JP2009275751A - ピストンリング構造 - Google Patents

Abstract

【課題】フリクションを低減するとともにシール性を向上した積層タイプのピストンリング構造を提供する。
【解決手段】ピストン２０の外周面を凹ませて形成した一本のリング溝２１内にピストンの往復方向に沿って積層された複数のピストンリング１１０、１２０、１３０、１４０、１５０を備えて構成されるピストンリング構造を、複数のピストンリングは、外径と内径との差が燃焼室側から反燃焼室側へ順次大きくなる構成とする。また、複数のピストンリング１１０、１２０、１３０、１４０、１５０の燃焼室側の内周縁部にベベル状の斜面１１２、１２２、１３２、１４２、１５２を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レシプロ内燃機関のピストンリング構造に関し、特にフリクションを低減するとともにシール性を向上した積層タイプのピストンリング構造に関する。

レシプロ内燃機関のピストンリング（コンプレッションリング）は、ピストン外周面に形成されたリング溝に組み込まれ、シリンダライナ内面との間をシールして燃焼室側から反燃焼室側（クランクケース側）への吹き抜けを防止し、燃焼圧力や圧縮圧力を保持するものである。
このようなピストンリングにおいて、シール性を向上するため、複数のピストンリングを積層して構成される積層タイプのピストンリング構造が知られている。
例えば、特許文献１には、同一リング溝内にピストンの往復方向に沿って複数枚のリング板を積層して構成した積層タイプのピストンリング構造が記載されている。特許文献１において、各層のリング板は、外径と内径との径差（リング厚さ）がほぼ同じに設定されるとともに、内周縁部はピストンの往復方向に沿ってカットされている。
また、特許文献２には、２層のリング間にオイルを保持して潤滑状態を向上するため、リングの内径側にバックアップリングを設けるとともに、ピストン上昇時（燃焼室側への移動時）には燃焼室側のリングが内径側へ変位し、ピストン下降時には反燃焼室側のリングが内径側へ変位する構成としたものが記載されている。
特開平６−２４９３４１号公報 実公昭５８−６２１４２号公報

燃費向上や出力向上のため、ピストンリング構造にはシリンダライナとの摺動時におけるフリクションを軽減することが要求されている。ピストンリングのフリクションを低減するためには張力を低下させることが有効であり、この張力はピストンリング断面積を縮小すれば低減できることが知られている。しかし、単純にピストンリングの厚さ（径差）を小さくした場合、ガス圧力をシールするピストンリング下面とリング溝下部（反燃焼室側の面部）との接触面積が小さくなってしまう。

また、特許文献１に記載されたような、各ピストンリングが一様な厚さ（内外径差）を有する積層タイプのピストンリング構造においては、各層のピストンリングの寸法公差やピストンの首振りに起因する段ずれによって、反燃焼室側（下段）のリングよりも燃焼室側（上段）のリングのほうが、内周縁部が内径側へ張り出す場合があり得る。この場合、燃焼ガス等の圧力が負荷された場合に、ガス圧力によって上段のリングが燃焼室側へ持ち上げられ、下段のリングからの分離が生じてシール性が悪化してしまう。
本発明の課題は、フリクションを低減するとともにシール性を向上した積層タイプのピストンリング構造を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、ピストンの外周面を凹ませて形成した一本のリング溝内に配置され、前記ピストンの往復方向に沿って積層された複数のピストンリングを備えて構成されるピストンリング構造であって、前記複数のピストンリングは、外径と内径との差が燃焼室側から反燃焼室側へ順次大きくなることを特徴とするピストンリング構造である。

請求項２の発明は、前記複数のピストンリングの前記燃焼室側の内周縁部に、ベベル状の斜面を形成したことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング構造である。
ここで、ベベル状の斜面とは、典型的にはピストンリングを径方向に切って見た横断面形状における内径側の燃焼室側の端部を斜めに切り欠いた形状である。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）複数のピストンリングの内径と外径との差（リング厚さ）が燃焼室側から反燃焼室側へ順次大きくなる構成としたことによって、これをピストンに組み込んでシリンダ内に挿入したときに、内径側に階段状の段部が形成される。このため、複数のリングのそれぞれは、内周縁部でガス圧力を受けることによって、反燃焼室側（リング溝下面側）へ押し付けられる。このとき、各ピストンリングは、その反燃焼室側の面部のほぼ全面が隣接するピストンリング又はリング溝に当接することによって、反燃焼室側の面部にガスが回り込むことがなく、各ピストンリングがいわゆる持ち上がりによって離間することを防止できる。これによって、シール性が向上し、ブローバイを低減するとともに、圧縮漏れを防止できる。
また、このような構成とすることによって、例えば複数のピストンリングの厚さを一様に形成する場合に対して、ピストンリング全体としての断面積を縮小することができ、張力を低減することによってフリクションを低減できる。

（２）ピストンリングの燃焼室側の内周縁部にベベル状の斜面（インナーべベル又はインターナルべベル）を形成することによって、燃焼室側からのガス圧負荷時に、内径側が外径側に対して反燃焼室側へ変位するようにピストンリングが捻じれて皿状（テーパリング状）に変形する。これによって、最下層のピストンリングがリング溝に当接する面圧を向上するとともに、ガスが反燃焼室側へ回り込むことを防止し、各ピストンリングの離間をより確実に防止できる。
また、斜面にガス圧が作用することによって、各層のピストンリングがより強力に反燃焼室側及びシリンダライナ側へ押付けられ、シール性がよりいっそう向上する。

本発明は、フリクションを低減するとともにシール性を向上した積層タイプのピストンリング構造を提供する課題を、ピストンリングの往復方向に沿って複数毎積層されたピストンリングの内径を、燃焼室側から反燃焼室側へかけて順次小さくなるよう設定するとともに、各層のピストンリングの内周縁部にインナーベベルを形成することによって解決した。

以下、本発明を適用したレシプロ内燃機関のピストンリング構造の実施例について説明する。なお、以下の説明において上下とは、シリンダを直立配置して燃焼室を上側に設けた場合の上下を指すものとする。
図１は、ピストンのリング溝内に組み込まれたピストンリング構造の要部断面図であって、ピストン及びピストンリング構造を径方向に切って見た断面を示すものである。
実施例のピストンリング構造は、シリンダライナ１０内に挿入され往復運動するピストン２０のリング溝２１内に嵌めこまれ、図示しない燃焼室側からのガス圧を保持するコンプレッションリングとして機能する積層ピストンリング１００を備えている。

シリンダライナ１０は、例えば鋳造鋼に機械加工及び表面処理を施して形成された円筒状の部材であって、図示しないエンジンブロックのシリンダ部に鋳込み等によって埋め込まれている。
ピストン２０は、シリンダライナ１０内に挿入され、この内部を往復する部材である。ピストン２０は、燃焼室側の端面である冠面２０ａで燃焼室内のガス圧力（筒内圧）を受けるとともに、これによる入力を図示しないコネクティングロッドを介してクランクシャフトに伝達する。

積層ピストンリング１００が嵌め込まれるリング溝２１は、ピストン２０の外周面における冠面２０ａ側の端部近傍に配置され、その周方向に沿って全周にわたって連続的に形成されている。
リング溝２１は、ピストン２０を径方向に切って見た横断面形状がほぼ矩形状に形成されている。リング溝２１は、溝底面２２、上面２３、下面２４を備えている。
溝底面２２は、シリンダライナ１０の内周面と対向して配置された側面部である。溝底面２２は、ピストン２０と同心であり一様の外径を有する円筒外面状に形成されている。上面２３及び下面２４は、溝底面２２の上端及び下端と、ピストン２０の外周面との間にわたして配置されている。上面２３及び下面２４は、ピストン２０の中心軸方向と直交する平面状に形成されている。

積層ピストンリング１００は、第１層ピストンリング１１０、第２層ピストンリング１２０、第３層ピストンリング１３０、第４層ピストンリング１４０、第５層ピストンリング１５０からなる５層構造のものである。
これらの第１層ピストンリング１１０から第５層ピストンリング１５０は、同心に配置されるとともに、燃焼室側（シリンダヘッド側・上側）から反燃焼室側（クランクケース側・下側）にかけて順次配列され、積層されている。第１層ピストンリング１１０から第５層ピストンリング１５０は、それぞれスチール系の材料の表面に、例えば窒化クロム系等の耐摩耗性の薄膜をＰＶＤ等によって形成したものである。

図２は、第１層ピストンリング１１０の二面図であって、図２（ａ）はピストン２０の中心軸方向上方（燃焼室側）から見た平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。
図２（ａ）に示すように、第１層ピストンリング１１０は、全体をほぼ円環状に形成され、その一部に合口１１１が形成されている。合口１１１は、第１層ピストンリング１１０の周上の一部を、径方向に沿って切り欠いた形状となっており。合口１１１を挟んだ各端面は、径方向にほぼ沿って平行に配置されている。

図２（ｂ）に示すように、第１層ピストンリング１１０を径方向に切って見た横断面形状は、径方向に沿った長辺を有するほぼ矩形状に形成されている。
また、第１層ピストンリング１１０の内周縁部における燃焼室側のコーナ部には、ベベル状の切り込みであるインナーベベル（インターナルベベル）１１２が形成されている。このインナーベベル１１２は、積層ピストンリング１００がシリンダライナ１０内に挿入された状態において、第１層ピストンリング１１０が皿状にねじれを発生させる効果を有する。

このインナーベベルによる効果について説明する。
図３は、積層ピストンリング１００にねじれが生じた場合における実施例のピストンリング構造の要部断面図である。
上述したインナーベベルは、第２層ピストンリング１２０から第５層ピストンリング１５０にもそれぞれ形成されている（各層のインナーベベルに符号１２２から１５２を付して図示する）。その結果、各層のピストンリング１１０から１５０にはそれぞれ捻れが発生し、内径側のほうが外径側よりも反燃焼室側へ変位する。
これによって、最下層（最もクランクケース側）の第５層ピストンリング１５０の内周エッジ部は、リング溝２１の下面２４に高面圧で接触し、シール性が向上する。

また、図２（ｂ）に示すように、第１層ピストンリング１１０の外周縁部端面は、シリンダライナ１０との接触部が円弧状の凸曲面（バレルフェイス１１３）とされている。なお、各図面においては、理解を容易にするため、バレルフェイス１１３の曲率は実際よりも大きく図示している。

第２層ピストンリング１２０から第５層ピストンリング１５０は、図２に示した第１層ピストンリング１１０と実質的に同様の構成を備えている。しかし、第１層ピストンリング１１０から第５層ピストンリング１５０のそれぞれの厚さ（径方向寸法・内外径差）は、図１等に示すように、第１層ピストンリング１１０が最も小さく、ここから第５層ピストンリング１５０にかけて、順次大きくなるように設定されている。その結果、積層ピストンリング１００をシリンダライナ１０内に挿入した状態においては、外径側の位置がシリンダライナ１０の内面によって規制される結果、第１層ピストンリング１１０から第５層ピストンリング１５０の内周縁部は、図１等に示すように、反燃焼室側（下段側）のピストンリングが燃焼室側（上段側）のピストンリングに対して階段状に張り出して配置される。このとき、各ピストンリング１１０〜１５０のインナーベベル１１２〜１５２は、その内径側の端部が上段のピストンリングの内周縁部よりも内径側に配置されるように形成されている。

以下、上述した実施例の効果を、以下説明する本発明の比較例と対比して説明する。
本発明の比較例のピストンリング構造は、横断面形状が矩形でありかつ厚さがほぼ等しい複数のピストンリング２０１を積層した積層ピストンリング２００を備えている。
図４は、比較例のピストンリング構造の要部断面図である。
図４（ａ）は、ピストンリングにねじれが生じていない状態を示す横断面図である。
図４（ｂ）は、図４（ａ）のｂ部拡大図である。
図４（ｃ）は、ピストンリングの外径側が内径側よりも燃焼室側へ変位するねじれが生じた状態を示す横断面図である。
図４（ｄ）は、図４（ｃ）のｄ部拡大図である。

各層のピストンリング２０１を同様の厚さに設定した場合であっても、寸法公差によって厳密には厚さのばらつきが生じたり、ピストンの首振りによる段ずれが発生することは避けられない。この場合、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、上段のピストンリング２０１の内周縁部が下段のピストンリング２０１の内周縁部に対して内径側へ張り出してしまうことがある。この場合、上段のピストンリング２０１の下面に燃焼室からのガス圧Ｐが負荷されて持ち上げられ、上下のピストンリング２０１が分離してシール性が低下してしまう。
また、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すようなねじれが発生すると、この場合にも燃焼室からのガス圧Ｐが各層のピストンリング２０１の下面に作用し、ピストンリング２０１の分離が生じる場合がある。

これに対し、実施例の場合には、各層のピストンリング１１０から１５０の厚さが燃焼室側から反燃焼室側へかけて順次大きくなる構成とすることによって、各層のピストンリングの下面はほぼ全面がその下側のピストンリング又はリング溝２１の下面２４に密着している。このため、ピストンリングの下面側へガスが回り込むことがなく、上述したようなピストンリングの持ち上がりや、これに伴う分離が生じにくい。
また、実施例の場合には、各層のピストンリング１１０から１５０の内周縁部にインナーベベル１１２から１５２を形成したことによって、筒内圧負荷時には、インナーベベル１１２から１５２に作用するガス圧Ｐがピストンリングを下側のピストンリング（第５層ピストンリング１５０の場合にはリング溝２１の下面２４）及びシリンダライナ１０に押付けるため、シール性が向上する。

次に、実施例のピストンリング構造における張力低減によるフリクション低減効果について説明する。
図５は、積層ピストンリングの断面積低減効果を示す模式的断面図である。図５（ａ）は上述した比較例のように各層のピストンリングが一様の厚さである場合を示し、図５（ｂ）は実施例と同様に下段のピストンリングの厚さが上段のピストンリングよりも大きい場合を示している。
ピストンリングによるガス圧の保持効果は、主に積層ピストンリングの下面によって発揮されるため、最下層のピストンリングの厚さを同等に設定した場合、図５（ｂ）のように積層ピストンリングを階段状に構成すると、上段側のピストンリングの厚さを下段側に対して小さくすることができ、積層ピストンリング全体としての横断面積を小さくすることができる。

次に、ピストンリング断面積の低減による燃費低減効果について説明する。一般に、リング張力Ｆｔは、以下の式１によって表される。

ここで、
Ｅ：ピストンリング材料の弾性係数
ｈ_１：ピストンリング幅（シリンダ軸線に沿った方向の寸法）
ｄ_１：ピストンリング呼び径
ａ_１：ピストンリング厚さ（径方向に沿った方向の寸法）
ｍ：自由合口隙間（シリンダ内組み込み前）
Ｓ_１：合口隙間（シリンダ内組み込み後）
（各寸法については、図２を参照）

ここで、上記各パラメータに、典型的なエンジンでの値として以下の値を設定する。
Ｅ＝１５０ｅ＋０９
ｈ_１：２．０ｍｍ
ｄ_１：９０．０ｍｍ
ｍ：１０．１ｍｍ
Ｓ_１：０．１ｍｍ

そして、積層ピストンリングを構成する各ピストンリングの厚さが一様であり、その結果ａ_１の平均値が５ｍｍである場合と、実施例のように各ピストンリングの内外径差を設けた結果ａ_１の平均値が４ｍｍになった場合とのリング張力Ｆｔを、それぞれ式２及び式３に示す。

以上説明したように、実施例の構成によってａ_１の平均値を５ｍｍから４ｍｍに低減した場合、リング張力Ｆｔは、１０７／２１６＝０．４９５倍となり、約半減する。
なお、張力Ｆｔを１０％低減することによって、エンジンのフリクショントルクが約０．０２ｋｇｆ・ｍ、燃費が約０．２％低減する例があり、この場合リング張力Ｆｔが半減すると、約１％の燃費改善効果が見込まれる。

以上説明したように、本実施例によると、以下の効果を得ることができる。
（１）積層ピストンリング１００を構成する第１層ピストンリング１１０から第５層ピストンリング１５０の厚さ（内外径差）が、燃焼室側から反燃焼室側へ順次大きくなる構成としたことによって、各ピストンリング１１０から１５０はそれぞれ内周縁部でガス圧力を受けることによって、リング溝２１の下面２４側へ押し付けられる。また、各ピストンリング１１０から１５０は、その下面のほぼ全面が下側のピストンリング又はリング溝２１の下面２４に当接することによって、下側へのガスの回り込み及びこれによる持ち上がりが防止され、積層ピストンリング１００が分離することを防止できる。これによって、シール性が向上し、ブローバイを低減するとともに、圧縮漏れを防止できる。
また、このような構成とすることによって、例えば上述した比較例のように複数のピストンリングの内外径を一様に形成する場合に対して、積層ピストンリング１００全体としての断面積を縮小することができ、張力Ｆｔを低減することによってフリクションを低減し、燃費や出力の向上を図ることができる。

（２）ピストンリング１１０から１５０の燃焼室側の内周縁部にインナーベベル１１２等を形成することによって、燃焼室側からのガス圧Ｐ負荷時に、内径側が外径側に対して反燃焼室側へ変位するようにピストンリングが捻じれて皿状（テーパリング状）に変形する。これによって、第５層ピストンリング１５０とリング溝２１の下面２４との接触面圧を向上してシール性を改善し、ガスが反燃焼室側へ回り込むことを防止して各ピストンリングの離間をより確実に防止できる。
また、インナーベベルの斜面部にガス圧が作用することによって、ピストンリングがリング溝２１の下面２４側及びシリンダライナ１０側へ押付けられ、シール性が向上する。
（３）積層ピストンリング１００の上層部に設けられる第１層ピストンリング１１０等は、厚さが小さいために剛性が低く、筒内圧負荷時のライナ追従性が向上し、シール性がいっそう向上する。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、各層のピストンリングの形状、積層する層数等は上述した実施例に限定されず、適宜変更することができる。
また、本発明のピストンリング構造が適用されるエンジンの種類や用途も特に限定されない。

本発明を適用したピストンリング構造の実施例の要部断面図である。 図１のピストンリング構造における第１層ピストンリングの二面図である。 図１のピストンリング構造において、積層ピストンリングが捻れた状態を示す断面図である。 本発明の比較例のピストンリング構造における要部断面図である。 本発明による積層ピストンリングの断面積低減効果を示す模式的断面図である。

符号の説明

１０ シリンダライナ ２０ ピストン
２０ａ 冠面 ２１ リング溝
２２ 溝底面 ２３ 上面
２４ 下面
１００ 積層ピストンリング １１０ 第１層ピストンリング
１１１ 合口 １１２ インナーベベル
１１３ バレルフェイス
１２０ 第２層ピストンリング １２２ インナーベベル
１３０ 第３層ピストンリング １３２ インナーベベル
１４０ 第４層ピストンリング １４２ インナーベベル
１５０ 第５層ピストンリング １５２ インナーベベル
Ｐ ガス圧

Claims (2)

1. ピストンの外周面を凹ませて形成した一本のリング溝内に配置され、前記ピストンの往復方向に沿って積層された複数のピストンリングを備えて構成されるピストンリング構造であって、
   前記複数のピストンリングは、外径と内径との差が燃焼室側から反燃焼室側へ順次大きくなること
   を特徴とするピストンリング構造。
2. 前記複数のピストンリングの前記燃焼室側の内周縁部に、ベベル状の斜面を形成したこと
   を特徴とする請求項１に記載のピストンリング構造。

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