JP2007297975A - 内燃機関のピストンユニット及びピストンのリング溝構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンリングによる気密性を高くし過ぎることなく、且つクランクケース内への新気導入量を増大させることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を低減できる内燃機関のピストンユニット及びピストンのリング溝構造を提供する。
【解決手段】ピストン２に形成されるトップリング溝２１とそれに嵌め込まれるトップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積Ｖｂａと一気筒の一サイクル当たりに発生するブローバイガス体積Ｖｂｌとの関係が、「３≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ≦５」を満たすようにトップリング溝２１を設計する。これにより、ピストンユニット１をシリンダ６に挿入する際の組み付け作業性に悪影響を与えることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車用内燃機関等に備えられ、ピストンとピストンリングとで構成されるピストンユニット（ピストン組立体）及び、上記ピストンリングを装着するためにピストンに形成されるリング溝の構造に係る。特に、本発明は、ブローバイガスのＮＯｘ濃度低減に鑑みられた構成の改良に関する。尚、上述した如く、本明細書では、ピストンの外周囲にピストンリングが装着されて構成されるユニット（ピストンにピストンリングが組み付けられて構成される部品）をピストンユニットと呼ぶこととする。

従来より、自動車用エンジン等の内燃機関に適用されるピストンには、燃焼室の気密性を保持したり燃焼室へのオイルの浸入を抑制するためにピストンリングが装着されている。このピストンリングは、例えば下記の特許文献１や特許文献２に開示されているように、ピストン外周面に形成されたリング溝に嵌め込まれている。一般的なエンジンでは、燃焼室の気密保持の役割を主として担うコンプレッションリングと、シリンダ内面に残存するオイルをオイルパンに向けて掻き落とす役割を主として担うオイルリングとの２種類のピストンリングがピストンに装着されている。また、上記コンプレッションリングとしては、トップリング及びセカンドリングの２本のピストンリングが採用される場合が多い。

ところで、エンジンの駆動中には、シリンダとピストンとの隙間から気筒内の燃焼ガスの一部がブローバイガスとしてクランクケース内に吹き抜けている。このブローバイガス中には排気ガスと同様にＮＯｘが含まれており、このブローバイガスがクランクケース内に吹き抜けてオイルパン内のエンジンオイルに接触すると、上記ＮＯｘによってエンジンオイルが劣化し、その潤滑性能等に悪影響を及ぼす可能性がある。そして、エンジンオイルが早期に劣化してしまう状況ではエンジンオイルの交換頻度が高くなってしまい、ユーザの負担が大きくなるばかりでなく、廃油を処理せねばならないため地球環境保護の点からも好ましくない。また、劣化したオイルの継続使用は排気エミッションの悪化や燃費の悪化等といった不具合にも繋がる。

更に、クランクケース内のブローバイガスはＰＣＶ（Positive Crankcase Ventilation）装置によってエンジンの吸気系に送り込まれるため、上記ＮＯｘもエンジンの吸気系に流れ込み、これがシリンダヘッド内部等におけるスラッジの発生原因となって、このスラッジがエンジン内部に堆積してしまうといった不具合を招く可能性もある。

このような不具合を回避する手段として、ブローバイガスの吹き抜け量を抑制することでクランクケース内へ排出されるＮＯｘ量を削減したり、ＰＣＶ装置によるクランクケース内の換気性能を高めることでクランクケース内のＮＯｘ濃度を低減することが考えられる。例えば、ピストンリング（特にコンプレッションリング）外周面のシリンダ内面に対する押圧力を高く設定してピストンリングによる気密性を高くし、これによってブローバイガスの吹き抜け量を抑制する構成が挙げられる。また、ＰＣＶ装置の外気導入通路径を大きく設定してクランクケース内への新気導入量を増大させ、これによってクランクケース内のＮＯｘ濃度を低減する構成が挙げられる。
実開昭５６−６６０４６号公報 特開２００４−３０８５６８号公報

しかしながら、上記ピストンリングによる気密性を高くする構成では、ピストンリングとシリンダとの摺動抵抗が大きくなり、所謂フリクションロスの増大を招いてしまってエンジンの高出力化の弊害となってしまう。また、ブローバイガスは、クランクケース内に向けて吹き抜ける際に、シリンダ内面に残存するオイルをオイルパンに向けて押し流す機能を有しているため、このブローバイガスをある程度発生させることはオイル消費量を削減する点から有効であり、この点からもピストンリングによる気密性を高くし過ぎることは好ましくない。

また、クランクケース内への新気導入量を増大させる構成では、この新気導入量の増大に伴ってＰＣＶ装置からエンジンの吸気系へ導入される空気量が増大することになる。一般に、このＰＣＶ装置から吸気系への空気導入位置はエアフローメータよりも下流側（具体的はスロットルバルブよりも下流側）となっている。また、エンジンの燃料噴射量はエアフローメータにより検出された吸入空気量に基づいて所定の空燃比が得られるように設定される。このため、ＰＣＶ装置からの空気導入量を増大させた場合、燃料噴射量の演算に使用される吸入空気量に対して実際に気筒内に導入される空気量が大幅に多くなってしまって空燃比がリーン側にずれてしまう可能性がある。その結果、所望のエンジン出力が得られなくなったり、エンジンのアイドリング運転時には回転数の不安定化（ラフアイドル）を招いてしまうことになる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ブローバイガスの吹き抜け量を抑制したり、クランクケース内への新気導入量を増大させたりすることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を低減できる内燃機関のピストンユニット及びピストンのリング溝構造を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、ピストンに形成されるリング溝とそれに嵌め込まれるピストンリングとの間で形成されるバッククリアランスの体積とクランクケース内に吹き抜けるブローバイガスの体積との関係について規定し、この両者の比を規定することで、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減できるようにしたものである。また、上記バッククリアランスの体積とブローバイガスの体積との比を所定の範囲内に規定することで、ピストンユニットをシリンダに挿入する際の組み付け作業性に悪影響を与えることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減できるようにもしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、外周面にリング溝が形成されたピストンと、このリング溝に嵌め込まれるピストンリングとを備えた内燃機関のピストンユニットを前提とする。このピストンユニットに対し、上記内燃機関の運転時における一気筒の一サイクル中にその気筒から発生するブローバイガスの体積をＶｂｌとし、上記リング溝とピストンリングとの間で形成されるバッククリアランス体積をＶｂａとしたとき、
２≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ …（１）
となる構成としている。つまり、上記式（１）が成立するようにピストンのリング溝及びピストンリングの形状を設計している。

また、より好ましくは、
３≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ …（２）
となる構成とする。つまり、上記式（２）が成立するようにピストンのリング溝及びピストンリングの形状を設計している。

更に、上記各解決手段の何れか一つにおいて、
Ｖｂａ／Ｖｂｌ≦５ …（３）
となる構成も掲げられる。つまり、以下の式の何れかが成立するようにピストンのリング溝及びピストンリングの形状を設計している。

２≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ≦５ …（３−１）
３≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ≦５ …（３−２）
ここで、「内燃機関の運転時における一気筒の一サイクル中にその気筒から発生するブローバイガスの体積Ｖｂｌ」とは、内燃機関を構成する複数の気筒のうちの特定の気筒（単一の気筒）のピストンが吸入行程の上死点から圧縮、膨張、排気の各行程を経て、この排気行程の上死点（次のサイクルにおける吸入行程の上死点と一致）までの一サイクル中にクランクケース内に吹き抜けてきたブローバイガスの総体積である。特に、このブローバイガスの大部分は膨張行程時に発生する。

また、「リング溝とピストンリングとの間で形成されるバッククリアランス体積Ｖｂａ」とは、リング溝の底面（リング溝においてピストン外周側に向いている面：ピストンが鉛直方向に往復移動する内燃機関にあってはリング溝内の鉛直面）とピストンリングの内周面（上記リング溝の底面に対向する面）との間で形成される空間の体積（容積）であり、リング溝の周方向の全体に亘って連続形成されたリング形状の空間の体積である。

以下、上記数値限定の理由について述べる。上記「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値を「２」未満に設定した場合、この値が小さくなるほどクランクケース内に吹き抜けてくるブローバイガスのＮＯｘ濃度は高くなっていくことが本願発明の発明者らの実験により確認された（図４参照）。これに対し、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値を「２」以上や「３」以上に設定すると、この値が大きくなってもブローバイガスのＮＯｘ濃度は大幅に変化することはなく、特に「３」以上に設定した場合には殆ど変化せず、低い値（図４における点Ａ付近の値）が維持される。これは、燃焼ガスが燃焼室からクランクケースに向けて吹き抜ける際にその一部がバッククリアランス内に一時的に蓄えられる状況となり、この一時的に蓄えられる燃焼ガス量の大小がブローバイガスのＮＯｘ濃度を左右していると考えられる。つまり、バッククリアランス内に一時的に蓄えられる燃焼ガスの量が少ない場合には燃焼室内の燃焼ガス（ＮＯｘ濃度が高い燃焼ガス）の大部分がそのままバッククリアランスを通過しブローバイガスとしてクランクケース内に吹き抜けるのに対し、バッククリアランス内に一時的に蓄えられる燃焼ガスの量が比較的多い場合にはＮＯｘ濃度が高い燃焼ガスのクランクケース内への吹き抜け量が少なくなることに起因していると推測される。また、その効果は、バッククリアランス体積がある程度大きくなった時点で減少（特に「３」に達した時点では急速に減少）するものと推測される。従って、このように、内燃機関の運転時における一気筒の一サイクル中にその気筒から発生するブローバイガスの体積「Ｖｂｌ」と、リング溝とピストンリングとの間で形成されるバッククリアランス体積「Ｖｂａ」との関係を特定することにより、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することが可能になる。

次に、上記「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値を「５」以下に設定した理由について述べる。「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値を大きく設定するほどリング溝の底面とピストンリングの内周面との間隔寸法（以下、バッククリアランス寸法と呼ぶ）は大きくなっていき、ピストンユニットをシリンダ内に挿入する際の組み付け性に影響を及ぼす。この「バッククリアランス寸法」とは、リング溝の底面とピストンリングの内周面との間隔寸法（ピストン半径方向の寸法）がピストン全周囲に亘って均等になっている場合におけるこの間隔寸法である。一般に、この「バッククリアランス寸法」が１．８ｍｍを超えてしまうと、ピストンユニットの挿入作業が著しく困難になると言われており、図４から、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値としては「５」以下に設定する必要がある。以上の点から、本解決手段では、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値としては、「２」以上で且つ「５」以下、より好ましくは「３」以上で且つ「５」以下としている。これにより、ピストンユニットの組み付け作業性に悪影響を与えることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することが可能になる。

上記ブローバイガスの体積Ｖｂｌを求めるための手法として具体的には以下の手段が挙げられる。つまり、内燃機関の運転時における一気筒の一サイクル中にその気筒から発生するブローバイガスの体積Ｖｂｌを、
Ｖｂｌ＝Ｌ・１０⁶・Ｐａｔｍ・Ｔｇ／Ｎｅ・２・Ｃ・Ｔｂ・Ｐｇ …（４）
（Ｌ：ブローバイガスの流量（クランクケースから排出されるブローバイガスの単位時間当たりの流量）、Ｐａｔｍ：大気圧、Ｔｇ：燃焼ガスの温度（膨張行程における気筒内圧力最大時の燃焼ガスの温度）、Ｎｅ：内燃機関の回転数、Ｃ：内燃機関の気筒数、Ｔｂ：ブローバイガスの温度（膨張行程の気筒内圧力最大時においてクランクケース内に吹き抜けてきたブローバイガスの温度）、Ｐｇ：燃焼ガスの圧力（膨張行程における気筒内最大圧力））
により求めるようにしている。

尚、本発明に係る上記式（１）、（２）、（３−１）または（３−２）が成立するようなピストンのリング溝及びピストンリングの形状は、内燃機関の設計段階で決定されるものであり、上記Ｌ、Ｐａｔｍ、Ｔｇ、Ｎｅ、Ｃ、Ｔｂ、Ｐｇの各値も内燃機関の設計段階での実験において設定または検出されるものである。

ここで、ブローバイガスの流量Ｌの単位としては例えば「Ｌ／ｍｉｎ」が挙げられる。内燃機関の設計段階での実験においては、このブローバイガスの流量ＬはＰＣＶ装置によりクランクケースから排出される単位時間当たりのブローバイガス流量として得られる。また、上記式（４）における１０⁶は車両の走行条件を１００ｋｍ／ｈとしてブローバイガス排出状態を対象とするための補正値である（上記ブローバイガスの流量Ｌの単位ではｍｉｎを使用しているため、この車両の走行条件（１０⁵ｍ／ｈ）による補正値（時速を基準とした補正値）では位を一つ切り上げて１０⁶としている。内燃機関の気筒数で除算している理由は、クランクケースからのブローバイガスの総排出量は全気筒（例えば４気筒エンジンの場合には４気筒）からのブローバイガス排出量の総量であるので、これを気筒数で除算することにより単一の気筒からのブローバイガス排出量に換算するためである。また、４ストロークエンジンではピストンの２往復（クランクシャフトの２回転）で個々の気筒の１サイクルが完了するため、更に「２」で除算している。

この式（４）により、上記式（１）、（２）、（３−１）または（３−２）での演算に使用するブローバイガス体積Ｖｂｌとしては、ブローバイガスの発生量が最も多くなるタイミングである「膨張行程における気筒内圧力最大時」の燃焼ガス圧力に相当する圧力状態のブローバイガス体積に換算したものとして得ることができる。つまり、ブローバイガスの圧力は、クランクケース内への吹き抜け途中で変化していくものであるため、ある特定の圧力状態を基準にしたブローバイガス体積により演算を行わねば正確な値を算出することができない。このため、この式（４）では「膨張行程における気筒内圧力最大時」の燃焼ガス圧力に相当する圧力状態のブローバイガス体積を求め、これを基準にして上記式（１）、（２）、（３−１）または（３−２）での演算が行えるようにしている。これにより、単一の気筒から一サイクル中に発生するブローバイガスの体積を上記式（１）、（２）、（３−１）または（３−２）での演算に使用可能な値として容易且つ正確に算出することが可能になり、上記「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値（ブローバイガスの体積に対するバッククリアランス体積の比）の信頼性を高めることができる。

上述した解決手段の適用形態として具体的には以下のものが挙げられる。先ず、ピストンリングは、コンプレッションリングとしてピストンの頂部側からトップリング及びセカンドリングの２本のリングが設けられており、上記式（１）、（２）、（３−１）または（３−２）を、トップリングとそれが嵌め込まれるトップリング溝との間においてのみ成立する構成としたものである。

つまり、膨張行程時に燃焼ガス圧に晒されるトップリングとそれが嵌め込まれるトップリング溝との間に本発明を適用するものである。このトップリングとトップリング溝との間に本発明を適用したことで、セカンドリングに向けて吹き抜けるブローバイガスのＮＯｘ濃度を低減することができる。つまり、トップリングとセカンドリングとの間におけるＮＯｘ濃度の低減が図れるため、膨張行程において発生した燃焼ガスのＮＯｘの大部分を気筒内に残存させることができ、この大部分のＮＯｘを内燃機関の排気系で処理（触媒コンバータにより浄化処理）することが可能になる。その結果、オイルパン内のオイルがＮＯｘにより劣化してしまうことを抑制できると共に、吸気系へのＮＯｘ導入量を大幅に削減できることになりＮＯｘが原因でスラッジが発生して内燃機関の内部に大量に堆積してしまうといった不具合を効果的に回避することができる。

上記式（１）、（２）、（３−１）または（３−２）を満たすべく加工されるリング溝の具体的な形状としては以下のものが挙げられる。つまり、リング溝の各内面のうちピストン外周側に向かう底面の形状を、内燃機関の膨張行程時においてリング溝の内面に作用する応力の分布を分散するような凹部が形成された形状に設計している。

この特定事項によれば、リング溝の両側（ピストンの軸心に沿う方向の両側）に位置するランド部に対する局部的な応力の集中を回避できる。このため、このランド部の保護（破損等の防止）を図ることができ、ランド部の薄肉化が可能になり、また、ピストンに使用可能な材料の選択の幅も拡大することができる。

この場合における凹部の形状としては以下の２タイプが挙げられる。先ず、リング溝に形成されている凹部の形状を、ピストンの軸心に沿う方向でのリング溝の中心点を通り且つ上記ピストンの軸心に直交する面（仮想面）に対して対称となる形状に設計するものである（図５、図７、図８、図９を参照）。また、リング溝に形成されている凹部の形状を、ピストンの軸心に沿う方向でのリング溝の中心点を通り且つ上記ピストンの軸心に直交する面（仮想面）に対して非対称となる形状に設計するものである（図１０及び図１１を参照）。

凹部の形状を上記対称となる形状に設計した場合には、リング溝の両側（ピストンの軸心に沿う方向の両側）に位置する各ランド部に対して共に局部的な応力の集中を回避でき、各ランド部の保護が図れる。一方、凹部の形状を上記非対称となる形状に設計した場合には、リング溝の両側に位置する各ランド部のうち凹部深さの小さい側のランド部に対しての局部的な応力の集中を効果的に回避でき、このランド部を特に保護することが可能になる。つまり、各ランド部のうちの一方のランド部の強度を特に高くしたいといった要求に応えることができる構成である。

また、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を更に低減させるための手段としては以下の構成を付加することも挙げられる。つまり、ピストンの外周面に、ピストン軸心方向に亘って複数のリング溝を形成し、上記複数のリング溝のうちピストンの頂部に最も近い位置に形成されたトップリング溝とピストンの頂部との間のピストン外周面をトップランド部に形成する。そして、このトップランド部におけるピストン軸心に沿う方向の長さ寸法を、膨張行程時における燃焼室内の燃焼ガス温度よりもトップランド部とシリンダ内面との間に流れ込む燃焼ガス温度が低くなるような長さ寸法に設定するものである。

この特定事項によれば、トップランド部とシリンダ内面との間の空間におけるピストン軸心に沿う方向の長さを長く確保しておくことにより、この空間を経てトップリングのバッククリアランスに流れ込む燃焼ガスの温度を低く抑えることができる。このように燃焼ガスの温度を低くすることはＮＯｘの発生量を低減することに繋がり、その結果、トップリングのバッククリアランスに流れ込む燃焼ガス（ブローバイガス）中のＮＯｘ濃度を低減できることになる。このように、本解決手段では、ピストンの形状を改良することで燃焼ガス温度を調整する（将来的にブローバイガスとなる可能性の高い燃焼ガスの温度を低く抑える）ことによるＮＯｘ濃度の低減効果を図ることができ、仮にこの燃焼ガスがブローバイガスとしてクランクケース内へ吹き抜けたとしてもクランクケース内でのＮＯｘ濃度を大幅に低減させることができる。

尚、上述した各解決手段のうち何れか一つに記載の内燃機関のピストンユニットに使用されるピストンのリング溝構造も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、ピストンリングとの間で形成するバッククリアランス体積が上記式（１）、（２）、（３−１）または（３−２）を満たす形状に設計されたピストンのリング溝構造である。

本発明では、ピストンに形成されるリング溝とそれに嵌め込まれるピストンリングとの間で形成されるバッククリアランスの体積とブローバイガス体積との関係について規定し、この両者の比を規定することで、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減できるようにしている。また、このバッククリアランスの体積とブローバイガス体積との比を所定の範囲内に規定することで、ピストンユニットをシリンダ内に挿入する際の組み付け作業性に悪影響を与えることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減できるようにしている。

このため、ブローバイガスの吹き抜け量を抑制する構成を採用したり、クランクケース内への新気導入量を増大させる構成を採用したりすることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。その結果、ＮＯｘによるエンジンオイルの劣化を回避でき、また、ＮＯｘが吸気系に流れ込むことが原因となってスラッジが内燃機関内部に堆積してしまうといった状況も抑制できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用エンジンに適用されるピストンユニットに本発明を適用した場合について説明する。

（第１実施形態）
−ピストンユニットの概略構成−
先ず、図１及び図２を用いて、ピストン２とピストンリング３，４，５とで構成されるピストンユニット１の概略構成について説明する。図１はピストンユニット１の一部を破断した側面図であり、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

図１に示すように、ピストン２は、その外周面に３つのリング溝（周溝）２１，２２，２３が形成されている。これらリング溝２１，２２，２３のうちピストン２の頭部側から１番目のトップリング溝２１にはコンプレッションリングとしてのトップリング３が、２番目のセカンドリング溝２２には同じくコンプレッションリングとしてのセカンドリング４が、また、３番目のオイルリング溝２３にはオイルリング５がそれぞれ装着されている。

上記コンプレッションリングとしてのトップリング３及びセカンドリング４は、例えば高炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼等により形成されており、周方向の一箇所に合い口３１が形成された平面視略Ｃ形の平板状部材からなっている。

オイルリング５は、それぞれ周方向の一箇所に合い口が形成された平面視略Ｃ形の平板状のアッパーリング５１及びロアリング５２を備え、これらリング５１，５２の間にセンターリング５３を介装して組み立てられた３ピース構造になっている。尚、このオイルリング５の構成としては３ピース構造に限られるものではない。

これらリング３，４，５は、一旦弾性的に拡径された状態でピストン２の各リング溝２１，２２，２３内に組み入れられ、その弾性復元力によって縮径して、各リング溝２１，２２，２３の内部に嵌め込まれる。この状態では、各リング３，４，５の外周部がピストン２の外周面から外周側に突出した状態になっている。上記ピストン２において頭部とトップリング溝２１との間の外周面をトップランド部２４と呼び、トップリング溝２１とセカンドリング溝２２との間の外周面をセカンドランド部２５と呼び、セカンドリング溝２２とオイルリング溝２３との間の外周面をサードランド部２６と呼ぶ。つまり、各リング３，４，５の外周部が各ランド部２４，２５，２６よりも外方に突出した状態になっている。これら各リング３，４，５を装着したピストン２をシリンダ６内に挿入する際には、各リング３，４，５を弾性的に縮径させた状態でシリンダ６内に挿入することになる。このため、ピストンユニット１をシリンダ６内に挿入した状態では、各リング３，４，５がその弾性力によってシリンダ６の内壁面に押し付けられた状態となり、トップリング３及びセカンドリング４は燃焼室の気密性を保持する機能を果たし、オイルリング５はシリンダ６の内壁面に残存するオイルを掻き落とす機能を果たすことになる。

また、オイルリング５が装着されるオイルリング溝２３の底部には、ピストン２の径方向に延びてオイルリング溝２３からピストン２の内部空間に亘って貫通するオイル戻し孔２７が円周方向に等間隔で複数個設けられている。このオイル戻し孔２７は、円形孔とされるが、例えば楕円形孔、矩形孔等、適宜の形状とすることができる。また、オイル戻し孔２７の数や大きさは、例えばピストン２の強度等を考慮して適宜設定される。

尚、図１における７はコネクティングロッドであり、その小端部７１がピストンピン７２によってピストン２に対する相対的な揺動が可能に連結されている。

−バッククリアランス体積の説明−
次に、本発明の特徴とする構成であるバッククリアランス体積について説明する。特に、ここでは上記トップリング溝２１とトップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積について説明する。

図１に示すように上記各リング３，４，５がピストン２のリング溝２１，２２，２３にそれぞれ装着され且つ、ピストンユニット１がシリンダ６内に挿入された状態では、図３（トップリング３の装着位置を拡大して示す断面図）に示すように、トップリング溝２１の底面２１ａ（トップリング溝２１において外周側に向いている面）とトップリング３の内周面３２（上記トップリング溝２１の底面２１ａに対向する内周面）との間には空間Ｃ１が形成されている。この空間Ｃ１はバッククリアランスと呼ばれ、その容積はバッククリアランス体積（Ｖｂａ）と呼ばれている。

そして、本実施形態の特徴としては、このバッククリアランス体積（Ｖｂａ）を以下の条件で設計していることにある。つまり、エンジンの運転時における一気筒の一サイクルにおいて発生するブローバイガスの体積をＶｂｌとし、上記トップリング溝２１とトップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積をＶｂａとしたとき、下記の式（３−２）が成立するようにバッククリアランス体積Ｖｂａを設計する。

３≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ≦５ …（３−２）
また、本発明は、下記の式（３−１）が成立するようにバッククリアランス体積Ｖｂａを設計することも技術的思想の範疇である。

２≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ≦５ …（３−１）
ここでいう、「ブローバイガスの体積Ｖｂｌ」とは、エンジンを構成する複数の気筒のうちの特定の気筒（単一の気筒）のピストン２が吸入行程の上死点から圧縮、膨張、排気の各行程を経て、この排気行程の上死点までの一サイクル中にクランクケース内に吹き抜けてきたブローバイガスの体積である。

また、上記ブローバイガスの体積Ｖｂｌは、下記の式（４）によって求められる。

Ｖｂｌ＝Ｌ・１０⁶・Ｐａｔｍ・Ｔｇ／Ｎｅ・２・Ｃ・Ｔｂ・Ｐｇ …（４）
（Ｌ：ブローバイガスの流量（クランクケースから排出されるブローバイガスの単位時間当たりの流量）、Ｐａｔｍ：大気圧、Ｔｇ：燃焼ガスの温度（膨張行程における気筒内圧力最大時の燃焼ガスの温度）、Ｎｅ：エンジンの回転数、Ｃ：エンジンの気筒数、Ｔｂ：ブローバイガスの温度（膨張行程の気筒内圧力最大時においてクランクケース内に吹き抜けてきたブローバイガスの温度）、Ｐｇ：燃焼ガスの圧力（膨張行程における気筒内最大圧力））
より具体的には、トップリング３の構成は設計変更することなく（従来品と同様に設計しながら）、トップリング溝２１の深さ寸法を従来品よりも大きく設計（トップリング溝２１の底面２１ａの外径寸法を従来品よりも小さく設計）して上記式（３−２）や式（３−１）が成立するようにしている。

この設計は、エンジンの設計段階で行われる実験の結果に基づいて行われる。つまり、エンジンを実験装置に搭載して運転させた状態で上記Ｌ、Ｐａｔｍ、Ｔｇ、Ｎｅ、Ｃ、Ｔｂ、Ｐｇの各値からブローバイガスの体積Ｖｂｌを演算し、その値と、現在実験中のエンジンに採用しているピストンユニット１における上記バッククリアランス体積Ｖｂａとを比較していきながら、上記式（３−２）や式（３−１）が成立するようなピストンユニット１が得られる設計が行われる。尚、この実験において、ブローバイガスの流量Ｌは、ＰＣＶ装置によりクランクケースから排出される単位時間当たりのブローバイガス流量として検出する。燃焼ガスの温度Ｔｇ及び燃焼ガスの圧力Ｐｇは、気筒内に配置したセンサにより検出される。エンジンの回転数Ｎｅはクランク角センサの出力信号に基づいて算出される。ブローバイガスの温度Ｔｂはクランクケース内に配置したセンサにより検出される。

尚、上記式（４）において、ブローバイガスの流量Ｌの単位としては例えば「Ｌ／ｍｉｎ」が挙げられる。また、上記式（４）における１０⁶は車両の走行条件を１００ｋｍ／ｈとしてブローバイガス排出状態を対象とするための補正値である（上記ブローバイガスの流量Ｌの単位ではｍｉｎを使用しているため、この車両の走行条件（１０⁵ｍ／ｈ）による補正値（時速を基準とした補正値）では位を一つ切り上げて１０⁶としている。エンジンの気筒数で除算している理由は、クランクケースからのブローバイガスの総排出量は全気筒からのブローバイガス排出量の総量であるので、これを気筒数で除算することにより単一の気筒からのブローバイガス排出量に換算するためである。また、４ストロークエンジンではピストン２の２往復で個々の気筒の１サイクルが完了するため、更に「２」で除算している。

この式（４）により、上記式（３−２）や式（３−１）での演算に使用するブローバイガス体積Ｖｂｌとしては、ブローバイガスの発生量が最も多くなるタイミングである「膨張行程における気筒内圧力最大時」の燃焼ガスの圧力に相当する圧力状態のブローバイガス体積に換算したものとして得られることになる。つまり、ブローバイガスの圧力は、クランクケース内への吹き抜け途中で変化していくため、ある特定の圧力状態を基準にしたブローバイガス体積により演算を行わねば正確な値を算出することができない。このため、この式（４）では「膨張行程における気筒内圧力最大時」の燃焼ガスの圧力に相当する圧力状態のブローバイガス体積を求め、これを基準にして上記式（３−２）や式（３−１）での演算が行えるようにしている。これにより、単一の気筒から一サイクル中に発生するブローバイガスの体積を上記式（３−２）や式（３−１）での演算に使用可能な値として容易且つ正確に算出することが可能になり、上記「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値の信頼性を高めることができるようになっている。

次に、上記式（３−２）や式（３−１）の如く数値範囲を設定した理由について述べる。図４は「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値を横軸とし、これを変化させた場合におけるブローバイガスのＮＯｘ濃度の変化状態、及びトップリング溝２１の底面２１ａとトップリング３の内周面３２との間の長さ（図２に示すようにトップリング溝２１の底面２１ａとトップリング３の内周面３２との間隔寸法（ピストン半径方向の寸法）がピストン全周囲に亘って均等になっている場合における間隔寸法（図中寸法ｔ）であって、以下、バッククリアランス寸法ｔと呼ぶ）の変化を示す図である。

先ず、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値を「３」以上または「２」以上に設定した理由について述べる。図４から明らかなように、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値が「２」未満である場合には、この値が小さくなるほどブローバイガスのＮＯｘ濃度は高くなっていく、これに対し、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値が「２」以上や「３」以上になると、この値が大きくなってもブローバイガスのＮＯｘ濃度は大幅に変化することはなく、特に「３」以上に設定した場合には殆ど変化せず、低い値（図４における点Ａ（例えば１３０ｐｐｍ）付近の値）が維持される。このため、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値としては「２」以上、好ましくは「３」以上に設定することが望ましいことが解る。

次に、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値を「５」以下に設定した理由について述べる。図４から明らかなように、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値が大きくなるほど上記バッククリアランス寸法ｔは大きくなっていく。このバッククリアランス寸法ｔはピストンユニット１をシリンダ６内に挿入する際の組み付け性に大きな影響を及ぼす。つまり、このバッククリアランス寸法ｔが大きくなるに従ってトップリング溝２１内でのトップリング３の移動可能範囲が拡大していくためその位置規制が難しくなりシリンダ６内への挿入作業が困難になっていく。一般に、このバッククリアランス寸法ｔが１．８ｍｍを超えてしまうと、この挿入作業が著しく困難になってしまうと言われている。このため、図４から、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値としては「５」以下に設定する必要があることが解る。

以上の点を考慮し、本発明では、「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値としては、「２」以上で且つ「５」以下、好ましくは「３」以上で且つ「５」以下としている。これにより、ピストンユニット１の組み付け作業性に悪影響を与えることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することが可能になる。その結果、ピストンリング３，４による気密性を高くし過ぎることなく、且つクランクケース内への新気導入量を増大させることなしに、ブローバイガスのＮＯｘ濃度の低減を図ることができ、ＮＯｘによるエンジンオイルが劣化を回避でき、また、ＮＯｘがエンジンの吸気系に流れ込んでスラッジがエンジン内部に堆積してしまうといった状況も抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態では、トップリング溝２１を断面矩形状としていた。本実施形態は、このトップリング溝２１の断面形状が第１実施形態のものと異なっている。そして、このトップリング溝２１を以下に述べるような断面形状に変更することでトップランド部２４やセカンドランド部２５に対する局部的な応力の集中を回避できるようにした点に特徴がある。以下、本実施形態における複数のタイプについて説明する。

−第１タイプ−
図５（ａ）は本実施形態の第１タイプにおけるトップリング３の装着位置を拡大して示す断面図である。また、図５（ｂ）は従来例におけるトップリングａの装着位置を拡大して示す断面図である。

図５（ａ）に示すように、本タイプのトップリング溝２１の断面形状としては、上記トップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積として上記式（３−１）または式（３−２）が成立するように設計しながらも、トップリング溝２１の底面２１ａ（トップリング溝２１において外周側に向いている面）を断面円弧形状の凹部に形成している。この凹部の断面形状として詳しくは、図６に示すように、トップリング溝２１の下面２１ｂと底面２１ａ（上記凹部を構成するための湾曲面）との境界点における接線（上記凹部の円弧に対する接線）Ｌ１と、上記下面２１ｂの延長線（水平方向に延びる直線）Ｌ２との成す角度αが１０°以上であって且つ８５°以下（鉛直方向に対して５°以上）の範囲で設定されるようにしている。図６に示すものでは上記角度αは約４０°に設定されている。また、この図６及び図５（ａ）における仮想線は、従来例におけるトップリング溝ｂの底面ｃの位置を示している。

このようにトップリング溝２１の断面形状を設定することにより、上述した第１実施形態の場合と同様にピストンユニット１の組み付け作業性に悪影響を与えることなしにブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することを可能にしながらも、以下の効果を奏することが可能になる。

図５（ｂ）に示す従来のものでは、膨張行程時において燃焼ガスの圧力がトップリングａを介してトップリング溝ｂの下面ｄに作用することになり、トップリング溝ｂの底面ｃと下面ｄとの境界点付近に局部的に応力が集中する（図５（ｂ）における応力分布図を参照）。このため、セカンドランド部ｅに高い強度が要求されることになって、セカンドランド部ｅの肉厚を大きく設計したり、ピストンの構成材料として高い強度が得られるものを適用する必要が生じる。

これに対し、本実施形態では、図５（ａ）の応力分布図に示すように、トップリング溝２１の底面２１ａと下面２１ｂとの境界点付近に局部的に応力が集中することを回避できる。このため、セカンドランド部２５の保護（破損等の防止）を図ることができ、セカンドランド部２５の薄肉化が可能になり、また、ピストン２に使用可能な材料の選択の幅も広げることが可能になる。また、本実施形態の構成では、トップリング溝２１の底面２１ａと上面２１ｃとの境界点付近に局部的に応力が集中することも回避できるため、トップランド部２４の保護を図ることもできる。

−第２タイプ−
図７は本実施形態の第２タイプにおけるトップリング３の装着位置を拡大して示す断面図である。この図７に示すように、本タイプのトップリング溝２１の断面形状としては、上記トップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積として上記式（３−１）または式（３−２）が成立するように設計しながらも、トップリング溝２１の底面２１ａを断面略三角形状の凹部に形成している。また、この図７における仮想線は、従来例におけるトップリング溝の底面の位置を示している。

本タイプの如くトップリング溝２１の形状を設定することによっても、上述した第１タイプの場合と同様に、ピストンユニット１の組み付け作業性に悪影響を与えることなしにブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することを可能にしながらも、セカンドランド部２５及びトップランド部２４の保護を図ることができる。

−第３タイプ−
図８は本実施形態の第３タイプにおけるトップリング３の装着位置を拡大して示す断面図である。この図８に示すように、本タイプのトップリング溝２１の断面形状としては、上記トップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積として上記式（３−１）または式（３−２）が成立するように設計しながらも、トップリング溝２１の底面２１ａを断面略台形状の凹部に形成している。また、この図８における仮想線は、従来例におけるトップリング溝の底面の位置を示している。

本タイプの如くトップリング溝２１の形状を設定することによっても、上述した各タイプの場合と同様に、ピストンユニット１の組み付け作業性に悪影響を与えることなしにブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することを可能にしながらも、セカンドランド部２５及びトップランド部２４の保護を図ることができる。

−第４タイプ−
図９は本実施形態の第４タイプにおけるトップリング３の装着位置を拡大して示す断面図である。本タイプのトップリング溝２１の断面形状としては、上記トップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積として上記式（３−１）または式（３−２）が成立するように設計しながらも、トップリング溝２１の底面２１ａを段部２１ｄ，２１ｄを介して更に矩形状に凹陥させた形状にしている。また、この図９における仮想線は、従来例におけるトップリング溝の底面の位置を示している。

本タイプにおいても、ピストンユニット１の組み付け作業性に悪影響を与えることなしにブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することを可能にしながらも、セカンドランド部２５及びトップランド部２４の保護を図ることができる。

−第５タイプ−
図１０は本実施形態の第５タイプにおけるトップリング３の装着位置を拡大して示す断面図である。本タイプのトップリング溝２１の断面形状としては、上記トップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積として上記式（３−１）または式（３−２）が成立するように設計しながらも、トップリング溝２１の底面２１ａをピストン２の頭部に向かってピストン軸心側に傾斜する傾斜面で形成している。これにより、従来のバッククリアランス（図中の仮想線参照）に対して断面略三角形状の空間を増大させた空間としてバッククリアランスＣ１が形成されるようになっている。

本タイプの如くトップリング溝２１の形状を設定した場合には、ピストンユニット１の組み付け作業性に悪影響を与えることなしにブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することを可能にしながらも、特に、セカンドランド部２５の保護を図ることができる。

−第６タイプ−
図１１は本実施形態の第６タイプにおけるトップリング３の装着位置を拡大して示す断面図である。本タイプのトップリング溝２１の断面形状としては、上記トップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積として上記式（３−１）または式（３−２）が成立するように設計しながらも、トップリング溝２１の底面２１ａをピストン２の下部に向かってピストン軸心側に傾斜する傾斜面で形成している。これにより、従来のバッククリアランス（図中の仮想線参照）に対して断面略三角形状の空間を増大させた空間としてバッククリアランスＣ１が形成されるようになっている。

本タイプの如くトップリング溝２１の形状を設定した場合には、ピストンユニット１の組み付け作業性に悪影響を与えることなしにブローバイガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減することを可能にしながらも、特に、トップランド部２４の保護を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は上述した第２実施形態の第１タイプのもの（図５に示すもの）に対して更に改良を加えたものである。以下、具体的に説明する。

図１２は本実施形態におけるトップリング３の装着位置を拡大して示す断面図である。この図１２に示すように、本タイプのトップリング溝２１の断面形状としては、上記トップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積として上記式（３−１）または式（３−２）が成立するように設計しながらも、トップリング溝２１の底面２１ａを断面円弧形状の凹部に形成している。この点は上述した第２実施形態の第１タイプのものと同様である。

そして、本実施形態の特徴として、トップランド部２４の高さ寸法（図中の寸法ｔ１）を従来の高さ寸法（図１２の仮想線Ｂを参照）に対して長く設定している。

このようにトップランド部２４の高さ寸法を長く設定した場合、トップランド部２４とシリンダ６の内面との間の空間Ｓにおけるピストン軸心に沿う方向の長さを長く確保しておくことができる。これにより、この空間Ｓを経てトップリング３のバッククリアランスＣ１に流れ込む燃焼ガスの温度を低く抑えることが可能になる。このように燃焼ガスの温度を低くすることはＮＯｘの発生量を低減することに繋がり、その結果、トップリング３のバッククリアランスＣ１に流れ込む燃焼ガスのＮＯｘ濃度を低減できることになって、仮にこの燃焼ガスがブローバイガスとしてクランクケース内へ吹き抜けたとしてもクランクケース内でのＮＯｘ濃度を大幅に低減させることが可能になる。この効果を発揮するためのトップランド部２４の高さ寸法として具体的には、従来のトップランド部の高さ寸法に対して４０％以上長くすることが挙げられる。

尚、本実施形態では、バッククリアランスＣ１の体積が上記式（３−１）または式（３−２）が成立するように設計されたものに対してトップランド部２４の高さ寸法を長く設定した場合について説明した。上記式（３−１）や式（３−２）が成立しているか否かに関わりなくトップランド部２４の高さ寸法を長く設定すること自体でトップリング３のバッククリアランスＣ１に流れ込む燃焼ガスのＮＯｘ濃度を低減でき、この燃焼ガスがブローバイガスとしてクランクケース内へ吹き抜けた場合のクランクケース内でのＮＯｘ濃度を大幅に低減させる効果を奏することができる。このため、このトップランド部２４の高さ寸法を長く設定する構成のみを単独で採用することによってもクランクケース内でのＮＯｘ濃度の低減が可能になる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。上述した各実施形態ではトップリング溝２１の断面形状がその周方向の全体に亘って同一形状のものであった。これに対し、本実施形態ではトップリング溝２１の断面形状として、部分的に大きく凹陥させることにより上記式（３−１）または式（３−２）が成立するようにしたものである。具体的に以下に説明する。

図１３は本実施形態における図２に相当する図である。この図に示すように、本実施形態におけるトップリング溝２１は、周方向の複数箇所に部分的に大きく凹陥された拡大凹部２１ｅ，２１ｅ，…が形成されており、これによってバッククリアランスＣ１の体積が大きく得られるようにしている。このような拡大凹部２１ｅの加工方法としては、従来と同様の加工方法によって周方向の全体に亘って矩形状の凹部としてのトップリング溝２１を形成した後に、トップリング溝２１の底面２１ａの一部を切削加工によって拡大凹部２１ｅ，２１ｅ，…することが挙げられる。

−その他の実施形態−
以上説明した各実施形態では、自動車用エンジンに適用されるピストンユニット１に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、その他の内燃機関（船舶用や発電機用等）のピストンユニットに適用することも可能である。

また、上述した各実施形態では、トップリング溝２１とトップリング３との間で形成されるバッククリアランスＣ１の体積について上記式（３−１）または式（３−２）を成立する構成とした場合について説明した。本発明はこれに限らず、セカンドリング溝２２とセカンドリング４との間で形成されるバッククリアランスＣ２（図１を参照）の体積について上記式（３−１）または式（３−２）が成立する構成としてもよいし、トップリング３のバッククリアランスＣ１の体積及びセカンドリング４のバッククリアランスＣ１の体積の両方について上記式（３−１）または式（３−２）を成立する構成としてもよい。

また、上述した各実施形態では、トップリング溝２１の底面２１ａを加工することによりバッククリアランスＣ１の体積を拡大させて上記式（３−１）または式（３−２）が成立する構成としていた。本発明はこれに限らず、トップリング溝２１の下面２１ｂや上面２１ｃを加工することによりバッククリアランスＣ１の体積を拡大させて上記式（３−１）または式（３−２）が成立する構成を採用するようにしてもよい。例えば、トップリング溝２１の下面２１ｂや上面２１ｃの周方向に亘って間欠的に凹部を形成することによってバッククリアランスＣ１の体積を拡大させる構成などである。また、トップリング３の内周面３２の周方向に亘って間欠的に凹部を形成することによってバッククリアランスＣ１の体積を拡大させる構成を採用してもよい。

ピストンユニットの一部を破断した側面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 トップリングの装着位置を拡大して示す断面図である。 「Ｖｂａ／Ｖｂｌ」の値を変化させた場合におけるブローバイガスのＮＯｘ濃度の変化及びバッククリアランス寸法の変化を示す図である。 図５（ａ）は第２実施形態の第１タイプにおけるトップリングの装着位置を拡大して示す断面図、図５（ｂ）は従来例におけるトップリングの装着位置を拡大して示す断面図である。 第２実施形態の第１タイプにおけるトップリング溝の底面の形状を説明するための図である。 第２実施形態の第２タイプにおけるトップリングの装着位置を拡大して示す断面図である。 第２実施形態の第３タイプにおけるトップリングの装着位置を拡大して示す断面図である。 第２実施形態の第４タイプにおけるトップリングの装着位置を拡大して示す断面図である。 第２実施形態の第５タイプにおけるトップリングの装着位置を拡大して示す断面図である。 第２実施形態の第６タイプにおけるトップリングの装着位置を拡大して示す断面図である。 第３実施形態におけるトップリングの装着位置を拡大して示す断面図である。 第４実施形態における図２に相当する図である。

符号の説明

１ ピストンユニット
２ ピストン
２１ トップリング溝
２１ａ 底面
２２ セカンドリング溝
２４ トップランド部
３ トップリング
４ セカンドリング
６ シリンダ
Ｃ１ バッククリアランス
Ｖｂｌ ブローバイガス体積
Ｖｂａ バッククリアランス体積

Claims (10)

1. 外周面にリング溝が形成されたピストンと、このリング溝に嵌め込まれるピストンリングとを備えた内燃機関のピストンユニットにおいて、
   上記内燃機関の運転時における一気筒の一サイクル中にその気筒から発生するブローバイガスの体積をＶｂｌとし、上記リング溝とピストンリングとの間で形成されるバッククリアランス体積をＶｂａとしたとき、
   ２≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ …（１）
   となるよう構成されていることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
2. 外周面にリング溝が形成されたピストンと、このリング溝に嵌め込まれるピストンリングとを備えた内燃機関のピストンユニットにおいて、
   上記内燃機関の運転時における一気筒の一サイクル中にその気筒から発生するブローバイガスの体積をＶｂｌとし、上記リング溝とピストンリングとの間で形成されるバッククリアランス体積をＶｂａとしたとき、
   ３≦Ｖｂａ／Ｖｂｌ …（２）
   となるよう構成されていることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
3. 上記請求項１または２記載の内燃機関のピストンユニットにおいて、
   Ｖｂａ／Ｖｂｌ≦５ …（３）
   となるよう構成されていることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
4. 上記請求項１、２または３記載の内燃機関のピストンユニットにおいて、
   内燃機関の運転時における一気筒の一サイクル中にその気筒から発生するブローバイガスの体積Ｖｂｌは、
   Ｖｂｌ＝Ｌ・１０⁶・Ｐａｔｍ・Ｔｇ／Ｎｅ・２・Ｃ・Ｔｂ・Ｐｇ …（４）
   （Ｌ：ブローバイガスの流量（クランクケースから排出されるブローバイガスの単位時間当たりの流量）、Ｐａｔｍ：大気圧、Ｔｇ：燃焼ガスの温度（膨張行程における気筒内圧力最大時の燃焼ガスの温度）、Ｎｅ：内燃機関の回転数、Ｃ：内燃機関の気筒数、Ｔｂ：ブローバイガスの温度（膨張行程の気筒内圧力最大時においてクランクケース内に吹き抜けてきたブローバイガスの温度）、Ｐｇ：燃焼ガスの圧力（膨張行程における気筒内最大圧力））
   により求められるものであることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
5. 上記請求項１〜４のうち何れか一つに記載の内燃機関のピストンユニットにおいて、
   ピストンリングは、コンプレッションリングとしてピストンの頂部側からトップリング及びセカンドリングの２本のリングが設けられており、上記式は、トップリングとそれが嵌め込まれるトップリング溝との間においてのみ成立する構成とされていることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
6. 上記請求項１〜５のうち何れか一つに記載の内燃機関のピストンユニットにおいて、
   リング溝の各内面のうちピストン外周側に向かう底面の形状は、内燃機関の膨張行程時においてリング溝の内面に作用する応力の分布を分散するような凹部が形成された形状に設計されていることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
7. 上記請求項６記載の内燃機関のピストンユニットにおいて、
   リング溝に形成されている凹部の形状は、ピストンの軸心に沿う方向でのリング溝の中心点を通り且つ上記ピストンの軸心に直交する面に対して対称となる形状に設計されていることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
8. 上記請求項６記載の内燃機関のピストンユニットにおいて、
   リング溝に形成されている凹部の形状は、ピストンの軸心に沿う方向でのリング溝の中心点を通り且つ上記ピストンの軸心に直交する面に対して非対称となる形状に設計されていることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
9. 上記請求項１〜８のうち何れか一つに記載の内燃機関のピストンユニットにおいて、
   ピストンの外周面にはピストン軸心方向に亘って複数のリング溝が形成されており、
   上記複数のリング溝のうちピストンの頂部に最も近い位置に形成されたトップリング溝とピストンの頂部との間のピストン外周面はトップランド部に形成されており、このトップランド部におけるピストン軸心に沿う方向の長さ寸法は、膨張行程時における燃焼室内の燃焼ガス温度よりもトップランド部とシリンダ内面との間に流れ込む燃焼ガス温度が低くなるような長さ寸法に設定されていることを特徴とする内燃機関のピストンユニット。
10. 上記請求項１〜９のうち何れか一つに記載の内燃機関のピストンユニットに使用されるピストンのリング溝構造であって、ピストンリングとの間で形成するバッククリアランス体積が上記式を満たす形状に設計されていることを特徴とするピストンのリング溝構造。

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