DE112011100377T5

DE112011100377T5 - Kolbenring

Info

Publication number: DE112011100377T5
Application number: DE112011100377T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Chiba; Michihiro Ito; Naoyuki Akimoto; Iwao HIRAISHI; Makoto Kajiwara
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: US9464717B2; US20130043659A1; WO2011093464A1; CN102741535B; JPWO2011093464A1; DE112011100377B4; JP5794634B2; CN102741535A

Abstract

Ein Kolbenring, der das Auftreten von Adhäsionsverschleiß ausreichend unterdrücken kann, wenn er an einem Kolben für einen Dieselmotor angebracht ist, wobei zumindest die Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht, wird geschaffen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein an einem Kolben für einen Dieselmotor anzubringender Kolbenring übernommen, bei dem ein Last/Längen-Verhältnis Rmr2 (entsprechend JIS B0601:2001) einer Oberfläche an einer Oberseite und einer Unterseite des Kolbenrings jede Bedingung von Rmr2 (0,5%, 0,3 μm) ≥ 20% und Rmr2 (0,5%, 0,4 μm) 40% erfüllt.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring, der als Kombination mit einem Kolben für einen Dieselmotor verwendet wird.
[Stand der Technik]
Zusammen mit der Marktanforderung für längere Lebensdauern und eine bessere Kraftstoffsparsamkeit von Kraftfahrzeugmotoren in den letzten Jahren besteht ein Bedarf an einem Kolbenring zur Verwendung in diesen Motoren, der eine dünne Kolbenringbreite, ein leichtes Gewicht, eine geringe Spannung und einen geringen Reibungsverlust aufweist. Hier ist ein Kolbenring an einem Kolben zum Verwirklichen einer reibungslosen Hin- und Herbewegung des Kolbens in einem Zylinder und zum Abdichten von heißem Verbrennungsgas angebracht. Ein Kolben mit einem angebrachten Kolbenring bildet eine Brennkammer in einem Zylinder und ein Explosionsdruck, der durch die Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkammer erzeugt wird, wird in eine Drehung einer Kurbelwelle umgewandelt. Folglich muss ein an einem Kolben anzubringender Kolbenring eine Funktion zum stabilen Abdichten des heißen Verbrennungsgases für eine lange Zeitdauer aufweisen, die Explosionsstößen in der betroffenen Brennkammer standhält. Wenn eine solche Abdichtungsleistung durch einen Kolbenring nicht verbessert werden kann, kann dies zu einem Faktor werden, der eine Verschlechterung der Motorausgangsleistung, eine Erhöhung des Ölverbrauchs und dergleichen verursacht.
Um die vorstehend beschriebene Stoßbeständigkeit und Gasabdichtungsleistung zu verbessern, gibt es verschiedene Arten von Kolbenringen, die Merkmalen von Motoren entsprechen, einschließlich jener, die aus Materialien bestehen, die während des anfänglichen Einlaufens anomalen Verschleiß vermeiden können, jener mit Formen, die beim Verhindern von Leckgas (Durchblasen von Gas) wirksam sind und von einem Gesichtspunkt der Schmiertheorie geeignet sind, und dergleichen. Im Fall von Kolben für Dieselmotoren hat beispielsweise, wenn der Verbrennungsdruck des Verbrennungsmotors aufgrund der jüngsten Emissionsregelungskontrolle ansteigt, die dem Kolben auferlegte Last zugenommen und durch den Bedarf, einer solchen strengen Verwendungsbedingung standzuhalten, wurde das Material für die Kolbenringnut Stahl oder Gusseisen. Wenn ein Kolbenring, der aus demselben Material wie jenem der Kolbenringnut besteht, angebracht wird, tritt daher wahrscheinlich ein Adhäsionsverschleiß auf.
Um das Auftreten des betreffenden Adhäsionsverschleißes zu unterdrücken, ist ein an einem Kolben für einen Dieselmotor anzubringender Kolbenring so konfiguriert, dass er eine Form aufweist, die mit einem Neigungswinkel, der derselbe wie jener der betreffenden Kolbenringnut ist, auf. der Seite der Oberseite und/oder Unterseite davon versehen ist. Wenn ein Adhäsionsverschleiß zwischen dem Kolben und dem Kolbenring auftritt, verschlechtert sich die Abdichtungsleistung zwischen der Ober- und der Unterseite des Kolbenrings und der Kolbenringnut des Kolbens, was zu einem Faktor wird, der eine Verschlechterung der Motorausgangsleistung, eine Erhöhung des Ölverbrauchs und dergleichen verursacht.
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu vermeiden, offenbart beispielsweise die Patentliteratur 1 ( japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-92714 ) eine Kombination aus Kolben und Kolbenring, die in der Haltbarkeit ausgezeichnet ist und in einem Verbrennungsmotor mit hoher Leistung, der eine hohe Verbrennungstemperatur und einen hohen Verbrennungsdruck wie ein Motor mit hoher Leistung beinhaltet, geeignet verwendet wird. Insbesondere ist die Kombination aus Kolben und Kolbenring der Patentliteratur 1 derart konfiguriert, dass an einem Kolben, in dem zumindest die Kolbenringnut aus Stahl besteht, ein Kolbenring angebracht ist, der aus Gusseisen besteht und mit einer harten Beschichtung zumindest auf der äußeren Umfangsgleitoberfläche ausgebildet ist. Ferner offenbart die Patentliteratur 1, dass die Herstellung des Kolbenrings aus Gusseisen zur Bildung von Unregelmäßigkeiten auf der Ober- und Unterseite des betreffenden Kolbenrings aufgrund der Anwesenheit von Graphit, der für Gusseisen typisch ist, führt, so dass diese Unregelmäßigkeiten zur Ölansammlung beitragen, ebenso wie Graphit als selbstschmierende Substanz wirkt, was folglich das Auftreten der Adhäsion zwischen ihm und der aus Stahlmaterial bestehenden Kolbenringnut unterdrückt, die das Passelement ist, wodurch eine ausgezeichnete Haltbarkeit erhalten wird.
[Entgegenhaltungsliste]
[Patentliteratur]

[Patentliteratur 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-92714

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Wie vorstehend beschrieben, betrifft die Kombination aus Kolben und Kolbenring in Bezug auf die Patentliteratur 1 die Unterdrückung des Auftretens einer Adhäsion an der Ober- und Unterseite des Kolbenrings. In dieser Weise wurden bisher Gegenmaßnahmen ergriffen, um das Auftreten von Adhäsionsverschleiß an der Kontaktoberfläche zwischen der Kolbenringnut und der Ober- und Unterseite des Kolbenrings zu unterdrücken. Obwohl in der Kombination aus Kolben und Kolbenring in Bezug auf die Patentliteratur 1 als Bedingung der betreffenden Kombination Materialien beider Teile auf die Kombination eines Kolbens, in dem zumindest die Kolbenringnut aus Stahl besteht, und eines Kolbenrings, der aus Gusseisen besteht, begrenzt sind, wurde jedoch der Kolbenring der Patentliteratur 1 keiner Untersuchung unterzogen, um die Adhäsion von einem Gesichtspunkt der Oberflächenqualität der Ober- und Unterseite des Kolbenrings ausreichend zu verhindern, wenn er an einem Kolben angebracht ist, bei dem zumindest die Kolbenringnut aus Stahl besteht.
Aus dem, was bisher beschrieben wurde, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Schaffen eines Kolbenrings, der das Auftreten von Adhäsionsverschleiß ausreichend unterdrücken kann, wenn er an einem Kolben für einen Dieselmotor angebracht ist, bei dem zumindest die Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht.
[Lösung für das Problem]
Nachdem sie sorgfältig eine Forschung durchgeführt haben, haben die vorliegenden Erfinder schließlich die vorstehend beschriebenen Probleme durch Anordnen der Oberflächeneigenschaften der Ober- und Unterseite, die den Seitenflächen der Kolbenringnut eines Kolbens gegenüberliegen, so, dass sie eine Form aufweisen, die eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, gelöst. Nachstehend wird die vorliegende Erfindung beschrieben.
Ein Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung ist ein Kolbenring, der an einem Kolben für einen Dieselmotor angebracht werden soll, wobei ein Last/Längen-Verhältnis Rmr2 (entsprechend JIS B0601:2001) einer Oberfläche zu einer Oberseite und einer Unterseite des Kolbenrings jede Bedingung der Formel (1) und Formel (2) erfüllt, die im nachstehenden Ausdruck 1 gezeigt sind:
[Ausdruck 1] Rmr2 (0,5%, 0,3 μm) ≥ 20% (1) Rmr2 (0,5%, 0,4 μm) ≥ 40% (2).
Der Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass, wenn das vorstehend beschriebene Rmr2 als Rmr2 (Rmr(Co), z) dargestellt wird (wobei Rmr(Co) ein Last/Längen-Verhältnis (%) nach einem festgelegten anfänglichen Verschleiß ist und z eine Tiefe (μm) von einer Schnittebene Co ist, die Rmr(Co) entspricht), ein Gradient einer geraden Linie, die Datenpunkte von jedem des Rmr2 verbindet, wobei z 0,1 μm und 0,3 μm ist, nicht geringer ist als 80, in einer Beziehung mit z, wenn Rmr(Co) 0,5% ist, in einem Koordinatensystem, in dem z eine x-Achse ist und Rmr2 eine y-Achse ist.
Der Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass die mittlere 10-Punkt-Rauigkeit RzJIS (JIS B 0601:2001) der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings 0,2 μm bis 2,0 μm ist.
Der Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass eine harte Schicht auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings ausgebildet ist und die Vickers-Härte (HV) in der harten Schicht 700 HV0.1 bis 3000 HV0.1 ist.
Der Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass der Kolbenring aus Stahl oder Gusseisen besteht und die auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings ausgebildete harte Schicht aus irgendeiner oder mehreren einer nitrierten Schicht, einer verchromten Schicht, einer PVD-behandelten Schicht, einer CVD-behandelten Schicht und einer DLC-Schicht ausgewählt ist.
Der Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass ein Querschnitt des Kolbenrings entlang einer Kolbenachsenrichtung eine Form irgendeiner von einer rechteckigen Form, einer Trapezform und einer Halbtrapezform aufweist.
Der Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise in Kombination mit einem Kolben verwendet, wobei zumindest eine Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Ein Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung kann das Auftreten von Adhäsionsverschleiß ausreichend unterdrücken und auch die Erhöhungen des Ölverbrauchs und der Menge an Leckgas für eine lange Zeitdauer unterdrücken, indem veranlasst wird, dass die Oberflächenqualität der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings eine Bedingung des Last/Längen-Verhältnisses Rmr2, das in der vorliegenden Erfindung definiert ist, erfüllt.
[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
1 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang einer axialen Richtung, um einen Zustand darzustellen, in dem ein Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung in einer Kolbenringnut angebracht ist.
2 ist ein Diagramm zum Darstellen eines Last/Längen-Verhältnisses Rmr2 unter Verwendung einer aus einer Rauigkeitskurve erzeugten Lastkurve.
3 ist ein Graph zum Zeigen der Beziehung zwischen einem Ringnutverschleißverhältnis und einer Motorbetriebszeit (h) in einem Beispiel und einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Graph zum Zeigen der Beziehung zwischen dem Last/Längen-Verhältnis Rmr2 (Rmr(Co) = 0,5%) und der Verschleißtiefe z(Co – Cn (μm)) in Beispielen und Vergleichsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
[Beschreibung von Ausführungsformen]
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend genauer beschrieben, wobei bevorzugte Ausführungsformen des Kolbenrings in Bezug auf die vorliegende Erfindung unter Verwendung der Zeichnungen gezeigt werden.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der axialen Richtung, um einen Zustand darzustellen, in dem ein Kolbenring in Bezug auf die vorliegende Erfindung in einer Kolbenringnut angebracht ist. Wie in 1 gezeigt, füllt in einem Zustand, in dem er in einer Kolbenringnut 6 angebracht ist, ein Kolbenring 1 einen Spalt von etwa mehreren zehn Mikrometer zwischen einem Zylinder 9 und einem Kolben 5, um Verbrennungsgas abzudichten, und eine Gleitoberfläche 4 des Kolbenrings, die gegen eine Zylinderinnenwandoberfläche 10 durch seine eigene Spannung gepresst wird, steuert die Dicke eines Ölfilms geeignet durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens 5. Infolge dessen, dass der Kolbenring 1 der Hin- und Herbewegung (der Pfeilrichtung in der Figur) des Kolbens 5 folgt, während er mit der Zylinderinnenwandoberfläche 10 über den Ölfilm in Kontakt steht, wird überdies bewirkt, dass sich der Kolbenring 1 in der Kolbenringnut 6 auf und ab bewegt, so dass Kontakte zwischen einer Oberseite 2 und einer Unterseite 3 des Kolbenrings 1 und einer Oberseite 7 bzw. einer Unterseite 8 der Kolbenringnut wiederholt werden. In diesem Fall tritt, wenn angenommen wird, dass ein aus Stahl bestehender Kolbenring in der aus Stahl bestehenden Kolbenringnut 6 verwendet wird, ein Adhäsionsverschleiß an einem Kontaktabschnitt zwischen der Oberseite 2 und der Unterseite 3 des Kolbenrings und der Oberseite 7 bzw. der Unterseite 8 der Kolbenringnut 6 auf.
Wie aus 1 verständlich ist, tritt, wenn ein Adhäsionsverschleiß an einem Kontaktabschnitt zwischen der Oberseite 2 und der Unterseite 3 des Kolbenrings und der Oberseite 7 bzw. der Unterseite 8 der Kolbenringnut 6 auftritt, ein Zwischenraum in einem Zustand auf, in dem entweder die Oberseite 2 oder die Unterseite 3 des Kolbenrings mit der Oberseite 7 oder der Unterseite 8 der Kolbenringnut 6 in Kontakt steht, was Erhöhungen des Ölverbrauchs und der Menge an Leckgas verursacht. Daher wird die Oberflächenrauigkeit der Oberseite 7 und der Unterseite 8 der Kolbenringnut und der Oberseite 2 und der Unterseite 3 des Kolbenrings 1, die mit der Kolbenringnut in Kontakt stehen sollen, zu einer wichtigen Bedingung. Es wird angemerkt, dass, obwohl der in 1 gezeigte Kolbenring 1 von einer Art eines so genannten Trapezrings ist, der einen keilförmigen Querschnitt mit einer Neigung an der Ober- und der Unterseite des Rings aufweist, der Kolbenring der vorliegenden Erfindung nicht auf eine solche Form begrenzt ist. Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise einer mit einer Art einer Form, ein so genannter Halbtrapezring, bei dem die Unterflächenseite des Kolbenrings im Wesentlichen senkrecht zu einer Zylinderachse ausgebildet ist und nur die Oberflächenseite mit einer Neigung versehen ist, oder einer mit einer rechteckigen Form sein.
Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Last/Längen-Verhältnis Rmr2 (entsprechend JIS B0601:2001) einer Oberfläche in der Oberseite und der Unterseite des in 1 gezeigten Kolbenrings die Bedingungen der Formel (1) und (2), die im folgenden Ausdruck 1 gezeigt sind, erfüllt.
[Ausdruck 1] Rmr2 (0,5%, 0,3 μm) ≥ 20% (1) Rmr2 (0,5%, 0,4 μm) ≥ 40% (2).
Hier wird das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 unter Verwendung der Zeichnung beschrieben. 2 ist ein Diagramm zum Zeigen einer Lastkurve, die aus einer Rauigkeitskurve erzeugt wird, um das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 darzustellen. Es wird angemerkt, dass eine Lastkurve eine Kurve ist, die durch Bestimmen eines Last/Längen-Verhältnisses Rmr in jeder Schnittebene entsprechend JIS B 0601:2001 aus einer Rauigkeitskurve erzeugt wird, wobei das Last/Längen-Verhältnis Rmr (%) die Abszisse ist und die Schnittebene (die Höhe des Schnitts (Einheit: % oder μm) die Ordinate ist. Das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 bezieht sich auf ein Last/Längen-Verhältnis (%), nachdem Verschleiß über eine Tiefe z (= Co – Cn) μm von einer Schnittebene Co entsprechend einem Last/Längen-Verhältnis Rmr(Co) (%) nach einem vorbestimmten anfänglichen Verschleiß aufgetreten ist, an der Lastkurve und ist in diesem Fall als ”Rmr2(Rmr(Co), z)” bezeichnet.
Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung erhöht ferner unter den Ideen zum Verringern der Rauigkeit der Oberseite und der Unterseite davon die Stabilität hinsichtlich des Effekts der Unterdrückung der Adhäsion durch Konfigurieren der Oberseite und der Unterseite davon so, dass sie eine Oberflächenqualität der in der vorstehend beschriebenen Formel (Ausdruck 1) gezeigten Bedingung aufweisen. Wenn die Oberflächenrauigkeit der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings, die mit der Oberseite und der Unterseite der Kolbenringnut in Kontakt kommen sollen, groß ist, nimmt die Aggressivität des Kolbenrings gegen die Kolbenringnut zu, und ein Adhäsionsverschleiß tritt wahrscheinlicher auf. Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung kann die Aggressivität des Kolbenrings gegen die Kolbenringnut verringern und das Auftreten eines Adhäsionsverschleißes durch Konfigurieren des Last/Längen-Verhältnisses Rmr2 so, dass es innerhalb eines Bedingungsbereichs liegt, der in der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Oberflächenqualität der Oberseite und der Unterseite davon definiert ist, ausreichend unterdrücken. Daher macht die Übernahme des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung es möglich, die Erhöhungen des Ölverbrauchs und der Leckgasmenge wirksam zu unterdrücken.
Bei dem Kolbenring der vorliegenden Erfindung kann überdies das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 als Rmr2(Rmr(Co), z) dargestellt werden (wobei ein Last/Längen-Verhältnis (%) nach einem vorbestimmten anfänglichen Verschleiß Rmr(Co) ist und eine Tiefe (μm) von der Schnittebene Co entsprechend dem betreffenden Rmr(Co) z ist). In diesem Fall wird ferner das betreffende Last/Längen-Verhältnis Rmr2 vorzugsweise derart bestimmt, dass in der Beziehung mit dem betreffenden z, wenn das betreffende Rmr(Co) 0,5% ist, der Gradient einer geraden Linie, die Datenpunkte jedes betreffenden Rmr2 verbindet, wobei das betreffende z 0,1 μm und 0,3 μm ist, nicht geringer ist als 80 in einem Koordinatensystem, in dem das betreffende z eine x-Achse ist und das betreffende Rmr2 eine y-Achse ist.
Die Bedingungen für die Oberflächenqualität der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung werden für das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 auf der Basis des Falls festgelegt, in dem Rmr(Co) 0,5% ist. Dies basiert auf einer empirischen Regel, dass Einstellungsbedingungen in Bezug auf einen Fall, in dem Rmr(Co) 0,5% ist, es möglich machen, die Effekte der Verringerung der Aggressivität des Kolbenrings gegen die Kolbenringnut und der ausreichenden Unterdrückung des Auftretens von Adhäsionsverschleiß stabil zu erreichen. Dann erfüllt der Kolbenring der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die Bedingung, dass in der Beziehung mit z, wenn Rmr(Co) der Oberseite oder der Unterseite 0,5% ist, ein Gradient einer geraden Linie, die zwei Datenpunkte jedes betreffenden Rmr2 verbindet, wobei das betreffende z 0,1 μm und 0,3 μm ist, nicht geringer ist als 80 in einem Koordinatensystem, in dem das betreffende z eine x-Achse ist und das betreffende Rmr2 eine y-Achse ist. Da das Erfüllen dieser Bedingung die Schmierölrückhaltefähigkeit des Kolbenrings merklich verbessert, wodurch eine ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit und Adhäsionsbeständigkeit erreicht werden, ist es möglich, die Effekte der Verringerung des Ölverbrauchs und der Leckgasmenge weiter auszuüben.
Ferner ist der Kolbenring der vorliegenden Erfindung vorzugsweise derart konfiguriert, dass die mittlere 10-Punkt-Rauigkeit RzJIS (JIS B 0601:2001) der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite davon 0,2 μm bis 2,0 μm ist. In dieser Weise macht es das Definieren der Oberflächenrauigkeit der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Last/Längen-Verhältnis Rmr2 möglich, eine Reibungsbeschädigung an den Kontaktoberflächen mit der Ober- und der Unterseite der Kolbenringnut ziemlich effektiv zu verringern, wodurch das Kolbenringgleitverhalten stabilisiert wird. Selbst wenn der Kolbenring der vorliegenden Erfindung an einem Kolben angebracht ist, in dem zumindest die Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht, ist es folglich möglich, die Erhöhungen des Ölverbrauchs und der Leckgasmenge weiter zu unterdrücken.
Hier ist es nicht bevorzugt, wenn die mittlere 10-Punkt-Rauigkeit RzJIS (JIS B 0601:2001) der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings geringer ist als 0,2 μm, da Probleme bestehen, wie z. B. eine Erhöhung der Kosten, die mit der Einführung von Einrichtungen zum Ausbilden von Rauigkeitsprofilen verbunden sind, und ein Rückgang der Ausbeuten von Produkten. Überdies ist es nicht bevorzugt, wenn die mittlere 10-Punkt-Rauigkeit RzJIS (JIS B 0601:2001) der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings 2,0 μm überschreitet, da eine große Oberflächenrauigkeit die anfängliche Einlauffähigkeit verringert, und gleichzeitig konvexe Abschnitte der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings wahrscheinlicher eine Reibungsbeschädigung an der Ober- und der Unterseite der Kolbenringnut, die damit in Kontakt stehen, verursacht.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Kolbenring der vorliegenden Erfindung eine harte Schicht aufweist, die auf der Oberseite und der Unterseite davon ausgebildet ist, und die Vickers-Härte (HV) in der harten Schicht 700 HV0.1 bis 3000 HV0.1 ist. Das Ausbilden einer harten Schicht auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verbesserung der Haltbarkeit des Kolbenrings. Es wird angemerkt, dass, obwohl die Oberflächenrauigkeit des Kolbenrings infolge der Ausbildung der betreffenden harten Schicht geringfügig zunimmt, wodurch der Adhäsionsverschleiß, der an den Kontaktoberflächen zwischen dem Kolben und dem Kolbenring auftritt, geringfügig beeinflusst wird, ein solcher Effekt auf einem Niveau liegt, das kein Problem im Kolbenring der vorliegenden Erfindung verursacht, in dem die Oberflächenrauigkeit grundsätzlich so festgelegt ist, dass sie klein ist.
Wenn die Vickers-Härte (HV) in der harten Schicht, die auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings ausgebildet ist, geringer ist als 700 HV0.1, ist es hier nicht möglich, die Haltbarkeit des Kolbenrings ausreichend zu verbessern. Wenn die Vickers-Härte (HV) in der harten Schicht, die auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings ausgebildet ist, 3000 HV0.1 überschreitet, fehlt es ihm ferner, da die Oberseite und die Unterseite des Kolbenrings zu hart werden, wodurch er folglich versprödet wird, an Schlagbeständigkeit, was nicht bevorzugt ist.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Kolbenring der vorliegenden Erfindung aus Stahl oder Gusseisen besteht und die auf der Oberseite und der Unterseite des betreffenden Kolbenrings auszubildende harte Schicht aus irgendeiner oder mehreren einer nitrierten Schicht, einer verchromten Schicht, einer PVD-behandelten Schicht, einer CVD-behandelten Schicht und einer DLC-Schicht ausgewählt ist. In dieser Weise wird es durch Ausbilden einer harten Schicht auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings möglich gemacht, eine lange Lebensdauer des Kolbenrings, der aus Stahl oder Gusseisen besteht, zu erreichen, wie es für einen Verbrennungsmotor erforderlich ist, selbst wenn er in Kombination mit einem Kolben verwendet wird, in dem zumindest die Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht. Es wird angemerkt, dass, wie in 1 gezeigt, die betreffende harte Schicht 11 nicht nur auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings ausgebildet werden kann, die mit der Kolbenringnut in Kontakt kommen sollen, sondern auch auf allen Oberflächen, einschließlich der Gleitoberfläche in Gleitbeziehung mit der Zylinderinnenwandoberfläche. In dieser Weise wird durch Ausbilden der harten Schicht 11 auf allen Oberflächen des Kolbenrings die Haltbarkeit des Kolbens selbst verbessert. Auf der Oberfläche der bisher beschriebenen harten Schicht 11 kann folglich eine Oberflächenbehandlung ferner unter Verwendung einer Technik der Verchromung, der Verbundverchromung, der Verbundplattierung, des thermischen Sprühens, der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) oder dergleichen angewendet werden. Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung kann überdies mit einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff (nachstehend als ”DLC-Schicht” bezeichnet) auf der äußersten Schicht der Oberseite und der Unterseite versehen werden, die mit der nitrierten Schicht, der verchromten Schicht oder der PVD-behandelten ausgebildet sind, wie vorstehend beschrieben. Diese DLC-Schicht ist als Material mit geringer Reibung mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten bekannt und ferner ermöglicht das Ausbilden einer DLC-Schicht auf der harten Schicht, die auf der betreffenden Oberseite und Unterseite ausgebildet ist, eine drastische Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des Kolbenrings. Es wird angemerkt, dass, wie in 1 gezeigt, der Kolbenring der vorliegenden Erfindung mit einer DLC-Schicht auf einer äußeren Umfangsgleitoberfläche 4 des Rings als verschleißbeständige Schicht 12 versehen werden kann.
Im Allgemeinen wird ein Kolbenring verwendet, indem er an einem Kolben als Satz von Ringen, einschließlich eines oberen Rings, eines zweiten Rings und eines Ölrings, angebracht wird. Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung kann geeigneterweise entweder für den oberen Ring oder den zweiten Ring verwendet werden. In diesem Zusammenhang bestehen der obere Ring und der zweite Ring aus einem Material, das in der Wärmebeständigkeit ausgezeichnet ist, da sie Wärme vom Verbrennungsgas und vom Kolben ausgesetzt sind, und auch aus einem Material, das hinsichtlich der Verschleißbeständigkeits- und der Scheuerbeständigkeitseigenschaften geeignet ist, so dass eine Verschlechterung der Motorausgangsleistung und eine Erhöhung des Schmierölverbrauchs nicht auftreten. Diejenigen, die für den oberen Ring umfangreich verwendet werden, umfassen beispielsweise einen Ring, der aus martensitischem Edelstahl besteht, der mit einer Nitrierung auf der Gleitoberfläche in Gleitbeziehung mit der Zylinderlaufbuchse behandelt ist, und einen Ring, der aus SWOSC-V-Stahl besteht, der mit einer Verchromung auf der Gleitoberfläche in Gleitbeziehung mit der Zylinderlaufbuchse behandelt ist. Für den zweiten Ring wird überdies ein Ring, der aus hochwertigem Gusseisen besteht, oder ein Ring, der aus Legierungsgusseisen besteht, übernommen, und insbesondere Ringe, die aus hochwertigem Gusseisen bestehen, auf das eine Verchromung auf der Gleitoberfläche aufgebracht ist, werden umfangreich verwendet.
Ferner weist der Kolbenring der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen axialen Querschnitt von irgendeiner einer rechteckigen Form, einer Trapezform oder einer Halbtrapezform auf. Wenn der Kolbenring einen axialen Querschnitt mit einer rechteckigen Form aufweist, ist es hier möglich, Leckgas zu unterdrücken, das Verbrennungsgas mit hohem Druck ist, das von der Brennkammerseite zu einer Kurbelwellenseite ausströmt. Wenn der Kolbenring einen axialen Querschnitt mit einer Form aufweist, bei der eine Neigung entweder der Oberseite oder der Unterseite des Kolbenrings vorgesehen ist, wie eine Trapezform oder eine Halbtrapezform, kommt ferner aufgrund der Bewegung des Kolbenrings in der radialen Richtung in der Kolbenringnut die Oberseite oder die Unterseite, die mit einer Neigung versehen ist, des Kolbenrings mit Schlick und Kohlenstoff, die in der Nut abgelagert sind, in geneigten Kontakt, wodurch ermöglicht wird, dass der Schlick und dergleichen leicht zerquetscht oder abgekratzt wird. Infolge dessen macht es die Übernahme eines Kolbenrings mit einem axialen Querschnitt mit einer Trapezform oder einer Halbtrapezform möglich, eine Situation von so genanntem ”Kleben” zu verhindern, bei dem Schlick und dergleichen, der in der Kolbennut abgelagert. ist, am Ring haftet oder klebt, wodurch der Ring immobilisiert wird. Wenn das Kleben beim Kolbenring auftritt, bricht der Kolbenring in diesem Zusammenhang wahrscheinlicher, die Menge an Leckgas nimmt zu und zusätzlich dazu besteht ein Risiko, dass sich die Ölsteuerfunktion davon verschlechtert und ferner Scheuern am Kolben auftritt.
Wie bisher beschrieben, wird der Kolbenring der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in Kombination mit einem Kolben verwendet, in dem zumindest die Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht. Durch Konfigurieren, dass zumindest die Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht, ist es möglich, eine lange Lebensdauer zu erreichen, die für einen Verbrennungsmotor erforderlich ist. In diesem Zusammenhang umfassen Materialien, die vorzugsweise für die Kolbenringnut verwendet werden, Ni-Abdeckungs-Gusseisen, Kugelgraphitgusseisen, Chrom-Molybdän-Stahl (SCM415H, SCM418H, SCM420H, SCM425H, SCM435H, SCM440H, SCM445H) im JIS-Standard und dergleichen.
Es wird angemerkt, dass der Kolbenring der vorliegenden Erfindung Adhäsionsverschleiß ausreichend unterdrücken kann selbst in der Kombination mit einem Kolben mit einer Kolbenringnut aus demselben Material durch Erfüllen der für die Oberflächenqualität der Oberseite und der Unterseite davon festgelegten Bedingungen, die in der vorliegenden Erfindung definiert sind. In einer Kombination mit einem Kolben, bei dem zumindest die Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht, ist ferner das Basismaterial des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung gegen Fressen beständig und verschlechtert auch nicht die Gasabdichtungsfunktion des Kolbenrings aufgrund einer kleinen Wärmeausdehnungsdifferenz, was ermöglicht, das Auftreten von Leckgas wirksam zu verhindern.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung speziell durch Zeigen von Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben. Es wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele begrenzt ist.
[Beispiele]
Bestätigungstest für das Verschleißausmaß der Kolbenringnut:
Im vorliegenden Bestätigungstest für das Verschleißausmaß wurde ein Test einer tatsächlichen Maschine eines 6-Zylinder-Dieselmotors mit einem Hubraum von 10000 cm³ an Kolbenringnuten durchgeführt, in denen ein oberer Ring angebracht war, um zu bestätigen, ob eine Differenz des Verschleißausmaßes der Kolbenringnut unter Kolbenringen existiert, die verschiedene Last/Längen-Verhältnisse Rmr2 in der Oberflächenqualität an der Oberseite und der Unterseite davon aufweisen, oder nicht.
Es wird angemerkt, dass beim Durchführen des vorliegenden Bestätigungstests für das Verschleißausmaß der Motor mit voller Last (weit offene Drosselklappe) und mit einer Drehzahl von 1800 min^–1 für 50 Stunden betrieben wurde. Ferner war die Kombination von Kolbenringen ein Satz mit 3 Ringen mit einem oberen Ring, einem zweiten Ring und einem Ölring. Der in diesem Fall verwendete obere Ring war ein Trapezring, der aus 17-Cr-Stahl bestand, mit einer axialen Höhe von 3,5 mm und einer radialen Dicke von 4,7 mm, der einer Gasnitrierungsbehandlung unterzogen wurde. Der verwendete zweite Ring bestand aus einem FCD-Material und hatte eine axiale Höhe von 2,5 mm und eine radiale Dicke von 5,4 mm. Der verwendete Ölring hatte eine axiale Höhe von 3,0 mm und eine radiale Dicke von 2,35 mm.
Der 17-Cr-Stahl zur Herstellung des oberen Rings und das FCD700-Material zur Herstellung des zweiten Rings werden beschrieben. Der hier angeführte 17-Cr-Stahl hatte eine Zusammensetzung von 0,90 Massen-% Kohlenstoff, 0,40 Massen-% Silizium, 0,30 Massen-% Mangan, 17,5 Massen-% Chrom, 1,10 Massen-% Molybdän, 0,12 Massen-% Vanadium, 0,02 Massen-% Phosphor und 0,01 Massen-% Schwefel, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen war, und auf diesen wurde eine Gasnitrierungsbehandlung angewendet, und auf die äußere Umfangsgleitoberfläche des oberen Rings wurde eine PVD-Behandlung angewendet. Das heißt, der 17-Cr-Stahl entspricht SUS440B des JIS-Standards. Ferner war das hier angeführte FCD-Material ein Material, das dem FCD-700-Material entsprach und eine Zusammensetzung von 3,60 Massen-% Kohlenstoff, 3,05 Massen-% Silizium, 0,65 Massen-% Mangan, 0,20 Massen-% Phosphor, 0,02 Massen-% Schwefel, 0,10 Massen-% Chrom und 0,30 Massen-% Kupfer aufwies, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen war.
Ferner war der verwendete Ölringkörper so genannter 13-Cr-Stahl (der SUS410 des JIS-Standards entspricht) mit einer Zusammensetzung von 0,65 Massen-% Kohlenstoff, 0,38 Massen-% Silizium, 0,35 Massen-% Mangan, 13,50 Massen-% Chrom, 0,3 Massen-% Molybdän, 0,01 Massen-% Phosphor und 0,01 Massen-% Schwefel, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen war, und auf diesen wurde eine Gasnitrierungsbehandlung angewendet.
Beim Durchführen des vorliegenden Bestätigungstests für das Verschleißausmaß entsprach überdies das als Kolben verwendete Material 42CrMo4 im DIN-Standard (SCM440H im JIS-Standard) und hatte eine Zusammensetzung von 0,41 Massen-% Kohlenstoff, 0,2 Massen-% Silizium, 0,75 Massen-% Mangan, 0,02 Massen-% Phosphor, 0,02 Massen-% Schwefel, 1,1 Massen-% Chrom und 0,21 Massen-% Molybdän, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen war.
Ferner war die Rauigkeit der Ober- und der Unterseite der verwendeten Kolbenringnut nicht mehr als 2 μm in der mittleren 10-Punkt-Rauigkeit RzJIS (JIS B 0601:2001).
Das Ergebnis des Bestätigungstests für das Verschleißausmaß der Kolbenringnuten des oberen Rings, der unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen durchgeführt wurde, ist in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis der Bestätigung des Verschleißausmaßes der Kolbenringnut zu jeder Motorbetriebszeit zwischen einem Beispielprüfstück, bei dem das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings innerhalb des Bedingungsbereichs der vorliegenden Erfindung lag, und einem Vergleichsbeispielprüfstück, das außerhalb des Bedingungsbereichs der vorliegenden Erfindung (entsprechend herkömmlichen Produkten) lag. Als Ergebnis ist in 3 die Beziehung zwischen dem Ringnutverschleißverhältnis und der Motorbetriebszeit (h) im Beispiel der vorliegenden Erfindung und im Vergleichsbeispiel in einem Graphen gezeigt. Wobei das Ringverschleißverhältnis in einem relativen Verhältnis gezeigt ist, wobei das maximale Verschleißausmaß des Beispielprüfstücks ”1” ist.
Es wird angemerkt, dass beim Durchführen des vorliegenden Bestätigungstests für das Verschleißausmaß die Last/Längen-Verhältnisse Rmr2 in der, Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings in der radialen Richtung unter Verwendung eines Oberflächenprofilometers vom Taststifttyp mit einem Taststift von 2 μm R (Radius) gemessen wurden.
[Vergleich zwischen Beispiel und Vergleichsbeispiel]

Nachstehend wird ein Vergleich zwischen einem Beispiel der vorliegenden Erfindung und einem Vergleichsbeispiel, das diesem entspricht, mit Bezug auf Tabelle 1 und 3 durchgeführt, die das Ergebnis der Durchführung des Bestätigungstests für das Verschleißausmaß der Kolbenringnut zeigen. [Tabelle 1]

	Kolbenringnut-Verschleißverhältnis
Betriebszeit (h)	Beispiel	Vergleichsbeispiel
Betriebszeit (h)	Oberflächenrauigkeit der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings
	Rmr2 (0,5% 0,3 μm): 40% Rmr2 (0,5% 0,4 μm): 70%	Rmr2 (0,5% 0,3 μm): 10% Rmr2 (0,5% 0,4 μm): 20%
0	0,00	0,00
2	0,00	2,66
10	0,67	7,19
20	0,79	8,44
30	0,92	8,91
40	0,96	9,22
50	1,00	9,69

Aus Tabelle 1 und 3 ergab sich insbesondere in einer so genannten Einlaufperiode bis zu 10 Stunden Motorbetriebszeit eine signifikante Differenz im Verschleißausmaß der Kolbenringnut zwischen dem Beispielprüfstück und dem Vergleichsbeispielprüfstück. Aus Tabelle 1 ist beispielsweise nach einem Ablauf von 10 Stunden Motorbetriebszeit, während das Kolbenringnutverschleißverhältnis 0,67 ist, wenn das Beispielprüfstück verwendet wurde, das Kolbenringnutverschleißverhältnis 7,19, wenn das Vergleichsbeispielprüfstück verwendet wurde, was folglich eine große Differenz zeigt. Nach einem Ablauf von 50 Stunden Motorbetriebszeit war, während das Kolbenringnutverschleißverhältnis 1,00 ist, wenn das Beispielprüfstück verwendet wurde, das Kolbenringnutverschleißverhältnis 9,69, wenn das Vergleichsbeispielprüfstück verwendet wurde, was eine erweiterte Differenz zeigt. Aus diesem Ergebnis wurde bewiesen, dass, wenn ein Kolbenring ein Last/Längen-Verhältnis Rmr2 der Oberfläche aufweist, das den Bedingungsbereich der vorliegenden Erfindung an der Oberseite und der Unterseite erfüllt, der Kolbenring weniger wahrscheinlich einen Adhäsionsverschleiß zwischen sich und dem Kolben während einer Einlaufperiode verursacht und einen ausgezeichneten Unterdrückungseffekt des Adhäsionsverschleißes ausüben kann, selbst wenn viele Stunden vergehen. Das heißt, auf der Basis dieses Ergebnisses kann geschlussfolgert werden, dass das Unterdrücken des Auftretens einer Adhäsion an der Oberfläche des Kolbenrings während der Einlaufperiode es ermöglicht zu verhindern, dass das Auftreten einer Adhäsion danach ausgeprägt wird, und den Fortschritt des Verschleißes der Kolbenringnut zu unterdrücken.
Auf der Basis dessen, was bisher beschrieben wurde, werden weitere bevorzugte Bedingungen zum Unterdrücken des Auftretens einer Adhäsion an der Oberfläche eines Kolbenrings erörtert.
Bestätigungstest für Adhäsionsvorfall des Kolbenrings in der Einlaufperiode:
Es wird angemerkt, dass beim Durchführen des vorliegenden Bestätigungstests für den Adhäsionsvorfall als spezifische Konfiguration die ”ABRASION TESTING MACHINE FOR EVALUATING ABRASION OF BOTH OR EITHER OF PISTON RING OR PISTON RING GROOVE”, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-76132 offenbart ist, die vorher von den vorliegenden Anmeldern angemeldet wurde, übernommen wurde. Im vorliegenden Bestätigungstest für den Adhäsionsvorfall wurde ferner die Antriebsfrequenz einer Antriebsquelle so gesteuert, dass sie 33 Hz war, und die Temperatur wurde derart gesteuert, dass die Temperatur an der Unterseite der Ringnut 200°C war. Ferner wurde der Gasdruck auf 0,5 MPa gesteuert. Ferner wurde Schmieröl kontinuierlich in einer solchen Weise zugeführt, dass, nachdem das Schmieröl für 30 Minuten mit einer Zuführungsrate von 1 ml/30 s zugeführt wurde, die Zuführungsmenge des Schmieröls jedes Mal, wenn eine Stunde ablief, verringert wurde. Die Gesamtzeit zum Durchführen des vorliegenden Bestätigungstests für den Adhäsionsvorfall wurde als 25 Stunden bestimmt. Es wird jedoch angemerkt, dass, wenn ein Phänomen der Erhöhung des Leckgases, das einen Fortschritt der Adhäsion bedeutet, auftrat, bevor 25 Stunden seit dem Start des Tests vergangen waren, und die Messung der Leckgasmenge verhindert wurde, der Test an diesem Punkt beendet wurde.
Im vorliegenden Bestätigungstest für den Adhäsionsvorfall wurde ferner der Test unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen unter Verwendung von sechs Arten von Prüfstücken durchgeführt, die jeweils hinsichtlich der Oberflächenqualität des Kolbenrings unterschiedlich waren. In diesem Moment war wie im vorstehend beschriebenen Bestätigungstest für das Verschleißausmaß der Kolbenringnut der verwendete Kolbenring eine Kombination eines oberen Rings, eines zweiten Rings und eines Ölrings und der zweite Ring und der Ölring waren dieselben wie die im betreffenden Bestätigungstest für das Verschleißausmaß verwendeten. Beim Durchführen des vorliegenden Bestätigungstests für den Adhäsionsvorfall wurde ferner hinsichtlich des dem Kolben entsprechenden Abschnitts derselbe wie jener, der im betreffenden Bestätigungstest für das Verschleißausmaß verwendet wurde, übernommen. Hinsichtlich des oberen Rings, der im vorliegenden Bestätigungstest für den Adhäsionsvorfall verwendet wurde, wurde ein Ring mit denselben Geometrien wie jener, der im betreffenden Bestätigungstest für das Verschleißausmaß verwendet wurde, abgesehen von der Bedingung des Last/Längen-Verhältnisses Rmr2 der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings, verwendet.
Im vorliegenden Bestätigungstest für den Adhäsionsvorfall war hinsichtlich der Oberflächenqualität der Oberseite und der Unterseite des oberen Rings die Korrelation zwischen der Beziehung zwischen den Zahlenwerten (%) von Rmr2 und der Tiefe z(Co – Cn (μm)) mit einem Last/Längen-Verhältnis Rmr2(Rmr(Co) = 0,5%) eine Referenz und das Auftreten einer Adhäsion wurde untersucht. Der Grund dafür, dass der Fall, dass Rmr(Co) 0,5% ist, hier als Referenz verwendet wurde, war, da, wie bereits beschrieben, als Daumenregel es möglich war, den Kolbenring weniger aggressiv gegen die Kolbenringnut zu machen und den Effekt der ausreichenden Unterdrückung des Auftretens von Adhäsionsverschleiß stabil zu erreichen.

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des Bestätigungstests für den Adhäsionsverschleiß, der unter Verwendung der Verschleißtestvorrichtung durchgeführt wurde, wenn der vorliegende Bestätigungstest für den Adhäsionsvorfall durchgeführt wurde. Ferner zeigt 4 die Daten von Tabelle 2 in einem Graphen, der die Beziehung zwischen dem Last/Längen-Verhältnis Rmr2(Rmr(Co) = 0,5%) und der Verschleißtiefe z(Co – Cn (μm)) in jedem Prüfstück zeigt. Es wird angemerkt, dass in Tabelle 2 die Ergebnisse des vorliegenden Bestätigungstests für den Adhäsionsvorfall gezeigt sind als: ”A” gibt keinen Vorfall von Adhäsion an, ”B” gibt das Auftreten einer Farbänderung an, und ”C” gibt den Vorfall von Adhäsion an. Hinsichtlich der Beurteilungskriterien für das Ergebnis der Durchführung des vorliegenden Bestätigungstests für den Adhäsionsvorfall wurden ferner Fälle, in denen die Adhäsion an der Ober- und der Unterseite des Kolbenrings sogar sofort in den Ergebnissen von insgesamt fünf Tests auftrat, und eine Farbänderung nicht weniger als dreimal auftrat, als NG beurteilt, und andere Fälle wurden als OK beurteilt. Hier ist eine Farbänderung ein Phänomen, das aufgrund einer Beschädigung der Ober- und der Unterseite des Kolbenrings erscheint und das als Vorahnung des Auftretens einer Adhäsion wahrgenommen wird, obwohl noch keine Adhäsion aufgetreten ist. [Tabelle 2]

	z = Co-Cn (μm)	Prüfstück 1	Prüfstück 2	Prüfstück 3	Prüfstück 4	Prüfstück 5	Prüfstück 6
Rmr2 (Co = 0,5%)	0,10	4,81%	3,76%	4,00%	2,03%	2,20%	1,49%
	0,20	30,46%	14,81%	11,93%	5,22%	4,66%	2,74%
	0,30	64,71%	31,67%	25,46%	12,22%	7,06%	4,38%
	0,40	87,04%	52,92%	41,83%	23,92%	10,55%	8,16%
	0,50	95,24%	73,47%	57,62%	40,64%	16,62%	12,55%
	0,60	100,00%	85,44%	69,66%	62,70%	24,05%	16,89%
	0,70	100,00%	92,71%	80,13%	78,63%	33,91%	23,60%
	0,80	100,00%	96,75%	87,51%	86,87%	43,94%	32,43%
	0,90	100,00%	98,51%	92,86%	92,51%	54,20%	39,87%
	1,00	100,00%	99,28%	96,42%	95,92%	63,47%	47,46%
	1,10	100,00%	99,69%	98,20%	97,79%	70,98%	55,71%
	1,20	100,00%	99,76%	99,06%	98,84%	77,17%	63,50%
	1,30	100,00%	99,78%	99,33%	99,40%	83,64%	70,00%
	1,40	100,00%	99,83%	99,38%	99,77%	89,67%	74,21%
Gradient (*1)	0,10–0,30	360	140	107	51	24	15
Adhäsionstestergebnis (*2)	Erster Test	A	A	B	B	B	B
	Zweiter Test	A	A	A	A	C	B
	Dritter Test	A	A	B	B	B	C
	Vierter Test	A	A	A	B	B	C
	Fünfter Test	A	A	A	B	C	C
	Beurteilung (*3)	OK	OK	OK	NG	NG	NG

(*1) Gradient einer geraden Linie, die Datenpunkte von Rmr2 (%) verbindet, wobei z(Co – Cn (μm)) 0,1 bzw. 0,3 ist.
(*2) A: Kein Vorfall von Adhäsion, B: Auftreten einer Farbänderung, C: Vorfall von Adhäsion
(*3) Ein oder mehrere Vorfälle von Adhäsion oder drei oder mehr Vorfälle einer Farbänderung bedeuten NG und bedeuten ansonsten OK.

[Bewertungsergebnis des Bestätigungstests für Adhäsionsvorfall]
Wie in Tabelle 2 gezeigt, war als Ergebnis des vorliegenden Bestätigungstests für den Adhäsionsvorfall die Beurteilung für die Prüfstücke 1 bis 3 OK und jene für die Prüfstücke 4 bis 6 war NG. Hier sind die Kolbenringe der Prüfstücke 1 bis 3 jene mit einer Oberflächenqualität, bei der das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des oberen Rings innerhalb des Bedingungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegt. Andererseits sind die Kolbenringe der Prüfstücke 4 bis 6 jene mit einer Oberflächenqualität, bei der das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 außerhalb des Bedingungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegt. Aus diesem Ergebnis sowie aus dem vorstehend beschriebenen Bestätigungstest für das Verschleißausmaß der Kolbenringnut wurde folglich bewiesen, dass, wenn das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite eines Kolbenrings den Bedingungsbereich der vorliegenden Erfindung erfüllt, der Kolbenring weniger wahrscheinlich einem Adhäsionsverschleiß zwischen sich und dem Kolben unterzogen wird.
Aus Tabelle 2 bestand überdies hinsichtlich der Prüfstücke 1 und 2 kein einziger Vorfall von Adhäsion an der Ober- und der Unterseite des oberen Rings in den insgesamt fünf Tests. Hinsichtlich der Prüfstücke 3 und 4 wurde ferner, obwohl kein einziger Vorfall von Adhäsion an der Ober- und der Unterseite des oberen Rings in den insgesamt fünf Tests bestand, das Auftreten einer Farbänderung beobachtet. Hinsichtlich der Prüfstücke 5 und 6 wurde ferner der Vorfall von Adhäsion und Farbänderung an der Ober- und der Unterseite des Kolbenrings in den insgesamt fünf Tests beobachtet. Hier war die Beurteilung hinsichtlich des Prüfstücks 3 OK, da die Anzahl des Auftretens einer Farbänderung zwei war, und hinsichtlich des Prüfstücks 4 war die Beurteilung NG, da die Anzahl des Auftretens einer Farbänderung drei war. Mit Bezug auf 4 ist auf der Basis dieser Ergebnisse zu sehen, dass ein Prüfstück, das eine größere Erhöhungsrate des Zahlenwerts (%) des Last/Längen-Verhältnisses Rmr2 der Oberfläche in Zusammenhang mit einer Vergrößerung der Tiefe z(Co – Cn(μm)) zeigt, einen größeren Effekt der Unterdrückung des Vorfalls von Adhäsion hat. Das heißt, beim Bestimmen eines kritischen Werts zwischen OK und NG aus den Daten der Prüfstücke 3 und 4 kann 4 berücksichtigt werden.
Mit Bezug auf 4 ist es bevorzugt, die Form einer Näherungskurve, die für Datenpunkte der Beziehung zwischen der Tiefe z(Co – Cn (μm)) und dem Rmr2 (%) für jedes Prüfstück gezeichnet wird, als Faktor zum deutlichen Aufzeigen der Differenz zwischen Prüfstücken 1 bis 3, für die die Beurteilung OK war, und Prüfstücken 4 bis 6, für die die Beurteilung NG war, zu berücksichtigen. Durch Zeichnen einer geraden Linie, die die Datenpunkte des betreffenden Rmr2 verbindet, wobei die betreffende Tiefe z(Co – Cn (μm)) 0,1 und 0,3 ist, unter den Datenpunkten der Beziehung zwischen der Tiefe z(Co – Cn (μm)) und dem Rmr2 (%) in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 und Betrachten des Gradienten dieser geraden Linie wird es beispielsweise möglich, eine gute Leistung stabil zu erreichen. Tabelle 2 zeigt Zahlenwerte der Gradienten von geraden Linien, die Datenpunkte jedes Rmr2(%) verbinden, wobei das betreffende z 0,1 μm und 0,3 μm ist. Aus Tabelle 2 sind die Gradienten der betreffenden geraden Linien 360 für das Prüfstück 1, 140 für das Prüfstück 2, 107 für das Prüfstück 3, 51 für das Prüfstück 4, 24 für das Prüfstück 5 und 15 für das Prüfstück 6. Das heißt, aus diesem Ergebnis ist zu sehen, dass die Gradienten von geraden Linien für die Prüfstücke 1 bis 3 größer sind als die Gradienten von geraden Linien für die Prüfstücke 4 bis 6.
Wenn ein kritischer Wert. zwischen OK und NG aus den Daten der Prüfstücke 3 und 4 unter Berücksichtigung von 4 bestimmt wird, ist es folglich bevorzugt, aus dem Gradienten einer geraden Linie, die die Datenpunkte von jedem der betreffenden Rmr2 verbindet, zu beurteilen, wobei die Tiefe z(Co – Cn (μm)) 0,1 und 0,3 ist. Von der Bedingung von Rmr2 (%) betrachtet kann aus 4 und Tabelle 2 beurteilt werden, dass der kritische Wert zwischen OK und NG auf eine Mitte zwischen der Bedingung des Prüfstücks 3 und der Bedingung des Prüfstücks 4 gesetzt werden sollte. Hinsichtlich des Gradienten der geraden Linie ist es daher geeignet zu betrachten, dass ein kritischer Gradient zwischen einem Gradienten von 107 für das Prüfstück 3 und einem Gradienten von 51 für das Prüfstück 4 existiert. Aus den Erfahrungen der Erfinder wurde ebenso festgestellt, dass, wenn der Gradient dieser geraden Linie nicht geringer ist als 80, ein gutes Ergebnis erhalten werden kann. Das heißt, die Oberflächenqualität der Ober- und der Unterseite des Kolbenrings in Bezug auf die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise derart bestimmt, dass der Gradient einer geraden Linie, die Datenpunkte von jedem Rmr2 verbindet, in einer Tiefe z von 0,1 μm und 0,3 μm nicht geringer ist als 80 in der Beziehung zwischen dem Last/Längen-Verhältnis Rmr2 und der Tiefe z(Co – Cn (μm)), wenn Rmr(Co) 0,5% ist. Es wird angemerkt, dass in 4 eine gerade Linie (gestrichelte Linie in der Figur) von Y = 80X + b (b ist ein spezifischer Wert, der für jedes Basismaterial bei z von 0,1 μm bestimmt ist) derart extrapoliert wird, dass eine gerade Linie eines Gradienten von 80 vorgestellt werden kann.
Es wird angemerkt, dass im vorliegenden Bestätigungstest für den Adhäsionsvorfall ein Test auch unter Verwendung von 17-Cr-Stahl (entsprechend SUS410 im JIS-Standard) als Material des oberen Rings, der ein Prüfstück ist, neben 17-Cr-Stahl wie im vorstehend beschriebenen Bestätigungstest für das Verschleißausmaß der Kolbenringnut durchgeführt wird. Als Ergebnis des vorliegenden Bestätigungstest für den Adhäsionsvorfall wurde jedoch dasselbe Ergebnis für den Fall erhalten, in dem das Material des oberen Rings 13-Cr-Stahl war, wie im Fall von 17-Cr-Stahl, der in Tabelle 2 gezeigt ist.
Aus dem, was bisher beschrieben wurde, ist es, wenn ein Kolbenring mit einer Oberflächenqualität, bei der das Last/Längen-Verhältnis Rmr2 der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings innerhalb des Bedingungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegt, möglich, einen ausgezeichneten Effekt der Unterdrückung von Adhäsionsverschleiß zu erreichen, selbst wenn viele Stunden vergehen.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Als Ergebnis des Last/Längen-Verhältnisses Rmr2 (entsprechend JIS B 0601:2001) der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings, das jede Bedingung von (0,5%, 0,3 μm) ≥ 20% und (0,5%, 0,4 μm) ≥ 40% erfüllt, kann der Kolbenring der vorliegenden Erfindung das Auftreten von Adhäsionsverschleiß ausreichend unterdrücken, wenn er an einem Kolben angebracht ist, bei dem mindestens die Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht. Da die Übernahme des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung die Verringerung des Ölverbrauchs in jedem Bereich der Motorumdrehung ermöglicht, ist es folglich möglich, auf einen breiten Bereich von Bedürfnissen wie z. B. Motoren mit Hochleistungsspezifikation und dergleichen einzugehen.
Bezugszeichenliste

1: Kolbenring
2: Oberseite des Kolbenrings
3: Unterseite des Kolbenrings
4: Gleitoberfläche des Kolbenrings
5: Kolben
6: Kolbennut
7: Oberseitenfläche der Kolbennut
8: Unterseitenfläche der Kolbennut
9: Zylinder
10: Zylinderinnenwandoberfläche
11: Harte Schicht
12: Verschleißbeständige Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2004-92714 [0005]
JP 2008-76132 [0051]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS B0601:2001 [0010]
JIS B 0601:2001 [0012]
JIS B0601:2001 [0025]
JIS B 0601:2001 [0026]
JIS B 0601:2001 [0030]
JIS B 0601:2001 [0031]
JIS B 0601:2001 [0031]
JIS B 0601:2001 [0045]
JIS B 0601:2001 [0061]

Claims

Kolbenring, der an einem Kolben für einen Dieselmotor angebracht werden soll, wobei ein Last/Längen-Verhältnis Rmr2 (entsprechend JIS B0601:2001) einer Oberfläche an einer Oberseite und einer Unterseite des Kolbenrings jede Bedingung der Formel (1) und Formel (2) erfüllt, die im nachstehenden Ausdruck 1 gezeigt sind: [Ausdruck 1] Rmr2 (0,5%, 0,3 μm) ≥ 20% (1) Rmr2 (0,5%, 0,4 μm) ≥ 40% (2).
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei, wenn Rmr2 als Rmr2 (Rmr(Co), z) dargestellt wird (wobei Rmr(Co) ein Last/Längen-Verhältnis (%) nach einem festgelegten anfänglichen Verschleiß ist und z eine Tiefe (μm) von einer Schnittebene Co entsprechend dem Rmr(Co) ist), ein Gradient einer geraden Linie, die Datenpunkte von jedem der Rmr2 verbindet, wobei z 0,1 μm und 0,3 μm ist, nicht geringer ist als 80 in einer Beziehung mit dem z, wenn das Rmr(Co) 0,5% ist, in einem Koordinatensystem, wobei z eine x-Achse ist und wobei Rmr2 eine y-Achse ist.
Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mittlere 10-Punkt-Rauigkeit RzJIS (JIS B 0601:2001) der Oberfläche an der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings 0,2 μm bis 2,0 μm ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine harte Schicht auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings ausgebildet ist und die Vickers-Härte (HV) in der harten Schicht 700 HV0.1 bis 3000 HV0.1 ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kolbenring aus Stahl oder Gusseisen besteht und die harte Schicht, die auf der Oberseite und der Unterseite des Kolbenrings ausgebildet ist, aus irgendeiner oder mehreren einer nitrierten Schicht, einer verchromten Schicht, einer PVD-behandelten Schicht, einer CVD-behandelten Schicht oder einer DLC-Schicht ausgewählt ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Querschnitt des Kolbenrings entlang einer Kolbenachsenrichtung eine Form von irgendeiner einer rechteckigen Form, einer Trapezform und einer Halbtrapezform aufweist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kolbenring in Kombination mit einem Kolben verwendet wird, in dem zumindest eine Kolbenringnut aus Stahl oder Gusseisen besteht.