(57)【要約】【課題】ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、ピストンとシリンダボアとの間のフリクションを抑制する。【解決手段】本発明に係る内燃機関は、そのような内燃機関において、ピストンピン摺動部に摩擦低減手段を有する。摩擦低減手段としては、ＤＬＣ膜を用いることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁から該ピストンの一部がはみ出す内燃機関において、
ピストンピン摺動部に摩擦低減手段が設けられていることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンが下死点位置にあるときにピストンの一部がシリンダボアの下端縁からはみ出すように構成された内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンが下死点位置にあるときにピストンの一部がシリンダボアの下端縁からはみ出す内燃機関の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１では、このような内燃機関における、ピストンが下死点位置付近にあるときの首振り運動に起因する打音を減少させるように、ピストンピンの中心をシリンダの中心に対して所定距離だけオフセットさせるとともに、シリンダボア下端を下方に延長するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６０−１６２２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ピストンが下死点位置にあるときにピストンの一部がシリンダボアの下端縁からはみ出すように構成される内燃機関は一般にそのコンパクト化およびそれに伴う軽量化に寄与する。これに、上記特許文献１の内燃機関におけるシリンダボアの下端の延長は即さないであろう。
【０００５】
一方、ピストンが下死点位置にあるときにピストンスカート部の一部がシリンダボアの下端縁からはみ出す内燃機関では、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボアにピストンが接することができる部分が元来限られている。したがって、このような内燃機関では、ピストンが下死点位置にあるときのシリンダボアとピストンとの間でのフリクションが特に高まる傾向にある。このようなフリクションは例えば燃費の点から抑制されることが望まれる。
【０００６】
本発明の目的は、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボアの下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、ピストンとシリンダボアとの間のフリクションを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一の態様によれば、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、ピストンピン摺動部に摩擦低減手段が設けられていることを特徴とする内燃機関が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成を有する本発明によれば、ピストンピン摺動部に摩擦低減手段が設けられているので、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボアの下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、ピストンの下死点位置付近でのピストンの姿勢を改善し、ピストンとシリンダボアとの間のフリクションを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の断面模式図である。
【図２】コンピュータ計算結果を表したグラフであり、クランク角に対して、ピストンの傾き角の変化を表したグラフである。
【図３】コンピュータ計算結果を表した図であり、吸気下死点付近でのシリンダボア下端部での圧力上昇部とその最大圧力とを示す図である。
【図４】コンピュータ計算結果を表したグラフであり、クランク角に対して、ピストンとシリンダボアとの間の摩擦力の変化を示すグラフである。
【図５】コンピュータ計算結果を表したグラフであり、図４に対応するグラフである。
【図６】実機試験での結果を表したグラフであり、クランク角に対して、ピストンとシリンダボアとの間の摩擦力の変化を示すグラフである。
【図７】図６とは異なる実機試験での結果を表したグラフであり、クランク角に対して、ピストンとシリンダボアとの間の摩擦力の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
【００１１】
図１に実施形態に係る内燃機関１０の、特にその機関本体部の断面模式図を示す。内燃機関１０では、シリンダブロック１２に形成されたシリンダボア１４内にピストン１６が摺動可能に配設され、ピストン１６の往復運動がクランクシャフト１８の回転運動にかえられるように、ピストンピン２０およびコンロッド２２を介して、ピストン１６はクランクシャフト１８に接続されている。
【００１２】
図１は、ピストン１６が下死点位置近傍にあるときを表している。図１から明らかなように、内燃機関１０は、ピストン１６が下死点位置にあるときに、ピストン１６のスカート部１６ａの一部（クランクシャフト側部分）がシリンダボア１４の下端縁１４ａからはみ出す、つまりシリンダボア１４の下端縁１４ａから突き出て露出するように構成されている。このような内燃機関１０は、内燃機関の高さ方向のコンパクト化を図ることに貢献し得、さらにはその軽量化に貢献し得る。
【００１３】
内燃機関１０では、ピストンピン２０の表面はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）によりコーティングされている。特に、ピストンピン２０の摺動部としての外周面に、摩擦低減手段としてのＤＬＣ膜が形成されている。なお、ＤＬＣ膜は、主として炭化水素あるいは炭素から成る硬質膜である。
【００１４】
ピストンピン２０はピストン１６のピン孔１６ｂに摺動可能に挿入され、かつ、コンロッド２２の小端孔（図示せず）に摺動可能に挿入されている。したがって、ピストンピン２０には、ピン孔１６に対して摺動するピン孔摺動部と、コンロッド２２に対して摺動するコンロッド摺動部とがある。ピストンピン２０のこれらピン孔摺動部およびコンロッド摺動部に、ＤＬＣ膜が形成されている。ピストンピン２０におけるＤＬＣ膜は、ピストンピン２０の摺動部での摩擦係数を下げることに貢献する。
【００１５】
このように、ピストンピン２０にＤＬＣコーティングを施すことにより、下死点およびその付近でのピストン１６の姿勢、換言すると、シリンダボア中心線Ｃに対するピストン１６の傾き傾向を改善することができる。そして、その結果、ピストン１６からシリンダボア１４に及ぼされる圧力が局所的に高まることを抑制し、それらの間でのフリクションを抑制することが可能になる。この理由は、例えば、次のようなものであろう。
【００１６】
内燃機関１０では、ピストンが下死点位置付近にあるとき、シリンダ１４の下端縁１４ａに沿って、場合によってはそれに擦れ合いながらピストン１６は下方に（つまりクランクシャフト１８側に向けて）動き、下死点位置に達し、そして上方に動く。このようにピストン移動方向が変わるとき、ピストンピン２０にＤＬＣ膜が形成されているので、ピストンやコンロッドに対してピストンピンが相対的に回り易く、よってコンロッドの動きに対するピストン姿勢の追従が抑制される。したがって、ピストンが下死点位置付近にあるとき、シリンダボアに対してピストンを押し付ける力が過大になることを抑制することができる。その結果、ピストンからシリンダに及ぼされる圧力の局所的な高まりを抑制でき、ピストンとシリンダとの間の油膜切れを抑制でき、シリンダボアとピストンとの間での摩擦力つまりフリクションを緩和または抑制することができる。
【００１７】
なお、ピストンピン摺動部に、摩擦低減手段としてのＤＬＣ膜が設けられるのであれば、そのコーティングはピストンピン以外になされてもよい。例えば、ピストンピン摺動部を構成する、ピストン１６、特にそのピン孔１６ｂおよびコンロッド２２の小端部、特にその孔（図示せず）にＤＬＣコーティングが施されてもよい。また、ピストンピン２０と、ピストン１６のピン孔１６ｂおよびコンロッド２２の小端部の孔との両方に、ＤＬＣコーティングが施されてもよい。ただし、ピストンピンにＤＬＣコーティングを施すことは少ない作業で、好ましくは１回の作業で可能であるので、コスト面で有利である。なお、ＤＬＣコーティングはプラズマ・イオンを利用したＰＶＤ法またはＣＶＤ法で一般に行われることができる。
【００１８】
あるいは、ピストンピンと、ピストンと、コンロッドとの間のフリクションを低減するように、摩擦係数を小さくする他の表面処理や低摩擦材が、摩擦低減手段としてピストンピン摺動部に適用されてもよい。さらに、摩擦低減手段として、ピストンピン摺動部における油膜形成を補強または促すべく、オイルを保持することができるように溝や凹凸を形成することが採用されてもよい。
【００１９】
ピストンピン摺動部におけるＤＬＣ膜の作用および効果を、実験により調べた。その実験結果を以下に説明する。
【００２０】
（実験１）
上記内燃機関１０をモデル化して、コンピュータ計算を行った。一例として、エンジン回転速度を２０００ｒｐｍ、エンジン負荷を図示平均有効圧（Indicated Mean Effective Pressure、ＩＭＥＰ）で６５０ｋＰａとして行った、コンピュータ計算の結果を図２から図４に示す。
【００２１】
図２は、クランク角（ＣＡ）に対して、シリンダボアに対するピストンの傾き角の変化を表したグラフである。図３は、図２のクランク角が−１７５°であるときの、つまり、吸気下死点直後での、シリンダボア下端部におけるピストンからの圧力の上昇部とその最大圧力とを示す。図４は、クランク角（図２のクランク角に対応）に対して、ピストンとシリンダボアとの間の摩擦力の変化を表したグラフである。なお、図３の圧力はシリンダボア面に直角な方向での力に相当し、図４の摩擦力はシリンダボア面に沿う方向での力に相当する。図２から図４では、ピストンピン摺動部にＤＬＣ膜があるモデル（本発明に係るモデル）での結果が「ＤＬＣ」として示され、これに対して、ピストンピン摺動部にＤＬＣ膜がないモデルでの結果が「ＤＬＣ無」として示されている。また、図３において、（ａ）はＤＬＣ膜がある場合の結果であり、（ｂ）はＤＬＣ膜が無い場合の結果であり、符号「Ｔｈ」はスラスト側を示し、符号「ＡＴｈ」は反スラスト側を示す。
【００２２】
図２のグラフは、ピストンが下死点（クランク角が１８０°および−１８０°）位置付近にあるとき、ＤＬＣ膜がある場合の方が、そうでない場合に比べて、シリンダボア中心線に対するピストンの傾き角が小さい傾向を示す。図３は、ＤＬＣ膜がある場合の方が、そうでない場合に比べて、シリンダボア下端部での圧力上昇部の領域が小さい傾向を有し、その最大圧力が小さいことを示す。なお、図３においてＤＬＣ膜がある場合の最大圧力は１８ＭＰａであり、そうでない場合の最大圧力は２４ＭＰａである。また、図示しないが、クランク角が−１８０°であるときの、つまりピストンが下死点位置にあるときの、ＤＬＣ膜がある場合の最大圧力は１５ＭＰａであり、そうでない場合の最大圧力２０ＭＰａよりも小さかった。さらに、図４は、ＤＬＣ膜がある場合の方が、そうでない場合に比べて、ピストンが下死点位置付近、特に下死点直後の位置にあるときにおけるピストンとシリンダボアとの間での摩擦力が小さいことを示す。
【００２３】
図２から図４より明らかなように、ピストンピン摺動部にＤＬＣ膜があることで、シリンダボアに対するピストンの姿勢を改善でき、ピストンが吸気下死点位置付近にあるときのシリンダ面圧の局所的な高まりを抑制でき、シリンダボアとピストンとの間の摩擦力つまりフリクションを低減できる。
【００２４】
また、図５は、下死点位置においてシリンダボアからピストンがはみ出さない内燃機関のモデルでの図４に対応する結果を示すが、ＤＬＣ膜の有無の違いで顕著な違いは認められなかった。これは、このような内燃機関では、ピストンが下死点位置にあるときにも、ピストンはシリンダボアにより十分支えられているので、そもそも、シリンダボア中心線に対してピストンが傾き難いことによるであろう。
【００２５】
以上、図２から図５より、ピストンピン摺動部にＤＬＣ膜を設けることが、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関における、下死点付近でのフリクションの改善に有効であることが明らかである。
【００２６】
（実験２）  
実機試験により、エンジン回転速度を一定かつエンジン負荷を一定として、ピストンとシリンダボアとの間のフリクションつまり摩擦力の変化を調べた。その結果を図６、図７に示す。図６および図７の横軸は図２のクランク角に対応し、それらの縦軸は異なる向きの摩擦力を正負で表す。したがって、図６および図７では、摩擦力の大きさ（絶対値）が小さいほどフリクションが小さいことを示し、好まれる。「ＤＬＣ」および「ＤＬＣ無」の表記は、図２から図５にしたがう。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）は、クランク角が−１８０°のところでつなげて理解されるべきグラフであり、これは図７（ａ）および図７（ｂ）においても同様である。
【００２７】
図６、図７の実験で用いた内燃機関は、共に、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンスカート部の一部がはみ出す内燃機関である。ただし、図６は、ピストンのピストンピン中心をシリンダ中心に対して所定距離（０．６５ｍｍ）オフセットさせた内燃機関での実験結果を示し、図７はそのオフセット量がゼロの内燃機関での実験結果を示す。なお、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンの一部がはみ出す内燃機関において、シリンダとピストンとの局所的な磨耗等を減少させる目的で、ピストンピンの中心をシリンダの中心に対して所定距離（１．５ｍｍ〜３ｍｍ）だけオフセットさせることは、特許文献１に開示されている。
【００２８】
図６では、ピストンのシリンダボア内での移動方向が変わった吸気下死点直後に、ＤＬＣ膜が形成されていない内燃機関でそのフリクションが、ＤＬＣ膜がある内燃機関でのフリクションと比べて、急激に高まっている。また、図７も、その程度は図６ほどではないが、同様の結果を示す。これらは、ＤＬＣ膜をピストンピン摺動部、この実験ではピストンピンに形成することで、ピストンが下死点位置にあるときにシリンダボア下端縁からピストンスカート部の一部がはみ出す内燃機関における下死点付近、特にその直後でのフリクションを改善できることを表す。
【００２９】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限られない。特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００３０】
１０  内燃機関
１２  シリンダブロック
１４  シリンダボア
１６  ピストン
１８  クランクシャフト
２０  ピストンピン
２２  コンロッド
【図１】
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【図２】
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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３】
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