JP2002139151A

JP2002139151A - 組み合わせ１本リング構成のピストン装置

Info

Publication number: JP2002139151A
Application number: JP2000336463A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Furuhama; 庄一古浜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスシール性能およびオイルシール性能を両
立でき、特に、潤滑油の消費量を抑制可能な組み合わせ
１本リング構成のピストン装置を提供する。【解決手段】ピストンリング溝に外周側から順に外側
リング、内側リング、エキスパンダを組み合わせてなる
ピストンリングを装着し、シリンダー内で往復移動する
ピストン装置において、外側リングには、内周面の上側
円周縁に傾斜面を設けると共に外周面にシリンダー壁面
と接触するすべり面および下面にリング溝下側面と面接
触する面を設け、さらに内側リングには、外周面の下側
円周縁に外側リングの傾斜面と互いに面接触するように
した傾斜面を設けると共に、内周面に前記エキスパンダ
と接触する面および上面にリング溝上側面と面接触する
面を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、唯一のピストンリ
ングをリング溝に装着し、シリンダ内で往復移動する内
燃機関のピストン装置に関し、特に、潤滑油の消費量を
少なくできる組み合わせ１本リング構成のピストン装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の４サイクルエンジンのピストン装
置には、図６および図７の要部縦断面図に例示するよう
なピストン100 、200 が通常使用されている。３つのリ
ング溝を有する３本リング構成のピストン100 には、図
６に示すように、トップリング溝１、セカンドリング溝
２、オイルリング溝３がピストン上部から順にピストン
頭部の外周部に設けてあり、トップランド４、セカンド
ランド５、サードランド６がピストン上部からこの順に
形成してある。

【０００３】このピストン100 は、リング溝１、２、３
にそれぞれ図示しないトップリング、セカンドリングお
よびオイルリングを装着して、内燃機関のシリンダー内
で往復移動するピストン装置として用いる。一方、２つ
のリング溝を有する２本リング構成のピストン200 に
は、図７に示すように、トップリング溝１、オイルリン
グ溝３がピストン上部からこの順にピストン頭部の外周
部に設けてあり、トップランド４、およびセカンドラン
ド５がそれぞれ形成されており、ピストン200 はリング
溝１、３にそれぞれ図示しないトップリングおよびオイ
ルリングを装着することにより内燃機関のシリンダー内
で往復移動するピストン装置として用いる。

【０００４】なお、８はピストンのスカート部、９はピ
ストン頂面であり、107 、207 はピストンに設けてある
外周部からピストン内部に貫通するオイル逃し孔であ
る。オイル逃し孔107 、207 は、エンジンを運転した
際、ピストンの下降行程でオイルリングで掻き落とした
潤滑油をクランク室のオイルパンに戻すための孔であ
る。ピストン装置に装着されたピストンリングのうち、
オイルリングの主たる役割は、ピストンの下降行程でシ
リンダ壁面に付着した潤滑油を掻き落とし、ピストンと
シリンダ壁面間の潤滑油量を適切にコントロールするこ
とであり、また、ピストン装置に装着されたトップリン
グ、セカンドリングの主たる役割は、燃焼ガスの漏れを
防止すること、およびピストン頂部に受けた熱量をシリ
ンダー壁面に伝熱することである。

【０００５】２本リング構成のピストン装置では、セカ
ンドリングを装着していないので、この役割を補うため
に２本リング構成の各リングには３本リング構成の各リ
ングより各部に高精度が要求されることになる。また、
２本リング構成のピストン装置では、３本リング構成の
ピストン装置よりピストンリングが１本少ないので、ピ
ストンリングの摺動抵抗による摩擦損失を減少可能であ
るとともに、ピストン頂面とスカート部８との間隔を短
縮でき、この間のピストン頭部質量が軽くなることによ
り、クランク周りの摩擦損失を低減可能である。

【０００６】そこで、内燃機関のピストン装置におい
て、ガスシール性能やオイルコントロール性能を損なわ
ずに、ピストンリングの装着数を１本にできれば、ピス
トンリングの摺動抵抗による摩擦損失およびピストン軽
量化による摩擦損失の減少により、燃費が改善できるこ
とになる。たとえば、唯一のピストンリングをピストン
に設けられたリング溝に装着した１本リング構成のピス
トン装置が特開平6-147005号公報に開示されている。

【０００７】特開平6-147005号公報に記載された１本リ
ング構成のピストン装置は、図８に示すように、ピスト
ン300 頭部の外周に沿って唯一のトップリング溝１を設
けるとともに、セカンドランド５とスカート部８間にオ
イル溜まり溝301 およびオイル逃し孔307 を設け、トッ
プリング溝１にピストンリング302 を装着したものであ
る。

【０００８】しかしながら、特開平6-147005号公報に記
載されているピストン装置では、セカンドランド５とス
カート部８間にオイル溜まり溝301 を設ける必要がある
うえに、ピストンリング302 によるオイルシール性能が
不十分であり、３本リング構成のピストン装置より潤滑
油の消費量が増大するという問題点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、従来技術の１本リング構成のピストン装置における
上記問題点を解消することにあり、ガスシール性能およ
びオイルシール性能を両立でき、特に、潤滑油の消費量
を抑制可能な組み合わせ１本リング構成のピストン装置
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、唯一のピスト
ンリング溝をピストン頭部の外周部に設けると共に、前
記ピストンリング溝に外周側から順に外側リング、内側
リング、エキスパンダを組み合わせてなるピストンリン
グを装着し、シリンダー内で往復移動するピストン装置
において、前記外側リングには、内周面の上側円周縁に
傾斜面を設けると共に外周面にシリンダー壁面と接触す
るすべり面および下面にリング溝下側面と面接触する面
を設け、さらに前記内側リングには、外周面の下側円周
縁に前記外側リングの傾斜面と互いに面接触するように
した傾斜面を設けると共に、内周面に前記エキスパンダ
と接触する面および上面にリング溝上側面と面接触する
面を設けたことを特徴とする組み合わせ１本リング構成
のピストン装置である。

【００１１】また、前記すべり面を縦断面で見てラウン
ド形状またはテーパー形状とすることが好ましい。ま
た、前記外側リングに設ける合い口の上部側開口部の下
方および下部側開口部の上方には前記外側リングをステ
ップ状に切り離した周方向に沿う端面がそれぞれ存在す
るように前記外側リングに設ける合い口の上部側開口部
および下部側開口部の周方向位置を互いにずらせること
が好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係る組み合わせ１本リン
グ構成のピストン装置について、図１〜図３を用いて詳
細に説明する。図１は、本発明に用いるピストンの要部
縦断面図であり、図２は、本発明に係るトップリング溝
にピストンリングを装着したピストン装置の要部縦断面
図である。また、図３は本発明に係るピストン装置の作
用を説明する要部の縦断面図である。

【００１３】本発明に係る組み合わせ１本リング構成の
ピストン装置は、図１に示すように、唯一のピストンリ
ング溝１をピストン10頭部の外周部に設けるとともに、
ピストンリング22をピストンリング溝１に装着し、シリ
ンダー内で往復移動するものである。図１で、４はトッ
プランド、８はスカート部であり、トップリング溝１は
トップランド４とスカート部８間に設けてある。

【００１４】21はシリンダ壁面である。本発明に用いる
ピストンリング22は、図２に示すように、外周側から順
に外側リング23、内側リング24およびエキスパンダを組
み合わせたものである。外側リング23には、内周面の上
側円周縁に傾斜面23A を設けると共に、外周面にシリン
ダー壁面21と接触するすべり面23B および下面にリング
溝下側面1Bと面接触する面23C を設けてある。

【００１５】内側リング24には、外周面の下側円周縁に
外側リング23の傾斜面23A と互いに面接触するようにし
た傾斜面24A を設けると共に、内周面にエキスパンダと
接触する面24B および上面にリング溝上側面1Aと面接触
する面24C を設けてある。そして、最内周側にはエキス
パンダとして板バネ25が設けられているここで、本発明
に用いる外側リング23は、そのａ₁寸法を外側リング幅
ｈ₁に対して、ｈ₁／ａ₁が1.0 〜1.5 の範囲となるよ
うに、ａ₁寸法を小さくし、シリンダー壁面に対する追
随性能を向上させてある。

【００１６】外側リング23、内側リング24の材質として
はねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、鋼、耐熱樹脂あるいは
これらの組み合わせのもの等を用いることができる。図
２では、エキスパンダとして板バネ25を示しているが、
エキスパンダとしてコイルバネを用いてもよく、エキス
パンダの材質はとしては、硬鋼線材、ピアノ線材、バネ
用線材等を用いることができる。

【００１７】エキスパンダは、図３に示すように、外側
リング23に設けたすべり面23B をシリンダー壁面21に押
し付けるバネ力Ｆを有しており、バネ力Ｆを内側リング
24を介して外側リング23に作用させている。その際、内
側リング24と外側リング23とは、互いに傾斜面24A 、傾
斜面23A で面接触しているので、バネ力Ｆは、内側リン
グ24をリング溝上側面1Aに押し付けるように作用し、か
つ外側リング23をリング溝下側面1Bに押し付けるように
作用する。

【００１８】また、互いに面接触している傾斜面24A 、
傾斜面23A における、バネ力Ｆの作用方向と傾斜面の法
線とのなす角θは、エキスパンダのバネ力Ｆおよび外側
リング23に作用する最大慣性力Ｉとの関係から、エンジ
ンが高速で回転した場合でも、外側リング23に設けた面
23C がリング溝下側面1Bから離れて浮き上がらないだけ
の最大慣性力I に打ち勝つ力Ｉ’を作用できるように設
定してある。

【００１９】このようなバネ力Ｆの作用方向と傾斜面の
法線とのなす角θを有する傾斜面24A 、傾斜面23A を設
けた内側リング24、外側リング23とすることにより、エ
ンジンが高速で回転した場合でも、常時、外側リング23
に設けた面23C をリング溝下側面1Bに面接触させること
ができる。この結果、エンジンが高速で回転した場合で
も、常時、外側リング23に設けた面23C をリング溝下側
面1Bに面接触させることができるので、リング下方から
リング溝１内に侵入する潤滑油上がりを防止でき、かつ
ガスを確実にシールすることができると共に、外側リン
グ23はａ₁寸法を小さくし、シリンダー壁面に対する追
随性能を向上させてあるから、外側リング23に設けたす
べり面23B をシリンダー壁面に接触させることができる
ので、シリンダー壁面に付着している潤滑油を確実に掻
き落とすことができる。

【００２０】また、エンジンが高速で回転した場合で
も、常時、内側リング24に設けた面24C をリング溝上側
面1Aに面接触させることができるので、リング上方のト
ップランド４に潤滑油が上がるのを防止できるのであ
る。エンジンが高速で回転した場合、常に、内側リング
24に設けた上面24C をリング溝上側面1Aに面接触させる
ことができるのは、板バネ25により押圧しているからで
ある。

【００２１】そこで、本発明に係る組み合わせ１本リン
グ構成のピストン装置では、ガスシール性能およびオイ
ルシール性能を両立でき、特に、潤滑油の消費量を抑制
可能である。なお、図３では、傾斜面24A と互いに面接
触する傾斜面23A 間の摩擦力を無視できて、外側リング
23にもバネ力Ｆが作用するとした場合を示してあるが、
この場合には、バネ力Ｆの作用方向と傾斜面の法線との
なす角θが式（１）を満足するように、バネ力Ｆの作用
方向と傾斜面の法線とのなす角θを設定するようにすれ
ばよい。

【００２２】 θ＞tan ^-1（Ｉ／Ｆ）・・・・・・・（１）また、外周面形状は図４に示すように、外側リング26の
すべり面26B を縦断面で見てテーパー形状としてもよ
い。また、本発明では、本発明に用いる外側リング23に
設ける合い口の上部側開口部の下方および下部側開口部
の上方には、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、外
側リング23をステップ状に切り離した周方向に沿う端面
がそれぞれ存在するように、合い口の上部側開口部およ
び下部側開口部の周方向位置を互いにずらせることが好
ましい。

【００２３】このようにするのは、合い口の上部側開口
部の下方および下部側開口部の上方には、図５（ｂ）に
示すように、外側リング23をステップ状に切り離した端
面がそれぞれ存在するので、ピストン下降行程で合い口
を通って潤滑油がリング上方へ上がることを防止でき、
一段と潤滑油の消費量を抑制できるからである。なお、
図５（ｂ）で、上部側開口部および下部側開口部の最小
間隔Ｓ₁は合い口すきまであり、本発明に用いる外側リ
ング23では、ステップ状に切り離した周方向に沿う端面
の長さ寸法は、合い口すきまＳ₁よりも長くなるように
してある。

【００２４】ここで、本発明に用いる図４に示すような
外側リング26においては、図５（ａ）、図５（ｂ）に示
したのと同じステップ状に切り離した端面を設けるよう
することができ、この場合、シール性が更に向上する。
また、以上説明した本発明のピストン装置では、ピスト
ン頭部の質量を軽減しすることに重点をおいたたので、
図８に示すようなオイル溜まり溝301 およびセカンドラ
ンド５を設けていないが、エンジンの要求特性によって
はオイル溜まり溝およびセカンドランドを設けることも
できる。

【００２５】

【実施例】図１に示すトップリング溝に外周側から順に
外側リング、内側リング、エキスパンダを組み合わせて
なるピストンリングを装着し、シリンダー内で往復移動
させることにより、各種運転条件で燃費、潤滑油の消費
量およびブローバイガス量を調査した。

【００２６】なお、発明例では、ボア径を83mmとし、図
８に示すセカンドランド５およびオイル溜まり溝301 を
省略したので、図１に示すような１本リング構成のピス
トン装置においてピストン頂面からスカート部上端まで
の高さを8.5mm にすることができた。また、ピストンリ
ングに用いるエキスパンダのバネ力Ｆを0.25×9.8 N/cm
とし、３本リング構成のピストン装置におけるオイルリ
ングと同じ程度とするとともに、用いる外側リングとし
ては、厚みａ₁寸法を1.6mm 、リング幅ｈ₁を1.5mmと
し、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す合い口形状を設け
た。

【００２７】さらにまた、エンジンの回転数が6000rpm
のときの外側リングに作用する最大慣性力Ｉは0.33×9.
8 N/cmであったので、式（１）より、バネ力Ｆの作用方
向と傾斜面の法線とのなす角θは53°を超えればよいの
で、発明例では、θを53°とした傾斜面24A と互いに面
接触する傾斜面23A とした。図１には、図示を省略した
がオイル逃し孔は孔の中心がリング溝下面から1.5〜2.0
mm下方の位置で、径が1.5 〜2.0 mmのものを周方向に1
2個、ピストン内面に貫通するように設けた。

【００２８】従来例としては、ボア径が83mm、ピストン
頂面からスカート部上端までの高さが17.5mmの３本リン
グ構成のピストン装置を用い、各リング溝に対応ピスト
ンリングを所定の張力で装着し、その他の条件は発明例
と同様として燃費、潤滑油の消費量およびブローバイガ
ス量を調査した。この結果、発明例のピストン装置で
は、従来の３本リング構成のピストン装置に比較して、
ブローバイガス量は同程度であったが、潤滑油の消費量
が２％改善された。

【００２９】また、発明例のピストン装置ではピストン
頭部の質量を減少できたので、従来の３本リング構成の
ピストン装置より燃費を２％低減できた。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、エンジンが高速で回転
した場合でも、常に、外側リングの面をリング溝下側面
に接触させることができると共に、内側リングの面をリ
ング溝上側面に接触させることができ、かつ外側リング
をシリンダ壁面に追随させることができる。

【００３１】この結果、ガスシール性およびオイルコン
トロール性が良好で、潤滑油の消費量を少なくし、かつ
燃費を低減させた１本リング構成のピストン装置が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に用いるピストンの要部縦断面図
である。

【図２】図２は本発明に係るトップリング溝にピストン
リングを装着したピストン装置の要部縦断面図である。

【図３】図３は本発明に係るピストン装置の作用を説明
する要部の縦断面図である。

【図４】図４は本発明に係るピストン装置の他の例を示
す要部の縦断面図である。

【図５】図５（ａ）は本発明に用いて好適な外側リング
の合い口形状を示す要部の縦断面図、図５（ｂ）は同じ
く部分正面図である。

【図６】図６は従来例の３つのリング溝を有するピスト
ンの要部縦断面図である。

【図７】図７は従来例の２つのリング溝を有するピスト
ンの要部縦断面図である。

【図８】図８は従来例の１本リング構成のピストン装置
の要部縦断面図である。

【符号の説明】

10、100 、200 、300 ピストン１ピストンリング溝４トップランド８スカート部 21 シリンダ壁面 22 ピストンリング 23、26 外側リング 24 内側リング 25 板バネ（エキスパンダ） 23A 、24A 傾斜面 23B ,26B すべり面 23C 、24B 、24C 面ａ₁外側リングの厚み（ａ₁寸法）ｈ₁外側リングの幅Ｒすべり面の上下方向曲率半径Ｆバネ力 θ バネ力の作用方向と傾斜面の法線とがなす角Ｉ外側リングの最大慣性力Ｉ’I に打ち勝つ力ｈ_C 当たり幅 α すべり面のテーパー角度Ｓ₁ 合い口すきま

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】唯一のピストンリング溝をピストン頭部
の外周部に設けると共に、前記ピストンリング溝に外周
側から順に外側リング、内側リング、エキスパンダを組
み合わせてなるピストンリングを装着し、シリンダー内
で往復移動するピストン装置において、前記外側リング
には、内周面の上側円周縁に傾斜面を設けると共に外周
面にシリンダー壁面と接触するすべり面および下面にリ
ング溝下側面と面接触する面を設け、さらに前記内側リ
ングには、外周面の下側円周縁に前記外側リングの上向
き傾斜面と互いに面接触するようにした傾斜面を設ける
と共に、内周面に前記エキスパンダと接触する面および
上面にリング溝上側面と面接触する面を設けたことを特
徴とする組み合わせ１本リング構成のピストン装置。
【請求項２】前記外側リングに設ける合い口の上部側
開口部の下方および下部側開口部の上方には前記外側リ
ングをステップ状に切り離した周方向に沿う端面がそれ
ぞれ存在するように前記外側リングに設ける合い口の上
部側開口部および下部側開口部の周方向位置を互いにず
らせることを特徴とする請求項１に記載の組み合わせ１
本リング構成のピストン装置。