JP2018179174A - 圧力リング - Google Patents

Abstract

【課題】オイル消費を抑制することのできる圧力リングを提供する。【解決手段】第２圧力リングは、第１圧力リングとオイルリングとの間のリング溝に装着されている。第２圧力リングは、内周側から外周側へ向かって表面を横断する溝を備えている。当該溝は、内周側から外周側に向かうにつれて溝幅が大きくなるように構成されている。また、当該溝は、内周側から外周側に向かうにつれて溝の深さが大きくなるように構成されていてもよい。【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関のピストンに装着される圧力リングに係り、特に第１圧力リングとオイルリングの間に配置される第２圧力リングの構造に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関のピストンのリング溝に装着されるピストンリングのうち、第１圧力リングとオイルリングの間に配置される第２圧力リングに関する技術が開示されている。特許文献１の技術では、第２圧力リングの上面及び下面に、内周側から外周側へと通じる複数個の溝を形成することとしている。第２圧力リングは、ピストンが上下することによる慣性力によってリング溝の幅の範囲で上下に移動する。特許文献１の第２圧力リングの構造によれば、内燃機関の高負荷運転時において、第２圧力リングが溝上面に移動したとき及び溝下面に移動したときの双方で当該溝がブローバイ通路となりブローバイによるオイルの吹き下げが行われる。これにより、内燃機関の高負荷運転時におけるオイル上がりが抑制される。

特開平３−２１３６４３号公報

上述したように、第２圧力リングは、リング溝の上面から下面の間で上下に移動する。より詳しくは、吸気行程及び膨張行程の後半は、シリンダ内のピストンの下降速度が低下する。このため、ピストンとともにシリンダ内を下降していたオイル及び第２圧力リングには、下方向の慣性力が付与される。この場合、第２圧力リングがリング溝の下面側へと速やかに移動すれば、リング溝の上面と第２圧力リングとの間の溝にオイルを呼び戻すことができる。

しかしながら、第２圧力リングは、慣性力の作用に対して応答よく移動するとは限らない。第２圧力リングは、オイルの付着力によってリング溝の面に張り付くからである。上記特許文献１の技術では、第２圧力リングが速やかに上下に移動することを前提としており、第２圧力リングにリング溝への付着力が発生することへの考察は何らなされていない。このように、慣性力の作用に対して第２圧力リングを応答よく移動させることができれば、オイル消費量の更なる低減が期待できる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、オイル消費を抑制することのできる圧力リングを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、ピストンのリング溝に装着される圧力リングのうち、第１圧力リングとオイルリングとの間に位置する第２圧力リングを対象としている。第２圧力リングは、内周側から外周側へ向かって表面を横断する溝を備えている。当該溝は、内周側から外周側に向かうにつれて溝幅が大きくなるように構成されている。

また、本発明は、ピストンのリング溝に装着される圧力リングのうち、第１圧力リングとオイルリングとの間に位置する第２圧力リングを対象としている。第２圧力リングは、内周側から外周側へ向かって表面を横断する溝を備えている。当該溝は、内周側から外周側に向かうにつれて溝の深さが大きくなるように構成されている。

なお、本発明の溝は、第２圧力リングの上面に設けられるように構成することができる。

また、本発明の溝は、第２圧力リングの下面に設けられているように構成することもできる。

さらに、本発明の第２圧力リングは、複数の溝を備えるように構成することもできる。

第２圧力リングに備えられた溝は、内周側から外周側に向かうにつれてその溝幅又は溝深さが大きくなるように構成されている。第２圧力リングの面とピストンのリング溝の面との間の付着力は、これらの面が接する面積が大きいほど大きく、また、これらの面の距離が近いほど大きい。このため、本発明の溝の構成によれば、第２圧力リングの内周側から外周側に向かうにつれて付着力を小さくすることができる。これにより、慣性力を受けた第２圧力リングには、外周側を慣性力方向にねじるねじりモーメントが発生するので、リング溝の表面に張り付いていた第２圧力リングを剥がして応答よく移動させることができる。これにより、第２圧力リングとリング溝との間に応答良くオイルを呼び戻すことができるので、オイル消費を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る圧力リングが適用された内燃機関（エンジン）のピストンの断面構造を説明する図である。 第２圧力リング溝に装着された従来の第２圧力リングの断面構造を説明する図である。 第２圧力リング溝に装着された従来の第２圧力リングの断面構造を説明する図である。 クランクアングルに対する第２圧力リングの挙動を説明するための図である。 実施の形態１の第２圧力リングの正面図である。 第２圧力リングの溝を拡大して示す正面図である。 図６の溝をＡ−Ａで切断した断面図である。 実施の形態１の第２圧力リングの作用及びその効果を説明するための図である。 第２圧力リングの溝の有無によるオイル消費量の差の一例を示す図である。 第２オイルリングに形成された溝の構造の変形例を示す図である。 第２オイルリングに形成された溝の構造の他の変形例を示す図である。 第２圧力リングの溝の配置によるオイル消費量の差の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧力リングが適用された内燃機関（エンジン）のピストンの断面構造を説明する図である。この図に示すように、ピストン１は頂面２を有する略円筒状に形成されたものであり、シリンダボアの軸方向に上下動可能に配置されている。なお、以下の説明では、シリンダボアの軸方向のうちピストン１を上昇させる方向を上方向と称し、ピストン１を下降させる方向を下方向と称する。

ピストン１の外周面には、頂面２の側から順に第１圧力リング溝４、第２圧力リング溝６、及びオイルリング溝８がそれぞれ全周にわたって形成されている。第１圧力リング溝４には第１圧力リング１０が装着されている。第２圧力リング溝６には、第２圧力リング１２が装着されている。また、オイルリング溝８にはオイルリング１４が装着されている。ピストン１には、オイルリング溝８とクランクケースとを連通するオイル逃し穴１６が形成されている。

第１圧力リング１０及び第２圧力リング１２は共に円環状に形成され、シリンダボアの内壁に当接することにより燃焼室の気密性を保持する機能を有している。また、第１圧力リング１０及び第２圧力リング１２は、燃焼室内の燃焼によってピストン１の受けた熱をシリンダボアの内壁に伝える機能、及びオイルリング１４を通過して頂面２側に移動するオイルを掻き落す機能も有している。オイルリング１４は、円環状に形成され且つその断面が略コの字型に形成されている。オイルリング１４は、シリンダボアの内壁とピストンの外周面との間のオイルを掻き落すために好適な構造となっている。

第１圧力リング溝４，第２圧力リング溝６，オイルリング溝８の幅は、それぞれ装着される第１圧力リング１０，第２圧力リング１２，オイルリング１４の厚さよりも大きな幅に形成されている。つまり、第１圧力リング１０，第２圧力リング１２，オイルリング１４は、第１圧力リング溝４，第２圧力リング溝６，オイルリング溝８に装着された状態で溝間を上下動可能に構成されている。なお、以下の説明では、ピストン１の周面のうち、第１圧力リング溝４よりも頂面２側の面を「第１ランド」と称し、第１圧力リング溝４と第２圧力リング溝６の間の面を「第２ランド」と称し、第２圧力リング溝６とオイルリング溝８の間の面を「第３ランド」と称する。

［実施の形態１の特徴］
次に、実施の形態１の圧力リングの特徴について説明する。実施の形態１の圧力リングは、第２圧力リング１２の構成に特徴を有している。ここでは、第２圧力リング１２の特徴を説明する前に、先ず従来の第２圧力リングの機能、及びその課題について説明する。

図２は、第２圧力リング溝に装着された従来の第２圧力リングの断面構造を説明する図である。上述したとおり、ピストン１はシリンダボア内を上下動する。より詳しくは、内燃機関の吸気行程及び膨張行程ではピストン１が下降し、圧縮行程及び排気行程ではピストン１が上昇する。このため、ピストン１には内燃機関の吸気行程及び膨張行程の後半には下方向の慣性力が作用し、圧縮行程及び排気行程の後半には上方向の慣性力が作用する。この図に示す例では、吸気行程の後半においてピストン１に下方向の慣性力及び上方向の摩擦力が作用している様子を示している。ピストン１に下方向の慣性力が作用すると、ピストン１に装着されている第２圧力リング１２及び第２ランドに付着しているオイルにも同方向の慣性力が作用する。慣性力を受けて第２圧力リングが下降すると、第２圧力リングの下面が第２圧力リング溝の下面に着座するとともに、第２圧力リングの上面と第２圧力リング溝の上面との間の隙間が大きくなる。第２ランドに付着していたオイルは、慣性力の作用によって下降し、この隙間から第２圧力リング溝の内部へと呼び戻される。これにより、第２ランドに付着しているオイルが燃焼室へと上がることを抑制することができるので、オイル消費が抑制される。

しかしながら、上記従来の第２圧力リングの構造には以下の課題がある。図３は、第２圧力リング溝に装着された従来の第２圧力リングの断面構造を説明する図である。この図に示す例では、吸気行程の後半においてピストン１に下方向の慣性力及び上方向の摩擦力が作用している様子を示している。第２圧力リングの上面には、第２圧力リング溝の上面に付着する付着力が略均等に作用している。このような状況においては、第２圧力リングに下方向の慣性力が作用しても応答良く下方へ移動しないおそれがある。図に示す例では、摩擦力によるねじりモーメントが第２圧力リングに作用することにより、第２圧力リングが内周側から剥がれる様子を示している。しかしながら、近年の開発では、ピストンとシリンダボアとの摩擦をより小さくして燃費を向上させることが求められている。このため、摩擦力を利用せずに第２圧力リングにねじりモーメントを作用させることが望まれる。

図４は、クランクアングルに対する第２圧力リングの挙動を説明するための図である。なお、この図中の（ａ）はクランクアングルに対する慣性力の変化を、この図中の（ｂ）はクランクアングルに対する第２圧力リングと第２圧力リング溝とのクリアランスの変化を、それぞれ示している。この図の領域（Ａ）に示すように、第２圧力リングに作用する慣性力が上方向から下方向へと変化しても、第２圧力リングは、第２圧力リング溝の下面側へと応答よく移動していないことがわかる。

実施の形態１の第２圧力リングは、第２圧力リングの上面に設けられた溝の形状に特徴を有している。図５は、実施の形態１の第２圧力リングの正面図である。この図に示すように、第２圧力リング１２の上面側には、複数の溝２０が形成されている。溝２０は、第２圧力リング１２の内周側から外周側へ向かって上面を横断するように設けられている。溝２０の個数及び配置は特に限定しない。図５に示す例では、８箇所の溝２０が、リング中心から放射状に均等に設けられている。

図６は、第２圧力リングの溝を拡大して示す正面図である。また、図７は、図６の溝をＡ−Ａで切断した断面図である。図６に示すように、溝２０は、内周側から外周側に向かうにつれてその幅が大きくなるように構成されている。また、図７に示すように、溝２０は、その溝深さが一定になるように構成されている。ここでは、厚さ１ｍｍの第２圧力リング１２に対して深さ５μｍの溝２０が形成されている。

［実施の形態１の軸受装置の作用効果］
次に、上述の構造で得られる第２圧力リングの作用およびその効果について、図８を参照して説明する。図８は、実施の形態１の第２圧力リングの作用及びその効果を説明するための図である。この図に示す例では、吸気行程の後半においてピストン１に下方向の慣性力及び上方向の摩擦力が作用している様子を示している。上述したように、溝２０は内周側から外周側に向かうにつれてその幅が大きくなるように構成されているため、第２圧力リング１２の上面が第２圧力リング溝６の上面に接触する面積は、内周側から外周側に向かうにつれて小さくなる。このため、第２圧力リング１２に作用する付着力は、内周側から外周側に向かうにつれて小さくなる。外周側の付着力が小さくなると、第２圧力リング１２には外周側を下方向にねじる方向のねじりモーメントが作用する。これにより、より小さい力で第２圧力リング１２を第２圧力リング溝６の上面から剥がすことができるため、慣性力の作用に対して応答よく第２圧力リング１２を移動させることが可能となる。

図９は、第２圧力リングの溝の有無によるオイル消費量の差の一例を示す図である。この図では、（Ａ）が溝２０を備えない第２圧力リング１２を用いた場合のオイル消費量を、（Ｂ）が溝２０を備える第２圧力リング１２を用いた場合のオイル消費量を、それぞれ示している。この図に示すように、第２圧力リング１２の上面に溝２０を備える構造では、定常運転時及び過渡運転時の双方において、オイル消費が抑えられることが分かる。このように、実施の形態１の第２圧力リング１２の構造によれば、第２圧力リング１２を第２圧力リング溝６の下面側へと応答よく移動させることができるので、オイル消費量の更なる低減を図ることが可能となる。

また、上述した第２圧力リング１２によれば、シリンダボアとの間の摩擦力に頼らずにねじりモーメントを生じさせることができるので、シリンダボアとの間の摩擦を小さくして燃費の向上を図ることも可能となる。

また、上述した第２圧力リング１２の溝２０は、外周側の溝幅が内周側よりも大きくなるように構成されているため、第２ランドに付着しているオイルを効率よく当該溝２０へ呼び戻して付着力を低減することが可能となる。

［第２圧力リングの構造の変形例］
第２圧力リング１２の構造は上述した構造に限らず、例えば以下のように変形した構造を適用してもよい。なお、以下の変形例は、他の変形例との組み合わせを否定するものではなく、他の変形例と適宜組み合わせた構造を採用してもよい。

図１０は、第２オイルリングに形成された溝の構造の変形例を示す図である。この図に示す溝２２は、内周側に面する１点から外周側に向かって放射状に開くように形成されている。このような構造の溝２２によっても、上記の溝２０と同様の作用及び効果を奏することができる。

図１１は、第２オイルリングに形成された溝の構造の他の変形例を示す図である。なお、図１１は、図７と同様に溝２０をＡ−Ａで切断した断面図である。この図に示す溝２４は、内周側から外周側に向かうにつれて溝の深さが徐々に深くなるように形成されている。このような溝２４によれば、溝２４の内周側から外周側に向かうにつれて第２圧力リング溝６の上面との隙間が大きくなるので、第２圧力リング１２に作用する付着力は、内周側から外周側に向かうにつれて小さくなる。これにより、第２圧力リング１２には外周側を下方向にねじる方向のねじりモーメントが作用するので、慣性力の作用に対して応答よく第２圧力リング１２を移動させることが可能となる。また、第２圧力リング１２の溝２４は、外周側の溝深さが内周側よりも大きくなるように構成されているため、第２ランドに付着しているオイルを効率よく当該溝２４へ呼び戻して付着力を低減することが可能となる。

第２圧力リング１２の上面の溝２０に加えて又は溝２０に代えて、第２圧力リング１２の下面に溝２０と同様の溝を備える構成でもよい。このような構成によれば、内燃機関の圧縮行程又は排気行程の後半において上方向の慣性作用した場合に、第２圧力リング１２を第２圧力リング溝６の上面側へと応答よく移動させることができる。これにより、第３ランドから第２圧力リング溝６を通って第２ランドへと上がるオイル量を減らすことができるので、オイル消費を抑制することが可能となる。

図１２は、第２圧力リングの溝の配置によるオイル消費量の差の一例を示す図である。この図では、（Ａ）が溝２０を備えない第２圧力リング１２を用いた場合のオイル消費量を、（Ｂ）が溝２０を下面に備える第２圧力リング１２を用いた場合のオイル消費量を、（Ｃ）が溝２０を上面に備える第２圧力リング１２を用いた場合のオイル消費量を、そして（Ｄ）が溝２０を上面及び下面に備える第２圧力リング１２を用いた場合のオイル消費量を、それぞれ示している。この図に示す例では、第２圧力リング１２の上面又は下面に溝２０を備える構成では、溝を備えない構成よりもオイル消費が抑えられ、また、第２圧力リング１２の上面及び下面に溝２０を備える構成では、さらにオイル消費が抑えられることが分かる。

１ ピストン
２ 頂面
４ 第１圧力リング溝
６ 第２圧力リング溝
８ オイルリング溝
１０ 第１圧力リング
１２ 第２圧力リング
１４ オイルリング
１６ オイル逃し穴
２０，２２，２４ 溝

Claims (5)

1. ピストンのリング溝に装着される圧力リングのうち、第１圧力リングとオイルリングとの間に位置する第２圧力リングにおいて、
   前記第２圧力リングは、内周側から外周側へ向かって表面を横断する溝を備え、
   前記溝は、前記内周側から前記外周側に向かうにつれて溝幅が大きくなるように構成されていることを特徴とする圧力リング。
2. ピストンのリング溝に装着される圧力リングのうち、第１圧力リングとオイルリングとの間に位置する第２圧力リングにおいて、
   前記第２圧力リングは、内周側から外周側へ向かって表面を横断する溝を備え、
   前記溝は、前記内周側から前記外周側に向かうにつれて溝の深さが大きくなるように構成されていることを特徴とする圧力リング。
3. 前記溝は、前記第２圧力リングの上面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力リング。
4. 前記溝は、前記第２圧力リングの下面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧力リング。
5. 前記第２圧力リングは、複数の前記溝を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧力リング。

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