KR101898049B1 - 조합 오일링 - Google Patents

Abstract

오일링 접동시의 오일 소비량의 저감을 도모하는 것과 동시에 프릭션의 저감을 도모하는 것이 가능한 조합 오일링을 제공하는 것이다.
한 쌍의 세그먼트 중의 엔진 연소실 측에 배치하는 상부 세그먼트의 외주면의 형상이, 상부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부의 단점으로부터 각각 실린더 내벽과 접동하는 상기 외주면의 선단부로 향해 한 쌍을 이루면서 대칭이 되는 곡선 형상이며, 외주 선단부가 외주면의 정점을 사이에 두고 상부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 비대칭 형상이다. 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 배치하는 하부 세그먼트의 외주면의 형상이, 하부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부의 단점으로부터 각각 실린더 내벽과 접동하는 외주면의 선단부로 향해 한 쌍을 이루면서 대칭이 되는 곡선 형상이며, 외주 선단부가 외주면의 정점을 사이에 두고 하부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 대칭이 되는 형상이다.

Description

조합 오일링

본 발명은, 피스톤의 오일링 그루브에 장착되는 조합 오일링(combination oil ring)에 관한 것이다.

내연기관의 피스톤의 외주에 설치되어 있는 피스톤 링 그루브에는, 피스톤 링이 장착되어 있다. 통상의 가솔린 내연기관에 있어서의 피스톤 링의 구성은, 2개의 압축링 (compression ring)(톱 링 및 세컨드 링)과 조합 오일링으로부터 구성된다. 조합 오일링은, 오일 컨트롤 기능을 가지며, 엔진 오일의 소비를 억제하고 있다.

일반적으로, 2개의 세그먼트(사이드 레일)와 익스팬더 스페이서(스페이서 익스팬더)로 구성되는 조합 오일링에 있어서, 오일 소비량을 저감하기 위해서, 오일링 장력을 증가시키거나, 또는 오일링 장력은 동일로 하고, 세그먼트의 외주 형상에 있어서 세그먼트의 외주 접동면의 보아와의 축방향의 접촉폭을 작게 유지하기 위해 일정 길이의 측정폭에 있어서의 외주면(S)의 정점(이하, 「외주 정점」이라고 부름.)(SP)로부터의 낙차(직경 방향에서의 거리μm)를 크게 하는 것이 일반적인 수법이다. 통상, 오일링의 오일 컨트롤 성능은, 오일링 장력(접선 장력)과 세그먼트의 폭(h1)로부터 계산되는 면압(JIS B8032-13)을 지표로 하고 있지만, 여기에서는 세그먼트의 폭을 세그먼트의 외주 접동면의 보아와의 축방향의 접촉폭으로서 바꿔 놓는 것으로 이하를 실제 면압이라고 한다. 실제 면압은, 보아직경을 d(mm), 오일링 장력을 Ft(N), 세그먼트의 외주 접동면의 보아와의 축방향의 접촉폭을 h2(mm), 실제면압을 P(N/mm²)로 하면, 이하의 수식(1)에 의해 계산된다.

P=Ft/d·h2 ···(1)

실제로 접동할 때의 세그먼트의 보아와의 접촉폭(h2)가 작으면, 상기 수식(1)에 있어서 실제면압(P)가 커져 오일 소비량의 저감이 가능하게 된다. 또, 오일링 장력(Ft)을 증가시키는 것은, 상기 수식(1)로부터 실제면압(P)가 커져, 오일 소비량의 저감이 가능하게 된다. 한편, 오일 소비량 저감의 수단의 실행은, 프릭션의 증가를 유발하는 일이 있다.

이러한 오일링에 관한 선행 기술 문헌으로서는, 이하의 것이 있다. 특허 문헌 1에는, 오일링의 2개의 디스크(사이드 레일 또는 세그먼트)에 있어서, 2개의 디스크는 동일한 것이며, 그 주행면(走行面)(세그먼트의 선단 외주면)이 볼록한 곡면상의 비대칭의 형상을 가지고, 하나의 경우는 2개의 디스크의 외주면의 정점선이 각각 링 그루브의 중앙으로 향해 방향을 정해진 기름 긁기 링의 발명과, 2개의 디스크의 외주면의 정점선이 각각 링 그루브의 피스톤 톱과는 반대 방향의 측면을 향해 방향을 정해진 기름 긁기 링의 발명이 개시되어 있다. 또, 디스크의 주행면의 횡단면은, 제1의 구분(I)에서, h(x)=ax＋bx²에 의해 나타내지는 2차의 다항식의 비대칭의 형상이며, 에지로서 구성된 지지하는 정점(II) h(x=0)의 뒤, 제3의 구분(III)에서, 함수 h(x)=cx²의 비대칭의 형상이며, 기름 긁기 작용을 개선하는 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는, 상하 레일을 웹으로 연결한 단면이 대략 I자형 모양의 오일링의 레일 외주면이, 레일축방향의 폭중심으로부터 축방향 아래 가까이를 정점으로 한 비대칭 배럴 곡면으로부터 형성되어 있고, 단기통 모터링 시험기에 의한 마찰 손실력이 저감하고 있는 것이 개시되어 있다.

JP특허 제 4800946호 공보 JP특허 제 4322500호 공보

최근, 엔진의 저연비화를 실현하기 위해, 프릭션의 저감을 목적으로 한 피스톤 링의 저장력화가 진행됨과 동시에, 그 외주면에 저 프릭션의 내마모성 피막을 형성하는 기술이 진행하고 있다. 오일링의 저장력화는, 엔진이 고회전이 되는 고속역에 있어서는, 유막의 두께를 보다 증대시키므로 오일 소비량이 증대한다고 하는 문제를 유발한다. 또한, 오일링 장력의 수준은, 오일링 장력(Ft)(단위:N)를 보아 직경(d)(단위:mm)로 나눈 값 Ft/d(단위:N/mm) 즉, 보아직경 당의 오일링 장력을 대용하고, 종래의 수준은 0.5∼0.6(N/mm)에 있고, 저장력화라고 하는 수준은 0.35(N/mm) 이하라고 알려져 있다.

거기서, 오일링이 저장력이고 오일 소비량의 증대를 억제하기 위해 유막의 두께를 얇게 시키도록 컨트롤 하는 것을 노린 세그먼트의 외주 형상 및 프릭션의 저감에 기여하는 세그먼트의 외주 형상의 조합을 발명하고, 오일 소비량 측정 시험 및 크랭크식 단기통 모터링 시험기(부동 라이러 방식)에 의한 프릭션 측정 시험을 실시했다.

본 발명은 상기한 사정에 의거해 이루어진 것이며, 오일링 장력이 저장력이어도, 엔진이 고회전이 되는 고속역에 있어서의 오일 소비량의 저감이 가능함과 동시에, 오일링 접동에 의한 프릭션을 저감하는 것이 가능한 조합 오일링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1의 관점에 의하면, 내연기관용 피스톤의 오일링 그루브에 장착되며, 외주면이 실린더 내벽을 접동하는 한 쌍의 세그먼트와, 한 쌍의 세그먼트의 사이에 배치됨과 동시에 한 쌍의 세그먼트의 외주면을 실린더 내벽에 압압하는 익스팬더 스페이서를 구비하는 조합 오일링에 있어서,

한 쌍의 세그먼트 중의 엔진 연소실 측에 배치하는 상부 세그먼트의 임의의 종단면에 있어서의 외주면의 형상은, 상부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부의 단점으로부터 각각 실린더 내벽에 향하는 직경 방향에서, 상부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 엔진 연소실측과 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에서 한 쌍을 이루면서 대칭이 되는 곡선 형상을 가지고, 외주면의 형상의 실린더 삽입시 내벽에 접하는 외주 정점측이, 외주 정점을 사이에 두고 상부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 비대칭 형상을 가지고, 비대칭 형상의 양단의 연장은, 상부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부를 단점으로 하는 곡선 형상에 각각 연속한 형상이며,

비대칭 형상은, 상부 세그먼트의 폭의 중심을 통과하는 선을 제1 중간선으로 하고, 상부 세그먼트의 종단면에 있어서의 외주면을 트레이스 한 윤곽 곡선의 외주 선단부에 있어서, 외주 정점에서 상부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 외주 정점으로부터의 거리 4.0μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중의 엔진 연소실측의 위치를 제1 위치(a1), 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 제2 위치(b1)로 하고, 이들 제1 위치(a1)와 제2 위치(b1)의 사이의 선분의 길이를 (L)로 하고, 이 길이(L)의 선분의 중간선을 제2 중간선으로 했을 때, 제2 중간선은, 제1 중간선보다 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 위치하며, 상부 세그먼트의 외주 정점은, 제2 중간선상에 위치하거나, 또는 제2 중간선보다 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 위치하고, 상부 세그먼트는, 외주 정점이 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 위치하듯이 오일링 그루브에 장착되고, 한 쌍의 세그먼트중의 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 배치하는 하부 세그먼트의 임의의 종단면에 있어서의 외주면의 형상은, 하부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부의 단점으로부터 각각 실린더 내벽에 향하는 직경 방향에서, 하부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 엔진 연소실측과 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에서 한 쌍을 이루면서 대칭이 되는 곡선 형상을 가지고, 외주면의 형상의 실린더 삽입시 내벽에 접하는 외주 정점측이, 외주 정점을 사이에 두고 하부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 대칭이 되는 호모양을 가지고, 호모양의 양단의 연장은, 하부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부를 단점으로 하는 곡선 형상에 각각 연속하는 형상이며, 하부 세그먼트는 오일링 그루브에 장착되고, 상부 세그먼트 외주 선단부에 있어서의 비대칭 형상의 윤곽 곡선을, 상부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 외주 정점과 외주 정점으로부터 거리 1.5μm로 끼는 윤곽 곡선 부분과, 상부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 외주 정점으로부터 거리 1.5μm와 거리 4.0μm로 끼는 윤곽 곡선 부분의 2개의 영역에 구분했을 때, 실린더의 엔진 연소실측으로부터 순서로 제1 윤곽 구분, 제2 윤곽 구분 및 제3 윤곽 구분으로 하고, 제1 윤곽 구분은, 제2 윤곽 구분의 상기 엔진 연소실측의 제1 단부를 시점으로서 직선 형상 또는 2차 곡선 형상의 일부로 설치되고, 제2 윤곽 구분은, 그 중도에 외주 정점이 존재하고, 호모양으로 설치되며, 제3 윤곽 구분은, 제2 윤곽 구분의 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 제2 단부를 시점으로 해 2차 곡선 형상의 일부가 되도록 설치되고, 상부 세그먼트의 외주면 중의 비대칭 형상 부분의 표면 거침도는 0.1μmRa 이하이며, 윤곽 곡선에 있어서의 외주 선단부 중의 외주 정점에서 상부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 1.5μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중의 엔진 연소실측의 위치를 제3 위치(a2)로 하고, 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 제4 위치(b2)로 하고, 제1 위치(a1)와 제2 위치(b1)의 사이의 선분의 길이(L)가 0.05 mm≤L≤0.18 mm이며, 제1 위치(a1)와 제3 위치(a2)를 통과하는 제1 직선과 실린더의 축방향이 이루는 각도(상방각)를 θ1도, 제2 위치(b1)와 제4 위치(b2)를 통과하는 제2 직선과 실린더의 축방향이 이루는 각도(하방각)를 θ2도로 했을 때, 3도≤θ1≤9도, 9도≤θ2의 조건을 만족하며, 또한, 하부 세그먼트의 외주면 중의 하부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 외주 정점으로부터 적어도 거리 10μm까지의 대칭 부분의 표면 거침도는 0.1μmRa 이하이며, 하부 세그먼트의 종단면에 있어서의 상기 외주면을 트레이스 한 윤곽 곡선의 외주 선단부에 있어서, 외주 정점에서 하부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 4.0μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중의 엔진 연소실측의 위치를 제5 위치(a1x), 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 제6 위치(b1x),외주 정점에서 하부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 1.5μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중의 엔진 연소실측의 위치를 제7 위치(a2x), 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 제8 위치(b2x)로 하고, 제5 위치(a1x)와 제6 위치(b1x)의 사이의 선분의 길이를(Lx)로 했을 때, 길이(Lx)가 0.08 mm≤Lx≤0.20 mm이며, 제5 위치(a1x)와 제7 위치(a2x)를 통과하는 제1 직선과 실린더의 축방향이 이루는 각도(상방각)를 θ1x도, 제6 위치(b1x)와 제8 위치(b2x)를 통과하는 제2 직선과 실린더의 축방향이 이루는 각도(하방각)를 θ2x도로 했을 때, 2도≤θ1x≤9도, 2도≤θ2x≤9도, |θ1x-θ2x|≤1.5도의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 조합 오일링이 제공된다.

발명의 제2의 관점에 의하면, 하부 세그먼트의 종단면에 있어서의 외주면을 트레이스 한 윤곽 곡선의 외주 선단부에 있어서,길이(Lx)가 0.08 mm≤Lx≤0.18 mm이며, 3도≤θ1x≤9도, 3도≤θ2x≤9도, |θ1x-θ2x|≤1.5도의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 조합 오일링이 보다 바람직하다.

발명의 제3의 관점에 의하면, 한 쌍의 세그먼트의 각각의 외주면 표면이, 하기 (1)-(3) 중의 어느 하나의 피막을 가지고 있는 것이 바람직하다.

(1) 크롬 질화물로부터 구성되는 피막,

피막의 표면 경도는 800 HV 이상, 피막의 두께는 10μm 이상

(2) 탄소만으로부터 구성되는 DLC(비정질 탄소) 피막,

피막의 표면 경도는 1500 HV 이상, 피막의 두께는 3μm 이상

(3) (1)의 경질 피막상에 (2)의 DLC 피막으로부터 구성되는 다층 적층 구조의 피막

크롬 질화물 피막(PVD 피막)의 피막의 두께는 5μm 이상, DLC 피막의 피막의 두께는 0.5μm 이상.

본 발명에 의하면, 오일링이 저장력이어도, 엔진이 고회전이 되는 고속역에 있어서의 오일 소비량의 저감이 가능함과 동시에, 오일링 접동에 의한 프릭션의 저감을 도모하는 것이 가능한 조합 오일링을 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일실시형태와 관련되는 조합 오일링의 구성을 나타냄과 동시에, 조합 오일링을 장착한 피스톤이 실린더에 삽입된 상태를 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 세그먼트의 외관을 나타내는 평면도이다.
도 3은, 도 2의 A-A선에 따라서 엔진 연소실 측에 배치하는 상부 세그먼트(11)를 절단한 상태를 나타내는 종단면도이다.
도 4는, 도 2의 A-A선에 따라서 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 배치하는 하부 세그먼트(12)를 절단한 상태를 나타내는 종단면도이다.
도 5는, 익스팬더 스페이서의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은, 엔진 연소실 측에 배치하는 상부 세그먼트(11)의 외주면의 형상을 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다.
도 7은, 도 6에 있어서의 상부 세그먼트(11)의 외주면의 선단 부분을 확대한 상태를 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다.
도 8은, 엔진 연소실측에서 멀어지는 측에 배치하는 하부 세그먼트(12)의 외주면의 형상을 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다.
도 9는, 도 8에 있어서의 하부 세그먼트(12)의 외주면의 선단 부분을 확대한 상태를 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다.
도 10은, 도 6에 있어서의 상부 세그먼트(11)의 외주면을 측정했을 때의 윤곽 곡선이다.
도 11은, 도 10에 있어서의 상부 세그먼트(11)의 외주면의 선단 부분을 확대해 나타내 보이는 윤곽 곡선이다.
도 12는, 도 8에 있어서의 하부 세그먼트(12)의 외주면을 측정했을 때의 윤곽 곡선이다.
도 13은, 도 12에 있어서의 하부 세그먼트(12)의 외주면의 선단 부분을 확대해 나타내 보이는 윤곽 곡선이다.
도 14는, 프릭션 측정에 이용한 크랭크식 단기통 모터링 시험기(부동 실린더 라이너 방식)의 모식 개략도이다.
도 15는, 표 4에 근거해, 횡축을 엔진 회전수, 종축을 FMEP비로서 실시예 8∼12, 비교예 7, 참고예 3에 대한 엔진 회전수와 FMEP비의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태와 관련되는 조합 오일링(combination oil ring)(10)에 대해서, 도면에 근거해 설명한다.

<1. 조합 오일링(10)의 구성에 대해>

도 1은, 조합 오일링(10)의 구성을 나타냄과 동시에, 조합 오일링(10)을 장착한 피스톤(2)이 실린더(1)에 삽입된 상태를 나타내는 종단면도이다.

도 1에 있어서, 자동차 등의 엔진의 실린더(1)의 내부에는, 왕복이동이 가능한 피스톤(2)이 배치되어 있다. 이 피스톤(2)의 외주면(3)에는, 2개 또는 3개중 어느 하나의 환모양의 그루브(groove)가 설치되어 있다(엔진 연소실측의 1개 또는 2개의 그루브는 도시를 생략). 그 중에서, 엔진 연소실에서 가장 떨어진 크랭크 샤프트(crank shaft)측(도시 생략)에는, 오일링 그루브(oil ring groove)(4)가 설치되어 있다. 오일링 그루브(4)에는, 오일 리턴 구멍(oil return hole)(5)가 설치되고, 조합 오일링(10)이 장착되어 있다. 이 조합 오일링(10)은, 오일 컨트롤 기능을 가지며, 실린더(1)의 내벽에 존재하는 엔진 오일이 적절한 두께가 되듯이 유막(油膜)을 형성한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 조합 오일링(10)은, 쓰리 피스(three piece)형의 조합 오일링이며, 강철을 주성분으로서 해 형성되어 있다. 이 조합 오일링(10)은, 한 쌍의 세그먼트(segment)(사이드 레일(side rail))(11, 12)와, 이들 사이에 배치되어 있는 익스팬더 스페이서(expander spacer)(13)을 가지고 있다. 한 쌍의 세그먼트(11, 12)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 각각 소정의 세그먼트 폭(h1)을 가지고 있다. 여기서, 세그먼트 폭(h1)이란, 실린더(1)의 축방향(Y방향)의 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 각각의 치수를 가리키며, 통상은 동일한 치수이다. 또, 한 쌍의 세그먼트(11, 12)는, 조합폭(組合幅)(h0)을 가지듯이 배치되어 있다. 여기서, 조합폭(h0)이란, 상부 세그먼트(11)의 상면(엔진 연소실측의 면)과 하부 세그먼트(12)의 하면(엔진 연소실로에서 멀어지는 측의 면)의 사이의 간격을 가리킨다. 또한, 상부 세그먼트(11)은, 오일링 그루브(4)의 엔진 연소실측의 상벽에 대해서, 사이드 클리어런스(SC)의 틈새를 두고 배치되어 있다. 또한, 사이드 클리어런스(SC)란, 오일링 그루브의 폭과 조합폭(h0)의 치수 차이를 말한다. 통상, 실린더의 보아직경(bore diameter)(d)가 50 mm∼100 mm의 범위에서는, 조합폭(h0)은 1.5 mm∼3.0 mm, 세그먼트의 폭(h1)은 0.30 mm∼ 0.5 mm, 사이드 클리어런스(SC)는 0.07mm∼0.15mm이다.

도 2는, 세그먼트(11, 12)의 외관을 나타내는 평면도이다. 도 3은, 도 2의 A-A선에 따라서 엔진 연소실 측에 배치하는 상부 세그먼트(11)를 절단한 상태를 나타내는 종단면도이다. 도 4는, 도 2의 A-A선에 따라서 엔진 연소실에서 멀어지는 측에 배치하는 하부 세그먼트(12)를 절단한 상태를 나타내는 종단면도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 세그먼트(11, 12)는, 그 외관이 환모양으로 설치되어 있다. 그리고, 이들의 원주방향의 단면끼리가 합구(合口)에 있어서 좁은 틈새를 두고 마주 향하고 있다. 또, 도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이, 세그먼트(11, 12)는, 각각, 그 외주면(S)측에, 내마모성 및 저마찰성을 향상시키기 위한 경질 피막(硬質被膜)(11a, 12a)이 설치되어 있다. 또한, 이 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단부분(SA)의 형상에 대해서는, 후술한다. 또, 경질 피막(11a, 12a)의 구체적인 재질이나 형성 수법에 대해서도 후술한다.

도 5는, 익스팬더 스페이서(13)의 구성을 나타내는 사시도(斜視圖)이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 익스팬더 스페이서(13)은, 그 원주방향에 따라서 나아가는 것에 따라, 상부 세그먼트(11)과 하부 세그먼트(12)중의 어느 하나에 번갈아 향하는 듯한 파형모양(波型形狀)에 설치되어 있다. 익스팬더 스페이서(13)이 이러한 파형모양으로 설치되는 것으로, 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)과의 사이에 틈새가 형성되어, 엔진 오일의 통로가 확보된다. 또한, 익스팬더 스페이서(13)은, 그 외관이 환모양으로 설치되어 있고, 그 원주방향의 단면끼리가 맞붙여진 상태로 2개의 세그먼트와 오일링 그루브(4)에 장착되는 것으로, 실린더(1)에 삽입하기 전에 설정되어 있는 압축 스프링으로서 작용하는 익스팬더 스페이서(13)의 자유 상태의 원주방향의 길이(자유 높이)가, 설정되어 있는 굴곡분 작아져, 조합 오일링(10)의 오일링 장력(Ft)을 발생한다.

이하에서는, 익스팬더 스페이서(13) 중의 실린더(1)의 축방향의 중심선(M)보다 엔진 연소실 측에 위치하는 부분을 상돌출부(上突出部)(14)로 하고, 중심선(M)보다 엔진 연소실에서 멀어지는 측에 위치하는 부분을 하돌출부(下突出部)(15)로 한다. 이들 상돌출부(14)와 하돌출부(15)가, 익스팬더 스페이서(13)의 원주방향에 있어서 반복해 주기적으로 연속하는 것으로, 익스팬더 스페이서(13)은 다수(多數)의 파형부분을 가지듯이 형성되어 있다.

상돌출부(14)와 하돌출부(15)는, 익스팬더 스페이서(13)에 대해, 예를 들어 소성가공(plastic working)을 실시하는 것으로 파형모양에 형성된다. 또한, 상돌출부(14)는, 상편부(上片部)(14a)와 이부(耳部)(14b)와 외주 지지부(14c)를 가지고 있다. 상편부(14a)는, 상부 세그먼트(11)에 대해서 마주 향하는 부분이며, 대략 수평에 설치되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어, 외주 지지부(14c)의 원주방향의 중앙 위치로부터 이부(14b)의 원주방향의 중앙 위치에 향하는 방향으로 우묵한 그루브(groove)가 설치되어 있어도 된다. 또, 실린더(1)의 축방향에 대해서 상하의 돌출부가 각각 번갈아 형성되는 파 형모양에 한정되지 않고, 익스팬더 스페이서(13)의 직경 방향에 있어서, 내주측에 이부를 가지고, 외주측에 세그먼트의 지지부를 가지며, 상돌출부와 하돌출부가 중심선(M)를 사이에 두고 대칭 형상에 설치되며, 원주방향에서 이부와 세그먼트의 지지부가 번갈아 형성되어 있는 익스팬더 스페이서(13)의 형상이어도 된다.

또, 이부(14b)는, 상편부(14a)보다 내주측에 위치하고 있고, 또한, 상편부(14a) 보다 엔진 연소실 측에(중심선(M)로부터 멀어지는 방향으로) 돌출해 설치되어 있다. 이부(14b)의 외주측에는, 실린더(1)의 축방향에 대해서 경사하고 있는 경사면(14b1)이 설치되어 있고, 이 경사면(14b1)은, 돌출한 선단부로부터 중심선(M)에 향하는 것에 따라 외주측에 향하듯이 경사하고 있다. 이 경사면(14b1)에는, 상부 세그먼트(11)의 내주측의 부위가 당접(當接)한다. 통상, 이 경사면(14b1)의 경사 각도는, 중심선(M)에 직교하는 면에 대해서 5도에서 30도의 범위에 설치되어 있고, 0도이어도 된다. 따라서, 경사면(14b1)의 경사 각도에 대향하는 상부 세그먼트(11)의 내주측의 부위가 경사면(14b1)에 당접한다.

또한, 이부(14b)와 상편부(14a)의 경계 부분에는, 엔진 오일이 유통하는 것이 가능한 연통공(連通孔)(14d)가 설치되어 있지만, 이 연통공(14d)가 존재하지 않는 구성을 채용해도 된다.

또, 외주 지지부(14c)는, 상편부(14a)보다 외주측에 위치하고 있다. 이 외주 지지부(14c)는, 상편부(14a)보다 엔진 연소실 측에(중심선(M)로부터 멀어지는 방향으로) 돌출해 설치되어 있다. 또한, 외주 지지부(14c)는, 그 상면측으로 상부 세그먼트(11)를 지지하는 부분이다. 그 때문에, 외주 지지부(14c)는, 이부(14b)보다는 돌출하지 않고, 또 윗면도 대략 수평에 설치되어 있다.

또, 하돌출부(15)는, 도 5에 있어서, 상돌출부(14)에 대해서 중심선(M)를 사이에 두고 대칭 형상에 설치되어 있음과 동시에, 원주방향에 있어서 상돌출부(14)에 인접(隣接)해 설치되어 있다. 그 때문에, 하돌출부(15)도, 상편부(14a)에 대해서 대칭 형상인 하편부(下片部)(15a)와, 이부(14b)에 대해서 대칭 형상인 이부(耳部)(15b)와, 외주 지지부(14c)에 대해서 대칭 형상인 외주 지지부(15c)를 가지고 있다. 또, 이부(15b)에는, 하부 세그먼트(12)의 내주측의 부위가 당접하는 경사면(15b1)이 설치되어 있고, 이 경사면(15b1)은, 중심선(M)에 향하는 것에 따라 외주측에 향하듯이 경사하고 있다. 이 경사면(15b1)에는, 하부 세그먼트(12)의 내주측의 부위가 당접한다. 통상, 이 경사면(15b1)의 경사 각도는, 중심선(M)에 직교 하는 면에 대해서 5도에서 30도의 범위에 설치되어 있고, 0도이어도 된다. 따라서, 경사면(15b1)의 경사 각도에 대향하는 하부 세그먼트(12)의 내주측 부위가 경사면(15b1)에 당접한다.

또, 이부(15b)와 하편부(15a)의 경계 부분에는, 엔진 오일이 유통하는 것이 가능한 연통공(連通孔)(15d)가 설치되어 있지만, 이 연통공(15d)가 존재하지 않는 구성을 채용해도 된다.

또한, 외주 지지부(15c)에서는, 그 하면측(크랭크 샤프트측의 면)에 하부 세그먼트(12)가 지지된다. 그 때문에, 상부 세그먼트(11)과 하부 세그먼트(12)는, 실린더(1)의 축방향에서 이간(離間)한 상태로 유지된다. 조합 오일링(10)은, 한 쌍의 세그먼트(11, 12)와 이들 사이에 배치되어 있는 익스팬더 스페이서(13)이 피스톤(2)의 오일링 그루브(4)에 장착되고, 실린더(1)에 삽입되면, 익스팬더 스페이서(13)이 그 원주방향의 단면끼리가 맞붙여진 상태로 압축 응력을 발생해, 오일링 장력(Ft)가 측정된다. 또, 상부 세그먼트(11)과 하부 세그먼트(12)가, 각각 경사면(14b1),(15b1)에 의해 압압(押壓) 되는 것으로, 이들 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단부분(SA)가 실린더(1)의 내주면을 압압한다. 그것에 의해, 실린더(1)의 내벽에 존재하는 엔진 오일이 적절한 두께가 되도록 유막(油膜)을 형성하는 것이 가능해지고 있다.

<2. 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 형상에 대해>

계속해, 세그먼트(11, 12)의 종단면에 있어서의 외주면(S)의 형상에 대해 설명한다. 엔진 연소실 측에 배치되는 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 형상은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 세그먼트 폭을 형성하는 마주 향하는 2면의 외주측 단부의 단점(端点)으로부터 각각 실린더 내벽에 향하는 직경 방향에서, 세그먼트의 폭의 엔진 연소실측과 엔진 연소실으로부터 멀어지는 측을 한 쌍으로서 대칭이 되는 곡선 형상을 가지고, 외주 형상의 실린더 삽입시 내벽에 접하는 외주 정점측은, 세그먼트의 외주 정점을 사이에 두고 세그먼트 폭 방향에서 비대칭 형상이며, 외주 정점측이 아닌 외주면에서 대칭이 되어 있는 곡선 형상에 연속한 형상이다.

한편, 엔진 연소실으로부터 멀어지는 측에 배치되는 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 형상은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 외주측 단부의 단점으로부터 각각 실린더 내벽에 향하는 직경 방향에서, 세그먼트의 폭의 엔진 연소실측과 엔진 연소실로부터 멀어지는 측을 한 쌍으로서 대칭이 되는 곡선 형상을 가지고, 외주 형상의 실린더 삽입시 내벽에 접하는 외주 정점측은, 세그먼트의 외주 정점을 사이에 두고 세그먼트 폭 방향에서 대칭 형상이며, 외주 정점측이 아닌 외주면에서 대칭이 되어 있는 곡선 형상에 연속한 호형상이며, 즉, 외주면(S)전역(全域)에서 세그먼트 폭의 중심선에 대해서 대칭이다. 세그먼트 폭의 중심선은, 세그먼트의 임의의 종단면에 있어서의 외주면의 윤곽 곡선이, 세그먼트 직경 방향의 내주측 위치에 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부의 단점으로부터 형성되어 있는 한 쌍의 대칭 형상이 존재하듯이 트레이스(trace)되어 있고, 한 쌍의 대칭 형상의 대칭축을 세그먼트 폭의 중심선이라 해도 된다.

<2-1. 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 형상에 대해>

처음에, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 비대칭 형상에 대해 설명한다. 도 6은, 상부 세그먼트(11)의 종단면에 있어서의 외주면(S)의 형상을 나타내는 부분적인 윤곽 곡선을 나타낸다. 또한, 도 6은, 외주면(S)의 선단부분(SA)를 포함한 모델도(model diagram)이고, 이 모델도에 있어서는, 실린더(1)의 축방향(도 6의 Y방향)의 어느 단위길이의 배율과 직경 방향(도 6의 X방향)의 어느 단위길이의 배율을 각각 200배와 2000배로 했을 때의 윤곽 곡선에 상당한다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)를 측정했을 때의 윤곽 곡선에 있어서, 트레이스되어 있는 범위내에서, 본 실시형태에 있어서의 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)는 대략 볼록한 곡면 형상이며, 실린더(1)의 축방향에 있어서 대칭영역(R1)이 2개소 존재하고, 2개의 대칭영역(R1)의 사이에 선단부분(SA)를 포함한 비대칭영역(R2)를 형성하고 있다. 또한, 윤곽 곡선이란, 표면 거침도 측정에 있어서의 단면 곡선을 말한다.

본 실시형태에서는, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)는 실린더(1)의 축방향(Y방향)에서 엔진 연소실측으로부터 순서로 대칭영역(R1), 비대칭영역(R2), 대칭영역(R1)을 형성하고 있다.

또, 비대칭영역(R2)는, 2개의 대칭영역(R1)의 사이에 위치하고 있다. 2개의 대칭영역(R1)로부터 구한 윤곽 곡선의 선대칭의 중심축에 대해, 이 비대칭영역(R2)의 윤곽 곡선은 비대칭 형상이 되어 있다. 이 선대칭의 중심축을 제1 중간선(W1)이라고 한다.

여기서, 도 6에 있어서는, 오프셋(offset)량을 구한다. 구체적으로는, 외주정점(SP)를 지나며 세그먼트 직경 방향(도 6의 X방향)에 따르는 직선을 선(W2)로 하고, 다음에 외주정점(SP)를 지나며 선(W2)에 직교 하는(즉, 실린더(1)의 축방향(Y방향)에 따르는) 선을 선(W3)으로 한다. 이 때의 제1 중간선(W1)과 선(W2)의 사이의 거리(선(W3)의 Y방향의 선분(線分)의 길이)인 제1 오프셋량(P1)을 구한다. 또한, 외주정점(SP)은, 세그먼트 직경 방향(X방향)에 있어서 가장 외경(外徑)측의 부위이다.

또, 도 6에서는, 제1 중간선(W1)과 선(W2) 외에, 제2 중간선(V1)을 설치하고 있다. 제2 중간선(V1)은, 다음과 같은 것이다. 비대칭영역(R2)에 있어서, 외주정점(SP)로부터 직경 방향(X방향)의 내주측에 향해 거리 4.0μm의 부위에 위치하면서 제1 중간선(W1)에 직교 하는 선(W4)과 교차하는 위치 중의, 엔진 연소실측의 위치를 제1 위치(a1)로 하고, 엔진 연소실과는 멀어지는 측의 위치를 제2 위치(b1)로 할 때, 제1 위치(a1)와 제2 위치(b1)의 사이의 선분의 길이를 (L)로 하고, 이 길이(L)의 선분의 중간선을 제2 중간선(V1)이라고 한다. 이 때, 제2 중간선(V1)과 선(W2)의 사이의 거리(선(W3)의 Y방향의 선분의 길이)인 제2 오프셋량(P2)을 구한다.

여기서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 제2 중간선(V1)은, 제1 중간선(W1)보다 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 위치하고 있다.또, 외주정점(SP)은, 제2 중간선(V1)보다 제2 오프셋량(P2)만 엔진 연소실측과 떨어지는 측에 위치하고 있지만, 제2 중간선(V1)상에 위치하고 있어도 된다.

상부 세그먼트(11)의 제1 오프셋량(P1)은, 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 0.02 mm를 포함하고 0.02 mm로부터 0.10 mm를 포함하며 0.10 mm까지의 범위내(0.02 mm≤P1≤0.10 mm)에 있는 것이 바람직하다.

또한, 소정의 비대칭 형상을 가지는 상부 세그먼트(11)에는, 엔진 연소실측의 방향을 식별하는 표시를 한다. 그리고, 상부 세그먼트(11)의 외주정점(SP)은, 엔진 연소실과는 떨어지는 측에 위치하듯이 오일링 그루브(4)에 장착된다.

<2-2. 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 형상에 대해>

다음에, 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 대칭 형상에 대해 설명한다. 도 8은, 하부 세그먼트(12)의 종단면에 있어서의 외주면(S)의 형상을 나타내는 부분적인 윤곽 곡선을 나타낸다. 또한, 도 8은, 외주면(S)의 선단부분(SA)를 포함한 모델도이고, 이 모델도에 있어서는, 실린더(1)의 축방향(도 8의 Y방향)의 어느 단위길이의 배율과 직경 방향(도 8의 X방향)의 어느 단위길이의 배율을 각각 200배와 2000배로 했을 때의 윤곽 곡선에 상당한다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)를 측정했을 때의 윤곽 곡선에 있어서, 트레이스되어 있는 범위내에서, 본 실시형태에 있어서의 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)는 호모양(弧狀)이며, 트레이스된 윤곽 곡선은 실린더(1)의 축방향에서 대칭이다. 이 대칭 영역으로부터 구한 윤곽 곡선의 선대칭의 중심축을 제1 중간선(W1)이라고 한다.

이 윤곽 곡선의 제1 중간선을 (W1)로 하고, 여기서, 도 8에 있어서는, 오프셋량을 구한다. 구체적으로는, 외주정점(SP)를 지나며 세그먼트 직경 방향(도 8의 X방향)에 따르는 직선을 선(W2)로 하고, 다음에 외주정점(SP)를 지나며 선(W2)에 직교 하는(즉, 실린더(1)의 축방향(Y방향)에 따르는) 선을 선(W3)으로 한다. 이 때의 제1 중간선(W1)과 선(W2)의 사이의 거리(선(W3)의 Y방향의 선분의 길이)인 제1 오프셋량(P1)을 구한다. 또한, 외주정점(SP)은, 세그먼트 직경 방향(X방향)에 있어서 가장 외경측의 부위이다.

하부 세그먼트(12)의 제1 오프셋량(P1)은, 도 8에 있어서 하부 세그먼트(12)의 외주 정점이 제1 중간선(W1)로부터 엔진 연소실 측에 있는 경우의 오프셋량을 마이너스로 하고, 제1 중간선(W1)로부터 엔진 연소실에서 멀어지는 측에 있는 경우의 오프셋량을 플러스로 하면, 하부 세그먼트(12)의 제1 오프셋량(P1)은, -0.02 mm를 넘고 0.02 mm미만(-0.02 mm<P1<0.02 mm)인 것이 바람직하다. 예를 들면, 제1 오프셋량(P1)이 -0.02 mm란, 도 8에 있어서 하부 세그먼트(12)의 외주정점(SP)이 제1 중간선(W1)로부터 엔진 연소실측의 0.02 mm의 위치에 있는 경우를 말한다.

<3. 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 선단부분(SA)의 형상에 대해>

계속해, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 선단부분(SA)의 형상에 대해 설명한다. 도 7은, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 선단부분(SA)를 확대한 상태를 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다. 또한, 도 7은, 외주면(S)의 선단부분(SA)의 모델도이고, 이 모델도에 있어서는, 실린더(1)의 축방향(도 7의 Y방향)의 어느 단위길이의 배율과 직경 방향(도 7의 X방향)의 어느 단위길이의 배율을 각각 1000배와 2000배로 했을 때의 윤곽 곡선에 상당한다. 도 7은, 도 6보다 Y방향의 측정 배율을 5배로 했을 때의 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 형상이다.

본 실시형태에 있어서의 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 선단부분(SA)이란, 상부 세그먼트(11)의 정점(SP)로부터 직경 방향(X방향)의 내주측에 향해 거리 4.0μm까지의 윤곽 곡선을 말하며, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 선단부분(SA)는, 외주정점(SP)를 사이에 두고, 그 선단부분(SA)의 실린더(1)의 축방향(Y방향)에 있어서 볼록한 곡면 형상이며 비대칭으로 형성되어 있다. 구체적으로는, 우선, 선단부분(SA)의 외주정점(SP)로부터 직경 방향(X방향)의 내주측에 향해 거리 4.0μm까지의 부위에 존재하는 연속한 외주면(S)의 선단부분(SA)에 있어서의 단면의 윤곽 곡선은, 엔진 연소실측으로부터 순서로 제1 윤곽구분(S1), 제2 윤곽구분(S2), 제3 윤곽구분(S3)의 3개 구분으로 구분한다.

<4. 상부 세그먼트(11)의 제1 윤곽구분(S1), 제2 윤곽구분(S2), 제3 윤곽구분(S3)에 대해>

제1 윤곽구분(S1)은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제2 윤곽구분(S2)의 엔진 연소실측의 단부를 시점으로서 엔진 연소실 측에 향해 형성되어 있는 윤곽 부분이다. 이 제1 윤곽구분(S1)은, 2차 곡선과 같은 곡선 형상이며, 직선 형상이어도 된다.

또, 제2 윤곽구분(S2)에는, 그 중도부분에 외주정점(SP)이 존재하고 있다. 이 제2 윤곽구분(S2)의 엔진 연소실측의 단부는, 제1 윤곽구분(S1)에 연속하고 있다. 또, 제2 윤곽구분(S2)의 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 단부는, 제3 윤곽구분(S3)에 연속하고 있다. 제2 윤곽구분(S2)는, 호모양으로 설치되어 있다. 호모양으로서는, 예를 들어 2차 곡선에 근사한 곡선 형상을 들 수 있다. 또, 제3 윤곽구분(S3)은, 외주정점(SP)보다 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 존재하고 있다. 이 제3 윤곽구분(S3)은, 제2 윤곽구분(S2)의 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 단부를 시점으로 한 2차 곡선의 일부가 되듯이 설치되어 있다.

제1 윤곽구분(S1), 제2 윤곽구분(S2) 및 제3 윤곽구분(S3)의 표면 거침도는, 측정 방향을 축방향으로 해 측정하고, 0.1μmRa 이하가 되어 있다. 또한, Ra는 거침도의 패러미터(parameter)의 일종이며, ISO4287:1997(JIS B0601:2001)에 있어서의 산술 평균 거침도이다.

또한, 외주면(S)의 제1 윤곽구분(S1) 및 제1 윤곽구분(S1)로부터 엔진 연소실 측에 있는 비대칭 영역, 그리고 제2 윤곽구분(S2)의 소정의 형상은, 기계 가공에 의해 형성하거나 또는 상부 세그먼트(11)의 기재(基材)인 세그먼트용 선재(線材)와 상사한 형상으로 형성되어도 된다. 한편, 제3 윤곽구분(S3)은, 상부 세그먼트(11)용의 기재와 상사한 형상으로 형성되며, 기재의 형상을 유지하는 것이 가능한 연마 가공에 의해 완성할 수 있다.

또, 상부 세그먼트 종단면의 외주 선단부의 제1 윤곽구분(S1), 제2 윤곽구분(S2) 및 제3 윤곽구분(S3)으로 형성된 윤곽 곡선에 있어서, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 4.0μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치를 제1 위치, 제2 위치로 하고, 각각 (a1), (b1)으로 한다. 외주 정점으로부터 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 1.5μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치를 제3 위치, 제4 위치로 하고, 각각 (a2), (b2)로 한다.

또, 제1 위치(a1)와 제3 위치(a2)를 통과하는 직선을 직선(N1)으로 한다. 이 직선(N1)과 외주정점(SP)를 지나며 실린더(1)의 축방향(Y방향)에 따르는(즉, 직경 방향(X방향)에 직교하는) 선(W3)가 이루는 각도(상방각(superior angle))를, θ1도로 한다. 또, 제2 위치(b1)와 제4 위치(b2)를 통과하는 직선을 직선(N2)로 한다. 이 직선(N2)과 선(W3)이 이루는 각도(하방각(inferior angle))를, θ2도로 한다.

이 상부 세그먼트(11)의 각도(θ1)(상방각) 및 각도(θ2)(하방각)의 값은, 표 1에 오일 소비 측정 및 프릭션(friction) 측정시험에 사용한 실측치(實測値)로 나타내 보인다.

실측치는 도 2에 나타내는 합구로부터 90도 위치, 합구로부터 180도 위치 및 합구로부터 270도 위치의 각 값인 3점의 평균치이다.

또한, 도 7에 나타내는 듯한 상부 세그먼트(11)를 실제로 측정했을 때(실시예)의 외주면(S)의 윤곽 곡선을, 도 10 및 도 11에 나타낸다. 도 10은, 외주면(S)를 측정했을 때의 윤곽 곡선이며, 도 11은, 도 10에 있어서 측정된 외주면(S)의 선단부분(SA)를 확대한 윤곽 곡선이다. 도 10의 측정시 배율은, 직경 방향(X방향)은 2000배이며, 실린더(1)의 축방향(Y방향)은 200배이다. 또, 도 11의 측정시 배율은, 직경 방향(X방향)은 2000배이며, 실린더(1)의 축방향(Y방향)은 1000배이다. 또한, 상기 윤곽 곡선의 측정에서는, ISO 4287:1997(JIS B0601:2001)에 준해 측정했다(다른 윤곽 곡선의 측정에서도 같음).

<5. 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 선단부분(SA)의 형상에 대해>

다음에, 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 선단부분(SA)의 형상에 대해 설명한다. 도 9는, 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 선단부분(SA)를 확대한 상태를 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다. 또한, 도 9는, 외주면(S)의 선단부분(SA)의 모델도이고, 이 모델도에 있어서는, 실린더(1)의 축방향(도 9의 Y방향)의 어느 단위길이의 배율과 직경 방향(도 9의 X방향)의 어느 단위길이의 배율을 각각 1000배와 2000배로 했을 때의 윤곽 곡선에 상당한다. 도 9는, 도 8보다 Y방향의 측정 배율을 5배로 했을 때의 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 형상이다.

본 실시형태에 있어서의 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 선단부분(SA)이란, 하부 세그먼트(12)의 정점(SP)로부터 직경 방향(X방향)의 내주측에 향해 거리 4.0μm까지의 윤곽 곡선을 말하며, 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 선단부분(SA)는 정점(SP)를 사이에 두고, 그 선단부분(SA)의 실린더(1)의 축방향(Y방향)에 있어서 호모양이며 대칭으로 형성되어 있다.

하부 세그먼트(12)의 외주면 중의 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 외주 정점으로부터 적어도 거리 10μm까지의 대칭 부분의 표면 거침도는, 측정 방향을 축방향으로 해 측정하고, 0.1μmRa 이하가 되어 있다. 또한, Ra는 거침도의 패러미터의 일종이며, ISO 4287:1997(JIS B0601:2001)에 있어서의 산술 평균 거침도이다.

또한, 외주면(S)의 선단부분(SA)는, 하부 세그먼트(12)의 기재(基材)인 세그먼트 용 선재와 상사한 형상으로 형성되고, 기재의 형상을 유지하는 것이 가능한 연마가공에 의해 완성할 수 있다.

또, 하부 세그먼트 종단면의 외주의 선단부분(SA)에 있어서, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 4.0μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치를 제5 위치, 제6 위치로 하고, 각각 (a1x), (b1x)로 한다. 외주 정점으로부터 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 1.5μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치를 제7 위치, 제8 위치로 하고, 각각 (a2x), (b2x)로 한다.

또, 제5위치(a1x)와 제7위치(a2x)를 통과하는 직선을 직선(N1)으로 한다. 이 직선(N1)과 정점(SP)을 지나며 실린더(1)의 축방향(Y방향)에 따르는(즉, 직경 방향(X방향)에 직교 하는) 선(W3)이 이루는 각도(상방각)를, (θ1x)도로 한다. 또, 제6 위치(b1x)와 제8 위치(b2x)를 통과하는 직선을 직선(N2)으로 한다. 이 직선(N2)과 선(W3)이 이루는 각도(하방각)를, (θ2x)도로 한다.

이 하부 세그먼트(12)의 각도(θ1x)(상방각) 및 각도(θ2x)(하방각)의 값은, 표 2에 오일 소비 측정 및 프릭션 측정시험에 사용한 실측치로 나타내 보인다. 실측치는 도 2에 나타내는 합구로부터 90도 위치, 합구로부터 180도 위치 및 합구로부터 270도 위치의 각 값인 3점의 평균치이다.

또한, 도 9에 나타내는 듯한 하부 세그먼트(12)를 실제로 측정했을 때(실시예)의 외주면(S)의 윤곽 곡선을, 도 12 및 도 13에 나타낸다. 도 12는, 외주면(S)를 측정했을 때의 윤곽 곡선이며, 도 13은, 도 12에 있어서 측정된 외주면(S)의 선단부분(SA)를 확대한 윤곽 곡선이다. 도 12의 측정시 배율은, 직경 방향(X방향)은 2000배이며, 실린더(1)의 축방향(Y방향)은 200배이다. 또, 도 13의 측정시 배율은, 직경 방향(X방향)은 2000배이며, 실린더(1)의 축방향(Y방향)은 1000배이다. 또한, 상기 윤곽 곡선의 측정에서는, ISO 4287:1997(JIS B0601:2001)에 준해 측정했다(다른 윤곽 곡선의 측정에서도 같음).

<6. 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 형상의 형성 방법에 대해>

계속해, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 형성 방법에 대해 설명한다. 최종 제품의 세그먼트의 단면 형상과 동등한 단면 형상을 가지는 신선(wire drawing)상의 세그먼트용 강철제 선재를 환모양에 성형하고, 환모양 세그먼트용 선재의 외주면에 대해 표면 처리를 실시한 후, 외주면(S)는, 예를 들어 벨트연삭장치(belt grinding machine)를 이용하고, 세그먼트의 폭 방향으로 회전하는 벨트를 사이에 두고, 세그먼트와 반대측에 있는 탄성체에 의해, 회전하는 연마입자 붙은 벨트를 고정된 1개의 세그먼트의 외주면에 꽉 눌러, 소정의 비대칭의 형상으로 형성한다. 이 비대칭 형상은, 상부 세그먼트(11)의 기재인 신선(wire drawing)상의 세그먼트용 선재의 상태로 형성해도 되고, 또는, 신선상의 세그먼트용 선재를 환모양에 성형 후 형성해도 되고, 어느 방법으로 형성해도 된다.

<7. 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 형상의 형성 방법에 대해>

다음에, 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 형성 방법에 대해 설명한다. 최종 제품의 세그먼트의 단면 형상과 동등한 단면 형상을 가지는 신선(wire drawing)상의 세그먼트용 강철제 선재를 환모양에 성형하고, 환모양 세그먼트용 선재의 외주면에 대해 표면 처리를 실시한 후, 외주면(S)는, 예를 들어 버프연삭장치(buff grinding machine)를 이용해, 세그먼트의 외주면(S)를 소정의 연마 조건으로 대칭 형상으로 형성한다.

<8.상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)에 경질 피막(11a, 12a)을 형성하는 성막 방법에 대해>

다음에, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 표면에, 경질 피막(11a, 12a)을 성막하는 수법에 대해 설명한다. 통상, 한 쌍의 세그먼트에 동일한 경질 피막을 형성하지만, 각각 다른 경질 피막을 형성해도 되고, 상부 세그먼트(11)에는, 하부 세그먼트(12)에 비해 보다 내마모성이 뛰어나는 피복(被覆)을 적용하는 것이 바람직하다.

또, 피막은 적층구조(積層構造)이어도 된다. 또한, 경질 피막(11a, 12a)는, 이하의 수법으로 성막한 것이 선택된다.

(8-1) 크롬 질화물 피막(PVD 피막)의 성막 방법

우선, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에, 경질 피막(11a, 12a)인 크롬 질화물 피막을 성막하는 방법에 대해 설명한다. 성막 방법으로서는, 물리적 기상 증착법(PVD；Physical Vapor Deposition)의 일종인 아크이온 플레이팅법(Arc Ion Plating)을 실시하기 위한 아크이온 플레이팅 장치를 이용해 성막하는 것이 있다. 아크이온 플레이팅법에 의해 질화물 피막을 성막하는 경우, Cr의 금속 타겟(target)을 이용하고, 세그먼트(11, 12)용의 기재를 아크이온 플레이팅 장치내에 세트 한다. 그 후, 세그먼트(11, 12)용 기재의 외주면(S)의 원주방향 전주에 성막하기 위해 자전시킨 상태로, 아크이온 플레이팅 장치내를 진공 배기해 감압함과 동시에, 기재를 가열한다.

그 후, 기재에 대해서 바이어스 전압(bias voltage)을 인가(印加)하고, 금속 타겟을 이용한 이온 봄바드(ion bombard)를 실시한다.

인가하는 바이어스 전압으로서는, 예를 들어 -500 V∼-1000 V로 하는 것이 있다.

다음에, 다른 바이어스 전압을 인가하고, 아크이온 플레이팅 장치내에 프로세스 가스(process gas)를 도입해, 세그먼트(11, 12)의 외주 접동면(外周摺動面)에 소정의 두께의 경질 피막(11a, 12a)을 성막한다.

다른 바이어스 전압으로서는, 예를 들어 0 V∼-200 V로 하는 것이 있다.

프로세스 가스로서는, N₂가스만을 이용하지만, 그 외의 O₂가스, CH₄가스등을 가해 이용해도 된다.

피막의 표면 경도는 800 HV 이상, 보다 바람직하게는 1000 HV 이상, 피막의 두께는 10μm 이상이 바람직하다. 크롬 질화물 피막(PVD 피막)의 두께를 10μm 이상으로 하는 것으로써, 내마모성의 확보가 용이해진다.

(8-2) 비정질 탄소 피막(DLC 피막)의 성막 방법

다음에, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에 경질 피막(11a, 12a)로서 비정질 탄소 피막(DLC(Diamond Like Carbon) 피막)을 성막하는 방법에 대해 설명한다. DLC 피막을 성막하는 방법으로서는, 아크이온 플레이팅법을 실시하기 위한 아크이온 플레이팅 장치를 이용하는 것이 있다. 아크이온 플레이팅 장치내에 세그먼트(11, 12)용의 기재를 세트한다. 그 후, 세그먼트(11, 12)용 기재의 외주면(S)의 원주방향의 전주에 성막하기 위해 자전시킨 상태로, 아크이온 플레이팅 장치내를 진공 배기해 감압 함과 동시에, 기재를 가열한다. 그 후, 세그먼트 기재에 대해서 바이어스 전압을 인가하고, 아르곤 이온(argon ion)에 의해 이온 봄바드를 실시한다. 인가하는 바이어스 전압으로서는, 예를 들어 -50 V∼-300 V로 하는 것이 있다.

그 다음에, 접착층으로서, 소정의 바이어스 전압을 인가한 후에 Ti피막을 성막한다. 소정의 바이어스 전압으로서는, 예를 들어 -50 V∼-300 V로 하는 것이 있다. 다음에, Ti피막 위에 비정질 탄소 구조로부터 구성되는 DLC 피막(a-C층)을, 아르곤에 의한 스패터링(sputtering)에 의해 성막한다. 이 때, 예를 들어 바이어스 전압을 -50 V∼―300 V에 설정한다. 또한, a-C층 위에 테트라헤드랄카본(tetrahedral carbon) 구조로부터 구성되는 DLC 피막(ta-C층)을, 필터드 아크이온 플레이팅(Filtered Arc Ion Plating)에 의해 성막한다. 이 때, 예를 들어 바이어스 전압을 -100 V∼-300 V에 설정한다. 이들 2층을 교대로 반복해 적층해, 세그먼트 기재의 외주 접동면에 소정의 두께의 경질 피막(11a, 12a)을 성막한다. 이 때, a-C층은 있어도 되고 없어도 된다.

피막의 표면 경도는 1500 HV 이상이 바람직하고, 피막의 두께는 3μm 이상이 바람직하다. 비정질 탄소 피막의 두께를 3μm 이상으로 하는 것으로써, 내마모성의 확보가 용이해진다.

(8-3) 복합적인 적층 구조 피막에 대해

세그먼트의 내마모성 및 저 프릭션 성을 향상하는 것을 목적으로 해, 크롬 질화물 피막(PVD 피막) 표면 위(세그먼트 외주측)에,(8-2)의 얇은 피막 두께의 DLC 피막을 피복해, 복합적인 적층 구조 피막으로서 경질 피막(11a, 12a)을 성막 해도 된다.

여기에서는, 크롬 질화물 피막(PVD 피막)의 피막의 두께는 5μm 이상 으로, DLC 피막의 피막의 두께는 0.5μm 이상으로, 적당히 설정할 수 있다. 또, 크롬 질화물 피막과 DLC 피막의 접착층은 있어도 되고 없어도 된다.

<9. 오일 소비량 측정 시험의 방법에 대해>

계속해, 본 실시형태의 조합 오일링(10)을 이용해 실시한 오일 소비량 측정 시험에 대해 설명한다. 오일 소비량 측정 시험에 있어서는, 배기량이 2 L급,보아직경이 80 mm급의 엔진을 사용했다. 엔진의 연습 운전 후, 부하 조건이 WOT(와이드 오픈 스로틀(wide open throttle)；전부하) 인 상태에서, 냉각수 온도를 100℃로, 엔진 오일의 온도를 125℃로 하고, 엔진 오일은 GF-50W-20(등급:ILSAC 규격, 점도 분류: SAEJ300)을 이용했다.

그리고, 엔진의 평균 피스톤 속도를(V)로 하고,(V)가 20.2 m/s의 고속역(高速域)의 조건에서 오일 소비량(LOC:Luburication Oil Consumption)을 평가했다. 이 평균 피스톤 속도는, 엔진의 회전 속도와 스트로크(행정)로부터 구한 피스톤(2)의 평균 속도이다. 오일 소비량 측정은, 오일 소비계를 사용하고 정유면법(定油面法)에 의해 오일 소비량을 측정했다.

시험에서 이용한 피스톤 링 중의 톱 링(top ring)은, 폭(실린더(1)의 축방향 치수)이 1.2 mm, 외주면이 배럴(barrel) 형상, 외주면에 아크이온 플레이팅법에 의한 탄소만으로부터 구성되는 DLC 피막을 형성한 것을 이용했다. 표면 거침도는 0.03μmRa인 것을 이용했다. 톱 링 장력의 보아직경비는, 0.07(N/mm)이다. 또, 세컨드 링(second ring)은, 폭(실린더(1)의 축방향 치수)이 1.2 mm, 외주면이 테이퍼(taper) 형상, 외주면에 경질 Cr도금을 실시한 것을 이용했다. 표면 거침도는 0.03μmRa인 것을 이용했다. 세컨드 링 장력의 보아직경비는, 0.07(N/mm)이다. 조합 오일링(10)은, 조합폭(h0)이 2.0 mm이고, 세그먼트(11, 12)의 세그먼트 폭(h1)이 0.4 mm, 외주면에 아크이온 플레이팅 수법에 의한 탄소만으로부터 구성되는 DLC 피막을 형성한 것을 이용했다. 외주면의 표면 거침도는 0.03μmRa이다. 오일링 장력(Ft)는, 보아직경비로 0.25(N/mm)로 했다.

본 시험에 있어서 조합 오일링(10)과 피스톤(2)의 오일링 그루브(4)의 사이의 사이드 클리어런스(SC)는 0.11 mm로 했다.

세그먼트(11, 12)의 기재는, JIS SUS440B에 상당하는 재료를 이용하고, 세그먼트(11, 12)의 외주면에는, DLC 피막(막두께 5μm, 표면 경도는 비커스 경도 1600 HV)을 형성한 것을 이용했다.

또한, 상기의 비커스 경도의 측정에 관해서는, 측정 샘플을 경면에 연마한 후에, 마이크로 비커스 경도계에 의해 시험력 0.9807 N, 시험력의 유지 시간 15 s의 조건에서, JIS Z 2244의 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준해 측정했다(다른 비커스 경도에 관해서도 같음).

세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 형상은, 세그먼트(11, 12)의 직경 방향(X방향)의 배율을 2000배, 실린더(1)의 축방향(Y방향)의 배율을 200배로 하고, 외주면(S)의 외주정점(SP)로부터 직경 방향(X방향)의 내경측에 향해 거리 0.025 mm까지의 윤곽 곡선을 측정하고 있다. 또, 그 측정 위치는, 세그먼트(11, 12)의 합구로부터 원주 방향에서 90도, 180도, 270도의 위치의 3개소로 하고, 표 1에 있어서의 계측치는, 그 3개소의 평균치를 이용하고 있다.

또, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 외주 형상의 측정에는, 주식회사 코사카 연구소(Kosaka Laboratory Ltd.)의 촉침식 표면거침도 측정기(stylus type surface roughness tester)(SURFCORDER SE-30C)를 이용하고, 검출기는 PU-DJ2S(선단의 구면의 반경은 2μm, 원추의 테이퍼 각도는 60도)를 이용했다. 또, 가로배율(lateral magnification)의 이송속도(feed speed)에 관해서는, 실린더(1)의 축방향(Y방향)의 배율을 200배로 했을 경우는 0.1mm/s로 하고, 실린더(1)의 축방향(Y방향)의 배율을 1000배로 했을 경우는 0.05mm/s로 했지만, 속도는, 이것보다 늦어도 된다.

이상과 같은 조건에서, 오일 소비량 측정 시험 및 후술의 모터링(motoring) 시험기에 의한 프릭션 측정 시험에 사용한 세그먼트의 외주 형상의 제원(諸元)을, 표 1 및 표 2에 나타낸다.

표 1에서는, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 형상의 상방각(θ1), 하방각(θ2), 제1 위치(a1)와 제2 위치(b1)의 사이의 선분의 길이(L), 제1 오프셋량(P1) 및 제2 오프셋량(P2)를 나타내고 있다.

표 2에서는, 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 형상의 상방각인 각도(θ1x), 하방각인 각도(θ2x), 제5위치(a1x)와 제6 위치(b1x)의 사이의 선분의 길이(Lx), 제1 오프셋량(P1)을 나타내고 있다. 이 제1 오프셋량(P1)은, 세그먼트의 외주 정점이 제1 중간선으로부터 엔진 연소실 측에 위치하는 경우를 마이너스로 하고 있다. 또, 하부 세그먼트(12)의 외주면(S)의 형상의 대칭성을 나타내는 상방각(θ1x)와 하방각(θ2x)의 차이를 절대치｜θ1x-θ2x｜로 나타내 보이고 있다. 참고로, 종래부터의 평가방법에 의한 접동 방향의 측정폭에 있어서의 외주 정점으로부터의 낙차(직경 방향에서의 거리(μm))를 비고란에 나타내고 있다.

[표 1]

[표 2]

표 3에 있어서 측정에 사용한 세그먼트(11, 12)의 외주 형상은 이하대로이다.

실시예 1∼7 및 비교예 1∼5에 있어서는, 상부 세그먼트(11)에 도 6에 나타내는 듯한 외주 선단부가 비대칭 형상인 외주면(S)의 상부 세그먼트(11)(표 1:기호 US1∼US6 중의 어느 하나)을 이용하고, 하부 세그먼트(12)에 도 8에 나타내는 듯한 외주 선단부가 대칭인 볼록한 곡면 형상의 외주면(S)의 하부 세그먼트(12)(표 2:기호 LS1∼LS7 중의 어느 하나)를 이용했다.

참고예 1은, 상부 세그먼트(11) 및 하부 세그먼트(12)에, 도 6에 나타내는 듯한 외주 선단부가 비대칭 형상인 표 1:기호 US2, 표 1:기호 US1을 각각 이용했다.

참고예 2는, 상부 세그먼트(11) 및 하부 세그먼트(12)에, 도 8에 나타내는 듯한 외주 선단부가 대칭 형상인 표 2:기호 LS7을 각각 이용했다.

참고예 3은, 상부 세그먼트(11) 및 하부 세그먼트(12)에, 도 6에 나타내는 듯한 외주 선단부가 비대칭 형상인 표 1:기호 US6을 각각 이용했다.

참고예 4는, 상부 세그먼트(11) 및 하부 세그먼트(12)에, 도 6에 나타내는 듯한 외주 선단부가 비대칭 형상인 표 1:기호 US4를 각각 이용했다.

참고예 5는, 상부 세그먼트(11) 및 하부 세그먼트(12)에, 도 8에 나타내는 듯한 외주 선단부가 대칭 형상인 표 2:기호 LS4를 각각 이용했다.

<10. 오일 소비량 측정 시험의 결과>

오일 소비량 측정을 실시한 결과를, 표 3에 나타낸다. 표 3에 있어서의 오일 소비량비는, 평균 피스톤 속도(V)가 V=20.2 m/s에 있어서, 비교예 1의 오일 소비량을 100으로 해서 다른 오일 소비량을 비로 나타내 보이고 있다.

오일 소비량 측정을 실시한 결과의 평가 기준은, 이하와 같다.

A: 오일 소비량비가 85 미만

B: 오일 소비량비가 85 이상 100 미만

C: 오일 소비량비가 100 이상

[표 3]

본 발명은, 참고예 1로부터 참고예 5까지의 오일 소비량 측정 시험을 실시하고, 한층 더, 프릭션 측정 시험을 실시한 다음, 과제를 해결해, 목표를 달성하는 것이다.

평균 피스톤 속도(V)가 V=20.2 m/s에 있어서, 실시예 1로부터 실시예 7까지는, 비교예 1에 대해서 오일 소비량비가 74에서 82이며, 바람직한 수준이다. 한편, 비교예 1로부터 비교예 5까지는 86이상이며, 바람직한 수준이라고는 할 수 없다. 표 3에 있어서, 오일 소비량의 저감을 위해서는, 실시예 4(US4와 LS4의 조합), 참고예 4(US4와 US4의 조합) 및 참고예 5(LS4와 LS4의 조합)의 비교로부터, 상하부의 세그먼트(11, 12)가 모두 세그먼트 외주 선단부가 비대칭 형상이며, 외주 정점이 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 위치하고 있는 경우의 참고예 4가 가장 양호한 결과가 되어 있다. 그러나, 상하부의 세그먼트(11, 12)가 모두 세그먼트 외주 선단부가 비대칭 형상인 조합의 경우, 오일링 장력(Ft)을 보아 직경(d)(단위:mm)로 나눈 값Ft/d로서, 저장력으로 설정되어 있는 0.25이상의 수준이며, 프릭션의 증가가 과제로 된다.

실시예 4는, 상부 세그먼트(11)에 세그먼트 외주 형상의 선단부가 비대칭 형상인 US4와 하부 세그먼트(12)에 세그먼트 외주 형상의 선단부가 대칭 형상인 LS4의 조합이며, 참고예 5는, 상부 세그먼트(11)에 세그먼트 외주 형상의 선단부가 대칭 형상인 LS4와 하부 세그먼트(12)에도 세그먼트 외주 형상의 선단부가 대칭 형상인 LS4의 조합이다. 이 비교로부터, 오일 소비량의 저감에는, 상부 세그먼트(11)에 세그먼트 외주 선단부가 비대칭 형상인 것을 채용하는 것이 바람직하다. 실시예 4는 참고예 5에 비해, 평균 피스톤 속도 V=20.2 m/s에 있어서, 13%의 저감을 볼수 있다.

참고예 4는, 상부 세그먼트(11)에 세그먼트 외주 형상의 선단부가 비대칭 형상인 US4와 하부 세그먼트(12)에도 같은 세그먼트 외주 형상의 선단부가 비대칭 형상인 US4의 조합이며, 실시예 4는, 상부 세그먼트(11)에 세그먼트 외주 형상의 선단부가 비대칭 형상인 US4와 하부 세그먼트(12)에 세그먼트 외주 형상의 선단부가 대칭 형상인 LS4의 조합이다. 이 비교로부터, 오일 소비량의 저감에는, 하부 세그먼트(12)에도 세그먼트 외주 선단부가 비대칭 형상인 것을 채용하는 것이 바람직하다. 참고예 4는 실시예 4에 비해, 평균 피스톤 속도 V=20.2 m/s에 있어서, 15%의 저감을 볼수 있다. 또한, 참고예 4는 참고예 5에 비하면, 26%의 저감을 볼수 있다.

엔진 오일은, 엔진 연소시에 실린더(1)의 내벽에 체류 하는 엔진 오일이 연소하는 자신의 소실 및 엔진 배기행정에 있어서의 엔진 오일의 배출에 의해, 오일 소비량이 증대한다고 한다. 엔진이 고회전이 되는 고속역에서는, 이론적으로도 유막 두께가 두꺼워지고, 오일 소비량이 증가하지만, 도 6에 나타내는 듯한 외주 선단부가 비대칭 형상인 세그먼트를 채용하면 오일 소비량이 저감하는 것은, 엔진 오일을 긁어 내려, 유막 두께가 두꺼워지는 것을 억제하고 있는 효과가 있다고 생각할 수 있다. 또한, 세그먼트의 엔진 오일을 긁어 올리는 작용에 의한 오일 소비량의 증가도 억제되어 있다고 생각할 수 있다. 오일링 하강 행정에서 유막 두께를 얇게 하면, 상승 행정에 있어서, 세그먼트가 엔진 오일을 긁어 올리는 용량도 적게 된다. 엔진이 고회전이 되는 고속역에 있어서의 오일 소비량의 증가는, 피스톤 링의 배면으로부터 엔진 연소실에 대한 오일 오름량의 증가가 요인이라는 보고도 있다. 엔진 오일의 엔진 연소실까지의 오일 오름 경로는, 이러한 외에 피스톤 링의 합구 틈새가 있다.

실시예에 있어서, 상부 세그먼트(11)의 외주 선단부가 비대칭 형상인 외주면(S)의 형상에 있어서의 상방각의 각도(θ1)이 3도 이상 9도 이하이며, 제1 오프셋량(P1)이 0.02 mm로부터 0.10 mm, 제2 오프셋량(P2)가 0 mm 이상이다. 이 경우, 하나의 펙터(facor)로서, 상부 세그먼트(11)의 외주 선단부와 실린더(1)의 내벽 사이의 공극(空隙)이 엔진 연소실측의 공극보다 넓고, 오일링 상승 행정에서 실린더(1)과 상부 세그먼트(11)의 이면간의 쐐기막효과(wedge film effect)에 의한 엔진 오일의 유압 상승이 적고, 엔진 오일이 상부 세그먼트의 하방에 유출하기 쉬운 것이 일인이라고 생각할 수 있다. 세그먼트에 의해 긁어 내리는 또는 하방에 유출하는 엔진 오일은, 오일링 그루브(4)의 내주측에 설치되어 있는 오일 리턴 구멍(5)를 통과해, 엔진 오일의 오일탱크(미도시)에 회수된다.

비교예 1로부터, 상방각인 각도(θ1)이 3도 미만이 되면, 오일링 상승시에, 실린더(1)과 상부 세그먼트(11)의 이면간의 쐐기막효과에 의한 엔진 오일의 유압이 상승해, 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)의 엔진 연소실측으로부터 유입 하기 어려워진다. 그러므로, 실린더(1)의 내벽과 엔진 연소실측의 상부 세그먼트(11)의 외주면(S)로 형성되어 있는 공극에 엔진 오일이 체류 하고, 그 엔진 오일이 상부 세그먼트(11)의 상승단(上昇端)에 운반되게 된다고 생각할 수 있어, 오일 소비량의 저감을 기대할 수 없다.

비교예 4로부터, 상방각인 각도(θ1)이 10도 이상이 되면, 외주 정점으로부터의 거리 4.0μm위치의 길이(L)가 0.05 mm미만이 되고, 실린더(1)의 축방향(Y방향)에 있어서의 실린더(1)의 내벽과 상부 세그먼트(11)의 외주 선단부의 접촉 길이가 부족해, 오일링 하강 행정에 있어서 실린더(1)의 내벽면에 유막을 형성하고 있는 엔진 오일을 긁어 내리는 작용이 부족해져, 오일 소비량의 증가를 초래하게 된다고 생각할 수 있다.

비교예 2로부터, 하방각인 각도(θ2)가 9도 미만이 되면, 오일링 하강 행정에 있어서, 실린더(1)의 내벽면에 유막을 형성하고 있는 엔진 오일을 긁어 내리는 에지(dege) 작용이 부족해진다고 생각할 수 있다. 하방각인 각도(θ2)가 9도 이상이 되면, 엔진 오일을 긁어 내리는 에지 효과가 발생하는 것이라고 생각한다.

하부 세그먼트(12)의 도 8에 나타내는 듯한 외주 선단부가, 대칭 형상의 외주면(S)의 형상에 있어서의 상방각의 각도(θ1x)가 2도 이상 9도 이하, 및, 하방각의 각도(θ2x)가 2도 이상 9도 이하인 경우에는, 도 6에 나타내는 듯한 외주 선단부가 비대칭 형상인 외주면(S)의 형상을 가지는 상부 세그먼트(11)과의 조합에 있어서, 비교예 1의 수준과 비교해 실시예 1로부터 실시예 7까지에 있어서, 오일 소비량비가 82 이하에 있어, 바람직한 결과이다.

비교예 3으로부터, 하부 세그먼트(12)의 외주 형상이 표 2의 LS1이며, 상방각인 각도(θ1x)가 2도, 하방각인 각도(θ2x)가 2도, 외주 정점으로부터의 거리 4.0μm위치의 길이(Lx)가 0.20 mm를 넘으면, 식［1］의 실제면압(實面壓)P(N/mm²)가 작아져, 오일 소비량의 증가를 초래하게 된다.

비교예 5로부터, 하부 세그먼트(12)의 외주 형상이 표 2의 LS7이며, 상방각인 각도(θ1x)가 9도를 넘고, 하방각인 각도(θ2x)가 9도, 각도차이｜θ1x-θ2x｜가 1.5도를 넘고, 외주 정점으로부터의 거리 4.0μm위치의 길이(Lx)가 0.08 mm미만에서는, 실린더(1)의 축방향(Y방향)에 있어서의 실린더(1)의 내벽과 세그먼트(11)의 외주 선단부의 접촉 길이가 부족해, 오일링 하강 공정에서는 오일을 긁어 내리는 작용이 부족해져, 오일 소비량의 증가를 초래하게 된다.

참고예 1, 참고예 3은, 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 외주 선단부가, 비대칭 형상인 외주면(S)의 형상을 가지는 세그먼트의 조합이며, 참고예 1은, 상방각의 각도(θ1)이 3도 미만과 하방각인 각도(θ2)가 9도 미만, 참고예 3은, 상방각의 각도(θ1)이 9도를 넘고, 하방각인 각도(θ2)가 9도의 수준에 있어서, 오일 소비량비가 실시예의 수준에는 달하지 않는다. 또, 참고예 2는, 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 외주 선단부가, 대칭 형상인 외주면(S)의 형상을 가지는 세그먼트의 조합이며, 상방각의 각도(θ1X)가 9도를 넘고, 하방각인 각도(θ2X)가 9도, ｜θ1X-θ2X｜가 1.5도를 넘고, (Lx)가 0.08 mm미만의 수준에 있어서, 모든 시험 중에서 가장 나쁜 오일 소비량비가 되어 있다.

본 발명의 형태에서는, 세그먼트(11, 12)의 외주 선단부에 있어서 외주정점(SP)로부터 4.0μm의 범위라고 하는 엔진 오일의 유막 두께의 범위내에서, 미세하게 규정된 형상의 외주면(S)의 선단 부분에 주목하고 있다.

또, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에 있어서, 표면 거침도가 0.1μmRa를 넘는 경우는, 실린더(1)의 내벽면에 대한 상처의 발생 및 실린더(1)의 마모를 유발하기 쉬워져, 바람직하지 않다.

<11.모터링 시험기에 의한 프릭션 측정 시험의 방법에 대해>

본 실시형태의 조합 오일링(10)을 이용해 실시한 프릭션 측정 시험에 대해 설명한다. 프릭션 측정 시험에 있어서는, 보아직경이 86 mm, 스트로크 86 mm의 크랭크식 단기통 모터링 시험기(부동 라이너(floating liner) 방식)(20)을 사용했다. 도 14에, 크랭크식 단기통 모터링 시험기(20)의 모식적인 단면도를 나타낸다. 실린더 라이너(cylinder liner)(21)은 스토퍼(stopper)(23)에 의해 직경 방향의 거동이 제한되어, 축방향에만 가동할 수 있는 구조이다. 실린더 라이너(21)에 장착된 센서(25)에 의해 실린더 라이너(21)에 작용하는 축방향의 접동 마찰력을 검출한다. 이 접동 마찰력의 1 사이클 당의 마찰 토크(torque)를 배기량으로 나눈 마찰 평균 유효 압력(FMEP: Friction Mean Effective Pressure)에 의해 평가했다.

평가 대상의 피스톤 링과 접동하는 상대재료에는 주철제 실린더 라이너를 이용하고, 실린더 라이너(21)의 내주 접동면은 산술 평균 거침도(Ra)를 0.15μm로 했다. 시험 조건은, 냉각수 온도를 80℃, 엔진 오일의 온도를 80℃로 하고, 엔진 오일은 GF-5, 0W-20(등급:ILSAC 규격, 점도 분류:SAE J300)를 이용하고, 평가 회전수는 600 rpm에서 2000 rpm의 사이에서 실시했다. 윤활 방법은, 튀겨 뿌리는 식이며, 실린더 헤드(cylinder head)는 장비(裝備)하지 않고, 연소실은 대기 개방하고 있다.

시험에서 이용한 피스톤 링은, 상술하고 있지만, 세컨드 링에 관해서, 외주면에 아크이온 플레이팅 수법에 의한 탄소만으로부터 구성되는 DLC 피막을 형성하고, 표면 거침도는 0.03μmRa인 것을 이용했다. 톱 링 및 세컨드 링의 외주면은, 본 시험에 있어서, 시험 운전에 의한 마모에 의해 외주 접동면의 형상이 변화해 FMEP에 영향이 없게, 내마모성이 뛰어나고 마찰 계수가 작은 DLC(비정질 탄소) 피막을 형성하고, 모든 시험에 동일한 링을 사용했다. 조합 오일링(10)은, 세그먼트(11, 12)의 외주면의 경화 처리, 및, 오일링 장력의 보아직경비를 표 4에 나타낸다. 세그먼트(11, 12)의 외주면의 크롬 질화물(CrN) 피막은, 막 두께 20μm, 표면 경도가 비커스 경도 1100 HV인것을 이용했다. 세그먼트(11, 12)의 외주면의 가스 질화는, 표면 경도가 비커스 경도 1000 HV인것을 이용했다. 외주면의 표면 거침도는 0.03μmRa이다. 또한, 하나의 실린더 당 오일링 장력의 보아직경비는, 0.10∼0.35(N/mm)이다. 피스톤 링의 하나의 실린더 당 합계 장력의 보아직경비는, 0.24∼0.49(N/mm)이다.

표 4에 기재한 시험에 사용한 세그먼트(11, 12)의 외주 형상은 이하대로이다.

실시예 8∼12 및 비교예 7∼9에 있어서는, 상부 세그먼트(11)에 도 6에 나타내는 듯한 외주 선단부가 비대칭 형상인 외주면(S)의 상부 세그먼트(11)(표 1:기호 US5∼US6 중의 어느 하나)을 이용하고, 하부 세그먼트(12)에 도 8에 나타내는 듯한 외주 선단부가 대칭인 볼록한 곡면 형상의 외주면(S)의 하부 세그먼트(12)(표 2:기호 LS5∼LS7 중의 어느 하나)를 이용했다. 세그먼트(11, 12)의 외주면의 경화 처리는, 비교예 7에 가스 질화를 실시하고, 실시예 12, 참고예 4 및 참고예 6에 크롬 질화물(CrN) 피막을 형성하고, 그 이외는 DLC 피막을 형성했다. 또한, 마찰 계수는, 가스 질화, 크롬 질화물(CrN) 피막, DLC(비정질 탄소) 피막의 순서에 작아지는 것이 알려져 있다.

참고예 3, 참고예 4 및 참고예 7은, 세그먼트 외주 선단부가 비대칭 형상인 기호 US5를 상하 세그먼트(11, 12)의 양자 모두에 이용하고, 참고예 5, 참고예 6 및 참고예 8은, 세그먼트 외주 선단부가 대칭 형상인 기호 LS6을 상하 세그먼트(11, 12)의 양자 모두에 이용했다.

<12. 프릭션 측정 시험의 결과>

프릭션 측정 결과를 실시한 결과를, 표 4에 나타낸다. 표 4에 있어서의 FMEP비는, 엔진 회전수가 2000 rpm에 있어서의 비교예 7의 FMEP를 100으로 해서 다른 FMEP를 비로 나타내 보이고 있다. 또한, 도 15는, 표 4에 근거해 횡축(橫軸)을 엔진 회전수, 종축(縱軸)을 FMEP비로서 실시예 8∼12, 비교예 7, 참고예 3에 대한 엔진 회전수와 FMEP비의 관계를 나타낸 그래프이다.

[표 4]

프릭션의 저감에는, 오일링의 저장력화가 가장 유효하는 한편에, 오일 소비량이 증대하는 리스크가 있다. 본 발명에서는, 동일한 오일링 장력이어도, 프릭션을 저감할 수 있는 세그먼트(11, 12)의 외주면 표면의 경화 처리 및 외주면 선단 형상에 대해 연구했다.

엔진 회전수가 2000 rpm에 있어서, 오일링 장력(Ft)와 보아직경의 비Ft/d=0.35와 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 2개의 세그먼트의 외주 형상의 조합(상부 세그먼트(11):US5와 하부 세그먼트(12):LS6)이 동일한 시험에서는, 외주면 표면의 경화 처리에 관해서, 비교예 7의 가스 질화, 실시예 12의 CrN 피막, 실시예 8의 DLC 피막의 순서에 FMEP가 감소해, 프릭션의 저감에 효과가 있다. FMEP비에서는, 비교예 7: 가스 질화가 100, 실시예 12: CrN 피막이 93, 실시예 8: DLC 피막이 87이다.

엔진 회전수가 2000 rpm에 있어서, 오일링 장력(Ft)와 보아직경의 비Ft/d=0.35와 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 2개의 세그먼트 외주면 표면의 경화 처리 DLC 피막이 동일한 시험에서는, 세그먼트(11, 12)의 외주 형상의 조합에 관해서, 참고예 3의 상부 세그먼트(11):US5와 하부 세그먼트(12):US5의 조합, 실시예 8의 상부 세그먼트(11):US5와 하부 세그먼트(12):LS6의 조합, 참고예 5의 상부 세그먼트(11):LS6과 하부 세그먼트(12):LS6의 조합의 순서에 FMEP가 감소해, 프릭션의 저감에 효과가 있다. FMEP비에서는, 비교예 7:가스 질화를 100으로 했을 때, DLC 피막에 있어서, 참고예 3이 90, 실시예 8이 87, 참고예 5가 85이다.

엔진 회전수가 2000 rpm에 있어서, 오일링 장력(Ft)와 보아직경의 비Ft/d=0.25와 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 2개의 세그먼트 외주면 표면의 경화 처리 DLC 피막이 동일한 시험에서는, 세그먼트(11, 12)의 외주 형상의 조합에 관해서, 참고예 7의 상부 세그먼트(11):US5와 하부 세그먼트(12):US5의 조합, 실시예 9의 상부 세그먼트(11): US5와 하부 세그먼트(12): LS6의 조합, 참고예 8의 상부 세그먼트(11): LS6과 하부 세그먼트(12): LS6의 조합의 순서로 FMEP가 감소해, 프릭션의 저감에 효과가 있다. FMEP비에서는, 비교예 7: 가스 질화를 100으로 했을 때, DLC 피막에 있어서, 참고예 7이 77, 실시예 9가 75, 참고예 8이 73이다.

엔진 회전수가 2000 rpm에 있어서, 오일링 장력(Ft)와 보아직경의 비Ft/d=0.35와 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 2개의 세그먼트 외주면 표면의 경화 처리 CrN 피막이 동일한 시험에서는, 세그먼트(11, 12)의 외주 형상의 조합에 관해서, 참고예 4의 상부 세그먼트(11):US5와 하부 세그먼트(12):US5의 조합, 실시예 12의 상부 세그먼트(11):US5와 하부 세그먼트(12):LS6의 조합, 참고예 6의 상부 세그먼트(11):LS6과 하부 세그먼트(12):LS6의 조합의 순서에 FMEP가 감소해, 프릭션의 저감에 효과가 있다. FMEP비에서는, 비교예 7:가스 질화를 100으로 했을 때, CrN 피막에 있어서, 참고예 4가 95, 실시예 12가 93, 참고예 6이 90이다.

엔진 회전수가 2000 rpm에 있어서, 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 2개의 세그먼트 외주면 표면의 경화 처리가 DLC 피막으로 동일하고, 상부 세그먼트(11), 하부 세그먼트(12)의 2개의 세그먼트의 외주 형상의 조합(상부 세그먼트(11):US5와 하부 세그먼트(12):LS6)이 동일한 시험에서는, 오일링 장력(Ft)와 보아직경의 비Ft/d가 순서에 0.35, 0.25, 0.18, 0.10으로 감소하는 실시예 8으로부터 실시예 11까지, 같이 FMEP가 감소해, 프릭션의 저감의 효과가 크다. FMEP비에서는, 비교예 7:가스 질화를 100으로 했을 때, DLC 피막에 있어서, 실시예 8이 87, 실시예 9가 75, 실시예 10이 65, 실시예 11이 55이다.

엔진의 연비(燃費)에 관해서는, 엔진 회전수가 2000 rpm까지의 FMEP가 평가되어 있다.

<13. 외주면(S)의 형상과 오일 소비량 측정 시험 및 프릭션 측정 시험의 고찰>

오일 소비량 및 프릭션에 보다 바람직한 세그먼트의 외주 형상은 이하의 범위에 있다. 실시예 1로부터 실시예 12까지에 의해, 상부 세그먼트(11)의 외주 형상은 비대칭 형상으로 하고, 0.05 mm≤L≤0.18 mm이며, 상방각(θ1)이 3도 이상, 9도 이하이며, 하방각(θ2)가 9도 이상인 것이 바람직하다. 하부 세그먼트(12)의 외주 형상은 대칭 형상으로 하고, 0.08 mm≤Lx≤0.20 mm이며, 상방각(θ1x)와 하방각(θ2x)의 치가 2도 이상, 9도 이하인 것이 바람직하다. 또한, 하부 세그먼트(12)의 외주면의 각도(θ1x)와 각도(θ2x)는,｜θ1x-θ2x｜≤1.5도인 것이 바람직하다.

또, 하부 세그먼트(12)의 외주 형상은 대칭 형상으로 하고, 0.08 mm≤Lx≤0.18 mm이며, 상방각(θ1x)와 하방각(θ2x)의 치가 3도 이상, 9도 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한,｜θ1x-θ2x｜≤1.5도이다.

<14.오일링 장력과 오일 소비량 측정 시험 및 프릭션 측정 시험의 고찰>

조합 오일링의 오일링 장력은, 오일 소비 성능과 프릭션 성능의 배반(背反) 하는 2개의 특성을 만족하듯이 설정된다. 오일링 장력의 수준은, 오일링 장력(Ft)(단위: N)를 보아 직경(d)(단위:mm)로 나눈 값Ft/d(단위: N/mm), 즉 보아직경 당의 오일링 장력을 대용하고, 종래의 수준은 0.5∼0.6(N/mm)에 있고, 저장력화라고 하는 수준은 0.35(N/mm) 이하라고 알려져 있다.

엔진의 연비 개선 때문에, 오일링 장력을 낮게 한다. 또는, 엔진 연소 조건 또는 피스톤 링 또는 피스톤(2)와 실린더(1)의 내벽의 접동 환경(摺動環境)에 따라서는, 피스톤 링 또는 피스톤(2)와 실린더(1)의 내벽의 접동면에 있어서의 어느 하나에 있어서 스커프(scuff)(손상) 기미이거나 또는 접동에 의한 경미한 상처가 다발하는 경우는, 유막 두께를 일정 이상 확보하는 것으로써 이러한 바람직하지 않은 상황을 해소(解消)하는 것이 필요하다. 이 때문에, 오일링 장력을 낮게 하는데 더해, 내마모성이 뛰어나고 마찰 계수가 낮은 경질 피막(크롬 질화물 피막, DLC 피막등)을 채용하는 것이 유용하다고 생각한다. 이러한 경우, 세그먼트 외주 형상의 선단부가 대칭 형상인 상하부의 세그먼트에 대해서, 본 발명의 채용에 의해, 오일링 장력을 낮게 하면서, 오일 소비 성능 또는 내 스커프 성(내손상성)을 개선하는 것을 기대할 수 있다.

조합 오일링은 실린더(1)의 내벽에 대해서, 엔진의 전행정(全行程)에 있어서, 원주방향 전주에 거쳐 상하부의 세그먼트(11, 12)의 외주 선단부가 면접촉 하고, 소정의 오일 소비 성능을 발휘하게 된다. 그러나, 엔진의 실린더 블록(cylinder block)(미도시)에 인서트(insert)된 실린더(1)은, 엔진 연소에 의해 열변형해, 실린더(1)의 내벽은 2차 변형으로부터 4차 변형의 내주 진원도(眞圓度) 형상이 된다. 엔진이 고회전이 되는 고속역에서는 열변형이 보다 증대한다. 이 열변형에 대해서도, 상하부의 세그먼트(11, 12)의 외주 선단부가 실린더(1)의 내벽에 면접촉 하기 위해서는, 오일링 장력을 높이는 것이 유용하는 한편에, 엔진의 프릭션 로스(friction loss)가 증대하기 때문에, 오일링 장력을 높게 하는 것에는 한계가 생긴다. 이러한 경우, 세그먼트 외주 형상의 선단부가 대칭 형상인 상하부 세그먼트에 대해서, 본 발명의 채용에 의해, 같은 오일링 장력으로 프릭션의 증가를 억제하면서, 오일 소비 성능을 개선하는 것을 기대할 수 있다.

이러한 보아 변형은, 피스톤 링 또는 피스톤(2)와 실린더(1)의 내벽의 접동에 의한 엔진의 프릭션 증가에도 많이 나쁜 영향을 미치게 된다.

1…실린더, 2…피스톤, 3…피스톤의 외주면, 4…오일링 그루브, 5…오일 리턴 구멍, 10…조합 오일링, 11…상부 세그먼트, 12…하부 세그먼트, 11 a, 12 a…경질 피막, 13…익스팬더 스페이서, M…익스팬더 스페이서의 축방향 중심선, 14…상돌출부, 14 a…상편부, 14 b, 15 b…이부, 14 b1, 15 b1…경사면, 14 c, 15 c…외주 지지부, 14 d, 15 d…연통공, 15…하돌출부, 15 a…하편부, a1…제1 위치, b1…제2 위치, a2…제3 위치, b2…제4 위치, a1x…제5 위치, b1x…제6 위치, a2x…제7 위치, b2x…제8 위치, S…외주면, S1…제1 윤곽 구분, S2…제2 윤곽 구분, S3…제3 윤곽 구분, SP…외주 정점, 20…크랭크식 단기통 모터링 시험기, 21…실린더 라이너, 23…스토퍼, 25…센서(축방향의 접동 마찰력 검출용), 30…왕복이동 마찰 시험기, 31…상시험편, 32…하시험편

Claims (3)

1. 내연기관용 피스톤의 오일링 그루브에 장착되며, 외주면이 실린더의 내벽을 접동하는 한 쌍의 세그먼트와, 상기 한 쌍의 세그먼트의 사이에 배치됨과 동시에 상기 한 쌍의 세그먼트의 외주면을 실린더 내벽에 압압하는 익스팬더 스페이서를 구비하는 조합 오일링에 있어서,
   상기 한 쌍의 세그먼트 중의 엔진 연소실 측에 배치하는 상부 세그먼트의 임의의 종단면에 있어서의 상기 외주면의 형상은, 상부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부의 단점으로부터 각각 실린더 내벽에 향하는 직경 방향에서, 상부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 엔진 연소실측과 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에서 한 쌍을 이루면서 대칭이 되는 곡선 형상을 가지고, 상기 외주면의 형상의 실린더 삽입시 내벽에 접하는 외주 정점측이 외주 정점을 사이에 두고 상부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 비대칭 형상을 가지고, 상기 비대칭 형상의 양단의 연장은, 상기 상부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부를 단점으로 하는 상기 곡선 형상에 각각 연속한 형상이며,
   상기 비대칭 형상은, 상부 세그먼트의 폭의 중심을 통과하는 선을 제1 중간선으로 하고, 상기 상부 세그먼트의 종단면에 있어서의 상기 외주면을 트레이스 한 윤곽 곡선의 외주 선단부에 있어서, 상기 외주 정점으로부터 상부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 외주 정점으로부터의 거리 4.0μm의 위치에 있어서의 상기 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중의 상기 엔진 연소실측의 위치를 제1 위치(a1), 상기 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 제2 위치(b1)로 하고, 이들 제1 위치(a1)와 제2 위치(b1)의 사이의 선분의 길이를 (L)로 하고, 이 길이(L)의 선분의 중간선을 제2 중간선으로 했을 때, 상기 제2 중간선은, 상기 제1 중간선보다 상기 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 위치하며, 상기 상부 세그먼트의 외주 정점은, 상기 제2 중간선상에 위치하거나, 또는 상기 제2 중간선보다 상기 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 위치하고,
   상기 상부 세그먼트는, 상기 외주 정점이 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 위치하듯이 오일링 그루브에 장착되고,
   상기 한 쌍의 세그먼트중의 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에 배치하는 하부 세그먼트의 임의의 종단면에 있어서의 상기 외주면의 형상은, 하부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부의 단점으로부터 각각 실린더 내벽에 향하는 직경 방향에서, 하부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 엔진 연소실측과 엔진 연소실로부터 멀어지는 측에서 한 쌍을 이루면서 대칭이 되는 곡선 형상을 가지고,
   상기 외주면의 형상의 상기 실린더 삽입시 내벽에 접하는 외주 정점측이, 외주 정점을 사이에 두고 하부 세그먼트의 폭 방향에 있어서 대칭이 되는 호모양을 가지고,
   상기 호모양의 양단의 연장은, 상기 하부 세그먼트의 폭을 형성하는 2면의 각 외주측 단부를 단점으로 하는 상기 곡선 형상에 각각 연속하는 형상이며, 상기 하부 세그먼트는 상기 오일링 그루브에 장착되고,
   상기 상부 세그먼트 외주 선단부에 있어서의 비대칭 형상의 윤곽 곡선을, 상부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 상기 외주 정점과 외주 정점으로부터 거리 1.5μm로 끼는 윤곽 곡선 부분과, 상부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 외주 정점으로부터 거리 1.5μm와 거리 4.0μm로 끼는 윤곽 곡선 부분의 2개의 영역에 구분했을 때, 실린더의 엔진 연소실측으로부터 순서로 제1 윤곽 구분, 제2 윤곽 구분 및 제3 윤곽 구분으로 하고, 상기 제1 윤곽 구분은, 상기 제2 윤곽 구분의 상기 엔진 연소실측의 제1 단부를 시점으로서 직선 형상 또는 2차 곡선 형상의 일부로 설치되고, 상기 제2 윤곽 구분은, 그 중도에 외주 정점이 존재하고, 호모양으로 설치되며, 상기 제3 윤곽 구분은, 상기 제2 윤곽 구분의 상기 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 제2 단부를 시점으로 해 2차 곡선 형상의 일부가 되듯이 설치되고,
   상기 상부 세그먼트의 외주면 중의 비대칭 형상 부분의 표면 거침도는 0.1μmRa 이하이며,
   상기 윤곽 곡선에 있어서의 외주 선단부 중의 상기 외주 정점에서 상부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 1.5μm의 위치에 있어서의 상기 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중의 상기 엔진 연소실측의 위치를 제3 위치(a2), 상기 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 제4 위치(b2)로 하고, 상기 제1 위치(a1)와 상기 제2 위치(b1)의 사이의 선분의 길이(L)가 0.05 mm≤L≤0.18 mm이며,
   상기 제1 위치(a1)와 상기 제3 위치(a2)를 통과하는 제1 직선과 상기 실린더의 축방향이 이루는 각도(상방각)를 θ1도, 상기 제2 위치(b1)와 상기 제4 위치(b2)를 통과하는 제2 직선과 상기 실린더의 축방향이 이루는 각도(하방각)를 θ2도로 했을 때,
   3도≤θ1≤9도, 9도≤θ2의 조건을 만족하며,
   또한, 상기 하부 세그먼트의 외주면 중의 하부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 외주 정점으로부터 적어도 거리 10μm까지의 대칭 부분의 표면 거침도는 0.1μmRa 이하이며,
   상기 하부 세그먼트의 종단면에 있어서의 상기 외주면을 트레이스 한 윤곽 곡선의 외주 선단부에 있어서, 상기 외주 정점에서 하부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 4.0μm의 위치에 있어서의 상기 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중의 상기 엔진 연소실측의 위치를 제5 위치(a1x), 상기 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 제6 위치(b1x), 상기 외주 정점에서 하부 세그먼트 직경방향의 내주측에 향해 거리 1.5μm의 위치에 있어서의 상기 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중의 상기 엔진 연소실측의 위치를 제7 위치(a2x), 상기 엔진 연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 제8 위치(b2x)로 하고, 상기 제5 위치(a1x)와 제6 위치(b1x)의 사이의 선분의 길이를 (Lx)로 했을 때, 길이(Lx)가 0.08 mm≤Lx≤0.20 mm이며,
   상기 제5 위치(a1x)와 상기 제7 위치(a2x)를 통과하는 제3 직선과 상기 실린더의 축방향이 이루는 각도(상방각)를 θ1x도, 상기 제6 위치(b1x)와 상기 제8 위치(b2x)를 통과하는 제4 직선과 상기 실린더의 축방향이 이루는 각도(하방각)를 θ2x도로 했을 때,
   2도≤θ1x≤9도, 2도≤θ2x≤9도, |θ1x-θ2x|≤1.5도의 조건을 만족하는, 조합 오일링.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부 세그먼트의 종단면에 있어서의 상기 외주면을 트레이스 한 윤곽 곡선의 외주 선단부에 있어서, 길이(Lx)가 0.08 mm≤Lx≤0.18 mm이며, 3도≤θ1x≤9도, 3도≤θ2x≤9도, |θ1x-θ2x|≤1.5도의 조건을 만족하는, 조합 오일링.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 한 쌍의 세그먼트의 각각의 외주면 표면이, 하기 (1)-(3) 중의 어느 하나의 피막을 가지고 있는, 조합 오일링:
   (1) 크롬 질화물로부터 구성되는 피막,
   피막의 표면 경도는 800 HV 이상, 피막의 두께는 10μm 이상
   (2) 탄소만으로부터 구성되는 DLC(비정질 탄소) 피막,
   피막의 표면 경도은 1500 HV 이상, 피막의 두께는 3μm 이상
   (3) 상기 (1)의 경질 피막상에 상기(2)의 DLC 피막으로부터 구성되는 다층 적층 구조의 피막
   크롬 질화물 피막(PVD 피막)의 피막의 두께는 5μm 이상, DLC 피막의 피막의 두께는 0.5μm 이상.

Images