JPH11336900A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂製ピストンリングにおける燃焼室側とク
ランクケース側との熱膨張差によるシール性の低下を防
止する。 【解決手段】 アウターリング２に設けられた２つの突
条８，１０の内、燃焼室側の上部突条８の外径が、クラ
ンクケース側の下部突条１０の外径よりも小さく形成さ
れている。このため、燃焼室からの高温の燃焼ガスにほ
ぼ直接的に曝される上部突条８の外径は下部突条１０の
外径よりも大きく膨張するが、上記外径の差によりこの
膨張差が相殺されるので、両突条８，１０の先端面８
ａ，１０ａは共にシリンダの内周面に密着し、下部突条
１０がシリンダの内周面から浮き上がることが無い。し
たがって、オイルをクランクケース側に掻き下げる作用
が十分となり、熱膨張差によるシール性の低下を防止す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はピストンリングに関
し、特に、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝
に配置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内
周面に押圧されることで、ピストンとシリンダとにより
区画された空間に存在する高温気体の漏出を阻止する樹
脂製のピストンリングに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関において、シール性の向上を意
図して、合口を有さない樹脂製のピストンリングが使用
されている。例えば、特開平９−１５９０２３号公報に
は、樹脂製ピストンリング、このピストンリングよりも
弾力性のある樹脂製の弾性リングおよびコイルエキスパ
ンダからなるピストンリング構造体が記載されている。

【０００３】このような樹脂製のピストンリングは、合
口を形成しないようにできるばかりでなく、その変形性
の高さからシリンダボアの熱変形に対する追従性も高い
ので、燃焼室の密閉性が金属製ピストンリングに比較し
て極めて高いものとなり、燃費の向上に効果がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような密
閉性の高さから、ピストンリングを境にして、燃焼室側
とクランクケース側との温度差が、金属製ピストンリン
グに比較して大きなものとなってしまう。

【０００５】このように温度差が大きくなると、ピスト
ンリングの熱膨張も、燃焼室側とクランクケース側とで
は、大きく異なることになる。このため、図５（Ａ）に
示すごとく、ピストンリング２０２の摺動面２０４，２
０６をシリンダの内周面２０８に対して適切に当接する
ように形成したにもかかわらず、実際に、内燃機関に適
用し場合には、燃焼室側の熱膨張量がクランクケース側
の熱膨張量よりも極端に大きくなるために、図５（Ｂ）
に示すごとく、燃焼室側の摺動面２０４はシリンダ内周
面２０８に当接するが、クランクケース側の摺動面２０
６はシリンダ内周面２０８から浮き上がるといった現象
が生じる。

【０００６】このようにクランクケース側が浮き上がる
と、シリンダ内周面２０８からオイルを掻き取る作用が
低下して、燃焼室内にオイルが侵入してしまい、結果と
してシール性が低下するという問題が生じる。

【０００７】なお、合口が存在するピストンリングで
も、樹脂製ピストンリングの場合は、前述したごとく、
シリンダボアに対する追従性が高いので、金属製ピスト
ンリングよりも燃焼ガスに対するシール性が高いことか
ら、同様に燃焼室側とクランクケース側とで熱膨張差が
大きくなり、オイルシール性に問題を生じる。

【０００８】本発明は、このような樹脂製ピストンリン
グにおける熱膨張差によるシール性の低下を防止するこ
とを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１のピストンリン
グは、ピストン周面に周方向に形成されたリング溝に配
置されるとともにピストンが往復動するシリンダ内周面
に押圧されることで、ピストンとシリンダとにより区画
された空間に存在する高温気体の漏出を阻止する樹脂製
のピストンリングであって、前記シリンダ内周面に当接
される摺動面の内、前記空間側の外径が前記空間とは反
対側の外径よりも小さく形成されていることを特徴とす
る。

【００１０】このようにピストンリングのシリンダ内周
面に当接される摺動面の内、ピストンとシリンダとによ
り区画された空間側の外径が、この空間とは反対側の外
径よりも小さく形成されているため、熱膨張により、空
間側の外径が大きくなっても、元来、空間側の外径が反
対側よりも小さく形成されていることと相殺して、空間
とは反対側が浮き上がることが無くなり、オイルなどの
シール性も完全となり、シール性の低下を防止すること
ができる。

【００１１】なお、空間側の外径と反対側の外径との差
は、使用される環境における温度差に基づいて、反対側
の摺動面が浮き上がらないように設定すればよい。請求
項２のピストンリングは、請求項１の構成に対して、前
記シリンダ側へ突出して先端面が前記シリンダ内周面に
当接される少なくとも２本の突条を全周にわたって形成
するとともに、前記空間側の前記突条先端面での外径
は、前記空間とは反対側の前記突条先端面での外径より
も小さく形成されていることを特徴とする。

【００１２】このように、少なくとも２本の突条が配置
されて、その各先端面が摺動面とされている場合も、空
間側の突条先端面の外径の方が反対側の突条先端面の外
径よりも小さく形成されていることにより、温度差によ
る膨張差を相殺して、反対側の突条先端面がシリンダ内
周面から浮き上がることが防止される。したがって、シ
ール性の低下を防止することができる。

【００１３】請求項３のピストンリングは、請求項１の
構成に対して、前記シリンダ内周面に当接される摺動面
は、テーパ状に傾斜されることにより、前記空間側の外
径が前記空間とは反対側の外径よりも小さく形成されて
いることを特徴とする。

【００１４】このように、ピストンリングの摺動面は、
テーパ状に傾斜することによっても、摺動面の空間側の
外径を反対側の外径よりも小さく形成することができ、
シール性の低下を防止することができる。

【００１５】請求項４のピストンリングは、請求項３の
構成に対して、前記摺動面に連続して前記空間側に、前
記摺動面よりも角度の大きいテーパ状に傾斜する外周面
が形成されていることを特徴とする。

【００１６】このように、ピストンリングが、摺動面と
は別個に摺動面よりも角度の大きいテーパ状に傾斜する
外周面を有することにより、摺動面全体が熱膨張差を相
殺してシリンダ内周面に密着した状態でも、上記外周面
は、オイルなどがシリンダ内周面に存在する場合に、ピ
ストンリングが空間側に移動することで角度の大きい外
周面の作用によりオイル等にピストンリングが乗り上げ
る作用をなし、更にピストンリングが空間とは反対側に
移動することで外周面の作用は機能せずオイルを掻き出
す作用のみが生じる。このことにより、シール性を一層
完全なものとすることができる。

【００１７】請求項５のピストンリングは、請求項１〜
４のいずれかの構成に対して、合口が形成されていない
ことを特徴とする。このように合口が存在しないタイプ
の樹脂製ピストンリングは、前述したごとく、特に、熱
膨張差が生じやすいが、このようなものもシール性の低
下防止が可能となり、作用効果が顕著である。

【００１８】請求項６のピストンリングは、請求項１〜
５のいずれかの構成に対して、複数のリング状部材から
なるピストンリング構造体の内の外側のリング状部材と
して形成されていることを特徴とする。

【００１９】上述したピストンリングは、単独で用いら
れるものばかりでなく、他のリング状部材と共に、ピス
トンリング構造体として用いられるものでもよく、同様
に、温度差による膨張差を相殺して、シール性の低下を
防止することができる。

【００２０】なお、請求項１〜６のいずれかの構成にお
いて、前記ピストンおよび前記シリンダを内燃機関のピ
ストンおよびシリンダとし、前記高温気体を燃焼ガスと
して、内燃機関に適用することができる。内燃機関にお
いては、熱膨張差によりオイルシール性の対策が必要と
なるので、内燃機関に用いてオイルシール性の低下防止
に顕著な作用効果を生じる。

【００２１】

【発明の実施の形態】［実施の形態１］図１は、本発明
のピストンリングの一実施の形態としてのアウターリン
グ２の断面図を示している。

【００２２】ここで、アウターリング２は樹脂製であ
り、合口のないシームレスなリングとして形成されてい
る。樹脂としては例えば、ポリイミド等の比較的硬くて
耐摩耗性のある樹脂が選択される。

【００２３】アウターリング２の内周面４は短円筒面と
して平滑に形成されているが、外面６側には、２本の突
条８，１０がアウターリング２の全周面にわたって配置
されている。各突条８，１０の先端には、短円筒状の周
面を形成する先端面８ａ，１０ａと、燃焼室側の角部の
位置にテーパー面８ｂ，１０ｂ（請求項４の外周面に相
当する）とが形成されている。

【００２４】２つの突条８，１０の内、燃焼室側の上部
突条８の先端面８ａは、クランクケース側の下部突条１
０の先端面１０ａに比較して、その突出量が小さく形成
されている。なお、図１では突出量差ｄで表されてい
る。この突出量差ｄは、例えば、数十μのオーダーであ
り、このアウターリング２を内燃機関に用いた場合にお
ける燃焼室側の温度とクランクケース側の温度との温度
差により生じる上部突条８と下部突条１０との熱膨張差
に基づいて決定される値である。すなわち、この突出量
差ｄは、アウターリング２の使用時の熱膨張差によって
上部突条８の先端面８ａと下部突条１０の先端面１０ａ
とが同一面となる値に、アウターリング２の成形時に設
定されている。

【００２５】このアウターリング２は、使用時に、図２
に示すごとく、インナーリング１２およびコイルエキス
パンダ１４と組み合わされてピストンリング構造体とし
て用いられる。なお、このピストンリング構造体は、本
実施の形態１では、ピストン１６の頂部から２番目のリ
ング溝１８内に配置されたセカンドリングとして用いら
れている。

【００２６】ここで、ピストン１６のリング溝１８内に
は、内側からコイルエキスパンダ１４、インナーリング
１２およびアウターリング２が配置されている。コイル
エキスパンダ１４は断面矩形のスチール線材（いわゆる
角線材）をコイル状に巻いたものであり、この中にはス
チールの芯材１４ａが貫通しており、スチール線材は芯
材１４ａに沿って円形に曲げられている。

【００２７】コイルエキスパンダ１４から、シリンダ２
０側へ押圧されているインナーリング１２はコイルエキ
スパンダ１４側に開く略Ｖ形の溝を有し、その斜面１２
ａ，１２ｂにてコイルエキスパンダ１４からの圧力を受
けている。このため、インナーリング１２は外側に隣接
するアウターリング２を、シリンダ２０側に押圧する。

【００２８】更に、インナーリング１２は比較的弾力性
のある樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐ
ＴＦＥ）にて形成されているため、コイルエキスパンダ
１４の圧力により、インナーリング１２自身は、斜面１
２ａ，１２ｂを開くようにして、燃焼室側とクランクケ
ース側とへそれぞれ広がる。したがって、クランクケー
ス側のインナーリング側面１２ｃがリング溝１８のクラ
ンクケース側の側面１８ａに密着し、燃焼室側のインナ
ーリング側面１２ｄがリング溝１８の燃焼室側の側面１
８ｂに密着する。このことにより、リング溝１８の側面
１８ａ，１８ｂとインナーリング１２との間は、燃焼ガ
スに対して完全なシール性を生じる。

【００２９】更に、インナーリング１２とアウターリン
グ２とは共に合口が存在しないシームレスなリングであ
り、アウターリング２はインナーリング１２を介したコ
イルエキスパンダ１４の圧力により、シリンダ２０の内
周面２０ａの全周に接触しているので、燃焼室の燃焼ガ
スは完全に密閉される。

【００３０】更に、アウターリング２の上部突条８は燃
焼室側からの燃焼ガスにほぼ直接的に曝され、下部突条
１０は曝されないので、両突条８，１０の温度は大きな
差が存在し、その熱膨張差も大きなものとなる。しか
し、図１に示したごとく、使用時の熱膨張差を相殺でき
る突出量差ｄが形成されているので、図２に示したごと
く、両突条８，１０の先端面８ａ，１０ａは、両方とも
全面でシリンダ２０の内周面２０ａに密着する。したが
って、ピストン１６が燃焼室側に移動する時は、テーパ
ー面８ｂ，１０ｂの働きにより先端面８ａ，１０ａがシ
リンダ２０表面のオイルに乗り上げ、ピストン１６がク
ランクケース側に移動する時は、テーパー面のない角部
８ｃ，１０ｃが先頭となるので、シリンダ２０表面のオ
イルをクランクケース側に戻すことができる。そして、
このようなピストン１６の往復動の全行程においても、
先端面８ａ，１０ａはシリンダ２０の内周面２０ａに密
着している。

【００３１】以上説明した本実施の形態１によれば、以
下の効果が得られる。 （イ）．アウターリング２に設けられた２つの突条８，
１０の内、燃焼室側の上部突条８の外径が、クランクケ
ース側の下部突条１０の外径よりも小さく形成されてい
る。このため、燃焼室からの高温の燃焼ガスにほぼ直接
的に曝される上部突条８の外径は下部突条１０の外径よ
りも大きく膨張するが、上記外径の差によりこの膨張差
が相殺されるので、両突条８，１０の先端面８ａ，１０
ａは共にシリンダ２０の内周面２０ａに密着し、下部突
条１０がシリンダ２０の内周面２０ａから浮き上がるこ
とが無い。したがって、オイルをクランクケース側に掻
き下げる作用が十分となり、熱膨張差によるシール性の
低下を防止することができる。

【００３２】（ロ）．両方の突条８，１０の先端面８
ａ，１０ａには、燃焼室側にテーパー面８ｂ，１０ｂが
連続して形成されているとともに、クランクケース側に
はテーパー面は存在していないので、前述した作用によ
り、特にオイルの掻き下げ効果が大きい。

【００３３】（ハ）．前述したごとく、アウターリング
２もインナーリング１２も共に合口が形成されていない
ことと、インナーリング１２はコイルエキスパンダ１４
の押圧力によりリング溝１８の両側面１８ａ，１８ｂに
密着するので、燃焼ガスのクランクケース側への漏出は
完全に防止される。そして、この燃焼ガスの漏出が完全
に防止されることから、アウターリング２の燃焼室側と
クランクケース側との温度差が特に大きくなるが、この
ようなピストンリング構造体でもシール性の低下防止が
可能となり、前記（イ）の効果が顕著なものとなる。

【００３４】［実施の形態２］前記実施の形態１では外
径の異なる２本の突条を設けたアウターリングの例を挙
げたが、本実施の形態２における樹脂製のアウターリン
グ１０２では、図３に示すごとく、シリンダの内周面に
当接される摺動面１０８がテーパ状に傾斜された面を形
成してる。このことにより、摺動面１０８における燃焼
室側縁部１０８ａの外径がクランクケース側縁部１０８
ｂの外径よりも小さく形成されている。なお、摺動面１
０８の燃焼室側縁部１０８ａに連続して、燃焼室側に
は、摺動面１０８よりも角度の大きいテーパ状に傾斜す
るテーパー面１１０（請求項４の外周面に相当する）が
形成されている。

【００３５】なお、アウターリング１０２の軸方向に対
する摺動面１０８の角度αは、図４に示すごとく、アウ
ターリング１０２が内燃機関に用いられた場合に、燃焼
室側の温度とクランクケース側の温度との差により生じ
る熱膨張差を相殺して、シリンダ１２０の内周面１２０
ａに密着できるように設定されている。また、テーパー
面１１０は摺動面１０８よりもβ分角度が大きく設定さ
れているので、ピストン１１６のリング溝１１８に配置
されて燃焼室側から加熱されてもシリンダ１２０の内周
面１２０ａには密着せず角度を維持している。

【００３６】以上説明した本実施の形態２によれば、以
下の効果が得られる。 （イ）．本実施の形態２のごとくアウターリング１０２
の摺動面１０８をテーパ状に傾斜することによっても、
前記実施の形態１の（イ）に示した場合と同様に、摺動
面１０８の全面がシリンダ１２０の内周面１２０ａに密
着でき、シール性の低下を防止することができる。

【００３７】（ロ）．摺動面１０８と別個に摺動面１０
８よりも角度の大きいテーパ状に傾斜するテーパー面１
１０を、燃焼室側に隣接して有することにより、摺動面
１０８全体が熱膨張差にてシリンダ１２０の内周面１２
０ａに密着した状態でも、テーパー面１１０は浮き上が
る。このため、前記実施の形態１の（ロ）と同様な作用
効果を生じる。

【００３８】（ハ）．前記実施の形態１と同様に合口が
アウターリング１０２には存在していない。このことか
ら前記実施の形態１の（ハ）と同じ作用効果が生じる。 ［その他の実施の形態］ ・前記実施の形態１，２において、合口の無いアウター
リングやインナーリングの例を示したが、合口のあるも
のを用いても同様にシール性の低下を防止することがで
きる。

【００３９】・前記実施の形態１，２においては、ピス
トンリング構造体に用いられるアウターリングとして本
発明が具現化されていたが、前記実施の形態１，２のア
ウターリングと同形状のものを、インナーリング無しで
コイルエキスパンダと組み合わせて用いる形態でもよ
く、また、インナーリングもコイルエキスパンダも無く
してアウターリングと同形状のものを単独で用いる形態
でもよい。このような構造でも、熱膨張差を相殺するよ
うに燃焼室側の外径を小さくすることにより、シール性
の低下を防止することができる。

【００４０】・前記実施の形態１，２では、燃焼室側に
テーパー面８ｂ，１０ｂ，１１０が形成されているが、
例えば、前記実施の形態１では突出量差ｄさえあれば、
燃焼室側のテーパー面８ｂ，１０ｂは存在しなくても、
シール性の低下防止効果は存在する。また、前記実施の
形態２において、アウターリング１０２の摺動面１０８
に角度αがあれば、燃焼室側のテーパー面１１０が存在
しなくても同様にシール性の低下防止効果が存在する。

【００４１】・前記実施の形態１，２では、セカンドリ
ングとして用いられている例を挙げたが、各実施の形態
の構成を、一番上に存在するトップリングとして適用す
ることもできる。

【００４２】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明の実施の形態には、特許請求の範囲に記載
した技術的事項以外に次のような各種の技術的事項の実
施形態を有するものであることを付記しておく。

【００４３】（１）．前記ピストンおよび前記シリンダ
は、内燃機関のピストンおよびシリンダであり、前記高
温気体は燃焼ガスであることを特徴とする請求項１〜６
のいずれか記載のピストンリング。

【００４４】

【発明の効果】請求項１のピストンリングは、シリンダ
内周面に当接される摺動面の内、ピストンとシリンダと
により区画された空間側の外径が、この空間とは反対側
の外径よりも小さく形成されているため、熱膨張によ
り、空間側の外径が大きくなっても、元来、空間側の外
径が反対側よりも小さく形成されていることと相殺し
て、空間とは反対側が浮き上がることが無くなり、オイ
ルなどのシール性も完全となり、シール性の低下を防止
することができる。

【００４５】請求項２のピストンリングは、少なくとも
２本の突条が配置されて、前記空間側の突条先端面の外
径の方が反対側の突条先端面の外径よりも小さく形成さ
れていることにより、温度差による膨張差を相殺して、
反対側の突条先端面がシリンダ内周面から浮き上がるこ
とが防止される。したがって、シール性の低下を防止す
ることができる。

【００４６】請求項３のピストンリングは、その摺動面
をテーパ状に傾斜することによっても、摺動面の空間側
の外径を反対側の外径よりも小さく形成することがで
き、シール性の低下を防止することができる。

【００４７】請求項４のピストンリングは、摺動面とは
別個に摺動面よりも角度の大きいテーパ状に傾斜する外
周面を有する。このため摺動面全体が熱膨張差を相殺し
てシリンダ内周面に密着した状態でも、上記外周面はオ
イルを掻き出す作用を大きくすることができ、シール性
を一層完全なものとすることができる。

【００４８】請求項５のピストンリングは、合口が存在
しないタイプの樹脂製ピストンリングであるが、このよ
うな特に熱膨張差が生じやすいものもシール性の低下防
止が可能となり、作用効果が顕著である。

【００４９】請求項６のピストンリングのように、他の
リング状部材と共に、ピストンリング構造体として用い
られるものであっても、同様に、温度差による膨張差を
相殺して、シール性の低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１としてのアウターリングの断面
図。

【図２】 実施の形態１のアウターリングを内燃機関に
適用した状態を示す断面図。

【図３】 実施の形態２としてのアウターリングの断面
図。

【図４】 実施の形態２のアウターリングを内燃機関に
適用した状態を示す断面図。

【図５】 従来のピストンリングの状態を示す断面図。

【符号の説明】

２…アウターリング、４…内周面、６…外面、８…上部
突条、８ａ…先端面、８ｂ，１０ｂ…テーパー面、８
ｃ，１０ｃ…角部、１０…下部突条、１０ａ…先端面、
１２…インナーリング、１２ａ，１２ｂ…斜面、１２
ｃ，１２ｄ…インナーリング側面、１４…コイルエキス
パンダ、１４ａ…芯材、１６…ピストン、１８…リング
溝、１８ａ，１８ｂ…リング溝の側面、２０…シリン
ダ、２０ａ…シリンダの内周面、１０２…アウターリン
グ、１０８…摺動面、１０８ａ…燃焼室側縁部、１０８
ｂ…クランクケース側縁部、１１０…テーパー面、１１
６…ピストン、１１８…リング溝、１２０…シリンダ、
１２０ａ…シリンダの内周面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 道生 東京都中央区八重洲１丁目９番９号 帝国 ピストンリング 株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン周面に周方向に形成されたリン
   グ溝に配置されるとともにピストンが往復動するシリン
   ダ内周面に押圧されることで、ピストンとシリンダとに
   より区画された空間に存在する高温気体の漏出を阻止す
   る樹脂製のピストンリングであって、 前記シリンダ内周面に当接される摺動面の内、前記空間
   側の外径が前記空間とは反対側の外径よりも小さく形成
   されていることを特徴とするピストンリング。
2. 【請求項２】 前記シリンダ側へ突出して先端面が前記
   シリンダ内周面に当接される少なくとも２本の突条を全
   周にわたって形成するとともに、前記空間側の前記突条
   先端面での外径は、前記空間とは反対側の前記突条先端
   面での外径よりも小さく形成されていることを特徴とす
   る請求項１記載のピストンリング。
3. 【請求項３】 前記シリンダ内周面に当接される摺動面
   は、テーパ状に傾斜されることにより、前記空間側の外
   径が前記空間とは反対側の外径よりも小さく形成されて
   いることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
4. 【請求項４】 前記摺動面に連続して前記空間側に、前
   記摺動面よりも角度の大きいテーパ状に傾斜する外周面
   が形成されていることを特徴とする請求項３記載のピス
   トンリング。
5. 【請求項５】 合口が形成されていないことを特徴とす
   る請求項１〜４のいずれか記載のピストンリング。
6. 【請求項６】 複数のリング状部材からなるピストンリ
   ング構造体の内の外側のリング状部材として形成されて
   いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のピ
   ストンリング。