(57)【要約】【課題】如何なるシリンダライナに組み合わせた場合であってもオイル消費量の低減と低摩擦を実現することができるピストンリングを提供する。【解決手段】母材と、前記母材に形成された硬質な第１層と、前記第１層に積層された前記第１層に比べて軟質な第２層とを備えるピストンリングにおいて、前記第１層の表面粗さ（Ｒａ）は、０．７μｍ以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と、前記母材に形成された硬質な第１層と、前記第１層に積層された前記第１層に比べて軟質な第２層とを少なくとも外周摺動面に備えるピストンリングにおいて、
前記第１層の表面粗さ（Ｒａ）は、０．７μｍ以下であ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、
前記第１層は、ビッカース硬度がＨＶ８００以上であり、前記第２層は、ビッカース硬度がＨＶ８００以下であ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２層の厚さは、０．５μｍ〜１０．０μｍであることを特徴とするピストンリング。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のピストンリングにおいて、
前記第２層は仕上げ処理を施していないことを特徴とするピストンリング。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のピストンリングにおいて、
前記ピストンリングの当り幅は、０．３ｍｍ以下であることを特徴とするピストンリング。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のピストンリングにおいて、
前記第１層は、窒化層及び／又はＣｒ−Ｎ又はＣｒ−Ｂ−ＮからなるＰＶＤ皮膜の１種であって、前記第２層はＮｉ−Ｐめっき皮膜、ポリアミドイミド樹脂皮膜及びＣｒ−Ｎ、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ又はＣｒからなる皮膜の１種であることを特徴とするピストンリング。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のピストンリングにおいて、
前記ピストンリングは、オイルリングであることを特徴とするピストンリング。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のピストンリングは、シリンダライナの内壁面に所定の凹部が形成された低摩擦シリンダに組み合わされ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、如何なるシリンダライナに組み合わせても低摩擦及びオイル消費量の低減を実現することができるピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、完成品で組み立て直後の内燃機関、特にピストンリングとシリンダライナのような組合せの摺動部材間においては、初期のなじみ運転が重要であり、該初期のなじみ運転後に定常領域の摺動に移行することが知られている。
【０００３】
具体的には、所謂なじみ運転と呼ばれる内燃機関の初期運転を行ってピストンリングとシリンダライナの共摺りを行うことでピストンリングとシリンダライナの間の隙間を無くしてピストンリングとシリンダライナとをなじませる必要がある。
【０００４】
また、ピストンリングの耐摩耗性を向上させるために、ピストンリングの表面に硬質層を形成することが行われている。しかし、この硬質層はなじみ運転の期間が長くなるという問題を有しているため、この初期なじみ期間を短縮するために種々の手段が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２８０６４２号公報
【特許文献２】特開平５−５２２６５号公報
【０００６】
特許文献１に記載されたピストンリングは、母材上に形成された硬質セラミック皮膜と、前記硬質セラミック皮膜の凹凸を埋めるように形成されたメッキ層とを有し、前記硬質セラミック皮膜が部分的に露出しているという構成を備えている。
【０００７】
このように構成されたピストンリングは、硬質セラミック皮膜の表面凹凸上にメッキ層が施されており、硬質セラミック皮膜が部分的に露出しているので、硬質セラミック皮膜の窪み内にメッキ金属が充填されて良好な平滑性が得られるとともに、十分な耐摩耗性を示し、かつセラミック単体よりも良好ななじみ面を形成することができる。
【０００８】
また、特許文献２に記載されたピストンリングは、少なくとも外周摺動面に、硬質クロムメッキ層と軟質合金メッキ層との二重構造を有するピストンリングにおいて、前記硬質クロムメッキ層の表面は粗面化されており、前記粗面化された硬質クロムメッキ層の表面に前記軟質合金メッキ層が形成されている。
【０００９】
このように構成されたピストンリングは、硬質クロムメッキ層の上に軟質合金メッキ層が形成されているため、硬質クロムメッキ層が良好な耐摩耗性を維持し、軟質合金メッキ層は内燃機関の始動初期におけるシリンダとのなじみを良好にする。また、硬質クロムメッキ層の表面が粗面化されているので軟質合金メッキ層との密着力が高まり、硬質クロムメッキ層の耐焼付性も向上する。さらに、密着力が高まったことで、皮膜の耐剥離性及び耐スカッフ性が向上する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、近年のピストンリングにおいては、燃費性能の向上やオイル消費量の低減を目的として、シリンダライナとピストンリングとの接触面積を低減して両者の摩擦を極小化することが行われている。
【００１１】
この接触面積の低減方法としては、ピストンリングのリング幅の縮小を図ったり、シリンダライナの内周面の所定の位置に凹部を設けて接触面積の低減を図っている。しかし、このような接触面積を低減させたピストンリングとシリンダライナを用いた内燃機関は、ピストンリングとシリンダライナの間に流体潤滑を実現する有効な油膜を形成することができず、摩擦やオイル消費量が思いの外下がらないなどの問題を有していた。
【００１２】
そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、如何なるシリンダライナに組み合わせた場合であってもオイル消費量の低減と低摩擦を実現することができるピストンリングを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るピストンリングは、母材と、前記母材に形成された硬質な第１層と、前記第１層に積層された前記第１層に比べて軟質な第２層とを少なくとも外周摺動面に備えるピストンリングにおいて、前記第１層の表面粗さ（Ｒａ）は、０．７μｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記第１層は、ビッカース硬度がＨＶ８００以上であり、前記第２層は、ビッカース硬度がＨＶ８００以下であると好適である。
【００１５】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記第２層の厚さは、０．５μｍ〜１０．０μｍであると好適である。
【００１６】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記第２層は仕上げ処理を施していないと好適である。
【００１７】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記ピストンリングの当り幅は、０．３ｍｍ以下であると好適である。
【００１８】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記第１層は、窒化層及び／又はＣｒ−Ｎ又はＣｒ−Ｂ−ＮからなるＰＶＤ皮膜の１種であって、前記第２層はＮｉ−Ｐめっき皮膜、ポリアミドイミド樹脂皮膜及びＣｒ−Ｎ、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ又はＣｒからなる皮膜の１種であると好適である。
【００１９】
また、本発明に係るピストンリングにおいて、前記ピストンリングは、オイルリングであると好適である。
【００２０】
また、本発明に係るピストンリングは、シリンダライナの内壁面に所定の凹部が形成された低摩擦シリンダに組み合わされると好適である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るピストンリングは、第１層の表面粗さ（Ｒａ）は０．７μｍ以下であるので、如何なるシリンダライナと組み合わせても摩擦を低減し、かつオイル消費量を抑制することができる。
【００２２】
また、本発明に係るピストンリングは、第１層のビッカース硬度がＨＶ８００以上、第２層のビッカース硬度がＨＶ８００以下であるので、第２層がなじみ層として機能し、初期なじみ期間を短縮することができる。
【００２３】
また、本発明に係るピストンリングは、第２層の厚さが０．５μｍ〜１０．０μｍであるので、なじみ運転後のバレル形状に関し適切なダレ量に形成することができる。
【００２４】
また、本発明に係るピストンリングは、第２層は仕上げ処理を施していないので、製造コストの抑制を図ることができる。
【００２５】
また、本発明に係るピストンリングは、当り幅が０．３ｍｍ以下であるので、シリンダライナとの接触面積を低減させてより低摩擦化を図ることができる。
【００２６】
また、本発明に係るピストンリングは、第１層は、窒化層及び／又はＣｒ−Ｎ又はＣｒ−Ｂ−ＮからなるＰＶＤ皮膜の１種であって、第２層はＮｉ−Ｐめっき皮膜、ポリアミドイミド樹脂皮膜及びＣｒ−Ｎ、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ又はＣｒからなる皮膜の１種とすることで、なじみ性に優れた低摩擦を図ることができる。
【００２７】
また、本発明に係るピストンリングは、オイルリングであるので、より効果的に低摩擦及びオイル消費量の低減を実現することができる。
【００２８】
また、本発明に係るピストンリングは、シリンダライナの内壁面に所定の凹部が形成された低摩擦シリンダと組み合わされるので、低摩擦シリンダの摩擦低減効果と相まってより一層の低摩擦化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係るピストンリングの断面図であり、（ａ）は２ピースのオイルリングを表し、（ｂ）は３ピースの組合せオイルリングを表す。
【図２】本発明の実施形態に係るピストンリングに組み合されるシリンダライナ内壁面の凹部の形成位置の一例を示す説明図。
【図３】行程中央部領域における、凹部の配置の一例を示す概略展開図。
【図４】本発明のシリンダに形成される凹部の寸法位置を説明する概略展開図および概略断面図である。
【図５】本実施形態に係るピストンリングの摩擦係数の測定を行う単体評価装置の概略図。
【図６】本実施形態に係るピストンリングの摩擦係数を示す試験結果。
【図７】本実施形態に係るピストンリングの摩擦係数を示す試験結果。
【図８】本実施形態に係るピストンリングの摩擦係数を示す試験結果。
【図９】本実施形態に係るピストンリングの摩擦係数を示す試験結果。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００３１】
図１は、本発明の実施形態に係るピストンリングの断面図であり、（ａ）は２ピースのオイルリングを表し、（ｂ）は３ピースの組合せオイルリングを表し、図２は、本発明の実施形態に係るピストンリングに組み合されるシリンダライナ内壁面の凹部の形成位置の一例を示す説明図であり、図３は、行程中央部領域における、凹部の配置の一例を示す概略展開図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態に係るピストンリング１は、内燃機関のピストンの外周面に形成されたリング溝（図示せず）に組み付けられ、シリンダの内壁と摺接することで、シリンダの内壁に付着した余分なエンジンオイルを掻き落としてシリンダの内壁に適切な油膜を形成する部材である。
【００３３】
図１（ａ）の断面図に示すように、ピストンリング１は、２ピースの組合せオイルリングとして構成されており、オイルリング本体２と、コイルエキスパンダ６とから構成されている。オイルリング本体２は、先端に摺動部突起４，４が形成された２つのレール３，３を柱部５で連結した断面略Ｉ字状に形成されている。コイルエキスパンダ６は、オイルリング本体２の柱部５内周面に形成された内周溝６に配置されており、オイルリング本体２をその径方向外方に押圧付勢する。なお、本実施形態に係る組合せオイルリング１の柱部５には、油戻し孔７が形成されている。
【００３４】
さらに、本実施形態に係るオイルリング１は、オイルリング本体２の二つのレール３，３に形成された摺動部突起４，４の先端は、その一部を研削加工することにより凸部８，８が形成されたステップランド形状に形成されている。当該凸部８，８の軸方向の長さ（当り幅）は、０．０２〜０．１８ｍｍに形成されると好適である。
【００３５】
このような凸部８，８を形成することにより、オイルリング本体２におけるシリンダ内壁面との摺動面積を小さくすることができ、これにより摩擦力の低減を図ることができると同時に、オイル消費量の低減を図ることができる。また、当該凸部８，８は、摺動部突起４，４の先端を研削加工することによって形成されているため、当該凸部８，８の寸法精度を非常に良くすることができる。
【００３６】
また、凸部８，８を形成するための加工法としては、各種研削加工あるいは各種切削加工を適宜採用することが可能である。より具体的には、研削砥石の形状を目的の形状へドレスし、その砥石を用いてピストンリングのレールを研削加工することが好ましい。
【００３７】
また、二つのレール３，３の外表面のシリンダンライナとの摺動面に表面処理層１０が形成されている。表面処理層１０の先端には、なじみ運転によるなじみ摩耗によって後述する第２層１３が摩滅して所定のダレ量ｅを有するダレ形状が形成されている。
【００３８】
また、ピストンリングは、３ピースの組合せオイルリングとして構成しても構わない。具体的には、図１（ｂ）の断面図に示すように、ピストンリング１´は、上下一対のサイドレール３´，３´と、この上下一対のサイドレール３´，３´の間に配置されるスペーサエキスパンダ２´とから構成されている。これらサイドレール３´，３´及びスペーサエキスパンダ２´は鋼等からなっておりサイドレール３´は、合口を備えた平板の環状リングとして構成され、外表面のシリンダライナとの摺動面に表面処理層１０が形成されている。また、表面処理層１０の先端には、なじみ運転によるなじみ摩耗によって後述する第２層１３が摩滅して所定のダレ量ｅを有するダレ形状が形成されている。
【００３９】
スペーサエキスパンダ２´は、鋼材を塑性加工して形成されており、軸方向に沿って凹凸形状（波形形状）となると共に、周方向に略円形状に構成されている。この軸方向の凹凸形状によって、軸方向の端部にサイドレール３´を支持する上片及び下片が形成されている。
【００４０】
また、スペーサエキスパンダ２´の上片及び下片の内周側端部には、サイドレール３´，３´を外周側に押圧する耳部４´がアーチ状に立設して形成されている。
【００４１】
なお、スペーサエキスパンダ２´は、ピストンのリング溝に組み付けられた状態で合口が付き合わされて周方向に縮められた状態で組み付けられている。したがって、スペーサエキスパンダ２´の張力によって径方向外方へ拡張力を生じるように組み付けられているので、上下のサイドレール３´，３´を上片及び下片で軸方向に沿って上下に保持すると共に、耳部４´がサイドレール３´の内周面をそれぞれ押圧することによって、上下のサイドレール３´，３´の外周面をシリンダの内壁面に密着させている。
【００４２】
次に、摺動面に形成された表面処理層１０について説明を行う。なお、２ピースの組合せオイルリング及び３ピースの組合せオイルリングの何れの表面処理層も同様の表面処理層が形成されているため、以下の説明においては、３ピースの組合せオイルリング１´について説明を行う。図１（ｂ）に示すように、サイドレール３´は、母材１１と、母材１１の該表面に形成された表面処理層１０を備えている。母材１１は、合口が形成された平板状の円環部材であると好適である。なお、母材１１は、鋼材，鋳鉄材，アルミニウム合金などから構成されており、良好な耐摩耗性を示すものであれば特に限定されない。好ましい鋼材の例としては、Ｃ：０．１６〜１．３０％を含有する鋼材、あるいはこれにＭｏ及びＶの少なくともいずれか一方を少量含有させたクロム鋼等を採用すると好適である。
【００４３】
表面処理層１０は、硬質な第１層１２と、第１層１２に比べて軟質な第２層１３とを備えている。第１層１２は、例えばビッカース硬度がＨＶ８００以上であると好適であり、具体的には、硬質炭素皮膜（ＤＬＣ）や硬質クロムメッキなどが好適に用いられる。また、第１層１２は、窒化層及び／又はＣｒ−Ｎ又はＣｒ−Ｂ−Ｎからなるイオンプレーティング法やスパッタリング法などの物理的蒸着法（ＰＶＤ）を用いたＰＶＤ皮膜，溶射またはガス窒化処理（ＧＮ）などの窒化処理を用いて耐摩耗性の表面処理を施しても構わない。
【００４４】
硬質な第１層１２の厚さは、ガス窒化により窒化層に形成する場合、２ピースオイルリングにおいては、１０〜１５０μｍ、３ピースオイルリングにおいては、２〜５０μｍとすることが好ましい。Ｃｒ−Ｎ又はＣｒ−Ｂ−Ｎからなるイオンプレーティング法やスパッタリング法などの物理的蒸着法（ＰＶＤ）を用いたＰＶＤ皮膜では２ピースオイルリングにおいては、５〜５０μｍ、３ピースオイルリングにおいては、５〜３０μｍとすることが好ましい。
【００４５】
また、第１層１２は、第１層１２の形成後に該表面にラッピングなどの仕上げ処理が施されており、表面粗さ（Ｒａ）は、０．７μｍ以下に形成され、より好ましくは０．０５〜０．５μｍに形成されると好適である。なお、表面粗さ（Ｒａ）は「算術平均粗さ」を示している。
【００４６】
第２層１３は、第１層１２に比べて軟質な例えばビッカース硬度でＨＶ８００以下に形成されている。第２層１３は、内燃機関の初期運転時に適度に摩滅してピストンリング１シリンダライナとの間に好適な流体潤滑を形成できるバレル形状を呈するために備えられており、具体的には、第２層１３は、クロム（Ｃｒ）、ニッケルリン（Ｎｉ−Ｐ）、ポリアミドイミド樹脂等の合成樹脂、Ｃｒ−Ｎ又はＣｒ−Ｂ−Ｎからなる皮膜及び錫（Ｓｎ）などを用いると好適である。また、第２層１３の外表面は、第１層１２と異なり、ラッピングなどの仕上げ処理が施されていない。
【００４７】
なお、第２層１３の厚さは、なじみ運転後のバレル形状のダレ量が図１に示すような所望の形状となるように例えば、１０μｍ以下、より好適には、０．５μｍ〜５．０μｍに形成される。ここで、好適なダレ量は、ピストンリングとシリンダライナの摺動面積Ｂに対して、バレル高さが、Ｂ／（１０００〜３０００）の範囲に形成されると、ピストンリングとシリンダライナとの間に好適な流体潤滑を構成することができ、ピストンリングとシリンダライナとの間の低摩擦化を実現することができる。
【００４８】
また、サイドレール３´のレール幅は、シリンダライナとの摩擦を考慮して小さく形成するとより摩擦を小さくすることができるが、例えばレール幅（当り幅）を０．３ｍｍ以下に形成すると好適である。図１（ｂ）に示す如く当り幅は、硬質な第１層の周りに軟質な第２層が摩滅により第１層と第２層がなめらかに繋がれ、断面形状がバレル形状に形成されている。
【００４９】
図１（ａ）の断面図に示すように、２ピースオイルリングは、オイルリング本体２と、コイルエキスパンダ６とから構成されている。オイルリング本体２は、母材１１と、母材１１の該表面に形成された表面処理層１０を備えている。母材１１は、合口が形成された平板状の円環部材であると好適である。なお、母材１１は、鋼材，鋳鉄材などから構成されており、良好な耐摩耗性を示すものであれば特に限定されない。好ましい鋼材の例として、オイルリング本体２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。
【００５０】
また、本実施形態に係るオイルリングのオイルリング本体２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％、バナジウム０．０８〜０．１５質量％、リン０．０４質量％以下、硫黄０．０４質量％以下、残部鉄及び不可避不純物の組成のものをいう。他の材料として、８Ｃｒ鋼、ＳＷＲＨ７７Ｂ相当材を用いることができる。
【００５１】
２ピースの組合せオイルリングの表面処理については、上述した３ピースオイルリングのサイドレールと共通するので、その説明を省略する。
【００５２】
コイルエキスパンダとしては、炭素０．５５質量％、ケイ素１．４１質量％、マンガン０．６５質量％、クロム０．６８質量％、銅０．０６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ＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当の素材を用いることができる。
【００５３】
次に、図２から４を参照して、本実施形態に係るピストンリングに好適に組み合わされるシリンダライナについて説明を行う。シリンダライナは、如何なる形状のものを組み合わせても低摩擦化及びオイル消費量の低減の効果を得ることができるが、例えば、以下に示すような、所望の凹部が形成された低摩擦シリンダライナ２０と組み合わせて使用すると好適である。
【００５４】
図２は、シリンダ本体（図示せず）の内壁面に固着されているシリンダライナにおける、シリンダライナ内壁面の凹部の形成位置の一例を示す説明図である。
【００５５】
図２に例示するように本態様におけるシリンダライナ２０の内壁面２１には、複数個の凹部２２が形成されている。この凹部２２は、シリンダライナ２０の内壁面２１のうち、行程中央部領域２３のみに形成されており、当該行程中央部領域２３以外の領域には形成されていない。行程中央部領域２３は、ピストンの上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、上記ピストンの下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域である。
【００５６】
シリンダが用いられる装置のエネルギー効率を向上させる、例えば、エンジンの燃費を向上させるためには、ピストンリングと、シリンダの内壁面（本態様においてはシリンダライナの内壁面）との摩擦損失低減が有効である。摩擦損失の低減方法は摺動条件によって異なるが、特にピストンは上死点で速度が０になる等の特徴を持つため、摺動する位置により異なる。そこで本態様のシリンダを構成するシリンダライナにおいては、その内壁面の行程中央部領域２３のみに凹部を形成するとともに、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が存在するように、換言すれば、各凹部をシリンダ軸方向において重なるように形成することによって、行程中央部領域２３の全ての領域において摩擦力を低減することを可能となっている。
【００５７】
すなわち、ピストンの移動速度が比較的小さい上死点付近および下死点付近では、シリンダライナの内壁面の表面粗さを小さくすることにより、往復動摩擦の低減を図ることができる。しかしながら、シリンダライナの内壁面と、ピストンリングとの摺動速度が大きい領域である行程中央部領域２３では、潤滑油のせん断抵抗の影響が大きくなる。そのため本態様においては、シリンダライナの内壁面のうち、上記行程中央部領域２３にのみ凹部を形成することで、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積を小さくし、潤滑油のせん断抵抗の影響を低減することを可能としている。
【００５８】
またここで、行程中央部領域２３に複数の凹部を無造作に形成した場合、行程中央部領域２３全体では、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が小さくなるが、微視的には、摺動するピストンリングの幅（シリンダの軸方向の長さ）は行程中央部領域２３にくらべて非常に短いため、場所によっては、凹部が形成されていない部分も存在する可能性があり、当該部分においては、ピストンリング摺動面とシリンダライナの内壁面とは１００％接触をしていることとなってしまい、上記効果を十分に発揮できない可能性があるところ、本態様においては、上述の通り、シリンダ周方向の全ての断面には、前記複数の凹部のうち少なくとも一つの凹部が存在するように、換言すれば、各凹部をシリンダ軸方向において重なるように形成されているため、摺動するピストンリングは常に凹部と接触していることとなり、その結果、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が１００％となることはなく、上記効果を常に発揮することができる。
【００５９】
なお、ピストンリングが摺動する領域全てに凹部を形成した場合、つまり行程中央部領域以外の領域にも凹部を形成した場合、上死点および下死点の近傍では上記接触面積が小さくなることにより接触面圧が増加し境界潤滑となるため、摩擦力が増加してしまう。また、このような部分に凹部があると、不要な油だまりとなってしまい、これが燃焼し潤滑油の消費量が多くなってしまうこともある。
【００６０】
次に、本態様のシリンダを構成するシリンダライナの内壁面の行程中央部領域２３に形成される凹部２２について説明する。
【００６１】
本態様において、行程中央部領域２３に形成される凹部２２の形状は特に限定されるものではなく、当該凹部の配置等に応じて適宜調整することができる。直線および／または曲線から構成される形状の凹部を形成することができる。凹部は、横長の形状でも、縦長の形状でも、縦対横の比率がほぼ等しい形状でも構わない。
【００６２】
ここで、本態様のシリンダにおいては、行程中央部領域におけるシリンダ周方向の全ての断面に前記凹部が少なくとも一つは形成されていることを特徴としている。これにより、接触面積を効率的、かつ平均的に低減することができる。
【００６３】
前述したように、周方向の断面を考えた場合、ある断面に凹部が一つも形成されていないと、当該断面をピストンリングが通過する際は、凹部が複数個形成されている断面を通過する際と比べ、ピストンリングとシリンダライナの内壁面との接触面積が大きくなる。そのため、潤滑油のせん断抵抗の影響が大きくなり、結果として往復動摩擦も大きくなる。
【００６４】
これに対し、行程中央部領域におけるシリンダ周方向の全ての断面に凹部を少なくとも一つ形成することにより、行程中央部領域のどの周方向断面をピストンリングが通過する場合であっても、接触面積を確実かつ平均的に低減することができるため、往復動摩擦も確実に低減することができる。
【００６５】
本態様の特徴である「シリンダ周方向の全ての断面において、複数個の凹部のうちの少なくとも一つの凹部が形成されている」状態の例としては、図３（ａ）や（ｂ）の場合を挙げることができる。
【００６６】
図３（ａ）は、上述した図２の行程中央部領域２３における、凹部２２の配置の一例を示す概略展開図である。図３（ａ）においては、図面の上下方向がシリンダの軸方向であり、図面の左右方向がシリンダの周方向である。図３（ａ）に例示するように、シリンダ周方向に引いた線Ｘは、凹部２２ａの最下点５ａが、その下方に最も近接する凹部２２ｂの最上点６ｂよりも下側に位置する。また、シリンダ周方向に引いた線Ｙは、凹部２２ｂの最下点５ｂが、その下方に最も近接する凹部２２ｃの最上点６ｃよりも下方に位置する。このように、上下に近接する凹部同士を、シリンダ軸方向に重なるように配置することにより、シリンダ周方向の全ての断面において複数個の凹部のうちの少なくとも一つの凹部を形成することができる。以上より、ピストンが往復した際に、行程中央部領域において、摺動するピストンリングが、シリンダ軸方向のどの位置においてもシリンダ内壁面との接触面積を小さくすることができ、往復動摩擦の低減に効果を奏する。
【００６７】
ここで、図３（ｂ）も図３（ａ）と同様、上述した図２の行程中央部領域２３における、凹部２２の配置の一例を示す概略展開図である。図３（ｂ）においても図面の上下方向がシリンダの軸方向であり、図面の左右方向がシリンダの周方向である。図３（ａ）にあっては、凹部２２がシリンダ軸方向にわたって均一の面積で形成されているが、この態様に限定されることはなく、図３（ｂ）に示すように、シリンダ軸方向の行程中央部領域２３の端部近傍においては凹部２２の面積を小さくし、行程中央部領域２３の中央部近傍においては凹部の面積を大きくしてもよい。
【００６８】
本態様において上記凹部の寸法は特に限定されるものではなく、シリンダや共に用いられるピストンリングの寸法等に応じて適宜調整することができる。凹部は、行程中央部領域をシリンダ軸方向に貫くように形成されていてもよいが、シリンダの気密性保持の観点から、上記凹部のシリンダ軸方向の平均長さが、用いられるピストンリングのうちの、最上位のピストンリングのシリンダ軸方向の長さ以下であることが好ましい。より具体的には、用いられるピストンリングのうちの、最上位のピストンリングのシリンダ軸方向の長さの５〜１００％程度とすることが好ましい。
【００６９】
本態様において上述した凹部の各平均長さは、図４に例示する各箇所の平均長さを意味するものとする。図４（ａ）は、シリンダライナの内壁面の、シリンダ軸方向を図面の上下方向に示した概略展開図である。また、図４（ｂ）は、シリンダライナの、周方向における概略断面図である。前記凹部の軸方向平均長さとは、図４（ａ）に例示するように、シリンダ軸方向における、凹部２２の長さの平均である。
【００７０】
また、上記凹部２２の周方向平均長さとは、図４（ａ）に例示するように、シリンダ周方向における、凹部２２の長さの平均である。図４（ｂ）に例示するように、前記凹部２２の周方向平均長さとは、内壁面２１を含む面における長さの平均を意味するものとし、前記凹部の面積についても同様とする。
【００７１】
また、上記凹部２２の径方向長さとは、図４（ｂ）に例示するように、凹部２２の底面からシリンダライナ２０の内壁面２１までの長さの平均である。また、上記凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）とは、図４（ａ）および（ｂ）に例示するように、隣り合う凹部２２の間隔の平均である。
【００７２】
凹部のシリンダ周方向平均長さは、０．１ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内が好ましく、０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内が特に好ましい。シリンダ周方向平均長さがこの範囲に満たない場合は、凹部を形成した効果が十分に得られない場合がある。一方で、周方向平均長さがこの範囲を超える場合は、ピストンリングの一部が凹部内へ入り込み、ピストンリングが変形する等の不具合が発生する場合がある。
【００７３】
凹部のシリンダ径方向平均長さは、０．１μｍ〜１０００μｍの範囲内が好ましく、０．１μｍ〜５００μｍの範囲内がさらに好ましく、０．１μｍ〜５０μｍの範囲内が特に好ましい。凹部のシリンダ径方向平均長さがこの範囲に満たない場合は、凹部を形成した効果が十分に得られない場合がある。一方で、径方向平均長さがこの範囲を超える場合は、加工が困難であり、また、シリンダライナの径方向長さを長くする（肉厚を厚くする）必要がある等の不具合が生じる場合がある。
【００７４】
本態様においては、隣り合う凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）は、０．１〜１５ｍｍの範囲内が好ましく、０．３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内が特に好ましい。隣り合う凹部間のシリンダ周方向平均長さ（間隔）がこの範囲に満たない場合には、ピストンリングが摺動するシリンダライナの内壁面の幅が小さすぎて、ピストンリングとシリンダライナの内壁面とが安定して摺動できない可能性がある。一方で、この範囲を超える場合には、凹部を形成した効果が十分に得られない可能性がある。
【実施例】
【００７５】
次に、実施例と比較例を参照して、本発明についてさらに詳しく説明を行う。
【００７６】
実施例と比較例は以下の構成を有するピストンリング及びシリンダライナを用いて摩擦係数の測定を行った。
【００７７】
実施例１及び２並びに比較例１は、オイルリング本体を構成する１３Ｃｒ鋼として、炭素０．６５質量％、ケイ素０．３８質量％、マンガン０．３５質量％、クロム１３．５０質量％、モリブデン０．３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ＪＩＳ規格のＳＵＳ４１０材に相当するものを用いた。オイルリングは、φ１０１ｍｍ、軸方向高さ３．０ｍｍ、径方向厚さ３．０ｍｍ、張力３０Ｎにガス窒化処理を施し、当該オイルリングに関しては、外周摺動面をステップランド形に研削加工を施しさらに、１８００ＨＶのＣｒ−Ｎ皮膜を２０μｍ形成したオイルリングを比較例１とした。更に、オイルリング本体の外周面に、４００ＨＶのＮｉ−Ｐめっきを３μｍ施したものを実施例１とし、オイルリング本体の外周面にポリアミドイミドに二硫化モリブデン及び黒鉛を含むコーティング材を５μｍ形成したものを実施例２とした。また、第１層の表面粗さ（Ｒａ）は、０．５μｍであった。さらに、実施例１及び２のなじみ運転後の当り幅は、０．１５ｍｍ、ダレ量ｅは、１．８μｍであった。
【００７８】
次に、実施例３及び４並びに比較例２は、上下一対のサイドレールと当該サイドレールをシリンダの内周面に押圧するスペーサエキスパンダからなる３ピース型オイルリングであり、また、当該オイルリングは、φ８９ｍｍ、サイドレールがＪＩＳ規格で表されるＳＫ６材からなり、軸方向幅が０．３５ｍｍ、径方向幅が１．９０ｍｍでＰＶＤ処理を外周に施した。なお、当該オイルリングに関しては、サイドレールに表面処理層として１８００ＨＶのＣｒ−Ｎ  ＰＶＤ層を１０μｍ形成したピストンリングを比較例２とした。更に、サイドレールの外周面に、４００ＨＶのＮｉ−Ｐめっきを３μｍ施したものを実施例３とし、サイドレールの外周面にポリアミドイミドに二硫化モリブデン及び黒鉛を含むコーティング材を５μｍ形成したものを実施例４とした。また、第１層の表面粗さ（Ｒａ）は、０．０５μｍであった。さらに、実施例３及び４のなじみ運転後の当り幅は０．１０ｍｍ、ダレ量ｅは、２．４μｍであった。
【００７９】
ピストンリング、シリンダ間の摩擦係数の測定には、図５に示す単体評価装置３０を用いた。本単体評価装置はクランク機構３１によって上下運動するピストン頂面にロッド３２を介して更にピストンリング３４が取り付けられており、このロッド３２は上側でも支持されているので、側力の影響無くピストンリング３４の摩擦係数を測定することができる。シリンダライナ３５は単体評価装置のストロークに合わせる必要があるが、ピストンリング３４は実機エンジンのものをそのまま使用することができる。温度、摺動速度の調整でストライベック指数を合わせることでエンジンの摺動環境を模擬した。
【００８０】
本試験においてはディーゼル用φ１０１ｍｍ（実施例１及び２並びに比較例１に用いた）とガソリン用φ８９ｍｍ（実施例３及び４並びに比較例２に用いた）の２つのボアを使用しているが，単体評価装置は同じものを使用している。図６〜９にこの単体評価装置によって得られた代表的な摩擦波形を示す。図６は、実施例１及び２並びに比較例１のピストンリングに低摩擦シリンダライナを組み合わせた場合の試験結果である。尚、図７に用いた低摩擦シリンダライナは、直径がφ０．５ｍｍ、面積率が５０％のものを用いた。図７は、実施例１のピストンリングを低摩擦シリンダライナに組み合わせた場合と通常のシリンダライナに組み合わせた場合を比較した試験結果である。図８は、実施例３及び４並びに比較例２のピストンリングに通常のシリンダライナを組み合わせた場合の試験結果であり、図９は、実施例４のピストンリングを低摩擦シリンダライナに組み合わせた場合と通常のシリンダライナに組み合わせた場合を比較した試験結果である。この低摩擦シリンダライナについては、図７に示した試験結果に用いた低摩擦シリンダライナと同様のシリンダライナを用いた。当該試験は、試験機回転数を変化させながら得た摩擦波形から、ピストン最速点での摩擦係数とその点でのストライベック指数とを算出し、ストライベック線図としてまとめ、解析に利用した。
【００８１】
図６に示すように、第２層を形成しない比較例１は、低回転領域から高回転にかけて摩擦係数が高いことがわかる。これに対し、実施例１は、高回転領域でも低い摩擦係数を示しており、実施例２は実施例１よりも全ての回転領域において良好な摩擦係数を示している。この結果から実施例１及び２は、ピストンリングとシリンダライナとの間に適切な油膜が形成されて流体潤滑に移行していることが確認できる。
【００８２】
このように、実施例１及び２に係るピストンリングは、従来のピストンリングと比較しても、如何なる回転数で内燃機関を運転した場合であっても低摩擦を実現していることが確認できる。また、実施例１及び２に係るピストンリングは、流体潤滑に移行していることから、オイル消費量の低減も同時に図っていることがわかる。
【００８３】
また、図７に示すように、実施例１に係るピストンリングは、低摩擦シリンダライナに組み合わせた場合、通常のシリンダライナとの組み合わせよりも流体潤滑領域において良好な摩擦係数を示している。
【００８４】
次に、ガソリン用のピストンリングでは、図８に示すように、第２層を形成しない比較例２は、全ての回転領域で摩擦係数が高く、回転数が上昇した場合でも流体潤滑に移行していないことが確認できる。これに対し、実施例３及び４は、１５００〜２０００ｒｐｍ以下の回転領域で比較例２と比べて摩擦係数が大幅に減少していることが確認でき、この結果から実施例３及び４は、ピストンリングとシリンダライナとの間に適切な油膜が形成されて流体潤滑領域に移行していることが確認できる。
【００８５】
このように、実施例３及び４に係るピストンリングは、従来のピストンリングと比較しても、常に用いられる常用回転領域において低摩擦を実現していることが確認できる。また、実施例３及び４に係るピストンリングは、流体潤滑領域に移行していることから、オイル消費量の低減も同時に図っていることがわかる。
【００８６】
また、図９に示すように、実施例４に係るピストンリングは、低摩擦シリンダライナに組み合わせた場合、通常のシリンダライナとの組み合わせよりも流体潤滑領域において良好な摩擦係数を示している。
【００８７】
尚、前記実施例では２ピースオイルリング、３ピースオイルリングにおいて第１層にＰＶＤ皮膜を形成したが、ＰＶＤ皮膜に代わりにガス窒化により窒化層を設け、第２層を形成した場合でも同様の摩擦係数の削減の効果を確認している。
【００８８】
なお、上述した本実施形態に係るピストンリングは、オイルリングに適用した場合について説明を行ったが、トップリングやセカンドリングに適用しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００８９】
１  ピストンリング，    ２  スペーサエキスパンダ，    ３  サイドレール，    ４
耳部，    １０  表面処理層，    １１  母材，    １２  第１層，    １３  第２層，２０  シリンダライナ，    ２１  内壁面，    ２２  凹部，    ２３  行程中央部領域。
【図１】
2017036823.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図９】
2017036823.tif 000009
【図６】
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【図８】
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