(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング中心軸線を含む断面におけるピストンリングの輪郭形状として、外周面のリング幅方向中央部分に、リング中心軸線と平行な直線部を有し、この直線部を挟んで一方の側に、上記リング中心軸線に対し傾斜したテーパ部を有し、かつ他方の側に、上記直線部が接線として連続する円弧からなる円弧部を有し、
上記直線部の長さ（Ｌ１）は、リング幅（Ｌ）に対し、１／５〜２／３の範囲にあり、
上記テーパ部の傾斜角が４５°〜６０°の範囲内にあり、
上記直線部の半径位置から半径方向内周側に０．２mm〜０．４mm後退した点で、上記テーパ部がピストンリングの一方の端面と交わっており、
上記直線部の半径位置から半径方向内周側に０．２mm〜０．４mm後退した点で、上記円弧部がピストンリングの他方の端面と交わるように、上記円弧部の曲率半径が設定されている、ことを特徴とする内燃機関のピストンリング。
【請求項２】
燃焼室側に上記円弧部が設けられ、クランクケース側に上記テーパ部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストンリング。
【請求項３】
上記直線部は、リング幅の中心を跨ぐ範囲に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のピストンリング。
【請求項４】
トップリングとして用いられ、上記直線部の長さ（Ｌ１）が、リング幅（Ｌ）に対し、１／５〜１／３の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のピストンリング。
【請求項５】
セカンドリングとして用いられ、上記直線部の長さ（Ｌ１）が、リング幅（Ｌ）に対し、１／４〜２／３の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関、主に自動車用ガソリン機関におけるコンプレッションリングとして用いられるピストンリングの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のコンプレッションリングには、燃焼ガスのシールと同時に、良好なオイル消費性能であることが要求される。実開平５−１４７３３号公報には、ピストンリング外周面の燃焼室側部分およびクランクケース側部分の双方を略円弧形の湾曲面とし、かつリング幅方向の中央部分を緩いテーパ面としたバレルフェイス型のピストンリングが開示されている。なお、上記テーパ面は、燃焼室側が小径となる方向に傾いたものであり、従って、クランクケース側の湾曲面との接続部が、外周側に最も張り出している。
【０００３】
また、特開平６−１８５６２０号公報には、外周側に最も凸となるリング幅中央部分を含めて燃焼室側部分をバレルフェイス型の湾曲面とし、かつクランクケース側部分に、面取り状のテーパ面を設けたピストンリングが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前者の構成では、上記テーパ面とクランクケース側の湾曲面との接続部付近が線接触に近い形でシリンダ壁面に摺接し、この接触部のすぐ上方（燃焼室側）でのテーパ面とシリンダ壁面とのなす角、および接触部のすぐ下方（クランクケース側）での湾曲面とシリンダ壁面とのなす角は、いずれも小さい。従って、ピストンが下方へ動くときに、シリンダ壁面の油膜に対する明確なエッジ効果が得られず、オイルの掻き落とし性能が低い。特に、シリンダ壁面の油膜に対し、ピストンが上方へ動くときも下方へ動くときも、ほぼ同様の作用となるので、オイルを一方向へ、つまりクランクケース側へ運ぶという機能は、殆ど得られない。
【０００５】
また後者の構成では、テーパ面によりオイルの掻き落としを図っているが、半径方向に最も凸となる部位は湾曲面の部分にあり、この部分が線接触に近い形でシリンダ壁面に摺接するので、やはり明確なエッジ効果は得られない。特に、接触部付近では、該接触部を挟んで上下の部分がほぼ対称となっているので、オイルを一方向へ運ぶという作用は弱い。
【０００６】
また、上記のようにシリンダ壁面に対し線接触となるものでは、経時的な摩耗による形状変化が大きく、オイル消費性能などの特性が経時的に不安定となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る内燃機関のピストンリングは、リング中心軸線を含む断面におけるピストンリングの輪郭形状として、外周面のリング幅方向中央部分に、リング中心軸線と平行な直線部を有している。従って、この直線部は、シリンダ壁面に面接触する。直線部の長さ（Ｌ１）は、例えば、リング幅（Ｌ）に対し、１／５〜２／３の範囲にある。特に、トップリングとして利用する場合は、この直線部での面圧を高めるために、１／５〜１／３の範囲とすることが望ましく、またセカンドリングとして利用する場合は、面圧を比較的低くしてピストン下降時に油膜形成が可能なように、１／４〜２／３の範囲とすることが望ましい。この直線部を挟んで一方の側には、上記リング中心軸線に対し傾斜した面取り状のテーパ部を有している。このテーパ部の傾斜角は、望ましくは、４５°〜６０°の範囲内にある。上記テーパ部は、上記直線部から急激に折れ曲がった形となるので、シリンダ壁面の油膜に対しエッジ効果が得られ、シリンダ壁面のオイルを効果的に掻き落とすことができる。上記テーパ部は、上記直線部の半径位置から半径方向内周側に０．２mm〜０．４mm後退した点で、ピストンリングの一方の端面と交わっている。そして、直線部の他方の側には、適宜な曲率の円弧からなる円弧部を有している。この円弧部を構成する円弧は、上記直線部が接線として連続する。この円弧部は、上記直線部の半径位置から半径方向内周側に０．２mm〜０．４mm後退した点で、ピストンリングの他方の端面と交わるように、その曲率半径が設定されている。
【０００８】
従って、シリンダ壁面に圧接した状態での面圧分布に着目すると、直線部から円弧部へ移行する部分では、緩やかに面圧が変化し、他方、直線部からテーパ部へ移行する部分では、両者の境界で面圧が急激に変化する。そのため、ピストンが上昇する際には、上記円弧部から直線部へとオイルが通過しやすく、逆にピストンが下降する際には、テーパ部と直線部との境界でのエッジ効果によってオイルが掻き落とされる。これにより、シリンダ壁面のオイルが、一方向へ効果的に運ばれるようになる。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、ピストンリングがピストンとともに上下動することにより、シリンダ壁面のオイルをクランクケース側へ確実に運ぶことができ、オイル消費が低減する。また、直線部がシリンダ壁面に面接触するので、経時的な摩耗による形状変化が小さく、初期から長期に亘って安定した性能が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
まず本発明に係るピストンリング１の基本的な断面形状について図１を用いて説明する。このピストンリング１は、コンプレッションリングとして用いられるものであり、ピストン２のリング溝３内に装着され、シリンダ壁面４に摺接する。なお、ピストンリング１の全体的な構造や材質あるいは表面処理などは公知のものと特に変わりがない。
【００１２】
このピストンリング１の断面形状は、シリンダ壁面４側の外周面と、上下の端面５，６と、内周面７と、によって囲まれた略矩形の断面をなし、かつリング幅Ｌ（図３参照）が半径方向の厚さよりも小さい偏平な断面形状となっている。そして、上記外周面は、３つの部分から構成されている。第１の部分は、リング幅方向の中央部分を構成する直線部１１であり、その下方つまりクランクケース側に位置する第２の部分は、断面において傾斜した直線をなすテーパ部１２となっている。さらに、直線部１１の上方つまり燃焼室側の第３の部分は、断面において一定の曲率半径の円弧をなす円弧部１３となっている。
【００１３】
上記直線部１１は、リング中心軸線ｍ（図４参照）と平行に形成されており、シリンダ壁面４と面接触する円筒面をなしている。上記テーパ部１２は、この直線部１１に対し、傾斜角θ（図３参照）を有するように、面取状の傾斜面となっている。上記円弧部１３は、上記直線部１１が円弧の接線をなすように該直線部１１に連続しており、また上方の端面５に対しては、該端面５の平面と円弧とが交差するようになっている。
【００１４】
従って、上記のような３つの部分からなる外周面がシリンダ壁面４に圧接したときの面圧分布は、図２に示すようなものとなり、直線部１１から円弧部１３へ移行する部分では、緩やかに面圧が変化し、他方、直線部１１からテーパ部１２へ移行する部分では、両者の境界で面圧が急激に変化する。つまり、面圧分布が上下で非対称となり、それぞれの境界における面圧の立ち上がりの勾配が、円弧部１３側では緩く、テーパ部１２側では急峻となる。そのため、ピストン２が上昇する際には、緩やかに面圧が変化することから、上記円弧部１３から直線部１１へとオイルが通過しやすい。逆にピストン２が下降する際には、面圧の急激な変化によりテーパ部１２と直線部１１との境界でエッジ効果が生じ、これによってオイルが掻き落とされる。そのため、このピストンリング１がピストン２とともに往復動作すると、シリンダ壁面４のオイルが、クランクケース側へ積極的に運ばれるようになり、オイル消費が抑制される。
【００１５】
次に図３を参照して、各部の寸法関係を説明する。上記直線部１１の軸方向の長さＬ１は、好ましくは、ピストンリング１全体のリング幅Ｌの１／５〜２／３の範囲にある。このＬ１を小さくすると、面圧が上昇し、形成油膜厚さがピストン上昇時および下降時の双方について減少するため、オイル消費は減少するが、耐摩耗性や耐焼き付き性が悪化するため、適正な範囲が存在する。その範囲は、オイル消費性能の要求値や耐久性の要求値、表面処理の相違による耐摩耗性や耐焼き付き性あるいはリング張力などによって異なっているが、自動車用内燃機関のピストンリングとしては、概ね上記の範囲となる。特に、トップリングとして利用する場合は、ブローバイガスシール性やリング挙動を考慮して、この直線部１１での面圧を高めるために、１／５〜１／３の範囲とすることが望ましく、またセカンドリングとして利用する場合は、面圧を比較的低くしてピストン下降時に油膜形成が可能なように、１／４〜２／３の範囲とすることが望ましい。なお、本発明では、クランクケース側へ積極的にオイルを運ぶ作用が得られるので、従来のものよりも相対的に低い面圧でもって同等のオイル消費とすることができ、耐摩耗性や耐焼き付き性とのバランスをより高いレベルでとることができる。
【００１６】
テーパ部１２の半径方向の寸法ｔ２は、自動車用内燃機関のピストンリングとしては、好ましくは、０．２mm〜０．４mmである。これが過度に大きいと、テーパ部１２がリング溝３内に入り込む形となってしまい、リング溝３の内側面にテーパ部１２下端のエッジが干渉し、好ましくない。リング溝３にテーパ部１２が重ならない限界は、自動車用内燃機関では、一般に、０．４mm程度となる。一方、このｔ２が過度に小さいと、ピストンリング１が傾いたときや摩耗が進行したときに、テーパ部１２下端のエッジがシリンダ壁面４に干渉する虞がある。従って、少なくとも０．１mm程度は必要であり、さらに加工誤差を許容するための余裕代を０．１mm程度加えて、少なくとも０．２mmとすることが好ましい。
【００１７】
また、テーパ部１２の傾斜角θは、４５°〜６０°とすることが好ましい。前述した面圧変化の勾配を急激なものとしてオイル掻き落としの効果を高めるためには、傾斜角θが大きい方が有利であるが、傾斜角θを大きくすると、加工時に直線部１１との境界のエッジにバリが発生しやすくなり、また摩耗の進行により同様にエッジにバリが生じるので、加工性や摩耗によるバリの発生を抑制するために、最大でも６０°とする。また、少なくとも４５°あれば、十分なエッジ効果を得ることができる。
【００１８】
なお、テーパ部１２の軸方向の寸法Ｌ２は、上記のｔ２と傾斜角θとを適宜に決定することによって、これに応じて定まる。
【００１９】
円弧部１３の半径方向の寸法ｔ１は、上記のｔ２と同様の理由により、好ましくは、０．２mm〜０．４mmである。直線部１１と円弧部１３との境界における面圧変化の勾配をより緩やかなものとするためには、直線部１１が接線となる円弧部１３の曲率半径Ｒをなるべく大きくすることが望ましく、そのためには、ｔ１を小さくする必要があるが、ｔ１を過度に小さくすると、加工誤差が許容されなくなるので、上記の範囲内でなるべく小さくすることが望ましい。
【００２０】
円弧部１３の曲率半径Ｒは、上記のように、直線部１１と円弧部１３との境界における面圧変化の勾配をより緩やかなものとするためには、なるべく大きくすることが望ましい。但し、これは、リング幅Ｌに対し必要なＬ１、Ｌ２の大きさ、および上記の半径方向の寸法ｔ１、を決定すると、一義的に定まる。従って、半径方向の寸法ｔ１をなるべく小さくしつつ、曲率半径Ｒをなるべく大きく設定することが望ましい。自動車用内燃機関のピストンリングとしては、曲率半径Ｒを、０．７mm〜２．２mm程度とすることが望ましい。
【００２１】
因みに、一般に自動車用内燃機関においては、シリンダのボア径はガソリン機関で６５mm〜１００mm程度であり、大型トラック用ディーゼル機関で最大１５０mm程度である。また、ピストンリング１のリング幅Ｌは、ガソリン機関では、０．８mm〜１．５mm程度、ディーゼル機関では、トップリングで２．０mm〜３．９mm程度、セカンドリングで１．５mm〜３．０mm程度となる。上述した各部の寸法関係は、これらの自動車用内燃機関のピストンリングにおいて、適用可能である。
【００２２】
次に、より具体的な実施例１〜実施例５を説明する。
【００２３】
図４は、２本リング形式のガソリン機関用のピストン２を示し、単一のコンプレッションリングとなるトップリング１０１と、オイルリング１０３とを備えている。なお、オイルリング１０３は、本発明が対象とするピストンリングとは異なり、一般に上下のレールを備えた組み合わせリングとして構成されている。また、図５は、３本リング形式のガソリン機関用のピストン２を示し、２本のコンプレッションリングつまりトップリング１０１およびセカンドリング１０２と、オイルリング１０３とを備えている。
【００２４】
実施例１〜３は、図５の構成におけるセカンドリング１０２として用いられるものである。なお、この場合、トップリング１０１としては、一般のバレルフェイス型ピストンリングなどを用いることができ、あるいは本発明のピストンリングをさらにトップリング１０１として組み合わせることも可能である。このセカンドリング１０２の例では、ボア径は９５mmであり、リング幅Ｌは１．５mmである。
【００２５】
また実施例４，５は、図４の構成もしくは図５の構成におけるトップリング１０１として用いられるものである。なお、図５の構成でトップリング１０１として用いる場合に、セカンドリング１０２としては、一般のテーパ型ピストンリングなどを用いることができ、あるいは本発明のピストンリングをさらにセカンドリング１０２として組み合わせることも可能である。このトップリング１０１の例では、ボア径は９５mmであり、リング幅Ｌは１．２mmである。
【００２６】
｛実施例１｝
オイル消費性能と耐久性とを高いレベルでバランスさせたものとして、Ｌ１＝０．７mm、ｔ２＝０．３mm、θ＝４５°、ｔ１＝０．２mm、Ｒ＝０．７mm、とした。その断面形状を図６に示す。なお、Ｌ２は、ｔ２とθとから、０．３mmとなる。従って、この例では、リング幅Ｌの中心を跨ぐ範囲に直線部１１が設けられている。
【００２７】
｛実施例２｝
オイル消費性能を最大限高める設定として、Ｌ１＝０．４mm、ｔ２＝０．３mm、θ＝６０°、ｔ１＝０．２mm、Ｒ＝２．２mm、とした。その断面形状を図７に示す。このように直線部１１の長さＬ１を小さく設定することで面圧が高くなり、エッジ効果を高めるべく傾斜角θを大きく設定したことと相俟って、確実にオイルの掻き落としが行える。
【００２８】
｛実施例３｝
オイル消費性能を満足しつつより高い耐久性を得るものとして、Ｌ１＝０．８mm、ｔ２＝０．２mm、θ＝６０°、ｔ１＝０．２mm、Ｒ＝０．７mm、とした。その断面形状を図８に示す。このように直線部１１の長さＬ１を大きく設定することで面圧が低くなり、耐摩耗性や耐焼き付き性が向上する。そして、傾斜角θを大きく設定したことで、確実にオイルの掻き落としが行える。
【００２９】
｛実施例４｝
トップリング１０１に必要なブローバイガスシール性能を考慮しつつオイル消費性能と耐久性とを高いレベルでバランスさせたものとして、Ｌ１＝０．４mm、ｔ２＝０．３mm、θ＝４５°、ｔ１＝０．２mm、Ｒ＝０．９mm、とした。その断面形状を図９に示す。なお、Ｌ２は、ｔ２とθとから、０．３mmとなる。従って、この例では、リング幅Ｌの中心を跨ぐ範囲に直線部１１が設けられている。
【００３０】
｛実施例５｝
オイル消費性能とブローバイガスシール性能を最大限高める設定として、Ｌ１＝０．２５mm、ｔ２＝０．３mm、θ＝６０°、ｔ１＝０．２mm、Ｒ＝１．７mm、とした。その断面形状を図１０に示す。このように直線部１１の長さＬ１を小さく設定することで面圧が高くなり、エッジ効果を高めるべく傾斜角θを大きく設定したことと相俟って、確実にオイルの掻き落としが行える。また、面圧が高いことで、ブローバイガスシール性能も高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るピストンリングの断面形状を示す断面図。
【図２】その面圧分布を示す特性図。
【図３】このピストンリングの各部の寸法の説明図。
【図４】２本リング形式のピストンの断面図。
【図５】３本リング形式のピストンの断面図。
【図６】実施例１のピストンリングの断面図。
【図７】実施例２のピストンリングの断面図。
【図８】実施例３のピストンリングの断面図。
【図９】実施例４のピストンリングの断面図。
【図１０】実施例５のピストンリングの断面図。
【符号の説明】
１…ピストンリング
１１…直線部
１２…テーパ部
１３…円弧部
【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】
0004165119.tif 000008
【図８】
0004165119.tif 000009
【図９】
0004165119.tif 000010
【図１０】
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