JP2017116022A - ピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せ - Google Patents

Abstract

【課題】3ピースオイルリングのサイドレールの合口部を経由したオイル上がりを抑制できる、オイル消費特性に優れたピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せを提供する。【解決手段】ピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、前記オイルリング溝を、溝深さの深い主空間及び燃焼室側に溝深さの浅い拡張空間から構成し、前記オイルリングを、合口を有する一対の円環状のサイドレールと、それらの間に介在し内周部に前記サイドレールの内周面を押圧する耳部を有するスペーサエキスパンダと、合口を有し自己張力を有する円環状の補助リングとから構成し、燃焼室側の上部サイドレールを前記主空間の上側面に当接させ、前記補助リングを前記拡張空間に収納する。【選択図】図1

Description

本発明は、ピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せに関する。

自動車等の内燃機関には、通常2本の圧力リングと1本のオイルリングが用いられ、ピストン外周面に設けられたリング溝に、それぞれ組付けられている。その中で、オイルリングは燃焼室から最も遠いリング溝に組付けられ、シリンダ壁面を摺動しながら潤滑油膜がシリンダ壁面に適切に保持されるように調整する、いわゆるオイルコントロール機能を有している。

ガソリンエンジンでは、図6に示すように、合口を有する一対の円環状のサイドレール(106, 106’)と、それらの間に介在し内周部に前記サイドレールの内周面を押圧する耳部(107, 107’)を有するスペーサエキスパンダ(105)からなる組合せオイルコントロールリング（以下「3ピースオイルリング」、又は単に「オイルリング」と言う。）が、主として使用されている。特に、サイドレール(106, 106’)を押圧する耳部(107, 107’)の角度により、シリンダ面(110)に向かう半径方向及びリング溝上下側面(111, 112)に向かう軸方向に分力をもって押圧されるため、シリンダ壁面(110)及びリング溝上下側面(111, 112)においてシール機能を発揮している。

一方、厳しいオイル消費特性が要求される場合、3ピースオイルリングは円環状のサイドレールが合口を有する形状であるため、図7に示すように、潤滑油が合口隙間を通って燃焼室に達する、いわゆるオイル上がりの抑制が課題となる。

特許文献1は、シリンダ内が高負圧になった場合などに、上記のオイル上がりを起こすという課題に対し、図8に示すように、サイドレールを2枚重ね(206, 206’及び216, 216’)に使用することを開示している。また、特許文献2は、特許文献1のサイドレール(206, 206’及び216, 216’)が自己張力を持たないことと、半径方向厚さが完全に同一なサイドレールは製造困難なことから2枚重ねにしても1枚のサイドレールはシリンダ内周面と耳部の間で遊嵌することになって所定の目的を達成できないことに鑑み、図9に示すように、環状のスペーサエキスパンダ(305)の耳部(307, 307’)に内周端が当接し押圧される自己張力を有さない環状のサイドレール(306, 306’)と、前記スペーサエキスパンダ(305)の耳部(307, 307’)に内周端が当接しない自己張力を有する環状の補助サイドレール(308)とが、各々の合口隙間が重ならないように軸方向に重ねられて構成されたことを特徴とする組合せオイルリングを開示している。

実開昭58-109538号公報 実公平5-29586号公報

しかし、特許文献1及び特許文献2のオイルリングは、図5に示すように、上部サイドレール(216)又は補助サイドレール(308)の内周側から、オイルリング溝(202, 302)のオイルが、直接合口隙間を経由してシリンダ内に流出する、いわゆるオイル上がりが生じる問題が解決されていない。さらに、ピストンのオイルリング溝の溝幅を、補助サイドレール分大きくしているため、オイルリングのピストンへの組付け時に、下部サイドレール(306’)の内周面がスペーサエキスパンダの下部の耳部(307’)押圧面から外れて下側に入り込み、組付けられなくなる現象が生じる。

本発明は、内燃機関において使用されるピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、3ピースオイルリングのサイドレールの合口部を経由したオイル上がりを抑制できる、オイル消費特性に優れたピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せを提供することを課題とする。

本発明者は、通常の3ピースオイルリングに補助リングを組み合わせたオイルリング及び当該オイルリングを組付けるピストンのオイルリング溝について鋭意研究の結果、補助リングの径方向厚さを小さくし、且つ、補助リングを装着するピストンのリング溝の深さを浅くすることによって、補助リングの合口隙間に到達するオイルを抑制し、全体として補助リングの合口隙間を経由したオイル上がりを抑制することができることに想到した。

すなわち、本発明のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せは、前記オイルリング溝が、溝深さの深い主空間及び燃焼室側に溝深さの浅い拡張空間を有し、前記オイルリングが、合口を有する一対の円環状のサイドレールと、それらの間に介在し内周部に前記サイドレールの内周面を押圧する耳部を有するスペーサエキスパンダと、合口を有し自己張力を有する円環状の補助リングとからなり、燃焼室側の上部サイドレールが前記主空間の上側面に当接し、前記補助リングが前記拡張空間に収納されていることを特徴とする。

前記補助リングの自己張力は1N以下であることが好ましい。

前記拡張空間の底面は、前記ピストンの軸方向に対して20〜70°の角度(θ)で前記拡張空間の上側面端から拡径するように傾斜していることが好ましい。

前記補助リングの合口隙間(t)は、前記サイドレールの合口隙間(s1)よりも小さいことが好ましい。また、前記補助リングの合口端面は、ピストン軸方向に対して傾斜していることが好ましい。さらに、前記補助リングの合口端面は、ピストン径方向に対して30〜60°の角度(δ)を有していることが好ましい。

本発明のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せは、補助リングが上部サイドレールの合口部からオイルを遮蔽し、かつ、ピストン下降（吸気行程）時に、上部サイドレールの内周側上面がオイルリング溝の主空間の上側面に当接しているため、背面側から回り込んで補助リングの合口部に到達する潤滑油の量が抑制され、結果として、補助リングの合口部を経由したオイル上がりを抑制することができ、オイル消費を低減することが可能となる。また、補助リングを組付けるオイルリング溝の拡張空間は、溝深さ(D)が主空間よりも浅く形成されているため、主空間の半径方向溝底側のサイドクリアランスを拡張する必要がないので、下部サイドレール(6’)内周面とスペーサエキスパンダ下部の耳部(7’)の押圧面が外れることなく、ピストン溝に組付けることができ、かつ、シリンダへ挿入する際、補助リングの飛出しが回避でき、装着性を向上することができる。

本発明のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せの一例を示す図である。 本発明のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せの別の一例を示す図である。 図1の円周方向に切ったA-A断面の一部の一例を示す展開図である。 補助リングを軸方向から見た平面図であり、合口端面がピストン径方向に対して傾斜して形成されている様子を示す図である。 従来の改良されたオイルリングにおいて、補助サイドレールの内周側から合口隙間を通ってオイル上がりが生じるおそれを示す図である。 従来のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せを示す図である。 従来のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、サイドレールの合口部からオイル上がりが生じる様子を示す図である。 特許文献1に開示されたオイルリングを示す図である。 特許文献2に開示されたオイルリングを示す図である。

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、本発明にかかるピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せを示す。オイルリング溝(2)は、溝深さの深い主空間(3)と燃焼室側に溝深さの浅い拡張空間(4)から構成され、オイルリングは、合口を有する一対の円環状のサイドレール(6, 6’)と、それらの間に介在し内周部に前記サイドレール(6, 6’)の内周面を押圧する耳部(7, 7’)を有するスペーサエキスパンダ(5)と、合口を有し自己張力を有する円環状の補助リング(8)から構成される。すなわち、本発明にかかるオイルリングは、オイルリング溝(2)の主空間(3)に収納される従来の3ピースオイルリングとオイルリング溝(2)の拡張空間(4)に収納される補助リング(8)を組合せた形態を取っている。

補助リング(8)は、その外周面がシリンダ壁に当接するよう自己張力を有している。しかし、後述するように、拡張空間(4)に流入するオイルの量は制限されているので、大きな張力は必要ない。補助リングの自己張力は1 N以下であることが好ましく、0.05〜0.5 Nであることがより好ましく、0.05〜0.3 Nであることがさらに好ましい。

また、補助リング(8)を収納する拡張空間(4)は、隣接する上部サイドレール(6)がオイルリング溝(2)の主空間(3)の上側面(11)に当接できるように、底面(13)からシリンダ壁面(10)までの距離を前記サイドレール(6, 6’)の径方向厚さよりも小さく設定され、補助リング(8)は、ピストンの2次運動により上部ランド部がシリンダ壁面に接触するほどまでピストンが傾いたとしても、底面(13)に接触・干渉しないように設定される。また、拡張空間(4)の上側面(14)の外周側にカット部（ランドカット）を設けることもできる。

万が一、補助リング(8)が拡張空間(4)の底面(13)に接触した場合、図2に示すように、拡張空間(4)の底面(13)がピストン軸方向に対して前記拡張空間(4)の上側面端から拡径するように傾斜していれば、オイルリング溝のクリアランスと協調して強い干渉を回避することができる。前記底面(13)の傾斜角度(θ)は20〜70°であることが好ましく、35〜70°であることがより好ましく、45〜70°であることがさらに好ましい。

一般に、オイル上がりはピストン(1)が下降する吸気行程でシリンダ内が負圧になるときに生じやすい。本発明のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいては、図1及び図2に示すように、燃焼室側の上部サイドレール(6)と補助レール(8)が、それぞれオイルリング溝の主空間(3)の上側面(11)と拡張空間(4)の上側面(14)に当接する。一方、クランク室側の下部サイドレール(6’)は、スペーサエキスパンダ(5)の耳部(7’)の角度による押圧力の軸方向分力とシリンダ壁面(10)との摩擦力により、主空間(3)の下側面(12)に当接する。

図3は、図1の円周方向のA-A断面の展開図である。オイルリング溝(2)の中に、下から下部サイドレール(6’)、スペーサエキスパンダ(5)、上部サイドレール(6)(ここまでは、従来の2枚のサイドレールと軸方向波形のスペーサエキスパンダから構成される3ピースオイルリングに相当する)、及び補助レール(8)が収納されている。ここで、上部サイドレール(6)の合口隙間(s1)は補助レール(8)の合口隙間(t)と重なっていない。

本発明のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、燃焼室側の上部サイドレール(6)はシリンダ壁面(10)及びオイルリング溝(2)の主空間(3)の上側面(11)に当接しているので、オイルリング溝(2)の主空間(3)にあるオイルは、合口隙間を経由してのみ補助リング(8)後方の拡張空間(4)に流入することができる。さらに、補助リング(8)はシリンダ壁面(10)及びオイルリング溝(2)の拡張空間(4)の上側面(14)に当接しているので、制限されて拡張空間(4)に流入した上記のオイルは、さらに制限され、補助リング(8)の合口隙間を経由してのみシリンダ内に流出することができる。このように、本発明のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せによって、シリンダ内に流出可能なオイル量は著しく低減される。

上記のオイルの流出メカニズムを考慮すると、オイルリング溝(2)の主空間(3)にあるオイルは、吸気行程において、補助リング(8)の合口隙間を経由してのみ流出することになるので、補助リング(8)の合口隙間(t)はできるだけ狭いことが好ましい。具体的には、補助リング(8)の合口隙間はサイドレール(6)の合口隙間(s1)よりも小さいことが好ましい。但し、補助リング(8)の合口隙間(t)を必要以上に小さくすると、使用中、熱膨張により合口端面(16, 16’)の突き当たりが生じ、異常摩耗等の不具合を生じるおそれがある。そのような場合、合口端面(16, 16’)をピストン軸方向に対して傾斜させておけば、突き当たったとしても互いに軸方向へ逃げ、シリンダ壁面(10)との間で異常摩耗等の不具合を回避できる。

また、確率的には低いが、上部サイドレール(6)の合口隙間と補助レール(8)の合口隙間が重なった場合、上部サイドレール(6)の合口端面がピストン径方向に平行で、補助レール(8)の合口端面がピストン径方向に対して傾斜していれば、重なる面積を縮小でき、オイル上がりの問題を低減することができる。補助レール(8)の合口端面の傾斜角度(δ)は、図4に示すように、30〜60°が好ましく、40〜50°がより好ましい。補助レール(8)の合口端面がピストン径方向に平行で、上部サイドレール(6)の合口端面がピストン径方向に対して傾斜していても良いことは言うまでもない。すなわち、上部サイドレール(6)の合口端面と補助レール(8)の合口端面が互いに平行にならない関係となることが好ましい。

実施例1
呼び径75 mm、排気量が1600 cm³の4気筒ガソリンエンジン用のオイルリングとして、スペーサエキスパンダは、2.50 mm×0.25 mmの圧延帯材（SUS304材）からギアを利用した成形方法を用い、またサイドレールは2.30 mm×0.35 mmの圧延帯材（SUS440B）、補助レールは1.10 mm×0.30 mmの圧延帯材（SUS440B）からコイリングにより、以下の寸法になるように成形した。作製したオイルリングの寸法は、3ピースオイルリング部分については、
組合せ厚さ：2.8 mm
組合せ幅：2.5 mm
サイドレール幅：0.35 mm
サイドレール厚さ：2.3 mm
サイドレールの合口角度：軸方向及び径方向に平行
サイドレールの合口隙間（s1）：0.3 mm
とし、補助レールについては
補助レール幅：0.3 mm
補助レール厚さ：1.1 mm
補助レールの合口角度：軸方向及び径方向に平行
補助レールの合口隙間（t）：0.15 mm
とした。3ピースオイルリングの張力値は8 Nを目標値としてスペーサエキスパンダの展開長さを調整し、補助レールの張力値は、外周面がシリンダ壁面へ当接するよう、0.15 Nを目標値として自由合口隙間を調整した。

また、ピストンは、上記ガソリンエンジン用のピストンのオイルリング溝について、3^rdランド側に、加工幅0.295 mm、深さ1.1 mmの拡張空間を形成した。

比較例1
実施例1で作製したオイルリングの3ピースオイルリング部分のみを比較例1のオイルリングとし、ピストンは上記ガソリンエンジン用のピストンを用いた。

[1] オイル消費量の測定
実施例1のピストンとオイルリングを上記エンジンの第1気筒〜第4気筒に組み込み、エンジン試験を行い、オイル消費量を測定した。試験条件は、6,000 rpm、全負荷（WOT: Wide Open Throttle）の条件とした。ここで、トップリング及びセカンドリングは上記エンジン用として使用されていたリングを使用した。比較例1のピストンとオイルリングの組合せについても、実施例1と同様のエンジン試験を行った。試験の結果は、比較例1のオイル消費量を100とすると、実施例1のオイル消費量は43で、1/2以下に低減されていた。

実施例2
ピストンに形成する拡張空間の底面がピストン軸方向に対して60°の角度(θ)で前記拡張空間の上側面端から拡径するように傾斜させて加工した以外は、実施例1と同様にしてオイルリング溝の拡張空間を形成した。上側面端の深さ(D)は実施例1と同じ1.1 mmとした。オイルリングも実施例1と同様にして作製した。

実施例3
補助リングの合口端面をピストン軸方向に対して45°の角度で形成し、かつ合口隙間を0.10 mmとした以外は、実施例1と同様にしてオイルリングを作製した。ピストンは実施例2に用いたピストンとした。

実施例4
補助リングの合口端面をピストン径方向に対して45°の角度(δ)で形成し、かつ合口隙間を0.10 mmとした以外は、実施例1と同様にしてオイルリングを作製した。ピストンは実施例2で用いたピストンとした。

実施例5
補助リングの合口端面を、ピストン軸方向及びピストン径方向に対して、それぞれ45°の角度で形成し、かつ合口隙間を0.10 mmとした以外は、実施例1と同様にしてオイルリングを作製した。ピストンは実施例2で用いたピストンとした。

実施例6
補助リングの合口端面を、ピストン軸方向及びピストン径方向に対して、それぞれ45°の角度で形成し、かつ合口隙間を0.20 mmとした以外は、実施例1と同様にしてオイルリングを作製した。ピストンは、ピストンに形成する拡張空間の底面がピストン軸方向に対して20°の角度(θ)で前記拡張空間の上側面側から拡径するように傾斜させて加工した以外は、実施例1と同様にしてオイルリング溝の拡張空間を形成した。

実施例2〜6についても、実施例1及び比較例1と同様なエンジン試験を行い、オイル消費量を測定した。結果を、実施例1及び比較例1の結果と共に表1に示す。補助レールの合口隙間の縮小がオイル消費量の低減に大きく寄与していることが確認された。

1, 101, 201, 301 ピストン
2, 102, 202, 302 オイルリング溝
3 主空間
4 拡張空間
5, 105, スペーサエキスパンダ
6, 6’, 106, 106’, 206, 206’, 306, 306’ サイドレール
7, 7’, 107, 107’, 307, 307’ 耳部
8 補助レール
308 補助サイドレール
9, 109, 209, 309 ピストン3rdランド
10, 110 シリンダ壁面
11 主空間の上側面
12 主空間の下側面
13 拡張空間の底面
14 拡張空間の上側面
15 拡張空間の上側面端

Claims (6)

1. ピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せであって、前記オイルリング溝が、溝深さの深い主空間及び燃焼室側に溝深さの浅い拡張空間を有し、前記オイルリングが、合口を有する一対の円環状のサイドレールと、それらの間に介在し内周部に前記サイドレールの内周面を押圧する耳部を有するスペーサエキスパンダと、合口を有し自己張力を有する円環状の補助リングとからなり、燃焼室側の上部サイドレールが前記主空間の上側面に当接し、前記補助リングが前記拡張空間に収納されていることを特徴とするピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せ。
2. 請求項1に記載のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、前記補助リングの自己張力が1N以下であることを特徴とするピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せ。
3. 請求項1又は2に記載のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、前記拡張空間の底面が前記ピストンの軸方向に対して20〜70°の角度(θ)で前記拡張空間の上側面端から拡径するように傾斜していることを特徴とするピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せ。
4. 請求項1〜3のいずれかに記載のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、前記補助リングの合口隙間(t)が前記サイドレールの合口隙間(s1)よりも小さいことを特徴とするピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せ。
5. 請求項1〜4のいずれかに記載のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、前記補助リングの合口端面がピストン軸方向に対して傾斜していることを特徴とするピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せ。
6. 請求項1〜5のいずれかに記載のピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せにおいて、前記補助リングの合口端面がピストン径方向に対して30〜60°の角度(δ)を有していることを特徴とするピストンのオイルリング溝とオイルリングの組合せ。

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