JPH0533865A - 内燃機関のピストンリング装置 - Google Patents

内燃機関のピストンリング装置

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JPH0533865A
JPH0533865A JP20870091A JP20870091A JPH0533865A JP H0533865 A JPH0533865 A JP H0533865A JP 20870091 A JP20870091 A JP 20870091A JP 20870091 A JP20870091 A JP 20870091A JP H0533865 A JPH0533865 A JP H0533865A
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JP
Japan
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piston ring
piston
pressure
cylinder
ring
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Application number
JP20870091A
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English (en)
Inventor
Yoshinori Sato
義則 佐藤
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 内燃機関の高出力化、低燃費化を目的として
燃焼最高圧を高く設定した場合にも潤滑油膜の破断が起
らず、而もブローバイガス量の増加、潤滑油汚染、出力
低下を招くことのないピストンリング装置を提供する。 【構成】 ピストン上死点位置で第1ピストンリングが
接触する幅範囲11を軸方向に横断し、第2ピストンリ
ングの接触する幅範囲16を横断しない適当な幅と深さ
の浅溝2をシリンダ3内壁面に複数個所に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関のピストンリ
ング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、内燃機関の高出力化や低燃料消費
化のための手段として、燃焼最高圧を高く設定すること
が行なわれている。しかし、燃焼圧力を高くすると、ピ
ストンリング、とりわけ、ピストンの最上段に位置する
第1リングは高圧燃焼ガスの圧力を直接受け、リング外
周摺動面はシリンダ壁面へ、より高い圧力で押圧された
状態で摺動することになる。
【0003】このことを、図面により、さらに詳しく説
明しよう。図6は、内燃機関のシリンダ内の圧力線図
で、横軸にクランク角を、縦軸にシリンダ内圧力Po
と、通常セカンドランド圧力と呼ばれる第1リングと第
2リングとそれらの間のピストン外周面に形成されるセ
カンドランドとシリンダ内壁面とで形成される空間の圧
力P1 の圧力の変動の1例を示す。シリンダ内圧力P0
の最高圧力は、上死点(TDC)直後の燃焼最高圧力
(P0 max)で、そのクランク角に対するセカンドラ
ンド圧力P1 maxは第1リングの気密性にも影響され
るが、一般的には、通常の合口形状を有する第1リング
を適用した例でP0 max>3P1 max、塞封形合口
形状を有する第1リングを適用した例でP0 max>5
1maxとされている。すなわち、セカンドランド圧
力はシリンダ内最高圧力の1/3〜1/5に低下してい
ることを示している。
【0004】図7は第1ピストンリングの各面に作用す
る圧力を示す図である。この図の中央の長方形は、図8
に示す如くピストン4の第1リング溝5に装着され、シ
リンダ3の内壁面に摺接する第1ピストンリング1に対
応するものである。ピストン外周面には第1リング溝5
の下方に、セカンドランド8を距てて第2リング溝7が
設けられ、第2ピストンリングが装着されている。第1
ピストンリング1の上側面と背面(図7の左側面)には
シリンダ内圧力P0 が作用するが、第1リング溝5の下
側面に圧接する第1ピストンリングの下面及びシリンダ
3の内壁面に圧接する外周面の圧力分布は、シリンダ内
圧力P0 とセカンドランド圧力P1 の影響を受ける。
【0005】第1ピストンリング下面の圧力分布はシリ
ンダ3に接する側の端部ではセカンドランド圧力P
1 で、その反対側端部ではシリンダ内圧力P1 となる。
又、シリンダ内壁面に摺接する外周面の圧力分布は上端
でシリンダ内圧力P1 、下部でセカンドランド圧力P1
となりその間直線的に変化すると考えることができる。
【0006】そこで、第1ピストンリングの軸方向の幅
をBとすれば、リングの左側面に作用する単位長さ当り
の圧力はP0 ×Bであり、右側面に作用する単位長さ当
りの圧力は1/2×(P0 +P1 )×Bとなり、その結
果、シリンダ壁と第1ピストンリング外周面との間に形
成される油膜内に発生する圧力は 1/2×(P0 +P1 )×B 式(1) となり、第1ピストンリングは、 P0 ×B−1/2(P0 +P1 )×B=1/2(P0 −P1 )B 式(2) の力でシリンダ壁内面に押付けられることになる。
【0007】ピストンリングとシリンダ壁内面との接触
圧が増大すると、ついには接触面間に介在する潤滑油膜
が破断される結果となり、ピストンリングおよびシリン
ダの摩耗を増大させたり、焼付きなどの致命的な事故を
招く結果となる。特に不具合なことには、燃焼ガスの高
圧化の有効性を高めるため、合口形状を完全密封形状に
したピストンリングなどは上記の式(2)のP1 が小さ
くし、リングとシリンダとの接触圧が増大し、却って焼
付き発生の危険性を一層高めることになる。式(2)よ
りセカンドランド圧P1 を高くすればする程シリンダ内
圧力P0 の作用圧力が緩和されることになるが、通常、
セカンドランド圧力が上昇するということは、第1ピス
トンリングの気密性が低いことにより起る現象であるか
ら、ブローバイガスの増大、潤滑油汚染、出力低下を誘
発し、好ましいことではない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の内燃
機関のピストンリング装置、特に高出力化や低燃料消費
化を目的として燃焼最高圧を高く設定した内燃機関の上
述の問題点に着目してなされたもので、最高燃焼圧を高
く設定した場合にも、潤滑油膜の破断が起らず、油膜破
断に起因する摩耗の増大や焼付き現象が防止され、一
方、第1ピストンリングの気密性を高く保ってブローバ
イガス量増加、潤滑油汚染、出力低下を招くことのない
ピストンリング装置を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明による内燃機関の
ピストンリング装置は、上記の課題を解決するため、ピ
ストンの上死点位置で第1ピストンリングが接触する幅
範囲を軸方向に横断し、第2ピストンリングが接触する
幅範囲方向に横断せず適当な幅で軸方向に延びる浅い溝
をシリンダ内壁面に刻設したことを特徴とする。
【0010】
【作用】本発明のピストンリング装置は、上記の如く構
成されているので、ピストンが上昇し、シリンダ内圧力
が概ね最も上昇した上死点の位置で、シリンダ内圧力P
0 が第1ピストンリングが接触する範囲を横断して軸方
向にシリンダ内壁面に刻設された浅い溝を通じて、第1
ピストンリング下方のセカンドランド空間に導入され、
セカンドランド圧力P1 を高め、燃焼圧力との差を縮め
ることによって、摺動面間の潤滑油膜内圧力を高くし、
第1ピストンリングとシリンダ内壁面との接触圧を低下
させ、油膜の破断が防止される。上記の浅溝は、ピスト
ンの上死点位置で第1ピストンリングの接触範囲を横断
する長さに設定されているので、第2ピストンリング以
下のピストンリングとシリンダとの間をシリンダ内圧力
が吹抜けることはなく、又、ピストンが上死点にある時
にのみセカンドランド空間に連通するので、ブローバイ
ガスの増大、潤滑油汚染、出力低下のおそれは全くな
い。
【0011】又、第1ピストンリングとして完全密封形
合口形状のものを使用した場合にも、本発明のシリンダ
内面の浅溝は有効に機能するので、密封性と油膜破断防
止とを兼ね備えたピストンリング装置が達成できる。
【0012】
【実施例】以下に本発明の実施例を、図面に基づいて詳
細に説明する。図1は本発明の構成を説明する断面図で
あって、ピストン4がシリンダ3内を上死点迄上昇した
位置を示す。ピストン4の外周面には、ピストンヘッド
側から順に、第1ピストンリング1、第2ピストンリン
グ6が夫々に対応して設けられたリング溝5、7に装着
されている。なお、第1、第2ピストンリングがコンプ
レッションリングの場合はオイルリングとして第3ピス
トンリングが設けられるが、図には省略されている。第
1リング溝5と第2リング溝7の開口部の間のピストン
外周面にはセカンドランド8が形成され、セカンドラン
ド8と、第1、第2ピストンリング1、6の互いに対向
する面とシリンダ3の内壁面との間にセカンドランド空
間が形成されている。ここ迄に述べた構成は、従来と変
るところはない。
【0013】しかし、本実施例では、さらに本発明に基
づき、上死点位置で、第1ピストンリング1が摺接する
範囲11(図2、図3参照)を横断してシリンダ3の内
面に適当な幅の浅い溝2が円周方向に間隔を置いて適数
箇刻設されている。この浅溝2は第2ピストンリング6
の摺接範囲16(図2、図3参照)を横断してはいな
い。浅溝2の形状は、図2に示す如く、シリンダ3の軸
に平行な長方形としても、図3に示す如く、シリンダ3
の軸に対して傾斜させた平行四辺形としてもよく、又両
端に丸味をつける等自由である。しかし、上死点におい
て第2ピストンリング6の摺接範囲16を横断してはな
らない。
【0014】上述の浅溝2を設けたことにより、ピスト
ン4が上死点に達すると、図4に図式的に示したよう
に、P0 の圧力を有する圧縮ガスが浅溝2を通って第1
ピストンリング1の下方のセカンドランド空間に侵入
し、セカンドランド圧力P1 を上昇させる。この状態の
圧力線図を図5に例示した。この例では、セカンドラン
ド圧力P1 は、上死点TDCからクランク角数度内で急
上昇し、シリンダ内圧力P0 との圧力差は、図6に示し
た従来の機関の圧力線図に比較して大幅に縮少される。
【0015】その結果、前述した式(2)による第1ピ
ストンリング1をシリンダ内面に押付ける圧力1/2
(P0 −P1 )Bは小さくなり、一方式(1)による油
膜内圧力が上昇し、油膜破断を防止する効果が得られ
る。
【0016】浅溝2の刻設範囲は、ピストンの上死点で
第1ピストンリングがシリンダに摺接する範囲を横断す
る範囲で、第2ピストンリングの摺接範囲を横断しない
ように設定されているので、セカンドランド空間への圧
縮ガス流入、圧力上昇期間は、クランク角度数度内に調
整できるため、燃焼最高圧力が作用するクランク角度範
囲では、第1ピストンリングが浅溝部を通り過ぎている
から、燃焼ガスのセカンドランド空間への流入や、燃焼
ガスのブローバイも発生することはない。
【0017】又、本発明によれば、第1ピストンリング
の気密性を確保しながら、セカンドランド圧力を上昇さ
せることができるので、最高燃焼圧力を高めた高性能エ
ンジンでの使用が危険視されていた密封形合口形状のリ
ングを第1ピストンリングに採用することも可能とな
り、エンジン効率の向上に寄与する。
【0018】最後に、本発明によるシリンダと、従来技
術によるシリンダとを実際にエンジンに使用し、比較試
験運転を行った結果を述べる。シリンダ径320mm、ス
トローク500mmの4サイクル中型低速機関に、従来形
のシリンダと、本発明により浅溝を設けたシリンダを使
用し、数種類のピストンリングを装着し、最高燃焼圧力
をこのエンジンの標準仕様より約20kg/cm2 高い16
0kg/cm2 で約30時間の比較試験運転を行ない、シリ
ンダ、ピストン、ピストンリングの状態を観察比較した
結果を表1に示す。なお、本発明のシリンダに設けた溝
は、ピストンの上死点位置で、第1ピストンリングの摺
接範囲の幅8mmに対して軸方向の長さ13mm、円周方向
の幅8mm、深さ1.5mmの短冊形の溝を円周方向8個所に
刻設した。又、ピストンリングは、外周バレルフェイス
形で、厚さ0.3mmの硬質クロムメッキが施され、合口形
状はアングル形と密封形を使用した。
【0019】
【表1】
【0020】試運転後の状態では、従来形はいずれも不
調に了った。唯一つ軽傷であったNO.1シリンダも燃
焼ガスのブローバイが多く、ピストンのリングランド全
域に亘って燃焼カーボンの付着が多い。これに引替え、
本発明によるシリンダでは、いずれも良好な結果を示し
た。特にリング上側面に放射状の溝を設けたNO.5シ
リンダとリングとの組合せでは、クランク角約100°
近辺にみられるP0 <P1 圧力ゾーンでの第1ピストン
リングの強い持上りによって発生するリング上側面の摩
耗もみられなかった。
【0021】
【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、内燃機関
の最高燃焼圧を高く設定した場合にも、第1ピストンリ
ング外周面とシリンダ内周面との間の潤滑油膜の破断が
起らず、これに起因するピストンリング、シリンダの摩
耗の増大や焼付き現象の発生が防止され、機関の開放間
隔の延長に寄与する。又、第1ピストンリングの気密性
を高く保ちながら潤滑油膜の破断を防止できるので、ブ
ローバイガス量の増加、潤滑油汚染、機関出力の低下を
招くことも防止される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を説明する断面図である。
【図2】本発明によりシリンダ内壁面に設けられる溝の
位置形状の実施例を示す一部断面を含む内面図である。
【図3】本発明によりシリンダ内壁面に設けられる溝の
形状の他の実施例を示す同様の図である。
【図4】本発明の作用を説明する図式図である。
【図5】本発明によるシリンダ内圧力及びセカンドラン
ド圧力の圧力線図である。
【図6】従来技術によるシリンダ内圧力及びセカンドラ
ンド圧力の圧力線図である。
【図7】第1ピストンリングの各面に作用する圧力を示
す図式図である。
【図8】従来技術によるシリンダ内圧力のピストンリン
グ各面への伝達状態を示す図式図である。
【符号の説明】
1 第1ピストンリング 2 溝 3 シリンダ 4 ピストン 5 第1ピストンリング溝 6 第2ピストンリング 7 第2ピストンリング溝 8 セカンドランド 11 上死点での第1ピストンリング摺接範囲 16 上死点での第2ピストンリング摺接範囲 P0 シリンダ内圧力 P1 セカンドランド圧力

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピストンのピストンヘッド側から順次第
    1ピストンリング、第2ピストンリングをピストン周面
    に対応して設けられたリング溝に装着した内燃機関のピ
    ストンリング装置において、ピストンの上死点位置で上
    記第1ピストンリングが接触する幅範囲を軸方向に横断
    し、第2ピストンリングが接触する幅範囲を軸方向に横
    断せず適当な幅で軸方向に延びる浅い溝をシリンダ内壁
    面に刻設したことを特徴とする装置。
  2. 【請求項2】 第1ピストンリングの合口形状が完全密
    封形合口形状であることを特徴とする請求項1に記載の
    装置。
JP20870091A 1991-07-26 1991-07-26 内燃機関のピストンリング装置 Pending JPH0533865A (ja)

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