JP6860328B2 - 内燃機関用ピストンの圧力リング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のピストンリングに関し、特に、外周摺動面の表面微細構造により潤滑特性を改善したピストンリングに関する。

内燃機関の機能部品として使用されているピストンリング（以下、単に「リング」ともいう。）には、主に、ガスシール機能、伝熱機能、オイルコントロール機能の三つの機能が要求される。ガスシール機能を確保するために、すなわち、ピストン外周とシリンダ内壁との隙間をシールしてエンジンが所定の圧縮圧を保つために、リングがシリンダ内壁を垂直に押すための自己張力をもつようにリング形状が定められ、また、リングをピストンにセットする際に必要な合口部の合口隙間を最小にするようにリング周長が定められている。さらに、高温高圧の燃焼ガスによるピストン頂部の熱量を冷却されたシリンダ壁に伝達する伝熱機能を確保するために、リングは金属材料で製造され、オイルコントロール機能を確保するために、リングの外周面形状が定められている。

ピストンリングの外周面形状に言及すれば、トップリング（ピストンの最も燃焼室側に装着されるリングで「第１圧力リング」ともいう。）は、外周面にリング軸に平行な断面において樽型の油膜潤滑機能に優れたバレルフェイス形状が採用されており、セカンドリング（トップリングよりもクランク室側に装着されるリングで「第２圧力リング」ともいう。）は、テーパーフェイス形状に加え、外周下面端のエッジをなるべくシャープにしてオイルの掻き下げ性能を向上させる形状が採用されている。また、オイルリング（ピストンの最もクランク室側に装着されるリング）においては、張力を大きくし、且つシリンダ内壁との接触面積を小さくすることにより、単位面積当たりの面圧を高くしてオイル掻き性能をさらに向上させるように設計されている。

近年、内燃機関では、オイル燃焼物による大気汚染等の環境問題やＣＯ_２削減への対応のため、オイル消費の削減と燃費の改善が強く求められている。すなわち、ピストンリングには、上記の三つの機能の確保に加え、オイル消費特性及び燃費特性についてもさらなる向上が求められている。

上記三つの機能を確保しつつ、オイル消費特性と燃費特性も満足させる方法として、第１にリング張力の最適化が挙げられる。リング張力が高すぎると、トップリングやオイルリングではガスシール特性やオイル消費は改善するが、リングがシリンダ内壁を摺動するとき、摩擦力が増加し、燃費が悪化する。さらに、オイルを掻き過ぎることにより潤滑性が低下し、最悪の場合はリングとシリンダが焼付いてしまうことになる。また、逆に、リング張力が低すぎると、ガスシール特性が低下し、燃焼ガスの吹き抜けが生じて出力低下が生じるし、オイル掻き性能が低下し、オイル消費が増加することになる。

このため、リング張力は最適化する必要がある。しかし、燃焼室自体が時々刻々変化するので、最適張力もそれに対応して変化してしまう。最も重要な特性であるガスシール特性を確保するため、どうしても、リング張力は大きくなりがちであり、リングとシリンダ内壁との摩擦力増大という現象をもたらしやすい。この摩擦力の増加により燃費の低下や潤滑不足による焼付きが生じやすくなる。

このように、リング張力の増加は、ガスシール特性の向上やオイル消費特性の向上というプラスの効果をもたらす一方、摩擦力増加による燃費特性の悪化、オイル掻き性能の向上による潤滑特性の悪化というマイナスの効果ももたらす。これらのプラスの効果とマイナスの効果はトレードオフの関係にあるので、最適なリング張力を見出し、全ての特性を好ましい方向にもっていくことは、困難であるようにみえる。

このような情況において見えてくる課題は、「ガスシール特性やオイル消費特性を十分に確保した状態で、リングとシリンダ内壁間の摩擦力を低減し、潤滑特性を確保する手段を見いだせるか。」ということであり、別の表現をすれば「ガスシール特性やオイル消費特性を十分に確保するためにリング張力をある程度上げて潤滑油が不足するような摺動環境でも、摺動摩擦力低減や焼付きなどを防止できる潤滑特性を確保する手段を見いだせるか。」ということになる。

例えば、リングのガスシール特性を確実に保証し、且つ、焼付きなどが生じないように潤滑を保証し、さらにリングとシリンダ壁間の摩擦力を低くする方法として、外周摺動面にディンプルなどの微細構造を付与する技術が公開されている。

特許文献１は、オイル溜まりとして機能し潤滑性を向上させるための凹部をパルスレーザーで外周摺動面に形成し、当該凹部の径が１００〜３００μｍ、深さが１００μｍ以上で、外周摺動面に占める面積割合が５〜５０％としたピストンリングを開示している。ここで、深さが１００μｍ以上とするのは、摩耗の進行に対しても凹部が消滅しないようにするためである。

特許文献２も、低フリクション化に加え、ガスシール、オイルシール機能を低下させることのないというピストンリングを開示している。特許文献２は、凹部が形成されていない凹部非形成領域について着目し、凹部非形成領域のバレル幅領域面積に対する面積率が２０〜８５％で、全ての軸方向切断面において凹部非形成領域が存在することが必要であると教示している。また、凹部の寸法については、凹部の開口幅が０．１９ｍｍ×０．１６ｍｍ、深さが１０μｍとした実施例を開示している。

また、特許文献３は、外周・動面に形成された多数のディンプルは、深さが複数種類となるように形成され、深さの異なる複数種類のディンプルがピストンリングの円周方向に交互に配設されたピストンリングを開示している。具体的には、径が１００μｍ程度、深さが４〜５μｍ、２〜３μｍ、及び１〜１．５μｍの三種類のディンプルを開示している。

さらに、特許文献４は、硬質皮膜を被覆したピストンリングにおいても複数の凹部を形成する方法として、硬質皮膜被覆前のピストンリング母材にショットピーニングし、その後に硬質皮膜を被覆すれば、オイル溜まりとして作用し、摩耗を防止する微小ディンプルが硬質皮膜被覆後の外周摺動面にも形成できることを開示している。なお、微小ディンプルは、断面が略円弧状の直径０．１〜５μｍの凹部であることも開示している。

しかし、上記の先行技術は、いずれも、オイル溜まりとして作用する凹部を外周摺動面に形成することで、潤滑油をいかに多量に保持し又は潤滑油をいかに長期に亘って保持できるか、というものであり、結果的に摩擦力を低減することができるものの、摩擦力の低減には改善の余地があった。

特開平５−３４０４７３号公報 特開２０１２−１０７７１０号公報 特開２０１３−１３７０８０号公報 特開２００４−６０８７３号公報

古浜庄一、自動車エンジンのトライボロジ：潤滑、気密、熱負荷、ナツメ社、第５版（１９８４年）、８３頁

本発明は、優れたガスシール特性とオイル消費特性を維持した上で、リングとシリンダ内壁間の摩擦力を低減し、優れた潤滑特性を示すピストンリングを提供することを課題とする。

非特許文献１は、バレルフェイス形状のピストンリング２０１が摺動する際に、ピストンリング２０１の外周摺動面２０２とシリンダ内壁２０３との間の潤滑油に発生する圧力分布が、図１５のようになることを開示している。すなわち、外周摺動面２０２のうちピストンリング２０１の進行方向Ｘ側で潤滑油が圧縮され、発生した圧縮力がリング張力を打ち消すことによって摩擦力が低減される。本発明者は、このようなリング張力を打ち消す圧縮力が、摺動面に形成する微細構造に関係して導入できないかどうかについて鋭意研究した結果、微細構造として形成する凹部を潤滑油のスクイーズ効果が発揮されやすい形状とすることによって、摺動面の微細構造に対応したミクロレベルで摩擦力を低減できることに想到した。

すなわち、本発明のピストンリングは、外周摺動面に凹部が形成されたピストンリングであって、前記凹部が、外径が最も小さい最深部と、前記最深部に向かって漸次縮径する傾斜部と、を有することを特徴とする。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記傾斜部は、前記最深部と連続することが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記傾斜部は、凸状となる湾曲部を含むことが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記凹部は、外径が周囲よりも大きい頂部を更に有し、前記傾斜部は、前記頂部に向かって漸次拡径することが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記凹部は複数形成され、前記複数の凹部は、前記最深部の外径がそれぞれ異なる２以上の凹部を含むことが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記凹部は、所定の方向に沿って延在する溝部であることが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記溝部は、円周方向に沿って延在することが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記溝部は複数形成され、前記複数の溝部は、円周方向に沿って配置されていることが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記溝部は、周囲よりも軸方向に延在する軸方向延在部を更に有することが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記凹部は、合口部には到達していないことが好ましい。

また、本発明のピストンリングにおいて、前記外周摺動面を被覆する硬質皮膜を備えることが好ましい。

本発明によれば、優れたガスシール特性とオイル消費特性を維持した上で、ピストンリングとシリンダ内壁との間の摩擦力を低減し、優れた潤滑特性を示すピストンリングを提供することができる。

本発明の一実施形態としてのピストンリングの平面図である。 図１に示すピストンリングの外周摺動面の構成を示す側面図である。 図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿う断面図であり、図３（ａ）は外周摺動面が摩耗する前、図３（ｂ）は外周摺動面が摩耗した後の様子をそれぞれ示す。 図１に示すピストンリングの外周摺動面に形成される溝部の他の例を示す断面図である。 図１に示すピストンリングの外周摺動面に形成される溝部の更に他の例を示す断面図である。 図１に示すピストンリングの外周摺動面に形成される溝部の最深部の関係の一例を示す断面図である。 図１に示すピストンリングの外周摺動面に形成される溝部の他の例を示す側面図である。 図１に示すピストンリングの外周摺動面に形成される溝部の更に他の例を示す側面図である。 図１に示すピストンリングの外周摺動面の構成の更に他の例を示す側面図である。 図１に示すピストンリングの合口部の周囲の構成を示す側面図である。 図１に示すピストンリングの外周摺動面に形成される溝部の更に他の例を示す側面図である。 ピストンリングの外周摺動面に溝部を形成する様子を示す図である。 図１２のピストンリングの外周摺動面に形成された溝部の一例を示す側面図である。 図１２のピストンリングの外周摺動面に形成された溝部の一例を示す軸方向に沿う断面図である。 バレルフェイス形状のピストンリング摺動時におけるリピストンリングとシリンダ内壁との間の潤滑油に発生する圧縮力の圧力分布を示す図である。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。各図において共通の構成には、同一の符号を付している。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態としてのピストンリング１の平面図である。ピストンリング１は、バレルフェイス形状に形成され、例えば自動車等のエンジン（内燃機関）のピストンにトップリング（第１圧力リング）として装着して使用されるものである。また、ピストンリング１は、合口部２０を備えた割りリング形状に形成されている。ピストンリング１の外面は、シリンダ内壁と摺動する外周摺動面１０を構成する。ここで、ピストンリング１の中心軸をＯとし、ピストンリング１の外周摺動面１０に沿う円周方向をＡ、中心軸Ｏに沿う軸方向をＢとする。ピストンリング１は、軸方向Ｂに沿ってシリンダ内壁と摺動する。

＜外周摺動面１０の微細構造＞
以下、外周摺動面１０の微細構造について説明する。図２は、ピストンリング１の外周摺動面１０の構成を示す側面図である。図２に示すように、ピストンリング１の外周摺動面１０には、微細構造としての凹部である溝部１００が複数形成されている。溝部１００は、それぞれ円周方向Ａに沿って延在し、複数の溝部１００は、円周方向Ａ及び軸方向Ｂ（ピストンリング１の中心軸Ｏに沿う方向）のそれぞれに沿って配置されている。ここで、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成される複数の溝部１００の合計面積率は、外周摺動面１０の面積に対し２０％以上８０％以下であることが好ましい。

図３は、図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿う断面図であり、図３（ａ）は外周摺動面１０が摩耗する前、図３（ｂ）は外周摺動面１０が摩耗した後の様子をそれぞれ示す。図３（ａ）に示すように、溝部１００は、外径又は中心軸Ｏからの半径が最も小さい最深部１１０と、最深部１１０に向かって外径又は中心軸からの半径が漸次縮径する傾斜部１２０と、を有する。最深部１１０は、軸方向Ｂに沿って延在している。傾斜部１２０は、最深部１１０の軸方向Ｂに沿う両側に、最深部１１０と連続して配置されている。換言すると、傾斜部１２０は、最深部１１０と隣り合って配置されている。

溝部１００には、潤滑油が保持される。なお、溝部１００は、最深部１１０が軸方向Ｂに沿って所定長さ延在するため、最深部１１０が軸方向Ｂの一点のみで形成され軸方向Ｂに沿って所定長さ延在しない場合に比べて、潤滑油をより多く保持することができる。ピストンリング１が摺動方向（軸方向Ｂ）に沿って摺動すると、溝部１００の最深部１１０に保持された潤滑油が軸方向Ｂに沿って傾斜部１２０に押し出される。ここで、溝部１００において、傾斜部１２０の外周摺動面１０からの深さは最深部１１０の外周摺動面１０からの深さよりも浅いため、最深部１１０から傾斜部１２０に押し出された潤滑油は深さ方向に絞られることで圧縮され、圧力上昇によってスクイーズ効果が発現する。すなわち、最深部１１０から傾斜部１２０に潤滑油が押し出されることにより油膜圧力が上昇し、シリンダ内壁に作用しているピストンリング１の張力が打ち消されるので、ピストンリング１とシリンダ内壁との間の摩擦力を低減し、優れた潤滑特性を示すことになる。なお、ピストンリング１は、外周摺動面１０に複数の溝部１００を有するため、それぞれの溝部１００によって上述の効果を得ることができる。

さらに、ピストンリング１の溝部１００の円周方向Ａに沿う断面形状は、図３（ａ）に示すような溝部１００の断面形状を形成させてもよい。これにより、ピストンリング１がピストン速度がゼロとなる上死点及び下死点の位置に到達したとき、溝部１００内に保持された潤滑油が、傾斜部１２０により円周方向Ａに沿って絞り出され易くなるため、より一層シリンダ内壁との間の摩擦力を低減することができる。

加えて、図３（ａ）に示す溝部１００の断面形状を円周方向Ａかつ軸方向Ｂに沿って形成させてもよい。これにより、図３（ａ）に示す溝部１００の断面形状を軸方向Ｂに沿って形成したことにより得られる上述の効果と、円周方向Ａに沿って形成したことにより得られる上述の効果とを共に得ることができる。

溝部１００の傾斜部１２０は、凸状となる湾曲部１２１を含む。詳細には、湾曲部１２１は、最深部１１０と連続する位置では傾斜が急であり、最深部１１０から離れるにつれて徐々に傾斜がなだらかとなっている。このように、傾斜部１２０が湾曲部１２１を含むことで、最深部１１０から押し出される潤滑油が急激に圧縮されることになるため、上述のスクイーズ効果を顕著に発揮することができる。詳細には、図３（ａ）に示す溝部１００の断面形状を軸方向Ｂに沿って形成した場合には、湾曲部１２１によって動圧効果が得られる。また、図３（ａ）に示す溝部１００の断面形状を円周方向Ａに沿って形成した場合には、ピストンリング１のピストン速度がゼロとなるときに、溝部１００内に保持された潤滑油が、スクイーズ効果により潤滑油が溝部１００から円周方向Ａに沿って絞り出される潤滑油が、湾曲部１２１によって円周方向Ａに沿ってより絞り出されやすくなるため、更によりシリンダ内壁との摩擦力を低減することができる。溝部１００の最深部１１０における外周摺動面１０からの深さＤは、１μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以下であることがより好ましい。

溝部１００の軸方向Ｂに沿う幅Ｗは、０．３ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。

図３（ｂ）において、摩耗前の外周摺動面１０を破線で示す。図３（ｂ）に示すように、溝部１００は、ピストンリング１がシリンダ内壁と摺動を繰り返すことで外周摺動面１０が摩耗した場合であっても、摩耗前と同様に最深部１１０と傾斜部１２０とを有するため、上述した摩耗前と同様の効果を得ることができる。なお、以下では、外周摺動面１０が摩耗する前のピストンリング１の構成について説明する。

図４は、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成される溝部１００の他の例を示す断面図である。図４（ａ）〜図４（ｆ）に示す各断面は、外周摺動面１０に直交する所定の断面視である。なお、外周摺動面１０に直交する所定の断面視としては、例えば、円周方向Ａに沿う断面視や、軸方向Ｂに沿う断面視が挙げられるが、図４（ａ）〜図４（ｆ）では、円周方向Ａに沿う断面視（軸方向Ｂと直交する断面視と同じ）を例示している。

図４（ａ）に示す溝部１００の断面形状は、最深部１１０が円周方向Ａの一点で形成され円周方向Ａに沿って延在していないこと以外は、図３（ａ）に示した断面形状と同様である。上述したように、円周方向Ａに沿って延在する最深部１１０に潤滑油を多く保持することができる点で、図３（ａ）に示した断面形状を有する溝部１００の方が図４（ａ）に示す断面形状を有する溝部１００よりも好ましい。

図４（ｂ）に示す溝部１００の断面形状は、傾斜部１２０が最深部１１０の円周方向Ａに沿う一方側のみに配置されていること以外は、図４（ａ）に示した断面形状と同様である。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、外周摺動面１０に直交する所定の断面視として円周方向Ａに沿う断面視を示しているが、図４（ａ）及び図４（ｂ）を軸方向Ｂに沿う断面視とした場合には、図４（ａ）に示した断面形状を有する溝部１００では、ピストンリング１が軸方向Ｂに沿う一方向に摺動する際には、潤滑油が一方の傾斜部１２０に押し出され、軸方向Ｂに沿う反対方向に摺動する際には、潤滑油が他方の傾斜部１２０に押し出されることになる。よって、図４（ａ）に示した断面形状を有する溝部１００は、図４（ｂ）に示す断面形状を有する溝部１００より高いスクイーズ効果を得ることができる。

図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示した断面形状を有する溝部１００が、互いに最深部１１０が隣り合うように配置された例を示す。図４（ｂ）の断面形状を有する溝部１００は、図４（ｃ）のように配置することにより、図４（ｃ）を軸方向Ｂに沿う断面視とした場合には、軸方向Ｂに沿ってどちらに摺動する場合でも、摺動方向によらずに略一定のスクイーズ効果を得ることができる。

図４（ｄ）に示す断面形状を有する溝部１００は、最深部１１０と、最深部１１０に連続して配置され、最深部１１０に向かって漸次縮径する傾斜部１２０と、に加えて、外径又は半径が周囲よりも大きい頂部１３０を有し、傾斜部１２０は頂部１３０に向かって漸次拡径している。頂部１３０は、外周摺動面１０よりも外径又は半径が小さいため、シリンダ内壁とは接触しない。図４（ｄ）に示す傾斜部１２０は、凸状の湾曲部１２１により構成されている。

図４（ｄ）に示す断面形状を有する溝部１００では、ピストンリング１が摺動方向（軸方向Ｂ）に沿って摺動する際、最深部１１０から押し出された潤滑油が傾斜部１２０上を通って頂部１３０に到達し、潤滑油は溝部１００内に保持され続ける。すなわち、ピストンリング１が摺動しても溝部１００とシリンダ内壁との間に油膜が形成され続けるため、せん断応力が抑制され、摩擦抵抗が上がることを抑制できる。

図４（ｅ）は、図４（ｂ）に示した断面形状を有する溝部１００が、互いに傾斜部１２０が隣り合うように配置された例を示す。溝部１００を図４（ｅ）に示すように配置することで、図４（ｃ）と同様、図４（ｅ）を軸方向Ｂに沿う断面視とした場合には、軸方向Ｂに沿ってどちらに摺動する場合でも、摺動方向によらずに略一定のスクイーズ効果を得ることができる。

図４（ｆ）は、図４（ｄ）に示した断面形状を有する溝部１００において、傾斜部１２０に代えて複数の傾斜部１２０を有し、それぞれの傾斜部１２０の外径が頂部１３０に向かって漸次拡径するように配置された例を示す。ここで、それぞれの傾斜部１２０の境界には、段差面１２２を介して頂部１３０側に縮径した縮径部１２３が形成されている。また、それぞれの傾斜部１２０は、凸状の湾曲部１２１により構成されている。このように、摺動方向に対して、段差面１２２を介して傾斜部１２０を複数繋げることによって、より一層の絞り効果を得ることができる。

図５は、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成される溝部１００の更に他の例を示す断面図である。図５に示すように、溝部１００は、傾斜部１２０が湾曲部１２１を含まず、略直線状に形成されていてもよい。また、図５に示すように、溝部１００は、非連続的に配置された複数の傾斜部１２０を有していてもよい。ここで、略直線状の傾斜部１２０の傾斜角度は、０．２°以上２°以下であることが好ましく、０．２°以上０．５°以下であることがより好ましい。なお、図５は、外周摺動面１０に直交する所定の断面視として、円周方向Ａに沿う断面視（軸方向Ｂと直交する断面視と同じ）を示しているが、軸方向Ｂに沿う断面視としてもよい。

図６は、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成される溝部１００の最深部１１０の関係の一例を示す断面図である。ここで、図６に示す溝部１００の断面形状は、最深部１１０の外周摺動面１０からの深さＤ１〜Ｄ３を説明するために簡略化して示している。図６に示すように、溝部１００は、外周摺動面１０に直交する所定の断面視において複数形成されていてもよい。ここで、所定の断面視において複数形成された溝部１００は、円周方向Ａのいずれかの位置及び軸方向Ｂのいずれかの位置でも連通していない。つまり、図６に示す３つの溝部１００は互いに連通していない別々の構成である。図６に示すように、３つの溝部１００の最深部１１０の深さＤ１〜Ｄ３は、それぞれ異なっている。すなわち、複数形成された溝部１００は、最深部１１０の外径又は半径がそれぞれ異なる２以上の溝部１００を含んでいてもよい。

図６に示すように、所定の断面視において、最深部１１０の外径がそれぞれ異なる２以上の溝部１００を含ませることで、ピストンリング１の位置に応じて所望の潤滑特性を発現させることができる。

図７は、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成される溝部１００の他の例を示す側面図である。図７（ａ）に示すように、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成される複数の溝部１００は、軸方向Ｂに沿って互い違いとなる千鳥状に配置してもよい。このように配置しても、充分な摩擦力低減効果を得ることができる。

また、図７（ｂ）に示すように、溝部１００は、円周方向Ａに沿って両端側に向かうにつれて、軸方向Ｂに沿う幅が縮小するように形成してもよい。このような溝部１００の側面視における形状を、例えば図３（ａ）や図４（ａ）に示したような最深部１１０の円周方向Ａの両端側の外径が徐々に拡径する形状と組み合わせることで、スクイーズ効果を更に高めることができる。図７（ｂ）に示す溝部１００の軸方向Ｂに沿う幅は、円周方向Ａに沿う中心部では０．２ｍｍ超であり、円周方向Ａに沿う両端では０．２ｍｍ以下であることが好ましい。

図８及び図９は、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成される溝部１００の更に他の例を示す側面図である。図８（ａ）に示すように、溝部１００は、円周方向Ａに沿って直線状に連続的に延在していてもよい。また、図８（ｂ）に示すように、溝部１００は、円周方向Ａに沿って連続的に延在しつつ、周囲よりも軸方向Ｂに延在する軸方向延在部１４０を含むようにジグザグ状に形成されていてもよい。このように、溝部１００が軸方向延在部１４０を有することで、ピストンリング１がシリンダ内壁に対して軸方向Ｂに沿って摺動すると、溝部１００に保持された潤滑油が慣性力によって軸方向延在部１４０に集中する。これにより、軸方向延在部１４０で潤滑油が圧縮され、圧力上昇によってスクイーズ効果が発現し易い。

図８（ｃ）に示すように、図８（ｂ）に示した溝部１００が分断されたように、円周方向Ａに沿ってジグザグ状に配置された複数の溝部１００を形成してもよい。図８（ｃ）に示す溝部１００は、それぞれ軸方向延在部１４０を有する。図８（ｃ）に示す溝部１００の方が、図８（ｂ）に示した溝部１００よりも、潤滑油の円周方向Ａにおける流れの分散が抑制できる点で好ましい。さらに、図８（ｄ）に示すように、Ｖ字状の溝部１００が、円周方向Ａに沿って配置されていてもよい。図８（ｄ）に示す溝部１００は、軸方向Ｂに沿う両端に軸方向延在部１４０を有する。

図９（ａ）に示すように、溝部１００は、円周方向Ａに沿って直線状に連続的に延在しつつ、一定間隔で軸方向延在部１４０を有していてもよい。また、図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）に示した溝部１００が分断されたように、円周方向Ａに沿って配置された複数の溝部１００を形成してもよい。図９（ｂ）に示す溝部１００は、それぞれ軸方向延在部１４０を有する。図９（ｂ）に示す溝部１００の方が、図９（ａ）に示した溝部１００よりも、潤滑油の円周方向Ａにおける流れの分散が抑制できる点で好ましい。

図９（ｃ）は、図９（ａ）及び図９（ｂ）の溝部１００の軸方向延在部１４０の拡大図である。図９（ｃ）に示すように、軸方向延在部１４０は、先端に向かうにつれて円周方向Ａに沿う長さが漸次縮小することが好ましく、凹状に湾曲することが更に好ましい。軸方向延在部１４０がこのように形成されることで、スクイーズ効果をより発現させることができる。

図１０は、ピストンリング１の合口部２０の周囲の構成を示す側面図である。図１０に示すように、溝部１００は、合口部２０には到達していないことが好ましい。溝部１００が合口部２０に到達しないことで、溝部１００に保持された潤滑油が、合口部２０から漏れ出ることが抑制できる点で好ましい。溝部１００の端部と合口部２０との間の距離Ｃは、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。

図１１は、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成される溝部１００の更に他の例を示す側面図である。図１１に示すように、溝部１００は、円周方向Ａ及び軸方向Ｂに沿って斜めに延在していてもよい。換言すれば、円周方向Ａ及び軸方向Ｂの両方に対して傾斜するように延在する構成としてもよい。また、ピストンリング１の外周摺動面１０には、上述した溝部１００が任意の組み合わせで形成されていてもよい。

＜硬質皮膜＞
ピストンリング１は、外周摺動面１０を被覆する硬質皮膜を備えていてもよい。ピストンリング１は、硬質皮膜を備えることで、耐摩耗性が向上し、溝部１００の断面形状をより維持することができる。硬質皮膜は、外周摺動面１０を層状に皮膜する硬質皮膜層として形成される。硬質皮膜はクロムめっき皮膜、イオンプレーティング皮膜、窒化皮膜、及び硬質炭素皮膜から選択される硬質皮膜であることが好ましい。硬質皮膜の厚さは、溝部１００を埋めて浅くしてしまうことがない程度であることが好ましい。詳細には、硬質皮膜の厚さは、イオンプレーティング皮膜では、６０μｍ未満であることが好ましく、４５μｍ未満であることがより好ましく、３０μｍ未満であることがさらに好ましい。一方、窒化皮膜の場合は、母材の表層に窒素が拡散して形成されるので溝部１００が覆われることはなく、硬質皮膜の厚さに制限はない。通常は、ビッカース硬さが７００ＨＶ０．１以上の拡散層の厚さが３０μｍ以上あることが好ましく、５０μｍ以上であればより好ましく、７０μｍ以上であればさらに好ましい。また、クロムめっき皮膜に関しては、溝部１００内で電場の打ち消しあいにより深さ方向に膜厚が薄くなり、開口径は少し狭くなっても、深さはほとんど変わらない。

硬質皮膜の厚さは、ガソリン車用ピストンリングでは、８０μｍ未満であることが好ましく、６０μｍ未満であることがより好ましく、４０μｍ未満であることがさらに好ましい。また、硬質皮膜の厚さは、ディーゼル車（特にヘビーデューティ）用ピストンリングでは１２０μｍ未満であることが好ましく、１００μｍ未満であることがより好ましく、８０μｍ未満であることがさらに好ましい。また、舶用ピストンリングでは３５０μｍ未満であることが好ましく、３２５μｍ未満であることがより好ましく、３００μｍ未満であることがさらに好ましい。なお、外周摺動面１０には、硬質皮膜層の形成後に溝部１００を形成してもよいし、溝部１００の形成後に硬質皮膜層を形成してもよい。

＜溝部１００の形成方法＞
以下、ピストンリング１の外周摺動面１０に溝部１００を形成する方法の一例について説明する。図１２は、ピストンリング１の外周摺動面１０に溝部１００を形成する様子を示す図である。図１３及び図１４は、ピストンリング１の外周摺動面１０に形成された溝部１００の一例を示す側面図及び軸方向Ｂに沿う断面図である。図１２に示すように、複数のピストンリング１を軸方向Ｂに沿って重ねた（スタックさせた）状態で、円周方向Ａに沿って螺旋状、すなわち、軸方向Ｂに対して一定の傾斜角をつけながら、溝を加工する。溝の加工には、レーザー加工、又はエッチング加工を用いる。これにより、例えば図１３（ａ）や図１３（ｂ）に示すような溝部１００が外周摺動面１０上に形成される。このように、複数のピストンリング１にまとめて溝部１００を形成することで、製造リードタイムが短縮され、コストを低減することができる。

なお、溝部１００を形成する前に、ピストンリング１の軸方向Ｂに沿う両端部には、円周方向Ａに沿って、面取り部１１を形成しておくことが好ましい。溝部１００の軸方向Ｂに沿う幅Ｗ’は、０．３ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。また、溝部１００の最深部１１０の深さＤ’は、１μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以下であることがより好ましい。

本発明は、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲で記載された内容を逸脱しない範囲で、様々な構成により実現することが可能である。例えば、ピストンリング１は、バレルフェイス形状であるとして説明したが、バレルフェイス形状には限定されず、例えば、プレーン形状、テーパーフェイス形状等、他の任意の形状であってもよい。

本発明は、内燃機関用のピストンリングに関する。

１ ピストンリング
１０ 外周摺動面
１１ 面取り部
２０ 合口部
１００ 溝部（凹部）
１１０ 最深部
１２０ 傾斜部
１２１ 湾曲部
１２２ 段差面
１２３ 縮径部
１３０ 頂部
１４０ 軸方向延在部
２０１ 非特許文献１のピストンリング
２０２ 非特許文献１のピストンリングの外周摺動面
２０３ 非特許文献１のシリンダ内壁
Ａ 円周方向
Ｂ 軸方向
Ｃ 溝部の端部と合口部との間の距離
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ’ 溝部の最深部の深さ
Ｗ、Ｗ’ 溝部の軸方向に沿う幅
Ｘ 非特許文献１のピストンリングの進行方向

Claims (10)

1. 外周摺動面に凹部が形成された、内燃機関用ピストンの圧力リングであって、
   前記凹部は、外径が最も小さい最深部と、外径が周囲よりも大きい頂部と、軸方向で前記最深部に向かって漸次縮径し、軸方向で前記頂部に向かって漸次拡径する傾斜部と、を有することを特徴とする圧力リング。
2. 前記傾斜部は、前記最深部と連続することを特徴とする、請求項１に記載の圧力リング。
3. 前記傾斜部は、凸状となる湾曲部を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧力リング。
4. 前記凹部は、複数形成され、
   前記複数の凹部は、前記最深部の外径がそれぞれ異なる２以上の凹部を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力リング。
5. 前記凹部は、所定の方向に沿って延在する溝部であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧力リング。
6. 前記溝部は、円周方向に沿って延在することを特徴とする、請求項５に記載の圧力リング。
7. 前記溝部は複数形成され、
   前記複数の溝部は、円周方向に沿って配置されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の圧力リング。
8. 前記溝部は、円周方向の周囲よりも軸方向に延在する軸方向延在部を更に有し、
   前記軸方向延在部は、
   前記溝部が軸方向の一方から他方に折れ曲がっている部分、
   前記溝部のうち円周方向に対して傾斜して延在する部分の終端部、又は、
   前記溝部の軸方向の溝幅が円周方向の周囲よりも広幅となっている部分、により構成されていることを特徴とする、請求項６又は７に記載の圧力リング。
9. 前記凹部は、合口部には到達していないことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力リング。
10. 前記外周摺動面を被覆する硬質皮膜を備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の圧力リング。

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