特許 7113848 ヒートエンジンのためのピストン、そうしたピストンを備えるヒートエンジン、および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-28

(45)【発行日】2022-08-05

(54)【発明の名称】ヒートエンジンのためのピストン、そうしたピストンを備えるヒートエンジン、および方法

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/12 20060101AFI20220729BHJP

   F02F 3/10 20060101ALI20220729BHJP

   F02F 3/00 20060101ALI20220729BHJP

【ＦＩ】

F02F3/12

F02F3/10 B

F02F3/00 R

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2019557686

(86)(22)【出願日】2018-01-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-02-06

(86)【国際出願番号】 FR2018050052

(87)【国際公開番号】W WO2018130779

(87)【国際公開日】2018-07-19

【審査請求日】2020-10-14

(31)【優先権主張番号】1750238

(32)【優先日】2017-01-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】506126266

【氏名又は名称】イドロメカニーク・エ・フロットマン

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ファブリス・プロスト

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ・オー

(72)【発明者】

【氏名】ロマン・モンテリマール

【審査官】二之湯 正俊

(56)【参考文献】

【文献】特表平０８－５０８３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５１０９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１８９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５０１８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０２７１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６２－１２２１５３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０９－０６８１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５２３４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２２０１５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｆ ３／００－ ３／２８

Ｆ０２Ｆ ５／００

Ｆ０２Ｆ １１／００

Ｆ０２Ｆ １／００－ １／４２

Ｆ０２Ｆ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

－ 相手側部品（Ｃ）内において中央軸線（Ｘ１）に沿ってピストン（１）の並進運動を案内するスカート（２）であって、前記相手側部品（Ｃ）内における前記ピストン（１）の第１の接触領域（Ｚ２）を形成するスカート（２）と、
－ 前記中央軸線（Ｘ１）に対して横方向に延在し、燃焼ガスと接触して配置されるように意図されたヘッド（３）と、
－ 少なくとも２つの山部（１１、１２、１３；１１、１２）と、リングを収容するよう意図された少なくとも２つの溝部（１４、１５、１６；１４、１５）と、を備えた、リングキャリア（４）であって、前記少なくとも２つの山部が、前記ヘッド（３）に隣接する第１の山部（１１）と、前記第１の山部（１１）と前記スカート（２）との間に据えられる第２の山部（１２）と、を含む、リングキャリア（４）と、
を含んでなる、燃焼機関のピストン（１）において、
前記山部（１１、１２、１３；１１、１２）は、前記相手側部品（Ｃ）内における当該ピストン（１）の第２の接触領域（Ｚ４）を形成するために、前記スカート（２）の直径（Ｄ２）より大きい直径（Ｄ１２；Ｄ１１；Ｄ１３；Ｄ１１、Ｄ１２；Ｄ１２、Ｄ１３）を有する少なくとも１つの接触山部（１２；１１；１３；１１、１２；１２、１３）を含み、
前記少なくとも１つの接触山部（１２；１１；１３；１１、１２；１２、１３）は、少なくとも最小で３０度の角度（α１；α２）をカバーする周方向区域（２１；２２）から最大で３６０度の角度をカバーする単一区域に形成された摩擦低減表面コーティング（２０；１０；３０；１０、２０；２０、３０）を含み、
前記接触山部の直径はコーティングのない状態で考慮され、前記スカートの直径は穴のない状態で考慮されることを特徴とするピストン（１）。

【請求項2】

前記少なくとも１つの接触山部（１２、１１；１３；１１、１２；１２、１３）は、前記スカート（２）の平均直径（Ｄ２）より大きい直径（Ｄ１２；Ｄ１１；Ｄ１３；Ｄ１１、Ｄ１２；Ｄ１２、Ｄ１３）を有することを特徴とする請求項１に記載のピストン（１）。

【請求項3】

前記ピストン（１）は、前記ピストン（１）の直径（Ｄ１）よりも小さい高さ（Ｈ１）を有する短いピストンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のピストン（１）。

【請求項4】

前記ピストン（１）の基材はスチールであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のピストン（１）。

【請求項5】

前記摩擦低減表面コーティング（２０；１０；３０；１０、２０；２０、３０）は、ＤＬＣタイプのアモルファスカーボンａ－Ｃ：Ｈから作られることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のピストン（１）。

【請求項6】

前記摩擦低減表面コーティング（２０；１０；３０；１０、２０；２０、３０）は、ＤＬＣタイプのアモルファスカーボンｔａ－Ｃから作られることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のピストン（１）。

【請求項7】

少なくとも１つの前記接触山部（１２；１１；１３；１１、１２；１２、１３）は、前記摩擦低減表面コーティング（２０；１０；３０；１０、２０；２０、３０）の下に形成された少なくとも１つの副層（２２）を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のピストン（１）。

【請求項8】

前記第２の山部（１２）は、前記第１の山部（１１）よりも大きい直径を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のピストン（１）。

【請求項9】

前記リングキャリア（４）の前記山部（１１、１２、１３；１１、１２）のうち、前記接触山部（１２；１１；１３；１１、１２；１２、１３）のみが、前記摩擦低減表面コーティング（２０；１０；３０；１０、２０；２０、３０）を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のピストン（１）。

【請求項10】

前記リングキャリア（４）は、単一の接触山部（１２；１１；１３）を備えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のピストン（１）。

【請求項11】

前記単一の接触山部は、前記第２の山部（１２）であることを特徴とする請求項１０に記載のピストン（１）。

【請求項12】

前記リングキャリア（４）は、２つの接触山部（１１、１２；１２、１３）を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のピストン（１）。

【請求項13】

前記２つの接触山部は、前記第２の山部（１２）および第３の山部（１３）であることを特徴とする請求項１２に記載のピストン（１）。

【請求項14】

前記２つの接触山部は、前記第１の山部（１１）および前記第２の山部（１２）であることを特徴とする請求項１２に記載のピストン（１）。

【請求項15】

－ 請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のピストン（１）と、
－ 前記ピストン（１）を収容する相手側部品（Ｃ）と、
を備えることを特徴とするヒートエンジン。

【請求項16】

前記相手側部品（Ｃ）は、ＤＬＣタイプのアモルファスカーボンから作られた摩擦低減表面コーティング（Ｒ）を含むことを特徴とする請求項１５に記載のヒートエンジン。

【請求項17】

請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のピストン（１）をコーティングするための方法であって、
－ マスク（４０）を前記ピストン（１）上に位置決めするためのステップと、
－ 少なくとも最小で１つの前記接触山部（１２；１１；１３；１１、１２；１２、１３）上に、前記マスク（４０）を介して摩擦低減表面コーティング（２０；１０；３０；１０、２０；２０、３０）を局所的に堆積するためのステップと、
を含むことを特徴とする方法。

【請求項18】

請求項１５または請求項１６に記載のヒートエンジンを実施するための方法であって、
前記スカート（２）と、前記摩擦低減表面コーティング（２０；１０；３０；１０、２０；２０、３０）を含む少なくとも１つの前記接触山部（１２；１１；１３；１１、１２；１２、１３）とは、前記相手側部品（Ｃ）内における前記ピストン（１）の接触領域（Ｚ２；Ｚ４）を作り上げることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒートエンジンのための、とりわけ往復機構部分および内燃機関を備えるヒートエンジンのためのピストンに関するものである。本発明はまた、そうしたピストンを備えるヒートエンジンに関するものである。本発明はさらに、そうしたピストンをコーティングするための方法に関するものである。最後に、本発明は、そうしたヒートエンジンを実施するための方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

本発明の分野は、ヒートエンジンのための、とりわけ往復機構部分および内燃機関を備えるヒートエンジンのためのピストンの分野である。

【0003】

公知の様式では、そうしたピストンは、スカートと、ヘッドと、リングキャリアと、を備える。エンジン内では、ピストンは、シリンダブロックのジャケット内において往復並進運動で駆動される。スカートは、ピストンをジャケット内で案内するために設けられている。ヘッドは、燃焼ガスと接触するよう配置され、その燃焼に起因する力を受けるよう設けられている。リングキャリアは、スカートとヘッドとの間に位置される。リングキャリアは、リングを収容するために設けられた交互の山部および溝部を備える。

【0004】

ＮＥＤＣ（“New European Driving Cycle”）などの車両の汚染／消費の現在の測定サイクルは、エンジンを小型化する傾向をもたらした。新しいエンジンは、より小さな立方インチの排気量を有すると同時に同等のパワーを発現する。

【0005】

２０１７年まで、新しいＷＬＴＰ（“Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure”）は、高出力エンジンへの支持を表明している。そのためこれによって、同等の排気量出力の増大、ひいては燃焼室内の熱応力および機械応力の増大が引き起こされた。その結果、今日では主に小型車両のためのアルミニウム合金で作られたピストンが、スチール製のピストンに徐々に置き換えられている。

【0006】

この変更によるピストンの重量への影響を可能な限り制限するために、ピストンの幾何学的形状が修正され、ピストンは短くなるよう仕向けられた。この幾何学的形状の変化は、ピストン／ジャケットの接触の変化、ひいては支持領域（接触および摩擦）の変化を引き起こす。

【0007】

アルミニウム製のピストンが装備された車両に関して、ピストン／スリーブの接触は、スカートにグラファイトコーティングを堆積することによって最適化される。

【0008】

スチール製のピストンが装備された量産の小型車両に関して、コーティングされる領域も、好ましくはスカートである。なお、ピストンの山部における遊びを減少させる傾向がある、ピストンの往復運動中のスリーブにおけるピストンの支持領域を再考することがますます重要であると思われる。

【0009】

さらに、燃焼圧力が２５０ｂａｒに到達可能であるという事実により、スチール製のピストンは主に産業用車両のエンジンに使用される。近年では、これらエンジンにおけるピストン／スリーブの接触に大きな変更はない。

【0010】

特許文献１および特許文献２は、スカートの直径に等しい直径を有する接触山部が設けられた最高水準を示すピストンを開示する。特許文献１では、接触山部は、中央軸線周りに厚さが変化するコーティングを含む。特許文献２では、接触山部は、合成樹脂からなる厚い層を含む。例えば、この合成樹脂は、グラファイトと金属粒子とを組み込んだポリアミドから作られる。この樹脂層の厚さは、１５～２５μｍである。これらピストンは、磨耗および焼き付きのリスクの低減に関して完全に満足できるものではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】独国特許第４１ １３ ７７３号明細書

【文献】独国特許第４３ １０ ４９１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的は、上述の状況を考慮して、改善されたピストンを提案することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

この目的のため、本発明の対象は、
－ 相手側部品内において中央軸線に沿って並進運動でピストンを案内しかつ相手側部品内におけるピストンの第１の接触領域からなるスカートと、
－ 中央軸線に対して横方向に延在し、かつ燃焼ガスと接触するよう配置されることを意図されたヘッドと、
－ 少なくとも２つの山部と、リングを収容するよう意図された少なくとも２つの溝部とを備えるリングキャリアであって、ヘッドに隣接する第１の山部と、第１の山部とスカートとの間に据えられる第２の山部とを含むリングキャリアと、
を備え、
これら山部は、相手側部品内におけるピストンの第２の接触領域を形成するために、スカートの最小直径よりも大きい直径を有する少なくとも１つの接触山部を含み、少なくとも１つの接触山部は、摩擦低減表面コーティングを備え、摩擦低減表面コーティングは、少なくとも最小で３０度の角度をカバーする周方向区域にかつ最大で３６０度の角度をカバーする単一区域に形成されることを特徴とするヒートエンジンのピストンである。

【0014】

本出願人は、新しい可動部品の概念において、リングキャリアの山部の少なくとも１つがスリーブとの接触および摩擦領域になることが可能であることを観察した。そうした摩擦は、燃料消費量の増加ひいてはＣＯ_２排出量の増加を引き起こす。これに関連して、本発明は、エンジン内のピストン／スリーブの接触の最適化を可能にする。より大きな直径の接触山部を設けることによって、本発明は、スカートに画定された接触領域を補完する、恩恵のある接触領域をリングキャリアに画定できるようにする。少なくともこの接触山部に表面コーティングを付与することによって、本発明は、互いに対して接触しかつ移動する２つの部品間の摩擦係数を減少できるようにする。さらに、本発明は、摩耗および／または焼き付きのリスクを大幅に低減できるようにする。

【0015】

本発明の文脈では、接触山部の直径は、コーティングのない状態で考慮され、同時にスカートの直径は、穴および凹部のない状態で考慮される。

【0016】

単独でまたは組み合わせて考慮される本発明の他の有利な特徴によれば、
－ 少なくとも１つの接触山部は、スカートの平均直径よりも大きい直径を有する。
－ ピストンは、その直径よりも小さい高さを有する短ピストンである。
－ ピストンの基材はスチールである。言い換えると、ピストンのスカート、ヘッド、およびリングキャリアは、スチールから作られる。好ましくは、このスチールは鍛鋼である。
－ 摩擦低減表面コーティングは、ＤＬＣ（「ダイヤモンドライクカーボン」）タイプのａ－Ｃ：Ｈまたはｔａ－Ｃのアモルファスカーボンから作られる。
－ 少なくとも１つの接触山部は、摩擦低減表面コーティングの下に形成される少なくとも１つの副層を含む。
－ 少なくとも１つの接触山部は、摩擦低減表面コーティングの下に形成される少なくとも１つの副層を欠いている。
－ 第２の山部は、第１の山部よりも大きな直径を有する。
－ リングキャリアの山部のうち、１つ以上の接触山部のみが、摩擦低減表面コーティングを含む。
－ リングキャリアは、２つの接触山部を備える。
－ ２つの接触山部は、第２の山部および第３の山部である。
－ ２つの接触山部は、第１の山部および第２の山部である。
－ 摩擦低減表面コーティングは、少なくとも３０度の角度をカバーする単一の周方向区域に形成される。
－ 摩擦低減表面コーティングは、直径方向において対向する２つの周方向区域にわたって形成され、周方向区域それぞれが、中央軸線に対して少なくとも３０度の角度をカバーする。
－ 周方向区域は、３０度に限定された角度をカバーする。
－ 周方向区域は、４５度に限定された角度をカバーする。
－ 周方向区域は、６０度に限定された角度をカバーする。
－ 周方向区域は、９０度に限定された角度をカバーする。
－ 周方向区域は、１２０度に限定された角度をカバーする。
－ 摩擦低減表面コーティングは、中央軸線周りで３６０度にわたって形成される。
－ 摩擦低減表面コーティングは、例えば研磨またはサンディングによって得られる２μｍ以下、好ましくは０.５μｍ以下の最大粗さＲｚを有する。
－ 摩擦低減表面コーティングは、中央軸線に対して半径方向に規定された、１～５μｍの、好ましくは２～３μｍの厚さを有する。
－ 摩擦低減表面コーティングは、１０μｍ以下の厚さを有する。
－ 第１の山部には、コーティングがない。
－ これら溝部には、コーティングがない。

【0017】

本発明はまた、上述のようなピストンと、ピストンを収容する相手側部品と、を備えるヒートエンジンに関するものである。例えば相手側部品は、スチール、ステンレススチール、鋳鉄、アルミニウム合金などから作ることができる。好ましくは相手側部品は、ＤＬＣタイプのアモルファスカーボンから作られた摩擦低減表面コーティングを含む。

【0018】

ヒートエンジンがモーターの場合、相手側部品はスリーブである。スリーブは、シリンダブロックのケーシングに固定されるドライスリーブであってもよい。代替的に、スリーブは、冷却剤がスリーブとケーシングとの間に挿入されるような、シリンダブロックのケーシングに対して取り外し可能なウェットスリーブであってもよい。好ましくは、スリーブは、摩耗および／または焼き付きのリスクを低減するために摩擦低減表面コーティングを含む。さらにより好ましくは、このコーティングは、ＤＬＣタイプのアモルファスカーボンから作られる。非限定的な例として、スリーブおよびそのコーティングは、国際公開第２０１３／１６４６９０号パンフレットの教示に従ってもよい。

【0019】

本発明の目的はまた、上述のようなピストンをコーティングするための方法を提供することである。この方法は、
－ リングキャリア上にマスクを位置決めするためのステップと、
－ 少なくとも最小で１つの接触山部に、マスクを介して摩擦低減表面コーティングを局所的に堆積するためのステップと、
を含む。

【0020】

本発明の目的はまた、スカートと摩擦低減表面コーティングを含む少なくとも１つの接触山部とが、相手側部品内におけるピストンの接触領域を形成することを特徴とする、上述のようなヒートエンジンを実施するための方法を提供することである。

【0021】

本発明は、非限定的な例示としてのみ与えられかつ添付の図面を参照してなされる以下の説明を読むことによってより良く理解されるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】短ピストンタイプの、本発明に基づくピストンの部分断面側面図であって、第２の山部が表面コーティングを含む接触山部を構成する、部分断面図である。

【図2】図１のピストンの斜視図である。

【図3】スカートよりも大きい直径を有する第２の山部と第１および第３の山部とを示す、リングキャリアの拡大部分断面図である。

【図4】第２の山部の変形例を示す拡大部分断面図であって、第２の山部が表面コーティングの下に形成された副層を含む、拡大部分断面図である。

【図5】表面コーティングの堆積中にピストンをカバーするよう設けられたマスクを示す斜視図である。

【図6】図５における線VI－VIによって定義される横方向断面におけるマスクの断面図である。

【図7】マスクの変形例を示す、図６と同様の断面図である。

【図8】マスクの変形例を示す、図６と同様の断面図である。

【図9】マスクの変形例を示す、図６と同様の断面図である。

【図10】別のマスクの変形例を示す、図５と同様の図である。

【図11】ピストンの変形例を示す、図３と同様の部分断面図である。

【図12】ピストンの変形例を示す、図３と同様の部分断面図である。

【図13】ピストンの変形例を示す、図３と同様の部分断面図である。

【図14】ピストンの変形例を示す、図３と同様の部分断面図である。

【図15】リングキャリアが２つの山部のみを含む変形例を示す、図２と同様の斜視図である。

【図16】ピストンが長ピストンタイプのものである変形例を示す、図２と同様の図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１から図３は、本発明に基づくピストン１を示す。ピストン１は、ヒートエンジン、より具体的には往復機構部分と内燃機関とを備えるエンジンに装備するために設けられる。ピストン１は、簡略化のために図１にのみ部分的に示されるシリンダブロックＢのスリーブＣ内に配置されている。好ましくは、スリーブＣは、ＤＬＣタイプのアモルファスカーボンから作られた摩擦低減表面コーティングＲを含む。ピストン１は、金属から、好ましくはスチール、アルミニウム合金から作られるか、または異なる金属材料から作られた部品のアセンブリによって形成される。ピストン１は、長手方向中央軸線Ｘ１と、軸線Ｘ１に対して平行に定義される高さＨ１と、軸線Ｘ１に対して半径方向に定義される直径Ｄ１とを有する。ピストン１は、その直径Ｄ１よりも小さい高さＨ１を有する短ピストンである。

【0024】

ピストン１は、スカート２と、ヘッド３と、リングキャリア４と、を備える。ピストン１は、リング（簡略化のために図示せず）を収容するよう設けられている。エンジン内では、ピストン１は、スリーブＣによって形成された相手側部品内で軸線Ｘ１に沿って往復並進運動で駆動される。より具体的には、ピストン１は、軸線Ｘ１に沿った主要な並進運動と、軸線Ｘ１に垂直な側方運動と軸線Ｘ１に垂直な軸線周りでの回転運動（傾斜運動）とによって集約可能な二次運動と、に従ってスリーブＣ内を移動する。これは、ピストン１のスカート２とスリーブＣとの間の接触によりスリーブＣ内でのピストン１の案内を引き起こし、スリーブＣとスカート２の下方端部との間により顕著な接触を引き起こす。傾斜運動およびスカート２の変形もまた、傾斜側にスリーブＣとピストン１のヘッド３および／またはリングキャリア４との間の接触を引き起こす。

【0025】

スカート２は、軸線Ｘ１を中心とする全体的な管状壁から作り上げられ、外径Ｄ２を有する。スカート２は、スリーブＣ内でピストン１を案内するために設けられ、かつスリーブＣ内におけるピストン１の第１の接触領域Ｚ２を作り上げる。スカート２は、好ましくは、摩擦低減表面コーティングを含む。好ましくは、スカート２のコーティングは、ＤＬＣタイプのアモルファスカーボンから作られる。代替的に、スカート２のコーティングは、グラファイトまたは目的とする用途に適した任意の他の材料から作られてもよい。

【0026】

ヘッド３は、軸線Ｘ１に対して横方向に延在する壁によって作り上げられる。ヘッド３は、燃焼ガスと接触するよう配置され、かつその燃焼に起因する力を受けるように設けられる。図面の例では、ヘッド３は、平面壁から作り上げられる。代替的に、ヘッド３は、外側に開放された行き止まりのキャビティを含む中空壁から作り上げられてもよい。

【0027】

リングキャリア４は、スカート２とヘッド３との間に位置される。リングキャリア４は、３つの山部１１、１２、１３と、リングを収容するために設けられた３つの溝部１４、１５、１６と、を備える。各山部１１、１２および１３は、円筒表面から作り上げられる。各溝部１４、１５および１６は、隣接する山部に対して後退した円筒表面と、隣接する山部に接続された２つの環状平面と、から作り上げられる。

【0028】

第１の山部１１は、ヘッド３のすぐ近くに位置され、ガスおよび火と接触する。第２の山部１２は、スカート２とヘッド３との間のリングキャリア４の中間部分に位置され、同時にヘッド３にわずかにより近接する。第３の山部１３は、スカート２に近接して位置される。溝部１４は、山部１１と山部１２との間に位置される。溝部１４は、ガスおよび火と接触するファイアリング(fire ring)を収容するよう設けられる。溝部１５は、山部１２と山部１３との間に位置される。溝部１５は、ファイアリングを通過したガスを遮断しながらガスの全体的なシールを提供するシールリングを収容するよう設けられる。溝部１６は、山部１３とスカート２との間に位置される。溝部１６は、スリーブＣの表面上の潤滑剤をかき取るためのかき取りリングを収容するよう設けられる。

【0029】

新規の可動部品の概念において、リングキャリア４は、スリーブＣ内におけるピストン１の第２の接触領域Ｚ４、言い換えるとスリーブＣとのピストン１の第２の接触および摩擦領域となることができる。

【0030】

図１から図３に示される本発明の実施形態では、山部１２は、スカート２の最小直径Ｄ２より大きい直径Ｄ１２を有する。そのため、山部１２は、スカート２によって形成された第１の接触領域Ｚ２に加えて、スリーブＣ内におけるピストン１の第２の接触領域Ｚ４を作り上げる接触山部である。好ましくは、直径Ｄ１２は、動作中に変形する可能性があるスカート２の平均直径Ｄ２よりも大きい。例えば、直径Ｄ１２は、直径Ｄ２よりも１０μｍから５０μｍ大きくすることができる。さらに、山部１２は、軸線Ｘ１の周りで３６０度の角度をカバーする区域に形成された摩擦低減表面コーティング２０を含む。言い換えると、コーティング２０は山部１２の外周全体に堆積される。コーティング２０は、互いに対して接触しかつ移動する山部１２とスリーブＣとの間の摩擦係数を減少できる。さらに、コーティング２０は、磨耗および／または焼き付きのリスクを大幅に低減できる。図３に示されるように、山部１２の直径Ｄ１２は、コーティング２０がない状態で考慮される。同様に、スカート２の直径Ｄ２は、穴および凹部がない状態で考慮される。

【0031】

より一般的には、本発明の文脈において、ピストン１は、少なくとも１つの接触山部を備えており、当該接触山部は、スカートの最小外径よりも大きい直径を有し、かつ少なくとも最小で３０度の角度をカバーする周方向区域にわたってかつ最大で３６０度の角度をカバーする単一の区域にわたって形成された摩擦低減表面コーティングを含む。言い換えると、コーティングは、最小で３０度の周方向区域にわたって、最大で３６０度の区域にわたって軸線Ｘ１の周りに延在しており、かつ少なくとも３０度の角度を各々がカバーするいくつかの周方向区域にわたって延在できる。

【0032】

図１から図３の実施形態では、コーティング２０は、隣接する溝部１４および１５内にあふれることなく、山部１２の表面上にのみ形成される。実際に、いくつかの用途に関しかつ／またはいくつかの材料に関しては、これら溝部内に存在するコーティング２０は、引き抜き現象(pulling-out phenomenon)にさらされることがあり、リングキャリア４とスリーブＣとの間の接触部の汚損を引き起こす可能性がある。代替的に、コーティング２０は、山部１２の表面にかつ隣接する溝部１４および１５内に形成可能である。この場合、コーティング２０の堆積は単純化される。

【0033】

さらに、コーティング２０は、軸線Ｘ１に対して平行に定義される山部１２の高さ全体にわたって形成される。代替的に、コーティング２０は、山部１２の高さの一部にわたってのみ、とりわけその中央おいて、形成することができる。これによって、コーティング２０を山部１２上に堆積する間、溝部１４および１５内にコーティング２０があふれることを回避できる。

【0034】

コーティング２０は、例えば研磨またはサンディングによって得られる、２μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の最大粗さＲｚを有する。コーティング２０は、軸線Ｘ１に対して半径方向に定義された、好ましくは２μｍに等しい厚さを有する。代替的に、当該厚さは１μｍから５μｍ、好ましくは２μｍから３μｍとすることができる。コーティング２０の厚さは、とりわけ直径Ｄ１の関数として変化してもよい。例えば、ピストン１が大型車両のエンジンに装備される場合、この厚さが最大で１０μｍに達することが考慮され得る。好ましくは、コーティング２０は、軸線Ｘ１に対して半径方向に定義された一定の厚さを有する。

【0035】

実際には、接触領域Ｚ４において、山部１２は、その外周全体にわたってではなく、単一の周方向区域にわたってスリーブＣに対して擦り付けられることがある。そのため、少なくとも３０度の角度をカバーする単一の周方向区域にコーティング２０を堆積すれば十分である。

【0036】

代替的に、接触領域Ｚ４において、山部１２は、直径方向において対向する２つの部分においてスリーブＣに対して擦り付けられることがある。この場合、山部１２のうち、各々が少なくとも３０度の角度をカバーする直径方向に対向する２つの周方向区域にコーティング２０を堆積すれば十分である。他の代替例によれば、コーティング２０は、山部１２の１つまたは２つの周方向区域上に堆積可能であり、各々が軸線Ｘ１の周りで、４５度、６０度、９０度または１２０度に限定された角度をカバーする。コーティング２０は、リングキャリア４の構成材料よりも低い摩擦係数を有する。そのため、スリーブＣとコーティング２０が設けられた山部１２との間の摩擦は、コーティング２０のない山部１２と比較して、低減される。好ましくは、コーティング２０は、ＤＬＣタイプのアモルファスカーボンから作られる。言い換えると、コーティング２０は、水素を含むまたは含まない、ｓｐ^２またはｓｐ^３の混成炭素の層である。例えば、コーティング２０は、ｔａ－Ｃ、ａ－Ｃ：Ｈまたはｔａ－Ｃ：Ｈから作ることができる。また好ましくは、コーティング２０は、ａ－Ｃ：Ｈから作られる。代替的に、コーティング２０は、グラファイトまたは目的とする用途に適した任意の他の材料から作ることができる。好ましくは、コーティング２０は均質である。

【0037】

図４において、第２の山部１２は、表面コーティング２０の下に形成された副層２２を含む。例えば、当該副層２２は、Ｃｒおよび／またはＷおよび／またはＮｉ基を含む。

【0038】

図５および図６は、山部１２上にコーティング２０を堆積することを目的とした、本発明に基づくピストン１の例示的なコーティング方法を示す。この方法は、ピストン１上にマスク４０を位置決めするための少なくとも１つのステップと、続いてマスク４０を介して山部１２上にコーティング２０を堆積するためのステップと、を含む。この方法は、本発明の範囲内で他のステップを含んでもよい。

【0039】

マスク４０は、図５において矢印で示されるように、軸線Ｘ１に沿って方向付けられた並進運動Ｔ４０に従ってピストン１上に位置決めされる。続いてマスク４０は、コーティング２０の堆積中、ピストン１の少なくとも一部をカバーする。マスク４０は、管状部分４２と平面部分４３とを備える。マスク４０がピストン１上に位置決めされた場合、部分４２はリングキャリア４をカバーし、同時に部分４３はヘッド３をカバーする。平面部分４３において、中間部分４４が、直径方向に対向する２つのスリット４５および４６と、直径方向に対向する２つの接合領域４７および４８と、を備える。マスク４０を貫通して形成されたスリット４５および４６は、山部１２へのコーティング２０の堆積を可能にする。領域４７および４８は、部分４２および４３を接続することを可能にする。

【0040】

図６に示されるように、マスク４０がピストン１上に位置決めされた場合、軸線Ｘ１の周りにおいて、スリット４５は、コーティング２０の周方向区域２１に対応する角度α１を伴う区域を画定し、スリット４６は、コーティング２０の周方向区域２２に対応する角度α２を伴う区域を画定し、領域４７は、角度β１を伴う区域を画定し、領域４８は、角度β２を伴う区域を画定する。マスク４０の部分４４の幾何学的形状が、コーティング２０の幾何学的形状を決定する。とりわけ、スリット４５および４６の幾何学的形状が、山部１２上に形成されるコーティング２０の区域２１および２２の適用範囲を決定する。図６の例において、角度α１およびα２はそれぞれ１５６度である。代替的に、角度α１およびα２は、区域２１および２２に関する所望の対象範囲の関数として、さまざまな値を有することができる。さらに図６の例において、角度α１およびα２は同一であり、同様に角度β１およびβ２は同一である；それにもかかわらず、異なる区域２１および２２を画定するために異なる角度を提供することも考慮できる。

【0041】

そのため、マスク４０は、ピストン１のうちコーティングのためにマスク４０が設けられない部分を隔離すること、およびコーティング２０の堆積を山部１２およびスカート２の所望の部分に限定することを可能にする。マスク４０の材料は、コーティング２０の堆積技術に従って選択できる。例えば、マスク４０はスチールまたはアルミニウムから作ることができる。

【0042】

非限定的な例として、コーティング２０を堆積するためのステップは、国際公開第２０１２／１５６６４７号パンフレットの教示に従って実施できる。

【0043】

ピストン１の形状と、ピストン１およびスリーブＣの材料の特質と、接触部の特質とに応じて、ピストン１／スリーブＣの摩擦は、エンジン摩擦による損失の２０％から３０％を示す。したがって、スカート２および山部１２上へのコーティングの堆積は、摩擦ひいては燃料消費量およびＣＯ_２排出量の低減に関して活用できる。第１のアプローチにおいて、ピストンの新しい幾何学的形状は、エンジン摩擦による損失の５％から１０％が山部１２とスリーブＣとの間の接触に起因すると考えることにつながり得る。これらの条件下で、山部１２上に付与されたコーティング２０は、エンジン摩擦による損失を約２％から５％減少させることを可能にし得る。

【0044】

有利には、ピストン１のコーティング方法は、単独でまたは組み合わせて考慮される以下のステップを含むことができる。

【0045】

マスク４０を位置決めするためのステップの前に、この方法は、例えば機械加工または研磨によって、第２の山部１２の表面を下処理するためのステップを含むことができる。

【0046】

コーティング２０を堆積するためのステップの前に、大まかにはマスク４０を位置決めするためのステップの前に、この方法は、ピストン１を洗浄するためのステップと、とりわけコーティング２０を受け取るよう意図された山部１２を洗浄するためのステップと、を含むことができる。コーティング２０を堆積するためのステップの後で、この方法は、例えば研磨によって、コーティング２０の外面を仕上げるためのステップを含むことができる。

【0047】

本発明に基づくピストン１を製造するためのマスク４０の変形例が図７から図１０に示される。簡略化のために、図５および図６のマスク４０に相当するこれらのマスク４０の構成要素は同じ参照符号を有しており、以下では相違点のみについて説明する。

【0048】

図７において、接合領域４７および４８は、マスク４０の残りの部分に対して周方向にオフセットされている。そのため、マスク４０は単一のスリットを含んでおり、当該スリットは、図１から図３のピストン１と同様に、軸線Ｘ１の周りに３６０度の区域にコーティング２０を形成することを可能にする。

【0049】

図８において、マスク４０は、３０度の角度α１を有する単一のスリット４５を含む。そのため、マスク４０は、３０度に限定された単一の周方向区域２１上にコーティングを堆積することを可能にする。

【0050】

図９において、角度α１は９０度であり、一方で角度α２は１１０度である。スリット４５および４６は、異なる幾何学的形状を有する。

【0051】

図１０において、管状部分４２は、スカート２をカバーするように、より伸長されている。そのため、スカート２は、山部１２とは異なるコーティングを受け取ることができ、あるいはコーティングがなくてもよい。代替的に、管状部分４２は、多かれ少なかれ伸長されてもよく、それゆえスカート２のより高いまたはより低い高さをカバーできる。

【0052】

本発明に基づくピストン１の他の実施形態が図１１から図１６に示されている。簡略化のために、上述の第１の実施形態の構成要素に相当するピストン１の構成要素は同じ参照符号を有しており、以下では相違点のみについて説明する。

【0053】

図１１において、第１の山部１１は、スカート２の最小直径Ｄ２よりも大きい直径Ｄ１１を有しかつ摩擦低減コーティング１０が設けられた接触山部である。

【0054】

図１２において、第３の山部１３は、スカート２の最小直径Ｄ２よりも大きい直径Ｄ１３を有しかつ摩擦低減コーティング３０が設けられた接触山部である。

【0055】

図１３において、第１の山部１１および第２の山部１２は、スカート２の最小直径Ｄ２よりも大きい直径Ｄ１１およびＤ１２を有しかつ摩擦低減コーティング１０および２０が設けられた接触山部である。この場合、コーティング１０および２０の堆積中に使用されるマスク４０は、スリット４５および４６が設けられた２つの重ね合わせ部分４４を含むことができる。代替的に、コーティング１０および２０は、２つの異なるマスク４０を使用することによって連続的に堆積することができる。好ましくは、コーティング１０は、コーティング２０と同じ材料から作られる。任意選択的に、山部１１は、コーティング２０と同様に、コーティング１０の下に形成された少なくとも１つの副層を含むことができる。

【0056】

図１４において、第２の山部１２および第３の山部１３は、スカート２の最小直径Ｄ２よりも大きい直径Ｄ１２およびＤ１３を有しかつ摩擦低減コーティング２０および３０が設けられた接触山部である。

【0057】

図１５において、リングキャリア４は，２つの山部１１および１２のみを含み、山部１３を含まない。第２の山部１２のみに摩擦低減コーティング２０が設けられる。リングキャリア４は、溝部１４内にファイアおよびシールリングを収容し、かつ溝部１５内にかき取りリングを収容する。

【0058】

図１６において、ピストン１は、その直径Ｄ１よりも大きい高さＨ１を有する長ピストンである。代替的に、ピストン１は、本発明の範囲を超えることなく、直径Ｄ１に等しい高さＨ１を有することができる。

【0059】

さらに、ピストン１およびマスク４０は、本発明の範囲を超えることなく、図１から図１６とは異なるように構成できる。加えて、上述の様々な実施形態および変形例の技術的特徴は、全体としてまたはそれらのいくつかを互いに組み合わせることができる。したがって、ピストン１は、コスト、機能性および性能の点において適合可能である。

【符号の説明】

【0060】

１ ピストン
２ スカート
３ ヘッド
４ リングキャリア
１０、２０、３０ 摩擦低減表面コーティング
１１ 第１の山部
１２ 第２の山部
１３ 第３の山部
１４、１５、１６ 溝部
２１、２２ 周方向区域
２２ 副層
４０ マスク
４２ 管状部分
４３ 平面部分
４４ 中間部分
４５、４６ スリット
４７、４８ 接合領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】