JP6473335B2

JP6473335B2 - ピストンリング

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Publication number: JP6473335B2
Application number: JP2015015066A
Authority: JP
Inventors: 正顕藤田
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: US10415704B2; EP3252351A1; US20180017159A1; WO2016121483A1; CN107208794A; JP2016138629A; EP3252351A4

Description

本発明は、内燃機関等に使用されるピストンリングに関し、特にトップリングとオイルリングの間に配置される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、例えばピストン外周面のリング溝に設けられ、シリンダ内壁のオイルがクランク室側から燃焼室側に入り込むこと（オイルアップ）と、ブローバイガスが燃料室側からクランク室側に入り込むこととを抑制する機能を有している。このような機能を有するピストンリングとして、例えば特許文献１に記載のピストンリングがある。この従来のピストンリングは、セカンドリングとも呼ばれ、外周面において上側面側に設けられるテーパ部と、ピストンの軸方向に平行な平坦部とを有している。そして、テーパ部と平坦部とがなす角部、及び平坦部と下側面とがなす角部が、それぞれ丸みを帯びた形状になっている。

特開２０１１−１６９３８８号公報

上述のようなセカンドリングは、ピストンの圧縮行程において、リングの慣性力にしたがってリング溝の下面から上面に移動する。このセカンドリングの移動により、トップリング、セカンドリング、ピストン及びシリンダ内壁で形成されている空間（セカンドランド）の圧力が低下し、トップリングがリング溝の下面に密着することでオイルアップ及びブローバイガス量の抑制作用が奏される。

ところで、近年のエンジンの高性能化に伴って、従来の鋳鉄製のセカンドリングに代わって、スチール（鋼）製のセカンドリングが用いられている。スチール製のセカンドリングは薄幅化されることにより、慣性重量が低下し、圧縮行程時、従来のようなセカンドリングのリング溝下面から上面への移動が行われなくなる。

このようにセカンドリングがリング溝の下面から上面に移動しない場合、セカンドランドの圧力が十分に低下しなくなり、トップリングがリング溝の下面に密着せず、当該トップリングの浮き上がり現象（フラッタリング）が発生するおそれがある。フラッタリングが発生すると、ブローバイガス量の増大や、セカンドランド内のガス及びオイルミストの逆流によるオイル消費量の増大を招くという問題が生じる可能性がある。

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、トップリングのフラッタリングを防止することにより、ブローバイガス量とオイルの消費量とを十分に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、互いに対向する上側面及び下側面と、互いに対向する内周面及び外周面とを有する環状の本体部を備えており、本体部には、下側面と外周面とがなす第１角部に切欠部が設けられ、切欠部は、外周面側を向く第１面と、下側面を向く第２面とを有し、第１面と下側面とがなす角度θ１は、鈍角であり、第２面と外周面とがなす第２角部は、本体部の幅方向において下側面と上側面との間に位置している。

このピストンリングでは、本体部の下側面と外周面とがなす第１角部に切欠部が設けられている。例えばピストンの圧縮行程において、第２角部によってシリンダ内壁から掻き取られたオイルは、当該切欠部を介して下側面とリング溝の下面との間に流入する。このとき、このピストンリングでは下側面と切欠部において外周面側を向く第１面とがなす角度θ１は鈍角になっているので、上記オイルが下側面とリング溝の下面との間に流入しやすくなる。これにより、ピストンリング下側面とピストン溝下面と間の付着力が弱まって離間しやすくなるので、ピストンの圧縮行程にて、薄幅化によりリングの慣性力が低下したとしても、リング溝の下面から上面へのピストンリングの移動が生じやすくなる。このようなピストンリングを例えばトップリングとオイルリングとの間のセカンドリングに用いることによって、ピストンの圧縮行程にてトップリング、セカンドリング、ピストン及びシリンダ内壁で形成されている空間（セカンドランド）の圧力が十分に低下し、トップリングのフラッタリングを防止できる。これにより、ブローバイガス量とオイルの消費量を十分に抑制できる。

また、上記ピストンリングは、セカンドリングであってもよい。この場合、ブローバイガス量とオイルの消費量を十分に抑制できる。

また、第１面と第２面とがなす角度θ２は、鈍角であることが好ましい。この場合、下側面とリング溝の下面との間に向かって流れるオイルが切欠部内に停滞することが抑制され、当該オイルが下側面とリング溝の下面との間により流入しやすくなる。また、切欠部を形成するための工具の先端が鈍角となり、切欠部の加工が容易になる。

また、第１面と幅方向の面とがなす角度θ３は、第２面と下側面とがなす角度θ４よりも大きいことが好ましい。この場合、切欠部内のオイルの流れが第１面に阻害されにくくなり、当該オイルが下側面とリング溝の下面との間により流入しやすくなる。また、切欠部を形成するための工具の先端が鈍角となり、切欠部の加工が容易になる。

また、下側面と第１面とがなす第３角部は、丸みを帯びた形状であることが好ましい。この場合、下側面とリング溝の下面との間に向かって流れるオイルが流れやすくなり、ピストンの圧縮行程において、リング溝の下面から上面へのセカンドリングの移動が生じやすくなる。

また、第１面と第２面とがなす第４角部は、丸みを帯びた形状であることが好ましい。この場合、第４角部周辺のオイルの流れが良好になり、オイル慣性にしたがったリング溝の下面から上面へのセカンドリングの移動が生じやすくなる。

また、第２角部は、丸みを帯びた形状であることが好ましい。この場合、第２角部の割れ欠け等が抑制されると共に、シリンダ内壁の特定の部分のみが傷つくことを防止できる。

また、外周面には、硬質皮膜が形成されていることが好ましい。この場合、硬質皮膜は切欠部内のオイルの流れを阻害することなく、本体部の耐摩耗性及び耐スカッフ性を一層確保することができる。

本発明によれば、トップリングのフラッタリングを防止することにより、ブローバイガス量とオイルの消費量とを十分に抑制できるピストンリングを提供できる。

本発明の本実施形態に係るセカンドリングの斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。比較例に係るセカンドリングが用いられたピストンの動作の一例を示す模式図である。本実施形態に係るセカンドリングが用いられたピストンの動作の一例を示す模式図である。本発明の変形例に係るセカンドリングの本体部の断面図である。本発明の変形例に係るセカンドリングの本体部の断面図である。本発明の変形例に係るセカンドリングの本体部の断面図である。

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斜視図である。図１に示されるピストンリングは、例えば自動車の内燃機関においてピストン外周面のリング溝に設けられるセカンドリングとして用いられる。このセカンドリング１では、外周面２ｄがシリンダ内壁に対して摺動することで、シリンダ内壁のオイルがクランク室側から燃焼室側に入り込むこと（オイルアップ）と、ブローバイガスが燃料室側からクランク室側へ入り込むこととを抑制する機能を奏するようになっている。

セカンドリング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とを有している。本体部２は、幅方向の端面であって互いに対向する側面（上側面）２ａ及び側面（下側面）２ｂと、厚さ方向の端面であって互いに対向する内周面２ｃ及び外周面２ｄを有している。この本体部２は、例えば複数の金属元素を含有する鋳鉄或いは鋼（スチール）を用い、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、ＰＶＤ層、或いは鉄の窒化物層などによる表面改質が施されていてもよい。このような表面改質層（表面処理膜）を少なくとも側面２ｂに形成することにより、ピストンのリング溝に対する本体部２の耐摩耗性を向上できる。

合口部３は、本体部２の一部が分断された部分である。合口部３は、セカンドリング１が使用される際のセカンドリング１とシリンダとの間の温度差に起因する本体部２の熱膨張分の逃げ部として機能する。本実施形態では、合口端面３ａが内周面２ｃ及び外周面２ｄに対して直角に形成された直角合口を例示しているが、合口端面３ａが内周面２ｃ及び外周面２ｄに対して傾斜して形成された傾斜合口であってもよく、一方の合口端面３ａの側面２ａと他方の合口端面の側面２ｂ側とが互いに相手側に突出するように形成された段付合口であってもよい。

次に、上述した本体部２について更に詳細に説明する。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図であり、セカンドリング１の径方向に沿った本体部２の断面図である。図２に示されるように、本体部２の外周面２ｄは、側面２ａから側面２ｂに向かって外方側に傾いている形状（テーパ形状）をなしている。すなわち、外周面２ｄは、側面２ｂに近いほど外方側に傾斜している。外周面２ｄがこのような形状を有していることにより、当該外周面２ｄは、シリンダ内壁に対して摺動する際にシリンダ内壁のオイルを良好に掻き取ることができる。本体部２の内周面２ｃは、側面２ａ及び側面２ｂに対して、略直角をなしている。本体部２の各寸法や角度は、接触式又は非接触式（例えばレーザー）の形状測定装置（表面粗さ測定装置を含む）を用いて測定することができる。

図２の仮想線にて示されるように、本体部２には、側面２ｂと外周面２ｄとがなす角部（第１角部）３１に切欠部２１が全周にわたって設けられている。すなわち、切欠部２１は、側面２ｂ側且つ外周面２ｄ側の本体部２の一部に設けられている。切欠部２１は、例えば切削用、研削用、又は研磨用の治具等によって、側面２ｂ側且つ外周面２ｄ側の本体部２の一部を全周にわたって切り欠くことで形成される。また、本体部２の上記一部を圧延もしくは絞り加工等で塑性加工し、切欠部２１となる部分を形成してもよい。

切欠部２１は、外周面２ｄ側を向く第１面２１ａと、側面２ｂを向く第２面２１ｂとを有している。第１面２１ａは、径方向に沿った本体部２の断面において、外周面２ｄに対して非平行となっている。第１面２１ａは、側面２ｂから第２面２１ｂに向かって外方側に傾斜している。第１面２１ａと側面２ｂとがなす角部（第３角部）３３は、鈍角となっている。角度θ１は、例えば９０°〜１３５°となっている。

第２面２１ｂは、径方向に沿った本体部２の断面において、側面２ｂに対して略平行となっている。第２面２１ｂと第１面２１ａとは、鈍角である角度θ２の角部（第４角部）３４をなしている。例えば角度θ２は９０°〜１３５°となっている。なお、例えば第１面２１ａ上に表面処理膜が形成されている場合、角度θ２は、表面処理膜の表面から第２面２１ｂまでの角度に相当する。

第２面２１ｂと外周面２ｄとがなす角部（第２角部）３２は、本体部２の幅方向において側面２ａと側面２ｂとの間に位置している。角部３２は、本体部２における幅方向の中央側で位置しており、側面２ｂ側に偏在している。

次に、本実施形態に係るピストンリングをセカンドリング１として、実際にピストンのリング溝に装着した場合の作用効果について説明する。

図３は、比較例に係るピストンリングが用いられたピストンの動作の一例を示す模式図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）に示されるように、比較例のピストン４０に設けられたリング溝４１〜４３には、それぞれトップリング１０２、セカンドリング１０１、及びオイルリング１０３が装着されている。トップリング１０２、セカンドリング１０１、及びオイルリング１０３のそれぞれは、シリンダ内壁４５に摺接している。この比較例のセカンドリング１０１は、側面２ｂと切欠部１２１の第１面１２１ａとがなす角度θ１１が直角以下となっていること以外は、本実施形態のセカンドリング１と同一形状を有している。

このようなセカンドリング１０１をリング溝４２に装着した場合、図３（ａ）〜（ｃ）に示されるピストン４０の圧縮行程において、シリンダ内壁４５のオイルは角部３２によって掻き取られ、オイルは慣性力によって矢印４４で示される方向へ流れる。このオイルは、切欠部１２１の第１面１２１ａにより遮られ、側面２ｂとリング溝４２の下面４２ａとの間に流入しにくくなる。

このとき、ピストンの圧縮行程において、セカンドリング１０１の側面２ｂとリング溝４２の下面４２ａとの付着力がセカンドリング１０１の慣性力より強いため、リング溝４２の下面４２ａから上面４２ｂに移動しない現象が生じることがある。この現象が生じた場合、燃焼時における燃焼室Ｓ２の圧力上昇に伴い、トップリング１０２、セカンドリング１０１、ピストン４０及びシリンダ内壁４５で形成される空間（セカンドランド）Ｓ１の圧力も上昇し、図３（ｃ）に示されるピストンの圧縮行程の後半にて空間Ｓ１の圧力が燃焼室Ｓ２の圧力よりも高くなる。なお、セカンドリング１０１が薄幅化されている場合及びセカンドリング１０１がスチール製の場合には慣性重量が減少するので、特に上記現象が生じやすい。

ピストンの圧縮行程の後半にて空間Ｓ１の圧力が燃焼室Ｓ２の圧力よりも高くなると、トップリング１０２がリング溝４１の下面４１ａに密着せず、トップリング１０２の浮き上がり現象（フラッタリング）が発生するおそれがある。フラッタリングが発生すると、ブローバイガス量の増大や、空間Ｓ１内のガス及びオイルミストの逆流によるオイル消費量の増大を招く。

一方、図４は、本実施形態に係るピストンリングが用いられたピストンの動作の一例を示す模式図である。図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、セカンドリング１では、側面２ｂと切欠部２１の第１面２１ａとがなす角度θ１は、鈍角となっている。これにより、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるピストン４０の圧縮行程において、角部３２によってシリンダ内壁４５から掻き取られたオイルは、切欠部２１を介して側面２ｂとリング溝４２の下面４２ａとの間に流入しやすくなる。ピストン４０の圧縮行程にて、矢印４６で示されるように、オイルをセカンドリング１の側面２ｂとリング溝４２の下面４２ａとの間に導入することによって、リング溝４２に対するセカンドリング１の付着力が弱まる。これにより、リング溝４２の下面４２ａから上面４２ｂへのセカンドリング１の移動が生じやすくなる。このようなセカンドリング１を用いることによって、ピストン４０の圧縮行程にて空間Ｓ１の圧力が十分に低下し、トップリング１０２のフラッタリングを防止できる。これにより、ブローバイガス量とオイルの消費量とを十分に抑制できる。

また、セカンドリング１では、第１面２１ａと第２面２１ｂとがなす角度θ２が鈍角になっている。この場合、側面２ｂとリング溝４２の下面４２ａとの間に向かって流れるオイルが切欠部２１内に停滞することが抑制され、当該オイルが側面２ｂとリング溝４２の下面４２ａとの間により流入しやすくなる。また、切欠部２１を形成するための治具を容易に準備できるので、切欠部２１の加工が容易になる。

次に、上記実施形態の変形例について説明する。

例えば上記実施形態では本体部２の表面上に保護膜等が形成されていないセカンドリングを例示しているが、図５に示されるように、本体部２の外周面２ｄ上及び切欠部２１の第１面２１ａ，第２面２１ｂ上には、本体部２よりも硬度の高い硬質皮膜５１が形成されていてもよい。この硬質皮膜５１が外周面２ｄ上及び第１面２１ａ上に設けられることにより、本体部２の耐摩耗性及び耐スカッフ性を一層確保することができる。硬質皮膜５１の厚さは、例えば０．５μｍ〜４０μｍである。このため、例えば第１面２１ａ上に硬質皮膜５１が設けられた場合であっても、硬質皮膜５１は切欠部２１内のオイルの流れを阻害しない。なお、外周面２ｄ上の硬質皮膜５１の膜厚は、第１面２１ａ上の硬質皮膜５１の膜厚よりも大きい。

硬質皮膜５１は、外周面２ｄ上又は第１面２１ａの一方にのみ設けられていればよく、第２面２１ｂ上には設けられなくてもよい。また、硬質皮膜５１は、外周面２ｄ上又は第１面２１ａの少なくとも一つに加えて、側面２ａ，２ｂ、内周面２ｃ、及び第２面２１ｂの少なくとも一つに設けられてもよい。すなわち、硬質皮膜は、本体部２及び切欠部２１の表面の任意の場所に設けられてもよい。本体部２の表面に硬質皮膜５１が形成されることにより、本体部２の所定の表面の耐摩耗性及び耐スカッフ性を一層確保することができる。なお、第２面２１ｂ上の硬質皮膜５１の膜厚は、外周面２ｄ上の硬質皮膜５１の膜厚、及び第１面２１ａ上の硬質皮膜５１の膜厚よりも小さくてもよく、第１面２１ａ上の硬質皮膜の膜厚と同じでもよい。

硬質皮膜５１には、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）法を用いた皮膜（ＰＶＤ層）が用いられる。より具体的には、硬質皮膜５１は、Ｔｉ及びＣｒの少なくとも一方と、Ｃ，Ｎ，Ｏの少なくとも一種とで形成されるイオンプレーティング膜である。このような膜としては、例えばＴｉ−Ｎ膜、Ｔｉ−Ｃ−Ｎ膜、Ｃｒ−Ｎ膜、Ｃｒ−Ｃ−Ｎ膜、Ｃｒ−Ｏ−Ｎ膜が挙げられる。この中でも、耐摩耗性及び耐スカッフ性を重視する場合にはＣｒ−Ｎ膜を用いることが好ましい。また、本体部２と硬質皮膜５１との密着性を向上させるため、Ｃｒ膜又はＴｉ膜等のアンダーコートを本体部２に施してもよい。その他、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を用いてもよいし、初期なじみ性を向上させるため、ＣｒＮ系イオンプレーティング膜又はＴｉＮ系イオンプレーティング膜上にＤＬＣ膜を被覆してもよい。

また、図６に示されるように、切欠部２１Ａの第２面２１ｂは、本体部２Ａの側面２ｂに対して非平行となっている。本体部２Ａでは、第２面２１ｂ（より正確には、第２面２１ｂから外方側に延在した面５４）と側面２ｂ（より正確には、側面２ｂ側から外方側に延在した面５３）とがなす角度θ４は、第１面２１ａと幅方向の面５２とがなす角度θ３よりも小さくなっている。このことにより、図２に示される本体部２と同様に、角度θ２が鈍角の範囲で維持される。この場合、切欠部２１Ａ内のオイルの流れが第１面２１ａに阻害されにくくなり、当該オイルが側面２ｂとリング溝４２の下面４２ａ（図４を参照）との間に流入しやすくなる。また、切欠部２１Ａを形成するための治具を容易に準備できるので、切欠部２１Ａの加工が容易になる。なお、幅方向の面５２は、図６に示される径方向に沿った本体部２Ａの断面において、第１面２１ａと第２面２１ｂとの交点から幅方向に沿って延在する仮想の面である。また、角度θ４は、例えば０°〜３０°となっている。

図６に示される本体部２Ａの場合、本体部２Ａの幅方向において角部３２が角部３４よりも側面２ｂ側に位置している。これにより、本体部２Ａの厚さ方向における角部３２の突出量が図１に示される本体部２の角部３２よりも大きくなり、本体部２Ａによるオイルの掻き取り性能が一層向上する。

また、図７に示されるように、本体部２Ｂの角部３２Ａ〜３４Ａは、それぞれ丸みを帯びた形状であってもよい。この場合、図７に示される径方向に沿った本体部２Ｂの断面において、角部３２Ａの曲率半径Ｒ１は例えば１μｍ〜１００μｍであり、角部３３Ａの曲率半径Ｒ２は例えば１００μｍ〜５００μｍであり、角部３４Ａの曲率半径Ｒ３は例えば１００μｍ〜５００μｍである。角部３２Ａが丸みを帯びた形状であることにより、角部３２Ａの割れ欠け等が抑制されると共に、シリンダ内壁の特定の部分のみが傷つくことを防止できる。角部３３Ａが丸みを帯びた形状であることにより、側面２ｂとリング溝４２の下面４２ａ（図４を参照）との間に向かって流れるオイルが流れやすくなり、オイル慣性にしたがったリング溝４２の下面４２ａから上面４２ｂへのセカンドリング１の移動がより確実に生じる。角部３４Ａが丸みを帯びた形状であることにより、角部３４Ａ周辺のオイルの流れが良好になり、オイル慣性にしたがったリング溝４２の下面４２ａから上面４２ｂへのセカンドリング１の移動がより確実に生じる。

上述した各構成要素は、任意に組み合わせることができる。例えば、図５に示される硬質皮膜５１は、図６に示される本体部２Ａ及び図７に示される本体部２Ｂの表面に設けられてもよい。また、図１に示される本体部２の角部３２〜３４は、丸みを帯びた形状であってもよい。

また、本実施形態に係るピストンリングは、セカンドリング以外に、例えばディーゼルエンジンにおけるサードリングとして用いることができる。

１…セカンドリング、２，２Ａ，２Ｂ…本体部、２ａ，２ｂ…側面、２ｃ…内周面、２ｄ…外周面、２１，２１Ａ…切欠部、２１ａ…第１面、２１ｂ…第２面、３１〜３４，３２Ａ〜３４Ａ…角部、５１…硬質皮膜、５２〜５４…面。

Claims

互いに対向する上側面及び下側面と、互いに対向する内周面及び外周面とを有する環状の本体部を備えた、セカンドリングもしくはディーゼルエンジンにおけるサードリングであるピストンリングであって、
前記本体部には、前記下側面と前記外周面とがなす第１角部に切欠部が設けられ、
前記切欠部は、前記外周面側を向く第１面と、前記下側面を向く第２面とを有し、
前記第１面と前記下側面とがなす角度θ１は、鈍角であり、
前記第２面と前記外周面とがなす第２角部は、前記本体部の幅方向において前記下側面と前記上側面との間に位置していることを特徴とするピストンリング。
前記第１面と前記第２面とがなす角度θ２は、鈍角であることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
前記第１面と前記幅方向の面とがなす角度θ３は、前記第２面と前記下側面とがなす角度θ４よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２記載のピストンリング。
前記下側面と前記第１面とがなす第３角部は、丸みを帯びた形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のピストンリング。
前記第１面と前記第２面とがなす第４角部は、丸みを帯びた形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のピストンリング。
前記第２角部は、丸みを帯びた形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のピストンリング。
前記外周面には、硬質皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のピストンリング。