(57)【要約】【課題】ピストン上昇行程時のオイルを掻き上げない機能とピストン下降行程時のオイルを掻き落とす機能との両立を向上する。【解決手段】ピストン３に設けられたリング溝に受容されたアウタリング１６とプレートエキスパンダ１７とによりピストンリングを構成し、リング溝の底面１３ａとプレートエキスパンダとの互いに接触する部分に高摩擦係数の摩擦材１８を塗布する。ピストン上昇行程と下降行程との間でエキスパンダの張力変化に摩擦材の影響によるヒステリシスが生じる。これにより、ピストン下降行程時にはエキスパンダの張力増大によりアウタリングが付勢されるためオイルの掻き落とし能力が向上し、ピストン上昇行程時には下降行程時に対してエキスパンダの張力低減によりオイルを掻き上げないようにすることができ、燃焼室へのオイル流入を減らしてオイル消費量を低減できる。【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と、前記シリンダ内で軸線方向に往復運動するピストンと、前記ピストンの外周面に周方向に連続して形成されたリング溝と、前記リング溝に設けられたピストンリングとを有する内燃機関のピストンリング構造であって、
前記ピストンリングが、前記シリンダの内周面に摺接するように前記リング溝に受容されたアウタリングと、前記アウタリングを前記シリンダの内周面側に付勢するべく前記リング溝の前記アウタリングの半径方向内側に配置されたばね材からなるエキスパンダとを有し、
前記シリンダの内周面は軸線方向に燃焼室から遠ざかるに連れて内径が漸減して形成され、
前記リング溝および前記アウタリングの少なくとも一方と前記エキスパンダとの互いに接触する部分に高摩擦係数の摩擦材が塗布されていることを特徴とする内燃機関のピストンリング構造。
【請求項２】
前記摩擦材が摩擦係数を自由に設定できる材質からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストンリング構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンリング構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関のピストンにはシリンダ内周面との間をシールする圧力リング（ピストンリング）が設けられている。ピストンリングにあっては、ピストン上昇時にはピストンリングとシリンダ内周面との間にオイル(潤滑油)を通して、ピストン下降時にはシリンダ内周面のオイルを掻き落とす機能が要求される。例えば、シリンダ外周面に開口しかつ周方向に連続して形成されたリング溝内にピストンリングをシリンダ内周面に向けて付勢するばね材からなるプレートエキスパンダを設け、ピストンリングの形状（上昇方向に斜面を向けたテーパ形状）やプレートエキスパンダの張力の設定などにより上記機能を達成するようにしたものがあった（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６２−２３３５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記ピストン上昇行程時にオイルを通し（掻き上げない）、ピストン下降行程時にはオイルを掻き落とす機能の達成のためには、エキスパンダの張力を、上昇側には低張力とし、下降側には高張力となることが望ましいが、最終的にはオイル消費量とフリクションとのバランスにより設定される。そのためピストン上昇行程時のオイルを掻き上げない機能と、ピストン下降行程時のオイルを掻き落とす機能との両立を向上することが困難であるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このような課題を解決して、ピストン上昇行程時のオイルを掻き上げない機能とピストン下降行程時のオイルを掻き落とす機能との両立を向上することを実現するために本発明に於いては、内燃機関のシリンダ（２）と、前記シリンダ（２）内で軸線方向に往復運動するピストン（３）と、前記ピストン（３）の外周面（３ａ）に周方向に連続して形成されたリング溝（１３）と、前記リング溝（１３）に設けられたピストンリング（２）とを有する内燃機関のピストンリング構造であって、前記ピストンリング（２２）が、前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）に摺接するように前記リング溝（１３）に受容されたアウタリング（１６）と、前記アウタリング（１６）を前記シリンダの内周面（２ａ）側に付勢するべく前記リング溝（１３）の前記アウタリング（１６）の半径方向内側に配置されたばね材からなるエキスパンダ（１７）とを有し、前記シリンダの内周面（２ａ）は軸線方向に燃焼室（１１）から遠ざかるに連れて内径が漸減して形成され、前記リング溝（１３）および前記アウタリング（１６）の少なくとも一方と前記エキスパンダ（１７）との互いに接触する部分に高摩擦係数の摩擦材（１８）が塗布されているものとした。
【０００５】
特に、前記摩擦材（１８）が摩擦係数を自由に設定できる材質からなるものであると良い。
【発明の効果】
【０００６】
このように本発明の請求項１によれば、エキスパンダの張力がアウタリングをシリンダ内周面に付勢する拡径側に作用し、ピストンの往復運動においてアウタリングに対するシリンダ内周面の径が変化し、ピストン下降行程ではアウタリングが縮径側に変形することによりエキスパンダも縮み側に変形して、エキスパンダと例えばリング溝の底面とが摺接することによる両部材間の摩擦材による摩擦力の作用方向がエキスパンダのアウタリングに対する張力を増大させる方向となる。それに対してピストン上昇行程でのアウタリングの拡径側変形によりエキスパンダは伸び側に変形し、この場合には摩擦力作用方向が上記と逆になり、エキスパンダのアウタリングに対する張力を減少させる方向となる。このように、ピストン上昇行程と下降行程との間でエキスパンダの張力にヒステリシスが生じるため、ピストン下降行程時にはエキスパンダの張力増大によりアウタリングによるオイルの掻き落とし能力が向上してオイル回収率が向上し、また、ピストン上昇行程時には下降行程時に対してエキスパンダの張力低減によりオイルを掻き上げないようにすることができると共に、フリクション低減による燃費向上が可能となる。
【０００７】
特に、請求項２によれば、ピストン下降行程時と上昇行程時とのエキスパンダの張力差を摩擦材の摩擦係数の設定により適切に設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明によるピストン構造が適用される内燃機関の要部を示す断面図である。図示例の内燃機関にあっては、シリンダブロック１にシリンダ２が形成され、このシリンダ２の内周面２ａにピストン３が摺動可能に受容されている。ピストン３にはピストンピン４を介してコネクティングロッド５の上端部が連結され、コネクティングロッド５の下端部はクランクピン６を介してクランクシャフト７に連結されている。なお、シリンダ内周面２ａはシリンダライナ（図示せず）により形成されている。
【０００９】
シリンダブロック１の下側には、クランクケース８が結合され、このクランクケース８とシリンダブロック１の下部とで、クランクシャフト７を収容するクランク室９が画成されている。クランクケース８の下側には、上方から降下したオイルを受けるオイルパン１０が設けられている。
【００１０】
図２は、ピストン３に装着された複数のピストンリングにおいて燃焼室１１側から２番目に装着されたピストンリング２２（セカンドリング）を示す要部拡大縦断面図である。図２に示されるように、ピストン３の外周面３ａには半径方向外向きに開口しかつ周方向に連続して形成されたリング溝１３が設けられており、リング溝１３にはピストンリングとして公知形状のアウタリング１６が受容されている。リング溝１３はアウタリング１６の縦断面における幅よりも半径方向内向きに所定長深く形成されており、リング溝１３の半径方向内側の最深部となる底面１３ａとアウタリング１６の内周面との間には、板状のばね材を多角形のＣ字状に形成したプレートエキスパンダ１７が配設されている。このようにして、ピストンリング２２が構成されている。
【００１１】
なお、アウタリング１３の外周面形状はピストン３の上昇側に斜面を臨ませるテーパ面に形成されている。これにより、ピストン３の上昇行程にあってはシリンダ内周面２ａに付着しているオイル（潤滑油）を掻き上げることがなく、ピストン３の下降行程においてオイルの掻き落とし力が発揮され、燃焼室１１へのオイル流入を減らしてオイル消費量を低減できる。
【００１２】
さらに、本発明が適用される内燃機関のシリンダ内周面２ａにあっては、ピストン３の上昇側に位置する燃焼室１１側から遠ざかるに連れて内径が漸減する逆円錐台形状に形成されている（図１のＲ１＞Ｒ２）。それにより、図２に示されるように、円筒形状のピストン３の外周面３ａに対するシリンダ内周面２ａの傾斜角度はピストン上昇側に開く角度θとなる。なお、シリンダ内周面２ａの逆円錐台形状にあっては、内燃機関の運転時には燃焼室１１が最も熱くなるため、熱変形により燃焼室１１側が膨張することによる場合も含む。その場合には、内燃機関の停止時には逆円錐台形状になっていなくても良く、加工により真円筒形状に形成されていて良い。
【００１３】
図３は図１の矢印III−III線に沿って破断した断面図である。上記したように多角形のＣ字状をなすプレートエキスパンダ１７の多角形における各頂点間の各辺部分１７ａの内周面がリング溝１２の底面１２ａに当接し、多角形における各頂点となる部分がアウタリング１６の内周面に当接している。プレートエキスパンダ１７は、周方向の一部で分断され、半径方向外向きの拡がる側にばね付勢力を生じるように形成されている。また、アウタリング１６も周方向の一部で分断されたＣ状リングの形状をなし、半径方向に拡径・縮径変形可能に形成されている。
【００１４】
このように構成されたピストンリング構造にあっては、ピストン３の往復運動によりアウタリング１６に対応するシリンダ内周面２ａの内径が、ピストン下降時に縮径し、ピストン上昇時に拡径するようになる。したがって、ピストン下降時にアウタリング１６は縮径し、そのアウタリング１６の変形によりプレートエキスパンダ１７は縮径方向に圧力を受けて縮む方向に変形する。ピストン上昇時にはアウタリング１６は復元力により拡径し、それによりアウタリング１６側からの圧力が減少するためプレートエキスパンダ１７もばね復元力により拡径して拡がる方向に変形する。
【００１５】
そして本発明によれば、リング溝１３とプレートエキスパンダ１７との互いに接触する部分、すなわち図４に誇張して示すように、プレートエキスパンダ１７の各辺部分１７ａの内周面とリング溝１３の底面１３ａとの間に高摩擦係数の摩擦材１８が塗布されている。摩擦材１８としてはＤＬＣ（Diamond like Carbon）などのセラミックコーティング材であると良い。ＤＬＣにあっては、通常は低摩擦材として用いられるが、摩擦係数を自由に設定できるため、高摩擦係数となる（摩擦の大きい）ＤＬＣを用いる。
【００１６】
高摩擦係数のＤＬＣを用いることにより、図５に示されるように、プレートエキスパンダ１７の張力（ばね付勢力）をピストン３の上昇行程と下降行程とでヒステリシスを持たせて変化させることができる。上記したように上昇行程で図４の二点鎖線の矢印Ｕに示されるようにプレートエキスパンダ１７が拡がる方向に変形する場合には、底面１３ａから辺部分１７ａが離反するようになることから摩擦材１８による摩擦力の作用方向は二点鎖線の矢印Ｆｕに示される向きとなり、プレートエキスパンダ１７によるアウタリング１６を付勢する張力が低減される。これにより、図５に「上昇行程」として示される下死点から上死点に至る張力漸減変化となる。
【００１７】
この上昇行程ではプレートエキスパンダ１７の張力が弱く、アウタリング１６をばね付勢する力が弱くなり、アウタリング１６のシリンダ内周面２ａへの押し付け力も弱まる。それにより、オイルを掻き上げる作用は弱まり、シリンダ内周面２ａに付着しているオイル（潤滑油）を掻き上げることがなく、燃焼室１１へのオイル流入を減らしてオイル消費量を低減できる。
【００１８】
それに対して、下降行程で図４の実線の矢印Ｄに示されるようにプレートエキスパンダ１７が縮まる方向に変形する場合には、底面１３ａに辺部分１７ａが当接する向きになることから摩擦材１８による摩擦力の作用方向は実線の矢印Ｆｕに示される向きとなり、プレートエキスパンダ１７が縮まる方向の変形に対して押し戻そうとする力が強くなり、プレートエキスパンダ１７によるアウタリング１６を付勢する張力が増大される。これにより、図５に「下降行程」として示される上死点から下死点に至る張力漸増変化となる。そして、「上昇行程」と「下降行程」との張力変化間にヒステリシスが生じる。
【００１９】
この下降行程ではプレートエキスパンダ１７の張力にヒステリシス分が増強されるため、ヒステリシスを持たない場合よりもアウタリング１６を付勢する力が強くなり、アウタリング１６のシリンダ内周面２ａへの押し付け力が増強される。それにより、下降行程におけるオイルの掻き落とし力が増大し、ピストン３の下降行程においてオイルの掻き落とし力が発揮され、燃焼室１１へのオイル流入を減らしてオイル消費量を低減できる。
【００２０】
なお、プレートエキスパンダ１７の圧縮量は上死点で最小値Ｃminとなり、下死点で最大値Ｃmaxとなる。ヒステリシスをもたない場合には、圧縮量の最大値Ｃmaxおよび最小値Ｃminでの張力のジャンプ変化は生じないが、本発明では、摩擦材１８により、図５に示されるようにヒステリシスを有する変化となる。
【００２１】
このように、ピストン上昇行程ではオイルを掻き上げてしまうことが抑制され、ピストン下降行程ではオイルを掻き落とし易くなり、膨張行程時にシリンダ内周面２ａにオイルが残ったり、ピストン３の上昇時に必要以上にオイルを運んでしまったりすることを防止することができ、オイル消費量の低減が可能となる。さらに、ピストン３の上昇行程時におけるアウタリング１６に対する付勢力を弱めることができるため、フリクション低減による燃費向上が可能となる。
【００２２】
なお、摩擦材１８の塗布箇所としては、上記底面１３ａと辺部分１７ａとが当接する部分に限られず、プレートエキスパンダ１７の内外周面の両面に塗布したり、アウタリング１６の内周面に塗布したり、それらの組み合わせとしても良い。
【００２３】
また、上記図示例ではプレートエキスパンダ１７を１つ設けた例を示したが、図６に示されるように２つのプレートエキスパンダ１７・１９を設けても良い。これにより、両プレートエキスパンダ１７・１９間に摩擦材１８を塗布することができ、より一層摩擦材１８によるヒステリシス効果を高めることができる。また、両プレートエキスパンダ１７・１９間やプレートエキスパンダ１７と底面１３ａとの間に摩擦材を塗布せずとも、それらの間の摩擦力によって摩擦材を有する一重プレートエキスパンダ（上記実施例の形態）と同等の摩擦力効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明にかかる内燃機関のピストンリング構造は、オイルの掻き落とし能力の向上とオイルを掻き上げないようにすることができる効果を有し、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるピストン構造が適用される内燃機関の要部を示す断面図である。
【図２】ピストンリングを示す要部拡大縦断面図である。
【図３】図１の矢印III−III線に沿って見たプレートエキスパンダおよびアウタリングを示す断面図である。
【図４】図３の要部を拡大して示す図である。
【図５】プレートエキスパンダのヒステリシス作用を説明する図である。
【図６】エキスパンダを２重にした構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
２  シリンダ
２ａ  シリンダ内周面（内周面）
３  ピストン
３ａ  外周面
１３  リング溝
１６  アウタリング
１７  プレートエキスパンダ（エキスパンダ）
１８  摩擦材
２２  ピストンリング
【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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