JP2014098473A - 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２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。セカンドリング３６のクランク室側の軸方向片側の端面である第２端面、または第２端面に対向する第２リング溝４２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２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２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２圧力リングのクランク室側端面と第２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２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２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２圧力リングのクランク室側の第２端面、または前記第２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２圧力リングの第２端面を全面にわたって径方向外側に向かって第２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２圧力リングの前記第２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２リング溝内における前記第２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２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２圧力リングの第２端面と第２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２圧力リングとリング溝面との付着力が低減され、第２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。 セカンドリングを示している図２のＢ部拡大図である。 図３に示したセカンド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セカンドリングの下端面と第２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、エンジンの高負荷運転状態で、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小さくなる理由を説明するための図３の拡大対応図である。 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１０の構成において、リング溝内でセカンドリングの内周面の一部が溝底面に接触した場合でのセカンド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１３の構成において、リング溝内でセカンドリングの内周面の一部が溝底面に接触した場合でのセカンド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３に対応する図である。 図１５のＤ−Ｄ断面図である。 図１５の構成のセカンドリングの端面図である。 （ａ）は図１６のＥ部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）の周方向位置に応じたセカンドリングの下端面と第２リング溝の溝面との付着力を示す図である。 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１９のＦ部拡大対応図である。 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。 図２１において、セカンドリングがピストンに対し上に移動した場合の第２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８例を示している図３に対応する図である。 図２３の構成のセカンドリングの端面図である。 本発明の実施形態の別例の第９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１０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、エンジンの運転時にセカンドリングがリング溝下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。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。

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ｄａ（図４）を有する。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の溝底との間に径方向の隙間が形成される。また、セカンドリング３６の外周面には、軸方向に対し傾斜したテーパ面９２が形成されている。同様に、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を有する。また、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はセカンドリング３６を示している図２のＢ部拡大図であり、図４はセカンドリング３６の端面図である。セカンドリング３６の軸方向片側の端面である第２端面であり、対向形成面である下端面８０は、この下端面８０の径方向外側部分にセカンドリング３６の全周に渡って軸方向に突出形成された概略筒状の凸部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の下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セカンドリング３６の軸方向一端の下端面８０と、第２リング溝４２の第２リング溝面である下溝面８４との付着力を示す図である。セカンドリング３６の下端面８０に形成された凸部６８は、下端面８０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。セカンドリング３６が第２リング溝４２の下溝面８４に押し付けられる場合に、セカンドリング３６と第２リング溝４２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、セカンドリング３６と下溝面８４とが大きく離れている。また、セカンドリング３６の凸部６８では、セカンドリング３６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、セカンドリング３６が内周面の一部を第２リング溝４２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２リング溝４２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、セカンドリング３６の下端面８０と、この下端面８０と対向する第２リング溝４２の下溝面８４との間に図５で砂地で示す潤滑油が存在する場合でも、下端面８０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下溝面８４との接触面積を減少させて、凸部６８から外れた部分と下溝面８４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、全体としてセカンドリング３６と下溝面８４との付着力が低減され、セカンドリング３６が下溝面８４から離間しやすくなる。すなわち、油膜によるセカンドリング３６と下溝面８４との付着力は、図５に範囲Ｐで示す部分である凸部６８の下端と同じ範囲部分でのみ大きく作用する。このため、セカンドリング３６と下溝面８４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、エンジン運転時にセカンドリング３６が第２リング溝４２内で軸方向に移動して第２リング溝４２の下溝面８４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、セカンドリング３６両側の圧力差等に応じてセカンドリング３６が第２リング溝４２から離間しやすくなる。このため、オイル消費に関係するセカンドリング３６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と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）との間のブローバイガス流れ等による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。例えばピストンリングの設計においては、上記の３つの力の合力に応じてピストンリングが上下に移動するように、ピストンリングの高さ、幅、合口寸法等の寸法、重量、張力、ランド空間の体積、ピストンリングとリング溝との上下方向の寸法差等を決定する。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セカンドリング３６の下端面８０において、油膜による第２リング溝４２の下溝面８４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セカンドリング３６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、エンジンの燃焼を伴う負荷運転状態では、図１の燃焼室２８の筒内圧は正圧またはほぼ０となる。図６は、本例において、エンジンの高負荷運転状態で、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は、ピストン１８の上昇に伴って圧縮後半から膨張前半にわたって急激に増大した後、急激に減少する。筒内圧Ｐａの上昇時にはトップリング３４の合口からセカンドランド空間６４に筒内ガスが流入するが、エンジンの低回転域ではセカンドリング３６の合口からサードランド６６側にガスが抜けるので、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過度に上昇することはない。

一方、エンジンの高回転域では行程に要する時間が短くなるのでセカンドリング３６の合口からガスを逃がすだけではセカンドランド圧が上昇してしまう。この場合、セカンドリング３６の慣性力が大きくなるため、本実施形態では、圧縮行程後半においてセカンドリング３６が第２リング溝４２の下溝面８４から上溝面８８側に移動する。その際、セカンドリング３６と第２リング溝４２との間で一時的に上下面間の隙間がガス通路として開放され、セカンドランド空間６４のガスがサードランド６６側に放出されてセカンドランド圧Ｐ１の上昇が抑制される。

一方、破線Ｐ２で示す比較例は、本実施形態と異なり、図７に示すようにセカンドリング３６の下端面８０に凸部を形成していない。このため、エンジン回転数が高くなってもセカンドリング３６が第２リング溝４２の下溝面８４から移動せず、セカンドランド圧が大きく上昇する場合がある。この場合、セカンドランド圧は、図６に破線Ｐ２で示すように変化する。すなわち、圧縮行程後半でピストン移動方向が上から下に変化するのにもかかわらず、セカンドリング３６が第２リング溝４２の下溝面８４に付着したままとなることで、膨張行程後半で図６の破線αで囲んだ部分でセカンドランド圧Ｐ２が筒内圧Ｐａよりも高くなる。この場合、図２のトップリング３４が両側の圧力差で第１リング溝４０の下溝面から上溝面側に押し上げられて、セカンドランド空間６４内のガスの燃焼室２８への逆流によって、トップリング３４近傍及びセカンドランド空間６４内の潤滑油の蒸気が燃焼室２８に流出し、オイル消費を増大させる。

本発明者は、比較例でセカンドリング３６の慣性力が増加してもセカンドリング３６が第２リング溝４２の下溝面８４から移動しない要因として、第２リング溝４２内の油の表面張力と粘性とによってセカンドリング３６が下溝面８４に付着する現象があることを突き止めた。図６に一点鎖線Ｐ１で示す本実施形態の場合、セカンドリング３６の下端面８０と下溝面８４との接触面積を小さくできるので油による付着力を低減でき、セカンドリング３６が、図８に示すように、第２リング溝４２の下溝面８４から移動しやすくなる。このため、セカンドランド空間６４のガスがサードランド６６側に抜けてセカンドランド圧Ｐ１がほぼ大気圧となるように小さくなる。この結果、セカンドランド圧Ｐ１が筒内圧Ｐａよりも高くなる期間をなくすか、または少なくできて、燃焼室２８への潤滑油を含むガスの逆流現象を抑制し、オイル上がりを抑制してオイル消費を低減できる。

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、セカンドリング３６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。

また、特許文献３の技術では、セカンドランド部の圧力が上昇した際に圧力差によってセカンドリングが下面に押しつけられる力を低減することを目的として，セカンドリング下面をテーパ形状としている。

（１）このような特許文献３の技術においてはセカンドリングとピストンの中心軸が一致している場合は第２リング溝の下側エッジとピストンリング下面との接触部を全周でシールをすることが可能である。一方、セカンドリングとピストンの中心軸が一致しない場合には、全周にわたってセカンドリングの下面でシールをすることができなくなる。ピストンではシリンダ軸方向の上下動以外にピストンピンを中心とした首振り運動、スラスト方向への平行移動といった動きがある。また、セカンドリングは、自身の張力でシリンダに追従することによりセカンドリングの中心軸はシリンダの中心軸に近くなっている。このため、シリンダとピストンの軸が一致するタイミングはエンジンの全行程の中でもほんの一部でしかない。したがって、多くの行程でセカンドリングの下面で全周にわたってシールできない可能性がある。

（２）また、テーパ状のセカンドリングと、第２リング溝のエッジとにおいて全周にわたってシールを行なうためにはセカンドリングのテーパ形状が全周にわたって同一形状であることが求められる。ただし、シリンダ内径より大きく製作したセカンドリングを圧縮してシリンダ内に装着するといった一般的なピストンリングの構造において、リング全周にわたって変形形状を想定したテーパ加工が必要となるため、製造コストが増大する要因となる。

（３）また、特許文献３の技術において、セカンドリングと第２リング溝とのシール位置は第２リング溝の下側の外周エッジとなるので、セカンドリングの上下動と径方向の移動とに伴って第２リング溝の下側エッジ部に過度の面圧が発生する。この場合、特に自動車用エンジンに一般的に使用されるアルミ合金製ピストンでは、アルミの凝着摩耗を起こしやすくなる。凝着摩耗が発生するとセカンドリング下面と、第２リング溝のエッジ部との表面粗さが急激に大きくなり、セカンドリング下面のシール性が確保されなくなり、ブローバイガス量が急増する要因となる。

本実施形態では、第２リング溝４２の外周エッジにシール位置を設定する必要がないため、セカンドリング３６との間での全周シールの確保と、セカンドリング３６及び第２リング溝４２との接触部を面接触とすることによる摩耗対策とが可能となる。

なお、凸部６８はセカンドリング３６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９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９の構成では、図４に示した構成と異なり、セカンドリング３６の下端面８０の合口５６の周方向両側の近傍の径方向内側部分のみに凹部６９が形成されている。図９では、砂地により凹部６９以外の部分を示している。

このような構造のセカンドリング３６を使用する場合でも、上記の実施形態と同様にセカンドリング３６が凹部６９の形成位置で下溝面８４との距離が大きくなるので、下溝面８４との接触面積が小さくなり、セカンドリング３６が下溝面８４から離間しやすくなる。このため、セカンドリング３６は、合口５６近傍から下溝面８４から剥がれて剥がれた隙間が連鎖的に全周に広がることで、セカンドリング３６全体が下溝面８４から離間する。このような構成では、セカンドリング３６の全周に凹部を形成する場合に比べてセカンドリング３６の重量が大きくなるため、セカンドリング３６の慣性力が大きくなる。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。なお、図示は省略するが、図９の構成で、セカンドリング３６の径方向内側部分の凸部と凹部６９との位置を逆にすることもできる。この場合も、セカンドリング３６は下溝面８４から離間しやすくなる。

図１０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１１は、図１０の構成において、第２リング溝４２内でセカンドリング３６の内周面の一部が溝底面７４に接触した場合でのセカンドリング３６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、セカンドリング３６の下端面８０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、対向形成面である下端面８０は、セカンドリング３６の円周方向に対して直交する平面で切断した場合の図１０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、セカンドリング３６の周方向全体にわたって同一の断面形状を有し、第２リング溝４２内におけるセカンドリング３６の移動にかかわらず、凸部６８の頂部Ｓは常に下溝面８４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、セカンドリング３６の凸部６８では、図１１に示すように、セカンドリング３６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、セカンドリング３６が内周面の一部を第２リング溝４２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２リング溝４２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からセカンドリング３６の内周面までの径方向寸法ｄ１とセカンドリング３６の内径ｄａとの和である（ｄ１＋ｄａ）は、第２リング溝４２の溝底径ｄ２と第２リング溝４２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と下溝面８４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と下溝面８４との接触面積を小さくでき、セカンドリング３６を下溝面８４からより離間しやすくなる。また、セカンドリング３６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、セカンドリング３６が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２リング溝４２からはみ出ないように規制する構成によれば、セカンドリング３６の軸心がピストン本体３２の中心軸に対し傾斜した場合でもセカンドリング３６が第２リング溝４２の開口端縁に角当たりしにくくなる。このため、セカンドリング３６及び第２リング溝４２が削られることを防止して、セカンドリング３６が２リング溝４２の下溝面８４に接触した状態で接触部を全周にわたってシールしやすくなる。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１０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２リング溝４２内におけるセカンドリング３６の移動にかかわらず、凸部６８の頂部Ｓが下溝面８４に軸方向に対向する構成を採用してもよい。

図１２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１０から図１１の構成とを組み合わせた構成を有する。すなわち、セカンドリング３６は、図１から図４の構成で、凸部６８の下端面にセカンドリング３６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の下端面と第２リング溝４２の下溝面８４とを接触しないようにできる。また、図１０から図１１の構成の場合に比べて多くの部分である、凸部６８から外れたセカンドリング３６の径方向内側部分で下溝面８４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セカンドリング３６の下端面８０を下溝面８４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１０から図１１の構成と同様である。

図１３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１４は、図１３の構成において、第２リング溝４２内でセカンドリング３６の内周面の一部が溝底面７４に接触した場合でのセカンドリング３６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１０，１１に示した構成で、セカンドリング３６の凸部６８の下端面の頂部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、セカンドリング３６の凸部６８では、図１４に示すように、セカンドリング３６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、セカンドリング３６が内周面の一部を第２リング溝４２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２リング溝４２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からセカンドリング３６の内周面までの径方向寸法ｄ１とセカンドリング３６の内径ｄａとの和である（ｄ１＋ｄａ）は、第２リング溝４２の溝底径ｄ２と第２リング溝４２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。

このような構成の場合、セカンドリング３６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、セカンドリング３６が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の外周端Ｓ０が第２リング溝４２からはみ出ないように規制するので、セカンドリング３６の軸心がピストン本体３２の中心軸に対し傾斜した場合でもセカンドリング３６が第２リング溝４２の開口端縁に角当たりしにくくなる。このため、セカンドリング３６及び第２リング溝４２が削られることを防止して、セカンドリング３６が２リング溝４２の下溝面８４に接触した状態で接触部を全周にわたってシールしやすくなる。その他の構成及び作用は、図１０から図１１の構成と同様である。

図１５は、本発明の実施形態の別例の第５例を示している図３に対応する図である。図１６は、図１５の構成のセカンドリング３６の端面図である。図１７は、図１５のＤ−Ｄ断面図である。

本例の構成では、セカンドリング３６の下端面８０は、この下端面８０の放射方向に形成された複数の凹部７５を有する。図１７では、斜格子部により凹部７５を示している。

図１８において、（ａ）は図１６のＥ部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）の周方向位置に応じたセカンドリング３６の下端面８０と、第２リング溝４２の下溝面８４との付着力を示す図である。セカンドリング３６の下端面８０に形成された凹部７５は、下端面８０の表面粗さの最大深さよりも大きい。セカンドリング３６が第２リング溝４２の下溝面８４に押し付けられる場合に、セカンドリング３６と第２リング溝４２とは、凹部７５から外れた範囲である、図１８のＰで示す範囲で接触する。範囲Ｐ以外である凹部７５では、セカンドリング３６と下溝面８４とが大きく離れている。

このような構成でも、セカンドリング３６と第２リング溝４２の下溝面８４との間に油が存在する場合でも、凹部７５から外れた部分と、対向面である下溝面８４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、全体としてセカンドリング３６と下溝面８４との付着力が低減され、セカンドリング３６が下溝面８４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。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。

図１９は、本発明の実施形態の別例の第６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２０でサードランド６６の第２リング溝４２側部分で示すように、ピストン本体３２が矢印β方向に変位することに伴い、サードランド６６に付着した潤滑油の油膜がガス流れに伴って第２リング溝４２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Ｓ３に沿って油膜がシリンダ１６側に案内されて第２リング溝４２内に浸入する潤滑油を少なくできる。このため、セカンドリング３６の端面と第２リング溝４２の溝面との間に存在する油膜を少なくでき、セカンドリング３６の端面の第２リング溝４２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Ｓ１，Ｓ２，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１５から図１８の構成の場合と同様である。なお、図１９から図２０の構成を、図１５から図１８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２１は、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。本例の場合、セカンドリング３６の上下両端面８６，８０と第２リング溝４２の上下両溝面８８，８４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。

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２２に示すようにセカンドリング３６の上下の圧力差によってセカンドリング３６が第２リング溝４２内で移動し、セカンドリング３６と第２リング溝４２との間に矢印方向のガス流れが生じた場合に、セカンドリング３６と第２リング溝４２との間の油を容易に排出できる。この結果、油膜によるセカンドリング３６の第２リング溝４２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１５から図１８の構成の場合と同様である。なお、セカンドリング３６の上下両端面８６，８０と上下両溝面８８，８４との一部の面のみに濡れ性低減処理を施してもよい。

図２３は、本発明の実施形態の別例の第８例を示している図３に対応する図である。図２４は、図２３の構成のセカンドリング３６の端面図である。本例の構成では、セカンドリング３６の下端面は、散点状に分散された複数の凹部９４を有する。図示の例では、各凹部９４は、断面円形の半球状に窪んだ形状としているが、これに限定するものではなく、円筒孔状や、断面四角形または多角形等の種々の形状を採用できる。このような複数の凹部９４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。

このようなセカンドリング３６を使用する本例の場合も、セカンドリング３６と下溝面８４との付着力が低減され、セカンドリング３６が下溝面８４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。また、複数の凹部９６をサンドブラスト加工やショットピーニング加工により形成する場合、加工が容易であり、製造コストを低減できる。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。

上記ではセカンドリング３６の下端面８０に凸部６８または凹部６９、７５，９４を形成する場合を説明したが、図２５または図２６に示すようにこの下端面８０と対向する第２リング溝４２の下溝面８４に凹部９６を形成してもよい。例えば凹部９６を下溝面８４に放射状に形成してもよい。この場合、図２５に示すように、凹部９６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。図２６の構成では、凹部９６の外周端をピストン本体３２の外周面に開口させず、第２リング溝４２の奥側に凹部９６を形成している。凹部９６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９６を採用できる。例えば、下溝面８４の外周側に円環状の凹部を形成し、セカンドリングの下端面が下溝面８４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、セカンドリングと下溝面８４とを軸方向に対向させてもよい。また、セカンドリング３６の下端面８０と下溝面８４との両方に凸部または凹部を形成してもよい。

なお、第２リング溝の下溝面に形成する凹部は、散点状に形成された凹部としてもよい。また、セカンドリングの下端面または第２リング溝の下溝面に形成する凸部は、散点状に形成された円柱状等の柱状の凸部としてもよい。

図２７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、エンジンの運転時にセカンドリングがリング溝下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、セカンドリング３６の下端面が第２リング溝４２の下溝面８４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。実験はエンジン回転数の異なる２つの運転条件１，２で運転を行い、運転後にシリンダ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。運転条件２では、運転条件１の場合よりもエンジン回転数が高い。図２７において「リング付着あり」がセカンドリング３６が第２リング溝の下溝面８４に付着した場合を、「リング付着なし」がセカンドリング３６が下溝面８４に付着しない場合を、それぞれ示している。図２７の結果から明らかなように、本発明と同様の「リング付着なし」の構成では、「リング付着あり」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、８０ 下端面、８４ 下溝面、８６ 上端面、８８ 上溝面、９０ 平坦面、９２ テーパ面、９４，９６ 凹部。

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２圧力リングのクランク室側の第２端面、または前記第２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２圧力リングの前記第２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２リング溝内における前記第２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２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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