(57)【要約】【課題】  ＴＯＰリングにガスシール機能とオイルコントロール機能を持たせ、ＴＯＰリング１本で３本リングセットと同等のオイル消費量、ブローバイ量を実現する。【解決手段】  外周にトップランド部を残してリング溝を形成して成るピストン本体と、上側脚部と下側脚部とを基部を介して連結して成ると共にトップランド部に取り付けられる断面コ字状のピストンリングとを有し、ピストンリングの基部と上側脚部の境界部から下側脚部の下面までの軸方向幅を、ピストン本体のトップランド部の上面から下側脚部が装着されるリング溝の下面までの軸方向幅より大きくする、又は、ピストン本体のトップランド部のスラスト側に溝を設ける、或いは、ピストン本体のセカンドランド部にＶ型形状の環状溝を設ける。ピストンリングは、上側外周をＢＦ形状、下側外周をストレート又はテーパ形状の当たり面とすると良い。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にトップランド部を残してリング溝を形成して成るピストン本体と、
上側脚部と下側脚部とを基部を介して連結して成るとともに前記トップランド部に取り付けられる断面コ字状のピストンリングとを有し、
前記ピストンリングの基部と上側脚部の境界部から下側脚部の下面までの軸方向幅を、前記ピストン本体のトップランド部の上面から下側脚部が装着される前記リング溝の下面までの軸方向幅より大きくして成る
ことを特徴とする内燃機関のピストン装置。
【請求項２】
外周にトップランド部を残してリング溝を形成して成るピストン本体と、
上側脚部と下側脚部とを基部を介して連結して成るとともにトップランド部に取り付けられる断面コ字状のピストンリングとを有し、
前記ピストン本体のトップランド部のスラスト側に溝を設けて成る
ことを特徴とする内燃機関のピストン装置。
【請求項３】
外周にトップランド部を残してリング溝を形成して成るピストン本体と、
上側脚部と下側脚部とを基部を介して連結して成るとともにトップランド部に取り付けられる断面コ字状のピストンリングとを有し、
前記ピストン本体のセカンドランド部にＶ型形状の環状溝を設けて成る
ことを特徴とする内燃機関のピストン装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れかに記載の内燃機関のピストン装置において、前記ピストンリングは、上側外周をＢＦ形状とするとともに、下側外周をストレートまたはテーパ形状の当たり面として成ることを特徴とする内燃機関のピストン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンが往復運動する内燃機関におけるピストンとピストンリングの形状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピストンが往復運動する内燃機関おいては、１気筒あたり２本のコンプレッションリングと１本のオイルリングから成る３本リングセットが主流である。
トップリングはガスシール、セカンドリングはガスシールとオイルコントロール、オイルリングはオイルコントロールというように、各リングがガスシールとオイルコントロールの機能を分担して行っており、３本セットでリングの機能を満たす形となっている。
【０００３】
近年の内燃機関の課題として、高回転化、高出力化、低フリクション化が挙げられている。これらの課題に対応するには、リングの本数を減らすことが有効である。
そこで、従来では、１本のピストンリングを用いたピストン装置（例えば、特許文献１参照）が報告されている。また、シール機能の向上などのためトップランド部に断面コ字状の圧縮ピストンリングを嵌め込んだ内燃機関用ピストン（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【特許文献１】実開昭５８−２４５５８号公報
【特許文献２】実開平５−４２６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の１本のピストンリングでは、ガスシールとオイルコントロールの両方の機能を満足に満たすことはできなかった。
また、特許文献２に記載の内燃機関用ピストンでは、圧縮圧が作用すると、ピストン本体の冠面と断面コ字状の圧縮ピストンリング上側脚部とが密着するように設計されているため、バッククリアランスへの圧縮ガスの侵入が妨げられ、ピストンリングを外周側に十分に張り出させることができない。そのため、十分なガスシール機能およびオイルコントロール機能を満足することはできない。
【０００５】
本発明は、斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、優れたガスシールとオイルコントロール機能とを持つトップリングを有する内燃機関のピストン装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、外周にトップランド部を残してリング溝を形成して成るピストン本体と、上側脚部と下側脚部とを基部を介して連結して成るとともに前記トップランド部に取り付けられる断面コ字状のピストンリングとを有し、前記ピストンリングの基部と上側脚部の境界部から下側脚部の下面までの軸方向幅を、前記ピストン本体のトップランド部の上面から下側脚部が装着される前記リング溝の下面までの軸方向幅より大きくして成ることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、外周にトップランド部を残してリング溝を形成して成るピストン本体と、上側脚部と下側脚部とを基部を介して連結して成るとともにトップランド部に取り付けられる断面コ字状のピストンリングとを有し、前記ピストン本体のトップランド部のスラスト側に溝を設けて成ることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、 外周にトップランド部を残してリング溝を形成して成るピストン本体と、上側脚部と下側脚部とを基部を介して連結して成るとともにトップランド部に取り付けられる断面コ字状のピストンリングとを有し、前記ピストン本体のセカンドランド部にＶ型形状の環状溝を設けて成ることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３の何れかに記載の内燃機関のピストン装置において、前記ピストンリングは、上側外周をＢＦ形状とするとともに、下側外周をストレートまたはテーパ形状の当たり面として成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、１本のピストンリングで優れたガスシール機能とオイルコントロール機能とを発揮するため、ピストンリングの本数を減らすことができ、内燃機関の高回転化、高出力化、低フリクション化を図ることができる。
また、本発明によれば、ピストン上部の温度を積極的にシリンダ側へ逃がし、ピストン本体のリング溝の耐摩耗性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１ないし図３は、本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストン装置１を示す（請求項１ないし３に対応する）。
本実施形態に係る内燃機関のピストン装置１は、外周にトップランド部１２を残してリング溝１３を形成して成るピストン本体１０と、上側脚部２２と下側脚部２３とを基部２１を介して連結して成るとともにトップランド部１２に取り付けられる断面コ字状のピストンリング２０とを有する。ここで、断面コ字状のピストンリング２０の基部２１と上側脚部２２の境界部Ｐから下側脚部２３の下面２３ａまでの軸方向幅ｈ２が、トップランド部１２の上面１２ｂから下側脚部２３が装着されるリング溝１３の下面１３ａまでの軸方向幅ｈ３より大きく設計されている。すなわち、断面コ字状のピストンリング２０の基部２１の軸方向幅ｈ４と下側脚部２３の軸方向幅ｈ５の総和が、ピストン本体１０のトップランド１２の軸方向幅ｈ６と下側脚部２３が装着されるリング溝１３の軸方向幅ｈ７の総和より大きくしてある。この構成では、圧縮圧が作用すると、断面コ字状のピストンリング２０の下側脚部２３の下面２３ａとリング溝１３の下面１３ａとが密着し、断面コ字状のピストンリング２０の全内周面にクリアランスが生じる。そして、このクリアランスに圧縮ガスが入り込むことにより、断面コ字状のピストンリング２０が外周側に張り出し、シール特性が向上する。ここで、ｈ２−ｈ３の値は、ガソリンエンジンでは４０±２０μｍ、ディーゼルエンジンでは１００±２０μｍであることが好ましい。この寸法範囲に入るように公差が設定されるのが好ましい。
【００１１】
図１，図２には、ピストン本体１０の冠面１１に切り欠き部２５が形成され、断面コ字状のピストンリング２０の上側脚部２２が、この切り欠き部２５に装着される構成が示されているが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば、ピストン本体１０に切り欠き部２５が形成されず、断面コ字状のピストンリング２０の上側脚部２２が、ピストン本体１０の冠面１１より上に突出して装着される構成にも本発明は適用される。この場合も、断面コ字状のピストンリング２０の基部２１と上側脚部２２の境界部Ｐから下側脚部２３の下面２３ａまでの軸方向幅ｈ２を、トップランド部１２の上面（ここでは冠面１１）から下側脚部２３が装着されるリング溝１３の下面１３ａまでの軸方向幅ｈ３より大きく設計することにより、同様の効果が得られる。
【００１２】
ピストン本体１０には、トップランド部１２のスラスト側に溝１４を設けるのが好ましい。溝１４は、図３では、エンジン３０のフロント位置３１からスラスト側に８０°、９０°、１００°の位置に、ピストン本体１０の冠面１１からトップランド部１２の上側に沿ってトップランド部１２の外周面１２ａに渡って形成されている。図３において、エンジン３０にはミッション３２が連絡しており、エンジン３０の先端側をフロント側、後端側をリア側と称する。溝１４の形成される位置は、スラスト側（０〜１８０°の範囲）であれば、特に限定されないが、４５〜１３５°の範囲に形成されるのが好ましい。
【００１３】
このような溝を形成することにより、リング背圧を増加させることができ、オイルコントロール機能およびシール機能が向上する。この構成は、上述した圧縮圧が作用すると、断面コ字状のピストンリング２０の下側脚部２３の下面２３ａとリング溝１３の下面１３ａとが密着するように設計されたピストン装置のみならず、従来のようにピストン本体の冠面と断面コ字状ピストンリング上側脚部とが密着するように設計されているピストン装置においても適用され、優れた効果を発揮する。
【００１４】
また、セカンドランド部１６にはＶ型形状の環状溝１５を形成するのが好ましい。環状溝１５によりセカンドランド部１６のオイルの圧力上昇が緩和されるため、オイルがトップランド１２を経由して燃焼室に漏れ、オイル消費が増大する現象を防止することができる。ここで、Ｖ型形状とは、上面側が水平、もしくは内周側が上方に傾き、下面側は下方にいくに従って、径方向幅が小さくなる傾きを有する溝形状である、下面の傾きはピストン軸に対して１５〜４５°であるのが好ましい。環状溝形状としては、断面コ字状、Ｕ字状、或いは逆Ｖ型形状等が挙げられるが、Ｖ型形状とすることによりオイルを溝内に溜めやすく優れたオイル消費低減効果が得られる。
【００１５】
このようなＶ型形状の環状溝も上述したように圧縮圧が作用すると、断面コ字状のピストンリング２０の下側脚部２３の下面２３ａとリング溝１３の下面１３ａとが密着するように設計されたピストン装置のみならず、従来のようにピストン本体の冠面と断面コ字状のピストンリングの上側脚部とが密着するように設計されているピストン装置においても適用され、優れた効果を発揮する。
【００１６】
さらに、ピストン本体１０は、膨張行程ではスラスト側を下降するが、この際のピストン本体１０の側圧を利用してセカンドランド部１６でのオイル掻きをよくするために、図２の寸法ｔ１（トップランド部１２とセカンドランド部１６の差）を同図の寸法ｔ２（リング板厚）とほぼ等しくするのが好ましい。ここで、ｔ１−ｔ２が、０〜５０μｍに設計されるのが好ましい。
【００１７】
次に、斯くして構成した本実施形態に係る内燃機関のピストン装置１の作用を説明する。
本実施形態では、断面コ字状の形状を持つピストンリング２０を、その下側脚部２３の下面２３ａをリング溝１３の下面１３ａに摺動自在に装着しているので、ピストンリング２０は、ピストン本体１０に圧縮圧が作用すると、下側脚部２３の下面２３ａをリング溝１３の下面１３ａに沿って摺動して張り出し、基部２１の内周側２１ａとトップランド部１２の外周面１２ａとの間に隙間Ｓが形成される。ピストンリング２０の全内周面とピストン本体１０との間には、隙間が形成される。この隙間Ｓがラビリンス効果を持っているため、セカンドランド１６からピストンリング２０の下側面を通り背面に移動するオイルを燃焼室へ運びづらくなり、オイル消費低減効果が奏される。
【００１８】
また、ピストンリング２０は、張力が少なくてもガス圧が作用すると、シリンダＣに向かって張り出す形状となり、ガスシール機能を発揮することができる。
さらに、本実施形態では、ピストン本体１０のトップランド部１２のスラスト側にリング背圧を増加させるための溝１４を、エンジン３０のフロント位置３１から８０°、９０°、１００°の位置に設けている。このことにより、エンジン実働中の油膜厚さが厚いスラスト側の膨張行程で、筒内圧（燃焼圧）の上昇に伴い、溝１４を介してスラスト側のピストンリング２０の背圧が増加し、それにより積極的に油膜を薄くし、より優れたオイルコントロール機能を発揮することができる。
【００１９】
さらに、本実施形態によれば、ピストンリング２０をピストン本体１０の上端部に位置するトップランド部１２に取り付けるため、ピストン本体１０の冠面１１およびトップランド１２の温度を下げることも可能となる。
次に、本実施形態に係る内燃機関のピストン装置１について、従来の１本リングと比較して実験を行った。
【００２０】
ここでは、ボア７９ｍｍ、排気量１．８リットルの自然吸気式ガソリンエンジンを使用した。
測定に使用した断面コ字状リング（ピストンリング２０）は、板厚０．５ｍｍ、ｈ１寸法２．０ｍｍ、ａ１寸法２．０ｍｍ、材質はスチールである。
この断面コ字状リングを装着するため下記３つの構成のピストン本体を作製した。
【００２１】
１）ピストン本体の冠面に、断面コ字状のピストンリングの上側脚部を装着するための、切り欠き部を形成し、冠面より下側に断面コ字状のピストンリングの下側脚部を装着するためのリング溝を設けた。ここで、切り欠き部およびリング溝の軸方向寸法は断面コ字状のピストンリングの上側脚部および下側脚部の軸方向寸法より５０μｍ程度大きくなるように設定した。また、切り欠き部およびリング溝の径方向寸法は、断面コ字状のピストンリングのａ１寸法より、５０μｍ程度大きくなるように設定した。このピストン本体を用いたピストン装置を実施例１とする。
【００２２】
２）１）のピストン本体１０のフロント位置からスラスト側ヘ８０度、９０度、１００度の３カ所に冠面からトップランド外周に渡り、幅３ｍｍ、深さ５ｍｍの溝を設けた。このピストン本体を用いたピストン装置を実施例２とする。
３）１）のピストン本体のスラスト側に２）と同様に溝を設け、かつセカンドランドにはＶ型環状溝を形成した。このピストン本体を用いたピストン装置を実施例３とする。
【００２３】
また、１本のコンプレッションリングのみを設置したピストンを用いて、同様にオイル消費量およびブローバイ量の測定を行った。これを、図４においては、従来１本リング仕様として示す。ここでは、ピストン本体のセカンドランドには環状のＶ溝は形成していない。
図４に示すように、本発明の断面コ字状ピストンリング（実施例１）では、従来の１本リング仕様に比べ、オイル消費量が低減するとともにブローバイ量も低下することが確認された。また、ピストン本体のスラスト側に溝を設けることにより、オイル消費量はさらに低減した。さらに、ピストン本体にＶ型環状溝を設けることにより、オイル消費量は著しく低減した（実施例３）。また、従来の１本リング仕様では１４．０Ｌ／ｍｉｎであったブローバイ量は、実施例３では１２．２Ｌ／ｍｉｎまで低下した。
【００２４】
図５は、本発明の別の実施形態に係る内燃機関のピストン装置１Ａを示す。
この実施形態では、トップランド部１２の上下面１２ｂ，１２ｃをテーパ形状（逆キーストン形状）とし、かつ断面コ字状のピストンリング２０の上側脚部の下面２２ａおよび下側脚部の上面２３ｂを外周側に向かって、脚部の軸方向幅が大きくなるようなテーパ形状とした点で、上記実施形態に係る内燃機関のピストン装置１とは相違する。
【００２５】
本実施形態では、ピストンリング２０とトップランド部１２との間に挟まれたカーボンを排出しやすくなるという利点がある。
また、この場合には、断面コ字状のピストンリング２０の基部２１と上側脚部２２の境界部Ｐから下側脚部下面２３ａまでの軸線方向幅ｈ２は、トップランド１２の外周側上端部Ａから下側脚部が装着されるリング溝１３の下面１３ａまでの軸方法幅ｈ３より大きく設計されるのが好ましい。さらに、断面コ字状のピストンリング２０の上側脚部の内周側下端部Ｑから下側脚部下面２３ａまでの軸線方向幅ｈ１０は、トップランド１２の内周側上端部Ｂから下側脚部２３が装着されるリング溝１３の下面１３ａまでの軸方法幅ｈ１１より大きく設計されるのが好ましい。この構成では、ピストン本体１０に圧縮圧が作用すると、下側脚部２３の下面２３ａがリング溝１３の下面１３ａに沿って外周側に張り出す。これにより、ピストンリング２０の全内周面とトップランド部の外周面との間に隙間が形成される。この隙間がラビリンス効果を持っているため、セカンドランド１６からピストンリング２０の下側面を通り背面に移動するオイルを燃焼室に運びづらくなり、オイル消費低減効果が奏される。
【００２６】
本実施形態においても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することは勿論である。
図６は、本発明の別の実施形態に係る内燃機関のピストン装置１Ｂを示す。
この実施形態では、ピストンリング２０の上側外周２４を突出量０．５ｍｍ程度のＢＦ（バレルフェース）形状とするとともに、下側外周２５を突出量０．５ｍｍ程度のテーパ形状の当たり面とした点で、上記各実施形態に係る内燃機関のピストン装置１，１Ａとは相違する。
【００２７】
本実施形態では、上側外周２４をバレルフェース形状とすることにより、エッジで当たりづらく、スカッフ防止に有効である。また、下側外周２５をテーパ形状の当たり面としたので、ピストン本体１０の下降行程におけるオイル掻き効果が優れるという利点がある。
また、１本のピストンリングで上下に形状を分けるので、図２のピストンリング２０に比し、実当たり幅を小さくでき、同張力で面圧を高くできるという利点がある。すなわち、面圧が高いと外周の追従性が良く、オイル消費が良くなるという利点がある。
【００２８】
なお、下側外周２５をストレート形状の当たり面としても良い。
本実施形態においても、上記各実施形態と同様の作用効果を奏することは勿論である。
図７は、本発明の別の実施形態に係る内燃機関のピストン装置１Ｃを示す。
この実施形態では、ピストンリング２０の上側外周２４と下側外周２５とを半バレル形状の当たり面とした点で、上記各実施形態に係る内燃機関のピストン装置１，１Ａ，１Ｂとは相違する。
【００２９】
本実施形態においても、図６の実施形態に係る内燃機関のピストン装置１Ｂと同様の効果を奏することができる。
本実施形態においても、上記各実施形態と同様の作用効果を奏することは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストン装置１を示す斜視図である。
【図２】図１の要部を示す拡大図である。
【図３】図１における内燃機関のピストン装置１を適用したエンジン装置の概要を示す上面図である。
【図４】図１の内燃機関のピストン装置１と従来装置とをオイル消費量について比較した結果を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態に係る内燃機関のピストン装置１Ａを示す要部拡大図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係る内燃機関のピストン装置１Ｂを示す要部拡大図である。
【図７】本発明の別の実施形態に係る内燃機関のピストン装置１Ｃを示す要部拡大図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  内燃機関のピストン装置
１０  ピストン本体
１１  冠面
１２  トップランド部
１２ａ  トップランド部１２の外周面
１２ｂ  トップランド部１２の上面
１２ｃ  トップランド部１２の下面
１３  リング溝
１３ａ  リング溝１３の下面
１４  溝
１５  Ｖ溝
１６  セカンドランド部
２０  ピストンリング
２１  ピストンリング２０の基部
２１ａ  基部２１の内周側
２２  ピストンリング２０の上側脚部
２３  ピストンリング２０の下側脚部
２４  ピストンリング２０の上側外周
２５  ピストンリング２０の下側外周
Ｓ  隙間
Ｃ  シリンダ
【図１】
2005226522.tif 000003
【図２】
2005226522.tif 000004
【図３】
2005226522.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005226522.tif 000007
【図６】
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【図７】
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