(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-06
(45)【発行日】2023-06-14
(54)【発明の名称】コンプレッションリング
(51)【国際特許分類】
F16J 9/20 20060101AFI20230607BHJP
F02F 5/00 20060101ALI20230607BHJP
【ＦＩ】
F16J9/20
F02F5/00 E
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2022555173
(86)(22)【出願日】2022-09-08
(86)【国際出願番号】 JP2022033776
【審査請求日】2022-09-21
【早期審査対象出願】
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000215785
【氏名又は名称】ＴＰＲ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002860
【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】長倉 弘幸
(72)【発明者】
【氏名】大浦 信輔
(72)【発明者】
【氏名】青木 隆
(72)【発明者】
【氏名】米山 修
(72)【発明者】
【氏名】川合 清行
【審査官】鶴江 陽介
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－０５９５０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－０９７９０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１７９５７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５１－１３７００４（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｆ ５／００
Ｆ０２Ｂ ４３／１０
Ｆ１６Ｊ ９／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素ガス燃料を使用する火花点火機関に用いられ、シリンダに装着されるピストンのピストンリング溝に組み付けられるコンプレッションリングであって、前記コンプレッションリングは、外周形状がバレル形状又は偏心バレル形状であり、
前記コンプレッションリングの外周摺動面を評価するために往復動摩擦試験機を用いて下記の試験条件で行う耐摩耗性試験に於いて、
軸受油を１ｍＬ／時と蒸留水を０．５ｍＬ／時とを滴下し６０分間試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＷ１（μｍ）とし、
前記軸受油のみを１ｍＬ／時で滴下し６０分間試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＯ１（μｍ）とし、
Ｔ（μｍ）＝ＴＷ１－ＴＯ１ としたときに、
Ｔ≦１０
を充足し、
前記コンプレッションリングの張力をＦt（Ｎ）、前記コンプレッションリングの外周
摺動面の軸方向長さをＳ１３（ｍｍ）とし、
前記ピストンを、前記コンプレッションリング外周とシリンダボアとが当接するように設置した場合における、前記シリンダボア内径をＤ（ｍｍ）、前記コンプレッションリングの上接続点と前記シリンダボア内壁との径方向距離をａ１１（ｍｍ）、前記コンプレッションリングの下接続点と前記シリンダボア内壁との径方向距離をａ１２（ｍｍ）とし、
Ｆｄ＝Ｆt／Ｄ、
落差ｈ＝（ａ１１＋ａ１２）／２、
外周傾斜度ＯＳｔ＝ｈ／（Ｓ１３／２）、
摩耗指数Ｍ＝Ｔ×Ｆｄ×ＯＳｔ
としたとき、
Ｍ≦０．０９
を充足する、コンプレッションリング。
（耐摩耗性試験の試験条件
ストローク：５０ｍｍ
荷重：１００Ｎ
速度：６００ｃｙｃｌｅ／分
上試験片の温度管理：室温
下試験片の温度管理：室温
軸受油：シェル ルブリカンツ ジャパン社 シェル テトラオイル２ＳＰ
軸受油の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が１ｍＬ／時となるように管理
蒸留水の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が０．５ｍＬ／時となるように管理
試験時間：６０分
なお、下記条件で慣らし運転を実施した後試験する。
荷重：２０Ｎ
速度：１００ｃｙｃｌｅ／分
試験前上試験片の温度：室温
試験前下試験片の温度：室温
軸受油：シェル ルブリカンツ ジャパン社 シェル テトラオイル２ＳＰ
軸受油の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が０．０８ｍＬ／５分となるように管理
試験時間：５分）
【請求項2】
前記外周摺動面の表面のビッカース硬さをＡ（ＨＶ０．１）としたときに、Ａ／Ｔ≧１００
を充足する、請求項１に記載のコンプレッションリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水素ガス燃料を使用する火花点火機関に用いられるコンプレッションリングに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ＣＯ２排出量及び化石燃料の使用量削減が要求されており、環境負荷の観点から、燃料に水素ガス、又は、水素ガスと他の燃料とを混合した燃料（以下、両者を合わせて水素ガス燃料とも称する。）を使用する内燃機関に関する技術が検討されている。
【0003】
これに関連して、例えば特許文献１には、水素エンジンに用いられる部材として、水素脆性破壊を抑制するために、ステンレス鋼を素材とした被覆層を設けた部材が開示されている。
特許文献２には、水素ガスの燃焼により発生する水蒸気による部材の錆びを防ぐために、物理的及び化学的処理を施した水素エンジン用部材が開示されている。
また、特許文献３には、通常の水素エンジンでは水蒸気の凝縮を踏まえてのシリンダの冷却は行われていないことが示されており、燃焼室を形成するシリンダ内での水蒸気凝縮を制御するための水素エンジンが開示されている。
特許文献２には、水素ガスの燃焼により発生する水蒸気による部材の錆びを防ぐために、物理的及び化学的処理を施した水素エンジン用部材が開示されている。
また、特許文献３には、通常の水素エンジンでは水蒸気の凝縮を踏まえてのシリンダの冷却は行われていないことが示されており、燃焼室を形成するシリンダ内での水蒸気凝縮を制御するための水素エンジンが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】実開昭５１－１３７００４号公報
【文献】特開昭５１－０８１２０３号公報
【文献】特開２００３－０１３７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
水素ガス燃料を使用する火花点火機関においては、ガソリン燃料を使用する場合と異なり、気化潜熱が発生しない、又は気化潜熱の発生量が小さいため、ピストンリング、シリンダボア、ピストン等の各部品の温度が上昇する。その結果、部品表面の温度も高くなるため、摺動部に介在する潤滑油の温度も高くなり、油膜が切れやすくなることでピストンリングの摩耗量が増加し、特に燃焼室に近い側に位置するコンプレッションリングの外周面の摩耗に影響があること、また、水素ガス燃料を使用することにより、燃焼時に多くの水が発生し、水と潤滑油とが混ざることによっても、ピストンリング及びシリンダボアの摺動環境が悪化する場合があることを本発明者らは見出した。
そして、コンプレッションリングの外周面が摩耗することにより、バレル、テーパなどの外周面の形状が早期に失われ、コンプレッションリングの主な役割の一つであるシリンダボアと外周面のシール性能が大幅に低下する場合があること、また、コンプレッションリングの張力低下もシール性能を低下させることを、本発明者らは見出した。
本発明は、このような状況下でなされたものであり、水素ガス燃料を使用する火花点火機関において、ガソリン燃料使用時とは異なる高温、水分過多という、コンプレッションリングの外周面摩耗に不利な環境下においても、その外周形状を保持しシール性能を維持することが可能なコンプレッションリングを提供することを課題とする。
そして、コンプレッションリングの外周面が摩耗することにより、バレル、テーパなどの外周面の形状が早期に失われ、コンプレッションリングの主な役割の一つであるシリンダボアと外周面のシール性能が大幅に低下する場合があること、また、コンプレッションリングの張力低下もシール性能を低下させることを、本発明者らは見出した。
本発明は、このような状況下でなされたものであり、水素ガス燃料を使用する火花点火機関において、ガソリン燃料使用時とは異なる高温、水分過多という、コンプレッションリングの外周面摩耗に不利な環境下においても、その外周形状を保持しシール性能を維持することが可能なコンプレッションリングを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を進め、ピストンのピストンリング溝に組み付けられるコンプレッションリングであって、耐摩耗性試験に於ける摩耗量が所定の条件を満たすコンプレッションリングによって上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【0007】
本発明は、水素ガス燃料を使用する火花点火機関、特に自動車用エンジンに好適に用いられ、シリンダに装着されるピストンのピストンリング溝に組み付けられるコンプレッションリングであって、
前記コンプレッションリングの外周摺動面を評価するために往復動摩擦試験機を用いて所定の条件で行う耐摩耗性試験に於いて、
軸受油を１ｍＬ／時と蒸留水を０．５ｍＬ／時とを滴下し試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＷ１（μｍ）とし、
前記軸受油のみを１ｍＬ／時で滴下し試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＯ１（μｍ）とし、
Ｔ（μｍ）＝ＴＷ１－ＴＯ１ としたときに、
Ｔ≦１０
を充足するコンプレッションリングである。
前記コンプレッションリングの外周摺動面を評価するために往復動摩擦試験機を用いて所定の条件で行う耐摩耗性試験に於いて、
軸受油を１ｍＬ／時と蒸留水を０．５ｍＬ／時とを滴下し試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＷ１（μｍ）とし、
前記軸受油のみを１ｍＬ／時で滴下し試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＯ１（μｍ）とし、
Ｔ（μｍ）＝ＴＷ１－ＴＯ１ としたときに、
Ｔ≦１０
を充足するコンプレッションリングである。
【0008】
また、前記コンプレッションリングの張力をＦt、前記コンプレッションリングの外周摺動面の軸方向長さをＳ１３とし、
前記ピストンを、前記コンプレッションリング外周とシリンダボアとが当接するように設置した場合における、前記シリンダボア内径をＤ（ｍｍ）、前記コンプレッションリングの上接続点と前記シリンダボア内壁との径方向距離をａ１１（ｍｍ）、前記コンプレッションリングの下接続点と前記シリンダボア内壁との径方向距離をａ１２（ｍｍ）とし、
Ｆｄ＝Ｆt／Ｄ、
落差ｈ＝（ａ１１＋ａ１２）／２、
外周傾斜度ＯＳｔ＝ｈ／（Ｓ１３／２）、
摩耗指数Ｍ＝Ｔ×Ｆｄ×ＯＳｔ
としたとき、
Ｍ≦０．０９
を充足することが好ましい。
前記ピストンを、前記コンプレッションリング外周とシリンダボアとが当接するように設置した場合における、前記シリンダボア内径をＤ（ｍｍ）、前記コンプレッションリングの上接続点と前記シリンダボア内壁との径方向距離をａ１１（ｍｍ）、前記コンプレッションリングの下接続点と前記シリンダボア内壁との径方向距離をａ１２（ｍｍ）とし、
Ｆｄ＝Ｆt／Ｄ、
落差ｈ＝（ａ１１＋ａ１２）／２、
外周傾斜度ＯＳｔ＝ｈ／（Ｓ１３／２）、
摩耗指数Ｍ＝Ｔ×Ｆｄ×ＯＳｔ
としたとき、
Ｍ≦０．０９
を充足することが好ましい。
【0009】
また、前記外周摺動面の表面のビッカース硬さをＡ（ＨＶ０．１）としたときに、
Ａ／Ｔ≧１００
を充足することが好ましい。
Ａ／Ｔ≧１００
を充足することが好ましい。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、水素ガス燃料を使用する火花点火機関において、高温、水分過多の環境下においてもシール性能を維持することが可能なコンプレッションリングを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本実施形態のコンプレッションリングが装着されたピストンの断面模式図である。
【図2】本実施形態のコンプレッションリングの周長方向に直交する断面図である。
【図3】往復動摩擦試験機の構成を示す模式図である。
【図4】触針式表面粗さ測定機で得られるコンプレッションリング外周面の輪郭線と、上接続点及び下接続点の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の一実施形態は、水素ガス燃料を使用する火花点火機関に用いられ、シリンダに装着されるピストンのピストンリング溝に組み付けられるコンプレッションリングである。以下、その構成について図１を用いて説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【0013】
図１は、本実施形態に係るコンプレッションリングが装着された火花点火機関１００Ｙのピストン構造１１０Ｙの断面図の一例である。なお、図１において、図中上側が燃焼室側であり、下側がクランク室側である。図１に示すように、火花点火機関１００Ｙは、シリンダ１０と、シリンダ１０に装着（挿入）されたピストン２０と、ピストン２０に組み付けられた２本のコンプレッションリングＣＲと１本のオイルリングＯＲからなるピストンリングの組み合わせ１２０Ｙと、を備える。
【0014】
ピストン２０にはピストンリング溝が形成され、燃焼室側から第１の溝２０１、第２の溝２０２、及び第３の溝２０３が形成されている。ピストン外周面２０ａとシリンダ１０の内壁面１０ａとの間に所定の距離が確保されることにより、ピストン隙間ＰＣ１が形成されている。リング溝は、ピストン２０の軸回りに環状に延びる溝としてピストン外周面２０ａの全周に形成されている。各リング溝は、上下に対向配置された一対の溝壁（内壁）を含んで形成されている。一対の溝壁のうち、上側の溝壁を上壁Ｗ１と称し、下側の溝壁を下壁Ｗ２と称する。また、各リング溝における、上壁Ｗ１の内周縁と下壁Ｗ２の内周縁とを接続する溝壁を底壁Ｗ３と称する。
【0015】
第１の溝２０１には、燃焼室に最も近い位置に組み付けられるコンプレッションリングであるトップリングＲ１が装着され、第２の溝２０２には、トップリングの次に燃焼室に近い位置に組み付けられるコンプレッションリングであるセカンドリングＲ２が装着され、第３の溝２０３には、燃焼室から最も遠い位置に組み付けられるオイルリングＯＲが装着される。
図１に示す例では、コンプレッションリングとしてセカンドリングＲ２を設けており、セカンドリングＲ２はなくてもよいが、セカンドリングＲ２があることが好ましい。また、コンプレッションリングを３本設ける形態であってもよく、コンプレッションリングを４本設ける形態であってもよい。
オイルリングＯＲは、シリンダ１０の内壁面１０ａを摺動する一対のセグメントＳＧ１と、これらを径方向外側（内壁面１０ａ側）に付勢するスペーサエキスパンダＥＸ１と、を備える。図１に示すオイルリングＯＲはいわゆる３ピース構成のオイルリングであるが、これに限られず、２ピース構成のオイルリングであってよく、オイルリングＯＲを設けない形態であってもよい。
図１に示す例では、コンプレッションリングとしてセカンドリングＲ２を設けており、セカンドリングＲ２はなくてもよいが、セカンドリングＲ２があることが好ましい。また、コンプレッションリングを３本設ける形態であってもよく、コンプレッションリングを４本設ける形態であってもよい。
オイルリングＯＲは、シリンダ１０の内壁面１０ａを摺動する一対のセグメントＳＧ１と、これらを径方向外側（内壁面１０ａ側）に付勢するスペーサエキスパンダＥＸ１と、を備える。図１に示すオイルリングＯＲはいわゆる３ピース構成のオイルリングであるが、これに限られず、２ピース構成のオイルリングであってよく、オイルリングＯＲを設けない形態であってもよい。
【0016】
ピストンは、本実施形態に係るコンプレッションリングを装着するのに適したものであれば特に限定されず、ピストンリングの組み合わせに応じて、第２の溝２０２を有していなくてもよく、第３の溝２０３を有していなくてもよく、また、さらに溝を有していてもよい。
【0017】
次に、本実施形態に係るコンプレッションリングの形状について、図２を例に用いて説明する。図２は、本実施形態に係るコンプレッションリングの周長方向に直交する断面図である。図２に示すコンプレッションリングは、上側に設けられた上面１１と、下側に設けられた下面１２と、上面外周縁Ｅ１０１と下面外周縁Ｅ１０２とを接続する外周面１３と、上面内周縁Ｅ１０３と下面内周縁Ｅ１０４とを接続する内周面１４と、を有する。コンプレッションリングが図１に示すピストンのリング溝に装着された状態、即ち、使用状態にあるとき、上面１１が上側に位置してリング溝の上壁Ｗ１に対向し、下面１２が下側に位置して下壁Ｗ２に対向し、外周面１３がシリンダの内壁面１０ａを摺動する。上面１１と下面１２とによって、コンプレッションリングの軸方向における幅が規定される。
【0018】
図２に示すコンプレッションリングの外周面１３は、コンプレッションリングの外周端部に設けられる外周摺動面Ｓ１３と、外周摺動面Ｓ１３と上面１１とを接続する上接続面Ｓ１１と、外周摺動面Ｓ１３と下面１２とを接続する下接続面Ｓ１２と、を含む。上接続面Ｓ１１は、外周摺動面Ｓ１３の上側（燃焼室側）の周縁（上接続点）Ｅ１１と上面外周縁Ｅ１０１とを接続する。下接続面Ｓ１２は、外周摺動面Ｓ１３の下側（クランク室側）の周縁（下接続点）Ｅ１２と下面外周縁Ｅ１０２とを接続する。
【0019】
図２の符号ＣＬ１は、コンプレッションリングの中心軸Ａ１に直交すると共に頂部Ｐ１を通る直線を示す。頂部Ｐ１はコンプレッションリングにおいて最大径となる点であり、シリンダ１０の内壁面１０ａと当接している。ａ１１は、コンプレッションリングにおける燃焼室側の落差、即ち、頂部Ｐ１と外周摺動面Ｓ１３の上接続点Ｅ１１との径方向における距離を示す。ａ１１は、使用状態におけるシリンダ１０の内壁面１０ａから外周摺動面Ｓ１３の上接続点Ｅ１１までの距離と等しい。同様に、ａ１２は、コンプレッションリングにおけるクランク室側の落差、即ち、コンプレッションリングの頂部Ｐ１と外周摺動面Ｓ１３の下接続点Ｅ１２との径方向における距離を示す。ａ１２は、使用状態におけるシリンダ１０の内壁面１０ａから外周摺動面Ｓ１３の下接続点Ｅ１２までの距離と等しい。図２の符号ｂ１１は、外周摺動面Ｓ１３の頂部Ｐ１と外周摺動面Ｓ１３の上接続点Ｅ１１との軸方向における距離を示す。また、ｂ１２は、外周摺動面Ｓ１３の頂部Ｐ１と外周摺動面Ｓ１３の下接続点Ｅ１２との軸方向における距離を示す。
【0020】
なお、図２に示した例では、外周面が対称バレル形状に形成されているが、本実施形態に係るコンプレッションリングの外周形状は特に限定されず、種々の形状のコンプレッションリングを採用できる。例えば、その外周面がバレル形状、偏心バレル形状、テーパ形状であってもよく、また外周面の最外周摺動面が平坦部を含んでも良い。また、上接続面Ｓ１１と下接続面Ｓ１２のコンプレッションリング軸方向の長さは互いに異なっていてもよい。また、上接続面Ｓ１１及び下接続面Ｓ１２の一方、又は両方を有さない形状であってもよい。
また、その周長方向に対する断面形状はレクタンギュラ形状、インターナルベベル形状、キーストン形状、ハーフキーストン形状であってもよく、アンダーカット面などを含んでもよいがこれらに限らない。
また、その周長方向に対する断面形状はレクタンギュラ形状、インターナルベベル形状、キーストン形状、ハーフキーストン形状であってもよく、アンダーカット面などを含んでもよいがこれらに限らない。
【0021】
本明細書において水素ガス燃料とは、水素ガスのみ（不純物を除く）からなる燃料、又は水素ガスと他の燃料とを混合した燃料をいう。全燃料中の水素ガスの割合は、５０％以上であり、６０％以上であってよく、７０％以上であってよい。
【0022】
本実施形態に係る、水素ガス燃料を使用する火花点火機関に用いられ、シリンダに装着されるピストンのピストンリング溝に組み付けられるコンプレッションリングは、外周摺動面を評価するために往復動摩擦試験機を用いて所定の条件で行う耐摩耗性試験に於いて、軸受油を１ｍＬ／時と蒸留水を０．５ｍＬ／時とを滴下し試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＷ１（μｍ）とし、前記軸受油のみを１ｍＬ／時で滴下し試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＯ１（μｍ）とし、Ｔ（μｍ）＝ＴＷ１－ＴＯ１としたときに、Ｔ≦１０を充足する。
ＴＯ１は通常の使用環境を想定した（例えばガソリン燃料使用時を想定した）コンプレッションリングの摩耗量、ＴＷ１は高温、水分過多となる使用環境（水素ガス燃料使用時）を想定したコンプレッションリングの摩耗量を表しており、Ｔはその差である。即ち、Ｔの値が小さいとき、具体的には、Ｔ≦１０であることで、水素ガス燃料を使用する火花点火機関において、高温、水分過多の環境下においても通常の使用環境下（たとえばガソリン燃料使用時）と同等の形状維持機能を有し、十分な耐摩耗性能が得られ、シール性能を維持することができる。Ｔが上記条件を充足するには、コンプレッションリングの材質及び外周面の表面処理や被膜を適切に選択することで実現することができる。
ＴＯ１は通常の使用環境を想定した（例えばガソリン燃料使用時を想定した）コンプレッションリングの摩耗量、ＴＷ１は高温、水分過多となる使用環境（水素ガス燃料使用時）を想定したコンプレッションリングの摩耗量を表しており、Ｔはその差である。即ち、Ｔの値が小さいとき、具体的には、Ｔ≦１０であることで、水素ガス燃料を使用する火花点火機関において、高温、水分過多の環境下においても通常の使用環境下（たとえばガソリン燃料使用時）と同等の形状維持機能を有し、十分な耐摩耗性能が得られ、シール性能を維持することができる。Ｔが上記条件を充足するには、コンプレッションリングの材質及び外周面の表面処理や被膜を適切に選択することで実現することができる。
【0023】
耐摩耗性試験は、以下の通りである。
図３に概要を示す往復動摩擦試験機を用いて行う。耐摩耗性試験に際しては上試験片３１として、コンプレッションリング実体を用いる。
また、下試験片３２は鋳鉄製シリンダボアを見立てたプレート（ＦＣ２５０相当材：ＨＲＢ１００、＃４００エメリーペーパーによる研磨仕上げにより表面粗さは最大高さＲｚ１．０～１．５μｍ（１．２μｍ狙い））とする。
図３に概要を示す往復動摩擦試験機を用いて行う。耐摩耗性試験に際しては上試験片３１として、コンプレッションリング実体を用いる。
また、下試験片３２は鋳鉄製シリンダボアを見立てたプレート（ＦＣ２５０相当材：ＨＲＢ１００、＃４００エメリーペーパーによる研磨仕上げにより表面粗さは最大高さＲｚ１．０～１．５μｍ（１．２μｍ狙い））とする。
【0024】
耐摩耗性試験に際しては、上試験片３１と下試験片３２との摺動界面にエアディスペンサー３３を用いて軸受油及び蒸留水を滴下して供給し、以下に示す試験条件で行う。
＜試験条件＞
・ストローク：５０ｍｍ
・荷重：１００Ｎ
・速度：６００ｃｙｃｌｅ／分
・上試験片の温度管理：室温
・下試験片の温度管理：室温
・軸受油：シェル ルブリカンツ ジャパン社 シェル テトラオイル２ＳＰ
・軸受油の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が１ｍＬ／時となるように管理
・蒸留水の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が０．５ｍＬ／時となるように管理
・試験時間：６０分
なお、下記条件で慣らし運転を実施した後試験する。
・荷重：２０Ｎ
・速度：１００ｃｙｃｌｅ／分
・試験前上試験片の温度：室温
・試験前下試験片の温度：室温
・軸受油：シェル ルブリカンツ ジャパン社 シェル テトラオイル２ＳＰ
・軸受油の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が０．０８ｍＬ／５分となるように管理
・試験時間：５分
上記条件で試験を行い、軸受油と蒸留水を滴下した際のコンプレッションリング外周摺動面の被膜の摩耗量をＴＷ１（μｍ）、軸受油のみを滴下した際のトップリング外周摺動面の被膜の摩耗量をＴＯ（μｍ）とし、Ｔ＝ＴＷ１－ＴＯとする。
＜試験条件＞
・ストローク：５０ｍｍ
・荷重：１００Ｎ
・速度：６００ｃｙｃｌｅ／分
・上試験片の温度管理：室温
・下試験片の温度管理：室温
・軸受油：シェル ルブリカンツ ジャパン社 シェル テトラオイル２ＳＰ
・軸受油の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が１ｍＬ／時となるように管理
・蒸留水の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が０．５ｍＬ／時となるように管理
・試験時間：６０分
なお、下記条件で慣らし運転を実施した後試験する。
・荷重：２０Ｎ
・速度：１００ｃｙｃｌｅ／分
・試験前上試験片の温度：室温
・試験前下試験片の温度：室温
・軸受油：シェル ルブリカンツ ジャパン社 シェル テトラオイル２ＳＰ
・軸受油の滴下条件：１分毎に１回滴下し、総滴下量が０．０８ｍＬ／５分となるように管理
・試験時間：５分
上記条件で試験を行い、軸受油と蒸留水を滴下した際のコンプレッションリング外周摺動面の被膜の摩耗量をＴＷ１（μｍ）、軸受油のみを滴下した際のトップリング外周摺動面の被膜の摩耗量をＴＯ（μｍ）とし、Ｔ＝ＴＷ１－ＴＯとする。
【0025】
また、前記コンプレッションリングの張力をＦt、前記コンプレッションリングの外周摺動面の軸方向長さをＳ１３とし、前記ピストンを、前記コンプレッションリング外周とシリンダボアとが当接するように設置した場合における、前記シリンダボア内径をＤ（ｍｍ）、前記コンプレッションリングの上接続点と前記シリンダボア内壁との径方向距離をａ１１（ｍｍ）、前記コンプレッションリングの下接続点と前記シリンダボア内壁との径方向距離をａ１２（ｍｍ）とし、Ｆｄ＝Ｆt／Ｄ、落差ｈ＝（ａ１１＋ａ１２）／２、外周傾斜度ＯＳｔ＝ｈ／（Ｓ１３／２）、摩耗指数Ｍ＝Ｔ×Ｆｄ×ＯＳｔとしたとき、Ｍ≦０．０９を充足することが好ましい。
【0026】
Ｓ１３、ａ１１、ａ１２の値については、コンプレッションリングの外周面を触針式表面粗さ測定機を用いて測定することで得られる上接続点Ｅ１１、下接続点Ｅ１２から求める。触針は円錐であり、円錐のテーパ角度は６０°とする。また先端Ｒは、２μｍとする。
測定倍率は縦軸（y軸：コンプレッションリングの径方向と一致）５０００倍、横軸（ｘ軸：コンプレッションリングの軸方向と一致）１００倍とする。
外周面バレル形状を例に取り、上接続点Ｅ１１、下接続点Ｅ１２について図４を用いて説明する。
触針式表面粗さ測定機を用いて測定した結果得られた外周面の輪郭線上で、縦軸（ｙ軸）に平行な上側仮想線４１及び下側仮想線４２を作図し、上側仮想線４１と下側仮想線４２からそれぞれ左右にθ（＝１０°）傾けた直線と外周面の輪郭線との接点を求める。コンプレッションリングの上側（燃焼室側）に位置する接点を上接続点Ｅ１１、下側（クランク室側）に位置する接点を下接続点Ｅ１２とする。
上記測定によって得られる値と、張力Ｆｔ（Ｎ）及びシリンダボア内径Ｄ（ｍｍ）から、下記式を用いてＦｄ、ＯＳｔ、Ｍを求める。
Ｆｄ＝Ｆt／Ｄ
ｈ＝（ａ１１＋ａ１２）／２
ＯＳｔ＝ｈ／（Ｓ１３／２）
Ｍ＝Ｔ×Ｆｄ×ＯＳｔ
測定倍率は縦軸（y軸：コンプレッションリングの径方向と一致）５０００倍、横軸（ｘ軸：コンプレッションリングの軸方向と一致）１００倍とする。
外周面バレル形状を例に取り、上接続点Ｅ１１、下接続点Ｅ１２について図４を用いて説明する。
触針式表面粗さ測定機を用いて測定した結果得られた外周面の輪郭線上で、縦軸（ｙ軸）に平行な上側仮想線４１及び下側仮想線４２を作図し、上側仮想線４１と下側仮想線４２からそれぞれ左右にθ（＝１０°）傾けた直線と外周面の輪郭線との接点を求める。コンプレッションリングの上側（燃焼室側）に位置する接点を上接続点Ｅ１１、下側（クランク室側）に位置する接点を下接続点Ｅ１２とする。
上記測定によって得られる値と、張力Ｆｔ（Ｎ）及びシリンダボア内径Ｄ（ｍｍ）から、下記式を用いてＦｄ、ＯＳｔ、Ｍを求める。
Ｆｄ＝Ｆt／Ｄ
ｈ＝（ａ１１＋ａ１２）／２
ＯＳｔ＝ｈ／（Ｓ１３／２）
Ｍ＝Ｔ×Ｆｄ×ＯＳｔ
【0027】
Ｆｄはシリンダボア内径あたりのコンプレッションリングの張力の値を表し、Ｆｄの値が大きくなると、コンプレッションリングのシリンダボアへの面圧が高くなり、外周摩耗が増える傾向がある。一方、Ｆｄの値が小さくなると、シリンダボアとのシール性能低下を招く虞がある。
外周傾斜度ＯＳｔは、コンプレッションリングの落差と外周摺動面の軸方向長さの関係である。外周バレル形状を例にとれば、ＯＳｔが大きければリング径方向に高い凸状バレル（高バレル）、小さければ低い凸状バレル（低バレル）となる。
ＯＳｔの値が大きいと、シール性能は向上するが、コンプレッションリングのシリンダボアへの面圧が高い場合に、シリンダボアスカッフ、摺動抵抗増加等に加え、外周摩耗により早期に落差が小さくなり、シール性能が急激に低下する虞がある。一方、ＯＳｔの値が小さいと、コンプレッションリングの張力が低い場合にシール性能低下を招いたり、オイル消費量が増加する虞がある。
摩耗指数Ｍはこれらのバランスを考慮したもので、Ｍ≦０．０９を充足することで、水分過多の環境となる水素ガス燃料を使用する火花点火機関において、コンプレッションリングのシール性能を維持することができる。
Ｍが０．０９を超えると、外周摩耗量Ｔが大きいか、もしくはＦｄ、ＯＳｔなどの値が大きいため、外周摩耗によるシール性能の急激な低下が懸念される。
Ｍ≦０．０９を充足させるためには、Ｔ、Ｆｄ、ＯＳｔの値に応じて、コンプレッションリングの形状、材質及び外周被膜を適切に選択すればよい。
外周傾斜度ＯＳｔは、コンプレッションリングの落差と外周摺動面の軸方向長さの関係である。外周バレル形状を例にとれば、ＯＳｔが大きければリング径方向に高い凸状バレル（高バレル）、小さければ低い凸状バレル（低バレル）となる。
ＯＳｔの値が大きいと、シール性能は向上するが、コンプレッションリングのシリンダボアへの面圧が高い場合に、シリンダボアスカッフ、摺動抵抗増加等に加え、外周摩耗により早期に落差が小さくなり、シール性能が急激に低下する虞がある。一方、ＯＳｔの値が小さいと、コンプレッションリングの張力が低い場合にシール性能低下を招いたり、オイル消費量が増加する虞がある。
摩耗指数Ｍはこれらのバランスを考慮したもので、Ｍ≦０．０９を充足することで、水分過多の環境となる水素ガス燃料を使用する火花点火機関において、コンプレッションリングのシール性能を維持することができる。
Ｍが０．０９を超えると、外周摩耗量Ｔが大きいか、もしくはＦｄ、ＯＳｔなどの値が大きいため、外周摩耗によるシール性能の急激な低下が懸念される。
Ｍ≦０．０９を充足させるためには、Ｔ、Ｆｄ、ＯＳｔの値に応じて、コンプレッションリングの形状、材質及び外周被膜を適切に選択すればよい。
【0028】
本実施形態に係るコンプレッションリングの合口隙間の大きさは特に限定されず、一例としては０．１～０．８ｍｍの範囲内である。
【0029】
本実施形態に係るコンプレッションリングの軸方向幅は特に限定されないが、通常０．８ｍｍ以上であり、通常４ｍｍ以下である。また、外径は通常、５０ｍｍ以上、２２０ｍｍ以下である。
【0030】
また、本実施形態に係るコンプレッションリングの外周摺動面の表面のビッカース硬さをＡ（ＨＶ０．１）としたときに、Ａ／Ｔ≧１００を充足することが好ましい。
Ａ／Ｔが上記条件を充足するには、コンプレッションリングの材質及び外周摺動面の表面処理や被膜を適切に選択すればよい。
Ａ／Ｔが上記条件を充足するには、コンプレッションリングの材質及び外周摺動面の表面処理や被膜を適切に選択すればよい。
【0031】
本実施形態に係るコンプレッションリングは、外周面に被膜を有していてもよく、被膜としては特に限定されないが、ＰＶＤ処理被膜、ＤＬＣ被膜、硬質クロムめっき被膜及び窒化処理被膜からなる群から選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。
【0032】
なお、ＰＶＤ（physical vapor deposition）とは、ターゲットから出射された粒子を基材に付着させることで物質の表面に膜を形成する蒸着法の一種であり、物理気相成長とも呼ぶことができる。ＰＶＤ法には、イオンプレーティング法、真空蒸着法、イオンビーム蒸着法、スパッタリング法、ＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc）法等を含むことができる。
【0033】
本実施形態に係るコンプレッションリングが外周面に被膜を有する場合、被膜の厚さは特に限定されないが、通常０．００１ｍｍ以上、好ましくは０．００５ｍｍ以上であり、また通常０．２ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下である。
【0034】
なお、被膜がＤＬＣ被膜を含む場合、ＤＬＣ被膜は水素を含有するＤＬＣ被膜であってよく、いわゆる水素フリーＤＬＣであってもよい。例えば、水素元素の割合が５．０ａｔ％以下であってよい。水素を含まないＤＬＣ被膜を用いることで固体摺動時の摩擦係数が低くなり好ましい。
水素を含まないＤＬＣ被膜をピストンリング外周面に形成する方法は、既知の方法を用いることができ、イオンプレーティング法やスパッタリング法などがあげられる。
水素を含まないＤＬＣ被膜をピストンリング外周面に形成する方法は、既知の方法を用いることができ、イオンプレーティング法やスパッタリング法などがあげられる。
【0035】
ＤＬＣ被膜は、その他の元素を含んでもよく、例えばＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖなどを含んでもよいが、これらに限らない。これらの元素を含む場合、合計量が４０ａｔ％以下であることが好ましい。
【0036】
また、被膜がＣｒＮ系ＰＶＤ処理被膜又はＤＬＣ被膜を含む場合、ＰＶＤ処理被膜又はＤＬＣ被膜の厚さが０．０５ｍｍ以下であることが好ましい。ＰＶＤ処理被膜又はＤＬＣ被膜の被膜厚さを上記範囲内にすることで、部材間の熱伝達が阻害されにくいため冷却効率が向上し、摩耗を抑制することができる。
【0037】
本実施形態に係るコンプレッションリングが外周面に被膜を有する場合、ＰＶＤ処理被膜、ＤＬＣ被膜、硬質クロムめっき被膜、窒化処理被膜、四三酸化鉄被膜、リン酸塩被膜などのいずれか単独の被膜でもよく、いずれか２種以上の積層被膜であってもよい。
【0038】
本実施形態に係るコンプレッションリングが外周面に被膜を有する場合、外周摺動面に被膜を有することが好ましい。また、上面及び下面の少なくとも一面に被膜を有していてもよく、各面の一部のみを覆っていてもよく、各面でそれぞれ異なる被膜であってもよい。
【0039】
コンプレッションリング基材の材質は、特に限定されない。例えば、高合金鋼としてはマルテンサイト系ステンレス鋼が挙げられる。また、低合金鋼としては、弁バネ鋼、バネ鋼等などが例示される。具体的には、シリコンクロム鋼などが好適に用いられる。
【実施例】
【0040】
以下、本発明について、実施例により詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【0041】
実施例１～１９、比較例１～４
表１に示すように、コンプレッションリングの外周被膜、材質、張力及び外周バレル量（径方向の凸形状高さ）を変えて、実施例１～１９、比較例１～４に係るコンプレッションリングを作製した。なお、同じ種類の被膜であっても、温度や時間等の処理条件を変えて、外周硬さの異なる試料を作製した。
表１中、外周の表面処理は、ＡはＤＬＣであり、ＢはＰＶＤ処理であり、Ｃは窒化処理であり、ＤはＣrめっきであり、Ｅは四三酸化鉄であり、Ｆはリン酸塩被膜である。このうち、ＥとＦは主に防錆を目的としたものである。また、材質はＡが高合金鋼であり、Ｂは低合金鋼であり、Ｃは鋳鉄である。
各実施例及び比較例のコンプレッションリングについて、ビッカース硬さの測定、耐摩耗性試験、及び触針式表面粗さ測定機による測定を行った。結果を表１に示す。
表１に示すように、コンプレッションリングの外周被膜、材質、張力及び外周バレル量（径方向の凸形状高さ）を変えて、実施例１～１９、比較例１～４に係るコンプレッションリングを作製した。なお、同じ種類の被膜であっても、温度や時間等の処理条件を変えて、外周硬さの異なる試料を作製した。
表１中、外周の表面処理は、ＡはＤＬＣであり、ＢはＰＶＤ処理であり、Ｃは窒化処理であり、ＤはＣrめっきであり、Ｅは四三酸化鉄であり、Ｆはリン酸塩被膜である。このうち、ＥとＦは主に防錆を目的としたものである。また、材質はＡが高合金鋼であり、Ｂは低合金鋼であり、Ｃは鋳鉄である。
各実施例及び比較例のコンプレッションリングについて、ビッカース硬さの測定、耐摩耗性試験、及び触針式表面粗さ測定機による測定を行った。結果を表１に示す。
【0042】
【表1】
【0043】
以上より、水素ガス燃料を使用する火花点火機関においては、本発明で規定するコンプレッションリングを用いた場合、水素ガス燃料の燃焼によって発生した凝縮水が存在する環境下においても、コンプレッションリングの外周面の耐摩耗性をガソリン燃料使用時並みに維持し、かつコンプレッションリングの外周シール性能を維持することができる。
【符号の説明】
【0044】
１ コンプレッションリング
１００Ｙ 火花点火機関
１１０Ｙ ピストン構造
１２０Ｙ ピストンリング
１０ シリンダ
１０ａ シリンダ１０の内壁面
２０ ピストン
２０ａ ピストン２０の外周面
ＰＣ１ ピストン隙間
Ｒ１ トップリング
Ｒ２ セカンドリング
ＯＲ オイルリング
ＳＧ１ セグメント
ＥＸ１ スペーサエキスパンダ
２０１ 第１の溝
２０２ 第２の溝
２０３ 第３の溝
ｈ１（１）トップリングの軸方向幅
ｈ１（２）セカンドリングの軸方向幅
ｈ１（４）オイルリングの軸方向幅
３１ 上試験片
３２ 下試験片
３３ エアディスペンサー
１００Ｙ 火花点火機関
１１０Ｙ ピストン構造
１２０Ｙ ピストンリング
１０ シリンダ
１０ａ シリンダ１０の内壁面
２０ ピストン
２０ａ ピストン２０の外周面
ＰＣ１ ピストン隙間
Ｒ１ トップリング
Ｒ２ セカンドリング
ＯＲ オイルリング
ＳＧ１ セグメント
ＥＸ１ スペーサエキスパンダ
２０１ 第１の溝
２０２ 第２の溝
２０３ 第３の溝
ｈ１（１）トップリングの軸方向幅
ｈ１（２）セカンドリングの軸方向幅
ｈ１（４）オイルリングの軸方向幅
３１ 上試験片
３２ 下試験片
３３ エアディスペンサー
【要約】
水素ガス燃料を使用する火花点火機関に用いられ、シリンダに装着されるピストンのピストンリング溝に組み付けられるコンプレッションリングであって、前記コンプレッションリングの外周摺動面を評価するために往復動摩擦試験機を用いて所定の条件で行う耐摩耗性試験に於いて、軸受油を１ｍＬ／時と蒸留水を０．５ｍＬ／時とを滴下し試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＷ１（μｍ）とし、前記軸受油のみを１ｍＬ／時の速度で滴下し試験したときの前記外周摺動面の摩耗量をＴＯ１（μｍ）とし、Ｔ（μｍ）＝ＴＷ１－ＴＯ１ としたときに、Ｔ≦１０を充足するコンプレッションリング。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】