JP5907955B2 - 内燃機関用の鉄ボディのオイル制御リング - Google Patents

Description

本発明は、シリンダの境界面とのリングの減じられた接触を提供する輪郭の使用による減じられた拡張荷重下でさえも、接触圧の適切なレベルの維持を許容する内燃機関用に理想化された鉄ボディによって形成されたオイル制御リングに関する。

さらに、本発明は、より優れた動的安定性、及びセットの接触圧の結果的な分布を提供する。本発明は、異なるジオメトリを介して、減じられた接触面を備えるオイルリングにおける表面硬化処理の適用をも許容し、構造、取扱い及び操作の頑強性を提供する。

従来技術の説明
内燃機関は、自動車車両の大部分によって使用されるエネルギを変換する機構であり、内燃機関は、基本的に、２つの主要な部分、つまりエンジンブロック及び１つ以上のシリンダヘッドを有する。シリンダヘッドの基部には燃焼室が設けられており（ディーゼルエンジンでは、概して燃焼室はピストンヘッドに設けられている）、エンジンブロックには、シリンダと、クランクシャフトのセットとが設けられている。クランクシャフトのセットは、ピストンと、コネクティングロッドと、クランクシャフトとから成る。

エンジンは、燃焼室における混合物（燃料及び空気）の燃焼によって発生されたエネルギを、車輪に運動を与えることができる機械エネルギに変換する。

自動車を運動させるために必要な駆動力は、燃焼室において空気／燃料を燃焼させることにより生じるので、オイルを燃焼させることなく均一な燃焼を保証しかつシリンダからパンへのガスの過剰な通過をも回避するために、ピストンとシリンダ壁部との間に存在する遊びの良好なシーリングを提供するためにリングを使用する必要がある。

通常、エンジン設計者は、３つのリングを使用し、この場合、２つのリングは、ピストンヘッドにより隣接して位置決めされたコンプレッションリングであり、１つのリングは、より反対方向に位置決めされたオイルリングである。コンプレッションリングの機能は、パンの内部への燃焼ガスの通過を停止することであり、オイルリングの機能は、過剰なオイルをシリンダ壁部から掻き取り、このオイルをパンへ戻すことである。

リングの別の重要な機能は、ピストンからシリンダ壁／ライナへ熱を伝達するためのブリッジとして使用されることであり、この場合、熱の放散はエンジン冷却システムを介して生じる。

オイルリングは、１つ、２つ又は３つの構成部分から成ることができ、内燃機関において最も一般的に使用されるタイプは、２つ又は３つの構成部分を備えるものである。

主要な特徴として、１つの構成部分から成るリングは、その用途に必要な膨張力を達成するためにベース材料に固有の弾性特性を利用するが、２つの構成部分から成るリングは、基本的にボディと弾性エレメントとを有し、３つの構成部分から成るリングは、基本的に、同じ目的を達成するために支持ボディとリングの２つのセグメントとを有する。

現在では、従来技術において見られるオイルリングは、ボディの周囲セクションに沿って分布させられたスリット又は穴を有する。これらのスリット又は穴は、リングの２つの外側作動面の間に蓄積された過剰なオイルを排出し、かつスリットを有する横方向セクションの剛性の減少により柔軟性を増大するという機能を有し、これにより、シリンダ壁に対する構成部分／セットのより高い適合度を提供する。

しかしながら、自動車工業は、現在では、ますます厳しくなっている環境規制を達成するという挑戦によって導かれており、より小さな摩擦の、より小型の、エネルギ的により効率的なエンジンを追求することによってますます導かれる発展を生じている。

エンジンの作動における摩耗の減少のこれらの傾向にも従って、リングの主の貢献は、エンジンのシリンダ壁に対して十分な圧力を提供する必要がある荷重の減少である。

より詳細に言えば、リング／シリンダ境界面における適切な接触圧の維持を得ることが可能であり、減じられた拡張荷重下でさえも、リングの接触面積を減じる。しかしながら、構成部材の製造及び取り扱いに関する困難さ、及び加工中の時々生じる破損は、オイル制御リングの接触面積を減じることを目的とするプロジェクトにおいて克服されなければならない幾つかの障害である。

また、低荷重リングに関連した、シリンダの再調整及びバニシ仕上げの操作における改良は、構成部材の"すりあわせ運転"のためのエンジンの作動の増大した時間につながる可能性がある。すりあわせ運転期間は必要である。なぜならば、一致する部分の製造において多くの注意が払われるが、製造に固有のばらつき、及びエンジンの作動の変形性は、構成部材の摺動面を合致させる前にある程度の摩耗を必要とするからである。この段階における潤滑油の消費は、適切な調整が達成されるまでにはより大きい。

ブラジル国特許出願ＰＩ９２０２２６８に記載されたリングは、円錐台形の接触面を使用することによって接触面積の減少の問題を解決しようとしている。さらに、この引用されたリングは、エンジンのすりあわせ段階の間に良好な動作を示す。なぜならば、第１の作動時間に生じる極めて高い接触圧が、エンジンオイルの消費を安定させるからである。

米国特許第７１１７５９４号明細書は、階段の形状の段状の接触面の輪郭を使用することによって上記問題を解決しようとしている。この提案は、一方ではある効率を示す。なぜならば、この提案は、リングの接触突出部の領域に対してより高い構造的頑強性を許容するからである。しかしながら、他方では、リングの接触突出部の段状の領域におけるオイルの貯蔵の発生の可能性があり、したがって、車両駆動セットのオイルの消費を増加させる。

言及する価値がある別の文献は、米国特許出願公開第２００６／０００６６０４号明細書であり、この明細書は、その接触突出部がバルジ状に終わっているオイルリングを提供し、その主要な結果として、関連するシリンダに対する移動に対する摩耗の減少と、作動中のオイル消費の著しい減少とを提供する。

しかしながら、このタイプのリングは、好ましくない特性として、接触突出部における言及された張り出した輪郭を得るための高価な製造プロセスを有する。

したがって、シリンダの境界面とのリングの減じられた接触を可能にしかつ構造、取扱及び作動の頑強性を提供する輪郭の使用による低い荷重下でさえも接触圧の適切なレベルを維持することができるオイル制御リングは、開発されていない。

発明の目的
本発明の第１の目的は、減じられた接触面を備えた周囲作用面を使用することによって、圧力のより良好な分布を許容し、シリンダリングと壁部との間の油膜の適切な厚さを保証し、かつリング突出部の膨張力によって提供される荷重の減少（ひいては摩擦によって散逸されるパワーの対応する減少）を可能にする、オイル制御リングを提案することである。

また、本発明の目的は、減じられた接触面を備えた周囲作用面の輪郭の使用が、シリンダ内壁に対する接触面のより大きな円錐角の使用に関連して、接触面の軸方向幅の増大における半径方向摩耗の効果を最小限にし、したがって、突出部の圧力の維持、その結果、エンジンの寿命の間のシリンダリングと壁部との間の油膜の制御を提供することを目的とする、オイル制御リングを提案することである。

本発明の別の目的は、様々なタイプの表面処理及びカバーとともに適用される可能性である。なぜならば、その構造及び取扱の頑強性が与えられていると、作動中、及びピストンへのリングの組付け及び取外しの段階及びシリンダへのピストンの組付け及び取外しの段階でさえも、破壊及びき裂の機会を著しく減じるからである。

発明の簡単な説明
本発明の目標は、２つの接触突出部であって、各々の接触突出部は、第１及び第２の末端エッジを有する各々の外側接触面を形成しておりかつ各々の第２のエッジを起点とする傾斜面を有し、接触突出部は、各々の傾斜面が互いに対面するように互いに向けられている、鉄ボディによって形成された内燃機関用のオイル制御リングによって達成される。

また、本発明の目標は、２つの接触突出部であって、各々の接触突出部が、第１及び第２の末端エッジを有する各々の外側接触面を形成しておりかつ各々の接触突出部が、各々の第２のエッジを起点とする傾斜面を有し、各々の接触面が、０．０２〜０．２０ｍｍの、第１及び第２の末端エッジの間の高さを有し、各々の傾斜面の角度が５〜２５度である、鉄ボディによって形成された内燃機関用のオイル制御リングによって達成される。シーリングに関する製品の頑強性を高めるために、本発明によって追求されるソリューションは、接触範囲の著しい増大なく、ラッピング作業の間のより高い２１半径除去の可能性であり、輪郭のより大きな円錐角が与えられる。作動中、リングの平坦部は、適切な接触範囲を保証し、頂点が維持されるならば生じるであろうチッピング（削り取り）のリスクを最小限に減じる。

また、本発明の別の利点は、例えば窒化のような、製品を摩耗に対してより耐性にする接触面の表面硬化処理の使用によってオイルリングにおける減じられた接触面の使用を可能にする可能性である。従来技術に見られる説明において、減じられた接触面におけるこの技術の使用は、高レベルの局所的なテンションを生じる恐れがある。なぜならば、硬化された層と、接触部分との厚さの関係は、ほぼ一体的であるからである。

上述の特性は、本発明の他の態様に加えて、実施例及び以下の図面の詳細な説明によってよりよく理解されるであろう。

ここで、添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

従来技術の内燃機関用のオイルリングの横断面図である。 従来技術の内燃機関用のオイルリングの段状の作用面の輪郭の図である。 従来技術のリングの接触面の輪郭の詳細な図である。 本発明のリング対象物の接触面の輪郭の詳細な図である。 本発明の内燃機関用のオイルリングの概略的な横断面図である。 本発明のリングの接触面の好適な具体化の輪郭の詳細な図である。 本発明のリング対象物の接触面の択一的な具体化の輪郭の詳細な図である。 従来技術のリングのテンションの高い集中の概略的な図である。 本発明のリング対象物の輪郭によってもたらされる、より高い頑強性の概略図である。 作動時の本発明のリング対象物の概略図である。

図面の詳細な説明
ブラジル国特許出願ＰＩ９２０２２６８号明細書は、円錐台形の接触面１１によるオイルの効率的な掻き取りを可能にするオイル制御リング１００を示している。このオイル制御リング１００は、図１に示したように、オイルをエンジンパンへ戻すための細長いリップ１６をも有する。

図２は、米国特許第７１１７５９４号明細書によって開示されたリングを示しており、このリングは、接触面の減少のためのソリューションとして、接触突出部を段状にすることにより接触面の構造的な頑強性を増大する製造技術の使用を示している（図２に符号２００で示された段部を参照）。しかしながら、その代償として、このソリューションは、リングの接触突出部の段状の領域におけるオイルの貯蔵の発生の可能性若しくは蓋然性を排除せず、したがって、車両駆動セットにおけるオイルの消費を増大させる。

図３Ａに示したように、従来技術に属する一般的なリングは、僅かに傾斜した面１７（３０′〜４°）を備えた接触面１６の輪郭を有し、このような構成は、シリンダ壁に対するエッジ１８における正確な接触のみを許容し、エンジンのすりあわせ運転の段階において高い圧力を生ぜしめる。

しかしながら、この高い圧力は、幾つかの状況において、半径方向摩耗による接触領域の増大をより受けやすいことに加えて、シリンダ壁を裂断させ、その結果破損させる恐れがある。

好適な具体化によれば、図３Ｂに示したように、本発明のオイル制御リング１としての対象物は、好適には、鋳鉄又は窒化鋼のようなあらゆる鋼のような好適には鉄のボディ１２と、このタイプの用途に必要な拡張力をもたらすための、コイルばね、板ばね又はその他の別の拡張手段のような弾性エレメント８とによって、形成されている。

これに代えて、ボディ１２のベース材料の自己の機械的特性が、所望の拡張力を発生するのに十分であるようなリングを考えることもできる。また、これに代えて、鉄ではなく、例えば非金属材料、ポリマ又は化合物によって形成されたボディ１２を考えることも可能である。

好適には、ボディ１２は、もう少し剛性を提供するために、軸方向で見て２ｍｍを超える全高（ＨＴとして特に図９に示されている）を有するが、ボディが２ｍｍよりも小さな高さを有するリングが本発明の保護範囲に含まれると考えることも完全に可能である。

ボディ１２は、そのＨＴが２ｍｍよりも大きいか又は小さいかにかかわらず、各々が三角形の末端領域２１を含む２つの外側接触突出部２（図３Ｂに平行線で示されているが、最終ラッピングのプロセスにおいて除去される）と、平行な接触面１０２と傾斜面３とによって区切られた三角形胴部のセグメント（外側の三角形領域の除去の後に接触突出部２自体に形状を提供する）と、シリンダ壁部５に向けられた中間セクション４と、ピストン７に向けられた円形セクション６とを有する。図９に示したように、突出部２は、セットが組み立てられた時にシリンダ壁部５に向かって突出する。

図３Ｂにも示されているように、オイル制御リング１の各々の接触突出部２は、第１の末端エッジ２２と、第２の末端エッジ２３とを有し、最初に、エッジ２２から、傾斜面３が始まるエッジ２３まで形成された、高さ（Ｈ）としても示された距離ｄ３をもたらす。以下で説明するように、この距離は、平行な接触面１０２にちょうど対応する。

傾斜面３の角度は、リングの軸方向長さに関して、５°〜２５°、好適には１３°〜１７°でなければならず、これは、性能特性を最大限に高める。

本発明のリング対象物を製造するために使用するための可能なプロセスのうちの１つは、ベースとして、矩形横断面の金属環状セグメントを使用し、２つの接触突出部２が、これらの接触突出部の間の領域から材料を除去することによって形成される。しかしながら、これに代えて、オイルリングの製造のために、その横断面が既に突出部２をもたらしている（予め輪郭付けされている）金属テープを使用することも可能であり、これは、材料を除去する手順を不要にする。

接触突出部２が得られた後、接触面をラッピングすることによって又はあらゆるその他の同様のプロセスによって、リングがその最終フォーマットに達するまで三角形の末端領域２１が除去される。

各々の接触突出部２の三角形の末端領域２１の除去は、シリンダ壁部に対して平行な平坦な形状の接触面１０２を形成する。この接触面１０２の高さ（Ｈ）は、０．０２〜０．２０ｍｍであるのが好ましいが、必須ではなく、０．２０ｍｍ又はそれに近い値であってよい。

これに代えて、既に所望の輪郭を備える（予め輪郭付けされている）、つまり各々の突出部において三角形の末端領域２１を有さない鋼テープ又は別の材料を使用する場合、除去の必要性は排除される。

三角形の末端領域２１の抑制は、その領域における破損及び裂断に関する安定性と、器具の寿命の間のより一定の接触圧の維持とを保証する。

図４は、本発明のオイルリング１の好適な具体化の断面図を示している。

図５及び図６は、本発明のリング１の接触面１０２の詳細を示している。本発明の好適な具体化を例示する図５において、接触突出部２は、傾斜面３が、方向９に従って、互いに面して、つまり対称的に向けられるように、向けられている。

オイルリングの上位及び下位の接触突出部の不規則な接触（つまり、異なる、一方の突出部の接触が他方よりも高い）の問題のソリューションに重点を置く場合に主に、第１の具体化は好ましい。前記不規則な接触は、ピストン／シリンダの間の遊びによって与えられる、ピストンの小さなチャネルの変形、ピストンの軸方向移動の変形により生じ、また、２つの接触突出部が方向付けられている時に、リングの接触部分に加えられる特異点（singularity）によるリングの重心の移動により、生じることがある（及び実際に生じる）。

接触突出部２の位置（及び接触面１０２の結果として）は、各々の傾斜面３が互いに向き合うように、リングの安定性及び機械的なカウンターバランスの特性が、リングの高い動的要求の状況においてさえも両接触面の接触が著しく均一でありかつその結果オイルリングの改良された軸方向適合度を生ぜしめるように、決定的な形式で協働する。

図６に示された別の可能な具体化において、２つの接触突出部２は、非対称な形式で、すなわち、２つの傾斜面３が同じ方向に、つまり、方向１０にしたがって、ピストンの上部の方向に向けられるように、向けられて位置決めされている。このアセンブリは、構成部材の作動時に、粘性の又は流体力学的な摩耗の減少を実現可能にすることに重点を置いている。しかしながら、上位及び下位の接触突出部とシリンダとの間の不規則な又は異なる接触を回避するためにリングの安定性に関して得られる結果は、ピストンの小さなチャネル及び軸方向移動の変形のような既に言及した外部効果の影響を最小限に減じるために、主に接触突出部の高さの相違に関して、減じられた公差での、進歩した製造技術の使用に、より依存するようになる。

図５及び図６に示したような、本発明のリング対象物の接触面の輪郭の使用は、結果として提供されたリングが、油膜の制御に関してより優れた性能を有することを可能にし、接触面２００の段状の輪郭（図２参照）がオイル蓄積部として働きかつオイルを保持してオイルリングの上位部分（ピストンの上部に向けられている）におけるオイルの蓄積を生ぜしめる従来技術のリングに見られる問題を回避する。図５に示された発明の具体化は、これに関して、リングの高い動的要求の状況においてさえも、傾斜面３が互いに向けられていることによりオイルリングの上位及び下位の接触突出部の不規則な接触発生を著しく減じることを可能にするならば、特に効率的である。

その結果、リングとシリンダ壁との減じられた摩耗に加えて、リングの上位部分における潤滑油の蓄積における著しい減少が生じ、潤滑油は、その作用フィールドに沿ってよりよく再分配される。

潤滑油の蓄積をさらに減じるために、リングは、潤滑油の流れを可能にするために中間セクション４に位置決めされた細長い裂け目又は穴３３の好適な形態における、オイルを排出するための１つ以上の領域を有することができる。これは、当業者に周知のソリューションであるので、本明細書においてさらに説明する必要はない。リングの高さが、剛性の依然として許容可能な値を維持する２．０ｍｍよりも大きい場合、これらの細長い裂け目又は穴３３の存在は、より興味深く、かつ好適であるが、必要であるか又は望まれるならば、より小さな高さを備えるリングにおいて裂け目又は穴が提供されることを阻害するものは何もない。

図７は、従来技術のリングにおいて生じるテンションの高い集中を、接触幅（ｃ）と、表面硬化処理の適用時に形成された硬化された層（Ｄ／２）との関係によって、概略的な形式で示している。テンションのこの集中は、極めて大きく、例えば窒化のような、リングにおける表面硬化処理の技術の適用を、図１及び図２に示されたもののような、従来技術に属するリングによって提供される設計による、接触突出部の接触表面の減少と関連させることを不可能にする。

図８は、次いで、そのジオメトリにより、より緩やかな構造的な鈍角に関連させられた接触面の減少を提供する、本発明のリング対象物の接触突出部２のうちの一方を詳細に概略的に示している。これは、窒化のような、表面摩耗を減じるための表面硬化処理の適用時のテンションの蓄積、又はレーザによる硬化のような材料の相変化の局所化されたプロセスを最小限に減じる。

したがって、本発明の対象物であるリングの接触突出部２の形状は、従来技術に属するリングのような、接触面の過剰な減少を有する輪郭の使用が制限的になるような、摩耗に対する耐性を高めるためのコーティング及び表面処理との使用を可能にすることが明らかである。テンションの蓄積は、コーティング及び表面処理によってもたらされる高い表面硬さによって生ぜしめられる。言うまでもなく、本発明の他の大きな利点は、上記のように、エンジンの寿命にわたる接触圧の優れた維持である。本発明は、接触面を支持するエッジのより大きな傾斜角を有し、したがって、半径方向摩耗は、オイルリングの接触突出部の接触面の増大により、減じられた効果を有する。

好適な実施の形態の例を説明したが、本発明の範囲は、添付の請求項の内容のみによって限定されるその他の可能な変更を包含しており、そこには潜在的な均等物が含まれる。

Claims (12)

1. 内燃機関用のオイル制御リング（１）であって、該オイル制御リング（１）は、２つの接触突出部（２）を有する鉄のボディ（１２）によって形成されており、各々の接触突出部（２）は、第１の末端エッジ（２２）と第２の末端エッジ（２３）とを含む各々の外側接触面を形成しておりかつ各々の接触突出部（２）は、各々の第２のエッジ（２３）から始まる傾斜面（３）を有する、内燃機関用のオイル制御リング（１）であって、リング（１）は、各接触面（１０２）が、０．０２〜０．２０ミリメートルの、前記第１の末端エッジ（２２）と前記第２の末端エッジ（２３）との間の高さ（Ｈ）を有し、各傾斜面（３）の角度は１３〜１７度であることを特徴とする、内燃機関用のオイル制御リング（１）。
2. 前記接触突出部（２）は、各々の傾斜面（３）が互いに面するように対称的に向けられ、下位の傾斜面（３）がピストンの上部に向けられるように、方向付けられている、請求項１記載のオイル制御リング。
3. 前記接触突出部（２）は、各々の傾斜面（３）が同じ方向、つまりピストンの上部に向けられるように方向付けられている、請求項１記載のオイル制御リング。
4. 潤滑剤の流れを可能にするために位置決めされた細長い裂け目又は穴（３３）の形態の、オイルを排出するための領域を有する中間セクション（４）を備える、請求項１から３までのいずれか１項記載のオイル制御リング。
5. 中実の中間セクション（４）を備える、すなわち、細長い裂け目又は穴（３３）を備えない、請求項１から３までのいずれか１項記載のオイル制御リング。
6. 前記接触突出部（２）は、両接触突出部（２）の間の領域から材料を除去することによって形成される、請求項１から５までのいずれか１項記載のオイル制御リング。
7. 前記接触突出部（２）は、リング（１）の製造用の予め輪郭づけられたテープの択一的な形態としての使用により得られる、請求項１から５までのいずれか１項記載のオイル制御リング。
8. 前記接触面（１０２）は、リング（１）の製造用の予め輪郭づけられたテープの使用により得られる、請求項１から７までのいずれか１項記載のオイル制御リング。
9. 各前記接触面（１０２）は、材料を引っ張ることによって材料を除去するための機械加工又は同様のプロセスによって得られる、請求項１から７までのいずれか１項記載のオイル制御リング。
10. リングの外面は、リング（１）の摩耗耐性を高めるためにコーティングを施される、請求項１から９までのいずれか１項記載のオイル制御リング。
11. リングの外面は、リング（１）の摩耗耐性を高めるために表面処理を施される、請求項１から１０までのいずれか１項記載のオイル制御リング。
12. 前記鉄のボディ（１２）は、２ミリメートル（ｍｍ）よりも大きい全高（ＨＴ）を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載のオイル制御リング。

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