JP2008309118A - ピストン及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンリング溝の摩耗及びピストンリングの摩耗を抑制できるピストン及び内燃機関を提供すること。
【解決手段】ピストン１０は、シリンダ内を往復運動するピストンにおいて、流体の圧力を受けるピストン頂部１０ａと、ピストン頂部１０ａに設けられるピストン側周部１０ｂと、ピストン側周部１０ｂに形成されて、ピストンリング１２ａが嵌め込まれるピストンリング溝１２と、ピストン側周部１０ｂに形成されて、円弧状のリングである円弧リング１１ａが嵌め込まれる円弧リング溝１１と、を備える。これにより、ピストン１０とシリンダ内壁面との接触面積が増えることに起因し、ピストンリング１２ａが負担するスラスト力（面圧）が低減し、ピストン１０は、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗を抑制する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、ピストン及び内燃機関に関し、さらに詳しくは、ピストンリングを備えるピストン及び内燃機関に関する。

内燃機関に用いられるピストンは、通常、気筒内の気密を保つためのコンプレッションリングと、シリンダ内壁面における潤滑油の量を適正に保つためのオイルリングと（以下コンプレッションリング及びオイルリングの総称をピストンリングとする）を備えている。コンプレッションリングは、ピストンに複数装着されるピストンリングのうちピストン頂部側に設けられ、燃焼室からクランク室、またはクランク室から燃焼室へのガスの流動を抑制する。また、オイルリングは、ピストンに複数装着されるリングのうち最もクランクケース側に設けられ、シリンダ内壁面にある余分な潤滑油をクランクケースに掻き落とす。ピストンには、その外側周部に、ピストンリングを装着するための複数のピストンリング溝が形成されている。

従来、コンプレッションリングと、オイルリングとを備える内燃機関用のピストンにおいて、ピストンリングによるピストンの摩耗が問題になっている。具体的には、ピストンがシリンダ内で往復運動中に、ピストンリングが装着されるピストンリング溝を前記ピストンリングが攻撃するためにピストンリング溝が摩耗する。そこで、例えば、特許文献１には、ピストンにおいて、他の部位よりも比較的摩耗の激しいトップリング溝（複数のピストンリング溝のうち最もピストン頂部側のピストンリング溝）近傍及び、セカンドリング溝（トップリング溝と隣接するピストンリング溝）の上面（セカンドリング溝を構成する壁面のうち、最もピストン頂部側の壁面）近傍を、耐摩耗性に優れる鋳鉄により構成することにより、トップリング溝及びセカンドリング溝の耐摩耗性を向上させている。

実開平７−３８６４５号公報、００１３、００１４

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ピストンリング溝がピストンリングを攻撃することによって発生するピストンリングの摩耗の抑制は十分ではない。また、ピストンリングの摩耗のうち、ピストンリングとシリンダ内壁面との間で発生するピストンリングの摩耗の抑制も十分ではない。

また、ピストンの基材として通常使用されるアルミニウム合金と比較して鋳鉄の比重は大きい。このため、特許文献１に開示されているピストンの質量は、アルミニウム合金のみで構成されたピストンと比較して大きい。これにより、ピストンがシリンダ内で往復運動中にピストンに作用する、シリンダ軸線と直交し、かつピストンピンの軸線と直交する方向の力（以下スラスト力という）が増加するおそれがあり、これに起因してピストンリングの摩耗の抑制がさらに不十分になるおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンリングの摩耗を抑制することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るピストンは、シリンダ内を往復運動するピストンにおいて、流体の圧力を受ける頂部と、前記頂部に設けられる側周部と、前記側周部に形成されて、ピストンリングが嵌め込まれるピストンリング溝と、前記側周部に形成されて、円弧状のリングが嵌め込まれる円弧リング溝と、を備えることを特徴とする。

上記構成により、この発明に係るピストンは、円弧リングが嵌め込まれる円弧リング溝を備えるので、ピストンとシリンダ内壁面との接触面積が増えることに起因し、ピストンリングが負担するスラスト力（面圧）が低減する。その結果、本発明に係るピストンは、ピストンリング溝及びピストンリングの摩耗を抑制できる。

本発明の好ましい態様としては、前記円弧リング溝は、前記ピストンをコネクティングロッドと連結するピストンピンの中心軸を含み、かつ前記ピストン頂部と直交する面により分けられる２つの前記側周部のうち、前記ピストンの往復運動中に、より大きな力が負荷される方に形成されることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記側周部は、前記ピストンが往復運動中に前記ピストンが傾倒するのを抑制するスカート部を有し、前記円弧リングの中心角は、前記スカート部の中心角以上、１８０度以下の範囲であることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記円弧リング溝は、前記ピストンリング溝のうち最も前記ピストン頂部側のピストンリング溝と、前記ピストン頂部との間における前記側周部に形成されることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストンの温度及び前記円弧リングの温度が前記ピストン及び前記円弧リングの使用環境下における最高温度の時、前記円弧リング溝の中心角は、前記円弧リングの内側の中心角より大きいことが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記円弧リングは、前記円弧リング溝に弾性部材を介して装着され、前記弾性部材は前記円弧リングを、前記円弧リング溝の溝底から遠ざける方向に力を加えることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記弾性部材は、形状記憶合金により形成され、所定の温度により形状が変化し、前記円弧リングを、前記円弧リング溝の溝底から遠ざける方向の前記力が変化することが望ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、上記ピストンを備えることを特徴とする。

本発明に係るピストンは、ピストンリングの摩耗を抑制できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。また、以下の実施形態では、本発明に係るピストンを内燃機関に備えるものとして説明するが、ピストンを利用する装置であればよく、例えばピストンポンプに備えてもよい。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る内燃機関の模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関１は、乗用車やトラックなどの車両に搭載されて動力発生源となる。内燃機関１は、シリンダ１００内を往復運動するピストン１０が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４ストロークエンジンである。なお、本実施形態では、内燃機関１を、４ストロークエンジンとして説明するが、例えば、ピストンが１往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を行う、いわゆる２ストロークエンジンでもよい。

内燃機関１は、円筒形状に形成されるシリンダ１００の中心軸であるシリンダ軸線ＳＬ方向に往復運動するピストン１０と、燃焼室１０１と、クランク室１０２と、を備える。空気と燃料との混合気が燃焼する空間である燃焼室１０１は、ピストン１０を挟んでシリンダ軸線ＳＬ方向の一方側に設けられる。クランク室１０２は、燃焼室１０１とは反対側である他方側に設けられる。

内燃機関１は、燃焼室１０１に接続される吸気ポート１０３及び排気ポート１０４と、吸気ポート１０３内に燃料を噴射するインジェクタ１０５と、燃焼室１０１に導入された混合気に点火する点火プラグ１０６と、ピストン１０の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト１０７とを備える。さらに、内燃機関１は、シリンダヘッド１０８、シリンダブロック１０９及びクランクケース１１０を備える。なお、本実施形態では、内燃機関１は、吸気ポート１０３内に燃料を噴射する、いわゆるポート噴射形式の内燃機関として説明するが、本実施形態はこれに限定されず、例えば、内燃機関１は、燃焼室１０１に直接燃料を噴射する、いわゆる直噴式の内燃機関でもよい。

シリンダヘッド１０８は、シリンダブロック１０９に締結され、クランクケース１１０は、シリンダヘッド１０８とは反対側のシリンダブロック１０９に締結される。シリンダブロック１０９の内部には、上述した円筒形状のシリンダ１００が形成される。また、シリンダ１００の内壁面（以下シリンダ内壁面という）１００ａは、シリンダ１００内を往復運動するピストン１０と摺動する。

クランクシャフト１０７は、クランク室１０２に回転可能に支持される。ピストン１０は、後述するピストンピン１７ａにより回動可能にコネクティングロッド１１１の一端と連結される。クランクシャフト１０７は、コネクティングロッド１１１において、ピストン１０と連結される端部とは反対側の端部に回転可能に連結される。なお、クランクシャフト１０７とコネクティングロッド１１１との連結部をコネクティングロッド連結部１０７ｂとする。上記構成により、ピストン１０の往復運動は、クランクシャフト１０７の回転運動に変換されて、内燃機関１の出力として取り出される。なお、クランクシャフト１０７は、その回転をスムーズにするため、その軸周りにカウンタウェイト１０７ａを有する。

燃焼室１０１は、シリンダヘッド１０８においてシリンダ１００側の端面である筒内天井部１０１ａ、及びシリンダ１００のシリンダ内壁面１００ａ、及びピストン１０のクランク室１０２とは反対側の端面であるピストン頂部１０ａにより形成される空間である。

シリンダヘッド１０８の筒内天井部１０１ａには、上述した吸気ポート１０３及び排気ポート１０４が設けられる。吸気ポート１０３には吸気弁１１２が設けられ、吸気弁１１２は、吸気ポート１０３と燃焼室１０１とを連通する開口を所定のタイミングで開閉する。また、排気ポート１０４には排気弁１１３が設けられ、燃焼室１０１と排気ポート１０４とを連通する開口を所定のタイミングで開閉する。

インジェクタ１０５は、吸気ポート１０３内に燃料噴霧を噴射する。点火プラグ１０６は、燃焼室１０１の天井部分、すなわち、シリンダヘッド１０８の筒内天井部１０１ａの吸気ポート１０３と排気ポート１０４との間に設けられる。

さらに、内燃機関１は、マイクロコンピュータを中心として構成されることにより内燃機関１の各部を制御するＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ１１４（以下ＥＣＵ１１４という）により制御される。ＥＣＵ１１４は、インジェクタ１０５の燃料噴射タイミングや点火プラグ１０６の点火時期などを制御する。

インジェクタ１０５から燃料が噴射されると、吸気ポート１０３に連結された吸気通路１１５から吸入された空気とインジェクタ１０５から噴射された燃料とが混合して混合気が形成される。ピストン１０がシリンダ１００のクランク室１０２側へ、つまり下死点側へ移動すると、燃焼室１０１内に混合気が吸入される（吸気行程）。さらに、ピストン１０が吸気行程下死点を経てシリンダ１００内をシリンダヘッド１０８の筒内天井部１０１ａ側へ、つまり上死点側へ移動すると、混合気が圧縮される（圧縮行程）。

さらに、ピストン１０が圧縮行程上死点付近に近づくと、点火プラグ１０６により混合気に点火される。これにより、燃焼室１０１内で混合気が燃焼し、その燃焼圧力によりピストン１０を下死点側へ移動させる（膨張行程）。燃焼後の混合気（排気ガス）は、ピストン１０が下死点を経て上死点に向かって再び移動することで排気ポート１０４及び排気ポート１０４と連結される排気通路１１６を介して燃焼室１０１から排出される（排気行程）。上記構成により、本実施形態に係るピストン１０を備える内燃機関１は、クランクシャフト１０７から出力を得る。

図２は、本実施形態に係るピストンの構成を模式的に示す斜視図である。図２に示すように、実施形態に係るピストン１０は、円弧リング溝１１と、ピストンリング溝１２と、スカート部１６と、ピストンピン穴１７とを有する。また、ピストンリング溝１２は、トップリング溝１３と、セカンドリング溝１４と、オイルリング溝１５とから構成される。トップリング溝１３は、最もピストン頂部１０ａ側のピストン側周部１０ｂに形成され、コンプレッションリングであるトップリング１３ａが嵌め込まれる溝である。セカンドリング溝１４は、トップリング溝１３と隣接しコンプレッションリングであるセカンドリング１４ａが嵌め込まれる溝である。オイルリング溝１５は、最もクランク室１０２側（図１参照）に形成され、オイルリング１５ａが嵌め込まれる溝である。なお、ピストン側周部１０ｂは、ピストン１０の周方向の面のことである。また、トップリング１３ａ、セカンドリング１４ａ、オイルリング１５ａを総称してピストンリング１２ａとする。

図１に示すように、ピストンピン穴１７は、ピストン１０とコネクティングロッド１１１との連結部である。ピストンピン穴１７及びコネクティングロッド１１１の一方の端部に形成された連結穴に、ピストンピン１７ａが挿入されることにより、ピストン１０とコネクティングロッド１１１とは回動可能に連結される。

スカート部１６（図２中斜線で図示）は、ピストン１０の側周部であるピストン側周部１０ｂに形成され、ピストン１０がシリンダ１００内を往復運動中にピストン１０が傾倒することを抑制する。ここで、シリンダ軸線ＳＬと直交し、かつピストンピン１７ａの中心軸であるピストンピン軸線ＰＬと直交する方向の力をスラスト力とする。ピストン１０の傾倒は、ピストン１０がコネクティングロッド１１１から前記スラスト力を受けることにより生じる現象である。なおスラスト力とは、膨張行程及び吸気行程中に発生する正スラスト力と、圧縮行程及び排気行程中に発生する反スラスト力との両方を含んだ表現である。

正スラスト力及び反スラスト力は、図１に図示のクランクシャフト１０７の回転方向により決定する。本実施形態では、例えば図１に示すように、クランクシャフト１０７は、図中に矢印で示すクランクシャフト回転方向ＲＤの方向に回転するものとする。クランクシャフト回転方向ＲＤは、ピストン１０が下死点から上死点へ向かい、上死点から下死点へその移動方向が切り替わるときに、コネクティングロッド１１１との連結部であるコネクティングロッド連結部１０７ｂが、シリンダ軸線ＳＬを閾としたときに排気ポート１０４側から吸気ポート１０３側へ向かって回転する方向である。

このとき、図１に矢印で示すＦ１が正スラスト力となり、Ｆ２が反スラスト力となる。以下正スラスト力Ｆ１、反スラスト力Ｆ２と記載する。正スラスト力Ｆ１は、ピストン１０を吸気通路１１５側へ押圧する力であり、反スラスト力Ｆ２は、ピストン１０を排気通路１１６側へ押圧する力である。また、以下、ピストンピン軸線ＰＬを含み、かつピストン頂部１０ａと直交する面により分けられる２つのピストン部材のうち、正スラスト力Ｆ１が作用する側を正スラスト側、反スラスト力Ｆ２が作用する側を反スラスト側という。

円弧リング溝１１は、図２に図示する円弧状に形成される円弧リング１１ａが嵌め込まれる溝である。ここで、ピストン１０のピストン側周部１０ｂにおいて、トップリング溝１３とピストン頂部１０ａとの間の側周部をトップランド１０ｂ１、セカンドリング溝１４とトップリング溝１３との間の側周部をセカンドランド１０ｂ２、オイルリング溝１５とセカンドリング溝１４との間の側周部をオイルランド１０ｂ３とする。円弧リング溝１１は、本実施形態では正スラスト側のトップランド１０ｂ１に設けられる。

内燃機関１の膨張行程では、混合気が燃焼室１０１内で燃焼（爆発）することにより、ピストン１０が下死点に向かって移動する。この時、ピストン１０が受けるシリンダ軸線ＳＬ方向の力は最大となる。これに起因して、膨張行程における正スラスト力Ｆ１は、他の行程におけるスラスト力、すなわち吸気行程（正スラスト力Ｆ１）、圧縮行程（反スラスト力Ｆ２）、排気行程（反スラスト力Ｆ２）と比較して大きい。よって、ピストン側周部１０ｂの正スラスト側及びピストンリング１２ａの正スラスト側の部位の少なくとも一方に作用する面圧は、膨張行程中が最も大きい。

円弧リング１１ａは、スラスト力のうち最も大きな膨張行程中の正スラスト力Ｆ１を受ける。よって、円弧リング１１ａは、シリンダ内壁面１００ａと接触しているピストンリング１２ａに作用する面圧（正スラスト力Ｆ１）を好適に抑制できる。また、吸気行程中の正スラスト力Ｆ１も受けるので、その結果、円弧リング１１ａは、ピストンリング１２ａに作用する面圧を抑制できる。

図３は、本実施形態に係るピストンが傾倒している様子を示す図である。図３に示すように、ピストン１０は、膨張行程及び吸気行程中、正スラスト側のトップランド１０ｂ１が、吸気通路１１５（図１参照）側へ傾倒する傾向がある。よって、膨張行程及び吸気行程において、正スラスト側のピストン側周部１０ｂのうち、トップランド１０ｂ１の面圧が最も高くなる。最も面圧が高いスラスト側のトップランド１０ｂ１に円弧リング１１ａを設けることにより、好適にピストンリング１２ａの摩耗及びシリンダ内壁面１００ａの摩耗を抑制できる。

ここで、内燃機関において、内燃機関稼動時のピストンの熱分布は、通常ピストン頂部１０ａの近傍が最も高温となる。本実施形態では、円弧リング１１ａをピストン頂部１０ａ近傍であるトップランド１０ｂ１に設けたので、最も高温となるトップランド１０ｂ１から、円弧リング１１ａ及びシリンダ内壁面１００ａを介して、ピストン１０に対して比較的低温なシリンダ１００へ効率よく伝熱できる。

これにより、ピストン１０の温度が低下するので、ピストン１０の耐久性低下を抑制できる。さらに、ピストン１０が必要とする熱容量が低下するので、ピストン１０を軽量化できる。ピストン１０を軽量化により、スラスト力が低減されるので、ピストン１０や（特にピストンリング１２ａ）とシリンダ内壁面１００ａとの間のフリクション低減による摩耗抑制、内燃機関１の出力向上、コスト削減の効果が期待できる。

また、従来ピストンは、往復運動中にトップリング１３ａを支点に揺動（スラップ）するが、円弧リング１１ａをトップランド１０ｂ１に設けることにより、ピストン１０は、膨張行程及び吸気行程において円弧リング１１ａを支点として揺動する。つまり、トップリング１３ａよりもさらにピストン頂部１０ａ側に揺動の支点が移動するので、ピストンの揺動を抑制できる。これにより、ピストン１０から発生する騒音であるスラップ音を抑制できる。

図４は、本実施形態に係るピストンを示す図である。図４において、ピストン頂部１０ａよりもクランク室１０２側でシリンダ内壁面１００ａとトップリング１３ａとピストン側周部１０ｂとによって形成される空間（図中、網掛け部）を以下トップランドクレビス１８という。内燃機関１が動作するとき、トップランドクレビス１８においては、火炎が伝播しにくい。つまり、トップランドクレビス１８内の混合気は燃焼しにくい。よって排気ガス中の有害ガスであるＨＣが増加するおそれがある。本実施形態では、円弧リング１１ａをトップランド１０ｂ１に設けたことにより、トップランドクレビス１８の容積が減少する。よって、未燃燃料を減少させ、排気ガス中のＨＣを抑制できる。

なお、円弧リング溝１１は、正スラスト側のトップランド１０ｂ１に形成するのが好ましいが、ピストン側周部１０ｂ上に形成されていれば、ピストンリング１２ａの面圧を低減し、ピストン１０は、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗を抑制できる。また、ピストン１０からシリンダ１００への伝熱が促進されるので、ピストン１０の耐久性向上、ピストン１０の軽量化、ピストンリング１２ａとシリンダ内壁面１００ａとの間の摩耗抑制、内燃機関１の出力向上、コスト削減などの効果が期待できる。

図５は、本実施形態に係るピストン及び円弧リングを示す斜視図である。本実施形態では、円弧リング１１ａの中心角である円弧リング中心角θ１１ａは、例えばスカート部１６のスカート部中心角θ１６と同等に設定される。しかし、本実施形態は、これに限定されるものではなく、円弧リング中心角θ１１ａは、スカート部１６のスカート部中心角θ１６以上１８０度以下の範囲で適宜設定できる。

スラスト力のうち最も大きい正スラスト力Ｆ１を抑制するためには、円弧リング１１ａが、スラスト側のピストン側周部１０ｂに設けられることが好ましい。これにより、最も必要な部位のみに円弧リング１１ａを設けるので、ピストン１０の往復運動におけるフリクション増加を抑制できる。スラスト側以外のピストン側周部１０ｂにも円弧リング１１ａが設けられると、ピストン１０がシリンダ１００内を往復運動するときに、円弧リング１１ａとシリンダ内壁面１００ａとの慴動面が増加し、ピストン１０の往復運動におけるフリクションが増加するおそれがある。円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａが、１８０度以下であれば、ピストン１０の往復運動におけるフリクション増加を抑制しつつ、正スラスト力Ｆ１を抑制できる。これにより、ピストン１０は、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗を抑制できる。

スカート部１６は、先述したようにスラスト力によるピストン１０の傾倒を抑制するために設けられる。つまり、スカート部１６のスカート部中心角θ１６は、通常は、ピストン１０の往復運動におけるフリクション増加を抑制しつつ、スラスト力を抑制できる大きさに設定されている。よって、円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａが、スカート部１６のスカート部中心角θ１６以上であれば、正スラスト力Ｆ１を好適に抑制できる。正スラスト力Ｆ１の抑制により、ピストン１０は、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗を抑制できる。

円弧リング１１ａが嵌めこまれる円弧リング溝１１の中心角である円弧リング溝中心角θ１１は、円弧リング１１ａの中心角である円弧リング中心角θ１１ａよりも大きく設定される。

円弧リング溝１１の円弧リング溝中心角θ１１を、円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａよりも大きく設定することにより、円弧リング１１ａの両端部のうち、少なくとも一方が、円弧リング溝１１の端部に接触しない。これにより、円弧リング１１ａの両端部のうち、一方もしくは両方が、円弧リング溝１１の端部を攻撃しない。換言すると、円弧リング１１ａの両端部が、円弧リング溝１１の両端部を同時に攻撃することはない。また、円弧リング溝１１の両端部のうち、一方もしくは両方が、円弧リング１１ａの端部を攻撃しない。換言すると、円弧リング溝１１の両端部が、円弧リング１１ａの両端部を同時に攻撃することはない。よって、円弧リング１１ａ及び円弧リング溝１１の摩耗を抑制できる。

さらに、ピストン１０の温度（特に円弧リング溝１１近傍の基材の温度）及び円弧リング１１ａの温度がピストン１０及び円弧リング１１ａの使用環境下における最高温度の時、円弧リング溝１１の円弧リング溝中心角θ１１は、円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａより大きく設定するのが好ましい。この構成により、ピストン１０の温度及び円弧リング１１ａの温度が、高温であっても、同様に円弧リング１１ａ及び円弧リング溝１１の摩耗を抑制できる。

以上、本実施形態に係るピストン１０は、シリンダ１００内を往復運動するピストンにおいて、流体の圧力を受けるピストン頂部１０ａと、ピストン頂部１０ａに設けられるピストン側周部１０ｂと、ピストン側周部１０ｂに形成されて、ピストンリング１２ａが嵌め込まれるピストンリング溝１２と、ピストン側周部１０ｂに形成されて、円弧状のリングである円弧リング１１ａが嵌め込まれる円弧リング溝１１と、を備えることを特徴とする。

上記構成により、ピストン１０が円弧リング１１ａ備えるので、ピストン１０とシリンダ内壁面１００ａとの接触面積が増えることに起因し、ピストンリング１２ａが負担するスラスト力（面圧）が低減し、ピストン１０は、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗を抑制できる。

また、ピストン１０とシリンダ内壁面１００ａとの接触面積が増えることに起因し、ピストン１０の熱がピストンリング１２ａ及びシリンダ内壁面１００ａを介してピストン１０と比較して低温なシリンダ１００へ伝熱しやすくなる。よって、ピストンリング溝１２の摩耗、ピストンリング１２ａの摩耗、ピストン１０の耐久性が向上する。また、熱がピストン１０からシリンダ１００へ伝熱しやすくなることにより、ピストン１０が必要とする熱容量が減少するので、ピストン１０を軽量化できる。軽量化により、ピストンリング１２ａとシリンダ内壁面１００ａとの間の摩耗抑制、内燃機関１の出力向上、コスト削減などの効果がさらに期待できる。

本実施形態では、円弧リング溝１１は、ピストン１０をコネクティングロッド１１１と連結するピストンピン１７ａの中心軸であるピストンピン軸線ＰＬを含み、かつピストン頂部１０ａと直交する面により分けられる２つの側周部のうち、ピストン１０の往復運動中に、より大きな力が負荷される方（正スラスト側）に形成されることが望ましい。

上記構成により、円弧リング溝１１は、ピストンリング１２ａの面圧を低下するのに必要な部位に円弧リング１１ａを設けるので、ピストン側周部１０ｂの全周に円弧リング１１ａを設けなくてもよい。これによって、ピストン１０の往復運動におけるフリクションを抑制しつつ、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗ならびにシリンダ内壁面１００ａの摩耗を抑制できる。

本実施形態では、ピストン側周部１０ｂは、ピストン１０の往復運動中にピストン１０が傾倒するのを抑制するスカート部１６を有し、円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａは、スカート部１６のスカート部中心角θ１６以上、１８０度以下の範囲であることが望ましい。

上記構成により、円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａが、１８０度以下であれば、ピストン１０の往復運動におけるフリクション増加を抑制しつつ、正スラスト力Ｆ１を抑制できる。これにより、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗を抑制できる。また、円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａが、スカート部１６のスカート部中心角θ１６以上であれば、正スラスト力Ｆ１を抑制できる。よって、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗を抑制できる。

本実施形態では、円弧リング溝１１は、ピストンリング溝１２のうち最もピストン頂部１０ａ側のピストンリング溝１２であるトップリング溝１３と、ピストン頂部１０ａとの間におけるピストン側周部１０ｂであるトップランド１０ｂ１に形成されることが望ましい。

上記構成により、最も面圧が高いスラスト側のトップランド１０ｂ１に円弧リング１１ａを設けたので、好適にピストンリング１２ａの摩耗及びシリンダ内壁面１００ａの摩耗を抑制できる。また、高温部であるトップランド１０ｂ１から、ピストン１０に対して比較的低温なシリンダ１００へ円弧リング１１ａ及びシリンダ内壁面１００ａを介して好適に熱を伝達できる。これにより、ピストン１０の温度が低下するので、ピストン１０の耐久性が向上する。

さらに、ピストン１０が必要とする熱容量が低下するので、ピストン１０を軽量化できる。その結果、ピストン１０（特にピストンリング１２ａ）とシリンダ内壁面１００ａとの間のフリクション低減による摩耗抑制、内燃機関１の出力向上、コスト削減の効果が期待できる。さらに、トップリング１３ａよりもさらにピストン頂部１０ａ側にピストン１０が揺動する際の支点が移動するので、ピストンの揺動を抑制できる。これにより、ピストン１０から発生する騒音であるスラップ音を抑制できる。

本実施形態では、ピストン１０の温度及び円弧リング１１ａの温度がピストン１０及び円弧リング１１ａの使用環境下における最高温度の時、円弧リング溝１１の円弧リング溝中心角θ１１は、円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａより大きいことが望ましい。

上記構成により、円弧リング１１ａの両端部のうち、一方もしくは両方が、円弧リング溝１１の端部を攻撃しない。また、円弧リング溝１１の両端部のうち、一方もしくは両方が、円弧リング１１ａの端部を攻撃しない。よって、円弧リング１１ａ及び円弧リング溝１１の摩耗を抑制できる。

（実施形態２）
図６は、本実施形態に係るピストンの構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態に係る内燃機関２が備えるピストン２０は、上述した実施形態１に係るピストン１０とほぼ同様の構成であるが、本実施形態に係るピストン２０は、弾性部材としてのコイルバネ２１を介して、円弧リング１０ａは、円弧リング溝１０ｂに装着される点で、実施形態１に係るピストン１０と異なる。なお、上述の実施形態と同一の構成は、同一の符号を付す。

図６に示すように、ピストン２０は、弾性部材としてのコイルバネ２１を介して、円弧リング溝１０ｂに装着されるここで、円弧リング１１ａの周方向の両端面を円弧リング端面１１ａｃ、円弧リング１１ａが円弧リング溝１１に装着されるとき、円弧リング端面１１ａｃと対向する円弧リング溝１１の端面を円弧リング溝端面１１ｃとする。また、円弧リング溝１１の溝底を円弧リング溝底１１ｂとし、円弧リング１１ａが円弧リング溝１１に嵌め込まれたときに、円弧リング溝底１１ｂと対向する円弧リング１１ａの内側面を円弧リング内側面１１ａｂとする。

コイルバネ２１は、例えば、円弧リング１１ａの両端の円弧リング端面１１ａｃにそれぞれ１個ずつ、合計２個固定される。円弧リング１１ａが円弧リング溝１１に嵌め込まれたとき、コイルバネ２１は、円弧リング端面１１ａｃと、円弧リング溝端面１１ｃとの空隙にそれぞれ設けられ、互いに円弧リング１１ａを周方向に押圧する。

ここで、通常のピストンリングは、自己張力により、ピストンリング自身をシリンダ内壁面１００ａ（図１参照）に押圧している。しかしながら、本実施形態に係る円弧リング１１ａの円弧リング中心角θ１１ａは、１８０度以下である。よって、通常のピストンリングと比較し、ピストンリング自身をシリンダ内壁面１００ａに押圧する力が弱い。加えて、円弧リング１１ａの自己張力は、円弧リング１１ａの両端部近傍が最も強くなり（図中、張力Ｆ４、張力Ｆ５）、円弧リング１１ａの両端部近傍が偏摩耗しやすい。

本実施形態において、円弧リング１１ａは、その両端部である円弧リング端面１１ａｃに、コイルバネ２１から円弧リング１１ａの周方向に押圧力を受ける。これにより、円弧リング１１ａを円弧リング溝底１１ｂから遠ざける方向の力（図中、押圧力Ｆ３）が、円弧リング１１ａの周方向における中心近傍に働く。これにより、円弧リング１１ａに働く力の分布が均一化され、円弧リング１１ａの両端部近傍の偏摩耗を抑制できる。また、押圧力Ｆ３が、円弧リング１１ａに加わるので、円弧リング１１ａのコンプレッションリングとしての機能が向上し、燃焼室１０１（図１参照）から、クランク室１０２（図１参照）へ抜ける燃焼ガス、もしくは、クランク室１０２（図１参照）から燃焼室１０１（図１参照）へ抜けるガスを抑制できる。

さらに、ピストン２０は、円弧リング１１ａの両端部である円弧リング端面１１ａｃと円弧リング溝端面１１ｃとの空隙に、弾性部材としてのコイルバネ２１を有するので、円弧リング端面１１ａｃと円弧リング溝端面１１ｃとが互いに攻撃し合う現象をコイルバネ２１が緩和する。これにより、円弧リング端面１１ａｃと円弧リング溝端面１１ｃとの間で発生する摩耗を抑制できる。

なお、本実施形態では、コイルバネ２１は、円弧リング端面１１ａｃに固定されるものとしたが、円弧リング溝端面１１ｃに固定されてもよく、また円弧リング端面１１ａｃ及び円弧リング溝端面１１ｃの両方に固定されていてもよい。

図７は、本実施形態に係る他のピストンの構成を模式的に示す斜視図である。上述したように、本実施形態では、円弧リング端面１１ａｃと円弧リング溝端面１１ｃとの空隙にコイルバネ２１を、それぞれ１個ずつ合計２個設けた。しかし、本実施形態においては、円弧リング１１ａを円弧リング溝底１１ｂから遠ざける方向の押圧力Ｆ３を円弧リング１１ａの周方向における中心近傍に働かせる位置であれば、コイルバネ２１の設置位置及び個数は上述したものに限定されない。

ここで、図７に示すように、コイルバネ２１は、例えば、円弧リング溝底１１ｂと円弧リング内側面１１ａｂとの空隙において、周方向の中心近傍に設けられる。これにより、コイルバネ２１は、円弧リング１１ａを円弧リング溝底１１ｂから遠ざける方向に押圧力Ｆ３を円弧リング１１ａの周方向の中心近傍に与える。これにより、ピストン１０は、円弧リング１１ａの両端部近傍の偏摩耗を抑制できる。

また、円弧リング溝底１１ｂと円弧リング内側面１１ａｂとの間で発生する互いへの攻撃をコイルバネ２１が緩和するので、円弧リング溝底１１ｂ及び円弧リング内側面１１ａｂの摩耗を抑制できる。さらに、押圧力Ｆ３が円弧リング１１ａに加わるので、円弧リング１１ａのコンプレッションリングとしての機能が向上する。その結果、ピストン２０は、燃焼室１０１（図１参照）から、クランク室１０２（図１参照）へ抜ける燃焼ガス、もしくは、クランク室１０２（図１参照）から燃焼室１０１（図１参照）へ抜ける燃焼ガスを抑制できる。

コイルバネ２１は、円弧リング溝底１１ｂ及び円弧リング内側面１１ａｂ両方に固定されることが好ましい。これにより、円弧リング溝１１内における円弧リング１１ａの周方向の動きが、コイルバネ２１の伸縮可能範囲に規制されるので、円弧リング端面１１ａｃと円弧リング溝端面１１ｃとの間で発生する互いへの攻撃をコイルバネ２１が緩和する。これにより、円弧リング端面１１ａｃと円弧リング溝端面１１ｃとの間で発生する摩耗を抑制できる。

なお、本実施形態では、弾性部材としてのコイルバネ２１の材料は、耐熱性の金属が好ましいが、温度により形状が変化する形状記憶合金により構成されるとより好ましい。

コイルバネ２１は、例えば、チタン−ニッケル系の形状記憶合金によって構成される。チタン−ニッケル系の形状記憶合金は、さらに任意の第３元素を加え、その第３元素の配合量を調整することにより、自身（形状記憶合金）の形状が変化する温度を任意に設定できる。よって、本実施形態では、所定の温度になると、コイルバネ２１のバネ長（コイルバネ２１の軸方向長さ）が変化し、押圧力Ｆ３が大きくなるように設定される。

図８は、機関回転数と本実施形態に係るコイルバネ２１の押圧力Ｆ３との関係、ならびに機関回転数と燃焼室から、クランク室へ抜けるガス量及びオイル消費量との関係を示す図である。機関回転数が上昇すると、ピストンの温度及びシリンダの温度が上昇する。よって、通常は、機関回転数が上昇するとピストン及びシリンダの熱膨張係数の差異や、ピストン及びシリンダの熱変形により、ブローバイガス及びオイル消費が問題となる。具体的には、図８に示すように、ブローバイガス量及びオイル消費量は、機関回転数がおよそ３０００回転を超えると、単位機関回転数あたりのブローバイガス量の増加量及びオイル消費量の増加量が大きくなる。よって、機関回転数が高回転のときほど、内燃機関は、コンプレッションリング及びオイルリングの張力（シリンダ内壁面を押圧する力）をより必要とする。

そこで、本実施形態に係るコイルバネ２１は、機関回転数が３０００回転のときの平均的なピストンの温度である１５０℃を境界として形状が変化する。つまり、図８に示すように、１５０℃近傍でコイルバネ２１のバネ長が変化し、押圧力Ｆ３が大きくなるようコイルバネ２１の材料である形状記憶合金を構成する。これにより、機関回転数がおよそ３０００回転を超えると、円弧リング１１ａをシリンダ内壁面１００ａに押圧する押圧力Ｆ３が増加するので、ピストン２０は、ブローバイガス及びオイル消費を抑制できる。特許請求の範囲に記載の所定の温度とは、コイルバネ２１の形状が変化するときの温度である。

なお、本実施形態では、弾性部材としてコイルバネを用いたが、弾性部材であれば、例えば、板バネ、ゴムを利用してもよい。

以上、本実施形態に係るピストン２０は、シリンダ１００内を往復運動するピストンにおいて、流体の圧力を受けるピストン頂部１０ａと、ピストン頂部１０ａに設けられるピストン側周部１０ｂと、ピストン側周部１０ｂに形成されて、ピストンリング１２ａが嵌め込まれるピストンリング溝１２と、ピストン側周部１０ｂに形成されて、円弧状のリングである円弧リング１１ａが嵌め込まれる円弧リング溝１１と、を備えることを特徴とする。

上記構成により、ピストン２０が円弧リング１１ａ備えるので、ピストン２０とシリンダ内壁面１００ａとの接触面積が増えることに起因し、ピストンリング１２ａが負担するスラスト力（面圧）が低減し、ピストンリング溝１２及びピストンリング１２ａの摩耗を抑制できる。

本実施形態では、円弧リング１１ａは、円弧リング溝１１に弾性部材としてのコイルバネ２１を介して装着され、コイルバネ２１は円弧リング１１ａを、円弧リング溝１１の溝底である円弧リング溝底１１ｂから遠ざける方向に力を加えることが望ましい。

上記構成により、ピストン２０は、円弧リング１１ａの両端部近傍の偏摩耗を抑制できる。また、円弧リング１１ａと円弧リング溝１１との間で発生する互いへの攻撃をコイルバネ２１が緩和するので、ピストン２０は、円弧リング１１ａ及び円弧リング溝１１の摩耗を抑制できる。さらに、円弧リング１１ａがコンプレッションリングとして機能するので、ピストン２０は、燃焼室１０１（図１参照）から、クランク室１０２（図１参照）へ抜けるガス、もしくは、クランク室１０２（図１参照）から燃焼室１０１（図１参照）へ抜けるガスを抑制できる。

本実施形態では、コイルバネ２１は、形状記憶合金により形成され、所定の温度により形状が変化し、円弧リング１１ａを、円弧リング溝底１１ｂから遠ざける方向の押圧力Ｆ３が変化することが望ましい。

上記構成により、コイルバネ２１の温度が所定の温度を超えると、円弧リング１１ａをシリンダ内壁面１００ａに押圧する押圧力Ｆ３が増加するので、ピストン２０は、燃焼室１０１（図１参照）から、クランク室１０２（図１参照）へ抜けるガス、もしくは、クランク室１０２（図１参照）から燃焼室１０１（図１参照）へ抜けるガス及びオイル消費を抑制できる。

以上のように、本発明に係るピストン及び内燃機関は、ピストンリングを備えるピストン及び内燃機関に有用であり、特にピストンリングの摩耗を抑制することに有用である。

実施形態１に係る内燃機関の模式的断面図である。 実施形態１に係るピストンの構成を模式的に示す斜視図である。 実施形態１に係るピストンが傾倒している様子を示す図である。 実施形態１に係るピストンを示す図である。 実施形態１に係るピストン及び円弧リングを示す斜視図である。 実施形態２に係るピストンの構成を模式的に示す斜視図である 実施形態２に係る他のピストンの構成を模式的に示す斜視図である。 機関回転数と実施形態２に係るコイルバネ２１の押圧力Ｆ３との関係、ならびに機関回転数とブローバイガス量及びオイル消費量との関係を示す図である。

符号の説明

１、２ 内燃機関
１０、２０ ピストン
１０ａ ピストン頂部
１０ｂ ピストン側周部
１０ｂ１ トップランド
１０ｂ２ セカンドランド
１０ｂ３ オイルランド
１１ 円弧リング溝
１１ａ 円弧リング
１１ａｂ 円弧リング内側面
１１ａｃ 円弧リング端面
１１ｂ 円弧リング溝底
１１ｃ 円弧リング溝端面
１２ ピストンリング溝
１２ａ ピストンリング
１３ トップリング溝
１３ａ トップリング
１４ セカンドリング溝
１４ａ セカンドリング
１５ オイルリング溝
１５ａ オイルリング
１６ スカート部
１７ ピストンピン穴
１７ａ ピストンピン
１８ トップランドクレビス
２１ コイルバネ
１００ シリンダ
１００ａ シリンダ内壁面
１０１ 燃焼室
１０２ クランク室
１０３ 吸気ポート
１０４ 排気ポート
１０５ インジェクタ
１０６ 点火プラグ
１０７ クランクシャフト
ＳＬ シリンダ軸線
ＰＬ ピストンピン軸線
ＲＤ クランクシャフト回転方向
Ｆ１ 正スラスト力
Ｆ２ 反スラスト力
Ｆ３ 押圧力
Ｆ４ 張力
Ｆ５ 張力
θ１１ 円弧リング溝中心角
θ１１ａ 円弧リング中心角
θ１６ スカート部中心角

Claims (8)

1. シリンダ内を往復運動するピストンにおいて、
   流体の圧力を受ける頂部と、
   前記頂部に設けられる側周部と、
   前記側周部に形成されて、ピストンリングが嵌め込まれるピストンリング溝と、
   前記側周部に形成されて、円弧状のリングが嵌め込まれる円弧リング溝と、
   を備えることを特徴とするピストン。
2. 前記円弧リング溝は、前記ピストンをコネクティングロッドと連結するピストンピンの中心軸を含み、かつ前記ピストン頂部と直交する面により分けられる２つの前記側周部のうち、前記ピストンの往復運動中に、より大きな力が負荷される方に形成されることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記側周部は、前記ピストンが往復運動中に前記ピストンが傾倒するのを抑制するスカート部を有し、前記円弧リングの中心角は、前記スカート部の中心角以上１８０度以下の範囲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。
4. 前記円弧リング溝は、前記ピストン頂部と、前記ピストンリング溝のうち最も前記ピストン頂部側のピストンリング溝との間における前記側周部に形成され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。
5. 前記ピストンの温度及び前記円弧リングの温度が前記ピストン及び前記円弧リングの使用環境下における最高温度の時、前記円弧リング溝の中心角は、前記円弧リングの中心角より大きい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。
6. 前記円弧リングは、前記円弧リング溝に弾性部材を介して装着され、前記弾性部材は、前記円弧リングを前記円弧リング溝の溝底から遠ざける方向の力を加えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のピストン。
7. 前記弾性部材は、所定の温度を境界として形状が変化する材料で形成されて、前記円弧リングを、前記円弧リング溝の溝底から遠ざける方向の前記力が変化することを特徴とする請求項６に記載のピストン。
8. シリンダと、
   前記シリンダ内で往復運動する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のピストンと、
   前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。

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