JP5151618B2

JP5151618B2 - ピストン構造

Info

Publication number: JP5151618B2
Application number: JP2008090074A
Authority: JP
Inventors: 弘和松浦
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009243357A

Description

本発明は、エンジンのシリンダボア内を往復動するピストン構造に関し、エンジンの製造技術分野に属する。

エンジンのシリンダボア内を往復動するピストンには、そのランド部（燃焼室側の外周面部分）に、燃焼室からクランク室への燃焼ガスの漏れを防ぐコンプレッションリングが取り付けられていると共に、その下方にピストンの外周面とシリンダボアの表面との摩擦を低減するために該シリンダボアの表面に一様な潤滑油の油膜を形成し、かつピストンの下降時に余分な潤滑油を掻き落として燃焼室への侵入（いわゆるオイル上がり）を防止するオイルリングが取り付けられている。

このようなピストン構造として、例えば特許文献１に記載のものがある。これは、図４に示すように、ピストン１００のランド部のコンプレッションリング１０２とオイルリング１０４との間の部分に、周回する溝１０６が形成されている。この溝１０６は、ピストン１００がシリンダボア１０８内を下降しているときにオイルリング１０４が掻き残した潤滑油を一時的に貯留するための空間である。

そして、前記溝１０６に貯留した潤滑油は、ピストン１００が下降から上昇に転じた後の上昇行程の前半時（ピストンが燃焼室に向かって加速中）に流出し、オイルリング１０４によって一様な油膜に形成される。その際、溝１０６から潤滑油が流出しやすいように、該溝１０６の深さは、オイルリング１０４に近いほど浅くなるように設定されている。

これによれば、コンプレッションリング１０２の近傍に過度に潤滑油が溜まることが抑制され、燃焼室へのオイル上がりが防止される。また、オイル上がりを防止しながら、オイルリング１０４の張力を弱めて該オイルリング１０４とシリンダボア１０８の表面との間の摺動抵抗を低減することが可能となり、エンジンの燃費性能の向上が期待できる。

特開２００１−２１４８０４公報

ところが、特許文献１に記載している、コンプレッションリング１０２とオイルリング１０４との間のランド部分に形成されている潤滑油を一時的に溜める溝１０６の深さは、すなわち貯留できる潤滑油の量には限界がある。例えばオイルリング１０４の劣化等により該オイルリング１０４の潤滑油の掻き取り能力が低下するなどして前記溝１０６の貯留限界を超えると、ピストン１００が下降しているときに溝１０６に貯留できなかった潤滑油がコンプレッションリング１０２を通過して燃焼室に漏れ、オイル上がりが発生する可能性がある。

この対処として、潤滑油を一時的に貯留する溝１０６を深く形成することが考えられるが、このようにすると、この潤滑油貯留用の溝１０６と、コンプレッションリング１０２やオイルリング１０４が嵌め込まれるリング溝との間の仕切り壁部分１１０が高くなり、該部分１１０の剛性が低下して、コンプレッションリング１０２やオイルリング１０４等の姿勢保持機能が低下する。また、溝１０６を深くすると、深部に貯留した潤滑油がピストン１００の上昇行程前半時に流出しにくくなり、シリンダボア１０８の表面に一様な油膜が形成できなくなる可能性がある。

そこで、本発明は、オイルリングの摺動抵抗を低減でき、かつ各リングに対する姿勢保持機能を維持しつつ、潤滑油の一様な油膜をシリンダボアの表面に安定して形成でき、しかも燃焼室へのオイル上がりを防止することができるピストン構造を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、シリンダボア内を往復動し、ランド部に少なくとも１つのコンプレッションリングとその下方にオイルリングとを備えたピストン構造であって、
ランド部の内部に形成された潤滑油貯留室と、
コンプレッションリングとオイルリングとの間のランド部の周面に開口を備え、前記潤滑油貯留室の下部と連絡された油路と、
前記潤滑油貯留室の上部とピストンの内部空間とを連絡し、ピストンの下降中、前記オイルリングとシリンダボア表面との間を通過した潤滑油が前記油路を介して潤滑油貯留室に流入するときに該貯留室内の空気を抜き、ピストンの上昇中、前記潤滑油貯留室に貯留されている潤滑油が前記油路を介してコンプレッションリングとオイルリングとの間に流出するときに該貯留室内に空気を流入させる空気路とを備えた潤滑油回収供給手段を有することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のピストン構造において、
前記潤滑油回収供給手段は、ランド部の周方向に少なくとも２つ設けられていることを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のピストン構造において、
前記潤滑油貯留室は、ピストンの下方からドリルによって加工された非貫通穴の開口部を閉栓することにより形成されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ピストンの下降中にオイルリングとシリンダボアの表面との間を通過した潤滑油は、コンプレッションリングの近傍に一部が溜まるものの、過剰分がコンプレッションリングとオイルリングとの間のランド部の周面に開口を備える油路を介してランド部の内部に形成された潤滑油貯留室にその下部から流れ入って貯留される。このとき、潤滑油は、潤滑油貯留室の上部から空気路を介してピストンの内部空間（クランク室）に該貯留室内の空気が抜けるため、潤滑油貯留室にスムーズに流れ入る。これにより、ピストンの下降中にコンプレッションリングの近傍に過剰な潤滑油が溜まって燃焼室に該潤滑油が侵入すること、すなわちオイル上がりが防止される。

加えて、ピストンの上昇行程の前半時に、潤滑油貯留室に貯留されている潤滑油が、油路を介してコンプレッションリングとオイルリングとの間に流出する。このとき、潤滑油は、潤滑油貯留室の上部が空気路を介してピストンの内部空間に連絡されていることと潤滑油に作用する慣性力により、潤滑油貯留室の下部からスムーズに流れ出る。これにより、ピストンの上昇行程の前半時に、潤滑油が安定してオイルリングに供給され、一様な油膜がシリンダボアの表面に安定して形成される。

さらに加えて、ピストンの下降中にオイルリングとシリンダボアの表面との間を通過した潤滑油を一時的に貯留する空間が、上述の特許文献１に記載するようなコンプレッションリングやオイルリングが嵌め込まれるリング溝の間に配置された深い溝ではなく、ランド部内部に形成された空間である潤滑油貯留室であるので、ピストンの各リングに対する姿勢保持機能を損なうことがない。また、潤滑油貯留室を大きく形成することにより、ピストンの下降中にオイルリングとシリンダボアの表面との間を通過する潤滑油量を大きくすることが可能になる、すなわちオイルリングの張力を弱めて該オイルリングとシリンダボアの表面との間の摺動抵抗を低減することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、潤滑油貯留室、油路、および空気路から構成される潤滑油回収供給手段を、ランド部の周方向に少なくとも２つ有する。少なくとも２つの潤滑油回収供給手段が、分担してそれぞれの潤滑油貯留室に適量の潤滑油を貯留するので、全周に渡って、ピストンの下降中にコンプレッションリングの近傍に潤滑油が過剰に溜まることをさらに確実に防止できると共に、ピストン上昇行程の前半時にさらに確実に安定してオイルリングに潤滑油を供給することができる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、潤滑油貯留室は、ピストンの下方からドリルによって加工された非貫通穴の開口部を閉栓することにより形成される。簡単にピストンのランド部の内部に空間である潤滑油貯留室を形成することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るピストン構造の断面を示している。図に符号１０で示すピストンは、エンジンのシリンダボア内を往復動するものであって、外周面がシリンダボアの表面に摺接する有底円筒形状である。

ピストン１０は、そのランド部（燃焼室側の外周部分）１２に、２つのコンプレッションリング１４ａ、１４ｂが取り付けられている。具体的には、略「Ｃ」字形状のコンプレッションリング１４ａ、１４ｂを対応するランド部１２の位置に形成されたリング溝に強制的に変形させて嵌め込んだ状態のピストン１０をシリンダボアに嵌入させることにより、コンプレッションリング１４ａ、１４ｂが、その復元力で一定の圧力でシリンダボアの表面と接触しつつ、ピストン１０のリング溝に保持される。このコンプレッションリング１４ａ、１４ｂが、燃焼室で発生した燃焼ガスがシリンダボアの表面とピストン１０との間を通ってクランク室に漏れることを防止している。

また、ピストン１０は、コンプレッションリング１４ａ、１４ｂの下方（スカート部１６側）のランド部１２の部分に、オイルリング１８が取り付けられている。オイルリング１８も、コンプレッションリング１４ａ、１４ｂと同様にしてピストン１０のランド部１２に取り付けられている。このオイルリング１８は、ピストン１０の下降中はシリンダボアの表面の潤滑油の大部分を掻き落として燃焼室への潤滑油の侵入（オイル上がり）を防止し、ピストン１０の上昇中は該ピストン１０の外周面とシリンダボアの表面との摩擦を低減するために該シリンダボアの表面に一様な潤滑油の油膜を形成する。なお、図では、コンプレッションリングやオイルリングとそのための溝を簡略して示している。

ランド部１２の内部には、ピストン１０の下降中にオイルリング１８とシリンダボアの表面との間を通過した潤滑油を一時的に貯留する潤滑油貯留室２０が形成されている。この潤滑油貯留室２０に潤滑油を回収するために、コンプレッションリング１４ｂとオイルリングと１８との間のランド部１２の周面に開口を備えて潤滑油貯留室２０の下部と連絡している油路２２がピストン１０に形成されている。また、潤滑油貯留室２０に対する潤滑油の流入や流出をしやすくするために、潤滑油貯留室２０の上部とピストン１０の内部空間（クランク室）とを連絡する空気路２４がピストン１０に形成されている。これらの潤滑油貯留室２０、油路２２、および空気路２４が、請求の範囲に記載の潤滑油回収供給手段を構成し、図１に示すピストン１０においては、この手段がランド部１２の周方向に２つ存在する。

潤滑油貯留室２０は、ピストン１０の下方からドリルによって加工された、概ねピストン１０の往復動方向に延びる非貫通穴の開口部にプラグ２６を嵌入することにより形成されている。

油路２２は、コンプレッションリング１４ｂとオイルリングと１８との間のランド部１２に周回して形成された浅い溝２８の底に開口を備え、潤滑油貯留室２０の下部に連絡している。この油路２２は、例えばドリルによって形成される。

なお、溝２８は、ピストン１０の下降中にオイルリング１８とシリンダボアの表面との間を通過した潤滑油を油路２２内に流れ入りやすくするためのもので、潤滑油を貯留する目的で形成されているわけでない。溝２８がなくても油路２２内に潤滑油がスムーズに流れ入るのであれば、この溝２８は省略してもよい。

空気路２４は、ピストン１０の下降中に油路２２を介して潤滑油が潤滑油貯留室２０にスムーズに流入するように、またピストン１０の上昇行程の前半時（ピストン１０が燃焼室に向かって加速中）に潤滑油貯留室２０内の潤滑油が油路２２を介してオイルリング１８に向かってスムーズに流れ出るように、潤滑油貯留室２０の上部とピストン１０の内部空間（クランク室）とを連絡している。この空気路２４は、例えばドリルによって形成される。

ここからは、潤滑油回収供給手段の動作、すなわち潤滑油貯留室２０、油路２２、および空気路２４の役割を説明する。

図２は、ピストン１０の上昇行程の前半時の該ピストン１０の状態を示している。ピストン１０は、シリンダボア５０内を燃焼室６０に向かって移動している。

ピストン１０の上昇行程中の前半時、潤滑油貯留室２０に貯留されている潤滑油Ｌが、慣性力により、油路２２介してコンプレッションリング１４ｂとオイルリング１８の間に流れ出る。そして、その流れ出た潤滑油Ｌは、オイルリング１８に供給されてシリンダボア５０の表面上の一様な油膜Ｌｆに形成される。なお、これは、潤滑油貯留室２０の上部が空気路２４を介してピストン１０の内部空間（クランク室７０）に連絡されており、また油路２２が潤滑油貯留室２０の下部に連絡されているためで、これにより、潤滑油貯留室２０から潤滑油Ｌがスムーズに流れ出るためである。

潤滑油貯留室２０への潤滑油の回収は、図３に示すように、ピストン１０の下降中に行われる。図を用いて説明すると、ピストン１０の下降中、オイルリング１８とシリンダボア５０の表面との間を通過した潤滑油Ｌは、コンプレッションリング１４ｂとオイルリング１８との間の空間を満たした後、油路２２を介して潤滑油貯留室２０に流れ入る（言い換えると、コンプレッションリング１４ｂの近傍に一部が溜まるものの、過剰分が貯留室２０に流れ入る。）。なお、このとき、潤滑油Ｌがスムーズに潤滑油貯留室２０に流れ入るのは、潤滑油貯留室２０の上部が空気路２４を介してピストン１０の内部空間（クランク室７０）に連絡されており、それにより、潤滑油貯留室２０内の空気がピストン１０の内部空間（クランク室７０）に抜けるからである。これにより、ピストン１０の下降中にコンプレッションリング１４ｂの近傍に過剰な潤滑油Ｌが溜まって燃焼室６０に該潤滑油Ｌが侵入すること、すなわちオイル上がりが防止される。

本実施形態によれば、上述したように、オイル上がりが防止され、シリンダボアの表面に一様な油膜が安定して形成される。また、ピストン１０の下降中にオイルリング１８とシリンダボア５０の表面との間を通過した潤滑油Ｌを一時的に貯留する空間が、すなわち潤滑油貯留室２０がランド部１２の内部に形成されているので、該空間をコンプレッションリングとオイルリングとの間のランド部に形成された溝で構成する場合（特許文献１）に比べて、コンプレッションリング１４ａ、１４ｂやオイルリング１８に対する姿勢保持機能を損なうことがない。

さらに、潤滑油貯留室２０を大きく形成することにより、ピストン１０の下降中にオイルリング１８とシリンダボア５０の表面との間を通過する潤滑油Ｌの量を大きくすることが可能になる、すなわちオイルリング１８の張力を弱めて該オイルリング１８とシリンダボア５０の表面との間の摺動抵抗を低減することができる。

以上、一実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されない。

例えば、上述の実施形態の場合、潤滑油貯留室、油路、および空気路から構成される潤滑油回収供給手段は、図１に示すようにランド部の周方向に２つだけピストンに設けられているが、本発明はその数を２つに限定しない。ただし、１つよりは、少なくとも２つ潤滑油回収供給手段をピストンに設けるのが好ましく、それは、分担してそれぞれの潤滑油貯留室に適量の潤滑油を貯留するので、全周に渡って、ピストンの下降中にコンプレッションリングの近傍に潤滑油が過剰に溜まることをさらに確実に防止できると共に、ピストン上昇行程の前半時にさらに確実に安定してオイルリングに潤滑油を供給することができるからである。

また、上述の実施形態の場合、潤滑油貯留室は、ドリルによって加工された非貫通穴を閉栓することにより形成されているが、本発明はこれに限らない。ただ、ランド内部に空間である潤滑油貯留室を形成する方法は、ドリルで加工した非貫通穴を閉栓して潤滑油貯留室を形成する方法が簡単で容易である。

さらに、上述の実施形態の場合、ピストンにはコンプレッションリングが２つ取り付けられているが、燃焼ガスのクランク室への漏れを防止できるのであれば、本発明はその数を２つに限定しない。ただし、当然ながら１つは必要である。

以上のように、本発明に係るピストン構造は、オイルリングの摺動抵抗を低減でき、かつ各リングに対する姿勢保持機能を維持しつつ、潤滑油の一様な油膜をシリンダボアの表面に安定して形成でき、しかも燃焼室へのオイル上がりを防止することができる。したがって、エンジンの製造産業の分野において好適に利用される可能性がある。

本発明の実施形態に係るピストン構造の断面を示す図である。上昇中のピストンのランド部周辺の断面を示す図である。下降中のピストンのランド部周辺の断面を示す図である。従来のピストンのランド部周辺の断面を示す図である。

符号の説明

１０ピストン
１２ランド部
１４ａコンプレッションリング
１４ｂコンプレッションリング
１８オイルリング
２０潤滑油貯留室
２２油路
２４空気路

Claims

シリンダボア内を往復動し、ランド部に少なくとも１つのコンプレッションリングとその下方にオイルリングとを備えたピストン構造であって、
ランド部の内部に形成された潤滑油貯留室と、
コンプレッションリングとオイルリングとの間のランド部の周面に開口を備え、前記潤滑油貯留室の下部と連絡された油路と、
前記潤滑油貯留室の上部とピストンの内部空間とを連絡し、ピストンの下降中、前記オイルリングとシリンダボア表面との間を通過した潤滑油が前記油路を介して潤滑油貯留室に流入するときに該貯留室内の空気を抜き、ピストンの上昇中、前記潤滑油貯留室に貯留されている潤滑油が前記油路を介してコンプレッションリングとオイルリングとの間に流出するときに該貯留室内に空気を流入させる空気路とを備えた潤滑油回収供給手段を有することを特徴とするピストン構造。
請求項１に記載のピストン構造において、
前記潤滑油回収供給手段は、ランド部の周方向に少なくとも２つ設けられていることを特徴とするピストン構造。
請求項１または２に記載のピストン構造において、
前記潤滑油貯留室は、ピストンの下方からドリルによって加工された非貫通穴の開口部を閉栓することにより形成されることを特徴とするピストン構造。