特許 7665852 水素燃料を使用する内燃機関用のピストンリング及び水素燃料を使用する内燃機関におけるピストンリングの腐食抑制方法

(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】2025-04-11

(45)【発行日】2025-04-21

(54)【発明の名称】水素燃料を使用する内燃機関用のピストンリング及び水素燃料を使用する内燃機関におけるピストンリングの腐食抑制方法

(51)【国際特許分類】

   F02F 5/00 20060101AFI20250414BHJP

   F16J 9/00 20060101ALI20250414BHJP

   F16J 9/14 20060101ALI20250414BHJP

   F02F 3/00 20060101ALI20250414BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20250414BHJP

   F02B 75/08 20060101ALI20250414BHJP

【ＦＩ】

F02F5/00 K

F16J9/00 A

F16J9/14

F02F3/00 B

F02F5/00 L

F02M21/02 G

F02B75/08

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2024182047

(22)【出願日】2024-10-17

【審査請求日】2024-11-21

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000139023

【氏名又は名称】株式会社リケン

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100169063

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 洋平

(74)【代理人】

【識別番号】100192511

【弁理士】

【氏名又は名称】柴田 晃史

(72)【発明者】

【氏名】徳永 茂

【審査官】家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２４－０３８９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１８９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／００８７８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１９０５１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

ＩＰＣ Ｆ０２Ｆ ５／００、１１／００

３／００－ ３／２８

Ｆ１６Ｊ １／００－ １／２４

７／００－１０／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素燃料を使用する内燃機関のピストンのリング溝に装着される圧力リングを含むピストンリングであって、
前記圧力リングは、内周面と、外周面と、前記内周面に略直交する一側面及び他側面と、互いに対向して合口部を形成する一対の合口端部と、を含む環状の本体部を有し、
前記本体部は、前記本体部における前記合口部の周囲に形成された空隙の投影面積を前記本体部の厚さで除算した比率が所定の閾値以下となるように構成されており、
前記ピストンには、前記リング溝の下側面と前記ピストンの外周面との間に位置する溝下面取り面が設けられ、
前記本体部には、前記一対の合口端部の一方の第一合口端部と前記本体部の前記外周面との間に位置する第一合口面取り面、前記一対の合口端部の他方の第二合口端部と前記本体部の前記外周面との間に位置する第二合口面取り面、及び、前記一側面及び前記他側面の一方と前記本体部の前記外周面との間に位置する外周下面面取り面が設けられ、
前記圧力リングが前記リング溝に装着されて前記内燃機関のシリンダボアに挿入された状態において、
前記シリンダボアの内周面と前記第一合口面取り面との間には第一合口面取り部が形成され、前記シリンダボアの前記内周面と前記第二合口面取り面との間には第二合口面取り部が形成され、前記シリンダボアの前記内周面と前記外周下面面取り面との間には外周下面面取り部が形成され、
前記シリンダボアの前記内周面と前記溝下面取り面との間には溝下面取り部が形成され、
前記比率Ｒは、下式で表され、
前記比率Ｒは、４０％以下である、水素燃料を使用する内燃機関用のピストンリング。
式： Ｒ＝（Ｃ１＋Ｃ２＋２×Ｃ３＋Ｃ４）／ａ１×１００
ただし、
Ｃ１は、前記本体部の軸方向に沿う前記第一合口面取り部の前記投影面積であり、
Ｃ２は、前記本体部の軸方向に沿う前記第二合口面取り部の前記投影面積であり、
Ｃ３は、前記本体部の周方向に沿う前記外周下面面取り部の前記投影面積であり、
Ｃ４は、前記本体部の軸方向に沿う前記合口部の空隙の面積であり、
ａ１は、前記本体部の厚さである。

【請求項2】

前記圧力リングの前記一側面及び前記他側面の側面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以下、又は、Ｒｚ４μｍ以下である、請求項１に記載の水素燃料を使用する内燃機関用のピストンリング。

【請求項3】

水素燃料を使用する内燃機関の圧力リングを含むピストンリングを準備する準備ステップと、前記圧力リングを前記内燃機関のピストンのリング溝に装着する装着ステップと、を備える水素燃料を使用する内燃機関におけるピストンリングの腐食抑制方法であって、
前記準備ステップでは、
内周面と、外周面と、前記内周面に略直交する一側面及び他側面と、互いに対向して合口部を形成する一対の合口端部と、を含む環状の本体部を有するように前記圧力リングを構成し、
前記本体部における前記合口部の周囲に形成された空隙の投影面積を前記本体部の厚さで除算した比率が所定の閾値以下となるように前記本体部を構成し、
前記準備ステップでは、
前記リング溝の下側面と前記ピストンの外周面との間に位置する溝下面取り面を前記ピストンに設け、
前記一対の合口端部の一方の第一合口端部と前記本体部の前記外周面との間に位置する第一合口面取り面、前記一対の合口端部の他方の第二合口端部と前記本体部の前記外周面との間に位置する第二合口面取り面、及び、前記一側面及び前記他側面の一方と前記本体部の前記外周面との間に位置する外周下面面取り面を、前記本体部に設け、
前記圧力リングが前記リング溝に装着して前記内燃機関のシリンダボアに挿入した状態において、
前記シリンダボアの内周面と前記第一合口面取り面との間に第一合口面取り部を形成し、前記シリンダボアの前記内周面と前記第二合口面取り面との間に第二合口面取り部を形成し、前記シリンダボアの前記内周面と前記外周下面面取り面との間に外周下面面取り部を形成し、
前記シリンダボアの前記内周面と前記溝下面取り面との間に溝下面取り部を形成し、
前記比率Ｒは、下式で表され、
前記比率Ｒは、４０％以下である、水素燃料を使用する内燃機関におけるピストンリングの腐食抑制方法。
式： Ｒ＝（Ｃ１＋Ｃ２＋２×Ｃ３＋Ｃ４）／ａ１×１００
ただし、
Ｃ１は、前記本体部の軸方向に沿う前記第一合口面取り部の前記投影面積であり、
Ｃ２は、前記本体部の軸方向に沿う前記第二合口面取り部の前記投影面積であり、
Ｃ３は、前記本体部の周方向に沿う前記外周下面面取り部の前記投影面積であり、
Ｃ４は、前記本体部の軸方向に沿う前記合口部の空隙の面積であり、
ａ１は、前記本体部の厚さである。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水素燃料を使用する内燃機関用のピストンリング及び水素燃料を使用する内燃機関におけるピストンリングの腐食抑制方法に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関に用いられるピストンリングのうち圧力リングは、ピストンのリング溝に装着されてシリンダボアに挿入された状態で、燃焼室とクランク室との間の気密を保ち、オイル消費量を低減するように機能する。このような圧力リングとして、ガスリークタイプの合口部が形成されているトップリングが知られている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１０－３３１９７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、ピストンのリング溝に装着される圧力リングを含むピストンリングについて、水素ガスを含む水素燃料を使用する内燃機関への適合性が検討されている。本発明者は、従来の軽油燃料を使用する内燃機関及びガソリン燃料を使用する内燃機関において発生していなかった種類の腐食が、水素燃料を使用する内燃機関においてピストンリングの側面に発生し得ることを発見した。このような腐食が進行すると、ピストンリングが折損するおそれがあるため、改善の余地がある。

【0005】

本開示は、水素燃料を使用する内燃機関において、ピストンのリング溝に装着される圧力リングを含むピストンリングの側面の腐食の抑制を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明者は鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者は、ピストンリングの側面の腐食は、水素燃料の燃焼ガスと未燃焼の水素ガスと潤滑油とが混ざり合って引き起こされることを見出した。本発明者は、圧力リングの燃焼室とは反対側に流れ込む水素燃料の燃焼ガスを低減することに着目した。本発明者は、本体部における合口部の周囲に形成された空隙の投影面積を本体部の厚さで除算した合口面積比率が所定の閾値以下となるように本体部を構成することで、ピストンリングの側面の腐食が抑制されることを見出した。

【0007】

本開示の一態様に係るピストンリングは、水素燃料を使用する内燃機関のピストンのリング溝に装着される圧力リングを含むピストンリングであって、圧力リングは、内周面と、外周面と、内周面に略直交する一側面及び他側面と、互いに対向して合口部を形成する一対の合口端部と、を含む環状の本体部を有し、本体部は、本体部における合口部の周囲に形成された空隙の投影面積を本体部の厚さで除算した合口面積比率が所定の閾値以下となるように構成されている。

【0008】

本開示の一態様に係るピストンリングでは、合口面積比率が所定の閾値以下となるように本体部が構成されている。これにより、燃焼室で燃焼した水素燃料の燃焼ガスが、圧力リングの本体部における合口部の周囲に形成された空隙を通って、当該圧力リングの燃焼室とは反対側に流れ込むことを抑制できる。その結果、当該圧力リングの燃焼室とは反対側において、水素燃料の燃焼ガスに起因するピストンリングの側面の腐食の進行を抑制できる。したがって、水素燃料を使用する内燃機関において、ピストンのリング溝に装着される圧力リングを含むピストンリングの側面の腐食の抑制を図ることができる。

【0009】

一実施形態において、ピストンには、リング溝の下側面とピストンの外周面との間に位置する溝下面取り面が設けられ、本体部には、一対の合口端部の一方の第一合口端部と外周面との間に位置する第一合口面取り面、一対の合口端部の他方の第二合口端部と外周面との間に位置する第二合口面取り面、及び、一側面及び他側面の一方と外周面との間に位置する外周下面面取り面が設けられ、圧力リングがリング溝に装着されて内燃機関のシリンダボアに挿入された状態において、シリンダボアの内周面と第一合口面取り面との間には第一合口面取り部が形成され、内周面と第二合口面取り面との間には第二合口面取り部が形成され、内周面と外周下面面取り面との間には外周下面面取り部が形成され、シリンダボアの内周面と溝下面取り面との間には溝下面取り部が形成され、合口面積比率Ｒは、下式で表され、合口面積比率Ｒは、４０％以下であってもよい。
式： Ｒ＝（Ｃ１＋Ｃ２＋２×Ｃ３＋Ｃ４）／ａ１×１００
ただし、
Ｃ１は、本体部の軸方向に沿う第一合口面取り部の投影面積であり、
Ｃ２は、本体部の軸方向に沿う第二合口面取り部の投影面積であり、
Ｃ３は、本体部の周方向に沿う外周下面面取り部の投影面積であり、
Ｃ４は、本体部の軸方向に沿う合口部の空隙の面積であり、
ａ１は、本体部の厚さである。

【0010】

一実施形態において、圧力リングの一側面及び他側面の側面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以下、又は、Ｒｚ４μｍ以下であってもよい。この場合、圧力リングの一側面及び他側面の側面シール性の悪化が抑制され、一側面及び他側面とリング溝との隙間を通って当該圧力リングの燃焼室とは反対側に燃焼ガスが流れ込むことを抑制することができる。

【0011】

本開示の他の態様は、水素燃料を使用する内燃機関におけるピストンリングの腐食抑制方法であって、水素燃料を使用する内燃機関の圧力リングを含むピストンリングを準備する準備ステップと、圧力リングを内燃機関のピストンのリング溝に装着する装着ステップと、を備える。準備ステップでは、内周面と、外周面と、内周面に略直交する一側面及び他側面と、互いに対向して合口部を形成する一対の合口端部と、を含む環状の本体部を有するように圧力リングを構成し、本体部における合口部の周囲に形成された空隙の投影面積を本体部の厚さで除算した合口面積比率が所定の閾値以下となるように本体部を構成する。

【0012】

本開示の他の態様に係る水素燃料を使用する内燃機関におけるピストンリングの腐食抑制方法では、合口面積比率が所定の閾値以下となるように本体部を構成する。これにより、燃焼室で燃焼した水素燃料の燃焼ガスが、圧力リングの本体部における合口部の周囲に形成された空隙を通って、当該圧力リングの燃焼室とは反対側に流れ込むことを抑制できる。その結果、当該圧力リングの燃焼室とは反対側において、水素燃料の燃焼ガスに起因するピストンリングの側面の腐食の進行を抑制できる。したがって、水素燃料を使用する内燃機関において、ピストンのリング溝に装着される圧力リングを含むピストンリングの側面の腐食の抑制を図ることができる。

【発明の効果】

【0013】

本開示のいくつかの態様によれば、水素燃料を使用する内燃機関において、ピストンのリング溝に装着される圧力リングを含むピストンリングの側面の腐食の抑制を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態に係るピストンリングの斜視図である。

【図2】合口部の周囲に形成された空隙を説明するための要部拡大図である。

【図3】（ａ）は、トップリングの合口部の一例の要部拡大図である。（ｂ）は、トップリングの外周下面面取り部の一例の要部拡大図である。

【図4】リング溝の一例の要部拡大図である。

【図5】合口面積比率と腐食指数との関係を示す図である。

【図6】実施例１のピストンリングの側面の状態を示す図である。

【図7】実施例２のピストンリングの側面の状態を示す図である。

【図8】比較例１のピストンリングの側面の状態を示す図である。

【図9】比較例２のピストンリングの側面の状態を示す図である。

【図10】ダブルステップ形状の合口部の一例を示す拡大斜視図である。

【図11】ダブルアングル形状の合口部の一例を示す拡大斜視図である。

【図12】トリプルステップ形状の合口部の一例を示す拡大斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下では、図面を参照しながら本開示に係る実施形態について説明する。図面の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。以下の説明において、「上側」はピストンの頂面側（上死点側、燃焼室側）に対応し、「下側」はピストンのスカート側（下死点側、クランクケース側）に対応する。なお、以下の説明において、断面形状とは、ピストンリングの中心軸を含む断面に沿う断面形状を意味する。以下の説明及び図面において、各寸法及び各投影面積は、ピストン及びピストンリングの軸線がシリンダボアの軸線に対して傾いていない状態（同心となっている状態）での数値に対応するものとする。

【0016】

図１は、実施形態に係るピストンリングの斜視図である。図１に示されるように、ピストンリング１は、水素燃料を使用する内燃機関のピストンのリング溝に装着される圧力リングを含む。ピストンリング１は、例えば、トップリング（圧力リング）１０、セカンドリング２０、及びオイルリング３０を含む。ピストンリング１は、ピストンのリング溝に装着された状態で内燃機関のシリンダボアに挿入される。ピストンリング１は、シリンダボアの内壁に対して摺動することで、燃焼室側とクランク室側との間のガスシール機能、及び、オイル消費量の低減機能を奏する。

【0017】

ピストンリング１は、水素燃料を使用する内燃機関に適用される。ここでの内燃機関は、例えば車両等に搭載される４サイクルのレシプロエンジンである。この内燃機関で用いられるエンジンオイルは、金属元素を含む添加物を含有している。エンジンオイルが含む金属元素としては、例えばＣａ，Ｓ，Ｐ，Ｚｎ等が挙げられる。

【0018】

トップリング１０は、環状の本体部１１を有している。本体部１１は、側面（一側面）１１ａ、側面（他側面）１１ｂ、内周面１１ｃ、外周面１１ｄ、合口端部（第一合口端部）１３、及び合口端部（第二合口端部）１４を含んでいる。側面１１ａ，１１ｂは、内周面１１ｃに略直交している。図１の例では、側面１１ａは本体部１１の上面であり、側面１１ｂは本体部１１の下面である。合口端部１３，１４は、互いに対向して合口部１５を形成する。以下の説明では、側面１１ａと側面１１ｂとを結ぶ方向をトップリング１０の幅方向とし、内周面１１ｃと外周面１１ｄとを結ぶ方向をトップリング１０の厚さ方向とする。トップリング１０の幅方向は、シリンダボアの軸方向Ｄ１に相当する。トップリング１０の厚さ方向は、シリンダボアの径方向Ｄ２に相当する。本体部１１が環状に延在している方向は、シリンダボアの周方向Ｄ３に相当する。

【0019】

本体部１１は、厚さ方向が長辺かつ幅方向が短辺となる断面略長方形状をなしている。本体部１１は、例えば複数の金属元素を含有する鋳鉄或いは鋼（スチール）を用い、十分な強度、耐熱性、及び弾性をもって形成されている。

【0020】

本体部１１の表面には、表面改質が施されて硬質膜が形成されてもよい。硬質膜は、例えば、物理気相成長法（ＰＶＤ法）を用いて形成される物理気相成長膜（ＰＶＤ膜）である。これにより、硬質膜を十分な硬度で形成できる。硬質膜は、チタン（Ｔｉ）及びクロム（Ｃｒ）の少なくとも一種と、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、及び酸素の少なくとも一種とを含むイオンプレーティング膜、若しくはダイヤモンドライクカーボン膜である。具体例としては、硬質膜は、窒化チタン膜、窒化クロム膜、炭窒化チタン膜、炭窒化クロム膜、酸窒化クロム膜、クロム膜、又はチタン膜である。耐摩耗性及び耐スカッフ性などの観点から、硬質膜は、窒化クロム膜でもよい。硬質膜は積層体であってもよく、例えば窒化クロム膜及びダイヤモンドライクカーボン膜等を含んでもよい。

【0021】

合口部１５は、本体部１１の一部が分断された空隙である。合口端部１３，１４は、それぞれ本体部１１の自由端となっている部分である。合口端部１３は、一対の合口端部１３，１４の一方である。合口端部１４は、一対の合口端部１３，１４の他方である。合口端部１３，１４は、軸方向Ｄ１に沿って平面となる端面となっており、合口部１５は、いわゆるストレート形状の合口となっている。トップリング１０をリング溝に装着したピストン２をシリンダボア３に挿入した状態で、合口端部１３，１４の間には、常温で周方向Ｄ３に寸法ｓ１の隙間（合口隙間）が形成される（図３（ａ）参照）。

【0022】

セカンドリング２０は、環状の本体部２１を有している。本体部２１は、側面２１ａ、側面２１ｂ、内周面２１ｃ、外周面２１ｄ、合口端部２３、及び合口端部２４を含んでいる。側面２１ａ，２１ｂは、内周面２１ｃに略直交している。図１の例では、側面２１ａは本体部２１の上面であり、側面２１ｂは本体部２１の下面である。合口端部２３，２４は、互いに対向して合口部２５を形成する。

【0023】

本体部２１は、厚さ方向が長辺かつ幅方向が短辺となる断面略長方形状をなしている。本体部２１は、例えば複数の金属元素を含有する鋳鉄或いは鋼（スチール）を用い、十分な強度、耐熱性、及び弾性をもって形成されている。本体部２１の表面には、トップリング１０と同様に表面改質が施されて硬質膜が形成されてもよい。

【0024】

合口部２５は、本体部２１の一部が分断された空隙である。合口端部２３，２４は、それぞれ本体部２１の自由端となっている部分である。

【0025】

オイルリング３０は、互いに対向する一対のレール３１及びスペーサエキスパンダ３２を有している。一対のレール３１の各々は、オイルリング３０のサイドレールである。スペーサエキスパンダ３２は、一対のレール３１の間に配置される。本実施形態では、一対のレール３１、及びスペーサエキスパンダ３２は、３ピースのオイルリング３０を構成する。なお、一対のレール３１の各々には、合口部が形成される。各レール３１は、トップリング１０と同様の材料から形成されていてもよい。オイルリング３０は、いわゆる３ピースオイルリングであるが、３ピースオイルリングに限定されない。オイルリングは、２ピースオイルリングであってもよい。

【0026】

図２は、合口部の周囲に形成された空隙を説明するための要部拡大図である。図３（ａ）は、トップリングの合口部の一例の要部拡大図である。図３（ｂ）は、トップリングの外周下面面取り部の一例の要部拡大図である。図２、図３（ａ）、及び図３（ｂ）に示されるように、本体部１１は、面取り面１３ａ，１４ａ及び面取り面１１ｅを含んでいる。

【0027】

面取り面１３ａは、合口端部１３と外周面１１ｄとの間に位置し、かつ、合口端部１３と外周面１１ｄとを接続している面（第一合口面取り面）である。面取り面１３ａは、合口端部１３と外周面１１ｄとがなす角部が面取りされることによって形成される面である。面取り面１３ａとシリンダボア３の内周面３ａとの間には、合口面取り部（第一合口面取り部）１６が形成される。合口面取り部１６は、合口端部１３と外周面１１ｄとがなす角部の面取りによって、本体部１１から除去された部分に相当する空隙である。

【0028】

面取り面１４ａは、合口端部１４と外周面１１ｄとの間に位置し、かつ、合口端部１４と外周面１１ｄとを接続している面（第二合口面取り面）である。面取り面１４ａは、合口端部１４と外周面１１ｄとがなす角部が面取りされることによって形成される面である。面取り面１４ａとシリンダボア３の内周面３ａとの間には、合口面取り部（第二合口面取り部）１７が形成される。合口面取り部１７は、合口端部１４と外周面１１ｄとがなす角部の面取りによって、本体部１１から除去された部分に相当する空隙である。

【0029】

図２に示されるように、本実施形態では、面取り面１３ａ，１４ａは、合口端部１３，１４と外周面１１ｄとがなす角部を４５度でＣ面取りした面である。この場合、図３（ａ）に示されるように、面取り面１３ａの面取り寸法をｘとすると、軸方向Ｄ１に沿って見た合口面取り部１６の面積（投影面積）Ｃ１は、一辺の長さがｘの直角二等辺三角形の面積として表すことができる。このため、面積Ｃ１は、Ｃ１＝ｘ^２／２と表される。同様に、面取り面１４ａの面取り寸法をｙとすると、軸方向Ｄ１に沿って見た合口面取り部１７の面積（投影面積）Ｃ２は、Ｃ２＝ｙ^２／２と表すことができる。

【0030】

面取り面１１ｅは、側面１１ｂと外周面１１ｄとの間に位置し、かつ、側面１１ｂと外周面１１ｄとを接続している面（外周下面面取り面）である。面取り面１１ｅは、外周面１１ｄと側面１１ｂとがなす角部が面取りされることによって形成される面である。面取り面１１ｅとシリンダボア３の内周面３ａとの間には、外周下面面取り部１８が形成される。外周下面面取り部１８は、側面１１ｂと外周面１１ｄとがなす角部の面取りによって、本体部１１から除去された部分に相当する空隙である。

【0031】

面取り面１１ｅは、外周面１１ｄと側面１１ｂとがなす角部を任意の角度（例えば、４５度）で面取りした面、又は、当該角部をＲ面取りした面である。図３（ｂ）に示されるように、本実施形態では、面取り面１１ｅは、外周面１１ｄと側面１１ｂとがなす角部を任意の角度で面取りした面である。この場合、図３（ｂ）に示されるように、軸方向Ｄ１に沿った面取り面１１ｅの寸法をｚｈ、径方向Ｄ２に沿った面取り面１１ｅの寸法をｚａとすると、周方向Ｄ３に沿って見た外周下面面取り部１８の面積（投影面積）Ｃ３は、直角を挟む辺の長さが寸法ｚｈ及び寸法ｚａの直角三角形の面積として表すことができる。このため、面積Ｃ３は、Ｃ３＝ｚｈ×ｚａ／２と表される。

【0032】

図２に示されるように、燃焼室からトップリング１０を介してセカンドリング２０側に流れる燃焼ガスＧは、合口部１５、合口面取り部１６，１７、及び外周下面面取り部１８の少なくとも一つを通過する。外周下面面取り部１８を通過する燃焼ガスＧは、合口端部１３に隣接する外周下面面取り部１８ａを通過する燃焼ガスＧ１と、合口端部１４に隣接する外周下面面取り部１８ｂを通過する燃焼ガスＧ２と、を含むと考えられる。そのため、外周下面面取り部１８における燃焼ガスＧの流通面積は、周方向Ｄ３に沿って見た外周下面面取り部１８ａの面積Ｃ３１と、周方向Ｄ３に沿って見た外周下面面取り部１８ｂの面積Ｃ３２と、の和に相当すると考えられる。

【0033】

本実施形態では、面積Ｃ３１及び面積Ｃ３２は、互いに等しい。ここでは、面積Ｃ３１及び面積Ｃ３２を、代表して面積Ｃ３と表すことがある。なお、面積Ｃ３１及び面積Ｃ３２は、互いに異なっていてもよい。

【0034】

燃焼室からトップリング１０を介してセカンドリング２０側に流れる燃焼ガスＧの流量は、本体部１１における合口部１５の周囲に形成された空隙の投影面積に応じて増減する。合口部１５の周囲に形成された空隙の投影面積は、各面取り部によって本体部１１から除去された部分に相当する空隙の燃焼ガスＧの流通方向への投影面積であり、燃焼ガスＧの流通方向に直交する空隙形状の断面積に相当する。ここでの空隙の投影面積は、トップリング１０をリング溝に装着したピストン２をシリンダボア３に挿入した状態で、軸方向Ｄ１に沿って見た合口面取り部１６の面積Ｃ１、軸方向Ｄ１に沿って見た合口面取り部１７の面積Ｃ２、周方向Ｄ３に沿って見た外周下面面取り部１８の面積Ｃ３、及び、軸方向Ｄ１に沿って見た合口部１５の空隙の面積（投影面積）Ｃ４の総和で表すことができる。

【0035】

図３（ａ）に示されるように、トップリング１０をリング溝に装着したピストン２をシリンダボア３に挿入した状態で、ピストン２の外周面２ａとシリンダボア３の内周面３ａとの間は、径方向Ｄ２に寸法ｇ１の隙間が形成される。具体的には、寸法ｇ１は、（シリンダボア３の内径－ピストン２のセカンドランドの上端部の直径）／２の値とすることができる。

【0036】

ピストン２の外周面２ａには、複数のリング溝２ｂが形成されている。複数のリング溝２ｂは、ピストンの頂面側から順に、トップリング１０が組み付けられるリング溝、セカンドリング２０が組み付けられるリング溝、及び、オイルリング３０が組み付けられるリング溝を含む。複数のリング溝２ｂには、複数のピストンリング１がそれぞれ組み付けられている。

【0037】

図４は、リング溝の一例の要部拡大図である。図４には、トップリング１０が組み付けられるリング溝２ｂが示されている。リング溝２ｂは、径方向Ｄ２内側に窪む凹部であり、軸方向Ｄ１において対向する一対の上側面２ｃと下側面２ｄとを含む。ピストン２には、リング溝２ｂの下側面２ｄとピストン２の外周面２ａとの間に位置する溝下面取り面２ｅが設けられている。シリンダボア３の内周面３ａと溝下面取り面２ｅとの間には、溝下面取り部２ｆが形成されている。なお、図３（ａ）において符号２ａの一点鎖線は、ピストン２の外周面２ａの径方向Ｄ２に沿う位置に対応しており、図４では符号２ａの位置（溝下面取り面２ｅの下端位置）と対応している。

【0038】

溝下面取り面２ｅは、ピストン２の外周面２ａとリング溝２ｂの下側面２ｄとがなす角部が面取りされることによって形成される面である。ピストン２の外周面２ａの延長線と溝下面取り面２ｅとの間には、溝下面取り部２ｆが形成される。溝下面取り部２ｆは、外周面２ａと下側面２ｄとがなす角部の面取りによって、ピストン２におけるリング溝２ｂの下側面２ｄの径方向Ｄ２外側の端部から除去された部分に相当する空隙である。溝下面取り部２ｆは、径方向Ｄ２に寸法ｐａの隙間が形成されることで、ピストン２の外周面２ａとシリンダボア３の内周面３ａとの間の寸法ｇ１の隙間と共に、合口部１５の空隙の面積Ｃ４と等価な長方形状の空隙を画定する。つまり、本実施形態では、ピストン２に取り付けられた状態でシリンダボア３に挿入されたトップリング１０を軸方向Ｄ１に沿って見たときの合口部１５の空隙の面積Ｃ４は、（ｇ１＋ｐａ）×ｓ１と表すことができる。

【0039】

本体部１１は、本体部１１における合口部１５の周囲に形成された空隙の上述の投影面積を本体部１１の厚さａ１で除算した合口面積比率（比率）が所定の閾値以下となるように構成されている。一例として、合口面積比率Ｒは、下式（１）で表される。
式１：Ｒ＝（Ｃ１＋Ｃ２＋２×Ｃ３＋Ｃ４）／ａ１×１００
＝｛（ｇ１＋ｐａ）×ｓ１＋Ｃ１＋Ｃ２＋２×Ｃ３｝／ａ１×１００
ただし、
Ｃ１：本体部１１の軸方向Ｄ１に沿う合口面取り部１６の面積
Ｃ２：本体部１１の軸方向Ｄ１に沿う合口面取り部１７の面積
Ｃ３：本体部１１の周方向Ｄ３に沿う外周下面面取り部１８の面積
Ｃ４：本体部１１の軸方向Ｄ１に沿う合口部１５の空隙の面積
ａ１：本体部１１の厚さ
ｇ１：ピストン２の外周面２ａとシリンダボア３の内周面３ａとの隙間の寸法
ｐａ：溝下面取り部２ｆの本体部１１の径方向に沿う寸法
ｓ１：合口端部１３と合口端部１４との隙間の寸法

【0040】

なお、周方向Ｄ３に沿って見た外周下面面取り部１８ａの面積Ｃ３１と、周方向Ｄ３に沿って見た外周下面面取り部１８ｂの面積Ｃ３２とが互いに異なる場合には、上式（１）中の「２×Ｃ３」は、「Ｃ３１＋Ｃ３２」に置き換えられてもよい。

【0041】

所定の閾値は、セカンドリング２０の側面２１ａに腐食が生じることを抑制するようにトップリング１０の各部寸法を設定するための合口面積比率Ｒの閾値である。所定の閾値は、４０％以下の値とすることができる。所定の閾値は、４０％であってもよいし、３５％であってもよいし、３０％であってもよい。

【0042】

また、トップリング１０の本体部１１の側面１１ａ及び側面１１ｂの側面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以下、又は、Ｒｚ４μｍ以下であってもよい。側面１１ａ及び側面１１ｂの側面粗さが上記Ｒａ又はＲｚ粗さの値以下である場合、側面１１ａ及び側面１１ｂの表面に深い窪みができにくくなり、その窪みの空間に水素燃料又はエンジンオイルの成分由来のイオンが停滞する状態が生じにくくなる。そのようなイオンによる腐食の促進と、粗さに応じた表面の凹凸によって腐食に係る物質が物理的に滞留して腐食が誘発されることと、が生じにくくなることが予想される。側面１１ａ及び側面１１ｂの側面粗さは、Ｒａ０．０２μｍ以上であってもよい。側面１１ａ及び側面１１ｂの側面粗さは、Ｒｚ０．１μｍ以上であってもよい。

【0043】

ところで、水素燃料を使用する内燃機関におけるピストンリング１の腐食抑制方法は、準備ステップと、装着ステップと、を備える。

【0044】

準備ステップでは、水素燃料を使用する内燃機関のトップリング１０を含むピストンリング１を準備する。準備ステップでは、トップリング１０の燃焼室とは反対側に位置するセカンドリング２０を準備する。準備ステップでは、オイルリング３０を準備してもよい。

【0045】

準備ステップでは、内周面１１ｃと、外周面１１ｄと、内周面１１ｃに略直交する側面１１ａ及び側面１１ｂと、互いに対向して合口部１５を形成する一対の合口端部１３，１４と、を含む環状の本体部１１を有するようにトップリング１０を構成する。

【0046】

準備ステップでは、本体部１１における合口部１５の周囲に形成された空隙の投影面積を本体部１１の厚さａ１で除算した合口面積比率Ｒが所定の閾値以下となるように本体部１１を構成する。準備ステップでは、上式（１）に従って合口面積比率Ｒを算出し、合口面積比率Ｒが４０％以下となるように本体部１１を構成してもよい。なお、ピストン２における寸法ｐａについては、準備ステップにおいて、合口面積比率Ｒが４０％以下となるようにピストン２の溝下面取り面２ｅを構成してもよいし、合口面積比率Ｒが４０％以下となるようなピストン２を選定してもよい。

【0047】

装着ステップでは、準備ステップによって準備されたトップリング１０を、内燃機関のピストン２のトップリング１０用のリング溝２ｂに装着する。装着ステップでは、準備ステップによって準備されたセカンドリング２０を、内燃機関のピストン２のセカンドリング２０用のリング溝２ｂに装着する。

【0048】

このようにトップリング１０及びセカンドリング２０をリング溝２ｂに装着したピストン２を、内燃機関のシリンダボア３に挿入する。この状態で、常温において合口面積比率Ｒが所定の閾値以下となるため、水素燃料を使用する内燃機関において、ピストンリング１のセカンドリング２０の本体部２１の側面２１ａが腐食することを抑制し得る。

【0049】

以上、説明したピストンリング１及びピストンリング１の腐食抑制方法では、合口面積比率Ｒが所定の閾値（例えば４０％）以下となるように本体部１１が構成されている。これにより、燃焼室で燃焼した水素燃料の燃焼ガスが、トップリング１０の本体部１１における合口部１５の周囲に形成された空隙を通って、トップリング１０の燃焼室とは反対側に位置するセカンドリング２０側に流れ込むことを抑制できる。その結果、トップリング１０の燃焼室とは反対側において、水素燃料の燃焼ガスに起因するセカンドリング２０の側面２１ａの腐食の進行を抑制できる。したがって、水素燃料を使用する内燃機関において、ピストン２のリング溝２ｂに装着されるトップリング１０を含むピストンリング１の側面（セカンドリング２０の側面２１ａ）の腐食の抑制を図ることができる。

【0050】

トップリング１０の本体部１１の側面１１ａ及び側面１１ｂの側面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以下、又は、Ｒｚ４μｍ以下である。これにより、トップリング１０の側面１１ａ及び側面１１ｂの側面シール性の悪化が抑制され、側面１１ａ及び側面１１ｂとリング溝２ｂとの隙間を通ってトップリング１０の燃焼室とは反対側に燃焼ガスが流れ込むことを抑制することができる。

【0051】

なお、上記実施形態において「トップリング１０の燃焼室とは反対側」として、セカンドリング２０の側面２１ａと同様の環境下にあるトップリング１０の本体部１１の側面１１ｂにおいても、燃焼ガスが流れ込むことを抑制することにより、水素燃料の燃焼ガスに起因する腐食の進行を抑制できる。また、上記実施形態のほか、水素燃料を使用する内燃機関において３本以上の圧力リングを含むピストンリングを用いる場合であっても、上記実施形態における「トップリング１０の燃焼室とは反対側」と同様の環境が生じるのであれば、燃焼室側から３本目以降の圧力リングの側面を腐食の抑制を図る対象とすることができる。

【実施例】

【0052】

本開示を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本開示はこれらの例に限定されるものではない。

【0053】

図５は、合口面積比率と腐食指数との関係を示す図である。図５のグラフの横軸は、トップリングの合口面積比率（％）である。図５のグラフの縦軸は、腐食指数（％）である。腐食指数は、セカンドリングの側面における腐食が発生した部分の面積の割合である。

【0054】

図５のグラフにおいて、黒色四角形のプロットは、水素燃料を使用する内燃機関での値を示しており、白抜き円形のプロットは、ディーゼルエンジンでの値を示している。左の２つの黒色四角形のプロットは、白抜き円形のプロットの後ろに隠れているが、左から実施例１、実施例２に対応する。右の２つの黒色四角形のプロットは、左から比較例１、比較例２に対応する。３つの白抜き円形のプロットは、従来例に対応する。

【0055】

実施例１では、合口面積比率が３５％となるようにトップリングの各部寸法を設定した。具体的な一例として、実施例１のトップリングの各部寸法は、合口隙間の寸法ｓ１が０．２０ｍｍ、本体部の厚さａ１が４．２ｍｍ、径方向Ｄ２に沿った面取り面１１ｅの寸法ｚａが０．３５ｍｍ、軸方向Ｄ１に沿った面取り面１１ｅの寸法ｚｈが０．３５ｍｍ、ピストン２の外周面２ａとシリンダボア３の内周面３ａとの径方向Ｄ２に沿う隙間の寸法ｇ１が０．２９ｍｍ、溝下面取り部２ｆの本体部１１の径方向に沿う寸法ｐａが０．０６ｍｍ、であった。実施例１のトップリングの各部寸法から算出される各面積は、合口面取り部１６の面積Ｃ１が０．３５ｍｍ^２、合口面取り部１７の面積Ｃ２が０．３５ｍｍ^２、外周下面面取り部１８の面積Ｃ３が０．３５ｍｍ^２、合口部１５の空隙の面積Ｃ４が０．０７０２ｍｍ^２、であった。この場合の合口面積比率Ｒは、３５．０であった。

【0056】

合口隙間の寸法ｓ１は、トップリングがシリンダボア（又はシリンダボアを模した筒状治具）に挿入された状態で一対の合口端部の間に隙間ゲージを挿入することによって測定され得る。寸法ｘ、寸法ｙ、寸法ｚｈ、寸法ｚａ、及び、寸法ｐａは、各面取り部の輪郭形状から測定され得る。輪郭形状は、手動で測定されてもよく、画像処理ソフトによって測定されてもよい。トップリングの本体部の厚さａ１は、マイクロメータによって測定され得る。実施例２では、合口面積比率が４０％となるようにトップリングの各部寸法を設定した。比較例１では、合口面積比率が４３％となるようにトップリングの各部寸法を設定した。比較例２では、合口面積比率が４７．８％となるようにトップリングの各部寸法を設定した。

【0057】

図５のグラフを得る実験として、水素燃料を使用する内燃機関を搭載した車両の実車走行を想定した評価条件で、内燃機関を運転した。評価条件は、油温と水温とが低温となる条件と高温となる条件とを繰り返すようにした。評価条件は、内燃機関が低負荷の状態と高負荷の状態とを繰り返すようにした。評価条件は、内燃機関が低回転の状態と高回転の状態とを繰り返すようにした。評価条件は、評価中に内燃機関が断続的に一時停止する期間を設けた。

【0058】

上述の評価条件で内燃機関を運転した後、デジタルマイクロスコープにてセカンドリングの上側の側面を撮影した。セカンドリングの上側の側面において、撮影対象は、腐食が最も進行している部分とした。セカンドリング２０の側面２１ａの全体を目視で観察し、腐食が最も進行している部分（領域）を特定した。撮影倍率２０倍で撮影したものを図６～図９に示す。図６～図９において、腐食が発生した部分の色が濃く写っている。セカンドリング２０の材料のスチールが化学変化をして生じた化合物の色であり、腐食が発生していない部分と比べて色が違って写っている。

【0059】

図６は、実施例１のセカンドリングの上側の側面の状態を示す画像である。図６の画像では、セカンドリングの側面に変色は見られず、腐食は発生していなかった。

【0060】

図７は、実施例２のセカンドリングの上側の側面の状態を示す画像である。図７の画像でも、セカンドリングの側面に変色は見られず、腐食は発生していなかった。

【0061】

図８は、比較例１のセカンドリングの上側の側面の状態を示す画像である。図８の画像では、セカンドリングの側面に変色が生じた部分が不均一に見られ、軽微な腐食が発生していることが確認できた。

【0062】

図９は、比較例２のセカンドリングの上側の側面の状態を示す画像である。図９の画像では、セカンドリングの側面に変色が生じた部分が広範囲にわたって見られ、図８の例よりも腐食が進行していることが確認できた。

【0063】

図６～図９の箇所を電子顕微鏡にて反射電子組成像（Ｃｏｍｐｏ像）で撮影（撮影倍率４０倍）した後に、イメージアナライザーというソフトを使って二値化により解析した。輝度閾値を１３０とした。腐食が発生した部分が黒色、腐食が発生していない部分が白色、の２相に区分して、全体の面積に対する黒色部分の面積の割合を百分率で算出し、腐食指数を算出した。腐食指数は、セカンドリングの上側の側面の全体のうち腐食が発生した部分の面積の割合である。

【0064】

図５に示されるように、合口面積比率が３５％である実施例１の腐食指数は、０％であった。合口面積比率が４０％である実施例２の腐食指数は、０％であった。合口面積比率が４３％である比較例１の腐食指数は、１８％であった。合口面積比率が４８％である比較例２の腐食指数は、５７％であった。

【0065】

本発明者は、合口面積比率が４３～４５程度の圧力リングを、水素燃料を使用する内燃機関のピストンのリング溝に装着して実験したところ、セカンドリング２０の側面２１ａに腐食の発生を発見した。従来例のディーゼルエンジンでは、合口面積比率が４０％を超えても、腐食は生じなかった。これに対し、水素燃料を使用する内燃機関では、合口面積比率Ｒが４０％以上になると腐食が確認され、４７．８％では急激な腐食の増加がみられた。このような腐食は、水素燃料の燃焼ガスと未燃焼の水素ガスと潤滑油とが混ざり合って引き起こされる、水素燃料を使用する内燃機関に特有の現象と考えた。

【0066】

図５～図９の結果により、実施例１，２では腐食が発生しなかったのに対し、比較例１では軽微な腐食が発生したため、合口面積比率が４０％を超えると、セカンドリングの上側の側面に腐食が発生し始めることがわかった。また、実施例１，２では腐食が発生していないのに対し、比較例２では、比較例１よりも大きく腐食が進行した。合口面積比率が４５％を超えると、セカンドリングの上側の側面の腐食が進行しやすいことがわかった。したがって、水素燃料を使用する内燃機関においては、トップリング合口面積比率を４０％以下に設定することが、セカンドリングの側面の腐食を抑制するために重要であることが確認できた。

【0067】

以上、本開示をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。本開示は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

【0068】

トップリング１０の外周面１１ｄの形状は、バレルフェース形状、偏心バレルフェース形状、又はテーパフェース形状の何れであってもよい。セカンドリング２０の断面形状は、スクレーパ、バランススクレーパ、ナピア、又はバランスナピアの何れであってもよい。セカンドリング２０の外周面２１ｄの形状は、テーパフェース形状、バレルフェース形状、又は偏心バレルフェース形状の何れであってもよい。

【0069】

圧力リングの合口部は、ストレート形状の合口に限定されない。例えば、圧力リングの合口部は、いわゆるダブルステップの特殊形状の合口部であってもよい。図１０に示すトップリング４０のように、合口部４５においては、本体部４１の側面４１ａ側には、一方の合口端部４３から他方の合口端部４４に向かって突出する第１の突出部４６と、他方の合口端部４４において第１の突出部４６を受ける第１の受け部４７とが設けられていてもよい。また、本体部４１の側面４１ｂ側には、他方の合口端部４４から一方の合口端部４３に向かって突出する第２の突出部４８と、一方の合口端部４３において第２の突出部４８を受ける第２の受け部４９とが設けられていてもよい。

【0070】

圧力リングの合口部は、いわゆるダブルアングルの特殊形状の合口部であってもよい。図１１に示すトップリング５０のように、合口部５５は、環状の本体部５１の一部に形成されていてもよい。本体部５１は、幅方向の端面である一方の側面５１ａ及び他方の側面５１ｂと、厚さ方向の端面である内周面５１ｃ及び外周面５１ｄとによって、厚さ方向が長辺かつ幅方向が短辺となる断面略長方形状をなしていてもよい。合口部５５は、本体部５１の一方の端面５３と、他方の端面５４と、端面５３に設けられた突出部５６と、他方の端面５４側に設けられた受け部５７とによって構成されていてもよい。受け部５７は側面５１ａの途中から外周面５１ｄと途中に至る傾斜面５８を有し、突出部５６は受け部５７に対応する形状を有してもよい。

【0071】

圧力リングの合口部は、いわゆるトリプルステップの特殊形状の合口部であってもよい。図１２に示すトップリング６０のように、合口部６５は、環状の本体部６１の一部に形成されていてもよい。本体部６１は、幅方向の端面である一方の側面６１ａ及び他方の側面６１ｂと、厚さ方向の端面である内周面６１ｃ及び外周面６１ｄとによって、厚さ方向が長辺かつ幅方向が短辺となる断面略長方形状をなしていてもよい。外周面６１ｄが傾斜している場合は、側面６１ａ及び側面６１ｂの長さは互いに異なってもよい。合口部６５は、環状の本体部６１の両端部に設けられた合口端部６３，６４を含んでもよい。

【0072】

トリプルステップ形状とは、合口部６５を三方向から見た際にステップ形状を呈しているものである。トップリング６０の場合、上側の側面６１ａ側から見たとき、下側の側面６１ｂ側から見たとき、及び、外周面６１ｄ側から見たときに、合口部６５がステップ形状となっていてもよい。合口端部６３及び合口端部６４の対向面は、本体部６１の内周面６１ｃ側の略半分における対向面６６，６７と比較して、本体部６１の外周面６１ｄ側の略半分では、側面６１ａ側において合口端部６４が合口端部６３側に突出し、側面６１ｂ側において合口端部６３が合口端部６４側に突出するように凹凸が形成されていてもよい。

【0073】

上記実施形態では、合口面積比率Ｒは、上式（１）で表されたが、この例に限定されない。合口面積比率は、圧力リングの本体部における合口部の周囲に形成された空隙の投影面積を本体部の厚さで除算したものであればよい。

【0074】

上記実施形態では、トップリング１０の本体部１１の側面１１ａ及び側面１１ｂの側面粗さは、Ｒａ０．８μｍ以下、又は、Ｒｚ４μｍ以下であったが、この例に限定されない。

【0075】

上記実施形態では、合口面積比率Ｒが所定の閾値以下となるようにトップリング１０の本体部１１を構成したが、圧力リングがトップリング１０であってセカンドリング２０の側面２１ａの腐食を抑制する例に限定されない。圧力リングがセカンドリングであって、セカンドリングの燃焼室とは反対側に位置するピストンリングの側面の腐食を抑制する態様であってもよい。

【符号の説明】

【0076】

１…ピストンリング、２…ピストン、２ａ…外周面、２ｂ…リング溝、２ｄ…下側面、２ｅ…溝下面取り面、２ｆ…溝下面取り部、３…シリンダボア、３ａ…内周面、１０…トップリング（圧力リング）、１１…本体部、１１ａ…側面（一側面）、１１ｂ…側面（他側面）、１１ｃ…内周面、１１ｄ…外周面、１３…合口端部（第一合口端部）、１４…合口端部（第二合口端部）、１５…合口部、１６…合口面取り部（第一合口面取り部）、１７…合口面取り部（第二合口面取り部）、１８，１８ａ，１８ｂ…外周下面面取り部、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…面積（投影面積）、Ｄ１…軸方向、Ｄ２…径方向、Ｄ３…周方向、ｇ１，ｐａ，ｓ１，ｘ，ｙ，ｚａ，ｚｈ…寸法、Ｒ…合口面積比率。

【要約】

【課題】水素燃料を使用する内燃機関において、ピストンのリング溝に装着される圧力リングを含むピストンリングの側面の腐食の抑制を図る。
【解決手段】水素燃料を使用する内燃機関用のピストンリング１は、水素燃料を使用する内燃機関のピストンのリング溝に装着されるトップリング１０を含むピストンリングであって、トップリング１０は、内周面１１ｃと、外周面１１ｄと、内周面１１ｃに略直交する側面１１ａ及び側面１１ｂと、互いに対向して合口部１５を形成する一対の合口端部１３，１４と、を含む環状の本体部１１を有する。本体部１１は、本体部１１における合口部１５の周囲に形成された空隙の投影面積を本体部１１の厚さで除算した合口面積比率が所定の閾値以下となるように構成されている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】