JP5930327B2 - 内燃機関のピストンに用いられるピストンリングおよび該ピストンリングの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リング背面（リング内周面）と、上側のリング側面と、下側のリング側面と、摺動面とを備えた、内燃機関のピストンに用いられるピストンリングを製造する方法に関する。本発明は、さらに上述のようなピストンリングに関する。

現在のオットー機関およびディーゼル機関では、重量を削減するために、構造高さ、ひいてはピストンの圧縮高さが減じられている。さらに、摩擦損失を最小限にするために、最も上に位置するピストンリング（コンプレッションリング）の高さの減少が図られている。ピストンリングの半径方向の圧着圧は、特に油掻取りリングにおいては、摩擦損失を最小限にするために同様に減じられている。これに対して、ピストンクラウンの領域における点火圧および温度ならびにピストンの一分間あたりの回転数、ひいては一分間あたりの行程運動の回数は増大している。したがって、一方では潤滑油の不足供給を阻止し、他方ではピストンリングの領域ならびにリング溝の領域におけるオイルカーボンの形成を阻止するために、油消費を制御することが必要である。

ピストンリング、特にコンプレッションリングは、エンジン運転中に油膜を燃焼室に向かって上方に掻き取ってはならない。なぜならば、油膜を燃焼室に向かって上方に向かって掻き取った場合、内燃機関の油消費が大幅に増大してしまうからである。さらに、オイルカーボンの形成およびピストンリングの固着の危険が生じる。経験に基づき、シリンダ形の摺動面を備えるレクタンギュラリングでは、長時間の運転後にピストンの傾きに基づいて摩耗によって自然にクラウニング（凸形球面）状の摺動面と、ひいては所望の楔状の隙間とが生じることが判った。この経験に基づき、今日では、既にクラウニング状の摺動面を備えて形成されているピストンリングが大量生産により提供されている。対称的または非対称的なクラウニング状の摺動面を備えるピストンリングが使用される。

エンジン運転中には、ピストンリングとシリンダ壁との間の油膜は重要なシール作用を有している。非対称的なクラウニング状の摺動面では、特に際立った油圧バリアが形成される。リング背面からピストンリングに作用するガス圧は油膜を押し潰し、これによりピストンリングの下側エッジの直前の領域において最も高い「遮断圧力（Sperrdruck）」が発生する。したがってガスはクランクケースの方向に流れることができない。

同時に、このようなピストンリングは、ピストンの下方に向かう運動時に過剰な油をクランクケースの方向に向かって掻き取る。したがって、過剰な油が燃焼室に搬送されるか、またはピストンリング若しくはリング溝の領域に溜まることは阻止される。

本発明の課題は、冒頭で述べた方法を改良して、エンジン運転中に過剰な油を特に効果的にクランクケースに向かって掻き取るピストンリングが得られるようにすることである。

この課題を解決した本発明に係る方法は、以下の特徴を有している：（ａ）リング背面と、上側のリング側面と、下側のリング側面と、外側の周壁面とを備えたリングブランク（中間製品）を提供する。（ｂ）外側の周壁面に沿って非対称的なクラウニング状の輪廓部を成形し、下側のリング側面の領域で外側の周壁面に半径方向外方に向かって延びる突出部を成形する。（ｃ）外側の周壁面をコーティング材でコーティングする。（ｄ）コーティング部に移行する環状の面の形態でリングブランクの材料を露出させるように、突出部を除去し、環状の面と、下側のリング側面との間に油掻取りエッジを形成する。（ｅ）コーティングされたリングブランクを後加工および／または仕上げ加工して完成したピストンリングを製造する。

本発明による方法では、はっきりとした油掻取りエッジを備え、かつ機関運転中に過剰な油をクランクシャフトの方向へ特に効果的に搬送することを保証する、非対称的なクラウニング状の摺動面を備えるピストンリングが特に単純かつ効果的な方法で得られる。外側の周壁面の領域で、非対称的なクラウニング状の輪郭部と上側のリング側面との間に、面取り部または所定の曲率半径を備える凸面状に成形された湾曲部（Radius）または所定の曲率半径を有する凹面状に成形された湾曲部が形成されているので、本方法の過程において、周壁面のコーティング部と上側のリング側面との間で滑らかでなだらかな移行部が得られる（下記のステップ（ｄ）を参照）。面取り部もしくは湾曲部は、Ｂ＝０．１０ｍｍ〜０．３０ｍｍの軸方向の高さを有し、破断された縁部はＢ＝−０．４ｍｍである。

本発明により得られたピストンリングは、コンプレッションリングとしての利用に特に良好に適している。本発明によるピストンリングは、特に、該ピストンリングが、片側で室を有するピストンリングとして形成されている（ＩＳＯ６６２１−４を参照）、つまり片側で室を有する摺動面を有している。摺動面は薄膜を備えている。本発明による方法では、薄膜（つまりＰＶＤ法、ＣＶＤ法またはＤＬＣ法により得られる層）の形態でコーティングされた摺動面を備える、片側で室を有するリングを製造することが初めて可能になる。このようなピストンリングは、さらに鋭利な油掻取りエッジの製造を可能にする。この場合、この油掻取りエッジは、コーティングを有していない。油掻取りエッジは、本発明による方法によれば、小さな高さで製造され得る。これにより、いわゆる「吹き抜け（ブローバイ）」、つまり圧縮工程中にピストンリングにおいてクランクシャフトの方向へと通流する燃焼ガスに対するシールが改善される。

本発明は、あらゆる種類のオットー機関（たとえば直接噴射を伴うオットー機関、スポーツエンジン）にも、あらゆる種類の自動車および商用車のディーゼル機関にも、スポーツエンジンのためにも使用可能である。

本発明の有利な実施の形態は従属請求項に記載されている。

本発明による方法では、任意の横断面形状を有するリングブランクが使用され得る。特に良好に適しているのは、たとえばハーフキーストンリング、キーストンリングまたはレクタンギュラリングの形態のリングブランクである。

リングブランクは、個別の事例の要求に応じて、あらゆる適当な材料から製造され得る。この適当な材料には、特に鋼材料、たとえば炭素鋼または特殊鋼、ならびに鋳鉄材料が含まれる。適当な材料は、たとえばＩＳＯ６６２１−３：クラス１０「ねずみ鋳鉄（未処理）」、クラス２０「ねずみ鋳鉄（熱処理）」、クラス３０「パーライトまたはマルテンサイト鋳鉄（熱処理）」、クラス４０「鍛造可能なカーバイド、パーライトまたはマルテンサイト鋳鉄（熱処理）」、クラス５０「球状黒鉛を含むパーライト、マルテンサイトまたはフェライト鋳鉄（熱処理；球状黒鉛鋳鉄のための下位クラス５３，５６）」、クラス６０「鋼（合金、非合金：特殊鋼のための下位クラスＭＣ６５またはＭＣ６６、合金鋼のための下位クラスＭＣ６１，ＭＣ６２，ＭＣ６３またはＭＣ６４）」である。

特に有利な態様は、突出部が、Ｃ＝０．１０ｍｍ〜０．５５ｍｍの軸方向の高さおよび／またはＤ＝０．０７ｍｍ〜０．０９ｍｍの半径方向の幅を備えて成形されることにある。これにより、本方法の過程において、環状に延びる面が得られる。この環状に延びる面の軸方向の高さは充分に大きく寸法設定されている。これによって、ピストンリングの摺動面の機能を損なうことなしに、確実に作用する耐性のある油掻取りエッジを形成することができる（下記のステップ（ｄ）を参照）。

有利には、非対称的なクラウニング状の輪郭部と突出部との間に曲線状の移行領域が形成される。これにより、亀裂形成の危険は最小限にされる。この曲線状の移行領域は、有利にはＲ＝０．１０ｍｍ〜０．３０ｍｍの曲率半径を有している。

外側の周壁面をコーティングする前に、自体公知の形式で、１つまたは複数の付着層または中間層、たとえばクロム、チタン、タングステン、ジルコニア、バナジウムおよび／またはニオビウムから成る金属製の膜が被着され得る。周壁面の他に、ステップ（ｃ）では当然のことながら付加的に、上側のリング側面および／または下側のリング側面および／またはリング背面が少なくとも１つのコーティング手段でコーティングされてもよい。

コーティングは、有利にはＰＶＤ法、ＣＶＤ法またはＤＬＣ法により行われる。これにより得られた薄膜は特に耐摩耗性であり、本発明に係るピストンリングに高い固着防止性を与える。特に有利には、最新のＰＶＤ法、たとえばＰＡＣＶＤ（プラズマアシスト化学蒸着）法、ＨＩＰＩＭＳ法（高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング：High Power Impulse Magnetron Sputtering）、またはアーク放電（レーザ・アーク法）が使用される。これら全ての方法は、当業者にとって公知である。

このためには、個別の事例の要求に応じて、適切で公知のあらゆるコーティング材、たとえば窒化クロム、窒化クロム合金、炭化クロム、窒化クロムアルミニウム、酸化クロム、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、炭窒化チタン、ホウ化チタン、炭化ジルコニア、窒化ジルコニア、水素含有炭素、水素を含まない炭素および／または水素を含む金属ドープ炭素が使用される。

本発明の実施の態様を以下に添付の図面につき詳しく説明する。図面は概略的であり、縮尺は正しくない。

本発明によるピストンリングに用いられるピストンの実施の形態を示す断面図である。 本発明によるピストンリングの第１の実施の形態に用いられるリングブランクの周壁面の輪郭部を示す詳細図である。 図２に示したリングブランクをコーティング後に示す図である。 本発明による完成したピストンリングを示す図である。 本発明による完成したピストンリングを示す別の実施の形態である。 本発明による完成したピストンリングを示すさらに別の実施の形態である。

図１は、本発明によるピストンリング３０のためのピストン１０の実施の形態を例示している。ピストン１０は、本実施の形態では、一体的なボックス型ピストンであり、該ボックス型ピストンは、任意の金属材料から製造されていてよい。ピストン１０は、ピストン頂面１２、燃焼凹部１３および環状に延びる火炎ウェブ１４を備えたピストンクラウン１１と、ピストンリング部分１５とを有している。ピストンリング部分１５のリング溝には、３つのピストンリング３０，１６，１７、すなわちコンプレッションリング３０，中間リング１６および油掻取りリング１７が収容されている。さらにピストン１０は、ピストンスカート１８と、火炎ウェブ１４に対してセットバックされた、ピストンピン（図示せず）を収容するボス孔２１を備えたピストンボス１９と、ボス支持部分２２とを有している。ピストン１０は、組み立てられた状態で、自体公知の形式でシリンダ内に収容される。シリンダの摺動面２３は図１に示されている。この摺動面２３は、自体公知の形式で、シリンダクランクケースの孔により、またはシリンダライナから形成されていてよい。

本実施の形態では、コンプレッションリング３０は、本発明により形成されているか、もしくは本発明による方法により製造されている。自明ではあるが、各シリンダリングもしくは２つまたは３つのピストンリングが本発明による方法によって製造されていてよい。

図２は、本発明によるピストンリング３０のためのリングブランク（リング中間製品）３０’を示している。製造すべきピストンリング３０の上面は通常、「トップ」と呼称される。リングブランク３０’は、リング背面（リング内周面）３１’と、上側のリング側面３２’と、下側のリング側面３３’と、外側の周壁面３４’とを有している。リングブランク３０’は、本実施の形態では、ＩＳＯ６６２１−３による上述の材料、たとえば球状黒鉛を含む鋳鉄（下位クラスＭＣ５３またはＭＣ５６）から成っており、横断面ではたとえばキーストンリングとして形成されている。

外側の周壁面３４’に沿って、まず自体公知の形式で非対称的なクラウニング状の輪廓部３５が成形される。非対称的なクラウニング状の輪廓部３５の算出は当業者には公知である。

同時に、半径方向外方に向かって延びる突出部３６が、外側の周壁面３４’に下側のリング側面３３’の領域で加工成形される。突出部３６は、本実施の形態では、軸方向の高さＣ＝０．３０ｍｍと、基準線Ａに関して半径方向の幅Ｄ＝０．０８ｍｍとを有している。基準線Ａは、突出部３６が、後に被着されるコーティングの二倍の膜厚さにほぼ相当する範囲だけ基準線Ａを超えて突出するように、位置決めされている。膜厚さは、個別のケースの要求に応じて、約２μｍ〜６０μｍである。

非対称的なクラウニング状の輪廓部３５と、突出部３６との間には、曲線状の移行領域３８が形成されている。これにより、亀裂形成のリスクは最小限にされる。この曲線状の移行領域３８は、本実施の形態ではＲ＝０．２０ｍｍの曲率半径を有している。

さらに外側の周壁面３４’の領域で、非対称的なクラウニング状の輪廓部３５と上側のリング側面３２’との間には、本実施の形態では面取り部３７が成形されている。この面取り部３７は、本実施の形態ではＢ＝０．２２ｍｍの軸方向の高さを有している。

これにより外側の周壁面３４’は、最後まで加工されている。この加工は、リングブランク３０’のために使用される材料に応じて、自体公知の形式で切削法により行うことができる。

リングブランク３０’は、本実施の形態では、自体公知のＰＶＤ法により、たとえばＰＣＤ−アーク放電により、窒化クロムでコーティングされる。リングブランク３０’のコーティングの準備のために、リングブランク３０’は自体公知の形式で洗浄されるか、場合によってはクロムから成る付着媒介層でコーティングされる。本実施の形態では、単に外側の周壁面３４’だけがコーティングされている。付加的には、上側のリング側面３２’および／または下側のリング側面３３’および／またはリング背面３１’が１種または複数種のコーティング材でコーティングされ得る。本実施の形態では、外側の周壁面３４’が、窒化クロムから成るＭＩＰ２３０型のコーティング部３９でコーティングされる。コーティング部３９は、１２００ＨＶ〜１６００ＨＶ（ビッカース硬度）の硬さを有する多孔性の単層のセラミック構造を有している。

図３は、コーティングされたリングブランク３０’を示している。面取り部３７が、コーティング部３９と上側のリング側面３２’との間で滑らかでなだらかな移行部を形成することを良好に確認することができる。

図４は、ピストン背面３１、上側のピストン側面３２、下側のピストン側面３３およびコーティングされた外側の周壁面３４を備える完成したピストンリング３０を示している。完成したピストンリング３０を形成するために、まず突出部３６が、切削加工により取り除かれる。この場合、環状の面４１が生じ、この環状の面４１の領域でピストンリング３０’もしくはピストンリング３０の材料が露出されている。環状の面４１は、非対称的なクラウニング状の輪廓部３５に滑らかにかつなだらかに移行している。突出部３６の除去により、鋭利な油掻取りエッジ４０が形成される。この油掻取りエッジ４０で環状の面４１と下側のリング側面３３とが合流する。

最終的に、ピストンリング３０は、自体公知の形式で、後加工および／または仕上げ加工されるので、環状の面４１ならびにコーティングされた非対称的なクラウニング状の輪廓部３５の領域で、完成された摺動面４２を得ることができる。

図５は、本発明により製造されたピストンリング１３０の別の実施の形態を示している。ピストンリング１３０は、図１から図４に示したピストンリング３０にほぼ相当し、本発明による同一の方法により製造される。同一の構成部材はしたがって同様の符号を備えており、図１から図４までの説明が参照され得る。

唯１つの違いは、ピストンリング１３０に、外側の周壁面３４の領域で非対称的なクラウニング状の輪廓部３５と、上側のリング側面３２との間に、凸面状に成形された湾曲部３７’が形成されることにある。湾曲部３７’は、本実施の形態では、Ｂ＝０．２２ｍｍの軸方向の高さを有している。湾曲部３７’が、コーティング部３９と上側のリング側面３２との間で滑らかでなだらかな移行部を形成していることが良好に看取れる。

図６は、本発明により製造されたピストンリング２３０のさらに別の実施の形態を示している。ピストンリング２３０は、図１から図４に示したピストンリング３０にほぼ相当し、本発明による同一の方法により製造される。同一の構成部材はしたがって同様の符号を備えており、図１から図４までの説明が参照され得る。

唯１つの違いは、ピストンリング２３０に、外側の周壁面３４の領域で非対称的なクラウニング状の輪廓部３５と上側のリング側面３２との間に、凹面状に形成された湾曲部３７’’が形成されていることにある。凹面状に成形された湾曲部３７’’は、コーティング部３９と上側のリング側面３２との間で滑らかでなだらかな移行部を形成していることが良好に看取れる。

結果として、ピストンリング３０，１３０，２３０は、コンプレッションリングとしての使用することができる。コンプレッションリングははっきりとした油掻取りエッジを備え、エンジン運転中に、過剰な油のクランクシャフトの方向に向かう特に効果的な搬送を保証する。

Claims (10)

1. リング背面（３１）と、上側のリング側面（３２）と、下側のリング側面（３３）と、摺動面（４２）とを備える、内燃機関のピストン（１０）に用いられるピストンリング（３０，１３０，２３０）を製造する方法において、
   （ａ）リング背面（３１’）と、上側のリング側面（３２’）と、下側のリング側面（３３’）と、外側の周壁面（３４’）とを備えるリングブランク（３０’）を提供し、
   （ｂ）前記外側の周壁面（３４’）に沿って非対称的なクラウニング状の輪郭部（３５）を成形し、かつ前記下側のリング側面（３３’）の領域において前記外側の周壁面（３４’）に半径方向外方に向かって延びる突出部（３６）を成形し、
   （ｃ）前記非対称的なクラウニング状の輪郭部（３５）と前記上側のリング側面（３２’）との間で前記外側の周壁面（３４’）の領域において、軸方向の高さＢ＝０．１０ｍｍ〜０．３０ｍｍを有する面取り部（３７）、凸面状に成形された湾曲部（３７’）または凹面状に成形された湾曲部（３７’’）を形成し、
   （ｄ）前記外側の周壁面（３４’）をコーティング材でコーティングし、
   （ｅ）前記突出部（３６）を、コーティング部（３９）に移行する環状の面（４１）の形態で前記リングブランク（３０’）の材料を露出させるように除去し、前記環状に延びる面（４１）と、前記下側のリング側面（３３’）との間に油掻取りエッジ（４０）を形成し、
   （ｆ）コーティングされたリングブランク（３０’）を後加工および／または仕上げ加工して、完成されたピストンリング（３０，１３０，２３０）を形成する
   ステップを含み、
   前記ステップ（ｄ）において、コーティングをＰＶＤ法またはＣＶＤ法またはＤＬＣ法で行う、ことを特徴とする、内燃機関のピストン（１０）に用いられるピストンリング（３０，１３０，２３０）を製造する方法。
2. 前記ステップ（ａ）において、ハーフキーストンリング、キーストンリングまたはレクタンギュラリングの形態のリングブランク（３０’）を使用する、請求項１記載の方法。
3. 前記ステップ（ａ）において、鋼材料または鋳鉄材料から成るリングブランク（３０’）を使用する、請求項１記載の方法。
4. 前記ステップ（ｂ）において、前記突出部（３６）を、軸方向の高さＣ＝０．１０ｍｍ〜０．５５ｍｍおよび／または半径方向の幅Ｄ＝０．０７ｍｍ〜０．０９ｍｍで成形する、請求項１記載の方法。
5. 前記ステップ（ｂ）において、前記非対称的なクラウニング状の輪郭部（３５）と、前記突出部（３６）との間に、曲線状の移行領域（３８）を形成する、請求項１記載の方法。
6. 前記曲線状の移行領域（３８）を、曲率半径Ｒ＝０．１０ｍｍ〜０．３０ｍｍで形成する、請求項５記載の方法。
7. 前記ステップ（ｃ）と前記ステップ（ｄ）との間で、前記外側の周壁面（３４’）に１つまたは複数の付着層および／または中間層を被着させる、請求項１記載の方法。
8. 前記ステップ（ｄ）において、付加的に前記上側のリング側面（３２’）および／または前記下側のリング側面（３３’）および／または前記リング背面（３１’）を少なくとも１つのコーティング材でコーティングする、請求項１記載の方法。
9. リング背面（３１）と、上側のリング側面（３２）と、下側のリング側面（３３）と、片側で室を有するコーティング部（３９）を備えた摺動面（４２）とを備える、内燃機関のピストン（１０）に用いられるピストンリング（３０，１３０，２３０）であって、
   前記摺動面（４２）は、非対称的なクラウニング状の輪郭部を有し、前記摺動面（４２）は、軸方向の高さＢ＝０．１０ｍｍ〜０．３０ｍｍを有する面取り部（３７）、凸面状に成形された湾曲部（３７’）または凹面状に成形された湾曲部（３７’’）を介して前記上側のリング側面（３２）に移行しており、前記コーティング部（３９）に移行する環状の面（４１）が設けられており、該環状の面（４１）は、油掻取りエッジ（４０）を形成しながら前記下側のリング側面（３３）に移行していることを特徴とする、内燃機関のピストン（１０）に用いられるピストンリング（３０，１３０，２３０）。
10. 前記ピストンリングは、コンプレッションリングである、請求項９に記載のピストンリング（３０，１３０，２３０）。

Images