JP7308316B1 - ピストンリング - Google Patents
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Abstract
Description
の周長方向に延在する切欠部を形成するように前記外周端面と前記下面とを接続するカット面と、を有し、前記カット面は、該カット面のうち該ピストンリングの径方向において最も内側に位置する底部と、前記外周端面と前記底部との間に設けられると共に前記クランク室側に面する第1面と、前記底部と前記下面との間に設けられると共に前記径方向の外側に面する第2面と、を含み、前記第2面は、前記クランク室側に向かうに従って該ピストンリングの中心軸から離れるように傾斜しており、該ピストンリングの周長方向に直交する断面において、前記下面に対する前記第2面の傾斜角度は、50°以上85°以下であり、該ピストンリングの軸方向幅をh1とし、前記カット面と前記外周端面との接続部と、前記カット面と前記下面との接続部と、の軸方向における距離をHとしたとき、H/h1が0.2以上0.4以下である、ピストンリングである。
図1は、実施形態に係るセカンドリング40を備える内燃機関100の一部を示す断面である。図1では、符号20で示すピストンの中心軸に沿う断面が図示されている。図1に示すように、実施形態1に係る内燃機関100は、シリンダ10と、シリンダ10に装着(挿入)されたピストン20と、ピストン20に装着された複数のピストンリング30,40,50と、を備える。実施形態に係る内燃機関100では、2本のコンプレッションリング(トップリング30とセカンドリング40)及び1本のオイルリング50がピストン20に装着されている。2本のコンプレッションリングのうち、トップリング30が燃焼室に最も近い位置に装着され、セカンドリング40が燃焼室側から2番目の位置に装着されている。オイルリング50は、燃焼室から最も遠い位置に装着されている。
ピストン20には、燃焼室側から順に、トップランドL1、セカンドランドL2、サードランドL3が画定されている。なお、本明細書では、図1に示すように各ピストンリングがピストン20に装着され、且つ、ピストン20がシリンダ10に装着された状態を、「使用状態」と称する場合がある。
図1に示すように、セカンドリング40は、外周面1と内周面2と上面3と下面4とを有する。外周面1は、セカンドリング40の外周に設けられた面である。内周面2は、セカンドリング40の内周に設けられた面である。上面3は、40の軸方向端面のうち内燃機関100において上側(燃焼室側)に面する端面である。下面4は、40の軸方向端面のうち内燃機関100(使用状態)において下側(クランク室側)に面する端面である。上面3と下面4とによって、セカンドリング40の軸方向における幅(以下、軸方向幅とも呼ぶ)が規定される。セカンドリング40は、使用状態において、上面3が第2リング溝202の上壁面W1に対向し、下面4が第2リング溝202の下壁面W2に対向し、外周面1がシリンダ10の内壁面10aに摺接し、内周面2が第2リング溝202の底壁面W3に対向する。セカンドリング40は、合口(図示なし)が形成された円環状を有している。また、セカンドリング40は、第2リング溝202に装着された場合に外周面1がシリンダ10の内壁面10aを押圧するように、自己張力を有している。また、図1に示すように、セカンドリング40は、その外周下部に符号5で示す切欠部(アンダーカット)が形成された、アンダーカット形状を有している。切欠部5は、セカンドリング40の周長方向に延在しており、セカンドリング40の全周に亘って形成されている。使用状態においては、切欠部5がオイル溜まりとなり、ピストン20の下降時においてセカンドリング40が隙間PC1内のオイルを掻き落とす際に、切欠部5にオイルがバッファされることで、油圧の上昇が抑制される。その結果、良好なオイル掻き性能が得られる。なお、切欠部5は、セカンドリング40の全周に亘って形成される必要はなく、例えば、合口部近傍においては切欠部5が形成されていなくともよい。つまり、切欠部5は、合口部を形成する合口端部を除いてセカンドリング40に形成されてもよい。これにより、ガスシール性能を高めることができる。
まり、縮径するように)傾斜している。これにより、実施形態に係るセカンドリング40の外周形状は、テーパアンダーカット形状となっている。テーパ面11は、本発明に係る「外周端面」に相当する。なお、本発明に係る外周端面は、軸方向の位置によらず外径が一様なストレート面であってもよい。その場合、ストレート面の全体が外周端部となる。また、本発明に係る外周端面は、径方向の外側に凸状となるように湾曲したバレル形状であってもよい。その場合、バレル形状の頂点が外周端部となり、該頂点から下方にアンダーカットが形成される。
下側R面124の曲率半径をr1とする。なお、本発明において、下側R面124は必須の構成ではない。
以下、実施形態に係るセカンドリング40のオイル掻き落とし性能について説明する。図3は、実施形態に係る内燃機関100においてピストン20が下降行程のときのセカンドリング40付近の断面図である。図4は、比較例1に係る内燃機関200においてピストン20が下降行程のときのセカンドリング60付近の断面図である。図3及び図4では、ピストン20の中心軸に沿う断面が図示されている。図4に示す比較例1に係る内燃機関200は、実施形態に係るセカンドリング40に代えて、従来のテーパアンダーカット形状のセカンドリング60がピストン20の第2リング溝202に装着されている点で、実施形態に係る内燃機関100と相違する。ここで、図3及び図4の符号F1は、シリンダ10の内壁面10aに存在する一部のオイルのピストン20に対する相対的な流れを表している。また、符号C1は、第2リング溝202の下壁面W2とピストン20の外周面20aとの間に形成された面取り部分を示す。
以上のように、実施形態に係るセカンドリング40において切欠部5を形成するカット面12は、底部B1と下面4との間に設けられると共に前記径方向の外側に面する第2面122を含み、第2面122は、下側に向かうに従ってセカンドリング40の中心軸から離れるように傾斜しており、下面4に対する傾斜角度θ1は50°以上85°以下となっている。更に、実施形態に係るセカンドリング40では、H/h1が0.2以上0.4以下となっている。
図5は、実施形態の変形例に係るセカンドリング40Aの外周面1を説明するための断面図である。図5では、セカンドリング40Aの周長方向に直交する断面の一部が図示されている。図5に示すように、セカンドリング40Aは、カット面12の第1面121が下面4に対して傾斜している点で、上述のセカンドリング40と相違する。
ば0.5°≦θ2≦30°の範囲で設定してもよい。
解析ソフトを用いた解析により、実施形態に係るセカンドリングのオイルシール性能の評価を行った。シール性能の評価では、内燃機関におけるピストンの下降行程におけるオイルの流出量を解析した。
実施例1~2として、図2で示した実施形態に係るセカンドリング40のオイルシール性能を評価した。実施例1では、h1=1.5mm、H=0.3mm、H/h1=0.2、D=0.4mm、θ1=80°、θ2=0°のセカンドリングを用いた。実施例2では、h1=1.5mm、H=0.3mm、H/h1=0.2、D=0.4mm、θ1=70°、θ2=0°のセカンドリングを用いた。また、実施例3~4として、図5で示した実施形態の変形例に係るセカンドリング40Aのオイルシール性能を評価した。実施例3では、h1=1.5mm、H=0.3mm、H/h1=0.2、D=0.4mm、θ1=83°、θ2=13.5°のセカンドリングを用いた。実施例4では、h1=1.5mm、H=0.3mm、H/h1=0.2、D=0.4mm、θ1=80°、θ2=10°のセカンドリングを用いた。比較例1として、図4で示した比較例1に係るセカンドリング60のオイルシール性能を評価した。比較例2として、特許文献3(国際公開第2016/121483号)に開示されるセカンドリングのオイルシール性能を評価した。図6は、比較例2に係るセカンドリング70の断面図である。比較例3として、いわゆるナピア形状を有するセカンドリングのオイルシール性能を評価した。図7は、比較例3に係るセカンドリング80の断面図である。図6及び図7では、周長方向に直交する断面が図示されている。
図8は、オイル流出量の解析結果を示すグラフである。図8では、比較例1に対するオイル流出量比を示している。図8の縦軸で表されるオイル流出量比は、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量の比である。図8に示す通り、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量について、比較例1に対する比較例2~3の比は、それぞれ、1.59、1.18となった。また、比較例1に対する実施例1~4の比は、それぞれ、0.77、0.32、0.68、0.59となった。図8の解析結果により、実施例1~4は比較例1~3と比較してセカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量が低減されることが分った。
実施形態に係るセカンドリング40において、傾斜角度θ1やH/h1を変化させたときのオイルシール性能を評価した。図9は、θ1とオイル流出量との関係を示すグラフである。図9では、実施形態に係るセカンドリングにおいて、h1=1.5mm、H=0.3mm、H/h1=0.2、D=0.4mm、θ2=0°とし、θ1=40°、45°、50°、60°、70°、80°、85°、90°とした場合のθ1とオイル流出量との関係が示されている。図9において縦軸で表されるオイル流出量は、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイルの量である。図9に示すように、θ1が70°付近においてセカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間のオイル流出量が低減されることが分った。また、図10は、H/h1とオイル流出量との関係を示すグラフで
ある。図10では、実施形態に係るセカンドリングにおいて、H/h1=0.15、0.2、0.3、0.4、0.45とした場合のH/h1とオイル流出量との関係が示されている。図10において縦軸で表されるオイル流出量は、セカンドリングの外周面とシリンダの内壁面との間を通ってセカンドランドに流出するオイルの量である。図10に示すように、H/h1=0.2、0.3、0.4の場合の方がH/h1=0.15、0.45の場合よりもセカンドランドへのオイル流出量が比較的少ないことが分る。これにより、H/h1を0.2以上0.4以下とすることでセカンドランドへのオイル流出量が低減することが分った。また、図11は、Dとオイル流出量との関係を示すグラフである。図11では、実施形態に係るセカンドリングにおいて、D=0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mmとした場合のDとオイル流出量との関係が示されている。図11の縦軸で表されるオイル流出量は、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイルの量である。図11に示すように、0.2mm≦D≦0.5mmの範囲においてセカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間のオイル流出量が低減されることが分った。特に、Dが0.3mm付近においてオイル流出量が最も少ないことが分る。つまり、D<0.3mmの範囲では、Dが小さくなるほどオイル流出量が増加する。これは、シリンダの内壁面のオイルとリングのアンダーカット部分(切欠部)のオイルとが干渉することでオイルの渦が発生し、流速の低下したオイルがリング下面に沿って流れるためだと考えられる。また、D>0.3mmの範囲では、Dが大きくなるほどオイル流出量が増加する。これは、ピストンの面取り部に当たるオイルの量が増加することでリング下面に沿って流れるオイルの量が増加するためだと考えられる。
実施形態に係るセカンドリングを用いた場合のオイルの流れを解析ソフトにより解析した。図12は、ピストンの下降行程における内燃機関のセカンドリング付近のオイルの流動分布の解析結果を示す図である。図12において、「Volume Fraction of Oil」のグラデーションスケールは、オイルの体積分率を表している。図12の解析結果において、黒い部分はオイルの比率が低く(空気が多い)、白い部分はオイルの比率が高い(オイルが多い)。
1a :外周端部
11 :テーパ面(外周端面の一例)
12 :カット面
121 :第1面
122 :第2面
123 :第3面
2 :内周面
3 :上面
4 :下面
5 :切欠部
10 :シリンダ
20 :ピストン
40 :セカンドリング(ピストンリングの一例)
100 :内燃機関
Claims (6)
- 内燃機関のピストンに装着されるピストンリングであって、
該ピストンリングの外周に設けられた外周面と、該ピストンリングの内周に設けられた内周面と、該ピストンリングの軸方向端面のうち前記内燃機関において燃焼室側に面する上面と、該ピストンリングの軸方向端面のうち前記内燃機関においてクランク室側に位置する下面と、を有し、
前記外周面は、該ピストンリングの周長方向に直交する断面において、該ピストンリングにおいて最大径となる外周端部を含む外周端面と、前記外周端面と前記下面との間に該ピストンリングの周長方向に延在する切欠部を形成するように前記外周端面と前記下面とを接続するカット面と、を有し、
前記カット面は、該カット面のうち該ピストンリングの径方向において最も内側に位置する底部と、前記外周端面と前記底部との間に設けられると共に前記クランク室側に面する第1面と、前記底部と前記下面との間に設けられると共に前記径方向の外側に面する第2面と、を含み、
前記第2面は、前記クランク室側に向かうに従って該ピストンリングの中心軸から離れるように傾斜しており、
該ピストンリングの周長方向に直交する断面において、前記下面に対する前記第2面の傾斜角度は、50°以上85°以下であり、
該ピストンリングの軸方向幅をh1とし、前記カット面と前記外周端面との接続部と、前記カット面と前記下面との接続部と、の軸方向における距離をHとしたとき、H/h1が0.2以上0.4以下であり、
前記カット面と前記下面との接続部は、前記カット面と前記外周端面との接続部よりも径方向内側に位置し、
前記カット面は、前記第2面に沿って流動するオイルを該ピストンリングの外周側へ逃がすように構成されている、
ピストンリング。 - 前記カット面と前記外周端面との接続部と、前記カット面と前記下面との接続部と、の前記ピストンリングの径方向における距離をDとしたとき、0.2mm≦D≦0.6mmである、
請求項1に記載のピストンリング。 - 前記第1面は、該ピストンリングの径方向内側に向かうに従って前記クランク室から離れるように傾斜しており、
該ピストンリングの周長方向に直交する断面において、前記下面に対する前記第1面の傾斜角度は、30°以下である、
請求項1又は2に記載のピストンリング。 - 前記カット面は、前記底部を含むと共に前記第1面と前記第2面とを接続する第3面を含み、
前記第3面は、凹状に湾曲しており、
前記第3面の曲率半径は、0.05mm以上0.2mm以下である、
請求項1から3の何れか一項に記載のピストンリング。 - 前記カット面は、前記第2面と前記下面とを接続する下側R面を更に含み、
前記下側R面の曲率半径は、0.01mm以上0.2mm以下である、
請求項1から4の何れか一項に記載のピストンリング。 - 複数のコンプレッションリングがピストンに装着される内燃機関において、前記複数のコンプレッションリングのうち燃焼室側から2番目の位置に装着されるセカンドリングとして形成されている、
請求項1から5の何れか一項に記載のピストンリング。
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