KR100976868B1 - 왕복운동 엔진 - Google Patents

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Abstract

왕복운동 엔진(1)은, 연소실(2)을 규정하고 있는 피스톤(3)의 톱면(머리부 끝면)(4)에 인접하여 배치된 제1 피스톤 링으로서의 환상의 톱 링(5)과, 톱면(4)에 대해 톱 링(5)을 사이에 두고 배치된 제2 피스톤 링으로서의 환상의 세컨드 링(6)과, 톱 링(5)과 세컨드 링(6)에 의해 획정된 환상 가스실(7)과, 환상 가스실(7)과 연소실(2)을 연통시키는 복수의 연통로(8)를 구비하고 있으며, 톱 링(5) 및 세컨드 링(6)은, 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 서로 이반하도록 피스톤(3)이 왕복운동하는 X방향에 대해 각각 경사져 있다.

Description

왕복운동 엔진{Reciprocating engine}
본 발명은 자동차, 선박, 산업용 동력 기계 등에 사용하는 왕복운동 엔진에 관한 것이다.
예를 들어 일본특허공개 평4-347352호 공보(특허문헌 1)에 있어서는, 피스톤의 톱면(머리부 끝면)에 대해 제1 피스톤 링(톱 링)을 사이에 두고 배치된 제2 피스톤 링(세컨드 링)을, 제1 피스톤 링과 제2 피스톤 링의 사이에서의 피스톤의 가스 수압면적이 반(反)스러스트측보다도 스러스트측에서 커지도록, 피스톤의 왕복운동방향에 대해 경사지게 함과 동시에, 제1 피스톤 링과 제2 피스톤 링의 사이의 환상(環狀) 가스실에 연소실로부터의 가스를 도입시키도록 되어 있는 왕복운동 엔진이 제안되어 있다. 이러한 왕복운동 엔진은, 환상 가스실에서 반스러스트측보다도 스러스트측에서 큰 가스압을 일으켜서 피스톤을 실린더에 대해 가스 플로팅시키도록 되어 있다.
그런데, 이러한 왕복운동 엔진에서는, 제2 피스톤 링만을 경사지게 함으로써, 제1 피스톤 링과 제2 피스톤 링의 사이에서의 피스톤의 가스 수압면적을 반스러스트측보다도 스러스트측에서 크게 하고 있기 때문에, 제2 피스톤 링의 경사각도가 커지고, 제2 피스톤 링이 현저하게 타원형상이 되는 결과, 피스톤 링의 외주면 과 실린더의 내주면의 사이의 기밀(氣密)을 확보할 수 없게 되고, 제2 피스톤 링이 피스톤에 대해 회전하기 어려워지며, 제2 피스톤 링이나 그 제2 피스톤 링에 슬라이딩 접촉하는 실린더의 내주면에 손상 등이 쉽게 생길 우려가 있다. 또한, 현저하게 타원형상이 된 피스톤 링의 제작도 어렵다.
본 발명은 상기 여러가지 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 피스톤을 실린더에 대해 가스 플로팅시킬 수 있고, 제1 및 제2 피스톤 링 각각의 경사각을 작게 할 수 있어서 가스 플로팅시키는 경우의 플로팅력을 효과적으로 발생시키는 환상 가스실을 형성할 수 있고, 원형의 피스톤 링을 사용할 수 있으며, 피스톤 링의 외주면과 실린더의 내주면의 사이의 기밀을 확보할 수 있고, 게다가 피스톤 링이나 실린더의 내주면에 손상 등이 쉽게 발생하지 않는 왕복운동 엔진을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 왕복운동 엔진은, 연소실을 규정하고 있는 피스톤의 톱면에 인접하여 배치된 제1 피스톤 링과, 피스톤의 톱면에 대해 제1 피스톤 링을 사이에 두고 배치된 제2 피스톤 링과, 제1 피스톤 링과 제2 피스톤 링에 의해 획정된 환상 가스실과, 이 환상 가스실과 연소실을 연통시키는 하나 또는 복수의 연통로를 구비하고 있으며, 제1 피스톤 링 및 제2 피스톤 링은, 반스러스트측보다도 스러스트측에서 서로 이반(離反)하도록 피스톤의 왕복운동방향에 대해 각각 경사져 있다.
본 발명의 왕복운동 엔진에 의하면, 특히 환상 가스실과 연소실을 연통시키는 하나 또는 복수의 연통로를 구비하고 있으며, 게다가 제1 피스톤 링 및 제2 피스톤 링은, 반스러스트측보다도 스러스트측에서 서로 이반하도록 피스톤의 왕복운동방향에 대해 각각 경사져 있기 때문에, 환상 가스실에 있어서 반스러스트측보다도 스러스트측에서 큰 가스압을 발생시킬 수 있어, 피스톤을 실린더에 대해 가스 플로팅시킬 수 있는 데다가, 제1 및 제2 피스톤 링 각각의 경사각도를 작게 할 수 있어 가스 플로팅시키는 경우의 플로팅력을 효과적으로 발생시키는 환상 가스실을 형성할 수 있고, 제1 및 제2 피스톤 링에 종래의 원형상의 피스톤 링을 사용할 수 있으며, 제1 및 제2 피스톤 링을 피스톤 및 실린더에 대해 용이하게 회전할 수 있는 상태로 할 수 있고, 피스톤 링의 외주면과 실린더의 내주면의 사이의 기밀을 확보할 수 있으며, 게다가 피스톤 링이나 실린더의 내주면에 손상 등이 쉽게 발생하지 않게 할 수 있다.
본 발명의 왕복운동 엔진의 바람직한 예에서는, 제1 피스톤 링 및 제2 피스톤 링은 반스러스트측에서 서로 근접하고 있다.
본 발명의 왕복운동 엔진의 바람직한 예에서는, 연통로는, 피스톤이 상사점 또는 상사점 근방에 위치할 때에 환상 가스실과 연소실을 연통시키도록 스러스트측에 배치되어 있다.
본 발명에 의하면, 피스톤을 실린더에 대해 가스 플로팅시킬 수 있는 데다가, 제1 및 제2 피스톤 링 각각의 경사각을 작게 할 수 있어, 가스 플로팅시키는 경우의 플로팅력을 효과적으로 발생시키는 환상 가스실을 형성할 수 있고, 원형의 피스톤 링을 사용할 수 있으며, 피스톤 링의 외주면과 실린더의 내주면의 사이의 기밀을 확보할 수 있고, 게다가 피스톤 링이나 실린더의 내주면에 손상 등이 쉽게 발생하지 않는 왕복운동 엔진을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예의 단면 설명도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 예의 II-II선 단면을 화살표 방향에서 본 설명도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 예의 주로 연통로의 설명도이다.
<부호의 설명>
1 왕복운동 엔진
2 연소실
3 피스톤
4 톱면
5 톱 링
6 세컨드 링
7 환상 가스실
8 연통로
다음에, 본 발명의 실시예를 도면에 나타내는 예에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다. 또, 본 발명은 이들의 예에 전혀 한정되지 않는 것이다.
도 1 내지 도 3에 있어서, 본 예의 왕복운동 엔진(1)은, 연소실(2)을 규정하고 있는 피스톤(3)의 톱면(머리부 끝면)(4)에 인접하여 배치된 제1 피스톤 링으로 서의 환상의 톱 링(5)과, 톱면(4)에 대해 톱 링(5)을 사이에 두고 배치된 제2 피스톤 링으로서의 환상의 세컨드 링(6)과, 톱 링(5)과 세컨드 링(6)에 의해 획정된 환상 가스실(7)과, 환상 가스실(7)과 연소실(2)을 연통시키는 복수의 연통로(8)를 구비하고 있다.
왕복운동 엔진(1)은, 2사이클 또는 4사이클 가솔린 엔진이어도 되고, 디젤 엔진이어도 된다.
실린더(21) 내를 X방향으로 왕복운동하는 피스톤(3)의 톱면(4)에 연접(連接)한 원주면(22)에는, 톱 링(5) 및 세컨드 링(6)이 각각 끼워져 장착된 피스톤 링 홈이 마련되어 있다. 또한, 원주면(22)에는, 톱 링(5)에 대해 세컨드 링(6)을 사이에 두고 배치된 오일 링(23)이 끼워져 장착된 오일 링 홈도 마련되어 있다. 톱면(4)은, X방향에 직교하는 면에 대해 평행이다. 피스톤(3)은, 피스톤 핀(25)을 개재하여 콘로드(24)의 일단에 연결되어 있다. 콘로드(24)의 타단에는, 크랭크샤프트(26)가 연결되어 있다.
실린더(21)의 내주면(31)은, 피스톤(3)이 배치되어 있는 실린더 보어(공간)(32)를 획정하고 있다. 실린더(21)의 헤드부(33)에는, 점화 플러그(34), 흡기밸브(35) 및 배기밸브(도시생략)가 설치되어 있다.
톱 링(5)의 스러스트측(9)의 부위(41)는, 톱 링(5)의 반스러스트측(10)의 부위(42)보다도 X방향에 있어서 톱면(4)에 접근하여 배치되어 있다. 부위(41)는, 부위(42)보다도 X방향에 있어서 세컨드 링(6)으로부터 이반되어 있다. 톱 링(5)의 외주면(43)은, 실린더(21)의 내주면(31)에 슬라이딩 가능하게 접하여 있다. 톱 링(5) 은, 실린더(21) 및 피스톤(3)과 협동하여 연소실(2)을 획정하고 있음과 동시에, 실린더(21), 피스톤(3) 및 세컨드 링(6)과 협동하여 환상 가스실(7)을 획정하고 있다. 이러한 톱 링(5)은, 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 세컨드 링(6)으로부터 이반하도록 피스톤(3)의 왕복운동하는 X방향에 대해 경사져 있다. 톱 링(5)은 X방향에 직교하는 면에 대해서도 경사져 있고, 이러한 경사각도는, 바람직하게는 1도 내지 3도이고, 보다 바람직하게는 2도 내지 3도이며, 더 바람직하게는 2.3도 전후이다. 톱 링(5)은, 피스톤(3)의 원주방향인 도 2에 나타내는 C방향에 관하여 피스톤(3)에 대해 회전할 수 있으면서 직경방향으로 이동 가능한 상태가 되도록, 약간의 간극을 가지고 피스톤(3)의 피스톤 링 홈(톱 링 홈)에 끼워져 장착되어 있다.
세컨드 링(6)의 스러스트측(9)의 부위(51)는, 세컨드 링(6)의 반스러스트측(10)의 부위(52)보다도 X방향에 있어서 톱면(4)으로부터 이반하여 배치되어 있다. 부위(51)는, 부위(52)보다도 X방향에 있어서 톱 링(5)으로부터 이반하여 배치되어 있다. 부위(41)부터 부위(51)까지의 X방향에서의 거리는, 부위(42)부터 부위(52)까지의 X방향에서의 거리보다도 길다. 세컨드 링(6)의 외주면(53)은, 실린더(21)의 내주면(31)에 슬라이딩 가능하게 접하여 있다. 세컨드 링(6)은, 실린더(21), 피스톤(3) 및 톱 링(5)과 협동하여 환상 가스실(7)을 획정하고 있다. 이러한 세컨드 링(6)은, 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 톱 링(5)으로부터 이반하도록 피스톤(3)이 왕복운동하는 X방향에 대해 경사져 있다. 세컨드 링(6)은, X방향에 직교하는 면에 대해서도 톱 링(5)과는 반대방향으로 경사져 있고, 이러한 경사각도는, 바람직하게는 1도 내지 3도이고, 보다 바람직하게는 2도 내지 3도이며, 더 바람직하게는 2.3도 전후이다. 세컨드 링(6)은, 예를 들어 도 1에 나타내는 바와 같이 톱 링(5)의 경사와는 반대방향으로 경사져 있다. 세컨드 링(6)은, C방향에 관하여 피스톤(3)에 대해 회전할 수 있으면서 직경방향으로 이동 가능한 상태가 되도록, 약간의 간극을 가지고 피스톤(3)의 피스톤 링 홈(세컨드 링 홈)에 끼워져 장착되어 있다. X방향에 직교하는 면에 대한 톱 링(5) 및 세컨드 링(6) 각각의 경사각도는 서로 같은 각도이어도 된다. 톱 링(5)과 세컨드 링(6)은 대칭이어도 된다.
톱 링(5)과 세컨드 링(6)은, X방향에 있어서 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 서로 이반되어 있고, 스러스트측(9)보다도 반스러스트측(10)에서 서로 근접하고 있다. 톱 링(5)과 세컨드 링(6)의 사이에서의 원주면(22)의 가스 수압면적은, 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 크게 되어 있고, 반스러스트측(10)에서 스러스트측(9)으로 향함에 따라 점차 증가하고 있다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 예에서는, 3개의 연통로(8)는 피스톤(3)이 상사점 또는 상사점 근방에 위치할 때에 환상 가스실(7)과 연소실(2)을 연통시키도록 스러스트측(9)에 각각 배치되어 있다. 연통로(8)는, 실린더(21)의 내주면(31)에 설치된 홈부(61)를 각각 구비하고 있다.
홈부(61)는, 본 예에서는, 폭발공정에 있어서 X방향에 관하여 피스톤(3)이 크랭크 각도로 약 0~5도 내지 20~30도에 상당하는 위치에 존재하는 경우에 환상 가스실(7)을 연소실(2)에 각각 서로 동시적으로 연통시키도록, 도 3에 나타내는 바와 같이 실린더(21)의 내주면(31)에 각각 배치되어 있다. 이상의 연통시키는 크랭크 각도는 피스톤 직경 및 스트로크에 따라 결정된다. 3개의 홈부(61)는, C방향에 있어서 각각 서로 같은 간격으로 배치되어 있다. 피스톤 핀(25)의 연장방향에 관하여 한쪽에 위치하는 홈부(61)와 다른 쪽에 위치하는 홈부(61)는, 피스톤 핀(25)의 연장방향에 있어서 서로 대향하고 있으며, 상기 양 홈부(61) 사이에 위치하는 홈부(61)는 톱 링(5)의 부위(41)를 개재하여 연소실(2)을 환상 가스실(7)에 연통시키도록 배치되어 있다.
또, 한쪽의 홈부(61) 및 다른 쪽의 홈부(61)는, 그 양 홈부(61) 사이에 위치하는 홈부(61)에 의한 연소실(2)과 환상 가스실(7)의 연통 전 또는 그 연통 후에, 연소실(2)을 환상 가스실(7)에 서로 동시적으로 연통시키도록 X방향에 관하여 배치되어 있어도 된다. 또한, 한쪽의 홈부(61) 및 다른 쪽의 홈부(61) 사이에 위치하는 홈부(61)는 생략되어도 된다. 또, 피스톤 핀(25)의 연장방향에 있어서 톱 링(5)의 부위(41)보다도 한쪽 및 다른 쪽에는, 본 예에서는 홈부(61)가 하나씩 배치되어 있을 뿐이지만, 예를 들어 한쪽에 2개 이상의 홈부(61)를 배치하고 다른 쪽에 상기 한쪽의 홈부(61)와 같은 수의 홈부(61)를 배치해도 된다.
또, 왕복운동 엔진(1)은, 본 예에서는 복수의 연통로(8)를 구비하고 있지만, 예를 들어 하나의 연통로(8)만을 구비하고 있어도 된다.
이하, 본 예의 왕복운동 엔진(1)의 동작에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1에 나타내는 폭발행정에 있어서, 피스톤(3)이 X방향에 있어서 크랭크 샤프트(26) 측으로 향하여 왕동(往動)을 개시할 때에, 연소실(2) 내의 연소가스를 연 통로(8)를 개재하여 환상 가스실(7)에 도입하고, 도입한 연소가스의 가스압에 의해 환상 가스실(7) 내의 가스압을 높인다. 왕복운동되는 피스톤(3)에는, 톱면(4)과 톱 링(5)의 사이에서 피스톤(3)이 수압하는 가스압, 크랭크 샤프트(26)의 R방향의 회전, 콘로드(24)의 경사 등과의 관계에서 스러스트측(9)으로 향하는 측압력(A)이 가해지는데, 이러한 측압력(A)에 대항하여 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 크게 발생하는 환상 가스실(7) 내의 가스압에 기초한 반스러스트측(10)으로 향하는 측압력(B)도 가해진다. 이와 같이 측압력(A, B)이 가해지는 피스톤(3)은, 실린더(21)에 대해 가스 플로팅된다.
본 예의 왕복운동 엔진(1)에 의하면, 연소실(2)을 규정하고 있는 피스톤(3)의 톱면(4)에 인접하여 배치된 톱 링(5)과, 피스톤(3)의 톱면(4)에 대해 톱 링(5)을 사이에 두고 배치된 세컨드 링(6)과, 톱 링(5)과 세컨드 링(6)에 의해 획정된 환상 가스실(7)과, 환상 가스실(7)과 연소실(2)을 연통시키는 하나 또는 복수의 연통로(8)를 구비하고 있으며, 톱 링(5) 및 세컨드 링(6)은, 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 서로 이반하도록 피스톤(3)의 왕복운동방향인 X방향에 대해 각각 경사져 있기 때문에, 환상 가스실(7)에 있어서 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 큰 가스압을 발생시킬 수 있어 피스톤(3)을 실린더(21)에 대해 가스 플로팅시킬 수 있는 데다가, 톱 링(5) 및 세컨드 링(6) 각각의 경사각도를 작게 할 수 있다. 이 때문에 톱 링(5) 및 세컨드 링(6)의 경사각도를 작게 유지하여 가스 플로팅시키는 경우의 플로팅력을 효과적으로 발생시키는 환상 가스실(7)을 형성할 수 있고, 원형의 톱 링(5) 및 세컨드 링(6)을 사용할 수 있으며, 톱 링(5) 및 세컨 드 링(6)이 실린더(21)의 내주면(31)에 대해 회전할 수 있는 상태가 되고, 톱 링(5)의 외주면(43) 및 세컨드 링(6)의 외주면(53)과 실린더(21)의 내주면(31)의 사이의 기밀을 확보할 수 있으며, 게다가 톱 링(5) 및 세컨드 링(6)이나 실린더(21)의 내주면(31)에 손상 등이 쉽게 발생하지 않게 한다.

Claims (3)

  1. 연소실(2)을 규정하고 있음과 동시에 실린더(21) 내를 왕복운동하는 피스톤(3)의 톱면(4)에 인접하여 배치된 원형의 톱 링(5)과, 피스톤(3)의 톱면(4)에 대해 톱 링(5)을 사이에 두고 배치된 원형의 세컨드 링(6)과, 톱 링(5)과 세컨드 링(6)에 의해 획정된 환상 가스실(7)과, 실린더(21)의 내주면에 마련되어 있으며 환상 가스실(7)과 연소실(2)을 연통시키는 하나 또는 복수의 연통로(8)를 구비하고 있으며,
    톱 링(5)은, 그 스러스트측(9)의 부위(41)가 그 반스러스트측(10)의 부위(42)보다도 왕복운동방향(X)에 있어서 피스톤(3)의 톱면(4)에 접근하여 배치되도록, 피스톤(3)의 왕복운동방향(X)에 직교하는 면에 대하여 경사져 있으며,
    세컨드 링(6)은, 피스톤(3)의 왕복운동방향(X)에 직교하는 면에 대하여 상기 톱 링(5)과는 반대방향으로 경사져 있으며,
    톱 링(5) 및 세컨드 링(6)은, 반스러스트측(10)보다도 스러스트측(9)에서 서로 이반하고 있는 왕복운동 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    톱 링(5) 및 세컨드 링(6)은, 반스러스트측(10)에서 서로 근접하고 있는 왕복운동 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연통로(8)는, 피스톤(3)이 상사점 또는 상사점 근방에 위치할 때에 환상 가스실(7)과 연소실(2)을 연통시키도록 스러스트측(9)에 배치되어 있는 왕복운동 엔진.
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