JP2000008946A - 内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストン構造を複雑にせずに、ピストン下降
時のオイル掻き下げ不良を防止し、オイルの消費量と燃
費の向上を図るピストンを提供する。 【解決手段】 少なくとも１本のピストンリング１が、
リング溝20に装着された内燃機関のピストンにおいて、
少なくとも１つのリング溝20の溝底24側の天井面23に、
リング溝20の床面22側に向かって傾斜する傾斜面25を設
けてピストン２を構成する。この傾斜面25の傾斜開始点
26は、ピストンリング１が正常なシリンダボア５に当接
する位置から所定距離だけ更にリング溝20から突出した
時の、このピストンリング１の背面13よりもリング溝20
の開口部27側に位置させれば良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のピストン
に関し、特に、ピストンのリング溝の形状を改良して、
ピストン下降中のピストンリングの姿勢を向上させるこ
とによりピストンリングのシリンダボアへの密着性を増
し、オイルの消費を増加させることなく燃費の向上を図
ることができる内燃機関のピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のピストンはシリンダ内で吸
入、圧縮、爆発、排気の動作を行うが、ピストンだけで
はシリンダ内のガス漏れを防ぐことができない。そこ
で、ピストンには一般に３〜４本のピストンリングが装
着されている。ピストンリングはピストン頂部（クラウ
ン部）近傍の周囲に設けられたリング溝の中に嵌め込ま
れてピストンに装着される。

【０００３】ピストンリングには、シリンダの気密性を
保持してクランクケース内へのガス漏れを防止し、ピス
トンが受けた熱をシリンダライナへ伝達するための圧縮
リングと、シリンダライナを潤滑するオイル（潤滑油）
のうちの余剰オイルを掻き落とすためのオイルリングの
２種類がある。内燃機関のオイルの消費量は、ピストン
リングの形状や張力に依存しており、ピストンリングが
外に広がろうとする力、即ち、張力を高くすると機関の
オイル消費量が低減され、ピストンリングの張力を低く
すると機関のオイル消費量が増大する傾向にある。

【０００４】ところで、近年、内燃機関の燃費改善の１
つの手段として、ピストンリングの張力を低下させよう
とする要望がある。ところが、前述のように、ピストン
リングの張力を低下させると、クランクケース内へのガ
ス洩れの増大、及びシリンダ壁面のオイルの掻き落とし
効果が低減し、このため、オイルの消費量が増大すると
共に、ＨＣの排出量が多くなってエミッションが悪化す
るという問題点がある。

【０００５】オイル消費量が増大する問題点を図１を用
いて説明する。図１(a) は機関が低回転から中回転領域
にある時のピストンリング１の機能を説明するものであ
る。この図から分かるように、図示しないピストンの上
昇に伴ってピストンリング１がシリンダボア５内を上昇
すると、ピストンリング１によってオイル６が掻き上げ
られ、ピストンリング１がシリンダボア５内を下降する
と、ピストンリング１によってオイルが掻き下げられ
る。このように、機関が低回転から中回転領域にある時
はピストンリング１によってオイル６が十分に掻き下げ
られる。

【０００６】一方、図１(b) は機関の高回転時や、シリ
ンダボア５が変形している時のピストンリング１の機能
を説明するものである。この図から分かるように、図示
しないピストンの上昇に伴ってピストンリング１がシリ
ンダボア５内を上昇すると、ピストンリング１によって
オイル６が掻き上げられるが、ピストンリング１がシリ
ンダボア５内を急速に下降すると、ピストンリング１が
シリンダボア５から離れてしまい、ピストンリング１に
よるオイル６の掻き下げが不十分になる。このように、
機関が高回転領域にある時や、シリンダボア５が変形し
ている時は、ピストンリング１によるオイル６の掻き下
げ不良が発生するのである。

【０００７】このような問題点に対して、本出願人は、
ピストンの上昇中に比べて下降中のピストンリングの張
力を大きくすることができる機構を備えたピストンを提
案した。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本出願
人の提案した上昇中よりも下降中のピストンリングの張
力を大きくすることができる機構を備えたピストンは、
ピストンの内部にピストンリングの張力可変機構を組み
込む必要があるので、ピストンのコストが上昇するとい
う課題があった。

【０００９】そこで、本発明は、ピストンのコストを上
昇させる原因となるピストンリングの張力可変機構をピ
ストンの内部に組み込むことなく、ピストンの下降中に
ピストンリングの姿勢を向上させることによりピストン
リングのシリンダボアへの密着性を向上させ、オイルの
消費量の低減、及び、燃費の向上を図ることができる内
燃機関のピストンを提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の内燃機関のピストンは、ピストンの周囲に少なくと
も１本のピストンリングが、ピストンに設けられたリン
グ溝に装着される内燃機関のピストンにおいて、少なく
とも１つのリング溝の溝底側の天井面に、リング溝の床
面側に向かって傾斜する傾斜面を設けたことを特徴とし
ている。

【００１１】この傾斜面の傾斜開始部位は、ピストンリ
ングが正常なシリンダボアに当接する位置から所定距離
だけ更にリング溝から突出した時の、このピストンリン
グの背面よりもリング溝の開口部側に位置させるように
すれば良い。この所定距離は、オイル消費量が急増する
シリンダボアの変形量に等しいものである。一般に、ピ
ストンの下降時はピストンリングは外力によってリング
溝内に没入する方向に変形し易く、ピストンリングとシ
リンダボアとの密着性が悪くなるが、本発明のピストン
によれば、ピストンの下降時にピストンリングに外力が
加わってもリング溝内に没入することが防止され、シリ
ンダボアとの密着性が向上するので、オイル掻き下げ性
能が悪化しない。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下添付図面を用いて本発明の実
施例を詳細に説明する。図２は本発明の内燃機関のピス
トン２の構成の一例を示す組立斜視図である。ピストン
２の頭部の周囲には複数本のリング溝２０が設けられて
おり、このリング溝２０にそれぞれピストンリング１が
装着される。また、ピストン２のスカート部２１には下
側からコンロッド４が挿入され、ピストンピン３によっ
てピストン２に揺動自在に接続される。

【００１３】ピストンリング１には、気密を保持し、圧
縮漏れ、燃焼ガス漏れを防止するコンプレッションリン
グと、オイル掻きの作用をするオイルリングとがある。
一般に、コンプレッションリングは上から２本（トップ
リングとセカンドリング）であり、その下にオイルリン
グが取り付けられる。ピストンリング１は、ピストン２
のリング溝２０に嵌め込むために、全周連続したリング
ではなく、途中に合口１０が設けられている。

【００１４】以上のように構成されたピストン２におい
て、本発明の実施例では、図２(b)に示すように、ピス
トンリング１のうちの少なくとも１本のピストンリング
１、例えば、オイルリングが収容されるリング溝２０の
溝底２４側の天井面２３に、リング溝２０の床面２２側
に向かって傾斜する傾斜面２５が設けられている。この
傾斜面２５の傾斜開始点Ａは、ピストンリング１が正常
なシリンダボア５に当接する位置から所定距離、例えば
５０μｍ、だけ更にリング溝２０から突出した時の、こ
のピストンリング１の背面１３よりもリング溝２０の開
口部２７側に位置させれば良い（この理由は後述す
る）。また、この傾斜面２５の表面粗さを粗くして、ピ
ストンリング１の上面１１と背面１３との境界の角部１
４がこの傾斜面２５に当接した時に、角部１４と傾斜面
２５との間の摺動抵抗が大きくなるようにしても良い。
この表面粗さを粗くする方法としては、切削バイトの送
り速度を速くする、表面を腐食させる、表面処理を施す
（アルマイト処理等）等の方法がある。

【００１５】図２(b) はこのような本発明の実施例のピ
ストンリング１を装着したピストン２が、変形のないシ
リンダボア５内を上昇する時の、ピストンリング１の部
分拡大断面図である。ピストン２の上昇時には、ピスト
ンリング１がリング溝２０の床面２２に押しつけられ、
ピストンリング１の背面（内周面）１３にはシリンダ内
の圧力（背面圧力）Ｐが加わる。ピストンリング１の下
面１２の表面粗さとリング溝２０の床面２２の表面粗さ
は通常通りであるので、ピストン２の上昇時にはピスト
ンリング１はその張力と背面圧力Ｐによってシリンダボ
ア５に密着する。

【００１６】一方、図２(c) に示すように、ピストン２
の下降時には、シリンダ内の圧力が低下した時点で、ピ
ストンリング１がリング溝２０の天井面２３に押しつけ
られようとする。ところが、この実施例では、リング溝
２０の天井面２３の溝底２４側に、リング溝２０の床面
２２側に向かって傾斜する傾斜面２５が設けられている
ので、ピストンリング１はその上面１１と背面１３との
境界の角部１４がこの傾斜面２５に当接し、ピストンリ
ング１のリング溝２０の開口部２７側の上面１１がリン
グ溝２０の開口端２８に当接し、ピストンリング１は傾
斜した状態となる。

【００１７】この状態ではピストンリング１の背面１３
には背面圧力Ｐは加わらない。また、この時にピストン
２の下降速度が大きいと、ピストンリング１にはフラッ
タや共振のようなピストンリング１をリング溝２０内に
引き込ませるような外力Ｅが加わり、ピストンリング１
はリング溝２０内に没入しようとする。ところが、この
実施例では、ピストンリング１の天井面２３に傾斜面２
５が設けられており、ピストンリング１の角部１４がこ
の傾斜面２５に当接した状態になっている。更に、傾斜
面２５の表面粗さはリング溝２０の天井面２３の他の部
位よりも粗くなっているので、ピストンリング１の角部
１４とリング溝２０の傾斜面２５との間の摺動抵抗が大
きく、この摺動抵抗によりピストンリング１のリング溝
２０内への没入が阻止される。

【００１８】この結果、この実施例のピストン２では、
ピストンリング１が十分に突出した状態でピストン２が
下降するので、ピストンリング１によるオイルの掻き下
げ効果が劣化しない。一方、ピストン２の下降時に、シ
リンダ内に残るガスの圧力Ｐと、ピストン２の下降によ
るピストンリング１がリング溝２０の天井面２３に押し
つけられようとする力がバランスする場合がある。この
場合は、図３に示すように、ピストンリング１はその上
面１１と背面１３との境界の角部１４が傾斜面２５に当
接した状態で、ピストンリング１の姿勢がリング溝２０
の床面２２に略平行になる。

【００１９】この状態では、ピストンリング１をリング
溝２０内に引き込ませるような外力が加わっても、ピス
トンリング１の角部１４が傾斜面２５に当接した状態に
なっているので、前述のようにピストンリング１のリン
グ溝２０内への没入が阻止される。よって、ピストン２
の下降時のピストンリング１の姿勢が良く、オイルの掻
き下げ効果が大きい。

【００２０】図４(a) は前述のような本発明の実施例の
ピストンリング１を装着したピストン２が、変形部９の
あるシリンダボア５内を下降する時の、ピストンリング
１の部分拡大断面図である。ここでは、シリンダボア５
の変形部９の程度、即ち、シリンダボア５の真円部から
の変形部９の深さＸは５０μｍ程度とする。なお、ピス
トン２の上昇時には、シリンダボア５に変形部があって
も、図２(b) で説明した変形部のないシリンダボア５内
をピストン２が上昇する時とその動作は同様であり、ピ
ストンリング１はその張力と背面圧力Ｐによってシリン
ダボア５に密着するので、ここではその説明を省略す
る。

【００２１】変形部９があるシリンダボア５をピストン
２が下降する時には、ピストンリング１はその張力でシ
リンダボア５の変形部９に追従する。そして、シリンダ
内の圧力が低下した時点で、ピストンリング１がリング
溝２０の天井面２３に押しつけられようとする。ところ
が、この実施例では、リング溝２０の天井面２３の溝底
２４側に、リング溝２０の床面２２側に向かって傾斜す
る傾斜面２５が設けられているので、ピストンリング１
はその上面１１と背面１３との境界の角部１４がこの傾
斜面２５に当接し、ピストンリング１のリング溝２０の
開口部２７側の上面１１がリング溝２０の開口端２８に
当接し、ピストンリング１は傾斜した状態となる。

【００２２】この状態ではピストンリング１の背面には
背面圧力Ｐは加わらない。また、この時にピストン２の
下降速度が大きいと、ピストンリング１にはフラッタや
共振のようなピストンリング１をリング溝２０内に引き
込ませるような外力Ｅが加わる。更に、ピストンリング
１が変形部９から真円部に移行する図示の部位では、シ
リンダボア５からの押圧力Ｆがピストンリング１に加わ
り、ピストンリング１に外力Ｅと同じ方向の慣性力が加
わる。この結果、ピストン２が高速で変形部９の部位を
下降する際には、ピストンリング１にはリング溝２０内
に没入させようとする力が加わる。

【００２３】このような場合、図４(b) に示す従来のピ
ストンリング１では、リング溝２０の天井部２３が平坦
であるのでピストンリング１がリング溝２０内に没入し
てしまい、ピストンリング１がシリンダボア５から離れ
てオイルの掻き下げ性能が劣化してしまうという問題が
あった。ところが、この実施例では、ピストンリング１
の天井面２３に傾斜面２５が設けられており、ピストン
リング１の角部１４がこの傾斜面２５に当接した状態に
なっている。更に、傾斜面２５の表面粗さはリング溝２
０の天井面２３の他の部位よりも粗くなっているので、
ピストンリング１の角部１４とリング溝２０の傾斜面２
５との間の摺動抵抗が大きく、この摺動抵抗によりピス
トンリング１のリング溝２０内への没入が阻止される。

【００２４】この結果、この実施例のピストン２では、
シリンダボア５に変形部９がある場合でもピストンリン
グ１が十分に突出した状態でピストン２が下降するの
で、ピストンリング１によるオイルの掻き下げ効果が劣
化しない。一方、ピストン２の下降時に、シリンダ内に
残るガスの圧力Ｐと、ピストン２の下降によるピストン
リング１がリング溝２０の天井面２３に押しつけられよ
うとする力がバランスする場合がある。この場合は、図
５に示すように、ピストンリング１はその上面１１と背
面１３との境界の角部１４が傾斜面２５に当接した状態
で、ピストンリング１の姿勢がリング溝２０の床面２２
に略平行になる。

【００２５】この状態では、ピストンリング１をリング
溝２０内に引き込ませるような外力が加わっても、ピス
トンリング１の角部１４が傾斜面２５に当接した状態に
なっているので、前述のようにピストンリング１のリン
グ溝２０内への没入が阻止され、ピストンリング１はシ
リンダボア５の変形部９に密着した状態のままである。
よって、ピストン２の下降時のピストンリング１の姿勢
が良く、オイルの掻き下げ効果が大きい。

【００２６】ここで、リング溝２０の天井面２３に設け
る傾斜面２５の傾斜開始点Ａの位置の設定法について説
明する。図６は、ある機関におけるシリンダボア５の変
形の程度と、オイル消費量の関係を示すものである。こ
の図から、シリンダボア５の変形が３０〜５０μｍの範
囲では、オイルの消費量がＢからＣの範囲となってそれ
ほど大きくない。ところが、シリンダボア５の変形が５
０μｍを越えると、オイルの消費量が急増する。

【００２７】このことから、リング溝２０の天井面２３
に設ける傾斜面２５の傾斜開始点Ａの位置は、変形のな
い正常なシリンダボア５と接触するピストンリング１の
外周部が、更に５０μｍだけリング溝２０内からから突
出した時でも、このピストンリング１の背面１３の角部
１４が傾斜面２５の上に位置するようにした方が良い。
よって、リング溝２０の天井面２３に設ける傾斜面２５
の傾斜開始点Ａの位置は、変形のない正常なシリンダボ
ア５と接触するピストンリング１の外周部が、更に５０
μｍだけリング溝２０内からから突出した時の、ピスト
ンリング１の背面１３の角部１４が位置する部位と同じ
か、或いは、この位置よりもリング溝２０の開口部２７
側の位置である。

【００２８】なお、この例の機関はオイル消費が急増す
るシリンダボアの変形点Ｄが５０μｍであったが、シリ
ンダボアの変形量は機関によって異なる。そこで、傾斜
開始点Ａの位置は、各機関におけるオイル消費量の急増
点を基準にして設定すれば良い。また、傾斜面２５のリ
ング溝２０の天井面２３に対する傾斜角は、内燃機関の
回転速度の常用域等の機関性能に応じて設定すれば良
い。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成でピストンの下降時にピストンリングに外力
が加わってもリング溝内に没入することが防止され、シ
リンダボアとの密着性が向上するので、オイル掻き下げ
性能が悪化しない。この結果、本発明の内燃機関のピス
トンによれば、簡単な構成でオイルの消費を増加させる
ことなく燃費の向上を図ることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は機関が低回転から中回転の領域にある時
のピストンリングのオイルの掻き上げ、掻き下げ機能を
説明する図、(b) は機関が高回転領域、或いはシリンダ
ボアが変形している時にピストンリングによるオイルの
掻き下げ不良が発生する様子を説明する図である。

【図２】(a) は本発明の内燃機関のピストンの構成を示
す組立斜視図、(b) は本発明の一実施例のピストンリン
グを装着したピストンが変形のないシリンダボアを上昇
する時の部分拡大断面図、(c) は(b) のピストンリング
の下降時の部分拡大断面図である。

【図３】ピストン下降初期の図２(c) のピストンリング
の状態を示す部分拡大断面図である。

【図４】(a) は本発明の一実施例のピストンリングを装
着したピストンが変形のあるシリンダボアを上昇する時
の部分拡大断面図、(b) は従来のピストンが変形のある
シリンダボアを上昇する時の部分拡大断面図である。

【図５】ピストン下降初期の図４(a) のピストンリング
の状態を示す部分拡大断面図である。

【図６】シリンダボアの変形量とオイル消費量の関係を
示す線図である。

【符号の説明】

１…ピストンリング ２…ピストン ５…シリンダボア ６…オイル ７，８…溝 ９…シリンダボアの変形部 １０…合口 １１…ピストンリングの上面 １３…ピストンリングの背面 ２０…リング溝 ２２…リング溝の床面 ２３…リング溝の天井面 ２４…リング溝の溝底 ２５…リング溝の傾斜面 ２６…傾斜開始点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 公孝 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 小浜 時男 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 Ｆターム(参考） 3J044 AA12 AA14 BB39 BC03 CA08 DA09 DA16 DA17

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンの周囲に少なくとも１本のピス
   トンリングが、ピストンに設けられたリング溝に装着さ
   れる内燃機関のピストンにおいて、 少なくとも１つのリング溝の溝底側の天井面に、前記リ
   ング溝の床面側に向かって傾斜する傾斜面を設けたこと
   を特徴とする内燃機関のピストン。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のピストンにおいて、 前記傾斜面の傾斜開始部位を、前記ピストンリングが正
   常なシリンダボアに当接する位置から所定距離だけ更に
   リング溝から突出した時の、このピストンリングの背面
   よりもリング溝の開口部側に位置させたことを特徴とす
   る内燃機関のピストン。