JP2019190513A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】第２圧力リング又は第３圧力リングとして使用される場合に、高負荷運転時及び筒内負圧環境下においてオイル消費が増大することを抑制可能であり、更には、リング溝の偏摩耗をも抑制可能な、ピストンリングを提供する。【解決手段】本発明に係るピストンリングは、軸方向に沿う断面視で、前記軸方向の上側から下側に向かうにつれて径方向の外側に拡がるテーパ部と、前記テーパ部に対して前記軸方向の下側で連続する外周頂部と、を備える外周面を備え、合口隙間には、前記軸方向の下側に向かって下側面まで漸増する漸増領域が形成されており、前記漸増領域は、前記外周面の前記外周頂部よりも前記軸方向の下側のみに設けられている。【選択図】図６

Description

本発明はピストンリングに関し、特に、内燃機関、圧縮機関等に使用されるピストンリングに関する。

内燃機関のピストンには、３〜４本のピストンリングが装着される。燃焼室側である上側の２〜３本のピストンリングは、燃焼室とクランク室との気密を保持すると共に、ピストンの熱をシリンダに伝達して放熱する機能を主に有し、一般的に「圧力リング」と呼ばれている。また、クランク室側である下側の１本のピストンリングは、シリンダ内面に油膜を形成し、かつ、過剰なオイルを掻き落とす機能を主に有し、一般的に「オイルリング」と呼ばれている。

圧力リングの一例として、テーパ形状の外周面を有するテーパフェイス形のピストンリングが知られている。このようなテーパフェイス形のピストンリングは、適正なテーパ角度の設定により、ピストンの下降行程時にはシリンダライナ又はシリンダ内壁に付着するオイルを掻き落とすと共に、上昇行程時にはテーパ面とシリンダ内壁間のくさび効果により油膜を形成するという特徴を有している。このような特徴から、テーパフェイス形のピストンリングは、主に、自動車エンジンの第２圧力リング（上側から２番目の位置に配置される圧力リングで「セカンドリング」と呼ばれている。）又は第３圧力リング（上側から３番目の位置に配置される圧力リングで「サードリング」と呼ばれている。）として利用されている。

また、圧力リングには、所定の合口隙間が形成されている合口部が設けられている。この合口部を設けることにより、圧力リングの外周面が、ピストンをシリンダに嵌合した状態で、シリンダ内壁に弾発的に接触する。これにより、圧力リングの外周面と、シリンダ内壁と、の間からのガス漏れを抑制することができる。しかしながら、合口部を設けることで、内燃機関の運転時において、合口隙間を通じて、燃焼室側からクランク室側へとガスが漏れることがある。更に、合口隙間を通じて、オイルが燃焼室側へと移動し、消費されることがある。

これらの対策として、第２圧力リングの合口隙間を、第１圧力リング（上側から１番目の位置に配置される圧力リングで「トップリング」と呼ばれている。）の合口隙間よりも大きくすることが知られている。第２圧力リングの合口隙間を大きくすることで、高負荷運転時に、第２圧力リングの合口隙間を通じてブローバイガスを抜け易くすることができる。そのため、第１圧力リング及び第２圧力リングの間に位置するピストンの第２ランドと、シリンダ内壁と、の間にブローバイガスが溜まることを抑制することができる。その結果、第２ランドの位置でのブローバイガスによる圧力（以下「第２ランド圧」と記載する場合がある。）の上昇が抑制できる。これにより、第１圧力リングのフラッタリングを抑制することができると共に、フラッタリングに伴うオイル消費やブローバイについても低減することができる。

しかしながら、自動車の減速のためにエンジンブレーキを使用した際などは、筒内負圧状態が発生し、第２圧力リングの合口隙間を大きくした分、第２圧力リングの合口隙間を通じて、オイルが燃焼室側へと移動し易く、オイル消費が増大するおそれがある。

これに対して、特許文献１には、第２圧力リングの合口隙間の上側を狭くし、下側を相対的に広く形成させたエンジンのピストンリング構造が開示されている。

また、特許文献２では、高速・高負荷運転時及びブースト条件運転時においてオイル消費を少なくすることを目的とした内燃機関用ピストン装置が開示されている。特許文献２に記載の内燃機関用ピストン装置では、第２圧力リングが、合口部の下面に内外に貫通する切欠きを有する。この切欠き部における第２圧力リングの合口隙間は、第１圧力リングの合口隙間よりも大きい。また、切欠き部以外の部分における第２圧力リングの合口隙間は、第１圧力リングの合口隙間と同じか又は小さい。

実開昭６２−１５２０５３号公報 特開２０１０−１５１０１３号公報

特許文献１及び特許文献２に開示されている構成によれば、高負荷運転時において、第２ランド圧の上昇を抑制し、オイル消費の増大を抑制できると共に、筒内負圧環境下においても、第２圧力リングの合口隙間を通じて燃焼室側にオイルが移動することを抑制することができるが、更なる改善の余地がある。

本発明は、第２圧力リング又は第３圧力リングとして使用される場合に、高負荷運転時及び筒内負圧環境下においてオイル消費が増大することを抑制可能であり、更には、リング溝の偏摩耗をも抑制可能な、ピストンリングを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様としてのピストンリングは、軸方向に沿う断面視で、前記軸方向の上側から下側に向かうにつれて径方向の外側に拡がるテーパ部と、前記テーパ部に対して前記軸方向の下側で連続する外周頂部と、を備える外周面を備え、合口隙間には、前記軸方向の下側に向かって下側面まで漸増する漸増領域が形成されており、前記漸増領域は、前記外周面の前記外周頂部よりも前記軸方向の下側のみに設けられていることを特徴とするものである。

本発明の１つの実施形態としてのピストンリングは、前記外周面の前記外周頂部よりも前記軸方向の下側の位置に、前記合口隙間を除く周方向の全域に亘って外周切欠き部が形成されており、前記漸増領域は、前記外周切欠き部が形成されている軸方向領域内に設けられていることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記漸増領域は、前記外周切欠き部が形成されている前記軸方向領域の全域に亘って設けられていることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記外周切欠き部は、前記軸方向に沿う断面視で、ステップ状又はアンダカットステップ状に切欠かれて形成されていることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記漸増領域を形成する少なくとも一方の合口端面部は、前記軸方向に対して傾斜する傾斜面により構成されていることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記漸増領域を形成する両方の前記合口端面部は、前記傾斜面により構成されていることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記傾斜面は、凸形の曲面を含むことが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記傾斜面と前記下側面とは、凸形の曲面を介して連なっていることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記傾斜面の前記軸方向に対する角度は、３０度〜８０度であることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記合口隙間の前記下側面での大きさは、前記合口隙間の上側面での大きさに対して、１．５〜１０倍であることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記合口隙間は、前記漸増領域において、前記径方向の内側から外側に向かって漸増していることが好ましい。

本発明によれば、第２圧力リング又は第３圧力リングとして使用される場合に、高負荷運転時及び筒内負圧環境下においてオイル消費が増大することを抑制可能であり、更には、リング溝の偏摩耗をも抑制可能な、ピストンリングを提供することができる。

本発明の一実施形態としてのピストンリングを含む内燃機関を示す図である。 図１に示すピストンの中心軸線に平行で中心軸線を含む断面のうち一部を拡大して示す拡大断面図である。 図３（ａ）は、図２に示す第２リング近傍を更に拡大して示す拡大断面図である。図３（ｂ）は、図２に示す第２リングの上側面が、第２リング溝の上面に当接している状態を示す図である。 図２に示す第２リングの単体の上側面図である。 図４のＩ−Ｉ断面図である。 図６（ａ）は、組み込み状態の第２リングの合口隙間近傍を示す斜視図である。図６（ｂ）は、組み込み状態での第２リングの合口部を、外周面側から正面に見た合口正面図である。 図６に示す合口端面部の変形例を示す図である。 図６に示す合口端面部の変形例を示す図である。 図６に示す合口端面部の変形例を示す図である。 図６に示す合口端面部の変形例を示す図である。 図６に示す外周切欠き部の変形例を示す図である。 図６に示す第２リングの変形例を示す図である。 実施例に係るエンジンを用いて実施した確認実験の結果を示す図である。 実施例に係るエンジンを用いて実施した確認実験の結果を示す図である。

以下、本発明に係るピストンリングの実施形態について、図１〜図１４を参照して説明する。各図において共通する部材・部位には同一の符号を付している。

図１は、本実施形態としてのピストンリングを備える、内燃機関１としてのレシプロエンジン（往復動内燃機関）を示す図である。図１に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック５０に形成された円筒状のシリンダ２と、このシリンダ２内でシリンダ２の内壁２ａと摺動可能に収容されている内燃機関用ピストン３（以下、単に「ピストン３」と記載する。）と、ピストンピン４を介してピストン３に上端部が結合されたコネクティングロッド５と、クランクピン６を介してコネクティングロッド５の下端部に連結されたクランクシャフト７と、を備えている。なお、図１に示す内燃機関１としてのレシプロエンジンは、ピストン３がシリンダ２内で上下方向に往復移動可能なガソリンエンジンであるが、ディーゼルエンジンなど、ピストンが往復移動する他の内燃機関であってもよい。

シリンダブロック５０の下側には、クランクケース８が結合され、このクランクケース８とシリンダブロック５０の下部とで、クランクシャフト７を収容するクランク室９が区画される。クランクケース８の下側には、上方から降下したオイルを受けるオイルパンが設けられている。シリンダブロック５０の上側には、吸気バルブ１０及び排気バルブ１１によりそれぞれ開閉される吸気ポート１２及び排気ポート１３が設けられたシリンダヘッド６０が結合され、このシリンダヘッド６０の内壁面とピストン３の上面とシリンダ２の内周面とで燃焼室１４が区画される。

図２は、図１に示すピストン３の中心軸線Ｏに平行で中心軸線Ｏを含む断面のうち一部を拡大して示す拡大断面図である。図２に示すように、ピストン３は、外周面にリング溝１５が形成されているピストン本体１６と、リング溝１５に配置されるピストンリング１７と、を備えている。具体的に、本実施形態のピストン本体１６には、複数のリング溝１５が形成されている。より具体的に、本実施形態のピストン本体１６の外周面には、第１リング溝１５ａ、第２リング溝１５ｂ、及び、第３リング溝１５ｃの３つのリング溝１５が形成されている。

第１リング溝１５ａは、ピストン３の中心軸線Ｏ（ピストン本体１６の中心軸線と同じ）と平行な方向（以下、「中心軸線方向Ａ」と記載する。）において、第２リング溝１５ｂ及び第３リング溝１５ｃよりも、ピストン本体１６の冠面側に位置している。換言すれば、第１リング溝１５ａは、複数のリング溝１５のうち、中心軸線方向Ａにおいて最上方に位置している。

第２リング溝１５ｂは、中心軸線方向Ａにおいて、第１リング溝１５ａと第３リング溝１５ｃとの間に位置している。

第３リング溝１５ｃは、中心軸線方向Ａにおいて、第２リング溝１５ｂ及び第３リング溝１５ｃよりも、ピストン本体１６の下端側に位置している。換言すれば、第３リング溝１５ｃは、複数のリング溝１５のうち、中心軸線方向Ａにおいて最下方に位置している。

これら３つのリング溝１５のうち第１リング溝１５ａ、第２リング溝１５ｂそれぞれには、１つのピストンリング１７が配置されている。また、３つのリング溝１５のうち第３リング溝１５ｃには、３つの部品からなる１つのピストンリング１７が配置されている。より具体的に、第１リング溝１５ａには、第１リング１７ａを嵌合配置している。第２リング溝１５ｂには、第２リング１７ｂを嵌合している。第３リング溝１５ｃには、第３リング１７ｃを嵌合している。

第１リング１７ａは、所謂「第１圧力リング」であり、燃焼室１４側からクランクケース８側へと圧縮ガスが抜けること（ブローバイガス）を抑制するものである。具体的に、第１リング１７ａは、その外周面がシリンダ２の内壁２ａと潤滑油を介して所定圧力下で摺動することにより、上述のブローバイガスの発生を抑制する。

第３リング１７ｃは、所謂「オイルリング」であり、シリンダ２の内壁２ａに付いている余分なエンジンオイルをかき落とし、適度な油膜を形成することにより、ピストン３の焼きつきを防止するものである。具体的に、第３リング１７ｃは、その外周面がシリンダ２の内壁２ａと所定の圧力下で摺動することにより、シリンダ２の内壁２ａ上に適度な油膜を形成する。なお、第３リング１７ｃは各種構成により実現することができる。

第２リング１７ｂは、所謂「第２圧力リング」であり、第１圧力リングである第１リング１７ａを補助し、上述のブローバイガスの発生を抑制するものである。更に、第２リング１７ｂは、オイルリングである第３リング１７ｃを補助する機能をも有している。つまり、第２リング１７ｂは、その外周面がシリンダ２の内壁２ａと潤滑油を介して所定圧力下で摺動することにより、上述のブローバイガスを抑制しつつ、シリンダ２の内壁２ａ上の余分なエンジンオイルをかき落とすものである。

なお、ピストン３のピストン本体１６はアルミ合金製であり、ピストンリング１７は鋼製、鋳鉄製又は樹脂製である。

以下、本実施形態のピストンリング１７としての第２リング１７ｂ、及び、この第２リング１７ｂが配置されている第２リング溝１５ｂ、の構成の詳細について説明する。

図３（ａ）は、図２の第２リング１７ｂ近傍を更に拡大して示す拡大断面図である。図３（ａ）では、例えば内燃機関１（図１参照）の動作行程において、第２リング１７ｂの下側面１７ｂ１が、第２リング溝１５ｂの下面１５ｂ１に当接している状態を示している。本実施形態の第２リング１７ｂを用いることにより、図３（ａ）に示す状態であっても、ピストン３の第２ランド３１の位置に滞留するブローバイガスを、ピストン３の第３ランド３２側へ逃がし易く、オイル消費を低減できる。具体的には、図３（ａ）に矢印で示すように、第２リング１７ｂの上側面１７ｂ２と第２リング溝１５ｂの上面１５ｂ２との間、第２リング１７ｂの内周面１７ｂ３と第２リング溝１５ｂの底面１５ｂ３との間、第２リング１７ｂの後述する合口部２１の合口隙間２０、を順に通過することで、ブローバイガスを逃がし、第２ランド圧の上昇を抑制できる。この結果、クランク室９（図１参照）側から燃焼室１４（図１参照）側に移動するオイルアップによるオイル消費を低減できる。また、図３（ｂ）は、例えば内燃機関１（図１参照）の動作行程において、第２リング１７ｂの上側面１７ｂ２が、第２リング溝１５ｂの上面１５ｂ２に当接している状態を示している。本実施形態の第２リング１７ｂを用いることにより、図３（ｂ）に示す状態であっても、クランク室９（図１参照）側から燃焼室１４（図１参照）側に移動するオイルアップによるオイル消費を低減できる。この詳細は後述する。

まず、第２リング１７ｂについて詳細に説明する。

図４は、第２リング１７ｂの単体の上側面図である。より具体的に、図４では、シリンダ２内に組み込まれる前の外力が付加されていない自由状態での第２リング１７ｂを破線により示し、シリンダ２内にピストン本体１６と共に収容され、シリンダ２の内壁２ａから外力が付加されて張設された状態、換言すれば、シリンダ２の内径まで閉じた状態（以下、単に「組み込み状態」と記載する場合がある。）での第２リング１７ｂを実線により示している。

図４に示すように、第２リング１７ｂには合口部２１が設けられている。図４の実線で示すように、組み込み状態の第２リング１７ｂの合口部２１には合口隙間２０が形成される。

図５は、図４のＩ−Ｉ断面図、換言すれば、第２リング１７ｂの単体の周方向Ｂと直交するリング断面を示す図である。

図３〜図５に示すように、本実施形態の第２リング１７ｂは、シリンダ２の内壁２ａと潤滑油を介して摺動する外周面１７ｂ４を備えている。

図５に示すように、第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４は、第２リング１７ｂの軸方向（中心軸線方向Ａと同じ方向であるため、以下、単に「軸方向Ａ」と記載する。）に沿う断面視で、軸方向Ａの上側から下側に向かうにつれて径方向Ｃの外側に拡がるテーパ部１８と、このテーパ部１８に対して軸方向Ａの下側で連続する外周頂部１９と、を備えている。なお、図５で示す軸方向Ａは、自由状態の第２リング１７ｂの軸方向である。

本実施形態の第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４では、第２リング１７ｂの上側面１７ｂ２から連続する位置に、上述のテーパ部１８が形成されている。

また、本実施形態の第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４では、テーパ部１８の下端の位置に外周頂部１９としての尾根部が形成されている。

なお、外周面１７ｂ４のテーパ部１８の位置は、本実施形態の位置に限らず、第２リング１７ｂの上側面１７ｂ２に連続しない位置に形成されていてもよい。また、外周頂部１９についても、本実施形態の構成に限らず、例えば、テーパ部１８に連設され、軸方向Ａの位置によらず外径が一様な周面により構成される外周頂部１９としてもよい。

本実施形態の第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４は、上述したテーパ部１８及び外周頂部１９により構成される、所謂「テーパフェイス面」であるが、テーパ部１８及び外周頂部１９以外の面が含まれる構成であってもよい。

図５に示すように、第２リング１７ｂの内周面１７ｂ３は、第２リング１７ｂの自由状態において、軸方向Ａの位置によらず内径が略一様な周面により構成されている。

図５に示すように、第２リング１７ｂの下側面１７ｂ１及び上側面１７ｂ２は、第２リング１７ｂの自由状態において、軸方向Ａと直交する方向に略平行な平面により構成されている。以下、説明の便宜上、軸方向Ａにおいて下側面１７ｂ１から上側面１７ｂ２に向かう方向を単に「軸方向Ａの上側」と記載し、軸方向Ａにおいて上側面１７ｂ２から下側面１７ｂ１に向かう方向を単に「軸方向Ａの下側」と記載する。なお、ここで言う「軸方向Ａの上側」とは、シリンダ２（図１参照）内に組み込まれた状態で、燃焼室１４（図１参照）側を意味する。また、ここで言う「軸方向Ａの下側」とは、シリンダ２（図１参照）内に組み込まれた状態で、クランク室９（図１参照）側を意味する。

本実施形態の第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４の外周頂部１９よりも軸方向Ａの下側の位置には、合口隙間２０を除く周方向Ｂの全域に亘って外周切欠き部２２が形成されている。換言すれば、本実施形態の外周切欠き部２２は、軸方向Ａに沿う断面視（図５等参照）で、ステップ状に切欠かれて形成されている。したがって、本実施形態の第２リング１７ｂの下側面１７ｂ１と外周面１７ｂ４とは、図５に示す断面視において、外周切欠き部２２を介して繋がっている。

また、本実施形態の第２リング１７ｂの内周面１７ｂ３の軸方向Ａの下側の位置には、合口隙間２０を除く周方向Ｂの全域に亘って欠損部２３が形成されている。したがって、本実施形態の第２リング１７ｂの下側面１７ｂ１と内周面１７ｂ３とは、図５に示す断面視において、欠損部２３を介して繋がっている。なお、第２リング１７ｂを、欠損部２３が形成されていない構成としてもよい。また、第２リング１７ｂの組み込み状態での捩れを軽減するため、例えば、第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４の軸方向Ａの上側の位置に欠損部を形成してもよい。

以下、第２リング１７ｂの合口隙間２０近傍の構成の詳細について説明する。

図６（ａ）は、組み込み状態の第２リング１７ｂの合口隙間２０近傍を示す斜視図である。図６（ａ）では、組み込み状態の第２リング１７ｂのうち、下側面１７ｂ１側を示している。図６（ｂ）は、組み込み状態での第２リング１７ｂの合口部２１を、外周面側から正面に見た合口正面図である。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、合口隙間２０には、軸方向Ａの下側に向かって下側面１７ｂ１まで漸増する漸増領域Ｅが形成されている。また、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、漸増領域Ｅは、第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４の外周頂部１９よりも軸方向Ａの下側のみに設けられている。

このように、下側面１７ｂ１での合口隙間２０の大きさＳ１を、上側面１７ｂ２の合口隙間２０の大きさＳ２より大きくすることで、下側面での合口隙間の大きさが上側面での合口隙間の大きさ以下である構成と比較して、高負荷運転時及び筒内負圧環境下の両方において、オイルアップを抑制することができる。

具体的に、高負荷運転時の燃焼行程において、燃焼圧によって第２リング１７ｂが第２リング溝１５ｂの下面１５ｂ１に押し付けられる状態となる（図３（ａ）参照）。この際に、燃焼ガスは、第２リング１７ｂの上側面１７ｂ２と第２リング溝１５ｂの上面１５ｂ２との間、及び、第２リング１７ｂの内周面１７ｂ３と第２リング溝１５ｂの底面１５ｂ３との間、を通って、合口隙間２０のうち下側面１７ｂ１側の広い部分を通過することで、クランク室９（図１参照）側に流れる。このように、下側面１７ｂ１での合口隙間２０の大きさＳ１を、上側面１７ｂ２の合口隙間２０の大きさＳ２より大きくすることで、高負荷運転時の燃焼行程において、燃焼室１４（図１参照）の高圧ガスがクランク室９（図１参照）側に抜け易くなる。その結果、第２ランド圧の上昇による第１リング１７ａ（図２参照）のフラッタリングを抑制でき、燃焼室１４（図１参照）側へのガスの逆流を抑制できる。また、このガスの逆流に伴う燃焼室１４（図１参照）側へのオイルアップによるオイル消費を抑制できる。更に、燃焼室１４（図１参照）の高圧ガスがクランク室９（図１参照）側に抜けることで、オイルの吹き下げ効果を得られる。この点でもオイル消費を抑制できる。

また、エンジンブレーキを使用した際など、燃焼室１４（図１参照）内の圧力が減少する筒内負圧環境下においては、第２リング１７ｂが第２リング溝１５ｂの上面１５ｂ２に当接する状態となる（図３（ｂ）参照）。この際に、合口隙間２０の上側面１７ｂ２側が狭められているため、合口隙間２０を通じてクランク室９（図１参照）側から燃焼室１４（図１参照）側へとオイルが移動し難い。このように、上側面１７ｂ２での合口隙間２０の大きさＳ２を、下側面１７ｂ１の合口隙間２０の大きさＳ１より狭くすることで、合口隙間２０を通じたオイルアップによるオイル消費を抑制できる。

更に、合口隙間２０には、軸方向Ａの下側に向かって下側面１７ｂ１まで漸増する漸増領域Ｅが形成されている。このような漸増領域Ｅを設けることで、合口隙間２０の下側面１７ｂ１側における縁が、第２リング溝１５ｂの下面１５ｂ１に引っ掛かり難くなり、第２リング１７ｂ及び第２リング溝１５ｂの偏摩耗を抑制できる。

また、漸増領域Ｅは、第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４の外周頂部１９よりも軸方向Ａの下側のみに設けられているため、合口隙間２０に隣接する位置で、外周頂部１９の一部が欠損することを防ぐことができる。そのため、合口隙間２０に隣接する位置で、外周頂部１９とシリンダ２の内壁２ａとの密着が保持できる。

以上のように、上述の漸増領域Ｅを備える構成とすることにより、高負荷運転時及び筒内負圧環境下の両方においてオイル消費を抑制できると共に、第２リング１７ｂ及び第２リング溝１５ｂの偏摩耗をも抑制できる。

更に、本実施形態では、第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４の外周頂部１９よりも軸方向Ａの下側の位置には、上述したように、外周切欠き部２２が形成されている。そして、本実施形態の漸増領域Ｅは、外周切欠き部２２が形成されている軸方向領域内に設けられている。

高負荷運転時の燃焼行程において、第２リング１７ｂの下側面１７ｂ１が第２リング溝１５ｂの下面１５ｂ１に圧接している状態（図３（ａ）参照）で、第２ランド３１近傍の位置から、第２リング１７ｂの上側面１７ｂ２と第２リング溝１５ｂの上面１５ｂ２との間、第２リング１７ｂの内周面１７ｂ３と第２リング溝１５ｂの底面１５ｂ３との間、合口隙間２０の漸増領域Ｅ、を順に進行するブローバイガスは、外周切欠き部２２の位置で放出される。この外周切欠き部２２を設けることで、周方向Ｂにブローバイガスが回り込み易く、オイルをクランク室９（図１参照）側に吹き下げる吹き下げ効果が得られる周方向Ｂ領域を拡大することができる。

また、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、本実施形態の漸増領域Ｅは、外周切欠き部２２が形成されている軸方向領域の全域に亘って設けられている。より具体的には、図６（ｂ）に示すように、本実施形態の外周切欠き部２２は、外周頂部１９としての周状の尾根部に対して軸方向Ａの下側の全域に形成されている。したがって、本実施形態の漸増領域Ｅは、外周頂部１９としての周状の尾根部に対して軸方向Ａの下側の全域に形成されている。

このようにすることで、軸方向Ａにおける漸増領域Ｅの長さを確保でき、ブローバイガスの通路面積を広く確保できる。そのため、第２ランド圧の上昇を、より抑制することができる。その結果、第２ランド圧の上昇によるガスの逆流を、より抑制できると共に、このガスの逆流に伴うオイル消費を、より抑制できる。

また、図６（ｂ）に示すように、本実施形態の漸増領域Ｅを形成する一方の合口端面部２４は、軸方向Ａに対して傾斜する傾斜面により構成されている。より具体的に、本実施形態では、一方の合口端面部２４が軸方向Ａに対して傾斜する傾斜面であり、他方の合口端面部２５が軸方向Ａに略平行な立直面である。このように、漸増領域Ｅを、傾斜面を含む三角形状に形成することで、加工し易くなり、生産性を向上させることができる。

なお、本実施形態において、合口隙間２０の下側面１７ｂ１での大きさＳ１は、合口隙間２０の上側面１７ｂ２での大きさＳ２に対して、１．５〜１０倍であることが好ましく、３〜５倍がより好ましい。１．５倍よりも小さいと、燃焼室１４（図１参照）側からの高圧ガスが抜け難く、第２ランド圧の抑制効果が十分に発揮できない。１０倍を超えると、燃焼ガスの回り込みにより、下死点付近での慣性力で第２リング１７ｂが浮き上がり易くなり、第２リング１７ｂの側面シール性が低下するおそれがあり、オイル消費量の低減効果が十分に発揮できない。そのため、上記範囲とすれば、高負荷運転時及び筒内負圧環境下の両方においてオイル消費を、より確実に抑制できると共に、第２リング１７ｂ及び第２リング溝１５ｂの偏摩耗をも、より確実に抑制できる。ここで、本実施形態における上記Ｓ１及びＳ２は、径方向Ｃの位置によらず略一定であるが、径方向Ｃの位置によって変動する場合は、合口隙間の下側面での大きさＳ１及び上側面での大きさＳ２は、対向距離が最小となる位置での値、すなわち、対向距離の最小値を意味する（図１０参照）。

漸増領域Ｅを形成する合口端面部は本実施形態の形状に限定されない。図７は、本実施形態の合口端面部２４及び２５の変形例を示す図である。具体的に、図７（ａ）は、組み込み状態の第２リング１７ｂの合口隙間１２０近傍を示す斜視図である。図７（ａ）では、組み込み状態の第２リング１７ｂのうち、下側面１７ｂ１側を示している。図７（ｂ）は、組み込み状態での第２リング１７ｂの合口部１２１を、外周面側から正面に見た合口正面図である。

図７に示す合口部１２１は、図６に示す合口部２１と比較して、合口端面部の形状が相違しており、その他の構成は同一である、したがって、ここではこの相違点を主に説明し、共通する構成は説明を省略する。

図７に示す漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部１２４及び１２５が、軸方向Ａに対して傾斜する傾斜面により構成されている。より具体的に、図７に示す対向する合口端面部１２４及び１２５は、軸方向Ａの下側に向かうにつれて、対向する距離が離間するように傾斜している。このように、漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部１２４及び１２５を、軸方向Ａの下側に向かって互いに離間するような傾斜面で構成することにより、いずれか一方の合口端面部のみを軸方向Ａに対して傾斜する傾斜面で構成する場合と比較して、漸増領域Ｅを、より広く確保することができる。その結果、第２ランド圧の上昇を、より一層抑制できる。

図８は、上述の合口端面部２４及び２５の別の変形例を示す図である。具体的に、図８（ａ）は、組み込み状態の第２リング１７ｂの合口隙間２２０近傍を示す斜視図である。図８（ａ）では、組み込み状態の第２リング１７ｂのうち、下側面１７ｂ１側を示している。図８（ｂ）は、組み込み状態での第２リング１７ｂの合口部２２１を、外周面側から正面に見た合口正面図である。

図８に示す合口部２２１は、図７に示す合口部１２１と比較して、合口端面部の形状が相違しており、その他の構成は同一である、したがって、ここではこの相違点を主に説明し、共通する構成は説明を省略する。

図８に示す漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部２２４及び２２５は、図７の合口端面部１２４及び１２５と同様、軸方向Ａに対して傾斜する傾斜面により構成されている。更に、図８に示す漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部２２４及び２２５を構成する傾斜面は、凸形の曲面により構成されている。このように、漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部２２４及び２２５を凸形の曲面により構成してもよい。

なお、一方の合口端面部のみが凸形の曲面により構成されていてもよい。したがって、図６に示す一方の合口端面部２４のみが傾斜面で構成されている合口部２１において、合口端面部２４を凸形の曲面により構成してもよい。

図９は、上述の合口端面部２４及び２５の更に別の変形例を示す図である。具体的に、図９（ａ）は、組み込み状態の第２リング１７ｂの合口隙間３２０近傍を示す斜視図である。図９（ａ）では、組み込み状態の第２リング１７ｂのうち、下側面１７ｂ１側を示している。図９（ｂ）は、組み込み状態での第２リング１７ｂの合口部３２１を、外周面側から正面に見た合口正面図である。

図９に示す合口部３２１は、図８に示す合口部２２１と比較して、合口端面部の形状が相違しており、その他の構成は同一である、したがって、ここではこの相違点を主に説明し、共通する構成は説明を省略する。

図９に示す漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部３２４及び３２５は、図８の合口端面部２２４及び２２５と同様、軸方向Ａに対して傾斜する傾斜面により構成されている。更に、図９に示す漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部３２４及び３２５を構成する傾斜面は、平面により構成されている。

但し、合口端面部３２４及び３２５を構成する傾斜面と下側面１７ｂ１とは、凸形の曲面３２６を介して連なっている。このようにすれば、合口端面部３２４及び３２５を構成する傾斜面を平面としても、合口端面部３２４及び３２５と下側面１７ｂ１とを、凸形の曲面３２６により、滑らかに連続させることができる。その結果、合口隙間２２０の下側面１７ｂ１側における縁が、第２リング溝１５ｂ（図３参照）の下面１５ｂ１（図３参照）に、より引っ掛かり難くなり、第２リング１７ｂ及び第２リング溝１５ｂの偏摩耗を、より抑制できる。

なお、図８に示すように、合口端面部２２４及び２２５を凸形の曲面により構成しても、下側面１７ｂ１に滑らかに連続させることができる。

図１０は、上述の合口端面部２４及び２５の更に別の変形例を示す図である。具体的に、図１０（ａ）は、組み込み状態の第２リング１７ｂの合口隙間４２０近傍を示す斜視図である。図１０（ａ）では、組み込み状態の第２リング１７ｂのうち、下側面１７ｂ１側を示している。図１０（ｂ）は、組み込み状態での第２リング１７ｂの合口部４２１を、外周面側から正面に見た合口正面図である。

図１０に示す合口部４２１は、図７に示す合口部１２１と比較して、合口端面部の形状が相違しており、その他の構成は同一である、したがって、ここではこの相違点を主に説明し、共通する構成は説明を省略する。

図１０に示す漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部４２４及び４２５は、図７の合口端面部１２４及び１２５と同様、軸方向Ａに対して傾斜する傾斜面により構成されている。更に、図１０に示す漸増領域Ｅを形成する両方の合口端面部４２４及び４２５を構成する傾斜面は、図７の合口端面部１２４及び１２５と同様、平面により構成されている。但し、図１０に示す合口隙間４２０は、漸増領域Ｅにおいて、径方向Ｃの内側から外側に向かって漸増している。

漸増領域Ｅをこのような構成とすることで、クランク室９（図１参照）側のオイルが、仮に漸増領域Ｅを径方向Ｃの外側から内側に進行したとしても、漸増領域Ｅの径方向Ｃの内側が狭まっているため、オイルが第２リング溝１５ｂ（図２参照）の底面１５ｂ３側に排出され難い。そのため、オイルが第２リング溝１５ｂを通過して燃焼室１４（図１参照）側に移動することを抑制でき、オイル消費をより一層抑制できる。

なお、図６、図７、図９に示す合口端面部を構成する傾斜面のうち、平面で構成されている部分の軸方向Ａに対する角度θは、３０度〜８０度が好ましく、３０度〜６０度とすることがより好ましい。角度θを上記範囲とすることにより、漸増領域Ｅにおける径方向Ｃでのガスの流通性を高めつつ、軸方向Ａでのオイルアップを抑制できる。

また、図６〜図１０に示す外周切欠き部２２は、軸方向Ａに沿う断面視で、ステップ状に切欠かれて形成されているが、この構成に限らず、図１１に示すような、同断面視でアンダカットステップ状に切欠かれて形成される外周切欠き部２２でもよい。

更に、図６〜図１１では、鋳鉄製又は樹脂製の第２リング１７ｂを示しているが、図１２に示すような鋼製の第２リング１７ｂであってもよい。また、図１２（ｂ）の第２リング１７ｂの外周面１７ｂ４は、軸方向Ａの上側から、上側面１７ｂ２と連続する第１テーパ部１８ａと、この第１テーパ部１８ａの軸方向Ａの下側に連続する第２テーパ部１８ｂと、この第２テーパ部１８ｂの軸方向Ａの下側に位置する外周頂部１９と、を備える。このように、軸方向Ａに対して傾斜する角度が異なる複数のテーパ部を備える外周面１７ｂ４であってもよい。

（実施例）
以下、図１に示す内燃機関１の実施例としてのエンジンについて実施した確認実験の概要及び結果について説明する。ここで使用する実施例としてのエンジンは、シリンダ２（図１参照）の内径であるボア径が７８［ｍｍ］であり、排気量が１．５［Ｌ］の直列４気筒の４サイクルガソリンエンジンである。このガソリンエンジンは、ターボ等の過給器を用いずに大気圧による自然吸気でシリンダ２内に吸気するものである。また、このガソリンエンジンは、各シリンダ２の吸気ポート１２（図１参照）に燃料噴射する構成である。

このエンジンでは、第１リング１７ａ（図２参照）、第２リング１７ｂ（図２参照）、第３リング１７ｃ（図２参照）が用いられている。第１リング１７ａとしては、リング幅（軸方向の長さ）が１．２［ｍｍ］、リング厚さ（径方向の長さ）が２．５［ｍｍ］、組み付け状態での合口隙間が０．２０［ｍｍ］、張力が５［Ｎ］のものを用いている。

また、第２リング１７ｂとしては、リング幅（軸方向の長さ）が１．０［ｍｍ］、リング厚さ（径方向の長さ）が２．５［ｍｍ］、張力が３［Ｎ］のものを用いている。第２リング１７ｂの組み付け状態での合口隙間２０（図６等参照）については、下側面１７ｂ１（図６等参照）での大きさＳ１に対して上側面１７ｂ２（図６等参照）での大きさＳ２を小さくしたものを、以下の７種類用意し、確認実験を行っている（［表１］参照）。なお、軸方向の位置によらず合口隙間の大きさが一定の第２リングを含む比較例としてのエンジンについても、併せて確認実験を行っている（［表１］参照）。また、第２リング１７ｂの外周切欠き部２２（図６等参照）の軸方向の長さは、０．２５［ｍｍ］としている。比較例としてのエンジンは、実施例のエンジンに対して、第２リングの合口隙間のみが相違し、他の構成は同一である。

第３リング１７ｃとしては、リング幅（軸方向の長さ）が２．０［ｍｍ］、組合せリング厚さ（径方向の長さ）が２．２［ｍｍ］、組み付け状態での合口隙間が０．３０［ｍｍ］、張力が８［Ｎ］のものを用いている。

図１３は、［表１］に示す１１種類の第２リングそれぞれを含むエンジンに関して行った、高速高負荷運転時としての全負荷時（６０００［ｒｐｍ］）のオイル消費量を測定する確認実験の結果を示す図である。図１３では、比較例１のエンジンのオイル消費量を「１」としている。つまり、図１３では、実施例１〜７及び比較例２〜４のオイル消費量を、比較例１のオイル消費量に対する比として示している。

図１４は、［表１］に示す１１種類の第２リングそれぞれを含むエンジンに関して行った、燃焼室が負圧となる加減速運転モード時のオイル消費量を測定する確認実験の結果を示す図である。

下側面１７ｂ１の合口隙間２０の大きさＳ１を大きくすることにより、高速高負荷運転時の燃焼行程での燃焼室１４（図１参照）の高圧ガスが、クランク室９（図１参照）側に抜け易くなる。より具体的に、第２リング１７ｂが燃焼圧によって第２リング溝１５ｂ（図２等参照）の下面１５ｂ１（図２等参照）に押し付けられた状態で、第２ランド部３１（図３等参照）側からの高圧ガスは、第２リング１７ｂの上側面１７ｂ２（図３等参照）及び内周面１７ｂ３（図３等参照）に沿って進行し、合口隙間２０のうち下側面１７ｂ１側の広い漸増領域Ｅ（図６等参照）を通過してクランク室９へと流れることができる。そのため、第２ランド圧の上昇によるガスの逆流が抑制でき、図１３に示すように、オイル消費量の低減を実現できる。また、図１３に示すように、上側面１７ｂ２の合口隙間２０の大きさＳ２を、下側面１７ｂ１の合口隙間２０の大きさＳ１よりも小さくすることで、オイル消費量を低減できる。これは、吸気行程において第３ランド部の位置から燃焼室側へとオイルが吸引されるオイルアップを抑制できるためと考えられる。このように、下側面１７ｂ１の合口隙間２０の大きさＳ１を大きくし、かつ、上側面１７ｂ２の合口隙間２０の大きさＳ２を下側面１７ｂ１の合口隙間２０の大きさＳ１よりも小さくすることで、高速高負荷運転時のオイル消費を抑制できる。

図１４に示すように、比較例１〜４では、合口隙間が大きい構成ほど、オイル消費量が増大する。燃焼室が負圧となる加減速運転モードでは、オイルがクランク室９側から第３ランド部３２、第２ランド部３１を経由して、燃焼室１４へとオイルが吸引される。そのため、合口隙間が大きい構成ほど、合口隙間を通じて吸引されるオイル量が増大し、オイル消費量が増大する。これに対して、図１４に示す実施例１〜７では、加減速運転モードにおいて、下側面１７ｂ１の合口隙間２０の大きさＳ１を大きくしても、オイル消費量は増大しないことがわかる。これは、第２リング１７ｂが負圧環境時に第２リング溝１５ｂの上面１５ｂ２に押し付けられた状態で、オイルは、合口隙間２０のうち上側面１７ｂ２の狭い隙間を通過しないと、燃焼室１４側に移動できないためである。そのため、上側面１７ｂ２の合口隙間２０の大きさＳ２を調整することにより、負圧環境時のオイル消費量を抑制できることがわかる。

以上のように、下側面１７ｂ１の合口隙間２０の大きさＳ１を大きくすると共に、上側面１７ｂ２の合口隙間２０の大きさＳ２を小さくすることで、高負荷運転時及び筒内負圧環境下においてオイル消費が増大することを抑制できる。

本発明に係るピストンリングは、上述の実施形態及び変形例に示す具体的な構成に限られるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限り、種々の変形・変更が可能である。例えば、本発明に係るピストリングを、４本のリング（トップリング、セカンドリング、サードリング、オイルリング）を有する内燃機関において、サードリングとして用いてもよい。つまり、サードリングについて上述の漸増領域Ｅを設ける構成としてもよい。

本発明はピストンリングに関し、特に、内燃機関、圧縮機関等に使用されるピストンリングに関する。

１：内燃機関
２：シリンダ
２ａ：シリンダの内壁
３：ピストン
４：ピストンピン
５：コネクティングロッド
６：クランクピン
７：クランクシャフト
８：クランクケース
９：クランク室
１０：吸気バルブ
１１：排気バルブ
１２：吸気ポート
１３：排気ポート
１４：燃焼室
１５：リング溝
１５ａ：第１リング溝
１５ｂ：第２リング溝
１５ｂ１：第２リング溝の下面
１５ｂ２：第２リング溝の上面
１５ｂ３：第２リング溝の底面
１５ｃ：第３リング溝
１６：ピストン本体
１７：ピストンリング
１７ａ：第１リング
１７ｂ：第２リング
１７ｂ１：第２リングの下側面
１７ｂ２：第２リングの上側面
１７ｂ３：第２リングの内周面
１７ｂ４：第２リングの外周面
１７ｃ：第３リング
１８：テーパ部
１８ａ：第１テーパ部
１８ｂ：第２テーパ部
１９：外周頂部
２０：合口隙間
２１：合口部
２２：外周切欠き部
２３：欠損部
２４、２５：合口端面部
３１：第２ランド部
３２：第３ランド部
５０：シリンダブロック
６０：シリンダヘッド
１２０、２２０、３２０、４２０：合口隙間
１２１、２２１、３２１、４２１：合口部
１２４、１２５、２２４、２２５、３２４、３２５、４２４、４２５：合口端面部
３２６：曲面
Ａ：ピストンの中心軸線方向（組み込み状態のピストンリングの軸方向）
Ｂ：ピストンリングの周方向
Ｃ：ピストンリングの径方向
Ｅ：合口隙間の漸増領域
Ｏ：ピストンの中心軸線
Ｓ１：下側面の合口隙間の大きさ
Ｓ２：上側面の合口隙間の大きさ

Claims (11)

1. 軸方向に沿う断面視で、前記軸方向の上側から下側に向かうにつれて径方向の外側に拡がるテーパ部と、前記テーパ部に対して前記軸方向の下側で連続する外周頂部と、を備える外周面を備え、
   合口隙間には、前記軸方向の下側に向かって下側面まで漸増する漸増領域が形成されており、
   前記漸増領域は、前記外周面の前記外周頂部よりも前記軸方向の下側のみに設けられていることを特徴とするピストンリング。
2. 前記外周面の前記外周頂部よりも前記軸方向の下側の位置に、前記合口隙間を除く周方向の全域に亘って外周切欠き部が形成されており、
   前記漸増領域は、前記外周切欠き部が形成されている軸方向領域内に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記漸増領域は、前記外周切欠き部が形成されている前記軸方向領域の全域に亘って設けられている、請求項２に記載のピストンリング。
4. 前記外周切欠き部は、前記軸方向に沿う断面視で、ステップ状又はアンダカットステップ状に切欠かれて形成されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載のピストンリング。
5. 前記漸増領域を形成する少なくとも一方の合口端面部は、前記軸方向に対して傾斜する傾斜面により構成されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１つに記載のピストンリング。
6. 前記漸増領域を形成する両方の前記合口端面部は、前記傾斜面により構成されていることを特徴とする、請求項５に記載のピストンリング。
7. 前記傾斜面は、凸形の曲面を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載のピストンリング。
8. 前記傾斜面と前記下側面とは、凸形の曲面を介して連なっていることを特徴とする、請求項５乃至７のいずれか１つに記載のピストンリング。
9. 前記傾斜面の前記軸方向に対する角度は、３０度〜８０度であることを特徴とする、請求項５乃至８のいずれか１つに記載のピストンリング。
10. 前記合口隙間の前記下側面での大きさは、前記合口隙間の上側面での大きさに対して、１．５〜１０倍であることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１つに記載のピストンリング。
11. 前記合口隙間は、前記漸増領域において、前記径方向の内側から外側に向かって漸増していることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１つに記載のピストンリング。

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