JP4778429B2 - 内燃機関のピストンのための油かきリング−リング溝−アッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンのための油かきリング−リング溝−アッセンブリであって、平行な側面を備えたディスクが設けられており、該ディスクの走行面が、ディスクの周囲にわたって延在する頂点線を備えた、凸曲面状の非対称の形状を有しており、ディスクが、ピストンの、ピストントップとは反対側のリング溝側面とピストントップ側のリング溝側面とを備えたリング溝内に配置されている形式のものに関する。

過度に多くのエンジンオイルが燃焼室に侵入することは高いオイル消費の他にエンジンのエミッション特性に対するネガティブな影響をも結果として伴うので、このことを回避するために、シリンダ壁に対する半径方向の押し付け、ひいては良好な油かき作用を生ぜしめるための、油かきリングの十分な接線方向力が必要である。ただし、このことはスチールディスクの走行面における高い面圧、ひいてはエンジン運転中の高い摩擦を生ぜしめる。この摩擦損失は内燃機関の効率を悪化させ、その結果として燃料消費を上昇させる。油かきリングの接線方向力の設計はそれゆえ常に最小の摩擦と最大の油かき作用との間の妥協の産物である。接線方向力を減じることなくエンジンの運転中の摩擦を減じるすべての手段はそれにより油かきリングの設計を簡単化するもしくはエンジンの効率を改善する。

それに応じて、上位概念を成す油かきリングのために、ディスクの走行面を、前記要求が満たされるように成形する試みがなされてきた。

油かきリングもしくはピストンリングの非対称の走行面はドイツ連邦共和国特許出願公開第３８３３３２２号明細書、ドイツ連邦共和国特許第４３００５３１号明細書またはドイツ連邦共和国特許第４４２９６４９号明細書から公知である。やはりドイツ連邦共和国特許第３３０５３８５号明細書から公知のピストンリングはピストンのリング溝内に配置されており、そのリング溝側壁が、改善されたシールを保証するために、有利には平行に、ただしピストン軸線に対して傾いて延びている。傾いて延びる互いに平行に方向付けられたリング溝側壁は実開昭５７−７３３４０号公報からも公知である。これらの前記実施形態はただしコンプレッションリングに関するものであり、コンプレッションリングの、面圧に関する要求はきわめて低い。それに対して油かきリングは高い面圧を要求する。

本発明の課題は、公知の背景技術に対して、油かき作用の改善と油かきリングの走行面の摩擦の減少および磨耗の減少とを達成する、内燃機関のピストンのための油かきリング−リング溝−アッセンブリを提供することである。

この課題は、少なくとも一方のリング溝側面がピストン軸線に対して角度を成して半径方向外側に向かってピストン外径まで傾いて延びており、その際有利には、ピストントップとは反対側のリング溝側面がピストントップから離反するように傾いて配置されている油かきリング−リング溝−アッセンブリにより解決される。ディスクの走行面は、ならし運転されたエンジン状態における磨耗に近い最終輪郭に相当するように形成されており、油かきリングがピストンに組み付けられた状態で、走行面の頂点線は、ピストントップとは反対側のリング溝側面に向かって配置されている。

ディスクの走行面は、背景技術に比べて強く減じられたふくらみ（クラウニング）を有する非対称の傾きにより特徴付けられる。その際、走行面輪郭はほぼ２次の多項式により説明されることができる。

本発明の別の構成では、両リング溝側面がピストン軸線に対して角度を成して半径方向外側に向かってピストン外径まで傾いて配置されており、ピストントップとは反対側のリング溝側面がピストントップから離反するように傾いて、かつピストントップ側のリング溝側面がピストントップに向かって傾いて延びている。

本発明による走行面構成と、本発明により構成されたリング溝内でのディスクの配置とにより、ピストンのストローク運動に依存して、より好適な流体力学的な条件により、油かきリングの摩擦の減少が接線方向力の減少なしに達成される。その際、油かき機能はピストンのストローク運動の交番に伴って完全に維持される。摩擦の減少がエンジンの効率の改善を生ぜしめるか、または摩擦レベルが不変ならば接線方向力の上昇により油かき特性が改善されることができる。

従来慣用の油かきリングアッセンブリに対して、それにより、拡開ばねが省略されることができる。その結果、製作手間および製作費用は低下されることができる。さらに、背景技術によるリングセットに比して、リングセット全体の軸方向の高さの減少が実現可能である。

本発明の有利な構成は従属請求項の対象である。

本発明の実施例について以下に図面を参照しながら説明する。
図１：ピストンが燃焼室から離れる方向でストローク運動している際の、本発明による油かきリング−リング溝−アッセンブリの横断面図である。
図２：ピストンが図１とは逆の方向でストローク運動している際の、本発明による油かきリング−リング溝−アッセンブリの横断面図である。
図３：２つの油かきリングを備えた油かきリング−リング溝−アッセンブリの横断面図である。
図４：本発明による油かきリングの斜視図である。
図５：油かきリング−リング溝−アッセンブリの第２の構成の横断面図である。
図６：油かきリング−リング溝−アッセンブリの第３の構成の横断面図である。

図１および図２から見て取れるように、油かきリング−リング溝−アッセンブリは、平行な側面と走行面ｈとを備えた１つのディスク１から成っている。ディスク１はピストン９のリング溝７内に配置されており、その走行面ｈでもってエンジンのシリンダ壁８に向かって方向付けられている。リング溝側面５はリング溝７のピストントップ側の面であり、リング溝側面６はピストントップとは反対側の面である。本発明により、ピストントップ側のリング溝側面５はピストン軸線１０に対して９０°の角度を成して方向付けられて配置されている。その際、ピストントップとは反対側のリング溝側面６は８５°〜８７°の角度βの下でピストン外周面まで延びている。

この油かきリング−リング溝−アッセンブリでは、ディスク１は、ディスクの周面にわたって延在する頂点線３を備えた、凸曲面状に非対称に成形された走行面ｈを有している。その際、頂点線３は、シリンダ壁８と接触するエッジとして、油かきのために役立つ。図１によれば、ディスク１はピストンに組み付けられた状態で、その頂点線３（エッジ）がピストントップとは反対側のリング溝側面６に向かって方向付けられているように配置されている。図４に示すように、半径方向のプリロードを高めるために、リング合口１１が閉鎖されていることができる。その際、油かきリングは相応に半径方向で構成されたスリット２を有している。

本発明により、ディスクの走行面ｈは、エンジン運転中の数１００時間のならし運転プロセスに相当する形状を有している。この形状は、ディスク１の走行面ｈが横断面で見て、第１の区分（Ｉ）で、ｈ（ｘ）＝ａｘ＋ｂｘ^２（ただし、ｘはデカルト座標系におけるｍｍ単位の走行面座標であり、ａ，ｂは係数である。係数ａはディスクの軸方向の側面遊びとディスクの幅との比により定義され、係数ｂは走行面曲率の値として定義される。）により表される２次の多項式の非対称の形状に従い、エッジとして構成された支持する頂点（ＩＩ）ｈ（ｘ＝０）の後、第３の区分（ＩＩＩ）で、関数ｈ（ｘ）＝ｃｘ^２（ただし、ｃはｂの倍数として定義される。）の非対称の形状に従うことにより特徴付けられている。例えば０．４ｍｍの厚さを有するディスクでは、値ｈ（ｘ）＝３５ｘ＋５０ｘ^２である。それにより、図１および図２に応じて示した、ｍｍ単位の走行面座標ｘとμｍ単位のふくらみｈ（ｘ）とを有する横断面曲線が得られる。この多項式の係数が固有の応用事例に合わせて調整され得ることは明らかである。その際、ここでの主要なパラメータはシリンダ直径、ディスク横断面の寸法およびリング溝における組み付けられた油かきリングの軸方向の遊び比である。本発明による走行面ｈの典型的なふくらみは、背景技術による構成が３〜１５μｍ／０．１５ｍｍであるのに対して、約２〜１０μｍ／０．４ｍｍである。

図３に示した別の実施例によれば、第１のディスク１の隣に、第２のディスク１′（両者はルーズにその側面でもって互いに積み上げられている。）が、ディスク高さに合わせて適合されたリング溝底高さＨを有するリング溝７内に配置されている。その結果、有利には８５°〜８７°の角度βが、ピストン軸線と、ピストントップとは反対側のリング溝側面６との間に生じる。この実施例では両頂点線３，３′（エッジ）がピストントップ側のリング溝側面５から離反するように配置されている。

図５に示した別の実施例によれば、リング溝７のピストントップ側のリング溝側面５はピストントップに向かって角度αの下で傾いて構成されている。または図６に示すように、両リング溝側面５，６はピストン軸線１０に対して角度α，βの下で半径方向外側に向かってピストン外径まで傾いて配置されている。それにより、ピストントップとは反対側のリング溝側面６はピストントップから離れるように傾き、かつピストントップ側のピストン溝側面５はピストントップに向かって傾くように延びている。角度αはこの場合有利には９３°〜９８°であり、角度βは第１の実施例で説明したように有利には８５°〜８７°である。

機能的に、本発明により改善された油かき作用は、ディスクの走行面ｈにシリンダ軸線方向で作用する摩擦力が、ディスクを皿状に反らせるトルクを生ぜしめることにより提供されている。このことが可能であるのは、V字形のリング溝７の構成がディスクの軸方向での運動をとりわけ内側の台架で阻止し、それに対して、外側の台架で明らかに大きな軸方向の運動振幅が可能であるからである。摩擦力、ひいてはトルクは、ピストンのストローク方向に依存して符号を切り替える。摩擦力の高さがなお速度に依存しているので、このことは皿状の反りの絶え間ない変化を結果として伴い、「ダイナミック・ツイスト（ｄｙｎａｍｉｓｃｈｅｓ Ｔｗｉｓｔｅｎ）」と呼ばれる。このダイナミック・ツイストにより、図１に示すように、燃焼室から離間するストローク運動、すなわち下降行程時に、ピストントップ側の溝側面に当て付けられたディスクが、走行面の非対称の傾きと相俟って、良好な油かき作用（エッジ支持：線接触）を生ぜしめるのに対し、図２に示すように、ディスクのその都度別の位置は、走行面の所定のふくらみに基づいて、改善された流体力学を上昇行程時に有している（フェース支持：面接触）（区分Ｉ）。それによりこのディスクにおける摩擦は減じられる。このディスクはツイストされた状態でより悪い油かき作用を有している。ストローク方向の変化は、ディスクの、その都度別の位置への折り返しを生ぜしめる。

油かきリングをエンジンのシリンダに組み付ける際、ディスクの正しい位置での方向付けが留意されねばならない。このことは例えば、一方のディスク側面のカラーマークにより保証されることができる。

走行面形状もしくは走行面輪郭の製作は例えばラッピングにより実施されることができる。

ピストンが燃焼室から離れる方向でストローク運動している際の、本発明による油かきリング−リング溝−アッセンブリの横断面図である。 ピストンが図１とは逆の方向でストローク運動している際の、本発明による油かきリング−リング溝−アッセンブリの横断面図である。 ２つの油かきリングを備えた油かきリング−リング溝−アッセンブリの横断面図である。 本発明による油かきリングの斜視図である。 油かきリング−リング溝−アッセンブリの第２の構成の横断面図である。 油かきリング−リング溝−アッセンブリの第３の構成の横断面図である。

符号の説明

１，１′ ディスク、油かきリング
２ スリット
３，３′ 頂点線（エッジ）
５ ピストントップ側のリング溝側面
６ ピストントップとは反対側のリング溝側面
７ リング溝
８ シリンダ壁
９ ピストン
１０ ピストン軸線
１１ 合口、口幅
ｈ，ｈ′ 走行面
Ｈ リング溝の溝底高さ

Claims (6)

1. 内燃機関のピストンのための油かきリング−リング溝−アッセンブリであって、平行な側面を備えたディスク（１）が設けられており、該ディスク（１）の走行面（ｈ）が、ディスクの周囲にわたって延在する頂点線（３）を備えた、凸曲面状の非対称の形状を有しており、ディスクが、ピストンの、ピストントップとは反対側のリング溝側面（６）とピストントップ側のリング溝側面（５）とを備えたリング溝（７）内に配置されている
   形式のものにおいて、
   少なくとも一方のリング溝側面（５，６）がピストン軸線（１０）に対して角度（α，β）の下で半径方向外側に向かってピストン外径まで傾いて延びており、
   ディスク（１）の走行面（ｈ）が、ならし運転されたエンジン状態における磨耗に近い最終輪郭に相当するように形成されており、油かきリング（１）がピストンに組み付けられた状態で、走行面（ｈ）の頂点線（３）が、ピストントップとは反対側のリング溝側面（６）に向かって配置されており、
   ディスク（１）の走行面（ｈ）が横断面で見て、
   −第１の区分（Ｉ）で、ｈ（ｘ）＝ａｘ＋ｂｘ ^２ により表される２次の多項式の非対称の形状に従い
   （ただし、ｘはデカルト座標系におけるｍｍ単位の走行面座標、係数ａはディスクの軸方向の側面遊びとディスクの幅との比を表す係数、係数ｂは走行面曲率の値を表す係数）、
   −エッジとして構成された支持する頂点（ＩＩ）ｈ（ｘ＝０）の後、
   −第３の区分（ＩＩＩ）で、関数ｈ（ｘ）＝ｃｘ ^２ （ただし、ｃはｂの倍数）の非対称の形状に従う
   ことを特徴とする、内燃機関のピストンのための油かきリング−リング溝−アッセンブリ。
2. ピストントップとは反対側のリング溝側面（６）が角度（β）の下でピストントップから離反するように傾いて延びており、角度βが８５°〜８７°の値を有する、請求項１記載の油かきリング−リング溝−アッセンブリ。
3. ピストントップ側のリング溝側面（５）が角度（α）の下でピストントップに向かって傾いて延びており、角度αが９３°〜９８°の値を有する、請求項１記載の油かきリング−リング溝−アッセンブリ。
4. 溝底高さ（Ｈ）を有するリング溝（７）内に、２つのディスク（１，１′）がルーズに重なり合わせに位置するように配置されており、溝底高さ（Ｈ）が、角度（β）が請求項２記載のアッセンブリに応じた値を取るように構成されている、請求項１記載の油かきリング−リング溝−アッセンブリ。
5. 両頂点線（３，３′）がピストントップとは反対側のリング溝側面（６）に向かって配置されている、請求項４記載の油かきリング−リング溝−アッセンブリ。
6. 内燃機関のピストンのための油かきリング−リング溝−アッセンブリであって、平行な側面を備えたディスク（１）が設けられており、該ディスク（１）の走行面（ｈ）が、ディスクの周囲にわたって延在する頂点線（３）を備えた、その都度１つの凸曲面状の非対称の形状を有しており、ディスク（１）が、ピストンの、ピストントップとは反対側のリング溝側面（６）とピストントップ側のリング溝側面（５）とを備えたリング溝（７）内に配置されている
   形式のものにおいて、
   リング溝側面（５，６）がピストン軸線（１０）に対してその都度１つの角度（α，β）の下で半径方向外側に向かってピストン外径まで傾いて配置されており、ピストントップとは反対側のリング溝側面（６）がピストントップから離反するように傾いて、かつピストントップ側のリング溝側面（５）がピストントップに向かって傾いて延びており、
   ディスク（１）の走行面（ｈ）が、ならし運転されたエンジン状態における磨耗に近い最終輪郭に相当し、かつ
   油かきリング（１）がピストンに組み付けられた状態で、走行面（ｈ）の頂点線（３）が、ピストントップとは反対側のリング溝側面（６）に向かって配置されており、
   ディスク（１）の走行面（ｈ）が横断面で見て、
   −第１の区分（Ｉ）で、ｈ（ｘ）＝ａｘ＋ｂｘ ^２ により表される２次の多項式の非対称の形状に従い
   （ただし、ｘはデカルト座標系におけるｍｍ単位の走行面座標、係数ａはディスクの軸方向の側面遊びとディスクの幅との比を表す係数、係数ｂは走行面曲率の値を表す係数）、
   −エッジとして構成された支持する頂点（ＩＩ）ｈ（ｘ＝０）の後、
   −第３の区分（ＩＩＩ）で、関数ｈ（ｘ）＝ｃｘ ^２ （ただし、ｃはｂの倍数）の非対称の形状に従う
   ことを特徴とする、内燃機関のピストンのための油かきリング−リング溝−アッセンブリ。

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