JP2009257478A - Piston ring structure of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a piston ring structure for an internal combustion engine.
従来、内燃機関のピストンにはシリンダ内周面との間をシールする圧力リング(ピストンリング)が設けられている。ピストンリングにあっては、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)。
上記ピストン上昇行程時にオイルを通し(掻き上げない)、ピストン下降行程時にはオイルを掻き落とす機能の達成のためには、エキスパンダの張力を、上昇側には低張力とし、下降側には高張力となることが望ましいが、最終的にはオイル消費量とフリクションとのバランスにより設定される。そのためピストン上昇行程時のオイルを掻き上げない機能と、ピストン下降行程時のオイルを掻き落とす機能との両立を向上することが困難であるという問題があった。 In order to achieve the function of passing oil (do not rake up) during the piston ascending stroke and scraping the oil during the piston descending stroke, the expander tension is set to low tension on the ascending side and high tension on the descending side. Although it is desirable, the final setting is based on the balance between oil consumption and friction. For this reason, there is a problem that it is difficult to improve the compatibility between the function of not scooping up the oil during the piston lifting stroke and the function of scraping off the oil during the piston lowering stroke.
このような課題を解決して、ピストン上昇行程時のオイルを掻き上げない機能とピストン下降行程時のオイルを掻き落とす機能との両立を向上することを実現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(3a)に周方向に連続して形成されたリング溝(13)と、前記リング溝(13)に設けられたピストンリング(2)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リング溝(13)に受容されたアウタリング(16)と、前記アウタリング(16)を前記シリンダの内周面(2a)側に付勢するべく前記リング溝(13)の前記アウタリング(16)の半径方向内側に配置されたばね材からなるエキスパンダ(17)とを有し、前記シリンダの内周面(2a)は軸線方向に燃焼室(11)から遠ざかるに連れて内径が漸減して形成され、前記リング溝(13)および前記アウタリング(16)の少なくとも一方と前記エキスパンダ(17)との互いに接触する部分に高摩擦係数の摩擦材(18)が塗布されているものとした。 In order to solve such a problem and realize the improvement of both the function of not scooping up the oil during the piston lifting stroke and the function of scraping the oil during the piston lowering stroke, in the present invention, A cylinder (2) of an internal combustion engine, a piston (3) reciprocating in the axial direction in the cylinder (2), and a ring formed continuously in the circumferential direction on the outer peripheral surface (3a) of the piston (3) A piston ring structure of an internal combustion engine having a groove (13) and a piston ring (2) provided in the ring groove (13), wherein the piston ring (22) is an inner periphery of the cylinder (2). An outer ring (16) received in the ring groove (13) so as to be in sliding contact with the surface (2a), and the ring for biasing the outer ring (16) toward the inner peripheral surface (2a) of the cylinder Groove (13 An expander (17) made of a spring material disposed radially inward of the outer ring (16), and the inner peripheral surface (2a) of the cylinder is moved away from the combustion chamber (11) in the axial direction. A friction material (18) having a high friction coefficient is applied to a portion where at least one of the ring groove (13) and the outer ring (16) and the expander (17) are in contact with each other. It was supposed to be.
特に、前記摩擦材(18)が摩擦係数を自由に設定できる材質からなるものであると良い。 In particular, the friction material (18) is preferably made of a material whose friction coefficient can be freely set.
このように本発明の請求項1によれば、エキスパンダの張力がアウタリングをシリンダ内周面に付勢する拡径側に作用し、ピストンの往復運動においてアウタリングに対するシリンダ内周面の径が変化し、ピストン下降行程ではアウタリングが縮径側に変形することによりエキスパンダも縮み側に変形して、エキスパンダと例えばリング溝の底面とが摺接することによる両部材間の摩擦材による摩擦力の作用方向がエキスパンダのアウタリングに対する張力を増大させる方向となる。それに対してピストン上昇行程でのアウタリングの拡径側変形によりエキスパンダは伸び側に変形し、この場合には摩擦力作用方向が上記と逆になり、エキスパンダのアウタリングに対する張力を減少させる方向となる。このように、ピストン上昇行程と下降行程との間でエキスパンダの張力にヒステリシスが生じるため、ピストン下降行程時にはエキスパンダの張力増大によりアウタリングによるオイルの掻き落とし能力が向上してオイル回収率が向上し、また、ピストン上昇行程時には下降行程時に対してエキスパンダの張力低減によりオイルを掻き上げないようにすることができると共に、フリクション低減による燃費向上が可能となる。 Thus, according to the first aspect of the present invention, the expander tension acts on the diameter-expanding side that urges the outer ring to the cylinder inner peripheral surface, and the diameter of the cylinder inner peripheral surface with respect to the outer ring in the reciprocating motion of the piston. In the piston lowering stroke, the outer ring is deformed to the reduced diameter side, the expander is also deformed to the contracted side, and the expander is slidably contacted with the bottom surface of the ring groove. The direction in which the frictional force acts is the direction that increases the tension of the expander against the outer ring. On the other hand, the expander deforms to the expansion side due to the outer ring expansion side deformation in the piston ascending stroke, and in this case, the direction of the frictional force is reversed, and the expander's tension against the outer ring is reduced. Direction. In this way, hysteresis occurs in the expander tension between the piston ascending stroke and the descending stroke, so that during the piston descending stroke, the expander tension increases, so that the oil scraping ability by the outer ring is improved and the oil recovery rate is increased. In addition, it is possible to prevent the oil from being scooped up by reducing the tension of the expander during the upward stroke of the piston, and to improve the fuel consumption by reducing the friction.
特に、請求項2によれば、ピストン下降行程時と上昇行程時とのエキスパンダの張力差を摩擦材の摩擦係数の設定により適切に設定することができる。 In particular, according to claim 2, the tension difference of the expander between the piston lowering stroke and the lifting stroke can be appropriately set by setting the friction coefficient of the friction material.
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。なお、シリンダ内周面2aはシリンダライナ(図示せず)により形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of an internal combustion engine to which a piston structure according to the present invention is applied. In the illustrated internal combustion engine, a cylinder 2 is formed in a cylinder block 1, and a
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。
A crankcase 8 is coupled to the lower side of the cylinder block 1, and a
図2は、ピストン3に装着された複数のピストンリングにおいて燃焼室11側から2番目に装着されたピストンリング22(セカンドリング)を示す要部拡大縦断面図である。図2に示されるように、ピストン3の外周面3aには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リング溝13が設けられており、リング溝13にはピストンリングとして公知形状のアウタリング16が受容されている。リング溝13はアウタリング16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おり、リング溝13の半径方向内側の最深部となる底面13aとアウタリング16の内周面との間には、板状のばね材を多角形のC字状に形成したプレートエキスパンダ17が配設されている。このようにして、ピストンリング22が構成されている。
FIG. 2 is an enlarged vertical cross-sectional view of a main part showing a piston ring 22 (second ring) mounted second from the
なお、アウタリング13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の掻き落とし力が発揮され、燃焼室11へのオイル流入を減らしてオイル消費量を低減できる。
In addition, the outer peripheral surface shape of the
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。
Furthermore, the cylinder inner
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字状をなすプレートエキスパンダ17の多角形における各頂点間の各辺部分17aの内周面がリング溝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アウタリング16の内周面に当接している。プレートエキスパンダ17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、アウタリング16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。
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. As described above, the inner peripheral surface of each
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の往復運動によりアウタリング16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、ピストン下降時にアウタリング16は縮径し、そのアウタリング16の変形によりプレートエキスパンダ17は縮径方向に圧力を受けて縮む方向に変形する。ピストン上昇時にはアウタリング16は復元力により拡径し、それによりアウタリング16側からの圧力が減少するためプレートエキスパンダ17もばね復元力により拡径して拡がる方向に変形する。
In the piston ring structure configured as described above, the inner diameter of the cylinder inner
そして本発明によれば、リング溝13とプレートエキスパンダ17との互いに接触する部分、すなわち図4に誇張して示すように、プレートエキスパンダ17の各辺部分17aの内周面とリング溝13の底面13aとの間に高摩擦係数の摩擦材18が塗布されている。摩擦材18としてはDLC(Diamond like Carbon)などのセラミックコーティング材であると良い。DLCにあっては、通常は低摩擦材として用いられるが、摩擦係数を自由に設定できるため、高摩擦係数となる(摩擦の大きい)DLCを用いる。
According to the present invention, the
高摩擦係数のDLCを用いることにより、図5に示されるように、プレートエキスパンダ17の張力(ばね付勢力)をピストン3の上昇行程と下降行程とでヒステリシスを持たせて変化させることができる。上記したように上昇行程で図4の二点鎖線の矢印Uに示されるようにプレートエキスパンダ17が拡がる方向に変形する場合には、底面13aから辺部分17aが離反するようになることから摩擦材18による摩擦力の作用方向は二点鎖線の矢印Fuに示される向きとなり、プレートエキスパンダ17によるアウタリング16を付勢する張力が低減される。これにより、図5に「上昇行程」として示される下死点から上死点に至る張力漸減変化となる。
By using the DLC having a high friction coefficient, as shown in FIG. 5, the tension (spring urging force) of the
この上昇行程ではプレートエキスパンダ17の張力が弱く、アウタリング16をばね付勢する力が弱くなり、アウタリング16のシリンダ内周面2aへの押し付け力も弱まる。それにより、オイルを掻き上げる作用は弱まり、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、燃焼室11へのオイル流入を減らしてオイル消費量を低減できる。
In this ascending stroke, the tension of the
それに対して、下降行程で図4の実線の矢印Dに示されるようにプレートエキスパンダ17が縮まる方向に変形する場合には、底面13aに辺部分17aが当接する向きになることから摩擦材18による摩擦力の作用方向は実線の矢印Fuに示される向きとなり、プレートエキスパンダ17が縮まる方向の変形に対して押し戻そうとする力が強くなり、プレートエキスパンダ17によるアウタリング16を付勢する張力が増大される。これにより、図5に「下降行程」として示される上死点から下死点に至る張力漸増変化となる。そして、「上昇行程」と「下降行程」との張力変化間にヒステリシスが生じる。
On the other hand, when the
この下降行程ではプレートエキスパンダ17の張力にヒステリシス分が増強されるため、ヒステリシスを持たない場合よりもアウタリング16を付勢する力が強くなり、アウタリング16のシリンダ内周面2aへの押し付け力が増強される。それにより、下降行程におけるオイルの掻き落とし力が増大し、ピストン3の下降行程においてオイルの掻き落とし力が発揮され、燃焼室11へのオイル流入を減らしてオイル消費量を低減できる。
In this downward stroke, since the hysteresis component is increased in the tension of the
なお、プレートエキスパンダ17の圧縮量は上死点で最小値Cminとなり、下死点で最大値Cmaxとなる。ヒステリシスをもたない場合には、圧縮量の最大値Cmaxおよび最小値Cminでの張力のジャンプ変化は生じないが、本発明では、摩擦材18により、図5に示されるようにヒステリシスを有する変化となる。
The compression amount of the
このように、ピストン上昇行程ではオイルを掻き上げてしまうことが抑制され、ピストン下降行程ではオイルを掻き落とし易くなり、膨張行程時にシリンダ内周面2aにオイルが残ったり、ピストン3の上昇時に必要以上にオイルを運んでしまったりすることを防止することができ、オイル消費量の低減が可能となる。さらに、ピストン3の上昇行程時におけるアウタリング16に対する付勢力を弱めることができるため、フリクション低減による燃費向上が可能となる。
Thus, it is possible to prevent the oil from being scraped up during the piston ascending stroke, and it is easy to scrape off the oil during the piston descending stroke, and the oil remains on the cylinder inner
なお、摩擦材18の塗布箇所としては、上記底面13aと辺部分17aとが当接する部分に限られず、プレートエキスパンダ17の内外周面の両面に塗布したり、アウタリング16の内周面に塗布したり、それらの組み合わせとしても良い。
The location where the
また、上記図示例ではプレートエキスパンダ17を1つ設けた例を示したが、図6に示されるように2つのプレートエキスパンダ17・19を設けても良い。これにより、両プレートエキスパンダ17・19間に摩擦材18を塗布することができ、より一層摩擦材18によるヒステリシス効果を高めることができる。また、両プレートエキスパンダ17・19間やプレートエキスパンダ17と底面13aとの間に摩擦材を塗布せずとも、それらの間の摩擦力によって摩擦材を有する一重プレートエキスパンダ(上記実施例の形態)と同等の摩擦力効果を得ることができる。
In the illustrated example, one
本発明にかかる内燃機関のピストンリング構造は、オイルの掻き落とし能力の向上とオイルを掻き上げないようにすることができる効果を有し、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。 The piston ring structure of the internal combustion engine according to the present invention has the effect of improving the oil scraping ability and preventing the oil from being scraped up, such as an outboard motor having a crankshaft as a vertical direction. It can also be applied to marine propulsion engine.
2 シリンダ
2a シリンダ内周面(内周面)
3 ピストン
3a 外周面
13 リング溝
16 アウタリング
17 プレートエキスパンダ(エキスパンダ)
18 摩擦材
22 ピストンリング
2
3
18
Claims (2)
前記ピストンリングが、前記シリンダの内周面に摺接するように前記リング溝に受容されたアウタリングと、前記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リング溝の前記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エキスパンダとを有し、
前記シリンダの内周面は軸線方向に燃焼室から遠ざかるに連れて内径が漸減して形成され、
前記リング溝および前記アウタリングの少なくとも一方と前記エキスパンダとの互いに接触する部分に高摩擦係数の摩擦材が塗布されていることを特徴とする内燃機関のピストンリング構造。 A cylinder of an internal combustion engine, a piston that reciprocates in the axial direction within the cylinder, a ring groove formed continuously in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the piston, and a piston ring provided in the ring groove A piston ring structure for an internal combustion engine,
The outer ring received in the ring groove so that the piston ring is in sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder, and the outer ring of the ring groove to urge the outer ring toward the inner peripheral surface side of the cylinder And an expander made of a spring material arranged radially inward of
The inner peripheral surface of the cylinder is formed such that the inner diameter gradually decreases as the distance from the combustion chamber increases in the axial direction,
A piston ring structure for an internal combustion engine, wherein a friction material having a high friction coefficient is applied to a portion where at least one of the ring groove and the outer ring and the expander are in contact with each other.
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CN112443394A (en) * | 2019-08-29 | 2021-03-05 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | Piston assembly for an internal combustion engine of a motor vehicle |
JP2021167622A (en) * | 2020-04-09 | 2021-10-21 | 株式会社豊田自動織機 | Piston ring mechanism |
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