JP5015681B2 - バンドリング - Google Patents

Description

本発明はバンドリングに関し、特に内燃機関のピストンに装着されるバンドリングに関する。

従来、内燃機関のピストンには、ガスシール、オイルコントロール、シリンダへの熱伝達を目的として、主に３本の金属製ピストンリングが組付けられている。これらのピストンリングはピストンに装着する際に拡張したり、装着後に外周張力を発生させたりする必要があることから、合い口と呼ばれる切欠きを一般に有している。ところがこれに起因して金属性ピストンリングでは、内燃機関運転時に合い口部からクランク室へ燃焼ガスが不可避的に流出してしまう。すなわち、金属製ピストンリングではブローバイガスの封止に限界があった。これに対して特許文献１では、合成樹脂製の油掻きリングを備えた内燃機関用ピストンが提案されている。

実開昭５７−１４８０３６号公報

特許文献１が提案する内燃機関用ピストンによれば、合成樹脂製の油掻きリングで燃焼ガスの流出を有効に封止できると考えられる。ところが特許文献１が提案する内燃機関用ピストンでは、合成樹脂製の油掻きリングの外周部がエキスパンダによって常にボアと積極的に接触する構造となっている一方で、樹脂は軟質であることから、摺動による外周部の摩耗が促進される虞があった。

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、外周部の摩耗及びフリクションを減じるとともにブローバイガスを効率良く遮断できる樹脂製のバンドリングを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は内燃機関のピストンの外周面に設けられたリング溝に装着される樹脂製の合い口の無いバンドリングであって、前記内燃機関に組み込まれた前記ピストンに装着された状態で、外径が常温で前記ピストンを収容するボアのボア径と同等、或いはボア径以下に形成されており、且つ常温で前記リング溝に装着できる所定の伸び率を有していることを特徴とする。

本発明によれば、常温（１５℃から３５℃までの温度範囲内）で外周部とボアとの積極的な接触が避けられることから、外周部の磨耗及びフリクションを減じることができる。また本発明によれば、内燃機関運転時には、温度上昇に伴いバンドリングが熱膨張することでボアに密接することから、ブローバイガスを効率的に遮断できる。さらに本発明によれば、樹脂の柔軟性に基づく所定の伸び性を有することで合い口を有せずとも常温でリング溝に装着できる。

なお、内周部は常温でリング溝に接触或いは密接するように形成されていることが好ましい。これにより常温下でバンドリングの無駄な動きを防止或いは抑制できる。この点、内周部を常温でリング溝に接触或いは密接するように形成するにあたっては、バンドリングの内径を常温でリング溝の径と同等、或いはリング溝の径以下に形成することが好適である。但しこれに限らず、外周部の磨耗及びフリクションを低減するにあたっては、内周部が常温でリング溝全周に亘って接触しない場合でも、バンドリングの外径次第で相応の効果が得られると考えられることから、バンドリングの内径は例えばリング溝からの脱落など機能上の不都合が生じない程度にピストンの外径よりも小さくなっていればよい。

また、外周部の磨耗及びフリクションを低減するにあたっては、外周部が常温でボアに接触しないように形成されていることが好ましいが、その一方で、外周部が常温でボアに当接するなど、軽く接触している状態であっても相応の効果が得られることから、本発明では外周部が常温でボアに密接しないように形成されていることを規定している。この点、外周部を常温でボアに密接しないように形成するにあたっては、バンドリングの外径を常温でボア径と同等、或いはボア径以下に形成することが好適であり、ここでボアに密接しないように形成されている状態には、外周部が常温でボアに当接するなど、ボアに軽く接触している状態も含まれる。

またボア径と同等とは、常温でボア径とバンドリング外径との差分（式：ボア径−バンドリング外径）をとったときに、その差分値が所定の範囲内に含まれることを意味し、この所定の範囲は設計要求性能などに基づき必要とされる外周部の磨耗低減度合いに応じて、さらにはブローバイガスの封止効果も考慮して適宜設定できる。この点、例えばボア径の適用範囲をφ５０ｍｍからφ１００ｍｍまでと想定した場合に、バンドリングの外径をボア径と同等にしつつも外周部の磨耗を低く抑制するためには、上記差分値が±５０μｍの範囲内に含まれることが好適である。一方、例えば内周部が常温でリング溝に接触しない結果、換言すればバンドリングが常温でリング溝に対してフリーになっている結果、外周部が常温で少なくとも部分的にボアに接触しうる状態は、外周部がボアに接触しないように形成されている状態に含まれる。

また本発明は前記ピストンのトップリングのリング溝とセカンドリングのリング溝との間に装着されてもよい。本発明によれば、バンドリングはトップリングの下方でリング溝に装着されることから、トップリング周辺の高温状態を避けることができ、以って２６０℃前後の樹脂耐熱性を補うこともできる。この点、バンドリングは耐熱性といった観点からはディーゼルエンジンよりもガソリンエンジンのピストンに適用されることが好ましい。

また本発明は前記所定の伸び性として、１０％以上の伸び性を有していてもよい。ここでバンドリングはリング溝に装着される際にピストンの外径よりも拡張される必要があるところ、伸び性が不十分な場合には装着の際の手扱いでバンドリングの損傷等、品質上の問題を招く虞があることから、バンドリングは具体的には１０％以上の伸び性を有していることが好ましい。この点、バンドリングはＰＴＦＥをベースとしてカーボンやコークス等を添加した常温にて１０％以上の伸び性を備えた耐摩性樹脂材料からなることが好適である。

また本発明は前記リング溝の溝底部に形成された係止部と係合する係止手段が内周部に設けられていてもよい。本発明によれば熱膨張によるバンドリングの張出しを物理的に抑制できるので、バンドリングとボアとの高温時の接触も緩和でき、以って外周部の摩耗をさらに好適に低減できる。また本発明によれば、熱膨張によるバンドリングの張出しを物理的に抑制できるので、バンドリングの外径をボア径と同等に設定した場合でも、外周部の磨耗及びフリクションをより好適に低減でき、同時に係る設定によってブローバイガスを遮断する温度領域も好適に拡大できる。

前記内周部の中央に径方向内側に開口する凹部が設けられていてもよい。本発明によれば、温度上昇による熱膨張を内周側に逃がし外周への張出しを緩和できることから、バンドリングとボアとの高温時の接触も緩和でき、以って外周部の摩耗をさらに好適に低減できる。また本発明によれば、熱膨張によるバンドリングの張出しを物理的に抑制できるので、バンドリングの外径をボア径と同等に設定した場合でも、外周部の磨耗をより好適に抑制でき、同時に係る設定によってブローバイガスを遮断する温度領域も好適に拡大できる。

本発明によれば、外周部の摩耗及びフリクションを減じるとともにブローバイガスを効率良く遮断できる樹脂製のバンドリングを提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例に係るバンドリング１Ａをピストン２Ａ及びシリンダブロック３の要部とともに断面で模式的に示す図であり、図１（ａ）では常温、或いは内燃機関運転時であっても低温であるとき（以下、単に常温・低温時と称す）のバンドリング１Ａの状態を示すとともに、図１（ｂ）では内燃機関の運転に伴い温度が上昇したときのバンドリング１Ａの状態を示している。なお、常温・低温時の温度範囲は１５℃から３５℃までとなっている。また、形状の理解を容易にすべく、図１（ｃ）ではバンドリング１Ａ単体の外観図を模式的に示している。バンドリング１Ａはピストン２Ａのリング溝２ａＡに装着されている。リング溝２ａＡは、トップリング４用のトップリング溝２ｂＡと２ｎｄリング５用の２ｎｄリング溝２ｃＡとの間に位置するピストン２Ａの２ｎｄランドに設けられている。このリング溝２ａＡの深さは径方向に小さく（浅く）形成されているほうが、ピストン剛性を確保できるため好ましい。また、リング溝２ａＡの幅は軸方向に１〜３ｍｍ程度になっていることが好ましい。

バンドリング１Ａは合い口を持たない樹脂製のリングであり、その内径が常温でリング溝２ａＡの径と同等に形成されている。このためバンドリング１Ａをリング溝２ａＡに組付けるときには、治具等を用いて径を拡張する必要がある。一方、バンドリング１ＡはＰＴＦＥをベースとしてカーボンやコークス等を添加した耐摩性樹脂材料からなっており、常温で１０％以上の伸び性を有している。ここで伸び性１０％以上とは、バンドリング１Ａの内径をもとの大きさよりも１０％以上大きく拡張できることを意味する。このため本実施例では組付け時に径を拡張することで、バンドリング１Ａをリング溝２ａＡに装着できる。すなわち、合い口を有せずともバンドリング１Ａをリング溝２ａＡに装着できる。またバンドリング１Ａが常温で１０％以上の伸び性を有していることから、装着の際の手扱いでバンドリング１Ａに損傷等が発生することを好適に防止できる。装着後には、バンドリング１Ａは図１（ａ）に示すように、樹脂の戻り性から常温・低温時にリング溝２ａＡの溝底側に巻き付いた状態となる。

またバンドリング１Ａはその外径が常温でボア径よりも小さく形成されている。この外径は本実施例ではさらに具体的には常温でピストン２Ａの外径よりも小さく形成されている。なお、バンドリング１Ａの外径は例えばピストン２Ａの外径と同等に形成することなどもできる。このように外径が形成されていることから、バンドリング１Ａは常温・低温時にはボア３ａと積極的に接触しないようになっている。これにより内燃機関運転時であっても低温時にはバンドリング１Ａの外周部の摩耗を抑制できる。また、バンドリング１Ａの外周部がボア３ａと積極的に接触しないことから、リングが常時ボア３ａと接触している場合と比較してフリクションも低減できる。

一方、内燃機関運転時にはバンドリング１Ａが温度上昇に伴い熱膨張し、この結果、一定温度以上でバンドリング１Ａの外径がピストン２Ａの外径よりも大きくなる。このときバンドリング１Ａは図１（ｂ）に示すようにバンドリング１Ａの外周部とボア３ａとの間のクリアランスＬを、２ｎｄランドとボア３ａとの間のクリアランスよりも減少させるとともに、さらなる温度上昇に伴いボア３ａに当接或いは密接する。これにより、ブローバイガスの流れる隙間が封止されることから、クランク室へのガス流出を防止できる。なお、図１（ｂ）に示す状態における摩耗対策として、さらにバンドリング１Ａの外周部にＤＬＣ（Diamond-Like-Carbon）等の表面処理を施することが望ましい。また、本実施例ではバンドリング１Ａの外周部が断面ストレート形状になっているが、外周部には例えばフリクションやオイルかき性能の向上を目的として、例えばバレルフェイス形状やテーパ形状なども適用可能である。

図２及び図３は、各種の径寸法及びクリアランスＬと２ｎｄランド周辺温度との関係を示す図である。バンドリング１Ａに使用されている樹脂材料は、ピストン２Ａやボア３ａに使用されている金属材料よりも高い線膨張係数を有している。このため、バンドリング１Ａは熱による膨張量が大きく、その外径は一定温度以上でピストン２Ａの外径（ここでは２ｎｄランドの外径）よりも大きくなる。この状態が、バンドリング１Ａの外周部がリング溝２ａＡよりも張り出した状態であり、以後、さらなる温度上昇に伴いバンドリング１Ａが膨張すると、その外径は上昇温度及び設定された外径寸法次第で、ボア３ａに当接するなどボア３ａの径と同等になるか、或いは密接するまで大きくなる。この結果、クリアランスＬが減少することから、ガスシールの効果を得ることができる。

なお、温度上昇に伴いバンドリング１Ａの外周部がリング溝２ａＡから張り出すとともに、クリアランスＬを２ｎｄランドとボア３ａとの間のクリアランスよりも狭める領域、すなわちブローバイガスの低減効果を発揮させる温度領域は、バンドリング１Ａの外径で調整することができる。このため、バンドリング１Ａの外径を狙いの運転領域に合わせて適宜設定することで、ブローバイガスを低減したい運転領域に合わせて効率良くブローバイガスの低減効果を得ることができる。このとき、その運転領域よりも温度が低い運転領域ではバンドリング１Ａはボア３ａに積極的に接触しないため、外周部の摩耗及びフリクションを軽減することができる。

図４はブローバイガス量の比較により検証したバンドリング１Ａの効果を示す図である。なお、図４に示す計算値はシミュレーションで算出しており、このシミュレーションではバンドリング１Ａの熱膨張により、クリアランスＬ及びリング溝２ａＡの両側面とバンドリング１Ａとの間が完全に密封された場合を想定している。また、図４に示すバンドリング１Ａありとなしとの比較は、バンドリング１Ａをピストン２Ａに装着した上で内燃機関を６,０００ｒｐｍ、ＷＯＴ（Wide Open Throttle）状態で運転した場合と、バンドリング１Ａをピストン２Ａから外した上で同様に内燃機関を運転した場合との比較に相当するものである。またバンドリング１Ａなしの場合についてはさらに実測も行い、バンドリング１Ａなしの場合の計算値及び実測値に基づき、バンドリング１Ａありの場合の計算値から、バンドリング１Ａありの場合の実測値に相当する推定値を算出した。図４から、バンドリング１Ａは合い口を持たないため、バンドリング１Ａありの場合は通常の３本リングの構成となるバンドリング１Ａなしの場合と比較して、非常に有効な気密特性を得られることが確認できる。以上により、外周部の摩耗及びフリクションを減じるとともにブローバイガスを効率良く遮断できる樹脂製のバンドリング１Ａを実現できる。

本実施例に係るバンドリング１Ｂは、内周部の両側面に係止手段１ａＢが設けられている点と、内周部の両側面の間に位置する内周部の中央に、径方向内側に開口する凹部１ｂＢが設けられている点以外、実施例１に係るバンドリング１Ａと同一のものとなっている。また本実施例に係るピストン２Ｂは、リング溝２ａＢの溝底部の両側面に係止部２ｅＢが形成されている点以外、実施例１に係るピストン２Ａと同一のものとなっている。図５はバンドリング１Ｂの具体例を、ピストン２Ｂの具体例及びシリンダブロック３の要部とともに断面で模式的に示す図である。係止手段１ａＢ及び係止部２ｅＢは具体的には図５（ａ）に示すように互いに係合するテーパ形状で実現できる。また係止手段１ａＢ及び係止部２ｅＢは具体的には図５（ｂ）に示すように互いに係合する段付き形状で実現できる。

このようにバンドリング１Ｂが熱膨張によって張り出すことを物理的に抑制する手段を備えることで、外周部とボア３ａとの高温時の接触を緩和することができ、以って外周部の摩耗をさらに低減できる。さらにこの構成によれば、例えばバンドリング１Ｂの外径を常温でボア３ａと当接する寸法に設定しても、バンドリング１Ｂの熱膨張による張出しを係止手段１ａＢ及び係止部２ｅＢで係止するようにすることで、内周側にバンドリング１Ｂの熱膨張を逃がすこともできる。この場合、外周部の摩耗及びフリクションの増大を抑制しつつ、さらにブローバイガスを遮断できる温度領域を拡大することができる。またこのとき、バンドリング１Ｂが凹部１ｂＢを備えていることで、外周部とボア３ａとの接触をより好適に緩和できる。なお、凹部１ｂＢはピストン２Ｂにバンドリング１Ｂを装着する際に、バンドリング１Ｂの内周部をたわませることで、バンドリング１Ｂをピストン２Ｂに装着し易くする効果も有する。以上により、外周部の摩耗及びフリクションを減じるとともにブローバイガスを効率良く遮断できる樹脂製のバンドリング１Ｂを実現できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

バンドリング１Ａをピストン２Ａ及びシリンダブロック３の要部とともに断面で模式的に示す図である。 各種の径寸法と２ｎｄランド周辺温度との関係を示す図である。 クリアランスＬと２ｎｄランド周辺温度との関係を示す図である。 ブローバイガス量の比較により検証したバンドリング１Ａの効果を示す図である。 バンドリング１Ｂの具体例を、ピストン２Ｂの具体例及びシリンダブロック３の要部とともに断面で模式的に示す図である。

符号の説明

１ バンドリング
１ａ 係止手段
１ｂ 凹部
２ ピストン
２ａ リング溝
２ｂ トップリング溝
２ｃ ２ｎｄリング溝
２ｅ 係止部
３ シリンダブロック
３ａ ボア
４ トップリング
５ ２ｎｄリング

Claims (5)

1. 内燃機関のピストンの外周面に設けられたリング溝に装着される樹脂製の合い口の無いバンドリングであって、
   前記内燃機関に組み込まれた前記ピストンに装着された状態で、外径が常温で前記ピストンを収容するボアのボア径と同等、或いはボア径以下に形成されており、且つ常温で前記リング溝に装着できる所定の伸び率を有していることを特徴とするバンドリング。
2. 前記ピストンのトップリングのリング溝とセカンドリングのリング溝との間に装着されることを特徴とする請求項１記載のバンドリング。
3. 前記所定の伸び性として、１０％以上の伸び性を有していることを特徴とする請求項１または２記載のバンドリング。
4. 前記リング溝の溝底部に形成された係止部と係合する係止手段が内周部に設けられていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のバンドリング。
5. 前記内周部の中央に径方向内側に開口する凹部が設けられていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のバンドリング。

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