に調整され、かつ、フィルター２０４で濾過された後、潤滑用液体経路２１０を通って各部に供給される。
【００３８】
潤滑用液体経路２１０は、フィルター２０４に接続されるメイン通路２１１と、メイン通路２１１からそれぞれ分岐して各潤滑用液体噴射装置２１０に接続される複数のピストン側通路２１２とを含む。潤滑用液体噴射装置２１０には、これらメイン通路２１１とピストン側通路２１２を介して潤滑用液体（潤滑用水）が供給される。潤滑用液体噴射装置２１０は、供給された潤滑用液体（潤滑用水）をピストン５の下面に向かって噴射し、これにより、ピストン５の外周壁と気筒２の内周壁２Ａとの間に潤滑用液体（潤滑用水）が供給される。
【００３９】
潤滑用液体経路２１０は、メイン通路２１１からそれぞれ分岐して各クランクジャーナル部７１に向かう複数のクランク側通路２１３を含む。図２の例では、５つのクランクジャーナル部７１に対応して５つのクランク側通路２１３が形成されている。これらクランク側通路２１３は、シリンダヘッド３に形成されており、クランクジャーナル部７１がそれぞれ挿通される前記貫通孔３Ａの内周壁にそれぞれ開口している。クランク側通路２１３内の潤滑用液体（潤滑用水）は、これらの開口部分から貫通孔３Ａ内に導入される。貫通孔３Ａ内に導入された潤滑用液体（潤滑用水）は、クランクジャーナル部７１とクランク軸受４０との間に広がる。
【００４０】
また、潤滑用液体経路２１０は、クランクシャフト７に形成されたシャフト内通路２１４を含む。具体的には、クランクジャーナル部７１にそれぞれ形成されてその外周壁７１Ａに開口する複数のクランクジャーナル内通路２１４ａと、クランクピン７２にそれぞれ形成されてその外周壁７２Ａに開口する複数のクランクピン内通路２１４ｃと、これらを連通する連通通路２１４ｂとが、クランクシャフト７に形成されている。
【００４１】
なお、クランクジャーナル部７１の数はクランクピン７２の数よりも多く、一部のクランクジャーナル内通路２１４ａはクランクピン内通路２１４ｃと連通せずに独立して形成されている。図２の例では、右側の２つのクランクピン内通路２１４ｃはそれぞれその右側に隣接するクランクジャーナル内通路２１４ａと連通し、左側の２つのクランクピン内通路２１４ｃはそれぞれその左側に隣接するクランクジャーナル内通路２１４ａと連通しており、左右中央のクランクジャーナル内２１４ａは独立している。
【００４２】
前記のようにして貫通孔３Ａに導出された潤滑用液体（潤滑用水）は、クランクジャーナル内通路２１４ａに流入し、連通通路２１４ｂおよびクランクピン内通路２１４ｃを介して、クランクピン７２の外周壁７２Ａの外側に導出される。そして、この導出された潤滑用液体（潤滑用水）は、クランクピン７２の外周壁７２Ａとクランクピン軸受８３との間に広がる。
【００４３】
（４）ピストンの構造
図６は、ピストン５周辺を拡大して示した概略断面図である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面の概略図である。ピストン５は、その上部を構成して冠面５Ａを有するピストンヘッド部２０と、ピストンヘッド部２０の下方に配置されるスカート部３０とを含む。本実施形態では、ピストンヘッド部２０とスカート部３０とは一体物として成形されている。
【００４４】
スカート部３０は、上下方向と直交する断面において、気筒２の内周壁２Ａに沿うように円弧上に延びる一対のスカート本体部３１と、これらスカート本体部３１間に位置して略平板状の外周面を有する一対の平板部３２とを含む。スカート本体部３１は、ピストン５の中心軸Ｘ１に沿う面について互いに対称な形状を有しており、以下では、一方のスカート本体部３１について説明する。
【００４５】
スカート本体部（第２部材）３１は、気筒２（第１部材）の内周壁（第１摺動面）２Ａと対峙する面に、ピストン５の往復動に伴って、この内周壁２Ａに沿って上方および下方に摺動する外周壁３１Ｓ（第２摺動面）を有している。以下では、このスカート本体部３１の外周壁３１Ｓをスカート摺動面３１Ｓという。
【００４６】
図８は、図６の一部を拡大してスカート摺動面３１Ｓを模式的に示した図である。
【００４７】
スカート本体部３１は、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間に隙間Ｇが形成されるように構成されている。つまり、スカート摺動面３１Ｓは、気筒２の内周壁２Ａから浮揚するようになっている。
【００４８】
スカート摺動面３１Ｓは、気筒２の中心軸Ｘ１に沿う断面において、気筒２の内周壁２Ａに向けて張り出す弓形形状を有しており、上下方向の中央部に位置して気筒２の内周壁２Ａ側に最も張り出した頂部Ｐｓと、上下方向の両端部に位置して気筒２の内周壁２Ａ側への張り出し量が最も小さい、つまり、気筒２の内周壁２Ａに対して最も離間する裾部Ｑｓ（Ｑｓ１、Ｑｓ２）とを有する。
【００４９】
上側の裾部Ｑｓ１は、ピストン５が上方に移動してスカート摺動面３１Ｓが上方に摺動する場合にこの摺動方向の下流端となる部分であり、この場合において頂部Ｐｓよりもスカート摺動面３１Ｓの摺動方向の下流側に配置されている。また、下側の裾部Ｑｓ２はピストン５が下方に移動してスカート摺動面３１Ｓが下方に摺動する場合にこの摺動方向の下流端となる部分であり、この場合において頂部Ｐｓよりもスカート摺動面３１Ｓの摺動方向の下流側に配置されている。
【００５０】
本実施形態では、スカート摺動面３１Ｓの張出量は、裾部Ｑｓ（Ｑｓ１、Ｑｓ２）から頂部Ｐｓに向かって徐々に小さくなっている。
【００５１】
本実施形態では、スカート摺動面３１Ｓは、全体がその摺動方向に沿った断面において気筒２の内周壁２Ａ側に張り出しており、スカート摺動面３１Ｓの全体が張出形状部を構成している。また、本実施形態では、スカート摺動面３１Ｓは、頂部Ｐｓに対して上下方向にほぼ対称な形状を有している。
【００５２】
なお、図６および図８では理解を容易にするために、スカート摺動面３１Ｓの弓形形状を大きく誇張して描いており、実際には、後述するように、スカート摺動面３１Ｓは、目視では判別困難なミクロンオーダーの張り出しを有する弓形形状である。
【００５３】
このようにスカート摺動面３１Ｓを弓形形状としているのは、スカート摺動面３１Ｓの上方および下方への摺動時において、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の摺動抵抗を小さく抑えるためである。
【００５４】
具体的には、隙間Ｇが存在していることで、ピストン５の往復動に伴いスカート部３０に速度ｕが与えられると、図９の矢印Ｙ１、Ｙ２で示すように、周辺に存在する流体Ｆが摺動方向の下流側から摺動面間（スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間）に引き込まれる。このとき、前記のように裾部Ｑｓから頂部Ｐｓに向かってスカート摺動面３１Ｓの張出量が小さくなっていると、摺動面間に入り込んだ流体Ｆは堰き止められて行き場を失う。その結果、流体Ｆは、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとに、これらの間の隙間を拡大させる方向の力を付与し、この力がスカート摺動面３１Ｓを内周壁２Ａから浮揚させるように作用する。以下、適宜、この流体Ｆによって前記隙間を拡大させる力を摺動浮揚力といい、この摺動浮揚力による前記作用を摺動浮揚作用という。
【００５５】
具体的には、ピストン５の上昇であって、スカート部３０に上向きに速度ｕ１が与えられたときには、矢印Ｙ１に示すように、上側の裾部Ｑｓ１から頂部Ｐｓに向かって流体Ｆが隙間Ｇに入り込み、これにより、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとに摺動浮揚力が付与される。一方、ピストン５の下降中には、矢印Ｙ２に示すように、下側の裾部Ｑｓ２から頂部Ｐｓに向かって流体Ｆが隙間Ｇに入り込み、これにより、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとに摺動浮揚力が付与される。
【００５６】
従って、スカート摺動面３１Ｓを前記のように弓形形状とすれば、ピストン５の往復動時にスカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとが接触するのを抑制して、これらの摺動抵抗を小さくし機械損失を低減することができる。つまり、ピストン５が、その往復動時にいわゆる首振り運動を行って気筒２の中心軸Ｘ１に対して傾いた場合でも、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとが接触するのを抑制することができる。
【００５７】
ただし、本願発明者らは、スカート摺動面３１Ｓを単純に弓形形状にしただけでは十分な摺動浮揚作用を得ることができないこと、そして、摺動浮揚作用を効果的に得ることのできる最適なスカート摺動面３１Ｓのプロファイルが存在することを突き止めた。
【００５８】
（５）摺動面のプロファイル
図９は、摺動面Ｓａを有する摺動部材Ｃ１が、被摺動面Ｓｂに沿って矢印Ｙ１０で示す方向に摺動することを示した模式図である。ここでは、まず、この図９を用いて、スカート摺動面３１Ｓに限らずエンジン本体１に設けられてピストン５の往復動に伴って摺動する摺動部材Ｃ１の摺動面Ｓａ全般に適用できるプロファイルについて説明する。
【００５９】
図９に示すように、摺動面Ｓａは、被摺動面Ｓｂ側に張り出す張出形状を有しており、最も張り出した部分となる頂部Ｐａと、頂部Ｐａの摺動方向（矢印Ｙ１０で示す方向）の下流側に配置されて被摺動面Ｓｂに対して最も離間する裾部Ｑａとを有し、摺動方向の下流側に向かって被摺動面Ｓｂから徐々に離間する形状を有している。
【００６０】
この摺動部材Ｃ１が速度Ｕで摺動しているとき、摺動面Ｓａと被摺動面Ｓｂとの間に生じる摺動浮揚力Ｗは、次の式（１）により求めることができる。
【００６１】
【数１】
2018145887.tif 000003
【００６２】
式（１）において、ηは摺動面Ｓａと被摺動面Ｓｂとの間に介在する流体Ｆの粘度であり、Ｂは摺動面の摺動方向の長さ（図９における頂部Ｐａから裾部Ｑａまでの長さ）であり、Ｃは摺動面の摺動方向と直交する方向の長さ（図９の紙面と直交する方向の長さ）であり、Ｕは摺動面Ｓａの摺動速度である。ｈ１は、最小隙間であって、頂部Ｐａと被摺動面Ｓｂとの間の離間距離、つまり、摺動面Ｓａと被摺動面Ｓｂとの間の隙間寸法の最小値である。ｍは、隙間比であって、裾部Ｑａと被摺動面Ｓｂとの離間距離、つまり、摺動面Ｓａと被摺動面Ｓｂとの間の隙間寸法の最大値を最大隙間ｈ２としたときの、最小隙間ｈ１と最大隙間ｈ２との比率であり、ｍ＝ｈ２／ｈ１で表される。
【００６３】
式（１）において、第２項目を負荷容量係数Ｋｗとすると（Ｋｗ＝６／（ｍ−１）２｛ｌｎｍ−２（ｍ−１）／（ｍ＋１）｝）、摺動浮揚力Ｗは負荷容量係数Ｋｗに比例する。
【００６４】
図１０は、負荷容量係数Ｋｗと隙間比ｍとの関係を示したグラフである。このグラフに示されるように、摺動浮揚力Ｗは隙間比ｍが２．２のときに最大となり、隙間比ｍがこの値から離間するほど小さくなる。
【００６５】
これより、隙間比ｍを２．２近傍に設定すれば高い摺動浮揚力Ｗを得ることができる。具体的には、隙間比ｍを１．５以上５．０以下とすれば、摺動浮揚力Ｗを、図１０のラインＬ＿Ｋｗ４０以上として、その最大値（隙間比ｍが２．２のときの値）の６０％以上となる高い値を得ることができる。
【００６６】
なお、隙間比ｍが適正値（ｍ＝２．２）よりも大きくなると摺動浮揚力Ｗが小さくなるのは、最小隙間ｈ１が相対的に小さくなることで、流体Ｆが堰き止められる効果が過剰に大きくなり被摺動面Ｓｂと摺動面Ｓａとの間に流入できない流体Ｆの割合が多くなるためと考えられる。また、隙間比ｍが適正値（ｍ＝２．２）よりも小さくなると摺動浮揚力Ｗが小さくなるのは、摺動面Ｓａが平板に近づくことになり流体Ｆの堰き止め効果が小さくなるためと考えられる。
【００６７】
ここで、式（１）に基づくと、最小隙間ｈ１が小さいほど摺動浮揚力Ｗは大きくなる。従って、最小隙間ｈ１は小さい方が好ましいように思われる。これに対して、本願発明者らは、最小隙間ｈ１について、摺動面Ｓａと被摺動面Ｓｂとの間に生じる摩擦係数μを小さく抑えることのできる最適な範囲が存在することを突き止めた。摩擦係数μの大小は、摺動面Ｓａの摺動浮揚時における摩擦の大小に相当し、摩擦係数μが小さいほど良好な摺動浮揚が実現できることを示す。
【００６８】
図１１は、流体Ｆを空気、水、オイルとしたときの、摩擦係数μと最小隙間ｈ１との関係を示したグラフである。なお、流体Ｆとして例示した、空気の粘度は１．８×１０−５［Ｐａ・ｓ］、水の粘度は８．９×１０−４［Ｐａ・ｓ］、低粘度オイル０Ｗ−２０の粘度は６．８×１０−３［Ｐａ・ｓ］である。
【００６９】
具体的には、図１１は、エンジン稼働時にピストン５の往復動に伴って所定の被摺動面に沿って摺動する摺動面Ｓａに加えられる荷重の最大値と、式（１）で求められる摺動浮揚力Ｗとが釣り合い、摺動面Ｓａが浮揚するときの最小隙間ｈ１と摩擦係数μのグラフである。なお、図１１では、最小隙間ｈ１の変化に伴って隙間比ｍも変化している。
【００７０】
より詳細には、式（１）において、Ｕに、エンジン回転数が代表的な所定の回転数のときの対称とする摺動面Ｓａの平均移動速度を代入し、ηに、流体Ｆの粘度を代入し、摺動浮揚力Ｗに、前記荷重の最大値を代入する。そして、これら値を代入した式（１）から、最大隙間ｈ２と最小隙間ｈ１との差（ｈ２−ｈ１）を所定値としたときの、最小隙間ｈ１の値を算出するとともに、この最小隙間ｈ１等を用いて摩擦係数μを算出する。また、前記所定値の値を振って、最小隙間ｈ１の値を変化させて、各値に対応する摩擦係数μを求めている。例えば、市街地走行を行うときを対象とすると、前記Ｕに対応するエンジン回転数として１３５０ｒｐｍを用い、摺動面Ｓａに加えられる入力荷重を１１７５Ｎとすることができる。
【００７１】
図１１には、流体Ｆの各々について、最適な最小隙間ｈ１における摩擦係数μ、つまり最も低い摩擦係数μに比較して、＋２０％だけ摩擦係数μが増加するラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ付記している。この＋２０％のまでの範囲が、極めて良好な摺動浮揚が実現できる範囲である。具体的には、流体Ｆが空気の場合、最小隙間ｈ１は０．７μｍ〜１．３μｍ、水の場合は４．９μｍ〜８．９μｍ、０Ｗ−２０の場合は１８μｍ〜２６μｍとなる。
【００７２】
ここで、この範囲は、エンジン本体１の運転時において確保されるべき最小隙間ｈ１の範囲である。エンジン本体１が運転されると、これに伴って摺動する摺動面およびこれを備えた摺動部材は高熱を帯びて熱膨張する。そして、仮に摺動部材と、これが摺動する被摺動部材とが同じ材質である場合でも、両者の熱分布は異なり、両者には熱膨張差が生じる。従って、エンジンの運転時において前記範囲が確保できるよう、常温を基準とする設計値としては、前記上限値をより大きく設定することが妥当である。この点に鑑み、本実施形態では、常温での最小隙間ｈ１の範囲をそれぞれ、
空気の場合：  ０．５μｍ以上１．５μｍ以下
水の場合  ：  ３μｍ以上１５μｍ以下
０Ｗ−２０の場合：  １５μｍ以上４０μｍ以下
と設定する。
【００７３】
前記の結果より、摺動浮揚を達成するために現状で利用可能な流体Ｆの範疇（空気、水、低粘度オイル）において、良好な摺動浮揚が実現できる最小隙間ｈ１の範囲は、０．５μｍ〜４０μｍと設定することができる。
【００７４】
ここで、図１１だけを見ると、より良好な摺動浮揚を得るためには、流体Ｆとして空気を用いるのが好ましいように思われる。しかし、図１１のグラフは、前記のように、エンジン回転数が代表的な回転数のときのグラフである。そして、式（１）に示されるように、摺動浮揚力Ｗは、エンジンの回転数に対応する速度Ｕおよび流体Ｆの粘度ηに比例する。そのため、最小隙間ｈ１を前記のように設定し、かつ、流体Ｆを空気として粘度ηの小さい流体を用いた場合において、エンジンの回転数が前記の代表的な回転数に比べて非常に小さいときには、得られる摺動浮揚力Ｗが小さくなってしまい、摺動面Ｓａを被摺動面Ｓｂに対して浮揚させることができなくなるという問題が生じる。つまり、エンジン回転数が低く摺動面Ｓａの摺動速度が遅いと、また、流体Ｆの粘度ηが小さいと、流体Ｆの隙間Ｇに入り込んで堰き止められる流体Ｆの量が少なくなるため、得られる摺動浮揚力Ｗが小さくなってしまう。
【００７５】
従って、エンジン回転数が低い条件では、流体Ｆとして粘度ηが比較的高い水あるいはオイルを用いた方が、空気を用いる場合よりも、摺動浮揚力Ｗを高く確保することができる。すなわち、エンジン回転数が低い条件では、空気よりも水あるいはオイルを用いた方が、摺動面どうしの間に粘度の高い水あるいはオイルを介在させて、これらの接触をより回避しやすくなる。
【００７６】
（６）スカート摺動面のプロファイル
以上の知見より、本実施形態では、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間に介在させる流体Ｆを、エンジン回転数が低いときには、粘度が比較的高い潤滑用水とし、エンジン回転数が高いときには空気とする。この流体Ｆを切り替える制御の具体的な手順については後述する。そして、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の最小隙間ｈ１を０．５μｍ以上４０μｍ以下の所定値に設定する。
【００７７】
また、本実施形態では、最小隙間ｈ１の精度を確保するために、スカート摺動面３１Ｓの平滑度が高く設定されている。つまり、前記のように、最小隙間ｈ１は微小な長さの範囲で設定されるため、スカート摺動面３１Ｓが粗い面であると最小隙間ｈ１の精度が低下する。そこで、本実施形態では、スカート摺動面３１Ｓの最小隙間ｈ１が０．５μｍ以上４０μｍ以下に設定されるのに伴って、スカート摺動面３１Ｓおよび気筒２の内周壁２Ａの表面粗さが、それぞれ０．４μｍ以下となるように設定されている。
【００７８】
また、本実施形態では、スカート摺動面３１Ｓ（スカート部３０ひいてはピストン５）と気筒２の内周壁２Ａの構成部材（シリンダブロック３またはシリンダライナー）とは、同一材質で構成されている。これは、熱膨張差に起因する隙間Ｇの長さの変動、つまり、最小隙間ｈ１および最大隙間ｈ２の変動を抑制するためである。本実施形態では、両者は、熱膨張係数の小さいステンレス鋼（ステンレス材、鍛造品）にて形成されている。
【００７９】
ここで、前記では、図６に示したようにピストン５の中心軸が気筒２の中心軸Ｘ１とほぼ一致する状態（以下、適宜、中立状態という）で、スカート摺動面３１Ｓが前記プロファイルを有する場合について説明した。しかし、ピストン５がその往復動の途中で首ふりを行う場合、すなわち、ピストン５の中心軸が気筒２の中心軸に対して傾く場合には、この首ふり状態においてもスカート摺動面３１Ｓが前記プロファイルを維持するように構成する。
【００８０】
具体的には、図１２に示すように、ピストン５が破線の中立状態から実線のように左に傾くように首振り運動した状態において、左側のスカート摺動面３１Ｓでは、スカート摺動面３１Ｓのうち気筒２の内周壁２Ａとの隙間の寸法が最小となる部分つまり頂部Ｐｓ２は、上下中央よりも上側の位置となり、右側のスカート摺動面３１Ｓでは頂部Ｐｓ３は上下中央よりも下側の位置となる。そして、これに伴い、左右両側のスカート摺動面３１Ｓにおける最小隙間ｈ１は、図６に示した中立状態での最小隙間ｈ１とは異なる寸法となる。また、最大隙間（頂部Ｐｓ２、Ｐｓ３よりも摺動方向の下流側におけるスカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの離間距離の最大寸法）ｈ２も、図６に示した中立状態での最大隙間ｈ２とは異なる寸法となる。
【００８１】
また、最大隙間（頂部Ｐｓ２、Ｐｓ３よりも摺動方向の下流側におけるスカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの離間距離の最大寸法）ｈ２も、図６に示した中立状態での最大隙間ｈ２とは異なる寸法となる。詳細には、図１２の実線に示す状態が、ピストン５が上方に移動している途中の状態であれば、左右両スカート摺動面３１Ｓにおいて、その上端部の隙間寸法が最大隙間ｈ２となる。一方、図１２に示す状態がピストン５が下方に移動している途中の状態であれば、左右両スカート摺動面３１Ｓにおいて、その下端部の隙間寸法が最大隙間ｈ２となる。
【００８２】
このように、ピストン５が首振り運動する場合には、中立状態と首ふり状態とにおいて最小隙間ｈ１、最大隙間ｈ２の値が異なるが、いずれの状態においても、最小隙間ｈ１が前記の最小隙間ｈ１の適正範囲となるように構成し、かつ、隙間比ｍ（ｈ２／ｈ１）が前記適正範囲となるようにスカート摺動面Ｓ３１を構成する。
【００８３】
（７）クランク機構の摺動面構造
本実施形態では、前記（５）で説明した摺動面Ｓａの最適なプロファイルがクランク機構の摺動部分にも適用されている。これについて、次に説明する。
【００８４】
＜クランク軸受＞
前記のように、ピストン５の往復動に伴って、クランク軸受４０の内周壁４０Ａはクランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａに対して相対的に摺動する。これに対応して、クランク軸受４０の内周壁４０Ａに、前記摺動面Ｓａのプロファイルが適用されている。
【００８５】
図１３は、図３のうちクランクジャーナル部周辺の概略断面図である。
【００８６】
クランク軸受４０は、その全周にわたってクランクジャーナル部７１との間に隙間Ｇが形成されるような大きさを有している。クランクジャーナル部７１の断面形状はほぼ真円である。一方、クランク軸受４０の内周壁４０Ａは、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａに向かって張り出す形状を有している。具体的には、クランクジャーナル部７１の回転方向Ｙ３１に、つまり、クランク軸受４０の摺動方向Ｙ３２と反対の方向（クランク軸受４０のクランクジャーナル部７１に対する相対的な回転方向Ｙ３２と反対の方向）に、隙間Ｇの寸法が徐々に小さくなっている。本実施形態では、クランク軸受４０の内周壁４０Ａ全体がこの張り出し形状を有する張出形状部となっており、隙間Ｇの寸法が最小となる頂部Ｐ１０と、頂部Ｐ１０よりもクランク軸受４０の摺動方向Ｙ３２の下流側に位置して隙間Ｇの寸法が最大となる裾部Ｑ１０とが隣接している。図１３の例では、クランク軸受４０の内周壁４０Ａは、その断面において、摺動方向Ｙ３２に沿って頂部Ｐ１０から裾部Ｑ１０に向かってらせん状に拡径しており、これにより隙間Ｇの寸法が変化するようになっている。
【００８７】
これに伴い、クランクジャーナル部７１が回転すると、つまり、クランク軸受４０がこれと相対回転してクランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａに対して摺動すると、図１３の矢印Ｙ３０に示すように裾部Ｑ１０側から頂部Ｐ１０に向かって流体Ｆが流入し、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間に、これら壁７１Ａ、４０Ａどうしを離間させる方向に作用する摺動浮揚力が生じる。
【００８８】
そして、本実施形態では、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間においても高い摺動浮揚力が得られるように、クランク軸受４０の内周壁４０Ａに前記摺動面Ｓａの最適なプロファイルが適用されている。
【００８９】
具体的には、隙間比ｍ＝ｈ２／ｈ１であって、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間の隙間Ｇの寸法のうち最小値となる最小隙間ｈ１つまり頂部Ｐ１０とクランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとの離間距離ｈ１と、隙間Ｇの寸法のうち最大値となる最大隙間ｈ２つまり裾部Ｑ１０とクランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとの離間距離ｈ２との比率が１．５以上５．０以下の範囲の所定値となるように設定されている。
【００９０】
そして、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間には、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の部分と同様に、空気または潤滑用水が供給され、エンジン回転数に応じて空気と潤滑用水とが切り替えられる。
【００９１】
また、本実施形態では、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間での摩擦係数μが小さくなるように、最小隙間ｈ１が、０．５μｍ以上４０μｍ以下の所定値に設定されているとともに、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの表面粗さが、それぞれ、０．４μｍ以下となるように設定されている。
【００９２】
＜クランクピン軸受＞
前記のように、ピストン５の往復動に伴って、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａはクランクピン７２の外周壁７２Ａに対して相対的に摺動する。これに対応して、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａに前記摺動面Ｓａのプロファイルが適用されている。
【００９３】
図１４は、コンロッド大端部８１周辺を図２のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面で切断したときの概略断面図である。
【００９４】
クランクピン軸受８３は、その内周壁８３Ａとクランクピン７２の外周壁７２Ａとの間に隙間Ｇが形成されるような大きさを有している。クランクピン７２の断面形状はほぼ真円である。一方、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａは、クランクピン７２の外周壁７２Ａに向かって張り出す形状を有している。具体的には、クランクピン７２に対するクランクピンン軸受８３の摺動方向Ｙ２１と反対の方向に隙間Ｇの寸法が徐々に小さくなっている。本実施形態では、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａ全体がこの張り出し形状を有する張出形状部となっており、隙間Ｇの寸法が最小となる頂部Ｐ２０と、頂部Ｐ２０よりもクランクピン軸受８３の摺動方向Ｙ２１の下流側に位置して隙間Ｇの寸法が最大となる裾部Ｑ２０とが隣接している。図１４の例では、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａは、その断面において、頂部Ｐ２０から摺動方向Ｙ２１に沿って裾部Ｑ２０に向かってらせん状に拡径しており、これにより隙間Ｇの寸法が変化するようになっている。
【００９５】
この隙間Ｇすなわちクランクピン軸受８３Ａとクランクピン７２との間には、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の部分と同様に、空気または潤滑用水が供給され、エンジン回転数に応じて空気と潤滑用水とが切り替えられる。なお、図１４の矢印Ｙ２０は、クランクピン軸受８３Ａに伴う流体Ｆの移動方向を示している。
【００９６】
そして、頂部Ｐ２０における隙間Ｇの寸法である最小隙間ｈ１と、裾部Ｑ２０における隙間Ｇの寸法である最大隙間ｈ２との比率である隙間比ｍ＝ｈ２／ｈ１が１．５以上５．０以下の所定の値に設定されている。また、最小隙間ｈ１が、０．５μｍ以上４０μｍ以下の所定値に設定されているとともに、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａとクランクピン７２の外周壁７２Ａとの表面粗さが、それぞれ、０．４μｍ以下となるように設定されている。
【００９７】
（８）流体Ｆの切替制御
次に、エンジン本体１の摺動部分（スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の部分、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間の部分、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａとクランクピン７２の外周壁７２Ａとの間の部分）に供給する流体Ｆを空気と潤滑用水とに切り替える制御について説明する。
【００９８】
図１５は、本実施形態の制御系を示したブロック図である。車両には、エンジン本体１の各部を制御するためのＰＣＭ（制御手段）５００が搭載されている。ＰＣＭ５００は、周知のとおり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。
【００９９】
ＰＣＭ５００は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されており、これらセンサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行してエンジンの各部を制御する。例えば、ＰＣＭ５００は、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサＳＮ１や、エンジン本体１に導入される吸気の量を検出するエアフローセンサＳＮ２、車両に設けられるアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサＳＮ３等と接続されているとともに、点火プラグ１７、インジェクタ１８と接続されている。そして、ＰＣＭ５００は、検出されたエンジン回転数、アクセル開度、吸気量等に基づいて、インジェクタ１８から噴射する燃料量および点火プラグ１７の点火時期等を制御する。
【０１００】
さらに、ＰＣＭ５００には潤滑用液体ポンプ２０２が接続されており、ＰＣＭ５００はこの潤滑用液体ポンプ２０２の駆動状態を制御する。具体的には、ＰＣＭ５００は、潤滑用液体ポンプ２０２の駆動と停止との切替制御を行う。これによって、エンジン本体１の摺動部分への潤滑用水の供給と停止とが切り替えられる。
【０１０１】
詳細には、図１６に示すように、本実施形態では、潤滑用液体ポンプ２０２の制御領域として、エンジン回転数が予め設定された基準回転数Ｎ１以下の低回転数領域Ａ１と、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１より大きい高回転数領域Ａ２とが設定されている。
【０１０２】
ＰＣＭ５００は、エンジン回転数センサＳＮ１で検出されたエンジン回転数に応じて、現在の運転領域が低回転数領域Ａ１であるか高回転数領域Ａ２であるかを判定する。そして、現在の運転領域が高回転数領域Ａ２であると判定すると、潤滑用液体ポンプ２０２の駆動を停止してエンジン本体１の摺動部分への潤滑用水の供給を停止する。このように潤滑用水の供給が停止されると、エンジン本体１の摺動部分には空気のみが存在することとなり、この摺動部分に空気の層が形成される。一方、ＰＣＭ５００は、現在の運転領域が低回転数領域Ａ１であると判定すると、潤滑用液体ポンプ２０２を駆動させエンジン本体１の摺動部分へ潤滑用水を供給する。このようにして、本実施形態では、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１以下の場合にのみ、エンジン本体１の摺動部分に潤滑用水が供給される。
【０１０３】
本実施形態では、基準回転数Ｎ１は、アイドル回転数付近に設定されており、始動時等のエンジン回転数が極めて低い場合にのみエンジン本体１の摺動部分に潤滑用水が供給される。
【０１０４】
（９）作用等
以上のように、本実施形態では、ピストン５のスカート本体部３１のスカート摺動面３１Ｓが、気筒２の内周壁２Ａ側に張り出す形状とされているとともに、気筒２の内周壁２Ａに対して、隙間比ｍが１．５以上５．０以下となるように構成されている。また、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａの間の隙間Ｇに潤滑用水または空気の層が形成されるように構成されつつ、最小隙間ｈ１が０．５μｍ以上４０μｍ以下に設定されている。従って、スカート摺動面３１Ｓに気筒２の内周壁２Ａに対して高い摺動浮揚力を付与することができ、これにより、両者の接触をより確実に回避して摩擦抵抗を小さく抑えることができるとともに、これらの間の摩擦係数μを小さくすることができ、スカート摺動面３１Ｓの摺動時に生じる摩擦抵抗および機械損失を格段に低減することができる。ひいては、燃費性能を高めることができる。特に、スカート摺動面３１Ｓのプロファイルを前記のように設定するという簡単な構成でこの効果を得ることができ、コスト面でも有利になる。
【０１０５】
しかも、エンジン回転数が高い高回転数領域Ａ２であってエンジン回転数が高いことに伴い浮揚摺動力を確保しながら流体Ｆの粘度を小さくできる領域では、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間への潤滑用水の供給を停止してこれらの間に粘度の低い空気の層を形成するように構成している。そのため、高回転数領域Ａ２においてスカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の摩擦係数μを小さくして摩擦抵抗を効果的に小さく抑えることができる。
【０１０６】
一方で、エンジン回転数が低い低回転数領域Ａ１であってエンジン回転数が低いことに伴い流体Ｆを粘度の低い空気とすると浮揚摺動力を十分に確保できず、摺動面どうしが接触または非常に近接して摩擦抵抗が増大するおそれのある領域では、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間に空気よりも粘度の高い潤滑用水を供給している。そのため、低回転数領域Ａ１においてもスカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの接触を抑制する、または、これらを離間（浮揚）させることができ、摩擦抵抗を小さく抑えることができる。従って、本実施形態では、全エンジン回転数領域においてスカート摺動面３１Ｓの摺動時に生じる摩擦抵抗を確実に小さくすることができる。
【０１０７】
また、本実施形態では、この高い摺動浮揚力を実現しかつ摩擦係数μを小さくすることのできる摺動面のプロファイルが、クランク軸受４０の内周壁４０Ａ、および、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａにも適用されている。そのため、これらの摺動時に生じる摩擦抵抗を低減することができ、機械損失を大幅に低減できる。
【０１０８】
また、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の部分と同様に、高回転数領域Ａ２では、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間の部分、および、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａとクランクピン７２の外周壁７２Ａとの間の部分への潤滑用水の供給を停止してこれらの間に粘度の低い空気の層を形成するように構成する一方、低回転数領域Ａ１では、前記各部分に空気よりも粘度の高い潤滑用水を供給している。そのため、これらの部分においても全エンジン回転数領域において摩擦抵抗を確実に小さくすることができる。
【０１０９】
また、低回転数領域Ａ１において、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の部分、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間の部分、および、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａとクランクピン７２の外周壁７２Ａとの間の部分へ供給する流体Ｆを水（潤滑用水）としている。そのため、低回転数領域Ａ１から高回転数領域Ａ２に移行した際に、この水を蒸発させて各部分から除去することができ、各部分に適切に空気層を形成することができる。従って、高回転数領域Ａ２おいて各部分の摩擦係数μおよび摩擦抵抗をより確実に小さくすることができる。
【０１１０】
また、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとが同じステンレス鋼で形成されている。そのため、これらの熱膨張差を小さく抑えて、最小隙間ｈ１の精度および隙間比ｍの精度を高く維持することができる。さらに、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間に潤滑用水を供給しつつ、これらが錆るのをより確実に抑制することができる。
【０１１１】
なお、同様の理由から、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａ（クランクジャーナル部７１およびクランクシャフト７）とクランク軸受４０の内周壁４０Ａ（シリンダブロック３）とは、また、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａ（クランクピン軸受８３）とクランクピン７２の外周壁７２Ａ（クランクピン７２およびクランクシャフト７）とは、互いに同じ材料で形成されるのが好ましい。特に、錆びを抑制できるステンレス鋼で形成されるのが好ましい。
【０１１２】
（１０）ピストン構造に係る第２実施形態
前記実施形態では、ピストンヘッドとスカート部とが一体に形成された場合について説明したが、これらを別体で構成してもよい。さらに、これらを別体で構成した場合において、スカート部を、ピストンヘッドの首振りに伴うスカート部の首振りが抑制されるように構成してもよい。
【０１１３】
図１７（Ａ）は、ピストンヘッド部２２０とスカート部２３０とを別体にした第２実施形態に係るピストン２０５の正面図、図１７（Ｂ）は、ピストン２０５の側面図、図１８は、図１７（Ａ）のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図、図１９は、図１７（Ａ）のＸＩＸ−ＸＩＸ線断面図である。以下の第２実施形態の説明では、図１７（Ａ）の左右方向を単に左右方向として説明する。
【０１１４】
この第２実施形態では、スカート部２３０が２つの部材で構成されており、ピストン２０５は左右一対のスカート部２３０、２３０を有する。
【０１１５】
図１８に示すように、ピストンヘッド部２２０は、下方に延びる一対のピストンボス２２４を有している。これらピストンボス２２４には、ピストンピン孔２２５が形成されている。コンロッド８は、その上端部２８２に形成された貫通孔２８２ａとピストンピン孔２２５とにピストンピン２４１が挿通されることでピストンヘッド部２２０に回転可能に支持されている。図１９等に示すように、一対のピストンボス２２４には、それぞれ、２つのスカートピン孔２２６が形成されている。これら一対のスカートピン孔２２６は、ピストンピン孔２２５を挟んでこれと同じ高さ位置に配置されている。
【０１１６】
一対のスカート部２３０は各々、スカート本体部２３１と一対のアーム部２３２とを備えている。
【０１１７】
各スカート本体部２３１は、気筒２の内周壁２Ａの形状に沿った円弧型の平板部材であり、内周壁２Ａと対峙する面にスカート摺動面２３１Ｓを備えている。各スカート摺動面２３１Ｓは、第１実施形態と同様に、気筒２の内周壁２Ａ側へ張り出す弓形形状を有している。一対のスカート部２３０は、互いのスカート摺動面２３１Ｓが反対方向を向くように配置される。
【０１１８】
各スカート部２３０において、一対のアーム部２３２は、スカート本体部２３１のスカート摺動面２３１Ｓとは反対側の裏面のうちスカート本体部２３１の周方向の両端からそれぞれ気筒２の径方向内側に向けて延び出している。
【０１１９】
これらアーム部２３２は、右側のスカート部２３０の一方のアーム部２３２と左側のスカート部２３０の一方のアーム部２３２とが隣り合い、右側のスカート部２３０の他方のアーム部２３２と左側のスカート部２３０の他方のアーム部２３２とが隣り合うように配置されている。各アーム部２３２の先端部付近には、それぞれピン通し孔２３３が穿孔されている。
【０１２０】
右側のスカート部２３０は、その２つのアーム部２３２の先端部に設けられたピン通し孔２３３とピストンボス２２４に形成された左側のスカートピン孔２２６とにスカートピン２４２が挿通されることで、このスカートピン２４２の軸回りに揺動可能な状態で、ピストンボス２２４と結合されている。また、左側のスカート部２３０は、その２つのアーム部２３２の先端部に設けられたピン通し孔２３３とピストンボス２２４に形成された右側のスカートピン孔２２６とにスカートピン２４２が挿通されることで、このスカートピン２４２の軸回りに揺動可能な状態で、ピストンボス２２４と結合されている。このようにして、本実施形態では、ピストン２０５に、各スカート部２３０を所定範囲で上下方向に揺動可能とするチルト機構が構成されている。
【０１２１】
なお、図１７（Ａ）に示すように、各アーム部２３２の上下方向の中央には開口部２３２ａが形成されており、一方のスカート部２３０のスカートピン２４２は、他方のスカート部２３０のアーム部２３２の開口部２３２ａを通り抜けて、一方のスカート部２３０のアーム部２３２に結合されている。これに伴い、一方のスカート部２３０の揺動が他方のスカート部２３０のスカートピン２４２によって所定の範囲に規制される。
【０１２２】
＜スカート部の動作＞
前記のように構成されていることで、第２実施形態では、ピストン２０５の首ふり時において、スカート部２３０の首ふりが抑制される。図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）を用いて説明する。図２０（Ａ）は、中立状態におけるスカート部２３０の概略図、図２０（Ｂ）は、首ふりが生じたときのスカート部２３０の概略図である。
【０１２３】
第２実施形態では、図２０（Ｂ）に示すように、ピストン２０５が左に傾くように首ふりをすると、ピストンボス２２４が左側に傾くことで、右側のスカートピン孔２２６およびこれに挿通されている右側のスカートピン２４２が、左側のスカートピン孔２２６およびこれに挿通されている左側のスカートピン２４２よりも上方に位置する状態となる。
【０１２４】
ここで、仮に、スカート部２３０がスカートピン２４２に対して搖動不能な場合は、スカート部２３０は、図２０（Ｂ）の破線に示すようにピストンヘッド部２２０とともに傾いてしまう。
【０１２５】
これに対して、本実施形態では、図２０（Ｂ）の実線で示すように、スカート部２３０がスカートピン２４２に対して搖動することで、スカート部２３０を中立状態のときと同じまたはこれに近い姿勢にすることができる。つまり、スカート部２３０の首振りを抑制することができる。従って、スカート部２３０のスカート摺動面２３１Ｓのプロファイル（最小隙間ｈ１の寸法、隙間比ｍ＝ｈ１／ｈ２の範囲）を中立状態において最適なプロファイルにすることで、ピストン５の首振りが生じた場合であってもスカート摺動面２３１Ｓのプロファイルをより確実に最適な状態に維持することができる。
【０１２６】
一方、この第２実施形態では、ピストン２０５に加速度（減速度）が作用すると、スカート部２３０が中立状態から搖動するおそれがある。
【０１２７】
図２１（Ａ）〜（Ｃ）は、ピストン２０５の加減速に伴う、スカート部２３０の揺動状態を説明するための図である。図２０（Ａ）は、ピストン２０５が中立状態にあり、ピストン２０５に下方向（ＴＤＣからＢＤＣへ向かう方向）の加速度、若しくは上方向（ＢＤＣからＴＤＣへ向かう方向）の加速度のいずれもが作用していない状態（例えば、クランク角＝９０°、２７０°の状態）における、スカート部２３０の姿勢を示している。
【０１２８】
図２１（Ｂ）は、ピストン５に下方向の加速度、若しくは上方向の減速度が作用している状態における、スカート部２３０の姿勢を示している。この図２１（Ｂ）に示すように、ピストン５に下方向の加速度または上方向の減速度が作用すると、スカート部２３０が慣性によってその場に止まり続けようとすることに伴い、スカート部２３０は、上方に傾いた姿勢の揺動状態となる。
【０１２９】
従って、第２実施形態では、この上向き揺動状態においても、スカート部２３０のスカート摺動面２３１Ｓのプロファイル（最小隙間および隙間比）が前記の最適なプロファイルとなるように構成するのが好ましい。
【０１３０】
ここで、図２１（Ｂ）に示す場合は、スカート摺動面２３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の隙間が、上端部側よりも下端部側の方が狭くなる（但し、相当誇張して描かれている）。そして、ピストン５に下方向の加速度が加わる際には、専ら下端部側から流体Ｆが隙間へ流入することになる。従って、下端部側における隙間比ｍが、最も大きい浮揚力が得られる隙間比ｍ＝２．２付近となるように、下端部における最大隙間を設定することが望ましい。
【０１３１】
図２１（Ｃ）は、ピストン５に上方向の加速度、若しくは下方向の減速度が作用している状態における、スカート部２３０の姿勢を示している。この場合、図２０（Ｂ）とは逆に、スカート部２３０は、それぞれ下方に傾いた姿勢の揺動状態となる。
【０１３２】
従って、第２実施形態では、この下向き揺動状態においても、スカート部２３０のスカート摺動面２３１Ｓのプロファイル（最小隙間および隙間比）が前記の最適なプロファイルとなるように構成するのが好ましい。
【０１３３】
また、この場合はスカート摺動面２３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間の隙間は、下端部側よりも上端部側の方が狭くなる。そして、ピストン５に上方向の加速度が加わる際には、専ら上端部側から流体Ｆが隙間へ流入することになる。従って、上端部側における隙間比ｍが、最も大きい浮揚力が得られる隙間比ｍ＝２．２付近となるように、上端部における最大隙間を設定することが望ましい。
【０１３４】
（１１）他の変形例
前記実施形態では、低回転数領域Ａ１において、スカート摺動面３１Ｓと気筒２の内周壁２Ａとの間、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａとの間、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａとクランクピン７２の外周壁７２Ａとの間、つまり、エンジン本体１の摺動部分に供給する潤滑用水が、防錆剤が添加された水である場合について説明したが、これら隙間Ｇに介在させる潤滑用水はこれに限らない。
【０１３５】
ただし、潤滑用水に防錆剤を添加すれば、潤滑用水が供給される各部が錆びるのを防止することができる。
【０１３６】
また、潤滑用水に代えて低回転数領域Ａ１においてオイルをエンジン本体１の摺動部分に供給してもよい。具体的には、パン２０９に潤滑用水ではなくオイルを貯留するように構成し、潤滑用液体供給システム２０１によって各部に供給される潤滑用液体をオイルとする。この場合であっても、オイルの粘度が空気の粘度よりも高いことから、低回転数領域Ａ１においてエンジン本体１の摺動部分に高い摺動浮揚力を付与してその摩擦抵抗を小さく抑えることができる。
【０１３７】
ここで、使用されるオイルは、低粘度オイルであるのが好ましい。なお、ここでは、０Ｗ−２０程度のオイル、すなわち、粘度が、６．８×１０−３［Ｐａ・ｓ］程度以下のオイルを低粘度オイルという。つまり、粘度が６．８×１０−３［Ｐａ・ｓ］程度以下のオイルが用いられるのが好ましい。このようにすれば、低回転数領域Ａ１において空気よりも粘度の高いオイルを用いて高い摺動浮揚力を得つつ、粘度が高いことに伴って摩擦抵抗が増大するのを抑制することができ、摩擦抵抗を適切に小さく抑えることができる。
【０１３８】
また、このように、潤滑用水に代えてオイルを用いれば、これが供給される部分が錆びるのを防止することができる。
【０１３９】
一方、潤滑用水を用いれば、前記のように、低回転数領域Ａ１から高回転数領域Ａ２に移行した際に、エンジン本体１の摺動部分から早期に除去される。従って、高回転数領域Ａ２にて、エンジン本体１の摺動部分における空気の割合を多くすることができ、この摺動部分の摩擦抵抗をより確実に小さく抑えることができる。
【０１４０】
また、前記実施形態では、スカート摺動面３１Ｓが弓形形状である例を示している。しかし、スカート摺動面３１Ｓは、気筒２の中心軸Ｘ１に沿う断面において、内周壁２Ａに向けて張り出す張出形状を備える限りにおいて、その態様を問わない。すなわち、最小隙間ｈ１を形成する部分（頂部Ｐｓ）と、最大隙間ｈ２を形成する部分（裾部Ｑｓ）とを有していれば、それら両部分の間の形状は必ずしも弓形の曲面形状でなくとも良く、種々の形状を備えていても良い。例えば、頂部Ｐと裾部Ｑとの間の一部又は全部が、気筒２の中心軸Ｘ１に沿う断面において直線的に傾斜した面、階段状に傾斜した面であっても良い。
【０１４１】
同様に、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａと、クランクピン軸受８３の内周壁８３Ａも、最小隙間ｈ１を形成する部分（頂部Ｐ１０、Ｐ２０）と、最大隙間ｈ２を形成する部分（裾部Ｑ１０、Ｑ２０）とを有していればよく、他の形状を備えていても良い。
【０１４２】
また、前記実施形態では、スカート摺動面Ｓ３１および気筒２の内周壁２Ａをステンレスで形成した場合について説明したが、これらの材料はステンレスに限らない。例えば、これらを鋳鋼等で形成してもよい。ただし、前記のようにステンレスは熱膨張係数が小さいため、ステンレスを用いれば、熱膨張に伴う最小隙間ｈ１および隙間比ｍの適正範囲からのずれを小さく抑えることができる。なお、同様の理由で、クランクシャフト７およびコンロッド８にもステンレスを用いるのが好ましい。
【０１４３】
また、スカート摺動面Ｓ３１と気筒２の内周壁２Ａ、クランクジャーナル部７１の外周壁７１Ａとクランク軸受４０の内周壁４０Ａ、クランクピン７２の外周壁７２Ａとクランクピン軸受８３の内周壁８３Ａとを、それぞれ別の材料で形成してもよい。ただし、前記のように、これらを同じ材料とすれば熱膨張差が最小隙間ｈ１および隙間比ｍに与える影響を小さく抑えて、これらの精度を高くすることができる。
【符号の説明】
【０１４４】
１  エンジン本体
２  気筒（第１部材）
２Ａ  気筒の内周壁（第１摺動面）
５  ピストン
７  クランクシャフト
８  コンロッド
３０  スカート部
３１  スカート本体部３１（第２部材）
３１Ｓ  スカート摺動面（第２摺動面、張出形状部）
４０  クランク軸受（第２部材）
４０Ａ  クランク軸受の内周壁（第２摺動面、張出形状部）
７１  クランクジャーナル部（第１部材）
７１Ａ  クランクジャーナルの外周壁（第１摺動面）
７２  クランクピン（第１部材）
７２Ａ  クランクピンの内周壁（第１摺動面）
８３  クランクピン軸受（第２部材）
８３Ａ  クランクピン軸受の内周壁（第２摺動面、張出形状部）
Ｐ１０  頂部
Ｐ２０  頂部
Ｐｓ  頂部
Ｑ１０  裾部
Ｑ２０  裾部
Ｑｓ（Ｑｓ１、Ｑｓ２）  裾部
ｈ１  最小隙間
ｈ２  最大隙間
ｍ  隙間比
【図１】
2018145887.tif 000004
【図２】
2018145887.tif 000005
【図３】
2018145887.tif 000006
【図４】
2018145887.tif 000007
【図５】
2018145887.tif 000008
【図６】
2018145887.tif 000009
【図７】
2018145887.tif 000010
【図８】
2018145887.tif 000011
【図９】
2018145887.tif 000012
【図１０】
2018145887.tif 000013
【図１１】
2018145887.tif 000014
【図１２】
2018145887.tif 000015
【図１３】
2018145887.tif 000016
【図１４】
2018145887.tif 000017
【図１５】
2018145887.tif 000018
【図１６】
2018145887.tif 000019
【図１７】
2018145887.tif 000020
【図１８】
2018145887.tif 000021
【図１９】
2018145887.tif 000022
【図２０】
2018145887.tif 000023
【図２１】
2018145887.tif 000024