JP4203365B2

JP4203365B2 - ピストンリング

Info

Publication number: JP4203365B2
Application number: JP2003176045A
Authority: JP
Inventors: 弘人福留; 清六星野
Original assignee: 帝国ピストンリング株式会社
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005009433A

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

Claims

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ピストンリング。
前記断面形状が、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であることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
前記外周面に表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のピストンリング。
前記表面処理層が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、又は窒化層であることを特徴とする請求項３記載のピストンリング。