JP2014009620A - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの摺動によってコンプレッションリングが回転することを確実化させる。
【解決手段】コンプレッションリング１６のうち合口部２０を挟んだ片側又は両側に、燃焼ガスの押圧力を円周方向の付勢力に変換するガイド部を設ける。ガイド部としては、上向き傾斜面２３が挙げられる。燃焼ガスの圧力が上向き傾斜面２３に直接に作用するため、コンプレッションリングの回転機能を向上できる。コンプレッションリング１６が回転することでリング溝１３にスラッジが溜まることを防止できるため、コンプレッションリング１６を弾性力でシリンダボア１に密接した状態に保持できる。その結果、ブローバイガスの発生量を抑制して燃費向上とする貢献できる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、内燃機関用のピストンリングに関するものである。

ピストンがシリンダボアを摺動するレシプロ式の内燃機関では、ピストンの外径はシリンダボアの内径より若干小径になっており、ピストンの外周に複数本（一般には３本）のリング溝を形成して、このリング溝にピストンリングを嵌め込むことで、ピストンとシリンダボアとの隙間を塞いでいる。なお、ピストンリングは、燃焼ガスの圧力を受けるコンプレッションリングとオイルの掻き落とし機能を有するオイルリングとに分けられるが、本願発明はコンプレッションリングを好適な対象にしている。

ピストンリング（コンプレッションリング）は帯板を曲げて製造されており、若干の隙間の合口部を設けることで、ピストンのリング溝に嵌め込んだり取り外したりすることができるようになっている。そして、ピストンに取り付けた状態では、ピストンリングは弾性力によってシリンダボアの内面に密接するように設計されている。

しかし、ピストンのリング溝とピストンリングとの間には僅かながら隙間が存在していることから、燃料やオイルの燃え滓より成るスラッジが隙間に溜まることがあり、これが進展すると、いわばスラッジが接着剤のような作用を果たしてピストンリングの動き（広がり変形）が悪くなり、その結果、シリンダボアへの密着性が低下してブローバイガスの量が増える等の問題がある。

この問題は、ピストンの摺動によってピストンリングを回転させることで解消できると考えられる。そこで、特許文献１には、ピストンリングの内角部を周方向に沿って不均一な面取り状にカットして、内周部に環状の傾斜面を形成することが記載されている。この特許文献１においてピストンリングが回転するメカニズムは詳述されていないが、内周部の面取り状傾斜面がピストンリングの一端から他端に向けて徐々に小さくなる（或いは徐々に大きくなる）ことにより、合口部から進入した燃焼ガスでピストンリングを周方向に押しやるものと推測される。

なお、特許文献２には、潤滑油が燃焼室に漏洩することの抑制を目的として、ピストンの外周にオイル溜まりとして機能する環状溝を形成すると共に、環状溝の下方の突状に切欠き部を形成し、切欠き部の端面をピストンの軸心と直交した方向から見て傾斜させることで、ピストンが下降する際の空気抵抗によってピストンリングを回転させることが記載されている。

特開昭６１−０３６５６２号公報 特開平０９−２１７８３２号公報

特許文献１は、いわばピストンリングをインペラーの構造にしたものであり、ピストンリングを的確に回転させるには、燃焼ガスを旋回流の状態でリング溝に取り込む必要があるが、燃焼ガスがリング溝の内部に効率よく進入するか明確でなく、効果を予測し難いと言える。

他方、特許文献２はピストンリングを燃焼ガスで回転させるものではないため、これもピストンリングの回転機能が弱いと言える。また、特許文献２の場合、切欠き部の傾斜面を利用してピストンリングを的確に回転させるには、ピストンリングの傾斜面が空気を切るような状態で下降する必要があるが、特許文献２では環状溝の下に位置した突条に切欠き部を形成しているに過ぎず、環状溝の上に位置した突条は全周にわたって完全なループ形状になっているため、ピストンの下降に際して空気が環状溝に溜まることで傾斜面に空気の流れが作用しない状態が発生しやすくなると解され、その結果、ピストンリングの回転が不十分になる虞が高い。

本願発明はこのような現状に鑑みなされたものであり、ピストンリングの回転性能を高めることを目的とするものである。

本願発明は、ピストンの外周に形成した環状溝に嵌め込まれてシリンダボアの内周面に密接するピストンリングにおいて、少なくとも前記ピストンとシリンダボアとの間の環状隙間に位置する箇所に、燃焼ガスの圧力によって自身を前記ピストンの軸心回りに回転させるガイド部を、前記環状隙間を介して燃焼室の側に露出するように形成している。

本願発明において、ガイド部は例えば合口部を挟んだ一方の端部のみに形成することも可能であるし、ピストンリングの外周のうち合口部とは異なる部位に１つ又は飛び飛びで複数個形成することも可能である。ガイド部は、ピストンの軸線に対して傾斜したガイド面を有する構成とするのが好ましい。また、本願発明は、少なくとも第１コンプレッションリングに適用したら足りる。

本願発明では、ピストンリングのガイド部に燃焼ガスの圧力が直接に作用するため、ガイド部が僅かの面積であってもピストンリングを的確に回転させることができる。このため、ピストンリングに若干の加工を施すだけで的確に回転させ得る。これにより、スラッジの溜まりを防止してシリンダボアに対するピストンリングの密着性を向上させることができ、その結果、燃費の向上やブローバイガスの抑制に貢献できる。

本願発明を適用した内燃機関の要部断面図である。 （Ａ）は第１実施形態の使用状態の部分図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図である。 第２〜第５実施形態を示す図である。 第６実施形態を示す図で、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。 第７実施形態を示す図で、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視図である。 第８実施形態を示す図で、（Ａ）は一部平面図、（Ｂ）はリングの部分平面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ視図、（Ｄ）は変形例の平面図である。

(1).内燃機関の要部
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に示す内燃機関の要部を説明する。内燃機関の基本構成は従来と同じであり、シリンダボア２を有するシリンダブロック１と、シリンダボア２を覆うようにしてシリンダブロック１に重ね固定されたシリンダヘッド３と、シリンダボア２に摺動自在に嵌め込まれたピストン４とを有している。

ピストン４には、ピストンピン５を介してコンロッド６の上端が相対動自在に連結されており、コンロッド６の下端は、ピストンピン５と平行に延びるクランク軸（図示せず）が相対動自在に連結されている。クランク軸の軸心は、当該クランク軸の軸方向から見てシリンダボア２の軸心７に対して若干の寸法ずらしており、このため、クランク軸は一定方向に回転する。

シリンダヘッド３は台錘状（屋根型）の燃焼室（凹所）を有しており、燃焼室の上底面には点火プラグ８が露出している。また、シリンダヘッド３のうちクランク軸の軸心を挟んだ両側に、吸気バルブ９で開閉される吸気通路１０と、排気バルブ１１で開閉される排気通路１２とが一対ずつ形成されている。

ピストン４の外周のうち頂面寄りの部位には３本のリング溝１３，１４，１５が形成されている。上段のリング溝１３には第１コンプレッションリング１６が嵌まり、中段のリング溝１４には第２コンプレッションリング１７が嵌まり、下段のリング溝１５にはオイルリング１８が嵌まっている。オイルリング１８はコンプレッションリング１６，１７より厚くなっている。

(2).第１実施形態
本願発明は第１コンプレッションリング１６と第２コンプレッションリング１７とに適用しており、図２で第１実施形態の第１コンプレッションリング１６を例示している。すなわち、第１実施形態の第１コンプレッションリング１６は、合口部２０を挟んだ両端部２１，２２のうちの一端部２１に、シリンダヘッド３の方に露出した上向き傾斜面２３と、クランク室の方に露出した下向き傾斜面２４とを形成している。上向き傾斜面２３はガイド部の一例である。

上向き傾斜面２３は、第１コンプレッションリング１６の端面と上面との連設角部をカットした状態になっており、ピストン４の軸心と直交した方向から見て、合口部２０に近づくに従って低くなるように傾斜している。上向き傾斜面２３は、周方向の寸法が高さ方向の寸法よりも遙かに大きくなっている（従って、燃焼ガスの受圧面積が大きい。）。

他方、下向き傾斜面２４は、第１コンプレッションリング１６の端面と下面との連設角部をカットした形態になっており、ピストン４の軸心と直交した方向から見て、合口部２０に近づくに従って高くなるように傾斜している。下向き傾斜面２４は、周方向の寸法及び高さ方向の寸法とも、上向き傾斜面２３のそれより小さくなっている。

第１コンプレッションリング１６（他のリングも）は大部分がリング溝１３に嵌まっており、シリンダボア２とピストン４との間の環状隙間２５に露出しているのは外周部のみであるが、上向き傾斜面２３及び下向き傾斜面２４は第１コンプレッションリング１６の横幅全体に形成している。なお、図２（Ｂ）に示すように、リング溝１３の内周と第１コンプレッションリング１６の内周との間には、若干の寸法Ｅの間隔が空いている。

以上の構成において、爆発工程では、環状隙間２５に入り込んだ燃焼ガスが上向き傾斜面２３に上から衝突する。すると、上向き傾斜面２３のガイド作用により、燃焼ガスによる下向き押圧力Ｆ１の何割かが水平方向の押圧力である水平分力Ｆ２に変換され、これにより、第１コンプレッションリング１６はピストン４の軸心回りの回転作用を受ける。

この場合、燃焼ガスの圧力が上向き傾斜面２３に直接に作用することと、図（Ｂ）（Ｃ）に白抜き矢印で示すように、燃焼ガスが合口部２０から下向きに吹き抜ける現象が生じて上向き傾斜面２３に強い流れ抵抗が作用することとにより、第１コンプレッションリング１６の回転が確実ならしめられる。なお、第１コンプレッションリング１６の合口部２０から下方に抜けた燃焼ガスは第２コンプレッションリング１７に衝突し、第２コンプレッションリング１７に下向きの押圧力を作用させる。従って、第２コンプレッションリング１７に上向き傾斜面２３を形成しておくことで、第２コンプレッションリング１７も回転作用を受ける。

第２コンプレッションリング１７の合口部の箇所でも燃焼ガスが下方に吹き抜ける現象が生じるが、圧力は著しく低下しているため、クランク室に吹き抜けるガスの量はごく僅かであり（オイルリング１８によってもガスの抜けは防止される。）、両コンプレッションリング１６，１７がシリンダボア２に密着することによるシール効果の方が勝っているため、全体としてみるとブローハイガスの量を抑制できる。

さて、４サイクル内燃機関では、ピストン４は爆発行程と吸気行程で下降動するが、吸気行程ではシリンダボアは負圧又は略大気圧であるため、ピストン４の下降によって各リング１６，１７，１８には上向きの抵抗が作用する。このため、実施形態のようにコンプレッションリング１６，１７に下向き傾斜面２４を形成しておくと、ピストン４が下降するに際しての空気抵抗がコンプレッションリング１６，１７を回転させるように作用する。従って、本実施形態では、コンプレッションリング１６，１７の回転をより確実化できる利点がある。

なお、圧縮行程ではシリンダボアの内部は正圧状態になっているため、コンプレッションリング１６，１７は圧縮行程においても回転作用を受ける。この点も本実施形態の利点の１つである。

(3).他の実施形態
次に、図３以下の他の実施形態を説明する。図３に示すのは第１実施形態の変形例であり、このうち（Ａ）に示す第２実施形態では、主ガイド面２３を上向き凹状に形成し、（Ｂ）に示す第３実施形態では、主ガイド面２３を上向き凸状に湾曲させている。

図３のうち（Ｃ）に示す第４実施形態では、合口部２０を挟んだ一端部２１に上向きの主ガイド面２３を形成して、合口部２０を挟んだ他端部２２に下向きの副ガイド面２４を形成している。図３のうち（Ｄ）で示す第５実施形態は第４実施形態の変形例であり、両端部２１，２２をその端面が略同じ位置になるように近付けている。従って、この実施形態では合口部２０は傾斜姿勢になっている。第４実施形態及び第５実施形態では、上向き傾斜面２３による回転方向と下向き傾斜面２４による回転方向とが逆方向になるため、コンプレッションリング１６，１７の回転角度を小さくできる。

図４（Ａ）に示す第６実施形態では、コンプレッションリング１６，１７の一端部のみに上向き傾斜面２３を形成するにおいて、主として環状隙間２５に露出した部位のみに上向き傾斜面２３を形成して、上向き傾斜面２３は、リング溝１３に嵌まっている部分には形成していない（上向き傾斜面２３のごく一部はリング溝１３に入り込んでいるが。）。この実施形態では、加工面積が少ないため、上向き傾斜面２３を形成したことによる強度低下の問題は生じない。第１実施形態のように下向き傾斜面２４を設ける場合、これを環状隙間２４に露出した箇所のみに形成することも可能である。

上記の各実施形態では、ガイド部として傾斜面２３を合口部２０の箇所に設けた場合であったが、図５に示す第７実施形態では、合口部でない部位（一端部と他端部との間の部位）に、ピストン４の軸線に対して傾斜した傾斜溝２７を形成している。その作用は第１実施形態と同じである。傾斜溝２７は環状隙間２５の箇所のみに形成している。従って、強度低下の問題はない。

（Ｂ）に一点鎖線鎖線で示すように、傾斜溝２７に底面２８を形成することも可能である。この場合は、ガスの吹き抜けを回避できる利点がある。ガイド部として底面２８を有する傾斜溝２７を採用すると、ガスの吹き抜けがないため、傾斜溝２７を適当な間隔で多数形成することが可能になる。なお、第７実施形態と第１〜第６実施形態とを組み合わせることも可能である。

図６に示す第８実施形態では、第１コンプレッションリング１６の上面に、ガイド部としての案内溝３０を、周方向に飛び飛びで複数個形成している（図では１つしか表示していない。）。案内溝３０は、ピストン４の軸心方向から見て、当該案内溝３０とピストン４の軸心とを通る放射線９に対して傾斜している。すなわち、ピストン４の軸心方向から見て非放射姿勢になっている。このため、ピストン４は、羽根車と同様の原理により、燃焼ガスの圧力で回転し得る。

案内溝３０は、（Ａ）（Ｂ）に表示するようにピストン４の内周面まで達するように切り開き形成してもよいし、（Ｄ）に表示するように、ピストン４の内周まで達しない状態に形成してもよい。また、（Ａ）（Ｂ）ではく字形に屈曲した形態になっているが、直線状の形態や円弧状の形態も採用可能である。

本願発明は、内燃機関のピストンリング（コンプレッションリング）に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダボア
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
１３，１４，１５ リング溝
１６ 第１コンプレッションリング
１７ 第２コンプレッションリング
１８ オイルリング
２０ 合口部
２１ コンプレッションリングの一端部
２２ コンプレッションリングの他端部
２３ ガイド部の一例としての上向き傾斜面
２４ 下向き傾斜面
２５ 環状隙間
２７ ガイド部の一例としての傾斜溝

Claims (1)

1. ピストンの外周に形成した環状溝に嵌め込まれてシリンダボアの内周面に密接するピストンリングであって、
   少なくとも前記ピストンとシリンダボアとの間の環状隙間に位置する箇所に、燃焼ガスの圧力によって自身を前記ピストンの軸心回りに回転させるガイド部を、前記環状隙間を介して燃焼室の側に露出するように形成している、
   内燃機関用ピストンリング。

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