JP2000145542A

JP2000145542A - 直噴式ディ―ゼルエンジン用ピストンリングおよび組合せ

Info

Publication number: JP2000145542A
Application number: JP11042176A
Authority: JP
Inventors: Shuji Samejima; 修二鮫島
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2000-05-26
Also published as: FR2782748B1; DE19940022C2; DE19940022A1; FR2782748A1

Abstract

(57)【要約】【課題】直噴式ディーゼルエンジンに好適な安価でか
つ耐摩耗性を有するピストンリングの組合せ、および第
２圧力リングに好適なピストンリングを提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：0.4 〜0.8 ％、Cr：6 〜
11％を含有する低Cr系鋼製で、かつ少なくとも摺動面に
は窒化層を有するピストンリングを、直噴式ディーゼル
エンジン用ピストンリングの第２圧力リングとする。窒
化層の硬さは、Ｈv 800 〜1100とするのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に使用す
るピストンリングに係り、とくに直接噴射式（以下、直
噴式という）ディーゼルエンジンに用いて好適なピスト
ンリングに関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンは、圧縮された高温
高圧の空気中へ燃料を噴射して、燃料を燃焼させ動力を
発生させているが、噴射燃料と空気との混合の仕方によ
り、直噴式と副室式に分類される。副室式ディーゼルエ
ンジンは、主燃焼室とは別に、シリンダヘッドに副室を
設け、燃料を副室に噴射する方式のディーゼルエンジン
であり、燃料と空気の混合が良好であるため空気過剰率
を小さくとることができるといわれている。一方、直噴
式ディーゼルエンジンは、シリンダヘッドとピストン頂
部で形成される燃焼室へ高圧のもとで燃料を噴射する方
式のディーゼルエンジンであり、副室式のものに比べ、
燃料消費率が少なく、COガス排出量も少なく、排ガス規
制に合致すると言われている。さらに燃焼生成物（炭素
スラッジ等）の発生も少ないと言われている。

【０００３】従来から、大型のエンジンでは、高出力が
得やすいことから副室式ディーゼルエンジンが多用され
てきた。副室式ディーゼルエンジンでは、燃焼生成物
（炭素スラッジ等）が多く発生し、この炭素スラッジ
が、ピストンリングに付着し、ピストンリングにアブレ
ーシブ摩耗を生じさせる。また、燃料起因の腐食摩耗の
影響も受けやすい。このため、従来から、副室式ディー
ゼルエンジンに適用するピストンリングには、優れた耐
摩耗性、耐スカッフ性、耐熱性が要求されていた。

【０００４】このようなことから、副室式ディーゼルエ
ンジンに使用される第１圧力リングには、比較的高価な
11〜18％Crを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼製
のリングが使用され、しかも、表面にはガス窒化処理が
施され耐摩耗性を向上させていた。また、第１圧力リン
グは、矩形あるいは生成するスラッジを削り取るためハ
ーフキーストン、フルキーストンのリングが多く使用さ
れている。

【０００５】また、副室式ディーゼルエンジンに使用さ
れる第２圧力リングは、第１圧力リングほど使用環境は
厳しくなく、さらに形状がテーパ付き、テーパアンダカ
ット付き、テーパアンダフック等複雑な形状となるため
加工性の観点から、鋳鉄製のリングが使用され、さらに
耐摩耗性向上のため外周、あるいはさらに上下面をも含
みクロムめっきが施されたリングが多く使用されてい
る。

【０００６】しかし、燃費改善のため、第２圧力リング
を薄幅化する場合、鋳鉄製リングでは強度が不足するこ
とから、例えば、特公昭58-25863号公報、特公昭61-541
03号公報には、第２圧力リングも第１圧力リングと同一
鋼材製にすることが提案されている。また、副室式ディ
ーゼルエンジンに使用されるオイルリングには、高Cr系
ステンレス鋼製で、表面にはCrめっきあるいはガス窒化
処理が施された一体型リングが使用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近で
は、燃費、排ガス規制、さらに耐久性の観点から小型か
ら大型のエンジンまで、副室式ディーゼルエンジンに代
えて直噴式ディーゼルエンジンが使用されるようになっ
てきた。副室式ディーゼルエンジンに使用される圧力リ
ングを、そのまま直噴式ディーゼルエンジンの圧力リン
グとして使用すると、使用環境の厳しさから、圧力リン
グのコストが高価になり経済的に不利となるという問題
があった。

【０００８】本発明は、このような問題を解決し、直噴
式ディーゼルエンジンにおけるピストンリングの使用条
件に鑑み、経済性を考慮し安価でかつ直噴式ディーゼル
エンジンに好適な耐摩耗性を有するピストンリング、と
くに第２圧力リングに好適なピストンリング、および直
噴式ディーゼルエンジンに好適なピストンリングの組合
せを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
課題を達成するために、直噴式ディーゼルエンジンにお
けるピストンリングの耐摩耗性について鋭意研究した結
果、熱負荷の軽い第２圧力リング用として、低Cr鋼製リ
ングを適用しても十分な耐摩耗性が確保できることを見
いだした。また、オイルリング用としても、低Cr鋼製リ
ングで十分であるという知見を得た。また、本発明者ら
は、Crを含有する鋼に窒化処理を施すことにより、Crめ
っきより硬い硬化層を形成でき、耐摩耗性を向上できる
という知見を得た。

【００１０】まず、本発明の基礎となった実験結果につ
いて説明する。本発明者らは、Cr含有量の異なる各種鋼
材を用いて、直噴式ディーゼルエンジン、および副室式
ディーゼルエンジンの第２圧力リング、オイルリングを
作製し、各ピストンリングの摩耗量を比較した。その結
果を図２に示す。なお、各ピストンリングの外周面には
窒化層を70μm 形成した。また、一部のピストンリング
外周面にはクロムめっき（厚さ：100 μm ）のみを施し
た。使用したエンジンは、直列４気筒、ボア内径：92m
m、総排気量：2000ccの直噴式ディーゼルエンジンおよ
び副室式ディーゼルエンジンであり、試験条件は、4000
rpm ×全負荷×300hr とした。

【００１１】図２から、副室式ディーゼルエンジンの第
２圧力リングでは、Crめっきのみ、あるいは10％Cr以下
の低Cr系鋼では摩耗量が多く、13％Cr以上の高Cr系鋼を
用いて初めてピストンリングの摩耗量が７μm 以下と耐
摩耗性が満足される。これに対し、直噴式ディーゼルエ
ンジンでは、８％Cr、10％Cr鋼でも摩耗量は少なく、副
室式における13％Cr系鋼以上の十分な耐摩耗性を有して
いることがわかる。また、直噴式ディーゼルエンジンの
オイルリングでも同様に、８％Cr、10％Cr鋼製のリング
で、十分使用可能であることがわかった。

【００１２】本発明は、上記した知見に基づいて完成さ
れたものである。すなわち、本発明は、直噴式ディーゼ
ルエンジンに用いられるピストンリングであって、前記
ピストンリングは、重量％で、Ｃ：0.4 〜0.8 ％、Cr：
6 〜11％を含有する鋼からなり、かつ少なくとも該ピス
トンリングの摺動面には窒化層を有することを特徴とす
る直噴式ディーゼルエンジン用ピストンリングであり、
本発明では、前記窒化層は、Ｈv 800 〜1100の硬さを有
するのが好ましい。

【００１３】また、本発明は、第１圧力リングが、重量
％で、Ｃ：0.4 〜1.2 ％、Cr：11〜18％を含有するマル
テンサイト系ステンレス鋼からなり、さらに該第１圧力
リングの摺動面に窒化層と、あるいはさらに窒化層の上
層としてＰＶＤ処理層とからなる表面硬化層を有し、第
２圧力リングが、重量％で、Ｃ：0.4 〜0.8 ％、Cr：6
〜11％を含有する鋼からなり、かつ該第２圧力リングの
摺動面には窒化層を有することを特徴とする直噴式ディ
ーゼルエンジン用ピストンリングの組合せである。ま
た、本発明では、前記第１圧力リングの摺動面に形成さ
れる表面硬化層の硬さがＨv900以上であり、前記第２圧
力リングにの摺動面に形成される窒化層の硬さをＨv 80
0 〜1100とするのが好ましい。また、本発明は、第１圧
力リングが、重量％で、Ｃ：0.4 〜1.2 ％、Cr：11〜18
％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、
さらに該第１圧力リングの摺動面に窒化層と、あるいは
さらに窒化層の上層としてＰＶＤ処理層とからなる表面
硬化層を有し、第２圧力リングが、重量％で、Ｃ：0.4
〜0.8 ％、Cr：6 〜11％を含有する鋼からなり、かつ該
第２圧力リングの摺動面には窒化層を有し、さらに、オ
イルリングが、重量％で、Ｃ：0.4 〜0.8 ％、Cr：6 〜
11％を含有する鋼からなり、かつ該オイルリングの摺動
面には窒化層を有することを特徴とするエンジン用ピス
トンリングの組合せである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のピストンリングは、直噴
式ディゼルエンジンの第２圧力リング用、あるいはオイ
ルリング用、あるいはさらに組合せオイルリング（３ピ
ースタイプ、２ピースタイプを含む）用として好適な耐
摩耗性を有するピストンリングであり、好適には線材か
ら作られ、少なくともその摺動面には窒化層が形成され
る。

【００１５】本発明の直噴式ディゼルエンジンの第２圧
力リング、オイルリング用ピストンリングの母材は、重
量％で、Ｃ：0.4 〜0.8 ％、Cr：6 〜11％を含有し、さ
らに好ましくはSi：0.1 〜0.4 ％、Mn：0.2 〜0.4 ％を
含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材であ
る。Ｃは、母材の硬さ、強度を向上させる重要な元素で
あり、Crと結合し微細で硬質なクロム炭化物を形成し母
材の耐摩耗性を向上させる。このような効果は0.4％以
上の含有で認められる。一方、0.8 ％を超える含有は、
粗大な１次炭化物が形成されやすく、リングが脆化し強
度が低下するとともに相手攻撃性が高くなり、シリンダ
内周面の摩耗を増大させる。このようなことから、Ｃは
0.4 〜0.8 ％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.5
〜0.7 ％である。

【００１６】Crは、基地に固溶し耐熱性、耐食性を向上
させ、さらにＣと結合し微細なクロム炭化物を形成し耐
焼付性、耐摩耗性、耐へたり性を高める元素である。こ
のような効果は６％以上の含有で認められる。一方、11
％を超える含有は、耐摩耗性をさらに向上させるが、直
噴式ディーゼルエンジンにおける使用環境からは最適な
合金添加量ではなく、過剰な特性の付与であり、経済的
に不利となるとともに、クロム炭化物の析出が多くな
り、加工性が劣化する。このため、Crは6 〜11％の範囲
に限定した。

【００１７】Siは、脱酸剤として作用し、さらに耐へた
り性を向上させる元素である。このような効果は、0.1
％以上の含有で認められる。一方、0.4 ％を超える含有
は加工性を低下させるとともに靱性も劣化させる。この
ため、Siは0.1 〜0.4 ％の範囲に限定した。Mnは、脱酸
剤として作用するとともに、強度を増加させ、熱間加工
性を向上させる元素である。このような効果は、0.2 ％
以上の含有で認められる。一方、0.4 ％を超える含有は
リング成形時の冷間加工性を低下させる。このため、Mn
は0.2 〜0.4 ％の範囲に限定した。

【００１８】なお、残部は、Feおよび不可避的不純物か
らなる。不可避的不純物としては、Ｐ：0.04％以下、
Ｓ：0.03％以下が許容される。上記した組成の鋼材から
作製されたピストンリングは、少なくとも摺動面である
外周面に窒化層が形成される。窒化層の形成方法は、本
発明ではとくに限定されないが、ガス窒化、イオン窒
化、塩浴窒化、浸硫窒化等の窒化処理が好適である。と
くに、アンモニアガス雰囲気中あるいはアンモニアガス
と窒素ガスとの混合ガス雰囲気等を用いるガス窒化が好
ましい。なお、ピストンリングの摺動面以外の全表面に
窒化層を形成してもよいのは言うまでもない。

【００１９】Crを含有する母材表面に窒化処理により、
Crめっきより耐摩耗性に富む表面層が形成される。形成
される窒化層の硬さはＨv 800 〜1100の硬さとするのが
望ましい。窒化層の硬さは、母材のCr含有量によって変
化する。例えば、母材のCr含有量が６％の場合には、ガ
ス窒化により表層の硬さはＨv 800 〜900 、Cr含有量が
11％の場合にはＨv 1000〜1100となる。なお、Crめっき
のみでは、硬さはたかだかＨv 820 程度である。また、
窒化層の硬さは、窒化条件、例えば、ガス窒化の場合に
は雰囲気の成分、処理時間、処理温度等の調整でも可能
である。窒化層の硬さがＨv 800 未満では、ピストンリ
ング自体の摩耗が多くなり、Ｈv 1100を超えると、シリ
ンダ内壁への攻撃性が強くなりすぎる。

【００２０】なお、窒化層の表面には、所謂白層と呼ば
れる化合物層が形成されるが、この化合物層は固く耐摩
耗性に富むため、本発明の直噴式ディゼルエンジンの第
２圧力リング、オイルリングに使用されるピストンリン
グでは、耐摩耗性を高めるためにとくに除去せずに使用
してもよいし、除去して拡散層を露出させて使用しても
よい。

【００２１】上記した組成の母材と少なくとも摺動面に
窒化層を有するピストンリングを直噴式ディゼルエンジ
ン用の第２圧力リング、あるいはさらにオイルリングと
して適用し、さらに第１圧力リングとして、下記組成の
母材と、少なくとも摺動面に表面硬化層を有するピスト
ンリングを適用する、直噴式ディゼルエンジン用ピスト
ンリングの組合せとするのが望ましい。

【００２２】本発明の１実施例である直噴式ディゼルエ
ンジン用ピストンリングの組合せを図１に示す。図１は
シリンダのボア内にピストンが装着された状態の縦断面
図である。シリンダ１内のボア内にピストン２が挿入さ
れ、ピストン２の外周面に形成されているピストンリン
グ溝３、４、５に第１圧力リング６、第２圧力リング
７、および組合せオイルリング８がそれぞれ装着されて
いる。

【００２３】図１の第１圧力リング６は、片面キースト
ン型のリングが示されているが、この形状に限定される
ものではなく、両面キーストン型としても矩形でもよ
い。第１圧力リング６の摺動面およびその他の外表面に
は表面硬化層10が形成されている。また、図２の第２圧
力リング７は、テーパフェイス型のリングが示されてい
るが、気密性とともに潤滑油のかきおとし性が要求され
るため、テーパアンダーカット、テーパインナーカット
等の形状としてもよいのは言うまでもない。第２圧力リ
ング７の摺動面およびその他の外表面には窒化層９が形
成されている。また、図１の組合せオイルリング８は、
コイルエキスパンダ11付きのオイルリングであり、断面
ほぼＩ字形のオイルリング12の外周面には窒化層９が形
成されている。

【００２４】直噴式ディゼルエンジン用の第１圧力リン
グ（トップリング）は、副室式ディゼルエンジン用と同
様に、高温に曝され、耐摩耗性に加えて耐熱性、耐スカ
ッフ性が要求される。このため、第１圧力リングは、副
室式ディゼルエンジン用と同様に、母材としてCr含有量
の高いマルテンサイト系ステンレス鋼、すなわち、重量
％で、Ｃ：0.4 〜1.2 ％、Cr：11〜18％を含有し、さら
に好ましくはSi：0.2〜0.5 ％、Mn：0.2 〜0.5 ％を含
有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるマルテンサ
イト系ステンレス鋼鋼材（例えば、SUS 410J1 、SUS 44
0B、等）を適用するのが好ましい。

【００２５】Ｃが0.4 ％未満では、耐摩耗性に寄与する
炭化物量が不足し優れた耐摩耗性が得られない。一方、
Ｃが1.2 ％を超えると炭化物が粗大となり、強度が不足
する。このため、Ｃは0.4 〜1.2 ％の範囲に限定するの
が望ましい。Crは、固溶され耐食性、耐熱性を向上させ
るとともに、炭化物を形成し耐摩耗性の向上に寄与する
が、11％未満では、これらの効果が少なく、一方、18％
を超える含有は、基地に固溶するCr量が多くなり、耐食
性は向上するが強度が増加し靱性が劣化する。このた
め、Crは11〜18％に限定するのが望ましい。

【００２６】Siは、脱酸剤として作用し、さらに耐へた
り性を向上させる元素である。このような効果は、0.2
％以上の含有で認められる。一方、0.5 ％を超える含有
は加工性を低下させるとともに靱性も劣化させる。この
ため、Siは0.2 〜0.5 ％の範囲に限定するのが好まし
い。Mnは、脱酸剤として作用するとともに、強度を増加
させ、熱間加工性を向上させる元素である。このような
効果は、0.2 ％以上の含有で認められる。一方、0.5 ％
を超える含有はリング成形時の冷間加工性を低下させ
る。このため、Mnは0.2 〜0.5 ％の範囲に限定するのが
好ましい。

【００２７】その他、耐摩耗性、耐熱性の向上を目的と
して、Ni：0.6 ％以下、Mo：1.25％以下、Ｖ：0.15％以
下を添加してもよい。なお、残部は、Feおよび不可避的
不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｐ：0.04％
以下、Ｓ：0.03％以下が許容される。第１圧力リング
は、リングの少なくとも摺動面に、表面硬化層を形成す
る。表面硬化層としては、窒化層と、あるいはさらに窒
化層の上層としてＰＶＤ処理層とからなる硬化層と、す
るのが望ましい。窒化層の形成方法は、本発明ではとく
に限定されないが、ガス窒化、イオン窒化、塩浴窒化、
浸硫窒化等の窒化処理が好適である。とくに、アンモニ
アガス雰囲気中あるいはアンモニアガスと窒素ガスとの
混合ガス雰囲気等を用いるガス窒化が好ましい。なお、
ピストンリングの摺動面以外の全表面に窒化層を形成し
てもよいのは言うまでもない。形成される表面硬化層の
硬さはＨv900〜1400の硬さとするのが望ましい。なお、
窒化処理により表層に形成される白層は、かたく脆いた
め、第１圧力リングではラッピング加工等の研削により
除去するのが好ましい。また、表面硬化層の厚さは、窒
化層が70〜 110μm 、あるいはさらにＰＶＤ処理層を形
成させる場合には窒化層を10〜70μm 、ＰＶＤ処理層を
５〜 100μm とするのが好ましい。窒化層は10μm 未満
では、効果が少なく、また、ピストンリングの摩耗を考
えた場合、110 μm を超えると窒化層は不必要である。
ＰＶＤ処理層は５μm 未満では、効果がなく、100 μm
を超えると剥離しやすくなる。

【００２８】

【実施例】表１に示す鋼材を用いて、図１に示す形状の
第１圧力リング、第２圧力リング、およびオイルリング
（コイルエキスパンダ付き）を作製した。これらリング
を、直噴式ディゼルエンジン、副室式ディゼルエンジン
に表３に示すような組合せで装着し、実機試験を実施し
た。試験後、ピストンリング摺動面の摩耗量を調査し
た。

【００２９】供試エンジンは、直列４気筒、ボア内径：
92mm、総排気量：2000ccの直噴式ディゼルエンジンおよ
び副室式ディゼルエンジンとした。試験条件は、4000rp
m ×全負荷×300hr とし、水温：95℃、油温：130 ℃
（使用エンジンオイル：10W-30）とした。各ピストンリ
ングの寸法は、直噴式ディゼルエンジン用、副室式ディ
ゼルエンジン用とも、第１圧力リングが幅：２mm×厚
さ：3.35mm、第２圧力リングが幅：1.5mm ×厚さ：3.3m
m 、オイルリングが幅：３mm×厚さ：2.35mm（コイルエ
キスパンダ付き）とした。また、各ピストンリングの窒
化処理条件および外周面の硬さを表２に示す。

【００３０】実機試験の結果を表３に示す。なお、ピス
トンリングの摩耗量は、摺動位置での厚さの減少量で表
示した。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】

【００３４】本発明例のピストンリングの組合せは、直
噴式ディーゼルエンジン用として十分な耐摩耗性を有す
るピストンリングとなる。本発明のピストンリングは、
直噴式ディーゼルエンジン用第２圧力リングまたはオイ
ルリングに適用して十分な効果を発揮する。副室式ディ
ーゼルエンジン用第２圧力リングまたはオイルリングに
適用した比較例では耐摩耗性に不足する。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、要求される耐摩耗性を
満足し、高価なCrを多量に含有する高Cr系ステンレス鋼
の使用を少なくして、しかも安価なピストンリングを提
供することができ、産業上格段の効果を奏する。また、
Crめっきを施す必要がなくなり、環境への汚染を心配す
る必要がないという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピストンリングの組合せの１例を示す縦断面図
である。

【図２】ピストンリングの摩耗量におよぼす鋼材Cr量の
影響を示すグラフである。（ａ）は第２圧力リングの場
合、（ｂ）はオイルリングの場合を示す。

【符号の説明】

１シリンダ２ピストン３ピストンリング溝４ピストンリング溝５ピストンリング溝６第１圧力リング７第２圧力リング８組合せオイルリング９窒化層 10 表面硬化層 11 コイルエキスパンダ 12 オイルリング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直噴式ディーゼルエンジンに用いられる
ピストンリングであって、前記ピストンリングは、重量
％で、Ｃ：0.4 〜0.8 ％、 Cr：6 〜11％を含有する鋼からなり、かつ少なくとも該ピストンリン
グの摺動面には窒化層を有することを特徴とする直噴式
ディーゼルエンジン用ピストンリング。
【請求項２】前記窒化層は、Ｈv 800 〜1100の硬さを
有することを特徴とする請求項１に記載の直噴式ディー
ゼルエンジン用ピストンリング。
【請求項３】第１圧力リングが、重量％で、Ｃ：0.4 〜1.2 ％、 Cr：11〜18％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、さ
らに少なくとも該第１圧力リングの摺動面に窒化層と、
あるいはさらに窒化層の上層としてＰＶＤ処理層とから
なる表面硬化層を有し、第２圧力リングが、重量％で、Ｃ：0.4 〜0.8 ％、 Cr：6 〜11％を含有する鋼からなり、かつ少なくとも該第２圧力リン
グの摺動面には窒化層を有することを特徴とする直噴式
ディーゼルエンジン用ピストンリングの組合せ。
【請求項４】前記第１圧力リングの摺動面に形成され
る表面硬化層の硬さがＨv900以上であり、前記第２圧力
リングにの摺動面に形成される硬化層の硬さがＨv 800
〜1100であることを特徴とする請求項３に記載の直噴式
ディーゼルエンジン用ピストンリングの組合せ。