JPH0337026B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関などに用いるピストンリン
グ付きピストンに関するものである。 〔従来技術〕 ピストンリングは、燃焼室から燃焼ガスが逃げ
ること（ブローバイといわれている）を防止する
ためと、燃焼室に入る油の量を制限して過剰に油
を消費しないようにするための両方でピストンに
用いられている。これらの目的を達成するため
に、一般に３個以上のリングが設けられる。最近
の内燃機関は、上部と中央の位置にある二つの圧
縮リングと下部位置にある油かきリングとからな
る３・ピストンリング・パツクを用いることが多
い。一般に、実用上の目的のために、二つの圧縮
リングがシリンダ壁に接触していることは、油消
費量を許容範囲内に納めるとともに燃焼ガスのブ
ローバイを効率的に制御するのに最低限必要なこ
とであると考えられてきた。ただ１個の圧縮リン
グがシリンダ壁と接触しているだけの効率のよい
ピストンを作ることができれば、多くの利点があ
る。まず、ピストンの圧縮高さと重量が減るとい
うような寸法的な結果があり、次に摩擦が減ると
いう利益がある。圧縮高さ、すなわち、ピストン
ヘツドとピストンピンの軸との間の距離の減少に
よつてエンジンの高さを全体として下がることが
でき、それは結果として自動車のボンネツト線を
低くして、空気力学的な改良ができることなどを
意味する。しかし、ピストンの重量が減るという
ことはまた、ピストンピン、連接棒、軸受、クラ
ンク軸などをすべて小さく、従つて、軽く作るこ
とができることになるので、それらに加わる応力
が小さくなるようにする。 圧縮リングの気体密封を改良する種々の方法が
提案されている。これらの中には、単一のみぞの
中にあるがシリンダ壁にもたれる多数の要素を有
するリングがある。そのような構成は、シユンイ
チの欧州特許願第0069175号に記載されている。
他の方法は、一つがピストンリングの内側軸方向
面にあり、もう一つがピストンリングみぞの軸方
向壁にある二つのみぞに入つている一つの補助リ
ングを設けることを含んで、この補助リングは主
リングとピストンとの間のシールとなる。この型
式のリング集合体の例は、グラハム（Graham）
の英国特許第2117868A号およびウイリアムス
（Williams）の米国特許第2228495号に記載され
ている。グラハムの記載している実施例は、ピス
トンリングみぞの中にある補助リング用の比較的
深いみぞを示しており、それはシリンダ壁にもた
れているピストンリングの内側軸方向面内のみぞ
の深さと同程度のものとなつている。いくつかの
実施例における補助リングは、みぞの中に入つた
自由浮動リングとして示されており、外側ピスト
ンリングに抗して外方に広がることもなければ、
ピストン内の補助リング用のみぞの内側壁に接す
ることもない。一つの例では、補助リングは事実
上二つの半円要素のようなツウピース集合体とし
て示されている。この補助リングはまた、二つの
実施例において、ピストンリングみぞの内側軸方
向面から外方に伸びる固いフランジ状のものであ
るとして示されている。 ウイリアムスは、内側リングがピストンリング
みぞの軸方向面に切り込まれた環状みぞにはまつ
ているとともに、シリンダ壁にもたれているピス
トンリングの内側軸方向面内の対応するみぞと共
同作用する構成を記載している。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、ウイリアムスの構成では、内側補助リ
ングすなわち密封リングが主ピストンリングをシ
リンダ壁に押しつける力を大きくするためにエキ
スパンダの機能を果すことが必要である。なお、
内側密封リングが主リングの傾きを防止し、その
軸方向の動きを制限するために、ピストン壁と主
リングの中のみぞにすべりばめになつていること
が必要である。密封リングが両方のみぞにすべり
ばめされるためには、各みぞの軸方向の深さが等
しいことが必要である。ピストン壁内の密封リン
グはまた、ピストンリング内の対応するみぞより
半径方向の深さが大であることが必要である。従
つて内側リングの密封作用が主としてそのリング
がそれのみぞの中にすべりばめになつていること
によるとともに、ラビリンス密封効果にもよつて
いることが明らかである。 グラハムおよびウイリアムスの両特許は、まつ
すぐで、平行で同心的な内側および外側軸方向面
を有するように内側密封リングを示し、さらに、
ウイリアムスの特許は、このことを明細書で強調
している。 〔問題点を解決すための手段〕 内側の補助リングと外側の主リングの組合せ
は、内側リングが外側リングのためのみぞの中の
外側リングの運動を制限しない上に、内側リング
が傾いて外側主リングとシールを形成できるよう
に構成されるとき、思いがけない良好な結果を与
えることが分つた。 本発明によれば、内燃機関などに用いるのピス
トンが、二つの半径方向に伸びる壁と一つの軸方
向に伸びる壁とを有する環状ピストンリングみぞ
と、 前記ピストンリングみぞに受け入れられて関連
のシリンダ壁またはライナと密封係合する圧縮リ
ングと、 前記圧縮リングの中にあつて外向き方向に伸び
る凹部と、 前記環状ピストンリングみぞの軸方向に伸びる
壁と常時接触しているが偏向可能になつており、
かつ前記圧縮リング内の凹部に入つている補助密
封リングと、 を備え、補助密封リングが圧縮リングの環状ピス
トンリングみぞ内の運動の範囲を物理的に制限し
ない構成になつている。 前記凹部は、圧縮リングの内側軸方向面内のみ
ぞの形であつてもよいし、または圧縮リングの上
面内のラベツト形になつていてもよい。 圧縮リングの内側面内の上記のようなみぞの上
側と下側の半径方向の壁は、必ずしも平行でなく
てもよく、そのみぞを通る半径方向の平面に0゜と
4゜の間の角度をなしていてもよい。上側のみぞ面
は、上方にかつみぞの外側へ伸びていてもよく、
下側のみぞ面は、下方にかつみぞの外側へ伸びて
いてもよい。従つて、断面では、みぞは円錐台形
であつてもよい。 圧縮リング内のみぞの深さは、0.5mm以上であ
るのが好ましく、さらに好ましいのは、１mm以上
であることである。 好ましくは、環状ピストンリングみぞの軸方向
に伸びる壁の中に浅いくぼみがあつてもよく、こ
のくぼみは、内側補助密封リングを例えば軸方向
に伸びる壁の中心に位置づけて、圧縮リングをピ
ストン本体にはめるのを容易にし、内側補助リン
グの動作中の軸方向運動を制限するのに十分であ
る。 補助密封リングは、丸い内側端面を有する鋼レ
ールの形になつていて、内側端面のまわりにピボ
ツトすることによる偏向を容易にするようになつ
ているのが好ましい。 内側補助密封リングは、圧縮リングの内側軸方
向面を越えて少なくとも0.5mmで、確実には0.25
mm以上の距離まで、そしてもつと好ましくは１mm
以上の深さまで伸びているのが好ましい。 〔実施例〕 本発明をさらに完全に理解できるようにするた
めに、次に実施例を例としてのみ添付図面を参照
して説明する。 第１図において、ピストン本体を総括的に１０
で示している。ピストン本体１０には、１１で総
括的に示されている円周上のピストンリングみぞ
がある。みぞ１１は、二つの半径方向面１２と１
３および内側の軸方向に伸びる面１４を備えてい
る。面１４の中心には、浅い円周方向のくぼみ１
５がある。みぞ１１の中には、鋳鉄で作られ１６
で総括的に示されている主圧縮リングがある。リ
ング１６は、シリンダ壁１８にもたれている外側
軸方向面１７、二つの事実上平行な半径方向の面
１９と２０および内側軸方向面２１を備えてい
る。内側軸方向の面２１には、２２で総括的に示
されたみぞがある。みぞ２２は、みぞ２２を通過
する水平面２６（破線で示されている）に対して
約2゜の角度をなしている二つの半径方向の面２４
と２５を備えている。くぼみ１５の中にはめられ
るとともに、みぞ２２を通つている補助密封リン
グが２７で総括的に示されている。リング２７
は、ピストン１０の直径より小さい直径に形成さ
れた円形割鋼製レールであつて、このレールはは
められるとピストン１０と恒久的に接触するよう
になつている。リング２７は二つの平行な半径方
向の面２８と２９および丸い端３０と３１を備え
ている。 直径約68mmの代表的ピストンにおいて、主圧縮
リング１６は、軸方向の厚さが約1.5mmで半径方
向の厚さが約3.25mmであつてもよい。みぞ２２
は、半径方向の深さが約1.8mmで、壁２３によつ
て画定される最小の軸方向の深さが約0.6mmであ
る。リング２７は、半径方向の厚さが2.5mmで軸
方向の厚さが0.5mmである。リング２７のみぞ２
２の中への侵入は、正常な動作状態のもとで、約
1.25mmと1.75mmの間で変動する。くぼみ１５は、
半径方向の深さが0.05mmと1.0mmの間であつても
よいが、普通は約0.25mmである。 第２図は、内燃機関における燃焼行程の間にリ
ング構成要素がとる形態を示す。燃焼燃料チヤー
ジからのガス圧が主圧縮リングを下方に押しつ
け、ピストンリングみぞ１１の面１３およびリン
グ１６の面２０が、密封に接するようにする。補
助密封リング２７の端３０もまたくぼみ１５の中
にはまつた端面３１の回りに旋回することによつ
て下方に押しつけられてみぞ２２の面２５に接触
する。ガス圧力はまた、半径方向の力を発生して
ピストンリング１６を外方向に押しやつて面１７
をシリンダ壁１８に押しつけて密封し、有効なガ
スシールを行う。ピストンリング１６の背面のま
わりのブローバイを端３１とくぼみ１５との間お
よび端３０とみぞの面２５との間に形成されるシ
ールによつて最小にする。 ピストンリング１６を外方向に押してやつて、
面１７をシリンダ壁１８に押しつけて密封するガ
ス圧力は、本質的には面２１の上側部分と面２３
に半径方向に作用するだけであることに気づくで
あろう。この結果は、リング面１７とシリンダ壁
１８との間の摩擦が従来のリングに較べて小さく
なることである。さらに、ピストンリング１６の
裏側にみぞ２２が加工されているので、リングに
よつてシリンダ壁１８に半径方向に加えられる接
線方向の張力または負荷もまた減少してリングと
シリンダの間の摩擦をさらに小さくする。接線方
向の張力の減少は10〜20％程度であり、ガス圧力
によつて生ずる半径方向の力の減少は、20〜40％
の程度である。 第３図は排気行程の頂点においてシリンダ構成
要素がとる形態を示しており、例えばその場合に
ピストン１０がシリンダ内に下がるように丁度方
向を変えたところであるが、ピストンリング１６
の慣性がリングを面１９と面１２が合つているリ
ング溝１１の最上部にもつていつている。なおピ
ストンリング１６の上方にガス圧力が少しでもあ
れば、それは補助密封リング２７を押し下げた状
態に保つて、その端３０を面２５に押しつけて密
封を保ち、ブローバイを防止する傾向がある。他
の場合には、構成要素は、密封リング２７の端３
０が溝２２の上表面２４に押し付けて密封をして
いる第４図に示した形態をとることもある。この
形態では、密封リング２７は、油が燃焼ガスで燃
焼される可能性のある密封リング２７より上の空
間に油が入るのを防止するもし、そこで油が燃焼
されると油の消費量が多くなり、炭化の可能性も
生じ、種々の作動隙間のつまりが生ずることにな
ろう。 一般的にいえば、ピストンリングと密封リング
とによつてとられる角度的位置及び軸方向位置
は、種々の力とガス圧力から生ずる回転モーメン
トとの釣合い、構成要素の慣性及び面間摩擦によ
つて左右される。 上述のように、二つの従来の上部圧縮リングを
一つの複合リングによつて置換えた本発明による
ピストンにおいては、ピストンの圧縮高さを10〜
15％下げることを達成できることがわかつた。直
径が約68mmのピストンについては、従来のピスト
ンより13％の圧縮高さの減少を達成した。68mmの
ピストンにおける圧縮高さのこの減少はまたピス
トンの重量を８％減少させて上述の他の利益を潜
在的にもたらしている。他のピストンの実施例に
おいては、10％までの重量減少を達成できる。 二つの従来の上部圧縮リングを一つの複合リン
グによつて置換えたピストンを上述のように作つ
て、複合ピストンリングそれ自身に直接起因する
利益に加えて、摩擦が第２の通常の圧縮リングを
なくしたことによつてさらに減るという間接的利
点を追加で与えることができる。しかし、ガス・
ブローバイ・レレベルまたは油消費量の減少が、
例えば圧縮高さなどの減少より現存エンジンにお
いてより重要な考慮事項であると考えられる場合
には、上述の複合リングを３リングピストンの最
上部リングとして用いることがもちろんこれらの
パラメータに関して有利である。第２のリングは
もう一つの複合リングであつてもよい。３リング
ピストンが用い続けられる場合でも、なお上述の
複合リングは、ブローバイと油消費量を減らすほ
かにリング対シリンダの摩擦を減らす利点を与え
る。２リングピストンまたは３リングピストンの
第２または第３のリングは通常油制御形リングで
ある。 動力計による大量のエンジン試験が本発明によ
るピストンについて行われて、3500時間を超える
エンジン運転の全試験が蓄積された。単一複合圧
縮リング（及び従来の相応した油制御リング）を
用いるピストン及び複合上部圧縮リングと従来の
ワンピースの第２の圧縮リング（油制御リングを
加えたもの）を有するピストンがエンジンに付け
て試験された。これらのエンジン試験の結果は普
通の３リングピストンを有する標準製品のエンジ
ンについて行われた試験と比較された。エンジン
動力計試験の結果を表１に示す。

〔発明の効果〕

第１図などに示された実施例によつて与えられ
る利益は、みぞ２２が平行な半径方向の面ではな
く、円錐台形をもつていることによつて著しく容
易に従つて安く作ることができることである。 第１〜５図に示した主リングを第７〜８図に示
した形式の皿形密封リングと共に用いることがで
きる。 主圧縮リング１６，４０，５２，８０はもちろ
ん例えば摩耗特性などを改善するためにニトロ炭
化クロームまたはモリブデンの表面仕上げなどの
任意の既知の方法で表面処理されてもよい。 主リングを皿形密封リングと共に用いる場合、
ピストン本体内のピストンリングみぞの下側面の
摩耗が低減されることがわかつた。 本明細書に開示した発明をさらにピストンスカ
ートが持上がつたランドを設けられている米国特
許第2104188号に開示された形式のピストン本体
と組合せることができる。適当な輪郭を有するこ
のようなランドを設けることによつてシリンダ穴
内のピストンの流体潤滑を可能にし、ピストンと
シリンダの壁の間の摩擦を低減する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による静止ピストンリング付ピ
ストンのエンジン内にある部分を通る軸方向断面
を示し、第２図は内燃機関における動力行程の間
の第１図のピストンリング付ピストンを示し、第
３図はガス下向き流れを密封する第１図のピスト
ンリング付ピストンを示し、第４図は油の上向き
流れを密封する第１図のピストンリング付ピスト
ンを示し、第５図は本発明によるピストンリング
付ピストンの第１の代替形式の軸方向断面を示
し、第６図は本発明によるピストンリング付ピス
トンの第２の代替形式の軸方向断面を示し、第７
図は本発明によるピストンリング付ピストンの第
３の代替形式の軸方向断面を示し、第８図は本発
明によるピストンリング付ピストンの第４の代替
形式の一部分の軸方向断面を示し、第９図は本発
明によるピストンリング付ピストンの第５の代替
形式の一部分の軸方向断面を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関などに用いるもので、半径方向に伸
   びる少なくとも二つの面と半径方向に内側で軸方
   向に伸びる壁を有する少なくとも一つの環状ピス
   トンリングみぞと、 前記ピストンリングみぞに受け入れられて関連
   のシリンダ壁またはライナと密封係合し、半径方
   向に内側の面に半径方向に外方に向いたみぞを備
   えている圧縮リングと、 前記圧縮リング内のみぞに突入し、前記みぞの
   半径方向の面に係合し、前記ピストンリングみぞ
   の半径方向に内側の壁にある係合座のまわりに軸
   方向に傾くことのできる補助密封リングとを備え
   たピストンにおいて、 前記補助密封リング２７が前記ピストンリング
   みぞ１１の半径方向に内側の壁１４に半径方向の
   弾性的偏倚力によつて押しつけられ、前記係合座
   に対して軸方向にどちらの側にも傾けられ得るこ
   とを特徴とするピストンリング付ピストン。 ２ 前記ピストンリングみぞ１１の前記半径方向
   に内側の壁１４に前記補助密封リング２７の前記
   係合座があるくぼみ１５が形成されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のピスト
   ン。 ３ 前記補助密封リング２７の少なくとも内側端
   ３１が丸くなつていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項又は第２項に記載のピストン。 ４ 前記補助密封リング２７の二つの端３０，３
   １が丸くなつていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第３項のいずれか一つに記載の
   ピストン。