JPH06185619A - ピストンシール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃焼室１５の圧力が所定圧を越えた場合に皿バ
ネリングからなるセカンドリング４を弾性変形させ、ピ
ストン外周面２ｃとボア内周面１０との間のシール性を
高め得るピストンシール構造を提供する。 【構成】燃焼室１５の圧力が高い場合には、燃焼室１５
の圧力がセカンドリング４のバネ力に打ち勝ち、ファー
ストリング３を押し下げる。よって、ファーストリング
３はセカンドリング４を押し下げ、セカンドリング４が
偏平化する。このときセカンドリング４の外縁部４ｄが
拡径する方向に変位し、外縁部４ｄがボア内周面１０に
圧接し、シール性が高まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボア内周面とピストン
外周面との間をシールするピストンシール構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ピストンではピストンの外周
部に形成した３本のリング溝のうち、上側の２本のリン
グ溝にシール用のコンプレッションリングをほぼ同軸的
に装着し、下側のリング溝にオイル掻き落とし用のオイ
ルリングをほぼ同軸的に装着している。ここで、コンプ
レッションリングの外縁部はボア内周面に常に密着して
おり、これによりボア内周面とピストン外周面との間を
シールする。

【０００３】ところで、コンプレッションリングの張力
は内燃機関の吸気、圧縮、爆発、排気の各行程にわたり
一様である。しかし、シール性が最も要求されるのは、
爆発行程においてピストンが上死点付近に位置する時で
ある。しかも、コンプレッションリングの張力は、燃焼
室の圧力が最も高い爆発行程に合わせて設定されてお
り、その張力は一般的に大きい値とされている。従っ
て、コンプレッションリングの張力を比較的要求されな
い吸気、圧縮、排気の各行程においても、コンプレッシ
ョンリングは大きな張力を発揮しているので、摩擦が大
きく、ボア内周面やリングの摩耗促進を招く。

【０００４】また、実開平１−８３１５１号公報には、
ピストンリングの張力調整装置として、ピストンリング
にワイヤを介して重りを吊持し、ピストンの駆動に伴う
重りの慣性力を利用して、ピストンリングの合い口を伸
縮させ、これによりピストンリングの張力を調整するも
のが開示されている。このものでは、ピストンリングの
張力を調整し得るものの、重りやワイヤ等を要する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した実情
に鑑みなされたものであり、圧力室の圧力に応じて弾性
変形する皿バネリングを採用し、圧力室の圧力が所定圧
を越えた場合に皿バネリングを弾性変形させ、ピストン
外周面とボア内周面との間のシール性を高め得るピスト
ンシール構造を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るピストンシ
ール構造は、ボアを形成するボア内周面を備えたシリン
ダと、ボア内周面とで圧力室を形成すべく該ボアに移動
可能に嵌装され、外周部にリング溝を備えたピストン
と、ピストンのリング溝にほぼ同軸的に装着され、シリ
ンダのボア内周面とピストン外周面との間をシールする
ピストンリングとで構成されたピストンシール構造にお
いて、ピストンリングは、軸長方向における両端面がそ
の軸芯に対して傾斜した円錐リング面状をなし、圧力室
の高圧化に伴い受圧して各端面が軸直角方向に近づく向
きに弾性変形し、外縁部が拡径する方向に変位する皿バ
ネリングで構成されていることを特徴とするものであ
る。

【０００７】

【作用】圧力室の圧力が高くない時には、皿バネリング
の外縁部はボア内周面に接触しないか、接触しても圧接
度は小さい。一方、圧力室の高圧化に伴い、皿バネリン
グが受圧し、皿バネリングが軸直角方向に近づく向きに
弾性変形すると、皿バネリングの外縁部が拡径する方向
に変位し、ボア内周面に接近あるいは圧接する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１〜図７を参
照して説明する。この例は車両の内燃機関のピストン装
置に適用した場合である。 （実施例の構成）図１に示す様にシリンダ１のボア内周
面１０はボア１１を形成している。ピストン２はボア１
１に移動可能に嵌装され、ピストン２のヘッド部２ａと
ボア内周面１０とで圧力室としての燃焼室１５が形成さ
れている。ピストン２の外周部にはこれを１周するリン
グ溝２０が形成されており、リング溝２０は溝上壁面２
０ａ、溝下壁面２０ｂ、溝側壁面２０ｃで形成されてい
る。なおリング溝２０の上方はトップランド２２とされ
ている。

【０００９】ピストンリングとして、ファーストリング
３、セカンドリング４がリング溝２０にほぼ同軸的に装
着されている。更にプレートリング５もリング溝２０に
ほぼ同軸的に装着されている。ファーストリング３は、
軸方向における端面３ａ、３ｂ、内縁部３ｃ、外縁部３
ｄ、傾斜面３ｅを備えている。ファーストリング３はバ
ネ鋼、ステンレス鋼等で形成された合い口を備えたＣ形
状であり、ファーストリング３の弾性復元力によりその
外縁部３ｄはボア内周面１０に圧接している。

【００１０】セカンドリング４は皿バネリングとされて
おり、ファーストリング３と同材質で形成されている。
セカンドリング４は、軸長方向における端面４ａ、４
ｂ、内縁部４ｃ、外縁部４ｄ、傾斜面４ｅを備えてい
る。セカンドリング４の平面は図３に示され、その断面
は図４に示されている。図４に示す様にセカンドリング
４には合い口４ｈが形成されている。なお、セカンドリ
ング４のバネ定数は、爆発行程において所要のシール性
を得る様に設定されている。

【００１１】図５に示す様にセカンドリング４の上側の
端面４ａと内縁部４ｃとの間に円弧面４ｉが形成されて
いる。円弧面４ｉはセカンドリング４の周方向に形成さ
れている。円弧面４ｉによりセカンドリング４の揺動作
動性が確保され、ファーストリング３により押し下げら
れたセカンドリング４はスムースに弾性変形し得る。と
ころで、燃焼室１５の圧力Ｐ１が所定圧を越えない場合
には、図１に示す様に、セカンドリング４のバネ力が圧
力Ｐ１に打ち勝ち、セカンドリング４は、ファーストリ
ング３を矢印Ｙ１方向に付勢すると共にプレートリング
５を矢印Ｙ２方向に付勢している。その結果、ファース
トリング３の上側の端面３ａはリング溝２０の溝上壁面
２０ａに圧接し、プレートリング５の端面５ｂはリング
溝２０の下壁面２０ｂに圧接している。この状態では、
図１に示す様に、セカンドリング４の外縁部４ｄはボア
内周面１０に接触していない。

【００１２】なお本実施例では、図示はしないがリング
溝２０の下方にオイルリング溝２０が形成され、オイル
掻き落とし用のオイルリングが装着されている。さて内
燃機関の吸気、圧縮、排気の各行程においては、燃焼室
１５の圧力Ｐ１は爆発行程ほど高くないため、図１に示
す様に、セカンドリング４のバネ力により、ファースト
リング３はリング溝２０の溝上壁面２０ａに圧接し、プ
レートリング５はリング溝２０の溝下壁面２０ｂに圧接
している。圧接により、リング溝２０の溝上壁面２０ａ
及び溝下壁面２０ｂはシールされている。

【００１３】これに対して、爆発行程においては、燃焼
室１５の圧力Ｐ１が高くなる。特に、爆発行程の初期
（ピストン２が上死点付近に位置するとき）において
は、燃焼室１５の圧力Ｐ１が最も高く、具体的には２．
９ＭＰａ〜３．９ＭＰａと高い。この様に燃焼室１５の
圧力Ｐ１が高い場合には、燃焼室１５の圧力Ｐ１がセカ
ンドリング４のバネ力に打ち勝ち、図２に示す様に、燃
焼室１５の圧力Ｐ１でファーストリング３は押し下げら
れるので、ファーストリング３の端面３ａはリング溝２
０の溝上壁面２０ａから離れると共に、ファーストリン
グ３はセカンドリング４を押し下げる。この様にセカン
ドリング４が押し下げられると、セカンドリング４の各
端面４ａ、４ｂが軸直角方向に近づく向きに弾性変形
し、セカンドリング４が偏平化する。このとき、セカン
ドリング４の外縁部４ｄが拡径する方向に変位し、外縁
部４ｄがボア内周面１０に圧接する。これによりセカン
ドリング４の外縁部４ｄによりシールされる。

【００１４】即ち爆発行程では、ボア内周面１０とピス
トン外周面２ｃとの間のシールは、ファーストリング３
とセカンドリング４との双方で行われ、シール性が高く
なる。このとき、図２から理解できる様に、燃焼室１５
の圧力により矢印Ｘ１方向の力がファーストリング３に
作用し、ファーストリング３の外縁部３ｄがボア内周面
１０に一層圧接するので、ファーストリング３によるシ
ール性が一層良好となる。

【００１５】また、爆発行程が終了して燃焼室１５の圧
力Ｐ１が所定圧よりも降下すると、再び、セカンドリン
グ４のバネ力が圧力Ｐ１に打ち勝ち、図１に示す様に、
ファーストリング３がリング溝２０の溝上壁面２０ａに
圧接すると共に、セカンドリング４の外縁部４ｄはボア
内周面１０に接触しない状態となり、シールはファース
トリング３のみで行われる。

【００１６】ところで、図６は内燃機関の各行程を横軸
として示したものである。図６（Ａ）は従来形態を示
し、図６（Ａ）の特性線Ｅ１はファーストリング溝１０
０内における従来のファーストリング１０１の高さ位
置、特性線Ｅ２はセカンドリング溝２００内における従
来のセカンドリング２０１の高さ位置を示したものであ
る。各リング１０１、２０１の高さ位置は、ピストン３
００の駆動方向、各リング１０１、２０１に作用する慣
性力等の影響を受け、特性線Ｅ１、Ｅ２で示す形態とな
る。

【００１７】図６（Ｂ）は燃焼室１５の圧力Ｐ１の増大
形態、ファーストリング３とセカンドリング４との間の
空間の圧力Ｐ２の増大形態を示す。また、図６（Ｃ）は
本実施例を示し、リング溝２０内におけるファーストリ
ング３及びセカンドリング４の高さ位置を縦軸として示
したものである。図６（Ｃ）の特性線Ｆ１はファースト
リング３の高さ位置を示し、特性線Ｆ２はセカンドリン
グ４の高さ位置を示す。特性線Ｆ１、Ｆ２から理解でき
る様に、本実施例では、爆発行程のみにおいて、ファー
ストリング３及びセカンドリング４はリング溝２０内で
下降するものであり、他の吸気、圧縮、排気の各行程に
おいては、図１に示す形態とされている。なお図６
（Ｃ）において、破線で示す特性は、セカンドリング４
の合い口なしの場合の形態を示す。

【００１８】（実施例の効果）以上説明した様に本実施
例では、吸気、圧縮、排気の各行程においては、図１に
示す様に、セカンドリング４はボア内周面１０に接触し
ないため、上記行程においては摩擦をそれだけ低減で
き、ボア内周面１０やセカンドリング４の摩耗を低減で
きると共に、燃費向上にも貢献できる。また燃焼室１５
の圧力が高い爆発行程の様に、高いシール性が要求され
る場合には、セカンドリング４の外縁部４ｄが拡径する
方向に変位してボア内周面１０に圧接するので、シール
性は高まる。この様に本実施例ではセカンドリング４に
よるシール性は可変とされ、シール性が要求される場合
には、セカンドリング４による良好なシール性が得られ
るものである。

【００１９】図７において、特性線Ｋ１は、合い口が形
成されている場合の皿バネリングからなるセカンドリン
グ４のバネ特性を示す。特性線Ｋ１から理解できる様
に、皿バネリングに作用する圧力Ｐ１が所定圧Ｐαを越
えると、たわみδが直ちに増大しその張力が増大するバ
ネ特性が得られる。この様なバネ特性をもつ皿バネリン
グからなるセカンドリング４は、燃焼室１５の圧力が所
定圧Ｐαを越えた時点で、瞬時にシール性が高まる利点
が得られ、シール瞬時応答性が確保される。

【００２０】更には、本実施例では以下述べる様な波及
効果が得られる。即ち、図１から理解できる様に、セカ
ンドリング４のバネ力により、ファーストリング３はリ
ング溝２０の溝上壁面２０ａに圧接し、プレートリング
５はリング溝２０の溝下壁面２０ｂに圧接するため、リ
ング溝２０内における各リング３、４、５の保持性が向
上する。よって、リング溝２０内における各リング３、
４、５の上下移動回数、すなわち、リング溝２０の壁面
２０ａ、２０ｂとの当たり回数も低減し、リング溝２０
の面粗れ低減にも有利である。更には、リング溝２０内
における各リング３、４、５のフラッタリングを低減で
きるので、リング３の姿勢が良好化してシール性が確保
され、オイルの吹き抜け防止に有利である。加えて、各
リング３、４、５のフラッタリングの低減により、各リ
ング３、４、５とピストン２との衝突回数も低減でき、
騒音低減に有利である。

【００２１】更にまた本実施例では、１個のリング溝２
０にファーストリング３及びセカンドリング４の双方が
装着されているので、従来のセカンドリング溝、セカン
ドランドの廃止にも貢献でき、そのぶんコンプレッショ
ンハイトの縮小化、ピストン２の軽量化にも有利であ
り、従って燃費向上、応答性向上にも有利である。また
本実施例では図５から理解できる様に、セカンドリング
４の上側の端面４ａと内縁部４ｃとの間に円弧面４ｉが
形成されており、円弧面４ｉによりセカンドリング４の
揺動作動性が確保され、セカンドリング４がスムースに
偏平化し得る。更にセカンドリング４が偏平化する際に
おいて、セカンドリング４の円弧面４ｉの何処かの部位
はファーストリング３の下側の端面３ｂに常に接触して
おり、従って、セカンドリング４とファーストリング３
との境界域のシール性が確保される。

【００２２】（他の例）本発明の第２実施例を図８〜図
１０を参照して説明する。この例は、基本的には第１実
施例と同様の構成であり、同様の作用効果が得られる。
但し、この例では、セカンドリング８は１周する様に連
続しており、合い口をもたない。セカンドリング８は、
軸長方向における端面８ａ、８ｂ、内縁部８ｃ、外縁部
８ｄ、円弧面８ｉを備えている。この例でも、爆発行程
において所要のシール性を得る様に、セカンドリング８
のバネ定数は設定されている。

【００２３】図１０に示す様に爆発行程においては、フ
ァーストリング３で押し下げられたセカンドリング８
は、傾斜角度が小さくなっているものの、やや傾いてい
るものである。セカンドリング８は合い口がないからで
ある。図７（Ａ）において、特性線Ｋ２は、合い口が形
成されていない場合の皿バネリングからなるセカンドリ
ング８のバネ特性を示す。特性線Ｋ２から理解できる様
に、張力可変領域ＫＡが得られるので、燃焼室１５の圧
力Ｐ１の大きさに応じてたわみδの量を調整すれば、セ
カンドリング８のシール張力を適宜調整できる。更にこ
の例ではセカンドリング８に合い口が形成されていない
ので、合い口からのガス漏れもなく、シール性が一層確
保される。

【００２４】本発明の第３実施例を図１１に示す。この
例は、基本的には第１実施例と同様の構成であり、同様
の作用効果が得られる。但し、この例では、トップラン
ド２２の径Ｄ１は第１実施例の場合よりも小さくされて
いる。ファーストリング３の端面３ａが燃焼室１５の圧
力を受ける受圧面積は、径差に基づく面積ΔＳぶん大き
くなる。したがって、ファーストリング３の押し下げ力
が増し、セカンドリング８を迅速に弾性変形させること
が可能となり、応答性の向上に有利である。

【００２５】本発明の第４実施例を図１２に示す。この
例は、基本的には第１実施例と同様の構成であり、同様
の作用効果が得られる。但し、この例では、燃焼室１５
とリング溝２０内とを連通する連通溝２ｎがトップラン
ト２２付近に複数個形成されている。そのため、燃焼室
１５の圧力は連通溝２ｎを介してリング溝２０内にも直
ちに作用するので、ファーストリング３が溝上壁面２０
ａに密接しているにもかかわらず、燃焼室１５の圧力に
より矢印Ｘ１方向の力がファーストリング３に付勢さ
れ、ファーストリング３の外縁部３ｄがボア内周面１０
に一層圧接され、ファーストリング３によるシール性が
向上する。なお、この場合には、爆発行程以外の行程に
おいて、連通溝２ｎを介して燃焼室１５の圧力がセカン
ドリング４に作用しても、セカンドリング４の外縁部４
ｄがボア内周面１０に非接触状態に維持される様に、セ
カンドリング４のバネ定数を設定する。

【００２６】その他、本発明は上記しかつ図面に示した
実施例のみに限定されるものではなく、例えば内燃機関
のピストン装置に限らず、他の用途のピストン装置にも
適用できる等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して
実施し得るものである。

【００２７】

【発明の効果】本発明のピストンシール構造によれば、
ピストンリングとしての皿バネリングはボア内周面に接
触しないため、過剰摩擦を低減でき、ボア内周面やリン
グの摩耗低減に貢献でき、更に燃費向上にも貢献でき
る。また圧力室の圧力が高くなり高いシール性が要求さ
れる場合には、皿バネリングの外縁部が拡径する方向に
変位してボア内周面に接近または圧接するので、シール
性は高まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】要部の断面図である。

【図２】爆発行程における要部の断面図である。

【図３】セカンドリングの平面図である。

【図４】図３のＷ１−Ｗ１線にそう断面を示し、セカン
ドリングの断面図である。

【図５】ファーストリングとセカンドリングとの接触部
分の拡大断面図である。

【図６】（Ａ）は従来に係る内燃機関の各行程とリング
の位置との関係を示す図であり、（Ｂ）は内燃機関の爆
発行程付近の燃焼室の圧力変動を示す図であり、（Ｃ）
は実施例に係る内燃機関の各行程とリングの位置との関
係を示す図である。

【図７】（Ａ）はセカンドリングを構成する皿バネリン
グのたわみ量と圧力との関係を示す図であり、（Ｂ）は
セカンドリングを構成する皿バネリングの弾性変形過程
を示す図である。

【図８】第２実施例に係るセカンドリングの平面図であ
る。

【図９】図８のＷ２−Ｗ２線にそう断面を示し、セカン
ドリングの断面図である。

【図１０】爆発行程における第２実施例に係る要部の断
面図である。

【図１１】第３実施例に係る要部の断面図である。

【図１２】第４実施例に係る要部の断面図である。

【符号の説明】

図中、１はシリンダ、１０はボア内周面、１１はボア、
１５は燃焼室（圧力室）、２はピストン、２０はリング
溝、３はファーストリング、４はセカンドリング、４ｄ
は外縁部を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ボアを形成するボア内周面を備えたシリン
   ダと、 該ボア内周面とで圧力室を形成すべく該ボアに移動可能
   に嵌装され、外周部にリング溝を備えたピストンと、 該ピストンのリング溝にほぼ同軸的に装着され、該シリ
   ンダのボア内周面と該ピストン外周面との間をシールす
   るピストンリングとで構成されたピストンシール構造に
   おいて、 該ピストンリングは、軸長方向における両端面がその軸
   芯に対して傾斜した円錐リング面状をなし、該圧力室の
   高圧化に伴い受圧して各該端面が軸直角方向に近づく向
   きに弾性変形し、外縁部が拡径する方向に変位する皿バ
   ネリングで構成されていることを特徴とするピストンシ
   ール構造。