JP5833867B2

JP5833867B2 - ピストン

Info

Publication number: JP5833867B2
Application number: JP2011190397A
Authority: JP
Inventors: 森　修; 修森
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: JP2013053640A

Description

本発明は、ピストンリングが装着されるピストンに関する。

エンジンは、クランクケース内に回転自在に装着されるクランク軸と、シリンダ内を直線往復動するピストンとを有している。ピストンはコネクティングロッドによりクランク軸に連結されており、燃焼ガスによるピストンの往復動によってクランク軸は回転駆動される。ピストンの外周面には複数のリング溝が形成され、それぞれのリング溝にはピストンリングが装着される。ピストンリングは燃焼ガスをシールするとともにクランク室内の潤滑油を掻き落とす機能を有し、さらにピストンの熱をシリンダに伝達する役割を有している。

ピストンに燃焼ガスをシールするために装着されるピストンリングは、コンプレッションリングと言われている。一方、潤滑油を掻き落とすために装着されるピストンリングは、オイルリングと言われている。コンプレッションリングを２つピストンに装着する場合には、ピストンの頂面側のリングがトップリングと言われ、これよりもコネクティングロッド側のリングはセカンドリングと言われており、オイルリングはセカンドリングに隣り合って装着される。大型ディーゼルエンジンでは、コンプレッションリングが３つ装着される場合があり、第３番目のコンプレッションリングはサードリングと言われる。このように、通常のピストンには３つのピストンリングが装着されるタイプと、２つのピストンリングが装着されるタイプとがある。

ピストンリングは一定長さの金属棒により環状に形成されており、両端面は合い口部を介して対向することになる。ピストンリングに合い口部が設けられていると、燃焼室内のブローバイガスが合い口部を通ってクランク室に流出したり、クランク室内の潤滑油が燃焼室に流入し易くなる。そこで、合い口部を有することなく環状に一体となったピストンリングが特許文献１〜３に記載されるように開発されている。

特開２００９−２４５３０号公報特許３２４４３９６号公報特開平８−３１２７８１号公報

特許文献１には、環状に一体となった合成樹脂のバンドリングが記載されており、バンドリングをリング溝に装着するには、バンドリングを径方向外方に広げるように弾性変形させる必要があり、熱膨張によりシリンダの内周面に押圧させるようにしている。特許文献２には、環状に一体となった合成樹脂リングをエキスパンドリングによって径方向外方に押圧するようにし、合成樹脂リングとエキスパンドリングの間に弾性リングを配置するようにしたピストンリングが記載されている。さらに、特許文献３には、Ｕ字形状に折り曲げるようにした合成樹脂リングが記載されており、シリンダに接触する摺動面に曲げ応力を発生させることにより耐摩耗性を高めるようにしている。

それぞれの特許文献に記載されるように、ピストンリングを環状に連なった一体型とすると、合い口が設けられていないので、その部分を介してブローバイガスがクランク室に流出したり、潤滑油が燃焼室に向けて流入したりすることを防止することができる。しかしながら、特許文献１に記載されるバンドリングのように、径方向に広げるようにしてバンドリングをリング溝内に装置するタイプにあっては、バンドリングをシリンダの内周面に強い押圧力で摺動接触させることができない。熱膨張で密着させるようにしており、エンジン温度の低い状態ではシール機能を果たすことができない。

特許文献２に記載されるように、ピストンリングを合成樹脂リングとエキスパンドリングと弾性リングの３部品構成とすると、シリンダの内周面に対する押圧は極めて微量の熱膨張に依存するので、それぞれの部品の寸法管理が難しく、製造コストを高めることになる。さらに、特許文献３に記載されるピストンリングにおいては耐摩耗性を向上するために補強繊維を配合する必要があり、低コストでピストンリングを製造することができない。

しかも、一体となったピストンリングであってもピストンリングをシリンダの内面つまりシリンダボアに摺動接触させるには、ピストンリングを径方向外方に滑り移動できるようにリング溝内に収容する必要があるため、ピストンリングとリング溝との間には僅かではあるが、隙間を設けることになる。このため、ピストンリングとピストンとの間のシール性の向上には限度がある。

本発明の目的は、シリンダの内周面とのシール性を高めることができるエンジン用のピストンを提供することにある。

本発明の他の目的は、ピストンリングとピストンとの間のシール性を高めるようにしたピストンリングを提供することにある。

本発明のピストンは、エンジンのシリンダ内を軸方向に往復動し、燃焼ガスによる往復動によってクランク軸を回転させるピストンであって、頂面側の外周面に第１のリング溝が形成され、スカート部側の外周面に第２のリング溝が形成されたピストン本体と、前記第１のリング溝に装着されるコンプレッションリングとしてのピストンリングと、前記第２のリング溝に装着されるオイルリングとしてのピストンリングとを有し、前記オイルリングとしてのピストンリングは、それぞれ環状に連なった内周面、外周面および側面を有し断面が四辺形の弾性体からなり、前記側面が円錐面となるように前記内周面を径方向外方に拡径する一方、前記外周面を径方向内方に縮径して前記第２のリング溝に装着される環状部材を有し、前記第２のリング溝の底面に接触する内側シール部を前記環状部材の内周面隅部に形成し、シリンダの内周面に接触する外側シール部を前記環状部材の外周面隅部に形成することを特徴とする。

本発明のピストンは、前記第２のリング溝が前記第１のリング溝よりもピストンの頂面側から離れる側に設けられることを特徴とする。本発明のピストンは、前記環状部材をフッ素樹脂により形成することを特徴とする。本発明のピストンは、前記外側シール部を前記内側シール部よりもクランク室側に配置することを特徴とする。

本発明においては、ピストンリングは内側シール部がリング溝の底面に接触し、外側シール部がシリンダの内周面に接触するので、ピストンリングとリング溝の底面との間を通ってブローバイガスや潤滑油が流れることを防止できる。これにより、ピストンとシリンダとの間のシール性を向上させることができ、エンジンの耐久性を向上させることができる。

内周面と外周面と側面とを有する断面四辺形の環状部材を弾性変形することにより内側シール部と外側シール部とを有するピストンリングとすることができるので、ピストンリングを低コストで製造することができる。

本発明の一実施の形態であるピストンを示す断面図である。図１におけるＡ部の拡大断面図である。図１に示されたピストンリングを示す要部拡大断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）はピストンリングのピストン本体への組み付け方法を示す工程図である。本発明の他の実施の形態であるピストンに装着されるピストンリングを示す要部拡大断面図である。それぞれ本発明の他の実施の形態であるピストンの一部を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、ピストン１０はアルミ合金製のピストン本体１１を有している。ピストン本体１１にはピストンピン孔１２が形成され、ピストンピン孔１２に嵌合されるピストンピン１３によりコネクティングロッド１４の一端部がピストン本体１１に連結される。ピストン１０はエンジンのシリンダ１５に形成されたシリンダボア内に軸方向に往復動自在に組み込まれており、ピストン１０の往復動によって、コネクティングロッド１４によりピストン１０に連結される図示しないクランク軸が回転駆動される。ピストン本体１１の頂面１６側が燃焼室１７であり、スカート部１８側がクランク室１９である。

図１に示すピストン本体１１の外周面には２つのリング溝２１，２２が形成されている。リング溝２１はコンプレッションリング用の溝であり、頂面１６とリング溝２１との間はランド部２４ａとなっている。リング溝２２はオイルリング用の溝であり、リング溝２１とリング溝２２との間はランド部２４ｂとなっている。

リング溝２１にはコンプレッションリングとしてのピストンリング２６が装着されている。このピストンリング２６は、両端面が合い口部を介して対向するように、一定の長さの金属素材により環状に形成されている。金属素材としては、ばね鋼、ステンレス鋼、球状黒鉛鋳鉄等が使用されている。図２に示されるように、ピストンリング２６の外周面は円弧形状に湾曲しており、ピストンリング２６が径方向に摺動できるように、リング溝２１の径方向面とピストンリング２６の側面との間には、隙間２７が設けられ、リング溝２１の底面とピストンリング２６の内周面との間には隙間２８が設けられている。ただし、ピストンリング２６の外周面をテーパ形状としても良い。

リング溝２２にはオイルリングとしてのピストンリング３１が装着されている。このピストンリング３１は、断面が四辺形の弾性体からなる環状部材３２により形成されている。環状部材３２は、図４（Ａ）（Ｂ）に示されるように、環状に連なった内周面３３と外周面３４と両側の側面３５，３６を有し断面が四辺形つまり矩形となっている。図示する環状部材３２の素材としては、４フッ化エチレン重合体（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂が使用されている。

図４（Ａ）に示すように環状に連なった形状に形成された環状部材３２は、図４（Ｃ）に示すように弾性変形させてリング溝２２に装着される。環状部材３２は、図４（Ｂ）において矢印で示すように、内周面３３を径方向外方に拡径する一方、外周面３４を径方向内方に縮径することにより、図４（Ｃ）に示すように両方の側面３５，３６が円筒面に近い円錐面となるようにして弾性変形される。環状部材３２の断面形状は、側面３５，３６の寸法が内周面３３と外周面３４の軸方向寸法よりも大きな長方形となっており、長辺となっている側面３５，３６が円筒形状に近い円錐面となるように、環状部材３２を弾性変形すると、環状部材３２は「ハ」の字形状となる。これにより、弾性変形前の一方の側面３５は円錐面としての外側の側面となり、ピストンリングのすべり面を形成する。変形前の他方の側面３６は円錐面としての内側の側面となる。これにより、図３に示すように、内周面３３と内側の側面３６とが交差する内周面隅部に内側シール部４１が形成され、外周面３４と外側の側面３５とが交差する外周面隅部に外側シール部４２が形成される。

図４に示すように、ピストンリング３１は図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、断面四辺形の環状部材３２を成形する工程と、環状部材３２を図４（Ｃ）に示すように、円錐形に弾性変形する工程とによって、内側シール部４１と外側シール部４２とを有するピストンリング３１を簡単に低コストで製造することができる。

内側シール部４１は、図３に示すように、オイルリングとしてのピストンリング３１をリング溝２２に装着すると、リング溝２２の底面に線接触する。外側シール部４２は、図３に示すように、ピストンリング３１が装着された状態のピストン１０をシリンダ１５に組み込むと、シリンダ１５の内周面に線接触することになる。これにより、環状部材３２の弾性力によって、内側シール部４１は、図３において矢印で示すように、径方向内方に向けてリング溝２２の底面を押圧するように接触し、外側シール部４２は径方向外方に向けてシリンダ１５の内周面に押圧するように接触する。

図２に示されるように、外側シール部４２は内側シール部４１よりもクランク室１９側に配置されている。これにより、ピストン１０が図２において下方に移動する際には、上方に移動する際よりも、くさび効果が少ないため、外側シール部４２とシリンダ１５の内周面の間にある潤滑油を掻き落とすことになる。外周面３４と内側の側面３６とが交差する部分はリング溝２２の径方向面と当接する当接部４３となっており、内周面３３と外側の側面３５とが交差する部分はリング溝２２の反対側の径方向面と当接する当接部４４となっている。それぞれの当接部４３，４４とリング溝２２の上下の径方向面とピストンリング３１との間には円滑にピストンリング３１がリング溝２２内で弾性変形するように、僅かに隙間が形成されている。このため、クランク室１９内のブローバイガスと潤滑油がリング溝２２の底面に混入することがあるが、内側シール部４１がリング溝２２の底面に接触しているので、この部分からブローバイガスと潤滑油がピストンリング２６に向けて流れ込むことが防止される。

このように、ピストン１０の駆動時にピストンリング３１をリング溝２２の内部で弾性変形させつつ、ピストンリング３１の内側シール部４１がリング溝２２の底面に線接触するので、ピストンリング３１とリング溝２２との間のシール性を高めることができる。これにより、エンジン用のピストン１０における燃焼室１７とクランク室１９との間のシール性を高めることができ、エンジンの耐久性向上を図ることができる。しかも、ピストンリング３１の形状はシンプルであり、低コストで製造することができる。

図５は本発明の他の実施の形態であるピストンを示す断面図であり、ピストンのうち図３と同様の部分を示す。

図５に示すピストンリング３１は、図３に示す場合と相違して、外側シール部４２が内側シール部４１よりも燃焼室１７側となるようにリング溝２２内に配置されている。これにより、ピストン１０が図５において上方に移動する際には、下方に移動する際よりも、外側シール部４２はシリンダ１５の内周面に強く押圧されるように摺動接触することになる。このように、ピストンリング３１の配置形態としては、図３に示すように外側シール部４２をクランク室１９側に配置する形態と、図５に示すように燃焼室１７側に配置する形態とがある。ピストンリング３１がオイルリングとして使用されるときには、外側シール部４２をクランク室１９側に配置する形態とすると、潤滑油を掻き落とす効果が高くなると考えられる。これに対し、ピストンリング３１がコンプレッションリングとして使用されるときには、外側シール部４２を燃焼室１７側に配置する形態とすると、ブローバイガスの通過を防止する効果が、より高くなると考えられる。ただし、ピストンリング３１をコンプレッションリングとして使用するときには、その素材としては、ばね鋼、ステンレス鋼等の金属を使用することになる。

図６は他の実施の形態であるピストン１０の一部を示す断面図である。図６に示すピストンのピストン本体１１の外周面には、３つのリング溝２１〜２３が形成されており、燃焼室１７側から第１番目のリング溝２１はトップリングであり、第２番目のリング溝２２はセカンドリングである。それぞれのリング溝２１，２２には図２に示したコンプレッションリングとしての２つのピストンリング２６ａ，２６ｂが装着されている。第３番目のオイルリングとしてのリング溝２３には、図３に示したものと同様のピストンリング３１が装着されている。このように、３つのピストンリングが装着されるピストンにも本発明を適用することができる。また、図６に示すピストンリング３１の配置形態としては、図５に示すように外側シール部４２を燃焼室１７側に配置する形態としても良い。

ピストンリング３１は内側シール部４１がリング溝２２の底面に線接触し、外側シール部４２がシリンダ１５の内周面に線接触するので、ピストン１０とシリンダ１５との間のシール性を高めることができる。しかも、ピストンリング３１の形状はシンプルであり、低コストで製造することができるので、燃焼室からクランク室へのブローバイガスの流出を無くすことができ、ブローバイガス環流装置の廃止や簡素化を達成することができ、環境を保護することができるとともに、低コストで環境に配慮したエンジンが得られることになる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。図示する実施の形態においては本発明のピストンリングをオイルリングとして適用しているが、コンプレッションリングとしても適用することができる。

１０ピストン
１１ピストン本体
１４コネクティングロッド
１５シリンダ
１７燃焼室
１９クランク室
２１〜２３リング溝
２６ピストンリング
３１ピストンリング
３２環状部材
３３内周面
３４外周面
３５，３６側面
４１内側シール部
４２外側シール部
４３，４４当接部

Claims

エンジンのシリンダ内を軸方向に往復動し、燃焼ガスによる往復動によってクランク軸を回転させるピストンであって、
頂面側の外周面に第１のリング溝が形成され、スカート部側の外周面に第２のリング溝が形成されたピストン本体と、
前記第１のリング溝に装着されるコンプレッションリングとしてのピストンリングと、前記第２のリング溝に装着されるオイルリングとしてのピストンリングとを有し、
前記オイルリングとしてのピストンリングは、それぞれ環状に連なった内周面、外周面および側面を有し断面が四辺形の弾性体からなり、前記側面が円錐面となるように前記内周面を径方向外方に拡径する一方、前記外周面を径方向内方に縮径して前記第２のリング溝に装着される環状部材を有し、
前記第２のリング溝の底面に接触する内側シール部を前記環状部材の内周面隅部に形成し、
シリンダの内周面に接触する外側シール部を前記環状部材の外周面隅部に形成することを特徴とするピストン。
請求項１記載のピストンにおいて、前記第２のリング溝が前記第１のリング溝よりもピストンの頂面側から離れる側に設けられることを特徴とするピストン。
請求項１または２記載のピストンにおいて、前記環状部材をフッ素樹脂により形成することを特徴とするピストン。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストンにおいて、前記外側シール部を前記内側シール部よりもクランク室側に配置することを特徴とするピストン。