JP6390470B2 - 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た状態で、シリンダ内壁に対して摺動するピストンリングに関する。

このようなピストンリングの一例として、例えば特許文献１に記載されたオイルリングが従来より存在する。このオイルリングの内部には中空空間が形成されており、この中空空間にオイルリングを径方向外側に付勢するコイルエキスパンダが配されている。このようにコイルエキスパンダによってオイルリングの張力を高めることで、オイルリングがシリンダ内壁の形状に合わせて変形やすくなり、オイルリングをシリンダ内壁に良好に接触させることができる（シリンダ内壁への追従性を向上させることができる）とされている。

特開２００７−２７１０７１号公報

ところで、シリンダ内壁への追従性を向上させるため、オイルリングの張力を大きくしすぎると、シリンダ内壁とオイルリングとの摺動抵抗が大きくなるので、追従性と摺動抵抗とのバランスを考えて、オイルリングの張力を適切にコントロールする必要がある。しかしながら、特許文献１のようにコイルエキスパンダとの組み合わせによって構成されるオイルリングでは、オイルリングに作用する張力が、オイルリング自身の物性とコイルエキスパンダの物性の両方の影響を受けることになり、張力を精度よくコントロールすることが困難であった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関のピストンに装着された状態で、シリンダ内壁に対して摺動するピストンリングにおいて、ピストンリングの張力を精度よくコントロール可能とすることを目的とする。

本発明は、内燃機関のピストンに装着された状態で、シリンダ内壁に対して摺動するピストンリングであって、周方向に沿って中空空間が形成されており、前記シリンダ内壁に対向する外周部に、肉厚が最も小さい最小肉厚部が設けられていることを特徴とする。

本発明にかかるピストンリングでは、シリンダ内壁に対向する外周部に最小肉厚部が設けられている。このため、外周部の剛性が他の部位と比較して低くなり、外周部が変形しやすくなる。同時に、外周部以外の部位に最小肉厚部よりも大きな肉厚の部分が存在することになるので、他の部位の剛性を高くすることができ、他の部位の変形を抑えることができる。このため、シリンダ内壁に接触する外周部を、剛性の高い他の部位で径方向外側に押さえ付けるように支持することができ、ピストンリングの張力を大きくすることができる。したがって、本発明にかかるピストンリングでは、コイルエキスパンダがなくとも、シリンダ内壁に対する追従性を向上させることができる。さらに、コイルエキスパンダが不要となることで、単一部品としてピストンリングを構成することができ、ピストンリングの張力を精度よくコントロールすることが可能となる。

ピストンに装着された状態のオイルリングの断面図である。 オイルリングの上面図である。 オイルリングの第１変形例を示す断面図である。 オイルリングの第２変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明にかかるピストンリングの実施形態について説明する。なお、本実施形態では、本発明にかかるピストンリングの一例として、主にシリンダ内壁に付着している余分なエンジンオイルをかき落とし、シリンダ内壁に適度な油膜を形成するためのオイルリングについて説明する。しかしながら、本発明にかかるピストンリングは、オイルリングだけではなく、主に内燃機関の燃焼室からガスが抜けてしまうことを防ぐコンプレッションリング（トップリングやセカンドリング等）に適用することも可能である。

図１は、ピストンに装着された状態のオイルリングの断面図であり、オイルリングの周方向に直交する断面を示すものである。ピストン２１の外周面には環状のリング溝２１ａが形成されており、このリング溝２１ａにオイルリング１が外嵌される。そして、オイルリング１がピストン２１に装着された状態でシリンダ２２に収容されることで、ピストン２１の昇降に伴って、オイルリング１がシリンダ内壁２２ａに対して摺動するように構成されている。

図２は、オイルリングの上面図である。オイルリング１は、円環形状を有しており、その周方向の一部に合口１０が形成されている。オイルリング１の外径は、外部から力が加わらない自然状態ではシリンダ２２の内径よりも大きく、合口１０を閉じた状態ではシリンダ２２の内径よりも小さくなるよう規定されている。つまり、合口１０の隙間を狭めるようにオイルリング１を縮径させることで、オイルリング１をシリンダ２２に収容することができる。シリンダ２２に収容されたオイルリング１は、自然状態に戻ろうとする弾性復元力によって、シリンダ内壁２２ａに接触する。

図１に示すように、オイルリング１は、シリンダ内壁２２ａへの接触面（外周部１２の外周面）が湾曲面となっている、いわゆるバレルフェース型のリングである。オイルリング１の内部には中空空間１１が形成されている。この中空空間１１は、周方向に沿ってオイルリング１の全域に形成されており、径方向外側寄りに偏心配置された長円形状となっている。

オイルリング１は、シリンダ内壁２２ａに対向する外周部１２と、中空空間１１を挟んで外周部１２と対向する内周部１３と、外周部１２の上端部と内周部１３の上端部とを連結する上面部１４と、外周部１２の下端部と内周部１３の下端部とを連結する下面部１５とで構成される。換言すると、外周部１２、内周部１３、上面部１４および下面部１５によって、中空空間１１が画定されている。

より詳細には、外周部１２は、中空空間１１の径方向外側の湾曲部の外側に形成された部分である。内周部１３は、中空空間１１の径方向内側の湾曲部の外側に形成された部分である。上面部１４は、中空空間１１の直線部の上方に形成された部分であり、肉厚が一様な平坦部となっている。下面部１５は、中空空間１１の直線部の下方に形成された部分であり、肉厚が一様な平坦部となっている。

外周部１２のうち、最もシリンダ内壁２２ａ側（径方向外側）に突出した頂部は、肉厚が最も小さい最小肉厚部１２ａとなっている。つまり、オイルリング１は、最小肉厚部１２ａおよびその近傍において、シリンダ内壁２２ａに接触する。一方、内周部１３のうち、最もシリンダ内壁２２ａの反対側（径方向内側）に突出した頂部は、肉厚が最も大きい最大肉厚部１３ａとなっている。

さらに、外周部１２における最大肉厚が、内周部１３、上面部１４および下面部１５におけるそれぞれの最小肉厚以下となっている。換言すると、外周部１２の肉厚は、全域にわたって、内周部１３、上面部１４および下面部１５におけるそれぞれの最小肉厚以下となっており、外周部１２には、内周部１３、上面部１４および下面部１５よりも肉厚が大きい部分は存在しない。さらに換言すると、内周部１３、上面部１４および下面部１５のそれぞれの肉厚は、全域にわたって、外周部１２の肉厚以上となっている。なお、本実施形態では、上面部１４の肉厚と下面部１５の肉厚とを同じにしているが、これらの肉厚は異なっていてもよい。

オイルリング１の上面部１４には、上面部１４をオイルリング１の軸方向（上下方向）に貫通する上側貫通孔１６が設けられている。また、内周部１３には、内周部１３をオイルリング１の径方向（水平方向）に貫通する内側貫通孔１７が設けられている。一方、ピストン２１のリング溝２１ａの側面には、オイル排出孔２１ｂが形成されている。このオイル排出孔２１ｂは、ピストン２１の内部空間（図示省略）に連通しており、リング溝２１ａ内のオイルを上記内部空間に排出するための通路となっている。

ピストン２１の上昇行程においては、図２に示すように、オイルリング１はリング溝２１ａの下面に密着した状態で上昇する。この際、オイルリング１の上部に溜まったオイルは、上側貫通孔１６、中空空間１１および内側貫通孔１７を経由して、オイル排出孔２１ｂへと至り、ピストン２１の内部空間へと排出される。あるいは、オイルリング１の上部に溜まったオイルは、オイルリング１の上面とリング溝２１ａの上面との間の隙間を経由して、オイル排出孔２１ｂへと至り、ピストン２１の内部空間へと排出される。このように、オイルの排出経路を複数確保することにより、良好にオイルを排出することができる。

ピストン２１が上昇行程から下降行程に移行する過渡期には、オイルリング１はリング溝２１ａ内において上方へ相対移動する。この際、オイルリング１の上部に溜まっているオイルは、上側貫通孔１６を介して中空空間１１に取り込まれるため、オイルリング１の上方への相対移動が円滑に行われる。

ピストン２１の下降行程においては、オイルリング１はリング溝２１ａの上面に密着した状態で下降する。この際、オイルリング１の下部に溜まったオイルは、オイルリング１の下面とリング溝２１ａの下面との間の隙間を経由して、オイル排出孔２１ｂへと至り、ピストン２１の内部空間へと排出される。また、上記過渡期に中空空間１１に取り込まれたオイルは、内側貫通孔１７を経由して、オイル排出孔２１ｂへと至り、ピストン２１の内部空間へと排出される。

このように、ピストン２１の昇降に伴って、オイルリング１がシリンダ内壁２２ａに対して摺動し、シリンダ内壁２２ａからかき落とされた余分なオイルが、ピストン２１の内部空間へと排出されることで、シリンダ内壁２２ａに適度な油膜を形成することができる。

オイルリング１は、例えば押出成形によって中空空間１１を有する直線状の素形材を作製した後、この素形材を曲げ加工することによって得ることができる。あるいは、鋳造によって、一工程で製造することも可能である。さらには、例えばオイルリング１の外周側と内周側とを別々に作製した後、これらを溶接することによって製造することもできる。

ところで、シリンダ２２は断面形状ができるだけ真円に近い円筒形状となるように製造されるが、製造時の誤差や組付時に発生する応力等により、断面形状が真円とはならない場合もある。このような場合、オイルリング１をシリンダ内壁２２ａの形状に沿って変形させることで、オイルリング１をシリンダ内壁２２ａに確実に接触させ、オイルリング１のシリンダ内壁２２ａに対する追従性を向上させる必要がある。一方、オイルリング１がシリンダ内壁２２ａに強く接触しすぎると、オイルリング１やシリンダ内壁２２ａの摩耗を速めるため、オイルリング１の張力が適度となるように、オイルリング１の張力を精度よくコントロールする必要がある。

ここで、コイルエキスパンダを用いた従来技術においては、オイルリングの張力は、オイルリング自身の物性や形状に加えて、コイルエキスパンダの弾性力によっても変化する。このため、コイルエキスパンダを用いた場合には、複数の部品での調整が必要となり、オイルリング１の張力を精度よくコントロールすることが困難であった。とは言え、コイルエキスパンダをなくした場合、次のような問題がある。オイルリング１の張力は、主に合口１０の隙間寸法によって調整されるが、合口１０の隙間寸法によってのみ張力を大きくすることには限界があった。

（効果）
そこで、本実施形態では、シリンダ内壁２２ａに対向する外周部１２に、肉厚が最も小さい最小肉厚部１２ａが設けられるように、オイルリング１の肉厚を規定している。こうすることで、外周部１２の剛性が他の部位１３、１４、１５と比較して低くなり、外周部１２が変形しやすくなる。同時に、外周部１２以外の部位１３、１４、１５に最小肉厚部１２ａよりも大きな肉厚の部分が存在することになるので、他の部位１３、１４、１５の剛性を高くすることができ、他の部位１３、１４、１５の変形を抑えることができる。このため、オイルリング１の弾性復元力によって、外周部１２が径方向外側に付勢されてシリンダ内壁２２ａに接触する際、剛性の高い他の部位１３、１４、１５で外周部１２を径方向外側に押さえ付けるように支持することができ、オイルリング１の張力を大きくすることができる。したがって、本実施形態のオイルリング１では、コイルエキスパンダがなくとも、シリンダ内壁２２ａに対する追従性を向上させることができる。さらに、コイルエキスパンダが不要となることで、単一部品としてオイルリング１を構成することができ、オイルリング１の張力を精度よくコントロールすることが可能となる。

また、本実施形態では、中空空間１１を挟んで外周部１２と対向する内周部１３に、肉厚が最も大きい最大肉厚部１２ａが設けられているので、内周部１３の剛性をより高くすることができる。このように、外周部１２に対向する内周部１３の剛性が高くなることで、内周部１３によって外周部１２をより効果的に径方向外側に押さえ付けるように支持することができるので、オイルリング１のシリンダ内壁２２ａに対する追従性をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、外周部１２における最大肉厚が、内周部１３における最小肉厚以下、すなわち、内周部１３のほうが、全域にわたって、外周部１２よりも肉厚が大きくなっている。このため、内周部１３の剛性をさらに高めることができ、オイルリング１のシリンダ内壁２２ａに対する追従性をより一層向上させることができる。

また、オイルリング１が、余分なオイルを除去するという役割を適切に果たすためには、ピストン２１の昇降時に、平坦に形成された上面部１４および下面部１５が、リング溝２１ａの上下面に密着する必要がある。そこで、本実施形態では、外周部１２における最大肉厚を、上面部１４における最小肉厚以下とし、かつ下面部１５における最小肉厚以下としている。つまり、上面部１４および下面部１５のほうが、全域にわたって、外周部１２よりも肉厚が大きくなるようにしている。こうすることで、上面部１４および下面部１５の剛性を高めて、上面部１４および下面部１５の変形を防止することができ、上面部１４および下面部１５がリング溝２１ａの上下面に密着する状態を良好に維持することができる。

［他の実施形態］
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、中空空間１１の断面形状を長円形状とした。しかしながら、中空空間１１の断面形状は、長円形状に限定されず、円形、楕円形、あるいは矩形等、適宜変更することが可能である。

また、上記実施形態では、オイルリング１に、上面部１４および下面部１５が設けられるものとした。しかしながら、上面部１４および下面部１５を設けることは必須ではなく、上面部１４および下面部１５をなくし、外周部１２と内周部１３とを直接つながるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ピストン２１に、オイル排出孔２１ｂが設けられるものとした。しかしながら、オイル排出孔２１ｂを設けることは必須ではなく、オイル排出孔２１ｂをなくしてもよく、オイル排出孔２１ｂに代えてリング溝２１ａの下面に部分的に半径方向の溝を設けたりしてもよい。その場合、ピストン２１の上昇行程においては、オイルリング１の上部に溜まったオイルは、上側貫通孔１６を経て中空空間１１に貯留される。もしくは上側貫通孔１６、中空空間１１および内側貫通孔１７を経由して、あるいは、上面部１４とリング溝２１ａの上面との間の隙間を経由して、内周部１３とリング溝２１ａの間に貯留される。また、ピストン２１の下降行程においては、ピストン２１の上昇行程で貯留されたオイルが、下面部１５とリング溝２１ａの下面との間の隙間を経由して、ピストン２１とシリンダ内壁２２ａの間に排出される。

また、上記実施形態では、外周部１２の頂部が、肉厚の最も小さい最小肉厚部１２ａであるとしたが、頂部以外の部分を最小肉厚部としてもよい。また、外周部１２の肉厚を全域で一様としてもよい。ここでは、頂部以外の部分に最小肉厚部を設けた形態について説明する。

図３は、オイルリングの第１変形例を示す断面図である。第１変形例のオイルリング３の基本形状は、上記実施形態のオイルリング１と同様であり、径方向外側寄りに偏心配置された長円形状の中空空間３１が、湾曲部である外周部３２、湾曲部である内周部３３、平坦部である上面部３４、および平坦部である下面部３５によって画定される。しかしながら、肉厚が最も小さい最小肉厚部３２ａが、外周部３２の頂部ではなく、外周部３２の頂部と上端部との中間部分と、外周部３２の頂部と下端部との中間部分とに設けられている点が、図２のオイルリング１とは異なる。

上記実施形態のオイルリング１のように、最小肉厚部１２ａがシリンダ内壁２２ａに接触するように構成されている場合、最小肉厚部１２ａが変形すると、面圧が変わってしまうおそれがある。そこで、第１変形例のオイルリング３のように、外周部３２のうちシリンダ内壁２２ａに接触しない部分（または、接触するけれども面圧が最大ではない部分）に最小肉厚部３２ａを設けることで、シリンダ内壁２２ａに接触している外周部３２の頂部の面圧の変化を抑えつつ、シリンダ内壁２２ａに対する追従性を向上させることができる。

また、上記実施形態では、オイルリング１を、シリンダ内壁２２ａへの接触面が湾曲面となっているバレルフェース型としたが、他のタイプのリングに本発明を適用することも可能である。ここでは、一例として、テーパーフェース型のリングに本発明を適用した場合について説明するが、もちろんこれ以外のものに本発明を適用することも可能である。

図４は、オイルリングの第２変形例を示す断面図である。第２変形例のオイルリング４は、シリンダ内壁２２ａに接触する外周部４２の外周面が傾斜面である、いわゆるテーパーフェース型のリングである。このオイルリング４では、上記実施形態と同様に、径方向外側寄りに偏心配置された長円形状の中空空間４１が、外周部４２、内周部４３、上面部４４および下面部４５によって画定されている。このようなテーパーフェース型のオイルリング４でも、外周部４２に最小肉厚部４２ａを設けることで、シリンダ内壁２２ａに対する追従性を向上させることができるのは、上記実施形態と同様である。

１、３、４：オイルリング（ピストンリング）
１１、３１、４１：中空空間
１２、３２、４２：外周部
１３、３３、４３：内周部
１４、３４、４４：上面部
１５、３５、４５：下面部
１２ａ、３２ａ、４２ａ：最小肉厚部
１３ａ：最大肉厚部
２１：ピストン
２２：シリンダ
２２ａ：シリンダ内壁

Claims (5)

1. 内燃機関のピストンに装着された状態で、シリンダ内壁に対して摺動するピストンリングであって、
   周方向に沿って中空空間が形成されており、
   前記中空空間は、前記ピストンリングの内部において径方向外側寄りに偏心配置されており、
   前記シリンダ内壁に対向する外周部と、前記中空空間を挟んで前記外周部と対向する内周部と、前記外周部の上端部と前記内周部の上端部とを連結する上面部と、前記外周部の下端部と前記内周部の下端部とを連結する下面部とを有しており、
   前記外周部には、前記内周部の最小肉厚、前記上面部の最小肉厚、及び前記下面部の最小肉厚よりも肉厚が小さい最小肉厚部が設けられており、
   単一部品として構成されていることを特徴とするピストンリング。
2. 前記内周部に、肉厚が最も大きい最大肉厚部が設けられている請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記外周部における最大肉厚が、前記内周部における最小肉厚以下である請求項２に記載のピストンリング。
4. 前記外周部における最大肉厚が、前記上面部における最小肉厚以下であり、かつ前記下面部における最小肉厚以下である請求項１〜３の何れか１項に記載のピストンリング。
5. 前記シリンダ内壁への接触面となる前記外周部の外周面は湾曲面となっており、
   前記中空空間は、周方向に直交する断面形状が長円形状であり、
   前記最小肉厚部が、前記外周部のうち、最も前記シリンダ内壁側に突出した頂部と上端部との中間部分、及び、前記頂部と下端部との中間部分に設けられている請求項１〜３の何れか１項に記載のピストンリング。

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