JP4203412B2 - 内燃機関用オイルリング - Google Patents

Description

本発明は、最適化された特定の圧力および高いなじみ性を有する、内燃機関のピストン用のオイルフロー制御リングに関する。

１９２０年代まで、ほとんど全ての内燃機関は、圧縮リングのみを使用していた。エンジン回転は低く、圧縮リングは、連結棒によってシリンダ壁面に供給される少量のオイルを制御するのには十分であった。

回転速度がより高いエンジンを使用し、加圧潤滑システムを導入すると、シリンダ壁面に対して供給される大量のオイルを制御するには、特定のリングを使用する必要があった。その時、リング指定のオイルフロー制御器が開発された。このようなリングは、その外面上に、オイルフロー排出用の径方向のスロットを含むチャネルによって分離された、シリンダ壁面との２つの接触表面を有することを特徴とする。接線荷重およびリングのなじみ性を増加させるため、ばねハウジングが内面に追加された。この時から、円錐形の輪郭を呈して、エンジンのならし運転期間中の潤滑油の消費がより十分に制御される、外側接触面を有するリングを除いては、基本的な形状における大きな進化がなかった。

オイルフロー制御リングは、２つの主な機能的特徴、すなわちシリンダ壁面からエンジンのクランクケースに向かってオイルをこすり落とす機能と、油膜が常にリングとシリンダとの間に保持されるように、十分な量のオイルを圧縮リングに対しその上で維持する機能とを示さなければならない。

オイルフロー制御リングによりこのような機能が行われる効率は、以下の要因に起因するものである。それは、シリンダに迅速に設置される能力と、接触面の幾何形状と、シリンダ壁面に対する圧力と、オイルの除去および排出の動力学と、シリンダ輪郭の変化に迅速に適合する能力である。

それにもかかわらず、知られている先行技術には、摩擦損失およびオイル消費の最適化に関して限界がある。

エンジンの摩擦損失の約２５％は、リングによるものであり、前記損失の７０％は、動作中のオイルリング、主に接線荷重が高いことに起因するものであることが分かった。したがって、１組のピストンリング内の摩擦の減少に関する研究を、オイルフロー制御リングによって開始する必要があった。接線荷重は、リング接触面が、シリンダ壁面に対して加える特定の圧力の式に直接関係する。この圧力は、オイルフロー制御の主なパラメータの１つであり、以下の式によって表される。

Ｐ_０＝特定の圧力
Ｆｔ＝接線荷重
ｄｌ＝リングの呼び径
ｃ＝シリンダとのリング接触面の寸法

実験および資料は、特定の圧力が低いほど、オイル消費量が多いことを示している。したがって、同じオイル制御状態を維持しつつ、接線荷重を減らすことにより摩擦損失を減らすためには、同じ特定の圧力を維持するのに、シリンダとのリング接触面内の寸法を小さくする必要がある。

例えば、（ディーゼルエンジン内に）コイルばねを備え、呼び径が１０２．０ｍｍであるオイルフロー制御リングについて考慮すると、普通の製作寸法公差に応じて、特定の圧力が以下のように変化する。
ｄｌ＝１０２．０ｍｍ
Ｆｔ＝５４＋４０％ Ｎ
ｈ＝ｃ／２＝０．４０±０．１０ｍｍ
Ｆｔ ｍｉｎ．＝５４Ｎ Ｆｔ ｍａｘ．＝７６ｍｍ
ｈ ｍｉｎ．＝０．３０ｍｍ ｈ ｍａｘ．＝０．５０ｍｍ

上記の式（１）から以下の式が求められる。
Ｐ_０ ｍｉｎ．＝１．０６Ｎ／ｍｍ^２
Ｐ_０ ｍａｘ．＝２．４８Ｎ／ｍｍ^２
これにより、最小値から約１３４％の変化が得られる。特定の圧力がかなり違うことによる作用として、特定の圧力が最大であるリングと比べて、特定の圧力が最小である状態のオイルフロー制御リングを使用して、動力計で一連の試験を行って、これらの２つの極値におけるエンジンの性能を研究した（表１参照）。

このような結果により、接触表面の寸法公差によって部分的に起こる、主にオイル消費に関する、エンジンの性能の大きな変化が示される。特定の圧力を増加することにより、消費量が半分に減るが、望ましくない高い摩擦作用が発生することに注目すべきである。

特定の圧力に加えて、リングのなじみ性は、オイルフロー制御における最も重要な特徴の１つである。

リングのなじみ性は、シリンダの起こりうる変形または径の変化に適応し、それによってこすり落とす能力および密封能力が維持される、リングの能力の良否を示すパラメータである。リングのなじみ性は、以下の数学的関係によって表されるなじみ性係数（ｃｏｍｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）により表現される。

ｋ＝なじみ性係数
Ｆｔ＝接線荷重
ｄｌ＝リングの呼び径
ｒｌ＝リングの径方向壁面厚さ
Ｅ＝弾性率
Ｉ＝慣性モーメント

以下の例は、ここに示すなじみ性の計算を示す。
直径が６７．１ｍｍのオットーサイクルリングの以下の平均寸法値を使用する。
Ｆｔ＝３６．０Ｎ
ｄｌ＝６７．１ｍｍ
ｒｌ＝２．２３ｍｍ
Ｅ＝１６０ＧＰａ
Ｉ＝０．３４

なじみ性係数ｋが高いほど、シリンダ変形に適合するリングの能力が高くなり、オイルフロー制御が良くなる。摩擦損失が増加することにより接線荷重が増加することは望ましくないので、弾性率およびリングの幾何形状だけが、なじみ性を高めるのに利用可能にしてある。

本発明の全体の目的は、摩擦損失を増やさずに高いオイルこすり落とし効率を与えるように、高いなじみ性および最適化した特定の圧力を有する、内燃機関用オイルリングを提供することである。

本発明の別の目的は、こすり落としたオイルの適切な排出動力学を示す、上記のようなオイルリングを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、最低限の製造作業で作ることができる、上記のようなオイルリングを提供することである。

上に述べたように、本発明は、エンジンのシリンダ内側で往復動するピストンの周りに取り付けられる環状体を備える、内燃機関用オイルリングに関連する。

知られているように、環状体は、反対側の側面と、一般に金属ばねの形の弾力性のあるエキスパンダが設置される支持体を画定する内側面と、シリンダの内側面に対して設置される外側接触面とを有する。

本発明によれば、外側接触面は、環状体の単一の連続する表面の延長部によって画定され、この外側接触面は、内側面の高さより実質的に低い高さを軸方向に呈し、各側面は、環状体の軸および重心に関する環状体の慣性モーメントを減らすように構成された、少なくとも１つの側面部によって画定される。

本発明によって提示される構造により、外側接触表面を１つだけしか使用しないので、リングの合計高さを低くすることができるだけでなく、接触面は都合の良いことに応じて小さくなるので、接線荷重を減らすことにより、望ましいこすり落とし効率に必要な特定の圧力を損なうことなく、摩擦を減らすことができる。

添付の図面を参照して、本発明を以下に説明する。

図示するように、本発明のオイルリング対象物は、スチール、鋳鉄、別の合金、高分子材料、またはあらゆる他の適切な材料からできており、内燃機関のシリンダＣの内側で往復動するように構成されているピストンＰのそれぞれの溝に取り付けられる環状体１０を備える。

環状体１０は、互いに反対側でほぼ平行であり、リングの軸に直交する１対の端面１１と、内側面１２と、エンジンの運転の際、この領域に対して導入される潤滑油をこすり落とすため、シリンダＣの内側面に対して設置される外側接触面１３とを有する。環状体１０の内側面１２は、一般に、例えばＶ字またはＵ字の輪郭、もしくはこのような形状の組合せを有する、溝１２ａの形の支持体を画定し、この支持体に規定の径方向の拡張力を環状体１０に対して加えるような寸法である、金属ばねによって全体的に画定される弾力性のあるエキスパンダＭが配置される。

本発明により、外側接触面１３は、環状体１０の単一の連続する表面の延長部によって画定され、この外側接触面１３は、内側面１２の高さＨより実質的に低い高さｈを軸方向に示している。好ましくは、外側接触面１３の高さｈは、最大でも、内側面１２の高さＨの約半分であり、それによってシリンダＣに対する外側接触面１３の所望の特定の圧力Ｐ_０を維持するのに要する接線荷重Ｆｔを、これに応じて減らすことができる。

本明細書で提示する構造により、従来技術に関する寸法公差が小さくなった、より狭い外側接触面を製造することができるようになり、特定の圧力Ｐ_０の変化を最小限に抑えられ、オイルフロー制御を改善できる。外側接触面１３に接触表面を１つだけしか維持しないことにより、２つの接触表面を備えるオイルリングに現在起こっている特定の圧力の変化が半分に減る。上に挙げた例のデータから、本明細書中で提示する実施形態には、以下の特定の圧力変化がある。
ｄｌ＝１０２．０ｍｍ
Ｆｔ＝５４＋４０％ （Ｎ）
ｈ＝ｃ＝０．８±０．１０（ｍｍ）
Ｆｔ ｍｉｎ．＝５４Ｎ Ｆｔ ｍａｘ．＝７６Ｎ
ｈ ｍｉｎ．＝０．７ｍｍ ｈ ｍａｘ．＝０．９ｍｍ
上記の式（１）から、以下が得られる。
Ｐ_０ ｍｉｎ．＝１．１８Ｎ／ｍｍ^２
Ｐ_０ ｍａｘ．＝２．１３Ｎ／ｍｍ^２

上の例から分かるように、新しい構成上の解決方法により、現在知られている構成の１３４％に対して約８０％の特定の圧力変化につながる。

上に述べる寸法的な態様に加えて、環状体１０は、軸および重心に対する環状体１０の慣性モーメントを減らし、より高いなじみ性をリングに与えるように構成される、複数の（または、少なくとも１つの）側面１１を有する。

図示した実施形態では、環状体１０の各側面１１は、環状体１０の軸と直交し、かつ内側面１２の高さＨと等しく環状体の高さを維持する、第１の側面部１１ａによって画定され、両側面１１の第１の側面部１１ａはしたがって、互いに平行である。各側面１１はさらに、第１の側面部１１ａから環状体１０の外側接触面１３の隣接する縁部に向かって径方向外側に延びる、第２の側面部１１ｂを備える。また、図示した実施形態によれば、両方の第２の側面部１１ｂは、外側接触面１３に向かって相互に収束する。

図面においては、側面１１の一構造的形状だけしか図示されていないが、他の構成を呈することも可能であることが分かる。例えば、側面１１の一方のみを、２つの別々の側面部によって画定することができる。前記側面１１の一方は、第１の側面部１１ａによって一体的に画定され、他方の側面１１は、第１の側面部１１ａによって部分的に画定され、環状体１０の高さを外部接触面１３に向かって減らすように構成された第２の側面部１１ｂによって仕上げられる。可能性のある代替の構成では、前記他方の側面１１は、内側面１２から外側接触面１３まで延び、環状体１０の高さを必要なだけ減らす、第２の側面部１１ｂによって一体的に画定される。

なじみ性の要因に関して同じ作用を生じるものであれば、他の幾何形状も使用できることをさらに理解すべきである。

例えば、前回のなじみ性の計算において使用した、直径が６７．１ｍｍの同じオットーオイルリングを比べることができる。
Ｆｔ＝３６．０Ｎ
ｄ１＝６７．１ｍｍ
ｒ１＝２．２３ｍｍ
Ｅ＝１６０ＧＰａ
Ｉ＝０．２４１ｍｍ^４
Ｋ＝０．９８（１８８％大きい）

したがって、本技術に関して、リングの幾何形状により、シリンダの変形に適合するリングの能力が良くなり、したがってオイルフロー制御も改善される。

本発明の構成により、閉じ込められたときにリングのねじれが発生することがある。このような動作は、潤滑油の消費を制御するための助けとして有用であるが、その接触面は２つの接触面を有し、ねじれにより前記面の一方の接触が損なわれ、それによってリング機能の性能が損なわれるので、通常のオイルリングに利用することはできない。また、２つの接触表面とリセスとの存在が必要である従来技術と反対に、外側接触面の唯一の構成要素として接触表面を有することにより、新規な構成によって、従来技術のリングよりも高さが小さなリングを簡単に得ることができるようになる。したがって、リングの増大したなじみ性が得られ、それに伴って、ピストンの重量が減り、利益につながる。

図１、２、および３に図示する実施形態において、外側接触面１３は、円筒形であり、環状体１０の軸と直交しかつ環状体を中間で切り取る平面に対して、ほぼ直交しかつ対称である。

しかし、外側接触面１３は、図４に示すように円錐形であってもよく、さらに、図５に示すように、より大きな直径の周面縁部の付近に下側ステップ１３ａを含むこともできる。外側接触面１３の別の例示的実施形態が図６に示されており、ここでは前記外部接触面１３は、環状体１０の軸と直交する前記中間平面に対して同様に対称であることができる、凸状アーチ形の輪郭を有する表面によって画定される。

環状体１０はさらに、リング高さの少なくとも一部分に沿って延び、外側接触面１３に対して径方向に間隔を置いて配置される、チャネル１５、１６を備えることもできる。図１、２、３、および４に示す構成において、チャネル１５により、環状体１０を取り付ける際に、互いに反対側であり、ピストンＰの隣接する壁面から離れた、側面部１１ｂ間で流体連通が提供される。チャネル１５のこのような構成により、オイルをシリンダＣの壁面からこすり落とし、より自由な経路でクランクケースに排出することが可能になる。しかし、チャネル１５、１６は、図５、６、７、および８に示すように、ピストンＰの隣接する壁面から離れた、リングの前記反対側の側面部１１ｂ間で流体連通を提供する必要はないことを理解するべきである。

環状体１０が内側面１２に溝１２ａを備えているので、チャネル１５、１６は、溝１２ａの内側に対して開口する。図示した実施形態において、チャネル１５、１６は、環状体１０の内側面１２に対して開口する軸方向のスロットの形をとる。

（高さの）軸方向にスロットを作る際の複雑さにより、環状体を、例えば焼結合金で作ることもでき、それによって、特に軸方向のスロットの形のチャネル１５、１６を設ける際に、より生産的かつ経済的な方法で、好ましい最終形状が得られる。

図１に示す実施形態では、チャネル１５は、例えば適切な材料のブランクから作られる環状体１０の内側面１２を、軸方向に機械加工することにより得ることができる矩形の輪郭を有する。

また、例えば、最終形態に近い形態に粉末冶金加工および成型することによりリングが得られる場合、チャネル１６は、開口し丸み付けされたほぼＶ字の形状を呈し、側壁面の外側端部は、図７に示すように、環状体１０の内側面１２の隣接する凸部と調和し、環状体が、正弦の内側輪郭または接線曲線のその他の組合せを呈することができる。

図７および８に示す構造的な代替形態では、粉末冶金による製造プロセスにより良く適合する形状が使用され、それによって（このプロセスの）生産性および品質が向上する。というのは、それによって図１に示す矩形の輪郭に対する応力集中（係数）が減り、金型から成型体をより効率的に取り出すことが可能になるからである。

図７および８は、ピストンＰの隣接する壁面から離れた、反対側の側面部１１ｂ間で流体連通を提供するには不十分な、径方向の延長部を備えるチャネル１６を図示しているが、ここでは開口し丸み付けされたＶ字の形状で表される前記チャネル１６は、図１、２、３、および４に例示した形態による前記連通を提供するような大きさであってもよいことを理解するべきである。

前に述べたように、ピストン溝の隣接する壁面に対して設置される、反対側の側面部１１ａ間だけで、またはピストン溝の隣接する壁面から離れた、リングの反対側の側面部１１ｂ間でも連通を提供するためには、チャネル１５、１６は、径方向の延長部がより長いまたは短い大きさであってもよい。前記チャネル１５、１６は、台形、三角形、または接線曲線あるいはその他の組合せなどの他の形状を呈することもできる。

外側接触面１３は、化学プロセスまたは物理プロセス、もしくはその組合せによって変更されることができ、耐磨耗性、耐粘着性、および耐摩擦性の材料層１３ｂを生じさせることを理解するべきである。

耐磨耗性、耐スカッフィング性、および耐摩擦性を良くする効果を得るため、焼入および焼戻の熱処理中などの相変態、電気的に補助されるかどうかにかかわらず、クロムメッキまたはニッケルメッキなどの析出、物理蒸着および化学蒸着、溶射、窒化、炭化、ホウ化、および鉄酸化中などの温度補助拡散を使用することは、この業界において普通のことである。

各特徴は、本発明による他の特徴と組み合わせることができるので、本発明の特定の特徴を、単に都合により図面に示す。代替実施形態は、当業者により実施することが可能であり、特許請求の範囲内に含まれるものとする。したがって、上記説明は、本発明の保護範囲を制限するためのものではなく、図示することを意図したものである。明らかな変更および変更形態は全て、添付する特許請求の範囲によって規定されるように保護範囲内にある。

本発明の第１の実施形態のオイルリングの部分平面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った、リングの拡大断面図である。 シリンダ内部のピストン内に格納され、その内側面に弾力性のあるエキスパンダを受ける環状体を示す、図２と同様であるが、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 図２と同様であるが、環状体の外側接触面の輪郭の１つの可能性のある代替形態を示す図である。 図２と同様であるが、環状体の外側接触面の輪郭の１つの可能性のある代替形態を示す図である。 図２と同様であるが、環状体の外側接触面の輪郭の１つの可能性のある代替形態を示す図である。 図１と同様であるが、リングの別の実施形態を示す、本発明のオイルリングの平面図である。 図７の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った、リングの別の実施形態の拡大断面図である。

Claims (14)

1. 反対側の側面（１１）と、弾力性のあるエキスパンダ（Ｍ）が設置される支持体を画定する内側面（１２）と、シリンダ（Ｃ）の内側面に対して設置される外側接触面（１３）とを有する、エンジンのシリンダ（Ｃ）内側で往復動するピストン（Ｐ）の周りに取り付けられる金属環状体（１０）を備える、内燃機関用オイルリングであって、前記外側接触面（１３）が、前記内側面（１２）の高さ（Ｈ）より実質的に低い高さ（ｈ）を軸方向に示す、前記環状体（１０）の単一の連続する表面の延長部によって画定され、各側面（１１）が、前記環状体の軸および重心に関する前記環状体（１０）の慣性モーメントを減らすように構成された、少なくとも１つの側面部（１１ａ、１１ｂ）によって画定され、
   前記環状体（１０）が、前記外側接触面（１３）に対して径方向に間隔を置いて配置される軸方向のスロットの形のチャネル（１５、１６）を備え、互いに反対側であり、前記環状体（１０）の内側面（１２）に対して開口する側面部（１１ａ、１１ｂ）間で流体連通を提供し、前記チャネル（１６）が、丸み付けされ開口したほぼＶ字の形状である輪郭をしており、チャネル（１６）の側壁面の外側端部が前記環状体（１０）の前記内側面（１２）の隣接する凸状部と調和し、環状体に正弦の内側輪郭を与えることを特徴とする、オイルリング。
2. 前記外側接触面（１３）によってシリンダに加えられる特定の圧力を低下させることなく、リングによってシリンダに加えられる接線荷重を応じて減らすことができるように、前記外側接触面（１３）の高さ（ｈ）が、最大でも、前記内側面（１２）の高さ（Ｈ）の約半分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. 前記外側接触面（１３）が円筒形であることを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載のオイルリング。
4. 前記外側接触面（１３）が、輪郭が凸状のアーチ形である表面によって画定されることを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載のオイルリング。
5. 前記外側接触面（１３）が、前記環状体（１０）の軸と直交しかつこの環状体を中間で切り取る平面に対して対称であることを特徴とする、請求項３および４のいずれか一項に記載のオイルリング。
6. 前記外側接触面（１３）が円錐形であることを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載のオイルリング。
7. 前記外側接触面（１３）が、直径がより大きい周面縁部の付近に下側ステップ（１３ａ）を有することを特徴とする、請求項６に記載のオイルリング。
8. 前記側面（１１）の少なくとも一方が、前記環状体（１０）の高さを前記外側接触面（１３）に向かって減らすように構成された側面部（１１ａ）によって画定される、径方向の延長部の少なくとも一部を有することを特徴とする、請求項１に記載のオイルリング。
9. 両方の側面（１１）が、前記外側接触面（１３）に向かって互いに収束するそれぞれの側面部（１１ｂ）によって、少なくとも部分的に画定されることを特徴とする、請求項８に記載のオイルリング。
10. 前記側面（１１）の少なくとも一方が、前記環状体（１０）の軸に直交し、かつ前記内側面（１２）の高さ（Ｈ）に等しく環状体の高さを維持する第１の側面部（１１ａ）と、前記第１の側面部（１１ａ）から前記環状体（１０）の前記外側接触面（１３）の隣接する縁部に向かって径方向外側に延びる第２の側面部（１１ｂ）とによって画定されることを特徴とする、請求項１に記載のオイルリング。
11. 前記環状体（１０）の前記内側面（１２）が、前記弾力性のあるエキスパンダ（Ｍ）用の支持体を画定する周面溝（１２ａ）を備え、前記チャネル（１５、１６）が前記溝（１２ａ）の内部に開口することを特徴とする、請求項１に記載のオイルリング。
12. 前記チャネル（１５）が、矩形の輪郭をしていることを特徴とする、請求項１に記載のオイルリング。
13. 前記環状体（１０）が、焼結合金でできていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のオイルリング。
14. 前記外側接触面（１３）が、前記環状体（１０）に設けられる、耐摩擦性、耐磨耗性、および耐スカッフィング性の材料からできているフィルム（１３ａ）によって画定されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載のオイルリング。

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