JP2009257199A - 内燃機関のピストンリング構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ内周面に対するピストンリングの押し付け力の適切化を達成する。
【解決手段】シリンダ内周面２ａの内径が燃焼室から遠ざかるにつれて漸減する形状に形成されていることにより、ピストンリングはピストン上昇行程において拡がるため、第２ピストンリング２２よりもばね定数の高い第１ピストンリング２１にあっては、シリンダ内周面に対する押し付け力の低減幅が大きくなり、燃焼圧の回り込みにより大きな背圧が作用して押し付け力が過大になることが抑制されるため、第１ピストンリングの外周における油膜形成が確保される。これにより、ピストンリング構造における焼き付きやフリクションを低減することができる。また、第２ピストンリングにあっては、相対的にばね定数が小さいため、上昇行程において拡がっても押し付け力の低下は小さく、オイル掻き落とし性の低下を抑制することができ、適切なオイル回収を確保し得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のピストンリング構造に関するものである。

従来、内燃機関のピストンには、圧力リング（ピストンリング）として、燃焼ガスがピストンとシリンダ内周面との間を通って燃焼室からクランク室へ回ることを防ぐためにシールしつつ、ピストンが摺動する際の抵抗を低く抑えて焼き付きも防止する役割を持たせたトップリングや、シリンダ内周面に付着しているオイル（潤滑油）を掻き落として燃焼室へのオイル流入を防止する役割を持たせたセカンドリングが設けられている。ピストンリング、特にセカンドリングにあっては、ピストン上昇時にはピストンリングとシリンダ内周面との間にオイル(潤滑油)を通して、ピストン下降時にはシリンダ内周面のオイルを掻き落とす機能が要求される。例えば、シリンダ外周面に開口しかつ周方向に連続して形成されたリング溝内にピストンリングをシリンダ内周面に向けて付勢するばね材からなるプレートエキスパンダを設け、ピストンリングの形状（上昇方向に斜面を向けたテーパ形状）やプレートエキスパンダの張力の設定などにより上記機能を達成するようにしたものがあった（例えば特許文献１参照）。
特開昭６２−２３３５６７号公報

一方、燃焼室に最も近い位置に設けられているトップリング（第１ピストンリング）にあっては、膨張行程時には高圧のガスがリング溝とトップリングとの隙間からリング溝内に入り込むため、本来（組み付け状態）のリング張力（上記シリンダ内周面に向けて付勢するばね力）に燃焼圧によるリング背圧が加わり、シリンダ内周面に対するトップリングの過大な押し付け力が発生する。そのため、トップリング外周の油膜形成が困難となり、金属接触によるフリクションの増大が発生するという問題があった。

このような課題を解決して、シリンダ内周面に対するピストンリングの押し付け力の適切化を達成するために本発明に於いては、内燃機関のシリンダ（２）と、前記シリンダ（２）内で軸線方向に往復運動するピストン（３）と、前記ピストン（３）の外周面に燃焼室（１１）側から順に配設されかつそれぞれ周方向に連続して形成された第１リング溝（１２）および第２リング溝（１３）と、前記第１リング溝（１２）に設けられた第１ピストンリング（２１）および前記第２リング溝（１３）に設けられた第２ピストンリング（２２）とを有する内燃機関のピストンリング構造であって、前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）は軸線方向に前記燃焼室（１１）から遠ざかるに連れて内径が漸減して形成され、前記第１ピストンリング（２１）が、前記第２ピストンリング（２２）よりも大きいばね定数を有するものとした。

特に、前記第１ピストンリング（２１）が、前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）に摺接するように前記第１リング溝（１２）に受容された第１アウタリング（１４）と、前記第１アウタリング（１４）を前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）側に付勢するべく前記第１リング溝（１２）内の前記第１アウタリング（１４）の半径方向内側に配置されたばね材からなる第１エキスパンダ（１５）とを有すること、また、前記第２ピストンリング（２２）が、前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）に摺接するように前記第２リング溝（１３）に受容された第２アウタリング（１６）と、前記第２アウタリング（１６）を前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）側に付勢するべく前記第２リング溝（１３）内の前記第２アウタリング（１６）の半径方向内側に配置されたばね材からなる第２エキスパンダ（１７）とを有し、前記第１エキスパンダ（１５）と前記第２エキスパンダ（１７）とが共に板状ばね材により形成され、前記第１エキスパンダ（１５）が、前記第２エキスパンダ（１７）よりも大きい板厚にて形成されていること、また、前記第２ピストンリング（２２）が、前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）に摺接するように前記第２リング溝（１３）に受容された第２アウタリングと、前記第２アウタリングを前記シリンダの内周面側に付勢するべく前記第２リング溝（１３）内の前記第２アウタリング（１６）の半径方向内側に配置されたばね材からなる第２エキスパンダ（１７）とを有し、前記第１エキスパンダ（１５）が、前記第２エキスパンダ（１７）よりも縦弾性係数の高い材質で形成されていること、また、前記第２ピストンリング（２２）が、前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）に摺接するように前記第２リング溝（１３）に受容された第２アウタリング（１６）と、前記第２アウタリング（１６）を前記シリンダ（２）の内周面（２ａ）側に付勢するべく前記第２リング溝（１３）内の前記第２アウタリング（１６）の半径方向内側に配置されたばね材からなる第２エキスパンダ（１７）とを有し、前記第１エキスパンダ（１５）と前記第２エキスパンダ（１７）とが共に多角形状に形成され、前記第１エキスパンダ（１５）が、第２エキスパンダ（１７）よりも屈曲部の多い多角形に形成されていると良い。

このように本発明の請求項１によれば、シリンダ内周面の内径変化形状によりピストンリングはピストン往復運動で伸縮するため、相対的にばね定数の高い第１ピストンリングにあっては、上死点（ＴＤＣ）付近でシリンダ内周面に対する押し付け力が大きく低減しても、燃焼圧の回り込みにより大きな背圧が作用して押し付け力が過大になることが抑制されるため、第１ピストンリングの外周における油膜形成が確保される。これにより、ピストンリング構造における焼き付きやフリクションを低減することができる。また、第２ピストンリングにあっては、相対的にばね定数が小さいため、下降行程において拡がっても押し付け力の低下は小さく、オイル掻き落とし性の低下を抑制することができ、オイル消費量を低減できる。

請求項２によれば、第１ピストンリングにエキスパンダを有する構成としたことから、エキスパンダにより第１ピストンリングのばね定数を容易に設定でき、上記効果を容易に達成することができる。また、第１ピストンリングと第２ピストンリングとにそれぞれエキスパンダを設け、請求項３によれば各エキスパンダの板厚を変えることにより、請求項４によれば各エキスパンダに縦弾性係数の異なる材質のものを用いることにより、請求項５によれば各エキスパンダの多角形状の屈曲部の数を変えることにより、それぞればね定数の異なる各エキスパンダを容易に形成することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明によるピストン構造が適用される内燃機関の要部を示す断面図である。図示例の内燃機関にあっては、シリンダブロック１にシリンダ２が形成され、このシリンダ２の内周面２ａにピストン３が摺動可能に受容されている。ピストン３にはピストンピン４を介してコネクティングロッド５の上端部が連結され、コネクティングロッド５の下端部はクランクピン６を介してクランクシャフト７に連結されている。

シリンダブロック１の下側には、クランクケース８が結合され、このクランクケース８とシリンダブロック１の下部とで、クランクシャフト７を収容するクランク室９が画成されている。クランクケース８の下側には、上方から降下したオイルを受けるオイルパン１０が設けられている。

図２は、ピストン３に燃焼室１４側から順番に装着された第１ピストンリング（トップリング）２１と第２ピストンリング（セカンドリング）２２とを示す要部拡大縦断面図である。ピストン３の外周面３ａには、燃焼室１１に近い部分にて半径方向外向きに開口しかつ周方向に連続して形成された第１リング溝１２と、第１リング溝１２に対してピストン３の軸線方向の下降側に所定長離間した部分にて半径方向外向きに開口しかつ周方向に連続して形成された第２リング溝１３とが配設されている。第２リング溝１３には、ピストンリングとして公知形状の第２ピストンリング２２が受容されている。

第１リング溝１２は、ピストンリングとして公知形状の第１アウタリング１４を受容していると共に、第１アウタリング１４の縦断面における幅よりも半径方向内向きに所定長深く形成されている。第１リング溝１２における半径方向内側の最深部となる底面１２ａと第１アウタリング１４の内周面との間には、板状のばね材を多角形のＣ字状に形成した第１エキスパンダ１５が配設されている。このようにして第１ピストンリング２１が構成されている。

なお、第１アウタリング１４の外周面形状は軸線に沿う縦断面形状において図２に示されるようにバレル形状に形成されている。これにより、燃焼ガスがピストン３とシリンダ内周面２ａとの間を通って燃焼室１１からクランク室９へ回ることを防ぐためにシールしつつ、ピストン３が摺動する際の抵抗を低く抑えて焼き付きも防止する役割を持たせたトップリングとして機能する。また、第２ピストンリング２２の外周面形状はピストン３の上昇側に斜面を臨ませるテーパ面に形成されている。これにより、ピストン３の上昇行程にあってはシリンダ内周面２ａに付着しているオイル（潤滑油）を掻き上げることがなく、ピストン３の下降行程においてオイル掻き落とし力が発揮され、燃焼室へのオイル流入を減らしてオイル消費量を低減できる。

さらに、本発明が適用される内燃機関のシリンダ内周面２ａにあっては、ピストン３の上昇側に位置する燃焼室１１側から遠ざかるに連れて内径が漸減する逆円錐台形状に形成されている（図１のＲ１＞Ｒ２）。それにより、図２に示されるように、円筒形状のピストン３の外周面３ａに対するシリンダ内周面２ａの傾斜角度はピストン上昇側に開く角度θとなる。なお、シリンダ内周面２ａの逆円錐台形状にあっては、内燃機関の運転時には燃焼室１１が最も熱くなるため、熱変形により燃焼室１１側が膨張することによる場合も含む。その場合には、内燃機関の停止時には逆円錐台形状になっていなくても良く、加工により真円筒形状に形成されていて良い。

図３は図１の矢印III−III線に沿って破断した断面図である。上記したように多角形のＣ字状をなす第１エキスパンダ１５の多角形における各頂点間の各辺部分１５ａの内周面の一部がリング溝１２の底面１２ａに当接し、多角形における各頂点となる部分が第１アウタリング１４の内周面に当接している。第１エキスパンダ１５は、周方向の一部で分断され、半径方向外向きの拡がる側にばね付勢力を生じるように形成されている。また、第１アウタリング１４も周方向の一部で分断されたＣ状リングの形状をなし、半径方向に拡径・縮径変形可能に形成されている。

このように構成されたピストンリング構造にあっては、ピストン３の往復運動により第１および第２ピストンリング２１・２２に対応するシリンダ内周面２ａの内径が、ピストン下降時に縮径し、ピストン上昇時に拡径するようになる。したがって、ピストン下降時に第１アウタリング１４および第２ピストンリング２２は縮径する。第１アウタリング１４の変形により第１エキスパンダ１５は縮径方向に圧力を受けて同じく縮む方向に変形する。ピストン上昇時には第１アウタリング１４は弾性復元力により拡径し、それにより第１アウタリング１４側からの圧力が減少するため第１エキスパンダ１５もばね復元力により拡径して拡がる方向に変形する。第２ピストンリング２２も、弾性復元力により拡径する向きに変形する。

このように、第１ピストンリング２１には構成要素として第１エキスパンダ１５を設け、第２ピストンリング２２にはエキスパンダを設けていないことから、両ピストンリング２１・２２間でばね定数に差違がある。例えば同じ材質および形状で第１アウタリング１４と第２ピストンリング２２とを形成した場合には、第１ピストンリング２１の方が第２ピストンリング２２よりも高いばね定数を有する。

ここで、図４を参照して、シリンダ内周面２ａに対する各ピストンリング２１・２２の押し付け力、および圧縮・膨張行程時の第１ピストンリング２１の指圧押し付け力について説明する。図の横軸に下死点ＢＤＣ〜上死点ＴＤＣの行程（ガスケット面からの距離）を示し、縦軸に各押し付け力を示す。なお、参考としてシリンダ内周面２ａの内径（ボア径）の変化も示す。

図に示されるように、下死点ＢＤＣ（例えば組み付け状態）で各ピストンリング２１・２２の押し付け力が同じとみなせるように設定する。上記したように第１エキスパンダ１５を用いている第１ピストンリング２１に対して、第２ピストンリング２２にあっては大きく撓ませた領域で組み付けられている。逆に、総合的にばね定数の大となる第１ピストンリング２１にあっては、小さく撓ませた領域で組み付けられている。

上死点ＴＤＣに至るに連れてボア径が増大することから各ピストンリング２１・２２が拡径し、その変形量は同じであるが、上記したようにばね定数の違いにより第２ピストンリング２２の押し付け力低減量は小さく、第１ピストンリング２１の押し付け力低減量は大きくなる。

一方、圧縮・膨張行程時にあっては図５に示されるように、圧縮・膨張ガス（燃焼ガス）が図の矢印に示されるように第１アウタリング１４と第１リング溝１２との隙間から第１エキスパンダ１５および第１アウタリング１４の背面に入りこむ。膨張ガスのガス圧は図４の破線に示されるように膨張行程（ピストン下降行程）初期で大きな圧力となり、膨張行程に進行に応じて減少する。そのガス圧が第１ピストンリング２１に作用するため、膨張行程初期ではシリンダ内周面２ａに対する第１ピストンリング２１の押し付け力（指圧押し付け力）が大となる。したがって、上記したように大きなばね定数の設定によりシリンダ内周面２ａの拡径側でばね力による押し付け力が大きく低下しても、十分なガスシール性を確保することができる。

また、これにより膨張行程以外の他の行程での第１ピストンリング２１によるシリンダ内周面２ａに対する押し付け力が小さくなることから、第１ピストンリング２１によるオイル掻き上げが低減され、オイル消費量を低減することができると共に、フリクション低減による出力効率の向上が促進される。

第２ピストンリング２２にあっては、オイル掻き落とし性が重視されるものであることから、膨張行程の全領域において一定以上の押し付け力が発生していることが望ましい。上記したようにばね定数を小さくして大きく撓ませた領域で組み付けることにより、ボア径の変化（燃焼室１１側の燃焼熱による熱膨張を含む）によるばね付勢力の変化を図４に示されるように小さくすることができ、第２ピストンリング２２の押し付け力をほぼ一定とすることができる。したがって、膨張行程の全領域において一定以上の押し付け力が発生し、安定したオイル掻き落とし効果を得ることができる。

また、上記図示例では第１ピストンリング２１のみにエキスパンダ（１５）を用いた例について示したが、第２ピストンリング２２も同様にして、図６に示されるように、第２アウタリング１６および第２エキスパンダ１７により構成しても良い。この場合のばね定数の異なる設定手段についての例を示す。

図６には各エキスパンダ１５・１７の板厚を変えた例が示されている。この場合には、第１エキスパンダ１５の板厚ｂ１を第２エキスパンダ１７の板厚ｂ２よりも厚く設定している（ｂ１＞ｂ２）。材質や全体の大きさなどの他の条件を同一にして各エキスパンダ１５・１７を形成した場合に第１エキスパンダ１５の方のばね定数を大きくすることを容易に行うことができ、設計や製作が容易となる。

また、各エキスパンダ１５・１７において材質を変えて、ばね定数を変えるようにしても良い。この場合には、各エキスパンダ１５・１７を、それぞれ縦弾性係数（ヤング率）の異なる材質のものを用いて制作する。各エキスパンダ１５・１７の形状を同一にすることにより、それらの形成が容易となる。

また、図７に示されるように、エキスパンダ１５（１７）の各屈曲部１５ｂ（１７ｂ）の数（多角形の角数）を、第１エキスパンダ１５の方が第２エキスパンダ１７よりも多くしても良い。この場合も材質や全体の大きさなどの他の条件を同一にしても、屈曲部１５ｂ（１７ｂ）の数が多い方は直線部分（多角形の辺に相当する部分）の長さが短くなるため、ばね定数が高くなる。なお、屈曲部１５ｂ（１７ｂ）の数が多い方は、屈曲部１５ｂ（１７ｂ）のＲが小さく（曲率が大きく）なり、屈曲部１５ｂ（１７ｂ）とリング溝の底面１２ａ（１３ａ）との間隔（バッククリアランス）ｂｃも小さく（狭く）なる。

また、エキスパンダ張力分担率を第１エキスパンダ１５の方が第２エキスパンダ１７よりも大きくすると良い。ここで、エキスパンダ張力分担率とは、ピストンリングに発生する全張力Ｆｔに対するエキスパンダ張力Ｆｅの割合（Ｆｅ／Ｆｔ）のことである。

本発明にかかる内燃機関のピストンリング構造は、ピストンリングにおける焼き付き防止とフリクション低減を向上し得る効果を有し、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。

本発明によるピストン構造が適用される内燃機関の要部を示す断面図である。 ピストンリングを示す要部拡大縦断面図である。 図１の矢印III−III線に沿って見た第１エキスパンダおよび第１アウタリングを示す断面図である。 ピストンリングのばね定数および押し付け力を示す説明図である。 膨張ガスの作用を示す要部拡大断面図である。 エキスパンダの板厚を変えた例を示す断面図である。 エキスパンダの他の例を示す説明図である。

符号の説明

２ シリンダ
２ａ 内周面
３ ピストン
１１ 燃焼室
１２ 第１リング溝
１３ 第２リング溝
１４ 第１アウタリング
１５ 第１エキスパンダ
１６ 第２アウタリング
１７ 第２エキスパンダ
２１ 第１ピストンリング
２２ 第２ピストンリング

Claims (5)

1. 内燃機関のシリンダと、前記シリンダ内で軸線方向に往復運動するピストンと、前記ピストンの外周面に燃焼室側から順に配設されかつそれぞれ周方向に連続して形成された第１リング溝および第２リング溝と、前記第１リング溝に設けられた第１ピストンリングおよび前記第２リング溝に設けられた第２ピストンリングとを有する内燃機関のピストンリング構造であって、
   前記シリンダの内周面は軸線方向に前記燃焼室から遠ざかるに連れて内径が漸減して形成され、
   前記第１ピストンリングが、前記第２ピストンリングよりも大きいばね定数を有することを特徴とする内燃機関のピストンリング構造。
2. 前記第１ピストンリングが、前記シリンダの内周面に摺接するように前記第１リング溝に受容された第１アウタリングと、前記第１アウタリングを前記シリンダの内周面側に付勢するべく前記第１リング溝内の前記第１アウタリングの半径方向内側に配置されたばね材からなる第１エキスパンダとを有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストンリング構造。
3. 前記第２ピストンリングが、前記シリンダの内周面に摺接するように前記第２リング溝に受容された第２アウタリングと、前記第２アウタリングを前記シリンダの内周面側に付勢するべく前記第２リング溝内の前記第２アウタリングの半径方向内側に配置されたばね材からなる第２エキスパンダとを有し、
   前記第１エキスパンダと前記第２エキスパンダとが共に板状ばね材により形成され、
   前記第１エキスパンダが、前記第２エキスパンダよりも大きい板厚にて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のピストンリング構造。
4. 前記第２ピストンリングが、前記シリンダの内周面に摺接するように前記第２リング溝に受容された第２アウタリングと、前記第２アウタリングを前記シリンダの内周面側に付勢するべく前記第２リング溝内の前記第２アウタリングの半径方向内側に配置されたばね材からなる第２エキスパンダとを有し、
   前記第１エキスパンダが、前記第２エキスパンダよりも縦弾性係数の高い材質で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のピストンリング構造。
5. 前記第２ピストンリングが、前記シリンダの内周面に摺接するように前記第２リング溝に受容された第２アウタリングと、前記第２アウタリングを前記シリンダの内周面側に付勢するべく前記第２リング溝内の前記第２アウタリングの半径方向内側に配置されたばね材からなる第２エキスパンダとを有し、
   前記第１エキスパンダと前記第２エキスパンダとが共に多角形状に形成され、
   前記第１エキスパンダが、第２エキスパンダよりも屈曲部の多い多角形に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のピストンリング構造。

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