JP6314015B2

JP6314015B2 - ピストンとピストンリングの組合せ

Info

Publication number: JP6314015B2
Application number: JP2014072812A
Authority: JP
Inventors: 英司一杉; 護宮本
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015194222A

Description

本発明は、ピストンとピストンリングの組合せに関し、特に、ブローバイガスの低減及びオイル消費量の低減を両立することができる内燃機関用のピストンとピストンリングの組合せに関する。

従来より、内燃機関の燃費を向上する手段として、ピストンリングとシリンダの間の摩擦抵抗を低減することが行われている。一般的な自動車に搭載される内燃機関は、図７に示すように、トップリング１２１及びセカンドリング１２２からなる圧力リングと、オイルリング１２３からなる３本のリングを組付けたピストン１００が用いられている。

このような３本リング構成のピストン１００は、ピストン１００の頭部１０１の外周部に上から順にトップリング１２１が組み付けられる第１の溝１１６、セカンドリング１２２が組み付けられる第２の溝１１７及びオイルリング１２３が組み付けられる第３の溝１１８が形成されている。このような３本リング構成のピストンにおいては、内燃機関の燃費向上のためのフリクション低減を目的としてピストンリングの張力は、トップリング，セカンドリング及びオイルリングの合計張力をシリンダボア径で割った合計張力比で０．２〜０．６Ｎ／ｍｍの範囲と著しく小さい値に設定され、ピストンリング軸方向の厚みも薄幅に形成している。

また、ピストン１００の頭部１０１には、第１の溝１１６と第２の溝１１７の間にセカンドランド１１２が形成され、第２の溝１１７と第３の溝１１８の間にサードランド１１３が形成されている。内燃機関に用いられるピストンは、軸方向に径が一定な円柱状のものが広く用いられている。

このような内燃機関に用いられるピストンは、近年の低燃費化の要望に対応すべく更なるオイル消費量を抑制するために種々の構成が知られている。

特開平６−２４９０６２号公報

特許文献１に記載されたピストンは、圧力リングが装着される圧力リング溝と、オイルリングが装着されるオイルリング溝とを有する内燃機関用ピストンにおいて、オイルリング溝の直上のランドに、該ランドの中間部より下方で、該ランドの下端に掛からない範囲に、下から上に行くに従って深さがゼロから漸次深くなる断面が略くさび状の環状溝状空間を設けている。

このように構成された内燃機関用ピストンは、オイル消費の顕著な低減を達成することができるとされているが、ピストンリングとの組合せに関しては言及されていない。

しかし、従来の内燃機関用ピストンは、ピストンリングは、ピストンに組み付けるための合口を備えており、該合口や、ピストンとシリンダの隙間から抜けるブローバイガスの低減をより達成することが難しいという構造上の問題があった。従来は、トップリングの合口寸法を極小化するために合口面取りや外周面取りを極限まで小さくするなどしてトップリングでブローバイガス量の低減を図っていたが、ブローバイガス量の低減がさらに求められると、オイル消費量も低減したままトップリングの形状だけでこれを解決することが難しいという問題があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、オイル消費量とブローバイガス量の低減を同時に実現することができるピストンとピストンリングの組合せを提供することを目的とする。

本発明に係るピストンとピストンリングの組合せは、トップリングとセカンドリングから成る圧力リングと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と前記ピストンリングの組合せであって、前記ピストンは、前記トップリングが組み付けられる第１の溝と前記セカンドリングが組み付けられる第２の溝の間に形成されたセカンドランドと、前記第２の溝と前記オイルリングが組み付けられる第３の溝の間に形成されたサードランドとを備え、前記サードランドの軸方向上端部の径は、前記セカンドランドの下端部の径と略同一に形成され、前記サードランドには、軸方向断面において径方向に縮径した凹部が形成され、前記凹部は、前記サードランドに対して略垂直に形成された上面と、軸方向に対して傾斜した斜面と、前記上面と前記斜面に連続するとともに、軸方向に沿って延びる底面を備え、前記底面の軸方向の長さＬ ₂ は、前記サードランドの軸方向の長さＬ ₁ に比べて１０〜２０％程度に設定され、前記凹部の開口長さＬ ₃ は、前記サードランドの軸方向の長さＬ ₁ に比べて３０〜６０％程度に設定され、前記セカンドリングの外周面は、前記セカンドリングの下面側から上面側へ向けて縮径したテーパ形状を有すると共に、前記セカンドリングの合口隙間は０．１５ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係るピストンとピストンリングの組合せにおいて、前記セカンドランドには、径方向に縮径した凹部が形成され、前記凹部は、前記セカンドランドに対して略垂直に形成された上面と、軸方向に対して傾斜した斜面とを備えると好適である。

また、本発明に係るピストンとピストンリングの組合せにおいて、前記トップリングは、合口面取りが０．１ｍｍ以下、外周面取りが０．１ｍｍ以下であると好適である。

本発明に係るピストンとピストンリングの組合せは、サードランドの軸方向上端部の径は、セカンドランドの下端部の径と略同一に形成され、セカンドランド及びサードランドは、径方向に縮径した凹部が形成され、セカンドリングの外周面は、セカンドリングの下面側から上面側へ向けて縮径したテーパ形状を有しているので、オイル消費量を抑制することができるとともに、ブローバイガス量の低減を同時に実現することができる。

また、本発明に係るピストンとピストンリングの組合せは、セカンドリングの合口隙間は０．１５ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下に設定しているので、ブローバイガス量をより一層低減することができる。

また、本発明に係るピストンとピストンリングの組合せは、セカンドランドには、軸方向に縮径した凹部が形成され、該凹部は前記セカンドランドに対して略垂直に形成された上面と、軸方向に対して傾斜した斜面とを備えているので、オイル消費量の抑制及びブローバイガス量をより一層低減することができる。

また、本発明に係るピストンとピストンリングの組合せは、トップリングは、合口面取りが０．１ｍｍ以下、外周面取りが０．１ｍｍ以下に設定しているので、より一層のブローバイガス量の低減を図ることができる。

また、本発明に係るピストンとピストンリングの組合せは、凹部は、前記上面と前記斜面に連続するとともに、軸方向に沿って延びる底面を備えているので、オイル消費量の抑制を図ることができる。

本発明の実施形態に係るピストンの断面図。本発明の実施形態に係るピストンの凹部を示す断面図。（ａ）は、本発明の実施形態に係るピストンに組み付けられるトップリングの斜視図であり、（ｂ）は外周面取及び合口面取の詳細を説明するための拡大図。本発明の実施形態に係るピストンに組み付けられるトップリングの断面図。本発明の実施形態に係るピストンに組み付けられるセカンドリングの断面図。実施例のピストン形状を説明するための図。従来のピストンとピストンリングの組合せを説明するための断面図。

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ピストンの断面図であり、図２は、本発明の実施形態に係るピストンの凹部を示す断面図であり、図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るピストンに組み付けられるトップリングの斜視図であり、（ｂ）は外周面取及び合口面取の詳細を説明するための拡大図であり、図４は、本発明の実施形態に係るピストンに組み付けられるトップリングの断面図であり、図５は、本発明の実施形態に係るピストンに組み付けられるセカンドリングの断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るピストン１は、ピストン頭部１０の外周面に上死点側から順に第１の溝１６，第２の溝１７及び第３の溝１８が形成されている。また、第１の溝１６と第２の溝１７の間には、第２の溝１７の上端縁から延設するセカンドランド１２が形成され、第２の溝１７と第３の溝１８の間には第２の溝１７の下端縁から延設するサードランド１３が形成されている。なお、図１においてピストン下部のスカート形状やコネクティングロッド等は略して図示した。

第１の溝１６には、トップリング２１が、第２の溝１７にはセカンドリング２２が、第３の溝１８にはオイルリング２３がそれぞれ組み付けられており、トップリング２１，セカンドリング２２及びオイルリング２３で３本構成のピストンリング２０を構成している。

セカンドランド１２とサードランド１３には、軸方向断面において径方向に縮径する凹部１４，１５が形成されている。凹部１４，１５は第１の溝１６及び第２の溝１７の下端から所定の距離だけ離れて形成されており、この構成によりサードランド１３の上端部の径は、セカンドランド１２の下端部の径と略同一に形成されている。

図２に示すように凹部１４，１５は、ピストンの軸方向断面における凹部を拡大した態様では、第１の溝１６又は第２の溝１７の下端縁側にセカンドランド１２又はサードランド１３に対して略垂直に形成された上面４１と、第２の溝１７又は第３の溝１８の上端縁側に軸方向に対して傾斜した斜面４２とを備えており、上面４１と斜面４２の端部は軸方向に沿って延びる底面４３によって連続している。即ち、ピストン１０の軸方向断面において、凹部１４，１５は略台形状に形成されている。なお、本明細書において、略垂直とは９０°±１０°と定義する。

なお、セカンドランド１２及びサードランド１３並びに凹部１４，１５の各寸法は、セカンドランド１２及びサードランド１３の下端部の径φ１と上端部の径φ２は同一に設定され、底面４３の径φ３はφ１及びφ２に比べて１．０ｍｍ程度小さく設定されると好適である。また、底面４３の軸方向の長さＬ₂は、セカンドランド１２及びサードランド１３の軸方向の長さＬ₁に比べて１０〜２０％程度に設定されると好適であり、０．５〜１．０ｍｍ程度に設定するとより好適である。さらに、凹部１４，１５の開口長さＬ₃は、セカンドランド１２及びサードランド１３の軸方向の長さＬ₁に比べて３０〜６０％程度に設定されると好適であり、１．５ｍｍ以上形成するとより好適である。またさらに、斜面４２は、軸方向に対して２０〜６０°傾斜するように形成すると好適である。

図３（ａ）に示すように、トップリング２１は、合口２４を備えた平板の環状リングとして構成されている。さらに、図３（ｂ）に示すように合口２４の外周側の軸方向端部には、合口面取りＣ₁が形成され、トップリング２１の外周縁には外周面取りＣ₂が形成されている。

トップリング２１は、合口通路面積を低減するために、合口面取りＣ₁が０．１ｍｍ以下、外周面取りＣ₂が０．１ｍｍ以下に設定されると好適である。

また、図４に示すように、トップリング２１は、外周縁の上側及び下側に上述した外周面取りＣ₂が形成された断面略長方形状の鋼材によって形成されている。

これに対し、セカンドリング２２は、図５に示すように、セカンドリングの下面側から上面側へ向けて縮径した傾斜面２５を有するテーパ形状が形成されている。また、セカンドリング２２の合口隙間は、０．１５ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下に設定されると好適である。

このように形成すると、第１にトップリング２１の合口隙間が縮小されるため、内燃機関の圧縮から作用工程での合口隙間からガスが漏れる量を低減することができる。また、ここから漏れ出たガスはセカンドリング２２の上面に達するが、セカンドリング２２が第２の溝１７に下面着座した状態では、サードランド１３の軸方向上端部の径がセカンドランド１２の下端部の径と略同一に形成されているため、着座面積が増大することによってセカンドリング２２の合口からガスが漏れる量を低減することができる。なお、このとき、セカンドリング２２の合口隙間を極小化することで更なるブローバイガス量の低減を図ることができる。

さらに、サードランド１３には、凹部１５が形成されているので、サードランド１３の上端部の径をセカンドランド１２の下端部の径と略同一に形成することでオイル消費量の増加を防止することができる。なお、セカンドランド１２に凹部１４を形成することで更なるオイル消費量の低減を図ることが可能となる。

このように、ピストンとピストンリングを組み合わせることで、オイル消費量の低減とブローバイガス量の低減を両立することができるピストンとピストンリングの組合せを実現することができる。

次に、実施例と比較例を参照して、本発明についてさらに詳しく説明を行う。

［実施例］
実施例としては、本実施形態に係るピストンとピストンリングの組合せと従来のピストンとピストンリングの組合せを組み込んだ内燃機関についてオイル消費量及びブローバイガス量を測定した。内燃機関は排気量が２．４Ｌでシリンダボア径が８７ｍｍの直列４気筒のガソリンエンジンを用い、内燃機関の運転条件は全負荷（ＷＯＴ）にて回転数６０００ｒｐｍで８時間とした。

実施例及び比較例に用いたピストンの形状は、図６（Ａ）に示すように、サードランド１３のみに凹部１５を形成したＡ型、図６（Ｂ）に示すように、セカンドランド１２及びサードランド１３の両方に凹部１４，１５を形成したＢ型並びに図６（ｃ）にしめすようにセカンドランド１２及びサードランド１３のいずれにも凹部を有さないＣ型の３種類のピストンを用いた。

ピストンリングは、トップリングが、リング径方向幅ａ１：２．７ｍｍ、リング軸方向幅ｈ１：１．０ｍｍ、合口隙間：０．２３ｍｍ、材質：ＳＵＰ９材、摺動面形状：バレルフェース形状、張力：４．６Ｎ、セカンドリングが、リング径方向幅ａ１：２．７ｍｍ、リング軸方向幅ｈ１：１．０ｍｍ、材質：ＳＷＲＨ６２Ｂ材、張力：４．１Ｎ、オイルリングが、組合せ径方向幅ａ１：２．４ｍｍ、組合せ軸方向幅ｈ１：２．０ｍｍ、スペーサエキスパンダの材質：ＳＵＳ３０４材、サイドレールの材質：ＳＵＳ４４０材、張力：２９Ｎを用いた。

なお、ピストン及びセカンドリングの組合せは合口隙間、ピストン形状、セカンドリング外周形状、合口面取Ｃ₁及び外周面取Ｃ₂について以下の組合せを用いて測定を行った。また、表１におけるセカンドリングの外周形状について、アンダカットとは図７のセカンドリング１２２のようにセカンドリングの下面部にアンダカット部を形成した形状をいう。

［ピストン形状による比較］
まず、ピストンの形状による変化を確認するために実施例１，２及び比較例１，２を用いてオイル消費量及びブローバイガス量の測定を行った。この結果、比較例１のオイル消費量及びブローバイガス量を１とした場合、実施例１はオイル消費量比が０．８、ブローバイガス量比が０．５、実施例２はオイル消費量比が０．７、ブローバイガス量比が０．５、比較例２はオイル消費量比が１．１、ブローバイガス量比が１．１という測定結果を得た。

このように、サードランド及びセカンドランドに凹部を形成したピストンを用いた結果、従来と比べてオイル消費量及びブローバイガス量がいずれも低減しており、凹部による効果が確認できた。

［セカンドリングの外周形状による比較］
次に、セカンドリングの外周形状による変化を確認するために、実施例１，２及び比較例３，４を用いてオイル消費量及びブローバイガス量の測定を行った。この結果、比較例３のオイル消費量及びブローバイガス量を１とした場合、実施例１はオイル消費量比が０．９、ブローバイガス量比が０．７、実施例２はオイル消費量比が０．７５、ブローバイガス量比が０．７、比較例４はオイル消費量比が０．９、ブローバイガス量比が１．０という測定結果を得た。

このように、セカンドリングの外周形状をテーパ状とした場合、アンダカット状のセカンドリングを凹部を有するピストンに組み付けた場合と比較して更にオイル消費量及びブローバイガス量がいずれも低減しており、セカンドリングの形状がテーパ状であることによる効果が確認できた。

［セカンドリングの合口隙間による比較］
次に、セカンドリングの合口隙間による変化を確認するために、実施例３，４及び比較例５を用いてオイル消費量及びブローバイガス量の測定を行った。この結果、比較例５のオイル消費量及びブローバイガス量を１とした場合、実施例３はオイル消費量比が１．１、ブローバイガス量比が０．６、実施例４はオイル消費量比が１．０、ブローバイガス量比が０．８という測定結果を得た。

このように、セカンドリングの合口隙間が０．４ｍｍの場合、合口隙間を０．５ｍｍと設定した場合と比べてブローバイガス量に優位性が見られる。また、セカンドリングの合口隙間が０．１５ｍｍ以下となるとブローバイガス量は低減されているもののオイル消費量が悪化していることが確認できた。この結果から、セカンドリングの合口隙間は、０．１５ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下が効果的であることが確認できた。

このように、実施例に係るピストンとピストンリングの組合せは、従来のピストンとピストンリングの組合せと比較しても、オイル消費量及びブローバイガス量ともに低減効果が確認でき、最適な組合せであることがわかる。

また、上述した本実施形態に係るピストンとピストンリングの組合せは、凹部１４，１５を底面４３を備える断面台形形状に形成した場合について説明を行ったが、凹部１４，１５の断面形状はこれに限られず例えば底面４３を形成せず、上面４１と斜面４２とが直接交差する断面クサビ形状に形成しても構わない。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ピストン，１０ピストン頭部，１２セカンドランド，１３サードランド，１４，１５凹部，１６第１の溝，１７第２の溝，１８第３の溝，２０ピストンリング，２１トップリング，２２セカンドリング，２３オイルリング，２４合口，２５傾斜面，３０シリンダ，４１上面，４２斜面，４３底面。

Claims

トップリングとセカンドリングから成る圧力リングと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と前記ピストンリングの組合せであって、
前記ピストンは、前記トップリングが組み付けられる第１の溝と前記セカンドリングが組み付けられる第２の溝の間に形成されたセカンドランドと、前記第２の溝と前記オイルリングが組み付けられる第３の溝の間に形成されたサードランドとを備え、
前記サードランドの軸方向上端部の径は、前記セカンドランドの下端部の径と略同一に形成され、
前記サードランドには、軸方向断面において径方向に縮径した凹部が形成され、
前記凹部は、前記サードランドに対して略垂直に形成された上面と、軸方向に対して傾斜した斜面と、前記上面と前記斜面に連続するとともに、軸方向に沿って延びる底面を備え、
前記底面の軸方向の長さＬ ₂ は、前記サードランドの軸方向の長さＬ ₁ に比べて１０〜２０％程度に設定され、前記凹部の開口長さＬ ₃ は、前記サードランドの軸方向の長さＬ ₁ に比べて３０〜６０％程度に設定され、
前記セカンドリングの外周面は、前記セカンドリングの下面側から上面側へ向けて縮径したテーパ形状を有すると共に、前記セカンドリングの合口隙間は０．１５ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下であ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。
請求項１に記載のピストンとピストンリングの組合せにおいて、
前記セカンドランドには、径方向に縮径した凹部が形成され、
前記凹部は、前記セカンドランドに対して略垂直に形成された上面と、軸方向に対して傾斜した斜面とを備え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。
請求項１又は２に記載のピストンとピストンリングの組合せにおいて、
前記トップリングは、合口面取りが０．１ｍｍ以下、外周面取りが０．１ｍｍ以下であ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。