JP2011117502A

JP2011117502A - ピストンリング

Info

Publication number: JP2011117502A
Application number: JP2009274090A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Nakamura; 正明中村
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】エンジンの燃焼室内の圧力が高くなっても、ブローバイガスを抑制し、エンジンオイルの消費量を抑制する。
【解決手段】ピストンの外周面に形成されたリング状の凹溝にピストンリング２１が収容され、このピストンリング２１の外周面がシリンダ内周面に当接するように構成される。ピストンリング２１は、上部リング部２３と、この上部リング部２３と同一径を有する下部リング部２４とが重合して形成される。またピストンリング２１の上部リング部２３の一端が終端をなし、上部リング２３の他端が下部リング部２４の一端に一体的に接続され、下部リング部２４の他端が終端をなす二重コイル状に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのピストン外周面の凹溝に嵌入されるピストンリングに関するものである。

従来、この種のピストンリングとして、合口部の互いに対向する端面がそれぞれ上下方向に段差を有する凹凸形状に形成され、一方の端面の凹部に他方の端面の凸部を収容し、更に合口部の凹部と凸部との端面間に形成される合口隙間のクランク室側を小さくしたピストンリングが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このように構成されたピストンリングでは、機関運転中、ピストンリングの温度が上昇することによりピストンリングの燃焼室側の熱膨張量が大きく、クランク室側の熱膨張量が小さくても、クランク室側の合口隙間を燃焼室側の合口隙間より小さく設定することにより、クランク室側の合口隙間を小さくすることができる。即ち、燃焼室内のガスがクランク室へと流れるガスの流路を形成する合口隙間の全体を小さくすることができ、ガスの流路の流路抵抗を大きくすることができる。従って、ピストンリングのシール効果が増し、燃焼室からクランク室へと吹き抜けるブローバイガスの量を低減できるようになっている。

また、一方の合口端側に外周面及び一方側面から周方向に延びる断面三角形の凸部を設け、他方の合口端側に凸部を収納する凹部を設けたダブルラップジョイント形の合口を有し、凸部及び凹部の向い合う二つの平面の斜面隙間が０．０３〜０．１５ｍｍとなるように凸部及び凹部が形成されたピストンリングが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。このように構成されたピストンリングでは、向い合う二つの平面間の距離が０．０３〜０．１５ｍｍであるので、オイルの燃焼室への侵入を抑えることができるとともに、ブローバイガスを適度に低減することができる。またピストンリングの加工が比較的容易でありかつオイルの燃焼室への侵入を抑え、更にブローバイガスを適度に低減できるようになっている。

特開平７−３３２４９６号公報（請求項１、段落［００１７］）特開２００１−１２６０３号公報（請求項１、段落［００１１］、段落［００３４］）

しかし、上記従来の特許文献１及び２に示されたピストンリングでは、凸部の横断面積が比較的小さいため、凸部の機械的強度を確保する観点から合口部をあまり長く形成できず、燃焼室からクランク室に通じるピストンリングのラビリンスを長くすることができない。またピストンリングの合口のクランク室側の隙間や合口部の傾斜隙間を小さくしても限界がある。このため、エンジンの高出力化に伴ってエンジンの燃焼室内の圧力が高くなると、ブローバイガスが多くなり、エンジンオイルの消費量も増加する問題点があった。

本発明の目的は、エンジンの燃焼室内の圧力が高くなっても、ブローバイガスを抑制することができるとともに、エンジンオイルの消費量を抑制できる、ピストンリングを提供することにある。

本発明の第１の観点は、図１及び図５に示すように、ピストン１１の外周面に形成されたリング状の凹溝１２ａに収容され、外周面がシリンダ１４内周面に当接するように構成されたピストンリングにおいて、上部リング部２３と、この上部リング部２３と同一径を有する下部リング部２４とが重合し、上部リング部２３の一端が終端をなし、上部リング２３の他端が下部リング部２４の一端に一体的に接続され、下部リング部２４の他端が終端をなす二重コイル状に形成されたことを特徴とするピストンリングである。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に図１及び図２に示すように、上部リング部２３の他端と下部リング部２４の一端との接続部２６の両端のなすリング中心角θが、上部リング部２３及び下部リング部２４のリング中心線方向のリング厚をｔとし、リング直径をＤとするとき、（３６０ｔ／（πＤ））度〜２７０度であることを特徴とする。

本発明の第１の観点のピストンリングでは、ピストンリングを二重コイル状に形成することにより、燃焼室からクランク室に通じるラビリンスを長くすることができる。この結果、エンジンの燃焼室内の圧力が高くなっても、ブローバイガスを抑制することができるとともに、エンジンオイルの消費量を抑制できる。

本発明の第２の観点のピストンリングでは、上部リング部の他端と下部リング部の一端との接続部の両端のなすリング中心角θを（３６０ｔ／（πＤ））度〜２７０度としたので、上部リング部と下部リング部との間のラビリンスを構成するリング中心角θが（３６０−２７０）度〜（３６０−（３６０ｔ／（πＤ）））度と大きくなる。この結果、エンジンの燃焼室内の圧力が高くなっても、ブローバイガスを抑制することができるとともに、エンジンオイルの消費量を抑制できる。

本発明第１実施形態のピストンリングの斜視図である。そのピストンリングの平面図である。そのピストンリングを図２の矢視Ａの方向から見た要部正面図である。そのピストンリングをピストンの凹溝に嵌入する手順を示す平面図である。そのピストンリングをピストンの凹溝に嵌入した状態を示す図６のＢ−Ｂ線断面図である。そのピストンリングを凹溝に嵌入した状態を示すピストンの正面図である。本発明第２実施形態のピストンリングの斜視図である。そのピストンリングの平面図である。そのピストンリングを図８の矢視Ｃの方向から見た要部正面図である。そのピストンリングをピストンの凹溝に嵌入する手順を示す平面図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図５及び図６に示すように、ディーゼルエンジンのピストン１１は、ピストン本体１２の頂面に最も近い位置の外周面に形成されたリング状のアッパ凹溝１２ａと、ピストン本体１２の頂面から最も遠い位置の外周面に形成されたリング状のロア凹溝１２ｃと、アッパ凹溝１２ａとロア凹溝１２ｃとの間のピストン本体１２の外周面に形成されたリング状のミドル凹溝１２ｂと、アッパ凹溝１２ａに収容される第１ピストンリング２１と、ミドル凹溝１２ｂに収容される第２ピストンリング２２と、ロア凹溝１２ｃに収容されるオイルリング１３とを備える。各凹溝１２ａ〜１２ｃにそれぞれ収容されたピストンリング２１，２２及びオイルリング１３の外周面はシリンダ１４内周面に当接するように構成される。またピストンリング２１，２２はコンプレッションリングとも呼ばれ、エンジンの膨張行程や圧縮行程における燃焼室１２ｄ内のガスに対する気密性を保つ機能を有する（図５及び図６）。なお、図５に示すように、ピストン本体１２の頂面には燃焼室１２ｄが形成され、下面にはコンロッド収容凹部１２ｅが形成される。またコンロッド収容凹部１２ｅには図示しないがコンロッドの上端が挿入され、このコンロッドの上端は図示しないピストンピンを介してピストン本体１２に枢着される。

この実施の形態では、図１及び図５に示すように、第１ピストンリング２１は二重コイル状に形成され、第２ピストンリング２２は一重に形成される。第１ピストンリング２１は、上部リング部２３と、この上部リング部２３と同一径を有する下部リング部２４とを重合して形成される。また第１ピストンリング２１は、上部リング部２３の一端が終端をなし、上部リング２３の他端が下部リング部２４の一端に一体的に接続され、更に下部リング部２４の他端が終端をなす二重コイル状に形成される。ここで、上部リング２３の他端と下部リング部２４の一端との接続部２６の両端のなすリング中心角θ、即ち接続部２６上面における上側起立面２６ａとピストンリング中心１６とを結ぶ直線を第１直線３１とし、接続部２６下面における下側起立面２６ｂとピストンリング中心１６とを結ぶ直線を第２直線３２とし、上部リング部２３及び下部リング部２４のリング中心線方向のリング厚をｔとし、リング直径をＤとするとき、第１直線３１と第２直線３２とのなす角度θは、（３６０ｔ／（πＤ））度〜２７０度の範囲内に設定される（図２）。この実施の形態では、リング中心角θは、第１ピストンリングを同一厚さの線材を用いて作製しているため、接続部の厚さがリング中心線方向のリング厚ｔ分だけとなり、（３６０ｔ／（πＤ））度に形成される。また接続部２６の上側起立面２６ａは接続部２６上面に対して略垂直に形成され、下側起立面２６ｂは接続部２６下面に対して略垂直に形成される。ここで、接続部２６の両端のリング中心角θを（３６０ｔ／（πＤ））度０〜２７０度の範囲内に限定したのは、（３６０ｔ／（πＤ））度未満では第１ピストンリング２１を線材の曲げ加工により形成したときに接続部２６の形成が難しく、２７０度を越えると燃焼室１２ｄからクランク室に通じる第１ピストンリング２１のラビリンス１９が短くなってブローバイガスが増大しエンジンオイルの消費量が増大してしまうからである。なお、上部リング部２３の一端面２３ａと上側起立面２６ａとの間には所定の隙間が形成され、下部リング部２４の他端面２４ａと下側起立面２６ｂとの間には所定の隙間が形成される。また、図５の符号４１はロア凹溝１２ｃ内とコンロッド収容凹部１２ｅとを連通するようにピストン本体１２に形成された第１オイル戻し孔であり、符号４２はロア凹溝１２ｃより下方のピストン本体１２外周面とコンロッド収容凹部１２ｅとを連通するようにピストン本体１２に形成された第２オイル戻し孔である。

このように構成された第１ピストンリング２１の製造方法を説明する。先ずスチール等により形成された横断面四角形の一直線状の線材を所定の長さに切断する。次いでこの線材の長手方向中央に線材の厚さｔ分だけクランク状に段差部を形成する。次にこの段差部により区画された線材の一方の半分を所定の曲率半径で曲げて上部リング２３を形成し、線材の他方の半分を上部リング２３と同一の曲率半径で上部リング２３の下方に重合するように曲げて下部リング２４を形成する（図１）。これにより上記段差部が上部リング２３と下部リング２４とを一体的に接続する接続部２６となる。更に上記第１ピストンリング２１に表面処理を施す。これにより第１ピストンリング２１が完成する。

このように製造された第１ピストンリング２１を図４（ａ）に示すように弾性変形させ、この状態でピストン１１のピストン本体１２に遊嵌してアッパ凹溝１２ａに収容する（図４（ｂ））。また第２ピストンリング２２をミドル凹溝１２ｂに収容し、オイルリング１３をロア凹溝１２ｃに収容する。このピストン１１をシリンダ１４に組込んで、エンジンを始動すると、ピストン１１がシリンダ１４内を上下動する。このとき燃焼室１２ｄの圧力が上昇すると、燃焼室１２ｄ内のガスが第１ピストンリング２１のラビリンス１９を通って低圧のクランク室側に漏れようとする。しかし、第１ピストンリング２１が二重コイル状に形成されており、燃焼室１２ｄからクランク室に通じる第１ピストンリング２１のラビリンス１９が極めて長い。具体的には、第１ピストンリング２１の接続部２６の両端のなすリング中心角θを（３６０ｔ／（πＤ））度（例えば、約２度）としたので、上部リング部２３と下部リング部２４との間のラビリンス１９を構成するリング中心角θが（３６０−（３６０ｔ／（πＤ）））度（例えば、約３５８度）と極めて大きくなる。この結果、ラビリンス１９を通るガスの流通抵抗が極めて大きくなるので、ラビリンス１９を通ってクランク室側に漏れるブローバイガスの量が極めて少なくなり、ブローバイガスを抑制できる。

またシリンダ１４の内周面にはクランクシャフトにより掻き上げられたエンジンオイルが潤滑のために付着する。このエンジンオイルのシリンダ１４内周面への付着量が多いと、第１ピストンリング２１のラビリンス１９を通ってクランク室側から燃焼室１２ｄ側へ侵入しようとする。しかし、第１ピストンリング２１のラビリンス１９が極めて長いので、ラビリンス１９を通るエンジンオイルの流通抵抗が極めて大きくなる。この結果、ラビリンス１９を通って燃焼室１２ｄ側に流入するエンジンオイルの量が極めて少なくなるので、エンジンオイルの消費量を必要最小限に抑制できる。

＜第２の実施の形態＞
図７〜図１０は本発明の第２の実施の形態を示す。第１ピストンリング７１の上部リング部７３の他端と下部リング部７４の一端との接続部７６の両端のなすリング中心角θ、即ち接続部７６上面における上側起立面７６ａとピストンリング中心６６とを結ぶ直線を第１直線８１とし、接続部７６下面における下側起立面７６ｂとピストンリング中心６６とを結ぶ直線を第２直線８２とし、上部リング部７３及び下部リング部７４のリング中心線方向のリング厚をｔとし、リング直径をＤとするとき、第１直線８１と第２直線８２とのなす角度θは、（３６０ｔ／（πＤ））度より大きくかつ２７０度以下、好ましくは９０〜２７０度の範囲内に設定される（図８）。この実施の形態では、リング中心角θは約９０度に形成される。接続部７６の上側起立面７６ａは接続部７６上面に対して略垂直に形成され、下側起立面７６ｂは接続部７６下面に対して略垂直に形成される。なお、上部リング部７３の一端面７３ａと上側起立面７６ａとの間には所定の隙間が形成され、下部リング部７４の他端面７４ａと下側起立面７６ｂとの間には所定の隙間が形成される。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。

このように構成された第１ピストンリング７１の製造方法を説明する。先ずスチール、鋳鉄等により形成された横断面四角形の一直線状の線材を所定の長さに切断する。次いで接続部７６となる部分を残して、上部リング部７３となる部分の上面を機械加工により切除し、下部リング部７３となる部分の下面を機械加工により切除する。或いは所定の長さに切断した一直線状の線材を圧延加工して、接続部７６となる部分と、上部リング部７３となる部分と、下部リング部７３となる部分を形成する。次に接続部７６となる部分を所定の曲率半径で曲げた後に、上部リング部７３となる部分を所定の曲率半径で曲げて上部リング７３を形成し、下部リング部７４となる部分を上部リング７３と同一の曲率半径で上部リング７３の下方に重合するように曲げて下部リング７３を形成する。更に上記第１ピストンリング７１に表面処理を施す。これにより第１ピストンリング７１が完成する（図７及び図８）。

このように製造された第１ピストンリング７１を図１０（ａ）に示すように弾性変形させ、この状態でピストン６１のピストン本体６２に遊嵌してアッパ凹溝６２ａに収容する（図１０（ｂ））。また第２ピストンリングをミドル凹溝に収容し、オイルリングをロア凹溝に収容する。このピストン６１をシリンダに組込んで、エンジンを始動すると、ピストン６１がシリンダ内を上下動する。このとき燃焼室の圧力が上昇すると、燃焼室内のガスが第１ピストンリング７１のラビリンス６９を通って低圧のクランク室側に漏れようとする。しかし、第１ピストンリング７１が二重コイル状に形成されており、燃焼室からクランク室に通じる第１ピストンリング７１のラビリンス６９が極めて長い。具体的には、第１ピストンリング７１の接続部７６の両端のなすリング中心角θを約９０度としたので、上部リング部７３と下部リング部７４との間のラビリンス６９を構成するリング中心角θが約２７０度と大きくなる。この結果、ラビリンス６９を通るガスの流通抵抗が極めて大きくなるので、ラビリンス６９を通ってクランク室側に漏れるブローバイガスの量が極めて少なくなり、ブローバイガスを抑制できる。

またシリンダの内周面にはクランクシャフトにより掻き上げられたエンジンオイルが潤滑のために付着する。このエンジンオイルのシリンダ内周面への付着量が多いと、第１ピストンリング７１のラビリンス６９を通ってクランク室側から燃焼室側へ侵入しようとする。しかし、第１ピストンリング７１のラビリンス６９が長いので、ラビリンス６９を通るエンジンオイルの流通抵抗が大きくなる。この結果、ラビリンス６９を通って燃焼室側に流入するエンジンオイルの量が極めて少なくなるので、エンジンオイルの消費量を必要最小限に抑制できる。

なお、上記第１及び第２の実施の形態では、第１ピストンリングを二重コイル状に形成したが、第２ピストンリングを二重コイル状に形成してもよく、或いは第１及び第２ピストンリングの双方を二重コイル状に形成してもよい。また、ピストンリングを３本用いるピストンでは、１本のピストンリングを二重コイル状に形成してもよく、２本のピストンリングを二重コイル状に形成してもよく、或いは３本のピストンリングを二重コイル状に形成してもよい。

１１，６１ピストン
１２ａ，６２ａアッパ凹溝
１４シリンダ
２１，７１第１ピストンリング
２３，７３上部リング部
２４，７４下部リング部
２６，７６接続部

Claims

ピストン(11,61)の外周面に形成されたリング状の凹溝(12a,62a)に収容され、外周面がシリンダ(14)内周面に当接するように構成されたピストンリングにおいて、
上部リング部(23,73)と、この上部リング部(23,73)と同一径を有する下部リング部(24,74)とが重合し、
前記上部リング部(23,73)の一端が終端をなし、前記上部リング(23,73)の他端が前記下部リング部(24,74)の一端に一体的に接続され、前記下部リング部(24,74)の他端が終端をなす二重コイル状に形成された
ことを特徴とするピストンリング。
前記上部リング部(23,73)の他端と前記下部リング部(24,74)の一端との接続部(26,76)の両端のなすリング中心角(θ)が、前記上部リング部(23,73)及び前記下部リング部(24,74)のリング中心線方向のリング厚をｔとし、リング直径をＤとするとき、（３６０ｔ／（πＤ））度〜２７０度である請求項１記載のピストンリング。