JP2011214662A - Pressure ring - Google Patents
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Abstract
Description
本件発明は、内燃機関用ピストンに設けられたピストンリング溝に装着される圧力リングに関する。 The present invention relates to a pressure ring attached to a piston ring groove provided in a piston for an internal combustion engine.
近年における自動車用エンジンの長寿命化及び燃費向上の市場要求に伴い、当該エンジンに用いられる圧力リングには、シリンダ内におけるピストンのスムーズな往復運動を実現すべく、シリンダ内壁面に対して低摩擦化を図れるものが求められている。なお、圧力リングのシリンダ内壁面に対する低摩擦化を図るには、圧力リングを薄幅で軽く、低張力化することが必要となる。 With the recent market demand for longer life and improved fuel consumption of automobile engines, the pressure ring used in the engine has low friction against the inner wall of the cylinder in order to achieve smooth reciprocation of the piston in the cylinder. There is a need for a product that can be integrated. In order to reduce the friction of the pressure ring against the inner wall surface of the cylinder, it is necessary to reduce the tension of the pressure ring with a small width and light weight.
圧力リングは、ピストンに設けられたピストンリング溝に装着された状態で燃焼室側に最も近い位置に配置されるものから順にトップリング、セカンドリングと称される。トップリングには、特に当該燃焼室での爆発衝撃に耐えて高温な燃焼ガスを長期間安定してシールするガスシール機能と、オイルを燃焼室内へ侵入させずにシールするオイルシール機能とが要求される。一方、当該トップリングと、オイルコントロール機能が要求されるオイルリングとの間に装着されるセカンドリングには、当該トップリング及びオイルリングを補助する働きが求められる。従って、圧力リングを薄幅で軽く、低張力化するにあたっては、燃焼室における爆発衝撃や高温な燃焼ガスの影響をトップリングに比較して受けることがないセカンドリングについて、特に薄幅で軽く、低張力化を図ることが求められている。そのため、セカンドリングには、その外周面をテーパー形状とし、且つ外周面の下端部にステップ状の切り欠き部を設けたスクレーパリングが用いられることが多い。 The pressure ring is referred to as a top ring and a second ring in order from a pressure ring that is mounted in a piston ring groove provided in the piston and disposed at a position closest to the combustion chamber side. The top ring must have a gas seal function that can withstand the explosion shock in the combustion chamber and stably seal high-temperature combustion gas for a long period of time, and an oil seal function that seals oil without entering the combustion chamber. Is done. On the other hand, the second ring mounted between the top ring and an oil ring that requires an oil control function is required to function to assist the top ring and the oil ring. Therefore, when the pressure ring is thin and light, and the tension is reduced, the second ring that is not affected by the explosion impact in the combustion chamber or the high-temperature combustion gas compared to the top ring is particularly thin and light. There is a demand for lower tension. Therefore, a scraper ring in which the outer peripheral surface is tapered and the stepped notch is provided at the lower end of the outer peripheral surface is often used for the second ring.
なお、スクレーパリングのようなリングの軸方向断面形状が上下対称でない圧力リングをピストンリング溝に装着した場合、当該圧力リングは、その外周摺動面がシリンダ内壁面に対して傾斜して、たわみ代に比例する捻れを生じる問題がある。ピストンに装着された圧力リングは、シリンダ内壁面に油膜を介して接触しながら当該ピストンの往復運動に追従した動きをするため、ピストンリング溝内に装着した状態で当該圧力リングに捻れが生じていると、ピストンの往復運動によってピストンリング溝内の当該圧力リングの姿勢が不安定になりやすい。この場合、内燃機関の運転条件によっては、当該圧力リングによるオイルシール機能、ガスシール機能、及びオイルコントロール機能が低下し、ブローバイガス量及びオイル消費量の増大を招いてしまう。 In addition, when a pressure ring whose axial cross-sectional shape of the ring is not vertically symmetrical, such as a scraper ring, is mounted on the piston ring groove, the pressure ring is bent with its outer peripheral sliding surface inclined with respect to the cylinder inner wall surface. There is a problem that causes a twist proportional to the cost. Since the pressure ring attached to the piston moves following the reciprocating motion of the piston while contacting the inner wall surface of the cylinder via an oil film, the pressure ring is twisted in the state of being attached in the piston ring groove. If so, the posture of the pressure ring in the piston ring groove tends to become unstable due to the reciprocating motion of the piston. In this case, depending on the operating conditions of the internal combustion engine, the oil seal function, the gas seal function, and the oil control function by the pressure ring are lowered, leading to an increase in blow-by gas amount and oil consumption amount.
上述の問題を回避すべく、例えば、特許文献1(実開昭63−141357号)は、内燃機関用圧力ピストンリング(即ち圧力リングである。)に関し、上面に対して摺動面側に傾斜するようにカットした上側カット部と下面と摺動面の角部をカットした下側カット部とを設けることについて開示している。特許文献1には、圧力ピストンリングに上側カット部と下側カット部とを設けることにより、互いに異なる捻れ方向となる、上側カット部により生じる捻れと下側カット部により生じる捻れとを相殺させて、圧力ピストンリングをピストンリング溝に装着した場合の捻れをなくす旨の開示がある。
In order to avoid the above problem, for example, Patent Document 1 (Japanese Utility Model Publication No. 63-141357) relates to a pressure piston ring for an internal combustion engine (that is, a pressure ring) and is inclined toward the sliding surface side with respect to the upper surface. Disclosed is to provide an upper cut portion that is cut as described above, a lower surface, and a lower cut portion that is cut at the corners of the sliding surface. In
また、特許文献2(特開2001−124204号)は、内燃機関のピストンの燃焼空間側を向いた第1の溝用のピストンリング(即ち圧力リングである。)に関するものであって、球形状の摺動面を有し、その球形状の最頂部が、ピストンリング高さの半分よりも下方の燃焼空間側のピストンリング側面に配置されているピストンリングにおいて、燃焼空間側を向いた下側のピストンリング側面から、球形状の最頂部まで軸方向に延びている溝を摺動面上に配置することについて開示している。そして、特許文献2には、ピストンリングの内周面の領域の燃焼空間に向けられた側に切り欠き部として断面途切れ部を形成することで、ピストンリングを組み付けた場合にねじれのない状態とする旨の開示がある。
Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-124204) relates to a piston ring for a first groove (that is, a pressure ring) facing the combustion space side of a piston of an internal combustion engine, and has a spherical shape. In the piston ring which is arranged on the side of the piston ring on the combustion space side below the half of the height of the piston ring, the lower side facing the combustion space side Disposing a groove extending in the axial direction from the side surface of the piston ring to the top of the spherical shape on the sliding surface. And in
しかし、上述の特許文献1の圧力リングは、当該圧力リングの外周摺動面側に下側カット部の他に上側カット部を設け、更に、当該下側カット部が合口部付近で中断された形状であるため、当該下側カット部はピストンリング線材をリング状とした後に加工しなくてはならない。この場合、引用文献1の圧力リングは、合口部付近を除き当該下側カット部を形成する加工に手間がかかるため、加工に要する時間が増え、コストの増大を招いてしまう。
However, the pressure ring of
また、上述の特許文献2のピストンリングは、燃焼空間側を向いた下側の圧力リング側面から摺動面までに溝を形成する他、内周面の領域の燃焼空間に向けられた側にも切り欠き部を形成し、更に、当該溝が合口部付近で中断された形状であるため、特許文献1と同様に当該溝を形成する加工に要する時間の増大及びコストの増大を招いてしまう。また、特許文献2のピストンリングは、外周面が球形状の摺動面であり、当該切り欠き部を内周面の領域の燃焼空間に向けられた側の上側又は下側のどちらに形成したとしても、圧力リングとピストンリング溝との接触面積が小さくなるため、圧力リングの姿勢安定性に欠け、圧力リング下面側のオイルシール性を低下させてしまう。
In addition, the above-described piston ring of
すなわち、特許文献1及び特許文献2に開示の圧力リングは、ピストンに圧力リングを装着した場合に当該圧力リングに捻れが生じるのを防止すべく、圧力リングの外周面の下側に形成されるカット部(又は溝)による捻れ方向と異なる捻れ方向となる位置に更に別のカット部(又は切り欠き部)を形成したものである。ちなみに、これら圧力リングは、その外周面の下側にカット部(又は溝)を形成することで、圧力リング外周面の摺動部のシリンダ内壁面に接触する面積が小さくなり、当該シリンダ内壁面に対する面圧を高めてオイル上がりを防止する効果を向上させることができるため、セカンドリングとして多用される形状である。
That is, the pressure rings disclosed in
以上のことから、本件発明は、圧力リングをピストンリング溝に装着した場合に、圧力リングの上下面がピストン軸に対して略垂直なフラット面(平坦面)となる圧力リングであって、ブローバイガス量及びオイル消費量の増大を抑制すると共に、製造コストの増大を抑制可能な圧力リングの提供を目的とする。 From the above, the present invention is a pressure ring in which when the pressure ring is mounted in the piston ring groove, the upper and lower surfaces of the pressure ring are flat surfaces (flat surfaces) substantially perpendicular to the piston shaft. An object of the present invention is to provide a pressure ring that can suppress an increase in gas amount and oil consumption, and can suppress an increase in manufacturing cost.
そこで、本発明者等は、鋭意研究を行った結果、圧力リングのピストンリング溝に装着する前の形状を、所定の条件を満たした形状とすることで、上述した課題を解決するに到った。本件発明の圧力リングによれば、圧力リングをピストンリング溝に装着した場合に、圧力リング上下面がピストン軸に対して略垂直なフラット面となるため、ピストンの往復運動中において圧力リングの姿勢がピストンリング溝内で変化するのを効果的に抑制可能である。以下、本件発明に関して説明する。 Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have solved the above-mentioned problem by making the shape before mounting in the piston ring groove of the pressure ring a shape that satisfies a predetermined condition. It was. According to the pressure ring of the present invention, when the pressure ring is installed in the piston ring groove, the upper and lower surfaces of the pressure ring are flat surfaces that are substantially perpendicular to the piston shaft. Can be effectively suppressed from changing in the piston ring groove. Hereinafter, the present invention will be described.
本件発明に係る圧力リングは、内燃機関用ピストンのピストンリング溝に装着される圧力リングであって、軸方向断面が略矩形形状の下面と外周面とで形成される角部を切り欠いてステップ状とした切り欠き部が設けられ、当該圧力リングは、自由状態において、当該圧力リングの上面が、径方向外方に向かって下方側に傾斜して略皿ばね形状を有し、当該圧力リングの上面の、当該圧力リングの軸に対して垂直な面に対する傾斜角度θが、0°<θ≦2°であることを特徴とする。 A pressure ring according to the present invention is a pressure ring that is mounted in a piston ring groove of a piston for an internal combustion engine, and has a step in which a corner formed by a lower surface and an outer peripheral surface having a substantially rectangular cross section in the axial direction is cut out. In the free state, the pressure ring has a substantially disc spring shape with the upper surface of the pressure ring inclined downward in the radial direction in the free state. The inclination angle θ of the upper surface with respect to a plane perpendicular to the axis of the pressure ring is 0 ° <θ ≦ 2 °.
本件発明に係る圧力リングは、セカンドリングであることが好ましい。 The pressure ring according to the present invention is preferably a second ring.
本件発明に係る圧力リングは、その外周面が、当該圧力リングの下面側から上面側に向けて縮径したテーパー形状部分を備えたものであることが好ましい。 The pressure ring according to the present invention preferably has a tapered portion whose outer peripheral surface has a diameter reduced from the lower surface side to the upper surface side of the pressure ring.
本件発明に係る圧力リングは、当該圧力リングの少なくとも外周面に硬質層が形成されていることが好ましい。 In the pressure ring according to the present invention, it is preferable that a hard layer is formed on at least the outer peripheral surface of the pressure ring.
本件発明に係る圧力リングは、ピストンリング溝に装着する前の自由状態におけるリング形状を本件発明で規定する条件を満足する形状とすることで、圧力リングをピストンリング溝に装着した後に、圧力リングの上下面をピストン軸に対して略垂直なフラット面にすることができる。このように、ピストンリング溝に装着されている当該圧力リングの上下面がピストン軸に対して略垂直なフラット面となることで、通常ピストン軸に対して略垂直に形成されるピストンリング溝の上下側面に対し、当該圧力リングの上下面が安定した平行状態を維持し、ピストンの往復運動中においてもリングの姿勢が変化するのを抑制することができる。なお、圧力リングの自由状態とは、物質が静止状態において通常受ける力(重力、空気の圧力等)以外の外部応力を受けていない状態を意味するものである。 The pressure ring according to the present invention is such that the ring shape in the free state before being mounted in the piston ring groove is a shape that satisfies the conditions specified in the present invention, and the pressure ring is mounted after being mounted in the piston ring groove. The upper and lower surfaces can be flat surfaces substantially perpendicular to the piston axis. As described above, the upper and lower surfaces of the pressure ring mounted in the piston ring groove are flat surfaces substantially perpendicular to the piston shaft, so that the piston ring groove that is normally formed perpendicular to the piston shaft is formed. The upper and lower surfaces of the pressure ring can maintain a stable parallel state with respect to the upper and lower side surfaces, and the change of the ring posture can be suppressed even during the reciprocating motion of the piston. Note that the free state of the pressure ring means a state in which the substance is not subjected to external stress other than the force (gravity, air pressure, etc.) normally received in a stationary state.
本件発明に係る圧力リングの好ましい実施の形態について、以下に図を用いて示しながら本件発明をより詳細に説明する。 The preferred embodiment of the pressure ring according to the present invention will be described below in more detail with reference to the drawings.
図1は、本件発明に係る圧力リングの一実施例を当該圧力リングの軸方向上方からみた状態を示し、当該圧力リングが備える合口部(aで示した部分)の要部斜視図を(a)として示した図である。図1に示すように、圧力リング1はリング形状を有し、合口部1aを備えている。また、図1の(a)において、当該圧力リングの下面側には、外周面との間で形成される角部をカットした切り欠き部1bが設けられているのが示されている。本件発明の圧力リングは、図1の(a)に示すように、当該切り欠き部1bが当該圧力リング1の外周面側に設けられることで、当該圧力リング1の外周面側が、当該圧力リングをピストンリング溝に装着後に上方に捻れる作用が働き、当該圧力リングの上下面がピストン軸に対して略垂直なフラット面となり、オイル掻き落とし機能の向上を図ることができる。また、圧力リング1に切り欠き部1bを設けることで、圧力リングの外周面のシリンダ内壁面に接触する面積を小さくし、燃焼行程におけるピストンの動きにより当該圧力リング1のシリンダ内壁面に対する面圧を高めることで、オイル上がりを抑制する効果を得ることができる。
FIG. 1 shows a state of an embodiment of a pressure ring according to the present invention as viewed from above in the axial direction of the pressure ring, and is a perspective view of a main part of a joint portion (portion indicated by a) provided in the pressure ring (a ). As shown in FIG. 1, the
図2は、本件発明に係る圧力リングのピストンへ装着する前の形状を説明するために当該圧力リング軸方向で切断して示した断面図である。また、図2には、当該圧力リングの切断部分(bで示した部分)を用いて外形形状の詳細を(b)として示す。図2に示すように、本件発明に係る圧力リング1は、当該圧力リングの上面2が、径方向外方に向かって下方側に傾斜して略皿ばね形状を有している。本件発明の圧力リングは、ピストンに装着前の自由状態におけるリング形状を図2に示すように予め捻れを付与した形状にしておくことで、ピストンに装着した際に当該圧力リング1に形成される切り欠き部1bによって働く、当該外周面4側の上方側に向けた捻れ作用により、当該圧力リングのピストンリング溝内における姿勢をピストン軸に対して略垂直なフラット状態に矯正させることができる。以下に、本件発明に係る圧力リングの外形形状について、図2を用いて詳細に説明する。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the axial direction of the pressure ring in order to explain the shape of the pressure ring according to the present invention before being attached to the piston. FIG. 2 shows the details of the outer shape as (b) using the cut portion (the portion indicated by b) of the pressure ring. As shown in FIG. 2, the
本件発明の圧力リング1は、図2の(b)に示すように、当該圧力リングの径方向幅をa1、当該圧力リングの軸方向幅をh1、切り欠き部の径方向長さをX、切り欠き部の軸方向長さをYとする。そして、当該圧力リングの上面の、当該圧力リングの軸に対して垂直な面Hに対する傾斜角度θが、0°<θ≦2°に条件が設定されることが好ましい。本件発明の圧力リングの外形形状をこの条件に設定することで、当該圧力リングをピストンに装着した場合に圧力リングの姿勢をピストン軸に対して略垂直なフラット状態にすることができる。
As shown in FIG. 2B, the
すなわち、本件発明に係る圧力リング1は、当該圧力リングの上面2を径方向外方に向かって僅かに下方側に傾斜を持たせた形状とすることで、当該圧力リング1をピストンに装着した際に当該圧力リング1に切り欠き部1bを設けたことにより働く、当該外周面4側の上方側に向けた捻れ作用により、ピストンリング溝内における当該圧力リングの上下面がピストン軸に対して略垂直なフラット面となるものである。従って、ピストンリング溝内における圧力リング1の姿勢をフラット状態とするには、圧力リング1に形成する切り欠き部1bの大きさも少なからず考慮すべきものである。そこで、本件発明の圧力リング1は、当該切り欠き部1bについて、当業者が圧力リングとして要求される機能を満足するために想定し得る大きさとして設定した、当該圧力リングの径方向幅をa1、当該圧力リングの軸方向幅をh1としたときに、当該切り欠き部1bの径方向長さXが、0<X≦a1/3であり、当該切り欠き部の軸方向長さYが、0<Y≦h1/2であるものに対し、ピストンリング溝内における当該圧力リングの姿勢がフラット状態となる条件を設定した。
That is, the
本件発明の圧力リング1は、当該圧力リング1の上面2の、当該圧力リングの軸に対して垂直な面Hに対する傾斜角度θが0°の場合には、当該圧力リング1に形成される切り欠き部1bの存在により、当該圧力リングをピストンに装着した際に上方に捻れる作用が働き、当該圧力リングの姿勢をフラット状態に保つことが不可能となる。一方、当該圧力リング1の上面2の、当該圧力リングの軸に対して垂直な面Hに対する傾斜角度θがθ>2°の場合には、当該圧力リングをピストンに装着した際にその姿勢をフラット状態に保つべく、図2に示す圧力リング1に設ける切り欠き部1bの大きさ(径方向長さX、軸方向長さY)を、上述の設定した大きさより大きくしなければならない。この場合、圧力リング1に形成する切り欠き部1bの当該圧力リング1に対して占める割合が大きくなり過ぎるため、当該圧力リング1の下面3とピストンリング溝(不図示)との接触面積が小さくなり、圧力リングの姿勢安定性に欠け、当該圧力リング1の下面側のオイルシール性を低下させてしまう。
The
図3は、本件発明に係る圧力リングをピストンリング溝に装着した状態を説明するためにピストン軸方向で切断して示した断面図である。図3に示すように、圧力リング1は、ピストンリング溝内6に装着された状態で、ガスシール及びオイルコントロールすると共に、ピストン5の往復運動により、シリンダ内壁面10に対して自己の持つ張力により押しつけられている圧力リングの外周面4が油膜の厚みを適度にコントロールする。そして、圧力リング1は、シリンダ内壁面10に油膜を介して接触しながらピストン5の往復運動(図中の矢印方向)に圧力リング1が追従することで、当該圧力リング1の上面2及び下面3において、ピストンリング溝の上下側面7,8との接触が繰り返される。圧力リング1は、ピストンに装着した際に当該圧力リングの姿勢がピストン軸に対して略垂直なフラット状態に保たれていないと、ピストンの往復運動において当該圧力リング1の姿勢が不安定となりやすく、オイルコントロール機能及びガスシール機能の低下を招いてしまう。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the pressure ring according to the present invention cut in the piston axial direction in order to explain a state where the pressure ring is mounted in the piston ring groove. As shown in FIG. 3, the
本件発明の圧力リングは、セカンドリングであることが好ましい。本件発明に係る圧力リングは、図1に示すように、切り欠き部1bを形成するために外周面4の一部を切り欠くため、当該圧力リング1のシリンダ内壁面に接触する面積が小さくなり、セカンドリングとして求められるオイルコントロール機能が向上する。
The pressure ring of the present invention is preferably a second ring. As shown in FIG. 1, the pressure ring according to the present invention cuts a part of the outer
本件発明の圧力リングは、その外周面が、当該圧力リングの下面側から上面側に向けて縮径したテーパー形状部分を備えたものであることが好ましい。本件発明に係る圧力リングは、その外周面にテーパー形状部分を備えることすることにより、シリンダ内壁面への接触面積をより小さくすることができ、高い面圧によりオイル掻き性能を向上させることができる。また、図2に示すテーパー角度αを30′〜4°に設定することにより、ピストンの上昇行程にてテーパー面すきまのくさび効果で厚い油膜が形成され、ピストンの下降行程にて下端部のシャープエッジが積極的にオイルを掻くことができる。なお、テーパー角度は、図2の(b)より、圧力リング下面の延長線Aに対し、垂線Bを圧力リング上面方向に引き、この垂線Bと外周面4が備えるテーパー面とのなす角度αをいう。そして、このテーパー角度は、JIS B8032(1993)に示す外周面テーパーの測定方法に基づき測定する。
In the pressure ring of the present invention, it is preferable that the outer peripheral surface includes a tapered portion whose diameter is reduced from the lower surface side to the upper surface side of the pressure ring. The pressure ring according to the present invention includes a tapered portion on the outer peripheral surface thereof, thereby making it possible to further reduce the contact area with the inner wall surface of the cylinder and to improve the oil scraping performance with a high surface pressure. . Further, by setting the taper angle α shown in FIG. 2 to 30 ′ to 4 °, a thick oil film is formed due to the wedge effect of the taper surface clearance in the upward stroke of the piston, and the lower end is sharpened in the downward stroke of the piston. The edge can scrape the oil positively. Note that the taper angle is an angle α formed between the perpendicular B and the taper surface provided on the outer
また、本件発明に係る圧力リングは、当該圧力リングの少なくとも外周面に硬質層が形成されていることが好ましい。本件発明に係る圧力リングは、少なくとも外周面に硬質層を形成することにより、耐摩耗性及び耐スカッフ性を向上させることができる。図3には、圧力リング1の外周面4に硬質層11が形成されているのが示されている。しかし、当該硬質層11は、本件発明に係る圧力リング1の外周面4に限定して形成されるものではない。図4は、本件発明に係る圧力リングを当該圧力リングの軸方向で切断して示した断面図である。例えば、図4の(A)に示すように、本件発明に係る圧力リングは、硬質層11を当該圧力リング全周に形成してもよい。この場合、図3に示す、圧力リングの上面2及び下面3において、ピストンリング溝の上下側面7,8との接触による摩耗を効果的に抑制することができる。また、図3には、圧力リング1の外周面4に硬質層11が形成されているのが示されているが、本件発明に係る圧力リング1は、硬質層11がその形成過程で切り欠き部1bの外表面に形成されていてもよい。
Moreover, it is preferable that the pressure ring which concerns on this invention has a hard layer formed in the at least outer peripheral surface of the said pressure ring. The pressure ring according to the present invention can improve wear resistance and scuff resistance by forming a hard layer on at least the outer peripheral surface. FIG. 3 shows that the hard layer 11 is formed on the outer
また、本件発明に係る圧力リングは、当該圧力リング1の少なくとも外周面4に形成する当該硬質層11として、窒化処理層又はクロムめっき層又はPVD層を形成することで、当該圧力リングの耐摩耗性と耐スカッフ性は飛躍的に向上する。なお、当該圧力リング1の少なくとも外周面4に形成する窒化処理層又はクロムめっき層又はPVD層の表面には、クロムめっき、複合めっき、溶射、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)等の手法を用いて、更に表面処理を施すこともできる。
Further, the pressure ring according to the present invention is formed by forming a nitriding layer, a chromium plating layer, or a PVD layer as the hard layer 11 formed on at least the outer
また、本件発明の圧力リング1は、その表面にダイヤモンド ライク カーボン層(以下、「DLC層」と称する。)を形成することもできる。このDLC層は、上述の圧力リング1の窒化処理層又はクロムめっき層又はPVD層を形成した外周面4の最外層に設けてもよく、また、圧力リング1の表面に形成する硬質層を省略して当該外周面4の上に直接形成してもよい。このDLC層は、TiN、CrN等の耐摩耗性の硬質皮膜材と比べ、摩擦係数が低い低摩擦材料として知られており、当該外周面4の他、上面2及び下面3にDLC層を設けることで、耐摩耗特性を飛躍的に向上させ得る。
Moreover, the
なお、念のために述べておくが、本件発明に係る圧力リングは、当該圧力リングの表面に硬質層を形成することが絶対必要条件ではない。本件発明に係る圧力リングの表面に硬質層を形成した場合の耐摩耗性及び耐スカッフ性の向上効果について述べてきたが、図4の(B)に示すように、本件発明に係る圧力リングは、その表面に硬質層11を全く形成しないものであってもよい。 It should be noted that it is not absolutely necessary for the pressure ring according to the present invention to form a hard layer on the surface of the pressure ring. Although the improvement effect of abrasion resistance and scuffing resistance when a hard layer is formed on the surface of the pressure ring according to the present invention has been described, as shown in FIG. The hard layer 11 may not be formed at all on the surface.
以上説明してきたように、本件発明の圧力リングによれば、ピストンに装着した際に当該圧力リングの姿勢がピストン軸に対して略垂直なフラット状態に安定して保たれることで、オイル消費量及びブローバイガス量の増大を抑制することが可能となる。以下に、その根拠を実施例に示す。 As described above, according to the pressure ring of the present invention, when the piston is mounted on the piston, the posture of the pressure ring is stably maintained in a flat state substantially perpendicular to the piston shaft, so that the oil consumption The increase in the amount and the amount of blow-by gas can be suppressed. The basis for this is shown in the examples below.
オイル消費量確認試験: 本確認試験では、排気量が2000cc、シリンダボア径が86.0mmの直列4気筒ガソリンエンジンの実機試験を行い、本件発明で規定する当該圧力リングの傾斜角度θの条件を満足するものと満足しないものとで、オイル消費量に違いが生じるか否かについての確認を行った。 Oil consumption confirmation test: In this confirmation test, an in-line four-cylinder gasoline engine with a displacement of 2000 cc and a cylinder bore diameter of 86.0 mm was tested and satisfied the condition of the inclination angle θ of the pressure ring specified in the present invention. It was confirmed whether there was a difference in oil consumption between what was and what was not.
なお、本確認試験を実施するにあたり、エンジンの運転条件は、全負荷(WOT)で回転数6000rpmで5時間行った。そして、リングの組み合わせは、トップリング、セカンドリング、オイルリングとし、セカンドリングに関してのみ傾斜角度θの条件が異なるものを用意した。そして、トップリングは、外周面がバレル形状であり、10Cr鋼からなる軸方向幅が1.0mm、径方向幅が2.7mmのものにガス窒化処理を施したものを用いた。また、セカンドリングは、その外周面が、当該セカンドリングの下面側から上面側に向けて縮径したテーパー形状部分を備えたものであり、JIS規格で表されるSWRH62B材からなり、軸方向幅が1.0mm、径方向幅が2.7mmのものを用いた。 In carrying out this confirmation test, the engine was operated under full load (WOT) at a rotational speed of 6000 rpm for 5 hours. The combination of rings was a top ring, a second ring, and an oil ring, and those with different conditions of the inclination angle θ were prepared only for the second ring. The top ring used was a barrel-shaped outer peripheral surface having an axial width of 1.0 mm and a radial width of 2.7 mm and subjected to gas nitriding treatment. Further, the second ring has a tapered portion whose outer peripheral surface is reduced in diameter from the lower surface side to the upper surface side of the second ring, and is made of a SWRH62B material expressed in JIS standard, and has an axial width. Having a diameter of 1.0 mm and a radial width of 2.7 mm was used.
ここで、本確認試験に用いる、トップリングを構成する10Cr鋼、及びセカンドリングを構成するSWRH62B材に関して述べておく。ここで言う10Cr鋼は、炭素0.50質量%、ケイ素0.21質量%、マンガン0.30質量%、クロム10.1質量%、リン0.02質量%、硫黄0.01質量%、残部鉄及び不可避不純物の組成を備え、且つ、ガス窒化処理を施したものである。そして、ここで言うSWRH62B材とは、炭素0.62質量%、ケイ素0.21質量%、マンガン0.75質量%、リン0.02質量%、硫黄0.01質量%、残部鉄及び不可避不純物の組成を備えるものである。 Here, the 10Cr steel constituting the top ring and the SWRH62B material constituting the second ring used in this confirmation test will be described. The 10Cr steel mentioned here is carbon 0.50 mass%, silicon 0.21 mass%, manganese 0.30 mass%, chromium 10.1 mass%, phosphorus 0.02 mass%, sulfur 0.01 mass%, and the balance. It has a composition of iron and inevitable impurities and has been subjected to gas nitriding treatment. And SWRH62B material said here is carbon 0.62 mass%, silicon 0.21 mass%, manganese 0.75 mass%, phosphorus 0.02 mass%, sulfur 0.01 mass%, remainder iron and inevitable impurities The composition is provided.
また、本確認試験に用いるオイルリングは、オイルリング本体とコイルエキスパンダとからなる2ピース構成オイルリングとし、オイルリング本体は、炭素0.70質量%、ケイ素0.28質量%、マンガン0.35質量%、クロム8.1質量%、リン0.01質量%、硫黄0.01質量%、残部鉄及び不可避不純物の組成の所謂8Cr鋼を用い、且つ、ガス窒化処理を施しているものを用いた。 The oil ring used in this confirmation test is a two-piece oil ring composed of an oil ring body and a coil expander. The oil ring body is composed of carbon 0.70% by mass, silicon 0.28% by mass, manganese 0. A so-called 8Cr steel having a composition of 35 mass%, chromium 8.1 mass%, phosphorus 0.01 mass%, sulfur 0.01 mass%, the balance iron and inevitable impurities, and subjected to gas nitriding treatment Using.
そして、本確認試験において用いるセカンドリングについて、本件発明に規定する圧力リングの傾斜角度θが、0°<θ≦2°の条件を満足しているものを実施例試料(実施例1〜実施例4)とし、従来品に相当するもの及び当該条件を満足しないものを比較例試料(比較例1、比較例2)とした。具体的に、実施例試料の傾斜角度θは、実施例1が15′、実施例2が30′、実施例3が1°、実施例4が2°となるものを用いた。一方、比較例試料の傾斜角度θは、比較例1が0°、比較例2が2°30′となるものを用いた。ここで、実施例試料及び比較例試料は、全ての試料がその外周面にテーパー形状部分を備えたものを採用し、テーパー角度αを2°、摺動面幅を0.1mmに統一した。なお、本確認試験において用いる試料は、当業者の間で一般的に採用されている圧力リングの加工方法を用いて作成した。また、これら試料の外周面の形状は、形状測定器を用いて測定した。 And about the second ring used in this confirmation test, the example sample (Example 1 to Example) in which the inclination angle θ of the pressure ring defined in the present invention satisfies the condition of 0 ° <θ ≦ 2 ° 4) and those corresponding to conventional products and those not satisfying the conditions were used as comparative sample (Comparative Example 1 and Comparative Example 2). Specifically, the inclination angle θ of the example sample was 15 ′ in Example 1, 30 ′ in Example 2, 1 ° in Example 3, and 2 ° in Example 4. On the other hand, the inclination angle θ of the comparative sample was 0 ° in Comparative Example 1 and 2 ° 30 ′ in Comparative Example 2. Here, as the example samples and the comparative example samples, all samples were provided with a tapered portion on the outer peripheral surface, and the taper angle α was 2 ° and the sliding surface width was unified to 0.1 mm. The sample used in this confirmation test was prepared using a pressure ring processing method generally adopted by those skilled in the art. Moreover, the shape of the outer peripheral surface of these samples was measured using a shape measuring instrument.
以上の条件に基づき、オイル消費量確認試験を行った結果について表1及び図5に示す。表1は、圧力リングに設ける切り欠き部の条件と、圧力リングの傾斜角度θの条件とが本件発明の条件範囲内の実施例試料と、本件発明の条件範囲外の比較例試料とで確認を行った結果を示したものである。そして、図5は、圧力リング(セカンドリング)の傾斜角度とオイル消費量との関係を示したグラフを示したものである。なお、表1において、オイル消費指数(LOC:Lublication oil consumption)の数値は、圧力リングのピストン装着前の自由状態における傾斜角度θが0°の従来品に相当する試料(比較例1)を「100」とした場合の相対値で示している。 Table 1 and FIG. 5 show the results of the oil consumption confirmation test based on the above conditions. Table 1 confirms the condition of the notch provided in the pressure ring and the condition of the inclination angle θ of the pressure ring in the example sample within the condition range of the present invention and the comparative example sample outside the condition range of the present invention. The result of having performed is shown. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the inclination angle of the pressure ring (second ring) and the oil consumption. In Table 1, the value of the oil consumption index (LOC) is the value of a sample (Comparative Example 1) corresponding to a conventional product having an inclination angle θ of 0 ° in a free state before the pressure ring is mounted on the piston. It is shown as a relative value in the case of “100”.
表1より、実施例試料である、実施例1のオイル消費指数は90、実施例2のオイル消費指数は80、実施例3のオイル消費指数は70、実施例4のオイル消費指数は70となった。 From Table 1, the oil consumption index of Example 1, which is an example sample, is 90, the oil consumption index of Example 2 is 80, the oil consumption index of Example 3 is 70, and the oil consumption index of Example 4 is 70. became.
また、表1より、比較例試料である、比較例1のオイル消費指数は100、比較例2のオイル消費指数は98となった。 Further, from Table 1, the oil consumption index of Comparative Example 1, which is a comparative sample, was 100, and the oil consumption index of Comparative Example 2 was 98.
以上の結果より、実施例試料である実施例1〜実施例4については、本件発明で規定する圧力リングの傾斜角度の範囲(0°<θ≦2°)から外れた比較例試料である比較例1及び比較例2よりもオイル消費量が少ない結果となった。これは、表1及び図5に示す結果より、切り欠き部を備えた圧力リングにおいて、当該圧力リングの上面の当該圧力リングの軸に対して垂直な面に対する傾斜角度θの条件が、本件発明で規定する範囲を外れた場合には、当該圧力リングのピストン装着した際の姿勢に傾きが生じていることが考えられる。これは、圧力リングが傾いた姿勢でピストンに装着されると、ピストンリング溝の下側面との接触面積が減少するため、ピストンリング溝内における当該圧力リングの姿勢安定性が悪化することとなり、オイルシール性が悪化し、オイル消費量が増加することから容易に想定できる。 Based on the above results, Examples 1 to 4 which are Example Samples are Comparative Example Samples that are out of the range of the inclination angle of the pressure ring defined in the present invention (0 ° <θ ≦ 2 °). The oil consumption was smaller than in Example 1 and Comparative Example 2. From the results shown in Table 1 and FIG. 5, in the pressure ring having a notch, the condition of the inclination angle θ of the upper surface of the pressure ring with respect to the plane perpendicular to the axis of the pressure ring is the present invention. If it is out of the range specified in (1), it is considered that the posture of the pressure ring when the piston is mounted is inclined. This is because, when the pressure ring is attached to the piston in a tilted posture, the contact area with the lower surface of the piston ring groove decreases, so the posture stability of the pressure ring in the piston ring groove deteriorates. This can be easily assumed because the oil sealability deteriorates and the oil consumption increases.
なお、表1より、比較例試料の比較例2に関しては、圧力リングの傾斜角度が本件発明に規定する範囲を上限側に外れたものであるが、当該圧力リングに設ける切り欠き部の大きさも全ての試料中最も大きいものである。表1において、実施例1〜実施例4のオイル消費指数を比較したときに、圧力リングの傾斜角度が大きくなるにしたがってオイル消費指数の数値が小さくなる傾向が示されている。それにもかかわらず、比較例2のオイル消費指数は、傾斜角度θが0°の比較例1に近い数値が示されている。この比較例2の結果を基に考察すると、比較例2の圧力リングは、本件発明で規定する圧力リングの傾斜角度の範囲(0°<θ≦2°)から外れた形状により、圧力リングに設ける切り欠き部の当該圧力リングに対して占める割合が大きくなり、圧力リング下面とピストンリング溝との接触面積が小さくなることで、リングの姿勢安定性に欠け、圧力リング下面側のオイルシール性が低下したと考えられる。 In addition, from Table 1, regarding Comparative Example 2 of the comparative sample, the inclination angle of the pressure ring deviates from the upper limit side within the range defined in the present invention, but the size of the notch provided in the pressure ring is also The largest of all samples. In Table 1, when comparing the oil consumption index of Example 1 to Example 4, there is shown a tendency that the numerical value of the oil consumption index decreases as the inclination angle of the pressure ring increases. Nevertheless, the oil consumption index of Comparative Example 2 shows a numerical value close to that of Comparative Example 1 with an inclination angle θ of 0 °. Considering based on the result of Comparative Example 2, the pressure ring of Comparative Example 2 is formed into a pressure ring due to the shape deviating from the inclination angle range (0 ° <θ ≦ 2 °) of the pressure ring defined in the present invention. The ratio of the notch to be provided to the pressure ring increases, and the contact area between the lower surface of the pressure ring and the piston ring groove decreases, resulting in lack of ring posture stability and oil sealability on the lower surface of the pressure ring. Is thought to have declined.
以上説明してきたように、本件発明の圧力リングは、当該圧力リングの上面の、当該圧力リングの軸に対して垂直な面に対する傾斜角度θの条件を本件発明に規定する条件範囲内にすることによって、オイル消費量の低減を図ることができる。 As described above, in the pressure ring of the present invention, the condition of the inclination angle θ of the upper surface of the pressure ring with respect to the plane perpendicular to the axis of the pressure ring is within the condition range defined in the present invention. Therefore, the oil consumption can be reduced.
本件発明の圧力リングは、圧力リングの上下面がピストン装着時にピストン軸に対して略垂直なフラット面となるため、オイル消費量やブローバイガス量の増大を抑制することができる。 In the pressure ring of the present invention, since the upper and lower surfaces of the pressure ring are flat surfaces substantially perpendicular to the piston shaft when the piston is mounted, an increase in oil consumption and blow-by gas amount can be suppressed.
1 圧力リング
2 圧力リング上面
3 圧力リング下面
4 圧力リング外周面
1a 合口部
1b 切り欠き部1b
θ 傾斜角度
α テーパー角度
a1 圧力リングの径方向幅
h1 圧力リングの軸方向幅
A 圧力リング下面の延長線
B 圧力リング下面の延長線に引いた垂線
X 切り欠き部の径方向長さ
Y 切り欠き部の軸方向長さ
DESCRIPTION OF
θ Inclination angle α Taper angle a1 Radial width h1 of pressure ring Axial width A of pressure ring Extension line B on the lower surface of the pressure ring Vertical line X drawn on the extension line on the lower surface of the pressure ring Radial length Y of the notch Axial length of section
Claims (4)
軸方向断面が略矩形形状の下面と外周面とで形成される角部を切り欠いてステップ状とした切り欠き部が設けられ、
当該圧力リングは、自由状態において、当該圧力リングの上面が、径方向外方に向かって下方側に傾斜して略皿ばね形状を有し、
当該圧力リングの上面の、当該圧力リングの軸に対して垂直な面に対する傾斜角度θが、0°<θ≦2°であることを特徴とする圧力リング。 A pressure ring mounted in a piston ring groove of a piston for an internal combustion engine,
A cut-out portion having a step shape by cutting off a corner formed by a lower surface and an outer peripheral surface having a substantially rectangular cross section in the axial direction is provided,
In the free state, the pressure ring has a substantially disc spring shape with the upper surface of the pressure ring inclined downward in the radial direction,
The pressure ring, wherein an inclination angle θ of the upper surface of the pressure ring with respect to a plane perpendicular to the axis of the pressure ring is 0 ° <θ ≦ 2 °.
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