(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の運転初期におけるシリンダ内壁への攻撃性を低下させるために、該内燃機関のピストンに形成されたリング溝に装着されるトップリングとセカンド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であって、
前記トップリングの外周面である第１外周面は、該トップリングの周長方向に直交する断面において該トップリングの径方向外側に凸状に湾曲した第１突出面であって、該凸状の頂点が該第１外周面において該トップリングの径方向最外に位置する第１突出面が形成された第１外周領域を有し、
前記セカンドリングの外周面である第２外周面は、該セカンドリングの周長方向に直交する断面において該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲した第２突出面であって、該凸状の頂点が該第２外周面において該セカンドリングの径方向最外に位置する第２突出面が形成された第２外周領域を有し、
前記オイルリングは、軸方向両側に設けられた一対のセグメントと、前記一対のセグメントを径方向外側へ付勢するエキスパンダ・スペーサと、を有し、
前記一対のセグメントの外周面である一対の第３外周面は、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲した第３突出面であって、該凸状の頂点が該第３外周面において該オイルリングの径方向最外に位置する第３突出面が形成された第３外周領域をそれぞれ有し、
前記一対の第３外周面のうち少なくとも一方において、前記第３外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３突出面の頂点が前記第３外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
ピストンリングの組み合わせ。
【請求項２】
内燃機関の運転初期におけるシリンダ内壁への攻撃性を低下させるために、該内燃機関のピストンに形成されたリング溝に装着されるトップリングとセカンド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であって、
前記トップリングの外周面である第１外周面は、該トップリングの周長方向に直交する断面において該トップリングの径方向外側に凸状に湾曲した第１突出面であって、該凸状の頂点が該第１外周面において該トップリングの径方向最外に位置する第１突出面が形成
された第１外周領域を有し、
前記セカンドリングの外周面である第２外周面は、該セカンドリングの周長方向に直交する断面において該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲した第２突出面であって、該凸状の頂点が該第２外周面において該セカンドリングの径方向最外に位置する第２突出面が形成された第２外周領域を有し、
前記オイルリングは、軸方向両側に一対のレールが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コイルエキスパンダと、を有し、
前記一対のレールの外周面である一対の第３外周面は、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲した第３突出面であって、該凸状の頂点が該第３外周面において該オイルリングの径方向最外に位置する第３突出面が形成された第３外周領域をそれぞれ有し、
前記一対の第３外周面のうち少なくとも一方において、前記第３外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３突出面の頂点が前記第３外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
ピストンリングの組み合わせ。
【請求項３】
前記一対の第３外周面の両方において、前記第３外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３突出面の頂点が前記第３外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
請求項１又は２に記載のピストンリングの組み合わせ。
【請求項４】
前記第３外周領域は、前記第３突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有する、
請求項１から３の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。
【請求項５】
前記第３外周領域は、前記第３突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記燃焼室側に向けて徐々に縮径したテーパ面を有する、
請求項１から３の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。
【請求項６】
前記第２外周面において、前記第２外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第２突出面の頂点が前記第２外周面における前記セカンドリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
請求項１から５の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。
【請求項７】
前記第２外周領域は、前記第２突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記セカンドリングの周長方向に直交する断面において該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有する、
請求項６に記載のピストンリングの組み合わせ。
【請求項８】
前記第２外周領域は、前記第２突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記燃焼室側に向けて徐々に縮径したテーパ面を有する、
請求項６に記載のピストンリングの組み合わせ。
【請求項９】
前記第１外周面において、前記第１外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第１突出面の頂点が前記第１外周面における前記トップリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
請求項１から８の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。
【請求項１０】
前記第１外周領域は、前記第１突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記トップリングの周長方向に直交する断面において該トップリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有する、
請求項９に記載のピストンリングの組み合わせ。
【請求項１１】
前記第１外周面において、前記第１外周領域のクランク室側の周縁と燃焼室側の周縁とが径方向において揃っており、前記第１突出面の頂点が前記第１外周面における前記トップリングの軸方向中央に位置している、
請求項６から８の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンリングの組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な自動車に搭載される内燃機関は、トップリング及びセカンドリングを含む２本のコンプレッションリング（圧力リング）と１本のオイルリングとを組み合わせた３本のピストンリングを、シリンダに装着されたピストンに設けた構成を採用している。これら３本のピストンリングは、上側（燃焼室側）から順にトップリング、セカンドリング、オイルリングがピストンの外周面に形成されたリング溝に装着され、シリンダ内壁面を摺動する。燃焼室から最も遠いオイルリングは、シリンダ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。このようなピストンリングの組み合わせにより、内燃機関におけるブローバイガスの低減とオイル消費の低減が図られている。【０００３】
これに関連して、特許文献１や特許文献２には、上下対称なバレル形状を有するトップリングと、テーパ形状を有するセカンドリングと、上下対称なバレル形状又はストレート形状を有するセグメントが設けられたオイルリングと、を含むピストンリングの組み合わせが開示されている。特許文献１及び特許文献２に開示のピストンリングの組み合わせでは、外周面をオイルシールに優れたテーパ形状としたセカンドリングをオイルリングと併用することで、内燃機関におけるオイル消費を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４１３５７号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１５２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、内燃機関の低燃費化においては、各ピストンリングの外周面（摺動面）とシリンダ内壁との間に生じる摩擦（フリクション）を低減し、内燃機関の摩擦損失を低減することが重要である。これに対して、上述のテーパ形状は、オイルシールにおいては優れた性能を発揮するものの、フリクションの低減においては不利となる傾向がある。そのため、摩擦損失をより低減することが可能なピストンリングの組み合わせが望まれているが、オイルシール性能との両立が困難であった。【０００６】
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、ピストンリングの組み合わせにおいて、オイルシール性能を確保しつつも摩擦損失をより低減することが可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、内燃機関のピストンに形成されたリング溝に装着されるトップリングとセカンド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であって、前記トップリングの外周面である第１外周面は、該トップリングの周長方向に直交する断面において該トップリングの径方向外側に凸状に湾曲した第１突出面であって、該凸状の頂点が該第１外周面において該トップリングの径方向最外に位置する第１突出面が形成された第１外周領域を有し、前記セカンドリングの外周面である第２外周面は、該セカンドリングの周長方向に直交する断面において該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲した第２突出面であって、該凸状の頂点が該第２外周面において該セカンドリングの径方向最外に位置する第２突出面が形成された第２外周領域を有し、前記オイルリングは、軸方向両側に設けられた一対のセグメントと、前記一対のセグメントを径方向外側へ付勢するエキスパンダ・スペーサと、を有し、前記一対のセグメントの外周面である一対の第３外周面は、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲した第３突出面であって、該凸状の頂点が該第３外周面において該オイルリングの径方向最外に位置する第３突出面が形成された第３外周領域をそれぞれ有し、前記一対の第３外周面のうち少なくとも一方において、前記第３外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３突出面の頂点が前記第３外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、オイルリングの組み合わせである。【０００８】
ここで、トップリング、セカンドリング、オイルリングの各ピストンリングについて、「外周面」とは、リング（又はセグメント若しくはレール）の幅（軸方向寸法）を規定する軸方向両端面の外周縁同士を接続する面のことを指す。「周長方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの周長方向のことを指す。「径方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの半径方向のことを指す。「内側」又は「径方向内側」とは、当該ピストンリングの内周面側のことを指し、「外側」又は「径方向外側」とは、その反対側（即ち、ピストンリングの外周面側）のことを指す。「軸方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの中心軸に沿う方向のことを指す。【０００９】
本発明によると、セカンドリングは、径方向外側に凸状に湾曲した第２突出面においてシリンダの内壁に摺接する。つまり、セカンドリングがバレル形状外周面でシリンダの内壁に摺接することとなる。これによると、外周面をテーパ形状とする場合と比較して、シリンダ内壁との間に生じる摩擦（フリクション）を低減することができる。なお、「バレル形状」とは、ピストンリングの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲する外周面形状のことを指し、このような外周面の形状としては、対称バレル形状、偏心バレル形状、テーパバレル形状が含まれる。「対称バレル形状」は、該凸状の頂点が外周面において軸方向中央に位置した（リング幅の中央に位置した）外周面形状である。「偏心バレル形状」とは、該凸状の頂点が外周面において軸方向中央よりもクランク室寄りに位置した外周面形状である。また、「テーパバレル形状」は、偏心バレル形状であって、クランク室側の形状ピストンリングの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲しており、そこから燃焼室側に向けて直線的に縮径したテーパ形状を形成する外周面形状である。本発明に係るセカンドリングの第２外周領域の形状としては、バレル形状、偏心バレル形状、テーパバレル形状を含むことができる。また、トップリングの第１外周領域の形状としては、対称バレル形状や偏心バレル形状を含むことができる。【００１０】
一方、セカンドリングをバレル形状外周面でシリンダの内壁に摺接させることで、テーパ形状とした場合と比較してセカンドリングのオイルシール性能が低下する傾向があるが、本発明は、更に、オイルリングに設けられた一対のセグメントの外周面である一対の第３外周面は、オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲した第３突出面であって、該凸状の頂点が該第３外周面において該オイルリングの径方向最外に位置する第３突出面が形成された第３外周領域をそれぞれ有しており、一対の第３外周面のうち、少なくとも一方の第３外周面において、第３外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、第３突出面の頂点が第３外周面における軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している。これによると、当該セグメントにおいては、クランク室側のバレル落差が燃焼室側のバレル落差よりも小さくなり、第３外周領域の頂点と第３外周領域の下縁との軸方向における距離が当該頂点と第３外周領域の上縁との軸方向における距離よりも小さくなる。これにより、シリンダの内壁と第３外周領域との隙間を、頂点を境としてクランク室側において燃焼室側よりも小さくすることができる。これにより、ピストンの下降時においては、オイルを好適に掻き落とすことができ、ピストンの上昇時においては、くさび効果により第３外周面がオイルに乗り上げるため、オイルの掻き上げを抑制することができる。そのため、ピストンクリアランス内のオイルがクランク室側の隙間を通り抜けてクランク室側から燃焼室側に流出し難くなり、オイル上がりを更に抑制することができる。その結果、セグメントの軸方向中央に頂点が位置した対称バレル形状と比較して、オイルシール性能を向上させることができる。このような第３外周領域の形状としては、偏心バレル形状やテーパバレル形状を含むことができる。【００１１】
ここで、セグメントにおける「燃焼室側のバレル落差」とは、第３外周領域の頂点と第３外周領域の燃焼室側の縁との径方向における距離を指し、オイルリングがリング溝に装着された状態におけるシリンダの内壁から第３外周領域の燃焼室側の縁までの距離と等しい。また、セグメントにおける「クランク室側のバレル落差」とは、第３外周領域の頂点と第３外周領域のクランク室側の縁との径方向における距離を指し、オイルリングがリング溝に装着された状態におけるシリンダの内壁からセグメントのクランク室側の縁までの距離と等しい。【００１２】
以上のように、本発明は、セカンドリングのフリクションを低減するとともにオイルリングのオイルシール性能を向上させている。このようなピストンリングの組合せによれば、オイルシール性能を確保しつつも摩擦損失を低減させることができる。【００１３】
なお、本発明に係るオイルリングは、一対の別体のセグメントと該セグメントをシリンダの内壁に付勢するためのエキスパンダ・スペーサからなる、所謂３ピースのオイルリングであってもよいし、一対のセグメントに相当する一対のレールを一体化したオイルリング本体と該オイルリング本体をシリンダの内壁に付勢するためのコイルエキスパンダからなる、所謂２ピースのオイルリングであってもよい。即ち、本発明は、オイルリングが、軸方向両側に一対のレールが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コイルエキスパンダと、を有し、前記一対のレールの外周面である一対の第３外周面は、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲した第３突出面であって、該凸状の頂点が該第３外周面において該オイルリングの径方向最外に位置する第３突出面が形成された第３外周領域をそれぞれ有し、前記一対の第３外周面のうち少なくとも一方において、前記第３外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３突出面の頂点が前記第３外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置していてもよい。【００１４】
また、本発明は、一対の第３外周面の両方において、前記第３外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第３突出面の頂点が前記第３外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置していてもよい。これによると、一対の第３外周面の両方においてオイルシール性能が高められるため、一方の第３外周面のみにおいて第３外周領域を偏心バレル形状とする場合よりも内燃機関のオイル消費を低減することができる。【００１５】
また、前記第３外周領域は、前記第３突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有してもよい。このような第３外周領域の形状としては、偏心バレル形状が含まれる。これによれば、ピストンの上昇時における第３外周領域のくさび効果を高め、オイルの掻き上げを更に抑制することができる。【００１６】
また、前記第３外周領域は、前記第３突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記燃焼室側に向けて徐々に縮径したテーパ面を有してもよい。このような第３外周領域の形状としては、テーパバレル形状を含むことができる。【００１７】
更に、本発明は、前記セカンドリングの外周面である第２外周面において、前記第２外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第２突出面の頂点が前記第２外周面における前記セカンドリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置していてもよい。このような第２外周領域の形状としては、偏心バレル形状やテーパバレル形状を含むことができる。これによると、セカンドリングにおいて、クランク室側に形成されるシリンダの内壁とセカンドリングの第２外周領域との隙間を燃焼室側の隙間よりも小さくすることができる。これにより、オイルがクランク室側の隙間を通り抜けてクランク室側から燃焼室側に流出することを抑制することができる。その結果、セカンドリングのオイルシール性能を向上させることができ、内燃機関のオイル消費を更に低減することができる。【００１８】
また、前記第２外周領域は、前記第２突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記セカンドリングの周長方向に直交する断面において該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有してもよい。このような第２外周領域の形状としては、偏心バレル形状が含まれる。これによれば、ピストンの上昇時における第２外周領域のくさび効果を高め、オイルの掻き上げを更に抑制することができる。【００１９】
また、前記第２外周領域は、前記第２突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記燃焼室側に向けて徐々に縮径したテーパ面を有してもよい。このような第２外周領域の形状としては、テーパバレル形状を含むことができる。【００２０】
また、前記第１外周面において、前記第１外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第１突出面の頂点が前記第１外周面における前記トップリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置してもよい。【００２１】
更に、前記第１外周領域は、前記第１突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記トップリングの周長方向に直交する断面において該トップリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有してもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ピストンリングの組み合わせにおいて、オイルシール性能を確保しつつも摩擦損失をより低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態１に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関の全体図である。
【図２】実施形態１に係る内燃機関のリング溝付近の拡大図である。
【図３】実施形態１に係るトップリングの周長方向に直交する断面図である。
【図４】実施形態１に係るセカンドリングの周長方向に直交する断面図である。
【図５】実施形態１に係るオイルリングの周長方向に直交する断面図である。
【図６】実施形態１に係るオイルリングに設けられたセグメントの周長方向に直交する断面図である。
【図７】従来例に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関のリング溝付近の拡大図である。
【図８】実験例と比較例におけるエンジン回転数に対するＦＭＥＰを示すグラフである。
【図９】実施形態１の変形例１に係るセグメントの周長方向に直交する断面図である。
【図１０】図１０Ａは、実施形態１の変形例２に係るオイルリングの周長方向に直交する断面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示すレール外周面４３Ｂの拡大図である。
【図１１】実施形態１の変形例３に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関のリング溝付近の拡大図である。
【図１２】実施形態２に係るセカンドリングの周長方向に直交する断面図である。
【図１３】実施形態２の変形例１に係るセカンドリングの周長方向に直交する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るピストンリングの組み合わせの好ましい実施の形態について説明する。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。
【００２５】
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関１００の全体図である。図２は、内燃機関１００のリング溝付近の拡大図である。図１及び図２では、便宜上、各構成を簡略化して図示している。図３は、実施形態１に係るトップリング１の周長方向に直交する断面図である。図４は、実施形態１に係るセカンドリング２の周長方向に直交する断面図である。図５は、実施形態１に係るオイルリング３の周長方向に直交する断面図である。図５では、オイルリング３がリング溝に設けられた状態を示している。図１に示すように、実施形態に係る内燃機関１００は、シリンダ２０と、シリンダ２０に装着されたピストン１０と、を有する。以下、内燃機関１００において、シリンダ２０の軸方向を「上下方向」と定義する。また、シリンダ２０の軸方向のうち、燃焼室３０側を「上側」（図１における上方向）と定義し、その反対側（即ち、クランク室４０側）を「下側」と定義する。
【００２６】
図２に示すように、内燃機関１００では、ピストン外周面１０ａとシリンダ内壁２０ａとの間に所定の離間距離が確保されることにより、隙間（ピストンクリアランス）ＰＣ１が形成されている。また、ピストン外周面１０ａには、ピストン１０の軸方向に所定の間隔を空けて上側から順にトップリング溝１０１、セカンドリング溝１０２、オイルリング溝１０３が形成されている。トップリング溝１０１、セカンドリング溝１０２、オイルリング溝１０３には、それぞれ、トップリング１、セカンドリング２、オイルリング３が組み付けられる。以下の説明において、トップリング溝１０１、セカンドリング溝１０２、オイルリング溝１０３を区別せずに説明するときは、単に「リング溝」と称する。また、各リング溝に形成された上下に対向する内壁のうち、上側の内壁を上壁Ｗ１と称し、下側の内壁を下壁Ｗ２と称する。また、トップリング１、セカンドリング２、オイルリング３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。図２に示すように、各ピストンリングがシリンダ２０に装着されたピストン１０の対応するリング溝に設けられた状態を、「使用状態」と称する。各ピストンリングは、使用状態において外周面がシリンダ内壁２０ａを押圧するように自己張力を有している。
【００２７】
また、各ピストンリング（又はセグメント若しくはレール）の説明において、「外周面」とは、ピストンリング（又はセグメント若しくはレール）の幅（軸方向寸法）を規定する軸方向両端面の外周縁同士を接続する面のことを指す。「周長方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの周長方向のことを指す。「径方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの半径方向のことを指す。「内側」又は「径方向内側」とは、当該ピストンリングの内周面側のことを指し、「外側」又は「径方向外側」とは、その反対側（即ち、ピストンリングの外周面側）のことを指す。「軸方向」とは、特に指定しない限りは当該ピストンリングの中心軸に沿う方向のことを指す。使用状態における各ピストンリングの軸方向は、内燃機関１００の上下方向、即ち、シリンダ２０の軸方向と一致する。各ピストンリングにおいて、リング溝の上壁Ｗ１側（即ち、燃焼室側）を「上側」と定義し、リング溝の下壁Ｗ２側（即ち、クランク室側）を「下側」と定義する。
【００２８】
以下、実施形態１に係るピストンリングの組み合わせにおける各ピストンリングの形状について説明する。なお、本明細書において、「バレル形状」とは、ピストンリングの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲する外周面形状のことを指し、対称バレル形状、偏心バレル形状、テーパバレル形状を含むものとする。「対称バレル形状」は、該凸状の頂点が外周面における軸方向中央（リング幅の中央）に位置した外周面形状である。「偏心バレル形状」は、該凸状の頂点が外周面において軸方向中央（リング幅の中央）よりもクランク室寄りに位置した外周面形状である。また、「テーパバレル形状」は、偏心バレル形状であって、クランク室側の形状ピストンリングの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲しており、そこから燃焼室側に向けて直線的に縮径したテーパ形状を形成する外周面形状である。対称バレル形状、偏心バレル形状、テーパバレル形状の詳細については後述する。
【００２９】
［トップリング］
まず、実施形態１に係るトップリング１について説明する。図２及び図３に示すように、トップリング１は、リング上面１１とリング下面１２とリング外周面１３とリング内周面１４とを有する。トップリング１の使用状態において、リング上面１１がトップリング溝１０１の上壁Ｗ１に対向し、リング下面１２が下壁Ｗ２に対向し、リング外周面１３がシリンダ内壁２０ａに摺接する。
【００３０】
図３に示すように、リング外周面１３は、トップリング１の径方向外側に凸状を形成する第１外周領域Ｓ１１と、第１外周領域Ｓ１１とリング上面１１及びリング下面１２とをそれぞれ接続する一対の接続領域Ｓ１２，Ｓ１２と、を含む。一対の接続領域Ｓ１２，Ｓ１２の一方は、第１外周領域Ｓ１１の上側（燃焼室３０側）の周縁（以下、上縁）Ｅ１１とリング上面１１の径方向外側の周縁（以下、外縁）とを接続する。一対の接続領域Ｓ１２，Ｓ１２の他方は、第１外周領域Ｓ１１の下側（クランク室４０側）の周縁（以下、下縁）Ｅ１２とリング下面１２の外縁とを接続する。第１外周領域Ｓ１１は、トップリング１の周長方向に直交する断面においてトップリング１の径方向外側に凸状に湾曲する第１突出面１３１を有する。第１突出面１３１における該凸状の頂点Ｐ１は、リング外周面１３においてトップリング１の径方向最外に位置している。より具体的には、リング外周面１３の第１外周領域Ｓ１１は、全体として対称バレル曲面に形成されている。即ち、第１外周領域Ｓ１１は、周長方向に直交する断面において第１突出面１３１が径方向外側に凸状となる円弧を形成するとともに該凸状の頂点Ｐ１がリング外周面１３において軸方向（上下方向）の中央に位置し、頂点Ｐ１を境に軸方向に対称な対称バレル形状を有している。該円弧は、上端が上側の接続領域Ｓ１２に接続し、下端が下側の接続領域Ｓ１２に接続している。頂点Ｐ１は、リング外周面１３において最も径方向外側に位置し、使用状態においてシリンダ内壁２０ａに摺接する。第１外周領域Ｓ１１において頂点Ｐ１を含む領域が、第１突出面１３１を構成する。図３に示す符号ＣＬ１は、該断面においてトップリング１の中心軸Ａ１に直交するとともにリング外周面１３における軸方向中央、即ち、リング幅（リングの軸方向寸法）の中央を通る直線を示す。第１外周領域Ｓ１１を形成する対称バレル曲面は、リング外周面１３よりも径方向内側であって中央線ＣＬ１上に中心Ｃ１を有する所定の半径ｒ１の円弧を中心軸Ａ１回りに回転させることで形成される曲面とも捉えることができる。図３に示すように、頂点Ｐ１は、中央線ＣＬ１上に位置する。リング外周面１３は、本発明に係る「第１外周面」の一例である。なお、本例では、第１外周領域Ｓ１１を半径が一様な円弧により形成したが、第１外周領域Ｓ１１の形状はこれに限定されない。リング外周面１３は、バレル形状であればよく、対称バレル形状でなくともよい。即ち、頂点Ｐ１は、リング外周面１３において軸方向の中央（即ち、中央線ＣＬ１上）に位置しなくともよく、頂点Ｐ１が燃焼室３０側又はクランク室４０側にオフセットしていてもよい。即ち、リング外周面１３は、径方向外側に凸状に湾曲した第１突出面１３１を有する形状であればよい。第１突出面１３１は、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有してもよい。また、第１外周領域Ｓ１１は、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第１突出面１３１は、頂点Ｐ１において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。また、トップリング１は、一対の接続領域Ｓ１２，Ｓ１２を有さずに、第１外周領域Ｓ１１がリング上面１１及びリング下面１２に連なっていてもよい。即ち、リング外周面１３の全域が第１外周領域Ｓ１１であってもよい。
【００３１】
図３に示す符号ａ１１及びａ１２は、バレル落差を表す。ａ１１は、リング外周面１３における燃焼室３０側のバレル落差、即ち、リング外周面１３の頂点Ｐ１と第１外周領域Ｓ１１の上縁Ｅ１１との径方向における距離を示す。ａ１１は、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第１外周領域Ｓ１１の上縁Ｅ１１までの距離と等しい。同様に、ａ１２は、リング外周面１３におけるクランク室４０側のバレル落差、即ち、リング外周面１３の頂点Ｐ１と第１外周領域Ｓ１１の下縁Ｅ１２との径方向における距離を示す。ａ１２は、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第１外周領域Ｓ１１の下縁Ｅ１２までの距離と等しい。本例では、第１外周領域Ｓ１１が対称バレル曲面に形成されているため、第１外周領域Ｓ１１の上縁Ｅ１１と下縁Ｅ１２とが径方向において揃っている。これにより、ａ１１とａ１２とが等しい。但し、これに限定されない。また、図３に示す符号ｂ１１は、リング外周面１３の頂点Ｐ１と第１外周領域Ｓ１１の上縁Ｅ１１との軸方向における距離を示す。また、ｂ１２は、リング外周面１３の頂点Ｐ１と第１外周領域Ｓ１１の下縁Ｅ１２との軸方向における距離を示す。本例では、第１外周領域Ｓ１１が対称バレル曲面に形成されているため、ｂ１１とｂ１２とが等しい。但し、これに限定されない。
【００３２】
［セカンドリング］
次に、実施形態１に係るセカンドリング２について説明する。図２及び図４に示すように、セカンドリング２は、リング上面２１とリング下面２２とリング外周面２３とリング内周面２４とを有する。セカンドリング２の使用状態において、リング上面２１がセカンドリング溝１０２の上壁Ｗ１に対向し、リング下面２２が下壁Ｗ２に対向し、リング外周面２３がシリンダ内壁２０ａに摺接する。
【００３３】
図４に示すように、リング外周面２３は、セカンドリング２の径方向外側に凸状を形成する第２外周領域Ｓ２１と、第２外周領域Ｓ２１とリング上面２１及びリング下面２２とをそれぞれ接続する一対の接続領域Ｓ２２，Ｓ２２と、を含む。一対の接続領域Ｓ２２，Ｓ２２の一方は、第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１とリング上面２１の外縁とを接続する。一対の接続領域Ｓ２２，Ｓ２２の他方は、第２外周領域Ｓ２１の下縁Ｅ２２とリング下面２２の外縁とを接続する。第２外周領域Ｓ２１は、セカンドリング２の周長方向に直交する断面においてセカンドリング２の径方向外側に凸状に湾曲する第２突出面２３１を有する。第２突出面２３１における該凸状の頂点Ｐ２は、リング外周面２３においてセカンドリング２の径方向最外に位置している。より具体的には、リング外周面２３の第２外周領域Ｓ２１は、全体として対称バレル曲面に形成されている。即ち、第２外周領域Ｓ２１は、周長方向に直交する断面において第２突出面２３１が径方向外側に凸状となる円弧を形成するとともに該凸状の頂点Ｐ２がリング外周面２３において軸方向（上下方向）の中央に位置し、頂点Ｐ２を境に軸方向に対称な対称バレル形状を有している。該円弧は、上端が上側の接続領域Ｓ２２に接続し、下端が下側の接続領域Ｓ２２に接続している。頂点Ｐ２は、リング外周面２３において最も径方向外側に位置し、使用状態においてシリンダ内壁２０ａに摺接する。第２外周領域Ｓ２１において頂点Ｐ２を含む領域が、第２突出面２３１を構成する。図４に示す符号ＣＬ２は、該断面においてセカンドリング２の中心軸Ａ２に直交するとともにリング外周面２３における軸方向中央、即ち、リング幅の中央を通る直線を示す。第２外周領域Ｓ２１を形成する対称バレル曲面は、リング外周面２３よりも径方向内側であって中央線ＣＬ２上に中心Ｃ２を有する所定の半径ｒ２の円弧を中心軸Ａ２回りに回転させることで形成される曲面とも捉えることができる。図４に示すように、頂点Ｐ２は、中央線ＣＬ２上に位置する。リング外周面２３は、本発明に係る「第２外周面」の一例である。なお、本例では、第２外周領域Ｓ２１を半径が一様な円弧により形成したが、第２外周領域Ｓ２１の形状はこれに限定されない。リング外周面２３は、バレル形状であればよく、対称バレル形状でなくともよい。即ち、頂点Ｐ２は、リング外周面２３において軸方向の中央（即ち、中央線ＣＬ２上）に位置しなくともよく、頂点Ｐ２が燃焼室３０側又はクランク室４０側にオフセットしていてもよい。即ち、リング外周面２３は、径方向外側に凸状に湾曲した第２突出面２３１を有する形状であればよい。第２突出面２３１は、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有してもよい。また、第２外周領域Ｓ２１は、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第２突出面２３１は、頂点Ｐ２において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。また、セカンドリング２は、一対の接続領域Ｓ２２，Ｓ２２を有さずに、第２外周領域Ｓ２１がリング上面２１及びリング下面２２に連なっていてもよい。即ち、リング外周面２３の全域が第２外周領域Ｓ２１であってもよい。
【００３４】
図４に示す符号ａ２１は、リング外周面２３における燃焼室３０側のバレル落差、即ち、リング外周面２３の頂点Ｐ２と第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１との径方向における距離を示す。ａ２１は、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１までの距離と等しい。同様に、ａ２２は、リング外周面２３におけるクランク室４０側のバレル落差、即ち、リング外周面２３の頂点Ｐ２と第２外周領域Ｓ２１の下縁Ｅ２２との径方向における距離を示す。ａ２２は、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第２外周領域Ｓ２１の下縁Ｅ２２までの距離と等しい。本例では、第２外周領域Ｓ２１が対称バレル曲面に形成されているため、第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１と下縁Ｅ２２とが径方向において揃っている。これにより、ａ２１とａ２２とが等しい。但し、これに限定されない。また、図４に示す符号ｂ２１は、リング外周面２３の頂点Ｐ２と第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１との軸方向における距離を示す。また、ｂ２２は、リング外周面２３の頂点Ｐ２と第２外周領域Ｓ２１の下縁Ｅ２２との軸方向における距離を示す。本例では、第２外周領域Ｓ２１が対称バレル曲面に形成されているため、ｂ２１とｂ２２とが等しい。但し、これに限定されない。
【００３５】
［オイルリング］
次に、実施形態１に係るオイルリング３について説明する。図２及び図５に示すように、オイルリング３は、上下（軸方向両側）に配置された一対のリング形状を有するセグメント（サイドレールとも呼ぶ）４，４と、セグメント４，４よりも径方向内側に配置されてセグメント４，４をシリンダ内壁２０ａに付勢するエキスパンダ・スペーサ５と、を含んで構成されている。本実施形態に係るオイルリング３は、一対のセグメント４，４を、同一の形状としている。以下、一対のセグメント４，４のうち、上側（燃焼室３０側）に配置されたセグメント４を上側セグメント４Ｕと称し、下側（クランク室４０側）に配置されたセグメント４を下側セグメント４Ｌと称し、これらを区別しないときは、単にセグメント４と称する。
【００３６】
図５に示すように、セグメント４は、セグメント上面４１とセグメント下面４２とセグメント外周面４３とレール内周面４４とを有する。上側セグメント４Ｕは、オイルリング３が使用状態にあるとき、セグメント上面４１においてオイルリング溝１０３の上壁Ｗ１に対向し、セグメント下面４２及びレール内周面４４においてエキスパンダ・スペーサ５に当接し、セグメント外周面４３においてシリンダ内壁２０ａに摺接するようにして配置される。下側セグメント４Ｌは、オイルリング３が使用状態にあるとき、セグメント下面４２においてオイルリング溝１０３の下壁Ｗ２に対向し、セグメント上面４１及びレール内周面４４においてエキスパンダ・スペーサ５に当接し、セグメント外周面４３においてシリンダ内壁２０ａに摺接するようにして配置される。
【００３７】
図６は、セグメント４の周長方向に直交する断面を示す断面図である。図６に示すように、セグメント外周面４３は、オイルリング３の径方向外側に凸状を形成する第３外周領域Ｓ４１と、第３外周領域Ｓ４１とセグメント上面４１及びセグメント下面４２とをそれぞれ接続する一対の接続領域Ｓ４２，Ｓ４２と、を含む。一対の接続領域Ｓ４２，Ｓ４２の一方は、第３外周領域Ｓ４１の上縁Ｅ４１とセグメント上面４１の外縁とを接続する。一対の接続領域Ｓ４２，Ｓ４２の他方は、第３外周領域Ｓ４１の下縁Ｅ４２とセグメント下面４２の外縁とを接続する。第３外周領域Ｓ４１は、オイルリング３の周長方向に直交する断面においてオイルリング３の径方向外側に凸状に湾曲する第３突出面４３１を有する。第３突出面４３１における該凸状の頂点Ｐ４は、セグメント外周面４３においてオイルリング３の径方向最外に位置している。また、第３外周領域Ｓ４１においては、下縁Ｅ４２が上縁Ｅ４１よりも径方向外側に位置し、且つ、第３突出面４３１の頂点Ｐ４がセグメント外周面４３におけるオイルリング３の軸方向中央、即ち、セグメント幅（セグメント４の軸方向寸法）の中央よりもクランク室４０寄りに位置している。頂点Ｐ４は、セグメント外周面４３において最も径方向外側に位置し、使用状態においてシリンダ内壁２０ａに摺接する。また、図６に示すように、第３外周領域Ｓ４１は、更に、第３突出面４３１と上縁Ｅ４１との間に、オイルリング３の周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに燃焼室３０側に向けて徐々に縮径した湾曲面４３２を有する。湾曲面４３２は、第３突出面４３１の上端と第３外周領域Ｓ４１の上縁Ｅ４１とを接続する。これにより、第３外周領域Ｓ４１は、非対称バレル曲面に形成されている。即ち、第３外周領域Ｓ４１は、周長方向に直交する断面において第３突出面４３１が径方向外側に凸状に湾曲するとともに該凸状の頂点Ｐ４がセグメント外周面４３において軸方向（上下方向）の中央よりもクランク室４０寄りに位置し、頂点Ｐ４を境に軸方向に非対称な偏心バレル形状を有している。セグメント外周面４３は、本発明に係る「第３外周面」の一例である。
【００３８】
図６に示す符号δ４は、セグメント外周面４３における軸方向中央からの頂点Ｐ４の偏心量を示す。また、図６に示す符号ＣＬ４は、該断面においてオイルリング３の中心軸Ａ３に直交するとともにセグメント外周面４３における軸方向中央（セグメント幅の中央）を通る直線を示す。また、符号Ｌ４は、オイルリング３の中心軸Ａ３に直交するとともに中央線ＣＬ４よりも偏心量δ４分クランク室４０寄りに位置する直線を示す。図６に示すように、第３突出面４３１は、周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状となる円弧を形成している。該円弧の下端は、下側の接続領域Ｓ４２に接続している。第３突出面４３１は、セグメント外周面４３よりも径方向内側に中心Ｃ４１を有する所定の半径ｒ４１の円弧を中心軸Ａ３回りに回転させることで形成される曲面とも捉えることができる。なお、図６では、直線Ｌ４上に中心Ｃ４１が位置しているが、中心Ｃ４１の位置はこれに限定されない。また、第３突出面４３１は、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有してもよい。また、第３外周領域Ｓ４１は、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第３突出面４３１は、頂点Ｐ４において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。また、セグメント４は、一対の接続領域Ｓ４２，Ｓ４２を有さずに、第３外周領域Ｓ４１がセグメント上面４１及びセグメント下面４２に連なっていてもよい。即ち、セグメント外周面４３の全域が第３外周領域Ｓ４１であってもよい。
【００３９】
図６に示す符号ａ４１は、セグメント外周面４３における燃焼室３０側のバレル落差、即ち、セグメント外周面４３の頂点Ｐ４と第３外周領域Ｓ４１の上縁Ｅ４１との径方向における距離であり、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第３外周領域Ｓ４１の上縁Ｅ４１までの距離と等しい。同様に、ａ４２は、セグメント外周面４３におけるクランク室４０側のバレル落差、即ち、セグメント外周面４３の頂点Ｐ４と第３外周領域Ｓ４１の下縁Ｅ４２との径方向における距離であり、使用状態におけるシリンダ内壁２０ａから第３外周領域Ｓ４１の下縁Ｅ４２までの距離と等しい。図６に示すように、第３外周領域Ｓ４１においては、下縁Ｅ４２が上縁Ｅ４１よりも径方向外側に位置しているため、ａ４２がａ４１よりも小さくなっている。また、図６に示す符号ｂ４１は、セグメント外周面４３の頂点Ｐ４と第３外周領域Ｓ４１の上縁Ｅ４１との軸方向における距離を示す。また、ｂ４２は、セグメント外周面４３の頂点Ｐ４と第３外周領域Ｓ４１の下縁Ｅ４２との軸方向における距離を示す。図６に示すように、セグメント外周面４３においては、第３突出面４３１の頂点Ｐ４がセグメント外周面４３における軸方向中央よりもクランク室４０寄りに位置しているため、ｂ４２がｂ４１よりも小さくなっている。
【００４０】
［従来例］
ここで、図７は、従来例に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関２００のリング溝付近を示す図である。従来例に係る内燃機関２００は、セカンドリング２に代えてセカンドリング２０２を用い、オイルリング３に代えてオイルリング２０３を用いる点で内燃機関１００と相違する。セカンドリング２０２は、シリンダ内壁２０ａに摺接するリング外周面２０２３が、燃焼室３０側に向かって徐々に縮径されたテーパ形状を有する。オイルリング２０３は、上下（軸方向両側）に配置された一対のセグメント６，６をエキスパンダ・スペーサ５によってシリンダ内壁２０ａに付勢する構成としている。一対のセグメント６，６は、一対のセグメント４，４と異なり、何れもセグメント外周面６３が対称バレル形状を有している。
【００４１】
［作用・効果］
次に、従来例との対比で実施形態に係るピストンリングの組み合わせによる作用及び効果について説明する。従来例に対して、内燃機関１００は、シリンダ内壁２０ａに摺接するセカンドリング２のリング外周面２３を周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲した形状としている。即ち、セカンドリング２は、径方向外側に凸状に湾曲した第２突出面２３１においてシリンダ内壁２０ａに摺接する。つまり、セカンドリング２が曲率を有するバレル形状の外周面でシリンダ内壁２０ａに摺接することとなる。その結果、外周面をテーパ形状とした従来例に係るセカンドリング２０２と比較して、シリンダ内壁２０ａとの間に生じる摩擦（フリクション）を低減することができる。
【００４２】
ここで、オイルシール性能の観点で実施形態１に係るセカンドリング２と従来例に係るセカンドリング２０２とを比較した場合、バレル形状の外周面でシリンダ内壁２０ａに摺接するセカンドリング２の方がテーパ形状としたセカンドリング２０２よりもオイルシール性能が低下する傾向があるが、実施形態１に係るピストンリングの組み合わせでは、オイルリング３に設けられた一対のセグメント４，４のセグメント外周面４３を、上述のような偏心バレル形状としている。即ち、一対のセグメント外周面４３は、オイルリング３の周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに該凸状の頂点Ｐ４がセグメント外周面４３においてオイルリング３の径方向最外に位置する第３突出面４３１を有しており、また、第３外周領域Ｓ４１において下縁Ｅ４２が上縁Ｅ４１よりも径方向外側に位置し、且つ、第３突出面４３１の頂点Ｐ４がセグメント外周面４３における軸方向中央よりもクランク室４０寄りに位置している。そのため、セグメント４，４においては、クランク室４０側のバレル落差ａ４２が燃焼室３０側のバレル落差ａ４１よりも小さくなり、第３外周領域Ｓ４１の頂点Ｐ４と第３外周領域Ｓ４１の下縁Ｅ４２との軸方向における距離ｂ４２が頂点Ｐ４と第３外周領域Ｓ４１の上縁Ｅ４１との軸方向における距離ｂ４１よりも小さくなっている。これにより、使用状態において、シリンダ内壁２０ａと第３外周領域Ｓ４１との隙間を、頂点Ｐ４を境としてクランク室４０側において燃焼室３０側よりも小さくすることができる。これにより、ピストン１０の下降時においては、オイルを好適に掻き落とすことができ、ピストン１０の上昇時においては、くさび効果によりセグメント外周面４３がオイルに乗り上げるため、オイルの掻き上げを抑制することができる。そのため、ピストンクリアランスＰＣ１内のオイルがクランク室４０側の隙間を通り抜けてクランク室４０側から燃焼室３０側に流出し難くなり、オイル上がりを更に抑制することができる。その結果、オイルリング３は、一対のセグメント６，６のセグメント外周面６３を対称バレル形状とした従来例に係るオイルリング２０３と比較して、オイルシール性能を向上させることができる。例えば、厚み（径方向寸法）１．７ｍｍ、幅（軸方向寸法）０．４ｍｍのセグメント４の場合、セグメント外周面４３における半径ｒ４１、偏心量δ４、バレル落差ａ４１，ａ４２、頂点Ｐ４と上下縁との軸方向における距離ｂ４１，ｂ４２は、ｒ４1＝約０．５ｍｍ、δ４＝０．０８ｍｍ、ａ４１＝０．０６ｍｍ、ａ４２＝０．００４ｍｍ、ｂ４１＝０．２３ｍｍ、ｂ４２＝０．０６ｍｍとすることが、オイルシール性能向上の観点から特に好ましい。但し、本発明は、上記の寸法に限定するものではない。
【００４３】
以上のように、本実施形態に係る内燃機関１００に設けられたピストンリングの組み合わせは、セカンドリング２のリング外周面２３をバレル形状とすることによってセカンドリングによるフリクションを低減するとともに、オイルリング３に設けられた一対のセグメント４，４のセグメント外周面４３を偏心バレル形状とすることによって、オイルリングのオイルシール性能を向上させている。このようなピストンリングの組合せによれば、オイルシール性能を確保しつつも摩擦損失を低減させることができる。
【００４４】
ここで、本実施形態に係るピストンリングの組み合わせによると、トップリング１、セカンドリング２、オイルリング３の全ての外周面をバレル形状としている。そのため、トップリング１は、径方向外側に凸状に湾曲した第１突出面１３１においてシリンダ内壁２０ａに摺接し、セカンドリング２は、径方向外側に凸状に湾曲した第２突出面２３１においてシリンダ内壁２０ａに摺接し、オイルリング３は、径方向外側に凸状に湾曲した第３突出面４３１においてシリンダ内壁２０ａに摺接する。即ち、本実施形態に係るピストンリングの組合せでは、全てのピストンリングにおいて曲率を有するバレル形状の外周面でシリンダ内壁２０ａに摺接することとなる。その結果、内燃機関１００の運転初期におけるピストンリングのシリンダ内壁２０ａへの攻撃性を低下させ、シリンダ内壁２０ａに傷が生じることを抑制することができる。
【００４５】
更に、本実施形態に係る第３外周領域Ｓ４１は、第３突出面４３１と上縁との間に、オイルリング３の周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに燃焼室３０側に向けて徐々に縮径した湾曲面４３２を有している。これによれば、ピストン１０の上昇時におけるくさび効果を高め、オイルの掻き上げを更に抑制することができる。
【００４６】
なお、本発明は、一対のセグメント４，４の両方のセグメント外周面４３において第３外周領域Ｓ４１を偏心バレル形状としつつも、上側セグメント４Ｕと下側セグメント４Ｌとで、半径ｒ４、偏心量δ４、バレル落差ａ４１，ａ４２、頂点Ｐ４と上縁Ｅ４１及び下縁Ｅ４２との軸方向における距離ｂ４１，ｂ４２を異ならせてもよい。また、本発明は、一対のセグメント４，４のうち、少なくとも一方のセグメント外周面４３における第３外周領域Ｓ４１が上述した偏心バレル形状であればよく、例えば、上側セグメント４Ｕのセグメント外周面４３を偏心バレル形状とし、下側セグメント４Ｌのセグメント外周面４３を頂点Ｐ４が軸方向中央に位置した対称バレル形状としてもよい。但し、本実施形態は、一対のセグメント４，４の両方のセグメント外周面４３を偏心バレル形状とし、両方のオイルシール性能を高めることで、一方のみを偏心バレル形状とする場合よりも内燃機関１００のオイル消費を低減することができる。また、トップリング１のリング外周面１３は、対称バレル形状に限定されない。即ち、リング外周面１３は、偏心バレル形状であってもよい。
【００４７】
［実施例］
実施例に係る内燃機関は、実施形態１に係るピストンリングの組み合わせを設けた内燃機関１００に相当する。即ち、実施例におけるピストンリングの組み合わせでは、トップリングの外周面を対称バレル形状とし、セカンドリングの外周面を対称バレル形状とし、オイルリングに設けられた一対のセグメントの外周面を偏心バレル形状とした。
【００４８】
［比較例］
比較例に係る内燃機関は、従来例に係るピストンリングの組み合わせを設けた内燃機関２００に相当する。即ち、比較例におけるピストンリングの組み合わせでは、トップリングの外周面を対称バレル形状とし、セカンドリングの外周面をテーパ形状とし、オイルリングに設けられた一対のセグメントの外周面を対称バレル形状とした。
【００４９】
［実験］
実験では、実施例に係る内燃機関と比較例に係る内燃機関をそれぞれ、エンジン回転数６２０ｒｐｍ、１０３５ｒｐｍ、１５５５ｒｐｍで運転したときのＦＭＥＰ（摩擦平均有効圧：Friction Mean Effective Pressure）を測定した。
【００５０】
［実験結果］
図８は、実施例と比較例におけるエンジン回転数とＦＭＥＰの関係を示すグラフである。図８から分かるように、回転数６２０ｒｐｍ、１０３５ｒｐｍ、１５５５ｒｐｍの何れにおいても、実施例に係る内燃機関の方が比較例に係る内燃機関よりもＦＭＥＰが低い。これにより、実施形態に係るピストンリングの組み合わせがフリクションの低減において有効であることが分かる。特に、高回転域である１５５５ｒｐｍにおいては、実施例と比較例のＦＭＥＰの差分が１．９ｋＰａであり、高回転域においてフリクション低減効果が顕著であることを確認することができた。
【００５１】
［実施形態１の変形例１］
図９は、実施形態１の変形例１に係るセグメント４Ａの周長方向に直交する断面を示す断面図である。図９に示すように、セグメント４Ａは、セグメント外周面４３Ａがテーパバレル形状を有する点で、セグメント４と相違する。より具体的には、セグメント４Ａのセグメント外周面４３Ａでは、第３外周領域Ｓ４１が、第３突出面４３１と第３外周領域Ｓ４１の上縁との間に、オイルリング３の周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに燃焼室３０側に向けて徐々に縮径したテーパ面４３２Ａを有する。セグメント４Ａにおいても、第３突出面４３１は、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有してもよい。また、第３外周領域Ｓ４１は、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第３突出面４３１は、頂点Ｐ４において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。
【００５２】
［実施形態１の変形例２］
図１０Ａは、実施形態１の変形例２に係るオイルリング３Ｂの周長方向に直交する断面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示すレール外周面４３Ｂの拡大図である。本発明に係るオイルリングは、図１０Ａに示す、一対のレール４ＵＢ，４ＬＢが一体化したオイルリング本体７とオイルリング本体７をシリンダの内壁に付勢するためのコイルエキスパンダ８からなる、所謂２ピースのオイルリングであってもよい。オイルリング本体７の軸方向両側には、一対のレール４ＵＢ，４ＬＢが設けられている。一対のレール４ＵＢ，４ＬＢは、オイルリング３における一対のセグメント４Ｕ，４Ｌに相当する部位である。
【００５３】
図１０Ａに示す符号ＣＬ４Ｕは、レール４ＵＢの軸方向と直交するとともにレール４ＵＢのレール外周面４３Ｂにおける軸方向中央を通る直線を示し、符号ＣＬ４Ｌは、レール４ＬＢの軸方向と直交するとともにレール４ＬＢのレール外周面４３Ｂにおける軸方向中央を通る直線を示す。一対のレール４ＵＢ，４ＬＢのレール外周面４３Ｂは、一対のセグメント４Ｕ，４Ｌのセグメント外周面４３と同様の偏心バレル形状を有している。より詳細には、図１０Ｂに示すように、一対のレール４ＵＢ，４ＬＢのレール外周面４３Ｂは、オイルリング３Ｂの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに該凸状の頂点Ｐ４がレール外周面４３Ｂにおいて径方向最外に位置する第３突出面４３１Ｂを有し、また、第３外周領域Ｓ４１において下縁Ｅ４２が上縁Ｅ４１よりも径方向外側に位置し、且つ、第３突出面４３１Ｂの頂点Ｐ４がレール外周面４３Ｂにおける軸方向中央よりもクランク室４０寄りに位置している。これにより、オイルリングのオイルシール性能を向上させている。レール外周面４３Ｂは、本発明に係る「第３外周面」の一例である。なお、オイルリング３Ｂは、一対のレール４ＵＢ，４ＬＢのうち、一方のレール外周面４３Ｂのみが偏心バレル形状であってもよい。例えば、レール４ＵＢのレール外周面４３Ｂを偏心バレル形状とし、レール４ＬＢのレール外周面４３Ｂを対称バレル形状としてもよく、その逆としてもよい。
【００５４】
［実施形態１の変形例３］
図１１は、実施形態１の変形例３に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関のリング溝付近の拡大図である。変形例３に係るピストンリングの組み合わせは、オイルリング３Ｃの一対のセグメント４Ｃ，４Ｃの何れのセグメント外周面４３Ｃも対称バレル形状を有している点で、図２に示すピストンリングの組み合わせと相違する。また、変形例３に係るピストンリングの組み合わせは、図７に示す従来例のピストンリングの組み合わせにおいて、セカンドリングの外周面の形状を対称バレル形状に代えたものと捉えることもできる。これにより、変形例３に係るピストンリングの組み合わせでは、トップリング１、セカンドリング２、オイルリング３Ｃの全ての外周面が対称バレル形状となっている。そのため、変形例３に係るピストンリングの組み合わせは、図２に示したピストンリングの組み合わせと比較してオイルシール性能は低下するものの、摩擦損失を低減することができる。このようなピストンリングの組み合わせは、比較的オイル消費の少ない内燃機関、例えば常用回転数の低い内燃機関に用いることができる。なお、セカンドリング２及びオイルリング３Ｃのセグメント４Ｃ，４Ｃは、外周面に平坦部を有してもよい。
【００５５】
＜実施形態２＞
図１２は、実施形態２に係るピストンリングの組み合わせに用いられるセカンドリング２Ｄの周長方向に直交する断面図である。実施形態２に係るピストンリングの組み合わせは、対称バレル形状であるリング外周面２３を有するセカンドリング２に代えて、偏心バレル形状であるリング外周面２３Ｄを有するセカンドリング２Ｄを用いる点で実施形態１に係るピストンリングの組み合わせと相違し、その他の点では同一である。
【００５６】
図１２に示すように、リング外周面２３Ｄにおける第２外周領域Ｓ２１は、セカンドリング２Ｄの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲する第２突出面２３１Ｄを有する。第２突出面２３１Ｄにおける該凸状の頂点Ｐ２は、リング外周面２３Ｄにおいてセカンドリング２Ｄの径方向最外に位置している。また、リング外周面２３Ｄにおいて、第２外周領域Ｓ２１の下縁Ｅ２２が上縁Ｅ２１よりも径方向外側に位置し、且つ、第２突出面２３１Ｄの頂点Ｐ２がリング外周面２３Ｄにおけるセカンドリング２Ｄの軸方向中央（即ち、リング幅の中央）よりもクランク室４０寄りに位置している。頂点Ｐ２は、リング外周面２３Ｄにおいて最も径方向外側に位置し、使用状態においてシリンダ内壁２０ａに摺接する。また、図１２に示すように、リング外周面２３Ｄは、更に、第２突出面２３１Ｄと第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１との間に、セカンドリング２Ｄの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに燃焼室３０側に向けて徐々に縮径した湾曲面２３２Ｄを有する。湾曲面２３２Ｄは、第２突出面２３１Ｄの上端と第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１とを接続する。これにより、リング外周面２３Ｄは、非対称バレル曲面に形成されている。
【００５７】
図１２に示す符号Ｌ２は、セカンドリング２Ｄの中心軸Ａ２に直交するとともに中央線ＣＬ２よりも偏心量δ２分クランク室４０寄りに位置する直線を示す。図１２に示すように、直線Ｌ２は、頂点Ｐ２を通る。第２突出面２３１Ｄは、リング外周面２３Ｄよりも径方向内側に中心Ｃ２１を有する所定の半径ｒ２１の円弧を中心軸Ａ２回りに回転させることで形成される曲面とも捉えることができる。なお、図１２では、直線Ｌ２上に中心Ｃ２１が位置しているが、中心Ｃ２１の位置はこれに限定されない。また、第２突出面２３１Ｄは、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有してもよい。また、第２外周領域Ｓ２１は、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第２突出面２３１Ｄは、頂点Ｐ２において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。
【００５８】
これにより、セカンドリング２Ｄにおいては、クランク室４０側のバレル落差ａ２２が燃焼室３０側のバレル落差ａ２１よりも小さくなり、第２外周領域Ｓ２１の頂点Ｐ２と第２外周領域Ｓ２１の下縁Ｅ２２との軸方向における距離ｂ２２が頂点Ｐ２と第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１との軸方向における距離ｂ２１よりも小さくなっている。これにより、使用状態において、シリンダ内壁２０ａと第２外周領域Ｓ２１との隙間を、頂点Ｐ２を境としてクランク室４０側において燃焼室３０側よりも小さくすることができる。その結果、ピストンクリアランスＰＣ１内のオイルがシリンダ内壁２０ａとリング外周面２３Ｄとの隙間を通り抜けてクランク室４０側から燃焼室３０側に流出し難くなり、オイル上がりを更に抑制することができる。これにより、セカンドリング２Ｄのオイルシール性能を実施形態１に係るセカンドリング２よりも高めることができる。
【００５９】
以上のように、実施形態２に係るピストンリングの組み合わせは、セカンドリングの外周面を偏心バレル形状とすることで、セカンドリングのオイルシール性能を高めることができる。その結果、実施形態１に係るピストンリングの組み合わせと比較して、内燃機関のオイル消費を更に低減することができる。なお、リング外周面２３Ｄにおける半径ｒ２1、偏心量δ２、バレル落差ａ２１，ａ２２、頂点Ｐ２と上下縁との軸方向における距離ｂ２１，ｂ２２は、ｒ２１＝約１．６ｍｍ、δ２＝０．２ｍｍ、ａ２１＝０．１６ｍｍ、ａ２２＝０．０３ｍｍ、ｂ２１＝０．７ｍｍ、ｂ２２＝０．３ｍｍとすることが、オイルシール性能向上の観点から特に好ましい。但し、本発明は、上記の寸法に限定するものではない。
【００６０】
［実施形態２の変形例１］
図１３は、実施形態２の変形例１に係るセカンドリング２Ｅの周長方向に直交する断面を示す断面図である。図１２に示すように、セカンドリング２Ｅは、リング外周面２３Ｅの第２外周領域Ｓ２１がテーパバレル形状を有する点で、セカンドリング２Ｄと相違する。より具体的には、セカンドリング２Ｅのリング外周面２３Ｅは、第２外周領域Ｓ２１において、第２突出面２３１Ｄと第２外周領域Ｓ２１の上縁Ｅ２１との間に、セカンドリング２Ｅの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに燃焼室３０側に向けて徐々に縮径したテーパ面２３２Ｅを有する。
【００６１】
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。
【符号の説明】
【００６２】
１００  ：内燃機関
１０    ：ピストン
２０    ：シリンダ
３０    ：燃焼室
４０    ：クランク室
１      ：トップリング
１１    ：リング上面
１２    ：リング下面
１３    ：リング外周面
１４    ：リング内周面
２      ：セカンドリング
２１    ：リング上面
２２    ：リング下面
２３    ：リング外周面
２４    ：リング内周面
３      ：オイルリング
４      ：セグメント
４Ｕ    ：上側セグメント
４Ｌ    ：下側セグメント
４１    ：セグメント上面
４２    ：セグメント下面
４３    ：セグメント外周面
４４    ：レール内周面
５      ：エキスパンダ・スペーサ
【要約】
ピストンリングの組合せであって、セカンドリングの外周面である第２外周面は、該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに該凸状の頂点が該第２外周面において該セカンドリングの径方向最外に位置する第２突出面を有し、一対のセグメントの外周面である一対の第３外周面は、該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲した第３突出面であって、該凸状の頂点が該第３外周面において該オイルリングの径方向最外に位置する第３突出面が形成された第３外周領域をそれぞれ有し、一対の第３外周面のうち少なくとも一方において、クランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、第３突出面の頂点が第３外周面におけるオイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している。【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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