JP2003049705A - 内燃機関の１本リング構成ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】実用可能な内燃機関の１本リング構成ピストン
を提供する。 【解決手段】ピストン（１）に刻設した１本のリング溝
（２）にピストンリング（３）を装着してなる１本リン
グ構成ピストンにおいて、ピストンリングはスペーサエ
キスパンダ（４）と、それを上下から挟む上側及び下側
サイドレール（５，６）とからなる３ピースタイプと
し、スペーサエキスパンダ（４）に上側及び下側サイド
レールを外方に押圧する上側耳部（７）及び下側耳部
（８）を形成し、上側サイドレール（５）の軸方向幅を
０．３〜０．６ｍｍ、下側サイドレール（６）の軸方向
幅を０．６〜０．８ｍｍ以上とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１本のリングのみ
を備えた内燃機関の１本リング構成ピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に自動車用内燃機関のピストンは、
複数本のピストンリングを備えている。例えば、２本の
圧力リングと１本のオイルコントロールを備えた３本リ
ング構成ピストンが主流である。また、１本の圧力リン
グと１本のオイルコントロールを備えた２本リング構成
ピストンも実用化されている。

【０００３】１本のピストンリングのみを備えたピスト
ンは実用化されていないが、この１本リング構成ピスト
ンは、複数のピストンリングからなる複数本リング構成
ピストンに比べると、摩擦損失が少ないだけでなく、ピ
ストンの軽量化も可能であることから、内燃機関の燃料
消費量を低減させることができる。

【０００４】近年、地球温暖化防止の見地から、自動車
用内燃機関の炭酸ガス排出量を減少させるために、内燃
機関の燃料消費量を低減することが求められている。１
本リング構成ピストンの実用化は、この要求に応える方
法の１つである。

【０００５】従来の複数本構成ピストンは上の燃焼室側
リングにガスシール機能を、下のオイルパン側リングに
オイルコントロール機能をそれぞれ持たせている。例え
ば、３本リング構成ピストンはトップリングにガスシー
ル機能を、オイルリングにオイルコントロール機能をそ
れぞれ持たせ、セカンドリングに両方の機能を補助させ
ている。２本リング構成ピストンはトップリングにガス
シール機能を、オイルリングにオイルコントロール機能
をそれぞれ持たせる。

【０００６】このように、従来の圧力リングはガスシー
ル機能を主体に、オイルリングはオイルコントロール機
能を主体に設計されていたため、そのままではいずれも
１本リング構成ピストンのピストンリングとしては不適
当である。例えば、公知の圧力リングからなる１本リン
グ構成ピストンは、オイルコントロール機能が不十分で
あるため、一般の４サイクル内燃機関において実用に供
することはできない。

【０００７】又、公知のオイルリングからなる１本リン
グ構成ピストンは、サイドレールの軸方向幅（０．４〜
０．６ｍｍ）が小さいため、ガスシール性に必要な剛性
が不足する上に、サイドレールがスペーサエキスパンダ
の耳部によりシリンダ内壁面に対して斜めに押圧される
ため、ガスシール機能が著しく劣り実用にはならない。
このことは、特開平６−１４７００５公報に記載された
３ピースオイルリングを備えた１本リング構成ピストン
のテスト結果にも示されている。

【０００８】さらに、１本の圧力リングとオイルリング
の組み合せからなる１本リング構成ピストンは、リング
下面のガスシールができないため、ブローバイガスの抑
制が不十分である。又、このピストンはリング溝が比較
的広いため、リング溝に滞留するオイルが多くなるだけ
でなく、ピストンリングは、重量が増加し、実働時にピ
ストンリングに作用するガス圧力、慣性力、摩擦力によ
り各リングの挙動が複雑になり、姿勢が不安定となるた
め、リング本来の機能を発揮することができない。この
ため、この１本リング構成ピストンは、特に回転数が増
加するとシール機能を失い燃焼室へのオイル上がりが生
じてオイル消費量が増加するため、やはり実用にはなら
ない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記に鑑みて
なされたものであり、その課題は、１本リング構成ピス
トンの実用化である。このためには、ピストンに刻設さ
れた軸方向幅が比較的狭い１本のリング溝に装着するこ
とが可能であり、かつ十分なガスシール機能及びオイル
コントロール機能を有するピストンリングを提供する必
要がある。

【００１０】このようなピストンリングを、従来からあ
るピストンリングを基本に考える場合、圧力リングにオ
イルコントロール機能を追加するか、又は、オイルリン
グにガスシール機能を追加するかのいずれかである。本
願の発明者は、圧力リングにオイルリングの機能を追加
するためには、リング溝の上下面シールを確保しなが
ら、ピストンリング外周摺動面の油膜厚さを薄くしなけ
ればならないので, 設計が困難である。しかし、オイル
リング、特に、上下サイドレールとスペーサエキスパン
ダからなる３ピースオイルリングは、リング溝上下面シ
ール及びオイル掻き機能をすでに備えているから、圧力
リングの機能を追加することは容易であると考えた。

【００１１】しかし、この考えは３ピースオイルリング
の上側サイドレールにガスシール機能を、下側サイドレ
ールにオイルコントロール機能をそれぞれ分担させよう
とするものではない。その理由は、上側サイドレールに
燃焼ガス圧が作用すると、ガス圧は上側サイドレールの
慣性力と摩擦力に勝り、リング溝上面から上側サイドレ
ールを押し下げるため、上側サイドレールはガスシール
機能を喪失するからである。この燃焼ガス圧はリング溝
上面と上側サイドレールの間からリング溝内に入り、下
側サイドレールをリング溝下面に押し付けるため、下側
サイドレールがガスシール機能を発揮し、それにより燃
焼ガスは下側サイドレールを抜けることができない。

【００１２】本願の発明者等は、３ピースオイルリング
の下側サイドレールのガスシール機能を積極的に向上さ
せることに着目して研究を進めた結果、前記課題を解決
する本発明に到達した。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明が採用する手段は、１本リング構成ピストン
のリングを、３ピースタイプのオイルリングに類似した
上下サイドレールと、その間に挟まれたスペーサエキス
パンダとからなるピストンリングとしたことにある。こ
のピストンリングの特徴の一つは、下側サイドレールに
十分なガスシール機能を発揮させるため、下側サイドレ
ールの軸方向幅（ｈ１寸法）を公知オイルリングのもの
より増大して剛性を高めたことであり、特徴の二つは、
上側サイドレールにオイルコントロール機能を発揮させ
るため、上側サイドレールの軸方向幅（ｈ１寸法）を下
側サイドレールよりも薄く、公知オイルリングのものと
同等とし、面圧を同等以上確保して油膜厚さを薄くした
ことである。

【００１４】従来の３本リング構成ピストンの圧力リン
グ（トップリング及びセカンドリング）の軸方向幅（ｈ
１寸法）は０．８〜１．５ｍｍであるから、本発明の下
側サイドレールは、さらに薄幅軽量化し、低張力で面圧
を上げてシール機能を高め、摩擦力を低減するため、軸
方向幅を０．８ｍｍ以下とする。また、公知オイルリン
グの上下サイドレールの軸方向幅は０．３〜０．６ｍｍ
であるから、下側のサイドレールの軸方向幅は剛性を考
慮して０．６ｍｍ以上とする。軸方向幅は下側のサイド
レールを上側のサイドレールよりも大きくするが、径方
向寸法は双方同一としてリング溝内でリングがねじれる
ことを防ぎ姿勢を安定させることが好ましい。しかし、
張力等の設定条件により、例えば、上側耳部角度を４５
度とし、下側耳部角度を０度としたような場合には、サ
イドレールの機能を適正に発揮させるため、サイドレー
ルの径方向寸法を上下で変えることもある。

【００１５】下側サイドレールは、厚く剛性が高いた
め、オイル掻き作用に劣り、オイルコントロール機能は
小さい。これに対し、上側サイドレールは、軸方向幅が
薄いため、オイル掻き作用に優れ、下側サイドレールの
掻き残したオイルを掻き落とすことが可能であり、スペ
ーサエキスパンダによりリング溝上面に押圧されてオイ
ル上がりを押さえるため、オイルコントロール機能は十
分である。全体として、ガスシール機能は主として下側
サイドレールが、オイルコントロール機能は主として上
側サイドレールが分担する。

【００１６】スペーサエキスパンダの上側サイドレール
内周面を押圧する上側の耳部は、オイルコントロールの
ため、垂直面に対して１０〜３０度の範囲で、必要があ
れば、１０〜４５度の範囲で傾斜し、上側サイドレール
を径方向分力でシリンダ摺動面に当接させると共に、軸
方向分力でリング溝上面に押し付け、リング溝内からの
オイル上がりを防止すると共に、上側サイドレールの掻
き落としたオイルがリング溝より上に上昇することを防
止する。

【００１７】下側サイドレールは厚いため慣性力も大き
いから、耳部の作用に殆ど影響されることなく、常にシ
リンダ摺動面に当接し、ガス圧の作用によりリング溝下
面に密着してガスシール機能を十分に発揮する。したが
って、下側の耳部の垂直面に対する傾斜角は０度以上で
あること以外に制約はないから、その範囲は０〜３０
度、必要があれば、０〜４５度とすることができる。

【００１８】下側サイドレールはシール性の高い合い口
構造、例えば、実公平１−２２９１６号公報に記載され
たダブルアングル合い口構造とすることが好ましい。

【００１９】重量を軽くするため、スペーサエキスパン
ダは一般には金属製であるが、合成樹脂製とすることも
可能である。スペーサエキスパンダはオイル通し穴を備
えることが一般的であるが、オイル通し穴はあってもな
くてもよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の１本リング構成ピストン
を図面に示す実施例に基づいて説明する。

【００２１】図１は第１実施例の縦断面図である。ピス
トン１のリング溝２に装着されたピストンリング３は、
スペーサエキスパンダ４と、上下のサイドレール５，６
とからなる３ピースタイプである。上下のサイドレール
５，６はスペーサエキスパンダ４の上下の耳部７，８に
押されてシリンダ摺動面９に当接する。スペーサエキス
パンダ４は金属製であり、中央にオイル通し穴１０が一
定間隔であけられている。ピストン１のリング溝２の下
方にはオイルをクランク室に排出するオイルドレン１１
が設けられる。

【００２２】上側サイドレール５の軸方向幅は０．４ｍ
ｍであるから、薄幅、低剛性であるが、下側のサイドレ
ール６の軸方向幅は０．８ｍｍであるから、圧力リング
と同一であり、剛性が高い。上側サイドレール５と下側
サイドレール６の外径、内径、ａ１寸法は同一である。

【００２３】スペーサエキスパンダ４の上側耳部７と下
側耳部８の垂直面に対する傾斜角度は１０〜３０度の範
囲において同一に設定されている。薄幅で低剛性の上側
サイドレール５は、シリンダ摺動面に対して高い面圧で
当接し、シリンダ摺動面上の油膜厚さを薄くするから、
オイル掻き作用は良好である。又、上側サイドレール５
は垂直面に対して傾斜する上側耳部７により押圧され、
軸方向分力でリング溝上面に当接してリング溝内のオイ
ルが燃焼室へ上昇することを防止するから、実用上、十
分なオイルコントロール機能を有する。

【００２４】厚く剛性の高い下側サイドレール６は、ガ
ス圧力が作用すると、シリンダ摺動面だけでなく、リン
グ溝下面にも密着して、ブローバイを抑制するため、実
用上十分なガスシール機能を有する。

【００２５】このように、実用上十分なオイルコントロ
ール機能とガスシール機能を有する本発明のピストンリ
ング３は、軸方向幅が公知の３ピースオイルリングと同
じであり、上下のサイドレール５，６の軸方向幅は異な
るが、径方向寸法は同一であるから、ピストン１のリン
グ溝２内における姿勢は公知の３ピースオイルリングと
同様に安定する。従って、このピストンリング３からな
る第１実施例の１本リング構成ピストンは、従来の複数
本リング構成ピストンに比べると、リング本数が減少し
たことにより、ピストン全長が短縮し、内燃機関の軽量
化が可能となり、摩擦損失が低減する。

【００２６】

【実施例】次に本発明の別の実施例を図面に基づいて説
明する。

【００２７】図２及び図３は第２及び第３実施例の要部
縦断面図である。

【００２８】図２に示すピストンリング１３のスペーサ
エキスパンダ１４は、合成樹脂製であり、オイル通し穴
のない形状である。スペーサエキスパンダ１４の上側の
耳部１７は垂直面に対して１０〜３０度の範囲で傾斜す
るが、下側の耳部１８は垂直面に対して傾斜しないた
め、傾斜角度は０度である。したがって、下側サイドレ
ール１６はピストン１のリング溝２の下面に常に面接触
で密着するから、ブローバイをより有効に抑制する。

【００２９】上記以外の構成及び効果は第１実施例と同
じである。

【００３０】図３に示すピストンリング２３の上側及び
下側サイドレール２５，２６は、外周面１１が断面にお
いて上部が斜め内方に傾斜するテーパ状に形成されてい
る。このため、上側及び下側サイドレール２５，２６は
シリンダ摺動面９に対する面圧が高く、油膜厚さを薄く
できることから、有効なオイル掻き作用をする。したが
って、このピストンリング２３は図１の実施例よりさら
にオイルコントロール機能に優れている。

【００３１】図３では、上側及び下側サイドレールをテ
ーパ状としているが、上側又は下側サイドレールのどち
らか一方をテーパ状に形成してもよい。

【００３２】上記以外の構成及び効果は第１実施例と同
じである。

【００３３】

【発明の効果】上記のとおり、本発明の１本リング構成
ピストンは、装着するピストンリングを、上下サイドレ
ールとスペーサエキスパンダからなる３ピースタイプと
し、ｈ１寸法の小さい薄幅の上側サイドレールが主とし
てオイルコントロール機能を、高剛性の下側サイドレー
ルがガスシール機能をそれぞれ発揮するようにしたた
め、十分に実用可能となり、従来の複数本リングピスト
ンに比べると、内燃機関は、軽量化すると共に摩擦損失
が低減するため、燃料消費量が節減されるという優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の１本リング構成ピストン
の要部縦断面図、

【図２】第２実施例の図１に相当する図、

【図３】第３実施例の図１に相当する図、

【符号の説明】

１：ピストン ２：リング溝 ３，１３，２３：ピストンリング ４，１４：スペーサエキスパンダ ５，２５：サイドレール（上側） ６，１６，２６：サイドレール（下側） ７，１７：耳部（上側） ８，１８：耳部（下側） ９：シリンダ摺動面 １０：オイル通し穴 １１：オイルドレン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 一杉 英司 埼玉県さいたま市本町西５−２−６ 日本 ピストンリング株式会社与野工場内 (72)発明者 阿部 友昭 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3J044 AA14 AA18 BA01 CB01 CB03 CB04 CB21 CB29 CB31 DA09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン（１）に刻設した１本のリング
   溝（２）にピストンリング（３）を装着してなる１本リ
   ング構成ピストンにおいて、前記ピストンリングはスペ
   ーサエキスパンダ（４）と、それを上下から挟む上側及
   び下側サイドレール（５，６）とからなり、前記スペー
   サエキスパンダは、前記上側及び下側サイドレールを外
   方に押圧する上側耳部（７）及び下側耳部（８）を備
   え、前記上側サイドレールの軸方向幅は０．３〜０．６
   ｍｍであり、前記下側サイドレールの軸方向幅は上側サ
   イドレール軸方向幅より厚く０．６〜０．８ｍｍである
   ことを特徴とする内燃機関の１本リング構成ピストン。
2. 【請求項２】 上側及び下側サイドレールの径方向寸法
   は同一であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関
   の１本リング構成ピストン。
3. 【請求項３】 スペーサエキスパンダの上側耳部（７）
   の垂直面に対する傾斜角度は１０〜４５度の範囲であ
   り、下側耳部（８）の垂直面に対する傾斜角度は０〜４
   ５度の範囲であることを特徴とする請求項１又は２記載
   の内燃機関の１本リング構成ピストン。
4. 【請求項４】 上側及び下側サイドレール（２５，２
   ６）の双方又はどちらか一方の外周面は断面において上
   側が内方に傾斜するテーパ状であることを特徴とする請
   求項１ないし３のいずれか一つに記載の内燃機関の１本
   リング構成ピストン。