ピストンとリングのアップデート

ピストンとリングの基本設計は、最初の内燃エンジンが発明されたときとほぼ同じです。 ピストンは依然としてシリンダー内で上下にスライドする丸い金属の塊です。 そして、リングは圧縮をシールし、燃焼ブローバイを最小限に抑え、オイルを制御するために今でも使用されています。

以前の類似品との類似点にもかかわらず、ピストンの設計は非常に複雑なプロセスになっており、形状さえも有限要素解析 (FEA) として知られるコンピューター モデリング プログラム上で丹念にプロットされます。 ピストンも最近はあまり丸くありません。 多くは、エンジンが冷えているときは楕円形になるように特別に設計されており、エンジンが動作温度まで温まると円形に膨張します。 ただし、火炎面が拡大するにつれて、燃焼プロセスによって生じる力によって、初期圧力のほとんどがピストンのクラウン領域にかかります。

ピストン リングでは、幅が薄くなり、高度な表面コーティングが施されたスチール リングへの傾向が続いています。 直接噴射や強制誘導によるものではありませんが、ピストン リングの表面コーティングは、これらのエンジンの高い要求を満たすために進化し続けています。 通常、現在市販されている新しいエンジンはすべてのリングに鋼を使用しており、またある種の物理蒸着 (PVD) コーティングも使用しています。

ピストンの材料と設計は高圧と熱膨張を補うために長年にわたって進化してきましたが、考慮すべき変数が非常に多いため、燃焼室の状態に最適化されたピストンを選択するのは困難な場合があります。 エンジン製造者は、材料の種類、鍛造、鋳造、ビレットなどの製造プロセス、コーティングを含むリング パック、コストなどを考慮する必要があります。 鍛造ピストンは最高の強度と耐久性を備えていますが、入手可能であってもあらゆる用途に最適な選択肢であるとは限りません。 ビレット設計は、設計上の柔軟性とサイズの柔軟性を提供しますが、アルミニウムプラグを使用可能な部品に切断するために必要な機械加工の量により、製造コストも高くなります。 鋳造ピストンは大量に製造されますが、ビレットや鍛造品ほど強度はありません。 顧客にとって最適な組み合わせを決定するのは、最終的にはエンジン製造業者の責任です。

小型エンジンのターボ過給は、最近 OEM が追随しているトレンドであり、これにより、小型で燃料効率の高いエンジンが、より大きな排気量のエンジンと同等の出力を得ることができますが、ピストンとリングが耐えなければならない負荷と温度も上昇します。 小型の高出力エンジンには、より高い温度と燃焼圧力に耐えられる材料で作られたピストンが必要です。 従来の鋳造ピストンでは、今日のガソリン直噴 (GDI) やターボチャージャー付き直噴 (TGDI) 用途には対応できません。

ほとんどの GDI エンジンは可変バルブ タイミング (VVT) を備えたカムを使用しています。 VVT はエンジンのパフォーマンスを調整するための多くの余地を提供しますが、このセットアップでは、カムの前進および後退に応じてバルブに十分なクリアランスを与えるために、ピストン上部のバルブ リリーフをより深くする必要があります。 VVT を備えたほとんどのエンジンのカム フェイザーはカムを最大 40 度回転させることができ、一部のエンジンではカム タイミングを 60 度もシフトさせることができます。 これはカムの回転量が多いため、ピストンにバルブのリリーフに適切なクリアランスがない場合、バルブが開いたまま長時間保持されると貴重な金属部品が衝突する可能性があります。

GDI エンジンのピストンは、クラウン領域を除いてポート噴射エンジンと設計が非常に似ています。 GDI エンジンのほとんどのピストンは、クラウンにくぼみがあり、燃料が噴射されると燃料を点火プラグに向けます。 この比較的濃厚な燃料混合物の溜まりは、点火プラグに向けられて燃焼を開始します。 スパークプラグが燃料プールに点火した後、チャンバー内の残りの燃料を燃焼させて、より効率的な混合気を生成できます。

ほとんどの高性能および高出力エンジンには、鍛造ピストンが最適です。鍛造ピストンは、4032 や 2618 などの最も耐久性のある合金から製造されているためです。引張強度に関しては、2 つの合金はそれほど大きな違いはありません。 4032 の定格は約 55,000 psi、2618 の定格は約 65,000 psi です。 4032 ピストンは、2618 で作られたピストンよりわずかに軽量です。4032 合金で作られたピストンは、シリコン含有量が約 10 ～ 12 パーセントであり、亜酸化窒素や軽度にブーストされた強制誘導エンジンなどの用途に人気があります。 シリコン含有量により、アルミニウムは 2618 合金と比較して膨張率が低くなり、ピストンとシリンダーの壁のクリアランスをより緊密にして使用できるため、耐久性が向上します。 4032 で作られたピストンには、エンジンが動作温度に達する間、騒音があまり発生しないという追加の機能もあります。

合金を液体状態まで加熱して鋳造し、型に流し込んでピストンの基本形状を作成します。 合金が冷えて固体になった後、型が取り外され、粗い鋳造物が最終形状に機械加工されます。 多くの純正エンジンは、安価で低出力レベルでも問題なく動作するため、鋳造ピストンを使用しています。 より強力なピストンを必要とする高馬力用途の場合、中程度の構造では鋳造過共晶が良い選択です。 過共晶ピストンは、4032 合金または 2618 合金で作られた鍛造ピストンほど強度がありません。 したがって、ほとんどのエンジン製造業者は、ブースト、亜酸化窒素、高回転、またはそれらの組み合わせを使用するパフォーマンス用途に鍛造ピストンを使用しています。 ただし、鋳造過共晶ピストンは、低膨張 4032 合金で作られた鍛造ピストンよりも熱膨張が低くなります。 その結果、過共晶ピストンは鍛造ピストンよりもピストンとシリンダーのクリアランスを厳しくすることができます。 過共晶ピストンは通常、特に純粋な性能よりも寿命を重視する場合、純正エンジンに使用するのに最適な選択肢です。

OEM およびアフターマーケットのリング メーカーは、摩擦を軽減し、シリンダー壁によりよく適合するため、より薄く、低張力のリングを求める傾向を続けています。 また、従来のダクタイル鋳鉄リングよりもブローバイが少なく、優れたシール性を実現します。 従来のダクタイル鉄圧縮リングは約 7 ～ 8 ポンドの張力を生成しますが、一部のトップ レース部門で使用されている薄いスタイルのスチール リングの張力は約半分です。 1.0 mm 以下のリングでは、摩擦と抵抗が大幅に軽減されますが、より強力で耐久性のあるリング素材も必要になります。

炭素鋼リングは、高性能エンジンと後期モデルの OEM 交換セットの両方に使用されており、ねずみ鋳鉄より 35% 強度があります。 炭素鋼リングは、モリブデンでコーティングしたり、クロムメッキしたり、メッキなしで使用したりできます。

別のタイプのスチール リングはステンレス製もご用意しています。ステンレスは、多くのプロ レーシング クラスやその他のハイエンド アプリケーションのランニング リングで 0.7 mm ほどの幅で選ばれる素材です。 ステンレス鋼リングは、チタンやクロムの合金によるガス窒化や PVD ​​などの表面処理を行わないと、鋳鉄の穴に挿入できません。

PVD コーティングは最新の主流技術です。 これらのコーティングは摩擦が非常に低く、優れた摩耗特性を提供します。 これらのコーティングの唯一の欠点はコストですが、市場の需要が増加し、より多くのサプライヤーがこの技術を取得するにつれて、最終的にはこれらのコーティングを提供するコストは減少すると、同社は述べています。

ピストンリングセットとピストンは、ピストンリングの裏側とピストン溝の底部との隙間（バッククリアランス）が相互に補完し合うことが重要です。 クリアランスが十分でない場合、ピストンとリングを取り付けるときにエンジンが損傷する可能性が高くなります。 リングメーカーは、リングのバッククリアランスが十分であるかどうかを確認して、用途に適したリングセットであることを確認することを強くお勧めします。

コーティングは、グラファイトからセラミック、陽極酸化処理などに至るまで、さまざまな化合物やプロセスで利用できます。 ピストンのコーティングは、特定の用途においていくつかの利点をもたらします。 コーティングにはメーカーやコーティング会社が独自の名称を使用している場合が多いですが、ドライフィルムからセラミックに吹き付けるもの、金属表面に含浸させるDLCやPVDまで本質的には数種類しかありません。 PVD コーティングは、リングの表面に薄い (2 ～ 10 ミクロン、0.0001 インチ～0.0004 インチ) 膜を堆積します。 PVD コーティングプロセスは高真空条件下で行われるため高価ですが、メーカーは需要が増えるにつれてコストが下がると考えています。

ガス窒化は、金属の表面に窒素を含浸させて金属を肌硬化させる熱処理プロセスです。 ピストンリングに使用すると、リングの表面全体が約 0.001 インチの深さまで硬化され、側面摩耗および面摩耗に対する耐性が大幅に向上します。 ガス窒化リングの硬度は、ロックウェル スケールで約 68 HRC に相当します。これは、スチール リングよりもほぼ 50% 硬く、ねずみ鋳鉄リングよりも 4 倍硬くなっています。 実際、リングは非常に硬いので、リングの磨耗はほとんどありません。 この処理を行っているリングメーカーは、リングよりも先にシリンダーが摩耗してしまうと言っています。

ファストフード レストランがサンドイッチ、フライドポテト、ドリンクを含むお得な食事や組み合わせを提供するのと同じように、ピストンとリングのキットも入手可能であり、エンジン ビルダーの間で人気の選択肢です。 ピストンとリングのキットは、鋳造、過共晶、または鍛造ピストンと、選択したマッチング セットのリングで構成されます。 ピストンには新しいリストピンが含まれており、標準ボアだけでなく、特定のエンジンの組み合わせに適合する特大ボアも用意されています。 一致するコンポーネントを 1 つのパッケージで入手できるため、時間と費用を節約できます。

エンジンによって発生する総摩擦のおよそ 50 ～ 60% はピストンとリングによるものであると言われています。 トップクラスのエンジンビルダーやメーカーはこのことを知っており、それが今私たちが大幅なパワー向上を実感している理由です。 難しい部分は、摩擦を減らし、燃焼を密閉してエネルギーをクランクシャフトに伝達する仕事をすることですが、正しく行えば見返りは大きいです。