KR20160095194A

KR20160095194A - 조합형 오일링

Info

Publication number: KR20160095194A
Application number: KR1020167020908A
Authority: KR
Inventors: 히로노리 후지타; 겐타로 가와노
Original assignee: 티피알 가부시키가이샤
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2016-08-10
Also published as: MX2016005663A; WO2016038916A1; KR101665491B1; MX356143B; EP3056775A4; CN105849444A; EP3056775B1; BR112016008042B1; US9784369B2; CN105849444B; EP3056775A1; US20170175893A1

Abstract

오일링의 저장력화를 도모하고 있어도, 고속역에 있어서의 오일 소비량의 저감을 도모하는 것이 가능한 조합형 오일링을 제공한다.
조합형 오일링에 있어서, 세그먼트의 임의의 종단면에 있어서의 외주면의 선단부는 비대칭 형상이며, 세그먼트 폭의 중심을 지나는 선을 제1 중간선으로 하고, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 3μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 엔진연소실측의 위치(a1)와 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 위치(b1)의 사이의 선분의 길이를 L로 하고, 이 선분(L)의 중간선을 제2 중간선으로 했을 때, 제2 중간선은, 제1 중간선보다 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하고, 세그먼트의 외주 정점은, 제2 중간선 상에 위치하거나, 혹은 제2 중간선보다 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하고, 한 쌍의 세그먼트는, 각각의 외주 정점이 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하도록 오일링 그루브에 장착되어 있다.

Description

조합형 오일링{COMBINED OIL RING}

본 발명은, 피스톤의 오일링그루브(oil ring groove)에 설치되는 조합형 오일링 (combination oil ring)에 관한 것이다.

내연기관의 피스톤의 외주에 설치되어 있는 피스톤 링 그루브에는, 피스톤 링이 설치되어 있다. 통상의 가솔린 내연기관에 있어서의 피스톤 링의 구성은, 2개의 압축링(compression ring)(톱링과 세컨드링)과 조합형 오일링으로부터 구성된다. 조합형 오일링은, 오일 컨트롤 기능을 가지고, 엔진 오일의 소비를 억제하고 있다.

이러한 오일링에 관한 선행 기술 문헌으로서는, 이하의 문헌이 있다. 특허 문헌 1에는, 오일링의 2개의 디스크(disk)(사이드 레일)에 있어서, 그 주행면(走行面)이 볼록한 곡면상의 비대칭의 형상을 가지고, 디스크의 외주면의 정점선이 각각 반대의 방향으로 링 그루브의 중앙으로 향해 방향이 정해진 오일 긁기 링과, 디스크의 외주면의 정점선이 같은 방향으로 링 그루브의 피스톤 톱(piston top)과는 반대 방향의 측면을 향해 방향이 정해진 오일 긁기 링이 개시되어 있다. 또한, 디스크의 주행면의 횡단면은, 제1의 구분에서, h(x)=ax＋bx²에 의해 나타내지는 2차의 다항식의 비대칭의 형상이며, 에지(edge)로서 구성된 지지하는 정점(II) h(x=0)의 뒤, 제3의 구분에서, 함수 h(x)=cx²의 비대칭의 형상인 것이 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌 2에는, 상하 레일과 익스팬더(expander)를 가지는 투피스 타입(two piece type)의 조합형 오일링이 개시되어 있다. 특허 문헌 2에서는, 상하 레일의 각 외주면이, 레일 축 방향의 폭중심으로부터 축 방향 아래쪽 가까이를 정점으로 한 비대칭 배럴(barrel) 곡선으로부터 형성되고, 비대칭 배럴 곡면의 위측 반경방향 낙차가 25μm∼75μm이고, 아래측 반경방향 낙차가 1μm∼20μm가 바람직하다고 하는 것이 개시되어 있다.

또한, 비특허 문헌 1에는, 2 리터, 4 사이클 가솔린엔진의 실동시에 있어서, 세그먼트(사이드 레일)의 외주면형상이 대칭인 볼록한 곡면 형상에 설치되어 있는 구성이 개시되어 있다. 특허 문헌 1에서는, 세그먼트(사이드 레일)의 윤곽 곡선에 있어서, 세그먼트 (사이드 레일)의 접동방향의 측정폭이0.15 mm인 위치와 외주 정점의 낙차가 대략 4μm의 수준에 있는 쓰리피스(three piece)식 오일링을 시험에 사용했을 때의 유막 두께에 대해 말하고 있다. 러스트(thrust)측에서는, 2000rpm의 전부하의 운전 조건하에서 4 사이클 실시하는 사이에, 파이버(fiber)를 이용한 LIF(Laser-Induced-Fluorescence)법에 의해 측정한 유막 두께는 대략 1μm에서 6μm인 것이 연구 보고(Fig.12)되어고, 보고중에는, 엔진의 회전수의 증가에 따라 유막 두께가 두꺼워지는 취지가 기술되고 있다.

또한, 비특허 문헌 2에는, 0.3 리터, 싱글 실린더(single cylinder)4 사이클 시험용 디젤 엔진의 실동시에 있어서, 쓰러스트측에서는, 2000rpm, 75%l-Load의 운전 조건하에서 4 사이클 실시하는 사이에, 쓰리피스식 오일링(오일링 D)의 유막 두께는, 대략 1μm에서 4μm인 것이 연구 보고(Fig.10)되고 있다.

일본특허 제 4800946호 공보 일본특허 제 4322500호 공보

오일링의 실린더 보아 추종성에 관한 연구(제1보) 모치즈키 카즈야 등, 2012/10/5 자동차기술회 추기학술강연회 기고 279-20125735 The Effect of Oil Ring Geometry on Oil Film Thickness in the Circumferential Direction of the Cylinder Kei Nakayama etc.SAE PAPER 982578

최근, 내연기관은, 엔진의 저연비화를 실현하기 위해, 프릭션(friction)의 저감을 목적으로 한 오일링의 저장력화가 진행됨과 동시에, 세그먼트(사이드 레일)의 외주면에 낮은 프릭션의 내마모성 피막을 형성하는 것이 요구되고 있다. 그러나, 오일링의 저장력화는, 특히 엔진이 고회전이 되는 고속역에 있어서는, 유막 두께가 보다 두꺼워져, 오일의 소비량이 증대한다고 하는 문제를 유발한다. 이 때문에, 오일링이 저장력이라도, 고속역에 있어서의 오일 소비의 저감을 가능하게 하는 것이 과제로 되고 있다.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 오일링 장력이 저장력이어도, 엔진이 고회전이 되는 고속역에 있어서의 오일 소비량의 저감이 가능한 조합형 오일링을 제공하고자 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 관점에 의하면, 내연기관용 피스톤의 오일링 그루브에 장착되며, 외주면이 실린더의 내벽을 접동하는 한 쌍의 세그먼트와, 이 한 쌍의 세그먼트의 사이에 배치됨과 동시에 한 쌍의 세그먼트의 외주면을 상기 실린더의 내벽에 압압 하는 익스팬더 스페이서를 가지는 조합형 오일링에 있어서,

세그먼트의 임의의 종단면에 있어서의 외주면의 형상은, 세그먼트 폭을 형성하는 양단면으로부터 각각 실린더 내벽으로 향하는 직경 방향에서, 세그먼트 폭의 엔진연소실측과 엔진연소실로부터 멀어지는 측에서 대칭이 쌍의 곡선 형상을 가지고, 외주면의 형상중의 실린더에 삽입시 내벽에 접하는 외주 정점측은, 이 외주 정점 부분을 사이에 두고 세그먼트 폭방향에서 비대칭 형상을 가지고 곡선 형상에 연속한 형상이며,

비대칭 형상은, 세그먼트폭의 중심을 지나는 선을 제1 중간선으로 하고,

그먼트 종단면에 있어서의 외주면의 윤곽 곡선이 트레이스 된 외주선단부에 있어서, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 3μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중 엔진연소실측의 위치를 위치 a1, 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 위치 b1으로 하고,

상기 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 선분의 길이를 L로 하고, 이 길이(L)의 선분의 중간선을 제2 중간선으로 했을 때, 제2 중간선은, 제1 중간선보다 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치히고, 세그먼트의 외주 정점은, 제2 중간선상에 위치하거나, 혹은 제2 중간선보다 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하고,

한 쌍의 세그먼트는, 각각의 외주 정점이 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하도록 오일링 그루브에 장착되는 것을 특징으로 하는 조합형 오일링이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 측면은, 전술한 발명에 있어서, 세그먼트 종단면에 있어서의 외주면의 윤곽 곡선은, 세그먼트 직경 방향의 내주측 위치에 있어서의 축 방향 양단측에 한 쌍의 대칭 형상이 존재하도록, 세그먼트의 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 적어도 0.025 mm까지 트레이스되어 있고,

세그먼트 외주선단부에 있어서의 비대칭 형상의 윤곽 곡선을, 외주 정점과 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm의 위치 사이의 곡선 부분과, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm의 위치와 거리 3.0μm의 위치 사이의 윤곽 부분에 구분했을 때, 실린더의 엔진연소실측으로부터 제1 윤곽 구분, 제2 윤곽 구분 및 제3 윤곽 구분으로 하고,

제1 윤곽 구분은, 제2 윤곽 구분의 엔진연소실측의 제1 단부를 시점으로 하여 직선 형상 또는 2차 곡선 형상의 일부에 설치되고,

제2 윤곽 구분은, 그 중도에 외주 정점이 존재하고, 호형(弧形)으로 설치되며,

제3 윤곽 구분은, 제2 윤곽 구분의 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 제2 단부를 시점으로 하여 2차 곡선 형상의 일부가 되도록 설치되고,

세그먼트의 외주면 중 비대칭 부분의 표면 거칠기는 0.6μmRp 이하이며,

윤곽 곡선에 있어서의 외주선단부 중, 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 선분에 직교하는 직경 방향의 선이며 외주 정점을 지나는 선으로 분할된 선분(L)의 위치(a1)측의 길이를 L1으로, 위치(b1)측의 길이를 L2로 하고,

또한, 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치중의 엔진연소실측의 위치를 위치(a2)로, 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 위치(b2)로 하고, 위치(a2)와 위치(b2)의 사이의 선분의 길이를 L3로 했을 때, 0.05 mm≤L≤0.15 mm, L1/L≥0.5, L3/L≤0.74의 조건을 만족하고,

위치(a1)와 위치(a2)를 지나는 제1 직선과 상기 실린더의 축 방향이 형성하는 각도를 각도(θ1)로 했을 때, 2도≤θ1≤7도의 조건을 만족하고,

위치(b1)와 위치(b2)를 지나는 제2 직선과 실린더의 축 방향이 형성하는 각도를 각도(θ2)로 했을 때, 9도≤θ2의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 측면은, 전술한 발명에 있어서, 각도(θ1)는, 3도≤θ1≤6도의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

제2 윤곽 구분은, 그 중도에 평탄부를 가지고, 평탄부의 축 방향의 엔진연소실측의 단부로부터 직선 형상 또는 2차 곡선 형상의 일부로부터 구성되고 제1 윤곽 구분에 연속한 형상이며, 평탄부의 축 방향의 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 단부로부터 2차 곡선 형상의 일부로부터 구성되고 제3 윤곽 구분에 연속한 형상으로 설치되고,

제3 윤곽 구분은, 제2 단부에 연속하는 2차 곡선 형상의 일부가 되도록 설치되고,

세그먼트 외주면의 윤곽 곡선에 있어서의 외주선단부 중, 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 선분에 직교하는 직경 방향의 선이며 외주 정점을 지나는 선으로 분할된 선분(L)의 위치(a1)측의 길이를 L1으로, 위치(b1)측의 길이를 L2로 하고,

또한, 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치중의 엔진연소실측의 위치를 위치(a2)로, 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 위치(b2)로 하고, 위치(a2)와 위치(b2)의 사이의 선분의 길이를 L3로 하고, 제2 윤곽 구분의 평탄부의 축 방향 길이를 L4로 했을 때, 0.05 mm≤L≤0.15 mm, L1/L≥0.5, L3/L≤0.76, 0<L4≤0.05 mm의 조건을 만족하고,

위치(a1)와 위치(a2)를 지나는 제1 직선과 실린더의 축 방향이 형성하는 각도를 각도(θ1)로 했을 때, 3도≤θ1≤6도의 조건을 만족하고,

위치(b1)와 위치(b2)를 지나는 제2 직선과 실린더의 축 방향이 형성하는 각도를 각도(θ2)로 했을 때, 9도≤θ2의 조건을 만족하는, 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 측면은, 전술한 발명에 있어서,

세그먼트의 외주면은,

1) 크롬, 티탄으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 질화물로부터 구성되며 이온플레이팅법에 의한 피막,

(2) 크롬, 티탄으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 질화물로부터 구성되며 알루미늄을 포함한 이온플레이팅법에 의한 피막,

(3) 산소, 탄소, 붕소로부터 적어도 하나 선택되는 원소를 고용(固溶)하며 (1)의 이온플레이팅법에 의한 피막,

(4) 질소를 고용한 금속 크롬과 Cr₂N이 혼재하며 이온플레이팅법에 의한 피막,

(5) 탄소만으로 구성되며 이온플레이팅법에 의한 DLC(비정질 탄소) 피막,

(6) 탄소 외에 규소, 산소, 수소, 텅스텐, 티탄중 1종 또는 2종 이상의 원소를 포함하며 이온플레이팅법에 의한 DLC(비정질 탄소) 피막,

(7) 상기(1), 상기(2), 상기(3) 및 상기(4)의 피막중의 어느 하나의 경질피막 상에 상기(5)의 DLC 피막 또는 상기(6)의 DLC 피막중의 어느 하나를 피복시켜 구성되는 피막 중의 어느 하나의 피막을 가지고 있고,

(1)의 피막으로부터 (7)까지의 각각의 피막의 표면 경도는 HV1000 이상이며,

(1)의 피막으로부터 (6)까지의 각각의 피막의 두께는 3μm 이상이며,

(7)의 복층(複層)의 두께는 3μm 이상인, 것이 바람직하다.

본 발명의 조합형 오일링에 의하면, 오일링 장력이 저장력이어도, 엔진이 고회전이 되는 고속역에 있어서의 오일 소비량의 저감이 가능하게 된다.

도 1은, 본 발명의 일실시형태에 따른 조합형 오일링의 구성을 나타냄과 동시에, 조합형 오일링을 장착한 피스톤이 실린더에 삽입된 상태를 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 세그먼트의 외관을 나타내는 평면도이다.
도 3은, 도 2의 A-A선을 따라 세그먼트를 절단한 상태를 나타내는 종단면도이다.
도 4는, 익스팬더 스페이서의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는, 세그먼트의 외주면의 형상을 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다.
도 6은, 도 5에 있어서 세그먼트의 외주면의 선단 부분을 확대한 상태를 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다.
도 7은, 도 5에 있어서의 세그먼트의 외주면을 측정했을 때의 윤곽 곡선이다.
도 8은, 도 7에 있어서의 세그먼트의 외주면의 선단 부분을 확대하여 나타내는 윤곽 곡선이다.
도 9는, 도 6과는 다른 형상의 세그먼트의 외주면의 선단 부분을 확대한 상태를 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다.
도 10은, 도 9에 있어서의 세그먼트의 외주면의 선단 부분을 확대하여 나타내는 윤곽 곡선이다.
도 11은, 비교예 1의 세그먼트의 외주면을 측정했을 때의 도 7과 마찬가지로 측정된 윤곽 곡선이다.
도 12는, 도 11에 있어서의 세그먼트의 외주면의 선단 부분을 확대하여 나타내는 윤곽 곡선이다.
도 13은, 도 6에 있어서의 세그먼트의 외주면의 선단 부분에 대하여 대략 70시간의 오일 소비량 측정 시험이 종료된 후의 마모량을 설명하는 윤곽 곡선이다.
도 14는, 표 1에 근거한 오일 소비량 측정 결과에 관한 그래프이다.

이하, 본 발명의 일실시형태에 따른 조합형 오일링(combination oil ring)(10)에 대하여, 도면에 기초하여 설명한다.

<1. 조합형 오일링(10)의 구성에 대해>

도 1은, 조합형 오일링(10)의 구성을 나타냄과 동시에, 조합형 오일링(10)을 장착(裝着)한 피스톤(piston)(2)이 실린더(cylinder)(1)에 삽입된 상태를 나타내는 종단면도이다.

도 1에 있어서, 자동차등의 엔진의 실린더(1)의 내부에는, 왕복동(往復動)이 가능한 피스톤(2)이 배치되어 있다. 이 피스톤(2)의 외주면(3)에는, 2개 또는 3개 중 어느 하나의 환형의 그루브(groove; 溝)가 설치되어 있다(엔진연소실측의 1개 또는 2개의 그루브의 도시는 생략). 그 중에서, 엔진연소실에서 가장 떨어진 크랭크 샤프트(crank shaft)측(도시 생략)에는, 오일링 그루브(oil ring groove)(4)가 설치되어 있다. 오일링 그루브(4)에는, 조합형 오일링(10)이 장착되어 있다. 이 조합형 오일링(10)은, 오일 컨트롤 기능을 가지며, 실린더(1)의 내벽에 존재하는 엔진 오일을 적절한 두께의 유막(油膜)을 형성한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 조합형 오일링(10)은, 쓰리피스(three piece)형의 조합형 오일링이며, 강(鋼)을 주성분으로 하여 형성되어 있다. 이 조합형 오일링(10)은, 한 쌍의 세그먼트(segment)(사이드 레일(side rail)(11, 12)와, 이들 사이에 배치되어 있는 익스팬더 스페이서(expander spacer)(13)를 가지고 있다. 한 쌍의 세그먼트(11, 12)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 각각 동일한 소정의 세그먼트 폭(h1)을 가지고 있다. 여기서, 세그먼트 폭(h1)이란, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에 있어서의 세그먼트(11, 12)의 각각의 치수를 가리킨다. 또한, 한 쌍의 세그먼트(11, 12)는, 조합 폭(h0)를 가지도록 배치되어 있다. 여기서, 조합 폭(h0)이란, 세그먼트(11)의 상면(엔진연소실측의 면)과 세그먼트 (12)의 하면(엔진연소실로부터 멀어지는 측의 면)의 사이의 간격을 가리킨다. 또한, 세그먼트(11)는, 오일링 그루브(4)의 엔진연소실측의 윗쪽벽에 대해서 사이드 클리어런스(side clearance)(SC)의 간극을 두고 배치되어 있다. 또한, 사이드 클리어런스(SC)란, 오일링 그루브의 폭과 조합 폭(h0)의 치수 차이를 말한다.

도 2는, 세그먼트(11, 12)의 외관을 나타내는 평면도이다. 도 3은, 도 2의 A-A선을 따라 세그먼트(11, 12)를 절단한 상태를 나타내는 종단면도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 세그먼트(11, 12)의 외관은 환형으로 설치되어 있다. 그리고, 세그먼트(11, 12)의 원주 방향의 단면끼리가 합구(合口)에 있어서 좁은 간극을 두고 대향하고 있다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)측에, 내마모성(耐摩耗性)을 향상시키기 위한 경질피막(硬質被膜)(11a, 12a)이 설치되어 있다. 다만, 상기 경질피막(11a,12a)이 존재하지 않는 구성으로서, 가스질화(gas nitriding), 염욕질화(salt bath nitriding) 또는 이온질화(ion nitriding)등을 채용해도 된다. 또한, 이 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)의 형상(임의의 종단면에 있어서의 외주면(S)의 형상)에 대해서는, 후술한다. 또한, 경질피막(11a, 12a)의 구체적인 재질이나 형성 방법에 대해서도, 후술한다.

도 4는, 익스팬더 스페이서(13)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 익스팬더 스페이서(13)는, 그 원주 방향에 따라서 나아가는 것에 따라, 세그먼트(11)과 세그먼트(12) 중의 어느 하나에 번갈아 향하는 파형모양(波形形狀)으로 설치되어 있다. 익스팬더 스페이서(13)가 이러한 파형모양으로 설치됨으로써, 익스팬더 스페이서(13)와 세그먼트(11), 세그먼트(12)의 사이에 간극이 형성되어, 엔진 오일의 통로(通路)가 확보된다. 또한, 익스팬더 스페이서(13)는, 그 외관이 환형으로 설치되어 있고, 원주 방향의 단면끼리가 맞붙여진 상태로 오일링 그루브(4)에 장착된다.

이하에서는, 익스팬더 스페이서(13) 중의 실린더(1)의 축 방향의 중심선(M)보다 엔진연소실 측에 위치하는 부분을 상돌출부(上突出部)(14)로 하고, 중심선(M)보다 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하는 부분을 하돌출부(下突出部)(15)로 한다. 상기 상돌출부(14)와 하돌출부(15)가 익스팬더 스페이서(13)의 원주 방향에 있어서 반복하여 주기적으로 연속하는 것에 의해, 익스팬더 스페이서(13)는 다수(多數) 의 파형 부분을 가지도록 형성되어 있다.

상돌출부(14)와 하돌출부(15)는, 익스팬더 스페이서(13)에 대해, 예를 들어 소성가공(plastic working)을 행하는 것에 의해 파형모양으로 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, 세그먼트(11)에 대해서 대향하는 부분이며, 대략 수평으로 설치되고 있지만, 이것에 한정하지 않고, 예를 들어, 외주 지지부(14c)의 원주 방향의 중앙 위치로부터 이부(14b)의 원주 방향의 중앙 위치에 향하는 방향으로 우묵한 그루브(groove)가 설치되어 있어도 된다.

또한, 이부(14b)는, 상편부(14a)보다 내주측에 위치하고 있고, 또한, 상편부(14 a)보다 엔진연소실 측으로(중심선(M)으로부터 멀어지는 방향으로) 돌출하여 설치되어 있다. 이부(14b)의 외주측에는, 실린더(1)의 축 방향에 대해서 경사져 있는 경사면(14b1)이 설치되어 있고, 이 경사면(14b1)은, 중심선(M)을 향함에 따라 외주측으로 향하도록 경사져 있다. 이 경사면(14b1)에는, 세그먼트(11)의 내주측의 부위가 당접(當接)한다. 또한, 이것에 한정하지 않고, 경사면(14b1)은 중심선(M)을 향함에 따라 외주측으로 향하도록 경사져 있지 않아도 되며, 이 경우에도, 세그먼트(11)의 내주측의 부위가 당접한다. 조합형 오일링(10)을 장착한 피스톤(2)이 실린더(1)에 삽입된 상태에서는, 세그먼트(11)가 실린더(1)의 내벽측(외주측)을 향하도록 압압(押壓)된다. 또한, 이부(14b)와 상편부(14a)의 경계 부분에는, 엔진 오일이 유통 가능한 연통공(連通孔)(14d)이 설치되어 있지만, 이 연통공(14d)이 존재하지 않는 구성을 채용해도 된다.

또한, 외주 지지부(14c)는, 상편부(14a)보다 외주측에 위치하고 있다. 이 외주 지지부(14c)는, 상편부(14a)보다 엔진연소실 측으로(중심선(M)으로부터 멀어지는 방향으로) 돌출하여 설치되어 있다. 또한, 외주 지지부(14c)는, 그 상면측에 의해 세그먼트(11)를 지지하는 부분이다. 그 때문에, 외주 지지부(14c)는, 이부(14b)보다는 돌출하지 않고, 또 그 상면도 대략 수평으로 설치되어 있다.

또한, 하돌출부(15)는, 중심선(M)을 사이에 두고 상돌출부(14)에 대해 대칭 형상으로 설치되어 있음과 동시에, 상돌출부(14)에 인접(隣接)하여 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(15b)와, 외주 지지부(14c)에 대해서 대칭 형상인 외주 지지부(15c)를 가지고 있다. 또한, 이부(15b)에는, 세그먼트(12)의 내주측의 부위가 당접하는 경사면(15b1)이 설치되어 있고, 이 경사면(15b1)은, 중심선(M)을 향함에 따라 외주측으로 향하도록 경사져 있다. 이 경사면(15b1)에는, 세그먼트(12)의 내주측의 부위가 당접한다. 또한, 이것에 한정하지 않고, 경사면(15b1)는 중심선(M)을 향함에 따라 외주측으로 향하도록 경사져 있지 않아도 되며, 이 경우에도, 세그먼트(12)의 내주측의 부위가 당접한다. 조합형 오일링(10)을 장착한 피스톤(2)이 실린더(1)에 삽입된 상태에서는, 세그먼트(12)가 실린더(1)의 내벽측(외주측)을 향하도록 압압된다. 또한, 이부(15b)와 하편부(15a)의 경계부분에는, 엔진 오일이 유통 가능한 연통공(15d)이 설치되어 있지만, 이 연통공(15d)이 존재하지 않는 구성을 채용해도 된다.

또한, 외주 지지부(15c)는, 그 하면측(크랭크 샤프트측의 면)에 의해 세그먼트(12)를 지지한다. 그 때문에, 세그먼트(11)와 세그먼트(12)는, 실린더(1)의 축 방향에서 이간(離間)한 상태로 유지된다. 또한, 세그먼트(11)와 세그먼트(12)가 각 경사면(14b1,15b1)에 의해 압압되는 것에 의해, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)이 실린더(1)의 내주면을 압압한다. 그것에 의해, 실린더(1)의 내벽에 존재하는 엔진 오일을 적절한 두께의 유막으로 형성하는 것이 가능해지고 있다.

<2. 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 형상에 대해>

계속하여, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 형상에 대해 설명한다. 도 5는, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 형상을 나타내는 부분적인 윤곽 곡선(輪郭曲線)이다. 또한, 도 5는, 외주면(S)의 선단 부분(SA)을 포함한 모델도(model diagram)이고, 이 모델도는, 실린더(1)의 축 방향(도 5의 Y 방향)의 어느 단위길이의 배율과 직경 방향(도 5의 X 방향)의 어느 단위길이의 배율을 각각 200배와 2000배로 했을 때의 윤곽 곡선에 상당한다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)을 측정했을 때의 윤곽 곡선에 있어서, 세그먼트(11, 12)의 외주 정점으로부터 세그먼트의 직경 방향으로 향하여 적어도 0.025 mm까지의 윤곽 곡선이 트레이스(trace)되어 있는 범위내에서, 본 실시형태에 있어서의 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)은, 실린더(1)의 축 방향에 있어서 선단 부분(SA) 이외에 대칭영역(R1)이 존재하고, 선단 부분(SA)에 비대칭 영역(R2)을 형성하고 있다. 또한, 윤곽 곡선이란, 표면 거칠기 측정에 있어서의 단면 곡선을 말한다.

본 실시형태에서는, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)은, 엔진연소실 측의 대칭 영역(R1)과, 비대칭 영역(R2)과, 엔진연소실과는 멀어지는 측의 대칭영역(R1)을 가지고 있다.

또한, 비대칭 영역(R2)는, 2개의 대칭영역(R1)의 사이에 위치하고 있다. 2개의 대칭영역(R1)으로부터 구한 윤곽 곡선의 선대칭(線對稱)의 중심축에 대해, 이 비대칭 영역(R2)의 윤곽 곡선은, 비대칭 형상이 되어 있다. 이 선대칭의 중심축을 제1 중간선(W1)이라 한다.

여기서, 전술한 도 5에 있어서는, 오프셋(offset)량을 구한다. 구체적으로는, 정점 부분(SP)을 지나며 직경 방향(도 5의 X 방향)을 따르는 직선을 선(W2)이라 한다. 또한, 정점 부분(SP)을 지나며 선(W2)에 직교(直交)하는(즉, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)을 따르는) 선을 선(W3)이라 한다. 이 때, 제1 중간선(W1)과 선(W2)의 사이의 거리(W3 방향의 선분의 길이)인 오프셋 량(P1)(제1오프셋량)을 구한다. 또한, 정점 부분(SP)은, 전술한 직경 방향(X 방향)에 있어서 가장 외경측(外徑側)의 부위이다.

또한, 도 5에서는, 제1 중간선(W1)과 선(W2) 외에, 제2 중간선(V1)을 설치하고 있다. 제2 중간선(V1)은, 다음과 같은 선이다. 즉, 윤곽 곡선에 있어서, 정점 부분(SP)으로부터 직경 방향(X 방향)의 내주측을 향하여 거리 3μm의 부위에 위치하며 제1 중간선(W1)에 직교하는 선(W4)과 교차하는 위치 중, 엔진연소실측의 위치를 위치(a1)로 하고, 엔진연소실과는 멀어지는 측의 위치를 위치(b1)로 할 때, 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 선분(線分)의 길이를 L로 하고, 그 길이 L의 선분의 중간선을 V1이라 한다. 이 때, 제2 중간선(V1)과 선(W2)의 사이의 거리인 오프셋량(P2)(제2오프셋량)을 구한다.

여기서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 정점 부분(SP)은, 제2 중간선(V1)보다 제2오프셋량(P2)만큼 엔진연소실 측과는 멀어지는 측에 위치하고 있지만, 정점 부분(SP)은, 제2 중간선(V1)상에 위치하고 있어도 된다. 또한, 제2 중간선(V1)은, 제1 중간선(W1)보다 엔진연소실으로부터 멀어지는 측에 위치하고 있다.

또한, 소정의 비대칭 형상을 가지는 세그먼트(11, 12)에는, 엔진연소실 측의 방향을 식별하는 표시를 형성한다. 그리고, 한 쌍의 세그먼트(11, 12)는, 각각의 정점 부분(SP)이 엔진연소실과는 멀어지는 측에 위치하도록 오일링 그루브(4)에 장착된다.

<3. 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)의 제1 형상에 대해>

계속하여, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)의 제1 형상에 대해 설명한다. 도 6은, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)을 확대한 상태를 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다. 또한, 도 6은, 외주면(S)의 선단 부분(SA)의 모델도이고, 이 모델도는, 실린더(1)의 축 방향(도 6의 Y 방향)의 어느 단위길이의 배율과 직경 방향(도 6의 X 방향)의 어느 단위길이의 배율을 각각 1000배와 2000배로 했을 때의 윤곽 곡선에 상당한다. 도 6은, Y 방향의 측정 배율을 전술한 도 5의 5배로 한 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 형상을 나타낸다.

또한, 본 명세서에서는, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)이란, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)을 측정했을 때의 윤곽 곡선에 있어서, 세그먼트(11, 12)의 외주 정점으로부터 세그먼트(11, 12)의 직경 방향(X 방향)으로 향해 적어도 0.025 mm까지의 윤곽 곡선이 트레이스되고 있는 범위내에서, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에 있어서의 비대칭 영역(R2)을 말한다.

본 실시형태에 있어서의 세그먼트(11, 12)에서는, 외주면(S)의 선단 부분(SA)은, 정점 부분(SP)을 사이에 두고 선단 부분(SA)의 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에 있어서 대칭 형상이 아니고, 비대칭 형상으로 설치되어 있다. 구체적으로는, 우선, 선단 부분(SA)의 정점 부분(SP)으로부터 직경 방향((X)방향)의 내주측을 향하여 거리 3μm까지의 부위에 존재하는 연속하는 외주면(S)의 선단 부분(SA)에 있어서의 단면의 윤곽 곡선은, 엔진연소실측으로부터, 제1 윤곽 구분(S1), 제2 윤곽 구분(S2), 제3 윤곽 구분(S3)의 3구분으로 구분한다.

(1) 제1 윤곽 구분(S1), 제2 윤곽 구분(S2), 제3 윤곽 구분(S3)의 제1 관점

제1 윤곽 구분(S1)은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제2 윤곽 구분(S2)의 엔진연소실측의 단부(端部)를 시점으로 하여 엔진연소실측을 향하여 설치되어 있다. 이 제1 윤곽 구분(S1)은, 2차 곡선과 같은 곡선 형상으로 설치되어 있다. 다만, 직선형상이라도 된다.

또한, 제2 윤곽 구분(S2)에는, 그 중도부분에 정점 부분(SP)이 존재하고 있다. 이 제2 윤곽 구분(S2)의 엔진연소실측의 단부는, 전술한 제1 윤곽 구분(S1)에 연속하고 있다. 또한, 제2 윤곽 구분(S2)의 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 단부는, 제3 윤곽 구분(S3)에 연속하고 있다. 상기 제2 윤곽 구분(S2)은, 호형으로 설치되어 있다. 호형으로서는, 예를 들어, 2차 곡선에 근사한 곡선 형상을 들수 있다. 또한, 제3 윤곽 구분(S3)은, 정점 부분(SP)보다 엔진연소실으로부터 멀어지는 측에 존재하고 있다. 이 제3 윤곽 구분(S3)은, 제2 윤곽 구분(S2)의 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 단부를 시점으로 한 2차 곡선의 일부가 되도록 설치되어 있다.

상기 제1 윤곽 구분(S1), 제2 윤곽 구분(S2) 및 제3 윤곽 구분(S3)의 표면 거칠기는, 0.6μmRp 이하가 되어 있다. 또한, Rp는 거칠기의 패러미터(parameter)의 일종이며, ISO 4287 (JIS B0601: '01)에 있어서의 최대피크높이이다.

또한, 세그먼트 종단면의 외주 선단부의 제1 윤곽 구분(S1), 제2 윤곽 구분(S2) 및 제3 윤곽 구분(S3)으로 형성된 윤곽 곡선에 있어서, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 3μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치를 위치(a1, b1)로 하고, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치를 위치(a2, b2)로 한다.

그리고, 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 거리(선분(W4)의 길이)를 L로 한다. 또한, 상기의 정점 부분(SP)을 지나는 선(W2)은, 선분(W4)에 직교하고 있다. 그리고, 길이(L)중의 선(W2)보다 위치(a1)측의 길이를 L1으로 하고, 선(W2)보다 위치(b1)측의 길이를 L2로 한다. 또한, 위치(a2)와 위치(b2)의 사이의 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)의 거리를 L3로 한다. 그러면, 다음의 식의 관계를 만족한다.

[식 1] 0.05mm≤L≤0.15mm

[식 2] L1/L≥0.5

[식 3] L3/L≤0.74

또한, 위치(a1)와 위치(a2)를 지나는 직선을, 직선(N1)으로 한다. 이 직선(N1)과, 정점 부분(SP)을 지나며 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)을 따르는(즉, 직경 방향(X 방향)에 직교하는) 선(W3)이 형성하는 각도를, 각도(θ1)(상방각(superior angle)(θ1))으로 한다. 또한, 위치(b1)와 위치(b2)를 지나는 직선을, 직선(N2)으로 한다. 이 직선(N2)과, 전술한 선(W3)이 형성하는 각도를, 각도(θ2)(하방각(inferior angle)(θ2))로 한다. 그러면, 각도(θ1) 및 각도(θ2)는, 다음의 식의 관계를 만족한다.

[식 4] 2도≤θ1≤7도

[식 5] 9도≤θ2

또한, 외주면(S)의 제1 윤곽 구분(S1), 제2 윤곽 구분(S2)의 소정의 형상은 기계 가공에 의해 형성하거나 또는 세그먼트(11, 12)의 기재(基材)인 세그먼트용 선재(線材)와 상사(相似)한 형상으로 형성되어도 된다. 한편, 제3 윤곽 구분(S3)은, 세그먼트(11, 12)용의 기재와 상사한 형상으로 형성된다.

(2) 제1 윤곽 구분(S1), 제2 윤곽 구분(S2), 제3 윤곽 구분(S3)의 제2 관점

다음으로, 제1 윤곽 구분(S1), 제2 윤곽 구분(S2), 제3 윤곽 구분(S3)의 제2 관점에 대해 설명한다. 이 제2 관점에서는, 전술한 각도(θ1)가, 다음의 식의 관계를 만족하고 있다.

[식 6] 3도≤θ1≤6도

또한, 도 6에 나타내는 세그먼트(11)를 실제로 측정했을 때의(실시예) 외주면(S)의 윤곽 곡선을, 도 7 및 도 8에 나타낸다. 도 7은, 외주면(S)을 측정했을 때의 윤곽 곡선이며, 도 8은, 도 7에서 측정된 외주면(S)의 선단 부분(SA)을 확대한 윤곽 곡선이다. 도 7의 측정시 배율은, 직경 방향(X 방향)에서 2000배이며, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에서 200배이다. 또한, 도 8의 측정시 배율은, 직경 방향(X 방향)에서 2000배이며, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에서 1000배이다. 또한, 상기 윤곽 곡선의 측정에서는, ISO 4287:'97(JIS B0601:'01)에 준하여 측정했다(다른 윤곽 곡선의 측정에서도 동일함).

<4. 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)의 제2 형상에 대해>

다음으로, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)의 도 6과는 다른 제2 형상에 대해 설명한다. 도 9는, 도 6의 제1 형상과는 다른 제2 형상의 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)을 확대한 상태를 나타내는 부분적인 윤곽 곡선이다. 또한, 도 9도, 도 6과 같이 외주면(S)의 선단 부분(SA)의 모델도이고, 이 모델도는, 실린더(1)의 축 방향(도 9의 Y 방향)의 어느 단위길이의 배율과 직경 방향(도 9의 X 방향)의 어느 단위길이의 배율을 각각 1000배와 2000배로 했을 때의 윤곽 곡선에 상당한다. 제1 형상의 제1 윤곽 구분(S1), 제2 윤곽 구분(S2) 및 제3 윤곽 구분(S3)은, 제2 형상에 있어서 다음과 같이 형성된다. 제1 윤곽 구분(S1)은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 제2 윤곽 구분(S2)의 평탄부(平坦部)의 엔진연소실측의 단부를 시점으로 하여 엔진연소실 측을 향하여 설치되어 있다. 이 제1 윤곽 구분(S1)은, 2차 곡선과 같은 곡선 형상으로 설치되어 있다. 다만, 직선 형상이라도 된다. 제2 윤곽 구분(S2)은, 엔진연소실 측에 평탄부가 존재하고, 이 평탄부의 엔진연소실으로부터 멀어지는 측의 단부는 제3 윤곽 구분(S3)에 연속하는 2차 곡선의 일부가 되도록 설치되어 있다. 제3 윤곽 구분(S3)은, 제2 윤곽 구분(S2)의 평탄부보다 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 존재하고 있다. 이 제3 윤곽 구분(S3)은, 제2 윤곽 구분(S2)의 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 단부를 시점으로 한 2차 곡선의 일부가 되도록 설치되어 있다.

도 9에 나타내는 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)에는, 평탄부(SF)가 설치되어 있다. 그 때문에, 이 도 9에 있어서는, 선분(W4)에 직교하는 선(W2)은, 평탄부(SF)의 축 방향(Y 방향)의 중앙을 통과하고 있다. 또한, 도 9에 나타내는 외주면(S)도, 전술한 [식 1], [식 2], [식 5]∼[식 6]의 관계를 만족하고 있다. 다만, 도 9에 나타내는 외주면(S)에서는, [식 3] 대신, [식 7]의 관계를 만족하고 있다.

[식 7] L3/L≤0.76

또한, 도 7에 나타내는 외주면(S)에서는, 평탄부(SF)의 양 단부간의 거리를 L4로 하면, 길이(L4)가 다음의 [식 8]의 관계를 만족하고 있다.

[식 8] 0<L4≤0.05mm

또한, 도 9에 나타내는 외주면(S)에 있어서도, 평탄부(SF)는, 그 단면의 윤곽이 직선형상 또는 곡선형상이며, 여기서 말하는 곡선형상은, 2차 곡선의 일부를 구성하고 있고, 외주 정점의 곡률반경(曲率半徑)은 0.209083mm 이상인 것이 바람직하다.

여기서, 도 10은, 도 9에 있어서의 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 선단 부분(SA)을 확대하여 나타내는 윤곽 곡선이며, 도 8과 마찬가지로 측정된 외주면(S)의 선단 부분(SA)이 확대된 윤곽 곡선이다. 도 10의 측정시 배율도, 도 8과 마찬가지로, 직경 방향(X 방향)에서 2000배이며, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에서 1000배이다.

<5. 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 형성방법에 대해>

계속하여, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 형성방법에 대해 설명한다. 외주면(S)은, 예를 들어, 벨트연삭장치(belt grinding machine)를 사용하고, 탄성체를 사용하여 벨트연삭장치의 회전하는 연마입자 부착 벨트를 수평 고정된 1개의 세그먼트의 외주면에 탄성적으로 눌러서 소정의 형상으로 형성한다. 이 형상은, 세그먼트(11, 12)의 기재인 세그먼트용 선재의 형상으로 형성해도 된다. 또한, 이 형상은 환형으로 성형후 형성해도 되며, 어떤 방법으로 형성해도 된다.

<6. 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에 경질피막(11a, 12a)을 형성하는 성막 방법에 대해>

다음으로, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에 경질피막(11a, 12a)을 성막(成膜)하는 방법에 대해 설명한다. 또한, 경질피막(11a, 12a)은, 이하의 어느 하나의 방법으로 성막된 것을 선택할수 있다.

(6-1) 질화물 피막(PVD 피막)의 성막 방법

우선, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에, 경질피막(11a, 12a)인 질화물 피막을 성막하는 방법에 대해 설명한다. 상기 성막 방법으로서는, 물리적 기상성장(PVD;Physical Vapor Deposition)법의 일종인 아크 이온 플레이팅(Arc Ion Plating)법을 실시하기 위한 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하여 성막하는 것이 있다. 아크 이온 플레이팅법에 의해 질화물 피막을 형성하는 경우, 성막하는 경질 피막의 조성에 따른 Cr의 금속 타겟을 사용하고, 세그먼트(11, 12)용의 기재를 아크 이온 플레이팅 장치내에 세트(set)한다. 그 후에, 아크 이온 플레이팅 장치내를 진공배기(眞空排氣)하여 감압(減壓)함과 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, -500V∼-1000V로 하는 것이 있다. 다음으로, 다른 바이어스 전압을 인가하고, 아크 이온 플레이팅 장치내에 프로세스 가스(process gas)를 도입하고, 세그먼트(11, 12)의 외주접동면(外周摺動面)에 소정의 두께의 경질피막(11a, 12a)을 성막한다. 다른 바이어스 전압으로서는, 예를 들어, 0∼-200 V로 하는 것이 있다. 프로세스 가스로서는, N₂ 가스만을 사용하였다. 그 외의 프로세스 가스로서, O₂ 가스, CH₄ 가스 등을 사용해도 된다. 금속 타겟은, 상기의 Cr 외에, Ti 또는 Ti와 Al을 조합하여 사용해도 된다.

(6-2) 질화물 피막(PVD 피막)의 성막 방법(일부가 다른 성막 방법)

전술한 (6-1)에 있어서의 질화물 피막(PVD 피막)의 성막에 있어서는, 금속 타겟에 Cr, Ti로부터 선택되는 1종 또는 2종의 질화물로부터 구성되며 Al을 포함한 피막을 성막해도 된다. 이 경우, 금속 타겟에 Cr과 Al을 혼합한 재료를 사용하고, 프로세스 가스로서, N₂ 가스와 CH₄ 가스, N₂ 가스와 O₂ 가스, N₂ 가스와 Ar 가스 등을 혼합한 혼합 가스를 사용하여, 성막할 수 있다.

(6-3) 질화물 피막(PVD 피막)의 성막 방법(일부가 다른 성막 방법)

또한, O, C로부터 적어도 하나 선택되는 원소를 고용(固溶)한 Cr, Ti로부터 선택되는 1종 또는 2종의 질화물로부터 구성되는 피막을 성막해도 된다. 이 경우, 프로세스 가스로서, N₂ 가스와 O₂ 가스, 혹은, N₂ 가스와 CH₄ 가스를 혼합한 재료를 사용해도 된다. 또한, B 원소를 고용한 Cr, Ti로부터 선택되는 1종 또는 2종의 질화물로부터 구성되는 피막을 성막해도 된다. 이 경우, 금속 타겟에 Cr과 B를 혼합한 재료를 사용해도 된다.

(6-4) 질화물 피막(PVD 피막)의 성막 방법(일부가 다른 성막 방법)

또한, 질소를 고용한 금속 크롬(chrome)과 Cr₂N가 혼재(混在)한 피막을 성막해도 된다. 이 경우, 프로세스 가스로서, N₂ 가스와 Ar 가스를 혼합한 혼합 가스를 사용해도 된다.

(6-5) 비정질 탄소피막(DLC 피막)의 성막 방법

다음으로, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에, 경질피막(11a, 12a)으로서 비정질 탄소 피막(DLC(diamond like carbon) 피막)을 성막하는 방법에 대해 설명한다. DLC 피막을 성막하는 방법으로서는, 전술한 아크 이온 플레이팅법을 실시하기 위한 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하는 것이 있다. 이 아크 이온 플레이팅 장치내에 세그먼트(11, 12)용의 기재를 세트한다. 그 후에, 아크 이온 플레이팅 장치내를 진공배기하여 감압함과 동시에, 기재를 가열한다. 그 후, 세그먼트기재에 대해서 바이어스 전압을 인가하고, 아르곤 이온(argon ion)에 의해 이온 봄바드(ion bombard)를 실시한다. 인가하는 바이어스 전압으로서는, 예를 들어, -50V∼―300 V로 하는 것이 있다.

그 다음에, 소정의 바이어스 전압을 인가한 후에, 접착층(接着層)으로서 Ti피막을 성막한다. 소정의 바이어스 전압으로서는, 예를 들어, -50V∼―300 V로 하는 것이 있다. 다음으로, 아르곤 이온을 스퍼터링(sputtering)하여, Ti 피막 위에 비정질탄소 구조로 이루어지는 DLC 피막(a-C층)을 성막한다. 이 때, 예를 들어, 바이어스 전압을 -50V∼―300 V로 설정한다. 또한, 필터드 아크이온 플레이팅(Filtered Arc Ion Plating)에 의해 a-C층 위에 테트라헤드랄 카본(tetrahedral carbon) 구조로 구성되는 DLC 피막(ta-C층)을 성막한다. 이 때, 예를 들어, 바이어스 전압을 -100 V∼300 V로 설정한다. 이들 2층을 번갈아 반복 적층(積層)하여, 세그먼트기재의 외주 접동면에 소정의 두께의 경질피막(11a, 12a)을 성막한다.

(6-6) 비정질 탄소피막(DLC 피막)의 성막 방법(일부가 다른 성막 방법)

전술한 (6-5)에 있어서의 DLC 피막의 성막에 있어서는, 탄소 외에 Si, O, H, W, Ti 등의 원소중 1종 또는 2종 이상을 포함한 DLC 피막으로 해도 된다. 또한, DLC 피막의 성막 방법으로서는, 화학적 기상 성장(CVD;Chemical Vapor Deposition) 방법을 사용해도 된다.

(6-7) 복합적인 피막에 대해

또한, 전술한 (6-1)∼(6-4)의 질화물 피막 중 어느 하나의 피막의 외주에, (6-5)의 DLC 피막 또는 (6-6)의 DLC 피막 중 어느 하나의 DLC 피막을 성막하고, 경질피막(11a, 12a)을 성막해도 된다.

<7. 오일 소비량 측정 시험의 방법에 대해>

계속하여, 본 실시형태의 조합형 오일링(10)을 사용하여 실시한 오일 소비량 측정 시험에 대해 설명한다. 이 오일 소비량 측정 시험에 있어서는, 배기량이 2 L급, 보어직경(bore diameter)이 80mm급인 엔진을 사용했다. 이 엔진의 연습 운전 후, 부하 조건을 WOT(와이드 오픈 스로틀(wide open throttle); 전체 부하) 상태로, 냉각수 온도를 100℃로, 엔진 오일의 온도를 125℃로 하고, 5W-20(점도 분류 SAE J300)의 엔진 오일을 사용했다.

그리고, 엔진의 평균 피스톤 속도가 20.2 m/s, 18.9 m/s의 2 수준의 고속역(高速域)의 조건에서 오일 소비량을 평가했다. 이 평균 피스톤 속도는, 엔진의 회전속도와 스트로크(stroke)(행정)로부터 구한 피스톤(2)의 평균 속도이다. 오일 소비량의 측정은, 연속중량법(連續重量法)에 의해 1시간 당의 오일 소비량을 측정했다. 또한, 연습 운전 후, 오일 소비량 측정 시험을 종료할 때까지의 운전 시간은, 대략 70시간이었다.

시험에서 이용한 피스톤 링 중, 톱링(top ring)은, 폭(실린더(1)의 축 방향 치수)이 1.2 mm, 외주면에 PVD 방법에 의해 경질피막을 형성한 것을 사용했다. 또한, 세컨드링(second ring)은, 폭(실린더(1)의 축 방향 치수)이 1.2 mm, 외주면에 경질 Cr 도금을 실시한 것을 사용했다. 조합형 오일링(10)은, 조합 폭(h0)이 2.0 mm이고, 세그먼트(11, 12)의 세그먼트 폭(h1)이 0.4 mm인 것을 사용했다. 또한, 오일링의 장력은, 보어직경비로 0.24(N/mm)로 하고, 이 장력은 저장력(低張力)으로 알려진 0.3(N/mm) 이하에 있다.

세그먼트(11, 12)의 기재는, JIS SUS440B에 상당하는 재료를 사용하고, 그 세그먼트(11, 12)의 외주면에 아크 이온플레이팅법에 의해 경질피막의 CrN 피막(막두께 20μm, 비커스 경도 HV1100)을 형성한 것을 사용했다. 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 형상은, 종래부터 채용되고 있던 대칭인 대략 볼록한 곡면 형상인 측정폭이 0.15 mm인 위치와 외주면(S)의 정점 부분(SP)의 낙차(직경 방향에서의 거리)가 0.008mm∼0.015 mm인 것을 베이스(base)로 하고, 외주면(S)을 비대칭인 대략 볼록한 곡면 형상으로 다양하게 제작하고, 시험에 사용했다.

조합형 오일링(10)과 피스톤(2)의 오일링 그루브(4)의 사이드 클리어런스(SC)는, 통상 0.07mm∼0.15mm의 범위내이지만, 본 시험에 있어서는, 사이드 클리어런스(SC)는, 0.11mm로 했다.

또한, 상기의 비커스 경도(vickers hardness)의 측정에 관해서는, 측정 샘플을 경면(鏡面)으로 연마한 후에, 마이크로 비커스 경도계(microvickershardness meter)에 의해 시험력이 0.9807N, 시험력의 유지시간이 15s의 조건에서, JIS Z 2244의 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준하여 측정했다(다른 비커스 경도에 관해서도 동일함).

또한, 상기의 제2오프셋량(P2)의 측정에 관해서는, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 정점 부분(SP)으로부터 직경 방향(X 방향)의 내주측을 향하여 적어도 거리 0.025 mm까지의 윤곽 곡선을 측정할 때는, 세그먼트(11, 12)의 직경 방향(X 방향)의 배율을 2000배, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)의 배율을 200배로 하고 있다. 또한, 그 측정 위치는, 세그먼트(11, 12)의 합구(合口)로부터 원주 방을 따라 90도, 180도, 270도의 위치의 3개 위치로 하고, 표 1에 있어서의 계측치는, 이 3개 위치의 평균치를 사용하고 있다.

또한, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 외주 형상(윤곽 곡선)의 측정에는, 주식회사 코사카연구소(Kosaka Laboratory Ltd.)의 촉침식 표면거칠기 측정기(stylus type surface roughness tester)(SURFCORDER SE-30C)를 사용하고, 검출기는 PU-DJ2S(선단의 구면의 반경은 2μm, 원추의 테이퍼 각도는 60도)를 사용했다. 또한, 가로배율(lateral magnification)의 이송속도(feed speed)에 관해서는, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)의 배율을 200배로 했을 경우는 0.1mm/s로 하고, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)의 배율을 1000배로 했을 경우는 0.05mm/s로 했지만, 속도는, 이보다 늦어도 된다.

이상과 같은 조건하에서 오일 소비량 측정을 실시한 결과를, 표 1에 나타낸다. 표 1에서는, 외주면(S)의 형상의 타입(외주 형상), 상방각(θ1), 하방각(θ2)외에, 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 선분(W4)의 길이(L)(L=L1＋L2), [식 2]에 관련하는 (L1/L), [식 3]에 관련하는 (L3/L), 평탄부(SF)의 길이(L4), 제2오프셋 량 (P2)도 나타내고 있다.

[표 1]

또한, 표 1에 있어서는, 실시예 1∼7이, 도 6에 나타내는 제1 형상의 외주면(S)의 세그먼트(11, 12)를 사용한 경우를 나타내고, 실시예 8∼10이, 도 9에 나타내는 제2 형상의 외주면(S)의 세그먼트(11, 12)를 사용한 경우를 나타내고 있다. 또한, 비교예 1은, 상방각인 각도 θ1이 7.5도, 하방각인 각도 θ2가 7.5도의 대칭 형상인 종래 형상의 세그먼트를 사용한 경우를 나타내고 있다. 또한, 비교예 1에 관한 세그먼트(11)를 실제로 측정했을 때의 외주면(S)의 윤곽 곡선을, 도 11 및 도 12에 나타낸다. 도 11은, 비교예 1의 외주면(S)을 측정했을 때의 윤곽 곡선이며, 도 12는, 도 11에 있어서 측정된 외주면(S)의 선단 부분(SA)을 확대하여 나타내는 윤곽 곡선이다. 도 11의 측정시 배율은, 도 7과 마찬가지로 직경 방향(X 방향)에서 2000배이고, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에서 200배이다. 또한, 도 12의 측정시 배율은, 도 8과 마찬가지로 직경 방향(X 방향)에서 2000배이고, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에서 1000배이다.

또한, 비교예 2에서는, 상방각인 각도 θ1이 [식 4]를 만족하지 않고, 하방각인 각도 θ2가 [식 5]를 만족하지 않고, 선분(W4)의 길이(L)가 [식 1]을 만족하지 않고, 길이(L)에 대한 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 거리(L3)의 비인 (L3/L)가 [식 3]을 만족하지 않는다.

또한, 표 1에 있어서의 오일 소비량비는, 비교예 1(종래 형상)에 나타내는 상방각인 각도 θ1이 7.5도, 하방각인 각도 θ2가 7.5도의 대칭 형상인 종래 형상의 세그먼트를 사용하고, 이 세그먼트 사용시의 평균 피스톤 속도가 20.2 m/s인 경우의 오일 소비량을 100으로 하고, 다른 오일 소비량을 비로서 나타내고 있다.

<8. 외주면(S)의 형상과 오일 소비량 측정 시험의 결과의 고찰>

이상 중에서, [식 4]에 나타낸 바와 같이 각도 θ1이 2도 이상 7도 이하인 경우에는, 오일링의 상승행정(上昇行程)에 있어서, 실린더(1)의 내벽면에 유막을 형성하고 있는 엔진 오일이 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 엔진연소실측으로부터 유입하기 쉬운 각도이며, 세그먼트(11, 12)가 실린더(1)의 내벽면의 엔진 오일을 긁어내는 작용을 억제할 수 있는 것으로 생각할 수 있다. 그 때문에, 유막이 두꺼워지는 것으로 알려져 있는 고속역에서의 오일 소비량의 저감에 효과가 나타난다. 여기서, 세그먼트(11, 12)에 의한 엔진 오일을 긁어 내는 작용은, 엔진 연소시의 엔진 오일의 연소에 의한 자신의 소실 및 엔진의 배기행정(排氣行程)에 있어서의 엔진 오일의 배출을 촉진하여, 오일 소비량이 증대하는 것으로 알려져 있다.

이것에 대해서, 세그먼트(11, 12)의 상방각인 각도 θ1이 2도 미만이 되면, 조합형 오일링(10)의 상승시에, 실린더(1)의 내벽면에 유막을 형성하고 있는 엔진 오일이 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 엔진연소실측으로부터 유입하기 어려워진다. 그러면, 실린더(1)의 내벽면과 세그먼트(11, 12)의 엔진연소실측의 외주면(S)의 사이에 의해 형성되어 있는 공극(空隙)에 엔진 오일이 체류(滯留)하고, 그 엔진 오일이 세그먼트(11, 12)의 상승단(上昇端)에 운반되는 것으로 생각할 수 있어, 오일 소비량의 저감을 기대할 수 없다.

한편, 세그먼트(11, 12)의 상방각인 각도 θ1이 7도를 넘으면, 세그먼트(11, 12)가 실린더(1)의 내벽면의 엔진 오일을 긁어내는 작용이 증대하여, 오일 소비량을 증가시킨다.

또한, 세그먼트(11, 12)의 하방각인 각도 θ2를 [식 5]에 나타낸 바와 같이 9도 이상으로 하는 것은, 상방각인 각도 θ1을 [식 4]에 나타낸 바와 같이 2도 이상 7도 이하로 형성하는 세그먼트(11, 12)의 외주 형상을 비대칭 형상으로 하는 데 있어서 바람직하다.

여기서, 세그먼트(11, 12)의 하방각인 각도 θ2가 9도 미만인 경우, 상기의 표 1에 있어서의 비교예 1과 같은, 종래부터의 세그먼트의 윤곽 곡선이 대칭인 경우의 하방각(θ2)에 상당한다. 표 1에서는, 하방각(θ2)이 9도 미만인 경우에는, 엔진의 고속역에서의 오일 소비량의 저감을 기대할 수 없으므로, 바람직하지 않다.

또한, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에 있어서, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에서의 비대칭 영역(R2)의 표면 거칠기가 0.6μmRp 이하인 경우는, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)과 실린더(1)의 내벽면의 사이의 프릭션(friction)을 저감하는데 있어서 바람직하다. 그러나, 비대칭부분에 있어서의 표면 거칠기가 0.6μmRp를 넘는 경우는, 실린더(1)의 내벽면에 대한 흠집의 발생 및 실린더(1)의 마모를 유발(誘發)하기 쉬워지므로, 바람직하지 않다.

또한, 표 1의 결과에 있는 바와 같이, 각도 θ1이 전술한 [식 6]을 만족하는 경우, 오일의 소비량비가 보다 저감되어, 바람직한 상태가 된다.

도 13은, 도 8에 나타내는 외주면(S)의 선단 부분(SA)에 대해 대략 70시간의 오일 소비량 측정 시험 종료 후의 마모량을 나타내는 도면이다. 이 도 13에 나타내는 예에서는, 마모량은, 1.5μm였다. 또한, 도 13의 측정시 배율은, 도 8과 마찬가지로 직경 방향(X 방향)에서 2000배이고, 실린더(1)의 축 방향(Y 방향)에서 1000배가 되어 있다. 이 측정시험 후의 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)의 윤곽 곡선으로부터, 이것과 근사하는 외주 형상이면 오일 소비량의 증가가 없다고 할 수 있다.

또한, 세그먼트(11, 12)가 도 9에 나타내는 제2 형상의 외주면(S)인 경우, 평탄부(SF)의 축 방향의 길이(L4)가 0.05mm를 넘으면, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)와 실린더(1)의 내벽면의 접촉면적이 증가하여, 세그먼트(11, 12)가 실린더(1)의 내벽면에 대한 자기장력(自己張力)에 의한 면압(面壓)이 저하하기 때문에, 오일 소비량비의 증대를 초래하여 바람직하지 않다. 한편, 전술한 표 1에 있는 바와 같이, 길이(L4)가 0.05mm 이하인 경우에는, 오일 소비량비가 증가하지 않아, 양호한 결과가 되고 있다.

<9. 작용 효과>

이상과 같은 구성의 조합형 오일링(10)에 의하면, L은 본 실시형태에 있어서의 외주면(S)의 선단 부분(SA)에 있어서 전제가 되는 범위로서 0.05 mm≤L≤0.15 mm로 하고, 또한, 세그먼트(11, 12)의 정점 부분(SP)으로부터 직경 방향(X 방향)의 내주측을 향하여 적어도 0.025 mm까지의 범위내에 있어서, 비대칭 영역(R2)이 존재하도록 설치되어 있다. 또한, 비대칭부분의 표면 거칠기가 0.6μmRp 이하인 조건하에 있어서, 표 1로부터 밝혀진 바와 같이, [식 1]의 0.05 mm≤L≤0.15 mm, [식 2]의 L1/L≥0.5, [식 3]의 L3/L≤0.74, [식 4]의 2도≤θ1≤7도, [식 5]의 9도≤θ2를 만족하는 경우(도 6에 나타내는 구성인 경우), 고속역에서의 오일 소비량을 저감 하는 것이 가능하게 되어 있다.

이 상황을, 도 14에 나타낸다.

도 14는, 표 1에 근거한 오일 소비량 측정 결과에 관한 그래프(graph)이다. 도 14에서는, 횡축(橫軸)은 θ1(상방각)이고, 종축(縱軸)은 오일 소비량비가 되어 있다. 또한, 도 14에서는, 도 6에 나타내는 제1 형상의 외주면(S)을 가지는 세그먼트(11, 12)를 사용했을 때의 오일 소비량비를, 각도 θ1마다에 나타내고 있고, 검은 색의 능형의 점은 평균 피스톤 속도가 20.2m/s인 경우를 나타내고, 검은 원의 점은 평균 피스톤 속도가 18.9 m/s인 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 14에서는, 도 9에 나타내는 제2 형상의 외주면(S)을 가지는 세그먼트(11, 12)를 사용했을 때의 오일 소비량비를, 각도 θ1마다에 나타내고 있고, 안에 "×"표시가 있는 정방형의 점은 평균 피스톤 속도가 20.2 m/s인 경우를 나타내고, 흰색의 정방형의 점은 평균 피스톤 속도가 18.9 m/s인 경우를 나타내고 있다.

또한, 도 14에서는, 비교예도 나타내고 있다. 도 14에 있어서, 흰색의 능형의 점은, 평균 피스톤 속도가 20.2 m/s인 경우에 대응하고, 각각 비교예 1의 각도 θ1이 7.5도인 경우와 비교예 2의 각도 θ1이 1.7도인 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 14에 있어서, 흰색의 원의 점은, 평균 피스톤 속도가 18.7 m/s인 경우에 대응하고, 각각 비교예 1의 각도 θ1이 7.5도인 경우와 비교예 2의 각도 θ1이 1.7도인 경우를 나타내고 있다.

또한, 도 14에서는, 참고로서, 평균 피스톤 속도가 14.3 m/s인 경우의 오일 소비량도 나타내고 있다. 흰색의 삼각형 점은, 도 6에 나타내는 제1 형상의 외주면(S)을 가지는 세그먼트(11, 12)를 사용한 경우에 대응한다. 또한, 검은 색의 정방형의 점은, 도 9에 나타내는 제2 형상의 외주면(S)을 가지는 세그먼트(11, 12)를 사용한 경우에 대응한다. 또한, 검은 색의 삼각형 점은, 종래 구성인 비교예의 외주면을 가지는 세그먼트를 사용한 경우에 대응한다. 또한, 평균 피스톤 속도가 14.3 m/s와 같은 고속역보다 저속인 영역에서는, 비교예와 실시예(제1 형상, 제2 형상)의 사이에, 오일 소비량비의 차이는 관찰되지 않았다.

여기서, 도 14에서는, [식 4]의 2도≤θ1≤7도의 범위에 있어서는, 이 범위외의 비교예 1(각도θ1=7.5도)와 비교예 2(각도θ2=1.7도)보다 오일 소비량비가 저하되고 있는 것이 밝혀졌다. 구체적인 수치로서는, [식 4]의 2도≤θ1≤7도의 범위내에 있는 실시예 1∼7에서는, 평균 피스톤 속도가 20.2 m/s인 경우 및 18.9 m/s인 경우와 같은 고속역에 있어서는, 오일 소비량비를 대략 15% 이상 저감시키는 것이 가능하다.

그런데, 현재 상태로서는, 엔진의 저연비화(低燃費化)를 도모하기 위해, 프릭션(friction)의 저감을 목적으로 한 오일링의 저장력화(低張力化)가 진행되고 있다. 이 저장력화에 의해, 특히 엔진이 고회전이 되는 고속역에 있어서, 유막 두께가 두꺼워지고, 거기에 따라 특히 고속역에 있어서, 오일의 소비량이 증대하고 있다. 그러나, 표 1이나 도 14로부터 밝혀진 바와 같이, 표면 거칠기가 0.6μmRp 이하이고 [식 1]∼[식 5]를 만족하는 경우에는, 고속역에 있어서의 오일 소비량의 저감을 도모하는 것이 가능하게 된다.

또한, 종래의 세그먼트에 있어서는, 예를 들어 직경 방향의 중심으로 향해 15μm와 같은, 보다 직경 방향의 치수가 큰 범위에서, 외주면(S)의 형상을 파악하고 있다. 예를 들어, 특허 문헌 1의 도 1, 도 2에 있어서도, 그러한 범위에서 외주면의 궤적을 측정했다고 보여지는 것이 나타나 있다. 그러나, 본 실시형태에서는, 도 6으로부터 밝혀진 바와 같이, 정점 부분(SP)으로부터 3μm의 범위내라고 하는 보다 좁은 범위내에서 미세하게 규정된 형상의 외주면(S)의 선단 부분(SA)을 가지고 있다. 그 때문에, 보고 있는 형상의 미세함의 스케일(scale)이 종래 구성과는 완전히 다르다고 할수 있다.

또한, 비특허 문헌 1의 개시(開示)로부터 밝혀진 바와 같이, 쓰러스트(thrust)측에서는, 2000 rpm의 전체 부하의 운전 조건에서 4 사이클 실시하는 사이에, LIF(Laser-Induced-Fluorescence)법에 의해 측정한 오일링을 시험에 사용했을 때의 유막 두께는 대략 1μm∼6μm인 것을 나타내고 있다. 또한, 엔진의 회전수의 증가에 따라, 유막 두께가 두꺼워지는 취지가 기재되어 있다. 그렇다면, 엔진의 고회전역(고속역)에 있어서는, 본 실시형태의 세그먼트(11, 12)와 같이, 정점 부분(SP)으로부터 3μm의 범위내에서 외주면(S)의 미세한 형상을 규정하는 경우에는, 오일 소비량의 성능 향상에 큰 영향을 준다고 생각할 수 있다. 반대로 말하면, 유막 두께를 넘은 범위인 정점 부분(SP)으로부터 직경 방향의 내주 측을 향해 10μm나 15μm의 부위의 외주면(S)의 형상을 미세하게 규정해도, 정점 부분(SP)으로부터 3μm의 범위내에서 외주면(S)의 미세한 형상을 규정하는 경우보다는, 오일 소비량의 성능 향상을 기대할 수 없다고 생각할 수 있다.

그러나, 전술한 바와 같은 비특허 문헌 1에 있어서의 유막 두께에 대한 언급이 있어도, 이러한 유막 두께의 범위에 가까운 범위내에서, 실제로 어떠한 형상의 외주면(S)이 오일의 소비량의 저감에 유효한지를, 실제로 여러 가지로 검토하여 유효한 외주면(S)의 형상을 창출(創出)한 것은, 본 발명의 출원시에 있어서 발견되지 않았다.

이것에 대해서, 본 실시형태에서는, 외주면(S)에 대해서, 정점 부분(SP)으로부터 3μm의 범위내에서 이 외주면(S)의 윤곽형상을 미세하게 규정하고, 또한, 실제로 고속역에서의 오일 소비량의 저감을 실증(實證)하고 있다. 이 점에서, 어느 문헌과 비교해도, 진보성(進步性)을 가지고 있다고 할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 도 6에 나타내는 제1 형상의 외주면(S)의 각도 θ1 및 도 9에 나타내는 제2 형상의 외주면(S)의 각도 θ1이, 또한 [식 6]의 3도≤θ1≤6도의 조건을 만족하는 것이 바람직하다. 이 경우는, 표 1이나 도 14로부터 밝혀진 바와 같이, 평균 피스톤 속도가 20.2 m/s인 경우에는, 모두 오일 소비량비를 80보다 작게 하는 것이 가능하게 되고, 또한 평균 피스톤 속도가 18.9 m/s인 경우에는, 모두 오일 소비량비를 60보다 작게 할 수 있다. 즉, 엔진의 고속역에 있어서의 오일 소비량을 한층 더 저감하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시형태에서는, 제2 윤곽 구분(S2)에는, 도 9에 나타내는 평탄부(SF)가 설치되어 있다. 그리고, 평탄부(SF)의 축 방향(Y 방향)의 길이(L4)가, [식 8]의 L4≤0.05 mm를 만족하고, [식 7]의 L3/L≤0.76의 조건을 만족한다. 상기 도 9에 나타내는 형상의 외주면(S)을 가지는 경우에도, 표 1 및 도 14로부터 밝혀진 바와 같이, 엔진의 고속역에 있어서의 오일 소비량을 저감하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시형태에서는, 세그먼트(11, 12)의 외주면(S)에는 이온플레이팅법에 의해 경질피막(11a, 12a)이 성막되어 있고, 이 경질피막(11a, 12a)은, 다음 중 어느 하나이다.

(6-1) 크롬(chrome), 티탄(titan)으로부터 선택되는 하나의 원소와의 질화물로부터 구성되며 이온플레이팅법에 의한 질화물 피막.

(6-2) 크롬, 티탄으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 질화물로부터 구성되며 알루미늄을 포함한 이온플레이팅법에 의한 질화물 피막.

(6-3) 산소, 탄소, 붕소로부터 적어도 하나 선택되는 원소를 고용한 크롬, 티탄으로부터 선택된 원소로 구성되며 이온플레이팅법에 의한 질화물 피막.

(6-4) 질소를 고용한 금속 크롬과 Cr₂N이 혼재하며 이온플레이팅법에 의한 질화물 피막.

(6-5) 탄소만으로 구성되며 이온플레이팅법에 의한 DLC(비정질 탄소) 피막.

(6-6) 탄소 외에 규소, 산소, 수소, 텅스텐(tungsten), 티탄 중 1종 또는 2종 이상의 원소를 포함하며 이온플레이팅법에 의한 DLC(비정질 탄소) 피막.

(6-7) 전술한 (6-1)∼(6-4)의 질화물 피막중의 어느 하나의 경질 피막의 외주에 (6-5) 또는 (6-6)의 DLC 피막 중의 어느 하나를 피복시켜 구성되는 피막.

또한, 전술한 경질피막(11a, 12a) 중, (6-1)∼(6-7)까지의 각각의 표면 경도는 HV1000 이상이고, (6-1)∼(6-6)까지의 각각의 피막의 두께는 3μm이며, (6-7)의 복층(複層)의 두께는 3μm 이상이다.

상기 경질피막(11a, 12a)을 구비하는 경우, 내마모성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

<10. 변형예>

이상, 본 발명의 각 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이외에도 여러 가지로 변형 가능하게 되어 있다. 이하, 거기에 대해 설명한다.

전술한 실시형태에서는, 외주면(S)의 형상에 대해서, 제1 윤곽 구분(S1)∼제3 윤곽 구분(S3)의 윤곽에 대해 곡선 형상을 가지는 것으로 하고 있다. 그러나, 이 곡선 형상에는, 그 일부분에 직선 부분이 존재하고 있어도 된다.

1…실린더, 2…피스톤, 3…외주면, 4…오일링 그루브, 10…조합형 오일링, 11, 12…세그먼트, 11a, 12a…경질피막, 13…익스팬더 스페이서, 14…상돌출부, 14 a…상편부, 14b, 15b…이부, 14b1, 15b1…경사면, 14c, 15c…외주 지지부, 14d, 15d…연통공, 15…하돌출부, 15a…하편부, a1, a2, b1, b2…위치, S…외주면, S1…제1 윤곽 구분, S2…제2 윤곽 구분, S3…제3 윤곽 구분, SF…평탄부, SP…정점 부분

Claims

내연기관용 피스톤의 오일링 그루브에 장착되며, 외주면이 실린더의 내벽을 접동(摺動)하는 한 쌍의 세그먼트와, 이 한 쌍의 세그먼트의 사이에 배치됨과 동시에, 한 쌍의 세그먼트의 외주면을 상기 실린더의 내벽에 압압하는 익스팬더 스페이서를 가지는 조합형 오일링에 있어서,
상기 세그먼트의 임의의 종단면에 있어서의 외주면의 형상은, 세그먼트 폭을 형성하는 양 단면으로부터 각각 실린더 내벽으로 향하는 직경 방향으로, 세그먼트 폭의 엔진연소실측과 엔진연소실로부터 멀어지는 측에서 대칭이 되는 한 쌍의 곡선형상을 가지고, 상기 외주면의 형상중의 실린더에 삽입시 내벽에 접하는 외주 정점(頂点) 측은, 이 외주 정점 부분을 사이에 두고 세그먼트 폭 방향으로 비대칭 형상을 가지고 상기 곡선 형상에 연속한 형상이며,
상기 비대칭 형상은, 상기 세그먼트 폭의 중심을 지나는 선을 제1 중간선으로 하고,
상기 세그먼트 종단면에 있어서의 외주면의 윤곽 곡선이 트레이스된 외주 선단부에 있어서, 상기 외주 정점으로부터 상기 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 3μm의 위치에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치 중, 상기 엔진 연소실측의 위치를 위치 a1, 상기 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 위치 b1으로 하고,
상기 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 선분의 길이를 L로 하고, 이 길이 L의 선분의 중간선을 제2 중간선으로 했을 때, 상기 제2 중간선은, 상기 제1 중간선보다 상기 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하고, 상기 세그먼트의 외주 정점은, 상기 제2 중간선상에 위치하거나, 혹은 상기 제2 중간선보다 상기 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하며,
한 쌍의 상기 세그먼트는, 각각의 상기 외주 정점이 엔진연소실로부터 멀어지는 측에 위치하도록 오일링 그루브에 장착되는, 조합형 오일링.
제1항에 있어서,
상기 세그먼트 종단면에 있어서의 외주면의 윤곽 곡선은, 상기 세그먼트 직경 방향의 내주측 위치에 있어서의 축 방향 양단측에 한 쌍의 대칭 형상이 존재하도록, 상기 세그먼트의 외주 정점으로부터 상기 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 적어도 0.025 mm까지 트레이스되어 있고,
상기 세그먼트 외주 선단부에 있어서의 비대칭 형상의 윤곽 곡선을, 외주 정점과 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm의 위치 사이의 곡선 부분과, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm의 위치와 거리 3.0μm의 위치 사이의 윤곽 부분으로 구분했을 때, 실린더의 엔진연소실측으로부터 제1 윤곽 구분, 제2 윤곽 구분 및 제3 윤곽 구분으로 하고,
상기 제1 윤곽 구분은, 상기 제2 윤곽 구분의 상기 엔진연소실측의 제1 단부를 시점으로 하여 직선 형상 또는 2차 곡선 형상의 일부에 설치되고,
상기 제2 윤곽 구분은, 그 중도에 외주 정점이 존재하고, 호형(弧形)으로 설치되며,
상기 제3 윤곽 구분은, 상기 제2 윤곽 구분의 상기 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 제2 단부를 시점으로 하여 2차 곡선 형상의 일부가 되도록 설치되고,
상기 세그먼트의 외주면 중의 상기 비대칭 부분의 표면 거칠기는 0.6μmRp 이하이며,
상기 윤곽 곡선에 있어서의 외주 선단부 중, 상기 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 선분에 직교하는 상기 직경 방향의 선이며 외주 정점을 지나는 선으로 분할된 선분(L)의 위치(a1)측의 길이를 L1으로, 위치(b1)측의 길이를 L2로 하고,
또한, 상기 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치중의 상기 엔진연소실측의 위치를 위치(a2), 상기 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 위치(b2)로 하고, 위치(a2)와 위치(b2)의 사이의 선분의 길이를 L3로 했을 때, 0.05 mm≤L≤0.15 mm, L1/L≥0.5, L3/L≤0.74의 조건을 만족하고,
상기 위치(a1)와 상기 위치(a2)를 지나는 제1 직선과 상기 실린더의 축 방향이 형성하는 각도를 각도 θ1으로 했을 때, 2도≤θ1≤7도의 조건을 만족하고,
상기 위치(b1)와 상기 위치(b2)를 지나는 제2 직선과 상기 실린더의 축 방향이 형성하는 각도를 각도 θ2로 했을 때, 9도≤θ2의 조건을 만족하는, 조합형 오일링.
제2항에 있어서,
상기 각도 θ1은, 3도≤θ1≤6도의 조건을 만족하는, 조합형 오일링.
제1항에 있어서,
상기 세그먼트 종단면에 있어서의 외주면의 윤곽 곡선은, 상기 세그먼트 직경 방향의 내주측 위치에 있어서의 축 방향 양단측에 한 쌍의 대칭 형상이 존재하도록, 상기 세그먼트의 외주 정점으로부터 상기 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 적어도 0.025 mm까지 트레이스되어 있고,
상기 세그먼트 외주 선단부에 있어서의 비대칭 형상의 윤곽 곡선을, 외주 정점과 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm의 위치 사이의 곡선 부분과, 외주 정점으로부터 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm의 위치와 거리 3.0μm의 위치 사이의 윤곽 부분으로 구분했을 때, 실린더의 엔진연소실측으로부터 제1 윤곽 구분, 제2 윤곽 구분 및 제3 윤곽 구분으로 하고,
상기 제1 윤곽 구분은, 상기 제2 윤곽 구분의 상기 엔진연소실측의 제1 단부를 시점으로 하여 직선 형상 또는 2차 곡선 형상의 일부에 설치되고,
상기 제2 윤곽 구분은, 그 중도에 평탄부를 가지고, 상기 평탄부의 축 방향의 상기 엔진연소실측의 단부로부터 직선 형상 또는 2차 곡선 형상의 일부로부터 형성되고 상기 제1 윤곽 구분에 연속한 형상이며, 상기 평탄부의 축 방향의 상기 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 단부로부터 2차 곡선 형상의 일부로부터 형성되고 상기 제3 윤곽 구분에 연속한 형상으로 설치되고,
상기 제3 윤곽 구분은, 상기 제2 단부에 연속하는 2차 곡선 형상의 일부가 되도록 설치되고,
상기 세그먼트의 외주면 중 상기 비대칭 부분의 표면 거칠기는 0.6μmRp 이하이며,
상기 세그먼트 외주면의 윤곽 곡선에 있어서의 외주선단부 중, 상기 위치(a1)와 위치(b1)의 사이의 선분에 직교하는 상기 직경 방향의 선이며 외주 정점을 지나는 선으로 분할된 선분(L)의 위치(a1)측의 길이를 L1으로, 위치(b1)측의 길이를 L2로 하고,
또한, 상기 세그먼트 직경 방향의 내주측을 향하여 거리 1.5μm에 있어서의 윤곽 곡선상의 2개의 위치중의 상기 엔진연소실측의 위치를 위치(a2)로 하고, 상기 엔진연소실로부터 멀어지는 측의 위치를 위치 (b2)로 하고, 위치(a2)와 위치 (b2)의 사이의 선분의 길이를 L3로 하고, 제2 윤곽 구분의 평탄부의 축 방향 길이를 L4로 했을 때, 0.05 mm≤L≤0.15 mm, L1/L≥0.5, L3/L≤0.76, 0<L4≤0.05 mm의 조건을 만족하고,
상기 위치(a1)와 상기 위치(a2)를 지나는 제1 직선과 상기 실린더의 축 방향이 형성하는 각도를 각도 θ1으로 했을 때, 3도≤θ1≤6도의 조건을 만족하고,
상기 위치(b1)와 상기 위치(b2)를 지나는 제2 직선과 상기 실린더의 축 방향이 형성하는 각도를 각도 θ2로 했을 때, 9도≤θ2의 조건을 만족하는, 조합형 오일링.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세그먼트의 외주면은,
(1) 크롬, 티탄으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 질화물로부터 구성되며 이온플레이팅법에 의한 피막,
(2) 크롬, 티탄으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 질화물로부터 구성되며 알루미늄을 포함한 이온플레이팅법에 의한 피막,
(3) 산소, 탄소, 붕소로부터 적어도 하나 선택되는 원소를 고용(固溶)하고 (1)의 이온플레이팅법에 의한 피막,
(4) 질소를 고용한 금속 크롬과 Cr₂N이 혼재하며 이온플레이팅법에 의한 피막,
(5) 탄소만으로 구성되며 이온플레이팅법에 의한 DLC(비정질 탄소) 피막,
(6) 탄소 외에 규소, 산소, 수소, 텅스텐, 티탄 중 1종 또는 2종 이상의 원소를 포함하며 이온플레이팅법에 의한 DLC(비정질 탄소) 피막,
(7) 상기 (1), 상기 (2), 상기 (3) 및 상기 (4) 중의 피막 중 어느 하나의 경질피막 상에 상기 (5)의 DLC 피막 또는 상기 (6)의 DLC 피막 중의 어느 하나를 피복시켜 구성되는 피막
중에서 어느 하나의 피막을 가지고 있고,
상기 (1)의 피막∼상기 (7)의 피막까지의 각각의 피막의 표면 경도는 HV1000 이상이며,
상기 (1)의 피막∼상기 (6)의 피막까지의 각각의 피막의 두께는 3μm 이상이며, 상기 (7)의 복층(複層)의 두께는 3μm 이상인,
조합형 오일링.