(57)【要約】【課題】圧力リング装着ピストンにおいて、圧力リングをリング溝面から離間しやすくして、オイル消費を低減することである。【解決手段】圧力リング装着ピストン１８は、第１リング溝４０にピストン移動方向へ移動可能に配置された第１圧力リングであるトップリング３４と、第２リング溝４２にピストン移動方向へ移動可能に配置された第２圧力リングであるセカンドリング３６とを含む。トップリング３４の軸方向の第１端面、第１端面に対向する第１リング溝４０の第１リング溝面、セカンドリング３６の軸方向の第２端面、及び第２端面に対向する第２リング溝４２の第２リング溝面の少なくとも１つを、対向形成面として、対向形成面は、表面粗さの最大深さよりも大きな凹部または、凸部を有している。【選択図】図２
2014101893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に燃焼室側からクランク室側に向かってリング溝とオイルリング溝とが順に形成された内燃機関用のピストン本体と、
前記リング溝にピストン移動方向へ移動可能に配置され、前記リング溝の溝底径よりも大きい内径を有する圧力リングとを備え、
前記圧力リングの軸方向の端面、または前記端面に対向するリング溝面を対向形成面として、
前記対向形成面は、表面粗さの最大深さよりも大きな凹部または、凸部を有している、圧力リング装着ピストン。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力リング装着ピストンにおいて、
前記ピストン本体は、前記リング溝の周辺部で当該リング溝に向かって外径が大きくなっていることを特徴とする圧力リング装着ピストン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧力リング装着ピストンにおいて、
前記対向形成面に、油に対する濡れ性を低下させる濡れ性低減処理が施されていることを特徴とする圧力リング装着ピストン。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の圧力リング装着ピストンにおいて、
前記凹部は、前記対向形成面に放射状に形成されていることを特徴とする圧力リング装着ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力リング装着ピストンに関し、特にピストンの複数のリング溝に燃焼室側からクランク室側に向かって圧力リングとオイルリングとが順に配置された構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から内燃機関用ピストンの外周面に複数のリング溝を設けるとともに、複数のリング溝に圧力リング及びオイルリングを配置することが行われている。
【０００３】
特許文献１には、２ピース構造のオイルリングが記載されている。オイルリングが油膜によってリング溝の下面に付着することを抑制し、オイルリングの上面とリング溝との間からリング溝内のオイルが吸い上げられるのを抑制するために、リング溝の下面またはオイルリングの下面に凹部が設けられている。
【０００４】
特許文献２には、第１圧力リングであるトップリングにおいて、皿バネ状の断面を持ち、シリンダにピストンが嵌合された場合に、トップリングが、ピストンのリング溝の溝面と対向する軸方向端のリング端面を有し、リング端面に溝面と平行またはほとんど平行な平滑部を設けることが記載されている。
【０００５】
特許文献３には、ピストンの外周面で、トップリングと第２圧力リングであるセカンドリングとの間のセカンドランドと対向する空間の圧力上昇によって、セカンドリングの下面がリング溝に押し付けられる力を低減するために、セカンドリングの下面をテーパ形状とすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７０８６８号公報
【特許文献２】特開昭６１−１１４４１号公報
【特許文献３】特開２０００−９２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
第１圧力リング及び第２圧力リングは、ピストンの往復移動に伴う慣性力と、シリンダ壁面との間の摩擦力と、リング両側の圧力差等とに影響されてリング溝内で移動する。この場合、第１圧力リング及び第２圧力リングの少なくとも一方の圧力リングにおいて、ピストンの移動方向や移動速度の変化にかかわらず、圧力リングとリング溝のリング溝面との間の油の介在によりリング溝面に圧力リングが吸着されたままとなる場合がある。この場合、クランク室側のオイルが燃焼室側に運ばれて消費されるという「オイル上がり」が生じて、オイル消費が大きくなる可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、圧力リング装着ピストンにおいて、圧力リングをリング溝面から離間しやすくして、オイル消費を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る圧力リング装着ピストンは、外周面に燃焼室側からクランク室側に向かってリング溝とオイルリング溝とが順に形成された内燃機関用のピストン本体と、前記リング溝にピストン移動方向へ移動可能に配置され、前記リング溝の溝底径よりも大きい内径を有する圧力リングとを備え、前記圧力リングの軸方向の端面、または前記端面に対向するリング溝面を対向形成面として、前記対向形成面は、表面粗さの最大深さよりも大きな凹部または、凸部を有している。
【００１０】
本発明に係る圧力リング装着ピストンにおいて、好ましくは、前記ピストン本体は、前記リング溝の周辺部で当該リング溝に向かって外径が大きくなっていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る圧力リング装着ピストンにおいて、好ましくは、前記対向形成面に、油に対する濡れ性を低下させる濡れ性低減処理が施されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る圧力リング装着ピストンにおいて、好ましくは、前記凹部は、前記対向形成面に放射状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の圧力リング装着ピストンによれば、圧力リングとリング溝面との間に油が存在する場合でも、凹部、または凸部から外れた部分と、相手面との対向部分で隙間が大きくなるので油の移動及び変形の自由度が高くなり、全体として圧力リングとリング溝面との付着力が低減され、圧力リングがリング溝面から離間しやすくなる。このため、オイル上がりを抑制して、オイル消費を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態の圧力リング装着ピストンを組み込んだエンジンを示す概略部分断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】トップリングを示している図２のＢ部拡大図である。
【図４】トップリングの端面図である。
【図５】図３のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】（ａ）は図５のＤ部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）の周方向位置に応じたトップリングの上端面と第１リング溝面との付着力を示す図である。
【図７】本発明の実施形態において、エンジンの低負荷または無負荷の運転状態で、クランク角度に応じた筒内圧Ｐａ及びセカンドランド圧Ｐ１と、比較例のセカンドランド圧Ｐ２との計算結果、及び、ピストンの移動方向とを示す図である。
【図８】比較例を示している図３に対応する図である。
【図９】本発明の実施形態において、セカンドランド圧が大きくなる理由を説明するための図３の拡大対応図である。
【図１０】本発明の実施形態の別例の第１例を示している図３に対応する図である。
【図１１】本発明の実施形態の別例の第２例を示している図２に対応する図である。
【図１２】ピストン移動時の油膜の動きを示す、図１１のＥ部拡大図である。
【図１３】本発明の実施形態の別例の第３例を示している図３に対応する図である。
【図１４】図１３において、トップリングがピストンに対し上に移動した場合の第１リング溝内のオイル挙動を示す図である。
【図１５】本発明の実施形態の別例の第４例において、セカンドリングの下面が第２リング溝面に押し付けられた状態を示している図２のＦ部拡大対応図である。
【図１６】図１５のＧ−Ｇ断面図である。
【図１７】図１５の実施形態において、エンジンの高負荷運転状態で、クランク角度に応じた筒内圧Ｐａ及びセカンドランド圧Ｐ１と、比較例のセカンドランド圧Ｐ２との計算結果、及び、ピストンの移動方向とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、ピストンをガソリンエンジンに使用する場合について説明するが、ピストンが往復移動する他のエンジンに適用することもできる。また、以下ではエンジンとして、シリンダが略鉛直方向に形成された直列複数気筒の場合を説明するが、これに限定するものではなく、Ｖ字形の複数気筒、水平対向の複数気筒等の他の形式のエンジンに適用してもよい。また、以下では、すべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態の圧力リング装着ピストンを組み込んだエンジンを示す概略部分断面図である。内燃機関であるガソリンエンジン１０は、エンジン本体１２を形成するシリンダブロック１４に略鉛直方向に形成された複数のシリンダ１６と、各シリンダ１６の内側に上下方向に往復移動する圧力リング装着ピストン１８と、圧力リング装着ピストン１８に上端部が結合された結合ロッド２０と、結合ロッドの下端部が結合されたクランク軸２２とを備える。クランク軸２２の両端部はエンジン本体１２に回転可能に支持される。クランク軸２２の軸方向中間部は、エンジン本体１２の下部内側のクランク室２４に配置される。クランク室２４にはエンジンオイルである潤滑油が溜まっている。シリンダブロック１４の上側にシリンダヘッド２６が結合され、シリンダヘッド２６とシリンダブロック１４と圧力リング装着ピストン１８の上面とにより燃焼室２８が形成されている。
【００１７】
図２は、図１のＡ部拡大図を示している。圧力リング装着ピストン１８は、ピストン本体３２と、トップリング３４と、セカンドリング３６と、オイルコントロールリングであるオイルリング３８とを含む。ピストン本体３２は、上端部が塞がれた略円筒状で、外周面の上側に燃焼室２８側からクランク室２４側に向かって、第１リング溝４０と第２リング溝４２とオイルリング溝４４とが順に形成されている。各リング溝４０，４２，４４は、ピストン本体３２の外周面に全周に沿って形成された断面矩形状である。
【００１８】
また、ピストン本体３２は、オイルリング溝４４とピストン内部空間４６とを通じさせるように形成された油孔であるドレンホール４８を含んでいる。ピストン内部空間４６は下側のクランク室２４と通じている。ドレンホール４８の一端部はオイルリング溝４４の内周部及び下部に接続され、ドレンホール４８の他端部はピストン本体３２の内壁に開口している。
【００１９】
オイルリング３８は、３ピース型であり、上下２つの環状サイドレール５０，５２と、環状サイドレール５０，５２間に介装された環状スペーサ５４とを含み、オイルリング溝４４に装着されている。環状スペーサ５４は、上下２つの環状要素の外周部同士を連結部で連結して形成され、各環状要素によって、各環状サイドレール５０，５２をオイルリング溝４４の上下のリング溝面に押し付けている。また、各環状要素の内周端部で環状サイドレール５０，５２を外周側に押し広げて、周方向の張力を付与することで、各環状サイドレール５０，５２の外周縁をシリンダ１６の壁面に摺接させている。環状スペーサ５４の連結部に厚み方向に貫通する孔を形成してもよい。
【００２０】
トップリング３４は、第１リング溝４０に配置された第１圧力リングである。セカンドリング３６は、第２リング溝４２に配置された第２圧力リングである。後述する図４に示すように、トップリング３４は、鋼等の金属から周方向一部に合口５６を有する略円環状に形成される。セカンドリング３６も同様である。トップリング３４及びセカンドリング３６は、それぞれ第１リング溝４０及び第２リング溝４２の内側に、ピストン移動方向である上下方向に移動可能に配置される。
【００２１】
トップリング３４は、第１リング溝４０の溝底径よりも大きい自由状態での内径ｄａ（図４）を有する。トップリング３４を第１リング溝４０に装着しシリンダ１６内にピストン１８を組み付けた状態では、トップリング３４の内周面と第１リング溝４０の溝底との間に径方向の隙間が形成される。同様に、セカンドリング３６は、第２リング溝４２の溝底径よりも大きい自由状態での内径を有する。また、セカンドリング３６を第２リング溝４２に装着しシリンダ１６内にピストン１８を組み付けた状態では、セカンドリング３６の内周面と第２リング溝４２との間に径方向の隙間が形成される。トップリング３４及びセカンドリング３６の外周縁は、シリンダ１６の壁面に摺接する。
【００２２】
ピストン本体３２の外周面で、第１リング溝４０よりも燃焼室２８側には円筒面状のトップランド５８が形成され、第１リング溝４０と第２リング溝４２との間には円筒面状のセカンドランド６０が形成される。トップランド５８とシリンダ１６との間は筒状のトップランド空間６２となり、セカンドランド６０とシリンダ１６との間は筒状のセカンドランド空間６４となる。また、ピストン本体３２の外周面で第２リング溝４２とオイルリング溝４４との間には円筒面状のサードランド６６が形成される。サードランド６６部分の圧力はクランク室２４の圧力である大気圧とほぼ同じになる。
【００２３】
図３はトップリング３４を示している図２のＢ部拡大図であり、図４はトップリング３４の端面図である。図５は、図３のＣ−Ｃ断面図である。トップリング３４の軸方向の端面である第１端面であり、対向形成面である上端面７０は、この上端面７０の放射方向に形成された複数の凹部６８を有する。複数の凹部６８は、上端面７０の周方向に等間隔で形成されている。また、複数の凹部６８同士で深さ及び周方向の幅を互いに同じとしている。図４では、斜格子部により凹部６８を示している。
【００２４】
図６において、（ａ）は図４のＣ部拡大図であり、（ｂ）は（ａ）の周方向位置に応じたトップリング３４の軸方向一端の上端面７０と、第１リング溝４０の第１リング溝面である上溝面７２との付着力を示す図である。トップリング３４の上端面７０に形成された各凹部６８は、上端面７０の表面粗さの最大深さよりも大きい。例えば、表面粗さの最大深さに対して凹部６８の深さを１０倍以上とする。また、表面粗さの最大深さを５０μｍ未満とする場合に、凹部６８の深さを５０μｍ以上としてもよい。トップリング３４が第１リング溝４０の上溝面７２に押し付けられる場合に、トップリング３４と第１リング溝４０とは、凹部６８から周方向に外れた図６のＰで示す範囲で接触する。範囲Ｐ以外である凹部６８形成部分では、トップリング３４と上溝面７２とが十分に大きく離れている。
【００２５】
このような圧力リング装着ピストン１８によれば、トップリング３４の上端面７０と、この上端面と対向する第１リング溝４０の上溝面７２との間に図６で砂地で示す潤滑油が存在する場合でも、上端面７０全体を表面粗さが存在するだけの平坦面とする場合に比べて上溝面７２との接触面積を減少させて、凹部６８と相手面である上溝面７２との対向部分で隙間が大きくなるので油の移動及び変形の自由度が高くなる。このため、全体としてトップリング３４と上溝面７２との付着力が低減され、トップリング３４が上溝面７２から離間しやすくなる。すなわち、油膜によるトップリング３４と上溝面７２との付着力は、図５に範囲Ｐで示す部分である凹部６８から外れた部分でのみ大きく作用する。このため、トップリング３４と上溝面７２との間において、油膜による付着力の総和を低減できる。
【００２６】
このように油膜による付着力を低減できるので、エンジン運転時にトップリング３４が第１リング溝４０内で軸方向に移動して第１リング溝４０の上溝面７２に接触した場合でも、ピストン本体３２の移動による慣性力や、トップリング３４両側の圧力差等に応じてトップリング３４が第１リング溝４０から離間しやすくなる。このため、オイル消費に関係するトップリング３４の設計の容易化を図れ、クランク室２４側の油が燃焼室２８に運ばれて消費されるオイル上がりを抑制して、オイル消費、特に設計外のオイル消費を低減できる。
【００２７】
次にこの理由をさらに詳しく説明する。エンジン内でオイル消費が生じる現象としては様々な形態があるが、本実施形態では、特にオイル上がりに着目した。オイル上がりの要因としては次の（１）から（３）がある。
【００２８】
（１）圧力リング及びオイルリングであるピストンリングと、シリンダとの摺動面において形成された油膜が蒸発して消費される。
（２）ピストンリングとシリンダとの摺動面において形成された油膜をピストンリングが掻き上げて消費される。
（３）ピストンリングとシリンダ及びピストンで囲まれた複数の空間（ピストンランド部）において、隣接する空間（ピストンランド部）との間の圧力差によってオイルがピストンの上方に運ばれて消費される。
【００２９】
（１）（２）については、ピストンリングとシリンダとの摺動面における油膜形成能力に関わるピストンリング摺動面に加わる面圧と、ピストンリング摺動面の形状及びシリンダの表面形状を含む形状及びオイルの蒸発量に関わる油膜の温度に基づいた計算によっておよその設計が可能である。
【００３０】
一方、（３）については、通常、ピストンリングに作用する慣性力、摺動面摩擦力、リング両側の圧力差に基づいてピストンリングのリング溝内での上下挙動を算出することによって、オイル上がりに対して不都合なピストンリング挙動が発生しないように設計を行なう。ただし、実際には、ピストンリングとリング溝との間に潤滑油が入った場合に、ピストンリングに作用する上記の３つの力に加えて油膜による付着力がピストンリングに作用することが分かった。このため、常には設計どおりのピストンリング挙動を実現できずに設計外のオイル消費現象が発生する場合がある。特に、ピストンリングを挟んで隣接する空間に作用する圧力差が大きい部位においては圧力差による潤滑油の移動が活発になるため、オイル消費量が急増することが分かった。例えば、自動車用エンジンのピストンにおいて本実施形態のようにトップリング及びセカンドリングとオイルリングの３本のリング構成にすることが多い。この中で、トップリング及びセカンドリングにおいてはオイルリングと比較してリング上下の圧力差が大きくなりやすい。このため、（３）に関わるオイル消費が発生しやすい。
【００３１】
ピストンリングに作用する油膜の付着力は、基本的にはピストンリングとリング溝面との接触面積と、そこに介在する油量とに応じて変化し、接触面積が大きいほど大きくなり、油量が多くなるほど小さくなる。実際のピストンリングとリング溝面との表面には粗さが存在する。このため、ピストンリングとリング溝面との間に介在する油膜の厚さが表面粗さと同等になるまでは、ピストンリングとリング溝面との接触面積の増加によって付着力も増加して、油膜厚さがそれ以上になると油膜が流動しやすくなり、これによって付着力が低下する傾向となる。
【００３２】
本実施形態によれば、このような理由からトップリング３４の上端面７０において、油膜による第１リング溝４０の上溝面７２との付着力を低減できる。図６において、Ｐの範囲では付着力が接触面積の増大に応じて大きくなるが、Ｒで示す範囲Ｐから外れた部分では油膜が流動しやすくなって付着力が低下する。このため、実機実働状態におけるトップリング３４の挙動を、上記の３つの力（慣性力、摩擦力、圧力）によって設計された状態に近づけることができ、（３）に関わるオイル上がりに対し、設計外での現象発生を低減可能となる。
【００３３】
特に、エンジンの低負荷や無負荷時、例えばエンジンブレーキが作用する場合では、多くの期間で燃焼室が負圧となる。図７は、本実施形態において、エンジンの低負荷または無負荷の運転状態で、クランク角度に応じた筒内圧Ｐａ及びセカンドランド圧Ｐ１と、比較例のセカンドランド圧Ｐ２との計算結果、及び、ピストンの移動方向とを示す図である。なお、図７において、吸入、圧縮、膨張、排気の期間は、バルブタイミングによってずれる場合がある。
【００３４】
図７に示すように、クランク角度によって筒内圧Ｐａが負圧になる期間が多く発生する。また、ピストン１８はクランク角度に応じて上下に往復移動する。この場合、破線Ｐ２で示す比較例は、本実施形態と異なり、図８に示すようにトップリング３４の上端面７０に凹部を形成していない。このような比較例の圧力リング装着ピストンを組み込んだエンジンでは、セカンドランド空間６４の圧力であるセカンドランド圧が、図７に破線Ｐ２で示すように変化する。すなわち、筒内圧Ｐａは圧縮後半から膨張前半にわたって急激に上昇した後、急激に減少するが、この期間（圧縮後半〜膨張前半）でトップリング３４が第１リング溝４０の上溝面７２に付着したままであると、筒内圧Ｐａにかかわらずセカンドランド圧Ｐ２は負圧のままとなる。このため、クランク室２４からサードランド６６部分を通じてセカンドランド空間６４に潤滑油が多く吸引され、オイル消費が多くなる要因となる。なお、図７では、点Ｕ以下のクランク角度、及び、点Ｖ以上のクランク角度で、破線Ｐ２は一点鎖線Ｐ１と一致している。
【００３５】
一方、図７に一点鎖線Ｐ１で示す本実施形態の場合、ピストン１８の移動方向や移動速度の変化に応じて図９に示すように、トップリング３４が凹部６８の存在により第１リング溝４０の上溝面７２から離間しやすくなる。このため、トップランド空間６２の圧力が圧縮後半で高くなる場合にトップランド５８側から図９に矢印で示すように、ガスがトップリング３４と第１リング溝４０との間を通じてセカンドランド空間６４に流れる。したがって、図７に示すようにセカンドランド圧Ｐ１が筒内圧Ｐａの増大から少し遅れて急激に増大する。この結果、セカンドランド空間６４が負圧になる期間を少なくできてオイル消費を抑制できる。
【００３６】
一方、特許文献１に記載された構成では、オイルリングやオイルリング溝に凹部を形成しているが、オイルリングからはオイルリング溝の内側以外にオイルリングの合口からも油の通過が可能である。オイルリングを通過した油は、トップリングとセカンドリングとの組み合わせで形成される各ランド空間の圧力の関係によって燃焼室に運ばれてオイル上がりが生じる場合がある。このようなオイル上がりに対して特許文献１は有効な手段を開示するものではない。本実施形態では、トップリング３４の挙動を適正に設計することができ、オイルリング３８の上側に作用する圧力を適正化できることで、オイルリング３８の合口を介しての油の通過を低減することができる。なお、後述する別例で示すようにセカンドリング３６の挙動を合わせて適正化できれば、オイルリング３８を通過する油の通過をより低減できる。
【００３７】
なお、特許文献１には、圧力リングに対して高温高圧によるリング溝への凝着を抑制する提案として、圧力リングのリング溝との当接面に冷却効果を生じる潤滑油を保持する溝を形成することが記載されている。ただし、この溝は本実施形態の凹部６８とは異なる目的で考えられたもので、本実施形態の圧力リング装着ピストン１８を考え付くための示唆となるものではない。
【００３８】
また、図３のようにトップリング３４の上端面７０に凹部６８を放射状に形成し、凹部６８の長さ方向両端をトップリング３４の外周面と内周面とに開口させれば、トップリング３４の上端面７０が第１リング溝４０に接触した状態でも凹部６８を通じて潤滑油が流動しやすくなる。なお、凹部６８は放射状に形成する場合に限定せず、種々の数及び形状の凹部を採用できる。例えば放射状の凹部６８は、上端面７０の外周側にのみ形成してもよい。また、凹部はトップリング３４の上端面の外周側または内周側に全周にわたって略円環状に形成されたものでもよい。この場合も上端面全体を平坦面とする場合に比べて上溝面７２との接触面積を減少できて、トップリングを上溝面７２から離間しやすくなる。
【００３９】
また、上記ではトップリング３４の上端面７０に凹部６８を形成する場合を説明したが、図１０に示すようにこの上端面７０と対向する第１リング溝４０の上溝面７２に凹部７４を形成してもよい。例えば凹部７４を上溝面７２に放射状に形成してもよい。この場合、凹部７４の外周端をピストン本体３２の外周面に開口させてもよい。この場合も凹部７４は放射状に形成する場合に限定せず、種々の数及び形状の凹部を採用できる。例えば上溝面７２の外周側に円環状の凹部を形成し、トップリングの上端面が上溝面７２の凹部から内周側に外れた部分に接触可能となるようにトップリングと上溝面７２とを軸方向に対向させることもできる。また、トップリング３４の上端面７０と上溝面７２との両方に凹部６８、７４を形成してもよい。また、トップリング３４の第１端面である下端面７６とこの下端面７６が対向する第１リング溝４０の第１溝面である下溝面７８との一方または両方に凹部を形成してもよい。
【００４０】
図１１は、本発明の実施形態の別例の第２例を示している図２に対応する図である。本例の場合、ピストン本体３２の外周面のセカンドランド６０とサードランド６６とにおいて、ピストン軸方向の両端部に各リング溝４０，４２，４４に向かって直径が大きくなる方向に緩やかに傾斜したテーパ面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を全周にわたって形成している。このため、ピストン本体３２は、セカンドランド６０とサードランド６６とにおいて、第１リング溝４０、第２リング溝４２及びオイルリング溝４４の周辺部で当該リング溝４０，４２，４４に向かって外径が大きくなっている。
【００４１】
このような構成によれば、ピストン本体３２が上下動に伴う加速度によってセカンドランド６０及びサードランド６６に付着した潤滑油がリング溝４０，４２，４４に近づく際に、潤滑油がリング溝４０，４２，４４から遠ざかる方向の速度成分を有するので、各リング溝４０，４２，４４への潤滑油の侵入を抑制できる。例えば、図１２でセカンドランド６０の第１リング溝４０側部分で示すように、ピストン本体３２が矢印α方向に変位することに伴い、セカンドランド６０に付着した潤滑油の油膜がガス流れに伴って第１リング溝４０に向かって上昇する傾向となる場合がある。この場合、テーパ面Ｓ１に沿って油膜がシリンダ１６側に案内されて第１リング溝４０内に浸入する潤滑油を少なくできる。このため、トップリング３４の端面と第１リング溝４０のリング溝面との間に存在する油膜を少なくでき、トップリング３４の端面の第１リング溝４０への付着力を小さくできる。この結果、オイル消費をより少なくできる。他のテーパ面Ｓ２、Ｓ３，Ｓ４の場合の作用も同様である。その他の構成及び作用は、上記の図１から図６の場合と同様である。
【００４２】
なお、本例において、テーパ面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の代わりに、ピストン本体３２の外周面のセカンドランド６０とサードランド６６とにおいて、ピストン軸方向の両端部にリング溝４０，４２，４４に向かって直径が大きくなる方向に湾曲した曲面を全周に形成してもよい。また、トップランド５８の第１リング溝４０の周辺部に第１リング溝４０に向かって直径が大きくなるテーパ面または曲面を形成してもよい。また、各ランド５８，６０，６６のいずれか１つまたは２つにおいて、リング溝４０，４２，４４周辺部に同様のテーパ面または曲面を形成してもよい。
【００４３】
図１３は、本発明の実施形態の別例の第３例を示している図３に対応する図である。本例の場合、トップリング３４の上下両端面７０，７６と第１リング溝４０の上下両溝面７２，７８との破線で示す部分に、油に対する濡れ性を低下させる濡れ性低減処理を施している。例えば、濡れ性低減処理として、樹脂層を形成する等の撥油性のコーティング処理や、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子の投射等の濡れ性低減用の表面加工処理を採用できる。
【００４４】
このような構成によれば、濡れ性低減処理を施した面の油に対する濡れ性が低下する。このため、図１４に示すようにトップリング３４の上下の圧力差によってトップリング３４が第１リング溝４０内で移動し、トップリング３４と第１リング溝４０との間に矢印方向のガス流れが生じた場合に、トップリング３４と第１リング溝４０との間の油を容易に排出できる。この結果、油膜によるトップリング３４の第１リング溝４０への付着を抑制できる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図６の場合と同様である。なお、トップリング３４の上下両端面７０，７６と上下両溝面７２，７８との一部の面のみに濡れ性低減処理を施してもよい。
【００４５】
図１５は、本発明の実施形態の別例の第４例において、セカンドリング３６の下面が第２リング溝４２の第２リング溝面に押し付けられた状態を示している図２のＦ部拡大対応図である。図１６は、図１５のＧ−Ｇ断面図である。本例の場合、セカンドリング３６の第２端面であり、対向形成面であり、軸方向の端面である下端面８０は、下端面８０の放射方向に形成された凹部８２を有する。各凹部８２は、下端面８０の表面粗さの最大深さよりも大きい。セカンドリング３６の基本形状は図３のトップリング３４の場合と同様であり、凹部８２の構成も上下が逆になる以外、図１から図６の構成の凹部６８と同様である。
【００４６】
このような構成によれば、セカンドリング３６の下端面８０と、この下端面８０と対向する第２リング溝４２の第２リング溝面である下溝面８４との間に潤滑油が存在する場合でも、下端面８０全体を表面粗さが存在するだけの平坦面とする場合と比べて、下溝面８４との接触面積を減少させて、凹部８２と相手面である下溝面８４との対向部分で隙間が大きくなるので油の移動及び変形の自由度が高くなる。このため、全体としてセカンドリング３６の下溝面８４への付着力が低減され、セカンドリング３６が下溝面８４から離間しやすくなる。この結果、セカンドリング３６と下溝面８４との間において、油膜による付着力の総和を低減でき、クランク室側の油のオイル上がりを抑制して、オイル消費を低減できる。
【００４７】
特に、エンジンの燃焼を伴う負荷運転状態では、図１の燃焼室２８の筒内圧は正圧またはほぼ０となる。図１７は、本例において、エンジンの高負荷運転状態で、クランク角度に応じた筒内圧Ｐａ及びセカンドランド圧Ｐ１と、比較例のセカンドランド圧Ｐ２との計算結果、及び、ピストンの移動方向とを示す図である。図１７の場合も、吸入、圧縮、膨張、排気の期間は、バルブタイミングによってずれる場合がある。
【００４８】
図１７に示すように、クランク角度によって筒内圧Ｐａは、圧縮後半から膨張前半にわたって急激に増大した後、急激に減少する。一方、破線Ｐ２で示す比較例は、本例と異なり、セカンドリング３６の下端面に凹部を形成していない。このような比較例の圧力リング装着ピストンを組み込んだエンジンでは、セカンドランド圧が、図１７に破線Ｐ２で示すように変化する。すなわち、圧縮後半の上死点付近でピストン移動方向が上から下に変化するのにかかわらず、セカンドリング３６が第２リング溝４２の下溝面８４に付着したままとなることで、図１７の破線βで囲んだ部分でセカンドランド圧Ｐ２が筒内圧Ｐａよりも高くなる。この場合、図２のトップリング３４が両側の圧力差で押し上げられてセカンドランド空間６４から潤滑油が燃焼室に送られ、オイル消費が多くなる要因となる。
【００４９】
一方、図１７に一点鎖線Ｐ１で示す本例の場合、上死点付近からのピストンの移動方向の変化に応じてセカンドリング３６が、凹部８２の存在により第２リング溝４２の下溝面８４から離間しやすくなる。このため、セカンドランド空間６４のガスがサードランド６６側に抜けてセカンドランド圧Ｐ１がほぼ大気圧となるように小さくなる。この結果、セカンドランド圧Ｐ１が筒内圧Ｐａよりも高くなる期間をなくすか、または少なくできてオイル上がりを抑制してオイル消費を低減できる。なお、セカンドリング３６に形成する凹部は放射状に形成する場合に限定せず、種々の数及び形状の凹部を採用できる。例えば、凹部はセカンドリング３６の下端面の外周側または内周側に全周にわたって略円環状に形成されたものでもよい。その他の構成及び作用は、上記の図１から図６の構成と同様である。なお、本例の構成でも図１３、図１４の構成と同様にセカンドリング３６の上下両端面と第２リング溝４２の上下両溝面との一部またはすべての面に濡れ性低減処理を施してもよい。
【００５０】
また、上記ではセカンドリング３６の下端面８０に凹部８２を形成する場合を説明したが、この下端面８０と対向する第２リング溝４２の下溝面８４に凹部を形成してもよい。この場合、凹部を第２リング溝４２の放射状に形成してもよい。また、凹部の外周端をピストン本体３２の外周面に開口させてもよい。この場合も凹部は放射状に形成する場合に限定せず、種々の数及び形状の凹部を採用できる。また、セカンドリング３６の下端面８０と下溝面８４との両方に凹部を形成してもよい。また、セカンドリング３６の第２端面である上端面８６とこの上端面８６が対向する第２リング溝４２の第２溝面である上溝面８８との一方または両方に凹部を形成してもよい。
【００５１】
また、上記ではトップリング３４の軸方向端面、この軸方向端面に対向する第１リング溝４０の第１溝面、セカンドリング３６の軸方向端面、及びこの軸方向端面に対向する第２リング溝４２の第２溝面の少なくとも１つの面を、対向形成面として、この対向面に凹部を形成する場合を説明した。ただし、少なくとも１つの対向形成面に、対向形成面の表面粗さの最大深さよりも大きな１つまたは複数の凸部を形成してもよい。例えばトップリング３４の上端面またはセカンドリング３６の下端面に、直線状や、円弧、円形等の曲線状で軸方向に突出する凸部や、散点状に配置された凸部等を形成してもよい。例えば、トップリング３４の上端面またはセカンドリング３６の下端面の周方向に対し直交する平面で切断した場合の断面形状が、軸方向に突出する円弧形となるような曲面を上端面や下端面に形成してもよい。この場合も対向形成面と相手面との接触面積を少なくできて対向形成面を相手面から離間しやすくし、オイル消費の低減を図れる。
【００５２】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ガソリンエンジン、１２  エンジン本体、１４  シリンダブロック、１６  シリンダ、１８  圧力リング装着ピストン、２０  結合ロッド、２２  クランク軸、２４  クランク室、２６  シリンダヘッド、２８  燃焼室、３２  ピストン本体、３４  トップリング、３６  セカンドリング、３８  オイルリング、４０  第１リング溝、４２  第２リング溝、４４  オイルリング溝、４６  ピストン内部空間、４８  ドレンホール、５０，５２  環状サイドレール、５４  環状スペーサ、５６  合口、５８  トップランド、６０  セカンドランド、６２  トップランド空間、６４  セカンドランド空間、６６  サードランド、６８  凹部、７０  上端面、７２  上溝面、７４  凹部、７６  下端面、７８  下溝面、８０  下端面、８２  凹部、８４  下溝面、８６  上端面、８８  上溝面。
【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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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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