(57)【要約】【課題】適用されるピストン溝壁とのシール性を確保しつつ、潤滑油を用いた条件下で適用されるピストンとの摩擦を抑制することができるピストンリングを得ることが目的である。また、上記ピストンリングを備え、所要のシール性を確保すると共に、シリンダ内面へのピストンリングの追従性を向上させピストンリングとシリンダボア間の摩擦を低減することができる内燃機関を得る。【解決手段】ピストンリング１０は、潤滑油Ｌを用いた条件下で用いられ、低圧側である下面１０Ａと内周面１０Ｂとの角隅部に、適用されるピストン３０の下側溝壁５０Ａとの間で油膜形成を促進させるための切欠部８２が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑油を用いた条件下で用いられ、低圧側でかつ内周側の角部に、適用されるピストンの溝壁との間で油膜形成を促進させるための切欠部が形成されているピストンリング。
【請求項２】
前記切欠部が周方向に沿って３つ以上形成されている請求項１記載のピストンリング。
【請求項３】
合口を成す周方向両端部の少なくとも一方に、前記切欠部の非形成部が配置されている請求項２記載のピストンリング。
【請求項４】
前記切欠部は、リング径方向の寸法に対しリング厚み方向の寸法が小とされている請求項１〜請求項３の何れか１項記載のピストンリング。
【請求項５】
前記切欠部によって、勾配が１／１０００〜１／１０となるテーパ面が形成されている請求項４記載のピストンリング。
【請求項６】
前記溝壁を向く面が、リング径方向の略中央部において前記溝壁に向けて最も突出した湾曲形状に形成されることで、該径方向の中央部に対する内周側に前記切欠部が形成されている請求項４記載のピストンリング。
【請求項７】
前記切欠部は、前記溝壁を向く面に対し段状に凹んだ凹部として形成されている請求項４記載のピストンリング。
【請求項８】
前記切欠部におけるリング厚み方向の寸法は、１μｍ以上０．１ｍｍ以下とされている請求項１〜請求項７の何れか１項記載のピストンリング。
【請求項９】
シリンダと、
軸線方向に並列された複数のリング溝を有し、前記シリンダ内に軸線方向に往復動可能に設けられて該シリンダとで前記燃焼室を形成するピストンと、
前記ピストンにおける最も前記燃焼室側に配置されたリング溝に装着された請求項１〜請求項８の何れか１項記載のピストンリングと、
を備えた内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンリング、及び該ピストンリングを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンリングの上下面に被膜を形成することで、ピストンリングのアルミ凝着の防止又は低摩擦を実現しようとする技術が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、ガス圧に起因してピストンリングに作用する径方向内向きの力と外向きの力とが互いに打ち消し合うようにする技術が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０７１５４号公報
【特許文献２】特開２００６−１３８３２９号公報
【特許文献３】特開２００６−２２６６６号公報
【特許文献４】特開２００８−１４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、潤滑油の使用条件下で用いられる場合、ピストンリングとピストンのリング溝との間の摩擦は、これら摺動要素間の境界摩擦係数、固体摩擦係数よりも油膜の形成状態による影響が支配的となる。したがって、特許文献１〜３の従来技術に対し、潤滑油の使用条件下におけるピストンリングとピストンのリング溝との間の摩擦低減については、いまだ改善の余地がある。また、特許文献４記載の従来技術では、ピストンリングのシール性の観点から改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮して、適用されるピストン溝壁とのシール性を確保しつつ、潤滑油を用いた条件下で適用されるピストンとの摩擦を抑制することができるピストンリングを得ることが目的である。また、本発明は、上記ピストンリングを備え、所要のシール性を確保すると共に、シリンダ内面へのピストンリングの追従性を向上させピストンリングとシリンダボア間の摩擦を低減することができる内燃機関を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明に係るピストンリングは、潤滑油を用いた条件下で用いられ、低圧側でかつ内周側の角部に、適用されるピストンの溝壁との間で油膜形成を促進させるための切欠部が形成されている。
【０００７】
請求項１記載のピストンリングでは、低圧側すなわちピストンにおける高圧側を向く溝壁に押し付けられる側でかつ内周側の角部に、切欠部が形成されている。このため、本ピストンリングでは、径方向内向きに移動する際には切欠部すなわち微小隙間に入り込んだ潤滑油のウェッジ効果に基づく油膜圧力によって固体接触摩擦が抑制され、又は切欠部に回り込んだ高圧側からの流体圧力によって溝壁への押付力（摩擦抗力）が軽減され、該ピストンに対する径方向の摩擦が低減される。これにより、ピストンリングのシリンダボアへの追従性が向上し、ピストンリングとシリンダボア間の摩擦損失が低減される。また、切欠部はピストンリングの内周側に設けられるので、ピストンリングは、径方向中間部や外周部等の他の部分においてピストンの溝壁に押し付けられ、該ピストンの溝壁とのシール性を確保することができる。
【０００８】
このように、請求項１記載のピストンリングでは、適用されるピストン溝壁とのシール性を確保しつつ、潤滑油を用いた条件下で適用されるピストンとの摩擦を抑制することができる。なお、本ピストンリングは、例えば内燃機関や外燃機関、往復動圧縮機等に適用することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明に係るピストンリングは、請求項１記載のピストンリングにおいて、前記切欠部が周方向に沿って３つ以上形成されている。
【００１０】
請求項２記載のピストンリングでは、３つ以上の切欠部が周方向に沿って設けられているため、換言すれば、周方向に隣り合う切欠部間には該切欠部の非形成部が位置するため、高圧側からの圧力を受けた場合に上記した３つ以上の非形成部において溝壁に接触（近接）することで、姿勢が安定する。このため、ピストンリングの捩れ等に起因して周方向の各部で切欠部の寸法が変化されることが抑制され、上記の摩擦低減効果を安定的に得ることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明に係るピストンリングは、請求項２記載のピストンリングにおいて、合口を成す周方向両端部の少なくとも一方に、前記切欠部の非形成部が配置されている。
【００１２】
請求項３記載のピストンリングでは、合口に対する周方向の少なくとも一方側に切欠部の非形成部が配置されているため、高圧側からの圧力を受けた場合により良好に姿勢が安定する。このため、上記の摩擦低減効果を一層安定的に得ることが可能になる。
【００１３】
請求項４記載の発明に係るピストンリングは、請求項１〜請求項３の何れか１項記載のピストンリングにおいて、前記切欠部は、リング径方向の寸法に対しリング厚み方向の寸法が小とされている。
【００１４】
請求項４記載のピストンリングでは、ピストンの低圧側の溝壁への投影面積に対し内周側（溝底）への投影面積が十分に小さい。このため、潤滑油の油膜圧力をピストンリング厚み方向（ピストン軸線方向の高圧側に向けて）に生じさせるような油膜の形成が促進される。
【００１５】
請求項５記載の発明に係るピストンリングは、請求項４記載のピストンリングにおいて、前記切欠部によって、勾配が１／１０００〜１／１０となるテーパ面が形成されている。
【００１６】
請求項５記載のピストンリングでは、低圧側を向く径方向の寸法に対する内周側を向く厚み方向の寸法の比が１／１０００〜１／１０となる勾配を有するテーパ面に、潤滑油の油膜圧力が主に作用する。これにより、径方向（ピストンリング幅方向）に油膜圧力の急変部が発生することがなく、安定した油膜を形成することができる。
【００１７】
請求項６記載の発明に係るピストンリングは、請求項４記載のピストンリングにおいて、前記溝壁を向く面が、リング径方向の略中央部において前記溝壁に向けて最も突出した湾曲形状に形成されることで、該径方向の中央部に対する内周側に前記切欠部が形成されている。
【００１８】
請求項６記載のピストンリングでは、ピストンリングの幅方向略中央部がピストンの低圧側の溝壁に最も突出しており、該部分に対する内周側が楔状の切欠部とされる。このピストンリングは、周方向直角断面視で溝壁への接触位置を幅方向に変化させるように転がることで、リング捩れ方向の変形を許容しつつピストン溝壁とのシール性（略線接触状態）を確保することができる。
【００１９】
請求項７記載の発明に係るピストンリングは、請求項４記載のピストンリングにおいて、前記切欠部は、前記溝壁を向く面に対し段状に凹んだ凹部として形成されている。
【００２０】
請求項７記載のピストンリングでは、その低圧側の一般面と凹部の低圧側を向く面との段部（境界部）に主に油膜圧力が作用する。この油膜によってピストンとの摩擦を抑制することができる。
【００２１】
請求項８記載の発明に係るピストンリングは、請求項１〜請求項７の何れか１項記載のピストンリングにおいて、前記切欠部におけるリング厚み方向の寸法は、１μｍ以上０．１ｍｍ以下とされている。
【００２２】
請求項８記載のピストンリングでは、油膜厚さ方向の寸法が０．１ｍｍ以下であるため、径方向内向きに移動するのに伴って潤滑油のウェッジ効果が良好に生じやすく、ピストンの溝壁の摩擦を低減し得る良好な油膜の形成が促進される。
【００２３】
請求項９記載の内燃機関は、シリンダと、軸線方向に並列された複数のリング溝を有し、前記シリンダ内に軸線方向に往復動可能に設けられて該シリンダとで前記燃焼室を形成するピストンと、前記ピストンにおける最も前記燃焼室側に配置されたリング溝に装着された請求項１〜請求項８の何れか１項記載のピストンリングと、を備えている。
【００２４】
請求項９記載の内燃機関では、ピストンにおける最も燃焼室側すなわち高圧側に位置するリング溝に装着されたピストンリングは、他のリング溝に装着されるものと比較して、圧縮行程・膨張行程で燃焼室側から高い圧力でピストンのリング溝に押し付けられる。ここで、このリング溝には請求項１〜請求項８の何れか１項記載のピストンリングが装着されているので、該リング溝とピストンリングとの摩擦が小さい。このため、本内燃機関は、ピストンリングがシリンダ内面（形状の変動）に良好に追従して、所要のシール性が確保される。
【００２５】
このように、請求項９記載の内燃機関では、上記ピストンリングを備え、所要のシール性を確保すると共に、シリンダ内面へのピストンリングの追従性を向上させピストンリングとシリンダボア間の摩擦を低減することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように本発明に係るピストンリングは、適用されるピストン溝壁とのシール性を確保しつつ、潤滑油を用いた条件下で適用されるピストンとの摩擦を抑制することができるという優れた効果を有する。
【００２７】
また、本発明に係る内燃機関は、上記ピストンリングを備え、所要のシール性を確保すると共に、シリンダ内面へのピストンリングの追従性を向上させピストンリングとシリンダボア間の摩擦を低減することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るピストンリングを示す図であって、（Ａ）は周方向直角断面図、（Ｂ）は底面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るピストンリングの摩擦低減効果を説明するための図であって、（Ａ）は切欠部に潤滑油が充填されている場合の断面図、（Ｂ）は切欠部に潤滑油が充填されていない場合の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るピストンリングが適用されたエンジンの模式的な断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るピストンリングを用いた場合の摩擦低減効果の実験結果を比較例と比較しつつ示す線図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るピストンリングを用いた場合の摩擦低減効果の解析結果を比較例と比較しつつ示す線図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るピストンリングを用いた場合の摩擦低減効果を示すための実験・解析に用いたシリンダを模式的に示す図であって、（Ａ）は変形を考慮したシリンダの斜視図、（Ｂ）は変形を考慮しないシリンダの斜視図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係るピストンリングの切欠部の寸法設定根拠を説明するための図であって、（Ａ）はピストンリングのモデルを示す断面図、（Ｂ）は油膜力と油膜厚さ係数、油膜幅係数との関係を示す線図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るピストンリングの周方向直角断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るピストンリングの周方向直角断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るピストンリングの底面図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係るピストンリングの底面図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係るピストンリングの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の第１の実施形態に係るピストンリング１０及び内燃機関としてエンジン１１について、図１〜図６に基づいて説明する。先ず、エンジン１１の概略全体構成を説明し、次いで、ピストンリング１０について説明することとする。
【００３０】
（エンジンの概略全体構成）
図３には、エンジン１１におけるクランクシャフト１２の軸線との直交面に沿った断面図が示されている。この図に示される如く、エンジン１１は、シリンダブロック１４と、シリンダブロック１４の下部に接合されたオイルパン１６と、シリンダブロック１４の上部に接合されたシリンダヘッド１８と、シリンダヘッド１８の上部に接合されたシリンダヘッドカバー２０とを備えている。
【００３１】
このシリンダブロック１４の下部とオイルパン１６とは、内部にクランクシャフト１２が収容されるクランク室２２が形成されたクランクケース２４を構成している。エンジン１１のクランクシャフト１２には、コネクティングロッド２６を介して、シリンダブロック１４のシリンダ２８内に該シリンダ２８の軸方向に変位可能に配置されたピストン３０が連結されている。
【００３２】
このピストン３０と、シリンダブロック１４のシリンダ２８と、シリンダヘッド１８とで燃料が燃焼される燃焼室Ｃが形成されている。また、シリンダブロック１４におけるシリンダ２８の側部には、エンジン冷却水を流通させるための冷却水路１４Ａが形成されている。
【００３３】
シリンダブロック１４のシリンダ２８の内面とピストン３０との間は、ピストンリング１０、３２、３３にてシールされている。この実施形態では、ピストンリング１０がコンプレッションリングのトップリング、ピストンリング３２がコンプレッションリングのセカンドリング、ピストンリング３３がオイルリングとされている。
【００３４】
シリンダヘッド１８には、シリンダ２８にガソリンと空気との混合気を導入するための吸気ポート３４、シリンダ２８から燃焼排ガス（排気ガス）を排出するための排気ポート３６が設けられている。吸気ポート３４は、シリンダ２８との連通部分において吸気バルブ３８にて開閉されるようになっている。吸気バルブ３８は、シリンダヘッド１８とシリンダヘッドカバー２０とで形成するシリンダヘッド室４０に突出されたバルブステム３８Ａを介して、動弁系４２の吸気カム４４にて駆動されるようになっている。
【００３５】
同様に、排気ポート３６は、シリンダ２８との連通部分において排気バルブ４６にて開閉されるようになっている。排気バルブ４６は、シリンダヘッド室４０に突出されたバルブステム４６Ａを介して、動弁系４２の排気カム４８にて駆動されるようになっている。吸気カム４４、排気カム４８は、それぞれ図示しないタイミングスプロケット、タイミングチェーン等を介して伝達されるクランクシャフト１２の駆動力にて同期して回転されるようになっている。
【００３６】
そして、このエンジン１１では、オイルパン１６内の潤滑油Ｌが図示しないオイルポンプによってクランクシャフト１２、ピストン３０、コネクティングロッド２６、動弁系４２に供給されて、各摺動部分が潤滑されるようになっている。各摺動部分（被潤滑部）の潤滑に供された潤滑油は、重力等によってオイルパン１６に戻されるようになっている。
【００３７】
この実施形態では、エンジン１１は、シリンダブロック１４に複数のシリンダ２８が形成された列型エンジンとされている。
【００３８】
（ピストンリングの構成）
図１（Ｂ）には、ピストンリング１０の底面図が示されており、図１（Ａ）には、ピストンリング１０の周方向直角断面図が示されている。なお、図中に示す矢印Ｒはピストンリング１０の幅方向に略一致するピストン３０の径方向、矢印Ｔはピストンリング１０の厚み方向をそれぞれ示している。
【００３９】
図１（Ｂ）に示される如く、ピストンリング１０は、周方向の１箇所に合口５２を有する、ピストン３０の軸方向視で略Ｃ状に形成されている。合口５２の形状は、適宜選択し得る。このピストンリング１０は、図１（Ａ）に示される如くピストン３０に形成されたリング溝５０に装着されている。
【００４０】
この状態でピストンリング１０は、自らの復元力にてシリンダブロック１４のシリンダ２８の内面に押し付けられるようになっている。すなわち、ピストンリング１０は、シリンダブロック１４のシリンダ２８に対するピストン３０の往復動に伴って、シリンダ２８への押し付け状態が維持されるようになっている。換言すれば、後述する如きシリンダ２８の変形に追従可能とされている。なお、図２（Ａ）に示される如く、シリンダ２８とピストンリング１０の間には、潤滑油の油膜Ｆｓｌが形成されるようになっている。
【００４１】
そして、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示される如く、ピストンリング１０におけるリング溝５０への装着状態で燃焼室Ｃ側すなわち高圧側とは反対側を向く面（以下、便宜上、下面という）１０Ａと内周面１０Ｂとの角隅部には、切欠部５４が形成されている。すなわち、切欠部５４は、リング溝５０におけるピストンリング１０の下面１０Ａと対向する（燃焼室Ｃ側を向く）下側溝壁５０Ａ、及びリング溝５０におけるピストンリング１０の内周面１０Ｂと対向する（径方向外側を向く）溝底５０Ｂの両側に向けて開口するように形成されている。
【００４２】
より具体的には、この実施形態における切欠部５４は、図１（Ａ）に示される如く、ピストンリング１０における下面１０Ａと内周面１０Ｂとの角部に、下側溝壁５０Ａ及び溝底５０Ｂを共に向くテーパ面１０Ｃを形成している。テーパ面１０Ｃは、切欠部５４の底面として把握することも可能である。テーパ面１０Ｃは、周方向直角断面視で、下側溝壁５０Ａに投影する幅Ｗ１が、溝底５０Ｂに投影する高さＨに対し十分に大（Ｗ１＞＞Ｈ）である設定とされている。この実施形態では、０．００１ｍｍ≦Ｈ≦０．１ｍｍ、テーパ面１０Ｃの勾配である上記幅Ｗ１に対する高さＨの比（Ｈ／Ｗ１）が１／１０００〜１／１０の範囲内であって、略１／２００とされている。
【００４３】
この高さＨの設定について、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）を参照しつつ補足する。図７（Ａ）に示される如く、ピストンリング１０の下面１０Ａと下側溝壁５０Ａとの矢印Ｔ方向の間隔（油膜厚さ）をｈ０、ｈ０に対する切欠部５４（テーパ面１０Ｃ）の上記高さＨの比をＫ（Ｈ＝Ｋ×ｈ０）、上記幅Ｗ１と幅Ｗ２との和に対する幅Ｗ１の比をλ（Ｗ１＝λ×（Ｗ１＋Ｗ２）とすると、くさび形状の油膜Ｆｐｌで生じる油膜圧力Ｐｆの合力（油膜力）Ｐは、
Ｐ  ∝  λ２ｌｎ（１＋Ｋ）／Ｋ２  ＋  Ａ／Ｂ
但し、  Ａ  ＝  Ｋλ（１−λ２）−２λ２｛（２／Ｋ）＋３（１−λ）｝
Ｂ  ＝  ４＋２（４−３λ）Ｋ＋４（１−λ）Ｋ２
とされる。この合力ＰをＫ、λについてプロットすると、図７（Ｂ）の如くなる（以上、Ａ．Ｃａｍｅｒｏｎ  ”Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ”  Ｌｏｎｇｍａｎｓ  １９６６  Ｃｈａｐｔｅｒ６−７  ｐ．１４３参照）。この図７（Ｂ）から、λが１／２〜４／５の範囲でかつＫが１．０〜２．０の範囲で、大きな油膜圧力Ｐｆが得られることが解る。
【００４４】
ここで、本実施形態では下面１０Ａと下側溝壁５０Ａとの間隔すなわち極小部の油膜厚さｈ０は未知であるが、現実的には、下面１０Ａと下側溝壁５０Ａとが接触を始めるときの平均隙間すなわち下面１０Ａ及び下側溝壁５０Ａの表面粗さの和である略１〜５μｍ程度であると推定される。また、油膜圧力にて下面１０Ａが下側溝壁５０Ａから浮上した状態でのｈ０は略２０μｍ程度と推定される。したがって、切欠部５４の隙間高さＨは、上記の通りＫ＝１．０〜２．０であるから、上記の接触開始時において略１〜１０μｍ（中央値で略５μｍ）、油膜形成状態まで考慮すると略１〜４０μｍとされる。さらに、図７（Ｂ）によれば、Ｋ＝５程度までは十分な油膜圧力発生効果が認められるので、この実施形態では、切欠部５４の隙間高さＨ＝１〜１００μｍ（最適値５μｍ）とした。幅Ｗ１≒１ｍｍ（＝１０００μｍ）としてテーパ面１０Ｃの勾配（Ｈ／Ｗ１）に換算すると、上記の通り１／１０００〜１／１０（最適値１／２００）が得られる。
【００４５】
また、ピストンリング１０では、テーパ面１０Ｃの幅Ｗ１は、下面１０Ａにおけるテーパ面１０Ｃが形成されていない部分がリング溝５０下側溝壁５０Ａと対向する（径方向にオーバラップする）ラップ幅Ｗ２が、所定幅以上確保されるように設定されている。この実施形態では、ラップ幅Ｗ２≧１ｍｍとなる設定が採用されている。なお、ピストンリング１０の全幅Ｗは、２〜４ｍｍとされる。
【００４６】
以上説明した切欠部５４は、図１（Ｂ）に示される如く、ピストンリング１０における下面１０Ａ（合口５２を除く部分）の周方向の全長に亘り形成されている。
【００４７】
そして、上記した通りトップリングであるピストンリング１０は、図３に示される如くピストン３０における最も燃焼室Ｃ側に位置するリング溝５０に、装着されている。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示される如く、ピストンリング１０の下面１０Ａ（少なくともラップ幅Ｗ２の部分）とピストン３０におけるリング溝５０の下側溝壁５０Ａとの間には、潤滑油Ｌの油膜Ｆｐｌが形成されている。なお、図２は、吸気行程での状態を模式的に示している。
【００４８】
エンジン１１を構成する他のピストンリング３２、３３（特に、コンプレッションリングであるピストンリング３２）は、ピストンリング１０と同様に構成されても良いが、この実施形態では切欠部５４を有しない構成とされている。ピストンリング３２、３３は、リング溝５０よりもクランク室２２側に形成されたリング溝（図示省略）にそれぞれ独立して装着されている。
【００４９】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
【００５０】
上記構成のエンジン１１では、例えばシリンダ２８内で吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がこの順で繰り返されることで、ピストン３０の往復直線運動がクランクシャフト１２の回転運動に変換され、動力が発生する。また、クランクシャフト１２の回転によって吸気カム４４、排気カム４８が回転駆動され、吸気バルブ３８、排気バルブ４６が駆動されて上記吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が維持される。
【００５１】
このようなエンジン１１の運転中には、通常、シリンダ２８は、燃焼室Ｃ側において相対的に低圧であるクランク室２２側よりも内径が拡大するように変形している。また、列型エンジンであるエンジン１１では、シリンダブロック１４の組付締結力によって、周方向の変形を生じている。そして、ピストンリング１０は、上記の如く変形したシリンダ２８に追従するべく、ピストン３０（リング溝５０）に対する軸直角方向すなわち略径方向への相対変位を生じる。
【００５２】
ところで、ピストンリングとピストン３０との相対変位に伴う摩擦力が大きいと、ピストン３０に対するピストンリングの相対変位、すなわち上記の通り変形されたシリンダ２８内面（シリンダボア）に対するピストンリングの追従動作が拘束されやすい。特に、圧縮行程及び膨張行程において、ピストン３０のリング溝５０に装着されたトップリングとしてのピストンリングは、上記の通り変形したシリンダ２８内面に倣ってリング溝５０内で相対変位することとなるが、その上面に作用する燃焼室Ｃの圧力Ｐｃ（図２（Ａ）、図２（Ｂ）参照）によって、その下面がリング溝５０の下側溝壁５０Ａ側に強く押し付けられる。これにより摩擦抗力が大きくなるため、ピストンリングのシリンダ２８への追従動作（径方向内向きへの相対変位）が摩擦により拘束される問題が生じやすい。
【００５３】
ここで、ピストンリング１０は、その下面１０Ａと内周面１０Ｂとの角隅部に切欠部５４が設けられているため、換言すれば、切欠部５４を設けることでテーパ面１０Ｃが形成されているため、ピストン３０に対する径方向の摩擦が低減される。
【００５４】
すなわち、図２（Ａ）に示される如く、切欠部５４に潤滑油Ｌが満たされた状態で、膨張行程等でピストンリング１０がピストン３０に対し径方向内向きに相対変位すると、流体潤滑（ウェッジ）効果によって油膜圧力Ｐｆが発生し、該ピストンリング１０が燃焼室Ｃ側に持ち上げられる（浮上する）。これにより、ピストンリング１０の下面１０Ａとリング溝５０の下側溝壁５０Ａとの間の固体接触摩擦が抑制されて潤滑油Ｌの粘性摩擦（せん断）の成分が主体的になり、すなわち摩擦係数の低減効果が得られ、ピストン３０に対するピストンリング１０の径方向の摩擦が低減される。
【００５５】
一方、図２（Ｂ）に示される如く、切欠部５４に潤滑油Ｌが満たされない場合は、テーパ面１０Ｃには、圧縮行程や膨張行程での燃焼室Ｃの圧力Ｐｃが回り込んで作用する。このため、テーパ面１０Ｃを軸線方向に投影した面積分だけ、上面１０Ｄに作用する燃焼室Ｃの圧力Ｐｃに基づいてピストンリング１０にかかる下側溝壁５０Ａへの押付力が相殺され、すなわち摩擦抗力の低減効果が得られ、ピストン３０に対するピストンリング１０の径方向の摩擦が低減される。
【００５６】
以上により、ピストンリング１０は、潤滑油Ｌを用いた条件下で、適用されるピストン３０との径方向の相対変に伴う摩擦が低減されるので、シリンダ２８の内面に対する追従性が良好である。特に、ピストンリング１０では、切欠部５４が全長に亘り連続的に形成されているので、シリンダ２８の周方向の各部において摩擦低減効果が得られる。一方、ピストンリング１０の下面１０Ａにおけるテーパ面１０Ｃの非形成部分は、下側溝壁５０Ａとのラップ幅Ｗ２が所定幅以上確保されているため、ピストンリング１０の下面１０Ａとピストン３０の下側溝壁５０Ａとの間のガスシール性も確保される。
【００５７】
そして、上記したピストンリング１０が適用されたエンジン１１では、ピストンリング１０のシリンダ２８に対する追従性確保により、該シリンダ２８とピストン３０との間で所要のシール性を確保することができると共に、下面１０Ａと内周面１０Ｂとの角隅部に切欠部５４を設けた構成において、上記の通り下面１０Ａと下側溝壁５０Ａとの間のガスシール性も確保される。すなわち、エンジン１１は、ピストンリング１０を適用することで、所要のシール性を得ることができる。
【００５８】
また、ピストンリング１０では、下面１０Ａと内周面１０Ｂとの角隅部に切欠部５４を形成するといった簡単な機械加工によって、上記の通り摩擦低減効果を実現することができる。
【００５９】
次に、ピストンリング１０の摩擦低減効果について、図４に示す実験結果及び図５に示す解析結果を参照しつつ補足する。実験は、急速圧縮膨張装置を用いて、クランク角度とピストンリング１０−シリンダ２８間の瞬時摩擦トルクとの関係を測定したものであり、解析は、ピストンリング挙動−潤滑連成解析ＣＡＥによって、クランク角度とピストンリング１０−シリンダ２８間の瞬時摩擦トルクとの関係を解析したものである。
【００６０】
図６（Ａ）は、上記の実験及び解析で用いた、燃焼室Ｃ側でクランク室２２側よりも内径が拡大された変形シリンダ２８（相当モデル）を示す。このシリンダ２８は、最小径部と最大径部との半径差ΔＲが略５０μｍとされている。図６（Ｂ）は、比較のために用いた、全長に亘り内径が一定とされた真円シリンダ２８（相当モデル）を示す。
【００６１】
図４に示される如く、変形シリンダ２８を用いた場合、真円シリンダ２８を用いた場合とも、比較例に係る通常のピストンリング（切欠部５４を有しないものに相当）をトップリングに用いた構成と比較して、ピストンリング１０（に相当するものとして、潤滑条件の設定等により比較例に対し摩擦係数を小さくしたもの）をトップリングに用いた構成では、膨張行程において瞬時摩擦トルクが著しく低減されることがわかる。なお、圧縮行程では、変形シリンダ２８では有意差はみられないものの、真円シリンダ２８では、ピストンリング１０を用いることで瞬時摩擦トルクが低減されることがわかる。
【００６２】
また、図５に示される如く、変形シリンダ２８を用いた場合、真円シリンダ２８を用いた場合とも、比較例に係る通常のピストンリング（切欠部５４を有しないものに相当）をトップリングに用いた構成と比較して、ピストンリング１０（に相当するものとして比較例に対し摩擦係数を小さく設定したもの）をトップリングに用いた構成では、膨張行程において瞬時摩擦トルクが著しく低減されることがわかる。この点では、本解析結果は、実験結果に良く一致するということができる。なお、本解析では、真円シリンダの場合には、通常のピストンリング（切欠部５４を有しないものに相当）とピストンリング１０とで有意差はみられなかった。
【００６３】
以上により、ピストンリングのピストン３０に対する径方向の摩擦を低減することで、すなわちピストンリングとして切欠部５４を有するピストンリング１０を採用することで、潤滑油Ｌを用いた環境下で、ピストンリング１０とピストン３０との摩擦が効果的に抑制され、その結果、シリンダ２８への追従性が向上して、ピストンリング１０とシリンダ２８との摩擦損失が低減されることが実験、数値解析の両者によって確かめられた。
【００６４】
すなわち、本実施形態では、ピストンリング１０の下面とリング溝５０との摩擦が低減されるので、ピストンリング１０のシリンダ２８への追従性が向上し、シール性の確保に加えて、ピストンリング１０とシリンダ２８との摩擦も低減することができる。特に、図６（Ａ）に示される上方に開いた変形ボアにおいては、膨張行程でピストンリングはリング溝の中で押し縮められる方向に変形しようとするが、ここでピストンリング下面とリング溝との摩擦が大きいと、上記の変形が拘束されてピストンリングとシリンダとのアタリが強くなり、該ピストンリングとシリンダとの摩擦が大きくなる。これに対して、本発明煮の実施形態に係るエンジン１１では、ピストンリング１０の下面とリング溝５０との摩擦が低減されるので、ピストンリング１０がリング溝５０内に押し縮められる方向の変形に対する拘束が弱くなり、ピストンリング１０とシリンダ２８とのアタリ強さが適正レベルに下がる。この結果、本エンジン１１では、膨張行程でのピストンリング１０とシリンダ２８との摩擦が低減される。
【００６５】
このように、第１の実施形態に係るピストンリング１０では、適用されたピストン３０のリング溝５０とのシール性及びピストン３０とシリンダ２８との間のシール性を確保しつつ、潤滑油Ｌを用いた条件下でピストン３０との摩擦を抑制することができる。また、本エンジン１１では、ピストンリング１０を備えることで、所要のシール性を確保すると共に、シリンダ２８内面へのピストンリング１０の追従性を向上させ該ピストンリング１０とシリンダボア２８間の摩擦を低減することができる。
【００６６】
また、ピストンリング１０では、切欠部５４がなだらかなテーパ面１０Ｃを形成する（切欠部５４の底面がテーパ面１０Ｃである）ため、径方向に油膜圧力Ｐｆの急変部が発生することがなく、安定した油膜を形成することができる。
【００６７】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態と基本的に同一の部品・部分には、上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合がある。
【００６８】
（第２の実施形態）
図８には、第２の実施形態に係るピストンリング６０が図１（Ａ）に対応する周方向直角断面図にて示されている。この図に示される如く、ピストンリング６０におけるリング溝５０の下側溝壁５０Ａと対向する下面６０Ａは、該下側溝壁５０Ａに向けて凸となる湾曲面（バレル形状）とされている。この実施形態では、ピストンリング６０の下面６０Ａは、幅方向の略中央部が最も下側溝壁５０Ａ側に突出された頂部６０Ｂとされている。頂部６０Ｂは、下面６０Ａにおける下側溝壁５０Ａと径方向にオーバラップする範囲に位置する設定（配置）とされている。
【００６９】
ピストンリング６０は、ピストン３０の下側溝壁５０Ａに対し略線接触（線状の細幅部分が下側溝壁５０Ａに対する最接近部位とされる）ことで、該下側溝壁５０Ａとの間のシール性を確保するようになっている。そして、このピストンリング６０は、例えばシリンダ２８に対するピストン３０の往復動に伴い捩れても、周方向の各部において下側溝壁５０Ａに対する幅方向の接触（最接近）部位が周方向の一部で他の一部と異なるように断面視で転がることで、全体として（略全周に亘り）下側溝壁５０Ａに対する線接触状態が維持されるようになっている。
【００７０】
以上説明したピストンリング６０では、下面６０Ａの頂部６０Ｂよりも内周側に位置する空間、より正確には下側溝壁５０Ａに対する線接触（最接近）部位よりも内周側に位置する空間が切欠部６２とされている。したがって、ピストンリング６０では、下面６０Ａにおける頂部６０Ｂに対し内周面６０Ｃ側に位置する部分、より正確には下側溝壁５０Ａに対する線接触（最接近）部位に対し内周面６０Ｃ側に位置する部分が、油膜圧力Ｐｆ又は燃焼室Ｃの圧力Ｐｃを受ける受圧面６０Ｄ（テーパ面１０Ｃに相当する面）とされている。
【００７１】
この実施形態では、受圧面６０Ｄは、周方向直角断面視で、下側溝壁５０Ａに投影する幅Ｗ３が、溝底５０Ｂに投影する高さＨに対し十分に大（Ｗ３＞＞Ｈ）である設定とされている。この実施形態では、０．００１ｍｍ≦Ｈ≦０．１ｍｍとされている。また、ピストンリング６０では、受圧面６０Ｄの幅Ｗ３は、上記高さＨとの比（Ｈ／Ｗ３）が１／１０００〜１／１０の範囲内であって、略１／２００とされている。なお、ピストンリング６０の全幅Ｗは、２〜４ｍｍとされる。
【００７２】
以上説明した切欠部６２は、ピストンリング６０における下面６０Ａ（合口５２を除く部分）の周方向の全長に亘り形成されている。ピストンリング６０における他の構成は、図示しない部分を含め、ピストンリング１０の対応する構成と同じである。
【００７３】
そして、第２の実施形態に係るピストンリング６０おいても、切欠部６２に潤滑油Ｌが満たされている場合には受圧面６０Ｄが油膜圧力Ｐｆを受けることによる摩擦係数低減効果が得られ、切欠部６２に潤滑油Ｌが満たされていない場合には受圧面６０Ｄが燃焼室Ｃの圧力Ｐｃを受けることによる摩擦係数低減効果が得られる。したがって、ピストンリング６０、該ピストンリング６０を備えた本エンジン１１によっても、基本的に第１の実施形態に係るピストンリング１０、本エンジン１１と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
【００７４】
また、ピストンリング６０では、略全周に亘る線接触状態でリング溝５０の下側溝壁５０Ａとの間をシールする構成であるため、面接触状態でシールする構成と比較して、ピストンリング６０が捩れた場合などでも該リング溝５０の下側溝壁５０Ａとの間のシール性が確保されやすい。さらに、ピストンリング６０では、切欠部６２がなだらかな湾曲面である受圧面６０Ｄを形成する（切欠部６２の底面が受圧面６０Ｄである）ため、径方向に油膜圧力Ｐｆの急変部が発生することがなく、安定した油膜を形成することができる。
【００７５】
（第３の実施形態）
図９には、第３の実施形態に係るピストンリング７０が図１（Ａ）に対応する周方向直角断面図にて示されている。この図に示される如く、ピストンリング７０におけるリング溝５０の下側溝壁５０Ａと対向する下面７０Ａと溝底５０Ｂと対向する内周面７０Ｂとの角隅部には、切欠部７２が形成されている。
【００７６】
すなわち、切欠部７２は、リング溝５０におけるピストンリング７０の下面７０Ａと対向する（燃焼室Ｃ側を向く）下側溝壁５０Ａ、及びリング溝５０におけるピストンリング７０の内周面７０Ｂと対向する（径方向外側を向く）溝底５０Ｂの両側に向けて開口するように形成されている。
【００７７】
より具体的には、この実施形態における切欠部７２は、ピストンリング７０における下面７０Ａと内周面７０Ｂとの角部に、下側溝壁５０Ａを向く下向き面７０Ｃを形成している。下向き面７０Ｃは、周方向直角断面視で、下側溝壁５０Ａに投影する幅Ｗ４が、溝底５０Ｂに投影する高さＨに対し十分に大（Ｗ４＞＞Ｈ）である設定とされている。この実施形態では、０．００１ｍｍ≦Ｈ≦０．１ｍｍ、下向き面７０Ｃの勾配である上記幅Ｗ４に対する高さＨの比（Ｈ／Ｗ４）が１／１０００〜１／１０の範囲内であって、略１／２００とされている。
【００７８】
また、ピストンリング７０では、下向き面７０Ｃの幅Ｗ４は、下面７０Ａにおける下向き面７０Ｃが形成されていない部分がリング溝５０下側溝壁５０Ａと対向する（径方向にオーバラップする）ラップ幅Ｗ５が、所定幅以上確保されるように設定されている。この実施形態では、ラップ幅Ｗ５≧１ｍｍとなる設定が採用されている。なお、ピストンリング７０の全幅Ｗは、２〜４ｍｍとされる。
【００７９】
以上説明した切欠部７２は、図１（Ｂ）に示される如く、ピストンリング７０における下面７０Ａ（合口５２を除く部分）の周方向の全長に亘り形成されている。ピストンリング７０における他の構成は、図示しない部分を含め、ピストンリング１０の対応する構成と同じである。
【００８０】
そして、第３の実施形態に係るピストンリング７０おいても、切欠部７２に潤滑油Ｌが満たされている場合には下向き面７０Ｃが油膜圧力Ｐｆを受けることによる摩擦係数低減効果が得られ、切欠部６２に潤滑油Ｌが満たされていない場合には下向き面７０Ｃが燃焼室Ｃの圧力Ｐｃを受けることによる摩擦係数低減効果が得られる。したがって、ピストンリング７０、該ピストンリング７０を備えた本エンジン１１によっても、切欠部５４がなだらかなテーパ面１０Ｃを形成することによる作用効果を除いて、基本的に第１の実施形態に係るピストンリング１０、本エンジン１１と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。８０
【００８１】
（第４の実施形態）
図１０には、第４の実施形態に係るピストンリング８０が図１（Ｂ）に対応する底面図にて示されている。この図に示される如く、ピストンリング８０は、ピストンリング１０の略全長に亘って形成された切欠部５４に代えて、ピストンリング８０の周方向に長手とされると共に該周方向に離間して配置された４つの切欠部８２を有する点で、第１の実施形態に係るピストンリング１０とは異なる。
【００８２】
このピストンリング８０の下面８０Ａにおける周方向に隣り合う切欠部８２間の非加工部（切欠部８２の非形成部）を、座部８４ということとする。なお、合口５２にて周方向に分離された２つの切欠部８２は、周長の和が他の２つの切欠部８２の周長と略等しく設定されており、これらを１つの切欠部８２と捉えることも可能である。これにより、ピストンリング８０では、３つの座部８４は、周方向に略等間隔に（略１２０°間隔で）配置されている。
【００８３】
また、ピストンリング８０では、座部８４の周長は、切欠部８２の周長に対し十分に短く設定されている。座部８４の周長は、各座部８４においてリング溝５０の下側溝壁５０Ａに着座（当接）することで、ピストンリング８０の姿勢が安定する範囲の下限側の値として設定されている。この実施形態における切欠部８２の断面形状は、第１の実施形態に係る切欠部５４の断面形状と同様とされている。すなわち、ピストンリング８０は、下面８０Ａと内周面８０Ｂとの角部に、切欠部８２の底面として把握することのできるテーパ面８０Ｃを有する。ピストンリング８０における他の構成は、図示しない部分を含め、ピストンリング１０の対応する構成と同じである。
【００８４】
したがって、第４の実施形態に係るピストンリング８０によっても、基本的に第１の実施形態に係るピストンリング１０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、ピストンリング７０を備えたエンジン１１によっても、基本的に第１の実施形態に係るエンジン１１と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
【００８５】
また、本ピストンリング８０では、３つ以上の座部８４が周方向に略等間隔で配置されているため、燃焼室Ｃ側の圧力Ｐｃを受けた場合に、先ず３つの座部８４においてリング溝５０下側溝壁５０Ａに接触（油膜を挟んで近接）することで、姿勢が安定される。このため、ピストンリング８０は、その捩れ等に起因してテーパ面８０Ｃの寸法（油膜圧力Ｐｆや圧力Ｐｃの受圧面積等）が周方向の各部で変化される（異ならされる）ことが抑制され、上記の摩擦低減効果を安定的に得ることができる。
【００８６】
（第５の実施形態）
図１１には、第５の実施形態に係るピストンリング９０が図１（Ｂ）、図１０に対応する底面図にて示されている。この図に示される如く、ピストンリング９０は、座部８４が合口５２に対し周方向に隣接して配置されている点で、第４の実施形態に係るピストンリング１０とは異なる。
【００８７】
具体的には、ピストンリング９０では、周長が同等である３つの切欠部８２が周方向に離間して配置されており、このうち２つの切欠部８２間に合口５２が位置している。そして、ピストンリング９０では、合口５２に対する周方向の両側に、それぞれ切欠部８２の非形成部すなわち座部８４が設けられている。
【００８８】
合口５２を周方向に挟む一対の座部８４を１つの座部８４と捉えると、ピストンリング９０では、計３つの座部８４が周方向に略等間隔で配置されているものとして把握することができる。また、周方向に不等間隔で４つの座部８４が配置されているものと捉えても良い。ピストンリング９０における他の構成は、図示しない部分を含め、ピストンリング８０の対応する構成と同じである（ピストンリング８０の下面８０Ａ、内周面８０Ｂ、テーパ面８０Ｃに相当する下面９０Ａ、内周面９０Ｂ、テーパ面９０Ｃを有する）。
【００８９】
したがって、第５の実施形態に係るピストンリング９０によっても、基本的に第４の実施形態に係るピストンリング８０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、ピストンリング９０を備えたエンジン１１によっても、基本的に第４の実施形態に係るエンジン１１と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
【００９０】
また、ピストンリング９０では、合口５２に隣接して座部８４が配置されているため、換言すれば、ピストンリング９０における比較的バタつきが生じやすい部分に近接して座部８４が配置されているため、燃焼室Ｃ側の圧力Ｐｃを受けた場合に、姿勢が一層安定される。特に、合口５２の周方向両側に隣接して８４が配置されているピストンリング９０は、燃焼室Ｃ側の圧力Ｐｃを受けた場合に、姿勢がより一層安定される。これらにより、ピストンリング９０は、その捩れ等に起因してテーパ面９０Ｃの寸法が周方向の各部で変化されることが抑制され、上記の摩擦低減効果を一層安定的に得ることができる。
【００９１】
（第６の実施形態）
図１２には、第６の実施形態に係るピストンリング１００が図１（Ｂ）に対応する底面図にて示されている。この図に示される如く、ピストンリング１００は、座部８４が合口５２に対し周方向に隣接して配置されている点で、第５の実施形態に係る９０と共通するが、計６つの座部８４が設けられている点で、計３つ（上記の通り４つと捉えることも可能）の座部８４が設けられたピストンリング９０とは異なる。
【００９２】
具体的には、ピストンリング１００では、周方向に短い間隔で隣り合う一対の座部８４が、該周方向に略等間隔と成るように三対（計６つ）設けられている。三対のうち一対の座部８４は、ピストンリング９０と同様に合口５２を周方向に挟むように配置されている。この対を除く二対の座部８４間には、周長が短い切欠部８２が形成されている。ピストンリング１００における他の構成は、図示しない部分を含め、ピストンリング８０、９０の対応する構成と同じである（ピストンリング８０の下面８０Ａ、内周面８０Ｂ、テーパ面８０Ｃに相当する下面１００Ａ、内周面１００Ｂ、テーパ面１００Ｃを有する）。
【００９３】
したがって、第６の実施形態に係るピストンリング１００によっても、基本的に第４、第５の実施形態に係るピストンリング８０、９０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、ピストンリング１００を備えたエンジン１１によっても、基本的に第１の実施形態に係るエンジン１１と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
【００９４】
また、ピストンリング１００では、周方向に離間して対を成す座部８４が計三対設けられているため、例えばピストンリング９０と比較して、各座部８４の周長の総和を減じながら、同等の姿勢（着座）安定性を得ることが可能である。
【００９５】
なお、上記した第４〜第６の実施形態では、周方向に隣り合う切欠部８２間に座部８４が設けられた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、第３の実施形態における切欠部７２間に座部８４が設けられた構成としても良い。
【００９６】
また、上記した第５〜第６の実施形態では、合口５２に対する周方向の両側に隣接して座部８４が配置された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、合口５２の周方向一方側にのみ座部８４を隣接配置した構成としても良い。
【００９７】
さらに、上記した第４〜第６の実施形態では、周方向に離間して３つ（三対）の座部８４が配置された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、周方向に離間して４つ以上の座部８４が等間隔または不等間隔で設けられた構成としても良い。
【００９８】
またさらに、上記した各実施形態では、ピストンリング１０、６０、７０が内燃機関であるエンジン１１に適用された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、外燃機関や往復動（レシプロ）圧縮機等にピストンリング１０、６０、７０、８０、９０、１００を適用しても良い。
【符号の説明】
【００９９】
１０    ピストンリング
１０Ｃ  テーパ面
１１    エンジン（内燃機関）
３０    ピストン
５０    リング溝
５０Ａ  下側溝壁
５４    切欠部
６０・７０・８０・９０・１００  ピストンリング
６２・７２・８２    切欠部
８４    座部（切欠部の非形成部位）
【図１】
2010222985.tif 000003
【図２】
2010222985.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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