ピストンの潤滑とは?シリンダーとの間に油膜を作りピストンの往復運動を保護【バイク用語辞典:潤滑編】

■3本のピストンリングで燃焼ガスをシールして、シリンダー間の潤滑を行う

●ピストンの焼き付きを防止するためには、ピストンの熱の放出と油膜の保持が必須条件

ピストンとピストンリングは、シリンダー内の高温高圧の中を高速で往復運動を繰り返します。この厳しい条件下でエンジンオイルは、耐久信頼性を確保するためにピストンとシリンダー壁面の間に、適正な油膜を形成するという重要な役目を担っています。

ピストンとピストンリング、シリンダーそれぞれの役割について、解説していきます。

●ピストンの構造

ピストンは、燃焼によって発生する爆発力を頂面(トップ)で受けて、コンロッドを介してクランクシャフトの回転力に伝えるのが役目です。高温高圧下で高速の往復運動を繰り返すので、ピストンには高強度と耐熱性、さらに軽量化が求められるため、材料としてアルミ合金が使われます。

ピストンの構造
ピストンの構造

ピストンの頂面は、直接燃焼の火炎に触れるので熱膨張を考慮して設計されます。温度が上昇する頂面部の外径は、下部(スカート)よりも外径を小さく設定します。

シリンダーとの摺動面には摩擦熱が発生するので、エンジンオイルをシリンダー内壁に供給して油膜を形成します。油膜を保持するため、ピストンの表面には微細な溝を設けるスジ加工が採用されています。

●ピストンリングの役割

ピストンリングの構造
ピストンリングの構造

ピストンだけでは燃焼圧のシールや油膜を形成するのは困難なので、3本のピストンリングがそれらの役目を担います。ピストンリングは、通常上からトップ(コンプレッション)リング、セカンド(コンプレッション)リング、オイルリングで構成されます。ピストンリングは硬くて摩耗しない、シリンダー壁も摩耗させないようにクロムメッキが施されています。

トップリングとセカンドリングの役割は、以下の通りです。

・燃焼ガスをピストンとシリンダー間の隙間から漏らさずにシール
燃焼ガスが漏れると熱効率が下がり、出力や燃費が悪化します。一方でシール性を高めるために、リング張力を強化すると、フリクションが大きくなり燃費が悪化します。

・ピストンが受けた熱をシリンダー壁へ、最終的にはウォータージャケットへ放熱
ピストンの放熱が不十分だと、ピストンとリングが過昇温して亀裂やリング固着が発生します。

セカンドリングとオイルリングの役割は、以下の通りです。

・ピストンとシリンダー壁面の油膜厚さを適正に保って、潤滑状態を制御
潤滑のためのオイルが少な過ぎるとシリンダー表面が傷つき、最悪の場合は焼き付きが発生します。多すぎると燃焼室にオイルが取り込まれ(オイル上がり)、燃焼して排出ガス中のHCが増大します。

オイルリングが、ピストンリングのフリクションの大部分を占めます。ただし、フリクションを低減するために張力を弱めると、オイル消費が増大するので両者のバランスを取ることが重要です。

●シリンダーの構造

シリンダーの構造
シリンダーの構造

バイク用エンジンのシリンダーも、軽量化のためにアルミ合金が使われています。ただし、アルミは強度が高くないので、ピストンとピストンリングが高速で摺動するシリンダーの内面(ライナー)には、鋳鉄製のスリーブが挿入されます。

高温高圧に晒されながらピストンによる高速の摺動に耐えるには、シリンダー内壁には適正な油膜の保持が不可欠です。そのため、ピストン同様シリンダー内壁にも微細な溝が設けられています。

もし何らかの不具合で油膜が切れると、摩擦熱によってシリンダー内壁とピストン側面は激しく損傷します。その後、ピストンがシリンダーに溶着する「焼き付き」が発生して、エンジンは急停止します。


エンジン部品の中でも、ピストンとピストンリング、シリンダーは最も厳しい環境で使われるので、高い耐久信頼性が要求されます。一方で、フリクションによって燃費と性能に大きな影響を与える非常に重要な部品です。

(Mr.ソラン)

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