ピストンリング
【課題】本発明は、ピストンのピストンリング溝とピストンリングとの隙間に堆積したデポジットをより確実に除去することができる技術の提供を課題とする。
【解決手段】本発明は、上記した課題を解決するために、ピストンリングの外周面から内周面の手前に至る第１凹部と、ピストンリングの内周面から外周面の手前に至る第２凹部とをピストンリングの表面に設けることにより、ピストンリング表面とリング溝との隙間に付着又は堆積したデポジットをより確実に除去することができるようにした。
【解決手段】本発明は、上記した課題を解決するために、ピストンリングの外周面から内周面の手前に至る第１凹部と、ピストンリングの内周面から外周面の手前に至る第２凹部とをピストンリングの表面に設けることにより、ピストンリング表面とリング溝との隙間に付着又は堆積したデポジットをより確実に除去することができるようにした。
【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に装着されるピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に使用されるピストンの外周面には、周方向に延在する環状のリング溝が形成されている。リング溝には、合口を有する環状のピストンリングが装着される。このようなピストンリングとしては、ピストンリングの内周面又は上端面に凹凸を設けたものが知られている（たとえば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１８５８６５号公報
【特許文献２】特開平０１−２４２８７３号公報
【特許文献３】特開昭６３−０９００８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、リング溝とピストンリングとの間には隙間が生じるため、該隙間にデポジットが堆積する可能性があった。前記した隙間にデポジットが堆積すると、ピストンリングのシール性能が低下する可能性がある。
【０００５】
これに対し、上記した従来の技術によれば、ピストンリングが回転した際に該ピストンリングの凹凸によってデポジットが掻き落とされる。しかしながら、ピストンリングにおける凹凸が設けられていない部分と対向する隙間に堆積したデポジットは、掻き落とされずに残留する可能性がある。たとえば、ピストンリングの内周面に凹凸が設けられた場合は、ピストンリングの外周面寄りの部分と対向する隙間に堆積したデポジットが残留する可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンのピストンリング溝とピストンリングとの隙間に堆積したデポジットをより確実に除去することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決するために、ピストンリングの上端面（表面）において、径方向（ピストンリングの幅方向）の外周面側が開口し且つ内周面側が閉塞された第１凹部と、径方向の外周面側が閉塞され且つ内周面側が開口した第２凹部と、を設けるようにした。
【０００８】
言い換えると、本発明に係わるピストンリングの表面には、ピストンリングの幅方向において外周面から内周面の手前に至る第１凹部と、ピストンリングの幅方向において内周面から外周面の手前に至る第２凹部と、が設けられることになる。
【０００９】
このような構成によれば、ピストンリングの表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットのうち、ピストンリングの外周面寄りに堆積したデポジットは、ピストンリング表面と第１凹部との段差（凹凸）により掻き落とされる。また、ピストンリングの表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットのうち、ピストンリングの内周面寄りに堆積したデポジットは、ピストンリング表面と第２凹部との段差（凹凸）により掻き落とされる。その
結果、ピストンリングの表面とリング溝との間に堆積したデポジットがより確実に掻き落とされることになる。
【００１０】
なお、ピストンリング表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットを除去する他の構成としては、ピストンリングの幅方向において内周面から外周面に至る凹部（内周面側及び外周面側の双方が開口した凹部）を設ける方法も考えられる。この方法によれば、ピストンリングの幅方向の全域においてデポジットを掻き落とすことができる。しかしながら、凹部を介してブローバイガスが漏れる可能性がある。
【００１１】
これに対し、本発明に係わる第１凹部及び第２凹部は、ピストンリングの外周面から内周面まで貫通していないため、第１凹部及び第２凹部を介してブローバイガスが漏れる事態を回避することができる。
【００１２】
したがって、本発明のピストンリングによれば、ブローバイガスの漏れを回避しつつ、デポジットをより確実に掻き落とすことができるという優れた効果を得ることができる。
【００１３】
本発明において、ピストンリング表面には、第１凹部と第２凹部とがそれぞれ複数設けられるようにしてもよい。その際、第１凹部と第２凹部は、ピストンリングの周方向において交互に配置されることが好ましい。このような構成によれば、内燃機関の運転時にピストンリングの回転量（周方向への回転量）が少量であっても、ピストンリング表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットを除去することが可能になる。
【００１４】
ところで、上記したピストンリングが適用された内燃機関において、ピストンとピストンリングとの温度差が拡大すると、ピストンリングに比してピストンの膨脹量が多くなる。その場合、気筒の軸方向（シリンダ軸方向）におけるリング溝の大きさは、シリンダ軸方向におけるピストンリングの大きさ（ピストンリングの厚さ）に対して十分に大きくなる。その結果、ピストンリングの表面とリング溝との隙間が拡大する。
【００１５】
ピストンリング表面とリング溝との隙間が拡大した場合は、前記した第１凹部及び第２凹部によりデポジットを除去しきれない可能性がある。これに対し、本願発明者は、ピストンリングからウォータジャケットへ放熱される熱量を減少させることにより、ピストンとピストンリングとの温度差が縮小される事項に着目した。
【００１６】
そこで、本発明は、上記したピストンリングが適用された内燃機関の冷却システムにおいて、気筒の周囲に配置されたウォータジャケットと、ウォータジャケットへ供給される冷却水量を調整する調整装置と、ウォータジャケットに対する冷却水の供給を間欠的に停止させるように調整装置を制御する制御部と、備えるようにした。
【００１７】
ウォータジャケット内を流れる冷却水は、ラジエータやサーモスタットバルブなどを含むシステムによって略一定の温度に保たれる。そのため、ピストンリングの温度も略一定に保たれると考えられる。一方、ピストンは、気筒内（燃焼室内）で発生する熱を直接受ける。そのため、気筒内で発生した熱量が多くなると、ピストンの温度が上昇し、ピストンとピストンリングとの温度差が拡大する。
【００１８】
これに対し、ウォータジャケットに対する冷却水の供給が停止されると、ピストンリング及びウォータジャケット内の冷却水は、ピストンから放熱される熱を受けて昇温する。そのため、ピストンとピストンリングとの温度差が縮小する。ただし、ウォータジャケットに対する冷却水の供給が連続的に停止されると、ピストンやピストンリングの過熱を招く可能性がある。
【００１９】
そこで、本発明の内燃機関の冷却システムは、ウォータジャケットに対する冷却水の供給を間欠的に停止させるようにした。このような方法によれば、ピストンやピストンリングの過熱を回避しつつ、ピストンとピストンリングとの温度差の拡大を抑制することができる。その結果、ピストンリング表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットをより確実に除去することが可能になる。
【００２０】
なお、制御部は、予め定められた一定期間（たとえば、内燃機関を搭載した車両が一定距離を走行するために要する期間、又は予め定められた一定時間が経過するために要する期間など）毎に冷却水の供給を停止させてもよいが、気筒内で発生した熱量の積算値が一定値を超える毎に冷却水の供給を停止させてもよい。ここでいう「一定値」は、ピストンとピストンリングとの温度差が許容範囲（ピストンリング表面とリング溝との隙間がデポジットを除去可能な大きさに収まる範囲）を超えると考えられる値から所定のマージンを差し引いた値である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ピストンのリング溝とピストンリングとの隙間に堆積したデポジットをより確実に除去することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】ピストンの構成を示す図である。
【図３】トップリングの平面図である。
【図４】図３中のＡ−Ａ’断面を示す図である。
【図５】図３中のＢ−Ｂ’断面を示す図である。
【図６】ピストンとシリンダボア壁面との間の空間の圧力変化を示す図である。
【図７】ピストンとシリンダボア壁面との間の空間の拡大図である。
【図８】内燃機関の冷却システムを示す図である。
【図９】トップリングとトップリング溝との隙間の大きさを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２４】
図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒（シリンダ）２を有する圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。なお、図１においては、複数の気筒２のうち、１つの気筒２のみが示されている。
【００２５】
内燃機関１の各気筒２には、ピストン３がシリンダ軸方向へ摺動自在に装填されている。ピストン３は、図示しないクランクシャフトとコネクティングロッド４を介して連結されている。
【００２６】
ピストン３の頂面には、略円柱状に窪んだ燃焼室３０が形成されている。また、ピストン３の外周面には、図２に示すように、３本の環状溝３１，３２，３３が形成されている。３本の環状溝３１，３２，３３のうち、最も上死点寄り（図２中の最も上）に位置する環状溝３１は、トップリング５を嵌合させるための溝である（以下、環状溝３１を「トップリング溝３１」と記す）。３本の環状溝３１，３２，３３のうち、トップリング溝３１の直下に位置する環状溝３２は、セカンドリング６を嵌合させるための溝である（以下、環状溝３２を「セカンドリング溝３２」と記す）。３本の環状溝３１，３２，３３のうち、最も下死点寄り（図２中の最も下）に位置する環状溝３３は、オイルリング７を嵌合さ
せるための溝（以下、環状溝３３を「オイルリング溝３３」と記す）。
【００２７】
ここで、本実施例におけるトップリング５の構成について図３乃至５に基づいて説明する。図３は、トップリング５の平面図である。図４は、図３中のＡ−Ａ’断面を示す図である。図５は、図３中のＢ−Ｂ’断面を示す図である。
【００２８】
トップリング５の表面（上死点側に位置する面）５ａには、複数の第１凹部５０と複数の第２凹部５１とが周方向へ交互に配置されている。第１凹部５０は、図４に示すように、トップリング５の外周面５ｂから内周面５ｃの手前に至る略半円状の窪みである。言い換えると、第１凹部５０は、トップリング５の外周面側が開口し且つ内周面側が閉塞された窪みである。一方、第２凹部５１は、図５に示すように、トップリング５の内周面５ｃから外周面５ｂの手前に至る略半円状の窪みである。言い換えると、第２凹部５１は、トップリング５の内周面側が開口し且つ外周面側が閉塞された窪みである。
【００２９】
ところで、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との間には、トップリング５のスティックを防止するために若干の隙間（クリアランス）が設けられる。しかしながら、図６に示すように、膨張行程の後半においてトップリング５とセカンドリング６との間の空間（図７中のＶ２を参照）の圧力Ｐ２がトップリング５より上死点側の空間（図７中のＶ１を参照）の圧力（筒内圧）Ｐ１より高くなる可能性がある。そのような場合は、トップリング５がトップリング溝３１内において浮き上がるため、ブローバイガスの漏れやオイル上がりなどを生じる可能性がある。
【００３０】
このような問題に対し、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間、言い換えればシリンダ軸方向におけるトップリング溝３１の寸法を小さくする方法が考えられるが、少量のデポジットの付着又は堆積によりトップリング５のスティックが発生するという問題がある。
【００３１】
これに対し、本実施例のトップリング５によれば、該トップリング５が周方向へ回転した際に、トップリング５の表面５ａと第１凹部５０との段差（凹凸）、及びトップリング５の表面５ａと第２凹部５１との段差（凹凸）により、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との間に付着又は堆積しているデポジットが掻き落とされるようになる。
【００３２】
その際、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１の隙間に堆積したデポジットのうち、トップリング５の外周面寄りに存在するデポジットは、トップリング５の表面５ａと第１凹部５０との段差（凹凸）により掻き落とされる。一方、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１の隙間に堆積したデポジットのうち、トップリング５の内周面寄りに存在するデポジットは、トップリング５の表面５ａと第２凹部５１との段差（凹凸）により掻き落とされる。
【００３３】
したがって、トップリング５の幅方向において外周面から内周面に至る全領域のデポジットを除去することが可能となる。さらに、複数の第１凹部５０と複数の第２凹部５１がトップリング５の周方向へ交互に配置されるため、トップリング５の周方向への回転量が少ない場合であっても、デポジットをより確実に除去することが可能となる。
【００３４】
また、第１凹部５０及び第２凹部５１は、トップリング５の外周面から内周面まで貫通していないため、第１凹部５０及び第２凹部５１を介してブローバイガスが漏れたり、圧縮圧力が漏れたり、或いはオイル上がりが発生する事態を回避することもできる。
【００３５】
以上述べた実施例によれば、ブローバイガスの漏れ、圧縮圧力の漏れ、或いはオイル上がりなどを回避しつつ、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間に付着
又は堆積したデポジットをより確実に除去することができる。その結果、トップリング５のスティックをより確実に防止することが可能になる。
【００３６】
なお、本実施例では、第１凹部５０及び第２凹部５１が略半円状に形成される例について述べたが、第１凹部５０及び第２凹部５１がトップリング５の外周面から内周面まで貫通しない限り如何なる形状であってもよい。ただし、第１凹部５０及び第２凹部５１が多角形に形成された場合は角部に応力が集中し易くなる。よって、トップリング５の耐久性の低下を抑制するうえでは、略半円状が好ましいと言える。
【００３７】
また、本実施例では、第１凹部５０及び第２凹部５１がトップリング５のみに設けられる例について述べたが、トップリング５に加えセカンドリング６にも設けられてもよい。その場合、セカンドリング６とセカンドリング溝３２との間に付着又は堆積したデポジットについてもより確実に除去することが可能なる。
【００３８】
＜応用例＞
次に、前述したトップリング５が適用される内燃機関の冷却システムについて述べる。図８は、内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。図８において、前述した実施例と同等の構成要素には同一の符号が付されている。
【００３９】
図８において、内燃機関１には、気筒２を包囲する環状のウォータジャケット１００が形成されている。ウォータジャケット１００は、ウォータポンプ１０１と冷却水通路１０２を介して連通しており、ウォータポンプ１０１から吐出された冷却水が供給されるようになっている。
【００４０】
前記した冷却水通路１０２の途中には、該冷却水通路１０２の通路断面積を変更する調整弁１０３が設けられている。調整弁１０３は、冷却水通路１０２の通路断面積を連続的又は段階的に変更する弁機構であってもよく、或いは冷却水通路１０２の遮断と導通とを切り換える開閉弁であってもよい。なお、調整弁１０３は、本発明に係わる調整装置の一実施態様である。
【００４１】
前記した調整弁１０３は、ＥＣＵ１５によって電気的に制御されるようになっている。ＥＣＵ１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどを備えた電子制御ユニットである。ＥＣＵ１５には、クランクポジションセンサ１８、アクセルポジションセンサ１９、車輪速センサ２０などの各種センサの出力信号が入力されるようになっている。
【００４２】
クランクポジションセンサ１８は、クランクシャフトの回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ１９は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力するセンサである。車輪速センサ２０は、内燃機関１を搭載した車両の車輪の回転速度に相関する電気信号を出力するセンサである。
【００４３】
ＥＣＵ１５は、上記した各種センサの出力信号をパラメータとして、燃料噴射制御などの既知の制御を行うとともに、調整弁１０３の制御を行う。以下、本実施例における調整弁１０３の制御方法について述べる。
【００４４】
ピストン３とトップリング５との温度差が小さい場合は、図９中（ａ）に示すように、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間は小さくなる。一方、ピストン３とトップリング５との温度差が大きい場合は、図９中（ｂ）に示すように、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間が大きくなる。
【００４５】
ここで、図９中（ｂ）に示したように、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３
１との隙間が大きくなると、該隙間に付着又は堆積しているデポジットが前述した第１凹部５０及び第２凹部５１によって除去されなくなる可能性がある。
【００４６】
そこで、本実施例では、ＥＣＵ１５は、調整弁１０３を間欠的に閉弁（冷却水通路１０２を遮断）させることにより、ピストン３とトップリング５との温度差の拡大を抑制するようにした。
【００４７】
トップリング５の熱は、シリンダボア壁面を介してウォータジャケット１００内の冷却水へ放熱される。ウォータジャケット１００を流れる冷却水の温度は、ラジエータやサーモスタットなどのシステムによって略一定の温度に保たれる。そのため、トップリング５の温度も略一定の温度に保たれる。
【００４８】
一方、ピストン３は、気筒２内（燃焼室）で発生した熱を直接受ける。その際、ピストン３が受けた熱の一部は、トップリング５やセカンドリング６などを介してシリンダボア壁面へ放熱される。しかしながら、燃焼室で発生する熱量が多くなると、ピストン３の受熱量が放熱量を上回るため、ピストン３の温度が上昇する。
【００４９】
よって、燃焼室で発生する熱量が多くなるときは、ピストン３とトップリング５との温度差拡大を抑制することが望ましい。これに対し、ウォータポンプ１０１からウォータジャケット１００に対する冷却水の供給が停止されると、トップリング５及びウォータジャケット１００内の冷却水は、ピストン３から放熱される熱を受けて昇温する。そのため、ピストン３とトップリング５との温度差拡大が抑制される。
【００５０】
ただし、燃焼室内で発生する熱量が多いときに、ウォータジャケット１００に対する冷却水の供給が連続的に停止されると、ピストン３やトップリング５などの過熱を招く可能性がある。
【００５１】
そこで、本実施例では、ＥＣＵ１５は、調整弁１０３を間欠的に閉弁（冷却水通路１０２を遮断）させることにより、ピストン３とトップリング５との温度差拡大を抑制するようにした。
【００５２】
具体的には、ＥＣＵ１５は、車両が一定距離を走行する度に調整弁１０３を遮断させるようにしてもよい。その際、ＥＣＵ１５は、車輪速センサ２０の出力信号から車両の走行距離を演算し、算出された走行距離が一定距離に達する度に調整弁１０３を閉弁させればよい。
【００５３】
なお、調整弁１０３が閉弁される期間は、ピストン３とトップリング５との温度差が適正範囲（たとえば、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間がデポジットを除去可能な大きさに収まる範囲）に収束するまでに要する期間、言い換えると、ピストン３とトップリング５との温度差が適正範囲に収まる程度にトップリング５及び冷却水の温度が上昇するまでに要する時間に相当し、予め実験などを利用した適合作業によって求めておくものとする。
【００５４】
このように調整弁１０３が制御されると、ピストン３やトップリング５の過熱を回避しつつ、ピストン３とトップリング５との温度差拡大を抑制することができる。その結果、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間に付着又は堆積しているデポジットをより確実に除去することが可能になる。
【００５５】
なお、ＥＣＵ１５は、予め定められた一定時間が経過する度に調整弁１０３を閉弁させてもよく、或いは燃焼室で発生する熱量の積算値が一定量に達する度に調整弁１０３を閉
弁させてもよい。ここでいう「一定量」は、ピストン３とトップリング５との温度差が適正範囲を超えると考えられる値から所定のマージンを差し引いた値である。
【００５６】
また、調整弁１０３の間欠的な閉弁は、内燃機関１の運転状態に関わらず実行されてもよいが、燃焼室で発生する熱量が多くなる高負荷運転時（たとえば、燃料噴射量が予め定められた基準量を超えるとき）のみ実行されてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
４ コネクティングロッド
５ トップリング
５ａ 表面
５ｂ 外周面
５ｃ 内周面
６ セカンドリング
７ オイルリング
１５ ＥＣＵ
１８ クランクポジションセンサ
１９ アクセルポジションセンサ
２０ 車輪速センサ
３０ 燃焼室
３１ トップリング溝
３２ セカンドリング溝
３３ オイルリング溝
５０ 第１凹部
５１ 第２凹部
１００ ウォータジャケット
１０１ ウォータポンプ
１０２ 冷却水通路
１０３ 調整弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンに装着されるピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に使用されるピストンの外周面には、周方向に延在する環状のリング溝が形成されている。リング溝には、合口を有する環状のピストンリングが装着される。このようなピストンリングとしては、ピストンリングの内周面又は上端面に凹凸を設けたものが知られている（たとえば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１８５８６５号公報
【特許文献２】特開平０１−２４２８７３号公報
【特許文献３】特開昭６３−０９００８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、リング溝とピストンリングとの間には隙間が生じるため、該隙間にデポジットが堆積する可能性があった。前記した隙間にデポジットが堆積すると、ピストンリングのシール性能が低下する可能性がある。
【０００５】
これに対し、上記した従来の技術によれば、ピストンリングが回転した際に該ピストンリングの凹凸によってデポジットが掻き落とされる。しかしながら、ピストンリングにおける凹凸が設けられていない部分と対向する隙間に堆積したデポジットは、掻き落とされずに残留する可能性がある。たとえば、ピストンリングの内周面に凹凸が設けられた場合は、ピストンリングの外周面寄りの部分と対向する隙間に堆積したデポジットが残留する可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンのピストンリング溝とピストンリングとの隙間に堆積したデポジットをより確実に除去することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決するために、ピストンリングの上端面（表面）において、径方向（ピストンリングの幅方向）の外周面側が開口し且つ内周面側が閉塞された第１凹部と、径方向の外周面側が閉塞され且つ内周面側が開口した第２凹部と、を設けるようにした。
【０００８】
言い換えると、本発明に係わるピストンリングの表面には、ピストンリングの幅方向において外周面から内周面の手前に至る第１凹部と、ピストンリングの幅方向において内周面から外周面の手前に至る第２凹部と、が設けられることになる。
【０００９】
このような構成によれば、ピストンリングの表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットのうち、ピストンリングの外周面寄りに堆積したデポジットは、ピストンリング表面と第１凹部との段差（凹凸）により掻き落とされる。また、ピストンリングの表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットのうち、ピストンリングの内周面寄りに堆積したデポジットは、ピストンリング表面と第２凹部との段差（凹凸）により掻き落とされる。その
結果、ピストンリングの表面とリング溝との間に堆積したデポジットがより確実に掻き落とされることになる。
【００１０】
なお、ピストンリング表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットを除去する他の構成としては、ピストンリングの幅方向において内周面から外周面に至る凹部（内周面側及び外周面側の双方が開口した凹部）を設ける方法も考えられる。この方法によれば、ピストンリングの幅方向の全域においてデポジットを掻き落とすことができる。しかしながら、凹部を介してブローバイガスが漏れる可能性がある。
【００１１】
これに対し、本発明に係わる第１凹部及び第２凹部は、ピストンリングの外周面から内周面まで貫通していないため、第１凹部及び第２凹部を介してブローバイガスが漏れる事態を回避することができる。
【００１２】
したがって、本発明のピストンリングによれば、ブローバイガスの漏れを回避しつつ、デポジットをより確実に掻き落とすことができるという優れた効果を得ることができる。
【００１３】
本発明において、ピストンリング表面には、第１凹部と第２凹部とがそれぞれ複数設けられるようにしてもよい。その際、第１凹部と第２凹部は、ピストンリングの周方向において交互に配置されることが好ましい。このような構成によれば、内燃機関の運転時にピストンリングの回転量（周方向への回転量）が少量であっても、ピストンリング表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットを除去することが可能になる。
【００１４】
ところで、上記したピストンリングが適用された内燃機関において、ピストンとピストンリングとの温度差が拡大すると、ピストンリングに比してピストンの膨脹量が多くなる。その場合、気筒の軸方向（シリンダ軸方向）におけるリング溝の大きさは、シリンダ軸方向におけるピストンリングの大きさ（ピストンリングの厚さ）に対して十分に大きくなる。その結果、ピストンリングの表面とリング溝との隙間が拡大する。
【００１５】
ピストンリング表面とリング溝との隙間が拡大した場合は、前記した第１凹部及び第２凹部によりデポジットを除去しきれない可能性がある。これに対し、本願発明者は、ピストンリングからウォータジャケットへ放熱される熱量を減少させることにより、ピストンとピストンリングとの温度差が縮小される事項に着目した。
【００１６】
そこで、本発明は、上記したピストンリングが適用された内燃機関の冷却システムにおいて、気筒の周囲に配置されたウォータジャケットと、ウォータジャケットへ供給される冷却水量を調整する調整装置と、ウォータジャケットに対する冷却水の供給を間欠的に停止させるように調整装置を制御する制御部と、備えるようにした。
【００１７】
ウォータジャケット内を流れる冷却水は、ラジエータやサーモスタットバルブなどを含むシステムによって略一定の温度に保たれる。そのため、ピストンリングの温度も略一定に保たれると考えられる。一方、ピストンは、気筒内（燃焼室内）で発生する熱を直接受ける。そのため、気筒内で発生した熱量が多くなると、ピストンの温度が上昇し、ピストンとピストンリングとの温度差が拡大する。
【００１８】
これに対し、ウォータジャケットに対する冷却水の供給が停止されると、ピストンリング及びウォータジャケット内の冷却水は、ピストンから放熱される熱を受けて昇温する。そのため、ピストンとピストンリングとの温度差が縮小する。ただし、ウォータジャケットに対する冷却水の供給が連続的に停止されると、ピストンやピストンリングの過熱を招く可能性がある。
【００１９】
そこで、本発明の内燃機関の冷却システムは、ウォータジャケットに対する冷却水の供給を間欠的に停止させるようにした。このような方法によれば、ピストンやピストンリングの過熱を回避しつつ、ピストンとピストンリングとの温度差の拡大を抑制することができる。その結果、ピストンリング表面とリング溝との隙間に堆積したデポジットをより確実に除去することが可能になる。
【００２０】
なお、制御部は、予め定められた一定期間（たとえば、内燃機関を搭載した車両が一定距離を走行するために要する期間、又は予め定められた一定時間が経過するために要する期間など）毎に冷却水の供給を停止させてもよいが、気筒内で発生した熱量の積算値が一定値を超える毎に冷却水の供給を停止させてもよい。ここでいう「一定値」は、ピストンとピストンリングとの温度差が許容範囲（ピストンリング表面とリング溝との隙間がデポジットを除去可能な大きさに収まる範囲）を超えると考えられる値から所定のマージンを差し引いた値である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ピストンのリング溝とピストンリングとの隙間に堆積したデポジットをより確実に除去することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】ピストンの構成を示す図である。
【図３】トップリングの平面図である。
【図４】図３中のＡ−Ａ’断面を示す図である。
【図５】図３中のＢ−Ｂ’断面を示す図である。
【図６】ピストンとシリンダボア壁面との間の空間の圧力変化を示す図である。
【図７】ピストンとシリンダボア壁面との間の空間の拡大図である。
【図８】内燃機関の冷却システムを示す図である。
【図９】トップリングとトップリング溝との隙間の大きさを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２４】
図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒（シリンダ）２を有する圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。なお、図１においては、複数の気筒２のうち、１つの気筒２のみが示されている。
【００２５】
内燃機関１の各気筒２には、ピストン３がシリンダ軸方向へ摺動自在に装填されている。ピストン３は、図示しないクランクシャフトとコネクティングロッド４を介して連結されている。
【００２６】
ピストン３の頂面には、略円柱状に窪んだ燃焼室３０が形成されている。また、ピストン３の外周面には、図２に示すように、３本の環状溝３１，３２，３３が形成されている。３本の環状溝３１，３２，３３のうち、最も上死点寄り（図２中の最も上）に位置する環状溝３１は、トップリング５を嵌合させるための溝である（以下、環状溝３１を「トップリング溝３１」と記す）。３本の環状溝３１，３２，３３のうち、トップリング溝３１の直下に位置する環状溝３２は、セカンドリング６を嵌合させるための溝である（以下、環状溝３２を「セカンドリング溝３２」と記す）。３本の環状溝３１，３２，３３のうち、最も下死点寄り（図２中の最も下）に位置する環状溝３３は、オイルリング７を嵌合さ
せるための溝（以下、環状溝３３を「オイルリング溝３３」と記す）。
【００２７】
ここで、本実施例におけるトップリング５の構成について図３乃至５に基づいて説明する。図３は、トップリング５の平面図である。図４は、図３中のＡ−Ａ’断面を示す図である。図５は、図３中のＢ−Ｂ’断面を示す図である。
【００２８】
トップリング５の表面（上死点側に位置する面）５ａには、複数の第１凹部５０と複数の第２凹部５１とが周方向へ交互に配置されている。第１凹部５０は、図４に示すように、トップリング５の外周面５ｂから内周面５ｃの手前に至る略半円状の窪みである。言い換えると、第１凹部５０は、トップリング５の外周面側が開口し且つ内周面側が閉塞された窪みである。一方、第２凹部５１は、図５に示すように、トップリング５の内周面５ｃから外周面５ｂの手前に至る略半円状の窪みである。言い換えると、第２凹部５１は、トップリング５の内周面側が開口し且つ外周面側が閉塞された窪みである。
【００２９】
ところで、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との間には、トップリング５のスティックを防止するために若干の隙間（クリアランス）が設けられる。しかしながら、図６に示すように、膨張行程の後半においてトップリング５とセカンドリング６との間の空間（図７中のＶ２を参照）の圧力Ｐ２がトップリング５より上死点側の空間（図７中のＶ１を参照）の圧力（筒内圧）Ｐ１より高くなる可能性がある。そのような場合は、トップリング５がトップリング溝３１内において浮き上がるため、ブローバイガスの漏れやオイル上がりなどを生じる可能性がある。
【００３０】
このような問題に対し、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間、言い換えればシリンダ軸方向におけるトップリング溝３１の寸法を小さくする方法が考えられるが、少量のデポジットの付着又は堆積によりトップリング５のスティックが発生するという問題がある。
【００３１】
これに対し、本実施例のトップリング５によれば、該トップリング５が周方向へ回転した際に、トップリング５の表面５ａと第１凹部５０との段差（凹凸）、及びトップリング５の表面５ａと第２凹部５１との段差（凹凸）により、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との間に付着又は堆積しているデポジットが掻き落とされるようになる。
【００３２】
その際、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１の隙間に堆積したデポジットのうち、トップリング５の外周面寄りに存在するデポジットは、トップリング５の表面５ａと第１凹部５０との段差（凹凸）により掻き落とされる。一方、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１の隙間に堆積したデポジットのうち、トップリング５の内周面寄りに存在するデポジットは、トップリング５の表面５ａと第２凹部５１との段差（凹凸）により掻き落とされる。
【００３３】
したがって、トップリング５の幅方向において外周面から内周面に至る全領域のデポジットを除去することが可能となる。さらに、複数の第１凹部５０と複数の第２凹部５１がトップリング５の周方向へ交互に配置されるため、トップリング５の周方向への回転量が少ない場合であっても、デポジットをより確実に除去することが可能となる。
【００３４】
また、第１凹部５０及び第２凹部５１は、トップリング５の外周面から内周面まで貫通していないため、第１凹部５０及び第２凹部５１を介してブローバイガスが漏れたり、圧縮圧力が漏れたり、或いはオイル上がりが発生する事態を回避することもできる。
【００３５】
以上述べた実施例によれば、ブローバイガスの漏れ、圧縮圧力の漏れ、或いはオイル上がりなどを回避しつつ、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間に付着
又は堆積したデポジットをより確実に除去することができる。その結果、トップリング５のスティックをより確実に防止することが可能になる。
【００３６】
なお、本実施例では、第１凹部５０及び第２凹部５１が略半円状に形成される例について述べたが、第１凹部５０及び第２凹部５１がトップリング５の外周面から内周面まで貫通しない限り如何なる形状であってもよい。ただし、第１凹部５０及び第２凹部５１が多角形に形成された場合は角部に応力が集中し易くなる。よって、トップリング５の耐久性の低下を抑制するうえでは、略半円状が好ましいと言える。
【００３７】
また、本実施例では、第１凹部５０及び第２凹部５１がトップリング５のみに設けられる例について述べたが、トップリング５に加えセカンドリング６にも設けられてもよい。その場合、セカンドリング６とセカンドリング溝３２との間に付着又は堆積したデポジットについてもより確実に除去することが可能なる。
【００３８】
＜応用例＞
次に、前述したトップリング５が適用される内燃機関の冷却システムについて述べる。図８は、内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。図８において、前述した実施例と同等の構成要素には同一の符号が付されている。
【００３９】
図８において、内燃機関１には、気筒２を包囲する環状のウォータジャケット１００が形成されている。ウォータジャケット１００は、ウォータポンプ１０１と冷却水通路１０２を介して連通しており、ウォータポンプ１０１から吐出された冷却水が供給されるようになっている。
【００４０】
前記した冷却水通路１０２の途中には、該冷却水通路１０２の通路断面積を変更する調整弁１０３が設けられている。調整弁１０３は、冷却水通路１０２の通路断面積を連続的又は段階的に変更する弁機構であってもよく、或いは冷却水通路１０２の遮断と導通とを切り換える開閉弁であってもよい。なお、調整弁１０３は、本発明に係わる調整装置の一実施態様である。
【００４１】
前記した調整弁１０３は、ＥＣＵ１５によって電気的に制御されるようになっている。ＥＣＵ１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどを備えた電子制御ユニットである。ＥＣＵ１５には、クランクポジションセンサ１８、アクセルポジションセンサ１９、車輪速センサ２０などの各種センサの出力信号が入力されるようになっている。
【００４２】
クランクポジションセンサ１８は、クランクシャフトの回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ１９は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力するセンサである。車輪速センサ２０は、内燃機関１を搭載した車両の車輪の回転速度に相関する電気信号を出力するセンサである。
【００４３】
ＥＣＵ１５は、上記した各種センサの出力信号をパラメータとして、燃料噴射制御などの既知の制御を行うとともに、調整弁１０３の制御を行う。以下、本実施例における調整弁１０３の制御方法について述べる。
【００４４】
ピストン３とトップリング５との温度差が小さい場合は、図９中（ａ）に示すように、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間は小さくなる。一方、ピストン３とトップリング５との温度差が大きい場合は、図９中（ｂ）に示すように、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間が大きくなる。
【００４５】
ここで、図９中（ｂ）に示したように、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３
１との隙間が大きくなると、該隙間に付着又は堆積しているデポジットが前述した第１凹部５０及び第２凹部５１によって除去されなくなる可能性がある。
【００４６】
そこで、本実施例では、ＥＣＵ１５は、調整弁１０３を間欠的に閉弁（冷却水通路１０２を遮断）させることにより、ピストン３とトップリング５との温度差の拡大を抑制するようにした。
【００４７】
トップリング５の熱は、シリンダボア壁面を介してウォータジャケット１００内の冷却水へ放熱される。ウォータジャケット１００を流れる冷却水の温度は、ラジエータやサーモスタットなどのシステムによって略一定の温度に保たれる。そのため、トップリング５の温度も略一定の温度に保たれる。
【００４８】
一方、ピストン３は、気筒２内（燃焼室）で発生した熱を直接受ける。その際、ピストン３が受けた熱の一部は、トップリング５やセカンドリング６などを介してシリンダボア壁面へ放熱される。しかしながら、燃焼室で発生する熱量が多くなると、ピストン３の受熱量が放熱量を上回るため、ピストン３の温度が上昇する。
【００４９】
よって、燃焼室で発生する熱量が多くなるときは、ピストン３とトップリング５との温度差拡大を抑制することが望ましい。これに対し、ウォータポンプ１０１からウォータジャケット１００に対する冷却水の供給が停止されると、トップリング５及びウォータジャケット１００内の冷却水は、ピストン３から放熱される熱を受けて昇温する。そのため、ピストン３とトップリング５との温度差拡大が抑制される。
【００５０】
ただし、燃焼室内で発生する熱量が多いときに、ウォータジャケット１００に対する冷却水の供給が連続的に停止されると、ピストン３やトップリング５などの過熱を招く可能性がある。
【００５１】
そこで、本実施例では、ＥＣＵ１５は、調整弁１０３を間欠的に閉弁（冷却水通路１０２を遮断）させることにより、ピストン３とトップリング５との温度差拡大を抑制するようにした。
【００５２】
具体的には、ＥＣＵ１５は、車両が一定距離を走行する度に調整弁１０３を遮断させるようにしてもよい。その際、ＥＣＵ１５は、車輪速センサ２０の出力信号から車両の走行距離を演算し、算出された走行距離が一定距離に達する度に調整弁１０３を閉弁させればよい。
【００５３】
なお、調整弁１０３が閉弁される期間は、ピストン３とトップリング５との温度差が適正範囲（たとえば、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間がデポジットを除去可能な大きさに収まる範囲）に収束するまでに要する期間、言い換えると、ピストン３とトップリング５との温度差が適正範囲に収まる程度にトップリング５及び冷却水の温度が上昇するまでに要する時間に相当し、予め実験などを利用した適合作業によって求めておくものとする。
【００５４】
このように調整弁１０３が制御されると、ピストン３やトップリング５の過熱を回避しつつ、ピストン３とトップリング５との温度差拡大を抑制することができる。その結果、トップリング５の表面５ａとトップリング溝３１との隙間に付着又は堆積しているデポジットをより確実に除去することが可能になる。
【００５５】
なお、ＥＣＵ１５は、予め定められた一定時間が経過する度に調整弁１０３を閉弁させてもよく、或いは燃焼室で発生する熱量の積算値が一定量に達する度に調整弁１０３を閉
弁させてもよい。ここでいう「一定量」は、ピストン３とトップリング５との温度差が適正範囲を超えると考えられる値から所定のマージンを差し引いた値である。
【００５６】
また、調整弁１０３の間欠的な閉弁は、内燃機関１の運転状態に関わらず実行されてもよいが、燃焼室で発生する熱量が多くなる高負荷運転時（たとえば、燃料噴射量が予め定められた基準量を超えるとき）のみ実行されてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
４ コネクティングロッド
５ トップリング
５ａ 表面
５ｂ 外周面
５ｃ 内周面
６ セカンドリング
７ オイルリング
１５ ＥＣＵ
１８ クランクポジションセンサ
１９ アクセルポジションセンサ
２０ 車輪速センサ
３０ 燃焼室
３１ トップリング溝
３２ セカンドリング溝
３３ オイルリング溝
５０ 第１凹部
５１ 第２凹部
１００ ウォータジャケット
１０１ ウォータポンプ
１０２ 冷却水通路
１０３ 調整弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの外周面に形成されたリング溝に取り付けられるピストンリングであって、
前記ピストンリングの表面に設けられ、ピストンリングの外周面から内周面の手前にかけて径方向に延在する第１凹部と、
前記ピストンリングの表面に設けられ、ピストンリングの内周面から外周面の手前にかけて径方向に延在する第２凹部と、
を備えるピストンリング。
【請求項２】
請求項１において、前記第１凹部と前記第２凹部とをそれぞれ複数備え、
前記第１凹部と前記第２凹部とは、前記ピストンリングの周方向において交互に配置されるピストンリング。
【請求項３】
請求項１に記載のピストンリングが取り付けられるピストンと、
前記ピストンを摺動自在に収容する気筒と、
前記気筒の周囲に配置されるウォータジャケットと、
を備えた内燃機関の冷却システムであって、
前記ウォータジャケットへ供給される冷却水量を調整する調整装置と、
前記ウォータジャケットに対する冷却水の供給を間欠的に停止させるように記調整装置を制御する制御部と、
を備える内燃機関の冷却システム。
【請求項１】
ピストンの外周面に形成されたリング溝に取り付けられるピストンリングであって、
前記ピストンリングの表面に設けられ、ピストンリングの外周面から内周面の手前にかけて径方向に延在する第１凹部と、
前記ピストンリングの表面に設けられ、ピストンリングの内周面から外周面の手前にかけて径方向に延在する第２凹部と、
を備えるピストンリング。
【請求項２】
請求項１において、前記第１凹部と前記第２凹部とをそれぞれ複数備え、
前記第１凹部と前記第２凹部とは、前記ピストンリングの周方向において交互に配置されるピストンリング。
【請求項３】
請求項１に記載のピストンリングが取り付けられるピストンと、
前記ピストンを摺動自在に収容する気筒と、
前記気筒の周囲に配置されるウォータジャケットと、
を備えた内燃機関の冷却システムであって、
前記ウォータジャケットへ供給される冷却水量を調整する調整装置と、
前記ウォータジャケットに対する冷却水の供給を間欠的に停止させるように記調整装置を制御する制御部と、
を備える内燃機関の冷却システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２４１８７９（Ｐ２０１１−２４１８７９Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１３３６４（Ｐ２０１０−１１３３６４）
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１７日（２０１０．５．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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