(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関のピストンのトップランド部に付着するデポジットを除去する。【解決手段】内燃機関のシリンダ内に往復動可能に挿入されるとともに、ランド部にトップリング溝１４が形成されたピストン１２と、前記トップリング溝１４に上下方向に移動可能に嵌装されたトップリング１７と、を含むピストン装置に関する。トップリング上壁面の外周領域に凸部３０が設けられる。凸部３０の高さは、トップリングがトップリング溝内において上方に移動したときに凸部の上端がトップランド部２０の上端２０Ａを越えない高さに設定されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダ内に往復動可能に挿入されるとともに、ランド部にトップリング溝が形成されたピストンと、
前記トップリング溝に上下方向に移動可能に嵌装されたトップリングと、
を含むピストン装置において、
前記トップリングは、前記トップリングの上壁面であってトップランド部と前記シリンダ壁面との間の空隙に露呈している領域に凸部を有し、且つ、前記凸部の高さは、前記トップリングが前記トップリング溝内において移動可能な範囲内の最上部に到達した場合であっても当該凸部の上端が前記トップランド部の上端を越えない高さに設定されている、
ピストン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンリングを備える内燃機関のピストン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、内燃機関のピストン装置が開示されている。このピストン装置には、ピストンリングに加えて、ピストンランド部に断面が略くの字の山型リングが設けられている。この山型リングによって、山型リングよりも下方（下死点に向かう方向）のピストンランド部にデポジットが付着または堆積することを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１２３６０号公報
【特許文献２】特開２００７−０４０４７０号公報
【特許文献３】特開２０１３−５３０３４０号公報
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のピストン装置においては、山型リングよりも上方（上死点に向かう方向）のピストンランド部（すなわち、トップランド部）に付着したデポジットを除去することができず、その結果として、オイル消費の増加を惹き起こす虞がある。なぜなら、ピストンランド部に付着したデポジットが、シリンダライナ表面に存在する油膜を掻き上げるからである。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ピストンのトップランド部に付着するデポジットを除去し、本ピストン装置が適用される内燃機関のオイル消費を低減せしめることにある。
【０００６】
本発明は、内燃機関のシリンダ内に往復動可能に挿入されるとともに、ランド部にトップリング溝が形成されたピストンと、前記トップリング溝に上下方向に移動可能に嵌装されたトップリングと、を含むピストン装置に関する。そして、前記トップリングは、前記トップリングの上壁面であってトップランド部と前記シリンダ壁面との間の空隙に露呈している領域に凸部を有し、且つ、前記凸部の高さは、前記トップリングが前記トップリング溝内において移動可能な範囲内の最上部に到達した場合であっても当該凸部の上端が前記トップランド部の上端を越えない高さに設定されている。なお、上下方向とは、シリンダ中心軸線に平行な方向である。上壁面とは、上方を向いた壁面である。上端とは、上方の端部である。
【０００７】
本発明によれば、機関運転中にトップリングがトップリング溝内で上方に移動したときに、トップランド部に付着したデポジットがトップリングの上壁面に形成された凸部によって上方に掻き出されて除去される。このため、内燃機関のオイル消費が低減される。
【０００８】
さらに、本発明において、凸部の高さは、トップリングがトップリング溝内において上方に移動したときに当該凸部の上端がトップランド部の上端を越えない高さに設定されている。このため、凸部が上方に移動したときに、凸部の上端が燃焼室に侵入せず、あるいはシリンダヘッドと干渉しない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るピストン装置の部分断面図である。
【図２】図２（Ａ）は、本発明の実施形態に係るピストン装置のトップリングの斜視図であり、図２（Ｂ）は、トップリングの側面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係るピストン装置の部分断面拡大図である。
【図４】図４（Ａ）は、排気行程におけるトップリングの動きを示した図であり、図４（Ｂ）は、吸気行程におけるトップリングの動きを示した図である。
【図５】図５は、摩耗時のトップリングを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１に、本発明のピストン装置のピストンの中心軸線を含む平面で切った部分断面図が示されている。図１において、矢印Ａは、上死点に向かう方向（以下「上方」と称呼する）を示し、矢印Ｂは、下死点に向かう方向（以下「下方」と称呼する）を示している。なお、本発明に係るピストン装置は、内燃機関のピストン装置である。
【００１１】
＜ピストン装置の構成＞
本実施形態のピストン装置は、概して、ピストン１２と、トップリング１７と、セカンドリング１８と、オイルリング１９と、を有する。
【００１２】
＜ピストンの構成＞
ピストン１２は、略円柱状の部材である。ピストン１２のランド部（すなわち、外周部）には、トップリング溝１４と、セカンドリング溝１５と、オイルリング溝１６とが形成されている。これら３つの溝１４、１５および１６は、それぞれ、ピストン１２の中心軸線（図示せず）を中心軸線とする円環状の溝である。トップリング溝１４は、ピストン頂面１３の最も近くに位置し、この溝１４には、トップリング１７が上下方向に移動可能に嵌装される。トップリング１７は、円環状の部材である。セカンドリング溝１５は、トップリング溝１４の下方に位置し、この溝１５には、セカンドリング１８が上下方向に移動可能に嵌装される。セカンドリング１８は、円環状の部材である。オイルリング溝１６は、セカンドリング溝１５の下方に位置し、この溝１５には、オイルリング１９が上下方向に移動可能に嵌装される。オイルリング１９は、円環状の部材である。
【００１３】
ピストン１２は、そのランド部に、トップランド部２０と、セカンドランド部２１と、サードランド部２２と、を有する。トップランド部２０は、ピストン頂面１３とトップリング溝１４との間に位置する。セカンドランド部２１は、トップリング溝１４とセカンドリング溝１５との間に位置する。サードランド部２２は、セカンドリング溝１５とオイルリング溝１６との間に位置する。
【００１４】
ピストン１２は、トップリング１７、セカンドリング１８、および、オイルリング１９を備えた状態において、シリンダ内に往復動可能に挿入される。シリンダは、シリンダライナ１０によって形成されている。したがって、シリンダライナ１０の内周壁面がシリンダ壁面である。このようにピストン１２がシリンダライナ１０内に挿入されている場合、トップリング１７と、セカンドリング１８と、セカンドランド部２１と、シリンダライナ１０とによって、第１ガス室２６が画成される。セカンドリング１８と、オイルリング１９と、サードランド部２２と、シリンダライナ１０とによって、第２ガス室２７が画成される。なお、燃焼室２５は、シリンダヘッド２４と、シリンダライナ１０と、ピストン１２とによって画成される空間である。
【００１５】
＜凸部の構成＞
凸部３０は、トップリング１７の上壁面上であって、トップリング１７の外周領域に設けられている。次に、図２を参照して、凸部３０の詳細について説明する。図２（Ａ）は、トップリングの合い口１７Ｆ周辺を示した斜視図であり、図２（Ｂ）は、トップリングの外側から内側に向かってトップリングを見たときのトップリングの合い口１７Ｆ周辺を示した側面図である。
【００１６】
トップリングの上壁面１７Ａは、トップリング１７がトップリング溝１４に嵌装された状態（以下「嵌装状態」と称呼する）において上方を向いた環状の壁面である。トップリングの下壁面１７Ｂは、嵌装状態において下方を向いた環状の壁面である。トップリングの外周壁面１７Ｃは、嵌装状態においてピストン径方向外方を向いた円筒面状の壁面である。トップリングの内周壁面１７Ｄは、嵌装状態においてピストン径方向内方を向いた円筒面状の壁面である。トップリングの合い口１７Ｆは、トップリング径方向に沿って且つトップリング中心軸線を含む平面に沿ってトップリング１７の一部を切り取ることによって形成される切欠きである。トップリングの端面１７Ｅは、合い口１７Ｆを形成したときに形成される平坦な壁面であって、トップリング中心軸線を含む平面に沿って延在する壁面である。つまり、トップリングの端面１７Ｅによって合い口１７Ｆが画成されている。トップリングの外周領域１７Ｇは、上壁面１７Ａの領域のうち、径方向外方に位置する環状の領域であって、嵌装状態においてトップランド部２０とシリンダライナ１０の壁面との間の空隙に露呈する領域である。
【００１７】
上述したように、凸部３０は、トップリングの上壁面１７Ａの外周領域１７Ｇに設けられている。そして、凸部３０は、端面３０Ａと、上壁面３０Ｂと、外周壁面３０Ｃと、内周壁面３０Ｄと、を有する。
【００１８】
凸部の端面３０Ａは、トップリングの上壁面１７Ａから上方に延びる平坦な壁面であって、トップリングの端面１７Ｅと面一の壁面である。したがって、端面３０Ａは、トップリング中心軸線を含む平面上に延在する。端面３０Ａは、トップリング径方向に沿った長さＬｐとトップリング垂直方向（すなわち、トップリングの上壁面１７Ａを含む平面に対して垂直な方向）に沿った高さＨｐとからなる長方形の形状を有する。なお、これら長さＬｐおよび高さＨｐの詳細については、後述する。
【００１９】
凸部の上壁面３０Ｂは、端面３０Ａの上端３０Ｅからトップリングの上壁面１７Ａまで延在する平坦な壁面である。したがって、上壁面３０Ｂは、トップリングの上壁面１７Ａに対して傾斜した平面である。トップリング径方向に沿った上壁面３０Ｂの幅は、端面３０Ａの長さＬｐと等しい。
【００２０】
凸部の外周壁面３０Ｃは、トップリング中心軸線を中心とする円筒面上に延在する部分円筒面状の壁面であって、トップリングの上壁面１７Ａと凸部の端面３０Ａと凸部の上壁面３０Ｂとの間に延在する壁面である。したがって、外周壁面３０Ｃは、トップリングの外周壁面１７Ｃと面一の壁面であり、トップリングの上壁面１７Ａから上方に延びる壁面である。
【００２１】
凸部の内周壁面３０Ｄは、トップリング中心軸線を中心とする円筒面上に延在する部分円筒面状の壁面であって、トップリングの上壁面１７Ａと凸部の端面３０Ａと凸部の上壁面３０Ｂとの間に延在する壁面である。したがって、内周壁面３０Ｄは、トップリングの上壁面１７Ａから上方に延びる壁面である。
【００２２】
＜凸部の寸法要件＞
凸部の寸法要件について、図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、トップリング１７の厚みＴｔとは、トップリング中心軸線に沿ったトップリングの厚みである。トップリング溝１４の幅Ｗｔとは、トップリング溝の上壁面１４Ａと下壁面１４Ｂとの間の距離である。トップランド部２０の高さＨｔとは、トップリング溝の上壁面１４Ａとトップランド部の上端２０Ａ（ピストン頂面１３）との間の距離（すなわち、上下方向におけるトップランド部２０の長さ）である。
【００２３】
凸部３０の長さＬｐは、機関運転中（すなわち、ピストン装置が内燃機関に適用された場合において、当該内燃機関の運転中）、ピストン１２の温度が最も高くなったときのピストンクリアランスの距離Ｄｃ（すなわち、ピストン１２のトップランド部２０とシリンダライナ１０の内周壁面との間の距離）よりも短い長さに設定されている（Ｌｐ＜Ｄｃ）。
【００２４】
凸部３０の高さＨｐは、当該高さＨｐとトップリング１７の厚みＴｔとの合計Ｈｐ＋Ｔｔがトップリング溝１４の幅Ｗｔよりも大きくなる高さに設定されている（Ｈｐ＋Ｔｔ＞Ｗｔ）。凸部３０の高さＨｐは、トップランド部２０の高さＨｔ以下の高さに設定されている（Ｈｐ≦Ｈｔ）。なお、トップリング１７の厚みＴｔは、トップリング溝１４の幅よりも短い長さに設定されている（Ｔｔ＜Ｗｔ）。
【００２５】
したがって、トップリングの下壁面１７Ｂがトップリング溝の下壁面１４Ｂに当接しているときに、凸部３０の少なくとも上方部分がトップランド部２０とシリンダライナ１０の内周壁面との間に位置し、トップリングの上壁面１７Ａがトップリング溝の上壁面１４Ａに当接しているときに、凸部３０の全体がトップランド部２０とシリンダライナ１０の内周壁面との間に位置する。
【００２６】
＜本実施形態の効果１＞
本実施形態のピストン装置によれば、以下の効果が得られる。すなわち、図４（Ａ）に示されているように、機関運転中の排気行程において、ピストン１２は、上方（矢印Ａの方向）にシリンダライナ１０内を移動する。このとき、燃焼ガスが燃焼室２５から排気ポート（図示せず）に排出されるものの、燃焼室２５の容積が急激に減少するので、筒内圧（すなわち、燃焼室２５内の圧力）Ｐ１は、セカンドランド圧（すなわち、第１ガス室２６の圧力）Ｐ２よりも高くなる（Ｐ１＞Ｐ２）。したがって、トップリング１７は、トップリング溝１４の下壁面１４Ｂに押し付けられる。
【００２７】
一方、図４（Ｂ）に示されているように、排気行程に続く吸気行程においては、ピストン１２は、下方（矢印Ｂの方向）にシリンダライナ１０内を移動する。このとき、吸気ポート（図示せず）を介して燃焼室２５内に空気が吸入されるものの、燃焼室２５の容積が急激に増大するので、筒内圧Ｐ１は、セカンドランド圧Ｐ２よりも低くなる（Ｐ１＜Ｐ２）。したがって、トップリング１７は、トップリング溝１４の上壁面１４Ａに押し付けられる。
【００２８】
つまり、機関行程が排気行程から吸気行程に移行するとき、トップリング１７がトップリング溝１４内で上方に移動する。このとき、凸部３０がトップランド部２０上に付着しているデポジット４５の少なくとも一部４５Ａを上方（矢印Ａの方向）に掻き出し、この掻き出されたデポジット４５Ａは、燃焼室２５内に放出される。すなわち、トップランド部２０に付着したデポジットが凸部３０によって除去される。その結果、トップランド部２０に付着したデポジットがシリンダライナ１０上の油膜を掻き上げることがない。したがって、本実施形態によれば、内燃機関のオイル消費を低減することができるという効果が得られる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、トップリング１７に設けられた凸部３０によってデポジットが除去されるので、ピストン装置の部品点数が増えることもピストンの剛性を低下させることもない。
【００３０】
さらに、本実施形態において、凸部３０は、トップリングの上壁面１７Ａの１箇所にのみ設けられている。すなわち、凸部３０は、トップリングの上壁面１７Ａの全周のうち、その一部にのみ設けられている。しかしながら、凸部３０は、トップランド部２０の全周に亘り、デポジットを除去することができる。
【００３１】
すなわち、ピストン１２の外周壁面とシリンダライナ１０の内周壁面との間には、ピストンクリアランスがある。このため、ピストン１２は、その往復動中に首振り運動を行う。したがって、ピストン１２の中心軸線が、シリンダライナ１０の中心軸線に対して傾く状態が発生する。このとき、トップリング１７は、シリンダライナ１０から周方向の力を受ける。このため、トップリング１７は、ピストン１２の周方向に回転する。したがって、凸部３０がトップリング１７の１箇所にのみ設けられていても、凸部３０は、トップランド部２０の全周に渡り、デポジットを除去することができる。
【００３２】
＜本実施形態の効果２＞
さらに、本実施形態において、凸部３０の高さＨｐは、トップランド部２０の高さＨｔ以下の高さに設定されている（Ｈｐ≦Ｈｔ）。このため、トップリングの上壁面１７Ａがトップリング溝の上壁面１４Ａに当接している場合であっても、凸部の上端３０Ｅがトップランド部の上端２０Ａ（すなわち、ピストン頂面１３）を越えて燃焼室２５内に突出することがない。このため、凸部３０が上方に移動したときに、凸部の上端３０Ｅが燃焼室２５に侵入することもシリンダヘッド２４と干渉することもない。
【００３３】
＜本実施形態の効果３＞
さらに、本実施形態において、凸部３０の高さＨｐは、当該高さＨｐとトップリング１７の厚みＴｔとの合計Ｈｐ＋Ｔｔがトップリング溝１４の幅Ｗｔよりも大きくなる高さに設定されている（Ｈｐ＋Ｔｔ＞Ｗｔ）。このため、トップリング１７がトップリング溝の下壁面１４Ｂに当接しているときに、トップリング１７が径方向内方に移動した場合であっても、凸部３０がトップリング溝１４内に入り込んでしまうこと（いわゆるスティック現象）がない。
【００３４】
＜本実施形態の効果４＞
加えて、機関運転中、ピストン１２の温度は、シリンダライナ１０の温度よりも高くなるので、ピストン１２の熱膨張は、シリンダライナ１０の熱膨張よりも大きい。したがって、機関運転中のピストンクリアランスの距離Ｄｃは、機関停止中のピストンクリアランスの距離Ｄｃよりも短い。たとえば、ピストン１２がアルミニウム合金から作製されており、シリンダライナ１０が鋳鉄から作製されている場合、ピストン１２の熱膨張は、シリンダライナ１０の熱膨張よりもさらに大きくなる。このため、機関運転中のピストンクリアランスの距離Ｄｃは、機関停止中のピストンクリアランスの距離Ｄｃよりもさらに短くなる。ここで、凸部３０の長さＬｐが機関停止中のピストンクリアランスの距離Ｄｃよりも短い長さに設定されていたとしても、その長さＬｐが機関運転中、ピストン１２の温度が最も高くなったときのピストンクリアランスの距離Ｄｃ以上の長さであると、機関運転中、凸部３０がピストン１２とシリンダライナ１０とによって挟まれてしまい、トップリング１７がトップリング溝１４内で移動することができなくなってしまう。
【００３５】
しかしながら、本実施形態において、凸部３０の長さＬｐは、機関運転中、ピストン１２の温度が最も高くなったときのピストンクリアランスの距離Ｄｃよりも短い長さに設定されている。したがって、機関運転中、トップリング１７がトップリング溝１４内で確実に移動することができる。
【００３６】
＜本実施形態の追加の構成１＞
ところで、トップリング１７は、ピストン１２の往復動によって、トップリング溝の下壁面１４Ｂと衝突を繰り返す。このため、トップリング１７を構成する材料によっては、図５に示されているように、下壁面１４Ｂと衝突するトップリング１７の部分（以下「下方部分」と称呼する）が摩耗し、トップリングの初期の下壁面１７Ｂが参照符号１７Ｂ’で示されている位置まで後退することがある。このように、トップリング１７の下方部分が摩耗すると、トップリング１７がトップリング溝１４内で下方に移動したときに、上記スティック現象が生じる虞がある。
【００３７】
そこで、上述した実施形態において、トップリング１７の下方部分が摩耗したとしても、上記スティック現象を回避するために、凸部３０の高さＨｐとトップリング１７の厚みＴｔとの合計Ｈｐ＋Ｔｔからトップリング１７の下方部分の最大摩耗幅Ｗａｌ（すなわち、トップリング中心軸線に沿って測ったトップリングの初期の下壁面１７Ｂから摩耗後の下壁面１７Ｂ’までの距離）を差し引いた値がトップリング溝１４の幅Ｗｔよりも大きくなるように、凸部３０の高さＨｐを設定するようにしてもよい（Ｈｐ＋Ｔｔ−Ｗａｌ＞Ｗｔ）。なお、最大摩耗幅とは、本ピストン装置が適用される製品の耐用寿命から想定される摩耗幅である。
【００３８】
＜本実施形態の追加の構成２＞
同様に、トップリング１７は、ピストン１２の往復動によって、トップリング溝の上壁面１４Ａと衝突を繰り返す。このため、トップリング１７を構成する材料によっては、図５に示されているように、上壁面１４Ａと衝突するトップリング１７の部分（以下「上方部分」と称呼する）が摩耗し、トップリングの初期の上壁面１７Ａが参照符号１７Ａ’で示されている位置まで後退することがある。このように、トップリング１７の上方部分が摩耗すると、トップリング１７がトップリング溝１４内で上方に移動したときに、凸部の上端３０Ｅがトップランド部の上端２０Ａを越えて突出してしまう虞がある。
【００３９】
そこで、上述した実施形態において、トップリング１７の上方部分が摩耗したとしても、凸部３０の上端３０Ｅがトップランド部の上端２０Ａを越えて突出しないようにするために、トップランド部２０の高さＨｔからトップリング１７の上方部分の最大摩耗幅Ｗａｕ（すなわち、トップリング中心軸線に沿って測ったトップリングの初期の上壁面１７Ａから摩耗後の上壁面１７Ａ’までの距離）を差し引いた値以下の値に凸部３０の高さＨｐを設定するようにしてもよい（Ｈｐ＋Ｗａｕ≦Ｈｔ）。
【００４０】
＜本発明の適用範囲＞
なお、凸部の形状は、上述した形状に限定されず、少なくとも、実施形態の説明において述べた凸部の寸法条件（追加の構成において述べた凸部の寸法条件を除く）を満たす形状であって、デポジットを上方に掻き出して除去することができる形状であれば如何なる形状であってもよい。
【００４１】
上述した実施形態において、凸部は、トップリングの上壁面の外周領域であって、トップリングの合い口に隣接して設けられているが、トップリングの上壁面の外周領域に設けられていれば、トップリングの合い口に隣接して設けられる必要はない。
【００４２】
上述した実施形態において、凸部は、トップリングの上壁面の外周領域に１箇所にのみ設けられているが、凸部は、トップリングの上壁面の外周領域の全周に設けられてもよいし、トップリングの上壁面の外周領域の複数箇所に設けられてもよい。
【００４３】
＜実施形態の総括＞
以上説明した実施形態の内燃機関のピストン装置は、広く捉えれば、内燃機関のシリンダ（シリンダライナ１０によって形成されるシリンダ）内に往復動可能に挿入されるとともに、ランド部にトップリング溝１４が形成されたピストン１２と、前記トップリング溝１４に上下方向に移動可能に嵌装されたトップリング１７と、を含むピストン装置において、前記トップリング１７は、前記トップリングの上壁面１７Ａであってトップランド部２０と前記シリンダライナ１０の壁面との間の空隙に露呈している領域に凸部３０を有し、且つ、前記凸部３０の高さＨｐは、前記トップリング１７が前記トップリング溝１４内において移動可能な範囲内の最上部に到達した場合であっても当該凸部３０の上端３０Ｅが前記トップランド部の上端２０Ａ（ピストン頂面１３）を越えない高さに設定されている、ピストン装置であると言える。
【符号の説明】
【００４４】
１０…シリンダライナ、１２…ピストン、１４…トップリング溝、１７…トップリング、１８…セカンドリング、２０…トップランド部、２１…セカンドランド部、３０…凸部
【図１】
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【図２】
2015086757.tif 000004
【図３】
2015086757.tif 000005
【図４】
2015086757.tif 000006
【図５】
2015086757.tif 000007