JP3672092B2

JP3672092B2 - 組合せピストンリング

Info

Publication number: JP3672092B2
Application number: JP2002032112A
Authority: JP
Inventors: 政男石田; 昌弘小口; 誉二岩下
Original assignee: 帝国ピストンリング株式会社
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: JP2003232259A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のアルミニウム合金製シリンダと組み合わせて有効な組合せピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の往復動内燃機関の軽量化に伴い、アルミニウム合金製シリンダが増加している。アルミニウム合金製シリンダは熱膨張率が１８×１０^−６／℃〜２４×１０^−６／℃であり、熱膨張率が従来の鋳鉄製シリンダよりも大きいため、従来の鉄系材料のピストンリングを使用した場合、高温側で熱膨張差によりピストンリングの合い口隙間が拡大し、ブローバイガスが増加する傾向がある。このため、アルミニウム合金製シリンダ用のピストンリング材料として、熱膨張率がアルミニウム合金に近い材料が提案されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−１４５９６３号ではオーステナイト系ステンレス鋼が、特公昭５８−０１５６１４号ではニレジスト鋳鉄が、アルミニウム合金製シリンダ内での温度による合い口隙間の変動を小さくするピストンリングの材料として提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、下記の問題点を有している。
（１）上記のオーステナイト系ステンレス鋼製のピストンリングは、自己の張力でシリンダの内周面を押圧するように構成されているので、張力を発生する形状に成形するための熱処理を必要とする。この熱処理温度が高く、製造性、コスト等で問題がある。また、オーステナイト系ステンレス鋼は熱伝導率が低いため、ピストンの温度が上昇しやすく、ノッキングが発生し易くなる。
（２）オーステナイト系ステンレス鋼に代えて、熱膨張率を高くするため、アルミニウム合金製のピストンリングを使用した場合は、強度が低く、張力の発生及び維持に問題がある。
（３）ニレジスト鋳鉄は耐摩耗性が不足しているので、ピストンのリング溝と摺動する上下面の摩耗が多い問題がある。
【０００５】
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、アルミニウム合金製シリンダと組み合わせたときに、温度による合い口隙間の変動を小さく維持でき、かつ、伝熱特性と摩耗特性に優れ、しかも製造性のよい組合せピストンリングを提供することである。
【０００６】
【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。
【０００７】
アルミニウム合金製シリンダと組み合わせたとき、温度による合い口隙間の変動を小さく維持し、ブローバイガスの増加、オイル消費の増加等を抑制するために、アルミニウム合金製シリンダに接触するピストンリングをアルミニウム合金の熱膨張率に近い材料すなわち熱膨張率が１３×１０^−６／℃〜２４×１０^−６／℃の材料で形成する。この材料としては、アルミニウム合金、耐熱鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、又はニレジスト鋳鉄がある。このピストンリングはバックアップリングによって張り出されるので、自己張力を発生する形状に成形するための熱処理は行わない。ただし、製造上の誤差によって多少の張力を発生することはある。
【０００８】
このピストンリングをシリンダ内周面に押接させるために、このピストンリングの内周側にバックアップリングを配置する。このバックアップリングは、マルテンサイト系ステンレス鋼、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、炭素鋼、又は工具鋼で形成する。これらの材料で形成されるバックアップリングは、外周側のピストンリングを半径方向外方に押圧するために自己張力を有する。したがって、バックアップリングは張力を発生する形状に成形するための熱処理を施すが、その熱処理温度が低いため、製造性に優れている。また、上記材料のバックアップリングは熱伝達率が高く、伝熱特性が優れているため、ピストンの冷却性能が優れている。また、上記材料のバックアップリングは摩耗特性が優れているので、ピストンのリング溝と摺動する上下面の摩耗を少なくでき、リング溝面との隙間の増加等を低減できる。
【０００９】
上記外側のピストンリングは上下２本で構成される。この場合、合い口位置を周方向において互いにずれた位置に配置するのが好ましい。また、外側のピストンリングの材料は次のいずれかとする。
（Ａ）上下２本のピストンリングとも、上述したアルミニウム合金の熱膨張率に近い材料すなわち熱膨張率が１３×１０^−６／℃〜２４×１０^−６／℃の材料で形成する。
（Ｂ）上側の１本のピストンリングは、上述したアルミニウム合金の熱膨張率に近い材料すなわち熱膨張率が１３×１０^−６／℃〜２４×１０^−６／℃の材料で形成し、下側の１本のピストンリングは、マルテンサイト系ステンレス鋼、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、炭素鋼、又は工具鋼で形成する。
【００１０】
上記（Ｂ）のように構成すると、アルミニウム合金の熱膨張率に近い材料からなる上側のピストンリングでシール性能を確保できるとともに、伝熱特性の優れている材料からなる下側のピストンリングによってピストンの冷却性能を高めることができる。
【００１１】
外側のピストンリング及びバックアップリングの表面には耐摩耗性や耐焼付性等を高めるために硬質層が適宜形成される。特に、外側のピストンリングの外周面には硬質層を形成するのが好ましい。硬質層は、窒化、硬質Ｃｒめっき、複合めっき、溶射、ＰＶＤ又はＣＶＤ処理などにより形成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１は本発明の一実施形態を示している。組合せピストンリングは、外側に配置される上下２本のピストンリング１Ａ、１Ｂと、内側に配置するバックアップリング２とから構成されている。
【００１４】
外側の上下２本のピストンリング１Ａ、１Ｂは合い口を備える矩形断面のリングであり、アルミニウム合金の熱膨張率に近い材料すなわち熱膨張率が１３×１０^−６／℃〜２４×１０^−６／℃の材料例えばアルミニウム合金、耐熱鋼（ＳＵＨ３１０、ＳＵＨ３３０）、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４０５）、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０６）、又はニレジスト鋳鉄で形成されている。これらのピストンリング１Ａ、１Ｂは自己張力を発生する形状に成形するための熱処理は行わず、張力は０〜２Ｎの範囲にある。ピストンリング１Ａ、１Ｂの外周面には硬質層３が形成されている。ただし、外周面のみならず、上下面や内周面にも場合によっては硬質層を形成することもある。硬質層３は、窒化、硬質Ｃｒめっき、複合めっき、溶射、ＰＶＤ又はＣＶＤ処理などにより形成される。複合めっきは複合Ｃｒめっきや複合ニッケルめっき等がある。溶射はＭｏ溶射等がある。ＰＶＤ又はＣＶＤ処理によって形成される皮膜としてはＣｒ−Ｎ系皮膜やＴｉ−Ｎ系皮膜等がある。
【００１５】
バックアップリング２は合い口を備えている矩形断面のリングであり、外側の上下２本のピストンリング１Ａ、１Ｂをシリンダ内周面に押接させるために設けられている。したがって、バックアップリング２は張力を発生する形状に成形するための熱処理が施され、自己張力を有している。このバックアップリング２は、伝熱特性、耐摩耗性、及び製造性に優れている材料であるマルテンサイト系ステンレス鋼（８〜１８Ｃｒ鋼）、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、炭素鋼、又は工具鋼で形成する。バックアップリング２の表面にも上下面や外周面、さらには内周面にも上記と同様の硬質層を形成することもある。
【００１６】
ピストン４のリング溝５に装着された上記組合せピストンリングは、外側の上下２本のピストンリング１Ａ、１Ｂがバックアップリング２によって半径方向外方に押圧されて、アルミニウム合金製シリンダ６の内周面に押し付けられる。アルミニウム合金製シリンダ６の内周面には複合めっき、硬質Ｃｒめっき、溶射、ＰＶＤ又はＣＶＤ処理が施される場合がある。複合めっきは複合Ｃｒめっきや複合ニッケルめっきがある。溶射はＭｏ合金、工具鋼、低炭素鋼、あるいはＡｌ−Ｓｉ合金等の溶射がある。ＰＶＤ又はＣＶＤ処理はＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、Ｔｉ−Ａｌ合金、あるいはＣｒ−Ａｌ合金等の皮膜が形成される。
【００１７】
したがって上記の組合せピストンリングによれば、外側の上下２本のピストンリング１Ａ、１Ｂがアルミニウム合金の熱膨張率に近い材料からなるため、高温状態で、温度による合い口隙間の変動を小さく維持できるので、ブローバイガスの増加、オイル消費の増加等を抑制できる。そして、バックアップリング２が伝熱特性に優れているので、組合せピストンリングの伝熱特性が良好になり、ピストン４の冷却性能に優れる。また、バックアップリング２が摩耗特性に優れているので、ピストン４のリング溝５と摺動する上下面の摩耗を少なくでき、リング溝５面との隙間の増加等を低減できる。また、バックアップリング２は自己張力付けの熱処理温度が低いので製造性にも優れる。
【００１９】
なお、上記組合せピストンリングにおいて、下側のピストンリング１Ｂはアルミニウム合金の熱膨張率に近い上記の材料で形成せずに、マルテンサイト系ステンレス鋼、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、炭素鋼、又は工具鋼で形成してもよい。
【００２０】
このようにすると、下側のピストンリング１Ｂは伝熱特性に優れるので、組合せピストンリングの伝熱特性がより一層良好になり、ピストン４の冷却性能に優れる。また、下側のピストンリング１Ｂが摩耗特性に優れているので、ピストン４のリング溝５と摺動する下面の摩耗を少なくでき、リング溝５面との隙間の増加等を低減できる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の組合せピストンリングは、アルミニウム合金製シリンダと組み合わせたときに、温度による合い口隙間の変動を小さく維持でき、かつ、伝熱特性と摩耗特性に優れ、しかも製造性がよいという優れた効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ外側ピストンリング
２バックアップリング
３硬質層
４ピストン
５リング溝
６シリンダ

Claims

外側に配置された上下２本のピストンリングを、内側に配置したバックアップリングによってシリンダ内周面に押接する構造の組合せピストンリングであって、
前記上下２本のピストンリングは熱膨張率が１３×１０^−６／℃〜２４×１０^−６／℃の材料から形成され、前記バックアップリングはマルテンサイト系ステンレス鋼、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、炭素鋼、又は工具鋼から形成されていることを特徴とする組合せピストンリング。
外側に配置された上下２本のピストンリングを、内側に配置したバックアップリングによってシリンダ内周面に押接する構造の組合せピストンリングであって、
前記上側の１本のピストンリングは熱膨張率が１３×１０^−６／℃〜２４×１０^−６／℃の材料から形成され、前記下側の１本のピストンリングとバックアップリングはマルテンサイト系ステンレス鋼、Ｓｉ−Ｃｒ鋼、炭素鋼、又は工具鋼から形成されていることを特徴とする組合せピストンリング。
前記外側のピストンリングの外周面に硬質層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の組合せピストンリング。
前記硬質層が窒化、硬質Ｃｒめっき、複合めっき、溶射、ＰＶＤ又はＣＶＤ処理により形成されていることを特徴とする請求項３記載の組合せピストンリング。
熱膨張率１３×１０^−６／℃〜２４×１０^−６／℃の前記材料がアルミニウム合金、耐熱鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、又はニレジスト鋳鉄であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の組合せピストンリング。
前記組合せピストンリングがアルミニウム合金製シリンダを相手材とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の組合せピストンリング。
前記アルミニウム合金製シリンダの内周面に複合めっき、硬質Ｃｒめっき、溶射、ＰＶＤ又はＣＶＤ処理が施されていることを特徴とする請求項６記載の組合せピストンリング。