JP4323773B2 - ピストン装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピストン装置に関し、特に、ピストンに装着されるピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、シリンダとピストンとを含むピストン装置を備えている。ピストンには、複数のピストンリングが装着されている。ピストンリングは、シリンダの内側壁面にオイルの膜を形成するとともに、余分なオイルを掻き落とす機能を有している。これにより、燃焼室内へのオイルの侵入が抑制され、この結果、オイル消費量が低減される。
【０００３】
また、近年、内燃機関では、シリンダ内側壁面とピストンリングとの間の摺動抵抗（フリクション）の低減が要求されている。このため、ピストンリングの張力は、比較的小さく設定されている。これは、オイルコントロール機能を有するオイルリングについても同様である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピストン温度が比較的高くなる場合には、すなわち、内燃機関の回転数や負荷が比較的大きい場合には、オイル消費量が急激に増加するという問題があった。これは、ピストンリングがシリンダの内側壁面を押圧する力（押圧力）が不足するためと、ピストンスピードが高くなりピストンリングがシリンダ内側壁面に追従でき難くなるためである。
【０００５】
このため、従来では、種々の手法でピストンリングの押圧力が調整されている。例えば、特許文献１では、形状記憶合金が採用されている。具体的には、ピストンリング（オイルリング）は、油掻きリングと、その内周側に設けられたコイル状の拡張リングと、を備えており、拡張リングは、形状記憶合金で構成されている。形状記憶合金は、高温時に膨張し、低温時に収縮する特性を有している。このため、ピストン温度が高くなる場合には、押圧力が高められていた。しかしながら、この場合には、押圧力を適切に設定することが困難であった。これは、形状記憶合金は、ピストン温度の変化に対して、極狭い温度範囲で急激に変形するためである。この変形により、押圧力が急激に増加し、内燃機関の燃費を悪化させていた。
【０００６】
【特許文献１】
実公平３−４１０７８号公報
【０００７】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、温度変化に応じてピストンリングの押圧力を滑らかに変化させることによって、オイル消費量を効率よく低減させることのできる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、内燃機関に適用されるピストン装置であって、
シリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記ピストンの側面に形成されたリング溝に挿入されたピストンリングセットと、
を備え、
前記ピストンリングセットは、
前記シリンダの内側壁面上を摺動する略環状の一対のサイドレールと、
前記一対のサイドレールを互いに離れた状態で支持し、前記一対のサイドレールが前記シリンダの内側壁面を押圧する押圧力を、前記一対のサイドレールに誘起させるための略環状のスペーサエキスパンダと、
を備え、
前記スペーサエキスパンダは、
外周面を形成する略環状の第１の部材と、
内周面を形成し、前記第１の部材と接触する略環状の第２の部材と、
を含み、
前記第１の部材を構成する第１の材料と前記第２の部材を構成する第２の材料とは、互いに異なる熱膨張率を有しており、前記第１の材料の膨張量と前記第２の材料の膨張量とは、それぞれ、温度上昇に応じて滑らかに増大することを特徴とする。
【０００９】
第１の装置では、スペーサエキスパンダは、熱膨張率の異なる第１の部材と第２の部材とを備えているため、温度変化に応じてピストンリングの押圧力を滑らかに変化させることができ、この結果、オイル消費量を効率よく低減させることができる。
【００１０】
上記の第１の装置において、
前記第１の部材と前記第２の部材とは、互いに接合されていることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、スペーサエキスパンダのリング溝への装着が容易となる。
【００１２】
上記の第１の装置において、
前記第２の材料は、前記第１の材料よりも大きな熱膨張率を有していることが好ましい。
【００１３】
こうすれば、仮に、第１の部材と第２の部材とが接合されていなくても、ピストン温度が比較的高いときには、比較的高い押圧力を得ることができる。
【００１４】
上記の第１の装置において、
前記スペーサエキスパンダは、前記一対のサイドレールの内周側の面に接触し、前記押圧力を前記一対のサイドレールに誘起させるための押圧力付与部を有し、
前記押圧力付与部は、前記第１の部材と前記第２の部材との双方で形成されているようにしてもよい。
【００１５】
ここで、前記スペーサエキスパンダは、外周側と内周側とに向かって交互に屈曲した外形形状を有していてもよいし、中央領域が外周側に向かって突出した外形形状を有していてもよい。
【００１６】
あるいは、上記の第１の装置において、
前記スペーサエキスパンダは、前記一対のサイドレールの内周側の面に接触し、前記押圧力を前記一対のサイドレールに誘起させるための押圧力付与部を有し、
前記押圧力付与部は、前記第２の部材で構成されているようにしてもよい。
【００１７】
ここで、前記スペーサエキスパンダは、前記一対のサイドレールのそれぞれに向かって交互に屈曲した外形形状を有していてもよい。
【００１８】
本発明の第２の装置は、シリンダ内で往復運動するピストンの側面に形成されたリング溝に挿入されるピストンリングセットであって、
前記シリンダの内側壁面上を摺動する略環状の一対のサイドレールと、
前記一対のサイドレールを互いに離れた状態で支持し、前記一対のサイドレールが前記シリンダの内側壁面を押圧する押圧力を、前記一対のサイドレールに誘起させるための略環状のスペーサエキスパンダと、
を備え、
前記スペーサエキスパンダは、
外周面を形成する略環状の第１の部材と、
内周面を形成し、前記第１の部材と接触した状態で使用される略環状の第２の部材と、
を含み、
前記第１の部材を構成する第１の材料と前記第２の部材を構成する第２の材料とは、互いに異なる熱膨張率を有しており、前記第１の材料の膨張量と前記第２の材料の膨張量とは、それぞれ、温度上昇に応じて滑らかに増大することを特徴とする。
【００１９】
第２の装置をピストン装置に適用すれば、本発明の第１の装置と同様の作用・効果を奏し、オイル消費量を効率よく低減させることができる。
【００２０】
この発明は、ピストン装置、ピストンリングセット、スペーサエキスパンダ、ピストン装置を備える内燃機関、該内燃機関を搭載した移動体などの装置等の種々の態様で実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．エンジンの構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明のピストン装置を適用したガソリンエンジン１０の概略構成を示す説明図である。なお、本実施例のエンジン１０は、車両に搭載されている。
【００２２】
エンジン１０は、シリンダブロック２０と、シリンダヘッド３０と、を備えている。シリンダブロック２０とシリンダヘッド３０との間には、燃焼室１２が形成されている。
【００２３】
シリンダブロック２０は、シリンダ２２と、クランクケース２４と、を含んでいる。略円筒形のシリンダ２２内には、上下に往復運動する略円柱形のピストン２６が設けられている。クランクケース２４内には、回転運動するクランクシャフト２８が設けられている。ピストン２６とクランクシャフト２８とは、コネクティングロッド２７を介して接続されている。この構成によって、ピストン２６の往復運動とクランクシャフト２８の回転運動との変換が行われる。
【００２４】
シリンダヘッド３０には、吸気ポート３１と排気ポート３２とが形成されている。吸気ポート３１には吸気バルブ３３が配置されており、排気ポート３２には排気バルブ３４が配置されている。空気とガソリンとを含む混合気は、吸気ポート３１を介して燃焼室１２に供給される。混合気は、各点火プラグ３６が形成する電気火花によって、燃焼する。燃焼済みの排気ガスは、排気ポート３２を介して燃焼室１２から排出される。
【００２５】
コネクティングロッド２７には、シリンダ２２およびピストン２６に向かってオイル（潤滑油）を供給するためのオイル孔が設けられている。このオイルによって、ピストン２６とシリンダ２２との間の摩擦が低減されるとともに、ピストン２６が冷却される。また、シリンダ２２の壁部には、エンジン全体を冷却するための冷却水通路２２ａが形成されている。燃焼室１２で発生する熱は、直接またはピストン２６を介してシリンダ２２に伝わる。
【００２６】
なお、図１では、図示の便宜上、１つの気筒のみが図示されているが、実際には、エンジン１０には複数の気筒が備えられている。
【００２７】
Ａ−２．ピストン装置の構成：
図２は、図１のシリンダ２２とピストン２６との界面付近を示す説明図である。図示するように、本実施例では、ピストン２６には、３つのピストンリング１００，２００，３００が装着されている。３つのピストンリングは、ピストン２６の側面に形成された３つのリング溝２６ａ，２６ｂ，２６ｃにそれぞれ挿入されている。
【００２８】
各ピストンリング１００，２００，３００は、燃焼室からクランクケースへのガス漏れを抑制する機能と、シリンダの内側壁面にオイルの膜を形成するとともに余分なオイルを掻き落とす機能と、ピストンが受ける燃焼室の熱をシリンダへ伝える機能と、ピストンの外周がシリンダの内側壁面に直接強く接触することを防止する機能と、を有している。第１および第２のピストンリング１００，２００は、主として、燃焼室１２からクランクケース２４へのガス漏れを防止する機能を有しており、コンプレッションリングと呼ばれている。特に、第１のピストンリング１００は、トップリングと呼ばれ、第２のピストンリング２００は、セカンドリングと呼ばれている。また、第３のピストンリング３００は、主として、シリンダ２２の内側壁面に付着した余分なオイルを掻き落とす機能を有しており、オイルリングと呼ばれている。なお、オイルリングによって掻き取られたオイルの一部は、第３のリング溝２６ｃに設けられた複数の排油孔（図示せず）を介して、ピストン２６の内側に排出される。
【００２９】
なお、上記の各機能は、各ピストンリング１００，２００，３００がシリンダ２２の内側壁面を押圧することによって、実現されている。具体的には、各ピストンリングは、合口すき間（図示せず）が狭められた状態で、シリンダ２２内のピストン２６に装着される。このため、各ピストンリングは、張力（外周側に広がろうとする力）を有する。この張力によって、各ピストンリングは、シリンダ２２の内側壁面を押圧することができ、この結果、上記の各機能を発揮することができる。
【００３０】
Ａ−３．オイル消費：
前述のように、エンジンの回転数や負荷（トルク）が比較的大きい場合には、換言すれば、高速運転状態や高負荷運転状態では、シリンダの内側壁面に付着したオイルが燃焼室内に侵入し易くなり、オイル消費量が急激に増大する傾向にある。
【００３１】
高速・高負荷運転状態におけるオイル消費量の増大は、以下のような種々の現象に起因する。（ａ）シリンダとピストンとの相対速度が高くなり、摩擦力が低下する。（ｂ）ピストンリングを構成する複数の部材の剛性の相違により、シリンダの内側壁面とピストンリングの摺動面との接触度が低下する。（ｃ）シリンダの変形（膨張）にピストンリングが追従できない。（ｄ）ピストンの首振りによって、ピストンリングの姿勢が悪化する。（ｅ）ランド圧力と摩擦力との間のバランスが崩れて、ピストンリングがリング溝から離れる（フラッタリング）。
【００３２】
なお、上記の現象は、ピストンリングの張力が比較的小さく設定されている場合に顕著となる。したがって、ピストンリングの張力が比較的大きく設定されている場合には、オイル消費量を比較的低減させることができる。しかしながら、この場合には、シリンダとピストンリングとの間の摩擦が大きくなり、燃費が悪化するという問題がある。このため、ピストンリングの張力は、通常、比較的小さく設定されている。
【００３３】
ところで、エンジンの回転数や負荷（トルク）が比較的大きい場合には、ピストン２６の温度が比較的高くなる。これは、エンジン回転数が比較的大きくなると、シリンダ２２とピストン２６（より具体的には、ピストンリング）との間の摩擦に起因する熱量が大きくなるためである。また、負荷（トルク）が比較的大きくなると、燃焼室１２内での燃焼に起因する熱量が大きくなるためである。
【００３４】
本実施例では、上記の特徴、すなわち、エンジンの回転数や負荷の変化に伴うピストン温度の変化を利用して、ピストンリングの押圧力不足を解消し、オイル消費量を低減している。
【００３５】
Ａ−４．オイルリングセット：
図３は、オイルリングセット３００の一部を示す概略斜視図である。オイルリングセット３００は、略環状のスペーサエキスパンダ３１０と、一対の略環状のサイドレール３１６，３１７と、を備えている。一対のサイドレール３１６，３１７は、スペーサエキスパンダ３１０によって、互いに離れた状態で支持されている。
【００３６】
スペーサエキスパンダ（以下、単に「エキスパンダ」とも呼ぶ）３１０は、外周側と内周側とに向かって交互に屈曲した外形形状を有している。エキスパンダ３１０は、比較的小さく突出した受圧面部３１０ｓを外周側に備えており、比較的大きく突出した耳部３１０ｗを内周側に備えている。耳部３１０ｗは、外側（すなわち、上側または下側）に向かうに連れて、内周側に傾いている。また、隣接する受圧面部３１０ｓと耳部３１０ｗとの間には、ワイヤ（図示せず）が通るワイヤ孔３１０ｈが設けられている。
【００３７】
図４は、図３のスペーサエキスパンダ３１０の展開図である。図示するように、エキスパンダ３１０は、ストリップ状の板材で構成される。板材は、受圧面部３１０ｓとして機能する第１の突出部と、耳部３１０ｗとして機能する第２の突出部と、を長さ方向に沿って交互に有している。なお、各突出部は、長さ方向に沿って対称に設けられている。隣接する各突出部の間には、ワイヤ孔３１０ｈとして機能する長孔が設けられている。図４に示す板材を、図中、一点鎖線に沿って交互に屈曲させれば、図３に示すエキスパンダ３１０が得られる。
【００３８】
図５は、図３のスペーサエキスパンダ３１０の全体を示す平面図である。図示するように、エキスパンダ３１０は、合口すき間３１０ｇを有している。エキスパンダ３１０をシリンダ２２内のピストン２６に装着する際には、合口すき間３１０ｇの存在に起因して、エキスパンダ３１０の２つの端部が重なってしまう場合がある。本実施例では、この重なりを防止するために、略弧状のワイヤ３１９が用いられている。具体的には、ワイヤ３１９は、エキスパンダ３１０の２つの端部付近に設けられたワイヤ孔３１０ｈ（図３）に挿入されている。また、本実施例では、上記の重なりを確実に防止するために、ワイヤ３１９が合口部以外に移動しないようエキスパンダ３１０の２つの部分Ａ，Ｂには、ワイヤ孔は設けられていない。これによって、部分Ａ，Ｂを超えるワイヤ３１９の移動が禁止され、この結果、ワイヤ３１９は、必ず合口すき間３１０ｇを通る。
【００３９】
なお、本実施例では、エキスパンダ３１０は、ワイヤ孔３１０ｈを備えているが、省略可能である。ただし、上記のように、エキスパンダに孔を設けることによって、エキスパンダを軽量化することができるという利点がある。
【００４０】
各サイドレール（以下、単に「レール」とも呼ぶ）３１６，３１７（図３）は、外周側および内周側に曲面を有しており、上側および下側に平面を有している。外周側の曲面は、シリンダ２２の内側壁面上を摺動する摺動面を形成する。上レール３１６は、エキスパンダ３１０の上側の受圧面部３１０ｓと耳部３１０ｗとの双方で支持されている。具体的には、上レール３１６の外周側の平面は、受圧面部３１０ｓに接触しており、内周側の曲面は、耳部３１０ｗに接触している。下レール３１７についても同様である。また、各レール３１６，３１７の半径方向内側への移動は、エキスパンダ３１０の耳部３１０ｗによって制限される。なお、各レール３１６，３１７も、図示しない合口すき間を有している。
【００４１】
エキスパンダ３１０は、合口すき間が狭められた状態でシリンダ２２内のピストン２６に装着されるため、張力を有する。この張力は、レール３１６，３１７の環を広げようとする。この結果、レール３１６，３１７は、シリンダ２２の内側壁面を押圧することができる。すなわち、エキスパンダ３１０の張力は、レール３１６，３１７がシリンダ２２の内側壁面を押圧する押圧力を、レール３１６，３１７に誘起させる。
【００４２】
ところで、図３に示すように、本実施例のエキスパンダ３１０は、２つの部材を含んでいる。具体的には、エキスパンダ３１０は、外周面を形成する略環状の第１の部材３１１と、内周面を形成する略環状の第２の部材３１２と、を備えている。そして、第１の部材３１１と第２の部材３１２とは、ほぼ同じ形状を有しており、互いに接合されている。第１の部材と第２の部材とは、融接や、圧接、ろう接、接着などによって接合可能である。なお、エキスパンダ３１０は、例えば、プレス成形することによって作製可能である。
【００４３】
本実施例では、外周側の第１の部材３１１を構成する第１の材料は、熱膨張率の比較的低い材料に設定されており、内周側の第２の部材３１２を構成する第２の材料は、熱膨張率の比較的高い材料に設定されている。そして、第１の材料の膨張量と第２の材料の膨張量とは、それぞれ、温度上昇に応じて滑らかに増大する。
【００４４】
なお、熱膨張率（線熱膨張係数）の比較的低い材料としては、例えば、ステンレス鋼，炭素鋼，ばね鋼，コバルト鋼などの鋼材や、より膨張係数の差分を大きくするためにＦｅ−３６Ｎｉ材（インバー）などの低膨張材を用いることができる。ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０（約１２×１０^-6（／℃））やＳＵＳ２０１などが好適である。一方、熱膨張率（線熱膨張係数）の比較的高い材料としては、例えば、銅（約１７×１０^-6（／℃））や、マンガン合金（Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金：約３２×１０^-6（／℃））、アルミニウム（またはその合金）（約２２×１０^-6（／℃））、マグネシウム合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金、Ｎｉなどを用いることができる。
【００４５】
図６は、オイルリングセット３００の概略断面図である。図６（Ａ），（Ｂ）は、ピストン温度が比較的低い場合と比較的高い場合とのオイルリングセット３００をそれぞれ示している。なお、図６（Ａ），（Ｂ）では、オイルリングセット３００は、ピストン２６に形成されたリング溝２６ｃの上面および下面から離れた状態で描かれているが、通常、少なくとも一方の面に接触した状態となっている。
【００４６】
ピストン温度が比較的低い場合（図６（Ａ））には、レール３１６，３１７は、エキスパンダ３１０の張力によって、シリンダ２２の内側壁面を押圧力Ｐａで押圧する。一方、ピストン温度が比較的高い場合（図６（Ｂ））には、レール３１６，３１７は、エキスパンダ３１０の張力によって、シリンダ２２の内側壁面を押圧力Ｐａよりも大きな押圧力Ｐｂで押圧する。これは、熱膨張率の比較的高い内周側の第２の部材３１２が比較的大きく膨張することによって、熱膨張率の比較的低い外周側の第１の部材３１１の環が広げられるためである。
【００４７】
このように、エキスパンダ３１０が２つの部材３１１，３１２で構成されていれば、レール３１６，３１７の押圧力は、ピストン温度の上昇に従って、次第に大きくなる。したがって、ピストン温度が比較的高い場合、換言すれば、エンジンの回転数や負荷（トルク）が比較的大きい場合におけるオイル消費量の増大を緩和することができる。
【００４８】
また、本実施例では、耳部３１０ｗは、互いに接合された２つの部材３１１，３１２で構成されている。このため、内周側に傾いた耳部３１０ｗは、２つの部材３１１，３１２の熱膨張率の差に起因して、外周側に向かう。このとき、レール３１６，３１７は、エキスパンダ３１０の外周を支点として、内側に向かう力で、シリンダ２２の内側壁面を押圧する。換言すれば、押圧力Ｐｂは、シリンダ２２の内側壁面に垂直な力成分と、オイルリングセット３００の内側に向かう力成分と、を含む。これにより、レール３１６，３１７の外周側がエキスパンダ３１０から離れ難くなり、この結果、オイル消費量を低減することができる。具体的には、ピストン２６が下降（上昇）する行程では、摩擦力によって、上レール３１６（下レール３１７）の外周側は上方（下方）に傾き易い。しかしながら、この構成を採用すれば、上記の傾きを抑制することができるため、オイル掻き性能の低下を抑制することが可能となる。
【００４９】
以上説明したように、本実施例のピストン装置では、ピストンリングセット３００は、シリンダの内側壁面上を摺動する略環状の一対のサイドレール３１６，３１７と、一対のサイドレールを互いに離れた状態で支持し、一対のサイドレールがシリンダの内側壁面を押圧する押圧力を、一対のサイドレールに誘起させるための略環状のスペーサエキスパンダ３１０と、を備えている。スペーサエキスパンダ３１０は、外周面を形成する略環状の第１の部材３１１と、内周面を形成する略環状の第２の部材３１２と、を含んでいる。第１の部材および第２の部材は、外周側と内周側とに向かって交互に屈曲した外形形状を有しており、互いに接合されている。第２の部材３１２を構成する第２の材料は、第１の部材３１１を構成する第１の材料よりも大きな熱膨張率を有しており、第１の材料の膨張量と第２の材料の膨張量とは、それぞれ、温度上昇に応じて滑らかに増大する。
【００５０】
本実施例の構成を採用すれば、温度変化に応じてピストンリングセット３００の押圧力を滑らかに変化させることができ、この結果、オイル消費量を効率よく低減させることが可能となる。すなわち、ピストンリングセット３００は、２つの部材３１１，３１２の熱膨張率の差を利用して、ピストン温度に応じた適度な押圧力で、シリンダの内側壁面を押圧することができる。
【００５１】
なお、本実施例では、エキスパンダ３１０の張力は比較的小さく設定されているため、ピストン温度が比較的低い場合には、すなわち、エンジンの回転数や負荷が比較的小さい場合には、燃費を良好に保つことができるという利点がある。
【００５２】
また、本実施例では、エキスパンダ３１０の張力は比較的小さく設定されているため、エンジン始動時のシリンダ２２とピストンリングセット３００との間の摩擦を小さくすることができ、この結果、円滑な始動が可能であるという利点もある。なお、エンジン始動時の摩擦が小さいため、始動時に必要な燃料量を低減させることができ、この結果、始動時の排気ガス中の有害成分を低減させることもできる。
【００５３】
さらに、本実施例では、燃焼室１２内へのオイルの侵入が抑制されるため、燃焼室内のデポジットの堆積量を低減させて、デポジットによる燃焼室の容積の減少を緩和することができる。したがって、圧縮比を比較的高く維持することができ、この結果、ノッキングを抑制することができるという利点もある。
【００５４】
Ａ−５．スペーサエキスパンダの変形例：
図７は、スペーサエキスパンダの種々の変形例を示す説明図である。なお、図７（Ａ）は、図３と同じエキスパンダ３１０を示しており、図７（Ｂ）〜図７（Ｄ）は、変形例としてのエキスパンダ３１０Ｂ〜３１０Ｄを示している。
【００５５】
図７（Ａ）のエキスパンダ３１０は、前述のように、第１の部材３１１と第２の部材３１２とを備えている。図７（Ｂ）〜図７（Ｄ）のエキスパンダ３１０Ｂ〜３１０Ｄも、それぞれ、第１の部材３１１と第２の部材３１２Ｂ〜３１２Ｄとを備えているが、第２の部材３１２Ｂ〜３１２Ｄの形状が変更されている。具体的には、図７（Ａ）では、第２の部材３１２は、第１の部材３１１とほぼ同じ波状形状を有している。図７（Ｂ）では、第２の部材３１２Ｂは、第１の部材３１１と同様に波状形状を有しているが、その振幅は比較的小さく設定されている。また、図７（Ｃ）でも、第２の部材３１２Ｃは、第１の部材３１１と同様に波状形状を有しているが、その周期が比較的大きく設定されている。また、図７（Ｄ）では、第２の部材３１２Ｄは、略円形の形状を有している。
【００５６】
図示するように、図７（Ａ）では、第２の部材３１２は、第１の部材３１１の内周側部分と外周側部分との双方で接触しているが、図７（Ｂ）〜図７（Ｄ）では、第２の部材３１２Ｂ〜３１２Ｄは、第１の部材３１１の外周側部分と接触しておらず、内周側部分と接触している。図７（Ｂ）〜図７（Ｄ）のエキスパンダ３１０Ｂ〜３１０Ｄを採用する場合にも、図７（Ａ）のエキスパンダ３１０を採用する場合と同様に、温度変化に応じてピストンリングセットの押圧力を滑らかに変化させることができる。
【００５７】
また、図７（Ｂ）〜図７（Ｄ）では、図７（Ａ）と同様に、各エキスパンダ３１０Ｂ〜３１０Ｄは、互いに接合された２つの部材で形成された耳部を含んでいる。したがって、前述のように、レールの外周側をエキスパンダから離れ難くすることができる。耳部は、第１の部材と第２の部材との双方で形成されていればよい。
【００５８】
上記の説明からも分かるように、耳部または耳部の一部に熱膨張率の比較的高い部材を配置することによって、本発明における押圧力付与部が構成される。
【００５９】
Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例におけるオイルリングセット４００の一部を示す概略斜視図である。このオイルリングセット４００は、第１実施例（図３）と同様に、略環状のスペーサエキスパンダ４１０と、一対の略環状のサイドレール４１６，４１７と、を備えているが、エキスパンダ４１０が変更されている。
【００６０】
本実施例のエキスパンダ４１０は、中央領域が外周側に向かって突出した外形形状を有している。中央領域を突出させることによって形成された一対の対向部４１０ｃの間隔は、内周側に向かうに連れて小さくなっている。エキスパンダ４１０は、比較的小さく突出した受圧面部４１０ｓを外周側に備えており、比較的大きく突出した耳部４１０ｗを内周側に備えている。耳部４１０ｗは、外側（すなわち、上側または下側）に向かうに連れて、内周側に傾いている。また、エキスパンダ４１０の内周側および外周側には、所定の間隔毎に切欠部４１０ｎが設けられている。このように、エキスパンダに切欠部を設けることによって、エキスパンダを軽量化することができるという利点がある。また、一対のサイドレール４１６，４１７間に掻き落とされたオイルをエキスパンダの内周側に向かって迅速に排出することができるという利点もある。
【００６１】
本実施例においても、エキスパンダ４１０は、２つの部材を含んでいる。具体的には、エキスパンダ４１０は、外周面を形成する略環状の第１の部材４１１と、内周面を形成する略環状の第２の部材４１２と、を備えている。そして、第１の部材４１１と第２の部材４１２とは、ほぼ同じ形状を有しており、互いに接合されている。外周側の第１の部材４１１を構成する第１の材料は、熱膨張率の比較的低い材料に設定されており、内周側の第２の部材４１２を構成する第２の材料は、熱膨張率の比較的高い材料に設定されている。
【００６２】
図９は、オイルリングセット４００の概略断面図である。図９（Ａ），（Ｂ）は、ピストン温度が比較的低い場合と比較的高い場合とのオイルリングセット４００をそれぞれ示している。
【００６３】
本実施例においても、第１実施例と同様に、ピストン温度が比較的高い場合（図９（Ｂ））には、熱膨張率の比較的高い内周側の第２の部材４１２が比較的大きく膨張することによって、熱膨張率の比較的低い外周側の第１の部材４１１の環が広げられる。そして、レール４１６，４１７は、エキスパンダ４１０の張力によって、シリンダ２２の内側壁面を押圧力Ｐａよりも大きな押圧力Ｐｂで押圧することができる。この結果、ピストン温度が比較的高い場合、換言すれば、エンジンの回転数や負荷（トルク）が比較的大きい場合におけるオイル消費量の増大を緩和することができる。
【００６４】
また、本実施例では、耳部４１０ｗは、互いに接合された２つの部材４１１，４１２で構成されている。このため、内周側に傾いた耳部４１０ｗは、２つの部材４１１，４１２の熱膨張率の差に起因して、外周側に向かう。これにより、レール４１６，４１７の外周側がエキスパンダ４１０から離れ難くなり、この結果、オイル消費量を低減することができるる。
【００６５】
さらに、一対の対向部４１０ｃも、２つの部材４１１，４１２の熱膨張率の差に起因して、外側（上側または下側）に向かう。このとき、レール４１６，４１７がリング溝２６ｃに押し付けられる。これにより、レールとリング溝との間隔（サイドクリアランス）が小さくなるため、オイル消費量をかなり低減することが可能となる。
【００６６】
以上説明したように、本実施例では、スペーサエキスパンダ４１０は、外周面を形成する略環状の第１の部材４１１と、内周面を形成する略環状の第２の部材４１２と、を含んでいる。第１の部材と第２の部材とは、中央領域が外周側に向かって突出した外形形状を有しており、互いに接合されている。第２の部材４１２を構成する第２の材料は、第１の部材４１１を構成する第１の材料よりも大きな熱膨張率を有しており、第１の材料の膨張量と第２の材料の膨張量とは、それぞれ、温度上昇に応じて滑らかに増大する。本実施例の構成を採用する場合にも、第１実施例と同様に、オイル消費量を効率よく低減させることができる。
【００６７】
Ｃ．第３実施例：
図１０は、第３実施例におけるオイルリングセット５００の一部を示す概略斜視図である。このオイルリングセット５００は、第１実施例（図３）と同様に、略環状のスペーサエキスパンダ５１０と、一対の略環状のサイドレール５１６，５１７と、を備えているが、エキスパンダ５１０が変更されている。
【００６８】
本実施例のエキスパンダ５１０は、一対のレール５１６，５１７のそれぞれに向かって交互に屈曲した外形形状を有している。エキスパンダ４１０は、比較的小さく突出した受圧面部５１０ｓを外周側に備えており、比較的大きく突出した耳部５１０ｗを内周側に備えている。なお、耳部５１０ｗの外周側の面は、外側（すなわち、上側または下側）に向かうに連れて、内周側に傾いている。
【００６９】
本実施例においても、エキスパンダ５１０は、２つの部材を含んでいる。具体的には、エキスパンダ５１０は、外周面を形成する略環状の第１の部材５１１と、内周面を形成する略環状の第２の部材５１２と、を備えており、２つの部材５１１，５１２は互いに接合されている。外周側の第１の部材５１１を構成する第１の材料は、熱膨張率の比較的低い材料に設定されており、内周側の第２の部材５１２を構成する第２の材料は、熱膨張率の比較的高い材料に設定されている。
【００７０】
図１１は、オイルリングセット５００の概略断面図である。図１１（Ａ），（Ｂ）は、ピストン温度が比較的低い場合と比較的高い場合とのオイルリングセット５００をそれぞれ示している。
【００７１】
本実施例においても、第１実施例と同様に、ピストン温度が比較的高い場合（図１１（Ｂ））には、熱膨張率の比較的高い内周側の第２の部材５１２が比較的大きく膨張することによって、熱膨張率の比較的低い外周側の第１の部材５１１の環が広げられる。そして、レール５１６，５１７は、エキスパンダ５１０の張力によって、シリンダ２２の内側壁面を押圧力Ｐａよりも大きな押圧力Ｐｂで押圧することができる。この結果、ピストン温度が比較的高い場合、換言すれば、エンジンの回転数や負荷（トルク）が比較的大きい場合におけるオイル消費量の増大を緩和することができる。
【００７２】
また、本実施例では、耳部５１０ｗは、熱膨張率の比較的高い第２の部材５１２のみで構成されている。このため、ピストン温度が比較的高い場合（図１１（Ｂ））には、耳部５１０ｗは比較的大きく膨張することができる。また、耳部５１０ｗは、その先端部に向かう程、大きく膨張する。これにより、レール５１６，５１７の外周側がエキスパンダ４１０から離れ難くなり、この結果、オイル消費量を低減することができる。
【００７３】
以上説明したように、本実施例では、スペーサエキスパンダ５１０は、外周面を形成する略環状の第１の部材５１１と、内周面を形成する略環状の第２の部材５１２と、を含んでいる。第１の部材と第２の部材とは、一対のサイドレール５１６，５１７のそれぞれに向かって交互に屈曲した外形形状を有しており、互いに接合されている。第２の部材５１２を構成する第２の材料は、第１の部材５１１を構成する第１の材料よりも大きな熱膨張率を有しており、第１の材料の膨張量と第２の材料の膨張量とは、それぞれ、温度上昇に応じて滑らかに増大する。本実施例の構成を採用する場合にも、第１実施例と同様に、オイル消費量を効率よく低減させることができる。
【００７４】
Ｃ−１．第３実施例の変形例：
図１２は、第３実施例の変形例におけるオイルリングセット５００Ａの概略断面図である。図１２（Ａ），（Ｂ）は、ピストン温度が比較的低い場合と比較的高い場合とのオイルリングセット５００Ａをそれぞれ示している。
【００７５】
図１２は、図１１とほぼ同じであるが、第１の部材５１１Ａと第２の部材５１２Ａとの関係が変更されている。具体的には、図１２では、外周側の第１の部材５１１Ａを構成する第１の材料は、熱膨張率の比較的高い材料に設定されており、内周側の第２の部材５１２Ａを構成する第２の材料は、熱膨張率の比較的低い材料に設定されている。
【００７６】
この変形例においても、第３実施例と同様に、ピストン温度が比較的高い場合（図１２（Ｂ））には、レール５１６，５１７は、エキスパンダ５１０Ａの張力によって、シリンダ２２の内側壁面を押圧力Ｐａよりも大きな押圧力Ｐｂで押圧することができる。ただし、この変形例では、熱膨張率の比較的高い外周側の第１の部材５１１Ａが比較的大きく膨張することによって、熱膨張率の比較的低い内周側の第２の部材５１２Ａの環が広げられる。換言すれば、外周側の第１の部材５１１Ａは、内周側の第２の部材５１２Ａを外周側に向かって引っ張る。このようなエキスパンダ５１０Ａを採用する場合にも、ピストン温度が比較的高い場合、換言すれば、エンジンの回転数や負荷（トルク）が比較的大きい場合におけるオイル消費量の増大を緩和することができる。
【００７７】
また、この変形例では、第１の部材５１１Ａを構成する第１の材料の熱膨張率は、比較的高い。このため、ピストン温度が比較的高い場合（図１２（Ｂ））には、受圧面部５１０ｓは、レール５１６，５１７をリング溝２６ｃに比較的大きな力で押し付けることができる。このとき、レールとリング溝との間隔（サイドクリアランス）が小さくなり、この結果、オイル消費量をかなり低減することが可能となる。
【００７８】
なお、この変形例では、耳部５１０Ａｗは、熱膨張率の比較的低い第２の部材５１２Ａのみで構成されている。したがって、図１１の構成を用いる場合の方が、レール５１６，５１７の外周側をエキスパンダ４１０から離れ難くすることができる。
【００７９】
ところで、ピストンのリング溝２６ｃは、実際には、外周側に向かうに連れて上方に傾いている。そこで、変形例では、受圧面部５１０Ａｓの形状が工夫されている。図１３は、図１２の受圧面部５１０Ａｓ付近を拡大して示す説明図である。図示するように、受圧面部５１０Ａｓは、その先端部に、リング溝２６ｃとほぼ同じ傾きを有する斜面を有している。このような受圧面部５１０Ａｓを有するエキスパンダ５１０Ａを採用すれば、サイドクリアランスｌをより小さくすることができるという利点がある。
【００８０】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８１】
（１）上記実施例では、スペーサエキスパンダは、比較的小さく突出した受圧面部を外周側に備えており、比較的大きく突出した耳部を内周側に備えている。そして、受圧面部と耳部とが、サイドレールを支持する機能を有している。しかしながら、受圧面部は省略可能である。この場合には、耳部よりも外周側の比較的平坦な領域のみが、サイドレールを支持する機能を有する。
【００８２】
また、上記実施例では、スペーサエキスパンダは、内周端にサイドレールの内周側の面に接触する耳部を備えているが、これに代えて、他の位置に凸部や凹部を備えていてもよい。例えば、スペーサエキスパンダは、その外周と内周との中間位置に凸部（または凹部）を備えており、サイドレールは、凸部に対応する位置に凹部（または凸部）を備えていればよい。
【００８３】
スペーサエキスパンダは、一対のサイドレールを互いに離れた状態で支持し、一対のサイドレールが前記シリンダの内側壁面を押圧する押圧力を、一対のサイドレールに誘起させることができればよい。
【００８４】
（２）上記実施例では、スペーサエキスパンダを構成する第１の部材と第２の部材とは、互いに接合されているが、２つの部材は接合されていなくてもよい。２つの部材が接合されている場合には、ピストンへの装着等において、スペーサエキスパンダの取り扱いが容易となるという利点がある。一方、２つの部材が接合されていない場合（すなわち、２つの部材が組み合わされる場合）には、接合の手間を省略することができるという利点がある。
【００８５】
スペーサエキスパンダを構成する第１の部材と第２の部材とは、互いに接触していればよい。
【００８６】
（３）上記実施例（図６，図９，図１１）では、内周側の第２の部材を構成する第２の材料は、外周側の第１の部材を構成する第１の材料よりも大きな熱膨張率を有しているが、第３実施例の変形例（図１２）に示すように、内周側の第２の部材を構成する第２の材料は、外周側の第１の部材を構成する第１の材料よりも小さな熱膨張率を有していてもよい。ただし、第２の材料が、第１の材料よりも大きな熱膨張率を有していれば、仮に、第１の部材と第２の部材とが接合されていなくても（図７）、ピストン温度が比較的高いときに比較的高い押圧力を得ることができる。
【００８７】
第１の部材を構成する第１の材料と第２の部材を構成する第２の材料とは、互いに異なる熱膨張率を有していればよい。
【００８８】
（４）上記実施例では、熱膨張率の比較的高い材料および比較的低い材料として、異なる金属材料が用いられているが、熱膨張率の比較的高い材料としては、樹脂を用いることも可能である。樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＡ６６（ポリヘキサメチレンアジポアミド）などを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のピストン装置を適用したガソリンエンジン１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】 図１のシリンダ２２とピストン２６との界面付近を示す説明図である。
【図３】 オイルリングセット３００の一部を示す概略斜視図である。
【図４】 図３のスペーサエキスパンダ３１０の展開図である。
【図５】 図３のスペーサエキスパンダ３１０の全体を示す平面図である。
【図６】 オイルリングセット３００の概略断面図である。
【図７】 スペーサエキスパンダの種々の変形例を示す説明図である。
【図８】 第２実施例におけるオイルリングセット４００の一部を示す概略斜視図である。
【図９】 オイルリングセット４００の概略断面図である。
【図１０】 第３実施例におけるオイルリングセット５００の一部を示す概略斜視図である。
【図１１】 オイルリングセット５００の概略断面図である。
【図１２】 第３実施例の変形例におけるオイルリングセット５００Ａの概略断面図である。
【図１３】 図１２の受圧面部５１０Ａｓ付近を拡大して示す説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…燃焼室
２０…シリンダブロック
２２…シリンダ
２２ａ…冷却水通路
２４…クランクケース
２６…ピストン
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…リング溝
２７…コネクティングロッド
２８…クランクシャフト
３０…シリンダヘッド
３１…吸気ポート
３２…排気ポート
３３…吸気バルブ
３４…排気バルブ
３６…点火プラグ
１００…トップリング
２００…セカンドリング
３００…オイルリングセット（ピストンリングセット）
３１０，３１０Ｂ〜３１０Ｄ…スペーサエキスパンダ
３１０ｇ…合口すき間
３１０ｈ…ワイヤ孔
３１０ｓ…受圧面部
３１０ｗ…耳部（押圧力付与部）
３１１…第１の部材
３１２，３１２Ｂ〜３１２Ｄ…第２の部材
３１６，３１７…サイドレール
３１９…ワイヤ
４００…オイルリングセット
４１０…スペーサエキスパンダ
４１０ｃ…対向部
４１０ｎ…切欠部
４１０ｓ…受圧面部
４１０ｗ…耳部
４１１…第１の部材
４１２…第２の部材
４１６，４１７…サイドレール
５００，５００Ａ…オイルリングセット
５１０，５１０Ａ…スペーサエキスパンダ
５１０ｓ，５１０Ａｓ…受圧面部
５１０ｗ，５１０Ａｗ…耳部
５１１，５１１Ａ…第１の部材
５１２，５１２Ａ…第２の部材
５１６，５１７…サイドレール

Claims (1)

1. 内燃機関に適用されるピストン装置であって、
   シリンダと、
   前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
   前記ピストンの側面に形成されたリング溝に挿入されたピストンリングセットと、
   を備え、
   前記ピストンリングセットは、
   前記シリンダの内側壁面上を摺動する略環状の一対のサイドレールと、
   前記一対のサイドレールを互いに離れた状態で支持し、前記一対のサイドレールが前記シリンダの内側壁面を押圧する押圧力を、前記一対のサイドレールに誘起させるための略環状のスペーサエキスパンダと、
   を備え、
   前記スペーサエキスパンダは、
   外周面を形成する略環状の第１の部材と、
   内周面を形成する略環状の第２の部材であって、前記第１の部材と面で接触するように形成される前記第２の部材と、
   前記一対のサイドレールの内周側の面に接触し、前記押圧力を前記一対のサイドレールに誘起させるための押圧力付与部と、
   を含み、
   前記第１の部材を構成する第１の材料と前記第２の部材を構成する第２の材料とは、互いに異なる熱膨張率を有しており、前記第１の材料の膨張量と前記第２の材料の膨張量とは、それぞれ、温度上昇に応じて滑らかに増大すると共に、
   前記第１の部材と前記第２の部材とは、互いに接合されており、
   前記第２の材料は、前記第１の材料よりも大きな熱膨張率を有しており、
   前記押圧力付与部は、前記第１の部材と前記第２の部材との双方で形成されており、
   前記スペーサエキスパンダは、外周側と内周側とに向かって交互に屈曲した外形形状を有している、ピストン装置。

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