JP2023150380A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼圧を受けて移動するピストンのピストンリングの合口部２１において、燃焼室からクランク室へ漏れるブローバイガス、そして、クランク室から燃焼室へ漏れるブローバックガス及びオイル上がりを抑制すること。【解決手段】一般部２２と合口部２１にて形成されるピストンリングの合口部２１の、一般部２２の一端から、径方向外径側の上側の一部が連続して、他端に向って延びる第1突出部４１と、一般部２２の一端から、径方向外径側の下側の一部が連続して、他端に向って延びる第２突出部４２と、一般部２２の他端の径方向外径側に設けられ、その上面が第１突出部４１の下面４１ａに対応して一般部２２の上面よりも下方に位置する第１受入部４５と、一般部２２の他端の径方向外径側に設けられ、その下面が第２突出部４２の上面４２ａに対応して一般部２２の下面よりも上方に位置する第２受入部４６を形成した。【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関のピストンに装着されるピストンリングの構造に関し、特に、合口部の構造に関する。

ピストンリングは、ピストンの外周面に設けられた溝に装着される。ピストンリングの合口部においては、燃焼室からクランク室へ漏れるブローバイガス、そして、クランク室から燃焼室へ漏れるブローバックガス及びオイル上がりを抑制することが必要である。

そのために、例えば、特許文献１には、ピストンリングの一方の端部に設けられ、他方の端部に向かって延びる楔状の突出部と、ピストンリングの他方の端部に設けられ、突出部を受け容れるように切欠かれた受容部とが開示されている。

突出部と受容部の合わせ面により、燃焼室とクランク室をシールして、ブローバイガス、ブローバックガス及びオイル上がりを抑制できる。

公開 昭６０－１０８７４８号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構造では、ガスのシール性がまだ不十分である。なぜならば、ピストンの上下動とリングが受けるガス圧によるリングの姿勢変化により、突出部と受容部との合わせ面が常に接触しているわけではなく、リングの熱収縮による隙間の変位やリング製造時での加工誤差などの影響もあり、突出部と受容部の合わせ面の微小隙間をガスが通り抜けていくからである。

上記課題に鑑みて、本件発明者は、突出部を周方向へ延ばし、突出部と受容部の合わせ面を長くすることを検討した。ガスの流通経路長が長くなり、通気抵抗が増大するので、シール性を上げられるからである。しかしながら、単純に突出部を長くすると、突出部の基端に応力集中の度合い増し、最悪の場合、突出部の欠損に繋がる為、耐久性に課題が残る。

そこで、突出部の耐久性を確保しながら、突出部と受容部の合わせ面のシール性を向上させる方策を鋭意検討した。

その結果、突出部の長さを抑えつつ、合わせ面を２つ設けることにより突出部の耐久性を確保し、ガスの流通経路長を長くすることによりシール性を向上するという方策を見いだした。この方策を具現化した本発明は、一般部と合口部にて形成されるピストンリングの合口部の構造である。この構造は、一般部の一端から、径方向外径側の上側の一部が連続して、他端に向って延びる第1突出部と、一般部の一端から、径方向外径側の下側の一部が連続して、他端に向って延びる第２突出部と、一般部の他端の径方向外径側に設けられ、その上面が第１突出部の下面に対応して一般部の上面よりも下方に位置する第１受入部と、一般部の他端の径方向外径側に設けられ、その下面が第２突出部の上面に対応して一般部の下面よりも上方に位置する第２受入部と、を有する。そして、第1突出部の下面と第１受入部の上面は径方向内側に向うほど上方に傾斜している。さらに、第２突出部の上面と第２受入部の下面は径方向内側に向うほど下方に傾斜している。

本発明によれば、例えば、膨張行程では、ブローバイガスが以下のように流れる。燃焼室内のガスは、第１受入部の上面と第1突出部の下面との間の微小隙間を第1突出部の先端から基端まで進行する。そして、第２受入部の下面と第２突出部の上面との間の微小隙間を第２突出部の基端から先端まで進行する。したがって、ガスの進行経路には、第１突出部の先端から基端までの微小隙間と、第２突出部の基端から先端までの微小隙間が存在することになる。

この２つの微小隙間によって、より大きな通気抵抗がブローバイガスに作用するため、十分なシール性を確保することができる。

また、吸気行程では、ブローバックガスは膨張行程とは逆向きに流れる。同様に２つの微小隙間によって、より大きな通気抵抗がブローバックガスに作用するため、十分なシール性を確保することができる。

本発明のピストンリングにおいては、第1突出部の径方向内側に形成される径方向内側端部が、ピストンリング内周面から外周面までの幅方向にて、リングの略中央に位置することが好ましい。

このように構成することで、シール性を確保しつつ突出部の強度を確保することができる。なぜならば、突出部の径方向長さが長すぎると薄肉部分が増えることにより折れやすくなる。逆に、短すぎると突出部と受入部との合わせ面の径方向長さが短くなるためシール性が低下するからである。

さらに、本発明のピストンリングにおいて、ピストンリングの一般部の外周面の厚さ方向中央に、内径方向に凹んだ周溝を有することが好ましい。

このように構成することで、ピストンリング外周面とシリンダライナとの摺動抵抗を増すことなくピストンリングの強度を上げることができる。ひいてはピストンリングの厚みを増すことで、突出部を長くすることができるので、十分なシール性を確保することができる。

上記構成において、周溝の上方の外周面の周方向の一部が、周溝と連通するように他の部分よりも内径側に位置することが好ましい。

このように構成することで、燃焼室内のガスが周溝に充填されるようになる。この充填されたガスがピストンリングを内径側へ押し戻すように作用し、摺動抵抗の増大を抑制することができる。さらに、リングの厚みを増すことで、突出部を長くすることができるので、十分なシール性を確保することができる。

本件の発明によれば、ピストンリングのシール性を維持しながら、長期の使用にわたって耐久性を確保可能な合口部の構造が提供される。

本発明の第１実施形態にかかるエンジンの断面図である。 ピストンリング単体の上面図及び合口部の拡大図。 ピストンリングの側面図及び開閉時の合口部の拡大図。 一端を拡大した斜視図。 他端を拡大した斜視図。 合口部が閉じられた時の合口部斜視図。 図６の断面ＢＢでの斜視図。 膨張行程で微小隙間を流れるブローバイガスを示す模式図である。 図６の断面ＢＢでの断面図 一般部での断面図 周溝と燃焼室が連通する位置での断面図

図１に示すように、例えば自動車に用いられるエンジン１００は、上下方向に延びる円筒状のシリンダ１を内部に形成するシリンダブロック２、その上部に締結されたシリンダヘッド３、そしてシリンダ１の内部に往復運動可能に収容されたピストン５を備えている。

周知のとおり、ピストン５、シリンダ１、そしてシリンダヘッド３により燃焼室Ｖが形成される。燃焼室Ｖには吸気ポート６および排気ポート７が開口しており、吸気ポート６を開閉する吸気弁８と排気ポート７を開閉する排気弁９とがシリンダヘッド３に設けられている。燃焼室Ｖでは、図外のインジェクタから噴射される燃料と吸気ポート６から導入された空気とが混合されて燃焼し、燃焼ガスによる膨張力を受けてピストン５が押し下げられる。なお、当実施形態のエンジンは、ガソリンを燃料として供給するガソリンエンジンである。このため、シリンダヘッド３には、燃焼室Ｖ内の混合気に着火するための点火プラグ孔４が設けられている。

ピストン５の下方に位置するクランク室Ｃには、出力軸であるクランクシャフト１１が、シリンダ１の中心軸であるシリンダ軸線Ｘと直交する方向（紙面に直交する方向）に延びるように配設されている。クランクシャフト１１はコネクティングロッド１２を介してピストン５と連結されており、ピストン５の往復運動に応じてクランクシャフト１１が中心軸回りに回転するようになっている。したがって、燃焼ガスによる膨張力を受けてピストン５が押し下げられることにより、クランクシャフト１１からトルクが出力される。

ピストン５の外周にはリング溝３１が設けられ、その中にピストンリング２０が配置される。

図２及び図３に示すように、ピストンリング２０はステンレス等の鋼材で形成され、ピストンリング２０の大部分を占める一般部２２と、合口部２１にて形成されている。合口部２１はピストンリングの一端２３と他端２４により構成される。

ピストンリング２０は図６，７に示されるようにリング溝３１に装着し、シリンダ１に組み込まれた状態では合口部２１が閉じた状態となる。

図４に示すように、一端２３は、一般部２２から、径方向外径側の上側４３の一部が連続して、周方向に向って延びる第1突出部４１が形成されている。第1突出部４１の径方向内側に形成される径方向内側端部４７は、ピストンリング２０の内周面２５から外周面２６までの幅方向にて、リングの略中央に位置している。また、第1突出部４１と同様の形状にて、第２突出部４２が径方向外径側の下側４４に設けられている。

図５に示すように、他端２４は、一般部２２から、径方向外径側の上側４３に、第１突出部４１の下面４１ａに対応して一般部２２の上面２７よりも下方に位置する第１受入部４５が設けられている。また、第１受入部４５と同様の形状にて、一般部２２の下面２８よりも上方に位置する第２受入部４６が設けられている。

図４及び図５に示すように、第1突出部４１の下面４１ａと 第１受入部４５の上面４５ａは、径方向内周面２５に向うほど、上方に傾斜しており、第２突出部４２の上面４２ａと 第２受入部４６の下面４６ａは、径方向の内周面２５に向うほど、下方に傾斜している。

図６に示すように、ピストンリング２０は、エンジン１００への組付け状態では、一端２３から伸びる第1突出部４１が他端２４に設けられた第１受入部４５に形成された空間に受け入れられた状態となっている。また、同様に一端２３から伸びる第２突出部４２が他端２４に設けられた第２受入部４６に形成された空間に受け入れられた状態となっている。したがって、一般部２２と合口部２１のリングの外形形状が、同一となっている。

さらに、一端２３から他端２４までの一般部２２の外周面２６の厚さ方向中央に、内径方向に凹んだ周溝４９が形成され、周溝４９の上方の外周面２６に周溝４９と連通するように連通部５０が一定間隔で形成されている。

図７に示すように、第1突出部４１の下面４１ａと第１受入部４５の上面４５ａとの間に微小隙間４８ａが形成される。同様に、第２突出部４２の上面４２ａと第２受入部４６の下面４６ａとの間に微小隙間４８ｂが形成される。

図８に示すように、例えば、膨張行程では、ブローバイガスが以下のように流れる。燃焼室Ｖ内のガスは、図示の矢印のように、未図示の第1突出部４１の先端４１ｂと他端２４との隙間から下向きに流れ込み、微小隙間４８ａを第1突出部４１の基端４１ｃまで進行する。そして、基端５２ａに到達したガスは第２突出部４２の基端５２ｂに向って下方へさらに流れる。その後、微小隙間４８ｂを第２突出部４２の基端５２ｂから先端５１ｂまで進行する通路を形成することになる。

このように、ガスの抜け道となるピストンリング２０の上面から下面までを連通する隙間通路は、ピストンリング２０の上下面に設けられた、突出部４１，４２と受入部４５，４６との組み合わせを２つ設けることで、微小隙間４８ａと４８ｂが存在することになる。

その結果、突出部の長さを抑えて耐久性を確保しながら、合わせ面を２つ設けて、微小隙間による通路長が長くなることで、ガスの流通抵抗が増し、ガスのシール性を向上することが出来る。

図９に示すように、例えば、膨張行程では、ピストンリング２０は燃焼室Ｖ内のガス圧により、リング溝３１の下面に押し付けられる。さらにピストンリング２０の内周面２５に入り込んだガスのガス圧によりシリンダ１へ押し付けられながらピストン５は下降する。

ところで、ピストンリング２０の内周側に回り込んだ燃焼室Ｖ内のガスは、径方向内側に出来る一端２３と他端２４の隙間に入り込む。しかし、ピストンリング２０は、シリンダ１の摺動面とリング溝３１の下面側に押し付けられるためシール性は確保される。

図１０に示すように、ピストンリング２０の一般部２２の外周面２６の厚さ方向中央に、内径方向に凹んだ周溝４９が設けられている。シリンダ１と外周面２６との接触幅を低減することで、摺動抵抗を減らすことができる。

図１１に示すように、周溝４９の上方の外周面２６の周方向の一部が、周溝４９と連通するように連通部５０が設けられている。
例えば、膨張行程では、燃焼室Ｖ内のガスは、連通部５０から周溝４９へと流れ込む。そのガスにより、ピストンリング２０は径方向内側へのガス圧が発生し、摺動抵抗をさらに減らすことができる。

１・・・シリンダ
５・・・ピストン
２０・・・ピストンリング
２１・・・合口部
２２・・・一般部
２３・・・一端
２４・・・他端
３１・・・リング溝
４１・・・第１突出部
４１ａ・・・第１突出部の下面
４１ｂ・・・第１突出部の先端
４１ｃ・・・第１突出部の基端
４２・・・第２突出部
４２ａ・・・第２突出部の上面
４３・・・径方向外径側の上側
４４・・・径方向外径側の下側
４５・・・第１受入部
４５ａ・・・第１受入部の上面
４６・・・第２受入部
４６ａ・・・第２受入部の下４面
４７・・・径方向内側端部
４８ａ、４８ｂ・・・微小隙間
４９・・・周溝
５０・・・連通部

Claims (4)

1. 内燃機関用ピストンのピストンリング溝に設けられ、一般部と合口部にて形成されるピストンリングにおいて、
   前記一般部の一端から、径方向外径側の上側の一部が連続して、他端に向って延びる第1突出部と、
   前記一般部の一端から、径方向外径側の下側の一部が連続して、他端に向って延びる第２突出部と、
   前記一般部の他端の径方向外径側に設けられ、その上面が前記第１突出部の下面に対応して一般部の上面よりも下方に位置する第１受入部と、
   前記一般部の他端の径方向外径側に設けられ、その下面が前記第２突出部の上面に対応して一般部の下面よりも上方に位置する第２受入部と、を備え、
   前記第1突出部の下面と 第１受入部の上面は、径方向内側に向うほど、上方に傾斜しており、
   前記第２突出部の上面と 前記第２受入部の下面は、径方向内側に向うほど、下方に傾斜していることを特徴とするピストンリング。
2. 前記第1突出部の径方向内側に形成される径方向内側端部が、前記ピストンリング内周面から外周面までの幅方向にて、リングの略中央に位置することを特徴とするピストンリング。
3. 前記ピストンリングの前記一般部の外周面の厚さ方向中央に、内径方向に凹んだ周溝を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のピストンリング。
4. 前記周溝の上方の外周面の周方向の一部が、周溝と連通するように他の部分よりも内径側に位置することを特徴とする請求項３に記載のピストンリング。

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