JP2007009971A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】 リング本体が傾いてもシール効果あるいはオイルの掻き落とし効果を十分に確保することができるピストンリングを提供する。
【解決手段】 シリンダ壁２に接触可能な上下一対の環状摺動部１３を有するピストンリング１Ａのリング本体１０に、複数の環状溝１４をリング軸線方向に間隔を空けて設ける。各環状溝１４には、シリンダ壁２に接触可能かつリング本体１０に対して摺動可能な状態でサイドレール１５を装着し、リング本体１０に内周側から当接してリング本体１０を半径方向外方に付勢する環状のエキスパンダ１１を装着する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関等のピストンに装着されるピストンリングに係り、より詳しくはシリンダ壁のオイルの掻き落としを目的として設けられるピストンリングに関する。

内燃機関のピストンリングの一種として、シリンダ壁に接触可能な一対の環状摺動部の間に環状溝を形成し、その環状溝にシリンダ壁と接触可能なサイドレールを装着することにより、環状摺動部の片当たり発生時にそのサイドレールをシリンダ壁に対する環状摺動部として機能させるピストンリングが提案されている（特許文献１参照）。

また、リング本体の軸線方向両端に一対の環状の突出部を形成し、それらの突出部にサイドレールを装着することにより、サイドレールを一対の環状摺動部として機能させるピストンリングも知られている（特許文献２参照）。さらに、リング本体の上下一対のサイドレールの間にコンプレッションリングを嵌め合わせたピストンリング（特許文献３参照）、リング状のスペーサエキスパンダの上面に一枚のサイドレールが装着されたピストンリング（特許文献４参照）、リング本体の上下面にこのリング本体を挟むようにして一対のサイドレールが配置されたピストンリング（特許文献５及び６）もそれぞれ知られている。

実開昭６０−８９４６２号公報 特開平３−８８９４６号公報 実開昭６４−４６４５２号公報 特開平１−１８２５６２号公報 特開平２−１８５６５４号公報 特開平２−１６１１５７号公報

特許文献１のピストンリングでは、リング本体がシリンダ壁に対して傾いた場合、単一のサイドレールのみがシリンダ壁と接触するために十分なシール効果あるいはオイル掻き落とし効果が得られず、オイルの消費量が増加するおそれがある。特許文献２のピストンリングでは二本のサイドレールのみがシリンダ壁に接触する構造であるため、リング本体の傾きに対してサイドレールに片当たりが発生し、シール効果が低下してオイル消費量が増加する。ピストンリングの重量の増加により、ピストンの運動質量が増加し、内燃機関の出力性能にも悪影響が及ぶおそれもある。特許文献３〜６のピストンリングについても、シリンダ壁に接する環状摺動部が３本以下であり、リング本体が傾いたときには単一の摺動部のみでシール効果を確保する構成であることから、上記と同様の問題がある。

そこで、本発明は、リング本体が傾いてもシール効果あるいはオイルの掻き落とし効果を十分に確保することができるピストンリングを提供することを目的とする。

本発明のピストンリングは、シリンダ壁に接触可能な上下一対の環状摺動部の間に複数の環状溝がリング軸線方向に間隔を空けて設けられたリング本体と、前記シリンダ壁に接触可能かつ前記リング本体に対して摺動可能な状態で前記環状溝にそれぞれに装着される複数のサイドレールと、前記リング本体に内周側から当接して該リング本体を半径方向外方に付勢する環状のエキスパンダと、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明のピストンリングによれば、一対の環状摺動部の間に複数のサイドレールをリング本体に対して摺動可能な状態で装着しているため、リング本体が傾いたとしてもそれぞれのサイドレールがリング本体に対して摺動してシリンダ壁との接触を維持する。これにより、シール効果あるいはオイルの掻き落とし効果が十分に確保される。

本発明のピストンリングの一形態において、前記リング本体には、前記環状溝と前記リング本体の内周とを結ぶオイル戻し路が設けられてもよい（請求項２）。この形態によれば、シリンダ壁から掻き落とされて環状溝に流れ込むオイルを環状溝に溜めることなく、オイル戻し路からリング本体の内周へと逐次排出し、オイルドレン路からクランクケース内等へ戻すことができる。このため、シリンダ壁のオイルを掻き落とす際の油膜せん断力の増加を抑え、ピストンの往復運動に対する摩擦抵抗を低減することができる。また、サイドレールとリング本体の環状溝の溝底面あるいは溝側面との間にオイルが絶えず供給されるようになり、それらの間の摩擦抵抗が減少してサイドレールがよりスムーズに動くことができる。

本発明のピストンリングの一形態において、前記環状溝の溝底面が前記サイドレールの内周面と接触し、かつ前記溝底面には前記サイドレールを外周面側に傾ける方向の傾斜が付されてもよい（請求項３）。この形態によれば、サイドレールに作用する圧力を利用してサイドレールをリング本体の軸線と直交する方向に傾け、それによりサイドレールとシリンダ壁との間の接触面積を大きく確保してオイルの掻き落とし効果、あるいはシール効果を良好に保つことができる。この場合において、前記環状溝の溝側面には、前記サイドレールを外周面側に傾ける方向の傾斜が付されていてもよい（請求項４）。これによれば、ピストンリングに作用する圧力が小さい状態ではサイドレールを溝底面に倣って外周面側に確実に傾けておくことができる。これにより、圧力変化に伴うガイドレールの傾き、あるいは姿勢の変化についての再現性を高め、シール効果あるいはオイル掻き落とし効果の改善効果をより確実に発揮させることができる。

本発明のピストンリングの一形態において、前記リング本体の前記環状溝よりも内周側の領域には空洞部が設けられてもよい（請求項５）。この形態によれば、リング本体の剛性を環状溝の内側において低下させて溝底面をより弾性変形し易く構成することができる。これにより、溝底面によるサイドレールの拘束を弱め、サイドレールをシリンダ壁に倣うようにして環状溝内でより円滑に変位させ、それによりシリンダ壁に対するサイドレールの追従性を高めることができる。これにより、シール効果あるいはオイルの掻き落とし効果がさらに向上する。サイドレールの追従性が高まることによりサイドレールの摩耗も減り、ピストンリングの長寿命化も図ることができる。

本発明のピストンリングの一形態において、前記サイドレールと前記環状溝の溝底面との間には、高温時に低温時よりも前記サイドレールを外周側に強く押すように変化する感温部材が設けられてもよい（請求項６）。この形態によれば、高温時にサイドレールをシリンダ壁により強い力で押し付けてサイドレールとシリンダ壁との間に十分なシール効果、あるいはオイル掻き落とし効果を生じさせることができる。一方、低温時はサイドレールをシリンダ壁に押し付ける力を低下させ、それによりピストンの往復運動に対する摩擦抵抗を低下させてピストンの円滑な動作を保障することができる。

本発明のピストンリングの一形態において、前記リング本体の前記環状溝を仕切る壁部には、環状溝同士を結ぶ連通路が設けられてもよい（請求項７）。この形態によれば、環状溝間において連通路を介して圧力を伝えて環状溝の内部圧力を相互にほぼ一致させ、それにより複数のサイドレールの挙動をほぼ一致させることができる。これにより、複数のサイドレールを設けたことによる本発明の効果を確実に発揮させることができる。また、ピストンが上下方向に往復運動する場合には、上部の環状溝に関して連通路をオイル排出路の一部として作用させることができる。

以上に説明したように、本発明のピストンリングによれば、シリンダ壁に接触可能な上下一対の環状摺動部の間に複数の環状溝がリング軸線方向に間隔を空けて設けられたリング本体と、前記シリンダ壁に接触可能かつ前記リング本体に対して摺動可能な状態で前記環状溝にそれぞれに装着される複数のサイドレールと、前記リング本体に内周側から当接して該リング本体を半径方向外方に付勢する環状のエキスパンダとを備えたことにより、リング本体が傾いたときでも複数のサイドレールがシリンダ壁と接触を維持する。従って、シール効果あるいはオイルの掻き落とし効果を十分に確保することができる。

［第１の形態］
図１は本発明の第１の形態に係るピストンリングを示している。このピストンリング１Ａは、内燃機関のシリンダ壁２に付着するオイルの掻き落としを目的としてピストン３の外周のリング溝４に装着されるものであり、オイルリングと呼ばれることもある。なお、図１において、上方が燃焼室（圧力室）側、下方がクランクケース側である。ピストン３にはリング溝４からピストン３の内部を介してクランクケース側にオイルを排出するためのオイルドレン路５が形成されている。ピストンリング１Ａよりも上方にはコンプレッションリングが装着されるがその図示は省略した。

ピストンリング１Ａは、リング本体１０の内周１０ａにはコイルばね状のエキスパンダ１１が装着され、エキスパンダ１１によりリング本体１０を半径方向に押し広げてシール効果を確保する組み合わせ型ピストンリングとして構成されている。リング本体１０はその周上の一箇所に合い口と呼ばれる分断箇所を有するＣ字型のリングとして形成され、その内周にはエキスパンダ１１が嵌め合わされる溝部１２が全周に亘って形成されている。リング本体１０のリング軸線方向の両端には、半径方向外周に突出してシリンダ壁２と接触可能な上下一対の環状摺動部１３が形成されている。環状摺動部１３の外周面１３ａはリング軸線方向に関して平坦な円筒面状でもよいし、シリンダ壁２に向かって膨らんだバレル形状でもよい。環状摺動部１３の間には２本の環状溝１４がリング軸線方向に間隔を空けて形成されている。それらの環状溝１４にサイドレール１５が装着されている。サイドレール１５はリング本体１０とは別部品として製造される。環状溝１４同士の間には両環状溝１４を仕切るように環状の壁部１６が形成されている。壁部１６がシリンダ壁２と接触しないように、壁部１６の外径は環状摺動部１３の外径よりも幾らか小さく設定されている。このようなリング本体１０は例えばプレス成型により一体成形品として製造することができる。なお、リング本体１０は自己張力をほとんど持っていない。

サイドレール１５は合い口を有するＣ字型のリング形状に形成されている。サイドレール１５はその内周面１５ａが環状溝１４の溝底面１４ａと接触することによって半径方向に位置決めされている。その位置決めされた状態で、サイドレール１５の外周面１５ｂは環状摺動部１３の外周面１３ａと半径方向に関して略同一の位置に揃えられる。サイドレール１５の外周面１５ｂも円筒面状又はバレル状等の適宜の形状に形成してよい。

サイドレール１５のピストン軸線方向の厚さは、そのサイドレール１５を挟み込むように対向する環状溝１４の一対の溝側面１４ｂ、１４ｃの間隔よりも幾らか小さく設定されている。これにより、溝側面１４ｂ、１４ｃとサイドレール１５との間には幾らかの隙間が設けられる。このような隙間が設けられることにより、サイドレール１５は環状溝１４内においてリング本体１０に対して周方向に摺動可能であり、かつリング軸線方向に関してもリング本体１０に対して摺動可能である。従って、サイドレール１５はリング本体１０に対して幾らか傾くように摺動することができる。なお、溝底面１４ａはリング本体１０の軸線方向と平行であり、溝側面１４ｂ、１４ｃは溝底面１４ａに対して直交する。サイドレール１５は自己張力をほとんど持っていない。

以上の構成のピストンリング１Ａによれば、上下一対の環状摺動部１３がそれらの全周に亘ってシリンダ壁２と接触してシリンダ壁２のオイル掻き落としが行われる。ピストン３がシリンダ軸線に対して傾いたとしても、２本のサイドレール１５のそれぞれと環状溝１４の溝側面１４ｂ、１４ｃとの間に隙間が設けられているので、それらのサイドレール１５がリング本体１０に対して傾いてサイドレール１５とシリンダ壁２との接触が維持される。これにより、２本の環状摺動部１３がシリンダ壁２と接触している場合と同等のオイルの掻き落とし効果あるいはシール効果が確保され、その結果、オイルの消費量が減少する。また、２本の環状摺動部１３、及び２本のサイドレール１５の合計４箇所にてラビリンス効果、つまりは燃焼室からクランクケースへ抜けようとするブローバイガスの漏れを迷路状の流路構成によって抑える効果が生じるので、シール効果が高くオイルの消費量は益々減少する。

さらに、リング本体１０、より具体的には環状摺動部１３の合い口隙間を実質的に０に設定することにより、ブローバイガスの排出量をより効果的に減少させることもできる。また、環状溝１４の溝底面１４ａとサイドレール１５の内周面１５ａとの間に僅かに隙間を設け、リング本体１０が傾いたときのみ溝底面１４ａと内周面１５ａとが接触してサイドレール１５が外周側に押し出されてシール効果の確保に必要な押し付け力でサイドレール１５がシリンダ壁２に接触するように構成することもできる。この場合には、シリンダ壁２に対するサイドレール１５の押し付け力の増加を抑え、ピストン３の上下方向の往復運動に対する摩擦抵抗を小さく抑えてピストン３を円滑に往復運動させることができる。

［第２の形態］
図２は本発明の第２の形態に係るピストンリングを示している。但し、図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。図２のピストンリング１Ｂは、リング本体１０に、環状溝１４の溝底面１４ａとリング本体１０の内周１０ａとを結ぶオイル戻し路１７が設けられている。

このようなピストンリング１Ｂによれば、シリンダ壁２から掻き落とされたオイルを環状溝１４からオイル戻し路１７を介してオイルドレン路５に速やかに排出することができる。このため、シリンダ壁２のオイルを掻き落とす際の油膜せん断力の増加を抑え、ピストン３の往復運動に対する摩擦抵抗を低減することができる。また、サイドレール１５とリング本体１０の環状溝１４の溝底面１４ａ、溝側面１４ｂ、１４ｃとの間にリング本体１０の背面よりオイルが絶えず供給されるようになり、それらの間の摩擦抵抗が減少する。これにより、リング本体１０に対してサイドレール１５がよりスムーズに動くことができる。

［第３の形態］
図３は本発明の第３の形態に係るピストンリングのリング本体の摺動面側を示している。但し、図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。図３のピストンリング１Ｃでは、リング本体１０の各環状溝１４の溝底面１４ａに、サイドレール１５を燃焼室側（外周面側）に傾ける方向の傾斜が付されている。すなわち、溝底面１４ａはその上端（燃焼室側の端部）が下端よりも中心側に後退するようにリング本体１０の軸線方向に対して角度θで傾けられている。なお、図では上側の溝底面１４ａのみ角度θを示しているが、下側の溝底面１４ａについても同様の傾斜角が付されている。溝側面１４ｂ、１４ｃはリング本体１０の軸線と直交する方向に延びている。但し、それらの溝側面１４ｂ、１４ｃとサイドレール１５との間の隙間量は、サイドレール１５が溝底面１４ａの傾きに倣って燃焼室側に傾いた状態から、リング本体１０の軸線に対して直交する状態へと変位し得るように設定されている。なお、図３ではピストン３及びリング本体１０の内周側の構成の図示を省略したが、それらは図１又は図２と同様でよい。

このようなピストンリング１Ｃによれば、燃焼室側からサイドレール１５にガス圧が作用することにより、サイドレール１５の外周側が下方に押されてサイドレール１５がリング本体１０の軸線と直交する方向にその傾き又は姿勢を変化させる。これにより、ガス圧が作用する状態において、サイドレール１５の外周面１５ｂとシリンダ壁２との間の接触面積を大きく確保することができ、オイルの掻き落とし効果、あるいはシール効果が良好に保たれる。

［第４の形態］
図４は本発明の第４の形態に係るピストンリングのリング本体の摺動面側を示している。この形態のピストンリング１Ｄは、上述した第３の形態のピストンリング１Ｃに対して、各環状溝１４の溝底面１４ａのみならず、溝側面１４ｂ、１４ｃにもサイドレール１５を燃焼室側に傾ける方向の傾斜が付された点が異なる。具体的には溝側面１４ｂ、１４ｃはその外周側が内周側よりも燃焼室側に偏るように、リング本体１０の軸線方向と直交する方向に対して角度θで傾けられている。なお、角度θは全ての溝底面１４ａ、溝側面１４ｂ、１４ｃにおいて同様に付されている。溝側面１４ｂ、１４ｃとサイドレール１５との間の隙間量は、サイドレール１５が溝底面１４ａの傾きに倣って燃焼室側に傾いた状態から、リング本体１０の軸線に対して直交する状態へと変位し得るように設定されている。図４においてもピストン３及びリング本体１０の内周側の構成の図示を省略したが、それらは図１又は図２と同様でよい。

このようなピストンリング１Ｄによれば、燃焼ガスの圧力が小さい状態ではサイドレール１５を溝底面１４ａに倣って燃焼室側に確実に傾けておくことができる。これにより、燃焼室の圧力の変化に伴うサイドレール１５の傾き、あるいは姿勢の変化についての再現性を高め、上述した第３の形態の作用効果をより確実に発揮させることができる。

［第５の形態］
図５は本発明の第５の形態に係るピストンリングを示している。但し、図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。図５のピストンリング１Ｅは、第１の形態のピストンリング１Ａに対して、リング本体１０の溝底面１４ａの背後（内周側）に空洞部１８が追加されたものである。

このようなピストンリング１Ｅによれば、第１の形態のピストンリング１Ａとの対比において、リング本体１０の剛性が環状溝１４の内側で低下して溝底面１４ａが弾性変形し易くなる。そのため、溝底面１４ａによるサイドレール１５の拘束が弱くなり、サイドレール１５がシリンダ壁２に倣うようにして環状溝１４内でより柔軟に動けるようになる。このため、シリンダ壁２に対するサイドレール１５の追従性が向上する。これにより、シール効果が向上し、オイルの掻き落とし効果もさらに向上する。サイドレール１５の追従性が高まることによりサイドレール１５の摩耗も減り、ピストンリング１Ｅの長寿命化にも効果がある。

［第６の形態］
図６は本発明の第６の形態に係るピストンリングの摺動面側リング本体の部分拡大断面図である。但し、図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。図６のピストンリング１Ｆは、リング本体１０の環状溝１４の溝底面１４ａとサイドレール１５の内周面１５ａとの間に感温部材１９が設けられた点で第１の形態のピストンリング１Ａと異なっている。感温部材１９は、例えば、形状記憶合金、バイメタル材料、樹脂材料等を素材としてコイルリング状に形成されており、高温時には低温時よりもサイドレール１５を外周側に強く押すように変化する。例えば、感温部材１９は温度上昇に伴って膨張してサイドレール１５を外周側により強く押すように構成される。あるいは、感温部材１９は、高温時に低温時よりも弾性率が上昇し、それによりサイドレール１５を外周側により強く押すように構成されてもよい。なお、図６では上側の環状溝１４及びサイドレール１５のみを示すが、下側の環状溝１４及びサイドレール１５に関しても同様に感温部材１９が装着される。ピストン３及びリング本体１０の内周側の構成は図１又は図２と同様でよい。

このようなピストンリング１Ｆによれば、高温時にはサイドレール１５がシリンダ壁２により強い力で押し付けられるので、燃焼温度が高くなる高負荷高回転時等においてもサイドレール１５とシリンダ壁２との間に十分なシール効果、あるいはオイル掻き落とし効果が確保され、オイルの消費が抑えられる。一方、低温時はサイドレール１５をシリンダ壁２に押し付ける力が減少する。このため、冷間始動時等の低温時においてピストン３の往復運動に対する摩擦抵抗が減少し、内燃機関の始動性の向上、燃費の向上といった効果が得られる。

［第７の形態］
図７は本発明の第７の形態に係るピストンリングを示している。但し、図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。図７のピストンリング１Ｇでは、リング本体１０の環状溝１４を仕切る壁部１６に、環状溝１４同士を結ぶ連通路２０が形成されている点で第１の形態のピストンリング１Ａと異なっている。なお、ピストン３は図１と同様でよい。

このようなピストンリング１Ｇによれば、環状溝１４同士を結ぶ連通路２０を介して燃焼ガスの圧力が伝わるので、環状溝１４の内部圧力を相互にほぼ一致させて上下のサイドレール１５の挙動をほぼ一致させることができる。これにより、上下方向に関して複数のサイドレール１５を設けたことによる本発明の効果を確実に発揮させることができる。上部の環状溝１４に関して連通路２０をオイル排出路の一部として作用させることができ、それによりオイルを効率よくクランクケース内に戻すことができる。なお、ピストンリング１Ｇによるラビリンス効果は連通路２０の断面積を適度に制限することによって十分に確保することができる。

本発明は以上の形態に限るものではなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、サイドレールは２本に限らず、３本以上設けられてもよい。また、溝底面、溝側面の傾斜角度θは同一である場合に限らず、それぞれに対して互いに異なる角度を設定してもよい。サイドレールの張力については、ほとんど自己張力はないが、上下のサイドレールに同一の張力が与えられてもよく、さらに、上下のサイドレールに互いに異なる張力が与えられてもよい。上述した形態を適宜に組み合わせてピストンリングを構成することも勿論可能である。例えば、図２に示したオイル戻し路１７は第３〜第７の形態のそれぞれに対して適用してよい。また、図５に示した空洞部１８は第３、第４、第６及び第７の形態のそれぞれに対して適用してよく、図６に示した感温部材１９は第３、第４、第５及び第７の形態のそれぞれに対して適用してよく、図７に示した連通路２０は第３、第４、第５及び第６の形態のそれぞれに対して適用してよい。

上記では本発明を内燃機関のピストンリングに適用した場合について説明したが、圧縮機等のピストンに装着されるピストンリングに対しても、上記の形態の燃焼室を圧縮室に置き換えて適用することができる。

本発明の第１の形態に係るピストンリングの断面図。 本発明の第２の形態に係るピストンリングの断面図。 本発明の第３の形態に係るピストンリングのリング本体摺動面側の部分断面図。 本発明の第４の形態に係るピストンリングのリング本体摺動面側の部分断面図。 本発明の第５の形態に係るピストンリングの部分断面図。 本発明の第６の形態に係るピストンリングの摺動面側リング本体の部分拡大断面図。 本発明の第７の形態に係るピストンリングの部分断面図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ ピストンリング
３ ピストン
５ オイルドレン路
１０ リング本体
１０ａ リング本体の内周
１１ エキスパンダ
１３ 環状摺動部
１４ 環状溝
１４ａ 溝底面
１４ｂ、１４ｃ 溝側面
１５ サイドレール
１６ 壁部
１７ オイル戻し路
１８ 空洞部
１９ 感温部材
２０ 連通路

Claims (7)

1. シリンダ壁に接触可能な上下一対の環状摺動部の間に複数の環状溝がリング軸線方向に間隔を空けて設けられたリング本体と、前記シリンダ壁に接触可能かつ前記リング本体に対して摺動可能な状態で前記環状溝にそれぞれに装着される複数のサイドレールと、前記リング本体に内周側から当接して該リング本体を半径方向外方に付勢する環状のエキスパンダと、を備えたことを特徴とするピストンリング。
2. 前記リング本体には、前記環状溝と前記リング本体の内周とを結ぶオイル戻し路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記環状溝の溝底面が前記サイドレールの内周面と接触し、かつ前記溝底面には前記サイドレールを外周面側に傾ける方向の傾斜が付されていることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
4. 前記環状溝の溝側面には、前記サイドレールを外周面側に傾ける方向の傾斜が付されていることを特徴とする請求項３に記載のピストンリング。
5. 前記リング本体の前記環状溝よりも内周側の領域に空洞部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
6. 前記サイドレールと前記環状溝の溝底面との間には、高温時に低温時よりも前記サイドレールを外周側に強く押すように変化する感温部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。
7. 前記リング本体の前記環状溝を仕切る壁部には、環状溝同士を結ぶ連通路が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。

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