JP2021121755A - 組合せオイルリングおよびオイルリング装着ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】上下セグメントがボアを押すバランスの悪化に伴い生じ得る課題を解決する。【解決手段】上下一対のセグメントと、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサを備えた組合せオイルリングであって、上下セグメントがその外周面に、それぞれ耐摩耗性が異なる被膜を有する、組合せオイルリング。【選択図】図１

Description

本発明は、上下一対のセグメント（サイドレール）と、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサを備えた、３ピース構成の組合せオイルリングに関する。

内燃機関のピストンには、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配置される。このうちオイルリングは、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。

オイルリングの外周面は、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、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１参照）。

一方で、内燃機関の低燃費化の要求の実現のため、オイルリングとシリンダ内壁とのフリクションを低減することが要求されている。具体的には、オイルリングの低張力化及びオイルリング外周に形成される被膜の低フリクション化の必要性がある。しかしながらその場合には、エンジンオイル消費量の増加を引き起こす場合があり、このような課題を解決するため、３ピース構成のオイルリングの上下セグメントの輪郭形状を特徴的なものとする技術が提案されている（特許文献２参照）。

特開平１１−３１５９２４号公報 特許第５８３３２７６号

３ピース構成の組合せオイルリングは、上下一対のセグメントと、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサを備えるが、本発明者らの検討によると、燃焼室により近い側に配置されるセグメント（以降、上セグメントと称する）が、より過酷な状況下でシリンダ内壁との間で摺動するため、上セグメントの外周面を被覆する被膜が長期間の使用により大きく摩耗することが解った。そのため、上下セグメントの外周面に同じ種類の被膜を形成する場合、長期間の摺動によりセグメント外周面の被膜摩耗量が上セグメントと下セグメントにより異なることで上下セグメントがシリンダ内壁を押圧するバランスが悪くなり、組合せオイルリングが有する機能を低下させることが解った。
具体的には、上セグメントの外周面の被膜が、より多く摩耗することで、下セグメントがシリンダ内壁に対してより強く押圧することとなる。そうなると、上セグメントの外周がシリンダ内壁に付着したエンジンオイルを掻き落とす機能が低下するとともに、上セグメントの外周面がシリンダ内壁を押圧する力が低下することで、上下セグメント間に存在するエンジンオイルが、上セグメントとシリンダ内壁との間を抜ける懸念が生じる。

本発明は、このような上下セグメントがシリンダ内壁を押圧するバランスの悪化に伴い生じ得る課題を解決するものである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討し、上下セグメントの外周面を被覆する被膜
の耐摩耗性を互いに異ならせることで、上下セグメントがシリンダ内壁を押圧するバランスの悪化を防ぐことができることを見出し、発明を完成させた。

本発明は、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と、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサを備えた組合せオイルリングであって、
前記上下セグメントは、その外周面にそれぞれ耐摩耗性が異なる被膜を有する、組合せオイルリング、である。

また、耐摩耗性が高いＤＬＣのような被膜を一方のセグメントの外周面に備える場合、一般的にＤＬＣは低フリクションであることから、摺動初期においてシリンダ内壁とのなじみが不十分であり、燃費改善の余地があった。このような問題に対しては、上下セグメントが有する被膜のうち、耐摩耗性が低い被膜の摩擦係数をより高くすることが、燃費改善の観点から好ましい。耐摩耗性が低い被膜の摩擦係数を高くすることで、シリンダ内壁と被膜とが早期になじむことから、フリクションを低減させ、燃費を改善することができる。

本発明により、長期間の使用において、上下セグメントがシリンダ内壁を押圧するバランスの悪化により生じ得る問題を防ぐことができる組合せオイルリングを提供する。また、好ましい形態では、初期におけるセグメント外周面とシリンダ内壁とのなじみを早期に改善し、燃費を改善することができる組合せオイルリングを提供する。

一実施形態に係る組合せオイルリングを装着したピストンがシリンダに挿入された状態を示す断面模式図である。 オイルリングが装着されたピストンの断面模式図である。 セグメント摩耗試験の結果を示すグラフである。

本発明の実施形態は、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と、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサを備えた組合せオイルリングであって、前記上下セグメントの外周面に、それぞれ耐摩耗性が異なる被膜を有する。本実施形態の組合せオイルリングの使用形態を図１により説明する。

図１は、組合せオイルリング１０の構成を示すと共に、組合せオイルリングを装着したピストン２がシリンダ１に挿入された状態を示す断面図である。
図１において、エンジンのシリンダ１の内部には、往復動可能なピストン２が配置されている。ピストン２の外周面３には、２つ又は３つの環状の溝が設けられ、そのうち燃焼室から最も離れたクランクシャフト側（図示省略）には、オイルリング溝１４が設けられている。
組合せオイルリング１０は、３ピース型の組合せオイルリングであり、上下一対のセグメント１１、１２と、上セグメント１１と下セグメント１２との間に配置されるエキスパンダ・スペーサ１３を有する。上セグメント１１の図中右端部、及び下セグメント１２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。

また図２は、オイル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。

組合せオイルリング１０の上セグメント１１は燃焼室により近い位置に配置され、下セグメント１２は燃焼室からより遠い位置に配置される。本発明者らの検討によると、燃焼室により近い位置に配置される上セグメント１１は、より過酷な状況下で摺動するため、長期間の使用により、セグメント外周面のシリンダボアとの摺動面が（以下、単にセグメントの摺動面ともいう）大きく摩耗することが解った。このような知見が得られた試験を以下に示す。

＜試験１：セグメント摩耗試験＞
市場回収品である、１０万Ｋｍ走行後の排気量２Ｌの乗用車のエンジンを分解して、組合せオイルリングを得た。得られた組合せオイルリングの、燃焼室により近い位置に配置された上セグメントと、燃焼室からより遠い位置に配置された下セグメントの、セグメント外周面のシリンダボアとの摺動面の摩耗量を、輪郭形状測定機を用いて測定した。上セグメントと下セグメントの摺動面は、ＰＶＤ被膜（被膜硬度１１５０Ｈｖ）であった。測定の結果、上セグメントと下セグメントの摺動面の摩耗量比は、図３に示すとおり、上セグメント：下セグメント＝１．０：０．７であり、上セグメントが約１．４３倍、摩耗しやすいことが解った。

上記試験から得られた知見により、上セグメント１１の外周面と下セグメント１２の外周面とが同じ被膜であると、長期間の摺動によりセグメントの外周面の摩耗量が上セグメントと下セグメントにより異なることで上下のセグメントがシリンダ内壁を押圧するバランスが悪化し得ることとなり、組合せオイルリング１０の上セグメント１１とシリンダ内壁との隙間からオイル抜けが生じ得るなど、新たな課題が生じるという知見を得た。

本実施形態では、上セグメント１１の外周面と、下セグメント１２の外周面とで、被膜の耐摩耗性を異ならせることで、上記新たな課題を解決するものである。一形態としては、燃焼室に近く、過酷な条件で摺動し得る上セグメント１１の外周面の被膜を、耐摩耗性に優れたＤＬＣ被膜とし、下セグメント１２の外周面の被膜を、ＰＶＤ被膜、窒化物被膜、または硬質クロムメッキとすることが挙げられる。別の形態としては、上セグメント１１の外周面の被膜をＰＶＤ被膜とし、下セグメント１２の外周面の被膜を、窒化物被膜、または硬質クロムメッキとする形態が挙げられる。
なお、上セグメント１１の外周面の被膜と、下セグメント１２の外周面の被膜とを共にＤＬＣ被膜としつつ、ＤＬＣ被膜の耐摩耗性を異ならせる形態であってもよく、上セグメント１１の外周面の被膜と、下セグメント１２の外周面の被膜とを共にＰＶＤ被膜としつつ、ＰＶＤ被膜の耐摩耗性を異ならせる形態であってもよい。

上記具体例のとおり、下セグメント１２の外周面の被膜は、上セグメント１１の外周面１１の被膜よりも耐摩耗性が低い被膜である一方、摩擦係数の観点からは、上セグメント１１の外周面の被膜よりも高い被膜であることが好ましい。例えば、上記に例示したＤＬＣ被膜は低摩擦係数であることから、ピストンの往復動の初期において、セグメントの外周面とシリンダ内壁とのなじみが不十分であり、エンジンの燃費に改善の余地があった。下セグメント１２の外周面の被膜の摩擦係数を高くすることで、下セグメント１２の外周面とシリンダ内壁とが早期になじみ、フリクションを低減し燃費を改善することができる。

本実施形態において、すなわちセグメントの外周面に形成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、セグメントの外周面に形成する被膜の硬度も特段限定されないが、耐摩耗性が低
い側のセグメントの硬度は通常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。
一方、耐摩耗性が高い側のセグメントの硬度は通常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。

セグメントの外周面に形成する被膜の表面粗さに関し、耐摩耗性が高い側の被膜の初期の表面粗さＲａは、通常０．１μｍ以下であるが、耐摩耗性が低い側の被膜の初期の表面粗さＲａは通常０．３μｍ以下であってよく、耐摩耗性が低い側の被膜の初期の表面粗さＲａをより高くすることが好ましい。

なお、本発明については、具体的な実施形態及び実施例を参照して詳細に説明されるが、本発明の趣旨及び範囲から離れることなく、種々の変更、改変を施すことができることは当業者には明らかである。

１ シリンダ
２ ピストン
３ ピストン外周面
１０ 組合せオイルリング
１１ 上セグメント
１２ 下セグメント
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

Claims (5)

1. 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と、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサを備えた組合せオイルリングであって、
   前記上下セグメントは、その外周面にそれぞれ耐摩耗性が異なる被膜を有し、耐摩耗性が低い被膜の摩擦係数が、耐摩耗性が高い被膜の摩擦係数よりも高く、前記上セグメントの前記外周面の前記被膜の硬度は８００Ｈｖ以上、前記下セグメントの前記外周面の前記被膜の硬度は７００Ｈｖ以上であり、前記上セグメントの前記外周面の前記被膜の硬度は、前記下セグメントの前記外周面の前記被膜の硬度より大きく、前記上セグメントの前記外周面の前記被膜の表面粗さＲａは０．１μｍ以下であり、前記下セグメントの前記外周面の前記被膜の表面粗さＲａは０．３μｍ以下である、上下セグメントがシリンダ内壁を押圧するバランスの悪化を防止するための、組合せオイルリング。
2. １０万Ｋｍ走行後のエンジンにおける前記上セグメントの摺動面の摩耗量は、前記下セグメントの摺動面の摩耗量の１．４３倍未満である、請求項１に記載の組合せオイルリング。
3. 前記上下セグメントが有する外周面の被膜のうち、耐摩耗性が高い被膜がＤＬＣ被膜であり、耐摩耗性が低い被膜がＰＶＤ被膜である、請求項１または２に記載の組合せオイルリング。
4. コンプレッションリングと共に、ピストンの外周面に装着して使用される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の組合せオイルリング。
5. 内燃機関の燃焼室とクランク室との間に配置され、少なくともオイルリングが装着されるオイルリング溝を有する内燃機関用ピストン、並びに
   該ピストンのオイルリング溝に装着された組合せオイルリング、
   からなる、オイルリング装着ピストンであって、
   前記組合せオイルリングは、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と、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサを備え、且つ前記燃焼室側に配置された上セグメントの外周面を覆う被膜の耐摩耗性は、下セグメントの外周面を覆う被膜の耐摩耗性よりも高く、上セグメントの外周面を覆う被膜の摩擦係数は、下セグメントの外周面を覆う被膜の摩擦係数よりも低く、前記上セグメントの前記外周面の前記被膜の硬度は８００Ｈｖ以上、前記下セグメントの前記外周面の前記被膜の硬度は７００Ｈｖ以上であり、前記上セグメントの前記外周面の前記被膜の硬度は、前記下セグメントの前記外周面の前記被膜の硬度より大きく、前記上セグメントの前記外周面の前記被膜の表面粗さＲａは０．１μｍ以下であり、前記下セグメントの前記外周面の前記被膜の表面粗さＲａは０．３μｍ以下である、上下セグメントがシリンダ内壁を押圧するバランスの悪化を防止するための、
   オイルリング装着ピストン。

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