ピストンリング
【課題】ピストンリングにおいて、内燃機関の運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保すると共に、周方向における面圧の均一化を図ることで摺動面の摩耗を抑制可能とする。
【解決手段】ピストン１４の外周面にリング溝４４，４５，４６を形成し、このリング溝４４，４５，４６にトップリング５１、セカンドリング５２、オイルリング５３を嵌合し、このトップリング５１にて、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面５１ａ，５１ｂから周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向における中間領域Ｂで、内周部５７ａ，５７ｂを外周部５６ａ，５６ｂより熱膨張率の高い材料により形成する。
【解決手段】ピストン１４の外周面にリング溝４４，４５，４６を形成し、このリング溝４４，４５，４６にトップリング５１、セカンドリング５２、オイルリング５３を嵌合し、このトップリング５１にて、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面５１ａ，５１ｂから周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向における中間領域Ｂで、内周部５７ａ，５７ｂを外周部５６ａ，５６ｂより熱膨張率の高い材料により形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用に用いられるピストンの外周面に形成されたリング溝に装着されるピストンリングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、内燃機関において、シリンダヘッドはシリンダブロックの上部に組み付けられ、複数の締結ボルトにより締結されており、直列をなして複数のシリンダボアが設けられ、各シリンダボアにピストンが上下動自在に支持されている。そして、シリンダヘッドとシリンダブロックとピストン区画される各燃焼室に対して吸気ポート及び排気ポートが対向して形成され、この吸気ポート及び排気ポートは吸気弁及び排気弁により開閉自在となっている。また、吸気ポート（または燃焼室）に燃料を噴射するインジェクタが装着されると共に、燃焼室の混合気に着火する点火プラグが装着されている。
【０００３】
従って、吸気弁の開放時に、空気が吸気ポートから燃焼室に吸入されると共に、インジェクタから噴射された燃料が燃焼室に吸入され、空気と燃料との混合気がピストンの上昇により圧縮され、この高圧の混合気が点火プラグに導かれて着火して爆発することで駆動力を得ることができ、排気弁の開放時に、燃焼後の排ガスが排気ポートから排出される。
【０００４】
そして、上述した内燃機関において、ピストンの外周部には複数のピストンリングが装着されている。上方側に装着されるトップリング及びセカンドリング等の圧力リングは、ガスシール機能及び熱伝導機能を有し、その下方側に装着されるオイルリングは、オイルコントロール機能を有している。即ち、ガスシール機能は、内燃機関の吸気、圧縮、膨張、排気行程における燃焼室の機密性を確保するものであり、特に、燃焼室における燃焼ガスの膨張によりピストンが圧力を受けて下降するが、このとき、燃焼ガスがシリンダボアとピストンとの隙間を通ってクランクケース内に漏れないように、ピストンリングがシリンダボアの壁面に接して機密性を確保している。また、熱伝導機能は、ピストンリングがシリンダボアの壁面に接することで、ピストンの熱をシリンダボア側に逃がし、ピストンやピストンリングの性能を確保するものである。更に、オイルコントロール機能は、潤滑油を必要最小限の量だけシリンダボアの壁面に残し、余分な潤滑油をかき落として回収するものである。
【０００５】
ところで、燃焼室で燃焼後に発生する排ガス（ブローバイガス）は、有害成分であるＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）などを含んでおり、上述したように、ピストンリングによりこの排ガスがクランクケース内に漏洩するのを防止している。この場合、トップリング及びセカンドリングは、自身の弾性力により外周面がシリンダボアの壁面に接することで機密性を確保し、燃焼室からクランクケース内への排ガスの漏洩を阻止している。
【０００６】
ところが、内燃機関の高回転高負荷状態では、燃焼室における排ガスの圧力や温度がより一層高くなると共にシリンダボアが熱膨張するが、トップリング及びセカンドリングへの追従性が低下することで、ピストンリングの外周面とシリンダボアの壁面との機密性が低下し、燃焼室からクランクケース内への排ガスの漏洩を十分に阻止することができない。
【０００７】
このような問題点を解決するものとして、例えば、下記特許文献１から６に記載されたものがある。特許文献１に記載されたエンジンのピストンリングは、外周部を熱膨張率の低い、内周部を熱膨張率の高い異なる金属で構成したものである。また、特許文献２に記載されたピストンリングは、シリンダの内径壁に接して設けた耐熱耐摩耗性金属からなる外側リングに対して、その内側に熱膨張率の大きい金属からなる内側金属を一体結合したものである。特許文献３に記載されたピストンリングは、厚みを合口の反対側で厚くし、その他の部分を合口の反対側の厚みより薄くしたものである。特許文献４に記載された内燃機関のピストンリングは、半径方向外方に働く面圧を、円周方向に不平衡とする不平衡力発生機構を設けたものである。特許文献５に記載された内燃機関のピストンリングは、リング本体の内周面にバックリングを結合し、このバックリングの膨張係数をリング本体の膨張係数より大きくしたものである。特許文献６に記載された組合せピストンリングは、金属リングの内側に中間樹脂リングと内周樹脂リングからなる樹脂製リングを固定し、中間樹脂リングと内周樹脂リングにおける合口の突き当たる温度を相違したものである。
【０００８】
【特許文献１】特開平０６−０６６３７１号公報
【特許文献２】特開昭６１−１３６０６０号公報
【特許文献３】実開昭５６−０１５４３７号公報
【特許文献４】実開昭６２−０８４６４８号公報
【特許文献５】実開昭５５−１３９２４２号公報
【特許文献６】特開２００４−１１６６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、ピストンリングは、ピストンのリング溝に装着する際、その内径を一旦ピストンの外径以上になるように押し広げる必要があり、また、ピストンのリング溝に装着され、シリンダ内に装着された後は、シリンダ内壁に対して張力を発生することによりシリンダ内壁との密着を図るため、１箇所に合口と呼ばれる切れ目を設けている。この合口は、低温時と高温時における熱膨張差を吸収する役目を有している。そのため、ピストンリングの周方向における面圧分布、つまり、ピストンリングの外周面がシリンダボアの壁面を押圧する面圧は、周方向において、この合口端部の近傍が最も高いものとなっている。
【００１０】
そして、上述した特許文献１のエンジンのピストンリングのように、外周部を熱膨張率の低い金属とし、内周部を熱膨張率の高い金属とすると、高温時には、外周部に対して内周部が大きく膨張することから、ピストンリング全体の面圧が高くなると共に、合口端部での面圧が局部的により高くなる。すると、ピストンが上下動するとき、ピストンリングの合口端部とシリンダボアの壁面との摺動抵抗が局所的に高くなり、ピストンリングの合口端部やシリンダボアの壁面が局所的に摩耗してしまい、潤滑油の消費量が増加したり、燃焼室からクランクケース内へ漏洩する排ガス量が増加したりして、燃費悪化、出力低下、潤滑油の劣化、騒音の増大などを招いてしまうという問題がある。
【００１１】
また、上述した特許文献２から６のように、ピストンリングを内側と外側で異なる材料により構成しても、上述したように、低温時と高温時とで、ストンリング全体の面圧に対して合口端部での面圧が高くなり、局所的な摩耗に伴って潤滑油の消費量が増加したり、排ガス漏洩量が増加したりしてしまう。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、内燃機関の運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保すると共に合口部付近における面圧を低減して周方向における面圧の均一化を図ることで摺動面の摩耗を抑制可能としたピストンリングを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のピストンリングは、内燃機関用ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着される略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周面と前記ピストンに対向する内周面と上面と下面とからなり、前記略円形状を半径方向に分断する一つの合口部を備えるピストンリングにおいて、前記合口端面から周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域を除く周方向における中間領域で、内周部が外周部より熱膨張率の高い材料により形成されたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のピストンリングでは、前記中間領域は、外周部が低熱膨張材料により形成され、内周部が高熱膨張材料により形成されたことを特徴としている。
【００１５】
本発明のピストンリングでは、前記合口端部領域は、外周部が高熱膨張材料により形成され、内周部が低熱膨張材料により形成されたことを特徴としている。
【００１６】
本発明のピストンリングでは、前記合口端部領域は、外周部が低熱膨張材料により形成され、内周部が高熱膨張材料により形成されると共に、前記合口端面に向かって、前記外周部の低熱膨張材料の厚さが直線的あるいは曲線的に増加する一方、前記内周部の高熱膨張材料の厚さが減少することを特徴としている。
【００１７】
本発明のピストンリングでは、前記合口端部領域は、外周部が前記中間領域における外周部の低熱膨張材料と同じ低熱膨張材料により形成され、内周部が該低熱膨張材料より熱膨張率が高くて前記中間領域における内周部の高熱膨張材料より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されたことを特徴としている。
【００１８】
本発明のピストンリングでは、前記中間領域は、外周部の低熱膨張材料の厚さと内周部の高熱膨張材料の厚さが同じに形成され、前記中間領域における前記合口部と径方向に対向する合口対向領域は、内周部の高熱膨張材料の厚さが外周部の低熱膨張材料の厚さより薄く形成されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のピストンリングによれば、内燃機関用ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着される略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周面とピストンに対向する内周面と上面と下面とからなり、略円形状を半径方向に分断する一つの合口部を設けて構成し、合口端面から周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域を除く周方向における中間領域で、内周部を外周部より熱膨張率の高い材料により形成したので、高温時、中間領域では、外周部に比べて内周部が大きく膨張することから、この中間領域における張力が高くなるが、合口端部領域では、外周部と内周部との膨張差がなくこの合口端部領域における張力は変化せず、周方向における面圧の均一化を図ることができ、ピストンの上下動時に、ピストンリングの合口端部とシリンダボアの壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、ピストンリングの合口端部やシリンダボアの壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができ、内燃機関の運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明に係るピストンリングの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１に係るピストンリングとしてのトップリングを表す平面図、図２は、実施例１のトップリングの装着状態を表す図１のII−II断面図、図３は、実施例１のトップリングの装着状態を表す図１のIII−III断面図、図４は、実施例１のトップリングにおける面圧分布を表す概略図、図５は、一般的なエンジンの縦断面図、図６は、ピストンリングが装着されたピストンの要部断面図である。
【００２２】
実施例１の内燃機関は、多気筒エンジンであり、図５に示すように、シリンダヘッド１１はシリンダブロック１２上に組み付けられ、複数の図示しない締結ボルトにより締結されている。シリンダブロック１２には複数のシリンダボア１３が形成され、各シリンダボア１３にピストン１４が摺動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１２の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストン１４はコネクティングロッド１５を介してこのクランクシャフトに連結されている。
【００２３】
シリンダブロック１２の各シリンダボア１３に対応してその上方に燃焼室１６が直列するように形成されている。この燃焼室１６は、シリンダボア１３の内壁面と、シリンダヘッド１１の下面と、ピストン１４の頂面により囲繞されており、天井部（シリンダヘッド１１の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この各燃焼室１６の上方、つまり、シリンダヘッド１１の下面に吸気ポート１７と、排気ポート１８が対向して開口している。
【００２４】
そして、この吸気ポート１７及び排気ポート１８に対して吸気弁１９及び排気弁２０がそれぞれ位置している。この吸気弁１９及び排気弁２０は、シリンダヘッド１１に固定された各ステムガイド２１，２２により軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、各バルブスプリング２３，２４により上方、つまり、吸気ポート１７及び排気ポート１８を閉止する方向に付勢支持されている。また、吸気弁１９及び排気弁２０は、上端部にローラロッカアーム２５，２６の一端部が連結され、このローラロッカアーム２５，２６の他端部はシリンダヘッド１１に固定されたラッシュアジャスタ２７，２８に連結されており、吸気カムシャフト２９の吸気カム３０及び排気カムシャフト３１の排気カム３２が各ローラロッカアーム２５，２６に接触している。
【００２５】
従って、エンジンに同期して吸気カムシャフト２９及び排気カムシャフト３１が回転すると、吸気カム３０及び排気カム３２がローラロッカアーム２５，２６を作動させ、各吸気弁１９及び排気弁２０が所定のタイミングで上下動することで、吸気ポート１７及び排気ポート１８を開閉し、吸気ポート１７と燃焼室１６、燃焼室１６と排気ポート１８とをそれぞれ連通することができる。
【００２６】
燃焼室１６の側部、つまり、吸気ポート１７側のシリンダヘッド１１の下面には、この燃焼室１６に直接燃料を噴射するインジェクタ３３が装着されている。また、燃焼室１６の天井部中央、つまり、吸気ポート１７と排気ポート１８の間のシリンダヘッド１１の下面には、点火プラグ３４が装着されている。そして、車両には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）が搭載されており、このＥＣＵは、インジェクタ３３の燃料噴射量や噴射時期、点火プラグ３４による点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、スロットル開度（アクセル開度）、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。
【００２７】
また、上述したピストン１４は、図５及び図６に示すように、ピストン本体４１の外周面４２に３つのピストンリング５１，５２，５３が装着されて構成されている。そして、このピストン本体４１は、シリンダボア１３の内径より若干小さい外径を有する円柱形状をなし、外周面４２がシリンダボア１３の内壁面と所定のクリアランスを有している。また、ピストン本体４１は、上部に燃焼室１６を区画形成する頂面４３を有している。
【００２８】
また、ピストン本体４１は、外周面に周方向に沿って所定深さを有する３つのリング溝４４，４５，４６が上下方向に対して所定間隔で形成されている。そして、各リング溝４４，４５，４６に、ピストンリングとしてのトップリング５１、セカンドリング５２、オイルリング５３を装着しており、外周面４２は、トップランド４２ａ、セカンドランド４２ｂ、サードランド４２ｃとして区画されている。
【００２９】
この場合、ピストン本体４１の頂面４３側に位置するトップリング５１及びセカンドリング５２は、ガスシール機能及び熱伝導機能を有している。即ち、トップリング５１及びセカンドリング５２は、エンジンの吸気、圧縮、膨張、排気行程における燃焼室１６の機密性を確保することができるものであり、特に、燃焼室１６における燃焼ガスの膨張によりピストン１４が圧力を受けて下降するが、トップリング５１及びセカンドリング５２が張力をもってシリンダボア１３の壁面に接することで、排ガスがピストン１４とシリンダボア１３との隙間を通ってクランクケース内に漏れないように機能している。また、トップリング５１及びセカンドリング５２は、外周面がシリンダボア１３の壁面に接することで、ピストン１４の熱をシリンダボア１３側に逃がし、ピストン１４やトップリング５１及びセカンドリング５２の性能を確保することができる。
【００３０】
また、セカンドリング５２とその下方側に装着されるオイルリング５３は、外周面がシリンダボア１３の壁面に接することで、ピストン１４の下降時にシリンダボア１３の壁面に付着している潤滑油をかき落とし、必要最小限の量の潤滑油をシリンダボア１３の壁面に残し、余分な潤滑油を回収することができる。
【００３１】
ところで、内燃機関の高回転高負荷状態では、燃焼室１６における燃焼ガスの圧力や温度がより一層高くなると共にシリンダボア１３が熱膨張する一方、トップリング５１やセカンドリング５２は、シリンダボア１３への追従性が低下することで張力が低下し、燃焼室１６からクランクケース内への排ガスの漏洩を十分に阻止することができない。
【００３２】
また、トップリング５１及びセカンドリング５２は、ピストン１４のリング溝４４，４５に装着する際、その内径を一旦ピストン１４の外径以上になるように押し広げる必要があり、また、ピストン１４のリング溝４４，４５に装着され、シリンダ内に装着された後は、シリンダボア１３の内壁に対して張力を発生することによりシリンダ内壁との密着を図るため、１箇所に合口と呼ばれる切れ目を設けている。この合口において、低温時と高温時における熱膨張差を吸収するために、合口隙間が設けられている。そのため、このトップリング５１及びセカンドリング５２をピストン１４のリング溝４４，４５に装着した状態では、周方向における面圧分布、つまり、外周面がシリンダボア１３の壁面を押圧する面圧は、周方向で合口端部の近傍が最も高いものとなる。すると、ピストン１４が上下動するとき、トップリング５１及びセカンドリング５２の外周面とシリンダボア１３の壁面との摺動抵抗が局所的に高くなり、これらの摺動面が摩耗してしまい、種々の問題を招いてしまう。
【００３３】
そこで、本実施例では、図１乃至図３に示すように、トップリング５１にて、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面から周方向に沿って所定長さを有する各合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向における中間領域Ｂで、内周部を外周部より熱膨張率の高い材料により形成している。
【００３４】
具体的に説明すると、トップリング５１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面５１ａ，５１ｂから周方向に沿って所定長さを有する２つの合口端部領域Ａ１，Ａ２が設けられると共に、この各合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向に沿って所定の長さを有する中間領域Ｂが設けられている。この中間領域Ｂにて、外周部５４が低熱膨張材料により形成され、内周部５５が高熱膨張材料により形成されている。また、各合口端部領域Ａ１，Ａ２にて、外周部５６ａ，５６ｂが高熱膨張材料により形成され、内周部５７ａ，５７ｂが低熱膨張材料により形成されている。
【００３５】
この場合、高熱膨張材料は、例えば、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）合金により構成され、低熱膨張材料は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）合金により構成されている。そして、中間領域Ｂにおける外周部５４と内周部５５、合口端部領域Ａ１，Ａ２における外周部５６ａ，５６ｂと内周部５７ａ，５７ｂとは、それぞれ溶着や圧着、または接着剤をもって貼り合わされている。また、中間領域Ｂにおける外周部５４及び内周部５５と、合口端部領域Ａ１，Ａ２における外周部５６ａ，５６ｂ及び内周部５７ａ，５７ｂとは、溶着や圧着、または接着剤、ろう付け、機械的接合等をもって貼り合わされている。
【００３６】
そのため、低温状態では、単に外周部を低熱膨張材料により形成して内周部を高熱膨張材料により形成した従来例のピストンリングと、中間領域Ｂにおける外周部５４を低熱膨張材料により形成して内周部５５を高熱膨張材料により形成すると共に、合口端部領域Ａ１，Ａ２における外周部５６ａ，５６ｂを高熱膨張材料により形成して内周部５７ａ，５７ｂを低熱膨張材料により形成した実施例１のトップリング５１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端部における張力（シリンダボアから受ける面圧、以下、単に面圧と称する。）が、その他の部分における張力（面圧）よりも局所的に大きくなっている。
【００３７】
ところが、内燃機関の運転状態では、ピストンリングが燃焼ガスにより加熱され、合口端部が高温化された燃焼ガスに曝された高温状態となるため、この高温状態では、従来のピストンリングは、図４に点線で示すように、外周部に比べて内周部が大きく膨張することから、合口隙間Ｓをもって対向する合口端部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも一層大きくなる。一方、実施例１のトップリング５１は、図４に一点鎖線で示すように、中間領域Ｂでは外周部５４に比べて内周部５５が大きく膨張するが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では反対に内周部５７ａ，５７ｂに比べて外周部５６ａ，５６ｂが大きく膨張することから、この合口端部領域Ａ１，Ａ２の張力（面圧）が抑制されることとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２及び中間領域Ｂを含む全ての領域における張力（面圧）が周方向で均一化される。
【００３８】
ここで、本実施例のピストンリングを有する内燃機関における作用を説明する。
【００３９】
図５に示すように、エンジンの運転時には、ピストン１４が上昇し燃焼室１６の混合気が圧縮され、高圧の混合気に点火することで膨張して爆発するが、爆発後の燃焼ガス、つまり、排ガスには、有害成分であるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯが含まれている。そのため、ピストン１４の上下動時に、このピストン１４の外周面に装着されたトップリング５１及びセカンドリング５２がシリンダボア１３の内壁面に摺接することで、燃焼室１６の排ガスがピストン１４とシリンダボア１３との隙間を通ってクランクケースに漏洩することを防止することができる。
【００４０】
そして、本実施例では、トップリング５１は、中間領域Ｂの外周部５４が低熱膨張材料により形成され、内周部５５が高熱膨張材料により形成される一方、合口端部領域Ａ１，Ａ２の外周部５６ａ，５６ｂが高熱膨張材料により形成され、内周部５７ａ，５７ｂが低熱膨張材料により形成されている。そのため、このトップリング５１が高温状態になると、中間領域Ｂでは、外周部５４に比べて内周部５５が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力が高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では反対に、内周部５７ａ，５７ｂに比べて外周部５６ａ，５６ｂが大きく膨張することから、この合口端部領域Ａ１，Ａ２における張力は高くならない。
【００４１】
そのため、トップリング５１は、周方向における面圧が均一化されることとなり、ピストン１４の上下動時に、トップリング５１の合口端部とシリンダボア１３の壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、燃焼室１６の排ガスがピストン１４とシリンダボア１３との隙間を通ってクランクケースに漏洩することが確実に防止される。その結果、燃焼室１６から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量が低減されることから、図示しないオイルパンに貯留されている潤滑油の劣化が抑制される。
【００４２】
このように実施例１のピストンリングにあっては、ピストン１４の外周面に図６に示すリング溝４４，４５，４６を形成し、このリング溝４４，４５，４６にトップリング５１、セカンドリング５２、オイルリング５３を装着し、このトップリング５１にて、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面５１ａ，５１ｂから周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向における中間領域Ｂで、内周部５７ａ，５７ｂを外周部５６ａ，５６ｂより熱膨張率の高い材料により形成している。
【００４３】
従って、高温時、中間領域Ｂでは、外周部５４に比べて内周部５５が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力は高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、内周部５７ａ，５７ｂに比べて外周部５６ａ，５６ｂが大きく膨張することから、この合口端部領域Ａ１，Ａ２における張力は高くならず、周方向における面圧の均一化を図ることができ、ピストン１４の上下動時に、トップリング５１の端部とシリンダボア１３の壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、トップリング５１の合口端部やシリンダボア１３の壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００４４】
また、実施例１では、トップリング５１は、中間領域Ｂで、温度上昇に応じて、外周部５４に対して内周部５５が大きく膨張することから、低温時に比べて高温時の方が張力が高くなるため、エンジンの高負荷領域でも、燃焼室１６から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量を確実に低減することができ、エンジンの運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【実施例２】
【００４５】
図７は、本発明の実施例２に係るピストンリングとしてのトップリングを表す要部平面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００４６】
実施例２では、図７に示すように、トップリング６１は、外周部６２が低熱膨張材料により形成され、内周部６３が高熱膨張材料により形成され、合口隙間Ｓ側の合口端面６１ａ，６１ｂに向かって、外周部６２の低熱膨張材料の厚さが増加する一方、内周部６３の高熱膨張材料の厚さが減少するようにしている。
【００４７】
即ち、トップリング６１は、外周部６２が低熱膨張材料により形成され、内周部６３が高熱膨張材料により形成されている。また、トップリング６１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面６１ａ，６１ｂから周方向に沿って所定長さを有する２つの合口端部領域Ａ１，Ａ２が設定されると共に、この合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向に沿って所定の長さを有する中間領域Ｂが設定されている。そして、この中間領域Ｂでは、低熱膨張材料で形成された外周部６２の厚さＤ１と、高熱膨張材料で形成された内周部６３の厚さＤ２が同じ厚さ設定されている。一方、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、低熱膨張材料で形成された外周部６２の厚さＤ１が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって増加する一方、高熱膨張材料で形成された内周部６３の厚さＤ２が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少しており、合口端面６１ａ，６１ｂにおける内周部６３の厚さＤ２がほぼ０となるようにしている。なお、合口端部領域Ａ１，Ａ２にて、外周部６２の厚さＤ１は、合口端面６１ａ，６１ｂに向かって直線的あるいは曲線的に増加するように変化する一方、内周部６３の厚さＤ２が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって直線的あるいは曲線的に減少するように変化するように形成することが望ましい。
【００４８】
そのため、本実施例のトップリング６１は、低温状態では、合口隙間Ｓをもって対向する合口部の端部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも局所的に大きくなっているが、高温状態では、外周部６２に比べて内周部６３が大きく膨張するが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、高熱膨張材料で形成された内周部６３の厚さＤ２が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少しているため、膨張量が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少することとなり、中間領域Ｂの面圧に比べてこの合口端部領域Ａ１，Ａ２の面圧が低減されることとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２及び中間領域Ｂを含む全ての領域における面圧が周方向で均一化される。
【００４９】
従って、ピストンの上下動時に、トップリング６１の合口端部とシリンダボアの壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、燃焼室の排ガスがピストンとシリンダボアとの隙間を通ってクランクケースへ漏洩することが確実に防止される。その結果、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースの漏洩する排ガス量が低減されることから、オイルパンに貯留されている潤滑油の劣化が抑制される。
【００５０】
このように実施例２のピストンリングにあっては、トップリング６１にて、外周部６２を低熱膨張材料により形成し、内周部６３を高熱膨張材料により形成し、合口隙間Ｓ側の合口端面６１ａ，６１ｂに向かって、外周部６２の低熱膨張材料の厚さを増加する一方、内周部６３の高熱膨張材料の厚さを減少するようにしている。なお、外周部６２の低熱膨張材料の厚さの増加する変化量は、合口端部領域Ａ１，Ａ２内から合口端面６１ａ，６１ｂに向かうにつれて曲線状または直線状に形成することが好ましい。
【００５１】
従って、高温時、中間領域Ｂでは、外周部６２に比べて内周部６３が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力は高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、内周部６３の厚さが合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少していることから、内周部６３の膨張量が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少することとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２における面圧は高くならず、周方向における面圧の均一化を図ることができ、ピストンの上下動時に、トップリング６１の端部とシリンダボアの内壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、トップリング６１の合口端部やシリンダボアの壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００５２】
また、実施例２では、トップリング６１は、中間領域Ｂで、温度上昇に応じて、外周部６２に対して内周部６３が大きく膨張することから、低温時に比べて高温時の方が張力が高くなるため、エンジンの高負荷領域でも、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量を確実に低減することができ、エンジンの運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【実施例３】
【００５３】
図８は、本発明の実施例３に係るピストンリングとしてのトップリングを表す平面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５４】
実施例３では、図８に示すように、トップリング７１は、外周部７２が低熱膨張材料により形成され、内周部７３が高熱膨張材料により形成され、合口隙間Ｓ側の合口端面７１ａ，７１ｂに向かって、外周部７２の低熱膨張材料の厚さが増加する一方、内周部７３の高熱膨張材料の厚さが減少すると共に、合口隙間Ｓと径方向に対向する周方向における中央部で、内周部７３の厚さが外周部７２の厚さより薄く形成されている。
【００５５】
即ち、トップリング７１は、外周部７２が低熱膨張材料により形成され、内周部７３が高熱膨張材料により形成されている。また、トップリング７１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面７１ａ，７１ｂから周方向に沿って所定長さを有する２つの合口端部領域Ａ１，Ａ２が設定されると共に、この合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向に沿って所定の長さを有する中間領域Ｂが設定され、この中間領域Ｂにおける合口隙間Ｓと径方向に対向する位置に周方向に沿って所定長さを有する合口対向領域Ｃが設定されている。そして、この合口対向領域Ｃを除く中間領域Ｂでは、低熱膨張材料で形成された外周部７２の厚さＤ１と、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が同じ厚さ設定されている。一方、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、低熱膨張材料で形成された外周部７２の厚さＤ１が合口端面７１ａ，７１ｂに向かって増加する一方、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が合口端面７１ａ，７１ｂに向かって減少しており、合口端面７１ａ，７１ｂにおける内周部７３の厚さＤ２がほぼ０となるようにしている。更に、合口対向領域Ｃにて、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が、低熱膨張材料で形成された外周部７２の厚さＤ１より薄く設定されている。
【００５６】
そのため、低温状態では、本実施例のトップリング７１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも局所的に大きくなると共に、合口隙間Ｓと対向する合口対向部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも若干大きくなっている。ところが、高温状態では、トップリング７１は、外周部７２に比べて内周部７３が大きく膨張するが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が端面７１ａ，７１ｂに向かって減少しているため、膨張量が合口端面７１ａ，７１ｂに向かって減少することとなり、中間領域Ｂの面圧に比べて、合口端部領域Ａ１，Ａ２の面圧が低減されることとなる。また、合口対向領域Ｃでは、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が低熱膨張材料で形成された外周部７２の厚さＤ１より薄くなっているため、膨張量が減少することとなり、中間領域Ｂの面圧に比べて、合口対向領域Ｃの面圧が若干低減されることとなる。その結果、合口端部領域Ａ１，Ａ２と合口対向領域Ｃにおける面圧が低下し、合口端部領域Ａ１，Ａ２と合口対向領域Ｃの負荷を減らすことができる。
【００５７】
従って、ピストンの上下動時に、トップリング７１の合口端部とシリンダボアの内壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、燃焼室の排ガスがピストンとシリンダボアとの隙間を通ってクランクケースに漏洩することが確実に防止される。その結果、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量が低減されることから、オイルパンに貯留されている潤滑油の劣化が抑制される。
【００５８】
このように実施例３のピストンリングにあっては、トップリング７１にて、外周部７２を低熱膨張材料により形成し、内周部７３を高熱膨張材料により形成し、合口隙間Ｓ側の合口端面７１ａ，７１ｂに向かって、外周部７２の低熱膨張材料の厚さを増加する一方、内周部７３の高熱膨張材料の厚さを減少すると共に、合口隙間Ｓと径方向に対向する周方向における中央部で、内周部７３の厚さを外周部７２の厚さより薄く形成するようにしている。
【００５９】
従って、高温時、中間領域Ｂでは、外周部７２に比べて内周部７３が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力は高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、内周部７３の厚さが合口端面７１ａ，７１ｂに向かって減少していることから、内周部６３の膨張量が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少し、合口端部領域Ａ１，Ａ２における張力は高くならず、また、合口対向領域Ｃでは、内周部７３の厚さが外周部７２の厚さより薄くなっていることから、内周部７３の膨張量が中間領域Ｂに比べて若干減少し、合口対向領域Ｃにおける張力はそれほど高くならず、合口端部領域Ａ１，Ａ２と合口対向領域Ｃにおける高温時の張力を下げ、トップリング７１の負荷を低減することができ、ピストンの上下動時に、トップリング７１の合口端部とシリンダボアの内壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、トップリング７１の合口端部やシリンダボアの壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００６０】
また、実施例３では、トップリング７１は、中間領域Ｂで、温度上昇に応じて、外周部７２に対して内周部７３が大きく膨張することから、低温時に比べて高温時の方が張力が高くなるため、エンジンの高負荷領域でも、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量を確実に低減することができ、エンジンの運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【実施例４】
【００６１】
図９は、本発明の実施例４に係るピストンリングとしてのトップリングを表す要部平面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００６２】
実施例４では、図９に示すように、トップリング８１は、外周部８２が低熱膨張材料により形成され、内周部８３が高熱膨張材料により形成されると共に、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面８１ａ，８１ｂから周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域Ａ１，Ａ２で、内周部８４ａ，８４ｂが外周部８２の低熱膨張材料より熱膨張率が高く内周部８３高熱膨張材料より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されている。
【００６３】
即ち、トップリング８１は、外周部８２が低熱膨張材料により形成され、内周部８３が高熱膨張材料により形成されている。また、トップリング８１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面８１ａ，８１ｂから周方向に沿って所定長さを有する２つの合口端部領域Ａ１，Ａ２が設定されると共に、この合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向に沿って所定の長さを有する中間領域Ｂが設定されている。そして、高熱膨張材料により形成された内周部８３は、この中間領域Ｂだけに設けられ、合口端部領域Ａ１，Ａ２における内周部８４ａ，８４ｂは、外周部８２の低熱膨張材料より熱膨張率が高く、且つ、内周部８３の高熱膨張材料より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されている。
【００６４】
そのため、本実施例のトップリング８１は、低温状態では、合口隙間Ｓをもって対向する合口端部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも局所的に大きくなっているが、高温状態では、外周部８２に比べて内周部８３が大きく膨張するが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、中熱膨張材料により形成された内周部８４ａ，８４ｂが、高熱膨張材料により形成された内周部８３より膨張しないため、中間領域Ｂの張力（面圧）に比べて合口端部領域Ａ１，Ａ２の張力（面圧）が低減されることとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２及び中間領域Ｂを含む全ての領域における張力（面圧）が周方向で均一化される。
【００６５】
従って、ピストンの上下動時に、トップリング８１の合口端部とシリンダボアの壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、燃焼室の排ガスがピストンとシリンダボアとの隙間を通ってクランクケースへ漏洩することが確実に防止される。その結果、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量が低減されることから、オイルパンに貯留されている潤滑油の劣化が抑制される。
【００６６】
このように実施例４のピストンリングにあっては、トップリング８１にて、外周部８２を低熱膨張材料により形成し、内周部８３を高熱膨張材料により形成すると共に、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面８１ａ，８１ｂから周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域Ａ１，Ａ２で、内周部８４ａ，８４ｂを外周部８２より熱膨張率が高くて内周部８３より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成している。
【００６７】
従って、高温時、中間領域Ｂでは、外周部８２に比べて内周部８３が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力は高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、内周部８４ａ，８４ｂが外周部８２より熱膨張率が高くて内周部８３より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されていることから、内周部８４ａ，８４ｂの膨張量が減少することとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２における面圧はそれほど高くならず、周方向における面圧の均一化を図ることができ、ピストンの上下動時に、トップリング８１の合口端部とシリンダボアの内壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、トップリング８１の合口端部やシリンダボアの内壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００６８】
また、実施例４では、トップリング８１は、中間領域Ｂで、温度上昇に応じて、外周部８２に対して内周部８３が大きく膨張することから、低温時に比べて高温時の方が張力が高くなるため、エンジンの高負荷領域でも、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量を確実に低減することができ、エンジンの運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【００６９】
なお、上述した各実施例において、合口端部領域Ａ１，Ａ２、中間領域Ｂ、合口対向領域Ｃの長さは、トップリング５１，６１，７１，８１の径や厚さ、材料、またはエンジン形態に応じて適宜設定すればよく、結果として、使用する温度領域で周方向における面圧が均一となればよいものである。
【００７０】
また、上述した各実施例では、本発明のピストンリングをトップリング５１，６１，７１，８１に適用したが、セカンドリングに適用してもよい。
【００７１】
そして、上述した各実施例では、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射式の内燃機関として説明したが、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射式内燃機関に適用しても前述と同様の作用効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明に係るピストンリングは、周方向における面圧の均一化を図ることで摺動面の摩耗を抑制可能とするものであり、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施例１に係るピストンリングとしてのトップリングを表す平面図である。
【図２】実施例１のトップリングの装着状態を表す図１のII−II断面図である。
【図３】実施例１のトップリングの装着状態を表す図１のIII−III断面図である。
【図４】実施例１のトップリングにおける面圧分布を表す概略図である。
【図５】一般的なエンジンの縦断面図である。
【図６】ピストンリングが装着されたピストンの要部断面図である。
【図７】本発明の実施例２に係るピストンリングとしてのトップリングを表す要部平面図である。
【図８】本発明の実施例３に係るピストンリングとしてのトップリングを表す平面図である。
【図９】本発明の実施例４に係るピストンリングとしてのトップリングを表す要部平面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１１ シリンダヘッド
１２ シリンダブロック
１３ シリンダボア
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
３３ インジェクタ
３４ 点火プラグ
４１ ピストン本体
４２ 外周面
４３ 頂面
４４，４５，４６ リング溝
５１，６１，７１，８１ トップリング（ピストンリング）
５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ，７１ａ，７１ｂ，８１ａ，８１ｂ 合口端面
５２ セカンドリング（ピストンリング）
５３ オイルリング（ピストンリング）
５４，５６ａ，５６ｂ，６２，７２，８２ 外周部
５５，５７ａ，５７ｂ，６３，７３，８３，８４ａ，８４ｂ 内周部
Ａ１，Ａ２ 合口端部領域
Ｂ 中間領域
Ｃ 合口対向領域
Ｓ 合口隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用に用いられるピストンの外周面に形成されたリング溝に装着されるピストンリングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、内燃機関において、シリンダヘッドはシリンダブロックの上部に組み付けられ、複数の締結ボルトにより締結されており、直列をなして複数のシリンダボアが設けられ、各シリンダボアにピストンが上下動自在に支持されている。そして、シリンダヘッドとシリンダブロックとピストン区画される各燃焼室に対して吸気ポート及び排気ポートが対向して形成され、この吸気ポート及び排気ポートは吸気弁及び排気弁により開閉自在となっている。また、吸気ポート（または燃焼室）に燃料を噴射するインジェクタが装着されると共に、燃焼室の混合気に着火する点火プラグが装着されている。
【０００３】
従って、吸気弁の開放時に、空気が吸気ポートから燃焼室に吸入されると共に、インジェクタから噴射された燃料が燃焼室に吸入され、空気と燃料との混合気がピストンの上昇により圧縮され、この高圧の混合気が点火プラグに導かれて着火して爆発することで駆動力を得ることができ、排気弁の開放時に、燃焼後の排ガスが排気ポートから排出される。
【０００４】
そして、上述した内燃機関において、ピストンの外周部には複数のピストンリングが装着されている。上方側に装着されるトップリング及びセカンドリング等の圧力リングは、ガスシール機能及び熱伝導機能を有し、その下方側に装着されるオイルリングは、オイルコントロール機能を有している。即ち、ガスシール機能は、内燃機関の吸気、圧縮、膨張、排気行程における燃焼室の機密性を確保するものであり、特に、燃焼室における燃焼ガスの膨張によりピストンが圧力を受けて下降するが、このとき、燃焼ガスがシリンダボアとピストンとの隙間を通ってクランクケース内に漏れないように、ピストンリングがシリンダボアの壁面に接して機密性を確保している。また、熱伝導機能は、ピストンリングがシリンダボアの壁面に接することで、ピストンの熱をシリンダボア側に逃がし、ピストンやピストンリングの性能を確保するものである。更に、オイルコントロール機能は、潤滑油を必要最小限の量だけシリンダボアの壁面に残し、余分な潤滑油をかき落として回収するものである。
【０００５】
ところで、燃焼室で燃焼後に発生する排ガス（ブローバイガス）は、有害成分であるＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）などを含んでおり、上述したように、ピストンリングによりこの排ガスがクランクケース内に漏洩するのを防止している。この場合、トップリング及びセカンドリングは、自身の弾性力により外周面がシリンダボアの壁面に接することで機密性を確保し、燃焼室からクランクケース内への排ガスの漏洩を阻止している。
【０００６】
ところが、内燃機関の高回転高負荷状態では、燃焼室における排ガスの圧力や温度がより一層高くなると共にシリンダボアが熱膨張するが、トップリング及びセカンドリングへの追従性が低下することで、ピストンリングの外周面とシリンダボアの壁面との機密性が低下し、燃焼室からクランクケース内への排ガスの漏洩を十分に阻止することができない。
【０００７】
このような問題点を解決するものとして、例えば、下記特許文献１から６に記載されたものがある。特許文献１に記載されたエンジンのピストンリングは、外周部を熱膨張率の低い、内周部を熱膨張率の高い異なる金属で構成したものである。また、特許文献２に記載されたピストンリングは、シリンダの内径壁に接して設けた耐熱耐摩耗性金属からなる外側リングに対して、その内側に熱膨張率の大きい金属からなる内側金属を一体結合したものである。特許文献３に記載されたピストンリングは、厚みを合口の反対側で厚くし、その他の部分を合口の反対側の厚みより薄くしたものである。特許文献４に記載された内燃機関のピストンリングは、半径方向外方に働く面圧を、円周方向に不平衡とする不平衡力発生機構を設けたものである。特許文献５に記載された内燃機関のピストンリングは、リング本体の内周面にバックリングを結合し、このバックリングの膨張係数をリング本体の膨張係数より大きくしたものである。特許文献６に記載された組合せピストンリングは、金属リングの内側に中間樹脂リングと内周樹脂リングからなる樹脂製リングを固定し、中間樹脂リングと内周樹脂リングにおける合口の突き当たる温度を相違したものである。
【０００８】
【特許文献１】特開平０６−０６６３７１号公報
【特許文献２】特開昭６１−１３６０６０号公報
【特許文献３】実開昭５６−０１５４３７号公報
【特許文献４】実開昭６２−０８４６４８号公報
【特許文献５】実開昭５５−１３９２４２号公報
【特許文献６】特開２００４−１１６６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、ピストンリングは、ピストンのリング溝に装着する際、その内径を一旦ピストンの外径以上になるように押し広げる必要があり、また、ピストンのリング溝に装着され、シリンダ内に装着された後は、シリンダ内壁に対して張力を発生することによりシリンダ内壁との密着を図るため、１箇所に合口と呼ばれる切れ目を設けている。この合口は、低温時と高温時における熱膨張差を吸収する役目を有している。そのため、ピストンリングの周方向における面圧分布、つまり、ピストンリングの外周面がシリンダボアの壁面を押圧する面圧は、周方向において、この合口端部の近傍が最も高いものとなっている。
【００１０】
そして、上述した特許文献１のエンジンのピストンリングのように、外周部を熱膨張率の低い金属とし、内周部を熱膨張率の高い金属とすると、高温時には、外周部に対して内周部が大きく膨張することから、ピストンリング全体の面圧が高くなると共に、合口端部での面圧が局部的により高くなる。すると、ピストンが上下動するとき、ピストンリングの合口端部とシリンダボアの壁面との摺動抵抗が局所的に高くなり、ピストンリングの合口端部やシリンダボアの壁面が局所的に摩耗してしまい、潤滑油の消費量が増加したり、燃焼室からクランクケース内へ漏洩する排ガス量が増加したりして、燃費悪化、出力低下、潤滑油の劣化、騒音の増大などを招いてしまうという問題がある。
【００１１】
また、上述した特許文献２から６のように、ピストンリングを内側と外側で異なる材料により構成しても、上述したように、低温時と高温時とで、ストンリング全体の面圧に対して合口端部での面圧が高くなり、局所的な摩耗に伴って潤滑油の消費量が増加したり、排ガス漏洩量が増加したりしてしまう。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、内燃機関の運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保すると共に合口部付近における面圧を低減して周方向における面圧の均一化を図ることで摺動面の摩耗を抑制可能としたピストンリングを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のピストンリングは、内燃機関用ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着される略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周面と前記ピストンに対向する内周面と上面と下面とからなり、前記略円形状を半径方向に分断する一つの合口部を備えるピストンリングにおいて、前記合口端面から周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域を除く周方向における中間領域で、内周部が外周部より熱膨張率の高い材料により形成されたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のピストンリングでは、前記中間領域は、外周部が低熱膨張材料により形成され、内周部が高熱膨張材料により形成されたことを特徴としている。
【００１５】
本発明のピストンリングでは、前記合口端部領域は、外周部が高熱膨張材料により形成され、内周部が低熱膨張材料により形成されたことを特徴としている。
【００１６】
本発明のピストンリングでは、前記合口端部領域は、外周部が低熱膨張材料により形成され、内周部が高熱膨張材料により形成されると共に、前記合口端面に向かって、前記外周部の低熱膨張材料の厚さが直線的あるいは曲線的に増加する一方、前記内周部の高熱膨張材料の厚さが減少することを特徴としている。
【００１７】
本発明のピストンリングでは、前記合口端部領域は、外周部が前記中間領域における外周部の低熱膨張材料と同じ低熱膨張材料により形成され、内周部が該低熱膨張材料より熱膨張率が高くて前記中間領域における内周部の高熱膨張材料より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されたことを特徴としている。
【００１８】
本発明のピストンリングでは、前記中間領域は、外周部の低熱膨張材料の厚さと内周部の高熱膨張材料の厚さが同じに形成され、前記中間領域における前記合口部と径方向に対向する合口対向領域は、内周部の高熱膨張材料の厚さが外周部の低熱膨張材料の厚さより薄く形成されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のピストンリングによれば、内燃機関用ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着される略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周面とピストンに対向する内周面と上面と下面とからなり、略円形状を半径方向に分断する一つの合口部を設けて構成し、合口端面から周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域を除く周方向における中間領域で、内周部を外周部より熱膨張率の高い材料により形成したので、高温時、中間領域では、外周部に比べて内周部が大きく膨張することから、この中間領域における張力が高くなるが、合口端部領域では、外周部と内周部との膨張差がなくこの合口端部領域における張力は変化せず、周方向における面圧の均一化を図ることができ、ピストンの上下動時に、ピストンリングの合口端部とシリンダボアの壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、ピストンリングの合口端部やシリンダボアの壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができ、内燃機関の運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明に係るピストンリングの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１に係るピストンリングとしてのトップリングを表す平面図、図２は、実施例１のトップリングの装着状態を表す図１のII−II断面図、図３は、実施例１のトップリングの装着状態を表す図１のIII−III断面図、図４は、実施例１のトップリングにおける面圧分布を表す概略図、図５は、一般的なエンジンの縦断面図、図６は、ピストンリングが装着されたピストンの要部断面図である。
【００２２】
実施例１の内燃機関は、多気筒エンジンであり、図５に示すように、シリンダヘッド１１はシリンダブロック１２上に組み付けられ、複数の図示しない締結ボルトにより締結されている。シリンダブロック１２には複数のシリンダボア１３が形成され、各シリンダボア１３にピストン１４が摺動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１２の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストン１４はコネクティングロッド１５を介してこのクランクシャフトに連結されている。
【００２３】
シリンダブロック１２の各シリンダボア１３に対応してその上方に燃焼室１６が直列するように形成されている。この燃焼室１６は、シリンダボア１３の内壁面と、シリンダヘッド１１の下面と、ピストン１４の頂面により囲繞されており、天井部（シリンダヘッド１１の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この各燃焼室１６の上方、つまり、シリンダヘッド１１の下面に吸気ポート１７と、排気ポート１８が対向して開口している。
【００２４】
そして、この吸気ポート１７及び排気ポート１８に対して吸気弁１９及び排気弁２０がそれぞれ位置している。この吸気弁１９及び排気弁２０は、シリンダヘッド１１に固定された各ステムガイド２１，２２により軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、各バルブスプリング２３，２４により上方、つまり、吸気ポート１７及び排気ポート１８を閉止する方向に付勢支持されている。また、吸気弁１９及び排気弁２０は、上端部にローラロッカアーム２５，２６の一端部が連結され、このローラロッカアーム２５，２６の他端部はシリンダヘッド１１に固定されたラッシュアジャスタ２７，２８に連結されており、吸気カムシャフト２９の吸気カム３０及び排気カムシャフト３１の排気カム３２が各ローラロッカアーム２５，２６に接触している。
【００２５】
従って、エンジンに同期して吸気カムシャフト２９及び排気カムシャフト３１が回転すると、吸気カム３０及び排気カム３２がローラロッカアーム２５，２６を作動させ、各吸気弁１９及び排気弁２０が所定のタイミングで上下動することで、吸気ポート１７及び排気ポート１８を開閉し、吸気ポート１７と燃焼室１６、燃焼室１６と排気ポート１８とをそれぞれ連通することができる。
【００２６】
燃焼室１６の側部、つまり、吸気ポート１７側のシリンダヘッド１１の下面には、この燃焼室１６に直接燃料を噴射するインジェクタ３３が装着されている。また、燃焼室１６の天井部中央、つまり、吸気ポート１７と排気ポート１８の間のシリンダヘッド１１の下面には、点火プラグ３４が装着されている。そして、車両には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）が搭載されており、このＥＣＵは、インジェクタ３３の燃料噴射量や噴射時期、点火プラグ３４による点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、スロットル開度（アクセル開度）、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。
【００２７】
また、上述したピストン１４は、図５及び図６に示すように、ピストン本体４１の外周面４２に３つのピストンリング５１，５２，５３が装着されて構成されている。そして、このピストン本体４１は、シリンダボア１３の内径より若干小さい外径を有する円柱形状をなし、外周面４２がシリンダボア１３の内壁面と所定のクリアランスを有している。また、ピストン本体４１は、上部に燃焼室１６を区画形成する頂面４３を有している。
【００２８】
また、ピストン本体４１は、外周面に周方向に沿って所定深さを有する３つのリング溝４４，４５，４６が上下方向に対して所定間隔で形成されている。そして、各リング溝４４，４５，４６に、ピストンリングとしてのトップリング５１、セカンドリング５２、オイルリング５３を装着しており、外周面４２は、トップランド４２ａ、セカンドランド４２ｂ、サードランド４２ｃとして区画されている。
【００２９】
この場合、ピストン本体４１の頂面４３側に位置するトップリング５１及びセカンドリング５２は、ガスシール機能及び熱伝導機能を有している。即ち、トップリング５１及びセカンドリング５２は、エンジンの吸気、圧縮、膨張、排気行程における燃焼室１６の機密性を確保することができるものであり、特に、燃焼室１６における燃焼ガスの膨張によりピストン１４が圧力を受けて下降するが、トップリング５１及びセカンドリング５２が張力をもってシリンダボア１３の壁面に接することで、排ガスがピストン１４とシリンダボア１３との隙間を通ってクランクケース内に漏れないように機能している。また、トップリング５１及びセカンドリング５２は、外周面がシリンダボア１３の壁面に接することで、ピストン１４の熱をシリンダボア１３側に逃がし、ピストン１４やトップリング５１及びセカンドリング５２の性能を確保することができる。
【００３０】
また、セカンドリング５２とその下方側に装着されるオイルリング５３は、外周面がシリンダボア１３の壁面に接することで、ピストン１４の下降時にシリンダボア１３の壁面に付着している潤滑油をかき落とし、必要最小限の量の潤滑油をシリンダボア１３の壁面に残し、余分な潤滑油を回収することができる。
【００３１】
ところで、内燃機関の高回転高負荷状態では、燃焼室１６における燃焼ガスの圧力や温度がより一層高くなると共にシリンダボア１３が熱膨張する一方、トップリング５１やセカンドリング５２は、シリンダボア１３への追従性が低下することで張力が低下し、燃焼室１６からクランクケース内への排ガスの漏洩を十分に阻止することができない。
【００３２】
また、トップリング５１及びセカンドリング５２は、ピストン１４のリング溝４４，４５に装着する際、その内径を一旦ピストン１４の外径以上になるように押し広げる必要があり、また、ピストン１４のリング溝４４，４５に装着され、シリンダ内に装着された後は、シリンダボア１３の内壁に対して張力を発生することによりシリンダ内壁との密着を図るため、１箇所に合口と呼ばれる切れ目を設けている。この合口において、低温時と高温時における熱膨張差を吸収するために、合口隙間が設けられている。そのため、このトップリング５１及びセカンドリング５２をピストン１４のリング溝４４，４５に装着した状態では、周方向における面圧分布、つまり、外周面がシリンダボア１３の壁面を押圧する面圧は、周方向で合口端部の近傍が最も高いものとなる。すると、ピストン１４が上下動するとき、トップリング５１及びセカンドリング５２の外周面とシリンダボア１３の壁面との摺動抵抗が局所的に高くなり、これらの摺動面が摩耗してしまい、種々の問題を招いてしまう。
【００３３】
そこで、本実施例では、図１乃至図３に示すように、トップリング５１にて、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面から周方向に沿って所定長さを有する各合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向における中間領域Ｂで、内周部を外周部より熱膨張率の高い材料により形成している。
【００３４】
具体的に説明すると、トップリング５１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面５１ａ，５１ｂから周方向に沿って所定長さを有する２つの合口端部領域Ａ１，Ａ２が設けられると共に、この各合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向に沿って所定の長さを有する中間領域Ｂが設けられている。この中間領域Ｂにて、外周部５４が低熱膨張材料により形成され、内周部５５が高熱膨張材料により形成されている。また、各合口端部領域Ａ１，Ａ２にて、外周部５６ａ，５６ｂが高熱膨張材料により形成され、内周部５７ａ，５７ｂが低熱膨張材料により形成されている。
【００３５】
この場合、高熱膨張材料は、例えば、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）合金により構成され、低熱膨張材料は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）合金により構成されている。そして、中間領域Ｂにおける外周部５４と内周部５５、合口端部領域Ａ１，Ａ２における外周部５６ａ，５６ｂと内周部５７ａ，５７ｂとは、それぞれ溶着や圧着、または接着剤をもって貼り合わされている。また、中間領域Ｂにおける外周部５４及び内周部５５と、合口端部領域Ａ１，Ａ２における外周部５６ａ，５６ｂ及び内周部５７ａ，５７ｂとは、溶着や圧着、または接着剤、ろう付け、機械的接合等をもって貼り合わされている。
【００３６】
そのため、低温状態では、単に外周部を低熱膨張材料により形成して内周部を高熱膨張材料により形成した従来例のピストンリングと、中間領域Ｂにおける外周部５４を低熱膨張材料により形成して内周部５５を高熱膨張材料により形成すると共に、合口端部領域Ａ１，Ａ２における外周部５６ａ，５６ｂを高熱膨張材料により形成して内周部５７ａ，５７ｂを低熱膨張材料により形成した実施例１のトップリング５１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端部における張力（シリンダボアから受ける面圧、以下、単に面圧と称する。）が、その他の部分における張力（面圧）よりも局所的に大きくなっている。
【００３７】
ところが、内燃機関の運転状態では、ピストンリングが燃焼ガスにより加熱され、合口端部が高温化された燃焼ガスに曝された高温状態となるため、この高温状態では、従来のピストンリングは、図４に点線で示すように、外周部に比べて内周部が大きく膨張することから、合口隙間Ｓをもって対向する合口端部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも一層大きくなる。一方、実施例１のトップリング５１は、図４に一点鎖線で示すように、中間領域Ｂでは外周部５４に比べて内周部５５が大きく膨張するが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では反対に内周部５７ａ，５７ｂに比べて外周部５６ａ，５６ｂが大きく膨張することから、この合口端部領域Ａ１，Ａ２の張力（面圧）が抑制されることとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２及び中間領域Ｂを含む全ての領域における張力（面圧）が周方向で均一化される。
【００３８】
ここで、本実施例のピストンリングを有する内燃機関における作用を説明する。
【００３９】
図５に示すように、エンジンの運転時には、ピストン１４が上昇し燃焼室１６の混合気が圧縮され、高圧の混合気に点火することで膨張して爆発するが、爆発後の燃焼ガス、つまり、排ガスには、有害成分であるＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯが含まれている。そのため、ピストン１４の上下動時に、このピストン１４の外周面に装着されたトップリング５１及びセカンドリング５２がシリンダボア１３の内壁面に摺接することで、燃焼室１６の排ガスがピストン１４とシリンダボア１３との隙間を通ってクランクケースに漏洩することを防止することができる。
【００４０】
そして、本実施例では、トップリング５１は、中間領域Ｂの外周部５４が低熱膨張材料により形成され、内周部５５が高熱膨張材料により形成される一方、合口端部領域Ａ１，Ａ２の外周部５６ａ，５６ｂが高熱膨張材料により形成され、内周部５７ａ，５７ｂが低熱膨張材料により形成されている。そのため、このトップリング５１が高温状態になると、中間領域Ｂでは、外周部５４に比べて内周部５５が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力が高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では反対に、内周部５７ａ，５７ｂに比べて外周部５６ａ，５６ｂが大きく膨張することから、この合口端部領域Ａ１，Ａ２における張力は高くならない。
【００４１】
そのため、トップリング５１は、周方向における面圧が均一化されることとなり、ピストン１４の上下動時に、トップリング５１の合口端部とシリンダボア１３の壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、燃焼室１６の排ガスがピストン１４とシリンダボア１３との隙間を通ってクランクケースに漏洩することが確実に防止される。その結果、燃焼室１６から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量が低減されることから、図示しないオイルパンに貯留されている潤滑油の劣化が抑制される。
【００４２】
このように実施例１のピストンリングにあっては、ピストン１４の外周面に図６に示すリング溝４４，４５，４６を形成し、このリング溝４４，４５，４６にトップリング５１、セカンドリング５２、オイルリング５３を装着し、このトップリング５１にて、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面５１ａ，５１ｂから周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向における中間領域Ｂで、内周部５７ａ，５７ｂを外周部５６ａ，５６ｂより熱膨張率の高い材料により形成している。
【００４３】
従って、高温時、中間領域Ｂでは、外周部５４に比べて内周部５５が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力は高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、内周部５７ａ，５７ｂに比べて外周部５６ａ，５６ｂが大きく膨張することから、この合口端部領域Ａ１，Ａ２における張力は高くならず、周方向における面圧の均一化を図ることができ、ピストン１４の上下動時に、トップリング５１の端部とシリンダボア１３の壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、トップリング５１の合口端部やシリンダボア１３の壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００４４】
また、実施例１では、トップリング５１は、中間領域Ｂで、温度上昇に応じて、外周部５４に対して内周部５５が大きく膨張することから、低温時に比べて高温時の方が張力が高くなるため、エンジンの高負荷領域でも、燃焼室１６から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量を確実に低減することができ、エンジンの運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【実施例２】
【００４５】
図７は、本発明の実施例２に係るピストンリングとしてのトップリングを表す要部平面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００４６】
実施例２では、図７に示すように、トップリング６１は、外周部６２が低熱膨張材料により形成され、内周部６３が高熱膨張材料により形成され、合口隙間Ｓ側の合口端面６１ａ，６１ｂに向かって、外周部６２の低熱膨張材料の厚さが増加する一方、内周部６３の高熱膨張材料の厚さが減少するようにしている。
【００４７】
即ち、トップリング６１は、外周部６２が低熱膨張材料により形成され、内周部６３が高熱膨張材料により形成されている。また、トップリング６１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面６１ａ，６１ｂから周方向に沿って所定長さを有する２つの合口端部領域Ａ１，Ａ２が設定されると共に、この合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向に沿って所定の長さを有する中間領域Ｂが設定されている。そして、この中間領域Ｂでは、低熱膨張材料で形成された外周部６２の厚さＤ１と、高熱膨張材料で形成された内周部６３の厚さＤ２が同じ厚さ設定されている。一方、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、低熱膨張材料で形成された外周部６２の厚さＤ１が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって増加する一方、高熱膨張材料で形成された内周部６３の厚さＤ２が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少しており、合口端面６１ａ，６１ｂにおける内周部６３の厚さＤ２がほぼ０となるようにしている。なお、合口端部領域Ａ１，Ａ２にて、外周部６２の厚さＤ１は、合口端面６１ａ，６１ｂに向かって直線的あるいは曲線的に増加するように変化する一方、内周部６３の厚さＤ２が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって直線的あるいは曲線的に減少するように変化するように形成することが望ましい。
【００４８】
そのため、本実施例のトップリング６１は、低温状態では、合口隙間Ｓをもって対向する合口部の端部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも局所的に大きくなっているが、高温状態では、外周部６２に比べて内周部６３が大きく膨張するが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、高熱膨張材料で形成された内周部６３の厚さＤ２が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少しているため、膨張量が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少することとなり、中間領域Ｂの面圧に比べてこの合口端部領域Ａ１，Ａ２の面圧が低減されることとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２及び中間領域Ｂを含む全ての領域における面圧が周方向で均一化される。
【００４９】
従って、ピストンの上下動時に、トップリング６１の合口端部とシリンダボアの壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、燃焼室の排ガスがピストンとシリンダボアとの隙間を通ってクランクケースへ漏洩することが確実に防止される。その結果、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースの漏洩する排ガス量が低減されることから、オイルパンに貯留されている潤滑油の劣化が抑制される。
【００５０】
このように実施例２のピストンリングにあっては、トップリング６１にて、外周部６２を低熱膨張材料により形成し、内周部６３を高熱膨張材料により形成し、合口隙間Ｓ側の合口端面６１ａ，６１ｂに向かって、外周部６２の低熱膨張材料の厚さを増加する一方、内周部６３の高熱膨張材料の厚さを減少するようにしている。なお、外周部６２の低熱膨張材料の厚さの増加する変化量は、合口端部領域Ａ１，Ａ２内から合口端面６１ａ，６１ｂに向かうにつれて曲線状または直線状に形成することが好ましい。
【００５１】
従って、高温時、中間領域Ｂでは、外周部６２に比べて内周部６３が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力は高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、内周部６３の厚さが合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少していることから、内周部６３の膨張量が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少することとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２における面圧は高くならず、周方向における面圧の均一化を図ることができ、ピストンの上下動時に、トップリング６１の端部とシリンダボアの内壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、トップリング６１の合口端部やシリンダボアの壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００５２】
また、実施例２では、トップリング６１は、中間領域Ｂで、温度上昇に応じて、外周部６２に対して内周部６３が大きく膨張することから、低温時に比べて高温時の方が張力が高くなるため、エンジンの高負荷領域でも、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量を確実に低減することができ、エンジンの運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【実施例３】
【００５３】
図８は、本発明の実施例３に係るピストンリングとしてのトップリングを表す平面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５４】
実施例３では、図８に示すように、トップリング７１は、外周部７２が低熱膨張材料により形成され、内周部７３が高熱膨張材料により形成され、合口隙間Ｓ側の合口端面７１ａ，７１ｂに向かって、外周部７２の低熱膨張材料の厚さが増加する一方、内周部７３の高熱膨張材料の厚さが減少すると共に、合口隙間Ｓと径方向に対向する周方向における中央部で、内周部７３の厚さが外周部７２の厚さより薄く形成されている。
【００５５】
即ち、トップリング７１は、外周部７２が低熱膨張材料により形成され、内周部７３が高熱膨張材料により形成されている。また、トップリング７１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面７１ａ，７１ｂから周方向に沿って所定長さを有する２つの合口端部領域Ａ１，Ａ２が設定されると共に、この合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向に沿って所定の長さを有する中間領域Ｂが設定され、この中間領域Ｂにおける合口隙間Ｓと径方向に対向する位置に周方向に沿って所定長さを有する合口対向領域Ｃが設定されている。そして、この合口対向領域Ｃを除く中間領域Ｂでは、低熱膨張材料で形成された外周部７２の厚さＤ１と、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が同じ厚さ設定されている。一方、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、低熱膨張材料で形成された外周部７２の厚さＤ１が合口端面７１ａ，７１ｂに向かって増加する一方、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が合口端面７１ａ，７１ｂに向かって減少しており、合口端面７１ａ，７１ｂにおける内周部７３の厚さＤ２がほぼ０となるようにしている。更に、合口対向領域Ｃにて、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が、低熱膨張材料で形成された外周部７２の厚さＤ１より薄く設定されている。
【００５６】
そのため、低温状態では、本実施例のトップリング７１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも局所的に大きくなると共に、合口隙間Ｓと対向する合口対向部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも若干大きくなっている。ところが、高温状態では、トップリング７１は、外周部７２に比べて内周部７３が大きく膨張するが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が端面７１ａ，７１ｂに向かって減少しているため、膨張量が合口端面７１ａ，７１ｂに向かって減少することとなり、中間領域Ｂの面圧に比べて、合口端部領域Ａ１，Ａ２の面圧が低減されることとなる。また、合口対向領域Ｃでは、高熱膨張材料で形成された内周部７３の厚さＤ２が低熱膨張材料で形成された外周部７２の厚さＤ１より薄くなっているため、膨張量が減少することとなり、中間領域Ｂの面圧に比べて、合口対向領域Ｃの面圧が若干低減されることとなる。その結果、合口端部領域Ａ１，Ａ２と合口対向領域Ｃにおける面圧が低下し、合口端部領域Ａ１，Ａ２と合口対向領域Ｃの負荷を減らすことができる。
【００５７】
従って、ピストンの上下動時に、トップリング７１の合口端部とシリンダボアの内壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、燃焼室の排ガスがピストンとシリンダボアとの隙間を通ってクランクケースに漏洩することが確実に防止される。その結果、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量が低減されることから、オイルパンに貯留されている潤滑油の劣化が抑制される。
【００５８】
このように実施例３のピストンリングにあっては、トップリング７１にて、外周部７２を低熱膨張材料により形成し、内周部７３を高熱膨張材料により形成し、合口隙間Ｓ側の合口端面７１ａ，７１ｂに向かって、外周部７２の低熱膨張材料の厚さを増加する一方、内周部７３の高熱膨張材料の厚さを減少すると共に、合口隙間Ｓと径方向に対向する周方向における中央部で、内周部７３の厚さを外周部７２の厚さより薄く形成するようにしている。
【００５９】
従って、高温時、中間領域Ｂでは、外周部７２に比べて内周部７３が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力は高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、内周部７３の厚さが合口端面７１ａ，７１ｂに向かって減少していることから、内周部６３の膨張量が合口端面６１ａ，６１ｂに向かって減少し、合口端部領域Ａ１，Ａ２における張力は高くならず、また、合口対向領域Ｃでは、内周部７３の厚さが外周部７２の厚さより薄くなっていることから、内周部７３の膨張量が中間領域Ｂに比べて若干減少し、合口対向領域Ｃにおける張力はそれほど高くならず、合口端部領域Ａ１，Ａ２と合口対向領域Ｃにおける高温時の張力を下げ、トップリング７１の負荷を低減することができ、ピストンの上下動時に、トップリング７１の合口端部とシリンダボアの内壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、トップリング７１の合口端部やシリンダボアの壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００６０】
また、実施例３では、トップリング７１は、中間領域Ｂで、温度上昇に応じて、外周部７２に対して内周部７３が大きく膨張することから、低温時に比べて高温時の方が張力が高くなるため、エンジンの高負荷領域でも、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量を確実に低減することができ、エンジンの運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【実施例４】
【００６１】
図９は、本発明の実施例４に係るピストンリングとしてのトップリングを表す要部平面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００６２】
実施例４では、図９に示すように、トップリング８１は、外周部８２が低熱膨張材料により形成され、内周部８３が高熱膨張材料により形成されると共に、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面８１ａ，８１ｂから周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域Ａ１，Ａ２で、内周部８４ａ，８４ｂが外周部８２の低熱膨張材料より熱膨張率が高く内周部８３高熱膨張材料より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されている。
【００６３】
即ち、トップリング８１は、外周部８２が低熱膨張材料により形成され、内周部８３が高熱膨張材料により形成されている。また、トップリング８１は、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面８１ａ，８１ｂから周方向に沿って所定長さを有する２つの合口端部領域Ａ１，Ａ２が設定されると共に、この合口端部領域Ａ１，Ａ２を除く周方向に沿って所定の長さを有する中間領域Ｂが設定されている。そして、高熱膨張材料により形成された内周部８３は、この中間領域Ｂだけに設けられ、合口端部領域Ａ１，Ａ２における内周部８４ａ，８４ｂは、外周部８２の低熱膨張材料より熱膨張率が高く、且つ、内周部８３の高熱膨張材料より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されている。
【００６４】
そのため、本実施例のトップリング８１は、低温状態では、合口隙間Ｓをもって対向する合口端部における張力（面圧）が、その他の部分における張力（面圧）よりも局所的に大きくなっているが、高温状態では、外周部８２に比べて内周部８３が大きく膨張するが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、中熱膨張材料により形成された内周部８４ａ，８４ｂが、高熱膨張材料により形成された内周部８３より膨張しないため、中間領域Ｂの張力（面圧）に比べて合口端部領域Ａ１，Ａ２の張力（面圧）が低減されることとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２及び中間領域Ｂを含む全ての領域における張力（面圧）が周方向で均一化される。
【００６５】
従って、ピストンの上下動時に、トップリング８１の合口端部とシリンダボアの壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、燃焼室の排ガスがピストンとシリンダボアとの隙間を通ってクランクケースへ漏洩することが確実に防止される。その結果、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量が低減されることから、オイルパンに貯留されている潤滑油の劣化が抑制される。
【００６６】
このように実施例４のピストンリングにあっては、トップリング８１にて、外周部８２を低熱膨張材料により形成し、内周部８３を高熱膨張材料により形成すると共に、合口隙間Ｓをもって対向する合口端面８１ａ，８１ｂから周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域Ａ１，Ａ２で、内周部８４ａ，８４ｂを外周部８２より熱膨張率が高くて内周部８３より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成している。
【００６７】
従って、高温時、中間領域Ｂでは、外周部８２に比べて内周部８３が大きく膨張することから、この中間領域Ｂにおける張力は高くなるが、合口端部領域Ａ１，Ａ２では、内周部８４ａ，８４ｂが外周部８２より熱膨張率が高くて内周部８３より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されていることから、内周部８４ａ，８４ｂの膨張量が減少することとなり、合口端部領域Ａ１，Ａ２における面圧はそれほど高くならず、周方向における面圧の均一化を図ることができ、ピストンの上下動時に、トップリング８１の合口端部とシリンダボアの内壁面との摺動抵抗が局所的に高くなることはなく、トップリング８１の合口端部やシリンダボアの内壁面などの摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００６８】
また、実施例４では、トップリング８１は、中間領域Ｂで、温度上昇に応じて、外周部８２に対して内周部８３が大きく膨張することから、低温時に比べて高温時の方が張力が高くなるため、エンジンの高負荷領域でも、燃焼室から合口隙間Ｓを通ってクランクケースへ漏洩する排ガス量を確実に低減することができ、エンジンの運転状態に拘らず安定したガスシール機能を確保することができる。
【００６９】
なお、上述した各実施例において、合口端部領域Ａ１，Ａ２、中間領域Ｂ、合口対向領域Ｃの長さは、トップリング５１，６１，７１，８１の径や厚さ、材料、またはエンジン形態に応じて適宜設定すればよく、結果として、使用する温度領域で周方向における面圧が均一となればよいものである。
【００７０】
また、上述した各実施例では、本発明のピストンリングをトップリング５１，６１，７１，８１に適用したが、セカンドリングに適用してもよい。
【００７１】
そして、上述した各実施例では、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射式の内燃機関として説明したが、燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射式内燃機関に適用しても前述と同様の作用効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明に係るピストンリングは、周方向における面圧の均一化を図ることで摺動面の摩耗を抑制可能とするものであり、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施例１に係るピストンリングとしてのトップリングを表す平面図である。
【図２】実施例１のトップリングの装着状態を表す図１のII−II断面図である。
【図３】実施例１のトップリングの装着状態を表す図１のIII−III断面図である。
【図４】実施例１のトップリングにおける面圧分布を表す概略図である。
【図５】一般的なエンジンの縦断面図である。
【図６】ピストンリングが装着されたピストンの要部断面図である。
【図７】本発明の実施例２に係るピストンリングとしてのトップリングを表す要部平面図である。
【図８】本発明の実施例３に係るピストンリングとしてのトップリングを表す平面図である。
【図９】本発明の実施例４に係るピストンリングとしてのトップリングを表す要部平面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１１ シリンダヘッド
１２ シリンダブロック
１３ シリンダボア
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１７ 吸気ポート
１８ 排気ポート
３３ インジェクタ
３４ 点火プラグ
４１ ピストン本体
４２ 外周面
４３ 頂面
４４，４５，４６ リング溝
５１，６１，７１，８１ トップリング（ピストンリング）
５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ，７１ａ，７１ｂ，８１ａ，８１ｂ 合口端面
５２ セカンドリング（ピストンリング）
５３ オイルリング（ピストンリング）
５４，５６ａ，５６ｂ，６２，７２，８２ 外周部
５５，５７ａ，５７ｂ，６３，７３，８３，８４ａ，８４ｂ 内周部
Ａ１，Ａ２ 合口端部領域
Ｂ 中間領域
Ｃ 合口対向領域
Ｓ 合口隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着される略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周面と前記ピストンに対向する内周面と上面と下面とからなり、前記略円形状を半径方向に分断する一つの合口部を備えるピストンリングにおいて、前記合口端面から周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域を除く周方向における中間領域で、内周部が外周部より熱膨張率の高い材料により形成されたことを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記中間領域は、外周部が低熱膨張材料により形成され、内周部が高熱膨張材料により形成されたことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記合口端部領域は、外周部が高熱膨張材料により形成され、内周部が低熱膨張材料により形成されたことを特徴とする請求項２に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記合口端部領域は、外周部が低熱膨張材料により形成され、内周部が高熱膨張材料により形成されると共に、前記合口端面に向かって、前記外周部の低熱膨張材料の厚さが直線的あるいは曲線的に増加する一方、前記内周部の高熱膨張材料の厚さが減少することを特徴とする請求項２に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記合口端部領域は、外周部が前記中間領域における外周部の低熱膨張材料と同じ低熱膨張材料により形成され、内周部が該低熱膨張材料より熱膨張率が高くて前記中間領域における内周部の高熱膨張材料より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されたことを特徴とする請求項２に記載のピストンリング。
【請求項６】
前記中間領域は、外周部の低熱膨張材料の厚さと内周部の高熱膨張材料の厚さが同じに形成され、前記中間領域における前記合口部と径方向に対向する合口対向領域は、内周部の高熱膨張材料の厚さが外周部の低熱膨張材料の厚さより薄く形成されたことを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載のピストンリング。
【請求項１】
内燃機関用ピストンの外周面に形成されたリング溝に装着される略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周面と前記ピストンに対向する内周面と上面と下面とからなり、前記略円形状を半径方向に分断する一つの合口部を備えるピストンリングにおいて、前記合口端面から周方向に沿って所定長さを有する合口端部領域を除く周方向における中間領域で、内周部が外周部より熱膨張率の高い材料により形成されたことを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記中間領域は、外周部が低熱膨張材料により形成され、内周部が高熱膨張材料により形成されたことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記合口端部領域は、外周部が高熱膨張材料により形成され、内周部が低熱膨張材料により形成されたことを特徴とする請求項２に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記合口端部領域は、外周部が低熱膨張材料により形成され、内周部が高熱膨張材料により形成されると共に、前記合口端面に向かって、前記外周部の低熱膨張材料の厚さが直線的あるいは曲線的に増加する一方、前記内周部の高熱膨張材料の厚さが減少することを特徴とする請求項２に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記合口端部領域は、外周部が前記中間領域における外周部の低熱膨張材料と同じ低熱膨張材料により形成され、内周部が該低熱膨張材料より熱膨張率が高くて前記中間領域における内周部の高熱膨張材料より熱膨張率の低い中熱膨張材料により形成されたことを特徴とする請求項２に記載のピストンリング。
【請求項６】
前記中間領域は、外周部の低熱膨張材料の厚さと内周部の高熱膨張材料の厚さが同じに形成され、前記中間領域における前記合口部と径方向に対向する合口対向領域は、内周部の高熱膨張材料の厚さが外周部の低熱膨張材料の厚さより薄く形成されたことを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載のピストンリング。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−５７６７１（Ｐ２００８−５７６７１Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３５８８６（Ｐ２００６−２３５８８６）
【出願日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
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