(57)【要約】【課題】船舶用等の大型ディーゼルエンジンで使用されるガスタイト型の特殊合口を有するピストンリングについて、耐スカッフィング特性及び油膜生成機能に優れ、安定した摺動を可能にするピストンリングを提供する。【解決手段】頂上部が中央よりクランク室側に位置した偏心バレルフェイス形状の外周摺動面と、ガスタイト型合口と、内周面と上側面の角部にインナーカット部を有し、前記インナーカット部が前記ガスタイト型合口部を除いた部分に、そのカット量が前記ガスタイト型合口部から角度により異なるように形成したピストンリングとする。【選択図】図1
2017026054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂上部が中央よりクランク室側に位置した偏心バレルフェイス形状の外周摺動面と、ガスタイト型合口と、内周面と上側面の角部にインナーカット部を有するピストンリングであって、前記インナーカット部が前記ガスタイト型合口部を除いた部分に形成され、且つ前記インナーカット部のカット量が前記ガスタイト型合口部からの角度により異な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、前記カット量が前記ガスタイト型合口部近傍領域で最大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、前記カット量が前記ガスタイト型合口部の反対側領域で最小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1〜3のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記カット量が前記ガスタイト型合口部近傍から合口反対側に向かって連続的に減少してい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、シリンダライナと摺接する前記外周摺動面の軸方向の曲率半径が前記シリンダライナの内径より大きいことを特徴とするピストンリング。
【請求項６】
請求項1〜5のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記外周摺動面の軸方向の曲率半径がクランク室側から燃焼室側に連続的に増加していることを特徴とするピストンリング。
【請求項７】
請求項1〜6のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記インナーカット部の内周面及び上側面へのカット長さがそれぞれ一定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1〜7のいずれか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母材が鋼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、船舶用等の大型ディーゼルエンジン用ピストンリングに関する。
【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、シリンダ内最高圧力は22 MPaにまで達し、将来は30 MPaまで上昇することが計画されている。
【０００３】
よって、上記の大型ディーゼルエンジンに使用されるピストンリングも高出力化に寄与するべく、例えば、第1圧力リング（以下「トップリング」ともいう。）では、合口部はダブルアングル合口のようなガスタイト型の合口が使用され、側面シール性の向上のためリングにねじれを与えるインターナルベベル又はインターナルステップ等（以下、総称して「インナーカット」という。）が設けられている。
【０００４】
特許文献1は、ガスタイト型のダブルアングル合口を有する圧力リングにおいて、側面シール性の向上のためにリングにねじれを与えるインナーカットを設けるにあたり、合口端部にはインナーカットを形成しないことを教示している。これにより、特許文献１では、合口端部の凸部と凹部周辺の側面をリング溝の壁面に密着させることができ、ガスやオイルのこの部分からの迂回がなく、しかも、インナーカットによる側面シール性の向上を可能にすると説明している。
【０００５】
また、トップリング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、上述したシリンダ内最高圧力にほぼ比例的に増大するため、トップリングの使用環境は非常に過酷になる。さらに、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、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭63-2849号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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ィングの問題から重大損傷に至ることが多い、スカッフィングは、上記のようにリング荷重が増大したとき、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。よって、上述した増大するリング荷重によるスカッフィングに対する対策も強く求められている。
【０００８】
これまで、呼び径（d1）200 mm以上の大型ディーゼルエンジン用トップリングでは、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。本発明者達は、特願2014-132185において、上記スカッフィング対策として、ピストンリングの外周摺動面の形状について、バレル形状で且つヘルツ応力を低減するべく、外周摺動面の軸方向の曲率半径がクランク室側から燃焼室側に連続的に増加していることを特徴とするピストンリングを提案した。
【０００９】
しかし、外周摺動面の軸方向の曲率半径が大きくなると、シリンダライナと接触するピストンリングの頂点位置は、ピストンリング自体の閉じた状態でのねじれ量に大きく影響するようになり、耐スカッフィング特性及び油膜形成状況が不安定となる。
【００１０】
よって、本発明は、船舶用等の大型ディーゼルエンジンで使用されるガスタイト型の特殊合口を有するピストンリングにおいて、耐スカッフィング特性及び油膜生成機能に優れ、安定した摺動を可能にする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】
本発明者達は、鋭意研究の結果、ピストンリング外周摺動面の曲率半径を大きくしても、ねじれ量変化（ばらつき）の影響を小さくするため、内周上側面側にインナーカットを設け、かつ、閉じた状態でのねじれ量が一定になるようにインナーカットのカット量を変化させることによって、シリンダライナと摺接する位置の変化を小さくし、さらにリング当たり面のヘルツ応力を低減する形状とすることにより、耐スカッフィング特性及び油膜生成機能に優れたピストンリングを得ることが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、頂上部が中央よりクランク室側に位置した偏心バレルフェイス形状の外周摺動面と、ガスタイト型合口と、内周面と上側面の角部にインナーカット部を有するピストンリングであって、前記インナーカット部が前記ガスタイト型合口部を除いた部分に形成され、且つ前記インナーカット部のカット量が前記ガスタイト型合口部からの角度により異なることを特徴とする。
【００１３】
前記カット量は、前記ガスタイト型合口部近傍領域で最大であることが好ましく、前記ガスタイト型合口部の反対側領域で最小であることが好ましい。また、前記カット量は、前記ガスタイト型合口部近傍から合口反対側に向かって連続的に減少していることが好ましい。
【００１４】
シリンダライナと摺接する前記外周摺動面の軸方向の曲率半径は前記シリンダライナの内径より大きいことが好ましい。また、前記外周摺動面の軸方向の曲率半径はクランク室側から燃焼室側に連続的に増加していることが好ましい。
【００１５】
また、前記インナーカット部の内周面及び上側面へのカット長さがそれぞれ一定であることが好ましい。
【００１６】
最高圧力の上昇や熱負荷増大の観点から、前記ピストンリングの母材は鋼であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のピストンングは、ねじれ量が一定になるようにインナーカット部のカット量を変化させているので、たとえ外周摺動面の軸方向の曲率半径が大きくても、シリンダライナとの摺接位置の変化が小さく、安定した摺動特性に、優れた耐スカッフィング特性及びシール特性を示し、近年の高出力化、高効率化に対応することが可能となる。また、合口反対側から合口近傍に向かって徐々に断面二次モーメントが減少し、合口近傍でのシリンダライナへの面圧上昇を抑制することができるため、局所的な高荷重を回避でき、耐スカッフィング性を向上することができる。さらに、外周摺動面の軸方向の曲率半径を、クランク室側から燃焼室側に連続的に増加させれば、燃焼室側の曲率半径が大きく、シリンダ内最高圧力が負荷され燃焼室側でシリンダ壁と摺動接触しても、リング荷重による接触（ヘルツ）応力を低減することができ、スカッフィングを回避し、重大損傷に至ることが避けられる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のピストンリングの一例を示す図であり、(a)は上側面側から見た平面図、(b)はA-A断面の断面図、(c)はB-B断面の断面図である。
【図２】本発明のピストンリングのガスタイト型合口近傍の一例を示す図である。
【図３】本発明のピストンリングのガスタイト型合口近傍の別の一例を示す図である。
【図４】本発明のピストンリングの一例をピストンのリング溝に装着したときの様子を示す図であり、ピストンリングのインナーカット部はステップ形状を有する。
【図５】本発明のピストンリングの別の一例をピストンのリング溝に装着したときの様子を示す図であり、ピストンリングのインナーカット部はベベル形状を有する。
【図６】本発明のピストンリングのさらに別の一例をピストンのリング溝に装着したときの様子を示す図であり、ピストンリングのインナーカット部は1/4円を有する。
【図７】本発明のピストンリングのさらに別の一例を示す図であり、ピストンリングのインナーカット部は、合口反対側のベベル形状から、中間部を経て、合口部近傍のステップ形状に、インナーカット部の内周面及び上側面のカット長さを、それぞれ一定として、連続的にカット量を変化させている。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら説明する。
【００２０】
図1は、頂上部が中央よりクランク室側に位置した偏心バレルフェイス形状の外周摺動面2と、ガスタイト型合口3と、内周面4と上側面5の角部にインナーカット部6を有する本発明に係るピストンリング1を示している。特にトップリングは、ピストンの熱変形やリングの倒されにより、外周摺動面2の上側面5側でシリンダライナと摺接する傾向にあり、極端な場合は外周摺動面2と上側面5のエッジと摺接するエッジローディングを起こす場合があるため、本発明では、外周摺動面2は頂上部が中央よりクランク室側に位置した偏心バレルフェイス形状とし、さらに、皿状のねじれが生じるようにインナーカット部6を導入している。
【００２１】
インナーカット部6は、図2又は図3に示すようにガスタイト型合口部を除いた部分に形成されている。すなわち、ガスタイト型合口部近傍にはインナーカット部6が存在しないため、一方の合口端部の内周側の肉厚が薄くなりすぎることもなく、所定の強度を確保することができる。ここで、図2はダブルステップ合口を示しており、図3はダブルアングル合口を示している。これらのガスタイト型合口部は燃焼ガスの通り抜けを抑制し、シリンダ内最高圧力を高め、高出力化に寄与する。
【００２２】
インナーカット部6の導入は、ピストンリング1に皿状のねじれを与えるが、そのねじれ量は、インナーカット部6のカット量と合口3からの位置（合口3から角度θ）により定まる。一般に、インナーカット部6のカット量が同じ場合、ねじれ量は合口から180°（すなわち、合口反対側）の領域で大きく、合口部及び合口部近傍の領域で小さくなる傾向にある。よって、本発明では、ねじれ量を安定化させるため、インナーカット部のカット量が合口部からの角度により異なることを特徴とする。上記の傾向を考慮すれば、本発明のピストンリングは、ガスタイト型合口部近傍領域で最大のカット量とすることが好ましく、合口から180°の合口反対側近傍領域で最小のカット量とすることが好ましい。もちろん、カット量が、ガスタイト型合口部近傍から合口反対側に向かって連続的に減少していることが好ましい。ここで、合口部近傍領域とは合口部から30°以内の領域をいい、合口反対側近傍領域とは合口から150〜210°の領域をいう。
【００２３】
また、上記の偏心バレルフェイス形状は、耐スカッフィング対策として、リング荷重に基づく面圧（ヘルツ応力）を低減するため、外周摺動面2の軸方向の曲率半径を大きくすることが好ましく、特にシリンダライナの内径より大きいことが好ましい。曲率半径がクランク室側から燃焼室側に連続的に増加していればより好ましい。
【００２４】
外周摺動面の軸方向の曲率半径が大きいと、僅かなねじれ量の変化でシリンダライナとの摺接面がピストン軸方向に大きく変動する。そうすると、ピストンリング／シリンダライナの摺接面（シール面）が幾何学的に不安定となって、安定した耐スカッフィング特性及び安定した油膜生成機能が失われる傾向を示す。よって、ねじれ量が一定になるようにインナーカットの量を変化させることは外周摺動面2の軸方向の曲率半径の大きいほど重要となる。
【００２５】
図１は、インナーカット部6のカット量を、合口部近傍から合口反対側に向かって連続的に減少させたピストンリングを示している。A-A断面のインナーカット量（図1(b)）は、B-B断面のインナーカット量（図1(c)）より大きく、これによりピストンリングのねじれ量をできるだけ一定に調整することができる。
【００２６】
図4〜図6は、形状の異なるインナーカット部を有するピストンリングをシリンダ内に装着して皿状にねじれた状態を示している。図4はステップ形状、図5はベベル形状、図6は1/4円形のインナーカット部を示すが、いずれのピストンリングも、外周摺動面は偏心バレルフェイル形状の頂上部近傍でシリンダライナと摺接し、リング荷重により倒されたとしても、バレルフェイス形状の外周摺動面の上側面側摺動面が摺接して、優れたスカッフィング特性を示す。
【００２７】
図7は、インナーカット部の内周面及び上側面のカット長さを、それぞれ一定として、カット量を変化させたインナーカット部、すなわち合口反対側のベベル形状から合口部近傍のステップ形状に連続的に変化させたインナーカット部を示している。このような形状は、例えば、エンドミルで、切込量（ステップ深さ）を連続的に変化させることによって形成することができる。特に、インナーカット部の上側面のカット長さが一定であれば、上側面5の幅(a)をリング全体に亘って一定にすることができるため、上死点近傍での高い燃焼圧によるリング溝下面への荷重も均一となり、耐溝面摩耗及びシール性を向上させる。もちろん、上側面5の幅(a)を一定としたステップ形状の深さを連続的に変化させてもよい。
【００２８】
本発明のピストンリングは、片状黒鉛鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄を母材とすることができるが、最高圧力の上昇や熱負荷増大の観点から、鋼を母材とすることが好ましい。鋼は、特に限定するものではないが、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。例えば、C、Si、Mn、Crの必須合金元素に加えて、選択合金元素として、質量％で、V：0〜0.25％、Mo：0〜0.35％、B：0〜0.005％を含む鋼が好ましい。特に、熱伝導率が重要視される場合は、質量％で、C：0.45〜0.55％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.65〜0.95％、Cr：0.80〜1.10％、V：0.15〜0.25％、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有することが好ましく、耐摩耗性や窒化特性が重要視される場合は、質量％で、C：0.95〜1.10％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.30〜0.50％、Cr：1.30〜1.60％、Mo：0.05〜0.35％、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有することが好ましい。ピストンリングの母材に鋼を使用すれば、鋳鉄と比較して高強度であるため、断面積（リング厚さa1やリング幅h1）を縮小できる。断面積の低減は、ピストンリングの追従性を向上し、軽量化、低張力化につながり、燃費の向上に貢献する。
【実施例】
【００２９】
実施例1
外径110 mm、長さ200 mmのSUS420J2相当材の棒鋼から、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）320 mm、軸方向幅（h1）5 mm、径方向厚さ（a1）9 mmの矩形断面に、ダブルステップ形状のガスタイト型合口を有し、合口から12°の位置から合口反対側に向かって、内周面へのカット量を連続的に減少させたステップ形状のインナーカット部を形成したトップリングを作製した。インナーカット部の上側面へのカット長さは2 mmで一定とし、内周面へのカット長さを合口から12°の位置で2 mm、合口反対側で1.1 mmとした。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。
【００３０】
仕上げ研磨により形成した外周摺動面は、頂上部が中央よりクランク室側に1 mm偏心し、その曲率半径が340 mmとなる偏心バレルフェイス形状とした。また、上下側面から0.5 mmの領域は面取り加工を施した。
【００３１】
実施例2
材料組成が、C：0.47％、Si：0.23％、Mn：0.81％、Cr：1.02％、V：0.23％、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼材を使用し、インナーカット部の寸法を変更した以外は、実施例1と同様にしてトップリングを作製した。ここで、インナーカット部の寸法を、上側面へのカット長さ2 mm、内周面へのカット長さ2 mmとし、合口部近傍（合口から12°の位置）を除いて、その断面形状がベベル形状になるよう加工し、さらに合口反対側から合口部近傍まで、内周面へのカット長さ（深さ）が連続的に変化するステップ形状を形成する以外は、実施例1と同様にしてトップリングを作製した。このインナーカット部は、図7に示すように、合口反対側のベベル形状から合口部近傍（合口から12°の位置）のステップ形状に連続的に変化しており、インナーカット部の内周面及び上側面へのカット長さがそれぞれ一定であるという特徴を有している。
【００３２】
実施例3
SUS440B相当材を使用し、外周摺動面の形状を変更した以外は、実施例2と同様にしてトップリングを作製した。ここで、外周摺動面の偏心バレル形状は、曲率半径が連続的に増加する曲線とするため、本発明者達が特願2014-132185において提案した
x = a(cosθ+θb・sinθ)/α
y = a(sinθ-θ/cosθ)/β
a = 7000、b = 3、α= 1、β= 2
なる変形インボリュート曲線を利用して形成した。具体的には、バレル形状の頂点（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、下側面から0.5 mmの位置の曲率半径が70 mm、頂点位置の曲率半径が300 mm、上側面から0.5 mmの位置の曲率半径が460 mmとした。
【００３３】
実機試験
実機試験は、ボア径320 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、実施例1〜3のトップリングをそれぞれ2気筒ずつ装着したピストンを組み込んで行った。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時間の運転中はスカッフ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。
【００３４】
実施例4
材料組成が、質量％で、C：1.03％、Si：0.25％、Mn：0.44％、Cr：1.53％、Mo：0.06％、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼材を使用した以外は、実施例1と同様にしてトップリングを作製した。
【００３５】
実施例5
材料組成が、質量％で、C：3.7％、Si：2.8％、Mn：0.6％、P：0.04％、S：0.01％、Cr:0.10％、Ni：0.80％、V：0.08％、Cu：2.43％の鋳鉄を溶解、鋳造、機械加工して、呼び径（d1）320 mm、軸方向幅（h1）7 mm、径方向厚さ（a1）10 mmの矩形断面で、インナーカット部の上側面へのカット長さを3 mm、内周面へのカット長さを合口から12°の位置で3 mm、合口反対側で1.7 mmとしてトップリングを作製した。なお、外周面には硬質クロムめっきを施した。
【００３６】
実施例4及び5についても、実施例1〜3と同様な実機試験（但し、実施例4及び5のトップリングはそれぞれ3気筒ずつ組み込んだ。）を行った結果、いずれの気筒においても、トラブルはなく、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】
【００３７】
1   ピストンリング
2   外周摺動面
3   合口部
4   内周面
5   上側面
6   インナーカット部
【図１】
2017026054.tif 000003
【図２】
2017026054.tif 000004
【図３】
2017026054.tif 000005
【図４】
2017026054.tif 000006
【図５】
2017026054.tif 000007
【図６】
2017026054.tif 000008
【図７】
2017026054.tif 000009