(57)【要約】【課題】内燃機関の熱効率向上を図るとともに、ピストンの過熱を抑制できるピストンリングを提供する。【解決手段】本開示に係るピストンリングは、燃焼室を有する内燃機関のピストンに装着されるものであり、燃焼室側に配置される第一の層と、第一の層と一体的に形成されており、当該ピストンリングの外周面又はその近傍にまで延在している第二の層とを有し、第一の層の熱伝導率が第二の層の熱伝導率よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を有する内燃機関のピストンに装着されるピストンリングであって、
前記燃焼室側に配置される第一の層と、
前記第一の層と一体的に形成されており、当該ピストンリングの外周面又はその近傍にまで延在している第二の層と、
を有し、
前記第一の層の熱伝導率が前記第二の層の熱伝導率よりも小さい、ピストンリング。
【請求項２】
少なくとも二種の金属材料によって構成されたクラッド材からなる、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記第一の層は、前記燃焼室側の側面を構成している、請求項１又は２に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記第二の層は、当該ピストンリングの外周面の少なくとも一部を構成している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記第一の層が当該ピストンリングの内周面の少なくとも一部を構成している、請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項６】
前記第二の層の熱伝導率λ２と前記第一の層の熱伝導率λ１の差（λ２−λ１）が４Ｗ／ｍＫ以上であり且つ前記第一の層の熱伝導率λ１が２０Ｗ／ｍＫ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項７】
前記燃焼室側の側面における前記第一の層の面積Ａ１に対する前記外周面における前記第二の層の面積Ａ２の比Ａ２／Ａ１が０．０４〜０．７５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。
【請求項８】
前記内燃機関はガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、
圧力リングとして使用される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は燃焼室を有する内燃機関のピストンに装着されるピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
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溝に装着される。ピストンリングは、耐摩耗性、低摩擦性及び耐焼付性等の特性によって内燃機関の高性能化及び燃料消費量の低減等に寄与することが求められる。従来、これらの特性を向上させるための種々の取り組みがなされてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１，２は、耐摩耗性の向上の観点から、異部材がピストンリング母材に埋め込まれた態様のピストンリングの製造方法を開示する。特許文献３は、ピストンリングの軽量化の観点から、Ａｌ又はＡｌ合金からなる芯部の外周に、Ｓｉ−Ｃｒ鋼からなる２つ割の外層部を一体形成した複合線よりなるピストンリング用線材を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−００４９３４号公報
【特許文献２】特開昭５９−００４９８４号公報
【特許文献３】実開平５−４２８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ピストンリングは、内燃機関における燃焼室で生じる熱によってピストンが過熱されることを防止するため、ピストンの熱をシリンダボア側に逃がす役割も果たしている。例えば、特開２０１６−７０１１７号公報は、ピストンの冷却効率を高めるため、二つのリング（上死点側リング及び下死点側リング）からなる圧力リングを開示する。この文献の請求項３では、上死点側リング（燃焼室側リング）が下死点側リングよりも熱伝導性の高い素材で構成されていることが特定されている。しかし、ピストンリングによってピストンの冷却効率を向上させることは、内燃機関の熱効率の低下を招来する。
【０００６】
本開示は、内燃機関の熱効率向上を図るとともに、ピストンの過熱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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に係るピストンリングは、燃焼室を有する内燃機関のピストンに装着されるものであって、燃焼室側に配置される第一の層と、第一の層と一体的に形成されており、当該ピストンリングの外周面又はその近傍にまで延在している第二の層とを有し、第一の層の熱伝導率が第二の層の熱伝導率よりも小さい。このピストンリングは、例えば、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンにおける圧力リングに適用される。なお、第一の層と第二の層が一体的に形成されているとは、通常の使用状態において両者が分離しない態様であることを意味する。
【０００８】
上記構成のピストンリングによれば、燃焼室側に第一の層（熱伝導率が小さい層）が配置されているため、燃焼室の熱がピストンリングを通じてシリンダボアに過度に逃げることを抑制でき、これにより内燃機関の熱効率向上が図られる。第一の層の熱伝導率λ１は２０Ｗ／ｍＫ未満であることが好ましい。他方、ピストンリングの外周面又はその近傍にまで第二の層（熱伝導率が大きい層）が延在しているため、ピストン及び当該ピストンリングの過熱を抑制できる。ピストンリングの外周面はシリンダボアの内周面に接する面である。なお、ピストンリングの外周面の近傍にまで第二の層が延在している態様は、例えば、ピストンリングの外周面に厚さ５〜３０μｍ程度の表面処理層が形成された態様である。
【０００９】
上記ピストンリングの燃焼室側の側面は、内燃機関の熱効率向上の観点から、第一の層が露出していてもよく、換言すれば、第一の層が燃焼室側の側面を構成していてもよい。他方、上記ピストンリングの外周面は、ピストンの過熱抑制の観点から、第二の層が露出していてもよく、換言すれば、第二の層が当該ピストンリングの外周面の少なくとも一部を構成していてもよい。
【００１０】
上記ピストンリングは、例えば、少なくとも二種の金属材料によって構成されたクラッド材からなる。クラッド板又はクラッド線を加工することによって上記ピストンリングを作製することができる。クラッド材は、一つの金属材料と他の金属材料とを圧延等することによって一体化する工程を経て製造される複合金属材料である。
【００１１】
上記ピストンリングにおいて、第一の層が当該ピストンリングの内周面の少なくとも一部を構成していてもよい。かかる構成を採用することにより、内燃機関の熱効率の更なる向上が可能となる。内燃機関の熱効率向上及びピストンの過熱抑制の両方をより高水準に達成する観点から、第二の層の熱伝導率λ２と第一の層の熱伝導率λ１の差（λ２−λ１）は４Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。同様の観点から、燃焼室側の側面における第一の層の面積Ａ１に対する外周面における第二の層の面積Ａ２の比Ａ２／Ａ１は０．０４〜０．７５であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、内燃機関の熱効率向上を図るとともに、ピストンの過熱を抑制できるピストンリングが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（ａ）は本開示に係るピストンリングの第一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるｂ−ｂ線における断面図である。
【図２】図２は本開示に係るピストンリングが装着されたピストンと、ピストンリングの外周面が接する内周面を有するシリンダボアとを模式的に示す断面図である。
【図３】図３は本開示に係るピストンリングの第二実施形態を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は燃焼行程時のピストンの動き及び高温ガスの流れを模式的に示す断面図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は本開示に係るピストンリングの他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は本開示に係るピストンリングの他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図７】図７（ａ）は第一実施形態に係るピストンリングの変形例を示す断面図であり、図７（ｂ）は第二実施形態に係るピストンリングの変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本開示の実施形態について詳細に説明する。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。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
＜第一実施形態＞
図１（ａ）は本実施形態に係るピストンリングの斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるｂ−ｂ線における断面図である。これらの図に示すピストンリング１０は、内燃機関（例えば、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジン）用の圧力リングである。圧力リングは、特にエンジンの熱負荷の高い環境に晒されるリングである。図２に示すように、ピストンリング１０は内燃機関が備える円柱状のピストンＰの側面に形成されたリング溝Ｐａに装着される。ピストンＰは内燃機関のシリンダボアＢ内に挿入される。
【００１６】
ピストンＰには、三つのピストンリングが装着される場合があり、この場合、内燃機関の燃焼室側からトップリン、セカンドリング及びオイルリング（不図示）がこの順序で装着される。ピストンリング１０は、燃焼室に最も近い位置に配置されるトップリング（圧力リング）として使用されると、内燃機関の熱効率向上に特に貢献し得る。
【００１７】
図１（ａ）に示すとおり、ピストンリング１０は環状である。ここでいう「環状」とは、必ずしも閉じた円を意味するものではなく、ピストンリング１０は合口部１０ｃを有し、また、真円状でもよいし、楕円状でもよい。図１（ｂ）に示すとおり、ピストンリング１０の断面形状は矩形であり、外周面Ｆ１と、内周面Ｆ２と、燃焼室側の側面Ｆ３と、その反対側の側面Ｆ４とによって構成されている。外周面Ｆ１はシリンダボアの内壁に対する摺動面である。内周面Ｆ２はピストンのリング溝底面と対面する。側面Ｆ３，Ｆ４は、リング溝の側面とそれぞれ対面する。なお、図１（ｂ）に示すように、ピストンリング１０の四隅はＲ形状となっていてもよい。
【００１８】
ピストンリング１０は、二層構造からなり、燃焼室側に配置される第一の層Ｌ１１と、第一の層Ｌ１１と一体的に形成された第二の層Ｌ１２とからなる。ピストンリング１０は、例えば、二種の金属材料によって構成されたクラッド材からなる。第一の層Ｌ１１（熱伝導率が小さい層）が燃焼室側の側面Ｆ３を構成している。これにより、燃焼室の熱がピストンリング１０を通じてシリンダボアＢに過度に逃げることを抑制でき、内燃機関の熱効率向上が図られる。他方、第二の層Ｌ１２（熱伝導率が大きい層）がピストンリング１０の外周面Ｆ１の一部を構成している。これにより、第二の層Ｌ１２を通じて、ピストンＰ及びピストンリング１０の熱をシリンダボアＢに逃がすことができ、ピストンＰ及びピストンリング１０の過熱を抑制できる。これにより、例えば、ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ、予混合圧縮着火）方式のエンジンのような高温・断熱エンジンにおいても、ピストンリング１０の変形やノッキング、ブローバイを十分に抑制することができる。
【００１９】
ピストンリング１０の幅（図１（ｂ）に示す幅Ｗ）は、使用される内燃機関の種類又は出力等によるが、例えば、０．８〜３．０ｍｍである。ピストンリング１０の径方向の厚さ（図１（ｂ）に示す厚さＴ）は、例えば、２．０〜３．８ｍｍである。ピストンリング１０の外径は、例えば、６０〜１００ｍｍである。
【００２０】
ピストンリング１０の第一の層Ｌ１１は、熱伝導率が小さく且つ耐熱性に優れる金属材料からなる。第一の層Ｌ１１の熱伝導率λ１は２０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましく、５〜１５Ｗ／ｍＫであることがより好ましく、１０Ｗ／ｍＫ以下であることが更に好ましい。第一の層Ｌ１１の熱伝導率λ１が２０Ｗ／ｍＫを越えると熱効率向上が不十分となりやすい。第一の層Ｌ１を構成する金属材料として、例えば、ＳＵＳ（熱伝導率：２０Ｗ／ｍＫ）、ニッケル合金（熱伝導率：１０〜２０Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。
【００２１】
第一の層Ｌ１１の幅（図１（ｂ）に示す幅Ｗ１）は、例えば、ピストンリング１０の幅（図１（ｂ）に示す幅Ｗ）が１．０ｍｍのとき、０．１〜０．９ｍｍであり、ピストンリングの幅Ｗに対し、Ｗ１／Ｗ＝０．１〜０．９であってもよい。第一の層Ｌ１１の幅Ｗ１を０．１ｍｍ以上とすることで内燃機関の熱効率が十分に向上し得る。他方、第一の層Ｌ１１の幅Ｗ１を０．９ｍｍ以下とすることで、第二の層Ｌ１２を相対的に厚くすることができ、ピストンＰの過熱抑制効果を十分に得ることができるとともに、ピストンリング１０の耐熱ヘタリ性を十分に確保することができる。
【００２２】
ピストンリング１０の第二の層Ｌ１２は、熱伝導率が比較的大きく且つ強度が高い金属材料からなる。第二の層Ｌ１２の熱伝導率λ２は２０Ｗ／ｍＫを超えることが好ましく、３０〜４０Ｗ／ｍＫであることがより好ましく、４０Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。第二の層Ｌ１２の熱伝導率λ２が２０Ｗ／ｍＫ以下であるとピストンＰの過熱抑制効果が不十分となりやすい。第二の層Ｌ１２を構成する金属材料として、例えば、ばね鋼（熱伝導率：４０Ｗ／ｍＫ）が挙げられる。強度が高いこれらの金属材料を使用することで、ピストンリング１０の耐熱ヘタリ性を十分に確保することができる。第二の層Ｌ１２の強度を高めるため、第二の層Ｌ２の表面に対して窒化処理を施してもよい。
【００２３】
第二の層Ｌ１２の幅（図１（ｂ）に示す幅Ｗ２）は、ピストンＰの過熱抑制の観点から、例えば、ピストンリング１０の幅（図１（ｂ）に示す幅Ｗ）が１．０ｍｍのとき、０．１〜０．９ｍｍであり、ピストンリングの幅Ｗに対し、Ｗ２／Ｗ＝０．１〜０．９であってもよい。第二の層Ｌ１２の幅Ｗ２を０．１ｍｍ以上とすることでピストンＰの過熱抑制効果を十分に得ることができるとともに、ピストンリング１０の耐熱ヘタリ性を十分に確保することができる。他方、第二の層Ｌ１２の幅Ｗ２を０．９ｍｍ以下とすることで、第一の層Ｌ１１を相対的に厚くすることができ、内燃機関の熱効率が十分に向上し得る。
【００２４】
内燃機関の熱効率向上及びピストンの過熱抑制の両方をより高水準に達成する観点から、第二の層Ｌ１２の熱伝導率λ２と第一の層Ｌ１１の熱伝導率λ１の差（λ２−λ１）は４Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、１２Ｗ／ｍＫ以上であることがより好ましい。これらの数値範囲は本発明者らが実施したシミュレーション（使用ソフトウェア：ＡＮＳＹＳ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ（ｖｅｒｓｉｏｎ１５））に基づくものである。
【００２５】
内燃機関の熱効率向上及びピストンＰの過熱抑制の両方をより高水準に達成する観点から、燃焼室側の側面Ｆ３における第一の層Ｌ１１の面積Ａ１に対する外周面Ｆ１における第二の層Ｌ１２の面積Ａ２の比Ａ２／Ａ１は０．０４〜０．７５であることが好ましく、０．１２〜０．５８であることがより好ましい。比Ａ２／Ａ１の値が０．０４未満であると、ピストンＰの過熱抑制効果が不十分となりやすく、他方、０．７５を超えると、内燃機関の熱効率向上が不十分となりやすい。
【００２６】
ピストンリング１０は、二層構成のクラッド材からなる線材を例えばコイリング工法によって加工する工程を経て得ることができる。あるいは、二層構成のクラッド材からなる板材をレーザー加工又はプレス加工することによってピストンリング１０を製造してもよい。なお、ピストンリング１０の側面Ｆ３，Ｆ４に対して耐摩耗性又は耐アルミニウム凝着性が要求される場合は、側面Ｆ３，Ｆ４に対して窒化処理又は化成処理を施してもよいし、これらの面を覆うように樹脂皮膜を形成してもよい。
【００２７】
＜第二実施形態＞
第一実施形態に係るピストンリング１０は、図１（ｂ）に示したとおり、単純な二層構造であったが、本実施形態に係るピストンリング２０は、図３に示すように、第一の層Ｌ２１が燃焼室側の側面Ｆ３の全体を構成するとともに内周面Ｆ２の全体も構成する。図４は、ピストンＰの動き及び高温ガスＧ（ブローバイガス）の流れを模式的に示す断面図であり、燃焼室において点火が生じたタイミングを図示したものである。図中の太い矢印はピストンＰの動く方向を示し、細い矢印は高温ガスの流れを示す。高温ガスＧはピストンリング２０の燃焼室側の側面Ｆ３に至り、その後、内周面Ｆ２に沿って流れるため、これらの部分を熱伝導率が小さく且つ耐熱性に優れる金属材料（第一の層Ｌ２１）で構成することで内燃機関の熱効率向上により一層貢献し得る。
【００２８】
本実施形態に係るピストンリング２０は、上述のとおり、ピストンリング２０の内周面Ｆ２の全体が第一の層Ｌ２１によって構成されており、第二の層Ｌ２２が内周面Ｆ２に露出していない点において、ピストンリング１０と相違し、その他の構成はピストンリング１０と同様である。以下、この相違点に係る構成について説明する。
【００２９】
第一の層Ｌ２１の径方向の厚さ（図３に示す厚さＴ２１）は、例えば、ピストンリング１０の厚さ（図１（ｂ）に示す厚さＴ）が２．０ｍｍのとき、０．２〜０．８ｍｍであり、好ましくは０．２〜０．４ｍｍである。この厚さを０．２ｍｍ以上とすることで内燃機関の熱効率が十分に向上し得る。他方、この厚さを０．８ｍｍ以下とすることで、ピストンリング２０における第二の層Ｌ２２の体積割合を十分に確保することができ、ピストンＰの過熱抑制効果を十分に得ることができるとともに、ピストンリング２０の耐熱ヘタリ性を十分に確保することができる。
【００３０】
以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明の上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ピストンリングを構成する第一の層と第二の層の配置は、上記実施形態に限定されず、例えば、図５（ａ）に示すピストンリング３０のように、第一の層Ｌ３１と第二の層Ｌ３２の境界が燃焼室側の側面Ｆ３の外周面Ｆ１側から側面Ｆ４の内周面Ｆ２側にかけて斜め方向に延びるように形成されていてもよい。また、図５（ｂ）に示すピストンリング４０のように、内周面Ｆ２が第二の層Ｌ４２で構成されており、第一の層Ｌ４１が内周面Ｆ２の近傍にまで延びている態様であってもよい。また、燃焼室側の側面Ｆ３の少なくとも一部を構成する第一の層の熱伝導率が相対的に低く且つ外周面Ｆ１の一部を構成する第二の層の熱伝導率が相対的に高い構成である限り、第一の層と第二の層の間に一つ又は複数の層（不図示）が介在していてもよい。
【００３１】
上記実施形態においては、二種の金属材料からなるクラッド材から製造されるピストンリングを例示したが、熱伝導率が小さい第一の層の材質は必ずしも金属でなくもよく、例えば、酸化物、炭化物、窒化物等のセラミックスであってもよい。図６に示すピストンリング５０のように、第二の層Ｌ５２（ピストンリングの母材）の所定の領域に対して表面処理を施すことによって第一の層Ｌ５１（断熱層）を形成してもよい。ピストンリング５０は燃焼室側の側面Ｆ３及び内周面Ｆ２が第一の層Ｌ５１で構成されている。第一の層Ｌ５１は、例えば、イオンプレーティング式ＰＶＤ、プラズマＣＶＤ等を用いた表面処理によって形成できる。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第一及び第二の実施形態に係るピストンリング１０，２０の側面Ｆ３及び内周面Ｆ２を覆うように断熱層（第一の層Ｌ５１）を形成してもよい。
【００３２】
また、他の実施形態に係るピストンリングにおいては、第一の層が、例えば、金属材料からなる層の内部に空気又は樹脂からなる領域（例えば層）を包含させることによってその熱伝導率が小さくなるように構成されたものであってもよい。ピストンリングの製造方法もクラッド材を原料として使用する方法や表面処理する工程を経る方法に限定されず、３Ｄプリンターの使用や焼結によって複数の材料で構成されるピストンリングを製造してもよい。
【００３３】
更に、ピストンリングを構成するクラッド材は、二種の金属材料からなるものに限定されず、三種以上の金属材料からなるものであってもよい。例えば、二種の金属材料（二つの層）の間に、これらの接合強度を高める目的で中間層を設けてもよい。また、二種の金属材料の界面に拡散層が形成されたクラッド材を使用してもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０，２０，３０，４０，５０…ピストンリング、１０ｃ…合口部、Ｂ…シリンダボア、Ｆ１…外周面、Ｆ２…内周面、Ｆ３，Ｆ４…側面、Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ３１，Ｌ４１，Ｌ５１…第一の層、Ｌ１２，Ｌ２２，Ｌ３２，Ｌ４２，Ｌ５２…第二の層、Ｐ…ピストン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020020395.tif 000006
【図５】
2020020395.tif 000007
【図６】
2020020395.tif 000008
【図７】
2020020395.tif 000009