JP2021063443A - 内燃機関用ピストンとピストンリングとの組み合わせ - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン材としてアルミニウム合金を使用した場合に生じ得るピストンリングへのアルミニウム凝着の問題と、ピストンリング溝の摩耗の問題とを合わせて解決する。【解決手段】 ピストンリングが装着されるピストンリング溝を有し、アルミニウム合金からなる内燃機関用ピストンと、該ピストンのピストンリング溝に装着され、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有ＤＬＣ被膜を有するピストンリングとの組み合わせにより、課題を解決する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせに関する。

近年、エンジンの高出力化・高回転化に伴い、ピストンへも高い圧力がかかることから、高い強度を有するピストン材を選択する必要が出てきている。高い強度を有するピストン材としては、アルミニウム合金があげられる。

アルミニウム合金をピストン材として使用する場合、ピストンに設けられたピストンリング溝が、ピストンに装着されたピストンリングの上下面によって叩かれることで、ピストンリングの上下面にアルミニウム凝着が生じるという問題があった。なお、本明細書においてピストンリングの上面とは、ピストンリング溝にピストンリングを装着した際に燃焼室側に位置する面をいい、ピストンリングの下面とは、ピストンリング溝にピストンリングを装着した際にクランク室側に位置する面をいう。また、単にピストンリングの側面と表記した場合には、シリンダボアと摺動するピストンリングの外周面を意味する。

このようなアルミニウム凝着を抑止する技術として、ピストンリングの上下面に、特定の元素を含むＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）からなる被膜を有するピストンリングが開示されている（特許文献１参照）。

特許第３３５５３０６号

ピストン材としてアルミニウム合金を使用した場合に生じ得るピストンリング上下面のアルミニウム凝着の問題に対しては、特許文献１の上下面ＤＬＣ被膜を有するピストンリングにより解決を図ることができる。
一方で、ピストンリングをピストンに装着してエンジンを動かす際には、ピストンリング自体も回転することから、上記ピストンリング上下面のアルミニウム凝着の問題のみならず、ピストンリング上下面とピストンリング溝とが摺動することによる、ピストンリング溝の摩耗の問題も生じるという知見を得た。
本発明は、ピストン材としてアルミニウム合金を使用した場合に生じ得るピストンリング上下面のアルミニウム凝着の問題と、ピストンリング溝の摩耗の問題とを合わせて解決する技術を提供する。

本発明者らは上記課題を解決すべく検討し、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有ＤＬＣ被膜を有するピストンリングを用いることで、ピストンリングの上下面のアルミニウム凝着の問題に加え、ピストンリング溝の摩耗の問題も解決できることを見出し、発明を完成させた。

本発明の一実施形態は、ピストンリングが装着されるピストンリング溝を有し、アルミニウム合金からなる内燃機関用ピストン、及び
該ピストンのピストンリング溝に装着され、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有ＤＬＣ被膜を有するピストンリング、を含む、内燃機関用ピストンとピストンリングの
組み合わせである。

前記アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｃｕ系合金であることが好ましく、Ｓｉ含有量が２％以下であるアルミニウム合金であることが好ましい。Ｓｉ含有量が少ないアルミニウム合金は摺動特性が劣る傾向にあり、このようなピストンに対し好適である。
また、前記ピストンリングは、更に側面に水素含有ＤＬＣ被膜を有してもよい。

本発明により、ピストン材としてアルミニウム合金を使用した場合に生じ得るピストンリング上下面のアルミニウム凝着の問題と、ピストンのピストンリング溝摩耗の問題とを合わせて解決する技術を提供できる。

ピストンリングが装着されたピストンの一実施形態を示す断面模式図である。 本実施形態のピストンリングの一部分の断面図である。 実施例で行った叩き摩擦試験に用いた試験機の模式図である。 実施例で行った摺動摩擦試験に用いた試験機の模式図である。

本発明の一実施形態は、ピストンリングが装着されるピストンリング溝を有し、アルミニウム合金からなる内燃機関用ピストン、及び該ピストンのリング溝に装着され、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有ＤＬＣ被膜を有するピストンリング、を含む、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせである。本実施形態について、図１を用いて説明する。

図１は、ピストンリングが装着されたピストンの断面図である。
ピストン２にはピストンリング溝が形成され、燃焼室側から第１の溝３、第２の溝４、及び第３の溝５が形成されている。第１の溝３には、コンプレッションリングであるトップリング１３が装着され、第２の溝４には、コンプレッションリングであるセカンドリング１４が装着され、第３の溝５には、組合せオイルリング１５が装着される。
トップリング１３、セカンドリング１４、組合せオイルリング１５の図中右端部は、シリンダ１の内壁と接触して摺動する摺動面であり、被膜により被覆されていてもよい。

本実施形態においてピストン２はアルミニウム合金からなる。アルミニウム合金は、例えばＪＩＳで規定するＡ２０００番台のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ系合金）、ＪＩＳで規定するＡ４０００番台のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金）、ＪＩＳで規定するＡ６０００番台のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）などがあげられる。これらのうちＪＩＳで規定するＡ２０００番台のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ系合金）であることが、ピストン強度の観点から好ましい。

また、アルミニウム合金は、Ｓｉ含有量が２ｗｔ％以下であることが好ましく、１ｗｔ％以下であることがより好ましく、０．５ｗｔ％以下であることが更に好ましい。Ｓｉ含有量が少ないことで、強度は高くなるが、ピストン材の摺動特性が悪くなる傾向にあるため、ピストンリングとの摺動によってピストンリング溝の摩耗量が大きくなる傾向にある。ピストンリング溝の摩耗を抑制できる本実施形態は、Ｓｉ含有量が少ないアルミニウム合金からなるピストンに好適である。

ピストンのピストンリング溝の摩耗量を少なくする手段として、ピストンにアルマイト処理を施す方法あるいは耐摩環を組み合わせる方法があるが、アルマイト処理はピストン
リング溝の粗さ増大を招き、ブローバイに悪影響を与え、また、ピストンの製造コストを増大させる。耐摩環を組み合わせる方法は、ピストンの重量増加により振動の発生、振動に起因する騒音増大、また、ピストンの製造コストを増大させる。本実施形態のピストンリングと組み合わせることによって、ピストンにアルマイト処理を施す方法あるいは耐摩環を組み合わせる方法を用いなくても、ピストンのピストンリング溝の摩耗量を小さくすることができる。

ピストンのピストンリング溝は、少なくとも上下面のいずれかの面の粗さＲｚが６．３μｍ以下であってよく、３．２μｍ以下であってよく、１．６μｍ以下であってもよい。なお、ピストンリング溝の上面とは、例えば、図１のピストンリング溝３における上面（燃焼室側の面）であり、ピストンリング溝の下面とは、例えば、図１のピストンリング溝３における下面（クランク室側）である。ＲｚはＪＩＳ Ｂ ０６０１で規定される最大高さである。

図２は、本実施形態のピストンリングの一部分の断面図である。ピストンリング２０の上下面、及び側面（シリンダボアとの摺動面、外周面ともいう）は、ＤＬＣ被膜２２を有する。本実施形態では、ピストンリング２０の上下面のうち少なくともいずれかにＤＬＣ被膜２２を有するものであるが、外周面にもＤＬＣ被膜を有してもよい。外周面のＤＬＣ被膜の厚みは、上下面のＤＬＣ被膜の厚みよりも薄くてもよく、上下面のＤＬＣ被膜の厚みの１／２以下であってもよい。また外周面のＤＬＣ被膜の厚みは、上下面より厚くてもよい。更に、内周面にも被膜を有してもよい。

ピストンリング２０のピストンリング基材２１は、従来からピストンリング基材として使用されている材質であれば、材質は特に限定されない。例えば、ステンレス鋼材、鋼材などが好適に用いられ、具体的には、マルテンサイト系ステンレス鋼、シリコンクロム鋼などが好適に用いられる。

本実施形態においてＤＬＣ被膜は、水素を含有するＤＬＣ被膜であり、いわゆる水素フリーＤＬＣではない。一例では水素含有量が５．０ａｔ％以上であり、１０．０ａｔ％以上であってよく、１５.０ａｔ％以上であってよく、２０．０ａｔ％以上であってよく、
２５．０ａｔ％以上であってよく、上限値は特に限定されないが、３０．０ａｔ％以下であってよい。ＤＬＣ被膜が水素を含有するＤＬＣであることで、アルミニウム合金からなるピストンとのなじみ性が向上し、ピストンリング溝との間の摩耗を抑制できるとともに、アルミニウム凝着も抑制できる。

またＤＬＣ被膜はその他の元素を含んでもよく、その他の元素としてＷ（タングステン）を含有することが、摺動特性を向上させ、また被膜の内部応力を低下させ厚膜化を容易にすることから好ましい。Ｗを含有する場合、その含有量は１ａｔ％以上であってよく、３ａｔ％以上であってよく、５ａｔ％以上であってよく、また４０ａｔ％以下であってよく、３０ａｔ％以下であってよい。

ＤＬＣ被膜の厚さは特段限定されず、通常０．５μｍ以上であり、１μｍ以上であってよく、また通常１０μｍ以下であり、５μｍ以下であってよい。
ＤＬＣ被膜の硬さは特段限定されないが、ＨＶ５００以上であってよく、ＨＶ７００以上であってよく、ＨＶ１８００以下であってよく、ＨＶ１５００以下であってよい。
ＤＬＣ被膜とピストンリング基材との間には、Ｃｒめっき被膜、窒化クロム被膜、窒化チタン被膜などを更に有してもよく、ＤＬＣ被膜との境界にＣｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＷＣのいずれかの被膜または２種の混合被膜でもよく、ピストンリング基材に直接ＤＬＣ被膜を形成してもよい。

ＤＬＣ被膜を有するピストンリング上下面は、少なくとも一方の粗さＲｚが、４．０μｍ以下であってよく、３．２μｍ以下であってよく、２．０μｍ以下であってもよい。

ピストンに備えられるピストンリングのうち、トップリング１３及びセカンドリング１４のうち少なくとも一方が、上記説明した水素含有ＤＬＣ被膜を上下面のうち少なくともいずれかに有してもよく、トップリング１３及びセカンドリング１４の両方が、上記説明した水素含有ＤＬＣ被膜を上下面のうち少なくともいずれかに有してもよい。
組合せオイルリング１５は、その外周面がシリンダ内壁を摺動する上下一対のセグメント１５１及び１５２と、該セグメント間に配置されるエキスパンダ・スペーサ１５３を備える。組合せオイルリング１５は３ピース構成のオイルリングであるが、これに限られず、２ピース構成のオイルリングであってよい。

水素含有ＤＬＣ被膜をピストンリングに形成する方法は、既知の方法を用いることができ、イオンプレーティング法やスパッタリング法などがあげられる。例えば、真空チャンバ内でワークを回転させつつ、不活性ガスを導入し、アルゴンイオンによるイオンボンバードメントによりワーク表面を清浄化した後に、炭素系ガス（メタン、アセチレン等）をチャンバ内に導入し、ワーク近傍をプラズマ状態に保つと同時にＷを蒸発させるスパッタリング法でピストンリング外周面へ成膜することができる。
具体的には、ヒーティングを１ｈ行い、次に中間層としてＣｒ層をスパッタリング出力３０００Ｗ、バイアス電圧３００Ｖ、アルゴンガス導入１００ｓｃｃｍで処理の後、アセチレンガス２００ｓｃｃｍ導入を行いながら、バイアス電圧３００Ｖ、出力３０００Ｗとし、スパッタリングを、Ｗ元素を含むターゲットを使用することにより成膜することができる。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
＜参考試験１：叩き摩擦試験（アルミニウム凝着試験）＞
ピストンリングの上下面とピストンリング溝との間を想定した叩き摩擦試験を行った。図３に概要を示す叩き摩擦試験機３０を用いて、ピストン材をＡｌ−Ｃｕ合金（Ａ２６１８：Ｓｉ含有量０．１〜０．２５ｗｔ％）の場合と、Ａｌ−Ｓｉ（Ａ４０３２：Ｓｉ含有量１１〜１３．５ｗｔ％）の場合とで、窒化ピストンリングに対し叩き摩擦試験を行った。試験条件は、以下のとおりとした。結果、アルミニウム凝着までの時間は、Ａｌ−Ｓｉ合金では３０分であったのに対し、Ａｌ−Ｃｕ合金では１５分であった。Ａｌ−Ｃｕ合金がよりアルミニウム凝着が生じやすいことが理解できる。
・叩き荷重 １００Ｎ
・叩き速度 ７００回／分
・温度 ２５０℃／１７０℃（ピストン／ピストンリング）
・潤滑油 １０Ｗ テスト開始前０．１ｍＬ塗布
・ピストン材表面仕上げ ２．０μｍＲｚ

＜実施例１〜２、及び比較例１：叩き摩擦試験（アルミニウム凝着試験）＞
参考試験１と同様に図３に概要を示す叩き摩擦試験機３０を用いて、以下の試験を行った。試験に用いたピストンリング被膜は以下のように製造した。
実施例の水素含有ＤＬＣ：
スパッタリング装置を用いて、ヒーティングを１ｈ行い、次に中間層としてＣｒ層をスパッタリング出力３０００Ｗ、バイアス電圧３００Ｖ、アルゴンガス導入１００ｓｃｃｍで処理の後、アセチレンガス２００ｓｃｃｍ導入を行いながら、バイアス電圧３００Ｖ、出力３０００Ｗとし、スパッタリングをＷＣターゲットを用いて成膜を行い、狙いの膜厚を処理した。なお、実施例１と２の水素含有ＤＬＣ被膜は、成膜時の装置炉内圧力を変更することで、被膜中の水素濃度を変化させた。

比較例の水素フリーＤＬＣ：
アークイオンプレーティング装置を用いて、真空排気の後、ヒーティングを１ｈ行い、次にバイアス電圧を（−５００〜−１０００）Ｖの範囲で印加した状態で、Ｃｒターゲットを用いて、アーク電流５０〜１００Ａで放電し、Ｃｒイオンボンバードを行った。
次にアークイオンプレーティングにて、ピストンリング基材に対してバイアス電圧を（−１０〜−１００）Ｖの範囲で印加した状態で、Ｃｒターゲットを用いて、アーク電流５０〜１００Ａで放電し、接着層としてＣｒ被膜をピストンリング基材上に成膜した。次にＣｒ被膜上にアモルファスカーボン層を成膜した。アモルファスカーボン層は基材に対してバイアス電圧を（０〜−１００）Ｖの範囲内で印加した状態でカーボンターゲットを用いて、アーク電流５０〜１００Ａで放電し、成膜することで、アモルファスカーボン層を得た。
試験に用いたピストン材、ピストンリング、及び結果を表１にまとめた。

＜参考試験２：摺動摩擦試験＞
これまで一般的に使用されているピストンリングの上下面用表面処理である窒化処理品とピストン材との間の摩擦試験を行った。ピストンにおけるリング溝の上下面は、ピストンの上下動に伴って、ピストンリング円周方向にピストンリングが回転するモーメントが発生して摩擦が生じることから、図４に概要を示す往復動摩擦試験機４０を用いて摩擦試験を行った。試験条件は、以下のとおりとした。
・荷重 ３０Ｎ
・叩き速度 ３００回／分
・時間 ３０分
・温度 室温（２３℃）
・潤滑油 軸受油２．０ｍＬ／ｈ
参考例１、参考例２ともピン材（リング材）はＳＵ−３窒化品を先端ＳＲ１８にて鏡面仕上げとした。プレート（ピストン材）は１．３μｍＲｚの表面仕上げとした。結果は、以下の表２のとおりであり、Ａｌ−Ｃｕ系合金がより摩耗しやすいことが理解できる。

＜実施例３、及び比較例２：摺動摩擦試験（ＤＬＣ）＞
参考試験２と同様に図４に概要を示す往復動摩擦試験機４０を用いて、以下の試験を行った。実施例３、比較例２とも、プレート（ピストン材）はＡｌ−Ｃｕ合金を用いた。

１ シリンダ内壁
２ ピストン
３ 第１の溝
４ 第２の溝
５ 第３の溝
１３ トップリング
１４ セカンドリング
１５ 組合せオイルリング
１５１ 上セグメント
１５２ 下セグメント
１５３ エキスパンダ・スペーサ
２０ ピストンリング
２１ ピストンリング基材
２２ ＤＬＣ被膜
３０ 叩き摩擦試験機
３１ ピストンリング
３２ ピストン材
３４ オイル
３５ ヒーター
３６ スプリング
４０ 摺動摩擦試験機
４１ ピン（リング材）
４２ プレート（シリンダボア材）

Claims (4)

1. ピストンリングが装着されるピストンリング溝を有し、アルミニウム合金からなる内燃機関用ピストン、及び
   該ピストンのピストンリング溝に装着され、上下面のうち少なくともいずれかに水素含有ＤＬＣ被膜を有するピストンリング、を含む、内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせ。
2. 前記アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｃｕ系合金である、請求項１に記載の内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせ。
3. 前記アルミニウム合金は、Ｓｉ含有量が２％以下である、請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせ。
4. 前記ピストンリングは、側面に水素含有ＤＬＣ被膜を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンとピストンリングの組み合わせ。

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