JP6062382B2 - ピストンリング及び該ピストンリングを備えるエンジン - Google Patents

Description

本発明はピストンリング及び該ピストンリングを備えるエンジンに関する。

ピストンリングは、ピストン外周部に形成されたピストンリング溝に装着される。ピストンリングは弾性を有し、シリンダの内周面に適度な面圧を有して摺接することにより、ピストン、シリンダ内周面及びシリンダヘッドによって形成される燃焼室内の圧力を保持する機能を有する。

ピストンリングは、リング形状を有するが、周方向の一部に合口部と称される不連続部分が設けられる。例えば特許文献１に記載されているようなガスタイト形式の合口部は、ピストンリングの周方向にて一端側に設けられる凹部と、他端側に設けられる凸部とからなり、凹部と凸部が重なり合うように嵌合させられる。

特開平７−３３２４９６号公報

エンジン運転中、ピストンリングは燃焼ガスによって加熱されるため高温になる。このときピストンリングの外周側は相対的に低温のシリンダ内周面に摺接しているため、ピストンリングの内周側の温度が外周側の温度より高くなる。このため、ピストンリングの熱膨張量は外周側より内周側の方が大きくなり、ピストンリングの合口部がピストンリングの径方向外方へ膨らむように熱変形する。

このような熱変形により、合口部を構成する凹部（第１舌部）及び凸部（第２舌部）とシリンダ内周面の接触面圧が高くなり、合口部近傍にてシリンダ内周面に偏摩耗が生じる。一方、熱変形により第１舌部及び第２舌部の先端側が径方向外方へ膨らもうとすることにより、第１舌部及び第２舌部の曲率半径がシリンダ内周面の曲率半径よりも大きくなり、第１舌部及び第２舌部の根元側がシリンダ内周面から離れやすくなる。

このため、熱変形によりシリンダ内周面に偏摩耗が発生している場合には、熱変形した第１舌部及び第２舌部の根元側とシリンダ内周面との間に僅かな隙間が発生することがある。すると、高温の燃焼ガスは、第１舌部及び第２舌部の根元近傍、換言すれば第１舌部と第２舌部が重なり合っていない領域（非重ね合わせ領域）で、その発生した僅かな隙間を燃焼室側からクランク室側へ高圧及び高速で吹き抜ける。かかる燃焼ガスの吹き抜けにより、非重ね合わせ領域で、ピストンリングの外周面が損傷するという不具合が生じる。

本発明は上記問題を解決するためになされ、第１舌部と第２舌部の非重ね合わせ領域での燃焼ガスの高圧及び高速での吹き抜けが抑制され、耐久性が向上したガスタイト形式のピストンリング及び該ピストンリングを備えるエンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るピストンリングは、
軸線回りの周方向に沿って延在する本体部と、
前記本体部の一端から他端に延在し、前記本体部の径方向外側であって前記軸線方向の一方側に前記周方向に沿って延在する嵌合溝が形成された第１舌部と、
前記本体部の前記他端から前記一端に延在し、前記嵌合溝に嵌合することにより前記第１舌部とともに合口部を形成する第２舌部と、
前記第１舌部と前記第２舌部が重なり合わない非重ね合わせ領域にて前記第１舌部の外周面及び前記第２舌部の外周面のうち少なくとも一方に設けられ、前記軸線方向に連通する連通溝と、
を備える。

この構成によれば、非重ね合わせ領域にて第１舌部の外周面及び第２舌部の外周面のうち少なくとも一方に予め積極的に連通溝を設けることで、連通溝を通じて燃焼ガスを逃がすことができ、非重ね合わせ領域において高温の燃焼ガスが高圧及び高速で吹き抜けることが抑制される。この結果、非重ね合わせ領域における損傷が抑制され、ピストンリングの耐久性が向上する。
また、連通溝を設けることで、第１舌部及び第２舌部のうち少なくとも一方の剛性が低下し、シリンダ内周面に対するピストンリングの接触面圧が均一化される。その結果として、ピストンリングやシリンダ内周面２ａの偏摩耗が抑制されて、ピストンリングの耐久性が向上する。

幾つかの実施形態では、
前記連通溝は、前記第１舌部の外周面及び前記第２舌部の外周面の両方に設けられる。
この構成によれば、非重ね合わせ領域にて第１舌部の外周面及び第２舌部の外周面の両方に連通溝を設けることで、これら２つの非重ね合わせ領域における高温の燃焼ガスの高速及び高圧の吹き抜けが抑制され、ピストンリングの損傷をより一層防止できる。

幾つかの実施形態では、径方向における前記連通溝の断面は、半円形状に形成される。
この構成によれば、軸線と直交する断面における連通溝の断面形状を半円形状とすることにより、連通溝近傍の断面形状の変化が滑らかになる。この結果、連通溝近傍における応力集中が緩和され、ピストンリングの耐久性向上を図ることができる。

幾つかの実施形態では、径方向における前記連通溝の断面積は、前記軸線方向にて一方の側から他方の側に向かって増大している。
この構成によれば、軸線に沿う方向にて一方の側から他方の側に向かって連通溝の断面積が増大することで、一方の側から他方の側に向かって燃焼ガスが流れる場合、連通溝の他方の側から流出する燃焼ガスの速度を低下させることができる。このため、ピストンリングの隣に他のピストンリングが配置されている場合、他のピストンリングへの燃焼ガスの衝突圧力を軽減でき、他のピストンリングの耐久性が向上する。

本発明に係るエンジンは、上記した何れかのピストンリングを備えている。
この構成によれば、ピストンリングにおいて、第１舌部と第２舌部の非重ね合わせ領域での燃焼ガスの高圧及び高速での吹き抜けが抑制され、ピストンリングの耐久性が向上したことにより、エンジンの耐久性も向上する。

幾つかの実施形態では、径方向における前記連通溝の断面積は、前記軸線方向にてエンジンの燃焼室側からクランク室側に向かって増大するように構成されている。
この構成によれば、燃焼室側からクランク室側に向かって燃焼ガスが流れようとするときに、連通溝のクランク室側から流出する燃焼ガスの速度を低下させることができる。
このため、ピストンリングのクランク室側に他のピストンリングが配置されている場合、他のピストンリングへの燃焼ガスの衝突圧力を軽減でき、他のピストンリングの耐久性が向上する。

本発明によれば、第１舌部と第２舌部の非重ね合わせ領域での燃焼ガスの高圧及び高速での吹き抜けが抑制され、耐久性が向上したガスタイト形式のピストンリング及び該ピストンリングを備えるエンジンが提供される。

本発明に係るピストンリングが適用されたエンジンの概略的な断面図である。 本発明の第１実施形態に係るピストンリングの概略的な外観を示す斜視図である。 シリンダの一部とともに、図２の領域Ａを拡大して概略的に示す平面図である。 図２の領域Ａを拡大して概略的に示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るピストンリングの図４に相当する斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るピストンリングの図４に相当する斜視図である。 本発明の第４実施形態に係るピストンリングの図４に相当する斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
但し、実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るピストンリング１０が適用されたエンジン１の構成を概略的に示す断面図である。エンジン１は、例えば舶用２サイクル大型ディーゼルエンジン等である。
エンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２内に往復動自在に配置されたピストン３と、シリンダ２の一端を覆うシリンダヘッド４とを備える。シリンダ２の一端側には、シリンダ２、ピストン３及びシリンダヘッド４によって燃焼室５が区画されている。

エンジン１は例えばクロスヘッド構造を有し、ピストン３の燃焼室５と反対側からはピストン棒３ａが延び、ピストン棒３ａはシリンダ２の他端側を貫通している。ピストン棒３ａのピストン３と反対側は、図示しないけれども、クロスヘッド及び連接棒を介してクランク室内のクランク軸に連結されている。エンジン１が例えばユニフロー掃気形式の場合、シリンダヘッド４に排気ポートが設けられ、シリンダ２の他端側に図示しない掃気ポートが設けられる。

ピストンリング１０は、ピストン３の外周部に装着されている。具体的には、ピストン３の外周部には、ピストンリング溝６が形成され、ピストンリング１０はピストンリング溝６に嵌合されている。なお、ピストンリング１０は、シリンダ２及びピストン３と同軸に配置され、ピストンリング１０の軸線ＣＬは、シリンダ２及びピストン３の軸線と一致している。

ピストンリング１０は、ピストン３の径方向にてピストン３の外周面から外方に突出しており、シリンダ２の内周面（シリンダ内周面）２ａと摺接する外周面を有する。従って、シリンダ内周面２ａとピストン３の外周面との間の隙間は、ピストンリング１０によって閉塞され、ピストンリング１０によって燃焼室５の圧力を保持することができる。

なお、本実施形態では、ピストンリング１０の外に、３本のピストンリング６０、７０及び８０が軸線ＣＬに沿う方向（以下、軸線方向ともいう）に間隔を存してピストン３に装着されている。ピストンリング１０は、軸線方向にて燃焼室５の最も近くに配置されている。ピストンリングの総数は４本に限定されることはなく、例えば３本であってもよい。

図２は、ピストンリング１０を概略的に示す斜視図である。図２に示したように、ピストンリング１０は、本体部１０ａ、並びに、合口部１１を形成する第１舌部１２及び第２舌部１３を備えている。
本体部１０ａは、軸線ＣＬ回りの周方向に沿って延在している。

図３は、図２中の領域Ａを概略的に示す平面図であり、図４は、図２中の領域Ａを概略的に示す斜視図である。
図３及び図４に示したように、第１舌部１２は、周方向にて本体部１０ａの一端から延在している。第１舌部１２は、ピストンリング１０の内周側を形成する内周片１２ａと、内周片１２ａの軸線方向における燃焼室５側から本体部１０ａの径方向外方に突出する当接片１２ｂと、を備えている。内周片１２ａ及び当接片１２ｂは、周方向と直交する断面にてＬ字の断面形状を有しており、周方向に延在する嵌合溝１２ｃを形成している。嵌合溝１２ｃは、本体部１０ａの径方向外側に位置し、且つ、軸線方向におけるクロスヘッド側（クランク室側）に位置している。

第２舌部１３は、周方向にて本体部１０ａの他端から延在している。周方向に直交する断面にて、第２舌部１３の断面形状は矩形形状に形成され、第２舌部１３は、内周片１２ａの径方向外側の面及び当接片１２ｂの軸線方向クロスヘッド側の面とそれぞれ対向する２つの側面を有する。ピストンリング１０がピストン３に装着された状態では、第２舌部１３が嵌合溝１２ｃに嵌合することにより、第１舌部１２及び第２舌部１３がガスタイト形式の合口部１１を形成する。合口部１１では、ピストンリング１０の外周面は、第１舌部１２の側面１２ｄ及び第２舌部１３の側面１３ｄによって形成されている。なお、第１舌部１２の側面１２ｄは、当接片１２ｂの側面である。

第１舌部１２の側面１２ｄは、本体部１０ａの径方向にて外側に位置し、径方向外方を向いている。そして、側面１２ｄは周方向に沿って延びており、ピストンリング１０がピストン３に装着された状態では、シリンダ内周面２ａと対向させられる。以下では、第１舌部１２の側面１２ｄを外周面１２ｄとも称する。なお、第１舌部１２の外周面１２ｄは、当接片１２ｂの側面である。

同様に、第２舌部１３の側面１３ｄは、本体部１０ａの径方向にて外側に位置し、径方向外方を向いている。そして、側面１３ｄは周方向に沿って延びており、ピストンリング１０がピストン３に装着された状態では、シリンダ内周面２ａと対向させられる。以下では、第２舌部１３の側面１３ｄを外周面１３ｄとも称する。

第１舌部１２の嵌合溝１２ｃに第２舌部１３が嵌合した状態では、本体部１０ａの一端側の端面１０ｂと第２舌部１３の先端面１３ｆ、及び、第１舌部１２の先端面１２ｆと本体部１０ａの他端側の端面１０ｃとが、それぞれ隙間を存して対向する。これらの隙間によって、ピストンリング１０が燃焼室５の燃焼ガスの熱によって膨張し、ピストンリング１０が周方向に伸びたとしても、該周方向の伸びを吸収することができる。

このような隙間を本体部１０ａの端面１０ｂと第２舌部１３の先端面１３ｆとの間に設けたことで、合口部１１には、第１舌部１２と第２舌部１３が軸線方向に重なり合わない非重ね合わせ領域Ｓ１が第１舌部１２の根元近傍に存在する。この非重ね合わせ領域Ｓ１における第１舌部１２の外周面１２ｄ、即ち当接片１２ｂの外周面には、連通溝Ｇ１が形成されている。連通溝Ｇ１は、軸線方向に延在し、軸線方向にて第１舌部１２の当接片１２ｂの両側に開口している。従って、連通溝Ｇ１は、軸線方向にて燃焼室５側とクランク室側とを連通している。また連通溝Ｇ１は、径方向にて外方に向かって開口している。

エンジン１の運転中、ピストンリング１０は燃焼ガスによって加熱されるため高温になる。このときピストンリング１０の外周側は相対的に低温のシリンダ内周面２ａに摺接しているため、ピストンリング１０の内周側の温度が外周側の温度より高くなる。このため、ピストンリング１０の熱膨張量は外周側より内周側の方が大きくなり、ピストンリング１０の合口部１１がピストンリング１０の径方向外方へ膨らむように熱変形する。

このような熱変形により、合口部１１を構成する第１舌部１２及び第２舌部１３とシリンダ内周面２ａの接触面圧が高くなり、合口部１１近傍にてシリンダ内周面２ａに偏摩耗が生じる。一方、熱変形により第１舌部１２及び第２舌部１３の先端側が径方向外方へ膨らもうとすることにより、第１舌部１２及び第２舌部１３の曲率半径がシリンダ内周面２ａの曲率半径よりも大きくなり、第１舌部１２及び第２舌部１３の根元側がシリンダ内周面２ａから離れやすくなる。

このため、熱変形によりシリンダ内周面２ａに偏摩耗が発生している場合には、熱変形した第１舌部１２及び第２舌部１３の根元側とシリンダ内周面２ａとの間に僅かな隙間δ１，δ２が発生することがある（図３参照）。連通溝Ｇ１が設けられていない場合、高温の燃焼ガスは、第１舌部１２の根元近傍、換言すれば第１舌部１２と第２舌部１３が重なり合っていない非重ね合わせ領域Ｓ１で、その発生した僅かな隙間δ１を燃焼室５側からクロスヘッド側へ高圧及び高速で吹き抜ける。かかる燃焼ガスの吹き抜けにより、非重ね合わせ領域Ｓ１で、ピストンリング１０の外周面が損傷するという不具合が生じる。

これに対し、上述した構成によれば、非重ね合わせ領域Ｓ１にて第１舌部１２の外周面１２ｄに予め積極的に連通溝Ｇ１を設けることで、連通溝Ｇ１を通じて燃焼ガスを逃がすことができ、非重ね合わせ領域Ｓ１において高温の燃焼ガスが高圧及び高速で吹き抜けることが抑制される。この結果、非重ね合わせ領域Ｓ１における損傷が抑制され、ピストンリング１０の耐久性が向上する。
また、連通溝Ｇ１を設けることで、第１舌部１２の剛性が低下し、シリンダ内周面２ａに対するピストンリング１０の接触面圧が均一化される。その結果として、ピストンリング１０やシリンダ内周面２ａの偏摩耗が抑制されて、ピストンリング１０の耐久性が向上する。

更に本実施形態では、軸線ＣＬと直交する断面における連通溝Ｇ１の断面形状は、半円形状に形成されている。この構成によれば、軸線ＣＬと直交する断面における連通溝Ｇ１の断面形状を半円形状とすることにより、連通溝Ｇ１近傍の断面形状の変化が滑らかになる。この結果、連通溝Ｇ１近傍における応力集中が緩和され、ピストンリング１０の耐久性向上を図ることができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係るピストンリング２０について説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先に説明した実施形態と同一又は類似の構成には、同一の名称又は符号を付して、説明を省略又は簡略化する。

図５は、ピストンリング２０の一部を拡大して概略的に示す斜視図である。ピストンリング２０は、第１舌部１２と第２舌部１３が軸線方向に重なり合っていない第２舌部１３の根元近傍の非重ね合わせ領域Ｓ２にて、第２舌部１３の外周面１３ｄに連通溝Ｇ２が形成されている点において、第１実施形態と異なっている。
連通溝Ｇ２は、軸線方向に延在し、軸線方向にて第２舌部１３の両側に開口している。また連通溝Ｇ２は、本体部１０ａの径方向にて外方に向かって開口している。

この構成によれば、非重ね合わせ領域Ｓ２にて第２舌部１３の外周面１３ｄに予め積極的に連通溝Ｇ２を設けることで、連通溝Ｇ２を通じて燃焼ガスを逃がすことができ、非重ね合わせ領域Ｓ２において高温の燃焼ガスが高圧及び高速で吹き抜けることが抑制される。この結果、非重ね合わせ領域Ｓ２における損傷が抑制され、ピストンリング２０の耐久性が向上する。
また、連通溝Ｇ２を設けることで、第２舌部１３の剛性が低下し、シリンダ内周面２ａに対するピストンリング２０の接触面圧が均一化される。その結果として、ピストンリング２０やシリンダ内周面２ａの偏摩耗が抑制されて、ピストンリング２０の耐久性が向上する。

更に本実施形態では、軸線ＣＬと直交する断面における連通溝Ｇ２の断面形状は、半円形状に形成されている。この構成によれば、軸線ＣＬと直交する断面における連通溝Ｇ２の断面形状を半円形状とすることにより、連通溝Ｇ２近傍の断面形状の変化が滑らかになる。この結果、連通溝Ｇ２近傍における応力集中が緩和され、ピストンリング２０の耐久性向上を図ることができる。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態に係るピストンリング３０について説明する。
図６は、ピストンリング３０の一部を拡大して概略的に示す斜視図である。ピストンリング３０は、第１舌部１２と第２舌部１３が軸線方向に重なり合っていない非重ね合わせ領域Ｓ１，Ｓ２にて、第１舌部１２の外周面１２ｄ及び第２舌部１３の外周面１３ｄに連通溝Ｇ１，Ｇ２が形成されている点において、第１実施形態及び第２実施形態と異なっている。

この構成によれば、非重ね合わせ領域Ｓ１，Ｓ２にて第１舌部１２の外周面１２ｄ及び第２舌部１３の外周面１３ｄの両方に連通溝Ｇ１，Ｇ２を設けることで、これら２つの非重ね合わせ領域Ｓ１，Ｓ２における高温の燃焼ガスの高速及び高圧の吹き抜けが抑制され、ピストンリング３０の損傷をより一層防止できる。

（第４実施形態）
以下、本発明の第４実施形態に係るピストンリング４０について説明する。
図７は、ピストンリング４０の一部を拡大して概略的に示す斜視図である。本実施形態では、図７に示したように、軸線ＣＬと直交する断面における連通溝Ｇ３，Ｇ４の断面積（本体部１０ａの径方向での連通溝Ｇ３，Ｇ４の断面積）が、軸線ＣＬに沿う方向にて一方の側から他方の側に向かって増大している。
なお、連通溝Ｇ３，Ｇ４は、軸線方向に延在し、軸線方向にて第１舌部１２の当接片１２ｂ及び第２舌部１３の両側にそれぞれ開口している。また、連通溝Ｇ３，Ｇ４は、本体部１０ａの径方向にて外方に向かって開口している。

この構成によれば、軸線ＣＬに沿う方向にて一方の側から他方の側に向かって連通溝Ｇ３，Ｇ４の断面積が増大することで、一方の側から他方の側に向かって燃焼ガスが流れる場合、連通溝Ｇ３，Ｇ４の他方の側から流出する燃焼ガスの速度を低下させることができる。例えば、連通溝Ｇ３，Ｇ４の断面積が、燃焼室５側からクロスヘッド側（クランク室）に向かって増大することで、燃焼室５側からクランク室側に向かって燃料が流れる場合、連通溝Ｇ３，Ｇ４のクロスヘッド側から流出する燃焼ガスの速度を低下させることができる。
このため、図１に示したようにピストンリング１０の隣、例えばクランク室側に他のピストンリング６０が配置されている場合、他のピストンリング６０への燃焼ガスの衝突圧力を軽減でき、他のピストンリング６０の耐久性が向上する。

本発明は上述した第１乃至第４実施形態に限定されることはなく、これら実施形態に変形を加えた形態や、これら実施形態を組み合わせた形態も含む。
例えば、連通溝Ｇ１，Ｇ２の断面形状としては、半円形状が好ましいが、Ｖ字形状や矩形形状等であってもよい。
また、本発明に係るピストンリングは、舶用２サイクル大型ディーゼルエンジンに好適であるが、他のエンジン等に適用してもよいのは勿論である。

１ エンジン
２ シリンダ
２ａ シリンダ内周面
３ ピストン
３ａ ピストン棒
４ シリンダヘッド
５ 燃焼室
６ ピストンリング溝
１０ ピストンリング
１０ａ 本体部
１０ｂ 端面
１０ｃ 端面
１１ 合口部
１２ 第１舌部
１２ａ 内周片
１２ｂ 当接片
１２ｃ 嵌合溝
１２ｄ 外周面
１２ｆ 先端面
１３ 第２舌部
１３ｄ 外周面
１３ｆ 先端面
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 連通溝
Ｓ１，Ｓ２ 非重ね合わせ領域
δ１，δ２ 隙間

Claims (6)

1. 軸線回りの周方向に沿って延在する本体部と、
   前記本体部の一端から他端に延在し、前記本体部の径方向外側であって前記軸線方向の一方側に前記周方向に沿って延在する嵌合溝が形成された第１舌部と、
   前記本体部の前記他端から前記一端に延在し、前記嵌合溝に嵌合することにより前記第１舌部とともに合口部を形成する第２舌部と、
   前記第１舌部と前記第２舌部が重なり合わない非重ね合わせ領域にて前記第１舌部の外周面及び前記第２舌部の外周面のうち少なくとも一方に設けられ、前記軸線方向に連通する連通溝と、
   を備えることを特徴とするピストンリング。
2. 前記連通溝は、前記第１舌部の外周面及び前記第２舌部の外周面の両方に設けられていることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
3. 径方向における前記連通溝の断面は、半円形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンリング。
4. 径方向における前記連通溝の断面積は、前記軸線方向にて一方の側から他方の側に向かって増大していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のピストンリング。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のピストンリングを備えることを特徴とするエンジン。
6. 前記径方向における前記連通溝の断面積は、前記軸線方向にて燃焼室側からクランク室側に向かって増大していることを特徴とする請求項５に記載のエンジン。

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