JP2007032446A - 内燃機関のピストンリング保持構造 - Google Patents

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啓 新居見
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義洋 伊東
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Abstract

【課題】部品数を増加させることなく、ピストンリング部分のシール性を好適に維持することができる内燃機関のピストンリング保持構造を提供する。
【解決手段】ピストンリング14の上面14aにはコイルエキスパンダ17を収容する凹部14cが形成され、該凹部14cには、コイルエキスパンダ17の押圧力をリング溝11の下側内壁面11a側への押圧力とシリンダ内壁面20a側への押圧力とに分散させる作用面としての斜面14eが設けられる。そして、凹部14cの斜面14eに自身の押圧力(付勢力)を付与するように該凹部14c内にコイルエキスパンダ17を配置し、リング溝11内の下側内壁面11aにピストンリング14の下面14bを押圧させ、かつシリンダ内壁面20aにピストンリング14の外周面14fを押圧させる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、内燃機関のピストンリングのシール性を好適に維持可能なピストンリング保持構造に関するものである。
内燃機関のピストン外周には複数のピストンリングが装着されており、中でも上段に位置し燃焼室の気密保持を図ることを主たる目的としたコンプレッションリングにおいて、シール性をより向上させる保持構造を採用しているものがある。
例えば、特許文献1にて示される保持構造(文献における図1等)では、ピストン外周のリング溝内にコンプレッションリングとともにバネシールリングが収容され、該バネシールリングがコンプレッションリングの上面側に配置されている。バネシールリングはコンプレッションリングをリング溝の下側内壁面に向かって押圧し、ピストン往復動時の慣性によるコンプレッションリングの浮き上がり等を防止するようになっている。
特開2000−337509号公報 特開2002−139151号公報
ところで、上記文献1の保持構造では、バネシールリングによりコンプレッションリングがリング溝の下側内壁面に向かって押圧されるものの、シリンダ内壁面に対するコンプレッションリングの接触は、径方向外側に広がろうとする自身の押圧力(付勢力)のみである。従って、場合によっては、シリンダ内壁面に対するコンプレッションリングの押圧力が不足することがあり、相互間のシール性を十分に確保できない場合がある。
そこで、上記文献1の図13にも示されているが、コンプレッションリングをリング溝の下側内壁面に向かって押圧するバネシールリングの他に、コンプレッションリングの内周面とリング溝の底壁面との間に介在され該コンプレッションリングの外周面をシリンダ内壁面に押圧するコイル状スプリングが用いられているものもある。
しかしながら、シリンダ内壁面に対するコンプレッションリングの押圧力を十分に確保できるものの、コイル状スプリングという新たな押圧部材を追加する必要があり、部品数が増加してしまう。
また、特許文献2の保持構造では、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、外側リングの内周側傾斜面と内側リングの外周側傾斜面を互いに面接触させ、内側リングの内周面にエキスパンダを押圧接触させる構成となっている。この保持構造では、ガスシール性能及びオイルシール性能を両立し、シリンダ内壁面に対する外側リングの押圧力を十分に確保できるものの、この保持構造でも同様に、外側リングの他に内側リングやエキスパンダといった2つの押圧部材を用いる必要があり、部品数が増加してしまう。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、部品数を増加させることなく、ピストンリング部分のシール性を好適に維持することができる内燃機関のピストンリング保持構造を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、内燃機関に用いられるピストンの外周に設けられるリング溝内にピストンリングが装着されるとともに、前記リング溝内に環状の押圧部材を収容し、該押圧部材にて前記ピストンリングの下面を前記リング溝の下側内壁面に押圧するとともに、前記ピストンリングの外周面を内燃機関のシリンダ内壁面に押圧して保持するピストンリング保持構造において、前記ピストンリングの上面には前記押圧部材を収容する凹部が形成され、該凹部には、前記押圧部材の押圧力を前記リング溝の下側内壁面側への押圧力と前記シリンダ内壁面側への押圧力とに分散させる作用面が形成されており、前記押圧部材は、前記凹部の作用面に自身の押圧力を付与するように該凹部内に配置されることをその要旨とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関のピストンリング保持構造において、前記リング溝及び前記ピストンリングは複数設けられるものであり、その最上部の前記リング溝及び前記ピストンリングに前記押圧部材を用いたことをその要旨とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の内燃機関のピストンリング保持構造において、前記凹部の作用面は、前記ピストンリングの下面から離間するほど径方向外側に傾斜する斜面で構成されることをその要旨とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関のピストンリング保持構造において、前記凹部は、前記ピストンリングの内側端部から連続して形成されることをその要旨とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関のピストンリング保持構造において、前記押圧部材は、コイルバネを環状に構成してなるエキスパンダ、線材を環状に構成してなるエキスパンダ、又はバネ状とし環状に構成してなるエキスパンダであることをその要旨とする。
(作用)
請求項1に記載の発明によれば、ピストンの外周に設けられるリング溝内にピストンリングが装着されるとともに、該リング溝内には、その下側内壁面にピストンリングの下面を押圧し、かつシリンダ内壁面にピストンリングの外周面を押圧して保持する環状の押圧部材が収容される。このピストンリングの上面には押圧部材を収容する凹部が形成され、該凹部には、押圧部材の押圧力をリング溝の下側内壁面側への押圧力とシリンダ内壁面側への押圧力とに分散させる作用面が設けられる。そして、凹部の作用面に自身の押圧力を付与するように該凹部内に押圧部材を配置することで、上記したピストンリングの保持がなされる。これにより、1つの押圧部材にて部品数を増加させることなく、ピストンリングとリング溝の下側内壁面との間のシール性と、シリンダ内壁面との間のシール性とを十分確保できる。また、このような凹部をピストンリング側に設けることで、リング溝の溝幅の拡大や溝形状を複雑とすることも防止される。
請求項2に記載の発明によれば、複数設けられるうちの最上部のリング溝及びピストンリングに押圧部材が用いられる。つまり、最上部のピストンリングは燃焼室の気密保持を図るためのものであるため、この押圧部材により、燃焼室の気密保持が十分に図られるようになる。また、ピストン1つに対して1つの押圧部材の使用で済むため、部品数が増加しない。
請求項3に記載の発明によれば、凹部の作用面はピストンリングの下面から離間するほど径方向外側に傾斜する斜面で構成される。そのため、凹部の形状が複雑化することが抑えられ、ピストンリングの加工が煩雑となることが抑えられる。
請求項4に記載の発明によれば、凹部はピストンリングの内側端部から連続して形成される。そのため、凹部の形状が複雑化することが抑えられ、ピストンリングの加工が煩雑となることが抑えられる。
請求項5に記載の発明によれば、押圧部材は、コイルバネを環状に構成してなるエキスパンダ、線材を環状に構成してなるエキスパンダ、又は板材をバネ状とし環状に構成してなるエキスパンダよりなる。つまり、押圧部材の形状が単純な形状であるため、該押圧部材の形成が容易である。
従って、本発明によれば、部品数を増加させることなく、ピストンリング部分のシール性を好適に維持することができる内燃機関のピストンリング保持構造を提供することができる。
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図1は、内燃機関に用いられるピストン10を示している。ピストン10は下方が中空の略円柱状をなしており、該ピストン10の上部外周には3つのリング溝11〜13が形成されている。各リング溝11〜13は断面が略矩形状をなしている。各リング溝11〜13には、それぞれピストンリング14〜16が装着される。
各ピストンリング14〜16のうち、上部の2つのリング溝11,12に装着されるピストンリング14,15は、主として燃焼室の気密保持の役割を担う第1及び第2コンプレッションリングとなっている。これらピストンリング14,15は、周方向の1箇所に合口を有する円環平板形状をなしている。また最下部のリング溝13に装着されるピストンリング16は、主として内燃機関のシリンダ内壁面の余剰オイルを掻き落とす役割を担うオイルリングとなっている。ピストンリング16は、断面が略I型形状で周方向の1箇所に合口を有する円環状をなしており、その内側には、該リング16を径方向外側に付勢するコイルエキスパンダが装備されている。
図2に示すように、最上部のリング溝11内には、ピストンリング14とともに押圧部材としてのコイルエキスパンダ17が収容されている。コイルエキスパンダ17は、図3のようなコイルバネを環状に構成したものである。
ここで、ピストンリング14の形状について述べると、上面14aには内側端部から径方向中央まで凹部14cが形成されている。凹部14cは、ピストンリング14の下面14bと平行となるように内側端部から平坦状をなす凹底面14dと、該底面14dから上方に向かうほど径方向外側に傾斜する斜面14eとを有している。この凹部14cにはコイルエキスパンダ17が収容される。つまり、コイルエキスパンダ17を収容する収容凹部をピストンリング14側に凹部14cとして設けて、リング溝11の溝幅の拡大や溝形状を複雑とすることが防止されている。
また、コイルエキスパンダ17は、凹部14cの凹底面14dとリング溝11の上側内壁面11bとに略当接し、ピストンリング14の凹部14cの斜面14eにて内径方向に若干縮められた状態で該凹部14c内に収容されている。従って、コイルエキスパンダ17の押圧力(付勢力)が斜面14eに作用し、コイルエキスパンダ17から押圧力を受けるピストンリング14は、その下面14bがリング溝11の下側内壁面11aに押圧されると同時に、その外周面14fがシリンダ20におけるシリンダ内壁面20aに押圧されて保持される。これにより、ピストンリング14とリング溝11の下側内壁面11aとの間のシール性と、シリンダ内壁面20aとの間のシール性とを十分確保でき、その結果、ピストンリング14部分のシール性を好適に維持でき、燃焼室の気密保持が十分に図られるようになっている。
次に、本実施の形態の特徴的な作用効果を記載する。
(1)ピストン10の最上部のリング溝11内には、その下側内壁面11aにピストンリング14を押圧して保持するコイルエキスパンダ17が収容され、このコイルエキスパンダ17は、リング溝11内の下側内壁面11aにピストンリング14の下面14bを押圧し、かつシリンダ内壁面20aにピストンリング14の外周面14fを押圧する。このピストンリング14の上面14aにはコイルエキスパンダ17を収容する凹部14cが形成され、該凹部14cには、コイルエキスパンダ17の押圧力をリング溝11の下側内壁面11a側への押圧力とシリンダ内壁面20a側への押圧力とに分散させる作用面としての斜面14eが設けられている。そして、凹部14cの斜面14eに自身の押圧力(付勢力)を付与するように該凹部14c内にコイルエキスパンダ17を配置することで、上記したピストンリング14の保持がなされる。これにより、1つのコイルエキスパンダ17にて部品数を増加させることなく、ピストンリング14とリング溝11の下側内壁面11aとの間のシール性と、シリンダ内壁面20aとの間のシール性とを十分確保することができる。また、このような凹部14cをピストンリング14側に設けることで、リング溝11の溝幅の拡大や溝形状を複雑とすることも防止することができる。
(2)複数設けられるうちの最上部のリング溝11及びピストンリング14にコイルエキスパンダ17が用いられている。つまり、最上部のピストンリング14は燃焼室の気密保持を図るためのものであるため、このコイルエキスパンダ17により、燃焼室の気密保持を十分に図ることができる。また、ピストン10が1つに対して1つのコイルエキスパンダ17の使用で済むため、部品数が増加しない。
(3)凹部14cの斜面14eは凹底面14dから上方に向かうほど(ピストンリング14の下面14bから離間するほど)径方向外側に傾斜するように構成されている。そのため、凹部14cの形状が複雑化することが抑えられ、ピストンリング14の加工が煩雑となることを抑えることができる。
(4)凹部14cはピストンリング14の内側端部から連続して形成されている。そのため、このことによっても凹部14cの形状が複雑化することが抑えられるため、ピストンリング14の加工が煩雑となることを抑えることができる。
(5)コイルエキスパンダ17は、コイルバネを環状にして構成されている。つまり、コイルエキスパンダ17の形状が単純な形状であるため、該コイルエキスパンダ17の形成が容易である。
尚、本発明の実施の形態は、以下のように変更してもよい。
上記実施の形態では、押圧部材であるコイルエキスパンダ17をピストンリング14の凹部14cの斜面14eに当接させて、該コイルエキスパンダ17の押圧力をリング溝11の下側内壁面11a側への押圧力とシリンダ内壁面20a側への押圧力とに分散させたが、これらの構成を適宜変更してもよい。
例えば、図4及び図5に示すように、コイルバネを環状としたコイルエキスパンダ17に替えて、線材を環状としたエキスパンダ18を用いてもよい。このエキスパンダ18は、凹部14cの凹底面14dとリング溝11の上側内壁面11bとに当接し、ピストンリング14の凹部14cの斜面14eにて内径方向に若干縮められた状態で該凹部14c内に収容される。このようにしても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、図6に示すように、凹部14cの斜面14eを垂直面14gに替えて、上記コイルエキスパンダ17を凹部14cの凹底面14dとリング溝11の上側内壁面11bとの間で弾性変形させて該底面14dに押圧させるとともに、垂直面14gに対しても押圧させるようにしてもよい。このようにしても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、上記実施の形態においても、上記コイルエキスパンダ17を凹部14cの凹底面14dとリング溝11の上側内壁面11bとの間で弾性変形させてもよい。
また、図7及び図8に示すように、コイルバネを環状としたコイルエキスパンダ17に替えて、例えば板材を幅方向に蛇行させつつ一側を下方内側に斜めに屈曲させて環状とし、バネ性を持たせたエキスパンダ19を用いてもよい。このエキスパンダ19は、ピストンリング14の凹部14cの斜面14eに面接触する当接部19aと、リング溝11の上側内壁面11bに面接触する当接部19bとを有し、自身のバネ性にて斜面14eを押圧させてもよい。このようにしても上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
上記実施の形態では、最上部のリング溝11に装着されるピストンリング14に適用したが、その他のリング溝に装着されるピストンリング、即ちリング溝12,13に装着されるピストンリング15,16に適用してもよい。
本実施の形態におけるピストンの部分断面図である。 本実施の形態におけるピストンの要部拡大断面図である。 本実施の形態におけるコイルエキスパンダの一部を示す斜視図である。 別例におけるピストンの要部拡大断面図である。 別例におけるエキスパンダの一部を示す斜視図である。 別例におけるピストンの要部拡大断面図である。 別例におけるピストンの要部拡大断面図である。 別例におけるエキスパンダの一部を示す斜視図である。
符号の説明
10…ピストン、11…リング溝、11a…下側内壁面、14…ピストンリング、14b…下面、14c…凹部、14d…作用面としての凹底面、14e…作用面としての斜面、14g…作用面としての垂直面、14f…外周面、17…押圧部材としてのコイルエキスパンダ、18…押圧部材としてのエキスパンダ、19…押圧部材としてのエキスパンダ、20a…シリンダ内壁面。

Claims (5)

  1. 内燃機関に用いられるピストンの外周に設けられるリング溝内にピストンリングが装着されるとともに、前記リング溝内に環状の押圧部材を収容し、該押圧部材にて前記ピストンリングの下面を前記リング溝の下側内壁面に押圧するとともに、前記ピストンリングの外周面を内燃機関のシリンダ内壁面に押圧して保持するピストンリング保持構造において、
    前記ピストンリングの上面には前記押圧部材を収容する凹部が形成され、該凹部には、前記押圧部材の押圧力を前記リング溝の下側内壁面側への押圧力と前記シリンダ内壁面側への押圧力とに分散させる作用面が形成されており、
    前記押圧部材は、前記凹部の作用面に自身の押圧力を付与するように該凹部内に配置されることを特徴とする内燃機関のピストンリング保持構造。
  2. 請求項1に記載の内燃機関のピストンリング保持構造において、
    前記リング溝及び前記ピストンリングは複数設けられるものであり、その最上部の前記リング溝及び前記ピストンリングに前記押圧部材を用いたことを特徴とする内燃機関のピストンリング保持構造。
  3. 請求項1又は2に記載の内燃機関のピストンリング保持構造において、
    前記凹部の作用面は、前記ピストンリングの下面から離間するほど径方向外側に傾斜する斜面で構成されることを特徴とする内燃機関のピストンリング保持構造。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関のピストンリング保持構造において、
    前記凹部は、前記ピストンリングの内側端部から連続して形成されることを特徴とする内燃機関のピストンリング保持構造。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関のピストンリング保持構造において、
    前記押圧部材は、コイルバネを環状に構成してなるエキスパンダ、線材を環状に構成してなるエキスパンダ、又は板材をバネ状とし環状に構成してなるエキスパンダであることを特徴とする内燃機関のピストンリング保持構造。
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