(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ壁に面する摺動面（１１）を有する内燃機関用のピストン・リング（１）であって、前記摺動面（１１）上に少なくとも一つの層を備えるピストン・リング（１）において、
前記少なくとも一つの層は、
ａ）下地層（１２）、又は
ｂ）馴し層（１３）、又は
ｃ）下地層（１２）及び該下地層（１２）上に更に積層された馴し層（１３）、
のいずれか一つからなり、
前記下地層（１２）は、
１〜２重量％の炭素と、２〜５重量％のクロムと、１〜３重量％のマンガンと、０．２〜２重量％の銅と、０．１〜１重量％のケイ素と、残りの重量％を占める鉄と、からなる金属素地と、
６〜１４重量％のアルミニウムと、０．５〜４重量％のマンガンと、残りの重量％を占める銅と、からなる銅−アルミニウム合金の金属素地と、
２０〜４０重量％のクロムと、１〜３．５重量％の炭素と、０．２〜１．５重量％のホウ素と、残りの重量％を占めるコバルトと、からなるコバルト−クロム合金の金属素地と、のうちのいずれか１つの金属素地を含むとともに該金属素地に対して、固体潤滑材が２〜１２容量％混入されており、
前記馴し層（１３）は、０．５〜２重量％の炭素と、０．５〜３重量％のクロムと、０．５〜２重量％のマンガンと、０．２〜２重量％の銅と、０．１〜２重量％のケイ素と、残りの重量％を占める鉄と、からなる金属素地を含むとともに該金属素地に対して、窒化ホウ素、ポリエステル、ポリアミド、フッ化カルシウム、フッ化バリウム及びこれらのフッ化物の共晶体のうちのいずれか１つが固体潤滑材として２〜２５容量％混入されていることを特徴とするピストン・リング。
【請求項２】
前記馴し層（１３）は１０時間未満の運転時間内に磨滅し、かつ前記下地層（１２）は４００時間未満の運転時間内に磨滅する請求項１に記載のピストン・リング。
【請求項３】
前記下地層（１２）及び前記馴し層（１３）のうちの少なくとも１つは１０〜２００μｍの範囲の厚さを有する請求項１又は２に記載のピストン・リング。
【請求項４】
少なくとも１つの溝（１０）を前記摺動面（１１）内に有し、前記溝（１０）はピストン・リング（１）の材料とは異なる磁気特性を有する充填材料（１４）を含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載のピストン・リング。
【請求項５】
前記溝（１０）は、前記摺動面（１１）内に螺旋状に延びるとともに、その外周に関して、ピストン・リング（１）の複数の上面（１５）のうちの１つからの距離が変化する請求項４に記載のピストン・リング。
【請求項６】
前記溝（１０）内の充填材料（１４）はコバルト、マンガン及び鉄を含む銅−アルミニウム合金であり、該合金は、８〜１５重量％のアルミニウムと、０．５〜３重量％のコバルトと、０．５〜５重量％のマンガンと、１〜５重量％の鉄と、残りの重量％を占める銅と、からなる請求項４または５に記載のピストン・リング。
【請求項７】
５〜３０容量％の固体潤滑材が前記溝（１０）内の前記銅−アルミニウム合金に混合されている請求項６に記載のピストン・リング。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載のピストン・リング（１）を有する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関、より詳細には大型ディーゼル・エンジンのピストン・リングに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
多くの場合、複数のピストン・リングはピストン上部に形成された溝内に取付けられ、ピストンの外周全体に沿って延びている。ピストン・リングは閉鎖されていない。更に、シリンダ壁に面するピストン・リングの外面は同シリンダ壁に対して弾性を伴って付勢されている。この結果、クランク室、即ちピストンの下側に対してシールされた燃焼空間が形成されている。
【０００３】
ピストン・リングは溝内における自由な移動が可能であり、同ピストン・リングを溝内に固定してはならない。そして、ピストン・リングは運転中に溝内を周方向へ回動する。シリンダ壁に対するピストン・リング外面の正確な適合は溝内におけるピストン・リングの移動によって保証される。
【０００４】
ピストン・リングは運転中に磨耗し、特定期間が経過した後に交換を要する典型的な被磨耗製品である。一般的に、エンジンの馴し運転では、ピストン・リングの外面及び内側シリンダ壁が互いに完全に適合していない場合、シリンダ壁及びピストンの磨耗量が増大する。ピストン・リング及びシリンダの製造上の誤差は馴し運転中に均整化される。
【０００５】
エンジン製造業者はシリンダ及びピストン・リングに対する損傷を回避すべくエンジンを第１の運転時間、即ち馴し運転中に更に注意深く運転することを推奨している。従って、エンジンの最大性能の発揮、継続的な高出力の維持及び出力の急激な変更を可能な限り回避する必要がある。
【０００６】
実際には、エンジン、特に大型ディーゼル・エンジンの注意深い運転は制約を伴って行い得るか、または不可能である。例えば、船は受入れ運転中に極限条件下で運転される。受入れ運転は船、即ちエンジンの第１の運転時間において行われる。従って、最高出力はエンジンの過負荷領域、即ち極限条件下において形成される。試運転時間及び馴し運転時間のうちの少なくともいづれか一方におけるピストン・リング及びシリンダに対する損傷はエンジンを注意深く監視した場合でも回避できないことが多い。これは新品の機械に対する煩雑な修理を要する
。
【０００７】
更に、エンジンを馴し運転する際に可能な限り注意深く運転することにより、エンジンのピストン・リング、シリンダ、ベアリング等の部品の寿命を更に長くし得る。
【０００８】
本発明の目的は、試運転、受入れ試験及び馴し運転中におけるピストン・リング及びシリンダに対する損傷の危険性を低減するとともに、更に効果的な摺動特性を有するピストン・リングを提供することにある。注意深く運転されたエンジンは全運転時間にわたって更に効果的な運転特性を示す。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、内燃機関、より詳細には大型ディーゼル・エンジンのピストン・リングであって、シリンダ壁に面する摺動面（１１）を有し、かつ該摺動面（１１）上に少なくとも一つの層を備えるピストン・リング（１）において、該少なくとも一つの層は、ａ）下地層（１２）、ｂ）馴し層、又はｃ）下地層（１２）及び該下地層（１２）上に更に積層された馴し層（１３）、のいずれか一つからなり、該下地層（１２）は、１〜２重量％の炭素と、２〜５重量％のクロムと、１〜３重量％のマンガンと、０．２〜２重量％の銅と、０．１〜１重量％のケイ素と、残りの重量％を占める鉄と、からなる金属素地と、６〜１４重量％のアルミニウムと、０．５〜４重量％のマンガンと、残りの重量％を占める銅と、からなる銅−アルミニウム合金の金属素地と、２０〜４０重量％のクロムと、１〜３．５重量％の炭素と、０．２〜１．５重量％のホウ素と、残りの重量％を占めるコバルトと、からなるコバルト−クロム合金の金属素地と、のうちのいづれか１つの金属素地を含むとともに該金属素地に対して、固体潤滑材が２〜１２容量％混入されており、該馴し層（１３）は、０．５〜２重量％の炭素と、０．５〜３重量％のクロムと、０．５〜２重量％のマンガンと、０．２〜２重量％の銅と、０．１〜２重量％のケイ素と、残りの重量％を占める鉄と、からなる金属素地を含むとともに該金属素地に対して、窒化ホウ素（ＢＮ）、ポリエステル、ポリアミド、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、フッ化バリウム（ＢａＦ２）及びこれらのフッ化物の共晶体のうちのいずれか１つが固体潤滑材として２〜２５容量％混入されていることを特徴とするピストン・リングによって達成される。本発明に基づく内燃機関、より詳細には大型ディーゼル・エンジンは本発明のピストン・リングを有する。
【００１０】
本発明は従来の油潤滑を補う少なくとも１つの自己潤滑面層を提供する点において実質的な効果を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
例えば、馴し層（Einlaufschicht）１３と称される外層の形成が可能であり、同馴し層１３は柔らかく、数時間（例えば、５〜１０時間）の運転時間内に磨滅、即ち磨耗して消失する。馴し層１３は製造及び取付けのうちの少なくともいづれか一方において発生し、かつシーリングに関する問題を引き起こし得る摺動面の不規則性を短い運転時間の後に均整化し得る。馴し層１３は１０〜３００μｍ、好ましくは３０〜１００μｍの厚さを有し、例えば同馴し層１３を０．０５ｍｍ（５０μｍ）の厚さに形成し得る。
【００１２】
例えば、馴し層１３に適する材料として、金属及び固体潤滑材からなる複合材料がある。０．５〜２重量％、好ましくは１重量％の炭素と、０．５〜３重量％、好ましくは１重量％のクロムと、０．５〜２重量％、好ましくは１重量％のマンガンと、０．２〜２重量％、好ましくは１．５重量％の銅と、０．１〜２重量％、好ましくは０．３重量％のケイ素と、残りの重量％を占める鉄とからなる低合金鋼は馴し層１３の金属素地（metallische Matrix）に適する。更に、２〜２５容量％、好ましくは１０容量％の窒化ホウ素（Hexagonales Bornitrid、化学式BN）を固体潤滑材として金属素地に混合することが効果的である。馴し層はＡＰＳ（雰囲気プラズマ溶射；Atmosphaerisches Plasma Spritzen）、高速フレーム溶射（High Velocity Oxygen Fuel、略してHVOF）及び他のフレーム溶射のうちのいづれか１つを用いて形成可能である。
【００１３】
別の適切な固体潤滑材としては、ポリエステル、ポリアミド、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、フッ化バリウム（ＢａＦ2）及びこれらフッ化物の共晶体のう
ちのいづれか１つが挙げられる。
【００１４】
更に硬く、かつ更に効果的に結合された下地層（Hochfahrschicht）１２、即ち平滑化層（Einfahrschicht）と称される別の層を馴し層の下に形成可能である。下地層１２は例えば２００〜３００時間の運転時間内に磨滅する。下地層１２は効果的な摺動特性と、高い耐フレッチング性、即ち高い耐スカッフィング性とを有する必要がある。スカッフィングとは、接着力による微細溶接の開始、即ち発現を与えるものの名称である。ピストン・リングの場合、これはピストン・リングの摺動面に対するシリンダ壁の一部の溶接であり得る。
【００１５】
下地層１２は２０〜２５０μｍ、好ましくは３０〜１００μｍの厚さを有し、例えば同下地層１２を０．０５ｍｍ（５０μｍ）の厚さに形成し得る。下地層１２は静止エンジン及び船のエンジンの第１の運転時間中、より詳細には受入れ試験及び調整試験中における安全性を高める。これらの試験において、エンジンは極限運転条件下において極端な領域に露出される。運転条件、即ち運転パラメータは迅速、かつ急激に変更される。同運転条件下において、極端、かつ好ましくない負荷がピストン、ピストン・リング及びシリンダに加わる。馴し運転における運転条件及び運転状態の迅速、かつ急激な変更は、これらの部品に対する致命的な損傷を招来し得る。下地層はピストン・リング及びシリンダを損傷から更に保護する。
【００１６】
下地層１２、即ち平滑化層は１〜２重量％、好ましくは１．５重量％の炭素と、２〜５重量％、好ましくは４重量％のクロムと、１〜３重量％、好ましくは１．５重量％のマンガンと、０．２〜２重量％、好ましくは１．５重量％の銅と、０．１〜１重量％、好ましくは０．５重量％のケイ素と、残りの重量％を占める鉄とからなる低合金鋼の素地を含み得る。更に、２〜１２容量％、好ましくは４〜１０容量％の硫化モリブデン（ＭｏＳ2）等の固体潤滑材が前記の素地に混合される。下地層１２は高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）によって形成可能である
。
【００１７】
６〜１４重量％、好ましくは７〜９重量％のアルミニウムと、０．５〜４重量％、好ましくは２〜３重量％のマンガンと、残りの重量％を占める銅とからなる銅−アルミニウム合金は下地層、即ち平滑化層に使用する金属素地に適する。
【００１８】
２０〜４０重量％、好ましくは３０重量％のクロムと、１〜３．５重量％、好ましくは２重量％の炭素と、０．２〜１．５重量％、好ましくは０．８重量％のホウ素と、残りの重量％を占めるコバルトとからなるコバルト−クロム合金は下地層に使用する金属素地に適する。
【００１９】
螺旋状をなすＶ字溝１０はシリンダ壁上を摺動するピストン・リング１の実層の摺動面に形成可能である。Ｖ字溝１０には充填材料１４が充填されており、同充填材料１４及びＶ字溝１０は互いに異なる磁気特性をそれぞれ有する。溝１０は約２〜６ｍｍ、好ましくは約４〜５ｍｍの深さを有する。従って、磁気センサを使用することにより、ピストン・リング１の磨耗及び回転位置（Drehlage）を監視可能である。
【００２０】
ピストンの移動方向、即ちピストン・リング１の移動方向におけるＶ字溝１０の幅と、同Ｖ字溝１０に充填された材料層の幅とが、ピストン・リング１の磨耗の進行とともに狭くなる。材料層の信号の長さ／同信号の継続時間はピストン・リング１の磨耗を示す尺度である。ピストン・リング１の摺動面内に形成された螺旋状のＶ字溝１０によって形成される信号は、ピストン・リング１の回転位置を示す尺度である。ピストン・リング１の回転位置が連続的に変化すること、即ち、ピストン・リング１が運転中にピストンに形成された溝内を回動し得ることが重要である。ピストン・リング１の監視と、ピストン・リング１上における溝１０の形成に関する更なる詳細はドイツ特許第ＤＥ−２５１７７５１号に開示されている。
【００２１】
ピストン・リングの回転位置の検出は同ピストン・リング１が馴し運転段階または下地段階にある場合、即ち前記の層１２，１３のうちの少なくとも一方がピストン・リング１の摺動面上に存在する場合、換言するならば同層が充填された溝を被覆している場合に可能である。ピストン・リング１が馴し運転段階において効果的に機能し、さらにはピストン上に形成された溝内に固定されないことが特に重要である。
【００２２】
例えば、コバルト、マンガン及び鉄を含む銅−アルミニウム合金は、合金ネズミ鋳鉄等の鋳物から常には形成されるピストン・リングの溝に対する充填材料に適する。例えば、８〜１５重量％、好ましくは１２重量％のアルミニウムと、０．５〜３重量％、好ましくは２重量％のコバルトと、０．５〜５重量％、好ましくは１．５重量％のマンガンと、１〜５重量％、好ましくは３重量％の鉄と、残りの重量％を占める銅とからなる銅−アルミニウム合金は充填材料に適する。
【００２３】
この合金を使用した場合、コバルト−鉄を豊富に含有する金属間化合物からなる微粒子の形成と、合金の大半を占めるベータマトリックス構造（β-Matrix-Struktur）とにより、耐磨耗性が向上する。これらの微粒子は層の負荷能力及び耐磨耗性を向上させる。溝内に配置された耐磨耗性を有する充填材料１４は、高速フレーム溶射法（HVOF）によってピストン・リング上に形成可能である。
【００２４】
ポリアミド及びポリエステルのうちの少なくともいづれか一方に代表されるプラスチックをベースにした５〜３０容量％、好ましくは１５〜２０容量％の固体潤滑材はピストン・リング１の摺動面内に形成された溝１０に対する充填材料１４としての銅−アルミニウム合金に混合可能である。
【００２５】
溝１０及び充填材料１４は２〜６ｍｍ、好ましくは４〜５ｍｍの深さ及び厚さをそれぞれ有し得る。
合金の成分に関する全ての記述は、存在し得る汚染物質を全く考慮していない。
【００２６】
図１は本発明のピストン・リング１を示す。下地層、即ち平滑化層１２はピストン・リング１の摺動面１１上にフレーム溶射によって形成されている。馴し層と称される第２の層１３は下地層、即ち平滑化層１２上に形成されている。ピストン・リング１の摺動面上の溝１０は充填材料１４によって充填されており、ピストン・リング１及び充填材料１４の磁気特性はそれぞれ異なる。例えば、ピストン・リング１は強磁性体材料であるネズミ鋳鉄から形成可能であり、溝１０内の充填材料１４は常磁性体、反磁性体または弱い強磁性体から形成し得る。溝１０を螺旋状に形成することが効果的である。即ち、溝１０はピストン・リング１の周囲を完全に一周するように形成される。この結果、ピストン・リング１の外周を考えた場合、溝１０は上面（Deckflaeche）１５からの距離が変化する。従って、ピストン・リング１の角位置、即ち、ピストン・リング１の回動を容易に決定し得る。更に、ピストン・リング１が回動不能になった際、これを容易に確認し得る。この結果、ピストン・リング１が回動不能になった際に、同ピストン・リング１の交換等の適切な修理を迅速に行うことにより、磨耗によるシリンダ壁及びピストンの損傷の危険を低減し得る。
【００２７】
下地層、即ち平滑化層１２及び馴し層１３は数百分の１ｍｍの厚さを有するのみであり、例えば同厚さは０．０５ｍｍであり得る。馴し層１３は数時間（最初の６〜１０時間）の運転時間内に磨滅する。下地層、即ち平滑化層１２は数百時間、好ましくは２００〜３００時間の運転時間内に磨滅することが望ましい。
【００２８】
本発明に基づくピストン・リング１は前記下地層１２及び馴し層１３のうちの一方のみを有することが可能である。更に、本発明に基づくピストン・リングは、同ピストン・リングとは異なる磁気特性を有する材料を充填した溝１０を必ずしも有する必要はない。更に、溝１０は三角形の横断面以外の横断面を有し得る。即ち、ピストン・リング１の磨耗を前記の方法を用いて監視する際、溝１０の幅を半径方向に沿って徐々に変更することを要するのみである。
【００２９】
内燃機関、特に大型ディーゼル・エンジンのピストン・リング１はシリンダ壁に面した摺動面１１を有する。摺動面１１は摺動層１２、１３を含み、同摺動層１２，１３は固体潤滑材を有する。即ち、摺動層１２，１３は固体潤滑材を含む金属素地を有する。複数の摺動層１２，１３のうちの一方はエンジンの馴し運転段階と称される最初の数時間のうちに磨滅するか、またはエンジンの下地段階、即ち平滑化段階と称される最初の数百時間内に磨滅する。これらの層１２，１３は一般的に再加工を必要としない。層１２，１３は多くの場合に極限運転条件下において、第１の運転時間中にピストン・リング１及びシリンダを損傷から更に保護する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、試運転、受入れ試験及び馴し運転中におけるピストン・リング及びシリンダに対する損傷の危険性を低減するとともに、ピストン・リングの更に効果的な摺動特性を実現し得るという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストン・リングの縦断面図。
【符号の説明】
１…ピストン・リング、１０…Ｖ字溝としての溝、１１…摺動面、１２…摺動層としての下地層、１３…摺動層としての馴し層、１４…充填材料、１５…上面。
【図１】
0003822281.tif 000002