(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペーサエキスパンダと、スペーサエキスパンダの軸方向の一端と他端にそれぞれ配置された第１サイドレールと第２サイドレールを有し、該スペーサエキスパンダは半径方向内方側において該第１サイドレール及び該第２サイドレールのそれぞれの内周を押圧するために軸方向にそれぞれ突出し半径方向外方側に傾斜面を備えた耳部と、半径方向外方位置において該第１サイドレール及び該第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部とを有する３ピースオイルリングにおいて、
該耳部の半径方向外方側の傾斜面と軸心とのなす角度である耳角度が１０°〜２０°であり、該サイドレール支持部のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙが０．０４〜０．１５であることを特徴とする３ピースオイルリング。
【請求項２】
環状のオイルリング溝が形成されたピストンと、該オイルリング溝に装着された３ピースオイルリングとの組合せであって、
該ピストンにはオイルをクランクケース側に排出するために該オイルリング溝に連通する複数のドレーンホールが形成され、
該３ピースオイルリングは、スペーサエキスパンダと、スペーサエキスパンダの軸方向の一端と他端にそれぞれ配置された第１サイドレールと第２サイドレールを有し、該スペーサエキスパンダは半径方向内方側において該第１サイドレール及び該第２サイドレールのそれぞれの内周を押圧するために軸方向にそれぞれ突出し半径方向外方側に傾斜面を備えた耳部と、半径方向外方位置において該第１サイドレール及び該第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部とを有する３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、
該耳部の半径方向外方側の傾斜面と軸心とのなす角度である耳角度が１０°〜２０°であり、該サイドレール支持部のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙが０．０４〜０．１５であり、
該オイルリング溝に連通している該複数のドレーンホールの開口が、ピストンの反スラスト側よりもスラスト側により多く形成されていることを特徴とする３ピースオイルリングとピストンとの組合せ。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３ピースオイルリング及び３ピースオイルリングとピストンとの組合せに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のピストンリングは、燃焼室側に通常２本の圧力リングと反燃焼室側に通常１本のオイルリングがピストンの外周に設けられたリング溝に装着されている。そしてオイルリングの例として、半径方向外方に付勢力を発揮するスペーサエキスパンダと、スペーサエキスパンダの軸方向端部にそれぞれセットされ、スペーサエキスパンダにより半径方向外方，すなわちシリンダ壁面方向に付勢される一対のサイドレールとを備えたいわゆる３ピースオイルリングがある。
【０００３】
近年、自動車用内燃機関の低燃費化の要求が高まっており、それに伴いピストンリングへのフリクション低減が大きな要求となっている。ピストンリングにおいては、特にオイルリングの薄幅化、低張力が進められてきた。ガソリン機関においては、オイル消費の低減に効果があることから、一対のサイドレールとスペーサエキスパンダとからなる３ピースオイルリングが多用されている。この３ピースオイルリングは、サイドレールがスペーサエキスパンダによってシリンダ壁面に押接されるため、リング溝とのシール性が優れている利点を有している。しかし、フリクション低減による低張力化（２本の圧力リングと１本のオイルリングの合計張力をボア径で除した値が０．２０Ｎ／ｍｍ〜０．２５Ｎ／ｍｍ）に伴い、３ピースオイルリングのシール機能が不十分になり、オイル消費が増加するという問題があった。
【０００４】
３ピースオイルリングのスペーサエキスパンダの内周面側には、リングの略軸方向に突出する耳部が設けられ、サイドレールの内周面を押圧している（例えば特許文献１参照）。しかし耳部がリングの軸方向に平行に突出していると、リング溝の半径方向壁面に対するサイドレールの十分な側圧力を発揮できず、サイドレールがリング溝内で軸方向にばたつく問題がある。また、サイドレールとリング溝上面との間にオイルが侵入しやすくなり、オイル消費量が悪化する問題がある。
【０００５】
この問題を解決するために、耳部の突出方向を軸方向に対して傾斜させ、いわゆる所定耳角度を備えた耳部が提案されている。かかる耳部によりサイドレールを半径方向外方かつ半径方向と交差する方向に付勢することにより、リング溝の半径方向壁面に対してもサイドレールを張らせ側圧力を確保してサイドレールの挙動を抑制し、オイル消費を抑えることができる。また、スペーサエキスパンダの半径方向外方位置において該第１サイドレール及び該第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部が設けられる。上記傾斜した耳部によってサイドレールがリング溝内に傾斜して配置されたときに、サイドレールの支点位置がサイドレール支持部によって固定される。（例えば非許文献１）。
【特許文献１】特公昭３５−１６５０３号公報
【非特許文献１】自動車用ピストンリング編集委員会、「自動車用ピストンリング」  株式会社山海堂、１９９７年１０月、Ｐ．３３、図２．３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ピストンにはリング溝の底壁に連通するドレーンホールが形成されており、リング溝内に流入したオイルをクランクケース側に環流させている。ここで３ピースオイルリングの薄幅化に伴い、リング溝の軸方向幅も小さくなり、リング溝とサイドレールとの間の隙間の容積もきわめて小さくなっていること、及び上述したような耳角度を設けたことによるサイドレールのシール性の向上によって、リング溝内に堆積した未燃焼生成物にサイドレールやエキスパンダが固着又は膠着するいわゆる「スティック」が発生し、そのためにオイル環流の性能の低下の恐れがあった。このように、シール性向上と潤滑油消費の低減とは、特に低張力で薄幅のオイルリングについては、互いに対立しあう課題であった。
【０００７】
そこで本発明は、低張力で薄幅であってもシール性向上と潤滑油消費の低減を実現でき、スティック発生の問題がない３ピースオイルリング、及び３ピースオイルリングとピストンとの組合せを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するため、本発明はスペーサエキスパンダと、スペーサエキスパンダの軸方向の一端と他端にそれぞれ配置された第１サイドレールと第２サイドレールを有し、該スペーサエキスパンダは半径方向内方側において該第１サイドレール及び該第２サイドレールのそれぞれの内周を押圧するために軸方向にそれぞれ突出し半径方向外方側に傾斜面を備えた耳部と、半径方向外方位置において該第１サイドレール及び該第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部とを有する３ピースオイルリングにおいて、該耳部の半径方向外方側の傾斜面と軸心とのなす角度である耳角度が１０°〜２０°であり、該サイドレール支持部のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙが０．０４〜０．１５である３ピースオイルリングを提供している。
【０００９】
本発明は更に、環状のオイルリング溝が形成されたピストンと、該オイルリング溝に装着された３ピースオイルリングとの組合せであって、該ピストンにはオイルをクランクケース側に排出するために該オイルリング溝に連通する複数のドレーンホールが形成され、該３ピースオイルリングは、スペーサエキスパンダと、スペーサエキスパンダの軸方向の一端と他端にそれぞれ配置された第１サイドレールと第２サイドレールを有し、該スペーサエキスパンダは半径方向内方側において該第１サイドレール及び該第２サイドレールのそれぞれの内周を押圧するために軸方向にそれぞれ突出し半径方向外方側に傾斜面を備えた耳部と、半径方向外方位置において該第１サイドレール及び該第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部とを有する３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、該耳部の半径方向外方側の傾斜面と軸心とのなす角度である耳角度が１０°〜２０°であり、該サイドレール支持部のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙが０．０４〜０．１５であり、該オイルリング溝に連通している該複数のドレーンホールの開口が、ピストンの反スラスト側よりもスラスト側により多く形成されている３ピースオイルリングとピストンとの組合せを提供している。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１記載の３ピースオイルリングによれば、オイル消費を悪化させずに、スティック抑制が可能な低張力の３ピースオイルリングが提供できる。特に、サイドレール支持部のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙが０．０４〜０．１５とすることにより、軸方向の幅が狭いオイルリングであっても、リング溝内でオイル通路が確保でき、オイルリング溝内に溜まったオイルをオイル通路を介してドレーンホールに容易に導くことができる。
【００１１】
請求項２記載の３ピースオイルリングとピストンとの組合せによれば、上記請求項１の効果に加えて、オイルリング溝に連通しているドレーンホールの開口がピストンの反スラスト側よりもスラスト側により多く形成されているので、ピストンスラップ（燃焼圧力とコンロッド反力の合力がピストンに作用し，ピストンが横方向に運動し，シリンダの一方に片寄ることによって振動や騒音が発生する現象）により、スラスト側からオイルをピストン内周面側空間に環流させる機能を高める効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１の実施の形態による３ピースオイルリング及び３ピースオイルリングとピストンとの組合せについて、図１から図６を参照して説明する。図１は３ピースオイルリングを装着したピストンとシリンダを示す概略図であり、シリンダ１内に往復移動するピストン２には環状のリング溝２ａ、２ｂ、２ｃが形成され、燃焼室ＣＭ側から順に第１圧力リング３、第２圧力リング４、３ピースオイルリング５がそれぞれリング溝２ａ〜２ｃに装着され、シリンダ壁面に摺接している。３ピースオイルリング５は、シリンダ１内のオイルを掻き下げる作用と、逆止弁効果によりオイルリング５より圧力リング側のピストンランド部２Ａにオイルを送らない作用を果たす。ピストン２には、オイルリング１を装着したリング溝２ｃと連通してオイルを図示せぬクランクケースに環流させるためのドレーンホール２ｄが形成されている。クランクケースとはクランク軸が入っている空間であり、シリンダブロックのスカート部とオイルパンによって囲まれている。
【００１３】
図２〜図４に示されるように、３ピースオイルリング５は、環状のスペーサエキスパンダ１０と、スペーサエキスパンダの軸方向の一端と他端にそれぞれ配置された第１サイドレール２０と第２サイドレール３０を有し、スペーサエキスパンダ１０は軸方向波型であり、軸方向に突出する凸部１１と軸方向に後退する凹部１２とが周方向に交互に並んでいる。
【００１４】
スペーサエキスパンダ１０の半径方向内方側には、第１サイドレール２０及び第２サイドレール３０のそれぞれの内周面２０ａ、３０ａを押圧するために軸方向にそれぞれ突出し半径方向外方側に傾斜面１３ａを備えた耳部１３が設けられている。ここで耳部１３の半径方向外方側の傾斜面１３ａと軸心とのなす角度である耳角度θは１０°〜２０°の範囲にある。耳角度が１０°未満であるとオイルリング２ｃ溝の半径方向の壁面に対するサイドレール２０、３０の必要最小限度の側圧力が確保できず、オイルリング溝２ｃのオイルがサイドレール２０とリング溝２ｃの半径方向壁面の間に侵入し易くなり、ポンピングにより図１に示す上方のランド２Ａに送られるオイル量が増加し、オイル消費が悪化してしまうおそれがある。一方耳角度が２０°を越えると、側圧力が過大となり、スティック発生の原因となる。なお耳角度が１５°〜２０°のときにオイル消費量減少とスティック発生防止の観点で最適な効果が得られる。
【００１５】
スペーサエキスパンダ１０の半径方向外方位置には、第１サイドレール２０及び該第２サイドレール３０の軸方向端面２０ｂ、３０ｂを支持するために軸方向にそれぞれ突出する凸状のサイドレール支持部１４が突設されている。サイドレール支持部１４は、サイドレールがオイルリング溝２ｃ内で傾斜して支持されているときに、サイドレール端面２０ｂ、３０ｂの支点位置を固定するために設けられる。ここで図４に示されるように、サイドレール支持部１４、１４のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部１３、１３の軸方向端面間の距離（全幅）Ｙとの比２Ｘ／Ｙは０．０４〜０．１５に設定されている。ここで比２Ｘ／Ｙが０．１５を越えると、スペーサエキスパンダ１０の軸方向の厚みが極端に薄くなり、耳部１３の基部付近で折損の恐れがある。一方０．０４未満であると、サイドレール支持部１４と、耳部１３と、サイドレール２０とで区画される空間の容積が極端に小さくなり、スティックの抑制効果を発揮できない。なお比２Ｘ／Ｙが０．０９〜０．１５の範囲にあるときに折損の防止とスティック抑制効果の観点で最適な効果が得られる。図５に示されるように、ピストン２は、燃焼室側を画成する頂部２Ａと、シリンダ壁面と対向し上述したリング溝２ａ、２ｂ、２ｃを画成する周壁部２Ｂとを有し、周壁部２Ｂの内部は空洞となってコンロッド６が回動可能にピストン２に接続されている。そして図５、図６に示されるように、オイルリング溝２ｃの底壁部に連通して４個のドレーンホールの開口７ａ〜７ｄがピストン２のスラスト側Ｔと反スラスト側ＡＴに対称に配置されるのが一般的である。すなわち、スラスト側の開口７ａ、７ｄは、直径方向に延びスラスト側中心に位置する線Ｌ１に関して対称な位置に開口しており、反スラスト側の開口７ｂ、７ｃも、線Ｌ１に関して対称な位置に開口している。また、スラスト側Ｔと反スラスト側ＡＴを二分する線Ｌ２に関しても、スラスト側の開口７ａと反スラスト側の開口７ｂとは対称な位置にあり、スラスト側の開口７ｄと反スラスト側の開口７ｃも互いに対称な位置にある。対称に配置したのはピストンの製造の簡素化のためである。なお図６はピストン周壁部２Ｂの内周面におけるドレーンホールの開口位置を示している。図５、図６に示すようなピストンのドレーンホールを本発明の第１の実施の形態による３ピースオイルリングに適用することにより、効果を奏する。
【００１６】
次に、本発明の第２の実施の形態による３ピースオイルリング及び３ピースオイルリングとピストンとの組合せについて、図７に基づき説明する。３ピースオイルリングについては第１の実施の形態と同様であり説明は省略する。第２の実施の形態によるピストン２’は図７に示されるように、直線Ｌ１に関して対称にスラスト側に開口する開口７ｅ、７ｆを有するドレーンホールが付加されている。すなわちスラスト側の開口数が反スラスト側の開口数より多くなるようにドレーンホールが形成されている。このようにピストン２’のスラスト側Ｔに多くドレーンホールを設けることで、ピストンスラップによる効果でオイルをピストン内周面側空間に環流させる機能を高めることができる。
【００１７】
上述した実施の形態による３ピースオイルリングとピストンとの組合せについて、排気量１．６リットル直列４気筒の自動車用ガソリンエンジンによる実機試験を行い、スティック発生とオイル消費について調べた。試験条件は、６０００ｒｐｍ−ＷＯＴ（ワイドオープンスロットル）にて冷却水温度を３０〜１００℃に変化させ、３００時間の冷熱耐久後のオイル消費量及びスティックの有無を確認した。試験結果を表１、表２に示す。実機試験の結果は次の通りであった。
ピストンボア径：８１ｍｍ
合計張力比：０．２３Ｎ／ｍｍ
第１圧力リング
半径方向厚みａ１：２．７ｍｍ、
軸方向幅ｈ１：１．２ｍｍ
摺動面形状：バレルフェース
第２圧力リング
半径方向厚みａ１：２．９ｍｍ
軸方向幅ｈ１：１．２ｍｍ
摺動面形状：テーパアンダーカット
オイルリング
半径方向厚みａ１：２．５ｍｍ
軸方向幅ｈ１：２．０ｍｍ
スペーサエキスパンダの全幅Ｙ（図４）：１．７５ｍｍ
ここで合計張力比とは、ピストンに装着されたピストンリング（圧力リング＋オイルリング）の張力を合計したリング合計張力をボア径で除した値をいう。
【００１８】
表１、表２に示されるような耳角度と軸方向突出距離Ｘ（図４）を変えた複数のスペーサエキスパンダを用意した。表１に関しては、図６に示されるドレーンホールがスラスト、反スラスト側にそれぞれ２個ずつのピストンを使用した。ここでドレーンホールの開口７ａ〜７ｄの位置は線Ｌ１に対して中心角が３０°であった。また表２に関しては、図７に示されるようにドレーンホールがスラスト側で２個多いピストンを使用した。ここでドレーンホール７ａ〜７ｄの位置は表６の場合と同じであり、ドレーンホール７ｅと７ｆの位置は線Ｌ１に対して中心角が１５°であった。
【表１】
0004633639.tif 000002
【表２】
0004633639.tif 000003
表１、２にスティック発生有無の結果及びオイル消費を示す。これらの表において、スティック評価に関しては、◎は４気筒全てスティック無しを意味し、○は４気筒のうちスティックは発生しなかったが、１気筒でもスラギッシュ（自重だけでは落下しないが、軽く指で押すと動く程度）発生を意味し、△は４気筒のうち１気筒でもスティック発生を意味し、×は全気筒スティック発生を意味する。またＬＯＣとはオイル消費量を示し、表１の耳角度２０°で軸方向突出距離Ｘが０．０３ｍｍのときのＬＯＣを１として比で表した。◎はＬＯＣ０．７未満、○は０．７〜０．９未満、△は０．９〜１．０未満、×は１．０以上を意味する。
【００１９】
表１から明らかなように、スペーサエキスパンダの耳角度を１０°〜２０°とし、軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと全幅Ｙとの比：２Ｘ／Ｙを０．０４〜０．１５の範囲に限定することによりオイル消費の減少とスティック発生の抑制効果が認められた。また表２から明らかなように、スラスト側のドレーンホールの開口数を反スラスト側よりも増やすことにより、オイル消費の減少とスティック発生の抑制効果が更に高められたことが確認できた。
【００２０】
図８、図９は、本発明の変形例に係る３ピースオイルリングを示し、上述した軸方向波型のスペーサエキスパンダ１０に代えて半径方向波型のスペーサエキスパンダを用いている。スペーサエキスパンダ１１０は半径方向外方に突出する凸部１１１と半径方向内方に後退する凹部１１２とが周方向に交互に配列された帯状体１１０Ａと、帯状体１１０Ａの開口を貫通するワイヤ１１０Ｂとを有する。帯状体１１０Ａの半径方向内方側には、第１サイドレール２０及び第２サイドレール３０のそれぞれの内周面２０ａ、３０ａを押圧するために軸方向にそれぞれ突出し半径方向外方側に傾斜面１１３ａを備えた耳部１１３が設けられている。ここで耳部１１３の半径方向外方側の傾斜面１１３ａと軸心とのなす角度である耳角度θは第１の実施の形態と同様に１０°〜２０°である。帯状体１１０Ａの半径方向外方位置には、第１サイドレール２０及び該第２サイドレール３０の軸方向端面２０ｂ、３０ｂを支持するために軸方向にそれぞれ突出する台状のサイドレール支持部１１４が突設されている。サイドレール支持部１１４は、サイドレールがオイルリング溝２ｃ内で傾斜して支持されているときに、サイドレール端面２０ｂ、３０ｂの支点位置を固定するために設けられる。ここでサイドレール支持部１１４、１１４のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部１３、１３の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙは第１の実施の形態と同様に０．０４〜０．１５に設定されている。
【００２１】
本発明の３ピースオイルリング及び３ピースオイルリングとピストンとの組合せは上述した実施の形態に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変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の３ピースオイルリング及び３ピースオイルリングとピストンとの組合せは小型内燃機関において特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、ピストンとピストンリングの関係を示す説明図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、３ピースオイルリングを示す部分斜視図。
【図３】本発明の第１の実施の形態による３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、３ピースオイルリングを示す断面図。
【図４】本発明の第１の実施の形態による３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、３ピースオイルリングのスペーサエキスパンダを示す拡大断面図。
【図５】本発明の第１の実施の形態による３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、ピストンを示す断面図。
【図６】本発明の第１の実施の形態による３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、ピストン周壁部の内周面におけるドレーンホールの開口位置を示す説明図。
【図７】本発明の第２の実施の形態による３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、ピストン周壁部の内周面におけるドレーンホールの開口位置を示す説明図。
【図８】本発明の変形例における３ピースオイルリングとピストンとの組合せにおいて、半径方向波型スペーサエキスパンダを示す部分斜視図。
【図９】図８に示される本発明の変形例における３ピースオイルリングを示す断面図。
【符号の説明】
【００２４】
１：シリンダ
２：ピストン
５：３ピースオイルリング
１０，１１０：スペーサエキスパンダ  
１１，１１１：凸部
１２，１１２：凹部
１３，１１３：耳部
１４，１１４：サイドレール支持部
２０，３０：サイドレール
２０ａ，３０ａ：サイドレール内周面
２０ｂ、３０ｂ：サイドレール軸方向端面
【図１】
0004633639.tif 000004
【図２】
0004633639.tif 000005
【図３】
0004633639.tif 000006
【図４】
0004633639.tif 000007
【図５】
0004633639.tif 000008
【図６】
0004633639.tif 000009
【図７】
0004633639.tif 000010
【図８】
0004633639.tif 000011
【図９】
0004633639.tif 000012