JP4934989B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内を往復運動するピストンに装着されるピストンリングに関する。

内燃機関は、シリンダ内で吸入空気と燃料とを混合させた混合気を燃焼させ、このときの爆発力をピストンやコンロッドなどを介して取り出している。ピストンは、シリンダ内で往復運動する。このピストンには、シリンダとピストンとによって形成される燃焼室の気密性を保持するためや、シリンダ内周面に適切な潤滑油膜を形成してシリンダ内周面とピストンリングとの摩耗を少なくすると共に、余分な潤滑油を掻き落とすなどの機能を有するピストンリングが装着されている。

下記特許文献１には、背面に形状記憶合金よりなる環状のバックアプリングを配設したピストンリングが記載されている。このピストンリングによれば、ピストンリングが摩耗して面圧が減少することによりブローバイガスが増加した場合、ピストンリング周囲の雰囲気温度が上昇し、形状記憶合金で形成されたバックアップリングが高温で変態してピストンリングをシリンダ方向に押し付ける。その結果、ピストンリングの面圧が回復される。
実開昭６４−２１２４１号公報

上記ピストンリングでは、ピストンリングと一体的に設けられた１つのバックアップリングで付勢しているため、シリンダ内面に対する追従性が悪い、例えばピストンスラップ時などに、ピストンリングの倒れが発生して気密性能やオイル掻き取り性能が悪化するおそれがある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、シリンダ内面への追従性が良く、ピストンリングの気密性能やオイル掻き取り性能を向上することが可能なピストンリングを提供することを目的とする。

本発明に係るピストンリングは、内燃機関のシリンダ内のピストンに取り付けられるピ
ストンリングにおいて、シリンダ内面と接して摺動する金属製のアウタリングと、アウタ
リングを背面からシリンダ内面に向けて付勢するエキスパンダとを備え、このエキスパン
ダは複数のプレートエキスパンダを有し、複数のプレートエキスパンダそれぞれは、略同
径であり、アウタリングの摺動方向に沿って同軸状に配置されており、複数のプレートエキスパンダは、第１のプレートエキスパンダと、第１のプレートエキスパンダのピストンクラウン側及び第１のプレートエキスパンダのピストンスカート側に配置された第２のプレートエキスパンダと、を含み、第１のプレートエキスパンダ及び第２のプレートエキスパンダのうち一方は、２元系の形状記憶合金により形成され、第１のプレートエキスパンダ及び第２のプレートエキスパンダのうち他方は、２元系の形状記憶合金より高温の変態温度を有する３元系の形状記憶合金により形成されていることを特徴とする。

本発明に係るピストンリングによれば、アウタリングの摺動方向に沿って同軸状に配置された複数のプレートエキスパンダそれぞれによって、アウタリングが背面からシリンダ内面方向に均等に付勢される。そのため、シリンダ内面への追従性が良く、ピストンリングの倒れが抑制されるので、ピストンリングの気密性能やオイル掻き取り性能を向上することが可能となる。なお、背面とは、ピストンリングの内周側の面をいう。

本発明に係るピストンリングは、上記エキスパンダが、張力が互いに異なるプレートエキスパンダを含むことが好ましい。

このようにすれば、張力が異なるプレートエキスパンダを組み合わせることにより、適切な張力をアウタリングに付与することが可能となる。

本発明に係るピストンリングは、複数のプレートエキスパンダが、形状記憶合金により形成されていることが好ましい。

形状記憶合金製のプレートエキスパンダを用いた場合、内燃機関の低負荷（低回転：低温）時にはピストンリングのシリンダ内面への付勢力を低めとし、高負荷（高回転：高温）時には付勢力を高くすることができる。その結果、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時における気密性向上によるオイル消費量抑制／ブローバイ抑制とを両立することが可能となる。

本発明に係るピストンリングは、複数のプレートエキスパンダが、合成樹脂により形成されていることが好ましい。

この場合も、内燃機関の低負荷（低回転：低温）時にはピストンリングのシリンダ内面への付勢力を低めとし、高負荷（高回転：高温）時には付勢力を高くすることができる。その結果、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時における気密性向上によるオイル消費量抑制／ブローバイ抑制とを両立することが可能となる。また、合成樹脂製のプレートエキスパンダを用いた場合、形状記憶合金製のものを用いた場合と比較して、付勢力の温度に対する変化率を緩やかにすることが可能となる。

本発明に係るピストンリングは、上記エキスパンダが、変態温度が互いに異なる形状記憶合金により形成されたプレートエキスパンダを含むことが好ましい。

この場合、変態温度の異なる形状記憶合金を用いて、内燃機関の低負荷（低回転：低温）時にはオイルリングのシリンダ内面への付勢力を低めとし、高負荷（高回転：高温）時には付勢力をより高くし、かつ、その過程における付勢力の変化を最適化することができる。この結果、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時におけるシール性向上によるオイル消費抑制／ブローバイ抑制とを両立させることが可能となる。

本発明に係るピストンリングは、アウタリングが、該アウタリングの内外周を貫通するオイル戻し孔を有し、複数のプレートエキスパンダが、上記オイル戻し孔を挟むように配置されていることが好ましい。

この場合、アウタリングの内外周を貫通するオイル戻し孔を通してオイルがピストン内壁へ送られるので、オイルの滞留が抑制され、オイル掻き取り性能を向上させることが可能となる。

本発明によれば、アウタリングの摺動方向に沿って同軸状に複数配置された略同径のプレートエキスパンダによりアウタリングを背面からシリンダ内面に向けて付勢する構成としたので、シリンダ内面への追従性が良く、ピストンリングの気密性能やオイル掻き取り性能を向上することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。なお、以下に説明する各実施形態においては、ピストンリングがオイルリングである場合を例にして説明する。

まず、図１を参照して、第１実施形態に係るオイルリング１の構成を説明する。図１は、オイルリング１の断面図である。

オイルリング１は、シリンダ内面と接して摺動するアウタリング１０と、このアウタリング１０を背面４１からシリンダ内面に向けて付勢するエキスパンダ３０とを備えている。エキスパンダ３０は、３枚のプレートエキスパンダ３１から構成されている。なお、エキスパンダ３０を構成するプレートエキスパンダ３１の枚数は、３枚に限られない。

アウタリング１０は、合い口を有する略Ｉ字形断面の環状部材である。アウタリング１０の外周側の上下にはオイルを掻き取るレール部１１，１２が全周にわたって形成されている。アウタリング１０は、一対のレール部１１，１２の間にオイル受容溝１３を有し、その溝底に半径方向に貫通しているオイル戻し孔１４を円周方向に複数個備えている。

また、アウタリング１０の内周側には角溝１５が形成されており、アウタリング１０を背面４１からシリンダ内面に向けて付勢する３枚のプレートエキスパンダ３１がこの角溝１５に嵌め込まれている。

プレートエキスパンダ３１は、合い口を有する矩形断面の環状部材である。３枚のプレートエキスパンダ３１は、アウタリング１０の摺動方向に沿って同軸状に配置されている。プレートエキスパンダ３１は、２元系の形状記憶合金（Ｎｉ−Ｔｉ系）や３元系の形状記憶合金（Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ系，Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｌ系，Ｎｉ−Ｔｉ−Ｆｅ系，Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｏ系）などにより形成される。また、要求される特性に応じ、形状記憶合金に代えてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＡ６６（ポリヘキサメチレンアジポアミド）などの樹脂により形成してもよい。なお、プレートエキスパンダ３１には、形状記憶合金や樹脂以外の通常の素材を用いることもできる。

高温状態では、形状記憶合金により形成されているプレートエキスパンダ３１が変態し、横弾性係数が大きくなり、見掛け上張力が大きくなることで、プレートエキスパンダ３１は、アウタリング１０をその背面４１側からシリンダ内面方向へ付勢するようになる。なお、各プレートエキスパンダ３１の合成張力がエキスパンダ３０の張力となる。

図２に、各プレートエキスパンダ３１の合成張力、すなわちエキスパンダ３０の張力と温度との関係を示す。図２に示されるように、エキスパンダ３０の張力は温度によって変化し、温度が高くなるに伴って張力が増加するようになっている。

各プレートエキスパンダ３１の張力特性は、オイルリング１に要求される性能に応じて設定される。その際、エキスパンダ３０を構成する３枚すべてのプレートエキスパンダ３１に同一の張力特性を有するプレートエキスパンダを使用してもよいし、互いに張力特性が異なるプレートエキスパンダを組み合わせて使用してもよい。

本実施形態によれば、３枚のプレートエキスパンダ３１で背面４１から均等にアウタリング１０が付勢されるので、円周方向の付勢力を均一にすることができ、レール部１１，１２のシリンダ内面との接触面圧を均一にすることが可能となる。そのため、オイル掻き取り性能を向上することが可能となる。

また、本実施形態によれば、互いに張力が異なるプレートエキスパンダ３１を組み合わせてエキスパンダ３０を構成することにより、要求される特性に応じた適切な張力をアウタリング１０に付与することが可能となる。例えば、上側（ピストンクラウン側）および下側（ピストンスカート側）のプレートエキスパンダ３１の張力を、中央のプレートエキスパンダ３１の張力より低く設定することにより、レール部１１，１２の剛性を考慮しつつ適切な接触面圧を確保することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、３枚のプレートエキスパンダ３１それぞれによって、アウタリング１０が背面４１からシリンダ内面方向に均等に付勢されるため、シリンダ内面への追従性が良く、オイルリング１の倒れが抑制されるので、オイルリング１の気密性能やオイル掻き取り性能を向上することが可能となる。

オイルリング１の追従性係数Ｐｋは、一般的に、Ｐｋ＝（Ｗ×Ｄ）／（Ｅ×Ｉ）で表される。ただし、Ｗはリング張力、Ｄはボア径、Ｅはヤング率である。また、Ｉは断面係数であり、断面係数Ｉ＝オイルリング１の幅ｈ×厚みａ１で求められる値である。追従性係数Ｐｋが大きいほど追従性がよく、オイル消費量が低減される。本実施形態によれば、エキスパンダ３０を３枚のプレートエキスパンダ３１で構成することにより、オイルリング１の幅を薄くすることができるので、上述した断面係数Ｉを小さくすることが可能となる。その結果、シリンダ内面への追従性を向上させることができ、気密性やオイル消費の悪化を抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、オイルリングの薄型化および軽量化により、フリクションの低減やエンジン出力性能の向上を図ることができる。

本実施形態によれば、形状記憶合金製のプレートエキスパンダ３１を用いることにより、内燃機関の低負荷（低回転：低温）時にはピストンリングのシリンダ内面への付勢力を低めとし、高負荷（高回転：高温）時には付勢力を高くすることができる。その結果、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時における気密性向上によるオイル消費量抑制／ブローバイ抑制とを両立することが可能となる。また、樹脂製のプレートエキスパンダ３１を用いた場合には、形状記憶合金を用いる場合と比較して、付勢力の温度に対する特性変化を緩やかにすることができる。

さらに、本実施形態によれば、コイル状のエキスパンダや半円板バネ状のエキスパンダと比較して、リング溝への装着性に優れるため、ピストンへの組み付け性を向上することができる。

次に、図３を用いて、第２実施形態に係るオイルリング２の構成について説明する。なお、図３において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。

本実施形態が第１実施形態と異なるのは、エキスパンダ３０に代えて、変態温度が異なる形状記憶合金により形成されたプレートエキスパンダ３３およびプレートエキスパンダ３４が組み合わされて構成されたエキスパンダ３２がアウタリング１０の角溝１５に嵌め込まれている点である。その他の構成は、第１実施形態と同一であるので、ここでは説明を省略する。

プレートエキスパンダ３３は、比較的低温での変態温度を有する２元系の形状記憶合金（Ｎｉ−Ｔｉ系）により形成されている。プレートエキスパンダ３４は、比較的高温での変態温度を有する３元系の形状記憶合金（Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ系，Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｌ系，Ｎｉ−Ｔｉ−Ｆｅ系，Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｏ系）により形成されている。エキスパンダ３２では、プレートエキスパンダ３４を挟んで、その上側（ピストンクラウン側）および下側（ピストンスカート側）にプレートエキスパンダ３３が配置されている。

第１実施形態の場合と同様に、一対のプレートエキスパンダ３３、およびプレートエキスパンダ３４の合成張力がエキスパンダ３２の張力となる。プレートエキスパンダ３４の張力と、一対のプレートエキスパンダ３３の合成張力と、これらのすべてを合わせた合成張力、すなわちエキスパンダ３２の張力との関係を図４に示す。

図４に示されるように、温度が上昇して２元系の形状記憶合金の変態温度を超えるとプレートエキスパンダ３３が変態して張力が増大する。さらに温度が上昇し、３元系の形状記憶合金の変態温度を超えるとプレートエキスパンダ３４が変態して、合成張力がさらに増大する。

本実施形態によれば、変態温度の異なる形状記憶合金を用いて、内燃機関の低負荷（低回転：低温）時にはオイルリング２のシリンダ内面への付勢力を低めとし、高負荷（高回転：高温）時には付勢力を高くし、かつ、その過程における付勢力の変化を最適化することができる。この結果、低負荷（低回転：低温）時におけるシリンダ−ピストン間のフリクション低減による燃費向上と、高負荷（高回転：高温）時におけるシール性向上によるオイル消費抑制／ブローバイ抑制とを両立させることが可能となる。

２元系の形状記憶合金は、３元系の形状記憶合金よりも横弾性係数が大きく、張力を大きくすることができる。一方、３元系の形状記憶合金は、２元系の形状記憶合金よりも変態温度が高いが、硬くて脆いという特性を有している。本実施形態によれば、プレートエキスパンダの枚数や２元系と３元系の形状記憶合金との組み合わせ方などを変更することにより、エキスパンダ３２の張力を所望の温度特性に設定することが可能となる。エキスパンダ３２を構成するプレートエキスパンダの枚数、および変態温度の異なる形状記憶合金の組み合わせ方が、上記実施形態に限られないことは言うまでもない。

次に、図５を用いて、第３実施形態に係るオイルリング３の構成について説明する。なお、図５において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。

本実施形態が第１実施形態と異なるのは、アウタリング１０に代えてアウタリング１６が用いられている点、および２枚のプレートエキスパンダ３１が、アウタリング１０に形成されたオイル戻し孔１９を挟んで、その上下に配置されている点である。その他の構成は、第１実施形態と同一または同様であるので、ここでは説明を省略する。

アウタリング１６の内周側には、オイル戻し孔１９が形成されたガイド部を挟んで、その上側（ピストンクラウン側）および下側（ピストンスカート側）に角溝２１が形成されおり、アウタリング１６を背面４１からシリンダ内面に向けて付勢する２枚のプレートエキスパンダ３１が各角溝２１それぞれに１枚ずつ嵌め込まれている。このように、オイルリング３では、２枚のプレートエキスパンダ３１によりエキスパンダ３５が構成される。

プレートエキスパンダ３１によってシリンダ内面に付勢されたオイルリング３が、シリンダの内面を摺動し、シリンダの内面から掻き取ったオイルは、オイル受容溝２０からオイル戻し孔１９を通ってリング溝内に流出し、リング溝の底部に形成されているオイル戻し通路からクランクケースに戻される。

本実施形態によれば、アウタリング１６の内外周を貫通するオイル戻し孔１９を通してオイルがリング溝内に送られるので、オイルの滞留が抑制され、オイル掻き取り性能を向上させることが可能となる。

また、両プレートエキスパンダ３１が、オイル戻し孔１９が形成されたガイド部で支持されるので、各プレートエキスパンダ３１が、直線的にレール部１７，１８を付勢することができ、オイル掻き取り性能をより向上させることが可能となる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、本発明をオイルリングに適用したが、本発明はコンプレッションリングに適用することもできる。

アウタリングの外周摺動面形状は、図１，３，５に示す形状（ダブルベベルオイルリング）には限定されず、ベベルオイルリングとすることも可能である。また、摺動面の軸方向長さ（幅）は、図１，３，５に示すように、上レールを短く、下レールを長くしたタイプには限定されず、上下レールを同じ長さとすることや、上レールを長く、下レールを短くすることも可能である。

第１実施形態に係るピストンリング（オイルリング）の断面図である。 プレートエキスパンダの合成張力と温度との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係るピストンリング（オイルリング）の断面図である。 各プレートエキスパンダの張力およびそれらの合成張力と温度との関係を示すグラフである。 第３実施形態に係るピストンリング（オイルリング）の断面図である。

符号の説明

１，２，３…オイルリング、１０，１６…アウタリング、１４，１９…オイル戻し孔、３０，３２，３５…エキスパンダ、３１，３３，３４…プレートエキスパンダ。

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダ内のピストンに取り付けられるピストンリングにおいて、
   前記シリンダ内面と接して摺動する金属製のアウタリングと、
   前記アウタリングを背面から前記シリンダ内面に向けて付勢するエキスパンダと、を備え、
   前記エキスパンダは、変態温度が互いに異なる形状記憶合金により形成された複数のプレートエキスパンダを有し、
   前記複数のプレートエキスパンダそれぞれは、略同径であり、前記アウタリングの摺動方向に沿って同軸状に配置されており、
   前記複数のプレートエキスパンダは、第１のプレートエキスパンダと、前記第１のプレートエキスパンダのピストンクラウン側及び前記第１のプレートエキスパンダのピストンスカート側に配置された第２のプレートエキスパンダと、を含み、
   前記第１のプレートエキスパンダ及び前記第２のプレートエキスパンダのうち一方は、２元系の形状記憶合金により形成され、前記第１のプレートエキスパンダ及び前記第２のプレートエキスパンダのうち他方は、前記２元系の形状記憶合金より高温の変態温度を有する３元系の形状記憶合金により形成されていることを特徴とするピストンリング。
2. 前記エキスパンダは、張力が互いに異なるプレートエキスパンダを含むことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記アウタリングは、該アウタリングの内外周を貫通するオイル戻し孔を有し、
   前記複数のプレートエキスパンダは、前記オイル戻し孔を挟むように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンリング。

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