JP2010031789A - 内燃機関のピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】合口隙間を通じたブローバイガスの漏出量を長期に亘って低減することのできるピストンリングを提供する。
【解決手段】内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンの外周溝に装着されるピストンリング２１であって、合口４０を形成するピストンリング本体の対向端面２１ａ、２１bのそれぞれに、該ピストンリング本体２１の径方向に延在する陥凹部３０ａ、３０bが形成されると共に、陥凹部３０ａ、３０bのそれぞれの底部に、常温において対向端面２１ａ、２１bを越えない厚みを有する弾性樹脂３５ａ、３５bが一体に接合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンの外周溝に装着されるピストンリングに関する。

一般に、内燃機関（以下、エンジンという）のシリンダと、シリンダ内を往復動するピストンの外周との間隙には、複数のピストンリングが設けられ、これらのピストンリングは、ピストンの外周に形成されている外周溝に装着される。

例えば、ピストンリングの一種であるコンプレッションリングは、燃焼室から圧縮ガスや燃焼ガスが漏出するのを防止する機能を有する。コンプレッションリングは、ピストン頂面に最も近い部位に取り付けられるトップリングや、トップリングの次にピストン頂面に近い部位に取り付けられるセカンドリングとして使用される。また、ピストン頂面に最も遠い部位にはオイルリングとして取り付けられる。

かかるピストンリングは、その一カ所に切れ目（合口）を有する環状部材である。合口（合口隙間）は、ピストンリングをピストンの外周溝に装着する際に変形させるために、また、ピストンリングが熱膨張した場合、膨張分を逃がすための空間を確保するために必要なものである。しかし、燃焼室内の圧縮ガスや燃焼ガスが合口隙間からシリンダボアに漏出することが問題となる。

このような問題を解決するために、例えば特許文献１には、ピストンリングの合口を形成するピストンリング本体の対向端面の一方に、体積圧縮性を有する弾性体をピストンリング本体と一体的に配設したピストンリング構造が開示されている。

実開昭５８−１７８４４３号公報

ところで、特許文献１に開示されたピストンリング構造の場合、エンジンの温度上昇に伴うピストンリング本体の熱膨張と弾性体の熱膨張により、合口隙間が狭くなり、圧縮ガスや燃焼ガスなどのブローバイガス流量の減少作用は期待できる。しかしながら、温度がさらに上昇すると、対向端面の一方に配設された弾性体が対向端面の他方に当接し、弾性体が圧縮変形されることになり、ブローバイガス流量の減少作用が阻害される。すなわち、弾性体が圧縮変形されると、弾性体が合口の上下からはみ出し、ピストン外周溝の上下面と接触することにより、ピストンリングの動きが規制ないしは拘束される結果、ピストンリングの上下面とピストン外周溝の上下面との間のシール性が悪化し、かえってブローバイガス流量が増大してしまうという問題があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、合口隙間を通じたブローバイガスの漏出量を長期に亘って低減することのできるピストンリングを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関のピストンリングは、内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンの外周溝に装着されるピストンリングであって、合口を形成するピストンリング本体の対向端面のそれぞれに、該ピストンリング本体の径方向に延在する陥凹部が形成されると共に、該陥凹部のそれぞれの底部に、常温において前記対向端面を越えない厚みを有する弾性樹脂が一体に接合されていることを特徴とする。

この構成によれば、合口を形成するピストンリング本体の対向端面のそれぞれに形成された陥凹部の底部に一体に接合されている弾性樹脂は、常温においてピストンリング本体の対向端面を越えない厚みを有しており、温度が上昇したときに、熱膨張により拘束されない方向、すなわち、合口隙間を狭くする方向に伸長し、ついには弾性樹脂同士が当接する。かくて、ブローバイガス通路は完全に遮断されることとなり、ブローバイガスの漏出量が低減される。そして、さらに温度が上昇した場合には、当接状態にある弾性樹脂はそれぞれが接合されている陥凹部内を埋めるように変形し、弾性樹脂同士の接触面積は増加するものの接触力は増大しない。したがって、弾性樹脂の接触部における磨耗も軽減されると共に、接触面積の増加によるブローバイガスの漏出量がさらに低減される。また、弾性樹脂は陥凹部内で変形するのみであるから、ピストン外周溝の上下面との接触も回避され、ピストンリングの動きが規制ないしは拘束されることもない。

ここで、前記弾性樹脂の表面には低摩擦材がコーティングされていることが好ましい。

この構成によれば、弾性樹脂同士が当接した状態であっても、ピストンリング本体の合口部の動きが拘束されないので、ピストンリングのシリンダボアへの追従性が向上し、ブローバイガスの漏出をさらに低減することができる。

また、前記弾性樹脂は、表面側の高弾性材と底面側の高密着性材と両者の間のバインダ層との３層構造であってもよい。

この構成によれば、弾性樹脂同士が当接した状態であっても、表面側の高弾性材により接触力が高いときでも逃げが大きく弾性樹脂の磨耗を軽減することができ、さらに高密着性材により弾性樹脂の剥離ないしは脱離が防止されるので信頼性の高いピストンリングを得ることができる。

さらに、前記陥凹部及び前記弾性樹脂が、ピストンリング本体の前記対向端面のそれぞれに複数配置されていてもよい。

この構成によれば、弾性樹脂個々の体格を小さくできるので、弾性樹脂の熱膨張による伸長を抑制し接触力を小さくすることができる。

また、前記陥凹部は、前記ピストンリング本体の軸線方向においてピストン頂面から離れる方向に偏倚して形成されていてもよい。

この構成によれば、陥凹部がピストン頂面から離れる方向に偏倚して形成されていることから、合口隙間を介して弾性樹脂にもたらされるブローバイガス流量が制限され、弾性樹脂の熱劣化が抑制される。

本発明によれば、合口隙間を通じたブローバイガスの漏出量を長期に亘って低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、内燃機関１のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復するピストン１２の外周との間隙には、複数のピストンリング２１、２２、２３が設けられている。ピストンリング２１、２２、２３は、ピストン１２の外周に形成された外周溝１４、１６、１８にそれぞれ装着される。３つのピストンリングのうち、ピストン頂面１２ａ（燃焼室）に最も近い部位に取り付けられるトップリング２１及びトップリング２１の次にピストン頂面１２ａに近い部位に取り付けられるセカンドリング２２は、主に燃焼室からシリンダ１１に圧縮ガスや燃焼ガスが漏出するのを防止するコンプレッションリングとして機能し、また、ピストン頂面１２ａに最も遠い部位取り付けられるオイルリング２３は、シリンダ１１（クランクケース）から燃焼室にオイルが持ち込まれるのを防止すべく機能する。

[実施形態１]
以下、本発明を内燃機関のピストンに取り付けられるトップリングとして具体化した実施形態１について説明する。

図２は、ピストンリング２１の合口部近傍において、周方向に沿って断面した断面図であり、合口４０を形成するピストンリング本体２１の対向端面２１ａ、２１bのそれぞれに、ピストンリング本体２１の径方向に延在する陥凹部３０a、３０bが形成されている。本実施形態では、当該陥凹部３０a、３０bは、平坦な対向端面２１ａ、２１bに対し、その厚み（軸線）方向において中央に形成され、それぞれの断面が舟底形状を有している。そして、当該陥凹部３０a、３０bのそれぞれの底部に弾性樹脂３５a、３５bが接着剤などの適宜な接合手段により一体に接合されている。弾性樹脂３５a、３５bは、常温において対向端面２１ａ、２１bを越えない厚みを有している。換言すると、弾性樹脂３５a、３５bの厚み、及び陥凹部３０a、３０bの深さがそれぞれ、常温において、弾性樹脂３５a、３５bが陥凹部３０a、３０bから対向端面２１ａ、２１bの延長面を超えて突出しないように設定されている。

ここで、ピストンリング本体２１はステンレス鋼又はクロムモリブデン鋼などから形成され得、また、弾性樹脂３５a、３５bの材質としては、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の比較的熱膨張係数の大きな樹脂を用いることが好ましい。

このような本実施形態のピストンリング２１によれば、図３（Ａ）ないし（Ｄ）に示すように作用する。すなわち、図３（Ａ）はエンジン１が停止し常温状態にあるときのピストンリング２１の合口部４０を示す。このときは、対向端面２１ａ、２１bにて形成される合口隙間はＤであり、弾性樹脂３５a、３５bにて形成される合口隙間はｄである。

かかる状態からエンジン１が運転を開始され、温度が上昇すると、図３（Ｂ）に示すように、ピストンリング本体２１が熱膨張により伸長して、対向端面２１ａ、２１bにて形成される合口隙間がＤから、より小さいＤ１になる。同時に、ピストンリング本体２１よりも熱膨張係数の大きな弾性樹脂３５a、３５bは拘束されない方向、すなわち、合口隙間を狭くする方向に伸長し、弾性樹脂３５a、３５bにて形成される合口隙間はｄから、Ｄ１より小さなｄ１となる。そして、エンジン１の温度がさらに上昇すると、図３（Ｃ）に示すように、対向端面２１ａ、２１bにて形成される合口隙間がＤ１より小さなＤ２になると共に、弾性樹脂３５a、３５b同士は線接触状態で当接するようになる。この状態では、ブローバイガス通路は完全に遮断されることとなり、ブローバイガスの漏出量が低減される。

そして、エンジン１の温度が連続高負荷運転などに起因して、その最高温度に達するように上昇する場合には、ピストンリング本体２１及び弾性樹脂３５a、３５bも共に熱膨張による変形が継続し、対向端面２１ａ、２１bにて形成される合口隙間はＤ２より若干小さなＤ３になると共に、線接触状態にあった弾性樹脂３５a、３５bは面接触状態となり、それぞれの接触面積を増加させつつ、図３（Ｄ）に示すようになる。なお、この面接触状態における熱膨張による変形では、弾性樹脂３５a、３５bはそれぞれが接合されている陥凹部３０a、３０b内の空間を先ず埋めるように変形するので、弾性樹脂３５a、３５b同士の接触面積は増加するものの接触力は増大しない。したがって、弾性樹脂３５a、３５bの接触部における磨耗も軽減されると共に、接触面積の増加によりブローバイガスの漏出量がさらに低減される。また、弾性樹脂３５a、３５bは陥凹部３０a、３０b内で変形するのみであるから、ピストンリング本体２１の上下面を超えてはみ出すことがなく、ピストン外周溝２４の上下面との接触も回避され、ピストンリング２１の動きが規制ないしは拘束されることもない。さらに、ピストンリング２１本体からの弾性樹脂３５a、３５bの脱離（抜け落ち）も好適に防止される。

この結果、ブローバイガスの漏出量が抑制され、全体として排気ガスの特性が改善される（排気浄化用触媒の劣化防止にもつながる）。また、ブローバイガスをクランクケースから除去するための特段の装置構成（例えばブローバイガスを吸気系に戻す配管等）を不要にすることも可能になる。さらに、そのような装置構成が不要となれば、吸気系内がブローバイガスによって汚れることもなくなる。また、シリンダボアから燃焼室に持ち込まれるオイルの量が低減されることによっても、排気特性も改善が期待できる。さらに、機関燃焼の安定性や燃費も改善する。

[実施形態２]
なお、図２に示した実施形態１に対し、図４に示すような構成を実施形態２として採用することができる。なお、実施形態２において、実施形態１の構成要素と概ね同等の構造及び機能を有するものについては、同一の符号を付し、ここでの重複する説明は省略する。

実施形態２においては、図４に示すように、弾性樹脂３５a、３５bのそれぞれ対向する側である表面に低摩擦材３６a、３６bがコーティングされている。ここで、低摩擦材３６a、３６bとしては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを用いることができる。

このような構成とすることにより、弾性樹脂３５a、３５b同士が当接するような状態であっても、低摩擦材３６a、３６bを介して当接することになるので、ピストンリング本体２１の合口部の摩擦作用による動きが拘束されず、ピストンリング２１のシリンダボア１１への追従性が向上し、ブローバイガスの漏出をさらに低減することができる。

[実施形態３]
次に、本発明の実施形態３について、図５を参照して説明する。なお、実施形態３においても、実施形態１の構成要素と概ね同等の構造及び機能を有するものについては、同一の符号を付し、重複する説明を避ける。

実施形態３においては、実施形態１における弾性樹脂３５a、３５bを、表面側の高弾性材３７a、３７bと底面側の高密着性材３８a、３８bと両者の間のバインダ層３９a、３９bとの３層構造となるように構成している。

ここで、高弾性材３７a、３７bとしてはポリイミド樹脂など、高密着性材３８a、３８bとしてはポリイミド接着剤、エポキシ系接着剤、フェノール樹脂系接着剤、又は無機系接着剤など、及びバインダ層３９a、３９bとしては強化ポリイミド樹脂などを用いることができる。

この実施形態３の構成によれば、弾性樹脂同士が当接した状態であっても、表面側の高弾性材３７a、３７bにより接触力が高いときでも逃げが大きく弾性樹脂の磨耗を軽減することができ、さらに高密着性材３８a、３８bにより弾性樹脂の剥離ないしは脱離が防止されるので、信頼性の高いピストンリングを得ることができる。

[実施形態４]
さらに、本発明の実施形態４について、図６を参照して説明する。この実施形態４が上述の各実施形態と主に異なる点は、上述の陥凹部及び弾性樹脂が、ピストンリング本体２１の対向端面２１ａ、２１bのそれぞれにおいて複数（当該実施形態４では２つ）配置されていることである。すなわち、ピストンリング本体２１の対向端面２１ａ、２１ｂには、それぞれ、第１の陥凹部３０a１、３０b１及び第２の陥凹部３０a２、３０b２が形成され、これらの底部に、それぞれ、第１の弾性樹脂３５a１、３５b１及び第２の弾性樹脂３５a２、３５b２が接着剤などの適宜な接合手段により一体に接合されている。なお、第１及び第２の陥凹部３０a１、３０b１、３０a２、３０b２はそれぞれ同一の断面形状を有し、両者間には対向端面２１ａ、２１bが残存するように形成されている。そして、第１及び第２の弾性樹脂３５a１、３５b１、３５a２、３５b２もそれぞれ同一の断面形状を有し、それらの厚み、及び第１及び第２の陥凹部３０a１、３０b１、３０a２、３０b２の深さが、それぞれ、常温において、第１及び第２の弾性樹脂が第１及び第２の陥凹部から対向端面２１ａ、２１bの延長面を超えて突出しないように設定されていることは、前実施形態と同じである。

この実施形態４の構成によれば、第１及び第２の弾性樹脂３５a１、３５b１、３５a２、３５b２の個々の体格を小さくできるので、弾性樹脂の熱膨張による伸長を抑制し、当接したときの接触力を小さくすることができる。

[実施形態５]
また、本発明の実施形態５について、図７を参照して説明する。なお、実施形態５においても、実施形態１の構成要素と概ね同等の構造及び機能を有するものについては、同一の符号を付し、重複する説明を避ける。

本実施形態５が実施形態１と主に異なる点は、陥凹部３０a、３０bが、ピストンリング本体２１の軸線方向においてピストン頂面１２aから離れる方向に偏倚して形成されていることである。

この実施形態５の構成によれば、陥凹部３０a、３０bがピストン頂面１２aから離れる方向に偏倚して形成されていることから、合口隙間を介して弾性樹脂３５a、３５bにもたらされるブローバイガス流量が制限され、弾性樹脂３５a、３５bの熱劣化が抑制され、ピストンリング２１の耐久性が向上する。

以上、本発明の種々の実施形態につき説明してきたが、本発明は上記各実施形態にのみ限られるのではなく、各実施形態の特徴部分を他の各実施形態に組合わせることにより得られる形態にも及ぶことはいうまでもない。例えば、図４に示した実施形態と、図６又は図７に示した実施形態などとが組合わされ得ることは容易に理解できるであろう。

本発明に係るピストンリングを備えた内燃機関の主要部を示す部分断面図である。 本発明に係るピストンリングの実施形態１を、合口部近傍において、周方向に沿って断面して示す断面図である。 同実施形態１の熱膨張によるピストンリングの変形作用について説明するための周方向断面図であり、（Ａ）はエンジン停止時の常温状態、（Ｂ）は通常運転時の定常温度状態、（Ｃ）は高負荷時の高温状態、（Ｄ）は連続高負荷時の最高温度状態におけるピストンリング対向端面と弾性樹脂とをそれぞれ示している。 本発明に係るピストンリングの実施形態２を、合口部近傍において、周方向に沿って断面して示す断面図である。 本発明に係るピストンリングの実施形態３を、合口部近傍において、周方向に沿って断面して示す断面図である。 本発明に係るピストンリングの実施形態４を、合口部近傍において、周方向に沿って断面して示す断面図である。 本発明に係るピストンリングの実施形態５を、合口部近傍において、周方向に沿って断面して示す断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１１ シリンダ
１２ ピストン
１２ａ ピストン頂面
２１、２２、２３ ピストンリング
２１ａ、２１b 対向端面
３０ａ、３０b 陥凹部
３５ａ、３５b 弾性樹脂
４０ 合口

Claims (5)

1. 内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンの外周溝に装着されるピストンリングであって、
   合口を形成するピストンリング本体の対向端面のそれぞれに、該ピストンリング本体の径方向に延在する陥凹部が形成されると共に、該陥凹部のそれぞれの底部に、常温において前記対向端面を越えない厚みを有する弾性樹脂が一体に接合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。
2. 前記弾性樹脂の表面には低摩擦材がコーティングされてい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。
3. 前記弾性樹脂は、表面側の高弾性材と底面側の高密着性材と両者の間のバインダ層との３層構造であ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。
4. 前記陥凹部及び前記弾性樹脂が、ピストンリング本体の前記対向端面のそれぞれに複数配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関のピストンリング。
5. 前記陥凹部は、前記ピストンリング本体の軸線方向においてピストン頂面から離れる方向に偏倚して形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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