JP6780519B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、ピストンリングに関し、より特定的には、内燃機関のピストン外周面に嵌合するピストンリングに関するものである。

従来のピストンリングは、たとえば、特表２００６−５２７３２０号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１では、ピストンリング下面にリセスを設けて、ピストンリング下面とピストンリング溝との接触面積を減らし、ピストンリング溝の摩耗を低減している。さらに、リセスは、ピストンリング内周面側に開口している。この開口部を介してピストンリングのリセスに燃焼ガスの圧力を導入することで、燃焼ガスがピストンリングを下方に押付ける押付け圧力を低減して、より効果的にピストンリング溝の摩耗を低減している。

特表２００６−５２７３２０号公報

特許文献１では、リセスの一部にピストンリングの内周側と外周側とを接続する通路が形成されているため、ピストンリングの上側の領域から内周側を経由してリセスに入り込んだ燃焼ガスがピストンリングの外周側へと流れる。これにより、燃焼ガス中の炭素成分に起因するデポジットがリセス内に堆積してしまうという問題が発生する。

そこで、この発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、燃焼ガスがピストンリングを下方へ押し付ける押付け圧力を低減してピストンリング溝の摩耗を抑制しつつ、ピストンリング内へのデポジットの堆積を抑制することができるピストンリングを提供することを目的とする。

この発明に従ったピストンリングは、ピストンのリング溝に嵌り合うピストンリングであって、合口部を有し、リング内周面、リング外周面、ならびにリング内周面とリング外周面とを接続するピストン頂面側のリング上面およびピストンスカート側のリング下面を有し、リング下面には円周方向に沿って延在する溝が設けられており、リング上面またはリング内周面と、溝と、を接続してリング上面またはリング内周面に開口する、溝より小径の孔が複数個設けられており、溝の内周側端面はリング内周面よりも径方向外側に位置し、リング下面はリング溝の下面と対向する下面側対向領域を有し、溝の外周側端面は下面側対向領域内に位置し、溝の円周方向の端部は合口部から離隔している。

このように構成されたピストンリングでは、溝の外周側端部は下面側対向領域内、すなわちリング溝内に位置しているため、溝の外周側端部がピストンリングの外側と連通していない。その結果、燃焼ガスが溝内を経由して溝外へ流れることが少なくなるため、溝内にデポジットが堆積することを抑制できる。溝の円周方向端部は合口部から離隔しているため、溝は合口部に開口していない。その結果、合口部よりも静圧の高いピストンリングの上面または内周面から燃焼ガスの圧力を複数の孔および溝に導入することができる。溝の内周側端面はリング内周面よりも径方向外側に位置し、かつ溝の外周側端部は下面側対向領域内、すなわちリング溝内に位置するため、溝はリング内周面およびリング外周面に開口していない。そのため高圧の燃焼ガスが複数の孔から溝に導入されると溝内の圧力が高まる。この圧力が溝およびピストンリングを上面側へ押し上げる力となる。これによりピストンリングの下面とリング溝表面との摩擦力が小さくなり、摩擦損失を低減できる。

好ましくはリング上面はリング溝の上面と対向する上面側対向領域を有し、孔の開口は、上面側対向領域内に位置する。この場合、ピストンの挙動に応じてピストンリングがリング溝の上面に押付けられると孔の開口はリング溝の上面によって塞がれる。その結果、リング下面からリング上面へのオイル上がりを抑制できる。さらに、ピストンリングがリング溝の下面に押付けられているとリング上面の複数の開口から燃焼室側の高圧の燃焼ガスが導入されることにより、溝内の圧力が均一になり溝の各部分において摩擦損失を低減できる。その結果、ピストンリングの張力の周方向での分布を均一化することができる。

この発明に従えば、燃焼ガスがピストンリングを下方へ押し付ける押付け圧力を低減してピストンリング溝の摩耗を抑制しつつ、ピストンリング内へのデポジットの堆積を抑制することができる。

実施の形態１に従ったピストンリングの底面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 リング溝に嵌め合わせられたピストンリングの断面図である。 実施の形態２に従ったピストンリングの断面図である。 実施の形態３に従ったピストンリングの底面図である。 実施の形態４に従ったピストンリングの断面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る内燃機関について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
（全体構成）
図１は、実施の形態１に従ったピストンリングの底面図である。図１で示すように、実施の形態１に従ったピストンリング１は、円環の一部分が合口部３により切りかかれた形状、所謂、Ｃ字形状に形成されている。

Ｃ字形状のピストンリング１は、内周側に位置するリング内周面１４、外周側に位置するリング外周面１３、リング内周面１４とリング外周面１３とを接続して径方向に延びるリング下面１２を有する。リング内周面１４およびリング外周面１３は図１では円弧形状である。

リング下面１２には周方向に延びる溝２１が設けられている。溝２１の周方向の両方の端部２１１ａ，２１１ｂは合口部３付近にまで延びているが、溝２１は合口部３に開口していない。ピストンリング１には溝２１に連通する複数の孔２２が設けられている。

溝２１は内周側端面２１２から外周側端面２１３までピストンリング１の円周方向に沿って延在するリング下面１２に設けられた凹部として形成されている。この実施の形態では、溝２１の内周側端面２１２から外周側端面２１３までの距離（溝２１の幅）は、ピストンリング１の円周方向に沿って一定となっているが、溝２１の幅をピストンリング１の円周方向に沿って部分的に異ならせてもよい。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿ったピストンリングの断面図である。図２で示すように、ピストンリング１は、リング上面１１とリング下面１２とが略平行になるように形成されている。リング上面１１には溝２１に連通する孔２２の開口２２１が設けられている。孔２２は、その径が溝２１の幅よりも小径となるように形成されている。溝２１はリング内周面１４側にもリング外周面１３側にも開口していない。矢印ｒで示す方向が径方向外側である。

（リング溝３３とピストンリング１との関係）
図３は、リング溝に嵌め合わせられたピストンリングの断面図である。図３で示すようにピストンリング１は、ピストン３１のリング溝３３に嵌め合わせられる。リング溝３３は下面３３１および上面３３２を有する。ピストンリング１のリング上面１１はピストン頂面側、リング下面１２はピストンスカート側に位置する。ピストン３１は矢印３１ｕで示す上昇方向と、矢印３１ｄで示す下降方向とに動く。

ピストン３１の側面３１ａはシリンダボア３２と対向している。溝２１は、ピストンリング１のリング下面１２におけるリング溝３３の下面３３１とオーバーラップする範囲（対向領域内）に設けられる。すなわち、リング下面１２はリング溝３３の下面３３１と対向する下面側対向領域１２Ａを有し、溝２１の外周側端面２１３は下面側対向領域１２Ａ内に位置する。本実施形態では孔２２の開口２２１がリング上面１１に設けられている。リング上面１１はリング溝３３の上面３３２と対向する上面側対向領域１１Ａを有し、上面側対向領域１１Ａに孔２２が設けられている。溝２１はリング内周面１４側には開口していない。膨張工程において燃料室の燃焼ガスが矢印２２０で示すように流れ、孔２２を介してピストンリング１の溝２１に導入される。この時、燃焼ガスの圧力によってピストンリング１の溝２１には矢印２１ａで示すような力が作用して、ピストンリング１はリング上面１１側に押し上げられる。

ピストンリング１は、リング内周面１４、リング外周面１３、ならびにリング内周面１４からリング外周面１３向かう径方向へ延びる、ピストン頂面側のリング上面１１およびピストンスカート側のリング下面１２を有し、リング下面１２には溝２１が設けられており、リング上面１１またはリング内周面１４と溝２１とを接続するように溝２１より小径の孔２２が設けられており、溝２１の内周側端面２１２はリング内周面１４よりも径方向外側に位置し、溝２１の外周側端面２１３はリング溝３３内に位置し、孔２２のリング上面１１またはリング内周面１４の開口２２１はリング溝３３内に位置し、溝２１の円周方向の端部２１１ａ，２１１ｂは合口部３から離隔している。

（効果）
ピストンリング１が下面３３１に接触している場合において、燃焼室内の圧力（燃焼ガス）が開口２２１、孔２２を経由して溝２１内に導入されると、矢印２１ａで示すように、ピストンリング１の溝２１内にピストンリング１を上方向に押し上げようとする力が作用する。その結果、ピストンリング１のリング下面１２とリング溝３３の下面３３１との間の摩擦力が小さくなる。ピストン３１が矢印３１ｄ，３１ｕで示す方向に上下運動すると、シリンダボア３２の変形に追従してピストンリング１が矢印５で示す径方向に移動しようとする。この際、リング下面１２と下面３３１との摩擦力が小さいため、容易にピストンリング１が径方向に移動する。その結果、摩擦損失が小さくなる。

さらに、溝２１は、ピストンリング１のリング外周面１３、およびリング溝３３よりもピストンスカート側の空間と連通していないため、孔２２を介して溝２１に導入された燃焼ガスが、溝２１から外部に流出することがない。その結果、溝２１内のデポジットの堆積を抑制できる。

ピストンリング１の円周方向に沿って延在する溝２１に連通する複数の孔２２を、ピストンリング１の円周方向に沿って略等間隔となる位置に配置することで、燃焼ガス導入時の溝２１内の円周方向の圧力分布を均一化できる。その結果、ピストンリング１の各部分において上記の摩擦力低減の効果を奏することができる。これにより、ピストンリング１の張力を均等に分散させることができる。

ピストンリング１の合口部３よりも静圧の高くなるピストンリング１のリング上面１１に孔２２の開口を設けているので、溝２１に高い圧力が導入されて、矢印２１ａで示す、ピストンリング１の溝２１に作用する力を大きくすることができる。そのため、ピストンリング１のリング下面１２とリング溝３３の下面３３１との摩擦力を小さくすることができる。

例えば、特開平６−１５９１３５号公報には、ピストンリングの下面に形成された溝が合口部の端面で開口しており、その合口部の端面に設けられた開口部から燃焼ガスの圧力を溝内に導入する構成が開示されている。この構造では、ピストンリングの下面の溝に燃焼ガスの圧力を導入するための開口部がピストンリングの合口部の端面に設けられているため、燃焼ガスの押付け圧力を十分に低減することはできない。つまり、燃焼ガスのエネルギーは、運動エネルギー（流速）と静圧を含み、流速が大きくなると静圧のエネルギーは小さくなる。ピストンリングの合口部は燃焼ガスの流速が速い（静圧が低い）部分であり、そのような燃焼ガスの静圧のエネルギーが小さくなる合口部から燃焼ガスの圧力をピストンリング下面の溝に導入する構造では、溝内の圧力を高くすることができない。その結果、燃焼ガスがピストンリングを下方へ押し付ける押付け圧力を低減する効果は非常に小さくなってしまうのである。

（孔２２の位置と効果との関係）
点線２２ａから点線２２ｄは、仮想的な孔の位置を示している。孔２２は点線２２ａで示すように、リング内周面１４と溝２１とを連通していてもよい。また、点線２２ｂ，２２ｃで示すようにリング上面１１に開口していてもよい。これらの場合には、燃焼ガスを点線２２ａ，２２ｂ，２２ｃの孔から溝２１へ導入して溝２１内の圧力を高くすることができる。その結果、膨張工程において、ピストンリング１のリング下面１２とリング溝３３の下面３３１との摩擦力を小さくすることができる。さらに、溝２１から燃焼ガスが流れ出ることを抑制できるため、溝２１および孔内にデポジットが堆積することを抑制できる。

点線２２ｄで示すように、リング外周面１３に開口するように孔が設けられている場合には、シリンダボア３２により開口が塞がれる。そのため、点線２２ｄの孔から溝２１に燃焼ガスを導入することが困難となる。

孔は、上面側対向領域１１Ａに開口していることが好ましい。この場合には、オイル上がりの防止、張力の均一化の効果をさらに奏することができる。

ピストン３１が矢印３１ｕで示す方向に上昇している圧縮工程および排気工程では、下死点でピストン３１の上向きの加速度が最大となり、下死点と上死点との中間点でピストンの加速度がゼロとなり、上死点でピストンの下向きの加速度が最大となる。ピストン３１が矢印３１ｄで示す方向に下降している吸気工程および膨張工程では、上死点でピストン３１の下向きの加速度が最大となり、上死点と下死点との中間点でピストンの加速度がゼロとなり、下死点でピストンの上向きの加速度が最大となる。慣性力のみを考慮すれば、ピストン３１の上昇過程の下死点から中間点まではピストンリング１はリング溝３３の下面３３１に押付けられ、中間点で下面３３１および上面３３２に接触せず、中間点から上死点まではリング溝３３の上面３３２に押付けられる。ピストン３１の下降過程の上死点から中間点まではピストンリング１はリング溝３３の上面３３２に押付けられ、中間点で下面３３１および上面３３２に接触せず、中間点から下死点まではリング溝３３の下面３３１に押付けられる。

実際には、オイルからピストンリング１に与えられる力、燃焼室内のガスからピストンリング１に与えられる力、ピストンリング１とリング溝３３との間の摩擦力などにより、ピストンリング１の動きは上記の慣性力のみを考慮する場合のように単純ではないが、上記の通り、ピストンリング１がリング溝３３の下面３３１から離れて上面３３２に押付けられることがある。この場合であっても、点線２２ｂで示すように孔が設けられて上面側対向領域１１Ａに孔が開口している場合にはピストンリング１が上面３３２に押付けられた場合には孔が上面３３２により塞がれる。そのため、リング上面１１とリング下面１２とが連通しない。その結果、たとえば圧縮工程における圧縮漏れ、排気工程における排気漏れを防止できる。さらに、ピストン３１が下降する吸気工程においても、リング上面１１とリング下面１２とが連通しないため、リング下面１２側からリング上面１１側へオイルが流れるオイル上がりを防止できる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に従ったピストンリングの断面図である。図４で示すように、実施の形態２に従ったピストンリング１では、溝２１が径方向において複数に分かれた小溝４０から構成されている点において、実施の形態１に従ったピストンリング１と異なる。

このように構成された実施の形態２に従ったピストンリング１でも、実施の形態１に従ったピストンリング１と同様の効果がある。

（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に従ったピストンリングの底面図である。図５で示すように、実施の形態３に従ったピストンリング１では、溝２１が円周方向において複数の分かれている点で、実施の形態１に従ったピストンリング１と異なる。１つの溝には１つの孔２２が設けられている。図５では同じ形状の溝２１が複数設けられている。互いに異なる形状の溝２１が複数設けられていてもよい。さらに、各溝２１に複数の孔２２が設けられていてもよい。

このように構成された実施の形態３に従ったピストンリング１でも、実施の形態１に従ったピストンリング１と同様の効果がある。

（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に従ったピストンリングの断面図である。図６で示すように、実施の形態３に従ったピストンリング１では、溝２１の上側が半円形状である点において、実施の形態１に従ったピストンリング１と異なる。

このように構成された実施の形態４に従ったピストンリング１でも、実施の形態１に従ったピストンリング１と同様の効果がある。

以上、実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変更することが可能である。溝２１は円周方向だけでなく、径方向に延びるものであってもよい。孔２２の半径は均一なものに限定されず、不均一であってもよい。

上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば内燃機関のピストンリングにおいて用いることができる。

１ ピストンリング、２ 延長線、３ 合口部、１１ リング上面、１２ リング下面、１３ リング外周面、１４ リング内周面、２１ 溝、２２ 孔、３１ ピストン、３１ａ 側面、３２ シリンダボア、３３ リング溝、４０ 小溝、２１１ａ，２１１ｂ 端部、２１２ 内周側端面、２１３ 外周側端面、２２１ 開口、３３１ 下面、３３２ 上面。

Claims (2)

1. ピストンのリング溝に嵌り合うピストンリングであって、
   合口部を有し、
   リング内周面、リング外周面、ならびに前記リング内周面と前記リング外周面とを接続するピストン頂面側のリング上面およびピストンスカート側のリング下面を有し、
   前記リング下面には円周方向に沿って延在する溝が設けられており、
   前記リング上面または前記リング内周面と、前記溝と、を接続して前記リング上面または前記リング内周面に開口する、前記溝の幅より小径の孔が複数個設けられており、
   前記溝の内周側端面は前記リング内周面よりも径方向外側に位置し、
   前記リング下面は前記リング溝の下面と対向する下面側対向領域を有し、前記溝の外周側端面は前記下面側対向領域内に位置し、
   前記溝の円周方向の端部は前記合口部から離隔し、
   前記溝は前記リング外周面に開口しておらず、前記溝は前記下面側対向領域に向かって開口しており、燃焼ガスが前記孔から前記溝に導入されることにより前記溝および前記ピストンリングを前記リング上面側に押し上げ、摩擦損失を低減する、ピストンリング。
2. 前記リング上面は前記リング溝の上面と対向する上面側対向領域を有し、前記孔の開口は、前記上面側対向領域内に位置する、請求項１に記載のピストンリング。

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