JP2008014214A - ピストンリング、ピストン及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エンジンの爆発時にピストンリングの張力拡大に起因するピストンリングとシリンダライナとの摩擦の増大を回避することのできるピストンリングを提供することを課題とする。
【解決手段】ピストンリング（１）の外周側には、燃焼室圧力Ｐ１が作用する第一受圧部（５）、シリンダライナ（４）との摺動部（６）、クランクケース圧力Ｐ２が作用する第四受圧部（７）が形成されている。一方、ピストンリング（１）の内周側には、燃焼室圧力Ｐ１が作用する第二受圧部（８）及びクランクケース圧力Ｐ２が作用する第三受圧部（９）が形成されている。各部の寸法、形状は、ピストンリング（１）の内周側に作用する力とピストンリング（１）の外周側に作用する力とが互いに打ち消しあうような寸法、形状となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのピストンに装着するピストンリング、ピストン及びエンジンに関する。

従来、ピストンリングの外周面とシリンダライナ内周面との間の接触面圧が過大とならないように、ピストンリングの背部空間とピストン外周隙間とを連通する溝あるいは穴を設けて、上記背部空間内の燃焼ガスを上記溝あるいは穴を通して上記ピストン外周隙間に適量漏洩させ、ピストンリングとシリンダライナ内面との接触面圧を低減させる提案がなされている（特許文献１）。

一方、特許文献２には燃料である軽油を潤滑油として利用する軽油潤滑式ディーゼルエンジンが開示されている。このような軽油潤滑式ディーゼルエンジンでは、燃料となる軽油がエンジン各部の潤滑油としても用いられ、エンジン各部を循環する。このため、潤滑専用のオイルは不要であり、オイル交換の手間も省くことができる。

このようなディーゼルエンジンでは燃料として一般的に軽油を用い、軽油が潤滑系に供給されて各部の潤滑に供される。

特開平１１−２０１２８３号公報 実開昭６０−１９４１１２号公報

特許文献２記載のような軽油潤滑式ディーゼルエンジンでは、軽油がピストンリング摺動面にも供給される。
しかしながら、軽油は一般的なエンジンオイルよりも粘度が低く、蒸発し易い特性を有する。このため、特にエンジンの高負荷時のように燃焼室が高温となる状態では、軽油の粘度低下が著しい。このような状況下、通常のピストンリングであれば、燃焼室で起こる爆発力に起因してピストンリングの張力が増大し、ピストンリングとシリンダライナとの摩擦が増加することが懸念される。

特許文献１に開示されたようなピストンリングは、特許文献２で開示されたような軽油潤滑式ディーゼルエンジンに用いることができる。しかし、特許文献１に開示されたようなピストンリングであっても爆発に起因するピストンリングの張力増大は生じるものであり、ピストンリングとシリンダライナとの間の摩擦増大を完全に回避できるものではなかった。

そこで、本発明は、エンジンの爆発時にピストンリングの張力拡大に起因するピストンリングとシリンダライナとの摩擦の増大を回避することのできるピストンリングを提供することを課題とする。

かかる課題を解決するための、本発明のピストンリングは、ピストンに設けられたピストンリング溝に装着されるピストンリングであって、燃焼室圧力Ｐ１とクランクケース圧力Ｐ２が作用する環境下において、ピストンリングの内周側に作用する力と当該ピストンリングの外周側に作用する力とが互いに打ち消しあうことを特徴としている。ピストンリングの断面形状を工夫して、燃焼室圧力Ｐ１、クランクケース圧力Ｐ２により、ピストンリングの内周面、外周面に作用する力が打ち消しあうようにする趣旨である。ピストンリングは、ピストンに装着された状態で、初期の張力を有しているが、本発明によれば、燃焼室圧力Ｐ１、クランクケース圧力Ｐ２がどのような値となっても、ピストンリングの張力を所定の値に保つことができる。この結果、シリンダライナの潤滑油が不足するような状況であっても、ピストンリングとシリンダライナとの間における摩擦の増大を回避することができる。特に、軽油等の燃料を潤滑油として利用し、シリンダライナにおける油膜切れが生じ易い形式のエンジンに本発明のピストンリングを採用することは有効である。
なお、本発明によれば燃焼時にピストンリングの張力が増大することなく、ほぼ一定の張力となるが、燃料を潤滑油として利用する形式のエンジンでは、オイル上がりによる潤滑油不足の懸念は小さくなる。

本発明によれば、ピストンリングの断面形状を工夫して、燃焼室圧力Ｐ１、クランクケース圧力Ｐ２により、ピストンリングの内周面、外周面に作用する力が打ち消しあうようにしたので、ピストンとシリンダライナとの間の摩擦の増大を回避することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本発明のピストンリング１を装着したピストン２を備えたエンジン３の一部を拡大して断面とするとともに、ピストンリング１に作用する力を模式的に示した説明図である。このエンジン３は、燃料である軽油を潤滑油として利用する形式のディーゼルエンジンである。

ピストン２には、ピストンリング溝２ａが形成されており、ピストンリング１は、このピストンリング溝２ａに嵌め込まれて装着されている。ピストンリング溝２ａに装着されたピストンリング１の周囲には燃焼室圧力Ｐ１及びクランクケース圧力Ｐ２が作用する。ピストンリング１は、このように燃焼室圧力Ｐ１とクランクケース圧力Ｐ２が作用する環境下において、内周側に作用する力と外周側に作用する力とが互いに打ち消しあうように形成されている。

ピストンリング１は、その外周側に燃焼室圧力Ｐ１が作用する第一受圧部５が形成されている。さらに、ピストンリング１の外周側には、シリンダライナ４との摺動部６、クランクケース圧力Ｐ２が作用する第四受圧部７が形成されている。また、ピストンリング１は、内周側に燃焼室圧力Ｐ１が作用する第二受圧部８及びクランクケース圧力Ｐ２が作用する第三受圧部９が形成されている。

このようなピストンリング１は、初期状態のときに自己張力による面圧Ｐｅを有しており、ピストンリング１をシリンダライナ４側へ押し付ける半径方向の力Ｆｂ１を発生している。このようなピストンリング１の内周側には、燃焼室圧力Ｐ１とクランクケース圧力Ｐ２による半径方向の力Ｆｂ２が作用する。一方、ピストンリング１の外周側には、燃焼室圧力Ｐ１とクランクケース圧力Ｐ２による半径方向の力Ｆａが作用する。従って、ピストンリング１がシリンダライナ４に押し付けられる力Ｆｒは、
Ｆｒ＝Ｆｂ１＋Ｆｂ２−Ｆａ （式１）
となる。

このような状況下で、常にＦｂ２＝Ｆａとなっていればピストンリング１の内周側に作用する力と外周側に作用する力とが互いに打ち消しあうこととなり、ピストンリング１は常に初期の自己張力による力Ｆｂ１によってのみシリンダライナ４側へ押し付けられる。すなわち、燃焼室圧力Ｐ１、クランクケース圧力Ｐ２の値にかかわらず、ピストンリング１は常に一定の力によってシリンダライナ４側へ押し付けられる。

ピストンリング１においてＦｂ２＝Ｆａとなる力関係を実現するための条件について以下に説明する。
まず、第一受圧部５の厚さをａ１、摺動部６の厚さをａ２、第四受圧部７の厚さをａ３とし、さらに、第二受圧部８の厚さをｂ１、第三受圧部９の厚さをｂ２とすると、Ｆｂ２及びＦａは、
Ｆｂ２＝Ｐ１・ｂ１＋Ｐ２・ｂ２ （式２）
また、
Ｆａ＝Ｐ１・ａ１＋（Ｐ１＋Ｐ２）／２・ａ２＋Ｐ２・ａ３ （式３）
となる。
ここで、（Ｐ１＋Ｐ２）／２・ａ２の項が摺動部６にかかる力を表している。これは、摺動部６の上側に燃焼室圧力Ｐ１がかかり、下側にクランクケース圧力Ｐ２がかかることから、摺動部６にかかる圧力は、燃焼室圧力Ｐ１からクランクケース圧力Ｐ２へなだらかに変化しているものとして計算する趣旨である。
なお、厳密には、作用する圧力と面積との積によってピストンリング１に作用する力が計算されるが、ピストンリング１の内周長と外周長の差が僅かであることに鑑み作用する圧力と各部の厚さとの積によってピストンリング１に作用する力を計算することとしている。

ここで、ピストンリング１は、Ｆｂ２＝Ｆａを満たすものであるから、
Ｐ１・ｂ１＋Ｐ２・ｂ２＝Ｐ１・ａ１＋（Ｐ１＋Ｐ２）／２・ａ２＋Ｐ２・ａ３
（式４）
また、ピストンリング１の内周側の厚さと外周側の厚さとは、同一であることから、
ｂ１＋ｂ２＝ａ１＋ａ２＋ａ３ （式５）
の関係が成立している。

式４を整理すると、
（ｂ１−ａ１−ａ２／２）・Ｐ１＋（ｂ２−ａ２／２−ａ３）・Ｐ２＝０
（式６）
となる。
この式６は、Ｐ１及びＰ２の値にかかわらず成立しなければならないので、
ｂ１−ａ１−ａ２／２＝０ （式７）
及び、
ｂ２−ａ２／２−ａ３＝０ （式８）
の関係を満たす必要がある。

以上、説明したように、式７、式８を満たす形状のピストンリング１であれば、ピストンリング１の内周面、外周面に作用する力が打ち消しあい、ピストンリング１は常に初期の自己張力による力Ｆｂ１によってのみシリンダライナ４側へ押し付けられる。
この結果、エンジンの高負荷時等、燃焼室圧力Ｐ１が高くなると同時にシリンダライナ４における潤滑油不足が懸念される状況であってもピストンリング１がシリンダライナ４に押し付けられる力が増大することがなく、ピストンリング１とシリンダライナ４との摩擦が大きくなることを回避することができる。

なお、式５を変形すると、
ｂ１−ａ１＝ａ２＋ａ３−ｂ２ （式９）
となり、この式９を式７に代入すると、
ａ２／２＋ａ３−ｂ２＝０
整理すると、
ｂ２−ａ２／２−ａ３＝０
となり、式８と同一の式となる。
すなわち、式７と式８とは同じ意味を表している。従って、式７又は式８のいずれかを満たしていればよいこととなる。

本発明のピストンリング１の形状は、以上説明したような形状となる。一方、ピストン２に設けられたピストンリング溝２ａは、図１に示すようにピストンリング１の形状に対応した形状を有している。ピストンリング１とピストンリング溝２ａとの間のシール性は、図１中、Ａで示した箇所で確保されている。

なお、図１に示した形状を図２に示すような形状に変更しても、上記の計算式で導かれる関係を満たすことによって本発明の目的を達成することができる。図２に示したピストンリング１０は、第三受圧部１２が二段に形成されており、ピストン１１に形成されたピストンリング溝１１ａの形状もピストンリング１０の形状に対応したものとなっている。ところが、クランクケース圧力Ｐ２が作用する第三受圧部１２の総厚さは、ｂ２となることから上記の例と同様に式７、式８の関係を満たすことにより本発明の目的を達成することができる。この場合、ピストンリング１０とピストンリング溝１１ａとの間のシール性は、図２中、Ｂで示した箇所で確保されている。

次に、本発明の実施例２について図３を参照しつつ説明する。実施例２のピストンリング２０が実施例１のピストンリング１と異なる点は、ピストンリング２０では、ピストンリング１に形成されていた第四受圧部７が形成されていない点である。

このような形状のピストンリング２０の内周側にかかる力と外周側にかかる力との関係は、実施例１における式８において、ａ３＝０とすることにより求めることができる。
すなわち、
ｂ２−ａ２／２−ａ３＝０ （式８）
において、ａ３＝０であるから、
ａ２＝２ｂ２ （式１０）
の関係が成立していれば、本発明の目的を達成することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。また、燃料を潤滑油として利用する形式のディーゼルエンジンには、種々の配管形式が考えられ、付属する構成要素も様々なものが考えられるが、燃料を潤滑油として利用している形式のエンジンであれば、どのようなエンジンに対しても本発明のピストンリング、ピストンを採用することができる。

また、本発明のピストンリング、ピストンは、燃料とは別個の潤滑油を準備する一般的なエンジンにも採用することができる。

実施例１のピストンリングを装着したピストンを備えたエンジンの一部を拡大して断面とし、ピストンリングに作用する力を模式的に示した説明図である。 他の例のピストンリングを装着したピストンを備えたエンジンの一部を拡大して断面とし、ピストンリングに作用する力を模式的に示した説明図である。 実施例２のピストンリングを装着したピストンを備えたエンジンの一部を拡大して断面とし、ピストンリングに作用する力を模式的に示した説明図である。

符号の説明

１、１０、２０ ピストンリング
２、１１ ピストン
３ エンジン
４ シリンダライナ
５ 第一受圧部
６ 摺動部
７ 第四受圧部
８ 第二受圧部
９ 第三受圧部

Claims (6)

1. ピストンに設けられたピストンリング溝に装着されるピストンリングであって、
   燃焼室圧力Ｐ１とクランクケース圧力Ｐ２が作用する環境下において、
   ピストンリングの内周側に作用する力と当該ピストンリングの外周側に作用する力とが互いに打ち消しあうことを特徴としたピストンリング。
2. ピストンに設けられたピストンリング溝に装着されるピストンリングであって、
   前記ピストンリングの外周側に少なくとも燃焼室圧力Ｐ１が作用する第一受圧部及びシリンダライナとの摺動部が形成され、
   前記ピストンリングの内周側に燃焼室圧力Ｐ１が作用する第二受圧部及びクランクケース圧力Ｐ２が作用する第三受圧部が形成されたことを特徴としたピストンリング。
3. 請求項２記載のピストンリングにおいて、
   前記ピストンリングの外周側にクランクケース圧力Ｐ２が作用する第四受圧部がさらに形成され、
   前記第一受圧部の厚さをａ１、前記摺動部の厚さをａ２、前記第四受圧部の厚さをａ３とし、
   前記第二受圧部の厚さをｂ１、前記第三受圧部の厚さをｂ２としたときに、
   ｂ１−ａ１−ａ２／２＝０
   及び
   ｂ２−ａ２／２−ａ３＝０
   の関係が成り立つことを特徴としたピストンリング。
4. 請求項２記載のピストンリングにおいて、
   前記摺動部の厚さをａ２、前記第三受圧部の厚さをｂ２としたときに、
   ｂ２−ａ２／２＝０
   の関係が成り立つことを特徴としたピストンリング。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項記載のピストンリングが装着されるピストンリング溝が形成されたことを特徴とするピストン。
6. 燃料を潤滑油として利用するエンジンであって、
   請求項１乃至４のいずれか一項記載のピストンリングを装着したピストンを備えたことを特徴とするエンジン。
   

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