JP6918052B2 - ピストンリング及びピストンリングを有する内燃機関用ピストン - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のピストンに装着されて用いられるピストンリング及びピストンリングが装着された内燃機関用ピストンに関する。

内燃機関に用いられるピストンにはコンプレッションリングとオイルリングが装着される。このうちコンプレッションリングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出することを防止する機能を有する。

コンプレッションリングは、内燃機関での使用により「アルミニウム凝着」が生じることが知られており、この問題を解決するため、様々な技術が提案されている。
例えば特許文献１では、高温・高負荷となるような厳しい摺動条件での自身の耐久性を確保するため、ポリイミド系耐熱樹脂に平均粒径３〜１５μｍの二硫化モリブデンを特定量添加した摺動部材用被覆材が提案されている。

特許文献２及び３には、耐熱樹脂中に銅系粉末、ニッケル系粉末、鉛系粉末、亜鉛系粉末、スズ系粉末などを含有させてなる被膜をピストンリングの上下面に形成したピストンリングが提案されている。
特許文献４には、樹脂中に特定形状の繊維状充填材を含有させた樹脂系被膜で被覆されたピストンリングが提案されている。

特開平１１−２４６８２３号公報 国際公開第２００７／０９９９６８号 特開２００８−２４８９８６号公報 国際公開第２０１３／０６５６５２号

上記のように、アルミニウム凝着の問題を解決するため、様々な提案がなされている。しかしながら本発明者らが検討したところ、ピストンリング、特にトップリングについて、燃焼室側の面であるリング上面とクランク室側の面であるリング下面のうち、アルミニウム凝着の問題が生じるのは主としてリング下面であり、これはリング下面が燃焼圧により、ピストン溝に押し付けられる事によるものであった。一方、燃焼室側であるリング上面側では、トップリングにかかる燃焼室方向への力（慣性力、及びセカンドランド圧力）により、リング上面と接するピストン溝に溝摩耗が発生していることを見出した。

一方で、上下面の両面に、上記特許文献１乃至４で開示されたようなアルミニウム凝着を抑制し得る被膜を有するピストンリングを装着した場合、ピストンのリング溝に関しては、クランク室側の溝形状と比較して、燃焼室側の溝形状が大きく摩耗することを見出した。その結果、ピストンのリング溝の摩耗によってブローバイのリスクが高まるという新たな課題を見出した。
本発明は、上記ピストンのリング溝の摩耗によるブローバイ量増加のリスクを抑制し得る、ピストンリングを提供する。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ね、ピストンリングの上下面に樹脂系の被膜を有するピストンリングにおいて、前記樹脂系の被膜に含まれる固体潤滑剤の量を上下面で異ならせることで、上記課題を解決できることを見出した。

本発明の一形態は、ピストンリングの上下面に樹脂系被膜を有するピストンリングであって、前記樹脂系被膜は、耐熱樹脂と固体潤滑剤とを含み、前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とが異なる、ピストンリング、である。

前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とが、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上異なることが好ましく、内燃機関の燃焼室側に配置される前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中２０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることが好ましい。また、前記ピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であることが好ましい。

また、本発明の別の形態は、ピストンリングが装着されるリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに該ピストンのリング溝に装着されたコンプレッションリング及びオイルリング、からなる内燃機関用ピストンであって、前記コンプレッションリングは、上下面に樹脂系被膜を有し、前記樹脂系被膜は、耐熱樹脂と固体潤滑剤とを含み、前記コンプレッションリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とコンプレッションリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とが異なる、内燃機関用ピストン、である。

内燃機関の燃焼室側に配置される前記コンプレッションリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量が、前記コンプレッションリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量よりも多いことが好ましく、前記コンプレッションリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中２０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることが好ましい。また、前記コンプレッションリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であることが好ましい。

本発明により、ピストンのリング溝の浸食によるブローバイリスクを抑制し得る、ピストンリングを提供することができる。また、当該ピストンリングを装着したピストンを提供することができる。

ピストンのリング溝部分を拡大した断面模式図である。 ピストンリングを装着したピストンの一実施形態を示す断面模式図である。 ピストンリング上面想定溝摩耗試験に用いた試験機の模式図である。 ピストンリング上面想定溝摩耗試験に用いた試験機の、一部拡大模式図である。 ピストンリング上面想定溝摩耗試験結果を示すグラフである。 ピストンリング下面想定叩き摩擦試験に用いた試験機の模式図である。 ピストンリング下面想定叩き摩擦試験結果を示すグラフである。

本発明の一実施形態は、ピストンリングの上下面に樹脂系被膜を有するピストンリングであって、前記樹脂系被膜は、耐熱樹脂と固体潤滑剤とを含み、前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とが異なる。

ピストンリングの材質は、コンプレッションリングを形成できれば特に限定されず、各種鋼材、鋳鉄材などを用いることができる。
本実施形態においてピストンリングの上下面を被覆する樹脂系被膜は、耐熱樹脂及び固体潤滑剤を含む。耐熱樹脂は、典型的にはポリイミド系樹脂や、ポリアミドイミド系樹脂があげられるが、内燃機関用ピストンに適用可能な耐熱性樹脂であれば、これらに限定されない。

固体潤滑剤は、樹脂系被膜中に添加することで、樹脂系被膜の表面潤滑性を向上させ得る。固体潤滑剤は、典型的には二硫化モリブデン、グラファイト、及びポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）があげられるが、これらに限られず、窒化ほう素、フッ化黒鉛等を用いてもよい。

本実施形態において、ピストンリング上下面を被覆する樹脂系被膜中の固体潤滑剤含有量は、上下面で異なる。これまで、アルミニウム凝着の問題を解決するために、様々な提案がなされているところではあるが、アルミニウム凝着が生じ得る詳細なメカニズムについては十分解明されていなかった。
本発明者らは、アルミニウム凝着を抑制すべく、固体潤滑剤を添加した樹脂被膜を上下面に有するピストンリングを用いて摺動試験を行ったところ、ピストンのリング溝に、図１に概略を示すような摩耗が抑制できないことを見出した。すなわち、ピストンのリング溝において、燃焼室側の角が大きく摩耗され、クランク室側の角はそれほど大きく摩耗されないことが解った。
この現象に関して、本発明者らの推定を以下に説明する。

図１は、ピストンリングを有するピストンを装着した内燃機関において、内燃機関を一定時間回した後の、ピストンのトップリング用リング溝の断面図を模式的に示した図である。図中１３はトップリングであり、ピストン２のピストン溝３に装着されたトップリング１３は、その外周面がシリンダボア１を押圧しながら摺動を繰り返す。図中ピストン２において一点鎖線で示す燃焼室側のリング溝側面は、摩耗が大きい。一方で、図中ピストン２において二点鎖線で示すクランク室側のリング溝側面は、摩耗が小さい。

ピストンリングは、ピストンの上下動に伴い、特にシリンダボア側部分が上下に可動し得る。この際、ピストン２とシリンダボア１との隙間を伝って燃焼圧が、ピストンリング１３に対し、燃焼室側から図中下向きに伝わる。そして、ピストンリング１３の下面は、ピストン溝の下面に対し、上下動と燃焼圧による物理的な力で叩く。そして、その物理的な叩く力によって被覆樹脂が破れ、更にその後も叩かれ続けることで、アルミニウム合金表面の微小な破壊が生じ、ピストンリングへのアルミニウム凝着が生じる。ここで被膜を、アルミニウム凝着を抑制し得る樹脂被膜とすることで、アルミニウム凝着は抑制できるが、一方でピストンのリング溝の角部分はピストンリングにより叩かれ続けることで、角が摩耗してしまうと推定される。

他方、リング溝の上面は、ピストンリングからの物理的な力により叩かれることはないが、ピストンの上下動に伴って、ピストンリング円周方向にピストンリングが回転するモーメントが発生する。特に捩じれ形状のピストンリングの場合には、上下動時の変形も加わり、ピストンリングが回転し易い。そのため、ピストンリング上面の樹脂被膜とピストンのリング溝上面とが擦れ、リング溝上面はピストンリング上面との摩擦によってなだらかに、且つブロードに摩耗されると推定される。

上記の通り、リング溝の上下面における摩耗のメカニズムが異なることから、それぞれの摩耗メカニズムを考慮して、ピストンリングの上下面の特性を考慮する必要があること
に、本発明者らは想到した。
そして本実施形態では、ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とを異ならせることで、上記ピストンのリング溝の摩耗によるブローバイ量増加リスクを抑制する。

前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とが、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上異なることが好ましく、１０ｗｔ％以上異なることがより好ましい。
前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜の潤滑性を向上させるため、樹脂系被膜中通常２０ｗｔ％以上であり、２５ｗｔ％以上であってよく、３０ｗｔ％以上であってよく、通常６０ｗｔ％以下であり、５０ｗｔ％以下であってよい。なお、６０ｗｔ％を超えると、樹脂系被膜の摩耗量が増加する傾向にある。
前記ピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜の物理的耐久性を向上させるため、樹脂系被膜中通常５ｗｔ％以上であり、１０ｗｔ％以上であってよく、また、１５ｗｔ％以下であってよい。
なお、固体潤滑剤を２種以上含有する場合には、その合計量が上記範囲であればよい。

次に、本実施形態のピストンリングが装着されたピストンについて、図を用いて説明する。
図２は、ピストンリングが装着されたピストンの断面図である。
ピストン２には、燃焼室側から第１の溝３、第２の溝４、及び第３の溝５が形成されている。第１の溝３には、コンプレッションリングであるトップリング１３が装着され、第２の溝４には、コンプレッションリングであるセカンドリング１４が装着され、第３の溝５には、組合せオイルリング１５が装着される。
ピストン２は、通常アルミ系の合金により形成される。ピストン２がアルミ合金ではない場合や、アルマイト処理されている場合、そもそもアルミニウム凝着が生じにくいため、本実施形態はピストン２がアルミ合金を含み、且つ表面がアルマイト処理されていない場合に、好適に適用される。アルミ合金としては、通常ピストン材として用いられるものを適宜用いることができる。

トップリング１３、セカンドリング１４、組合せオイルリング１５の図中右端部は、シリンダボア１と接触して摺動する摺動面であり、被膜により被覆されていてもよい。一実施形態では、トップリング１３の、シリンダ１の内壁との摺動面、即ちトップリング１３の外周面は、ＤＬＣ被膜を有し、オイルリング１５の、シリンダ１の内壁との摺動面、即ちオイルリング１５の外周面は、ＰＶＤ被膜を有する。

本実施形態のピストンリングは、その上下面で固体潤滑剤の含有量が異なるため、適切な向きでピストンに装着することが重要である。そのため、上下面の被膜のうちいずれかにマーキングすること、上下面の被膜色が異なること、上下面の被膜のうち一方を着色すること、など、上下面の被膜の外観が異なるピストンリングとすることで、ピストンリング装着の向きを間違えるリスクを低減できる。また、ピストンリングの上下面の外観を異ならせること、すなわち上下面の被膜の外観を上記のように異ならせることに加え、ピストンリング上下面の外観を異ならせることで、ピストンリング装着の向きを間違えるリスクを低減してもよい。例えば、面取り等によりピストンリングの上下面の形状を変えること、ピストンリングそのものの上下面のいずれかに刻印を施すこと、などが、ピストンリング上下面の外観を異ならせる例としてあげられる。

以下、本発明について、実験例により詳細に説明するが、本発明は以下の実験例の結果によって、限定されるものではない。

＜１．樹脂系被膜の調製＞
溶剤中に、被膜を形成する樹脂としてポリイミド樹脂と、以下の表１に示す量の固体潤滑剤とを添加した樹脂系被膜用塗布液１〜８を調製した。固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン、ＰＴＦＥ、グラファイト、を総量として表１に示す量となるように用いた。調製した樹脂系被膜用塗布液１〜８を、外径φ７３ｍｍ、高さ１．２ｍｍ、幅２．３ｍｍ、断面レクタンギュラの、外周クロムめっきが施されたピストンリングに塗布し、樹脂コートピストンリング１〜８を得た。

＜２．ピストンリング上面想定溝摩擦試験＞
ピストンリングの上面（燃焼室側）と対向するピストン材の摩擦試験を行った。ピストンにおけるリング溝の上面は、ピストンリングからの物理的な力により叩かれることはないが、ピストンの上下動に伴って、ピストンリング円周方向にピストンリングが回転するモーメントが発生して摩擦が生じるとの推定のもと、図３−１に概要を示す溝摩擦試験機２０を用いて樹脂コートピストンリング１〜８に対し溝摩擦試験を行った。試験条件は、以下のとおりとした。結果を表２及び図４に示す。なお、図３−２は、図３−１中の一点鎖線部分を拡大した図であり、表２は樹脂コートピストンリング５の摩耗量を１とした場合の摩耗比を示す。
・上面側荷重 ３０Ｎ
・下面側荷重 ３０Ｎ
・回転数 １２００ｒｐｍ
・溝幅（上下）１．２６ｍｍ
・温度 室温
・潤滑油 ０Ｗ−１６を試験時間３０分毎に５０μｌ
・試験時価 ５時間

＜３．ピストンリング下面想定叩き摩擦試験＞
ピストンリングの上面（燃焼室側）と対向するピストン材の叩き摩擦試験を行った。ピストンリングの下面は、上下動と燃焼圧による物理的な力でピストン溝の下面を叩き、ピストンにおけるリング溝の下面の角部分が摩耗してしまうとの推定のもと、図５に概要を示す叩き摩擦試験機３０を用いて樹脂コートピストンリング１〜８に対し試験を行った。試験条件は、以下のとおりとした。結果を表３及び図６に示す。なお、表３は樹脂コートピストンリング４の摩耗量を１とした場合の摩耗比を示す。
・叩き荷重 ５８８Ｎ
・叩き速度 ７００回／分
・温度 ２５０℃／１７０℃（ピストン／ピストンリング）
・潤滑油 １０Ｗ 初期塗布のみ
・試験時間 ２時間

１ シリンダボア
２ ピストン
３ 第１のリング溝
４ 第２のリング溝
５ 第３のリング溝
１３ トップリング
１４ セカンドリング
１５ オイルリング
２０ 溝摩擦試験機
２１ ピストンリング
２２ ピストン材
２３ ピストンリングホルダー
２４ オイル
２５ ピストンピン
Ｆ_Ｕ ピストン材上側面荷重
Ｆ_Ｌ ピストン材下側面荷重
３０ 叩き摩擦試験機
３１ ピストンリング
３２ ピストン材
３４ オイル
３５ ヒーター
３６ スプリング
１５１ 上セグメント
１５２ 下セグメント
１５３ エキスパンダ・スペーサ

Claims (9)

1. ピストンリングの上下面に樹脂系被膜を有する内燃機関用ピストンリングであって、
   前記樹脂系被膜は、耐熱樹脂と固体潤滑剤とを含み、
   前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とが異なり、
   前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量が、前記ピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量よりも多く、
   前記ピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上である、内燃機関用ピストンリング。
2. 前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とが、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上異なる、請求項１に記載の内燃機関用ピストンリング。
3. 内燃機関の燃焼室側に配置される前記ピストンリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中２０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下である、請求項１または２に記載の内燃機関用ピストンリング。
4. 前記ピストンリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンリング。
5. ピストンリングの外観が上下面で異なる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンリング。
6. ピストンリングが装着されるリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに
   該ピストンのリング溝に装着されたコンプレッションリング及びオイルリング、
   からなる、内燃機関用ピストンであって、
   前記コンプレッションリングは、上下面に樹脂系被膜を有し、
   前記樹脂系被膜は、耐熱樹脂と固体潤滑剤とを含み、
   前記コンプレッションリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量と、コンプレ
   ッションリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量とが異なり、
   内燃機関の燃焼室側に配置される前記コンプレッションリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量が、前記コンプレッションリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量よりも多く、
   前記コンプレッションリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上である、内燃機関用ピストン。
7. 内燃機関の燃焼室側に配置される前記コンプレッションリング上面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中２０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下である、請求項６に記載の内燃機関用ピストン。
8. 前記コンプレッションリング下面の樹脂系被膜に含まれる固体潤滑剤の量は、樹脂系被膜中５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下である、請求項６または７に記載の内燃機関用ピストン。
9. 前記内燃機関用ピストンはアルミ合金を含み、且つ表面がアルマイト処理されていない、請求項６〜８のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストン。
   
   
   
   

Images