(57)【要約】【課題】ピストン下降時においてリングが捩れ変形することによって燃焼室側へのオイルの漏出を抑制しつつ、当該捩れ変形に起因したリングの耐久性の低下についてもこれを好適に抑制することのできるコンプレッションリング及び内燃機関を提供する。【解決手段】トップリング４はピストンの外周面に形成された第１リング溝に装着されている。また、トップリング４は、リング本体４０と、リング本体４０の内周側に位置してリング本体４０を外周側に付勢するエキスパンダ５１〜５３とを備えている。また、リング上面４１には、トップリング４の径方向に沿って延びる基部４２と、基部４２の内周側に位置する部位であって内周側ほど軸線方向Ｃにおいてクランクケース側に位置するように傾斜した傾斜部４３とが形成されている。また、傾斜部４３は基部４２に対して曲面状にて接続されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着されるコンプレッションリングであって、
コンプレッションリングにおいてその軸線方向における燃焼室側の面を上面とするとともに同軸線方向におけるクランクケース側の面を下面とするとき、
前記上面には、コンプレッションリングの径方向に沿って延びる基部と、同基部の内周側に位置する部位であって内周側ほど前記軸線方向においてクランクケース側に位置するように傾斜した傾斜部とが形成され、
前記傾斜部は前記基部に対して曲面状にて接続されてなる
ことを特徴とするコンプレッションリング。
【請求項２】
請求項１に記載のコンプレッションリングにおいて、
コンプレッションリングは、前記基部及び前記傾斜部を有するリング本体と、同リング本体の内周側に位置して同リング本体を外周側に付勢するエキスパンダとを備えてなる
ことを特徴とするコンプレッションリング。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のコンプレッションリングにおいて、
前記傾斜部は、前記径方向における同傾斜部の外周側端と内周側端とを最短距離で結ぶ仮想面に対して前記外周側端を含む部位が同仮想面よりも燃焼室側に位置する一方、前記内周側端を含む部位が同仮想面よりもクランクケース側に位置するように曲面状に形成されてなる
ことを特徴とするコンプレッションリング。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のコンプレッションリングにおいて、
コンプレッションリングは、前記基部及び前記傾斜部を有するリング本体と、同リング本体の内周側に位置して同リング本体を外周側に付勢するエキスパンダとを備え、
前記エキスパンダは開放端を有するプレートエキスパンダとされてなる
ことを特徴とするコンプレッションリング。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のコンプレッションリングを備える内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機関ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着されるコンプレッションリング及び同コンプレッションリングを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のシリンダボア内にはピストンが往復動可能に設けられており、このピストンの外周面に形成された複数のリング溝にはそれぞれピストンリングが装着されている。具体的には、ピストンの軸線方向において燃焼室に近い順に、トップリング、セカンドリング、及びオイルリングが装着されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
トップリング及びセカンドリングは、燃焼室で生じた燃焼ガスがピストンとシリンダのボア壁面との間から漏れないようにこれらの間をシールする機能を有している。尚、一般に、トップリング及びセカンドリングはコンプレッションリングと総称される。また、オイルリングは、エンジンオイルを必要最小限の量だけシリンダのボア壁面に供給するとともに、余剰のオイルを掻き落とす機能を有している。
【０００４】
図８（ａ）に示すように、トップリング１０４は略円環状をなしており、その軸線方向Ｃにおいて燃焼室側の面（以下、リング上面１４１）及びクランクケース側の面（以下、リング下面１４４）は径方向に沿って延びている。また、リング上面１４１において径方向に延びる基部１４２の内周側には傾斜部１４３が形成されている。傾斜部１４３は、内周側ほど軸線方向Ｃにおいてクランクケース側に位置するように傾斜している。ちなみに、従来、傾斜部１４３と基部１４２との接続部位は角形状とされている。
【０００５】
こうしたトップリング１０４を備える内燃機関では、ピストン２が上死点から下死点に向けて移動するときに、図８（ｂ）に示すように、トップリング１０４のリング上面１４１がリング溝３の上側対向面３１の外周側端部に押し付けられ、トップリング１０４の外周面１４５がボア壁面１に押し付けられる。このとき、リング上面１４１に傾斜部１４３が形成されているため、トップリング１０４の内周部に対して外周部が上方に位置するように変形する捩れ変形が許容される。これにより、トップリング１０４のリング下面１４４がリング溝３の下側対向面３２に押し付けられることで、これらリング下面１４４と下側対向面３２との間を通じてオイルが燃焼室側に漏出することが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６―３２２３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上述した傾斜部１４３を有する従来のトップリング１０４にあっては、傾斜部１４３と基部１４２との接続部位Ａが角形状とされているため、上述した捩れ変形が生じる際に同接続部位に対して応力が集中しやすい。そのため、トップリングの耐久性の低下を回避するためにトップリングの厚さをある程度、大きくしなければならなず、トップリングの捩れ変形量が自ずと制限されるものとなっている。従って、トップリングの捩れ変形を利用してオイルの漏出を好適に抑制する上では尚、改善の余地を残すものとなっている。
【０００８】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストン下降時においてリングが捩れ変形することによって燃焼室側へのオイルの漏出を抑制しつつ、当該捩れ変形に起因したリングの耐久性の低下についてもこれを好適に抑制することのできるコンプレッションリング及び内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、機関ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着されるコンプレッションリングであって、コンプレッションリングにおいてその軸線方向における燃焼室側の面を上面とするとともに同軸線方向におけるクランクケース側の面を下面とするとき、前記上面には、コンプレッションリングの径方向に沿って延びる基部と、同基部の内周側に位置する部位であって内周側ほど前記軸線方向においてクランクケース側に位置するように傾斜した傾斜部とが形成され、前記傾斜部は前記基部に対して曲面状にて接続されてなることをその要旨としている。
【００１０】
ピストンが上死点から下死点に向けて移動するときに、コンプレッションリングの上面がリング溝の上側対向面の外周側端部に押し付けられ、コンプレッションリングの外周面がボア壁面に押し付けられる。ここで、上記構成によれば、コンプレッションリングの上面に傾斜部が形成されているため、コンプレッションリングの内周部に対して外周部が上方に位置するように変形する捩れ変形が許容される。これにより、コンプレッションリングの下面がリング溝の下側対向面に押し付けられることで、これらの間を通じてオイルが燃焼室側に漏出することが抑制される。
【００１１】
しかも、傾斜部は基部に対して曲面状にて接続されているため、傾斜部と基部との接続部位に応力が集中することを抑制することができる。
従って、ピストン下降時においてリングが捩れ変形することによって燃焼室側へのオイルの漏出を抑制しつつ、当該捩れ変形に起因したリングの耐久性の低下についてもこれを好適に抑制することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のコンプレッションリングにおいて、コンプレッションリングは、前記基部及び前記傾斜部を有するリング本体と、同リング本体の内周側に位置して同リング本体を外周側に付勢するエキスパンダとを備えてなることをその要旨としている。
【００１３】
同構成によれば、エキスパンダによりリング本体が外周側に付勢されるため、リング本体の外周面がボア壁面に対して一層大きな力で押し付けられる。このため、ピストンが上死点から下死点に向けて移動するときに、ピストンの外周面においてコンプレッションリングよりも燃焼室側に位置する部位がボア壁面に最初に衝突する際の衝撃力を小さくすることができ、当該衝突に伴う振動を低減することができる。
【００１４】
また、リング本体が一層大きく捩れ変形することによってリング本体の下面とこれに対向するリング溝の下側対向面との間が好適にシールされ、これらの間を通じた燃焼室側へのオイルの漏出が好適に抑制されるようになる。
【００１５】
一方、このようにエキスパンダによって付勢され、リング本体が大きく捩れ変形することによって傾斜部と基部との接続部位に応力が一層集中するおそれがある。この点、請求項１に記載の発明が適用されるため、上記接続部位に対して応力が集中することを好適に抑制することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のコンプレッションリングにおいて、前記傾斜部は、前記径方向における同傾斜部の外周側端と内周側端とを最短距離で結ぶ仮想面に対して前記外周側端を含む部位が同仮想面よりも燃焼室側に位置する一方、前記内周側端を含む部位が同仮想面よりもクランクケース側に位置するように曲面状に形成されてなることをその要旨としている。
【００１７】
同構成によれば、コンプレッションリングの径方向における傾斜部の内周側端部を含む部位が仮想面よりもクランクケース側に位置しているため、コンプレッションリングの捩れ変形が好適に促進されるようになる。また、傾斜部の外周側端部を含む部位が仮想面よりも燃焼室側に位置しているため、傾斜部と基部との接続部位に応力が集中することを好適に抑制することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のコンプレッションリングにおいて、コンプレッションリングは、前記基部及び前記傾斜部を有するリング本体と、同リング本体の内周側に位置して同リング本体を外周側に付勢するエキスパンダとを備え、前記エキスパンダは開放端を有するプレートエキスパンダとされてなることをその要旨としている。
【００１９】
同構成によれば、エキスパンダが開口端、すなわち合口を有しているため、こうしたエキスパンダを通じて径方向におけるリング本体の振動を吸収する効果、所謂ダンピング効果を好適に奏することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のコンプレッションリングを備える内燃機関をその要旨としている。
同構成によれば、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明の作用効果に準じた作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態について、ピストンを中心とした正面構造を示す正面図。
【図２】同実施形態におけるトップリングを構成するリング本体及びエキスパンダの配置態様を説明するための平面図。
【図３】同実施形態におけるトップリングの断面構造を示す断面図。
【図４】同実施形態におけるリング本体の上面を拡大して示す断面図。
【図５】同実施形態における作用を説明するための断面図であって、上死点から下死点に向けて移動する際のリング本体の姿勢を示す断面図。
【図６】（ａ）上死点におけるピストンの姿勢を示す略図、（ｂ）上死点から下死点に向けてピストンが移動する際にトップランドがボア壁面に最初に衝突する際の姿勢を示す略図。
【図７】同実施形態におけるクランク角とシリンダライナの振動エネルギとの関係を示すグラフ。
【図８】（ａ）従来のトップリングの断面構造を示す断面図、（ｂ）上死点から下死点に向けて移動する際のトップリングの姿勢を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係るコンプレッションリング及び内燃機関をトップリング及び内燃機関として具体化した一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
尚、以降において、トップリング４（ピストン２）の軸線方向Ｃにおいて燃焼室に近接する方向を単に上方と称し、軸線方向Ｃにおいて燃焼室から離間する方向、すなわちクランクケースに近接する方向を単に下方と称する。
【００２３】
図１に示すように、内燃機関のシリンダボア内にはピストン２が往復動可能に設けられている。ピストン２の外周面には、軸線方向Ｃにおいて燃焼室に近い順に、第１リング溝３、第２リング溝６、及び第３リング溝８が形成されている。
【００２４】
第１リング溝３、第２リング溝６には、コンプレッションリングとして機能するトップリング４、セカンドリング７がそれぞれ装着されている。トップリング４及びセカンドリング７は、燃焼室で生じた燃焼ガスがピストン２とボア壁面１との間から漏れないようにこれらの間をシールする機能を有する。
【００２５】
第３リング溝８にはオイルリング９が装着されている。オイルリング９は、エンジンオイルを必要最小限の量だけボア壁面１に供給するとともに、余剰のオイルを掻き落とす機能を有する。
【００２６】
図２に示すように、本実施形態のトップリング４は、略円環状をなすリング本体４０と、リング本体４０の内周側に位置してリング本体４０を外周側に付勢する３つのエキスパンダ５１〜５３とを備えている。ここで、リング本体４０及びエキスパンダ５１〜５３は、リング本体４０の開放端４０ａの位相と、エキスパンダ５１〜５３の開放端５１ａ〜５３ａの位相とが１８０度異なるように第１リング溝３に対して装着されている。
【００２７】
第１リング溝３は、ピストン２の径方向に沿って延びる一対の対向面（上側対向面３１，下側対向面３２）と、これら対向面３１，３２の内周側端部の間に形成されて軸線方向Ｃに沿って延びる底面３３とによって形成されている（図５参照）。
【００２８】
次に、本実施形態のトップリング４について更に詳細に説明する。尚、以降において、トップリング４の軸線方向Ｃにおける燃焼室側の面をリング上面４１とするとともに軸線方向Ｃにおけるクランクケース側の面をリング下面４４とする。
【００２９】
図３に示すように、リング本体４０のリング上面４１及びリング下面４４は基本的にはトップリング４の径方向に沿って延びている。ただし、リング上面４１には、トップリング４の径方向に沿って延びる基部４２と、基部４２の内周側に位置する部位であって内周側ほど軸線方向Ｃにおいてクランクケース側に位置するように傾斜した曲面状の傾斜部４３とが形成されている。また、傾斜部４３は基部４２に対して曲面状にて接続されている。
【００３０】
リング本体４０の外周面４５は軸線方向Ｃにおける中央位置ほど外径が大きくされた曲面形状、所謂バレル形状をなしている。
リング本体４０の内周面４６には内周側に突出する２つの突部（上側突部４７、下側突部４８）が軸線方向Ｃにおいて互いに離間して形成されている。上側突部４７の上面及び下側突部４８の下面はそれぞれトップリング４の径方向に沿って延びている。
【００３１】
エキスパンダ５１〜５３は、プレートエキスパンダであり、詳しくは、軸線方向Ｃにおいてリング本体４０の２つの突部４７，４８にそれぞれ対応する部位が内周側に突出するとともに、エキスパンダ５１〜５３の上端部、下端部、及び上記内周側に突出している部位の間に位置する部位が外周側に突出した断面波型形状を有している。
【００３２】
ここで、図４を参照して、傾斜部４３の形状について詳細に説明する。
図４に示すように、リング本体４０の径方向における傾斜部４３の外周側端Ｐ１と内周側端Ｐ２とを最短距離で結ぶ仮想的な面（図４では線）を仮想面Ｓとする。このとき、傾斜部４３は、仮想面Ｓに対して外周側端Ｐ１を含む部位４３Ａが仮想面Ｓよりも燃焼室側に位置している。また、傾斜部４３は、仮想面Ｓに対して内周側端Ｐ２を含む部位４３Ｂが仮想面Ｓよりもクランクケース側に位置している。すなわち、傾斜部４３の上面はＳ字状をなしている。
【００３３】
次に、図５〜図７を参照して、本実施形態の作用について説明する。
エキスパンダ５１〜５３によりリング本体４０が外周側に付勢されるため、リング本体４０の外周面４５がボア壁面１に対して大きな力で押し付けられる。このため、ピストン２が上死点から下死点に向けて移動するときに、図５に示すように、リング本体４０のリング上面４１が第１リング溝３の上側対向面３１の外周側端部に押し付けられ、トップリング４の外周面４５がボア壁面１に押し付けられる。ここで、リング本体４０のリング上面４１に傾斜部４３が形成されているため、リング本体４０の内周部に対して外周部が上方に位置するように変形する捩れ変形が許容され、大きく捩れ変形する。これにより、リング本体４０のリング下面４４が第１リング溝３の下側対向面３２に押し付けられることで、これらの間を通じてオイルが燃焼室側に漏出することが抑制される。
【００３４】
また、エキスパンダ５１〜５３によりリング本体４０の外周面４５がボア壁面１に対して大きな力で押し付けられる。このため、ピストン２が上死点（図６（ａ））から下死点に向けて移動するときに、図６（ｂ）に示すように、ピストン２のトップランド（ピストン２の外周面においてトップリング４の上方に位置する部位）がボア壁面１に最初に衝突する際の衝撃力が小さくなり、当該衝突に伴う振動が低減されるようになる。その結果、例えば図７に示すように、上死点から１０°ＣＡまでの範囲においてシリンダライナの振動エネルギの最大値が大きく低下するようになる。
【００３５】
一方、このようにエキスパンダ５１〜５３によって付勢され、リング本体４０が大きく捩れ変形することによって傾斜部４３と基部４２との接続部位に応力が集中するおそれがある。
【００３６】
この点、本実施形態によれば、傾斜部４３は基部４２に対して曲面状にて接続されているため、傾斜部４３と基部４２との接続部位に応力が集中することが好適に抑制される。  以上説明した本実施形態に係るコンプレッションリング及び内燃機関によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
【００３７】
（１）トップリング４は、リング本体４０と、リング本体４０の内周側に位置してリング本体４０を外周側に付勢するエキスパンダ５１〜５３とを備えている。また、リング上面４１には、トップリング４の径方向に沿って延びる基部４２と、基部４２の内周側に位置する部位であって内周側ほど軸線方向Ｃにおいてクランクケース側に位置するように傾斜した傾斜部４３とが形成されている。また、傾斜部４３は基部４２に対して曲面状にて接続されている。
【００３８】
こうした構成によれば、エキスパンダ５１〜５３によりリング本体４０が外周側に付勢されるため、リング本体４０の外周面４５がボア壁面１に対して大きな力で押し付けられる。このため、ピストン２が上死点から下死点に向けて移動するときに、トップリング４のリング上面４１が第１リング溝３の上側対向面３１の外周側端部に押し付けられ、トップリング４の外周面４５がボア壁面１に押し付けられる。ここで、トップリング４のリング上面４１に傾斜部４３が形成されているため、トップリング４の捩れ変形が許容され、大きく捩れ変形する。これにより、トップリング４のリング下面４４が第１リング溝３の下側対向面３２に押し付けられることで、これらの間を通じてオイルが燃焼室側に漏出することが抑制される。
【００３９】
また、ピストン２が上死点から下死点に向けて移動するときに、ピストン２のトップランドがボア壁面１に最初に衝突する際の衝撃力を小さくすることができ、当該衝突に伴う振動を低減することができる。
【００４０】
一方、このようにエキスパンダ５１〜５３によって付勢され、リング本体４０が大きく捩れ変形することによって傾斜部４３と基部４２との接続部位に応力が一層集中するおそれがある。
【００４１】
この点、上記構成によれば、傾斜部４３は基部４２に対して曲面状にて接続されているため、傾斜部４３と基部４２との接続部位に応力が集中することを好適に抑制することができる。
【００４２】
従って、ピストン下降時において捩れ変形することによって燃焼室側へのオイルの漏出を抑制しつつ、当該捩れ変形に起因した耐久性の低下についてもこれを好適に抑制することができる。
【００４３】
（２）傾斜部４３は、径方向における傾斜部４３の外周側端Ｐ１と内周側端Ｐ２とを最短距離で結ぶ仮想面Ｓに対して外周側端Ｐ１を含む部位が同仮想面よりも燃焼室側に位置する一方、内周側端Ｐ２を含む部位が同仮想面Ｓよりもクランクケース側に位置するように曲面状に形成されている。こうした構成によれば、トップリング４の径方向における傾斜部４３の内周側端Ｐ２を含む部位４３Ｂが仮想面Ｓよりもクランクケース側に位置しているため、トップリング４の捩れ変形が好適に促進されるようになる。また、傾斜部４３の外周側端Ｐ１を含む部位４３Ａが仮想面Ｓよりも燃焼室側に位置しているため、傾斜部４３と基部４２との接続部位に応力が集中することを好適に抑制することができる。
【００４４】
（３）エキスパンダ５１〜５３は開放端５１ａ〜５３ａを有するプレートエキスパンダとされている。こうした構成によれば、エキスパンダ５１〜５３が合口を有しているため、径方向におけるリング本体４０の振動を吸収する効果、所謂ダンピング効果を好適に奏することができる。しかも、エキスパンダ５１〜５３は断面波型形状を有しているため、大きなダンピング効果を発揮することができる。
【００４５】
尚、本発明に係るコンプレッションリング及び内燃機関は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。
【００４６】
・上記実施形態によるようにエキスパンダ５１〜５３を断面波型形状とすることが、大きなダンピング効果を得る上では望ましい。しかしながら、本発明のエキスパンダはこうした形状をなすものに限定されない。他に例えば、こうした波型形状をなさない断面直線状のエキスパンダであってもよい。
【００４７】
・上記実施形態では、３つのエキスパンダを備えるトップリング４を採用することにより、シリンダライナの振動エネルギの最大値を好適に低下させることができた。しかしながら、本発明に係るエキスパンダは３つに限定されるものではない。他に例えば、２つ以下のエキスパンダを有するものであっても良いし、４つ以上のエキスパンダを有するものであってもよい。また、エキスパンダを有しないものであってもよい。すなわち、リング本体のみからなるトップリングであってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１…ボア壁面、２……ピストン、３…第１リング溝、３１…上側対向面、３２…下側対向面、３３…底面、４，１０４…トップリング（コンプレッションリング）、４０…リング本体、４０ａ…開放端、４１，１４１…リング上面、４２，１４２…基部、４３，１４３…傾斜部、４４，１４４…リング下面、４５，１４５…外周面、４６…内周面、４７…上側突部、４８…下側突部、５１，５２，５３…エキスパンダ、５１ａ，５２ａ，５３ａ…開放端、６…第２リング溝、７…セカンドリング、８…第３リング溝、９…オイルリング、Ｃ…軸線方向、Ｓ…仮想面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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