JP6663241B2 - ピストンリング構造 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンリング構造に関するものである。

図５に示す如く、自動車等における一般的なエンジンでは、シリンダ１内に収容されたピストン２がピストンピン３を介しコンロッド４の小端部４ａにより揺動自在に支持されており、該コンロッド４の大端部４ｂがクランクピン５を介しクランクシャフトＣＳと連結されている。

そして、クランクピン５はクランクアームＣＡによりクランクシャフトＣＳの中心からずらした位置に支持されており、クランクピン５がクランクシャフトＣＳの中心回りに円軌道（図５中の一点鎖線を参照）を描いて移動し、コンロッド４がピストンピン３を中心に揺動しつつピストン２がシリンダ１内を昇降するようになっている。

更に、図６に要部を拡大して示す如く、ピストン２の上部外周には、上から順にファーストリング６、セカンドリング７、オイルリング８が外嵌装着されており、ファーストリング６とセカンドリング７がシリンダ１内の排気ガスを二段構えで逃がさないようにしている。

一方、前記シリンダ１内には、耐摩耗性を向上させる目的で円筒状のシリンダライナ９が嵌合され、このシリンダライナ９の内壁に潤滑油が補給されてファーストリング６とセカンドリング７の摩擦を防ぐようになっており、これらの下段側にあるオイルリング８がシリンダライナ９の内壁に残る余分な潤滑油を掻き落とす役割を果たすようになっている。

ここで、図７に平面図で示す如く、前述したファーストリング６、セカンドリング７、オイルリング８は、何れもピストン２の上部外周の環状溝１０，１１，１２に対し外嵌装着し得るよう周方向の一箇所を合口６ａ，７ａ，８ａとして切欠いたＣ形を成しており、この合口６ａ，７ａ，８ａを拡げる方向に前記ファーストリング６、セカンドリング７、オイルリング８を弾性変形させることで拡径して前記環状溝１０，１１，１２まで送り込み、該環状溝１０，１１，１２への外嵌時には復元力により前記ファーストリング６、セカンドリング７、オイルリング８を合口６ａ，７ａ，８ａを狭める方向に縮径させて確実な嵌合状態が得られるようにしてある。

尚、この種のピストンリング構造に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００９−２８１４２１号公報

しかしながら、近年においては、多段過給システムの採用等により高過給化を進めて従来エンジンと同等の動力性能を確保したまま小型化を図り、これによりエンジン効率を上げて巡行時の燃費を改善するようにしたダウンサイジングエンジンの開発が進められており、これまでは特に問題とならなかったブローバイガスの増加が問題視されるようになってきている。

即ち、ダウンサイジングエンジンの高過給化に伴い筒内圧力と排気ガス温度が従来より大幅に上昇してきているため、ファーストリング６の合口６ａの僅かな隙間を排気ガスが通り抜けて前記合口６ａ近傍の局部的な熱変形を招き、この局部的な熱変形により環状溝１０とのシール面に隙間ができ易くなってガスシール性の大幅な低下を招いてしまっている。

事実、本発明者の鋭意研究によれば、あるエンジンで回転数を１０００ｒｐｍとした高負荷運転条件において、ファーストリング６における合口６ａ直近の測定温度が２３０℃であった場合に、そこから周方向に１０°ずれただけで１８４℃まで測定温度が下がるのに対し、更に周方向に１０°ずれても１７４℃までしか測定温度が下がらないという測定結果が得られており、ファーストリング６の合口６ａ近傍だけが他の部位よりも局部的に温度上昇していることが確認されている。

ここで、ブローバイガスについて補足しておくと、ブローバイガスとは、エンジンの圧縮・燃焼行程で燃焼室１３からクランクケース内に漏れ出たガスのことを指し、ミスト状のオイルが含まれていて大気汚染の原因にもなり得るため、大気開放せずにベンチレータを通してオイルを捕捉除去した後に吸気系に戻して再燃焼させなければならないものであり、このようなブローバイガスの増加が望ましくないことは言うまでもない。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、高過給化に伴い筒内圧力と排気ガス温度が上昇しても高いガスシール性を確実に保持してブローバイガスの増加を回避し得るピストンリング構造を提供することを目的とする。

本発明は、ピストンの上部外周に形成された環状溝に対し外嵌装着し得るよう周方向の一箇所を合口として切欠いたファーストリングを有するピストンリング構造であって、前記ファーストリングの合口を挟んで対峙する両端部に、少なくとも該両端部における対峙面同士が被覆されるように前記ファーストリングの母材よりも熱伝導率の低い断熱材により断熱層を形成し、前記ファーストリングの母材と断熱材との間に両者の密着性を高めるボンドコート材を介在させたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、ファーストリングの合口の僅かな隙間を排気ガスが通り抜けることで、ファーストリングの両端部の対峙面同士が高温に曝されたとしても、該対峙面同士が断熱層により被覆されているので、排気ガスからの伝熱が阻まれてファーストリングの合口近傍だけが高温化する事態が回避され、ファーストリングの周方向の温度勾配が小さくなって合口近傍の局部的な熱変形が抑制される結果、ピストン側の環状溝とのシール面に隙間ができ難くなって従前通りの高いガスシール性が確保されることになる。

また、ファーストリングの合口の僅かな隙間を通り抜ける排気ガスからの伝熱が阻まれることにより、ファーストリングに入る熱量が少なくなって該ファーストリングの温度が低下するため、シリンダライナとの間における潤滑油の適度な粘性が保たれ易くなって油膜の形成が良好となる。

尚、断熱材による断熱層の形成は、ファーストリングの合口を挟んで対峙する両端部についてのみ行われるようになっているので、水冷構造を持つシリンダ側へピストンの熱を逃がすファーストリングの役割が損なわれることはない。

更に、本発明においては、ファーストリングの母材と断熱材との間に両者の密着性を高めるボンドコート材を介在させているので、ファーストリングの母材と断熱材との密着性を高めて熱サイクル疲労寿命を延ばすことが可能となる。

また、本発明においては、断熱材がジルコニアであり、ボンドコート材がＮiＣrＡlＹであることが好ましい。即ち、ジルコニアは、熱伝導率が低いだけでなく、その熱膨張率が金属に近いことからファーストリングの母材（金属）との組み合わせに適しており、熱サイクル疲労寿命をより確実に延ばすことが可能となる。しかも、ジルコニアを断熱材とした場合のボンドコート材としてはＮiＣrＡlＹが好適である。

上記した本発明のピストンリング構造によれば、高過給化に伴い筒内圧力と排気ガス温度が上昇しても高いガスシール性を確実に保持することができるので、燃焼室からクランクケース内に漏れ出るブローバイガスの増加を回避することができ、しかも、シリンダライナとの間における油膜を良好に形成し得るようにして耐焼き付き性能も大幅に向上することができ、更には、ボンドコート材の介在によりファーストリングの母材と断熱材との密着性を高めて熱サイクル疲労寿命を延ばすことができ、特に断熱材がジルコニアでボンドコート材がＮiＣrＡlＹである場合には、熱サイクル疲労寿命をより効果的に延ばすことができる等種々の優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向の矢視図である。 本発明の別の形態例を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視相当図である。 本発明の更に別の形態例を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視相当図である。 従来例を示す概略図である。 図５の要部を拡大して示す断面図である。 図６の主としてファーストリングに関する平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すものであるが、これら図１及び図２に図示のないまま以下文中で図５及び図６と同一の符号を付して説明している部分については同一物を表わしているものとする。

本形態例においては、先に説明した図５及び図６の従来例と略同様に構成したピストンリング構造に関し、ファーストリング６の合口６ａを挟んで対峙する両端部に、少なくとも該両端部における対峙面同士が被覆されるように前記ファーストリング６の母材よりも熱伝導率の低い断熱材により断熱層１４を形成したところを特徴としており、ここに図示している例の場合は、ファーストリング６の両端部における対峙面だけでなく、その近傍の限定的な範囲まで含めた断熱層１４とした例としている。

即ち、実質的には、ファーストリング６の合口６ａを挟んで対峙する両端部における対峙面同士が被覆されていれば十分な断熱効果が期待できるものと考えられるが、前記対峙面だけを断熱材で被覆するというのも技術的に難しい上、前記対峙面の近傍の限定的な範囲まで含めた断熱層１４となっていれば、ファーストリング６の合口６ａの僅かな隙間を通り抜ける排気ガスに対し一層確実な断熱を図れるものとも考えられるため、敢えて対峙面だけを断熱材で被覆することには限定されない。

ただし、ファーストリング６には、水冷構造を持つシリンダ１（図５及び図６参照）側へピストン２（図５及び図６参照）の熱を逃がす役割もあるため、断熱材による断熱層１４の形成は、ファーストリング６の合口６ａを挟んで対峙する両端部についてのみ限定的に行われるようにしておくことが重要である。

ここで、断熱材による断熱層１４の形成は、例えば溶射や溶着、電着、化学結合等のコーティング方法を用いて行うことができるが、その際には、ファーストリング６の母材と断熱材との間に両者の密着性を高めるボンドコート材を介在させることが好ましく、特に本形態例の場合には、断熱材をジルコニアとし且つボンドコート材をＮiＣrＡlＹとして断熱層１４を形成するようにしている。

而して、このようにすれば、ファーストリング６の合口６ａの僅かな隙間を排気ガスが通り抜けることで、ファーストリング６の両端部の対峙面同士が高温に曝されたとしても、該対峙面同士が断熱層１４により被覆されているので、排気ガスからの伝熱が阻まれてファーストリング６の合口６ａ近傍だけが高温化する事態が回避され、ファーストリング６の周方向の温度勾配が小さくなって合口６ａ近傍の局部的な熱変形が抑制される結果、ピストン２（図５及び図６参照）側の環状溝１０（図５及び図６参照）とのシール面に隙間ができ難くなって従前通りの高いガスシール性が確保されることになる。

また、ファーストリング６の合口６ａの僅かな隙間を通り抜ける排気ガスからの伝熱が阻まれることにより、ファーストリング６に入る熱量が少なくなって該ファーストリング６の温度が低下するため、シリンダライナ９（図５及び図６参照）との間における潤滑油の適度な粘性が保たれ易くなって油膜の形成が良好となる。

従って、上記形態例によれば、高過給化に伴い筒内圧力と排気ガス温度が上昇しても高いガスシール性を確実に保持することができるので、燃焼室１３（図５及び図６参照）からクランクケース内に漏れ出るブローバイガスの増加を回避することができ、しかも、シリンダライナ９（図５及び図６参照）との間における油膜を良好に形成し得るようにして耐焼き付き性能も大幅に向上することができる。

また、特に本形態例の場合には、ファーストリング６の母材と断熱材との間に両者の密着性を高めるボンドコート材を介在させているので、ファーストリング６の母材と断熱材との密着性を高めて熱サイクル疲労寿命を延ばすことができ、特にジルコニアを断熱材とした場合のボンドコート材としてはＮiＣrＡlＹが好適であり、熱サイクル疲労寿命を効果的に延ばすことができる。

更に、断熱材として用いたジルコニアは、熱伝導率が低いだけでなく、その熱膨張率が金属に近いことからファーストリング６の母材（金属）との組み合わせに適しており、熱サイクル疲労寿命をより効果的に延ばすことができる。

また、図１及び図２は合口６ａの形状を直角型にした例を示しているが、図３に示す如き斜め型の合口６ａに同様に適用したり、図４に示す如き段付き型の合口６ａに同様に適用したりすることも可能であり、これら以外の型式の合口６ａに同様に適用して前述と同じ作用効果を得ることができることは言うまでもない。

尚、本発明のピストンリング構造は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、断熱材をジルコニアとし且つボンドコート材をＮiＣrＡlＹとすることに限定されないこと、また、セカンドリングにも同様にして断熱層を形成するようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

２ ピストン
６ ファーストリング
６ａ 合口
１４ 断熱層

Claims (2)

1. ピストンの上部外周に形成された環状溝に対し外嵌装着し得るよう周方向の一箇所を合口として切欠いたファーストリングを有するピストンリング構造であって、前記ファーストリングの合口を挟んで対峙する両端部に、少なくとも該両端部における対峙面同士が被覆されるように前記ファーストリングの母材よりも熱伝導率の低い断熱材により断熱層を形成し、前記ファーストリングの母材と断熱材との間に両者の密着性を高めるボンドコート材を介在させたことを特徴とするピストンリング構造。
2. 断熱材がジルコニアであり、ボンドコート材がＮiＣrＡlＹであることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング構造。

Images