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» 2008年02月25日 11時39分 公開

いまさら聞けない エンジン設計入門(2):本田宗一郎も苦戦したピストンリングの設計 (2/3)

[カーライフプロデューサー テル,MONOist]

4種のコンプレッションリング

 前ページでお話ししたような役割分担をするため、コンプレッションリングにはさまざまな形状があります。ここでは代表的なコンプレッションリング4つをご紹介します。本当に細かい部分はピストンリング設計者や専門家だけしか知らないと思いますので、今回は基本的な特徴の説明のみとしました。

プレーン型

コンプレッションリング「プレーン型」 図1 コンプレッションリング「プレーン型」

 ピストンリング溝が長方形である以上、この「プレーン型」がピストンリングの形状として考えられる最も基本的な形状です(図1)。何の工夫もないシンプルな形状ともいえますね。この形状は、ピストンリング溝に収まる形状としてはここで挙げている4種の形状の中で最大であり、シリンダに接触する面積が広く確保されるので、気密性や熱伝導性に優れています

 この形状を基本としてさまざまなメリットやデメリットを試行錯誤した結果、多種多様なピストンリング形状が発明される結果となったと考えられます

バレルフェース型

コンプレッションリング「バレルフェース型」 図2 コンプレッションリング「バレルフェース型」

 「バレルフェース型」はトップリングに多く使用されている形状で、比較的よく採用されているピストンリング形状です(図2)。シリンダとの摺動(しゅうどう)面が丸い円弧状になっており、新車時のようなシリンダとの「初期なじみ」が完了していない状態でも攻撃性が低く、異常摩耗を防止できる特徴があります

 大量生産における品質のムラや、初期なじみ完了前のエンジン使用状況によって左右されるエンジン性能のムラを懸念すれば、採用率が高いこともうなずけますね。圧縮行程や燃焼行程において発生する高圧によってしっかりとシリンダに密着するため、圧漏れを防ぐとともに白煙やエンジンオイル消耗の原因となる「オイル上がり」(ピストン上部への余分なオイル侵入)を防止しています

テーパフェース型

コンプレッションリング「テーパフェース型」 図3 コンプレッションリング「テーパフェース型」

 「テーパフェース型」は主にセカンドリングとして使用されている形状で、これも比較的よく採用されているピストンリング形状です(図3)。シリンダとの摺動面がテーパ上(斜めカット)になっており、エンジンオイルをかき落とす性能に優れているためです。シリンダとの接触が非常に少ない「線接触」ですので、初期なじみが早く気密性にも優れています

 イラストのように上部が開いているテーパ形状ですので、シリンダとの接触面を基準とすると、上から下方向はオイルが通過しやすく、逆に下から上方向はオイルが通過しにくいことが分かります(ピストンの動きとオイルの動きは逆になりますのでご注意ください)

 この特徴を生かし、ピストンが上昇する圧縮行程と排気行程でオイルの上を滑ることによって、無駄にオイルをピストン上部に持ち上げないようにしてオイル上がりを防止します。逆に下降する吸気行程と燃焼行程では、オイルをかき落として適度な油膜を保つ作用をしています。この2つの仕事を兼任できることを考えれば、セカンドリングにピッタリだといえます

アンダカット型

 「アンダカット型」はリング外周の下部がカットされた形状で、主にセカンドリングに使用されています。前述したバレルフェース型やテーパフェース型はシンプルでしたが、アンダカット型は何らかの工夫が施されている感じの形状に見えますね

コンプレッションリング「アンダカット型」 図4 コンプレッションリング「アンダカット型」

 アンダカット型は、吸気行程のときは図4のように傾くことでテーパフェース型ピストンリング同様の形状(テーパ形状)となり、エンジンオイルをかき落としやすくします

 また燃焼行程のときは、高圧が加わることで図5のようにシリンダに強い面圧で密着します。

強い面圧で密着 図5 強い面圧で密着

 リング下部をカットすることで、シリンダに接触する面積を減らし面圧を高めています(オイル上がりを防止)。また、それによってシリンダへの伝熱面積が狭いというデメリットも付いてきます。そのため、熱による影響が比較的少ないセカンドリングによく採用されています

 このようにコンプレッションリングには、圧縮圧力などをうまく利用することで、ピストンリングとしての最適な役割分担をさせるためのさまざまな工夫が施されています。

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