JP5108669B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンに装着されるピストンリングに関する。

ピストンリングは、その一部を切断した鋳鉄、鋼鉄等の材料で製造された弾力のあるリングであって、切断部を広げてピストンの外周面に形成したリング溝に嵌装され、ピストンとこれが挿入されるシリンダとの隙間を塞ぐ。
また、ピストンリングは、燃焼室の気密を保ちクランクケースへのガス漏れであるいわゆるブローバイガスを防いだり、ピストンが受けた熱をシリンダ壁に伝えたり、シリンダ壁を潤滑するオイルのうち余分なものを欠き落として燃焼室に入るのを防いだりする。
ピストンリングがこのような気密作用等を満足に奏するためには、常にシリンダ壁に密着していることが必要である。このため、ピストンリングは、これをシリンダに組み込んだときに、外側に張り広がる力（以下「張力」という。）が生じるように作られる。

この張力を得るために、ピストンリングは前記の如く一部を切断してある。ピストンリングの切断部分である合い口部は、わずかな隙間を確保した状態で突き合わされる。また、ピストンリングは、合い口部に存在する隙間の分だけ伸び縮んで合い口部の隙間の大きさに応じた張力を生み出す。
また、ピストンリングをピストンに嵌め込むときは、リングの合い口部を広げて行う。合い口部の形状には、ピストンリングの周方向に対して直角に切ったバット・ジョイント型、斜めに切ったアングル・ジョイント型、いわゆるステップカットしたステップ・ジョイント型などがある。そして、ピストン作動時における高熱状態の中でエンジン性能が低下しないように、合い口部の隙間から燃焼ガスが漏れないように作られる。

しかし、燃焼ガスは僅かずつでも合い口部の隙間から漏れてブローバイガスになる。合い口部の隙間が大き過ぎるとブローバイガスの量が多くなる。反対に小さ過ぎるとピストン作動時のピストンリングの熱膨張によって合い口部が接触してしまい張力が過大となり、ピストンリングの折損、ピストンリング溝やシリンダ壁をの損傷あるいはそれらに焼きつきを起こしたりするおそれがある。

例えば、特許文献１は、合い口部の隙間からのガス漏れを抑制する技術を開示している。特許文献１は、ピストンのリング溝にピストンの摺動方向に上下に２つのリングを重ね合わせ、上側リングの合い口部の隙間と下側リングの合い口部の隙間を調整することにより、ブローバイガスを低減する技術を開示している。

実公平６−１３４２１号公報

上記したように、ブローバイガスを低減する技術は従来から種々提案されているが、ブローバイガスを一層低減可能なピストンリングへの要請が存在する。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ブローバイガスを低減可能なピストンリングを提供することにある。

本発明に係るピストンは、ピストンの外周面に形成されたリング溝に上下方向に重ねて装着され、外周面がシリンダボアに当接する少なくとも２つのリングを合わせたピストンリングであって、前記２つのリングは、当該２つのリングの合い口部が重なり合わない状態では、ピストンの上下方向において、各合い口部の隙間を対応するリングで全面的に塞ぎ、当該２つのリングの合い口部が重なり合う状態では、ピストンの上下方向において、一方のリングの合い口部の隙間の少なくとも一部を他方のリングが塞ぎ、かつ、前記他方のリングの合い口部の隙間の少なくとも一部を前記一方のリングが塞ぐように形成されている、ことを特徴とする。

上記構成において、前記前記２つのリングの一方のリングは、その合い口部の外周側と内周側との間において隙間を閉じるために、合い口部の一部が互いに当接するように形成されている、構成を採用できる。

上記構成において、前記一方のリングは、その合い口部が、当該リングの半径方向において互いに当接する当接面をもつようにステップ状に形成されている、構成を採用できる。

上記構成において、前記一方のリングは、前記他方のリングの下側に配置されている、構成を採用できる。

上記構成において、前記２つのリングのうちの他方のリングは、その合い口部の対向面が当該リングの半径方向に対して傾斜するように形成されている、構成を採用できる。

上記構成において、前記２つのリングは、それぞれの合い口部の対向面が当該リングの半径方向に対して傾斜し、かつ、各リングの合い口部の対向面の傾斜方向が逆向きになるように形成されている、構成を採用できる。

上記構成において、前記２つのリングは、合い口部の対向面が当該リングの半径方向に対して傾斜するようにそれぞれ形成された同一形状の２つのリングが逆向きに重ね合わされている、構成を採用できる。
上記構成において、前記２つのリングのうち、少なくとも一方のリングは樹脂製である、構成を採用できる。

本発明によれば、ブローバイガスを一層低減可能なピストンリングが得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストンンリングを示しており、図１は本発明の一実施形態に係るピストンンリングが適用された内燃機関のピストン及びシリンダの一部を示す断面図、図２は上側リングと下側リングの構造を示す斜視図、図３及び図４は上側リングと下側リングの合い口部の構成を示す図である。

ピストン１０は、図１に示すように、その外周面に３つのリング溝１１,１３,１５が形成されており、リング溝１１には、ピストンリング２０が装着されている。また、リング溝１３にはセカンドリング４０が装着され、リング溝１５にはオイルリング５０が装着されている。

ピストンリング２０は、リング溝１１に上下方向に重ねて装着され、外周面がシリンダ３０のシリンダボア３１に当接する上側リング２１と下側リング２３とを合わせたもので構成される。

上側リング２１及び下側リング２３は、その一部を切断した鋳鉄、鋼鉄等の材料で製造された弾力のあるリングであって、切断部を広げてピストンの外周面に形成したリング溝に嵌装され、ピストン１０とこれが挿入されるシリンダボア３１との隙間を塞ぐ。尚、上側リング２１及び下側リング２３は、相互に連結されているわけではなく、これらの相対回転位置は使用中に変化し得る。

上側リング２１は、図２（Ａ）、図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示すように、切断部分である合い口部２１Ａ，２１Ｂを有し、合い口部２１Ａ，２１Ｂの対向面２１ｆが当該リング２１の半径方向に対して傾斜するように形成されている。傾斜角度は、本例では、４５度程度である。
合い口部２１Ａ，２１Ｂに形成される隙間ＣＬは、リング溝１１へ装着されていない状態では、図３に示すように比較的大きい状態であるが、リング溝１１へ装着されると共にシリンダボア３１に当接した状態では、図４（Ａ）に示すように、比較的小さくなる。

下側リング２３は、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、切断部分である合い口部２３Ａ，２３Ｂを有し、この合い口部２３Ａ，２３Ｂが当該リング２３の半径方向において互いに当接する当接面２３ｆをもつようにステップ状に形成されている。具体的には、下側リング２３は、リング溝１１へ装着されていない状態では、図３（Ｂ）に示すように、合い口部２３Ａ，２３Ｂが完全に離隔しているが、リング溝１１へ装着されると共にシリンダボア３１に当接した状態では、図４（Ｂ）に示すように、合い口部２３Ａ，２３Ｂにそれぞれ形成された当接面２３ｆが互いに当接すると共に、当接面２３ｆを間にして隙間ＣＬ１と隙間ＣＬ２とが形成される。合い口部２３Ａ，２３Ｂは、当接面２３ｆにおいて互いに当接することにより、リング２３の合い口部２３Ａ，２３Ｂの外周側と内周側との間において隙間ＣＬ１，ＣＬ２が閉じられる。

次に、図５及び図６は図１のＡ方向の透視図であって、図５は合い口部２１Ａ，２１Ｂとリング２３の合い口部２３Ａ，２３Ｂとが重なり合わない状態を示しており、図６は合い口部２１Ａ，２１Ｂとリング２３の合い口部２３Ａ，２３Ｂとが重なり合っている状態を示している。
尚、ピストン１０の上下方向における合い口部の重なり合いとは、合い口部２１Ａ，２１Ｂに形成される隙間ＣＬと、合い口部２３Ａ，２３Ｂに形成される隙間ＣＬ１又はＣＬ２との間に重なり合いが生じることを意味する。

図５に示すように、合い口部の重なり合いがない状態では、ピストン１０の上下方向において、合い口部２１Ａ，２１Ｂに形成される隙間ＣＬは下側リング２３により全面的に塞がれる。合い口部２３Ａ，２３Ｂに形成される隙間ＣＬ１，ＣＬ２は、上側リング２１により全面的に塞がれる。

図６に示すように、合い口部が重なり合った状態では、ピストン１０の上下方向において、合い口部２１Ａ，２１Ｂに形成される隙間ＣＬは領域Ｒ１及びＲ２を除き、下側リング２３によりに塞がれる。合い口部２３Ａ，２３Ｂに形成される隙間ＣＬ１，ＣＬ２は、領域Ｒ１及びＲ２を除き、領域上側リング２１によりに塞がれる。
尚、領域Ｒ１及びＲ２は、ピストン１０の上下方向において、隙間ＣＬと隙間ＣＬ１，ＣＬ２とが重なり合う領域であり、この領域Ｒ１及びＲ２の面積は、合い口部２１Ａ，２１Ｂの対向面２１ｆの傾斜角度が４５度のときに最小となる。
また、領域Ｒ１及びＲ２のうち、ガスが通過可能なのは、ピストン１６のランド面１６とシリンダボア３１との間に位置する領域Ｒ１である。

ここで、ブローバイガスの一般的な排出経路及び排出量について図９及び図１０を参照して説明する。
図９においては、リング溝１１０に単一のピストンリング１００が装着されており、ピストンリング１００は単純に切断したストレート状の合い口部（図示せず）を備えている。
ピストン１０の上方からのブローバイガスＢＧは、以下の３つのガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３に大別される。ガスＧ１は、ピストンリング１００の合い口部に形成される隙間を通過するガスである。ガスＧ２は、ピストンリング１００の上端面とリング溝１００の上面との間からリング溝１００内に侵入し、ピストンリング１００の内周面（背面）側に回り込み、ピストンリング１００の下端面とリング溝の下面を通過するガスである。ガスＧ３は、ピストンリング１００とシリンダボア３１との間を通過するガスである。

図１０はガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３の排出量を示す表であり、ブローバイガスＢＧの多くは合い口部の隙間を通過するガスＧ１及びピストンリングの背面側に回り込むガスＧ２であることがわかる。

次に、本実施形態に係るピストンリング２０の作用・効果について図７を参照して説明する。
図７に示すように、ガスＧ１は、上側リング２１の図示しない合い口部の隙間ＣＬに侵入する。しかし、この隙間ＣＬは、図５及び図６を参照して説明したように、合い口部の重なり合いがない状態では、隙間ＣＬは下側リング２３により全面的に塞がれているので、ガスＧ１が隙間ＣＬを通過するのを阻止できる。また、合い口部が重なり合う状態では、図６に示したように、隙間ＣＬのうちガスＧ１が通過可能な面積は、領域Ｒ１に狭小化されているので、ガスＧ１の通過量を大幅に削減できる。

ガスＧ２は、図７に示すように、下側リング２３の背面側に廻り込んだとき、下側リング２３の図示しない隙間ＣＬ１，ＣＬ２を通過しようとする。しかし、下側リング２３の合い口部２３Ａ，２３Ｂは、当接面２３ｆにおいて互いに当接することにより、隙間ＣＬ１，ＣＬ２が閉じられているので、ガスＧ２の通過が阻止される。

以上にように、本実施形態では、合い口部が重なり合わない状態では、ガスＧ１，Ｇ２の通過領域はほぼゼロとなり、ブローバイガスを大幅に低減でき、合い口部が重なる場合でも、ガスの通過面積は最小化されているので、ブローバイガスを低減できる。

図８は本実施形態によるブローバイガスの削減効果の一例を示す表である。
条件は、上側リング２１の合い口部の対向面２１ｆの傾斜角度を４５度、内燃機関が４気筒、１．８リットル、６０００ｒｐｍ／ＷＯＴとした。尚、ＷＯＴとはワイドオープンスロットル(Wide Open Throttole)のことであり、スロットルが大きく開かれた状態である。実施例のピストンリング２０と合い口部がストレート形状のピストンリングとを用いた場合のブローバス排出量を比較すると、約４２％程度ブローバイガスの排出量を削減できる。

図１１は本発明の他の実施形態に係るピストンリングを示す図である。尚、図１１において上記実施形態と同一構成部分には同一の符号を使用している。また、図１１は図１のＡ方向からピストンリングを見た図である。
図１１に示すピストンリングは、上記した下側リング２３に代えて、下側リング１２１を配置している。
上側リング２１は、上記したように、合い口部２１Ａ，２１Ｂの対向面２１ｆが当該リング２１の半径方向に対して傾斜している。

下側リング１２１は、合い口部１２１Ａ，１２１Ｂの対向面１２１ｆが当該リング１２１の半径方向に対して傾斜していると共に、傾斜方向が上側リング２１とは逆向きになっている。
また、下側リング１２１は、上側リング２１と同一形状に形成されており、ピストン１０に装着する際に逆向きに重ね合わされている。

このような構成とすることにより、上側リング２１と下側リング１２１の合い口部が重ならない状態では、ピストン１０の上下方向において、隙間ＣＬを全面的に塞ぐことができ、上側リング２１と下側リング１２１の合い口部が重なりあう状態では、ガスの通過面積を狭小化できる。
また、同じリングを上下にしようできるので、製造コストを低減できる。

図１２は本発明の他の実施形態に係るピストンリングを示す図である。尚、図１２において上記実施形態と同一構成部分には同一の符号を使用している。また、図１２は図１のＡ方向からピストンリングを見た図である。
図１２に示すリング２２１は、その合い口部２２１Ａ，２２１Ｂの対向面２２１ｆがリングの半径方向に対して傾斜していると共に、合い口部２２１Ａ，２２１Ｂの外周側と内周側との間において隙間ＣＬ１，ＣＬ２を閉じるために、合い口部２２１Ａ，２２１Ｂの一部が互いに当接する当接部ＣＴをもつように形成されている。当接部ＣＴにより、上記した下側リング２３のステップ状の合い口部２３Ａ，２３Ｂの当接面２３ｆと同様の作用・効果が奏される。

リング２２１は、上側リング及び下側リングのいずれにも使用可能である。また、上記した各上側リング、下側リングのいずれとも組み合わせ可能であり、さらに、リング２２１同士を上側リング及び下側リングとして使用し、図１１で説明したように、逆向きに重ね合わせることでブローバイガスの低減が可能である。

上記実施形態において、合い口部の形状をステップ状の場合と、傾斜面状とした場合とを例に挙げて説明したが、これに限定されるわけではなく、互いの隙間を塞ぐことができる形状であれば、必要に応じて種々の形態を採用可能である。

上記実施形態において、ステップ状に形成された合い口部をもつリングを下側リング２３としたが、これを上側リングにすることも可能である。また、この下側リング２３を逆向きに重ね合わせて上側リングとすることで、ステップ状に形成された合い口部をもつリング２３を上下に重ねて装着することも可能である。

上記実施形態においては、２つのリングを重ねて装着した場合について説明したが３つ以上のリングを重ねて装着することも可能である。
また、２つのピストンリングのうち、少なくとも一方のリングを樹脂製のリングにより形成することも可能である。セカンドリング及びオイルリングを樹脂製とすることも可能である。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミドイミド等の材料が挙げられる。樹脂製のピストンリングを採用することにより、軽量になり、慣性力が小さくなり、ボアに対する追従性が増す。その結果、ブローバイガスの発生量を低減できる。

本発明の一実施形態に係るピストンリングの正面図である。 上側リングと下側リングの斜視図である。 未装着時における上側リングと下側リングの合い口部の構成を示す図である。 装着時における上側リングと下側リングの合い口部の構成を示す図である。 合い口部が重ならない状態において、図１のＡ方向から上側リングと下側リングを見た透視図である。 合い口部が重さなり合う状態において、図１のＡ方向から上側リングと下側リングを見た透視図である。 本発明の一実施形態に係るピストンリングの作用を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に係るピストンリングのブローバイガス排出量の削減効果の一例を示す表である。 ブローバイガスの通過経路を説明するための図である。 ブローバイガスの通過経路毎の排出量の一例を示す表である。 本発明の他の実施形態に係るピストンリングを示す透視図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るピストンリングを示す図である。

符号の説明

１０…ピストン
２０…ピストンリング
２１…上側リング
２１Ａ，２１Ｂ…合い口部
２１ｆ…対向面
２３…下側リング
２３Ａ，２３Ｂ…合い口部
２３ｆ…当接面
３０…シリンダ
３１…シリンダボア
４０…セカンドリング
５０…オイルリング

Claims (8)

1. ピストンの外周面に形成されたリング溝に上下方向に重ねて装着され、外周面がシリンダボアに当接する少なくとも２つのリングを合わせたピストンリングであって、
   前記２つのリングは、当該２つのリングの合い口部が重なり合わない状態では、ピストンの上下方向において、各合い口部の隙間を対応するリングで全面的に塞ぎ、当該２つのリングの合い口部が重なり合う状態では、ピストンの上下方向において、隙間の重なりを小さくするために、一方のリングの合い口部の隙間の少なくとも一部を他方のリングが塞ぎ、かつ、前記他方のリングの合い口部の隙間の少なくとも一部を前記一方のリングが塞ぐように形成されている、
   ことを特徴とするピストンリング。
2. 前記２つのリングの一方のリングは、その合い口部の外周側と内周側との間において隙間を閉じるために、合い口部の一部が互いに当接するように形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記一方のリングは、その合い口部が、当該リングの半径方向において互いに当接する当接面をもつようにステップ状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のピストンリング。
4. 前記一方のリングは、前記他方のリングの下側に配置されている、ことを特徴とする請求項２又は３に記載のピストンリング。
5. 前記２つのリングのうちの他方のリングは、その合い口部の対向面が当該リングの半径方向に対して傾斜するように形成されている、ことを特徴とする請求項３又は４に記載のピストンリング。
6. 前記２つのリングは、それぞれの合い口部の対向面が当該リングの半径方向に対して傾斜し、かつ、各リングの合い口部の対向面の傾斜方向が逆向きになるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
7. 前記２つのリングは、合い口部の対向面が当該リングの半径方向に対して傾斜するようにそれぞれ形成された同一形状の２つのリングが逆向きに重ね合わされている、ことを特徴とする請求項６に記載のピストンリング。
8. 前記２つのリングのうち、少なくとも一方のリングは樹脂製である、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のピストンリング。

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