JP2010112323A - 内燃機関のピストン構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造を容易にすると共に、仕様の異なるピストンリングに対してピストンの共用を可能にして、製造コストを削減することができるようにする。
【解決手段】ピストン3のリング溝22内に嵌挿されてこのリング溝とピストンリング15と間に介在する内側リング21を有し、この内側リングが、ピストンよりも耐摩耗性が高い材料にて、内径がリング溝の底面の外径より小さくなるように円弧状に湾曲した形状に形成され、組み付け状態でC字形状に拡径変形することによる弾性力によってリング溝の底面に圧接するように設けられたものとする。
【選択図】図2
【解決手段】ピストン3のリング溝22内に嵌挿されてこのリング溝とピストンリング15と間に介在する内側リング21を有し、この内側リングが、ピストンよりも耐摩耗性が高い材料にて、内径がリング溝の底面の外径より小さくなるように円弧状に湾曲した形状に形成され、組み付け状態でC字形状に拡径変形することによる弾性力によってリング溝の底面に圧接するように設けられたものとする。
【選択図】図2
Description
本発明は、内燃機関のピストン構造に関するものである。
軽量化及び放熱性の向上を図る目的でピストンをアルミニウム合金材料で形成すると共に、ピストンリングとの摺接によるピストンの摩耗を抑制するため、耐摩耗性に優れた材料からなる耐摩環を介してピストンリングをピストンに保持させるようにした技術が知られている(特許文献1・2参照)。
特開平11−325249号公報
特開平11−022545号公報
しかるに、前記従来技術による耐摩環は、ピストンの鋳造時に鋳ぐるみ法によりピストンに一体化する製造方法が採用されているため、製造工程が複雑になり、製造コストが嵩むという難点があった。さらに、ピストンリングの仕様が変更されると、それに応じて耐摩環の仕様も変更する必要があるが、鋳ぐるみ法により耐摩環をピストンに一体化した構成では、仕様の異なるピストンリングごとにピストンを用意しなければならず、製造コストが嵩むという問題があった。
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、製造を容易にすると共に、仕様の異なるピストンリングに対してピストンの共用を可能にして、製造コストを削減することができるように構成されたピストン構造を提供することにある。
このような課題を解決するために、本発明においては、請求項1に示すとおり、ピストン(3)のリング溝(22・54)内に嵌挿されてこのリング溝とピストンリング(15)と間に介在する内側リング(21・53・81)を有し、この内側リングが、前記ピストンよりも耐摩耗性が高い材料にて、内径が前記リング溝の底面の外径より小さくなるように円弧状に湾曲した形状に形成され、組み付け状態でC字形状に拡径変形することによる弾性力によって前記リング溝の底面に圧接するように設けられたものとした。
これによると、ピストンと内側リングとを別々に製作した後に内側リングをピストンに取り付ければ良く、従来のように鋳ぐるみ法により製造する場合に比較して製造が容易になり、製造コストを削減することができる。さらに、仕様の異なるピストンリングに対応した内側リングをそれぞれ用意すれば良く、異なる仕様のピストンリングに対してピストンを共用することが可能になり、製造コストを削減することができる。しかも、内側リングの交換が容易にできるため、内側リングに摩耗などの不具合が発生した場合に、ピストン全体を交換する必要がなく、整備コストを削減することができる。
前記内燃機関のピストン構造においては、請求項2に示すとおり、前記内側リング(53)は、前記ピストンより熱膨張率が小さな材料にて形成され、前記ピストンリングは、シリンダボアに摺接するアウタリング(51)と、このアウタリングと前記内側リングとの間に介装されて前記アウタリングを径方向外向きに付勢するエキスパンダ(52)とからなる構成とすることができる。
これによると、ピストンの熱膨張によるリング溝の底面の拡径が内側リングにより抑制されるため、リング溝の底面が拡径してエキスパンダの張力が過大に増大することを避けることができる。
特に、内側リングが、シリンダボアを形成するスリーブと略同一の熱膨張率を有する材料にて形成された構成とすると良く、これによると、リング溝の底面の熱膨張量をスリーブの熱膨張量に近づけることができ、熱膨張によりリング溝の底面がスリーブの内周面(シリンダボア)と同程度に拡径するため、リング溝の底面とスリーブの内周面との間隔が変化することにより生じるエキスパンダの張力の変動を抑制することができる。
前記内燃機関のピストン構造においては、請求項3に示すとおり、前記内側リング(53)は、前記ピストンより熱膨張率が小さな材料にて形成され、前記内側リングの一対の合口部(53a・53b)が、前記リング溝の底面に接合された構成とすることができる。
これによると、ピストンの熱膨張によるリング溝の底面の拡径が内側リングにより拘束されるため、リング溝の底面が拡径してピストンリングと干渉したり、エキスパンダの張力が過度に増大したりすることを確実に避けることができる。さらに、ピストンに対する内側リングの相対回転も防止することができ、これにより両部材の相対回転による摩擦を避けることができる。
前記内燃機関のピストン構造においては、請求項4に示すとおり、前記内側リング(81)は、前記ピストンより熱膨張率が小さな材料にて形成され、前記内側リングの一対の合口部(81a・81b)にそれぞれ、径方向内向きに突出する突出部(82)が形成されると共に、前記リング溝の底面には、前記突出部が係止される凹部(83)が形成された構成とすることができる。
これによると、ピストンの熱膨張によるリング溝の底面の拡径が内側リングにより拘束されるため、リング溝の底面が拡径してピストンリングと干渉したり、エキスパンダの張力が過度に増大したりすることを確実に避けることができる。さらに、ピストンに対する内側リングの相対回転も防止することができ、これにより両部材の相対回転による摩擦を避けることができる。
このように本発明によれば、ピストンと内側リングとを別々に製作した後に内側リングをピストンに取り付ければ良く、従来のように鋳ぐるみ法により製造する場合に比較して製造が容易になり、製造コストを削減することができる。さらに、仕様の異なるピストンリングに対応した内側リングをそれぞれ用意すれば良く、異なる仕様のピストンリングに対してピストンを共用することが可能になり、製造コストを削減することができる。しかも、内側リングの交換が容易にできるため、内側リングに摩耗などの不具合が発生した場合に、ピストン全体を交換する必要がなく、整備コストを削減することができる。
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が適用される内燃機関の要部を示す断面図である。この内燃機関では、シリンダブロック1にシリンダボア2aを形成する円筒状のスリーブ2が設けられ、このスリーブ2の内部にピストン3が摺動可能に収容されている。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の上端が連結され、コネクティングロッド5の下端はクランクピン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の上側には、吸気バルブ及び排気バルブによりそれぞれ開閉される吸気ポート及び排気ポートが設けられたシリンダヘッド(図示せず)が結合され、このシリンダヘッドの内壁面とピストン3の上面とシリンダボア2aとで燃焼室9が画成される。
ピストン3は、燃焼ガスの圧力が作用する頂部11と、この頂部11から垂下した態様で設けられた一対のスカート部12と、この一対のスカート部12を互いに連結する態様で設けられた一対のサイドウォール部13と、この一対のサイドウォール部13に設けられた一対のピンボス部14とを有している。頂部11の外周には、ピストンリング15〜17がそれぞれ取り付けられている。なお、ピストンリング15・16はコンプレッションリングであり、ピストンリング17はオイルリングである。
図2は、図1に示したピストンをその軸線に直交し且つリング溝を通る平面で切断して示す横断面図である。図3は、図2に示したピストンリングの周辺部をピストンの軸線に沿った平面で切断して示す要部縦断面図である。図4は、図3に示した内側リングの初期状態を示す平面図である。
ここでは、ピストン3とピストンリング15との間に介在して、ピストンリング15との摺接によるピストン3の摩耗を防止する内側リング21が設けられている。この内側リング21は、ピストン3の外周面に凹設された環状のリング溝22に嵌挿されている。
内側リング21は、図3に示すように、1対の側壁部21a・21bと底壁部21cとからなるコ字形状の断面をなし、内部にピストンリング15が嵌挿される実質的なリング溝23が形成されており、ピストンリング15が1対の側壁部21a・21bに摺接する。
また、内側リング21は、図4に示すように、自由状態での内径D0がリング溝22の底面の外径D1より小さくなるように円弧状に湾曲した有端形状に形成され、図2に示したように、組み付け状態でC字形状に拡径変形することによる弾性力によってリング溝22の底面に圧接して固定される。
ピストン3は、アルミニウム合金材料にて形成されている。内側リング21は、ピストン3よりも耐摩耗性が高い材料、例えばシリンダボア2aを形成するスリーブ2と同様の鉄系合金材料にて形成されている。これにより、ピストンリング15の摺接による摩耗を抑制することができる。また、鉄系合金材料は剛性が高く、リング溝22に内側リング21を安定して固定させるのに要する大きさの弾性力を得ることができる。
さらに、内側リング21に鉄系合金材料を用いると、ピストン3を形成するアルミニウム合金材料より熱膨張率が小さいため、ピストン3の熱膨張による拡径が内側リング21により抑制されるので、リング溝22の底面が拡径してピストンリング15と干渉することでシリンダボア2aに対するピストンリング15の面圧が異常に高くなることを抑制することができる。
図5は、本発明によるピストン構造の別の例を示す、図2と同様の横断面図である。図6は、図5に示したピストン構造を示す、図3と同様の縦断面図である。ここでは、ピストンリング15が、シリンダボア2aに摺接するアウタリング51と、このアウタリング51を径方向外向きに付勢するエキスパンダ52とからなっている。アウタリング51及びエキスパンダ52は共に、一部が切り欠かれたC字形状をなしている。
またここでは、前記の例と同様に、ピストン3とピストンリング15との間に介在して、ピストンリング15との摺接によるピストン3の摩耗を防止する内側リング53が設けられているが、この内側リング53は、前記の例とは異なり、図6に示すように、矩形の断面形状をなし、ピストン3の外周面に凹設された環状のリング溝54に嵌挿されてリング溝54の底面に当接し、その外周側にピストンリング15が嵌挿される実質的なリング溝が形成される。
エキスパンダ52は、折曲部52aが所定の間隔をおいて複数形成された多角形状をなしており、アウタリング51と内側リング53との間に挟み込まれることで弾性変形して、アウタリング51をシリンダボア2aに圧接させる向きに付勢する張力(ばね付勢力)を発生し、シリンダボア2aに収容されることで縮径方向に弾性変形するアウタリング51自身が発生する張力と協働して、シリンダボア2aに対するアウタリング51の面圧が確保される。
内側リング53は、図4に示した内側リング21と同様に、自由状態での内径がリング溝54の底面の外径より小さくなるように円弧状に湾曲した有端状に形成され、組み付け状態でC字形状に拡径変形することによる弾性力によってリング溝54の底面に圧接して固定される。
また、内側リング53は、前記の内側リング21と同様に、ピストン3よりも耐摩耗性が高く且つ剛性が高い材料、例えばスリーブ2と同様の鉄系合金材料にて形成されており、これによりエキスパンダ52の摺接による摩耗を抑制すると共に、リング溝54に内側リング21を安定して固定させるのに要する大きさの弾性力を得ることができる。
さらに、内側リング53に鉄系合金材料を用いると、ピストン3を形成するアルミニウム合金材料より熱膨張率が小さいため、ピストン3の熱膨張によるリング溝54の底面の拡径が内側リング53により抑制されるので、リング溝54の底面が拡径してエキスパンダ52の張力が過度に増大することを避けることができる。
特に、内側リング53に、スリーブ2と略同一の熱膨張率を有する材料、例えばスリーブ2と同一の鉄系合金材料を用いると、リング溝54の底面の熱膨張量をスリーブ2の熱膨張量に近づけることができ、これにより熱膨張によりリング溝54の底面がシリンダボア2aと同程度に拡径するため、リング溝54の底面とスリーブ2の内周面との間隔が変化することにより生じるエキスパンダ52の張力の変動を抑制することができる。
図7は、図5に示したピストン構造の変形例を示す、図2と同様の横断面図である。ここでは、前記図5の例と同様に、内側リング53が設けられているが、特にここでは、内側リング53の一対の合口部53a・53bが、リング溝54の底面に接合されている。この合口部53a・53bの接合は、接着強度などの所要の物性を備えた接着剤による接着や、スポット溶接法などによる溶接により行えば良い。
このようにすると、ピストン3の熱膨張によるリング溝54の底面の拡径が内側リング53により拘束されるため、エキスパンダ52が挟み込まれる内側リング53とアウタリング51との間隔を適切に保持することができ、リング溝54の底面が拡径してエキスパンダ52の張力が過度に増大することを確実に避けることができる。さらに、ピストン3に対する内側リング53の回転も防止することができ、これによりピストン3に対する内側リング53の回転による摩擦を避けることができる。
なお、内側リング53は、ピストン3と全周に渡って接合するようにしても良い。この場合、接着により接合すると良く、接着剤の剥離により内側リング53の交換が可能となる。
図8は、図5に示したピストン構造の変形例を示す、図2と同様の横断面図である。ここでは、前記図5の例での内側リング53と略同様の内側リング81が設けられているが、特にここでは、内側リング81の一対の合口部81a・81bにそれぞれ、径方向内向きに突出する突出部82が形成されると共に、リング溝54の底面には、内側リング81の突出部82が係止される凹部83が形成されている。
このようにすると、接着剤を用いることなく、合口部81a・81bをピストン3に対して固定することができる。そして、内側リング81を、ピストン3より熱膨張率が小さな材料、例えば鉄系合金材料にて形成すると、前記図7の例と同様に、エキスパンダ52の張力が過度に増大することを確実に避けると共に、ピストン3に対する内側リング81の回転を防止することができる。
なお、図7に示したように、内側リングの一対の合口部をリング溝の底面に接合する構成や、図8に示したように、内側リングの一対の合口部に設けた突出部をリング溝の底面に形成した凹部に係止させる構成は、図2に示したように、エキスパンダを有しない構成にも適用することができる。この場合、ピストンの熱膨張による拡径が内側リングにより拘束されるため、リング溝の底面が拡径してピストンリングと干渉することでシリンダボアに対するピストンリングの面圧が異常に高くなることを避けることができる。
以上、ピストンに装着されるピストンリングのうち、燃焼室側のコンプレッションリングであるトップリングに関する例について説明したが、セカンドリングについても同様の構成を採用することが可能である。また、前記の例では、内側リングの断面形状を、通常リングに対してコ字状(図3参照)、エキスパンダ付きリングに対して矩形状(図6参照)としたが、本発明はこのような形態に限定されるものではなく、種々の形態が可能であり、ピストンリングの構成などに応じて内側リングの断面形状を適宜に設定すれば良い。
2 スリーブ、2a シリンダボア
3 ピストン
15〜17 ピストンリング
21 内側リング
22 リング溝
51 アウタリング
52 エキスパンダ
53 内側リング、53a・53b 合口部
54 リング溝
81 内側リング、81a・81b 合口部
82 突出部
83 凹部
3 ピストン
15〜17 ピストンリング
21 内側リング
22 リング溝
51 アウタリング
52 エキスパンダ
53 内側リング、53a・53b 合口部
54 リング溝
81 内側リング、81a・81b 合口部
82 突出部
83 凹部
Claims (4)
- ピストンのリング溝内に嵌挿されてこのリング溝とピストンリングと間に介在する内側リングを有し、
この内側リングが、前記ピストンよりも耐摩耗性が高い材料にて、内径が前記リング溝の底面の外径より小さくなるように円弧状に湾曲した形状に形成され、組み付け状態でC字形状に拡径変形することによる弾性力によって前記リング溝の底面に圧接するように設けられたことを特徴とするピストン構造。 - 前記内側リングは、前記ピストンより熱膨張率が小さな材料にて形成され、
前記ピストンリングは、シリンダボアに摺接するアウタリングと、このアウタリングと前記内側リングとの間に介装されて前記アウタリングを径方向外向きに付勢するエキスパンダとからなることを特徴とする請求項1に記載のピストン構造。 - 前記内側リングは、前記ピストンより熱膨張率が小さな材料にて形成され、
前記内側リングの一対の合口部が、前記リング溝の底面に接合されたことを特徴とする請求項1若しくは請求項2に記載のピストン構造。 - 前記内側リングは、前記ピストンより熱膨張率が小さな材料にて形成され、
前記内側リングの一対の合口部にそれぞれ、径方向内向きに突出する突出部が形成されると共に、前記リング溝の底面には、前記突出部が係止される凹部が形成されたことを特徴とする請求項1若しくは請求項2に記載のピストン構造。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008287349A JP2010112323A (ja) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | 内燃機関のピストン構造 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2008287349A JP2010112323A (ja) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | 内燃機関のピストン構造 |
Publications (1)
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JP2010112323A true JP2010112323A (ja) | 2010-05-20 |
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JP2008287349A Pending JP2010112323A (ja) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | 内燃機関のピストン構造 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102261290A (zh) * | 2010-05-27 | 2011-11-30 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 活塞组件 |
-
2008
- 2008-11-10 JP JP2008287349A patent/JP2010112323A/ja active Pending
Cited By (2)
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CN102261290A (zh) * | 2010-05-27 | 2011-11-30 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 活塞组件 |
US8746701B2 (en) | 2010-05-27 | 2014-06-10 | GM Global Technology Operations LLC | Piston assembly |
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