JP2002115759A - 圧力ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実動時における合口部近傍の極端な面圧上昇
を抑えることができ、低コストで製造可能な圧力ピスト
ンリングの提供。 【解決手段】 圧力ピストンリング１は、略円形状をな
し、シリンダ２に対し摺動する外周摺動面１ａと、ピス
トン３に対向する内周面１ｂと、該略円形状を半径方向
に分断する１つの合口部とを備える。そして、内周面１
ｂが規定する内径をｄ１、外周摺動面１ａと内周面１ｂ
の距離である半径方向長さをａ１、外周摺動面における
軸方向長さをｈ１とすると、ｄ１／ａ１が４０乃至６０
であり、ｄ１／ｈ１が３０乃至５５である。また、用途
としては、エンジン用に使用されるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力ピストンリングに関
し、特にディーゼルエンジン用の第１圧力ピストンリン
グに用いたときに効果を顕著に発揮する圧力ピストンリ
ングに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ピストンリングのオーバリテ
ィーをゼロ以下として（楕円形状として）、常温時にお
ける合口近傍の面圧を小さく設定することによって、実
働時の合口部面圧上昇を抑制し、それにより発生する表
面処理層のクラックや剥離を防止するローポイントリン
グが使用されている。

【０００３】特開２０００−１２０８６６号公報には、
ピストンリングに表面処理を行った後に、合口端部周辺
のリング内周面に、半径方向長さを短くする切欠部を形
成することが記載されている。これは、リングの形状を
調整したのみのローポイントピストンリングでは、当り
抜けが生じないようにすれば摩耗対策に十分でなく、合
口端部の面圧上昇を抑制すると当り抜けが生じてしまう
という欠点があることに鑑みた改良である。該公報に記
載されたピストンリングによると、切欠部を形成するこ
とによるリングカーブの変化と、合口近傍の曲げ剛性の
低下により、実働時の合口部面圧上昇を抑制し、それに
より発生する表面処理層のクラックや剥離を防止するこ
とができる。このピストンリングは、過酷な状況下であ
る高過給ディーゼルエンジンにおいても使用することが
できる。

【０００４】リングの形状を調整したローポイントピス
トンリングや、特開２０００−１２０８６６号公報に記
載されたピストンリングのいずれにおいても、ともに合
口近傍における面圧上昇を抑制することができ、摺動面
の過剰な摩耗を低減することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、リングの形状
を調整することにより製造されたローポイントピストン
リングは、常温時において、合口近傍の面圧が等圧分布
のピストンリングと比較して低いため、リング外周面の
加工、特にラッピングによる加工を行う際に問題が生じ
る。リング外周面の加工を行う際には、リングのもつ自
己張力により、リング外周面を研削治具に周方向いずれ
の箇所においても均一な面圧で接触させ、リングの最終
的な摺動面形状を造形する。このとき、周方向形状が調
整されたローポイントピストンリングでは、外周面加工
前から合口近傍部において面圧が低下しているため、切
削治具とリングとの密着度が低下し、合口近傍部におい
て設計値通りの形状に加工することが困難となるのであ
る。

【０００６】このような問題を回避するため、リングや
治具をエンジン作動時と同様の温度分布とし、リング合
口近傍を熱変形により研削治具と密着させることなどが
考えられるが、現状ではこのような温度分布としてリン
グ外周面の加工をすることは困難である。

【０００７】また、特開２０００−１２０８６６号に記
載されたような、合口近傍において内周面に切欠部を形
成したピストンリングは、リングの表面処理を行った後
に、合口近傍のリング内周面側を切削又は研磨加工し
て、半径方向長さ（ａ１）を小さくすることにより製造
する。そのため、全面窒化処理を施したリングに切削又
は研磨加工を行う場合は、リングの硬度が高いために、
切削加工の能率が悪く、刃物の寿命が非常に短くなる。
また、窒化処理等の表面処理を施していないリングに切
削又は研磨加工を行う場合であっても、切削加工による
取代が大きいために、加工に長い時間を要する。従っ
て、合口近傍のリング内周面側を切削または研磨する工
程を追加することによって、製造コストが大幅に上昇し
てしまうという問題を有している。

【０００８】そこで本発明は、実動時における合口部近
傍の極端な面圧上昇を抑えることができ、低コストで製
造可能なエンジン用圧力ピストンリングを提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、略円形状をなし、シリンダに対し摺動す
る外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該略円
形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備える圧力
ピストンリングにおいて、該内周面が規定する内径をｄ
１、該外周摺動面と該内周面の距離である半径方向長さ
をａ１、該外周摺動面における軸方向長さをｈ１とする
と、ｄ１／ａ１が４０乃至６０であり、ｄ１／ｈ１が３
０乃至５５であることを特徴とするエンジン用圧力ピス
トンリングを提供している。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の圧力ピストンリングを第
１圧力ピストンリングとして用いた場合の実施の形態と
して図に基づき説明する。

【００１１】図１に本実施の形態の第１圧力ピストンリ
ング１のエンジン稼働時の状態を示す。シリンダ２の内
周面とピストン３の外周面の間には、クリアランスが設
けられている。ピストン３の周面にはリング溝４、５、
６が形成されており、リング溝４、５、６のうち、最も
燃焼室側に近いリング溝４に、第１圧力ピストンリング
１が装着されている。第１圧力ピストンリング１は、シ
リンダ２に対し摺動する外周摺動面１ａと、ピストン３
側の内周面１ｂと、上面１ｃと、下面１ｄとを備える。

【００１２】リング溝４のピストン３の軸方向に平行な
円周状の底面４ａと、第１圧力ピストンリング１の内周
面１ｂとの間には、クリアランスが設けられている。ま
た、リング溝４の上面４ｂと下面４ｃの間の距離は、第
１圧力ピストンリング１の上面１ｃと下面１ｄの間の距
離よりも大きく、ピストン２の摺動により、第１圧力ピ
ストンリング１は、リング溝４内を上下に挙動する。こ
れにより、リング溝４の上面４ｂと第１ピストンリング
１の上面１ｃが接触し、リング溝４の下面４ｃと第１圧
力ピストンリング１の下面１ｄとの間にクリアランスが
できたり、リング溝４の下面４ｃと第１ピストンリング
１の下面１ｄが接触し、リング溝４の上面４ｂと第１ピ
ストンリング１の上面１ｃとの間にクリアランスができ
たりする。

【００１３】ピストン３のリング溝４よりも内周側に
は、クーリングギャラリー（冷却空洞）７が形成されて
おり、ピストン３および第１圧力ピストンリング１が内
周側から冷却されている。

【００１４】本実施の形態の第１圧力ピストンリング１
は、高過給ディーゼルエンジン用に使用されたとき、特
に顕著にその効果を発揮するものであり、合口部近傍の
内周面１ｂに切欠部は形成されず、また、楕円形状でも
ない通常のリング形状をなす。ただし、内周面１ｂが規
定する内径をｄ１、外周摺動面１ａと内周面１ｂの距離
である半径方向長さをａ１、外周摺動面１ａにおける軸
方向長さをｈ１とすると、ｄ１／ａ１が４０乃至６０で
あり、ｄ１／ｈ１が３０乃至５５である。

【００１５】本実施の形態の第１圧力ピストンリング１
のｄ１／ａ１は、従来のピストンリングのｄ１／ａ１よ
りも大きい。また、ｄ１／ｈ１は、従来のピストンリン
グのｄ１／ｈ１とほぼ等しい。

【００１６】ｄ１／ａ１の下限値を４０とした理由につ
いて説明する。特開２０００−１２０８６６号公報に記
載されているように、従来の合口近傍において内周面に
切欠部を形成したピストンリングでは、ピストンリング
外周摺動面の過剰な摩耗や、表面処理層の剥離やクラッ
ク等を抑えるために、エンジン実働時の合口端部におけ
る面圧を０．５ＭＰａ以下になるように設定している。
本実施の形態でも同様な認識に基づいており、ａ１がリ
ング周方向いずれの箇所においても一定であるとき、ｄ
１／ａ１が４０以上となったときに、実働時における合
口端部における面圧が０．５ＭＰａ以下となることがわ
かった。従って、ｄ１／ａ１の下限値を４０とした。

【００１７】また、ｄ１／ａ１の上限値を６０とした理
由は、ピストン３のリング溝４形成領域よりも燃焼室に
近い側のトップランドと、シリンダ２との間のクリアラ
ンスの幅の長さよりも、第１圧力ピストンリング１の上
面１ｃとリング溝４の上面４ｂとの接触部分、および第
１圧力ピストンリング１の下面１ｄとリング溝４の下面
４ｃとの接触部分の半径方向長さを大きくするためであ
る。ｄ１／ａ１が６０よりも大きいと、ピストンリング
の上面および下面が、ピストンのリング溝の上面および
下面とわずかな面積でしか接触していないために、ピス
トンリングの上面および下面と、ピストンのリング溝の
上面および下面との間のシール性能が低下する。また、
エンジン実働時のピストンリングのリング溝内での挙動
が不安定となる。よって、ｄ１／ａ１の上限値を６０と
した。

【００１８】本実施の形態の第１圧力ピストンリング１
によれば、ｄ１／ａ１が従来のピストンリングよりも大
きい。即ち、合口近傍に限定せず、リング全周のａ１寸
法が従来のピストンリングよりも相対的に小さくなって
いる。ピストンリングの合口近傍がエンジン実働時にお
いて高面圧となる主な要因は、ピストンリングの内周面
と外周摺動面との間に生じる温度勾配であるが、本実施
の形態の第１圧力ピストンリング１では、ａ１寸法が相
対的に小さくなっているので、内周面１ｂと外周摺動面
１ａとの間の距離が小さくなり、両者の温度差も小さく
なる。従って、合口近傍における面圧の極端な上昇を抑
えることができる。なお、本実施の形態の第１圧力ピス
トンリング１では、リング全周のａ１寸法を小さくした
ことにより、製造過程において内周面１ａ側を切削加工
する等の工程を要しない。これにより、低コストで製造
することができる。

【００１９】また、ピストンリングの張力はａ１寸法に
大きな影響を受け、ｄ１／ａ１が大きくなり、ａ１寸法
が相対的に小さくなるとともに、ピストンリングの張力
が低下する。これにより、ピストンリングのシリンダへ
の追従性は常温時においては低下する。しかし、本実施
の形態の第１圧力ピストンリング１は、高過給ディーゼ
ルエンジンに使用されたときは、エンジン稼働時の筒内
圧が非常に高い状態となる。従って、エンジン実動時に
は、この筒内圧が、リング溝４の底面４ａと第１圧力ピ
ストンリング１の内周面１ａとの間のクリアランスを介
して、第１圧力ピストンリング１を、内周面１ｂ側から
シリンダ２側に押しつけるように作用する。特に、本実
施の形態のピストンリング１は第１圧力ピストンリング
であり、筒内圧が直接作用するため、この作用が極めて
大きい。従って、低張力であっても曲げ剛性が低けれ
ば、リング内周面１ｂ側から作用する高い筒内圧によ
り、エンジン実働時はリング外周摺動面１ａがシリンダ
２に密着し、ガスやオイルをシールする機能は損なわれ
ない。

【００２０】なお、本発明の圧力ピストンリングは、ボ
ア変形が小さく、高張力が不必要なエンジンの場合に
は、第２圧力ピストンリングや、第３圧力ピストンリン
グとしても使用が可能であり、高過給でないエンジンに
も使用可能である。

【００２１】ここで、ピストンリングの曲げ剛性もａ１
寸法に大きな影響を受ける。即ち、ｄ１／ａ１が大きく
なり、ａ１寸法が相対的に小さくなると、ピストンリン
グの曲げ剛性も低下する。従って、ａ１寸法が相対的に
小さくなることにより、ピストンリングの張力も低下す
るが、ピストンリングの曲げ剛性も低下する。これによ
り、本実施の形態の第１圧力ピストンリング１では、エ
ンジン実働時においては、リング内周面１ａ側からシリ
ンダ２側に押しつける。特に、高過給ディーゼルエンジ
ンの第１圧力ピストンリングにおいては、筒内圧の作用
を最大限に生かすことができ、リングのシリンダ２への
追従性が向上する。また、筒内圧を利用して第１圧力ピ
ストンリング１を内周面１ｂ側からシリンダ２側に押し
つけるので、より均一にリング外周摺動面１ａがシリン
ダ２に密着し、熱変形により局所的に過剰な高面圧とな
ることを回避することができる。

【００２２】さらに、第１圧力ピストンリング１のａ１
寸法を相対的に小さくすることにより、第１圧力ピスト
ンリング１に対応するリング溝４の底面４ａからピスト
ン３の周面までの距離を小さくすることができ、ピスト
ン３のリング溝４の底面４ａの径を大きくすることがで
きる。これにより、ピストン３のリング溝４形成領域よ
りも燃焼室側のトップランド及びリング溝４形成領域よ
りも燃焼室から遠い側のセカンドランドの剛性を向上さ
せることができる。また、リング溝４よりも内周側に形
成されたクーリングギャラリー７の容積を増加させるこ
とができ、クーリングギャラリー７の外周部を、第１圧
力ピストンリング１に対応するリング溝４の底面４ａに
近づけることが可能となる。これにより、ピストン３の
実働時の温度をより低く抑えることができ、第１圧力ピ
ストンリング１のスティック現象の発生を抑止すること
ができる。また、第１圧力ピストンリング１自体の温度
上昇を抑えることにより、熱変形による合口近傍におけ
る面圧上昇を抑制することができる。

【００２３】つぎに、ｄ１／ｈ１の下限値を３０とした
理由について説明する。上述のように、本実施の形態の
第１圧力ピストンリング１では、ｄ１／ａ１が従来のピ
ストンリングと比較して大きく、ａ１が相対的に小さい
ので、第１圧力ピストンリング１とピストン３のリング
溝４との接触面積は比較的小さい。一方で、ｄ１／ｈ１
が３０よりも小さくなると、ｈ１が相対的に大きくなる
ので、ピストンリングの質量が増加することとなり、ピ
ストンリングに作用する慣性力が増加する。ここで、上
述のように、本実施の形態ではａ１が相対的に小さく、
第１圧力ピストンリング１の上面１ｃおよび下面１ｄ
が、ピストン３のリング溝４の上面４ｂおよび下面４ｃ
と相対的に小さい面積で接触している。従って、ｈ１が
ａ１に対して極度に大きくなると、エンジン稼働時に
は、第１圧力ピストンリング１とピストン３のリング溝
４の小さい接触面積に、大きな慣性力が作用することと
なり、ピストンの上下動により、ピストンリングとリン
グ溝との接触部分に大きな負荷がかかることとなる。こ
のため、ピストンのリング溝４の上面４ｂおよび下面４
ｃの摩耗が増加する。また、ピストンリングのリング溝
内での挙動が、慣性力に支配され、ピストンの動きに対
して反応が鈍くなり、ピストンリングとリング溝の上面
および下面との間のシール性能に悪影響を及ぼすことと
なる。従って、ｄ１／ｈ１の下限値を３０とした。

【００２４】また、ｄ１／ｈ１の上限値を４５とした理
由は、第１圧力ピストンリング１のピストン３から伝え
られた熱をシリンダ２へ伝える伝熱作用と、リング張力
を確保するためである。ｄ１／ｈ１が４５よりも大きい
と、ｈ１寸法が相対的に小さくなるために、リング断面
積が減少し、ピストンリングの自己張力が著しく小さく
なり、シリンダ２へのリング追従性が不足する。また、
ピストンリングとシリンダとの接触面積、即ち外周摺動
面の面積が小さくなることにより、ピストンリングから
シリンダへの伝熱が効率よく行われず、ピストンやピス
トンリングへの熱負荷が増大する。

【００２５】つぎに、本実施の形態の第１圧力ピストン
リング１の面圧分布について説明する。ａ１寸法一定の
ピストンリングを３種製造し、これらについて、図２に
示す面圧分布測定装置により、面圧分布を測定した。ｄ
１／ａ１が２８．４であるピストンリングを試料１、ｄ
１／ａ１が３６であるピストンリングを試料２、ｄ１／
ａ１が４３．２であるピストンリングを試料３（本発明
の実施の形態の第１圧力ピストンリング）とする。それ
ぞれの試料のスペックを表１に示す。ａ１はピストンリ
ングの半径方向長さ、ｈ１はピストンリングの軸方向長
さ、ｄ１はピストンリングの内周面が規定する内径、Ｆ
ｔはピストンリングの張力、基準面圧は合口端部近傍以
外の部分におけるピストンリングの面圧である。試料
１、試料２、試料３はいずれもＪＩＳ規格ＳＵＳ４１０
Ｊ１相当材で熱処理等は行われておらず、表面にＣｒめ
っきを施してある。

【００２６】

【表１】

【００２７】図２は、測定装置の左半分を示しており、
シリンダ１０２、１０３は、シリンダホルダ１０１に支
持され、シリンダ１０３の外周面の一部に凹部１０３ａ
が形成されて最薄部となる。テストピースであるピスト
ンリングを、ピストン１０５のリング溝１０５ａに装着
し、ピストンリングの外周面をシリンダ１０３の内周面
に当接させる。すると、シリンダ１０３の最薄部にはピ
ストンリングからの面圧が作用し、歪みが生じることと
なる。よって、凹部１０３ａの底部に歪みゲージ１０４
を貼りつけ、歪みゲージ１０４をストレインアンプ１０
７に接続し、ペンレコーダ１０８に歪みの値を記録する
ことによって、歪み値を面圧として測定した。また、ピ
ストンリング溝１０５ａ付近と、ピストンリングに対向
する位置にあるシリンダ１０３の内周面付近に、Ｊ型熱
電対１０９を備え、高速打点計１１０に接続すること
で、温度を計測した。更に、ピストンリングを保持する
ピストン１０５の上側に、ヒーター１０６を取付けて、
ピストンリングを加熱する一方で、シリンダ１０３の外
周側には冷却水を接触させてシリンダ１０３の冷却を行
い、ピストン１０５からシリンダ１０３まで実機運転時
に近い温度勾配を分布させた。

【００２８】実験は、ヒーター１０６の出力が０の場合
（常温）、ヒーター１０６の出力を３７５Ｗとしたと
き、およびヒーターの出力を５００Ｗとしたときについ
て行った。図３に試料１の、図４に試料２の、図５に試
料３の面圧分布を示す。図３、４、５は、縦軸が面圧、
横軸が合口部からの周方向角度を示す。それぞれの図
で、白抜き三角（△）は常温時の面圧分布、菱形（◆）
はヒーターの出力を３７５Ｗにして加熱した際の面圧分
布、黒塗り三角（▲）はヒーターの出力を５００Ｗにし
て加熱した際の面圧分布を示す。

【００２９】図３より、試料１では、ヒーターで加熱し
た際には、合口近傍における面圧が極端に上昇している
ことがわかる。また、図４より、試料２では、試料１ほ
どではないが、ヒーターで加熱した際には、合口近傍に
おける面圧が極端に上昇していることがわかる。そし
て、図５より、試料３（本実施の形態の第１圧力ピスト
ンリング）では、ヒーターで加熱ても、合口近傍におけ
る面圧の上昇が小さいことがわかる。なお、試料３は、
合口近傍における面圧のみならず、基準面圧も低下する
が、上述したように、エンジン実働時には筒内圧力が作
用するので、リングのシリンダへの追従性については問
題がない。

【００３０】また、図６に、５００Ｗのヒーターで加熱
した際の合口端部における面圧と、ａ１寸法との関係を
示す。この図を見ると、５００Ｗのヒーターで加熱した
際の合口端部における面圧が０．５ＭＰａになるのは、
ａ１寸法が約２．７ｍｍ程度になったときであることが
わかる。これは、ｄ１／ａ１が４０程度になったときに
相当する。

【００３１】本発明による圧力ピストンリングは上述し
た実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した
範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、上述の
実施の形態においては、図７に示すようにピストンリン
グの断面形状を矩形にしたが、図８に示すようなハーフ
キーストンリングとしてもよい。また、図９に示すよう
なフルキーストンリングとしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の圧力ピストンリングによ
れば、ｄ１／ａ１が４０乃至６０であり、ｄ１／ａ１が
従来のピストンリングよりも大きい。即ち、合口近傍に
限定せず、リング全周のａ１寸法が従来のピストンリン
グよりも相対的に小さくなっている。これにより、内周
面１ｂと外周摺動面１ａとの間の距離が小さくなり、両
者間の温度勾配も小さくなる。従って、合口近傍におけ
る面圧の極端な上昇を抑えることができる。また、ピス
トンリングの上面および下面と、ピストンのリング溝の
上面および下面との間のシール性能を保持することがで
き、エンジン実働時のピストンリングのリング溝内での
挙動を安定させることができる。

【００３３】また、リング全周のａ１寸法が略一様であ
るので、製造過程において、内周面１ａ側を切削加工す
る等の工程を要しない。これにより、低コストで製造す
ることができる。また、ｄ１／ｈ１が３０乃至５５であ
るので、ピストンのリング溝上面および下面の摩耗を抑
制することができ、ピストンリングとリング溝の上面お
よび下面との間のシール性能を確保することができる。
また、ピストンから伝えられた熱をシリンダへ伝える伝
熱作用と、リング張力を確保することができる。

【００３４】また、特に高過給ディーゼルエンジン用に
使用した場合には、エンジン摺動時の筒内圧が非常に高
い状態で使用される。従って、上述のようにａ１が相対
的に小さいために低張力であるが、曲げ剛性が低いの
で、リング内周面側から作用する高い筒内圧により、エ
ンジン実働時は、リング外周摺動面がシリンダに密着
し、ガスやオイルをシールする機能は損なわれない。さ
らに、本発明のピストンリング１は圧力ピストンリング
であり、筒内圧が作用するため、この作用が極めて大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の第１圧力ピストンリング
のエンジン稼働時の状態を示す断面図。

【図２】ピストンリングの面圧分布測定装置の概要を示
す断面図。

【図３】試料１の面圧分布を示す図。

【図４】試料２の面圧分布を示す図。

【図５】試料３の面圧分布を示す図。

【図６】合口端部における面圧とａ１寸法との関係を示
す図。

【図７】本発明の実施の形態の第１圧力ピストンリング
の断面を示す斜視図。

【図８】本発明の実施の形態の第１圧力ピストンリング
の変形例の断面を示す斜視図。

【図９】本発明の実施の形態の第１圧力ピストンリング
の変形例の断面を示す斜視図。

【符号の説明】

１ 第１圧力ピストンリング １ａ 内周面 １ｂ 外周摺動面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 一杉 英司 埼玉県与野市本町西５−２−６ 日本ピス トンリング株式会社与野工場内 (72)発明者 岩間 英世 埼玉県与野市本町西５−２−６ 日本ピス トンリング株式会社与野工場内 Ｆターム(参考） 3J044 AA10 AA18 BA03 BB15 BC06 CB24 DA09

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略円形状をなし、シリンダに対し摺動す
   る外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該略円
   形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備える圧力
   ピストンリングにおいて、 該内周面が規定する内径をｄ１、該外周摺動面と該内周
   面の距離である半径方向長さをａ１、該外周摺動面にお
   ける軸方向長さをｈ１とすると、ｄ１／ａ１が４０乃至
   ６０であり、ｄ１／ｈ１が３０乃至５５であることを特
   徴とするエンジン用圧力ピストンリング。