JPWO2020100564A1 - ピストンリングの組み合わせ - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、実施形態1に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関100の全体図である。図2は、内燃機関100のリング溝付近の拡大図である。図1及び図2では、便宜上、各構成を簡略化して図示している。図3は、実施形態1に係るトップリング1の周長方向に直交する断面図である。図4は、実施形態1に係るセカンドリング2の周長方向に直交する断面図である。図5は、実施形態1に係るオイルリング3の周長方向に直交する断面図である。図5では、オイルリング3がリング溝に設けられた状態を示している。図1に示すように、実施形態に係る内燃機関100は、シリンダ20と、シリンダ20に装着されたピストン10と、を有する。以下、内燃機関100において、シリンダ20の軸方向を「上下方向」と定義する。また、シリンダ20の軸方向のうち、燃焼室30側を「上側」(図1における上方向)と定義し、その反対側(即ち、クランク室40側)を「下側」と定義する。
まず、実施形態1に係るトップリング1について説明する。図2及び図3に示すように、トップリング1は、リング上面11とリング下面12とリング外周面13とリング内周面14とを有する。トップリング1の使用状態において、リング上面11がトップリング溝101の上壁W1に対向し、リング下面12が下壁W2に対向し、リング外周面13がシリンダ内壁20aに摺接する。
次に、実施形態1に係るセカンドリング2について説明する。図2及び図4に示すように、セカンドリング2は、リング上面21とリング下面22とリング外周面23とリング内周面24とを有する。セカンドリング2の使用状態において、リング上面21がセカンドリング溝102の上壁W1に対向し、リング下面22が下壁W2に対向し、リング外周面23がシリンダ内壁20aに摺接する。
次に、実施形態1に係るオイルリング3について説明する。図2及び図5に示すように、オイルリング3は、上下(軸方向両側)に配置された一対のリング形状を有するセグメント(サイドレールとも呼ぶ)4,4と、セグメント4,4よりも径方向内側に配置されてセグメント4,4をシリンダ内壁20aに付勢するエキスパンダ・スペーサ5と、を含んで構成されている。本実施形態に係るオイルリング3は、一対のセグメント4,4を、同一の形状としている。以下、一対のセグメント4,4のうち、上側(燃焼室30側)に配置されたセグメント4を上側セグメント4Uと称し、下側(クランク室40側)に配置されたセグメント4を下側セグメント4Lと称し、これらを区別しないときは、単にセグメント4と称する。
ここで、図7は、従来例に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関200のリング溝付近を示す図である。従来例に係る内燃機関200は、セカンドリング2に代えてセカンドリング202を用い、オイルリング3に代えてオイルリング203を用いる点で内燃機関100と相違する。セカンドリング202は、シリンダ内壁20aに摺接するリング外周面2023が、燃焼室30側に向かって徐々に縮径されたテーパ形状を有する。オイルリング203は、上下(軸方向両側)に配置された一対のセグメント6,6をエキスパンダ・スペーサ5によってシリンダ内壁20aに付勢する構成としている。一対のセグメント6,6は、一対のセグメント4,4と異なり、何れもセグメント外周面63が対称バレル形状を有している。
次に、従来例との対比で実施形態に係るピストンリングの組み合わせによる作用及び効果について説明する。従来例に対して、内燃機関100は、シリンダ内壁20aに摺接するセカンドリング2のリング外周面23を周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲した形状としている。即ち、セカンドリング2は、径方向外側に凸状に湾曲した第2突出面231においてシリンダ内壁20aに摺接する。つまり、セカンドリング2が曲率を有するバレル形状の外周面でシリンダ内壁20aに摺接することとなる。その結果、外周面をテーパ形状とした従来例に係るセカンドリング202と比較して、シリンダ内壁20aとの間に生じる摩擦(フリクション)を低減することができる。
実施例に係る内燃機関は、実施形態1に係るピストンリングの組み合わせを設けた内燃機関100に相当する。即ち、実施例におけるピストンリングの組み合わせでは、トップリングの外周面を対称バレル形状とし、セカンドリングの外周面を対称バレル形状とし、オイルリングに設けられた一対のセグメントの外周面を偏心バレル形状とした。
比較例に係る内燃機関は、従来例に係るピストンリングの組み合わせを設けた内燃機関200に相当する。即ち、比較例におけるピストンリングの組み合わせでは、トップリングの外周面を対称バレル形状とし、セカンドリングの外周面をテーパ形状とし、オイルリングに設けられた一対のセグメントの外周面を対称バレル形状とした。
実験では、実施例に係る内燃機関と比較例に係る内燃機関をそれぞれ、エンジン回転数620rpm、1035rpm、1555rpmで運転したときのFMEP(摩擦平均有効圧:Friction Mean Effective Pressure)を測定した。
図8は、実施例と比較例におけるエンジン回転数とFMEPの関係を示すグラフである。図8から分かるように、回転数620rpm、1035rpm、1555rpmの何れにおいても、実施例に係る内燃機関の方が比較例に係る内燃機関よりもFMEPが低い。これにより、実施形態に係るピストンリングの組み合わせがフリクションの低減において有効であることが分かる。特に、高回転域である1555rpmにおいては、実施例と比較例のFMEPの差分が1.9kPaであり、高回転域においてフリクション低減効果が顕著であることを確認することができた。
図9は、実施形態1の変形例1に係るセグメント4Aの周長方向に直交する断面を示す断面図である。図9に示すように、セグメント4Aは、セグメント外周面43Aがテーパバレル形状を有する点で、セグメント4と相違する。より具体的には、セグメント4Aのセグメント外周面43Aでは、第3外周領域S41が、第3突出面431と第3外周領域S41の上縁との間に、オイルリング3の周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに燃焼室30側に向けて徐々に縮径したテーパ面432Aを有する。セグメント4Aにおいても、第3突出面431は、周長方向に直交する断面において、半径が一様な円弧形状ではなく、半径の異なる複数の円弧が連なることで径方向外側に凸となった曲線形状を有してもよい。また、第3外周領域S41は、平坦な領域を含んでいてもよい。例えば、第3突出面431は、頂点P4において、軸方向と平行な平坦部を形成してもよい。
図10Aは、実施形態1の変形例2に係るオイルリング3Bの周長方向に直交する断面図である。図10Bは、図10Aに示すレール外周面43Bの拡大図である。本発明に係るオイルリングは、図10Aに示す、一対のレール4UB,4LBが一体化したオイルリング本体7とオイルリング本体7をシリンダの内壁に付勢するためのコイルエキスパンダ8からなる、所謂2ピースのオイルリングであってもよい。オイルリング本体7の軸方向両側には、一対のレール4UB,4LBが設けられている。一対のレール4UB,4LBは、オイルリング3における一対のセグメント4U,4Lに相当する部位である。
図11は、実施形態1の変形例3に係るピストンリングの組み合わせが設けられた内燃機関のリング溝付近の拡大図である。変形例3に係るピストンリングの組み合わせは、オイルリング3Cの一対のセグメント4C,4Cの何れのセグメント外周面43Cも対称バレル形状を有している点で、図2に示すピストンリングの組み合わせと相違する。また、変形例3に係るピストンリングの組み合わせは、図7に示す従来例のピストンリングの組み合わせにおいて、セカンドリングの外周面の形状を対称バレル形状に代えたものと捉えることもできる。これにより、変形例3に係るピストンリングの組み合わせでは、トップリング1、セカンドリング2、オイルリング3Cの全ての外周面が対称バレル形状となっている。そのため、変形例3に係るピストンリングの組み合わせは、図2に示したピストンリングの組み合わせと比較してオイルシール性能は低下するものの、摩擦損失を低減することができる。このようなピストンリングの組み合わせは、比較的オイル消費の少ない内燃機関、例えば常用回転数の低い内燃機関に用いることができる。なお、セカンドリング2及びオイルリング3Cのセグメント4C,4Cは、外周面に平坦部を有してもよい。
図12は、実施形態2に係るピストンリングの組み合わせに用いられるセカンドリング2Dの周長方向に直交する断面図である。実施形態2に係るピストンリングの組み合わせは、対称バレル形状であるリング外周面23を有するセカンドリング2に代えて、偏心バレル形状であるリング外周面23Dを有するセカンドリング2Dを用いる点で実施形態1に係るピストンリングの組み合わせと相違し、その他の点では同一である。
図13は、実施形態2の変形例1に係るセカンドリング2Eの周長方向に直交する断面を示す断面図である。図12に示すように、セカンドリング2Eは、リング外周面23Eの第2外周領域S21がテーパバレル形状を有する点で、セカンドリング2Dと相違する。より具体的には、セカンドリング2Eのリング外周面23Eは、第2外周領域S21において、第2突出面231Dと第2外周領域S21の上縁E21との間に、セカンドリング2Eの周長方向に直交する断面において径方向外側に凸状に湾曲するとともに燃焼室30側に向けて徐々に縮径したテーパ面232Eを有する。
10 :ピストン
20 :シリンダ
30 :燃焼室
40 :クランク室
1 :トップリング
11 :リング上面
12 :リング下面
13 :リング外周面
14 :リング内周面
2 :セカンドリング
21 :リング上面
22 :リング下面
23 :リング外周面
24 :リング内周面
3 :オイルリング
4 :セグメント
4U :上側セグメント
4L :下側セグメント
41 :セグメント上面
42 :セグメント下面
43 :セグメント外周面
44 :レール内周面
5 :エキスパンダ・スペーサ
Claims (10)
- 内燃機関のピストンに形成されたリング溝に装着されるトップリングとセカンドリングとオイルリングとを含むピストンリングの組合せであって、
前記トップリングの外周面である第1外周面は、該トップリングの周長方向に直交する断面において該トップリングの径方向外側に凸状に湾曲した第1突出面であって、該凸状の頂点が該第1外周面において該トップリングの径方向最外に位置する第1突出面が形成された第1外周領域を有し、
前記セカンドリングの外周面である第2外周面は、該セカンドリングの周長方向に直交する断面において該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲した第2突出面であって、該凸状の頂点が該第2外周面において該セカンドリングの径方向最外に位置する第2突出面が形成された第2外周領域を有し、
前記オイルリングは、軸方向両側に設けられた一対のセグメントと、前記一対のセグメントを径方向外側へ付勢するエキスパンダ・スペーサと、を有し、
前記一対のセグメントの外周面である一対の第3外周面は、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲した第3突出面であって、該凸状の頂点が該第3外周面において該オイルリングの径方向最外に位置する第3突出面が形成された第3外周領域をそれぞれ有し、
前記一対の第3外周面のうち少なくとも一方において、前記第3外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第3突出面の頂点が前記第3外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
ピストンリングの組み合わせ。 - 内燃機関のピストンに形成されたリング溝に装着されるトップリングとセカンドリングとオイルリングとを含むピストンリングの組合せであって、
前記トップリングの外周面である第1外周面は、該トップリングの周長方向に直交する断面において該トップリングの径方向外側に凸状に湾曲した第1突出面であって、該凸状の頂点が該第1外周面において該トップリングの径方向最外に位置する第1突出面が形成された第1外周領域を有し、
前記セカンドリングの外周面である第2外周面は、該セカンドリングの周長方向に直交する断面において該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲した第2突出面であって、該凸状の頂点が該第2外周面において該セカンドリングの径方向最外に位置する第2突出面が形成された第2外周領域を有し、
前記オイルリングは、軸方向両側に一対のレールが設けられたリング本体と、前記リング本体を径方向外側へ付勢するコイルエキスパンダと、を有し、
前記一対のレールの外周面である一対の第3外周面は、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲した第3突出面であって、該凸状の頂点が該第3外周面において該オイルリングの径方向最外に位置する第3突出面が形成された第3外周領域をそれぞれ有し、
前記一対の第3外周面のうち少なくとも一方において、前記第3外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第3突出面の頂点が前記第3外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
ピストンリングの組み合わせ。 - 前記一対の第3外周面の両方において、前記第3外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第3突出面の頂点が前記第3外周面における前記オイルリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
請求項1又は2に記載のピストンリングの組み合わせ。 - 前記第3外周領域は、前記第3突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記オイルリングの周長方向に直交する断面において該オイルリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有する、
請求項1から3の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。 - 前記第3外周領域は、前記第3突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記燃焼室側に向けて徐々に縮径したテーパ面を有する、
請求項1から3の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。 - 前記第2外周面において、前記第2外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第2突出面の頂点が前記第2外周面における前記セカンドリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
請求項1から5の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。 - 前記第2外周領域は、前記第2突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記セカンドリングの周長方向に直交する断面において該セカンドリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有する、
請求項6に記載のピストンリングの組み合わせ。 - 前記第2外周領域は、前記第2突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記燃焼室側に向けて徐々に縮径したテーパ面を有する、
請求項6に記載のピストンリングの組み合わせ。 - 前記第1外周面において、前記第1外周領域のクランク室側の周縁が燃焼室側の周縁よりも径方向外側に位置し、且つ、前記第1突出面の頂点が前記第1外周面における前記トップリングの軸方向中央よりもクランク室寄りに位置している、
請求項1から8の何れか一項に記載のピストンリングの組み合わせ。 - 前記第1外周領域は、前記第1突出面と前記燃焼室側の周縁との間に、前記トップリングの周長方向に直交する断面において該トップリングの径方向外側に凸状に湾曲するとともに前記燃焼室側に向けて徐々に縮径した湾曲面を有する、
請求項9に記載のピストンリングの組み合わせ。
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