JP2002013441A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 潤滑油の消費量を抑制可能な１本リング構成
の内燃機関のピストンを提供する。 【解決手段】 １つのトップリング溝と、セカンドラン
ドと、オイル溜め溝とを上部からこの順に外周部に設
け、かつ外周部から内部に貫通するオイル逃し孔を設け
た内燃機関のピストンにおいて、オイル逃し孔をオイル
溜め溝の上端を含むセカンドランドの位置に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダ内で往復
移動する内燃機関のピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の４サイクルエンジンのピストンに
は、図６および図７の要部縦断面図に例示するようなピ
ストン100 、200 が通常使用されている。３つのリング
溝を有する３本リング構成のピストン100 には、図６に
示すように、トップリング溝１、セカンドリング溝２、
オイルリング溝３がピストン上部から順にピストン頭部
の外周部に設けてある。この３つのリング溝には、それ
ぞれ図示しないトップリング、セカンドリング、および
オイルリングが装着されるように構成してある。また、
ピストン100 のピストン頭部の外周部には、トップラン
ド４、セカンドランド５、サードランド６がピストン上
部からこの順に形成してある。

【０００３】２つのリング溝を有する２本リング構成の
ピストン200 には、図７に示すように、トップリング溝
１、オイルリング溝３がピストン上部からこの順にピス
トン頭部の外周部に設けてあり、それぞれ図示しないト
ップリング、およびオイルリングが装着される。このピ
ストン200 には、トップランド４、およびセカンドラン
ド５がそれぞれ形成されている。

【０００４】なお、８はスカート部、９はピストン頂面
であり、107 、207 はオイル逃し孔である。オイル逃し
孔107 、207 は、ピストンの外周部からピストン内部に
貫通する孔である。オイル逃し孔107 は、図６に示すよ
うに、ピストン100 頭部のオイルリング溝３の下部に外
側面からピストン内部空間に貫通する孔を穿孔して設け
てある。

【０００５】また、オイル逃し孔207 は、図７に示すよ
うに、ピストン200 頭部のオイルリング溝３の底部に外
周部からピストン内部空間に貫通する孔を穿孔して設け
てある。オイル逃し孔107 、207 は、このようなピスト
ンの各リング溝にそれぞれの対応リングを装着してエン
ジンに組み込み、エンジンを運転し、ピストンがシリン
ダ内を往復運動する際、オイルリングで掻き落とした潤
滑油をクランク室のオイルパンに戻すための孔である。

【０００６】ここで、上述したトップリング、セカンド
リングの主な機能は、ガスシール機能であり、オイルリ
ングの主な機能は、ピストン外周面とシリンダ壁面間の
潤滑油量を調整するオイルコントロール機能である。図
６と図７を比較するとわかるように、２つのリング溝を
有する２本リング構成のピストン100 には、ガスシール
機能を有するセカンドリングを装着してない。このた
め、２本リング構成の各リングには、ガスシール機能の
減少に対応するため、３本リング構成の各リングよりも
各部に高精度が要求されている。

【０００７】ところで、２本リング構成のピストンで
は、３本リング構成のピストンに比較して、ピストンリ
ングが１本少ないため、ピストンリングの摺動抵抗によ
る摩擦損失を減少できる。また、２本リング構成のピス
トンでは、３本リング構成のピストンに比較してピスト
ンリングが１本少ない。従って、リング溝間のランドも
少なくピストン頂面９とスカート部８間の間隔を減少で
き、この間のピストン頭部質量を低減できる。ピストン
頭部質量を低減できれば、ピストン頭部質量の低減に伴
うクランク周りの摩擦損失が減少する。

【０００８】ガスシール性能やオイルコントロール性能
を損なわずにピストンに装着するピストンリングを少な
くできれば、ピストンリングの摺動抵抗による摩擦損失
およびピストン軽量化による摩擦損失の減少により、内
燃機関の燃費が改善できる。そこで、２本リング構成の
ピストンからさらにもう１本ピストンリングを省略した
１本リング構成のピストンが特開平6-147005号公報に開
示されている。

【０００９】特開平6-147005号公報において提案されて
いるピストンには、図８に示すように、ピストン300 頭
部の外周部に１つのトップリング溝１を設けると共に、
その下部のセカンドランド５とスカート部８との間にオ
イル溜まり溝301 を設け、かつこのオイル溜まり溝301
の底部に開口を有するオイル逃し孔307 を設けてある。

【００１０】しかしながら、特開平6-147005号公報に記
載されている１本リング構成のピストンでは、ピストン
300 の外周面とシリンダ壁面21との間を潤滑するために
ピストン下部から送り込まれた潤滑油がトップリング溝
１に装着されたピストンリング302 及びオイル溜まり溝
301 で十分にコントロールされず、そのため燃焼室内に
入り潤滑油の消費量が増大してしまうという問題点があ
った。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、従来技術の上記問題点を解消することにあり、潤滑
油の消費量を抑制可能な１本リング構成の内燃機関のピ
ストンを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ピストン
下部から潤沢に送給される潤滑油がピストンリング下方
のピストンの外周面とシリンダ壁面間の空間を満たさな
いようにすることが重要であるという知見を得て、本発
明を完成させた。本発明は、１つのトップリング溝と、
セカンドランドと、オイル溜め溝とを上部からこの順に
外周部に設け、かつ外周部から内部に貫通するオイル逃
し孔を設けた内燃機関のピストンにおいて、前記オイル
逃し孔を前記オイル溜め溝の上端を含む前記セカンドラ
ンドの位置に設けたことを特徴とする内燃機関のピスト
ンである。

【００１３】また、前記オイル溜め溝の上部壁面を形成
する前記セカンドランドの下面をシリンダ壁面に対して
垂直とし、かつ前記オイル溜め溝の下部壁面を前記シリ
ンダ壁面に向かって下方に傾斜させることが好ましい内
燃機関のピストンである。また、前記セカンドランドの
上下方向の高さを1.0 〜2.0mm とし、かつ前記オイル逃
し孔の上端位置を前記セカンドランドの上面より0.5 〜
1.5mm とすることが好ましい内燃機関のピストンであ
る。

【００１４】また、前記セカンドランドの外径を上部か
ら下部に向かって連続的または段階的に減少させること
が好ましい内燃機関のピストンである。また、前記オイ
ル逃し孔の周方向の数を４〜１５個とすることが好まし
い内燃機関のピストンである。また、前記オイル逃し孔
の直径を1.0 〜2.0mm とすることが好ましい内燃機関の
ピストンである。

【００１５】また、前記オイル逃し孔の長さ方向の傾斜
角度をシリンダ壁面に直角な面に対し０〜15°下向きと
することが好ましい内燃機関のピストンである。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の内燃機関のピストンにつ
いて図１〜図２を用いて詳細に説明する。図１は本発明
のピストンの要部を示す縦断面図である。また、図２
（ａ）は本発明のピストンの作用を図２（ｂ）で示す従
来例のピストンの作用と比較して示す縦断面図である。

【００１７】図において、10はピストン、１はトップリ
ング溝 、４はトップランド、５はセカンドランドであ
り、８はスカート部、９はピストン頂面、11はオイル溜
め溝である。また、17はオイル逃し孔、17A はオイル逃
し孔の開口部の上端位置、17B はオイル逃し孔の開口部
の下端位置であり、21はシリンダ壁面、22はピストンリ
ング、Ｌは潤滑油である。

【００１８】本発明の内燃機関のピストンは、図１に示
すように、ピストン頭部の外周部に唯一の環状のトップ
リング溝１を備えている。ピストン頭部のトップリング
溝１の上部には、トップランド４が形成され、トップリ
ング溝１の下部には、セカンドランド５が形成されてい
る。セカンドランド５とスカート部８間には、１つの環
状のオイル溜め溝11が設けてある。

【００１９】また、オイル逃し孔17は、ピストンがシリ
ンダ内を往復運動する際、ピストンリング22でシリンダ
壁面21の潤滑油を掻き落とし、この潤滑油をクランク室
のオイルパンに戻すために穿設したピストン外周部から
ピストン内部に貫通する孔である。なお、９はピストン
頂面である。

【００２０】本発明のピストン10においては、図１に示
すように、オイル逃し孔17をオイル溜め溝11の上端を含
むセカンドランド５の位置に設けてある。図１では、オ
イル逃し孔17の開口部の上端位置17A はセカンドランド
５の上、下端間の中央部の外側面であり、かつ開口部の
下端位置17B はオイル溜め溝11の底部である。

【００２１】本発明のピストン10の作用を図２（ａ）を
用いて説明する。図２（ａ）は、本発明のピストン10の
トップリング溝１にピストンリング22を装着し、エンジ
ンに組み入れて運転した場合のシリンダ内のピストンの
状態を示している。本発明のピストン10においては、オ
イル逃し孔17の開口部の上端位置17A をセカンドランド
５の上、下端間の中央部の外側面としてあるので、ピス
トン10がシリンダ内を往復運動する際に、ピストンリン
グ22でシリンダ壁面21の余剰な潤滑油Ｌを掻き落とすと
き、図２（ａ）に示すように、セカンドランド５の外側
面に設けたオイル逃し孔17から潤滑油Ｌをピストン内部
に逃がすことができ、ピストンリング22の下方のピスト
ンの外周面とシリンダ壁面21間の空間を潤滑油Ｌが充満
せず、エアーギャップが存在する状態にできる。

【００２２】そこで、ピストンリング22の上方が負圧と
なった場合でも、余剰な潤滑油Ｌがピストンリング22を
越えることがなく、燃焼室へ流入する潤滑油の消費量を
抑制できるのである。一方、図２（ｂ）に示すように、
オイル逃し孔307 の開口部をオイル溜め溝301 の底部と
した従来のピストンの場合では、ピストンリング302 の
下方におけるピストンの外周面とシリンダ壁面21間の空
間が潤滑油Ｌで充満することがあるため、エアーギャッ
プが存在しない状態となり、負圧作用時、余剰な潤滑油
Ｌがピストンリング302 を越えて、ピストンリング302
の上部から燃焼室へと流入していた。この結果、従来の
１本リング構成のピストンでは、オイルリングを備えて
いる２本リンク構成もしくは３本リング構成のピストン
に比較して、潤滑油の消費量が増大していたのである。

【００２３】なお、本発明のピストン10におけるオイル
溜め溝11は、オイル溜め溝の上部壁面を形成するセカン
ドランド５の下面をシリンダ壁面21に対して垂直とし、
かつオイル溜め溝11の下部壁面をシリンダ壁面21に向か
って下方に傾斜させることが好ましい。この理由は、次
のとおりである。オイル溜め溝11の上部壁面をシリンダ
壁面21に対して垂直とした場合、ピストン10のトップリ
ング溝１にピストンリング22を装着し、エンジンに組み
入れて広範囲の条件で運転したとき、オイル溜め溝11内
の潤滑油がオイル溜め溝11の上部壁面を越えることを抑
制でき、またオイル溜め溝11の下方に潤滑油を移動させ
易い。そこで、エンジンの広範囲の運転条件において、
潤滑油がオイル溜め溝11内に充満せず、オイル溜め溝11
の上部壁面を越えることがないので、潤滑油消費量を抑
制できるからである。

【００２４】一方、オイル溜め溝11が潤滑油で充満して
エアーギャップがない状態となった場合、負圧作用時、
充満した潤滑油がピストンリング22を越えて燃焼室に吸
い出され、潤滑油の消費量が増大する。また、本発明の
ピストン10におけるオイル溜め溝11は、エンジンの広範
囲の運転条件において、オイル溜め溝11を潤滑油Ｌが充
満せず、エアーギャップが存在する状態にできる十分な
容積とするのがよい。

【００２５】本発明のピストン10におけるセカンドラン
ドの上下方向の高さを1.0 〜2.0mmとし、かつオイル逃
し孔の上端位置を前記セカンドランドの上面より0.5 〜
1.5mm とすることが好ましい。この理由は、セカンドラ
ンドの上下方向の高さを1.0 mm未満とした場合、エンジ
ンの運転条件により、ランド強度不足による破損の発生
がありうることがあり、一方、セカンドランドの上下方
向の高さが2.0mを超えた場合、エンジンの運転条件によ
り、潤滑油消費量の増大を生じることがある。また、オ
イル逃し孔の上端位置を前記セカンドランドの上面より
0.5 mm未満とした場合、エンジンの運転条件により、ラ
ンド強度不足による破損の発生がありうることがあり、
一方、オイル逃し孔の上端位置が前記セカンドランドの
上面より1.5mm 超えた場合、エンジンの運転条件によ
り、潤滑油消費量の増大となることがある。

【００２６】このため、セカンドランドの上下方向の高
さを1.0 〜2.0mm とし、かつオイル逃し孔の上端位置を
前記セカンドランドの上面より0.5 〜1.5mm とすること
が好ましい。本発明のピストンにおけるセカンドランド
の外径を上部から下部に向かって連続的または段階的に
減少させることが好ましい。

【００２７】この理由は、図３、図４に示すように、セ
カンドランド５の外周面とシリンダ壁面21間の空間を増
大でき、エンジンの広範囲の運転条件において、ピスト
ンリング22の下方のピストンの外周面とシリンダ壁面21
間の空間を潤滑油が充満せず、エアーギャップが存在す
る状態にできるため、燃焼室へ流入する潤滑油量を抑制
できるからである。

【００２８】また、本発明のピストンにおけるオイル逃
し孔の周方向の数を４〜１５個とすることが好ましい。
この理由は、オイル逃し孔の周方向の数を４個未満とし
た場合、エンジンの運転条件によっては、ピストン周方
向における潤滑油の排出能力が不十分となり、ピストン
リング22の下方のピストンの外周面とシリンダ壁面21間
の空間をエアーギャップが存在する状態にできず、燃焼
室への流入油量が増大する場合があり、一方、オイル逃
し孔の周方向の数が１５個を超えた場合、オイル逃し孔
の加工コストが増大し、また、潤滑油の消費量抑制効果
が飽和するためである。

【００２９】また、本発明のピストンにおけるオイル逃
し孔の直径を1.0 〜2.0mm とすることが好ましい。この
理由は、オイル逃し孔の直径を1.0 mm未満とすると、エ
ンジンの運転条件によっては、潤滑油の排出能力が不十
分となり、潤滑油がピストンリング22の下方のピストン
の外周面とシリンダ壁面21間の空間を充満する状態が発
生し、潤滑油の消費量が増大し、一方、オイル逃し孔の
直径が2.0mm を超えると、エンジンの運転条件によって
はピストン裏面に存在する潤滑油がオイル逃し孔を介し
てランド側へ流入することがあるからである。

【００３０】また、本発明のピストンにおけるオイル逃
し孔の長さ方向の傾斜角度をシリンダ壁面に直角な面に
対し０〜15°下向きとすることが好ましい。この理由
は、図６に示すオイル逃し孔の傾斜角度をシリンダ壁面
に対して上向きにしたのでは、エンジンの運転条件によ
っては潤滑油の逃がし効果が不十分となる場合があり、
一方、オイル逃し孔の傾斜角度がシリンダ壁面に直角な
面に対し下向きに15°を超えた場合、エンジンの運転条
件によってはピストン内部から潤滑油が逆流しやすくな
ることがあるためである。

【００３１】本発明のピストン10におけるトップリング
溝１のピストン上下方向幅は、シリンダ容量によって異
なるが、４サイクルガソリンエンジンでは0.8 〜1.5mm
とすることができる。本発明のピストン10におけるトッ
プランドの形状は、特に限定されず、エンジンに組み込
んで運転したとき、熱膨張した状態でピストンスラップ
運動の際に、トップランドがシリンダ壁面と接触しない
径とする。

【００３２】また、本発明のピストン10におけるトップ
ランドのピストン上下方向高さは、クレビスボリューム
低減のため低くするのがよく、シリンダ容量によって異
なるが、４サイクルガソリンエンジンでは2.5 〜5.0mm
とすることができる。本発明のピストン10におけるセカ
ンドランドの最大径は、上記トップランドの場合と同様
に、エンジンに組み込んで運転したとき、熱膨張した状
態でピストンスラップ運動の際に、セカンドランドの最
大径部がシリンダ壁面と接触しない径とする。

【００３３】

【実施例】図１に示す１本リング構成のピストンにおい
て、ボア径を81mmとし、ピストン頂面からスカート部上
端までの高さを8.5mm とした。この発明例のピストンの
トップリング溝にピストンリングを装着して、エンジン
に組み込み、各種運転条件での潤滑油の消費量を調査し
た。

【００３４】なお、セカンドランド高さを1.0mm 、オイ
ル逃し孔を1.5mm とし、オイル逃し孔の開口部の上端位
置をセカンドランドの上端から下方に0.5 mm離れたセカ
ンドランドの外側面とし、かつ開口部の下端位置をオイ
ル溜め溝の底部とした。この結果、発明例での潤滑油の
消費量は、図８に示すオイル逃し孔の開口部をオイル溜
め溝の底部とした１本リング構成ピストンより少なくで
きた。

【００３５】また、発明例でのピストン頂面からスカー
ト部上端までの高さは、トップランド高さを2.5mm 、ト
ップリング溝の上下間隔を1.5mm 、セカンドランド高さ
を1.0mm 、オイル溜め溝の上下間隔を3.5mm にできたの
で、図６に示す従来の３本リング構成のピストン高さよ
り約9.0mm 低くできた。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、潤滑油の消費量を抑制
でき、１本リング構成の内燃機関のピストンが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明のピストンの要部を示す縦断面図
である。

【図２】図２（ａ）は本発明のピストンの作用を図３
（ｂ）で示す従来例のピストンの作用と比較して示す縦
断面図である。

【図３】図３は本発明のピストンの他の例を示す要部の
縦断面図である。

【図４】図４は本発明のピストンのその他の例を示す要
部の縦断面図である。

【図５】図５は本発明のピストンのその他の例を示す要
部の縦断面図である。

【図６】図６は従来例の３つのリング溝を有するピスト
ンの要部縦断面図である。

【図７】図７は従来例の２つのリング溝を有するピスト
ンの要部縦断面図である。

【図８】図８は従来例の１つのリング溝を有するピスト
ンの要部縦断面図である。

【符号の説明】

10、100 、200 、300 ピストン １ トップリング溝 ４ トップランド ５ セカンドランド ８ スカート部 ９ ピストン頂面 11 オイル溜め溝 17 オイル逃し孔 17A オイル逃し孔の開口部の上端位置 17B オイル逃し孔の開口部の下端位置 21 シリンダ壁面 22 ピストンリング Ｌ 潤滑油

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １つのトップリング溝と、セカンドラン
   ドと、オイル溜め溝とを上部からこの順に外周部に設
   け、かつ外周部から内部に貫通するオイル逃し孔を設け
   た内燃機関のピストンにおいて、前記オイル逃し孔を前
   記オイル溜め溝の上端を含む前記セカンドランドの位置
   に設けたことを特徴とする内燃機関のピストン。
2. 【請求項２】 前記オイル溜め溝の上部壁面を形成する
   前記セカンドランドの下面をシリンダ壁面に対して垂直
   とし、かつ前記オイル溜め溝の下部壁面を前記シリンダ
   壁面に向かって下方に傾斜させ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。
3. 【請求項３】 前記セカンドランドの上下方向の高さを
   1.0 〜2.0mm とし、かつ前記オイル逃し孔の上端位置を
   前記セカンドランドの上面より0.5 〜1.5mmとすること
   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。
4. 【請求項４】 前記セカンドランドの外径を上部から下
   部に向かって連続的または段階的に減少させることを特
   徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の内燃機
   関のピストン。
5. 【請求項５】 前記オイル逃し孔の周方向の数を４〜１
   ５個とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいず
   れかに記載の内燃機関のピストン。
6. 【請求項６】 前記オイル逃し孔の直径を1.0 〜2.0mm
   とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか
   に記載の内燃機関のピストン。
7. 【請求項７】 前記オイル逃し孔の長さ方向の傾斜角度
   をシリンダ壁面に直角な面に対し０〜15°下向きとする
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載
   の内燃機関のピストン。