JP2005009433A

JP2005009433A - Piston ring

Info

Publication number: JP2005009433A
Application number: JP2003176045A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Fukutome; 弘人福留; Seiroku Hoshino; 清六星野
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP4203365B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piston ring having low friction excellent in oil consuming performance. <P>SOLUTION: The piston ring 3 has a cross-sectional shape to generate torsion with a dihedral angle λ of 5 to 50' in a state of being inserted in a cylinder 4 (e.g. an upper face internal bevel shape) and a outer peripheral surface is formed of a vertically asymmetrical barrel curved surface having a position eccentric upward from a center of width in a ring axial direction by δ=0.05 to 0.35 mm as an apex. A surface treatment layer 8 is formed on the outer peripheral surface 5 of the piston ring 3. The surface treatment layer 8 is selected among a CrN film by means of ion plating, CrN film solutionized with oxygen, a film composed of a mixture of CrN or CrN solutionized with oxygen and Cr, a DLC film, a Cr plating film, a nitrided layer or the like. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のピストンリングに関し、特に低フリクションであり、かつオイル消費性能も優れたコンプレッションリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用のトップリングの外周形状は耐焼付性に優れたバレル形状が多く用いられている。このバレル形状の頂点は一般的にリングの軸方向幅の中心にあるが、リング外周面の上面側角部がピストンの上昇行程でシリンダボアと摺動して、潤滑油を掻き上げるのを防止するために、リング外周面のバレル頂点をリングの軸方向幅中心に対し、下側に偏心させたピストンリングが使用されている。また、上下面のシール性を増すために、図２に示されているように、シリンダ４内に挿入した状態で上反角のねじれ（皿状のねじれ）を発生させる断面形状を有し、バレル頂点がリングの軸方向幅の中心にあるピストンリング３Ａも知られている。
【０００３】
更に、図３に示されているように、下側偏心バレル形状に加えて、シリンダ４内に挿入した状態で上反角のねじれ（皿状のねじれ）を発生させる断面形状とすることにより、上下面のシール性を増し、オイル消費量及びブローバイ量の低減に効果があるピストンリング３Ｂが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭５６−１０５６３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
最近の内燃機関用のトップリングにおいては、低燃費化のため、低フリクションが求められている。シリンダボアとピストンリング外周との摺動によるフリクションは、燃焼行程の上死点をピストンが下降している時に最大となる。バレル頂点に偏心がない従来の上反角ねじれリング３Ａや、バレル頂点が下側に偏心した特許文献１に記載の上反角ねじれリング３Ｂは、燃焼行程で燃焼圧によりピストン１のリング溝下面に押し付けられる。この際、リング外周面５のバレル頂点はリング軸方向幅の中心か、下側に偏心しているため、リング外周下側のバレル落差ａ２が小さくなる。その結果、シリンダボアとの間に油膜が形成されにくく、フリクションを増加させる場合がある。
【０００６】
なお、図２及び図３において、ａ１及びａ２は、バレル落差、すなわちリング外周側の上下面取りとバレル曲線との交点からシリンダボアまでの隙間、λは上反角すなわち皿状のねじれ角度、δ（図３のみ）はリングの軸方向幅中心からのバレル頂点の偏心量を示している。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その課題は、低フリクションで、かつ、オイル消費性能も優れるピストンリングを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、次の手段を採る。すなわち、
本発明のピストンリングは、シリンダ内に挿入された状態で上反角が５〜５０′のねじれを生じる断面形状を有し、かつ、外周面がリング軸方向幅中心から上側に０．０５〜０．３５ｍｍだけ偏心した位置を頂点とした非対称バレル曲面から形成されていることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、シリンダボアとピストンリング外周との摺動によるフリクションが最大となる燃焼行程の上死点をピストンが下降している時、リング外周下側のバレル落差ａ２（図１参照）が大きいため、シリンダボアとの間に油膜が形成されやすく、フリクションが低減する。また、ピストンが上昇する行程で、リングが皿状にねじれており、リング外周上側のバレル落差ａ１（図１参照）が大きいため、オイルの掻き上げが低減され、オイル消費量を低減できる。
【００１０】
上反角λ（図１参照）が５′未満では、ピストンの上昇行程中にオイルを掻き上げ易くなってオイル消費が増加する。５０′を越えた場合もピストンのリング溝とのメカニカルスティックによりオイル消費が増加する。以上から、上反角λは５〜５０′とするが、１０〜３０′がより望ましい。
【００１１】
また、バレル頂点の偏心量δ（図１参照）が上側に０．０５ｍｍ未満では、フリクションの低減効果が見られない。０．３５ｍｍを越えると、上面側のバレル部分が少なくなるために、オイルを掻き上げ易くなってオイル消費量が増加する。以上から、バレル頂点の偏心量δは上側に０．０５〜０．３５ｍｍとする。
【００１２】
前記リングの断面形状は、例えば、リング上面の内周側端部に切り欠きを有しているインナカット形状（例えば上面インターナルベベル形や上面インターナルステップ形）を採用すればよい。
【００１３】
リング外周面に表面処理層を有することにより、低フリクション、及びオイル消費とブローバイ増加の防止を長時間維持できる。表面処理層としては、イオンプレーティングによるＣｒＮ皮膜、酸素を固溶したＣｒＮ皮膜、ＣｒＮ又は酸素を固溶したＣｒＮとＣｒとの混合物からなる皮膜、ＤＬＣ皮膜、もしくはＣｒめっきや窒化層等が挙げられるが、前記ＣｒＮ皮膜等の硬質皮膜が特に望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１の（ａ）は燃焼・膨張行程時のピストンリング、（ｂ）は吸入、圧縮、排気行程時のピストンリング、（ｃ）はシリンダ内に挿入されたピストンリングで吸入、圧縮、排気行程時を示している。図において、ａ１及びａ２は、バレル落差、すなわちリング外周側の上下面取りとバレル曲線との交点からシリンダボアまでの隙間、λは上反角すなわち皿状のねじれ角度（ねじれ前のリング下面とねじれ後のリング下面とのなす角度）、δはリングの軸方向幅中心からのバレル頂点の偏心量を示している。
【００１６】
ピストン１のリング溝２に装着されたピストンリング３は、シリンダ４内に挿入された状態で上反角λが５〜５０′のねじれを生じる断面形状を有し、かつ、外周面５がリング軸方向幅中心から上側にδ＝０．０５〜０．３５ｍｍだけ偏心した位置を頂点とした上下非対称バレル曲面から形成されている。本実施形態にあっては、ピストンリング３はトップリングで、断面形状は上面インターナルベベル形のインナカット形状であり、リング上面６の内周エッジにベベル状の切り込みを入れて形成された切り欠き７を上面内周側端部に有している。
【００１７】
また、ピストンリング３の外周面５には表面処理層８が形成されている。表面処理層８は、イオンプレーティングによるＣｒＮ皮膜、酸素を固溶したＣｒＮ皮膜、ＣｒＮ又は酸素を固溶したＣｒＮとＣｒとの混合物からなる皮膜、ＤＬＣ皮膜、Ｃｒめっき皮膜、又は窒化層等から選択される。
【００１８】
上記ピストンリングは次のようにして製造することができる。すなわち、バレル偏心量が０（上下対称バレル）のピストンリングを元に、インナカット量を調整することで、狙いの上反角を生じる断面形状のピストンリングを製造できる。その後、ピストンリングを呼称径に閉じ込んだ状態（ねじれ状態）で、外周ラッピングを行うと、外周削り代に応じて外周のバレル頂点位置が上側に寄る傾向があるため、外周ラッピング代を調整することで、狙いのバレル頂点偏心量を有したピストンリングを製造できる。また、ラッピングの代わりに外周を成形砥石で研磨して製造することもできる。
【００１９】
以下、ピストンリングの評価試験を説明する。
【００２０】
表１に示す実施例１〜６及び比較例３〜６のピストンリングは、バレル頂点偏心量を外周ラッピング削り代を調整することで調整した。比較例２のピストンリングは、上反角を有しておらず、ラッピングではバレル頂点の偏心を造ることができないため、外周を成形砥石で研磨して製造した。
【００２１】
表１に示すピストンリングをφ８６、直列４気筒、２．０ｌのガソリンエンジンに供試した。運転条件を６０００ｒｐｍ、全負荷に固定し、初期出力、オイル消費量、及び３００時間の耐久運転後のオイル消費量を測定した。測定結果は表１に示す。測定結果は、比較例１（上反角λ：０′、バレル頂点偏心量δ：０ｍｍ、外周表面処理：イオンプレーティングによりＣｒＮ皮膜を被覆）の結果を１００としたときの比の値で示している。
【００２２】
実施例１〜６は、本発明のピストンリングであり、規定の上反角λとバレル頂点の上側偏心量δとを有していることで、初期の出力が高く、初期のオイル消費性能もよい。耐久運転後のオイル消費性能は、実施例１〜５については良好であるが、実施例６については外周Ｃｒめっきのため、ＣｒＮを被覆した実施例１〜５に比べてオイル消費性能が若干悪化している。
【００２３】
上記実施例に対して比較例２は、バレル頂点が上側に偏心している効果で、出力向上の効果はあるが、上反角λを有しないため、ピストンが上昇する行程でオイルを掻き上げ易く、オイル消費量が多い。比較例３は、上反角λが大き過ぎるために、ピストンのリング溝に対してスティック気味となり、オイル消費量が多い。比較例４は、バレル頂点が偏心していないために出力向上の効果がない。比較例５は、バレル頂点の偏心量δが大き過ぎるため、出力向上の効果はあるものの、ピストンの上昇行程でオイルを掻き上げ易く、オイル消費量が多い。また、外周面は無処理（母材は鋼材）であるために、耐久運転後のオイル消費性能も悪い。比較例６は、バレル頂点が下側に偏心しているために出力向上の効果がない。
【００２４】
上記試験結果から明らかなように、本発明品は低フリクションによる出力向上の効果があり、かつ、オイル消費性能も優れている。
【００２５】
なお、燃焼行程で燃焼圧によりピストンリングがピストンのリング溝下面に押し付けられた際にリング外周下側のバレル落差の減少量を少なくする方法としては、ピストンのリング溝下面を外周側の軸方向における溝幅が開くように傾けるか、リング下面を外周側のリング軸方向幅が小さくなるように傾けることが考えられるが、これらの方法ではブローバイが急激に増加する場合がある。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のピストンリングによれば、低フリクションでオイル消費性能も優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示し、（ａ）は燃焼・膨張行程時のピストンリングの一部分を示す縦断面図、（ｂ）は吸入、圧縮、排気行程時のピストンリングの一部分を示す縦断面図、（ｃ）はピストンに装着されてシリンダ内に挿入され、吸入、圧縮、排気行程時のピストンリングを示す縦断面図である。
【図２】従来例を示し、図１に対応する図である。
【図３】別の従来例を示し、図１に対応する図である。
【符号の説明】
１ピストン
２リング溝
３、３Ａ、３Ｂピストンリング
４シリンダ
５リング外周面
６リング上面
７切り欠き
８表面処理層
ａ１、ａ２バレル落差
λ 上反角
δ 偏心量[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, and more particularly to a compression ring that has low friction and excellent oil consumption performance.
[0002]
[Prior art]
As the outer peripheral shape of the top ring for an internal combustion engine, a barrel shape excellent in seizure resistance is often used. The top of this barrel shape is generally at the center of the axial width of the ring, but prevents the upper side corner of the outer peripheral surface of the ring from sliding with the cylinder bore during the upward stroke of the piston and scooping up the lubricant. For this purpose, a piston ring is used in which the barrel apex of the outer peripheral surface of the ring is eccentric downward with respect to the axial width center of the ring. Moreover, in order to increase the sealing performance of the upper and lower surfaces, as shown in FIG. 2, it has a cross-sectional shape that generates an upside-down twist (a dish-shaped twist) when inserted into the cylinder 4, A piston ring 3A is also known in which the barrel apex is at the center of the axial width of the ring.
[0003]
Furthermore, as shown in FIG. 3, in addition to the lower eccentric barrel shape, by making it a cross-sectional shape that generates an upside-down twist (a dish-like twist) when inserted into the cylinder 4, A piston ring 3B has been proposed that increases the sealing performance of the upper and lower surfaces and is effective in reducing oil consumption and blow-by amount (see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Utility Model Publication No. 56-105636
[Problems to be solved by the invention]
In recent top rings for internal combustion engines, low friction is required to reduce fuel consumption. Friction caused by sliding between the cylinder bore and the outer periphery of the piston ring is maximized when the piston is descending from the top dead center of the combustion stroke. The conventional anti-angular twist ring 3A having no eccentricity at the top of the barrel and the anti-vertical twisting ring 3B described in Patent Document 1 in which the barrel apex is decentered downward are the lower surface of the ring groove of the piston 1 due to the combustion pressure in the combustion stroke. Pressed against. At this time, the barrel apex of the ring outer peripheral surface 5 is eccentric to the center of the ring axial width or to the lower side, so the barrel drop a2 on the ring outer periphery lower side becomes smaller. As a result, an oil film is hardly formed between the cylinder bore and the friction may be increased.
[0006]
2 and 3, a1 and a2 are barrel drop, that is, a gap from the intersection of the upper and lower surface of the ring outer peripheral side and the barrel curve to the cylinder bore, λ is an upper angle, that is, a dish-like twist angle, δ ( 3 only) shows the eccentric amount of the barrel apex from the center of the axial width of the ring.
[0007]
This invention is made | formed in view of the said point, The subject is providing the piston ring which is low friction and is excellent also in oil consumption performance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention adopts the following means in order to solve the above problems. That is,
The piston ring of the present invention has a cross-sectional shape that causes a torsion with an upper angle of 5 to 50 'when inserted into a cylinder, and the outer peripheral surface is 0.05 to It is formed from an asymmetrical barrel curved surface having a vertex at a position eccentric by 0.35 mm.
[0009]
According to the above configuration, when the piston is descending from the top dead center of the combustion stroke in which friction caused by sliding between the cylinder bore and the piston ring outer periphery is maximum, the barrel drop a2 (see FIG. 1) on the ring outer periphery lower side is Since it is large, an oil film is easily formed between the cylinder bore and the friction is reduced. Moreover, since the ring is twisted in the shape of a plate and the barrel drop a1 (see FIG. 1) on the outer periphery of the ring is large in the stroke in which the piston rises, the oil scraping is reduced and the oil consumption can be reduced.
[0010]
When the upper angle λ (see FIG. 1) is less than 5 ′, oil is easily picked up during the upward stroke of the piston, and oil consumption increases. Even when it exceeds 50 ', the oil consumption increases due to the mechanical stick with the ring groove of the piston. From the above, the upper angle λ is set to 5 to 50 ′, and more preferably 10 to 30 ′.
[0011]
If the barrel apex eccentricity δ (see FIG. 1) is less than 0.05 mm on the upper side, the friction reducing effect is not seen. If it exceeds 0.35 mm, the barrel portion on the upper surface side is reduced, so that it is easy to scoop up the oil and the oil consumption increases. From the above, the eccentric amount δ of the barrel apex is set to 0.05 to 0.35 mm on the upper side.
[0012]
As the cross-sectional shape of the ring, for example, an inner cut shape (for example, an upper surface internal bevel shape or an upper surface internal step shape) having a notch on the inner peripheral end of the upper surface of the ring may be adopted.
[0013]
By having the surface treatment layer on the outer peripheral surface of the ring, low friction and prevention of oil consumption and increase in blow-by can be maintained for a long time. Examples of the surface treatment layer include a CrN film by ion plating, a CrN film in which oxygen is dissolved, CrN or a film made of a mixture of CrN and Cr in which oxygen is dissolved, a DLC film, or a Cr plating or nitride layer. However, a hard coating such as the CrN coating is particularly desirable.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
1A is a piston ring during a combustion / expansion stroke, FIG. 1B is a piston ring during a suction / compression / exhaust stroke, and FIG. 1C is a piston ring inserted into the cylinder, and is a suction / compression / exhaust stroke. Shows the time. In the figure, a1 and a2 are barrel heads, that is, a gap from the intersection of the upper and lower surface of the ring outer peripheral side and the barrel curve to the cylinder bore, λ is an upper angle, that is, a dish-like twist angle (the bottom surface of the ring before twisting and after twisting) ) Represents the eccentric amount of the barrel apex from the center of the axial width of the ring.
[0016]
The piston ring 3 mounted in the ring groove 2 of the piston 1 has a cross-sectional shape that causes a torsion with an elevation angle λ of 5 to 50 'when inserted into the cylinder 4, and the outer peripheral surface 5 is a ring. It is formed of a vertically asymmetrical barrel curved surface with the position deviated by δ = 0.05 to 0.35 mm upward from the center in the axial direction. In the present embodiment, the piston ring 3 is a top ring, the cross-sectional shape is an inner cut shape of an upper surface internal bevel shape, and a cut formed by making a bevel-shaped cut at the inner peripheral edge of the ring upper surface 6. A notch 7 is provided at the inner peripheral end of the upper surface.
[0017]
A surface treatment layer 8 is formed on the outer peripheral surface 5 of the piston ring 3. The surface treatment layer 8 is made of a CrN film by ion plating, a CrN film in which oxygen is dissolved, a film made of CrN or a mixture of CrN and Cr in which oxygen is dissolved, a DLC film, a Cr plating film, a nitride layer, or the like. Selected.
[0018]
The piston ring can be manufactured as follows. That is, by adjusting the inner cut amount based on a piston ring having a barrel eccentricity of 0 (vertically symmetric barrel), a piston ring having a cross-sectional shape that produces a desired vertical angle can be manufactured. After that, if the outer periphery wrapping is performed with the piston ring closed to the nominal diameter (twisted state), the outer peripheral barrel apex tends to move upward according to the outer peripheral cutting allowance. Thus, a piston ring having a target barrel apex eccentricity can be manufactured. Moreover, it can also manufacture by grind | polishing an outer periphery with a shaping | molding grindstone instead of lapping.
[0019]
Hereinafter, the piston ring evaluation test will be described.
[0020]
In the piston rings of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 3 to 6 shown in Table 1, the barrel vertex eccentricity was adjusted by adjusting the peripheral lapping cutting allowance. The piston ring of Comparative Example 2 did not have an upper angle, and since lapping could not make the barrel apex eccentric, it was manufactured by polishing the outer periphery with a forming grindstone.
[0021]
The piston ring shown in Table 1 was used in a φ86, inline 4-cylinder, 2.0-liter gasoline engine. The operating conditions were fixed at 6000 rpm and full load, and the initial output, oil consumption, and oil consumption after 300 hours of durable operation were measured. The measurement results are shown in Table 1. The measurement results are shown as ratio values when the result of Comparative Example 1 (the dihedral angle λ: 0 ′, the barrel apex eccentricity δ: 0 mm, the outer peripheral surface treatment: the CrN film is coated by ion plating) is set to 100. ing.
[0022]
Examples 1 to 6 are piston rings according to the present invention, and have a prescribed deflection angle λ and an upper eccentric amount δ of the barrel apex, so that the initial output is high and the initial oil consumption performance is also high. Good. The oil consumption performance after endurance operation is good for Examples 1 to 5, but the oil consumption performance is slightly worse for Examples 6 than for Examples 1 to 5 coated with CrN because of the outer periphery Cr plating. is doing.
[0023]
In contrast to the above embodiment, Comparative Example 2 is an effect that the top of the barrel is decentered to the upper side and has an effect of improving the output. However, since it does not have an upper angle λ, it is easy to scoop up the oil in the process of raising the piston. High oil consumption. In Comparative Example 3, since the dihedral angle λ is too large, it becomes sticky with respect to the ring groove of the piston, and the amount of oil consumption is large. In Comparative Example 4, the barrel apex is not decentered, so that there is no output improvement effect. In Comparative Example 5, the amount of eccentricity δ at the barrel apex is too large, and although there is an effect of improving the output, it is easy to scoop up the oil in the ascending stroke of the piston, and the oil consumption is large. In addition, since the outer peripheral surface is untreated (the base material is steel), the oil consumption performance after endurance operation is also poor. In Comparative Example 6, since the barrel apex is eccentric to the lower side, there is no output improvement effect.
[0024]
As is apparent from the above test results, the product of the present invention has the effect of improving the output due to low friction, and has excellent oil consumption performance.
[0025]
As a method of reducing the amount of decrease in the barrel drop on the ring outer periphery lower side when the piston ring is pressed against the lower surface of the piston ring groove by the combustion pressure in the combustion stroke, the piston ring groove lower surface is moved in the axial direction on the outer periphery side. It is conceivable to incline so as to open the groove width, or to incline the lower surface of the ring so that the width in the ring axial direction on the outer peripheral side becomes small. However, in these methods, blow-by may increase rapidly.
[0026]
[Table 1]

[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the piston ring of the present invention, the oil consumption performance is excellent with low friction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, wherein (a) is a longitudinal sectional view showing a part of a piston ring during a combustion / expansion stroke, and (b) is a portion of the piston ring during a suction, compression, and exhaust stroke. FIG. 2C is a longitudinal sectional view showing a piston ring that is attached to a piston and inserted into a cylinder, and during a suction, compression, and exhaust stroke.
FIG. 2 shows a conventional example and corresponds to FIG.
FIG. 3 shows another conventional example and corresponds to FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston 2

Ring groove

3, 3A, 3B Piston ring 4 Cylinder 5 Ring outer peripheral surface 6 Ring upper surface 7 Notch 8 Surface treatment layer a1, a2 Barrel drop λ Upper angle δ Eccentricity

Claims

A position that has a cross-sectional shape that causes a torsion with an upper angle of 5 to 50 'when inserted into the cylinder, and the outer peripheral surface is eccentric from the center of the ring axial width by 0.05 to 0.35 mm Piston ring, characterized in that it is formed from an asymmetric barrel curved surface with the apex at the top.

2. The piston ring according to claim 1, wherein the cross-sectional shape is an inner cut shape having a notch in an inner peripheral side end portion of an upper surface of the ring.

The piston ring according to claim 1, wherein a surface treatment layer is formed on the outer peripheral surface.

The surface treatment layer is a CrN film by ion plating, a CrN film in which oxygen is dissolved, CrN or a film made of a mixture of CrN and Cr in which oxygen is dissolved, a DLC film, a Cr plating film, or a nitride layer. The piston ring according to claim 3.