JP6234900B2 - ピストンリング付ピストン及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、外周面にリング溝を有するピストン本体と、リング溝に配置され、燃焼室に対向するピストンリングと、を備えるピストンリング付ピストン及び内燃機関に関する。

従来から内燃機関用ピストンの外周面にリング溝を設けるとともに、リング溝にピストンリングを配置することが行われている。特許文献１には、ピストンリングであって、外周面にクランク室に向かって外径が大きくなるように傾斜したテーパ面と、テーパ面よりもクランク室側に設けられて軸方向に平行な円筒面とを有し、テーパ面と円筒面との接続部に断面円弧形の曲面部が形成されるピストンリングが記載されている。

特許文献２には、ピストンリングの中心軸を含む平面でピストンリングを切断した場合の外周面の曲率半径Ｒを、エンジンのシリンダ内径Ｄに対してＲ＝１．１８Ｄ〜１．３５Ｄを満たすように規制することが記載されている。

特許文献３には、外周面にθ１のテーパ角度を有するテーパ面が形成されたピストンリングにおいて、外周面の当たり面にラップ加工によりラップ面が形成され、自由状態でラップ面が垂直面に対し角度θ２の傾斜角度を有し、θ１＞θ２であり、かつ、θ２が自由状態で１０分〜６０分である構造が記載されている。

特開２０１１−１６９３８８号公報 特開２００９−９１９２７号公報 特開平５−９９３３７号公報

特許文献１から特許文献３に記載されたいずれの構造の場合も、ピストンリングによるオイル掻き性能の向上や、フリクションの低減を目的とするものである。特許文献１から特許文献３に記載されたいずれの構造の場合も、ピストンのリング溝にピストンリングを配置することにより形成されるピストンリング付ピストンにおいて、シリンダの内周面上のオイルをピストンリングでかき上げる場合の燃焼室へのオイルの飛散を低減することや、シリンダの内周面のうち、ピストンリングよりも燃焼室側に流出して付着するオイル流出を低減することについて何ら示唆がない。

本発明の目的は、燃焼室へのオイルの飛散を低減できるピストンリング付ピストン及び内燃機関を提供することである。

本発明に係るピストンリング付ピストンは、外周面にリング溝を有するピストン本体と、前記リング溝に配置され、内燃機関のシリンダ内側に配置された状態で燃焼室に対向するトップリングであるピストンリングと、を備えるピストンリング付ピストンであって、前記ピストンリングの外周面は、前記シリンダに接する摺動面よりも前記燃焼室側に形成され、前記シリンダとの間で燃焼室側空隙を形成する空隙形成面を含み、前記シリンダの内側に配置された状態での前記ピストンリングの中心軸を含む平面についての断面形状において、前記空隙形成面の曲率または傾きが前記燃焼室側の端部で変化する位置を基準点として、前記燃焼室側空隙のうち、前記摺動面の燃焼室側端縁から前記基準点までの範囲で形成される主燃焼室側空隙の断面積Ｓは、前記シリンダの内径Ｄに対して、Ｓ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍであり、前記シリンダの内側に装着された状態で前記摺動面の最大外周縁と前記基準点との間の前記ピストンリングの径方向長さである開口高さＨは０．０６ｍｍ未満であり、前記摺動面の軸方向長さＥ１は、前記空隙形成面の軸方向長さＥ２以上である。

上記構成によれば、燃焼室へのオイルの飛散を低減できる。また、シリンダの内周面へのオイル流出を低減できる。

本発明に係る内燃機関は、本発明に係るピストンリング付ピストンと、前記ピストンリング付ピストンが配置されるシリンダとを含む。

本発明のピストンリング付ピストン及び内燃機関によれば、燃焼室へのオイルの飛散を低減できる。

本発明の実施形態のピストンリング付ピストンを組み込んだ内燃機関である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。 ピストンリングであるトップリングの外周部を示している図２のＢ部拡大図である。 本発明の効果を確認するために２種類のトップリングを用いて行った実験の結果を示しており、オイルの飛散発生率とクランク角度との関係、及び、シリンダ内周面へのオイル流出の発生率とクランク角度との関係を示す図である。 本発明の実施形態において、比較例を用いて主燃焼室側空隙断面積Ｓ及びシリンダ内径Ｄの比Ｓ／Ｄとオイル飛散発生率との関係を示す図である。 本発明の実施形態において、比較例を用いて開口高さＨとオイル流出発生率との関係を示す図である。 本発明の実施形態において、比較例との関係でノッキング発生率を示す図である。 本発明の実施形態及び比較例において、透明なシリンダブロックを用いた実験でのオイルの飛散状態の写真の模式図である。 本発明の実施形態及び比較例において、透明なシリンダブロックを用いた実験でのオイルの流出状態の写真の模式図である。 比較例において、透明なシリンダブロックを用いた実験でクランク角度が異なる時点でのオイルの流出状態の写真の模式図である。 本発明の実施形態のピストンリング付ピストンに組み込んだトップリングの別例の第１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ピストンリング付ピストンに組み込んだトップリングの別例の第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ピストンリング付ピストンに組み込んだトップリングの別例の第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ピストンリング付ピストンに組み込んだトップリングの別例の第４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ピストンリング付ピストンに組み込んだトップリングの別例の第５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ピストンリング付ピストンに組み込んだトップリングの別例の第６例を示している図３に対応する図である。

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、内燃機関として、ピストンが上下方向に往復移動するガソリンエンジンに使用する場合について説明するが、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、シリンダが上下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など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。以下では、まずエンジンの全体構成、及びピストンリング付ピストンの全体構成を説明し、その後、ピストンリングのうち、トップリングの詳細構成を説明する。

図１は、本実施形態のピストンリング付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。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に上下方向に形成された複数のシリンダ１６と、各シリンダ１６の内側に配置され上下方向に往復移動するピストンリング付ピストン１８と、ピストンリング付ピストン１８に上端部が結合された結合ロッド２０と、結合ロッド２０の下端部が結合されたクランク軸２２とを備える。以下、ガソリンエンジン１０は単にエンジン１０と記載する。クランク軸２２は水平方向に伸び、そ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の下部には潤滑油であるエンジンオイルが溜まっている。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とピストンリング付ピストン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。ピストンリング付ピストン１８は、ピストン本体３２と、３つのピストンリングであるトップリング３４、セカンドリング３６、及びオイルリング３８とを含む。以下、ピストンリング付ピストン１８は単にピストン１８と記載する場合がある。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側に向かって順に、第１リング溝４０と第２リング溝４２とオイルリング溝４４とを有する。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断面矩形状に形成される。また、ピストン本体３２の上端部の直径方向に対向する２個所位置には、内外両周面を貫通する図示しない孔が形成される。ピストンピン２１の両端部はこれらの各孔に挿入されて支持される。ピストンピン２１の中間部は、結合ロッド２０の上端部に回転可能に支持される。これにより、ピストン本体３２の上下方向の変位によってクランク軸２２が回転する。

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筒状の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の上下面に押し付けている。

トップリング３４は第１圧力リングと呼ばれるもので、第１リング溝４０に収容され、この例では第１リング溝４０内で上下方向に移動可能に配置されている。セカンドリング３６は第２圧力リングと呼ばれるもので、第２リング溝４２に収容され、この例では第２リング溝４２内で上下方向に移動可能に配置されている。トップリング３４及びセカンドリング３６は、鋼等の金属から周方向一部に不連続部である図示しない合口を有する略円環状に形成される。

トップリング３４は、自由状態でシリンダ１６の内径よりも大きな外径を有し、また第１リング溝４０の溝底径よりも大きい内径を有する。第１リング溝４０にトップリング３４を装着し、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の外周面がシリンダ１６の内周面に接触し、その状態でもトップリング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。セカンドリング３６も同様に、自由状態でシリンダ１６の内径よりも大きな外径を有し、また第２リング溝４２の溝底径よりも大きい内径を有し、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の外周面がシリンダ１６の内周面に接触し、その状態でもセカンドリング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。オイルリング３８、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。トップリング３４は、ピストン本体３２に組み付けられた後、シリンダ１６の内側に組み付ける前の状態で、トップリング３４の外周縁が全周にわたって第１リング溝４０（図２）の開口端から突出しないように、トップリング３４の自由状態での外径が拘束される。第１リング溝４０の開口端は、ピストン本体３２の外周面との境である。そして、ピストン本体３２にトップリング３４が組み付けられた後の状態で、シリンダ１６の内側にピストン本体３２が組み付けられる。トップリング３４は、その外周縁が全周にわたって第１リング溝４０の開口端から突出して、シリンダ１６の壁面に対する摺接が可能となる。セカンドリング３６もトップリング３４と同様に自由状態での外径が拘束されてシリンダ１６の内側に組み付けられる。

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との間に筒状のトップランド空間６２が形成され、セカンドランド６０とシリンダ１６との間に筒状のセカンドランド空間６４が形成される。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。トップリング３４は、シリンダ１６の内側にピストンリング付ピストン１８が配置された状態で、外周部の上側がトップランド空間６２を介して燃焼室２８に対向する。

次に、トップリング３４の形状を詳しく説明する。図３はトップリング３４の外周部を示している図２のＢ部拡大図である。図３は、トップリング３４の中心軸を含む平面についての断面形状を示している。トップリング３４は、軸方向一方側端面である上端面７０、軸方向他方側端面である下端面７２、及び外周面７４を有する。

外周面７４は、シリンダ１６に接する摺動面７６と、摺動面７６よりも燃焼室２８側に形成される空隙形成面７８と、摺動面７６よりもクランク室２４側に形成される第２空隙形成面８０とを含む。摺動面７６は、図３の矢印Ｗで示す範囲に形成され、実質上円筒面とみなされる程度に大きい曲率半径を有する円弧形の曲面で形成される。例えば摺動面７６は、上下方向に１ｍｍの範囲で考えた場合に、径方向に１〜３μｍ程度変化するような大きい曲率半径を有する。摺動面７６は上下方向に平行な直線の断面形状を有する単なる円筒面としてもよい。

空隙形成面７８は、燃焼室２８側に向かってシリンダ１６の内周面との間の幅が広がるように略テーパ状の曲線またはテーパ状の直線で形成される断面形状を有する。これによって、空隙形成面７８は、シリンダ１６の内周面（壁面）との間で断面三角形状の燃焼室側空隙８２を形成する。

第２空隙形成面８０は、クランク室２４側に向かってシリンダ１６の内周面との間の幅が広がるように略テーパ状の曲線またはテーパ状の直線で形成される断面形状を有し、下端面７２に接続される。なお、後述の図１１から図１６で示す別例のように、第２空隙形成面８０を省略して摺動面７６を下端面７２に接続される円筒面としてもよい。

また、シリンダ１６の内側にピストンリング付ピストン１８が配置された状態で、図３に示す断面形状において、空隙形成面７８の曲率または傾きが燃焼室２８側の端部（図３の上端部）で変化する位置を基準点Ｐ１と設定する。より具体的には、上記の断面形状において、空隙形成面７８のうち、摺動面７６側の単一円弧の曲線Ｌ１または直線が、曲率が異なる曲線Ｌ２または傾きが異なる直線と接続される、燃焼室２８側の端部、すなわち接続点を基準点Ｐ１と設定する。「基準点Ｐ１」の意味には、上記の断面形状において、空隙形成面７８の円弧または直線が、燃焼室２８側の端部で別の直線または別の円弧に接続される接続点も含まれる。また、基準点Ｐ１は、異なる曲率の曲線Ｌ１，Ｌ２が接続される場合に変曲点となる。そして、基準点Ｐ１を用いて規定される主燃焼室側空隙の断面積Ｓと、シリンダの内径Ｄとの比Ｓ／Ｄを以下で説明するように規制する。すなわち、基準点Ｐ１からシリンダ１６の内壁面に対し垂直な線（垂線）を引き、この垂線を上辺とする略三角形の断面の面積をＳとする。なお、この垂線の長さが、後述する開口高さＨである。

図３では、空隙形成面７８のうち、摺動面７６側の断面形状が単一の曲率半径Ｒを有する円弧の曲線Ｌ１であり、曲線Ｌ１が基準点Ｐ１で別の曲率半径を有する上側の円弧の曲線Ｌ２に接続される場合を示している。上側の曲線Ｌ２は上端面７０に接続される。空隙形成面７８は、上側の曲線Ｌ２で燃焼室２８に向かって外径が急激に小さくなるので、空隙形成面７８の上側の曲線Ｌ２に対応する部分とシリンダ１６の内周面との間の空間は燃焼室２８に向かって急拡大する。基準点Ｐ１は「面取り開始位置」とも呼ばれる。上側の曲線Ｌ２の代わりに、テーパ面を形成する上側の直線が形成されてもよい。この場合も、空隙形成面７８の上側の直線に対応する部分とシリンダ１６の内周面との間の空間は燃焼室２８に向かって急拡大する。上側の曲線Ｌ２または直線を省略して、摺動面７６に接続される円弧形の曲線Ｌ１または直線を直接に上端面７０に接続してもよい。この場合、基準点Ｐ１は、空隙形成面７８を形成する曲線Ｌ１または直線が上端面７０に接続される接続点となる。

燃焼室側空隙８２のうち、摺動面７６の燃焼室側端縁Ｑ１から基準点Ｐ１までの範囲で形成される主燃焼室側空隙の断面積Ｓ（図３の砂地で示す部分の面積）は、シリンダ１６の内径Ｄに対して、Ｓ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍの関係で規制される。これによって、後述のように断面積Ｓを内径Ｄとの関係で大きく確保でき、この断面積Ｓに対応する空間内にオイルを保持しやすくなる。これによって、燃焼室２８へのオイルの飛散を低減できる。

さらに、シリンダ１６の内側にピストンリング付ピストン１８が配置された状態で、摺動面７６の最大外周縁と基準点Ｐ１との間のトップリング３４の径方向長さ、すなわちシリンダ１６の内周面と基準点Ｐ１との間の径方向長さである開口高さＨは、０．０６ｍｍ未満である（Ｈ＜０．０６ｍｍ）。これによって、開口高さＨが過度に大きくなることを防止できる。したがって、断面積Ｓに対応する空間内に保持されたオイルのうち、シリンダ１６の内周面及びピストン１８に接触しない面であり、変位が可能な自由表面を小さくして、オイルがシリンダ１６の内周面のうち、トップリング３４よりも上側に流出して付着するオイル流出を低減できる。

上記のように、ピストン本体３２にトップリング３４を組み付けた後、シリンダ１６内側に組み付けた後の状態で、トップリング３４の外周部は全周にわたって第１リング溝４０（図２）の開口端から突出する。そして、トップリング３４の外周部がシリンダ１６に摺接するように、トップリング３４の自由状態での外径が規制される。

このようなピストンリング付ピストン１８によれば、燃焼室２８へのオイルの飛散及びシリンダ１６の内周面へのオイル流出を低減できる。

次にこの理由を詳しく説明する。自動車用のエンジン１０では冷却水温、回転数、負荷などの運転条件について、広い範囲で使用されることを想定する必要がある。また、エンジン１０の燃焼室２８へ燃料噴射部から燃料噴霧を行う場合に、シリンダ１６の内周面への燃料付着を抑制することが燃焼の安定化及び燃料消費量の低減の面から望まれる（以下、シリンダ１６の内周面は「シリンダ壁面」という。）。

しかしながら、エンジン１０で想定されるすべての運転条件に対してシリンダ壁面に燃料が付着することを完全に回避することは困難である。特に、筒内直接噴射式エンジンにおいてシリンダ壁面への燃料付着の抑制はかなり困難である。シリンダ壁面に燃料が付着すると、壁面上で潤滑に使用されるオイルと燃料とが混合状態となるため、オイルの見かけ上の厚さが大きくなり、ピストン１８の往復移動時にトップリングによって燃料とともにオイルがかき上げられる。この場合、（１）燃焼室内へのオイルの飛散、または（２）シリンダ壁面へのオイルの流出が生じる場合がある。

特に、（１）のオイル飛散は、ピストン１８が往復移動時のストロークの中央から上死点に向かう場合の上死点前９０°〜２０°のタイミングにおいて、ピストン１８の移動速度が高いので、オイルがトップリング３４により強く押し出されて燃焼室２８内に液滴状に飛散しやすい。このタイミングにおいてはピストン１８が減速状態にあるので、飛散したオイルはピストン１８よりも上方に飛散することになる。

一方、（２）のオイルの流出について、ピストン１８が上死点近傍の上死点前２０°〜上死点後２０°の範囲にある場合において、ピストン上昇時ではオイルに上向きに慣性力が作用する。また、ピストン下降時ではオイルに慣性力が働く方向と逆方向にピストンが移動する。この結果、オイルがピストン１８に置き去りにされるようにトップリング３４の外周部から上側に流出する。

このようなオイルの燃焼室２８への飛散、またはシリンダ壁面への流出は、クランク室２４側のオイルが燃焼室２８側に運ばれて消費されるという「オイル上がり」につながり、オイル消費量が増加する要因となる。またオイルは、高分子の炭化水素、灰分などの難燃性成分を含有しているため、オイル上がりは燃焼室２８内で堆積物が生成されたり、ノッキングのようにエンジン１０の燃焼が不安定になるなどの不具合が生じる原因となる場合がある。

本実施形態によれば、主燃焼室側空隙の断面積Ｓをシリンダ内径Ｄとの関係で大きくしているので、トップリング３４の外周面とシリンダ壁面との間に大きい燃焼室側空隙８２を形成でき、トップリング３４の外周部でかき上げられたシリンダ壁面上のオイルを燃焼室側空隙８２で一時的に保持できる。これによって、（１）のオイルの飛散を低減できる。また、トップリング３４の燃焼室側の開口高さＨを小さくしているので、トップリング３４の外周部上でのオイルの自由表面の面積を小さくすることができる。この結果、トップリング３４の外周部からオイルが移動しにくくなるので、（２）のオイルの流出を低減できる。

図４は、本発明の効果を確認するために２種類のトップリング３４を用いて本発明者が行った実験の結果を示しており、オイルの飛散発生率とクランク角度との関係、及び、オイルのシリンダ壁面への流出の発生率とクランク角度との関係を示している。図４では横軸にクランク角度を示し、縦軸にそのクランク角度における飛散または流出の発生率として、発生しやすさを表す発生頻度を示している。例えば発生率が０．３０であれば１００回の実験で３０回飛散または流出が発生したことを意味する。

実験は、耐熱透明ガラスなどの透明材料製のシリンダブロックを有するエンジンの実験モデルで行い、実験の評価は複数のクランク角度におけるトップリング３４の周辺部の油膜挙動を、後述の図８から図１０で示すように可視化撮影して行なった。図４は、２種類のトップリング３４として、トップリング３４の外周面とシリンダ壁面との間の主燃焼室側空隙の断面積Ｓが比較的小さい第１例のトップリング３４（図４の実線ａ）と、断面積Ｓが第１例よりも大きい第２例のトップリング３４（図４の一点鎖線ｂ）とを用いた場合を示している。図４で黒丸は第１例のトップリング３４を用いた場合を、白抜きの三角形は第２例のトップリング３４を用いた場合を示している。

図４の実験結果から、オイルの飛散及び流出の特性がトップリング３４の形状に大きく依存することが分かる。第１例のトップリング３４では、（１）のオイル飛散が発生しやすいが（２）のオイル流出は生じにくい。一方、第２例のトップリング３４では、（１）のオイル飛散は生じにくいが（２）のオイル流出は生じやすい。

また、本発明者はトップリング３４の形状について、主燃焼室側空隙の断面積Ｓと開口高さＨとを種々変更して複数種類の実験モデルで実験を行なった。図５、図６は、その実験結果を示している。図５は、主燃焼室側空隙の断面積Ｓとシリンダ内径Ｄとの比Ｓ／Ｄと、飛散発生率との関係を示している。図６は、開口高さＨと流出発生率との関係を示している。図５、図６の黒丸が実験例であり、曲線が実験例から得られた近似曲線である。

図５の実験結果から、主燃焼室側空隙の断面積Ｓが大きいほど（１）のオイル飛散を低減できることが分かり、図６の実験結果から、開口高さＨが小さいほど（２）のオイル流出を低減できることが分かる。したがって、（１）（２）の両方の効果を得るためには、Ｓ／Ｄと開口高さＨとをいずれも適切に規制する必要があることが分かる。

なお、図５ではシリンダ１６の内径Ｄを考慮しているが、この理由は主燃焼室側空隙の断面積Ｓが同じ場合でも、シリンダ１６の内径Ｄによって主燃焼室側空隙の容積が大きく変化する場合があるためと、シリンダ１６の内径Ｄに応じて必要になる燃料の量が変化することでシリンダ壁面への燃料付着量が変化する場合が多いためとである。

図５、図６では、本実施形態で要求される条件であるＳ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍと開口高さＨ＜０．０６ｍｍとの２つの条件を満足する実験例を実施例１とし、２つの条件の少なくとも１つが満足されない実験例を比較例１，２としている。実施例１のＳ／Ｄは０．０００２５６であり、開口高さＨは０．０４１２３である。比較例１のＳ／Ｄは０．００００３２４であり、開口高さＨは０．０１０９７３である。比較例２のＳ／Ｄは０．０７３６８７である。

図５、図６の実験結果から分かるように、実施例１では飛散発生率及び流出発生率をいずれも小さく低減できた。一方、Ｓ／Ｄが本実施形態の条件よりも小さい比較例１ではトップリングの外周部とシリンダ壁面との間でのオイルの保持効果を得られず、飛散発生率が実施例１に比べてかなり高くなった。また、開口高さＨが本実施形態の条件よりも大きい比較例２では、トップリングの上面でのオイルの自由表面が大きく、流出発生率が実施例１に比べてかなり高くなった。

図７は、本実施形態において、比較例との関係でノッキング発生率を示している。ここではエンジン１０の燃焼の安定性についてノッキングの発生頻度で評価を行なった。ノッキング発生率は、実施形態のピストンリング付ピストンである実施例を用いて異なる運転条件１、２でノッキング発生率を比較例１に対する相対値として求めた。運転条件１はエンジン１０の冷却水温が４０℃の場合であり、運転条件２は冷却水温が６０℃の場合であり、いずれも低温でノッキングが発生しやすい。比較例１は、図５、図６で説明した比較例１と同じである。

図７の実験結果から分かるように、実施例では比較例に比べてノッキング発生率を運転条件１，２のいずれでもかなり小さく低減できた。これによって、実施例ではオイルの飛散及び流出を低減できたことが推測される。

次に、図８から図１０を用いて、オイルの飛散及び流出の状態を写真の模式図を用いて説明する。図８は、比較例１及び実施例１で透明なシリンダブロックを有するエンジンの実験モデルを用いて行った実験で、クランク角度が上死点前の−４０°でオイルの飛散状態を撮影した場合のトップリング３４の周辺部での油膜挙動の写真の模式図である。

比較例１及び実施例１は、図５、図６で説明したものと同じである。また、図８では、トップリング３４を黒く塗りつぶしており、斜線部でトップリング３４より下側を示している。図８（ａ）の比較例１では、トップリング３４の外周面とシリンダ壁面との間の主燃焼室側空隙が小さいので、トップリング３４の上側にオイルがあふれて、一部がトップリング３４の上面よりも上側に粒状に飛散している。この場合、クランク角度が−４０°と、上死点の前で比較的上死点から離れているので、ピストン速度が高くオイルを上側に強く押し出す状態となっている。

一方、図８（ｂ）に示す実施例１では図８（ａ）とクランク角度が同じであるが、オイルの飛散は観察されない。この場合、実施例１の主燃焼室側空隙が大きいので、主燃焼室側空隙内にオイルが収まっていることが推測される。

図９は、比較例２及び実施例１で図８と同様に実験モデルを用いて行った実験で、クランク角度が上死点直後の＋５°の場合にオイルの流出状態を撮影した場合のトップリング３４の周辺部での油膜挙動の写真の模式図である。比較例２は、図６で説明したものと同じである。図９（ａ）の比較例２では開口高さＨが大きいので、トップリング３４の外周部上側のオイルの自由表面が大きく、オイルが上側に流出してシリンダ壁面に残留付着が発生している。

一方、図９（ｂ）に示す実施例１では図９（ａ）とクランク角度が同じであるが、オイルの流出は観察されない。この場合、実施例１の開口高さＨが小さいことにより、オイルの自由表面が小さくなるので、オイル流出が発生しないことが推測される。

このオイル流出について、図１０を用いてさらに詳しく説明する。図１０は、図９（ａ）と同様に比較例２で実験モデルを用いて行った実験で、クランク角度が（ａ）−５°、（ｂ）０°、（ｃ）＋５°、（ｄ）＋１０°のそれぞれでオイルの流出状態を撮影した場合のトップリング３４の周辺部での油膜挙動の写真の模式図である。図１０の（ａ）から（ｄ）のそれぞれの写真は連続写真ではないため、オイルの挙動はつながらないが、クランク角度に応じたオイル挙動の違いは確認できる。

図１０の写真の観察結果から分かるように、開口高さＨが大きい比較例２の場合には、トップリング３４の外周部上面に存在するオイルの自由表面が大きいので、上死点直前でピストンは大きく減速しているがオイルに作用する慣性力によって一部で上側に流出し、上死点に到達し、上死点から離れる場合に、上側に流出したオイルの一部が大きくなり、＋１０°のクランク角度でシリンダ壁面にオイルが残留して付着した状態となっている。

本実施形態によれば、図５から分かるようにＳ／Ｄを０．０００１２ｍｍより大きくすることでオイルの飛散を低減でき、図６から分かるように開口高さＨを０．０６ｍｍ未満にすることでオイルのシリンダ壁面への流出を低減できる。

一方、上記の特許文献１から特許文献３では次のような不都合が生じる。まず、特許文献１では、ピストンリングの外周面にはテーパ面と円筒部との接続部に断面円弧形の曲面部を形成することが記載されているが、これはピストンリングの摩擦の低減を図るためである。このような特許文献１に記載された構成では、本実施形態のオイルの飛散及び流出を低減できる効果を得られない。

また、特許文献２に記載された構成では、ピストンリングの断面形状で外周面の曲率半径Ｒを、エンジンのシリンダ内径Ｄに対してＲ＝１．１８Ｄ〜１．３５Ｄの関係に規制している。この場合、本発明の効果確認の実験で用いたエンジン用のトップリングをこの関係にしたがって設計した場合に、主燃焼室側空隙の断面積Ｓとシリンダ内径Ｄとの比Ｓ／Ｄは０．００００２６ｍｍで、開口高さＨは０．００５７ｍｍとなる。この場合、開口高さＨは本実施形態の条件Ｈ＜０．０６ｍｍを満足するが、Ｓ／Ｄは本実施形態の条件Ｓ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍに対して５倍程度大きくしなければ、条件を満足する数値とならない。この理由の主な理由は、開口高さＨが小さすぎることにある。このため、特許文献２に記載された構成では、オイルの飛散を低減できない。

また、特許文献３に記載された構成では、ピストンリングの外周面のラップ面とテーパ面との傾斜角度差が１０分〜６０分である。この構成では、ピストンリングの外周面とシリンダ内周面との接触面圧を高めることを目的としており、ピストンリングの外周面形状をシリンダ壁面に対して当たり面であるラップ面と、テーパ面との大まかに２つに分けている。このような構成は、特許文献１に記載された構成でテーパ面と円筒面との接続部の曲面の断面を数値限定した構成と同様になる。これによって、特許文献３に記載された構成では、主空隙断面積を特定する形状の規定がされていないので、オイルの飛散を低減する効果を期待できない。

さらに従来の一般的なセカンドリングにおいてテーパ面を持つ構成でテーパ角度を１〜３度に設定することにより本実施形態の条件を満足することも考えられる。しかしながら、シリンダ壁面に燃料が付着する場合に、セカンドリングではなくトップリングが最初にシリンダ壁面上の燃料に接触するため、セカンドリングの形状において、本実施形態のトップリングの形状の条件を満足していても本実施形態の効果は得られない。

以下、本実施形態のピストンリング付ピストン１８に組み込んだトップリング３４の別例の第１例から第６例を説明する。一般的に、自動車用エンジンに使用されるトップリング３４の上下方向の幅は１．０〜１．５ｍｍであり、さらにシリンダ内径Ｄはおよそ６０〜１００ｍｍの範囲である。このことを勘案して、以下の各例の説明では、トップリング３４の幅が１．２ｍｍでシリンダ内径Ｄが８０ｍｍの場合について説明する。

［トップリングの別例の第１例］
図１１は、本実施形態のピストンリング付ピストン１８に組み込んだトップリング３４において、別例の第１例を示している図３に対応する図である。本例のトップリング３４では、外周面７４は、クランク室２４側の摺動面７６と、燃焼室２８側の空隙形成面８４とを含む。摺動面７６は円筒状に形成され、空隙形成面８４は、燃焼室２８側に向かって外径が小さくなるように断面直線状に形成されるテーパ面である。この場合、空隙形成面８４の断面形状が燃焼室２８側の端部で変化する基準点Ｐ１は、上端面７０との接続位置である。摺動面７６の軸方向長さＥ１は、空隙形成面８４の軸方向長さＥ２より小さい。

例えば、摺動面７６の軸方向長さＥ１は０．２ｍｍであり、空隙形成面８４の軸方向長さＥ２は１．０ｍｍである。この場合、本実施形態で要求される条件のＳ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍを満たすＳ／Ｄの最小値から開口高さＨを求めることができる。この場合、開口高さＨは０．０１９ｍｍであり、本実施形態で要求される条件のＨ＜０．０６ｍｍを満足する。このため、図１１の形状を用いて、開口高さＨを０．０１９〜０．０６ｍｍの範囲から任意に選択された値を用いて、ピストンリング付ピストン１８を形成できる。

［トップリングの別例の第２例］
図１２は、本実施形態のピストンリング付ピストン１８に組み込んだトップリング３４において、別例の第２例を示している図３に対応する図である。本例のトップリング３４では、図１１に示した別例の第１例において、摺動面７６の軸方向長さＥ１と空隙形成面８４の軸方向長さＥ２とを同じにしている。

例えば、摺動面７６及び空隙形成面８４の軸方向長さＥ１，Ｅ２はいずれも０．６ｍｍである。この場合も本実施形態で要求される条件のＳ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍを満たすＳ／Ｄの最小値から開口高さＨを求めることができ、開口高さＨは０．０３２ｍｍであり、本実施形態で要求される条件のＨ＜０．０６ｍｍを満足する。このため、図１２の形状を用いて、開口高さＨを０．０３２〜０．０６ｍｍの範囲から任意に選択された値を用いて、ピストンリング付ピストン１８を形成できる。

図１１の構成の場合、空隙形成面８４の面積が過大になると、エンジン１０の圧縮期間から膨張期間にわたる期間で空隙形成面８４の外周側に回り込んだ筒内ガスの高い圧力によりトップリング３４が内径側に縮む可能性があり、摺動面７６とシリンダ壁面との接触圧力が低下する可能性がある。一方、本例の構成によれば、図１１の構成に比べて空隙形成面８４の長さが短く、空隙形成面８４の面積が小さいので、このような接触圧力の低下を抑制できる。

［トップリングの別例の第３例］
図１３は、本実施形態のピストンリング付ピストン１８に組み込んだトップリング３４において、別例の第３例を示している図３に対応する図である。本例のトップリング３４では、外周面７４は、クランク室２４側の摺動面７６と、燃焼室２８側の空隙形成面８６とを含む。摺動面７６は円筒状に形成され、空隙形成面８６は単一の曲率を持つ断面円弧形の曲面である。摺動面７６の軸方向長さＥ１は、空隙形成面８６の軸方向長さＥ３より小さい。

例えば、摺動面７６の軸方向長さＥ１は０．２ｍｍであり、空隙形成面８６の軸方向長さＥ３は１．０ｍｍである。この場合、本実施形態で要求される条件のＳ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍを満たすＳ／Ｄの最小値から空隙形成面８６の曲率半径Ｒを求めることができ、曲率半径Ｒは１７．５ｍｍである。この場合、開口高さＨは０．０２８ｍｍと求められるので、本実施形態で要求される条件のＨ＜０．０６ｍｍを満足する。一方、Ｈ＜０．０６ｍｍを満足するＨの最大値から曲率半径Ｒを求めることもでき、その場合の曲率半径Ｒは８．３８ｍｍである。これによって、本例の場合、曲率半径Ｒを８．３８〜１７．５ｍｍの範囲から任意に選択された値を用いて、ピストンリング付ピストン１８を形成できる。

本例の構成によれば、図１１の構成と異なり、摺動面７６に断面円弧形の空隙形成面８６が接続される。このため、トップリング３４の使用時の摺動面７６の摩耗初期において摺動面７６の軸方向長さＥ１が減少する程度は、摺動面７６に断面直線の空隙形成面８４が接続される図１１の構成に比べて小さい。したがって、Ｓ／Ｄ及び開口高さＨについて、摩耗による変化を小さくできるという利点がある。

［トップリングの別例の第４例］
図１４は、本実施形態のピストンリング付ピストン１８に組み込んだトップリング３４において、別例の第４例を示している図３に対応する図である。本例のトップリング３４では、図１３に示した別例の第３例において、摺動面７６の軸方向長さＥ１と空隙形成面８６の軸方向長さＥ３とを同じにしている。

例えば、摺動面７６及び空隙形成面８６の軸方向長さＥ１，Ｅ３はいずれも０．６ｍｍである。この場合も本実施形態で要求される条件のＳ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍを満たすＳ／Ｄの最小値から空隙形成面８６の曲率半径Ｒを求めることができ、曲率半径Ｒは３．７５ｍｍである。この場合の開口高さＨは０．０４８ｍｍと求めることができるので、本実施形態で要求される条件のＨ＜０．０６ｍｍを満足する。一方、Ｈ＜０．０６ｍｍを満足するＨの最大値から曲率半径Ｒを求めることもでき、その場合の曲率半径Ｒは３．０３ｍｍとなる。これによって、本例の場合、曲率半径Ｒを３．０３〜３．７５ｍｍの範囲から任意に選択された値を用いて、ピストンリング付ピストン１８を形成できる。

本例の構成によれば、図１２の構成と異なり、摺動面７６に断面円弧形の空隙形成面８６が接続されるため、摺動面７６の摩耗初期において摺動面７６の軸方向長さＥ１が減少する程度は図１２の構成に比べて小さい。このため、Ｓ／Ｄ及び開口高さＨについて、摩耗による変化を小さくできるという利点がある。

［トップリングの別例の第５例］
図１５は、本実施形態のピストンリング付ピストン１８に組み込んだトップリング３４において、別例の第５例を示している図３に対応する図である。本例のトップリング３４では、図１１に示した別例の第１例の構成において、外周面７４は、燃焼室２８側に設けられ摺動面７６の直径よりも小径の円筒面である空隙形成面８８と、摺動面７６及び空隙形成面８８を接続する円形の段差面である第２空隙形成面９０とを含む。摺動面７６の軸方向長さＥ１は、空隙形成面８８の軸方向長さＥ４より小さい。

例えば、摺動面７６の軸方向長さＥ１は０．２ｍｍであり、空隙形成面８８の軸方向長さＥ４は１．０ｍｍである。この場合、シリンダ壁面と空隙形成面８８との間には、断面矩形の円筒状空間が形成される。この場合、本実施形態で要求される条件のＳ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍを満たすＳ／Ｄの最小値から開口高さＨを求めることができる。この場合の開口高さＨは０．００９６ｍｍであり、本実施形態で要求される条件のＨ＜０．０６ｍｍを満足する。このため、図１５の形状を用いて、開口高さＨを０．００９６〜０．０６ｍｍの範囲から任意に選択された値を用いて、ピストンリング付ピストン１８を形成できる。

本例の構成によれば、図１１の構成に比べて、開口高さＨの選択可能な範囲の下限を１／２程度に小さくできるので、シリンダ内径Ｄが小さいエンジン１０に適用しやすいという利点がある。

［トップリングの別例の第６例］
図１６は、本実施形態のピストンリング付ピストン１８に組み込んだトップリング３４において、別例の第６例を示している図３に対応する図である。本例のトップリング３４では、図１５に示した別例の第５例において、摺動面７６の軸方向長さＥ１と空隙形成面８８の軸方向長さＥ４とを同じにしている。

例えば、摺動面７６及び空隙形成面８８の軸方向長さＥ１，Ｅ４はいずれも０．６ｍｍである。この場合も本実施形態で要求される条件のＳ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍを満たすＳ／Ｄの最小値から開口高さＨを求めることができ、開口高さＨは０．０１６ｍｍであるので、本実施形態で要求される条件のＨ＜０．０６ｍｍを満足する。このため、図１６の形状を用いて、開口高さＨを０．０１６〜０．０６ｍｍの範囲から任意に選択された値を用いて、ピストンリング付ピストン１８を形成できる。この場合、図１２の構成に比べて、開口高さＨの選択可能な範囲の下限を１／２程度に小さくできるので、シリンダ内径Ｄが小さいエンジン１０に適用しやすいという利点がある。

なお、図１１から図１６に示したトップリング３４の別例の第１例から第６例において、図３の構成と同様に、トップリング３４の燃焼室側端部に上端面７０と接続される断面円弧状の曲面または直線状のテーパ面を摺動面７６側の空隙形成面８４，８６，８８とは別に形成してもよい。

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、種々なる形態及び数値で実施し得ることは勿論である。例えば、上記では、ピストン本体にトップリング、セカンドリング、及びオイルリングの３つが装着される場合を説明したが、ピストンリング付ピストンは、ピストン本体の外周面にトップリング及びオイルリングの２つのみがピストンリングとして装着されるものでもよい。また、ピストンリング付ピストンは、ピストン本体の外周面に、上記で説明したトップリングと同様の形状のピストンリングが１つのみ装着されるものでもよい。いずれにしても、ピストンリング付ピストンには、内燃機関のシリンダ内側に配置された状態で燃焼室に対向するピストンリングがリング溝に配置され、そのピストンリングの形状が上記で説明したように規制されればよい。

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 ピストンリング付ピストン、２０ 結合ロッド、２１ ピストンピン、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、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、７０ 上端面、７２ 下端面、７４ 外周面、７６ 摺動面、７８ 空隙形成面、８０ 第２空隙形成面、８２ 燃焼室側空隙、８４，８６，８８ 空隙形成面、９０ 第２空隙形成面。

Claims (4)

1. 外周面にリング溝を有するピストン本体と、
   前記リング溝に配置され、内燃機関のシリンダ内側に配置された状態で燃焼室に対向するトップリングであるピストンリングと、を備えるピストンリング付ピストンであって、
   前記ピストンリングの外周面は、前記シリンダに接する摺動面よりも前記燃焼室側に形成され、前記シリンダとの間で燃焼室側空隙を形成する空隙形成面を含み、
   前記シリンダの内側に配置された状態での前記ピストンリングの中心軸を含む平面についての断面形状において、前記空隙形成面の曲率または傾きが前記燃焼室側の端部で変化する位置を基準点として、前記燃焼室側空隙のうち、前記摺動面の燃焼室側端縁から前記基準点までの範囲で形成される主燃焼室側空隙の断面積Ｓは、前記シリンダの内径Ｄに対して、Ｓ／Ｄ＞０．０００１２ｍｍであり、
   前記シリンダの内側に装着された状態で前記摺動面の最大外周縁と前記基準点との間の前記ピストンリングの径方向長さである開口高さＨは０．０６ｍｍ未満であり、
   前記摺動面の軸方向長さＥ１は、前記空隙形成面の軸方向長さＥ２以上である、ピストンリング付ピストン。
2. 請求項１に記載のピストンリング付ピストンにおいて、
   前記空隙形成面は、単一の曲率を持つ断面円弧状の円弧曲面を有し、
   前記摺動面は、前記円弧曲面から連続する円筒状である、ピストンリング付ピストン。
3. 請求項１に記載のピストンリング付ピストンにおいて、
   前記空隙形成面は、前記摺動面の直径よりも小径の円筒面を有し、
   前記摺動面及び前記空隙形成面は円形の段差面である第２空隙形成面により接続される、ピストンリング付ピストン。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載のピストンリング付ピストンと、
   前記ピストンリング付ピストンが配置されるシリンダとを含む、内燃機関。

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