JP6368098B2

JP6368098B2 - ピストンリング

Info

Publication number: JP6368098B2
Application number: JP2014018347A
Authority: JP
Inventors: 吉田　秀樹; 秀樹吉田
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-02-03
Also published as: JP2015145698A

Description

本発明は、ピストンリングに関する。

自動車等の内燃機関に用いられるピストンリングは、ピストンに設けられたリング溝に装着され、シリンダ内壁に摺接する。ピストンリングは、燃焼室にて生じる高圧のガスを外部へ流出すること（ブローバイ）を防ぐ機能と、シリンダ内壁の余分なオイルが燃焼室に流出すること（オイルアップ）を防ぐ機能とを有している。

ところで、内燃機関では、動作の効率化のため、高圧の空気がシリンダ内に供給される。このとき、燃焼室内でプレイグニッション等の異常燃焼が生じると、ピストンの温度が規定値以上に上昇しやすくなり、ピストンの溶損が発生するおそれがある。このようなピストンの溶損を防ぐため、ピストンリングは、シリンダ内壁に摺接することによってピストンの熱をシリンダ側に逃がし、ピストンの温度を低減する。一方、ピストンリングが熱を伝達する際、ピストンリング自体が高温になるため、経時によるピストンリングの摩耗が増加することが考えられる。ピストンリング外周面の摩耗が進行し、ピストンリングの合口隙間が広がってしまうと、合口部でのガス及びオイル（流体）の漏れが増加するおそれがある。

このような合口部での流体の漏れの増加を防ぐために、例えば特許文献１に記載の圧力リングでは、一方の合口端部に凸部が設けられると共に、他方の合口端部に当該凸部を収容する凹部が設けられている。そしてこれらの凸部及び凹部において互いに対向する対向面がいずれも本体部の側面に対して傾いた状態となっている。このような構成では、凸部及び凹部の合せ面同士が閉鎖されることで、凸部及び凹部の合せ面同士の間を介してピストンリングの幅方向に漏れる流体の遮断を図り、流体の漏れを抑制できるようになっている。

特開２０００−１５４８７２号公報

しかしながら、上記特許文献１のような合口構造を形成するためには、本体部の一部を薄く加工して、凸部及び凹部を形成する必要がある。このため、凸部及び凹部の強度が十分に得られず、ピストンリングが衝撃を受けた際に凸部又は凹部が破損してしまうおそれがある。また、凸部及び凹部の対向面を本体部の側面に対して傾ける構造は、精度よく作成することが困難である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、合口部を容易かつ十分な強度で形成でき、かつ合口部における流体の漏れを抑制できるピストンリングを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るピストンリングは、環状の本体部と、本体部に形成された合口部と、を備え、本体部は、基部と、基部の一方の側面側に本体部の外周面側に沿って形成される幅広部と、を有し、合口部の一方の合口端部において、幅広部は、基部よりも他方の合口端部側に突出する突出部分を有し、合口部の他方の合口端部において、基部は、幅広部よりも一方の合口端部側に突出する突出部分を有する。

このピストンリングでは、合口部において、幅広部は、基部よりも他方の合口端部側に突出する突出部分を有し、基部は、幅広部よりも一方の合口端部側に突出する突出部分を有している。このような構成により、合口部において幅広部の突出部分と基部の突出部分とによって、本体部の外周面側にクランクが形成されている。ピストンリングの使用時に、幅広部の突出部分と基部の突出部分とが本体部の幅方向に合わさりクランクが閉鎖することで、クランクを介してピストンリングの幅方向に漏れる流体を遮断できる。したがって、合口部における流体の漏れを抑制できる。また、このピストンリングでは、本体部の外周面側に設けられた幅広部を利用して突出部分を形成しているので、突出部分の加工も容易であり、かつ十分な強度を確保できる。

また、幅広部において、突出部分の基端部の幅は、突出部分の先端部の幅よりも大きくなっていることが好ましい。これにより、幅広部の突出部分が基端部でより幅広となるため、幅広部の突出部分をより十分な強度で形成することが可能となる。

また、幅広部の突出部分において、基部側の側面は、基端部の幅が先端部の幅よりも大きくなるように、反対面に対して傾いていることが好ましい。これにより、幅広部の突出部分と基部の突出部分とによって形成されるクランクの長さを十分に確保できるので、クランクでの圧力損失が大きくなり、ピストンリングの幅方向への流体の漏れを一層抑制できる。また、幅広部の突出部分が基端部でより幅広になるため、幅広部の突出部分を十分な強度で形成することが可能となる。

また、本発明に係るピストンリングは、幅広部の突出部分の突出量は、基部の突出部分の突出量よりも小さくなっていることが好ましい。これにより、熱膨張によってピストンリングの周方向に沿って合口端部が互いに近接しても、一方の合口端部における幅広部の突出部分と、他方の合口端部における幅広部との接触を回避できる。したがって、幅広部の突出部分が破損することをさらに抑制できる。

本発明によれば、合口部を容易かつ十分な強度で形成でき、かつ合口部における流体の漏れを抑制できるピストンリングを提供できる。

本発明の実施形態に係るピストンリングの平面図である。本発明の実施形態に係るピストンリングをピストンに装着した時の端面模式図である。本発明の実施形態に係るピストンリングの合口部を示す要部拡大斜視図である。本発明の実施形態に係るピストンリングの合口部を示す要部拡大側面図である。比較例のピストンリングの合口部及び摩耗後の合口部を示す要部拡大斜視図である。本発明の実施形態に係るピストンリングの合口部及び摩耗後の合口部を示す要部拡大側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係るピストンリングの平面図である。また、図２は、本実施形態に係るピストンリングをピストンに装着した時の端面模式図である。図２に示すように、ピストンリング１は、ピストン３１に設けられたリング溝３２内に装着されている。ピストンリング１の本体部２の外周面２ａの少なくとも一部がシリンダ内壁４１に摺接すると共に、ピストンリング１の両側面２ｂ、２ｃがリング溝３２の側面３２ａ、３２ｂにそれぞれ当接することによって、ピストン３１とシリンダ内壁４１との間に形成される隙間からのブローバイ及びオイルアップを防ぐ機能を奏する。

ピストンリング１は、環状の本体部２と、本体部２の一部に形成された合口部３とを備えている。環状の本体部２は、真円状でもよいし、楕円状でもよい。本体部２は、例えば複数の金属元素を含有する鋳鉄或いは鋼材によって十分な強度、耐熱性、及び弾性をもって形成されている。また、本体部２の表面には、例えば硬質クロムめっき層、クロムの窒化物層、或いは鉄の窒化物層などによる表面改質が施され、本体部２の耐摩耗性の向上が図られている。

この本体部２は、環状の基部１１と、基部１１の一方の側面１１ａ側（図１においては紙面表面側）に本体部２の外周面２ａ側に沿って基部１１と一体に形成される環状の幅広部１２と、を有している。基部１１及び幅広部１２は、断面略矩形状であり、本体部２の厚さ方向において、基部１１の厚さは幅広部１２の厚さよりも大きくなっており、基部１１の外周面は、幅広部１２の外周面と面一となっている。したがって、図２に示すように、基部１１と幅広部１２とによって構成される本体部２の断面形状は、略Ｌ字型形状となっている。

このように本体部２に幅広部１２が形成されていることにより、本体部２の外周面２ａ側と、内周面２ｄ側とでは、本体部２の幅方向の厚みが異なる。したがって、本体部２の幅方向における剛性が異なり、本体部２の厚み方向に沿って本体部２の幅方向に捩れが発生する。これにより、図２に示すように、ピストンリング１の両側面２ｂ、２ｃがリング溝３２の側面３２ａ、３２ｂにそれぞれ当接し、上述したピストン３１とシリンダ内壁４１との間に形成される隙間からのブローバイ及びオイルアップを防ぐ機能を好適に生じさせることとなる。

図３は、図１に示したピストンリング１の合口部３を側面２ｂ側から示す要部拡大斜視図であり、図４は、図１に示したピストンリング１の合口部３を外周面２ａ側から示す要部拡大側面図である。図３及び図４に示すように、合口部３は、本体部２の一部に形成された切れ目であり、ピストンリング１をピストンのリング溝に装着する際の装着性の確保を目的として設けられている。合口部３では、ピストンリング１をリング溝に装着する前の状態において、一方の合口端部２１と他方の合口端部２２とが所定の間隔をもって互いに対向した状態となっている。

図３に示すように、合口部３は特殊合口構造であって、合口部３の一方の合口端部２１において、幅広部１２は、基部１１よりも他方の合口端部２２側に突出する第１突出部分２３を有する。また、他方の合口端部２２において、基部１１は、幅広部１２よりも一方の合口端部２１側に突出する第２突出部分２４を有する。

より具体的には、第１突出部分２３は、例えば一方の合口端部２１の基部１１の端部を切り欠くことによって形成され、外周面２ａ側から見て、一方の合口端部２１の幅広部１２から略台形状に突出した状態となっている。また、第２突出部分２４は、例えば他方の合口端部２２の幅広部１２の端部を切り欠くことによって形成され、外周面２ａ側から見て、他方の合口端部２２の基部１１から断面略長方形状に突出した状態となっている。本体部２の幅方向において、第１突出部分２３の基部１１側の側面２３ｃと、第２突出部分２４の幅広部１２側の側面２４ａとの少なくとも一部は、互いに対向して重なっている。

なお、一方の合口端部２１において、基部１１の端面１１ｂ及び第１突出部分２３の先端部２３ｂから、合口端面２１ａが構成される。同様に、他方の合口端部２２において、幅広部１２の端面１２ａ及び第２突出部分２４の先端部２４ｂから、合口端面２２ａが構成される。

図４に示すように、第１突出部分２３において、基端部２３ａの幅Ｗ１が第１突出部分２３の先端部２３ｂの幅Ｗ２よりも大きくなるように、基部１１側の側面２３ｃは、その反対面２３ｄに対して傾いている。この側面２３ｃの傾きは、例えば一方の合口端部２１における基部１１の端部を切り欠く時に形成される。第１突出部分２３の側面２３ｃと、反対面２３ｄと平行な面である仮想面２３ｅとがなす角度θは、例えば２°〜８°、好ましくは３°〜６°である。

また、一方の合口端部２１における第１突出部分２３の突出量Ｄ１は、他方の合口端部２２における第２突出部分２４の突出量Ｄ２よりも小さくなっている。つまり、基部１１の端面１１ｂと第１突出部分２３の先端部２３ｂとの距離は、第２突出部分２４の先端部２４ｂと幅広部１２の端面１２ａとの距離よりも短くなっている。

以上のような構成を有するピストンリング１では、合口部３において、幅広部１２は、基部１１よりも他方の合口端部２２側に突出する第１突出部分２３を有し、基部１１は、幅広部１２よりも一方の合口端部２１側に突出する第２突出部分２４を有している。これにより、図４に示すように、第１突出部分２３及び第２突出部分２４が対向する領域では、一方の合口端部２１における基部１１の端面１１ｂ、他方の合口端部２２における第２突出部分２４の先端部２４ｂ、一方の合口端部２１における第１突出部分２３の側面２３ｃ、他方の合口端部２２における第２突出部分２４の側面２４ａ、一方の合口端部２１における第１突出部分２３の先端部２３ｂ、及び他方の合口端部２２における幅広部１２の端面１２ａによってクランクＣが形成されている。

したがって、ピストンリング１がピストン外周面のリング溝に装着されてピストンの上下運動による荷重を受けた場合に、第１突出部分２３の側面２３ｃと第２突出部分２４の側面２４ａとが本体部２の幅方向に合わさり、クランクＣが閉鎖することで、クランクＣを介してピストンリング１の幅方向に漏れる流体を遮断でき、合口部３における流体の漏れを抑制できる。

また、このピストンリング１では、本体部２の外周面２ａ側に設けられた幅広部１２を利用して第１突出部分２３を形成している。したがって、例えば一方の合口端部２１の幅広部１２を残すように基部１１の一部を切り欠いて第１突出部分２３を形成することにより、本体部２における第１突出部分２３の加工も容易であり、かつ十分な強度を確保できる。

また、ピストンリング１では、第１突出部分２３において、基端部２３ａの幅Ｗ１が第１突出部分２３の先端部２３ｂの幅Ｗ２よりも大きくなるように、基部１１側の側面２３ｃは、その反対面２３ｄに対して傾いている。これにより、第１突出部分２３と第２突出部分２４とによって形成されるクランクＣの長さを十分に確保できるので、クランクＣでの圧力損失が大きくなり、ピストンリング１の幅方向への流体の漏れを一層抑制できる。また、第１突出部分２３が基端部２３ａでより幅広になるため、第１突出部分２３を十分な強度で形成することが可能となる。

また、ピストンリング１では、第１突出部分２３の突出量Ｄ１は、第２突出部分２４の突出量Ｄ２よりも小さくなっている。これにより、熱膨張によってピストンリング１の周方向に沿って互いの合口端部２１，２２が互いに近接しても、一方の合口端部２１における第１突出部分２３と、他方の合口端部２２における幅広部１２との接触を回避できる。したがって、第１突出部分２３が破損することをさらに抑制できる。

さらに、本実施形態のピストンリング１における摩耗に対する効果について説明する。図５は、ストレート合口構造を備える比較例のピストンリング１０１の合口部１０３を示す要部拡大斜視図である。図５に示すように、比較例に係るピストンリング１０１は、図４のピストンリング１における第１突出部分２３及び第２突出部分２４に相当する部分を有していない。つまり、ピストンリング１０１の合口部１０３において、一方の合口端部１２１の合口端面１２１ａと、他方の合口端部１２２の合口端面１２２ａとは、互いに面一であり、対向している。このピストンリング１０１では、経時による外周面１０２ａの摩耗によって合口端面１２１ａが合口端面１２１ｂの位置まで後退すると共に、合口端面１２２ａが合口端面１２２ｂの位置まで後退すると、合口端面１２１ａ，１２２ａの間隔がＳ_１１からＳ_１２まで広がり、合口部１０３を介した流体の漏れが増加する。

これに対し、本実施形態のピストンリング１では、図６に示すように、経時による外周面２ａの摩耗によって一方の合口端部２１の合口端面２１ａが合口端面２１ｂの位置まで後退すると共に、他方の合口端部２２の合口端面２２ａが合口端面２２ｂの位置まで後退し、合口端面２１ａ，２２ａの間隔がＳ_１からＳ_２まで広がった場合であっても、クランクＣにおいて、第１突出部分２３と第２突出部分２４とが本体部２の幅方向に合わさることによる流体の遮断機能は失われない。したがって、本実施形態に係るピストンリング１では、本体部２が経時の摩耗により合口隙間が広がったとしても、合口部３における流体の漏れを抑制できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、第１突出部分２３の側面２３ｃは、反対面２３ｄに対して傾いているが、側面２３ｃを反対面２３ｄに対して略平行としてもよい。また、第１突出部分２３の基端部２３ａの幅Ｗ１と、先端部２３ｂの幅Ｗ２は、略同一でもよい。また、例えば基部１１のエッジ、幅広部１２のエッジ等は、丸みを帯びていてもよい。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。本実施例では、下記実施例に係るピストンリングと、比較例１又は２に係るピストンリングとをそれぞれピストンに装着した際の、ブローバイ量及びオイル消費量の測定を行った。

（実施例）
実施例に係るピストンリングは、下記に示される方法にて形成した。すなわち、カム成形機を用いて、矩形の断面形状に伸線された鋼線材を、合口部を有するリング形状に成形した。鋼線材をリング形状に成形した後、歪取り熱処理と、側面、外周面及び合口部を研削する処理とを施し、所定の自由形状を有するリングに加工した。リングに加工した後、合口部における一方の合口端部にステップ加工を施し第１突出部分を形成すると共に、他方の合口端部にステップ加工を施し第１突出部分と対向する第２突出部分を形成した。当該ステップ加工後、リングの内周面側における一方の側面部の一部をカットする処理を施し、略Ｌ字型形状の断面を有するピストンリングを形成した。なお、必要に応じて、リングに対してめっき、ＰＶＤ等の表面処理を各処理の少なくともいずれかにて行った。

（比較例１）
ステップ加工及びカット処理を施さなかった以外は、実施例と同様の方法にてピストンリングを形成した。すなわち、比較例１に係るピストンリングは、断面略矩形状であり、ストレート合口を有するピストンリングである。

（比較例２）
カット処理を施さなかった以外は、実施例と同様の方法にてピストンリングを形成した。すなわち、比較例１に係るピストンリングは、断面略Ｌ字型形状であり、ストレート合口を有するピストンリングである。

（ブローバイ量の測定）
水冷４サイクルの自然吸気式ガソリンエンジン（排気量２．０Ｌ、４気筒）を用いて、実施例及び比較例１のいずれかのピストンリングをピストンのトップリング溝に装着した。４０００ｒｐｍ、全負荷（ＷＯＴ：Wide Open Throttle）条件にて、所定時間ガソリンエンジンを運転した場合におけるブローバイ量の測定をそれぞれ行った。ブローバイ量は、ピストンを介してクランクケース内へ流れたガスを再吸引し、再吸引したガスの量を計測することによって測定した。比較例１のブローバイ量を１００としたとき、実施例のブローバイ量は約５０であった。すなわち、実施例のピストンリングを用いることにより、ブローバイ量が約１／２に低減することが確認された。

（オイル消費量の測定）
上記ガソリンエンジンを用いて、実施例と、比較例１及び２とのいずれかのピストンリングをピストンのトップリング溝に装着した。４０００ｒｐｍ、全負荷（ＷＯＴ：Wide Open Throttle）条件にて、所定時間ガソリンエンジンを運転した場合におけるオイル消費量の測定をそれぞれ行った。なお、実施例と、比較例１及び２とにおいて、セカンドリング及びオイルリングは、各々共通のリングを使用した。オイル消費量は、ガソリンエンジン運転前のオイル量と、ガソリンエンジン運転後のオイル量とを測定することによって算出した。４０００ｒｐｍにて所定時間ガソリンエンジンを運転し、全負荷（ＷＯＴ：Wide Open Throttle）条件とした。比較例２のオイル消費量を１００としたとき、比較例１のオイル消費量は約７５であり、実施例のオイル消費量は約３６であった。すなわち、実施例のピストンリングを用いることにより、オイル消費量が少なくとも約１／２に低減することが確認された。

１，１０１…ピストンリング、２，１０２…本体部、２ａ，１０２ａ…外周面、２ｄ…内周面、３，１０３…合口部、１１，１１１…基部、１２，１１２…幅広部、２１，１２１…一方の合口端部、２２，１２２…他方の合口端部、２３…第１突出部分、２４…第２突出部分、２３ａ…基端部、２３ｂ…先端部、２３ｃ…側面、２３ｄ…反対面、３１…ピストン、３２…リング溝、４１…シリンダ内壁、Ｃ…クランク、Ｄ１，Ｄ２…突出量、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_１１、Ｓ_１２…間隔、Ｗ１〜Ｗ２…幅、θ…角度。

Claims

環状の本体部と、前記本体部に形成された合口部と、を備え、一つのリング溝に対して単独にて嵌入されるピストンリングであって、
前記本体部は、基部と、前記基部の一方の側面側に前記本体部の外周面側に沿って形成される幅広部と、を有し、
前記本体部において、前記外周面側の幅方向における厚みは、内周面側における厚みよりも大きく、
前記合口部の一方の合口端部において、前記幅広部は、前記基部よりも他方の合口端部側に突出する突出部分を有し、
前記合口部の前記他方の合口端部において、前記基部は、前記幅広部よりも前記一方の合口端部側に突出する突出部分を有するピストンリング。
前記幅広部において、前記突出部分の基端部の幅は、前記突出部分の先端部の幅よりも大きくなっている請求項１記載のピストンリング。
前記幅広部の前記突出部分において、前記基部側の側面は、前記基端部の幅が前記先端部の幅よりも大きくなるように、反対面に対して傾いている請求項２記載のピストンリング。
前記幅広部の前記突出部分の突出量は、前記基部の前記突出部分の突出量よりも小さくなっている請求項１〜３のいずれか一項記載のピストンリング。