JP2007092985A - ピストンリング構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性に優れオイル消費量の少ない新規なピストンリング構造体の提供。
【解決手段】ピストンリング構造体１は、シリンダ２の内壁面２Ａに摺接するアウタリング９と、リング溝５の底壁面５Ａに当接し、支点１３で拡開する一対のインナレール１０，１１からなるインナリング８とを有する。径方向外側へ向けて断面略Ｖ字状に開いた両レール１０，１１間のＶ型溝２１に嵌合するバネ部材１２により、両レール１０，１１を径方向内側へ付勢し、両レール１０，１１の径方向外側の端部１０Ｂ，１１Ｂを、径方向内側へ向けて断面略Ｖ字状に傾斜するアウタリング９の一対の傾斜面１８Ａ，１８Ｂにそれぞれ摺接させ、２つのインナリング８とアウタリング９とにより、シリンダ内壁面２Ａとリング溝５の底壁面５Ａの双方をシールする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関のピストンに好適に用いられるピストンリング構造体に関する。

内燃機関のピストンの外周に凹設されるピストン溝には、シリンダの内壁面との隙間を塞ぐピストンリングが装着される。このようなピストンリングとして、特許文献１に記載されているようにアウタリングをコイルエキスパンダによりシリンダの内壁面へ押圧する、いわゆる２ピースタイプの組合せリングや、特許文献２に記載されているように一対のサイドレールをコイルエキスパンダによりシリンダ壁面とリング溝の上下面の３つの面に押しつける、いわゆる３ピースタイプの組合せリングが知られている。
特開１９９７−１４４８８１号公報 特開２００１−６８６０５号公報

前者の２ピースタイプの組合せリングでは、リングの背面をまわるオイルを良好にシールすることができないので、ピストン上面側に掻き上げられるオイル消費量が比較的多いという課題がある。後者の３ピースタイプの組合せリングでは、上記２ピースタイプのものに比して、オイル消費量を抑制できるものの、切り屑やカーボン等のスラッジの排出機能が低く、いわゆるピストンのスティック現象を招き易い傾向にある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、シール性に優れ、オイル消費量を著しく低減し得る新規なピストンリング構造体を提供することをその目的としている。

シリンダ内に昇降可能に嵌合するピストンの外周に凹設されたリング溝に装着されるピストンリング構造体であって、シリンダの内壁面とリング溝の底壁面の一方の第１壁面に当接する第１リングと、上記シリンダの内壁面とリング溝の底壁面の他方の第２壁面に当接する第２リングと、を有している。

本発明のピストンリング構造体によれば、２つの第１，第２リングによりシリンダの内壁面とリング溝の底壁面の双方をシールすることにより、ピストンの昇降動作にかかわらず、ピストンとシリンダとの隙間を良好にシールすることができ、オイル消費量を著しく低減することができる。また、シール性能の向上により、シリンダの内壁面に対する張力を抑制することができるので、シリンダとの間に生じるフリクションを低減して燃費向上を図ることができる。加えて、第１リングと第２リングとがリング溝の底壁面からシリンダの内壁面にわたって架け渡される形となるので、ピストンの首振り動作を抑制し、スラップの発生を低減・回避することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本明細書では基本的にピストン３の上下方向を「上下」として用いている。

図１〜図４は、本発明の第１実施例に係るピストンリング構造体１を示している。内燃機関のシリンダ（ライナ）２内には、ピストン３が昇降可能に嵌合している。このピストン３の外周には複数のリング溝４，５が全周にわたって形成されており、これらのリング溝４，５に、シリンダ２の内壁面２Ａとの隙間を塞ぐピストンリング（構造体）１，６が装着されている。上側のリング溝４には、主としてブローバイガスがピストン３下方へ漏れるのを防ぐコンプレッションリング６が装着され、下側のオイルリング溝５に、本実施例のピストンリング構造体１が装着される。このピストンリング構造体１は、主としてシリンダ２の内壁面２Ａの油膜を調節するオイルリングとしての機能を有している。オイルリング溝５には、掻き落としたオイルをピストン３下方へ落とすための油落とし通路７が形成されている。

上記のピストンリング構造体１は、シリンダ２の内壁面２Ａに摺接するアウタリング（第２リング）９と、このアウタリング９の径方向内側に摺接状態で配置されて、上記のシリンダ内壁面２Ａに対向するリング溝５の底壁面５Ａに当接するインナリング（第１リング）８と、付勢手段としてのリング状のバネ部材１２と、により構成されている。

アウタリング９の外周側には、シリンダ内壁面２Ａに摺接する上下一対の摺接面９Ａが溝部９Ｂを挟んで形成されている。また、アウタリング９の内周側には、径方向内側へ向けて断面略Ｖ字状に開いた傾斜する上下一対の傾斜面１８Ａ，１８Ｂが形成されている。

インナリング８は、支点（１３）で連結された上下一対の環状をなす第１インナレール１０及び第２インナレール１１を有している。各インナレール１０，１１は、その内周側端部１０Ａ，１１Ａでリング溝５の底壁面５Ａに当接しており、外周側端部１０Ｂ，１１Ｂで上記の傾斜面１８Ａ，１８Ｂにそれぞれ摺接している。

各インナレール１０，１１には、円筒状のボス部１４が周方向で等間隔毎に形成されている。これらのボス部１４を互い違いに整合させた状態で、支点となるリング状の芯材１３をボス部１４に挿通することにより、両インナレール１０，１１が芯材１３を支点として上下方向に揺動可能に連結されている。そして、両インナレール１０，１１の間に、支点（芯材１３）から径方向外側へ向けて断面略Ｖ字状に開いたＶ型溝２１が形成されている。

バネ部材１２は、周知のコイルエキスパンダと同様の構造のものであって、図示していないが、スチールの線材をコイル状に巻いたスチールコイルの中に芯材を通し、円形に曲げたものである。このバネ部材１２は、上記のＶ型溝２１に嵌合し、このＶ型溝２１を形成するインナレール１０，１１の対向面２１Ａ，２１Ｂを径方向内側へ常時付勢している。結果として、インナレール１０，１１はバネ部材１２により径方向内側へ付勢されるとともに、Ｖ型溝２１が上下に拡がる方向に付勢されている。なお、ピストンリング構造体１は、その高さ方向寸法がリング溝５よりも短く設定されていて、リング溝５の上下面との間に隙間ΔＤが確保されている。

図１及び図２に示すように、リング溝５へ組み付けた状態でのピストンリング構造体１にあっては、バネ部材１２がインナレール１０，１１の傾斜する対向面２１Ａ，２１Ｂを径方向内側へ付勢することにより、インナレール１０，１１が径方向内側へ付勢されるとともに、Ｖ型溝２１が上下方向に拡がる方向に付勢される。このため、インナレール１０，１１の内周側端部１０Ａ，１０Ｂがリング溝５の底壁面５Ａに押しつけられるとともに、各インナレール１０，１１の外周側端部１０Ｂ，１１Ｂがアウタリング９の傾斜面１８Ａ，１８Ｂに強く押しつけられて、アウタリング９が径方向外側へ付勢され、アウタリング９の外周側の摺接面９Ａ，９Ａがシリンダ内壁面２Ａに押しつけられる。この反作用として、インナレール１０，１１がアウタリング９により径方向内側へ付勢される。

そして、ピストン３の上下動に伴うシリンダ内壁面２Ａとリング溝底壁面５Ａとの間の径方向寸法２０の変化に応じて、つまり径方向寸法２０の変化に追従して、インナリング８がアウタリング９に対して姿勢を変化させながら摺動するようになっている。図２は図１に比して径方向寸法２０が相対的に大きい間隙拡大状態を、図１は図２に比して径方向寸法２０が相対的に小さい間隙縮小状態を表している。

図２に示す間隙拡大状態から図１に示す間隙縮小状態への間隙縮小時には、径方向寸法２０の縮小に伴って、両インナレール１０，１１がバネ部材１２の付勢力に抗してＶ型溝２１を上下に拡げるように変位し、このとき、インナレール１０，１１の外周側端部１０Ｂ，１１Ｂが傾斜面１８Ａ，１８Ｂ上を互いに上下に離間する方向へ摺動して、両外周側端部１０Ｂ，１１Ｂ間の寸法１９が拡大する。逆に、図１に示す間隙縮小状態から図２に示す間隙拡大状態への間隙拡大時には、径方向寸法２０の増加に伴って、両インナレール１０，１１がバネ部材１２の付勢力にアシストされながらＶ型溝２１が上下に狭まるように変位し、このとき、インナレール１０，１１の外周側端部１０Ｂ，１１Ｂが傾斜面１８Ａ，１８Ｂ上を互いに近接する方向へ摺動し、両外周側端部１０Ｂ，１１Ｂ間の寸法１９が縮小する。

このように本実施例では、両壁面２Ａ，５Ａ間の径方向寸法２０の変化に追従するように、インナレール１０，１１がアウタリング９に摺接しつつ姿勢を変えることにより、両壁面２Ａ，５Ａが常時シールされた状態に保たれる。

以上の説明より把握し得る本発明の特徴的な構成及びその作用効果について、上記実施例を参照して説明する。ただし、本発明は参照符号を付した実施例の構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。

（１）シリンダ２内に昇降可能に嵌合するピストン３の外周に凹設されたリング溝５に装着されるピストンリング構造体１であって、シリンダ２の内壁面２Ａとリング溝５の底壁面５Ａの一方の第１壁面５Ａに当接する第１リング８と、この第１リング８の径方向内側又は外側に接触状態で配置されて、シリンダ２の内壁面２Ａとリング溝５の底壁面５Ａの他方の第２壁面２Ａに当接する第２リング９と、を有している。

このように、２つのリング８，９によりシリンダ内壁面２Ａとリング溝５の底壁面５Ａの双方をシールするようにしたので、ピストン３の昇降動作にかかわらず、ピストン３とシリンダ２との隙間を良好にシールすることができ、そのシール性能が向上するとともに、オイル消費量を著しく低減することができる。また、このようなシール性能の向上に伴い、シリンダ２の内壁面２Ａに対する張力を抑制してフリクションを低減することができる。加えて、２つのリング８，９がリング溝底壁面５Ａからシリンダ内壁面２Ａにわたって架け渡される形となるので、ピストン２の首振り動作を抑制し、これに起因するピストンスラップの発生を低減・回避することができる。

（２）好ましくは、上記第１壁面５Ａと第２壁面２Ａとの間の径方向寸法２０の変化に応じて、上記第１リング８が第２リング９に対して姿勢を変化させながら摺動するようになっている。このように径方向寸法２０の変化に応じて第１リング８の姿勢が変化することにより、スラッジの排出機能が向上し、スラッジの堆積を抑制することができる。

（３）より具体的には、第１リング８が、第１壁面５Ａに当接する上下一対のレール１０，１１を有し、両レール１０，１１間に第２壁面２Ａ側へ断面略Ｖ字状に開いたＶ型溝２１が形成されている。また、第２リング９には、第１壁面５Ａ側へ向けて断面略Ｖ字状に傾斜する一対の傾斜面１８Ａ，１８Ｂが形成されている。更に、上記Ｖ型溝２１を拡げる方向へ付勢する付勢手段（バネ部材１２）を備えている。そして、一対のレール１０，１１の第２壁面２Ａ側の端部１０Ｂ，１１Ｂが、上記一対の傾斜面１８Ａ，１８Ｂにそれぞれ摺接している。

このような構成によれば、径方向寸法２０の変化に追従して第１リング８が傾斜面１８Ａ，１８Ｂ上を摺動することとなり、上記（２）と同様、スラッジの排出機能が向上する。また、摺接部分を傾斜面１８Ａ，１８Ｂとしているために、付勢手段により第１リング８が第１壁面５Ａへ押しつけられ、その反作用として、第２リング９が第２壁面２Ａへ押しつけられることとなるので、そのシール性を更に向上することができる。

なお、上記実施例では一対のレール１０，１１を支点となる芯材１３で連結される別部材として構成しているが、Ｖ型溝２１が拡開・収縮するように変形可能なものでであれば、レール１０，１１を一体的に形成しても良い。

（４）上記付勢手段は、好ましくは、Ｖ型溝２１に嵌合して一対の環状レール１０，１１を第１壁面５Ａ側へ付勢する簡素な構造のリング状のバネ部材１２である。このようなバネ部材１２として、例えば一般的なコイルエキスパンダと同様のものを用いることができる。

（５）上記実施例では、第１リング８が当接する第１壁面をリング溝５の底壁面５Ａ、第２リング９が当接する第２壁面をシリンダ２の内壁面２Ａとしている。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、第１リング８が当接する第１壁面をシリンダ２の内壁面２Ａとし、第２リング９が当接する第２壁面をリング溝５の内壁面５Ａとしても良い。

図５〜図８は、本発明の第２実施例に係るピストンリング構造体３１を示している。なお、上記第１実施例と同様の構成には同じ参照符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

このピストンリング構造体３１は、シリンダ２の内壁面２Ａに摺接する一対の上側アウタリング（第２リング）３２及び下側アウタリング（第２リング）３３と、シリンダ２の軸方向（図５〜８の上下方向）で一対のアウタリング３２，３３に挟まれており、上記のシリンダ内壁面２Ａに対向するリング溝５の底壁面５Ａに摺接する一つのインナリング（第１リング）３４と、により構成されている。これら３つのリング３２〜３４はそれぞれ独立しており、互いに接近・離間可能である。各アウタリング３２，３３は、弾性変形により自然長の状態よりも縮径した状態でオイルリング溝５に組み込まれており、その外周面がシリンダ内壁面２Ａに所定の張力で常時押し付けられている。インナリング３４は、弾性変形により自然長の状態よりも拡径した状態でオイルリング溝５に組み込まれており、その内周面がリング溝底壁面５Ａに所定の張力で常時押し付けられている。

図５は図６に比して径方向寸法２０が相対的に小さい間隙縮小状態を、図６は図５に比して径方向寸法２０が相対的に大きい間隙拡大状態を表している。図６に示す間隙拡大状態から図５に示す間隙縮小状態への間隙縮小時には、径方向寸法２０の縮小に伴って、両アウタリング３２，３３が縮径方向へ弾性変形する。逆に、図５に示す間隙縮小状態から図６に示す間隙拡大状態への間隙拡大時には、径方向寸法２０の増加に伴って、両アウタリング３２，３３が拡径方向へ弾性変形する。このように、ピストン３のスラップ運動に伴うシリンダ内壁面２Ａとリング溝底壁面５Ａとの間の径方向寸法２０の変化に応じて、つまり径方向寸法２０の変化に追従して、インナリング３４の上下に位置するアウタリング３２，３３がそれぞれ拡径又は縮径方向へ弾性変形し、その外周面がシリンダ内壁面２Ａと摺接状態に維持される。

また、ピストン３の上昇行程では、図７に示すように、両アウタリング３２，３３に作用するシリンダ内壁面２Ａからの摩擦力及び各リング３１〜３３に作用する慣性力によって、隣り合うリング同士が上下に密着した状態で、下側アウタリング３３がリング溝５の下面に突き当てられた状態に保持される。同様に、ピストン３の下降行程では、図８に示すように、両アウタリング３２，３３に作用するシリンダ内壁面２Ａからの摩擦力及び各リング３１〜３３に作用する慣性力によって、隣り合うリング同士が上下に密着した状態で、上側アウタリング３２がリング溝５の上面に突き当てられた状態に保持される。

このように第２実施例では、両壁面２Ａ，５Ａ間の径方向寸法２０の変化に追従するように、互いに密着するインナリング３４とアウタリング３２，３３とがリング溝底壁面５Ａからシリンダ内壁面２Ａにわたって架け渡される形となり、両壁面２Ａ，５Ａが常時シールされた状態に保たれる。従って、上記第１実施例と同様、ピストン３とシリンダ２との隙間を良好にシールすることができ、そのシール性能が向上するとともに、オイル消費量を著しく低減することができる。また、このようなシール性能の向上に伴い、シリンダ２の内壁面２Ａに対する張力を抑制してフリクションを低減することができる。加えて、アウタリング３２，３３の収縮によりピストン２の首振り動作を抑制し、これに起因するピストンスラップの発生を低減・回避することができる。

本発明の第１実施例に係るピストンリング構造体を示す間隙縮小状態での断面図。 上記第１実施例のピストンリング構造体を示す間隙拡大状態での断面図。 上記第１実施例のピストンリング構造体の一部を示す斜視対応図。 同じく上記第１実施例のピストンリング構造体の一部を示す破断斜視図。 本発明の第２実施例に係るピストンリング構造体を示す間隙縮小状態での断面図。 上記第２実施例のピストンリング構造体を示す間隙拡大状態での断面図。 上記第２実施例のピストンリング構造体を示すピストン上昇行程での断面図。 上記第２実施例のピストンリング構造体を示すピストン下降行程での断面図。

符号の説明

１…ピストンリング構造体
２…シリンダ
２Ａ…内壁面（第２壁面）
３…ピストン
５…オイルリング溝
５Ａ…底壁面（第１壁面）
８…インナリング（第１リング）
９…アウタリング（第２リング）
１０，１１…インナレール
１２…バネ部材
１３…芯材（支点）
１８Ａ，１８Ｂ…傾斜面
２１…Ｖ型溝
２１Ａ，２１Ｂ…対向面
３１…ピストンリング構造体
３２…上側アウタリング（上側第２リング）
３３…下側アウタリング（下側第２リング）
３４…インナリング（第１リング）

Claims (8)

1. シリンダ内に昇降可能に嵌合するピストンの外周に凹設されたリング溝に装着されるピストンリング構造体であって、
   シリンダの内壁面とリング溝の底壁面の一方の第１壁面に当接する第１リングと、
   上記シリンダの内壁面とリング溝の底壁面の他方の第２壁面に当接する第２リングと、
   を有することを特徴とするピストンリング構造体。
2. 上記第２リングが第１リングの径方向内側又は外側に接触状態で配置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構造体。
3. 上記第１壁面と第２壁面との間の径方向寸法の変化に応じて、上記第１リングが第２リングに対してその姿勢を変化させながら摺動することを特徴とする請求項２に記載のピストンリング構造体。
4. 上記第１リングが、上記第１壁面に当接する上下一対のレールを有し、両レール間に第２壁面側へ断面略Ｖ字状に開いたＶ型溝が形成され、
   上記第２リングには、第１壁面側へ向けて断面略Ｖ字状に傾斜する一対の傾斜面が形成され、
   かつ、上記Ｖ型溝を拡げる方向へ付勢する付勢手段を備え、
   上記一対のレールの第２壁面側の端部が、上記一対の傾斜面にそれぞれ摺接していることを特徴とする請求項２又は３に記載のピストンリング構造体。
5. 上記付勢手段が、上記Ｖ型溝に嵌合し、上記一対のレールを第１壁面側へ付勢するリング状のバネ部材であることを特徴とする請求項４に記載のピストンリング構造体。
6. 上記第１壁面がリング溝の底壁面であり、上記第２壁面がシリンダの内壁面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のピストンリング構造体。
7. 上記第１リングは第１壁面に所定の張力で押し付けられ、上記第２リングは第２壁面に所定の張力で押し付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構造体。
8. 上記第１リングはシリンダ軸方向で一対の第２リングの間に挟まれていることを特徴とする請求項７に記載のピストンリング構造体。
   

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