JP7284308B1 - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】アンダーカット形状のピストンリングにおいて、内燃機関のオイル消費量をより低減することが可能な技術を提供する。【解決手段】ピストンリングの外周面は、外周端部と下面との間に切欠部を形成するように設けられたカット面を有し、カット面は湾曲凹面を含み、下面と平行に延在する第１仮想直線に対する、湾曲凹面において最も燃焼室側に位置する点における湾曲凹面の接線の傾斜角度は、５°以上５０°以下であり、該ピストンリングの軸方向幅をｈ１とし、前記カット面の軸方向幅をＨとしたとき、Ｈ／ｈ１が０．２以上０．４以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンリングに関する。

一般的な自動車に搭載される内燃機関は、トップリング及びセカンドリングを含む２本のコンプレッションリング（圧力リング）と１本のオイルリングとを組み合わせた３本のピストンリングを、シリンダに装着されたピストンに設けた構成を採用している。これら３本のピストンリングは、上側（燃焼室側）から順にトップリング、セカンドリング、オイルリングがピストンの外周面に形成されたリング溝に装着され、シリンダ内壁面を摺動する。燃焼室から最も遠いオイルリングは、シリンダ内壁面に付着した余分なエンジンオイル（潤滑油）をクランク側に掻き落とすことでオイルの燃焼室側への流出（オイル上がり）を抑制するオイルシール機能や、潤滑油膜がシリンダ内壁面に適切に保持されるようにオイル量を調整することで内燃機関の運転に伴うピストンの焼き付きを防止する機能を有する。コンプレッションリングは、気密を保持することで燃焼室側からクランク室側への燃焼ガスの流出（ブローバイ）を抑制するガスシール機能や、オイルリングが掻き落とし切れなかった余分なオイルを掻き落とすことでオイル上がりを抑制するオイルシール機能を有する。このようなピストンリングの組み合わせにより、内燃機関におけるブローバイガスの低減とオイル消費の低減が図られている。また、セカンドリングを、外周側の下部にステップ状の切欠（アンダーカット）が形成されたスクレーパリングとすることで、オイル掻き性能を向上させることが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００３－１１３９４０号公報 特開２０２０－１９３６６６号公報 国際公開第２０１６／１２１４８３号

しかしながら、従来のアンダーカットを有するピストンリングが組み付けられた内燃機関では、ピストンの下降行程において、シリンダ内壁のオイルの一部が、アンダーカットの表面を流動することでピストンに形成されたリング溝の面取り部分に乗り、ピストンリングの下面とリング溝の下壁面との間に流れ込む場合がある。そのようなオイルが燃焼室側に流出することで、オイル消費量が増大する虞がある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、アンダーカット形状のピストンリングにおいて、内燃機関のオイル消費量を低減することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、内燃機関のピストンに装着されるピストンリングであって、該ピストンリングの外周に設けられた外周面と、該ピストンリングの内周に設けられた内周面と、該ピストンリングの軸方向端面のうち前記内燃機関において燃焼室側に面する上面と、該ピストンリングの軸方向端面のうち前記内燃機関においてクランク室側に位置する下面と、を有し、前記外周面は、該ピストンリングの周長方向に直交する断面において、該ピストンリングにおいて最大径となる外周端部を含む外周端面と、前記外周端面と前記下面との間に該ピストンリング
の周長方向に延在する切欠部を形成するように前記外周端面と前記下面とを接続するカット面と、を有し、前記カット面は、前記クランク室側に向かうに従って該ピストンリングの中心軸に接近するように凹状に湾曲した湾曲凹面を含み、該ピストンリングの周長方向に直交する断面において、前記下面と平行に延在する第１仮想直線に対する、前記湾曲凹面において最も前記燃焼室側に位置する点における前記湾曲凹面の接線の傾斜角度は、５°以上５０°以下であり、該ピストンリングの軸方向幅をｈ１とし、前記カット面の軸方向幅をＨとしたとき、Ｈ／ｈ１が０．２以上０．４以下である、ピストンリングである。

本発明に係るピストンリングは、その外周面が上述のように凹状に湾曲した湾曲凹面を有している。そのため、ピストンリングによって掻き落とされたオイルの一部が湾曲凹面を流動した場合に、当該一部のオイルをクランク室側に落とし易くなる。これにより、ピストンリングの下面とリング溝の下壁面との間にオイルが流れ込むことが抑制される。

また、本発明において、前記ピストンリングの径方向における前記カット面の長さをＤとしたとき、０．２ｍｍ≦Ｄ≦０．６ｍｍであってもよい。

また、本発明において、前記ピストンリングの周長方向に直交する断面において、前記湾曲凹面は、その全域に亘って曲率半径が一定であってもよい。

また、本発明において、前記外周面には、ＰＶＤ処理被膜、ＤＬＣ被膜、クロムめっき処理被膜、窒化処理被膜、化成処理被膜、樹脂被膜、酸化処理被膜、Ni－Pめっき処理被
膜、及び塗膜のうち少なくとも何れか１つの層を含む硬質被膜が形成されてもよい。

また、本発明において、前記カット面は、前記湾曲凹面と前記下面とを接続する下側Ｒ面を更に含み、記下側Ｒ面の曲率半径は、０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である、

また、本発明において、複数のコンプレッションリングがピストンに装着される内燃機関において、前記複数のコンプレッションリングのうち燃焼室側から２番目の位置に装着されるセカンドリングとして形成されてもよい。

本発明によれば、アンダーカット形状のピストンリングにおいて、内燃機関のオイル消費量をより低減することが可能となる。

実施形態に係るセカンドリングを備える内燃機関の一部を示す断面図である 実施形態に係るセカンドリングの外周面を説明するための断面図である。 実施形態に係る内燃機関においてピストンが下降行程のときのセカンドリング付近の断面図である。 比較例に係る内燃機関においてピストンが下降行程のときのセカンドリング付近の断面図である。 実施形態の変形例に係るセカンドリングの外周面を説明するための断面図である。 捩れ試験を説明するための図である。 比較例に対する実施例のオイル流出量比を示すグラフである。 θ１とオイル流出量との関係を示すグラフである。 Ｈ／ｈ１とオイル流出量との関係を示すグラフである。 Ｄとオイル流出量との関係を示すグラフである。 ピストンの下降行程における内燃機関のセカンドリング付近のオイルの流動分布の解析結果を示す図（１）である。 ピストンの下降行程における内燃機関のセカンドリング付近のオイルの流動分布の解析結果を示す図（２）である。 ピストンの下降行程における内燃機関のセカンドリング付近のオイルの流動分布の解析結果を示す図（３）である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明をピストンリングの一例としてのセカンドリングに適用したものである。このセカンドリングは、複数のコンプレッションリングがピストンに装着される内燃機関において、当該複数のコンプレッションリングのうち燃焼室側から２番目の位置に装着されるコンプレッションリングである。但し、本発明に係るピストンリングは、セカンドリングに限定されない。本発明は、燃焼室に最も近い位置に装着されるコンプレッションリングであるトップリングや、燃焼室から最も遠い位置に装着されるオイルリングに適用してもよい。また、以下の実施形態に記載されている構成は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

なお、以下の説明において「周長方向」とは、特に指定しない限りはピストンリングの周長方向のことを指す。「径方向」とは、特に指定しない限りはピストンリングの半径方向のことを指す。「径方向内側」とは、ピストンリングの内周面側のことを指し、「径方向外側」とは、その反対側のことを指す。「軸方向」とは、特に指定しない限りはピストンリングの中心軸に沿う方向のことを指す。また、ピストンのリング溝の「上壁面」は、リング溝の内壁のうち、燃焼室側の内壁を指し、「下壁面」は、クランク室側の内壁を指す。

［内燃機関］
図１は、実施形態に係るセカンドリング４０を備える内燃機関１００の一部を示す断面である。図１では、符号２０で示すピストンの中心軸に沿う断面が図示されている。図１に示すように、実施形態１に係る内燃機関１００は、シリンダ１０と、シリンダ１０に装着（挿入）されたピストン２０と、ピストン２０に装着された複数のピストンリング３０，４０，５０と、を備える。実施形態に係る内燃機関１００では、２本のコンプレッションリング（トップリング３０とセカンドリング４０）及び１本のオイルリング５０がピストン２０に装着されている。２本のコンプレッションリングのうち、トップリング３０が燃焼室に最も近い位置に装着され、セカンドリング４０が燃焼室側から２番目の位置に装着されている。オイルリング５０は、燃焼室から最も遠い位置に装着されている。

図１に示すように、内燃機関１００では、ピストン２０の外周面２０ａとシリンダ１０の内壁面１０ａとの間に所定の離間距離が確保されることにより、隙間ＰＣ１が形成されている。また、ピストン２０の外周面２０ａには、ピストン２０の軸方向に所定の間隔を空けて上側（燃焼室側）から順に第１リング溝２０１と第２リング溝２０２と第３リング溝２０３とが形成されている。リング溝２０１～２０３は、ピストン２０の軸回りに環状に延びる溝として外周面２０ａの全周に形成されている。図１に示すように、各リング溝は、上下に対向配置された一対の溝壁（内壁）を含んで形成されている。一対の溝壁のうち、上側の溝壁を上壁面Ｗ１と称し、下側の溝壁を下壁面Ｗ２と称する。また、各リング溝における、上壁面Ｗ１の内周縁と下壁面Ｗ２の内周縁とを接続する溝壁を底壁面Ｗ３と称する。図１に示すように、第１リング溝２０１にトップリング３０が装着され、第２リング溝２０２にセカンドリング４０が装着され、第３リング溝２０３にオイルリング５０が装着されている。また、ピストン２０にリング溝２０１～２０３が形成されることで、ピストン２０には、燃焼室側から順に、トップランドＬ１、セカンドランドＬ２、サードランドＬ３が画定されている。なお、本明細書では、図１に示すように各ピストンリングがピストン２０に装着され、且つ、ピストン２０がシリンダ１０に装着された状態を、「
使用状態」と称する場合がある。

トップリング３０及びセカンドリング４０は、ピストンリングの一種であるコンプレッションリングであり、内燃機関のシリンダに装着されたピストンに組み付けられ、ピストンの往復運動に伴ってシリンダの内壁面を摺動する。トップリング３０及びセカンドリング４０は、リング溝に装着された場合にシリンダ１０の内壁面１０ａを押圧するように、自己張力を有している。オイルリング５０は、ピストンリングの一種である所謂３ピース型のオイルリングであり、シリンダ１０の内壁面１０ａを摺動する一対のセグメント５０１，５０１と、これらを径方向外側（内壁面１０ａ側）に付勢するスペーサエキスパンダ５０２と、を備える。以下、本発明に係るピストンリングの一例であるセカンドリング４０について、詳細に説明する。

［セカンドリング］
図１に示すように、セカンドリング４０は、外周面１と内周面２と上面３と下面４とを有する。外周面１は、セカンドリング４０の外周に設けられた面である。内周面２は、セカンドリング４０の内周に設けられた面である。上面３は、４０の軸方向端面のうち内燃機関１００において上側（燃焼室側）に面する端面である。下面４は、４０の軸方向端面のうち内燃機関１００（使用状態）において下側（クランク室側）に面する端面である。上面３と下面４とによって、セカンドリング４０の軸方向における幅（以下、軸方向幅とも呼ぶ）が規定される。セカンドリング４０は、使用状態において、上面３が第２リング溝２０２の上壁面Ｗ１に対向し、下面４が第２リング溝２０２の下壁面Ｗ２に対向し、外周面１がシリンダ１０の内壁面１０ａに摺接し、内周面２が第２リング溝２０２の底壁面Ｗ３に対向する。セカンドリング４０は、合口（図示なし）が形成された円環状を有している。また、セカンドリング４０は、第２リング溝２０２に装着された場合に外周面１がシリンダ１０の内壁面１０ａを押圧するように、自己張力を有している。また、図１に示すように、セカンドリング４０は、その外周下部に符号５で示す切欠部（アンダーカット）が形成された、アンダーカット形状を有している。切欠部５は、セカンドリング４０の周長方向に延在しており、セカンドリング４０の全周に亘って形成されている。使用状態においては、切欠部５がオイル溜まりとなり、ピストン２０の下降時においてセカンドリング４０が隙間ＰＣ１内のオイルを掻き落とす際に、切欠部５にオイルがバッファされることで、油圧の上昇が抑制される。その結果、良好なオイル掻き性能が得られる。なお、切欠部５は、セカンドリング４０の全周に亘って形成される必要はなく、例えば、合口部近傍においては切欠部５が形成されていなくともよい。つまり、切欠部５は、合口部を形成する合口端部を除いてセカンドリング４０に形成されてもよい。これにより、ガスシール性能を高めることができる。

図２は、実施形態に係るセカンドリング４０の外周面１を説明するための断面図である。図２では、セカンドリング４０の周長方向に直交する断面の一部が図示されている。図２に示すように、セカンドリング４０の外周面１は、テーパ面１１とカット面１２と接続面１３とを有する。

図２に示すように、テーパ面１１は、符号１ａで示す外周端部１ａを含み、内燃機関１００においてシリンダ１０の内壁面１０ａを摺動する面である。外周端部１ａは、セカンドリング４０の周長方向に直交する断面において、セカンドリング４０において最大径となる部位である。図２に示す外周端部１ａは、縁として形成されているが、丸みを帯びた面として形成されてもよい。テーパ面１１は、外周端部１ａを下縁として、外周端部１ａから上側（燃焼室側）に向かうに従ってセカンドリング４０の中心軸に近づくように（つまり、縮径するように）傾斜している。これにより、実施形態に係るセカンドリング４０の外周形状は、テーパアンダーカット形状となっている。テーパ面１１は、本発明に係る「外周端面」に相当する。なお、本発明に係る外周端面は、軸方向の位置によらず外径が
一様なストレート面であってもよい。その場合、ストレート面の全体が外周端部となる。また、本発明に係る外周端面は、径方向の外側に凸状となるように湾曲したバレル形状であってもよい。その場合、バレル形状の頂点が外周端部となり、該頂点から下方にアンダーカットが形成される。

図２に示すように、接続面１３は、テーパ面１１の上縁と上面３の外周縁とを接続している。なお、本発明において、接続面１３は必須の構成ではない。

図２に示すように、カット面１２は、テーパ面１１と下面４との間に切欠部５を形成するように設けられており、テーパ面１１と下面４とを接続している。カット面１２は、湾曲凹面１２１と下側Ｒ面１２２とを含んで構成されている。図２に示すように、湾曲凹面１２１は、下側（クランク室側）に向かうに従ってセカンドリング４０の中心軸に接近するように凹状に湾曲している。ここで、湾曲凹面１２１の曲率半径をＲ１とする。図２に示すように、セカンドリング４０の周長方向に直交する断面において、湾曲凹面１２１は、上側に凸の曲線を呈している。より具体的には、実施形態に係る湾曲凹面１２１は円弧状に形成されており、その曲率半径Ｒ１は湾曲凹面１２１の全域において一定である。つまり、実施形態に係る湾曲凹面１２１は、曲率が変化しない単一の円弧により形成されている。但し、本発明における湾曲凹面の形状はこれに限定されない。湾曲凹面は、曲率が変化するように形成されてもよい。図２に示すように、湾曲凹面１２１の上縁は、外周端部１ａに接続されている。なお、湾曲凹面１２１と外周端部１ａとの間には別の面（例えばＲ面）が介在してもよい。図２の符号Ｐ１は、セカンドリング４０の周長方向に直交する断面において湾曲凹面１２１において最も上側に位置する点を示す。本実施形態では、湾曲凹面１２１の上縁が外周端部１ａに接続されているため、点Ｐ１は外周端部１ａに一致する。

図２に示すように、下側Ｒ面１２２は、湾曲凹面１２１の下縁と下面４の外周縁とを接続している。下側Ｒ面１２２は、面取り加工により形成された所謂コーナーＲであり、セカンドリング４０の周長方向に直交する断面において、凸状となるように、円弧状に形成されている。図２に示すように、下側Ｒ面１２２の曲率半径をｒ１とする。なお、本発明において、下側Ｒ面１２２は必須の構成ではない。

ここで、図２に示すように、セカンドリング４０の周長方向に直交する断面において、点Ｐ１から径方向の外側へ下面４と平行に延在する仮想の直線を第１仮想直線ＶＬ１とする。また、図２の符号Ｔ１は、セカンドリング４０の周長方向に直交する断面における、点Ｐ１における湾曲凹面１２１の接線を示す。このとき、第１仮想直線ＶＬ１に対する接線Ｔ１の傾斜角度をθ１とする。また、セカンドリング４０の軸方向幅をｈ１とし、カット面１２の軸方向幅（即ち、切欠部５の幅）をＨとする。また、セカンドリング４０の径方向におけるカット面１２の長さ（即ち、切欠部５の深さ）をＤとする。このとき、実施形態に係るセカンドリング４０では、５°≦θ１≦５０°となるように、θ１が設定されている。また、セカンドリング４０では、０．２≦Ｈ／ｈ１≦０．４となるように、ｈ１及びＨが設定されている。なお、ｈ１の範囲は特に限定されないが、例えば、０．８ｍｍ≦ｈ１≦２．５ｍｍ以下とするのが好ましい。

［オイルシール性能］
以下、実施形態に係るセカンドリング４０のオイル掻き落とし性能について説明する。図３は、実施形態に係る内燃機関１００においてピストン２０が下降行程のときのセカンドリング４０付近の断面図である。図４は、比較例に係る内燃機関２００においてピストン２０が下降行程のときのセカンドリング６０付近の断面図である。図３及び図４では、ピストン２０の中心軸に沿う断面が図示されている。図４に示す比較例に係る内燃機関２００は、実施形態に係るセカンドリング４０に代えて、従来のテーパアンダーカット形状
のセカンドリング６０がピストン２０の第２リング溝２０２に装着されている点で、実施形態に係る内燃機関１００と相違する。ここで、図３及び図４の符号Ｆ１は、シリンダ１０の内壁面１０ａに存在する一部のオイルのピストン２０に対する相対的な流れを表している。また、符号Ｃ１は、第２リング溝２０２の下壁面Ｗ２とピストン２０の外周面２０ａとの間に形成された面取り部分を示す。

図４に示すように、比較例に係る内燃機関２００では、セカンドリング６０によって掻き落とされたオイルの一部がアンダーカットの表面を流動する場合がある。その場合、当該一部のオイルは、隙間ＰＣ１に落とされずに第２リング溝２０２の面取り部分Ｃ１に当たり、セカンドリング６０の下面４と第２リング溝２０２の下壁面Ｗ２との間に流れ込む可能性がある。そのため、比較例では、セカンドリング６０の下面４と第２リング溝２０２の下壁面Ｗ２との間に流れ込んだ一部のオイルがリング背面（より詳しくは、セカンドリング６０の内周側）を通過し、燃焼室側に流出することで、オイル消費量が増大する虞がある。

これに対して、実施形態に係る内燃機関１００では、セカンドリング４０の外周面１が上述のように凹状に湾曲した湾曲凹面１２１を有している。そのため、図３に示すように、セカンドリング４０によって掻き落とされたオイルの一部が湾曲凹面１２１を流動した場合に、当該一部のオイルを拡散させることで、サードランドＬ３の隙間ＰＣ１に落とし易くなる。これにより、セカンドリング４０の下面４と第２リング溝２０２の下壁面Ｗ２との間にオイルが流れ込むことが抑制される。

［作用・効果］
以上のように、実施形態に係るセカンドリング４０において切欠部５を形成するカット面１２は、下側に向かうに従ってセカンドリング４０の中心軸に接近するように凹状に湾曲した湾曲凹面を含んでいる。また、実施形態に係るセカンドリング４０では、第１仮想直線ＶＬ１に対する接線Ｔ１の傾斜角度θ１が５°以上５０°以下であり、Ｈ／ｈ１が０．２以上０．４以下となっている。実施形態に係るセカンドリング４０は、以上のように構成されることで、オイルシール性能を高め、内燃機関１００のオイル消費量を低減することができる。

ここで、カット面の長さＤが過大になると、ピストンの面取り部に当たるオイルの量が増えるため、リング下面（ピストンリングの下面とリング溝の下壁面との間）へのオイルの流出量が増加する。θ１が５°未満の場合、アンダーカット部分（切欠部５）の容積を確保しつつ、カット面の長さＤが過大とならないようにするためには、カット面の軸方向幅Ｈを小さくし、湾曲凹面の曲率半径Ｒ１を小さくする必要がある。Ｒ１が小さくなることにより、クランク室側へ向けて流れるオイルの勢いが弱まる。その結果、ピストンの面取り部に乗り上げるオイルが増え、リング下面へのオイルの流出が増加する（図１０参照）。θ１が５０°以上の場合、アンダーカット部分（切欠部５）の容積を確保しつつ、湾曲凹面を成立させるためにはカット面の軸方向幅Ｈを高くする必要があり、カット面１２の長さＤを小さくする必要がある。カット面の長さＤを小さくすることで、オイルの渦が発生し、ピストンの面取り部に乗り上げるオイルの量が増えるため、リング下面へのオイルの流出が増加する。以上のように、θ１が５°未満の場合やθ１が５０°を超える場合には、アンダーカット部分（切欠部５）の寸法が限定されてしまうため、形状設計が制約を受ける。また、Ｈ／ｈ１が０．２未満の場合、アンダーカット部分（切欠部５）の空間が狭くなり、早い段階からピストンリングの下面とリング溝の下壁面との間にオイルが流出する（図１１参照）。また、Ｈ／ｈ１が０．４よりも大きい場合、アンダーカット部分の空間が広くなり、アンダーカット部分にてオイルが旋回し渦が発生する。発生した渦によってオイルの拡散が妨げられ、サードランドの隙間に落とす（逃がす）オイルが減少する（図１２参照）。なお、θ１は、５°≦θ１≦４０°とすることがより好ましく、５°
≦θ１≦３０°とすることが更に好ましい。また、Ｈ／ｈ１は、０．２≦Ｈ／ｈ１≦０．３とすることがより好ましい。

なお、オイルシール性能の向上の観点では、下側Ｒ面の曲率半径ｒ１は、０．０１ｍｍ≦ｒ１≦０．２ｍｍとすることが好ましく、０．０５ｍｍ≦ｒ１≦０．２ｍｍとすることがより好ましい。また、同様の観点で、０．２ｍｍ≦Ｄ≦０．６ｍｍとすることがより好ましく、０．２ｍｍ≦Ｄ≦０．５ｍｍとすることが更に好ましい。また、同様の観点で、０．２ｍｍ≦Ｈ≦０．６ｍｍとすることがより好ましい。但し、本発明はこれらの数値に限定されない。外周面１に硬質被膜が存在する場合において、ｒ１が０．０１ｍｍ未満の場合、セカンドリング４０の下面４の研削加工の際に、被膜の角部分に欠けが発生する恐れがある。ｒ１が０．２ｍｍよりも大きい場合、カット面１２の全体において湾曲凹面１２１が占める割合が減る。それにより、湾曲凹面１２１の拡散力が減少し、リング下面を流動するオイルとピストン面取りに乗り上げるオイルが増え（ｒ１の拡大によってオイルがリング下面に誘導される）、クランク室側に落とされるオイルが減ると考えられる。

また、実施形態に係るセカンドリング４０では、周長方向に直交する断面において湾曲凹面１２１の全域に亘って曲率半径が一定となっている。例えば、ＰＶＤ（physical vapor deposition）法のようにターゲットを用いた蒸着法によってピストンリングの表面に
蒸着膜を形成する場合、対象となる面に曲率が変化する箇所が存在すると、蒸着膜の材料となる粒子が十分に衝突し難く、蒸着膜の膜厚が不均一となる場合がある。例えば、比較例に係るセカンドリング６０のアンダーカットの表面は、その曲率半径が一定ではないため、蒸着膜の膜厚が不均一となり易い。蒸着膜の膜厚が不均一だと、後工程の化成処理時に蒸着膜の薄い部分から処理液が基材表面と蒸着膜の間に浸透し、ピストンリングのエンジン組み付け作業において蒸着膜の剥離する虞がある。剥離した蒸着膜は異物となり、内燃機関の運転中にシリンダ内壁に傷を発生させる要因となる。このような問題に対して、実施形態に係るセカンドリング４０では、湾曲凹面１２１の全域に亘って曲率半径が一定であるため、湾曲凹面１２１に対して膜厚の均一性の高い蒸着膜を成膜することができる。これにより、蒸着膜の密着性を良好なものとすることができ、蒸着膜の浮きや剥離を抑制することができる。

［変形例］
図５は、実施形態の変形例に係るセカンドリング４０Ａの外周面１を説明するための断面図である。図５では、セカンドリング４０Ａの周長方向に直交する断面の一部が図示されている。図５に示すように、セカンドリング４０Ａは、外周面１に符号６で示す硬質被膜が形成されている点で、上述のセカンドリング４０と相違する。変形例に係るセカンドリング４０Ａでは、硬質被膜６によって外周面１が構成されている。

硬質被膜６は、ＰＶＤ処理被膜、ＤＬＣ被膜、クロムめっき処理被膜、窒化処理被膜、化成処理被膜、樹脂被膜、酸化処理被膜、Ni－Pめっき処理被膜、及び塗膜のうち少なく
とも何れか１つの層を含む被膜として形成されている。なお、「ＰＶＤ（physical vapor
deposition）処理被膜」とは、ＰＶＤ法により形成された被膜のことを指す。なお、Ｐ
ＶＤ法とは、膜材料を含んで形成されたターゲットから出射された膜材料の粒子を基材に付着させることで基材の表面に膜を形成する蒸着法の一種であり、物理気相成長とも呼ぶことができる。ＰＶＤ法には、イオンプレーティング法、真空蒸着法、イオンビーム蒸着法、スパッタリング法、ＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc）法等を含むことができる。また、「ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）被膜」とは、主として炭化水素や炭素の
同素体により構成される非晶質の硬質炭素被膜のことを指す。また、「クロムめっき処理被膜」とは、クロムめっきにより形成された被膜のことを指す。クロムめっきは工業用クロムめっきとも呼ばれる。「窒化処理被膜」とは、窒化処理により金属表面に窒素を浸透させることで形成される被膜のことを指す。「化成処理被膜」とは、化成処理により形成
された被膜のことを指す。化成処理の例としては、四三酸化鉄処理（黒染め）、リン酸塩処理、クロム酸塩処理などが挙げられる。また、リン酸塩処理の例としては、リン酸マンガン処理、リン酸亜鉛処理、リン酸鉄処理などが挙げられる。また、「樹脂被膜」とは、樹脂材料により形成された被膜のことを指す。「酸化処理被膜」とは、酸化処理により金属表面を酸化させることで形成される被膜のことを指す。酸化処理の例としては、アルマイト処理などが挙げられる。「Ni－Pめっき処理被膜」とは、無電解Ni－Pめっきにより形成された被膜のことを指す。なお、「塗膜」とは、ペイント（塗料）の塗布により形成された膜のことを指す。「塗膜」や「樹脂被膜」の例としては、水性又は油性の樹脂ペイントによる樹脂塗膜などが挙げられる。このような硬質被膜を形成することで、セグメントの上下面の耐摩耗性を高めることができる。硬質被膜６としては、例えば、Ｃｒ窒化物被膜（Ｃｒ－Ｎ膜やＣｒ－Ｂ－Ｎ膜など）、や非晶質炭素被膜が例示される。但し、本発明に係る硬質被膜は、これらに限らない。変形例１によると、硬質被膜６を外周面１に形成することで、外周面１の耐摩耗性を高めることができる。

＜密着性評価＞
実施形態に係るセカンドリングに成膜されたＰＶＤ被膜の密着性の評価を行った。密着性の評価では、化成処理により酸化被膜を成膜した後のセカンドリングを対象に捩れ試験を実施し、カット面にＰＶＤ被膜の剥離が存在するか否かを目視にて観察した。図６は、捩れ試験を説明するための図である。捩れ試験では、図６に示すように、セカンドリング４０の合口を形成する一対の合口端部４１０，４２０を掴持し、中心軸に対して合口の反対側部位４３０を支点として、セカンドリングが図６の実線で示される姿勢となる方向にセカンドリングを所定の捩れ角度で捻った。なお、このときの捩れ角度は１８０°とした。

［実施例］
実施例として、図２で示した実施形態に係るセカンドリング４０の外周面１に硬質被膜としてＰＶＤ被膜を成膜した場合の密着性を評価した。

［比較例］
比較例１として、図４で示した比較例に係るセカンドリング６０の外周面１に硬質被膜６としてＰＶＤ被膜を成膜した場合の密着性を評価した。

［実験結果］
表１に示す評価結果は、密着性評価の結果を以下の評価基準で表したものである。評価基準は、ＰＶＤ被膜の剥離の発生が確認されなかったものを「○」とし、剥離の発生が確認されたものを「×」とした。表１に示すように、比較例よりも実施例の方が密着性に優れる結果となった。これにより、実施形態１に係る表面処理方法によってＰＶＤ被膜の密着性が向上することを確認できた。

＜オイルシール性能評価＞
解析ソフトを用いた解析により、実施形態に係るセカンドリングのオイルシール性能の評価を行った。シール性能の評価では、内燃機関におけるピストンの下降行程におけるオイルの流出量を解析した。

［比較評価］
実施例１～２として、図２で示した実施形態に係るセカンドリング４０のオイルシール性能を評価した。実施例１では、ｈ１＝１．４８ｍｍ、Ｈ＝０．４２ｍｍ、Ｄ＝０．３ｍｍ、θ１＝２０°のセカンドリングを用いた。実施例２では、ｈ１＝１．４８ｍｍ、Ｈ＝０．３６ｍｍ、Ｄ＝０．３１ｍｍ、θ１＝８°のセカンドリングを用いた。比較例として、図４で示した比較例に係るセカンドリング６０のオイルシール性能を評価した。

［比較結果］
図７は、比較例に対する実施例のオイル流出量比を示すグラフである。図７の縦軸で表されるオイル流出量比は、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量の比である。図７に示す通り、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量について、比較例に対する実施例１の比は、０．５９となった。また、比較例に対する実施例２のオイル流出量の比は、０．６１となった。図７の解析結果により、実施例１～２は比較例と比較してセカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量が低減されることが分った。

［パラメータ評価］
図８は、θ１とオイル流出量との関係を示すグラフである。図８では、実施形態に係るセカンドリングにおいて、θ１＝０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°とした場合のθ１とオイル流出量との関係が示されている。また、図９は、Ｈ／ｈ１とオイル流出量との関係を示すグラフである。図９では、実施形態に係るセカンドリングにおいて、Ｈ／ｈ１＝０．１５、０．２、０．３、０．４、０．４５とした場合のＨ／ｈ１とオイル流出量との関係が示されている。図８や図９において縦軸で表されるオイル流出量は、セカンドリングの外周面とシリンダの内壁面との間を通ってセカンドランドに流出するオイルの量である。また、図１０は、Ｄとオイル流出量との関係を示すグラフである。図１０では、実施形態に係るセカンドリングにおいて、Ｄ＝０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍとした場合のＤとオイル流出量との関係が示されている。図１０の縦軸で表されるオイル流出量は、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイルの量である。図８に示すように、θ１＝０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°の場合の方がθ１＝６０°の場合よりもセカンドランドへのオイル流出量が比較的少ないことが分る。これにより、θ１を５０°以下とすることでセカンドランドへのオイル流出量が低減することが分った。また、図９に示すように、Ｈ／ｈ１＝０．２、０．３、０．４の場合の方がＨ／ｈ１＝０．１５、０．４５の場合よりもセカンドランドへのオイル流出量が比較的少ないことが分る。これにより、Ｈ／ｈ１が０．２以上０．４以下とすることでセカンドランドへのオイル流出量が低減することが分った。また、図１０に示すように、０．２ｍｍ≦Ｄ≦０．５ｍｍの範囲においてセカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間のオイル流出量が低減されることが分った。特に、Ｄが０．３ｍｍ付近においてオイル流出量が最も少ないことが分る。つまり、Ｄ＜０．３ｍｍの範囲では、Ｄが小さくなるほどオイル流出量が増加する。これは、シリンダの内壁面のオイルとリングのアンダーカット部分（切欠部）のオイルとが干渉することでオイルの渦が発生し、流速の低下したオイルがリング下面に沿って流れるためだと考えられる。また、Ｄ＞０．３ｍｍの範囲では、Ｄが大きくなるほどオイル流出量が増加する。これは、ピストンの面取り部に当たるオイルの量が増加することでリング下面に沿って流れるオイルの量が増加するためだと考えられる。

＜流動分布評価＞
実施形態に係るセカンドリングを用いた場合のオイルの流れを解析ソフトにより解析した。図１１～図１３は、ピストンの下降行程における内燃機関のセカンドリング付近のオイルの流動分布の解析結果を示す図である。図１１～図１３において、「Volume Fraction of Oil」のグラデーションスケールは、オイルの体積分率を表している。図１１～図１３の解析結果において、黒い部分はオイルの比率が低く（空気が多い）、白い部分はオイルの比率が高い（オイルが多い）。また、図１１～図１３の白矢印は、オイルが流れる方向を示している。

図１１では、θ１＝０°、θ１＝１０°、θ１＝２０°とした場合の夫々の流動分布が示されている。図１１に示すように、θ１＝１０°、θ１＝２０°の場合は、θ１＝０°の場合と比較して、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量が少ないことが分る。図１１に示すように、θ１＝１０°、θ１＝２０°の場合は、θ１＝０°の場合と比較してセカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量が低減されることが分る。

図１２では、Ｈ／ｈ１＝０．２、Ｈ／ｈ１＝０．４、Ｈ／ｈ１＝０．５とした場合の夫々の流動分布が示されている。図１２に示すように、Ｈ／ｈ１＝０．５の場合は、オイルの渦が発生し、ピストンの面取り部に当たるオイルの量が増える結果、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量が増加することが分る。

図１３では、上述の比較例、実施例１、及び実施例２の夫々の流動分布が示されている。図１３に示すように、実施例１及び実施例２は、比較例と比較して、セカンドリングの下面とリング溝の下壁面との間に流出するオイル量が少ないことが分る。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した種々の形態は、可能な限り組み合わせることができる。なお、本発明の適用対象は特に限定されないが、本発明に係るピストンリングは、内燃機関の中でもガソリンエンジンに例示される火花点火機関に対して好適に適用することができる。但し、本発明に係るピストンリングは、ディーゼルエンジンに例示される圧縮着火機関に適用しても差し支えない。また、本発明に係るピストンリングをセカンドリングとして火花点火機関に適用した場合には、図１で示すように、トップリングの外周形状をバレル形状とし、オイルリングのセグメントの外周形状をバレル形状とすることが特に好ましい。これにより、フリクションの増加を抑えつつもガスシール性能とオイルシール性能とを確保することができる。なお、「バレル形状」とは、ピストンリングにおいて最大径となる頂部を含んで径方向外側に凸状となるように湾曲した外周面形状のことを指し、頂部が上下中央に位置する対称バレル形状や頂部が上下中央より上下どちらかにオフセットする偏心バレル形状を含むものとする。

１ ：外周面
１ａ ：外周端部
１２ ：カット面
１２１ ：湾曲凹面
１２２ ：下側Ｒ面
２ ：内周面
３ ：上面
４ ：下面
５ ：切欠部
６ ：硬質被膜
１０ ：シリンダ
２０ ：ピストン
４０ ：セカンドリング（ピストンリングの一例）
１００ ：内燃機関

Claims (5)

1. 内燃機関のピストンに装着されるピストンリングであって、
   該ピストンリングの外周に設けられた外周面と、該ピストンリングの内周に設けられた内周面と、該ピストンリングの軸方向端面のうち前記内燃機関において燃焼室側に面する上面と、該ピストンリングの軸方向端面のうち前記内燃機関においてクランク室側に位置する下面と、を有し、
   前記外周面は、該ピストンリングの周長方向に直交する断面において、該ピストンリングにおいて最大径となる外周端部を含む外周端面と、前記外周端面と前記下面との間に該ピストンリングの周長方向に延在する切欠部を形成するように前記外周端面と前記下面とを接続するカット面と、を有し、
   前記カット面は、前記クランク室側に向かうに従って該ピストンリングの中心軸に接近するように凹状に湾曲した湾曲凹面を含み、
   該ピストンリングの周長方向に直交する断面において、前記下面と平行に延在する第１仮想直線に対する、前記湾曲凹面において最も前記燃焼室側に位置する点における前記湾曲凹面の接線の傾斜角度は、５°以上５０°以下であり、
   該ピストンリングの軸方向幅をｈ１とし、前記カット面の軸方向幅をＨとしたとき、Ｈ／ｈ１が０．２以上０．４以下であり、
   前記ピストンリングの径方向における前記カット面の長さをＤとしたとき、０．２ｍｍ≦Ｄ≦０．６ｍｍである、
   ピストンリング。
2. 前記ピストンリングの周長方向に直交する断面において、前記湾曲凹面は、その全域に亘って曲率半径が一定である、
   請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記外周面には、ＰＶＤ処理被膜、ＤＬＣ被膜、クロムめっき処理被膜、窒化処理被膜、化成処理被膜、樹脂被膜、酸化処理被膜、Ni－Pめっき処理被膜、及び塗膜のうち少な
   くとも何れか１つの層を含む硬質被膜が形成されている、
   請求項１又は２に記載のピストンリング。
4. 前記カット面は、前記湾曲凹面と前記下面とを接続する下側Ｒ面を更に含み、
   前記下側Ｒ面の曲率半径は、０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である、
   請求項１から３の何れか一項に記載のピストンリング。
5. 複数のコンプレッションリングがピストンに装着される内燃機関において、前記複数のコンプレッションリングのうち燃焼室側から２番目の位置に装着されるセカンドリングとして形成されている
   請求項１から４の何れか一項に記載のピストンリング。

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