KR100674425B1 - 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관에 있어서 실린더 내벽 및 피스톤에 부착되어 있는 오일이 역압에 의하여 연소실로 상승되는 것과 블로우 바이 현상을 효율적으로 방지하여 연료의 불완전 연소에 따른 매연 방지와 과다한 오일소모를 방지하기 위한 오일링과 오일 스크래퍼 기능을 동시에 수행할 수 있는 오일 스크래퍼 링에 관한 것으로, 원주면에 다수의 압축링과 오일링을 구비하는 내연기관용 피스톤에 있어서, 압축링의 하측에 형성된 링홈에 오일 스크래퍼링을 설치되되, 상기 오일 스크래퍼링은 외경면에 상,하측 돌기가 형성되어 실린더의 내경면과 접촉하게 되고, 상기 상,하측 돌기는 그 사이에 관통구멍이 없이 일체로 형성된다.

이러한 본 발명은 실린더 내벽과 접촉할 때 상측돌기는 실린더와의 접촉면을 넓게하고 하측돌기는 좁게하여 하측돌기가 1차로 오일을 긁어 내리며 상측돌기가 2차로 오일을 스크래핑하여 실린더 내벽에 부착된 오일을 긁어 내리고, 오일창이 없으므로 피스톤이 하향운동할 때 상,하측 돌기 사이로 오일이 역류되지 않고 연소실로 엔진 오일이 침입됨을 방지하여 불완전 연소에 따른 매연을 방지한다.

오일 스크래퍼링, 상측돌기, 하측돌기

Description

오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치{PISTON APPARATUS WITH OIL SCRAPER RING}

도 1a 내지 도 1d는 일반적인 내연기관의 피스톤 행정을 보여주는 요부단면도;

도 2a는 일반적인 피스톤 링의 종류를 예시하는 오일링의 단면도;

도 2b는 일체형 피스톤에 오일링이 설치된 상태를 보여주는 단면도;

도 2c는 도 2b의 A-A선 반단면도;

도 3은 본 발명에 따른 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치의 구성을 도시한 단면도;

도 4는 본 발명에 따른 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치를 상세하게 도시한 단면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 실린더 20: 피스톤

22: 압축링 100: 오일 스크래퍼링

110: 상측돌기 120: 하측돌기

130: 링홈 160: 코일 스프링

본 발명은 디젤엔진용 내연기관의 피스톤에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내연기관에 있어서 실린더 내벽 및 피스톤에 부착되어 있는 오일이 역압에 의하여 연소실로 상승되는 것과 블로우 바이(blow-by) 현상을 효율적으로 방지하여 연료의 불완전 연소에 따른 매연 방지와 과다한 오일소모를 방지하기 위한 오일링과 오일 스크래퍼 기능을 동시에 수행할 수 있는 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치 관한 것이다.

일반적으로, 내연기관의 피스톤은 실린더속에서 4행정 왕복운동을 하게 되는데, 이 때 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 단계별로 거치면서 동력을 발생시키므로 엔진의 출력을 향상시키기 위해 다양한 노력을 하고, 또한 출력 저하 요인을 제거하기 위한 노력도 함께 병행되고 있다.

출력저하의 요인으로는 엔진오일이 실린더의 연소실로 유입되어 연료와 함께 연소되면서 발생되는 불완전연소와, 연료를 분사시키는 분사 노즐팁의 불량과, 흡입공기량이 적을 때, 피스톤링의 기밀 유지불량 등이 여러가지 요인이 있다.

그 중 엔진오일이 연소실로 유입되는 문제로 인한 피스톤의 크라운이나 피스톤의 둘레에 불완전연소로 인해 탄소덩어리가 고착되거나 불완전연소의 그으름이 고착되기도 하며 특히 피스톤의 왕복운동시 크랭크측 챔버에서 발생되는 내압에 의해 엔진오일이나 공기가 실린더의 연소실속으로 역류하거나 혹은 피스톤의 상향 운동 시 내부로 연료가 유입되는 문제점이 있다.

상기와 같은 이유에 대하여 종래의 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1a는 흡기밸브(V1)가 개방되면서 피스톤(20)이 상사점으로부터 하사점으로 하강함에 따라 공기와 연료가 연소실(10a)내로 흡입되는 흡입행정을 나타낸 도면이고, 도 1b는 흡기밸브(V1)가 폐쇄되고 피스톤(20)이 하사점으로부터 상승함에 따라 연소실(10a)내의 공기와 연료가 고온고압 상태로 압축하는 압축행정을 나타낸 것이고, 도 1c는 피스톤(20)이 상사점에 도달하면 흡입행정에 의해 연소실내로 공급되어 압축된 고온고압의 연료가 순간적으로 폭발하여 연소하는 폭발행정을 나타낸 도면이고, 도 1d는 피스톤이 다시 상사점으로 이동하면서 배기밸브(V2)가 개방되어 연소실(10a)내의 연소가스가 배출되는 배기행정을 수행하는 도면이다.

도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이 실린더(10)의 내부에 왕복운동하는 피스톤(20)은 그 원주면에 복수개의 링홈(22a, 23)들이 형성되어 있고, 그 링홈(22a)속에는 압축링(22)과 오일링(24)이 설치되어 있다.

따라서, 피스톤의 왕복운동시 압축링(22)은 실린더내부를 압축하여 면압을 발생시켜 연소실(10a)내에 압축압을 발생시키고, 오일링(24)은 엔진오일을 긁어내리는 기능을 한다.

흡기행정(도 1a)시 흡입밸브(V1)가 열린 상태에서 피스톤(20)이 상사점에서 하사점으로 급속히 전환되어 하강함에 따라 연소실(10a)은 진공상태로 되는 반면, 피스톤(20)의 내부에서는 압력이 급격히 상승하게 된다. 이에 따라, 이 같은 역압공기가 오일통로를 통해 화살표 'A'를 따라 이동되면서 오일링(24)과 그 링홈(23)에 묻어 있거나 남아있는 오일을 실린더(10) 라이너의 내벽을 따라 연소실내로 그 림 2c와 같이 역류하게 된다.

또한, 그림 2c에서 피스톤의 하향 운동시에는 피스톤링의 배면압이 없어 라이너 하단접촉면과의 밀착성이 유지되지 않아 피스톤내의 순간 압력이 배면을 통하여 연소실내로 진입하는 현상이 발생한다.

이에 따라 오일은 공기와 함께 연소실내로 진입되며, 또한 실린더 라이너벽에도 다량 부착되는데 압축행정시(도 1b) 피스톤(20)이 상방으로 올라갈 때 압축링(22)이 실린더 라이너벽에 묻어있는 오일을 긁어 올려 화살표 'B'와 같은 경로를 따라 연소실 내로 유입된다.

이후, 연소실로 유입된 엔진오일은 인화점이 높아 폭발행정(도 1c)에서 연소를 방해하게 되어 결국 불완전 연소를 초래하게 되고, 배기행정(도1d)에서 검은 연기(매연)를 배출하는 문제점이 있다.

이와 같은 4사이클 기관의 작동 중 배기행정(도1d)시 배기밸브(V2)가 열린 상태에서 피스톤이 상사점으로 이동하면서 피스톤 내부의 압력이 급격히 낮아져 연소실(10a)의 배기공기가 화살표 'D'방향과 같이 실린더(10)의 내측벽과 피스톤(20)의 외측벽 틈새를 지나고 압축링(22)과 실린더 라이너 사이를 지나 링홈(23)과 홀(26)을 통해 실린더(10) 및 피스톤(20)의 내부로 유입된다. 이 같은 현상은 폭발행정(도1c)시에도 공기가 화살표 'C'의 경로 따라 이동하면서 발생된다. 이러한 문제는 주로 오일링과 그 링홈사이의 공간에 의해 혹은 오일링의 중앙에 형성된 오일창을 따라 오일이 배출 또는 흡입되는 것이다.

도 2a와 도 2b를 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.

도 2a는 피스톤에 설치되어지는 오일링의 종류를 도시한 것이고, 도 2b는 일체형 피스톤에 오일링이 설치된 상태의 단면을 나타내는 것이며, 도 2c는 도2b에 도시된 오일링을 확대하여 도시한 확대도이다.

오일링은 도2a에 도시된 바와 같이 오일링(24)의 중앙부에 일정간격으로 관통구멍(24c)이 형성되어 있고 그 외경의 표면에는 상하로 분리되어 원주방향 외측으로 돌출된 한쌍의 상하부 돌기(24a, 24b)를 구비하고 있다. 이는 피스톤의 왕복운동시 실린더 라이너의 내벽에 묻어 있는 오일을 연속적으로 긁어내리기 위한 것이다. 즉, 하부 돌기(24b)에 의해 실린더 라이너의 내벽에 묻어 있는 오일을 긁어내리고 다시 상부에 있는 돌기(24a)에 의해 잔여 오일을 긁어내리도록 함으로서 오일을 이중으로 긁어내기 위한 효과를 제공하기 위한 것이다.

상기한 관통구멍(24c)은 도 2a 와 2b에 도시된 바와 같이 오일링의 상부돌기(24a)에 의해 긁어내린 오일은 관통구멍(24c)속으로 유입되어 피스톤 내부(20b)와 연결된 홀(26)을 통해 피스톤 내부(20b)로 흘러들어가도록 안내하는 작용을 하나 오일링(24)의 중앙에 관통구멍(24c)이 형성되어 내부의 압력에 따라 오일이 역류되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 실린더 내벽과 접촉하는 상측돌기와 하측돌기의 길이를 조절하여 실린더 내벽에 부착된 오일을 효과적으로 긁어내고, 상측돌기와 하측돌기 사이를 구멍으로 뚫리지 않도록 막음(오일창이 없는것)으로써 오일이 내압에 의해 역류될 때 상, 하측돌기 사이로 오일이 역류되지 않도록 하며, 오일링의 배면을 지나 피스톤내의 역압이 상승하는 것을 막기 위하여 코일 스프링을 깊게 링의 속으로 들어가도록하며 링의 두께를 콤프링과 같이 두껍게 하므로 역압의 상승을 막아 주고 내마모를 위하여 상측 돌기부는 두껍게 하고 하측 돌기부는 상측 돌기보다 작은 직경으로 하고, 피스톤부에는 스크래퍼링 하단부에 여러개의 오일홀을 뚫어주어 스크래퍼링과 오일링의 기능도 포함하여 2가지의 링의 기능을 동시에 할 수 있도록 발명한 것으로 윤활유의 과다한 소모를 방지하고, 불완전연소로 인한 매연방지 및 출력저하를 방지하여 오일 스크래퍼링과 오일링의 기능을 동시에 할 수 있는 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 원주면에 다수의 압축링과 오일링을 구비하는 내연기관용 피스톤에 있어서, 압축링의 하측에 형성된 링홈에 오일 스크래퍼링이 설치되되, 상기 오일 스크래퍼링은 외경면에 상,하측 돌기가 형성되어 실린더의 내경면과 접촉하게 되고, 상기 상,하측 돌기는 그 사이에 관통구멍이 없이 일체로 형성되어 스크래퍼 기능과 오일링의 기능을 동시에 한다.

상기 상,하측 돌기는 각각 테이퍼 형상을 띠고, 그 사이는 홈이 형성되어 이격되고, 실린더의 내경면에 접촉하는 상측돌기의 접촉면 길이(a)가 1~3mm이고, 하측돌기의 접촉면 길이(b)가 0.4~1mm이고, 상측돌기의 반경이 하측돌기의 반경에 비해 0.5~1mm(c) 크다.

상기 오일 스크래퍼링은 그 일측에 장력을 부가하기 위한 코일 스프링을 구 비하고, 상기 코일 스프링은 오일 스크랭퍼링의 일측 끝단과 일정한 간격(d) 만큼 안쪽으로 삽입된다.

상기 오일 스크래퍼링의 하측에는 상기 상,하측 돌기에 의해 긁어내린 오일을 피스톤 내부로 보낼 수 있도록 오일홀이 구비된다.

상기 오일 스크래퍼링은 오일링의 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치에 대한 일 실시 예로서는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치의 구성을 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치를 상세하게 도시한 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 원주면에 다수의 압축링과 오일링을 구비하는 내연기관용 피스톤에 있어서, 크라운의 원주면에는 압축링(22)이 마련되어 있고, 상기 압축링(22)의 하측에 형성된 링홈(130)에 오일 스크래퍼링(100)이 설치된다.

도 3과 도 4와 같이, 상기 오일 스크래퍼링(100)은 외경면에 상,하측 돌기(110,120)가 형성되어 실린더(10)의 내경면과 접촉하게 되고, 상기 상,하측 돌기(110,120)는 그 사이에 관통구멍이 없이 일체로 형성된다.

특히, 오일 스크래퍼링(100)의 상,하측 돌기(110,120)사이에는 오일이 통과하는 구멍이 없으므로 오일이 역류하는 것을 방지하게 되고, 상,하측 돌기(110,120) 사이의 형상은 하향으로 경사진 홈으로 되어 있다.

상기 상,하측 돌기(110,120)는 각각 테이퍼 형상을 띠고, 그 사이는 홈이 형성되어 이격되고, 실린더(10)의 내경면에 접촉하는 상측돌기(110)의 접촉면 길이(a)가 1~3mm이고, 하측돌기(120)의 접촉면 길이(b)가 0.4~1mm로 이루어진다. 또한, 오일 스크래퍼링(100)과 조립되는 피스톤(20)에 오일 스크래퍼링(100) 바로 하단에 다수의 오일홀(150)을 뚫어 오일이 크랭크실로 회수되도록한 오일링의 기능도 포함한다.

상측돌기(110)와 실린더(10) 내경이 접하게 되는 접촉면 길이(a)가 1mm 이하이면 오일 스크래퍼링(100)의 상측돌기(110)가 쉽게 마모되므로 제품의 내구성이 떨어지고, 3mm이상이면 너무 두껍기 때문에 오일 스크래퍼링(100)의 기능을 최대로 사용할 수 없는 단점이 있다.

따라서, 상측돌기(110)와 실린더(10) 내경이 접하게 되는 접촉면 길이(a)는 1~3mm가 적당하며, 가장 바람직한 길이는 2mm가 되는 것이고, 이와 같은 원리로 오일 스크래퍼링(100)의 하측돌기(120)와 실린더(10)가 접촉하는 접촉면의 길이(b)는 0.4~1mm로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상측돌기(110)의 반경이 하측돌기(120)의 반경보다 0.5~1mm(c) 크게하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 오일 스크래퍼링(100)은 유창이 없이 오일 스크랩기능과 오일회수기능을 모두 갖추고 있기 때문에 특별히 따로 오일링을 설치할 필요가 없다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치는 피스톤(20)이 실린더(10)의 내벽과 접하여 하부로 하강할 때 피스톤(20)의 원주면에 설치된 하측돌기(120)는 실린더(10)의 내벽에 부착된 오일을 긁어내고, 긁어모아진 오일은 오일 스크래퍼링 아래에 위치한 오일홀(150)로 배출됨으로 피스톤 내부의 압이 오일 링그루부의 홀을 타고 역류하지 않도록 한다.

또한, 오일 스크래퍼링(100)의 하측돌기(120)의 상측에 형성된 상측돌기(110)는 하측돌기(120)가 하강하면서 오일을 긁어내리면 다시한번 더 실린더(10)의 내벽에 남아있는 오일을 긁어 내리게 된다.

이때, 오일 스크래퍼링(100)의 상,하측 돌기(110,120)사이에는 오일이 통과하는 구멍이 없으므로 오일이 역류되는 것을 방지하면서 종래에 사용된 오일링에 비해 완벽하게 실린더(10)의 내벽에 부착된 오일을 긁어 내려 오일홀(150)로 배출시킬 수 있다.

상기와 같은 구성과 작용을 갖는 본 발명에 따른 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치는 실린더 내벽과 접촉할 때 상측돌기는 실린더와의 접촉면을 넓게하고 하측돌기는 좁게하여 하측돌기가 1차로 오일을 긁어 내리며 상측돌기가 2차로 오일을 스크래핑하여 실린더 내벽에 부착된 오일을 긁어 내린다. 오일링에는 일반적으로 오일창이 있어 오일창을 통하여 피스톤과 실린더 내부 압력이 역류되나 본 발명은 오일창이 없으므로 피스톤이 하향운동할 때 상,하측 돌기 사이로 오일이 역류되지 않고 연소실로 엔진 오일이 침입됨을 방지하여 불완전 연소에 따른 매연을 방지하고 별도의 오일링은 필요하지 않게 된다.

Claims (5)

1. 압축링(22)의 하측에 형성된 링홈(130)에 오일 스크래퍼링(100)이 설치되고, 상기 오일 스크래퍼링(100)은 외경면에 상,하측 돌기(110,120)가 형성되어 실린더(10)의 내경면과 접촉하게 되고, 상기 상,하측 돌기(110,120)는 그 사이에 관통구멍이 없이 일체로 형성되는 4행정 왕복운동을 행하는 내연기관용 피스톤에 있어서,

   상기 상,하측 돌기(110,120)는 각각 테이퍼 형상을 띠고, 그 사이는 홈이 형성되어 이격되고, 실린더(10)의 내경면에 접촉하는 상측돌기(110)의 접촉면 길이(a)가 1~3mm이고, 하측돌기(120)의 접촉면 길이(b)가 0.4~1mm이고, 상측돌기(110)의 반경이 하측돌기(120)의 반경에 비해 0.5~1mm(c) 큰 것을 특징으로 하는 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 오일 스크래퍼링(100)은 그 일측에 장력을 부가하기 위한 코일 스프링(160)을 구비하고, 상기 코일 스프링(160)은 오일 스크랭퍼링(100)의 일측 끝단과 일정한 간격(d) 만큼 안쪽으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 오일 스크래퍼링이 설 치된 피스톤 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 오일 스크래퍼링(100)의 하측에는 상기 상,하측 돌기(110,120)에 의해 긁어내린 오일을 피스톤 내부로 보낼 수 있도록 오일홀(150)이 구비되는 것을 특징으로 하는 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 오일 스크래퍼링(100)은 오일링의 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 스크래퍼링이 설치된 피스톤 장치.

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