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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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
FU ピストン材上側面荷重
FL 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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
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