KR0170451B1 - 내연기관용 피스톤 상부 링 - Google Patents

Abstract

피스톤 상부 링(4)은, 실린더의 연소실내의 개스가 갭(9)을 통해 유동하는 것을 차단하기 위해 링이 갭(9)에서 팽창하도록 설계된다. 링의 외측면(11)은 링의 상부면으로 부터 하부면까지 연장하는 적어도 2개의 홈(15)을 지녀서 작동실로부터 링의 하부면까지 고온의 개스의 우수하게 한정되고 제어된 유동을 제공한다. 홈(15)은 링상의 압력강하를 한정함에 따라 링의 마멸을 감소시킨다.

Description

내연기관용 피스톤 상부 링

본 발명은 내연기관, 특히 대형 2행정 엔진의 피스톤용 상부 링(top ring)에 관한 것으로서, 상기 링은 피스톤 측벽의 링 홈내에 장착시 팽창하도록 절취되며, 상기 절취부에서 링의 양단부는 실린더의 연소실내의 개스가 그 절취부를 통하여 유동하지 못하도록 설계된다.

통상의 피스톤 상부 링은 반경방향 절취에 의해 형성된다. 이같은 상부 링을 갖는 피스톤이 실린더에 장착되면, 링의 2개의 단부가 링의 마멸을 증가시키는 일정한 공통 거리를 지님으로써, 링 절취부의 중앙선이 반경방향 외부로 이동되어 링의 마멸을 초래하며, 링의 직경이 증가되고 링의 양단부 사이의 갭(gap)이 증가한다. 연소실내의 개스가 링의 갭에서 실린더 라이너와 피스톤 사이의 간극을 통하여 하방으로 유동할 수 있으며, 피스톤 상부 링이 마멸됨에 따라 링의 갭이 증가하기 때문에, 개스의 누출 또한 증가하여 링의 갭 주위의 영역에서 피스톤 및 라이너상에 증가된 열부하(thermal load)를 초래할 것이다. 정상적으로 피스톤 상부 링은 엔진이 구동될 때 링 홈의 원주방향으로 배치될 것이지만, 경험상 상부링의 이동이 정지될 수 있으며, 그것은 링의 갭에 마주하는 실린더 라이너 및 하부 피스톤 링에 대하여 과중한 열부하를 초래할 수 있다. 정적(static) 상부 링의 경우 증가된 국부 열부하는 균열의 개시 및 다른 바람직하지 못한 재료의 부식을 초래할 수 있다.

과도한 열부하를 회피하기위해 다양한 다른 형태의 상부 링들이 설계되었는바, 링의 2개의 단부는, 적어도 링 갭의 대부분을 폐쇄하여 링 갭을 통한 연소개스의 누출가능성을 제한하는 상호 중첩 날름쇠(tongue)를 지닌다. 그같은 피스톤 상부 링들은 저질의 오일로 가동되는 엔진에 사용될 수 있는바, 그러한 엔진에서 상부 링은 연소 잔류물이 상부 링 하부의 링 팩(ring pack)내로 침투하는 것을 저지한다. 그러나 이같은 소위 기밀(gastight) 상부 링은 매우 쉽게 마모될 수 있는 바, 링의 마모는 링의 상부면 및 하부면 사이의 압력차에 따르기 때문이다.

본 발명의 목적은, 링의 수명 전반에 걸쳐 거의 일정하게 한정된 개스 유동을 허용하는 수명이 긴 (long - life) 내연기관용 피스톤 상부링을 제공하는 것이다.

이같은 목적의 관점에서, 본 발명에 따른 피스톤 상부링은, 실린더 벽과 접촉하는 링의 외측면이 링의 상부면으로부터 하부면까지 연장되는 적어도 2개의 홈을 지니며, 홈들의 폭의 합이 링의 원주의 0.1 내지 1%, 바람직하게는 0.2 내지 0.5%로 되는 것을 특징으로 한다.

홈들은 연소실로부터 링의 하부면까지 개스의 제어되고 한정된 유동을 발생시키는 바, 피스톤 상부 링은 대부분의 연소 생성물이 상부 링의 하부에 배치된 링 팩에 영향을 미치지 못하게하여 압력강하의 대부분이 상부 링 상부에서 발생하게 할 수 있으며, 다른 한편, 홈은 링의 마모를 허용가능한 범위내에 유지시켜 링 상부의 압력강하가 공지된 기밀 피스톤 상부 링들의 압력강하에 비해 감소된다.

미리 공지된 링 갭을 통하는 대신에 홈을 통하여 개스 유동이 발생함으로써, 개스 유동이 링의 수명 전반에 걸쳐 일정하게 되어, 실린더 라이너, 피스톤 및 피스톤 링에 대하여 균일하고 한정된 열부하를 제공한다. 2개 또는 그 이상의 홈들 사이에 한정된 개스 유동을 제공함으로써, 홈에 인접한 영역에서 국부 열부하의 현저한 감소가 이루어진다. 개스가 절취부를 통해 유동하는 것이 방지되기 때문에, 개스 유동으로 인한 국부적인 열부하는, 제한된 개스 유동을 갖는 공지된 상부 링들에서보다 작게 될 뿐 아니라 일정하며 또한 링 마멸과는 무관하다.

소기의 효과를 얻기 위하여, 홈들의 전체 폭을 링의 원주의 0.1 내지 1%로 되게 하는 것이 중요하다. 홈의 폭의 합이 링의 원주의 0.1 내지 1% 미만이면, 링의 마멸이 비교적 크게 될 것이며, 전체폭이 원주의 1%를 초과하면 하부 피스톤 링에 대한 압력영향이 증가한다. 하부 링 마멸과 하부링들의 우수한 보호간의 적절한 절충이, 홈들의 폭의 합이 링의 원주의 0.2 내지 0.5%로 되는 피스톤 상부 링에 의해 이루어진다.

홈들은, 링의 평면에 관하여 적절히 경사지게, 바람직하게는 45°의 각도로 연장될 수 있다. 이는 링의 원주방향 장력을 감소시키지만, 중요한 것은 엔진구동시 경사홈을 통한 한정된 개스 유동이 상부 링의 작동상태 유지에 기여함으로써, 상부 링이 링 홈의 원주방향으로 연속 배치된다는 점이다. 이는 실린더 라이너와 하부 피스톤 링의 국부 과열을 방지한다. 더 크거나 작은 이동 효과를 원한다면, 홈들은 링의 평면에 대해 예컨대 30° 내지 60°의 예각을 형성 할 수 있다.

링의 수명 전반에 걸쳐 홈을 통한 개스의 유동을 유지하기를 원한다면, 홈들의 깊이는 예상되는 반경방향 링 마모보다 더 커야된다. 비교적 깊은 홈의 깊이에도 불구하고, 홈을 통한 개스 유동은 피스톤 측벽의 링 홈의 반경방향 외측에 배치된 홈의 면적에 의해 결정된다. 즉, 개스 유동은 원주방향 홈의 폭 및 실린더 라이너의 내측면과 피스톤의 외측면 사이의 간극 크기에 의해 결정된다.

홈 주변 영역에서의 열부하를 제한하기 위해, 홈의 폭은 적절히 작아야 한다. 그러므로, 홈의 폭은 홈의 깊이의 1/2로 될 수 있는 바, 이때 링은 마멸되지 않는다.

피스톤 상부 링이 링의 수명중 마모될 것으로 기대되는 실린더 라이너에 연계되어 사용된다면, 홈의 측벽들은 적절히 반경방향 외향으로 확장될 수 있다. 라이너와 피스톤 사이의 간극의 크기가 증가하면, 홈의 더 큰 부분이 노출되지만, 피스톤 링이 동시에 마멸됨으로써, 내향으로 감소하는 홈의 폭이 노출된 홈의 면적 및 그에 따른 열부하를 거의 일정하게 되도록 한다.

중유가 연료로 사용되면, 연소 생성물은 슬래그 물질 (slag material)을 포함하는바, 이는 슬래그 물질이 홈을 차단하는 것을 방지하도록 각각의 홈의 폭이 1㎜ 이상으로 되며, 또한 홈을 관통하여 하부 피스톤 링으로 침투하는 슬래그 물질의 량을 제한하도록 3㎜미만으로 되는 것이 바람직하게 한다.

홈의 수는 최대 8개이며, 바람직하게는 3개 내지 5개로 되어, 홈들의 폭의 합이 링의 원주에 비해 너무 크지 않게 되도록 고려하고, 홈이 매연 및 다른 연소 잔류물에 의해 차단되지 않도록 각각의 홈의 폭이 너무 작게 되지 않도록 고려하는 것이 바람직 하다.

본 발명의 실시예가 첨부도면을 참조로하여 상세하게 설명될 것이다.

제1도는 실린더 라이너에 조립된 피스톤의 단면도.

제2 도는 절취부 주변 영역에서 본 발명에 따른 피스톤 상부링의 일부를 확대 도시한 사시도.

제3도는 무부하 상태에서 전체 피스톤 상부 링의 평면도.

제4도 및 제5도는 홈 주변 영역에서의 제1도의 링의 일부를 보여주는 평면도 및 측면도.

제6도는 본 발명에 따른 다른 실시예로 제4도에 대응하는 도면.

제1도에는 피스톤(1)이 도시되어 있는데, 그 피스톤의 원통형 측벽(2)에는 다수의 링 홈(3)이 제공되며, 홈들중 상부 홈은 피스톤 상부 링(4)을 수용하며, 하부 홈은 오일 분배 링(5)을 수용하는 반면, 통상의 피스톤 링(6)들이 중간 홈에 삽입된다. 피스톤 링들은 실린더 라이너(7)에서 피스톤의 위치를 반경방향으로 제어하여, 연소실(8)내의 개스압이 피스톤 아래의 공간으로 누출되는 것을 차단한다. 오일 분배 링(5)의 외측면에는 다수의 경사진 트랙이 제공되는 바, 그 트랙들은 상호 인접하게 배치되어, 라이너의 전체 내표면을 청소하며 또한 윤활유를 상기 내표면에 얇은 막으로 분배한다. 그러나, 오일 공급수단 자체가 윤활유를 적절히 분배할 수 있다면 오일 분배 링을 생략할 수도 있다.

피스톤 상부 링(4)은 절취부(9)를 지니는 바, 그 절취부는 링 홈(3)에 장착시 링의 직경을 팽창시킬 수도 있으며, 또한 링이 마멸됨에 따라 링의 2개의 단부가 서로간에 후퇴되도록 할 수 있다.

제2도에는, 절취부를 통한 개스의 유동을 차단하는 링 절취부의 실시예가 도시되어 있다. 링 홈의 외측 가장자리는 일점쇄선(10)으로 도시되어 있다.

링의 외측면(11)은 도면에 도시되지 않은 실린더 라이너와 접촉한다. 링의 일단부는, 링의 타단부의 상응 오목부내로 돌출하는 돌출 날름쇠(12)를 지닌다. 날름쇠(12)는 반경방향에서 피스톤 상부 링(4)보다 작으며, 오목부(13)는 날름쇠의 내측면과 접하는 수직벽에 의해 링의 내측면에서 경계지워진다. 날름쇠(12)의 축방향 높이는 링의 높이보다 낮으며, 오목부(13)는 돌출부(14)에 의해 상방으로 경계지워지며, 돌출부의 하부면은 날름쇠(12)의 상부면과 접한다. 날름쇠(12)가 폭 및 높이방향으로 오목부(13)를 채우기 때문에, 날름쇠가 원주방향으로 오목부(13)의 하부로 부터 이격되는지의 여부에 관계없이 연소개스가 절취부를 통해 누출되는 것이 차단된다.

링의 외측면은 4개의 홈(15)을 지니는 바, 그 홈들은 제5도에 도시된 바와 같이 링의 평면에 대해 각도 α로 경사지게 연장된다. 각도α가 25내지 65°사이에 있으면, 링에서의 적절히 낮은 장력이 얻어질 수 있다. 본 실시예에서의 각도 α 는 45°이다.

피스톤 상부 링이 대형 저속 디젤기관에 사용되면, 피스톤 직경은 예컨대 0.9m로 될 수 있으며, 홈의 폭(b)은 예컨대 2㎜로 될수 있고, 홈의 깊이(t)는 5㎜로 될수 있는 바, 이 깊이는 엔진이 새것일때 피스톤과 라이너 사이의 간극이 0.3㎜로 되는 것에 비교될 수 있다. 따라서, 홈의 바닥이 간극에 나타나기 시작하기 전에 링의 폭이 4.5㎜이상 마모될 수 있다.

제4도에는 홈의 측벽들이 거의 평행하게 도시되어 있지만, 제6도에 도시된 바와같이 홈의 측벽(16)들이 반경 외향으로 확장하도록 설계될 수도 있다. 이같은 측벽의 설계는 장기간 작동후 발생하는 라이너와 피스톤간의 큰 간극을 자동적으로 보상함으로써, 링 홈(3) 외측면의 노출 영역이 링의 수명 전반에 걸쳐 거의 일정하게 된다.

물론 링 절취부를 다르게, 즉, 기밀형식으로 설계할 수 있고, 동시에 본 발명에 따른 홈을 사용할 수 있으며, 그것은 피스톤 상부 링의 상부면으로부터 하부면까지 제어된 개스 유동을 보장함으로써, 균일하고 적절히 한정된 개스가 각각의 홈을 통해 유동하도록 한다.

또한 2 내지 8개의 홈 사이의 개스 유동의 분배가 각각의 홈에서의 열부하를 감소시킨다.

본 발명에 따르면, 1개의 피스톤에 대하여 1개 이상의 피스톤 상부링을 사용하여, 상부 링에 의해 저지될 압력강하가 여러 링에 대하여 분배될 수 있다.

Claims (7)

1. 내연기관, 특히 대형 2행정 엔진의 피스톤(1)용 피스톤 상부 링(4)으로서, 상기 링은 피스톤의 측벽(2)의 링 홈(3) 내에 장착시 링의 팽창을 허용하도록 절취되며, 상기 절취부(9)에서 링의 양단부는 실린더의 연소실(8)의 개스가 상기 절취부를 통하여 유동하는 것을 차단하도록 설계되는 내연기관용 피스톤 상부 링(4)에 있어서, 상기 실린더 벽과 접촉하는 링의 외측면(11)이 상기 링의 상부면으로 부터 하부면까지 연장되는 적어도 2개의 홈(15)을 지니며, 상기 홈(15)들의 폭(b)의 합은 피스톤 상부링(4)의 원주의 0.1내지 1%, 바람직하게는 0.2 내지 0.5%로 되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 상부 링.
2. 제1항에 있어서, 상기 홈(15)은 상기 링의 평면에 대해 45°의 각도(α)로 경사지게 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤 상부 링.
3. 제1항에 있어서, 상기 홈(15)의 깊이(t)는 링의 예상되는 반경방향 마모보다 크게 되는 것을 특징으로 하는 피스톤 상부 링.
4. 제3항에 있어서, 상기 홈(15)들의 폭(b)은, 피스톤 상부 링(4)이 마모되지 않았을 때, 홈의 깊이(t)의 1/2로 되는 것을 특징으로 하는 피4스톤 상부 링.
5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈(15)의 측벽(16)들은 반경 외향으로 확장하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 피스톤 상부 링.
6. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 홈(15)의 폭(b)은 1.0 내지 3㎜, 바람직하게는 약 2㎜로 되는 것을 특징으로 하는 피스톤 상부 링.
7. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈(15) 들의 수는 최대 8개, 바람직하게는 3 내지 5개로 되는 것을 특징으로 하는 피스톤 상부 링.