JP2001342894A - エンジンのピストン組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンのデッドボリュームを低減すると共
に、シール性が良く、摺動抵抗の小さいピストン組立体
を提供すること。 【解決手段】 ピストン１０の頂面１０ｂからピストン
１０の下方及び、ピストン１０の外径よりも縮径して段
状に形成された環状溝部１２と、環状溝部１２を構成す
る頂面１０ｂと平行に形成された底面１３及び、底面１
３と直角に交わる側壁面１４で構成される角部に、ピス
トン１０の下方及びピストン１０の外径よりも縮径する
側に向かって設けられる斜め溝部１５とを備えてなるピ
ストンリング溝２０と、斜め溝部１５に嵌合する挿入部
２２と、底面１３に沿ってピストン１０の外径方向に突
出して形成され、底面１３及び側壁面１４を覆うように
設けられるシール部２１とを備えてなるピストンリング
２０とで構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンのピスト
ン組立体に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンのピストン本体のランド部の外
周には、一般的に、ピストンのランド部からピストンの
スカート部へ向かって、少なくとも１本のコンプレッシ
ョンリング、及び、１本のオイルリングが取り付けられ
る。コンプレッションリングは、主としてピストンとシ
リンダボアとの隙間（クリアランス）を塞ぎ、圧縮ガス
や高圧燃焼ガスが燃焼室からクランク室へと洩れるガス
（ブローバイガス）の量を低減する。また、オイルリン
グは、コンプレッションリングの機能上必要な量以上の
潤滑油をシリンダボアの壁面から掻き落とし、潤滑油の
消費量を低減する。

【０００３】一般的に、コンプレッションリングはピス
トンのランド部の頂面よりも下方に設けられているた
め、コンプレッションリングと、ピストンの外周面と、
シリンダボアの壁面とで区画され、燃焼室に露呈される
隙間（デッドボリューム）がどうしても形成される。こ
のデッドボリュームは、エンジンの燃焼室で行われる燃
焼に何らの効果を及ぼさないだけでなく、圧縮比の低下
や、侵入した未燃ガスが燃焼せずに滞留し続けることに
よってスモークの発生などを引き起こし、好ましくな
い。

【０００４】そのため、このデッドボリュームを低減さ
せるために、特開平７−１５８７３５号公報（第１の従
来技術という）には、シリンダ面に沿ってピストンの頂
面位置まで延びるピストンリングの円周部分の外周面の
内、上部側をシリンダ面に向かって突出して形成したも
のが開示されている。

【０００５】また、特開平１０−２１３００７号公報
（第２の従来技術という）には、ピストンの径方向に縮
径された嵌合部及び、嵌合部の外周端とピストン頂面と
を連通する切り欠き部とからなるピストンリング溝と、
嵌合部に嵌合する本体部及び、本体部の外周から突出さ
せられ切り欠き部を覆うように配設される突出部を有す
るＣＣコンポジットで構成されたピストンリングとを備
えたピストンが開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来技術では、
ピストンリングがピストンリング溝に嵌入する部分から
ピストンの頂面までシリンダ面に沿って延びる円周部分
を設けることでデッドボリュームを低減し、円周部分の
上部側をシリンダ面に向かって突出させることでシール
性を向上させている。しかしながら、この円周部分の機
械的強度が低くなり、圧縮行程時の圧縮ガスや、膨張行
程時（燃焼時）の燃焼ガスの圧力、ピストンの上下方向
への運動などによってピストンリングの折損が起こる可
能性が大きく、ピストンリングの耐久性が低下するとい
う問題がある。

【０００７】また、第２の従来技術では、本体部及び突
出部からなる断面略Ｌ字型に形成され、ＣＣコンポジッ
トで構成されたピストンリングを用いることによって、
デッドボリュームを低減している。しかしながら、ピス
トンリングの断面形状を略Ｌ字型に形成することによっ
て、ピストンリングとシリンダボアとの間の摺接面が増
加し、ピストンリングのシリンダボアへの追従性が悪化
すると共に、リングの質量は一般的なピストンリングに
比較して増加する。また、ＣＣコンポジットなどの自己
潤滑性のある材料を使用しても、シリンダボアへ接触す
る面積が増加するためリングとボアの間の摺動抵抗は増
加するので、エンジンのフリクションが増加することは
避けられない。また、ＣＣコンポジットは特殊な材料で
あるためコストがかかり、好ましくないという問題があ
る。

【０００８】それゆえ、本発明は、ピストンのデッドボ
リュームを低減すると共に、シール性が良く、摺動抵抗
の小さいピストンとピストンリングを提供することを、
その課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために請求項１の発明にて講じた技術的手段は、ピスト
ン外周に形成されるピストンリング溝にピストンリング
が嵌入されてなるピストン組立体において，前記ピスト
ンリング溝を、前記ピストンの頂面の外周縁部に円環状
に形成され、前記ピストンの頂面側を向く底面を有する
環状溝部と、該環状溝部の前記底面の前記ピストンの径
方向内方部分から前記ピストンの軸心に向け斜め下方、
且つ前記ピストンの軸心の回りに周方向に延在するよう
に形成された斜め溝部とから構成すると共に、前記ピス
トンリングを、その外周縁部が前記ピストンの外周から
突出するように円環状に形成されて前記環状溝に嵌入さ
れるシール部と、該シール部の前記ピストンの径方向内
方部分から前記ピストンの軸心に向かって斜め下方、且
つ前記ピストンの軸心の回りに周方向に延在するように
形成され、前記斜め溝部に嵌入される挿入部とから構成
したことである。

【００１０】上記した手段によれば、ピストンの外径方
向に突出して形成され、ピストンリング溝の底面及び側
壁面を覆うように設けられるシール部を備えてなるピス
トンリングとしたことによって、ピストンと、シリンダ
ボアと、ピストンリングとで区画されるデッドボリュー
ムを非常に小さくすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明に従った実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１２】図１、図２において、ピストン１０の上部
には、ピストン１０の頂面１０ｂから図示下方向に向か
って設けられた底面１３及び、ピストン１０の外径より
も縮径して形成される側壁面１４から構成される環状溝
部１２と、底面１３及び側壁面１４が交わる角部からピ
ストン１０の下方及び縮径する側に向かって斜めに設け
られる斜め溝部１５とから構成されるピストンリング溝
１１が設けられている。

【００１３】斜め溝部１５によって側壁面１４の一部は
切りかかれ、ピストン１０の外径方向に突出する突部１
０ａが形成されている。

【００１４】ピストンリング２０は、ピストン１０の上
方の端面である頂面１０ｂと同一の平面となるように形
成されるシール部２１と、ピストン１０の下方と、ピス
トン１０の縮径する側へ向かって斜めに設けられている
挿入部２２とから構成されている。ピストンリング２０
の挿入部２２がピストンリング溝１１の斜め溝部１５に
挿入されると、ピストン１０の外径方向に突出して設け
られた突部１０ａによってピストンリング２０は図示上
下方向に脱着不能に取り付けられる。また、シール部２
１はピストンリング溝１１の底面１３と当接し、ピスト
ン１０とシリンダボア５０との間に設けられるクリアラ
ンスに突出するピストンリング２０の長さは、従来のピ
ストンリングがクリアランスに突出する長さと同等にな
るように形成されている。

【００１５】ここで、図１〜図５を用いて本発明のピス
トンリングにピストンの運動と、ガスによる圧力が作用
した場合について説明する。

【００１６】上記したように、ピストン１０とシリンダ
ボア５０との間のクリアランスは、ピストンリング２０
とシリンダボア５０の壁面に付着した潤滑油によってシ
ールされている。

【００１７】まず、ピストンが図示下方向に運動する場
合、即ちエンジンの燃焼行程と、吸気行程の場合につい
て図１〜図４を用いて説明する。

【００１８】エンジンの燃焼行程において発生した燃焼
ガスによる圧力は、ピストン１０の頂面１０ｂの全体に
ピストン１０の上方から下方に向かって加わる。する
と、ピストンリング２０、特にシール部２１には図示下
方向の底面１３へ押し付けようとする力Ａと、シリンダ
ボア５０に付着する潤滑油の粘性によって図示上方向に
動かそうとする力Ｂとが働く。このとき、力Ａと力Ｂの
大きさはＡ＞Ｂとなるので、ピストンリング２０には力
Ａと力Ｂのベクトル和である力Ｃが、ピストン１０の下
方へ向かってピストンリング２０に加えられることにな
る。

【００１９】この力Ｃによって、ピストンリング２０の
シール部２１の大部分はピストンリング溝１１の底面１
３に押し付けられるのでピストンリング２０を折り曲げ
ようとする力としては働かない。しかし、ピストン１０
の外径からシリンダボア５０に向けて突出して設けられ
たシール部２１の外端には、燃焼ガスによってピストン
リング２０を曲げようとする力が加わる。

【００２０】従来のピストンリングにおいて、ピストン
とシリンダボアとの間に設けられているクリアランスに
ピストンリングが突出している部分には、このような力
が加わるので、本発明のピストンリング２０において
も、ピストン１０とシリンダボア５０との間に設けられ
ているクリアランスにピストンリング２０が突出してい
る部分の長さが従来のピストンリングがクリアランスに
突出する長さと同等であれば、ピストンリングがクリア
ランスに突出している部分に加わる荷重は従来のものと
変わらないため問題は無い。

【００２１】また、ピストンリング２０がクリアランス
に突出している部分以外のピストンリング２０に荷重が
加わっても、底面１３がピストンリング２０の受け面と
して機能するのでピストンリング２０の耐久性や、強度
の面において問題が起こることはない。

【００２２】また、ピストンリング２０の挿入部２２
は、ピストン１０の下方及び縮径する側に向かって設け
られた斜め溝部１５の下方の斜め面１５ａに押し付けら
れる。すると、図示下方向に加わる力、即ち、力Ｃは、
この下方の斜め面１５ａによって力の加わる方向が変え
られ、下方の斜め面１５ａに対して直角に働く力Ｄと、
下方の斜め面１５ａに対して水平に働く力Ｆとなる。こ
の力Ｆは、ピストンリング２０をピストン１０の内径方
向に向かって縮径する側に移動させようとするが、シー
ル部２１に加わる力Ｃによる摩擦力により、それ以上ピ
ストンリング２０が縮径するのを防止でき、シール性を
低下させることはない。

【００２３】また、吸気行程の場合は、図４に示すよう
にピストン１０の図示下方向への運動によって、燃焼室
３０内に供給されるガスから受ける力Ａ’はほとんどな
い。このため、ピストンリング２０とピストンリング溝
１１に働く力は、シリンダボア５０の壁面の潤滑油の粘
性によるピストン１０の上方への力Ｂ’となる。力Ｂ’
は、ピストンリング２０から、斜め溝部１５の上方の斜
め面１５ｂに加わって、力の方向が変えられ、斜め面１
５ｂに対して直角に働く力Ｄ’と、斜め面１５ｂに対し
て水平に働く力Ｆ’となる。この力Ｆ’によって、ピス
トンリング２０はピストン１０の外径に拡径する側に向
かって移動される。この力によって、ピストンリング２
０の張力を増加させることができる。これによって、ピ
ストンリング２０の気密性を向上させ、吸気行程中にシ
ール（ピストンリング）からの吸入ガスの吹き抜けを防
止することができるので、エンジンの性能の向上を図る
ことができ、有利である。

【００２４】次に、ピストン１０がピストン１０の図示
上方向に運動する場合、即ち圧縮行程または、排気行程
の場合について図１、図２、図５を用いて説明する。

【００２５】エンジンの圧縮行程において、燃焼室３０
内に供給されたガスはピストン１０の頂面１０ａによっ
て圧縮される。すると、ピストンリング２０にはピスト
ンリング溝１１の底面１３から図示上方向へ加わる力Ｇ
と、燃焼室内のガスから受ける図示下方向へピストンリ
ング２０を押し付けようとする力Ｈと、シリンダボア５
０に付着する潤滑油の粘性によってピストンリング２０
を図示下方向へと動かそうとする力Ｊとが加わる。この
ため、ピストンリング２０には力Ｇと、力Ｈと力Ｊのベ
クトル和である図示上方向へ働く力Ｋが加わることにな
る。

【００２６】すると、ピストンリング２０の挿入部２２
はピストン１０の下方及び縮径する側に向かって設けら
れた斜め溝部１５の下方の斜め面１５ａから力Ｋを受け
る。この力Ｋは、下方の斜め面１５ａによってその力が
加わる方向が変えられ、下方の斜め面１５ａに対して直
角方向に加わる力Ｌと、水平方向にピストンの外径に拡
径する側に向かって加わる力Ｍとなる。この力Ｍによっ
て、ピストンリング２０はピストン１０の外径方向に向
かって拡径する側に移動し、ピストンリング２０の張力
を増加させることができる。これによって、ピストンリ
ング２０の気密性を向上させ、圧縮行程中にシール（ピ
ストンリング）からの圧縮ガスの吹き抜けを防止するこ
とができるので、エンジンの性能の向上を図ることがで
き、有利である。

【００２７】排気行程の場合には、力Ｈが燃焼室３０内
の圧縮されたガスではなく図示しない排気装置へ排気さ
れる燃焼ガスによって発生することと、ピストン１０の
運動に伴って燃焼ガスが燃焼室３０に排出されることで
燃焼ガスによる圧力が徐々に小さくなること以外は上記
した圧縮行程の場合と同様となる。

【００２８】上記したように、本実施形態においては、
ピストンリング２０のシール面をピストン１０の頂面１
０ｂ付近に構成することができるので、ピストン１０
と、ピストンリング２０と、シリンダボア５０とで区画
されるデッドボリュームは、ピストン１０とピストンリ
ング２０の間の取り付けガタによって生じる隙間程度と
なり、有利である。

【００２９】しかも、シリンダボア５０と摺接する部分
の面積は従来のピストンリングと同等の面積にすること
ができるので、エンジンのフリクションの増加を招くこ
とがなく、有利である。

【００３０】また、ピストンリング溝１１の斜め溝部１
５によって形成されるピストン１０の外径方向に突出し
て設けられている突部１０ａと、ピストンリング２０の
挿入部２２の斜め面とにより、ピストンリング２０をピ
ストンリング溝１１にピストン１０の運動方向に対して
保持することができる。

【００３１】加えて、ピストン１０の上方へ移動する場
合に、その力がピストンリング２０の挿入部２２とピス
トンリング溝１１の斜め溝部１５に作用することによっ
てピストンリング２０をピストン１０の外径方向に向か
って拡径する側に移動させるように働く。これによっ
て、ピストンリング２０の張力を増大させることができ
るのでピストンリング２０のシール性を向上させ、エン
ジンの性能向上を図ることができ、有利である。

【００３２】加えて、ピストンリング２０の底面１３に
よってピストンリング２０に加わるピストン１０の下方
への荷重をピストンリング溝１１の底面１３で保持する
ことができ、有利である。

【００３３】

【発明の効果】以上の如く、請求項１の発明によれば、
ピストンリングのシール面をピストンの頂面付近に構成
することができるので、ピストンと、ピストンリング
と、シリンダボアとで区画されるデッドボリュームは、
ピストンとピストンリングの間の取り付けガタによって
生じる隙間程度となり、その容積を著しく低減すること
ができる。これによって、未燃ガスの侵入する空間を減
らすことができ、エンジンの圧縮比の向上によるエンジ
ンの出力性能の向上や、エミッションの向上を図ること
ができる。

【００３４】また、ピストンリングのシール部が、ピス
トンリング溝の底面と当接することによって、ピストン
リングをピストンリング溝の底面によって支持すること
ができるため、ピストンリングの耐久性を良好に維持す
ることができる。

【００３５】加えて、ピストンが上方に運動する場合に
はピストンリングの保持部とピストンリング溝の斜め溝
部によって、ピストンリングを拡径しようとする力が加
わるのでピストンリングに加わる張力を増大させること
ができ、ピストンリングのシール性を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の組みつけ状態を示す要部
断面図である。

【図２】本発明の実施の形態を示すピストンの要部断面
図である。

【図３】エンジンが膨張行程にある場合のピストンリン
グに加わる力を示すピストンの要部断面図である。

【図４】エンジンが吸気行程にある場合のピストンリン
グに加わる力を示すピストンの要部断面図である。

【図５】エンジンが圧縮行程または排気行程にある場合
のピストンリングに加わる力を示すピストンの要部断面
図である。

【符号の説明】

１０ ピストン １０ａ 突部 １０ｂ 頂面 １１ ピストンリング溝 １２ 環状溝部 １３ 底面 １４ 側壁面 １５ 斜め溝部 １５ａ、１５ｂ 斜め面 ２０ ピストンリング ２１ シール部 ２２ 挿入部 ３０ 燃焼室 ４０ シリンダヘッド ５０ シリンダボア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 欽也 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 Ｆターム(参考） 3J044 AA14 BC06 CA06 CB01 CC14 DA09

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン外周に形成されるピストンリン
   グ溝にピストンリングが嵌入されて成るピストン組立体
   において，前記ピストンリング溝を、前記ピストンの頂
   面の外周縁部に円環状に形成され、前記ピストンの頂面
   側を向く底面を有する環状溝部と、該環状溝部の前記底
   面の前記ピストンの径方向内方部分から前記ピストンの
   軸心に向け斜め下方、且つ前記ピストンの軸心の回りに
   周方向に延在するように形成された斜め溝部とから構成
   すると共に、前記ピストンリングを、その外周縁部が前
   記ピストンの外周から突出するように円環状に形成され
   て前記環状溝に嵌入されるシール部と、該シール部の前
   記ピストンの径方向内方部分から前記ピストンの軸心に
   向かって斜め下方、且つ前記ピストンの軸心の回りに周
   方向に延在するように形成され、前記斜め溝部に嵌入さ
   れる挿入部とから構成したことを特徴とするエンジンの
   ピストン組立体。