JP2017009102A

JP2017009102A - 組合せピストンリング

Info

Publication number: JP2017009102A
Application number: JP2015128487A
Authority: JP
Inventors: 実川西; Minoru Kawanishi
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-12

Abstract

【課題】筒内圧の高いエンジンにおいて、ブローバイ量、オイル消費を低減し、長期に亘りリング折損の生じないピストンリングを提供する。【解決手段】ピストンの外周面に形成されたリング溝に収容され、合口を有する円環状の上部リング及び下部リングからなる鋼製の組合せピストンリングにおいて、前記上部リングの下側面と前記下部リングの上側面に互いに係合する係合面を有し、前記係合面が周方向に勾配をもった形状とする。【選択図】図3

Description

本発明は、船舶用等の大型ディーゼルエンジン用ピストンリングに関する。

舶用エンジンを含む大型ディーゼルエンジンは、地球環境問題の顕在化とともに、近年ますます高出力化、高効率化（CO₂低減）の傾向にある。具体的には、シリンダ有効圧力や最高圧力の上昇、熱負荷増大による作用応力の増大、あるいは平均ピストン速度の上昇などであり、シリンダ内最高圧力は22 MPaにまで達し、将来は30 MPaまで上昇するエンジンが計画されている。

よって、上記の大型ディーゼルエンジンに使用されるピストンリングも、ブローバイ量、オイル消費を極限まで低減するとともに、特に第1圧力リング（以下「トップリング」ともいう。）に関しては、長期に亘ってリング折損等が生じない設計が求められている。

一般に、ブローバイ量は、ガスタイト型の合口を採用することによって、大きく低減できる。しかし、シリンダ内最高圧力が大きくなると、トップリングがシリンダライナ面に押し付けられる荷重（以下「リング荷重」ともいう。）もほぼ比例的に増大するため、トップリングの使用環境は非常に過酷になって、摩耗の増大や、リングが折損するという重大事故に至ることもある。そのため、外周側にリング幅に亘る漏出溝を設けることも行われている。

また、ピストンリングを2枚重ねてブローバイ量を低減することもできる。例えば、特許文献1は、燃焼ガス及び油をシールするため、上部リング及び下部リングからなるピストンリングアセンブリを開示している。上部リング及び下部リングは、外径、内径を同じくし、一対の係合面を有し、係合面の外周側に楔形の空隙を形成し、楔形空隙は、角度が10秒〜1度30秒で、端部（楔形の先端）が内周側からよりも外周側から遠い位置に配置されている。

特許文献2は、合口が揃った場合でも、ブローバイ量の増加を抑えることのできる構造として、2つのリングの合口部が重なり合う状態では、ピストンの上下方向において、一方のリングの合口部の隙間の少なくとも一部を他方のリングが塞ぎ、かつ、前記他方のリングの合口部の隙間の少なくとも一部を前記一方のリングが塞ぐように形成されたピストンリングを開示している。具体的には、ステップ合口と斜め合口の組合せや、斜め合口同士で方向を逆にした組合せ、等を教示している。

さらに、特許文献3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、二重コイル状のピストンリングを開示している。

しかし、特許文献1及び特許文献2の上下2枚のリングは互いに回転可能であって、特に特許文献1の場合、合口が揃うとブローバイ量の急増が懸念される。また、特許文献3は舶用ディーゼルエンジンのような大径のピストンリングになると、二重コイル状に形成することが極めて困難になるというのが実情である。

特表2003-501594号公報特開2010-31995号公報特開2100-117502号公報

上記の事情に鑑み、本発明は、筒内圧の高いエンジンにおいて、ブローバイ量、オイル消費を低減し、長期に亘りリング折損の生じないピストンリングを提供することを課題とする。

そして、本発明者は、筒内圧の高いエンジンを念頭に鋭意研究した結果、ピストンリングを2枚重ねるものの、鋳鉄製リングのリング幅を超えないサイズの鋼製の組合せピストンリングとし、2枚のリングが向かい合う係合面に周方向に勾配を持たせることによって、それぞれ単独回転することなく一体となって回転することができる組合せピストンリングに、さらに、上下2枚のリング間にラビリンス構造を設けることによって、リング荷重を大きく緩和することができる組合せピストンリングに想到することができた。

すなわち、本発明の組合せピストンリングは、ピストンの外周面に形成されたリング溝に収容され、合口を有する円環状の上部リング及び下部リングからなる鋼製の組合せピストンリングであって、前記上部リングの下側面と前記下部リングの上側面に互いに係合する係合面を有し、前記係合面が周方向に勾配をもった形状を含むことを特徴とする。前記上部リングの合口と前記下部リングの合口は径方向に対向していることが好ましく、前記勾配の勾配量は前記リング溝のサイドクリアランスの1.5倍以上であることが好ましい。

また、前記上部リングの前記合口はストレート合口であることが好ましく、前記下部リングの前記合口はガスタイト型合口であることが好ましい。

さらに、前記上部リング及び前記下部リングの前記係合面の少なくとも一方に、周方向に形成した少なくとも1以上の凹溝を有することが好ましい。前記凹溝は合口で開放されていることが好ましい。

また、前記上部リング及び前記下部リングの前記係合面の一方に周方向に形成した1以上の凸条を有し、前記係合面の他方に前記凸条を収容する凹溝を有していることが好ましい。

本発明の組合せピストンングは、上部リング及び下部リングからなる2枚重ねの組合せピストンリングであって、2枚のピストンリングが単独回転しないため、上下リングの合口が重なることなく、ブローバイ量を低減することができる。また、上部リングの合口をストレート合口にすることによって、下部リング側に高圧の燃焼ガスを漏出させリング荷重を緩和し、下部リングの合口をガスタイト型合口にすることによって、クランク室側へのブローバイを抑えることが可能になる。さらに、上部リングと下部リングの係合面に凹溝を形成して、燃焼室からクランク室に通じるガス通路をラビリンス構造とすることによって、高圧燃焼ガスの圧力や熱量を緩和することができ、大型ディーゼルエンジンの高出力化、高効率化に対応した信頼性の高いピストンリングを提供することが可能となる。

本発明の組合せピストンリングがピストンのリング溝に収容され、シリンダ内周壁に当接している状態を示す断面図である。本発明の組合せピストンリングの一例を示す図で、下部リングの合口を正面に見た正面図である。本発明の組合せピストンリングの別の一例を示す図で、下部リングの合口を正面に見た正面図である。本発明の組合せピストンリングの上部リングの一例を示す図で、(a)は下側面側から見た平面図であり、(b)はA-A断面図である。本発明の組合せピストンリングの上部リングの別の一例を示す図である。本発明の組合せピストンリングの上部リング及び下部リングに形成された凹溝又は凸条及び凹溝の組合せを示す図であり、(a)は上部リングにのみ凹溝が形成された断面図であり、(b)は下部リングにのみ凹溝が形成された断面図であり、(c)は上部リングと下部リングの両方に凹溝が形成され、上部リングの凹溝と下部リングの凹溝が対向して配置されている状態を示す断面図であり、(d)は上部リングと下部リングの両方に凹溝が形成され、上部リングの凹溝と下部リングの凹溝が対向しないように配置されている状態を示す断面図であり、(e)は上部リングに断面矩形の凸条が形成され、下部リングに断面矩形の凹溝が形成されて、前記凸条が前記凹溝に収容された状態を示す断面図であり、(f)は上部リングに断面半円の凹溝が形成され、下部リングに断面半円の凸条が形成されて、前記凸条が前記凹溝に収容された状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら説明する。

図1は、ピストン(8)の外周面に形成されたリング溝(9)に収容され、合口を有する円環状の上部リング(2)と下部リング(3)からなる本発明にかかる組合せピストンリング(1)を示している。上部リング(2)は、呼び径d₁、軸方向幅h₁ ^u、径方向厚さa₁、下部リング(3)は、呼び径d₁、軸方向幅h₁ ^l、径方向厚さa₁なる鋼製リングとし、例えば、呼び径d₁が350 mmのリングでは、軸方向幅のh₁ ^uとh₁ ^lがそれぞれ3.5 mm、径方向厚さa₁が9.5 mm程度の寸法が選択できる。このような寸法は、靱性が高く、簡単には折損しない鋼製リングだから可能となる。また、シリンダ内周壁に当接する外周摺動面はバレルフェイス形状又は偏心バレルフェイス形状とすることが好ましい。

なお、リング溝(9)はサイドクリアランス(t)を有し、組合せピストンリングはピストンの上下運動に伴い、リング溝内を上下運動する。燃焼行程では、高圧の燃焼ガスがサイドクリアランスを通って組合せピストンリングの上側面側及び内周側から下側面及びシリンダ内周壁に向かって押圧するので、とくに燃焼圧の高いエンジンではリングの使用環境は非常に過酷になる。

本発明の組合せピストンリング(1)は、上部リング(2)の下側面(4)（係合面）と下部リング(3)の上側面(5)（係合面）に互いに係合し、上部リング(2)と下部リング(3)が単独回転しないように、係合面(4,5)が周方向に勾配をもった形状を含むことを特徴としている。図２は下部リング(3)の合口(7)を正面に見た本発明の組合せピストンリング(1)を示している。下部リングの係合面(5)は合口(7)から左右両側・周方向に、軸方向幅(h₁ ^l)を増加する勾配をもたせて形成され、上部リングの係合面(4)は下部リングの合口(7)から左右両側・周方向に、軸方向幅(h₁ ^u)を減少する勾配をもたせて形成されている。180°回転して見れば、上部リングの係合面(4)が合口(6)から左右両側・周方向に、軸方向幅(h₁ ^u)を増加する勾配をもたせて形成され、下部リングの係合面(5)が上部リングの合口(6)から左右両側・周方向に、軸方向幅(h₁ ^l)を減少する勾配をもたせて形成されていることになる。この構造によって、上部リング(2)と下部リング(3)は単独回転が阻止される。上部リング(2)の合口(6)と下部リング(3)の合口(7)とが重ならない状態で組み合わせ（図2では、上部リング(2)の合口(6)は下部リング(3)の合口(7)と径方向に対向している）、上部リング(2)が下部リング(3)から浮き上がることがなければ、組合せピストンリングの幅方向に貫通する隙間は無く、ブローバイを阻止する構造とすることができる。

勾配をもたせた形状は、ピストンリングの全周に亘る必要はなく、例えば、図3に示すように、合口近傍（図3においては、合口を挟んで長さmの範囲）を除く領域でのみ勾配をもたせた形状としても良い。

また、勾配量(g)については、上部リング(2)が下部リング(3)から浮き上がったとしても、完全に外れないようにリング溝のサイドクリアランス(t)よりも大きいことが必要である。勾配量(g)はサイドクリアランス(t)の1.5倍以上であることが好ましく、2倍以上であればより好ましい。

図2及び図3の組合せピストンリング(1)は、上部リング(2)の合口(6)はストレート合口を示している。上部リング(2)の合口(6)をストレート合口にすることによって、下部リング(3)側に高圧の燃焼ガスを一部漏出させ、高圧の燃焼ガスによるリング荷重を緩和することができる。本発明の組合せピストンリング(1)では、燃焼ガスを下部リング(3)側に漏出させたとしても、下部リング(3)の合口(7)が上部リング(2)の合口(6)と重なっていなければ、ブローバイ量を増大することはない。よって、下部リング(3)の合口(7)もストレート合口とすることができる。

しかし、図3の組合せピストンリングのように、下部リング(3)の合口をガスタイト型合口にすれば、下部リング側に漏出した燃焼ガスの通り抜けを抑制し、ブローバイ量のさらなる低減に繋がる。ガスタイト型合口は、ダブルステップ合口、ダブルアングル合口、ダブルラウンド合口として合口形状により区別されるが、用途や要求性能によって使い分けすることができる。

高圧燃焼ガスによるリング荷重の緩和に関しては、燃焼室からクランク室に通じるガス通路をラビリンス構造とすることによって、さらに緩和することができる。すなわち、本発明では、上部リング(2)と下部リング(3)の係合面(4, 5)の少なくとも一方に、周方向に形成した少なくとも1以上の凹溝を有することが好ましい。例えば、図4(a)及び(b)は、上部リング(2)の係合面(4)（すなわち、下側面）に周方向の合口(6)から合口(6)まで2本の凹溝(12)が形成されている様子を示している。上部リング(2)の合口(6)から下部リング(3)側に漏出した燃焼ガスは、合口(6)で開放された凹溝(12)に流れ込んで圧力を緩和し、結果としてリング荷重を引き下げる。緩和の程度は、凹溝の断面積や長さに依存する。本発明では、このようにリング荷重を引き下げても、ブローバイ量を増加することにはならないので、高出力化、高効率化を損なうものではない。

図4(a)に示した係合面(4)に形成された凹溝(12)は合口(6)に開放されていたが、本発明では、図5に示すように、合口(6)に開放されていなくても良い。凹溝(12)の実施形態は、リング荷重の緩和の程度によって決めることができる。例えば、図6は、上部リング(2)と下部リング(3)の係合面(4, 5)に形成された凹溝(12)の様々な実施態様の例を示す。(a)は上部リング(2)の係合面(4)のみに2本の凹溝が形成された場合、(b)は下部リング(3)の係合面(5)のみに2本の凹溝が形成された場合、(c)は上部リング(2)と下部リング(3)の係合面(4, 5)の両方に2本ずつ凹溝が形成され、且つ上部リング(2)の凹溝(12)と下部リング(3)の凹溝(13)が対向して配置された場合、(d)は上部リング(2)と下部リング(3)の係合面(4, 5)の両方に2本ずつ凹溝が形成され、且つ上部リング(2)の凹溝(12)と下部リング(3)の凹溝(13)が対向しないように配置された場合、(e)は上部リング(2)の係合面(4)に断面矩形の凸条(14)が形成され、下部リング(3)の係合面(5)に断面矩形の凹溝(13)が形成されて、前記凸条(14)が前記凹溝(13)に収容された場合、(f)は上部リング(2)の係合面(4)に断面半円の凹溝(12)が形成され、下部リング(3)の係合面(5)に断面半円の凸条(15)が形成されて、前記凸条(15)が前記凹溝(12)に収容された場合を示している。

1 組合せピストンリング
2 上部リング
3 下部リング
4 上部リングの係合面（下側面）
5 下部リングの係合面（上側面）
6 上部リングの合口
7 下部リングの合口
8 ピストン
9 リング溝
10 シリンダ
11 シリンダ内周壁
12 上部リングの凹溝
13 下部リングの凹溝
14 上部リングの凸条
15 下部リングの凸条

Claims

ピストンの外周面に形成されたリング溝に収容され、合口を有する円環状の上部リング及び下部リングからなる鋼製の組合せピストンリングであって、前記上部リングの下側面と前記下部リングの上側面に互いに係合する係合面を有し、前記係合面が周方向に勾配をもった形状を含むことを特徴とする組合せピストンリング。
請求項1に記載の組合せピストンリングにおいて、前記上部リングの合口と前記下部リングの合口が径方向に対向していることを特徴とする組合せピストンリング。
請求項1又は2に記載の組合せピストンリングにおいて、前記勾配の勾配量が前記リング溝のサイドクリアランスの1.5倍以上であることを特徴とする組合せピストンリング。
請求項1〜3のいずれかに記載の組合せピストンリングにおいて、前記上部リングの前記合口がストレート合口であることを特徴とする組合せピストンリング。
請求項1〜4のいずれかに記載の組合せピストンリングにおいて、前記下部リングの前記合口がガスタイト型合口であることを特徴とする組合せピストンリング。
請求項1〜5のいずれかに記載の組合せピストンリングにおいて、前記上部リング及び前記下部リングの前記係合面の少なくとも一方に、周方向に形成した少なくとも1以上の凹溝を有することを特徴とする組合せピストンリング。
請求項6に記載の組合せピストンリングにおいて、前記凹溝が合口で開放されていることを特徴とする組合せピストンリング。
請求項1〜7のいずれかに記載の組合せピストンリングにおいて、前記上部リング及び前記下部リングの前記係合面の一方に周方向に形成した1以上の凸条を有し、前記係合面の他方に前記凸条を収容する凹溝を有していることを特徴とする組合せピストンリング。