JP2010112323A - 内燃機関のピストン構造 - Google Patents

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

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。

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。 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３に示した内側リングの初期状態を示す平面図である。 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。 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。 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。

符号の説明

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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