| 【発明の名称】 |
ピストン |
| 【発明者】 |
【氏名】立石 幸男
【氏名】白水 佐京
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| 【要約】 |
【課題】オイル消費量およびブローバイガスを抑えることができ、しかも圧力リング自身が抱えていた凝着や、軽負荷高回転時のフラッタリングによるブローバイガス量の急増を低減できるピストンを提供することを目的とする。
【解決手段】トップリング２２にストレート合口を用い、トップランド溝下のセカンドランド３１に、トップリング溝近くで径方向に寸法大にして下方にいくに従いその寸法を小にする断面略くさび状の環状溝３４を形成した。ストレート合口は、高圧側の燃焼ガスを低圧側に積極的に逃がすので、セカンドランド３１に貯蔵されたオイルが下方に降り、オイルパンに戻る。この結果、オイル消費量低減、ブローバイガスの低減を両立できるピストンが得られる。トップリング２２にストレート合口を用いることで、凝着や、ブローバイガスの急増も防止できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 トップリングにストレート合口を用い、トップランド溝下のランドに、トップリング溝近くで径方向に寸法大にして下方にいくに従いその寸法を小にする断面略くさび状の環状溝を形成したことを特徴とするピストン。
【請求項２】 トップリングにストレート合口を用い、トップリング溝下のランドに、ランドが階段状になるように、オイルリングに近づくにつれ径が大きくなる環状溝を形成したことを特徴とするピストン。
【請求項３】 圧力リングを一本の前記トップリングのみから構成することを特徴とする請求項１または２に記載のピストン。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用ピストンに関し、特にトップリング溝下のランドに改良を加えたピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関のピストンは、その外周面にトップリングおよびセカンドリングの二本の圧力リングを装着し、この圧力リングの下方にオイルリングを装着した三本リング構成によって、燃焼室の気密性とオイルの燃焼室への漏れを防いでいる。最近、エンジンの小型化のために、あるいはフリクションロスを小さくするために、一本の圧力リングおよび一本のオイルリングからなる二本リング構成のピストンが増えてきている。
【０００３】一般に、二本リング構成のピストンにおいては、燃焼室へのオイルの上がり（オイル消費）と、燃焼ガスの吹き抜け（ブローバイガス）とを抑えるのが難しくなる。また、更なるフリクションの低減を図るためには各リングの張力を下げなければならず、オイル消費量を低減するのが一層厳しくなる。このような二本リング構成のピストンにあっても、オイル消費量およびブローバイガスを低減することができるピストンとして、図７に示すようなトップリング１のシール性を高めた往復動内燃機関用ピストンが知られている（実公平１−２２９１６号公報参照）。この往復動内燃機関用ピストンは、トップリング１にいわゆるダブルラップ合口構造を用いている。ダブルラップ合口構造は、図８に示すように、一方の合口端部の外周面２と燃焼室側に面する側に寄った隅部に、該側面３と外周面２および合口隅部とに開放された凹部４を有し、他方の合口端部には前記凹部４に収容されて着座する凸部５を有する構造になっている。
【０００４】図７に示すように、高圧側の燃焼室からの燃焼ガスは、リング溝上側壁面６とトップリング１の上側面１ａとの間の隙間７を通過してトップリング１の背後空間に流入し、また合口部間隙８に流入するが、低圧側に面するトップリング１の下側面１ｂがリング溝の下側壁面９に密着し、かつ、もともとトップリング１は外側に張力を持っていてシリンダ１０に密着しているので、高圧側の燃焼ガスが低圧側に流入することが抑制される。
【０００５】また、燃焼室へのオイルの上がりを防止するピストンとして、図９に示すようなハイトップリングピストンが知られている（実用新案登録第２５７９７４０号公報参照）。このハイトップリングピストンは、ピストン１１のセカンドランド１２の形状を工夫し、トップリング溝１３近くで径方向に寸法大にして下方にいくに従いその寸法を小にする断面略くさび状の環状溝を形成している。ピストン１１に沿って上方に向かって流れてくるオイルは、この環状溝に溜まる。すなわち、オイルは、環状溝の直線状傾斜１４に沿って溝底へ向かい、そこで径方向の溝底壁１５に行く手を阻まれ、上方にいきにくくなる。一方、トップリング１６から漏れた燃焼ガスが上方から吹き抜けたときに、その直線状の傾斜した壁に沿った燃焼ガスの流れによってセカンドランド１２に溜めたオイルが下方に降り、オイルパンに戻る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の往復動内燃機関用ピストンにあっては、トップリング１にダブルラップ合口を用いているので、シール性を高めることはできるが、合口部、特に凸部５の強度の問題から圧力リングの厚さを薄くすることができず、それに伴いトップリング１自身の重量を軽くすることができず、軽負荷運転時に高速回転側においてフラッタリング、すなわちトップリング１のバタツキを起こしてしまい、この結果、ブローバイガスが増えてしまうという問題がある。また、重さが原因でトップリング１がピストンと凝着してしまうという難点も抱えていた。さらに、トップリング１にダブルラップの合口を形成するのは加工が困難であるという問題もあった。
【０００７】そこで、本発明は、オイル消費量およびブローバイガスを抑えることができ、しかも圧力リング自身が抱えていた凝着や、軽負荷高回転時のフラッタリングによるブローバイガス量の急増を低減できるピストンを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】以下、本発明について説明する。上記課題を解決するために、本発明者は、鋭意研究を重ねた。その結果、従来、オイル消費量およびブローバイガスを低減するために、トップリングにダブルラップ合口を用いてシール性を重視していたが、オイル消費量を低減するためには、むしろトップリングの合口を開いて高圧側の燃焼室から積極的に燃焼ガスを低圧側に逃がし、ランドにたまったオイルを燃焼ガスによってオイルパンに戻した方が良いことを知見した。具体的には、本発明は、トップリングにストレート合口を用い、トップランド溝下のランドに、トップリング溝近くで径方向に寸法大にして下方にいくに従いその寸法を小にする断面略くさび状の環状溝を形成したことを特徴とするピストンにより、上述した課題を解決した。ここで、ストレート合口とは、圧力リングの両方の合口部をリングの周方向と直交する方向に切断したままの合口をいい、両方の合口端面が平面形状となる。また、ランドとは、２本構成のリングの場合、トップリングとオイルリング間のピストンと、シリンダーとに挟まれた隙間（セカンドランド）をいい、３本構成のリングの場合、トップリングとセカンドリング間のピストンと、シリンダーとに挟まれた隙間（セカンドランド）、および／または、セカンドリングとオイルリング間のピストンと、シリンダーとに挟まれた隙間（サードランド）をいう。
【０００９】この発明によれば、ランドにオイルを貯蔵する体積を確保することができる。ストレート合口は、高圧側の燃焼ガスを低圧側に積極的に逃がすので、ストレート合口を通過し、くさび状の傾斜した壁に沿った燃焼ガスの流れによって、ランドに貯蔵されたオイルが下方に降り、オイルパンに戻る。また、ランドに体積を持たせることによって、トップリングの挙動も良くすることができる。この結果、オイル消費量低減、ブローバイガスの低減を両立できるピストンが得られる。さらに、トップリングにストレート合口を用いることで、トップリングの厚さを薄くすることができ、それに伴いトップリング自身の重量を軽くすることができ、トップリングとピストンとの凝着や、軽負荷高回転時のフラッタリングによるブローバイガスの急増も防止できる。
【００１０】また、本発明は、トップリングにストレート合口を用い、トップリング溝下のランドに、ピストンが階段状になるように、オイルリンングに近づくにつれ径が大きくなる環状の溝を形成したことを特徴とするピストンにより、上述した課題を解決した。
【００１１】オイル消費量を低減するためには、ランドのオイルを貯蔵できる体積をなるべく大きくすることも重要な要素である。本発明によれば、ランドにピストンが階段状になるようにオイルリンングに近づくにつれ径が大きくなる環状の溝を形成したので、くさび状の環状溝と同様な形状効果が得られ、しかもくさび状の環状溝よりもオイルを溜める容積を増やすことができる。
【００１２】さらに、本発明は、圧力リングを一本の前記トップリングのみから構成することを特徴とする。
【００１３】一本の圧力リングおよび一本のオイルリングからなるいわゆる二本構成のリングに本発明を適用すると、低フリクション、オイル消費量低減、ブローバイガスの低減の三つを並立することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態におけるピストン２９を示す。このピストン２９は、トップランド２１近くに位置する一本の圧力リングとしてのトップリング２２と、その下段に位置する一本のオイルリング２３とを有する。
【００１５】図２は、トップリング２２のストレート合口を示す斜視図である。この図に示すように、トップリング２２の一部は切断され、ストレート合口が形成される。ストレート合口とは、トップリング２２の両方の合口端部２４，２４がトップリング２２の周方向と直交する方向に切断したままになっているものをいう。すなわち、両方の合口端面２５，２５は、ダブルラップ合口のように凹凸を有することなく、平面形状となっている。ダブルラップ合口のトップリングの場合、凹凸を形成しなければならないのでその製造に困難が伴なうが、ストレート合口のトップリング２２の場合、トップリング２２を切断したままで良いのでその製造が極めて容易になる。
【００１６】図３は、トップリング２２をピストン２９に装着した状態のストレート合口を示す。両方の合口端部２４，２４の間には、トップリング２２の熱膨張を考慮して僅かな隙間２５が開けられる。図１および図３に示すように、高圧側の燃焼室からの燃焼ガスは、隙間２５を通過して低圧側に流入する。また、燃焼ガスは、リング溝上側壁面２６とトップリング２２の上側面との間の隙間２７を通過してトップリングの背後空間に流入し、低圧側に面するトップリング２２の下側面２２ｂをリング溝の下側壁面２８に密着させる。このため、燃焼ガスがトップリング２２の背後空間からトップリング２２の下側面２２ｂを通過して低圧側に流入することが防止される。
【００１７】図１に示すように、トップリング２２とオイルリング２３間のピストン２９と、シリンダ３０に挟まれた隙間３１（以下セカンドランド３１という）には、トップリング溝近くで径方向に寸法大にして下方にいくに従いその寸法を小にする断面略くさび状の環状溝３４が形成される。環状溝３４は、セカンドリング溝の上方でピストン外周面に収まれんとする直線部３２を有する。環状溝３４の上面は半径方向内方へと平坦面となっている。
【００１８】このように、くさび状の環状溝３４を形成することで、セカンドランド３１にオイルを貯蔵する体積を確保することができる。そして、ピストン２９の軸方向にピストン２９に沿って流れてくるオイルは、環状溝３４の直線状の傾斜に沿って溝底に向かい、そこで、径方向の溝底壁３３に行く手を阻まれ上方にいきにくくなり、セカンドランド３１に溜まる。セカンドランド３１に貯蔵されたオイルは、ストレート合口を通過すると共にくさび状の傾斜した壁に沿った燃焼ガスの流れによって下方に降り、オイルパンに戻る。また、セカンドランド３１に体積を持たせることによって、圧力変動を少なくし、トップリング２２の挙動も良くすることができる。この結果、トータル的にオイル消費量低減、ブローバイガスの低減を両立できるピストン２９が得られる。さらに、トップリング２２にストレート合口を用いることで、トップリング２２の厚さを薄くすることができ、それに伴いトップリング２２自身の重量を軽くすることができ、トップリング２２とピストン２９との凝着や、軽負荷高回転時のフラッタリングによるブローバイガスの急増も防止できる。
【００１９】図４は、本発明のピストンと従来のピストンとでブローバイ量を比較した実験データである。ピストンには、■トップリングにストレート合口を用い、セカンドランドにくさび状の環状溝を形成したもの（くさび形状＋ストレート合口）、■トップリングにダブルラップ合口を用い、セカンドランドにくさび状の環状溝を形成したもの（くさび形状＋ダブルラップ合口）、■トップリングにストレート合口を用い、セカンドランドに環状溝を形成しない通常のもの（ＳＴＤピストン＋ストレート合口）の３種類のタイプを用意した。また、各ピストンで軽負荷運転（ＮＬＤ）と最大負荷（ＷＯＴ）の２種類の運転を行っている。この図に示すように、くさび形状＋ダブルラップ合口の場合、軽負荷運転時に５５００ｒｐｍを超えた高速回転側においてブローバイガス量が急増する。これは、トップリングのフラッタリング、すなわちトップリングのバタツキが原因であると思われる。これに対し、本発明のピストンくさび形状＋ストレート合口の場合、ＳＴＤピストン＋ストレート合口の場合と略同様に、ブローバイガス量を回転数によらず略一定の値に低減することができる。
【００２０】図５は、本発明のピストンと従来のピストンとでオイル消費量を比較した実験データである。ピストンには、上述の３種類のピストンを用いている。この図に示すように、ＳＴＤピストン＋ストレート合口の場合のオイル消費量が７５００回転の軽負荷運転（ＮＬＤ）で７４．８ｇ／ｈ，７５００回転のフルロード（ＦＵＬＬ）で４２．５ｇ／ｈとなり、くさび形状＋ダブルラップ合口の場合が７５００回転のＮＬＤで１４．５ｇ／ｈ，７５００回転のＦＵＬＬで７．７ｇ／ｈとなるのに対し、くさび形状＋ダブルラップ合口の場合が７５００回転のＮＬＤで９．８ｇ／ｈ，７５００回転のＦＵＬＬで１３．３ｇ／ｈとなる。オイル消費量については、くさび形状＋ストレート合口の場合とくさび形状＋ダブルラップ合口の場合とで互いに善し悪しがあるが、総合としてくさび形状＋ストレート合口の組み合わせが最も良い。
【００２１】図６は、本発明の第２の実施形態のピストン４１を示す。このピストン４１は、セカンドランド４２が階段状になるように環状溝４３が形成されている点で上記第１の実施形態のピストン２９と相違する。トップリング４４は、上記第１の実施形態のピストン２９と同様にストレート合口を有する。環状溝４３は、オイルリング４５に近づくにつれて径が大きくなる。この環状溝４３によってピストン４１には二段以上の階段、この実施形態では二段の階段が形成される。階段を形成するピストン４１の外周面４６ａ，４６ｂ，４６ｃの断面形状は、直線でピストン４１の中心線と略平行である。一方、階段を形成するピストン４１の側面４７ａ，４７ｂの断面形状は、直線でピストン４１の中心線と略直交する。そして、側面４７ａ，４７ｂおよび外周面４６ａ，４６ｂ，４６ｃは、ピストン４１の下方に向かうにしたがい径が大きくなっている。すなわち、外周面は、図中４６ｃの部分で径が最小であり、４６ｂで次に大きな径になり、４６ａでさらに大きな径を持つ。４６ａの径は、トップリング溝直下部４８の径と同じ径かそれ以下である。また、トップリング溝直下部４８においては、ピストン４１の外径が最大で、かつその外周面の断面がピストン４１の中心線と平行になっている。なお、外周面４６ａ，４６ｂ，４６ｃと側面４７ａ，４７ｂとが交差する角は、必要に応じて面取りされてもよいし、円弧状に形成されてもよい。
【００２２】ここで、階段状の環状溝４３を形成した場合と、くさび状の環状溝３４を形成した場合とを比較する。上述のように、くさび状の環状溝３４は、トップリング溝近くで径方向に寸法大にして下方にいくに従いその寸法が小になっている。階段状の環状溝４３の傾斜はくさび状の環状溝３４の傾斜と略一致する。そして、階段を形成する外周面４６ｂと側面４７ｂとが交差する点Ｐは、くさび状の環状溝４３上に略位置する。環状溝４３を階段状にする場合は、くさび状にする場合に比べ、セカンドランド４２のスペースを図中Ｓの部分だけ大きくすることができ、セカンドランド４２に容積を持たせることができる。これにより、限られたセカンドランド４２にオイルを溜めておく容積を大きくとることができる。しかも、くさび状の環状溝３４と略同様に、セカンドランド４２に溜めたオイルを下方に降ろすことができる燃焼ガスの流れを生じさせることができるので、セカンドランド４２に溜まったオイルを下方のオイルパンに戻すことができる。
【００２３】なお、本発明は、ブローバイガス低減のためにトップリング２２，４４の合口を狭めても効果を発揮する。より一層オイル消費量の低減、ブローバイガスが図れる。また、上記の各実施形態では、二本構成のリングのピストンについて説明したが、本発明は、二本リング構成に限られず、二本の圧力リングと一本のオイルリングとからなる三本リング構成にも適用することができる。三本リング構成に適用した場合も、上記二本構成のリングのピストンと略同様な作用効果を奏する。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、トップリングにストレート合口を用い、トップランド溝下のランドに、トップリング溝近くで径方向に寸法大にして下方にいくに従いその寸法を小にする断面略くさび状の環状溝を形成したので、ランドにオイルを貯蔵する体積を確保することができる。ストレート合口は高圧側の燃焼ガスを低圧側に積極的に逃がすので、ストレートト合口を通過すると共にくさび状の傾斜した壁に沿った燃焼ガスの流れによって、ランドに貯蔵されたオイルが下方に降り、オイルパンに戻る。また、ランドに体積を持たせることによってトップリングの挙動も良くすることができる。この結果、オイル消費量低減、ブローバイガスの低減を両立できるピストンが得られる。さらに、トップリングにストレート合口を用いることで、トップリングの厚さを薄くすることができる。二本リング構成で最も重大な課題である従来技術のダブルラップジョイントでは、これ以上の薄幅化は切片部の折損強度の低下から不可能であるが、本発明の如くストレート合口を用いることで更なる薄幅化が可能となった。それに伴いトップリング自身の重量を軽くすることができ、トップリングとピストンとの凝着や、軽負荷高回転時のフラッタリングによるブローバイガスの急増も防止できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９００２２８０６
【氏名又は名称】日本ピストンリング株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１月２８日（２０００．１．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３８３９
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 泰男
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２１４８０５（Ｐ２００１−２１４８０５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年８月１０日（２００１．８．１０） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２４７１０（Ｐ２０００−２４７１０） |
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