JP2020060241A - アルコール燃料用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の改善とＬＯＣ悪化の防止とを両立させたピストンリング装着ピストンを提供する。【解決手段】トップリング２０及びオイルリング１０の、シリンダ１の内壁を摺動するその外周面にＤＬＣ被膜を有し、セカンドリング３０の外周面に、ＰＶＤ被膜、窒化物被膜、及び硬質クロムメッキから選択される被膜を有するリング装着ピストン２。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンリングが装着されたピストンに関し、特にアルコール燃料を使用する内燃機関に有用なピストンに関する。

内燃機関のシリンダに装着されるピストンには、その外壁に、コンプレッションリング及びオイルリングを順に配置するためのリング溝が設けられ、該溝にそれぞれコンプレッションリング及びオイルリングが装着される。コンプレッションリングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出すること、シリンダ内の余分なエンジンオイルがクランク室側から燃焼室側に流出すること、を抑制する機能を有する。また、オイルリングは、内燃機関のシリンダ内壁に付着した余分なエンジンオイルを掻き落とし、適度な油膜を形成する機能を有する。

一方で、近年、エタノール等のアルコールのみからなる燃料、又は、アルコールと他の燃料とを混合した燃料（以下、両者を合わせてアルコール燃料とも称する。）が使用できる内燃機関が知られており、そのような内燃機関で使用するピストンが提案されている。

特許文献１には、アルコール燃料使用時の、摺動部材の耐焼付性を向上させるとともに、耐食性、耐摩耗性をさらに向上させるため、一方の部材の摺動面をＦｅ−Ｃｒ合金粉末の溶射面とし、もう一方の部材の摺動面を窒化処理面とする技術が提案されている。
また、特許文献２には、アルコール燃料にも使用できる耐焼付性、耐摩耗性および耐腐食性を兼備した内燃機関用オイルリングとして、摺動面に窒化層を有し、母材が特定の組成を有し、特定の焼入れ焼もどし硬さを有し、且つウェブ部の厚みが特定の厚みであるオイルリングが提案されている。
更に特許文献３には、アルコール燃料にも対応し得る、より高い耐摩耗性、耐クラック性及び耐剥離性を有するピストンリングとして、摺動面にＣｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系の合金被膜が被覆されたピストンリングが開示されている。

他方、オイルリングの外周は、シリンダ内壁との間で高速で摺動するため、耐摩耗性が必要となる。そのため、オイルリングの外周面に、耐摩耗性の高いダイヤモンドライクカーボン（以降、ＤＬＣとも称する）被膜を設ける技術が提案されている（特許文献４参照）。

特開平０４−１７５５７７号公報 特開平０６−１３７４３０号公報 国際公開第２０１６／００２８１０号 特開平１１−３１５９２４号公報

近年、より要求が高い燃費の観点からは、シリンダ内壁と摺動するピストンリングの外周面は、低フリクションであるＤＬＣ被膜により被覆されていることが好ましい。
一方で、アルコール燃料を使用する内燃機関においては、ガソリン燃料と比べ筒内に噴射される燃料が多く、燃焼時の未燃アルコールや燃焼時に発生する水分が燃焼室内に含まれるカルシウム成分と反応することによって、炭酸カルシウムや硫酸カルシウム等のアル
コール燃料生成物が生じることがある。アルコール燃料生成物は、シリンダ内壁に堆積し、シリンダ内壁の真円度が悪化することがあることを本発明者らは見出した。

そして、アルコール燃料を使用する内燃機関において、燃費の観点から、シリンダ内壁と摺動するピストンリングの外周面に低フリクションであるＤＬＣ被膜を有する場合、ＤＬＣ被膜が低フリクションであるがゆえにシリンダ内壁に堆積したアルコール燃料生成物を掻き落とす効果が非常に弱いため、シリンダ内壁の真円度が悪化することがあり、ＬＯＣ（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｏｉｌ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）悪化を招く場合があることに想到した。本発明はこのような状況下でなされたものであり、燃費の改善とＬＯＣ悪化の防止とを両立させたピストンリング装着ピストンを提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討し、ピストンに装着するトップリング及び組合せオイルリングは、その外周面をＤＬＣ被膜で被覆し、セカンドリングは、その外周面をＤＬＣよりも摩擦係数が大きいＰＶＤ被膜、窒化物被膜及び硬質クロムメッキ被膜から選択される被膜で被覆することで、燃費の改善とＬＯＣ悪化の防止とを両立させたアルコール燃料用ピストンを提供できることを見出し、発明を完成させた。

本発明は、ピストンリングが装着されるリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに
該ピストンのリング溝に装着されたトップリング、セカンドリング及び組合せオイルリング、
からなる、アルコール燃料用ピストンであって、
前記トップリング及びオイルリングは、その外周面にＤＬＣ被膜を有し、
前記セカンドリングは、その外周面に、ＰＶＤ被膜、窒化物被膜、及び硬質クロムメッキから選択される被膜を有する、
アルコール燃料用ピストンである。

前記セカンドリングは、その外周面にＰＶＤ被膜を有することが好ましい。
また、前記アルコール燃料は、アルコール含有量が２０体積％以上であることが好ましい。

また、本発明の別の側面は、リング溝を有する内燃機関用ピストンに、トップリング、セカンドリング及び組合せオイルリングを装着する工程、を有するアルコール燃料用の内燃機関の製造方法であって、
前記トップリング及びオイルリングは、その外周面に摩擦係数μが０．１以下である被膜を有し、
前記セカンドリングは、その外周面に、前記トップリング及びオイルリングが有する被膜よりも、摩擦係数が高い被膜を有する、
アルコール燃料用の内燃機関の製造方法である。

本発明により、アルコール燃料用内燃機関で使用される際に、燃費の改善とＬＯＣ悪化の防止とを両立させたアルコール燃料用ピストンを提供できる。また、シリンダ内壁の堆積物を掻き落とすことができるため、シリンダ内壁の真円度の悪化を防ぐことができる。

ピストンリングが装着されたピストンの断面模式図である。 アルコール燃料を使用した、内燃機関の連続高速回転運転試験後の、シリンダ内壁の真円度を測定した結果を示す図である。 往復動摩擦試験を行った測定器の模式図である。 シリンダ内壁の堆積物を解析したＩＲスペクトルを示すチャートである。

本発明の実施形態は、ピストンリングが装着されるリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに該ピストンのリング溝に装着されたトップリング、セカンドリング及び組合せオイルリング、からなる、アルコール燃料用ピストンである。以下、その構成について、図１を用いて説明する。

図１は、ピストンリングが装着されたピストンの断面図である。
ピストン２には、燃焼室側から第１の溝２４、第２の溝３４、及び第３の溝１４が形成されている。第１の溝２４には、コンプレッションリングであるトップリング２０が装着され、第２の溝３４には、コンプレッションリングであるセカンドリング３０が装着され、第３の溝１４には、組合せオイルリング１０が装着される。

トップリング２０、セカンドリング３０、組合せオイルリング１０の図中右端部は、シリンダ１の内壁と接触して摺動する摺動面であり、被膜により被覆されている。
本実施形態では、トップリング２０及び組合せオイルリング１０の、シリンダ１の内壁との摺動面、即ちトップリング２０及び組合せオイルリング１０の外周面は、ＤＬＣ被膜を有する。
ＤＬＣ被膜の厚さは特段限定されないが、通常０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上であり、また通常３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下であってよい。
また、ＤＬＣ被膜の硬度は特段限定されないが、通常８００Ｈｖ以上、好ましくは１２００Ｈｖ以上、また通常３５００Ｈｖ以下、好ましくは２５００Ｈｖ以下である。
また、ＤＬＣ被膜の算術表面粗さ（Ｒａ）は、通常０．１μｍ以下であり、０．０５μｍ以下であってよい。なお、算術表面粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）に沿って測定された値である。

組合せオイルリング１０は、その外周面がシリンダ内壁を摺動する上下一対のセグメント１１及び１２と、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサ１３を備える。上下一対のセグメント１１及び１２の図中右端部の摺動面は、いずれもＤＬＣ被膜を有する。上下一対のセグメント１１及び１２は、同じＤＬＣ被膜であってもよく、異なる種類のＤＬＣ被膜であってよい。
また、組合せオイルリング１０は３ピース構成のオイルリングであるが、これに限られず、２ピース構成のオイルリングであってよい。

一方で、トップリング２０及び組合せオイルリング１０の、シリンダ１の内壁との摺動面はＤＬＣ被膜を有することから、後述する実験にて示されるように、アルコール燃料を用いて内燃機関を高速運転する場合、硫酸カルシウムなどの堆積物がシリンダ内壁に堆積することが解った。そして、堆積物による影響でシリンダ内壁の真円度が悪化することによりＬＯＣの悪化を招くという、アルコール燃料を用いる際に生じる新たな課題を見出した。

本実施形態では、このような新たな課題を解決するため、セカンドリングの外周面に、ＤＬＣよりも摩擦係数の高い被膜、すなわちＰＶＤ被膜、窒化物被膜、及び硬質クロムメッキから選択される被膜を有する。このうち耐摩耗性に優れるＰＶＤ被膜であることが好ましい。

本明細書においてアルコール燃料とは、エタノール等のアルコールのみからなる燃料、又は、アルコールと他の燃料とを混合した燃料をいうが、アルコールと他の燃料とを混合した燃料である場合、通常アルコール含有量は２０体積％以上であり、３０体積％以上で
あってよく、４０体積％以上であってよく、５０体積％以上であってよい。

セカンドリングのシリンダ１の内壁との摺動面を被覆する被膜の厚さは、特段限定されないが、通常０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上であり、また通常１５０μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下であってよい。
また、セカンドリングのシリンダ１の内壁との摺動面を被覆する被膜の硬度は特段限定されないが、通常７００Ｈｖ以上、好ましくは８００Ｈｖ以上、また通常２０００Ｈｖ以下、好ましくは１５００Ｈｖ以下である。
また、セカンドリングのシリンダ１の内壁との摺動面を被覆する被膜の算術表面粗さ（Ｒａ）は、通常０．３以下である。

以下、本発明を知得するに至った実験結果を示す。
＜アルコール燃料使用高回転運転試験＞
内燃機関用ピストンのリング溝に、トップリング、セカンドリング及び組合せオイルリングを装着した。トップリング、セカンドリング及び組合せオイルリングの、シリンダ内壁との摺動面は、ＤＬＣ被膜（硬度１８５０Ｈｖ、以下に示す往復動摩擦試験による摩擦係数（μ）０．０８６）を有する。
上記内燃機関用ピストンを用い、アルコール８５体積％燃料（残りの１５体積％はガソリン）を用いて、排気量２Ｌの内燃機関を高回転（６０００ｒｐｍ）で連続運転試験（２００時間）を行い、ＬＯＣ評価を行ったところ、ＬＯＣの値は２．２倍と悪化した。
ＬＯＣ評価後の内燃機関のシリンダボアは、図２に示すように、真円度が悪化していた。

＜往復動摩擦試験＞
図３に概要を示す往復動摩擦試験機１００を用いて行った。往復動摩擦試験に際して用いたリング材１０１は、ピストンリングの切出し片であり、リング材１０１はピストンリング母材と同様にＤＬＣ又はＰＶＤで全面を被覆した。
リング材１０１の摺動面は、曲率半径が１８ｍｍとなるように鏡面仕上げされたものを用いた。また、リング材１０１と摺動させるシリンダ材１０２は、シリンダボアの切出し材（ＦＣ２５０相当材：ＨＲＢ１００、Ａタイプ黒鉛７５％、炭化物析出０．５％以下、Ｒｚ２．０μｍ（ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）に基づく））を用いた。

往復動摩擦試験に際しては、リング材１０１とシリンダ材１０２との摺動界面には潤滑油供給機構１０３から潤滑油を供給した。この際の試験条件を以下に示す。
＜試験条件＞
・ストローク：５０ｍｍ
・荷重：５Ｎ
・速度：１００ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎ
・評価温度：常温
・潤滑油：エタノール、３ｍＬ／ｈを２０秒毎に分割滴下
・試験時間：５ｍｉｎ
なお、往復動摩擦試験は、上記アルコール燃料使用高回転運転試験を行ったＤＬＣ被膜と、ＰＶＤ被膜（硬度１１００Ｈｖ）について行った。ＰＶＤ被膜の往復動摩擦試験による摩擦係数（μ）は０．１７０であった。

次に、内燃機関のシリンダボアに付着した堆積物のＩＲスペクトルを測定したところ、硫酸カルシウムのＩＲスペクトルと一致した。ＩＲスペクトルの測定結果を図４に示す。

以上より、アルコール燃料を使用する内燃機関においては、燃費を向上させるために、低フリクションであるＤＬＣ被膜をピストンリングの摺動面の被膜として用いた場合、シ
リンダ内壁に硫酸カルシウムなどの堆積物が付着し、シリンダ内壁の真円度が悪化し、その結果、ＬＯＣの悪化を招くことが解った。
そのため、シリンダ内壁に堆積する堆積物を掻き落とすため、セカンドリングのシリンダ内壁との摺動面に、より摩擦係数の高いＰＶＤ被膜、窒化物被膜、及び硬質クロムメッキから選択される被膜を有することが、燃費の改善とＬＯＣ悪化の防止とを両立させるためには、有効である。また、シリンダ内壁の堆積物を掻き落とすことができるため、シリンダ内壁の真円度の悪化を防ぐことができる。

１ シリンダ
２ ピストン
１０ 組合せオイルリング
１１、１２ セグメント
１３ エキスパンダ・スペーサ
１４ 第３の溝
２０ トップリング（コンプレッションリング）
２４ 第１の溝
３０ セカンドリング（コンプレッションリング）
３４ 第２の溝
１００ 往復動摩擦試験機
１０１ リング材
１０２ シリンダ材
１０３ 潤滑油供給機構

Claims (4)

1. ピストンリングが装着されるリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに
   該ピストンのリング溝に装着されたトップリング、セカンドリング及び組合せオイルリング、
   からなる、アルコール燃料用ピストンであって、
   前記トップリング及びオイルリングは、その外周面にＤＬＣ被膜を有し、
   前記セカンドリングは、その外周面に、ＰＶＤ被膜、窒化物被膜、及び硬質クロムメッキから選択される被膜を有する、
   アルコール燃料用ピストン。
2. 前記セカンドリングは、その外周面にＰＶＤ被膜を有する、請求項１に記載のアルコール燃料用ピストン。
3. 前記アルコール燃料は、アルコール含有量が２０体積％以上である、請求項１または２に記載のアルコール燃料用ピストン。
4. リング溝を有する内燃機関用ピストンに、トップリング、セカンドリング及び組合せオイルリングを装着する工程、を有するアルコール燃料用の内燃機関の製造方法であって、
   前記トップリング及びオイルリングは、その外周面に摩擦係数μが０．１以下である被膜を有し、
   前記セカンドリングは、その外周面に、前記トップリング及びオイルリングが有する被膜よりも、摩擦係数が高い被膜を有する、
   アルコール燃料用の内燃機関の製造方法。