JP3548703B2 - 内燃機関のピストンリング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のピストンリングに関し、詳しくは、合口のないピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のピストンにおいては、そのコンプレッションリングとして合口のない樹脂製のピストンリングを使用することが周知である。例えば、特開平９−２８０３７３号公報には、こうした合口のない樹脂製のピストンリングとして、弾性リングを介してリング状バネ部材により外方向（シリンダボア方向）に押圧されるピストンリングが記載されている。更に、このピストンリングでは、リング状バネ部材によって、弾性リングがピストン軸線方向にも付勢され、リング溝と密着する構成となっている。
【０００３】
このようなピストンリングでは、同ピストンリング自体に合口がないことに加えて、上記リング状バネ部材により、常時シリンダボア方向に押圧付勢されるとともに、弾性リングによるリング溝との密着が維持されることから、そのシール性も極めて良好なものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成のピストンリングにおいては、極めて良好なシール性を得ることができる反面、そのシール性のために、シリンダボアに付着するオイルがクランクケース側に十分に戻されずに、逆に燃焼室側に掻き揚げられてしまうなど、オイル消費を悪化させるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シール性を確保しつつ、オイルの掻き落とし能力を好適に向上させることのできる内燃機関のピストンリングを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及び作用効果について記載する。
請求項１記載の発明は、内燃機関のシリンダボア内を往復動するピストンの外周面に形成されたリング溝に装着され、同リング溝内においてエキスパンダにより外方に付勢される樹脂製の合口のないリングを備える内燃機関のピストンリングにおいて、前記合口のないリングは、その外周縁の燃焼室側の端にテーパ面を有するとともに、その外周面の一部には金属ピースが摺動面として設けられ、前記金属ピースは合口のあるリング状のピースからなり、前記合口のないリングの摺動面には、前記金属ピースが収納される収納溝が設けられ、前記収納溝は断面略「コ」に字状の角溝からなり、前記金属ピースは、前記角溝内にあって前記シリンダボアと略線接触する形状を有してなり、前記エキスパンダはコイルエキスパンダからなり、該コイルエキスパンダと前記合口のないリングとの間にはサポートリングが介在され、前記サポートリングのピストン軸線方向の幅は前記リング溝の溝幅よりも短いことをその要旨とする。
【０００７】
前述のように、樹脂製の合口のないリングはシリンダボアとの密着性が高いために、その外周縁の燃焼室側の端が通常の直角断面となる場合には、同リングよりも燃焼室側に存在するオイルをクランクケースに戻す代わりに、逆に燃焼室側に掻き揚げてしまうおそれがある。この点、上記構成によれば、樹脂製の合口のないリングの外周縁の燃焼室側の端にテーパ面を設けることで、上述したオイルの掻き揚げを抑制することができる。また、上記構成によれば、金属ピースを摺動面として用いることで、ピストンリングとしての耐摩耗性をも向上させることができる。また更に、この金属ピースが摺動面となることで、上記合口のないリングとシリンダボアとの間の密着性が緩和され、上記テーパ面に溜まるオイルのクランクケース側への掻き落とし能力が助長されるようにもなる。
【０００９】
さらに、金属ピースの形状をリング状とし、樹脂製の合口のないリングに設けられる収納溝に収納することとしたことで、上記構成を比較的簡素に実施することができる。また、金属ピースに合口があるためにその組付けが容易でもある。
【００１１】
また、上記構成によれば、金属ピースとシリンダボアとの接触に係る圧力を好適に高めることができ、ひいては同金属ピースによるオイル掻き落とし能力をより高めることができる。
加えて、樹脂製の合口のないリングとエキスパンダとの間にサポートリングを介在させることで、エキスパンダが樹脂製の合口のないリングを直接付勢することによる同リングの摩耗を回避することができる。更に、例えば、サポートリングを合口のあるリングとするなどすれば、エキスパンダ、サポートリング、及び合口のないリングの組付けが容易となる。
また、上記構成によれば、ピストン軸線方向におけるサポートリングとリング溝との間にサイドクリアランスが設けられることとなる。このため、樹脂製の合口のないリングによる過剰なシール性を緩和させることができ、またこのサイドクリアランスを介してオイルをクランクケースに戻すことができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記合口のないリングは、その外周縁の前記収納溝によって二分されるクランクケース側の部分にもその燃焼室側の端にテーパ面を有してなることをその要旨とする。
【００１３】
上記構成によれば、合口のないリングの外周縁の上記収納溝によって二分されるクランクケース側の部分によっても、上記収納溝に溜まるオイルの燃焼室側への掻き揚げが抑制されるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関のピストンリングについて、その一実施形態を図１及び図２を用いて詳細に説明する。
【００１８】
図１に、本実施形態のピストンリングの配置例を示す。図１に示すように、ピストン１０の上部外周面にはトップリング溝１００、セカンドリング溝２００、及びサードリング溝３００がそれぞれ形成されており、それら各リング溝に、ピストンリングとしてコンプレッションリング１１０，２１０及びオイルリング３１０がそれぞれ装着されている。
【００１９】
ここで、コンプレッションリング１１０，２１０は、ピストン１０とシリンダ２０との間隙をふさぎ、圧縮ガス、高圧燃料ガスが燃焼室（図示略）からクランクケース（図示略）へブローバイガスとして漏れるのを抑制したり、ピストン１０が受けた熱をシリンダ２０の壁面へ伝え、放熱作用を行う等の機能を有する。
【００２０】
一方、オイルリング３１０は、シリンダ２０の壁面の潤滑油膜形成の制御を受け持っている。すなわち、このオイルリング３１０は、オイルをかき落としやすいように断面が略「コ」の字型に構成され、シリンダ２０の壁面からかき落としたオイルを、同オイルリング３１０中央の窓等から当該リング溝（サードリング溝）３００に形成されている排油孔３２０を介してピストン内部へ落とし込む。
【００２１】
ところで、上記２つのコンプレッションリングのうち、セカンドリング溝２００に装着されたコンプレッションリング２１０は、樹脂製の合口のないリングを備えている。以下、このコンプレッションリング２１０の構成について、図２を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図２に示すように、コンプレッションリング２１０は、サポートリング２３２及び該サポートリング２３２を付勢するコイルエキスパンダ２３１を備えるインナーリング２３０と、樹脂製の合口のないリング２２１及び金属リング（金属ピース）２２２を備えるアウターリング２２０とを有して構成されている。
【００２３】
アウターリング２２０は、サポートリング２３２を介して、シリンダ２０の表面方向に付勢されているために、同アウターリング２２０とシリンダ２０との間のシール性は良好なものとなっている。
【００２４】
ただし、アウターリング２２０に備えられる樹脂製の合口のないリング２２１の良好なシール性のためにいくつかの問題が生ずる。以下、これらの問題、並びに同問題に対処するために本実施形態のコンプレッションリング２１０において採用した各部の構造について順次説明する。
【００２５】
コンプレッションリング２１０のシール性が良好であると、燃焼室側の圧力が非常に高いものとなる。したがって、アウターリング２２０は、燃焼室側から大きな圧力をうけることで、クランクケース側に押圧される。このため、コンプレッションリング２１０がクランクケース側に捩れるように揺動して、クランクケース側の摺動面である突起部２２１ｂがシリンダ２０の内周面から浮き上がったり、シリンダ２０の内周面に対する圧力が低下したりする。
【００２６】
この問題への対処法として、コイルエキスパンダ２３１によるアウターリング２２０の押圧中心を、アウターリング２２０がシリンダ２０の内周面から受ける反力中心よりもクランクケース側にずらすことで、燃焼室側からの圧力に対向する力を生じさせることが考えられる。そこで、本実施形態においては、樹脂製の合口のないリング２２１のクランクケース側に、アンダーカット２２１ｃを形成することにしている。以下、このアンダーカット２２１ｃの機能について詳細に説明する。
【００２７】
図２に示されるように、インナーリング２３０とアウターリング２２０とは、ピストン１０の軸方向において同じ幅に形成されているため、コイルエキスパンダ２３１によるアウターリング２２０の押圧中心は、アウターリング２２０のピストン１０軸方向の幅の中心Ｆとなる。この中心Ｆは、アンダーカット２２１ｃを設けたために、シリンダ２０表面がアウターリング２２０を押圧する反力中心Ｇに対して、クランクケース側に距離ｄだけずれている。このために、アウターリング２２０には、燃焼室側からの圧力に対向する力が生ずるようになる。
【００２８】
また、上述したアウターリング２２０のシール性の良好さ故の燃焼室内の過剰な圧力上昇や、オイルをクランクケース側に戻せず、逆に燃焼室側に掻き揚げてしまうという問題もある。これを回避するために、本実施形態においては、ピストン軸方向におけるインナーリング２３０の幅ｄ１とリング溝２００の溝幅ｄ２とに差をもたせ、サイドクリアランスｃを設けている。
【００２９】
このサイドクリアランスｃを介して、微量なガスが燃焼室側からクランクケース側に流出するのみならず、オイルの燃焼室側からクランクケース側への流出も生ずる。
【００３０】
更に、樹脂製の合口のないリング２２１のシール性が良好な故に、オイルが同リング２２１によって、掻き揚げられるという問題を回避するために、本実施形態においては、突起部２２１ａ及び突起部２２１ｂの燃焼室側にテーパ面２２３、２２４を設けている。
【００３１】
こうした構造により、ピストン１０の摺動に際しては、これらテーパ面２２３、２２４の働きにより、シリンダ２０に付着しているオイルの燃焼室側への掻き揚げが抑制され、同オイルに突起部２２１ａ、２２１ｂが乗り上げるようになる。更に、樹脂製の合口のないリング２２１には、上記金属リング２２２を収納する収納溝２２５が形成されているために、突起部２２１ａが乗り上げたオイルは、一旦、収納溝２２５、金属リング２２２及びシリンダ２０の表面により形成される空間内に流入する。したがって、収納溝２２５を形成しなかった場合と比べて、オイルがクランクケース側へ流出する際に受ける抵抗を軽減することができる。また、金属リング２２２自身によっても、アウターリング２２０とシリンダ２０との密着性は緩和され、上記テーパ面２２３、２２４に溜まるオイルのクランクケース側への掻き落とし能力が助長されるようになる。また、各突起部２２１ａ、２２１ｂのクランクケース側にはテーパ面を設けずに、シリンダ２０（シリンダボア）と直角な形状としているために、クランクケース側に存在するオイルが燃焼室側に逆流することを規制することができる。
【００３２】
また、上記金属リング２２２は、断面が略円形状であるために、金属リング２２２とシリンダ２０との接触面積は、小さなものとなっている（略線接触）。したがって、金属リング２２２がシリンダ２０の表面に及ぼす圧力は、突起部２２１ａ又は突起部２２１ｂがシリンダ２０の表面に及ぼす圧力よりも大きなものとなる。したがって、この金属リング２２２は、収納溝２２５に流入してきたオイルを好適にクランクケース側に掻き落とすことができる。換言すれば、この金属リング２２２は、図１のオイルリング３１０のサイドレール３１１、３１３と同様の働きをする。
【００３３】
更に、この金属リング２２２は、アウターリング２２０の耐摩耗性を向上させる働きをも有する。上述した理由により、樹脂製の合口のないリング２２１には、テーパ面２２３、２２４やアンダーカット２２１ｃ、更には、溝を設けることが望ましい。しかしながら、これらを設けた場合、樹脂製の合口のないリングとシリンダ２０の表面との接触面積は縮小する。このため、樹脂製の合口のないリング２２１とシリンダ２０の表面との接触部における両者が互いに及ぼしあう圧力は高まることとなる。この圧力の高まりは、樹脂製の合口のないリング２２１の摩耗を促進する。したがって、同樹脂製の合口のないリング２２１にテーパ面２２３、２２４やアンダーカット２２１ｃ、溝等を設けた場合の摩耗対策は、それら各機構を設けなかった場合と比べてより深刻なものとなる。この点、上記金属リング２２２をこの摩耗対策として用いることで、アウターリング２２０としての耐摩耗性を大幅に向上させることができるようになる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば以下の効果が得られるようになる。（１）樹脂製の合口のないリング２２１の突起部２２１ａ、２２１ｂにテーパ面２２３、２２４を設けたことで、各突起部２２１ａ、２２１ｂの燃焼室側に存在するオイルを燃焼室側に掻き揚げることを抑制することができる。
【００３５】
（２）各突起部２２１ａ、２２１ｂのクランクケース側の形状をシリンダ２０（シリンダボア）と直角な形状としたことで、各突起部２２１ａ、２２１ｂのクランクケース側に存在するオイルが燃焼室側に逆流することを規制することができる。
【００３６】
（３）収納溝２２５を設けたことで、オイルがクランクケース側に流出する際に受ける抵抗を軽減することができる。また、この収納溝２２５に収納される金属リング２２２自身によっても、アウターリング２２０とシリンダ２０との間の密着性が緩和され、上記テーパ面２２３、２２４に溜まるオイルのクランクケース側への掻き落とし能力が助長される。更に、金属リング２２２がシリンダ２０（シリンダボア）と略線接触されることで、その接触面積が突起部２２１ａ，２２１ｂよりも好適に高められ、同金属リング２２２によるオイル掻き落とし能力が高く維持される。
【００３７】
（４）アウターリング２２０に金属リング２２２を設けたことにより、テーパ面２２３、２２４やアンダーカット２２１ｃを設けたことで深刻となる同アウターリング２２０の摩耗を好適に抑制することができる。
【００３８】
（５）アンダーカット２２１ｃを設けたことで、コイルエキスパンダ２３１がアウターリング２２０に及ぼす押圧中心Ｆを、シリンダ２０がアウターリング２２０に及ぼす反力中心Ｇに対して、クランクケース側にずらすことができる。したがって、燃焼室側からアウターリング２２０に及ぼされる圧力に対向する力を生じさせることができる。
【００３９】
（６）ピストン１０の軸方向に対するサポートリング２３２の長さｄ１を、リング溝の長さｄ２よりも小さく設定することで、サイドクリアランスを設けることができる。このサイドクリアランスにより、燃焼室側の過剰な圧力上昇を緩和することができる。更に、このクリアランスを介してオイルをクランクケース側に戻すことができる。
【００４０】
なお、上記実施形態にかかる内燃機関のピストンリングは、以下のように変更して実施してもよい。
・上記実施形態においては、金属リング２２２の形状を、その断面が略円形状になるようにしたが、図３のような形状としても良い。この金属リング２２２’においては、収納溝２２５との接触面積が増大するため、収納溝２２５の摩耗対策として有効である。
【００４３】
・突起部２２１ａ、２２１ｂは必ずしも２つである必要はない。同様な形状を３つ以上形成することで、オイルの掻き揚げの低減、及びオイルの掻き落としの向上を図ってもよい。
【００４４】
・テーパ面２２４についてはこれを必ずしも設ける必要はない。これにより樹脂製の合口のないリング２２１とシリンダ２０との接触面積を増大させることができる。
【００４５】
・上記実施形態においては、シリンダ２０がアウターリング２２０を付勢する反力の中心Ｇ（図２）を金属リング２２２とシリンダ２０の接点にくるような設定としたが、必ずしもこのような設定とする必要はない。換言すれば、ピストン１０の軸方向における収納溝２２５の配置位置、同収納溝２２５の幅、突起部２２１ａ幅、突起部２２１ｂの幅を任意としても、上記（１）〜（４）及び上記（６）の効果を得ることはできる。
【００４６】
・アンダーカット２２１ｃは、必ずしも設けなくてもよい。これにより樹脂製の合口のないリング２２１とシリンダ２０との接触面積を増大させることができる。そして、この場合であっても、上記（１）〜（４）、及び上記（６）の効果を得ることはできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる内燃機関のピストンリングについてそのピストン上での配置を示す断面図。
【図２】同実施形態のピストンリングの具体構造を拡大して示す断面図。
【図３】同実施形態のピストンリングの変形例を示す断面図。
【符号の説明】
１０…ピストン、２０…シリンダ、１００…トップリング溝、１１０…コンプレッションリング、２００…セカンドリング溝、２１０…コンプレッションリング、２２０…アウターリング、２２１…樹脂製の合口のないリング、２２１ａ、２２１ｂ…突起部、２２１ｃ…アンダーカット、２２２…金属リング、２２３、２２４…テーパ面、２２５…収納溝、２３０…インナーリング、２３１…コイルエキスパンダ、２３２…サポートリング、３００…サードリング溝、３１０…オイルリング、３１１…サイドレール、３１３…サイドレール、３２０…排油孔。

Claims (2)

1. 内燃機関のシリンダボア内を往復動するピストンの外周面に形成されたリング溝に装着され、同リング溝内においてエキスパンダにより外方に付勢される樹脂製の合口のないリングを備える内燃機関のピストンリングにおいて、
   前記合口のないリングは、その外周縁の燃焼室側の端にテーパ面を有するとともに、その外周面の一部には金属ピースが摺動面として設けられ、
   前記金属ピースは合口のあるリング状のピースからなり、
   前記合口のないリングの摺動面には、前記金属ピースが収納される収納溝が設けられ、
   前記収納溝は断面略「コ」に字状の角溝からなり、前記金属ピースは、前記角溝内にあって前記シリンダボアと略線接触する形状を有してなり、
   前記エキスパンダはコイルエキスパンダからなり、該コイルエキスパンダと前記合口のないリングとの間にはサポートリングが介在され、
   前記サポートリングのピストン軸線方向の幅は前記リング溝の溝幅よりも短いことを特徴とする内燃機関のピストンリング。
2. 請求項１記載の内燃機関のピストンリングにおいて、
   前記合口のないリングは、その外周縁の前記収納溝によって二分されるクランクケース側の部分にもその燃焼室側の端にテーパ面を有してなる内燃機関のピストンリング。

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