CN109416124A - 组合油环 - Google Patents

Abstract

本发明提供的组合油环能够在减少油环滑动时的耗油量的同时减小摩擦力；一对刮片环中配置于发动机燃烧室侧的上部刮片环的外周面的形状为：从形成上部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部的端点分别朝向在汽缸内壁上滑动的上述外周面的前端部呈一对对称的曲线形状，且外周前端部夹着外周面的顶点在上部刮片环的宽度方向上呈非对称形状；配置于远离发动机燃烧室侧的下部刮片环的外周面的形状为：从形成下部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部的端点分别朝向在汽缸内壁上滑动的上述外周面的前端部呈一对对称的曲线形状，且外周前端部夹着外周面的顶点在下部刮片环的宽度方向上呈对称形状。

Description

组合油环

技术领域

本发明涉及安装在活塞的油环槽中的组合油环。

背景技术

在设置于内燃机的活塞外周上的活塞环槽中，安装有活塞环。通常的汽油内燃机的活塞环的构成包括两个压缩环(第一道环和第二道环)和组合油环。组合油环具有控油功能，从而能够抑制机油的消耗。

通常，在由两个刮片环(侧轨环)和间隔外胀环(spacer expander)构成的组合油环中，为了减少耗油量，通常所采用的方法是增加油环张力，或者，保持油环张力不变，且增大规定长度的测量宽度中从外周面S的顶点(以下称为“外周顶点”)SP起的落差(径向上的距离μm)，以使刮片环的外周形状中刮片环的外周滑动面与汽缸孔在轴向上的接触宽度保持在较小范围内。通常，油环的控油性能以根据油环张力(切线张力)和刮片环的宽度h1计算出的面压(JIS B8032-13)为指标，但此处将刮片环的宽度替换为刮片环的外周滑动面与汽缸孔在轴向上的接触宽度，以下称之为实际面压。在将缸径设为d(mm)、油环张力设为Ft(N)、刮片环的外周滑动面与汽缸孔在轴向上的接触宽度设为h2(mm)、实际面压设为P(N/mm²)时，实际面压通过以下算式(1)进行计算。

P＝Ft/d×h2……(1)

当实际滑动时刮片环与汽缸孔的接触宽度h2小时，上述算式(1)中的实际面压P变大，从而能够减少耗油量。另外，由上述算式(1)可知，增大油环张力Ft会使实际面压P变大，从而能够减少耗油量。另一方面，执行减少耗油量的手段可能会导致摩擦力增加。

作为与上述油环相关的现有技术文献，存在以下文献。专利文献1中公开了如下刮油环的发明，即：油环的两个圆盘(侧轨环或刮片环)是两个相同的圆盘，且其移动面(刮片环的前端外周面)呈凸曲面状的非对称形状，一种情况下，两个圆盘的外周面的顶点线的方向分别朝向环槽的中央，另一种情况下，两个圆盘的外周面的顶点线的方向分别朝向环槽的与活塞顶呈反方向的侧面。另外，还公开了如下内容，即：圆盘的移动面的横截面在第一区域(I)中呈以h(x)＝ax+bx2表示的二次多项式的非对称形状，在经过作为边缘而构成的支撑顶点(II)h(x＝0)之后，在第三区域(III)中呈函数h(x)＝cx2的非对称形状，从而能够改善刮油作用。

专利文献2中公开了如下内容，即：上下轨环通过连接板连接而剖面呈大致“I”字形状的油环的轨环外周面，被形成为将从轨环的轴向宽度中心偏向轴向下方的位置作为顶点的非对称桶形曲面，从而减少单筒电机环试验机中的摩擦损耗。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本专利特许第4800946号公报

专利文献2：日本专利特许第4322500号公报

发明内容

近年来，为了实现发动机的低油耗化，以减少摩擦力为目的的活塞环的低张力化不断发展，并且，在其外周面上形成低摩擦力的耐磨性薄膜的技术也不断发展。在发动机高速旋转的高速区域中，油环的低张力化会导致油膜的厚度进一步增大，从而会引起耗油量增大这一问题。另外，关于油环张力的水平，以油环张力Ft(单位：N)除以缸径d(单位：mm)所得的值Ft/d(单位：N/mm)、即单位缸径的油环张力代替，现有技术下的水平为0.5(N/mm)～0.6(N/mm)，低张力化下的水平为0.35(N/mm)以下。

因此，发明了旨在将油膜的厚度控制为较薄厚度，以便抑制因为油环的低张力化导致耗油量增大的刮片环的外周形状、和有助于减少摩擦力的刮片环的外周形状的组合，并实施了耗油量测量试验和利用曲柄式单筒电机环试验机(浮动缸套式)进行的摩擦力测量试验。

本发明是基于上述情况而完成的，其目的在于提供一种即使油环的张力低也能够减少发动机高速旋转的高速区域中的耗油量，且能够减少油环滑动所产生的摩擦力的组合油环。

为了解决上述课题，本发明的第一观点提供的组合油环被安装在内燃机用活塞的油环槽中，且具有一对刮片环和间隔外胀环，其中，所述一对刮片环的外周面在汽缸的内壁上滑动，所述间隔外胀环配置在所述一对刮片环之间，并且朝向所述汽缸的内壁挤压所述一对刮片环的外周面，该组合油环的特征在于，

所述一对刮片环中配置于发动机燃烧室侧的上部刮片环的任意纵剖面中的所述外周面的形状呈如下形状，即：在从形成上部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部的端点分别朝向汽缸的内壁的径向上，在上部刮片环的宽度方向的发动机燃烧室侧和远离发动机燃烧室侧具有对称的一对曲线形状；在所述外周面的形状中插入汽缸内时与汽缸的内壁接触的外周顶点侧，夹着外周顶点在上部刮片环的宽度方向上呈非对称形状，且所述非对称形状的两端的延长线分别与以形成所述上部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部为端点的所述曲线形状相连；

所述非对称形状被形成为：将从上部刮片环宽度的中心位置通过的线设为第一中间线，在上部刮片环的纵剖面中的外周面的轮廓曲线的外周前端部中，将轮廓曲线上从外周顶点朝向上部刮片环的径向内周侧的距离为4.0μm处的两个位置中的发动机燃烧室侧的位置设为第一位置(a1)，将远离发动机燃烧室侧的位置设为第二位置(b1)，将该第一位置(a1)与第二位置(b1)之间的线段的长度设为L，将该长度为L的线段的中间线设为第二中间线时，第二中间线位于相比第一中间线更加远离发动机燃烧室侧的位置处，并且，上部刮片环的外周顶点位于第二中间线上、或者相比第二中间线更加远离发动机燃烧室侧的位置处；

上部刮片环以外周顶点位于远离发动机燃烧室侧的方式被安装在油环槽中；

一对刮片环中配置于远离发动机燃烧室侧的下部刮片环的任意纵剖面中的外周面的形状呈如下形状，即：在从形成下部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部的端点分别朝向汽缸的内壁的径向上，在下部刮片环的宽度方向的发动机燃烧室侧和远离发动机燃烧室侧具有对称的一对曲线形状；在外周面的形状中插入所述汽缸内时与汽缸的内壁接触的外周顶点侧，夹着外周顶点在下部刮片环的宽度方向上呈对称的弧形状，且弧形状的两端的延长线分别与以形成下部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部为端点的曲线形状相连；

下部刮片环被安装在油环槽中；

在将上部刮片环的外周前端部的非对称形状的轮廓曲线划分为：外周顶点与从外周顶点朝向上部刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm的位置之间的轮廓曲线部分、和从外周顶点朝向上部刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm的位置与从外周顶点朝向上部刮片环的径向内周侧的距离为4.0μm的位置之间的轮廓曲线部分时，从汽缸的发动机燃烧室侧起依次设为第一轮廓区域、第二轮廓区域以及第三轮廓区域；第一轮廓区域以第二轮廓区域的所述发动机燃烧室侧的第一端部作为起点，且被设置为直线形状、或者二次曲线形状的一部分；第二轮廓区域被设置为弧状，并且外周顶点位于该第二轮廓区域的中途部分处；第三轮廓区域以第二轮廓区域的远离发动机燃烧室侧的第二端部作为起点，且被设置为二次曲线形状的一部分；

上部刮片环的外周面中的非对称形状部分的表面粗糙度为0.1μmRa以下；

在轮廓曲线的外周前端部中，将轮廓曲线上从外周顶点朝向上部刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm处的两个位置中的发动机燃烧室侧的位置设为第四位置(b2)，第一位置a1与第二位置b1之间的线段的长度L为0.05mm≤L≤0.18mm；

在将从第一位置a1和第三位置a2通过的第一直线与汽缸的轴向形成的角度(上方角)设为θ1度，将从第二位置b1和第四位置b2通过的第二直线与汽缸的轴向形成的角度(下方角)设为θ2度时，满足3度≤θ1≤9度、9度≤θ2的条件；

并且，下部刮片环的外周面中从外周顶点朝向下部刮片环的径向内周侧的距离至少为10μm的对称部分的表面粗糙度在0.1μmRa以下；

在下部刮片环的纵剖面中的所述外周面的轮廓曲线的外周前端部中，将轮廓曲线上从外周顶点朝向下部刮片环的径向内周侧的距离为4.0μm处的两个位置中的发动机燃烧室侧的位置设为第五位置(a1x)，将远离发动机燃烧室侧的位置设为第六位置(b1x)，将轮廓曲线上从外周顶点朝向下部刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm处的两个位置中的发动机燃烧室侧的位置设为第七位置(a2x)，将远离发动机燃烧室侧的位置设为第八位置(b2x)，将第五位置a1x与第六位置b1x之间的线段的长度设为Lx时，长度Lx为0.08mm≤Lx≤0.20mm；

在将从第五位置a1x和第七位置a2x通过的第一直线与汽缸的轴向形成的角度(上方角)设为θ1x度，将从第六位置b1x和第八位置b2x通过的第二直线与汽缸的轴向形成的角度(下方角)设为θ2x度时，满足2度≤θ1x≤9度、2度≤θ2x≤9度，且|θ1x-θ2x|≤1.5度的条件。

根据本发明的第二观点的组合油环，更优选在下部刮片环的纵剖面中的外周面的轮廓曲线的外周前端部中，长度Lx为0.08mm≤Lx≤0.18mm，且满足3度≤θ1x≤9度、3度≤θ2x≤9度、|θ1x-θ2x|≤1.5度的条件。

根据本发明的第三观点，优选一对刮片环各自的外周面的表面上具有下述(1)～(3)中的任意一种膜；

(1)由氮化铬构成的膜，该膜的表面硬度为800HV以上，膜厚为10μm以上；

(2)仅由碳构成的DLC(非晶碳)膜，该膜的表面硬度为1500HV以上，膜厚为3μm以上；

(3)在(1)的硬质膜上层叠(2)的DLC膜而成的多层层叠结构膜，氮化铬膜(PVD膜)的膜厚为5μm以上，DLC膜的膜厚为0.5μm以上。

(发明效果)

根据本发明，能够提供一种即使油环的张力低也能够减少发动机高速旋转的高速区域中的耗油量，且能够减少油环滑动所产生的摩擦力的组合油环。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式涉及的组合油环的构成，且表示安装有组合油环的活塞被插入汽缸中的状态的纵剖视图。

图2是表示刮片环的外观的俯视图。

图3是表示将配置于发动机燃烧室侧的上部刮片环11沿图2的A-A线剖切后的状态的纵剖视图。

图4是表示将配置于远离发动机燃烧室侧的下部刮片环12沿图2的A-A线剖切后的状态的纵剖视图。

图5是表示间隔外胀环的构成的立体图。

图6是表示配置于发动机燃烧室侧的上部刮片环11的外周面形状的部分轮廓曲线。

图7是表示将图6中的上部刮片环11的外周面的前端部分放大后的状态的部分轮廓曲线。

图8是表示配置于远离发动机燃烧室侧的下部刮片环12的外周面形状的部分轮廓曲线。

图9是表示将图8中的下部刮片环12的外周面的前端部分放大后的状态的部分轮廓曲线。

图10是测量图6中的上部刮片环11的外周面时的轮廓曲线。

图11是将图10中的上部刮片环11的外周面的前端部分放大进行表示的轮廓曲线。

图12是测量图8中的下部刮片环12的外周面时的轮廓曲线。

图13是将图12中的下部刮片环12的外周面的前端部分放大进行表示的轮廓曲线。

图14是用于测量摩擦力的曲柄式单筒电机环试验机(浮动缸套式)的概略示意图。

图15是根据表4将横轴设为发动机转速、纵轴设为FMEP比而表示实施例8～12、比较例7、参考例3中的发动机转速与FMEP比的关系的图表。

(符号说明)

1…汽缸

2…活塞

3…活塞的外周面

4…油环槽

5…回油孔

10…组合油环

11…上部刮片环

12…下部刮片环

11a、12a…硬质膜

13…间隔外胀环

M…间隔外胀环的轴向中心线

14…上突出部

14a…上片部

14b、15b…耳部

14b1、15b1…倾斜面

14c、15c…外周支撑部

14d、15d…连通孔

15…下突出部

15a…下片部

a1…第一位置

b1…第二位置

a2…第三位置

b2…第四位置

a1x…第五位置

b1x…第六位置

a2x…第七位置

b2x…第八位置

S…外周面

S1…第一轮廓区域

S2…第二轮廓区域

S3…第三轮廓区域

SP…外周顶点

20…曲柄式单筒电机环试验机

21…汽缸套

23…挡块

25…传感器(用于检测轴向的滑动摩擦力)

30…往复摩擦试验机

31…上试样

32…下试样

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式涉及的组合油环10进行说明。

＜1.关于组合油环10的构成＞

图1是表示组合油环10的构成，且表示安装有组合油环10的活塞2被插入汽缸1中的状态的纵剖视图。

如图1所示，汽车等的发动机的汽缸1的内部配置有能够往复运动的活塞2。该活塞2的外周面3上设有两个或者三个环状的槽(省略发动机燃烧室侧的一个或者两个槽的图示)。其中，在距离发动机燃烧室最远的曲轴(省略图示)侧设有油环槽4。油环槽4中设有回油孔5，并安装有组合油环10。该组合油环10具有控油功能，其将汽缸1的内壁上存在的机油形成为适当厚度的油膜。

如图1所示，组合油环10是三件式的组合油环，且以钢作为主要成分而形成。该组合油环10具有一对刮片环(segment)(侧轨环(side rail))11、12和配置于该一对刮片环11、12之间的间隔外胀环13。如图1所示，一对刮片环11、12分别具有规定的刮片环宽度h1。在此，“刮片环宽度h1”是指上部刮片环11、下部刮片环12分别在汽缸1的轴向(Y方向)上的尺寸，通常为相同尺寸。另外，一对刮片环11、12被配置为具有组合宽度h0。在此，“组合宽度h0”是指上部刮片环11的上表面(发动机燃烧室侧的面)与下部刮片环12的下表面(远离发动机燃烧室侧的面)之间的间隔。进而，上部刮片环11被配置为：与油环槽4的发动机燃烧室侧的上壁之间具有侧隙SC的间隙。另外，“侧隙SC”是指油环槽的宽度与组合宽度h0之间的尺寸差。通常，汽缸的缸径d在50mm～100mm的范围内，组合宽度h0为1.5mm～3.0mm，刮片环宽度h1为0.30mm～0.5mm，侧隙SC为0.07mm～0.15mm。

图2是表示刮片环11、12的外观的俯视图。图3是表示将配置于发动机燃烧室侧的上部刮片环11沿图2的A-A线剖切后的状态的纵剖视图。图4是表示将配置于远离发动机燃烧室侧的下部刮片环12沿图2的A-A线剖切后的状态的纵剖视图。如图2所示，刮片环11、12的外观被设置为环状。而且，刮片环11、12的圆周方向上的端面彼此在开口处相隔狭小的间隙相对。另外，如图3、图4所示，刮片环11、12分别在外周面S侧设有用于提高耐磨性和低摩擦性的硬质膜11a、12a。另外，关于该刮片环11、12的外周面S的前端部分SA的形状，之后进行叙述。另外，关于硬质膜11a、12a的具体材质和形成方法，也在之后进行叙述。

图5是表示间隔外胀环13的构成的立体图。如图5所示，间隔外胀环13被设置为：随着沿其圆周方向前进而交替朝向上部刮片环11和下部刮片环12中的任意一个突出这样的波形形状。通过将间隔外胀环13设置为这样的波形形状，从而在上部刮片环11与下部刮片环12之间形成间隙，由此能够确保机油的通道。

另外，间隔外胀环13的外观被设置为环状，并且，通过将间隔外胀环13以其圆周方向上的端面彼此对接的状态安装在两个刮片环和油环槽4中，在插入汽缸1之前设定的作为压缩弹簧发挥作用的间隔外胀环13在自由状态下的圆周方向长度(自由高度)缩小与设定的挠曲量对应的长度，从而产生组合油环10的油环张力Ft。

以下，将间隔外胀环13中位于相比汽缸1的轴向的中心线M更靠近发动机燃烧室侧的位置处的部分称为“上突出部14”，将位于相比中心线M更远离发动机燃烧室侧的位置处的部分称为“下突出部15”。通过使该上突出部14和下突出部15在间隔外胀环13的圆周方向上反复呈周期性地连续，从而使间隔外胀环13形成为具有多个波形部分。

上突出部14和下突出部15通过相对于间隔外胀环13进行例如塑性加工而被形成为波形形状。而且，上突出部14具有上片部14a、耳部14b以及外周支撑部14c。上片部14a是与上部刮片环11相对的部分，且被设置为大致水平，但不限于此，例如也可以沿着从外周支撑部14c的圆周方向中央位置朝向耳部14b的圆周方向中央位置的方向设置有凹状槽。另外，间隔外胀环13的形状并不限于上突出部、下突出部在汽缸1的轴向上交替形成这样的波形形状，也可以形成为如下形状，即：在间隔外胀环13的径向内周侧设有耳部，外周侧设有刮片环的支撑部，上突出部和下突出部设置为隔着中心线M呈对称形状，而且耳部和刮片环的支撑部在圆周方向上交替形成。

另外，耳部14b位于相比上片部14a更靠近内周侧的位置处，而且被设置为相比上片部14a更加朝向发动机燃烧室侧(远离中心线M的方向)突出。耳部14b的外周侧设有相对于汽缸1的轴向倾斜的倾斜面14b1，该倾斜面14b1以随着从突出的前端部靠近中心线M而朝向外周侧延伸的方式倾斜。该倾斜面14b1与上部刮片环11的内周侧部位抵接。通常，该倾斜面14b1的倾斜角度被设置在相对于与中心线M垂直的面为5度～30度的范围内，也可以为0度。因此，与该倾斜面14b1的倾斜角度对应的上部刮片环11的内周侧部位与该倾斜面14b1抵接。

另外，在耳部14b与上片部14a的分界部分处，设有供机油流通的连通孔14d，但也可以采用不存在该连通孔14d的构成。

另外，外周支撑部14c位于相比上片部14a更靠近外周侧的位置处。该外周支撑部14c被设置为相比上片部14a更加朝向发动机燃烧室侧(远离中心线M的方向)突出。而且，外周支撑部14c是在其上表面侧支撑上部刮片环11的部分。因此，外周支撑部14c的突出高度低于耳部14b的突出高度，另外，外周支撑部14c的上表面也被设置为大致水平。

另外，如图1所示，下突出部15被设置为与上突出部14夹着中心线M呈对称形状，并且在圆周方向上与上突出部14邻接而设置。因此，下突出部15也具有与上片部14a呈对称形状的下片部15a、与耳部14b呈对称形状的耳部15b、以及与外周支撑部14c呈对称形状的外周支撑部15c。另外，耳部15b上设有与下部刮片环12的内周侧部位抵接的倾斜面15b1，该倾斜面15b1以随着靠近中心线M而朝向外周侧延伸的方式倾斜。该倾斜面15b1与下部刮片环12的内周侧部位抵接。通常，该倾斜面15b1的倾斜角度被设置在相对于与中心线M垂直的面为5度～30度的范围内，也可以为0度。因此，与该倾斜面15b1的倾斜角度对应的下部刮片环12的内周侧部位与该倾斜面15b1抵接。

另外，在耳部15b与下片部15a的分界部分处，设有供机油流通的连通孔15d，但也可以采用不存在该连通孔15d的构成。

另外，外周支撑部15c在其下表面侧(曲轴侧的面)支撑下部刮片环12。因此，上部刮片环11和下部刮片环12以在汽缸1的轴向上分离的状态被保持。在将一对刮片环11、12和配置于一对刮片环11、12之间的间隔外胀环13安装在活塞2的油环槽4中，并插入汽缸1之后，间隔外胀环13成为其圆周方向的端面彼此对接的状态而产生压缩应力，从而测量到组合油环10的油环张力Ft。另外，上部刮片环11和下部刮片环12分别被倾斜面14b1、15b1挤压，从而使上部刮片环11和下部刮片环12的外周面S的前端部分SA挤压汽缸1的内周面。由此，能够将汽缸1的内壁上存在的机油形成为适当厚度的油膜。

＜2.关于上部刮片环11、下部刮片环12的外周面S的形状＞

接下来，对于上部刮片环11和下部刮片环12的纵剖面中的外周面S的形状进行说明。配置于发动机燃烧室侧的上部刮片环11的外周面S的形状呈如下形状，即：如图3所示，在从形成刮片环宽度的对置的两个面的外周侧端部的端点分别朝向汽缸内壁的径向上，刮片环宽度的发动机燃烧室侧和远离发动机燃烧室侧呈对称的一对曲线形状，并且，外周形状中插入汽缸内时与汽缸的内壁接触的外周顶点侧，夹着刮片环的外周顶点在刮片环宽度方向上呈非对称形状，且在并非外周顶点侧的外周面上与对称的曲线形状相连。

另一方面，配置于远离发动机燃烧室侧的下部刮片环12的外周面S的形状呈如下形状，即：如图4所示，在从形成刮片环宽度的两个面的外周侧端部的端点分别朝向汽缸的内壁的径向上，刮片环宽度的发动机燃烧室侧和远离发动机燃烧室侧呈对称的一对曲线形状，并且，外周形状中插入汽缸内时与汽缸的内壁接触的外周顶点侧，夹着刮片环的外周顶点在刮片环宽度方向上呈对称形状，且在并非外周顶点侧的外周面上与对称的曲线形状相连，即，外周面S的整个区域均相对于刮片环宽度中心线对称。关于刮片环宽度中心线，也可以将刮片环的任意纵剖面中的外周面的轮廓曲线形成为：在刮片环径向的内周侧位置处存在从形成刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部的端点起形成的一对对称形状，并将一对对称形状的对称轴作为刮片环宽度中心线。

＜2-1.关于上部刮片环11的外周面S的形状＞

首先，对于上部刮片环11的外周面S的非对称形状进行说明。图6是表示上部刮片环11的纵剖面中的外周面S的形状的部分轮廓曲线。另外，图6是包含外周面S的前端部分SA的模式图，该模式图相当于汽缸1的轴向(图6的Y方向)上的某单位长度的放大率和径向(图6的X方向)上的某单位长度的放大率分别为200倍和2000倍时的轮廓曲线。

如图6所示，在测量上部刮片环11的外周面S时的轮廓曲线所描绘的范围内，本实施方式的上部刮片环11的外周面S呈大致凸曲面形状，且在汽缸1的轴向上存在两个对称区域R1，在两个对称区域R1之间形成有包含前端部分SA的非对称区域R2。另外，“轮廓曲线”是指表面粗糙度测量中的剖面曲线。

在本实施方式中，上部刮片环11的外周面S在汽缸1的轴向(Y方向)上从发动机燃烧室侧起依次形成有对称区域R1、非对称区域R2以及对称区域R1。

另外，非对称区域R2位于两个对称区域R1之间。该非对称区域R2的轮廓曲线相对于从两个对称区域R1求出的轮廓曲线的线对称的中心轴呈非对称形状。将该线对称的中心轴称为第一中间线W1。

在此，在图6中求出偏心量。具体而言，将从外周顶点SP通过且沿刮片环径向(图6的X方向)延伸的直线设为线W2，接着，将从外周顶点SP通过且与线W2垂直(即，沿汽缸1的轴向(Y方向)延伸)的线设为线W3。求出此时第一中间线W1与线W2之间的距离(W3方向的线段长度)、即第一偏心量P1。另外，外周顶点SP是在刮片环径向(X方向)上最靠近外径侧的部位。

另外，在图6中，除了第一中间线W1和线W2之外，还设有第二中间线V1。第二中间线V1是如下所述的线。即，在将非对称区域R2与线W4相交的位置中的发动机燃烧室侧的位置设为第一位置a1、将远离发动机燃烧室侧的位置设为第二位置b1、将第一位置a1与第二位置b1之间的线段的长度设为L时，将该长度为L的线段的中间线称为第二中间线V1，其中，线W4位于从外周顶点SP朝向径向(X方向)内周侧的距离为4.0μm的部位处，并且与第一中间线W1垂直。此时，求出第二中间线V1与线W2之间的距离(W3方向的线段长度)、即第二偏心量P2。

在此，如图6所示，第二中间线V1位于相比第一中间线W1更加远离发动机燃烧室侧的位置处。另外，外周顶点SP位于第二中间线V1的远离发动机燃烧室侧，且与第二中间线V1相距与第二偏心量P2对应的距离，或者，外周顶点SP也可以位于第二中间线V1上。

上部刮片环11的第一偏心量P1优选在远离发电机燃烧室侧位于0.02mm(含0.02mm)至0.10mm(含0.10mm)的范围内(0.02mm≤P1≤0.10mm)。

另外，在具有规定的非对称形状的上部刮片环11上，形成有用于识别发动机燃烧室侧的方向的标记。而且，上部刮片环11以其外周顶点SP位于远离发动机燃烧室侧的方式被安装在油环槽4中。

＜2-2.关于下部刮片环12的外周面S的形状＞

接着，对于下部刮片环12的外周面S的对称形状进行说明。图8是表示下部刮片环12的纵剖面中的外周面S的形状的部分轮廓曲线。另外，图8是包含外周面S的前端部分SA的模式图，该模式图相当于汽缸1的轴向(图8的Y方向)上的某单位长度的放大率和径向(图8的X方向)上的某单位长度的放大率分别为200倍和2000倍时的轮廓曲线。

如图8所示，在测量下部刮片环12的外周面S时的轮廓曲线所描绘的范围内，本实施方式的下部刮片环12的外周面S呈弧状，且所描绘的轮廓曲线在汽缸1的轴向上对称。将从该对称区域求出的轮廓曲线的线对称的中心轴称为第一中间线W1。

在此，在图8中，求出该轮廓曲线的第一中间线W1的偏心量。具体而言，将从外周顶点SP通过且沿刮片环径向(图8的X方向)延伸的直线设为线W2，接着，将从外周顶点SP通过且与线W2垂直(即，沿汽缸1的轴向(Y方向)延伸)的线设为线W3。求出此时第一中间线W1与线W2之间的距离(W3方向的线段长度)、即第一偏心量P1。另外，外周顶点SP是在刮片环径向(X方向)上最靠近外径侧的部位。

关于下部刮片环12的第一偏心量P1，当在图8中将下部刮片环12的外周顶点位于第一中间线W1的发动机燃烧室侧时的偏心量设为负，将外周顶点位于第一中间线W1的远离发电机燃烧室侧时的偏心量设为正时，下部刮片环12的第一偏心量P1优选为大于-0.02mm且小于0.02mm(-0.02mm＜P1＜0.02mm)。例如，“第一偏心量P1为-0.02mm”是指：在图8中，下部刮片环12的外周顶点SP位于从第一中间线W1朝向发动机燃烧室侧分离0.02mm的位置处。

＜3.关于上部刮片环11的外周面S的前端部分SA的形状＞

接下来，对于上部刮片环11的外周面S的前端部分SA的形状进行说明。

图7是表示将上部刮片环11的外周面S的前端部分SA放大后的状态的部分轮廓曲线。另外，图7是外周面S的前端部分SA的模式图，该模式图相当于汽缸1的轴向(图7的Y方向)上的某单位长度的放大率和径向(图7的X方向)上的某单位长度的放大率分别为1000倍和2000倍时的轮廓曲线。图7是将上部刮片环11的外周面S的形状在Y方向上的测量放大率设为图6的5倍的图。

本实施方式中的“上部刮片环11的外周面S的前端部分SA”是指从上部刮片环11的外周顶点SP朝向径向(X方向)内周侧的距离为4.0μm为止的轮廓曲线，上部刮片环11的外周面S的前端部分SA呈凸曲面形状，而且被形成为夹着外周顶点SP在该前端部分SA的汽缸1的轴向(Y方向)上非对称的形状。具体而言，首先，将从前端部分SA的外周顶点SP朝向径向(X方向)内周侧的距离为4.0μm为止的部位中连续存在的外周面S的前端部分SA的剖面轮廓曲线，从发动机燃烧室侧起依次划分为第一轮廓区域S1、第二轮廓区域S2、第三轮廓区域S3这三个区域。

＜4.关于上部刮油环11的第一轮廓区域S1、第二轮廓区域S2以及第三轮廓区域S3＞

如图7所示，第一轮廓区域S1是以第二轮廓区域S2的发动机燃烧室侧的端部作为起点朝向发动机燃烧室侧延伸的轮廓部分。该第一轮廓区域S1呈二次曲线这样的曲线形状，也可以为直线形状。

另外，外周顶点SP位于该第二轮廓区域S2的中间部分处。该第二轮廓区域S2的发动机燃烧室侧的端部与第一轮廓区域S1相连。另外，第二轮廓区域S2的远离发动机燃烧室侧的端部与第三轮廓区域S3相连。第二轮廓区域S2被设置为弧状。作为弧状，可以举出例如近似于二次曲线的曲线形状。另外，第三轮廓区域S3位于相比外周顶点SP更加远离发动机燃烧室侧的位置处。该第三轮廓区域S3被设置为以第二轮廓区域S2的远离发动机燃烧室侧的端部作为起点的二次曲线的一部分。

第一轮廓区域S1、第二轮廓区域S2以及第三轮廓区域S3的表面粗糙度在0.1μmRa以下，且以轴向作为测量方向进行测量。另外，Ra是粗糙度参数的一种，且是ISO4287：1997(JIS B0601：2001)中的算术平均粗糙度。

另外，外周面S的第一轮廓区域S1和从第一轮廓区域S1起位于发动机燃烧室侧的非对称区域、以及第二轮廓区域S2的规定形状，可以通过机械加工而形成，或者，也可以形成为与作为上部刮片环11的基体材料的刮片环用线材相似的形状。另一方面，第三轮廓区域S3被形成为与上部刮片环11用的基体材料相似的形状，并通过能够维持基体材料的形状的研磨加工进行精加工。

另外，在上部刮片环纵剖面的外周前端部中由第一轮廓区域S1、第二轮廓区域S2以及第三轮廓区域S3所形成的轮廓曲线中，将轮廓曲线上从外周顶点朝向刮片环的径向内周侧的距离为4.0μm处的两个位置设为第一位置、第二位置，并分别表示为a1、b1。将轮廓曲线上从外周顶点朝向刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm处的两个位置设为第三位置、第四位置，并分别表示为a2、b2。

另外，将从第一位置a1和第三位置a2通过的直线设为直线N1。将该直线N1与从外周顶点SP通过且与汽缸1的轴向(Y方向)平行(即与径向(X方向)垂直)的线W3所形成的角度(上方角)设为θ1度。另外，将从第二位置b1和第四位置b2通过的直线设为直线N2。将该直线N2与线W3所形成的角度(下方角)设为θ2度。

这些上部刮片环11的角度θ1(上方角)和角度θ2(下方角)的值，在表1中以油耗测量和摩擦力测量中的测量值表示。

测量值是与图2所示的开口相隔90度的位置、与开口相隔180度的位置以及与开口相隔270度的位置这三个位置处的值的平均值。

另外，实际测量图7所示那样的上部刮片环11时(实施例)的外周面S的轮廓曲线如图10和图11所示。图10是测量外周面S时的轮廓曲线，图11是将图10中测量的外周面S的前端部分SA放大后的轮廓曲线。图10中测量时的放大率在径向(X方向)上为2000倍，在汽缸1的轴向(Y方向)上为200倍。另外，图11中测量时的放大率在径向(X方向)上为2000倍，在汽缸1的轴向(Y方向)上为1000倍。另外，在上述轮廓曲线的测量中，基于ISO 4287：1997(JISB0601：2001)进行测量(其他轮廓曲线的测量中也是相同的)。

＜5.关于下部刮片环12的外周面S的前端部分SA的形状＞

接着，对于下部刮片环12的外周面S的前端部分SA的形状进行说明。

图9是表示将下部刮片环12的外周面S的前端部分SA放大后的状态的部分轮廓曲线。另外，图9是外周面S的前端部分SA的模式图，该模式图相当于汽缸1的轴向(图9的Y方向)上的某单位长度的放大率和径向(图9的X方向)上的某单位长度的放大率分别为1000倍和2000倍时的轮廓曲线。图9是将下部刮片环12的外周面S的形状在Y方向上的测量放大率设为图8的5倍的图。

本实施方式中的“下部刮片环12的外周面S的前端部分SA”是指从下部刮片环12的外周顶点SP朝向径向(X方向)内周侧的距离为4.0μm为止的轮廓曲线，下部刮片环12的外周面S的前端部分SA呈弧状，而且被形成为夹着外周顶点SP在该前端部分SA的汽缸1的轴向(Y方向)上对称的形状。

下部刮片环12的外周面中从外周顶点朝向刮片环径向内周侧的距离至少10μm为止的对称部分的表面粗糙度在0.1μmRa以下，且以轴向为测量方向进行测量。另外，Ra是粗糙度参数的一种，且是ISO4287：1997(JIS B0601：2001)中的算术平均粗糙度。

另外，外周面S的前端部分SA被形成为与作为下部刮片环12的基体材料的刮片环用线材相似的形状，并通过能够维持基体材料的形状的研磨加工进行精加工。

另外，在下部刮片环纵剖面的外周前端部分SA中，将轮廓曲线上从外周顶点朝向刮片环的径向内周侧的距离为4.0μm处的两个位置设为第五位置、第六位置，并分别表示为a1x、b1x。将轮廓曲线上从外周顶点朝向刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm处的两个位置设为第七位置、第八位置，并分别表示为a2x、b2x。

另外，将从第五位置a1x和第七位置a2x通过的直线设为直线N1。将该直线N1与从外周顶点SP通过且与汽缸1的轴向(Y方向)平行(即与径向(X方向)垂直)的线W3所形成的角度(上方角)设为θ1x度。另外，将从第六位置b1x和第八位置b2x通过的直线设为直线N2。将该直线N2与线W3所形成的角度(下方角)设为角度θ2x。

上述下部刮片环12的角度θ1x(上方角)和角度θ2x(下方角)的值，在表2中以油耗测量和摩擦力测量中的测量值表示。测量值是与图2所示的开口相隔90度的位置、与开口相隔180度的位置以及与开口相隔270度的位置这三个位置处的值的平均值。

另外，实际测量图9所示那样的下部刮片环12时(实施例)的外周面S的轮廓曲线如图12和图13所示。图12是测量外周面S时的轮廓曲线，图13是将图12中测量的外周面S的前端部分SA放大后的轮廓曲线。图12中测量时的放大率在径向(X方向)上为2000倍，在汽缸1的轴向(Y方向)上为200倍。另外，图13中测量时的放大率在径向(X方向)上为2000倍，在汽缸1的轴向(Y方向)上为1000倍。另外，在上述轮廓曲线的测量中，基于ISO 4287：1997(JISB0601：2001)进行测量(其他轮廓曲线的测量中也是相同的)。

＜6.关于上部刮片环11的外周面S的形状的形成方法＞

接着，对于上部刮片环11的外周面S的形成方法进行说明。在将剖面形状与最终产品刮片环的剖面形状相同的拉丝状的刮片环用钢制线材形成为环状，并对环状的刮片环用线材的外周面实施表面处理之后，使用例如砂带磨削装置，通过弹性体将沿刮片环的宽度方向旋转的带磨料皮带推到固定的一个刮片环的外周面上，从而将外周面S形成为规定的非对称形状，其中，弹性体夹着旋转的皮带位于刮片环的相反侧。该非对称形状也可以以上部刮片环11的基体材料、即拉丝状的刮片环用线材的状态形成，或者，也可以在将拉丝状的刮片环用线材形成为环状后形成，可以通过任一方法形成。

＜7.关于下部刮片环12的外周面S的形状的形成方法＞

接着，对于下部刮片环12的外周面S的形成方法进行说明。在将剖面形状与最终产品刮片环的剖面形状相同的拉丝状刮片环用钢制线材形成为环状，并对环状刮片环用线材的外周面实施表面处理之后，使用例如抛光磨削装置，以规定的研磨条件将刮片环的外周面S形成为对称形状。

＜8.关于在上部刮片环11、下部刮片环12的外周面S上形成硬质膜11a、12a的成膜方法＞

接下来，对于在刮片环11、12的外周面S的表面上形成硬质膜11a、12a的方法进行说明。通常是在一对刮片环上形成相同的硬质膜，但也可以分别形成不同的硬质膜，并且，优选在上部刮片环11上使用耐磨性比下部刮片环12上的膜更为出色的膜。另外，膜也可以呈层叠结构。

另外，硬质膜11a、12a可以选择利用下述方法形成的膜。

(8-1)氮化铬膜(PVD膜)的成膜方法

首先，对于在刮片环11、12的外周面S上形成作为硬质膜11a、12a的氮化铬膜的方法进行说明。作为成膜方法，存在使用用于执行作为物理气相沉积(PVD：Physical VaporDeposition)法中的一种的电弧离子镀法的电弧离子镀装置进行成膜的方法。在通过电弧离子镀法形成氮化物膜时，利用Cr的金属靶材，并将刮片环11、12用的基体材料设置在电弧离子镀装置内。然后，在为了在刮片环11、12用的基体材料的外周面S的整个圆周方向上成膜而使基体材料自转的状态下，对电弧离子镀装置内进行抽真空而进行减压，并且对基体材料进行加热。

然后，对基体材料施加偏压，利用金属靶材进行离子轰击(ion bombardment)。所施加的偏压可以为例如-500V～-1000V。接下来，施加另一偏压，并向电弧离子镀装置内导入工艺气体，从而在刮片环11、12的外周滑动面上形成规定厚度的硬质膜11a、12a。作为另一偏压，可以为例如0V～-200V。作为工艺气体，可以仅使用氮气，或者也可以加入氧气、甲烷等其他气体而使用。

膜的表面硬度为800HV以上，更优选为1000HV以上，膜厚优选为10μm以上。通过将氮化铬膜(PVD膜)的厚度设为10μm以上，容易确保耐磨性。

(8-2)非晶碳膜(DLC膜)的成膜方法

接下来，对于在刮片环11、12的外周面S上作为硬质膜11a、12a而形成非晶碳膜(DLC(Diamond Like Carbon、类钻碳)膜)的方法进行说明。作为形成DLC膜的方法，存在使用用于执行电弧离子镀法的电弧离子镀装置的方法。将刮片环11、12用的基体材料设置在电弧离子镀装置内。然后，在为了在刮片环11、12用的基体材料的外周面S的整个圆周方向上成膜而使基体材料自转的状态下，对电弧离子镀装置内进行抽真空而进行减压，并且对基体材料进行加热。然后，对刮片环的基体材料施加偏压，并利用氩离子进行离子轰击。所施加的偏压可以为例如-50V～-300V。

接下来，作为粘接层，在施加了规定的偏压后形成Ti膜。作为规定的偏压，可以为例如-50V～-300V。接下来，通过溅射氩而在Ti膜上形成呈非晶质碳结构的DLC膜(a-C层)。此时，将偏压设定为例如-50V～-300V。进而，通过过滤电弧离子镀在a-C层上形成呈四面体碳结构的DLC膜(ta-C层)。此时，将偏压设定为例如-100V～-300V。通过交替反复层叠上述两个层，从而在刮片环基体材料的外周滑动面上形成规定厚度的硬质膜11a、12a。此时，有无a-C层均可。

膜的表面硬度优选为1500HV以上，膜厚优选为3μm以上。通过将非晶碳膜的厚度设为3μm以上，容易确保耐磨性。

(8-3)关于复合式层叠结构膜

为了提高刮片环的耐磨性和低摩擦性，也可以在氮化铬膜(PVD膜)表面上(刮片环外周侧)覆盖膜厚较小(8-2)DLC膜，从而将硬质膜11a、12a形成为复合式层叠结构膜。

在此，可以适当地将氮化铬膜(PVD膜)的膜厚设为5μm以上，将DLC膜的膜厚设为0.5μm以上。另外，氮化铬膜和DLC膜的粘接层有无均可。

＜9.关于耗油量测量试验的方法＞

接下来，对于利用本实施方式的组合油环10进行的耗油量测量试验进行说明。在耗油量测量试验中，使用排气量为2L级且缸径为80mm级的发动机。在该发动机的试运行之后，将负载条件设为WOT(节气门全开；全负载)的状态、将冷却水温设为100℃、将机油温度设为125℃，机油使用GF-50W-20(等级：ILSAC规格，粘度分类：SAEJ300)。

然后，将发动机的平均活塞速度设为V，且以V为20.2m/s的高速区域的条件对耗油量(LOC：Luburication Oil Consumption)进行了评价。该平均活塞速度是根据发动机的旋转速度和冲程(stroke)求出的活塞2的平均速度。在耗油量的测量中，使用油耗计并通过定油面法测量耗油量。

试验中使用的活塞环中的第一道环，使用宽度(汽缸1的轴向上的尺寸)为1.2mm，外周面呈筒形状且外周面上通过电弧离子电镀法形成有仅由碳构成的DLC膜，并且表面粗糙度为0.03μmRa的环。第一道环的张力与缸径之比为0.07(N/mm)。另外，第二道环使用宽度(汽缸1的轴向上的尺寸)为1.2mm，外周面呈锥形状且外周面上实施了电镀硬铬，并且表面粗糙度为0.03μmRa的环。第二道环的张力与缸径之比为0.07(N/mm)。组合油环10使用组合宽度h0为2.0mm，刮片环11、12的刮片环宽度h1为0.4mm，外周面上通过电弧离子电镀方法形成有仅由碳构成的DLC膜，并且外周面的表面粗糙度为0.03μmRa的组合油环。油环的张力与缸径之比为0.25(N/mm)。

在本试验中，组合油环10与活塞2的油环槽4之间的侧隙SC为0.11mm。

刮片环11、12的基体材料使用相当于JIS SUS440B的材料，且在该刮片环11、12的外周面上形成有DLC膜(膜厚为5μm、表面硬度为维氏硬度1600HV)。

另外，关于上述维氏硬度的测量，在将测量样品研磨成镜面之后，利用显微维氏硬度计，在试验力为0.9807N、试验力的保持时间为15s的条件下，按照JIS Z 2244的“维氏硬度试验-试验方法”进行测量(其他的维氏硬度也是同样的)。

关于刮片环11、12的外周面S的形状，将刮片环11、12的径向(X方向)的放大率设为2000倍，汽缸1的轴向(Y方向)的放大率设为200倍，对于从外周面S的外周顶点SP朝向径向(X方向)内侧的距离为0.025mm为止的轮廓曲线进行了测量。另外，该测量位置设为在圆周方向上与刮片环11、12的开口相隔90度、180度、270度的三个位置，表1中的测量值使用这三个位置的平均值。

另外，在刮片环11、12的外周面S的外周形状的测量中，使用株式会社小坂研究所的触针式表面粗糙度测量仪(Surfcorde SE-30C)，检测器使用PU-DJ2S(前端球面半径为2μm、圆锥的锥度为60度)。另外，横向放大率的进给速度在汽缸1的轴向(Y方向)上的放大率为200倍时为0.1mm/s，在汽缸1的轴向(Y方向)上的放大率为1000倍时为0.05mm/s，但是，该进给速度也可以低于上述速度。

以上述条件执行的耗油量测量试验以及后述利用电机环试验机进行的摩擦力测量试验中使用的刮片环的外周形状的规格如表1和表2所示。

表1中示出上部刮片环11的外周面S的形状的上方角θ1、下方角θ2、第一位置a1与第二位置b1之间的线段的长度L、第一偏心量P1以及第二偏心量P2。

表2中示出下部刮片环12的外周面S的形状的上方角的角度θ1x、下方角的角度θ2x、第五位置a1x与第六位置b1x之间的线段的长度Lx、以及第一偏心量P1。该第一偏心量P1将刮片环的外周顶点位于第一中间线的发动机燃烧室侧时设为负。另外，以绝对值|θ1x-θ2x|示出表示下部刮片环12的外周面S的形状对称性的上方角θ1x与下方角θ2x之差。作为参考，在备考栏中示出通过现有评价方法得到的滑动方向的测量宽度中与外周顶点之间的落差(径向上的距离(μm))。

【表1】

【表2】

表3中示出测量中所使用的刮片环11、12的外周形状，具体如下。

在实施例1～7以及比较例1～5中，上部刮片环11使用如图6所示外周面S的外周前端部呈非对称形状的上部刮片环11(表1中的标号US1～US6的任意一种)，下部刮片环12使用如图8所示外周面S的外周前端部呈对称的凸曲面形状的下部刮片环12(表2中的标号LS1～LS7的任意一种)。

在参考例1中，上部刮片环11和下部刮片环12分别使用如图6所示外周前端部呈非对称形状的表1中的标号US2、标号US1。

在参考例2中，上部刮片环11和下部刮片环12分别使用如图8所示外周前端部呈对称形状的表2中的标号LS7。

在参考例3中，上部刮片环11和下部刮片环12分别使用如图6所示外周前端部呈非对称形状的表1中的标号US6。

在参考例4中，上部刮片环11和下部刮片环12分别使用如图6所示外周前端部呈非对称形状的表1中的标号US4。

在参考例5中，上部刮片环11和下部刮片环12分别使用如图8所示外周前端部呈对称形状的表2中的标号LS4。

＜10.关于耗油量测量试验的结果＞

耗油量的测量结果如表3所示。表3中的耗油量比是指：在平均活塞速度V为V＝20.2m/s下，将比较例1的耗油量设为100时，其他的耗油量与比较例1的耗油量之比。

耗油量的测量结果的评价标准如下。

A：耗油量比小于85

B：耗油量比大于等于85且小于100

C：耗油量比大于等于100

【表3】

本发明在实施参考例1～参考例5的耗油量测量试验，进一步实施摩擦力测量试验之后，解决了技术问题并实现了目标。

在平均活塞速度V为V＝20.2m/s下，实施例1～实施例7相对于比较例1耗油量比为74～82，为理想水平。另一方面，比较例1～比较例5为86以上，不能称之为理想水平。在表3中，由实施例4(US4与LS4的组合)、参考例4(US4与US4的组合)以及参考例5(LS4与LS4的组合)的比较可知，为了降低耗油量，上部刮片环11、下部刮片环12的刮片环外周前端部均呈非对称形状，且外周顶点位于远离发动机燃烧室侧的参考例4的结果最好。但是，在上部刮片环11、下部刮片环12的刮片环外周前端部均呈非对称形状的组合的情况下，油环张力Ft除以缸径d(单位：mm)所得的值Ft/d呈低张力下设定的0.25以上的水平，因而摩擦力的增加成为问题。

实施例4是上部刮片环11为刮片环的外周前端部的形状呈非对称形状的US4与下部刮片环12为刮片环的外周前端部的形状呈对称形状的LS4的组合，参考例5是上部刮片环11为刮片环的外周前端部的形状呈对称形状的LS4与下部刮片环12也为刮片环的外周前端部的形状呈对称形状的LS4的组合。由实施例4与参考例5的比较可知，为了减少耗油量，上部刮片环11优选采用刮片环的外周前端部呈非对称形状的刮片环。与参考例5相比，在平均活塞速度为V＝20.2m/s下，实施例4的耗油量减少13％。

参考例4是上部刮片环11为刮片环的外周前端部的形状呈非对称形状的US4与下部刮片环12也同样为刮片环的外周前端部的形状呈非对称形状的US4的组合，实施例4是上部刮片环11为刮片环的外周前端部的形状呈非对称形状的US4与下部刮片环12为刮片环的外周前端部的形状呈对称形状的LS4的组合。由参考例4与实施例4的比较可知，为了减少耗油量，优选下部刮片环11也采用刮片环的外周前端部的形状呈非对称形状的刮片环。与实施例4相比，在平均活塞速度为V＝20.2m/s下，参考例4的耗油量减少15％。另外，与参考例5相比，参考例4的耗油量减少26％。

由于在发动机燃烧时滞留于汽缸1的内壁上的机油燃烧而自身消失，以及机油在发动机排气冲程中被排出等原因，机油的耗油量增大。在发动机高速旋转的高速区域中，从理论上来说油膜厚度变厚，从而耗油量增加，但在采用如图6所示外周前端部呈非对称形状的刮片环时，耗油量之所以降低，认为是因为刮片环将机油刮下，从而具有抑制油膜厚度变厚的效果。进而，也能够抑制因为刮片环刮起机油的作用导致耗油量增加。若在油环下降冲程中使油膜厚度变薄，则在上升冲程中刮片环刮起机油的容量也变少。有报告称发动机高速旋转的高速区域中的耗油量的增加，主要是因为从活塞环背面朝向发动机燃烧室的进油量增加。机油到达发动机燃烧室的路径除此之外还有活塞环的接口缝隙。

在实施例中，在上部刮片环11的外周前端部呈非对称形状的外周面S的形状中，上方角的角度θ1为3度以上且9度以下，第一偏心量P1为0.02mm～0.10mm，第二偏心量P2为0mm以上。该情况下，认为原因之一在于：发动机燃烧室侧的上部刮片环11的外周前端部与汽缸1的内壁之间的空隙在发动机燃烧室侧更大，在油环上升冲程中，通过汽缸1与上部刮片环11这两面间的楔形膜效应而引起的机油的油压上升量减少，从而机油容易流出至上部刮片环的下方。被刮片环刮下或者流出至下方的机油从设置于油环槽4的内周侧的回油孔5通过，被回收至机油的油箱(未图示)中。

由比较例1可知，当上方角的角度θ1小于3度时，在油环上升时，通过汽缸1与上部刮片环11这两面间的楔形膜效应而使机油的油压上升，从而难以从上部刮片环11的外周面S的发动机燃烧室侧流入。由此，机油滞留在由汽缸1的内壁和发动机燃烧室侧的上部刮片环11的外周面S形成的空隙中，而且该机油被输送至上部刮片环11的上升端，从而无法实现耗油量的减少。

由比较例4可知，当上方角的角度θ1为10度以上时，距离外周顶点的距离为4.0μm的位置处的长度L小于0.05mm，汽缸1的内壁与上部刮片环11的外周前端部在汽缸1的轴向(Y方向)上的接触长度不足，从而在油环的下降冲程中，将在汽缸1的内壁面上形成油膜的机油刮下的作用不足，由此导致耗油量增加。

由比较例2可知，当下方角的角度θ2小于9度时，在油环的下降冲程中，将在汽缸1的内壁面上形成油膜的机油刮下的这种边缘作用不足。当下方角的角度θ2为9度以上时，产生刮下机油的边缘效应。

当下部刮片环12的如图8所示外周前端部呈对称形状的外周面S的形状中的上方角的角度θ1x为2度以上且9度以下、或者下方角的角度θ2x为2度以上且9度以下时，在与具有如图6所示外周前端部呈非对称形状的外周面S的形状的上部刮片环11的组合中，与比较例1的水平相比，实施例1～实施例7的耗油量比在82以下，结果较为理想。

由比较例3可知，当下部刮片环12的外周形状为表2的LS1、上方角的角度θ1x为2度、下方角的角度θ2x为2度、距外周顶点的距离为4.0μm的位置处的长度Lx超过0.20mm时，式(1)中的实际面压P(N/mm²)变小，从而导致耗油量增加。

由比较例5可知，当下部刮片环12的外周形状为表2的LS7、上方角的角度θ1x超过9度、下方角的角度θ2x为9度、角度差|θ1x-θ2x|超过1.5度、距外周顶点的距离为4.0μm的位置处的长度Lx小于0.08mm时，汽缸1的内壁与上部刮片环11的外周前端部在汽缸1的轴向(Y方向)上的接触长度不足，从而在油环的下降冲程中刮油作用不足，由此导致耗油量增加。

参考例1、参考例3的刮片环的组合中的上部刮片环11、下部刮片环12具有外周前端部呈非对称形状的外周面S的形状，参考例1中的上方角的角度θ1小于3度、下方角的角度θ2小于9度，参考例3中的上方角的角度θ1超过9度、下方角的角度θ2为9度，该水平下的耗油量不及实施例的水平。另外，参考例2的刮片环的组合中的上部刮片环11、下部刮片环12是具有外周前端部呈对称形状的外周面S的形状，上方角的角度θ1超过9度、下方角的角度θ2为9度、|θ1x-θ2x|超过1.5度、Lx小于0.08mm，该水平下的耗油量比在所有试验中最差。

在本发明的实施方式中，以刮片环11、12的外周前端部中的、在距离外周顶点SP为4.0μm这一机油的油膜厚度范围内形状被精密限定的外周面S的前端部分为重点。

另外，当刮片环11、12的外周面S的表面粗糙度超过0.1μmRa时，容易导致汽缸1的内壁面受损以及汽缸1磨损，因而并不理想。

＜11.关于利用电机环试验机测量摩擦力的试验方法＞

对于利用本实施方式的组合油环10进行的摩擦力测量试验进行说明。在摩擦力测量试验中，使用缸径为86mm、冲程为86mm的曲柄式单筒电机环试验机(浮动缸套式)20。图14是表示曲柄式单筒电机环试验机20的模式剖视图。汽缸套21呈径向上的移动被挡块23限制，仅可沿轴向移动的结构。通过安装于汽缸套21上的传感器25检测作用于汽缸套21上的轴向的滑动摩擦力。根据该滑动摩擦力的每一循环的摩擦转矩除以排气量所得的摩擦平均有效压力(FMEP：Friction Mean Effective Pressure)进行评价。

作为评价对象的活塞环所滑动的对象部件使用铸铁制汽缸套，汽缸套21的内周滑动面的算数平均粗糙度(Ra)为0.15μm。试验条件如下，即：冷却水温为80℃、机油的温度为80℃，机油使用GF-5、0W-20(等级：ILSAC规格，粘度分类：SAE J300)，评价转速为600rpm～2000rpm之间。润滑方法为溅射式，且未安装汽缸盖，燃烧室朝向大气敞开。

试验中使用的活塞环如上所述，关于第二道环，使用外周面上通过电弧离子镀方法形成有仅由碳构成的DLC膜，且表面粗糙度为0.03μmRa的环。在本试验中，为了防止因为试验运转中的磨损导致外周滑动面的形状发生变化，从而对FMEP产生影响，在第一道环和第二道环的外周面上形成耐磨性出色、摩擦系数小的DLC(非晶碳)膜，并且所有试验中使用相同的环。组合油环10的刮片环11、12的外周面的硬化处理、以及油环张力与缸径之比如表4所示。刮片环11、12的外周面的氮化铬(CrN)膜使用膜厚为20μm、表面硬度为维氏硬度1100HV的膜。刮片环11、12的外周面的气体渗氮以表面硬度达到维氏硬度1000HV的方式进行。外周面的表面粗糙度为0.03μmRa。另外，油环张力与缸径之比为0.10(N/mm)～0.35(N/mm)。活塞环的总张力与缸径之比为0.24(N/mm)～0.49(N/mm)。

表4中记载的试验中使用的刮片环11、12的外周形状如下所述。

在实施例8～12以及比较例7～9中，上部刮片环11使用如图6所示外周面S的外周前端部呈非对称形状的上部刮片环11(表1中的标号US5～US6的任意一种)，下部刮片环12使用如图8所示外周面S的外周前端部呈对称的凸曲面形状的下部刮片环12(表2中的标号LS5～LS7的任意一种)。关于刮片环11、12的外周面的硬化处理，比较例7中实施气体渗氮，实施例12、参考例4以及参考例6中形成氮化铬(CrN)膜，其他例中形成DLC膜。另外，已知摩擦系数按照气体渗氮、氮化铬(CrN)膜、DLC(非晶碳)膜的顺序减小。

在参考例3、参考例4以及参考例7中，上部刮片环11、下部刮片环12两者都使用刮片环的外周前端部呈非对称形状的标号US5，在考例5、参考例6以及参考例8中，上部刮片环11、下部刮片环12两者都使用刮片环的外周前端部呈对称形状的标号LS6。

＜12.摩擦力测量试验的结果＞

摩擦力的测量结果如表4所示。表4中的FMEP比是指：将发动机转速为2000rpm的比较例7的FMEP设为100时，其他的FMEP与比较例7的FMEP的比例。另外，图15是根据表4以横轴作为发动机转速、纵轴作为FMEP比而表示实施例8～12、比较例7、参考例3中的发动机转速与FMEP比的关系的图表。

【表4】

油环的低张力化对于减少摩擦力最为有效，但另一方面存在耗油量增加的风险。在本发明中，对于能够在同一油环张力下减少摩擦力的刮片环11、12的外周面表面的硬化处理和外周面前端形状进行了研究。

在发动机转速为2000rpm，油环张力Ft与缸径之比Ft/d＝0.35，上部刮片环11、下部刮片环12这两个刮片环的外周形状的组合(上部刮片环11：US5与下部刮片环12：LS6)相同的试验中，从外周面表面的硬化处理来看，FMEP按照比较例7的气体渗氮、实施例12的CrN膜、实施例8的DLC膜的顺序依次减少，对于摩擦力的减少有效。在FMEP比中，比较例7的气体渗氮为100，实施例12的CrN膜为93，实施例8的DLC膜为87。

在发动机转速为2000rpm，油环张力Ft与缸径之比Ft/d＝0.35，上部刮片环11、下部刮片环12这两个刮片环的外周面表面的硬化处理同为DLC膜的试验中，从刮片环11、12的外周形状的组合来看，FMEP按照参考例3的上部刮片环11：US5与下部刮片环12：US5的组合、实施例8的上部刮片环11：US5与下部刮片环12：LS6的组合、参考例5的上部刮片环11：LS6与下部刮片环12：LS6的组合的顺序依次减少，对于摩擦力的减少有效。从FMEP比来看，将比较例7的气体渗氮设为100时，DLC膜下的参考例3为90、实施例8为87、参考例5为85。

在发动机转速为2000rpm，油环张力Ft与缸径之比Ft/d＝0.25，上部刮片环11、下部刮片环12这两个刮片环的外周面表面的硬化处理同为DLC膜的试验中，从刮片环11、12的外周形状的组合来看，FMEP按照参考例7的上部刮片环11：US5与下部刮片环12：US5的组合、实施例9的上部刮片环11：US5与下部刮片环12：LS6的组合、参考例8的上部刮片环11：LS6与下部刮片环12：LS6的组合的顺序依次减少，对于摩擦力的减少有效。从FMEP比来看，将比较例7的气体渗氮设为100时，DLC膜的下参考例7为77、实施例9为75、参考例8为73。

在发动机转速为2000rpm，油环张力Ft与缸径之比Ft/d＝0.35，上部刮片环11、下部刮片环12这两个刮片环的外周面表面的硬化处理同为CrN膜的试验中，从刮片环11、12的外周形状的组合来看，FMEP按照参考例4的上部刮片环11：US5与下部刮片环12：US5的组合、实施例12的上部刮片环11：US5与下部刮片环12：LS6的组合、参考例6的上部刮片环11：LS6与下部刮片环12：LS6的组合的顺序依次减少，对于摩擦力的减少有效。从FMEP比来看，将比较例7的气体渗氮设为100时，CrN膜下的参考例4为95，实施例12为93，参考例6为90。

在发动机转速为2000rpm，上部刮片环11、下部刮片环12这两个刮片环的外周面表面的硬化处理同为DLC膜，且上部刮片环11、下部刮片环12这两个刮片环的外周形状的组合(上部刮片环11：US5与下部刮片环12：LS6)相同的试验中，在油环张力Ft与缸径之比Ft/d按照0.35、0.25、0.18、0.10的顺序依次减小的实施例8～实施例11中，FMEP同样依次减少，摩擦力减少的效果大。从FMEP比来看，将比较例7的气体渗氮设为100时，DLC膜下的实施例8为87、实施例9为75、实施例10为65、实施例11为55。

关于发动机的油耗，对于发动机转速达到2000rpm的FMEP进行了评价。

＜13.外周面S的形状以及耗油量测量试验和摩擦力测量试验的研究＞

耗油量和摩擦力更加理想的刮片环的外周形状在以下范围内。根据实施例1～实施例12可知，优选上部刮片环11的外周形状呈非对称形状，且0.05mm≤L≤0.18mm，上方角θ1为3度以上且9度以下，下方角θ2为9度以上。优选下部刮片环12的外周形状呈对称形状，且0.08mm≤Lx≤0.20mm，上方角θ1x和下方角θ2x的值为2度以上且9度以下。进而，优选下部刮片环12的外周面的角度θ1x和角度θ2x为：|θ1x-θ2x|≤1.5度。

另外，更优选下部刮片环12的外周形状呈对称形状，且0.08mm≤Lx≤0.18mm，上方角θ1x和下方角θ2x的值为3度以上且9度以下。另外，|θ1x-θ2x|≤1.5度。

＜14.油环张力以及耗油量测量试验和摩擦力测量试验的研究＞

组合油环的油环张力以能够满足油耗性能和摩擦性能这两个相互违背的特性的方式进行设定。油环张力的水平以油环张力Ft(单位：N)除以缸径d(单位：mm)所得的值Ft/d(单位：N/mm)、即单位缸径的油环张力代替，现有技术下的水平为0.5(N/mm)～0.6(N/mm)，低张力化下的水平为0.35(N/mm)以下。

为了改善发动机的油耗而降低油环张力。或者，在由于发动机的燃烧条件、或者活塞环或活塞2与汽缸1的内壁的滑动环境的原因，在活塞环或活塞2与汽缸1的内壁的滑动面中的任意一者上稍微产生咬接(咬粘)、或者经常因为滑动而造成轻微损伤的情况下，必须通过将油膜厚度保持在规定厚度以上来消除这些不理想的状况。为此，认为在降低油环张力的基础上，采用耐磨性出色且摩擦系数低的硬质膜(氮化铬膜、DLC膜等)是有效的。在上述情况下，通过在刮片环的外周前端部的形状呈对称形状的上、下部刮片环中采用本发明，有望在降低油环张力的同时改善油耗性能或抗咬接性(抗咬粘性)。

组合油环通过在发动机的整个冲程中，使上部刮片环11、下部刮片环12的外周前端部在整个圆周方向上与汽缸1的内壁呈面接触，从而发挥规定的油耗性能。但是，被包铸于发动机的汽缸体(未图示)中的汽缸1由于发动机燃烧而产生热变形，从而汽缸1的内壁从二次变形变为四次变形的内周正圆度形状。在发动机高速旋转的高速区域中，热变形进一步增大。相对于该热变形，为了使上部刮片环11、下部刮片环12的外周前端部与汽缸1的内壁面接触，提高油环张力是有效的，但另一方面，由于发动机的摩擦损耗增大，因而油环张力的提高是有限的。在上述情况下，通过使刮片环的外周前端部的形状呈对称形状的上、下部刮片环采用本发明，能够在同一油环张力下抑制摩擦力的增加，并改善油耗性能。

上述缸孔变形也对活塞环或活塞2与汽缸1的内壁的滑动而引起的发动机的摩擦力增加带来很大不良影响。

Claims (3)

1.一种组合油环，其被安装在内燃机用活塞的油环槽中，且具有一对刮片环和间隔外胀环，其中，所述一对刮片环的外周面在汽缸的内壁上滑动，所述间隔外胀环配置在所述一对刮片环之间，并且朝向所述汽缸的内壁挤压所述一对刮片环的外周面，

所述组合油环的特征在于，

所述一对刮片环中配置于发动机燃烧室侧的上部刮片环的任意纵剖面中的所述外周面的形状呈如下形状，即：在从形成上部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部的端点分别朝向汽缸的内壁的径向上，在上部刮片环的宽度方向的发动机燃烧室侧和远离发动机燃烧室侧具有对称的一对曲线形状；在所述外周面的形状中插入汽缸内时与汽缸的内壁接触的外周顶点侧，夹着外周顶点在上部刮片环的宽度方向上呈非对称形状，且所述非对称形状的两端的延长线分别与以形成所述上部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部为端点的所述曲线形状相连；

所述非对称形状被形成为：将从上部刮片环宽度的中心位置通过的线设为第一中间线，在所述上部刮片环的纵剖面中的所述外周面的轮廓曲线的外周前端部中，将所述轮廓曲线上从所述外周顶点朝向所述上部刮片环的径向内周侧的距离为4.0μm处的两个位置中的所述发动机燃烧室侧的位置设为第一位置(a1)，将远离所述发动机燃烧室侧的位置设为第二位置(b1)，将所述第一位置(a1)与所述第二位置(b1)之间的线段的长度设为L，将该长度为L的线段的中间线设为第二中间线时，所述第二中间线位于相比所述第一中间线更加远离所述发动机燃烧室侧的位置处，并且，所述上部刮片环的外周顶点位于所述第二中间线上、或者相比所述第二中间线更加远离所述发动机燃烧室侧的位置处；

所述上部刮片环以所述外周顶点位于远离发动机燃烧室侧的方式被安装在油环槽中；

所述一对刮片环中配置于远离发动机燃烧室侧的下部刮片环的任意纵剖面中的所述外周面的形状呈如下形状，即：在从形成下部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部的端点分别朝向汽缸的内壁的径向上，在所述下部刮片环的宽度方向的发动机燃烧室侧和远离发动机燃烧室侧具有对称的一对曲线形状；在所述外周面的形状中插入所述汽缸内时与汽缸的内壁接触的外周顶点侧，夹着外周顶点在所述下部刮片环的宽度方向上呈对称的弧形状，且所述弧形状的两端的延长线分别与以形成所述下部刮片环宽度的两个面各自的外周侧端部为端点的所述曲线形状相连；

所述下部刮片环被安装在所述油环槽中；

在将所述上部刮片环的外周前端部的非对称形状的轮廓曲线划分为：外周顶点与从所述外周顶点朝向所述上部刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm的位置之间的轮廓曲线部分、和从所述外周顶点朝向所述上部刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm的位置与从所述外周顶点朝向所述上部刮片环的径向内周侧的距离为4.0μm的位置之间的轮廓曲线部分时，从汽缸的发动机燃烧室侧起依次设为第一轮廓区域、第二轮廓区域以及第三轮廓区域；

所述第一轮廓区域以所述第二轮廓区域的所述发动机燃烧室侧的第一端部作为起点，且被设置为直线形状、或者二次曲线形状的一部分；

所述第二轮廓区域被设置为弧状，并且所述外周顶点位于所述第二轮廓区域的中途部分处；

所述第三轮廓区域以所述第二轮廓区域的远离所述发动机燃烧室侧的第二端部作为起点，且被设置为二次曲线形状的一部分；

所述上部刮片环的外周面中的非对称形状部分的表面粗糙度为0.1μmRa以下；

在所述轮廓曲线的外周前端部中，将所述轮廓曲线上从所述外周顶点朝向所述上部刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm处的两个位置中的所述发动机燃烧室侧的位置设为第三位置(a2)，将远离所述发动机燃烧室侧的位置设为第四位置(b2)，所述第一位置(a1)与所述第二位置(b1)之间的线段的长度L为0.05mm≤L≤0.18mm；

在将从所述第一位置(a1)和所述第三位置(a2)通过的第一直线与所述汽缸的轴向形成的角度(上方角)设为θ1度，将从所述第二位置(b1)和所述第四位置(b2)通过的第二直线与所述汽缸的轴向形成的角度(下方角)设为θ2度时，满足3度≤θ1≤9度、9度≤θ2的条件；

并且，所述下部刮片环的外周面中从外周顶点朝向下部刮片环的径向内周侧的距离至少为10μm的对称部分的表面粗糙度在0.1μmRa以下；

在所述下部刮片环的纵剖面中的所述外周面的轮廓曲线的外周前端部中，将所述轮廓曲线上从所述外周顶点朝向所述下部刮片环的径向内周侧的距离为4.0μm处的两个位置中的所述发动机燃烧室侧的位置设为第五位置(a1x)，将远离所述发动机燃烧室侧的位置设为第六位置(b1x)，将所述轮廓曲线上从所述外周顶点朝向所述下部刮片环的径向内周侧的距离为1.5μm处的两个位置中的所述发动机燃烧室侧的位置设为第七位置(a2x)，将远离所述发动机燃烧室侧的位置设为第八位置(b2x)，将所述第五位置(a1x)与所述第六位置(b1x)之间的线段的长度设为Lx时，长度Lx为0.08mm≤Lx≤0.20mm；

在将从所述第五位置(a1x)和所述第七位置(a2x)通过的第一直线与所述汽缸的轴向形成的角度(上方角)设为θ1x度，将从所述第六位置(b1x)和所述第八位置(b2x)通过的第二直线与所述汽缸的轴向形成的角度(下方角)设为θ2x度时，满足2度≤θ1x≤9度、2度≤θ2x≤9度，且|θ1x-θ2x|≤1.5度的条件。

2.如权利要求1所述的组合油环，其特征在于，

在所述下部刮片环的纵剖面中的所述外周面的轮廓曲线的外周前端部中，长度Lx为0.08mm≤Lx≤0.18mm，且满足3度≤θ1x≤9度、3度≤θ2x≤9度、|θ1x-θ2x|≤1.5度的条件。

3.如权利要求1或2中的任一项所述的组合油环，其特征在于，

所述一对刮片环各自的外周面的表面上具有下述(1)～(3)中的任意一种膜；

(1)由氮化铬构成的膜，该膜的表面硬度为800HV以上，膜厚为10μm以上；

(2)仅由碳构成的DLC(非晶碳)膜，该膜的表面硬度为1500HV以上，膜厚为3μm以上；

(3)在所述(1)的硬质膜上层叠所述(2)的DLC膜而成的多层层叠结构膜，氮化铬膜(PVD膜)的膜厚为5μm以上，DLC膜的膜厚为0.5μm以上。