JP6422526B2 - 内燃機関用ピストン及びピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用ピストン及びピストンリングに関する。

従来から、ピストンと、このピストンを、潤滑油を介して摺動自在にかつ往復動自在に収容するシリンダと、を備える内燃機関が知られている。

この種の内燃機関として、特許文献１には、ピストン本体と、シリンダとの冷間時の間隔が、運転によるピストン本体の熱膨張でピストン頂部側がより狭くなり、第１リング溝の姿勢が冷間時と運転時とで変化する内燃機関が記載されている。特許文献１に記載の内燃機関では、運転時に自由姿勢にある第１リングの両側面のそれぞれについて、リング面とリング溝との間隙の断面形状が、リング内周側からリング外周側に向かって広がる楔形状になるように第１リング溝を形成している。

また、特許文献２には、１本の圧力リングと１本のオイルリングを配置してなる内燃機関用ピストンにおけるピストンリングとリング溝の組み合わせ構造が記載されている。また、特許文献２では、略長方形断面の圧力リングの挿入されるリング溝の上面に、内側から外側に向けて上向きの１０分ないし５０分の勾配を設けた構成が開示されている。

特開平８−１２１２４２号公報 特開２０００−２５７７１４号公報

ところで、内燃機関としてのエンジンを運転した際に、ピストンがシリンダ内を往復し、圧力、温度、並びにピストン及びピストンリングの挙動、の影響により、リング溝の上面や下面と、ピストンリングの上側面や下側面と、が接触し、リング溝の上面及び下面、並びに、ピストンリングの上側面及び下側面が偏摩耗する。特に、ピストンリングのうち最上部に位置するトップリングとも称される第１リングと、この第１リングが配置される第１リング溝と、の間の接触で発生する上述の偏摩耗は、内燃機関の信頼性を高めるためにも十分に抑制されることが望ましい。

これに対して、リング溝に施すアルマイト処理や、クーリングチャンネルや耐摩環等を設けることにより、リング溝の上面及び下面、並びに、ピストンリングの上側面及び下側面の偏摩耗を低減することができるが、製造工程の増加による製品コストの増加やピストン重量の増加の要因となるため、より簡易な方法により偏摩耗を抑制することが望まれている。

本願発明者は、鋭意検討を重ねた結果、特許文献１及び２に記載の構成によればリング溝の上面及び下面、並びに、ピストンリングの上側面及び下側面、の偏摩耗を一定量抑制することが可能であるが、リング溝の上面及びピストンリングの上側面、の偏摩耗をより十分に抑制するためには、更なる改善の余地があるという知見を得るに至った。

本発明は、リング溝の上面及びピストンリングの上側面の偏摩耗を抑制可能な内燃機関用ピストン及びピストンリングを提供することを目的とするものである。

本発明の第１の態様としての内燃機関用ピストンは、外周面にリング溝が形成されているピストン本体と、前記リング溝に配置されるピストンリングと、を備え、内燃機関のシリンダ内で移動可能な内燃機関用ピストンであって、前記ピストンリングの上側面は、前記ピストンリングの自由状態において、内縁の位置と径方向での厚みが１／２となる中央位置との間に形成され、前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの下側面に近づくように延在する凸状の凸面部と、前記凸面部と前記径方向の外側で連続する、平面部又は前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの前記下側面に近づくように傾斜する傾斜周面部と、を備え、前記ピストン本体及び前記ピストンリングが前記シリンダ内に収容され、かつ、前記内燃機関が冷間時の所定状態で、前記ピストン本体の中心軸線に平行で前記中心軸線を含む断面において、前記リング溝の上面と、前記平面部又は前記傾斜周面部と、の間の角度が１８分以上であ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、前記断面における前記凸面部の曲率半径は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記ピストンリングは、合口部と対向する位置にある合口反対部を有し、前記リング溝の上面と前記平面部又は前記傾斜周面部との間の前記角度は、前記合口反対部の位置での角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、前記所定状態において、前記リング溝の上面の、前記中心軸線と直交する平面に対する角度は、３０分〜１８０分の範囲に属することが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記所定状態において、前記平面部又は前記傾斜周面部の、前記中心軸線と直交する平面に対する角度は、０分以上であることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記傾斜周面部を第１傾斜周面部とした場合に、前記ピストンリングの上側面は、前記凸面部と前記径方向の内側で連続し、前記平面部及び前記第１傾斜周面部よりも前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの前記下側面に近づくように傾斜している第２傾斜周面部を有することが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記ピストンリングの前記凸面部は、湾曲部、又は、前記ピストンリングの周方向に直交するリング断面において複数の直線により凸状に形成されている多段凸部、であることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記ピストン本体の外周面には、前記リング溝が複数形成されており、前記ピストンリングは、前記複数のリング溝のうち、前記ピストン本体の中心軸線方向において最上方に位置する第１リング溝に配置されていることが好ましい。

本発明の第２の態様としてのピストンリングは、ピストン本体の外周面に形成されるリング溝に配置されるピストンリングであって、上側面は、ピストンリングの自由状態において、内縁の位置と径方向での厚みが１／２となる中央位置との間に形成され、前記径方向の内側に向かうにつれて下側面に近づくように延在する凸状の凸面部と、前記凸面部と前記径方向の外側で連続する、平面部又は前記径方向の内側に向かうにつれて前記下側面に近づくように傾斜する傾斜周面部と、を備え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、リング断面における前記凸面部の曲率半径は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明によれば、リング溝の上面及びピストンリングの上側面の偏摩耗を抑制可能な内燃機関用ピストン及び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内燃機関用ピストンを含む内燃機関を示す図である。 図１に示すピストンの縦断面の一部を示す断面図である。 図２に示す第１リングの単体の上側面図である。 図４（ａ）は図３の破線のＩ−Ｉ断面図であり、図４（ｂ）は図３の実線のＩ−Ｉ断面図である。 図２に示す断面図のうち、第１リング及び第１リング溝の部分を拡大して示す拡大断面図である。 図５に示す第１リングの上側面の変形例を示す図である。 図５に示す第１リングの変形例を示す図である。 図５に示す第１リングの変形例を示す図である。 一般的なピストンを模式的に示す図である。 組み込み状態で、かつ、内燃機関の温間時において第１リングにかかる力を模式的に示す図である。 リング溝の上面及び下面の摩耗形態を模式的に示す図である。 図１２（ａ）は、スラスト方向及びアンチスラスト方向のそれぞれについて、リング溝の上面の溝底側での位置での摩耗量を評価したグラフである。図１２（ｂ）は、スラスト方向及びアンチスラスト方向のそれぞれについて、リング溝の上面のランド外周面側での位置での摩耗量を評価したグラフである。 図５に示す凸面部の曲率半径とリング溝の溝底側での摩耗量との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る内燃機関用ピストン及びピストンリングの実施形態について、図１〜図１３を参照して説明する。なお、各図において共通する部材・部位には共通の符号を付している。

図１は、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本発明の一実施形態としての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。

以下、内燃機関１におけるピストン３の詳細について説明する。

図２は、ピストン３の中心軸線Ｏに平行で、中心軸線Ｏを含む縦断面のうち一部を示す断面図である。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１リング溝１５ａ及び第２リング溝１５ｂとは別の第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。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３リング１７ｃ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は鋼製又は鋳鉄製である。

以下、本発明に係るピストンリングの一実施形態としての第１リング１７ａ、及び、この第１リング１７ａが配置されている第１リング溝１５ａ、の構成の詳細について説明する。図３は、第１リング１７ａの単体の上側面図であり、図４は、図３のＩ−Ｉ断面図、換言すれば、第１リング１７ａの単体の周方向と直交するリング断面を示す図である。なお、図３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１リング１７ａ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１リング１７ａを実線により示している。そして、図４（ａ）は、図３の破線のＩ−Ｉ断面図であり、図４（ｂ）は、図３の実線のＩ−Ｉ断面図である。また、図５は、図２に示す断面図のうち、第１リング１７ａ及び第１リング溝１５ａの部分を拡大して示す拡大断面図である。換言すれば、図５は、第１リング１７ａが組み込み状態にあるときの拡大断面図である。

図４、図５に示すように、本実施形態の第１リング１７ａ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１７ａ１と、この外周面１７ａ１と反対側に位置する内周面１７ａ２と、ピストン本体１６の冠面側の上側面１７ａ３と、この上側面１７ａ３とは反対側に位置する下側面１７ａ４と、を備えている。

第１リング１７ａの外周面１７ａ１は、図４、図５に示すように、断面視において略一定の曲率半径の曲線で描かれるバレルフェース面である。但し、第１リング１７ａの外周面１７ａ１の形状は、本実施形態のバレルフェース面に限られるものではなく、例えば、中心軸線に対して一様な角度で傾斜する斜面により構成されるテーパフェース面や、中心軸線に対して角度の異なる複数の斜面を組み合わせた構成など、各種形状の外周面とすることができる。

第１リング１７ａの内周面１７ａ２は、図４（ａ）に示すように、第１リング１７ａが自由状態のときに略一様な周面を形成する。

第１リング１７ａの上側面１７ａ３は、図４（ａ）に示すように、第１リング１７ａが自由状態のときに、内縁の位置と径方向Ｂでの厚みが１／２となる中央位置Ｃとの間に形成され、径方向Ｂの内側に向かうにつれて第１リング１７ａの下側面１７ａ４に近づくように延在する凸状の凸面部１８と、この凸面部１８と第１リング１７ａの径方向Ｂの外側で連続する平面部１９と、凸面部１８と径方向Ｂの内側で連続し、平面部１９と比較して径方向Ｂの内側に向かうにつれて第１リング１７ａの下側面１７ａ４に近づくように傾斜している傾斜周面部２０と、を備えている。凸面部１８及び傾斜周面部２０はいずれも、径方向Ｂの内側に向かうにつれて第１リング１７ａの下側面１７ａ４に近づくように延在しているが、図４、図５に示す断面において、本実施形態の凸面部１８は円弧状となり、傾斜周面部２０は直線状となる。なお、本実施形態における「内縁の位置」とは、内周面１７ａ２の上端と、傾斜周面部２０との交点であるが、仮に傾斜周面部２０が存在せず、内周面１７ａ２の上端と凸面部１８とが直接連続する構成の場合には、内周面１７ａ２と凸面部１８との交点となる（図７、図８参照）。

ここで、本実施形態における凸面部１８は、図４の断面視で円弧状となる湾曲部により構成されているが、ピストンリング１７の幅寸法が径方向Ｂで内側（内周側）に向かうにつれて徐々に小さくなるような凸形状、換言すれば、径方向Ｂの内側に向かうにつれてピストンリング１７の下側面に近づくように延在する凸形状であればよく、本実施形態の湾曲形状に限られるものではない。したがって、例えば図６（ａ）に示すように、凸面部１８を、ピストンリング１７の周方向に直交するリング断面において複数の直線により凸状に形成される多段凸部２６としてもよい。なお、図６（ａ）の多段凸部２６は、角度の異なる３つの直線が連続して形成されているが、２つの直線で形成されるものであっても、４つ以上の直線で形成されるものであってもよい。図６（ａ）では、３つの直線の交点を分かり易くするために黒丸の点を付している。

また、本実施形態の第１リング１７ａの上側面１７ａ３は、凸面部１８と、平面部１９と、傾斜周面部２０と、を有する構成であるが、この構成に限られるものではなく、例えば図６（ｂ）に示すように、凸面部１８と、この凸面部１８と径方向Ｂの外側で連続する傾斜周面部２５と、凸面部１８と径方向Ｂの内側で連続する傾斜周面部２０と、を有する構成としてもよい。以下、図６（ｂ）に示す構成については、２つの傾斜周面部を区別する目的で、説明の便宜上、「傾斜周面部２５」を「第１傾斜周面部２５」と記載し、「傾斜周面部２０」を「第２傾斜周面部２０」と記載する。

図６（ｂ）に示す第１傾斜周面部２５は、径方向Ｂの内側に向かうにつれて第１リング１７ａの下側面１７ａ４に近づくように傾斜している。そして、図６（ｂ）に示す第２傾斜周面部２０は、上述の第１傾斜周面部２５と比較して、径方向Ｂの内側に向かうにつれて第１リング１７ａの下側面１７ａ４に近づくように傾斜している。つまり、第１傾斜周面部２５及び第２傾斜周面部２０はいずれも、径方向Ｂの内側に向かうにつれて第１リング１７ａの下側面１７ａ４に近づくように傾斜しているが、第２傾斜周面部２０の傾斜角度は、第１傾斜周面部２５の傾斜角度よりも大きくなっている。なお、図６（ｂ）の断面視において、第１傾斜周面部２５及び第２傾斜周面部２０は直線状に延在している。また、図６（ｂ）に示す凸面部１８は、本実施形態と同様、湾曲部により構成されており、図６（ｂ）の断面視で円弧状に延在している。図６（ｂ）では、凸面部１８と、第１傾斜周面部２５及び第２傾斜周面部２０それぞれと、の交点を分かり易くするために黒丸の点を付している。

以上のように、ピストンリング１７としての第１リング１７ａの上側面１７ａ３は、図４及び図５等の本実施形態で示す構成に限られるものではなく、図６（ａ）や図６（ｂ）に示すような構成としてもよい。

また、本実施形態の第１リング１７ａの下側面１７ａ４は、図４（ａ）に示すように、第１リング１７ａが自由状態のときに、上側面１７ａ３の平面部１９と平行して延在する一様な平面により構成されている。なお、上側面１７ａ３の平面部１９と下側面１７ａ４とは、第１リング１７ａが自由状態（図４（ａ）参照）であるか、組み込み状態（図４（ｂ）及び図５参照）であるかに関わらず、略平行に延在する。

図３に実線で示すように、第１リング１７ａは、組み込み状態において、リング端同士の間に隙間が形成される。ここでは、組み込み状態でのリング端同士及び隙間を合わせて「合口部２１」と称することとする。更に、組み込み状態において、合口部２１と、第１リング１７ａの中心軸線（ピストン３の中心軸線Ｏと同じ）を挟んで対向する位置にある部分を「合口反対部２２」と称することとする。

ここで、第１リング１７ａは、図３の破線で示す自由状態から、図３の実線で示す組み込み状態に変形する際に、図４に示すようにねじれ変形する。これは、図４及び図５に示すように、本実施形態の第１リング１７ａは、上側面１７ａ３の内周面側に、内側切欠部としての凸面部１８及び傾斜周面部２０を有するためである。より具体的に、図３の破線で示す自由状態から図３の実線で示す組み込み状態に第１リング１７ａを変形させると、図４（ｂ）及び図５で示すように、第１リング１７ａは、上述した内側切欠部の影響により、上側面１７ａ３側に湾曲するように皿状にねじれ変形する。なお、上述したように、第１リング１７ａは組み込み状態において合口部２１を有しているため、ねじれ変形の度合いは合口部２１の位置で相対的に小さく、合口反対部２２の位置で相対的に大きくなる。

次に、図５を参照して、ピストン本体１６と、第１リング溝１５ａに配置された第１リング１７ａと、がシリンダ２内に収容された組み込み状態において、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１、及び、第１リング１７ａの上側面１７ａ３、の関係について説明する。なお、図５は、上述したように、ピストン本体１６及び第１リング１７ａがシリンダ２内に収容された組み込み状態であり、かつ、内燃機関１が冷間時の冷間時状態を示している。以下、説明の便宜上、「組み込み状態、かつ、冷間時状態」を単に「所定状態」とも記載する。

図５に示す所定状態での断面視において、内燃機関１は、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１と平面部１９との間の角度θが１８分以上となるように構成されている。このような構成とすることにより、ピストン本体１６の二次挙動と第１リング１７ａの挙動とによって第１リング１７ａの上側面１７ａ３の外周側の部分が第１リング溝１５ａの上面１５ａ１に接触する際の圧力を軽減することができる。その結果、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１の第１ランド外周面１６ａ側の偏摩耗や、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の外周側の偏摩耗を抑制することができる。なお、角度θを１８分以上とすることについての詳細は後述する（図１２参照）。

更に、第１リング１７ａの上側面１７ａ３は、上述したように、内縁の位置と径方向Ｂでの厚みが１／２となる中央位置Ｃとの間に形成されている凸面部１８を有するため、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の内周側の部分が第１リング溝１５ａの上面１５ａ１に接触する面積を広げて、接触する圧力を分散することができる。その結果、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１の溝底１５ａ２側の偏摩耗や、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の内周側の偏摩耗を抑制することができる。

このように、図５に示す所定状態での断面視において、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１と平面部１９との間の相対角度θを１８分以上にすると共に、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の内周側に凸面部１８を設けることにより、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１の溝底１５ａ２側及び第１ランド外周面１６ａ側の偏摩耗、並びに、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の内周側及び外周側の偏摩耗、を抑制することができる。

ここで、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の凸面部１８は、中心軸線Ｏを含む断面（図４、図５参照）において、０．５ｍｍ以上の曲率半径を有している。ここで、中心軸線Ｏを含む断面（図４、図５参照）での凸面部１８の曲率半径とは、凸面部１８が湾曲部で構成されている場合には、その湾曲部の曲率半径を意味し、凸面部１８が同断面において複数の直線により凸状に形成されている多段凸部の場合には、多段凸部の両端の２点と、この２点間の中央又は中央近傍に位置する１つの頂点と、の３点で規定される円弧の曲率半径を意味する。

ここで、本実施形態では、相対角度θを１８分以上にすると共に、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の内周側に凸面部１８を設けているが、相対角度θの値にかかわらず、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の内周側に凸面部１８を設けることで、この第１リング１７ａが配置されるリング溝の上面の溝底側の偏摩耗、及び、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の内周側の偏摩耗、を抑制することができる。

なお、本実施形態において、第１リング１７ａの幅（上側面１７ａ３の平面部１９と下側面１７ａ４との間の距離）は、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍである。凸面部１８の曲率半径を０．５ｍｍ以上とすることにより、ヘルツ応力の最大値を下げる効果が期待でき、接触する圧力を大きく分散することができる。凸面部１８の曲率半径を０．５ｍｍ以上とすることについての詳細は後述する（図１３参照）。

なお、第１リング溝１５ａは、中心軸線Ｏと直交する平面に対して鋭角で傾斜する周面により構成される上面１５ａ１と、溝底１５ａ２と、上面１５ａ１と対向し、中心軸線Ｏと直交する平面に対して上面１５ａ１よりも小さい鋭角の角度で傾斜する周面により構成される下面１５ａ３と、により区画されている。

上述したように、図５に示す所定状態での断面視において、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１と平面部１９との間の角度θは１８分以上となるが、この角度θは、図５に示す所定状態での断面視において、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１の中心軸線Ｏと直交する平面に対する角度αを３０分以上１８０分以下とすることにより実現することが好ましい。このように、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１の角度αを、第１リング溝１５ａが第１ランド外周面１６ａ側に向かって広がるように、比較的大きく確保することにより、上述した１８分以上の角度θを確保し易くなる。更に、角度θは、図５に示す所定状態での断面視において、第１リング１７ａの平面部１９の中心軸線Ｏと直交する平面に対する角度βを０分以上とすることにより実現することが好ましい。なお、ここで言う角度α及び角度βの値は、中心軸線方向Ａと直交する平面に対してピストン本体１６の冠面側である上側に傾く傾斜を正の角度を有する傾斜としている。角度αを３０分未満とすると、ねじれ角度を有する第１リング溝１５ａの挙動範囲が狭まり、外周側での摩耗が増え易くなる。また、角度αを１８０分より大きくすると、内周側の摩耗が増え易くなると共に、側面の隙間（第１リング溝１５ａの上下面と第１リング１７ａの上下側面との間の隙間）が増え、ブローバイガスが増え易くなる。そのため、角度αは３０分以上１８０分以下とすることが好ましい。

また、上述した角度θは、図５に示す所定状態において、第１リング１７ａの周方向で合口反対部２２の位置での角度であることが好ましい。合口反対部２２の位置は、上述したように、ねじれ変形の度合いが相対的に大きい。つまり、合口反対部２２の位置は、第１リング１７ａの周方向において、上述の角度βが最も大きくなる位置であり、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１に最も接触し易い位置となる。この合口反対部２２の位置であっても、上述の角度θを１８分以上とすることにより、より確実に第１リング溝１５ａの上面１５ａ１の偏摩耗、及び、第１リング１７ａの上側面１７ａ３の偏摩耗、を低減することができる。

なお、ここでは、第１リング溝１５ａと、この第１リング溝１５ａに配置される第１リング１７ａと、について説明したが、上述した角度θの関係及び凸面部１８の構成を第２リング溝１５ｂと、この第２リング溝１５ｂに配置される第２リング１７ｂと、に適用してもよい。但し、本実施形態のように、ピストン本体１６の中心軸線方向（ピストン３の中心軸線方向Ａと同じ方向）において最上方に位置する第１リング溝１５ａと、この第１リング溝１５ａに配置される第１リング１７ａに対して、上述した角度θの関係及び凸面部１８の構成を適用することが特に好ましい。第１リング溝１５ａは、燃焼室１４に近く、温間時において微量の熱変形が発生し易い。そのため、第２リング溝１５ｂ及び第２リング１７ｂで上述の角度θの関係を形成するよりも、本実施形態のように、第１リング溝１５ａ及び第１リング１７ａで上述の角度θの関係を形成した方が、リング溝１５の上面とピストンリング１７の上側面との接触をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態で示すピストンリング１７としての第１リング１７ａは、図４や図５に示すようなリング断面形状を有するものであるが、上側面のうち、内縁の位置と径方向Ｂでの厚みが１／２となる中央位置Ｃとの間の位置に、径方向の内側に向かうにつれて下側面に近づくように延在する凸面部を有し、かつ、この凸面部と径方向Ｂの外側で連続する平面部又は第１傾斜周面部（例えば図６（ｂ）の「第１傾斜周面部２５」を参照）を有する構成であれば、リング断面形状は特に限定されるものではない。したがって、例えば、図７に示すような断面形状を有するピストンリング１７としてもよい。なお、図７は、図５と同様、所定状態を示している。

図７に示すピストンリング１７としての第１リング１１７ａは、上述した第１リング１７ａと比較して、上側面１１７ａ３の外周側で、中心軸線方向Ａにおけるピストン本体１６の冠面側に向かって突設された周壁部１２３を有する点で相違している。更に、図７に示す第１リング１１７ａは、上述した第１リング１７ａと比較して、傾斜周面部２０を有さない点で相違している。換言すれば、図７に示す第１リング１１７ａの上側面１１７ａ３は、湾曲部で構成された凸面部１８、平面部１９、起立部１２４及び頂部１２５により構成されている。なお、凸面部１８及び平面部１９の構成は図５で示す第１リング１７ａの構成と同様であるため、ここでは説明を省略する。

周壁部１２３により形成される起立部１２４は、図７の断面視において、平面部１９と略直交する方向に延在する面である。また、頂部１２５は周壁部１２３の頂面である。周壁部１２３は、ピストン本体１６の第１ランド外周面１６ａよりも径方向外側に位置しており、ピストン１０３がシリンダ２（図１等参照）内で往復移動する際、第１ランド外周面１６ａとシリンダ２の内壁２ａ（図１等参照）との間に挟み込まれた状態となる。そのため、第１リング１１７ａの外周面１１７ａ１の一部を構成する周壁部１２３の外周面は、第１ランド外周面１６ａと対向する位置で、シリンダ２の内壁２ａと、潤滑油を介して摺動する。

図７に示す断面形状を有する第１リング１１７ａであっても、図５に示す第１リング溝１５ａ及び第１リング１７ａと同様、上側面１１７ａ３の平面部１９と第１リング溝１５ａの上面１５ａ１との角度θは１８分以上である。また、凸面部１８は、上側面１１７ａ３のうち、内縁の位置と径方向での厚みが１／２となる中央位置Ｃとの間に形成されている。したがって、図７に示す構成であっても、第１リング溝１５ａの上面１５ａ１の偏摩耗、及び、第１リング１１７ａの上側面１１７ａ３の偏摩耗、を抑制することができる。

なお、図７に示す第１リング１１７ａを含むピストン１０３の他に、例えば、図８に示すような断面形状を有する第１リング２１７ａを含むピストン２０３としてもよい。図８に示す第１リング２１７ａは、図７に示す第１リング１１７ａと比較して、周壁部１２３を有さない点で相違しているが、その他の構成は同様である。つまり、図８に示す第１リング２１７ａの上側面２１７ａ３は、凸面部１８及び平面部１９により構成されている。

次に、上述した角度θについて詳細に説明する。

図９は、リング溝５１５が形成されているピストン本体５１６と、リング溝５１５に配置されたピストンリング５１７と、を含む一般的なピストン５０３を模式的に示す図である。図９に示すように、ピストンリング５１７は、内燃機関の温間時において、ピストン本体５１６に対して相対的に回動することがある。更に、径方向に滑り移動することもある。Ａｒｃｈａｒｄの摩耗式によれば、金属間の摩耗量Ｗは、接触圧力と摺動距離との積に比例する。これを利用して、接触圧力、摺動時間及び摺動速度から、摩耗量の指標を推定する。

ここで、組み込み状態で、内燃機関１の温間時において、リング溝１５に位置するピストンリング１７にかかる力を図１０に模式的に示す。図１０に示すように、ピストンリング１７には、スクイズ効果などの、リング溝１５内のガス・油膜による力（図１０では「Ｆ１」と表記。以下、単に「Ｆ１」と記載する。）と、リング溝１５外のガス圧力（図１０では「Ｆ２」と表記。以下、単に「Ｆ２」と記載する。）と、固体接触における反作用力（図１０では「Ｆ３」と表記。以下、単に「Ｆ３」と記載する。）と、外周摩擦力（図１０では「Ｆ４」と表記。以下、単に「Ｆ４」と記載する。）と、ピストンリング１７の慣性力（図１０では「Ｆ５」と表記。以下、単に「Ｆ５」と記載する。）と、が作用する。リング溝１５の上面及び下面と、ピストンリング１７の上側面及び下側面との接触箇所（図１０の破線で囲まれる位置を参照）に生じる面圧の分布は、上述の力のつり合いによって生じる。

そこで、摩耗量に影響するピストン本体１６及びピストンリング１７の挙動とピストンリング１７の持つ力を計算することで、摩耗量と相関のある指標値を計算することが可能となる。具体的には、エンジン内におけるピストン本体１６及びピストンリング１７の挙動解析計算を実施し、その結果から構造解析計算を行い、運転中のエンジンのリング溝１５に生じる圧力を算出する。この圧力とその時のピストン本体１６及びピストンリング１７の挙動速度、挙動状態からリング溝１５に生じる摩耗量を推定する。

このようにしてリング溝１５の上面及び下面での摩耗量を推定することができる指標値を算出する。図１１は、一般的な矩形のピストンリング１７を用いたピストン本体１６におけるリング溝１５の上面及び下面の摩耗量の分布形態を模式的に示した図である。計算にされた指標値は、図１１に示す摩耗量を推定し、設計寸法の変更に対する摩耗量の増減を推定することができる。図１１では、リング溝１５の上面及び下面の摩耗量をドットの領域（図１１の符号「Ｍ」参照）により表している。図１１に示すように、リング溝１５の上面では、ランド外周面に近い位置で摩耗が大きくなることがわかる。ピストンリング１７の上側面がリング溝１５のランド外周面近傍に接触し難くなるようにすれば、リング溝１５の上面のうちランド外周面に近い位置での摩耗は抑制することができる。そのため、例えば、ピストン本体１６の中心軸線に直交する平面に対するリング溝１５の上面の角度α（図５参照）を大きく傾斜させることで、ピストンリング１７の上側面とリング溝１５の上面との間の角度θを大きく確保すれことができ、これにより、リング溝１５の上面のうちランド外周面に近い位置での摩耗を軽減することができる。

しかしながら、図１１に示すように、リング溝１５の上面では、ランド外周面に近い位置ほどではないが、溝底近傍の位置でも比較的大きい摩耗が生じることが推定される。そのため、上述した角度θを大きくし過ぎると、リング溝１５の上面のうち溝底側の位置に却って接触圧力が集中し、溝底近傍での摩耗が増大するおそれがある。

以上のことから、本願発明者は、角度θを所定範囲に設定してランド外周面近傍での摩耗を抑制すると共に、リング溝１５の溝底近傍の位置での摩耗増大をも抑制することが、リング溝１５の上面の摩耗抑制には重要であるという知見を得るに至り、この両方を実現可能な構成を、実験を通じて獲得するに至ったものである。

図１２（ａ）は、スラスト方向（図１２では「Ｔｈ」と表記）及びアンチスラスト方向（図１２では「Ａｔｈ」と表記）のそれぞれについて、リング溝１５の上面の溝底側での位置での摩耗量を評価したものである。また、図１２（ｂ）は、スラスト方向及びアンチスラスト方向のそれぞれについて、リング溝１５の上面のランド外周面側での位置での摩耗量を評価したものである。なお、図１２（ａ）、図１２（ｂ）における横軸は角度θである。

図１２（ｂ）に示すように、スラスト方向では、角度θを０．２９２度以上とすることにより、ランド外周面近傍での摩耗量を低減できることがわかる。また、図１２（ｂ）に示すように、アンチスラスト方向では、角度θを０．０４２度以上とすることにより、ランド外周面近傍での摩耗量を低減できることがわかる。このように、スラスト方向及びアンチスラスト方向の両方向において摩耗量の低減が確認できたのは、角度θの増大により、ピストンリング１７とリング溝１５の上面との接触圧力が、ランド外周面近傍の位置で局所的に高くなることが抑制され、溝底側へと分散されたためと考えられる。

なお、内燃機関の種類によっては、スラスト方向とアンチスラスト方向の向きが異なり、正面視において左右どちらがスラスト方向になるか一定ではない。そこで、リング溝１５の上面の摩耗量を低減する角度θとしては、０．０４２度以上とすることが好ましく、スラスト方向及びアンチスラスト方向に関わらずリング溝１５の上面の摩耗量を低減することができる０．２９２度以上とすることがより好ましい。但し、０．１度未満の寸法を規定すると加工が困難で生産性が低下するため、リング溝１５の上面のランド外周面側の摩耗低減仕様としては、角度θとして０．３度以上（１８分以上）とすることが好ましい。

この一方で、図１２（ａ）によれば、角度θが０．６６７度を越えると、スラスト方向において、リング溝１５の上面の溝底側の位置での摩耗が増大することがわかる。この知見に基づき、上述した実施形態及び変形例で示す第１リング１７ａ、１１７ａ及び２１７ａでは、リング溝１５の上面の溝底側の部分と接触する上側面１７ａ３、１１７ａ３及び２１７ａ３の内周側の位置に凸面部１８を設けている。凸面部１８の存在により、リング溝１５の上面の溝底側の位置での接触圧力を広範囲に分散でき、図１２（ａ）に示すような摩耗の増大を抑制することができる。

以上の理由から、上述した実施形態で示す内燃機関１では、角度θを１８分以上にすると共に、ピストンリング１７としての第１リング１７ａ、１１７ａ及び２１７ａの上側面１７ａ３、１１７ａ３及び２１７ａ３の内周側に凸面部１８を設ける構成とし、リング溝１５の上面の偏摩耗、ひいては第１リング１７ａ、１１７ａ及び２１７ａの上側面１７ａ３、１１７ａ３及び２１７ａ３の偏摩耗を抑制している。

なお、上述の解析で用いた全てのモデルにおいて、市販の１．５Ｌ水冷４気筒ガソリンを対象として計算を行う。

次に、凸面部１８の曲率半径について行った検証結果について説明する。図１３は、凸面部１８の曲率半径Ｒ（ｍｍ）と、リング溝１５の溝底側での摩耗量との関係を示すグラフである。なお、図１３は、スラスト方向でのリング溝１５の上面における溝底側の摩耗量を表している。図１３に示すように、曲率半径Ｒが０．５ｍｍ未満では摩耗量はほとんど変化しないが、曲率半径Ｒを０．５ｍｍ以上とすることにより、摩耗量を大きく低減可能であることがわかる。このことから、凸面部１８の曲率半径Ｒは０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

なお、図１３にプロットして示す７つのモデルは、曲率半径Ｒが異なる以外は全て同一の設定条件としている。具体的に、リング溝１５の上下面とピストンリング１７の上下側面との摩擦係数は、いずれも一定の値としている。更に、リング溝１５の下面と、ピストンリング１７の下側面との間の相対角度についても一定の値としている。角度θについても一定の値としている。

本発明に係る内燃機関用ピストン及びピストンリングは、上述した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、種々の変更が可能である。例えば、上述した第１リング１７ａ、１１７ａ及び２１７ａはいずれも組み込み状態においてねじれ変形するものであるが、ねじれ変形しないものであってもよい。つまり、組み込み時の角度β（図５参照）が０分のものであってもよい。

なお、これまでピストンリングの上側面及びリング溝の上面について説明したが、ピストンリングの下側面及びリング溝の下面に同様の構成を適用しても、同様の効果が得られるものである。但し、上述した実施形態のように、ピストンリングの上側面及びリング溝の上面において、相対角度θ及びピストンリングの上側面の形状を所定の角度及び形状に設定すれば、ピストンリングの下側面及びリング溝の下面に関して同様の構成を適用することに比較して、偏摩耗の抑制効果をより高めることができるため好ましい。

本発明は、内燃機関用ピストン及び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、１０３、２０３：内燃機関用ピストン
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
１５ａ１：上面
１５ａ２：溝底
１５ａ３：下面
１５ｂ：第２リング溝
１５ｃ：第３リング溝
１６：ピストン本体
１６ａ：第１ランド外周面
１７：ピストンリング
１７ａ、１１７ａ、２１７ａ：第１リング
１７ａ１、１１７ａ１：外周面
１７ａ２：内周面
１７ａ３、１１７ａ３、２１７ａ３：上側面
１７ａ４：下側面
１７ｂ：第２リング
１７ｃ：第３リング
１８：凸面部
１９：平面部
２０：傾斜周面部（第２傾斜周面部）
２１：合口部
２２：合口反対部
２５：傾斜周面部（第１傾斜周面部）
２６：多段凸部
５０：シリンダブロック
６０：シリンダヘッド
１２３：周壁部
１２４：起立部
１２５：頂部
５０３：ピストン
５１５：リング溝
５１６：ピストン本体
５１７：ピストンリング
Ａ：ピストンの中心軸線方向
Ｂ：ピストンリングの径方向
Ｃ：中央位置
Ｍ：摩耗領域
Ｏ：ピストンの中心軸線（ピストン本体の中心軸線）
α：所定状態での断面視における、ピストンの中心軸線と直交する平面に対する第１リング溝の上面の角度
β：所定状態での断面視における、ピストンの中心軸線と直交する平面に対する第１リングの上側面の平面部の角度
θ：所定状態での断面視における、第１リング溝の上面の角度と第１リングの上側面の平面部の角度との間の相対角度

Claims (10)

1. 外周面にリング溝が形成されているピストン本体と、前記リング溝に配置されるピストンリングと、を備え、内燃機関のシリンダ内で移動可能な内燃機関用ピストンであって、
   前記ピストンリングの上側面は、前記ピストンリングの自由状態において、内縁の位置と径方向での厚みが１／２となる中央位置との間に形成され、前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの下側面に近づくように延在する凸状の凸面部と、前記凸面部と前記径方向の外側で連続する、平面部又は前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの前記下側面に近づくように傾斜する傾斜周面部と、を備え、
   前記ピストン本体及び前記ピストンリングが前記シリンダ内に収容され、かつ、前記内燃機関が冷間時の所定状態で、前記ピストン本体の中心軸線に平行で前記中心軸線を含む断面において、前記リング溝の上面と、前記平面部又は前記傾斜周面部と、の間の角度が１８分以上であり、
   前記ピストンリングは、合口部と対向する位置にある合口反対部を有し、
   前記リング溝の上面と前記平面部又は前記傾斜周面部との間の前記角度は、前記合口反対部の位置での角度であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記断面における前記凸面部の曲率半径は、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
3. 前記所定状態において、前記リング溝の上面の、前記中心軸線と直交する平面に対する角度は、３０分〜１８０分の範囲に属することを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストン。
4. 前記所定状態において、前記平面部又は前記傾斜周面部の、前記中心軸線と直交する平面に対する角度は、０分以上であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。
5. 前記傾斜周面部を第１傾斜周面部とした場合に、
   前記ピストンリングの上側面は、前記凸面部と前記径方向の内側で連続し、前記平面部及び前記第１傾斜周面部と比較して前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの前記下側面に近づくように傾斜している第２傾斜周面部を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。
6. 前記ピストンリングの前記凸面部は、湾曲部、又は、前記ピストンリングの周方向に直交するリング断面において複数の直線により凸状に形成されている多段凸部、であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。
7. 前記ピストン本体の外周面には、前記リング溝が複数形成されており、
   前記ピストンリングは、前記複数のリング溝のうち、前記ピストン本体の中心軸線方向において最上方に位置する第１リング溝に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の内燃機関用ピストン。
8. 外周面にリング溝が形成されているピストン本体と、前記リング溝に配置されるピストンリングと、を備え、内燃機関のシリンダ内で移動可能な内燃機関用ピストンであって、
   前記ピストンリングの上側面は、前記ピストンリングの自由状態において、内縁の位置と径方向での厚みが１／２となる中央位置との間に形成され、前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの下側面に近づくように延在する凸状の凸面部と、前記凸面部と前記径方向の外側で連続する、平面部又は前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの前記下側面に近づくように傾斜する傾斜周面部と、を備え、
   前記ピストン本体及び前記ピストンリングが前記シリンダ内に収容され、かつ、前記内燃機関が冷間時の所定状態で、前記ピストン本体の中心軸線に平行で前記中心軸線を含む断面において、前記リング溝の上面と、前記平面部又は前記傾斜周面部と、の間の角度が１８分以上であり、
   前記傾斜周面部を第１傾斜周面部とした場合に、前記ピストンリングの上側面は、前記凸面部と前記径方向の内側で連続し、前記平面部及び前記第１傾斜周面部と比較して前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの前記下側面に近づくように傾斜している第２傾斜周面部を有することを特徴とする内燃機関用ピストン。
9. 外周面にリング溝が形成されているピストン本体と、前記リング溝に配置されるピストンリングと、を備え、内燃機関のシリンダ内で移動可能な内燃機関用ピストンであって、
   前記ピストンリングの上側面は、前記ピストンリングの自由状態において、内縁の位置と径方向での厚みが１／２となる中央位置との間に形成され、前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの下側面に近づくように延在する凸状の凸面部と、前記凸面部と前記径方向の外側で連続する、平面部又は前記径方向の内側に向かうにつれて前記ピストンリングの前記下側面に近づくように傾斜する傾斜周面部と、を備え、
   前記ピストン本体及び前記ピストンリングが前記シリンダ内に収容され、かつ、前記内燃機関が冷間時の所定状態で、前記ピストン本体の中心軸線に平行で前記中心軸線を含む断面において、前記リング溝の上面と、前記平面部又は前記傾斜周面部と、の間の角度が１８分以上であり、
   前記ピストンリングの前記凸面部は、湾曲部、又は、前記ピストンリングの周方向に直交するリング断面において複数の直線により凸状に形成されている多段凸部、であることを特徴とする内燃機関用ピストン。
10. 前記ピストン本体の外周面には、前記リング溝が複数形成されており、
    前記ピストンリングは、前記複数のリング溝のうち、前記ピストン本体の中心軸線方向において最上方に位置する第１リング溝に配置されていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の内燃機関用ピストン。

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