(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリングの中心軸を通り前記中心軸に平行な断面に現れる外周摺動面の第１の曲面が外に凸であって、前記第１の曲面の曲率半径が燃焼室側からクランク室側に連続的に増加しており、前記断面に現れる前記第１の曲面の頂点が軸方向幅の中央位置よりクランク室側に位置し、前記第１の曲面の前記断面に現れる曲線がインボリュート曲線を変形した曲線で表されることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
請求項１に記載のピストンリングにおいて、前記曲線が
x = a(cosθ+θb・sinθ)/α
y = a(sinθ-θcosθ)/β
aは3000〜10000、bは2〜3、αは1〜2、βは1〜5の範囲内で設定される定数
なる関係式を用いて表されることを特徴とするピストンリング。
【請求項３】
請求項1又は２に記載のピストンリングにおいて、前記第１の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間それぞれに面取り部を有することを特徴とするピストンリング。
【請求項４】
請求項１又は２のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記第１の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間それぞれに外に凸の第２及び第３の曲面を有することを特徴とするピストンリング。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記断面に現れる前記第１の曲面の頂点から燃焼室側端までの半径方向の後退量（t）が、ピストンリングの呼び径（d1）の0.001％以上であることを特徴とするピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンリングに関し、特に、バレル面形状の外周摺動面を有する圧力リングに関する。
【背景技術】
【０００２】
舶用エンジンを含む大型ディーゼルエンジンは、地球環境問題の顕在化とともに、近年ますます高出力化、高効率化（CO2低減）の傾向にある。具体的には、シリンダ有効圧力や最高圧力の上昇、熱負荷増大による作用応力の増大、あるいは平均ピストン速度の上昇などであり、特に、シリンダ内最高圧力は22 MPaにまで達し、将来は30 MPaまでさらに上昇することが計画されている。第１圧力リング（以下「トップリング」ともいう。）がシリンダライナ面に押し付けられる荷重（以下「リング荷重」ともいう。）は、このシリンダ内最高圧力にほぼ比例的に増大するため、圧力リングの使用環境は非常に過酷になる。
【０００３】
また、上記のような過酷な使用環境下では、ピストンのリング溝はピストン上部の熱膨張に基づく熱変形や燃焼圧力の影響、ピストン溝の摩耗により軸方向に垂直な方向からやや下向き（燃焼室と反対の方向）に変形する傾向にあり、さらにトップリングはシリンダ内圧力により下向き（燃焼室と反対の方向）に倒される傾向になる。すなわち、トップリングは外周摺動面の軸方向幅の中央位置より燃焼室側でシリンダ壁と摺動接触する傾向となる。極端な場合には、トップリングの当たり面が外周摺動面から外れる、いわゆるエッジ・ローディング（「外周上当たり」ともいう。）が起きることもある。
【０００４】
大型ディーゼルエンジンにおけるトラブルは、ピストンリングを含むピストン、シリンダライナに集中し、特に、ピストンリングとシリンダライナのスカッフの問題から重大損傷に至ることが多い。スカッフは、リング荷重が増大し、上記のようなエッジ・ローディングが起きたとき、また上死点及び下死点の近傍で境界潤滑状態になるときに発生しやすい。
【０００５】
これまでの大型ディーゼルエンジン用トップリングは、外周摺動面にめっきや溶射により硬質皮膜を被覆し、さらにバレル面形状に研磨加工して、耐久性と油膜生成機能の向上を図ってきた。例えば、特許文献１は、外周すべり面を、その断面形状が上方から第１、第２及び第３の異なる曲率半径の円弧からなる複合面で構成し、第２の曲率半径が第１及び第３の曲率半径より大きく且つ第２の曲率半径によって画定される第２の外周すべり面の軸方向幅がピストンリングの軸方向幅のほぼ1/2であり、第２の外周すべり面の断面円弧の曲率中心がピストンリングの軸方向幅内で幅中央以下の位置にあり、かつ、第１、第２及び第３の外周すべり面がその境界部に凹部が形成されない状態で連なっていることを特徴とするピストンリングを開示している。
【０００６】
また、特許文献２は、外周摺動面がバレル形状で、上下側面と交差する部分に面取り加工したコーナー部を有するピストンリングにおいて、外周摺動面に窒化層やPVD層の表面処理層を形成した場合に、バレル面とコーナー部の境界のエッジ部で表面処理層のクラックや剥離が生じないピストンリングを提供することを目的に、コーナー部が半径0.05 mm以上でバレル面半径よりは小さい曲面形状をなすとともに、コーナー部とバレル部とが稜線部が存在することなく連続的につながって形成されているピストンリングを開示している。
【０００７】
また、特許文献３は、ピストンリングの外周面とシリンダライナの摺動面との間のガスシール能力不足による吹き抜けガス量の増大を防止し、ピストンリングバック部の汚れや、吹き抜けガス中の亜硫酸ガスによるシリンダライナの腐食を防止し、且つ、接触圧力を低減したピストンリングを提供することを目的に、ピストンリングの外周面を、曲率半径R=1.18D〜1.35D（D：シリンダ内径）の円弧プロファイルに設定したピストンリングを開示している。ガスシール能力を表す漏れ流量Qが円弧プロファイルの曲率半径Rの3乗に反比例することを考慮し、曲率半径Rを大きくしたことに特徴を有するものである。
【０００８】
しかし、特許文献１及び特許文献２のピストンリングは、外周バレル面とコーナー部を滑らかな曲線で繋いでいるものの、前述のエッジ・ローディングを避けることができるまでには至っておらず、特許文献３のピストンリングも、バレル面の曲率半径を従来よりも大きくしているため、逆にエッジ・ローディングを起こしやすい状況にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】実開昭５７−１９６２３８号公報
【特許文献２】特開２００２−３９３８４号公報
【特許文献３】特開２００９−９１９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、エッジ・ローディングを回避し、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れたピストンリングを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、ピストンリングの外周摺動面の形状について鋭意研究の結果、特にエッジ・ローディングを回避し十分な油膜形成を可能とする形状の、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れたピストンリングを提供できることに想到した。
【００１２】
すなわち、本発明のピストンリングは、ピストンリングの中心軸を通り前記中心軸に平行な断面に現れる外周摺動面の第１の曲面が外に凸であって、前記第１の曲面の曲率半径が燃焼室側からクランク室側に連続的に増加しており、前記断面に現れる前記第１の曲面の頂点が軸方向幅の中央位置よりクランク室側に位置し、前記第１の曲面の前記断面に現れる曲線がインボリュート曲線を変形した曲線で表されることを特徴とする。
【００１４】
前記第１の曲面の前記断面に現れる曲線は、
x = a(cosθ+θb・sinθ)/α
y = a(sinθ-θcosθ)/β
aは3000〜10000、bは2〜3、αは1〜2、βは1〜5、の範囲内で設定される定数
なる関係式を用いて表されることがより好ましい。
【００１５】
また、前記第１の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間は、それぞれに面取り部を有することが好ましく、又は、それぞれに外に凸の第２及び第３の曲面を有することが好ましい。
【００１６】
また、前記断面に現れる前記第１の曲面の頂点から燃焼室側端までの半径方向の後退量（t）（以下、単に「半径方向の後退量」又は「燃焼室側外周摺動面の後退量」ともいう。）は、ピストンリングの呼び径（d1）の0.001％以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のピストンリングは、外周摺動面の第１の曲面形状が、燃焼室側からクランク室側に曲率半径が連続的に増加しているため、燃焼室側の曲率半径が比較的小さく、よって半径方向の後退量も大きくなっているので、シリンダ内最高圧力が負荷される燃焼行程時のエッジ・ローディングを回避することができ、重大損傷に至ることが避けられる。また、燃焼室側の半径方向の後退量が大きいと、ピストン下降時にスカート側から流入したオイルが蓄積しやすいため、この蓄積されたオイルが上死点付近まで残って、スカッフの回避にも貢献する。一方、クランク室側の曲率半径は大きく、リング荷重によるヘルツ応力が低減され、油膜も厚く形成されるので、優れた耐摩耗性を示すことができる。さらに、第１の曲面形状を、例えば、インボリュート曲線を変形した曲線で表せば、曲率半径を所望の範囲で連続的に変えることが可能となり、さらに数値制御による加工によって形成すること、あるいは数値制御により形成した形状の砥石により成形加工することも可能となって、確実に、且つ効率よく、燃焼室側からクランク室側に連続的に曲率半径が増加した第１の曲面を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施態様にかかるピストンリングの断面図（外周摺動面が第１の曲面で構成されている）である。
【図２】本発明の別の実施態様にかかるピストンリングの断面図（外周摺動面の頂点が下側面側端に位置する）である。
【図３】本発明の別の実施態様にかかるピストンリングの断面図（第１の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間それぞれに面取り部を有する）である。
【図４】本発明の別の実施態様にかかるピストンリングの断面図（第１の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間それぞれに外に凸の第２及び第３の曲面を有する）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１〜図４は、本発明の実施態様にかかる、軸方向幅（h1）、径方向厚さ（a1）のピストンリング(1)の断面を示している。断面はピストンリング(1)の中心軸を通る中心軸に平行な断面であり、外周摺動面は外に凸の第１の曲面(2)を含んでいる。そして、この第１の曲面(2)は、曲率半径（R）が燃焼室側（図の上部）からクランク室側（図の下部）に連続的に増加していることを特徴としている。これにより、第１の曲面(2)の燃焼室側の曲率半径が小さく、半径方向の後退量（t）が大きくなり、シリンダ内最高圧力が負荷される燃焼行程時のエッジ・ローディングを回避することができる。
【００２０】
曲率半径（R）が連続的に増加する曲線としては、例えば、インボリュート曲線が挙げられる。インボリュート曲線は、円に巻き付けた糸をぴんと張った状態でほどいていくときの糸の端点が描く軌跡をいい、
x = cosθ+θsinθ
y = sinθ-θcosθ
で表されるが、本発明のピストンリングの外周摺動面の第１の曲面(2)に適した曲率変化とするためには、上記曲線をパラメータa、b、α、βを用いて変形し、
x = a(cosθ+θb・sinθ)/α
y = a(sinθ-θcosθ)/β
a、b、α、βは定数
なる関係式で表される曲線（変形インボリュート曲線）を用いることが好ましい。ここで、a、b、α、βは適用するピストンリングに応じて適宜設定できるが、aは3000〜10000、bは2〜3、αは1〜2、βは1〜5とすることが好ましい。上記関係式の座標軸を所定量回転し、且つ所定量平行移動することにより、例えばx軸をa1方向（リング軸に垂直な方向）、y軸をh1方向（リング軸方向）として、第１の曲面(2)の頂点を原点とした曲線を描くことができる。
【００２１】
上記のように明確に数式で表される曲線は、第１の曲面の形成に際し、数値制御による加工や、数値制御により形成した形状の砥石による成形加工を可能とするため、製造を容易にし、製造品質を向上する。
【００２２】
図２〜図４は、本発明の図１とは別の実施態様にかかるピストンリングを示している。図１及び図２は外周摺動面が第１の曲面からのみ構成され、第１の曲面の頂点が、図１では上側面と下側面の間に位置しているが図２では下側面側端に位置している。図３は第１の曲面(2)と燃焼室側上側面(3)及びクランク室側下側面(4)の間それぞれに面取り部(5,5)を有しており、図４は面取り部(5,5)の代わりに外に凸の第２及び第３の曲面(6,6)を有している。
【００２３】
本発明のピストンリングは、基本的に、第１の曲面の頂点は軸方向幅の中央位置よりクランク室側に位置することが好ましい。それにより、燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）を大きく取ることができる。後退量（t）はピストンリングの呼び径（d1）の0.001％以上であることが好ましく、0.004％以上であることがより好ましい。また、上限は0.015％であることが好ましい。
【００２４】
本発明のピストンリングは、シリンダ内最高圧力の大きな、呼び径が200 mm以上1100 mm未満の大型ディーゼルエンジンで好ましく使用できるが、外周摺動面が所定の形状を満足すれば、その適用エンジンを限定するものではなく、呼び径200 mm未満の中型ディーゼルエンジンにも使用できる。
【００２５】
また、本発明のピストンリングの母材は、鋳鉄材でも鋼材でも適用可能であるが、高出力化や高効率化に有効に対応し、さらに軽量化や低張力化を目指すには鋼材を適用することが好ましい。鋼材を母材に適用する場合、炭素鋼、低合金鋼、バネ鋼、軸受鋼、マルテンサイト系ステンレスから選択された鋼であることが好ましい。炭素鋼であればCが0.6〜0.8質量％程度の高炭素鋼、バネ鋼であればSUP9、SUP10、SUP12等、軸受鋼であればSUJ2、マルテンサイト系ステンレスであればSUS420J2やSUS440Bが好ましく使用される。高温強度、熱伝導率、耐熱ヘタリ性等、求められる要求特性により適した鋼材が選択される。
【００２６】
本発明のピストンリングは、窒化皮膜、めっき皮膜、溶射皮膜、化成処理皮膜、及びイオンプレーティング皮膜からなるグループから選択された1又は2以上の皮膜を有していることが好ましい。めっき皮膜には、硬質クロムめっき皮膜、多層クロムめっき皮膜、ニッケル複合めっき皮膜が含まれ、溶射皮膜には、モリブデン溶射皮膜やサーメット溶射皮膜、イオンプレーティング皮膜には、CrN皮膜やTiN皮膜が含まれる。
【実施例】
【００２７】
実施例1
材料組成が、質量％で、C：0.48％、Si：0.21％、Mn：0.79％、Cr：1.02％、V：0.22％で、外径110 mm、長さ200 mmの棒鋼から、リングローリング加工により筒状素材を作製し、機械加工を施し、呼び径（d1）330 mm、幅（h1）5 mm、厚さ（a1）9 mmの矩形断面の鋼製トップリングを作製した。次に、460℃、5時間のガス窒化によりリング全面に窒化層を約70μm形成し、さらに外周には、高速フレーム溶射によりNi合金基地中に微細なCr炭化物粒子が分散した複合材粒子を主たる構成粒子（スルザーメテコ社のSM5241粉末）とするサーメット溶射皮膜を約500μm形成し、最終的には溶射皮膜の膜厚約350μmまで仕上研磨を施した。ここで、ガス窒化により表面に生成した化合物層（白層）は研削除去した。
【００２８】
仕上研磨により形成した外周摺動面の第１の曲面は、
x = a(cosθ+θb・sinθ)/α
y = a(sinθ-θcosθ)/β
a = 6000、b = 3、α= 1、β= 1.5
なる変形インボリュート曲線を用い、第１の曲面の頂点（燃焼室側上側面から3.5 mmの距離とした）が座標軸の原点となるように、上記変形インボリュート曲線の座標軸を適宜回転させ、平行移動して描いている。また、この場合、下側面から0.5 mmの位置の曲率半径が340 mm、頂点位置の曲率半径が270 mm、上側面から0.5 mmの位置の曲率半径が100 mmとなる。この形状に成形した成形砥石を用いて、第１の曲面を形成し、上下側面から0.5 mmの領域は面取り加工を施し、仕上研磨を完了した。また、燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）は0.016 mmで、呼び径（d1）の0.0048％であった。
【００２９】
実機試験
実機試験は、ボア径330 mmの6気筒4ストローク中速ディーゼルエンジンの試験機において、6気筒全てに実施例1のトップリングを装着したピストンを使用して行った。トップリング以外は、従来から使用されてきたピストンリングを使用した。300時間の運転中はエッジ・ローディング等のトラブルは無く、トップリングを取り出して摺動面を観察した結果も特に異常はなかった。
【００３０】
実施例2
材料組成が、質量％で、C：3.7％、Si：2.7％、Mn：0.6％、P：0.04％、S：0.01％、Cr：0.10％、Ni：0.90％、V：0.07％、Cu：2.39％の鋳鉄を溶解、鋳造、機械加工して、呼び径（d1）330 mm、幅（h1）7 mm、厚さ（a1）10 mmの矩形断面のCV黒鉛鋳鉄製圧力リングを作製した。変形インボリュート曲線のパラメータをa = 3000、b = 3、α= 1、β= 2として、燃焼室側上側面から4.5 mmの距離とした第１の曲面の頂点が座標軸の原点となるように、上記変形インボリュート曲線の座標軸を適宜回転させ、平行移動して描いている。また、この場合、下側面から0.5 mmの位置の曲率半径がR360 mm、頂点位置の曲率半径がR300 mm、上側面から0.5 mmの位置の曲率半径がR50 mmとなる。この形状に成形した成形砥石を用いて、第１の曲面を形成し、上下側面から0.5 mmの領域は面取り加工を施し、仕上研磨を完了した。また、燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）は0.035 mmで、呼び径（d1）の0.011％であった。
【００３１】
実施例2についても、実施例1と同様な実機試験を行った結果、いずれの気筒においてもトラブルは無く、またトップリングの摺動面も異常はなかった。
【符号の説明】
【００３２】
1   ピストンリング
2   第１の曲面
3   燃焼室側上側面
4   クランク室側下側面
5   面取り部
6   第２及び第３の曲面
【図１】
0006446187.tif 000002
【図２】
0006446187.tif 000003
【図３】
0006446187.tif 000004
【図４】
0006446187.tif 000005