JP4906619B2

JP4906619B2 - ピストンとピストンリングの組合せ

Info

Publication number: JP4906619B2
Application number: JP2007187786A
Authority: JP
Inventors: 政男石田
Original assignee: TPR Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-07-19
Also published as: JP2009024574A; EP2017506A2; EP2017506A3; EP2017506B1; US20090020006A1; US7963212B2

Description

本発明は、自動車用エンジンのピストンとピストンリングの組合せに関する。

自動車用エンジンの高出力化、排ガス対応及び低燃費の要求から、ピストンリングにおいては、ガスシールやオイルコントロール機能の向上及び低フリクションであることが求められている。低フリクション化への対応として、オイルリングの薄幅化による追従性の向上、低張力化によるフリクションの低減が進められている。オイルリングには上下レールが独立している３ピースタイプの組合せオイルリングと、上下レールがウェブで連結されて一体となった２ピースタイプの組合せオイルリングが多く使用されている。どちらの組合せオイルリングもエキスパンダによりレール部をシリンダボア内壁に押し付け、その面圧によりシリンダボアに付着しているオイルを掻き落とし、油膜のコントロールを行っている。

コイルエキスパンダを背面に持つ２ピースタイプの組合せオイルリングは、バネ定数が低く、摩耗による張力減退も小さく、減退を見込んだ初期張力を小さく設定できるため、フリクションの低減に有利である。

しかしながら、従来の２ピースタイプの組合せオイルリングは、一般的にオイルリング本体が２本のレールを持ち、レール間にオイル孔を有する構造であるため、幅寸法を薄くしていくと、オイル孔が小さくなり、オイル通路が狭くなるとともに孔加工が困難になる問題がある。このため、薄幅化による追従性の向上には限界があった。

特許文献１では、外周に２本のレールを持つオイルリングのレール間に半径方向に貫通するオイル窓がなく、そのオイルリングを装着するピストンのリング溝の下面にピストンを貫通しない程度に半径方向に延びる溝が形成されているピストン用オイルリングが提案されている。オイル窓がないことで、リング側面の精度向上と、リングを薄幅化した時の強度確保、及びオイル窓からのオイル逆流防止が図られている。また、リング溝の下面にピストンを貫通しない程度に半径方向に延びる溝を形成することで、オイルリング背面の圧力を低減し、オイルリングの外周摩耗の低減を図るとともに、カーボンスラッジの堆積を防止している。

特許文献２では、セカンドリングとオイルリングの間のピストンランド部に段付部を形成し、段付部とピストン内部空間とを連通するオイル戻し孔を形成したピストンが提案され、セカンドリングは合口のない樹脂製リングとされている。合口のない樹脂製リングを使用することにより、ブローバイの低減を図り、段付部とオイル戻し孔により、余分なオイルがクランクケースに戻され、オイル消費の低減を図っている。

特許文献３では、オイルリング本体にオイル戻し窓がなく、オイルリング本体の外周中央部に突出した１本のレールを有する組合せオイルリングと、リング溝の下面部にオイル戻し通路を備えたピストンが提案されている。これにより、ピストン上昇行程時のオイル掻き上げ作用の抑制と、ピストン下降行程時のオイル掻き作用の増幅によるオイル消費の低減が図られている。

特許文献４では、セカンドランド部に径方向に陥没し、上下溝に開口する切欠部を形成したピストン構造が提案されている。切欠部が周方向において部分的であるため、オイルリングの姿勢を維持しながら、セカンドランド部とシリンダ壁面の間の空間を充分に確保し、オイルリングによるオイル掻き性能を適正に維持し、オイル消費の低減を図っている。

特許文献５では、断面コ字形の環状体の内周面及び合い口に面する両端部を閉塞するとともに、ピストンに設けたオイル戻し孔と連絡する連通孔を底板に設けたピストンリングが提案されている。これにより、ガス漏れ防止機能とオイル掻き機能を効果的に達成することを図っている。

特開平０４−０７８３７５号公報特開平１１−２３６８５３号公報特開平０９−１９６１７２号公報特開平０５−２８０４１７号公報特公昭４７−０２０６５３号公報

しかしながら、特許文献１では、オイルリングを薄幅化した場合、レール間も狭くなり、また、オイル窓がないことから上レールで掻き落としたオイルを逃がす空間を充分に確保できない。このため、油圧の増加により、オイルの上方への逆流をきたす問題がある。特許文献２では、セカンドリング及びオイルリングとも２本のレールを持っており、薄幅化は困難である。特許文献３，４，５では、ピストンの最下リング溝の上下面に形成されて外周に開口するオイル通路溝と、最下リング溝の直上のリング溝の下面に形成されて外周に開口するオイル通路溝の構成は示されていない。

本発明の目的は、ピストンリングの薄幅化を図れ、かつ、オイル消費の低減を図れるピストンとピストンリングの組合せを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、外周に複数のリング溝を持つピストンと前記リング溝に装着されるピストンリングの組合せにおいて、ピストンの最下リング溝の上下面にそれぞれ外周に開口するオイル通路溝を有し、最下リング溝の直上のリング溝の下面に外周に開口するオイル通路溝を有し、前記最下リング溝の上面に形成されたオイル通路溝、及び最下リング溝の直上のリング溝の下面に形成されたオイル通路溝が、ピストンの内部空間に連通しておらず、最下ピストンリングの重量がその直上のピストンリングの重量と等しいか小さく、これらのピストンリングの背面にそれぞれエキスパンダを有することを特徴とする。

ピストンの最下リング溝とその直上のリング溝との間のランド部外周に、前記両リング溝に形成されたオイル通路溝を連通する軸方向のオイル通路溝を有することが好ましい。この軸方向のオイル通路溝は、その断面積が、最下リング溝側よりもその直上のリング溝側の方が小さいことが望ましい。

本発明は次のように構成することもできる。すなわち、外周に複数のリング溝を持つピストンと前記リング溝に装着されるピストンリングの組合せにおいて、ピストンの最下リング溝とその直上のリング溝との間のランド部に、前記両リング溝を連通し外周に開口するオイル通路溝を有し、ピストンの最下リング溝の下面に外周に開口するオイル通路溝を有し、前記両リング溝を連通し外周に開口するオイル通路溝が、ピストンの内部空間に連通しておらず、最下ピストンリングの重量がその直上のピストンリングの重量と等しいか小さく、これらのピストンリングの背面にそれぞれエキスパンダを有することを特徴とする。

前記最下リング溝の下面に形成されたオイル通路溝は、ピストンの内部空間に連通していないか、あるいはピストンの内部空間に連通している。

以上のピストンとピストンリングの組合せにおいて、最下リング溝の上面とそのリング溝内の最下ピストンリング上面との軸方向隙間が、その直上のリング溝の上面とそのリング溝内のピストンリング上面との軸方向隙間よりも大きいことが好ましい。

また、ピストンリングが外周全周にわたる１つの環状突起を有していることが好ましい。

また、ピストンリングの外周のシリンダと摺動する面が平坦面又はテーパ面に形成されていることが好ましい。

また、最下ピストンリングとその直上のピストンリングの合口位置が円周方向に９０度以上ずれ、さらに両リングの回り止め構造を有していることが好ましい。

また、前記エキスパンダは、円周方向に間隔を置いて複数のハンプを有する板ばねや、軸方向波型のエキスパンダ、半径方向波型のエキスパンダ、あるいはコイルエキスパンダが使用される。

本発明は上記の構成により、オイル通路溝により油圧の増加を防止できるため、オイルの上方への流れを防止できてオイル消費の低減を図ることができる。更には、オイル戻し孔を設ける必要がなく、ピストンリングを薄幅化できるため、シリンダ壁面に対する追従性を向上でき、オイル掻き性能を向上できて、オイル消費を低減できる。また、最下ピストンリングの重量は、その直上のピストンリングの重量と等しいか小さくされているので、エンジンの無負荷運転時等に慣性力によってピストンリングがリング溝内を上下運動する場合、ピストン下降時に、最下ピストンリングの直上のピストンリングの方がリング溝の下面に着座しやすくなるため、両リング溝間のピストンランド部のオイルが上方に漏れることが防止され、最下リング溝の上面に形成されたオイル通路溝、最下ピストンリング背面の空間、及び最下リング溝の下面に形成されたオイル通路溝などを通ってクランクケースに戻ることができ、オイル消費を低減できる。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。

ピストン１は外周に複数のリング溝を有している。図１は、最下リング溝２とその直上のリング溝３を図示している。しかしながら、これらのリング溝２，３の上方には図１では図示していないが、セカンドリング溝やトップリング溝などのリング溝が一つ以上、ピストン１の外周に形成されており、それらのリング溝内にピストンリングが装着されている。

ピストン１の最下リング溝２にはピストンリング４が装着されており、ピストンリング４の背面にこのピストンリング４を半径方向外方に押圧するコイルエキスパンダ５が装着されている。ピストンリング４は、略矩形断面を有する本体の外周における上下方向中央部に外周全周にわたって突出した１本の環状突起４ａを有し、内周にはコイルエキスパンダ５が接触する円弧状の内周溝を有している。環状突起４ａは先端に向かって上下幅が狭くなる断面形状を有し、シリンダ６と摺動する先端面は平坦面に形成されている。

最下リング溝２の下面には、円周方向に等間隔をおいて半径方向に延びるオイル通路溝７が複数形成されている。オイル通路溝７は外周側が外周に開口し、内周側はピストン１の内部空間８まで貫通しない程度にリング溝底よりも内側に延び、リング溝より先は穴形状となっている。最下リング溝２の上面にも同様にオイル通路溝９が形成されている。すなわち、オイル通路溝９は外周側が外周に開口し、内周側はピストン１の内部空間８まで貫通しない程度にリング溝底よりも内側に延び、リング溝より先は穴形状となっている。オイル通路溝７，９はドリル加工や鋳抜きで形成できる。

最下リング溝２の直上のリング溝３にはピストンリング１０が装着されており、ピストンリング１０の背面にこのピストンリング１０を半径方向外方に押圧するコイルエキスパンダ１１が装着されている。ピストンリング１０は、略矩形断面を有する本体の外周における上下方向中央部に外周全周にわたって突出した１本の環状突起１０ａを有し、内周にはコイルエキスパンダ１１が接触する円弧状の内周溝を有している。環状突起１０ａは先端に向かって上下幅が狭くなる断面形状を有し、シリンダ６と摺動する先端面は平坦面に形成されている。

最下リング溝２の直上のリング溝３の下面には、円周方向に等間隔をおいて半径方向に延びるオイル通路溝１２が複数形成されている。オイル通路溝１２は外周側が外周に開口し、内周側はピストン１の内部空間８まで貫通しない程度にリング溝底よりも内側に延び、リング溝より先は穴形状となっている。

したがって、最下ピストンリング４でシリンダ６壁面から掻き落とされたオイルは、ピストン１外周とシリンダ６内壁との隙間を通ってクランクケースに戻される。また、最下ピストンリング４の直上のピストンリング１０でシリンダ６壁面から掻き落とされたオイルは、最下ピストンリング４の合い口隙間や、最下リング溝２の上面に形成されたオイル通路溝９、最下ピストンリング４背面の空間、及び最下リング溝２の下面に形成されたオイル通路溝７を通り、ピストン１外周とシリンダ６内壁との隙間を通ってクランクケースに戻される。この際、最下リング溝２に形成されたオイル通路溝７，９やその直上のリング溝３のオイル通路溝１２によって、オイルの油圧増加を防止できるため、オイルの上方への流れを防止できてオイル消費の低減を図ることができる。また、最下リング溝２の上面に形成されたオイル通路溝９及びその直上のリング溝３の下面に形成されたオイル通路溝１２は、ピストン１の内部空間８まで貫通していないので、オイルがピストン１の内部空間８からオイル通路溝９，１２を通ってピストン外周側に流れ込むことがないため、オイル消費の増加を防止できる。

最下ピストンリング４とその直上のピストンリング１０は、外周に１つの環状突起４ａ，１０ａを有することで、ピストンリング４，１０の面圧を高くでき、オイル消費の低減が図られる。また、オイルの油圧増加を防止でき、オイル消費の低減を図れる。更に、最下ピストンリング４とその直上のピストンリング１０は、薄幅化することができるため、各ピストンリング４，１０のシリンダ６壁面に対する追従性を向上でき、オイル掻き性能を向上でき、オイル消費を低減できる。

最下ピストンリング４の重量は、その直上のピストンリング１０の重量と等しいか小さくされている。このように構成することで、エンジンの無負荷運転時等に慣性力によってピストンリング４，１０がリング溝２，３内を上下運動する場合、ピストン１下降時に、最下ピストンリング４の直上のピストンリング１０の方がリング溝３の下面に着座しやすくなるため、両リング溝２，３間のピストンランド部のオイルが上方に漏れることが防止され、最下リング溝２の上面に形成されたオイル通路溝９、最下ピストンリング４背面の空間、及び最下リング溝２の下面に形成されたオイル通路溝７などを通ってクランクケースに戻ることができ、オイル消費を低減できる。

なお、最下ピストンリング４とその直上のピストンリング１０の合口位置が円周方向に９０度以上ずれ、さらに両リング４，１０の回り止め構造を有するように構成することが好ましい。このように構成することで、合口位置からのオイル上がりを遅らせることができるため、加減速運転時のオイル消費を低減できる。

図２は本発明の別の実施形態を示している。本実施形態は、ピストン１の最下リング溝２とその直上のリング溝３との間のランド部外周に、両リング溝２，３に形成されたオイル通路溝９，１２を連通する軸方向のオイル通路溝１３を円周方向に等間隔をおいて複数形成したもので、他の構成は上記実施形態と同じである。

上記構成とすることで、最下ピストンリング４の直上のピストンリング１０がシリンダ６壁面から掻き落としたオイルの油圧増加を更に防止できるとともに、オイルのクランクケース側への戻りが良くなり、オイル消費の低減を一層図れる。

図３は本発明の更に別の実施形態を示している。本実施形態は、最下リング溝２の下面に形成されたオイル通路溝７をピストン１の内部空間８と連通するようにピストン１の内部空間８まで貫通させたもので、他の構成は前記実施形態と同じである。

上記構成とすることで、最下ピストンリング４がシリンダ６壁面から掻き落としたオイルのクランクケース側への戻りが良くなる。

図４は本発明の更に別の実施形態を示している。本実施形態は、ピストン１の最下リング溝２とその直上のリング溝３との間のランド部外周に、両リング溝２，３に形成されたオイル通路溝９，１２を連通する軸方向のオイル通路溝１３を円周方向に等間隔をおいて複数形成し、軸方向のオイル通路溝１３の断面積を、最下リング溝２側よりもその直上のリング溝３側の方を小さくし、最下リング溝２の下面に形成されたオイル通路溝７をピストン１の内部空間８と連通するようにピストン１の内部空間８まで貫通させたもので、他の構成は前記実施形態と同じである。

軸方向のオイル通路溝１３の断面積が上記のように構成されているので、最下ピストンリング４の直上のピストンリング１０がシリンダ６壁面から掻き落としたオイルのクランクケース側への戻りが良くなり、オイル消費の低減を一層図れる。

図５は本発明の更に別の実施形態を示している。本実施形態は、前記実施形態における最下リング溝２の上面とその直上のリング溝３の下面に形成したオイル通路溝９，１２に代えて、ピストン１の最下リング溝２とその直上のリング溝３との間のランド部に、両リング溝２，３を連通し半径方向に延びるオイル通路溝１４を形成したもので、他の構成は前記実施形態と同じである。オイル通路溝１４は、ピストン１円周方向に等間隔をおいて複数形成されており、外周側が外周に開口し、内周側はピストン１の内部空間８まで貫通しない程度にリング溝底よりも内側に延び、リング溝より先は穴形状となっている。

上記構成とすることで、ピストン１の軸方向長さを小さくすることができる。

図６は本発明の更に別の実施形態を示している。本実施形態は、最下リング溝２の上面とそのリング溝２内の最下ピストンリング４の上面との軸方向隙間ｂが、その直上のリング溝３の上面とそのリング溝３内のピストンリング１０の上面との軸方向隙間ａよりも大きく形成されているもので、他の構成は前記実施形態と同じである。

上記構成とすることで、エンジンの無負荷運転時等に慣性力によってピストンリング４，１０がリング溝２，３内を上下運動する場合、ピストン１下降時に、最下ピストンリング４の直上のピストンリング１０の方がリング溝３の下面に着座しやすくなるため、両リング溝２，３間のピストンランド部のオイルが上方に漏れることが防止され、最下リング溝２の上面に形成されたオイル通路溝９、最下ピストンリング４背面の空間、及び最下リング溝２の下面に形成されたオイル通路溝７などを通ってクランクケースに戻ることができるので、オイル消費の低減を一層図れる。

図７は本発明の更に別の実施形態を示している。本実施形態は、最下ピストンリング４とその直上のピストンリング１０が外周に環状突起を有していない矩形断面リングで、他の構成は前記実施形態と同じである。

なお、以上の実施形態では、ピストンリング４，１０のシリンダ６壁面と摺動する先端面が平坦面であるものを示したが、これに限ることはなく、例えばテーパ面などに形成することもできる。

また、最下リング溝２の上面に形成されるオイル通路溝９、最下リング溝２の直上のリング溝３に形成されるオイル通路溝１２、ならびに両リング溝２，３を連通し半径方向に延びるオイル通路溝１４は、ピストン１の内部空間８と連通しないようにするのが好ましいが、最下リング溝２の下面に形成されるオイル通路溝７はピストン１の内部空間８と連通させるか、連通しないようにするかは適宜選択されればよい。

また、以上の実施形態では、エキスパンダとしてコイルエキスパンダを使用したが、これに限られることはなく、円周方向に間隔を置いて複数のハンプを有する板ばねや、軸方向波型のエキスパンダ、半径方向波型のエキスパンダなどを用いることもできる。

本発明の一実施形態を示す縦断面図である。本発明の別の実施形態を示す縦断面図である。本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。本発明の更に別の実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１ピストン
２，３リング溝
４，１０ピストンリング
４ａ，１０ａ環状突起
５，１１コイルエキスパンダ
６シリンダ
７，９，１２，１４オイル通路溝
８ピストン内部空間
１３軸方向オイル通路溝
ａ，ｂ軸方向隙間

Claims

外周に複数のリング溝を持つピストンと前記リング溝に装着されるピストンリングの組合せにおいて、ピストンの最下リング溝の上下面にそれぞれ外周に開口するオイル通路溝を有し、最下リング溝の直上のリング溝の下面に外周に開口するオイル通路溝を有し、前記最下リング溝の上面に形成されたオイル通路溝、及び最下リング溝の直上のリング溝の下面に形成されたオイル通路溝が、ピストンの内部空間に連通しておらず、最下ピストンリングの重量がその直上のピストンリングの重量と等しいか小さく、これらのピストンリングの背面にそれぞれエキスパンダを有することを特徴とするピストンとピストンリングの組合せ。
ピストンの最下リング溝とその直上のリング溝との間のランド部外周に、前記両リング溝に形成されたオイル通路溝を連通する軸方向のオイル通路溝を有することを特徴とする請求項１記載のピストンとピストンリングの組合せ。
前記軸方向のオイル通路溝の断面積が、最下リング溝側よりもその直上のリング溝側の方が小さいことを特徴とする請求項２記載のピストンとピストンリングの組合せ。
外周に複数のリング溝を持つピストンと前記リング溝に装着されるピストンリングの組合せにおいて、ピストンの最下リング溝とその直上のリング溝との間のランド部に、前記両リング溝を連通し外周に開口するオイル通路溝を有し、ピストンの最下リング溝の下面に外周に開口するオイル通路溝を有し、前記両リング溝を連通し外周に開口するオイル通路溝が、ピストンの内部空間に連通しておらず、最下ピストンリングの重量がその直上のピストンリングの重量と等しいか小さく、これらのピストンリングの背面にそれぞれエキスパンダを有することを特徴とするピストンとピストンリングの組合せ。
前記最下リング溝の下面に形成されたオイル通路溝がピストンの内部空間に連通していないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のピストンとピストンリングの組合せ。
前記最下リング溝の下面に形成されたオイル通路溝がピストンの内部空間に連通していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のピストンとピストンリングの組合せ。
最下リング溝の上面とそのリング溝内の最下ピストンリング上面との軸方向隙間が、その直上のリング溝の上面とそのリング溝内のピストンリング上面との軸方向隙間よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のピストンとピストンリングの組合せ。
ピストンリングが外周全周にわたる１つの環状突起を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のピストンとピストンリングの組合せ。
ピストンリングの外周のシリンダと摺動する面が平坦面又はテーパ面に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のピストンとピストンリングの組合せ。
最下ピストンリングとその直上のピストンリングの合口位置が円周方向に９０度以上ずれ、さらに両リングの回り止め構造を有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のピストンとピストンリングの組合せ。
前記エキスパンダが、円周方向に間隔を置いて複数のハンプを有する板ばね、軸方向波型のエキスパンダ、半径方向波型のエキスパンダ、あるいはコイルエキスパンダであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のピストンとピストンリングの組合せ。