JP6122901B2 - 組合せオイルリング - Google Patents

Description

本発明は、組合せオイルリングに関し、特に、上下一対のサイドレールと、それらの間に配置されるスペーサエキスパンダとを備えている３ピース構成の組合せオイルリングに関する。

従来より、内燃機関のシリンダ内壁面に付着した余分なエンジンオイルを掻き落とし、適度な油膜を形成して内燃機関の運転に伴うピストンの焼き付きを防止すると共にオイルリングとシリンダとの摺接面の摩耗の減少を図るオイルリングが知られている。このようなオイルリングは種々の形態が知られており、例えば、下記の特許文献に記載されているように、上下一対のサイドレールと、それらの間に配置されたスペーサエキスパンダとを備えた組合せオイルリングにおいて、サイドレールの走行面が横断面でみて第１の区分でｈ（ｘ）＝ａｘ＋ｂｘ²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ｈ（ｘ）の後、第３の区分で、関数ｈ（ｘ）＝ｃｘ²（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組合せオイルリングが知られている。

特表２００７−５０４４１６号公報

また、組合せオイルリングは、上述したように内燃機関のシリンダ内壁面に付着した余分なエンジンオイルを掻き落とし、適度な油膜を形成してピストンの焼き付きを防止しているが、内燃機関の燃焼室に付着したエンジンオイルは、燃焼して排気ガスとして内燃機関外へ排出されてしまうため、オイル消費量の低減のためにピストンリングのシール性を保持して確実に余分なエンジンオイルを掻き落とす必要がある。

しかし、従来の組合せオイルリングは、サイドレールの摺動面の形状やピストンリングの張力を種々設定することで、エンジンオイルの掻き落とし性能の改善を図っているものの、近年の低燃費化、環境対応を背景に、更なるオイル消費量の低減の要望がある。しかし、上述した特許文献１に記載されたオイルリングの形状によると、初期摺動中に接触面積が増大し、エンジンオイルの掻き落とし機能が十分に得られないことがあった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、エンジンオイルのオイル消費量を更に低減した組合せオイルリングを提供することを目的とする。

本発明に係る組合せオイルリングは、少なくとも一本以上の圧力リングと一本の組合せオイルリングとから成るピストンリングが組み付けられる溝が形成されたピストンのオイルリング溝に装着され、平板で且つ環状に形成されると共に、シリンダと摺接する摺接部を有する上下一対のサイドレールと、前記上下一対のサイドレールの間に配置されるスペーサエキスパンダを備えた組合せオイルリングにおいて、前記上下一対のサイドレールの少なくとも上側のサイドレールは、前記摺接部における前記ピストンの軸方向に沿った断面形状が、前記ピストンの上方から下方に向かって直線状に拡がるテーパ形状であり、前記テーパ形状は、前記スペーサエキスパンダの中心軸に対し８〜１２°の角度を有し、前記サイドレールの下端から０．１５ｍｍ以内に前記テーパ形状の頂点が位置し、前記頂点の位置より下端側が曲率でＲ０．０１〜０．５の曲線形状に形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る組合せオイルリングにおいて、前記上下一対のサイドレールの下側のサイドレールは、前記摺接部における前記ピストンの軸方向に沿った断面形状が、前記ピストンの上方から下方に向かって直線状に拡がるテーパ形状であると好適である。

また、本発明に係る組合せオイルリングにおいて、前記上下一対のサイドレールの下側のサイドレールは、前記ピストンの軸方向に沿った断面形状が、円弧状に形成されたバレル形状であると好適である。

また、本発明に係る組合せオイルリングにおいて、前記上下一対のサイドレールは、表裏判別手段を備えると好適である。

また、本発明に係る組合せオイルリングにおいて、前記上下一対のサイドレール及び前記スペーサエキスパンダの少なくとも１つは、表面処理が施されると好適である。

本発明に係る組合せオイルリングは、上下一対のサイドレールの少なくとも上側のサイドレールは、ピストンの軸方向に沿った断面形状が、ピストンの上方から下方に向かって直線状に拡がるテーパ状であり、テーパ形状は、スペーサエキスパンダの中心軸に対し５〜３０°の角度を有し、サイドレールの下端から０．１５ｍｍ以内にテーパ形状の頂点が位置し、頂点の位置より下端側が曲率でＲ０．０１〜０．５の曲線形状に形成されているので、更なるオイル消費量の低減を図ることができる。

また、本発明に係る組合せオイルリングは、上下一対のサイドレールの下側のサイドレールは、摺接部におけるピストンの軸方向に沿った断面形状が、ピストンの上方から下方に向かって直線状に拡がるテーパ形状であるので、より一層のオイル消費量の低減を図ることができる。

また、本発明に係る組合せオイルリングは、上下一対のサイドレールの下側のサイドレールは、ピストンの軸方向に沿った断面形状が、円弧状に形成されたバレル形状であるので、表裏判別をすることなく下側のサイドレールを組付けることができ、表裏判別に伴う作業の煩雑さを解消することができる。

また、本発明に係る組合せオイルリングは、上下一対のサイドレールは、表裏判別手段を備えるので、組合せオイルリングの組立及び、組合せオイルリングをピストン溝に組み付ける際に、表裏逆組による誤った組付け作業を防止することができ、誤組付けに伴うオイル消費量の増加を防止することができる。

また、本発明に係る組合せオイルリングは、上下一対のサイドレールに表面処理が施されているので、シリンダとの摺動抵抗の低減及び組合せオイルリングの摩耗の抑制を図ることができる。

本発明の実施形態に係る組合せオイルリングを組み付けた内燃機関のシリンダ軸方向で切断して示した要部断面図。 本発明の実施形態に係る組合せオイルリングに用いられるスペーサエキスパンダの一部分を示す斜視図。 本発明の他の実施形態に係る組合せオイルリングを組み付けた内燃機関のシリンダ軸方向で切断して示した要部断面図。 本発明の他の実施形態に係る組合せオイルリングに用いられるスペーサエキスパンダの一部分を示す斜視図。 本発明の実施形態に係る組合せオイルリングに用いられるサイドレールの内燃機関のシリンダ軸方向で切断して示した断面図。 本発明の実施形態に係る組合せオイルリングの表裏判別手段の変形例を示す図。 本発明の実施形態に係る組合せオイルリングの変形例を示す要部断面図。 本発明の実施形態に係る組合せオイルリングのオイル消費量を示したグラフ。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る組合せオイルリングを組み付けた内燃機関のシリンダ軸方向で切断して示した要部断面図であり、図２は、本発明の実施形態に係る組合せオイルリングに用いられるスペーサエキスパンダの一部分を示す斜視図であり、図３は、本発明の他の実施形態に係る組合せオイルリングを組み付けた内燃機関のシリンダ軸方向で切断して示した要部断面図であり、図４は、本発明の他の実施形態に係る組合せオイルリングに用いられるスペーサエキスパンダの一部分を示す斜視図であり、図５は、本発明の実施形態に係る組合せオイルリングに用いられるサイドレールの内燃機関のシリンダ軸方向で切断して示した断面図であり、図６は、本発明の実施形態に係る組合せオイルリングの表裏判別手段の変形例を示す図であり、図７は、本発明の実施形態に係る組合せオイルリングの変形例を示す要部断面図であり、図８は、本発明の実施形態に係る組合せオイルリングのオイル消費量を示したグラフである。なお、本明細書において、上下方向とは、図１及び図３における紙面上方・下方に沿った方向と定義する。

図１に示すように、本実施形態に係る組合せオイルリング１０は、内燃機関のピストン２の外周面に形成されたオイルリング溝３に組み付けられ、シリンダ１の内壁と摺接することで、シリンダ１の内壁に付着した余分なエンジンオイルを掻き落としてシリンダ１の内壁に適切な油膜を形成する部材である。

組合せオイルリング１０は、上下一対のサイドレール１１，１１と、この上下一対のサイドレール１１，１１の間に配置されるスペーサエキスパンダ１２とから構成されている。これらサイドレール１１，１１及びスペーサエキスパンダ１２は鋼等からなっておりサイドレール１１は、合口（図示せず）を備えた平板の環状リングとして構成されている。

図２に示すように、スペーサエキスパンダ１２は、鋼材を塑性加工して形成されており、軸方向に沿って凹凸形状（波形形状）となると共に、周方向に略円形状に構成されている。この軸方向の凹凸形状によって、軸方向の端部に上片１３及び下片１４が形成されている。即ち、スペーサエキスパンダ１２は、軸方向及び周方向に離間して周方向に交互に多数配置された上片１３及び下片１４を備えており、互いに隣接する上片１３と下片１４とは連結片１５によって連結されている。

また、図１に示すように、スペーサエキスパンダ１２の上片１３及び下片１４の内周側端部には、サイドレール１１，１１を外周側に押圧する耳部１６がアーチ状に立設して形成されている。なお、図２に示すように、耳部１６には、径方向に沿って貫通孔１８が形成されている。

さらに、図２に示すように、上片１３の上面及び下片１４の下面（図示せず）には、それぞれ径方向に沿って溝１７が形成されている。また、スペーサエキスパンダ１２の上片１３及び下片１４の外周側端部には、溝１７よりも一段高く形成されたサイドレール支持部１９が形成されている。

なお、図３及び４に示すように、スペーサエキスパンダ１２ａは、溝１７に径方向に沿った断面形状がＶ形状又はＲ形状に形成された凹部１７ａを形成しても構わない。この場合、凹部１７ａによって貫通孔１８の開口面積が大きくなるので、貫通孔１８を流通するオイル流量を大きくすることが可能となる。

このように、スペーサエキスパンダ１２ａに溝１７を形成することで、ピストンの外周側から内周側へ円滑にエンジンオイルを流すことが可能となり、ピストンリングで掻き落としたエンジンオイルをエンジン内部に還流させると共に、燃焼室へ漏出することを防止することでオイル消費量（ＬＯＣ）の低減を図っている。

なお、スペーサエキスパンダ１２は、ピストン２のオイルリング溝３に組み付けられた状態で合口が付き合わされて周方向に縮められた状態で組み付けられている。したがって、スペーサエキスパンダ１２の張力によって径方向外方へ拡張力を生じるように組み付けられているので、上下のサイドレール１１，１１を上片１３，下片１４のサイドレール支持部１９，１９で軸方向に沿って上下に隔離保持すると共に、耳部１６がサイドレール１１の内周面をそれぞれ押圧することによって、上下のサイドレール１１，１１の外周面をシリンダ１の内壁面に密着させている。

図５（ａ）に示すように、上下一対のサイドレールの少なくとも上側のサイドレール１１は、シリンダと摺接する摺接部を備えており、当該摺接部におけるピストン１の軸方向に沿った断面形状が、サイドレール上面２１からサイドレール下面２２に向かって側面２３が直線状に広がるテーパ形状と、所定の曲率で曲線状に形成された曲面２４とを備えている。また、断面形状において、曲面２４上には、径方向の最外端に位置する頂点２４ａが形成されている。なお、頂点２４ａは、サイドレール１１の下面２２からの高さＨが０．１５ｍｍ以内の位置に形成されている。さらに、曲面２４の曲率はＲ０．０１から０．５（ｍｍ）に形成されると好適である。

なお、図１に示すように、組合せオイルリング１０は、上下一対のサイドレール１１，１１が、それぞれ同一の方向となるように組み付けられている。すなわち、上下一対のサイドレール１１，１１は、いずれも下端側に頂点２４ａが位置するようにスペーサエキスパンダ１２と組み合わされて組合せオイルリング１０を構成している。

更に、図５（ｂ）に示すように、サイドレール上面２１には、表裏判別手段としての凹部２５が形成されても構わない。この凹部２５は、サイドレール上面２１が判別することができればよいので、サイドレール上面１１に環状に形成しても構わないし、点状に形成しても構わない。なお、凹部２５の形成方法は、サイドレールにプレス、打刻又はレーザー加工によって形成しても構わないし、例えばロール引きやダイス引き等の線材の引き抜き加工と同時に形成しても構わない。また、凹部２５を設けずにサイドレール上面２１又は下面２２に断続的又は連続的なペイントを塗布しても構わないし、上面２１又は下面２２のいずれか一方の表面粗さを変えて、例えば上面２１を平滑に処理すると共に、下面２２を粗く処理することで触感によって表裏判別するように形成しても構わない。この場合、視覚による判別に依らない為、作業場の明るさが十分でない場合であっても確実に表裏判別を行うことができる。なお、側面２３は、スペーサエキスパンダ１２の中心軸Ｃに対して所定の角度θだけ傾斜している。この角度θは、５〜３０°より好ましくは８〜１２°に設定されると好適である。

更に、図６（ａ）に示すように、表裏判別手段として種々の形態が適用可能である。例えば、サイドレールの側面２３の合口３０に向かって左右いずれか一方にペイント２６を塗布することで、常に合口３０の例えば右側にペイント２６が配されるように組み付けることでサイドレールの表裏判別を行うことができる。

また、図６（ｂ）に示すように、合口３０の両側にそれぞれ一方を第１のペイント２６ａ、他方を第１のペイント２６ａと異なる色彩でペイントした第２のペイント２６ｂを塗布することで、例えば第１のペイント２６ａを白、第２のペイント２６ｂを赤にペイントした場合に、白が右に配されるように組み付けることでサイドレールの表裏判別を行うことができる。

また、図６（ｃ）に示すように、合口３０の側面２３と反対端に位置する内周側端部の一方に面取り２７を設けることで、例えば合口３０の右側に面取り２７が配されるように組み付けることでサイドレールの表裏判別を行うことができる。

また、上下一対のサイドレールは、図７に示すように上側のサイドレール１１はテーパ状に形成すると共に、下側のサイドレール１１´は軸方向断面において、径方向に突出する円弧状のバレル形状としても構わない。この場合、バレル形状は表裏判別不要で組合せオイルリングに組み付けることができるため、上述した表裏判別に伴う作業負担を軽減することができる。

次に、本発明を更に具体的に説明するために、実施例及び比較例を挙げて、本実施形態に係る組合せオイルリング１０について機能試験を実施した。機能試験は、排気量２．４リットル直列４気筒の自動車用ガソリンエンジンを用いて行った。試験条件は、ピストンスピードが１６ｍ／ｓ〜２３ｍ／ｓとなるよう、ＷＯＴ（ワイドオープンスロットル）にて従来例（バレル形状）と本発明に係る組合せオイルリングでのオイル消費量（ＬＯＣ）を測定し、２２．６ｍ／ｓでの従来例値が１となるように相対比率で確認を行った。

第１圧力リング及びオイルリングのサイドレールの摺動面には、Ｃｒ−Ｎからなるイオンプレーティング皮膜を形成した。オイルリングの摺動面は、イオンプレーティング皮膜を形成した後、ラッピング処理を行い、摺動面凸部とテーパ部が滑らかになるように形成し、曲面２４の頂点２４ａの位置がサイドレール下面２２から０．１５ｍｍ以下となるように設定した。

なお、その他の試験条件は以下の通りである。
ピストンボア径：８７ｍｍ，
第１圧力リングの摺動面形状：バレルフェース，
第２圧力リングの摺動面形状：テーパアンダーカット。

本試験では、実施例として図５（ａ）に示す形状のサイドレール１１を用い、スペーサエキスパンダは、図２の形状を用いた。オイルリングの形状は以下の寸法のものを用いた。
スペーサエキスパンダのＥＡ：１０°，
サイドレール半径方向の厚み：１．９ｍｍ，
サイドレール軸方向の厚み：０．４ｍｍ，
サイドレールの外周角度θ：１０°，
オイルリング軸方向幅：２．０ｍｍ。

図８に示すように、実施例は、ピストンスピードが２２ｍ／ｓと２２．６ｍ／ｓの場合に比較例と比較した場合、オイル消費量が従来比で約４０％低減することが確認できた。

なお、本実施例のように、一対のサイドレールの頂点位置が下側となるように配置することで、優れたオイル消費量が得られるが、サイドレールの頂点位置を上側となるようにした場合は、オイルの掻き上げが多くなり、オイル消費量が悪化してしまうことを確認した。

このように、従来のバレル形状のサイドレールを用いた組合せオイルリングと、本実施形態に係る組合せオイルリング１０のオイル消費量を比較から、本実施形態の形状することで、約４０％のオイル消費量の抑制効果を確認できた。

また、上述した本実施形態に係る組合せオイルリング１０は、サイドレールに硬質炭素皮膜（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）などの表面処理を施してもしても構わない。また、表裏判別手段は、図５（ｂ）に示すように凹部２５を形成するのみならず、サイドレール上面２１又はサイドレール下面２２のいずれか一方に模様を施しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ シリンダ， ２ ピストン， ３ オイルリング溝， １０ 組合せオイルリング， １１ サイドレール， １２ スペーサエキスパンダ， ２１ サイドレール上面， ２２ サイドレール下面， ２３ 側面， ２４ 曲面， ２４ａ 頂点， ２５ 凹部。

Claims (5)

1. 少なくとも一本以上の圧力リングと一本の組合せオイルリングとから成るピストンリングが組み付けられる溝が形成されたピストンのオイルリング溝に装着され、平板で且つ環状に形成されると共に、シリンダと摺接する摺接部を有する上下一対のサイドレールと、
   前記上下一対のサイドレールの間に配置されるスペーサエキスパンダを備えた組合せオイルリングにおいて、
   前記上下一対のサイドレールの少なくとも上側のサイドレールは、前記摺接部における前記ピストンの軸方向に沿った断面形状が、前記ピストンの上方から下方に向かって直線状に拡がるテーパ形状であり、
   前記テーパ形状は、前記スペーサエキスパンダの中心軸に対し８〜１２°の角度を有し、前記サイドレールの下端から０．１５ｍｍ以内に前記テーパ形状の頂点が位置し、
   前記頂点の位置より下端側が曲率でＲ０．０１〜０．５の曲線形状に形成されていることを特徴とする組合せオイルリング。
2. 請求項１に記載の組合せオイルリングにおいて、
   前記上下一対のサイドレールの下側のサイドレールは、前記摺接部における前記ピストンの軸方向に沿った断面形状が、前記ピストンの上方から下方に向かって直線状に拡がるテーパ形状であることを特徴とする組合せオイルリング。
3. 請求項１に記載の組合せオイルリングにおいて、
   前記上下一対のサイドレールの下側のサイドレールは、前記ピストンの軸方向に沿った断面形状が、円弧状に形成されたバレル形状であることを特徴とする組合せオイルリング。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の組合せオイルリングにおいて、
   前記上下一対のサイドレールは、表裏判別手段を備えることを特徴とする組合せオイルリング。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の組合せオイルリングにおいて、
   前記上下一対のサイドレール及び前記スペーサエキスパンダの少なくとも１つは、表面処理が施されることを特徴とする組合せオイルリング。

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