JP2005273583A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】 ピストンリングにおいて、高硬度・高耐摩耗性・高い気密性保持機能等の特性を、運転状況等の変化にもかかわらずバランスよく実現する。
【解決手段】 摺動面（９１）のうち燃焼室側（図中上側）に位置する第１部分に軟質被膜（９１１）を備え、且つ、摺動面のうち前記第１部分に接続する第２部分に前記軟質被膜よりも硬い硬質被膜（９１２）を備えている。図では更に、クランクケース側（図中下側）に位置する第３部分に軟質被膜（９１３）を備えている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ピストンリングの技術分野に関する。

この種のピストンリングは、各種車両等に用いられるエンジンを構成する部品であるピストンに備えられ、コンプレッションリング及びオイルリングからなり、前者は更にトップリング（又は第１圧力リング）及びセカンドリング（又は第２圧力リング）からなる。エンジンの燃焼室側から順に、トップリング、セカンドリング及びオイルリングの順に並ぶ。これらはピストンの熱をシリンダに逃してやる役割を担うほか、オイルリングは主に、シリンダ壁面の潤滑油を掻き落とし潤滑油消費量を適正に維持する役割を担い、コンプレッションリングは主に、燃焼室における燃焼ガスの気密性を保つ役割を担う。

このようなピストンリングが担っている役割は、エンジンの円滑な運転を実現すること等にとって極めて重要である。しかし、近年、エンジンの高出力化、高回転化、長寿命化等が志向され、また排気ガス規制に対応するためなどの理由により、前記の役割をピストンリングに十分に果たさせるという要請の充足は困難さを増している。

そこで、従来においても、ピストンリングの高品質化を目指すべく、その摺動面ないしは外周面の硬度を高め耐磨耗性を高める技術などをはじめ各種の技術が提案されている。例えば、特許文献１では、その摺動面に潤滑剤粒子を噴射して形成した潤滑剤被膜を有するピストンリングが提案されており、これにより、アルミニウム合金製ピストンのリング溝からのＡｌ凝着を有効に防止できるという効果が得られるとされている。また、特許文献２では、ピストンリングの形状に工夫を加えることにより、表面処理層のクラックや剥離を防止する技術も提案されている。

特開２００３−１４８２４２号公報 特開２００２−３９３８４号公報

しかしながら、従来におけるピストンリングの高品質化には次のような問題点がある。すなわち、ピストンリングの高硬度化あるいは高耐磨耗性を実現するため、ただ単純に、摺動面に硬質被膜を形成するのでは、エンジン運転初期の状態における、いわゆる初期なじみを悪化させ、該摺動面とシリンダボア内周とのシールを不完全なものとするため、局部的な高面圧発生による焼き付きを生じさせたり、あるいは燃焼ガス漏れ（いわゆるブローバイ）や潤滑油漏れを発生させたりするおそれが大きくなる。

この点、前記の特許文献１及び特許文献２でも十分な効果が得られるとは限らない。すなわち、特許文献１では、ピストンリングの少なくとも下面、あるいはこれを含んでその上面にも（特許文献１における図１（ｂ）又は（ｃ）参照）本明細書にいう軟質被膜に該当すると思われる「潤滑剤被膜」が形成されているが、このような構成によると、該潤滑剤被膜が摩耗することによって、当該下面又は当該上面とリング溝の側面との隙間（サイドクリアランス）が増加し、この隙間に起因して燃焼ガス漏れ等の不具合が発生する可能性がある。

また、特許文献２では、ピストンリングの形状をいわゆるバレル形状とするとともに、その摺動面と下面及び上面との間にコーナー部を設け、且つ、該コーナー部の曲率半径を摺動面（以下、この段落において、特許文献２における「バレル面」なる用語を用いる。）のそれよりも小さくするという構成が開示されているが、かかる構成のみでは、ピストンリングの上端部及び下端部における初期なじみが完了するまでの摩耗量が、エンジンの種類あるいは運転条件等によって異なることにうまく対応できない。すなわち、通常は、ピストンリングの下端部よりも上端部の方が摩耗が速く進行することが考えられるが、同文献においては、あからさまにこの問題を取り扱ってはおらず、不具合が生じるおそれがあるのである。また、同文献では、バレル面・コーナー部の区別なく硬質被膜である窒化膜を形成することが開示されているが、これでは、初期に設定されたバレル面形状よりも大きななじみ量（摩耗量）が必要な場合には、なじみの進行を遅れさせてしまうおそれがある。さらに、コーナー部における硬質被膜の厚さを、バレル面の硬質被膜の厚さの１／２以下とする構成も開示されているが、より摩耗しやすいコーナー部に、より薄い被膜しか存在しないということは、耐久性の点で不利な面がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、例えば高硬度・高耐摩耗性・高い気密性保持機能等の特性を、運転状況等の変化にもかかわらずバランスよく実現しうるピストンリングを提供することを課題とする。

本発明の第１ピストンリングは、上記課題を解決するため、摺動面を有し、該摺動面のうち燃焼室側に位置する第１部分に軟質被膜を備え、且つ、前記摺動面のうち前記第１部分に接続する第２部分に前記軟質被膜よりも硬い硬質被膜を備えている。

本発明の第１ピストンリングにおいて、まず、「燃焼室」とは、当該ピストンリングが備えられるピストンをその内部に配置するシリンダ内において爆発が生じさせられる室を意味する。ピストンを挟んで、この燃焼室の反対側にはクランクケースが存在する。また、「摺動面」とは、ピストンリングのうちシリンダの壁面と対向しあう面であって、該壁面と相互に接し合う面をいう。既に広く知られているように、ピストンは、シリンダ内の燃焼室における爆発を一契機として該シリンダの内部で往復運動し（即ち、ピストンリングはシリンダ壁面に対して摺動し）、この往復運動はクランクケース内のクランク軸により回転動力に変換させられる。

ちなみに、この場合、前記往復運動は、通常は「上下運動」に対応するため、このような意味における「上」及び「下」という概念により、前記の燃焼室側はピストンないしはピストンリングから見て「上側」、前記のクランクケースは「下側」に対応するのが通常である。以下では、説明の便宜上、このような相対関係において、「上」及び「下」という用語を使用することがある。

このような前提の下、本発明では特に、摺動面のうち燃焼室側に位置する第１部分には軟質被膜が備えられ、該第１部分に接続する第２部分に硬質被膜が備えられている。すなわち、典型的には、摺動面は二つの部分に分けられており、そのうちの燃焼室に近い部分に軟質被膜、残る部分に硬質被膜が備えられている場合が想定される。このような構成により、以下のような作用が得られる。

すなわち、ピストンリングの摺動面のうちでも燃焼室側に位置する部分は、その他の部分に比べて、高温下で高圧力を受けるという非常に厳しい潤滑条件下にある。この点、ピストンリングのうちでもトップリングについては特に、燃焼ガスに直接に曝され、また燃焼圧を直接に受けるため、厳しい中でも更に厳しい潤滑条件下におかれることになる。したがって、ピストンリングの摺動面のうちでも、その燃焼室側の部分はより速く摩耗が進行し、そうでない部分はより遅く摩耗が進行することが考えられる。

この点、本発明では、上述のように、燃焼室側の部分に軟質被膜が備えられ、そうでない部分に硬質被膜が備えられていることにより、前記事情にうまく対応することができる。すなわち、軟質被膜は硬質被膜よりもより速くに摩耗が進行することから、本発明のピストンリングは、安定的な形状をより早期に獲得することが可能となるのである。

また、本発明では、第２部分に硬質被膜が備えられているから、該第２部分については摩耗が進行しにくい。したがって、運転初期時における摩耗の進行を抑制することができ、合い口隙間増大による燃焼ガス漏れ・潤滑油漏れ等の発生を効果的に防止することができる。

さらに、前述のように、軟質被膜が早くに摩耗するとともに硬質被膜は残存することで、当該ピストンリングが早期に安定的な形状に至りうるということは、いわゆるバレル高さの大きなピストンリング形状が早期に実現され得ることを意味するから、潤滑油掻き落とし性能の向上、当該ピストンリングの低張力化、フリクションの低減化等が実現され得、更には潤滑油中に含まれる硫黄・リンによる触媒被毒が抑制されてエミッションの向上を図ることもできる。

なお、上述において、ピストンリングのうちトップリングは、特に厳しい潤滑条件下におかれることについて述べたが、このことは、トップリングについて本発明を適用するとより大きな効果が得られることを意味するのであって、それ以外のセカンドリング、あるいはオイルリングについて本発明を適用することを除外する意図を表明するものではない。これらのリングにおいても、本発明の適用により相応の作用効果が得られることは言うまでもない。
本発明の第１ピストンリングの一態様では、前記摺動面は所定の曲率をもって湾曲しており、前記第２部分における前記曲率は、前記第１部分における曲率に比べて小さい。

この態様によれば、摺動面が湾曲しているから、該摺動面の形状は、典型的にはいわゆるバレル（barrel）形状をとることになる。また、摺動面のうち第２部分の曲率がより小さく、第１部分の曲率がより大きい。言い換えると、前者の曲率半径がより大きく、後者のそれがより小さい。これによると、本態様のピストンリングは、実際の使用開始前から、予めなじんだ後の形状（すなわち、いわゆる初期なじみが完了した後の形状）に近い形状をとっていることになるため、安定的な形状を顕著に速く獲得することが可能となる。
この摺動面が湾曲した態様では更に、前記第２部分の突端部から、当該ピストンリングの径方向に沿ってみた、前記第１部分及び当該第２部分の境界線までの距離は、０．５〔μｍ〕以上３．０〔μｍ〕以下であるように構成してもよい。

このような構成によれば、突端部から、当該ピストンリングの径方向に沿ってみた、第１部分及び第２部分の境界線までの距離、言い換えると、硬質被膜の形成領域が終わり上側の軟質被膜の形成領域が始まる部分までの距離が、初期なじみという観点から、具体的に好適に定められていることから、前述の作用効果を更に効果的に享受し得る。
本発明の第１ピストンリングの他の態様では、前記第１部分における前記軟質被膜の下層に、前記第２部分における前記硬質被膜と同一膜としての硬質被膜を更に備えている。

この態様によれば、軟質被膜及び硬質被膜の形成前のピストンリングにおいて、まず、その摺動面に硬質被膜を一面に形成した後、該硬質被膜の上層として軟質被膜を形成し、第２部分に該当する部分の軟質被膜のみを除去する、などといった工程によって、本態様に係るピストンリングを製造することができる。つまり、一般に硬質被膜の除去は困難であるところ、本態様に係るピストンリングによれば、そのような硬質被膜の除去工程を実施する必要がないから、その製造を容易且つ低コストに行うことができるのである。
本発明の第２ピストンリングは、上記課題を解決するため、摺動面を有し、該摺動面のうち燃焼室側に位置する第１部分及びクランクケース側に位置する第３部分に軟質被膜を備え、且つ、前記摺動面のうち前記第１部分及び前記第３部分に接続する第２部分に前記軟質被膜よりも硬い硬質被膜を備えている。

本発明の第２ピストンリングによれば、前述の本発明の第１ピストンリングの構成に加えて、摺動面のうちのクランクケース側、すなわち下側に位置する第３部分に、前記硬質被膜に代わって軟質被膜が備えられている。本発明の第２ピストンリングではしたがって、典型的には、摺動面のうち上側及び下側部分に軟質被膜が存在し、これらに挟まれるようにして硬質被膜が存在する形態が想定される。このような形態によれば、ピストンリングの第１部分を含む上端部分に次いで、摩耗の進行が速いと一般的に考えられる下端部分においても、前述と略同様な作用効果が得られる。すなわち、本発明の第２ピストンリングは、安定的な形状を前記にも増して更に早期に獲得することが可能となる。
本発明の第２ピストンリングの一態様では、前記摺動面は所定の曲率をもって湾曲しており、前記第２部分における前記曲率は、前記第１部分又は前記第３部分における曲率に比べて小さい。

この態様によれば、摺動面が湾曲しているから、該摺動面の形状は、典型的にはいわゆるバレル（barrel）形状をとることになる。また、摺動面のうち第２部分の曲率がより小さく、第１部分又は第３部分の曲率がより大きい。これによると、本態様のピストンリングは、実際の使用開始前から、予めなじんだ後の形状に近い形状をとっていることになるため、安定的な形状を顕著に速く獲得することが可能となる。
この摺動面が湾曲した態様では更に、前記第２部分の突端部から、当該ピストンリングの径方向に沿ってみた、前記第１部分及び当該第２部分の境界線までの距離、又は、前記第３部分及び前記第２部分の境界線までの距離は、０．５〔μｍ〕以上３．０〔μｍ〕以下であるように構成してもよい。

このような構成によれば、突端部から、当該ピストンリングの径方向に沿ってみた、第１部分及び第２部分の境界線までの距離が、初期なじみという観点から、具体的に好適に定められていることから、前述の作用効果を更に効果的に享受し得る。このことは、突端部からみた、前記方向に沿ってみた第１部分及び第３部分の境界線までの距離、言い換えると、硬質被膜の形成領域が終わり下側の軟質被膜の形成領域が始まる部分までの距離についても同様にいえる。
本発明の第２ピストンリングの他の態様では、前記第１部分における前記軟質被膜の下層及び前記第３部分における前記軟質被膜の下層の少なくとも一方に、前記第２部分における前記硬質被膜と同一膜としての硬質被膜を更に備えている。

この態様によれば、軟質被膜及び硬質被膜の形成前のピストンリングにおいて、まず、その摺動面に硬質被膜を一面に形成した後、該硬質被膜の上層として軟質被膜を形成し、第２部分に該当する部分の軟質被膜のみを除去する、などといった工程によって、本態様に係るピストンリングを製造することができる。
本発明の第１又は第２ピストンリングの他の態様では、前記第２部分の突端部からみた前記燃焼室側の前記摺動面の端部までの距離は、前記突端部からみた前記燃焼室側とは反対側の前記摺動面の端部までの距離よりも大きいように構成してもよい。

この態様によれば、摺動面が典型的なバレル形状となる場合は、突端部は、当該バレル形状の頂点に一致する。尚、本発明に係る「突端部」とは、当該ピストンリングを平面視した場合に最大径となる部分を意味する。本構成では、かかる突端部からみた、燃焼室側の摺動面の端部までの距離は、クランクケース側のそれまでの距離よりも大きいのである。言い換えると、突端部からみると、ピストンリングの上側の端部の方が、その下側の端部よりも、当該ピストンリングの径方向に向かってより「引っ込んでいる」ような形状になる。これによると、本態様のピストンリングは、実際の使用開始前から、前述の態様にも増して、初期なじみが完了した後の形状に更に近い形状をとっていることになるため、安定的な形状を極めて顕著に速く獲得することが可能となる。

なお、本態様にかかるピストンリングは、例えば、摺動面の形状自体を適当に調整することで製造可能なほか、これ以外にも、均一な軟質被膜を形成した後、当該軟質被膜の上側に位置する部分については、その下側に位置する部分よりも該名室被膜の研磨量を多くするなどして製造することもできる。
本発明の第１又は第２ピストンリングの他の態様では、前記摺動面に接続される溝対向面には前記軟質被膜を備えていない。

この態様において、「溝対向面」とは次のような意義を有する。すなわち、ピストンリングは、ピストンに設けられた溝に嵌るように装着される。そして、ピストンリングがその溝に嵌め込まれた状態においては、その溝の内部の面の一部とピストンリングの摺動面に接続される面とは対向しあうことになる。「溝対向面」とは、このうちの後者の面をいう。すなわち、前述の「上」及び「下」という概念を用いれば、溝対向面とは、ピストンリングの「上面」あるいは「下面」と言い換えることができる。

そして本態様では、この溝対向面には軟質被膜が備えられていないのである。したがって、本態様によれば、ピストンリングの上面あるいは下面と溝との側面との隙間が発生しにくくなるから、該隙間を原因とするブローバイ等の発生可能性を顕著に低減することができる。

なお、本態様にかかるピストンリングは、例えば、軟質被膜形成前において、複数のピストンリングのうち一つのピストンリングの上面に別のピストンリングの下面を重ね合わせた状態（以下、該別のピストンリングの上面に更に別のピストンリングの下面を重ね合わせた状態などと同様に続く。）とした後、軟質被膜形成処理を行うようにすれば製造することができる。また、軟質被膜形成処理後のピストンリングの上面及び下面から軟質被膜除去加工を行うことでも製造することができる。

以上説明したように、本発明によれば、例えば高硬度・高耐摩耗性・高い気密性保持機能等の特性を、運転状況等の変化にもかかわらずバランスよく実現しうる。

本発明のこのような作用及び効果その他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図１から図７を参照しつつ説明する。

まず、図１を参照して、エンジン１５０、その中でもとりわけピストン１８周囲の構成について説明する。ここに図１は、第１実施形態に係るエンジンの構成概略図である。

図１に示すように、エンジン１５０は、シリンダブロック１４を備えている。このシリンダブロック１４には、その内周を形作るシリンダ１６が形成されている。なお、エンジン１５０は、複数のシリンダを備えているが、説明の便宜上、図１には複数のシリンダのうち１つのシリンダを示している。シリンダ１６の内部にはピストン１８が配設されている。このピストン１８には、コンロッド１８９を介してクランクケースＣＣ内に収納された図示しないクランク軸が接続されており、該クランク軸にはフライホイールＦＷが接続されている。フライホイールＦＷの外周には、リングギアＦＷ１が設けられている。このリングギアＦＷ１には、スタータモータ（電動機）ＳＭに付設されたピニオンギアＳＭ１が噛み合わされている。エンジン１５０の通常の始動、或いは冷間始動時においては、このスタータモータＳＭが回転することによって発生した動力が、ピニオンギアＳＭ１及びリングギアＦＷ１を介して、フライホイールＦＷ、クランク軸に伝達されることで、エンジン１５０はクランキングさせられることになる。

シリンダ１６の内部において、ピストン１８の図１中上方には燃焼室２０が形成されている。燃焼室２０には点火プラグ２６の先端が露出している。点火プラグ２６は、図示しないＥＣＵ（Engine Control Unit）等から点火信号を供給されることにより、燃焼室２０内の燃料に点火する。燃焼室２０には、吸気弁３２を介して吸気マニホールド３４が、また排気弁２８を介して排気マニホールド３０が連通している。ピストン１８は、この燃焼室２０内における爆発を一契機として、シリンダ１６の内部を図１における上下方向に往復運動し、この往復運動はコンロッド１８９を介してクランクケースＣＣ内のクランク軸により回転運動に変換される。

このような構成となるエンジン１５０において、第１実施形態では特に、ピストンリングの構成に特徴がある。以下では、このピストンリングの構成について、図２及び図３を参照しながら説明する。ここに図２は、ピストンリングが装着されたピストンの一部分を拡大して描いた断面図であり、図３は図２の中から更にトップリングの部分だけを拡大して描いた断面図である。

図２において、ピストン１８には、リング溝１８ａ、１８ｂ及び１８ｃが形成されている。これらリング溝１８ａには、図１中上から順に、トップコンプレッションリング８１（以下、単に「トップリング８１」という。）、セカンドコンプレッションリング８２（以下、単に「セカンドリング８２」という。）及びオイルリング８３が装着されている。これらはピストン１８の熱をシリンダ１６に逃してやる役割を担うほか、オイルリング８３は主に、シリンダ１６の壁面の潤滑油を掻き落とし潤滑油消費量を適正に維持する役割を担い、トップリング８１及びは主に、燃焼室２０における燃焼ガスの気密性を保つ役割を担う。

図３において、トップリング８１は、摺動面９１、上面９２及び下面９３をもつ。このうち摺動面９１には軟質被膜９１１及び９１３と、これらよりも硬度において優る硬質被膜９１２が備えられている。このうち軟質被膜９１１及び９１３はそれぞれ、摺動面９１のうちでも燃焼室２０側に位置する部分、すなわち図１及び図２中上側の部分と、クランクケースＣＣ側に位置する部分、すなわち図１及び図２中下側の部分に形成されている。また、硬質被膜９１２は、これらの軟質被膜９１１及び９１３に挟まれるようにして形成されている。

これら軟質被膜９１１及び９１３並びに硬質被膜９１２は、種々の手法で製造することができるが、具体的には例えば、窒化処理法、電気めっき法、電気複合めっき法、蒸着法、溶射法、スプレーコート法、化成処理法を用いることができる。好ましくは、軟質被膜９１１及び９１３については、Ｃｒめっき、Ｓｎめっき、Ｎｉ複合めっき、樹脂コーティング等を用いて、Ｈｖ１０００未満のものとして製造するのがよく、硬質被膜９１２については、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）、ＤＬＣ、窒化処理、溶射等を用いて、Ｈｖ１０００以上のものとして製造するのがよい。

一方、上面９２及び下面９３は、本発明にいう「溝対向面」の一例に該当し、リング溝１８ａの内部の図１中の下面及び上面にそれぞれ対向する面である。第１実施形態では、この上面９２及び９３には、前記の軟質被膜９１１及び９１３に連続する軟質被膜が備えられるようにはなっていない。

また、摺動面９１は、図３に示すように、いわゆるバレル形状となっている。より詳しくは次のようである。すなわち、まず、摺動面９１は突端部Ｔをもつ。したがって、トップリング８１は、図３中の左右方向、即ち当該トップリング８１の径方向に沿って、この突端部９１の部分において最大の径をもつ。そして、摺動面９１は、この突端部Ｔを頂点とするようにして所定の曲率をもって湾曲している。より具体的には、硬質被膜９１２が形成されている領域については、曲率半径Ｒから導かれる曲率、即ち１／Ｒで、軟質被膜９１１及び９１３が形成されている領域については、曲率半径ｒ（但し、ｒ＜Ｒ）から導かれる曲率、即ち１／ｒでもって湾曲している。ここで、ｒ＜Ｒより、１／ｒ＞１／Ｒである。

また、このような湾曲した摺動面９１上において、硬質被膜９１２の形成領域に含まれる突端部Ｔから、トップリング８１の径方向に沿ってみた該硬質被膜９１２及び図３中上側の軟質被膜９１１の境界線までの距離は、ｈ１とされている。これは、突端部Ｔと硬質被膜９１２及び図３中下側の軟質被膜９１３の境界線までの距離についても同様である（図３参照）。また、第１実施形態においては、突端部Ｔからみた図３中上側の摺動面９１の端部までの距離と、該突端部Ｔからみた図３中下側の摺動面９１の端部までの距離とは同じである。この距離は、摺動面９１に沿って図ってもよいが、図３においては、トップリング８１の径方向に沿って測った距離ｈ２及びｈ３が示されている。上の説明により、第１実施形態ではｈ２＝ｈ３である（以下、このｈ２及びｈ３、並びに前述のｈ１によって表される量を「バレル高さ」と呼称することがある。）。

このような構成となる第１実施形態のピストンリングによれば、次のような作用効果が得られる。以下ではこれを、前述までに参照した各図並びに図４及び図５を参照して説明する。ここに図４は、図３と略同様の趣旨の図であり、ピストン下降中におけるトップリングの挙動の様子を拡大して描いた断面図であり、図５はトップリングの摺動面においていわゆる初期なじみが完了した場合の一例を示す断面図である（但し、これらの図では、図２及び図３で説明した硬質被膜９１２、軟質被膜９１１及び９１３等の図示は省略している。）。

まず、図１に示すエンジン１５０では、よく知られているように、吸気工程、圧縮工程、爆発・膨張行程、排気工程の四つのサイクルが繰り返される。このうち爆発・膨張行程では、吸気弁３２を介して燃焼室２０内に導入された混合気に点火プラグ２６による点火が実行されることで爆発が生じ、この爆発力を原因としてピストン１８はシリンダ１６内部で図１中下側に急激に下降する。この際、ピストンリング８１乃至８３は、一般的には図４に示すような挙動を示す。すなわち、図４において、ピストン１８´は図中下側に急激に下降中であるから、トップリング８１´も同じく図中下側に急激に下降中であるが、これと同時にトップリング８１´は、図中上方の図示されない燃焼室における爆発力を直接的に受けているため、その先端が傾ぐのである。この傾斜の度合いは、エンジンの種類、あるいは運転条件、更にはリング溝１８´ａ及びトップリング８１´間のクリアランス等様々な条件によっても異なるが、いずれにせよ、トップリング８１´は、このような姿勢をとらされた上で、高温下、高圧力を受けるという極めて厳しい潤滑条件下におかれることになる。そうすると、トップリング８１´の摺動面のうちでも、燃焼室側に位置する部分は、他の部分に比べて摩耗が速く進行するということになる。その結果、一定期間の運転の後には、トップリング８１´は、図５に示すような形状となることになる。つまり、新品時における摺動面８１１´のうち、燃焼室側に位置する部分が、トップリング８１´の径方向に沿って後退するのである（摺動面８１２´参照。）。このような現象はエンジン運転初期の段階において顕著に見られるが、この場合における摺動面８１１´から一定程度安定的な摺動面８１２´に至る変化の過程は、一般に「初期なじみ」と呼ばれる。

このような初期なじみが完了するまでの期間は短ければ短いほどよい。なぜなら、初期なじみ後はピストンリング８１乃至８３が安定形状を維持することになり、エンジン１５０の安定的な運転を行うことが可能となるからである。

このような観点からすると、第１実施形態においては、極めて良好な作用効果が得られることになる。すなわち、第１に、第１実施形態におけるトップリング８１では、摺動面９１のうち燃焼室２０側の部分に軟質被膜９１１が、そうでない部分に硬質被膜９１２が備えられていることから、安定的な形状をより早期に獲得することが可能となる。これは、軟質被膜９１１の方が硬質被膜９１２よりもより速く摩耗が進行するからである。第２に、摺動面９１はバレル形状となっており、しかも軟質被膜９１１の形成されている領域１／ｒが硬質被膜９１２の形成されている領域の曲率１／Ｒに比べて大きくされていることから、第１実施形態のトップリング８１は、予め、初期なじみが完了した後の形状に近い形状をとっているということがいえるため（図３及び図５比較参照）、前記の効果は更に促進される。

また、第１実施形態では、上述の効果に加えて以下に記す効果も奏される。すなわち、第１に、第１実施形態では、図３中上側の軟質被膜９１１に加えて、図３中下側にも軟質被膜９１３が備えられており、且つ、該軟質被膜９１３の形成されている領域の曲率ｒ／１が硬質被膜９１２の形成されている領域の曲率１／Ｒに比べて大きくされている。これにより、前述の安定的な形状の早期獲得という効果は更に顕著になるのである。というのも、このトップリング８１の下端部分は、その先端部分に次いで摩耗の進行が速いと一般的に考えられるからである。これは、図４において爆発力の影響が影を潜めた後には、シリンダ１６´及びトップリング８１´の先端間に作用する摩擦力の影響が優位に立つことによって、該トップリング８１´の先端が図４とは逆に上向きに傾ぐことが考えられるためである。

また第２に、第１実施形態においては、図３を参照して説明したように、トップリング８１の上面９２及び下面９３に軟質被膜が備えられていない。したがって、第１実施形態によれば、ピストンリング８１の上面９２あるいは下面９３とリング溝１８ａとの側面との隙間が発生しにくくなるから、該隙間を原因とするブローバイ等の発生可能性を顕著に低減することができる。

さらに第３に、第１実施形態においては、摺動面８１に図３中上側の軟質被膜９１１及び下側の軟質被膜９１３に挟まれるようにして硬質被膜９１２が備えられているから、この硬質被膜９１２の形成されている領域については摩耗が進行しにくい。したがって、運転初期時における摩耗の進行を抑制することができ、合い口隙間増大による燃焼ガス漏れ・潤滑油漏れ等の発生を効果的に防止することができる。

加えて第４に、前述のように、軟質被膜９１１及び９１３が早くに摩耗するとともに硬質被膜９１２は残存することで、トップリング８１が早期に安定的な形状に至ることが可能であるということは、バレル高さｈ２及びｈ３がより大きくなるような形状が早期に実現され得ることを意味するから、潤滑油掻き落とし性能の向上、当該トップリング８１の低張力化、フリクションの低減化等が実現され得、更には潤滑油中に含まれる硫黄・リンによる触媒被毒が抑制されてエミッションの向上を図ることもできる。

ちなみに、これに関連して、図６及び図７にはそれぞれ、バレル高さｈ２（＝ｈ３）と、潤滑油消費量・ブローバイ発生率、及び、フリクションの大きさとの定性的な関係を示すグラフを示しておく。前者によれば、バレル高さｈ２が大きくなればなるほど、潤滑油消費量は低減し、ブローバイ発生率は減少することがわかり、後者によれば、バレル高さｈ２が大きくなればなるほど、フリクションは小さくなることがわかる。なお、図７の横軸は、バレル高さｈ２に代えて、図３に示す硬質被膜９１２の形成領域長さＬに読み替えることが可能である（ただし、この場合、横軸を図中右に進むにつれて、長さＬは減少していくものとして読み替える。）。また、これらの図とも関連するが、先に述べた安定的形状の早期獲得という作用効果を主とする各種の作用効果をより効果的に得るためには、図３を参照して説明したバレル高さｈ１の値が、０．５〔μｍ〕以上３．０〔μｍ〕以下であるとよい。バレル高さｈ１が０．５〔μｍ〕未満では、前述の硬質被膜９１２の形成領域長さＬが短くなりすぎ、３．０〔μｍ〕を超えてはＬが長くなりすぎて、初期なじみ後に得られる形状からの乖離が大きくなってしまうためである。

（第２実施形態）
以下では、本発明の第２の実施の形態について図８を参照しつつ説明する。ここに図８は、図３と同趣旨の図であって摺動面上における軟質被膜及び硬質被膜の形成態様が異なる断面図である。なお、以下の説明においては、上記第１実施形態で説明したエンジンに関する構成及び作用は同様であるので、その説明は簡略化、或いは省略することとし、第２実施形態において特長的な構成についてのみ説明を加えることとする。また、上記第１実施形態で参照した図面において使用した符号については、第２実施形態で参照する図面においても同一の対象を指し示す場合には、同一の符号を用いることとする。このようなことは、以下で説明する第３実施形態以降についても同様とする。

第２実施形態では、図８に示すように、摺動面９１の全面に硬質被膜９１４が備えられている。そして、このような硬質被膜９１４のうち燃焼室２０側に位置する部分については軟質被膜９１５が、クランクケースＣＣ側に位置する部分については軟質被膜９１６が備えられている。これを言い換えると、軟質被膜９１５及び９１６の下層に、外部に露出される硬質被膜９１４と同一膜としての硬質被膜９１４が更に備えられているということがいえる。

このような第２実施形態によっても、まず、前記の第１実施形態と略同様な作用効果が得られることは明白である。

また、第２実施形態によれば特に、次のような作用効果も得られる。すなわち、図８のような形態となるトップリング８１は、軟質被膜９１５及び９１６並びに硬質被膜９１４の形成前のトップリングにおいて、まず、その摺動面９１に硬質被膜９１４を一面に形成した後、該硬質被膜９１４の上層として軟質被膜を一面に形成し、その後、外部に露出されるべき硬質被膜９１４の部分に位置する軟質被膜のみを除去する（これにより、軟質被膜９１５及び９１６が残存する）、などといった工程によって製造することができる。つまり、一般に硬質被膜の除去は困難であるところ、第２実施形態に係るトップリング８１によれば、そのような硬質被膜の除去工程を実施する必要がないから、その製造を容易且つ低コストに行うことができるのである。

（第３実施形態）
以下では、本発明の第３の実施の形態について図９及び図１０を参照しつつ説明する。ここに図９は、図３と同趣旨の図であって摺動面の形状が異なる断面図であり、図１０は、図８と同趣旨の図であって摺動面の形状が異なる断面図である。

第３実施形態では、図９に示すように、摺動面９５のバレル形状が図３とは異なっている。すなわち、第１実施形態の図３においてはｈ２＝ｈ３とされていたところ、図９ではｈ２＞ｈ３とされている。また、これに対応するように、図９における突端部Ｔの位置が、図３におけるそれよりも図中下側にずれている。さらに、図９においては、硬質被膜９５２の形成されている領域の曲率１／Ｒと軟質被膜９５１及び９５３それぞれの形成されている領域の曲率１／ｒ１及び１／ｒ２とが、図３における１／Ｒ＜１／ｒなる関係に対応する、１／Ｒ＜１／ｒ１及び１／Ｒ＜１／ｒ２なる関係を満たしている。ちなみに、図９において、ｒ１＞ｒ２である。

このような第３実施形態によれば、上記第１実施形態で述べた作用効果をより効果的に享受することができる。なぜなら、既に第１実施形態の説明の中でも述べたように、摺動面９５を上側部分、中央部分及び下側部分に分けるのなら、これらを摩耗の進行速度が大きい順に並べると、上側部分、下側部分及び中央部分ということになるからである。図９における形状は、このような事情をよりよく反映しており、したがってトップリング８４は初期なじみが完了した後の形状に更に近い形状をとっているということができるため、安定的な形状を極めて顕著に速く獲得することが可能となるのである。

ちなみに、図１０には、この第３実施形態に関連する別の形態が図示されている。この図１０は、図９と同じ思想に基づいているとともに第２実施形態の図８の変形形態でもある。すなわち、図１０では、図９と同様、ｈ２＞ｈ３とされていると同時に、図８と同様、摺動面９５の全面に形成された硬質被膜９５４のうち図中上側及び下側の部分についてのみ軟質被膜９５５及び９５６が形成されている。したがって、この図１０によれば、第３実施形態に係る作用効果が得られると同時に、第２実施形態で述べた作用効果も得られることになる。

（その他の実施形態）
以下では、本発明のその他の実施の形態について図１１乃至図１３を参照しつつ説明する。これら図１１乃至図１３は、図３、あるいは図８ないし図１０と同様の趣旨の図であるが、上記では触れることのできなかった、本発明の各種の変形形態を示すものである。

まず、上記第１乃至第３実施形態においては、もっぱらトップリングを対象とした説明を行っているが、本発明はかかる形態に限定されない。第１実施形態の説明の中で、図４及び図５を参照して述べたことは、程度の差こそあれ、セカンドリング８２及びオイルリング８３についても同じようにあてはまる。つまり、第１乃至第３実施形態で述べた構造及び考え方は、これらセカンドリング８２及びオイルリング８３についても同じようにあてはめることが可能であり、その結果、前述したのと略同様の作用効果を得ることができる。図１１においては、その一例としてオイルリング８３に第１実施形態の構造を当てはめた例が示されている。この図１１において、オイルリング８３は、いわゆる３ピース構造をとっており、上レール８３１、エキスパンダ８３２及び下レール８３３からなっている。このうちシリンダ１６の壁面と接するのは上レール８３１及び下レール８３３の先端部であるから、この部分について、図１１に示すように図３と同様な構造を備えることができる。

次に、上記第１乃至第３実施形態においては、摺動面９１又は９５の燃焼室２０側及びクランクケースＣＣ側の双方に軟質被膜が備えられる形態について説明しているが、本発明はかかる形態に限定されない。例えば、図１２に示すように、摺動面９１のうち燃焼室２０側に位置する部分には軟質被膜９１１を備えるが、クランクケースＣＣ側に位置する部分には軟質被膜を備えず、軟質被膜９１１が備えられている部分以外はすべて硬質被膜９１７であるというようなピストンリングであってもよい。

さらに、上記第１乃至第３実施形態においては、摺動面９１又は９５はバレル形状となっているが、本発明はかかる形態にも限定されない。例えば、図１３に示すように、摺動面９６が平面であるようなピストンリングであってもよい。ちなみに、この図１３においては、平面である摺動面９６のうち燃焼室２０側及びクランクケースＣＣ側に軟質被膜９６１及び９６３を備え、これらに挟まれるようにして硬質被膜９６２を備えるという、図３同様の形態が示されているが、これに代えて、すぐ前に述べた図１２のような形態を備えてもよいことは言うまでもない。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うピストンリングもまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の第１実施形態に係るエンジンの構成概略図である。 ピストンリングが装着されたピストンの一部分を拡大して描いた断面図である。 図２の中から更にトップリングの部分だけを拡大して描いた断面図である。 図３と略同様の趣旨の図であり、ピストン下降中におけるトップリングの挙動の様子を拡大して描いた断面図である。 トップリングの摺動面においていわゆる初期なじみが完了した場合の一例を示す断面図である。 バレル高さ（図３中のｈ２ないしはｈ３）と、潤滑油消費量・ブローバイ発生率との定性的な関係を示すグラフである。 バレル高さ（図３中のｈ２ないしはｈ３）と、フリクションの大きさとの定性的な関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係り、図３と同趣旨の図であって摺動面上における軟質被膜及び硬質被膜の形成態様が異なる断面図である。 本発明の第３実施形態に係り、図３と同趣旨の図であって摺動面の形状が異なる断面図である。 本発明の第３実施形態に係り、図８と同趣旨の図であって摺動面の形状が異なる断面図である。 図３、あるいは図８ないし図１０と同様の趣旨の図であって、本発明の各種の変形形態（その１）を示すものである。 図３、あるいは図８ないし図１０と同様の趣旨の図であって、本発明の各種の変形形態（その２）を示すものである。 図３、あるいは図８ないし図１０と同様の趣旨の図であって、本発明の各種の変形形態（その３）を示すものである。

符号の説明

１５０…エンジン
２０…燃焼室
ＣＣ…クランクケース
１８…ピストン
１８ａ…リング溝
８１、８４…トップリング
８２…セカンドリング
８３…オイルリング
９１、９５、９６…摺動面
９１１、９１３、９１５、９１６、９５１、９５３、９５５、９５６、９６１、９６３…軟質被膜
９１２、９１４、９５２、９５４、９１７、９６２…硬質被膜
Ｔ…突端部
９２…上面
９３…下面

Claims (10)

1. 摺動面を有し、該摺動面のうち燃焼室側に位置する第１部分に軟質被膜を備え、且つ、前記摺動面のうち前記第１部分に接続する第２部分に前記軟質被膜よりも硬い硬質被膜を備えたことを特徴とするピストンリング。
2. 前記摺動面は所定の曲率をもって湾曲しており、
   前記第２部分における前記曲率は、前記第１部分における曲率に比べて小さいことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記第２部分の突端部から、当該ピストンリングの径方向に沿ってみた、前記第１部分及び当該第２部分の境界線までの距離は、０．５〔μｍ〕以上３．０〔μｍ〕以下であることを特徴とする請求項２に記載に記載のピストンリング。
4. 前記第１部分における前記軟質被膜の下層に、前記第２部分における前記硬質被膜と同一膜としての硬質被膜を更に備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のピストンリング。
5. 摺動面を有し、該摺動面のうち燃焼室側に位置する第１部分及びクランクケース側に位置する第３部分に軟質被膜を備え、且つ、前記摺動面のうち前記第１部分及び前記第３部分に接続する第２部分に前記軟質被膜よりも硬い硬質被膜を備えたことを特徴とするピストンリング。
6. 前記摺動面は所定の曲率をもって湾曲しており、
   前記第２部分における前記曲率は、前記第１部分又は前記第３部分における曲率に比べて小さいことを特徴とする請求項５に記載のピストンリング。
7. 前記第２部分の突端部から、当該ピストンリングの径方向に沿ってみた、前記第１部分及び当該第２部分の境界線までの距離、又は、前記第３部分及び前記第２部分の境界線までの距離は、０．５〔μｍ〕以上３．０〔μｍ〕以下であることを特徴とする請求項６に記載に記載のピストンリング。
8. 前記第１部分における前記軟質被膜の下層及び前記第３部分における前記軟質被膜の下層の少なくとも一方に、前記第２部分における前記硬質被膜と同一膜としての硬質被膜を更に備えたことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のピストンリング。
9. 前記第２部分の突端部からみた前記燃焼室側の前記摺動面の端部までの距離は、前記突端部からみた前記燃焼室側とは反対側の前記摺動面の端部までの距離よりも大きいことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のピストンリング。
10. 前記摺動面に接続される溝対向面には前記軟質被膜を備えていないことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のピストンリング。
    

Images