(57)【要約】【課題】高Ｐｍａｘディーゼルエンジンの実働時に、合口部の面圧上昇を抑えることができ、ピストンリングの上面及び下面の摩耗やピストンのリング溝の摩耗の可能性が極めて低く、加工性のよいピストンリングの提供。【解決手段】ピストンリング１は略円形状をなしており、外周摺動面１１と内周面１２と上面１３と下面１４と、合口部１５とを備える。内周面１２上であって上面１３と下面１４との間の略中央の位置には、溝１２ａが形成されている。溝１２ａは、外周摺動面１１の中心軸を中心として合口部１５から中心角±２０°までの範囲にわたり形成されている。溝１２ａの底部１２ｂは、合口部１５の端面１５Ａから遠ざかるにつれて徐々に浅くなっている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該外周摺動面及び該内周面に交わる上面及び下面と、該略円形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備えるピストンリングにおいて、
該内周面上であって該上面と該下面との間の略中央の位置には、該略円形状の周方向に延びる溝が該外周摺動面の中心軸を中心として該合口部から中心角±２０°までの範囲にわたり形成されていることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
該溝の底部は、該合口部の端面から遠ざかるにつれて徐々に浅くなることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピストンリングに関し、特に、熱負荷の高い吸気冷却器付き高過給ディーゼルエンジンに用いられる圧力リングをなすピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆる高Ｐｍａｘディーゼルエンジン、即ち、熱負荷の高い吸気冷却器付き高過給ディーゼルエンジンの圧力リングは、合口部のブローバイガスの吹抜けにより、当該合口部が極端に加熱され温度上昇する。このことにより、合口部はシリンダボアに強く押しつけられ、合口部の面圧が上昇し、合口部における耐摩耗性表面処理被膜のクラックや剥離が生ずる。このため、合口部の面圧上昇を抑えるための工夫が従来よりなされている。
【０００３】
特開２００１−２７１９２８号公報には、合口部の面圧を抑えるピストンリングとして、いわゆるローポイントリングが記載されている。ローポイントリングは、略円形状をなしており、シリンダに対して摺動する外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、外周摺動面及び内周面に交わる上面及び下面と、略円形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備える。内周面上であって合口部、又は合口部近傍の位置には、切欠部が形成されている。切欠部は、上面から下面に至るまで内周面を切欠いた形状をなし、ピストンリングの周方向に延びる。このような構成とすることにより、エンジンが動作していない静的な状態における合口部の面圧を低く設定し、エンジンの実働時においても合口部の面圧上昇を抑制する。
【０００４】
特開２０００−１２０８６６号公報には、合口部の面圧を抑えるピストンリングとして、いわゆる合口内周カットリングが記載されている。図１１に示されるように、合口内周カットリング１０１は、切削又は研削加工によりその内周面１１２に切欠部１１２ａが形成されて、合口部１１５のａ１寸法、即ち、合口内周カットリング１０１の内周面１１２と外周摺動面１１１との間の距離が小さくなるように構成されている。切欠部１１２ａは、ローポイントリングと同様に、上面１１３から図示せぬ下面に至るまで内周面１１２を切欠いた形状をなし、合口内周カットリング１０１の周方向に延びる。この構成により、ピストンリングたる合口内周カットリング１０１のリングカーブを変化させ、合口部１１５の曲げ剛性を低下させて、エンジンの実働時における合口部１１５の面圧上昇を抑制する。
【０００５】
特開２００２−１１５７５９号公報には、合口部の面圧を抑えるピストンリングとして、いわゆる寸法縮小リングが記載されている。寸法縮小リングでは、従来ピストンリングのａ１寸法と比較して、ピストンリングの全周にわたりａ１寸法が飛躍的に小さくなっている。この構成により、エンジン実働時におけるピストンリング内外周の温度差を低減させることができる。また、リング曲げ剛性を低下させることができるため、シリンダライナから外周摺動面への筒内圧作用時に、ピストンリングのシリンダライナへの追従性を向上させることができる。この結果、エンジンの実働時における合口部の面圧上昇を抑制する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２７１９２８号公報（３〜５頁、図１〜図４）
【特許文献２】
特開２０００−１２０８６６号公報（３〜４頁、図１、図２）
【特許文献３】
特開２００２−１１５７５９号公報（２〜５頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のローポイントリングは、常温時の静的な状態のときには、上述のように、合口部の面圧が通常のピストンリングと比較して低いため，研削治具をローポイントリングの周方向に均一に接触させてリングの最終的な摺動面形状を作込むバレル加工を行う際に、リングの持つ自己張力により、面圧が低下している合口近傍と研削治具との密着度が低下する。このため、合口部を設計値通りの形状に加工することに手間がかかり、更なる加工性の向上が要求されていた。
【０００８】
また、従来の合口内周カットリング１０１では、切削加工による取り代が大きい。また、全面窒化処理を施している場合には、硬度が高いために切削加工に手間がかかり、更なる加工性の向上が要求されていた。また、合口部１１５におけるａ１寸法が小さくなっているため、合口内周カットリング１０１の図示せぬ下面がリング溝に当接するインナーシールのときには、燃料の燃焼時に合口内周カットリング１０１の合口部１１５の当該下面側に密着不良が生じる可能性があり、ガスシール機能が低下する可能性がある。
【０００９】
また、従来の寸法縮小リングでは、ピストンリングの全周にわたりａ１寸法が小さくなっていることにより、ピストンのリング溝との接触面積が減少するため、伝熱作用の低下やリングの軸方向の挙動の不安定化を生ずる可能性があり、これらにより生ずる可能性のあるピストンのリング溝摩耗やリング上面及び下面の摩耗を抑える対策を検討する必要があった。
【００１０】
そこで本発明は、高Ｐｍａｘディーゼルエンジンの実働時に、合口部の面圧上昇を抑えることができ、ピストンリングの上面及び下面の摩耗やピストンのリング溝の摩耗の可能性が極めて低く、加工性のよいピストンリングを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、略円形状をなし、シリンダに対して摺動する外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該外周摺動面及び該内周面に交わる上面及び下面と、該略円形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備えるピストンリングにおいて、該内周面上であって該上面と該下面との間の略中央の位置には、該略円形状の周方向に延びる溝が該外周摺動面の中心軸を中心として該合口部から中心角±２０°までの範囲にわたり形成されているピストンリングを提供している。
【００１２】
ここで、該溝の底部は、該合口部端面から遠ざかるにつれて徐々に浅くなることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態によるピストンリングについて図１乃至図３に基づき説明する。図１に示されるように、ピストンリング１は略円形状をなしており、図示せぬシリンダに対して摺動する外周摺動面１１と、図示せぬピストンに対向する内周面１２と、外周摺動面１１及び内周面１２に交わる上面１３及び下面１４（図２）と、略円形状を半径方向に分断する１つの合口部１５とを備える。
【００１４】
内周面１２には溝１２ａが形成されている。溝１２ａは、ピストンリング１の周方向に延びて形成されており、より具体的には図１に示されるように、略円形状をなす外周摺動面１１の中心軸１ａを中心として、合口部１５から中心角±２０°までの範囲にわたり形成されている。中心角±２０°としたのは、この範囲よりも狭いと実働時の面圧上昇抑制効果が得られず、また、この範囲よりも広いと、中心角＋２０°以上の位置又は中心角−２０°以下の位置に当たり抜けが発生するからである。ピストンリング１の半径方向における溝１２ａの最も奥の部分、即ち、溝１２ａの底部１２ｂ（図２）は、合口部端面１５Ａから遠ざかるにつれて徐々に浅くなっている。
【００１５】
図２に示されるように、溝１２ａは、内周面１２上であって上面１３と下面１４との間の略中央の位置に形成されている。合口部１５における溝１２ａの断面形状は、内周面１２から外周摺動面１１へ向かった所定位置までは、上面１３と下面１４とを結ぶ方向における幅が一定であり、当該所定位置よりも外周摺動面１１寄りの位置は、比較的大きな曲率半径の円弧をなしており、更に底部１２ｂの部分は、比較的小さな曲率半径の略半円形状の円弧をなす。内周面１２上であって上面１３と下面１４との間の略中央の位置に溝１２ａが形成されているのは、ピストンリング１を強度的に安定させるためである。また、溝１２ａを形成するための加工がしやすいからである。
【００１６】
合口部１５における溝１２ａの、ピストンリング１の半径方向における深さＸ（図２）と、内周面１２と外周摺動面１１との間の距離であるａ１寸法との関係は、Ｘ＝３／１０ａ１〜７／１０ａ１である。３／１０ａ１以上としたのは、これよりも小さいと、実働時の温度上昇による合口部の面圧上昇を抑制する効果が得られないためである。また、７／１０ａ１以下としたのは、強度の低下を抑え、実働時の折損を防止するためである。また、上面１３と下面１４とを結ぶ方向における溝１２ａの幅Ｙと、上面１３と下面１４との間の距離であるｈ１寸法との関係は、Ｙ＝２／１０ｈ１〜５／１０ｈ１である。２／１０ｈ１以上としたのは、これよりも小さいと、実働時の温度上昇による合口部の面圧上昇を抑制する効果が得られないためである。また、５／１０ｈ１以下としたのは、強度の低下を抑え、実働時の折損を防止するためである。また、溝１２ａの底部１２ｂの部分の略半円形状の円弧の半径Ｒとｈ１寸法との関係は、Ｒ＝１／２０ｈ１〜７／２０ｈ１である。この範囲内とすることが、研削部材２の加工性や強度の点から望ましいためである。
【００１７】
通常のピストンリングの内外周に実機と同様の温度差を与えると、合口端部から周方向に少し離れた位置、より具体的には、略円形状をなす外周摺動面の中心軸を中心として、合口部から中心角約±１０゜〜３０゜の位置においては、シリンダボアと非接触になることが、実際に行われた実験により確認されている。このため、本来シリンダボアとリング摺動面との間に発生するはずの面圧が合口端部に集中して作用してしまい、実働時にはリングの合口端部摺動面に局部的な高面圧が発生する。
【００１８】
本発明者は上述の点に着目し、ピストンリング１の合口部１５から周方向に延びる溝１２ａを、ピストンリング１の内周面１２に形成することにより、ピストンリング１のリングカーブを変化させ、また、合口部１５及び合口部１５近傍の曲げ剛性を低下させた。このため、実働時の合口部１５における面圧上昇を抑制することができ，耐摩耗性表面処理皮膜のクラックや剥離を抑制することができる。ピストンリング１の機能面に関しては、従来の合口内周カットリングのように合口部１５におけるａ１寸法が小さくなっていないため、ガスシール機能の低下を防止することができる。
【００１９】
ピストンリング１の製造に際しては、図３に示されるように、先ず溝１２ａが形成されていないピストンリング材１′の内側に、砥石により構成される薄型の円盤形状をした研削部材２を略同軸的に配置させる。次に、研削部材２をその軸心を中心に回転させ、徐々に図３の矢印で示されるピストンリング材１′の合口部１５′の方向へ移動させてゆき、ピストンリング材１′の内周面１２′に当接させて内周面１２′を研削し、溝１２ａを形成する。
【００２０】
このようにして溝１２ａが形成されるため、溝１２ａの形状は、研削部材２の周縁部２Ａの形状によって決定される。即ち、研削部材２の周縁部２Ａの形状と溝１２ａの形状とは一致する。より具体的には、円盤形状をした研削部材２は、その表面と裏面とが周縁部２Ａに至るまで平行であり、周縁部２Ａにおいては、表面と裏面とをなめらかに接続する略半円形状の円弧をなす。
【００２１】
また、研削部材２は、図３に示されるように、ピストンリング材１′の内周面１２が合口部１５の位置でもっとも深く研削されており、合口部１５から離れるに従って研削量は減少する。このため前述のように、溝１２ａの底部１２ｂは、合口部端面１５Ａから遠ざかるにつれて徐々に浅くなる。
【００２２】
薄型の円盤形状をした研削部材２を用いてピストンリング材１′の内周面１２′の一部を研削して、切欠部ではなく溝１２ａを形成するようにしたため、ピストンリング材１′が全面窒化等されて高硬度になっている場合であっても、従来の合口内周カットリングの内周に切欠部を形成する加工と比較して、切削加工時間を飛躍的に短くすることができる。また、研削部材２の寿命を長くすることができる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施の形態によるピストンリング３について図４に基づき説明する。第２の実施の形態によるピストンリング３は、溝３２ａの形状が第１の実施の形態によるピストンリング１の溝１２ａの形状とは異なり、図４に示される合口部軸方向断面視では矩形形状をなす。これ以外については、第１の実施の形態によるピストンリング１と同様である。図４に示されるように、ピストンリング３の半径方向における溝３２ａの断面形状は、合口部３５において長方形をなす。従って、溝３２ａを研削加工するための図示せぬ研削部材の周縁部は、研削部材の上面と下面と、上面及び下面と垂直に交わる周面とにより構成される。
【００２４】
次に、本発明の第３の実施の形態によるピストンリング４について図５に基づき説明する。第３の実施の形態によるピストンリング４は、溝４２ａの形状が第１、第２の実施の形態によるピストンリング１、３の溝１２ａ、３２ａの形状とは異なり、図５に示される合口部軸方向断面視では台形形状をなす。これ以外については、第１、第２の実施の形態によるピストンリング１、３と同様である。
【００２５】
図５に示されるように、ピストンリング４の半径方向における溝４２ａの断面形状は、合口部４５において台形をなす。溝４２ａは、内周面４２から外周摺動面４１へと近づくにつれて、上面４３と下面４４とを結ぶ方向における幅が短くなっている。従って、溝４２ａを研削加工するための図示せぬ研削部材は、研削部材の上面と下面との距離がその周縁部に近づくにつれて短くなっており、研削部材の周縁部は、上面、下面とそれぞれ所定の角度で交わる周面を有する。
【００２６】
次に、ピストンリングについて単体試験を行った。単体試験では、本発明の第１の形態によるピストンリング１（本発明材）と、内周面には溝や切欠部が形成されていない標準の当面圧のピストンリング（比較材）とについて、常温時、温間時における面圧分布を測定した。ここで、常温時とは、ピストンリング１、シリンダライナ共に２０℃であることを意味する。また、温間時とは、ピストンが２５０℃、シリンダライナが１２０℃であることを意味する。試験は、図６に示される面圧分布測定装置５を用いて行った。なお、測定に際しては、各リングの軸方向厚さや外周面形状、ａ１寸法が同一のものを用いた。
【００２７】
図６は、面圧分布測定装置５の左半分を示しており、シリンダ５２、５３は、シリンダホルダ５１に支持され、シリンダ５３の外周面の一部に凹部５３ａが形成されて最薄部となる。テストピースであるピストンリングを、ピストン５５のリング溝５５ａに装着し、ピストンリングの外周面をシリンダ５３の内周面に当接させる。すると、シリンダ５３の最薄部にはピストンリングからの面圧が作用し、歪みが生じることとなる。よって、凹部５３ａの底部に歪みゲージ５４を貼りつけ、歪みゲージ５４をストレインアンプ５７に接続し、ペンレコーダ５８に歪みの値を記録することによって、歪み値を面圧として測定した。また、ピストンリング溝５５ａ付近と、ピストンリングに対向する位置にあるシリンダ５３の内周面付近に、Ｊ型熱電対５９を備え、高速打点計６０に接続することで、温度を計測した。更に、ピストンリングを保持するピストン５５の上側に、ヒーター５６を取付けて、ピストンリングを加熱する一方で、シリンダ５３の外周側には冷却水を接触させてシリンダ５３の冷却を行い、ピストン５５からシリンダ５３まで実機運転時に近い温度勾配を分布させた。
【００２８】
試験結果を示す図７、図８では、縦軸が面圧、横軸が合口部からの周方向角度を示す。また、黒い四角は常温時、白い四角は温間時の実験結果を示す。図７が比較材についての試験結果であり、図８が本発明材についての試験結果である。
【００２９】
比較材の等面圧のピストンリングでは、図７に白い四角で示すように熱負荷の作用が働くと、合口端部付近の面圧が極端に上昇した。そして、合口端部付近においてピストンリングがシリンダに強く押しつけられるのに伴い、±５°乃至２０°の範囲において、面圧が極端に低い当たり抜けが生じた。
【００３０】
これに対して本発明材であるピストンリング１では、図８から明らかなように、黒い四角で示す常温時の外周面１１のシリンダ５３に対する面圧の分布は、合口部１５からその近傍に亘ってゼロであり、合口部１５の端面１５Ａを始点として中心角±１０°の範囲にわたり、面圧の極端に低い当たり抜けが生じている。また、中心角が大きくなる方向へ向かって、ゼロから急激に上昇した後に略一定値となり、面圧が略一定値となり始める位置は、合口部１５の端面１５Ａを始点として中心角が略±４０°の位置である。また、合口部１５の端面１５Ａを始点として中心角±１０°の位置における面圧の変化率は不連続となっている。
【００３１】
しかし、実働時とほぼ同様の熱負荷を与えた温間時には、白い四角で示されるように面圧は、ピストンリング１の何れの位置においてもほぼ一定の値になっており、比較材と比して、合口部１５の急激な面圧上昇が見られない。これに伴い、合口部１５の周辺における当たり抜けが生じなくなっている。なお、この実験結果より、実働時の合口部１５におけるブローバイガスの吹き抜けによる加熱を考慮しても、合口部１５における面圧の極端な上昇は見られないことがわかる。
【００３２】
本発明によるピストンリングは上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えばピストンリングは、図９に示されるように、フルキーストン形状であってもよく、また、図１０に示されるように、ハーフキーストン形状であってもよい。この場合に摺動面形状は、対称バレル形状であってもよく、偏心バレル形状であってもよく、また、テーパー形状であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１記載のピストンリングによれば、内周面上であって上面と下面との間の略中央の位置には、略円形状の周方向に延びる溝が外周摺動面の中心軸を中心として合口部から中心角±２０°までの範囲にわたり形成されているため、実働時に合口部において局部的に面圧が高くなることを防止することができる。このため、合口部における耐摩耗性表面処理皮膜のクラックや剥離を抑制することができる。
【００３４】
また、内周面に形成されるのが溝であるため、合口内周カットリングのように上面から下面に至るまで研削加工をして切欠部を形成する必要がないため，全面窒化処理を施した硬度の高いピストンリング材の場合であっても，溝を形成する加工を行うための時間は極めて短くて済み，また、溝を形成するための研削部材の寿命も長くすることができる。
【００３５】
請求項２記載のピストンリングによれば、溝の底部は、合口部端面から遠ざかるにつれて徐々に浅くなるため、薄型の円盤形状をした研削部材を回転させて、ピストンリング材の内周面に当接させることにより溝を内周面に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるピストンリングを示す平面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態によるピストンリングの合口部を示す要部斜視図。
【図３】本発明の第１の実施の形態によるピストンリングの製造方法を示す平面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるピストンリングの合口部を示す要部斜視図。
【図５】本発明の第３の実施の形態によるピストンリングの合口部を示す要部斜視図。
【図６】本発明の第１の実施の形態によるピストンリングの効果を確認する試験を行った面圧分布測定装置の左側半分を示す断面図。
【図７】比較材について行った単体試験の結果を示すグラフ。
【図８】本発明材について行った単体試験の結果を示すグラフ。
【図９】本発明の実施の形態の変形例によるフルキーストン形状のピストンリングの合口部を示す要部斜視図であり、（ａ）は溝の底部が円弧状のものであり、（ｂ）は溝の断面形状が長方形のものであり、（ｃ）は溝の断面形状が台形のものである。
【図１０】本発明の実施の形態の変形例によるハーフキーストン形状のピストンリングの合口部を示す要部斜視図であり、（ａ）は溝の底部が円弧状のものであり、（ｂ）は溝の断面形状が長方形のものであり、（ｃ）は溝の断面形状が台形のものである。
【図１１】従来のピストンリングの合口部近傍を示す平面図。
【符号の説明】
１        ピストンリング
１ａ      中心軸
１１      外周摺動面
１２      内周面
１２ａ    溝
１２ｂ    底部
１３      上面
１４      下面
１５      合口部
【図１】
2004278378.tif 000003
【図２】
2004278378.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004278378.tif 000008
【図７】
2004278378.tif 000009
【図８】
2004278378.tif 000010
【図９】
2004278378.tif 000011
【図１０】
2004278378.tif 000012
【図１１】
2004278378.tif 000013