JP4204425B2 - 内燃機関のピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダとシリンダ内を往復するピストンの外周との間隙に設けられるピストンリングに関する。

図５（Ａ）に示すように、従来、内燃機関（以下、エンジンという）１００のシリンダ１０１と、シリンダ１０１内を往復するピストン１０２の外周との間隙には、複数のピストンリング１１１，１１２，１１３が設けられる。ピストンリング１１１，１１２，１１３は、ピストン１０２の外周に形成される周溝に装着される。

例えば、ピストンリングの一種であるコンプレッションリングは、燃焼室１０３から燃焼ガスが漏出するのを防止する機能を有する。コンプレッションリングは、ピストン頂面１０２ａ（燃焼室１０３）に最も近い部位に取り付けられるトップリング１１１や、トップリングの下方でピストン頂面１０２ａに近い部位に取り付けられるセカンドリング１１２として使用される。

図５（Ｂ）は、従来のコンプレッションリングの一例であるトップリング１１１を、シリンダ１０１の軸方向に沿って燃焼室１０３側からみた平面図である。同図５（Ｂ）に示すように、トップリング１１１は、その一カ所に切れ目（合口）を有する環状部材である。合口（合口隙間）は、トップリング１１１をシリンダ１０１に装着する際に変形させるために、また、トップリング１１１が熱膨張した場合、膨張分を逃がすための空間を確保するために必要なものである。しかし、燃焼室１０３内の燃焼ガスが合口隙間からクランクケース側に漏出することが問題となる。

このような問題を解決するために、例えば特許文献１には、ピストンリングの合口隙間に樹脂製の小片１２０を取り付けて燃焼ガスの漏出を防止する構造が開示されている（図６（Ａ））。小片１２０は、合口隙間において相互に対峙するピストンリングの両面（以下、合口面という）１１１ａ，１１１ｂに形成された小穴１１１Ａ，１１１Ｂに、小片１２０の両端を挿入することによって取り付ける。
また、特許文献２には、耐熱性の弾性材を接着剤を用いて合口面に固定し、合口隙間を塞ぐことで燃焼ガスの漏出を防止する構造が開示されている。
実開昭５７−１３９７６４号公報 実開昭５３−１５３１０９号公報 特開２００２−５４４９９号公報 特開平６−３２３４３５号公報

しかしながら、図６（Ｂ）に示す図６（Ａ）のVIＢ−VIＢ断面から明らかなように、特許文献１に開示された構造を適用した場合、小片１２０とシリンダ内壁との間に比較的大きな空間が残され、例えば図６（Ｂ）中の矢印方向に沿ってガス流路が形成されてしまう。すなわち、燃焼ガスの漏出を十分に防止することは困難であった。

また、特許文献２に開示された構造を適用した場合、接着剤の劣化によって耐熱性弾性材が離脱しやすくなる。すなわち耐久性の面で問題があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、
合口隙間を通過したガスの漏出量を長期に亘って低減することのできるピストンリングを提供することにある。

上記目的を達成するために、
（１）本発明は、内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンの外周溝に装着されるピストンリングであって、合口隙間を形成する当該ピストンリングの両端部で前記合口隙間を隔てて対峙する２つの面から、各端部の外周面に亘って形成され、ピストンリングの上下面には開口しない切り欠き溝と、各端部の切り欠き溝に両端を装着され前記シリンダの内
壁に当接する樹脂製部材と、を有することを要旨とする。
なお、前記樹脂製部材は、樹脂のみを材料としたものでなくてもよく、材料として樹脂を含んでいればよい。但し、大きな弾性変形が可能な材料が望ましい。
同構成によれば、シリンダ内壁に当接する樹脂製部材により、ピストンリングの合口隙間を通じて燃焼室からクランクケース側に漏出するガスの量や、クランクケース側から燃焼室に漏出するオイルの量が低減される。また、ピストンリング本体に対する樹脂製部材の組み付けを、端部の切り欠き溝に両端を装着するといった簡易な工程に従って行うことができる。しかも、組み付け後、樹脂製部材は切り欠き溝とシリンダ内壁との間で固定されるため、ピストンリングから離脱しにくい。

（２）また、前記シリンダ内壁に対峙する前記切り欠き溝底面と、前記底面に対峙する前記樹脂製部材の内周面とが、燃焼室側からクランクケース側に向かって拡径しているのが好ましい。
同構成によれば、燃焼室側から作用するガス圧によって樹脂製部材がクランクケース側に押されると、切り欠き溝の底面からの反力が樹脂製部材をシリンダ内壁に向かって押すようになる。この結果、ピストンリングの合口隙間を通じて燃焼室からクランクケース側に漏出するガスの量や、クランクケース側から燃焼室に漏出するオイルの量を低減する効果が一層高まる。

（３）また、前記切り欠き溝のピストンリング周方向の断面は、開口部から溝底に向かって拡大し前記樹脂製部材の離脱を抑制する形状を含むのが好ましい。
同構成によれば、樹脂製部材がピストンリングから一層離脱しにくくなる。

本発明によれば、シリンダ内壁に当接する樹脂製部材により、ピストンリングの合口隙間を通じたガスの漏出量を長期に亘って低減することができる。

以下、本発明を内燃機関のピストンに取り付けられるトップリングとして具体化した一実施の形態について説明する。

図１（Ａ）に示すように、内燃機関１のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復するピストン１２の外周との間隙には、複数のピストンリング２１，２２，２３が設けられている。ピストンリング２１，２２，２３は、ピストン１２の外周に形成される周溝に装着される。

３つのピストンリングのうち、ピストン頂面１２ａ（燃焼室１３）に最も近い部位に取り付けられるトップリング２１は、燃焼室１３からシリンダ１１のクランクケース側に燃焼ガスが漏出するのを防止し、また、シリンダ１１のクランクケース側から燃焼室１３にオイルが漏出するのを防止するコンプレッションリングとしての機能を有する。

図１（Ｂ）は、トップリング２１を、シリンダ１１の軸方向に沿って燃焼室１３側からみた平面図である。同図１（Ｂ）に示すように、トップリング２１は、その一カ所に切れ目（合口）を有する環状部材である。合口には、樹脂製部材３０が取り付けられている。

図２（Ａ）は、図１（Ｂ）において一点鎖線の円で囲まれた部分を拡大した図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のIIＢ−IIＢ断面図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、合口４０を形成するトップリング２１の両端部には、合口（隙間）を隔てて対峙する２つの面（以下、合口面という）２１ａ，２１ｂから各端部の外周面２１ｃに亘って切り欠き溝２１ｄ，２１ｅが形成される。樹脂製部材３０は、その両端が切り欠き溝２１ｄ，２１ｅに装着された状態で、シリンダ内壁１１ａに当接する。

ここで、樹脂製部材３０の周方向長さＬ、切り欠き溝２１ｄの周方向長さＬ１、切り欠き溝２１ｅの周方向長さＬ２および合口隙間の周方向長さＳ１の間に以下の関係式（１），（２），（３）が成立するようにすると、樹脂製部材３０がトップリング２１から一層離脱し難くなる。
Ｌ＜Ｌ１＋Ｌ２＋Ｓ１…（１）
Ｌ＞Ｌ１＋Ｓ１ …（２）
Ｌ＞Ｌ２＋Ｓ１ …（３）

なお、樹脂製部材の形状に特段の制限はないが、形状の安定性等に観点から直方体に近いものが好ましい。また、切り欠き溝の形状に合わせたものとするのが好ましい。さらに、切り欠き溝及び樹脂製部材の形状は、トップリングの形状（環状）に合わせて湾曲したものとしてもよい。
また、樹脂製部材の材質としては、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂に、炭素繊維、Ａｌ_２Ｏ_３繊維、ＳｉＣセラミック繊維、Ａｌ_２Ｏ_３粒子、ＳｉＣセラミック粒子、Ｓｉ_３Ｎ_４粒子又はグラファイト粒子等を複合した材料で形成し、且つ、シリンダ内壁との摺動面にＮｉめっき、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）又はケミカルペーパーデポジション（ＣＶＤ）等の処理を施したものを用いるのが、対摩耗性を向上させる上で好ましい。

このような本実施の形態のトップリング２１によれば、以下の効果が得られる。
シリンダ内壁１１ａに当接する樹脂製部材３０により、トップリング２１の合口隙間４０を通じて燃焼室１３からクランクケース側に漏出するガスの量や、クランクケース側から燃焼室１３に漏出するオイルの量が低減される。また、トップリング２１本体に対する樹脂製部材３０の組み付けを、切り欠き溝２１ｄ，２１ｅに樹脂部材３０の両端を装着するといった簡易な工程に従って行うことができる。しかも、組み付け後、樹脂製部材３０は切り欠き溝２１ｄ，２１ｅとシリンダ内壁１１ａとの間で固定（位置決め）されるため、トップリング２１から分離しにくい。
この結果、ブローバイガスの発生量が抑制され、全体として排気ガスの特性が改善される（排気浄化用触媒の劣化防止にもつながる）。また、ブローバイガスをシリンダボアから除去するための特段の装置構成（例えばブローバイガスを吸気系に戻す配管等）を不要にすることも可能になる。さらに、そのような装置構成が不要となれば、吸気系内がブローバイガスによって汚れることもなくなる。
また、クランクケース側から燃焼室１３に漏出するオイルの量が低減されることによっても、排気特性も改善が期待できる。さらに、機関燃焼の安定性や燃費も改善する。
なお、樹脂製部材３０の両端のち、切り欠き溝２１ｄまたは２１ｅのどちらか片側に装着された部分を接着することにより、樹脂製部材３０をトップリング２１に固定するようにしてもよい。このことにより、樹脂製部材３０の暴れなどを抑制することができる。

（変形例１）
なお、図３（Ａ）に示すように、トップリング２１の切り欠き溝２１ｄ（切り欠き溝２１ｅも同様）の底面と、その底面に対峙する樹脂製部材３０の内周面とが、燃焼室側からクランクケース側に向かって拡径している構造を適用することもできる。このとき、拡径する切り欠き溝２１ｄ，２１ｅの底面と、各底面に対峙する樹脂製部材３０の内周面の傾斜角度（ピストンの動作方向又は軸方向に対する傾斜角度）は同一であるのが好ましい。
このような構造を適用することにより、以下の効果が得られる。
図３（Ｂ）に示すように、燃焼室側から作用するガス圧によって樹脂製部材３０がクランクケース側に押されると、切り欠き溝２１ｄ，２１ｅの底面からの反力が樹脂製部材３０をシリンダ内壁１１ａに向かって押すようになる。この結果、トップリング２１の合口隙間を通じて燃焼室からクランクケース側に漏出するガスの量や、クランクケース側から燃焼室に漏出するオイルの量を低減する効果が一層高まる。

（変形例２）
また、図４に示すように、トップリング２１の切り欠き溝２１ｄ（切り欠き溝２１ｅも同様）のトップリング周方向の断面形状と、樹脂製部材３０のうち少なくとも切り欠き溝２１ｄ，２１ｅに装着される部分のトップリング周方向の断面形状とを、台形としてもよい。
このような、構成を適用することにより、樹脂製部材がトップリングから一層離脱しにくくなる。なお、切り欠き溝２１ｄ，２１ｅ及び樹脂製部材３０の断面形状は、必ずしも台形でなくてもよく、樹脂製部材３０の離脱を防止する他の形状であってもよい。要は、切り欠き溝２１ｄ，２１ｅのトップリング周方向の断面が、その開口部から溝底に向かって拡大し樹脂製部材３０の離脱を抑制する形状を含むようにすることで、上記構成と同様又はこれに準ずる効果を得ることができる。
なお、上記実施の形態では、本発明をトップリング２１に適用したが、これに限らず他のピストンリング（好ましくはコンプレッションリングとして機能するピストンリング）に本発明を適用することもできる。

本発明の一実施の形態であるピストンリングを備えた内燃機関の主要部を示す略図等。 同実施の形態のピストンリングの一部を拡大して示す平面図等。 同実施の形態のピストンリングの変形例について、その周方向の断面を示す図。 同実施の形態のピストンリングの変形例について、その周方向の断面を示す図。 従来のピストンリングを備えた内燃機関の主要部を示す略図等。 従来のピストンリングの一部を拡大して示す平面図等。

符号の説明

１ 内燃機関
１１ シリンダ
１１ａ シリンダ内壁
１２ ピストン
１２ａ ピストン頂面
１３ 燃焼室
２１ ピストンリング（トップリング）
２１ａ，２１ｂ 合口面
２１ｃ トップリングの外周面
２１ｄ，２１ｅ 切り欠き溝
２２，２３ ピストンリング
３０ 樹脂製部材
４０ 合口

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンの外周溝に装着される内燃機関のピストンリングであって、
   合口隙間を形成する当該ピストンリングの両端部で前記合口隙間を隔てて対峙する２つの面から、各端部の外周面に亘って形成され、ピストンリングの上下面には開口しない切り欠き溝と、
   各端部の切り欠き溝に両端を装着され前記シリンダの内壁に当接する樹脂製部材と、
   を有することを特徴とする内燃機関のピストンリング。
2. 前記シリンダの内壁に対峙する前記切り欠き溝底面と、前記底面に対峙する前記樹脂製部材の内周面とが、燃焼室側からクランクケース側に向かって拡径している
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストンリング。
3. 前記切り欠き溝のピストンリング周方向の断面は、開口部から溝底に向かって拡大し前記樹脂製部材の離脱を抑制する形状を含む
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関のピストンリング。

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