JP5197438B2 - 組合せピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の組合せピストンリングに関する。

ピストンリングには、シリンダボアへの追従性向上を目的として、摺動に耐えるピストンリングに、張力発生源となるエキスパンダを組み合わせた組合せピストンリングが使用される場合がある。この組合せピストンリングには、２サイクルエンジンに多く使用される板バネエキスパンダ付き圧力リングや、自動車用エンジンに多く使用されるエキスパンダ付きオイルリングがある。エキスパンダ付きオイルリングには、一対のサイドレールとスペーサエキスパンダとからなる３ピースの組合せオイルリングや、Ｉ字断面のピストンリングとコイルエキスパンダとからなる２ピースの組合せオイルリングがある。

上記組合せピストンリングの場合、ピストンリングと張力発生源のエキスパンダとが接触する部分の摩耗が問題となり、樹脂コートによる接触緩和や、窒化、ＰＶＤ、ＤＬＣ等の硬質皮膜処理による耐摩耗性向上が提案されている。

また、近年の内燃機関では、低燃費対策としてピストンリングの薄幅化が進んでおり、ピストンのリング溝幅が薄くなり、ピストンリング背面のオイル保持体積（空間）は狭くなってきている。そのため、保持されたオイルは熱影響を大きく受けるため、炭化しやすく、燃焼生成物やオイル劣化物などからなる堆積物が多く発生する。この堆積物はオイルの流動を阻害するだけでなく、エキスパンダとピストンリングの間（エキスパンダの外周面とピストンリングの内周面の間）に入り込み、アブレイシブな状態を発生させ、異常摩耗を起こす原因となる。オイル劣化物とは、オイル分に含まれる添加剤すなわち清浄分散剤、粘度指数向上剤、流動点降下剤、極圧剤、油性向上剤、酸化防止剤、防錆剤、腐食防止剤、消泡剤などとの反応生成物である。以後、燃焼生成物やオイル劣化物をスラッジという。スラッジはピストンリングに付着堆積すると、リング溝内でのピストンリングの動きを阻害して、シリンダボア内周面のシール性確保を難しくする問題も有している。

上記の対策として、以下の報告がなされている。
１．耐摩耗対策として、スペーサエキスパンダのサイドレールと接触する部分にアモルファス炭素皮膜を被覆する（特許文献１）。
２．スラッジの付着を抑制する対策として、スペーサエキスパンダに０．１μｍ以下のフッ素系有機薄膜を被覆する（特許文献２）。
３．フッ素を含む炭素皮膜を内燃機関用燃料が接触する部位に被覆することがデポジットと称する堆積物の付着に対して効果があることが記載されている（特許文献３）。フッ素と炭素の含有量は原子数比で（フッ素／炭素）≧０．２５とされている。

特開平１１−３１５９２４号公報 特開２００６−３００２２４号公報 特開２００６−１１２４２２号公報

しかしながら、特許文献１の場合、スラッジの付着防止に対しては不充分な場合があり、ピストンリングのリング溝への固着や、付着スラッジによる相手接触部分の摩耗が多くなる場合がある。また、特許文献２のフッ素有機薄膜ではスラッジを介在した摩耗に対して耐摩耗性が低い場合がある。また、特許文献３はスラッジの付着防止についての記載はあるが、耐摩耗性については一切記載がなく、考慮されていない。

本発明の目的は、スラッジの付着を抑制でき、かつ、耐摩耗性に優れたエキスパンダを有する組合せピストンリングを提供することである。

上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、ピストンリングと、ピストンリングをシリンダ内周面に押し付けるエキスパンダとからなる組合せピストンリングにおいて、前記エキスパンダは少なくともピストンリングとの接触部分に１０．０ａｔ％よりも多く、２０．０ａｔ％よりも少ないフッ素を含む複合硬質炭素系皮膜を有し、前記皮膜の硬度が６００ＨＶ〜１０００ＨＶであることを特徴とする。

上記エキスパンダは、組合せピストンリングが装着されるピストンのリング溝に面する部分に前記複合硬質炭素系皮膜を有することが好ましい。

皮膜の膜厚は０．１〜１０μｍが好ましい。また、上記皮膜は、フッ素の他に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素を含む皮膜であってもよい。

上記組合せピストンリングとしては組合せ圧力リングや組合せオイルリングがある。組合せ圧力リングは、例えば圧力リングと板バネエキスパンダとから構成される。組合せオイルリングは、例えばサイドレールとスペーサエキスパンダとから構成される。

上記構成により、エキスパンダに対するスラッジの付着が抑制され、スラッジが介在するアブレイシブな摩耗に対するエキスパンダの耐摩耗性が良好となる。また、エキスパンダのリング溝との固着が防止される。

本発明の一実施形態を示し、シリンダに挿入されたピストンのリング溝に装着されている板バネエキスパンダ付きピストンリングの縦断面図である。 図１の板バネエキスパンダ付きピストンリングの平断面図である。 本発明の別の実施形態を示し、シリンダに挿入されたピストンのリング溝に装着されている組合せオイルリングの縦断面図である。 スペーサエキスパンダの素材の一部分を示す平面図である。 本発明の更に別の実施形態を示し、組合せオイルリングの縦断面図である。 スペーサエキスパンダの一部分を示す斜視図である。 往復動摩擦試験機の構成を示す図である。 スコッチヨーク式単気筒モータリング試験機の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１において、１はピストン、２はシリンダで、ピストン１の外周に形成されているリング溝３に板バネエキスパンダ４付きピストンリング５が装着されている。

ピストンリング（圧力リング）５は矩形断面リングであり、マルテンサイト系ステンレス鋼などから形成され、表面処理が施されている。表面処理としては、例えばガス窒化処理により全表面に窒化層６が形成される。板バネエキスパンダ４は、図１及び図２に示されているように、矩形断面の帯板を多角形状に成形した板バネで、ピストンリング５の内周側に配置し、ピストンリング５を背面から押圧してピストンリング５の外周面をシリンダ内周面２ａに押接させる。板バネエキスパンダ４は、オーステナイト系ステンレス鋼などから形成され、フッ素を含むＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）皮膜７が全表面に形成されている。フッ素の含有量は１０．０ａｔ％よりも多く、２０．０ａｔ％よりも少ない。皮膜７の硬度はビッカース硬度で６００ＨＶ〜１０００ＨＶである。皮膜７の厚さは０．１〜１０μｍが好ましい。

板バネエキスパンダ４付きピストンリング５がピストン１のリング溝３に装着された状態で、板バネエキスパンダ４は、板バネエキスパンダ４を形成する多角形の各片の略中央部分における軸方向直線部がリング溝３の底面３ａに接触し、板バネエキスパンダ４を形成する多角形の各頂点における軸方向直線部がピストンリング５の内周面５ａを押接して、ピストンリング５をシリンダ内周面２ａに押圧する。

したがって、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７が板バネエキスパンダ４の外周面に被覆されているので、板バネエキスパンダ４はピストンリング５との接触部分にスラッジが付着するのが抑制され、ピストンリング５との接触部分においてスラッジが介在するアブレイシブな摩耗に対する耐摩耗性が良好となる。また、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７が板バネエキスパンダ４の上下面と内周面に被覆されているので、板バネエキスパンダ４はピストン１のリング溝３の上下面３ｂ，３ｃと底面３ａに面する部分にスラッジが付着するのが抑制され、リング溝３との固着が防止される。

図３及び図４は本発明の別の実施形態を示す。

図３において、１はピストン、２はシリンダで、ピストン１の外周に形成されているリング溝３に組合せオイルリング１０が装着されている。組合せオイルリング１０は、環状で合い口を備えている上下一対のサイドレール１１，１２と、環状で合い口を備えているスペーサエキスパンダ１３とからなっている。

スペーサエキスパンダ１３を製造方法に基づいてその構成を以下説明する。図４において、素材３０はオーステナイト系ステンレス鋼などの薄鋼帯から形成されており、長手方向中心線に対して対称形状をなしている。即ち、オーステナイト系ステンレス鋼の薄鋼帯の長手方向に等間隔をおいてオイル孔となる亀甲状の孔３１が列設されているとともに、これらの孔３１の間の薄鋼帯の両側部に略Ｖ字状切欠部３２，３３が形成されている。この素材３０を対称形に折り曲げ加工する。即ち、屈曲線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂに沿って幅方向両側を同一幅で同一方向に９０度屈曲する。次いで、屈曲線Ｃ−Ｃ及びＤ−Ｄに沿って上下の端部を同一幅で斜めに屈曲して起立させ、次に、屈曲線Ｅ−Ｅ及びＦ−Ｆに沿って上下の起立片の端部を同一幅で水平に屈曲する。素材３０を以上のように屈曲した後、所定の長さに切断したものを、サイドレール押圧片が内周側になるように環状に形成し、その後、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７が外周面と上下面と内周端面（リング溝３の底面３ａに面する部分すなわち後述する内片１９，２０の端面）に被覆される。

即ち、スペーサエキスパンダ１３は、略コ字断面を有する周期要素が周方向に多数連なって構成され、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７が外周面と上下面と内周端面（リング溝底面３ａに面する部分）に形成されている。フッ素の含有量は１０．０ａｔ％よりも多く、２０．０ａｔ％よりも少ない。皮膜７の硬度はビッカース硬度で６００ＨＶ〜１０００ＨＶである。皮膜７の厚さは０．１〜１０μｍが好ましい。

各周期要素には一対の水平な上片１４と下片１５とが軸方向に離間して配置され、これらの外周が垂直な連結片１６で接続されており、上片１４と下片１５の内周には半径方向内方に向かって斜めに起立するサイドレール押圧片１７，１８がそれぞれ形成されており、各サイドレール押圧片１７，１８の内周には更に半径方向内方に水平に延びる内片１９，２０がそれぞれ形成されている。そして、上片１４と直立片１６と下片１５とにかけてオイル孔が形成されている。

サイドレール１１，１２の構成を次に説明すると、一対のサイドレール１１，１２はマルテンサイト系ステンレス鋼などから形成され、表面処理が施されている。表面処理としては、例えばガス窒化処理により全表面に窒化層６が形成される。

スペーサエキスパンダ１３は、ピストン１のリング溝３内に、両合口端部が突き合わされて縮められた状態で装着され、半径方向外方への拡張力を生じるようにされており、上下のサイドレール１１，１２を上下片１４，１５で上下（軸方向）に離隔保持し、上下のサイドレール押圧片１７，１８が上下のサイドレール１１，１２の内周面をそれぞれ押圧することによって、各サイドレール１１，１２の外周面をシリンダ２の内周面２ａに密着させるとともに、各サイドレール１１，１２の内周側の端部をリング溝３の上下面３ｂ，３ｃに密着させる。

したがって、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７がスペーサエキスパンダ１３のサイドレール１１，１２との接触部分に被覆されているので、スペーサエキスパンダ１３はサイドレール１１，１２との接触部分にスラッジが付着するのが抑制され、サイドレール１１，１２との接触部分においてスラッジが介在するアブレイシブな摩耗に対する耐摩耗性が良好となる。また、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７がスペーサエキスパンダ１３の上下面と内周端面に被覆されているので、スペーサエキスパンダ１３はピストン１のリング溝３の上下面３ｂ，３ｃと底面３ａに面する部分にスラッジが付着するのが抑制され、リング溝３との固着が防止される。また、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７がスペーサエキスパンダ１３の外周面に被覆されているので、スペーサエキスパンダ１３はシリンダ２の内周面２ａに面する部分にスラッジが付着するのが抑制される。

図５及び図６は本発明の更に別の実施形態を示す。

本実施形態の組合せオイルリングは、上記図３及び図４に示す実施形態の組合せオイルリングとはスペーサエキスパンダが相違しているだけであり、他の構成は同じである。すなわち、図５において、組合せオイルリング１０は、環状で合い口を備えている上下一対のサイドレール１１，１２と、環状で合い口を備えているスペーサエキスパンダ１３とからなっている。

スペーサエキスパンダ１３は、軸方向に波形をなす周期要素が周方向に多数連なって構成され、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７が全表面に形成されている。フッ素の含有量は１０．０ａｔ％よりも多く、２０．０ａｔ％よりも少ない。皮膜７の硬度はビッカース硬度で６００ＨＶ〜１０００ＨＶである。皮膜７の厚さは０．１〜１０μｍが好ましい。

スペーサエキスパンダ１３は水平な上片１４と下片１５とが軸方向及び周方向に離間して周方向に交互に多数配置し、隣接する上片１４と下片１５とが連結片１６で接続されている。上片１４と下片１５の外周側の端部は内周側に対して一段高く形成され、サイドレール１１，１２の支持部１４ａ，１５ａを形成している。上片１４と下片１５の内周側の端部には、サイドレール１１，１２を押圧するためのサイドレール押圧片１７，１８が上下に起立形成されている。

一対のサイドレール１１，１２はマルテンサイト系ステンレス鋼などから形成され、表面処理が施されている。表面処理としては、例えばガス窒化処理により全表面に窒化層６が形成される。

スペーサエキスパンダ１３は、ピストン１のリング溝３内に、両合口端部が突き合わされて縮められた状態で装着され、半径方向外方への拡張力を生じるようにされており、上下のサイドレール１１，１２を上下片１４，１５のサイドレール支持部１４ａ，１５ａで上下（軸方向）に離隔保持し、上下のサイドレール押圧片１７，１８が上下のサイドレール１１，１２の内周面をそれぞれ押圧することによって、各サイドレール１１，１２の外周面をシリンダ２の内周面２ａに密着させるとともに、各サイドレール１１，１２の内周側の端部をリング溝３の上下面３ｂ，３ｃに密着させる。

したがって、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７がスペーサエキスパンダ１３のサイドレール１１，１２との接触部分に被覆されているので、スペーサエキスパンダ１３はサイドレール１１，１２との接触部分にスラッジが付着するのが抑制され、サイドレール１１，１２との接触部分においてスラッジが介在するアブレイシブな摩耗に対する耐摩耗性が良好となる。また、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７がスペーサエキスパンダ１３の上下面と内周端面に被覆されているので、スペーサエキスパンダ１３はピストン１のリング溝３の上下面３ｂ，３ｃと底面３ａに面する部分にスラッジが付着するのが抑制され、リング溝３との固着が防止される。また、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７がスペーサエキスパンダ１３の外周面に被覆されているので、スペーサエキスパンダ１３はシリンダ２の内周面２ａに面する部分にスラッジが付着するのが抑制される。

上記３つの実施形態におけるフッ素を含むＤＬＣ皮膜７は、ＰＶＤ法即ちイオンプレーティング法、スパッタリング法、あるいは蒸着法によって被覆することができる。例えば、真空チャンバ内でワークを回転しつつ不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントでワーク表面を清浄化した後、炭素の供給源であるメタン、アセチレン等の炭化水素系ガス、及びフッ素の供給源であるＣＦ_４等のフッ素系ガスをチャンバに導入し、ワーク近傍をプラズマ状態に保つ反応性イオンプレーティング法で、フッ素を含むＤＬＣ皮膜７をワークに被覆することができる。成膜用原料ガスとしては、炭化水素系ガス及びフッ素系ガスを用いる他に、フッ素を含む炭素系ガスを用いることも可能である。

なお、上記ＤＬＣ皮膜７は、フッ素の他に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素を含む皮膜であってもよい。供給源となるＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素からなるターゲットは、製法上のバインダーとして、Ｎｉ、Ｃｏを片方又は両方含む場合があり、これらの元素が皮膜中に存在する場合がある。Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率は、これらの蒸発速度及び反応ガス圧力を調整することによって調整できる。

以下、本発明の効果を確認するために行った試験について説明する。

（１）摩耗試験
往復動摩擦試験機を用いて摩耗試験を実施し、上試験片の摩耗量と剥離の有無を確認した。

１．往復動摩擦試験機
図７は、試験に使用した往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験片４０は固定ブロック４１により保持され、上方から油圧シリンダ４２により下向きの荷重が加えられて、下試験片４３に押接される。一方、平盤形状の下試験片４３は可動ブロック４４により保持され、クランク機構４５により往復動させられる。４６はロードセルである。

２．試験条件
荷重：１００Ｎ 速度：１００ｃｐｍ 時間：１２０ｍｉｎ
潤滑油：５Ｗ−３０エンジンオイル オイル温度：８０℃

３．試験片
（イ）上試験片
形状：ピン状 材質：オーステナイト系ステンレス鋼
表面処理：先端球面に表１の皮膜を施す。但し、比較例５は皮膜無し。
（ロ）下試験片
形状：プレート状 材質：マルテンサイト系１７％Ｃｒステンレス鋼
表面処理：窒化

（２）モータリング試験
スコッチヨーク式単気筒モータリング試験機を用いてモータリング試験を実施し、エキスパンダの状況を観察し、スラッジの有無を確認した。

１．モータリング試験機
図８は、試験に使用したスコッチヨーク式単気筒モータリング試験機の構成を示す。スコッチヨーク機構とは、スライダの回転運動をフレーム内での左右運動へ変換することによりフレーム全体が上下運動する機構をいう。図８において、５０はピストン、５１はシリンダ、５２は組合せピストンリング、５３はガイドロッド、５４はフレーム、５５はスライダを示す。

２．試験条件
１５００ｒｐｍにて１Ｈｒ運転後、１Ｈｒ休止を４回実施した。潤滑油は実機耐久試験３００時間終了後の５Ｗ−３０エンジンオイルを使用した。

３．供試組合せピストンリング
供試組合せピストンリングは図１〜図２で説明した板バネエキスパンダ付きピストンリング、図３〜図４及び図５〜図６で説明した２種類の組合せオイルリングである。図１〜図２の板バネエキスパンダ付きピストンリングのピストンリング、及び図３〜図６の組合せオイルリングのサイドレールはマルテンサイト系１７％Ｃｒステンレス鋼で形成されており、ガス窒化処理により全表面に窒化処理が施されている。板バネエキスパンダ及びスペーサエキスパンダはオーステナイト系ステンレス鋼で形成されている。板バネエキスパンダは表１の皮膜が全表面に被覆され、スペーサエキスパンダは表１の皮膜が外周面と上下面と内周端面に被覆されている。但し、皮膜無しの例を一つ作製。

注１）摩耗量比は皮膜無しの例を１とした場合の摩耗量の比である。
注２）皮膜の剥離、スラッジの付着が無い場合を○、有る場合を×で示した。
注３）モータリング試験結果は前記３種類の組合せピストンリングについての結果であり、同じ結果を示した。

なお、本発明は図１〜図２に示したエキスパンダを有する組合せピストンリングや、図３〜図４及び図５〜図６に示したエキスパンダを有する組合せオイルリングに限ることはなく、例えば半径方向に波形をなしている形状のスペーサエキスパンダを有する組合せオイルリングなどに適用されることは言うまでもない。

上記では、フッ素を含むＤＬＣ皮膜は、図１〜図２の例ではエキスパンダの全表面、図３〜図４及び図５〜図６の例ではエキスパンダの外周面と上下面と内周端面に被覆した例を示したが、皮膜の被覆箇所はこれに限定されることはない。皮膜はエキスパンダの少なくともピストンリングとの接触部分に被覆されればよく、組合せピストンリングが装着されるピストンのリング溝に面する部分にも被覆されればより好ましい。また、皮膜はフッ素を含むＤＬＣ皮膜に限らず、フッ素を含む複合硬質炭素系皮膜であればよい。また、複合硬質炭素系皮膜はフッ素の他に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素を含んでもよい。

１・・ピストン、２・・シリンダ、２ａ・・シリンダ内周面、３・・リング溝、３ａ・・リング溝底面、３ｂ・・リング溝上面、３ｃ・・リング溝下面、４・・板バネエキスパンダ、５・・ピストンリング、５ａ・・ピストンリング内周面、６・・窒化層、７・・フッ素を含むＤＬＣ皮膜、１０・・組合せオイルリング、１１，１２・・サイドレール、１３・・スペーサエキスパンダ。

Claims (4)

1. ピストンリングと、ピストンリングをシリンダ内周面に押し付けるエキスパンダとからなる組合せピストンリングにおいて、前記エキスパンダは少なくともピストンリングとの接触部分に１０．０ａｔ％よりも多く、２０．０ａｔ％よりも少ないフッ素を含む複合硬質炭素系皮膜を有し、前記皮膜の硬度が６００ＨＶ〜１０００ＨＶであることを特徴とする組合せピストンリング。
2. 前記エキスパンダは、組合せピストンリングが装着されるピストンのリング溝に面する部分に前記複合硬質炭素系皮膜を有することを特徴とする請求項１記載の組合せピストンリング。
3. 前記ピストンリングが圧力リングであり、エキスパンダが板バネエキスパンダであることを特徴とする請求項１又は２記載の組合せピストンリング。
4. 前記ピストンリングがサイドレールであり、エキスパンダがスペーサエキスパンダであることを特徴とする請求項１又は２記載の組合せピストンリング。

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