JP2008138520A - 内燃機関のピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】 ボアへの追従性を高めるとともにトップランド部の変形を抑制することが可能な、さらにはピストンからボアへの放熱を促進することが可能な断面コの字状の内燃機関のピストンリングを提供する。
【解決手段】 ピストン４のトップランド部Ｔに嵌め込まれるコの字状リング１Ｃであって内部に中空部Ｓ２を有する。中空部Ｓ２はピストン４に嵌め込まれた状態で燃焼室側のほうが大きくなるように形成されている。これにより、重量の低減に加えて下面を介してピストン４の熱をボアへ伝えるようにすることができる。このためコの字状リング１Ｃでは、中空部Ｓ２が断熱層として機能してもピストン４からボアへの放熱を促進することができる。またコの字状リング１Ｃでは、放熱を促進するための物質を中空部Ｓ２に封入する必要がない分、新たな重量やコストの増大も抑制できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は内燃機関のピストンリングに関し、特にピストンのトップランド部に嵌め込まれる断面コの字状の内燃機関のピストンリングに関する。

従来、内燃機関のピストンに嵌め込むピストンリングとして、断面コの字状のピストンリング（以下、単にコの字状リングとも称す）が知られている（例えば特許文献１から３）。コの字状リングは一般的な断面平板状のピストンリングと比較してボア（シリンダ壁面）との摺動部の面積をより大きく確保できるので、例えばピストンリング及びピストンリングを介したピストンの冷却促進効果を高めることができる点で有利である。このため、上記特許文献１から３ではより有用なものとすべく、コの字状リングやコの字状リングが嵌め込まれるピストンが抱える課題を解決するための技術が夫々提案されている。

一方、特許文献４では内部空洞を有する内燃機関用ピストンリングが提案されている。このピストンリングには内部空洞を形成する外壁に第１の貫通孔が、内部空洞を形成する底壁に第２の貫通孔が夫々形成されており、内部空洞は主としてピストンリングによって掻き上げられるオイル量を低減するための構成となっている。また特許文献５では内部に金属ナトリウムを環状に封入した内燃機関のピストンのコンプレッションリングが提案されている。このコンプレッションリングによれば、リングの熱伝導率が高まることからボアへの放熱が十分に行われるとともにリングの過熱が防止される。

特開２００５−２２６５２２号公報 実開平５−４７６１５号公報 実開平５−４２６６１号公報 特開平７−３１０８２６号公報 実開平７−２８２６３号公報

ところでコの字状リングは、前述の通り冷却促進効果を高める作用を有するほか、クエンチボリュームが小さくなることからＨＣの排出量を低減できるという利点なども有している。その一方で、コの字状リングは一般的なピストンリングと比較して体格が大きいため、これよりも重量が増大してしまう傾向にある。このためコの字状リングではボアへの追従性が悪化し、この点において一般的なピストンリングよりもブローバイガスやオイル消費量が増大する虞があった。またピストンの往復運動に応じて作用する慣性力も、重量が増大してしまう傾向にあることからコの字状リングのほうが一般的なピストンリングよりも大きくなり易い。このためコの字状リングでは、リングが当接する部分のトップランド部の磨耗が助長されたり、トップランド部の付け根の部分で亀裂が発生したり、亀裂の進行に伴いコの字状リングやトップランド部が脱落する虞もあった。

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ボアへの追従性を高めるとともにトップランド部の変形を抑制することが可能な、さらにはピストンからボアへの放熱を促進することが可能な断面コの字状の内燃機関のピストンリングを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ピストンのトップランド部に嵌め込まれる断面コの字状の内燃機関のピストンリングであって、内部に中空部を有することを特徴とする。ここで前述の通り、特にコの字状リングは体格が大きいために重量が増大してしまう傾向にあるところ、本発明によれば、コの字状リングの重量が中空部によって低減されることからボアへの追従性を高めることができる。また本発明によれば、コの字状リングの重量が低減されることから慣性力も低減され、その結果、トップランド部の変形も抑制することができる。また本発明によれば、コの字状リング自体の弾性も高まることから、リングの折損やリング摺動部の磨耗に対する耐性が高まる効果も期待できる。

また本発明は、前記中空部に大気よりも熱伝導率が高い物質が封入されていてもよい。ここで中空部に大気が密封された場合には中空部は断熱層として機能し、この結果、コの字状リングを介したピストンの冷却促進効果が低下してしまう。これに対して本発明によれば、上記物質を介して熱を伝えることができるようになるため、ピストンからボアへの放熱を促進することができる。なお、上記物質としては、具体的には例えば熱伝導率が高いＣｕ（銅）やＮａ（ナトリウム）やＮａＫ（ナトリウムとカリウムの合金）などが好適である。また上記物質を封入するにあたってはコの字状リングの重量増大を極力抑制すべく、例えば粉末で封入したり、中空部を完全に満たすことなく、必要な放熱促進効果が得られる程度の量を封入したりすることが好ましい。

また本発明は、前記中空部が、前記ピストンに嵌め込まれた状態で燃焼室側のほうが大きくなるように形成されていてもよい。ここでガス圧が作用したときにコの字状リングが下面（クランク室側の面）でピストンと接触するようになっていれば、ピストンの熱を下面からコの字状リングを介してボアへ伝えるようにすることができる。係る点に着目して中空部を上記のように形成した本発明によれば、中空部が断熱層として機能してもピストンからボアへの放熱を促進することができる。また本発明によれば、放熱を促進するための物質を中空部に封入する必要がない分、新たな重量やコストの増大も抑制できる。なお本発明は、中空部がコの字状リングの燃焼室側の部分にのみ形成されているような態様も含むものである。

本発明によれば、ボアへの追従性を高めるとともにトップランド部の変形を抑制することが可能な、さらにはピストンからボアへの放熱を促進することが可能な断面コの字状の内燃機関のピストンリングを提供できる。

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はコの字状リング１Ａで実現されている本実施例に係る内燃機関のピストンリングをセカンドリング２、オイルリング３、ピストン４及びシリンダブロック５とともに断面で模式的に示す図である。シリンダブロック５の各気筒にはピストン４が組み込まれている。ピストン４にはコの字状リング１Ａを嵌め込むためのトップランド部Ｔと、セカンドリング２を嵌め込むためのセカンドリング溝Ｍ２ＮＤと、オイルリング３を嵌め込むためのオイルリング溝ＯＬとが夫々環状に形成されており、これらに対してコの字状リング１Ａ、セカンドリング２及びオイルリング３の３つのピストンリングが夫々嵌め込まれている。コの字状リング１Ａは主としてガスシールを行い、セカンドリング２はガスシールとオイルコントロールを行い、オイルリング３は主としてオイルコントロールを行うための構成となっている。すなわち、これらのピストンリングはセットでガスシール性とオイルコントロール性に関する要求品質を満足できるようになっている。

図２はコの字状リング１Ａを断面で模式的に示す図である。コの字状リング１Ａは内部に中空部Ｓ１を有している。中空部Ｓ１はコの字状リング１Ａとともに環状に形成されており、中空部Ｓ１を形成するコの字状リング１Ａの壁面はほぼ同じ肉厚となっている。また本実施例では中空部Ｓ１には大気が密封されている。なお、コの字状リング１Ａは例えば材料をプレス加工で環状及びコの字状に成形することで製造することができ、この材料に肉厚が略等しい中空線材を適用することで中空部Ｓ１を実現できる。またコの状リング１Ａの材質には例えば鋳鉄や鋼（スチール）を適用することができる。

本実施例ではコの字状リング１Ａが上記のように形成された中空部Ｓ１を有していることから、中空部Ｓ１でコの字状リング１Ａの重量が低減される。このため、コの字状リング１Ａのボアへの追従性を高めることができる。なお、ボアへの追従性を指標する追従性係数Ｋは次の数１で示される。
（数１）
Ｋ＝Ｗ×Ｄ／（Ｅ×Ｉ）
ここでＥはヤング率、Ｉは断面２次モーメント、Ｗは重量、Ｄはコの字状リング１Ａの直径である。追従性係数Ｋは、値が小さいほどボアへの追従性が高いことを示す。このため数１からも、重量を低減するとボアへの追従性が高まることがわかる。また、重量が低減されることからコの字状リング１Ａに作用する慣性力も低減され、この結果、コの字状リング１Ａからトップランド部Ｔに作用する力も軽減されることから、トップランド部Ｔの変形も抑制することができる。さらに中空部Ｓ１によってコの字状リング１Ａ自体の弾性も高まることから、リングの折損やリング摺動部の磨耗に対する耐性が高まる効果も期待できる。以上により、ボアへの追従性を高めるとともにトップランド部Ｔの変形を抑制することが可能なコの字状リング１Ａを実現できる。

図３は本実施例に係るコの字状リング１Ｂを断面で模式的に示す図である。コの字状リング１Ｂは、中空部Ｓ１にさらにＮａ粉末が封入されている以外、実施例１に係るコの字状リング１Ａと同一のものとなっており、図１に示すコの字状リング１Ａと同様にピストン４に嵌め込まれる。なお、中空部Ｓ１にはＮａ粉末の代わりに大気よりも熱伝導率が高い適宜の物質を封入してよく、この物質は中空部Ｓ１を完全に満たすように封入されなくてもよい。本実施例では上記のように中空部Ｓ１にＮａ粉末を封入していることから、中空部Ｓ１が断熱層として機能することが回避される。このためＮａ粉末を介して熱を伝えることができるようになり、実施例１に係るコの字状リング１Ａと比較して、さらにピストン４からボアへの放熱も促進できる。以上により、ボアへの追従性を高めるとともにトップランド部Ｔの変形を抑制することが可能な、さらにはピストン４からボアへの放熱を促進することが可能なコの字状リング１Ｂを実現できる。

図４は本実施例に係るコの字状リング１Ｃを断面で模式的に示す図である。コの字状リング１Ｃは、ピストン４に嵌め込まれた状態で燃焼室側のほうが大きくなるように形成された中空部Ｓ２を中空部Ｓ１の代わりに有している点と、ガス圧が作用したときに下面でピストン４と接触するように形成されている点以外、実施例１に係るコの字状リング１Ａと同一のものとなっており、図１に示すコの字状リング１Ａと同様にピストン４に嵌め込まれる。なお、ガス圧が作用したときに下面でピストン４と接触するようにコの字状リング１Ｃを形成するには、例えば前述した２００５−２２６５２２号公報で開示されているようにコの字状リング４を形成することで実現できる。また、コの字状リング１Ｃは例えば肉厚が不均一な中空線材（図５参照）を材料として、この材料をプレス加工で環状及びコの字状に成形することで製造できる。

中空部Ｓ２は具体的には上面（燃焼室側の面）と下面からの距離が等しい平面Ｐを基準として燃焼室側のほうが大きく形成されており、本実施例ではコの字状リング１Ｃの対向部位Ｒ１、Ｒ２のうち、クランク室側の対向部位Ｒ２と、コの字状リング１Ｃのうち対向部位Ｒ２よりもボア側の部分とには中空部Ｓ２が形成されていない。但しこれに限られず、中空部Ｓ２の具体的な形状は種々変形可能であり、中空部Ｓ２は主として平面Ｐよりも燃焼室側の部分で重量の低減を図るようにするとともに、伝熱に必要な部分を残してさらに平面Ｐよりもクランク室側の部分でも重量の低減を図るようにして適宜の形状に形成することができる。いずれにしてもコの字状リング１Ｃの重量低減と下面を介した冷却促進効果の両立を図ろうとすれば、中空部Ｓ２は燃焼室側のほうが大きく形成される。なお、平面Ｐよりも燃焼室側の部分にのみ形成され、平面Ｐよりもクランク室側の部分には全く形成されていない態様の中空部も、燃焼室側のほうが大きくなるように形成されている中空部Ｓ２に含まれる。

本実施例ではコの字状リング１Ｃが上記のように形成された中空部Ｓ２を有していることから、重量の低減に加えて図４に示すように下面を介してピストン４の熱をボアへ伝えるようにすることができる。このためコの字状リング１Ｃでは、中空部Ｓ２が断熱層として機能してもピストン４からボアへの放熱を促進することができる。またコの字状リング１Ｃでは、実施例２で前述したコの字状リング１Ｂのように放熱を促進するための物質を中空部Ｓ２に封入する必要がない分、新たな重量やコストの増大も抑制できる。

また中空部Ｓ２を燃焼室側のほうが大きくなるように形成したことから、剛性バランス上、ピストン４に嵌め込まれたコの字状リング１Ｃの姿勢が静止時に、図６に実線で示すようにボア側に向かって上向きに落ち着き易くなる。これにより、ガス圧が作用したときにコの字状リング１Ｃの姿勢は図６に破線で示すようにほぼ水平に変化することから、コの字状リング１Ｃではボアとのシール性も向上させることができる。なお、例えば実施例１に係るコの字状リング１Ａをピストン４に嵌め込んだ場合には、剛性バランス上、静止時には姿勢がほぼ水平となる一方で、ガス圧が作用したときには姿勢がボア側に向かって下向きに傾き易くなることから、シール性も悪化し易くなる傾向にある。以上により、ボアへの追従性を高めるとともにトップランド部Ｔの変形を抑制することが可能な、さらにはピストン４からボアへの放熱を促進することが可能なコの字状リング１Ｃを実現できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

コの字状リング１Ａをセカンドリング２、オイルリング３、ピストン４及びシリンダブロック５とともに断面で模式的に示す図である。 コの字状リング１Ａを断面で模式的に示す図である。 コの字状リング１Ｂを断面で模式的に示す図である。 コの字状リング１Ｃを断面で模式的に示す図である。 コの字状リング１Ｃの製造に用いる材料の一例を模式的に示す図である。 ピストン４に嵌め込まれたコの字状リング１Ｃの姿勢を静止時とガス圧が作用したときについて夫々模式的に示す図である。

符号の説明

１ コの字状リング
２ セカンドリング
３ オイルリング
４ ピストン
５ シリンダブロック

Claims (3)

1. ピストンのトップランド部に嵌め込まれる断面コの字状の内燃機関のピストンリングであって、
   内部に中空部を有することを特徴とする内燃機関のピストンリング。
2. 前記中空部に大気よりも熱伝導率が高い物質が封入されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストンリング。
3. 前記中空部が、前記ピストンに嵌め込まれた状態で燃焼室側のほうが大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストンリング。

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