JPS60228747A - 内燃機関用のピストンおよびピストンリングユニツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は内燃機関用のピストンおよびピストンリングユ
ニットに関する。

従来技術 ピストンおよびピストンと協働するピストンリングは内
燃機関のシリンダ内で往復動するように設計されている
。燃料の燃焼がピストンのクラウンの上で起シ、この燃
焼によって発生する圧力がシリンダ内のピストンを往復
動させる。

ピストンとシリンダとの間の空隙はピストンクラウン周
囲のリング区域に形成されたみそにそれぞれ保持された
３つ又はそれ以上の数のピストンリングによって閉ざさ
れている。これらのピストンリングはその協働するシリ
ンダ又はシリンダライチに対して外向き圧力を及ばず。

このようなピストンリングは、ピストンとシリンダとの
間の空隙を燃焼生成物が通過するのを阻止するためにピ
ストンとシリンダとの間のシールをなすように働く。さ
らに、これらのピストンリングは燃焼ガスをシールする
ことおよびピストンおよびピストンリングの往復動を円
滑にすることを目的としてシリンダ壁へ施しだ油の膜を
制御し、これによって、過剰の油が燃焼室にまで到達せ
ず、しかも適切な油膜が保たれることに々る。

シリンダは機関が冷えている時真円筒形を呈しているが
、機関が作動温度に達すると、シリンダの構成およびシ
リンダの機械的負荷を含む多くの要因に関連してゆがみ
を呈することになる。このシリンダのゆがみはシリンダ
軸線方向でもシリンダ周方向でも一様でなく生ずる。こ
のような理由によシ、ピストンリングを特定の公称シリ
ンダ寸法に精密に合致するように設計することは不可能
であシ、従ってピストンリングはすべての条件下におけ
るシリンダの形状とシリンダの軸線方向並びに周方向で
の形状の変動とにできるだけ順応するように設計しなけ
ればならない。このためピストンリングは固有弾性か又
は別個のばね部材に基いてシリンダへ外向きの圧力を及
ぼすように配置され、かくしてシリンダの形状の変動に
ピストンリングの形状が順応し得ることになる。

こうしたことを実現すると共に許容し得る摩耗度を有す
るピストンリングを製作するために既に鋼製のピストン
リングが提案されているが、このピストンリングはその
曲げ特性に起因して所要の順応性をあたえるにはシリン
ダに高圧力を及ぼすように配置しなければならない。

この鋼製ピストンリングの使用結果が既に多く知られて
いる。即ち、少なくとも３つのピストンリングを用いる
必要があることが実地において判った。この場合３つの
内クラウンに近い方の２つのピストンリングはピストン
とシリンダとの間で燃焼生成物の通過を阻止するシール
部材をなすように順応し、いわゆる“圧縮”リングをな
す。クラウンから最も離れだ３番目のピストンリングは
シリンダ面の油膜を制御するように順応し、いわゆる“
油制御″リングをなす。大きな外向き圧力でシリンダ壁
へ密着するこれら３つの鋼製ピストンリングによってピ
ストンとシリンダとの間の摩擦力が増大することになる
。このような摩擦力は機関の出力を低下させ、まだ燃料
消費を悪化させる。まだ、３つのピストンリングの使用
はピストン高さおよびピストン重量を増し、ピストンの
コストも増大させる。

発明が解決しようとする課題 本発明はピストンリングの数を最少限にとどめると共に
、ピストンのリング区域における有効シール並びにピス
トンとシリンダとの間の摩擦力減少を保証することを課
題とする。

課題を解決するだめの手段 この課題を本発明は次のようにして解決した。

即ち、ピストンのリング区域にたんに２つのピストンリ
ングみぞがピストン軸線方向で互いに間隔をおいて形成
されており、各１つの上側ピストンリングと下側ピスト
ンリングとから成るピストンリングが協働するシリンダ
へ外向き圧力を及ぼすためにピストンリングみぞ内にそ
れぞれ保持されておシ、上側ピストンリングは比較的薄
い鋼製圧縮リングであシ、下側ピストンリングは比較的
厚くて上側ピストンリングの材冑＜爽曳Ｘ婉機叫粧侑瓜
覧へ呟本臥上慨（へＮ矢叛メ久ト基へ木小磯％’ｂ１％
基外向暮木ガｉ東（へへ瓢へ九転五八木協働す翫Ｘ丈に
へ＼べへｔＸＫ％〜九〜及Ｊ＼ｔへ瓢ムみ７ 作用 本発明のピストンおよびピストンリングユニットの場合
２つのピストンリングの内クラウン側の比較的薄い鋼製
の圧縮リングに対して、その下側に位置するピストンリ
ングは比較的厚くて鋼よりも順応性の大きい材料から製
作されて圧縮リング兼油制御リングとして働く。

実施例 第１図に示す実施例によれば、ピストンおよびピストン
リングユニットのピストン１０はアルミニウム又はアル
ミ合金製であって、リング区域１２によって囲まれたク
ラウン１１を有している。

クラウン１１はファイノぐ−又はボイスカーで強化する
ことができ、又は鋼、鋳鉄又は窒化珪素もしくは部分安
定ジルコニウムのようなセラミック材料で製作すること
ができる。

リング区域１２にはピストンリングみぞがたんに２つだ
け形成されている。上側のピストンリングみ（′１３は
、ピストンリングによる摩耗を制限するために、強化さ
れたピストンリング支持具（図示せず）の組込みによっ
て強化することができる。

この上側ピストンリングみぞ１３は厚さ１咽又はそれ以
下のほぼ長方形横断面を有する薄い鋼製圧縮リング１５
を受容している。シリンダ１８に接触するその外周面１
６は硬度増大および摩耗減少のために窒化浸炭処理する
とよい。

この処理は英国特許公開明細書第２１１２０’２５号に
記載の方法によって行なえる。

下側のピストンリングみぞ１４は、上側ピストンリング
１５よシも著しく厚くてしかも上側ピストンリング１５
よシも順応性の大きい材料から製作されたピストンリン
グ１５を受容している。この下側ピストンリング１７は
繊維強化金属又は適当な低モジユラス金属材料から製作
することができる。また、この下側ピストンリング１７
は強靭々結晶性熱可塑性材料のような順応性を有する非
金属材料から製作することができる。この非金属材料と
しては例えばポリエーテルエーテルケトンを挙げること
ができる。

このポリエーテルエーテルケトンは、反復単位少なくと
も０．７の固有粘度を有する強靭な結晶性熱可塑性の芳
香性、Ｊ　ＩＪエーテルケトンである。

このポリエーテルエーテルケトンハ、ヨーロツ・ξ特許
公開明細書第００１８７９号に記載のように、ヒＰロキ
ノンおよび４−４′ジハルペンゾフエノン（その一部は
牛−牛′ジフルオルベンゾフエノン）およびアルカリ金
属炭酸塩又はアルカリ金属重炭酸塩の重縮合によって製
造することができる。このポリエーテルエーテルケトン
は強化しなくてもよいし、炭素繊維で強化してもよく、
この場合炭素繊維は無秩序に配置してもよいし、例えば
下側ピストンリング１７の周囲に延びるように配列して
もよい。さらに、青銅、グラファイト又はぼりテトラフ
ルオロエチレンをポリエーテルエーテルケトンに一緒に
か又は別個に加えてもよい。

下側ピストンリング１７はポリエーテルエーテルケトン
を任意の添加剤と一緒に成形によってコイル体の形に製
造される。この成形は注形成形によって行なえるが、押
出成形が有利である。コイル体の横断面は完成ピストン
リングの所要横断面と同じである。

次いでコイル体をその縦軸線を含む一平面内で片側に沿
って切り開いて、１つの空隙をそれぞれ有する多数のピ
ストンリングをつくる。

ピストンリングはまた射出成形によって何らの仕上げ工
程なしに個個に所要寸法に合わせて成形してもよい。こ
の場合、成形中にピストンリングにばねおよびシール部
材又はそのいずれかを組み込むか又は結合することがで
きる。

下側ピストンリング１７のシリンダとの接触面には吹付
は又は無電解めっきによって耐摩耗被覆を施すことがで
きる。この被覆は、モリブデン又は部分的に安定したジ
ルコニウムのような適宜な材料、で行なう。

下側ピストンリング１７は全体としてはほぼ長方形横断
面をなしているが、台形横断面の上下２つの突出部９を
有しており、これらの突出部９は先細の先端部をなして
シリンダ１８に接触する。この下側ピストンリング１７
は下側のピストンリングみぞ１４内に嵌め込まれていて
、ピストンリングの半径方向で内方の端部とピストンリ
ングみぞ１４の底との間に配置された金属性のエキス・
ξンダ部材２０によって外向きに負荷されている。この
外向きの負荷、ひいてはシリンダへのピストンリングの
外向き圧力はピストンリング自体の固有弾性によってあ
たえることも可能である。いずれにせよ、この外向きの
力は、上側ピストンリング１７とシリンダ又はシリンダ
ライナ１８との間の圧力が０．０３ＭＮ／ｍ２と０．６
６　ＭＮ／　ｍ２との間、特に０．１３了■Ｎ／ｍ２で
あるような大きさである。

第１図に破線で示すように、下側のピストンリングみぞ
１４の下側面２２とリング区域１２との間に面取シ部２
１を設けることができ、この場合面取り部からピストン
内部へ通ずる油戻し穴２３を形成する。油戻し穴はピス
トンのスラスト面およびカウンタースラスト面に隣接し
て形成すると有利である。

第１図によれば、符号３８でその１つを示しているよう
に、油戻し穴を付加的に、或いは油戻し穴２３の代シに
、ピストンリングみぞ１３゜１４間に形成することがで
きる。これらの油戻し穴３８は後述の目的でピストン内
部へ達している。これらの油戻し穴は２個から１０個形
成して約１８−の合計面積を占めるものにするとよく、
例えば内径１７５咽の８個の油戻し穴をピストン周方向
で等間隔に形成する。このような油戻し穴３８はその軸
線がピストン軸線に対して直角々一平面内に延びている
ものとして図示されているが、ピストン軸線に対して傾
斜していてもよい。

第２図〜第４図は、下向きの油かき作用を助長するため
の下側ピストンリング横断面形を種種示している。第２
図の例によれば、下側ピストンリング１７が外向きの突
出部２４を有していて、この突出部２４は湾曲部２５に
よってピストンリング下縁へ移行している。第３図の例
によれば、突出部２４が下向き並びに外向きに延びた上
面２６とほぼ半径方向に延びた下面２７とから形成され
、下面２７は湾曲部２８によってピストンリング下縁へ
移行している。第４図の例によれば、突出部２４がピス
トンリング外周面の中央に位置してほぼ台形の先細の横
断面をなしている。

これら第２図〜第４図の下側ピストンリングは、コイル
ばね２０のような別個のばねを伴って使用してもよいし
、ばねなしで使用してもよい０ 第１図の実施例又は第２図、第３図、第４図の変化形に
よるピストンおよびピストンリングユニットの作動状態
では、薄い鋼製圧縮リング１５が、その低慣性に基き、
ピストン上死点位置でピストンみぞの底にとどまり、ピ
ストン１０とシリンダ１８との間における燃焼ガスの通
過に対する優れたシール部をなす。加えてこの圧縮リン
グ１５の小質量はユニット全体の重量軽減につながる。

その窒化浸炭処理された外周面１６によってピストンリ
ングの摩耗特性が改良される。さらに、この上側ピスト
ンリング１５とシリンダとの小さな接触面積によって、
鋼製である上側ピストンリング１５に所要の順応性をあ
たえるだめに必要な外向き圧力が高いにもかかわらず、
ピストン１０の往復動中にピストンリングとシリンダと
の間に生ずる摩擦力は減少する。機関が停止している際
この上側ピストンリング１５は下側ピストンリング１７
よりも低い外向き圧力をシリンダ又はシリンダライナへ
及ぼしているにもかかわらず、機関運転中に上側ピスト
ンリング１５に働く燃焼ガス圧の作用が外向き圧力を著
しく増大させ、かくして上側ピストンリング１５とシリ
ンダ又はシリンダライナとの間の密封が保証される。こ
の作動中の外向き圧力は概して下側ピストンリング１７
によって生ぜしめられる動的な外向き圧力よシも大きい
。

この上側ピストンリング１５よシも順応性が高い下側ピ
ストンリング１７は部分的に圧縮リングとして燃焼ガス
の吹抜けを防止するように働き、部分的には油制御リン
グとしてシリンダ１８の壁面の油膜の所要の厚さを保つ
ように働く。この下側ピストンリング１７に使われてい
る材料の高順応性によって、シリンダ１８の軸線方向並
びに周方向のゆがみに適応するような適切なシール作用
が機関のあらゆる運転条件下にも保証される。このこと
は低い外向き圧力をもって達成され、従って下側ピスト
ンリングは高摩耗を受けることがなく、またシリンダ１
８との間に高摩擦力を生ずることもない。

面取シ部２１および油戻し穴２３が形成されているなら
ば、下側ピストンリング１７によってかき落された過剰
油がピストン内部へ戻ることに々る。この下側ピストン
リング１７は圧ｍリングとしても働くので、もちろん下
側のピストンリングみぞ１４の基部内に油戻し穴を形成
することはできない。

伴い、その結果上側ピストンリング１５はピストンサイ
クルの大きな範囲にわたってピストンリングみぞ１３内
に一層確実に位置する。加えて、これらの油戻し穴３８
は上側ピストンリング１５からの油戻し用の確実な流路
を形成することになる。

第５図の実施例の場合、下側ピストンリング１７が第１
図の実施例の配置と異なり、その半径方向の内方端、要
するに内周面に環状通路２９を有しておシ、これに対応
して、ピストンリングみぞ１４の基部も同様の環状通路
３ｏを有している。これらの通路２９．３０は同列に形
成されていて、鋼製の条片の形のフラット補助リング３
１の内外両縁部をそれぞれ受容する。

この補助リング３１はピストン内へ組み込むために２つ
又はもつと多くのセグメントとして用意することができ
る（第６図参照）。この補助リング３１は通路２’９　
、３０内に緊密に嵌めてもよいし、自由に動けるように
ゆるく嵌めてもよい。

この補助リング３１は、下側ピストンリング１７の内方
端の周囲へ燃焼ガスおよび油の両方が入り込むのに対す
る１つのシールをなす。ピストンリングみぞ１４の上下
両面と下側ピストンリング１７の上下両側との隙間およ
び補助リング３１と環状通路２９．３０との隙間は十分
小さく、従って、下側ピストンリング１７において生ず
る圧力差を増大させる傾向を伴い、下側ピストンリング
１７の上下両側をピストンリングみぞ１４の半径方向の
壁部の一方又は他方と十分に係合させる軸方向力を生ぜ
しめ、かくしてピストンリングおよびピストン相互間の
一層効果的なシールが可能になる。

このようにして、補助リング３１は油制御リングにおけ
る圧縮リングとしての併合機能を有する下側ピストンリ
ング１７の作用を助長する。

補助リング３１とピストンリングみぞ１４と下側ピスト
ンリング１７との間に形成されるシール部および下側ピ
ストンリング１７とピストン１０との間に形成されるシ
ール部は燃焼ガスの吹抜けを阻止する。加えて、補助リ
ング３１は下側ピストンリングの背部への油の流入を阻
止し、油の制御作用を補助する。

第７図の実施例の場合、下側ピストンリング１７がもっ
ばらピストン対シリンダのシール作用を行なうのに対し
て補助リング３１によってピストン対ピストンリングの
全シール作用を行なうことが可能である。このためには
、圧縮リング側にピストンリングみぞのみぞ壁に対する
封隙を避ける手段を設ける。実施例によればこの手段と
して下側ピストンリング１７の上下両側に多くの突起３
２が設けられている。

第８図の実施例によれば、下側ピストンリング１７は環
状通路２９を有している必要がない。即ち、下側ピスト
ンリング１７の内方端、要するに内周面に段落部３３を
形成するだけでよい。また、補助リング３１の内方端は
ピストンリングみぞ１４内に形成されている環状通路３
０内でソールする必要がない。即ち、第９図に示されて
いるように、この環状通路３０はピストン自体に保持さ
れた別個のインサート３４に形成することができる。こ
の場合インサート３牛はピストンリングみぞ１４の基部
をなす。このインサート３４はピストンの鋳造中に植え
込むことができる。

第１０図および第１１図の例によれば、上述の補助リン
グ３１の代りに、ピストンリングみぞ１４の基部に半径
方向で外向きに突出したフランジ３５が設けられており
、このフラン）３５は下側ピストンリング１７の内周面
に形成された環状通路２９内へ嵌まっている。もちろん
フランジを下側ピストンリング１７に設けて、環状通路
をピストンリングみぞ内に形成することも可能である。

第１１図に示されているように、フランジ（又は環状通
路を第９図の例のようにピストン内のインサート３６に
設けることも可能である。

第５図中に破線で示しているように、リング区域１２゛
はピストンリングみぞ１３．１４間で直径を減少させて
おくことができ、この場合シリンダ１８との間にピスト
ン１０の周囲に１つの室が形成されることになる。この
室は上側ピストンリング１５を通過する燃焼ガスの圧力
を低減させ、ひいては圧縮リングとしての下側ピストン
リング１７の有効性に課せられる要求が軽減される。同
様の構造上の処置を第１図〜第Φ図の変化形を採用する
場合にも施すことができる。

発明の効果 たん［２つのピストンリングの使用によってピストン高
さ、ビス゛トン重量、ピストン製作コストのいずれの点
でも低減される。上側、つまりクラウン側のピストンリ
ングを薄い鋼製の圧縮リングとし、下側のピストンリン
グを鋼よシも順応性の高い材料から上側ピストンリング
よりも厚く製作して圧縮リング−兼油制御リングとした
ことに１９、ピストンとシリンダとの間の摩擦作用を軽
減すると共に効果的なソール作用を保証することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の部分縦断面図、第２図、第３
図、第４図はそれぞれ下側ピストンリングの変化形を示
す部分縦断面図、第５図は第１図と異なる実施例の部分
縦断面図、第６図は二分割の補助リングの平面図、第７
図は第５図中の下側ピストンリングの変化形によるピス
トン側面図、第８図、第９図、第１０図、第１１図はい
ずれも第５図の下側ピストンリングの変化形による部分
縦断面図である。 １０・・・ピストン、１１・・・クラウン、１２・・・
リング区域、１３．１４・・・ピストンリングみぞ、１
５・・・上９１１ｅＸトンリング、１７・・・下側ピス
トンリング、１８・・・シリンダ又はシリンダライチ、
１９・・・突出部、２０・・・ばね部材、２１・・・面
取シ部、２３・・・油戻し穴、２４・・・突出部、２５
゜２８・・・湾曲部、２９．３０・・・環状通路、３１
・・・補助リング、３２・・・突起、３４・・・インサ
ート、３５・・・フランク、３６・・・インサート、３
８・・・油戻し通路 手続補正書（方式） 昭和６０年５月λ７日 特許庁長官殿 ｌ　事件の表示　昭和６０年特許願第２２８７号２、発
明の名称 内燃機関用のピストンおよびピストンリングユニット ３・補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　ニーイー・ピーエルンー ４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和６０年４　月３０日　（発送Ｅｌ）６　補正の対象

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関用のピストンおよびピストンリングユニッ
   トであって、ピストンがピストンクラウン周囲のリング
   区域にピストン軸線方向で間隔をおいて形成された複数
   のピストンリングみぞを有していて、これらのピストン
   リングみぞにピストンリングが配置されている形式のも
   のにおいて、たんに２つのピストンリングみぞ（１３，
   １４）が形成されており、各１つの上側ピストンリング
   （１５）と下側ぎストンリング（１７）とから成るピス
   トンリングが協働するシリンダへ外向き圧力を及ぼすた
   めにピストンリングみぞ（１３，１４）内にそれぞれ保
   持されており、上側ピストンリング（１５）は比較的薄
   い鋼製圧縮リングであり、下側ピストンリング（１７）
   は比較的厚くて上側ピストンリング（１５）の材＠、工
   饅莢入ＮＫ覧に人もに＼＼迄機隈莢作血転＼臘本阪上慨
   轢λＬ礼丸＼ぺ陶紙ス１九逃を塾ち九λ外向１圧方１隻
   もｌへき塾外直ぎ慝九をに叛Ｘ久又戊ｘ１ルＸ久九ぺ九
   （へ）Ｅｈ＆”１、Ｋ及にす友人を特徴とする、ピスト
   ンおよびピストンリングユニット。 ２□　下側ピストンリングが順応性のある非金属性材料
   から成っていて、ｏ、　０３　ＭＮ／　ｍ２から０゜６
   ６ＭＮ／ｍ”！での外向き圧力を協働するシリンダ又は
   シリンダライナに及ぼす特許請求の範囲第１項に記載の
   ピストンおよびピストンリングユニット。 ３、下側ピストンリング（１７）によって及ぼされる外
   向き圧力のすべてが下側ピストンリング自体の固有弾性
   によって生ぜしめられる特許請求の範囲第１項又は第２
   項に記載のピストンおよびピストンリングユニット。 牛、下側ピストンリング（１７）によって及ぼされる外
   向き圧力が少なくとも部分的に、下側ピストンリングの
   半径方向の内端とピストンリングみぞとの間に配置され
   た別個のばね部材（２０）によって生ぜしめられる特許
   請求の範囲第１項又は第２項に記載のピストンおよびピ
   ストンリングユニット。 ５　下側ピストンリング（１７）がポリエーテルエーテ
   ルケトンとして知られる熱可塑性材料から成っている特
   許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記
   載のピストンおよびピストンリングユニット。 ６　下側ピストンリング（１７）が長方形又は台形の横
   断面を有している特許請求の範囲第１項から第５項まで
   のいずれか１項に記載゛のピストンおよびピストンリン
   グユニット。 ７、下側ピストンリング（１７）が、上側および下側の
   周方向シール縁部をなす上側および下側の突出部（１９
   ）を有している特許請求の範囲第１項から第６項までの
   いずれか１項に記載のピストンおよびピストンリングユ
   ニット。 ８、　下側ピストンリング（１７）とピストンリングみ
   ぞとの間で下側ピストンリングの半径方向の内端周囲へ
   の流体の流入を防止又は減少するために、ピストンリン
   グみぞ（１４）内にシールユニッ）（３１，３５）が設
   けられている特許請求の範囲第１項から第７項までのい
   ずれか１項に記載のピストンおよびピストンリングユニ
   ット。 ９　下側ピストンリング（１７）を備えたピストンリン
   グみぞ（１４）は、下側ピストンリング（１７）のピス
   トンクラウン側とは反対側に、下側ピストンリングによ
   って除かれる油をピストン内部へ移送するだめの移送機
   構（２１，２３）を有している特許請求の範囲第１項か
   ら第８項までのいずれか１項に記載のピストンおよびピ
   ストンリングユニット。 ｌＯｌ　上側のピストンリングみぞと下側のピストンリ
   ングみぞとの間のリング区域（１２）が少なくとも１つ
   の油戻し穴（３８）を有しており、この油戻し穴（３８
   ）は上側ピストンリング（１５）に及ぼす油の圧力を弱
   めるためにピストン内部へ通じている特許請求の範囲第
   １項から第９項までのいずれか１項に記載のピストンお
   よびピストンリングユニット。 １１、リング区域（１２）は、上側ピストンリング（１
   ５）を通過する燃焼ガスの圧力を減少するためにシリン
   ダと共に１つの膨張室を形成するために、両方のピスト
   ンリング間において直径を減少されている特許請求の範
   囲第１項から第１０項までのいずれか１項に記載のピス
   トンおよびピストンリングユニット。