JP2013155829A - ３ピースオイルリング - Google Patents

Abstract

【課題】オイルリングのさらなる薄幅化、低張力化を行った場合であっても、潤滑油消費の低減を図ることができる３ピースオイルリングを提供すること。
【解決手段】３ピースオイルリングにおいて、スペーサエキスパンダは、半径方向内方側において前記第１及び第２サイドレールのそれぞれの内周を押圧するために軸方向にそれぞれ突出する耳部と、半径方向外方位置において第１及び第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部とを有し、サイドレール支持部のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙが０．１３〜０．２５であって、スペーサエキスパンダの凸部間又は凹部間のピッチＰと、前記距離Ｙとの比Ｐ／Ｙが１．３５〜１．６５である。
【選択図】図４

Description

本発明は、３ピースオイルリングに関する。

内燃機関のピストンリングは、燃焼室側に通常２本の圧力リングと反燃焼室側に通常１本のオイルリングがピストンの外周に設けられたリング溝に装着されている。オイルリングとしては、オイルリング本体と、オイルリングを径方向外方に押圧付勢するコイルエキスパンダとからなる２ピースオイルリングや、径方向外方に付勢力を発揮するスペーサエキスパンダと、スペーサエキスパンダの軸方向端部にそれぞれセットされ、スペーサエキスパンダにより径方向外方、すなわちシリンダ壁面方向に付勢される一対のサイドレールとを備えたいわゆる３ピースオイルリングが知られている。

近年、自動車用内燃機関の低燃費化の要求が高まっており、それに伴いピストンリングへのフリクション低減が大きな課題とされ、特にオイルリングの薄幅化、低張力化が求められている。３ピースオイルリングは、サイドレールがスペーサエキスパンダによってシリンダ壁面に押接されるため、リング溝とのシール性が優れているという利点を有しており、ガソリン機関においては、３ピースオイルリングが多用されているのが現状である。

３ピースオイルリングとして、特許文献１には、スペーサエキスパンダが、半径方向内方側において第１、第２サイドレールを押圧するために、軸方向にそれぞれ突出し半径方向外方側に傾斜面を備えた耳部と、半径方向外方位置において、第１、第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部を有するものが提案されている。この３ピースオイルリングでは、さらに耳部の角度が１０〜２０°の範囲に規定され、サイドレール支持部の突出距離の合計距離と、両耳部の軸方向端面間の距離との比が、０．０４から０．１５の範囲に規定されている。特許文献１に提案がされている３ピースオイルリングによれば、低張力や薄幅であってもシール性の向上と、潤滑油消費の低減を実現でき、スティックの発生の問題がないとされている。

特許第４６３３６３９号公報

近時、オイルリングにはさらなる薄幅化、低張力化が求められており、リング溝の軸方向幅が小さくなることにともなって、リング溝とサイドレールとの間の隙間の容積も極めて小さくなってきている。また、特許文献１に提案がされているようなオイルリングの軸方向幅を小さくしていった場合には、サイドレールとスペーサエキスパンダのサイドレール支持部と耳部とで囲まれた隙間の容積も小さくなる。しかしながら、この隙間の容積が小さくなった場合には、該隙間にカーボン等が堆積しやすくなり潤滑油消費性能が著しく低下することとなる。これは、隙間に堆積したカーボン等が焼きつきスペーサエキスパンダとサイドレールとが固着することによる。つまり、オイルリングのさらなる薄幅化、低張力化にともない、潤滑油消費性能が低下しているのが現状である。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、３ピースオイルリングのさらなる薄幅化、低張力化を行った場合であっても、スペーサエキスパンダとサイドレールとの固着を防止でき、潤滑油消費量の低減を図ることができる３ピースオイルリングを提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、スペーサエキスパンダとスペーサエキスパンダの軸方向の一端と他端にそれぞれ配置された第１サイドレールと第２サイドレールとを有する３ピースオイルリングであって、前記スペーサエキスパンダは、半径方向内方側において前記第１サイドレール及び前記第２サイドレールのそれぞれの内周を押圧するために軸方向にそれぞれ突出する耳部と、半径方向外方位置において前記第１サイドレール及び前記第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部と、を有し、前記サイドレール支持部のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙが０．１３〜０．２５であって、前記スペーサエキスパンダの凸部間又は凹部間のピッチＰと、前記距離Ｙとの比Ｐ／Ｙが１．３５〜１．６５であることを特徴とする。

また、前記サイドレール支持部と、前記耳部と、前記第１サイドレールで区画される空間の軸方向断面の面積Ａ１と、前記サイドレール支持部と、前記耳部と、前記第２サイドレールで区画される空間の軸方向断面の面積Ａ２との合計面積をＡとし、前記第１サイドレール又は前記第２サイドレールの半径方向外方側の周方向端面から前記耳部の半径方向内方側の周方向端面までの距離ａ１と、前記第１サイドレールと前記第２サイドレールの軸方向端面間の距離ｈ１との積をＢとしたときの、比Ｂ／Ａが１２〜７１であってもよい。

また、前記サイドレール支持部と、前記耳部と、前記第１サイドレールで区画される空間、及び前記サイドレール支持部と、前記耳部と、前記第２サイドレールで区画される空間において、前記スペーサエキスパンダと前記第１サイドレールとが対向する面、及び前記スペーサエキスパンダと前記第２サイドレールとが対向する面の少なくとも一部が、撥油性を有する皮膜で覆われていてもよい。

本発明の３ピースオイルリングによれば、３ピースオイルリングのさらなる薄幅化、低張力化を行った場合であっても、スペーサエキスパンダとサイドレールとの固着を防止でき、潤滑油消費量の低減を図ることができる。また、本発明の一実施形態の３ピースオイルリングによれば、スペーサエキスパンダとサイドレールとの固着防止性能を更に高めることができる。

本発明の３ピースオイルリングにおいて、ピストンとピストンリングの関係を示す説明図である。 本発明の３ピースオイルリングの一例を示す部分斜視図である。 本発明の３ピースオイルリングの一例を示す断面図である。 本発明の３ピースオイルリングのスペーサエキスパンダを示す拡大断面図である。 本発明の３ピースオイルリングにおいて、スペーサエキスパンダのピッチを説明するための部分斜視図である。 本発明の３ピースオイルリングの一例を示す断面図である。

以下、本発明の３ピースオイルリングについて、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、３ピースオイルリングを装着したピストンとシリンダを示す概略図であり、シリンダ１内に往復移動するピストン２には環状のリング溝２ａ、２ｂ、２ｃが形成され、燃焼室ＣＭ側から順に第１圧力リング３、第２圧力リング４、３ピースオイルリング５がそれぞれリング溝２ａ〜２ｃに装着され、シリンダ壁面に摺接している。３ピースオイルリング５は、シリンダ１内のオイルを掻き下げる作用と、逆止弁効果により３ピースオイルリング５より圧力リング側のピストンランド部２Ａにオイルを送らない作用を果たす。ピストン２には、３ピースオイルリング５を装着したリング溝２ｃと連通してオイルを図示せぬクランクケースに環流させるためのドレーンホール２ｄが形成されている。クランクケースとはクランク軸が入っている空間であり、シリンダブロックのスカート部とオイルパンによって囲まれている。

図２〜図４に示されるように、３ピースオイルリング５は、環状のスペーサエキスパンダ１０と、スペーサエキスパンダの軸方向の一端と他端にそれぞれ配置された第１サイドレール２０と第２サイドレール３０を有し、スペーサエキスパンダ１０は軸方向波型であり、軸方向に突出する凸部１１と軸方向に後退する凹部１２とが周方向に交互に並んでいる。なお、隣接する凸部１１のピッチと、隣接する凹部１２のピッチは略同一である。

スペーサエキスパンダ１０の半径方向内方側には、第１サイドレール２０及び第２サイドレール３０のそれぞれの内周面２０ａ、３０ａを押圧するために軸方向にそれぞれ突出する耳部１３が設けられている。耳部１３は、軸方向と平行に突出していてもよいが、図示するように半径方向外方側に傾斜面１３ａを有していることが好ましい。傾斜面１３ａを有する耳部１３とすることで分力を発生させ、第１サイドレール２０、第２サイドレール３０を半径方向外方、かつ半径方向と交差する方向に付勢することができ、オイルリング溝の半径方向壁面に対してもサイドレール２０、３０を張らせ、側圧力を確保してサイドレールの挙動を抑制し、オイル消費を抑えることができる。

図４に示される耳部１３の半径方向外方側の傾斜面１３ａと軸心とのなす角度である耳角度θは１０°〜３０°の範囲であることがさらに好ましい。耳角度が１０°未満であるとリング溝２ｃの半径方向の壁面に対するサイドレール２０、３０の必要最小限度の側圧力が確保できず、オイルリング溝２ｃのオイルがサイドレール２０とリング溝２ｃの半径方向壁面の間に侵入し易くなりポンピングによって、図１に示す上方のピストンランド部２Ａに送られるオイル量が増加しオイル消費が悪化してしまうおそれがある。一方、耳角度が３０°を越えると、側圧力が過大となりスティック発生の原因となる。本発明において、特に好ましい耳角度は１５°〜２５°である。

スペーサエキスパンダ１０の半径方向外方位置には、第１サイドレール２０及び第２サイドレール３０の軸方向端面２０ｂ、３０ｂを支持するために軸方向にそれぞれ突出する凸状のサイドレール支持部１４が突設されている。サイドレール支持部１４は、第１サイドレール２０及び第２サイドレール３０がオイルリング溝２ｃ内で傾斜して支持されているときに、第１サイドレール２０及び第２サイドレール３０の軸方向端面２０ｂ、３０ｂの支点位置を固定するために設けられる。ここで、本発明では、図４に示されるように、サイドレール支持部１４、１４のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部１３、１３の軸方向端面間の距離（全幅）Ｙとの比２Ｘ／Ｙは０．１３〜０．２５に設定されている。比２Ｘ／Ｙが０．２５を越えると、３ピースオイルリングの薄幅化に対応すべく、スペーサエキスパンダ１０の軸方向の厚みを薄くしたときに、耳部１３の基部付近で折損が生ずる場合がある。一方で、比２Ｘ／Ｙが０．１３未満であると、サイドレール支持部１４と、耳部１３と、サイドレール２０とで区画される空間の容積が小さくなり、オイルが滞留しやすくなることからスティックの抑制効果を発揮できない場合がある。

本発明では、サイドレール支持部１４、１４のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部１３、１３の軸方向端面間の距離（全幅）Ｙとの比２Ｘ／Ｙを上記範囲内とすることで、３ピースオイルリングを薄幅化、たとえば、１．５ｍｍ以下とした場合であっても、耳部１３の基部付近での破損や、図３に示されるサイドレール支持部１４と、耳部１３と、サイドレール２０、３０とで区画される空間１５ａ、１５ｂにオイルが溜まりにくくなる。これによりスティックが生じることを防止することができ、オイル消費の低減が図られる。軸方向突出距離Ｘ、両耳部軸方向端面間の距離（全幅）Ｙについて特に限定はないが、Ｘは０．０９ｍｍ〜０．２０ｍｍ程度であることが好ましく、Ｙは、１．３ｍｍ〜１．８ｍｍ程度が好ましい。

ところで、図５（ｂ）で示されるスペーサエキスパンダ１０のピッチＰが狭い場合には、スペーサエキスパンダ１０と、第１サイドレールや第２サイドレールとの接点が多くなり、図３に示される空間１５ａ、１５ｂの数が多くなる。空間１５ａ、１５ｂの数が多くなるにしたがい、上述したように比２Ｘ／Ｙを本発明の範囲内に設定した場合であっても、３ピースオイルリングの軸方向の厚みによっては、スティックの発生を防止することができない場合が生じうる。より具体的には、スペーサエキスパンダ１０のピッチＰと、図４に示される両耳部１３、１３の軸方向端面間の距離（全幅）Ｙとの比Ｐ／Ｙが１．３５未満である場合には、３ピースオイルリングを薄幅化した場合において、スティックが生じやすくなる。スペーサエキスパンダＰのピッチについて特に限定はないが、ピッチＰは１．７ｍｍ〜２．８ｍｍ程度であることが好ましい。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）をＹ方向から見たときの図であり、スペーサエキスパンダ１０のピッチＰとは、図５（ｂ）に示されるように、スペーサエキスパンダ１０の凸部間、又は凹部間のピッチを意味する。

一方、図５（ｂ）で示されるスペーサエキスパンダ１０のピッチＰを広げる、具体的には、上述した比Ｐ／Ｙを１．３５以上とすることで、スペーサエキスパンダ１０と、第１サイドレールや第２サイドレールとの接点が少なくなり、オイルが滞留しにくくなることからスティックの発生を防止することができる。しかしながら、スペーサエキスパンダ１０のピッチＰが広すぎる場合、具体的には、比Ｐ／Ｙが１．６５を超えると、オイルリングが自由状態の際のたわみ量が小さくなりすぎ、リング摩耗、ボア変形時の張力減退影響が大きくなってしまう。

そこで、本発明では、上述したように、比２Ｘ／Ｙが０．１３以上０．２５以下の範囲内に規定され、かつ、スペーサエキスパンダ１０のピッチＰと、両耳部１３、１３の軸方向端面間の距離（全幅）Ｙとの比Ｐ／Ｙが１．３５以上１．６５以下の範囲内に規定されている。

また、図６に示される、サイドレール支持部１４と、耳部１３と、第１サイドレール２０で区画される空間１５ａの軸方向断面の面積Ａ１と、サイドレール支持部１４と、耳部１３と、第２サイドレール３０で区画される空間１５ｂの軸方向断面の面積Ａ２との合計面積をＡとし、第１サイドレール２０又は第２サイドレール３０の半径方向外方側の周方向端面２０ｃ、３０ｃから耳部１３の半径方向内方側の周方向端面までの距離ａ１と、第１サイドレールと前記第２サイドレールの軸方向端面間の距離ｈ１との積をＢとしたときの比Ｂ／Ａは、１２以上７１以下であることが好ましい。

比Ｂ／Ａをこの範囲内とすることで、オイルの溜まりを更に効果的に防止することができ、スティックの発生防止効果をさらに向上させることができる。なお、比Ｂ／Ａが７１よりも大きくなるにつれ、サイドレール支持部１４と、耳部１３と、第１サイドレール２０で区画される空間１５ａの面積Ａ１、及びサイドレール支持部１４と、耳部１３と、第２サイドレール３０で区画される空間１５ｂの面積Ａ２が小さくなり、スティックが発生しやすくなる傾向にある。一方で、比Ｂ／Ａが１２よりも小さくなるにつれ、サイドレール支持部１４の軸方向突出距離Ｘが大きくなり、スペーサエキスパンダの剛性が不足してしまう場合がある。

また図示しないが、サイドレール支持部１４と、耳部１３と、第１サイドレールで区画される空間１５ａ、及びサイドレール支持部１４と、耳部１３と、第２サイドレール３０で区画される空間１５ｂにおいて、スペーサエキスパンダ１０と第１サイドレール２０とが対向する面、又はスペーサエキスパンダ１０と第２サイドレール３０とが対向する面の少なくとも一部が、撥油性を有する皮膜で覆われていることが好ましい。撥油性を有する皮膜を、空間１５ａを構成するスペーサエキスパンダ１０と第１サイドレール２０が対向する面の少なくとも一部、及び空間１５ｂを構成するスペーサエキスパンダ１０と第２サイドレール３０が対向する面の少なくとも一部に設けることで、空間１５ａ、１５ｂにオイルが長期間滞留することがなく、スティックをさらに効果的に防止することができる。

撥油性を有する皮膜は、少なくとも、上記対向する面のうちスペーサエキスパンダ側の表面又は、第１サイドレール２０、第２サイドレール３０側の表面の何れか一方の表面の一部に設けられていればよく、上記対向する面のすべてが撥油性を有する皮膜で覆われていてもよい。

撥油性を有する皮膜としては、バインダーとしての熱硬化性樹脂にＳｉ(珪素)及びＦ（フッ素）を含有することにより形成される皮膜等が好適である。このように熱硬化性樹脂にＳｉ(珪素)及びＦ（フッ素）を含有させた皮膜とすることで、皮膜の撥油性を高めることができる。

熱硬化性樹脂としては、ラジカル重合を有するフッ素樹脂と、ラジカル重合性シリコーン樹脂と、イソシアネート樹脂とを結合させた熱硬化性樹脂を好ましく使用することができる。具体的には、シリコーンポリマーをグラフト重合した、Ｆ（フッ素）、Ｓｉ（珪素）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）からなるフッ素ポリマーと、イソシアネート樹脂とを結合させた熱硬化性樹脂を好ましく使用することができる。

撥油性を有する皮膜は、例えば、撥油性を有する樹脂をスプレーコート法、ディップコート法、スピンコーティング法などを用いて、スペーサエキスパンダ１０、第１サイドレール２０、第２サイドレール３０の所望の部分に塗布することで形成することができる。

以上、本発明の３ピースオイルリングについて詳細に説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。

次に、実施例、比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。
排気量１．５リットル直列４気筒の自動車用ガソリンエンジンによる実機試験を行い、スティック発生について調べた。試験条件は、３０００ｒｐｍ−ＷＯＴ（ワイドオープンスロットル）にて冷却水温度を３０〜１００℃に変化させ、３００時間の冷熱耐久後のスティックの有無を確認した。オイル消費については、６０００ｒｐｍ−ＷＯＴ（ワイドオープンスロットル）冷却水温度：９０℃にて耐久前後で測定を実施した。

ピストンボア径：７３ｍｍ
合計張力比：０．２２Ｎ／ｍｍ
＜第１圧力リング＞
半径方向厚み：２．３ｍｍ
軸方向幅：１．０ｍｍ
摺動面形状：バレルフェース
＜第２圧力リング＞
半径方向厚み：２．３ｍｍ
軸方向幅：１．０ｍｍ
摺動面形状：テーパアンダーカット

本試験では、図６に示される第１サイドレールと第２サイドレールの軸方向端面間の距離（軸方向幅）ｈ１（ｍｍ）、同図に示される第１サイドレール又は第２サイドレールの半径方向内方側の周方向端面から耳部の半径方向外方側の周方向端面までの距離（半径方向厚み）ａ１（ｍｍ）、図４に示されるサイドレール支持部の軸方向突出距離Ｘ（ｍｍ）、同図に示される両耳部の軸方向端面間の距離Ｙ（ｍｍ）、図６に示される軸方向断面の面積Ａ１と軸方向断面の面積Ａ２との合計面積Ａ（ｍｍ²）、同図に示されるａ１（ｍｍ）とｈ１（ｍｍ）の積であるＢ（ｍｍ²）、図５（ｂ）に示されるピッチＰ（ｍｍ）を、下表１に示す条件として、各実施例及び比較例の試験行った。

表２に、各実施例、比較例の比２Ｘ／Ｙ、比Ｐ／Ｙとともに、以下の評価基準に基づいて評価したスティックおよびオイル消費の評価結果を示す。

（スティックの評価基準）
◎・・・４気筒全てでスティックの発生無し
○・・・４気筒全てでスティックの発生はなかったが、１気筒でもスラギッシュ（自重だけでは落下しないが、軽く指で押すと動く程度）が発生
△・・・４気筒のうち１気筒でもスティックが発生
×・・・全気筒でスティックが発生

（オイル消費の評価基準）
表１に示すｈ１が１．５ｍｍの場合は、比較例６（２Ｘ／Ｙ：０．０８、Ｐ／Ｙ：１．３８）のオイル消費量を１として比で表し、この数値に基づいて各実施例（実施例１、２）及び比較例（比較例１〜１０）のオイル消費を評価した。また、ｈ１が２．０ｍｍの場合は、比較例１２（２Ｘ／Ｙ：０．０５、Ｐ／Ｙ：１．４３）のオイル消費量を１として比で表し、この数値に基づいて各実施例（実施例３〜６）及び比較例（比較例１１〜２２）のオイル消費を評価した。
◎・・・オイル消費量０．７未満
○・・・オイル消費量０．７以上０．９未満
△・・・オイル消費量０．９以上１．０未満
×・・・オイル消費量１．０以上

表２からも明らかなように、比２Ｘ／Ｙが０．１３〜０．２５の範囲内であり、かつ比Ｐ／Ｙが１．３５〜１．６５の範囲内である各実施例のオイルリングによれば、スティック、オイル消費の双方の評価において良好な結果が確認できた。一方、上記の一方のみの条件、または双方の条件を満たさない比較例のオイルリングでは、スティック、オイル消費のいずれか一方、または双方の評価が実施例と比較して劣っていることがわかる。

１：シリンダ
２：ピストン
５：３ピースオイルリング
１０：スペーサエキスパンダ
１１：凸部
１２：凹部
１３：耳部
１４：サイドレール支持部
２０，３０：サイドレール
２０ａ，３０ａ：サイドレール内周面
２０ｂ、３０ｂ：サイドレール軸方向端面
２０ｃ、３０ｃ：サイドレール周方向端面

Claims (3)

1. スペーサエキスパンダとスペーサエキスパンダの軸方向の一端と他端にそれぞれ配置された第１サイドレールと第２サイドレールとを有する３ピースオイルリングであって、
   前記スペーサエキスパンダは、
   半径方向内方側において前記第１サイドレール及び前記第２サイドレールのそれぞれの内周を押圧するために軸方向にそれぞれ突出する耳部と、
   半径方向外方位置において前記第１サイドレール及び前記第２サイドレールの軸方向端面を支持するために軸方向にそれぞれ突出するサイドレール支持部と、
   を有し、
   前記サイドレール支持部のそれぞれの軸方向突出距離Ｘの合計距離２Ｘと、両耳部の軸方向端面間の距離Ｙとの比２Ｘ／Ｙが０．１３〜０．２５であって、
   前記スペーサエキスパンダの凸部間又は凹部間のピッチＰと、前記距離Ｙとの比Ｐ／Ｙが１．３５〜１．６５であることを特徴とする３ピースオイルリング。
2. 前記サイドレール支持部と、前記耳部と、前記第１サイドレールで区画される空間の軸方向断面の面積Ａ１と、前記サイドレール支持部と、前記耳部と、前記第２サイドレールで区画される空間の軸方向断面の面積Ａ２との合計面積をＡとし、
   前記第１サイドレール又は前記第２サイドレールの半径方向外方側の周方向端面から前記耳部の半径方向内方側の周方向端面までの距離ａ１と、前記第１サイドレールと前記第２サイドレールの軸方向端面間の距離ｈ１との積をＢとしたときの、
   比Ｂ／Ａが１２〜７１であることを特徴とする請求項１に記載の３ピースオイルリング。
3. 前記サイドレール支持部と、前記耳部と、前記第１サイドレールで区画される空間、及び前記サイドレール支持部と、前記耳部と、前記第２サイドレールで区画される空間において、
   前記スペーサエキスパンダと前記第１サイドレールとが対向する面、及び前記スペーサエキスパンダと前記第２サイドレールとが対向する面の少なくとも一部が、撥油性を有する皮膜で覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の３ピースオイルリング。

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