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エンジンのオイルリング下の油圧発生メカニズム
およびその低減方法に関する研究
長谷川 弘樹 1）

菊原 浩司 2）

西島 駿輔 1）

鈴木 秀和 1）

伊東 明美 1）

関谷 弘志 2） 赤松 洋孝 3)

A study on the mechanism of oil pressure generating under the oil ring in an engine
and design for reducing the pressure
Hiroki Hasegawa

Koji Kikuhara

Shunsuke Nishijima

Hidekazu Suzuki

Akemi Ito

Hiroshi Sekiya

Hirotaka Akamatsu

Engine oil consumption should be reduced for lowering particulate matter. The target of this study was clarifying oil behavior under the oilcontrol ring, which assumed to affect oil supply volume for piston rings. Distribution of oil pressure in the circumferential direction under theoil control ring was measured. An increase in oil pressure was found in the piston down-strokes. Oil drain holes under the oil control ringwere effective for reducing oil pressure under the oil control ring.
KEY WORDS: Heat Engine, Lubricating Oil/Engine Oil, IC Engine, Oil Pressure Measurement, Oil Consumption, Oil Control Ring (A1)
1．緒論

口および側背面であることを明らかにした(3)．また，Hoult は，近年，地球環境負荷低減のため，自動車エンジンには一層油膜の可視化により求めた 2nd ランドの油膜厚さを入力デーの燃費向上が求められている．比較的容易に燃費改善効果がタに用いて，オイル消費の高精度な予測を行った(4)．このこ得られる方策として，ピストン周りの摩擦損失の低減が挙げとはオイル消費の机上予測には，コンプレッションリングにられるが，この燃費改善策はしばしばオイル消費の増加を招供給される油量の理論的な定量化が必要であることを示して(1)(2)

くことが知られている．一方でオイル消費は粒子状物質いる．コンプレッションリングへの供給油量を求めるために(Particulate matter)の要因となるほか排気後処理装置の触は，まず，オイル上がりの入口であるピストンスカートおよ媒の被毒を招くため，これも環境に負荷を与える．これらのびオイルリングにおけるオイル上がりメカニズムを解明することから，オイル消費量低減はますます重要な課題となって必要がある．中村ら(5)～(9)は，オイルリングに供給されるオイいる．

ルに着目し，ピストンスカート上の油膜生成メカニズムを理

オイル消費はエンジンの燃焼や各部の温度，部品の形状な論解析した一方，ピストンスカート長さやオイルリング溝周どの影響を強く受けるため，その評価は開発の最終段階にお辺の油穴がオイルリング下面の油圧に影響していること，さける実験評価に頼っているのが実情である．このため，エンらにはこの油圧がオイル消費と相関があることを示した．

ジンの設計段階においてオイル消費を実用上十分な精度で机

著者らは，既報(10)において，ピストンスカート上端の面取上評価できる手法の確立およびオイル消費低減のための設計り部の詳細な圧力測定を実施し，オイルリング下のオイル挙方案が求められている．

動を明らかにするとともに，油圧発生メカニズムを検討した．

オイル消費とは，潤滑油がエンジン各部を潤滑した後，燃本報では，ピストンの設計に資することを目的とし，オイ焼室に流入し，排気と共にエンジン外部へ排出される現象をルリング溝周辺に設けられる油穴の位置および数がオイルリいう．ここで，クランクシャフトの跳ねかけ等によりシリンング下に発生する油圧に及ぼす影響を調べた．これにより，ダライナーに供給されたオイルが，ピストンスカートおよびオイルリング下油圧低減のための最適な油穴位置について検ピストンリングを通過して燃焼室に流入する現象をオイル上討した．

がりといい，オイル消費の主たる要因となっている．
オイル上がりのメカニズムについては，数多くの研究がさ

2．実 験 方 法

れており，古濱はオイル上がりの経路がリングの摺動面，合オイルリング下に発生する油圧の測定のため，ピストンス
カート上端部に受圧部にダイヤフラムを有する光ファイバー

1）東京都市大学 (158-8557 東京都世田谷区玉堤 1-28-1)
2）早稲田大学大学院(367-0035 埼玉県本庄市西富田 1011)
3) 日産自動車株式会社(243-0192 神奈川県厚木市岡津古久

式圧力センサーを設置し，当該部圧力の測定を行った．図 1に圧力センサーを搭載したピストンを示す．センサーはスラ
スト側中央(P0)，そこからフロント側に 15°(P15)および 30°

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2016 年春季大会学術講演会 (2016 年 5 月 25 ～ 27 日 )発行日 ( 公開日 ) 2016 年 5 月 23 日
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(P30)回転させた点の計 3 点に取り付けた．本センサーは受圧

験結果を比較してオイルリング溝周辺に設ける最適な油穴位部直径がφ0.8mm と小さいため測定面に対して同一面上に設置を検討した．

置が可能である．

a)

油穴を設けない場合

また，センサーからの光ファイバーをエンジン外部に導出b)

スカート上端部に 4 点設けた場合するためには，図２に示す光ファイバー用のリンク装置を用c)

図 3 の①で示したスカート上端部フロントおよびリヤ寄いた．

りに 2 点設けた場合
d)

図 3 の②で示したスカート上端部中央付近に 2 点設けた場合e)

オイルリング溝底に 4 点設けた場合

Fig. 3 Oil drain hole position
測定には単気筒ガソリンエンジンを用いた．その主要諸元
Fig. 1 Measurement position for oil pressure

を表 1 に示す．本エンジンはピストン冷却のためのオイルジェットを有している．また，運転条件を表 2 に示す．エンジン回転数は 750，1500 rpm の 2 水準とし，スロットル全閉(FCT)におけるモータリングおよび IMEP(Indicated Mean EffectivePressure：図示平均有効圧)を 300, 700 kPa としたファイアリングにて測定を行った．また，供給油圧は回転数によらず0.8 MPa で一定とした．
Table 1 Engine specification

Single cylinder 4 stroke

Engine type
Displacement liter
Bore × Stroke mm
Compression ratio
Fig. 2 Link device leading the optical fiber

Number of piston rings
Piston cooling

gasoline engine
0.499
86 × 86
9.53
Oil jetfrom piston to outside of engine
Table 2 Operating conditions
本研究では，過去の研究によりオイル消費に対する影響がEngine speed rpm確認されている(9)オイルリング溝周辺に油穴を設けた．具体的には図 3 に示す通り，スカート上端部に 4 点，オイルリン1/4 (300 kPa IMEP)
Load

試験水準として，以下の 5 つの水準から得られる各々の実

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3/4 (700 kPa IMEP)
motoring (FCT)

グ溝底に 4 点の計 8 点の油穴を設けた．図 3 に光ファイバー式圧力センサーおよび油穴を設けたピストンを示す．

750, 1500

Oil temperature deg C

30, 50, 80

Supply oil pressure MPa

0.8

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3．実 験 結 果

また，下降行程の圧力上昇に対し油温が及ぼす影響を図 6

図 4 のグラフにピストンに油穴を設けない場合におけるオに示す．エンジン回転数 750 rpm，スロットル全閉の条件で，イルリング下の P0，P15 および P30 の位置における圧力の代表油温を 30℃，50℃および 80℃と変化させて圧力の測定を行っ測定例を示す．本結果は，1500rpm，油温 50℃，スロットル全た．図にはスラスト側中央の測定結果のみを示す．測定結果

閉における測定結果である．測定結果は同時に測定を行ったより，油温が低いほど油圧の最大値は大きくなることがわか

クランクケース内圧とあわせて示されている．図 4 より，油る．これは油温が低いときはオイル粘度が高いため，オイル穴を設けない場合には，ピストン下降行程後半にクランクケリング下に流入したオイルがピストンピン方向に排出されにース内圧には見られない大きな圧力上昇が観察される．これくいことによると思われる．次に，図中に矢印で示される下は，ピストン下降行程前半でピストン下のシリンダー面に潤降行程の圧力上昇が始まる時期に着目すると，油温が高くな沢にたまっているオイルが，ピストンが下降することで図 5るほど早い時期から圧力上昇が始まる．これはオイル粘度がの(a)に示すようにピストンスカートを通りオイルリング下低いために，オイルリング下にオイルが流入しやすいためとに供給され，オイルリング下がオイルで満たされる．下降行推測される．

程後半では，ピストンが下降することで，図 5 の(b)に示すよ

図 7 にはエンジンの負荷がオイルリング下圧力に及ぼす影

うにオイルが満たされた状態のオイルリング下にさらにオイ

響を示す．スロットル全閉，低負荷時(300 kPa IMEP)およびルを供給することになり，圧力上昇が生じたと考えられる．

高負荷時(700 kPa IMEP)の圧力測定結果をそれぞれ図 7(a)，さらに下死点直後，ピストンが上昇行程に転ずると負圧が発(b)および(c)に示す．ピストン下降行程の圧力上昇に着目す生している．この負圧により油膜破断が生ずるためと考えらると，負荷が高くなるほど圧力上昇は小さくなっていることれるが，上昇行程後半では，圧力はクランクケース内圧と同がわかる．これは負荷が高くなるにつれてブローバイガスが等の値を示している．

オイルを吹き下げる作用が強くなり，オイルリング下に存在する油量が少なくなったためと考えられる．

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Fig.5 Lubricated condition under the oil control ring during downstroke

Fig. 6

Effect of oil temperature on oil pressure under the oil control ring(750 rpm, motoring, fully closed throttle)

Fig. 7

Effect of engine load on oil pressure under oil control ring
(1500 rpm, 80 deg C of oil temp.)

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Fig. 8 Typical measurement result of oil pressure under oil control ring(Engine speed: 1500 rpm, Oil temp.: 50 deg C, Throttle: Full closed)

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次に図 8 に，油穴がオイルリング下の油圧に及ぼす影

今後はオイルリング下の油圧の分布がオイル消費に及響を示す．本結果は，1500rpm，油温 50℃，スロットル全ぼす影響について調査を行う．

閉における測定結果である．測定結果は同時に測定を行

2.オイルリング溝底に設けた油穴はオイルリング下油圧ったクランクケース内圧とあわせて示されている．ただ低減に対し効果がないことがわかった．ただし，この油し，(a)は図 4 の再掲である．(a)の油穴を設けない場合穴はオイルリングのレール間のオイル排出性やサードラの圧力と比較して，(b)～(d)のオイルリング下に油穴をンド圧に影響を及ぼしている可能性がある．そのため，設けた場合の圧力は，油穴の位置にかかわらず低減して溝底に設ける油穴に関しても今後，オイル消費に及ぼすいることがわかる．このことから，オイルリング下油圧影響を調べる．

低減手法として，オイルリング下に油穴を設けることが有効であることわかる．まず，(b)のスカート上端部に 4点設けた場合はスカート上端部のフロント寄りの位置 P30

参 考 文 献(1)伊東明美，白川晴久，中村正明，吉田和義，秋山久：デに下降行程後半にわずかな圧力上昇が観察された以外は，ィーゼルエンジンのオイル消費メカニズムに関する研究(第全体的にクランクケース内圧と同等の圧力であることが1 報)-ピストンスカート部長さがリング部へのオイル供給

わかる．次に，(c)のスカート上端部フロントおよびリヤに及ぼす影響-，自動車技術会論文集，Vol.36，No.3，寄りに 2 点設けた場合は，油圧測定位置によらず，下降

pp.63-68(2005)

行程後半でわずかな圧力上昇が観察された．また，(d)の(2)飯島直樹，青木秀馬，今村淳一，瀧口雅章：低張力リン

スカート上端部中央付近に 2 点設けた場合は，中央付近

グのピストン摩擦力とオイル消費への影響について，自動車の油圧 P0 ，P15 はクランクケース内圧と同等の圧力を示し

技術会論文集，Vol.40，No.6，pp.1477-1482(2009)

たが，フロント寄りの位置 P30 では高い圧力が観察された．

(3)古浜庄一：潤滑油消費量(oil consumption)：自動車エン

今後は，オイルリング下の圧力分布がオイル消費に及ぼジンのトライボロジ，東京，ナツメ社，1972 年，p.133-149

す影響について調査を行う必要がある．次に，オイルリ(4)Hoult, David P., The Puddle Theory of Oil Consumption,

ング溝底に設けた油穴がオイルリング下の圧力に及ぼす

Tribology Transactions 37, pp.75-82(1994)

影響について検討する．(e)のオイルリング溝底に 4 点設

(5)中村正明，伊東明美，林洋次：ディーゼルエンジンのオけた場合の圧力は，(a)の油穴を設けない場合の圧力と比

イル消費メカニズムに関する研究(第 2 報)，自動車技術会論

較して，同等の圧力であることがわかる．これにより，

文集，Vol.36，No.4，pp.99-104(2005)

オイルリング溝底に設けた油穴はオイルリング下油圧低(6)中村正明，伊東明美，林洋次：ディーゼルエンジンのオ減に対し効果がないことがわかる．ただし，この位置のイル消費メカニズムに関する研究(第 3 報)，自動車技術会論

油穴はオイルリングのレール間のオイル排出性やサード

文集，Vol.37，No.4，pp.181-186(2006)

ランド圧に影響を及ぼしている可能性がある．そのため，(7)中村正明，伊東明美，林洋次：ディーゼルエンジンのオ溝底に設ける油穴に関しても今後，オイル消費に及ぼすイル消費メカニズムに関する研究(第 4 報)，自動車技術会論影響を調べる必要がある．

文集，Vol.38，No.1，pp.163-168(2007)(8)伊東明美，土橋敬市，中村正明：ディーゼルエンジンの4. 結 論

オイル消費メカニズムに関する研究(第 5 報)，自動車技術会

1.オイルリング下に設けた油穴は，当該部の油圧低減に

論文集，Vol.38，No.1，pp.169-174(2007)

対し大きな効果を示した．油穴位置違いにより，以下の(9)伊東明美，土橋敬市，中村正明：ディーゼルエンジンの特徴があることがわかった．

オイル消費メカニズムに関する研究(第 6 報)，自動車技術会

1)スカート上端部に 4 点設けた場合，スカート上端部

論文集，Vol.38，No.6，pp.193-198(2007)のフロント寄りの位置に下降行程後半でわずかな圧(10)西島駿輔，菊原浩司，長谷川弘樹，伊東明美，関谷弘志，力上昇が観察された以外は，概ね全体でクランクケ

赤松洋孝：オイルリング下の潤滑油挙動に関する研究，第ース内圧と同等の圧力となった．

26 回内燃機関シンポジウム講演要旨集，p.95(2015)

2)スカート上端部のフロントおよびリヤ寄りに 2 点設けた場合，圧力測定位置によらず，下降行程後半でわずかな圧力上昇が観察された．
3)スカート上端部中央付近に 2 点設けた場合，中央付
近の油圧はクランクケース内圧と同等の圧力を示したが，フロント寄りの位置では高い圧力が観察された．

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