JP2009185865A - ピストンリング、並びに、これを適用したピストン及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】レシプロエンジンのピストンに装着されるピストンリングにおいて、シリンダボアの４次変形に対して、摺動部の摩擦抵抗を増大させることなく、シリンダボアへの密着性を高める。
【解決手段】ピストンリング５の内周部に円周方向に沿って中心角４５度毎に円弧状の切欠８Ａ、８Ｂを形成して、曲げ剛性の低い薄肉部９Ａ、９Ｂを交互に配置する。シリンダヘッドボルト３の締付けによってシリンダボア２が４次変形を生じたとき（図２中の二点鎖線参照）、その凹凸変形に対して、曲げ剛性の低い薄肉部９Ａ、９Ｂによってピストンリング５の追従性を高めることができる。その結果、ピストンリング５の張力を増大させることなく、シリンダボア２への密着性を高めることができるので、摺動部の摩擦抵抗を増大させることなく、シール性及び潤滑油のかき落とし性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レシプロエンジンのピストンに装着されてシリンダの壁面との間をシールするピストンリング、並びに、これを適用したピストン及びエンジンに関するものである。

一般的に、自動車等のレシプロエンジンにおいては、ピストンの外周部に設けられたリング溝にピストンリングが嵌合されており、ピストンの往復運動に伴い、ピストンリングの摺動面とシリンダとの間に形成される油膜によって、吸入空気の圧縮圧力及び燃焼ガスの圧力をシールし、また、シリンダ壁面の潤滑油を適度にかき落として潤滑油の消費量を最低限に抑えている。ピストンリングは、これらの機能を維持すると共に、できるだけ摩擦抵抗を低減すべく面圧が設定され、その面圧に応じて各部の寸法及び張力が決定されている。

また、ピストンリングに関する先行技術として、例えば特許文献1には、周方向に変化した壁厚を有し、この壁厚は、合い口部の領域が直径方向に向い合う領域よりも薄く構成されて、壁厚と横断面変化部の間の比率が全周にわたって一定のねじれ角を有するように構成したピストンリングが開示されている。これにより、ピストンリングは、外周部下側のエッジでシリンダ壁面に接触し、内周部下側のエッジでリング溝の下端面に接触することになり、シール性を向上させると共に潤滑油の消費量を低減することができる。
特表２００６−５２１５０５号公報

レシプロエンジンにおいては、エンジン組付け時の応力、運転時の熱膨張等によってシリンダボアが変形して、その真円度が低下するため、ピストンリングの密着性が低下することになる。ピストンリングとシリンダボアとの密着性が低下すると、燃焼ガスのシールが不充分となってブローバイガスが増大し、また、潤滑油のかき落しが不充分となって潤滑油の消費量が増大するといった問題を生じる。特に、シリンダヘッドボルトの締付けによって生じる４次変形とよばれるシリンダボアの変形が問題となっている。

一般的に、自動車等のレシプロエンジンは、シリンダブロックのデッキ面にガスケットを介してシリンダヘッドが複数のシリンダヘッドボルトによって強固に締め付け固定されている。この場合、図７に示すように、シリンダブロック１は、シリンダボア２の周囲の対角位置に配置された４つのシリンダヘッドボルト３の張力によって強く圧縮されることになり、図７中に二点鎖線で示すように、シリンダボア２の内壁は、４つのシリンダヘッドボルト３の近傍が僅かに内側に膨出し、シリンダヘッドボルト３の間の部分が僅かに外側に膨出して、ほぼ中心角４５度毎に凹凸変形するいわゆる４次変形を生じる。

このため、ピストンリング４（合い口部は図示を省略している）は、４次変形を生じたシリンダボア２の複雑な凹凸形状に追従することが困難になり、シール性が低下して燃焼ガスの吹抜けが増大し、また、潤滑油のかき落としが不充分となって潤滑油の消費量が増大するといった問題を生じる。

そこで、ピストンリング４の張力を大きく設定することにより、シリンダボア２への密着性をある程度高めることができるが、上述の４次変形の複雑な凹凸形状に追従するには不充分であり、また、張力の増大は、摺動部の摩擦抵抗の増大を伴うため、エンジンの燃料消費率の悪化及び耐久性の低下の問題を生じる。なお、このようなシリンダボア２の４次変形に対しては、上記特許文献１に記載されたピストンリングでは対処することができない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、シリンダボアの変形に対して、摺動部の摩擦抵抗を増大させることなく、シリンダボアへの密着性を高めることができるピストンリング、並びに、これを適用したピストン及びエンジンを提供することを目的とする。

（発明の態様）
以下に、本発明において特許請求が可能と認識される発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の（１）乃至（８）の内容が請求項１乃至８に対応する。

（１）シリンダボアの変形に応じて、円周方向の各部の曲げ剛性を変化させることにより、前記シリンダボアの変形に追従して変形するようにしたことを特徴とするピストンリング。
このように構成したことにより、シリンダボアの変形に対して、ピストンリングの変形量を各部位毎にコントロールして追従性を高めることができ、ピストンリングの張力を増大させることなく、シリンダボアへの密着性を高めることができる。その結果、シリンダヘッドボルトの締付けによる４次変形等のシリンダボアの変形に対して、摩擦抵抗を増大させることなく、シリンダボアへの密着性を高めて、シール性及び潤滑油のかき落とし性を向上させることができる。
シリンダボアの変形は、４次変形に限らず、その他の変形についても、変形に応じてピストンリングの円周方向各部の曲げ剛性を適宜設定することにより、適用することができる。また、ピストンリングとしては、コンプレッションリングの他、オイルリングにも適用することができる。
（２）上記（１）の構成において、シリンダボアの４次変形に対して、円周方向に沿って中心角４５度毎に他の部位よりも曲げ剛性の低い低剛性部が配置されていることを特徴とするピストンリング。
このように構成したことにより、シリンダボアの４次変形に対して、追従して変形し易くなり、シリンダボアへの密着性を高めることができる。
（３）上記（２）の構成において、剛性の異なる低剛性部が交互に配置されていることを特徴とするピストンリング。
このように構成したことにより、シリンダボアの４次変形時の凹凸変形に対して、追従して変形し易くなり、シリンダボアとの密着性を高めることができる。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかの構成において、径方向の厚さ又は軸方向の幅を変化させることにより、曲げ剛性を変化させることを特徴とするピストンリング。
このように構成したことにより、径方向の厚さ又は軸方向の幅を小さくすることよってその部位の曲げ剛性を低くすることができる。このとき、ピストンリングの内周面又は上端面の内周側に切欠又は凹部を形成することにより、ピストンリングのシリンダボアとの摺動部の形状が変化しないので、シール性及び潤滑油のかき落し性が低下することがない。
（５）上記（４）の構成において、内周面に切欠を設けて他の部位よりも曲げ剛性の低い薄肉部を形成したことを特徴とするピストンリング。
このように構成したことにより、シリンダボアとの摺動部の形状を変化させることなく薄肉部を形成して、その部位の曲げ剛性を低くすることができる。
（６）上記（４）の構成において、上端面に凹部を設けて他の部位よりも曲げ剛性の低い薄肉部を形成したことを特徴とするピストンリング。
このように構成したことにより、シリンダボアとの摺動部の形状を変化させることなく薄肉部を形成して、その部位の曲げ剛性を低くすることができる。
（７）上記（１）乃至（６）のいずれかのピストンリングを適用したピストン。
（８）上記（７）のピストンを適用したエンジン。

本発明にによれば、シリンダボアの変形に対して、ピストンリングの追従性を高めることができ、ピストンリングの張力を増大させることなく、ピストンリングのシリンダボアへの密着性を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明において、図７に示す従来例に対して、同様の部分には同一の符号を付して、異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るピストンリング５は、レシプロエンジンのピストンに装着されてコンプレッショリング（トップリング、セカンドリング又はサードリング）として使用されるものであり、従来の一般的なコンプレッションリングと同様、略矩形断面を有するリング状で、適当な部位に合い口部（図示せず）が設けられている。ピストンリング５の断面形状は、例えば、トップリングの場合、外周面６（摺動面）が樽状の矩形断面バレルフェースリング、両端面が傾斜したキーストンリング等とすることができ、また、セカンドリング又はサードリングの場合、外周面６がテーパ状の矩形断面テーパフェースリング、テーパ状の摺動面の下端部に矩形の切欠を有するアンダカットテーパリング等とすることができ、適用部位に応じて適宜決定することができる。

ピストンリング５は、外周面６は、ほぼ真円であるのに対して、内周面７には、円周方向に沿って所定間隔をもって複数の円弧状の切欠８Ａ、８Ｂが交互に設けられて薄肉部９Ａ、９Ｂ（低剛性部）が形成されている。薄肉部９Ａ、９Ｂは、ピストンリング５の他の部位よりも曲げ剛性が低く、また、薄肉部９Ｂの径方向の厚さｔは、薄肉部９Ａの径方向の厚さＴよりも小さく、薄肉部９Ｂは、薄肉部９Ａよりも曲げ剛性が低くなっている。切欠８Ａ、８Ｂ及び薄肉部９Ａ、９Ｂは、シリンダヘッドボルト３の締付けによって４次変形を生じたシリンダボア２の凹凸形状（図２中の二点鎖線参照）に対応して中心角４５度毎に交互に等間隔で配置されている。

以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
図２に示すように、ピストンリング５は、従来のものと同様、ピストンのリング溝に装着された状態で、シリンダブロック１のシリンダボア２に挿入される。このとき、シリンダヘッドボルト３の締付けによる４次変形時にシリンダボア２が外側に膨出するシリンダヘッドボルト３の間の部分に、薄肉部９Ｂよりも曲げ剛性の高い薄肉部９Ａが配置され、シリンダボア２が内側に膨出するシリンダヘッドボルト３の近傍に、薄肉部９Ａよりも曲げ剛性の低い薄肉部９Ｂが配置されるように、シリンダボア２とピストンリング５との軸回りの位相を合せて組付けを行う。

シリンダブロック１にシリンダヘッドを組み付けて、シリンダヘッドボルト３を締付けると、シリンダヘッドボルト３の張力によって、図２中に二点鎖線で示すように、シリンダボア２に４次変形が生じる。このとき、ピストンリング５は、薄肉部９Ａ、９Ｂの曲げ剛性が低くなっており、図２中に矢印で示すように、シリンダボア２の４次変形時に外側に膨出する部分に対しては、薄肉部９Ｂよりも曲げ剛性の高い薄肉部９Ａが外側に凸となるように曲げ変形し、また、内側に膨出する部分に対しては、薄肉部９Ａよりも曲げ剛性の低い薄肉部９Ｂが内側に凸となるように曲げ変形することにより、４次変形によるシリンダボア２の凹凸形状に対して、ピストンリング５の追従性を高めることができる。

このように、ピストンリング５に曲げ剛性の異なる２種類の薄肉部９Ａ、９Ｂを円周方向に沿って交互に配置することにより、４次変形時のシリンダボア２の凹凸形状に対応して、外側に膨出する部分と内側に膨出する部分とが交互に現れるようにピストンリング５の変形を部位毎にコントロールすることができ、シリンダボア２の４次変形に対して、ピストンリング５の追従性を高めることができる。

その結果、シリンダブロック２の４次変形に対して、ピストンリング５の張力を増大させることなく、追従性を高めることができるので、摺動部の摩擦抵抗を増大させることなく、シール性及び潤滑油のかき落とし性を向上させることができる。

次に本発明の第２実施形態について、図３乃至図５を参照して説明する。なお、上記第１実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を用いて、異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図３乃至図５に示すように、本実施形態に係るピストンリング１０では、上記第１実施形態の切欠８Ａ、８Ｂの代りに、上端面に円周方向に沿って円弧状の底部を有する凹部１１Ａ、１１Ｂを設けることによってピストンリング１０の軸方向の幅Ｗを部分的に小さくして薄肉部１２Ａ、１２Ｂが形成されている。薄肉部１２Ａ、１２Ｂは、ピストンリング１０の他の部位よりも曲げ剛性が低く、また、薄肉部１２Ｂは、薄肉部１２Ａよりも軸方向の幅Ｗが小さく、薄肉部１２Ａよりも曲げ剛性が低くなっている。凹部１１Ａ、１１Ｂ及び薄肉部１２Ａ、１２Ｂは、上記第１実施形態と同様、４次変形時のシリンダボア２の凹凸形状に対応して中心角４５度毎に交互に等間隔で配置されている。なお、図５中、符号１４はピストン、１５はリング溝を示す。

このように構成したことにより、上記第１実施形態と同様、シリンダボアの４次変形に対して、ピストンリング１０の追従性を高めることができ、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上記第２実施形態の変形例として、図６に示すように、凹部１１Ａ、１１Ｂをピストンリング１０の内周側に開口させて断面形状が矩形の切欠とすることにより、薄肉部１２Ａ、１２Ｂを形成するようにしてもよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、薄肉部９Ａ、９Ｂ、１２Ａ、１２Ｂは、切欠８Ａ、８Ｂ又は凹部１１Ａ、１１Ｂを設けることによって形成しているが、これに限らず、他の形状によって形成してもよい。この場合、断面形状の急激な変化を避けて滑らかな形状とすることにより、応力集中によるピストンリングの破損を防止することができる。さらに、薄肉部を設ける代わりに、断面形状の変化以外の他の方法、例えば熱処理等によって曲げ剛性の低い低剛性部を設けることにより、ピストンリングの変形を各部位毎にコントロールすることもできる。

さらに、上記第１及び第２実施形態においては、曲げ剛性の異なる２種類の薄肉部９Ａ、９Ｂ又は薄肉部１２Ａ、１２Ｂをシリンダボア２の４次変形に対応して中心各４５度毎に交互に配置しているが、これに限らず、シリンダボア２の変形に応じて、ピストンリングの円周方向の各部に曲げ剛性の低い低剛性部を適宜配置することにより、ピストンリングの変形を各部位毎にコントロールしてシリンダボアの変形に追従させることができる。これにより、本発明は、上述の４次変形に限らず、他の次数の変形、エンジン組付け時の応力あるいは熱膨張等に起因する他のシリンダボアの変形に対しても適用することができる。

また、上記第１及び第２実施形態は、本発明をコンプレッションリングに適用した場合について説明しているが、本発明は、これに限らず、オイルリングにも同様に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係るピストンリングの平面図である。 図１に示すピストンリングをシリンダブロックのシリンダボアに嵌合した状態を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係るピストンリングの平面図である。 図３のＡ−Ａ線による縦断面を拡大して示す図である。 図３に示すピストンリングが装着されたピストンとシリンダボアとの摺動部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係るピストンリングが装着されたピストンとシリンダボアとの摺動部を拡大して示す縦断面図である。 従来のピストンリングをシリンダブロックのシリンダボアに嵌合した状態を示す平面図である。

符号の説明

２ シリンダボア、５ ピストンリング、９Ａ、９Ｂ 薄肉部（低剛性部）

Claims (8)

1. シリンダボアの変形に応じて、円周方向の各部の曲げ剛性を変化させることにより、前記シリンダボアの変形に追従して変形するようにしたことを特徴とするピストンリング。
2. シリンダボアの４次変形に対して、円周方向に沿って中心角４５度毎に他の部位よりも曲げ剛性の低い低剛性部が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。
3. 剛性の異なる低剛性部が交互に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のピストンリング。
4. 径方向の厚さ又は軸方向の幅を変化させることにより、曲げ剛性を変化させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のピストンリング。
5. 内周面に切欠を設けて他の部位よりも曲げ剛性の低い薄肉部を形成したことを特徴とする請求項４に記載のピストンリング。
6. 上端面に凹部を設けて他の部位よりも曲げ剛性の低い薄肉部を形成したことを特徴とする請求項４に記載のピストンリング。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のピストンリングを適用したピストン。
8. 請求項７に記載のピストンを適用したエンジン。

Images