JP2014020303A - 内燃機関用ピストンおよびピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数が増加するのを抑制するとともに、構造や加工が複雑になるのを抑制しながら、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することが可能な内燃機関用ピストンおよびピストンリングを提供する。
【解決手段】このエンジン（内燃機関）１００用ピストン５１およびトップリング（ピストンリング）５４は、エンジン１００のシリンダ５内に往復動自在に設けられ、シリンダ５との間で燃焼室３８を形成するピストン５１と、ピストン５１の外周に形成されたトップリング溝５１２ａおよびセカンドリング溝５１２ｂにそれぞれ装着されるトップリング５４およびセカンドリング５５とを備える。また、トップリング５４に形成された合口５４ａがスラスト方向側を向くように、トップリング５４はピストン５１に対して回り止めされている。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関用ピストンおよびピストンリングに関し、特に、内燃機関のシリンダ内に往復動自在に設けられ、シリンダとの間で燃焼室を形成するピストンと、ピストンの外周に形成された複数の外周溝に装着される複数のピストンリングとを備える内燃機関用ピストンおよびピストンリングに関する。

従来、自動車等に搭載される内燃機関（エンジン）には、シリンダの内面とピストンの外面との隙間からクランク室内に吹き抜けた（漏れた）ガスをブローバイガスとして吸気系に導くためのブローバイガス還元装置が設けられている。ブローバイガス還元装置によって、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）等を含むブローバイガスをエンジンの吸気系を経て燃焼室に送り込み、ブローバイガスの大気中への放出を防止している。また、クランク室内に新気（外気）を導入して換気することにより、ブローバイガスによるオイル（エンジンオイル）の劣化を抑制し、その潤滑性能等の長期維持も図っている。

一般に、エンジンのシリンダと、シリンダ内を往復動するピストンの外周との間には、複数のピストンリングが配置されている。これらのピストンリングは、ピストンの外周に形成された外周溝に装着されている。

ピストンリングは、主に、圧縮ガスや燃焼ガスが漏出するのを防ぐコンプレッションリングと、オイルの調節をするオイルリングとから構成されている。コンプレッションリングは、ピストン頂面に最も近い部位に取り付けられるトップリングや、トップリングの次にピストン頂面に近い部位に取り付けられるセカンドリングとして使用される。また、オイルリングは、ピストン頂面から最も遠い部位に取り付けられている。

ピストンリングは、その一カ所に切れ目（合口）を有する環状部材である。ピストンリングの合口（合口隙間）は、ピストンの外周に形成された外周溝にピストンリングを装着する際に変形させるために必要であるとともに、ピストンリングが熱膨張した場合に膨張分を逃がすための空間を確保するために必要である。その一方で、燃焼室内の圧縮ガスや燃焼ガスが合口隙間からクランク室（シリンダボア）に漏出するという不都合がある。

そこで、例えば特許文献１には、合口近傍の対向する端面のそれぞれに凹部が形成されたピストンリング（トップリング）が開示されている。この凹部のそれぞれには、弾性樹脂が接着剤などにより接着されている。そして、エンジンの運転が開始された際には、温度が上昇することにより、ピストンリング（トップリング）が熱膨張により伸長し、対向端面の合口隙間が小さくなるのと同時にピストンリングよりも熱膨張係数の大きな弾性樹脂は合口隙間を狭くする方向に伸長する。これにより、弾性樹脂にて形成される合口隙間はより小さくなる。その後、エンジンの温度がさらに上昇した場合には、合口隙間がより小さくなり、弾性樹脂同士は線接触状態で当接することとなる。その結果、ピストンリング（トップリング）の合口隙間が小さくなることにより、ブローバイガスの通路が遮断されるので、ブローバイガスの漏出量が低減される。また、ピストンリング（トップリング）の合口隙間が小さくなることにより、オイルの燃焼室への流れ込みが減少するので、オイル消費を減少することが可能となる。

また、例えば特許文献２には、ピストンの外周に形成されたピストンリングを挿入するための複数のリング溝と、リング溝間に形成された環状のランドと、ピストンピンを挿入するためのピン孔とを備える内燃機関用ピストンが開示されている。このピストンには、ピストンの頂面から１番目のリング溝と２番目のリング溝との間に形成されたランド部と、ピン孔の上部とを連通する連通孔が設けられている。この連通孔によりランド部とピン孔の上部とは、略同じ圧力になるので、オイルの燃焼室への流れ込み（オイルの消費）が抑制される。これにより、オイル消費を低減することが可能となる。

特開２０１０−３１７８９号公報 特開２０１０−１６４０２０号公報

しかしながら、上記特許文献１では、ピストンリング（トップリング）の合口隙間が小さくなることにより、ブローバイガスやオイル消費を低減することが可能である一方、合口隙間に別途樹脂を配置する必要があるため、部品点数が増加するという問題点がある。

また、上記特許文献２では、連通孔によりランド部とピン孔の上部とが略同じ圧力になることにより、オイル消費を低減することが可能である一方、連通孔を介して燃焼室からクランク室へブローバイガスが流入する（増加する）という不都合がある。このため、ブローバイガスの低減と、オイル消費の低減とを両立することが困難であるという問題点がある。また、ピストンに連通孔を形成するため、ピストンの加工に大きな手間がかかり、構造や加工が複雑になるという問題点がある。

上記のような問題点から、部品点数が増加するのを抑制するとともに、構造や加工が複雑になるのを抑制しながら、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することが望まれている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、部品点数が増加するのを抑制するとともに、構造や加工が複雑になるのを抑制しながら、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することが可能な内燃機関用ピストンおよびピストンリングを提供することである。

上述の課題を解決するための手段として、本発明による内燃機関用ピストンおよびピストンリングは、以下のように構成されている。

すなわち、本発明による内燃機関用ピストンおよびピストンリングは、内燃機関のシリンダ内に往復動自在に設けられ、前記シリンダとの間で燃焼室を形成するピストンと、前記ピストンの外周に形成された複数の外周溝に装着される複数のピストンリングとを備える構成を前提とするものである。また、本発明では、前記複数のピストンリングは、前記複数の外周溝のうち前記燃焼室側の外周溝に配置されるトップリングと、前記トップリングの前記燃焼室とは反対側の外周溝に配置されるセカンドリングとを含み、前記トップリングに形成された合口隙間がスラスト方向側および前記スラスト方向側とは反対方向の反スラスト方向側のうちの前記スラスト方向側を向くように、前記トップリングは前記ピストンに対して回り止めされていることを特徴とするものである。

かかる構成を備える内燃機関用ピストンおよびピストンリングによれば、エンジン運転中（特に、燃焼行程の初期）にピストンがスラスト方向側に傾いた場合に、ピストンがスラスト方向側に押し付けられることにより、ピストンの外周溝に装着されたトップリングの合口隙間（開口面積）が小さくなるので、燃焼室内のガスがトップリングの合口隙間を介してセカンドリング側（クランク室側）に漏れないようにシールすることができる。これにより、トップリングの合口隙間から漏れ出るガスの量が少なくなるので、セカンドリング側への圧力（トップリングとセカンドリングとの間のランド内に発生するランド圧）を低減することができる。ここで、従来では、トップリングとセカンドリングとの間のランド内に発生するランド圧が燃焼室内の圧力よりも高くなる場合には、トップリングが燃焼室側に押し上げられる（浮き上がる）現象が発生することが知られている。そして、トップリングの押し上げが発生する際に、トップリングの漏れ通路（トップリングとピストンとの間に形成される通路）から漏れ出るガスの量が増加することや、オイルの燃焼室への流れ込み（オイル消費）が増加するという不都合がある。この点に関して、本発明では、トップリングとセカンドリングとの間のランド内に発生するランド圧を低減することができるので、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することができる。また、トップリングに別途部材を配置する必要がないので、部品点数の増加を抑制することができる。また、ピストンに連通孔を形成しない分、ピストンの構造や加工が複雑になるのを抑制することができる。これらにより、部品点数が増加するのを抑制するとともに、ピストンおよびトップリングの構造や加工が複雑になるのを抑制しながら、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することができる。

本発明の具体的な構成として、以下の複数のものが挙げられる。

本発明による内燃機関用ピストンおよびピストンリングにおいて、好ましくは、前記トップリングには、第１係合部が形成され、前記ピストンには、前記トップリングの第１係合部と係合する第２係合部が形成され、前記トップリングの第１係合部と前記ピストンの第２係合部とが係合することにより、前記トップリングの合口隙間が前記スラスト方向側を向くように、前記トップリングは前記ピストンに対して回り止めされていることを特徴とする。このように構成すれば、トップリングの第１係合部とピストンの第２係合部とを係合させることにより、容易に、トップリングの合口隙間をスラスト方向側に向くように配置することができる。これにより、エンジン運転中に効果的にトップリングの合口隙間を小さくすることができるので、トップリングの合口隙間から漏れ出るガスの量を減少することができるとともに、オイルの燃焼室への流れ込みを抑制することができる。

この場合、好ましくは、前記トップリングの第１係合部は、前記トップリングの内面に形成され、前記ピストンの第２係合部は、前記ピストンの外面に形成されていることを特徴とする。このように構成すれば、トップリングの内面に形成された第１係合部とピストンの外面に形成された第２係合部により、容易に、トップリングをピストンに対して回り止めすることができる。これにより、トップリングの合口隙間をスラスト方向側に向けた状態を維持することができる。

上記第１係合部が形成されたトップリングおよび第２係合部が形成されたピストンを備える構成において、好ましくは、前記トップリングの第１係合部は、凸部または凹部の一方の形状を有し、前記ピストンの第２係合部は、凸部または凹部の他方の形状を有し、前記凸部または凹部の一方の形状を有する前記トップリングの第１係合部と、前記凸部または凹部の他方の形状を有する前記ピストンの第２係合部とが係合することにより、前記トップリングの合口隙間が前記スラスト方向側を向くように、前記トップリングは前記ピストンに対して回り止めされていることを特徴とする。このように構成すれば、第１係合部と第２係合部とを係合させやすい形状（凸部および凹部）に形成することができるので、トップリングをピストンに対してより回らないようにすることができる。これにより、確実にトップリングの合口隙間をスラスト方向側に向けた状態を維持することができる。

また、本発明による内燃機関用ピストンおよびピストンリングにおいて、好ましくは、前記スラスト方向の角度を０°方向とした場合に、前記スラスト方向に対して時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内および前記スラスト方向に対して反時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内に前記トップリングの合口隙間が位置するように、前記トップリングは前記ピストンに対して回り止めされていることを特徴とする。このように構成すれば、スラスト方向（０°方向）に対して時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内およびスラスト方向（０°方向）に対して反時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内（スラスト方向±６０°方向の角度範囲内）において、セカンドリング側への圧力（トップリングとセカンドリングとの間のランド内に発生するランド圧）を効果的に低減することができる。これにより、上記角度範囲内において、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することができる。なお、上記角度範囲内において、ランド圧を低減することができるという点は、後述する実験結果により確認済みである。

本発明によれば、部品点数が増加するのを抑制するとともに、構造や加工が複雑になるのを抑制しながら、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することができる。

本発明の第１実施形態による内燃機関の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるピストンリングが取り付けられたピストンの拡大図である。 図２の２００−２００線に沿った断面図であり、トップリングとピストンとの係合部分を示す図である。 ピストンがスラスト方向に傾く前のトップリングとピストンとの係合部分を示す図である。 クランク角に対するピストンの水平変位を示すグラフである。 クランク角に対するランド圧力を示すグラフである。 クランク角に対するトップリングの挙動を示すグラフである。 第１実施形態と比較例とを比較したクランク角に対するランド圧力を示すグラフである。 合口の存在角度に対するランド圧力の最大値を示すグラフである。 本発明の第２実施形態によるトップリングとピストンとの係合部分を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図９を参照して、自動車用の直列多気筒（例えば４気筒）の内燃機関に本発明を適用した実施形態について説明する。

−エンジン−
まず、図１を参照して、第１実施形態に係る内燃機関（エンジン）１００の概略構成について説明する。図１は、エンジン１００をクランクシャフト１の軸心に沿った方向から見た場合のエンジン１００の内部および吸気系の概略構成を示す図である。

図１に示すように、エンジン１００は、シリンダブロック２の上端部に設置されたシリンダヘッド３と、このシリンダヘッド３の上端に取り付けられたヘッドカバー４とを備えている。シリンダブロック２には、複数（例えば４つ）のシリンダ５が配設されている。これらシリンダ５の内部には、ピストン５１が往復移動可能に収容されている。ピストン５１は、ピストンピン５３によってコネクティングロッド５２の小端部（図示せず）に連結されている。また、コネクティングロッド５２の大端部５２ａがクランクシャフト１に連結されている。そして、ピストン５１の往復運動がコネクティングロッド５２を介してクランクシャフト１の回転運動に変換されるようになっている。

シリンダブロック２の下側には、クランクケース６が取り付けられている。シリンダブロック２内の下部からクランクケース６の内部にわたる空間は、クランク室６１として構成されている。クランク室６１の下側には、オイル貯留部となるオイルパン７が配設されている。

シリンダヘッド３には、それぞれ、吸気ポート３１を開閉するための吸気バルブ３２および排気ポート３３を開閉するための排気バルブ３４が組み付けられている。そして、シリンダヘッド３とヘッドカバー４との間に形成されているカム室（シリンダヘッド３内部空間）３ａに配置されたカムシャフト３５および３６の回転によって、各バルブ３２および３４の開閉動作が行われるようになっている。

シリンダヘッド３に形成されている吸気ポート３１には、吸気マニホールド８が接続されている。吸気マニホールド８の上流側は、吸気管８３に連通されている。この吸気管８３は、サージタンク８１およびスロットルバルブ８２を備えている。また、吸気管８３の上流側には、エアクリーナ８４が設けられている。これにより、エアクリーナ８４から吸気管８３内に導入された空気は、サージタンク８１を通じて吸気マニホールド８に導入される。

シリンダヘッド３には、インジェクタ（燃料噴射弁）３７が設けられており、吸気ポート３１に導入された空気は、インジェクタ３７から噴射された燃料と混合されて混合気となり、吸気バルブ３２の開弁にともなって燃焼室３８へ導入される。

燃焼室３８の頂部には、点火プラグ３９が配設されている。燃焼室３８において、点火プラグ３９の点火にともなう混合気の燃焼によりピストン５１が往復運動する。このピストン５１の往復運動は、コネクティングロッド５２を介してクランクシャフト１に伝達される。そして、回転運動に変換された後に、エンジン１００の出力として取り出される。

また、混合気の燃焼により生じた燃焼ガスは、排気バルブ３４の開弁にともない排気ガスとして、排気ポート３３を経た後に、図示しない排気マニホールドに排出される。排出された排気ガスは、排気管を通過して外部に排出される。なお、排気管には、触媒コンバータが設けられており、排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）および酸化窒素成分（ＮＯｘ）などが浄化される。

次に、エンジン１００に備えられるブローバイガス還元装置９について説明する。

ブローバイガス還元装置９は、シリンダ５の内面５ａとピストン５１の外面５１ａとの隙間からクランク室６１内に吹き抜けた燃料（ブローバイガス）をエンジン１００の吸気系に導くとともに、このクランク室６１内に新気を導入して換気するためのものである。

また、ブローバイガス還元装置９は、ブローバイガス回収通路９１と、第１オイルセパレータ（負圧側オイルセパレータ）９２と、第２オイルセパレータ（大気側オイルセパレータ）９３と、ブローバイガス供給配管９４と、新気導入配管９５と、新気導入通路９６とを備えている。

ブローバイガス回収通路９１は、クランク室６１内に吹き抜けたブローバイガスをカム室３ａ内部に向けて抜き出すためのものである。第１オイルセパレータ（負圧側オイルセパレータ）９２は、ブローバイガス回収通路９１によって抜き出されたブローバイガスがカム室３ａを経て導入された後に、ブローバイガスからオイルミストを分離するためのものである。第２オイルセパレータ（大気側オイルセパレータ）９３は、主として外気（新気）を導入する機能を有している。ブローバイガス供給配管９４は、第１オイルセパレータ９２からブローバイガスを吸気系に導くためのものである。新気導入配管９５は、主として第２オイルセパレータ９３に向けて新気を導入する機能を有している。新気導入通路９６は、カム室３ａ内からクランク室６１内に向けて新気を導入するためのものである。

ブローバイガス回収通路９１は、シリンダブロック２からシリンダヘッド３にわたって略鉛直方向に延びる通路として形成されている。つまり、シリンダブロック２に形成された通路９１ａとシリンダヘッド３に形成された通路９１ｂとがともに同一軸心上で鉛直方向に延びて連通されており、このブローバイガス回収通路９１を介してクランク室６１とカム室３ａとが連通されている。これにより、ブローバイガス回収時には、クランク室６１内のブローバイガスがブローバイガス回収通路９１を経てカム室３ａに導入される。

第１オイルセパレータ９２は、ヘッドカバー４の内面における一方側（図１における左側）に取り付けられている。また、第１オイルセパレータ９２は、セパレータケース（ブリーザケース）９２ａと、セパレータケース９２ａ内に配置された複数のバッフルプレート（図示省略）とを備えている。

セパレータケース９２ａは、上側が開放された金属製または樹脂製で略直方体形状の箱形部材である。セパレータケース９２ａの開放側は、ヘッドカバー４の内面に取り付けられることによって、ヘッドカバー４との間で略密閉されたセパレータ室（ブローバイガス流路）９２ｂを形成している。このセパレータケース９２ａには、ブローバイガス導入孔９２ｃ、オイル回収部９２ｄがそれぞれ形成されているとともに、ＰＣＶ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｃｒａｎｋｃａｓｅ Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）バルブ９２ｅが取り付けられている。

ブローバイガス導入孔９２ｃは、セパレータケース９２ａの長手方向（ヘッドカバー４に取り付けられた状態での気筒配列方向）の一方寄りの底面に形成されている。第１オイルセパレータ９２の内部空間（セパレータ室９２ｂ）は、ブローバイガス導入孔９２ｃによりカム室３ａに連通している。

オイル回収部９２ｄは、セパレータケース９２ａの底面に設けられた、いわゆるオイルプールとして構成されている。つまり、オイル回収部９２ｄは、セパレータケース９２ａの底面の一部分に形成された凹陥部分の底面に比較的小径の開口部が形成されることにより構成されている。これにより、セパレータケース９２ａの内部空間とカム室３ａとを連通しているとともに、オイルプールにオイルが貯留されることにより、カム室３ａ内のオイルミスト等がこのオイル回収部９２ｄからセパレータケース９２ａの内部空間に流れ込むのを抑制している。

ＰＣＶバルブ９２ｅは、セパレータケース９２ａの内部空間の圧力と吸気系の吸入負圧とに応じて開弁するように構成されている。このＰＣＶバルブ９２ｅの開弁時には、セパレータケース９２ａ内でオイルが分離除去された後のブローバイガスが、ＰＣＶバルブ９２ｅを経てエンジン１００の吸気系（第１実施形態では、スロットルバルブ８２の下流側の吸気管８３）に導入されることになる。なお、ＰＣＶバルブ９２ｅとして、開閉自在な電磁弁を用いてもよい。

第２オイルセパレータ９３は、上述した第１オイルセパレータ９２と略同様の構成となっている。つまり、第２オイルセパレータ９３は、ヘッドカバー４の内面における他方側（図１における右側）に取り付けられている。また、第２オイルセパレータ９３は、セパレータケース９３ａと、セパレータケース９３ａ内に配置された複数のバッフルプレート（図示省略）とを備えている。そして、セパレータケース９３ａは、ヘッドカバー４との間で略密閉されたセパレータ室９３ｂを形成している。このセパレータケース９３ａには、新気導入孔９３ｃが形成されている。この新気導入孔９３ｃは、セパレータケース９３ａの底面であってカム室３ａに対応する位置に形成されている。つまり、この新気導入孔９３ｃによって第２オイルセパレータ９３のセパレータ室９３ｂとカム室３ａとが連通している。

ブローバイガス供給配管９４は、第１オイルセパレータ９２のセパレータケース９２ａ内において、オイルが分離除去された後のブローバイガスを吸気系に導くための配管である。このブローバイガス供給配管９４の上流端は、ＰＣＶバルブ９２ｅに接続されている一方、ブローバイガス供給配管９４の下流端は、吸気管８３におけるスロットルバルブ８２の直下流側に接続されている。これにより、ＰＣＶバルブ９２ｅの開放にともない、ブローバイガスがサージタンク８１を介してエンジン１００の吸気系に戻される。

新気導入配管９５の一端は、吸気管８３におけるスロットルバルブ８２の直上流側に接続されている。新気導入配管９５の他端は、第２オイルセパレータ９３のセパレータ室９３ｂに連通している。この新気導入配管９５は、主に、クランク室６１内を換気するための外気（新気）を吸気系から導入する機能を有している。

新気導入通路９６は、シリンダヘッド３からシリンダブロック２にわたって略鉛直方向に延びる通路として形成されている。つまり、シリンダヘッド３に形成された通路９６ａとシリンダブロック２に形成された通路９６ｂとは、ともに同一軸心上で鉛直方向に延びて連通されており、この新気導入通路９６を介してカム室３ａとクランク室６１とが連通されている。これにより、第２オイルセパレータ９３からカム室３ａに導入された新気が新気導入通路９６を経てクランク室６１内に導入され、このクランク室６１内が換気されるようになっている。また、新気導入通路９６はオイル戻し通路も兼用している。つまり、第１オイルセパレータ９２において分離除去されかつカム室３ａに流下してきたオイルを、その自重によりオイルパン７に回収するようになっている。

−ピストンおよびピストンリング−
次に、図２を参照して、第１実施形態によるピストンおよびピストンリングの詳細な構成について説明する。

ピストン５１は、鋳造加工により作製された鋳造ピストンであり、アルミニウム合金によって形成されたピストン本体５１１を備えている。ピストン本体５１１は、ヘッド部５１２と、ヘッド部５１２に連なるとともにコネクティングロッド５２に連結されるスカート部５１３とを備えている。

ヘッド部５１２は、シリンダヘッド３に対向する頂面５１４を有している。ピストン５１は、燃焼行程時に燃焼室３８で発生した燃焼圧を受けることによって、シリンダボア内（内面５ａ）を往復運動する。そして、この往復運動がコネクティングロッド５２によって回転運動に変換された後に、エンジン１００の出力軸であるクランクシャフト１に出力されるようになっている。

ピストン本体５１１のヘッド部５１２は、シリンダボアの内壁（シリンダ５の内面５ａ）に対向して延在する外周面５１５を有している。この外周面５１５には、燃焼室３８側からクランク室６１側に沿って順番に、トップリング溝５１２ａ、セカンドリング溝５１２ｂおよびオイルリング溝５１２ｃがそれぞれ形成されている。なお、トップリング溝５１２ａは、本発明の「外周溝」の一例である。

トップリング溝５１２ａには、コンプレッションリングとしてのトップリング５４が装着されている。セカンドリング溝５１２ｂには、コンプレッションリングとしてのセカンドリング５５が装着されている。また、オイルリング溝５１２ｃには、オイルリング５６が装着されている。

トップリング５４およびセカンドリング５５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いる。また、トップリング５４およびセカンドリング５５は、平面視において略Ｃ字形状の平板状部材からなっている。

オイルリング５６は、平面視において略Ｃ字形状の平板状のアッパーリングとロアリングとを備えている。これらアッパーリングとロアリングとの間には、センターリングを介装して組み立てられた３ピース構造になっている。なお、オイルリング５６の構成としては３ピース構造に限られるものではない。

ここで、第１実施形態では、図３に示すように、トップリング５４には、周方向の一箇所（スラスト方向側）に合口５４ａが形成されている。この合口５４ａがスラスト方向（矢印Ａ方向）を向くように、トップリング５４はピストン５１に対して回り止めされている。なお、図１〜図３における左側をスラスト方向側と呼び、右側を反スラスト方向側と呼ぶものとする。

また、トップリング５４の内面５４ｂのうち矢印Ｘ１方向側の部分には、ピストン５１側に向かって突出する山形形状を有する１つの凸部５４ｃが形成されている。なお、凸部５４ｃは、本発明の「第１係合部」の一例である。このトップリング５４の凸部５４ｃは、トップリング５４の幅方向（図３において紙面に対して垂直方向）全体にわたって形成されている。

また、ピストン５１の外面５１ａのトップリング溝５１２ａには、トップリング５４の凸部５４ｃと係合する山形形状を有する１つの凹部５１ｂが形成されている。なお、凹部５１ｂは、本発明の「第２係合部」の一例である。このピストン５１の凹部５１ｂは、トップリング溝５１２ａのピストン５１が摺動する方向（図３において紙面に対して垂直方向）全体にわたって形成されている。また、トップリング５４の凸部５４ｃと、ピストン５１の凹部５１ｂとの間の一部の領域には、平面視において、所定の隙間が設けられている。これにより、トップリング５４は、ピストン５１に対して、所定の隙間分移動することが可能である。

上記の構成により、エンジン１００の運転中にピストン５１が往復動（上下動）してトップリング５４がピストン５１に対して周方向に移動（回転）した際に、トップリング５４の凸部５４ｃとピストン５１の凹部５１ｂとが係合することにより、トップリング５４がピストン５１に対して回り止めされる。すなわち、トップリング５４の凸部５４ｃおよびピストン５１の凹部５１ｂは、回り止め機能を有している。これにより、トップリング５４の合口５４ａをスラスト方向に向けた状態で維持（固定）することが可能となる。

次に、図２〜図９を参照して、トップリング５４の合口５４ａをスラスト方向に向けた状態でトップリング５４をピストン５１に対して回り止めした場合の各実験結果について説明する。

図５は、横軸にクランク角［ＡＴＤＣ（Ａｆｔｅｒ Ｔｏｐ Ｄｅａｄ Ｃｅｎｔｅｒ：上死点後）］を示しており、縦軸に０を基準として水平方向（スラスト方向側および反スラスト方向側）へのピストンの変位の大きさを示している。図６は、横軸にクランク角［ＡＴＤＣ］を示しており、縦軸にトップリングとセカンドリングとの間の領域（ランド）の圧力（ランド圧力）の大きさを示している。図７は、横軸にクランク角［ＡＴＤＣ］を示しており、縦軸にトップリングの挙動の大きさを示している。図８は、横軸にクランク角［ＡＴＤＣ］を示しており、縦軸に第１実施形態および比較例の両方のランド圧力を示している。図９は、横軸にトップリングの合口が存在する角度を示しており、縦軸にランド圧力の最大値を示している。なお、クランク角［ＡＴＤＣ］は、圧縮上死点を０°として、エンジンの点火時期やバルブタイミングをクランクシャフトの回転角度（作用角）で示したものである。なお、第１実施形態では、図３に示すように、スラスト方向（矢印Ａ方向）を０°方向とし、反スラスト方向（矢印Ｂ方向）を１８０°方向とする。

まず、図２に示すように、エンジン１００運転中の圧縮行程の終期から燃焼行程の初期にかけて、ピストン５１が下向きに移動している場合には、エンジン１００は、往復動エンジンであることから、ピストン５１には、コネクティングロッド５２から受けた力の反力Ｐ１が発生する。この反力Ｐ１の水平方向の成分Ｐ２により、図５に示すように、約０°から約９０°までのクランク角範囲内において、スラスト方向側（図５の下方向）への比較的大きいピストン変位が確認された。これにより、ピストン５１は、シリンダ５の内面５ａのスラスト方向に押し付けられていることがわかる。

また、燃焼室３８で燃焼が発生した際には、図６に示すように、クランク角０°を中心として比較的大きい筒内圧が印加される。そして、図２に示すように、燃焼により発生した高圧の気体は、ピストン５１の頂面５１４に達する。その後、高圧の気体は、トップリング５４の合口５４ａを通過した後に、トップリング５４とセカンドリング５５との間のランド５７に達する。そして、図６に示すように、ランド５７内には、約０°から約９０°までのクランク角範囲内（燃焼行程初期）において、比較的大きいランド圧が発生することが確認された。

また、図６に示すように、約９０°から約２７０°までのクランク角範囲内において、ランド圧が筒内圧よりも大きくなる場合（図６に示す「逆転」の範囲）では、通常、図７に示すように、約９０°から約１８０°までのクランク角範囲内において、トップリング５４が上方に押し上げられることにより、トップリング５４の浮き上がりが発生する。そして、この浮き上がりが発生する際に、トップリング５４の合口５４ａを介して燃焼室３８からクランク室６１に吹き抜けるブローバイガスが増加することや、トップリング５４の合口５４ａを介してオイルが燃焼室３８に流れ込むのが増加するという不都合が発生する。なお、図７に示す約３６０°から約５４０°までのクランク角範囲内において確認された浮き上がりは、排気行程や吸気行程におけるものなので、ブローバイガスやオイル消費の増加に及ぼす影響は少ないと考えられる。

また、上記のようなトップリング５４の浮き上がりが発生する際には、トップリング５４にピストン５１に対して回転させるような力が加わる。しかしながら、図３に示すように、トップリング５４の凸部５４ｃとピストン５１の凹部５１ｂとが係合することにより、トップリング５４がピストン５１に対して回り止めされる。これにより、トップリング５４の合口５４ａは、スラスト方向（０°方向）に向くように維持（固定）される。

また、図３に示すように、エンジン１００運転中（特に、燃焼行程の初期）にピストン５１がスラスト方向に傾いた（変位した）場合には、ピストン５１がスラスト方向に押し付けられることにより、平面視においてピストン５１と合口５４ａとの重なる部分５１４ａ（図３に示す斜線部分）の大きさ（面積）が大きくなるので、燃焼室３８内のブローバイガス（高圧の気体）がトップリング５４の合口５４ａを介してセカンドリング５５側（クランク室６１側）に漏れないようにシールされる。すなわち、ピストン５１と合口５４ａとの重なる部分５１４ａの大きさ（面積）は、ピストン５１がスラスト方向に傾く前（図４に示す斜線部分）よりも傾いた後（図３に示す斜線部分）の方が大きくなるので、その分、ピストン５１がスラスト方向に傾いた後の方が合口５４ａの隙間の開口面積が小さくなる。これにより、ブローバイガス（高圧の気体）が合口５４ａの隙間からセカンドリング５５側（クランク室６１側）に漏れるのを抑制することが可能となる。その結果、ブローバイガスがトップリング５４の合口５４ａを通過しにくくなるので、ランド５７内の圧力の増加が抑制される。

また、図８に示すように、クランク角が約０°から約９０°までの範囲内において、第１実施形態による回り止めが施されたトップリング５４を用いた場合のランド圧力と、比較例による回り止めが施されていないトップリングを用いた場合のランド圧力とでは、第１実施形態によるランド圧力が比較例によるランド圧力よりも小さいことが確認された。この実験結果から、トップリング５４とセカンドリング５５との間のランド５７のランド圧力が比較例よりも小さくなることにより、トップリング５４の浮き上がりが抑制されるので、その分ブローバイガスおよびオイル消費を減少することが可能であることがわかった。

また、上記第１実施形態では、図３に示すように、トップリング５４の合口５４ａをスラスト方向（０°方向）に向けて配置する例を示したが、トップリング５４の合口５４ａは、スラスト方向（０°方向）に対して時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内に配置する場合、または、スラスト方向（０°方向）に対して反時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内に配置する場合においても効果的にブローバイガスおよびオイル消費を減少することが可能である。なお、図３では、スラスト方向（０°方向）に対して±６０°方向までの角度範囲を角度範囲αとし、±６０°方向から±１２０°方向までの角度範囲を角度範囲βとし、±１２０°方向から１８０°方向までの角度範囲を角度範囲γとしている。

具体的には、図９に示す実験結果のように、０°方向から±６０°方向までの角度範囲内（角度範囲α）にトップリング５４の合口５４ａが存在する（向いている）場合には、ランド圧力の最大値が略一定であることから、効果的にブローバイガスおよびオイル消費を減少することが可能であることがわかった。

また、スラスト方向（０°方向）に対して±６０°方向から±１２０°方向までの角度範囲内（角度範囲β）に合口５４ａが存在する（向いている）場合には、０°方向から６０°方向までの角度範囲内（角度範囲α）に合口５４ａが存在する（向いている）場合と比べて、ランド圧力最大値が上昇することが確認されたが、比較的大きな上昇ではないので、±６０°方向から±１２０°方向までの角度範囲内（角度範囲β）においても効果的にブローバイガスおよびオイル消費を減少することが可能であると考えられる。

なお、スラスト方向（０°方向）に対して±１２０°方向から１８０°方向までの角度範囲内（角度範囲γ）に合口５４ａが存在する（向いている）場合には、０°方向から±６０°方向までの角度範囲内（角度範囲α）に合口５４ａが存在する（向いている）場合に比べて、ランド圧力最大値が比較的大きく上昇することが確認された。

以上説明したように、第１実施形態によるエンジン１００用ピストン５１およびトップリング５４によれば、以下に列記するような効果が得られる。

第１実施形態では、上記のように、トップリング５４に形成された合口５４ａがスラスト方向（０°方向）を向くように、トップリング５４をピストン５１に対して回り止めする。これにより、エンジン１００運転中（特に、燃焼行程の初期）にピストン５１がスラスト方向（０°方向）に傾いた場合に、ピストン５１がスラスト方向側に押し付けられることにより、ピストン５１のトップリング溝５１２ａに装着されたトップリング５４の合口５４ａの隙間（開口面積）が小さくなるので、燃焼室３８内のガスがトップリング５４の合口５４ａを介してセカンドリング５５側（クランク室６１側）に漏れないようにシールすることができる。これにより、トップリング５４の合口５４ａから漏れ出るブローバイガスの量が少なくなるので、セカンドリング５５側への圧力（トップリング５４とセカンドリング５５との間のランド５７内に発生するランド圧）を低減することができる。その結果、トップリング５４とセカンドリング５５との間のランド５７内に発生するランド圧を低減することができるので、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することができる。また、トップリング５４に別途部材を配置する必要がないので、部品点数が増加するのを抑制することができる。また、ピストン５１に連通孔を形成しない分、ピストン５１の構造や加工が複雑になるのを抑制することができる。これらにより、部品点数が増加するのを抑制するとともに、ピストン５１およびトップリング５４の構造や加工が複雑になるのを抑制しながら、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することができる。また、凸部５４ｃと凹部５１ｂとを係合させやすい形状（凸形状および凹形状）に形成することができるので、トップリング５４をピストン５１に対してより回らないようにすることができる。これにより、確実にトップリング５４の合口５４ａをスラスト方向（０°方向）に向けた状態を維持することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、トップリング５４の凸部５４ｃとピストン５１の凹部５１ｂとが係合することにより、トップリング５４の合口５４ａがスラスト方向（０°方向）を向くように、トップリング５４をピストン５１に対して回り止めする。これにより、トップリング５４の凸部５４ｃとピストン５１の凹部５１ｂとを係合させることにより、容易に、トップリング５４の合口５４ａをスラスト方向（０°方向）に向くように配置することができる。その結果、エンジン１００運転中に効果的にトップリング５４の合口５４ａの隙間を小さくすることができるので、トップリング５４の合口５４ａから漏れ出るガスの量を減少することができるとともに、オイルの燃焼室３８への流れ込みを抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、凸部５４ｃをトップリング５４の内面５４ｂに形成し、凹部５１ｂをピストン５１の外面５１ａに形成する。これにより、トップリング５４の内面５４ｂに形成された凸部５４ｃとピストン５１の外面５１ａに形成された凹部５１ｂにより、容易に、トップリング５４をピストン５１に対して回り止めすることができる。その結果、トップリング５４の合口５４ａをスラスト方向（０°方向）に向けた状態を維持することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、スラスト方向（０°方向）に対して時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内およびスラスト方向（０°方向）に対して反時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内にトップリング５４の合口５４ａが位置するように、トップリング５４をピストン５１に対して回り止めする。これにより、スラスト方向（０°方向）±６０°方向の角度範囲内において、セカンドリング５５側への圧力（トップリング５４とセカンドリング５５との間のランド５７内に発生するランド圧）を効果的に低減することができる。その結果、上記角度範囲内において、ブローバイガスおよびオイル消費を減少することができる。

（第２実施形態）
次に、図１０を参照して、本発明による第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、トップリングの内面に凸部を形成するとともにピストンの外面に凹部を形成した上記第１実施形態とは異なり、トップリングの内面に凹部を形成するとともにピストンの外面に凸部を形成する例について説明する。

この第２実施形態では、図１０に示すように、トップリング１５４の内面１５４ｂのうち矢印Ｘ１方向側には、山形形状を有する１つの凹部１５４ｃが形成されている。なお、凹部１５４ｃは、本発明の「第１係合部」の一例である。この凹部１５４ｃは、トップリング１５４の幅方向（図１０において紙面に対して垂直方向）全体にわたって形成されている。

また、ピストン１５１の外面１５１ａのトップリング溝５１２ｄには、トップリング１５４の凹部１５４ｃと係合する山形形状を有する１つの凸部１５１ｂが形成されている。なお、凸部１５１ｂは、本発明の「第２係合部」の一例である。この凸部１５１ｂは、トップリング溝５１２ｄのピストン１５１が摺動する方向（図１０において紙面に対して垂直方向）全体にわたって形成されている。また、トップリング１５４の凹部１５４ｃと、ピストン１５１の凸部１５１ｂとの間の一部の領域には、所定の隙間が設けられている。これにより、トップリング１５４は、ピストン１５１に対して、所定の隙間分移動することが可能である。

上記の構成により、エンジン１００の運転中にピストン１５１が上下動（往復動）してトップリング１５４がピストン１５１に対して周方向に移動（回転）した際に、トップリング１５４の凹部１５４ｃとピストン１５１の凸部１５１ｂとが係合することにより、トップリング１５４がピストン１５１に対して回り止めされる。すなわち、トップリング１５４の凹部１５４ｃおよびピストン１５１の凸部１５１ｂは、回り止め機能を有している。これにより、トップリング１５４の合口１５４ａをスラスト方向に向けた状態で維持（固定）することが可能となる。なお、第２実施形態の構成および実験結果については、上記第１実施形態と同様である。

以上説明したように、第２実施形態によるエンジン１００用ピストン１５１およびトップリング１５４によれば、以下に列記するような効果が得られる。

第２実施形態では、上記のように、トップリング１５４の凹部１５４ｃとピストン１５１の凸部１５１ｂとが係合することにより、トップリング１５４の合口１５４ａがスラスト方向（０°方向）を向くように、トップリング１５４をピストン１５１に対して回り止めする。これにより、トップリング１５４の凹部１５４ｃとピストン１５１の凸部１５１ｂとを係合させることにより、容易に、トップリング１５４の合口１５４ａをスラスト方向（０°方向）に向くように配置することができる。その結果、エンジン１００運転中にトップリング１５４の合口１５４ａの隙間（開口面積）を小さくすることができるので、トップリング１５４の合口１５４ａから漏れ出るガスの量を減少することができるとともに、オイルの燃焼室３８への流れ込みを抑制することができる。なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

−他の実施形態−
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、トップリングの合口をスラスト方向（０°方向）に向くように配置する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、スラスト方向側と反スラスト側とのうちのスラスト方向側であれば、スラスト方向（０°方向）に対して時計回り方向または反時計回り方向に９０°方向未満の角度範囲内に合口が向くように配置してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、回り止めとして機能する凸部および凹部を平面視において矢印Ｘ１方向側に設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、凸部および凹部をピストン（ピストンリング）の周方向の任意の部分に形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、回り止めとして機能する凸部および凹部を平面視において山形形状を有するように形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、凸部および凹部を矩形形状や三角形形状などの形状に形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、凸部および凹部をそれぞれ１つずつ設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、凸部および凹部をそれぞれ２つ以上設けてもよい。

本発明は、内燃機関用ピストンおよびピストンリングに利用可能であり、さらに詳しくは、内燃機関のシリンダ内に往復動自在に設けられ、シリンダとの間で燃焼室を形成するピストンと、ピストンの外周に形成された複数の外周溝に装着される複数のピストンリングとを備える内燃機関用ピストンおよびピストンリングに利用することができる。

１ エンジン（内燃機関）
５ シリンダ
３８ 燃焼室
５１、１５１ ピストン
５１ａ、１５１ａ 外面
５１ｂ 凹部（第２係合部）
５４、１５４ トップリング（ピストンリング）
５４ａ、１５４ａ 合口
５４ｂ、１５４ｂ 内面
５４ｃ 凸部（第１係合部）
５５ セカンドリング（ピストンリング）
１５１ｂ 凸部（第２係合部）
１５４ｃ 凹部（第１係合部）
５１２ａ、５１２ｄ トップリング溝（外周溝）

Claims (5)

1. 内燃機関のシリンダ内に往復動自在に設けられ、前記シリンダとの間で燃焼室を形成するピストンと、
   前記ピストンの外周に形成された複数の外周溝に装着される複数のピストンリングとを備える内燃機関用ピストンおよびピストンリングにおいて、
   前記複数のピストンリングは、前記複数の外周溝のうち前記燃焼室側の外周溝に配置されるトップリングと、前記トップリングの前記燃焼室とは反対側の外周溝に配置されるセカンドリングとを含み、
   前記トップリングに形成された合口隙間がスラスト方向側および前記スラスト方向側とは反対方向の反スラスト方向側のうちの前記スラスト方向側を向くように、前記トップリングは前記ピストンに対して回り止めされていることを特徴とする内燃機関用ピストンおよびピストンリング。
2. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンおよびピストンリングにおいて、
   前記トップリングには、第１係合部が形成され、
   前記ピストンには、前記トップリングの第１係合部と係合する第２係合部が形成され、
   前記トップリングの第１係合部と前記ピストンの第２係合部とが係合することにより、前記トップリングの合口隙間が前記スラスト方向側を向くように、前記トップリングは前記ピストンに対して回り止めされていることを特徴とする内燃機関用ピストンおよびピストンリング。
3. 請求項２に記載の内燃機関用ピストンおよびピストンリングにおいて、
   前記トップリングの第１係合部は、前記トップリングの内面に形成され、
   前記ピストンの第２係合部は、前記ピストンの外面に形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストンおよびピストンリング。
4. 請求項２または３に記載の内燃機関用ピストンおよびピストンリングにおいて、
   前記トップリングの第１係合部は、凸部または凹部の一方の形状を有し、
   前記ピストンの第２係合部は、凸部または凹部の他方の形状を有し、
   前記凸部または凹部の一方の形状を有する前記トップリングの第１係合部と、前記凸部または凹部の他方の形状を有する前記ピストンの第２係合部とが係合することにより、前記トップリングの合口隙間が前記スラスト方向側を向くように、前記トップリングは前記ピストンに対して回り止めされていることを特徴とする内燃機関用ピストンおよびピストンリング。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンおよびピストンリングにおいて、
   前記スラスト方向の角度を０°方向とした場合に、前記スラスト方向に対して時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内および前記スラスト方向に対して反時計回り方向に６０°方向までの角度範囲内に前記トップリングの合口隙間が位置するように、前記トップリングは前記ピストンに対して回り止めされていることを特徴とする内燃機関用ピストンおよびピストンリング。

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