JP6835785B2 - コンプレッションリング - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッションリングに関する。

一般的な自動車に搭載される内燃機関は、コンプレッションリング（圧力リング）とオイルリングからなるピストンリングを、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）をクランク室側に掻き落とし、潤滑油膜がシリンダ内壁面に適切に保持されるように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の燃焼室側への流出（オイル上がり）を抑制する機能を有する。コンプレッションリングをオイルリングと組み合わせることによって、ブローバイガスの低減とオイル消費の低減を実現することができる。

上述のようにピストンリングを組み合わせて用いる場合、燃焼室に近いトップリングを気密保持に特化した形状とし、クランク室に近いセカンドリングをオイル掻き落とし機能を備えた形状とすることが一般的である。例えば、特許文献１には、セカンドリングの外周面に下向き（クランク室側）に広がるテーパ部を設けるとともにテーパ部の下端に逆テーパ部を形成することでセカンドリングにオイル掻き落とし性能を持たせつつも、テーパ部と逆テーパ部との接続部分を円筒状にラッピング仕上げを施すことでシリンダ内壁面に縦きずが生じることを抑制する技術が開示されている。

特開平１０−２５２８９１号公報

ここで、コンプレッションリングによるオイルシールにおいては、リングの上下面とリング溝の内壁との間に侵入したオイルの油量が問題となる。リング上下面とリング溝の内壁との隙間内の油量が多いと、該オイルの油圧によってコンプレッションリングの挙動が制限される。その結果、リング上下面がリング溝内壁に十分に密着することができず、クランク室から上がってくるオイルがリング上下面とリング溝の内壁との隙間を通って燃焼室側に流出する虞があり、これがオイル消費の悪化の原因となる。

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、コンプレッションリングのオイルシール性能を更に高めることが可能な技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用した。本発明は、内燃機関のシリンダに装着されるピストンに形成されたリング溝に設けられるコンプレッションリングであって、リング状を有するリング本体と、前記リング本体に設けられ、互いに対向することで合口空間を形成する一対の合口端面と、を有し、前記リング本体において前記リング溝の上壁と対向するリング上面には、前記コンプレッションリングの周長方向に沿っ
て延在するとともに前記合口空間に連なるオイル排出溝が形成されている、コンプレッションリングである。

即ち、本発明に係るコンプレッションリングは、リング上面に、合口空間に連なるオイル排出溝を有している。ここで、リング上面とリング溝の上壁との隙間に存在するオイルの量が多いと、オイルの油圧によってコンプレッションリングの挙動が制限され、リング上面がリング溝の上壁に十分に密着することができず、クランク室側から上がってくるオイルが該隙間を通って燃焼室側に流出する虞がある。本発明によると、オイル排出溝を通じてリング上面とリング溝の上壁との隙間内のオイルを合口空間に排出することで、該隙間内のオイルを減らすことができる。これにより、オイルの油圧を低減し、リング上面をリング溝の上壁に十分に密着させることができる。その結果、本発明によれば、従来よりもオイル上がりを抑制し、オイル消費を低減することができる。即ち、オイルシール性能を高めることができる。なお、ここでいう「密着」とは、リング上面とリング溝の上壁とが直接的に当接することや、コンプレッションリングの摩耗等を防ぐための必要分の油膜がリング上面とリング溝の上壁との間に介在した状態でリング上面とリング溝の上壁とが間接的に当接することを含むものとする。

また、本発明に係るコンプレッションリングは、いわゆるトップリングであってもよいし、セカンドリングであってもよい。但し、本発明に係るコンプレッションリングは、オイル上がりの抑制を目的とするセカンドリングとして好適に採用することができる。

なお、前記リング本体の外周端から前記オイル排出溝の外周縁までの距離は、前記ピストンが前記シリンダに装着された場合における前記シリンダの内壁から前記リング溝の上壁の外周縁までの最大離間距離よりも大きいことが好適であるが、大きくなくてもよい。

ここで、リング本体の外周端とは、リング本体において径方向の最外端に位置する部分であり、シリンダの内壁に摺接する部分である。また、最大離間距離とは、ピストンスラップ等を考慮して想定される、シリンダの内壁とリング溝の上壁の外周縁との離間距離の最大値である。このとき、リング本体の外周端からオイル排出溝の外周縁までの距離を、シリンダの内壁からリング溝の上壁の外周縁までの最大離間距離よりも大きくすることにより、コンプレッションリングが内燃機関に設けられたときに、上壁の外周縁よりもコンプレッションリングの径方向内側の範囲にオイル排出溝が位置する態様となる。これにより、リング上面がリング溝の上壁に押し付けられたときに、オイル排出溝内のオイルがピストン外周面とシリンダの内壁との隙間（クリアランス）に流出することが上壁によって抑制され、オイル消費を低減することができる。また、上壁の外周縁がオイル排出溝内に入ることがないため、リング上面がリング溝の上壁に押し付けられた状態において、コンプレッションリングが水平姿勢に安定する。その結果、リングの外周面を安定してシリンダの内壁に摺接させることができる。

また、前記オイル排出溝の内周縁は、前記リング本体の内周面よりも該コンプレッションリングの径方向外側に形成されており、前記リング上面は、前記オイル排出溝の内周縁よりも前記径方向内側において平坦面に形成された内側上端領域を有し、前記オイル排出溝は、前記リング本体の内周面に開口せず、前記合口空間にのみ開口していてもよい。コンプレッションリングにねじれ作用が生じると、リング溝内においてコンプレッションリングが傾斜姿勢となる場合がある。このとき、リング上面が内側上端領域を有することから、内側上端領域がリング溝の上壁に当接する。そして、オイル排出溝がリング本体の内周面に開口していないため、オイルシールがなされ、オイル上がりを抑制することができる。

更に、前記オイル排出溝は、前記コンプレッションリングの周長方向に沿って、前記一
対の合口端面の一方から他方に亘って延在していてもよい。即ち、オイル排出溝がコンプレッションリングの全周に亘って形成されていてもよい。これによると、周長方向の全範囲において、リング上面とリング溝の上壁との隙間内のオイルを、オイル排出溝を通じて合口空間に排出することができる。その結果、周長方向の全範囲において、リング上面とリング溝の上壁との密着性を高めることができる。また、オイル排出溝が一対の合口端面の両方において合口空間と連通していることから、一対の合口端面の一方のみにおいて合口空間と連通している場合と比較して、該隙間内のオイルを合口空間に排出し易くすることができる。但し、本発明は、オイル排出溝がリングの全周に亘って形成されていなくてもよく、例えば、オイル排出溝が、中途で間欠していてもよい。

なお、本発明は、前記リング本体において前記リング溝の下壁と対向するリング下面には、前記コンプレッションリングの周長方向に沿って延在するリング下面溝が形成されていてもよい。これによると、リング下面がリング溝の下壁に密着した状態における接触面積を小さくすることができる。そのため、リング下面がリング溝の下壁から離間し易くすることができる。これにより、リングが早期に移動できるようになり、リング上面のみにオイル排出溝を設ける場合よりも早いタイミングでリング上面をリング溝の上壁に密着させることができる。その結果、オイルシール性能を更に向上させることができる。

本発明によれば、コンプレッションリングのオイルシール性能を更に高めることが可能となる。

実施形態に係るセカンドリングが設けられた内燃機関の全体図である。 実施形態に係る内燃機関のリング溝付近の拡大図である。 実施形態に係るセカンドリングが使用状態にあるときの上面図である。 実施形態に係るセカンドリングの第１合口端面の端面図である。 実施形態に係るセカンドリングの第２合口端面の端面図である。 実施形態に係る内燃機関の運転時において、セカンドリング溝の上壁とリング上面との間に形成された隙間にオイルが侵入した状態を示す合口端面図である。 実施形態に係る内燃機関の運転時において、図５に示す状態からセカンドリングがセカンドリング溝の上壁に押し付けられたときの状態を示す合口端面図である。 ピストンの上昇行程の終盤においてセカンドリング溝内のセカンドリングに捩れが生じた状態を示す断面図である。 実施形態の変形例に係るセカンドリングの第１合口端面の端面図である。 膜厚計測装置の内燃機関構造が１サイクル運転する間のピストン外周面のトップランドにおける油膜厚さを示すグラフである。 実験例と比較例の油膜厚さの平均値を示すグラフである。 実験例の吸気行程におけるピストン外周面を示す図である。 比較例の吸気行程におけるピストン外周面を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るコンプレッションリングをセカンドリングとして用いた実施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。

図１は、実施形態に係るセカンドリング２０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３は、実施形態に係るセカンドリング２０が使用状態にあるときの上面図である。図４Ａは、セカンドリング２０の第１合口端面１の端面
図である。図４Ｂは、セカンドリング２０の第２合口端面２の端面図である。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５０と、シリンダ５０に装着されたピストン４０と、を有する。以下、内燃機関１００において、シリンダ５０の軸方向を「上下方向」と定義する。また、シリンダ５０の軸方向のうち、燃焼室６０側を「上側」（図４における上方向）と定義し、その反対側（即ち、クランク室７０側）を「下側」と定義する。

図２に示すように、ピストン４０のピストン外周面４０ａには、ピストン４０の軸方向に所定の間隔を空けて上側から順にトップリング溝４０１、セカンドリング溝４０２、オイルリング溝４０３が形成されている。トップリング溝４０１、セカンドリング溝４０２、オイルリング溝４０３には、夫々、トップリング１０、セカンドリング２０、オイルリング３０が組み付けられる。ピストン外周面４０ａは、トップリング溝４０１、セカンドリング溝４０２、オイルリング溝４０３によって区画される。ピストン外周面４０ａにおいて、トップリング溝４０１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４０１とセカンドリング溝４０２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４０２とオイルリング溝４０３の間の領域をサードランドＬ３と称する。ここで、各リング溝において上下に対向する内壁のうち、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。

次に、実施形態に係るセカンドリング２０について説明する。図３に示すように、セカンドリング２０は、リング形状を形成するリング本体２０１と、合口に形成された空間である合口空間７と、を有している。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、セカンドリング２０は、周長方向と直交する断面が略矩形状となるように形成されている。但し、セカンドリング２０の該断面形状は、矩形状に限定されない。ここで、本明細書における「周長方向」とは、特に指定しない限りはセカンドリング２０の周長方向のことを指す。また、「径方向」とは、特に指定しない限りはセカンドリング２０の半径方向のことを指す。また、セカンドリング２０の「内側」又は「径方向内側」とは、セカンドリング２０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、セカンドリング２０の外周面側）のことを指す。また、「軸方向」とは、特に指定しない限りはセカンドリング２０の中心軸に沿う方向のことを指す。

また、図２に示すように、セカンドリング２０がシリンダ５０に装着されたピストン４０の外周に形成されたセカンドリング溝４０２に設けられた状態を、「使用状態」と称する。より詳しくは、「使用状態」は、セカンドリング２０が、内燃機関１００において、シリンダ５０に装着されたピストン４０のセカンドリング溝４０２に設けられた状態のことを指す。使用状態におけるセカンドリング２０の軸方向は、内燃機関１００の上下方向、即ち、シリンダ５０の軸方向と一致する。図３、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、セカンドリング２０の外周面をリング外周面３と称し、内周面をリング内周面４と称する。また、リング本体２０１の軸方向に面する両面について、使用状態において上側に位置する面をリング上面５と称し、下側に位置する面をリング下面６と称する。リング上面５は、使用状態においてセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に対向する面であり、リング下面６は、使用状態においてセカンドリング溝４０２の下壁Ｗ２に対向する面である。

セカンドリング２０は、使用状態においてリング外周面３がシリンダ内壁５０ａを押接するように自己張力を有している。図２に示すように、リング外周面３は、軸方向下側に向かうに従って拡径したテーパフェース形状を有する。図２における符号３１は、リング外周面３の下縁である。図４Ａに示すように、リング外周面３の下縁３１は、リング本体２０１において径方向の最外端に位置する。そのため、使用状態においては、図２に示すようにリング外周面３の下縁３１がシリンダ内壁５０ａに摺接する。これにより、ピストン外周面４０ａとシリンダ内壁５０ａの隙間（クリアランス）ＰＣ１が塞がれ、燃焼ガス
が隙間ＰＣ１を通って燃焼室６０からクランク室７０側に漏れることが抑制される。リング外周面３の下縁３１がシリンダ内壁５０ａに摺接することで、シリンダ内壁５０ａに付着したオイルが掻き落とされ、余分なオイルが隙間ＰＣ１を通ってクランク室７０側から燃焼室６０側に流出することが抑制される。リング外周面３の下縁３１は、本発明に係る「リング本体の外周端」の一例に相当する。「外周端」は、即ち、リング本体２０１において径方向の最外端に位置する部分であり、使用状態においてシリンダ内壁５０ａに摺接する部分である。なお、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、実施形態に係るセカンドリング２０は、リング外周面３の下部が切り欠かれることによって、アンダーカット部２０ａが形成されている。セカンドリング２０の下部に形成されたアンダーカット部２０ａの空間がピストン４０下降時に掻き落とされたオイルをバッファすることで、オイル上がりの抑制性能が向上している。但し、本発明は、セカンドリング２０がアンダーカット部２０ａを有さない構成であってもよい。リング外周面３の形状としては、ストレートフェース形状、テーパフェース形状、バレルフェース形状などが挙げられる。

図３に示すように、セカンドリング２０は、第１合口端面１と第２合口端面２とを有している。セカンドリング２０が使用状態にあるとき、第１合口端面１と第２合口端面２とが隙間を空けて対向することによって、合口空間７が形成される。

次に、実施形態に係るセカンドリング２０に形成されたリング面溝８について説明する。図３に示すように、セカンドリング２０のリング上面５には、周長方向に沿って延在するとともに合口空間７に連通する溝であるリング面溝８が形成されている。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、リング面溝８は、セカンドリング２０のリング下面６にも形成されている。以下、リング上面５に形成されたリング面溝８をリング上面溝８Ｔと称し、リング下面６に形成されたリング面溝８をリング下面溝８Ｂと称する。リング上面溝８Ｔは、本発明に係る「オイル排出溝」の一例に相当する。なお、リング上面溝８Ｔとリング下面溝８Ｂを区別せずに説明するときは、単にリング面溝８と称する。

図３、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、リング上面５は、リング上面溝８Ｔを挟んで径方向外側の領域である外側上端面５３と径方向内側の領域である内側上端面５４とを有する。外側上端面５３及び内側上端面５４は、共に平坦面に形成されており、軸方向における高さを同一とする。リング上面溝８Ｔは、凹形状をなす溝形成面９Ｔによって形成される。溝形成面９Ｔは、外側上端面５３及び内側上端面５４に対して軸方向下側（即ち、クランク室７０側）に深くなることで、リング上面溝８Ｔを形成している。本例では、溝形成面９Ｔは、周長方向に直交する断面において軸方向上向きに凹状の円弧形状をなす溝として形成されている。但し、リング上面溝８Ｔの形状はこれに限定されず、矩形溝、Ｖ溝、台形溝など、様々な形状を選択することができる。

図３に示すように、溝形成面９Ｔは、セカンドリング２０の全周に亘って形成されている。これにより、リング上面溝８Ｔは、リング上面５において第１合口端面１から第２合口端面２に亘って周長方向に延在している。そのため、リング上面溝８Ｔは、第１合口端面１側と第２合口端面２側において合口空間７と連通している。リング上面溝８Ｔの内部から合口空間７へ通じる開口のうち、第１合口端面１側の開口を第１溝開口８１Ｔと称し、第２合口端面２側の開口を第２溝開口８２Ｔと称する。なお、本発明は、リング上面溝８Ｔが第１溝開口８１Ｔと第２溝開口８２Ｔの一方のみにおいて合口空間７と連通していてもよい。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、リング下面６は、リング下面溝８Ｂを挟んで径方向外側の領域である外側下端面６３と径方向内側の領域である内側下端面６４とを有する。外側下端面６３及び内側下端面６４は、共に平坦面に形成されており、軸方向における高さを同一とする。リング下面溝８Ｂは、凹形状をなす溝形成面９Ｂによって形成される。溝
形成面９Ｂは、外側下端面６３及び内側下端面６４に対して軸方向上側（即ち、燃焼室６０側）に深くなることで、リング下面溝８Ｂを形成している。本例では、溝形成面９Ｂは、周長方向に直交する断面において軸方向下向きに凹状の円弧形状をなす溝として形成されている。但し、リング下面溝８Ｂの形状はこれに限定されず、矩形溝、Ｖ溝、台形溝など、様々な形状を選択することができる。

溝形成面９Ｂは、溝形成面９Ｔと同様に、セカンドリング２０の全周に亘って形成されている。これにより、リング下面溝８Ｂは、リング下面６において第１合口端面１から第２合口端面２に亘って周長方向に延在し、第１合口端面１側と第２合口端面２側において合口空間７と連通している。リング下面溝８Ｂの内部から合口空間７へ通じる開口のうち、第１合口端面１側の開口を第１溝開口８１Ｂと称し、第２合口端面２側の開口を第２溝開口８２Ｂと称する。なお、本発明は、リング下面溝８Ｂが第１溝開口８１Ｂと第２溝開口８２Ｂの一方のみにおいて合口空間７と連通していてもよい。

図４Ａ中の符号ａ１は、リング本体２０１の径方向における長さ寸法を示し、符号ａ２は、リング本体２０１の軸方向における長さ寸法を示す。また、符号ａ３は、リング上面溝８Ｔの径方向における長さ寸法（幅寸法）を示し、符号ａ４は、リング上面溝８Ｔの深さ寸法を示す。符号ＣＬ１は、軸方向に平行であってリング上面溝８Ｔの径方向中央を通る中央線を示す。符号ａ５は、リング内周面４と中央線ＣＬ１との離間寸法を示す。また、符号Ｒ１は、溝形成面９Ｔの半径を示す。セカンドリング２０は、例えば、リング本体２０１の寸法をａ１＝２．９ｍｍ、ａ２＝１．２ｍｍとした場合、リング上面溝８Ｔの寸法をａ３＝１．２ｍｍ、ａ４＝０．１２５ｍｍ、ａ５＝０．９３ｍｍ、Ｒ１＝１．５ｍｍとすることができる。但し、上述の寸法は例示的なものであり、リング上面溝８Ｔの寸法は適宜選択することができる。

以下、実施形態に係る内燃機関１００におけるセカンドリング２０付近のオイルの挙動について説明する。図５及び図６は、内燃機関１００の運転時における、セカンドリング溝４０２内のリング上面５付近のオイルの挙動を示す図である。図中の白抜き矢印は、セカンドリング２０の挙動を示す。また、図中の塗り潰し矢印は、オイルの流れを示す。図５は、セカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１とリング上面５との間に形成された隙間Ｃ１にオイルが侵入した状態を示す合口端面図である。図５に示す状態では、リング下面６がセカンドリング溝４０２の下壁Ｗ２に密着しており、リング上面５が上壁Ｗ１に対して離間している。これにより、上壁Ｗ１とリング上面５との間には、隙間Ｃ１が形成されている。例えば、圧縮行程においてセカンドリング２０に下向きの慣性力が作用したり、高圧となった燃焼室内のガス圧がセカンドリング２０に作用したりすることで、図５に示す状態となる。図５に示す状態では、クランク室７０からセカンドリング２０に供給されたオイルが該隙間Ｃ１に侵入している。

図６は、図５に示す状態からリング上面５がセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に押し付けられたときの状態を示す合口端面図である。例えば、膨張行程においてセカンドリング２０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２０に作用したりすることで、セカンドリング２０が上方向に移動し、リング下面６がセカンドリング溝４０２の下壁Ｗ２から離間するとともにリング上面５が上壁Ｗ１に接近し、図６に示す状態となる。

図５に示す状態から、図６に示す状態となるとき、リング上面５がセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に接近しようとすることで、隙間Ｃ１に滞留しているオイルが軸方向に圧縮される。ここで、リング上面溝８Ｔを形成する溝形成面９Ｔがリング上面５よりもクランク室７０側に深くなっているため、隙間Ｃ１で圧縮されたオイルがリング上面５からリング上面溝８Ｔへ逃げ易くなっている。更に、リング上面溝８Ｔが合口空間７に連通して
いるため、リング上面溝８Ｔ内のオイルが合口空間７に抜け易くなっている。これにより、隙間Ｃ１内で圧縮されたオイルがリング上面溝８Ｔを流れ、第１溝開口８１Ｔ及び第２溝開口８２Ｔから合口空間７へ排出される。その結果、隙間Ｃ１内のオイルの量が低減する。

ここで、リング上面５とセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１との隙間Ｃ１内の油量が多いと、オイルの油圧によってセカンドリング２０の挙動が制限され、リング上面５がセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に接近し難くなる。そのため、リング上面５がセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に十分に密着することができず、クランク室７０側から上がってくるオイルが隙間Ｃ１を通って燃焼室６０側に流出する虞がある。これに対し、本実施形態のセカンドリング２０は、リング上面溝８Ｔを通じて隙間Ｃ１内のオイルを合口空間７に排出することで、隙間Ｃ１内のオイルを減らすことができる。これにより、オイルの油圧が低減され、リング上面５がセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に接近し易くなり、リング上面５をセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に十分に密着させることができる。その結果、クランク室７０側から上ってきたオイルが隙間Ｃ１を通って燃焼室６０側に流出することを抑制することができる。即ち、オイルシール性能を向上させ、オイル上がりを更に抑制することができる。なお、ここでいう「密着」とは、リング上面５とセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１とが直接的に当接することや、セカンドリング２０の摩耗等を防ぐための必要分の油膜がリング上面５とセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１との間に介在した状態でリング上面５とセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１とが間接的に当接することを含むものとし、以下の説明においても同様とする。

以上のように、実施形態に係るセカンドリング２０によると、周長方向に沿って延在するとともに合口空間７に連なるリング上面溝８Ｔがリング上面５に形成されていることで、オイル上がりを更に抑制し、オイル消費を低減することが可能となる。

また、本発明は、リング面溝８がリング上面５とリング下面６の両方に形成されていなくともよく、リング上面５とリング下面６のうち、少なくともリング上面５にリング面溝８が形成されていればよい。即ち、セカンドリング２０は、リング上面溝８Ｔのみ有してもよい。これにより、内燃機関１００の運転時におけるオイルシール性能を向上させることができる。但し、実施形態に係るセカンドリング２０は、リング下面溝８Ｂを有することによって、リング下面溝８Ｂを有しない場合と比較して、リング下面６とセカンドリング溝４０２の下壁Ｗ２との接触面積を小さくすることができる。これにより、リング下面６がセカンドリング溝４０２の下壁Ｗ２から離間し易くすることができる。そのため、セカンドリング２０が早期に上方向に移動できるようになり、リング上面５のみにリング面溝８を設ける場合よりも早いタイミングでリング上面５をセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に密着させることができる。その結果、オイルシール性能を更に向上させることができる。なお、リング下面溝８Ｂは、セカンドリング２０がリング下面溝８Ｂを有しない場合よりもリング下面６とセカンドリング溝４０２の下壁Ｗ２との接触面積を小さくすることができればよく、リング下面溝８Ｂは、必ずしも合口空間７と連通しなくともよい。

図５及び図６中の符号ｄ１は、ピストン４０がシリンダ５０に装着された場合における、シリンダ内壁５０ａからセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１の外周縁Ｗ１１までの最大離間距離を示す。ここで、ピストン４０がシリンダ５０内を往復する際、ピストン４０の首振り運動（ピストンスラップとも呼ぶ）によって、隙間ＰＣ１の大きさ、及びシリンダ内壁５０ａとセカンドリング溝４０２の外周縁Ｗ１１との離間距離が変化することがある。最大離間距離ｄ１は、ピストンスラップ等を考慮して想定される、シリンダ内壁５０ａとセカンドリング溝４０２の外周縁Ｗ１１との離間距離の最大値である。また、図５に示すように、リング外周面３の下縁（外周端）３１からリング上面溝８Ｔの外周縁８３Ｔまでの距離をａ６とする。このとき、本実施形態に係るセカンドリング２０は、ａ６＞ｄ１
となるように設計されている。

ここで、図３に示す破線は、セカンドリング２０が使用状態にあるときのセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１の外周縁Ｗ１１を示す。図３では、ピストンスラップ等によって、セカンドリング溝４０２の外周縁Ｗ１１がシリンダ内壁５０ａに対して最も離間した状態を示している。図３に示すように、セカンドリング２０の中心軸ＣＡ１とピストン４０の中心軸（即ち、外周縁Ｗ１１の中心）ＣＡ２とが不一致となっている。このような場合であっても、上述のように、ａ６＞ｄ１であることから、図３に示すように上壁Ｗ１の外周縁Ｗ１１よりも径方向内側の範囲（即ち、破線で示す円の内側）にリング上面溝８Ｔが位置する態様となる。これによると、リング上面５がセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１に押し付けられたときに、リング上面溝８Ｔ内のオイルが隙間ＰＣ１に流出することがリング上面５の外側上端面５３によって抑制される。その結果、オイル消費を低減することができる。また、上壁Ｗ１の外周縁Ｗ１１がリング上面溝８Ｔ内に入ることがないため、図６に示すように、リング上面５が上壁Ｗ１に押し付けられた状態において、セカンドリング２０が水平姿勢（軸方向と直交する姿勢）に安定する。その結果、リング外周面３を安定してシリンダ内壁５０ａに摺接させることができる。

同様に、図５及び図６に示すように、ピストン４０がシリンダ５０に装着された場合における、シリンダ内壁５０ａからセカンドリング溝４０２の下壁Ｗ２の外周縁Ｗ２１までの最大離間距離をｄ２とし、リング外周面３の下縁３１からリング下面溝８Ｂの外周縁８３Ｂまでの距離をａ７とする。このとき、本実施形態に係るセカンドリング２０は、ａ７＞ｄ２となるように設計されている。これにより、セカンドリング２０が使用状態にあるとき、下壁Ｗ２の外周縁Ｗ２１よりも径方向内側の範囲にリング下面溝８Ｂが位置する態様となる。これによると、リング下面６が下壁Ｗ２に押し付けられたときに、セカンドリング２０が水平姿勢（軸方向と直交する姿勢）となるため、リング外周面３を安定してシリンダ内壁５０ａに摺接させることができる。

図７は、ピストン４０の上昇行程の終盤においてセカンドリング溝４０２内のセカンドリング２０に捩れが生じた状態を示す断面図である。ピストン４０の上昇行程では、リング外周面３の下縁３１とシリンダ内壁５０ａとの間に生じる摩擦（フリクション）により、セカンドリング２０にねじれ作用が生じ、図７に示すように、セカンドリング溝４０２内におけるセカンドリング２０の姿勢が、径方向外側に向かって下がるように傾斜した傾斜姿勢となることがある。このとき、本実施形態に係るセカンドリング２０は、リング上面溝８Ｔの内周縁８４Ｔがリング内周面４よりも径方向外側に形成されており、且つ、リング上面５は、リング上面溝８Ｔの内周縁８４Ｔよりも径方向内側において平坦面に形成された内側上端面５４を有する。そのため、図７に示すように、リング外周面３の下縁３１がシリンダ内壁５０ａに当接し、内側上端面５４が上壁Ｗ１に当接した状態となる。これにより、ピストン４０の上昇行程の終盤においてクランク室７０側から上がってくるオイルがシールされ、オイル上がりが抑制されている。ここで、例えば、リング内周面４にリング上面溝８Ｔ内のオイルを排出する開口を設けた場合に、図７に示すような状態となると、クランク室７０側から上がってきたオイルが当該開口を通じて燃焼室６０側に流出する虞がある。これに対して、実施形態に係るセカンドリング２０は、リング面溝８内のオイルを排出する開口をリング内周面４側に設けず、合口空間７側のみに第１溝開口８１及び第２溝開口８２を設けることで、オイルシール性能を保持することができる。内側上端面５４は、本発明に係る「内側上端領域」の一例である。

更に、リング上面溝８Ｔが第１合口端面１から第２合口端面２に亘って周長方向に延在していることにより、即ち、リング上面溝８Ｔはセカンドリング２０の全周に亘って形成されていることにより、周長方向の全範囲における隙間Ｃ１内のオイルを、リング面溝８を通じて合口空間７に排出することができる。その結果、周長方向の全範囲において、リ
ング上面５とセカンドリング溝４０２の上壁Ｗ１との密着性を高めることができる。また、リング上面溝８Ｔが第１溝開口８１と第２溝開口８２において合口空間７と連通していることから、第１溝開口８１と第２溝開口８２の一方のみにおいて合口空間７と連通している場合と比較して、隙間Ｃ１内のオイルを合口空間７に排出し易くすることができる。但し、リング上面溝８Ｔは、セカンドリング２０の全周に亘って形成されていなくてもよい。例えば、リング上面溝８Ｔは、中途で間欠していてもよい。

また、上述したように、リング上面溝８Ｔの各寸法は適宜変更してもよい。リング上面溝８Ｔは、周長方向において幅寸法ａ３や深さ寸法ａ４が一定でなくともよい。例えば、リング上面溝８Ｔは、第１溝開口８１Ｔと第２溝開口８２Ｔにおいて、幅寸法ａ３や深さ寸法ａ４を他の部位よりも大きくすることでオイルを合口空間７に排出し易くしてもよい。また、リング外周面３の下縁３１からリング上面溝８Ｔの外周縁８３Ｔまでの距離ａ６やリング外周面３の下縁３１からリング下面溝８Ｂの外周縁８３Ｂまでの距離ａ７についても、周長方向において一定でなくともよい。但し、上述したオイル消費低減等の観点から、ａ６＞ｄ１、ａ７＞ｄ２であることが好ましい。

［変形例］
図８は、実施形態の変形例に係るセカンドリング８０の第１合口端面１の端面図である。図８に示すように、変形例に係るセカンドリング８０は、リング上面５にのみリング面溝８が形成されている点で、セカンドリング２０と相違する。セカンドリング８０は、セカンドリング２０と同様にリング上面溝８Ｔを有していることにより、オイルシール性能を向上させることができる。

［膜厚計測実験］
実施形態に係るセカンドリング２０によるオイル上がりの抑制効果を確認すべく、膜厚計測装置を用いた膜厚計測実験を行った。本実験に用いた膜厚計測装置は、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。膜厚計測装置は、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とも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し、蛍光強度分布に基づいてピストン外周面におけるオイルの膜厚（油膜厚さ）を算出する。

実験では、後述する実験例と比較例の夫々について、膜厚計測装置の内燃機関構造を運転させた場合における、ピストン外周面の油膜厚さを計測した。実験条件は、４ストロークエンジンにおいてエンジンブレーキを使用したときのオイルが吸い上げられる状況を再現するために、クランク回転数を２０００ｒｐｍとし、吸気管内のガス圧を絶対圧力で９ｋＰａとした。

［実験例］
実験例として、実施形態に係るセカンドリング２０を膜厚計測装置の内燃機関構造に設けた場合のピストン外周面の油膜厚さを計測した。実験例に係るセカンドリングは、実施形態に係るセカンドリング２０に相当する。即ち、実験例のセカンドリングは、リング本体の上下面において、全周に亘ってオイル排出溝が設けられている。

［比較例］
比較例として、従来のオイル排出溝が設けられていないセカンドリングを膜厚計測装置の内燃機関構造に設けた場合のピストン外周面の油膜厚さを計測した。比較例に係るセカンドリングは、実施形態に係るセカンドリング２０からリング上面溝８Ｔ及びリング下面溝８Ｂを排除した構成に相当する。

［実験結果］
図９は、膜厚計測実験において膜厚計測装置の内燃機関構造が１サイクル運転する間のピストン外周面のトップランドにおける油膜厚さを示すグラフである。図９中の横軸はクランク角度を示しており、縦軸は油膜厚さを示している。また、図１０は、実験例と比較例の油膜厚さの平均値を示すグラフである。図１０中の縦軸は図９に示す油膜厚さの平均値を示している。

図９に示すように、実施形態に係るセカンドリングを用いた実験例の方が、比較例よりも、トップランドにおける油膜厚さ（オイル量）が１サイクル（４ストローク）の全ての行程において減少していることがわかる。また、図１０に示すように、実験例は、比較例に対して、トップランドにおける油膜厚さの平均が凡そ２／５に減少していることがわかる。これにより、実施形態に係るセカンドリングによるオイル上がりの抑制効果を確認することができた。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、油膜厚さ計測実験における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１１Ａ及び図１１Ｂに示す縦長帯状の白黒画像は、ピストン外周面の蛍光強度分布（即ち、油膜厚さ分布）を示し、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１１Ａは、実験例の吸気行程におけるピストン外周面を示しており、図１１Ｂは、比較例の吸気行程におけるピストン外周面を示している。

図１１Ａと図１１Ｂとを比較することにより、実施形態に係るセカンドリングを用いた実験例の方が、比較例よりも吸気行程においてトップランドに存在するオイル量が少ないことがわかる。

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。本発明に係るコンプレッションリングは、セカンドリングに限定されない。本発明のコンプレッションリングの構成は、トップリングにも採用することができる。

１００ ：内燃機関
１０ ：トップリング
２０ ：セカンドリング
３０ ：オイルリング
１ ：第１合口端面
２ ：第２合口端面
３ ：リング外周面
３１ ：下縁（外周端）
４ ：リング内周面
５ ：リング上面
５３ ：外側上端面
５４ ：内側上端面（内側上端領域）
６ ：リング下面
６３ ：外側下端面
６４ ：内側下端面
７ ：合口空間
８ ：リング面溝
８１ ：第１溝開口
８２ ：第２溝開口
８３ ：外周縁
８４ ：内周縁
９ ：溝形成面
４０ ：ピストン
４０ａ ：ピストン外周面
４０１ ：トップリング溝
４０２ ：セカンドリング溝
４０３ ：オイルリング溝
Ｗ１ ：上壁
Ｗ１１ ：上壁外周縁
Ｗ２ ：下壁
Ｗ２１ ：下壁外周縁
５０ ：シリンダ
５０ａ ：シリンダ内壁
６０ ：燃焼室
７０ ：クランク室

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダに装着されるピストンに形成されたリング溝に設けられるコンプレッションリングであって、
   リング状を有するリング本体と、前記リング本体に設けられ、互いに対向することで合口空間を形成する一対の合口端面と、を有し、
   前記リング本体において前記リング溝の上壁と対向するリング上面には、前記コンプレッションリングの周長方向に沿うとともに前記合口空間に連なるオイル排出溝が形成されており、
   前記リング本体の外周端から前記オイル排出溝の外周縁までの距離は、前記ピストンが前記シリンダに装着された場合における前記シリンダの内壁から前記リング溝の上壁の外周縁までの最大離間距離よりも大きい、
   コンプレッションリング。
2. 前記オイル排出溝の内周縁は、前記リング本体の内周面よりも該コンプレッションリングの径方向外側に形成されており、
   前記リング上面は、前記オイル排出溝の内周縁よりも該コンプレッションリングの径方向内側において平坦面に形成された内側上端領域を有し、
   前記オイル排出溝は、前記リング本体の内周面に開口せず、前記合口空間にのみ開口している、
   請求項１に記載のコンプレッションリング。
3. 前記オイル排出溝は、前記コンプレッションリングの周長方向に沿って、前記一対の合口端面の一方から他方に亘って形成されている、
   請求項１又は２に記載のコンプレッションリング。
4. 前記リング本体において前記リング溝の下壁と対向するリング下面には、前記コンプレッションリングの周長方向に沿ってリング下面溝が形成されている、
   請求項１から３の何れか一項に記載のコンプレッションリング。