ピストンリング

ピストンリングは、内燃機関または蒸気機関のピストンの外径に取り付けられた金属製の分割リングです。

エンジンにおけるピストンリングの主な機能は次のとおりです。

1. クランクケースへのガスの損失が最小限になるように燃焼室を密閉します。
2. ピストンからシリンダー壁への熱伝達を改善します。
3. ピストンとシリンダー壁の間のオイルの適切な量を維持する
4. シリンダー壁からオイルを掻き出してオイルパンに戻すことでエンジンオイルの消費量を調節する。^[1]

ほとんどのピストンリングは鋳鉄か鋼で作られています。

ピストンリングは、ピストンとシリンダー壁の間の隙間を密閉するように設計されています。^[2]この隙間が小さすぎると、ピストンの熱膨張によりピストンがシリンダー内で固着し、エンジンに重大な損傷を与える可能性があります。一方、隙間が大きいと、ピストンリングとシリンダー壁の密閉が不十分になり、ブローバイ（燃焼ガスがクランクケースに入ること）が過剰になり、ピストンへの圧力が低下して、エンジンの出力が低下します。

ピストンリングがシリンダー壁内で滑動すると、エンジンに摩擦損失が発生します。ピストンリングによる摩擦は、エンジンの機械的摩擦損失全体の約24%を占めます。^{[3] [4]}そのため、ピストンリングの設計は、摩擦を最小限に抑えながら、良好な密閉性と許容できる寿命を実現するための妥協点となっています。

ピストンリングの潤滑は難しく、モーターオイルの品質向上の原動力となってきました。オイルは、高速滑り接触を伴う高温と過酷な条件に耐えなければなりません。リングは連続回転ではなく振動運動をするため (ベアリングジャーナルなど)、潤滑は特に困難です。ピストン運動の限界で、リングは停止し、方向を反転します。これにより、流体軸受の通常のオイルウェッジ効果が妨げられ、潤滑の有効性が低下します。

リングには、接触力を高めて密閉性を維持するためにバネも付いています。バネ力は、リング自体の剛性、またはシール リングの後ろにある別のバネによって提供されます。

リングがピストン内の溝の中で自由に浮いて、シリンダーと接触し続けることが重要です。^[5]ピストン内でリングが固着すると、通常は燃焼生成物の蓄積または潤滑油の劣化によりエンジンの故障を引き起こす可能性があり、ディーゼルエンジンの一般的な故障原因です。^[要出典]

密閉は、金属同士の滑り接触を使用して、それぞれ独自の機能を持つ複数のリングによって実現されることがよくあります。ほとんどのピストンには、シリンダーごとに少なくとも 2 つのピストン リングがあります。

自動車のピストンエンジンには通常、シリンダーごとに3つのリングがあります。^[6]上部の2つのリングは圧縮リングと呼ばれ、主に燃焼室を密閉するためのものです。下部のリングはオイルコントロールリングと呼ばれ、主にピストンスカートとオイルコントロールリングを潤滑するためにシリンダー壁へのオイルの供給を制御するためのものです。^[7]

自動車エンジンの圧縮リングは、通常、長方形またはキーストーン型の断面を持っています。上部の圧縮リングの周囲は通常、樽型プロファイルで、下部の圧縮リングは通常、テーパー ネピア フェーシングです。一部のエンジンでは、上部リングにテーパー フェーシングも使用されており、以前は単純なプレーン フェーシングのリングが使用されていました。

オイル コントロール リングは、通常、鋳鉄の 1 ピース、鋼の複数ピース、または鋼鉄とらせん状のスプリングを裏打ちしたものから作られ、密閉に必要な張力を生み出します。鋳鉄オイル リングとらせん状のスプリングを裏打ちしたリングには、さまざまな形状の 2 つのスクレーピング ランドがあります。一方、複数ピースの鋼鉄オイル コントロール リングは通常、2 つの薄い鋼鉄リング (レールと呼ばれる) で構成され、その間にスペーサー エキスパンダー スプリングが配置され、2 つのレールを離してラジアル圧力をかけます。

ピストンリングの隙間は、シリンダーボア内に入ると数千分の1インチに圧縮されます。リングの隙間の形状には、スクエアカット、アングルカット、タイトジョイント、ステップカット、フックステップ、マイターステップなどがあります。^[8]

初期の蒸気機関では燃焼室を密閉するために麻のパッキングが使用されていましたが^[9]、摩擦抵抗が高く、あまり効果的な密閉は得られませんでした。

蒸気機関のシリンダーにピストンリングが初めて使用されたのは、1825年にグラスゴーの技術者で工場所有者のニール・スノッドグラスが自分の機械に使用したときでした。この機械ではスプリングを使用して蒸気を密閉していました。工場内での使用から、ガレロック川を往復する蒸気船「カレドニア」で実験されました。^{[10] [11]}

金属製のスプリットリングの現代的なデザインは、1850年代にジョン・ラムズボトムによって発明されました。ラムズボトムの1852年の最初のデザインは円形でしたが、摩耗が不均一で成功しませんでした。1854年に、改訂されたデザインは最大4,000マイル（6,437 km）の寿命があると主張されました。 ^[12]これは、（取り付ける前は）完全に円形であるリングにスプリットがあると、取り付けるとシリンダー壁に均一な圧力がかからないという発見に基づいています。改訂されたピストンリングは、シリンダーに取り付けると均一な圧力がかかるように、非円形に製造されました。1855年の特許にこの変更が文書化されています。金属製のピストンリングへの切り替えにより、摩擦抵抗、蒸気の漏れ、ピストンの質量が劇的に減少し、出力と効率が大幅に向上し、メンテナンス間隔が長くなりました。

ピストンリングは、シリンダーボア内を上下に動く際に、リング自体の固有荷重とリングに作用するガス荷重により摩耗する。これを最小限に抑えるため、ピストンリングは鋳鉄や鋼などの耐摩耗性材料で作られ、耐摩耗性を高めるためにコーティングまたは処理されている。現代のオートバイに使用されているコーティングには、クロム[ ^13] 、窒化物^{[14] 、または}プラズマ蒸着^[15]または物理蒸着(PVD)によるセラミックコーティング^[16]がある。^{[17]現代の}ディーゼルエンジンのほとんどは、クロム表面にそれぞれ酸化アルミニウムまたはダイヤモンド粒子を含む 改質クロムコーティング(CKSまたはGDCとして知られる)でコーティングされたトップリングを備えている。 ^{[13] [リンク切れ]}

2 ストローク エンジンでは、ポートの設計もピストン リングの寿命にとって重要な要素となります。

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