JP4916363B2

JP4916363B2 - ピストンリング

Info

Publication number: JP4916363B2
Application number: JP2007095228A
Authority: JP
Inventors: 研一三井; 達雄鈴木; 忠伸太田; 孝男鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008249124A

Description

本発明は、内燃機関などのシリンダとシリンダ内を往復動するピストンの外周との隙間に設けられるピストンリングに関する。

図４（ａ）示すように、従来、内燃機関（以下、エンジンという）１００のシリンダ１０１と、シリンダ１０１内を往復するピストン１０２の外周との隙間には、複数のピストンリング１１１、１１２、１１３が設けられている。ピストンリング１１１、１１２、１１３は、ピストン１０２の外周に形成された周溝に嵌装されている。

例えば、ピストンリングの一種であるコンプレッションリングは、燃焼室１０３から燃焼ガスや排気ガスが漏出するのを防止する機能を有する。コンプレッションリングは、ピストン頂面１０２ａ（燃焼室１０３）に最も近い部位に取り付けられるトップリング１１１や、トップリングの次にピストン頂面１０２ａに近い部位に取り付けられるセカンドリング１１２として使用されている。

図４（ｂ）は、従来のコンプレッションリングの一例であるトップリング１１１の斜視図であり、トップリング１１１は、その一箇所に切れ目（以後、合口部という）１２０を有する環状部材である。この合口部１２０は、トップリング１１１をシリンダ１０１に嵌装する際に変形させるために、また、トップリング１１１が熱膨張した際に、その熱膨張分を逃がすための空間を確保するために必要なものである。しかし、燃焼室１０３内の燃焼ガスや排気ガスが合口部１２０からシリンダボアに漏出するという問題があった。

このような問題を解決するために、図５に示すような、ピストンリングの合口部に樹脂製の小片１３０を取り付けて燃焼ガスや排気ガスの漏出を防止する技術が提案されている（特許文献１など参照）。樹脂製の小片１３０は、合口部で対向するピストンリングの両端面１１１ａ、１１１ｂに形成された切り欠き（あるいは小穴）１１１Ａ、１１１Ｂに、両端を挿入して取り付けられている。

しかしながら、かかる構成を有するピストンリングは、ピストンリングの両端面に切り欠きを形成したり、組み付け時に小片１３０を切り欠きに挿入しなければならず、構成が複雑であり、また、ピストンリングの組み付け作業性が低下する虞があった。
特開２００５−１０５８８０号公報

本発明は、上記のような実状に鑑みてなされたものであり、合口部を通じた燃焼ガスや排気ガスの漏出量を低減することの出来るピストンリングであって、簡素な構成で且つ組み付け作業性が良好なピストンリングを提供することを課題とする。

本発明のピストンリングは、一端面と該一端面に対向する他端面とで区画される合口部を有する金属製のリング本体に、その一端面に接続し他端面に当接する樹脂部を一体的に形成してなるピストンリングであって、樹脂部は、無機充填材を１〜５０質量％含有する樹脂層と無機充填材を含まない樹脂単体層との積層構造からなり、無機充填材を１〜５０質量％含有する樹脂層側が合口部の一端面に接続されていることで、金属製のリング本体と無機充填材を含まない樹脂単体層との間の線膨張係数の急激な変化を緩和して線膨張係数を段階的に変化させたことを特徴とする。

このように構成される本発明のピストンリングにおいては、合口部が樹脂部で閉塞されるので、ピストンリングの合口部を通じて燃焼室からシリンダボアに漏出するガスの量や、シリンダボアから燃焼室に漏出するオイルの量を低減することが出来る。

本発明のピストンリングにおいて、樹脂部は、樹脂と無機充填材とを含むことができ、樹脂部を１００質量％として無機充填材を１〜５０質量％含有するとよい。樹脂部に無機充填材を含有することで、樹脂部の線膨張係数を調整することができる。

本発明のピストンリングは、樹脂部は、無機充填材を１〜５０質量％含有する樹脂層と無機充填材を含まない樹脂単体層との積層構造を有する。リング本体に無機充填材を１〜５０質量％含有する樹脂層を合口部の一端面に接続されていることで、金属製のリング本体と無機充填材を含まない樹脂単体層との間の線膨張係数の急激な変化を緩和することができるので、樹脂部の接着強度の低下を抑制することができる。このような樹脂部において、樹脂は、ポリイミド樹脂であることが望ましい。ポリイミド樹脂は、金属製のリング本体に比べて熱膨張率が大きいので、エンジンの温度上昇に伴ってリング本体を拡張し、シリンダ内壁との気密性能を向上させる。

また、このような樹脂部は、合口部が最大隙間となる組み付け状態で他端面に当接するように形成するとよい。樹脂部が組み付け状態で他端面と当接するように形成することで、常態でピストンリングの合口部の隙間が生じない状態で組み付けられることとなるので、ピストンリングの合口部を通じて燃焼室からシリンダボアに漏出するガスの量や、シリンダボアから燃焼室に漏出するオイルの量をさらに一層低減することが出来る。

また、本発明のピストンリングにおいて、リング本体の一端面はその一端面に凸部または凹部を有することが好ましい。樹脂部が連続するリング本体の端面に凹部や凸部が形成されていることで、リング本体と樹脂部との接着面積が増加する。このため、樹脂部のリング本体からの脱落が好適に防止される。

本発明によれば、シリンダ内壁に当接する樹脂部により、合口部の隙間をなくしてピストンリングのシール性を大幅に向上することが出来る。従って、ピストンリングの合口隙間を通じたガスの漏出量を大幅に低減することが可能となる。

また、本発明のピストンリングは、リング本体に樹脂部が一体的に形成されているので構成が簡素である。さらに、樹脂部先端が自由端であるＣリング形状であるので、合口部を有する従来のピストンリングと同様の良好な組み付け作業性を有する。

以下、本発明を内燃機関のピストンに取り付けられたトップリングとして具体化した実施の形態について説明する。

図１（ａ）に示すように、内燃機関１のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復するピストン１２の外周との隙間には、複数のピストンリング２０、３０、４０が設けられている。ピストンリング２０、３０、４０は、ピストン１２の外周に形成された周溝に嵌装されている。

上記３つのピストンリングのうち、ピストン頂面１２ａ（燃焼室１３）に最も近い部位に取り付けられるトップリング２０は、燃焼室１３からシリンダ１１に燃焼ガスや排気ガスが漏出するのを防止し、また、シリンダ１１（クランクケース）から燃焼室１３にオイルが漏出するのを防止するコンプレッションリングとしての機能を有する。

図１（ｂ）は、トップリング２０を、シリンダ１１の軸方向に沿って燃焼室１３側から見た平面図である。トップリング２０は、リング本体２１と樹脂部２２とからなっている。

リング本体２１は、合口部５０を有する断面略矩形の金属製（例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、あるいはばね鋼など）のリングであり、一端面２１ａとこの一端面２１ａに対向する他端面２１ｂとで合口部５０を区画している。

樹脂部２２は、リング本体２１の一端面２１ａに接続し、他端面２１ｂに当接するようにリング本体２１と一体的に形成されている。

ここで、樹脂部２２はリング本体２１の合口部５０が最大隙間となる組み付け状態で他端面２１ｂと当接するように形成されているので、本実施例のトップリング２０の合口部５０は、組み付け状態では樹脂部２２によって閉塞されている。

図１（ｂ）に破線で示す円Ａで囲まれた部分を図２（ａ）に拡大して示す。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、樹脂部２２は、リング本体２１と同様の矩形断面を有し、一端面２１ａでリング本体２１に接続され、リング本体２１と略一致する曲率で他端面２１ｂに向かって延伸するように形成されている。そして、樹脂部２２の先端部２２ａは他端面２１ｂに当接する平面を有する自由端となっている。

このような本実施例のトップリング２０によれば、シリンダ内壁１１ａに当接する樹脂部２２により、トップリング２０の合口部５０を通じて燃焼室１３からシリンダボアに漏出するガスの量や、シリンダボアから燃焼室１３に漏出するオイルの量が低減される。この結果ブローバイガスの発生量が抑制され、全体として排気ガスの特性が改善され、排気浄化用触媒の劣化も抑制される。また、ブローバイガスをクランクケースから除去するためにブローバイガスを吸気系に戻す配管等を不要にすることも可能になる。そのような装置構成が不要となれば、吸気系内がブローバイガスによって汚染される虞もなくなる。

また、シリンダボアから燃焼室１３に漏出するオイルの量が低減されることによって、排気特性の改善も期待できる。更に、機関燃焼の安定性や燃費も改善される。

また、ピストンリングの合口部を樹脂部で一体化することにより、複数のピストンリングを有するピストンでは、ピストンリング毎の合口部の隙間のバラツキを樹脂部の弾性変形によって吸収することができるので、ピストンリングの公差管理幅を広げることが可能となり、ピストンリングの製造歩留まりを向上させることが期待できる。

樹脂部の材質としては、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂を例示することができる。なかでもポリイミド樹脂は、金属との密着性や耐熱性、あるいは金属に対する熱膨張率（ポリイミド樹脂は線膨張係数が金属よりも大きい）などの点から好適であり、所定以上の温度領域で合口部を閉塞するとともに、温度上昇に応じてピストンリングの張力を増大させて、シリンダ内壁との気密性を高めることができる。

また、上記のような樹脂に、炭素繊維、Ａｌ_２Ｏ_３繊維、ＳｉＣセラミック繊維、Ａｌ_２Ｏ_３粒子、ＳｉＣセラミック粒子、Ｓｉ_３Ｎ_４粒子またはグラファイト粒子などの無機充填材を配合した複合材料としてもよい。樹脂部をこのような複合材料とすることで樹脂部の線膨張係数を調整することができる。

樹脂部を複合材料とする場合には、上記のいずれかの樹脂に上記の無機充填材の一種または複数種を合計で１〜５０質量％配合した複合材料が好適である。無機充填材の配合量が１質量％未満では線膨張係数を調整する効果が十分ではなく、５０質量％を越えると樹脂組成物の流動性が低下して塗布作業に支障を来すことがあるので適当ではない。より好ましくは、１０〜３０質量％である。例えば、炭素繊維を１０〜３０質量％配合したポリイミド樹脂は複合材料の樹脂部として好適である。

また、樹脂部は、リング本体の一端面側を無機充填材を配合した複合材料とし、この複合材料に同種の樹脂単体を接続した積層構造とすることも好ましい。金属の線膨張係数は樹脂の線膨張係数よりも一桁小さいので、高温と低温の繰り返しに伴う樹脂部とリング本体との接合面における接着強度の低下が懸念される。しかし、樹脂単体に比べて線膨張係数が小さい複合材料をリング本体との接合面に設け、この複合材料に連続して同種の樹脂単体を設けることで、接合界面における線膨張係数の急激な変化を緩和して線膨張係数を段階的に変化させることができる。これにより、樹脂部のリング本体への接着強度の低下を抑制することができる。

さらに、樹脂部のシリンダ内壁との摺動面にニッケルめっき、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）またはケミカルペーパデポジション（ＣＶＤ）処理などを施すことも好ましい。このように樹脂部の摺動面に表面処理を施すことで樹脂部の耐摩耗性を向上させることができる。

上記のような樹脂部２２は、リング本体２１に以下のようにして形成することができる。ここでは、樹脂部の樹脂をポリイミド樹脂とした場合を例にして説明する。

まず、リング本体の一端面を脱脂するとともに、他端面にフッ素系の離型剤を塗布する。次に、ポリイミド前駆体であるポリアミック酸ワニス（ｎ−メチル−２−ピロリトンで粘度調整）をリング本体の合口部を充填するように塗布する。このとき、ポリアミック酸ワニスは表面張力作用により合口部の一端面と他端面との間に保持される。

続いて、合口部にポリアミック酸ワニスを保持したリング本体を１６０℃で５時間加熱してポリアミック酸ワニスを焼成する。さらに２３０℃で２時間加熱してポリアミック酸ワニスを硬化させてリング本体の一端面に接続し他端面に当接する樹脂部を形成する。このようにして形成された樹脂部を所望の形状に研磨して合口部に樹脂部を有する本発明のピストンリングを得ることができる。

本発明のピストンリングは、上記の実施例に限定されることなく本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。

例えば、上記の実施の形態では、樹脂部２２が接続するリング本体２１の一端面２１ａを平面としたが、一端面２１ａに図３（ａ）に示すように凹部２１ｃ（あるいは凸部）を設けたり、図３（ｂ）のように一端面２１ａをその断面が台形となるように形成してもよい。一端面に凸部や凹部を設けたり、断面形状を台形などに形成することで、リング本体２１と樹脂部２２との接着面積を増大させ、リング本体２１と樹脂部２２の接着性をより効果的に向上することができる。

また、上記の実施の形態では、樹脂部２２をリング本体２１の一端面に直接接着して接続するようにしたが、例えば、図３（ｃ）に示すように、樹脂部を別体として形成して、リング本体２１の一端面２１ａに以下のようにして接着して接続することもできる。

まず、リング本体２１の合口部の断面形状と同一で合口部の隙間より短いポリイミド樹脂成形体２３を別体として準備する。次に、このポリイミド樹脂成形体２３をリング本体２１の他端面２１ｂに断面が一致するように粘着テープ２４（点線で示す）で仮固定する。その後、前記と同様の方法でリング本体２１の一端面２１ａと仮固定されたポリイミド樹脂成形体２３との隙間２５に炭素繊維（無機充填材）を２０質量％配合したポリアミックス酸ワニス（以後、複合接着剤という）２６を塗布する。続いて前記と同様に加熱処理して、リング本体２１とポリイミド樹脂成形体２３とを接着するとともに複合接着剤２６を硬化させ複合接着剤層と樹脂単体層との積層構造を有する樹脂部とする。粘着テープ２４は加熱時に焼失して、ポリイミド樹脂成形体２３とリング本体の他端面２１ｂとは当接状態となる。ここで、複合接着剤２６とポリイミド樹脂成形体２３との周長の比、Ｌ１／Ｌ２は特に限定されないが、１／３以下、更に好ましくは１／９以下にするとよい。

なお、上記実施の形態では、本発明をトップリング２１に適用したが、これに限らず他のピストンリング（好ましくはコンプレッションリングとして機能するピストンリング）に本発明を適用することもできる。

本発明のピストンリングは自動車などの内燃機関のピストンのピストンリングとして好適である。

実施例のピストンリングの構成を説明する説明図であり、（ａ）はピストンの概略を示す断面模式図であり、（ｂ）はトップリングの平面図である。図１（ｂ）の円Ａ部分を拡大して示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。リング本体と樹脂部との接着面の形状を示す断面図であり、（ａ）は凹部を有するものであり、（ｂ）は凸形状としたものである。従来技術を説明する模式図であり、（ａ）はエンジンの部分断面図であり、（ｂ）はトップリングの斜視図である。従来技術を説明する部分平面図である。

符号の説明

１１：シリンダ１１ａ：シリンダ内壁１２：ピストン１３：燃焼室２０：トップリング２１：リング本体２１ａ：一端面２１ｂ：他端面２２：樹脂部２３：ポリイミド樹脂成形体２６：複合接着剤３０：セカンドリング４０：オイルリング５０：合口部

Claims

一端面と該一端面に対向する他端面とで区画される合口部を有する金属製のリング本体に、前記一端面に接続し前記他端面に当接する樹脂部を一体的に形成してなるピストンリングであって、
該樹脂部は、無機充填材を１〜５０質量％含有する樹脂層と該無機充填材を含まない樹脂単体層との積層構造からなり、
無機充填材を１〜５０質量％含有する樹脂層側が合口部の一端面に接続されていることで、金属製のリング本体と無機充填材を含まない樹脂単体層との間の線膨張係数の急激な変化を緩和して線膨張係数を段階的に変化させたことを特徴とするピストンリング。
前記樹脂は、ポリイミド樹脂である請求項１に記載のピストンリング。
前記樹脂部は、前記合口部が最大隙間となる組み付け状態で前記他端面に当接する請求項１又は２に記載のピストンリング。
前記一端面は該一端面に凸部または凹部を有する請求項１〜３のいずれかに記載のピストンリング。