JP5260220B2 - piston ring - Google Patents
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Description
本発明は内燃機関用ピストンリングに関し、特にピストンリングの形状に関する。 The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, and more particularly to the shape of the piston ring.
内燃機関用のピストンリングのリングの形状設定については、従来のアーノルドやプレスコット等の理論に基づいて設計されたリングカーブ等が一般的に用いられる。これらの理論に基づいたリングカーブの設計リングを用いた場合を考えると、実稼動時にシリンダ壁面とピストンとの温度差によってピストンリング内部に温度勾配が発生する。これによって、温度差(実稼動時で50℃乃至60℃)による熱膨張量に差異が生じ、ピストンリングの曲率が小さくなる変形を起こす。さらに、合口部においては高温のブローバイガス吹き抜けによって局所的に加熱される。これにより、合口部端部の面圧が上昇し、ピストンリングの面圧バランスが崩れ、耐摩耗性表面処理皮膜のクラックや過大摩耗、スカッフなどが発生する。また、合口端部から一定距離離れた部位にシリンダボアとは非接触の状態となる当たり不良が生じる。このような現象は、熱負荷の高い吸気冷却器付き高過給ディーゼルエンジンの圧力リングなどに、特に顕著に発生する。 For setting the shape of the ring of a piston ring for an internal combustion engine, a ring curve or the like designed based on the conventional theory such as Arnold or Prescott is generally used. Considering the case of using a ring with a ring curve design based on these theories, a temperature gradient is generated inside the piston ring due to the temperature difference between the cylinder wall surface and the piston during actual operation. As a result, a difference occurs in the amount of thermal expansion due to a temperature difference (50 ° C. to 60 ° C. during actual operation), causing deformation in which the curvature of the piston ring is reduced. Further, the abutment portion is locally heated by high-temperature blow-by gas blow-through. As a result, the surface pressure at the end of the abutment portion increases, the surface pressure balance of the piston ring is lost, and cracks, excessive wear, scuffing, etc. of the wear-resistant surface treatment film occur. In addition, a contact failure that is in a non-contact state with the cylinder bore occurs at a part away from the joint end by a certain distance. Such a phenomenon occurs particularly notably in the pressure ring of a high-supercharged diesel engine with an intake air cooler having a high heat load.
上記のような問題を解決するために、特開2004−278378号公報では、ピストンリングの内周面において、合口部の端部を始点とする所定の周長部分に亘り、切欠部が形成されたピストンリングについて記載している。このピストンリングでは、切欠部の形成により所定周長部分における半径方向の厚さが、所定周長部分以外の部分における半径方向の厚さと比較して小さくなっている。これにより、合口部のシリンダ壁面に対する面圧を低下させることができる。 In order to solve the above problems, in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-278378, a notch portion is formed over a predetermined circumferential length portion starting from the end portion of the joint portion on the inner peripheral surface of the piston ring. The piston ring is described. In this piston ring, the thickness in the radial direction at the predetermined circumferential length portion is smaller than the radial thickness at the portion other than the predetermined circumferential length portion due to the formation of the notch. Thereby, the surface pressure with respect to the cylinder wall surface of an abutment part can be reduced.
さらに、特開2001−263488号公報では、芯金形状によるカーブ補正を行ってピストンリングのオーバリティー(楕円度)を縮小させることにより、合口部付近の面圧を低下させることができる。特に、合口部は自由端であることから曲率の変化による面圧分布変化代が大きく、その効果はより顕著なものとなる。オーバリティーとは、ピストンリングが閉じた状態において、図1に記載されているピストンリングの合口部を通過する軸の距離Bから、その軸に対して垂直でピストンリングの中心を通る軸の距離Aを引いた値である。
しかし、従来の(特許文献1)ピストンリングのように合口部から所定周長部分に切欠を入れると、加工工数が増え加工コストが増大する。さらに、ブローバイガス吹き抜けによって合口部から所定距離の部位の面圧が低下するいわゆる当たり抜けとなり、燃焼ガスが圧力リングでシールされずクランクケースへ逃げるブローバイが生じ、生ガスの排出による公害などの問題が生じる。また、合口部に切欠部が存在することによって半径方向の厚さが小さくなり、強度が下がる等のリスクを負うこととなる。 However, if a notch is made in the predetermined circumferential length portion from the joint portion as in the conventional (Patent Document 1) piston ring, the number of processing steps increases and the processing cost increases. Furthermore, blow-by gas blow-off causes a so-called hit-out in which the surface pressure at a predetermined distance from the abutment portion decreases, causing blow-by that combustion gas escapes to the crankcase without being sealed by the pressure ring, and problems such as pollution due to discharge of raw gas Occurs. In addition, the presence of the notch at the joint portion reduces the thickness in the radial direction and carries a risk that the strength decreases.
また、ピストンリングにおけるオーバリティーの設定は確立された理論等は存在せず、経験に頼っている部分が大きいことから、理想的な面圧分布となるオーバリティーの設定は困難となる。 In addition, there is no established theory for the setting of the overflow in the piston ring, and since it depends heavily on experience, it is difficult to set the ideal surface pressure distribution.
そこで本発明は、ピストンリング加工コスト削減と所定の性能維持の観点から切欠部を設けることなく、実稼動時においてピストンリング全周の面圧が均一となるようなピストンリングを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has an object to provide a piston ring in which the surface pressure of the entire circumference of the piston ring is uniform during actual operation without providing a notch from the viewpoint of reducing the piston ring processing cost and maintaining a predetermined performance. And
上記目的を達成するために、略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周摺動面とピストンに対向する内周面と該外周摺動面及び該内周面に交わる上面及び下面と略円形状を半径方向に分断する1つの合口部とを備える内燃機関用ピストンリングであって、該シリンダの中心点であるシリンダ中心から該シリンダ中心と該内周面との距離が最大となる最外点までの距離(Rmax)を、該シリンダ中心から該合口部の両端の中点と該シリンダ中心とを通る基準軸上であって該中点から180°回転させた箇所に位置する対蹠点までの距離(R180)で除した値(Rmax/R180)が1.044乃至1.053であって該シリンダ中心から該合口部の一端までの距離(R合口)を、該シリンダ中心から該対蹠点までの距離(R180)で除した値が1.032乃至1.040であって該最外点の位置が該中点から44.7°乃至46.1°であって、該内燃機関用ピストンリングの外径が90乃至112mmであって、該内燃機関用ピストンリングの厚さは全周に亘って均一であることを特徴とする内燃機関用ピストンリングを提供している。 In order to achieve the above object, an outer peripheral sliding surface that slides with respect to a cylinder, an inner peripheral surface that faces the piston, an outer peripheral sliding surface, and an upper surface and a lower surface that intersect the inner peripheral surface are formed. A piston ring for an internal combustion engine comprising a single abutment that divides a substantially circular shape in the radial direction, wherein the distance between the cylinder center and the inner peripheral surface is the maximum from the cylinder center that is the center point of the cylinder The distance (Rmax) to the outermost point is a pair located on a reference axis passing through the center of the cylinder and the center of both ends of the joint and the center of the cylinder and rotated by 180 ° from the center. The value (Rmax / R180) divided by the distance (R180) to the saddle point is 1.044 to 1.053, and the distance from the center of the cylinder to one end of the joint (R joint) is determined from the center of the cylinder. The value divided by the distance to the opposite point (R180) is 1.03 To a 1.040 is the position of the outermost point a 44.7 ° to 46.1 ° from the neutral point, the outer diameter of the piston ring for the internal combustion engine is a 90 to 112 mm, the internal combustion The piston ring for an internal combustion engine is characterized in that the thickness of the piston ring for the engine is uniform over the entire circumference .
請求項1に記載のピストンリングによれば、有限要素法による解析によって実稼動時にピストンリング全周において面圧が均一となるように設計されていることから、合口部付近の面圧の上昇を防ぐことができる。これにより、合口部における耐摩耗性表面処理皮膜のクラックや過大摩耗、スカッフなどを防止することができる。また、合口部付近の面圧上昇を防止することで、合口部から所定距離の部位の面圧が低下する当たり抜けが発生せず、生ガスの排出による公害などの問題を防止することができる。 According to the piston ring of the first aspect, since the surface pressure is designed to be uniform over the entire circumference of the piston ring during actual operation by the analysis by the finite element method, the increase in the surface pressure near the joint portion is prevented. Can be prevented. Thereby, cracks, excessive wear, scuffing, etc. of the wear-resistant surface treatment film at the joint can be prevented. Further, by preventing the increase in the surface pressure near the abutment portion, the contact pressure of the portion at a predetermined distance from the abutment portion does not occur, and problems such as pollution due to the discharge of raw gas can be prevented. .
さらに、リングの内周面への加工が不要となるため、工数を減らすことにより加工コストを削減することができる。特に、窒化処理やめっきなどの表面加工を行ったピストンリングは硬度が高いことにより加工し難いが、本実施の形態のピストンリングは合口部等に特殊な加工を施すことはなく、加工コストの削減の効果を得る事ができる。 Furthermore, since it is not necessary to process the inner peripheral surface of the ring, it is possible to reduce the processing cost by reducing the number of steps. In particular, the piston ring that has undergone surface processing such as nitriding or plating is difficult to process due to its high hardness, but the piston ring of the present embodiment does not apply special processing to the joint part, etc. Reduction effect can be obtained.
本発明の第1の実施の形態によるピストンリングについて図1乃至図2に基づき説明する。図1に示すピストンリング1は略円形状をなし、図示せぬシリンダ壁面と摺動する外周摺動面2と図示せぬピストンリング溝に対向する内周面3と略円形状を半径方向に分断する合口部4とを有する。外周摺動面2と内周面3との距離(ピストンリングの半径方向の厚さ)をa1とする。R合口はシリンダ中心5から合口部の一端までの距離(ピストンリングの呼び径)であり、R180°はシリンダ中心5から合口部の中心より180°回転した部位までの距離である。
A piston ring according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
本発明の実施の形態によるピストンリング及び従来のピストンリングにおけるシリンダ中心からの距離とリング合口部からの周方向角度との関係を図2に示す。ピストンリングは合口部の中心を通る軸を基準軸とした線対称であることから、基準軸の片側のみ図2に示す。このグラフは、常温で静的な状態のピストンリングをR180°の位置で固定し、シリンダ中心5からの距離を接触式3次元測定器の形状測定プログラムにより計測したものである。本実施の形態によるピストンリングを実線で示し、シリンダ中心5からの距離が最も遠くなる点をRmaxとする。オーバリティーがゼロ(A=B)で設計されたピストンリングを点線で示し、シリンダ中心5からの距離が最も遠くなる点をRmax0とし、シリンダ中心5から合口部の一端までの距離をR合口0とする。オーバリティーがマイナス(A>B)で設計されたピストンリングを一点鎖線で示し、シリンダ中心5からの距離が最も遠くなる点をRmax−とし、シリンダ中心5から合口部の一端までの距離をR合口−とする。
FIG. 2 shows the relationship between the distance from the cylinder center and the circumferential angle from the ring joint in the piston ring according to the embodiment of the present invention and the conventional piston ring. Since the piston ring is line-symmetric with respect to the axis passing through the center of the joint portion as a reference axis, only one side of the reference axis is shown in FIG. In this graph, a piston ring in a static state at normal temperature is fixed at a position of R 180 ° , and the distance from the
本発明の実施の形態によるピストンリングは、有限要素法(FEM)を用いてピストンリング内部の温度勾配による熱膨張を解析し、実稼動時にピストンリングの外周摺動面全周において面圧が均一となるように設計されている。より具体的には、図2のグラフにおいて、実線で示されたピストンリングの形状となる。ここで、従来のローポイントリングである一点鎖線のグラフ(オーバリティーがマイナス)は、Rmax−部の面圧が高くなるように、Rmax−の値を大きく設計し、Rmax−部の面圧を高くすることによって合口部付近の面圧を低下させている。一方、実線のグラフ(本実施の形態)においては、ピストンリング全周での面圧を均等に保つためにRmax及びR合口の値が低く設計されている。従来設計のオーバリティーがマイナスである場合は、Rmax−−Rmax0>0かつR合口−−R合口0<0となるが、本実施の形態では、Rmax−Rmax0<0かつR合口−R合口0<0となる。このようなリングカーブ形状により、実稼動時におけるピストンリング全周の面圧が均一となる。ピストンリングのサイズで主流となるφ104及びφ112の詳細な数値を表1に示す。なお、リングのh1は全て2.5mmとし、a1寸法についてはリング外径φ104については3.75mm、φ112については、4.15mmとした。
従来の設計とは、アーノルドやプレスコット等の理論に基づいて設計されたリングカーブである。表1より、本発明の実施の形態によるピストンリングにおいて、Rmax/ R180°の値が約1%低い値となる。これは、ピストンリング全周において面圧を均等に保つため、Rmaxが低く設計されていることによる。さらにRmaxからの角度も約3〜15°高い値となる。さらに、R合口/ R180°の値が約1%小さくなる。R合口の角度とは、図1及び図2で示すθのことである。 The conventional design is a ring curve designed based on theories such as Arnold and Prescott. From Table 1, in the piston ring according to the embodiment of the present invention, R max / The value of R 180 ° is about 1% lower. This is because Rmax is designed to be low in order to keep the surface pressure uniform over the entire circumference of the piston ring. Furthermore, the angle from R max is also about 3 to 15 ° higher. In addition, R joint / The value of R 180 ° is reduced by about 1%. The angle of the R joint is θ shown in FIGS. 1 and 2.
本実施の形態の具体的な寸法としてはJIS B8032−1:1998に示す、外径d1が90〜150mm、ピストンリング幅a1が2.5〜4.5mm、自由合口隙間mが5〜25mm、ピストンリングの軸方向厚みh1が2.0〜4.0mmであることが好ましい。 The specific dimensions of the present embodiment JIS B8032-1: shown in 1998, the outer diameter d 1 is 90~150Mm, piston ring width a 1 is 2.5 to 4.5, free closed gap m is 5 25 mm, it is preferable axial thickness h 1 of the piston ring is 2.0 to 4.0 mm.
次にピストンリングについて単体試験を行った。単体試験では、φ104従来リングについて常温時、温間時における面圧分布を測定した。ここで、常温時とはピストンリング及びシリンダライナが共に20℃であることを意味する。また、温間時とは、ピストンリングが230℃であって、シリンダライナが90℃であることを意味する。なお、測定に関しては各リングの軸方向厚さや外周摺動面形状、半径方向厚さa1が同一のものを用いた。 Next, a unit test was performed on the piston ring. In the unit test, the surface pressure distribution at room temperature and warm time was measured for the φ104 conventional ring. Here, normal temperature means that the piston ring and the cylinder liner are both 20 ° C. Also, when warm, the piston ring is 230 ° C. and the cylinder liner is 90 ° C. Incidentally, the axial thickness and the outer peripheral sliding surface shape of each ring, the radial thickness a 1 using the same thing with respect to the measurement.
図3は、面圧分布測定装置5の左半分を示しており、シリンダ52、53は、シリンダホルダ51に支持され、シリンダ53の外周面2の一部に凹部53aが形成されて最薄部となる。テストピースであるピストンリングを、ピストン55のリング溝55aに装着し、ピストンリングの外周摺動面4をシリンダ53の内周面3に当接させる。すると、シリンダ53の最薄部にはピストンリングからの面圧が作用し、歪みが生じることとなる。よって、凹部53aの底部に歪みゲージ54を貼りつけ、歪みゲージ54をストレインアンプ57に接続し、ペンレコーダ58に歪みの値を記録することによって、歪み値を面圧として測定した。また、ピストンリング溝55a付近と、ピストンリングに対向する位置にあるシリンダ53の内周面付近に、J型熱電対59を備え、高速打点計60に接続することで、温度を計測した。更に、ピストンリングを保持するピストン55の上側に、ヒーター56を取付けて、ピストンリングを加熱する一方で、シリンダ53の外周側には冷却水を接触させてシリンダ53の冷却を行い、ピストン55からシリンダ53まで実機運転時に近い温度勾配を分布させた。
FIG. 3 shows the left half of the surface pressure
図4、5は縦軸が面圧、横軸が合口部の中点を0°としたときの周方向角度を示したグラフである。図4が常温時の試験結果であり、図5が温間時の試験結果である。 4 and 5 are graphs in which the vertical axis represents the surface pressure and the horizontal axis represents the circumferential direction angle when the midpoint of the joint portion is 0 °. FIG. 4 shows the test results at room temperature, and FIG. 5 shows the test results at warm time.
図中には、φ104従来リングだけでなく、本発明の実施の形態であるφ104スチール、φ112スチール(高温)、φ112スチール(中温)についても併せて示す。なお、φ104スチール、φ112スチール(高温)、及びφ112スチール(中温)については、演算により算出した結果となっている。Aがφ104スチール、Bがφ112スチール(高温)、Cがφ112スチール(中温)、Dがφ104従来リングの実験結果を示している。 In the figure, not only the φ104 conventional ring but also φ104 steel, φ112 steel (high temperature), and φ112 steel (medium temperature), which are embodiments of the present invention, are shown together. For φ104 steel, φ112 steel (high temperature), and φ112 steel (intermediate temperature), the results are calculated. A shows the experimental results for φ104 steel, B for φ112 steel (high temperature), C for φ112 steel (medium temperature), and D for φ104 conventional ring.
比較材のφ104従来リングDでは、常温時において既に合口部±10°の範囲の面圧が上昇している。この現象は図5に示す熱負荷の作用が働く温間時により顕著となり、合口部付近の面圧が約1.8Mpaまで上昇した。そして、合口部付近がシリンダライナに強く押付けられたことにより、合口部から±5乃至30°の範囲において面圧が極端に低くなる当たり抜けが生じた。 In the comparative material φ104 conventional ring D, the contact pressure in the range of the joint portion ± 10 ° has already increased at room temperature. This phenomenon becomes more pronounced when the heat load action shown in FIG. 5 is applied, and the surface pressure in the vicinity of the joint is increased to about 1.8 Mpa. Then, when the vicinity of the abutment portion was strongly pressed against the cylinder liner, a contact drop in which the surface pressure became extremely low in a range of ± 5 to 30 ° from the abutment portion occurred.
これに対して本発明の実施の形態によるピストンリングφ104スチールA、φ112スチール(高温)B、φ112スチール(中温)Cでは、常温時に±30°の範囲において面圧がゼロとなり、当たり抜けが生じている。また、周方向角度が合口部から遠ざかるにつれて急激に面圧が上昇し、周方向角度が±90°以上となった場合には面圧は略一定となっている。このような傾向はφ104スチール、φ112スチール(高温)、φ112スチール(中温)のいずれにおいても当てはまる。 On the other hand, in the piston rings φ104 steel A, φ112 steel (high temperature) B, and φ112 steel (medium temperature) C according to the embodiment of the present invention, the surface pressure becomes zero in the range of ± 30 ° at normal temperature, and hitting occurs. ing. Further, the surface pressure increases rapidly as the circumferential angle moves away from the abutment, and the surface pressure is substantially constant when the circumferential angle becomes ± 90 ° or more. Such a tendency applies to any of φ104 steel, φ112 steel (high temperature), and φ112 steel (medium temperature).
しかし、温間時においては、本実施の形態のピストンリングであるφ104スチールA、φ112スチール(高温)B、φ112スチール(中温)Cは合口部±15°の範囲の面圧が低くなっており、周方向角度が合口部から遠ざかるにつれて面圧が略一定となっている。これは、φ104スチールA、φ112スチール(高温)Bに特に顕著に現れている。また、本実施の形態のいずれのピストンリングにおいても合口部付近の面圧が低くなっていることから、φ104従来リングDに見られた合口部の面圧上昇によってその周辺周長部分の部位の面圧が低下する当たり抜けは、発生していない。以上より、表1のようなピストンリングの形状により、実稼動時を想定した温間時に全周において均一な面圧を得る事ができる。 However, in the warm state, the surface pressure in the range of ± 15 ° is low for φ104 steel A, φ112 steel (high temperature) B, and φ112 steel (medium temperature) C, which are the piston rings of this embodiment. The surface pressure is substantially constant as the circumferential angle moves away from the abutment. This is particularly noticeable in φ104 steel A and φ112 steel (high temperature) B. Further, in any piston ring of the present embodiment, the surface pressure in the vicinity of the abutment portion is low. There has been no omission in which the contact pressure decreases. From the above, the shape of the piston ring as shown in Table 1 makes it possible to obtain a uniform surface pressure over the entire circumference during warm operation assuming actual operation.
本発明によるピストンリングは上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。例えば耐摩耗性や耐久性を高めるために、ピストンリングの表面に鍍金や窒化などの表面処理を行ってもよい。さらに、窒化処理を施した後に外周摺動面にPVD被膜処理を行ってもよい。本実施の形態ではスチールを用いたが、これに限定されることなく、鋳鉄などを用いても同様の効果を得る事ができる。また、上述の実施の形態では切欠部は外周の摺動面に略平行な直線状をなしているが、切欠部の形状はこれに限定されず凹凸の形状や、内周面側において合口端部に向かって除所に半径方向の厚さが減少するような直線形状でもよい。さらに、摺動面形状は対称バレル形状であってもよく、偏芯バレル形状であってもよく、また、テーパー形状であってもよい。 The piston ring by this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various change is possible within the range of the summary of the invention described in the claim. For example, in order to improve wear resistance and durability, the surface of the piston ring may be subjected to surface treatment such as plating or nitriding. Furthermore, you may perform a PVD film process to an outer peripheral sliding surface, after giving a nitriding process. Although steel is used in the present embodiment, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even when cast iron or the like is used. In the above-described embodiment, the notch has a linear shape that is substantially parallel to the outer sliding surface. However, the shape of the notch is not limited to this, and the shape of the unevenness or the abutment end on the inner peripheral surface side. A linear shape in which the thickness in the radial direction decreases toward the part toward the part may be used. Furthermore, the sliding surface shape may be a symmetric barrel shape, an eccentric barrel shape, or a tapered shape.
1:ピストンリング
2:外周摺動面
3:内周面
4:合口部
5:シリンダ中心
1: Piston ring
2: Outer peripheral sliding surface 3: Inner peripheral surface 4: Joint portion 5: Center of cylinder
Claims (1)
該シリンダの中心点であるシリンダ中心から該シリンダ中心と該内周面との距離が最大となる最外点までの距離(Rmax)を、該シリンダ中心から該合口部の両端の中点と該シリンダ中心とを通る基準軸上であって該中点から180°回転させた箇所に位置する対蹠点までの距離(R180)で除した値(Rmax/R180)が1.044乃至1.053であって
該シリンダ中心から該合口部の一端までの距離(R合口)を、該シリンダ中心から該対蹠点までの距離(R180)で除した値が1.032乃至1.040であって
該最外点の位置が該中点から44.7°乃至46.1°であって、
該内燃機関用ピストンリングの外径が90乃至112mmであって、
該内燃機関用ピストンリングの厚さは全周に亘って均一であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。 It has a substantially circular shape, and the outer peripheral sliding surface that slides relative to the cylinder, the inner peripheral surface that faces the piston, the outer peripheral sliding surface, the upper and lower surfaces that intersect the inner peripheral surface, and the substantially circular shape are divided in the radial direction. A piston ring for an internal combustion engine comprising one abutment
The distance (Rmax) from the cylinder center, which is the center point of the cylinder, to the outermost point where the distance between the cylinder center and the inner peripheral surface is the maximum, and the midpoint between both ends of the joint portion from the cylinder center A value (Rmax / R180) divided by a distance (R180) to a counterpoint located on a reference axis passing through the cylinder center and rotated by 180 ° from the midpoint is 1.044 to 1.053. The value obtained by dividing the distance from the cylinder center to one end of the joint (R joint) by the distance (R180) from the cylinder center to the opposite point is 1.032 to 1.040. The position of the outermost point is 44.7 ° to 46.1 ° from the midpoint;
The internal diameter of the piston ring for the internal combustion engine is 90 to 112 mm,
A piston ring for an internal combustion engine, characterized in that the thickness of the piston ring for the internal combustion engine is uniform over the entire circumference .
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