JP2014098471A - 圧力リング装着ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】圧力リング装着ピストンにおいて、第１圧力リングをリング溝面から離間しやすくして、オイル消費を低減することである。
【解決手段】圧力リング装着ピストン１８は、第１リング溝４０にピストン移動方向の移動可能に配置された第１圧力リングであるトップリング３４と、第２リング溝４２にピストン移動方向の移動可能に配置された第２圧力リングであるセカンドリング３６とを含む。トップリング３４の燃焼室側の軸方向片側の端面である第１端面、または第１端面に対向する第１リング溝４０のリング溝面を対向形成面として、対向形成面は、表面粗さの最大深さよりも大きな凸部または凹部を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力リング装着ピストンに関し、特にピストンの複数のリング溝に燃焼室側からクランク室側に向かって第１圧力リングと第２圧力リングとオイルリングとが順に配置された構造に関する。

従来から内燃機関用ピストンの外周面に複数のリング溝を設けるとともに、複数のリング溝に圧力リング及びオイルリングを配置することが行われている。

特許文献１には、２ピース構造のオイルリングが記載されている。オイルリングが油膜によってリング溝の下面に付着することを抑制し、オイルリングの上面とリング溝との間からリング溝内のオイルが吸い上げられるのを抑制するために、リング溝の下面またはオイルリングの下面に凹部が設けられている。

特許文献２には、第１圧力リングであるトップリングにおいて、皿バネ状の断面を持ち、シリンダにピストンが嵌合された場合に、トップリングが、ピストンのリング溝の溝面と対向する軸方向端のリング端面を有し、リング端面に溝面と平行またはほとんど平行な平滑部を設けることが記載されている。この場合、トップリングは、断面形状で燃焼室側の外側上向きか、またはクランク室側の外側下向きの姿勢を有する。

特許文献３には、ピストンの外周面で、トップリングと第２圧力リングであるセカンドリングとの間のセカンドランドと対向する空間の圧力上昇によって、セカンドリングの下面がリング溝に押し付けられる力を低減するために、セカンドリングの下面をテーパ形状とすることが記載されている。

特開２０１０−２７０８６８号公報 特開昭６１−１１４４１号公報 特開２０００−９２２５号公報

第１圧力リングは、ピストンの往復移動に伴う慣性力と、シリンダ壁面との間の摩擦力と、リング両側の圧力差等とに影響されてリング溝内で移動する。この場合、第１圧力リングにおいて、ピストンの移動方向や移動速度の変化にかかわらず、第１圧力リングと第１リング溝のリング溝面との間の油の介在によりリング溝面に第１圧力リングが吸着されたままとなる場合がある。この場合、クランク室側のオイルが燃焼室側に運ばれて消費されるという「オイル上がり」が生じて、オイル消費が大きくなる可能性がある。

本発明の目的は、圧力リング装着ピストンにおいて、第１圧力リングをリング溝面から離間しやすくして、オイル消費を低減することである。

本発明に係る圧力リング装着ピストンは、外周面に燃焼室側からクランク室側に向かって第１リング溝と第２リング溝とオイルリング溝とが順に形成された内燃機関用のピストン本体と、前記第１リング溝にピストン移動方向へ移動可能に配置され、前記第１リング溝の溝底径よりも大きい内径を有する第１圧力リングと、前記第２リング溝にピストン移動方向へ移動可能に配置され、前記第２リング溝の溝底径よりも大きい内径を有する第２圧力リングとを備え、前記第１圧力リングの燃焼室側の第１端面、または前記第１端面に対向するリング溝面を対向形成面として、前記対向形成面は、表面粗さの最大深さよりも大きな凹部または、凸部を有している。
なお、本発明において、「凸部」には、第１圧力リングの第１端面を全面にわたって径方向外側に向かって第１溝面側に傾斜させてテーパ面とした場合の外周端は含まないし、「凹部」には同じ場合の内周側部分は含まない。

本発明に係る圧力リング装着ピストンにおいて、好ましくは、前記対向形成面の円周方向に対して直交する平面で切断した場合の断面形状は、一部または全部に軸方向に突出するように形成され、少なくとも一部が断面円弧の曲線である凸部を有する。

本発明に係る圧力リング装着ピストンにおいて、好ましくは、前記凸部は、前記第１圧力リングの前記第１端面に全周にわたって軸方向に突出するように形成され、前記第１リング溝内における前記第１圧力リングの移動にかかわらず、前記凸部の頂部は前記第１溝面に軸方向に対向している。

本発明に係る圧力リング装着ピストンにおいて、好ましくは、前記対向形成面に、油に対する濡れ性を低下させる濡れ性低減処理が施されている。

本発明の圧力リング装着ピストンによれば、第１圧力リングと第１リング溝のリング溝面との間に油が存在する場合でも、凹部、または凸部から外れた部分と、対向面との対向部分で隙間が大きくなるので油の移動及び変形の自由度が高くなり、全体として第１圧力リングとリング溝面との付着力が低減され、第１圧力リングがリング溝面から離間しやすくなる。このため、オイル上がりを抑制して、オイル消費を低減できる。

本発明の実施形態の圧力リング装着ピストンを組み込んだエンジンを示す概略部分断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 トップリングを示している図２のＢ部拡大図である。 図３に示したトップリングの端面図である。 （ａ）は図３のＣ部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）の径方向位置に応じたトップリングの上端面と第１リング溝面との付着力を示す図である。 本発明の実施形態と同様の構成において、エンジンの低負荷または無負荷の運転状態で、クランク角度に応じた筒内圧Ｐａ及びセカンドランド圧Ｐ１と、比較例のセカンドランド圧Ｐ２との計算結果、及び、ピストンの移動方向とを示す図である。 比較例を示している図３に対応する図である。 本発明の実施形態において、セカンドランド圧が大きくなる理由を説明するための図３の拡大対応図である。 比較例の第２例を示している図３に対応する図である。 本発明の実施形態の別例の第１例を示している図４に対応する図である。 本発明の実施形態の別例の第２例を示している図３に対応する図である。 図１１の構成において、リング溝内でトップリングの内周面の一部が溝底面に接触した場合でのトップリングの径方向反対側の２個所を示す断面図である。 本発明の実施形態の別例の第３例を示している図３に対応する図である。 本発明の実施形態の別例の第４例を示している図３に対応する図である。 図１４の構成において、リング溝内でトップリングの内周面の一部が溝底面に接触した場合でのトップリングの溝底面との接触部とは径方向反対側の断面図である。 本発明の実施形態の別例の第５例を示している図２に対応する図である。 ピストン移動時の油膜の動きを示す、図１６のＦ部拡大図である。 本発明の実施形態の別例の第６例を示している図３に対応する図である。 図１８において、トップリングがピストンに対し上に移動した場合の第１リング溝内のオイル挙動を示す図である。 本発明の実施形態の別例の第７例を示している図３に対応する図である。 本発明の効果確認のために行った実験結果を示しており、エンジンブレーキ作動時にトップリングがリング溝上面に付着した場合と付着しない場合とでオイル吸い上げ量の差を比較した図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、ピストンを自然吸気式のガソリンエンジンに使用する場合について説明するが、ピストンが往復移動する他のエンジンに適用することもできる。また、以下ではエンジンとして、シリンダが略鉛直方向に形成された直列複数気筒の場合を説明するが、これに限定するものではなく、Ｖ字形の複数気筒、水平対向の複数気筒等の他の形式のエンジンに適用してもよい。また、以下では、すべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、本実施形態の圧力リング装着ピストンを組み込んだエンジンを示す概略部分断面図である。自然吸気式の内燃機関であるガソリンエンジン１０は、エンジン本体１２を形成するシリンダブロック１４に略鉛直方向に形成された複数のシリンダ１６と、各シリンダ１６の内側に上下方向に往復移動する圧力リング装着ピストン１８と、圧力リング装着ピストン１８に上端部が結合された結合ロッド２０と、結合ロッドの下端部が結合されたクランク軸２２とを備える。クランク軸２２の両端部はエンジン本体１２に回転可能に支持される。クランク軸２２の軸方向中間部は、エンジン本体１２の下部内側のクランク室２４に配置される。クランク室２４にはエンジンオイルである潤滑油が溜まっている。シリンダブロック１４の上側にシリンダヘッド２６が結合され、シリンダヘッド２６とシリンダブロック１４と圧力リング装着ピストン１８の上面とにより燃焼室２８が形成されている。

図２は、図１のＡ部拡大図を示している。圧力リング装着ピストン１８は、ピストン本体３２と、トップリング３４と、セカンドリング３６と、オイルコントロールリングであるオイルリング３８とを含む。ピストン本体３２は、上端部が塞がれた略円筒状で、外周面の上側に燃焼室２８側からクランク室２４側に向かって、第１リング溝４０と第２リング溝４２とオイルリング溝４４とが順に形成されている。各リング溝４０，４２，４４は、ピストン本体３２の外周面に全周に沿って形成された断面矩形状である。

また、ピストン本体３２は、オイルリング溝４４とピストン内部空間４６とを通じさせるように形成された油孔であるドレンホール４８を含んでいる。ピストン内部空間４６は下側のクランク室２４と通じている。ドレンホール４８の一端部はオイルリング溝４４の内周部及び下部に接続され、ドレンホール４８の他端部はピストン本体３２の内壁に開口している。

オイルリング３８は、３ピース型であり、上下２つの環状サイドレール５０，５２と、環状サイドレール５０，５２間に介装された環状スペーサ５４とを含み、オイルリング溝４４に装着されている。環状スペーサ５４は、上下２つの環状要素の外周部同士を連結部で連結して形成され、各環状要素によって、各環状サイドレール５０，５２をオイルリング溝４４の上下のリング溝面に押し付けている。また、各環状要素の内周端部で環状サイドレール５０，５２を外周側に押し広げて、周方向の張力を付与することで、各環状サイドレール５０，５２の外周縁をシリンダ１６の壁面に摺接させている。環状スペーサ５４の連結部に厚み方向に貫通する孔を形成してもよい。

トップリング３４は、第１リング溝４０に配置された第１圧力リングである。セカンドリング３６は、第２リング溝４２に配置された第２圧力リングである。後述する図４に示すように、トップリング３４は、鋼等の金属から周方向一部に合口５６を有する略円環状に形成される。セカンドリング３６も同様である。トップリング３４及びセカンドリング３６は、それぞれ第１リング溝４０及び第２リング溝４２の内側に、ピストン移動方向である上下方向に移動可能に配置される。

トップリング３４は、第１リング溝４０の溝底径よりも大きい自由状態での内径ｄａ（図４）を有する。トップリング３４を第１リング溝４０に装着しシリンダ１６内にピストン１８を組み付けた状態では、トップリング３４の内周面と第１リング溝４０の溝底との間に径方向の隙間が形成される。同様に、セカンドリング３６は、第２リング溝４２の溝底径よりも大きい自由状態での内径を有する。また、セカンドリング３６を第２リング溝４２に装着しシリンダ１６内にピストン１８を組み付けた状態では、セカンドリング３６の内周面と第２リング溝４２との間に径方向の隙間が形成される。トップリング３４及びセカンドリング３６の外周縁は、シリンダ１６の壁面に摺接する。

ピストン本体３２の外周面で、第１リング溝４０よりも燃焼室２８側には円筒面状のトップランド５８が形成され、第１リング溝４０と第２リング溝４２との間には円筒面状のセカンドランド６０が形成される。トップランド５８とシリンダ１６との間は筒状のトップランド空間６２となり、セカンドランド６０とシリンダ１６との間は筒状のセカンドランド空間６４となる。また、ピストン本体３２の外周面で第２リング溝４２とオイルリング溝４４との間には円筒面状のサードランド６６が形成される。サードランド６６部分の圧力はクランク室２４の圧力である大気圧とほぼ同じになる。

図３はトップリング３４を示している図２のＢ部拡大図であり、図４はトップリング３４の端面図である。トップリング３４の軸方向片側の端面である第１端面であり、対向形成面である上端面７０は、この上端面７０の径方向内側部分にトップリング３４の全周にわたって形成された凸部６８を有する。図４では、砂地により凸部６８を示している。凸部６８の上端は平坦面としている。

図５において、（ａ）は図３のＣ部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）の径方向位置に応じたトップリング３４の軸方向一端の上端面７０と、第１リング溝４０の第１リング溝面である上溝面７２との付着力を示す図である。トップリング３４の上端面７０に形成された凸部６８は、上端面７０の表面粗さの最大深さよりも大きい軸方向高さを有する。例えば、表面粗さの最大深さに対して凸部６８の軸方向高さを１０倍以上とする。また、表面粗さの最大深さを５０μｍ未満とする場合に、凸部６８の軸方向高さを５０μｍ以上としてもよい。トップリング３４が第１リング溝４０の上溝面７２に押し付けられる場合に、トップリング３４と第１リング溝４０とは、凸部６８と同じ範囲である、図５のＰで示す範囲で接触する。範囲Ｐ以外である凸部６８から外れた部分では、トップリング３４と上溝面７２とが十分に大きく離れている。また、トップリング３４の凸部６８では、トップリング３４をピストン本体３２に組み付けた後、シリンダ１６内側に組み付ける前の状態で、トップリング３４が内周面の一部を第１リング溝４０の溝底面７４に突き当てるように径方向に移動した場合でも、凸部６８の外周縁が第１リング溝４０からはみ出ないように凸部６８の径方向位置及び寸法を規制することが好ましい。

このような圧力リング装着ピストン１８によれば、トップリング３４の上端面７０と、この上端面７０と対向する第１リング溝４０の上溝面７２との間に図５で砂地で示す潤滑油が存在する場合でも、上端面７０全体を表面粗さが存在するだけの平坦面とする場合に比べて上溝面７２との接触面積を減少させて、凸部６８から外れた部分と上溝面７２との対向部分で隙間が大きくなるので油の移動及び変形の自由度が高くなる。このため、全体としてトップリング３４と上溝面７２との付着力が低減され、トップリング３４が上溝面７２から離間しやすくなる。すなわち、油膜によるトップリング３４と上溝面７２との付着力は、図５に範囲Ｐで示す部分である凸部６８の上端と同じ範囲部分でのみ大きく作用する。このため、トップリング３４と上溝面７２との間において、油膜による付着力の総和を低減できる。

このように油膜による付着力を低減できるので、エンジン運転時にトップリング３４が第１リング溝４０内で軸方向に移動して第１リング溝４０の上溝面７２に接触した場合でも、ピストン本体３２の移動による慣性力や、トップリング３４両側の圧力差等に応じてトップリング３４が第１リング溝４０から離間しやすくなる。このため、オイル消費に関係するトップリング３４の設計の容易化を図れ、クランク室２４側の油が燃焼室２８に運ばれて消費されるオイル上がりを抑制して、オイル消費、特に設計外のオイル消費を低減できる。

次にこの理由をさらに詳しく説明する。エンジン内でオイル消費が生じる現象としては様々な形態があるが、本実施形態では、特にオイル上がりに着目した。オイル上がりの要因としては次の（１）から（３）がある。

（１）圧力リング及びオイルリングであるピストンリングと、シリンダとの摺動面において形成された油膜が蒸発して消費される。
（２）ピストンリングとシリンダとの摺動面において形成された油膜をピストンリングが掻き上げて消費される。
（３）ピストンリングとシリンダ及びピストンで囲まれた複数の空間（ピストンランド部）において、隣接する空間（ピストンランド部）との間の圧力差によってオイルがピストンの上方に運ばれて消費される。

（１）（２）については、ピストンリングとシリンダとの摺動面における油膜形成能力に関わるピストンリング摺動面に加わる面圧と、ピストンリング摺動面の形状及びシリンダの表面形状を含む形状及びオイルの蒸発量に関わる油膜の温度に基づいた計算によっておよその設計が可能である。

一方、（３）については、通常、ピストンリングに作用する慣性力、摺動面摩擦力、リング両側の圧力差に基づいてピストンリングのリング溝内での上下挙動を算出することによって、オイル上がりに対して不都合なピストンリング挙動が発生しないように設計を行なう。ただし、実際には、ピストンリングとリング溝との間に潤滑油が入った場合に、ピストンリングに作用する上記の３つの力に加えて油の表面張力と粘性とによって、油膜による付着力がピストンリングに作用することが分かった。このため、常には設計どおりのピストンリング挙動を実現できずに設計外のオイル消費現象が発生する場合がある。特に、ピストンリングを挟んで隣接する空間に作用する圧力差が大きい部位においては圧力差による潤滑油の移動が活発になるため、オイル消費量が急増することが分かった。例えば、自動車用エンジンのピストンにおいて本実施形態のようにトップリング及びセカンドリングとオイルリングの３本のリング構成にすることが多い。この中で、トップリング及びセカンドリングにおいてはオイルリングと比較してリング上下の圧力差が大きくなりやすい。このため、（３）に関わるオイル消費が発生しやすい。

ピストンリングに作用する油膜の付着力は、基本的にはピストンリングとリング溝面との接触面積と、そこに介在する油量とに応じて変化し、接触面積が大きいほど大きくなり、油量が多くなるほど小さくなる。実際のピストンリングとリング溝面との表面には粗さが存在する。このため、ピストンリングとリング溝面との間に介在する油膜の厚さが表面粗さと同等になるまでは、ピストンリングとリング溝面との接触面積の増加によって付着力も増加して、油膜厚さがそれ以上になると油膜が流動しやすくなり、これによって付着力が低下する傾向となる。

本実施形態によれば、このような理由からトップリング３４の上端面７０において、油膜による第１リング溝４０の上溝面７２との付着力を低減できる。図５において、Ｐの範囲では付着力が接触面積の増大に応じて大きくなるが、Ｒで示す範囲Ｐから外れた部分では油膜が流動しやすくなって付着力が低下する。このため、実機実働状態におけるトップリング３４の挙動を、上記の３つの力（慣性力、摩擦力、圧力）によって設計された状態に近づけることができ、（３）に関わるオイル上がりに対し、設計外での現象発生を低減可能となる。

特に、エンジンの低負荷や無負荷時、例えばエンジンブレーキが作用する場合では、多くの期間で燃焼室が負圧となる。図６は、本実施形態において、エンジンの低負荷または無負荷の運転状態で、クランク角度に応じた筒内圧Ｐａ及びセカンドランド圧Ｐ１と、比較例のセカンドランド圧Ｐ２との計算結果、及び、ピストンの移動方向とを示す図である。なお、図６において、吸入、圧縮、膨張、排気の期間は、バルブタイミングによってずれる場合がある。

図６に示すように、クランク角度によって筒内圧Ｐａが負圧になる期間が多く発生する。また、ピストン１８はクランク角度に応じて上下に往復移動する。この場合、破線Ｐ２で示す比較例は、本実施形態と異なり、図７に示すようにトップリング３４の上端面７０に凸部を形成していない。このような比較例の圧力リング装着ピストンを組み込んだエンジンでは、一般的なトップリングの設計形状と同様に、圧力による作用が最も大きくなり、トップリング３４のリング溝内での位置は、ほぼ圧力によって決定される。このため、セカンドランド空間６４の圧力であるセカンドランド圧が、図６に破線Ｐ２で示すように変化する。すなわち、筒内圧Ｐａは圧縮後半から膨張前半にわたって急激に上昇した後、急激に減少するが、この期間（圧縮後半〜膨張前半）でトップリング３４が第１リング溝４０の上溝面７２に付着したままであると、筒内圧Ｐａにかかわらずセカンドランド圧Ｐ２は負圧のままとなる。すなわち、トップリング３４を第１リング溝４０の下側に押し下げる力が不足することと、第１リング溝４０内の油による付着力によってトップリング３４の位置が第１リング溝４０上側に固定された状態となる場合がある。この場合、筒内が負圧の期間ではトップリング３４の合口通路を介してセカンドランド空間６４のガスが吸引されてセカンドランド圧が負圧になる。また、筒内が正圧になる期間でも、その期間が短いことと、ガス通路がトップリング３４の合口しかないためにセカンドランド圧を十分に高めることができない。セカンドランド圧が低い負圧の状態になるとサードランド６６側から潤滑油を吸い上げてしまうのでオイル消費を増大させる。さらにこの場合、吸い上げた潤滑油が第１リング溝４０に供給されてしまうので、油によるリング付着現象から通常状態に復帰できなくなり、エンジンブレーキ状態が続く限りオイル消費量が増大する状態が継続する。このようにクランク室２４からサードランド６６部分を通じてセカンドランド空間６４に潤滑油が多く吸引され、オイル消費が多くなる要因となる。なお、図６では、点Ｕ以下のクランク角度、及び、点Ｖ以上のクランク角度で、破線Ｐ２は一点鎖線Ｐ１と一致している。

一方、図６に一点鎖線Ｐ１で示す本実施形態の場合、ピストン１８の移動方向や移動速度の変化に応じて図８に示すように、トップリング３４が凸部６８の存在により第１リング溝４０の上溝面７２から離間しやすくなる。このため、トップランド空間６２の圧力が圧縮後半で高くなる場合にトップランド５８側から図８に矢印で示すように、ガスがトップリング３４と第１リング溝４０との間を通じてセカンドランド空間６４に流れる。したがって、図６に示すようにセカンドランド圧Ｐ１が筒内圧Ｐａの増大から少し遅れて急激に増大する。すなわち、筒内が正圧になる期間でトップリング３４が上溝面７２から離間できる。この場合、トップリング３４と第１リング溝４０との間の隙間がガス通路として開放されるので、筒内の正圧がセカンドランド空間６４に流れ込み、セカンドランド圧を高めることができる。この結果、セカンドランド空間６４が負圧になる期間を少なくできて、オイルの吸い上げを抑制し、オイル消費を抑制できる。また、トップリング３４と第１リング溝４０との間のガス流れによる溝内油の吹き飛ばしと、サードランド６６側からのオイル吸い上げ抑制の効果とにより、第１リング溝４０内に油が付着しにくくなる。このため、エンジンブレーキが長期間にわたる場合でも、オイル消費の低減効果が持続する。

一方、特許文献１に記載された構成では、オイルリングやオイルリング溝に凹部を形成しているが、オイルリングからはオイルリング溝の内側以外にオイルリングの合口からも油の通過が可能である。オイルリングを通過した油は、トップリングとセカンドリングとの組み合わせで形成される各ランド空間の圧力の関係によって燃焼室に運ばれてオイル上がりが生じる場合がある。このようなオイル上がりに対して特許文献１は有効な手段を開示するものではない。本実施形態では、トップリング３４の挙動を適正に設計することができ、オイルリング３８の上側に作用する圧力を適正化できることで、オイルリング３８の合口を介しての油の通過を低減することができる。

なお、特許文献１には、圧力リングに対して高温高圧によるリング溝への凝着を抑制する提案として、圧力リングのリング溝との当接面に冷却効果を生じる潤滑油を保持する溝を形成することが記載されている。ただし、この溝は本実施形態の凸部６８とは異なる目的で考えられたもので、本実施形態の圧力リング装着ピストン１８を考え付くための示唆となるものではない。

図９は、比較例の第２例を示している図３に対応する図である。この比較例では、トップリング３４を皿バネ形状とし、その上端面７０を全面にわたって径方向外側に向かって上溝面７２側に傾斜させてテーパ面としている。このような比較例では、トップリング３４の最上端である外周縁が第１リング溝４０内からはみ出し、上端面７０は第１リング溝４０の開口端縁に角当たりで接触する。このため、第１リング溝４０の開口端縁がトップリング３４により削られやすくなり、トップリング３４の姿勢によってはトップリング３４の上端面７０と上溝面７２との間でのシール性を十分に高くできない可能性がある。

図３に示した本実施形態では、凸部６８の上端は第１リング溝４０の開口端縁よりも内側の上溝面７２に接触するので、このような不都合は生じない。

なお、凸部６８はトップリング３４の全周にわたって形成する場合に限定せず、種々の数及び形状の凸部を採用できる。

図１０は、本発明の実施形態の別例の第１例を示している図４に対応する図である。図１０の構成では、図４に示した構成と異なり、トップリング３４の上端面７０の径方向内側部分に全周にわたって凸部を形成するのではなく、トップリング３４の上端面７０は、この上端面７０の径方向外側部分に全周にわたって形成された凸部６８を有する。この凸部６８は、上端面７０の合口５６の周方向両側近傍部では径方向全長にわたって形成されている。図１０では、砂地により凸部６８を示している。

このような構造のトップリング３４を使用する場合でも、上記の実施形態と同様にトップリング３４が上溝面７２から離間しやすくなる。しかも合口５６近傍では径方向全長にわたって凸部６８が形成されているので、第１リング溝４０の上溝面７２にトップリング３４が接触した状態で、セカンドランド空間６４から合口５６周辺部を通じてガスがトップランド５８側に抜けるのを効果的に抑制できる。また、負荷運転時にセカンドランド圧が筒内圧を上回ってセカンドランド空間６４のガスが燃焼室２８に逆流する現象が発生した際に、ブローバイガスの逆流量の低減を図れる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した構成と同様である。

図１１は、本発明の実施形態の別例の第２例を示している図３に対応する図である。図１２は、図１１の構成において、第１リング溝４０内でトップリング３４の内周面の一部が溝底面７４に接触した場合でのトップリング３４の径方向反対側の２個所を示す断面図である。

本例の構成では、上記の図１から図４に示した構成において、トップリング３４の上端面７０に全周にわたって断面円弧形の曲面が形成されている。この場合、対向形成面である上端面７０は、トップリング３４の円周方向に対して直交する平面で切断した場合の図１１の断面形状で、径方向の全部に軸方向に突出するように形成され、全部が断面円弧の曲線である凸部６８を有する。この凸部６８は、周方向全体にわたって同一の断面形状を有し、第１リング溝４０内におけるトップリング３４の移動にかかわらず、凸部６８の頂部Ｓは常に上溝面７２に軸方向に対向している。頂部Ｓは、ほぼ円形の線状である。

例えば、トップリング３４の凸部６８では、図１２に示すように、トップリング３４をピストン本体３２に組み付けた後、シリンダ内側に組み付ける前の状態で、トップリング３４が内周面の一部を第１リング溝４０の溝底面７４に突き当てるように径方向に移動した場合でも、凸部６８の外周縁である頂部Ｓが第１リング溝４０からはみ出ないように凸部６８の径方向位置及び寸法を規制することが好ましい。例えば、凸部６８の頂部Ｓからトップリング３４の内周面までの径方向寸法ｄ１とトップリング３４の内径ｄａとの和である（ｄ１＋ｄａ）は、第１リング溝４０の溝底径ｄ２と第１リング溝４０の溝深さｄ３との和（ｄ２＋ｄ３）よりも小さくする（（ｄ１＋ｄａ）＜（ｄ２＋ｄ３））。

このような構成によれば、凸部６８の頂部Ｓと上溝面７２との接触部は、概略円形の線状となるので、図１から図４に示した構成に比べて凸部６８と上溝面７２との接触面積を小さくでき、トップリング３４を上溝面７２からより離間しやすくなる。その他の構成及び作用は、図１から図４の構成と同様である。なお、図１１のようにシリンダ１６内にピストン１８を組み付けたエンジンで、第１リング溝４０内におけるトップリング３４の移動にかかわらず、凸部６８の頂部Ｓが上溝面７２に軸方向に対向する構成を採用してもよい。

図１３は、本発明の実施形態の別例の第３例を示している図３に対応する図である。本例の構成は、図１から図４の構成と、図１１から図１２の構成とを組み合わせた構成を有する。すなわち、トップリング３４は、図１から図４の構成で、凸部６８の上端面にトップリング３４の全周にわたって同一の断面円弧形に形成された曲面部を有する。

上記構成によれば、図１から図４の構成の場合に比べて多くの部分で凸部６８の上端面と第１リング溝４０の上溝面７２とを接触しないようにできる。また、図１１から図１２の構成の場合に比べて多くの部分である、凸部６８から外れたトップリング３４の径方向外側部分で上溝面７２との距離を大きくできる。このため、上記の各構成の場合に比べてトップリング３４の上端面を上溝面７２から離間しやすい。その他の構成及び作用は、図１から図４の構成または図１１から図１２の構成と同様である。

図１４は、本発明の実施形態の別例の第４例を示している図３に対応する図である。図１５は、図１４の構成において、第１リング溝４０内でトップリング３４の内周面の一部が溝底面７４に接触した場合でのトップリング３４の溝底面７４との接触部とは径方向反対側の断面図である。

本例の構成では、上記の図１１，１２に示した構成で、トップリング３４の凸部６８の上端面の頂部Ｓに軸方向に対し直交する平面上の平坦面９０が形成されている。また、トップリング３４の凸部６８では、図１５に示すように、トップリング３４をピストン本体３２に組み付けた後、シリンダ１６内側に組み付ける前の状態で、トップリング３４が内周面の一部を第１リング溝４０の溝底面７４に突き当てるように径方向に移動した場合でも、凸部６８の頂部Ｓの外周端Ｓ０が第１リング溝４０からはみ出ないように、凸部６８の径方向位置及び寸法を規制している。例えば、凸部６８の頂部Ｓの外周端Ｓ０からトップリング３４の内周面までの径方向寸法ｄ１とトップリング３４の内径ｄａとの和である（ｄ１＋ｄａ）は、第１リング溝４０の溝底径ｄ２と第１リング溝４０の溝深さｄ３との和（ｄ２＋ｄ３）よりも小さくする（（ｄ１＋ｄａ）＜（ｄ２＋ｄ３））。頂部Ｓの両側の曲面部は同じ曲率半径を有する断面円弧形としてもよいが、異なる曲率半径を有する断面円弧形としてもよい。その他の構成及び作用は、図１１から図１２の構成と同様である。

図１６は、本発明の実施形態の別例の第５例を示している図２に対応する図である。本例の場合、ピストン本体３２の外周面のセカンドランド６０とサードランド６６とにおいて、ピストン軸方向の両端部に各リング溝４０，４２，４４に向かって直径が大きくなる方向に緩やかに傾斜したテーパ面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を全周にわたって形成している。このため、ピストン本体３２は、セカンドランド６０とサードランド６６とにおいて、第１リング溝４０、第２リング溝４２及びオイルリング溝４４の周辺部で当該リング溝４０，４２，４４に向かって外径が大きくなっている。

このような構成によれば、ピストン本体３２が上下動に伴う加速度によってセカンドランド６０及びサードランド６６に付着した潤滑油がリング溝４０，４２，４４に近づく際に、潤滑油がリング溝４０，４２，４４から遠ざかる方向の速度成分を有するので、各リング溝４０，４２，４４への潤滑油の侵入を抑制できる。例えば、図１７でセカンドランド６０の第１リング溝４０側部分で示すように、ピストン本体３２が矢印α方向に変位することに伴い、セカンドランド６０に付着した潤滑油の油膜がガス流れに伴って第１リング溝４０に向かって上昇する傾向となる場合がある。この場合、テーパ面Ｓ１に沿って油膜がシリンダ１６側に案内されて第１リング溝４０内に浸入する潤滑油を少なくできる。このため、トップリング３４の端面と第１リング溝４０の溝面との間に存在する油膜を少なくでき、トップリング３４の端面の第１リング溝４０への付着力を小さくできる。この結果、オイル消費をより少なくできる。他のテーパ面Ｓ２、Ｓ３，Ｓ４の場合の作用も同様である。その他の構成及び作用は、上記の図１から図６の構成の場合と同様である。なお、図１６から図１７の構成を、図１から図６の構成以外の上記の別の構成と組み合わせることもできる。

なお、本例において、テーパ面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の代わりに、ピストン本体３２の外周面のセカンドランド６０とサードランド６６とにおいて、ピストン軸方向の両端部にリング溝４０，４２，４４に向かって直径が大きくなる方向に湾曲した曲面を全周に形成してもよい。また、トップランド５８の第１リング溝４０の周辺部に第１リング溝４０に向かって直径が大きくなるテーパ面または曲面を形成してもよい。また、各ランド５８，６０，６６のいずれか１つまたは２つにおいて、リング溝４０，４２，４４周辺部に同様のテーパ面または曲面を形成してもよい。

図１８は、本発明の実施形態の別例の第６例を示している図３に対応する図である。本例の場合、トップリング３４の上下両端面７０，７６と第１リング溝４０の上下両溝面７２，７８との破線で示す部分に、油に対する濡れ性を低下させる濡れ性低減処理を施している。例えば、濡れ性低減処理として、樹脂層を形成する等の撥油性のコーティング処理や、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子の投射等の濡れ性低減用の表面加工処理を採用できる。なお、図１８の例では、濡れ性低減処理を凸部６８の上端面だけでなく、上端面７０の凸部６８以外の部分と、凸部６８の段差面とにも施している。ただし、凸部６８の上端面だけに濡れ性低減処理を施してもよい。

このような構成によれば、濡れ性低減処理を施した面の油に対する濡れ性が低下する。このため、図１９に示すようにトップリング３４の上下の圧力差によってトップリング３４が第１リング溝４０内で移動し、トップリング３４と第１リング溝４０との間に矢印方向のガス流れが生じた場合に、トップリング３４と第１リング溝４０との間の油を容易に排出できる。この結果、油膜によるトップリング３４の第１リング溝４０への付着を抑制できる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図６の構成の場合と同様である。なお、トップリング３４の上下両端面７０，７６と上下両溝面７２，７８との一部の面のみに濡れ性低減処理を施してもよい。

上記ではトップリング３４の上端面７０に凸部６８を形成する場合を説明したが、この上端面７０に直線状または円弧、円環等の曲線状の凹部を形成してもよい。また、図２０に示すようにこの上端面７０と対向する第１リング溝４０の上溝面７２に凹部７５を形成してもよい。例えば凹部７５を上溝面７２に放射状に形成してもよい。この場合、凹部７５の外周端をピストン本体３２の外周面に開口させてもよい。凹部７５は放射状に形成する場合に限定せず、種々の数及び形状の凹部７５を採用できる。例えば上溝面７２の外周側に円環状の凹部を形成し、トップリングの上端面が上溝面７２の凹部から内周側に外れた部分に接触可能となるように、トップリングと上溝面７２とを軸方向に対向させてもよい。また、トップリング３４の上端面７０と上溝面７２との両方に凸部または凹部を形成してもよい。

また、トップリングの上端面または第１リングの上溝面に形成する凸部または凹部は、散点状に形成された凸部または凹部としてもよい。例えば、トップリングの上端面に複数の円形の凹部または円柱状の凸部を形成してもよい。上端面の凹部は、例えばサンドブラスト加工やショットピーニング加工等によりディンプル加工を上端面に施すことで形成できる。

図２１は、本発明の効果確認のために行った実験結果を示しており、エンジンブレーキ作動時にトップリング３４がリング溝上面に付着した場合と付着しない場合とでオイル吸い上げ量の差を比較した図である。上記の実験では、トップリング３４の上端面が第１リング溝４０の上溝面７２に付着する場合と付着しない場合とでオイル上がり量であるオイル吸い上げ量を評価した。この吸い上げ量の評価は、エンジンを３０分間、エンジンブレーキ作動状態で運転した後に、シリンダ１６内及び吸気管内に付着したエンジンオイルの量を計測することで行った。図２１において「付着あり」がトップリング３４が第１リング溝の上溝面７２に付着した場合を、「付着なし」がトップリング３４が上溝面７２に付着しない場合を、それぞれ示している。図２１の結果から明らかなように、本発明と同様の「付着なし」の構成では、「付着あり」の構成に比べてオイル吸い上げ量を大きく低減させることができた。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ ガソリンエンジン、１２ エンジン本体、１４ シリンダブロック、１６ シリンダ、１８ 圧力リング装着ピストン、２０ 結合ロッド、２２ クランク軸、２４ クランク室、２６ シリンダヘッド、２８ 燃焼室、３２ ピストン本体、３４ トップリング、３６ セカンドリング、３８ オイルリング、４０ 第１リング溝、４２ 第２リング溝、４４ オイルリング溝、４６ ピストン内部空間、４８ ドレンホール、５０，５２ 環状サイドレール、５４ 環状スペーサ、５６ 合口、５８ トップランド、６０ セカンドランド、６２ トップランド空間、６４ セカンドランド空間、６６ サードランド、６８ 凸部、６９ 凹部、７０ 上端面、７２ 上溝面、７４ 溝底面、７５ 凹部、７６ 下端面、７８ 下溝面、９０ 平坦面。

Claims (4)

1. 外周面に燃焼室側からクランク室側に向かって第１リング溝と第２リング溝とオイルリング溝とが順に形成された内燃機関用のピストン本体と、
   前記第１リング溝にピストン移動方向へ移動可能に配置され、前記第１リング溝の溝底径よりも大きい内径を有する第１圧力リングと、
   前記第２リング溝にピストン移動方向へ移動可能に配置され、前記第２リング溝の溝底径よりも大きい内径を有する第２圧力リングとを備え、
   前記第１圧力リングの燃焼室側の第１端面、または前記第１端面に対向するリング溝面を対向形成面として、
   前記対向形成面は、表面粗さの最大深さよりも大きな凹部または、凸部を有している、圧力リング装着ピストン。
2. 請求項１に記載の圧力リング装着ピストンにおいて、
   前記対向形成面の円周方向に対して直交する平面で切断した場合の断面形状は、一部または全部に軸方向に突出するように形成され、少なくとも一部が断面円弧の曲線である凸部を有することを特徴とする圧力リング装着ピストン。
3. 請求項２に記載の圧力リング装着ピストンにおいて、
   前記凸部は、前記第１圧力リングの前記第１端面に全周にわたって軸方向に突出するように形成され、
   前記第１リング溝内における前記第１圧力リングの移動にかかわらず、前記凸部の頂部は前記第１溝面に軸方向に対向していることを特徴とする圧力リング装着ピストン。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の圧力リング装着ピストンにおいて、
   前記対向形成面に、油に対する濡れ性を低下させる濡れ性低減処理が施されていることを特徴とする圧力リング装着ピストン。

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