JP2010084654A - 内燃機関用のコンプレッションリング及び内燃機関用ピストン構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性及び耐摩耗性に優れた内燃機関用のコンプレッションリング及び内燃機関用ピストン構造の提供を目的とする。
【解決手段】上記課題に対し、外側リングの内周側に同心円状に内側リングを重ねて配置したコンプレッションリングとし、当該内側リングは、その外径が当該外側リングの内径より大きく、内側リングの内径が当該外側リングの内径より小さく、且つ、内側リングの内周面と当該リング溝のリング溝底面とが接触可能なリング幅Ａを有し、当該外側リングは、ピストン軸方向の一面側の内周側に、内側リングを載置可能な内周方向に沿った段差面であるピストン軸に対して径方向の幅Ｂのインナーカット部を備え、当該ピストン軸に対して径方向における外側リングと内側リングとの径方向重なり距離が、幅Ｂのインナーカット部に対し、内側リングのリング幅Ａの（１／２）Ａ以上を接触載置した内燃機関用のコンプレッションリングを採用した。
【選択図】図１

Description

本件発明は、内燃機関用ピストンにおいて、ピストンのリング溝に装着するコンプレッションリング及び内燃機関用ピストン構造に関し、特に、リング溝へのコンプレッションリングの装着構造に関する。

内燃機関用のピストンは、燃焼室とクランク室とを接続するシリンダ内部に取り付けられるものであり、ピストンがシリンダの内壁面を摺動可能に収納されている。図１２は、一般的なピストン１００の部分断面図であり、ピストン１００がシリンダ２００に挿入された状態を模式図として示す。図１２に示すように、一般的に、ピストン外周には、３箇所のリング溝１０１〜１０３が形成され、当該リング溝１０１〜１０３に燃焼室側（図１２の上方）から順に、ファーストコンプレッションリング３００ａ、セカンドコンプレッションリング３００ｂ、オイルリング３００ｃからなるピストンリングが装着される。このピストンリングは、燃焼室側に装着するコンプレッションリング３００ａ，３００ｂと、クランク室側（図１２の下方）に配置されるオイルリング３００ｃとに大別される。コンプレッションリング３００ａ，３００ｂは、燃焼室側の燃焼ガスがクランク室側へ流入するのを防ぐとともに、ピストンの熱をシリンダ内壁面２０１側に放出するものである。一方、オイルリング３００ｃは、シリンダ内壁面にある余分なオイルをかき落としてオイル戻し穴４００から戻すことにより、シリンダライナ内壁面２０１の油膜を適切な状態に保持するものである。

次に、図１３は、従来の一般的なコンプレッションリング（ファーストコンプレッションリング）の装着態様を示す図であり、ピストン１００がシリンダライナ２００に挿入された状態で、コンプレッションリング３００ａは、その外周摺動面３０１が、ピストンを収容するシリンダ２００のシリンダライナ内壁面２０１に当接しており、内燃機関の動作時には、当該シリンダライナ内壁面２０１に対して摺動する。そのため、コンプレッションリング３００ａとシリンダライナ内壁面２０１とは、当接した状態を保時しなければならない。しかし、コンプレッションリング３００ａは、使用に伴い、シリンダライナ内壁面２０１との摺動面である外周摺動面３０１が摩耗することによって、燃焼ガス圧が、初期状態よりも増加し、更に摩耗を増長させてしまう。そのため、コンプレッションリング３００ａは、シリンダライナ内壁面２０１との摺動状態を好適な状態に保つことが重要である。

ここで、コンプレッションリング３００ａが当該リング溝１０１に収容された際、リング溝１０１の底面１０１ａとリング内周面３０２との間にバッククリアランス領域Ｓが形成される。このバッククリアランス領域Ｓに燃焼ガスが流入すると、その分、バッククリアランス領域Ｓの内圧が高くなり、コンプレッションリング３００ａを、シリンダライナ内壁面２０１側に押す圧力が高くなり、コンプレッションリング３００ａとシリンダライナ内壁面２０１との摩擦力が高まり、コンプレッションリング３００ａ及びシリンダライナ内壁面２０１が摩耗しやすくなる。

このような問題を解決するため、コンプレッションリングの他に、バッククリアランス領域を封鎖するためのリングを補助的に設けて、リング溝のバッククリアランス領域のシール性を強化する技術が検討されている。例えば、特許文献１には、ピストンの作業空間を封鎖するための外方偏倚ピストンリングの他に、内方偏倚封鎖リングをピストンリングの圧力側に配置し、ピストンリングの裏側に圧力媒体が流入するのを防ぐ技術が開示されている。

また、コンプレッションリングの気体密封性を高めるために、例えば、特許文献２、特許文献３に開示されているように、主リングと補助リングとを組み合わせて用い、ピストンのリング溝に挿入する主リングよりも、リング溝の底部側に補助リングを配置する技術が考えられてきた。

特開昭５４−６４２５１号公報 実開平６−２５５３２号公報 特開昭６１−１９０１５４号公報

しかし、特許文献１に開示の技術では、内方偏倚封鎖リングの軸方向厚さが、外方偏倚ピストンリングの軸方向厚さに対して相対的に大きく、ピストンが駆動する際のピストンの上死点到達時に、ピストンリングがリング溝の上端面と当接しない構成となっている。このため、ピストンリング溝において、ピストンリングの燃焼室側に繋がるスペースが大きく生じる。その結果、ピストンの上死点到達時に、燃焼室側に露出する外方偏倚ピストンリングの軸方向の距離と合口隙間とにより求められる合口面積が大きくなるため、オイル消費量が多くなる。また、ピストンの摺動時に、内方偏倚封鎖リングと外方偏倚ピストンリングとの接触面部に隙間が生じやすい構成となっており、ガスシール性に欠ける。そのため、特許文献１では、更に、内方偏倚封鎖リングを外方偏倚ピストンリングに圧着させるために、内方偏倚封鎖リングの頂部表面の外方に環状くぼみを形成したり、内方偏倚封鎖リングの上方におけるピストンリング溝の間隙にばねリングを挿入して防止する例が開示されているが、構成が複雑とならざるを得ない。

また、特許文献２に開示の発明の場合、クリアランス部を覆うために、補助リングを挿入するための挿入溝を形成し、この挿入溝の下面部と、圧縮リングの上面部に有する段部の上面部とのそれぞれに面接触させて補助リングを跨設する構成となっている。そのため、挿入溝の下面部と、圧縮リングの段部の上面部とを面一にさせなければならないが、両者を面一に製造することは加工精度を考えると、量産が困難と言える。また、補助リングを挿入溝に挿入配置することも難しく、組み立てが困難で実用性に欠ける。

特許文献３に開示の発明の場合、内側の補助密封リングが、環状ピストンリング溝の軸方向に伸びる壁と常時接触しているが偏向可能とすることにより、ピストンの運動時も圧縮リングの溝と、補助密封リングとを、常に当接させられるようにしている。すなわち、補助密封リングを偏向可能とするために、補助密封リングの環状ピストンリング溝側の端部を丸い端とし、補助密封リングが弾性的に圧縮リング側に片寄せられて接触させる構成としている。したがって、補助密封リングと主リングとの接触は線接触となっており、接触面積が不十分である上に、シール性は、補助密封リングの偏向性に依存しているので、リングのねじれや、ピストンの往復運動に伴って生じる振動等により、補助密封リングと主リングとの間に隙間が生じやすく、シール安定性に欠ける。更に、燃料圧が圧縮リングの内周面側に加わる為、リングの外周摺動面の摩耗及びシリンダライナ側の摩耗が増加し、リングの合口部や当たり幅の拡大を引き起こし、ブローバイガスの発生やオイル消費量に影響を与えるおそれがある。

以上のことから、シール性に優れ、且つ、耐摩耗性に優れるコンプレッションリングが求められてきた。

そこで、本発明者等は、以下に示す内燃機関用のコンプレッションリング及び内燃機関用ピストン構造を採用することで、上記課題を達成できることに想到した。

本件発明に係るコンプレッションリング： 本件発明に係るコンプレッションリングは、内燃機関に用いられるピストンの外周に形成されたリング溝内に装着する内燃機関用のコンプレッションリングであって、当該コンプレッションリングは、外側リングの内周側に同心円状に内側リングを重ねて配置したものであり、当該内側リングは、その外径が当該外側リングの内径より大きく、内側リングの内径が当該外側リングの内径より小さく、且つ、内側リングの内周面（以下、単に「内側リング内周面」と記す。）と当該リング溝のリング溝底面とが接触可能なリング幅Ａを有し、当該外側リングは、ピストン軸方向の一面側の内周側に、内側リングを載置可能な内周方向に沿った段差面であるピストン軸に対して径方向の幅Ｂのインナーカット部を備え、当該ピストン軸に対して径方向における外側リングと内側リングとの径方向重なり距離が、幅Ｂのインナーカット部に対し、内側リングのリング幅Ａの（１／２）Ａ以上を接触載置したことを特徴とする。

また、本件発明に係るコンプレッションリングでは、前記外側リングのインナーカット部の段差のピストン軸方向の高さをＣとし、内側リングのピストン軸方向の厚さをＤとしたとき、Ｃ＞Ｄの関係を満たすものであることがより好ましい。

本件発明に係る内燃機関用ピストン構造： 本件発明に係る内燃機関用ピストン構造は、ピストンの外周に形成されたリング溝内に上述の内燃機関用のコンプレッションリングを装着した内燃機関用ピストン構造であって、ピストンの外周に形成されたリング溝内に、当該コンプレッションリングの外側リングの内周側に同心円状に内側リングを重ねて配置したとき、外側リングの内周面（以下、単に「外側リング内周面」と記す。）とリング溝との間にバッククリアランス領域を備え、且つ、内側リングの内周面と当該リング溝のリング溝底面とが接触して、燃焼室内の燃焼ガスのバッククリアランス領域への流入制御を行うことを特徴とする。

本件発明に係る内燃機関用ピストン構造では、前記リング溝底面のクランク室側には、前記外側リングが拡大する方向に受ける圧力を調整するために、前記バッククリアランス領域の容積を調節するための調整溝部を更に形成したものであることがより好ましい。

本件発明に係るコンプレッションリングは、リング溝へ装着した場合に、リング溝内におけるバッククリアランス領域のシール性を高く維持させることができ、バッククリアランス領域に燃焼ガスが流入することを防ぐことができる。そして、本件発明に係る内燃機関用ピストン構造は、リング溝において、コンプレッションリングの内周面側に形成されるバッククリアランス領域に燃焼ガスが流入することを防ぐことができるので、バッククリアランスから、コンプレッションリングの内周面側に加わる圧力が必要以上に増大することを防ぎ、コンプレッションリングの外周側への過度な拡張を抑え、コンプレッションリングの外周摺動面と、このコンプレッションリングの外周摺動面と接触するシリンダライナ内壁面との摩耗を抑制することができる。その結果、コンプレッションリングとシリンダライナ内壁との摺動面の摺動状態を好適な状態に保持可能な構造となり、耐摩耗性を向上させることができる。

以下、本件発明に係るコンプレッションリングと、内燃機関用ピストン構造のそれぞれの形態に関して説明する。

本件発明に係るコンプレッションリングの形態： 本件発明に係るコンプレッションリングは、内燃機関用ピストンの外周に形成されたリング溝内に装着するものであり、内側リングと外側リングとからなる。そして、主要なリングである外側リングの内周側に同心円状に内側リングを重ねて配置した状態で組み合わせて用いるものである。まず、図１を用いて、外側リング及び内側リングについて説明する。図１は、本件発明に係るコンプレッションリングの第１実施形態におけるリング溝内の状態を示す部分断面図である。

外側リング３は、ピストンリング本来の役割を担うものであり、その外径は、シリンダライナ５の内周径と略等しく、外側リング３が有する張力によって、外側リング３の外周摺動面３１がシリンダライナ内壁面５１と当接する。ここで、ピストンの往復時は、ピストン６とシリンダライナ内壁面５１との間隙が変動する。そのため、リング溝２には、外側リング内周面３２とリング溝底面２１との間に、バッククリアランス領域Ｓが予め形成されている。したがって、外側リング３の径方向の幅は、リング溝２の径方向幅より小さい。そして、燃焼室側にあるピストン軸方向の一面側３３の内周側に、内側リングを載置可能な内周方向に沿った段差面であり、ピストン軸に対して径方向の幅Ｂを有するインナーカット部を備える。

インナーカット部９は、図１に示すように、外周側におけるピストン軸方向の厚さＷ１より、内周側におけるピストン軸方向の厚さＷ２の方が小さくなるような高さＣを有する断面略Ｌ字形状の段差として、外側リング３の燃焼室側のピストン軸方向の一面側３３に形成される。このインナーカット部９は、外側リング３の外周側のピストン軸方向の一面側３３に対して略垂直に形成された壁部９１と、後述する内側リング４を載置可能な内周方向に沿った段差面であり、ピストン軸に対して径方向の幅Ｂを有する平面部９２とにより段差が形成される。インナーカット部９の平面部９２は、内側リング４との当接面となるので、少なくともピストン６の軸に対して垂直な平面となる。

一方、壁部９１は、前記外側リングのインナーカット部の段差のピストン軸方向の高さをＣとし、内側リングのピストン軸方向の厚さをＤとしたとき、Ｃ＞Ｄの関係を満たすように形成されれば良く、その断面形状は特に限定しない。例えば、図１に示す例では、外側リング３の外周側のピストン軸方向の一面側３３に対して略垂直であり、その角部が面取りされているが、壁部９１は、後述する内側リング４のピストン軸方向の厚さＤに応じて、Ｃ＞Ｄとなる高さＣがあれば良い。

このように、外側リング３には、インナーカット部９が形成されるので、外側リング３のピストン軸方向の厚さＷ１は、外周側と内周側とで異なる。外周側のピストン軸方向の厚さＷ１は、リング溝２の開口幅Ｗ３よりやや小さく、リング溝２内に収容された状態で、当該外側リング３が摺動可能であり、且つ、外側リング３の燃焼室側のピストン軸方向の一面側３３とリング溝の燃焼室側の側壁２２との隙間を極力抑えた厚さとする。

外側リング３の外周側のピストン軸方向の厚さＷ１は、リング溝２の開口幅Ｗ３の９４％〜９９．５％であることが好ましい。外側リング３の外周側のピストン軸方向の厚さＷ１が、リング溝２の開口幅Ｗ３の９９．５％を超えると、リング溝２内における外側リング３の円滑な摺動が不可能となる。一方、外側リング３の外周側のピストン軸方向の厚さＷ１が、リング溝２の開口幅Ｗ３の９４％未満であると、リング溝２の側壁２２と、外側リング３のピストン軸方向の一面側３３との空隙が大きくなり、燃焼ガスにより内側リング４に負荷される圧力が大きくなる上に、ピストンの運動に伴う外側リング３の軸方向への移動領域が大きくなる為、シール性の維持が困難となる。

一方、外側リング３の内周側のピストン軸方向の厚さＷ２は、外周側のピストン軸方向の厚さＷ１から、インナーカット部９の段差の高さＣの分だけ小さくなる。インナーカット部９の段差の高さＣは、上述の通り、内側リングのピストン軸方向の厚さをＤとしたとき、Ｃ＞Ｄの関係を満たすように形成される。ここで、インナーカット部９の段差の高さＣを必要以上に大きくすると、外側リング３全体の強度に影響する。したがって、インナーカット部９の段差の高さＣは、内側リング４のピストン軸方向の厚さＤに対して僅かに大きいものとすることが好ましい。また、インナーカット部９の段差の高さＣと、内側リング４のピストン軸方向の厚さＤとの差が大きすぎると、ピストン６の往復時における内側リング４の可動範囲が大きくなり、安定したガスシール性が得られない。

そして、インナーカット部９を除く部分の外側リング３の基本的な形状は、レクタンギュラ型、キーストン型、ハーフキーストン型等の断面形状のものを採用することができる。また、外側リング３の外周摺動面３１の形状は、バレルフェース型、偏心バレルフェース型、テーパ型等を設計に応じて適宜選定可能である。

次に、内側リング４は、断面形状がレクタンギュラ型のリングである。内側リング４は、その外径が当該外側リング３の内径より大きく、内側リング４の内径が当該外側リング３の内径より小さく、且つ、内側リング内周面４１と当該リング溝底面２１とが接触可能なリング幅Ａを有するサイズである。このような内側リング４とした結果、内側リング４は、その内側リング内周面４１がリング溝底面２１と接触するので、インナーカット部９と内側リング４とが当接していない内側リング４の部分が、外側リング内周面３２と、リング溝底面２１とで形成されたバッククリアランス領域Ｓを覆うこととなる。そして、当該ピストン軸に対して径方向における外側リング３と内側リング４との径方向重なり距離が、幅Ｂのインナーカット部に対し、内側リングのリング幅Ａの（１／２）Ａ以上が接触するように載置される。ここで、説明上、内側リング４のクランク室側側面４２のうち、インナーカット部９と面接触する部分を「インナーカット接触部４２ａ」と称し、バッククリアランス領域Ｓを覆う内周側の部分を「バッククリアランスシール部４２ｂ」と称することとする。すなわち、内側リング４は、インナーカット接触部４２ａよりバッククリアランスシール部４２ｂの方が短くなるように配置されるのである。

本件発明に係るコンプレッションリング１は、内側リング４と、外側リング３とを上述の配置とする。かかる場合、ピストン軸に対して径方向における外側リング３と内側リング４との径方向重なり距離（インナーカット接触部４２ａ）が、バッククリアランス領域Ｓの径方向の長さと略等しくなるバッククリアランスシール部４２ｂの長さより、長くなることになる。本件発明者は、検討の結果、内側リング４と外側リング３とを上述の配置とすることにより、バッククリアランスのシール性を高められることに想到したのである。

なお、本件発明に係る内燃機関用ピストン構造の位置関係は、ピストンに外側リング及び内側リングを装着した状態における基本状態で示したものである。

続いて、内側リング４のピストン軸方向の厚さＤは、外側リング３のインナーカット部９における段差Ｃより小さい。すなわち、内側リング４をインナーカット部９に配置した状態でも、内側リング４の燃焼室側の側面４３が、外側リング３の燃焼室側における外周側のピストン軸方向の一面３３より低い位置となる厚さである。ここで、外側リング３の外周側のピストン軸方向の一面３３より内側リング４の燃焼室側の側面４３の方を高くすると、その分、リング溝２と外側リング３のピストン軸方向の一面３３との間の空隙が大きくなり、燃焼ガスから受ける圧力が大きくなる。内側リング４が燃焼ガスにより受ける圧力を抑えるためには、内側リング４のピストン軸方向の厚さＤは、インナーカット部９の段差の高さＣより薄くする方が良いのである。

そして、内側リング４のピストン軸方向の厚さＤは、０．４ｍｍ〜２．５ｍｍであることが好ましい。内側リング４のピストン軸方向の厚さＤが０．４ｍｍ未満であると、リング自体の強度が不足して耐久性が得られない。また、上述の通り、内側リング４のピストン軸方向の厚さＤに応じて、インナーカット部９の段差の高さも大きくする必要が生じるので、内側リング４のピストン軸方向の厚さＤが２．５ｍｍを上まわると、外側リング３の強度が十分に得られない。

なお、内側リング内周面４１の形状は、例えば、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような形状とするとリング溝底面２１との当接状態を安定させることができ、且つ、リング溝の燃焼室側の側壁２２とリング溝底面２１とで形成される角部２５と干渉することを避けることができる。例えば、図２（ａ）は、内側リング内周面４１の全体をＲ形状とした例である。図２（ｂ）は、内側リング内周面４１において、リング溝２の角部２５側に位置する面４１ａ（図２における上方の面）をＲ形状に面取りし、クリアランス領域Ｓ側に位置する面４１ｂをストレート形状とした例である。図２（ｃ）は、内側リング内周面４１において、リング溝２の角部２５側に位置する面４１ａをＲ形状に面取りし、クリアランス領域Ｓ側に位置する面４１ｂをテーパ型とした例である。このように、内側リング内周面４１において、少なくとも、リング溝２の角部２５側に位置する面４１ａをＲ面取り形状、Ｃ面取り形状とすると、ピストン往復時に、リング溝２の角部２５と、内側リング内周面４１とが干渉することがなく、摩耗を防ぐとともに、リング溝２との当接状態を安定させることができる。そして、内側リング内周面４１のクリアランス領域Ｓ側の面４１ｂの形状は、Ｒ面取り形状、Ｃ面取り形状、テーパ型、ストレート型等とすれば良い。一方、内側リング４の外周面形状は、バレルフェース型、テーパ型等適宜選定可能である。

内燃機関用ピストン構造： 次に本件発明に係る内燃機関用ピストン構造について説明する。本件発明に係る内燃機関用ピストン構造は、内燃機関に用いられるピストンの外周に形成されたリング溝内に上述の外側リングと内側リングとからなるコンプレッションリングを装着する内燃機関用ピストン構造である。図１を参照して説明する。

外側リング３は、燃焼室側のピストン軸方向の一面側３３の内周側において、外周部側よりリング幅が小さい段差となるインナーカット部９が形成されている。そして、内側リング４は、その内径が、前記外側リング３の内径より小さく、且つ、内側リング内周面４１とリング溝底面２１とが接触する大きさである。そして、内側リング内周面４１がリング溝２に接触するとともに、内側リング４のリング幅Ａにおいて、その外周部側から（１／２）Ａ以上の幅の内側リングの側面４２が前記インナーカット部９の平面部９２と面接触するように配置されることにより、外側リング内周面３２とリング溝２との間に形成されるバッククリアランス領域Ｓを覆う。すなわち、当該ピストン軸に対する径方向における、外側リング３と内側リング４との径方向重なり距離が、幅Ｂのインナーカット部に対し、内側リングのリング幅Ａの（１／２）Ａ以上を接触載置することにより、インナーカット部９と内側リング４との接触面積を十分に確保する。その結果、ピストン往復時の外側リング３の移動によっても、内側リング４の面接触を保ち、バッククリアランス領域Ｓのガス圧を減少させることができる。また、ピストンが上死点に到達した際、内側リング４の燃焼室側の側面４３側からの圧力を受けるが、インナーカット接触部４２ａの面積が十分に確保されることによって、バッククリアランス領域Ｓのシール性を高めることができるのである。なお、ピストンリング１を構成する外側リング３及び内側リング４の詳細については、上述の通りである。

ここで、インナーカット部９は、内側リング４の外周側端部４４とインナーカット部９の壁部９１とが離間配置可能となるように形成することが好ましい。インナーカット部９の壁部９と内側リング４の外周側端部４４とを離間配置することにより、両者の接触を避け、インナーカット部９の摩耗や、内側リング４の変形を防ぐことができるからである。この離間距離は、少なくとも、ピストン往復時に内側リング４の外周側端部４４と接触しないようにすれば良く、外側リング３の形状安定性等を考慮して、適宜設定すれば良い。

さらに、図３に示すように、リング溝底面２１のクランク室側には、前記外側リング３の張力を調整するために、バッククリアランス領域Ｓの容積を調節するための調整溝部２４を更に形成することもできる。本件発明に係る内燃機関用ピストン構造を用いれば、リング溝２は、図１に示す形態のように、単純な形状であってもシール性に優れる。しかし、リング溝２に更に調整溝部２４を設けることによって、バッククリアランス領域Ｓの容積Ｔを調節し、外側リング３の張力をより好適な状態に調整することも可能となるのである。すなわち、本件発明に係るコンプレッションリングは、バッククリアランス領域Ｓのシール性に優れるからこそ、当該バッククリアランス領域Ｓの容積Ｔ１を調整溝部２４で調整することによって、より高精度にバッククリアランスの内圧をコントロール可能となり、外側リングが、外径方向に過度に押し出されることが無く、シリンダライナ内壁との摩擦力を好適な範囲に保つことができるのである。

この調整溝部２４により形成される拡張バッククリアランス部Ｓαの容積Ｔ２は、外側リング３に負荷される圧力、バッククリアランス領域Ｓの容積Ｔ１等を考慮して適宜設定できる。ただし、ピストンの内径、厚さ、リング溝の大きさ等、ピストンの耐久性や強度等は考慮すべきであることは言うまでもない。

なお、図３に示すように、調整溝部２４は、内側リング内周面４１とリング溝底面２１とが当接する部分より、クランク室側に形成する。なぜなら、本件発明では、当該ピストン軸に対して径方向における外側リングと内側リングとの径方向重なり距離を、内側リングのリング幅Ａの（１／２）Ａ以上として、バッククリアランスシール部４２ｂより、インナーカット接触部４２ａを大きくすることにより、高いシール性を得ている。そのため、リング溝底面２１を一律に拡張すると、内側リング４の径方向の幅が大きくなり、インナーカット部９の大きさ等に影響することになるからである。したがって、調整溝部２４の開口幅Ｗ４は、外側リング３の内周側のピストン軸方向の厚さＷ２より小さいものとなる。

次に、図１を用いて、圧縮工程時のリング溝２とコンプレッションリング３との位置を説明する。図１に示すように、圧縮工程において、ピストン６が上死点に到達した際、外側リング３のクランク室側のピストン軸方向の一面３４が、リング溝２のクランク室側の側面２３に当接する。この際、内側リング４は、その外周側及び側面側から負荷される圧力によって、インナーカット部９との面接触状態を保ちながら、バッククリアランス領域Ｓを確実にシールする。

以下、本件発明に用いる外側リングと内側リングの好ましい材質について説明する。従来、ピストンリングとシリンダ内壁の材質を改良しながら、摩耗を抑制する技術が検討されてきた。そこで、公知の耐摩耗性に優れた材質と、本件発明に係る内燃機関用ピストン構造とを組み合わせることにより、より一層、耐摩耗性を向上させることができる。

内側リングは、シリンダライナ内壁との摺動面を窒化処理したマルテンサイト系ステンレス鋼製リング、シリンダライナ内壁との摺動面にクロムめっきを施したＳＷＯＳＣ−Ｖ鋼リング等が使用できる。そして、側面側であるリング溝との摺動面や、内側リングとの摺動面には、窒化処理、マンガン系リン酸浴、クロムめっき、物理蒸着（ＰＶＤ）、溶射、クロムめっき、複合クロムめっき、複合めっき、化学蒸着（ＣＶＤ）、等の手法を用いて、窒化層、クロムめっき層、ダイアモンド ライク カーボン層（以下、単に「ＤＬＣ層」と記す。）等を形成する表面処理を施すことも好ましい。

外側リングは、マルテンサイト系ステンレス鋼、ばね鋼からなるもの、例えば、ＳＵＳ２０１材、ＳＵＳ４４０材、ＳＵＳ４１０材、ＳＷＯＳＣ−Ｖ材、８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼等が使用できる。そして、その全周表面を窒化処理すると、インナーカット部との摺動面における耐摩耗性に優れる。窒化処理は、ガス窒化、イオン窒化、塩浴窒化、浸硫窒化等のあらゆる窒化処理を使用することが可能である。また、物理蒸着（ＰＶＤ）、溶射、クロムめっき、複合クロムめっき、複合めっき、化学蒸着（ＣＶＤ）、等の手法を用いて、窒化層、クロムめっき層、ＤＬＣ層等を形成する表面処理を施すことも好ましい。

ピストンは、例えば、鋳鉄製、スチール製、アルミ製等のものが考えられ、リング溝部及び外周表面に表面処理が施されたものが使用できる。表面処理としては、鋳鉄材にリン酸浴で表面処理を施したもの、スチール材にリン酸浴やレーザー焼き入れ、高周波焼き入れ等の表面処理を施したもの、アルミ材にニレジストで表面処理層を形成したもの等が挙げられる。

次に、図１を用いて、本件発明に係る内燃機関用ピストン構造の具体的な形態を示す。図１に例示する外側リング３は、基本形状がレクタンギュラ型であり、外周摺動面の形状はバレルフェース型である。そして、外側リング３の燃焼室側の側面３３には、内周側にインナーカット部９が形成されている。この外側リング３の寸法は、径方向の幅が４．５ｍｍ、ピストン軸方向の厚さは、外周側端部においてＷ１＝３ｍｍ、内周側端部がＷ２＝２．１ｍｍであり、内径が１２８ｍｍである。インナーカット部９は、段差の高さＣが０．９ｍｍ、平面部９２の径方向の長さＢが２．８５ｍｍに形成されている。そして、内側リング４は、径方向の幅Ａが２．８５ｍｍ、ピストン軸方向の厚さＤが０．８ｍｍのレクタンギュラ型のリングであり、内外周面はＲ面取りされている。そして、内側リング４は、その外径が、外側リング３の内径より大きく、且つ、内側リング４の内径は外側リング３の内径より小さい。この内側リング４がインナーカット部９に配置された状態で、ピストン軸に対して径方向における外側リングと内側リングとの径方向重なり距離が１．８５ｍｍ、バッククリアランスシール部４２ｂが１．０ｍｍである。また、インナーカット部９の壁部９１と、内側リング４の外周側端部４４とは、１．０ｍｍ離間している。

次に、図３を用いて、調整溝部２４を形成した形態を示す。この図３では、図１の形態に調整溝部２４を形成したものである。したがって、調整溝部２４についてのみ述べる。この調整溝部２４は、開口幅がＷ４＝１．９ｍｍ、溝の深さが内側リング４のバッククリアランスシール部４２ｂの長さの１／２（径方向幅０．５ｍｍ）とし、拡張バッククリアランス部Ｓαの容積Ｔ２は、当該拡張バッククリアランス部Ｓαを除いたバッククリアランス部Ｓの容積Ｔ１の５０％とした例である。なお、図１及び図３を用いて示した寸法は、例示に過ぎず、限定されるものではない。

以上に説明した通り、本件発明に係るコンプレッションリングは、外側リングのインナーカット部に内側リングを配置するという簡単な構成でありながら、高いガスシール性を得ることができる。そして、本件発明に係る内燃機関用ピストン構造は、リング溝の形状も一般的な形状であり、ピストンリングのリング溝への収納が容易であるという簡易な構造でありながらも、ピストンのリング溝への取付作業性にも優れる。

次に、本件発明に係るコンプレッションリングを用いた内燃機関用ピストン構造について実施例を示して説明する。なお、本件発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。また、上述の本実施の形態ならびに以下に示す実施例では、主に、本件発明に係るコンプレッションリングをファーストコンプレッションリングに適用する例を示したが、本件発明に係る内燃機関用ピストン構造は、セカンドコンプレッションリングにも適用可能である。

実施例１の内燃機関用ピストン構造を図４に示す。実施例１のコンプレッションリングを構成する外側リングは、基本的な断面形状がフルキーストン形状（傾斜角度７．５°）で、燃焼室側の側面の内周側に断面略Ｌ字形のステップ状のインナーカット部９が形成されている。そして、外側リング３の燃焼室側のピストン軸方向の一面３３には、内周側にインナーカット部９が形成されている。この外側リング３の寸法は、径方向の幅が４．５ｍｍ、ピストン軸方向の厚さは、外周側端部においてＷ１＝２．８８ｍｍ、内周側端部がＷ２＝１．１５ｍｍであり、内径が１２８ｍｍである。インナーカット部９は、段差の高さＣが０．９８ｍｍ、平面部９２の径方向の長さＢが２．８５ｍｍとなるように形成した。

そして、内側リング４は、軸方向の厚さがＤ＝０．８ｍｍ、径方向の幅Ａが２．８５ｍｍのレクタンギュラ型のリングであり、内外周面は面取りされている。そして、内側リング４は、その外径が当該外側リング３の内径より大きく、且つ、内側リング４の内径が当該外側リング３の内径より小さい。この内側リング４がインナーカット部９に配置された状態で、ピストン軸に対して、径方向における外側リングと内側リングとの径方向重なり距離が１．８５ｍｍ、バッククリアランスシール部４２ｂが１．０ｍｍとした。

また、リング溝２の開口幅はＷ３＝３．０ｍｍである。更に、インナーカット部９の壁部９１と、内側リング４の外周側端部４４とは、１．０ｍｍ離間している。

内側リングは、ＪＩＳ規格に表されるＳＷＯＳＣ−Ｖ材からなり、マンガン系リン酸皮膜により表面処理を施した。

外側リングは、ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４１０ＪＩ材からなり、表面処理として、ガス窒化法にて全周に窒化処理層を形成し、更に、外周側の当該窒化処理層の表面には、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系合金を物理蒸着させた表面処理を施したものを用いた。

実施例１に示した内燃機関用ピストン構造を採用したファーストコンプレッションリングと、既存のセカンドコンプレッションリングと、２ピース構成のオイルリングとをピストンに装着したピストンを用いて、テストエンジンに組み込み、作動後のコンプレッションリングとシリンダライナ内壁面の摩耗量をそれぞれ測定した。以下に、セカンドコンプレッションリング及びオイルリングの構成を表１に示す。

テストエンジンは、シリンダボア径が１３７ｍｍ、ストロークが１４６ｍｍの直列６気筒の水冷４サイクルディーゼルエンジンを用いた。この際、期間回転数は１８００ｒｐｍ、１００時間、水温９０℃で行った。コンプレッションリングの摩耗量の測定結果について、図１０に、後述する比較例４の上死点付近の摩耗量を１とし、実施例１〜実施例３の摩耗量比を対比したグラフを示す。

実施例２は、図５に示すように、実施例１のリング溝２に、更に調整溝部２４を設けた例である。すなわち、リング溝底面２１のクランク室側には、開口幅がＷ４＝１．０６ｍｍ、溝の深さ（ピストン径方向の長さ）が０．５ｍｍの調整溝部２４を形成した。この調整溝部２４の深さは、内側リング４のバッククリアランスシール部４２ｂの長さの１／２とした。したがって、拡張バッククリアランス領域Ｓαの容積Ｔ２は、当該拡張バッククリアランス領域Ｓαを除いたバッククリアランス領域Ｓの容積Ｔ１の５０％とした。その他の部分は実施例１と同一であるので説明を省略する。

実施例３は、図６に示すように、実施例２の調整溝部２４より更に広い調整溝部２４を形成した例である。実施例３の調整溝部２４は、開口幅がＷ４＝１．０６ｍｍ、溝の深さ（ピストン径方向の長さ）を１．０ｍｍに形成した。すなわち、この調整溝部２４の深さは、内側リング４のバッククリアランスシール部４２ｂと同じ長さとし、拡張バッククリアランス領域Ｓαの容積Ｔ２は、当該拡張バッククリアランス領域Ｓαを除いたバッククリアランス領域Ｓの容積Ｔ１の１００％とした。その他の部分は実施例１と同一であるので説明を省略する。

比較例

［比較例１］
比較例１は、図７に示すように、実施例２の内燃機関用ピストン構造と比べて、内側リング６０の径方向の幅が、本件発明に規定の範囲を超えて小さい例である。すなわち、比較例１は、外側リング３及びリング溝２の構成は実施例２と同様であるが、内側リング６０は、径方向の幅が１．５ｍｍ、ピストン軸方向の厚さが０．８ｍｍとした。図７から明らかであるように、内側リング６０は、当該ピストン軸に対して径方向における外側リング３と内側リング４との径方向重なり距離が小さく、比較例１の内側リング６０は、インナーカット配置部６０ａより、バッククリアランスシール部６０ｂの方を大きくした。なお、バッククリアランス領域Ｓの容積Ｔ１は、実施例２と同じである。

比較例１の内燃機関用ピストン構造を用いて、実施例１と同じ条件のテストエンジンで試験し、ファーストリングの摩耗量と、シリンダライナ内壁面の摩耗量を測定した。比較例１におけるライナ摺動面のプロフィールを図１１のグラフに示す。

［比較例２］
比較例２では、図８に示すように、特許文献２に開示の発明を適用した例であり、リング溝２に内側リングを挿入するための挿入溝７１を形成し、この挿入溝７１の下面部と、インナーカット部９とのそれぞれに内側リング７０を面接触させて跨設する構成とした例を示す。すなわち、リング溝２に、内側リング７０を挿入配置する挿入溝７１を、開口幅がＷ５＝０．９ｍｍ、溝の深さ（ピストン径方向の長さ）が０．５ｍｍの寸法で形成した。外側リング３は実施例１と同じものを使用し、内側リング７０は、ピストン軸方向の厚さが０．８ｍｍ、径方向の幅が３．３５ｍｍのレクタンギュラ型リングを使用した。また、内側リング７０は、外径が１３１．７ｍｍのものを用い、ピストン軸に対して、径方向における外側リングと内側リングとの径方向重なり距離が１．８５ｍｍ、バッククリアランスシール部７０ｂが１．０ｍｍ、挿入溝への挿入部分７０ｃが０．５ｍｍとなるように配置した。なお、バッククリアランス領域Ｓの容積Ｔ１は、実施例１と同じである。

比較例２のコンプレッションリングをファーストコンプレッションリングとして、実施例１と同じ条件のテストエンジンで試験し、コンプレッションリングの摩耗量及びシリンダライナ内壁面の摩耗量を測定した。

［比較例３］
比較例３は、図９に示すように、リング溝２に形成する内側リング７０の挿入溝７２の溝の深さ（ピストン径方向の長さ）を１．０ｍｍと、比較例２に比べて大きな溝とし、内側リング７０を挿入溝７２内により深く挿入配置した例である。外側リング３は実施例１と同じものを使用し、内側リング７０は比較例２と同じものを使用した。そして、内側リング７０は、外径が１３１．３ｍｍのものを使用した。インナーカット配置部７０ａが１．３１ｍｍ、バッククリアランスシール部７０ｂが１．０ｍｍ、挿入溝７２への挿入部分７０ｃが１．０ｍｍとして配置した。なお、バッククリアランス領域Ｓの容積Ｔ１は、実施例１と同じである。

比較例３のコンプレッションリングをファーストリングとして、実施例１と同じ条件のテストエンジンで試験した。この際、コンプレッションリングの摩耗量及びシリンダライナ内壁面の摩耗量を測定した。

［比較例４］
比較例４は、従来例のコンプレッションリングである。すなわち、図１３に示すように、レクタンギュラ型リングのみからなるものであり、寸法は、ピストン軸方向の幅を２．８８ｍｍ、径方向の幅を４．５ｍｍとし、材質は実施例１の外側リングと同じ条件とした。

＜実施例と比較例との対比＞
図１０に、従来例である比較例４の上死点付近の摩耗量を１とした場合の実施例及び比較例の摩耗量比を対比した結果をグラフに示す。一般的に、シリンダライナは、ピストンの上死点付近が最も摩耗しやすい箇所であり、当該箇所の摩耗量を比較対比することによって、ピストンの耐摩耗性を図ることができるのである。図１０を見ると、比較例４の摩耗量を１とした場合に、比較例１〜比較例３は同じ摩耗量であるのに対し、実施例１は０．９０、実施例２は０．８０、実施例３は０．８５と、大幅に摩耗量を低減出来たことが示された。特に、実施例２は、耐摩耗性が大きく向上している。

次に、図１１に、実施例１及び比較例１について、テストエンジンを用いた試験後のシリンダライナの摺動面の摩耗量のプロフィールを示す。図１１では、グラフ上方が上死点付近である。このグラフより、比較例１の最大摩耗量は１０μｍであったのに対し、実施例１の最大摩耗量は７μｍと、摩耗量を顕著に低減出来たことが明らかとなった。

本件発明に係る内燃機関用ピストン構造は、リング溝内のコンプレッションリングの内周面側におけるバッククリアランス領域のシール性が高く、燃焼ガスの漏洩を減少させるとともに、バッククリアランス領域の内圧を過剰に高くすることを防ぐことができる。この結果、バッククリアランス領域からの荷重によって、コンプレッションリングとシリンダライナ内壁面の間の耐摩耗性に優れたコンプレッションリングを提供することができる。

本件発明に係る内燃機関用ピストン構造を用いたピストンの部分断面図である。 本件発明に係るコンプレッションリングの内側リングの内周面形状を説明するための部分断面図である。 本件発明に係る内燃機関用ピストン構造を示すピストンの部分断面図である。 実施例１の内燃機関用ピストン構造を示すピストンの部分断面図である。 実施例２の内燃機関用ピストン構造を示すピストンの部分断面図である。 実施例３の内燃機関用ピストン構造を示すピストンの部分断面図である。 比較例１の内燃機関用ピストン構造を示すピストンの部分断面図である。 比較例２の内燃機関用ピストン構造を示すピストンの部分断面図である。 比較例３の内燃機関用ピストン構造を示すピストンの部分断面図である。 実施例及び比較例におけるシリンダライナの摺動面の摩耗量比を示すグラフである。 実施例１及び比較例１におけるシリンダライナの摺動面のプロフィールを示すグラフである。 一般的な内燃機関用ピストンをシリンダライナに収容した状態を示す部分断面図である。 従来のコンプレッションリングの装着構造を示すピストンの部分断面図である。

符号の説明

２・・・リング溝
３・・・外側リング
４・・・内側リング
６・・・ピストン
９・・・インナーカット部
２１・・リング溝底面
３１・・外周摺動面
３２・・外側リング内周面
３３・・外側リングの側面
４１・・内側リング内周面
５１・・シリンダライナ内壁面
９１・・壁部
９２・・平面部
Ｓ・・・バッククリアランス領域
Ａ・・・内側リングの径方向幅
Ｂ・・・外側リングのインナーカット部の径方向幅
Ｃ・・・外側リングのインナーカット部の段差の高さ
Ｄ・・・内側リングのピストン軸方向の厚さ

Claims (4)

1. 内燃機関に用いられるピストンの外周に形成されたリング溝内に装着する内燃機関用のコンプレッションリングであって、
   当該コンプレッションリングは、外側リングの内周側に同心円状に内側リングを重ねて配置したものであり、
   当該内側リングは、その外径が当該外側リングの内径より大きく、内側リングの内径が当該外側リングの内径より小さく、且つ、内側リングの内周面と当該リング溝のリング溝底面とが接触可能なリング幅Ａを有し、
   当該外側リングは、ピストン軸方向の一面側の内周側に、内側リングを載置可能な内周方向に沿った段差面であるピストン軸に対して径方向の幅Ｂのインナーカット部を備え、
   当該ピストン軸に対して径方向における外側リングと内側リングとの径方向重なり距離が、幅Ｂのインナーカット部に対し、内側リングのリング幅Ａの（１／２）Ａ以上を接触載置したことを特徴とする内燃機関用のコンプレッションリング。
2. 前記外側リングのインナーカット部の段差のピストン軸方向の高さをＣとし、内側リングのピストン軸方向の厚さをＤとしたとき、Ｃ＞Ｄの関係を満たすものである請求項１に記載の内燃機関用のコンプレッションリング。
3. ピストンの外周に形成されたリング溝内に請求項１又は請求項２に記載の内燃機関用のコンプレッションリングを装着した内燃機関用ピストン構造であって、
   ピストンの外周に形成されたリング溝内に、当該コンプレッションリングの外側リングの内周側に同心円状に内側リングを重ねて配置したとき、
   外側リングの内周面とリング溝との間にバッククリアランス領域を備え、
   且つ、内側リングの内周面と当該リング溝のリング溝底面とが接触して、燃焼室内の燃焼ガスのバッククリアランス領域への流入制御を行うことを特徴とした内燃機関用ピストン構造。
4. 前記リング溝底面のクランク室側には、前記外側リングが拡大する方向に受ける圧力を調整するために、前記バッククリアランス領域の容積を調節するための調整溝部を更に形成した請求項３に記載の内燃機関用ピストン構造。

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