JPH08296740A - ピストンリング - Google Patents

ピストンリング

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JPH08296740A
JPH08296740A JP10234495A JP10234495A JPH08296740A JP H08296740 A JPH08296740 A JP H08296740A JP 10234495 A JP10234495 A JP 10234495A JP 10234495 A JP10234495 A JP 10234495A JP H08296740 A JPH08296740 A JP H08296740A
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piston ring
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Shigeru Sawake
茂 佐分
Yasuhiro Tadaishi
保弘 只石
Tokuo Morishige
徳男 森重
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IHI Corp
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Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】 バレルフェースピストンリングの摺動面の中
央部をリング巾方向に所要の巾を有する円筒面にし、か
つ摺動面はレーザ熱処理が施されている。 【効果】 ピストンリングの摺動面がバレルフェースと
円筒面の組合せになっているので十分な油膜厚さが確保
できると共に、レーザ熱処理が施されているので表面硬
度が大きい。従ってピストンリングの耐久性が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジン等の
往復動内燃機関に使用するピストンリングに係り、特に
ピストンリングとシリンダライナの摩耗を軽減するよう
なピストンリングに関する。
【0002】
【従来の技術】ディーゼルエンジン等の往復動内機関の
ピストン上部側面には、エンジン燃焼室内の気密を保ち
ガス漏れを防ぐためにピストンリングが使用されてい
る。舶用ディーゼルエンジンのピストンリングの摺動面
の形状は従来ストレートな円筒面のものもあるが、潤滑
油膜を掻き落す作用が大きいので、バレルフェースのも
のを使用することが多い。バレルフェースピストンリン
グの摺動面は図2に示すような形状をしている。
【0003】図に示すようにバレルフェースのピストン
リングbはリング巾Bを有する円環状をしており周方向
1個所に図示しないスリットが入っている。なお舶用デ
ィーゼルエンジンのピストンリングは通常16〜20m
mのリング巾を有している。ピストンリングbの摺動面
b1 はピストンリングbの中心C3 を通りピストンリン
グbの軸心C1 と直交する直線S上にある中心C2 を中
心とする曲率半径Rの円弧を、ピストンリングbの軸心
C1 を中心として回転させたときに形成される曲面(バ
レルフェース)となっている。尚舶用ディーゼルエンジ
ンの円弧の曲率半径Rは通常1000〜2500mmで
ある。
【0004】ピストンリングbは図3に示すようにピス
トンaの上部側面に形成されるピストンリング溝a1 内
に嵌め込まれており、シリンダライナdと摺接する。ピ
ストンリングの摺動面b1 とシリンダライナdの表面と
の間には油膜が形成される。
【0005】油膜は図4に示すくさび膜効果と図5に示
すスクイーズ効果により厚さtが決まる。尚油膜の厚さ
は厚いほど潤滑性がよいといわれる。くさび膜効果とは
図4に示すようにピストンリングがVの速度で運動する
とき前方の油がくさび作用により押し込まれることによ
り発生するもので、速度が大きいほど大きい。
【0006】一方スクイーズ効果とは図5に示すように
ピストンリングbの摺動面とシリンダライナdの内面と
の2つの面を互いに接近させるように押圧力Fで押し付
けたとき2つの面の間にある潤滑油が絞り出されるとき
に発生する反力の効果である。
【0007】また舶用ディーゼルエンジンのピストンリ
ングbの材質は通常特殊鋳鉄を使用しており焼入れなど
の熱処理を施していない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来のピス
トンリングはバレルフェースの摺動面を有し、特殊鋳鉄
製であるが以下に述べる問題がある。即ちバレルフェー
スのピストンリングはくさび膜効果は優れているもの
の、ピストンリングbをシリンダライナdに押し付けた
ときリング巾B方向に潤滑油が逃げやすいのでスクイー
ズ効果が小さい。特に最も厳しい条件となるピストンの
上死点近傍では次の理由で油膜の厚さが極端に薄くなり
潤滑性が損なわれ寿命が短くなる。
【0009】(1)上死点ではピストンの速度Vは0に
なりその近傍では速度が遅くなるのでくさび膜効果が期
待できない。 (2)上死点近傍で爆発燃焼が行われるので燃焼室内の
温度が高く潤滑油の粘性が低下する。 (3)上死点近傍では燃焼室内の圧力Pが最も高いがこ
の圧力はピストンリング溝a1 とピストンリングbとの
隙間を通って、ピストンリングbの背面に作用するので
ピストンリングbはシリンダライナdに最も強く押し付
けられる。
【0010】またピストンリングは特殊鋳鉄を使用して
いるが焼入れなどの熱処理を施していないで十分な硬度
が得られず摩耗しやすいし、また値段も高い。
【0011】本発明は上記問題点に鑑み案出されたもの
で、ピストンの上死点付近でも十分な油膜厚さが得られ
て潤滑性に優れ、かつ十分硬度を有して寿命の長いピス
トンリングを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のピストンリングはピストンリングの中心を通り
ピストンリングの軸心と直交する直線上に中心を有する
所要の曲率半径の円弧をピストンリングの軸心を中心に
回転させたときに形成される曲面が摺動面となっている
バレルフェースピストンリングの、摺動面の中央部をピ
ストンリングのリング巾方向に所要の巾を有する円筒面
にした鋳鉄製のピストンリングであって、上記摺動面は
レーザ熱処理が施されていることを特徴とする。またレ
ーザ合金化粉末を塗布した後レーザ熱処理を施すように
してもよい。さらに円筒面の巾はピストンリング巾の6
0〜80%にするのがよい。
【0013】
【作用】バレルフェース摺動面の中央部をピストンリン
グのリング巾(厚さ)方向に所要の巾を有する円筒面に
加工してあり、円筒面の両側はバレルフェースが残って
いるので、ピストンが動いているときにはくさび膜効果
により十分な厚さの油膜が得られると共に、上死点や下
死点で、ピストンが止まったときにもピストンリングの
円筒面の表面とライナの円筒面の内面との間の隙間に存
在する潤滑油が逃げにくいので、十分な厚さの油膜が得
られる。またレーザ熱処理は表面からわずかの厚さのみ
焼入れができるので、ピストンリング全体を焼入れする
場合に比べて歪みが出にくく、かつ十分な表面硬さが得
られ、ピストンリングの寿命が延びる。またピストンリ
ングの材質として特殊鋳鉄製でなく通常のねずみ鋳鉄
(FC25等)を使用できるのでコストを安くできる。
さらにグラファイト(C)粉末、クロームカーバイト
(Cr3 C2 )粉末またはクロームカーバイト(Cr3
C 2 )とモリブデン(Mo)の混合粉末などのレーザ合
金化粉末を塗布した後レーザ熱処理を施すことにより表
面硬度、耐食性、潤滑性能がさらに向上する。
【0014】
【実施例】以下本発明の1実施例について図面を参照し
つつ説明する。図1は本発明のピストンリングの正面断
面図である。尚従来のバレルフェースのピストンリング
と共通する部分については同一の符号を用い重複した説
明は省略する。
【0015】図中1は本発明のピストンリング、2は摺
動面である。摺動面2の形状は従来のバレルフェース2
aの中央部分をストレート即ち円筒面2bになるように
切削加工したもので、ストレート部分の巾Cはピストン
リング巾Bの60〜80%にするのがよい。また舶用デ
ィーゼルエンジンの場合曲率半径Rは1000〜250
0mm、ピストンリング巾Bは16〜20mmのものが
多い。従ってリング巾Bが20mmの場合巾Cは12〜
16mm程度とする。
【0016】ピストンリング1の材質は通常のねずみ鋳
鉄例えばFC25でよい。本発明では上記機械加工した
摺動面にレーザ熱処理を施す。母材の硬さが350Hv
程度であったものがレーザ熱処理により表面硬さが75
0Hv程度に上昇する。さらにレーザ熱処理前にグラフ
ァイト(C)、クロームカーバイト(Cr3 C2 )、ま
たはクロームカーバイトとモリブデン(Mo)粉末を塗
布したあとレーザ熱処理することにより表面硬度は80
0〜900Hv程度まで向上する。レーザ熱処理による
高い硬度に起因して表面に割れが発生することが考えら
れるが250°C程度に予熱した状態でレーザ熱処理を
行うことでこのような割れを防ぐことができる。
【0017】以下本発明の実施例の作用につき実験結果
等を交えて詳述する。図6は本発明のピストンリングと
従来のバレルフェースピストンリングをディーゼルエン
ジンに使用した場合の推定油膜厚さをクランク角度との
関係で示したものであり、コンピュータ解析の結果を示
している。クランク角度は0°が上死点、180°が下
死点である。
【0018】図中点線で示す曲線Xは従来のバレルフェ
ースピストンリングの油膜厚さ、実線で示す曲線Yは本
発明のピストンリングの油膜厚さをそれぞれ表してい
る。図から明らかなようにクランク角度0°即ち上死点
近傍で油膜厚さが著しく改善されている。
【0019】次にレーザ熱処理について説明する。レー
ザはYAGレーザを用い、試験片はねずみ鋳鉄(FC2
5)を使用した。レーザのパワーは450W、レーザ照
射速度は0.2m/minであって試験片全体を約25
0°Cに加熱した状態でレーザ熱処理を行い、終了後室
温まで徐冷した。熱処理後表面荒さ0.8S(最大0.
8ミクロン)になるよう機械加工した。レーザ熱処理前
に塗布するレーザ合金化粉末はグラファイト(C)、ク
ロームカーバイト(Cr3 C2 )、クロームカーバイト
(Cr3 C2 )とモリブデン(Mo)を半々づつ混合し
たものの3種類につきテストした。
【0020】その結果母材の硬度が350Hvであるの
に対し何も塗布せずにレーザ熱処理を行ったもの、グラ
ファイトを塗布したもの、クロームカーバイトを塗布し
たもの、クロームカーバイトとモリブデンを半々づつ混
合したものを塗布したものはそれぞれ750Hv、85
0Hv、900Hv、800Hvであった。
【0021】また割れの発生は認められず、引張試験結
果は母材と変わらなかった。またレーザ合金化粉末を塗
布したものの耐食性は著しく改善された。尚本発明は上
記実施例に限定されず、特許請求の範囲内で種々の変更
が可能である。
【0022】
【発明の効果】以上述べたように本発明のピストンリン
グはバレルフェースピストンリングの摺動面のリング巾
の方向の中央部を所要の巾を有する円筒面にしたので、
最も苛酷な条件となるピストンの上死点においても十分
な厚さの油膜を確保することができると共に、摺動面を
レーザ熱処理またはレーザ合金化粉末を塗布後レーザ熱
処理するようにしたので、表面硬度が大となり耐摩耗性
の優れたピストンリングが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のピストンリングの正面断面図である。
【図2】従来のバレルフェースピストンリング正面断面
図である。
【図3】ピストン、ピストンリング、シリンダライナの
関係を示す断面図である。
【図4】くさび膜効果の説明図である。
【図5】スクイーズ効果の説明図である。
【図6】クランク角度と油膜厚さの関係を示すコンピュ
ータ計算結果のグラフである。
【符号の説明】
1 ピストンリング 2 摺動面 2a バレルフェース面 2b 円筒面 C1 ピストンリングの軸心 C2 円弧の中心 C3 ピストンリングの中心 R 曲率半径

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピストンリングの中心を通りピストンリ
    ングの軸心と直交する直線上に中心を有する所要の曲率
    半径の円弧をピストンリングの軸心を中心に回転させた
    ときに形成される曲面が摺動面となっているバレルフェ
    ースピストンリングの、摺動面の中央部をピストンリン
    グのリング巾方向に所要の巾を有する円筒面にした鋳鉄
    製のピストンリングであって、上記摺動面はレーザ熱処
    理が施されていることを特徴とするピストンリング。
  2. 【請求項2】 レーザ合金化粉末を塗布した後レーザ熱
    処理を施すようにした請求項1記載のピストンリング。
  3. 【請求項3】 円筒面の巾がピストンリングのリング巾
    の60〜80%である請求項1または請求項2記載のピ
    ストンリング。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003514123A (ja) * 1999-11-09 2003-04-15 コンセントラ ヴァークスタッズ アクツィエボラーグ ピストンリングに層を形成するための方法および装置
EP2045488A1 (en) 2007-10-05 2009-04-08 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Piston ring of reciprocating engine
JP2009540222A (ja) * 2006-06-03 2009-11-19 カーエス コルベンシュミット ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ピストンヘッドのリング溝をレーザビームによって硬化させるための方法ならびに該方法により製作されたピストン
JP2010031835A (ja) * 2008-06-23 2010-02-12 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関用オイルリング及びピストン

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