JP4446841B2 - オイルリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンのピストンリング溝に装着されるオイルリングに関する。

内燃機関は、シリンダ内で吸入空気と燃料とを混合させた混合気を燃焼させ、このときの爆発力をピストンを介して取り出している。ピストンは、シリンダ内で往復運動する。図４に示されるように、このピストン１０１には、シリンダとピストン１０１とによって形成される燃焼室の気密性を保持するためや、シリンダ内周面に適切な潤滑油膜を形成してシリンダ内周面とピストンリングの摩耗を少なくすると共に、余分な潤滑油を掻き落とす等の機能を有するピストンリング１０２〜１０４が装着されている。

ピストンリング１０２〜１０４は、通常、一つのピストン１０１に三つ取り付けられる。１０２、１０３は、コンプレッションリング（圧力リング）と呼ばれ最も上方のピストンリングはトップリング１０２と呼ばれ、その下方に位置するリングはセカンドリング１０３と呼ばれる。これらコンプレッションリングは、主として気密性を確保するためのものである。セカンドリングは潤滑油のコントロール機能も有している。これに対して、最も下方のオイルリング１０４は、ピストン１０１の下降時にシリンダ内面の余分なオイルを掻き取り、適切な潤滑油膜を形成し燃焼室でオイルが燃えて消費されてしまうのを抑止する役割を主としている。

オイルリングの形態にはいくつかあるが、図４に挙げたものは、いわゆる２ピースタイプのものである。この２ピースタイプのオイルリングの一部拡大斜視図を図５に示す。このタイプのオイルリングでは、主として上下レール１０４ａの背面側に配置されたコイルスプリング１０４ｂの復元力でリング張力を発生させて、上下レール１０４ａをシリンダ内面に押しつけている。上下レール１０４ａは、その上下にオイルを掻き取る突起１０４ｃが全周にわたって形成されている。また、一対の突起１０４ｃの間にはオイル戻し用の孔１０４ｄが、周方向に一定間隔毎に形成されている。
特開２００４−３５７４号公報

このような、内燃機関の中でもピストンリングにおいては、シリンダライナ（ボア）との摺動におけるフリクションの低減による燃費の向上が求められている。具体的に、フリクションを低減させるためには、ピストンリング張力を下げることが有効である。オイルリングの対応としては、張力の低下に伴いシリンダ内周面に接するピストンリングの接触面積を小さくする薄幅化が進んでいる。オイルリングは圧力リングに比べオイル掻き落とし機能を持たせるため、さらに接触幅を小さくすることで、接触面積を小さくし面圧を上げ、シール性、オイル掻き取り性を向上させている。

但し、張力を下げすぎるとピストンリングのシール性が十分にできなく、オイルシール性が悪くなってしまう。特許文献１には、フリクション低減手段としてエンジンの低負荷状態では低張力になるようにし、高負荷状態すなわち、エンジンの回転数が高くなり温度が上昇した際、高張力としてオイルコントロール性を維持するようにした、二重のコイルエキスパンダを有するピストンリングについての開示がある。

この技術では、低温時にはリングを拡径方向に押圧するマスターエキスパンダと、形状記憶合金からなり高温時にリングを拡径方向に押圧するサブエキスパンダにより張力を可変させている。このようなエキスパンダの内部にエキスパンダをセットした二重エキスパンダでは、張力を高める形状記憶合金に対しコイル線材を厚くし、更に巻き径を大きくしなければならず、ピストンリングの薄幅化に対しては対応ができない問題があった。

本発明では、コイルエキスパンダを二重にしない方法で、オイルリングの薄幅化に対応できるピストンリングを提供することである。

請求項１に記載のオイルリングは、内燃機関のシリンダ内周面と摺動する上下レールを有するオイルリング本体と、このオイルリング本体を背面からシリンダ内周面に向けて付勢する拡張リングとからなる。そして、拡張リングが、一つの第一コイルと、第一コイルを上下から挟み込むように配設された一対の第二コイルとからなり、各第二コイルの巻き径が第一コイルの巻き径よりも小さい。また、前記第一コイルと前記第二コイルとが互いに変態温度の異なる形状記憶合金によってそれぞれ形成されており、前記第一コイルの方が変態温度が高い。なお、ここに言う背面とは、オイルリングの内周側の面を言う。また、ここに言う上下とは、オイルリング（コイル）の円によって規定される面の表裏に対応する。

また、請求項２に記載のオイルリングは、内燃機関のシリンダ内周面と摺動する上下レールを有するオイルリング本体と、このオイルリング本体を背面からシリンダ内周面に向けて付勢する拡張リングとからなる。そして、拡張リングが、一つの第一コイルと、上下レールを有するオイルリング本体の上下面に形成された溝内に収納された一対の第二コイルとからなり、各第二コイルの巻き径が第一コイルの巻き径よりも小さい。なお、ここに言う背面とは、オイルリングの内周側の面を言う。また、ここに言う上下面とは、オイルリング（コイル）の円によって規定される面の表裏に対応する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のオイルリングにおいて、第一コイルと第二コイルとが互いに変態温度の異なる形状記憶合金によってそれぞれ形成されており、第一コイルの方が変態温度が高いことを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のオイルリングにおいて、第一コイルの張力が、一対の第二コイルの各張力を合わせた合成張力よりも小さいことを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載のオイルリングにおいて、一対の第二コイルのうち、ピストンスカート側の第二コイルの張力の方が、ピストンクラウン側の第二コイルの張力よりも大きいことを特徴としている。

請求項１に記載のオイルリングによれば、第一コイルでオイルリング本体をシリンダ内面に押圧する。このとき、第一コイルの張力が上下レールに対して与える力はオイルリング本体の厚さ方向のほぼ中央付近となる。さらに、一対の第二コイルによって第一コイルの上方と下方からもオイルリング本体をシリンダ内面に対して押圧させる。このため、オイルリング本体は、その背面側から厚さ方向に均等に押圧され、オイルリングの倒れが有効に防止される。また、ここで、一対の第二コイルが第一コイルを上下から挟み込むことになるため、第一リングの位置ズレが防止され、また、同時に各第二コイルも第一コイルによってその位置ズレが防止され、より確実に（リング張力の変動を抑止して）上下レールをシリンダ内周面に押しつけることができる。一対の第二コイルで第一コイルを挟み込
むには、第二コイルの巻き径が大きいとオイルリングが大型化してピストンリング軸方向幅が増加する為ピストンの重量増加を招く。この点からも、第二コイルの径は第一コイルの径よりも小さくする必要がある。また、請求項１に記載のオイルリングによれば、変態温度の異なる形状記憶合金を用いて、内燃機関の低負荷（低回転：低温）時にはオイルリングのシリンダ内壁への押圧力を低めとし、高負荷（高回転：高温）時には押圧力を高くし、かつ、その過程における押圧力の変化を最適化することができる。この結果、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時におけるシール性向上によるオイル消費抑制／ブローバイ抑制とを両立させることができる。ここでは、巻き径の大きな第一コイルの変態温度を高くしている。変態温度の高い形状記憶合金は巻き径を小さくすることが難しいため、このように構成することで、オイルリングの構築を容易にすることができる。

請求項２に記載のオイルリングによれば、第一コイルでオイルリング本体をシリンダ内面に押圧する。このとき、第一コイルの張力がオイルリング本体に対して与える力はオイルリング本体の厚さ方向のほぼ中央付近となる。さらに、上下レールを有するオイルリング本体の上下面に形成された溝内に収納された一対の第二コイルによって第一コイルの上方と下方からもオイルリング本体をシリンダ内周面に対して押圧させる。このため、オイルリング本体は、その背面側からピストンリング軸方向に均等に押圧され、オイルリングの倒れが有効に防止される。

請求項３に記載のオイルリングによれば、変態温度の異なる形状記憶合金を用いて、内燃機関の低負荷（低回転：低温）時にはオイルリングのシリンダ内壁への押圧力を低めとし、高負荷（高回転：高温）時には押圧力を高くし、かつ、その過程における押圧力の変化を最適化することができる。この結果、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時におけるシール性向上によるオイル消費抑制／ブローバイ抑制とを両立させることができる。ここでは、巻き径の大きな第一コイルの変態温度を高くしている。変態温度の高い形状記憶合金は巻き径を小さくすることが難しいため、このように構成することで、オイルリングの構築を容易にすることができる。

請求項４に記載のオイルリングによれば、第一コイルの張力を一対の第二コイルの各張力を合わせた合成張力よりも小さくしている。即ち、第二コイルによる押圧が主、第一コイルによる押圧を従とし、第二コイルによるサイドレールの姿勢維持をより確実に行うようにできる。特に、請求項３の構成を備えている場合、変態温度の高い形状記憶合金は巻き径を小さくしにくいだけでなく高い張力を得ることが難しいため、このように構成することで、オイルリングの構築を容易にすることができる。

請求項５に記載のオイルリングによれば、一対の第二コイルのうち、ピストンスカート側の第二コイルの張力の方が、ピストンクラウン側の第二コイルの張力よりも大きくされているため、ピストン下降時にレールの下側をより強くシリンダ内面に押圧させてより確実にエンジンオイルの掻き取りを行うことができる。この結果、オイル消費を低減することができる。

第一発明のオイルリングの実施形態（第一実施形態）について以下に説明する。図１に、第一実施形態のオイルリング１ａの断面図を示す。第一実施形態のオイルリング１ａは、上述した図４及び図５に記載の２ピースタイプのオイルリングに準じるものであり、オイルリング本体２と拡張リング（第一コイル３及び一対の第二コイル４）とからなる。なお、図示されていないが、オイルリング本体２や拡張リング３，４に合い口があるのは通常のオイルリングと同様である。

オイルリング本体２は、従来のものと変わりなく、その外周側の上下にオイルを掻き取るレール部２ａが全周にわたって形成されていると共に、内周側には拡張リング３，４を収納する溝が全周にわたって形成されている。また、一対のレール部２ａの間には、外周側から内周側にかけてオイル戻し用のオイルリング窓２ｂが、周方向に一定間隔毎に貫通形成されている。

本実施形態の拡張リング３，４は、変態温度の異なる形状記憶合金で形成されている。ここでは、第一コイル３の方が巻き径が大きく、巻き径の小さい一対の第二コイル４が第一コイル３を上下から挟み込んでいる。第一コイル３と第二コイル４との巻きピッチはほぼ一致するようになされており、図１に示されるように、第一コイル３と第二コイル４とは、互いに相手側にその一部を入り込ませている。このため、第一コイル３と第二コイル４とは一体的に周方向に移動する。この結果、第一コイル３及び第二コイル４が一体的に周方向に移動するため、これらと接触するオイルリング本体２も周方向に回転しやすくなる。オイルリング本体２が周方向に回転することで、オイルリング１ａとシリンダ内面との接触位置が常に変化し、オイルリング１ａとシリンダ内面との摩耗が均一化され、気密性やオイル掻き取り性能が向上する。

また、主として、拡張リング３，４の弾性復元力によってオイルリング１ａのリング張力が生じる（オイルリング本体２によっても一部張力は発生する）が、第一コイル３及び第二コイル４は形状記憶合金で構成されるため変態温度の前後でリング張力が変化する。第一コイル３による張力と、一対の第二コイル４の合成張力と、これらのすべてを合わせた合成張力との関係を図２に示す。なお、最終的なリング張力は、この合成張力とオイルリング本体２自体によってもたらされる張力との和となる。

図２に示されるように、第一コイル３を構成する形状記憶合金の変態温度の方が第二コイル４を構成する形状記憶合金の変態温度よりも高くされている。また、二つの第二コイル４による合成張力の方が第一コイル３による張力よりも大きくなっている。拡張リング３，４の張力のレベルは、線径、巻き径、巻きピッチなどによって決まる。さらに、変態温度の前後で巻き径や巻きピッチなどの形状が変わるので張力が変わる。

一般に、変態温度の前後で形状を変える形状記憶合金としては、既に公知の２元系合金（Ｎｉ−Ｔｉ系）のものと３元系合金（Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系）のものとがある。３元系の方が変態温度が高いが、硬くて脆いという特性を有している。このため、コイル状にするときに巻き径を小さくすることが技術的に難しい。そこで、本実施形態では、第一コイル３を比較的高温での変態温度を有する３元系の形状記憶合金とし、一対の第二コイル４を比較的低温での変態温度を有する２元系の形状記憶合金としている。このようにすれば、第一コイル３を無理なく形成することができる。

また、本実施形態では、オイルリング本体２の上下、即ち、実際にオイルの掻き取りやシリンダ内面（＝ボア面）との間の気密性を確保するレール部２ａをオイルリング本体２の背面から確実にシリンダ内面側に押しつけることで、オイル掻き取り性能と気密性能を確実に得ることができる。また、オイルリング本体２の上下を押圧することでオイルリング本体２の倒れを起こさせにくくでき（＝ボア面への追従性を向上させ）、倒れによるオイル掻き取り性能／気密性能の悪化を抑止することもできる。

一般に、２元系の形状記憶合金の方が３元系の形状記憶合金よりも横弾性係数が大きく、張力を大きくすることができるが、本実施形態では、この一対の第二コイル４が２元系の形状記憶合金で構成されるため、上述したオイルリング本体２上下部分のシリンダ内面への押圧や倒れ防止の観点から都合がよい。このように、第一コイル３の張力を一対の第二コイル４の合成張力よりも小さくすることで、第二コイル４による押圧が主、第一コイル３による押圧を従とし、第二コイル４によるサイドレールの姿勢維持をより確実に行うようにしている。

さらに、ここで、一対の第二コイル４のうち、図１に示す下面側（ピストンスカート側）の第二コイル４の張力を、ピストンクラウン側の第二コイル４の張力よりも大きくしても良い。このようにすれば、ピストン下降時にオイルリング本体２の下側をより強くシリンダ内面に押圧させることで、より確実にエンジンオイルの掻き取りを行ってオイル消費を低減することができる。

上述したように、オイルリングには、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時におけるシール性向上によるオイル消費抑制／ブローバイ抑制との両立も要求される。このことを考えた場合、拡張リング３，４の合成張力として要求される特性は、図２中に点線で示したようになる。要求されるリング張力は、低温（低負荷：低回転）時には小さく、温度（負荷：回転）の上昇に伴って大きくなる。

本実施形態のように、変態温度の異なる二つの形状記憶合金を組み合わせて用いることで、図２に示されるように、拡張リング３，４の合成張力を要求特性にほぼ一致させている。これによって、低温時の燃費向上と高温時のオイル消費抑制やブローバイ抑制を両立させることができる。また、低温時にはリング張力が相対的に低下されることとなるが、これによって、上述した燃費向上の他に、冷間始動時におけるフリクション低減による始動性向上という利点も実現することができる。

第二発明のオイルリングの実施形態（第二実施形態）について以下に説明する。図３に、第二実施形態のオイルリング１ｂの断面図を示す。第二実施形態のオイルリング１ｂも、上述した２ピースタイプのオイルリングに準じるものであり、オイルリング本体２と拡張リング（第一コイル３及び一対の第二コイル４）とからなる。図示されていないが、オイルリング本体２や拡張リング３，４に合い口があるのも上述したものと同様である。以下、上述した第一実施形態と同一又は同等の構成部分には、同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。

ただし、オイルリング本体２の上下面に沿って、全周にわたって第二コイル収納溝２ｃが形成されている（合い口部のみで途切れる）。その他の部分に関しては従来及び第一実施形態のサイドレールと大きく変わるところはない。本実施形態においても、拡張リング３，４は、変態温度の異なる形状記憶合金で形成されている。ここでも、第一コイル３の方が巻き径が大きく、一対の第二コイル４の方が巻き径が小さい。第一コイル３による張力と、一対の第二コイル４の合成張力と、これらのすべてを合わせた合成張力との関係は、ここでも図２のようになる。図２に示されるように、第一コイル３を構成する形状記憶合金の変態温度の方が第二コイル４を構成する形状記憶合金の変態温度よりも高くされている。また、第二コイル４による合成張力の方が二つの第一コイル３による張力よりも大きくなっている。

本実施形態でも、第一コイル３を比較的高温での変態温度を有する３元系の形状記憶合金とし、一対の第二コイル４を比較的低温での変態温度を有する２元系の形状記憶合金としており、第一コイル３を無理なく形成することができる。本実施形態では、各第二コイル収納溝２ｃに収納された一対の第二コイル４によって、レール部２ａをオイルリング本体２の背面から確実にシリンダ内面側に押しつけることで、オイル掻き取り性能と気密性能を確実に得ることができる。また、サイドレールの上下を押圧することでオイルリング本体２の倒れを起こさせにくくでき、倒れによるオイル掻き取り性能／気密性能の悪化を抑止することもできる。

また、張力の大きな第二コイル４による押圧が主、第一コイル３による押圧を従とし、第二コイル４によるサイドレールの姿勢維持をより確実に行うようにしている。本実施形態においても、一対の第二コイル４のうち、ピストンスカート側の第二コイル４の張力を、ピストンクラウン側の第二コイル４の張力よりも大きくすれば、ピストン下降時にオイルリング本体２の下側をより強くシリンダ内面に押圧させることで、より確実にエンジンオイルの掻き取りを行ってオイル消費を低減することができる。

さらに、上述したように、本実施形態においても、第一コイル３と一対の第二コイル４とは、互いに異なる変態温度を持つ形状記憶合金でそれぞれ構成されている。これによって、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時におけるシール性向上によるオイル消費抑制／ブローバイ抑制との両立も実現している。低温時にリング張力が相対的に低下されることで、上述した燃費向上の他に、冷間始動時におけるフリクション低減による始動性向上という利点を実現することができるのも上述した実施形態と同様である。

本発明（第一発明）のオイルリングの第一実施形態を示す断面図である。 各拡張リングのリング張力及びそれらの合成張力と温度との関係を示すグラフである。 本発明（第二発明）のオイルリングの第二実施形態を示す断面図である。 ピストンとピストンリングを示す断面図である。 従来の２ピースタイプのオイルリングの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ…オイルリング、２…オイルリング本体、２ａ…レール部、２ｂ…オイルリング窓、２ｃ…第二コイル収納溝、３…第一コイル（拡張リング）、４…第二コイル（拡張リング）。

Claims (5)

1. 内燃機関のシリンダ内周面と摺動する上下レールを有するオイルリング本体と、該オイルリング本体を背面から前記シリンダ内周面に向けて付勢する拡張リングとからなるオイルリングにおいて、
   前記拡張リングが、一つの第一コイルと、該第一コイルを上下から挟み込むように配設された一対の第二コイルとからなり、
   各第二コイルの巻き径が前記第一コイルの巻き径よりも小さく、前記第一コイルと前記第二コイルとが互いに変態温度の異なる形状記憶合金によってそれぞれ形成されており、前記第一コイルの方が変態温度が高いことを特徴とするオイルリング。
2. 内燃機関のシリンダ内周面と摺動する上下レールを有するオイルリング本体と、該オイルリング本体を背面から前記シリンダ内周面に向けて付勢する拡張リングとからなるオイルリングにおいて、
   前記拡張リングが、一つの第一コイルと、前記上下レールを有するオイルリング本体の上下面に形成された溝内に収納された一対の第二コイルとからなり、
   各第二コイルの巻き径が前記第一コイルの巻き径よりも小さいことを特徴とするオイルリング。
3. 前記第一コイルと前記第二コイルとが互いに変態温度の異なる形状記憶合金によってそれぞれ形成されており、前記第一コイルの方が変態温度が高いことを特徴とする請求項２に記載のオイルリング。
4. 前記第一コイルの張力が、一対の前記第二コイルの各張力を合わせた合成張力よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のオイルリング。
5. 一対の前記第二コイルのうち、ピストンスカート側の前記第二コイルの張力の方が、ピストンクラウン側の前記第二コイルの張力よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のオイルリング。

Images