(57)【要約】【課題】スラスト側においてシリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなって過大な摺動抵抗が発生することを避けることができるようにする。【解決手段】ピストン３の外周にピストンリング１５が嵌挿されるリング溝２３が設けられ、このリング溝が、スラスト側の部分において、少なくともスラスト・反スラスト方向に直交するクランク軸方向に位置する部分より深さが大きくなるように形成されたものとする。特に、リング溝が、ピストン軸方向視における底面の外形が、スラスト・反スラスト方向を短径とした略楕円形状をなすように形成されたものとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にピストンリングが嵌挿されるリング溝が設けられ、このリング溝が、スラスト側の部分において、少なくともスラスト・反スラスト方向に直交するクランク軸方向に位置する部分より深さが大きくなるように形成されたことを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記リング溝は、ピストン軸方向視における底面の外形が、スラスト・反スラスト方向を短径とした略楕円形状をなすように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記リング溝は、スラスト側の部分において、反スラスト側の部分より深さが大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記ピストンリングは、シリンダボアに摺接するアウタリングと、このアウタリングと前記リング溝の底面との間に介装されて前記アウタリングを外向きに付勢するエキスパンダとからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のピストンにおいては、ガスシールやオイルシールを目的としたピストンリングが設けられており、このピストンリングは、シリンダボア内に収容されることで縮径方向に弾性変形した際の張力（弾性変形力）によりシリンダボアに圧接するようになっており、シリンダボアに対するピストンリングの面圧を確保すると共に、ピストンリングの動きが過度に拘束されないように、ピストンリングがピストンの外周に凹設されたリング溝に遊嵌されている。
【０００３】
このようにピストンリングが遊嵌されるリング溝は、深さ（径方向幅）が全周に渡って均一となるように形成されたものが一般的であるが、リング溝の底面の外形を、ピストン軸方向視でスラスト・反スラスト方向に長い楕円形状とした技術が知られている（特許文献１）。これによると、シリンダ側への放熱が促進されるスカート部が存在しない側で生じる大きな熱膨張によりピストンリングとリング溝の底面とが干渉することを避けることができる利点が得られる。
【特許文献１】特開２００４−３０８５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに、内燃機関のピストンでは、膨張行程時に燃焼圧力によりピストンが押圧された際に、コネクティングロッドの傾斜により、ピストンをシリンダボアに押し付ける向きのスラスト荷重（横力）が発生し、このスラスト荷重を受ける側、いわゆるスラスト側において、シリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなって過大な摺動抵抗が発生するという問題がある。
【０００５】
このような問題に対して、前記の従来技術のように、リング溝の底面の外形を、スラスト・反スラスト方向に長い楕円形状とすると、スラスト側においてリング溝が浅くなるため、スラスト荷重によりピストンリングがリング溝に押し込まれた際に、容易にピストンリングがリング溝の底面に突き当たって、シリンダボアに対するピストンリングの面圧が増大することから、逆効果となり、望ましくない。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、スラスト側においてシリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなって過大な摺動抵抗が発生することを避けることができるように構成された内燃機関のピストンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決するために、本発明においては、請求項１に示すとおり、ピストン（３）の外周にピストンリング（１５）が嵌挿されるリング溝（２３）が設けられ、このリング溝が、スラスト側の部分において、少なくともスラスト・反スラスト方向に直交するクランク軸方向に位置する部分より深さが大きくなるように形成されたものとした。
【０００８】
これによると、スラスト側において、ピストンリングとリング溝の底面との隙間の幅（径方向寸法）が大きくなるため、ピストンに対するピストンリングの移動量を大きく確保することができ、これによりシリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなることが抑制されるため、過大な摺動抵抗が発生することを避けることができる。
【０００９】
前記内燃機関のピストンにおいては、請求項２に示すとおり、前記リング溝は、ピストン軸方向視における底面の外形が、スラスト・反スラスト方向を短径とした略楕円形状をなすように形成された構成とすることができる。
【００１０】
これによると、製造が容易であり、製造コストの上昇を抑えることができる。
【００１１】
前記内燃機関のピストンにおいては、請求項３に示すとおり、前記リング溝は、スラスト側の部分において、反スラスト側の部分より深さが大きくなるように形成された構成とすることができる。
【００１２】
これによると、スラスト側において過大な摺動抵抗が発生することをより一層確実に抑制することができる。
【００１３】
前記内燃機関のピストンにおいては、請求項４に示すとおり、前記ピストンリングは、シリンダボア（２ａ）に摺接するアウタリング（２１）と、このアウタリングと前記リング溝の底面との間に介装されて前記アウタリングを外向きに付勢するエキスパンダ（２２）とからなる構成とすることができる。
【００１４】
これによると、エキスパンダが挟み込まれるアウタリングの内周面とリング溝の底面との隙間の幅に応じてエキスパンダの撓み変形量が変化することから、リング溝の深さによってエキスパンダの張力を調整することができる。このため、周方向位置に応じてリング溝の深さを変えることで、エキスパンダの付勢力を全周に渡って最適化することができる。
【発明の効果】
【００１５】
このように本発明によれば、スラスト側において、ピストンリングとリング溝の底面との隙間の幅（径方向寸法）が大きくなるため、ピストンに対するピストンリングの移動量を大きく確保することができ、これによりシリンダボアに対するピストンリングの面圧が高くなることが抑制されるため、過大な摺動抵抗が発生することを避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図である。この内燃機関では、シリンダブロック１にシリンダボア２ａを形成する円筒状のスリーブ２が設けられ、このスリーブ２の内部にピストン３が摺動可能に収容されている。ピストン３には、ピストンピン４を介してコネクティングロッド５の上端が連結され、コネクティングロッド５の下端はクランクピン６を介してクランクシャフト７に連結されている。
【００１８】
シリンダブロック１の上側には、吸気バルブ及び排気バルブによりそれぞれ開閉される吸気ポート及び排気ポートが設けられたシリンダヘッド（図示せず）が結合され、このシリンダヘッドの内壁面とピストン３の上面とシリンダボア２ａとで燃焼室９が画成される。
【００１９】
ピストン３は、燃焼ガスの圧力が作用する頂部１１と、この頂部１１から垂下した態様で設けられた一対のスカート部１２と、この一対のスカート部１２を互いに連結する態様で設けられた一対のサイドウォール部１３と、この一対のサイドウォール部１３に設けられた一対のピンボス部１４とを有している。頂部１１の外周には、ピストンリング１５〜１７がそれぞれ取り付けられている。なお、ピストンリング１５・１６はコンプレッションリングであり、ピストンリング１７はオイルリングである。
【００２０】
このような内燃機関においては、膨張行程時に燃焼圧力によりピストン３が押圧された際に、コネクティングロッド５の傾斜により、ピストン３をシリンダボア２ａに押し付ける向きのスラスト荷重（横力）が発生し、このスラスト荷重を受ける側、いわゆるスラスト側において、シリンダボア２ａに対するピストンリング１５〜１７の面圧が高くなって摺動抵抗が大きくなる。
【００２１】
図２は、図１に示したピストンをその中心線に直交し且つリング溝を通る平面で切断して示す横断面図である。図３は、図２に示したピストンのスラスト側の要部をピストンの中心線に沿う平面で切断して示す縦断面図である。
【００２２】
ピストンリング１５は、ピストン３の外周面に環状に凹設されたリング溝２３に嵌挿されており、シリンダボア２ａに摺接するアウタリング２１と、このアウタリング２１とリング溝２３の底面との間に介装されてアウタリング２１を径方向外向きに付勢するエキスパンダ２２とからなっている。アウタリング２１及びエキスパンダ２２は共に、一部が切り欠かれたＣ字形状をなしている。
【００２３】
エキスパンダ２２は、折曲部２２ａが所定の間隔をおいて複数形成された多角形状をなしており、アウタリング２１とリング溝２３の底面との間に挟み込まれることで弾性変形して、アウタリング２１をシリンダボア２ａに圧接させる向きに付勢する張力（ばね付勢力）を発生し、シリンダボア２ａに収容されることで縮径方向に弾性変形するアウタリング５１自身が発生する張力と協働して、シリンダボア２ａに対するアウタリング２１の面圧が確保される。
【００２４】
このようにアウタリング２１は、アウタリング２１自身の張力とエキスパンダ２２の張力とによりシリンダボア２ａに圧接するが、ピストン３にスラスト荷重が作用する場合に、スラスト側では、アウタリング２１及びエキスパンダ２２の張力にスラスト荷重が加算されるため、シリンダボア２ａに対するアウタリング２１の面圧が高くなる。
【００２５】
図４は、図２に示したリング溝の底面の外形を示す模式的な横断面図である。リング溝２３は、スラスト側の部分において、少なくともスラスト・反スラスト方向に直交するクランクシャフト７の軸方向に位置する部分より深さが大きくなるように形成されている。特にここでは、ピストン軸方向視におけるリング溝２３の底面の外形が、スラスト・反スラスト方向を短径とした略楕円形状をなすように形成されており、さらにここでは、ピストン３の中心Ｏを中心とした略楕円形状をなし、リング溝２３の深さが、スラスト側の部分と反スラスト側の部分とで同一となっている。なお、ピストン軸方向とは、ピストン３が摺動する方向であり、シリンダボア２ａの軸線方向である。
【００２６】
したがって、リング溝２３の深さｄは、スラスト方向の角度位置（α＝０°）で最大となり、この角度位置を中心にして、ここから離れる、すなわちスラスト方向とのなす角度αが大きくなるのにしたがって小さくなり、スラスト方向と直交するクランクシャフト７の軸方向の角度位置（α＝９０°）で最小となる。そして、アウタリング２１は、周方向に均一な断面をなし、幅（径方向寸法）が周方向に均一となっていることから、リング溝２３の深さｄに応じて、スラスト側においてアウタリング２１とリング溝２３の底面との隙間が大きくなり、図２に示したように、アウタリング２１の内面とリング溝２３の底面との隙間間隔（径方向寸法）は、スラスト方向及び反スラスト方向の角度位置で最大値Ｃmaxとなり、ここから離れるのにしたがって小さくなり、スラスト方向と直交するクランクシャフト７の軸方向の角度位置で最小値Ｃminとなる。
【００２７】
図５は、図２に示した本発明によるピストンのスラスト側の要部と従来構成による比較例とを示す横断面図であり、（Ａ）に本発明による場合を、（Ｂ）に従来構成による場合を、それぞれ示している。
【００２８】
エキスパンダ２２は、多角形の辺に相当する真直部２２ｂの内面がリング溝２３の底面に当接すると共に、多角形の頂点に相当する折曲部２２ａの外面がアウタリング２１の内面に当接し、アウタリング２１の内面とリング溝２３の底面とに挟まれることで撓み変形して、アウタリング２１を外向きに付勢する張力を発生し、リング溝２３の底面とアウタリング２１の内面との隙間間隔（径方向寸法）Ｃが大きくなるのに応じて、エキスパンダ２２の撓み変形量が小さくなり、これに伴ってエキスパンダ２２の張力が小さくなる。
【００２９】
図５（Ｂ）に示すように、従来構成によるピストン５１では、リング溝５２の深さｄ、及びリング溝５２の底面とアウタリング２１の内面との隙間間隔Ｃが全周に渡って均一であるのに対して、図５（Ａ）に示すように、本発明によるピストン３では、スラスト側において、リング溝２３の深さｄが大きくなるように形成され、アウタリング２１とリング溝２３の底面との隙間間隔Ｃが大きくなっており、これによりスラスト側においてエキスパンダ２２の撓み変形量が小さくなり、エキスパンダ２２の張力が小さくなる。このため、スラスト側において、シリンダボア２ａに対するアウタリング２１の面圧が低くなり、過大な摺動抵抗が発生することを避けることができる。
【００３０】
そして、前記のように、略真円形状をなすアウタリング２１と略楕円形状をなすリング溝２３の底面との隙間の幅が、短径方向、すなわちスラスト・反スラスト方向の中心位置で最大となり、ここから離れるのにしたがって狭くなる状態となるため、隙間の幅に応じて変化する面圧分布が滑らかになり、スリーブ２に対するアウタリング２１の摺動抵抗が局所的に高くなることを避けることができる。
【００３１】
図６は、本発明によるリング溝の底面の外形に関する別の例を示す模式的な横断面図である。図４に示した例では、リング溝２３の底面の外形が、スラスト・反スラスト方向を短径とした略楕円形状に形成され、リング溝２３の深さがスラスト側の部分と反スラスト側の部分とで同一となっていたが、図６（Ａ）に示す例では、リング溝２３の底面の外形が、ピストン３の中心Ｏから反スラスト側にずれた中心Ｏ１を中心とした略楕円形状をなし、リング溝２３の深さｄは、スラスト側の部分で反スラスト側の部分より大きく、スラスト側から反スラスト側へかけて漸減する。
【００３２】
図６（Ｂ）に示す例では、リング溝２３の底面の外形が、スラスト側の半分の領域で、ピストンの中心Ｏを中心とし、且つスラスト・反スラスト方向を短径とした略半楕円形状をなし、反スラスト側の半分の領域で、ピストンの中心Ｏを中心とした略半真円形状をなしており、α＝０〜９０°のスラスト側半面では、リング溝２３の深さｄがスラスト側から反スラスト側へかけて漸減するとともに、α＝９０〜１８０°の反スラスト側半面では、リング溝２３の深さｄが一定である。
【００３３】
以上の例では、リング溝の底面の外形を略楕円形状としたが、これに限定されるものではない。ここでは、シリンダボア２ａに対するアウタリング２１の面圧がスラスト側で過大とならないようにリング溝２３をスラスト側で深くすると共に、その面圧が周方向位置に応じて急激に変化しないようにリング溝２３の深さが徐々に変化するようにすれば良く、種々の曲線が可能である。
【００３４】
図７は、本発明によるピストンの別の例と従来構成による比較例とを示す模式的な要部縦断面図であり、（Ａ−１）・（Ａ−２）は本発明による場合であり、（Ａ−１）に通常の状態を、（Ａ−２）にスラスト荷重が作用した状態をそれぞれ示している。（Ｂ−１）・（Ｂ−２）は従来構成による場合であり、（Ｂ−１）に通常の状態を、（Ｂ−２）にスラスト荷重が作用した状態をそれぞれ示している。
【００３５】
前記の例では、アウタリング２１とエキスパンダ２２とからなる組合せピストンリングとしたが、ここでは、エキスパンダを有さない構成となっている。このような構成では、ピストン７１に形成されたリング溝７２の底面とピストンリング７３との隙間の空気層７４が空気ばねとして機能し、ピストン７１にスラスト荷重が作用すると、ピストンリング７３は内側に押し込まれ、これに応じて空気層７４が圧縮されるため、空気ばねによる圧縮反力を生じる。
【００３６】
ここで、図７（Ｂ−１）に示すように、ピストン７５に形成されたリング溝７７の底面とピストンリング７８との隙間が小さい従来の構成では、リング溝７７の底面とピストンリング７８との隙間の空気層７９が小さいため、図７（Ｂ−２）に示すように、スラスト荷重によりピストンリング７８が内側に押し込まれると、空気ばねによる圧縮反力が急激に大きくなり、ピストンリング７８とシリンダボア２ａとの間に高い面圧が生じて、過大な摺動抵抗が発生する。
【００３７】
一方、図７（Ａ−１）に示すように、本発明による構成では、ピストンリング７３とリング溝７２の底面との隙間の空気層７４が大きいため、図７（Ａ−２）に示すように、スラスト荷重によりピストンリング７３が内側に押し込まれた場合、図７（Ｂ−２）の例と同じだけピストンリング７３が動いても、図７（Ｂ−２）の例より体積の減少割合が小さいので、空気ばねによる圧縮反力も小さくなり、ピストンリング７３とシリンダボア２ａとの間の面圧は低く、過大な摺動抵抗が発生することを避けることができる。
【００３８】
以上、ピストンに装着されるピストンリングのうち、燃焼室側のコンプレッションリングであるトップリングに関する例について説明したが、セカンドリングについても同様の構成を採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図である。
【図２】図１に示したピストンをその中心線に直交し且つリング溝を通る平面で切断して示す横断面図である。
【図３】図２に示したピストンのスラスト側の要部をピストンの中心線に沿う平面で切断して示す縦断面図である。
【図４】図２に示したリング溝の底面の外形を示す模式的な横断面図である。
【図５】図２に示した本発明によるピストンのスラスト側の要部と従来構成による比較例とを示す横断面図である。
【図６】本発明によるリング溝の底面の外形に関する別の例を示す模式的な横断面図である。
【図７】本発明によるピストンの別の例と従来構成による比較例とを示す模式的な要部縦断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
２  スリーブ、２ａ  シリンダボア
３  ピストン
４  ピストンピン
７  クランクシャフト
１５〜１７  ピストンリング
２１  アウタリング
２２  エキスパンダ、２２ａ  折曲部、２２ｂ  真直部
２３  リング溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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