JP2006144700A - 内燃機関用エンジンのピストン及び内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せ - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合の潤滑油消費量を十分抑制することができる内燃機関用エンジンのピストン及び内燃機関用エンジンのピストンと、圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングの組合せを提供する。
【解決手段】 オイルリングが装着されるオイルリング溝にはピストン内部空間と連通する貫通孔が設けられているとともに、セカンドリング溝に係る孔を、セカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からリング溝下面に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて直線的に連通する貫通孔として設けた内燃機関用エンジンのピストン、及びそれと所定の範囲内の合口隙間を設けた圧力リングを組合せた内燃機関用エンジンのピストンと３本リング構成のピストンリングの組合せ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる際の潤滑油消費量を改善可能な内燃機関用エンジンのピストン及び内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せに関する。

近年、内燃機関用エンジンの燃費を改善する手段として、ピストンリングとシリンダ間の摩擦抵抗の低減が強く求められている。自動車用エンジンには、図９（ａ）の要部の概略部分縦断面図に示すような３本リング構成のピストンが普通用いられる。
このような３本リング構成のピストンにはピストン頭部１の外周部に上から順にファーストリング溝２、セカンドリング溝３、オイルリング溝４が設けてあり、各リング溝にピストンリングを装着し、シリンダ１１内に組み込んでピストンを使用する。このような３本リング構成のピストンにおいては、自動車用エンジンの燃費を改善するという目的を達成するため、ピストンリングにはフリクション低減のために低張力化とピストンリングのリング幅ｈ１（図１２）の薄幅化が図られている。

なお、３本リング構成のピストンの頭部１には、 図９（ａ）、（ｂ）に示すように、
セカンドリング溝３の上方にセカンドランド５が形成され、かつセカンドリング溝３の下方にサードランド６が形成され、またオイルリング１４が掻いた潤滑油をオイルパンに戻すためのオイルドレン孔８が穿孔されている。図９（ａ）中、７はスカート部を、１０Ａはピストン上下方向を示す。このような３本リング構成のピストンは、シリンダ１１内を移動方向１０Ｈに沿って往復動する際、シリンダ壁面に付着した余分な潤滑油をオイルリング１４により掻き落とし、オイルリング１４に係るオイルドレン孔８から余分な潤滑油をオイルパンに戻すようにしている。

ところがオイルリング１４に係るオイルドレン孔８を設けただけのピストンでは、エンジンを高回転数で回転した状態からエンジンブレーキの制動力を強く利かせて減速し、その後加速する加減速走行パターンでエンジンの運転を行なった場合、ピストンリングの改善だけでは潤滑油消費量を要求水準にまで低減することが困難となっていた。なお、ファーストリングは主としてガスシール性を確保する圧力リングとしての役目をもっており、セカンドリングはファーストリングのガスシール性を補いながら、オイルコントロールを行う役目をもっている。

そこで、エンジンのピストンの改善により、潤滑油消費量やブローバイガス量を抑制することが提案されている（特許文献１〜７）。
特許文献１には、圧力リングが装着されるリング溝の溝底に、ピストン内部と連通する孔を設けたピストンが提案され、また特許文献２には、セカンドリングの溝底にピストン内部と連通する孔を設け、残存する未燃ガスをクランク室へ逃がすブローバイガス通路としたピストンが記載されている。特許文献３には、２サイクルエンジンにおいて、セカンドリングの溝底にピストン内部と連通する孔を設け、ピストンリングに対する潤滑を良好に行ないながら、過給気の掃気ポートからクランクケースへの吹き抜けを防止すると共にクランクケース内のオイルの掃気ポートへの流出を防止するピストンが提案されている。

特許文献４には、鉛直線に対して傾斜状態で設置されるスラントエンジン用ピストンにおいて、エンジンの運転時に、潤滑のためのオイルが重力によりシリンダ及びピストンの下部に貯留して環状空間内に入り込み、燃焼室側へ押し出させることを阻止したピストンが提案されている。
特許文献５、６には、オイルリング溝の直上のランド部に孔を設けて、潤滑油をピストン内部空間へ逃がすオイル逃し孔とし、セカンドリング溝にはオイル逃し孔がないピストンが提案されている。

また、特許文献７には、セカンドリングの溝底にピストン内部と連通する孔を設け、更にこの孔と連通するようにセカンドリング溝下側面に半径方向全幅に延びるオフセット溝を設けることで、セカンドランド圧を下げ、且つ、オイル消費を低減することが記載されている。
実開昭５０−４３１０４号公報 特開昭５５−１６１９４０号公報 実開平５−７９５１号公報 特開平５−７１４２０号公報 特開平７−２７９７５２号公報 実開昭５６−１２２７４８号公報 実開平６−１４４５５号公報

しかしながら、特許文献１〜５には、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合の潤滑油消費量を十分抑制できるピストンに関して言及されていない。
特許文献６、７には、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合に、潤滑油消費量を低減させることのできるピストンについて記載しており、特許文献６には、オイルリング溝の直上のランド部にピストン本体内に貫通する通気孔を設けることを特徴としている。このピストンでは、リングランド部のみに通気孔を形成しているのでオイルリングで掻き取れなかった潤滑油がランド部を通過する際に通気孔から排出することが可能であるが、ランドに上がってきた潤滑油を排出する能力しかない。

特許文献７には、ピストンのセカンドリング溝底面とクランク室側を向いた面との間に、貫通孔を設けることを特徴としている。特許文献７の図５には、この貫通孔に連通するようにセカンドリングの溝下側面に半径方向全幅に伸びるオフセット溝を設ける図の開示がある。しかしながら、この図に示すような貫通孔及びオフセット溝を設けるには、貫通孔とオフセット溝を別々に加工を施さなくてはならない為、加工工数がかかり、コスト的にも高くなってしまう。

現在では、ピストンリングとボアのフリクションの低減が求められ、圧力リングとオイルリングの合計張力をピストンリングの径で割った合計張力比は０．２〜０．６Ｎ／ｍｍの範囲と、著しく小さい値とする必要があり、ピストンリングのフリクション低減の為の低張力化及びリング幅ｈ１の薄幅化、摺動面形状の対策が求められ、一層強く要求されている。さらにエンジン内では、よりクリーンで安全な燃焼が求められる為、可変バルブタイミング等の最適かつ効率的な制御が行なわれている。以上のような、通常のエンジンブレーキの減速による負圧、更にバルブ機構が複雑化することから、現在、ピストンの使用状態は、負圧環境も厳しい。

ここで図９（ｂ）を用い、３本リング構成のピストンの問題点を説明する。
この図は、エンジンブレーキを利用した減速時における吸気行程前半での状態を模式的に示す。４サイクルガソリンエンジンでエンジンブレーキを利用して減速した場合には、吸入空気量が極めて少ないため、吸気行程〜圧縮行程の途中、及び膨張行程の後半において、燃焼室内の圧力が大気圧より低い、吸気管内の絶対圧力で８ｋＰａ〜１７．３ｋＰａの負圧（図８参照）状態となる。この吸気管内の絶対圧力では、０に近づくほど真空となる。なお、図９（ｂ）中、ピストンは下方へ向かって加速しており、セカンドリング１３及びオイルリング１４は、慣性力と燃焼室内の負圧による力の両方により対応するリング溝の上面に着座している。

このような状態においては、燃焼室内の負圧の程度により、ファーストリング回りの潤滑油はファーストランドを経て燃焼室内へ吸い上げられ、燃焼室内の負圧がセカンドランド５と対向する空間にまで作用すると、セカンドリング１３回り、セカンドリング溝３内及びサードランド６の位置に存在する潤滑油がセカンドランド５の位置にまで吸い上げられるため、潤滑油消費量が増える。そのうえさらに燃焼室内の負圧がサードランド６と対向する空間にまで作用するようになると、オイルリング１４回りの潤滑油がサードランド６の位置にまで吸い上げられる。このようなオイル上がり現象は燃焼室内が負圧になる程、顕著となり、潤滑油消費量が増加する。

したがって、従来の３本リング構成のピストンでは、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合の潤滑油消費量を十分抑制することが困難であった。
そこで本発明は、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合の潤滑油消費量を十分抑制することができる内燃機関用エンジンのピストン及び内燃機関用エンジンのピストンと、圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングの組合せを提供することを目的とする。

本発明者らは、３本リング構成のピストンの構造に関して鋭意検討を重ねた結果、オイルリングが掻いた潤滑油をピストン内部空間に逃がすオイルドレン孔の他に、セカンドリングが掻いた潤滑油をピストン内部空間に逃がすオイルドレン孔を特定位置に設けることが顕著な効果があるとの知見に基づき、本発明を成した。
本発明は、以下のとおりである。

１．圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングが組み込まれる内燃機関用エンジンのピストンであって、オイルリングが装着されるオイルリング溝にはピストン内部空間と連通するオイルドレン孔が貫通して設けられているピストンにおいて、
セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からセカンドリング溝下面に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて直線的に連通する貫通孔として設けたことを特徴とする内燃機関用エンジンのピストン。

２．前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からセカンドリング溝下面に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて下向きに直線的に傾斜させて設けたことを特徴とする１．に記載の内燃機関用エンジンのピストン。
３．前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からサードランドの上部に跨るようにピストン上下方向に対して垂直に設けたことを特徴とする１．に記載の内燃機関用エンジンのピストン。

４．前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、ピストン外面側の開口がスラスト方向に加えて反スラスト方向にも位置するように設けたことを特徴とする１.〜３．のいずれかに記載の内燃機関用エンジンのピストン。
５.前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、ピストン外面側の開口がピン軸心に対して対称に位置するように設けたことを特徴とする４．に記載の内燃機関用エンジンのピストン。

６．圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングが組み込まれる内燃機関用エンジンのピストンであって、オイルリングが装着されるオイルリング溝にはピストン内部空間と連通するオイルドレン孔が貫通して設けられているピストンにおいて、
セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝下面からサードランドの上部に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて下向きに直線的に傾斜させ、且つ、ピストン内部空間と連通する貫通孔として設けたことを特徴とする内燃機関用エンジンのピストン。

７．前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、ピストン外面側の開口がスラスト方向に加えて反スラスト方向にも位置するように設けたことを特徴とする６．記載の内燃機関用エンジンのピストン。
８．前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、ピストン外面側の開口がピン軸心に対して対称に位置するように設けたことを特徴とすることを特徴とする７．記載の内燃機関用エンジンのピストン。

９．圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングが組み込まれる内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せにおいて、
前記ピストンは、オイルリングが装着されるオイルリング溝にピストン内部空間と連通するオイルドレン孔が貫通して設けられ、且つ、セカンドリング溝に係るオイルドレン孔をセカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からリング溝下面に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて直線的に連通する貫通孔として設けたピストンであり、
前記ピストンリングは、圧力リングであるファーストリングの合口隙間Ｓ１と、リング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が、０．００２〜０．００４であり、セカンドリングの合口隙間Ｓ１と、リング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が、０．００３０〜０．００９６であることを特徴とする内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せ。

１０.圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングが組み込まれる内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せにおいて、
前記ピストンは、オイルリングが装着されるオイルリング溝に、ピストン内部空間と連通するオイルドレン孔が貫通して設けられ、且つ、セカンドリング溝に係るオイルドレン孔をセカンドリング溝下面からサードランドの上部に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて下向きに直線的に傾斜させ、且つ、ピストン内部空間と連通する貫通孔として設けたピストンであり、
前記ピストンリングは、圧力リングであるファーストリングの合口隙間Ｓ１と、リング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が、０．００２〜０．００４であり、セカンドリングの合口隙間Ｓ１と、リング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が、０．００３０〜０．００９６であることを特徴とする内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せ。

本発明によれば、ピストンリングをリング溝に装着し、ピストンをシリンダ内に組み込んで、エンジンを運転した時に、オイルリング溝に係るオイルドレン孔からオイルリングが掻いた潤滑油をピストン内部空間に逃がすことができると共に、セカンドリングが掻いた潤滑油をセカンドリング溝に係る孔からピストン内部空間に迅速に逃がすことができる。

このため、本発明の３本リング構成のピストンによれば、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合の潤滑油消費量を十分抑制できる。

以下、本発明に係る３本リング構成のピストンを４サイクルガソリンエンジンに適用した場合について、図を用いて説明する。
図１は、第１実施の形態に係る３本リング構成のピストンの構造を示す概略部分縦断面図であり、図２は、第１実施の形態に係る３本リング構成のピストンをシリンダ１１に組み込んだ状態を示す概略部分縦断面図である。

第１実施の形態に係る３本リング構成のピストンは、図１の概略部分縦断面図に示すように、ピストン頭部１の外周部に上から順にファーストリング溝２、セカンドリング溝３、オイルリング溝４を設けた構造である。この３本リング構成のピストンのピストン頭部１には、ファーストリング溝２の下部にセカンドランド５が形成され、またセカンドリング溝３の下部にサードランド６が形成される。図１中、７はスカート部、１０Ａはピストン上下方向を示す。また２０はセカンドリング溝上面、２１はセカンドリング溝底、２２はセカンドリング溝下面、Ｘはピストン外面側、Ｙはピストン内面側、Ｚはピストン内部空間を示す。図１中のピストン内部空間Ｚとは、ピストン中の図示せぬコネクティングロッドが位置する空間を示している。

なお図１に示すピストンでは、ピストン内を冷却する為のオイルジェット手段を設けていない場合を示している。例えばオイルジェット手段を設けている場合には、オイルジェットを吹き付ける位置により潤滑油がピストン内部空間Ｚよりオイルドレン孔８、９に侵入し、ピストン外面側Ｘへ逆流する恐れがあるので、オイルジェットの吹き付け位置は、オイルドレン孔８、９にオイルがかからないようにする必要がある。

この第１実施の形態に係る３本リング構成のピストンは、図２に示すように、ピストンリング溝２、３、４に、それぞれ対応するファーストリング１２、セカンドリング１３、オイルリング１４を装着し、シリンダ１１内に組み込んで用いる。
ここで第１実施の形態に係る３本リング構成のピストンは、図１に示したように、オイルリング溝４に係るオイルドレン孔８の他にセカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９を、セカンドリング溝底２１のピストン上下方向下部側からサードランド６の上部に跨るように、ピストン上下方向に対して垂直にピストン内部空間に連通する貫通孔として設けたことが特徴である。

またオイルリング溝４に係るオイルドレン孔８は、図２に示すように、従来の３本リング構成のピストンと同様、ピストン内部空間に連通する孔であり、ピストンが移動方向１０Ｂに沿って往復動する際、オイルリング１４が掻いた余分な潤滑油をオイルパンに戻す機能をもつ。
第１実施の形態に係る３本リング構成（図２）のピストンの作用を図３、図４による模式図により詳細に説明する。

前記したセカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９は、セカンドリング溝底２１のピストン上下方向下部側からサードランド６の上部に跨るようにピストン上下方向に対して垂直に設けたオイルドレン孔であるため、以下のような作用効果を発揮することができる。
ここで図３、４には、エンジンの回転数を上げる加速時またはエンジンの回転数を同じとした一定速時において、セカンドリング１３の位置にまで上がった潤滑油がセカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９から排出されている状態を模式的に示した。なお、説明をわかりやすくするため、セカンドリング１３とオイルリング１４が装着されている箇所のみを示した。

図３（ａ）は、吸気行程の前半、図３（ｂ）は、吸気行程の後半を示す。
吸気行程の前半を示す（ａ）では、ピストンが移動方向１０Ｃに向かって加速しているので、慣性力によりセカンドリング１３、オイルリング１４が共に対応するリング溝の上面に着座している。スカート部７からオイルリング１４に供給された潤滑油は、オイルリング１４により掻かれオイルリング溝４のオイルドレン孔８から大半が排出されるが、若干はオイルリング１４を通過してサードランド６へ上がる。図３（ａ）では慣性力が上向きなので、サードランド６の潤滑油はセカンドリング溝３内へ侵入するが、余剰の潤滑油はオイルドレン孔９によってピストン内部空間へ迅速に排出される。吸気行程の後半を示す図３（ｂ）では、ピストンが移動方向１０Ｄに向かって移動しているが、慣性力が下向きなので、セカンドリング溝３内の潤滑油は、下方への流れにより、オイルドレン孔９から迅速に排出される。

図３（ｃ）は、圧縮工程でのピストンの作用を説明する模式図を示す。ピストンが移動方向１０Ｅに向かって加速し、セカンドリング１３、オイルリング１４は共に対応するリング溝の下面側に着座している。ここでは、筒内圧力の上昇によりファーストリング１２の合口から漏れたガスがセカンドランド５に侵入してくるが、セカンドリング溝３内では
オイルドレン孔９から大半のガスが排出されるので、そのガスの流れに伴い、オイルドレン孔９付近のセカンドリング溝３内の潤滑油及びオイルドレン孔９内の潤滑油は、ピストン内部空間へ排出される。

次いで、エンジンを高回転数で回転した状態からエンジンブレーキの制動力を強く利かせて減速する際における第１実施の形態に係るピストンの作用を図４により説明する。
図４（ａ）は、吸気行程の前半、図４（ｂ）は、吸気行程の後半を示す。エンジンを高回転数で回転した一定速の走行状態からエンジンブレーキの制動力を強く利かせて減速した場合には、吸気行程〜圧縮行程の途中、及び膨張行程の後半において燃焼室内に大気圧より低い負圧が発生する。

このため、図４の吸気行程の前半（ａ）、後半（ｂ）ともに、筒内の負圧によりセカンドランド５もいくらかの負圧が作用してくるので、セカンドリング１３はその負圧によって上面側に吸い付けられるように着座する。オイルドレン孔９によりサードランド６は、ピストン内部圧力と同様な圧力（大気圧に近い圧力）となるので、オイルリング１４周りからの潤滑油の吸い上げは少なくなり、ゆえにサードランド６へ上がる潤滑油量も低減する。

また、セカンドリング溝３内の潤滑油は、図４（ａ）では、上向きの慣性力によりオイルリング１４を通過してサードランド６へ侵入したの潤滑油がセカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９から迅速に排出される。また図４（ｂ）では、下向きの慣性力によりセカンドリング溝３内の潤滑油が下方に流れようとし、オイルドレン孔９から迅速に排出される。

このようなセカンドリング１３の逆止弁作用向上及びオイルリング１４からの負圧流れによる吸い上げ潤滑油量低減により、筒内に大きな負圧が作用するような運転条件において潤滑油消費量を十分抑制できる。
一方、図９（ｂ）に示すピストン内部空間と連通した、セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９がない従来の３本リング構成のピストンの場合には、燃焼室内の圧力が大気圧より低くなる条件下でサードランド６の位置にまで上がった潤滑油、およびセカンドリング１３が掻いた潤滑油が主にセカンドリング１３の合口隙間から吸い上げられる。このため、従来の３本リング構成のピストンの場合には、エンジンに組み込んで運転した場合、燃焼室内の圧力が大気圧より低くなる程、潤滑油消費量が顕著に悪化する。

ところで、セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９は、図５（ａ）、（ｂ）に示すような位置に設けた孔１９、２９とすることもできる。
図５（ａ）に示したセカンドリング溝３に係る孔１９は、セカンドリング溝下面２２からサードランド６の上部に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて下向きに直線的に傾斜させ、且つピストン内部空間と連通する貫通孔として設けたものである。なお、セカンドリング溝下面２２とは、図２に示したように、セカンドリング１３を装着した場合、セカンドリング１３の下面と対向する側の面２２である。

このセカンドリング溝３に係る孔１９を設けた第２実施の形態に係る３本リング構成のピストンも、セカンドリング溝の下面に開口を有し、ピストン内部空間へ向けて下向きに直線的に連通する貫通孔を有しているから、上述した第１実施の形態に係る３本リング構成のピストンと同様な作用効果を発揮することができる。
また第３実施の形態に係る３本リング構成のピストンは、図５（ｂ）に示したように、セカンドリング溝３に係る孔２９を、セカンドリング溝底２１のピストン上下方向下部側からセカンドリング溝下面２２に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて下向きに傾斜させたものである。なお、セカンドリング溝底２１とは、図２に示したように、セカンドリング１３を装着した場合、セカンドリング１３の背面と対向する部分である。

以上説明した本発明に係る３本リング構成のピストンは、セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝下面に開口し、ピストン内部空間に直線的に連通する貫通孔として設けたものである。この貫通孔は、直線的に設けられている為、ピストンの加工の際、加工がしやすく、また、オイルを迅速に逃がすことができる。
したがって、本発明に係る３本リング構成のピストンによれば、後述する実施例で確認したように、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる条件下でセカンドリング１３で掻いた潤滑油がセカンドリング溝３に係るオイルドレン孔から迅速に排出されるという作用効果により、従来のピストンに比べて潤滑油消費量を十分抑制できる。

その場合、セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔の直径は、セカンドリング１３で掻いた潤滑油をスムーズに排出するため、０．１ｍｍ以上とし、そのような大きさをもつ、セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９は、ピストン周方向に２箇所以上設けることが好ましい。
また本発明に係る３本リング構成のピストンは、セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９を、ピストン外面側の開口がスラスト方向に加えて反スラスト方向にも位置するように設けるのが好ましい。

また本発明に係る３本リング構成のピストンは、セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９を、ピン軸心１６に対して対称に位置するように設けるのが好ましい。図６には、後述する本発明例１、２のピストンに設けたセカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９のピストン周方向位置を示す。図６中、１５は、スラスト方向を示す。
セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９を、ピストン外面側の開口がピン軸心１６に対して対称に位置するように設けた３本リング構成のピストンによれば、セカンドリング１３が掻いた潤滑油をピン軸心１６に対して対称にかつピストン周方向に均一にセカンドリング溝３に係る孔から迅速に排出できるので好ましい。またセカンドリング溝３に係る孔をピストン外面側の開口がピン軸心１６に対して対称に位置するように設けた場合には、加工がし易いという利点もある。

また前記した本発明に係る３本リング構成のピストンは、ピストンリングとの組合せにおいて、圧力リングであるファーストリング１２の合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が０．００２〜０．００４、セカンドリング１３の合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が０．００３０〜０．００９６として使用することができる。図１３には、セカンドリング１３の合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１を示した。なおファーストリング１２においても、合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１は同様の部位を示す。

ファーストリング１２の合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が０．００２〜０．００４とする理由は、Ｓ１／ｄ１が０．００４を超えるとブローバイガス量が悪化する恐れがあり、またＳ１／ｄ１が０．００２未満となると合口部が干渉する恐れがあるためである。またセカンドリング１３の合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１を０．００３０〜０．００９６とする理由は、Ｓ１／ｄ１が０．００９６を超えると、減速時や高速軽負荷時の潤滑油消費量が悪化する恐れがあり、またＳ１／ｄ１が０．００３０未満となると、中速〜高速における高負荷時の潤滑油消費量が悪化する恐れがあるためである。

要するに本発明に係る３本リング構成のピストンは、ピストンリングの組合せを、ファーストリング１２及びセカンドリング１３の合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１を前記の範囲内として組合わせた場合には、ピストン内部空間と連通したセカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９がない従来の３本リング構成のピストンに比べて、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合であっても、ブローバイガス量を増やさず、合口部が干渉する恐れを少なくして、潤滑油消費量を十分抑制することができる。

また本発明に係る３本リング構成のピストンには、オイルリング１４として、オイルリング本体とエキスパンダからなる２ピースタイプ、あるいは２本のサイドレールとスぺーサエキスパンダからなる３ピースタイプのどちらを装着しても、潤滑油消費量を十分抑制する効果がある。ピストンリング溝内の軸方向シール性のある３ピースタイプに比べ、軸方向シール性のない２ピースタイプの方が、本発明のピストンに組み込んだ場合、より優れた潤滑油消費量の抑制効果を発揮することができる。

また本発明に係る３本リング構成のピストンは、装着する圧力リング２本、オイルリング１本の張力を合計した合計張力をボア径で除した合計張力比が０．２〜０．６Ｎ／ｍｍのリングの組合せに対し、より優れた潤滑油消費量の抑制効果を有する。

図１に示したような３本リング構成のピストンを用い、表１に示すようなリング仕様のａ１、ｈ１、Ｓ１をもつピストンリングを装着し、リング３本の張力を合計した合計張力をボア径で除した合計張力比を０．３８Ｎ／ｍｍとし、シリンダ１１に組み込んで加減速走行時における潤滑油消費量およびブローバイガス量を調べた。テストエンジンは、ボア径が８６ｍｍ、ストロークが８６ｍｍ、排気量が１９９８ｃｃの直列４気筒の水冷４サイクルガソリンエンジンとした。

本発明例１、２は、オイルリング溝４に係るオイルドレン孔８の他にセカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９を、ピストン外面側の開口がピン軸心１６に対して対称に位置するよう、α１＝α２＝４５度として、図６に示すように４つ設けた。セカンドリング溝３に係るオイルドレン孔９の直径は１．５ｍｍとし、セカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からサードランド上部に跨るようにピストン上下方向に対して垂直に、かつ直線的に設けた。

またオイルリング溝４に係るオイルドレン孔８は、ピストン外面側の開口がピン軸心１６に対して対称に位置し、かつθ１＝θ３＝１０度、θ２＝θ４＝３０度となるよう、図７に示すように、スラスト側に４つ、反スラスト側に４つ設けた。オイルリング溝４に係るオイルドレン孔８の直径は２．０ｍｍとした。
なお本発明例１は、合口隙間Ｓ１を本発明２に比べて狭くした。それ以外は本発明例２は本発明例１と同じとした。

テストエンジンの加減速走行パターンは、加速・一定速・減速が複合した運転条件であり、回転領域は毎分１０００〜４０００回転である。負圧値の設定は、エンジンブレーキの制動力を強く利かせることで、吸気管内の圧力を制御した。減速時間は一定とし、減速時間における吸気管内負圧の平均値を任意の負圧値に設定し、評価を行った。
図８は、その負圧値を横軸に、またその条件下での潤滑油消費量比を縦軸として示したグラフである。潤滑油消費量比は、吸気管内の絶対圧力が８．０ｋＰａとなるようにしてエンジンを運転して得た従来例の場合の潤滑油消費量を１と基準化して示した。

従来例は、図９（ａ）に示した３本リング構成のピストンに本発明例２と同じピストンリングを装着し、テストエンジンのシリンダに組み込んで同様にして試験した。比較例１は、図１０に示すような、ピストン頭部１内に止めたオイルドレン孔４９を設けた３本リング構成のピストンに、本発明例２と同じピストンリングを装着し、比較例２は、図１１に示すような、オイルドレン孔５９をサードランド６の上下方向の中間に設けた３本リング構成のピストンに本発明例２と同じピストンリングを装着し、テストエンジンのシリンダに組み込んで同様にして試験した。

図１２には、ピストンリング１３の寸法ａ１、ｈ１を示し、図１３には、合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１の定義をピストンリング１３を代表として示した。
図８に示した潤滑油消費量の改善効果を示すグラフから、本発明例１、２のピストンを組み込んだエンジンは、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合に潤滑油消費量を従来例に比較して十分抑制できることがわかる。この場合、比較例２のサードランドの上下方向中間にのみ設けたものと比べて、潤滑油消費量を十分抑制できている。

また本発明例１、２を比較した場合には、ファーストリング１２の合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が０．００２３、セカンドリング１３のＳ１／ｄ１が０．００４１である本発明例１の方が本発明のＳ１／ｄ１の範囲を外れた本発明例２に比べて、エンジンの吸気工程やエンジンブレーキ使用時等の燃焼室が負圧になる場合に、より優れた潤滑油消費量の抑制効果を有することがわかる。

これに対して比較例１は、サードランドのオイルが排出されない為、潤滑油消費量の抑制効果が十分でない。
なお、本発明例１、２のピストンには、図１に示すピストンを用いたが、図５（ａ）、（ｂ）に示すようなピストンを用いても、同様の結果が得られた。また吸気管内の絶対圧力が８．０ｋＰａの場合に潤滑油消費量比は０．１８〜０．３５であり、本発明のピストンと、ピストンリングを組み合わせることで、優れた潤滑油消費量の抑制効果を奏する。

第１実施の形態に係る３本リング構成のピストンを示す概略部分縦断面図である。 第１実施の形態に係るピストンをシリンダに組み込んだ状態を示す概略部分縦断面図である。 加速時または一定速時における第１実施の形態に係るピストンの作用を説明する模式図である。 減速時における第１実施の形態に係るピストンの作用を説明する模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２、第３実施の形態に係る３本リング構成のピストンをそれぞれ示す概略部分縦断面図である。 本発明例のピストンに設けたオイルドレン孔９のピストン周方向位置を示す模式図である。 本発明例のピストンに設けたオイルドレン孔８のピストン周方向位置を示す模式図である。 本発明例のピストンの効果を示すグラフである。 （ａ）は従来の３本リング構成のピストンの構造を示す概略部分縦断面図、（ｂ）はその問題点を説明する模式図である。 比較例１の３本リング構成のピストンの構造を示す概略部分縦断面図である。 比較例２の３本リング構成のピストンの構造を示す概略部分縦断面図である。 ピストンリングの寸法ａ１、ｈ１を示す説明図である。 ピストンリングの合口隙間Ｓ１とリング呼び径ｄ１を示す説明図である。

符号の説明

１ ピストン頭部
２ ファーストリング溝
３ セカンドリング溝
４ オイルリング溝
５ セカンドランド
６ サードランド
７ スカート部
８、９、１９、２９、４９、５９ オイルドレン孔
１０Ａ ピストン上下方向
１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ、１０Ｈ ピストン移動方向
１１ シリンダ
１２ ファーストリング
１３ セカンドリング
１４ オイルリング
１５ スラスト方向
１６ ピン軸心
α１、α２ 角度
θ１、θ２、θ３、θ４ 角度
ａ１ リング厚さ
ｈ１ リング幅
Ｓ１ 合口隙間
ｄ１ リング呼び径
２０ セカンドリング溝上面
２１ セカンドリング溝底
２２ セカンドリング溝下面
Ｘ ピストン外面側
Ｙ ピストン内面側
Ｚ ピストン内部空間

Claims (10)

1. 圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングが組み込まれる内燃機関用エンジンのピストンであって、オイルリングが装着されるオイルリング溝にはピストン内部空間と連通するオイルドレン孔が貫通して設けられているピストンにおいて、
   セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からセカンドリング溝下面に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて直線的に連通する貫通孔として設けたことを特徴とする内燃機関用エンジンのピストン。
2. 前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からセカンドリング溝下面に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて下向きに直線的に傾斜させて設けたことを特徴とする請求項１に内燃機関用エンジンのピストン。
3. 前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からサードランドの上部に跨るようにピストン上下方向に対して垂直に設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用エンジンのピストン。
4. 前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、ピストン外面側の開口がスラスト方向に加えて反スラスト方向にも位置するように設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関用エンジンのピストン。
5. 前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、ピストン外面側の開口がピン軸心に対して対称に位置するように設けたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用エンジンのピストン。
6. 圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングが組み込まれる内燃機関用エンジンのピストンであって、オイルリングが装着されるオイルリング溝にはピストン内部空間と連通するオイルドレン孔が貫通して設けられているピストンにおいて、
   セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、セカンドリング溝下面からサードランドの上部に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて下向きに直線的に傾斜させ、且つ、ピストン内部空間と連通する貫通孔として設けたことを特徴とする内燃機関用エンジンのピストン。
7. 前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、ピストン外面側の開口がスラスト方向に加えて反スラスト方向にも位置するように設けたことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用エンジンのピストン。
8. 前記セカンドリング溝に係るオイルドレン孔を、ピストン外面側の開口がピン軸心に対して対称に位置するように設けたことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関用エンジンのピストン。
9. 圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングが組み込まれる内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せにおいて、
   前記ピストンは、オイルリングが装着されるオイルリング溝にピストン内部空間と連通するオイルドレン孔が貫通して設けられ、且つ、セカンドリング溝に係るオイルドレン孔をセカンドリング溝底のピストン上下方向下部側からリング溝下面に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて直線的に連通する貫通孔として設けたピストンであり、
   前記ピストンリングは、圧力リングであるファーストリングの合口隙間Ｓ１と、リング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が、０．００２〜０．００４であり、セカンドリングの合口隙間Ｓ１と、リング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が、０．００３０〜０．００９６であることを特徴とする内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せ。
10. 圧力リング２本、オイルリング１本からなる３本リング構成のピストンリングが組み込まれる内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せにおいて、
    前記ピストンは、オイルリングが装着されるオイルリング溝に、ピストン内部空間と連通するオイルドレン孔が貫通して設けられ、且つ、セカンドリング溝に係るオイルドレン孔をセカンドリング溝下面からサードランドの上部に跨るように開口し、ピストン内部空間へ向けて下向きに直線的に傾斜させ、且つ、ピストン内部空間と連通する貫通孔として設けたピストンであり、
    前記ピストンリングは、圧力リングであるファーストリングの合口隙間Ｓ１と、リング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が、０．００２〜０．００４であり、セカンドリングの合口隙間Ｓ１と、リング呼び径ｄ１との比Ｓ１／ｄ１が、０．００３０〜０．００９６であることを特徴とする内燃機関用エンジンのピストンとピストンリングの組合せ。