JP2021001612A - ピストンリングの組み合わせ - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンリングの組み合わせにおいて、オイルシール性能を高め、オイル消費量を低減することが可能な技術を提供する。【解決手段】ピストンリングの組み合わせにおいて、セカンドリングは、アンダーカット面を有し、セカンドリングには、インナーカット面とアウターカット面とのうち、少なくとも一方が形成され、オイルリングにおける一対の摺動部の少なくとも一方における第３外周端面は、下側の縁が上側の縁よりも径方向外側に位置し、且つ、第３頂部が第３外周端面において摺動部の軸方向の中央位置よりも下側に位置するように形成されている、【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンリングの組み合わせに関する。

一般的な自動車に搭載される内燃機関は、トップリング及びセカンドリングを含む２本のコンプレッションリング（圧力リング）と１本のオイルリングとを組み合わせた３本のピストンリングを、シリンダに装着されたピストンに設けた構成を採用している。これら３本のピストンリングは、上側（燃焼室側）から順にトップリング、セカンドリング、オイルリングがピストンの外周面に形成されたリング溝に装着され、シリンダ内壁面を摺動する。燃焼室から最も遠いオイルリングは、シリンダ内壁面に付着した余分なエンジンオイル（潤滑油）をクランク側に掻き落とすことでオイルの燃焼室側への流出（オイル上がり）を抑制するオイルシール機能や、潤滑油膜がシリンダ内壁面に適切に保持されるようにオイル量を調整することで内燃機関の運転に伴うピストンの焼き付きを防止する機能を有する。コンプレッションリングは、気密を保持することで燃焼室側からクランク室側への燃焼ガスの流出（ブローバイ）を抑制するガスシール機能や、オイルリングが掻き落とし切れなかった余分なオイルを掻き落とすことでオイル上がりを抑制するオイルシール機能を有する。このようなピストンリングの組み合わせにより、内燃機関におけるブローバイガスの低減とオイル消費の低減が図られている。また、セカンドリングを、外周側の下部にステップ状の切欠（アンダーカット）が形成されたスクレーパリングとすることで、オイル掻き性能を向上させることが知られている。

ここで、スクレーパリングのようなセカンドリングでは、アンダーカットによってリングにおける全体的な応力のバランスが非対称となる。このようなセカンドリングをピストンに装着した場合、セカンドリングにねじれが生じ、ピストンの往復運動の際にセカンドリングの姿勢が不安定となりがちとなる。その結果、セカンドリング溝内において側面（リング溝内壁の上下面）、特に上面側への面接触シールが阻害されることによって、セカンドリングのオイルシール性能が低下し、オイル消費量の増大を招く虞がある。

この問題を回避するために、外周側の下部に形成されたアンダーカットによるねじれ方向と異なるねじれ方向となる位置に更に別の切欠を形成することで、セカンドリングをピストンに装着した場合に生じるねじれを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１）。このようなピストンリングの形状は、バランスカット形状とも呼ばれる。

実開昭６３−１４１３５７号公報

上述のように、セカンドリングをバランスカット形状とすることで、良好なシール性能が期待できる。しかしながら、仮に、サードランドにオイルが多量（所定量以上）に存在すると、セカンドリング溝内に充満したオイルによって、セカンドリングをバランスカット形状にしたことによるシール性能が十分に発揮されず、オイル消費の低減効果が十分に得られ難いという問題がある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンリングの組み合わせにおいて、オイル消費量をより低減することが可能な技術を提供することである
。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ね、サードランドのオイル量を低減することでセカンドリングのバランスカットによるシール性能をいかんなく発揮できる点に着目し、オイルリングの外周面形状を偏心バレル形状とすることで上記課題を解決することを見出した。

即ち、本発明は、
内燃機関のピストンに装着されるトップリングとセカンドリングとオイルリングとを含むピストンリングの組合せであって、
前記トップリングは、該トップリングの外周端部に設けられると共に該トップリングにおいて最大径となる第１頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第１外周端面を有し、
前記セカンドリングは、該セカンドリングが前記ピストンに装着された場合に燃焼室側に位置する第２上面と、該セカンドリングが前記ピストンに装着された場合にクランク室側に位置する第２下面と、該セカンドリングの外周端部に設けられた第２外周端面と、該セカンドリングの内周端部に設けられた第２内周端面と、前記第２外周端面と前記第２下面との間に段差状の切欠が形成されるように該第２外周端面と該第２下面とを接続するアンダーカット面と、を有し、
前記セカンドリングには、
前記第２内周端面を含むように延びる第２仮想内周面と前記第２下面を含むように延びる第２仮想下面とが交わることで形成される仮想下角部における、該第２仮想内周面と該第２仮想下面との交差部分を含む所定部位が該セカンドリングに含まれないように、前記第２内周端面と前記第２下面とを接続するインナーカット面と、
前記第２外周端面を含むように延びる第２仮想外周面と前記第２上面を含むように延びる第２仮想上面とが交わることで形成される仮想上角部における、該第２仮想外周面と該第２仮想上面との交差部分を含む所定部位が該セカンドリングに含まれないように、前記第２外周端面と前記第２上面とを接続するアウターカット面とのうち、少なくとも一方が形成され、
前記オイルリングは、該オイルリングの軸回りに環状に形成され、該オイルリングの軸方向に並んで設けられた一対の摺動部を有し、
前記一対の摺動部の夫々は、該摺動部の外周端部に設けられると共に該摺動部において最大径となる第３頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第３外周端面を有し、
前記一対の摺動部の少なくとも一方における前記第３外周端面は、前記オイルリングが前記ピストンに装着された場合における前記クランク室側である下側の縁が、前記オイルリングが前記ピストンに装着された場合における前記燃焼室側である上側の縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３頂部が第３外周端面において前記摺動部の軸方向の中央位置よりも下側に位置するように形成されている、ピストンリングの組み合わせである。

ここで、トップリング、セカンドリング、オイルリングの各ピストンリングについて、「外周面」とは、リング（又はセグメント若しくはレール）の幅（軸方向寸法）を規定する軸方向両端面の外周縁同士を接続する面のことを指す。「周長方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの周長方向のことを指す。「径方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの半径方向のことを指す。「内側」又は「径方向内側」とは、当該ピストンリングの内周面側のことを指し、「外側」又は「径方向外側」とは、その反対側（即ち、ピストンリングの外周面側）のことを指す。「軸方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの中心軸に沿う方向のことを指す。

なお、「バレル形状」とは、ピストンリングにおいて最大径となる頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した面形状のことを指し、対称バレル形状、偏心バレル形状、テーパバレル形状を含むものとする。「対称バレル形状」は、該頂部が該面における軸方向（リング幅方向）の中央に位置した面形状である。「偏心バレル形状」は、該頂部が該面において軸方向中央（リング幅の中央）よりも下側（クランク室寄り）に位置した外周面形状である。また、「テーパバレル形状」は、偏心バレル形状であって、下側（クランク室側）の形状がピストンリングの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲しており、そこから上側（燃焼室側）に向けて直線的に縮径したテーパ形状を形成する面形状である。トップリングの第１外周端面の形状としては、対称バレル形状や偏心バレル形状を含むことができる。

また、インナーカット面とアウターカット面のうち少なくとも何れか一方が形成された形状を「バランスカット形状」と称する。

本発明によると、アンダーカット面が形成されたセカンドリングにおいて、インナーカット面とアウターカット面とのうち少なくとも何れか一方を形成したバランスカット形状とすることで、セカンドリングがピストンに装着された場合のねじれを抑制することができ、セカンドリングのオイルシール性能を向上させることができる。更に、オイルリングを偏心バレル形状とすることで、オイルリングのオイル上がりの抑制効果を向上させることができる。仮に、サードランドにオイルが多量（所定量以上）に存在すると、該オイルがセカンドリング溝内にも流入してくる。セカンドリング溝内に充満したオイルが、バランスカット形状により期待されるセカンドリングの挙動を阻害してしまうため、セカンドリングをバランスカット形状にしたことによるシール性能が十分に発揮され難くなる。これに対して、本発明によれば、オイルリングを偏心バレル形状にしてサードランドへのオイル上がりを抑制することで、セカンドリングのバランスカット形状によるシール性能を十分に発揮させることができる。つまり、オイルリングの偏心バレル形状によるシール性能とセカンドリングのバランスカット形状によるシール性能の相乗効果によって、セカンドランドへのオイル上がりを更に抑制することができる。その結果、オイル消費量を低減することができる。

また、本発明は、
内燃機関のピストンに装着されるトップリングとセカンドリングとオイルリングとを含むピストンリングの組合せであって、
前記トップリングは、該トップリングの外周端部に設けられると共に該トップリングにおいて最大径となる第１頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第１外周端面を有し、
前記セカンドリングは、該セカンドリングが前記ピストンに装着された場合に燃焼室側に位置する第２上面と、該セカンドリングが前記ピストンに装着された場合にクランク室側に位置する第２下面と、前記第２上面の外周縁と前記第２下面の外周縁とを接続する第２外周面と、前記第２上面の内周縁と前記第２下面の内周縁とを接続する第２内周面と、を有し、周長方向に直交する断面において矩形状に形成され、
前記オイルリングは、該オイルリングの軸回りに環状に形成され、該オイルリングの軸方向に並んで設けられた一対の摺動部を有し、
前記一対の摺動部の夫々は、該摺動部の外周端部に設けられると共に該摺動部において最大径となる第３頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第３外周端面を有し、
前記一対の摺動部の少なくとも一方における前記第３外周端面は、前記オイルリングが前記ピストンに装着された場合における前記クランク室側である下側の縁が、前記オイルリングが前記ピストンに装着された場合における前記燃焼室側である上側の縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３頂部が第３外周端面において前記摺動部の軸方向の中央
位置よりも下側に位置するように形成されている、
ピストンリングの組み合わせであってもよい。

これによると、セカンドリングを矩形断面の所謂レクタンギュラリングとすることで、セカンドリングがピストンに装着された場合のねじれを抑制することができ、セカンドリングのオイルシール性能を向上させることができる。更に、オイルリングを偏心バレル形状とし、オイル上がりを抑制することで、セカンドリングのオイルシール性能を十分に発揮させることできる。その結果、オイル消費量を低減することができる。

なお、本発明に係るオイルリングは、所謂３ピースのオイルリングであってもよい。即ち、本発明において、
前記オイルリングは、該オイルリングの軸回りに環状に形成され、互いに独立して該オイルリングの軸方向に並んで設けられた一対のセグメントと、前記一対のセグメントを径方向外側に付勢するエキスパンダと、を有し、
前記一対の摺動部は、前記一対のセグメントとして形成されていてもよい。

また、本発明に係るオイルリングは、所謂２ピースのオイルリングであってもよい。即ち、本発明において、
前記オイルリングは、該オイルリングの軸回りに環状に形成されたオイルリング本体と、前記オイルリング本体を径方向外側へ付勢するエキスパンダと、を有し、
前記オイルリング本体には、径方向外側に突出する一対のレールが前記オイルリングの軸方向に並んで形成され、
前記一対の摺動部は、前記一対のレールとして形成されていてもよい。

また、本発明において、
前記セカンドリングのねじれ角は、前記セカンドリングを前記ピストンに装着し、且つ、前記ピストンをシリンダに装着した状態で、−２０′〜２０′の範囲内であることが好ましい。ここで、ねじれ角は、例えば、水平面（ピストンの軸と直交する平面）に対するリングの上面の傾斜角度として定義することができ、リング上面が径方向外側に向かって上方（燃焼室側）傾斜する場合に正の値とし、リング上面が径方向外側に向かって下方（クランク室側）傾斜する場合に負の値とすることができる。

また、本発明において、
前記第３外周端面は、前記第３頂部と該第３外周端面の上側の縁との間に、径方向外側に凸状に湾曲すると共に上側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有してもよい。

また、本発明において、
前記第３外周端面は、前記第３頂部と該第３外周端面における上側の縁との間に、上側に向けて徐々に縮径したテーパ面を有してもよい。

本発明によれば、ピストンリングの組み合わせにおいて、オイルシール性能を高め、オイル消費量をより低減することが可能となる。

実施形態１に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関の全体図である。 実施形態１に係る内燃機関のリング溝付近の拡大図である。 実施形態１に係るトップリングの周長方向に直交する断面図である。 実施形態１に係るセカンドリングを示す図であって、図４（ａ）は、セカンドリングの周長方向に直交する断面図であり、図４（ｂ）は、セカンドリングの内周側下部を示す拡大図であり、図４（ｃ）は、セカンドリングの外周側上部を示す拡大図である。 セカンドリングがバランスカット形状ではない場合にセカンドリングに生じるねじれを説明するための図である。 インナーカット面の一例を示す図である。 実施形態１に係るオイルリングの周長方向に直交する断面図である。 実施形態１に係るオイルリングに設けられたセグメントの周長方向に直交する断面図である。 実施例及び比較例１〜３のオイル消費量を示すグラフである。 実施例及び比較例１〜３における、オイルがトップリングからオイルリングまで到達するまでの時間を示すグラフである。 実施例のピストン外周面を示す図である。 比較例１のピストン外周面を示す図である。 比較例２のピストン外周面を示す図である。 比較例３のピストン外周面を示す図である。 図１５は、実施例におけるオイルの挙動を示す図である。 図１６は、比較例１におけるオイルの挙動を示す図である。 図１７は、比較例２におけるオイルの挙動を示す図である。 図１８は、比較例３におけるオイルの挙動を示す図である。 実施形態１の変形例１に係るセグメントの周長方向に直交する断面図である。 実施形態１の変形例２に係るオイルリングを示す図であって、図２０（ａ）は、実施形態１の変形例２に係るオイルリングの周長方向に直交する断面図、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示す第３外周面の拡大図である。 実施形態２に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関を示す図である。 実施形態２に係るピストンリングの組み合わせに用いられるセカンドリングの周長方向に直交する断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るピストンリングの組み合わせの好ましい実施の形態について説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関１００の全体図である。図２は、内燃機関１００のリング溝付近の拡大図である。図１及び図２では、便宜上、各構成を簡略化して図示している。図１に示すように、実施形態に係る内燃機関１００は、シリンダ２０と、シリンダ２０に装着されたピストン１０と、を有する。内燃機関１００において、符号３０で示す燃焼室側を上側とし、符号４０で示すクランク室側を下側とする。

図２に示すように、内燃機関１００では、ピストン外周面１０ａとシリンダ内壁２０ａとの間に所定の離間距離が確保されることにより、ピストン隙間ＰＣ１が形成されている。また、ピストン外周面１０ａには、ピストン１０の軸方向に所定の間隔を空けて上側（燃焼室側）から順にトップリング溝１０１、セカンドリング溝１０２、オイルリング溝１０３が形成されている。ピストン外周面１０ａは、トップリング溝１０１、セカンドリング溝１０２、オイルリング溝１０３によって区画される。ピストン外周面１０ａにおいて、トップリング溝１０１よりも上方の領域をトップランドＬ１と称し、トップリング溝１
０１とセカンドリング溝１０２の間の領域をセカンドランドＬ２と称し、セカンドリング溝１０２とオイルリング溝１０３の間の領域をサードランドＬ３と称する。図２に示すように、トップリング溝１０１、セカンドリング溝１０２、オイルリング溝１０３には、夫々、トップリング１、セカンドリング２、オイルリング３が装着される。本明細書において、トップリング溝１０１、セカンドリング溝１０２、オイルリング溝１０３を区別せずに説明するときは、単に「リング溝」と称する。また、トップリング１、セカンドリング２、オイルリング３を区別しないで説明するときは、単に「ピストンリング」と称する。図２に示すように各ピストンリングがシリンダ２０に装着されたピストン１０の対応するリング溝に装着された状態を、「使用状態」と称する。

また、各ピストンリングの説明において、「周長方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの周長方向のことを指す。「径方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの半径方向のことを指す。「内側」又は「径方向内側」とは、当該ピストンリングの内周面側のことを指し、「外側」又は「径方向外側」とは、その反対側（即ち、ピストンリングの外周面側）のことを指す。「軸方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの中心軸に沿う方向のことを指す。また、トップリング、セカンドリング、オイルリングの各ピストンリングについて、「外周面」とは、リング（又はセグメント若しくはレール）の幅（軸方向寸法）を規定する軸方向両端面の外周縁同士を接続する面のことを指し、「内周面」とは、該軸方向両端面の内周縁同士を接続する面のことを指す。

また、ピストン１０、シリンダ２０、トップリング１、セカンドリング２、オイルリング３の夫々について、夫々の軸方向を上下方向と定義し、これらの使用状態における燃焼室３０側を夫々の「上側」（図１及び図２における上方向）と定義し、その反対側（即ち、燃焼室から離れる側であり、クランク室４０側）を夫々の「下側」と定義する。

また、本明細書において、「バレル形状」とは、ピストンリングにおいて最大径となる頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した面形状のことを指し、対称バレル形状、偏心バレル形状、テーパバレル形状を含むものとする。「対称バレル形状」は、該頂部が該面における軸方向（リング幅方向）の中央に位置した面形状である。「偏心バレル形状」は、該頂部が該面において軸方向中央（リング幅の中央）よりも下側（クランク室寄り）に位置した外周面形状である。また、「テーパバレル形状」は、偏心バレル形状であって、下側（クランク室側）の形状がピストンリングの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲しており、そこから上側（燃焼室側）に向けて直線的に縮径したテーパ形状を形成する面形状である。対称バレル形状、偏心バレル形状、テーパバレル形状の詳細については後述する。

図２に示すように、各リング溝は、上下に対向する一対の内壁によって形成されており、これらのうち、上側の内壁を上壁Ｗ１と称し、下側の内壁を下壁Ｗ２と称する。各ピストンリングは、使用状態において、夫々の外周面がシリンダ内壁２０ａを押圧するように自己張力を有している。

以下、実施形態１に係るピストンリングの組み合わせにおける各ピストンリングの形状について説明する。

［トップリング］
図３は、実施形態１に係るトップリング１の周長方向に直交する断面図である。まず、実施形態１に係るトップリング１について説明する。図３に示すように、トップリング１は、上側に設けられた第１上面１１と、下側に設けられた第１下面１２と、第１上面１１の外周縁Ｅ１０１と第１下面１２の外周縁Ｅ１０２とを接続する第１外周面１３と、第１
上面１１の内周縁Ｅ１０３と第１下面１２の内周縁Ｅ１０４とを接続する第１内周面１４と、を有する。トップリング１が、トップリング溝１０１に装着された状態、即ち、使用状態にあるとき、第１上面１１が上側に位置してトップリング溝１０１の上壁Ｗ１に対向し、第１下面１２が下側に位置して下壁Ｗ２に対向し、第１外周面１３がシリンダ内壁２０ａに摺接する。

図３に示すように、第１外周面１３は、トップリング１の外周端部に設けられる第１外周端面Ｓ１１と、第１外周端面Ｓ１１と第１上面１１及び第１下面１２とをそれぞれ接続する一対の接続面Ｓ１２，Ｓ１２と、を含む。一対の接続面Ｓ１２，Ｓ１２の一方は、第１外周端面Ｓ１１の上側（燃焼室３０側）の周縁（以下、上縁）Ｅ１１と第１上面１１の外周縁Ｅ１０１とを接続する。一対の接続面Ｓ１２，Ｓ１２の他方は、第１外周端面Ｓ１１の下側（クランク室４０側）の周縁（以下、下縁）Ｅ１２と第１下面１２の外周縁Ｅ１０２とを接続する。第１外周端面Ｓ１１は、トップリング１の周長方向と直交する断面において、トップリング１において最大径となる第１頂部Ｐ１を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲している。第１外周端面Ｓ１１の第１頂部Ｐ１は、第１外周面１３においてトップリング１の径方向最外に位置しており、第１外周端面Ｓ１１は、使用状態においてシリンダ内壁２０ａに摺接する。この第１外周端面Ｓ１１は、全体として対称バレル曲面に形成されている。即ち、第１外周端面Ｓ１１は、周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状となる円弧を形成すると共に該凸状の第１頂部Ｐ１が第１外周端面Ｓ１１においてトップリング１の軸方向（上下方向）の中央に位置し、第１頂部Ｐ１を境に軸方向に対称な対称バレル形状を有している。該円弧は、上端が上側の接続面Ｓ１２に接続し、下端が下側の接続面Ｓ１２に接続している。なお、第１上面１１、第１下面１２、第１内周面１４は、Ｒ加工等によって形成された断面円弧状の曲面を介して滑らかに接続されてもよく、曲面がなくてもよい。

図３に示す符号ＣＬ１は、トップリング１の中心軸Ａ１に直交すると共に第１外周端面Ｓ１１における軸方向中央位置を通る直線を示す。第１外周端面Ｓ１１を形成する対称バレル曲面は、第１外周面１３よりも径方向内側であって中央線ＣＬ１上に中心Ｃ１を有する所定の半径ｒ１の円弧を中心軸Ａ１回りに回転させることで形成される曲面とも捉えることができる。図３に示すように、第１頂部Ｐ１は、中央線ＣＬ１上に位置する。なお、本例では、第１外周端面Ｓ１１が対称バレル形状に形成されているが、第１外周端面Ｓ１１の形状はこれに限定されない。第１外周端面Ｓ１１は、バレル形状であればよく、対称バレル形状でなくともよい。即ち、第１頂部Ｐ１は、第１外周端面Ｓ１１において軸方向の中央（即ち、中央線ＣＬ１上）に位置しなくともよく、第１頂部Ｐ１が燃焼室３０側又はクランク室４０側にオフセットしていてもよい。つまり、第１外周端面Ｓ１１は、トップリング１において最大径となる第１頂部Ｐ１を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した形状であればよい。また、本例では、第１外周端面Ｓ１１を半径が一様な円弧により形成したが、第１外周端面Ｓ１１は、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有してもよい。また、第１外周端面Ｓ１１は、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第１外周端面Ｓ１１は、第１頂部Ｐ１において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。また、トップリング１は、一対の接続面Ｓ１２，Ｓ１２を有さずに、第１外周端面Ｓ１１が第１上面１１及び第１下面１２に連なっていてもよい。即ち、第１外周面１３の全域が第１外周端面Ｓ１１であってもよい。

図３に示す符号ａ１１及びａ１２は、バレル落差を表す。ａ１１は、トップリング１における燃焼室３０側のバレル落差、即ち、トップリング１の第１頂部Ｐ１と第１外周端面Ｓ１１の上縁Ｅ１１との径方向における距離を示す。ａ１１は、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第１外周端面Ｓ１１の上縁Ｅ１１までの距離と等しい。同様に、ａ１２は、トップリング１におけるクランク室４０側のバレル落差、即ち、トップリング１の第
１頂部Ｐ１と第１外周端面Ｓ１１の下縁Ｅ１２との径方向における距離を示す。ａ１２は、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第１外周端面Ｓ１１の下縁Ｅ１２までの距離と等しい。本例では、第１外周端面Ｓ１１が対称バレル曲面に形成されているため、第１外周端面Ｓ１１の上縁Ｅ１１と下縁Ｅ１２とが径方向において揃っている。これにより、ａ１１とａ１２とが等しくなっている。但し、本発明は、これに限定されない。また、図３に示す符号ｂ１１は、第１外周端面Ｓ１１の第１頂部Ｐ１と第１外周端面Ｓ１１の上縁Ｅ１１との軸方向における距離を示す。また、ｂ１２は、第１外周面１３の第１頂部Ｐ１と第１外周端面Ｓ１１の下縁Ｅ１２との軸方向における距離を示す。本例では、第１外周端面Ｓ１１が対称バレル曲面に形成されているため、ｂ１１とｂ１２とが等しい。但し、本発明は、これに限定されない。トップリング１の第１外周端面Ｓ１１は、偏心バレル形状であってもよい。

［セカンドリング］
図４は、実施形態１に係るセカンドリング２を示す図であって、図４（ａ）は、セカンドリング２の周長方向に直交する断面図であり、図４（ｂ）は、セカンドリング２の内周側下部を示す拡大図であり、図４（ｃ）は、セカンドリング２の外周側上部を示す拡大図である。次に、実施形態１に係るセカンドリング２について説明する。図４（ａ）に示すように、セカンドリング２は、外周面側の下部に段差状（ステップ状）の切欠が形成された、所謂スクレーパリングである。セカンドリング２は、上側に設けられた第２上面２１と、下側に設けられた第２下面２２と、第２上面２１の外周縁Ｅ２０１と第２下面２２の外周縁Ｅ２０２とを接続する第２外周面２３と、第２上面２１の内周縁Ｅ２０３と第２下面２２の内周縁Ｅ２０４とを接続する第２内周面２４と、を有する。セカンドリング２が、セカンドリング溝１０２に装着された状態、即ち、使用状態において、第２上面２１が上側に位置してセカンドリング溝１０２の上壁Ｗ１に対向し、第２下面２２が下側に位置して下壁Ｗ２に対向し、第２外周面２３がシリンダ内壁２０ａに摺接する。なお、第２上面２１、第２下面２２、第２外周面２３、第２内周面２４は、Ｒ加工等によって形成された断面円弧状の曲面を介して滑らかに接続されてもよく、曲面がなくてもよい。

図４（ａ）に示すように、第２外周面２３は、セカンドリング２の外周端部に設けられた第２外周端面Ｓ２１１と、第２外周端面Ｓ２１１の下縁Ｅ２２と第２下面２２の外周縁Ｅ２０２とを接続するアンダーカット面Ｓ２１２と、を含む。

第２外周端面Ｓ２１１は、下側に向かうに従って拡径するように傾斜したテーパ形状を有している。第２外周端面Ｓ２１１は、セカンドリング２の最外周部位を構成する面である。外周端面Ｓ２１１は、セカンドリング２の使用状態においてシリンダ内壁２０ａに摺接することで、ピストン隙間ＰＣ１内のオイルを掻き落とす。なお、第２外周端面Ｓ２１１の形状は、テーパ形状に限定しない。第２外周端面Ｓ２１１は、軸方向に沿って延在するストレート形状を有してもよい。

アンダーカット面Ｓ２１２は、第２外周端面Ｓ２１１と第２下面２２との間に段差状の切欠であるアンダーカット２５が形成されるように、第２外周端面Ｓ２１１の下縁Ｅ２２と第２下面２２の外周縁Ｅ２０２とを接続する。これにより、セカンドリング２は、外周側の下部が切り欠かれたアンダーカット形状を有している。そのため、内燃機関１００において、第２外周面２３の下部とシリンダ２０との間に、アンダーカット２５による空間が形成される。この空間がオイル溜まりとなり、ピストン１０の下降時においてセカンドリング２がピストン隙間ＰＣ１内のオイルを掻き落とす際に、オイルがバッファされ、油圧の上昇が抑制される。その結果、良好なオイル掻き性能が得られる。このようなセカンドリング２としては、スクレーパリングの他に、ナピアリングであってもよい。

また、図４（ａ）に示すように、第２内周面２４は、セカンドリング２の内周端部に設
けられた第２内周端面Ｓ２２１を含む。第２内周端面Ｓ２２１は、軸方向に沿って延在するストレート形状を有しており、第２内周端面Ｓ２２１の上縁は、第２上面２１の内周縁Ｅ２０３と接続されている。第２内周端面Ｓ２２１は、セカンドリング２の最内周部位を構成する面である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、セカンドリング２には、第２内周端面Ｓ２２１の下縁Ｅ２３と第２下面２２の内周縁Ｅ２０４とを接続するインナーカット面Ｓ２２２が形成されている。図４（ｂ）の符号ＶＰ４は、第２内周端面Ｓ２２１を含むように延びる第２仮想内周面を示す。また、符号ＶＰ２は、第２下面２２を含むように延びる第２仮想下面を示す。第２仮想内周面ＶＰ４と第２仮想下面ＶＰ２とが交わることで形成される仮想の角部を、仮想下角部と称し、符号ＶＣ１で示す。

図４（ｂ）に示すように、インナーカット面Ｓ２２２は、仮想下角部ＶＣ１における、第２仮想内周面ＶＰ４と第２仮想下面ＶＰ２との交差部分ＶＣ１１を含む所定部位がセカンドリング２に含まれないように、第２内周端面Ｓ２２１と第２下面２２とを接続している。これにより、第２内周端面Ｓ２２１と第２下面２２との間には、切欠であるインナーカット２６が形成されている。その結果、セカンドリング２は、内周側の下部が切り欠かれた形状となっている。

また、図４（ａ）及び図４（ｃ）に示すように、セカンドリング２には、第２外周端面Ｓ２１の上縁Ｅ２１と第２上面２１の外周縁Ｅ２０１とを接続するアウターカット面Ｓ２１３が形成されている。図４（ｃ）の符号ＶＰ３は、第２外周端面Ｓ２１１を含むように延びる第２仮想外周面を示す。また、符号ＶＰ１は、第２上面２１を含むように延びる第２仮想上面を示す。第２仮想外周面ＶＰ３と第２仮想上面ＶＰ１とが交わることで形成される仮想の角部を、仮想上角部と称し、符号ＶＣ２で示す。

図４（ｃ）に示すように、アウターカット面Ｓ２１３は、仮想上角部ＶＣ２における、第２仮想外周面ＶＰ３と第２仮想上面ＶＰ１との交差部分ＶＣ２１を含む所定部位がセカンドリング２に含まれないように、第２外周端面Ｓ２１１と第２上面２１とを接続している。これにより、第２外周端面Ｓ２１１と第２上面２１との間には、切欠であるアウターカット２７が形成されている。その結果、セカンドリング２は、外周側の上部が切り欠かれた形状となっている。以下、インナーカットとアウターカットとを区別しないで説明するときは、「バランスカット」と称する。また、セカンドリング２のようにバランスカットが形成されたセカンドリングの形状を、「バランスカット形状」と呼ぶことができる。バランスカット形状は、即ち、インナーカット面とアウターカット面のうち少なくとも何れか一方が形成された形状である。

ここで、図５は、セカンドリングにインナーカット面とアウターカット面の何れも形成されていない場合、即ち、セカンドリングがバランスカット形状ではない場合にセカンドリングに生じるねじれを説明するための図である。図５に示すセカンドリング２Ｘは、アンダーカット面Ｓ２１２が形成されている点でセカンドリング２と同じであり、インナーカット面Ｓ２２２とアウターカット面Ｓ２１３の何れも形成されていない点でセカンドリング２と異なる。図５に示すセカンドリング２Ｘのように、非バランス形状である場合、アンダーカット面Ｓ２１２により形成されるアンダーカット２５によって、セカンドリング２Ｘにおける全体的な応力のバランスが非対称となる。このようなセカンドリング２Ｘをピストン１０に装着し、且つ、シリンダ２０に装着した場合、図中に示す矢印のようにセカンドリング２Ｘにねじれが生じる。仮に、使用状態におけるセカンドリング２Ｘのねじれが大きいものであると、ピストン１０の往復運動の際にセカンドリング２Ｘの姿勢が不安定となりがちとなり、セカンドリング溝１０２内において側面（上壁Ｗ１及び下壁Ｗ２）、特に上壁Ｗ１への面接触シールが阻害される。その結果、セカンドリング２Ｘのオ
イルシール性能が低下し、オイル消費量の増大を招く虞がある。

一方、本実施形態に係るセカンドリング２には、インナーカット面Ｓ２２２により内周側の下部を切り欠いたようなインナーカット２６が形成され、アウターカット面Ｓ２１３により外周側の上部を切り欠いたようなアウターカット２７が形成されたバランスカット形状となっている。これにより、アンダーカット２５が形成されたセカンドリング２において、全体的な応力のバランスが対称又は対称に近いものとなり、使用状態においてセカンドリング２に生じるねじれを減少させることができる。これにより、使用状態において、第２上面２１及び第２下面２２をピストン軸に対して略垂直なフラット面（平坦面）に保つことができる。例えば、膨張行程においてセカンドリング２に上向きの慣性力が作用したり、エンジンブレーキを利用した減速時において負圧となった燃焼室内のガス圧がセカンドリング２に作用したりすると、セカンドリング２がセカンドリング溝１０２の上壁Ｗ１に押し付けられることとなる。このとき、バランスカット形状としたセカンドリング２によれば、第２上面２１が使用状態においてフラット面に保たれているため、セカンドリング２がセカンドリング溝１０２の上壁Ｗ１に押し付けられたときに第２上面２１と上壁Ｗ１とが面接触となる。これにより、第２上面２１と上壁Ｗ１との接触面積が十分に得られ、密着性が好適なものとなる。その結果、良好なシール性能が得られる。このように、本実施形態によれば、セカンドリング２をバランスカット形状とすることで、セカンドリング２のねじれを抑制し、第２上面２１とセカンドリング溝１０２の上壁Ｗ１との密着性を高め、セカンドリング２のオイルシール性能を向上させることができる。

なお、セカンドリング２は、インナーカット面Ｓ２２２とアウターカット面Ｓ２１３とのうち少なくとも一方が形成されていていればよい。即ち、セカンドリング２は、バランスカット形状であればよい。これにより、アンダーカット面Ｓ２１２によるセカンドリング２のねじれを減少することができ、セカンドリング２がバランスカット形状でない場合と比較して、良好なオイルシール性能を得ることができる。

また、上述の説明では、インナーカット面Ｓ２２２を径方向内側に向かうに従って上方に傾斜した傾斜面として形成することで、内周側の下部が斜めに切り欠かれたようなインナーベベル型のインナーカットを形成したが、インナーカット面の形状はこれに限定しない。インナーカット面は、アンダーカット面によるねじれとは異なる方向のねじれ作用を生じさせるような形状であればよい。図６は、インナーカット面の一例を示す図である。インナーカット面は、図６に示すセカンドリング２Ａのインナーカット面Ｓ２２２Ａのように、段差状に形成されたインナーステップ型のインナーカットを形成するような形状であってもよい。同様に、アウターカット面も図４に示す形状に限定されず、アンダーカット面によるねじれとは異なる方向のねじれ作用を生じさせるような形状であればよい。

このようなインナーカット面Ｓ２２２及びアウターカット面Ｓ２１３は、セカンドリング２のスチール線材製造時から形成されていてもよいし、切削、研削、又は研磨の加工によってセカンドリング２の基材に面取りを施すことで形成されてもよい。

［オイルリング］
図７は、実施形態１に係るオイルリング３の周長方向に直交する断面図である。図７では、オイルリング３がリング溝に設けられた状態を示している。次に、実施形態１に係るオイルリング３について説明する。図７に示すように、オイルリング３は、所謂３ピースのオイルリングである。より具体的には、オイルリング３は、オイルリング３の軸回りに環状に形成され、互いに独立してオイルリング３の軸方向に並んで設けられた一対のセグメント４，４と、一対のセグメント４，４を径方向外側（シリンダ内壁２０ａ）に付勢するエキスパンダ・スペーサ５と、を含んで構成されている。本実施形態に係るオイルリング３は、一対のセグメント４，４を、同一の形状としている。一対のセグメント４，４は
、本発明における「一対の摺動部」の一例である。以下、一対のセグメント４，４のうち、上側（燃焼室３０側）に配置されたセグメント４を上側セグメント４Ｕと称し、下側（クランク室４０側）に配置されたセグメント４を下側セグメント４Ｌと称し、これらを区別しないときは、単にセグメント４と称する。

図７及び図８に示すように、セグメント４は、上側に設けられた第３上面４１と、下側に設けられた第３下面４２と、第３上面４１の外周縁Ｅ４０１と第３下面４２の外周縁Ｅ４０２とを接続する第３外周面４３と、第３上面４１の内周縁Ｅ４０３と第３下面４２の内周縁Ｅ４０４とを接続する第３内周面４４と、を有する。上側セグメント４Ｕは、オイルリング３が、オイルリング溝１０３に装着された状態、即ち、使用状態にあるとき、第３上面４１がオイルリング溝１０３の上壁Ｗ１に対向し、第３下面４２及び第３内周面４４がエキスパンダ・スペーサ５に当接し、第３外周面４３がシリンダ内壁２０ａに摺接するように、設けられる。下側セグメント４Ｌは、オイルリング３が使用状態にあるとき、第３下面４２がオイルリング溝１０３の下壁Ｗ２に対向し、第３上面４１及び第３内周面４４がエキスパンダ・スペーサ５に当接し、第３外周面４３がシリンダ内壁２０ａに摺接するように、設けられる。

図８は、セグメント４の周長方向に直交する断面を示す断面図である。図８に示すように、第３外周面４３は、セグメント４の外周端部に設けられる第３外周端面Ｓ４１と、第３外周端面Ｓ４１と第３上面４１及び第３下面４２とをそれぞれ接続する一対の接続面Ｓ４２，Ｓ４２と、を含む。一対の接続面Ｓ４２，Ｓ４２の一方は、第３外周端面Ｓ４１の上縁Ｅ４１と第３上面４１の外周縁Ｅ４０１とを接続する。一対の接続面Ｓ４２，Ｓ４２の他方は、第３外周端面Ｓ４１の下縁Ｅ４２と第３下面４２の外周縁Ｅ４０２とを接続する。第３外周端面Ｓ４１は、セグメント４の周長方向に直交する断面において、セグメント４において最大径となる第３頂部Ｐ４を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲している。第３外周端面Ｓ４１の第３頂部Ｐ４は、第３外周面４３においてセグメント４の径方向最外に位置しており、第３外周端面Ｓ４１は、使用状態においてシリンダ内壁２０ａに摺接する。この第３外周端面Ｓ４１は、全体として偏心バレル曲面に形成されている。具体的には、第３外周端面Ｓ４１は、下縁Ｅ４２が上縁Ｅ４１よりも径方向外側に位置し、且つ、第３頂部Ｐ４が第３外周端面Ｓ４１においてセグメント４の軸方向の中央位置よりも下側に位置するように形成されている。これにより、第３外周端面Ｓ４１は、第３頂部Ｐ４を境に軸方向に非対称な偏心バレル形状を有している。また、図８に示すように、第３外周端面Ｓ４１は、第３頂部Ｐ４を含んでセグメント４の径方向外側に凸状に湾曲する第３突出面４３１と、第３突出面４３１と上縁Ｅ４１との間に形成され、セグメント４の周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲すると共に燃焼室３０側に向けて徐々に縮径した湾曲面４３２と、を含んで構成されている。湾曲面４３２は、第３突出面４３１の上端と第３外周端面Ｓ４１の上縁Ｅ４１とを接続する。

図８に示す符号δ４は、第３外周面４３における軸方向中央からの第３頂部Ｐ４の偏心量を示す。また、図８に示す符号ＣＬ４は、セグメント４の中心軸Ａ３に直交すると共に第３外周端面Ｓ４１における軸方向中央位置を通る直線を示す。また、符号ＥＬ４は、セグメント４の中心軸Ａ３に直交すると共に中央線ＣＬ４よりも偏心量δ４分下側（クランク室４０寄り）に位置する直線を示す。図８に示すように、第３外周端面Ｓ４１における第３突出面４３１は、周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状となる円弧を形成している。該円弧の下端は、下側の接続面Ｓ４２に接続している。第３突出面４３１は、第３外周面４３よりも径方向内側に中心Ｃ４１を有する所定の半径ｒ４１の円弧を中心軸Ａ３回りに回転させることで形成される曲面とも捉えることができる。なお、図８では、直線ＥＬ４上に中心Ｃ４１が位置しているが、中心Ｃ４１の位置はこれに限定されない。また、第３突出面４３１は、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有
してもよい。また、第３外周端面Ｓ４１は、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第３外周端面Ｓ４１は、第３頂部Ｐ４において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。また、セグメント４は、一対の接続面Ｓ４２，Ｓ４２を有さずに、第３外周端面Ｓ４１が第３上面４１及び第３下面４２に連なっていてもよい。即ち、第３外周面４３の全域が第３外周端面Ｓ４１であってもよい。なお、図８に示す例では、上側の接続面Ｓ４２と下側の接続面Ｓ４２とが中央線ＣＬ４を挟んで対称の形状となっているが、セグメントの形状はこれに限定されず、上側と下側の接続面Ｓ４２は、中央線ＣＬ４を挟んで対称でなくともよい。即ち、上下の接続面Ｓ４２，Ｓ４２同士の軸方向の長さが異なってもよく、第３頂部Ｐ４から第３上面４１の外周縁Ｅ４０１までの径方向の距離と第３頂部Ｐ４から第３下面４２の外周縁Ｅ４０２までの径方向の距離とが異なってもよい。

図８に示す符号ａ４１は、セグメント４における燃焼室３０側のバレル落差である。バレル落差ａ４１は、即ち、セグメント４の第３頂部Ｐ４と第３外周端面Ｓ４１の上縁Ｅ４１との径方向における距離であり、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第３外周端面Ｓ４１の上縁Ｅ４１までの距離と等しい。同様に、ａ４２は、セグメント４におけるクランク室４０側のバレル落差である。バレル落差ａ４２は、即ち、セグメント４の第３頂部Ｐ４と第３外周端面Ｓ４１の下縁Ｅ４２との径方向における距離であり、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第３外周端面Ｓ４１の下縁Ｅ４２までの距離と等しい。図８に示すように、第３外周端面Ｓ４１においては、下縁Ｅ４２が上縁Ｅ４１よりも径方向外側に位置しているため、ａ４２がａ４１よりも小さくなっている。また、図８に示す符号ｂ４１は、セグメント４の第３頂部Ｐ４と第３外周端面Ｓ４１の上縁Ｅ４１との軸方向における距離を示す。また、ｂ４２は、セグメント４の第３頂部Ｐ４と第３外周端面Ｓ４１の下縁Ｅ４２との軸方向における距離を示す。図８に示すように、第３外周端面Ｓ４１においては、セグメント４の第３頂部Ｐ４が第３外周端面Ｓ４１おける軸方向中央よりも下側に位置している。そのため、ｂ４２がｂ４１よりも小さくなっている。

このようなオイルリング３によると、使用状態において、シリンダ内壁２０ａと第３外周端面Ｓ４１との隙間を、第３頂部Ｐ４を境としてクランク室４０側において燃焼室３０側よりも小さくすることができる。これにより、ピストン１０の下降時においては、オイルを好適に掻き落とすことができ、ピストン１０の上昇時においては、くさび効果により第３外周端面Ｓ４１がオイルに乗り上げるため、オイルの掻き上げを防止することができる。そのため、ピストン隙間ＰＣ１内のオイルがクランク室４０側の隙間を通り抜けてクランク室４０側からサードランドＬ３に流出し難くなる。即ち、オイル上がりの抑制において優れた効果を発揮する。その結果、オイルリング３は、一対のセグメントの第３外周端面を対称バレル形状とした場合と比較して、サードランドＬ３へのオイル上がりをより抑制することができる。例えば、厚み（径方向寸法）１．７ｍｍ、幅（軸方向寸法）０．４ｍｍのセグメント４の場合、第３突出面４３１における半径ｒ４１、偏心量δ４、バレル落差ａ４１，ａ４２、第３頂部Ｐ４と上下縁との軸方向における距離ｂ４１，ｂ４２は、ｒ４1＝約０．５ｍｍ、δ４＝０．０８ｍｍ、ａ４１＝０．０６ｍｍ、ａ４２＝０．０
０４ｍｍ、ｂ４１＝０．２３ｍｍ、ｂ４２＝０．０６ｍｍとすることが、オイルシール性能向上の観点から特に好ましい。但し、本発明は、上記の寸法に限定するものではない。

なお、本発明は、一対のセグメント４，４の両方の第３外周面４３において第３外周端面Ｓ４１を偏心バレル形状としつつも、上側セグメント４Ｕと下側セグメント４Ｌとで、半径ｒ４１、偏心量δ４、バレル落差ａ４１，ａ４２、第３頂部Ｐ４と上縁Ｅ４１及び下縁Ｅ４２との軸方向における距離ｂ４１，ｂ４２を異ならせてもよい。また、本発明は、一対のセグメント４，４のうち、少なくとも一方の第３外周端面Ｓ４１が上述した偏心バレル形状であればよく、例えば、上側セグメント４Ｕの第３外周端面Ｓ４１を上述の偏心バレル形状とし、下側セグメント４Ｌの第３外周端面Ｓ４１を第３頂部Ｐ４が軸方向中央に位置した対称バレル形状としてもよく、その逆としてもよい。但し、本実施形態は、一
対のセグメント４，４の両方の第３外周端面Ｓ４１を上述の偏心バレル形状とすることで、一方のみを偏心バレル形状とする場合よりもオイル上がりを抑制することができる。

［作用・効果］
以上のように、本実施形態に係るピストンリングの組合せでは、トップリング１は、外周端部に設けられると共にトップリング１において最大径となる第１頂部Ｐ１を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第１外周端面Ｓ１１を有している。また、セカンドリング２は、第２上面２１と、第２下面２２と、外周端部に設けられた第２外周端面Ｓ２１１と、内周端部に設けられた第２内周端面Ｓ２２１と、第２外周端面Ｓ２１１と第２下面２２との間に段差状の切欠であるアンダーカット２５が形成されるように第２外周端面Ｓ２１１と第２下面２２とを接続するアンダーカット面Ｓ２１２と、を有している。そして、セカンドリング２は、バランスカット形状を有するスクレーパリングとなっている。即ち、セカンドリング２には、インナーカット２６を形成するインナーカット面Ｓ２２２と、アウターカット２７を形成するアウターカット面Ｓ２１３とのうち、少なくとも一方が形成されている。ここで、インナーカット面Ｓ２２２は、第２内周端面Ｓ２２１を含むように延びる第２仮想内周面ＶＰ４と第２下面２２を含むように延びる第２仮想下面ＶＰ２とが交わることで形成される仮想下角部ＶＣ１における、第２仮想内周面ＶＰ４と第２仮想下面ＶＰ２との交差部分ＶＣ１１を含む所定部位がセカンドリング２に含まれないように、第２内周端面Ｓ２２１と第２下面２２とを接続するものであり、アウターカット面Ｓ２１３は、第２外周端面Ｓ２１１を含むように延びる第２仮想外周面ＶＰ３と第２上面２１を含むように延びる第２仮想上面ＶＰ１とが交わることで形成される仮想上角部ＶＣ２における、第２仮想外周面ＶＰ３と第２仮想上面ＶＰ１との交差部分ＶＣ２１を含む所定部位がセカンドリング２に含まれないように、第２外周端面Ｓ２１１と第２上面２１とを接続するものである。また、オイルリング３に設けられた一対のセグメント４，４の夫々は、外周端部に設けられると共にセグメント４において最大径となる第３頂部Ｐ４を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第３外周端面Ｓ４１を有し、一対のセグメント４，４の少なくとも一方における第３外周端面Ｓ４１は、下縁Ｅ４２が上縁Ｅ４１よりも径方向外側に位置し、且つ、第３頂部Ｐ４が第３外周端面Ｓ４１においてセグメント４の軸方向の中央位置よりも下側に位置するように形成されている。

ここで、上述のように、セカンドリングをバランスカット形状とすることで、良好なシール性能が期待できる。しかしながら、仮に、サードランドＬ３にオイルが多量（所定量以上）に存在すると、セカンドリング溝１０２内に充満したオイルによって、セカンドリングをバランスカット形状にしたことによるシール性能が十分に発揮され難いという問題がある。

これに対して、本実施形態に係るピストンリングの組み合わせによると、オイルリング３を偏心バレル形状とすることで、サードランドＬ３へのオイル上がりを抑制することができる。これにより、バランスカット形状としたセカンドリング２のシール性能を十分に発揮することできる。つまり、オイルリングの偏心バレル形状によるシール性能とセカンドリングのバランスカット形状によるシール性能の相乗効果を得ることができる。その結果、このようなピストンリングの組み合わせによれば、従来よりもオイル消費量を低減することができる。

なお、セカンドリング２のねじれ角の大きさは、セカンドリング２をピストン１０に装着し、且つ、ピストン１０をシリンダ２０に装着した状態で、−２０′〜２０′とすることが好ましい。これにより、セカンドリングにおいて、より良好なシール性能を得ることができる。更に、この場合において、ねじれ角の大きさを−１５′〜１５′とすることが、より好ましい。ここで、ねじれ角は、例えば、水平面（ピストンの軸と直交する平面）に対する第２上面２１の傾斜角度として定義することができ、第２上面２１が径方向外側
に向かって上方（燃焼室側）傾斜する場合に正の値とし、リング上面が径方向外側に向かって下方（クランク室側）傾斜する場合に負の値とすることができる。但し、ねじれ角の定義や大きさはこれに限定しない。

なお、本実施形態に係るセグメント４の第３外周端面Ｓ４１は、第３頂部Ｐ４と第３外周端面Ｓ４１の上縁Ｅ４１との間に、径方向外側に凸状に湾曲すると共に上側に向けて徐々に縮径した湾曲面４３２を有する。これによれば、ピストン１０の上昇時におけるくさび効果を高め、オイル上がりを更に抑制することができる。

［オイル吸い上げ実験］
本実施形態に係るピストンリングの組み合わせによるオイル消費の低減効果を確認すべく、可視化試験機を用いたオイル吸い上げ実験を行った。本実験に用いた可視化試験機は、透光部を備えたシリンダホルダと全体が透明ガラス製のシリンダとを用いた非燃焼式の内燃機関構造を備えている。可視化試験機は、蛍光物質を混合したオイルをシリンダとピストンとの間に介在させた状態でピストンを往復させ、その間にシリンダホルダの透光部にレーザ光を照射すると共に蛍光物質が発する蛍光強度分布を高速度カメラにより取得することで、ピストン外周面におけるオイルの分布を可視化する。

実験では、後述する実施例と比較例１〜３の夫々について、可視化試験機の内燃機関構造を運転させ、オイル消費量と、オイルがトップリングからオイルリングまで到達するまでの時間と、を測定した。実験条件は、クランク回転数を１５００ｒｐｍとし、吸気管内のガス圧を絶対圧力で２２ｋＰａとし、オイルがサードランド側に吸い上げられる状況とした。

［実施例］
実施例では、トップリングを対称バレル形状とし、セカンドリングをバランスカット形状とし、オイルリングを偏心バレル形状とした。即ち、実施例に係るピストンリングの組み合わせは、図２に示したピストンリングの組み合わせと同様のものである。

［比較例１］
比較例１では、トップリングを対称バレル形状とし、セカンドリングを非バランスカット形状とし、オイルリングを対称バレル形状とした。即ち、比較例１に係るセカンドリングは、図５に示したセカンドリング２Ｘと同様の形状を有する。また、比較例１に係るオイルリングにおける一対のセグメントは、図７及び図８に示した一対のセグメント４，４と異なり、何れもが対称バレル形状となっている。

［比較例２］
比較例２では、トップリングを対称バレル形状とし、セカンドリングをバランスカット形状とし、オイルリングを対称バレル形状とした。即ち、比較例２に係るセカンドリングは、図４に示したセカンドリング２と同様の形状を有する。また、比較例２に係るオイルリングにおける一対のセグメントは、図７及び図８に示した一対のセグメント４，４と異なり、何れもが対称バレル形状となっている。

［比較例３］
比較例３では、トップリングを対称バレル形状とし、セカンドリングを非バランスカット形状とし、オイルリングを偏心バレル形状とした。即ち、比較例３に係るセカンドリングは、図５に示したセカンドリング２Ｘと同様の形状を有する。また、比較例３に係るオイルリングにおける一対のセグメントは、図７及び図８に示した一対のセグメント４，４と同様の形状を有する。

［実験結果］
図９は、実施例及び比較例１〜３のオイル消費量を示すグラフである。グラフ中、縦軸はオイル消費量の比を示している。図１０は、実施例及び比較例１〜３における、オイルがトップリングからオイルリングまで到達するまでの時間を示すグラフである。グラフ中、縦軸は到達時間の比を示している。図１１〜図１４は、ピストン外周面の蛍光強度分布の計測例を表示したものである。図１１〜図１４に示す白黒画像は、可視化試験機の内燃機関構造を３００サイクル運転させたときの、ピストン外周面の蛍光強度分布（即ち、油膜厚さ分布）を示す。図中、上下方向がシリンダ軸方向であり、上方側が燃焼室側、下方側がクランク室側であり、左右方向がシリンダの周方向である。図１１は、実施例のピストン外周面を示し、図１２は、比較例１のピストン外周面を示し、図１３は、比較例２のピストン外周面を示し、図１４は、比較例３のピストン外周面を示す。

図９から分かるように、実施例においてオイル消費量が最も少なく、次いで、比較例３、比較例２、比較例１の順で、オイル消費量が少ないという結果となった。これにより、実施例に係るピストンリングの組み合わせとすることで、オイル消費量を最も低減できることが確認できた。

図１０から分かるように、実施例においてトップリングへのオイル到達時間が最も長く、次いで、比較例３、比較例２、比較例１の順で、到達時間が長いという結果となった。これにより、実施例に係るピストンリングの組み合わせとすることで、トップリングまでのオイルの上昇を最も遅くできることを確認できた。

図１１〜図１４を比較することで、トップランドに存在するオイル量は、実施例において最も少なく、次いで、比較例３、比較例２、比較例１の順で、少ないことが分かる。

ここで、図９において、比較例１と比較例２とのオイル消費量の差よりも、比較例３と実施例とのオイル消費量の差の方が大きいことが分かる。また、図１０において、比較例１と比較例２との到達時間の差よりも、比較例３と実施例との到達時間の差の方が大きいことが分かる。また、トップランドに存在するオイル量においても、比較例１と比較例２との差よりも、比較例３と実施例との差の方が大きいことが分かる。これにより、オイルリングが対称バレル形状の場合よりも、オイルリングを偏心バレル形状とした場合の方が、セカンドリングをバランスカット形状としたことによるオイルシール効果を大きく得られることが分かる。

ここで、図１５〜図１８は、実施例及び比較例１〜３のオイルの挙動を模式的に説明するための図である。図１５は、実施例におけるオイルの挙動を示し、図１６は、比較例１におけるオイルの挙動を示し、図１７は、比較例２におけるオイルの挙動を示し、図１８は、比較例３におけるオイルの挙動を示す。図中の矢印はオイルの流れを示しており、矢印の数量がオイルの量を表している。但し、図１５〜図１８は、本発明を限定するものではない。まず、図１６に示すように、比較例１では、ピストンスカートからオイルリングまで上昇してきたオイルの一部がオイルリングによって掻き落されるものの、比較的多量のオイルがサードランドまで上昇する。そして、セカンドリングで掻き落されずにセカンドランドまで上昇したオイルのうち、トップリングでも掻き落し切れずにトップランドに至ったオイルが燃焼室側へ流出し、オイル上がりとなる。次に、図１７に示すように、比較例２では、比較例１と同様にオイルリングを対称バレル形状としているため、比較例１と概ね同量のオイルがサードランドまで上昇する。そのため、比較例２では、比較例１とは異なりセカンドリングをバランスカット形状としているものの、セカンドリング溝内に充満したオイルにより、そのシール性能が十分に発揮されず、結果として、トップランドに至るオイル量が比較例１よりも若干少ない程度となる。次に、図１８に示すように、比較例３では、比較例１と異なりオイルリングを偏心バレル形状としているため、サードラ
ンドまで上昇するオイル量は比較例１に対して減少する。但し、比較例３では、セカンドリングをバランスカット形状としていないため、バランスカット形状によるオイルシールの効果は得られない。結果として、比較例３では、トップランドまで至るオイル量が比較例２よりも少なくなる。そして、実施例では、比較例２と同様にセカンドリングをバランスカット形状としながらも、オイルリングを偏心バレル形状としている。そのため、図１５に示すように、サードランドまで上昇するオイル量が比較例２よりも少なくなり、セカンドリング溝内のオイル量が比較例２よりも少なくなる。これにより、セカンドリングをバランスカットとしたことによるシール性能が十分に発揮される。その結果、実施例では、トップランドまで至るオイル量が比較例３よりも少なくなる。

以上の実験により、ピストンリングの組み合わせにおいて、セカンドリングをバランスカット形状とし、オイルリングを偏心バレル形状とすることによって、オイル消費量の低減において顕著な効果が得られることを確認できた。

［変形例１］
図１９は、実施形態１の変形例１に係るセグメント４Ａの周長方向に直交する断面を示す断面図である。図１９に示すように、セグメント４Ａは、第３外周端面Ｓ４１Ａがテーパバレル形状を有する点で、セグメント４と相違する。より具体的には、セグメント４Ａの第３外周端面Ｓ４１Ａは、第３頂部Ｐ４を含む第３突出面４３１と、第３突出面４３１と第３外周端面Ｓ４１Ａの上縁Ｅ４１との間に形成され、オイルリング３の周長方向に直交する断面において燃焼室３０側に向けて徐々に縮径したテーパ面４３２Ａと、を含んで構成されている。即ち、第３外周端面Ｓ４１Ａは、第３頂部Ｐ４と上縁Ｅ４１との間に、テーパ面４３２Ａを有している。セグメント４Ａにおいても、第３外周端面Ｓ４１Ａは、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有してもよい。また、第３外周端面Ｓ４１Ａは、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第３外周端面Ｓ４１Ａは、第３頂部Ｐ４において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。

［変形例２］
図２０は、実施形態１の変形例２に係るオイルリング３Ｂを示す図であって、図２０（ａ）は、実施形態１の変形例２に係るオイルリング３Ｂの周長方向に直交する断面図、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示す第３外周面４３Ｂの拡大図である。本発明に係るオイルリングは、図２０に示すオイルリング３Ｂのように、所謂２ピースのオイルリングであってもよい。オイルリング３Ｂは、オイルリング３Ｂの軸回りに環状に形成されたオイルリング本体６と、オイルリング本体６を径方向外側へ付勢するコイル・エキスパンダ８と、を有する。また、オイルリング本体６には、径方向外側に突出する一対のレール７，７がオイルリング３Ｂの軸方向に並んで形成されている。一対のレール７，７のうち、上側のレール７をレール７Ｕと称し，下側のレール７をレール７Ｌと称する。一対のレール７Ｕ，７Ｌは、オイルリング３における一対のセグメント４Ｕ，４Ｌに相当する部位であり、本発明における「一対の摺動部」の一例である。

図２０（ａ）に示す符号ＣＬ７は、レール７の軸方向と直交すると共にレール７の第３外周端面Ｓ４１Ｂにおける軸方向中央位置を通る直線を示す。また、符号ＥＬ７は、レール７の軸方向に直交すると共に中央線ＣＬ７よりも偏心量δ４分下側（クランク室４０寄り）に位置する直線を示す。図２０（ｂ）に示すように、一対のレール７Ｕ，７Ｌの第３外周端面Ｓ４１Ｂは、レール７Ｕ，７Ｌの周長方向に直交する断面において、レール７Ｕ，７Ｌにおいて最大径となる第３頂部Ｐ４を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲している。更に、一対のレール７Ｕ，７Ｌの第３外周端面Ｓ４１Ｂは、一対のセグメント４Ｕ，４Ｌの第３外周端面Ｓ４１と同様の偏心バレル形状を有している。即ち、レール７，７の第３外周端面Ｓ４１Ｂは、夫々、下縁Ｅ４２が上縁Ｅ４１よりも径方向外側に位置し
、且つ、第３頂部Ｐ４が第３外周端面Ｓ４１においてレール７の軸方向の中央位置よりも下側に位置するように形成されている。なお、オイルリング３Ｂは、一対のレール７Ｕ，７Ｌのうち、一方の第３外周端面Ｓ４１Ｂのみが上述の偏心バレル形状であってもよい。例えば、レール７Ｕの第３外周端面Ｓ４１Ｂを上述の偏心バレル形状とし、レール７Ｌの第３外周端面Ｓ４１Ｂを対称バレル形状としてもよく、その逆としてもよい。

＜実施形態２＞
図２１は、実施形態２に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関２００を示す図である。図２２は、実施形態２に係るピストンリングの組み合わせに用いられるセカンドリング２Ｂの周長方向に直交する断面図である。実施形態２に係るピストンリングの組み合わせは、バランスカット形状を有するスクレーパリングであるセカンドリング２に代えて、レクタンギュラ形状を有するセカンドリング２Ｂを用いる点で実施形態１に係るピストンリングの組み合わせと相違し、その他の点では同じである。

図２２に示すように、セカンドリング２Ｂは、上側に設けられた第２上面２１と、下側に設けられた第２下面２２と、第２上面２１の外周縁Ｅ２０１と第２下面２２の外周縁Ｅ２０２とを接続する第２外周面２３と、第２上面２１の内周縁Ｅ２０３と第２下面２２の内周縁Ｅ２０４とを接続する第２内周面２４と、を有する。セカンドリング２Ｂは、所謂レクタンギュラリングであり、周長方向に直交する断面において矩形状に形成されている。なお、「矩形状」とは、「略矩形状」を含むものであり、第２上面２１、第２下面２２、第２外周面２３、第２内周面２４は、Ｒ加工等によって形成された断面円弧状の曲面を介して滑らかに接続されてもよい。また、セカンドリング２Ｂは、レクタンギュラ形状であればよく、セカンドリング２Ｂの第２外周面２３の形状は、ストレート形状、テーパ形状等、種々の形状とすることができる。

セカンドリング２Ｂを矩形断面とすることで、セカンドリング２Ｂにおける全体的な応力のバランスが対称又は対称に近いものとなり、使用状態においてセカンドリング２Ｂに生じるねじれを減少させることができる。これにより、第２上面２１とセカンドリング溝１０２の上壁Ｗ１との密着性を高め、良好なオイルシール性能が得られる。

実施形態２に係るピストンリングの組み合わせにおいても、オイルリング３を偏心バレル形状とすることで、サードランドＬ３へのオイル上がりを抑制することができる。これにより、矩形断面としたセカンドリング２Ｂのシール性能を十分に発揮することできる。その結果、実施形態２に係るピストンリングの組み合わせによれば、従来よりもオイル消費量を低減することができる。

なお、セカンドリング２Ｂのねじれ角の大きさは、セカンドリング２Ｂをピストン１０に装着し、シリンダ２０に装着した状態で、−２０′〜２０′とすることが好ましい。これにより、より良好なシール性能を得ることができる。更に、この場合において、ねじれ角の大きさを−１５′〜１５′とすることが、より好ましい。但し、ねじれ角の大きさはこれに限定しない。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した種々の形態は、可能な限り組み合わせることができる。

１００，２００ ：内燃機関
１０ ：ピストン
２０ ：シリンダ
３０ ：燃焼室
４０ ：クランク室
１ ：トップリング
Ｐ１ ：第１頂部
Ｓ１１ ：第１外周端面
２，２Ａ，２Ｂ ：セカンドリング
２１ ：第２上面
２２ ：第２下面
２３ ：第２外周面
２４ ：第２内周面
Ｐ２ ：第２頂部
Ｓ２１１ ：第２外周端面
Ｓ２１２ ：アンダーカット面
Ｓ２１３ ：アウターカット面
Ｓ２２１ ：第２内周端面
Ｓ２２２ ：インナーカット面
ＶＰ１ ：第２仮想上面
ＶＰ２ ：第２仮想下面
ＶＰ３ ：第２仮想外周面
ＶＰ４ ：第２仮想内周面
ＶＣ１ ：仮想下角部
ＶＣ２ ：仮想上角部
３，３Ｂ ：オイルリング
４ ：セグメント（摺動部の一例）
４１ ：第３上面
４２ ：第３下面
Ｐ４ ：第３頂部
Ｓ４１ ：第３外周端面
５ ：エキスパンダ・スペーサ（エキスパンダの一例）
６ ：オイルリング本体
７ ：レール（摺動部の一例）
８ ：コイル・エキスパンダ（エキスパンダの一例）

Claims (7)

1. 内燃機関のピストンに装着されるトップリングとセカンドリングとオイルリングとを含むピストンリングの組合せであって、
   前記トップリングは、該トップリングの外周端部に設けられると共に該トップリングにおいて最大径となる第１頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第１外周端面を有し、
   前記セカンドリングは、該セカンドリングが前記ピストンに装着された場合に燃焼室側に位置する第２上面と、該セカンドリングが前記ピストンに装着された場合にクランク室側に位置する第２下面と、該セカンドリングの外周端部に設けられた第２外周端面と、該セカンドリングの内周端部に設けられた第２内周端面と、前記第２外周端面と前記第２下面との間に段差状の切欠が形成されるように該第２外周端面と該第２下面とを接続するアンダーカット面と、を有し、
   前記セカンドリングには、
   前記第２内周端面を含むように延びる第２仮想内周面と前記第２下面を含むように延びる第２仮想下面とが交わることで形成される仮想下角部における、該第２仮想内周面と該第２仮想下面との交差部分を含む所定部位が該セカンドリングに含まれないように、前記第２内周端面と前記第２下面とを接続するインナーカット面と、
   前記第２外周端面を含むように延びる第２仮想外周面と前記第２上面を含むように延びる第２仮想上面とが交わることで形成される仮想上角部における、該第２仮想外周面と該第２仮想上面との交差部分を含む所定部位が該セカンドリングに含まれないように、前記第２外周端面と前記第２上面とを接続するアウターカット面とのうち、少なくとも一方が形成され、
   前記オイルリングは、該オイルリングの軸回りに環状に形成され、該オイルリングの軸方向に並んで設けられた一対の摺動部を有し、
   前記一対の摺動部の夫々は、該摺動部の外周端部に設けられると共に該摺動部において最大径となる第３頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第３外周端面を有し、
   前記一対の摺動部の少なくとも一方における前記第３外周端面は、前記オイルリングが前記ピストンに装着された場合における前記クランク室側である下側の縁が、前記オイルリングが前記ピストンに装着された場合における前記燃焼室側である上側の縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３頂部が第３外周端面において前記摺動部の軸方向の中央位置よりも下側に位置するように形成されている、
   ピストンリングの組み合わせ。
2. 内燃機関のピストンに装着されるトップリングとセカンドリングとオイルリングとを含むピストンリングの組合せであって、
   前記トップリングは、該トップリングの外周端部に設けられると共に該トップリングにおいて最大径となる第１頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第１外周端面を有し、
   前記セカンドリングは、該セカンドリングが前記ピストンに装着された場合に燃焼室側に位置する第２上面と、該セカンドリングが前記ピストンに装着された場合にクランク室側に位置する第２下面と、前記第２上面の外周縁と前記第２下面の外周縁とを接続する第２外周面と、前記第２上面の内周縁と前記第２下面の内周縁とを接続する第２内周面と、を有し、周長方向に直交する断面において矩形状に形成され、
   前記オイルリングは、該オイルリングの軸回りに環状に形成され、該オイルリングの軸方向に並んで設けられた一対の摺動部を有し、
   前記一対の摺動部の夫々は、該摺動部の外周端部に設けられると共に該摺動部において最大径となる第３頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した第３外周端面を有し、
   前記一対の摺動部の少なくとも一方における前記第３外周端面は、前記オイルリングが前記ピストンに装着された場合における前記クランク室側である下側の縁が、前記オイルリングが前記ピストンに装着された場合における前記燃焼室側である上側の縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３頂部が第３外周端面において前記摺動部の軸方向の中央位置よりも下側に位置するように形成されている、
   ピストンリングの組み合わせ。
3. 前記オイルリングは、該オイルリングの軸回りに環状に形成され、互いに独立して該オイルリングの軸方向に並んで設けられた一対のセグメントと、前記一対のセグメントを径方向外側に付勢するエキスパンダと、を有し、
   前記一対の摺動部は、前記一対のセグメントとして形成されている、
   請求項１又は２に記載のピストンリングの組み合わせ。
4. 前記オイルリングは、該オイルリングの軸回りに環状に形成されたオイルリング本体と、前記オイルリング本体を径方向外側へ付勢するエキスパンダと、を有し、
   前記オイルリング本体には、径方向外側に突出する一対のレールが前記オイルリングの軸方向に並んで形成され、
   前記一対の摺動部は、前記一対のレールとして形成されている、
   請求項１又は２に記載のピストンリングの組み合わせ。
5. 前記セカンドリングのねじれ角度は、前記セカンドリングをピストンに装着し、且つ、前記ピストンをシリンダに装着した状態で、−２０′〜２０′の範囲内である、
   請求項１から４の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。
6. 前記第３外周端面は、前記第３頂部と該第３外周端面の上側の縁との間に、径方向外側に凸状に湾曲すると共に上側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有する、
   請求項１から５の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。
7. 前記第３外周端面は、前記第３頂部と該第３外周端面における上側の縁との間に、上側に向けて徐々に縮径したテーパ面を有する、
   請求項１から５の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。

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