JP2018115752A - オイルリング - Google Patents

Abstract

【課題】オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させる。【解決手段】ピストン４の外周面に凹状に設けられたオイルリング溝８に取り付けられるオイルリング１３であって、板状の環形に形成された上サイドレール１６及び下サイドレール１７と、上サイドレール１６及び下サイドレール１７の間に配置されたエキスパンダ１８とを備え、下サイドレール１７の外周面１７Ｃは、軸方向に対して第１の傾斜角θ１を有して軸方向下方に向かって径方向内側に傾斜する下部テーパ面１７Ｃａを含み、下サイドレール１７は、ピストン４の下降時に、軸方向に直交する面に対して所定の揺動角θ４を有して径方向外方に向かって軸方向上側に傾斜し、第１の傾斜角θ１は、揺動角θ４よりも大きいことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ピストンのオイルリングに関し、詳細には上下一対のサイドレールとエキスパンダとを有する３ピースの組合せオイルリングに関する。

レシプロ内燃機関のピストンに装着されるオイルリングにおいて、上下一対のサイドレールと、両サイドレールの間に介装されるスペーサエキスパンダとからなる３ピースの組合せオイルリングが普及している。このようなオイルリングには、燃焼室への潤滑油の侵入を防止すると共に、シリンダ壁面に適切な厚みの油膜を形成するオイル制御機能が要求されている。

従来の３ピースの組合せオイルリングに関し、例えば、スペーサエキスパンダが、上側及び下側サイドレールを外方に押圧する上側耳部及び下側耳部を備え、上側サイドレールの軸方向幅を０．３〜０．６ｍｍとし、下側サイドレールの軸方向幅を上側サイドレール軸方向幅より厚く（０．６〜０．８ｍｍ）したものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−４９７０５号公報

近年、この種のオイルリングでは、オイル消費量の低減及び燃費改善を両立させる観点から、必要なオイル制御機能を達成しつつ、摩擦抵抗を低減することが求められている。しかしながら、上記従来技術のように上下のサイドレールの軸方向幅を調整する技術では、両サイドレールの剛性の差が大きくなるため、スペーサエキスパンダから両サイドレールに付与される張力のばらつきが大きくなり、必要なオイル制御機能を達成できない場合がある。

本発明は、以上の背景を鑑み、オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることを課題とする。

上記課題を解決するために本発明は、ピストン（４）の外周面に凹状に設けられたオイルリング溝（８）に取り付けられるオイルリング（１３）であって、板状の環形に形成された上サイドレール（１６）及び下サイドレール（１７）と、前記上サイドレール及び前記下サイドレールの間に配置されたエキスパンダ（１８）とを備え、前記下サイドレールの外周面（１７Ｃ）は、軸方向に対して第１の傾斜角（θ１）を有して軸方向下方に向かって径方向内側に傾斜する下部テーパ面（１７Ｃａ）を含み、前記下サイドレールは、前記ピストンの下降時に、軸方向に直交する面に対して所定の揺動角（θ４）を有して径方向外方に向かって軸方向上側に傾斜し、前記第１の傾斜角は、前記揺動角よりも大きいことを特徴とする。

この態様によれば、下サイドレールの外周面における下部テーパ面の軸方向に対する傾斜角をピストンの下降時の揺動角よりも大きく設定したため、ピストンの下降時にシリンダの壁面に対する下部テーパ面の角度（油膜が形成される隙間）を適切に保持することができる。その結果、オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることが可能となる。

また、上記の態様において、前記第１の傾斜角は、３．５°以上かつ５．５°以下であるとよい。

この態様によれば、下サイドレールの外周面の加工精度を考慮して第１の傾斜角を設定することにより、ピストンの下降時におけるシリンダの壁面に対す下部テーパ面の角度を安定的に実現することが可能となる。

また、上記の態様において、前記第１の傾斜角は、４．５°であるとよい。

この態様によれば、下部テーパ面の第１の傾斜角を４．５°に設定することにより、オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることがより確実に達成される。

また、上記の態様において、前記揺動角は、１．５°以上かつ３．５°以下であるとよい。

この態様によれば、ピストンの下降時における下サイドレールの揺動角を適切に設定することにより、オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることがより確実に達成される。

また、上記の態様において、前記下サイドレールの外周面は、軸方向に対して第２の傾斜角を有して軸方向上方に向かって径方向内側に傾斜する上部テーパ面を有し、前記第１の傾斜角は、前記第２の傾斜角よりも大きいとよい。

この態様によれば、ピストンの上昇時における下サイドレールの揺動角が略ゼロとなることを考慮し、下サイドレールの外周面における上部テーパ面の軸方向に対する第２の傾斜角を下部テーパ面の第１の傾斜角よりも小さく設定することにより、ピストンの上昇時にシリンダの壁面に対する上部テーパ面の角度を適切に保持することができる。その結果、オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることが可能となる。

また、上記の態様において、前記第２の傾斜角は、１°以上かつ３°以下であるとよい。

この態様によれば、上サイドレールの外周面の加工精度を考慮して第２の傾斜角を設定することにより、ピストンの上昇時におけるシリンダの壁面に対す上部テーパ面の角度を安定的に実現することが可能となる。

また、上記の態様において、前記第２の傾斜角は、１°であるとよい。

この態様によれば、上部テーパ面の第２の傾斜角を適切に設定することにより、オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることがより確実に達成される。

また、上記の態様において、前記上サイドレール及び前記下サイドレールは、互いの軸方向幅及び周方向幅がそれぞれ同一であるとよい。

この態様によれば、上サイドレール及び下サイドレールの剛性の差を低減して、両サイドレールの張力のばらつきを抑制することが可能となり、オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることがより確実に達成される。

以上の構成によれば、オイルリングにおいて、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることができる。

本実施形態に係るオイルリングが装着されたピストンの要部断面図 本実施形態に係るオイルリングの横断面図 図２に示した下サイドレールの外周面形状の説明図 ピストンの上昇時におけるオイルリングの形態を示す断面図 ピストンの下降時におけるオイルリングの形態を示す断面図 図５中の下サイドレールの外周面付近を拡大して示す説明図 上テーパ角度と下サイドレールのフリクションの関係を示すグラフ 実施例と比較例とにおけるフリクションのシミュレーション結果を示すグラフ 比較例１に関する従来のバレル形状を示す図 比較例２に関する従来のテーパ形状を示す図

以下、図面を参照して、本発明に係るオイルリングの実施形態について説明する。

図１に示すように、内燃機関１のシリンダブロック２には、軸方向（図１中の上下方向）に沿って延びる断面円形のシリンダ３が形成されている。シリンダ３には、軸方向（図１の上下方向）に沿って往復動可能にピストン４が受容されている。シリンダ３の上端部とピストン４の上端部の冠面とは、協働して燃焼室（不図示）を形成する。ピストン４の外周部には、上側から順に、それぞれ周方向に延びて環状をなす第１リング溝６、第２リング溝７、第３リング溝８が形成されている。第１リング溝６には第１圧力リング１１が装着され、第２リング溝７には第２圧力リング１２が装着されている。第３リング溝８にはオイルリング１３が装着されている。

第３リング溝８は、ピストン４の軸線を中心とした円周面に形成され、ピストン４の軸方向に所定の幅を有する底部８Ａと、底部８Ａの上端縁からピストン４の外周面に延びる円環状の上壁部８Ｂと、底部８Ａの下端縁からピストン４の外周面に延びる円環状の下壁部８Ｃとを有する。上壁部８Ｂ及び下壁部８Ｃは、それぞれピストン４の軸方向に直交する平面に形成されている。これにより、横断面における第３リング溝８の内部スペースは、長方形に形成されている。ピストン４には、第３リング溝８の下壁部８Ｃ及び底部８Ａからピストン４の裏面に延びるオイル排出通路１４が形成されている。

内燃機関１が自動車用エンジンである場合、シリンダ３の直径は例えば６８ｍｍ〜９２ｍｍの範囲内で設定することができ、また、ピストン４のストロークは例えば６０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内で設定することができる。

図１及び図２に示すように、オイルリング１３は、上サイドレール１６と、下サイドレール１７と、上サイドレール１６及び下サイドレール１７の間に介装されたエキスパンダ１８（スペーサエキスパンダ）とを有する３ピースの組合せオイルリングである。

図２に示すように、エキスパンダ１８は、公知のエキスパンダと同様に合口（不図示）を有して環状に形成された本体部１８Ａを有する。本体部１８Ａは、上方に向けて突出する上側突出部１８Ｂと、下方に向けて突出する下側突出部１８Ｃとを周方向に交互に有して波形に形成されている。また、本体部１８Ａは、その内周縁であって、上側突出部１８Ｂに対応する部分に上側突出部１８Ｂよりも更に上方に突出した上側耳部１８Ｄを有し、下側突出部１８Ｃに対応する部分に下側突出部１８Ｃよりも更に下方に突出した下側耳部１８Ｅを有する。

各サイドレール１６、１７は、それぞれ板状の環形に形成された部材であり、周方向における一部に公知のサイドレールと同様に合口（不図示）を有している。各サイドレール１６、１７は、それぞれ環形の中心軸方向（図２の上下方向）に対して直交する平面に形成された互いに平行な上端面１６Ａ、１７Ａ及び下端面１６Ｂ、１７Ｂと、軸線を中心とした外周面１６Ｃ、１７Ｃ及び内周面１６Ｄ、１７Ｄとを備えている。各サイドレール１６、１７は、外周面１６Ｃ、１７Ｃの形状を除き、他の部分が同一の形状に形成されている。

また、上サイドレール１６、下サイドレール１７、及びエキスパンダ１８は、それぞれの中心軸線が同軸となるように互いに組合されている。上サイドレール１６は、下端面１６Ｂにおいて複数の上側突出部１８Ｂの上端に当接し、内周面１６Ｄにおいて複数の上側耳部１８Ｄの外側面に当接する。下サイドレール１７は、上端面１７Ａにおいて複数の下側突出部１８Ｃの下端に当接し、内周面１７Ｄにおいて複数の下側耳部１８Ｅの外側面に当接する。図２に示すように、各サイドレール１６、１７の各上端面１６Ａ、１７Ａが互いに平行になり、オイルリング１３の上下幅（上サイドレール１６の上端面１６Ａと下サイドレール１７の下端面１７Ｂとの距離）が最小となるときの状態を、オイルリング１３の初期状態とする。

また、上サイドレール１６の上端面１６Ａが上壁部８Ｂに対向し、下サイドレール１７の下端面１７Ｂが下壁部８Ｃに対向するように、オイルリング１３は第３リング溝８に装着されている。エキスパンダ１８は、径が広がる方向に張力を有しており、上側耳部１８Ｄにおいて上サイドレール１６の内周面１６Ｄを径方向外方に押圧し、下側耳部１８Ｅにおいて下サイドレール１７の内周面１７Ｄを径方向外方に押圧する。すなわち、エキスパンダ１８は各サイドレール１６、１７を径方向外方に向けて付勢する。エキスパンダ１８に付勢された各サイドレール１６、１７は、外周面１６Ｃ、１７Ｃにおいてシリンダ３の壁面３Ａに当接する。この状態で、各サイドレール１６、１７及びエキスパンダ１８の軸線は、シリンダ３の軸線及びピストン４の軸線と同軸に配置される。

オイルリング１３の初期状態における上下幅は第３リング溝８の上下幅よりも小さく設定されており、第３リング溝８にオイルリング１３が装着された状態で、第３リング溝８とオイルリング１３との間には上下方向に所定の隙間２０（クリアランス）が形成される。隙間２０によって、各サイドレール１６、１７のそれぞれは、変形して、内周側に対して外周側が上方又は下方に位置するように傾斜することができる。

図３に示す横断面において、下サイドレール１７の外周面１７Ｃは、軸方向（図３の上下方向）に対して第１の傾斜角θ１を有して軸方向下方に向かって径方向内側に傾斜する下部テーパ面１７Ｃａと、軸方向に対して第２の傾斜角θ２を有して軸方向上方に向かって径方向内側に傾斜する上部テーパ面１７Ｃｂとを含む。

第１の傾斜角θ１は、下サイドレール１７の外周面１７Ｃの加工精度を考慮して３．５°以上かつ５．５°以下とし、より好ましくは、４．５°とするとよい。これにより、後に詳述するように、ピストン４の下降時におけるシリンダ３の壁面に対す下部テーパ面１７Ｃａの角度を適切に保持し、オイルリング１３において、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることが可能となる。

第２の傾斜角θ２は、上サイドレール１６の外周面１６Ｃの加工精度を考慮して１°以上かつ３°以下とし、より好ましくは、１°とするとよい。これにより、後に詳述するように、ピストン４の上昇時におけるシリンダ３の壁面に対す上部テーパ面１７Ｃｂの角度を適切に保持し、オイルリング１３において、オイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させることが可能となる。

下サイドレール１７の軸方向幅及び周方向幅は、上サイドレール１６の軸方向幅及び周方向幅とそれぞれ略同一となるように設定するとよい。これにより、上サイドレール１６及び下サイドレール１７の剛性の差が低減され（好ましくはゼロとなり）、エキスパンダ１８によって付与される両サイドレール１６、１７の張力のばらつきを抑制することが可能となる。

なお、下サイドレール１７の外周面１７Ｃにおいて、下部テーパ面１７Ｃａの下方側及び上部テーパ面１７Ｃｂの上方側の他の領域は、それぞれ下端面１７Ｂ及び上端面１７Ａに接続される曲面として形成することができる。

また、下部テーパ面１７Ｃａの上端縁及び上部テーパ面１７Ｃｂの下端縁が接続される境界部３０は、外周面１７Ｃの上下方向幅（軸方向高さ）の中間位置にある。したがって、下部テーパ面１７Ｃａ及び上部テーパ面１７Ｃｂの軸方向幅は、略同一に設定されているが、これに限らずそれぞれの軸方向幅を変更する（境界部３０の位置を変更する）ことが可能である。境界部３０には、下部テーパ面１７Ｃａと上部テーパ面１７Ｃｂとの稜線が形成される。ただし、下サイドレール１７の外周面１７Ｃを加工する便宜上、境界部３０が所定の曲率を有する微少な円弧面または曲面からなる構成も可能である。

図４に示すように、ピストン４がシリンダ３内を上死点に向けて上昇するとき、ピストン４の外周面１６Ｃ、１７Ｃとシリンダ３の壁面３Ａとの間に摺動抵抗により下方に押される。これにより、下サイドレール１７は、下端面１７Ｂにおいて下壁部８Ｃと面接触し、下サイドレール１７の上端面１７Ａ及び下端面１７Ｂが、シリンダ３（ピストン４）の軸線と直交する面と平行な水平状態になる。エキスパンダ１８は、上サイドレール１６によって下方に押されることによって、各下側突出部１８Ｃにおいて下サイドレール１７の上端面１７Ａと接触する位置に配置される。上サイドレール１６は、エキスパンダ１８と上壁部８Ｂとの間に形成される隙間２０によって、外周側が内周側に対して下方に位置するように傾動する。このとき、上サイドレール１６の下端面１６Ｂがシリンダ３（ピストン４）の軸方向と直交する面に対して揺動角θ３をもって傾動する。

このとき、水平状態にある下サイドレール１７（図３を併せて参照）における外周面１７Ｃの上部テーパ面１７Ｃｂとシリンダ３の壁面３Ａとの間には、上述のような第２の傾斜角θ２の設定により適切な隙間が確保され、くさび効果に基づく浮力により適度なオイル厚み（例えば、１μｍ前後）が確保される。これにより、シリンダ３の壁面３Ａにおけるオイルが過度に掻き上げられることが回避され、オイル消費量が低減されると共に、摩擦抵抗が低減される。

図５に示すように、ピストン４がシリンダ３内を下死点に向けて下降するとき、各サイドレール１６、１７はオイルによって上方に押される。これにより、上サイドレール１６は、上端面１６Ａにおいて上壁部８Ｂと面接触し、上サイドレール１６の上端面１６Ａ及び下端面１６Ｂがシリンダ３（ピストン４）の軸方向と直交する面と平行な水平状態になる。エキスパンダ１８は、下サイドレール１７によって上方に押されることによって、各上側突出部１８Ｂにおいて上サイドレール１６の下端面１６Ｂと接触する位置に配置される。下サイドレール１７は、エキスパンダ１８と下壁部８Ｃとの間に形成される隙間２０によって、外周側が内周側に対して上方に位置するように傾動する。このとき、下サイドレール１７の下端面１７Ｂがシリンダ３（ピストン４）の軸線と直交する面に対して揺動角θ４をもって傾動する。

揺動角θ４は、下サイドレール１７の第１の傾斜角θ１よりも小さく設定され、１．５°以上かつ３．５°以下とするとよい。また、オイルリング１３のオイル制御機能を損なうことなく摩擦抵抗を低減させる観点から、第１の傾斜角θ１と揺動角θ４との差を１°以上かつ２°以下とし、より好ましくは１°とするとよい。

より詳細には、図６に示すように、傾動した下サイドレール１７における外周面１７Ｃの下部テーパ面１７Ｃａは、シリンダ３の壁面３Ａに対して軸方向下方に向かって第３の傾斜角θ５をもって傾斜する。この第３の傾斜角θ５は、第１の傾斜角θ１と揺動角θ４との差（θ１−θ４）に相当するため、上述のような第１の傾斜角θ１及び揺動角θ４の設定により適切な隙間が確保され、くさび効果に基づく浮力により適度なオイル厚み（例えば、１μｍ前後）が確保される。これにより、シリンダ３の壁面３Ａにおけるオイルが過度に掻き下げられることが回避され、摩擦抵抗が低減される。この場合、シリンダ３の壁面３Ａに対して摺動する上サイドレール１６によって必要な量のオイルの掻き下げが行われるため、オイル消費量が大きく増大する（すなわち、オイル制御機能を損なう）ことはない。

このような下サイドレール１７の構成により、図７に示すように、下部テーパ面１７Ｃａの第１の傾斜角θ１を３．５°、４．５°、５．５°とし、第２の傾斜角θ２を１°以上かつ３°以下とした場合に、フリクション（Ｗ）を低い範囲に保持することが可能となる。

上述の本実施形態に係る下サイドレール１７によるフリクションの低減効果を確認するために、オイルリング１３の張力を１１Ｎ、油温８０℃、Ｂ×Ｓ（ボア内径、ピストンストローク）を８１ｍｍ×９０ｍｍ、エンジン回転数を１５００ｒｐｍ、境界摩擦計数を０．０７、油温８５℃時のＨＴＨＳ粘度を６．８×１０^−３Ｐａ・Ｓ、合成面粗さσを０．１８μｍとしてシミュレーションを実施した。

図８に示すように、比較例１（従来のバレル形状）及び比較例２（従来のテーパ形状）の下サイドレールのフリクションに対し、本実施例による下サイドレール１７のフリクションは大きく低下している。

なお、比較例１は、図９に示す従来のバレル形状を有する下サイドレールであり、比較例２は、図１０に示す従来の上部のみにテーパ形状（テーパ角度θ６＝０．２°）を有する下サイドレールである。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。なお、上述の本発明に係る実施形態の説明に用いた方向を示す用語（例えば、「上」、「下」）は該当する方向を厳密に示すものではなく、それらの方向は、内燃機関におけるピストン及びシリンダの実用的な配置（すなわち、ピストンまたはシリンダの軸方向の変化）によって適宜変化し得る。

１ ：内燃機関
３ ：シリンダ
３Ａ ：壁面
４ ：ピストン
８ ：第３リング溝（オイルリング溝）
８Ａ ：底部
８Ｂ ：上壁部
８Ｃ ：下壁部
１３ ：オイルリング
１６ ：上サイドレール
１７ ：下サイドレール
１６Ａ、１７Ａ ：上端面
１６Ｂ、１７Ｂ ：下端面
１６Ｃ、１７Ｃ ：外周面
１７Ｃａ：下部テーパ面
１７Ｃｂ：上部テーパ面
１６Ｄ、１７Ｄ ：内周面
１８ ：エキスパンダ
２０ ：隙間
θ１ ：第１の傾斜角
θ２ ：第２の傾斜角
θ４ ：傾動角
θ５ ：第３の傾斜角
θ６ ：テーパ角度

Claims (8)

1. ピストンの外周面に凹状に設けられたオイルリング溝に取り付けられるオイルリングであって、
   板状の環形に形成された上サイドレール及び下サイドレールと、
   前記上サイドレール及び前記下サイドレールの間に配置されたエキスパンダとを備え、
   前記下サイドレールの外周面は、軸方向に対して第１の傾斜角を有して軸方向下方に向かって径方向内側に傾斜する下部テーパ面を含み、
   前記下サイドレールは、前記ピストンの下降時に、軸方向に直交する面に対して所定の揺動角を有して径方向外方に向かって軸方向上側に傾斜し、
   前記第１の傾斜角は、前記揺動角よりも大きいことを特徴とするオイルリング。
2. 前記第１の傾斜角は、３．５°以上かつ５．５°以下であることを特徴とする請求項１に記載のオイルリング。
3. 前記第１の傾斜角は、４．５°であることを特徴とする請求項２に記載のオイルリング。
4. 前記揺動角は、１．５°以上かつ３．５°以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のオイルリング。
5. 前記下サイドレールの外周面は、軸方向に対して第２の傾斜角を有して軸方向上方に向かって径方向内側に傾斜する上部テーパ面を有し、
   前記第１の傾斜角は、前記第２の傾斜角よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のオイルリング。
6. 前記第２の傾斜角は、１°以上かつ３°以下であることを特徴とする請求項５に記載のオイルリング。
7. 前記第２の傾斜角は、１°であることを特徴とする請求項６に記載のオイルリング。
8. 前記上サイドレール及び前記下サイドレールは、互いの軸方向幅及び周方向幅がそれぞれ同一であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のオイルリング。

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