JPS61234259A - セラミツク製トツプリングを持つたエンジンピストン組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関（エンジン）のピストン・リング組立
体、一層詳しくは、エンジンピストンのトップ圧縮リン
グ位置で使用するピストンリングに関する。

エンジンのピストンリングにセラミック材料を使用する
ことの潜在的な利点は大きい。

ディーゼルエンジンを含む高性能エンジンにおける熱放
出量の低減、低摩擦、低摩耗についての関心が現在高ま
シつつあるが、ピストンリングにとって金属材料の能力
は理想的とは言えない。進歩した低熱放出量エンジンす
なわち「断熱」エンジンの非常に高い温度に耐え得る合
金は非常に高価であシ、まれな又は得るのが難しい元素
を含んでいることが多い。

この状況での他のシリンダ内構成部品に対するセラミッ
クの使用はセラミックについての研究が確実な成果を得
るにつれて一層普及しつつある。熱伝達および潤滑要求
度が低いことともに高い圧縮強さおよび優れた高温特性
を持つセラミック材料でピストンリングを作った場合、
それは優れたエンジン動作特性を与えるはずである。セ
ラミック製ピストンリングは、また、それを通じてよシ
冷たいシリンダライナに熱を伝達することによって生じ
る極端な熱勾配の影響を最小限に抑えることによってセ
ラミック製ピストンドームの使用を容易にもする。

しかしながら、構造用セラミックには脆いという性質が
あシ、弾性にも限度があり、それがピストンリング材料
としてセラミックを使用する際の基本的な制限となって
いた。すなわち、組立時に応力が生じるのである。した
がって、ピストンリングのためにセラミック材料を使用
する場合複数構成部品のリングセグメントか複数構成部
品のピストンの組み込み式複数部品に限られていた。い
ずれにしても、高性能エンジン用途にとってコスト効果
のあるものとは考えられない。

半径方向壁厚が小さいリングを使用することによって、
ただ１つのギャップを有する普通の矩形横断面形状です
え付は可能なリングを作ることができよう。しかしなが
ら、このような設計では、組立体はリング溝によるリン
グ支えに関してかなり妥協したものとなシ、作動がうま
く行く可能性が小さくなろう。さらに、このようなリン
グは良好なガスシールを形成するには張力が少なすぎ、
期待される機能に関してさらに妥協することになろう。

本発明は、米国特許第２５６６６０３号に示されるよう
なＬ字形横断面の公知のダイクス（Ｄｙｋｅｓ　）タイ
プのリング形状を有するトップ圧縮リングを好ましくは
使用することによって前記の問題を解決することを目的
とする。

新規な特徴として、リングは構造用セラミック材料で作
ってあり、ピストンの最上部にす見付けられ、組付は可
能なピストン・セラミックリングの組合わせを得ること
ができる。

ピストンのトップ端に設置することによって、トップリ
ング下方の支持ランドよりもかなり直径が小さ込ピスト
ンヘッドランド上に嵌合させるのに必要なリング拡張量
が減する。したがって、セラミックリングのすえ付は応
力が公知形態のピストンリングにセラミック材料を使用
し得るレベルまで減らされる。

良好なガスシール作用を維持しながら摩擦を減らすべく
金属リングにてＬ字形リング形状を利用することは先に
提案されている。これらの７アクタは本綴合わせにおい
ても役に立ち、ヘッドランドの直径を減らすことと組合
わせてすえ付は時応力を低下させると共に内燃機関のト
ップリング位置に適した一体式のセラミックリングの使
用を可能とする。

本発明のこれらおよび他の特徴、利点は添付図面に関連
した好ましい実施例についての以下の説明から一層完全
に理解してもらえよう。

図面において、符号１０は２サイクルデイ一ゼル式の内
燃機関、たとえば、ゼネラル・モータース・コーポレー
ションのデトロイト・ディーゼル・アリソ・ン部門で製
作したシリーズ９２デイーゼルエンジンを全体的に示し
ている。エンジン１０はシリンダブロック１１を包含し
ておシ、これは複数のシリンダ構成ライナ１２（１つだ
け示しである）を支持している。シリンダブロック上に
はシリンダヘッド１４が装着してあり、このシリンダヘ
ッドはシリンダの一端を横切って延び、そこを塞いでい
る。シリンダライナ内で往復動可能なピストン１６がく
ぼんだヘッド端１８を有し、このヘッド端はライナおよ
びシリンダヘッドと協働してシリンダ閉鎖端のところに
密閉した体積可変の燃焼室１９を構成する。

一般的な燃焼特徴においては、ピストンは本発明の譲受
人に譲渡された米国特許第３．５５５，９７２号（Ｈｕ
ｌｓｉｎｇ　）に開示されたピストンの要領でほぼ構成
されたクロスヘッドタイプのものである。この開示は参
考貸料として本文に援用する。関係のある部分としては
、ピストンは端壁２２を有するヘッド部材２０を包含し
、この端壁はその外周部で吊シ下がった環状のリングベ
ルト部２３によって形成される側壁と連結している。こ
のリングベルト部２３は３つの圧縮リング溝、トップ（
またはファイヤ）リング溝２４と幾分下方に位置する第
２）第３の圧縮リング溝２６．２７とを有する。

普通の習慣では、第２）第３の圧縮リング溝２６．２７
はほぼ矩形の横断面である。そこに普通の金属製の一体
式割シピストンリング２８が入る。これらのピストンリ
ング２８もほぼ矩形の横断面であるが、その外面が平ら
でないこともある。しかしながら、本発明によれば、ト
ップ（またはファイヤ）リング溝２４は端壁２２に隣接
したピストンヘッド端１８のところあるいはそれの近く
に設けてあり、はぼＬ字形のセラミック製ヘッドランド
圧縮リング３０を受は入れる。

特に、トップリング溝２４は下方の支持ランド３１と上
方のヘッドランド３２の間を軸線方向に延びている。支
持ランド３１はピストンリングベルト部２３の外径から
リング溝２４の内径すなわち底３４まで半径方向に延び
ている。ヘッドランド３２はリング溝２４とピストンの
ヘッド端１８の間を軸線方向に延び、支持ランド３１の
外径よりもかなり小さい直径を有する。ヘッドランドの
底を形成しているリング溝２４の上壁面は上向きに傾斜
を持った円錐形として示しであるが、所望に応じて他の
半径方向壁面形態を使用し得る。

第３．４図で最も良くわかるように、セラミック製ヘッ
ドランドピストンリング３０はほぼ環状の形状となって
おシ、ただ１つのギャップ３５を有し、ピストン上にす
え付けることができるようになっている。リング３０の
横断面もＬ字形であシ、外端のところで上向きの環状壁
部３８とつながる半径方向のフランジ部３６を包含する
。半径方向フランジ部３６はその中で若干動くことがで
きるようＪｆｉな間隙を持ってトップリング溝２４内に
受は入れられている。環状の壁部３８はシリンダ壁面と
係合するように延び、ヘッドランド３２の外面に沿って
上方に延びている。好ましくは、ピストンヘッド端１８
とほぼ一致する位置まで延びている。しかしながら、リ
ングの環状壁部３８はヘッドランドの対応する縁よりも
短くても長くてもよい。これも本発明の範囲内である。

本発明によれば、ピストンリング３０は適当なセラミッ
ク材料で作られ、トップリング溝、２４と一緒に設計さ
れており、（１）すえ付は時のリングの効果的なシール
作用および（２）セラミック材料のひずみ限界を超える
ことのないリングのすえ付けを可能としている。所望の
目的を達成すべく、セラミック材料は適当な摩耗性およ
び耐熱性の他に比較的高い破壊ひずみ限界を得るように
選択しなければならない。このような材料は「高強度セ
ラミックス」あるいは「エンジニアリングセラミックス
Ｊとしばしば呼ばれる材料の中に見出される。熱エンジ
ンでの用途で普通使用されるこの種の材料としては、部
分安定化ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、分散強
化アルミナがある。上述したタイプのリングに必要な強
度および摩耗特性を与えるこれらおよび他の材料は本発
明によるリングで使用するための潜在的な候補である。

ピストンリングのすえ付は応力を支配するリング設計パ
ラメータはすえ付は直径、半径方向厚さ、自由端ギャッ
プ、リングをすえ付けなければならないピストンのトッ
プの直径である。リングの自由端ギャップは自由状態に
おけるリングの端ギャップ寸法とシリンダ直径に閉じら
れたときのギャップ寸法の差として定義される。

直径がシリンダボアの直径に近いピストンクラウン上に
すえ付けなければならない一般的な矩形リングの場合、
ピストントップの直径はシリンダボアの直径と同じと仮
定されることが多い。この仮定に従ってリングのすえ付
は応力を計算するための式はメリーランド州ボルチモア
市のクーバーズ社（ＫｏｐｐｅｒｓＣｏｍｐａｎｙ　Ｉ
ｎｃ、）の金属製品部門（ＭｅｔａｌＰｒｏｄｕｃｔａ
　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　）の刊行した「エンジニア用ハン
ドブック（Ｅｎｇｉｎｅｅｒ’　ａ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ
）　Ｊ（第９版）の第１６頁に見出される。

本発明で使用するようなヘッドランドリングの設計特徴
の重要性は、そこで使用される立体構成では従来のリン
グ、隣の立体構成が必要とする程のすえ付は時のリング
の拡張を必要としないということにある。したがって、
ピストンのトップで使用されるヘッドランドリングの立
体構成によシエンジニアリングセラミックのような破壊
ひずみの低いリング材料の使用が可能となる。

２つの設計概念の差異を解析するには、応力よりもひず
みの値を判定すると良い。この目的のために、普通のリ
ングのだめのクーバーズハンドブックにある式から弾性
係数Ｅｎを除き、式の要素を次のように表示して変更を
行なうことができる。

すなわち、 Ｓｃ＝シリンダ直径に閉じられたリングでのひずみ（−
１１／−１）。

Ｓｏ＝リングをすえ付は直径まで開いたとき　　′のひ
ずみ（ｍ／−）。

Ｄ＝シリンダボア直径（ミリメートル）。

ｐｐ＝ヘッドランド直径（ミリメートル）。

Ｄ＋＝自由状態のリングの内径（ミリメートル）。

ｇ＝自由リングギャップ、すなわち、リングが開いてい
て応力なしの状態のとき のギャップ寸法とリングがシリンダボ ア直径に閉じられたときのリングギャ ップ寸法の差（ミリメートル）。

ｄ＝：＝リングの半径方向壁厚さくミリメートル）。

こうして定義した場合、標準のリング、ヘッドランドタ
イプリングいずれにおける閉鎖状態ひずみは式〔１〕で
与えられる。

シリンダ直径まで開いた普通の矩形リングに生じる開放
時ひずみは式〔２〕によって与えられる。

Ｓｏ　についてのこの式はリングの開放時日周方向変化
が本発明によるヘッドランドリングではすえ付は時に生
じない８ｄであると仮定している。ヘッドランドリング
の場合、開放時直径における変化は小さい直径Ｄｐでリ
ングがヘッドランドを通過できるに充分なだけでよい。

これにはリング寸法における円周方向変化が少ない必要
があ夛、その変化はｐｉ　　Ｘ自由状態からピストンの
トップにおけるヘッドランドの直径Ｄｐまでのリング内
径の変化に等しい。したがって、本発明によるヘッドラ
ンドタイプリングの開放時ひずみＳｏｈは式〔３〕によ
って与えられる。

Ｓｃ　、　ＳｏおよびＳｏｈについての式は、すべて、
リング自由端ギャップｇ対リング半径方向壁厚さｄの比
を含む。この「端ギャップ比」はリングのすえ付は可能
性の基本である。

第５図は普通の矩形リングと本発明によるヘッドランド
リングの典型的なすえ付は開放時、閉鎖時の最大ひずみ
を端ギャップ比の関数として示したグラフである。デー
タはシリンダボア直径対リング半径方向壁厚の比（Ｄ／
ｄ）が約３０の場合のものである。両方のリングの閉鎖
時ひずみは一点鎖線４０で示してあり、同じ端ギャップ
比についてのものであシ、両タイプのリングがシリンダ
直径に近づいたときに同じ最大ひずみを持つことがわか
る。一方、普通の矩形リングのすえ付は開放時ひずみは
実線４１で示してあり、本発明に従ってすえ付けたヘッ
ドランドリングのそれに相当する開放時ひずみは実線４
２で示しである。いくつかの高強度セラミック材料と４
１０ステンレス鋼についての代表的な極限引張ひすみ値
がグラフの右縁に沿って示しである。破線４４は代表的
な市販ジルコニア材料の極限ひずみを示しており、バー
４５は代表的なジルコニア材料のリングについてのひず
み、端ギャップ比の好ましい範囲を示している。

線４０と線４１．４２の交点は普通の矩形リングのすえ
付けと比べてピストン端でのヘッドランドリングのすえ
付けに必要とされるひずみがかなシ減ったことを示して
いる。また、かなシ低い端ギャップ比を利用するととに
よって、本発明によるヘッドランドリングの開放時、閉
鎖時のひずみ値は普通の矩形リングの相当する開閉時、
閉鎖時のひずみよりもかなシ低くすることができること
もわかる。

これにより、本発明に・よるヘッドランドリング構造で
は、先に指摘したセラミック材料で代表されるような比
較的低い極限ひずみ（すなわち、破壊ひずみ）の材料を
使用することができ、ピストントップリングでのこのよ
うな材料の使用を可能とする。

実際に良好な結果を得た例として、たとえば、１３０ｍ
ｍボアのエンジンにおいて、ピストン上のピストンリン
グを保持する重なったランド直径の量は側方で少なくと
も２■または直径で４閣でなければならない。これはリ
ングの半径方向厚さの約半分に近くなシ、シたがって、
約３．０パーセントの半径方向厚さ対ボア比であるとわ
かる。パラメータを成る程度篩めることによって、これ
はボアの２．５パーセントはどの低い比を利用すること
もできる。これらの要件を第５図のグラフに示す特性と
組合わせた場合、ボア・厚さ比Ｄ／ｄが約４０未満のと
きに、本発明によるセラミック製ヘッドランド式トップ
ピストンリングについて最も好ましい特性は以下のパラ
メータにあると結論される。

（ｌＬ）　　１．０と２．０の間の端ギャップ比。

（ｂ）　　シリンダボアの２．５パーセントより大きい
リング半径方向壁厚。

（ｃ）　　シリンダボアの９０〜９５パーセント鴫　　
　　　　　　のピストンのヘッドランド直径。

（ｄ）　　少なくとも０．０００５　　の極限ひずみを
持ったセラミック材料。

これらのパラメータによれば、先に指摘したような高強
度セラミック材料を用いたリングは実用的となシ、本発
明による上記の利点を得ることができる。

特定の実施例についてのこれまでの説明はほんの例示で
あシ、上述の発明概念の範囲を限定するつもシはない。

したがって、本発明は特許請求の範囲の表現によって許
される全範囲を持つと考える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるピストン・リング組立体をすえ付
けたシリンダの１つを示す、エンジンの一部の横断面図
、第２図は第１図のピストンの一部の拡大断片横断面図
、第３図は本発明によるピストンリングの頂面図、第４
図は第３図の４−４線で示す平面からのピストンリング
の横断面図、第５図は普通の矩形リングと本発明による
セラミック製ヘッドランドリングの開放時、閉鎖時すえ
付けひずみのグラフを示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １０・・・内燃機関、１１・・・シリンダブロック、１
２・・・ライナ、１４・・・シリンダヘッド、１６・・
・ピストン、１８・・・ヘッド端、１９・・・燃焼室、
２０・・・ヘッド部材、２２・・・端壁、２３・・・リ
ングベルト部、２４，２６．２７・・・リング溝、３１
・・・支持ランド、３２・・・ヘッドランド、３５・・
・ギャップ、３８・・・壁部 〔主要図〕 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）シリンダ（１２）とこのシリンダ内で往復動でき
   るピストン（１６）とを有し、こ のピストン（１６）がシリンダ（１２）の 一端で容積可変の作動室（１９）を部分的 に構成しているヘッド端（１８）と、シリ ンダ（１２）に対して密接に対向した関係 でヘッド端（１８）から延びる側壁（２３）と、ヘッド
   端（１８）付近で側壁に設けた トップリング溝（２４）とを有し、このト プリング溝（２４）がピストンヘッド端 （１８）まで延びる短いヘッドランド（３２）とヘッド
   端（１８）から遠い方の側面を構 成する支持ランド（３１）とによつて構成 されており、ヘッドランド（３２）が支持 ランド（３１）よりも小さい外径を有する 内燃機関（１０）のためのピストンリング （３０）であつて、ピストン（１６）の前 記トップリング溝（２４）内にすえ付ける ことができ、構造用セラミック材料で作つ てあり、すえ付け、配置の目的で円周方向 にただ１つのギャップ（３５）を有し、半 径方向厚さがすえ付けたときにトップリン グ溝（２４）内にこのピストンリング（３０）を保持し
   かつ前記内燃機関（１０）の作動 時に前記作動室（１９）内に発生する最高 ガス圧力に抗するに充分な支えを与えるに 適したものとなつており、さらに、自由な 状態でシリンダ直径（Ｄ）よりも大きい外 径とヘッドランド直径（Ｄｐ）よりも小さ い内径（Ｄｉ）を有し、これら内外径の差 が充分に小さくてヘッドランド（３２）を 被つてピストン（１６）上にすえ付けるこ とのできる寸法までピストンリング（３０）を拡張させ
   得、また、シリンダ内に嵌合す る寸法までピストンリング（３０）を圧縮 させ得るものとなつており、いずれの場合 でもセラミック材料に過剰応力が生じない ようにしたことを特徴とするピストンリン グ。 （２）特許請求の範囲第１項記載のピストンリング（３
   ０）において、Ｌ字形の横断面形 状を有することを特徴とするピストンリン グ。 （３）特許請求の範囲第１項または第２項記載のピスト
   ンリング（３０）において、ピス トンリングセラミック材料が少なくとも ０．０００５の極限引張ひずみを有することを特徴とす
   るピストンリング。 （４）特許請求の範囲第１項または第２項記載のピスト
   ンリング（３０）において、１．０から２．０の端ギャ
   ップ比を有し、シリンダ直径（Ｄ）の２．５パーセント
   よりも大きい半径方向壁厚を有し、前記セラミック材料 が少なくとも０．０００５の極限引張ひずみを有し、前
   記ピストンヘッドランド外径（Ｄｐ）がシリンダ直径（
   Ｄ）の９０から９５パー セントであることを特徴とするピストンリ ング。