JP2009030727A - 圧力リング - Google Patents

Abstract

【課題】 合口部の面圧上昇を抑制し、より高性能・高負荷のエンジンに対応した圧力リングの提供。
【解決手段】 略円形状の圧力リング１で、外周面３と内周面４と略円形状を半径方向に分断する一つの合口部２とを備え、内周面３側で合口部２端面を始端とする所定周長部分に亘り切欠部４ａが形成され、切欠部４ａ以外の部分の半径方向厚さが２．０ｍｍ〜６．０ｍｍの間であって切欠部４ａでの半径方向の厚さが切欠部４ａ以外での半径方向の厚さに比較して小さく、切欠部４ａは合口部２端面に向かって徐々に外周面３に近づく平面状を成し、合口部２端面での半径方向厚さが切欠部４ａ以外の部分での半径方向の厚さの０．２倍から０．５倍未満であり、切欠部４ａは外周面３の中心軸回りの中心角２６．５°から１４°の間に亘って形成され、合口部２端面の半径方向厚さが増加に伴い中心角が減少する圧力リングを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関用ピストンリングを構成する圧力リングに関し、特にローポイント圧力リングに関する。

圧力リングはその面圧分布により、合口部近傍の面圧が他の部分と比較して高いハイポイント圧力リングと、合口部近傍の面圧が他の部分と比較して低いローポイント圧力リングの２つに大別される。両者はその使用環境、用途によって使い分けられるが、合口部近傍の摩耗が激しい高出力ディーゼル機関等においてはローポイント圧力リングを用いる傾向がある。従来は、圧力リングのシリンダボアに対する接触面圧分布が自由時の周方向形状によって変化する性質を利用して、均一断面形状で、周方向形状を変化させることにより、所望の面圧分布を呈する圧力リングが製造されていた。

しかし、従来の当面圧分布等の圧力リングでは、シリンダと圧力リングとの温度差による熱膨張量の差や圧力リングの内周側と外周側との温度差による熱応力等により、周方向形状が大きく変化するため、シリンダボアとの接触状態が変化し、特に合口部では温度が上昇するほど面圧が上昇して合口部端部の外周面に極端な摩耗を発生させていた。これに対して出願人は、特許文献１に示されるように、ピストンリングを構成する圧力リングの内周側において合口部の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、内周面の一部を成す切欠部が形成されたピストンリングを開示している。
特開２０００−１２０８６６号公報

近年の排出ガスや燃費等の規制によってエンジンの高効率化が図られ熱負荷が増大している。エンジンのダウンサイジング（過給システムによる出力向上分を排気量で減少させ同レベルの出力を保つことでサイズダウンを図ることであり、ＣＯ_２の減少・燃費の改善を期待できるが、過給システムにより熱負荷が増大する。）によっても、熱負荷が高くなってきている。よって、合口部付近の耐高面圧等、ピストンリングを構成する圧力リングにもより高い性能が求められている。例えば特許文献１の出願時期である約１０年前に比べて、現状のガソリンエンジン・ディーゼルエンジンに求められる排気量当たりの出力は約１０ＫＷ／Ｌ程度上昇している。そこで本発明は、従来製品に比べて更に合口部の面圧上昇を抑制し、より高性能・高負荷のエンジンに対応した圧力リングを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、略円形状を成し、シリンダに対し摺動する外周面と、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一つの合口部とを備え、該内周面側において、該合口部の端面を始端とする所定の周長部分に亘り該内周面の一部を成す切欠部が形成されており、該所定周長以外の部分の半径方向厚さが２．０ｍｍから６．０ｍｍの間であって、該所定周長部分における半径方向の厚さが該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さに比較して小さい圧力リングにおいて、該切欠部は該合口部端面に向かって徐々に該外周面に近づく平面状を成し、該合口部端面における半径方向厚さが、該所定周長部分以外の部分における半径方向の厚さの０．２倍から０．５倍未満であり、該所定周長部分は該外周面の中心軸で規定される中心角２６．５°から１４°の間に亘って形成され、該所定周長部分の該合口部端面の該半径方向厚さが増加するに従い、該中心角が減少することを特徴とする圧力リングを提供する。

上記構成の圧力リングにおいて、該所定周長部分の末端は該所定周長部分以外の部分との境界部分に位置し、該所定周長部分は該所定周長部分以外の部分の該境界部分における接線に沿って形成されていることが好ましい。

また上記構成の圧力リングにおいて、該所定周長部分の末端は該所定周長部分以外の部分との境界部分に位置し、境界位置には、該外周面側に向けて落ち込んだ段部が形成されていることが好ましい。

また少なくとも該外周面には硬質皮膜が被覆されていることが好ましい。

本発明の請求項１記載の圧力リングによれば、合口部の曲げ剛性を低減することができる。よって合口部の面圧を低減することができ、熱負荷時における面圧上昇を抑制することにより、ガスシール性向上及び局所的摩耗を抑制することができる。

請求項２記載の圧力リングによれば、切欠部の開き角を最も大きくすることができ、かつ合口部の厚さを薄くすることができる。

請求項３記載の圧力リングによれば、切欠部の厚さを小さくすることができる。よって切欠部の曲げ剛性をより低下させることができる。

請求項４記載の圧力リングによれば、硬質皮膜を被覆することにより耐久性・耐摩耗性を向上させることができる。硬質皮膜としては、アークイオンプレーティング皮膜（Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系）や、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜等を被覆することが好ましい。

本発明の第１の実施の形態による圧力リングについて図１乃至図５に基づき説明する。図１に示す圧力リング１はスチール製の略円形状をなし、図示せぬシリンダに対し摺動する外周面３と、図示せぬピストンに対向する内周面４と、略円形状を半径方向に分断する１つの合口部２とを有する。また圧力リング１は、その全周においてガス窒化処理がなされているとともに、外周面３においては、硬質皮膜としてＣｒ−Ｎ系のアークイオンプレーティング皮膜が形成されて、耐久性・耐摩耗性を向上している。

外周面３と内周面４との距離（圧力リング半径方向の厚さ寸法）がａ_１であるが、内周面４側において、合口部２の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、内周面４の一部をなす切欠部４ａ、Ａ−Ｂが形成されており、該所定周長部分における半径方向の厚さが、所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さに比較して小さく形成されている。尚、位置Ｂは、所定周長以外の部分である内周面４と、所定周長部分である切欠部４ａとの境界位置である。

位置Ｂにおけるリング半径方向の厚さはａ₁であり、厚さａ_１は２．０ｍｍから６．０ｍｍの間であって、合口部２の端面上に存在する位置Ａに向かってリング半径方向の厚さが徐々に減少し、位置Ａでは厚さａ_１の０．２倍から０．５倍未満である。平面Ａ−Ｂは、外周面３の中心軸Ｏで規定される中心角である開き角が２６．５°から１４°の範囲に亘り形成されている。この開き角は、所定周長部分である切欠部４ａの合口部端面の半径方向の厚さが増加するに従い、減少するように構成されている。

ここで、中心角が１４°未満では現状の圧力リングにおいて半径方向曲げ剛性低減幅が十分でなく、機関運転時に面圧上昇が発生する。一方、中心角が２６。５°を越えると、切欠部４ａが合口部端面から離れるに従って外周面に近づく形状となる箇所ができる為、強度が十分ではなく、折損のおそれがある。

位置Ａの厚さが位置Ｂの厚さａ_１の０．２倍未満となった場合は、合口部２端部が図示せぬピストンリング溝から浮き上がりピストン外周から離間し、ガスシール性を損なう。一方、位置Ａの厚さが位置Ｂの厚さａ_１の０．５倍以上の場合は、曲げ剛性低減が十分でなく、機関運転時に面圧上昇が発生する。よって合口部２の半径方向の厚さが上記範囲に収まることにより、機関運転時のガスシール性の確保及び局所的摩耗、硬質皮膜のクラック、剥離等に対して優位となる。

又、図面には示さないが、図に示された合口部２の端面に対向するもう一方の合口部端面からも、同様の切欠部４ａが形成される。

図２に示すように、シリンダ１０１の一部を切欠いて、シリンダ１０１の切欠部１０１ａ（最薄部）に歪みゲージ１０２を貼り、実施の形態の圧力リング１又は従来例の圧力リングの接触加重による歪みを面圧として測定した。圧力リング１を保持するピストン１０３の上下にヒーター１０４を取り付けて圧力リング１を加熱する一方で、シリンダ１０１の外周には冷却水Ｗを流してシリンダ１０１の冷却を行い、ピストン１０３からシリンダ１０１まで実機運転時に近い温度勾配を分布させた。ここで使用している圧力リング１は、その直径が１１２．０ｍｍ、厚さａ_１が４．３５ｍｍとし、合口部２端部の厚さを従来例（切欠部無し）に比較対象の切欠部有りを加えた７水準（０．２ａ_１、０．３ａ_１、０．４ａ_１、０．４５ａ_１、０．５ａ_１、０．６ａ_１、切欠部無し）で測定を行っている。この時に、切欠部４ａの開き角は、上記７水準のそれぞれの厚さに対応して、図１に示す位置Ｂにおいて接線としたときの角度（２０．５°、１９．２°、１７．８°、１７．１°、１６．３°、１４．７°、０°）になる。

図３及び図４は、冷間時及び温間時における、縦軸が面圧、横軸が合口部からの周方向角度となるグラフである。ここで「冷間時」とは、主としてエンジン始動時、未だエンジンが温まっていない（約０℃〜約４０℃）状態を示し、「温間時」とは、エンジン始動後、エンジンなどが適正温度（約２００℃〜約２５０℃）に温まった状態のことを示す。

冷間時においては、図３に示されるように、合口部の面圧が従来例のピストンリングの面圧より低く、曲げ剛性の低下による面圧低減が実現している。この時に合口部（０°の位置）においては、切欠部無し（０．２ＭＰａ）以外で、何れも面圧が約０．０４ＭＰａとなっており、０ＭＰａとはならず当り抜けが生じないことがわかる。

温間時においては、図４に示されるように、各厚さにおいて面圧上昇が見受けられる。ここで合口部２端部の各厚さについて細かく考察すると、合口部から９０°の位置においては、何れも厚さにおいても、面圧が約０．１５ＭＰａ程度に収束している。これに対して合口部（０°の位置）においては、切欠部無しが約０．７５ＭＰａとなっているのに対し、厚さが０．５ａ_１の例では、面圧が約０．５ＭＰａと減少しているが減少量が充分ではない。

厚さが０．４５ａ_１の例では、面圧が０．４ＭＰａと切欠部無しに比べて約半分程度まで減少している。更に厚さが小さい例では、より面圧が小さくなっているが、厚さの減少に比べて面圧の減少が顕著ではなく（０．４ａ_１〜０．２ａ_１で何れも面圧が０．３ＭＰａ近傍）、よって合口部２端部の厚さを０．４５ａ_１〜０．２ａ_１、好適には０．４ａ_１〜０．２ａ_１とすることにより温間時において過度の面圧上昇を十分抑制することができる。このような値とすることにより、従来のエンジンより高圧が要求される現状のエンジンにおいても好適にガスシール性を確保するとともに局所的摩耗を抑制することが可能になる。

尚、本実験においては冷間時における合口部近辺以外の部分の面圧が約０．１５ＭＰａ程度の圧力リングを試作し、実験を行ったが、この数値はその用途に応じて様々に設定しうることは言うまでもない。

圧力リング１を製造する際には、図５に示される圧力リング１の基体を合口部２を切り込み箇所とした略Ｃ字形状に形成した後に、切断砥石等の回転式のカッタ１０を用い切断を行う。カッタ１０を用いることにより、早急かつ容易に切断加工を行うことができる。また切断時に切欠部４ａを内周面４の接線に沿って設定することにより、切欠部４ａの開き角を最も大きくすることができ、かつ合口部２の厚さを薄くすることができる。切断加工は放電加工やエンドミル等の切削加工または研削加工によっても行うことができ、適宜選択できる。

本発明による圧力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内で種々の変形や改良が可能である。例えば図６に示されるように、切欠部１０４ａ（図７）を形成時に、カッタ１０の刃厚１０Ａ分内方に位置するように切断しても良い。このように切断することにより、図７に示されるように切欠部１０４ａと内周面４との境界位置に、外周面３側に向けて落ち込んだ段部１０４ｂが形成される。このような構成を採ることにより、切欠部１０４ａの厚さを小さくすることができる。よって切欠部１０４ａの曲げ剛性をより低下することができる。これは厚さが大きな圧力リング１において特に有効である。

本発明の実施の形態に係る圧力リングの合口部周辺の形状を示す部分平面図。 本発明の実施の形態に係る圧力リングの面圧分布の測定に用いた面圧分布測定装置を示す断面図。 冷間時における圧力リングの面圧分布を示す折線図。 温間時における圧力リングの面圧分布を示す折線図。 本発明の実施の形態に係る圧力リングの切欠部の形成方法を示す部分斜視図。 本発明の実施の形態に係る圧力リングの変形例に係る切欠部の形成方法を示す部分平面図。 本発明の実施の形態に係る圧力リングの変形例に係る合口部周辺の形状を示す部分平面図。

符号の説明

１・・・・圧力リング
２・・・・合口部
３・・・・外周面
４・・・・内周面
４ａ・・・切欠部
１０・・・カッタ
１０１・・シリンダ
１０１ａ・切欠部
１０２・・ゲージ
１０３・・ピストン
１０４・・ヒーター
１０４ａ・切欠部
１０４ｂ・段部

Claims (4)

1. 略円形状を成し、シリンダに対し摺動する外周面と、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一つの合口部とを備え、該内周面側において、該合口部の端面を始端とする所定の周長部分に亘り該内周面の一部を成す切欠部が形成されており、該所定周長以外の部分の半径方向厚さが２．０ｍｍから６．０ｍｍの間であって、該所定周長部分における半径方向の厚さが該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さに比較して小さい圧力リングにおいて、
   該切欠部は該合口部端面に向かって徐々に該外周面に近づく平面状を成し、
   該合口部端面における半径方向厚さが、該所定周長部分以外の部分における半径方向の厚さの０．２倍から０．５倍未満であり
   該所定周長部分は該外周面の中心軸で規定される中心角２６．５°から１４°の間に亘って形成され、該所定周長部分の該合口部端面の該半径方向厚さが増加するに従い、該中心角が減少することを特徴とする圧力リング。
2. 該所定周長部分の末端は該所定周長部分以外の部分との境界部分に位置し、該所定周長部分は該所定周長部分以外の部分の該境界部分における接線に沿って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力リング。
3. 該所定周長部分の末端は該所定周長部分以外の部分との境界部分に位置し、境界位置には、該外周面側に向けて落ち込んだ段部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力リング。
4. 少なくとも該外周面には硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一に記載の圧力リング。

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