JP2005171768A - ピストン及びピストンとピストンリングの組合せ - Google Patents

Abstract

【課題】ブローバイ及びオイル消費低減に効果のあるピストンとピストンリングを提供する。
【解決手段】ピストン１は、リング溝下面６が、ピストン１軸線に対して垂直な内周側の平坦部６ａと、それと連続して外周側に溝幅が拡大し、途中から角度が大きくなり、ピストン１外周まで延びる２つの傾斜部６ｂ，６ｃとからなる。ピストンリング４は、外周形状がバレル形状であり、リング溝下面６の２つの傾斜部６ｂ，６ｃのうちの外周側傾斜部６ｃに押し付けられたとき、ピストンリング外周面４ａが上角部７よりも下側でシリンダ内周面２ａと接し、ピストンリング内周面４ｂの下角部８とリング溝内周面９との間に隙間を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ブローバイ及びオイル消費低減に効果のある内燃機関用のピストンとピストンリングに関する。

内燃機関用のピストンとピストンリングには排気ガス規制対応のため、ブローバイ及びオイル消費の低減が求められている。特に、ピストンのリング溝とピストンリングの組合せは、シール性能、オイル掻き性能に影響を与える。一般的には、ピストンのトップリング溝は上下面が平行な矩形の溝で、そこに矩形断面や内周面に面取りが施された断面のピストンリングが組み合わされるが、スティック対策として、外周側に開いた楔状のリング溝に楔断面のピストンリングを組み合わせる場合もある。また、リング溝下面の内周側に平坦部を残し、外周側に傾斜面を持ったピストンと矩形断面のピストンリングを組み合わせて、高負荷時にピストンリング下面とリング溝下面傾斜部、ピストンリング外周上角部とシリンダ内周面、ピストンリング内周下角部とリング溝内周がそれぞれ接することで、シール性を向上させることが提案されている（特許文献１参照）。一方、ピストンのリング溝上下面の内周側に平坦部を残し、少なくとも片方の外周側が、溝幅が開く形で湾曲させることで、リング溝上下面の摩耗低減及びシール性を向上させることが提案されている（特許文献２参照）。
特公昭４９−０１６８８２号公報 特表２００２−５３８３７３号公報

最近の内燃機関においては、高出力化、高回転化等により、ピストンリングのシール性を確保することはますます厳しい状況にあり、排気ガス規制対応及びメンテナンスインターバルの長期化対応のためのブローバイ及びオイル消費低減が充分と言えない場合がある。従来技術のリング溝上下面が平行なピストンと矩形断面や内周面に面取りが施された断面のピストンリングの組合せでは、特にトップリングの軸方向幅が薄幅の場合や、燃焼圧力が高い場合には、燃焼圧力を受けてピストンリングがクランクケース側に倒れたときに、ピストンリングがリング溝下面外周縁で周方向に線接触となるためにシール性が不足し、燃焼ガスがクランクケース側に流出するため、ケース内圧が上昇する不具合が生じ易い。特許文献１のリング溝下面に傾斜面を持ったピストンと矩形断面のピストンリングの組合せでは、圧縮行程で、ピストンリング下面とリング溝下面傾斜部とが接するとともに、ピストンリング外周上角部とシリンダ内周面が接するため、シリンダ壁に付着したオイルを燃焼室側に掻き上げ、オイル消費増加となる。また、高負荷時に、ピストンリング内周下角部とピストンのリング溝内周が接するため、ピストンのスラップ力をピストンリングが直接受け、ピストンリング外周とシリンダ壁の接触面圧が過大になり、焼き付きや異常摩耗が発生する場合がある。特許文献２のリング溝下面に湾曲面を持ったピストンと矩形断面のピストンリングの組合せでは、ピストンリング下面はリング溝下面と周方向に線接触となるため、シール性が不足し、燃焼ガスがクランクケース側に流出し、ケース内圧が上昇する不具合が生じ易い。また、リング溝下面が湾曲面であるため、ピストンリングの姿勢も安定せず、シール性やオイル掻き性能が安定しない場合がある。

本発明が解決しようとする課題は、ブローバイ及びオイル消費低減に効果のあるピストンとピストンリングを提供することである。

上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明のピストンは、ピストンのリング溝下面に、外周側に溝幅が拡大し、途中から角度が大きくなり、ピストン外周まで延びる２つの傾斜部が形成されていることを特徴とする。

上記ピストンにおいて、ピストンのリング溝上面に、外周側に溝幅が拡大し、ピストン外周まで延びる傾斜部が形成されていることが好ましい。

本発明のピストンとピストンリングの組合せは、ピストンのリング溝下面に、外周側に溝幅が拡大し、途中から角度が大きくなり、ピストン外周まで延びる２つの傾斜部が形成され、この２つの傾斜部のうち、内周側傾斜部の半径方向長さをａ１、外周側傾斜部の半径方向長さをａ２、組み合わされるピストンリングの半径方向厚さをｂとしたとき、ａ１はｂの３０〜６０％、ａ２はｂの２０〜５０％、ａ１とａ２の合計はｂの５０〜８０％であり、内周側傾斜部の傾斜角度をθ１、外周側傾斜部の傾斜角度をθ２としたとき、θ１は３０´〜１゜３０´、θ２は１゜〜３゜であることを特徴とする。

内周側傾斜部の半径方向長さａ１が３０％未満では接触面圧が高くなり、接触部の摩耗が増加し、６０％を越えると接触面圧が低くなり、シール性が低下する。外周側傾斜部の半径方向長さａ２が２０％未満では接触面圧が高くなり、接触部の摩耗が増加し、５０％を越えると接触面圧が低くなり、シール性が低下する。内周側及び外周側の傾斜部の半径方向長さａ１，ａ２の合計がピストンリングの半径方向厚さｂの５０％未満では接触面圧が高くなり、接触部の摩耗が増加し、８０％を越えるとシール性が低下する。内周側傾斜部の傾斜角度θ１が３０´未満では、低負荷時に、ピストンリングがリング溝下面の内周側傾斜部における外周側角部で線接触となりやすく、シール性が低下する。１゜３０´を越えると、低負荷時に、ピストンリングがリング溝下面の内周側傾斜部における内周側角部で線接触となりやすく、シール性が低下する。外周側傾斜部の傾斜角度θ２が１゜未満では、高負荷時に、ピストンリングがリング溝下面の外周側傾斜部における外周側角部で線接触となりやすく、シール性が低下する。３゜を越えると、高負荷時に、ピストンリングが下向きに倒され過ぎて、ピストンのスラップ力を受けやすくなり、摩耗が増加する。

上記ピストンとピストンリングの組合せにおいて、ピストンのリング溝上面に、外周側に溝幅が拡大し、ピストン外周まで延びる傾斜部が形成され、この傾斜部の半径方向長さをａ３、傾斜部の傾斜角度をθ３としたとき、ａ３はｂ（ピストンリングの半径方向厚さ）の３０〜６０％で、θ３は２０´〜１゜３０´であることが好ましい。

リング溝上面の傾斜部の傾斜角度θ３が２０´未満では、ピストンリングがリング溝上面の傾斜部における外周側角部で線接触となりやすく、シール性が低下する。１゜３０´を越えると、ピストンリングがリング溝上面の傾斜部における内周側角部で線接触となりやすく、シール性が低下する。

上記において、ピストンと組み合わせるピストンリングが、リング溝下面の２つの傾斜部のうちの外周側傾斜部に押し付けられたとき、ピストンリング外周が上角部よりも下側でシリンダ内周面と接し、ピストンリング内周の下角部とリング溝内周との間に隙間を有することが好ましい。

ピストンリングの外周形状は、バレル形状、バレル落差が燃焼室側の方が大きい偏心バレル形状、又は燃焼室側にテーパ面を備えるテーパ形状に形成されるのが好ましい。

本発明は以上の構成を有し、低負荷時には、圧縮・膨張行程で、ピストンリングがリング溝下面の内周側傾斜部に押し付けられて、ピストンリング下面とリング溝下面が面で接触することにより、ピストンリングとリング溝とのシール性を確保でき、ブローバイ及びオイル消費を低減できる。また、高負荷時には、圧縮・膨張行程で、ピストンリングがリング溝下面の外周側傾斜部に押し付けられて、ピストンリング下面とリング溝下面が面で接触することにより、ピストンリングとリング溝とのシール性を確保でき、ブローバイ及びオイル消費を低減できる。このようにして、低負荷時及び高負荷時とも、ピストンリングとリング溝下面とのシールが適性に行われ、ブローバイ及びオイル消費の低減を図れる。

また、リング溝上面に傾斜部を設けると、吸気行程で、ピストンリングがリング溝上面の傾斜部に押し付けられて、ピストンリング上面とリング溝上面が面で接触することにより、ピストンリングとリング溝とのシール性を確保でき、ブローバイ及びオイル消費を低減できる。

そして、ピストンリングがリング溝下面の外周側傾斜部に押し付けられたとき、ピストンリング外周が上角部よりも下側でシリンダ内周面と接するようにすることで、ピストンリングとシリンダ内周面とのシール性を確保でき、かつ、ピストンリング外周の上角部とシリンダ内周面との摺動によるオイルの掻き上げを防止できる。また、ピストンリング内周の下角部とリング溝内周との間に隙間を有することで、ピストンのスラップ力をピストンリングが直接受けず、ピストンリング外周の接触面圧も過大にならないため、焼き付きや異常摩耗の発生を防止できる。

以下、本発明の好ましい一実施形態１を図面に基いて説明する。

図１及び図２において、１はピストン、２はシリンダで、ピストン１の外周に形成されているトップリング溝３にピストンリング４が装着されている。

ピストン１のリング溝３の上下面５，６は次のように形成されている。すなわち、リング溝上面５は、ピストン１の軸線に対して垂直な平坦部からなる。これに対して、リング溝下面６は、ピストン１の軸線に対して垂直な内周側の平坦部６ａと、それと連続して外周側に溝幅が拡大し、途中から角度が大きくなり、ピストン１外周まで延びる２つの傾斜部６ｂ，６ｃとからなっている。

リング溝下面６の内周側傾斜部６ｂの半径方向長さをａ１、リング溝下面６の外周側傾斜部６ｃの半径方向長さをａ２、ピストンリング４の半径方向厚さをｂとしたとき、ａ１はｂの３０〜６０％、ａ２はｂの２０〜５０％、ａ１とａ２の合計はｂの５０〜８０％であり、内周側傾斜部６ｂの平坦部６ａに対する傾斜角度をθ１、外周側傾斜部６ｃの平坦部６ａに対する傾斜角度をθ２としたとき、θ１は３０´〜１゜３０´、θ２は１゜〜３゜である。

ピストンリング４は、断面が矩形で、外周面４ａがバレル形状を有し、リング溝下面６の外周側傾斜部６ｃに押し付けられたとき、ピストンリング外周面４ａが上角部７よりも下側でシリンダ内周面２ａと接し、ピストンリング内周面４ｂの下角部８とリング溝内周面９との間に隙間を有するように構成されている。ピストンリング４の表面には表面処理が適宜施されている。

したがって、低負荷時には、圧縮・膨張行程で、ピストンリング４がリング溝下面６の内周側傾斜部６ｂに押し付けられて、ピストンリング下面４ｃとリング溝下面６が面で接触することにより、ピストンリング４とリング溝３とのシール性を確保でき、ブローバイ及びオイル消費を低減できる。また、高負荷時には、圧縮・膨張行程で、ピストンリング４がリング溝下面６の外周側傾斜部６ｃに押し付けられて、ピストンリング下面４ｃとリング溝下面６が面で接触することにより、ピストンリング４とリング溝３とのシール性を確保でき、ブローバイ及びオイル消費を低減できる。このようにして、低負荷時及び高負荷時とも、ピストンリング４とリング溝下面６とのシールが適性に行われ、ブローバイ及びオイル消費の低減を図れる。

そして、ピストンリング４がリング溝下面６の外周側傾斜部６ｃに押し付けられたとき、ピストンリング外周面４ａが上角部７よりも下側でシリンダ内周面２ａと接することで、ピストンリング４とシリンダ内周面２ａとのシール性を確保でき、かつ、ピストンリング外周面４ａの上角部７とシリンダ内周面２ａとの摺動によるオイルの掻き上げを防止できる。また、ピストンリング内周面４ｂの下角部８とリング溝内周面９との間に隙間を有することで、ピストン１のスラップ力をピストンリング４が直接受けず、ピストンリング外周面４ａの接触面圧も過大にならないため、焼き付きや異常摩耗の発生を防止できる。

図３は、本発明の別の実施形態２を示す。本実施形態２が上記実施形態１と相違する点は、ピストンリング４の外周面形状であり、他の構成は上記実施形態１と同じである。

本実施形態２のピストンリング４は、外周面４ａが燃焼室側にテーパ面を備えるテーパ形状を有している。

図４は、本発明の更に別の実施形態３を示す。本実施形態３が上記実施形態１と相違する点は、ピストンリング４の外周面形状であり、他の構成は上記実施形態１と同じである。

本実施形態３のピストンリング４は、外周面４ａが、バレル落差が燃焼室側の方が大きい偏心バレル形状、即ち、軸方向幅中心から軸方向下側寄りを頂点とした非対称バレル曲面から形成されている。

図５は、本発明の別の実施形態４を示す。本実施形態４が上記実施形態３と相違する点は、ピストン１のリング溝上面５の形状であり、他の構成は上記実施形態３と同じである。

本実施形態４のピストン１のリング溝上面５は、ピストン１の軸線に対して垂直な内周側の平坦部５ａと、それと連続して外周側に溝幅が拡大し、ピストン１外周まで延びる１つの傾斜部５ｂとからなっている。

リング溝上面５の傾斜部５ｂの半径方向長さをａ３、傾斜部５ｂの平坦部５ａに対する傾斜角度をθ３としたとき、ａ３はｂの３０〜６０％で、θ３は２０´〜１゜３０´である。

上記のように、リング溝上面５に傾斜部５ｂを設けると、吸気行程で、ピストンリング４がリング溝上面５の傾斜部５ｂに押し付けられて、ピストンリング上面４ｄとリング溝上面５が面で接触することにより、ピストンリング４とリング溝３とのシール性を確保でき、ブローバイ及びオイル消費を低減できる。

次に、ピストンとピストンリングの組合せをガソリンエンジンに供試し、ブローバイ量とオイル消費量を評価した試験結果を表１に示す。ブローバイ量とオイル消費量は比較例１の結果を１としたときの比で示している。ピストンのトップリング溝形状及びトップリング外周形状以外は共通であり、トップリングの半径方向幅ｂは３．３ｍｍである。

表１において、実施例１，２及び４は上記実施形態１（図１及び図２）に対応し、実施例３は上記実施形態２（図３）に対応し、実施例５は上記実施形態３（図４）に対応し、実施例６は上記実施形態４（図５）に対応している。

比較例１（図６）は、ピストン１のリング溝３Ａが矩形溝で、ピストンリング４は断面が矩形で、外周面４ａはバレル形状を有している。比較例２（図７）は、ピストン１のリング溝３Ａが両面キーストン溝であり、ピストンリング４は断面が両面キーストンで、外周面４ａはバレル形状を有している。比較例３（図８）は、ピストン１のリング溝３Ａの下面６Ａが、内周側の平坦部６ａと、それと連続し外周側に溝幅が拡大する１つの傾斜部６ｄとからなり、ピストンリング４は断面が矩形で、外周面４ａがプレーン形状を有しており、リング内周下角部８がリング溝内周面９と接している。比較例４（図９）は、ピストン１のリング溝３Ａの下面６Ａが内周側の平坦部６ａと、それと連続し外周側に溝幅が拡大する１つの傾斜部６ｄとからなり、ピストンリング４は断面が矩形で、外周面４ａが燃焼室側にテーパ面を備えるテーパ形状を有している。

上記表１に示す評価結果から、本発明品は比較例に比べてブローバイ及びオイル消費の低減効果を確認できた。

本発明の一実施形態１を示す縦断面図である。 図１の実施形態１において圧縮・膨張行程時を示す縦断面図である。 本発明の別の実施形態２を示す縦断面図であり、圧縮・膨張行程時を示す。 本発明の更に別の実施形態３を示す縦断面図であり、圧縮・膨張行程時を示す。 本発明の更に別の実施形態４を示す縦断面図であり、吸気行程時を示す。 比較例１を示す縦断面図であり、圧縮・膨張行程時を示す。 比較例２を示す縦断面図であり、圧縮・膨張行程時を示す。 比較例３を示す縦断面図であり、圧縮・膨張行程時を示す。 比較例４を示す縦断面図であり、圧縮・膨張行程時を示す。

符号の説明

１・・ピストン、２・・シリンダ、２ａ・・シリンダ内周面、３・・リング溝、４・・ピストンリング、４ａ・・ピストンリング外周面、４ｂ・・ピストンリング内周面、４ｃ・・ピストンリング下面、４ｄ・・ピストンリング上面、５・・リング溝上面、５ａ・・平坦部、５ｂ・・傾斜部、６・・リング溝下面、６ａ・・平坦部、６ｂ・・内周側傾斜部、６ｃ・・外周側傾斜部、７・・リング外周上角部、８・・リング内周下角部、９・・リング溝内周面、ａ１・・リング溝下面の内周側傾斜部の半径方向長さ、ａ２・・リング溝下面の外周側傾斜部の半径方向長さ、ａ３・・リング溝上面の傾斜部の半径方向長さ、ｂ・・ピストンリングの半径方向厚さ、θ１・・リング溝下面の内周側傾斜部の傾斜角度、θ２・・リング溝下面の外周側傾斜部の傾斜角度、θ３・・リング溝上面の傾斜部の傾斜角度。

Claims (7)

1. ピストンのリング溝下面に、外周側に溝幅が拡大し、途中から角度が大きくなり、ピストン外周まで延びる２つの傾斜部が形成されていることを特徴とするピストン。
2. 請求項１記載のピストンにおいて、ピストンのリング溝上面に、外周側に溝幅が拡大し、ピストン外周まで延びる傾斜部が形成されていることを特徴とするピストン。
3. ピストンのリング溝下面に、外周側に溝幅が拡大し、途中から角度が大きくなり、ピストン外周まで延びる２つの傾斜部が形成され、この２つの傾斜部のうち、内周側傾斜部の半径方向長さをａ１、外周側傾斜部の半径方向長さをａ２、組み合わされるピストンリングの半径方向厚さをｂとしたとき、ａ１はｂの３０〜６０％、ａ２はｂの２０〜５０％、ａ１とａ２の合計はｂの５０〜８０％であり、内周側傾斜部の傾斜角度をθ１、外周側傾斜部の傾斜角度をθ２としたとき、θ１は３０´〜１゜３０´、θ２は１゜〜３゜であることを特徴とするピストンとピストンリングの組合せ。
4. 請求項３記載のピストンとピストンリングの組合せにおいて、ピストンのリング溝上面に、外周側に溝幅が拡大し、ピストン外周まで延びる傾斜部が形成され、この傾斜部の半径方向長さをａ３、傾斜部の傾斜角度をθ３としたとき、ａ３はｂの３０〜６０％で、θ３は２０´〜１゜３０´であることを特徴とするピストンとピストンリングの組合せ。
5. 請求項１又は２記載のピストンと組み合わせるピストンリングが、リング溝下面の２つの傾斜部のうちの外周側傾斜部に押し付けられたとき、ピストンリング外周が上角部よりも下側でシリンダ内周面と接し、ピストンリング内周の下角部とリング溝内周との間に隙間を有することを特徴とするピストンとピストンリングの組合せ。
6. 請求項３又は４記載のピストンとピストンリングの組合せにおいて、ピストンリングがリング溝下面の２つの傾斜部のうちの外周側傾斜部に押し付けられたとき、ピストンリング外周が上角部よりも下側でシリンダ内周面と接し、ピストンリング内周の下角部とリング溝内周との間に隙間を有することを特徴とするピストンとピストンリングの組合せ。
7. 請求項５又は６記載のピストンとピストンリングの組合せにおいて、ピストンリングの外周形状が、バレル形状、バレル落差が燃焼室側の方が大きい偏心バレル形状、又は燃焼室側にテーパ面を有するテーパ形状であることを特徴とするピストンとピストンリングの組合せ。

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