(57)【要約】【課題】ピストンリングとシリンダボア壁面との間のフリクション性能のばらつきを抑制し、オイル消費の低減及びフリクション低減の効果を安定して得られる、トップリングとセカンドリングとオイルリングとからなるピストンリングを用いたガソリンエンジン用ピストンリングの組合せを提供する。【解決手段】ピストンリングの組合せとしてトップリングとセカンドリングとオイルリングとからなるものを用いるガソリンエンジン用ピストンリングの組合せにおいて、当該トップリング又は当該オイルリングのシリンダボア径に対する張力比は、当該トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、当該オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、Ａ／Ｄ≦０．１０及びＣ／Ｄ≦０．２２の各条件を満足するガソリンエンジン用ピストンリングの組合せを採用する。【選択図】図１
2012215238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガソリンエンジンに用いられるトップリングとセカンドリングとオイルリングとからなるピストンリングの組合せにおいて、
当該トップリング又は当該オイルリングのシリンダボア径に対する張力比は、当該トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、当該オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、下記数１に示す式（１）及び式（２）の各条件を満足するものであることを特徴とするガソリンエンジン用ピストンリングの組合せ。
【数１】
2012215238.tif 000010
【請求項２】
前記トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、前記セカンドリングの張力（Ｎ）をＢとし、前記オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、前記シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングのシリンダボア径に対する張力比の合計張力比は、当該下記数２に示す式（３）の条件を満足する請求項１に記載のガソリンエンジン用ピストンリングの組合せ。
【数２】
2012215238.tif 000011
【請求項３】
前記トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、前記オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、前記シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、下記数３に示す式（４）の条件を満足する請求項１又は請求項２に記載のガソリンエンジン用ピストンリングの組合せ。
【数３】
2012215238.tif 000012
【請求項４】
前記トップリング及び前記オイルリングは、少なくとも外周摺動面にガス窒化処理層及び／又はＰＶＤ処理層を備える請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガソリンエンジン用ピストンリングの組合せ。
【請求項５】
前記トップリングの外周摺動面がバレルフェース形状であり、前記オイルリングの外周摺動面がステップランド形状である請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガソリンエンジン用ピストンリングの組合せ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、オイル消費の低減及びフリクションの低減に効果のある、ガソリンエンジン用ピストンリングの組合せに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年における自動車用内燃機関の長寿命化及び燃費向上の市場要求に伴い、当該内燃機関に用いられるピストンリングには、薄幅で軽く、低張力で摩擦ロスの少ないものが求められている。ここで、内燃機関におけるピストンには、シリンダボア内におけるスムーズな往復運動を実現し、また、高温な燃焼ガスをシールするためのピストンリングが装着されている。ピストンリングは、ガス漏れ防止用として装着されるコンプレッションリングと、シリンダボア壁面に付着した余分なオイルを掻き落としオイルコントロールを行うために装着されるオイルリングとからなり、通常これらを組み合わせて用いられる。また、ピストンリングは、燃焼室に近いピストン頂部側から順に、例えばコンプレッションリングであるトップリング、セカンドリング、そしてオイルリングが装着される。
【０００３】
内燃機関において、ピストンとシリンダ等の接触箇所のフリクションを低減させるためには、ピストンリングの張力を低くすると共に、ピストンリングによるシリンダボア壁面への押圧力も低くなるよう設定することで実現でき、例えばピストンリングの軸方向の幅寸法や径方向の厚さ寸法を小さく設定することで可能となる。但し、このような手段は従来より採用されていたものの、ピストンリングのシール性の低下を招く恐れや、ピストンリングとシリンダボア壁面との間に隙間が生じる恐れがある。仮に、ピストンリングとシリンダボア壁面との間に隙間が生じた場合、ピストンリングによる燃焼室での爆発衝撃に耐えて高温な燃焼ガスを長期間安定してシールする働き、及びオイルを燃焼室内へ侵入させずにシールする働きが不十分となり、エンジン出力の低下やオイル消費の増大を招くこととなる。
【０００４】
上述の問題を回避すべく、例えば、特許文献１（特開２０００−９２２５号）には、セカンドランドの圧力を下げた状態で使用できるセカンドリング用のピストンリングであって、高圧往復動機構、特に、内燃機関のピストンに装着するのに適するピストンリングについて開示されている。具体的には、特許文献１のピストンリングは、「トップリングとはセカンドランドを介して離間して配されるセカンドリングであって、該セカンドリングが径方向の厚みおよび軸線方向の幅寸法がトップリングの対応寸法より小さく、セカンドリングの張力がトップリングの張力より小さくかつその内周部がリング溝底面より浮き上がるねじれをセカンドリングに付与されている」ことを特徴とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に係るピストンリングは、ピストンリングの張力に関して、「セカンドリングの径方向の厚みと張力をトップリングの径方向の厚みと張力とより小さくする」旨の開示しかされていない。すなわち、特許文献１に係るピストンリングの組合せは、セカンドリングの径方向の厚み（ａ１寸法）を小さくして張力を低くすることで、ピストンリングの組合せの合計張力を小さくしたものである。また、特許文献１に係るピストンリングの組合せは、トップリング張力（１１．７Ｎ）と、セカンドリング張力（０．４Ｎ）とに大きな差（トップリングの張力がセカンドリングの張力の約３０倍）が生じている。このように、この特許文献１では、オイルリングに対しての張力低減やオイルコントロールについては全く言及していない。よって、単に、特許文献１に係るピストンリングの技術思想を用いるだけで、当該セカンドリングと、トップリングとオイルリングとを含めたピストンリングの組合せを用いた場合には、ピストンリングとシリンダボア壁面との間のフリクション性能にばらつきが生じやすく、オイル消費の低減及びフリクション低減の効果を安定化させることが難しい。
【０００７】
以上のことから、本件発明は、ピストンリングとシリンダボア壁面との間のフリクション性能のばらつきを抑制し、オイル消費の低減及びフリクション低減の効果を安定して得られる、トップリングとセカンドリングとオイルリングとからなるピストンリングを用いたガソリンエンジン用ピストンリングの組合せの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明者等は、鋭意研究を行った結果、ピストンリングの張力について所定の条件を満たすことで、上述した課題を解決するに到った。以下、本件発明に関して説明する。
【０００９】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せ：  ガソリンエンジンに用いられるトップリングとセカンドリングとオイルリングとからなるピストンリングの組合せにおいて、当該トップリング又は当該オイルリングのシリンダボア径に対する張力比は、当該トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、当該オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、下記数１に示す式（１）及び式（２）の各条件を満足するものであることを特徴とする。
【００１０】
【数１】
2012215238.tif 000003
【００１１】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せにおいて、前記トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、前記セカンドリングの張力（Ｎ）をＢとし、前記オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、前記シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングのシリンダボア径に対する張力比の合計張力比は、当該下記数２に示す式（３）の条件を満足することが好ましい。
【００１２】
【数２】
2012215238.tif 000004
【００１３】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せにおいて、前記トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、前記オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、前記シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、下記数３に示す式（４）の条件を満足することが好ましい。
【００１４】
【数３】
2012215238.tif 000005
【００１５】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せにおいて、前記トップリング及び前記オイルリングは、少なくとも外周摺動面にガス窒化処理層及び／又はＰＶＤ処理層を備えることが好ましい。
【００１６】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せは、前記トップリングの外周摺動面がバレルフェース形状であり、前記オイルリングの外周摺動面がステップランド形状であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せは、ピストンに装着されるピストンリングのシリンダボア径に対する張力比について、それぞれ本件発明に定める条件とすることで、オイル消費の低減、及びフリクション低減の効果を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本件発明のピストンリングを装着したピストンとシリンダとの関係を説明するためにシリンダ軸方向で切断して示した概略断面図である。
【図２】本件発明のオイルリングの外周摺動面の形状について説明するために軸方向で切断して例示した概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せの好ましい実施の形態について、以下に図を用いて示しながら本件発明をより詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本件発明のピストンリングを装着したピストンとシリンダとの関係を説明するためにシリンダ軸方向で切断して示した概略断面図である。図１に示すように、ピストン１０は、当該ピストン１０に設けられるピストンリング溝１２〜１４にピストン頂部側から順に、ピストンリング１であるトップリング２、セカンドリング３、オイルリング４が装着された状態で、シリンダ２０に設けられるシリンダボア２２内を往復動する。このときに、ピストンリング１は、所謂コンプレッションリングであるトップリング２及びセカンドリング３が、それぞれピストンリング溝１２，１３内に装着された状態で、シリンダボア壁面２１に対して押圧することで、ピストン１０とシリンダボア壁面２１との間の隙間を埋めて燃焼ガスをシールする。また、ピストンリング１は、オイルリング４がピストンリング溝１４に装着された状態で、シリンダボア壁面２１に対して自己の持つ張力により押圧することで、シリンダボア壁面２１の余分な油を掻き落とすと共に、シリンダボア壁面２１の油膜の厚みを適度にコントロールする。なお、本件発明のオイルリング４は、図１に示すように、コイルエキスパンダ５とオイルリング本体６とから構成される、所謂２ピース型オイルリングと称されるものを採用している。
【００２１】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せ：  本件発明に係るガソリンエンジンに用いられるピストンリング１の組合せは、図１に示すように、トップリング２とセカンドリング３とオイルリング４とからなるものである。そして、本件発明に係るピストンリングの組合せにおいて、当該トップリング２又は当該オイルリング４のシリンダボア２２の直径に対する張力比は、当該トップリング２の張力（Ｎ）をＡとし、当該オイルリング４の張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア２２の直径（ｍｍ）をＤとした場合に、下記数１に示す式（１）及び式（２）の各条件を満足するものであることを特徴とする。
【００２２】
【数１】
2012215238.tif 000006
【００２３】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せは、用いるトップリング２又はオイルリング４のシリンダボア２２の直径に対する張力比について、上記数１に示す式（１）及び式（２）の各条件を満足することで、ピストン１０のシリンダボア壁面２１に対するシール性を維持させてオイル消費の低減を図りながらも、当該ピストンリング１と当該シリンダボア壁面２１との間のフリクションを効果的に低減させることができる。なお、式（１）において、Ａ／Ｄが０．１０を超えるとトップリング２のシリンダボア壁面２１に対する押圧力が高くなりすぎて、ピストンリング１とシリンダボア壁面２１との間のフリクションの低減を図ることができない。そして、式（２）において、Ｃ／Ｄが０．２２を超える場合には、オイルリング４のシリンダボア壁面２１に対する押圧力が高くなりすぎて、当該シリンダボア壁面２１の油膜の厚みをコントロールできるものの、フリクションの低減を図ることが困難となる。
【００２４】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せにおいて、トップリング２の張力（Ｎ）をＡとし、セカンドリング３の張力（Ｎ）をＢとし、オイルリング４の張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア２２の直径（ｍｍ）をＤとした場合に、当該トップリング２、当該セカンドリング３、及び当該オイルリング４の各リングのシリンダボア２２の直径に対する張力比の合計張力比は、当該下記数２に示す式（３）の条件を満足することが好ましい。
【００２５】
【数２】
2012215238.tif 000007
【００２６】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せは、用いるトップリング２、セカンドリング３、及びオイルリング４のシリンダボア２２の直径に対する合計張力比を上記数２に示す式（３）の条件を満足することで、各リングそれぞれの張力を、ピストンリング１の組合せとして好ましいバランス配分にすることができる。その結果、本件発明に係るピストンリングの組合せによれば、オイル消費の低減、及びピストンリング１とシリンダボア壁面２１との間のフリクションの低減をより効果的に図ることができる。なお、式（３）において、（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）／Ｄが０．４５を超える場合には、トップリング２及び／又はセカンドリング３の張力が高すぎるために、ピストンリング１とシリンダボア壁面２１との間のフリクションの低減を図ることが困難となる。
【００２７】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せにおいて、トップリング２の張力（Ｎ）をＡとし、オイルリング４の張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア２２の直径（ｍｍ）をＤとした場合に、下記数３に示す式（４）の条件を満足することが好ましい。
【００２８】
【数３】
2012215238.tif 000008
【００２９】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せは、用いる「トップリング２のシリンダボア２２の直径に対する張力比」に対する「オイルリング４のシリンダボア２２の直径に対する張力比」の比率について、上記数３に示す式（４）の条件を満足することで、オイル消費の低減、及びピストンリング１とシリンダボア壁面２１との間のフリクションの低減に関する効果についてより安定性を増す。なお、式（４）において、（Ｃ／Ｄ）／（Ａ／Ｄ）が１．２５未満の場合には、「トップリング２のシリンダボア２２の直径に対する張力比」に対する「オイルリング４のシリンダボア２２の直径に対する張力比」の比率が低すぎるために、シリンダボア壁面２１の余分なオイルを掻き落とす機能を安定して得られなくなり、オイル消費の低減効果の安定性に欠くこととなる。また、式（４）において、（Ｃ／Ｄ）／（Ａ／Ｄ）が２．４０を超える場合には、「トップリング２のシリンダボア２２の直径に対する張力比」に対する「オイルリング４のシリンダボア２２の直径に対する張力比」の比率が高すぎるために、オイル掻き性能が向上するものの、ピストンリング１とシリンダボア壁面２１との間のフリクションの増大を招いてしまう。
【００３０】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せにおいて、トップリング２及びオイルリング４は、少なくとも外周摺動面にＰＶＤにより形成される皮膜を備えることが好ましい。
【００３１】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せにおいて、トップリング２及びオイルリング４は、少なくとも外周摺動面にガス窒化処理層及び／又はＰＶＤ処理層を備えることで、ピストンリング１について耐久性を向上させ、内燃機関の長寿命化を図ることができる。なお、当該ガス窒化処理層及び／又はＰＶＤ処理層は、ピストンリング１のシリンダボア壁面との摺動面のみならず、ピストンリング溝と接触する上面及び下面を含む全表面に形成しても良い。また、セカンドリング３については、特に言及していないが、当該セカンドリング３に対してもトップリング２やオイルリング４のように、少なくとも外周摺動面にガス窒化処理層及び／又はＰＶＤ処理層を備えることで、内燃機関の長寿命化を更に図ることができる。
【００３２】
ちなみに、本件発明のピストンリング１は、その上面及び下面に耐摩耗性を有する耐摩耗層としてダイアモンド  ライク  カーボン層（以下、「ＤＬＣ層」と称する。）を形成することもできる。このＤＬＣ層は、上述のピストンリングのＰＶＤ処理層を形成した上面及び下面の最外層に設けることができる。このＤＬＣ層は、摩擦係数が低い低摩擦材料として知られており、当該上面及び下面の表面にＤＬＣ層を設けることで、ピストンリング１の耐摩耗特性を飛躍的に向上させることができる。なお、本件発明のピストンリング１は、更なる耐久性の向上を図るべく、耐摩耗層としてＤＬＣ層をリングの外周摺動面に設けても良い。
【００３３】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せは、トップリング２の外周摺動面がバレルフェース形状であり、オイルリング４の外周摺動面がステップランド形状であることが好ましい。
【００３４】
本件発明のトップリング２の外周摺動面は、図１に示すようなバレルフェース形状であることで、当該トップリング２のシリンダボア壁面２１に対する押圧力を周方向に均一に付与することができることとなる。その結果、本件発明のトップリング２によれば、トップリング２とシリンダボア壁面２１との間のシール性を安定して維持することができ、オイル消費の低減及びフリクションの低減を図ることができるため好ましい。また、本件発明のオイルリング４の外周摺動面は、図１に示すようなステップランド形状であることで、当該オイルリング４によるシリンダボア壁面２１の余分なオイルを掻き落とす効果が更に得られることとなる。すなわち、本件発明のオイルリング４によれば、その外周摺動面がステップランド形状であることで、オイル上がりが生じ難く、また、オイル消費の低減及びフリクションの低減を図ることができることとなる。
【００３５】
図２は、本件発明のオイルリングの外周摺動面の形状について説明するために軸方向で切断して例示した概略断面図である。図２に示すように、本件発明のオイルリング４におけるオイルリング本体６は、オイルリング本体の上側部分及び下側部分を構成する上側レール６ａ及び下側レール６ｂと、これら各レールと連結するウェブ６ｃとからなる。そして、当該上側レール６ａ及び下側レール６ｂの外周摺動面には、ステップ状の切り欠き６ａ’、６ｂ’が形成されている。ここで、図２（Ａ）〜（Ｄ）には、本件発明のオイルリング4の上側レール６ａ及び下側レール６ｂに形成されるステップ６ａ’、６ｂ’の位置に関するバリエーションの例が示してある。例えば、図２（Ａ）及び（Ｂ）には、第１レール６ａに設けられるステップ６ａ’と第２レール６ｂに設けられるステップ６ｂ’とがウェブ６ｃを挟んで対称となる位置に形成されている。また、図２（Ｃ）及び（Ｄ）には、第１レール６ａに設けられるステップ６ａ’と第２レール６ｂに設けられるステップ６ｂ’とがウェブ６ｃを挟んで非対称となる位置に形成されている。本件発明のオイルリング４は、例えば図２（Ａ）〜（Ｄ）に示す箇所にステップ６ａ’、６ｂ’を設けることで、オイルリング４によるオイルコントロール機能をより発揮することができると共に、フリクションの低減をも図ることができる。
【００３６】
なお、オイルリング４の外周摺動面に設けられるステップ６ａ’、６ｂ’は、オイルリング本体６の第１レール６ａ及び第２レール６ｂのシリンダボア壁２１に対する当たり面の軸方向幅を考慮した上で、当該第１レール６ａ及び第２レール６ｂに例えば研磨部材や砥石等を用いた研削加工を施して形成することができる。従って、本件発明のオイルリング本体６は、その形成に際し特別な設備や特別なスキルが不要な簡単な方法でありながらも、高い寸法精度で当該レールの６ａ、６ｂ外周形状を形成することができる。
【００３７】
ここで、参考までに本件発明に係るガソリン用ピストンリングの組合せに用いられる、トップリング、セカンドリング、オイルリングの各ピストンリングに好適に用いられる材質及びその組成を以下に例示しておく。なお、本件発明のオイルリング本体の材質は、これら材質に限定されるものではない。
【００３８】
まず、本件発明のトップリング用ピストンリングは、ＪＩＳ  ＳＷＯＳＣ−Ｖ相当材を用いることができる。このＪＩＳ  ＳＷＯＳＣ−Ｖ相当材は、炭素０．５〜０．６質量％、ケイ素１．２０〜１．６０質量％、マンガン０．５０〜０．８０質量％、リン０．０３質量％以下、硫黄０．０３質量％以下、クロム０．５〜０．８質量％、銅０．１２質量％以下、残部鉄及び不可避不純物の組成のものをいう。
【００３９】
また、本件発明のトップリング用ピストンリングは、１３Ｃｒ鋼を用いることができる。この１３Ｃｒ鋼は、炭素０．６〜０．７質量％、ケイ素０．２５〜０．５質量％、マンガン０．２０〜０．５０質量％、クロム１３．０〜１４．０質量％、モリブデン０．２〜０．４質量％、リン０．０３質量％以下、硫黄０．０３質量％以下、残部鉄及び不可避不純物の組成のものをいう。
【００４０】
また、本件発明のトップリング用ピストンリングは、１７Ｃｒ鋼を用いることができる。この１７Ｃｒ鋼は、炭素０．８０〜０．９５質量％、ケイ素０．３５〜０．５質量％、マンガン０．２５〜０．４０質量％、クロム１７．０〜１８．０質量％、モリブデン１．００〜１．２５質量％、リン０．０４質量％以下、硫黄０．０４質量％以下、バナジウム０．０８〜０．１５質量％、残部鉄及び不可避不純物の組成のものをいう。
【００４１】
次に、本件発明のセカンドリング用ピストンリングは、鋳鉄材（片状黒鉛鋳鉄）を用いることができる。この鋳鉄材は、炭素３．００〜３．５０質量％、ケイ素２．００〜３．００質量％、マンガン０．４０〜１．００質量％、リン０．２０〜０．６０質量％、硫黄０．１２質量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなる組成のものをいう。
【００４２】
また、本件発明のセカンドリング用ピストンリングは、ＳＷＲＨ６２Ｂを用いることができる。このＳＷＲＨ６２Ｂは、炭素０．５９〜０．６６質量％、ケイ素０．１５〜０．３５質量％、マンガン０．６０〜０．９０質量％、リン０．０３質量％以下、硫黄０．０３質量％以下、残部鉄及び不可避不純物の組成のものをいう。
【００４３】
次に、本件発明のオイルリング本体は、８Ｃｒ鋼を用いることができる。この８Ｃｒ鋼は、炭素０．６〜０．８質量％、ケイ素０．１５〜０．３５質量％、マンガン０．２０〜０．４０質量％、クロム７．００〜９．００質量％、リン０．０４質量％以下、硫黄０．０３質量％以下、残部鉄及び不可避不純物の組成のものをいう。
【００４４】
また、本件発明のオイルリング本体は、１０Ｃｒ鋼を用いることができる。この１０Ｃｒ鋼は、炭素０．４〜０．６質量％、ケイ素０．１〜０．３質量％、マンガン０．２０〜０．４０質量％、クロム９．０〜１１．０質量％、リン０．０４質量％以下、硫黄０．０３質量％以下、残部鉄及び不可避不純物の組成のものをいう。
【００４５】
また、本件発明のオイルリング本体は、１３Ｃｒ鋼を用いることができる。この１３Ｃｒ鋼は、炭素０．６〜０．７質量％、ケイ素０．２５〜０．５質量％、マンガン０．２０〜０．５０質量％、クロム１３．０〜１４．０質量％、モリブデン０．２〜０．４質量％、リン０．０３質量％以下、硫黄０．０３質量％以下、残部鉄及び不可避不純物の組成のものをいう。
【００４６】
以下、実施例及び比較例を示して本件発明を具体的に説明する。なお、本件発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４７】
実施例１では、排気量が２０００ｃｃ、シリンダボア径が８５．５ｍｍの直列４気筒ガソリンエンジンの実機試験を行い、用いるピストンリングのシリンダボア径に対する張力比の相違がオイル消費量にどのような影響を及ぼすかについて確認を行った。なお、エンジンの運転条件は、全負荷（ＷＯＴ）で５０時間行った。そして、用いるピストンリングは、トップリング、セカンドリング、オイルリングの３本からなる組合せとした。このときのトップリングは、１３Ｃｒ鋼からなる軸方向高さが１．０ｍｍ、径方向厚さが２．７ｍｍのものにガス窒化処理を施し、更に外周摺動面にＰＶＤ処理（Ｃｒ−Ｎ系）を施したものを用いた。セカンドリングは、１０Ｃｒ鋼からなり、軸方向高さが１．０ｍｍ、径方向厚さが２．７ｍｍのものにガス窒化処理を施したものを用いた。オイルリングは、８Ｃｒ鋼からなり、軸方向高さ１．５ｍｍ、径方向厚さ１．５ｍｍのものにＰＶＤ処理（Ｃｒ−Ｎ系）を施したものを用いた。なお、当該オイルリングに関しては、外周摺動面がステップランド形状であるものを用いた。
【００４８】
ここで、トップリングを構成する１３Ｃｒ鋼は、炭素０．６５質量％、ケイ素０．３７質量％、マンガン０．３５質量％、クロム１３．５質量％、モリブデン０．３質量％、リン０．０２質量％、硫黄０．０１質量％、残部鉄及び不可避不純物の組成を備えるものである。
【００４９】
また、セカンドリングを構成する１０Ｃｒ鋼は、炭素０．５０質量％、ケイ素０．２０質量％、マンガン０．３０質量％、クロム１０．２質量％、リン０．０２質量％、硫黄０．０２質量％、残部鉄及び不可避不純物の組成を備えるものである。
【００５０】
また、オイルリング本体を構成する８Ｃｒ鋼は、炭素０．７０質量％、ケイ素０．２８質量％、マンガン０．３５質量％、クロム８．１質量％、リン０．０１質量％、硫黄０．０１質量％、残部鉄及び不可避不純物の組成を備えるものである。
【００５１】
そして、実施例１では、ピストンリングの組合せとして、用いられるトップリング、セカンドリング、オイルリングのシリンダボア径に対する張力比が、それぞれ異なる組合せを用いた。具体的には、実施例１において、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングの張力、及びシリンダボア径は、以下の表１に示す条件に設定した。表１より、実施例１のピストンリングの組合せは、下記に示す条件となる。
【００５２】
トップリングの張力Ａ          ：５．６Ｎ
セカンドリングの張力Ｂ        ：４．９Ｎ
オイルリングの張力Ｃ          ：８．０Ｎ
シリンダボア径Ｄ              ：８５．５ｍｍ
【００５３】
実施例１は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリング又は当該オイルリングのシリンダボア径に対する張力比が、当該トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、当該オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、Ａ／Ｄが０．０６５となり、Ｃ／Ｄが０．０９４となるものである。すなわち、実施例１は、本件発明の条件（数１の式（１）、（２））を満足するものである。
【００５４】
また、実施例１は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、セカンドリングの張力（Ｎ）をＢとし、オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングのシリンダボア径に対する張力比の合計張力比（（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）／Ｄ）が０．２１６となるものである。すなわち、実施例１は、本件発明の条件（数２の式（３））を満足するものである。
【００５５】
また、実施例１は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、（Ｃ／Ｄ）／（Ａ／Ｄ）が１．４２９となるものである。すなわち、実施例１は、本件発明の条件（数３の式（４））を満足するものである。
【００５６】
以上のことから、実施例１は、本件発明の条件（数１の式（１）、（２）、数２の式（３）、及び数３の式（４））の全てを満足したものである。以上をふまえ、実施例１の条件でオイル消費量確認試験を行った結果を、当該条件と併せて表１に示す。表１には、本件発明の条件の内、数３の式（４）に示す条件を満足しないピストンリングの組合せ（以下に示す比較例１）を用いて実機試験をして得られたオイル消費量を基準「１」として、これに対する相対比で表示している。その結果、実施例１のオイル消費量比は１となった。
【実施例２】
【００５７】
実施例２では、排気量が２０００ｃｃ、シリンダボア径が８３．０ｍｍの直列４気筒ガソリンエンジンの実機試験を行い、用いるピストンリングのシリンダボア径に対する張力比の相違がオイル消費量にどのような影響を及ぼすかについて確認を行った。なお、エンジンの運転条件は、全負荷（ＷＯＴ）で５０時間行った。そして、用いるピストンリングは、トップリング、セカンドリング、オイルリングの３本からなる組合せとした。このときのトップリングは、１３Ｃｒ鋼からなる軸方向高さが１．２ｍｍ、径方向厚さが２．９ｍｍのものにガス窒化処理を施し、更に外周摺動面にＰＶＤ処理（Ｃｒ−Ｎ系）を施したものを用いた。セカンドリングは、鋳鉄材からなり、軸方向高さが１．５ｍｍ、径方向厚さが３．５ｍｍのものを用いた。オイルリングは、８Ｃｒ鋼からなり、軸方向高さ２．０ｍｍ、径方向厚さ２．７５ｍｍのものにガス窒化処理を施し、更に外周摺動面にＰＶＤ処理（Ｃｒ−Ｎ系）を施したものを用いた。なお、当該オイルリングに関しては、外周摺動面がステップランド形状であるものを用いた。
【００５８】
ここで、トップリングを構成する１３Ｃｒ鋼は、炭素０．６５質量％、ケイ素０．３７質量％、マンガン０．３５質量％、クロム１３．５質量％、モリブデン０．３質量％、リン０．０２質量％、硫黄０．０１質量％、残部鉄及び不可避不純物の組成を備えるものである。
【００５９】
また、セカンドリングを構成する鋳鉄材は、炭素３．２５質量％、ケイ素２．５０質量％、マンガン０．７０質量％、リン０．４０質量％、硫黄０．０６質量％、残部鉄及び不可避不純物の組成を備えるものである。
【００６０】
また、オイルリング本体を構成する８Ｃｒ鋼は、炭素０．７０質量％、ケイ素０．２８質量％、マンガン０．３５質量％、クロム８．１質量％、リン０．０１質量％、硫黄０．０１質量％、残部鉄及び不可避不純物の組成を備えるものである。
【００６１】
そして、実施例２では、ピストンリングの組合せとして、用いられるトップリング、セカンドリング、オイルリングのシリンダボア径に対する張力比が、それぞれ異なる組合せを用いた。具体的には、実施例２において、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングの張力、及びシリンダボア径は、以下の表１に示す条件に設定した。表１より、実施例２のピストンリングの組合せは、下記に示す条件となる。
【００６２】
トップリングの張力Ａ          ：７．８Ｎ
セカンドリングの張力Ｂ        ：１０．０Ｎ
オイルリングの張力Ｃ          ：１８．０Ｎ
シリンダボア径Ｄ              ：８３．０ｍｍ
【００６３】
実施例２は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリング又は当該オイルリングのシリンダボア径に対する張力比が、当該トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、当該オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、Ａ／Ｄが０．０９４となり、Ｃ／Ｄが０．２１７となるものである。すなわち、実施例２は、本件発明の条件（数１の式（１）、（２））を満足するものである。
【００６４】
また、実施例２は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、セカンドリングの張力（Ｎ）をＢとし、オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングのシリンダボア径に対する張力比の合計張力比（（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）／Ｄ）が０．４３１となるものである。すなわち、実施例２は、本件発明の条件（数２の式（３））を満足するものである。
【００６５】
また、実施例２は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、（Ｃ／Ｄ）／（Ａ／Ｄ）が２．３０８となるものである。すなわち、実施例２は、本件発明の条件（数３の式（４））を満足するものである。
【００６６】
以上のことから、実施例２は、本件発明の条件（数１の式（１）、（２）、数２の式（３）、及び数３の式（４））の全てを満足したものである。以上をふまえ、実施例２の条件でオイル消費量確認試験を行った結果を、当該条件と併せて表１に示す。表１には、本件発明の条件の内、数１の式（２）、数２の式（３）、及び数３の式（４）に示す条件を満足しないピストンリングの組合せ（以下に示す比較例２）を用いて実機試験をして得られたオイル消費量を基準「１」として、これに対する相対比で表示している。その結果、実施例２のオイル消費量比は１となった。
【比較例】
【００６７】
［比較例１］
比較例１は、実施例１との対比用として用いる。比較例１では、実施例１と同じエンジンを用い、また、実施例１と同じ駆動条件でエンジンを駆動させてオイル消費量の確認を行った。そして、比較例１のピストンリングは、実施例１と同様に、トップリング、セカンドリング、及びオイルリングの３本からなる組合せを採用し、また、当該オイルリングの外周摺動面がステップランド形状でない点を除き、全て実施例１のピストンリングと同じ断面形状及び材質のリングを用いた。
【００６８】
そして、比較例１では、ピストンリングの組合せとして、用いられるトップリング、セカンドリング、オイルリングのシリンダボア径に対する張力比が、それぞれ異なる組合せの従来相当品を用いた。具体的には、比較例１において、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングの張力、及びシリンダボア径は、以下の表１に示す条件に設定した。表１より、比較例１のピストンリングの組合せは、下記に示す条件となる。
【００６９】
トップリングの張力Ａ          ：５．６Ｎ
セカンドリングの張力Ｂ        ：４．９Ｎ
オイルリングの張力Ｃ          ：１６．０Ｎ
シリンダボア径Ｄ              ：８５．５ｍｍ
【００７０】
比較例１は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリング又は当該オイルリングのシリンダボア径に対する張力比が、当該トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、当該オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、Ａ／Ｄが０．０６５となり、Ｃ／Ｄが０．１８７となるものである。すなわち、比較例１は、本件発明の条件（数１の式（１）、（２））を満足するものである。
【００７１】
また、比較例１は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、セカンドリングの張力（Ｎ）をＢとし、オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングのシリンダボア径に対する張力比の合計張力比（（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）／Ｄ）が０．３１０となるものである。すなわち、比較例１は、本件発明の条件（数２の式（３））を満足するものである。
【００７２】
また、比較例１は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、（Ｃ／Ｄ）／（Ａ／Ｄ）が２．８５７となるものである。すなわち、比較例１は、本件発明の条件（数３の式（４））を満足しないものである。
【００７３】
以上のことから、比較例１は、本件発明の条件の内、数３の式（４）に示す条件のみ満足しないものである。以上をふまえ、比較例１の条件でオイル消費量確認試験を行った結果を、当該条件と併せて表１に示す。なお、表１には、上述したように、比較例１のピストンリングの組合せを用いて実機試験をして得られたオイル消費量比を基準「１」として示している。
【００７４】
［比較例２］
比較例２は、実施例２との対比用として用いる。比較例２では、実施例２と同じエンジンを用い、また、実施例２と同じ駆動条件でエンジンを駆動させてオイル消費量の確認を行った。そして、比較例２のピストンリングは、実施例２と同様に、トップリング、セカンドリング、及びオイルリングを組み合わせたものを使用し、また、当該オイルリングの外周摺動面がステップランド形状でない点を除き、全て実施例２のピストンリングと同じ断面形状及び材質のリングを用いた。
【００７５】
そして、比較例２では、ピストンリングの組合せとして、用いられるトップリング、セカンドリング、オイルリングのシリンダボア径に対する張力比が、それぞれ異なる組合せの従来相当品を用いた。具体的には、比較例２において、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングの張力、及びシリンダボア径は、以下の表１に示す条件に設定した。表１より、比較例２のピストンリングの組合せは、下記に示す条件となる。
【００７６】
トップリングの張力Ａ          ：７．８Ｎ
セカンドリングの張力Ｂ        ：１０．０Ｎ
オイルリングの張力Ｃ          ：２７．０Ｎ
シリンダボア径Ｄ              ：８３．０ｍｍ
【００７７】
比較例２は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリング又は当該オイルリングのシリンダボア径に対する張力比が、当該トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、当該オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、当該シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、Ａ／Ｄが０．０９４となり、Ｃ／Ｄが０．３２５となるものである。すなわち、比較例２は、本件発明の条件の内、数１の式（２）に示す条件を満足しないものである。
【００７８】
また、比較例２は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、セカンドリングの張力（Ｎ）をＢとし、オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、当該トップリング、当該セカンドリング、及び当該オイルリングの各リングのシリンダボア径に対する張力比の合計張力比（（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）／Ｄ）が０．５４０となるものである。すなわち、比較例２は、本件発明の条件の内、数２の式（３）に示す条件を満足しないものである。
【００７９】
また、比較例２は、ピストンリングの組合せを上記条件に設定することで、トップリングの張力（Ｎ）をＡとし、オイルリングの張力（Ｎ）をＣとし、シリンダボア径（ｍｍ）をＤとした場合に、（Ｃ／Ｄ）／（Ａ／Ｄ）が３．４６２となるものである。すなわち、比較例２は、本件発明の条件の内、数３の式（４）に示す条件を満足しないものである。
【００８０】
以上のことから、比較例２は、本件発明の条件の内、数１の式（２）、数２の式（３）、及び数３の式（４）に示す条件を満足しないものである。以上をふまえ、比較例２の条件でオイル消費量確認試験を行った結果を、当該条件と併せて表１に示す。なお、表１には、上述したように、比較例２のピストンリングの組合せを用いて実機試験をして得られたオイル消費量比を基準「１」として示している。
【００８１】
［実施例と比較例との対比］
実施例と比較例との対比：  以下に示す表１には、ピストンリングの組合せとして各リングのシリンダボア径に対する張力がそれぞれ異なる、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２について、オイル消費量を対比した結果を示している。
【００８２】
【表１】
2012215238.tif 000009
【００８３】
表１より、ガソリンエンジンの実機試験を全負荷（ＷＯＴ）で５０時間行った結果、ピストンリングの組合せの条件がそれぞれ異なる、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２のオイル消費量比は、皆同じ数値「１」であった。すなわち、実施例（実施例１又は実施例２）と、比較例（比較例又は比較例２）とを同じエンジン及び排気量同士で比較したときに、それぞれピストンリングの組合せの条件が異なるにもかかわらず、オイル消費量に差が生じない結果が得られた。しかし、本試験において、用いたエンジン及び排気量が同じ条件である、実施例１と比較例１、また実施例２と比較例２についてピストンリングの組合せの条件をみると、オイルリングの張力Ｃは、実施例（実施例１又は実施例２）の方が比較例（比較例１又は比較例２）よりもかなり小さい。この事実より、実施例１又は実施例２のピストンリングの組合せによれば、従来相当品であるピストンリングの組合せ（比較例１又は比較例２）に対してオイル消費量を増大させずにピストンリングとシリンダボア壁面との間のフリクションを大幅に低減させることが可能となることが分かった。
【００８４】
以上の結果より、ガソリンエンジンに用いられるトップリングとセカンドリングとオイルリングとからなるピストンリングの組合せにおいて、各リングのシリンダボア径に対する張力比を本件発明に規定する条件を満足することで、ピストンリングとシリンダボア壁面との間のフリクション性能のばらつきを抑制できることに加え、オイル消費の低減及びフリクション低減の効果を長期間安定して得られることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せを用いることで、用いられるピストンリングとシリンダボア壁面との間のフリクションのばらつきを抑制可能となり、内燃機関の駆動時のオイル消費の低減効果を安定して得ることができることとなる。従って、本件発明に係るガソリンエンジン用ピストンリングの組合せによれば、オイル供給頻度の低減、オイルの効率的消費が可能になり、資源の有効利用、環境負荷を低減化するという観点から好ましい。
【符号の説明】
【００８６】
１    ピストンリング
２    トップリング
３    セカンドリング
４    オイルリング
５    コイルエキスパンダ
１０  ピストン
２０  シリンダ
２１  シリンダボア壁面
２２  シリンダボア
【図１】
2012215238.tif 000013
【図２】
2012215238.tif 000014