JP2024049393A - ピストンリング - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2には、水素ガスの燃焼により発生する水蒸気による部材の錆びを防ぐために、物理的及び化学的処理を施した水素エンジン用部材が開示されている。
また、特許文献3には、通常の水素エンジンでは水蒸気の凝縮を踏まえてのシリンダの冷却は行われていないことが示されており、燃焼室を形成するシリンダ内での水蒸気凝縮を制御するための水素エンジンが開示されている。
前記ピストンリングは、所定の条件で抗折試験を行ったときの前記ピストンリングの抗折指数をFP1とし、
前記ピストンリングを1%硝酸水溶液に30分間浸漬する腐食試験を実施した後に前記抗折試験を行ったときの前記ピストンリングの腐食後抗折指数をFP2とし、
前記ピストンリングの抗折強度維持率FPSを、FPS=FP2/FP1としたときに、
0.75≦FPS
を充足するピストンリングである。
0.2≦KDA
を充足することが好ましい。
0.06≦KDV
を充足することが好ましい。
本実施形態に係るピストンリングは、トップリング、セカンドリングなどのいわゆるコンプレッションリングであってもよく、オイルリングであってもよい。
抗折強度維持率FPSが大きいほど、腐食後の抗折指数の低下率が小さいことを意味する。
FPSが0.75未満であると、腐食による抗折強度の低下が著しく、水素ガス燃料使用下で運転中にピストンリングが折損する虞がある。
FPSが0.75以上であることで、水素ガス燃料を使用する内燃機関において、凝縮水による腐食が発生しやすい環境下においても十分な耐折損性を得ることができる。FPSが上記条件を充足するには、ピストンリングの材質及び表面処理を適切に選択することで実現することができる。
図1に示す固定治具にピストンリングを固定し、抗折試験機(オートグラフ)を用いて行う。図1中(a)は固定治具の断面模式図であり、(b)は固定治具の上面模式図である。抗折試験では、ピストンリング21を、ピストンリング上面を上に向けて、力点Pから支点までの距離Lが15mmとなるよう、留め具22で固定し、ピストンリング上面から荷重をピストンリングの軸方向に加えて行う。力点長さdg(mm)は、図2に示すように、力点Pから支点までの距離Lに対するピストンリング21の弦の長さから求める。なお、弦の長さはピストンリングをシリンダボアに装着したときの外径d(称呼径)から下記の式により求める。
θa=sin-1(L/(d/2)) dg=d×sin(θa/2)
試験荷重の速度は1mm/minとし、圧子23の先端は図3に示す如く開き角度θが60度、圧子幅PWは10mm、先端形状はR形状とし、Rの半径は0.5mmである。試験時の温度は室温、雰囲気は大気とし、荷重は付属のロードセルで検出する。
ここで、ピストンリングの軸方向最大幅をh11(mm)、径方向最大厚さをa11(mm)とする。抗折試験の最中にピストンリングが折損した場合はその時点で試験を終了し、その時点までの最大の荷重を最大荷重F1(N)とする。圧子23が10mmまで下降した時点でピストンリングが折損しない場合は、その時点までの最大の荷重を最大荷重F1(N)とする。断面係数Z1(mm3)を、Z1=(a11×h11×h11)/6とし、抗折指数FP1(N/mm2)を、FP1=(F1×dg)/Z1とする。
後述する腐食試験後のピストンリングで試験する場合は、腐食試験によって腐食した部分が支点に来るように固定する。
腐食試験実施後のピストンリングの腐食後軸方向最大幅をh12(mm)、腐食後径方向最大厚さをa12(mm)、腐食試験後の抗折試験での最大荷重をF2(N)とし、腐食後断面係数Z2(mm3)を、Z2=(a12×h12×h12)/6とし、腐食後抗折指数FP2(N/mm2)をFP2=(F2×dg)/Z2とする。
腐食試験に使用する硝酸水溶液は、富士フィルム和光純薬株式会社製の硝酸(1.38)(規格含量60-61%)8gと蒸留水492gを混合し、硝酸濃度1%としたものを使用する。
硝酸水溶液を満たしたビーカーをウォーターバスに漬けて、ビーカー内の硝酸水溶液温が80℃に到達した後に、ピストンリングをその硝酸水溶液に浸漬し、80℃の液温を保ちながら、5分ごとに硝酸水溶液を撹拌し、ピストンリングを30分間浸漬する。30分間後、取り出したピストンリングを蒸留水で洗浄する。
Raとしたとき、0.2≦KDAを充足することが好ましい。
KDAが0.2未満であると、腐食による孔食等の表面状態の荒れにより抗折力が低下し、運転中にピストンリングが折損する虞がある。一方、KDAを0.2以上とすることで、腐食後の抗折強度維持率が大きいか、もしくは表面の荒れ(折損起点)が少なく、ピストンリングの折損を防ぐことができる。
KDAが上記条件を充足するには、ピストンリングの材質、熱処理等の加工条件及び表
面処理を適切に選択しFPSの値を大きくするか、Raを小さくすることで実現できる。
vとしたとき、0.06≦KDVを充足することが好ましい。
KDVが0.06未満であると、腐食による抗折強度の低下が著しく、腐食影響下で運転中にピストンリングが折損する虞がある。一方、KDVを0.06以上とすることで、腐食後の抗折強度維持率が大きいか、もしくは表面の荒れ(折損起点)が少なく、ピストンリングの折損を防ぐことができる。
KDVが上記条件を充足するには、ピストンリングの材質及び表面処理を適切に選択しFPSの値を大きくするか、Rvを小さくすることで実現できる。
ピストンリングに対する表面処理の方法は、上記好ましい表面性状のパラメータを充足するように、既知の方法を適用することができる。例えば、PVD、DLCなどの被膜形成表面処理、化成処理、窒化処理、などが挙げられる。
なお、上面に樹脂被膜などの軟質被膜を有する場合は、前述した腐食試験は軟質被膜を剥離した状態で行う。
よく、いわゆる水素フリーDLC被膜であってもよい。
ピストンリングの軸方向長さ(幅)を0.78から1.52、径方向厚さを1.95から3.72まで変えて表1に示すように断面係数の異なるピストンリングのサンプルを製作した。サンプルは表1に示すように材質、上面表面処理が異なる。なお、同じ種類の表面処理であっても、温度や時間等の処理条件を変えて、上面の粗さが異なるサンプルを作製した。
これらを実施例1~17、比較例1~3とした。
表1中、ピストンリング上面の表面処理は、A:四三酸化鉄被膜、 B:マンガン系リン酸塩被膜、 C:窒化処理被膜、 D:リン酸塩被膜、 E:無処理である。また、材質はAが低合金鋼であり、Bは高合金鋼であり、Cは鋳鉄である。
試験に用いたピストンリングはいずれも、シリンダボアに装着したときの外径d(称呼径)が81mmであり、力点長さdgはLに対する弦の計算から求め、dg=15.3mmであった。
22 留め具
23 圧子
P 力点
L 力点Pから支点までの距離
dg 力点長さ
PW 圧子幅
θ 開き角度
Claims (3)
- 水素ガス燃料を使用する火花点火機関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、所定の条件で抗折試験を行ったときの前記ピストンリングの抗折指数をFP1とし、
前記ピストンリングを1%硝酸水溶液に30分間浸漬する腐食試験を実施した後に前記抗折試験を行ったときの前記ピストンリングの腐食後抗折指数をFP2とし、
前記ピストンリングの抗折強度維持率FPSを、FPS=FP2/FP1としたときに、
0.75≦FPS
を充足し、
前記腐食試験後の前記ピストンリングの上面の算術平均粗さをRa(μm)、最大谷深さをRv(μm)とし、
第一強度維持係数KDAをKDA=FPS/Raとしたとき、
0.2≦KDA、Ra≦5、Rv≦14
を充足する、ピストンリング。 - 前記腐食試験後の前記ピストンリングの第二強度維持係数KDVをKDV=FPS/Rvとしたとき、
0.06≦KDV
を充足する請求項1に記載のピストンリング。 - 前記ピストンリングは、PVD処理被膜、DLC被膜、硬質クロムめっき被膜、窒化処理被膜、四三酸化鉄被膜、リン酸塩被膜、マンガン系リン酸塩被膜、及び樹脂被膜からなる群より選択される1種以上の被膜を有する、請求項1又は2に記載のピストンリング。
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