JP2015068361A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダとの摩擦の増加と、オイルの消費の増大とをバランスよく抑制することができる。
【解決手段】シリンダ１０２内を往復動するピストン１０４の外周面１０４ｂに設けられた周溝１０４ｃに装着されるピストンリング１０８であって、合口１４０を有し、環状に形成されるリング本体部１３０と、リング本体部１３０に係合し、シリンダ１０２内の燃焼室１２０の圧力変化により変形することで、シリンダ１０２内の燃焼室の圧力変化により生じるリング本体部１３０の径方向の変形を抑制する係合部材１３２とを備える。
【選択図】図２

Description

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

従来、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る。ピストンリングは、ピストンの外周に形成される周溝に装着される。

ピストンリングは、ピストンの周溝に装着する際に変形させるために一カ所の切れ目（合口）を有する環状部材で形成され、燃焼室からクランクケースへの燃焼ガスや排気ガスの漏出を防止するとともに、クランクケースから燃焼室へのオイルの漏出を防止する。しかしながら、ピストンリングには、このような合口が設けられているために、合口を介して燃焼ガス、排気ガス、オイルが合口隙間から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および２には、ピストンリングの合口隙間に樹脂製の小片を取り付けることで燃焼ガス、排気ガス、オイルの漏出を防止する構成が開示されている。

また、例えば特許文献３および４には、ピストンリングの合口を凹状に形成し、凹状に形成された合口に凸状の小片を取り付けることで燃焼ガス、排気ガス、オイルの漏出を防止する構成が開示されている。

特許第４９１６３６３号公報 特許第４２０４４２９号公報 実開平３−９８３６１号公報 特開２００８−１４４２４号公報

ところで、エンジンでは、圧縮行程や燃焼行程で燃焼室が高圧となり、ピストンリングの内周面から外周面に向かって生じる圧力（背面圧力）が増加し、シリンダに対する張力も増加する。これにより、ピストンリングとシリンダの内周面との摩擦力が増加する。

一方、エンジンは、吸気行程や排気行程で燃焼室が低圧となり、ピストンリングの外周面に加わる背面圧力が減少し、シリンダに対する張力も減少する。これにより、ピストンリングとシリンダの内周面との間隔が拡大し、クランクケースから燃焼室へのオイルの漏出が増加することで、オイルの消費が増大する。

これらは相反する問題であり、燃焼室が高圧である場合と低圧である場合の一方に合わせてピストンリングを設計すると、もう一方の場合における問題が増加することになる。したがって、燃焼室が高圧となることによるシリンダとの摩擦力の増加と、燃焼室が低圧となることによるオイルの消費の増大とをバランスよく抑制することができるピストンリングが望まれる。

そこで、本発明は、シリンダとの摩擦の増加と、オイルの消費の増大とをバランスよく抑制することができるピストンリングを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のピストンリングは、シリンダ内を往復動するピストンの外周面に設けられた周溝に装着されるピストンリングであって、合口を有し、環状に形成されるリング本体部と、前記リング本体部に係合し、前記シリンダ内の燃焼室の圧力変化により変形することで、該シリンダ内の燃焼室の圧力変化により生じる該リング本体部の径方向の変形を抑制する係合部材とを備える。

また、前記係合部材は、前記リング本体部の合口を隔てて対峙する端部それぞれに係合し、前記シリンダ内の燃焼室の圧力が加減することにより縮伸する材質であってもよい。

また、前記係合部材は、前記燃焼室の圧力変化に対して縮伸の応答性の位相遅れが９０度以内であってもよい。

本発明によれば、シリンダとの摩擦の増加と、オイルの消費の増大とをバランスよく抑制することができる。

エンジンの一部の構成を示した概略図である。 ピストンリングの構成を示した概略図である。 燃焼室が高圧および低圧である場合におけるシリンダと従来のピストンリングとの関係を示した概略図である。 燃焼室が高圧および低圧である場合におけるシリンダとピストンリングとの関係を示した概略図である。 第２の実施形態におけるピストンリングの構成を示した概略図である。 第３の実施形態におけるピストンリングの構成を示した概略図である。 第４の実施形態におけるピストンリングの構成を示した概略図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<第１の実施形態>
図１は、エンジン１００の一部の構成を示した概略図である。図１に示すように、エンジン１００は、シリンダ１０２、ピストン１０４、コンロッド１０６、ピストンリング１０８を含んで構成される。

ピストン１０４は、シリンダ１０２の内径より小さな外径の有底円筒形状に形成され、ピストン頂面１０４ａが燃焼室１２０側に位置するようにシリンダ１０２内に配置され、ピストン頂面１０４ａとは反対側にコンロッド１０６が接続される。ピストン１０４は、燃焼室１２０内に供給される燃料が燃焼することにより生じる圧力によりシリンダ１０２内を往復動し、コンロッド１０６を介してクランクケース１２２内に設けられるクランク軸（図示せず）を回転させる。

ピストン１０４の外周面１０４ｂには、周方向にわたって３つの周溝１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅがピストン頂面１０４ａ側から順に並んで設けられ、これら周溝１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅそれぞれにピストンリング１０８が装着される。ピストンリング１０８は、シリンダ１０２の内周面１０２ａにオイルを介して当接しており、燃焼室１２０からクランクケース１２２への燃焼ガスや排気ガスの漏出を防止し、また、クランクケース１２２から燃焼室１２０へのオイルの漏出を防止する。

図２は、ピストンリング１０８の構成を示した概略図である。図２（ａ）は、ピストンリング１０８の全体構成を示した概略図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における破線で囲まれた領域の部分拡大図である。図２（ａ）および（ｂ）に示すように、ピストンリング１０８は、リング本体部１３０および係合部材１３２により構成される。

リング本体部１３０は、一カ所に合口（切れ目）１４０を有し、外力が与えられていない自由状態ではシリンダ１０２の内径よりも大きな外径でなる金属製の環状部材である。リング本体部１３０は、例えばピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際、自由状態よりも外径が小さくなるように変形した状態で維持されるため、シリンダ１０２の内周面１０２ａに周方向にわたって当接し、シリンダ１０２の内周面１０２ａに対して周方向にわたって一定の張力を付加する。

係合部材１３２は、加えられる圧力が加減することで縮伸し（圧力が加えられると縮み、圧力が減らされると伸びる）、また、燃焼室１２０の圧力変化（エンジン１００の回転数）に対して縮伸の応答性の位相遅れが９０度以内である性質を有する例えばウレタン材でなる。

リング本体部１３０は、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際、合口１４０を隔てて対峙する２つの端部１４２、１４４に係合部材１３２が係合される。より具体的には、図２（ｂ）に示すように、リング本体部１３０の端部１４２は、幅方向における内周面側が切り欠かれた切欠部１４２ａが設けられ、切欠部１４２ａにおける、端部１４４とは反対側において幅方向にもう一段切り欠かれた被係合溝１４２ｂが設けられる。また、リング本体部１３０の端部１４４は、幅方向における内周面側が切り欠かれた切欠部１４４ａが設けられ、切欠部１４４ａにおける、端部１４２とは反対側において幅方向にもう一段切り欠かれた被係合溝１４４ｂが設けられる。つまり、リング本体部１３０は、中心と合口１４０の中心とを結ぶ直線を基準にして被係合溝１４２ｂと被係合溝１４４ｂとが対向配置される。

係合部材１３２は、リング本体部１３０がピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際の被係合溝１４２ｂと被係合溝１４４ｂとの間隔と略一致した長さであり、幅方向の厚さが切欠部１４２ａ、１４４ａの幅方向の厚さと略一致した本体部１３２ａが設けられる。また、係合部材１３２は、本体部１３２ａの両端からリング本体部１３０の外周面側に突出し、被係合溝１４２ｂ、１４４ｂに係合する係合部１３２ｂ、１３２ｃが設けられる。

そして、ピストンリング１０８では、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際、係合部材１３２の係合部１３２ｂ、１３２ｃそれぞれがリング本体部１３０の被係合溝１４２ｂ、１４４ｂに係合することで、係合部材１３２がリング本体部１３０に係合する。

本実施形態の優位性を説明すべく、従来のピストンリング２００と本実施形態のピストンリング１０８を図３および図４を用いて比較する。

図３は、燃焼室１２０が高圧および低圧である場合におけるシリンダ１０２と従来のピストンリング２００との関係を示した概略図である。図３（ａ）は、燃焼室１２０が高圧である場合におけるシリンダ１０２とピストンリング２００との関係を示し、図３（ｂ）は、燃焼室１２０が低圧である場合におけるシリンダ１０２とピストンリング２００との関係を示す。なお、図３において、白抜き矢印は、燃焼室１２０の圧力を示し、その大きさにより燃焼室１２０の圧力の大きさを表す。また、黒塗り矢印は、ピストンリング２００に対する背面圧力を示し、その大きさによりピストンリング２００に対する背面圧力の大きさを表す。

従来のピストンリング２００は、上記したピストンリング１０８におけるリング本体部１３０に相当する金属製の環状部材であり、係合部材１３２は設けられていない。したがって、図３（ａ）に示すように、燃焼室１２０が高圧となり、ピストンリング２００の内周面に加わる背面圧力が増加すると、ピストンリング２００は、径方向に広がろうとする力（張力）が増加し、シリンダ１０２との摩擦力が増加することになる。

一方、図３（ｂ）に示すように、燃焼室１２０が低圧となり、ピストンリング２００の内周面に加わる背面圧力が減少すると、ピストンリング２００は、径方向に広がろうとする力（張力）が減少し、シリンダ１０２との間隙が拡大してオイルが燃焼室１２０へ漏出することによるオイルの減少が増加することになる。

図４は、燃焼室１２０が高圧および低圧である場合におけるシリンダ１０２とピストンリング１０８との関係を示した概略図である。図４（ａ）は、燃焼室１２０が高圧である場合におけるシリンダ１０２とピストンリング１０８との関係を示し、図４（ｂ）は、燃焼室１２０が低圧である場合におけるシリンダ１０２とピストンリング１０８との関係を示す。なお、図４において、白抜き矢印は、燃焼室１２０の圧力を示し、その大きさにより燃焼室１２０の圧力の大きさを表す。また、黒塗り矢印は、ピストンリング１０８に対する背面圧力を示し、その大きさによりピストンリング１０８に対する背面圧力の大きさを表す。

エンジン１００の圧縮行程や燃焼行程では、図４（ａ）に示すように、燃焼室１２０が高圧となり、シリンダ１０２の内周面１０２ａとピストン１０４の外周面１０４ｂとの間隙１２４、ピストン１０４の周溝１０４ｃを介してピストンリング１０８の内周面に加わる背面圧力が増加する。このとき、リング本体部１３０は、背面圧力の増加により径方向に広がろうとする力（シリンダ１０２に対する張力）が増加する。一方、係合部材１３２は、燃焼室１２０が高圧となることで収縮し、リング本体部１３０の合口１４０（端部１４２と端部１４４との距離）を縮めようとする力、換言すると、リング本体部１３０を径方向に縮めようとする力が増加する。

このように、ピストンリング１０８では、燃焼室１２０が高圧になると、背面圧力の増加によりリング本体部１３０による径方向に広がろうとする力が増加する一方で、係合部材１３２によるリング本体部１３０を径方向に縮めようとする力も増加する。したがって、ピストンリング１０８では、これら相反する力によりピストンリング１０８（リング本体部１３０）が径方向に変形することを抑制（相殺）する。換言すると、係合部材１３２は、燃焼室１２０が高圧になることで収縮し、リング本体部１３０によるシリンダ１０２に対する張力の増加を抑制する。

一方、図４（ｂ）に示すように、エンジン１００の吸気行程や排気行程では、燃焼室１２０が低圧となり、シリンダ１０２の内周面１０２ａとピストン１０４の外周面１０４ｂとの間隙１２４、ピストン１０４の周溝１０４ｃを介してピストンリング１０８の内周面に加わる背面圧力が減少する。このとき、リング本体部１３０では、背面圧力の減少により径方向に広がろうとする力（シリンダ１０２に対する張力）が減少する。一方、係合部材１３２は、燃焼室１２０が低圧となることで伸長（復元）し、リング本体部１３０の合口１４０（端部１４２と端部１４４との距離）を縮めようとする力、換言すると、リング本体部１３０を径方向に縮めようとする力が減少する。

このように、ピストンリング１０８では、燃焼室１２０が低圧になると、背面圧力の減少によりリング本体部１３０による径方向に広がろうとする力が減少する一方で、係合部材１３２によるリング本体部１３０を径方向に縮めようとする力も減少する。したがって、ピストンリング１０８では、これら相反する力によりピストンリング１０８（リング本体部１３０）が径方向に変形することを抑制（相殺）する。

以上のように、ピストンリング１０８は、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際にリング本体部１３０に対して係合する係合部材１３２が設けられている。したがって、ピストンリング１０８は、燃焼室１２０が高圧になると係合部材１３２が収縮してリング本体部１３０によるシリンダ１０２に対する張力の増加を抑制するので、シリンダ１０２との間隙が減少することを抑制することができる。また、ピストンリング１０８は、燃焼室１２０が低圧になると係合部材１３２が伸張（復元）してリング本体部１３０による径方向の収縮も抑制するので、シリンダ１０２の内周面１０２ａとの間隔が拡大することを抑制することができる。

これにより、ピストンリング１０８は、燃焼室１２０が高圧となることによるシリンダ１０２との摩擦の増加を抑制し、かつ、燃焼室１２０が低圧となることによるシリンダ１０２との間隙が拡大してオイルが燃焼室１２０へ漏出することを抑制することができる。

かくして、ピストンリング１０８は、係合部材１３２が設けられると言った簡易な構成で、燃焼室１２０が高圧となることによるシリンダ１０２との摩擦の増加と、燃焼室１２０が低圧となることによるオイルの消費の増大とをバランスよく抑制することができる。

なお、第１の実施形態では、ピストンリング１０８をピストン１０４の周溝１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅに設けるようにしたが、ピストン１０４の周溝１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅのうちの一の周溝に設けられていればよく、ピストンリング１０８が設けられていない他の周溝には、その他のピストンリングを設けるようにしてもよい。

<第２の実施形態>
図５は、第２の実施形態におけるピストンリング３００の構成を示した概略図である。図５（ａ）は、ピストンリング３００の全体構成を示した概略図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）における破線で囲まれた領域の部分拡大図である。図５（ａ）および（ｂ）に示すように、ピストンリング３００は、リング本体部１３０および係合部材３０２により構成される。なお、ピストンリング３００は、第１の実施形態におけるピストンリング１０８と同様に、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着される。

係合部材３０２は、加えられる圧力が加減することで縮伸し、また、燃焼室１２０の圧力変化（エンジン１００の回転数）に対して縮伸の応答性の位相遅れが９０度以内である性質を有する例えばウレタン材でなる。係合部材３０２は、リング本体部１３０がピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際の被係合溝１４２ｂと被係合溝１４４ｂとの間の距離と略一致した長さであり、幅方向の厚さが切欠部１４２ａ、１４４ａの幅方向の厚さと略一致した本体部３０２ａが設けられる。また、係合部材３０２は、本体部３０２ａの両端からリング本体部１３０の外周面側に突出し、被係合溝１４２ｂ、１４４ｂに係合する係合部３０２ｂ、３０２ｃが設けられる。さらに、本体部３０２ａの中央から外周面側に突出し、ピストンリング３００がピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際に、リング本体部１３０の合口１４０を塞ぐ突出部３０２ｄが設けられる。

そして、ピストンリング３００では、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際、係合部材３０２の係合部３０２ｂ、３０２ｃそれぞれがリング本体部１３０の被係合溝１４２ｂ、１４４ｂに係合することで、リング本体部１３０に係合部材３０２が係合する。

これにより、ピストンリング３００は、ピストンリング１０８と同様に、燃焼室１２０が高圧となることによるシリンダ１０２との摩擦の増加と、燃焼室１２０が低圧となることによるオイルの消費の増大とをバランスよく抑制することができるとともに、合口１４０を通って燃焼室１２０に漏出するオイルを減少させることができる。

<第３の実施形態>
図６は、第３の実施形態におけるピストンリング４００の構成を示した概略図である。図６（ａ）は、ピストンリング４００の全体構成を示した概略図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における破線で囲まれた領域の部分拡大図である。図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ピストンリング４００は、リング本体部４０２および係合部材４０４により構成される。なお、ピストンリング４００は、第１の実施形態におけるピストンリング１０８と同様に、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着される。

リング本体部４０２は、一カ所に合口４１０を有し、外力が与えられていない自由状態ではシリンダ１０２の内径よりも大きな外径でなる金属製の環状部材である。リング本体部４０２は、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際、自由状態よりも外径が小さくなるように変形した状態で維持されるため、シリンダ１０２の内周面１０２ａに周方向にわたって当接し、シリンダ１０２の内周面１０２ａに対して周方向にわたって一定の張力を付加する。

リング本体部４０２は、合口４１０を隔てて対峙する２つの端部それぞれに貫通孔４０２ａ、４０２ｂが設けられ、貫通孔４０２ａ、４０２ｂに係合部材４０４が係合される。係合部材４０４は、加えられる圧力が増減すると縮伸するように変位し、リング本体部４０２の合口４１０の間隔を一定に維持しようとする所謂パルセーションダンパでなる。

したがって、燃焼室１２０が高圧となると、リング本体部４０２では、背面圧力の増加により径方向に広がろうとする力（張力）が増加する一方、係合部材４０４では、圧力変化により変位して合口４１０の間隔を縮めようとする力が増加する。これにより、ピストンリング４００では、これら相反する力によりリング本体部４０２が径方向に変形することを抑制することができる。

また、燃焼室１２０が低圧となると、リング本体部４０２では、背面圧力の減少により径方向に広がろうとする力（張力）が減少する一方、係合部材４０４では、圧力の減少により伸張するように変位して合口４１０の間隔を縮めようとする力が減少する。これにより、ピストンリング４００では、これら相反する力によりリング本体部４０２が径方向に変形することを抑制し、シリンダ１０２の内周面１０２ａとの間隔の拡大を抑制することができる。

これにより、ピストンリング４００は、ピストンリング１０８と同様に、燃焼室１２０が高圧となることによるシリンダ１０２との摩擦の増加と、燃焼室１２０が低圧となることによるオイルの消費の増大とをバランスよく抑制することができる。

<第４の実施形態>
図７は、第４の実施形態におけるピストンリング５００の構成を示した概略図である。なお、ピストンリング５００は、第１の実施形態におけるピストンリング１０８と同様に、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着される。

リング本体部５０２は、一カ所に合口５１０を有し、外力が与えられていない自由状態ではシリンダ１０２の内径よりも大きな外径でなる金属製の環状部材である。リング本体部５０２は、ピストン１０４の周溝１０４ｃに装着された際、自由状態よりも外径が小さくなるように変形した状態で維持されるため、シリンダ１０２の内周面１０２ａに周方向にわたって当接し、シリンダ１０２の内周面１０２ａに対して周方向にわたって一定の張力を付加する。

係合部材５０４は、加えられる圧力が加減することで縮伸し、また、燃焼室１２０の圧力変化（エンジン１００の回転数）に対して縮伸の応答性の位相遅れが９０度以内である性質を有し、一カ所に合口５１２を有する例えばウレタン材の環状部材である。係合部材５０４は、リング本体部５０２の内周面に周方向にわたって係合している。

したがって、燃焼室１２０が高圧となると、リング本体部５０２では、背面圧力の増加により径方向に広がろうとする力（張力）が増加する一方、係合部材５０４では、燃焼室１２０の高圧により収縮してリング本体部５０２を径方向に縮めようとする力が増加する。これにより、ピストンリング５００では、これら相反する力によりリング本体部５０２が径方向に変形することを抑制することができる。

また、燃焼室１２０が低圧となると、リング本体部５０２では、背面圧力の減少により径方向に広がろうとする力（張力）が減少する一方、係合部材５０４では、圧力の減少により伸張して合口５１０の間隔を縮めようとする力が減少する。これにより、ピストンリング５００では、これら相反する力によりリング本体部５０２が径方向に変形することを抑制し、シリンダ１０２の内周面１０２ａとの間隔の拡大を抑制することができる。

これにより、ピストンリング５００は、ピストンリング１０８と同様に、燃焼室１２０が高圧となることによるシリンダ１０２との摩擦の増加と、燃焼室１２０が低圧となることによるオイルの消費の増大とをバランスよく抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、エンジンに用いられるピストンリングに利用できる。

１００ …エンジン
１０２ …シリンダ
１０４ …ピストン
１０８、３００、４００、５００ …ピストンリング
１３０、４０２、５０２ …リング本体部
１３２、３０２、４０４、５０４ …係合部材
１４０、４１０、５１０ …合口

Claims (3)

1. シリンダ内を往復動するピストンの外周面に設けられた周溝に装着されるピストンリングであって、
   合口を有し、環状に形成されるリング本体部と、
   前記リング本体部に係合し、前記シリンダ内の燃焼室の圧力変化により変形することで、該シリンダ内の燃焼室の圧力変化により生じる該リング本体部の径方向の変形を抑制する係合部材とを備えることを特徴とするピストンリング。
2. 前記係合部材は、
   前記リング本体部の合口を隔てて対峙する端部それぞれに係合し、前記シリンダ内の燃焼室の圧力が加減することにより縮伸する材質であることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記係合部材は、
   前記燃焼室の圧力変化に対して縮伸の応答性の位相遅れが９０度以内であることを特徴とする請求項１または２に記載のピストンリング。

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