(57)【要約】【課題】摩擦係数が小さく、かつ、十分なガスシール性を有するシール部材を提供するものである。【解決手段】本発明に係るシール部材１０は、弾性材で構成される環状体１２内に金属製環状体１１を一体的に内包させたものである。金属製環状体１１は、所定ピッチで折り返された断面矩形状又は円形状の蛇腹状環部材や、コイル状環部材で構成されるものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性材で構成される環状体内に金属製環状体を一体的に内包させたことを特徴とするシール部材。
【請求項２】
上記金属製環状体は、所定ピッチで折り返された断面矩形状又は円形状の蛇腹状環部材である請求項１記載のシール部材。
【請求項３】
上記金属製環状体は、コイル状環部材である請求項１記載のシール部材。
【請求項４】
上記金属製環状体が、鋳鉄材で構成される請求項１から３いずれかに記載のシール部材。
【請求項５】
上記弾性材が、フッ素系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、又はポリベンズイミダゾール樹脂の単体、或いはそれらの樹脂の複合体である請求項１から４いずれかに記載のシール部材。
【請求項６】
上記弾性材が、シラン系材料を原料とした有機結合及び無機結合の両結合を有する材料である請求項１から４いずれかに記載のシール部材。
【請求項７】
請求項１から６いずれかに記載のシール部材を、ピストン外周面に形成したリング溝に装着してなることを特徴とするピストン部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シール部材に係り、特に、内燃機関のピストンとシリンダボア内壁との間をシールするためのピストンリングに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の内燃機関におけるシリンダ内を往復動するピストンにおいては、エンジンオイルのシリンダ内への混入防止や、燃焼室の気密性確保等のために、ピストン外周面に形成されるリング溝にピストンリングが装着（嵌着）される。
【０００３】
一般的に、内燃機関のピストンに用いられるピストンリングは、シリンダボア内壁と摺動するため、高い耐摩耗性が必要とされ、金属製（例えば、鋳鉄製）のものが用いられることが多い。上死点直後の膨張行程においては、燃焼室内のガス圧が高くなるが、この時、ピストンリングとシリンダボア内壁との間で高圧のガスのシールを行うべく、鋳鉄リングの自己張力と、上死点近傍でのガス圧による背面圧力との複合力を利用したセルフシール機構を採用している。
【０００４】
金属製ピストンリングの金属材自体は伸張しないことから、ピストンリングをピストンのリング溝に装着可能とするために、ピストンリングに合口部を設けている。しかし、この合口部を介して、燃焼室内の燃焼ガスの一部が漏れたりし易いことから、ピストンリングのシール性の低下を招いていた。シール性を高めるために金属製ピストンリングの自己張力を高くすると、ピストンリングとシリンダボア内壁との摩擦係数が大きくなってしまい、燃費の低下につながるという問題があった。
【０００５】
そこで、金属製ピストンリング以外の、シール性の向上を図ったピストンリングとして、以下に示すものが挙げられる。
【０００６】
▲１▼  リング全体を伸張可能な樹脂で構成することで、合口部を設けることなくリング溝に装着可能としたピストンリング（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
▲２▼  図５に示すように、自己張力を有するエキスパンダリング５２を耐熱性のゴムで構成される弾性体５３に内包させたリング体５１をリング溝５５に装着させ、このリング体５１で、同じくリング溝５５に装着された自己張力の非常に小さい合成樹脂リング（例えば、四フッ化エチレン）５４を、径方向外側に押圧するようにしたピストンリング５０（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−３１２７８１号公報
【特許文献２】
特開平８−２２６５４２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、▲１▼のピストンリングは、樹脂の弾性変形を利用することでシール性を得ているが、このピストンリングに張力を与えることは困難であることから、全体としてのガスシール性はあまり十分でないという問題があった。
【００１０】
また、▲２▼の図５に示したピストンリング５０の、シリンダボア内壁５６と直接接触する部分は、合成樹脂リング５４である。合成樹脂リング５４は樹脂単体で構成されるものであるため剛性が低く、ピストンの膨張行程などにおいて大きく変形する（傾く）。その結果、合成樹脂リング５４の内周面における上部５４ａとシリンダボア内壁５６との離間距離と、合成樹脂リング５４の内周面における下部５４ｂとシリンダボア内壁５６との離間距離との差が大きくなるので、リング体５１によるリング５４の押し付け力の管理、つまりエキスパンダリング５２の張力の調整が困難であった。よって、燃焼ガスＧのガス圧が最大となる上死点近傍においては、十分なガスシール性を得ることができないという問題があった。
【００１１】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、摩擦係数が小さく、かつ、十分なガスシール性を有するシール部材を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係るシール部材は、弾性材で構成される環状体内に金属製環状体を一体的に内包させたものである。また、金属製環状体は、所定ピッチで折り返された断面矩形状又は円形状の蛇腹状環部材や、コイル状環部材である。
【００１３】
以上の構成によれば、金属製環状体の自己張力に伴う拡径方向の付勢力によるシール効果と、環状体の弾性変形によるシール効果との相乗効果により、十分なガスシール性を得ることができる。また、２つのシール効果を利用してガスシールを行うため、従来の鋳鉄製ピストンリングと比較して、金属製環状体の自己張力を小さくすることができ、シール部材の摩擦係数は小さくなる。
【００１４】
本発明に係るピストン部材は、本発明に係るシール部材を、ピストン外周面に形成したリング溝に装着してなるものである。
【００１５】
以上の構成によれば、ピストン部材のシール部材は、摩擦係数が小さく、かつ、十分なガスシール性を有していることから、このピストン部材を組み込んだエンジンは摩擦損失が小さく、燃費が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
本発明の好適な一実施形態に係るシール部材の部分破断平面図を図１（ａ）に、図１（ａ）の１ｂ−１ｂ線断面図を図１（ｂ）に示す。
【００１８】
本実施の形態に係るシール部材は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、鋳鉄等で構成される自己張力を与えるための金属製環状体１１を、耐熱性を有する弾性材で構成される環状体１２の内部に内包（埋設）し、かつ、金属製環状体１１と環状体１２とを一体化してなるものである。
【００１９】
金属製環状体１１は、所定ピッチで折り返された折り返し部１３を有する断面矩形状（図１（ｂ）参照）の条部材を環状に形成してなる蛇腹状環部材である。折り返し部１３の折り返し形状は、図１（ａ）に示したコ字状、三角形状、半円状などが挙げられる。ここで、金属製環状体１１は、蛇腹状環部材に限定するものではなく、シール部材１０を拡径方向に引っ張った時（又は縮径方向に押さえた時）に、環状体１２の拡径（又は縮径）を許容するように伸張（又は収縮）可能な形状を呈しているものであればよく、例えば、コイル状環部材などが挙げられる。また、条部材の断面形状は円形状（例えば、真円、楕円）であってもよいが、矩形状の方が好ましい。
【００２０】
金属製環状体１１の構成材としては、鋳鉄、鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。金属製環状体１１は、鋳造によって、又は所定ピッチで折り返された条部材を鍛造（プレス加工）によって形成し、その条部材を環状に形成することで、得られる。
【００２１】
環状体１２を構成する耐熱性を有する弾性材は、フッ素系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、又はポリベンズイミダゾール樹脂の単体、或いはそれらの樹脂の複合体である。また、弾性材は、シラン系材料を原料とした有機結合及び無機結合の両結合を有する材料であってもよい。さらに、弾性材は、樹脂に限定するものではなく、２００℃以上で使用できる耐熱性と弾性とを有していれば、金属、その他の物質であってもよい。
【００２２】
環状体１２に親油性を賦与すると共に環状体１２の耐摩耗性の向上を図るべく、弾性材に、セラミック微粒子を分散させてもよい。弾性材に対するセラミック微粒子の分散量は、１〜２０体積％、好ましくは３〜１０体積％、特に好ましくは４〜６体積％である。セラミック微粒子としては、酸化鉄微粒子、酸化モリブデン微粒子、又は硫化モリブデン微粒子の単体、或いはそれらの混合物が挙げられる。
【００２３】
次に、本実施の形態に係るシール部材１０の作用を、添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
本実施の形態に係るシール部材１０で、ピストンリングを形成した場合、ピストン２１のリング溝２２に、このピストンリング１０が装着される。ピストンリング１０の内径はピストン２１の外径よりも小さく形成されていることから、図２（ａ）に示すように、ピストンリング１０の内周面１５の位置とピストン２１の周面２１ａの位置とは、Δｄの差分がある。
【００２５】
そこで先ず、ピストンリング１０をリング溝２２に装着するには、ピストンリング１０の内径がピストン２１の外径よりも大きくなるように、つまり変形量が差分Δｄの２倍を上回る程度に、ピストンリング１０を拡径方向に引っ張る必要がある。ここで、金属製環状体１１は、蛇腹状に形成され、環状体１２と一体に設けられたものであることから、環状体１２の拡径に追随して拡径し、ピストンリング１０を容易に拡径させることができる。この状態で、ピストンリング１０をリング溝２２の部分に位置させ、その後、引っ張りを解除することで、ピストンリング１０は弾性により縮径し、通常の状態に戻る（図２（ａ）の状態）。これによって、リング溝２２にピストンリング１０が装着されたピストン部材２０が得られる。
【００２６】
このピストン部材２０を、シリンダボア２３に組み込む。ピストンリング１０の外径はシリンダボア２３の内径よりも大きく形成されていることから、ピストン部材２０をシリンダボア２３に組み込む際は、治具（図示せず）などを用いて、ピストンリング１０の外径がシリンダボア２３の内径よりも小さくなるように、ピストンリング１０を縮径方向に押さえ込む必要がある。ここで、金属製環状体１１は、蛇腹状に形成され、環状体１２と一体に設けられたものであることから、環状体１２の縮径に追随して縮径し、ピストンリング１０を容易に縮径させることができる。この押さえ込みによって、例えば、図２（ｂ）に示すように、ピストンリング１０の内周面１５の位置が、位置Ａから位置Ｂに移動する。この状態で、ピストン部材２０をシリンダボア２３内に配置し、押さえ込みを解除することで、ピストンリング１０は弾性により拡径し、組み込みが完了する（図２（ｂ）の状態）。
【００２７】
この時、ピストンリング１０においては、金属製環状体１１の自己張力によって、拡径方向の付勢力Ｆ１が生じる。この付勢力Ｆ１により、ピストンリング１０の外周面１６、つまり金属製環状体１１に一体に設けられた環状体１２の外周面が、シリンダボア２３に押圧されて弾性変形する。つまり、金属製環状体１１の付勢力Ｆ１によるシール効果及び環状体１２の弾性変形によるシール効果の相乗効果（ダブル効果）によって、ピストンリング１０とシリンダボア２３の内壁２３ａとのガスシールを行うことができる。このため、十分なガスシール性を得ることができる。
【００２８】
また、付勢力Ｆ１及び弾性変形の各作用によりガスシールを行うことができることから、ピストンリング１０における金属製環状体１１の自己張力は、従来の鋳鉄製ピストンリングの自己張力と比較して小さくすることが可能となる。その結果、ピストンリング１０とシリンダボア２３との摩擦圧力を低減することができ（摩擦係数を小さくすることができ）、燃費の向上を図ることができる。特に、ＰＭ（粒子状物質）排出量の規制が厳しくなる一方のディーゼルエンジンに、ピストン部材２０を組み込んだ場合、燃費向上に伴いＰＭの総排出量の低減を図ることができる。これによって、クリーンな排ガスとなる。
【００２９】
また、図２（ｂ）の構造体の、上死点直後の膨張行程における断面図を図３に示すように、ピストン部材２０は、シリンダボア２３の内壁２３ａと摺接しながら矢印Ｃの方向に下降していることから、ピストンリング１０の外縁側（図３中では右側）が上方に引っ張られるような状態となる。この時、燃焼ガスＧのガス圧による背面圧力を利用するために、ピストンリング１０とリング溝２２との間には隙間３１が設けられていることから、ピストンリング１０に変形（傾き）が生じる。しかしながら、ピストンリング１０の内部には、剛性を有する金属製環状体１１が内包されており、この金属製環状体１１が芯材として作用することにより、環状体１２の変形量を少なく抑えることができる。
【００３０】
よって、ピストンリング１０の傾きは、図５に示したピストンリング５０における合成樹脂リング５４の傾きと比較して小さくなる。つまり、ピストンリング１０の内周面１５における上部１０ａとシリンダボア内壁２３ａとの離間距離と、ピストンリング１０の内周面１５における下部１０ｂとシリンダボア内壁２３ａとの離間距離との差は非常に小さくなる。その結果、ピストン部材２０の摺動時と非摺動時との間で、金属製環状体１１による付勢力Ｆ１の変化は殆どない。これによって、金属製環状体１１の自己張力は、図５に示したピストンリング５０におけるエキスパンダリング５２の自己張力と比較して小さくすることが可能となる。このことから、金属製環状体１１は、環状体１２をシリンダボア２３に押圧して弾性変形させることができるだけの、最小限の自己張力を有していれば十分となり、ピストンリング１０とシリンダボア２３との摩擦係数を小さくすることが可能となる。
【００３１】
また、ピストンリング１０は１つの部材で構成されるものであり、２つの部材で構成される図５に示したピストンリング５０と比較して、構成部品数が少ないことから、コスト低減を図ることができる。また、ピストンリング１０は、構成部品数が少ないことから、ピストン２１への装着が容易となり、延いてはピストン部材２０の製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３４】
（実施例１）
図１（ａ）に示した蛇腹状の鋳鉄製バネ（金属製環状体１１）を、フッ素樹脂からなる環状体の内部に一体的に内包させ、エンジン用シール部材であるピストンリングを作製した。
【００３５】
実施例１のピストンリング及び従来の鋳鉄製ピストンリングを、ピストンのリング溝にそれぞれ装着してピストン部材とし、各ピストン部材を、排気量２０００ｃｃのガソリンエンジンにそれぞれ組み込んだ。その後、エンジン回転数（ｒｐｍ）と摩擦平均圧力（ｋｇ／ｃｍ２）との関係について試験を行った。その結果、図３に示すように、従来の鋳鉄製ピストンリングを用いたエンジンと比較して、実施例１のピストンリングを用いたエンジンは、摩擦平均圧力（摩擦損失）が約２０％低減することが確認できた。
【００３６】
（実施例２）
ＰＩ（ポリイミド）を、弾性材として用いる以外は、実施例１と同様にしてピストンリングを作製した。
【００３７】
（実施例３）
ＰＩＡ（ポリイミドアミド）を、弾性材として用いる以外は、実施例１と同様にしてピストンリングを作製した。
【００３８】
（実施例４）
ＰＢＩ（ポリベンズイミダゾール）を、弾性材として用いる以外は、実施例１と同様にしてピストンリングを作製した。
【００３９】
（実施例５）
シラン系材料を用いてゾルゲル法によって得られた樹脂に有機成分が残存する程度に熱処理を施してなるものを、弾性材として用いる以外は、実施例１と同様にしてピストンリングを作製した。
【００４０】
実施例２〜５のピストンリングを用いたエンジンにおいても、実施例１のピストンリングを用いたエンジンと同様に、従来の鋳鉄製ピストンリングを用いたエンジンと比較して摩擦損失が平均で約２０％低減することが確認できた。
【００４１】
（実施例６）
環状体に親油性を賦与すると共に環状体の耐摩耗性の向上を図るべく、フッ素樹脂中に５体積％程度の酸化鉄微粒子（セラミック微粒子）を分散させたものを、弾性材として用いる以外は、実施例１と同様にしてピストンリングを作製した。
【００４２】
（実施例７）
環状体に親油性を賦与すると共に環状体の耐摩耗性の向上を図るべく、フッ素樹脂中に５体積％程度の酸化モリブデン微粒子及び硫化モリブデン微粒子（セラミック微粒子）を分散させたものを、弾性材として用いる以外は、実施例１と同様にしてピストンリングを作製した。
【００４３】
実施例６，７のピストンリングを用いたエンジンは、従来の鋳鉄製ピストンリングを用いたエンジンと比較して、摩擦損失が平均で約２５％低減することが確認できた。また、実施例６，７のピストンリングを用いたエンジンは、１００００時間の耐久性を有することが確認できた。
【００４４】
一方、実施例６，７のピストンリングを、ピストンのリング溝にそれぞれ装着してピストン部材とし、各ピストン部材をディーゼルエンジンにそれぞれ組み込んだ。
【００４５】
実施例６，７のピストンリングを用いたディーゼルエンジンは、摩擦損失が小さく、低摩擦である。また、オイル馴染みが良好なセラミック微粒子を環状体に分散させることで、環状体のオイル馴染みが良好となり、オイルが常に摺動面に介在するようになる。さらに、セラミック微粒子を環状体に分散させることで、環状体の耐摩耗性が向上する。これらの複合的な作用により、長期間の使用後においても、ピストンリングの摩耗は少なく、摩耗によるクリアランスは殆ど生じなかった。このため、オイルが燃焼室内に浸入することもなく、オイル消費量を低く抑えることができた。よって、長期間に亘ってＰＭ排出量を低く抑えることができた。
【００４６】
これに対して、従来の鋳鉄製ピストンリングを用いたディーゼルエンジンは、摩擦損失が大きいため、長期間の使用に伴ってピストンリングに摩耗が生じ、その摩耗によって生じたクリアランスからオイルが燃焼室内に浸入し、オイル消費量が多くなってしまった。その結果、使用の経過に伴って、ＰＭ排出量が徐々に増加していった。
【００４７】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、摩擦係数が小さく、かつ、十分なガスシール性を有するシール部材を得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の好適な一実施形態に係るシール部材の部分破断平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の１ｂ−１ｂ線断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１のシール部材をピストンに装着したピストン部材の断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のピストンをシリンダボアに組み込んでなる構造体の断面図である。
【図３】図２（ｂ）の構造体の、上死点直後の膨張行程における断面図である。
【図４】エンジン回転数と摩擦平均圧力との関係を示す図である。図中の黒丸印を結ぶ実線が実施例１のピストンリングを、黒三角印を結ぶ破線が従来の鋳鉄製ピストンリングを示している。
【図５】従来のピストンリングを装着したピストンをシリンダボアに組み込んでなる構造体の断面図である。
【符号の説明】
１０  シール部材
１１  金属製環状体
１２  環状体
【図１】
2004360816.tif 000003
【図２】
2004360816.tif 000004
【図３】
2004360816.tif 000005
【図４】
2004360816.tif 000006
【図５】
2004360816.tif 000007