JP7052157B1 - ピストンリングの組合せ、及びピストンとピストンリングとの組合せ構造 - Google Patents

Abstract

ピストンに組付けられるピストンリングの組合せは、第１コンプレッションリングと第２コンプレッションリングと第３コンプレッションリングとオイルリングと、を含み、第１コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（１）とし、第２コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（２）とし、前記第３コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（３）とし、オイルリングの軸方向幅をｈ１（４）としたとき、ｈ１（１）≧ｈ１（２）、且つ、ｈ１（１）≧ｈ１（３）であり、ｈ１（ＴＯＴＡＬ）＝ｈ１（１）＋ｈ１（２）＋ｈ１（３）＋ｈ１（４）としたとき、ｈ１（ＴＯＴＡＬ）≧３．９ｍｍである。

Description

特許法第３０条第２項適用 ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｔｐｒ．ｃｏ．ｊｐ／ａｓｓｅｔｓ／ｐｄｆ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ／ｐｉｓｔｏｎｒｉｎｇ／ｃｍ＿３．ｐｄｆ ウェブサイトの掲載日 令和２年１０月１３日

本発明は、ディーゼル機関に代表される圧縮着火機関においてピストンに組付けられるピストンリングの組合せ、及びピストンとピストンリングとの組合せ構造に関する。

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）とオイルリングとを含むピストンリングの組合せをピストンに形成されたリング溝に装着した構成を採用している。ピストンの軸方向において、コンプレッションリングが燃焼室側に設けられ、オイルリングがクランク室側に設けられ、これらがシリンダの内壁面を摺動することで能力を発揮する。燃焼室から最も遠いオイルリングは、シリンダの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の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コンプレッションリングや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。一般的な自動車に搭載されるディーゼルエンジンに例示される圧縮着火機関は、２本のコンプレッションリングと１本のオイルリングを用いることが一般的である。

これに関連して、特許文献１には、複数本のピストンリングをピストンに組み付けた内燃機関において、ピストンリングの合口隙間の幅を最上段のピストンリングにおいて最大とし、下段のピストンリングになるに従って小さくする構造が開示されている。これによると、各リングがシリンダライナに押し付けられる力が等しくなり、各リングの摩耗量を同程度とすることができる。

実開昭６２－０６３４６０号公報 特公平０５－０２５０２４号公報

近年の内燃機関の高出力化に伴い、環境性能における対策が急務であり、特に、ブローバイガスの低減が重要な課題となっている。ディーゼルエンジンに例示される圧縮着火機関では特に大型ディーゼルエンジンにおいて、目的は異なるがコンプレッションリングを３本以上用いることでいずれかのリングに摩耗等が生じてもコンプレッションリングとしての機能を長く維持することを可能とし、メンテナンス頻度を少なくすることが行われている。しかしながら、３本以上のコンプレッションリングをピストンに組み付けるためにはピストンの軸方向長さを長くする必要があることから、ピストンの重量は増加し、エンジン本体の重量も増加する。特に圧縮比の高いディーゼルエンジンにおいて気密性を向上させるためにコンプレッションリングを３本以上用いることは、ピストンの重量増加やフリクション増大につながり、乗用自動車等に搭載される小型のディーゼルエンジンについては、ピストンの軽量化と低フリクションが重視されることから、コンプレッションリングの本数を増やすことは困難であった。

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、ディーゼルエンジンに例示される圧縮着火機関において、フリクションの増加やピストンの重量増加を抑えつつもブローバイガスを低減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、ピストンに３本のコンプレッションリングと１本のオイルリングを組み付ける構成としたが、これに伴うフリクションの増大やピストン重量の増加を抑えるために、各コンプレッションリング、特にサードリング（第３コンプレッションリング）の機能に着目した。具体的には、各コンプレッションリングの強度を確保しつつも薄幅化し、軸方向幅の適切な組み合わせと加えて張力の適正な配分を考えることによりフリクションの増大を押さえつつブローバイガスの低減を可能とした。更に、各ピストンランド部の軸方向長さに加えてランド空間の容積配分も考慮することで、ピストンの重量増加を抑えつつもブローバイガスの低減を可能とした。

具体的には、本発明は、圧縮着火機関のシリンダに装着されるピストンに組み付けられる複数のピストンリングの組合せであって、燃焼室に最も近い位置に組み付けられる第１コンプレッションリングと、前記第１コンプレッションリングの次に燃焼室に近い位置に組み付けられる第２コンプレッションリングと、前記燃焼室から最も遠い位置に組み付けられるオイルリングと、前記第２コンプレッションリングと前記オイルリングとの間の位置に組み付けられる第３コンプレッションリングと、を含み、前記第１コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（１）とし、前記第２コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（２）とし、前記第３コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（３）とし、前記オイルリングの軸方向幅をｈ１（４）としたとき、ｈ１（１）≧ｈ１（２）、且つ、ｈ１（１）≧ｈ１（３）であり、ｈ１（ＴＯＴＡＬ）＝ｈ１（１）＋ｈ１（２）＋ｈ１（３）＋ｈ１（４）としたとき、ｈ１（ＴＯＴＡＬ）≧３．９ｍｍである、ピストンリングの組合せである。

本発明において、前記第１コンプレッションリングの張力をＦｔ（１）とし、前記第２コンプレッションリングの張力をＦｔ（２）とし、前記第３コンプレッションリングの張力をＦｔ（３）とし、前記オイルリングの張力をＦｔ（４）とし、前記圧縮着火機関のシリンダボアの直径をｄ１としたとき、Ｆｔ（１）＞Ｆｔ（３）であって、Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）＝Ｆｔ（１）＋Ｆｔ（２）＋Ｆｔ（３）＋Ｆｔ（４）としたとき、０．６８Ｎ／ｍｍ≧Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）／ｄ１であってもよい。

本発明において、前記第３コンプレッションリングの捩れ角度は、前記第３コンプレッションリングを前記ピストンに組付け、且つ、前記ピストンを前記シリンダに装着した状態で、２０′±４０′であってもよい。

本発明において、前記第３コンプレッションリングの外周面は、テーパ形状又はテーパアンダーカット形状に形成されていてもよい。

本発明において、２．０ｍｍ≧ｈ１（１）、２．０ｍｍ≧ｈ１（２）、１．５ｍｍ≧ｈ１（３）であってもよい。

本発明において、前記オイルリングは、径方向外側へ突出する一対のレール部が軸方向両側に設けられたリング本体と、前記リング本体を径方向外側へ付勢するエキスパンダと、を含む、所謂２ピースのオイルリングであってもよい。

また、本発明は、前記ピストンと前記ピストンリングの組合せとを備える、圧縮着火機関のピストンとピストンリングとの組合せ構造であってよく、前記ピストンの外周面には、前記第１コンプレッションリングが装着される第１リング溝と、前記第２コンプレッションリングが装着される第２リング溝と、前記第３コンプレッションリングが装着される第３リング溝と、前記オイルリングが装着されるオイルリング溝と、が形成され、前記ピストンの軸方向における、前記第１リング溝の燃焼室側の端面から前記オイルリング溝のクランク室側の端面までの長さをＬｐとしたとき、Ｌｐ≧６．３ｍｍであり、前記ピストンの外周面のうち前記第１リング溝と前記第２リング溝とによって画定される領域である第２ランド部の前記ピストンの軸方向における長さをＬｐ２とし、前記第３リング溝と前記オイルリング溝とによって画定される領域である第４ランドの前記ピストンの軸方向における長さをＬｐ４としたとき、Ｌｐ２＞Ｌｐ４であってもよい。

本発明において、前記ピストンの外周面のうち前記第２リング溝と前記第３リング溝とによって画定される領域である第３ランド部の前記ピストンの軸方向における長さをＬｐ３としたとき、Ｌｐ３≧Ｌｐ４、Ｌｐ３≧０．７ｍｍ、Ｌｐ４≧０．６ｍｍであってもよい。

本発明において、前記ピストンと前記シリンダと前記第１コンプレッションリングと前記第２コンプレッションリングとによって囲まれた空間である第２空間の容積をＶ２とし、前記ピストンと前記シリンダと前記第３コンプレッションリングと前記オイルリングとによって囲まれた空間である第４空間の容積をＶ４としたとき、Ｖ２＞Ｖ４であってもよい。

本発明において、前記圧縮着火機関のシリンダボアの直径をｄ１とし、Ｖｐ＝（ｄ１／２）^２×π×Ｌｐとしたとき、Ｖ４／Ｖｐ≧０．０００２７であってもよい。

本発明によれば、圧縮着火機関において、ピストンの重量増加を抑えつつもブローバイガスを低減することが可能となる。

実施形態に係るピストン構造を備える圧縮着火機関の一部を示す図である。 実施形態に係るピストン構造を備える圧縮着火機関の部分断面図である。 実施形態に係るピストンの部分断面図である。 比較例に係るピストン構造を備える圧縮着火機関の部分断面図である。 実施例に係るピストン構造と比較例に係るピストン構造のブローバイ量を比較したグラフである。 サードリングの捩れ角度とブローバイ量との関係を示すグラフである。 サードリングの捩れ角度とオイル消費量との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明に係るピストンとピストンリングとの組合せ構造をディーゼルエンジンに例示される圧縮着火機関に適用したものである。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。

［全体構成］
図１は、実施形態に係るピストンとピストンリングとの組合せ構造（以下、ピストン構造）１１０を備える圧縮着火機関１００の一部を示す図である。図２は、実施形態に係るピストン構造１１０を備える圧縮着火機関１００の部分断面図である。図３は、実施形態に係るピストン２０の部分断面図である。図２及び図３では、ピストンの中心軸に沿う断面が図示されている。図１に示すように、実施形態に係る圧縮着火機関１００は、シリンダ１０と、シリンダ１０に装着されたピストン２０と、ピストン２０に組み付けられた複数のピストンリングからなるピストンリングの組合せ１２０と、を備える。図２に示すように、圧縮着火機関１００では、ピストン２０の外周面２０ａとシリンダ１０の内壁面１０ａとの間に所定の離間距離Ｄ１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。圧縮着火機関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。圧縮着火機関１００のうち、ピストン２０とピストンリングの組合せ１２０とを含む構成がピストン構造１１０である。以下、ピストン構造１１０について説明する。

［ピストン］
図３に示すように、ピストン２０の外周面２０ａには、ピストン２０の軸方向に所定の間隔を空けて上側（燃焼室３０側）から順に第１リング溝２０１と第２リング溝２０２と第３リング溝２０３と第４リング溝２０４とが形成されている。以下、第１リング溝２０１、第２リング溝２０２、第３リング溝２０３、及び第４リング溝２０４を区別せずに説明する場合には、単に「リング溝」と称する。

リング溝は、ピストン２０の軸回りに環状に延びる溝として外周面２０ａの全周に形成されている。図２に示すように、各リング溝は、上下に対向配置された一対の溝壁（内壁）を含んで形成されている。一対の溝壁のうち、上側の溝壁を上壁Ｗ１と称し、下側の溝壁を下壁Ｗ２と称する。また、各リング溝における、上壁Ｗ１の内周縁と下壁Ｗ２の内周縁とを接続する溝壁を底壁Ｗ３と称する。なお、第４リング溝２０４の底壁Ｗ３には、第４リング溝２０４内に流れたオイルをクランク室４０へ排出するためのドレーンホールＨ１が形成されている。但し、第４リング溝２０４にドレーンホールＨ１が形成されていなくともよい。

図３に示すように、ピストン２０にリング溝が形成されることで、ピストン２０には、燃焼室側から順に、第１ランド部Ｌ１、第２ランド部Ｌ２、第３ランド部Ｌ３、第４ランド部Ｌ４、及びスカート部ＰＳ１が画定されている。第１ランド部Ｌ１は、第１リング溝２０１よりも燃焼室３０側の部位である。第２ランド部Ｌ２は、第１リング溝２０１と第２リング溝２０２との間の部位である。第３ランド部Ｌ３は、第２リング溝２０２と第３リング溝２０３との間の部位である。第４ランド部Ｌ４は、第３リング溝２０３と第４リング溝２０４との間の部位である。スカート部ＰＳ１は、第４リング溝２０４よりもクランク室４０側の部位である。以下、第２ランド部Ｌ２のピストン２０の軸方向における長さ（軸方向長さ）をＬｐ２とし、第３ランド部Ｌ３の軸方向長さをＬｐ３とし、第４ランド部Ｌ４の軸方向長さをＬｐ４とする。また、第２ランド部Ｌ２におけるピストン２０の直径をφ２とし、第３ランド部Ｌ３におけるピストン２０の直径をφ３とし、第４ランド部Ｌ４におけるピストン２０の直径をφ４とする。そして、図３に示すように、ピストン２０において、第１リング溝２０１の燃焼室３０側の端面である上壁Ｗ１から第４リング溝２０４のクランク室４０側の端面である下壁Ｗ２までの領域をリング装着領域２０ｂとする。また、リング装着領域２０ｂの軸方向長さをＬｐとする。

［ピストンリング］
図２に示すように、実施形態に係るピストン構造１１０では、トップリング１、セカンドリング２、サードリング３を含む３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４とを含む計４本のピストンリングの組合せ１２０がピストン２０に組み付けられている。本明細書では、トップリング１、セカンドリング２、サードリング３、及びオイルリング４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。ピストンリングは、内燃機関のシリンダに装着されたピストンに組み付けられ、ピストンの往復運動に伴ってシリンダの内壁面を摺動する摺動部材である。実施形態では、第１リング溝２０１にトップリング１が装着され、第２リング溝２０２にセカンドリング２が装着され、第３リング溝２０３にサードリング３が装着され、第４リング溝２０４にオイルリング４が装着されている。以下、図２に示すように各ピストンリングがピストン２０に組み付けられ、且つ、ピストン２０がシリンダ１０に装着された状態を、「使用状態」と称する。また、図２に示すように、ピストンリングの中心軸に沿う方向（軸方向）をピストンリングの「上下方向」と定義する。また、ピストンリングの軸方向のうち、圧縮着火機関１００における燃焼室３０側（図２における上側）を「上側」と定義し、その反対側、即ち、クランク室側（図２における下側）を「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外周面形状のことを指し、頂部が上下中央に位置する対称バレル形状や頂部が上下中央より上下どちらかにオフセットする偏心バレル形状を含むものとする。

トップリング１は、ピストンリングの組合せ１２０を構成する複数のピストンリングの中で燃焼室３０に最も近い位置に組み付けられるコンプレッションリングである。トップリング１は、本発明に係る「第１コンプレッションリング」の一例に相当する。

本例のトップリング１の断面形状は、レクタンギュラ形状となっている。このトップリング１は、外周面１１と内周面１２と上面１３と下面１４とを有する。上面１３と下面１４とによって、トップリング１の軸方向における幅が規定される。外周面１１は、バレル形状に形成されている。トップリング１は、圧縮着火機関１００において、その軸方向における両端面の一方である上面１３が上側に面すると共に他方である下面１４が下側に面し、外周面１１がシリンダ１０の内壁面１０ａに摺接するように、ピストン２０に組み付けられる。なお、本発明に係る第１コンプレッションリングの形状は上記に限定されない。第１コンプレッションリングとしては、種々の形状のコンプレッションリングを採用できる。例えば、第１コンプレッションリングは、その外周面がストレート形状やテーパ形状であってもよい。また、第１コンプレッションリングは、その断面形状がベベル形状やキーストン形状、ハーフキーストン形状であってもよい。

セカンドリング２は、ピストンリングの組合せ１２０を構成する複数のピストンリングの中でトップリング１の次に燃焼室３０に近い位置に組み付けられるコンプレッションリングである。セカンドリング２は、本発明に係る「第２コンプレッションリング」の一例に相当する。

本例のセカンドリング２の断面形状は、トップリング１と同様に、レクタンギュラ形状となっている。このセカンドリング２は、外周面２１と内周面２２と上面２３と下面２４とを有する。上面２３と下面２４とによって、セカンドリング２の軸方向における幅が規定される。外周面２１は、下側に向かうに従って拡幅するように傾斜したテーパ形状に形成されている。

サードリング３は、セカンドリング２とオイルリング４との間の位置に組み付けられるコンプレッションリングである。サードリング３は、本発明に係る「第３コンプレッションリング」の一例に相当する。このサードリング３は、外周面３１と内周面３２と上面３３と下面３４とを有する。上面３３と下面３４とによって、サードリング３の軸方向における幅が規定される。本例のサードリング３は、セカンドリング２と同じ形状のものが用いられている。つまり、本例のサードリング３は、断面形状がレクタンギュラ形状となっており、外周面３１がテーパ形状となっている。

なお、本発明に係る第２コンプレッションリング及び第３コンプレッションリングの形状は、上記に限定されない。第２コンプレッションリング及び第３コンプレッションリングとしては、種々の形状のコンプレッションリングを採用できる。例えば、その外周面がバレル形状やテーパ形状であってもよい。また、その断面形状がベベル形状、キーストン形状、ハーフキーストン形状、スクレーパ（ステップ）形状であってもよい。また、各コンプレッションリングの形状が異なっていてもよい。

これらのトップリング１、セカンドリング２、及びサードリング３は、使用状態において外周面がシリンダ１０の内壁面１０ａを押圧するように自己張力を有している。これにより、ガスシール機能やオイルシール機能が得られる。

図１において、符号Ｇ１はトップリング１に形成された合口隙間を示し、符号Ｇ２はセカンドリング２に形成された合口隙間を示し、符号Ｇ３はサードリング３に形成された合口隙間を示す。トップリング１の合口隙間Ｇ１の大きさをＣ１とし、セカンドリング２の合口隙間Ｇ２の大きさをＣ２とし、サードリング３の合口隙間Ｇ１の大きさをＣ３とする。

オイルリング４は、ピストンリングの組合せ１２０を構成する複数のピストンリングの中で燃焼室３０から最も遠い位置に組み付けられるピストンリングである。本例のオイルリング４は、所謂２ピース型の組合せオイルリングであり、図２に示すように、一対のレール部５１，５１が一体化されたオイルリング本体５と、オイルリング本体５を径方向外側へ付勢するコイルエキスパンダ６と、を備える。

一対のレール部５１，５１は、オイルリング４の周長方向に沿うように環状に形成されており、オイルリング４の軸方向に並んで設けられている。本例に係るオイルリング４は、一対のレール部５１，５１を、同一の形状としている。一対のレール部５１，５１の夫々の外周面は、ストレート形状に形成されている。コイルエキスパンダ６は、オイルリング本体５の径方向内側に設けられており、オイルリング本体５を径方向外側へ付勢する。これにより、一対のレール部５１，５１がシリンダ１０の内壁面１０ａを押圧する。これにより、オイルシール機能が得られる。

なお、本発明に係るオイルリングの形状は、上記に限定されない。実施形態では、一対のレール部５１，５１の形状を同一としているが、本発明は、一対のレール部の形状が異なっていてもよい。また、レール部の外周端面の形状はストレート形状に限定されず、対称バレル形状、テーパ形状、偏心バレル形状などであってもよい。また、一対のレール部の外周端面の形状が各々異なってもよい。また、実施形態では、所謂２ピース型のオイルリングとしているが、オイルリングは、コイルエキスパンダを有さず、単体の部材で機能する形態であってもよい。また、本発明は、所謂３ピース型のオイルリングであって、該オイルリングの周長方向に沿うように環状に形成されると共に互いに独立して前記オイルリングの軸方向に並んで設けられる一対のセグメントと、前記一対のセグメント同士の間に配置されるスペーサエキスパンダから構成される形態であってもよい。

ここで、図２に示すように、トップリング１の軸方向幅をｈ１（１）とし、セカンドリング２の軸方向幅をｈ１（２）とし、サードリング３の軸方向幅をｈ１（３）とし、オイルリング４の軸方向幅をｈ１（４）とする。また、コンプレッションリングの軸方向幅の合計をｈ１（ＣＯＭＰ）とし、ピストンリングの軸方向幅の合計をｈ１（ＴＯＴＡＬ）とする。つまり、ｈ１（ＣＯＭＰ）＝ｈ１（１）＋ｈ１（２）＋ｈ１（３）であり、ｈ１（ＴＯＴＡＬ）＝ｈ１（１）＋ｈ１（２）＋ｈ１（３）＋ｈ１（４）である。

［ランド空間］
図２に示すように、シリンダ１０の内壁面１０ａとピストン２０の外周面２０ａとの間の空間がピストンリングによって仕切られることで、第２ランド空間５０ａ、第３ランド空間５０ｂ、及び第４ランド空間５０ｃが形成されている。

第２ランド空間５０ａは、シリンダ１０とピストン２０とトップリング１とセカンドリング２とによって囲まれた空間である。より詳細には、第２ランド空間５０ａは、シリンダ１０の内壁面１０ａとピストン２０の第２ランド部Ｌ２における外周面２０ａとトップリング１の下面１４とセカンドリング２の上面２３とによって画定されている。

第３ランド空間５０ｂは、シリンダ１０とピストン２０とセカンドリング２とサードリング３とによって囲まれた空間である。より詳細には、第３ランド空間５０ｂは、シリンダ１０の内壁面１０ａとピストン２０の第３ランド部Ｌ３における外周面２０ａとセカンドリング２の下面２４とサードリング３の上面３３とによって画定されている。

第４ランド空間５０ｃは、シリンダ１０とピストン２０とサードリング３とオイルリング４とによって囲まれた空間である。より詳細には、第４ランド空間５０ｃは、シリンダ１０の内壁面１０ａとピストン２０の第４ランド部Ｌ４における外周面２０ａとサードリング３の下面３４とオイルリング４の上面とによって画定されている。

ここで、第２ランド空間５０ａの容積をＶ２とし、第３ランド空間５０ｂの容積をＶ３とし、第４ランド空間５０ｃの容積をＶ４とする。各ランド空間の容積は、シリンダ１０の内径、ピストン２０の外径、及び隣接するリング溝同士の間隔（各ランド部の軸方向長さ）などに基づいて導出される。具体的には、図１に示すようにシリンダボアの直径（シリンダ１０の内径）をｄ１とすると、Ｖ２＝（（ｄ１／２）^２－（φ２／２）^２）×π×Ｌｐ２、Ｖ３＝（（ｄ１／２）^２－（φ３／２）^２）×π×Ｌｐ３、Ｖ４＝（（ｄ１／２）^２－（φ４／２）^２）×π×Ｌｐ４と表すことができる。なお、各ランド部には凹部や面取り部などの切り欠き部が形成されてもよい。これにより、各ランド空間の容積を調整することができる。また、各ランド空間の容積には凹部や面取り部などの切り欠き部の容積も含まれる。

図４は、比較例に係るピストン構造２１０を備える圧縮着火機関２００の部分断面図である。比較例に係るピストン構造２１０は、ピストン２０に第３リング溝２０３が形成されておらず、ピストン２０に組み付けられるピストンリングの組合せ２２０がサードリング３を有しない点でピストン構造１１０と相違する。そのため、ピストン構造２１０の第３ランド空間５０ｂは、セカンドリング２とオイルリング４とによって画定されている。また、ピストン構造２１０では、第４ランド空間５０ｃが形成されていない。

ここで、圧縮着火機関においては、燃焼室に近い第２ランド空間の圧力の方が第３ランド空間の圧力よりも高くなる傾向があるが、その圧力差が大きいと、第２ランド空間に流入したガスがセカンドリングの合口隙間を通って第３ランド空間へ流出し易くなり、ブローバイガスの増加の要因となる。特に、高出力化を図るために筒内圧の高い圧縮着火機関において、その傾向は顕著となる。

これに対して、実施形態に係るピストン構造１１０では、セカンドリング２とオイルリング４との間にサードリング３が組み付けられることで、セカンドリング２とサードリング３とによって第３ランド空間５０ｂが画定されている。そのため、実施形態では、セカンドリングとオイルリングとの間にコンプレッションリングが組み付けられていない比較例に係るピストン構造２１０と比較して、サードリング３がガスをシールすることによって、第３ランド空間５０ｂの圧力を高くすることができる。これにより、比較例に係るピストン構造２１０と比較して、第２ランド空間５０ａと第３ランド空間５０ｂとの圧力差を小さくすることができ、第２ランド空間５０ａから第３ランド空間５０ｂへのガスの流出を抑えることができる。その結果、ブローバイガスを低減することができる。つまり、ピストン構造１１０は、トップリング１とオイルリング４との間に組み付けるコンプレッションリングの本数を１本から２本に増やして第２ランド空間５０ａと第３ランド空間５０ｂとの圧力差を小さくすることで所謂ラビリンス効果を高め、ガスシール性能を向上させることができる。

更に、実施形態に係るピストン構造１１０では、薄型のコンプレッションリングを用いることで、リング装着領域２０ｂの軸方向長さＬｐを比較例よりも長くしなくとも、３本のコンプレッションリングを組み付けることが可能となる。つまり、ピストン２０の軸方向長さを長くする必要がない。これにより、ピストン２０の重量の増加を抑えながらもブローバイガスを低減できる。

［実施例］
表１に、本発明の実施例１～４と比較例１～４に係るピストンとピストンリングとの組合せ構造における各ピストンリングの軸方向幅及び各ランド部の軸方向長さを示す。

実施例１～実施例４は、図１～３で示したピストン構造１１０と同様に構成されている。比較例１～比較例４は、図４で示したピストン構造２１０と同様に構成されている。表１に示すように、リング装着領域２０ｂの軸方向長さＬｐは、トップリング１の軸方向幅ｈ１（１）、第２ランド部Ｌ２の軸方向長さＬｐ２、セカンドリング２の軸方向幅ｈ１（２）、第３ランド部Ｌ３の軸方向長さＬｐ３、サードリング３の軸方向幅ｈ１（３）、第４ランド部Ｌ４の軸方向長さＬｐ４、及びオイルリング４の軸方向幅ｈ１（４）の合計値で近似される。

表１に示すように、実施例１～４のピストン構造では、ｈ１（１）≧ｈ１（２）、且つ、ｈ１（１）≧ｈ１（３）であり、ｈ１（ＴＯＴＡＬ）≧３．９ｍｍとなっている。トップリング１は、３本のコンプレッションリングのうち燃焼室に最も近い位置に組付けられるため、燃焼ガスの圧力による負荷が最も大きなコンプレッションリングとなる。実施例１～４では、各ピストンリングの軸方向幅の合計であるｈ１（ＴＯＴＡＬ）を３．９ｍｍ以上としつつも、３本のコンプレッションリングの中でトップリング１の軸方向幅ｈ１（１）を最大とすることで、トップリング１の強度を確保できる。これにより、各ピストンリングの強度を確保しつつもこれらを薄幅化することができる。また、セカンドリング２及びサードリング３をトップリング１よりも薄幅とすることで、セカンドリング２及びサードリング３を軽量化できる。なお、本発明は、実施例１，３のように、ｈ１（１）＞ｈ１（２）としてもよい。更に、実施例２～４のピストン構造では、ｈ１（ＴＯＴＡＬ）≧５．４ｍｍとすることで、各ピストンリングの強度をより高めている。但し、本発明はこれに限定されない。

また、実施例１～４のピストン構造では、１０ｍｍ≧ｈ１（ＴＯＴＡＬ）となっている。ｈ１（ＴＯＴＡＬ）が１０ｍｍ以下となるように各ピストンリングを薄幅とすることで、リング装着領域２０ｂの軸方向長さＬｐが長くなることを抑制できる。その結果、ピストン２０の重量の増加を抑制しつつも、３本のコンプレッションリングによるブローバイガスの低減が可能となる。更に、実施例１～４のピストン構造では、９．５ｍｍ≧ｈ１（ＴＯＴＡＬ）とすることで、ピストン２０の重量増加を更に抑制している。また、実施例１～４のピストン構造では、各コンプレッションリングを薄幅にして、５．５ｍｍ≧ｈ１（ＣＯＭＰ）とすることで、ピストン２０の重量増加の抑制を実現している。特に、実施例１～３のピストン構造では、３．９ｍｍ≧ｈ１（ＣＯＭＰ）とすることで、ピストン２０の重量増加を更に抑制している。但し、本発明はこれに限定されない。

また、実施例１～４のピストン構造では、２．０ｍｍ≧ｈ１（１）、２．０ｍｍ≧ｈ１（２）、１．５ｍｍ≧ｈ１（３）となっている。このように各コンプレッションリングを薄幅とすることで、リング装着領域２０ｂの軸方向長さＬｐをより短くすることができる。また、サードリング３を薄くして軽量化することで、サードリング３の慣性力を小さくすることができる。これにより、サードリング３の浮き上がりを軽減し、サードリング３の下面３４のシール性能を高めることができる。

また、実施例１～４のピストン構造では、Ｌｐ≧６．３ｍｍであり、Ｌｐ２＞Ｌｐ４となっている。リング装着領域２０ｂ全体の軸方向長さＬｐを６．３ｍｍ以上とし、燃焼室により近く強度が必要な第２ランド部Ｌ２の軸方向長さＬｐ２を第４ランド部Ｌ４の軸方向長さＬｐ４よりも長くすることで、各ランド部の強度を確保できる。また、Ｌｐ２＞Ｌｐ４とすることで、後述のようにＶ２＞Ｖ４とすることができる。なお、実施例２～４のように、Ｌｐ≧１０．８ｍｍとしてもよい。これにより、各ランド部の強度を高めることができる。但し、本発明はこれに限定されない。

また、実施例１～４のピストン構造では、３０ｍｍ≧Ｌｐとなっている。各コンプレッションリングや各ランド部を薄幅にしてＬｐを３０ｍｍ以下とすることで、ピストン２０の重量の増加を抑制できる。但し、本発明はこれに限定されない。

また、実施例１～４のピストン構造では、Ｌｐ３≧Ｌｐ４であり、Ｌｐ３≧０．７ｍｍ、Ｌｐ４≧０．６ｍｍとなっている。第４ランド部Ｌ４よりも燃焼室に近い第３ランド部Ｌ３の軸方向長さＬｐ３を第４ランド部Ｌ４の軸方向長さＬｐ４よりも長くし、Ｌｐ３を０．７ｍｍ以上とし、Ｌｐ４を０．６ｍｍ以上とすることで、第３ランド部Ｌ３及び第４ランド部Ｌ４の強度を好適に確保できる。

また、上述のように、実施例１～４のピストン構造では、Ｌｐ２＞Ｌｐ４とすることで、Ｖ２＞Ｖ４となっている。これによると、燃焼室から遠い第４ランド空間５０ｃの容積Ｖ４を第２ランド空間５０ａの容積Ｖ２よりも小さくすることで、Ｖ４がＶ２よりも大きい場合に比べて、隣接するランド空間同士の圧力差を小さくすることができる。これにより、第２ランド空間５０ａから第３ランド空間５０ｂに流れるガスや第３ランド空間５０ｂから第４ランド空間５０ｃに流れるガスを低減できる。但し、本発明はこれに限定されない。

図５は、実施例に係るピストン構造と比較例に係るピストン構造のブローバイ量を比較したグラフである。図５の横軸はリング装着領域の軸方向長さＬｐを示し、縦軸はブローバイ量の比率を示す。図５に示すように、実施例の方が比較例よりもブローバイガスの量が少ない。

なお、実施形態において、Ｖｐ＝（ｄ１／２）^２×π×Ｌｐとしたとき、Ｖ４／Ｖｐ≧０．０００２７とすることが好ましい。但し、本発明はこれに限定されない。Ｖｐは、リング装着領域２０ｂにおけるシリンダボアの容積となる。Ｖ４／Ｖｐ≧０．０００２７とすることで、第４ランド空間５０ｃの圧力が過度に上昇することを抑制できる。これにより、サードリング３の浮き上がりを軽減し、サードリング３の下面３４のシール性能を高めることができる。

ここで、トップリング１の張力をＦｔ（１）とし、セカンドリングの張力をＦｔ（２）とし、サードリングの張力をＦｔ（３）とし、オイルリング４の張力をＦｔ（４）とし、Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）＝Ｆｔ（１）＋Ｆｔ（２）＋Ｆｔ（３）＋Ｆｔ（４）とする。Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）は、即ち、各ピストンリングの張力の合計である。このとき、フリクション低減の観点では、Ｆｔ（１）＞Ｆｔ（３）とし、０．６８Ｎ／ｍｍ≧Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）／ｄ１とすることが好ましい。但し、本発明はこれに限定されない。これによると、燃焼室３０に最も近いトップリング１の張力Ｆｔ（１）をサードリング３の張力Ｆｔ（３）よりも大きくすることで、ブローバイガスの低減性能を好適に保つことができる。また、０．６８Ｎ／ｍｍ≧Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）／ｄ１とすることで、４本のピストンリングを用いながらも、従来の３本のピストンリングを用いるピストン構造と同程度のフリクションとすることができる。つまり、フリクションの増加を抑制できる。なお、フリクション低減の観点では、０．５７Ｎ／ｍｍ≧Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）／ｄ１とすることがより好ましく、０．５４Ｎ／ｍｍ≧Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）／ｄ１とすることが更に好ましい。

また、サードリング３のシール性能の観点では、サードリング３をピストン２０に組付け、且つ、ピストン２０をシリンダ１０に装着した使用状態において、サードリング３の捩れ角度が２０′±４０′であることが好ましい。捩れ角度は、水平面（ピストンの軸と直交する平面）に対するサードリング３の軸方向端面（上下面）の傾斜角度として定義される。軸方向端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、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。また、捩れ角度の測定には、例えば、シリンダボアの直径ｄ１に等しい直径の測定用リングゲージ内に合い口を閉じたサードリング３を挿入した状態で、表面粗さ計等を用いて軸方向端面を測定し、捩れ角度を算出する方法を用いてもよい。実施形態において、サードリング３が上記の範囲で捩れを有することで、サードリング３が第３ランド空間５０ｂの圧力を受けたときに、サードリング３の下面３４のシール性能を高めることができる。図６は、サードリング３の捩れ角度（捩れ量）とブローバイ量との関係を示すグラフである。図６の横軸はサードリング３の捩れ角度を示し、縦軸はブローバイ量の比率を示す。図６に示すように、捩れ角度が－２０′～８０′の範囲では、サードリングのガスシール性能が十分に発揮され、ブローバイガスが顕著に低減する。また、図７は、サードリング３の捩れ角度（捩れ量）とオイル消費量との関係を示すグラフである。図７の横軸はサードリング３の捩れ角度を示し、縦軸はオイル消費量の比率を示す。また、図７に示すように、捩れ角度が－２０′よりもマイナス側に大きい場合や６０′よりもプラス側に大きい場合には、サードリング３のオイルシール性能が十分に発揮されず、オイル消費が悪化する傾向が見られる。以上より、サードリング３の捩れ角度を２０′±４０′とすることで、サードリング３のシール性能を好適に高め、ブローバイガス及びオイル消費を低減できる。なお、本発明に係る第３コンプレッションリングの捩れ角度は２０′±４０′に限定されない。

ここで、サードリング３を設けることでサードリング３のガスシール性能によりブローバイガスが低減されるため、サードリング３よりも燃焼室側にオイルが上がると、ブローバイガスによるオイルの吹き下げ効果でオイルを吹き下げることが困難となり、オイル消費が増加する虞がある。これに対して、実施形態に係るピストン構造１１０では、サードリング３の外周面３１の形状をオイル掻き性能の高いテーパ形状としている。これによれば、オイルがサードリング３よりも燃焼室側に上がり難くなるため、オイル消費を抑制できる。なお、オイル掻き性能の向上の観点では、サードリング３の外周面３１は、下側に向かうに従って拡幅するように傾斜すると共に下部が切り欠かれたテーパアンダーカット形状であってもよい。更に、オイルリング４の一対のレール部５１，５１の少なくとも一方の外周面の形状をオイル掻き性能の高い偏心バレル形状としてもよい。これにより、オイルがサードリング３よりも燃焼室側に上がることが更に抑制され、オイル消費をより好適に抑制できる。但し、本発明はこれに限定されない。

また、実施形態に係るピストン構造１１０において、トップリング１の合口隙間Ｇ１の大きさＣ１とサードリング３の合口隙間Ｇ３の大きさＣ３を、Ｃ１≧Ｃ３としてもよい。これにより、サードリング３のガスシール性能を高めることができる。

また、サードリング３の下面３４のシール性能の観点から、下面３４の表面粗さＲｚを８μｍ以下としてもよい。このようにサードリング３の下面３４の粗さを小さくすることで、下面３４のシール性能を高めることができる。なお、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１で規定される最大高さである。また、サードリング３を樹脂材料により形成してもよい。サードリング３を樹脂製にして軽量化することで、サードリング３の慣性力を小さくすることができる。これにより、サードリング３の浮き上がりを軽減し、下面３４のシール性能を高めることができる。

なお、上述の実施形態では、ピストン２０が一体成形の鋳造や鍛造により成形されているが、ピストン２０は、ランド部が別体の組み立て式により構成されてもよい。例えば、リング状の部材をピストンに組み付けてランド部としてもよい。ランド部の部材を高強度材料により形成することで、ランド部の軸方向長さを短くすることができる。

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。

１００，２００ ：圧縮着火機関
１１０，２１０ ：ピストンとピストンリングとの組合せ構造
１２０，２２０ ：ピストンリングの組合せ
１０ ：シリンダ
２０ ：ピストン
３０ ：燃焼室
４０ ：クランク室
１ ：トップリング（第１コンプレッションリングの一例）
２ ：セカンドリング（第２コンプレッションリングの一例）
３ ：サードリング（第３コンプレッションリングの一例）
４ ：オイルリング

Claims (9)

1. 圧縮着火機関のシリンダに装着されるピストンと前記ピストンに組み付けられる複数のピストンリングの組合せとを備える、圧縮着火機関のピストンとピストンリングとの組合せ構造であって、
   前記複数のピストンリングの組合せは、燃焼室に最も近い位置に組み付けられる第１コンプレッションリングと、前記第１コンプレッションリングの次に燃焼室に近い位置に組み付けられる第２コンプレッションリングと、前記燃焼室から最も遠い位置に組み付けられるオイルリングと、前記第２コンプレッションリングと前記オイルリングとの間の位置に組み付けられる第３コンプレッションリングと、を含み、
   前記第１コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（１）とし、前記第２コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（２）とし、前記第３コンプレッションリングの軸方向幅をｈ１（３）とし、前記オイルリングの軸方向幅をｈ１（４）としたとき、ｈ１（１）≧ｈ１（２）、且つ、ｈ１（１）≧ｈ１（３）であり、
   ｈ１（ＴＯＴＡＬ）＝ｈ１（１）＋ｈ１（２）＋ｈ１（３）＋ｈ１（４）としたとき、１０ｍｍ≧ｈ１（ＴＯＴＡＬ）≧３．９ｍｍであり、
   前記ピストンの外周面には、前記第１コンプレッションリングが装着される第１リング溝と、前記第２コンプレッションリングが装着される第２リング溝と、前記第３コンプレッションリングが装着される第３リング溝と、前記オイルリングが装着されるオイルリング溝と、が形成され、
   前記ピストンの軸方向における、前記第１リング溝の燃焼室側の端面から前記オイルリング溝のクランク室側の端面までの長さをＬｐとしたとき、Ｌｐ≧６．３ｍｍであり、
   前記ピストンの外周面のうち前記第１リング溝と前記第２リング溝とによって画定される領域である第２ランド部の前記ピストンの軸方向における長さをＬｐ２とし、前記第３リング溝と前記オイルリング溝とによって画定される領域である第４ランド部の前記ピストンの軸方向における長さをＬｐ４としたとき、Ｌｐ２＞Ｌｐ４である、
   ピストンとピストンリングとの組合せ構造。
2. 前記第１コンプレッションリングの張力をＦｔ（１）とし、前記第２コンプレッションリングの張力をＦｔ（２）とし、前記第３コンプレッションリングの張力をＦｔ（３）とし、前記オイルリングの張力をＦｔ（４）とし、前記圧縮着火機関のシリンダボアの直径をｄ１としたとき、Ｆｔ（１）＞Ｆｔ（３）であって、
   Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）＝Ｆｔ（１）＋Ｆｔ（２）＋Ｆｔ（３）＋Ｆｔ（４）としたとき、０．６８Ｎ／ｍｍ≧Ｆｔ（ＴＯＴＡＬ）／ｄ１である、
   請求項１に記載のピストンとピストンリングとの組合せ構造。
3. 前記ピストンの軸と直交する平面に対する前記第３コンプレッションリングの軸方向端面の傾斜角度を捩れ角度とし、前記軸方向端面が径方向外側に向かって燃焼室側に傾斜する場合に捩れ角度を正の値とし、径方向外側に向かってクランク室側に傾斜する場合に捩れ角度を負の値としたときに、前記第３コンプレッションリングの捩れ角度は、前記第３コンプレッションリングを前記ピストンに組付け、且つ、前記ピストンを前記シリンダに装着した状態で、２０′±４０′である、
   請求項１又は２に記載のピストンとピストンリングとの組合せ構造。
4. 前記第３コンプレッションリングの外周面は、テーパ形状又はテーパアンダーカット形状に形成されている、
   請求項１から３の何れか一項に記載のピストンとピストンリングとの組合せ構造。
5. ２．０ｍｍ≧ｈ１（１）、２．０ｍｍ≧ｈ１（２）、１．５ｍｍ≧ｈ１（３）である、
   請求項１から４の何れか一項に記載のピストンとピストンリングとの組合せ構造。
6. 前記オイルリングは、径方向外側へ突出する一対のレール部が軸方向に並んで設けられたリング本体と、前記リング本体を径方向外側へ付勢するエキスパンダと、を含む、
   請求項１から５の何れか一項に記載のピストンとピストンリングとの組合せ構造。
7. 前記ピストンの外周面のうち前記第２リング溝と前記第３リング溝とによって画定される領域である第３ランド部の前記ピストンの軸方向における長さをＬｐ３としたとき、Ｌｐ３≧Ｌｐ４、Ｌｐ３≧０．７ｍｍ、Ｌｐ４≧０．６ｍｍである、
   請求項１から６の何れか一項に記載のピストンとピストンリングとの組合せ構造。
8. 前記ピストンと前記シリンダと前記第１コンプレッションリングと前記第２コンプレッションリングとによって囲まれた空間である第２空間の容積をＶ２とし、前記ピストンと前記シリンダと前記第３コンプレッションリングと前記オイルリングとによって囲まれた空間である第４空間の容積をＶ４としたとき、Ｖ２＞Ｖ４である、
   請求項１から７の何れか一項に記載のピストンとピストンリングとの組合せ構造。
9. 前記ピストンと前記シリンダと前記第３コンプレッションリングと前記オイルリングとによって囲まれた空間である第４空間の容積をＶ４とし、前記圧縮着火機関のシリンダボアの直径をｄ１とし、Ｖｐ＝（ｄ１／２）２×π×Ｌｐとしたとき、Ｖ４／Ｖｐ≧０．０００２７である、
   請求項１から８の何れか一項に記載のピストンとピストンリングとの組合せ構造。

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