KR101234977B1

KR101234977B1 - 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링

Info

Publication number: KR101234977B1
Application number: KR1020067004376A
Authority: KR
Inventors: 롤프-게르하르트 피들러
Original assignee: 말레 게엠베하
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2013-02-20
Also published as: EP1660793A1; JP2007504407A; DE502004005792D1; US7261301B2; CN1846086A; ES2297454T3; WO2005024278A1; CN100427815C; DE10340301A1; BRPI0414054A; US20070018410A1; JP4800945B2; BRPI0414054B1; KR20070020174A; EP1660793B1

Abstract

본 발명은 그의 섭동 면(h)이 박판 주위에 걸쳐 뻗어 있는 정점 선(3)을 가진 볼록 비대칭 형상을 가진 박판(1)으로 구성되는 내연기관 피스톤의 오일 링에 관한 것으로 박판(1)은 피스톤의 링 홈(7) 내에서 각각 서로 평행으로 배열된 피스톤크라운 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(5)으로 배열되어 있다. 발명에 따라서 공지된 선행기술에 비하여 섭동 면의 마찰감소와 마모감소의 경우에 있어서 박판 측면(2, 2')은 반경 방향에 따라 섭동 면(h)에 이르기까지 일정한 각도(α)로 수렴이 되도록 되어있으며 측면을 피스톤크라운 측에 면한 링 홈 측면(5)에 세팅시에 박판은 정점 선(3)에 의해서만이 실린더 벽(8)과 접하며 박판 측면의 하나를 피스톤크라운 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6)에 세팅시에 박판은 섭동 면(h)의 제 1 섹션(I)에서 만이 실린더 벽과 접촉하며 박판(1)의 섭동 면 단면(h)은

- 비대칭형의 제 1 섹션(I) 단면에 있어서 박판의 섭동 면(h)은 2차 다항식 h(x) = ax + bx²에 따르며 여기에서 x = mm단위의 직교좌표로 된 섭동 면 좌표이며 a, b계수에 있어서 a는 a, b 계수에서 a는 박판 폭에 대한 박판의 축 방향 측면 유격의 비로 정의되고 b는 섭동 면 곡률의 수치로 정의되며, 모서리(3)(edge)역할을 하는 정점선(II) h(x=0)에 따르며, 함수 h(x)=cx²의 비대칭 형의 제3 섹션(III)에서 c는 b의 수배에 따른다.

Description

내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링{OIL SCRAPER RING FOR PISTONS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 그의 섭동 면이 박판의 범위에 걸쳐서 뻗어 있는 정점 선의 볼록 비대칭형을 가진 박판으로 구성되며, 여기서 피스톤의 링 홈(ring groove) 내의 박판은 각각 서로 평행하게 배열된 피스톤헤드 측과 반대 방향에 위치한 링 홈 측면과 피스톤헤드 측에 면한 링 홈 측면을 가지고 배열되어 있는, 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링에 관한 것이다.

엔진의 높은 오일 소비 외에도 엔진의 배출 거동에 불리한 영향을 초래하는 과도한 엔진 오일이 연소실(combustion chamber)에 도달하는 것을 방지하기 위하여 실린더 벽에 반경 방향 압축을 및 이에 따른 양호한 오일스크레이핑(oil scraping)(오일 긁어내기)을 이루기 위하여 오일 스크레이퍼 링의 충분한 접선력(tangential force)이 필요하다. 그러나, 박판의 섭동 면(working surface)에 큰 면압(面壓)이 작용함에 따라 엔진작동시에 큰 마찰하중도 작용한다. 이러한 마찰하중으로 내연기관의 효율이 저하되며 따라서 연료소비가 증가 된다. 오일 스크레이퍼 링의 접선력의 설계는 이에 따라서 항상 최소한의 마찰하중과 최대한의 오일스크레이핑 작용(oil scraping function) 간에 절충이다. 접선하중의 감소 없이 엔진작동에 있어서 마찰하중을 줄이기 위한 종합적인 조치는 따라서 오일 스크레이퍼 링의 설계를 용이하게 하며 엔진의 효율을 개선시킨다.

이에 따라서 박판의 섭동 면이 상기 요구를 충족하도록 구성에 맞는 오일 스크레이퍼 링에 대하여 연구가 진행되었다.

오일 스크레이퍼 링 또는 피스톤 링의 비대칭 섭동 면은 DE 38 33 322 A1, DE 43 00 531 C1 또는 DE 44 29 649 C2 에 공지되어 있다. 이와 똑같이 DE 33 05 385 C1에 피스톤 링이 공지되어 있는데 이것은 피스톤의 링 홈 내에 배열되어 있으며, 그의 링 홈-측벽이 개선된 기밀 유지를 위하여 피스톤 축에 대하여 특히 평행하지만 경사져 있다. 경사지게 서로 평행한 방향을 취한 링 홈-측벽들은 일본 실용신안 57-73340에도 공지되어 있다. 하지만, 이러한 상기 실시형태는 압축 링에 관한 것으로 그의 면압에 관한 요구는 아주 낮으나 이에 반하여 오일 링에 대해서는 높은 면압을 요한다.

본 발명의 과제는 공지된 선행기술에 비하여 오일 스크레이퍼 링의 섭동 면의 마찰감소와 마모감소에 있어서 개선된 오일스크레이핑 작용을 가지는 내연기관 피스톤의 일체형 오일링을 제공하는 데 있다.

본 과제는 청구범위 제1항의 특징부의 특징들에 의하여 해결된다.

박판의 섭동 면은 선행기술에 비하여 현저히 감소 된 볼록(凸)) 비(比)를 가진 비대칭 구배(句配)로 나타나며 섭동 면 윤곽은 2차 다항식에 따라 근사적으로 설명이 가능하다.

링 홈 내에서 섭동 면의 본 발명에 따른 섭동 면 구성과 측면 구성으로 박판에 대한 유리한 유체역학적 조건에 의하여 접선력의 감소 없이 오일 스크레이퍼 링의 마찰력 감소의 경감이 이루어지며 이때 박판의 오일스크레이핑 기능은 전 범위에 걸쳐서 유지된다. 마찰력 감소로 인하여 엔진효율의 개선에 기여하거나 또는 마찰력 레벨의 불변시에 접선 력의 증가에 의하여 오일스크레이핑 성능의 개선이 가능하다.

본 발명의 실제적인 실시형태들은 종속항들의 대상이다.

본 발명의 한가지 실시 예는 유일한 도면에 의하여 다음에 설명된다. 도면은 피스톤의 링 홈 내에 본 발명에 따른 오일 스크레이퍼 링의 단면을 도시한다.

도면에 도시된 바와 같이 박판(1)은 피스톤의 피스톤헤드 측을 향하는 링 홈 측면(5) 및 피스톤헤드로부터 멀어지는 쪽을 향하는 링 홈 측면(6)을 가진 링 홈(7) 내에 배열되어 있다. 본 발명에 따르면 박판(1)은 박판 주위에 걸쳐 뻗어 있는 정점 선(3)을 가진 볼록형(크라운형) 비대칭형으로 형성된 섭동면(h)을 가지며 여기서 정점선(3)은 오일스크레이핑을 위하여 실린더 벽(8)과 접촉하는 모서리(edge)로서 작용한다. 실시예에서 박판(1)은 피스톤에 조립된 상태에서 섭동 면(h)의 정점선(3)은 피스톤헤드 측과 반대 방향에 위치한 링 홈 측면(6)을 향하도록 배열된다.

박판(1)은 박판 측면(2 및 2')을 가지고 있는데 이 측면들은 측면(2)을 피스톤헤드 측에 면한 링 홈 측 (5)에 부착시에 박판은 단지 정점 선(3)에 의해서만 엔 진의 실린더 벽(8)과 접촉하도록, 반경 방향으로 외측을 향하여 섭동면(h)에 이르기까지 각도α를 이루고 서로 수렴하면서 연장된다. 동시에 헤드 측과 반대 방향에 위치한 링 홈 측면(6)과 박판 측면(2') 사이에는 특히 3°내지 5°의 각도가 발생한다. 반경 방향 내측으로 연장되는 박판 측면(2, 2')들은 단부 면(E)과 결합되며 이 경우에 단부 면에 의하여 피스톤의 왕복운동에 따르는 박판의 선회 점을 이루는 접선 점(T)이 형성된다. 도면에 도시된 바와 같이 전 단부 면(E)은 반원형으로 되어 있다. 단부 면이 직접 선회 점에서 반원형으로 되어 있는 한, 임의 형상의 단부 면도 가능하다. 단부 면의 축 방향 팽창은 대체로 링 홈(7)의 높이(H)와 일치하며 링 홈(7)에 박판의 삽입 또한 가능하다.

박판 측면(2, 2')을 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6)에 세팅하는 경우에 박판(1)은 단지 섭동 면(h)의 제 1 섹션(I)에서만 실린더 벽과 접촉한다. 본 발명에 따르면 박판의 섭동 면(h)은 수백 시간 이상의 엔진작동의 길들이기 과정에 상당하는 형상이다. 이것은 비대칭형의 제 1 섹션(I) 단면에 있어서 박판의 섭동 면(h)은 2차 다항식 h(x) = ax + bx²에 따르며 여기에서 x 는 mm 단위의 직교좌표로 된 섭동 면 좌표이며, 그리고 a, b 는 계수로서, a 는 박판 폭에 대한 박판의 축 방향 측면 유격의 비로 정의되고; b 는 섭동면 곡률의 수치로 정의되며; 지지 정점(supporting vertex)(II) h(x=0)은 에지(edge)로서 구성되며, 그리고 함수 h(x)=cx²의 비대칭 형의 제 3 섹션(III)에서 c는 b의 배수를 따르는 것을 특징으로 한다. 예로서 두께 0.4mm의 박판에 있어서는 값 h(x)=35x + 50x²으로 표시된다. 따라서 도 1 및 2에 의하여 도시된 단면 곡선에서 x는 mm단위의 섭동 면 좌표로서 h(x)는 μm단위의 볼록 비를 얻을 수 있다. 이러한 다항식의 계수들은 특정 용도로 조절하게 되어 있는 것을 알 수 있으며 이때 중요한 매개변수는 실린더 직경, 박판 단면의 치수 및 링 홈내의 조립된 오일 링의 축 방향 유격상태이다. 본 발명에 따른 섭동 면(h)의 대표적인 볼록 비는 선행기술의 3 내지 15μm/0.15mm에 비하여 약 2 내지 10μm/0.4mm이다.

박판의 섭동 면(h)에서 실린더 축 방향으로 작용하는 마찰력으로 박판을 컵 형으로 굽히는 회전 토크(torque)가 발생하여 발명에 따른 개선된 오일스크레이핑 작용이 기능적으로 부여된다. 이것은 박판 측면(2 및 2')들의 형상이 무엇보다도 내측 접촉 면에서 축 방향에 따른 박판 운동을 방해하고 반면에 외 측 접촉 면에서 명백히 큰 축 방향 운동증폭이 가능하기 때문에 가능하다.

마찰력 및 이에 따른 회전 토크는 피스톤의 왕복운동에 따라 부호를 바꾼다. 마찰력의 크기는 역시 속도에 좌우됨으로 이것이 컵 형 뒤틀림의 지속적인 변화를 초래하며 이것이 동적 비틀림으로 나타난다. 동적 비틀림에 의하여 왕복운동이 연소실로부터 떨어질 때 -하향행정- 때 피스톤크라운 측 방향 홈 측면에 접하는 박판은 섭동 면의 비대칭 구배와 결합하여 양호한 오일스크레이핑 작용-"모서리"를 가지는 한편 박판의 각기 다른 위치는 섭동 면의 정해진 볼록 비에 의하여 하향 행정시에 개선된 유체역학특성-"면"을 가진다(섹션 I). 이로 인하여 비틀린 상태에서 오일스크레이핑 작용이 불량한 박판에 발생하는 마찰력이 감소된다. 왕복운동의 변화로 박판이 회전되어 박판이 각기 다른 위치에 있게 된다.

오일 스크레이퍼 링을 엔진 실린더에 조립할 때 예컨대 박판 측면 중의 하나에 색 표시를 해서 보장이 될 수 있는 박판의 베어링방향에 유의해야 한다.

섭동 면 형상- 또는 윤곽의 가공은 예컨대 래핑(lapping)으로 행할 수 있다.

본 발명은 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링에 이용될 수 있다.

Claims

내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링으로서,

상기 오일 스크레이퍼 링은 박판(1)으로 구성되며, 상기 박판의 섭동면(h)은 상기 박판의 주위에 걸쳐 연장되는 정점선(3)을 구비한 비대칭형 크라운 형상을 가지며,

상기 박판(1)은 상기 피스톤의 링 홈(7) 내에 배치되며 상기 링 홈은 각각 서로 평행하게 배열되는, 피스톤 헤드의 반대 방향을 향하는 링 홈 측면(6)과 상기 피스톤 헤드를 향하는 링 홈 측면(5)을 포함하는, 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링에 있어서,

박판 측면들(2, 2')은 섭동면(h)에 이르기까지 소정의 각도(α)로 반경 방향으로 외향으로 서로 수렴하면서 연장되며, 상기 박판 측면들 중 하나의 박판 측면(2')이 피스톤 헤드를 향하는 링 홈 측면(5)에 위치하는 경우, 상기 박판은 단지 박판의 정점선(3)만이 실린더 벽(8)과 접촉하며, 상기 박판 측면들 중 하나의 박판 측면(2)이 피스톤 헤드의 반대 방향을 향하는 링 홈 측면(6)에 위치하는 경우, 상기 박판은 단지 박판의 섭동면(h)의 제 1 섹션(I)만이 실린더 벽(8)과 접촉하며, 상기 박판(1)의 섭동면(h)의 단면은,

- 공식 h(x) = ax + bx²의 2차 다항식을 따르는 비대칭 형상을 갖는 제 1 섹션(I), 여기서 x는 mm 단위로 직교좌표계의 섭동면 좌표를 나타내며, 그리고 a, b는 계수를 나타내며, 여기서 a는 박판 폭에 대한 박판의 축방향 측면 유격의 비로 정의되며, 그리고 b는 섭동면 곡률의 값으로 정의되며;

- 에지로서 구성되는 지지 정점(supporting vertex)(II) h(x = 0); 그리고

- 함수 h(x) = cx²을 따르는 비대칭 형상의 제 3 섹션(III), 여기서 c는 b 의 배수,

인 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링.
제1항에 있어서,

피스톤에 오일 스크레이퍼 링의 조립된 상태에서는 섭동 면(h)의 정점 선(3)은 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6) 쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 링 홈(7)에서 반경 방향을 따라 내측으로 연장되는 박판 측면(2, 2')은, 피스톤의 왕복운동에 따르는 박판의 회전운동을 위한 접선 점(T)을 형성하는 단부면(E)에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링.