JP2008138520A - 内燃機関のピストンリング - Google Patents
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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
【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。
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。
(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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006322625A JP2008138520A (ja) | 2006-11-29 | 2006-11-29 | 内燃機関のピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2006322625A JP2008138520A (ja) | 2006-11-29 | 2006-11-29 | 内燃機関のピストンリング |
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---|---|---|---|---|
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-
2006
- 2006-11-29 JP JP2006322625A patent/JP2008138520A/ja active Pending
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