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JP2021060048A - Internal combustion engine sliding structure and method for creating the same - Google Patents

Internal combustion engine sliding structure and method for creating the same Download PDF

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JP2021060048A
JP2021060048A JP2019182927A JP2019182927A JP2021060048A JP 2021060048 A JP2021060048 A JP 2021060048A JP 2019182927 A JP2019182927 A JP 2019182927A JP 2019182927 A JP2019182927 A JP 2019182927A JP 2021060048 A JP2021060048 A JP 2021060048A
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outer peripheral
peripheral surface
ring
actual contact
internal combustion
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JP2019182927A
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満 浦辺
Mitsuru Urabe
満 浦辺
泰一 村田
Taiichi Murata
泰一 村田
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Nippon Piston Ring Co Ltd
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Nippon Piston Ring Co Ltd
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Abstract

【課題】更なる燃費向上やオイル消費量削減を実現する内燃機関の摺動構造を提供する。【解決手段】シリンダボア10、ピストン30及びピストンリング40を有する内燃機関の摺動構造であって、ピストンリング40は、トップリング50及びオイルリング70を有しており、シリンダボア10に対してトップリング50又はオイルリング70が接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅が0.05mm以上となっており、実当たり面とシリンダボア10の間に作用する面圧が2.0MPa以下である。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sliding structure of an internal combustion engine which realizes further improvement of fuel efficiency and reduction of oil consumption. SOLUTION: The sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder bore 10, a piston 30 and a piston ring 40, the piston ring 40 has a top ring 50 and an oil ring 70, and is a top ring with respect to the cylinder bore 10. The actual contact width in the axial direction of the actual contact surface with which the 50 or the oil ring 70 can come into contact is 0.05 mm or more, and the surface pressure acting between the actual contact surface and the cylinder bore 10 is 2.0 MPa or less. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、シリンダとピストンを有する内燃機関の摺動構造等に関する。 The present invention relates to a sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder and a piston.

エンジンの燃費低減には、ピストンリングとシリンダボア間の摩擦低減が有効である。近年、ピストンリングに対して低摩擦係数材となるPVD処理による窒化クロムコーティングやDLCコーティング等を施して摩擦低減を図ったり、潤滑油の添加剤を利用して摩擦係数を低下させることが行われている。この思想は、摩擦力の大部分が、境界潤滑領域又は固体接触領域で発生していることを前提としている。 It is effective to reduce the friction between the piston ring and the cylinder bore to reduce the fuel consumption of the engine. In recent years, the piston ring has been subjected to chrome nitride coating or DLC coating by PVD treatment, which is a low friction coefficient material, to reduce the friction, or the friction coefficient has been reduced by using an additive of lubricating oil. ing. This idea presupposes that most of the frictional force is generated in the boundary lubrication region or the solid contact region.

ちなみに、近年のピストンリングは、摺動面を断面V字形状(強いバレル形状)とすることで、ピストンリングの外周面におけるシリンダボアとの実当たり幅を極端に小さくし、その表面を耐摩耗性の高い材料で被覆することで、硬度を高めつつ摩擦係数を小さくしている。このような近年のピストンリングを、ここでは「V字状リング(Over strong covex shaped Piston Ring, or High Barrel shaped Piston Ring)」と定義する。このV字状リングの場合、潤滑油に対して流体潤滑機能を求めることはなく、摩擦力に限って言えば、低粘度ほど良いことになる。従って、近年のガソリンエンジン等の内燃機関では、潤滑油の低粘度化が進展している。ガスシール性とLOCの観点では、V字形状の局所的な実当たり面を、極端に高面圧状態にすることで、良好化を図っている。換言すると、実当たり幅を狭めることでガスシール性と摩擦力の低下を両立させる。一方、実当たり面の高面圧化による摩耗に耐える必要があり、既に述べた高硬度被膜が必要となる。 By the way, in recent piston rings, the sliding surface has a V-shaped cross section (strong barrel shape), so that the actual contact width with the cylinder bore on the outer peripheral surface of the piston ring is extremely reduced, and the surface is wear resistant. By coating with a material with a high hardness, the friction coefficient is reduced while increasing the hardness. Such recent piston rings are defined here as "V-shaped rings (Over strong covex shaped Piston Ring, or High Barrel shaped Piston Ring)". In the case of this V-shaped ring, the fluid lubrication function is not required for the lubricating oil, and the lower the viscosity, the better in terms of frictional force. Therefore, in recent years, in internal combustion engines such as gasoline engines, the viscosity of lubricating oil has been reduced. From the viewpoint of gas sealability and LOC, the V-shaped local actual contact surface is brought into an extremely high surface pressure state to improve it. In other words, by narrowing the actual contact width, both gas sealability and reduction of frictional force are achieved. On the other hand, it is necessary to withstand the wear caused by the high surface pressure of the actual contact surface, and the high hardness coating already described is required.

一方、近年のV字状リングが採用される前の昔のピストンリングは、材質に鋳鉄を採用したり、摺動面に対してCrめっきを施すことが一般的であった。これらは低硬度となるが故に、内燃機関の初期運転時に「なじみ」と呼ばれる微小摩耗が発生する。この微小摩耗によって、ピストンリングの摺動面が、きわめて緩やかな凸形状(弱いバレル形状)となり、シリンダボアとの間を流体潤滑領域にすることで、ガスシール性、耐摩耗性等を発揮する。この旧来のピストンリングを、「なじみ状リング(Running-in Piston Ring, or Proper Shaped Piston Ring by Running-in)」と定義する。 On the other hand, in the old piston rings before the adoption of the V-shaped ring in recent years, it was common to use cast iron as the material or to perform Cr plating on the sliding surface. Since these have low hardness, minute wear called "familiarity" occurs during the initial operation of the internal combustion engine. Due to this minute wear, the sliding surface of the piston ring becomes an extremely gentle convex shape (weak barrel shape), and by creating a fluid lubrication region between the piston ring and the cylinder bore, gas sealability, wear resistance, and the like are exhibited. This old-fashioned piston ring is defined as a "Running-in Piston Ring, or Proper Shaped Piston Ring by Running-in".

この「なじみ」について図16を参照して説明する。ピストンリングRの摺動面は、エンジン運転の初期摩耗(なじみ)によって形成される実当たり幅fの内部に、寸法eとなる微小なダレ形状が自然に形成される。この寸法eは、実当たり幅fの1/1000程度に収束すると言われている。ピストンリングRとシリンダボアB間の摺動速度の増加に伴い、ダレ形状のくさび効果によって潤滑油Oを巻き込んで圧力Pを生じさせることで、流体潤滑領域の摺動となる。ちなみに、ピストンリングRの移動方向Dを基準として、実当たり面の手前側は低圧P2、実当たり面の先側は高圧P1となる。 This "familiarity" will be described with reference to FIG. On the sliding surface of the piston ring R, a minute sagging shape having the dimension e is naturally formed inside the actual contact width f formed by the initial wear (familiarity) of the engine operation. It is said that this dimension e converges to about 1/1000 of the actual contact width f. As the sliding speed between the piston ring R and the cylinder bore B increases, the lubricating oil O is involved by the wedge effect of the sagging shape to generate the pressure P, so that the fluid lubrication region slides. Incidentally, with reference to the moving direction D of the piston ring R, the front side of the actual contact surface is the low pressure P2, and the front side of the actual contact surface is the high pressure P1.

なじみリングでは、Crめっき処理、窒化処理、軟質樹脂被覆などによって、少なくとも外周面を軟質状態とする。潤滑中の油膜中に圧力を生じさせるためには、実当たり幅f中の凸形状におけるバレル高さ(寸法e)は、低くするほうが好ましい。一方で、実当たり幅fを大きく確保しすぎると、面圧が低下することによって、初期運転によるなじみが発現しにくくなる(摩耗し難くなる)。 In the familiar ring, at least the outer peripheral surface is made soft by Cr plating treatment, nitriding treatment, soft resin coating, or the like. In order to generate pressure in the oil film during lubrication, it is preferable that the barrel height (dimension e) in the convex shape in the actual contact width f is low. On the other hand, if the actual contact width f is secured too large, the surface pressure is lowered, so that familiarity due to the initial operation is less likely to occur (wear is less likely to occur).

V字状リングは、シリンダボアと固体接触しながら摺動することを前提としているため、摩擦係数を低減するためには、張力を小さくして、ピストンリングとシリンダボア間の面圧を小さくする必要がある。しかし、ピストンリングの製造段階において、外周の真円度を高めることは困難である。結果、ピストンリングの張力を低減させてしまうと、ピストンリングとシリンダボアの間に、製造誤差による微細隙間が形成されやすく、ガスシール性が低下するという問題がある。 Since the V-shaped ring is premised on sliding while making solid contact with the cylinder bore, it is necessary to reduce the tension and the surface pressure between the piston ring and the cylinder bore in order to reduce the friction coefficient. is there. However, it is difficult to increase the roundness of the outer circumference at the manufacturing stage of the piston ring. As a result, if the tension of the piston ring is reduced, there is a problem that a fine gap due to a manufacturing error is likely to be formed between the piston ring and the cylinder bore, and the gas sealability is deteriorated.

一方、なじみ状リングは、高粘度の潤滑油を用いつつ、ピストンリングに対して高い張力を付与することで、シリンダボアの間で流体潤滑状態を生じさせることを前提としている。しかし、近年の潤滑油は低粘度化が進展してきているので、このなじみ状リングを、そのまま採用することが困難となっている。 On the other hand, the familiar ring is premised on creating a fluid lubrication state between the cylinder bores by applying a high tension to the piston ring while using a high-viscosity lubricating oil. However, since the viscosity of lubricating oils has been reduced in recent years, it is difficult to use this familiar ring as it is.

本発明は、斯かる実情に鑑み、更なる燃費向上やオイル消費量削減を実現しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention aims to further improve fuel efficiency and reduce oil consumption.

上記目的を達成する本発明は、シリンダ、ピストン及びピストンリングを有する内燃機関の摺動構造であって、前記ピストンリングは、トップリング及びオイルリングを有しており、前記シリンダに対して前記トップリング又は前記オイルリングが接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅が0.05mm以上となっており、前記実当たり面と前記シリンダの間に作用する面圧が2.0MPa以下となることを特徴とする内燃機関の摺動構造である。 The present invention that achieves the above object is a sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder, a piston and a piston ring, the piston ring having a top ring and an oil ring, and the top with respect to the cylinder. The actual contact width in the axial direction of the actual contact surface with which the ring or the oil ring can come into contact is 0.05 mm or more, and the surface pressure acting between the actual contact surface and the cylinder is 2.0 MPa or less. It is a sliding structure of an internal combustion engine.

上記目的を達成する本発明は、シリンダ、ピストン及びピストンリングを有する内燃機関の摺動構造であって、前記ピストンリングは、トップリング及びオイルリングを有しており、前記トップリング又は前記オイルリングの最外周縁から径方向内側に0.5μmオフセットした基準円筒よりも外側に位置する部分外周面を、前記シリンダに対する前記トップリング又は前記オイルリングの仮想実当たり面として定義する際に、前記仮想実当たり面における軸方向の仮想実当たり幅が0.05mm以上となっており、前記仮想実当たり面と前記シリンダの間に作用する面圧が、2.0MPa以下となることを特徴とする内燃機関の摺動構造である。 The present invention that achieves the above object is a sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder, a piston and a piston ring, wherein the piston ring has a top ring and an oil ring, and the top ring or the oil ring. When defining a partial outer peripheral surface located outside the reference cylinder radially inwardly offset by 0.5 μm from the outermost peripheral edge of the cylinder as a virtual actual contact surface of the top ring or the oil ring with respect to the cylinder, the virtual The internal combustion engine is characterized in that the virtual actual contact width in the axial direction on the actual contact surface is 0.05 mm or more, and the surface pressure acting between the virtual actual contact surface and the cylinder is 2.0 MPa or less. It is a sliding structure of an engine.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記内燃機関に用いられる潤滑油の100℃の動粘度が16.3[mm2/s]未満であることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the lubricating oil used in the internal combustion engine has a kinematic viscosity at 100 ° C. of less than 16.3 [mm2 / s].

上記内燃機関の摺動構造に関連して、ストローク中に前記トップリング又は前記オイルリングが最高速度で通過する通過点において、静電容量法で測定される油膜厚さが、0.5μm〜4.0μmとなることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the oil film thickness measured by the capacitance method at the passing point through which the top ring or the oil ring passes at the maximum speed during the stroke is 0.5 μm to 4 It is characterized by being 0.0 μm.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記シリンダの摺動面の表面粗さをRa(μm)と定義する場合に、ストローク中に前記トップリング又は前記オイルリングが最高速度で通過する通過点において、修正レイノルズ方程式で算出される油膜厚さが3.0×Ra(μm)以上となることを特徴とする。 When the surface roughness of the sliding surface of the cylinder is defined as Ra (μm) in relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the top ring or the oil ring passes through at the maximum speed during the stroke. In terms of points, the oil film thickness calculated by the modified Reynolds equation is 3.0 × Ra (μm) or more.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記トップリングの面圧が、0.3MPa以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the surface pressure of the top ring is 0.3 MPa or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記オイルリングの面圧が、1.4MPa以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the surface pressure of the oil ring is 1.4 MPa or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記オイルリングの面圧が、1.1MPa以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the surface pressure of the oil ring is 1.1 MPa or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記オイルリングの面圧が、0.8MPa以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the surface pressure of the oil ring is 0.8 MPa or less.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記オイルリングの面圧が、0.1MPa以上となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the surface pressure of the oil ring is 0.1 MPa or more.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記オイルリングが、3ピースタイプであることを特徴とする。 The oil ring is a three-piece type in relation to the sliding structure of the internal combustion engine.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記トップリングの面圧に対して、前記オイルリングの面圧が3倍以下となることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the surface pressure of the oil ring is three times or less the surface pressure of the top ring.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記トップリング又は前記オイルリングの前記実当たり面または前記仮想実当たり面における、周方向に沿って移動する際の径方向の変位量が、10μm以下であることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the amount of radial displacement of the top ring or the oil ring on the actual contact surface or the virtual actual contact surface when moving along the circumferential direction is 10 μm or less. It is characterized by being.

上記内燃機関の摺動構造に関連して、前記内燃機関は、ガソリンエンジンであることを特徴とする。 In relation to the sliding structure of the internal combustion engine, the internal combustion engine is characterized by being a gasoline engine.

上記目的を達成する本発明は、シリンダ、ピストン及びピストンリングを有する内燃機関の摺動構造の作り込み方法であって、前記ピストンリングは、第1及び第2サイドレール並びに前記第1及び第2サイドレールを保持する保持部材を有する3ピースタイプのオイルリングを有しており、前記保持部材から独立した状態の前記第1サイドレールの第1外周面及び前記第2サイドレールの第2外周面を、研磨工具によって研磨することで、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる初期バレル形状を作り込む初期研磨工程と、前記初期研磨工程を経た前記第1及び第2サイドレールを前記保持部材と共に前記ピストンに組み込むことにより、前記第1及び第2サイドレールの幅方向に傾けて、前記第1外周面及び前記第2外周面を互いに接近させる組み込み工程と、前記組み込み工程を経た前記オイルリングを前記内燃機関のシリンダと摺動させることで、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向外側領域を、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側領域よりも多く摩滅させて、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる最終バレル形状を作り込むなじみ運転工程と、を経ることにより、前記シリンダに対して前記オイルリングが接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅を0.05mm以上とし、かつ、前記実当たり面と前記シリンダの間に作用する面圧が2.0MPa以下とすることを特徴とする内燃機関の摺動構造の作り込み方法である。 The present invention that achieves the above object is a method for incorporating a sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder, a piston and a piston ring, wherein the piston ring includes first and second side rails and the first and second side rails. It has a 3-piece type oil ring having a holding member for holding the side rail, and has a first outer peripheral surface of the first side rail and a second outer peripheral surface of the second side rail in a state independent of the holding member. Is polished with a polishing tool to form an initial barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface, and the first polishing step that has undergone the initial polishing step. An assembling step in which the first and second side rails are incorporated into the piston together with the holding member so that the first and second side rails are tilted in the width direction to bring the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface closer to each other. By sliding the oil ring that has undergone the assembling step with the cylinder of the internal combustion engine, the axially outer region of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface is formed on the first outer peripheral surface. And the second outer peripheral surface is worn more than the axially inner region of the oil ring to form a final barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. Through the operation process, the actual contact width in the axial direction of the actual contact surface where the oil ring can come into contact with the cylinder is set to 0.05 mm or more, and between the actual contact surface and the cylinder. This is a method for incorporating a sliding structure of an internal combustion engine, characterized in that the acting surface pressure is 2.0 MPa or less.

上記目的を達成する本発明は、シリンダ、ピストン及びピストンリングを有する内燃機関の摺動構造の作り込み方法であって、前記ピストンリングは、第1及び第2サイドレール並びに前記第1及び第2サイドレールを保持する保持部材を有する3ピースタイプのオイルリングを有しており、前記保持部材又は該保持部材と近似する治具に前記第1及び第2サイドレールを組み込むことにより、前記第1外周面及び前記第2外周面を前記第1及び第2サイドレールの幅方向に傾けて、前記第1外周面及び前記第2外周面を互いに接近させる事前組み込み工程と、研磨工具を利用することで、前記第1外周面及び前記第2外周面の前記オイルリングの軸方向外側領域を、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側領域よりも多く研磨して、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる初期バレル形状を作り込む初期研磨工程と、前記初期研磨工程を経た前記第1及び第2サイドレールを前記保持部材と共に前記ピストンに組み込む最終組み込み工程と、前記最終組み込み工程を経た前記オイルリングを前記内燃機関のシリンダと摺動させることで前記第1外周面及び前記第2外周面を摩滅させて、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる最終バレル形状を作り込むなじみ運転工程と、を経ることにより、前記シリンダに対して前記オイルリングが接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅を0.05mm以上とし、かつ、前記実当たり面と前記シリンダの間に作用する面圧が2.0MPa以下とすることを特徴とする内燃機関の摺動構造の作り込み方法である。 The present invention that achieves the above object is a method for incorporating a sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder, a piston and a piston ring, wherein the piston ring includes first and second side rails and the first and second side rails. It has a three-piece type oil ring having a holding member for holding the side rail, and by incorporating the first and second side rails into the holding member or a jig similar to the holding member, the first A pre-assembly step of inclining the outer peripheral surface and the second outer peripheral surface in the width direction of the first and second side rails to bring the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface closer to each other, and using a polishing tool. Then, the axially outer region of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface is polished more than the axial inner region of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. The initial polishing step of forming an initial barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface, and the holding of the first and second side rails that have undergone the initial polishing step. The first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are abraded by sliding the oil ring that has undergone the final assembling step together with the member into the piston and the cylinder of the internal combustion engine to wear the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. The actual contact surface where the oil ring can come into contact with the cylinder through a familiar operation step of forming a final barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. The sliding structure of the internal combustion engine is characterized in that the actual contact width in the axial direction of the internal combustion engine is 0.05 mm or more, and the surface pressure acting between the actual contact surface and the cylinder is 2.0 MPa or less. It is a crowding method.

なお、オイルリングの外周面の作り込み方法の観点では、以下のオイルリングの形状作り込み方法も本発明に深く関連するので、以下に付記しておく。 From the viewpoint of the method of forming the outer peripheral surface of the oil ring, the following method of forming the shape of the oil ring is also deeply related to the present invention, and is therefore described below.

本発明に深く関連する手段は、内燃機関のピストンに設置され、第1及び第2サイドレール並びに前記第1及び第2サイドレールを保持する保持部材を有する3ピースタイプのオイルリングの形状作り込み方法であって、前記保持部材から独立した状態の前記第1サイドレールの第1外周面及び前記第2サイドレールの第2外周面を、研磨工具によって研磨することで、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる初期バレル形状を作り込む初期研磨工程と、前記初期研磨工程を経た前記第1及び第2サイドレールを前記保持部材と共に前記ピストンに組み込むことにより、前記第1外周面及び前記第2外周面を前記第1及び第2サイドレールの幅方向に傾けて、前記第1外周面及び前記第2外周面を互いに接近させる組み込み工程と、前記組み込み工程を経た前記オイルリングを前記内燃機関のシリンダと摺動させることで、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向外側領域を、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側領域よりも多く摩滅させて、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる最終バレル形状を作り込むなじみ運転工程と、を備えることを特徴とする。 A means deeply related to the present invention is a three-piece type oil ring that is installed in a piston of an internal combustion engine and has a holding member for holding the first and second side rails and the first and second side rails. By polishing the first outer peripheral surface of the first side rail and the second outer peripheral surface of the second side rail in a state independent of the holding member with a polishing tool, the first outer peripheral surface and the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are polished. The initial polishing step of forming an initial barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the second outer peripheral surface, and the first and second side rails that have undergone the initial polishing step are incorporated into the piston together with the holding member. The first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are tilted in the width direction of the first and second side rails to bring the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface closer to each other, and the assembling. By sliding the oil ring that has undergone the process with the cylinder of the internal combustion engine, the axially outer region of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface is formed on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. A familiar operation step of forming a final barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface by abrading more than the axially inner region of the oil ring on the outer peripheral surface. It is characterized by having.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記保持部材から独立した状態の前記第1サイドレールの前記第1外周面及び前記第2サイドレールの前記第2外周面に対して、前記なじみ運転工程で摩滅可能な軟質層を形成する軟質層形成工程を備えることを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, the familiarity with respect to the first outer peripheral surface of the first side rail and the second outer peripheral surface of the second side rail in a state independent of the holding member. It is characterized by including a soft layer forming step of forming a soft layer that can be worn in the operating step.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記軟質層形成工程において、前記軟質層の厚さを3μm以上とすることを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, the thickness of the soft layer is set to 3 μm or more in the soft layer forming step.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記なじみ運転工程後において、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向外側縁の前記軟質層の残存厚さが、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側縁の前記軟質層の残存厚さよりも小さいことを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, after the familiar operation step, the residual thickness of the soft layer on the axial outer edge of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface is increased. It is characterized in that it is smaller than the residual thickness of the soft layer on the axial inner edge of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記なじみ運転工程において、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向外側縁の摩滅量が、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側縁の摩滅量に対して、1μm以上大きいことを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, in the familiar operation step, the amount of wear of the axially outer edge of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface is the first outer peripheral surface and the first outer peripheral surface. It is characterized in that it is 1 μm or more larger than the amount of wear of the axial inner edge of the oil ring on the second outer peripheral surface.

なお、上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記初期研磨工程における最大研磨代と比較して、前記なじみ運転工程の最大摩滅代のほうが大きくなるようにしてもよい。 In addition, in relation to the method of forming the shape of the oil ring, the maximum polishing allowance in the familiar operation step may be larger than the maximum polishing allowance in the initial polishing step.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記なじみ運転工程後において、前記シリンダに対して前記第1外周面及び前記第2外周面が接触し得るの軸方向の実当たり幅が0.15mm以上となることを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, after the familiar operation step, the actual contact width in the axial direction at which the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface can come into contact with the cylinder is 0. It is characterized in that it is 15 mm or more.

本発明に深く関連する手段は、内燃機関のピストンに設置され、第1及び第2サイドレール並びに前記第1及び第2サイドレールを保持する保持部材を有する3ピースタイプのオイルリングの形状作り込み方法であって、前記保持部材又は該保持部材と近似する治具に前記第1及び第2サイドレールを組み込むことにより、前記第1外周面及び前記第2外周面を前記第1及び第2サイドレールの幅方向に傾けて、前記第1外周面及び前記第2外周面を互いに接近させる事前組み込み工程と、研磨工具を利用することで、前記第1外周面及び前記第2外周面の前記オイルリングの軸方向外側領域を、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側領域よりも多く研磨して、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる初期バレル形状を作り込む初期研磨工程と、前記初期研磨工程を経た前記第1及び第2サイドレールを前記保持部材と共に前記ピストンに組み込む最終組み込み工程と、前記最終組み込み工程を経た前記オイルリングを前記内燃機関のシリンダと摺動させることで前記第1外周面及び前記第2外周面を摩滅させて、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる最終バレル形状を作り込むなじみ運転工程と、を備えることを特徴とする。 A means deeply related to the present invention is a three-piece type oil ring which is installed in a piston of an internal combustion engine and has a holding member for holding the first and second side rails and the first and second side rails. By incorporating the first and second side rails into the holding member or a jig similar to the holding member, the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are made into the first and second side surfaces. By tilting in the width direction of the rail to bring the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface closer to each other and by using a polishing tool, the oil on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. The axial outer region of the ring is polished more than the axial inner region of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface to have a diameter with respect to the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. An initial polishing step of forming an initial barrel shape that is convex outward in the direction, a final assembling step of assembling the first and second side rails that have undergone the initial polishing step into the piston together with the holding member, and the final assembling step. By sliding the passed oil ring with the cylinder of the internal combustion engine, the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are abraded, and the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are radially outward. It is characterized by having a familiar operation process for creating a convex final barrel shape.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記初期研磨工程において、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向外側縁の研磨量が、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側縁の研磨量に対して、1μm以上大きいことを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, in the initial polishing step, the amount of polishing of the axial outer edge of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface is the first outer peripheral surface and the polishing amount. It is characterized in that it is 1 μm or more larger than the amount of polishing of the axial inner edge of the oil ring on the second outer peripheral surface.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記保持部材から独立した状態の前記第1サイドレールの前記第1外周面及び前記第2サイドレールの前記第2外周面に対して、前記なじみ運転工程で摩滅可能な軟質層を形成する軟質層形成工程を備えることを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, the familiarity with respect to the first outer peripheral surface of the first side rail and the second outer peripheral surface of the second side rail in a state independent of the holding member. It is characterized by including a soft layer forming step of forming a soft layer that can be worn in the operating step.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記軟質層形成工程は、前記初期研磨工程よりも前に実行され、前記初期研磨工程後且つ前記なじみ運転前において、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向外側縁の前記軟質層の残存厚さが、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側縁の前記軟質層の残存厚さよりも小さいことを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, the soft layer forming step is executed before the initial polishing step, and after the initial polishing step and before the familiar operation, the first outer peripheral surface and the said The residual thickness of the soft layer on the axial outer edge of the oil ring on the second outer peripheral surface is the residual thickness of the soft layer on the axial inner edge of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. It is characterized by being smaller than the size.

なお、上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記初期研磨工程における最大研磨代と比較して、前記なじみ運転工程の最大摩滅代のほうが小さくなるようにしてもよい。 In addition, in relation to the method of forming the shape of the oil ring, the maximum polishing allowance in the familiar operation step may be smaller than the maximum polishing allowance in the initial polishing step.

上記オイルリングの形状作り込み方法に関連して、前記なじみ運転工程後において、前記シリンダに対して前記第1外周面及び前記第2外周面が接触し得るの軸方向の実当たり幅が0.15mm以上となることを特徴とする。 In relation to the method of forming the shape of the oil ring, after the familiar operation step, the actual contact width in the axial direction at which the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface can come into contact with the cylinder is 0. It is characterized in that it is 15 mm or more.

本発明に深く関連する手段は、内燃機関のピストンに設置され、第1及び第2サイドレール並びに前記第1及び第2サイドレールを保持する保持部材を有する3ピースタイプのオイルリングであって、前記保持部材から独立した状態の前記第1サイドレールの第1外周面における径方向外側に最も突出する第1頂点の位置と、前記第1外周面に形成される前記ピストンリングの当たり面の前記オイルリングの軸方向外側縁の位置の径方向差が、1.5μm〜5.0μmとなることを特徴とするオイルリングである。 A means deeply related to the present invention is a three-piece type oil ring installed on a piston of an internal combustion engine and having a holding member for holding the first and second side rails and the first and second side rails. The position of the first apex that protrudes most radially outward on the first outer peripheral surface of the first side rail in a state independent of the holding member, and the contact surface of the piston ring formed on the first outer peripheral surface. The oil ring is characterized in that the radial difference between the positions of the outer edges in the axial direction of the oil ring is 1.5 μm to 5.0 μm.

本発明によれば、燃費を向上させ、または、オイル消費量を削減させるという優れた効果を奏し得る。 According to the present invention, it is possible to achieve an excellent effect of improving fuel efficiency or reducing oil consumption.

(A)は、 本発明の実施形態に係る内燃機関の摺動構造に適用されるピストン及びピストンリングを示す側面図であり、(B)は同ピストン及びピストンリングを示す部分拡大断面図であり、(C)はトップリングの部分拡大断面図であり、(D)はセカンドリングの部分拡大断面図である。(A) is a side view showing a piston and a piston ring applied to the sliding structure of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention, and (B) is a partially enlarged sectional view showing the piston and the piston ring. , (C) is a partially enlarged cross-sectional view of the top ring, and (D) is a partially enlarged cross-sectional view of the second ring. 同ピストンリングのトップリングの部分拡大断面図である。It is a partially enlarged sectional view of the top ring of the piston ring. (A)は3ピースタイプのオイルリングの断面図であり、(B)は2ピースタイプのオイルリングの断面図である。(A) is a cross-sectional view of a 3-piece type oil ring, and (B) is a cross-sectional view of a 2-piece type oil ring. 一般的な内燃機関の摺動に関するストライベック線図である。It is a Strivec diagram about the sliding of a general internal combustion engine. 本実施形態の実施例の摺動状態を測定する摩擦単体測定装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the friction unit measuring apparatus which measures the sliding state of the Example of this Embodiment. 比較例となるピストンリングの外周面の部分拡大断面図である。It is a partially enlarged sectional view of the outer peripheral surface of the piston ring which becomes a comparative example. (A)は実施例1の内燃機関の摺動構造の摩擦力の実測結果を示す線図であり、(B)は比較例1の内燃機関の摺動構造の摩擦力の実測結果を示す線図である。(A) is a diagram showing the actual measurement result of the frictional force of the sliding structure of the internal combustion engine of Example 1, and (B) is a line showing the actual measurement result of the frictional force of the sliding structure of the internal combustion engine of Comparative Example 1. It is a figure. (A)は実施例1のピストンリングの外周面の軸方向プロフィールを示す線図であり、(B)は比較例1のピストンリングの外周面の軸方向プロフィールを示す線図である。(A) is a diagram showing an axial profile of the outer peripheral surface of the piston ring of Example 1, and (B) is a diagram showing an axial profile of the outer peripheral surface of the piston ring of Comparative Example 1. (A)は実施例1のピストンリングの外周面の周方向プロフィールを示す線図であり、(B)は比較例1のピストンリングの外周面の周方向プロフィールを示す線図である。(A) is a diagram showing a circumferential profile of the outer peripheral surface of the piston ring of Example 1, and (B) is a diagram showing a circumferential profile of the outer peripheral surface of the piston ring of Comparative Example 1. 実施例1の内燃機関の摺動構造の絶縁試験結果を示す線図である。It is a diagram which shows the insulation test result of the sliding structure of the internal combustion engine of Example 1. FIG. (A)は実施例1及び比較例1のピストンリングの摩擦力をシミュレーションした結果を示す線図であり、(B)は実施例1及び比較例1のトップリングの油膜厚さをシミュレーションした結果を示す線図であり、(C)は実施例1及び比較例1のトップリングのガス通過量をシミュレーションした結果を示す線図である。(A) is a diagram showing the results of simulating the frictional force of the piston rings of Example 1 and Comparative Example 1, and (B) is the result of simulating the oil film thickness of the top rings of Example 1 and Comparative Example 1. (C) is a diagram showing the results of simulating the gas passage amount of the top ring of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例2及び比較例2のピストンリングの摩擦力の実測結果を示す線図である。It is a diagram which shows the actual measurement result of the friction force of the piston ring of Example 2 and Comparative Example 2. 実施例2及び比較例2のオイルリング単体の摩擦力の実測結果を示す線図である。It is a diagram which shows the actual measurement result of the friction force of the oil ring alone of Example 2 and Comparative Example 2. (A)は実施例2及び比較例2のオイルリングの実当たり幅とFMEPの関係について、実測値とシミュレーション結果を示す線図であり、(B)は、粗さを考慮した実当たり幅とFMEPのシミュレーション結果について、流体潤滑と固体接触に分離した状態を示す線図である。(A) is a diagram showing actual measurement values and simulation results regarding the relationship between the actual contact width of the oil ring of Example 2 and Comparative Example 2 and FMEP, and (B) is the actual contact width in consideration of roughness. It is a diagram which shows the state which separated into fluid lubrication and solid contact about the simulation result of FMEP. 実施例2及び比較例2のオイルリング単体のFMEPの時間変化を測定した結果を示す線図である。It is a diagram which shows the result of having measured the time change of FMEP of the oil ring alone of Example 2 and Comparative Example 2. ピストンリングとシリンダボアの流体潤滑状態を説明する図である。It is a figure explaining the fluid lubrication state of a piston ring and a cylinder bore. 3ピースタイプのピストンリングの外周面の形状を作り込む第1詳細手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the 1st detailed procedure of making the shape of the outer peripheral surface of a 3-piece type piston ring. (A)ないし(D)は、3ピースタイプのピストンリングの外周面の形状を示す部分拡大断面図である。(A) to (D) are partially enlarged cross-sectional views showing the shape of the outer peripheral surface of the three-piece type piston ring. 3ピースタイプのピストンリングの外周面の形状を作り込む第2詳細手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the 2nd detailed procedure of making the shape of the outer peripheral surface of a 3-piece type piston ring. (A)ないし(D)は、3ピースタイプのピストンリングの外周面の形状を示す部分拡大断面図である。(A) to (D) are partially enlarged cross-sectional views showing the shape of the outer peripheral surface of the three-piece type piston ring. 形状を作り込む途中における3ピースタイプのピストンリングの外周面の形状を示す部分拡大断面図である。It is a partially enlarged sectional view which shows the shape of the outer peripheral surface of the 3 piece type piston ring in the process of making a shape. (A)及び(B)は、形状の作り込みが完了した3ピースタイプのピストンリングを分解した際の外周面の形状を示す部分拡大断面図である。(A) and (B) are partially enlarged cross-sectional views showing the shape of the outer peripheral surface when the three-piece type piston ring whose shape has been formed is disassembled.

以下、本発明の実施の形態に係る内燃機関の摺動構造について添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, the sliding structure of the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

<ピストン及びピストンリングの構造> <Structure of piston and piston ring>

図1(A)及び図1(B)に、ガソリンエンジンの一部として、ピストン30及びこのピストン30のリング溝に設置されるピストンリング40(トップリング50、セカンドリング60、オイルリング70)を示す。ピストンリング40は、シリンダボア10の内壁面12に対して、外周面42が対向する状態でシリンダ軸方向に往復運動する。トップリング50は、ピストン30とシリンダボア10との間のすき間を無くし、燃焼室からクランクケース側へと圧縮ガスが抜けるガス漏洩現象(ブローバイ/BrowBy)を防ぐ。セカンドリング60は、トップリング50と同様に、ピストン30とシリンダボア10との間のすき間を無くす役割と、シリンダボア10の内壁面12に付着する余分なエンジンオイルをかき落とす役割を兼ねる。なお、トップリング50及びセカンドリング60を、コンプレッションリングと称する場合もある。 1 (A) and 1 (B) show a piston 30 and a piston ring 40 (top ring 50, second ring 60, oil ring 70) installed in the ring groove of the piston 30 as a part of a gasoline engine. Shown. The piston ring 40 reciprocates in the cylinder axial direction with the outer peripheral surface 42 facing the inner wall surface 12 of the cylinder bore 10. The top ring 50 eliminates the gap between the piston 30 and the cylinder bore 10 and prevents a gas leak phenomenon (Blowby) in which the compressed gas escapes from the combustion chamber to the crankcase side. Like the top ring 50, the second ring 60 also has a role of eliminating a gap between the piston 30 and the cylinder bore 10 and a role of scraping off excess engine oil adhering to the inner wall surface 12 of the cylinder bore 10. The top ring 50 and the second ring 60 may be referred to as a compression ring.

オイルリング70は、シリンダボア10の内壁面12についている余分なエンジンオイルをかき落として、適度な油膜を形成することで、ピストン30の焼きつきを防止する。 The oil ring 70 scrapes off excess engine oil attached to the inner wall surface 12 of the cylinder bore 10 to form an appropriate oil film, thereby preventing seizure of the piston 30.

<トップリングの形状> <Top ring shape>

図1(C)に拡大して示すように、トップリング50は、単一の環状部材であり、外周面52を断面視すると、径方向外側に緩やかな凸となる、いわゆる弱バレル形状となっている。なお、図1(C)では、説明の便宜上、軸方向の寸法に対して径方向の寸法を大幅に誇張することで、外周面の凸形状が強調されるようにしている。 As shown enlarged in FIG. 1C, the top ring 50 is a single annular member, and when the outer peripheral surface 52 is viewed in cross section, it has a so-called weak barrel shape that is gently convex outward in the radial direction. ing. In FIG. 1C, for convenience of explanation, the convex shape of the outer peripheral surface is emphasized by greatly exaggerating the radial dimension with respect to the axial dimension.

トップリング50の厚さ(径方向幅)aは、例えば4.0mm以下に設定され、望ましくは3.0mm以下とする。幅(軸方向幅)hは、例えば2.0mm以下に設定され、望ましくは1.5mm以下とする。 The thickness of the top ring 50 (radial width) a 1, for example 4.0mm is set below, preferably to 3.0mm or less. The width (axial width) h 1 is set to, for example, 2.0 mm or less, preferably 1.5 mm or less.

外周面52の軸方向の一部には、実当たり面53が形成される。実当たり面53は、軸方向の中央近傍において内壁面12とほぼ平行となる中央面55と、中央面55の軸方向両外側に位置する一対の傾斜面54,54を有する。傾斜面54,54は、シリンダ軸方向の外側に向かって内壁面12から離れる方向に傾斜する。 An actual contact surface 53 is formed on a part of the outer peripheral surface 52 in the axial direction. The actual contact surface 53 has a central surface 55 that is substantially parallel to the inner wall surface 12 in the vicinity of the center in the axial direction, and a pair of inclined surfaces 54 and 54 located on both outer sides of the central surface 55 in the axial direction. The inclined surfaces 54, 54 are inclined in a direction away from the inner wall surface 12 toward the outside in the cylinder axial direction.

トップリング50が内壁面12に対して往復摺動する際に、外周面52が微細に傾斜したり、変形したりする。実当たり面53は、その傾斜や変形を伴いつつ、実質的に内壁面12と接触し得る領域を意味する。なお、この傾斜面54,54の傾斜は、いわゆるダレ形状と称されており、ピストン30及びピストンリング40をなじみ運転し、その接触摩耗によって生成される形状となる。 When the top ring 50 slides back and forth with respect to the inner wall surface 12, the outer peripheral surface 52 is slightly inclined or deformed. The actual contact surface 53 means a region that can substantially come into contact with the inner wall surface 12 while being inclined or deformed. The inclination of the inclined surfaces 54 and 54 is a so-called sagging shape, and the piston 30 and the piston ring 40 are operated in a familiar manner, and the shape is generated by the contact wear thereof.

外周面52の突端を基準とした、傾斜面54,54の最大離反距離(ダレ量)eは、実当たり面53の軸方向の実当たり幅fの1/2000〜1/500となるように設定され、より好ましくは1/1500〜1/500とする。本実施形態では、1/1000程度としている。 The maximum separation distance (sag amount) e of the inclined surfaces 54 and 54 with respect to the tip of the outer peripheral surface 52 is 1/2000 to 1/500 of the actual contact width f in the axial direction of the actual contact surface 53. It is set, more preferably 1/1500 to 1/500. In this embodiment, it is set to about 1/1000.

実当たり幅fの寸法は、なじみ運転後のトップリング50を取り外し、微細な傷(摩耗痕)が形成される帯状の範囲を実測すれば良い。この実当たり幅fは0.15mm以上に形成することが好ましい。より望ましくは、0.3mm以上に形成し、さらに望ましくは、0.3mmよりも大きく設定し、一層望ましくは0.4mm以上とする。 The actual contact width f may be determined by removing the top ring 50 after the familiar operation and actually measuring the band-shaped range in which fine scratches (wear marks) are formed. The actual contact width f is preferably formed to be 0.15 mm or more. More preferably, it is formed to be 0.3 mm or more, more preferably it is set to be larger than 0.3 mm, and even more preferably it is 0.4 mm or more.

ちなみに、実測から得られる実当たり幅fではなく、図2に示すように、トップリング50の外周面52の輪郭形状から定義される仮想実当たり幅gを用いても良い。トップリング50において、最も径方向外側に位置する縁(最外周縁)Zから、径方向内側にx=0.5μmオフセットした基準円筒Cを設定し、外周面52においてこの基準円筒Cよりも外側に位置する範囲を、ピストンリングの仮想実当たり面56として定義する。この仮想実当たり面56の軸方向の幅が、仮想実当たり幅gとなる。本実施形態では、この仮想実当たり面における軸方向の仮想実当たり幅が0.15mm以上とする。仮想実当たり面56及び仮想実当たり幅gを算出する場合、設計上における外周面53の形状から算出したり、又は、トップリング50の外周面52の輪郭形状を実測してその値から算出できる。特になじみ運転後のピストンリングの仮想実当たり幅gを算出する場合、なじみ運転後のトップリング50の外周面形状を実測する必要がある。なお、図2では、トップリング50を例示するが、以降、セカンドリング60、オイルリング70でも同様の定義を用いる。 Incidentally, instead of the actual contact width f obtained from the actual measurement, as shown in FIG. 2, the virtual actual contact width g defined from the contour shape of the outer peripheral surface 52 of the top ring 50 may be used. In the top ring 50, a reference cylinder C offset radially inward by x = 0.5 μm from the outermost edge (outermost peripheral edge) Z in the radial direction is set, and the outer peripheral surface 52 is outside the reference cylinder C. The range located at is defined as the virtual actual contact surface 56 of the piston ring. The width of the virtual actual contact surface 56 in the axial direction is the virtual actual contact width g. In the present embodiment, the virtual actual contact width in the axial direction on the virtual actual contact surface is 0.15 mm or more. When calculating the virtual actual contact surface 56 and the virtual actual contact width g, it can be calculated from the shape of the outer peripheral surface 53 in the design, or the contour shape of the outer peripheral surface 52 of the top ring 50 can be measured and calculated from the values. .. In particular, when calculating the virtual actual contact width g of the piston ring after the familiar operation, it is necessary to actually measure the outer peripheral surface shape of the top ring 50 after the familiar operation. Although the top ring 50 is illustrated in FIG. 2, the same definition will be used for the second ring 60 and the oil ring 70 hereafter.

トップリング50において仮想実当たり幅gは、0.05mm以上、望ましくは0.10mm以上、さらに望ましくは0.15mm以上に形成する。より望ましくは、0.3mm以上に形成し、さらに望ましくは、0.3mmよりも大きく設定し、一層望ましくは0.4mm以上とする。 In the top ring 50, the virtual actual contact width g is formed to be 0.05 mm or more, preferably 0.10 mm or more, and more preferably 0.15 mm or more. More preferably, it is formed to be 0.3 mm or more, more preferably it is set to be larger than 0.3 mm, and even more preferably it is 0.4 mm or more.

なじみ運転によって積極的にダレ形状を形成するために、外周面52の表面硬さを1500Hv以下にすることが好ましく、ここでは1200Hvとする。外周面52にCrめっき処理を施すことが好ましく、適度なダレ形状が形成される。 In order to positively form a sagging shape by familiar operation, the surface hardness of the outer peripheral surface 52 is preferably 1500 Hv or less, and here it is 1200 Hv. It is preferable to apply Cr plating treatment to the outer peripheral surface 52, and an appropriate sagging shape is formed.

<セカンドリングの形状> <Shape of second ring>

図1(D)に拡大して示すように、セカンドリング60は、単一の環状部材であり、外周面62を断面視すると、いわゆるテーパ形状となっている。このテーパ形状の先端側の平面は、径方向外側に緩やかな凸となるいわゆる弱バレル形状となっている。なお、図1(D)では、説明の便宜上、軸方向の寸法に対して径方向の寸法を大幅に誇張することで、外周面の凸形状が強調されるようにしている。 As shown enlarged in FIG. 1D, the second ring 60 is a single annular member, and has a so-called tapered shape when the outer peripheral surface 62 is viewed in cross section. The flat surface on the tip side of this tapered shape has a so-called weak barrel shape that is gently convex outward in the radial direction. In FIG. 1D, for convenience of explanation, the convex shape of the outer peripheral surface is emphasized by greatly exaggerating the radial dimension with respect to the axial dimension.

セカンドリング60の厚さ(径方向幅)aは、例えば4.0mm以下に設定され、望ましくは3.0mm以下とする。幅(軸方向幅)hは、例えば2.0mm以下に設定され、望ましくは1.5mm以下とする。トップリング50と同様に、外周面62の軸方向の一部には、実当たり面63が形成される。実当たり面63は、軸方向の中央近傍において内壁面12とほぼ平行となる中央面65と、中央面65の軸方向両外側に位置する一対の傾斜面64,64を有する。傾斜面64,64は、シリンダ軸方向の外側に向かって内壁面12から離れる方向に傾斜する。なお、この傾斜面64,64の傾斜は、いわゆるダレ形状と称されており、ピストン30及びピストンリング40をなじみ運転し、その接触摩耗によって形成される形状となる。 The thickness of the second ring 60 (radial width) a 1, for example 4.0mm is set below, preferably to 3.0mm or less. The width (axial width) h 1 is set to, for example, 2.0 mm or less, preferably 1.5 mm or less. Similar to the top ring 50, an actual contact surface 63 is formed on a part of the outer peripheral surface 62 in the axial direction. The actual contact surface 63 has a central surface 65 that is substantially parallel to the inner wall surface 12 in the vicinity of the center in the axial direction, and a pair of inclined surfaces 64 and 64 located on both outer sides of the central surface 65 in the axial direction. The inclined surfaces 64, 64 are inclined in a direction away from the inner wall surface 12 toward the outside in the cylinder axial direction. The inclination of the inclined surfaces 64 and 64 is a so-called sagging shape, and the piston 30 and the piston ring 40 are operated in a familiar manner, and the shape is formed by contact wear thereof.

外周面62の突端を基準とした、傾斜面64,64の最大離反距離(ダレ量)eは、実当たり面63の軸方向の実当たり幅fの1/2000〜1/500となるように設定され、より好ましくは1/1500〜1/500とする。本実施形態では、1/1000程度としている。 The maximum separation distance (sag amount) e of the inclined surfaces 64 and 64 with respect to the tip of the outer peripheral surface 62 is 1/2000 to 1/500 of the actual contact width f in the axial direction of the actual contact surface 63. It is set, more preferably 1/1500 to 1/500. In this embodiment, it is set to about 1/1000.

実当たり幅fの寸法は、なじみ運転後のセカンドリング60を取り外して、その表面の摩耗状態を実測すれば良い。この実当たり幅fは、0.15mm以上に形成することが好ましい。より望ましくは、0.3mm以上に形成し、さらに望ましくは、0.3mmよりも大きく設定し、一層望ましくは0.4mm以上とする。 The actual contact width f may be determined by removing the second ring 60 after the familiar operation and actually measuring the wear state of the surface thereof. The actual contact width f is preferably formed to be 0.15 mm or more. More preferably, it is formed to be 0.3 mm or more, more preferably it is set to be larger than 0.3 mm, and even more preferably it is 0.4 mm or more.

また、仮想実当たり幅gは、0.15mm以上に形成することが好ましい。より望ましくは、0.3mm以上に形成し、さらに望ましくは、0.3mmよりも大きく設定し、一層望ましくは0.4mm以上とする。 Further, the virtual actual contact width g is preferably formed to be 0.15 mm or more. More preferably, it is formed to be 0.3 mm or more, more preferably it is set to be larger than 0.3 mm, and even more preferably it is 0.4 mm or more.

なじみ運転によって積極的にダレ形状を形成するために、外周面62の表面硬さを1500Hv以下にすることが好ましく、ここでは1200Hvとする。外周面62にCrめっき処理を施すことが好ましく、適度なダレ形状が形成される。 In order to positively form a sagging shape by familiar operation, the surface hardness of the outer peripheral surface 62 is preferably 1500 Hv or less, and here it is 1200 Hv. It is preferable to apply Cr plating treatment to the outer peripheral surface 62, and an appropriate sagging shape is formed.

なお、コンプレッションリングとなるトップリング50とセカンドリング60の双方を、上記条件に設定ことは必須ではなく、いずれか一方を上記条件に設定すればよい。その際、好ましくはトップリング50側を上記条件に設定することで、セカンドリング60は、外周面が高硬度のリング(なじみ運転による摩耗が殆ど生じないリング)を採用しても良い。 It is not essential that both the top ring 50 and the second ring 60, which are compression rings, be set to the above conditions, and one of them may be set to the above conditions. At that time, preferably, by setting the top ring 50 side to the above conditions, a ring having a high hardness on the outer peripheral surface (a ring in which wear due to familiar operation hardly occurs) may be adopted as the second ring 60.

<オイルリングの形状> <Shape of oil ring>

図3(A)に拡大して示すオイルリング70は、3ピースタイプのオイルリングである。このオイルリング70は、上下に分離している環状のサイドレール73a,73bと、このサイドレール73a,73bの間に配置されるスペーサエキスパンダ76sを有する。 The oil ring 70 enlarged and shown in FIG. 3 (A) is a three-piece type oil ring. The oil ring 70 has an annular side rail 73a, 73b separated vertically and a spacer expander 76s arranged between the side rails 73a, 73b.

スペーサエキスパンダ76sは、鋼材をシリンダ軸方向に凹凸を繰り返す波形形状に塑性加工して形成される。この波型形状を利用して、上方側支持面78aと下方側支持面78bが形成され、一対のサイドレール73a,73bがそれぞれ軸方向に支持される。スペーサエキスパンダ76sの内周側端部には、軸方向外側に向かってアーチ状に立設される耳部74mを有する。この耳部74mは、サイドレール73a,73bの内周面に当接する。なお、スペーサエキスパンダ76sは、合口が付き合わされて、周方向に収縮状態でピストン30のリング溝に組み込まれる。結果、スペーサエキスパンダ76sの復元力によって、耳部74mがサイドレール73a,73bを径方向外側に押圧付勢する。この付勢を受けると、点線に示されるように、サイドレール73a,73bが、オイルリング70の軸方向(組み合わせ呼び幅方向)の内側に傾斜する。つまり、一対の外周面82,82がその分だけ接近することになる。 The spacer expander 76s is formed by plastic working a steel material into a corrugated shape that repeats unevenness in the cylinder axial direction. Using this corrugated shape, an upper support surface 78a and a lower support surface 78b are formed, and a pair of side rails 73a and 73b are supported in the axial direction, respectively. The inner peripheral side end of the spacer expander 76s has an ear portion 74 m that is erected in an arch shape toward the outer side in the axial direction. The selvage portion 74m abuts on the inner peripheral surfaces of the side rails 73a and 73b. The spacer expander 76s is incorporated into the ring groove of the piston 30 in a state of contraction in the circumferential direction with the abutment attached. As a result, the restoring force of the spacer expander 76s causes the selvage portion 74m to press and urge the side rails 73a and 73b outward in the radial direction. Upon receiving this urging, the side rails 73a and 73b incline inward in the axial direction (combination nominal width direction) of the oil ring 70, as shown by the dotted line. That is, the pair of outer peripheral surfaces 82, 82 are brought closer to each other by that amount.

オイルリング70の組み合わせ径方向厚さa11(図1(B)参照)は、例えば4.0mm以下に設定され、望ましくは3.0mm以下とする。組み合わせ軸方向幅(呼び幅)h(図1(B)参照)は、例えば4.0mm以下に設定され、望ましくは2.0mm以下とする。サイドレール73a,73bの単体の厚さ(径方向幅)a(図1(B)参照)は、例えば4.0mm以下に設定され、望ましくは3.0mm以下とする。単体の幅(軸方向幅)h12(図1(B)参照)は、例えば1.0mm以下に設定され、望ましくは0.5mm以下とし、さらに好ましくは0.4mm以下とする。 The combined radial thickness a 11 of the oil ring 70 (see FIG. 1 (B)) is set to, for example, 4.0 mm or less, preferably 3.0 mm or less. The combined axial width (nominal width) h 1 (see FIG. 1 (B)) is set to, for example, 4.0 mm or less, preferably 2.0 mm or less. The thickness (radial width) a 1 (see FIG. 1 (B)) of the side rails 73a and 73b alone is set to, for example, 4.0 mm or less, preferably 3.0 mm or less. The width (axial width) h 12 of the single unit (see FIG. 1 (B)) is set to, for example, 1.0 mm or less, preferably 0.5 mm or less, and more preferably 0.4 mm or less.

図3(A)の領域Oに更に拡大して示すように、サイドレール73a,73bの各々の外周面82は、径方向外側に緩やかな凸となるいわゆる弱バレル形状となっている。なお、領域Oでは、説明の便宜上、軸方向の寸法に対して径方向の寸法を大幅に誇張することで、外周面の凸形状が強調されるようにしている。トップリング50やセカンドリング60と同様に、外周面82の軸方向の一部に実当たり面83が形成される。実当たり面83は、軸方向の中央近傍において内壁面12とほぼ平行となる中央面85と、中央面85の軸方向両外側に位置する一対の傾斜面84,84を有する。傾斜面84,84は、シリンダ軸方向の外側に向かって内壁面12から離れる方向に傾斜する。なお、この傾斜面84,84の傾斜は、いわゆるダレ形状と称されており、ピストン30及びピストンリング40をなじみ運転し、その接触摩耗によって形成される形状となる。 As shown in a further enlarged view in the region O of FIG. 3A, the outer peripheral surfaces 82 of the side rails 73a and 73b each have a so-called weak barrel shape that is gently convex outward in the radial direction. In the region O, for convenience of explanation, the convex shape of the outer peripheral surface is emphasized by greatly exaggerating the radial dimension with respect to the axial dimension. Similar to the top ring 50 and the second ring 60, the actual contact surface 83 is formed on a part of the outer peripheral surface 82 in the axial direction. The actual contact surface 83 has a central surface 85 that is substantially parallel to the inner wall surface 12 in the vicinity of the center in the axial direction, and a pair of inclined surfaces 84 and 84 located on both outer sides of the central surface 85 in the axial direction. The inclined surfaces 84, 84 are inclined in a direction away from the inner wall surface 12 toward the outside in the cylinder axial direction. The inclination of the inclined surfaces 84 and 84 is a so-called sagging shape, which is a shape formed by familiar operation of the piston 30 and the piston ring 40 and contact wear thereof.

外周面82の突端を基準とした、傾斜面84,84の最大離反距離(ダレ量)eは、各実当たり面83の軸方向の実当たり幅fの1/2000〜1/500となるように設定され、より好ましくは1/1500〜1/500とする。本実施形態では、1/1000程度としている。 The maximum separation distance (sag amount) e of the inclined surfaces 84 and 84 with respect to the tip of the outer peripheral surface 82 is 1/2000 to 1/500 of the actual contact width f in the axial direction of each actual contact surface 83. Is set to, and more preferably 1/1500 to 1/500. In this embodiment, it is set to about 1/1000.

実当たり幅fの寸法は、なじみ運転後のオイルリング70を取り外して、各サイドレール73a,73bの表面の摩耗状態を実測すれば良い。この実当たり幅fは0.10mm以上に形成することが好ましい。より望ましくは0.15mm以上に形成し、さらに望ましくは0.2mm以上とし、一層望ましくは0.2mmよりも大きく設定し、より一層望ましくは0.3mm以上とする。即ち、一対の外周面82、82の実当たり幅fを合計した総実当たり幅Fは、0.2mm以上に形成されることが好ましく、より望ましくは0.3mm以上に形成し、さらに望ましくは0.4mm以上とし、一層望ましくは0.4mmよりも大きく設定し、より一層望ましくは0.6mm以上とする。 The actual contact width f may be determined by removing the oil ring 70 after the familiar operation and actually measuring the wear state of the surfaces of the side rails 73a and 73b. The actual contact width f is preferably formed to be 0.10 mm or more. It is more preferably formed to be 0.15 mm or more, further preferably 0.2 mm or more, further preferably set to be larger than 0.2 mm, and even more preferably 0.3 mm or more. That is, the total actual contact width F, which is the sum of the actual contact widths f of the pair of outer peripheral surfaces 82, 82, is preferably formed to be 0.2 mm or more, more preferably 0.3 mm or more, and further preferably 0. It is set to 0.4 mm or more, more preferably set to be larger than 0.4 mm, and even more preferably set to 0.6 mm or more.

また、各サイドレール73a,73bの仮想実当たり幅gは、0.10mm以上に形成することが好ましい。より望ましくは0.15mm以上に形成し、さらに望ましくは0.2mm以上とし、一層望ましくは0.2mmよりも大きく設定し、より一層望ましくは0.3mm以上とする。即ち、一対の外周面82、82の仮想実当たり幅gを合計した総仮想実当たり幅Gは、0.2mm以上に形成されることが好ましく、より望ましくは0.3mm以上に形成し、さらに望ましくは0.4mm以上とし、一層望ましくは0.4mmよりも大きく設定し、より一層望ましくは0.6mm以上とする。 Further, it is preferable that the virtual actual contact width g of each of the side rails 73a and 73b is formed to be 0.10 mm or more. It is more preferably formed to be 0.15 mm or more, further preferably 0.2 mm or more, further preferably set to be larger than 0.2 mm, and even more preferably 0.3 mm or more. That is, the total virtual actual contact width G, which is the sum of the virtual actual contact widths g of the pair of outer peripheral surfaces 82, 82, is preferably formed to be 0.2 mm or more, more preferably 0.3 mm or more, and further. It is preferably set to 0.4 mm or more, more preferably set to be larger than 0.4 mm, and even more preferably set to 0.6 mm or more.

なじみ運転によって積極的にダレ形状を形成するために、外周面82の表面硬さを1500Hv以下にすることが好ましく、ここでは1200Hvとする。外周面82にCrめっき処理を施すことが好ましく、適度なダレ形状が形成される。 In order to positively form a sagging shape by familiar operation, the surface hardness of the outer peripheral surface 82 is preferably 1500 Hv or less, and here it is 1200 Hv. It is preferable to apply Cr plating treatment to the outer peripheral surface 82, and an appropriate sagging shape is formed.

なお、オイルリング70は3ピースタイプに限られず、例えば図3(B)に拡大して示す2ピースタイプのオイルリング70であっても良い。このオイルリング70は、リング本体72と、コイルばね状のコイルエキスパンダ76Cを有する。リング本体72は、軸方向両端に配置される環状の上方側レール73A及び下方側レール73Bと、この上方側レール73A及び下方側レール73Bの間に配置されてこれらを連結する環状の柱部75を一体的に有する。一対の上方側レール73A及び下方側レール73B及び柱部75を合わせた断面形状は略I形状又はH形状となっており、この形状を利用して、内周面側には、コイルエキスパンダ76Cを収容するための断面半円弧形状の内周溝79が形成される。また、上方側レール73A及び下方側レール73Bには、それぞれ、柱部75を基準として径方向外側に突出する上方側環状突起74A及び下方側環状突起74Bが形成される。この上方側環状突起74A及び下方側環状突起74Bの突端に形成される上方側外周面81A及び下方側外周面81Bの一部が、シリンダボア10の内壁面12と当接する。コイルエキスパンダ76Cは、内周溝79に収容されることで、リング本体72を径方向外側に押圧付勢する。なお、リング本体72の柱部75には、油戻し孔77が、周方向に複数形成される。 The oil ring 70 is not limited to the three-piece type, and may be, for example, a two-piece type oil ring 70 enlarged in FIG. 3 (B). The oil ring 70 has a ring body 72 and a coil spring-shaped coil expander 76C. The ring body 72 is an annular pillar portion 75 arranged between the annular upper rail 73A and the lower rail 73B arranged at both ends in the axial direction and the upper rail 73A and the lower rail 73B and connecting them. Integrally. The cross-sectional shape of the pair of upper rails 73A, lower rails 73B, and pillars 75 is approximately I or H, and by utilizing this shape, the coil expander 76C is placed on the inner peripheral surface side. An inner peripheral groove 79 having a semi-arc-shaped cross section is formed to accommodate the above. Further, the upper rail 73A and the lower rail 73B are formed with an upper annular projection 74A and a lower annular projection 74B that project radially outward with respect to the pillar portion 75, respectively. A part of the upper outer peripheral surface 81A and the lower outer peripheral surface 81B formed at the tip of the upper annular protrusion 74A and the lower annular protrusion 74B comes into contact with the inner wall surface 12 of the cylinder bore 10. The coil expander 76C is housed in the inner peripheral groove 79 to press and urge the ring body 72 outward in the radial direction. A plurality of oil return holes 77 are formed in the pillar portion 75 of the ring main body 72 in the circumferential direction.

図3(B)の領域Oに更に拡大して示すように、上方側外周面81A及び下方側外周面81Bは、リング本体72に一体的に形成されていることから、両外周面81A,81Bを合わせて単一外周面81と定義できる。なお、単一外周面81の中央には隙間Sが形成される。 As shown in a further enlarged view in the region O of FIG. 3B, since the upper outer peripheral surface 81A and the lower outer peripheral surface 81B are integrally formed with the ring main body 72, both outer peripheral surfaces 81A and 81B Can be collectively defined as a single outer peripheral surface 81. A gap S is formed in the center of the single outer peripheral surface 81.

単一外周面81は、径方向外側に緩やかな凸となるいわゆる弱バレル形状となっている。なお、領域Oでは、説明の便宜上、軸方向の寸法に対して径方向の寸法を大幅に誇張することで、外周面の凸形状が強調されるようにしている。トップリング50やセカンドリング60と同様に、単一外周面81の軸方向の一部に、上方側実当たり面83A及び下方側実当たり面83Bが形成される。上方側実当たり面83Aは、単一外周面81の軸方向の中央近傍において内壁面12とほぼ平行となる上方側中央面85Aと、上方側中央面85Aの軸方向上側に位置する上方側傾斜面84Aを有する。下方側実当たり面83Bは、単一外周面81の軸方向の中央近傍において内壁面12とほぼ平行となる下方側中央面85Bと、下方側中央面85Bの軸方向下側に位置する下方側傾斜面84Bを有する。なお、上方側中央面85A及び下方側中央面85Bの間には隙間が形成される。上方側傾斜面84A及び下方側傾斜面84Bは、シリンダ軸方向の外側に向かって内壁面12から離れる方向に傾斜する。なお、上方側傾斜面84A及び下方側傾斜面84Bの傾斜は、いわゆるダレ形状と称されており、ピストン30及びピストンリング40をなじみ運転し、その接触摩耗によって形成される形状となる。 The single outer peripheral surface 81 has a so-called weak barrel shape that is gently convex outward in the radial direction. In the region O, for convenience of explanation, the convex shape of the outer peripheral surface is emphasized by greatly exaggerating the radial dimension with respect to the axial dimension. Similar to the top ring 50 and the second ring 60, the upper actual contact surface 83A and the lower actual contact surface 83B are formed on a part of the single outer peripheral surface 81 in the axial direction. The upper side actual contact surface 83A has an upper side central surface 85A that is substantially parallel to the inner wall surface 12 in the vicinity of the center in the axial direction of the single outer peripheral surface 81 and an upper side inclination that is located above the upper side central surface 85A in the axial direction. It has a surface 84A. The lower side actual contact surface 83B is a lower side central surface 85B that is substantially parallel to the inner wall surface 12 in the vicinity of the center in the axial direction of the single outer peripheral surface 81, and a lower side that is located on the lower side in the axial direction of the lower side central surface 85B. It has an inclined surface 84B. A gap is formed between the upper central surface 85A and the lower central surface 85B. The upper inclined surface 84A and the lower inclined surface 84B are inclined in a direction away from the inner wall surface 12 toward the outside in the cylinder axial direction. The inclination of the upper inclined surface 84A and the lower inclined surface 84B is a so-called sagging shape, and the piston 30 and the piston ring 40 are operated in a familiar manner, and the shape is formed by contact wear thereof.

上方側傾斜面84A及び下方側傾斜面84Bにおける内壁面12からの最大距離eは、上方側実当たり面82Aの上方側実当たり幅f1及び下方側実当たり面82Bの下方側実当たり幅f2の合計値となる総実当たり幅Fの1/2000〜1/500となるように設定され、より好ましくは1/1500〜1/500とする。本実施形態では、1/1000程度としている。 The maximum distance e from the inner wall surface 12 on the upper inclined surface 84A and the lower inclined surface 84B is the upper actual contact width f1 of the upper actual contact surface 82A and the lower actual contact width f2 of the lower actual contact surface 82B. It is set to be 1/2000 to 1/500 of the total actual hit width F, which is the total value, and more preferably 1/1500 to 1/500. In this embodiment, it is set to about 1/1000.

なお、上方側実当たり幅f1及び下方側実当たり幅f2の寸法は、なじみ運転後のオイルリング70を取り外して、上方側外周面82A及び下方側外周面82Bの表面の摩耗状態を実測すれば良い。この上方側実当たり幅f1及び下方側実当たり幅f2のそれぞれは、0.15mm以上に形成することが好ましい。より望ましくは0.2mm以上に形成し、さらに望ましくは、0.2mmよりも大きく設定し、一層望ましくは0.3mm以上とする。即ち、上方側実当たり幅f1及び下方側実当たり幅f2を合計した総実当たり幅Fは、0.3mm以上に形成されることが好ましく、より望ましくは0.4mm以上に形成し、さらに望ましくは0.4mmよりも大きく設定し、一層望ましくは0.6mm以上とする。 The dimensions of the upper actual contact width f1 and the lower actual contact width f2 can be determined by removing the oil ring 70 after the familiar operation and actually measuring the wear state of the surfaces of the upper outer peripheral surface 82A and the lower outer peripheral surface 82B. good. It is preferable that each of the upper actual contact width f1 and the lower actual contact width f2 is formed to be 0.15 mm or more. It is more preferably formed to be 0.2 mm or more, more preferably set to be larger than 0.2 mm, and further preferably set to 0.3 mm or more. That is, the total actual contact width F, which is the sum of the upper actual contact width f1 and the lower actual contact width f2, is preferably formed to be 0.3 mm or more, more preferably 0.4 mm or more, and further preferably 0.4 mm or more. It is set to be larger than 0.4 mm, more preferably 0.6 mm or more.

なじみ運転によって積極的にダレ形状を形成するために、上方側外周面82A及び下方側外周面82Bの表面硬さを1500Hv以下にすることが好ましく、ここでは1200Hvとする。上方側外周面82A及び下方側外周面82BにCr被膜が形成すると、適度なダレ形状が形成される。 The surface hardness of the upper outer peripheral surface 82A and the lower outer peripheral surface 82B is preferably 1500 Hv or less, and is set to 1200 Hv here, in order to positively form a sagging shape by the familiar operation. When the Cr coating is formed on the upper outer peripheral surface 82A and the lower outer peripheral surface 82B, an appropriate sagging shape is formed.

<シリンダボアとピストンリングの摩擦態様> <Friction mode between cylinder bore and piston ring>

次に、シリンダボアとピストンリングの摩擦態様について説明する。一般的な摺動時の摩擦には、図4に示すストライベック線図として表現されるように、直接接触して摺動する固体接触領域110の摩擦態様、油性被膜を介して摺動する境界接触領域112の摩擦態様、粘性潤滑油膜を介して摺動する流体潤滑領域114における摩擦態様に分別される。なお、このストライベック線図は、横軸が、「動粘度(動粘性率)μ」×「速度U」/「接触荷重W」を対数表示したものであり、縦軸が、摩擦係数(μ)となる。従って、摩擦力が最も小さくなり得るのは流体潤滑領域114であり、この領域114を有効利用することが、低摩擦化、即ち、低燃費に有効となる。 Next, the friction mode between the cylinder bore and the piston ring will be described. For general friction during sliding, as represented by the Strivec diagram shown in FIG. 4, the friction mode of the solid contact region 110 that slides in direct contact and the boundary that slides through the oil-based coating film. It is classified into the friction mode of the contact region 112 and the friction mode of the fluid lubrication region 114 that slides through the viscous lubricating oil film. In this Strivec diagram, the horizontal axis is a logarithmic representation of "kinematic viscosity (kinematic viscosity) μ" x "velocity U" / "contact load W", and the vertical axis is the coefficient of friction (μ). ). Therefore, the frictional force can be minimized in the fluid lubrication region 114, and effective use of this region 114 is effective for reducing friction, that is, for fuel efficiency.

ちなみに、近年のV字状リングは、実当たり幅fが極めて小さく設定されることから、速度Uが上昇しても、境界接触領域112の途中から流体潤滑領域114に移行できない。結果、点線に示すように、境界接触領域112がそのまま高速領域まで継続する状態(又は流体潤滑領域114との混在状態)になっていると推察される。 Incidentally, in recent V-shaped rings, since the actual contact width f is set to be extremely small, even if the speed U increases, it is not possible to shift from the middle of the boundary contact region 112 to the fluid lubrication region 114. As a result, as shown by the dotted line, it is presumed that the boundary contact region 112 is in a state of continuing to the high speed region as it is (or a mixed state with the fluid lubrication region 114).

流体潤滑領域114の摩擦力の大部分は、オイルのせん断抵抗であり、このせん断抵抗は、(粘度)×(速度)×(面積)/(油膜厚さ)で定義される。結果、せん断面積を低減することが、摩擦力の低減に直結する。 Most of the frictional force of the fluid lubrication region 114 is the shear resistance of the oil, and this shear resistance is defined by (viscosity) × (velocity) × (area) / (oil film thickness). As a result, reducing the shear area is directly linked to the reduction of frictional force.

そこで、本実施形態では、ピストンリング40の外周面42を弱バレル形状とし、そのゆるやかな傾斜面を利用して、実当たり面にオイルを積極的に流入させることで、素早く流体潤滑領域114に移行して低摩擦化を実現する。 Therefore, in the present embodiment, the outer peripheral surface 42 of the piston ring 40 has a weak barrel shape, and the gently inclined surface thereof is used to actively flow oil into the actual contact surface to quickly reach the fluid lubrication region 114. Achieve low friction by shifting.

<ピストンリングの面圧設定> <Piston ring surface pressure setting>

次にピストンリング40とシリンダボア10の間の面圧設定について説明する。ここで、ピストンリング40の面圧とは、ピストンリング40の外周面42において、実当たり幅fまたは仮想実当たり面gを構成する接触面に作用する面圧を意味する。具体的に面圧は、(2×張力)/(シリンダボア径×(仮想)実当たり幅)によって算出される。 Next, the surface pressure setting between the piston ring 40 and the cylinder bore 10 will be described. Here, the surface pressure of the piston ring 40 means the surface pressure acting on the contact surface forming the actual contact width f or the virtual actual contact surface g on the outer peripheral surface 42 of the piston ring 40. Specifically, the surface pressure is calculated by (2 × tension) / (cylinder bore diameter × (virtual) actual contact width).

本実施形態では、ピストンリング40の面圧が、2.0MPa以下となるように設定される。また、ピストンリング40の面圧が、0.1MPa以上となるように設定される。 In the present embodiment, the surface pressure of the piston ring 40 is set to be 2.0 MPa or less. Further, the surface pressure of the piston ring 40 is set to be 0.1 MPa or more.

更に詳細に、トップリング50の面圧は、好ましくは1.0MPa以下、望ましくは0.5MPa以下とする。トップリング50の面圧は、好ましくは0.1MPa以上とする。例えば0.4MPaとする。また、セカンドリング60の面圧は、好ましくは1.0MPa以下、望ましくは0.5MPa以下とする。セカンドリング60の面圧は、好ましくは0.1MPa以上とする。例えば0.4MPaとする。 More specifically, the surface pressure of the top ring 50 is preferably 1.0 MPa or less, preferably 0.5 MPa or less. The surface pressure of the top ring 50 is preferably 0.1 MPa or more. For example, it is set to 0.4 MPa. The surface pressure of the second ring 60 is preferably 1.0 MPa or less, preferably 0.5 MPa or less. The surface pressure of the second ring 60 is preferably 0.1 MPa or more. For example, it is set to 0.4 MPa.

オイルリング70の面圧は、好ましくは2.0MPa以下、望ましくは1.4MPa以下とする。更に望ましくは、1.1MPa以下とし、一層望ましくは、0.8Mpa以下とする。また、オイルリング70の面圧は、好ましくは0.1MPa以上とし、望ましくは0.2MPa以上とし、さらに好ましくは0.3Mpa以上とする。 The surface pressure of the oil ring 70 is preferably 2.0 MPa or less, preferably 1.4 MPa or less. More preferably, it is 1.1 MPa or less, and even more preferably 0.8 MPa or less. The surface pressure of the oil ring 70 is preferably 0.1 MPa or more, preferably 0.2 MPa or more, and more preferably 0.3 MPa or more.

また、本実施形態では、トップリング50の面圧に対して、オイルリング70の面圧が大きいことが好ましい。更に、トップリング50の面圧に対して、オイルリング70の面圧が3倍以下に設定されることが好ましい。 Further, in the present embodiment, it is preferable that the surface pressure of the oil ring 70 is larger than the surface pressure of the top ring 50. Further, it is preferable that the surface pressure of the oil ring 70 is set to 3 times or less with respect to the surface pressure of the top ring 50.

<近年のV字状リングの仮想面圧の留意事項> <Notes on virtual surface pressure of V-shaped ring in recent years>

参考として、近年のV字状リングの仮想面圧について説明する。V字状リングの実当たり幅は、0.1mm未満であり、実際には0.07mm以下となることが多い。従って、V字状リングの接触面に作用する実際の面圧は、本実施形態のピストンリング40の面圧と比較して大幅に大きいが、実当たり幅が極めて狭いので、面圧の測定自体が困難となっている。そこで、近年のV字状リングの面圧の定義は、実当たり幅ではなく、ピストンリングの幅(軸方向幅)hを基準に算出する仮想面圧を、そのまま面圧として用いることが多い。すなわち、この仮想面圧は、幅(軸方向幅)hの全体がシリンダボアと接触していると仮定して算出されるので、実面圧とかけ離れている。すなわち、V字状リングの面圧は、その定義そのものが仮想面圧であって、本実施形態における実際の面圧と異なっている点に留意を要する。 As a reference, the virtual surface pressure of the V-shaped ring in recent years will be described. The actual contact width of the V-shaped ring is less than 0.1 mm, and in reality, it is often 0.07 mm or less. Therefore, the actual surface pressure acting on the contact surface of the V-shaped ring is significantly larger than the surface pressure of the piston ring 40 of the present embodiment, but since the actual contact width is extremely narrow, the surface pressure measurement itself. Is becoming difficult. Therefore, in the definition of the surface pressure of the V-shaped ring in recent years, the virtual surface pressure calculated based on the width (axial width) h 1 of the piston ring, not the actual contact width, is often used as it is as the surface pressure. .. That is, the virtual surface pressure, since the total width (axial width) h 1 is calculated on the assumption that in contact with the cylinder bore, are far from the actual surface pressure. That is, it should be noted that the definition of the surface pressure of the V-shaped ring itself is a virtual surface pressure, which is different from the actual surface pressure in the present embodiment.

<潤滑油の選定> <Selection of lubricating oil>

次に、潤滑油の選定について説明する。本実施形態で用いる潤滑油は、米国自動車協会(Society of Automotive Engineers, Inc.)による粘度分類において、低温粘度が10W以下、高温粘度が40以下であることが好ましい。すなわち、CCS粘度[mPa・s]/−25 [℃]が7000以下、ポンピング粘度[mPa・s]/−30[℃]が60000以下であることが好ましく、100℃時の最低動粘度が12.5 [mm2/s]以下、100℃時の最高動粘度が16.3 [mm2/s]未満、150℃時の高温高せん断における粘度が2.9[mPa・s]以下であることが好ましい。 Next, the selection of the lubricating oil will be described. According to the viscosity classification by the Society of Automotive Engineers, Inc., the lubricating oil used in this embodiment preferably has a low temperature viscosity of 10 W or less and a high temperature viscosity of 40 or less. That is, the CCS viscosity [mPa · s] /-25 [° C.] is preferably 7,000 or less, the pumping viscosity [mPa · s] / -30 [° C.] is preferably 60,000 or less, and the minimum kinematic viscosity at 100 ° C. is 12 The maximum kinematic viscosity at 100 ° C is less than 16.3 [mm2 / s] at 1.5 [mm2 / s] or less, and the viscosity at high temperature and high shear at 150 ° C is 2.9 [mPa · s] or less. preferable.

より好ましくは、低温粘度が5W以下、高温粘度が30以下であることが望ましい。すなわち、CCS粘度[mPa・s]/−30[℃]が6600以下、ポンピング粘度[mPa・s]/−35 [℃]が60000以下、100℃時の最低動粘度が9.3 [mm2/s]以下、100℃時の最高動粘度が12.5 [mm2/s]未満、150℃時の高温高せん断における粘度が2.9 [mPa・s]以下であることが望ましい。 More preferably, the low temperature viscosity is 5 W or less and the high temperature viscosity is 30 or less. That is, the CCS viscosity [mPa · s] / -30 [° C] is 6600 or less, the pumping viscosity [mPa · s] / −35 [° C] is 60,000 or less, and the minimum kinematic viscosity at 100 ° C is 9.3 [mm2 / It is desirable that the maximum kinematic viscosity at 100 ° C. is less than 12.5 [mm2 / s] and the viscosity at high temperature and high shear at 150 ° C. is 2.9 [mPa · s] or less.

最も望ましくは、低温粘度が0W以下、高温粘度が20以下であることが望ましい。即ち、CCS粘度[mPa・s]/ −35[℃]が6200以下、ポンピング粘度[mPa・s]/−40[℃]が60000以下、100℃時の最低動粘度が5.6 [mm2/s]以下、100℃時の最高動粘度が9.3 [mm2/s]未満、150℃時の高温高せん断における粘度が2.6 [mPa・s]以下であることが望ましい。 Most preferably, the low temperature viscosity is 0 W or less and the high temperature viscosity is 20 or less. That is, the CCS viscosity [mPa · s] / −35 [° C.] is 6200 or less, the pumping viscosity [mPa · s] / −40 [° C.] is 60,000 or less, and the minimum kinematic viscosity at 100 ° C. is 5.6 [mm2 / It is desirable that the maximum kinematic viscosity at 100 ° C. is less than 9.3 [mm2 / s] and the viscosity at high temperature and high shear at 150 ° C. is 2.6 [mPa · s] or less.

本実施形態では、このような低粘度傾向の潤滑油を組み合わせると同時に、ピストンリング40の実当たり幅fを大きく設定して、ピストンリングの面圧を小さくする。結果、低粘度傾向の潤滑油でありながらも、シリンダボア10とピストンリング40を、流体潤滑領域114の摩擦態様に維持することが可能となる。同時に、油膜厚さを大きくしすぎることが無いので、潤滑油のせん断抵抗を小さくすることができ、大幅に低摩擦状態にすることが可能となっている。 In the present embodiment, at the same time as combining such a lubricating oil having a low viscosity tendency, the actual contact width f of the piston ring 40 is set large to reduce the surface pressure of the piston ring. As a result, the cylinder bore 10 and the piston ring 40 can be maintained in the friction mode of the fluid lubrication region 114 even though the lubricating oil tends to have a low viscosity. At the same time, since the oil film thickness is not made too large, the shear resistance of the lubricating oil can be reduced, and the friction state can be significantly reduced.

なお、油膜厚さについては、ストローク中にピストンリング40がシリンダボア10を最高速度で通過する通過点において、静電容量法を用いた距離センサーで測定される油膜厚さが0.5μm〜4.0μmとなるようにしている。なお、静電容量法を用いた距離センサーは、ピストンリング40がシリンダボア10の距離(隙間)を測定する。この距離(隙間)が、油膜厚さを意味する。 Regarding the oil film thickness, the oil film thickness measured by the distance sensor using the capacitance method at the passing point where the piston ring 40 passes through the cylinder bore 10 at the maximum speed during the stroke is 0.5 μm to 4. It is set to 0 μm. In the distance sensor using the capacitance method, the piston ring 40 measures the distance (gap) of the cylinder bore 10. This distance (gap) means the oil film thickness.

本実施形態の内燃機関となる実施例1として、以下の条件のピストンリング40を用意した。 As the first embodiment of the internal combustion engine of the present embodiment, a piston ring 40 under the following conditions was prepared.

<トップリング> <Top ring>

トップリングは、本実施形態の弱バレル形状のトップリング50を採用し、厚さ(径方向幅)aを2.5mm、幅(軸方向幅)hを1.0mmとした。なお、トップリング50の外周面には、クロムめっきを施すとこで、表面硬さを1200Hvとした。なじみ運転後の実当たり面53の実当たり幅fを0.3mmとした。トップリング50の張力を3.7Nにすることで、実当たり面53に作用する面圧を0.3MPaとした。 As the top ring, the weak barrel-shaped top ring 50 of the present embodiment is adopted, and the thickness (diameter direction width) a 1 is 2.5 mm and the width (axial width) h 1 is 1.0 mm. The outer peripheral surface of the top ring 50 was plated with chrome to have a surface hardness of 1200 Hv. The actual contact width f of the actual contact surface 53 after the familiar operation was set to 0.3 mm. By setting the tension of the top ring 50 to 3.7 N, the surface pressure acting on the actual contact surface 53 was set to 0.3 MPa.

<セカンドリング> <Second ring>

セカンドリングは、テーパ形状を採用し、厚さ(径方向幅)aを2.3mm、幅(軸方向幅)hを1.0mmとした。実当たり面の実当たり幅fは、0.23mm程度とした。セカンドリングの張力を3.0Nとした。セカンドリングの外周面には、クロムめっきを施すとこで、表面硬さを1200Hvとした。 The second ring adopts a tapered shape, and the thickness (diameter width) a 1 is 2.3 mm and the width (axial width) h 1 is 1.0 mm. The actual contact width f of the actual contact surface was set to about 0.23 mm. The tension of the second ring was set to 3.0 N. The outer peripheral surface of the second ring was plated with chrome to set the surface hardness to 1200 Hv.

<オイルリング> <Oil ring>

オイルリングは、本実施形態の弱バレル形状の3ピースタイプのオイルリング70を採用した。オイルリング70の組み合わせ径方向厚さa11を2.50mm、組み合わせ軸方向幅(呼び幅)hを2.0mmとした。サイドレール73a,73bの厚さ(径方向幅)aを1.9mm、幅(軸方向幅)h12を0.4mmとした。各サイドレール73a,73bにおいて、なじみ運転後の実当たり面83の実当たり幅fを0.15mm(総実当たり幅F0.3mm)とした。オイルリング70の張力を19.0Nにすることで、実当たり面に作用する面圧を1.6MPaとした。 As the oil ring, the weak barrel-shaped three-piece type oil ring 70 of the present embodiment is adopted. The combined radial thickness a 11 of the oil ring 70 2.50 mm, the combination axial width (nominal width) h 1 was set to 2.0 mm. Side rails 73a, the thickness of 73b (radial width) of a 1 1.9 mm, the width (axial width) h 12 was 0.4 mm. In each of the side rails 73a and 73b, the actual contact width f of the actual contact surface 83 after the familiar operation was set to 0.15 mm (total actual contact width F0.3 mm). By setting the tension of the oil ring 70 to 19.0 N, the surface pressure acting on the actual contact surface was set to 1.6 MPa.

<シリンダボア> <Cylinder bore>

シリンダボア10は、内径80.5mm、材質ねずみ鋳鉄品FC250(JIS規格)、表面をホーニング処理することで、算術平均粗さRa:0.208(μm)、二乗平均平方根粗さRq:0.219(μm)とした(JIS B 0601:2013)。 The cylinder bore 10 has an inner diameter of 80.5 mm, a material gray cast iron product FC250 (JIS standard), and an arithmetic average roughness Ra: 0.208 (μm) and a root mean square roughness Rq: 0.219 by honing the surface. It was set to (μm) (JIS B 0601: 2013).

<潤滑油> <Lubricating oil>

摩擦試験用の潤滑油は、米国自動車協会の粘度分類で0W−20、APIグレードでSNとなるものを採用した。 As the lubricating oil for the friction test, a lubricant having a viscosity classification of 0W-20 by the American Automobile Association and an API grade of SN was adopted.

<摩擦試験> <Friction test>

図5に、シリンダボア(シリンダライナ)10とピストンリング40の摩擦態様を測定する摩擦単体測定装置500を示す。摩擦単体測定装置500は、ピストンリング40側を固定し、シリンダライナ10側を上下に往復移動させることで、両者間の摩擦状態を測定する。摩擦単体測定装置500は、ピストンリング40がセットされる仮想ピストン510を、ピエゾ式のロードセル512を介して固定軸514によって保持する。このロードセル512によって、ピストンリング40に作用する上下方向の外力(摩擦力)を測定する。 FIG. 5 shows a friction unit measuring device 500 for measuring the friction mode between the cylinder bore (cylinder liner) 10 and the piston ring 40. The friction unit measuring device 500 measures the friction state between the two by fixing the piston ring 40 side and reciprocating the cylinder liner 10 side up and down. The friction unit measuring device 500 holds the virtual piston 510 in which the piston ring 40 is set by the fixed shaft 514 via the piezo type load cell 512. The load cell 512 measures the external force (friction force) in the vertical direction acting on the piston ring 40.

シリンダライナ10は、その外壁側において移動スリーブ530で保持される。移動スリーブ530の下端は駆動用ピストン540に保持されており、この駆動用ピストン540を、コンロッド550によって上下動させることで、シリンダライナ10を上下方向に往復移動させる。移動スリーブ530の外周には固定スリーブ560が配置される。固定スリーブ560は基台570に固定される。なお、固定軸514は、固定スリーブ560の上端の蓋部材562に固定されている。移動スリーブ530の外周面と固定スリーブ560の内周面は摺動自在となる。固定スリーブ560の内部には、温度調整ジャケット565が設けられており、この温度調整ジャケット565内に温水または冷水を循環させることで、固定スリーブ560の温度を制御可能となっている。 The cylinder liner 10 is held by a moving sleeve 530 on the outer wall side thereof. The lower end of the moving sleeve 530 is held by the driving piston 540, and the driving piston 540 is moved up and down by the connecting rod 550 to reciprocate the cylinder liner 10 in the vertical direction. A fixed sleeve 560 is arranged on the outer circumference of the moving sleeve 530. The fixing sleeve 560 is fixed to the base 570. The fixed shaft 514 is fixed to the lid member 562 at the upper end of the fixed sleeve 560. The outer peripheral surface of the moving sleeve 530 and the inner peripheral surface of the fixed sleeve 560 are slidable. A temperature control jacket 565 is provided inside the fixed sleeve 560, and the temperature of the fixed sleeve 560 can be controlled by circulating hot water or cold water in the temperature control jacket 565.

本実施形態では、摩擦単体測定装置500による摩擦態様の測定条件として、潤滑油の油温を60度に設定し、潤滑油をシリンダライナ10の上部から滴下して供給した。ならし運転(なじみ運転)の最中は、潤滑油を多めに供給した。潤滑油が過剰であると、摩擦力が不安定となるため、各摩擦力の測定時は、5分程度潤滑油の供給を止めて、摩擦力が安定したところを測定値とした。各摩擦力の測定は、最速点でのストライベック指数(=粘度×速度/面圧)が同じになるように、回転数及び温度を調整した。 In the present embodiment, the oil temperature of the lubricating oil is set to 60 degrees as the measurement condition of the friction mode by the friction unit measuring device 500, and the lubricating oil is dropped and supplied from the upper part of the cylinder liner 10. During the break-in operation (familiar operation), a large amount of lubricating oil was supplied. If the lubricating oil is excessive, the frictional force becomes unstable. Therefore, when measuring each frictional force, the supply of the lubricating oil is stopped for about 5 minutes, and the place where the frictional force is stable is set as the measured value. For the measurement of each frictional force, the rotation speed and temperature were adjusted so that the Stribeck index (= viscosity x velocity / surface pressure) at the fastest point was the same.

本実施例1では、摩擦単体測定装置500の始動から5分後に摩擦波形(なじみ運転前の摩擦波形)を測定し、さらに、始動から20時間後(15時間のなじみ運転を経過してから、更に5時間運転した後)に摩擦波形を測定した。なお、15時間のなじみ運転中において、2時間おきに手動でピストンリング40を40°〜90°回転させた。これは、通常のガソリンエンジンでは運転中にピストンリング40が周方向に回転するので、それを再現するためである。 In the first embodiment, the friction waveform (friction waveform before the familiar operation) is measured 5 minutes after the start of the friction unit measuring device 500, and 20 hours after the start (after the familiar operation of 15 hours has passed), the friction waveform is measured. After another 5 hours of operation), the friction waveform was measured. During the familiar operation for 15 hours, the piston ring 40 was manually rotated by 40 ° to 90 ° every 2 hours. This is to reproduce the piston ring 40 rotating in the circumferential direction during operation in a normal gasoline engine.

実際のエンジンの燃費評価ポイントが、1500rpmにおいてFMEP(平均有効圧力)が800kPaとなるように設定されることから、本実施例1でも、エンジン温度85℃、エンジン回転数1500rpmを条件として摩擦試験を行った。なお、この条件を摩擦単体測定装置500に置き換えると、シリンダライナの行程中央部の温度が35℃、回転数が400rpmとなる。 Since the actual fuel consumption evaluation point of the engine is set so that the FMEP (mean effective pressure) is 800 kPa at 1500 rpm, the friction test is also performed in the first embodiment on the condition that the engine temperature is 85 ° C. and the engine speed is 1500 rpm. went. If this condition is replaced with the friction unit measuring device 500, the temperature at the center of the stroke of the cylinder liner becomes 35 ° C. and the rotation speed becomes 400 rpm.

<絶縁試験> <Insulation test>

シリンダボア10とピストンリング40の流体潤滑領域を確認するために、電気絶縁試験を行った。この電気絶縁試験は、シリンダボア10とピストンリング40の間に形成される流体潤滑油膜によって、両者の電気絶縁性が高まる特性を利用する。具体的には、図5に示す摩擦単体測定装置500において、仮想ピストン510を絶縁性の高い樹脂で作成することで、ピストンリング40を周囲から電気的に隔離した。この状態で、ピストンリング40とシリンダボア10の間を、導電性の配線によって接続し、配線の途中に、定電圧発生装置590(3V)と可変抵抗592(2.4kΩ)を介在させた。更に、配線の途中に電圧(mV)を検出するための電圧検出器(オシロスコープ)594を配置して、流体潤滑油膜の抵抗値の変化を検出した。この試験では、油膜厚さの絶対値は明らかにできないが、全周に亘って形成される油膜の総合的な潤滑状態を推測できる利点がある。 An electrical insulation test was performed to confirm the fluid lubrication region of the cylinder bore 10 and the piston ring 40. This electrical insulation test utilizes the property that the fluid lubricating oil film formed between the cylinder bore 10 and the piston ring 40 enhances the electrical insulation of both. Specifically, in the friction unit measuring device 500 shown in FIG. 5, the piston ring 40 was electrically isolated from the surroundings by making the virtual piston 510 with a highly insulating resin. In this state, the piston ring 40 and the cylinder bore 10 were connected by conductive wiring, and a constant voltage generator 590 (3V) and a variable resistor 592 (2.4kΩ) were interposed in the middle of the wiring. Further, a voltage detector (oscilloscope) 594 for detecting the voltage (mV) was arranged in the middle of the wiring to detect the change in the resistance value of the fluid lubricating oil film. In this test, the absolute value of the oil film thickness cannot be clarified, but there is an advantage that the overall lubrication state of the oil film formed over the entire circumference can be estimated.

なお、実施例1では、オイルリング70のみに通電させることで、オイルリング70単体の油膜状態を測定した。この理由として、オイルリング70は、他のリングと比較して最も面圧が高く、流体潤滑領域に移行しにくいピストンリングだからである。換言すると、オイルリング70に十分な油膜が形成されていれば、トップリング50とセカンドリング60は、必ず流体潤滑領域であると推測できる。また、オイルリング70の外周面82が、Crめっき処理されていることから、安定した抵抗値を示すので測定精度が高い。なお、ピストンリングとシリンダボアが直接接触する固体接触領域又は境界潤滑領域の場合、この絶縁試験において一貫性のないノイズ波形が出やすい。 In Example 1, the oil film state of the oil ring 70 alone was measured by energizing only the oil ring 70. The reason for this is that the oil ring 70 has the highest surface pressure as compared with other rings and is a piston ring that does not easily move to the fluid lubrication region. In other words, if a sufficient oil film is formed on the oil ring 70, it can be inferred that the top ring 50 and the second ring 60 are always fluid lubrication regions. Further, since the outer peripheral surface 82 of the oil ring 70 is Cr-plated, it exhibits a stable resistance value, so that the measurement accuracy is high. In the case of a solid contact region or a boundary lubrication region where the piston ring and the cylinder bore are in direct contact with each other, an inconsistent noise waveform is likely to occur in this insulation test.

<なじみ運転後のピストンリングの幅方向の輪郭形状の測定> <Measurement of contour shape in the width direction of the piston ring after familiar operation>

なじみ運転後のピストンリング40の実当たり面の幅方向の輪郭形状を実測した。トップリング50とセカンドリング60は、仮想ピストン510から取り外して、外周面52、62のプロフィールを軸方向(実当たり幅方向)に計測した。オイルリング70は、仮想ピストン510に装着してスペーサエキスパンダ76sで張力を付与した状態で、各サイドレール73a,73bの外周面82のプロフィールを軸方向(実当たり幅方向)に計測した。 The contour shape in the width direction of the actual contact surface of the piston ring 40 after the familiar operation was actually measured. The top ring 50 and the second ring 60 were removed from the virtual piston 510, and the profiles of the outer peripheral surfaces 52 and 62 were measured in the axial direction (actual contact width direction). The oil ring 70 was mounted on the virtual piston 510 and tension was applied by the spacer expander 76s, and the profiles of the outer peripheral surfaces 82 of the side rails 73a and 73b were measured in the axial direction (actual contact width direction).

<なじみ運転後のピストンリングの周方向の輪郭形状の測定> <Measurement of the contour shape of the piston ring in the circumferential direction after familiar operation>

ピストンリング40の実当たり面の周方向の輪郭形状を実測した。ここでは、オイルリング70を仮想ピストン510から取り外し、スペーサエキスパンダ76sが装着されていない状態の単独の上方側のサイドレール73aについて、実当たり面83の外周縁のプロフィールを周方向に計測した。なじみ運転の効果を把握する前に、なじみ運転前のプロフィールと、なじみ運転後のプロフィールの双方を計測した。 The contour shape of the actual contact surface of the piston ring 40 in the circumferential direction was actually measured. Here, the oil ring 70 was removed from the virtual piston 510, and the profile of the outer peripheral edge of the actual contact surface 83 was measured in the circumferential direction with respect to the single upper side rail 73a in the state where the spacer expander 76s was not attached. Before grasping the effect of familiar driving, both the profile before familiar driving and the profile after familiar driving were measured.

〔比較例1〕 [Comparative Example 1]

実施例1の効果を検証するための比較例1として、以下の条件のピストンリング40を用意した。 As Comparative Example 1 for verifying the effect of Example 1, a piston ring 40 under the following conditions was prepared.

<トップリング> <Top ring>

トップリングはV字状リング(強バレル形状のトップリング)を採用し、厚さ(径方向幅)aを2.5mm、幅(軸方向幅)hを1.0mmとし、外周面をPVDコーティングすることで表面硬さを1800Hvとした。トップリングの張力は、実施例1と同じ3.7Nとした。 A V-shaped ring (strong barrel-shaped top ring) is used for the top ring, the thickness (radial width) a 1 is 2.5 mm, the width (axial width) h 1 is 1.0 mm, and the outer peripheral surface is set. The surface hardness was set to 1800 Hv by PVD coating. The tension of the top ring was 3.7 N, which was the same as in Example 1.

比較例となるピストンリングの外周面のV字形状の突出度合いを説明する概念を図6に示す。ピストンリングMの外周面において、軸方向の幅がMfとなるような基準面Mkを選択する際、この基準面Mkの幅方向両縁Mka、Mkbが、外周面の最外周縁Zから、径方向内側にオフセットする量xを測定した。軸方向の幅Mfとオフセット量xから、外周面の湾曲度合い(V字度合い)を評価した。 FIG. 6 shows a concept for explaining the degree of protrusion of the V-shape on the outer peripheral surface of the piston ring as a comparative example. When selecting a reference surface Mk such that the width in the axial direction is Mf on the outer peripheral surface of the piston ring M, both edges Mka and Mkb in the width direction of the reference surface Mk have diameters from the outermost peripheral edge Z of the outer peripheral surface. The amount x that offsets inward in the direction was measured. The degree of curvature (V-shaped degree) of the outer peripheral surface was evaluated from the width Mf in the axial direction and the offset amount x.

比較例1のトップリングは、基準面Mkの軸方向幅Mfを0.3mmとする場合、オフセット量xが15μmとなった。実際にシリンダボアと接触し得る一般的なオフセット量は0.5μm以下であることから分かるように、比較例のトップリングの実当たり面の実当たり幅は、きわめて狭いことがわかる。 The top ring of Comparative Example 1 had an offset amount x of 15 μm when the axial width Mf of the reference surface Mk was 0.3 mm. As can be seen from the fact that the general offset amount that can actually come into contact with the cylinder bore is 0.5 μm or less, it can be seen that the actual contact width of the actual contact surface of the top ring of the comparative example is extremely narrow.

<セカンドリング> <Second ring>

セカンドリングは、実施例1と全く同じ条件のものを採用した。 As the second ring, the one under exactly the same conditions as in Example 1 was adopted.

<オイルリング> <Oil ring>

オイルリングは、V字状(強バレル形状)の3ピースタイプのオイルリングを採用した。オイルリングの組み合わせ径方向厚さa11を2.55mm、組み合わせ軸方向幅(呼び幅)hを2.0mmとした。一対のサイドレールの厚さ(径方向幅)aを2.0mm、幅(軸方向幅)h12を0.4mmとした。オイルリングの張力は、実施例1と同じ19.0Nとした。 The oil ring is a V-shaped (strong barrel shape) 3-piece type oil ring. The combined radial thickness a 11 of the oil ring 2.55 mm, the combination axial width (nominal width) h 1 was set to 2.0 mm. The thickness of the pair of side rails (radial width) 2.0 mm the a 1, a width (axial width) h 12 was 0.4 mm. The tension of the oil ring was 19.0 N, which was the same as in Example 1.

各サイドレールのV字形状の突出度合いを計測すると、基準面Mkの軸方向幅Mfを0.15mmとする場合、オフセット量xが5μmとなった。外周面をPVDコーティングすることで表面硬さを1800Hvとした。 When the degree of protrusion of the V-shape of each side rail was measured, the offset amount x was 5 μm when the axial width Mf of the reference surface Mk was 0.15 mm. The outer peripheral surface was PVD coated to give a surface hardness of 1800 Hv.

その他のすべての条件を実施例1と同一として、摩擦試験、絶縁試験、輪郭形状の測定等を行った。 All other conditions were the same as in Example 1, and a friction test, an insulation test, a contour shape measurement, and the like were performed.

(摩擦試験結果) (Friction test result)

図7に、摩擦試験の結果を示す。図7(A)は実施例1の試験結果であり、摩擦単体測定装置500の始動から5分後の摩擦波形(なじみ運転前の摩擦波形)を点線で示し、20時間のなじみ運転後の摩擦波形を実線で示す。なじみ運転前と比較して、なじみ運転後は摩擦力が大きく減少しFMEP(トップリング、セカンドリング、オイルリングを組み合わせた状態)も減少した。なお、なじみ運転後のFMEPは10.07kPaとなった。これにより、実際の内燃機関に実施例1のピストンリングを適用しても、大幅な燃費低減効果が得られることがわかる。なじみ運転の効果の発現は、ピストンリングの初期形状や材料硬度などで変動するが、実際の内燃機関の方が回転数が高いので、20時間未満でなじみ運転が完了すると推測される。 FIG. 7 shows the results of the friction test. FIG. 7A shows the test results of Example 1, and the friction waveform (friction waveform before familiar operation) 5 minutes after the start of the friction unit measuring device 500 is shown by a dotted line, and the friction after 20 hours of familiar operation is shown. The waveform is shown by a solid line. Compared with before the familiar operation, the frictional force was greatly reduced after the familiar operation, and the FMEP (state in which the top ring, the second ring, and the oil ring were combined) was also reduced. The FMEP after the familiar operation was 10.07 kPa. From this, it can be seen that even if the piston ring of the first embodiment is applied to an actual internal combustion engine, a significant fuel consumption reduction effect can be obtained. The manifestation of the effect of the familiar operation varies depending on the initial shape of the piston ring, the material hardness, etc., but since the actual internal combustion engine has a higher rotation speed, it is estimated that the familiar operation is completed in less than 20 hours.

図7(B)は比較例1の試験結果であり、摩擦単体測定装置500の始動から5分後の摩擦波形(なじみ運転前の摩擦波形)を点線で示し、20時間のなじみ運転後の摩擦波形を実線で示す。しかし、なじみ運転の前後において摩擦力がほとんど変化しないことから、両者のグラフが重なっている。即ち、比較例1のピストンリングは、いわゆるなじみ運転の効果が発現しない。実際の内燃機関でもこの状態が維持されると推測される。なじみ運転後におけるFMEPは13.91kPaとなった。 FIG. 7B shows the test results of Comparative Example 1, and the friction waveform (friction waveform before familiar operation) 5 minutes after the start of the friction unit measuring device 500 is shown by a dotted line, and the friction after 20 hours of familiar operation is shown. The waveform is shown by a solid line. However, since the frictional force hardly changes before and after the familiar operation, both graphs overlap. That is, the piston ring of Comparative Example 1 does not exhibit the effect of so-called familiar operation. It is presumed that this state is maintained even in an actual internal combustion engine. The FMEP after the familiar operation was 13.91 kPa.

従って、なじみ運転後の実施例1と比較例1を対比すると、実施例1の方が、FMEPについては約28%低いことが明らかとなった。 Therefore, when comparing Example 1 and Comparative Example 1 after the familiar operation, it was clarified that Example 1 was about 28% lower in FMEP.

(軸方向の輪郭測定結果) (Axial contour measurement result)

図8に、外周面の軸方向の輪郭測定結果を示す。図8(A)に示すように、実施例1のトップリング50は、実当たり面53の実当たり幅fが300μmとなり、そのダレ量eが0.3μmであった。実施例1のセカンドリングは、実当たり面の実当たり幅が230μm、そのダレ量eが0.3μmであった。 FIG. 8 shows the results of measuring the contour of the outer peripheral surface in the axial direction. As shown in FIG. 8A, in the top ring 50 of Example 1, the actual contact width f of the actual contact surface 53 was 300 μm, and the sagging amount e was 0.3 μm. In the second ring of Example 1, the actual contact width of the actual contact surface was 230 μm, and the sagging amount e was 0.3 μm.

実施例1のオイルリング70において、一方のサイドレール73aの実当たり面83の実当たり幅fが150μmとなり、そのダレ量eが0.2μmであった。他方のサイドレール73bの実当たり面83の実当たり幅fが130μmとなり、そのダレ量eが0.2μmであった。 In the oil ring 70 of Example 1, the actual contact width f of the actual contact surface 83 of one side rail 73a was 150 μm, and the sagging amount e was 0.2 μm. The actual contact width f of the actual contact surface 83 of the other side rail 73b was 130 μm, and the sagging amount e was 0.2 μm.

図8(B)に示すように、比較例1のトップリングは、外周面が極端に湾曲しているため、実当たり面の幅を実測することが困難であるが、約45μm以下になると推測された。比較例1のセカンドリングは、実施例1と同一であることから、実当たり面の実当たり幅が230μm、そのダレ量eが0.3μmであった。比較例1のオイルリングの各サイドレールについても、外周面が極端に湾曲しているため、実当たり面の幅を実測することが困難であるが、約20μm以下になると推測された。 As shown in FIG. 8B, it is difficult to actually measure the width of the actual contact surface of the top ring of Comparative Example 1 because the outer peripheral surface is extremely curved, but it is estimated to be about 45 μm or less. Was done. Since the second ring of Comparative Example 1 was the same as that of Example 1, the actual contact width of the actual contact surface was 230 μm, and the sagging amount e was 0.3 μm. It is difficult to actually measure the width of the actual contact surface of each side rail of the oil ring of Comparative Example 1 because the outer peripheral surface is extremely curved, but it is estimated to be about 20 μm or less.

(周方向の輪郭測定結果) (Result of contour measurement in the circumferential direction)

図9に、外周面の周方向の輪郭測定結果を示す。図9(A)に示すように、実施例1のオイルリング70のサイドレール73aは、実当たり面83の外周縁が、なじみ運転前において、径方向に10μmの範囲内で変位することがわかる。また、なじみ運転の後は、実当たり面83の外周縁が、径方向に3μmの範囲内で変位することがわかる。結果、なじみ運転の効果が発現することで、実当たり面83の外周縁の周方向の変位量が、大幅に減少することがわかる。この周方向の変位量の低減、すなわち、真円度の向上が、運転中の流体潤滑領域を維持する観点で、重要な役割を担っていることが明らかとなった。 FIG. 9 shows the results of contour measurement in the circumferential direction of the outer peripheral surface. As shown in FIG. 9A, it can be seen that in the side rail 73a of the oil ring 70 of the first embodiment, the outer peripheral edge of the actual contact surface 83 is displaced within a range of 10 μm in the radial direction before the familiar operation. .. Further, it can be seen that after the familiar operation, the outer peripheral edge of the actual contact surface 83 is displaced within a range of 3 μm in the radial direction. As a result, it can be seen that the amount of displacement in the circumferential direction of the outer peripheral edge of the actual contact surface 83 is significantly reduced by the effect of the familiar operation. It has been clarified that the reduction of the displacement amount in the circumferential direction, that is, the improvement of the roundness, plays an important role from the viewpoint of maintaining the fluid lubrication region during operation.

図9(B)に示すように、比較例1のオイルリング70のサイドレール73aは、20時間のなじみ運転後であっても、実当たり面83の外周縁が、径方向に30μm以上に変位することがわかる。もちろん、比較例1のサイドレール73aであっても、エキスパンダによってシリンダボアに圧接させることで変形し、実当たり面83の外周縁は真円に近づくと推測される。しかし、実当たり面83を真円に変形させるためには、相応の張力が要求されるので、摩擦力が高くなるという課題が生じる。 As shown in FIG. 9B, in the side rail 73a of the oil ring 70 of Comparative Example 1, the outer peripheral edge of the actual contact surface 83 is displaced to 30 μm or more in the radial direction even after 20 hours of familiar operation. You can see that it does. Of course, it is presumed that even the side rail 73a of Comparative Example 1 is deformed by being pressed against the cylinder bore by the expander, and the outer peripheral edge of the actual contact surface 83 approaches a perfect circle. However, in order to deform the actual contact surface 83 into a perfect circle, a corresponding tension is required, which causes a problem that the frictional force becomes high.

(絶縁試験結果) (Insulation test result)

図10に、実施例1のオイルリング70の絶縁測定結果を示す。測定時の回転数は、内燃機関における1500rpm、1000rpm、600rpm、300rpm、150rpmに相当する条件を採用した。なお、参考として各回転数の絶縁試験中において、摩擦力の変動態様も同時に測定したので、これらも一緒に示す。 FIG. 10 shows the insulation measurement result of the oil ring 70 of Example 1. The rotation speed at the time of measurement adopted the conditions corresponding to 1500 rpm, 1000 rpm, 600 rpm, 300 rpm, and 150 rpm in the internal combustion engine. As a reference, during the insulation test at each rotation speed, the fluctuation mode of the frictional force was also measured at the same time, so these are also shown together.

回転数が高くなるほど抵抗値が大きくなることがわかる。これは、回転数の増大に伴い、油膜厚さが増大して、流体潤滑領域となっていることを意味する。特に回転数が600rpm以上になると、大幅に抵抗値が増大する傾向にある。1000rpm以上に達すると、回転数が変化しても、抵抗値がほとんど変化しなくなる。これは、油膜厚さが上限に達していることを意味している。一方で、摩擦力が大きい150rpm、300rpmでは抵抗値が小さくなる。これは、油膜が極めて薄くなっているか、一部において、オイルリング70とシリンダボア10が接触していると推測できる。しかし、ガソリンエンジン等の内燃機関において、150rpmや300rpmで運転することは稀である。結果、実施例1のピストンリングの場合、アイドリング運転以上の回転数では、常に、流体潤滑領域で潤滑していると推測される。 It can be seen that the resistance value increases as the rotation speed increases. This means that as the number of revolutions increases, the oil film thickness increases to form a fluid lubrication region. In particular, when the rotation speed is 600 rpm or more, the resistance value tends to increase significantly. When it reaches 1000 rpm or more, the resistance value hardly changes even if the rotation speed changes. This means that the oil film thickness has reached the upper limit. On the other hand, the resistance value becomes small at 150 rpm and 300 rpm where the frictional force is large. It can be inferred that the oil film is extremely thin, or that the oil ring 70 and the cylinder bore 10 are in contact with each other in part. However, in an internal combustion engine such as a gasoline engine, it is rare to operate at 150 rpm or 300 rpm. As a result, in the case of the piston ring of the first embodiment, it is presumed that the piston ring is always lubricated in the fluid lubrication region at a rotation speed higher than the idling operation.

ちなみに、比較例1の場合、ピストンリングとシリンダボアが直接接触しながら摺動する固体接触領域又は境界潤滑領域となるので、絶縁試験を行っても、一貫性のないノイズ波形が生じる結果となった。 By the way, in the case of Comparative Example 1, since the piston ring and the cylinder bore are in the solid contact region or the boundary lubrication region where they slide while being in direct contact with each other, an inconsistent noise waveform is generated even if the insulation test is performed. ..

(LOCの検証) (Verification of LOC)

LOCを決定する要因には、ガスシール性能の劣化や、摺動面における潤滑油の掻き残しの影響が大きい。図9(B)の比較例1に示すように、オイルリングの真円度の劣化は、潤滑油の掻き残しに直結する。一方、図9(A)の実施例1のオイルリング70では、なじみ運転によって真円度を大幅に向上させているので、摺動面における潤滑油の掻き残しが低減し、LOC(潤滑油消費量)が低減すると推測される。 Deterioration of gas seal performance and unscraped lubricating oil on the sliding surface have a large effect on the factors that determine LOC. As shown in Comparative Example 1 of FIG. 9B, deterioration of the roundness of the oil ring is directly linked to the unscraped residue of the lubricating oil. On the other hand, in the oil ring 70 of the first embodiment of FIG. 9A, since the roundness is significantly improved by the familiar operation, the residual lubricating oil on the sliding surface is reduced and the LOC (lubricating oil consumption) is consumed. Amount) is estimated to decrease.

(シミュレーション試験によるブローバイ及び摩耗の追加検証) (Additional verification of blow-by and wear by simulation test)

摩擦力、油膜厚さ、ガス通過量をシミュレーション計算することで、油膜が形成された流体潤滑領域におけるガスシール性と摩耗を検証する。 By simulating and calculating the frictional force, oil film thickness, and gas passage amount, gas sealability and wear in the fluid lubrication region where the oil film is formed will be verified.

ピストンリングの摺動面の油膜厚さ、摩擦力、摺動面を通過するガス量等の計算のためのシミュレーションソフトとして、AVL社のExcite−PRを用いた。油膜、摩擦計算には、修正レイノルズ方程式(Patir and Cheng)と固体接触圧力を計算する Greenwood-Tripp モデルを用いた。漏れガス量計算には縮流係数を用いた。 Excite-PR manufactured by AVL was used as simulation software for calculating the oil film thickness, frictional force, amount of gas passing through the sliding surface, etc. of the sliding surface of the piston ring. For the oil film and friction calculation, the modified Reynolds equation (Patir and Cheng) and the Greenwood-Tripp model for calculating the solid contact pressure were used. The contraction coefficient was used to calculate the amount of leaked gas.

詳細な計算条件として、シリンダボアの表面粗さ:Rq=0.219(μm)、ピストンリング表面粗さ:Rq=0.000(μm)、シリンダボア形状:円筒形、摺動面温度:TDC(上死点)150℃、MID(中央点)85℃、BDC(下死点)85℃、潤滑油:0W−20(40℃時の動粘度37[mm2/s]、100℃時の動粘度8.7[mm2/s])とした。更に、ピストンの二次的な振動や摩擦は考量しないこととし、境界接触領域の摩擦係数は0.072に設定し、最高燃焼圧を7.2MPaに設定した。また、シリンダボアには、常に3×ボア表面粗さRq(=0.657μm)の油膜が残存すると仮定した。 As detailed calculation conditions, the surface roughness of the cylinder bore: Rq = 0.219 (μm), the surface roughness of the piston ring: Rq = 0.000 (μm), the cylinder bore shape: cylindrical, the sliding surface temperature: TDC (top). Dead center) 150 ° C, MID (center point) 85 ° C, BDC (bottom dead center) 85 ° C, lubricating oil: 0W-20 (kinematic viscosity at 40 ° C 37 [mm2 / s], kinematic viscosity at 100 ° C 8 .7 [mm2 / s]). Further, the secondary vibration and friction of the piston were not considered, the friction coefficient of the boundary contact region was set to 0.072, and the maximum combustion pressure was set to 7.2 MPa. Further, it was assumed that an oil film having 3 × bore surface roughness Rq (= 0.657 μm) always remained in the cylinder bore.

実施例1と比較例1のピストンリングの外周面の形状は、図8の軸方向の輪郭測定データを用いた。なお、今回のシミュレーションでは、図9の周方向の輪郭形状データは考慮しないことにした。 For the shapes of the outer peripheral surfaces of the piston rings of Example 1 and Comparative Example 1, the contour measurement data in the axial direction of FIG. 8 was used. In this simulation, the contour shape data in the circumferential direction of FIG. 9 is not considered.

図11に、シミュレーション結果を示す。図11(A)は、実施例1(実線)と比較例1(点線)のトップリング、セカンドリング、オイルリングの合計摩擦力となる。図11(B)は、実施例1(実線)と比較例1(点線)のトップリングの摺動面の油膜厚さとなる。図11(C)は、実施例1(実線)と比較例1(点線)のトップリングの摺動面を通過するガス量となる。摩擦力と油膜については、図10のシミュレーション結果と、図7及び図8の摩擦試験及び絶縁試験の結果とは、上死点直後(クランク角度0°直後)を除いて類似することがわかる。なお、上死点直後の相違は、図7及び図8の摩擦試験及び絶縁試験では、燃焼圧が考慮されていないことに起因していると推測される。 FIG. 11 shows the simulation results. FIG. 11A shows the total frictional force of the top ring, the second ring, and the oil ring of Example 1 (solid line) and Comparative Example 1 (dotted line). FIG. 11B shows the oil film thickness of the sliding surface of the top ring of Example 1 (solid line) and Comparative Example 1 (dotted line). FIG. 11C shows the amount of gas passing through the sliding surface of the top ring of Example 1 (solid line) and Comparative Example 1 (dotted line). Regarding the frictional force and the oil film, it can be seen that the simulation result of FIG. 10 and the result of the friction test and the insulation test of FIGS. 7 and 8 are similar except immediately after the top dead center (immediately after the crank angle 0 °). It is presumed that the difference immediately after top dead center is due to the fact that the combustion pressure is not taken into consideration in the friction test and the insulation test of FIGS. 7 and 8.

ガスシール性と摩耗を解析するためには、燃焼圧力の高い上死点付近の油膜厚さ等を把握する必要がある。図11(B)に示すように、比較例1のトップリングでは、前提条件となるシリンダボア側の最低油膜厚のみとなり、ストローク全域でトップリング側に油膜がほとんど生成されない。つまり、接触摺動している結果となる。ストローク全域で接触摺動しているので、摩耗はその全域で発生し、特に、燃焼圧が掛かる上死点近傍で大きくなると推測できる。結果、比較例1のトップリングでは、ガス漏れ量は、燃焼圧の増大と共に大きくなる。 In order to analyze the gas sealability and wear, it is necessary to grasp the oil film thickness near the top dead center where the combustion pressure is high. As shown in FIG. 11B, in the top ring of Comparative Example 1, only the minimum oil film thickness on the cylinder bore side, which is a prerequisite, is obtained, and almost no oil film is formed on the top ring side over the entire stroke. That is, the result is contact sliding. Since the contact slides over the entire stroke, it can be inferred that wear occurs over the entire stroke and becomes particularly large near the top dead center where the combustion pressure is applied. As a result, in the top ring of Comparative Example 1, the amount of gas leakage increases as the combustion pressure increases.

一方、図11(B)に示すように、実施例1のトップリングの油膜厚さは、トップリングの摺動速度に依存しており、上死点直後(クランク角度0°直後)の燃焼圧力が作用する瞬間を除いた全域で、トップリング側に油膜が生成されることがわかる。摺動速度がゼロになる下死点(クランク角度180°)でも、絞り膜効果によって、油膜が維持されていることがわかる。結果、実施例1のトップリングでは、接触摺動範囲は極めて狭いので、摩耗量は低減される。更に、本実施形態でも述べたように、実施例1のピストンリングは、低い面圧設定となるので、相乗作用によって、さらに摩耗に対して有利に作用する。従って、外周面を高硬度の材料で被覆する必要性が低くなる。 On the other hand, as shown in FIG. 11B, the oil film thickness of the top ring of Example 1 depends on the sliding speed of the top ring, and the combustion pressure immediately after top dead center (immediately after the crank angle 0 °). It can be seen that an oil film is formed on the top ring side in the entire area except the moment when It can be seen that the oil film is maintained by the drawing film effect even at the bottom dead center (crank angle 180 °) where the sliding speed becomes zero. As a result, in the top ring of Example 1, the contact sliding range is extremely narrow, so that the amount of wear is reduced. Further, as described in the present embodiment, since the piston ring of the first embodiment has a low surface pressure setting, it acts more favorably against wear by synergistic action. Therefore, the need to coat the outer peripheral surface with a high-hardness material is reduced.

また、図11(C)に示すように、トップリングにおけるガス通過量(ガス漏れ量)は、比較例1に対して実施例1が10%程度減少しているが、これも広範囲に亘って油膜が維持されていることに起因する。油膜が維持されるということは、油膜内に圧力が発生していることと同義であり、その油膜内の圧力が、燃焼圧と同等以上であればガスをシールできる。実施例1のトップリングでは、上死点(クランク角度0°)で停止すると、摺動速度に依存する油膜圧力がなくなる一方、油膜が薄くなる過程の絞り効果によって別途圧力が発生し、ガスのシール性を維持する。結果、実施例1のトップリングが、比較例1よりもガスシール性が高い結果となる。 Further, as shown in FIG. 11C, the amount of gas passing through the top ring (gas leakage amount) is reduced by about 10% in Example 1 as compared with Comparative Example 1, but this also covers a wide range. This is due to the fact that the oil film is maintained. Maintaining the oil film is synonymous with the pressure generated in the oil film, and if the pressure in the oil film is equal to or higher than the combustion pressure, the gas can be sealed. In the top ring of Example 1, when stopped at the top dead center (crank angle 0 °), the oil film pressure depending on the sliding speed disappears, while a separate pressure is generated due to the throttle effect in the process of thinning the oil film, and the gas Maintains sealing properties. As a result, the top ring of Example 1 has a higher gas sealability than that of Comparative Example 1.

本実施形態の内燃機関となる実施例2として、以下の条件のピストンリング40を用意した。 As the second embodiment of the internal combustion engine of the present embodiment, a piston ring 40 having the following conditions was prepared.

<トップリング> 実施例1と同じトップリングとした。 <Top ring> The same top ring as in Example 1 was used.

<セカンドリング>実施例1と同じセカンドリングとした。 <Second ring> The same second ring as in Example 1 was used.

<オイルリング> <Oil ring>

オイルリングは、実当たり幅の異なる三種類(A、B、C)を用意した。全てのオイルリングは、本実施形態の弱バレル形状の3ピースタイプのオイルリング70を採用した。オイルリング70の組み合わせ径方向厚さa11を2.50mm、組み合わせ軸方向幅(呼び幅)hを2.0mmとした。また、サイドレール73a,73bの厚さ(径方向幅)aを1.9mm、幅(軸方向幅)h12を0.4mmとした。 Three types of oil rings (A, B, C) with different actual contact widths were prepared. For all the oil rings, the weak barrel-shaped three-piece type oil ring 70 of the present embodiment was adopted. The combined radial thickness a 11 of the oil ring 70 2.50 mm, the combination axial width (nominal width) h 1 was set to 2.0 mm. The side rails 73a, the thickness of 73b (radial width) of a 1 1.9 mm, the width (axial width) h 12 was 0.4 mm.

オイルリングAは、各サイドレール73a,73bにおいて、なじみ運転後の実当たり面83の実当たり幅fを0.350mm(総実当たり幅F0.7mm)とした。オイルリングAの張力を19.0Nにすることで、実当たり面に作用する面圧を0.67MPaとした。なお、このオイルリングAの実当たり面83の形状の作り込み方法は、後述する「第2の作り込み方法」で行った。 In the oil ring A, in each of the side rails 73a and 73b, the actual contact width f of the actual contact surface 83 after the familiar operation was set to 0.350 mm (total actual contact width F0.7 mm). By setting the tension of the oil ring A to 19.0 N, the surface pressure acting on the actual contact surface was set to 0.67 MPa. The method of forming the shape of the actual contact surface 83 of the oil ring A was performed by the "second forming method" described later.

オイルリングBは、各サイドレール73a,73bにおいて、なじみ運転後の実当たり面83の実当たり幅fを0.250mm(総実当たり幅F0.50mm)とした。オイルリングBの張力を19.0Nにすることで、実当たり面に作用する面圧を0.94MPaとした。なお、このオイルリングBの実当たり面83の形状の作り込み方法は、後述する「第1の作り込み方法」で行った。 In the oil ring B, in each of the side rails 73a and 73b, the actual contact width f of the actual contact surface 83 after the familiar operation was set to 0.250 mm (total actual contact width F0.50 mm). By setting the tension of the oil ring B to 19.0 N, the surface pressure acting on the actual contact surface was set to 0.94 MPa. The method of forming the shape of the actual contact surface 83 of the oil ring B was performed by the "first forming method" described later.

オイルリングCは、各サイドレール73a,73bにおいて、なじみ運転後の実当たり面83の実当たり幅fを0.150mm(総実当たり幅F0.30mm)とした。オイルリングCの張力を19.0Nにすることで、実当たり面に作用する面圧を1.6MPaとした。なお、このオイルリングCの実当たり面83の形状の作り込み方法は、後述する「第1の作り込み方法」で行った。 In the oil ring C, in each of the side rails 73a and 73b, the actual contact width f of the actual contact surface 83 after the familiar operation was set to 0.150 mm (total actual contact width F0.30 mm). By setting the tension of the oil ring C to 19.0 N, the surface pressure acting on the actual contact surface was set to 1.6 MPa. The method of forming the shape of the actual contact surface 83 of the oil ring C was performed by the "first forming method" described later.

なお、その他の条件は全て実施例1と同じとした。 All other conditions were the same as in Example 1.

〔比較例2〕 [Comparative Example 2]

実施例2の効果を検証するための比較例2として、以下の条件のピストンリング40を用意した。なお、比較例2では、2つのグループ(グループX、グループY)のピストンリング40を用意した。 As Comparative Example 2 for verifying the effect of Example 2, a piston ring 40 under the following conditions was prepared. In Comparative Example 2, piston rings 40 of two groups (group X and group Y) were prepared.

<グループXのトップリング> <Group X top ring>

トップリングは、本実施形態のV字状リング(強バレル形状のトップリング)を採用し、厚さ(径方向幅)aを2.5mm、幅(軸方向幅)hを1.0mmとし、外周面をPVDコーティングすることで表面硬さを1800Hvとした。トップリングの張力は、実施例1と同じ3.7Nとした。 As the top ring, the V-shaped ring (strong barrel-shaped top ring) of the present embodiment is adopted, and the thickness (radial width) a 1 is 2.5 mm and the width (axial width) h 1 is 1.0 mm. The surface hardness was set to 1800 Hv by PVD coating the outer peripheral surface. The tension of the top ring was 3.7 N, which was the same as in Example 1.

トップリングの外周面は、図6に示すように、基準面Mkの軸方向幅Mfを0.5mmとする場合、オフセット量xが6.5μmとなった。実際にシリンダボアと接触し得る一般的なオフセット量は0.5μm以下であることから、比較例2のトップリングの実当たり面の実当たり幅は、きわめて狭い状態であることがわかる。 As shown in FIG. 6, the outer peripheral surface of the top ring has an offset amount x of 6.5 μm when the axial width Mf of the reference surface Mk is 0.5 mm. Since the general offset amount that can actually come into contact with the cylinder bore is 0.5 μm or less, it can be seen that the actual contact width of the actual contact surface of the top ring of Comparative Example 2 is extremely narrow.

<グループXのセカンドリング> <Group X second ring>

セカンドリングは、比較例1と全く同じ条件のものを採用した。 As the second ring, the one under exactly the same conditions as in Comparative Example 1 was adopted.

<グループXのオイルリング> <Group X oil ring>

オイルリングは、V字状(強バレル形状)の3ピースタイプのオイルリングを採用した。オイルリングの組み合わせ径方向厚さa11を2.5mm、幅(軸方向幅)hを2.0mmとした。一対のサイドレールの厚さ(径方向幅)aを1.9mm、幅(軸方向幅)h12を0.4mmとした。オイルリングの張力は、実施例2と同じ19.0Nとした。 The oil ring is a V-shaped (strong barrel shape) 3-piece type oil ring. The combined radial thickness a 11 of the oil ring was 2.5 mm, the width (axial width) h 1 and 2.0 mm. The thickness (radial width) a 1 of the pair of side rails was 1.9 mm, and the width (axial width) h 12 was 0.4 mm. The tension of the oil ring was 19.0 N, which was the same as in Example 2.

各サイドレールのV字形状の突出度合いを計測すると、基準面Mkの軸方向幅Mfを0.15mmとする場合、オフセット量xが12μmとなった。外周面をPVDコーティングすることで表面硬さを1800Hvとした。 When the degree of protrusion of the V-shape of each side rail was measured, the offset amount x was 12 μm when the axial width Mf of the reference surface Mk was 0.15 mm. The outer peripheral surface was PVD coated to give a surface hardness of 1800 Hv.

<グループYのトップリング> <Group Y top ring>

グループXのトップリングと同じ形状のままで、外周面をCrめっきで処理することで表面硬さを1200Hvとした。 The surface hardness was set to 1200 Hv by treating the outer peripheral surface with Cr plating while maintaining the same shape as the top ring of Group X.

<グループYのセカンドリング> <Group Y second ring>

セカンドリングは、比較例1と全く同じ条件のものを採用した。 As the second ring, the one under exactly the same conditions as in Comparative Example 1 was adopted.

<グループYのオイルリング> <Group Y oil ring>

グループXのオイルリングと同じ形状のまま、外周面をCrめっきで処理することで表面硬さを1200Hvとした。 The surface hardness was set to 1200 Hv by treating the outer peripheral surface with Cr plating while maintaining the same shape as the oil ring of Group X.

このグループYのトップリング及びオイルリングは、母材自体の外周面がV字形状となっており実当たり幅が極めて狭い(0.15mm未満)が、表面がCrめっき処理されているので、なじみ運転によって、微細に摩耗し得るようになっている。 The top ring and oil ring of this group Y are familiar because the outer peripheral surface of the base material itself is V-shaped and the actual contact width is extremely narrow (less than 0.15 mm), but the surface is Cr-plated. It can be worn finely by operation.

(ピストンリングセットの摩擦試験結果) (Friction test result of piston ring set)

図12に、トップリング、セカンドリング、オイルリングで構成されるピストンリングセットの摩擦試験の結果を示す。なお、ここでは20時間のなじみ運転後の摩擦波形を示す。実施例2のトップリング、セカンドリング、オイルリングA(各サイドレールの実当たり幅0.350mm)のピストンリングセットは、摩擦力が大幅に小さくなった。一方、比較例2のグループXのトップリング、セカンドリング、オイルリング(外周面PVDコーティング)のピストンリングセットは、摩擦力が大幅に大きくなった。なお、実施例2のピストンリングセットのFMEPは、比較例2のピストンリングセットを比較して約41%低くなることが明らかとなった。 FIG. 12 shows the results of a friction test of a piston ring set composed of a top ring, a second ring, and an oil ring. Here, the friction waveform after the familiar operation for 20 hours is shown. The piston ring set of the top ring, the second ring, and the oil ring A (actual contact width of each side rail: 0.350 mm) of the second embodiment has significantly reduced frictional force. On the other hand, the piston ring set of the top ring, the second ring, and the oil ring (PVD coating on the outer peripheral surface) of the group X of Comparative Example 2 had a significantly large frictional force. It was revealed that the FMEP of the piston ring set of Example 2 was about 41% lower than that of the piston ring set of Comparative Example 2.

(オイルリングのみの摩擦試験結果) (Friction test result of oil ring only)

図13に、オイルリング単体の摩擦試験の結果を示す。なお、ここでは20時間のなじみ運転後の摩擦波形を示す。実施例2のオイルリングA(各サイドレールの実当たり幅0.350mm)は、摩擦力が大幅に小さくなった。実施例2のオイルリングC(各サイドレールの実当たり幅0.150mm)は、オイルリングAと比較して、多少、摩擦力が大きくなった。一方、比較例2のグループXのオイルリング(外周面PVDコーティング)は、オイルリングA,Cよりも摩擦力が大幅に大きくなった。なお、実施例2のオイルリングAと、比較例2のグループXとのオイルリングを比較すると、オイルリングAの方が、FMEPについては約46%低くなることが明らかとなった。 FIG. 13 shows the result of the friction test of the oil ring alone. Here, the friction waveform after the familiar operation for 20 hours is shown. The frictional force of the oil ring A of Example 2 (actual contact width of each side rail: 0.350 mm) was significantly reduced. The oil ring C of Example 2 (actual contact width of each side rail 0.150 mm) had a slightly larger frictional force than the oil ring A. On the other hand, the oil ring (PVD coating on the outer peripheral surface) of Group X of Comparative Example 2 had a significantly larger frictional force than the oil rings A and C. Comparing the oil ring A of Example 2 with the oil ring of Group X of Comparative Example 2, it was revealed that the oil ring A was about 46% lower in terms of FMEP.

(オイルリングの実当たり幅とFMEPの関係の検証) (Verification of the relationship between the actual contact width of the oil ring and FMEP)

図14(A)に、オイルリングの実当たり幅とFMEPの関係を示す。なお、実線と黒丸で示すグラフ(Experimental Result)は、第2実施例のオイルリングA,B,Cと比較例2のグループYのオイルリングの実測値となる。一方、実線と白丸で示すグラフ(Simulation with Roughness)は、粗さを考慮することで潤滑油の流れや接触摺動を考量したシミュレーション結果であり、点線と「×」印で示すグラフ(Simulation without Roughness)は、粗さを考慮せずに完全な流体潤滑を条件としたシミュレーション結果である。なお、シミュレーションの計算は、AVL社のExcite−PRを用いた。油膜、摩擦計算には、修正レイノルズ方程式(Patir and Chengの平均流モデル)と固体接触圧力を計算する Greenwood-Tripp モデルを用いた。 FIG. 14A shows the relationship between the actual contact width of the oil ring and FMEP. The graph (Experimental Result) shown by the solid line and the black circle is the measured value of the oil rings A, B, C of the second embodiment and the oil ring of the group Y of the comparative example 2. On the other hand, the graph shown by the solid line and the white circle (Simulation with Roughness) is the simulation result considering the flow of lubricating oil and the contact sliding by considering the roughness, and the graph shown by the dotted line and the "x" mark (Simulation without). Roughness) is a simulation result on the condition of complete fluid lubrication without considering the roughness. The simulation was calculated using Excite-PR manufactured by AVL. For the oil film and friction calculation, the modified Reynolds equation (Patir and Cheng's average flow model) and the Greenwood-Tripp model for calculating the solid contact pressure were used.

図14(B)には、図14(A)における粗さを考慮することで潤滑油の流れや接触摺動を考量したシミュレーション結果について、この計算結果を、境界又は流体潤滑による摩擦(実線及び白丸)と、固体接触による摩擦(実線及び「×」印)に分けたものである。 In FIG. 14 (B), the calculation result of the simulation result in which the flow of lubricating oil and the contact sliding are taken into consideration by considering the roughness in FIG. It is divided into white circles) and friction due to solid contact (solid line and "x" mark).

図14(A)の実測値からわかるように、実当たり幅が大きいほど、摩擦が低減し、実当たり幅が150μm未満になると、摩擦力が急激に上昇しやすくなる。これは、図14(B)のシミュレーション結果からわかるように、実当たり幅が150μm未満になると、境界潤滑の摩擦の増大は限度に達するものの、固体接触による摩擦が急激に増大することに起因していると推察される。 As can be seen from the actually measured values in FIG. 14 (A), the larger the actual contact width, the lower the friction, and when the actual contact width is less than 150 μm, the frictional force tends to increase sharply. This is because, as can be seen from the simulation result of FIG. 14 (B), when the actual contact width is less than 150 μm, the increase in the friction of the boundary lubrication reaches the limit, but the friction due to the solid contact increases sharply. It is presumed that it is.

ちなみに、実測値において、FMEPが最も小さいのは実当たり幅が250μm(オイルリングB)となったが、内燃機関の運転条件の変動などを考慮すると、これよりも多少広いものが最適と推察される。一般的に、実当たり幅の増大は、摩擦力の増大につながることになるが、測定値やシミュレーションによれば、実当たり幅が400μm程度までは、摩擦力が小さい状態が十分に維持されると考えられる。従って、潤滑油が0W−20の場合、実当たり幅が250μm〜400μmの範囲(面圧では0.59MPa〜0.94MPaの範囲)が、最適と考えられる。この最適範囲は、潤滑油の粘度によって多少変動するが、更に低粘度の潤滑油を採用する場合は、より実当たり幅を大きくしたり、面圧を小さくすることが好ましいと考えられる。 By the way, in the measured values, the smallest FMEP was the actual contact width of 250 μm (oil ring B), but considering fluctuations in the operating conditions of the internal combustion engine, it is presumed that a slightly wider one is optimal. To. In general, an increase in the actual contact width leads to an increase in the frictional force, but according to measured values and simulations, a state in which the frictional force is small is sufficiently maintained until the actual contact width is about 400 μm. it is conceivable that. Therefore, when the lubricating oil is 0W-20, the actual contact width in the range of 250 μm to 400 μm (the surface pressure is in the range of 0.59 MPa to 0.94 MPa) is considered to be optimal. This optimum range varies slightly depending on the viscosity of the lubricating oil, but when a lubricating oil having a lower viscosity is used, it is considered preferable to increase the actual contact width or reduce the surface pressure.

(オイルリング単体のFMEPの時間変化の実測結果) (Actual measurement result of time change of FMEP of oil ring alone)

次に、実施例2のオイルリングA、B、C、比較例2のグループX、グループYのオイルリング単体の摩擦試験において、20時間のなじみ運転中で各オイルリングのFMEPがどのように時間変化するか、実測した結果を図15に示す。 Next, in the friction test of the oil rings A, B, C of Example 2 and the oil rings of Group X and Group Y of Comparative Example 2, how the FMEP of each oil ring is timed during the familiar operation for 20 hours. The result of the change or the actual measurement is shown in FIG.

グループXのオイルリング(V字形状、PVDコーティング)は、20時間のなじみ運転中において、FMEPが微細に減少するが、その減少幅は10%未満であった。これは、なじみ運転によっても、外周面が摩耗することなく、いわゆるなじみ効果が発現していない状態であると推測される。 The group X oil ring (V-shaped, PVD coating) had a slight decrease in FMEP during 20 hours of familiar operation, but the amount of decrease was less than 10%. It is presumed that this is a state in which the so-called familiar effect is not exhibited without the outer peripheral surface being worn even by the familiar operation.

グループYのオイルリング(V字形状、Crめっき処理)は、運転直後(約10kPa)から比較して、20時間のなじみ運転を経て15%程度FMEPが減少して8.5kPa程度となった。実当たり幅が、50μm未満と小さいので、固体接触又は接触潤滑領域による摺動と考えられるが、表面の摩耗によって、その摩擦力が経時的に多少減少したと推測される。 In the group Y oil ring (V-shaped, Cr plating treatment), the FMEP decreased by about 15% to about 8.5 kPa after 20 hours of familiar operation as compared with immediately after the operation (about 10 kPa). Since the actual contact width is as small as less than 50 μm, it is considered that the sliding is due to solid contact or contact lubrication region, but it is presumed that the frictional force is slightly reduced with time due to surface wear.

オイルリングC(実当たり幅0.150mm、Crめっき処理)は、運転直後(10kPa)から比較して、20時間のなじみ運転を経て40%程度FMEPが減少し、約6.3kPaとなった。 In the oil ring C (actual contact width 0.150 mm, Cr plating treatment), the FMEP decreased by about 40% after 20 hours of familiar operation as compared with immediately after the operation (10 kPa), and became about 6.3 kPa.

オイルリングB(実当たり幅0.250mm、Crめっき処理)は、運転直後(8kPa)から比較して、20時間のなじみ運転を経て38%程度FMEPが減少し、約4.8kPaとなった。 In the oil ring B (actual contact width 0.250 mm, Cr plating treatment), the FMEP decreased by about 38% after 20 hours of familiar operation as compared with immediately after the operation (8 kPa), and became about 4.8 kPa.

オイルリングA(実当たり幅0.350mm、Crめっき処理)は、なじみ運転の全体に亘ってFMEPの変動がほとんど生じることなく、約4.0kPaとなった。なお、このオイルリングAは、後述する第2の作り込み方法によって、スペーサエキスパンダによるサイドレールの傾きを製造時に盛り込んでバレル形状を作り込んでいるため、なじみ運転開始後20分程度でFMEPが最小値(約4.0kPa)となった。 The oil ring A (actual contact width 0.350 mm, Cr plating treatment) was about 4.0 kPa with almost no change in FMEP over the entire familiar operation. In addition, since this oil ring A incorporates the inclination of the side rail by the spacer expander at the time of manufacturing to form a barrel shape by the second fabrication method described later, FMEP is formed about 20 minutes after the start of familiar operation. It became the minimum value (about 4.0 kPa).

以上の結果、実施例2のオイルリングA,B,Cは、単体での試験において、なじみ運転の効果で30%以上、FMEPが減少することがわかる。特にオイルリングAは、なじみ運転前のバレル形状の作り込みよって、初期状態でも当たり幅が大きく設定されているため、最初から最適な流体潤滑領域で摺動できると推察された。更に、オイルリングAでは、なじみ運転開始後20分程度で、更に、バレル形状が微修正させることで、FMEPが更に小さくなったと推測された。 As a result of the above, it can be seen that the oil rings A, B, and C of Example 2 have a reduction in FMEP by 30% or more due to the effect of familiar operation in a single test. In particular, it was presumed that the oil ring A could slide in the optimum fluid lubrication region from the beginning because the contact width was set large even in the initial state due to the barrel shape created before the familiar operation. Further, in the oil ring A, it was estimated that the FMEP became smaller by further slightly modifying the barrel shape about 20 minutes after the start of the familiar operation.

以上の通り、本実施形態の内燃機関の摺動構造によれば、シリンダボアに対してトップリング又はオイルリングが接触し得る実当たり幅fが0.05mm以上となり、かつ、その摺動面に作用する面圧が2.0MPa以下となる結果、流体潤滑領域によって低摩擦状態で摺動できるので、内燃機関の効率を大幅に高めることが可能となる。これは、仮想実当たり幅gで定義しても同様である。 As described above, according to the sliding structure of the internal combustion engine of the present embodiment, the actual contact width f at which the top ring or the oil ring can come into contact with the cylinder bore is 0.05 mm or more, and acts on the sliding surface. As a result of the surface pressure being reduced to 2.0 MPa or less, the fluid lubrication region allows sliding in a low friction state, so that the efficiency of the internal combustion engine can be significantly improved. This is the same even if it is defined by the virtual actual hit width g.

更に摺動構造では、100℃の動粘度が16.3[mm2/s]未満となる低粘度の潤滑油に適用すると、一層、摺動面の低摩擦化が達成される。 Further, in the sliding structure, when applied to a low-viscosity lubricating oil having a kinematic viscosity at 100 ° C. of less than 16.3 [mm2 / s], further reduction in friction of the sliding surface is achieved.

また、この摺動構造では、ストローク中にトップリング又はオイルリングが最高速度で通過する通過点において、静電容量法で測定される油膜厚さが、0.5μm〜4.0μmとなるように設定される。油膜厚さを適切な範囲に制御することで、摩擦力を小さく維持することが可能となる。 Further, in this sliding structure, the oil film thickness measured by the capacitance method is 0.5 μm to 4.0 μm at the passing point where the top ring or the oil ring passes at the maximum speed during the stroke. Set. By controlling the oil film thickness within an appropriate range, it is possible to keep the frictional force small.

更に本摺動構造において、トップリングの面圧が、0.3MPa以下となるようにする。結果、トップリングの摺動抵抗が大幅に小さくなり、内燃機関の効率が高められる。 Further, in this sliding structure, the surface pressure of the top ring is set to 0.3 MPa or less. As a result, the sliding resistance of the top ring is significantly reduced, and the efficiency of the internal combustion engine is improved.

また更に、本摺動構造において、オイルリングの面圧が、1.4MPa以下となる。結果、オイルリングの油膜厚さが大きくなって摺動抵抗が小さくなり、内燃機関の効率が高められる。なお、特に、なじみ運転の効果を発現させるためには、オイルリングが、3ピースタイプであることが好ましい。 Furthermore, in this sliding structure, the surface pressure of the oil ring is 1.4 MPa or less. As a result, the oil film thickness of the oil ring becomes large, the sliding resistance becomes small, and the efficiency of the internal combustion engine is improved. In particular, in order to exhibit the effect of familiar operation, it is preferable that the oil ring is a three-piece type.

更にまた、本摺動構造において、トップリング及びオイルリングの双方について、トップリングの面圧に対して、オイルリングの面圧が3倍以下となる。両者の面圧をできる限り接近させることで、全体の摺動抵抗が小さくなり、内燃機関の効率が高められる。 Furthermore, in this sliding structure, the surface pressure of the oil ring is three times or less the surface pressure of the top ring for both the top ring and the oil ring. By bringing the surface pressures of both as close as possible, the overall sliding resistance is reduced and the efficiency of the internal combustion engine is improved.

また、本摺動構造において、ピストンから取り外した状態における、トップリング及びオイルリングの実当たり面または仮想実当たり面における、周方向に沿って移動する際の径方向の変位量が、10μm以下となる。このようにすると、摺動面の低面圧化(低張力化)を図る場合に、シリンダボアとトップリング及びオイルリングの隙間の均一化が達成され、摩擦力の低減と同時に、ガス漏れを低減することが可能になる。 Further, in this sliding structure, the displacement amount in the radial direction when moving along the circumferential direction on the actual contact surface or the virtual actual contact surface of the top ring and the oil ring when removed from the piston is 10 μm or less. Become. In this way, when reducing the surface pressure (lower tension) of the sliding surface, the gap between the cylinder bore, the top ring and the oil ring is made uniform, and the frictional force is reduced and gas leakage is reduced at the same time. Will be possible.

特に本摺動構造は、ガソリンエンジンに適用することが好ましいが、本発明はこれに限定されず、他の内燃機関に適用することも可能である。 In particular, the present sliding structure is preferably applied to a gasoline engine, but the present invention is not limited to this, and can be applied to other internal combustion engines.

次に、上記内燃機関の摺動構造を作り込む二種類の方法について説明する。なお、内燃機関の摺動構造を作り込む方法は、オイルリングの外周面のバレル形状の作り込み方法と同義となる。 Next, two types of methods for forming the sliding structure of the internal combustion engine will be described. The method of creating the sliding structure of the internal combustion engine is synonymous with the method of creating the barrel shape of the outer peripheral surface of the oil ring.

<オイルリングの外周面の形状の第1の作り込み方法> <First method of making the shape of the outer peripheral surface of the oil ring>

次に、図3(A)で説明した3ピースタイプのオイルリング70について、その外周面の弱バレル形状を作り込む第1の詳細手順について図17及び図18を参照して説明する。なお、図18では、外周面の径方向断面形状を拡大して示しているが、幅方向の拡大率に対して径方向の拡大率を大幅に大きくすることで、バレル形状を誇張表示している。 Next, regarding the three-piece type oil ring 70 described with reference to FIG. 3 (A), a first detailed procedure for forming a weak barrel shape on the outer peripheral surface thereof will be described with reference to FIGS. 17 and 18. Although the radial cross-sectional shape of the outer peripheral surface is enlarged and shown in FIG. 18, the barrel shape is exaggeratedly displayed by significantly increasing the radial enlargement ratio with respect to the widthwise enlargement ratio. There is.

図18(A)に示すように、軟質層形成工程S310として、スペーサエキスパンダ76sから取り外された独立状態の第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの第1外周面82a,第2外周面82bに対して、後述するなじみ運転工程で摩滅可能な低硬度の軟質層200a、200bを形成する。この軟質層200a,200bは、Crめっき処理、ニッケルめっき処理(Ni−Pめっき処理)、亜鉛めっき処理、ガス窒化処理、低硬度DLC処理、軟質樹脂被覆等によって、表面硬さを1500Hv以下に形成すれば良い。なお、この軟質層の厚さは3μm以上が好ましく、より望ましくは5μm以上とする。 As shown in FIG. 18A, as the soft layer forming step S310, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface of the independent first side rail 73a and the second side rail 73b removed from the spacer expander 76s. With respect to 82b, soft layers 200a and 200b having low hardness that can be worn away in a familiar operation step described later are formed. The surface hardness of the soft layers 200a and 200b is formed to 1500 Hv or less by Cr plating treatment, nickel plating treatment (Ni-P plating treatment), galvanization treatment, gas nitriding treatment, low hardness DLC treatment, soft resin coating and the like. Just do it. The thickness of this soft layer is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more.

次に、図18(B)に示すように、初期研磨工程S320として、スペーサエキスパンダ76sから取り外された独立状態の第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの第1外周面82a,第2外周面82bを、研磨工具によって研磨する。結果、第1外周面82a,第2外周面82bに対して、径方向外側に凸となる初期バレル形状が作り込まれる。なお、この研磨処理は、いわゆるラッピング処理であり、第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの外径と近似する円筒状の内周面を有する工具に対して、砥粒を介在させながら、第1外周面82a,第2外周面82bを相対移動させる。 Next, as shown in FIG. 18B, as the initial polishing step S320, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82a of the independent first side rail 73a and the second side rail 73b removed from the spacer expander 76s. The outer peripheral surface 82b is polished with a polishing tool. As a result, an initial barrel shape that is convex outward in the radial direction is formed with respect to the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b. This polishing process is a so-called lapping process, in which abrasive grains are interposed in a tool having a cylindrical inner peripheral surface that is close to the outer diameter of the first side rail 73a and the second side rail 73b. The first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are relatively moved.

次いで、図18(C)に示すように、組み込み工程S330として、初期研磨工程S320を経た第1及び第2サイドレール73a,73bを、スペーサエキスパンダ76sと共に、ピストン30に組み込む。この際、第1外周面82a,第2外周面82bが、第1及び第2サイドレールの幅方向73a,73bに傾く。これは第1外周面82a,第2外周面82bが傾斜することで縮径するとも言える。結果、第1及び第2サイドレール73a,73bの内周面よりも、第1外周面82a,第2外周面82bが互いに接近した状態となる。なお、この第1外周面82a,第2外周面82bの傾斜角度は、0.25度以上とすることが好ましい。 Next, as shown in FIG. 18C, as the assembling step S330, the first and second side rails 73a and 73b that have undergone the initial polishing step S320 are incorporated into the piston 30 together with the spacer expander 76s. At this time, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are inclined in the width directions 73a and 73b of the first and second side rails. It can be said that the diameter is reduced by inclining the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b. As a result, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are closer to each other than the inner peripheral surfaces of the first and second side rails 73a and 73b. The inclination angle of the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b is preferably 0.25 degrees or more.

次に、図18(D)に示すように、なじみ運転工程S340として、内燃機関を通常運転することで、組み込み工程S330を経たオイルリング70を、内燃機関のシリンダボア10と摺動させる。この摺動によって、第1外周面82a,第2外周面82bに形成される実当たり面のオイルリングの軸方向外側領域82a−1,82b−1を、オイルリングの軸方向内側領域82a−2,82b−2よりも多く摩滅させる。結果、第1外周面82a,第2外周面82bに対して、径方向外側に凸となる最終バレル形状が作り込まれる。この最終バレル形状は、組み込み工程S330において第1外周面82a,第2外周面82bに生じた傾斜角が、減少またはほとんど無くなった状態となる。 Next, as shown in FIG. 18D, as the familiar operation step S340, the internal combustion engine is normally operated, so that the oil ring 70 that has undergone the incorporation step S330 is slid with the cylinder bore 10 of the internal combustion engine. By this sliding, the axial outer regions 82a-1 and 82b-1 of the oil ring of the actual contact surface formed on the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are formed in the axial inner region 82a-2 of the oil ring. , 82b-2 wears more than. As a result, a final barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b is formed. This final barrel shape is in a state in which the inclination angles generated on the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b in the assembling step S330 are reduced or almost eliminated.

なお、なじみ運転工程S340の後において、第1外周面82a,第2外周面82bに形成される実当たり面のオイルリングの軸方向外側縁88a,88bの軟質層200a,200bの残存厚さOa,Obは、第1外周面82a,第2外周面82bにおけるオイルリングの軸方向内側縁89a,89bの軟質層の残存厚さIa,Ibよりも小さくなる。この残存厚さの差異(Ia−Oa,Ib−Ob)は、1μm以上に設定されることが好ましい。なお、初期研磨工程S320における最大研磨代Sm(図18(B)参照)と比較して、なじみ運転工程S340における最大摩滅代Lm(図18(D)参照)のほうが大きくなるようにしてもよい。 After the familiar operation step S340, the residual thickness Oa of the soft layers 200a and 200b of the axial outer edges 88a and 88b of the oil ring of the actual contact surface formed on the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b. , Ob is smaller than the residual thicknesses Ia and Ib of the soft layers of the axial inner edges 89a and 89b of the oil ring on the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b. This difference in residual thickness (Ia-Oa, Ib-Ob) is preferably set to 1 μm or more. The maximum abrasion allowance Lm (see FIG. 18D) in the familiar operation step S340 may be larger than the maximum polishing allowance Sm in the initial polishing step S320 (see FIG. 18B). ..

以上の結果、なじみ運転工程後の状態において、シリンダボア10に対して第1外周面82a,第2外周面82bが接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅が0.15mm以上となる。 As a result of the above, in the state after the familiar operation step, the actual contact width in the axial direction of the actual contact surface where the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b can come into contact with the cylinder bore 10 is 0.15 mm or more.

なお、上記第1の作り込み方法では、軟質層形成工程S310を経てから、初期研磨工程S320を行うようにしたが、これに限定されない。初期研磨工程S320を行ってから、軟質層形成工程S310を実行することも可能である。 In the above-mentioned first preparation method, the initial polishing step S320 is performed after passing through the soft layer forming step S310, but the present invention is not limited to this. It is also possible to perform the soft layer forming step S310 after performing the initial polishing step S320.

図18(D)によって完成したオイルリング70をピストン30から取り外し、更に、スペーサエキスパンダ76sから分離・独立させた第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの第1外周面82a,第2外周面82bの状態を図22(A)に示す。スペーサエキスパンダ76sによる付勢から解放された第1サイドレール73a,第2サイドレール73bは、傾斜状態から復帰する。 The oil ring 70 completed according to FIG. 18D is removed from the piston 30, and further separated and separated from the spacer expander 76s, the first side rail 73a, the second side rail 73b, the first outer peripheral surface 82a, and the second outer circumference. The state of the surface 82b is shown in FIG. 22 (A). The first side rail 73a and the second side rail 73b released from the urging by the spacer expander 76s return from the inclined state.

第1外周面82a,第2外周面82bを断面視する際、径方向外側に最も突出する場所を第1頂点Za、第2頂点Zbと定義する。第1頂点Za及び第2頂点Zbの位置と、実当たり面のオイルリングの軸方向外側縁88a,88bの位置の径方向差(外縁側径方向差)Va−1、Vb−1は、1.5μm〜5.0μmの範囲内に設定される。Va−1、Vb−1は好ましく2.0μm〜4.0μmの範囲内となる。一方、第1頂点Za及び第2頂点Zbの位置と、実当たり面のオイルリングの軸方向内側縁89a,89bの位置の径方向差(内縁側径方向差)Va−2、Vb−2は、0.0μm〜1.5μmの範囲内に設定される。Va−2、Vb−2は好ましく0.1μm〜1.0μmの範囲内となる。なお、Va−2、Vb−2が0.0μmになる場合とは、第1頂点Za及び第2頂点Zbが、実当たり面のオイルリングの軸方向内側縁89a,89bに一致する場合を意味する。また、外縁側径方向差Va−1、Vb−1は、内縁側径方向差Va−2、Vb−2よりも大きく設定されており(Va−1>Va−2、Vb−1>Vb−2)、より具体的に、内縁側径方向差は、内縁側径方向差と比較して3倍以上となることが好ましく、より望ましくは4倍以上とする。 When the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are cross-sectionally viewed, the locations most protruding outward in the radial direction are defined as the first vertex Za and the second vertex Zb. The radial difference (outer edge side radial difference) Va-1 and Vb-1 between the positions of the first vertex Za and the second vertex Zb and the positions of the axial outer edges 88a and 88b of the oil ring on the actual contact surface is 1. It is set in the range of .5 μm to 5.0 μm. Va-1 and Vb-1 are preferably in the range of 2.0 μm to 4.0 μm. On the other hand, the radial difference (inner edge side radial difference) Va-2 and Vb-2 between the positions of the first vertex Za and the second vertex Zb and the positions of the axial inner edges 89a and 89b of the oil ring on the actual contact surface is , 0.0 μm to 1.5 μm. Va-2 and Vb-2 are preferably in the range of 0.1 μm to 1.0 μm. The case where Va-2 and Vb-2 are 0.0 μm means that the first apex Za and the second apex Zb coincide with the axial inner edges 89a and 89b of the oil ring on the actual contact surface. To do. Further, the outer edge side radial difference Va-1 and Vb-1 are set to be larger than the inner edge side radial difference Va-2 and Vb-2 (Va-1> Va-2, Vb-1> Vb-. 2) More specifically, the inner edge side radial difference is preferably 3 times or more, more preferably 4 times or more, as compared with the inner edge side radial difference.

具体的に、実施例2のオイルリングB(実当たり幅0.250mm)では、外縁側径方向差がVa−1=2.4μm、Vb−1=2.0μmとなり、内縁側径方向差がVa−2=0.5μm、Vb−2=0.2μmとなった。 Specifically, in the oil ring B (actual contact width 0.250 mm) of Example 2, the outer edge side radial difference is Va-1 = 2.4 μm and Vb-1 = 2.0 μm, and the inner edge side radial difference is. Va-2 = 0.5 μm and Vb-2 = 0.2 μm.

<オイルリングの外周面の形状の第2の作り込み方法> <Second method of making the shape of the outer peripheral surface of the oil ring>

次に、図3(A)で説明した3ピースタイプのオイルリング70について、その外周面の弱バレル形状を作り込む第2の詳細手順について図19及び図20を参照して説明する。なお、図20では、外周面の径方向断面形状を拡大して示しているが、幅方向の拡大率に対して径方向の拡大率を大幅に大きくすることで、バレル形状を誇張表示している。 Next, regarding the three-piece type oil ring 70 described with reference to FIG. 3 (A), a second detailed procedure for forming a weak barrel shape on the outer peripheral surface thereof will be described with reference to FIGS. 19 and 20. Although the radial cross-sectional shape of the outer peripheral surface is enlarged and shown in FIG. 20, the barrel shape is exaggeratedly displayed by significantly increasing the radial enlargement ratio with respect to the widthwise enlargement ratio. There is.

図20(A)に示すように、軟質層形成工程S410として、スペーサエキスパンダ76sから取り外された独立状態の第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの第1外周面82a,第2外周面82bに対して、後述するなじみ運転工程で摩滅可能な低硬度の軟質層200a、200bを形成する。この軟質層200a,200bは、Crめっき処理、ニッケルめっき処理(Ni−Pめっき処理)、亜鉛めっき処理、ガス窒化処理、低硬度DLC処理、軟質樹脂被覆等によって、表面硬さを1500Hv以下に形成すれば良い。なお、この軟質層の厚さは3μm以上が好ましく、より望ましくは5μm以上とする。 As shown in FIG. 20 (A), as the soft layer forming step S410, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface of the independent first side rail 73a and the second side rail 73b removed from the spacer expander 76s. With respect to 82b, soft layers 200a and 200b having low hardness that can be worn away in a familiar operation step described later are formed. The surface hardness of the soft layers 200a and 200b is formed to 1500 Hv or less by Cr plating treatment, nickel plating treatment (Ni-P plating treatment), galvanization treatment, gas nitriding treatment, low hardness DLC treatment, soft resin coating and the like. Just do it. The thickness of this soft layer is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more.

次に、図20(B)に示すように、事前組み込み工程S420として、スペーサエキスパンダ76s又はこれと近似する治具に、第1及び第2サイドレール73a,73bを組み込む。この際、第1外周面82a,第2外周面82bが、第1及び第2サイドレールの幅方向73a,73bに傾く。これは第1外周面82a,第2外周面82bが傾斜することで縮径するとも言える。結果、第1及び第2サイドレール73a,73bの内周面よりも、第1外周面82a,第2外周面82bが互いに接近した状態となる。なお、この第1外周面82a,第2外周面82bの傾斜角度は、0.25度以上とすることが好ましい。 Next, as shown in FIG. 20B, as the pre-assembly step S420, the first and second side rails 73a and 73b are incorporated into the spacer expander 76s or a jig similar thereto. At this time, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are inclined in the width directions 73a and 73b of the first and second side rails. It can be said that the diameter is reduced by inclining the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b. As a result, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are closer to each other than the inner peripheral surfaces of the first and second side rails 73a and 73b. The inclination angle of the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b is preferably 0.25 degrees or more.

次いで、図20(C)に示すように、初期研磨工程S430として、スペーサエキスパンダ76s又はこれに近似する治具に組付けられた第1及び第2サイドレール73a,73bの第1外周面82a,第2外周面82bを、研磨工具によって研磨する。結果、第1外周面82a,第2外周面82bにおけるオイルリングの軸方向外側領域82a−1,82b−1を、オイルリングの軸方向内側領域82a−2,82b−2よりも多く研磨する。これにより、第1外周面82a,第2外周面82bに対して、径方向外側に凸となる初期バレル形状が作り込まれる。この初期バレル形状は、組み込み工程S330において第1外周面82a,第2外周面82bに生じた傾斜角が、減少またはほとんど無くなった状態となる。この研磨処理は、いわゆるラッピング処理であり、第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの外径と近似する円筒状の内周面を有する工具に対して、砥粒を介在させながら、第1外周面82a,第2外周面82bを相対移動させる。 Next, as shown in FIG. 20C, as the initial polishing step S430, the first outer peripheral surfaces 82a of the first and second side rails 73a and 73b assembled to the spacer expander 76s or a jig similar thereto. , The second outer peripheral surface 82b is polished with a polishing tool. As a result, the axially outer regions 82a-1 and 82b-1 of the oil ring on the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are polished more than the axial inner regions 82a-2 and 82b-2 of the oil ring. As a result, an initial barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b is formed. This initial barrel shape is in a state in which the inclination angles generated on the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b in the assembling step S330 are reduced or almost eliminated. This polishing process is a so-called lapping process, and is a first process in which abrasive grains are interposed in a tool having a cylindrical inner peripheral surface that is close to the outer diameter of the first side rail 73a and the second side rail 73b. The outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are relatively moved.

なお、初期研磨工程S430の後において、第1外周面82a,第2外周面82bに形成される当たり面(被研磨面)におけるオイルリングの軸方向外側縁88a,88bの軟質層200a,200bの残存厚さOa,Obは、第1外周面82a,第2外周面82bにおけるオイルリングの軸方向内側縁89a,89bの軟質層の残存厚さIa,Ibよりも小さくなる。この残存厚さの差異(Ia−Oa,Ib−Ob)は、1μm以上に設定されることが好ましい。 After the initial polishing step S430, the soft layers 200a and 200b of the axially outer edges 88a and 88b of the oil ring on the contact surfaces (surfaces to be polished) formed on the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b. The residual thicknesses Oa and Ob are smaller than the residual thicknesses Ia and Ib of the soft layers of the axial inner edges 89a and 89b of the oil ring on the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b. This difference in residual thickness (Ia-Oa, Ib-Ob) is preferably set to 1 μm or more.

次に、図20(D)に示すように、最終組み込み工程S440として、初期研磨工程S430を経た第1サイドレール73a,第2サイドレール73bを、スペーサエキスパンダ76sと共にピストンに組み込む。 Next, as shown in FIG. 20 (D), as the final assembling step S440, the first side rail 73a and the second side rail 73b that have undergone the initial polishing step S430 are incorporated into the piston together with the spacer expander 76s.

更に図20(D)に示すように、なじみ運転工程S450として、内燃機関を通常運転することで、最終組み込み工程S440を経たオイルリング70を、内燃機関のシリンダボア10と摺動させる。この摺動によって、第1外周面82a,第2外周面82bを摩滅させて、径方向外側に凸となる最終バレル形状が作り込まれる。 Further, as shown in FIG. 20 (D), as the familiar operation step S450, the internal combustion engine is normally operated, so that the oil ring 70 that has undergone the final assembly step S440 is slid with the cylinder bore 10 of the internal combustion engine. By this sliding, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are worn away, and a final barrel shape that is convex outward in the radial direction is created.

以上の結果、なじみ運転工程後の状態において、シリンダボア10に対して第1外周面82a,第2外周面82bが接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅が0.15mm以上となる。 As a result of the above, in the state after the familiar operation step, the actual contact width in the axial direction of the actual contact surface where the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b can come into contact with the cylinder bore 10 is 0.15 mm or more.

なお、初期研磨工程S430と最終組み込み工程S440の間では、一旦、第1サイドレール73a,第2サイドレール73bをスペーサエキスパンダ76s又は治具から分解する必要がある。図21に示すように、初期研磨工程S430後に張力が解放された第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの第1外周面82a,第2外周面82bは、対となる第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの幅方向外側に傾斜する。即ち、第1外周面82a,第2外周面82bの実当たり面は、軸方向外側領域82a−1,82b−1と、軸方向内側領域82a−2,82b−2が非対称な形状となる。従って、その後の最終組み込み工程S440において、第1サイドレール73aと第2サイドレール73bを対向させる方向を誤らないようにするために、第1サイドレール73a,第2サイドレール73bに対して、対向側(軸方向内側)を判別できるような印を付すことが好ましい。 Between the initial polishing step S430 and the final assembly step S440, it is necessary to temporarily disassemble the first side rail 73a and the second side rail 73b from the spacer expander 76s or the jig. As shown in FIG. 21, the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b of the first side rail 73a and the second side rail 73b whose tension is released after the initial polishing step S430 are paired with the first side rail 73a. , The second side rail 73b is inclined outward in the width direction. That is, the actual contact surfaces of the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b have an asymmetrical shape between the axial outer regions 82a-1 and 82b-1 and the axial inner regions 82a-2 and 82b-2. Therefore, in the subsequent final assembly step S440, the first side rail 73a and the second side rail 73b are opposed to the first side rail 73a and the second side rail 73b so as not to make a mistake in the direction in which the first side rail 73a and the second side rail 73b face each other. It is preferable to add a mark so that the side (inside in the axial direction) can be identified.

なお、初期研磨工程S320における最大研磨代Sm(図20(C)参照)と比較して、なじみ運転工程S450における最大摩滅代Lm(図20(D)参照)のほうが小さくなるようにしてもよい。 The maximum abrasion allowance Lm (see FIG. 20D) in the familiar operation step S450 may be smaller than the maximum polishing allowance Sm in the initial polishing step S320 (see FIG. 20C). ..

なお、上記第2の作り込み方法では、軟質層形成工程S410を経てから、初期研磨工程S430を行うようにしたが、これに限定されない。初期研磨工程S430におけるラッピング処理の場合、軟質層を形成することなく、母材の表面を直接的に切削加工することが可能である。一方で、なじみ運転工程S450において摩滅を生じさせるためには、あらかじめ、軟質層200a,200bの形成が必要となる。従って、初期研磨工程S430を行ってから、なじみ運転工程S450の前に軟質層形成工程を実行することも可能である。この場合は、軟質層200a,200bの厚さは小さくて済み、例えば、3μm以下にすることができる。 In the above-mentioned second making method, the initial polishing step S430 is performed after passing through the soft layer forming step S410, but the present invention is not limited to this. In the case of the lapping process in the initial polishing step S430, the surface of the base metal can be directly cut without forming a soft layer. On the other hand, in order to cause wear in the familiar operation step S450, it is necessary to form the soft layers 200a and 200b in advance. Therefore, it is also possible to perform the soft layer forming step after performing the initial polishing step S430 and before the familiar operation step S450. In this case, the thickness of the soft layers 200a and 200b can be small, for example, 3 μm or less.

図20(D)によって完成したオイルリング70をピストン30から取り外し、更に、スペーサエキスパンダ76sから分離・独立させた第1サイドレール73a,第2サイドレール73bの第1外周面82a,第2外周面82bの状態を図22(B)に示す。スペーサエキスパンダ76sによる付勢から解放された第1サイドレール73a,第2サイドレール73bは、傾斜状態から復帰する。 The oil ring 70 completed according to FIG. 20 (D) is removed from the piston 30, and the first side rail 73a and the second side rail 73b are separated and separated from the spacer expander 76s. The state of the surface 82b is shown in FIG. 22 (B). The first side rail 73a and the second side rail 73b released from the urging by the spacer expander 76s return from the inclined state.

第1外周面82a,第2外周面82bを断面視する際、径方向外側に最も突出する場所を第1頂点Za、第2頂点Zbと定義する。第1頂点Za及び第2頂点Zbの位置と、実当たり面のオイルリングの軸方向外側縁88a,88bの位置の径方向差(外縁側径方向差)Va−1、Vb−1は、1.5μm〜5.0μmの範囲内に設定される。Va−1、Vb−1は好ましく2.0μm〜4.0μmの範囲内となる。一方、第1頂点Za及び第2頂点Zbの位置と、実当たり面のオイルリングの軸方向内側縁89a,89bの位置の径方向差(内縁側径方向差)Va−2、Vb−2は、0.0μm〜1.5μmの範囲内に設定される。Va−2、Vb−2は好ましく0.1μm〜1.0μmの範囲内となる。なお、Va−2、Vb−2が0.0μmになる場合とは、第1頂点Za及び第2頂点Zbが、実当たり面のオイルリングの軸方向内側縁89a,89bに一致する場合を意味する。また、外縁側径方向差Va−1、Vb−1は、内縁側径方向差Va−2、Vb−2よりも大きく設定されており(Va−1>Va−2、Vb−1>Vb−2)、より具体的に、内縁側径方向差は、内縁側径方向差と比較して3倍以上となることが好ましく、より望ましくは4倍以上とする。 When the first outer peripheral surface 82a and the second outer peripheral surface 82b are cross-sectionally viewed, the locations most protruding outward in the radial direction are defined as the first vertex Za and the second vertex Zb. The radial difference (outer edge side radial difference) Va-1 and Vb-1 between the positions of the first vertex Za and the second vertex Zb and the positions of the axial outer edges 88a and 88b of the oil ring on the actual contact surface is 1. It is set in the range of .5 μm to 5.0 μm. Va-1 and Vb-1 are preferably in the range of 2.0 μm to 4.0 μm. On the other hand, the radial difference (inner edge side radial difference) Va-2 and Vb-2 between the positions of the first vertex Za and the second vertex Zb and the positions of the axial inner edges 89a and 89b of the oil ring on the actual contact surface is , 0.0 μm to 1.5 μm. Va-2 and Vb-2 are preferably in the range of 0.1 μm to 1.0 μm. The case where Va-2 and Vb-2 are 0.0 μm means that the first apex Za and the second apex Zb coincide with the axial inner edges 89a and 89b of the oil ring on the actual contact surface. To do. Further, the outer edge side radial difference Va-1 and Vb-1 are set to be larger than the inner edge side radial difference Va-2 and Vb-2 (Va-1> Va-2, Vb-1> Vb-. 2) More specifically, the inner edge side radial difference is preferably 3 times or more, more preferably 4 times or more, as compared with the inner edge side radial difference.

具体的に、実施例2のオイルリングA(実当たり幅0.350mm)では、外縁側径方向差がVa−1=3.4μm、Vb−1=3.6μmとなり、内縁側径方向差がVa−2=0.5μm、Vb−2=0.2μmとなった。 Specifically, in the oil ring A (actual contact width 0.350 mm) of Example 2, the outer edge side radial difference is Va-1 = 3.4 μm and Vb-1 = 3.6 μm, and the inner edge side radial difference is. Va-2 = 0.5 μm and Vb-2 = 0.2 μm.

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

10 シリンダボア
12 内壁面
30 ピストン
40 ピストンリング
50 トップリング
60 セカンドリング
70 オイルリング
73a,73b サイドレール
76s スペーサエキスパンダ
82 外周面
82A 上方側外周面
200a、200b 軟質層
200a,200b 軟質層
10 Cylinder bore 12 Inner wall surface 30 Piston 40 Piston ring 50 Top ring 60 Second ring 70 Oil ring 73a, 73b Side rail 76s Spacer expander 82 Outer peripheral surface 82A Upper outer peripheral surface 200a, 200b Soft layer 200a, 200b Soft layer

Claims (13)

シリンダ、ピストン及びピストンリングを有する内燃機関の摺動構造であって、
前記ピストンリングは、トップリング及びオイルリングを有しており、
前記シリンダに対して前記トップリング又は前記オイルリングが接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅が0.05mm以上となっており、
前記実当たり面と前記シリンダの間に作用する面圧が2.0MPa以下となることを特徴とする
内燃機関の摺動構造。
A sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder, a piston and a piston ring.
The piston ring has a top ring and an oil ring.
The actual contact width in the axial direction of the actual contact surface on which the top ring or the oil ring can come into contact with the cylinder is 0.05 mm or more.
A sliding structure of an internal combustion engine, characterized in that the surface pressure acting between the actual contact surface and the cylinder is 2.0 MPa or less.
シリンダ、ピストン及びピストンリングを有する内燃機関の摺動構造であって、
前記ピストンリングは、トップリング及びオイルリングを有しており、
前記トップリング又は前記オイルリングの最外周縁から径方向内側に0.5μmオフセットした基準円筒よりも外側に位置する部分外周面を、前記シリンダに対する前記トップリング又は前記オイルリングの仮想実当たり面として定義する際に、前記仮想実当たり面における軸方向の仮想実当たり幅が0.05mm以上となっており、
前記仮想実当たり面と前記シリンダの間に作用する面圧が、2.0MPa以下となることを特徴とする
内燃機関の摺動構造。
A sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder, a piston and a piston ring.
The piston ring has a top ring and an oil ring.
A partial outer peripheral surface located outside the reference cylinder, which is offset inward by 0.5 μm in the radial direction from the outermost peripheral edge of the top ring or the oil ring, is used as a virtual actual contact surface of the top ring or the oil ring with respect to the cylinder. At the time of definition, the virtual actual contact width in the axial direction on the virtual actual contact surface is 0.05 mm or more.
A sliding structure of an internal combustion engine, characterized in that the surface pressure acting between the virtual actual contact surface and the cylinder is 2.0 MPa or less.
前記内燃機関に用いられる潤滑油の100℃の動粘度が16.3[mm2/s]未満であることを特徴とする、
請求項1または2に記載の内燃機関の摺動構造。
The lubricating oil used in the internal combustion engine has a kinematic viscosity at 100 ° C. of less than 16.3 [mm2 / s].
The sliding structure of an internal combustion engine according to claim 1 or 2.
ストローク中に前記トップリング又は前記オイルリングが最高速度で通過する通過点において、静電容量法で測定される油膜厚さが、0.5μm〜4.0μmとなることを特徴とする、
請求項1ないし3のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The oil film thickness measured by the capacitance method is 0.5 μm to 4.0 μm at a passing point through which the top ring or the oil ring passes at the maximum speed during the stroke.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3.
前記シリンダの摺動面の表面粗さをRa(μm)と定義する場合に、ストローク中に前記トップリング又は前記オイルリングが最高速度で通過する通過点において、修正レイノルズ方程式で算出される油膜厚さが3.0×Ra(μm)以上となることを特徴とする、
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
When the surface roughness of the sliding surface of the cylinder is defined as Ra (μm), the oil film thickness calculated by the modified Reynolds equation at the passing point where the top ring or the oil ring passes at the maximum speed during the stroke. The feature is that the value is 3.0 × Ra (μm) or more.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4.
前記トップリングの面圧が、0.3MPa以下となることを特徴とする、
請求項1ないし5のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The surface pressure of the top ring is 0.3 MPa or less.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5.
前記オイルリングの面圧が、1.4MPa以下となることを特徴とする、
請求項1ないし6のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The surface pressure of the oil ring is 1.4 MPa or less.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6.
前記オイルリングが、3ピースタイプであることを特徴とする、
請求項1ないし7のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The oil ring is a three-piece type.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7.
前記トップリングの面圧に対して、前記オイルリングの面圧が3倍以下となることを特徴とする、
請求項1ないし8のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The surface pressure of the oil ring is 3 times or less the surface pressure of the top ring.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8.
前記トップリング又は前記オイルリングの前記実当たり面または前記仮想実当たり面における、周方向に沿って移動する際の径方向の変位量が、10μm以下であることを特徴とする、
請求項1ないし9のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The amount of displacement in the radial direction when moving along the circumferential direction on the actual contact surface or the virtual actual contact surface of the top ring or the oil ring is 10 μm or less.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 9.
前記内燃機関は、ガソリンエンジンであることを特徴とする、
請求項1ないし10のいずれか一項に記載の内燃機関の摺動構造。
The internal combustion engine is a gasoline engine.
The sliding structure of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 10.
シリンダ、ピストン及びピストンリングを有する内燃機関の摺動構造の作り込み方法であって、
前記ピストンリングは、第1及び第2サイドレール並びに前記第1及び第2サイドレールを保持する保持部材を有する3ピースタイプのオイルリングを有しており、
前記保持部材から独立した状態の前記第1サイドレールの第1外周面及び前記第2サイドレールの第2外周面を、研磨工具によって研磨することで、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる初期バレル形状を作り込む初期研磨工程と、
前記初期研磨工程を経た前記第1及び第2サイドレールを前記保持部材と共に前記ピストンに組み込むことにより、前記第1外周面及び前記第2外周面を前記第1及び第2サイドレールの幅方向に傾けて、前記第1外周面及び前記第2外周面を互いに接近させる組み込み工程と、
前記組み込み工程を経た前記オイルリングを前記内燃機関のシリンダと摺動させることで、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向外側領域を、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側領域よりも多く摩滅させて、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる最終バレル形状を作り込むなじみ運転工程と、を経ることにより、
前記シリンダに対して前記オイルリングが接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅を0.05mm以上とし、かつ、前記実当たり面と前記シリンダの間に作用する面圧が2.0MPa以下とすることを特徴とする
内燃機関の摺動構造の作り込み方法。
It is a method of making a sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder, a piston and a piston ring.
The piston ring has a three-piece type oil ring having a holding member for holding the first and second side rails and the first and second side rails.
By polishing the first outer peripheral surface of the first side rail and the second outer peripheral surface of the second side rail in a state independent of the holding member with a polishing tool, the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are polished. The initial polishing process to create the initial barrel shape that is convex outward in the radial direction,
By incorporating the first and second side rails that have undergone the initial polishing step into the piston together with the holding member, the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are aligned in the width direction of the first and second side rails. An assembling step in which the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are brought close to each other by tilting.
By sliding the oil ring that has undergone the assembling step with the cylinder of the internal combustion engine, the axially outer region of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface is formed on the first outer peripheral surface and the first outer peripheral surface. A familiar operation step in which the oil ring is worn more than the axially inner region of the oil ring on the second outer peripheral surface to form a final barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. By going through
The actual contact width in the axial direction of the actual contact surface that the oil ring can contact the cylinder is 0.05 mm or more, and the surface pressure acting between the actual contact surface and the cylinder is 2.0 MPa or less. A method of making a sliding structure of an internal combustion engine.
シリンダ、ピストン及びピストンリングを有する内燃機関の摺動構造の作り込み方法であって、
前記ピストンリングは、第1及び第2サイドレール並びに前記第1及び第2サイドレールを保持する保持部材を有する3ピースタイプのオイルリングを有しており、
前記保持部材又は該保持部材と近似する治具に前記第1及び第2サイドレールを組み込むことにより、前記第1外周面及び前記第2外周面を前記第1及び第2サイドレールの幅方向に傾けて、前記第1外周面及び前記第2外周面を互いに接近させる事前組み込み工程と、
研磨工具を利用することで、前記第1外周面及び前記第2外周面の前記オイルリングの軸方向外側領域を、前記第1外周面及び前記第2外周面における前記オイルリングの軸方向内側領域よりも多く研磨して、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる初期バレル形状を作り込む初期研磨工程と、
前記初期研磨工程を経た前記第1及び第2サイドレールを前記保持部材と共に前記ピストンに組み込む最終組み込み工程と、
前記最終組み込み工程を経た前記オイルリングを前記内燃機関のシリンダと摺動させることで前記第1外周面及び前記第2外周面を摩滅させて、前記第1外周面及び前記第2外周面に対して径方向外側に凸となる最終バレル形状を作り込むなじみ運転工程と、を経ることにより、
前記シリンダに対して前記オイルリングが接触し得る実当たり面の軸方向の実当たり幅を0.05mm以上とし、かつ、前記実当たり面と前記シリンダの間に作用する面圧が2.0MPa以下とすることを特徴とする
内燃機関の摺動構造の作り込み方法。
It is a method of making a sliding structure of an internal combustion engine having a cylinder, a piston and a piston ring.
The piston ring has a three-piece type oil ring having a holding member for holding the first and second side rails and the first and second side rails.
By incorporating the first and second side rails into the holding member or a jig similar to the holding member, the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are oriented in the width direction of the first and second side rails. A pre-assembly step of tilting the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface to bring them closer to each other.
By using a polishing tool, the axially outer region of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface can be changed to the axial inner region of the oil ring on the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface. An initial polishing step of polishing more than the first to form an initial barrel shape that is radially outwardly convex with respect to the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface.
A final assembling step of incorporating the first and second side rails that have undergone the initial polishing step into the piston together with the holding member.
By sliding the oil ring that has undergone the final assembly step with the cylinder of the internal combustion engine, the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are worn away, and the first outer peripheral surface and the second outer peripheral surface are subjected to. By going through the familiar operation process of creating the final barrel shape that is convex outward in the radial direction.
The actual contact width in the axial direction of the actual contact surface that the oil ring can contact the cylinder is 0.05 mm or more, and the surface pressure acting between the actual contact surface and the cylinder is 2.0 MPa or less. A method of making a sliding structure of an internal combustion engine.
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