(57)【要約】【課題】低速低負荷状態および高速高負荷状態のそれぞれに適した張力を発生するピストンリングを提供すること、さらに具体的には、１００〜２００℃の温度領域において、内燃機関の温度変化に応じて段階的に可変可能であり、形状記憶合金よりもコストパフォーマンスに優れたコイルエキスパンダを用いたピストンリングを提供することを主たる課題とする。【解決手段】ピストンリング本体と、このピストンリング本体の内周側に配されたコイルエキスパンダとからなるピストンリングであって、前記コイルエキスパンダを、膨張係数の異なる２種類の金属を接合してなるバイメタル材により形成する。【選択図】　　　図２
2004137914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリング本体と、このピストンリング本体の内周側に配されたコイルエキスパンダとからなるピストンリングであって、
前記コイルエキスパンダは、膨張係数の異なる２種類の金属を接合してなるバイメタル材によ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】
前記コイルエキスパンダの全長が、温度の上昇とともに長くなるように設計されていることを特徴とする請求項１に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、内燃機関等のピストンのピストンリング溝に装着されるピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストンリングには、大別するとオイルリングと圧力リングの２種類があり、どちらの場合であっても、ピストンリング本体と、このピストンリング本体の内周面側に配されて、ピストンリング本体に対する拡径方向への押圧力を与えるためのコイルエキスパンダを用いて構成される場合がある。
【０００３】
このようなピストンリングにおいては、ピストンリング本体の張力とコイルエキスパンダの押圧力との和がピストンリング全体の張力となるが、このピストンリング全体の張力は、当該ピストンリングが使用されうる最も過酷な条件下においても、ピストンリングがその機能を発揮できるように設定されている。例えば、内燃機関（エンジン）のピストンに装着されるピストンリングにおいては、内燃機関の高速高負荷状態を想定して、ピストンリングの張力を設定している。
【０００４】
従って、ピストンリング本体とコイルエキスパンダとから構成されるピストンリングにあっては、当然にコイルエキスパンダの押圧力も内燃機関等の高負荷状態を想定して設定されている。
【０００５】
近年は、環境に優しいエンジンを目指すため、ピストンリングとシリンダライナのフリクション低減について要求がなされている。
【０００６】
しかしながら、従来のピストンリングにあっては、シリンダ内周面に付着するエンジンオイルは、ピストンの往復運動の速度上昇に伴い、シリンダ内周面とピストンリングとの間に発生する油圧によりピストンリングを浮き上がらせる力が大きくなり、高速高負荷になるほどオイル消費量が大きくなる傾向がある。従って、高速高負荷状態つまり内燃機関が高温状態の場合を想定してピストンリング全体の張力が設定されているため、低速低負荷状態つまり内燃機関が低温状態の場合においては必要以上の張力がシリンダの内周面にかかってしまうこととなり、その結果フリクションロスが生じていた。この場合において、低速低負荷状態にピストンリング全体の張力を設定することも考えられるが、そうすると高速高負荷運転となった場合にオイル消費量が急激に増加してしまうため好ましくない。
【０００７】
現在においては、このような問題を解決するために、特許文献１に記載されているように、ピストンリングのコイルエキスパンダを形状記憶合金によって形成することが考えられている。コイルエキスパンダを形状記憶合金によって形成することにより、内燃機関が低速低負荷状態つまり低温状態においては、コイルエキスパンダを収縮状態としておき、高速高負荷状態つまり高温状態においては、コイルエキスパンダを延びた状態とする、つまり、コイルエキスパンダの張力を温度に応じて可変することができる。
【特許文献１】
実公平３−４１０７８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、形状記憶合金を用いた場合には、（１）現在のところ、１００〜２００℃付近で形状が変化する形状記憶合金は開発途上であって、当該温度領域において安定した状態で張力を可変可能とすることができない。（２）形状記憶合金の場合、形状が変化は、極狭い温度範囲で急激に生じるため、内燃機関の温度変化に応じて段階的に形状を変化させる（つまり、温度に応じて徐々にコイルエキスパンダの張力を変化させる）ことはできない。（３）形状記憶合金はコストが高い。といった様々な問題が生じている。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、低速低負荷状態および高速高負荷状態のそれぞれに適した張力を発生するピストンリングを提供すること、さらに具体的には、１００〜２００℃の温度領域において、内燃機関の温度変化に応じて段階的に可変可能であり、形状記憶合金よりもコストパフォーマンスに優れた可変張力コイルエキスパンダを用いたピストンリングを提供することを主たる課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点は、ピストンリングは、ピストンリング本体と、このピストンリング本体の内周側に配されたコイルエキスパンダとからなるピストンリングであって、前記コイルエキスパンダは、膨張係数の異なる２種類の金属を接合してなるバイメタル材により形成されていることに特徴を有する。
【００１１】
このピストンリングによれば、コイルエキスパンダが、膨張係数の異なる２種類の金属を接合してなるバイメタル材により形成されているので、内燃機関の温度変化に応じて、当該２種類の金属がそれぞれ変形（膨張）し、その結果コイルエキスパンダ全体を温度に応じて可変可能とすることができる。また、バイメタル材は形状記憶合金と比べて温度に応じて段階的に可変することができるとともに、１００〜２００℃の温度領域での可変も可能である。さらにバイメタル材は形状記憶合金に比べて安価である。
【００１２】
前記ピストンリングにおいては、前記コイルエキスパンダの全長が、温度の上昇とともに長くなるように設計されていることが好ましい。
【００１３】
このピストンリングによれば、バイメタル材により形成されたコイルエキスパンダの全長が温度の上昇とともに長くなるように設計されているので、温度の上昇とともにピストンリング全体の張力を増大していくことができる。従って、内燃機関が低速低負荷状態つまり低温状態においては、コイルエキスパンダの全長を低張力が出る状態となるように短くしておく（延びていない状態にしておく）ことで、ピストンリング全体の張力を小さくし、フリクションロスを防止することができ、一方、高速高負荷状態つまり内燃機関が高温状態においては、コイルエキスパンダの全長が長くなるように可変される（延びた状態に可変される）ことで、ピストンリング全体の張力を大きくし、オイル消費量の低減を図ることができる。
【００１４】
また、本発明の可変張力コイルエキスパンダを用いることにより、高温から低温へ推移しても、張力は段階的に（徐々に）下がるので、仮に次のエンジン始動時には低張力でエンジン始動をすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。
【００１６】
図１は、本発明のピストンリングの第１の実施形態を示している。具体的には、シリンダ１に装入されたピストン２に設けられているオイルリング溝３に装着された、コイルエキスパンダ２０が用いられたオイルリング１０の概略断面図である。
【００１７】
図１に示すように、本発明のオイルリング１０はオイルリング本体１１とコイルエキスパンダ２０とから構成されており、さらに、このコイルエキスパンダ２０は膨張係数の異なる２種類の金属（２０ａ、２０ｂ）を接合してなるバイメタル材により形成されていることに特徴を有している。
【００１８】
このように膨張係数の異なる２種類の金属（２０ａ、２０ｂ）を接合してなるバイメタル材を用いてコイルエキスパンダを形成する方法については、本発明は特に限定することはなく、例えば、従来公知の板状のバイメタル材を用い、これをコイル状に巻き取っていくことによりコイルエキスパンダ２０を形成すればよい。
【００１９】
この場合において、板状のバイメタル材をコイル状に形成するにあたり、２種類の金属（２０ａ、２０ｂ）のうち、一方に比べて膨張係数の大きい金属（以下の説明では、当該金属を高膨張金属といい、他方を低膨張金属と言う場合がある。また、以下の説明では、高膨張金属を２０ａ、低膨張金属を２０ｂとして説明するする場合もある。）と低膨張金属の位置関係が問題となるが、本発明においては、当該位置関係について特に限定することはなく、例えば、コイルエキスパンダ２０の全長が、温度の上昇とともに長くなるように設計すればよい。
【００２０】
エキスパンダの断面は、矩形であっても円形状であってもよく、また円形状の一端が平らとなっていてもよく、特に限定されることはない。
【００２１】
図２（ａ）は、オイルリング本体１１と組み合わせてオイルリング溝３に装着する前の段階におけるコイルエキスパンダ２０の正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＡ−Ａ方向の断面図である。
【００２２】
図２（ｂ）に示すように、このコイルエキスパンダ２０においては、コイルエキスパンダの外径側に高膨張金属（２０ａ）を配し、コイルエキスパンダの内径側（つまり螺旋内部側）に低膨張金属（２０ｂ）を配してもよい。図２（ｂ）に示すようにバイメタル材によりコイルエキスパンダを形成することにより、高温状態となった場合には、コイルエキスパンダの外径側に配された金属（つまり、高膨張金属（２０ａ））が内径側に配された金属（つまり、低膨張金属（２０ｂ））よりも大きく膨張するので、コイル全体としては、コイル径が小さくなるように変形してコイルの巻き数が増加し、その結果コイルエキスパンダの全長が長くなるように変形する。
【００２３】
また、図３（ａ）は、オイルリング本体１１と組み合わせてオイルリング溝３に装着する前の段階における別のコイルエキスパンダ２０の正面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＢ−Ｂ方向の断面図である。
【００２４】
図３（ｂ）に示すように、このコイルエキスパンダ２０の一端（図３（ｂ）では左端）を固定して考えた場合に、常に固定されている一端側（図３ｂ参照）に高膨張金属（２０ａ）を配し、開放されている一端側に低膨張金属（２０ｂ）を配してもよい。このようにそれぞれの金属を配することにより、高温状態となった場合には、固定されている一端に配された金属（つまり、高膨張金属（２０ａ））が開放されている一端側に配された金属（つまり、低膨張金属（２０ｂ））よりも大きく膨張するので、コイル全体としては、コイルのピッチが広がる方向に変形し、その結果コイルエキスパンダの全長が長くなるように変形する。
【００２５】
本発明のオイルリングにおけるコイルエキスパンダを形成するためのバイメタル材について説明する。
【００２６】
前述してきたように、本発明において用いられるバイメタル材は膨張係数のことなる２種類の金属を接合してなるものであるが、その材質は特に限定されず、コイルエキスパンダが変形を開始する温度や変形の大きさ等により任意に設定することが可能である。
【００２７】
以下の表１にバイメタル材を形成する高膨張金属と低膨張金属の組合せの一例、およびそれぞれのバイメタル材を用いてコイルエキスパンダを形成した際に、当該コイルエキスパンダが変形をする温度領域を示す。
【００２８】
【表１】
2004137914.tif 000003
上記表１における使用温度範囲内であれば比較的安定な寸法変化を得ることができる。
【００２９】
また、上記表１に示す合金においても、その組成比を変化させることにより、変形温度領域や変形の大きさを調整することが可能である。
【００３０】
【実施例】
図１に示すピストンリングを図２（ａ）（ｂ）に示すコイルエキスパンダを用いて作成した。この際、高膨張金属２０ａとしてはＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金を用い、低膨張金属２０ｂとしてはＦｅ−３６Ｎｉ合金用いた。なお、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金およびＦｅ−３６Ｎｉ合金の膨張係数はそれぞれ３０×１０６／℃、１．２×１０−６／℃である。
【００３１】
上記オイルリングをピストンに装着してエンジンを駆動したときの、エンジン駆動初期（オイルリング温度：２０℃）の張力に対するエンジン高速回転時（オイルリング温度：２００℃）のコイルエキスパンダの全長の変化量を求めた。
【００３２】
まず、直径０．４５ｍｍのバイメタル材線材を、直径１．５ｍｍのコイルエキスパンダとした。使用したオイルリングは、直径８８．５ｍｍであった。
【００３３】
コイルエキスパンダの全長を求めるために以下の式（バイメタル材螺旋巻き型角度を求める式）によりバイメタル材の伸びを求めるためＡＦ（角度）を求め、さらに伸び量を計算した。
【００３４】
2004137914.tif 000004
ここで、Ｋはわん曲係数（℃）であり１．９６×１０−６を用いた。またΔＴは駆動初期との温度差（℃）であり、１８０を用いた。Ｌはコイルエキスパンダの長さ（ｍｍ）であり２６５であり、ｈはバイメタル材の厚さ（ｍｍ）であり、０．４５を用いた。
【００３５】
エキスパンダの回転量は、
１６６．２１／３６０＝０．４６（回転）となり、そうすると、エキスパンダの伸びは、
１．４ｍｍ（ピッチ）×０．４６（回転）＝０．６４（ｍｍ）となる。このエキスパンダの駆動初期時のちぢみ代（たわみ量）は、δ＝４．６９ｍｍである。
【００３６】
張力との関係を示す次式よりＫを求めた。
【００３７】
Ｆ＝Ｋ・δ
Ｋ＝１５／４．６９
但し、Ｆは張力であり、Ｋはバネ定数である。また、基の張力は１５Ｎに設定しておいた。
【００３８】
そうすると、駆動初期より１８０℃温度が上昇した場合の張力（Ｆｔ）は、ちぢみ代に０．６４ｍｍが追加され、
2004137914.tif 000005
となる。
【００３９】
よって、
（１７／１５）×１００＝１１３．３％
となり、基に対し約１３％の張力アップができることが明らかとなった。
【００４０】
この結果からも、エンジン駆動開始時では摩擦によるロスを生じず、スムーズな摺動が達成でき、また、エンジン高速回転時ではオイル消費量の増加を抑えることができた。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のピストンリングによれば、当該ピストンリングを構成するコイルエキスパンダが膨張係数の異なる２種類の金属を接合してなるバイメタル材により形成されているので、内燃機関の温度変化に応じて、当該２種類の金属がそれぞれ変形（膨張）し、その結果コイルエキスパンダ全体を温度に応じて可変可能とすることができ、これによりピストンリングの張力を変化させることができる。また、バイメタル材は形状記憶合金と比べて温度に応じて段階的に可変することができるとともに、１００〜２００℃の温度領域での可変も可能である。さらにバイメタル材は形状記憶合金に比べて安価である。
【００４２】
また、上記においては、温度の上昇とともにコイルエキスパンダの全長が長くなるように設計された場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの場合に限らず、バイメタル材を構成する高膨張金属と低膨張金属の位置関係を変化させることにより、コイルエキスパンダを様々に変化させることができる。例えば、図２や図３に示す高膨張金属と低膨張金属の位置関係を入れ替えることにより、温度の上昇とともにコイルエキスパンダの全長を短くする（つまり、ピストンリングの張力を低減させる）ことも理論上可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストンリングの第一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示すオイルリング本体１１と組み合わせてオイルリング溝３に装着する前の段階におけるコイルエキスパンダ２０の正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ方向の断面図である。
【図３】（ａ）は、別のコイルエキスパンダの正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ方向の断面図である。
【符号の説明】
１…シリンダ
２…ピストン
３…オイルリング溝
１０…オイルリング
１１…オイルリング本体
２０…コイルエキスパンダ
２０ａ…高膨張金属
２０ｂ…低膨張金属
【図１】
2004137914.tif 000006
【図２】
2004137914.tif 000007
【図３】
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