JPWO2019124389A1 - 内燃機関用ピストンリング - Google Patents

Abstract

本開示の内燃機関用ピストンリングは、樹脂組成物からなり、且つ、合口部を有しており、合口部を閉じた状態における当該ピストンリングの外径寸法ｄ１に対する、自由状態における合口部の隙間寸法ｍの比率（ｍ／ｄ１）が０．０５〜０．８であり、樹脂組成物の弾性率が０．３〜５０ＧＰａである。

Description

本開示は内燃機関用ピストンリングに関する。

自動車等の内燃機関にはピストンリングが用いられている。ピストンリングは、ピストンの外周面に設けられた複数の溝にそれぞれ装着される。ピストンリングには、シリンダボア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、ガスが燃焼室側からクランク室側に入り込むこととを抑制するシール機能が求められる。オイルアップはオイル消費の増加につながり、他方、燃焼室側からクランク室側に入り込むガス（ブローバイガス）の増加は燃費の低下につながる。

特許文献１はガソリンエンジン用ピストンリングの組合せを開示している。特許文献１によれば、複数のピストンリングの張力が所定の条件を満たすことで、ピストンリングとシリンダボア壁面との間のフリクション性能のばらつきを抑制し、オイル消費の低減及びフリクション低減の効果を安定して得られるとされている。

特開２０１２−２１５２３８号公報

特許文献１の実施例１を参照すると、１３Ｃｒ鋼からなるトップリングの張力を５．６Ｎに設定し、１０Ｃｒ鋼からなるセカンドリングの張力を４．９Ｎに設定したことが記載されている。更なる低フリクション化を実現するため、これらのリングの張力を更に小さくすると、シリンダボア内壁に対する追従性が低下し、これにより上記シール機能が不十分となり、オイル消費量が増加するという課題があった。

本開示は、低フリクション性を有しつつ、オイル消費量が少ない内燃機関用ピストンリングを提供することを目的とする。

本開示の一側面は、内燃機関用のピストンリングであって樹脂組成物からなるピストンリングに関する。このピストンリングは、合口部を有しており、合口部を閉じた状態における当該ピストンリングの外径寸法ｄ１に対する、自由状態における合口部の隙間寸法ｍの比率（ｍ／ｄ１）が０．０５〜０．８であり、樹脂組成物の弾性率が０．３〜５０ＧＰａである。なお、本開示における「弾性率」はＪＩＳ Ｋ７１６２に規定される方法に準拠して測定される値を意味する。本開示において「合口部が閉じた状態」とは、ピストンリングがシリンダボア内に挿入された状態にあるときと同様に合口部が閉じた状態を意味し、必ずしも、合口部が完全に閉じた状態（合口部の端面同士が当接した状態）を意味する訳ではない（例えば、図１（ｂ）参照）。また、本開示において、ピストンリングが「樹脂組成物からなる」の意味は、ピストンリングが樹脂組成物のみからなる態様の他に、ピストンリングが樹脂組成物以外の構成（例えば、外周面や側面等にＤＬＣ、金属化合物又は合金からなる表面処理膜）を有する態様も包含する。

金属製のピストンリングは、金属自体が高い弾性率を持つため、上述のとおり、張力を小さくするとシリンダボア内壁に対する追従性が低下する。これに対し、本発明者らの検討によれば、合口部を有し且つ弾性率が０．３〜５０ＧＰａの範囲である樹脂組成物からなるピストンリングは、低い張力であっても、シリンダボア内壁に対する優れた追従性を有する。すなわち、本開示に係るピストンリングによれば、背景技術に開示されたものよりも優れた追従性によって高いシール機能を達成でき、十分に少ないオイル消費量を実現できる。

本開示に係るピストンリングは、自己張力を有するものであってもよい。ピストンリングが自己張力を有する場合、シリンダボア内壁に対する追従性の観点から、その値は０．５Ｎ以上あることが好ましく、１Ｎ以上あることがより好ましい。本開示における「自己張力」はＪＩＳ Ｂ８０３２−２「内燃機関−小径ピストンリング−第２部：測定方法」に規定される方法に準拠して測定される値を意味する。

本開示の他の側面は、樹脂組成物からなる上記ピストンリングをピストンリング本体とし、このピストンリング本体に補助部材（金属製もしくはゴム製のリング、バネ及びコイルエキスパンダ）を備えたピストンリングに関する。すなわち、本開示の他の側面に係る内燃機関用ピストンリングは、樹脂組成物からなるピストンリング本体と、ピストンリング本体の張力を高めるための補助部材とを備え、上記ピストンリング本体は、合口部を有しており、合口部を閉じた状態における当該ピストンリング本体の外径寸法ｄ１に対する、自由状態における合口部の隙間寸法ｍの比率（ｍ／ｄ１）が０．０５〜０．８であり、樹脂組成物の弾性率が０．３〜５０ＧＰａである。なお、補助部材は、ピストンリング本体の内周に配置されてもよいし、ピストンリング本体の合口部に装着され、合口部を拡げる力を発生させるものであってもよい。

従来の鉄製のピストンリングは、比重が７〜９程度のものが一般的である。これに対し、本開示に係るピストンリング又はピストンリング本体は、比重が１．０〜３．０であることが好ましい。ピストンリング又はピストンリング本体の比重が十分に小さい（ピストンリングが十分に軽い）ことで、ピストンの往復動に伴う慣性力による影響をピストンリングが受けにくい。すなわち、ピストンの往復動に伴って、ピストンの溝内においてピストンリングが移動することが抑制され、より一層優れたシール性を実現できる。

本開示に係るピストンリング又はピストンリング本体は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）、及び、液晶ポリマー（ＬＣＰ）からなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂成分と、ガラス繊維、合成繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種の繊維とを含む樹脂組成物からなることが好ましい。例えば、ピストンリングのサイズ、用途及び使用環境等に適した樹脂成分を選択するとともに、これに配合する繊維の種類、繊維の長さ及び／又は配合量を適宜設定することで、弾性率が０．３〜５０ＧＰａの樹脂組成物を得ることができる。なお、同じ樹脂成分であってもその重合度が異なるものを使用することで樹脂組成物の弾性率を調整してもよい。

上記樹脂成分のうち、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）及びポリアミド（ＰＡ）は吸水性を有し、空気中の水分を吸収することで、寸法変化（膨張）が起こる傾向がある。したがって、ピストンリング又はピストンリング本体を構成する樹脂組成物は、これらの樹脂成分を主成分として含まないことが好ましい。すなわち、樹脂組成物におけるポリイミド、ポリアミドイミド及びポリアミドの合計の含有率は５０質量％未満であることが好ましい。

上記樹脂組成物は充填材を更に含んでもよい。充填材として、モリブデン、銅、鉄、ブロンズ、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、マイカ、酸化亜鉛及びタルクからなる群から選ばれる少なくとも一種の材料からなる粉体が挙げられる。充填材の種類、粒径及び／又は配合量を調整することで、樹脂組成物の弾性率を調整することができる。

本開示に係るピストンリング又は補助部材を備えたピストンリングは、オイル消費量低減、フリクションロス低減の観点から、バレル状又はテーパ状に形成された外周摺動面を有することが好ましい。

本開示に係るピストンリング又は補助部材を備えたピストンリングの合口部は、ブローバイガスの低減の観点から、例えば、ピストンリングを自由状態から合口部を閉じた状態とする際、互いに摺動するように相対的に移動する第１の一対の面を有し、第１の一対の面が当該ピストンリングの厚さ方向に延びている態様とすることができる。あるいは、合口部は、ピストンリングを自由状態から合口部を閉じた状態とする際、互いに摺動するように相対的に移動する第２の一対の面を有し、第２の一対の面が当該ピストンリングの径方向に延びている態様であってもよい。合口部は上記第１及び第２の一対の面の両方を有した態様であってもよい。

本開示に係るピストンリング又は補助部材を備えたピストンリングは、内周面、外周面、一方の側面、他方の側面及び合口部の合わせ面からなる群から選ばれる少なくとも一つの面上に形成された表面処理膜を有してもよい。表面処理膜は、比較的低温度条件で形成され、例えば、無電解めっき及びメッキ（無電解の後に電解）、硬質塗料コーティング、物理的蒸着法（ＰＶＤ）、化学的蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタ法、イオンプレーティング法、溶射等によって形成することができる。また、材質としては、非晶質炭素膜、窒化クロム膜（ＣｒＮ）、窒化チタン膜（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、ニッケルリン（ＮｉＰ）、ＴｉＣＮ、ＡｌＣｒＮなどが好ましい。

本開示によれば、低フリクション性を有しつつ、オイル消費が少ない内燃機関用ピストンリングが提供される。

図１（ａ）はストレート形状の合口部を有するピストンリングの自由状態を示す斜視図であり、図１（ｂ）は合口部を閉じた状態を示す斜視図である。 図２は図１（ａ）に示すピストンリングの変形例を示す斜視図である。 図３はダブルステップ形状の合口部を有するピストンリングの一例を示す斜視図である。 図４は図３に示したピストンリングの合口部の要部拡大斜視図である。 図５は図３に示したピストンリングの合口部を一側面側から示す要部拡大斜視図である。 図６は図３に示したピストンリングの合口部を他側面側から示す要部拡大斜視図である。 図７はトリプルステップ形状の合口部を有するピストンリングの一例を示す斜視図である。 図８は図７に示したピストンリングの合口部の要部拡大斜視図である。 図９（ａ）はトリプルステップ形状の合口部の平面図であり、図９（ｂ）はトリプルステップ合口の正面図である。 図１０（ａ）は樹脂製ピストンリング本体と、その内周側に配置された補助部材（コイルエキスパンダ）とによって構成されるピストンリングを示す断面図であり、図１０（ｂ）は樹脂製ピストンリング本体と、その内周側に配置された補助部材（断面が矩形状の部材）とによって構成されたピストンリングを示す断面図である。 図１１は本発明の実施形態及び比較例に係るピストンリングのオイル消費量の推定評価結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

＜第一実施形態＞
図１（ａ）は第一実施形態に係るピストンリングの自由状態を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すピストンリングの合口部を閉じた状態を示す斜視図である。これらの図に示すピストンリング１は、内燃機関のピストンに装着されるものであって、コンプレッションリング（トップリング又はセカンドリング）として使用される。ピストンリング１は樹脂組成物からなるとともにストレート形状の合口部１ａを有する。なお、ピストンリング１はコンプレッションリングとして使用された場合であってもオイルをかき落とす役割も果たす。

ピストンリング１が内燃機関のシリンダボアへ挿入された時に、ピストンリング１の弾性変形により自己張力が発生するものであっても、あるいは、自己張力が発生しないものであってもよいが、より好ましくは、内燃機関のシリンダボアへの挿入時にピストンリング１自体が自己張力を発生させるものの方が好ましい。また、自己張力が発生しない場合又は自己張力が発生しても必要な大きさの張力には足りていない場合には、後述する補助部材を適用してピストンリングとして必要な張力を有するようにしてもよい。

ピストンリング１が内燃機関のシリンダボア内に挿入された時に、ピストンリング１の合口部１ａの隙間寸法ｍは小さくなる。この状態を「合口部１ａを閉じた状態」と称する。また、後述する補助部材との併用によって張力を発生させるピストンリング１の場合は、補助部材により合口部１ａの隙間が開かれた状態が「自由状態」であり、他方、シリンダボア内に挿入されることで合口部１ａの隙間寸法ｍが小さくなった状態が「合口部１ａを閉じた状態」となる。本実施形態では、シリンダボア内でピストンリングが熱膨張しても合口部の端面同士が当接しないように、ピストンリングは設計されている。なお、ピストンリングの外径寸法ｄ１は、そのピストンリングが挿入されるシリンダボアの内径とほぼ同じ寸法である。

合口部１ａを閉じた状態におけるピストンリング１の外径寸法ｄ１（図１（ｂ）参照）に対する、自由状態における合口部１ａの隙間寸法ｍ（図１（ａ）参照）の比率（ｍ／ｄ１）は０．０５〜０．８の範囲である。ピストンリングの断面形状や内燃機関の圧縮比にもよるが、この比率が０．０５以上であることで、ピストンリング１の張力を、圧縮比が小さい内燃機関にとって必要な大きさにできる傾向にあり、また、ピストンリング１の外周面の摩耗が進行しても、摩耗量に応じて合口部１ａの隙間がシリンダボアの中で開くことができ、追従性を確保することができる傾向にある。他方、この比率が０．８以下であることでピストンの溝にピストンリング１を装着した状態でピストンをシリンダボア内に挿入する際にピストンリング１に過度な応力が加わることを抑制できる傾向にあり、また、シリンダボア内におけるピストンリング１の折損を低減できる傾向にある。この比率（ｍ／ｄ１）の範囲は０．０７〜０．５であることが好ましく、０．１２〜０．３であることがより好ましい。

ピストンリング１を構成する樹脂組成物は弾性率が０．３〜５０ＧＰａである。弾性率がこの範囲内の樹脂組成物からなるリングは、低い張力であっても、シリンダボア内壁に対する優れた追従性を有する。高い自己張力及び適度な追従性を実現する観点から、ピストンリング１を構成する樹脂組成物の弾性率は５〜５０ＧＰａであることが好ましく、５〜２０ＧＰａであることがより好ましく、１０〜１６ＧＰａであることが更に好ましい。かかる樹脂組成物からなるピストンリング１を採用することにより、優れた低フリクション性を達成できるとともに、より一層優れたシール性能を達成できる。

なお、樹脂組成物の弾性率が低くければ低いほど、シリンダボアに対するピストンリング１の追従性が向上する。しかし、弾性率が低すぎることに起因してピストンリング１の追従性が必要以上に向上すると、一度燃焼室側に掻き上げられたオイルがクランク室側に排出される機会が失われ、その結果、オイル消費量が増加する傾向となる。かかる観点から、樹脂組成物は弾性率の下限値は、５ＧＰａが好ましく、１０ＧＰａがより好ましい（図１１参照）。

ピストンリング１は、上述のとおり、自己張力を有することが好ましい。ピストンリング１が自己張力を有していれば、シリンダボア内壁に対するより良好な追従性を確保できる。ピストンリング１の自己張力は、０．５Ｎ以上であることが好ましく、１Ｎ以上であることがより好ましく、２Ｎ以上であることが更に好ましく、５Ｎ程度であることが更に好ましい。自己張力の上限値は、求められる摺動抵抗の大きさによるが、例えば、８Ｎ程度である。

ピストンリングが自己張力を有する場合、高い自己張力及び適度な追従性を実現する観点から、ピストンリングを構成する樹脂組成物の弾性率は５〜５０ＧＰａであることが好ましく、５〜２０ＧＰａであることがより好ましく、１０〜１６ＧＰａであることが更に好ましい。これにより、張力を補助する補助部材の使用の有無にかかわらず、５ＧＰａ以上の弾性率を有した樹脂組成物からなるピストンリング１を採用することにより、優れた低フリクション性を達成できるとともに、オイル消費をより一層低減できる。

ピストンリング１は、ピストンリング１に必要な張力を与えるための補助部材と併用されるものであってもよい。この場合、ピストンリング本体をなすピストンリング１に補助部材を備える内燃機関用ピストンリングが構成される。補助部材は、例えば、金属製もしくはゴム製のリング、バネ及びコイルエキスパンダからなる群から選ばれる。より具体的には、ピストンリング１の内周側から外周側に向けて弾性力を有する部材を樹脂単体からなるピストンリング１の内周側に設けたり、合口部１ａを拡張する力を生ずる弾性体を合口部１ａに設けたりすればよい。その際にも、ピストンリング１の合口部１ａはわずかながらでも隙間を有していることが好ましい。補助部材は、例えば内側からピストンリング１に張力を加えるものであってもよいし、合口部１ａの合い口隙間を拡げる力を発生するものであってもよい。ピストンリング１をシリンダボア内に挿入するに際し、ピストンリング１に対して補助部材を装着する前後において、ピストンリング１を過度に変形させない態様が好ましい。これにより、樹脂組成物からなるピストンリング１の塑性変形を抑制することができる。

ピストンリング１が上記補助部材と併用されるものである場合、ピストンリング１は自己張力を有していなくてもよく、また、自己張力が低くても（例えば、０．１Ｎ程度）であってもよい。この場合、ピストンリング１を構成する樹脂組成物の弾性率は、０．５〜５０ＧＰａであることが好ましく、シリンダボアに対する追従性の観点から、０．５〜５ＧＰａであることがより好ましい。

ピストンリング１を構成する樹脂組成物は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）、及び、液晶ポリマー（ＬＣＰ）からなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂成分と、ガラス繊維、合成繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種の繊維とを含む樹脂組成物からなることが好ましい。例えば、ピストンリングのサイズ、用途及び使用環境等に適した樹脂成分を選択するとともに、これに配合する繊維の種類及びその配合量を適宜設定することで、弾性率が０．３〜５０ＧＰａの樹脂組成物を得ることができる。上記樹脂組成物は充填材を更に含んでもよい。充填材として、モリブデン、銅、鉄、ブロンズ、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、マイカ、酸化亜鉛及びタルクからなる群から選ばれる少なくとも一種の材料からなる粉体が挙げられる。

なお、上記材料のうち、ポリイミド、ポリアミドイミド及びポリアミドは吸水性を有し、空気中の水分を吸収することで、寸法変化（膨張）が起こる傾向がある。したがって、ピストンリング１を構成する樹脂組成物は、これらの樹脂成分を主成分として含まないことが好ましい。すなわち、樹脂組成物におけるポリイミド、ポリアミドイミド及びポリアミドの合計の含有率は５０質量％未満であることが好ましい。

ピストンリング１は、比重が１．０〜３．０であることが好ましく、１．０〜２．０であることがより好ましい。比重が十分に小さい（ピストンリングが十分に軽い）ことで、ピストンの往復動に伴う慣性力による影響をピストンリング１が受けにくい。すなわち、ピストンの往復動に伴って、ピストンの溝内においてピストンリング１が移動することが抑制され、より一層優れたシール性を実現できる。

ピストンリング１は、樹脂組成物からなる本体部と、本体部の表面の少なくとも一部を覆うように形成された表面処理膜とによって構成されるものであってもよい。表面処理膜は、例えば、硬質クロムめっき層、ＰＶＤ処理層、鉄又はクロム等の窒化物層あるいはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜などの硬質膜である。表面処理膜が設けられることにより、本体部の耐摩耗性の向上が図られる。表面処理膜は、ピストンリングの内周面、外周面、一方の側面、他方の側面及び合口部の合わせ面からなる群から選ばれる少なくとも一つの面上に形成することが好ましい。

図１（ａ）に示されたとおり、ピストンリング１はストレート形状の合口部１ａを有する。合口部１ａは、環状の本体部１ｂの一部に形成されている。本体部１ｂは、幅方向の端面である一方の側面１ｃ及び他方の側面１ｄと、厚さ方向の端面である内周面１ｅ及び外周面１ｆとによって、厚さ方向が長辺且つ幅方向が短辺となる断面略長方形状をなしている。合口部１ａは、本体部１ｂの一方の端面１ｇと他方の端面１ｈとによって構成されている。

ところで、本発明者らは、前述の知見を基にピストンリング１の樹脂成分としてポリエーテルエーテルケトンを、繊維としてカーボン繊維を選択し、カーボン繊維をおよそ２０質量％加えた樹脂組成物で、射出成形法によりピストンリングを製作した場合、そのピストンリングが１７０℃近傍の熱負荷によりどのように張力が変化するかを検討した。その結果、合口部１ａを閉じた状態におけるピストンリング１の外径寸法ｄ１に対する自由合口隙間ｍの比率ｍ／ｄ１が０．１２以上であると、熱負荷後であっても張力が残存できることを確認することができた。なお、ピストンリングに与えた熱負荷は、熱ヘタリ試験（ＪＩＳ Ｂ ８０３２−５：２０１５「５．２温度影響下での接線張力減退」）に基づいた条件を想定している。上述の熱負荷を与えたピストンリングは、他にも比率ｍ／ｄ１が０．２０のもの、０．４５のもの、０．５６のものも熱負荷後に張力が残存していることが確認された。特に、射出成形時の形状を楕円形状やカム形状にすることで熱負荷後の張力減退率が小さくなっていた。図２に射出成形時の形状が楕円形状になるように成形したピストンリングを示す。図２に示すピストンリング１Ａは、合口部とその反対側の間の径Ｄ１が短く、また、径Ｄ１と直交する方向の径Ｄ２が長い形状を有している。このような形状を有するピストンリング１Ａは、内燃機関のボアに模した円筒部材に装着した際に、円筒部材の内周面とリング外周面との隙間がより小さくなることが確認できた。なお、楕円形状のピストンリング１Ａの場合、自由合口隙間ｍは、径Ｄ１と径Ｄ２の平均値をピストンリング１の外径寸法ｄ１とし、外径寸法ｄ１に対する自由合口隙間ｍの値（ｍ／ｄ１）が０．１２以上であること好ましく、更に０．２０以上のものであってもよい。

ところで、上述の樹脂組成物で構成されたピストンリングに対し熱負荷後の張力減退量を考察したところ、選択した樹脂成分のガラス転移点温度よりも高い温度で熱処理した後に熱負荷を掛けたピストンリングは、熱処理を施さなかったピストンリングに比べ、張力の減退量が相対的に小さいことが確認された。熱処理については、具体的には断面が楕円形状の内側形状を有する円筒治具に射出成形されたピストンリングを挿入し、ピストンリングの熱処理を行うことで張力減退率が小さくなる。

＜第二実施形態＞
図３〜６を参照しながら、第二実施形態に係るピストンリングについて説明する。これらの図に示すピストンリング２は合口部２ａの形状が異なる以外は第一実施形態に係るピストンリング１又はその変形例に係るピストンリング１Ａと同様である。以下、合口部２ａについて主に説明する。

合口部２ａは、ダブルステップと称される形状である。合口部２ａは、環状の本体部２ｂの一部に形成されている。本体部２ｂは、幅方向の端面である一方の側面２ｃ及び他方の側面２ｄと、厚さ方向の端面である内周面２ｅ及び外周面２ｆとによって、厚さ方向が長辺且つ幅方向が短辺となる断面略長方形状をなしている。なお、ピストンリング２は、側面２ｃが燃焼室側となり、側面２ｄがクランク室側となるように、ピストンに対して取り付けられる。

合口部２ａにおいては、図４〜６に示すように、本体部２ｂの側面２ｃ側には、一方の合口端部１１から他方の合口端部１２に向かって突出する第１の突出部１３と、他方の合口端部１２において第１の突出部１３を受ける第１の受け部１４とが設けられている。また、本体部２ｂの側面２ｃ側には、他方の合口端部１２から一方の合口端部１１に向かって突出する第２の突出部１５と、一方の合口端部１１において第２の突出部１５を受ける第２の受け部１６とが設けられている。

より具体的には、第１の突出部１３では、一方の合口端部１１から本体部２ｂの側面２ｃ側の略半分部分が断面略長方形状に突出した状態となっている。また、第１の突出部１３において、第１の受け部１４に対向する側面２ｄ側の先端角は切り欠かれている。これにより、第１の突出部１３において第１の受け部１４に対向する側面２ｄ側の先端には、切欠面Ｓ１が形成されている。加えて、第１の受け部１４では、他方の合口端部１２において本体部２ｂの側面２ｃ側の略半分部分が第１の突出部１３の形状に対応して断面略長方形状に切り欠かれた状態となっている。したがって、第１の突出部１３における第１の受け部１４との対向面である先端面１３ａ、及び第１の受け部１４における第１の突出部１３との対向面である先端面１４ａは、それぞれ周方向に対して垂直又は略垂直に延在する略長方形状である。

同様に、第２の突出部１５では、他方の合口端部１２から本体部２ｂの側面２ｄ側の略半分部分が断面略長方形状に突出した状態となっている。また、第２の突出部１５において、第２の受け部１６に対向する側面２ｃ側の先端角は切り欠かれている。これにより、第２の突出部１５において第２の受け部１６に対向する側面２ｃ側の先端には、切欠面Ｓ２が形成されている。加えて、第２の受け部１６では、一方の合口端部１１において本体部２ｂの側面２ｄ側の略半分部分が第２の突出部１５の形状に対応して断面略長方形状に切り欠かれた状態となっている。

更に、本体部２ｂの側面２ｄ側において、本体部２ｂの内周面２ｅ側には、第２の突出部１５から第２の受け部１６に向かって突出する第１のオス部２１と、第２の受け部１６において第１のオス部２１を受ける第１のメス部２２とが設けられている。また、本体部２ｂの側面２ｄ側において、本体部２ｂの外周面２ｆ側には、第２の受け部１６から第２の突出部１５に向かって突出する第２のオス部２３と、第２の突出部１５において第２のオス部２３を受ける第２のメス部２４とが設けられている。このため、側面２ｄ側においては、第１のオス部２１、第１のメス部２２、第２のオス部２３、及び第２のメス部２４によって、いわゆるステップ合口が形成されている。

＜第三実施形態＞
図７〜９を参照しながら、第三実施形態に係るピストンリングについて説明する。この図に示すピストンリング３は合口部３ａの形状が異なる以外は第一実施形態に係るピストンリング１又はその変形例に係るピストンリング１Ａと同様である。以下、合口部３ａについて主に説明する。

合口部３ａは、トリプルステップと称される形状である。合口部３ａは、環状の本体部３ｂの一部に形成されている。本体部３ｂは、幅方向の端面である一方の側面３ｃ及び他方の側面３ｄと、厚さ方向の端面である内周面３ｅ及び外周面３ｆとによって、厚さ方向が長辺且つ幅方向が短辺となる断面略長方形状をなしている。ただし、断面形状はこの形状に限定されない。なお、ピストンリング３は、側面３ｃが燃焼室側となり、側面３ｄがクランク室側となるように、ピストンに対して取り付けられる。

合口部３ａは、環状の本体部３ｂの両端部に設けられた合口端部３１，３２を含む。合口端部３１，３２は、ピストンリング３をリング溝に装着する前の状態において、所定の間隔をもって対向した状態となっている。

図８及び図９は合口部３ａの構造を説明する図である。図８は、合口部３ａの構造を説明する斜視図であり、図９（ａ）は、合口部３ａの平面図（側面３ｃ側から見た図）であり、図９（ｂ）は、合口部３ａの正面図（外周面３ｆ側から見た図）である。合口部３ａは、所謂トリプルステップ形状を呈している。トリプルステップ形状とは、合口部３ａを三方向から見た際にステップ形状を呈しているものである。ピストンリング３の場合、上側の側面３ｃ側から見たとき、下側の側面３ｄ側から見たとき、及び、外周面３ｆ側から見たときに、合口部３ａがステップ形状となっている。

より具体的には、図８，９に示すように、合口端部３１及び合口端部３２の対向面は、本体部３ｂの内周面３ｅ側の略半分における対向面３１ａ，３２ａと比較して、本体部３ｂの外周面３ｆ側の略半分では、側面３ｃ側において合口端部３２が合口端部３１側に突出し、側面３ｄ側において合口端部３１が合口端部３２側に突出するように凹凸が形成されている。

具体的には、本体部３ｂの外周面３ｆ側の略半分且つ側面３ｃ側の略半分（図８において略上半分となる部分）において、合口端部３２には対向面３１ａよりも合口端部３１側に突出する第１突出部３３が設けられる一方、合口端部３１には、第１突出部３３を受ける第１受け部３４が設けられる。第１突出部３３の先端面３３ａと、第１受け部３４の受け面３４ａとが対向する。また、本体部３ｂの外周面３ｆ側の略半分且つ側面３ｄ側の略半分（図８において略下半分となる部分）において、合口端部３１には対向面３１ａよりも合口端部３２側に突出する第２突出部３５が設けられる一方、合口端部３２には、第２突出部３５を受ける第２受け部３６が設けられる。第２突出部３５の先端面３５ａと、第２受け部３６の受け面３６ａとが対向する。

この結果、側面３ｃ側から見たときには、図９（ａ）に示すように、対向面３１ａ，３２ａが設けられる位置と、第１突出部３３の先端面３３ａ及び第１受け部３４の受け面３４ａが設けられる位置と、が本体部３ｂの長手方向に沿って互いに異なるため、ステップ形状となる。また、外周面３ｆ側から見たときには、図９（ｂ）に示すように、第１突出部３３の先端面３３ａ及び第１受け部３４の受け面３４ａが設けられる位置と、第２突出部３５の先端面３５ａ及び第２受け部３６の受け面３６ａが設けられる位置と、が本体部３ｂの長手方向に沿って互いに異なるため、ステップ形状となる。更に、側面３ｄ側から見たときも、図８に示すように、対向面３１ａ，３２ａが設けられる位置と、第２突出部３５の先端面３５ａ及び第２受け部３６の受け面３６ａが設けられる位置と、が本体部３ｂの長手方向に沿って互いに異なるため、ステップ形状となる。各面でのステップ形状の段差となる領域（ステップの割位置）は、それぞれ略中央付近となっている。

なお、ピストンリング３がピストンのピストン溝に装着され、且つシリンダーライナーの内周に挿入されると、第１突出部３３の側面３ｄ側の面３３ｂと、第２突出部３５の側面３ｃ側の面３５ｂとが互いに摺動するように相対的に移動して、図８及び図９に示すように合口部３ａが閉じられる。合口部３ａが閉じられた状態では、対向面３１ａと対向面３２ａとの間、第１突出部３３の先端面３３ａと第１受け部３４の受け面３４ａとの間、及び、第２突出部３５の先端面３５ａと第２受け部３６の受け面３６ａとの間にはそれぞれ空隙が存在する程度に近接する状態で、シリンダーライナーの内周面に０．５Ｎ以上の張力で持って、ピストンリング３が張った状態を維持することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、断面形状が略長方形状のピストンリングを例示したが、オイル消費量低減、フリクションロス低減の観点から、外周摺動面（外周面１ｆ，２ｆ，３ｆ）の形状をバレル状又はテーパ状としてもよい。また、合口部についても上述の他に、特許４１１４８４９号公報に開示されたダブルカット形状などの他の特殊合い口形状であってもよい。

また、上記実施形態に係るピストンリングをピストンリング本体とし、これと補助部材とによってピストンリングを構成してもよい。図１０（ａ）に示すピストンリング１０Ａは、ピストンリング１と実質的に同一のものに対し、その内周面に半円筒状の凹部を形成したピストンリング本体１０１ａと、上記凹部に装着されたコイルエキスパンダ１０２（補助部材）とによって構成されている。コイルエキスパンダ１０２は、例えば、バネ鋼の線材をコイル状に加工したものであり、ピストンリング１と同様に合口を有する円環状の形状を有している。補助部材は、コイルエキスパンダ１０２の態様に限定されず、図１０（ｂ）に示す部材であってもよい。すなわち、図１０（ｂ）に示すピストンリング１０Ｂは、断面形状が略矩形形状でピストンリング本体１０１と、ピストンリング本体１０１の内周面と当接する部分に配置されたエキスパンダ１０３とによって構成されている。エキスパンダ１０３は、バレル状の外周面形状を有し、その材質は金属でも樹脂又はカーボンファイバー、グラスファイバーであってもよい。なお、これらの補助部材から発生する張力は、ピストンリング本体から発生する張力に対して、大きくても小さくてもどちらでもよい。なお、補助部材から発生する張力が大きければ、シリンダーライナーの内周面に対してピストンリング本体の外周面が沿いやすくなり、シール性が向上するので、シール性を重要視する場合、補助部材から発生する張力はピストンリング本体から発生する張力よりも大きい方が良い。

以下、本発明について実施例に基づいて説明する。本発明は以下の実施例の内容に限定されるものではない。

＜摺動抵抗の評価＞
（実施例１）
樹脂成分（ポリエーテルエーテルケトン）に対しておよそ２０ｗｔ％のカーボン繊維を混合することによって、弾性率１５ＧＰａ及び比重１．５の樹脂組成物を調製した。この樹脂組成物を２ｍｍ四方の矩形に切断して、摺動抵抗を測定するためのテストピースを得た。バレル形状の外周面を円筒ドラムに当接させた状態で加重２０Ｎを加え、摺動速度３ｍ／秒で摺動抵抗の値を測定した。

（比較例１）
実施例１に係るテストピースと同様の形状であって金属材料（ねずみ鋳鉄材、ＦＣ２００相当材）からなるテストピースを準備した。これの摺動抵抗を実施例１と同様にして測定した。

（比較例２）
実施例１に係るテストピースと同様の形状であって金属材料（ＳＷＯＳＣ−Ｖ相当材）に硬質皮膜（Ｃｒ−Ｎｉ皮膜）を形成してなるテストピースを準備した。これの摺動抵抗を実施例１と同様にして測定した。

（結果）
実施例１の摺動抵抗は、比較例１と比較して約８割低減し、比較例２と比較して約７割低減した。

＜ブローバイガス量及びオイル消費量の評価＞
（実施例２）
実施例１と同じ樹脂組成物（弾性率：１５ＧＰａ、比重：１．５）からなるピストンリングを作製した。実施例２に係るピストンリングの特徴及び物性は以下のとおりである。
・自己張力：２Ｎ（補助部材：不使用）
・合口部：ストレート形状
・外周面：テーパフェイス
・比率（ｍ／ｄ１）：０．２６

実施例２に係るピストンリングをセカンドリングとして使用し且つ以下の条件でガソリンエンジンを運転させてブローバイガス量及びオイル消費量の評価を行った。
・回転数：４０００ｒｐｍ
・全負荷（Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）
・運転時間：１０時間
・トップリング：鋼製のリング（合口部：ストレート形状、外周面：バレル形状）
・オイルリング：鋼製の３ピースオイルリング

（比較例３）
比較例１と同じ材質（ねずみ鋳鉄材、ＦＣ２００相当材、弾性率：９３ＧＰａ、比重：７）からなるピストンリングをセカンドリングとして使用したことの他は、実施例２と同様にしてブローバイガス量及びオイル消費量の評価を行った。比較例３に係るピストンリングの特徴及び物性は以下のとおりである。
・自己張力：４Ｎ（補助部材：不使用）
・合口部：ストレート形状
・外周面：テーパフェイス
・比率（ｍ／ｄ１）：０．１３

（結果）
比較例３のブローバイガス量を１００とすると、実施例２のブローバイガス量は８５であった。比較例３のオイル消費量を１００とすると、実施例２のオイル消費量は４８であった。

＜ピストンリングの弾性率とオイル消費量の関係＞
（実施例３〜９）
上記実施例２に係るピストンリングに加え、表１に示す７種類の樹脂組成物からなるピストンリングを作製した。実施例３〜７に係るピストンリングは、ベース材として、ＰＴＦＥ樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＰＳ樹脂又はＰＥＥＫ樹脂を使用するとともに、配合するカーボン繊維又はガラス繊維の量及びこれらの繊維長を調整することで、所望の弾性率を得た。

実施例３〜９に係るピストンリングはいずれも以下の形状を有するものとした。
・合口部：ストレート形状
・外周面：テーパフェイス
・張力：２Ｎ（張力が２Ｎとなるように各ピストンリングの比率（ｍ／ｄ１）を調整した。）

実施例３〜９に係るピストンリングを実際に作製することが可能であることを確認した後、実施例２〜９及び比較例３に係るピストンリングのオイル消費量を過去のデータから得られた評価特性パラメータ情報に基づき評価した。すなわち、これらのピストンリングを２リッターエンジンのセカンドリングとして適用したときのオイル消費量を推定評価した。

図１１は、実施例２〜９に係るオイル消費量の評価結果を示すグラフであって、縦軸は評価されたオイル消費量の相対比（比較例３に係るピストンリング使用時のオイル消費量基準）を示し、横軸に弾性率（ＧＰａ）を示す。このグラフより、弾性率が０．３〜５０ＧＰａの樹脂材料で構成することにより、鉄製のピストンリングよりもオイル消費量を低減できることがわかる。特に、鉄製のピストンリングで発生した張力よりも低い張力であっても、オイル消費量の低減効果が発生することがわかる。オイル消費量の更なる低減の点から、ピストンリングの弾性率は５〜５０ＧＰａが好ましく、５〜２０ＧＰａがより好ましく、１０〜１６ＧＰａが更に好ましいことを図１１のグラフから読み取ることができる。

本開示によれば、低フリクション性を有しつつ、オイル消費が少ない内燃機関用ピストンリングが提供される。

１，１Ａ，２，３，１０Ａ，１０Ｂ…ピストンリング、１ａ，２ａ，３ａ…合口部、１ｃ，２ｃ，３ｃ…側面（一方の側面）、１ｄ，２ｄ，３ｄ…側面（他方の側面）、１ｅ，２ｅ，３ｅ…内周面、１ｆ，２ｆ，３ｆ…外周面（外周摺動面）、１０１，１０１ａ…ピストンリング本体、１０２…コイルエキスパンダ（補助部材）、１０３…エキスパンダ（補助部材）

＜ピストンリングの弾性率とオイル消費量の関係＞
（参考例３，４及び実施例５〜９）
上記実施例２に係るピストンリングに加え、表１に示す７種類の樹脂組成物からなるピストンリングを作製した。参考例３，４及び実施例５〜９に係るピストンリングは、ベース材として、ＰＴＦＥ樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＰＳ樹脂又はＰＥＥＫ樹脂を使用するとともに、配合するカーボン繊維又はガラス繊維の量及びこれらの繊維長を調整することで、所望の弾性率を得た。

参考例３，４及び実施例５〜９に係るピストンリングはいずれも以下の形状を有するものとした。
・合口部：ストレート形状
・外周面：テーパフェイス
・張力：２Ｎ（張力が２Ｎとなるように各ピストンリングの比率（ｍ／ｄ１）を調整した。）

参考例３，４及び実施例５〜９に係るピストンリングを実際に作製することが可能であることを確認した後、実施例２、参考例３，４、実施例５〜９及び比較例３に係るピストンリングのオイル消費量を過去のデータから得られた評価特性パラメータ情報に基づき評価した。すなわち、これらのピストンリングを２リッターエンジンのセカンドリングとして適用したときのオイル消費量を推定評価した。

図１１は、実施例２、参考例３，４、実施例５〜９に係るオイル消費量の評価結果を示すグラフであって、縦軸は評価されたオイル消費量の相対比（比較例３に係るピストンリング使用時のオイル消費量基準）を示し、横軸に弾性率（ＧＰａ）を示す。このグラフより、弾性率が０．３〜５０ＧＰａの樹脂材料で構成することにより、鉄製のピストンリングよりもオイル消費量を低減できることがわかる。特に、鉄製のピストンリングで発生した張力よりも低い張力であっても、オイル消費量の低減効果が発生することがわかる。オイル消費量の更なる低減の点から、ピストンリングの弾性率は５〜５０ＧＰａが好ましく、５〜２０ＧＰａがより好ましく、１０〜１６ＧＰａが更に好ましいことを図１１のグラフから読み取ることができる。

Claims (16)

1. 樹脂組成物からなる、内燃機関用ピストンリングであって、
   合口部を有しており、前記合口部を閉じた状態における当該ピストンリングの外径寸法ｄ１に対する、自由状態における合口部の隙間寸法ｍの比率（ｍ／ｄ１）が０．０５〜０．８であり、
   前記樹脂組成物の弾性率が０．３〜５０ＧＰａである、ピストンリング。
2. 自己張力を有する、請求項１に記載のピストンリング。
3. ０．５Ｎ以上の自己張力を有する、請求項１に記載のピストンリング。
4. １Ｎ以上の自己張力を有する、請求項１に記載のピストンリング。
5. ピストンリング本体と、前記ピストンリング本体の張力を高めるための補助部材とを備える内燃機関用ピストンリングであって、
   前記ピストンリング本体が、樹脂組成物からなり、且つ合口部を有しており、前記合口部を閉じた状態における当該ピストンリング本体の外径寸法ｄ１に対する、自由状態における合口部の隙間寸法ｍの比率（ｍ／ｄ１）が０．０５〜０．８であり、
   前記樹脂組成物の弾性率が０．３〜５０ＧＰａである、ピストンリング。
6. 前記ピストンリング本体の比重が１．０〜３．０である、請求項５に記載のピストンリング。
7. 前記樹脂組成物の弾性率が５〜５０ＧＰａである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。
8. 前記樹脂組成物の弾性率が５〜２０ＧＰａである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。
9. 前記樹脂組成物の弾性率が１０〜１６ＧＰａである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。
10. 前記樹脂組成物は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン及び液晶ポリマーからなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂成分と、
    ガラス繊維、合成繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種の繊維とを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のピストンリング。
11. 前記樹脂組成物は、ポリイミド、ポリアミドイミド及びポリアミドの合計の含有率が５０質量％未満である、請求項１０に記載のピストンリング。
12. 前記樹脂組成物は、モリブデン、銅、鉄、ブロンズ、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、マイカ、酸化亜鉛及びタルクからなる群から選ばれる少なくとも一種の材料からなる粉体を更に含む、請求項１０又は１１に記載のピストンリング。
13. バレル状又はテーパ状に形成された外周摺動面を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のピストンリング。
14. 前記合口部は、当該ピストンリングを自由状態から前記合口部を閉じた状態とする際、互いに摺動するように相対的に移動する第１の一対の面を有し、
    前記第１の一対の面は、当該ピストンリングの厚さ方向に延びている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のピストンリング。
15. 前記合口部は、当該ピストンリングを自由状態から前記合口部を閉じた状態とする際、互いに摺動するように相対的に移動する第２の一対の面を有し、
    前記第２の一対の面は、当該ピストンリングの径方向に延びている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のピストンリング。
16. 内周面、外周面、一方の側面、他方の側面及び前記合口部の合わせ面からなる群から選ばれる少なくとも一つの面上に形成された表面処理膜を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のピストンリング。

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