(57)【要約】      （修正有）【課題】摺動特性に優れ、摩擦係数を小さくして内燃機関の低摩擦化の要求に応えることができると共に、気密性を低下させることなく潤滑油の消費量を低減させることができるピストンリングを提供する。【解決手段】ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるはシリンダの内壁面と摺動する内燃機関用ピストンリングであって、ピストンリングの外周摺動面１５の当たり幅Ｂのうち、該当たり幅のピストン軸方向の中央Ｔから前記ピストンの下死点側の範囲に形成される複数の凹部２０を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるいはシリンダの内壁面と摺動する内燃機関用ピストンリングであって、
ピストンリングの外周摺動面の当たり幅のうち、該当たり幅のピストン軸方向の中央から前記ピストンの下死点側の範囲に形成される複数の凹部を備えることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
請求項１に記載のピストンリングにおいて、
前記凹部は、前記当たり幅の略半分の地点を超えない位置を始点として前記下死点側に延設されることを特徴とするピストンリング。
【請求項３】
ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるいはシリンダの内壁面と摺動する内燃機関用ピストンリングであって、
ピストンリングの外周摺動面の当たり幅のうち、径方向の最大径となる頂点から前記ピストンの下死点側の範囲に形成される複数の凹部を備えることを特徴とするピストンリング。
【請求項４】
請求項３に記載のピストンリングにおいて、
前記凹部は、前記当たり幅の径方向の最大径となる頂点を始点として前記下死点側に延設されることを特徴とするピストンリング。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のピストンリングにおいて、
前記凹部の終点は、前記ピストンリングの角部又は、面取り部に至らないことを特徴とするピストンリング。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のピストンリングにおいて、
前記凹部は、前記外周摺動面の摺動方向に沿って延びる溝形状であることを特徴とするピストンリング。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載のピストンリングにおいて、
前記凹部は、所定の径で形成されたディンプルであることを特徴とするピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関等のピストンに組み付けられるピストンリングに関し、特に、摺動摩擦、及びオイル消費量の低減を両立することができるピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に用いられるピストンリングは、例えばピストンに形成されたリング溝に組み付けられ、燃焼室の気密を確保する機能とシリンダ内壁に適切な油膜を形成して潤滑を確保する機能を有している。具体的には燃焼室の気密の確保には、ピストンの上方に組み付けられたコンプレッションリングがピストンとシリンダ内壁の間のすき間を無くし、燃焼室からクランクケース側へ圧縮ガスが抜けることを防いでいる。通常、コンプレッションリングはトップリングとセカンドリングの一組で構成されている。また、油膜の形成には、コンプレッションリングの下方に組み付けらえたオイルリングがシリンダ内壁に付着した潤滑油を掻き落とし、適度な油膜を形成してピストンの焼き付きを防止している。
【０００３】
近年、内燃機関の燃費改善技術の開発が進められており、その一環として内燃機関等に用いられる摺動部材の摩擦損失の低減が求められている。これに鑑み、耐摩耗性および耐スカッフ性に優れ、且つ摩擦力の低減効果を最大限に発揮することができる摺動部材の材料や表面処理・改質の技術の開発が進められている。
【０００４】
内燃機関の燃費改善には、摩擦損失の低減が有効であるが、特にピストンリングにおいては、往復運動を行うピストンリングの外周摺動面とシリンダライナ又はシリンダ内壁面との間における摩擦を低減させることが有効である。ピストンリングとシリンダ内壁面との摩擦力を低減させる手法としては、ピストンリングの張力を下げることが考えられるが、張力を下げるとシール性が低下し、潤滑油の消費量が増大してしまうという問題があった。
【０００５】
このような状況において、潤滑油の消費量を抑えつつ、摩擦力の低減を実現することができるピストンリングについて種々の検討がなされており、特許文献１には、外周摺動面に微小なディンプルを形成したピストンリングが提案されている。この構造によれば、ピストンリングの外周摺動面に形成されたディンプルの作用によって、ピストンリングの外周摺動面と、シリンダライナとの接触面積を減らし、摩擦力を低減させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−６０８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたピストンリングでは、形成されるディンプルが単純で無作為な凹凸である為、粗さとして機能してしまうことも考えられ、シール機能の低下等から、摩擦力及び潤滑油の消費量が共に悪化してしまう場合があった。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、摺動特性に優れ、摩擦係数を小さくして内燃機関の低摩擦化の要求に応えることができると共に、気密性を低下させることなく潤滑油の消費量を低減させることができるピストンリングを提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るピストンリングは、ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるいはシリンダの内壁面と摺動する内燃機関用ピストンリングであって、ピストンリングの外周摺動面の当たり幅のうち、該当たり幅のピストン軸方向の中央から前記ピストンの下死点側の範囲に形成される複数の凹部を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記凹部は、前記当たり幅の略半分の地点を超えない位置を始点として前記下死点側に延設されると好適である。
【００１１】
また、本発明に係る他のピストンリングは、ピストンのリング溝に装着され、シリンダライナあるいはシリンダの内壁面と摺動する内燃機関用ピストンリングであって、ピストンリングの外周摺動面の当たり幅のうち、径方向の最大径となる頂点から前記ピストンの下死点側の範囲に形成される複数の凹部を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記凹部は、前記当たり幅の径方向の最大径となる頂点を始点として前記下死点側に延設されると好適である。
【００１３】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記凹部の終点は、前記ピストンリングの角部又は、面取り部に至らないと好適である。
【００１４】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記凹部は、前記外周摺動面の摺動方向に沿って延びる溝形状であると好適である。
【００１５】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記凹部は、所定の径で形成されたディンプルであると好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るピストンリングは、ピストンリングの当たり幅のうち、当たり幅のピストン軸方向の中央からピストンリングの下死点側の範囲に複数の凹部が形成されるので、ピストンが上昇する（上死点側に移動する）際には、シリンダライナあるいはシリンダの内壁面に適切な油膜を形成し、ピストンが下降する（下死点側に移動する）際には、複数の凹部によってシリンダライナあるいはシリンダの内壁面に付着した潤滑油を掻き落とすことでより薄い油膜を形成することができる。ピストンが下降する行程は、吸気行程や燃焼・膨張行程であり、吸気行程や燃焼・膨張行程では、油膜が混合気に接触するので潤滑油の消費がなされるところ、当該行程で油膜を薄く形成することができるので、本発明に係るピストンリングは、摩擦力の低減を維持したまま潤滑油の消費量を低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るピストンリングの断面図。
【図２】本発明の実施形態に係るピストンリングを説明するための拡大図。
【図３】本発明の実施形態に係るピストンリングとシリンダライナとの状態を説明するための断面図であり、（ａ）は、ピストンの上昇行程を示す図であり、（ｂ）は、ピストンの下降行程を示す図。
【図４】本発明の実施形態に係るピストンリングを組み込んだ内燃機関に形成される油膜厚さを各行程ごとに示したグラフ。
【図５】本発明に係るピストンリングを３ピースのオイルリングに適用した状態を示す拡大図。
【図６】本発明に係るピストンリングを傾斜部を有する３ピースのオイルリングのサイドレールに適用した状態を示す拡大図。
【図７】本発明に係るピストンリングを２ピースのオイルリングに適用した状態を示す拡大図。
【図８】本発明に係るピストンリングをコンプレッションリングのセカンドリングに適用した状態を示す拡大図。
【図９】本発明に係るピストンリングをコンプレッションリングのトップリングに適用した状態を示す拡大図。
【図１０】本発明に係るピストンリングをコンプレッションリングに適用した場合の変形例を示す拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係るピストンリングの断面図であり、図２は、本発明の実施形態に係るピストンリングを説明するための拡大図であり、図３は、本発明の実施形態に係るピストンリングとシリンダライナとの状態を説明するための断面図であり、（ａ）は、ピストンの上昇行程を示す図であり、（ｂ）は、ピストンの下降行程を示す図であり、図４は、本発明の実施形態に係るピストンリングを組み込んだ内燃機関に形成される油膜厚さを各行程ごとに示したグラフであり、図５は、本発明に係るピストンリングを３ピースのオイルリングに適用した状態を示す拡大図であり、図６は、本発明に係るピストンリングを傾斜部を有する３ピースのオイルリングのサイドレールに適用した状態を示す拡大図であり、図７は、本発明に係るピストンリングを２ピースのオイルリングに適用した状態を示す拡大図であり、図８は、本発明に係るピストンリングをコンプレッションリングのセカンドリングに適用した状態を示す拡大図であり、図９は、本発明に係るピストンリングをコンプレッションリングのトップリングに適用した状態を示す拡大図であり、図１０は、本発明に係るピストンリングをコンプレッションリングに適用した場合の変形例を示す拡大図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係るピストンリング１０は、内燃機関のピストン２の外周面に形成されたリング溝３に組み付けられ、シリンダ１の内壁と摺接することで、シリンダ１の内壁に付着した余分なエンジンオイルを掻き落としてシリンダ１の内壁に適切な油膜を形成する部材である。
【００２１】
ピストンリング１０は、上下一対のサイドレール１１，１１と、この上下一対のサイドレール１１，１１の間に配置されるスペーサエキスパンダ１２とから構成されている。これらサイドレール１１，１１及びスペーサエキスパンダ１２は鋼等からなっておりサイドレール１１は、合口を備えた平板の環状リングとして構成され、外表面のシリンダライナとの摺動面に表面処理層が形成されている。
【００２２】
スペーサエキスパンダ１２は、鋼材を塑性加工して形成されており、ピストン軸方向に沿って凹凸形状（波形形状）となると共に、周方向に略円形状に構成されている。このピストン軸方向の凹凸形状によって、ピストン軸方向の端部に上片１３及び下片１４が形成されている。
【００２３】
また、図１に示すように、スペーサエキスパンダ１２の上片１３及び下片１４の内周側端部には、サイドレール１１，１１を外周側に押圧する耳部１６がアーチ状に立設して形成されている。
【００２４】
なお、スペーサエキスパンダ１２は、ピストン２のリング溝３に組み付けられた状態で合口が突き合わされて周方向に縮められた状態で組み付けられている。したがって、スペーサエキスパンダ１２の張力によって径方向外方へ拡張力を生じるように組み付けられているので、上下のサイドレール１１，１１を上片１３及び下片１４で軸方向に沿って上下に保持すると共に、耳部１６がサイドレール１１の内周面をそれぞれ押圧することによって、上下のサイドレール１１，１１の外周面をシリンダ１の内壁面に密着させている。
【００２５】
次に、図２に示すように、外周摺動面１５は、頂点Ｔを中心に上死点側及び下死点側に概略対称形状を成している。また、本実施形態に係るピストンリング１０は、このサイドレール１１に形成された外周摺動面１５の当たり幅Ｂのうち、当たり幅Ｂのピストン軸方向の中央である頂点Ｔからピストンの下死点側の範囲に複数の凹部２０が形成されている。
【００２６】
凹部２０は、ピストン軸方向に沿って形成された溝形状であると好適であり、上死点側の始点は、当たり幅Ｂの略半分の位置である頂点Ｔを超えず、頂点Ｔよりも下死点側を始点とし、終点はピストンリングの角部１７に至らないように形成されている。
【００２７】
このように形成されたサイドレール１１は、図３に示すように、ピストンに組み付けられることで、シリンダ１の内壁面と摺動してシリンダ１の内壁面に付着した潤滑油を掻き落としてシリンダ１の内壁面に油膜Ｌを形成する。
【００２８】
ここで、本実施形態に係るピストンリング１０は、図３（ａ）に示すように、ピストンが上死点側に移動する際（上昇行程）には、外周摺動面１５の凹部２０が形成されていない側の面によって油膜Ｌを掻き落とすため、従来と同様の油膜厚さを持った油膜Ｌを形成することができる。
【００２９】
また、本実施形態に係るピストンリング１０は、図３（ｂ）に示すように、ピストンが下死点側に移動する際（下降行程）には、外周摺動面１５の複数の凹部２０が形成された側の面によって油膜Ｌを掻き落とすので、上死点側に移動する際と比べて、凹部２０によってより多くの潤滑油が掻き落とされ、形成される油膜Ｌの厚さが薄くなる。
【００３０】
このように、本実施形態に係るピストンリング１０は、ピストン２の上死点側への移動と下死点側への移動の場合で形成される油膜厚さを変更することができる。ここで、ピストンが上死点側に移動する場合とは、４ストローク型の内燃機関では圧縮行程と排気行程に該当し、下死点側に移動する場合とは、４ストローク型の内燃機関では、吸気行程と燃焼・膨張行程に該当するので、図４に示すように吸気行程や燃焼・膨張行程では、油膜厚さが薄く、圧縮行程や排気行程では、油膜厚さを厚く形成することが可能となる。
【００３１】
したがって、圧縮行程や排気行程といった混合気と潤滑油が接触する可能性が低い行程では、潤滑油の油膜Ｌを従来と同様の油膜厚さとすることで、摩擦損失の低減を図り、吸気行程や燃焼・膨張行程では、油膜Ｌが混合気に接触するので潤滑油の消費がなされるところ、当該行程で油膜を薄く形成することができるので、本実施形態に係るピストンリング１０は、摩擦力の低減を維持したまま潤滑油の消費量を低減させることが可能となる。
【００３２】
なお、ピストンリング１０の外周摺動面１５に凹部２０を形成する方法としては、例えばレーザー照射によって所定の間隔で凹部２０を外周摺動面１５に形成するなど、周知の凹部形成手法を用いることができる。また、凹部２０の形状は、溝形状に限られず、例えば複数の微小な凹部を形成したディンプル形状としても構わない。
【００３３】
なお、上述した３ピースのピストンリング１０は、図５に示すように、図示しないスペーサエキスパンダと一対のサイドレール１１を備えているが、凹部２０は一対のサイドレール１１，１１の両方の外周摺動面１５の下死点側に形成されると好適である。
【００３４】
また、本発明は、上述した外周摺動面１５が円弧上に形成された所謂バレル状のサイドレール１１に限らず、例えば、図６に示すようにテーパ面１８を有するテーパサイドレール１１ａの外周摺動面１５ａの下死点側に凹部２０ａを形成しても構わない。
【００３５】
また、３ピースのピストンリングに限らず、例えば、図７に示すように２ピースのピストンリング１０´に適用しても構わない。この場合、ピストンリング１０´は、径方向に沿ってドレインホール２１が形成されたオイルリング本体１１´と、コイルエキスパンダ１２´とから構成され、オイルリング本体１１´に形成された摺動部突起の先端の外周摺動面１５´には、球状の凹部２０ｂが複数形成されていると好適である。なお、２ピースのピストンリング１０´のオイルリング本体１１´は、先端に摺動部突起が形成された２つのレールを柱部で連結した断面略Ｉ字状に形成されており、コイルエキスパンダ１２´は、オイルリング本体１１´の柱部内周面に形成された内周溝に配置されており、オイルリング本体１１´をその径方向外方に押圧付勢する。
【００３６】
また、本実施形態に係るピストンリングは、上述したように３ピースや２ピースのオイルリングに適用される場合に限られず、例えば、図８に示すようにコンプレッションリングのセカンドリング３０の外周摺動面１５´に凹部２０ｃを形成しても構わないし、図９に示すようにコンプレッションリングのトップリング４０の外周摺動面に凹部２０ｄを形成しても構わない。なお、セカンドリング３０に形成する凹部２０ｃは、球状の凹部に形成すると好適であり、トップリング４０に形成する凹部２０ｄは、微小なディンプル形状とすると好適である。さらには、図１０に示すように、外周摺動面の頂点Ｔが下死点側に偏心したバレル形状に適用しても構わない。なお、図９や図１０に示したコンプレッションリングは、下死点側の角部に周方向に沿って面取り部１９が形成されており、凹部２０ｄは、当該面取り部１９には形成されないように構成すると好適である。
【００３７】
なお、ピストンリングは、円環状に形成されて、合口を有しているが、上述した凹部２０〜２０ｄは、ブローバイガスの抜けを防止する観点から合口近傍には形成されないことが好ましい。
【００３８】
さらに、本実施形態に係るピストンリングは、上述したように外周摺動面がシリンダの内壁面に摺動することで適切な当たり幅が形成される必要があるため、初期なじみ性を向上させるために、ピストンリングの製造時に外周摺動面にディンプル加工を施し、摩耗を促進させることで初期なじみ性を向上させても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００３９】
１  シリンダ，    ２  ピストン，    ３  リング溝，    １０，１０´  ピストンリング，    １１  サイドレール，    １１ａ  テーパサイドレール，    １１´  オイルリング本体，    １２  スペーサエキスパンダ，    １２´  コイルエキスパンダ，    １３  上片，    １４  下片，    １５，１５ａ，１５´  外周摺動面，    １６  耳部，    １７  角部，    １８  テーパ面，    １９  面取り部，    ２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ  凹部，    ２１  ドレインホール，    ３０  セカンドリング，    ４０  トップリング，    Ｂ  当たり幅，    Ｔ  頂点，    Ｌ  油膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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