KR101408750B1 - 오일 회수 링용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤 링 팩(2)의 형성을 위한 오일 회수 링(1)을 포함하는 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤에 관한 것이다. 상기 피스톤은, 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 실린더(5)의 실린더 벽(4)을 따라, 설치된 상태에서 왕복동 가능하도록 배치되고, 상기 피스톤 링 팩(2)은, 상기 실린더의 연소실(6)에 가장 근접하게 놓이며 제1 가동면(701)을 구비하는 제1 피스톤 링(7), 및 오일 회수 링 가동면(101)을 구비하는 오일 회수 링(1)을 포함하고, 상기 제1 피스톤 링(7)은 제1 피스톤 링 그루브(702)에 배치되고, 상기 오일 회수 링(1)은, 작동 상태에서 상기 제1 피스톤 링(7)의 상기 제1 가동면(701) 및 상기 오일 회수 링의 상기 오일 회수 링 가동면(101)이 상기 실린더 벽(4)의 실린더 가동면(401)과 마찰 접촉되도록 상기 피스톤(3)의 오일 회수 링 그루브(102)에 배치된다. 본 발명에 따르면, 피스톤(3)은, 상기 오일 회수 링 그루브(102)의 영역 및/또는 상기 오일 회수 링 그루브(102)에 윤활유 구멍을 가지며, 피스톤(3)은, 윤활유가 상기 피스톤의 내부로부터 상기 윤활유 구멍을 통해 상기 실린더 가동면에 공급될 수 있도록 설계된다.

2행정 디젤 엔진, 피스톤 링, 오일 회수 링, 실린더, 윤활유

Description

오일 회수 링용 피스톤 {PISTON FOR AN OIL COLLECTING RING}

본 발명은 제1항의 전제부에 따른, 대형 2행정 연소 엔진의 피스톤용 피스톤 링 팩의 형성을 위한 오일 회수 링을 구비하는 피스톤에 관한 것이다.

종래 기술에서 공지된 대형 디젤 엔진, 특히 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진용 피스톤은 일반적으로, 각각이 피스톤 그루브 내에 상하 방향으로 배열되는 복수의 피스톤 링을 포함하는 피스톤 링 팩이 구비된다. 피스톤 링 팩은 일반적으로, 2개 이상의 피스톤 링을 포함하지만, 대부분은 3개를 포함하며, 대형 디젤 엔진의 크기 및/또는 출력에 따라서 및/또는 작동되는 엔진의 요구사항 또는 특정한 작동 조건에 따라서 4개 또는 5개의 피스톤 링을 포함한다.

피스톤 링은 이러한 배열에서, 예를 들어 실린더의 가동면 상의 윤활제 분배 및/또는 스크레이핑(scraping), 크랭크 하우징에 대한 연소실의 밀봉, 또는 길이방향으로 소기되는 대형 디젤 엔진의 경우에 리시버 챔버(receiver chamber)에 대한 연소실의 밀봉과 같은 여러 기능을 완벽하게 수행한다.

소기 단계의 개시에서 소기용 슬롯을 통해 실린더의 연소실 쪽으로 신선한 공기를 보내는 리시버 챔버를 향하는 피스톤 하측에 대하여 연소 공간을 밀봉하기 위해 4개 또는 5개의 피스톤 링을 포함하는 피스톤 링 팩을 사용하는 것은, 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진에서 전형적이다. 하부 피스톤 링은 링 간격에 따라 다소 강하게 부하를 받는다. 이와 관련하여, 유사한 기능 또는 동일한 기능을 가지는 피스톤 링이 지나치게 많이 존재하기 때문에, 피스톤의 가동을 불안정하게 하는 압력 변동을 일으킬 수 있는 하부 피스톤 링 사이에는 여러 종류의 불안정성이 일어날 수 있다.

대형 디젤 엔진은 흔히, 선박용 구동 장치, 또는 예를 들어 전기에너지의 생산을 위한 대형 발전기를 구동시키는 고정 장치의 작동에 사용된다. 이와 관련하여 엔진은 상당한 시간에 걸쳐서 연속적으로 가동되며, 이것은 일반적으로 작동의 신뢰성 및 유효성이 높이 요구된다. 이로 인해, 정비 간격이 길고, 마모가 적으며, 연료 및 작동 물질의 경제적인 소모가 이들 엔진의 작동에 있어서 중요한 기준이 된다. 무엇보다도, 이렇게 커다란 보어의 저속 디젤 엔진의 피스톤의 가동 행태는 정비 간격의 길이에 결정적인 요소이며, 유효성 및 윤활제 소모 또한 가동 비용 및 이에 따른 경제적 효율에 직접적인 요소이다. 따라서 대형 디젤 엔진의 윤활의 복잡한 문제는 계속해서 증가하고 있다.

대형 디젤 엔진에서, 피스톤 윤활은 왕복동 피스톤 또는 실린더 벽에서 윤활 장치에 의해 일어나며 이를 통해 윤활유가 실린더 벽의 가동면에 도포되어 피스톤과 가동면 사이의 마찰을 최소화시키며 이에 따라 가동면 및 피스톤 링의 마모가 최소화된다. 따라서 최근, Sulzer RTA 엔진과 같은 현대식 엔진에서는, 가동면의 마모가 1000시간의 가동에서 0.05㎜ 미만이다. 이러한 엔진에서 공급되는 윤활제 의 양은 약 1.3g/㎾h 이하이며 가능하다면 특히 비용의 이유로 더 감소되어야 한다. 동시에 마모가 최소화되거나 적어도 일정하게 유지되어야 한다.

가동면의 윤활을 위한 공지된 시스템으로서 완전히 상이한 방안들이 윤활 장치의 실질적인 설계는 물론 윤활 방법도 고려하여 공지되어 있다. 따라서 실린더 벽의 둘레방향에 수용되는 복수의 윤활유 구멍을 통해 피스톤에 윤활유가 공급되는 윤활 장치도 공지되어 있으며, 여기서 윤활제는 피스톤 링에 의해 원주방향은 물론 축방향으로도 분배된다. 이러한 시스템은 윤활유 공급율이 높게 작동하며 윤활유는 실린더 라이너의 가동면 상의 피스톤 링을 통해 분배될 뿐만 아니라, 소기 행정에서 소기용 슬롯이 개방되는 경우 윤활유의 초과량이 소기용 공기에 의해 실린더 라이너로 다시 분사되어, 윤활유 분무에 의한 추가의 윤활 효과가 얻어진다.

이와 관련하여, 윤활유의 양이 증가되는 이러한 시스템은 작동에 있어서 2가지의 기본적인 단점을 갖는다. 윤활유 공급율이 비교적 높게 작동되기 때문에, 피스톤 링에 지나치게 많은 윤활유가 공급되어 탄화가 일어날 수 있으며, 이로 인해 피스톤 링에 탄화가 퇴적되어, 특히 피스톤 링 그루브에서 피스톤 링이 눌어붙게 됨으로써, 피스톤 링의 밀봉 효과가 저하되며, 이 때문에 최악의 경우에는 실린더, 피스톤 링, 및 피스톤 자체가 손상될 수 있다.

이러한 방법에서의 또 다른 단점은, 실린더의 가동면 상의 넓은 영역 전체에 윤활유가 도포되지 않고 피스톤 링과 피스톤의 측면 사이의 일부 선택된 지점에만 거의 도포되어, 가동면 상의 윤활유 도포가 불충분하게 이루어져서, 과도한 마찰로 인해 열이 발생될 수 있으며, 피스톤의 접촉면이 국부적으로 용융되고 이로 인한 물질에 의해 가동면이 손상, 즉 피스톤이 눌어붙는다.

윤활유의 분배를 보다 양호하게 하기 위해, 즉 가동면 상에서 윤활유의 막이 보다 균일해지도록 하는 윤활 시스템이 WO 00/28194에 제안되어 있으며, 여기서는 예를 들어, 실린더 벽에 수용된 분무 노즐에 의해, 연소실 내에 위치되는 고압의 소기용 공기 쪽으로 실린더 벽에 대하여 접선방향으로 윤활유가 분사된다. 그 결과, 소기된 윤활유가 소기용 공기에 미세하게 분포되고 소기용 공기에 의해 발생되는 소용돌이의 원심력에 의해 실린더 벽의 가동면에 대하여 원심 작용을 하여, 윤활유 입자가 미세하게 분배된다. 이 방법에서는 윤활유를 반경방향으로 분사하는 것보다 가동면에 보다 균일한 윤활유 막이 형성되는 것이 확실하다. 그러나 이 방법의 심각한 단점은, 사용된 윤활유의 일부분이 소기용 공기와 함께 배출되거나 후속의 연소 행정에서 연소된다는 것이다.

그 결과 윤활유의 불필요한 소모가 발생하며, 이것은 가동 비용에 명백하게 부정적인 영향을 준다.

다른 방법에서는, 복수의 윤활유 노즐이 바람직하게 가동 피스톤에 수용되어, 윤활제가 가동면의 실질적으로 전체 높이에 걸쳐서 어느 지점에나 도포될 수 있다.

이와 관련하여, 전술한 바와 같이, 윤활제의 계량은 윤활제가 실린더 벽의 가동면에 도포되는 것 외에 마찬가지로 중요한 점이다. 단위 시간 및 단위 면적 당 가동면에 도포되어야 하는 윤활제의 양은 왕복동 피스톤 연소 엔진의 여러 상이한 작동 파라미터에 좌우될 수 있다. 따라서 예를 들어 사용되는 연료의 화학적 조성, 특히 황의 함량은 중요한 역할을 한다. 실린더의 윤활, 즉 피스톤과 실린더 가동면 사이의 마찰 감소가 피스톤 링과 실린더 벽의 가동면 사이에서 보다 정확하게 되어야 하는 것 외에, 윤활제는 무엇보다도, 공격적인 산(aggressive acid), 특히 엔진의 연소실 내의 연소 과정 중에 발생하는 황 함유 산의 중화를 위한 역할도 한다. 그러므로 사용되는 연료에 따라, 소위 윤활제의 BN 값으로 측정되는, 중화 능력이 상이한 여러 종류의 윤활제가 사용될 수 있다. 따라서 황 함량이 높은 연료에서는, 황 함량이 낮은 연료에서보다 BN 값이 높은 윤활제를 사용하는 장점을 가질 수 있으며, 그 이유는, BN 값이 높은 윤활제는 산에 대하여 보다 강력한 중화 효과를 가지기 때문이다. 윤활유는 또한 소기용 공기와 함께 또는 다른 방식으로 대형 디젤 엔진의 실린더로 들어갈 수 있는 물의 결합제(binding agent) 역할을 한다.

그러나 상이한 품질의 연료에 대하여 동일한 유형의 윤활제를 사용해야 할 가능성도 자주 있다. 이 경우, 연소물 내의 높거나 낮은 산 함량은 예를 들어 사용되는 윤활유의 양을 대응되게 증가 또는 감소시킴으로써 보상될 수 있다.

도포될 윤활제의 양을 계량하는 또 다른 문제점은, 윤활막의 상태, 즉 왕복동 피스톤 연소 엔진의 작동 상태에서의 윤활막의 두께의 시간 및/또는 위치 상 변동에 의해 발생한다.

윤활제의 필요량은 예를 들어, 회전속도, 연소온도, 엔진온도, 엔진의 냉각을 위한 냉각능력, 부하 및 다른 많은 작동 파라미터와 같은 대부분의 가변 작동 파라미터에 좌우된다는 것은 말할 필요도 없다. 따라서 소정의 회전속도 및 고부 하에서는 동일한 회전속도 및 저부하에서와 상이한 양의 윤활제가 도포되어야 할 수 있다.

또한 연소 엔진 자체의 상태는 윤활제의 양에 영향을 줄 수도 있다. 따라서 이것은 예를 들어 실린더 가동면, 피스톤 링, 피스톤 등의 마모에 관한 상태에 따라, 사용되는 윤활제의 양은 상당히 가변적인 것으로 알려져 있었다. 따라서 아직 가동되지 않은 신규의 실린더 가동면 및/또는 신규의 피스톤 링을 가지는 실린더에서는, 소정량 증가된 마찰이 실제로는 가동 초기 단계(running-in phase)에서 바람직하여, 상대 이동 부품, 즉 피스톤 링 및 가동면이 적응되고 따라서 상호 이상적인 관계가 될 수 있다. 이것은 무엇보다도, 상당한 시간 동안 가동된 실린더의 경우보다도 실린더의 가동 초기 단계에서 상이한 양의 윤활제를 전면적으로 적용하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 이유로, 복수의 실린더를 가지는 엔진에서는, 윤활제의 양이 개별적으로, 특히 각각의 실린더에 대하여 조절 가능한 경우가 많다.

일반적으로, 실린더 가동면은 또한 가동 시간에 따라 둘레방향 및 길이방향 모두 상이하게 마모된다. 이것은 피스톤 링 및 피스톤 자체에도 적용된다.

따라서 왕복동 피스톤 연소 엔진의 윤활제의 양은 가동된 시간에 따라 조절될 필요는 없지만, 윤활제의 양은 시간 및 여러 위치에서 필요에 따라 실린더 벽의 가동면의 여러 지점에서 하나 및 동일한 실린더 내에서 계량될 필요도 있다.

그러므로 오랜 기간에 걸쳐서, 실린더의 가동면 또는 여러 영역의 가동 피스톤에, 바람직하게 개별적으로 모두 제어 가능한 윤활제 노즐이 제공되어, 필요에 따라 윤활제의 양이 시간 및 위치 모두에 관하여 플렉시블하게 가변될 수 있도록 하는 것이 알려져 있었다.

적시에 소정의 지점에 임의의 윤활제 노즐로부터 공급되는 윤활제의 양을 산출하는 다른 방법이 공지되어 있다. 간단한 경우에 윤활제의 양은 왕복동 피스톤 연소 엔진의 작동 상태에 따라, 예를 들어 부하 또는 회전속도의 함수로서 간단히 조절된다. 상대 이동 부품의 마모 상태는 이미 이루어진 작동 시간의 결과로서 고려될 수도 있다.

이와 관련하여 윤활제의 양을 조절하기 위한 보다 정교한 방법이 공지되어 있다. 따라서 왕복동 피스톤 연소 엔진용 실린더 장치가 예를 들어 CH 613 495에 기재되어 있으며, 작동 중에 피스톤 링의 비정상적인 마찰 상태를 온도 센서 또는 진동 센서에 의해 검출하여 피스톤 링이 들러붙는 것을 방지하고, 이러한 장애가 일어나는 경우, 소정의 윤활 지점으로부터 공급되는 윤활유의 양을 증가시킨다. EP 0 652 426에는 실린더 벽의 온도를 주기적으로 측정함으로써 온도 패턴에 따라 스커핑(scuffing) 또는 마모 눌어붙음의 발생이 인지되고 출력의 자동 저감 및/또는 윤활제 공급의 증가에 의해 대응되는 손상이 방지되는 방법이 기재되어 있다. 왕복동 피스톤 연소 엔진의 심각한 작동 상태의 조기 인지를 위한 다른 방법은 EP 1 006 271에 기재된 초음파 방법으로, 실린더에 배치된 초음파 변환기에 의해, 상대 이동 부품이 초음파 신호를 받고 반사되는 에코(echo) 신호가 상대 이동 부품의 상태를 추정하도록 고려될 수 있다.

전술한 바와 같은, 윤활유의 양이 지나치게 많음으로써 발생하는 문제를 적 어도 부분적으로 방지하기 위해, 윤활유의 양을 최소화하고 엔진을 윤활이 불충분하거나 그에 가까운 상태로 작동시키기 위한 시도가 있었다. 그러나 윤활유의 공급을 줄임에 따라 새로운 문제가 발생할 수 있으며, 이 문제는 실린더의 가동면에 과도한 윤활을 하는 것보다 더 심각할 수 있다.

따라서 피스톤 링에 의해 실린더 가동면에 윤활유를 특히 조절되게 분배하여 윤활유를 적게 공급하는 것은 문제가 있다. 예를 들어 소정의 작동 상태 또는 부품들이 서로 마찰되어 마모된 상태에서는, 공급 간격 당 공급되는 윤활유의 양이 지나치게 적을 수 있다. 윤활유의 품질, 예를 들어 소기용 공기의 습도 및/또는 온도와 같은 소정의 환경 조건, 또는 엔진의 소정 가동 상태에 따라, 윤활유는 효율적으로 보다 적게 가동면에 배포될 수 있다. 실린더 벽의 윤활유 구멍들 사이의 거리가 지나치게 멀거나, 실린더 라이너의 직경이 크거나, 스트로크의 길이가 길어도 문제가 될 수 있다. 피스톤 링의 링 그루브의 간극이 지나치게 크면 링 그루브 내에 지나치게 많은 오일이 잔류하게 될 수 있으며, 이로 인해 피스톤 링의 이동 자유도가 상당한 악영향을 받을 수 있다. 피스톤 링의 형상은 모든 윤활막 상태와 이상적으로 부합되지 않는다. 또한 예를 들어 피스톤 링이 마찰 효과로 인해 링 그루브에 지나치게 큰 간극을 가지거나, 예를 들어 실린더 표면 및/또는 피스톤 링의 마모가 가동면에 대한 피스톤 링의 이상적인 밀봉 및/또는 윤활유 분배를 방해하기 때문에, 피스톤 링에서 누출이 일어날 수 있다.

따라서 당업자들은 기본적으로 상이한 윤활의 상태 사이에서 구별을 하여야 한다. 따라서 일반적으로, 소위 유체역학적(hydrodynamic) 윤활의 영역은 불충분 한 윤활 및 혼합된 윤활의 상태로부터 구분되게 된다. 상대 이동 부품 사이, 즉 예를 들면 실린더 벽의 가동면과 피스톤의 피스톤 링 사이의 유체역학적 윤활에서, 윤활막은, 상대 이동 부품의 표면이 서로 잘 분리되고 이들이 접촉하지 않는 두께로 형성된다. 다른 경계선의 경우는 소위 혼합된 마찰 또는 혼합된 윤활에 의해 예시된다. 혼합된 마찰의 경우, 상대 이동 부품 사이의 윤활막은 상대 이동 부품이 적어도 부분적으로 서로 직접 접촉하도록 얇다. 이 경우, 스커핑이 존재할 위험이 있으며 궁극적으로 피스톤의 눌어붙음이 발생한다. 불충분한 윤활은 이들 2개의 경계선 경우 사이의 어딘가에 발생한다. 불충분한 윤활의 상태에서는 유체역학적 윤활이 형성되도록 윤활막이 충분히 두껍다. 가능한 한 종래 기술에서는 혼합된 윤활의 상태뿐만 아니라 완전히 불충분한 윤활도 방지된다. 이것은, 윤활막의 두께가 바람직하게, 유체역학적 윤활이 상대 이동 부품 사이에 도달되도록 선택되는 것을 의미한다.

따라서 유체역학적 윤활의 영역에서의 작동은 윤활제 소비를 많이 하게 된다. 이것은, 한편으로는 비경제적이며 놀랍게도 윤활이 불충분할 뿐 아니라 과도한 윤활을 초래하여 실린더 내의 상대 이동 부품에 손상을 주게 된다.

이러한 문제들을 해결하기 위해, Amoser 등은 EP 1 643 088 A1에 왕복동 피스톤 연소 엔진의 윤활을 위한 방법 및 장치를 제안하였으며, 여기서 실린더 가동면 상의 윤활막은, 윤활막의 상태를 지속적으로 감시하고 윤활유 노즐을 대응되게 제어함으로써 국부적으로 최적화될 수 있어서, 작동 상태에서 윤활유의 양이 연속적으로 적절화되고 최적화될 수 있다.

전술한 바와 같이 중요한 문제가 해결될 수 있지만, 실린더 가동면에 이미 공급된 윤활유의 분배는 부적절하게 이루어질 수밖에 없거나 EP 1 643 088 A1에 기재된 기술을 이용하더라도 그 영향은 미미하다.

따라서 본 발명의 목적은, 특히 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진용 피스톤 링 팩의 형성을 위한 피스톤 링을 구비하는 개선된 피스톤을 제안하는 것으로, 이를 통해 실린더 가동면에 윤활유의 상당히 양호한 분배가 가능하여, 피스톤의 가동 양태를 개선시키고, 마모에 대한 내성을 높여서, 대형 2행정 디젤 엔진이 최대의 가동 신뢰성을 가짐으로써 보다 경제적으로 작동할 수 있도록 하는 것이다.

상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.

종속청구항은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것이다.

본 발명은, 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤용 피스톤 링 팩의 형성을 위한 오일 회수 링을 포함하는 대형 2행정 디젤 엔진에 관한 것이며, 상기 피스톤은 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 실린더의 실린더 벽을 따라, 설치된 상태에서 왕복동 가능하도록 배치되고, 상기 피스톤 링 팩은, 상기 실린더의 연소실에 가장 근접하게 놓이며 제1 가동면을 구비하는 제1 피스톤 링, 및 오일 회수 링 가동면을 구비하는 오일 회수 링을 포함한다. 상기 제1 피스톤 링은 제1 피스톤 링 그루브에 배치되고, 상기 오일 회수 링은, 작동 상태에서 상기 제1 피스톤 링의 상기 제1 가동면 및 상기 오일 회수 링의 상기 오일 회수 링 가동면이 상기 실린더 벽의 실린더 가동면과 마찰 접촉되도록 상기 피스톤의 오일 회수 링 그루브에 배치된다. 본 발 명에 따르면, 상기 피스톤은 상기 오일 회수 링 그루브의 영역 및/또는 상기 오일 회수 링 그루브에 윤활유 구멍을 가지며, 상기 피스톤은 윤활유가 상기 피스톤의 내부로부터 상기 윤활유 구멍을 통해 상기 실린더 가동면에 공급될 수 있도록 설계된다.

따라서 본 발명에서는, 먼저 피스톤이 제공되고, 이 피스톤에 의해 윤활유가 상기 피스톤의 내부로부터 상기 오일 회수 링 그루브의 영역, 특히 오일 회수 링 그루브 자체에 배치되어 있는 윤활유 구멍을 통해 상기 실린더 가동면에 공급될 수 있어서, 상기 실린더 가동면 상에 개선된 윤활유의 양 및 분배가 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 피스톤의 둘레면 및/또는 상기 오일 회수 링 그루브 및/또는 피스톤 링 그루브에는 배출 통로가 제공된다.

특히, 오일 회수 링은 오일 회수 링 가동면의 둘레방향으로 형성되는 리세스를 구비한다.

특히 바람직하게, 상기 리세스는 상기 오일 회수 링의 둘레방향으로 연장되는 2개의 오일 회수 립(lip)에 의해 형성되는 오일 회수 그루브이다.

그러므로 본 발명에 따른 피스톤의 오일 회수 링은 피스톤 링이며, 이 피스톤 링은 필수는 아니지만 둘레방향 외측으로 연장되며 2개의 외측 립에 의해 경계를 이루는 외측으로 회전하는 그루브를 갖고, 상기 립은 상기 오일 회수 링의 오일 회수 링 가동면을 형성하며 실린더 벽의 실린더 가동면과 마찰 접촉된다. 작동 상태에서 둘레방향으로 형성된 리세스로 인해, 본 발명에 따른 오일 회수 링은 오일 을 회수하여 리세스, 특히 오일 회수 그루브 내에 윤활유를 저장할 수 있어서, 한편으로는 국부적으로 초과되는 윤활유가 회수, 즉 실린더 가동면으로부터 제거될 수 있고, 다른 한편으로는 상기 리세스 내에 일시적으로 저장된 윤활유가 예를 들어 보다 많은 윤활유를 필요로 하는 지점에서 상기 리세스로부터 상기 실린더 가동면에 다시 공급될 수 있다.

이것은, 대형 디젤 엔진의 작동 상태에서 본 발명에 따른 피스톤의 오일 회수 링이, 오일 스크레이퍼 링, 오일 회수 링, 및 오일 분배 링으로서 동시에 작용하는 것을 의미한다. 그 결과, 본 발명에 따른 오일 회수 링을 특히 길이방향으로 소기되는 2행정 디젤 엔진에 사용하면, 한편으로는 실린더 가동면 상의 윤활유의 양 및 그에 따른 윤활유의 막 두께가 예를 들어 오일 회수 링 및/또는 오일 회수 링을 형성하는 재료의 기하학적 형상을 특별히 적절하게 선택함으로써 조절될 수 있고, 다른 한편으로는 윤활유가 실린더 가동면 상에서 길이방향 및 둘레방향 모두에 이상적으로 분배될 수 있다.

자동차 또는 모터사이클용의 소형 4행정 엔진에도 유사한 링이 공지되어 있다. 여기서 윤활유는 오일 펌프를 따라 이송되며, 실린더 윤활은 크랭크샤프트의 회전운동에 의해 크랭크 하우징으로부터 윤활유가 와류를 일으킴으로써 간단히 이루어진다. 적하되는 윤활유는 다시 집유조에 회수된다.

이것은, 예를 들어 자동차에 사용되는 4행정 엔진은 대형 2행정 디젤 엔진의 경우와 완전히 상이한 윤활 원리로 작동된다는 것을 의미한다. 공지된 4행정 엔진에서는, 실린더 가동면 상의 윤활유의 양이 충분할 뿐만 아니라 일반적으로 잉여의 윤활유가 존재하여, 윤활유가 크랭크 하우징의 집유조로 다량 스크레이핑되어야 한다.

이러한 이유로, 이들 엔진에서는 가장 하부의 피스톤 링이 2개의 둘레방향으로 연장되는 립에 의해 형성되는 그루브를 가질 수도 있는 오일 스크레이퍼 링으로서 설계되며, 상기 그루브 내에 윤활유가 저장될 수도 있다. 이것의 주 목적은, 이러한 유형의 윤활에서 실린더 가동면 상에 매우 다량으로 공급된 여분의 윤활유를 집유조로 스크레이핑하여, 연소실로 들어가 연소되지 않도록 하는 것이다. 또한 오일 스크레이퍼 링은 동시에 소형 4행정 엔진에서 실린더 가동면 상에 윤활유를 분배하는 역할을 하는 것으로도 공지되어 있다.

길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진의 경우에는, 이제까지는 이러한 유형의 피스톤 링은 연소실로부터 멀리 떨어진 피스톤의 하부에 사용하는 것이 원칙적으로 적절하지 않다고 생각되었다. 그 이유는, 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진은 소형 4행정 엔진의 설계방식 및 기능이 기본적으로 상이하기 때문이다.

도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하겠으며, 당업자들에게 일반적으로 알려진 바와 같이, 배기가스 과급기에 의해 가용될 수 있는 신선한 공기는, 리시버 챔버의 부분 부하 작동에서 1bar 초과 또는 전체 부하 작동에서 2~4bar 이상의 매우 높은 압력을 일정하게 유지하며, 이로 인해 피스톤이 하사점의 영역에서 소기 슬롯을 개방하는 경우, 신선한 공기는 소기 사이클에서 소기 슬롯을 통해 대형 디젤 엔진의 연소실로 들어간다.

그 결과, 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진에서는, 피스톤의 하측, 즉 피스톤의 리시버 챔버와 인접하는 쪽이 항상, 배기가스 터보과급기가 가용할 수 있는 신선한 공기의 상당한 정압에 의해 부하를 받는다.

소기 사이클에서, 즉 배기 밸브의 개방과 함께 피스톤이 하사점으로부터 연소실의 용적이 최소가 되는 상사점을 향하는 방향으로 이동되는 경우, 연소가스를 개방된 배기 밸브를 통해 연소실로부터 배기가스 덕트로 이송하기 위해, 연소실과 피스톤 하측 사이에는 예를 들어 3bar 이상의 상당한 압력 차이가 존재하고, 그 이유는 배기 밸브의 개방에 의해 연소실 내의 압력이 약 1bar인 대기 압력과 크게 차이가 나지 않기 때문이며, 피스톤 하측은 예를 들어 배기가스 터보과급기에 의해 생성되는 4bar 이상의 상당한 압력을 받는다.

이러한 이유로, 이제까지는 상부 링, 즉 연소실에 가장 근접하여 놓이는 피스톤 링은 연소 중에 연소실 내에서 발생하는 상당한 압력을 밀봉하기 위해 매우 양호한 밀봉 효과를 가져야 한다는 의견이 주류였다.

그러나 일반적인 의견은, 리시버 챔버에 가장 근접하여 놓이는 피스톤 링, 즉 피스톤 링 팩의 가장 하부 피스톤 링은, 피스톤의 하측에 일정한 부하를 가하는 신선 공기의 높은 압력으로 인해 기류가 하부 피스톤 링을 통과하는 것을 방지하기 위해 상당한 밀봉 효과를 가져야 한다는 것이었다. 피스톤 링의 안내는 가장 하부 피스톤 링을 통과하는 이러한 기류에 의해 매우 부정적인 영향을 받아서, 피스톤 링이 윤활막과의 접촉을 상실하고 실린더 가동면 상의 윤활막 자체는 기류에 의해 적어도 국부적으로 부정적인 영향을 받을 수 있고/또는 윤활유의 막이 상기 통과하 는 기류에 의해 전체적 또는 부분적으로 이송되어서, 윤활유의 막이 적어도 부분적으로 손상되어 적어도 가장 하부의 피스톤 링이 윤활 없이 또는 적어도 불충분한 윤활로 실린더 가동면 상에서 가동되어, 궁극적으로 바람직하지 못한 스커핑, 즉 피스톤 링이 실린더 가동면에 눌어붙게 되어, 매우 바람직하지 못하다.

이러한 유형의 문제점은, 당연히 일반적인 소형 4행정 엔진에서는 심각하지 않으며, 그 이유는, 크랭크 하우징, 즉 피스톤의 하측과 배기 밸브가 개방된 연소실 사이의 압력 차이는 실질적으로 없으며, 대형 디젤 엔진과는 대조적으로, 윤활 시스템이 완전히 상이하여 오일 스크레이핑 링의 영역에는 항상 다량의 윤활유가 존재하기 때문이다.

놀랍게도, 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진에서도, 하부 피스톤 링, 즉 리시버 챔버에 가장 근접하게 놓이는 피스톤 링은, 윤활유 막을 통해 실린더와 마찰 접촉을 하고 있는 피스톤 링의 가동면이 본 발명에 따른 리세스의 존재에 의해 상당히 감소되는 경우에 여전히 충분한 밀봉 효과를 갖는 것이 확인되었다.

따라서 본 발명에 따른 오일 스크레이퍼 링에서는 상기 바람직한 특징이 얻어질 수 있다.

바람직한 실시예에서 오일 회수 링은, 오일의 확보를 위한 저장 포켓을 포함하여, 이 저장 포켓에는 추가의 오일 확보가 이루어져, 한편으로는 잉여량이 많은 윤활유라도 실린더 가동면으로부터 신뢰적으로 회수될 수 있고, 다른 한편으로는 실린더 가동면 상에 분배할 수 있는 다량의 윤활유가 충분히 확보된다.

이와 관련하여, 오일 회수 링은, 작동 상태에서 오일 회수 링이 미리 정해진 힘으로 실린더 가동면 상에 가압될 수 있도록, 스프링 부재에 의해 오일 회수 링 그루브 내에 탄성 지지될 수 있다. 이러한 방식에서는, 한편으로 밀봉 효과가 더욱 향상될 수 있다. 다른 한편으로는, 오일 회수 링의 가동 양태가 스프링 부재에 의해 더욱 안정화된다.

가동면의 윤활에 절대적으로 필요하지 않은 잉여량의 윤활유를 배출시키기 위해, 오일 회수 링은 배출 개구부를 포함할 수 있으며, 이 배출 개구부를 통해 윤활유가 오일 회수 링 그루브로 배출될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 오일 회수 링은 공급 개구부를 포함하며, 필요한 경우 이 공급 개구부를 통해, 특히 피스톤의 내부로부터 윤활유 구멍을 거쳐 추가의 윤활유가 가동면에 공급될 수 있다.

추가적 또는 대안적으로, 오일 회수 립은 환기 그루브라고도 할 수 있는 횡단 그루브(traverse groove)를 포함할 수도 있어서, 리세스 또는 오일 회수 그루브와 실린더 벽 사이의 윤활유의 추가적인 교환이 가능하여, 오일 회수 링에 의해 실린더 벽에 윤활유가 보다 양호하고 보다 균일하게 분배될 수 있고/또는 오일 회수 립에 의해 형성되는 리세스와 오일 회수 링의 리세스의 외측의 압력 사이의 압력 구배로 인해 윤활유의 보다 양호한 교환이 이루어질 수 있어서, 예를 들어 스크레이핑 동작 중에 윤활유의 소정 비율이 가로방향 슬롯을 통해 오일 회수 링의 리세스로 유입될 수 있고 따라서 여전히 윤활이 이루어질 수 있기 때문에 윤활유의 지나치게 강력한 스크레이핑이 방지될 수 있다.

이러한 구성에서는 물론 실제의 경우에 오일 회수 립에 의해 형성되는 리세스의 용적이, 엔진의 특정 유형을 위해 또는 대형 디젤 엔진의 특히 바람직한 작동 상태를 위해, 작동 상태에서 오일 회수 링에 의해 스크레이핑되는 윤활유의 양이 최적화되도록 선택될 수 있다. 이것은, 스크레이핑된 윤활유의 양과 윤활을 위해 실린더 벽에 분배되는 양 사이의 비율이 오일 회수 링의 특별한 기하학적 설계에 의해 조절되고 최적화될 수 있다는 것을 의미한다.

필수는 아니지만 바람직하게, 오일 회수 링은 부식에 대한 방호부 및/또는 마모에 대한 방호부 및/또는 초기 가동 레이어를 갖고/또는 오일 회수 링은 부식 방지재 및/또는 마모 방지재로 만들어지고/또는 마모에 대한 방호부는 마모 방호 코팅, 특히 금속 및/또는 비금속 마모 방호 코팅이고/또는 부식에 대한 방호부는 부식 방호 레이어, 특히 금속 및/또는 비금속 부식 방호 코팅이다.

이와 관련하여, 오일 회수 링은 차치하고, 다른 링의 전부 또는 일부는 부식에 대한 대응되는 방호부 또는 대응되는 초기 가동 레이어를 포함할 수 있음은 말할 나위도 없다.

특정 실시예에서, 오일 회수 링 및/또는 다른 피스톤 링은 부식 방지재로 만들어진다. 이것은, 일반적으로 피스톤 링 재료로 사용되는 주조 재료가 적절한 성분 또는 적절한 합금 원소의 첨가에 의해 부식 방지로 만들어질 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 예를 들어 합금 또는 이에 적절하게 공지된 재료의 첨가에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들면, 크롬 세라믹, 산화알루미늄(aluminum oxide), 규산염(silicates), 다이아몬드 입자(diamond particle) 특히 트리터(tritor), CKS-36, CKS-37, 탄화물(carbide) 특히 크롬 탄화물 등과 같이 특히 피스톤 링에 대한 마모 방지 재료로서 당업자에게 주지되어 있는 세라믹 또는 산화물(oxide)을 첨가함으로써 이루어질 수 있다. 특별한 경우 피스톤 링은 전체적으로 부식 방지재로 제조되어, 종래 기술에 의해 알려져 있고 일반적으로 사용되는 주조 재료가 전체적으로 또는 부분적으로 사용되지 않을 수 있다.

실제로 특히 중요한 실시예에서 마모 방호부는 마모 보호 코팅이다. 이와 관련하여, 오일 회수 링 및/또는 다른 피스톤 링의 마모 방호 코팅의 두께는 상부 링의 마모 방호 코팅의 두께의 100%, 특히 3/4, 바람직하게는 1/2, 1/3, 1/4 또는 최대 10%일 수 있다.

이와 관련하여, 상부 링, 즉 연소실에 가장 근접하여 놓이는 피스톤 링의 마모 방호 코팅의 두께가 그 아래에 놓이는 나머지 피스톤 링들의 마모 방호 코팅의 두께보다 크면 특히 유리할 수 있다.

제2 및 각각의 다른 피스톤 링의 부하는 일반적으로 작동 상태에서 상부 링이 노출되는 부하보다 매우 작으므로, 제2, 제3 및 다른 피스톤 링의 마모 방호 레이어의 두께는 대부분의 경우 제1 피스톤 링의 경우보다 작게 선택될 수 있다. 상부 링의 마모 방호 레이어의 두께에 대한 일반적인 값은 예를 들어 200㎛ 내지 660㎛, 특히 330㎛ 내지 400㎛이다. 다른 피스톤 링, 예를 들어 오일 회수 링의 마모 방호 레이어의 두께는 보다 작게, 예를 들어 10㎛ 내지 200㎛, 특히 50㎛-100㎛의 범위로 선택될 수 있다.

이와 관련하여, 오일 회수 링과 같은, 상부 링 아래의 피스톤 링의 마모 방 호 레이어의 두께를 감소시켜 선택하는 것은 경제적인 면에서만 흥미로운 것이다. 마모 방호 레이어는 바람직하게는 전기분해(galvanically) 또는 레이저 피복법(laser cladding)에 의해 코팅되어서, 레이어의 두께가 증가함에 따라 레이어의 생성에 필요한 요구사항이 증가하게 된다.

이와 관련하여, 마모 방호 레이어는 다른 적절한 코팅 방법, 즉 HVOF, 플라즈마 스프레잉(plasma spraying), 불꽃 스프레잉(flame spraying), 분말 스프레잉(powder spraying) 등과 같은 용사법(thermal spraying method) 및 예를 들어 데포지션 용접(deposition welding)과 같은 다른 적절한 코팅 방법을 이용하여 제조될 수도 있음은 물론이다.

마모 방호, 즉 피스톤 링 그 자체 또는 예를 들어 주조 재료로 만들어진 피스톤 링 상의 마모 방호 코팅은, 크롬 및/또는 산화알루미늄 및/또는 규산염 및/또는 다이아몬드 입자 및/또는 크롬 세라믹, 특히 트리터 및/또는 CKS-36 및/또는 CKS-37 및/또는 탄화물, 특히 탄화크롬을 포함할 수 있다. 궁극적으로, 모든 공지된 마모 방호 재료는 마모 방호 레이어의 형성 또는 마모 방지 재료로 된 피스톤 링의 제조에 바람직하게 적절하다.

다른 실시예에서, 상부 링에 가장 근접하게 놓이는 피스톤 링은 초기 가동 레이어를 포함하고, 그 아래에 놓이는 제3 링 및/또는 본 발명에 따른 오일 스크레이퍼 링은 마모 방호부를 포함한다. 이것은 특히 작동 상태에서 제1 피스톤 링에 가장 근접하게 놓인 피스톤 링에 작용하는 부하가 소정의 부하 한계를 초과하지 않아서 이 피스톤 링에 마모 방호부가 필요하지 않은 경우에 바람직할 수 있다. 그 러나 하부에 놓이는 피스톤 링은, 이러한 방식에서는 피스톤 링 팩의 영역에서의 유막이 개선되어서 피스톤 링 팩의 마찰 특성 및 다른 가동 특성이 전체적으로 최적화될 수 있기 때문에, 마모 방호부를 가질 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 피스톤 링, 즉 상부 링 및/또는 다른 피스톤 링은 부식에 대한 방호부 및/또는 마모에 대한 방호부 및/또는 초기 가동 레이어를 포함할 수 있고/또는, 제1 피스톤 링 및/또는 다른 피스톤 링은 부식 방지 및/또는 마모 방지 재료로 만들어질 수 있고/또는, 마모에 대한 방호부는 마모 방호 코팅, 특히 금속 및/또는 비금속 마모 방호 코팅일 수 있고/또는, 부식에 대한 방호부는 부식 방호 코팅, 특히 금속 및/또는 비금속 부식 방호 코팅일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 피스톤 자체는 특히 제1 피스톤 링 그루브 및/또는 다른 피스톤 링 그루브의 영역 및/또는 오일 회수 링 그루브의 영역에 부식에 대한 방호부 및/또는 마모에 대한 방호부를 포함할 수 있고, 피스톤은 부식 방지 및/또는 마모 방지 재료로 만들어질 수 있고/또는, 마모에 대한 방호부는 마모 방호 코팅, 특히 금속 및/또는 비금속 마모 방호 코팅일 수 있다.

실질적인 사용에서 중요한 실시예에서, 피스톤은 둘레 표면의 영역, 특히 오일 회수 링 그루브의 영역 및/또는 오일 회수 링에 윤활유 구멍을 가지며, 윤활유 구멍은 윤활유가 피스톤의 내부로부터 윤활유 구멍을 통해 실린더 가동면에 공급될 수 있도록 설계되고 배열되고/또는 피스톤의 둘레면 및/또는 오일 회수 링 그루브 및/또는 피스톤 링 그루브에는 배출 통로가 제공된다.

이것은, 필요에 따라, 공지된 그 자체로, 윤활유 구멍 또는 윤활유 노즐이 피스톤에 제공되고 이를 통해, 윤활유 공급부로부터 피스톤의 내부를 통해 윤활유 구멍으로 이송되는 윤활유가 실린더 벽에 공급되어 윤활작용을 할 수 있다. 따라서 필요한 경우, 윤활유는 실린더 내에서 피스톤의 임의의 위치에서 실린더 가동면에 공급될 수 있다.

한편, 대안적 또는 추가적으로, 피스톤에는 배출 통로도 제공될 수 있으며, 이를 통해, 예를 들어 오일 회수 링 그루브 또는 그 근처, 또는 피스톤의 표면상의 다른 위치에 회수된 잉여의 윤활유가 피스톤의 내부로 보내질 수 있어서, 잉여의 윤활유가 실린더 가동면으로부터 제거될 수 있다.

실질적인 사용에서 특히 중요한 구성은, 예를 들어 다음과 같이 상세히 구성될 수 있다.

피스톤 링 팩은, 연소실을 피스톤 하측에 대하여 실질적 또는 적어도 충분히 기밀되게 밀봉하도록 설계된 상부 링을 포함한다. 전술한 바와 같이, 상부 링은 예를 들어 마모 방호부를 포함할 수 있으며 한편으로는 양호한 밀봉을 보장하고 다른 한편으로는 이상적인 유막의 형성을 보장하는 최적의 형상을 갖는다. 이를 위해, 상부 링의 축방향 높이는 예를 들어 자신의 반경방향의 폭보다 크다. 이러한 링은 예를 들어 마모의 영향으로 인해 원뿔형 또는 타원형이 되는 경우에도 실린더 벽 상에서 완벽하게 가동된다.

그 아래에 놓이는 제2 피스톤 링은 보조 또는 비상용 밀봉 링으로서 작용한다. 상부 링이 그 밀봉 능력을 완전히 또는 부분적으로 상실하는 경우, 제2 링은 적어도 일시적으로 엔진의 추가적인 작동을 가능하게 한다. 전술한 바와 같이, 이 링도 대응되는 방호 레이어 또는 초기 가동 레이어를 포함할 수 있고/또는 대응되는 재료로 만들어질 수 있다. 안전성의 이유로, 전술한 제2 피스톤 링과 같은 유형의 제3 피스톤 링이 적어도 하나 추가로 제공될 수 있다. 가장 하부의 피스톤 링은 오일 스크레이퍼 링, 오일 회수 링, 및 오일 분배 링으로서 동시에 작용하는, 본 발명에 따른 오일 회수 링이다. 무엇보다도, 오일 회수 링은 전술한 바와 같이 잉여의 오일을 스크레이핑하고/또는 회수하여, 초과의 윤활유, 즉 지나치게 많은 양의 윤활유가 그 위의 밀봉 링, 즉 제1, 제2, 또는 제3 피스톤 링, 또는 다른 피스톤 링으로 공급되지 않도록 한다.

또한 본 발명에 따른 오일 회수 링은, 예를 들어 소기용 공기로부터 생성된 응축수와 같은 다른 액체를 실린더 벽으로부터 제거 또는 스크레이핑할 수도 있고, 바람직하게는 소기용 공기와 함께 또는 다른 경로에 의해 실린더 가동면에 도달된 황산 또는 다른 고체나 액체 물질을 제거, 즉 회수, 스크레이핑, 또는 이들의 분배를 할 수 있다.

오일 회수 링은 바람직하게, 1개 또는 2개의 오일 회수 립을 포함하며, 그 형상은 오일 회수 링이 여러 기능을 동시에 이상적으로 수행할 수 있도록 대응되게 최적화될 수 있다. 오일 회수 립은 마찬가지로, 피스톤 링 그 자체 또는 피스톤에 대하여 전술한 바와 같이, 대응되는 물질로 코팅 및/또는 제조될 수 있다.

오일 회수 링은 바람직하게, 실린더의 가동면으로부터 소정량의 윤활유를 회수하여 저장하기 위한 홈(furrow) 및/또는 포켓을 포함한다.

예를 들어 다른 액체, 산(acid), 또는 오염물질과 같은 다른 고상, 액상, 또 는 기상 물질이 실린더 가동면에 위치되는 경우, 이들 물질은 오일 회수 링, 특히 홈 및 포켓 내에서 윤활유 내의 첨가제에 의해 완전 또는 부분적으로 중화될 수 있다.

이러한 구성에서, 오일 회수 포켓 및/또는 홈은 오일 회수 립의 위 및/또는 아래 및/또는 사이에 배치될 수 있다. 그리고 저장된 윤활유는 실린더 라이너의 전체적으로 적절한 실린더 가동면 전체에 완전 또는 부분적으로 분배될 수 있어서, 공급되는 윤활유의 양이 매우 적은 경우에도 실린더 가동면에 대한 윤활유의 완벽한 분배가 항상 보장된다.

오일 회수 링은 바람직하게, 오일 회수 링 또는 오일 회수 립을 소정의 힘으로 실린더의 가동면에 가압하는 스프링 부재에 의해 하중을 받는다(loaded).

전술한 바와 마찬가지로, 오일 회수 링 그루브는 특히 배출 통로로 연결되는 배출 구멍을 추가로 가질 수 있으며, 이를 통해 잉여의 윤활유가 피스톤을 통과하여 배출될 수 있다.

공지된 방식에서, 피스톤 자체 또는 피스톤 크라운은 예를 들어 강철 및/또는 전술한 마모 방지 재료 중 하나로 구성될 있고/또는 코팅될 수 있으며, 그 자체로 공지된 쿨링 보어(cooling bore)를 포함할 수 있고, 링 그루브는 전술한 바와 같이 마모 방호 코팅에 의해 처리되거나 코팅될 수 있다.

피스톤은 그 외주에 윤활유 구멍을 포함할 수 있으며, 이를 통해 윤활유가 실린더 가동면에 공급될 수 있고, 대안적이거나 추가적으로 대응되는 윤활유 구멍이 실린더 라이너에도 제공될 수 있다.

본 발명의 매우 특별한 장점은, 중고 대형 디젤 엔진도 본 발명에 따른 오일 회수 링을 나중에 장착할 수 있고/또는 엔진에 복잡한 변경을 가하지 않고도 본 발명에 따른 피스톤을 나중에 장착할 수 있다는 것이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 실린더 라이너, 본 발명에 따른 피스톤, 및 급기 시스템을 구비하는 실린더 장치를 부분 단면으로 나타내며, 피스톤은, 그 전체를 참조부호 1로 나타내는 오일 회수 링을 구비하는, 피스톤 링 팩을 포함한다.

도 1의 실린더 장치는, 길이방향으로 소기되는 대형 2행정 디젤 엔진으로, 종래 기술에 공지된 전형적인 장치이다.

이 장치는, 실린더 라이너라고도 하는 실린더(5)를 포함하며, 실린더(5) 내부에는 피스톤(3)이 실린더 벽(4)을 따라 전후로 이동 가능하게 배치되어 있다. 피스톤(3)은 피스톤 링 팩(2)을 포함하며, 도면에는 개략적으로 2개의 피스톤 링만을 표시하였다. 즉, 제1 피스톤 링(7)은 연소실(6)에 가장 근접하게 놓이고 상부 링(7)이라고도 하며 제1 가동면(701)을 가지며 이 제1 가동면(701)에 의해 제1 피스톤 링(7)이 실린더(5)의 실린더 가동면(401) 상에서 가동되고, 본 발명에 따른 오일 회수 링(1)은 오일 회수 링 가동면(101)을 가지며 도 1에서는 둘레방향으로 형성된 리세스가 도시되지 않았다.

도면에서, 연소실(6)은 분사 노즐(602) 및 배기 밸브(601)를 가지는 실린더 커버(600)에 의해 경계를 이루며, 도면에서 배기 밸브(601)는 개방된 상태이다.

공지된 방식에서, 피스톤은 피스톤 로드(11)를 통해 도시하지 않은 크로스헤드와 연결되고, 이를 통해 대형 디젤 엔진의 작동 상태에서 피스톤 로드의 왕복운동이 엔진의 도시하지 않은 크랭크샤프트에 전달된다. 피스톤 로드(11)는, 수용 공간(14)을 통과하여 도면의 아래에서 실린더 라이너(5)와 결합되며, 그 아래에 놓이는 크랭크샤프트 공간에 대하여 수용 공간(14)을 밀봉하는 스터핑 박스(12)를 통과하여, 도시하지 않은 터보과급기에 의해 고압, 예를 들어 4bar의 압력으로 수용 공간(14)에 공급되는 신선한 공기(15)가 수용 공간(14)으로부터 크랭크샤프트 공간(13)으로 통과할 수 없도록 되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 그리고 일반적으로 알려진 바와 같이, 터보과급기에 의해 생성되는 신선한 공기(15)의 압력(P1)은 항상 수용 공간(14) 내에 존재하며, 그 이유는 수용 공간(14)의 구조가 항상 피스톤의 하측(302)에 존재하기 때문이며, 따라서 압력(P1)이 오일 회수 링(1) 상에도 계속해서 존재한다.

본 발명에서 중요한 점은, 도 1에 명확하게 도시하지 않은 리세스(103)를 구비한 오일 회수 링(1)이, 실린더(5)의 연소실(6) 내의 압력(P2)과 오일 회수 링(1)에 가해지는 신선한 공기(15)의 압력(P1) 사이의 압력 차이로 인한 커다란 압력차(P2-P1)에도 불구하고, 실린더(5)의 실린더 가동면(401) 상에 적절하게 높은 밀봉 효과 및 오일 회수 링 가동면(101)의 가동 신뢰성을 보장하며, 이 때 신선한 공기(15)의 바람직하지 못한 오일 회수 링(1) 및 그 위에 놓이는 피스톤 링의 통과로 인해 실린더 가동면(401) 상의 윤활유 막의 안정성을 해치거나 윤활막을 손상시킬 수 있기 때문에 바람직하지 않은, 오일 회수 링(1) 또는 나머지 피스톤 링의 불안 정성이 발생하지 않는다.

예상과는 달리, 수용 공간(14)으로부터 연소실(6)을 향하는 방향으로의, 피스톤 링 팩의 상부 링 및 나머지 피스톤 링 및/또는 오일 회수 링의 다소 약한 밀봉 효과는 피스톤 링 팩을 손상시키는 공기 흐름을 방지하기에 충분하다.

공지된 바와 같이, 피스톤 링(7) 및 다른 피스톤 링은 이들의 특정 형상 및 특정 구조에 의해, 연소로 인해 연소 공간 내에서 발생하는 압력에 대항하여 연소 공간(6)을 피스톤(3)의 하측(302)에 대하여 밀봉하도록 최적화되어 있다. 반대방향으로 흐르는 가스에 대한 밀봉은 최적화되어 있지 않으며, 그 이유는, 종래 기술에서 이 기능은 피스톤 링 팩(2)에서 가장 하부의 피스톤 링에 의해 실질적으로 만족되었기 때문이지만, 종래 기술에서는 본 발명에 따른 리세스(103)를 구비하지 않아서 신선한 공기(15)의 압력(P1)에 대한 밀봉의 필요성이 이미 대두되었다.

따라서 소형 4행정 엔진으로부터 원칙적으로 공지된 바와 같은 오일 스크레이퍼 링이 대형 디젤 엔진에 사용될 수 없다는 잘못된 가설은 본 발명에 따른 오일 회수 링(1)에 의해 반박될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 피스톤(3)의 특별한 실시예를 나타낸다. 피스톤(3)은 종래 기술에서 공지된 것과 같은 냉각유(16)에 의해 내부가 냉각되는 피스톤이다. 이 실시예에서, 피스톤(3)의 피스톤 링 팩(2)은 3개의 피스톤 링, 즉 가동면(701)을 구비하여 연소 공간에 가장 근접하게 놓이는 상부 링(7), 피스톤(3)의 하측(302)에 가장 근접하게 놓이는 본 발명에 따른 오일 회수 링(1), 및 상부 링(7)과 오일 회수 링(1) 사이의 피스톤 링 그루브(702)에 놓여서 상부 링(7)을 보 조하며 밀봉 또는 누출에 대한 방지 기능을 하는 추가의 피스톤 링(700)을 포함한다.

본 발명에 따른 피스톤(3)의 오일 회수 링(1)은 오일 회수 링 그루브 내에 형성된다. 도 2의 실시예에서, 오일 회수 링(1)의 리세스(103)는 오일 회수 링(1)의 둘레방향으로 연장되는 2개의 오일 회수 립(1031)에 의해 형성되어, 오일 회수 링의 외주에 그루브 형상의 리세스(103)가 형성되고, 이 리세스(103)에 윤활유가 저장되거나 작동 상태에서 이 리세스(103)로부터 윤활유가 실린더 가동면(401)에 분배될 수 있다.

도 3은 도 2의 피스톤 링 팩(2)이 본 발명에 따른 피스톤의 오일 회수 링을 구비하는 것을 상세히 나타낸다.

모든 피스톤 링(7, 700, 1)은 이들의 가동면(101, 701, 710) 영역에 마모 방호 코팅(1000)을 갖는다. 본 발명에 따른 오일 회수 링(1)은 스프링 부재(8)에 의해 오일 회수 링 그루브(102) 내에 탄성 지지되어, 소정의 힘으로 실린더 가동면(401)에 대하여 가압된다.

이러한 구성에서는, 둘레방향으로 2개의 오일 회수 립(1031)에 의해 경계를 이루어 오일 회수 그루브(103)로 형성되는 리세스(103)의 영역에서, 오일 회수 링(1)이 윤활유의 유지 및 저장을 위한 저장 포켓(104)을 포함한다. 또한 오일 회수 링(1)에는 본 실시예에의 경우 배출 개구부인 개구부(105)가 제공되며 이를 통해 윤활유가, 오일 회수 링 그루브(102)와 연통되는 배출 통로(10)를 거쳐 피스톤(3)의 내부를 통해 외부로 배출될 수 있다.

다른 실시예에서는, 개구부가 공급 개구부(105)이며 이를 통해 윤활유가 실린더 벽(4)에 공급될 수 있다.

본 발명에 따른 오일 회수 링의 또 다른 실시예로서, 횡단 그루브(107)를 구비한 오일 회수 링(1)을 도 4에 도시하였다.

이 실시예에서는, 환기 슬롯이라고도 할 수 있는 횡단 그루브(107)가 오일 회수 립(1031)에 제공된다. 이 구성에서, 횡단 그루브(107)는, 도 4에 개략적으로 도시한 바와 같이 오일 회수 링(1)의 2개의 오일 회수 립(1031) 모두에 제공되거나, 하나의 오일 회수 립(1031)에만 제공될 수 있다. 예를 들어 하나의 오일 회수 립(1031)만을 가지거나 3개 이상의 오일 회수 립(1031)을 가지는 오일 회수 링의 경우에도 마찬가지로 도 4의 예시와 유사하게 가로방향 슬롯(107)이 제공될 수 있다.

횡단 그루브(107)로 인해, 리세스(103), 즉 오일 회수 그루브(103)와 실린더 벽(4) 사이의 추가적 또는 개선된 윤활유 교환이 가능하여, 오일 회수 링(1)에 의해 윤활유가 보다 양호하게 계량되고 실린더 벽(4)(도 4에는 도시하지 않음)에 보다 균일하게 분배될 수 있고/또는, 오일 회수 립(1031)에 의해 형성되는 리세스(103)와 오일 회수 링(1)의 리세스(103) 외부의 압력 사이의 압력 구배로 인해 보다 양호한 윤활유 교환이 얻어질 수 있다. 따라서 예를 들면, 윤활유를 지나치게 강력하게 스크레이핑하거나 불충분하게 스크레이핑하는 것이 방지될 수 있으며, 그 이유는, 소정 비율의 윤활유가 스크레이핑 중에 횡단 그루브(107)를 통해 오일 회수 링(1)의 리세스(103)에 대하여 유입 및/또는 유출될 수 있어서 윤활이 추가되 거나 회수될 수 있기 때문이다.

이와 관련하여, 전술한 바와 같이 이 경우에 오일 회수 립(1031)에 의해 형성되는 리세스(103)의 용적을 선택하는 것이 가능하여, 작동 상태에서 오일 회수 링(1)에 의해 스크레이핑될 윤활유의 양이 이상적으로 조절된다. 이것은, 오일 회수 링(1)의 특별한 기하학적 설계로 인해, 스크레이핑되는 윤활유의 양 및 윤활을 위해 실린더 벽(4)에 분배되는 윤활유의 양이 조절되고 최적화된다는 것을 의미한다.

도 4에 따른 오일 회수 링(1)의 실시예는 마모 방호 코팅(1000) 및/또는 부식 방호부 및/또는 가동 코팅을 더 갖는다.

도 5a는 도 4의 선 A-A를 따라 취한 단면도로서, 도면을 명확하게 하기 위해 오일 회수 링(1)의 영역에 횡단 그루브(107)가 제공되지 않은 것으로 나타내었다. 오일 회수 립(1031)에 의해 형성되는 오일 회수 그루브(103)는 마모 방호 레이어(1000) 및/또는 부식 방호 레이어 및/또는 초기 가동 레이어를 구비하는 오일 회수 립(1031)을 가지는 것을 알 수 있다.

도 5b는 도 4의 선 B-B를 따라 취한 다른 단면도이다. 이 단면은 즉 오일 회수 링(1)에서 횡단 그루브(107)를 통과하여 연장되며, 도면의 상부 오일 회수 립의 마모 방호 코팅(1000)이 다소 얇아서 횡단 그루브(107)가 형성된다.

오일 회수 링(1)은 모든 경우에 문제없이 마모 방호 코팅(1000) 및/또는 부식 방호 코팅 및 초기 가동 레이어를 가질 필요가 없으며, 전술한 레이어들은 특정 영역에만 제공될 수도 있다. 따라서 예를 들면, 오일 회수 립(1031)은 대응되는 코팅을 가질 수 있고, 동일한 오일 회수 링(1)의 다른 하나의 오일 회수 립(1031)은 이러한 코팅을 가지지 않을 수 있다.

전술한 실시예들은 예시적인 것으로 이해되어야 하며 특히 피스톤 링 팩은 3개 이상, 즉 4개, 5개, 6개 이상의 피스톤 링을 포함할 수도 있으며, 예시한 실시예들을 적절하게 조합하는 것도 본 발명에 포함된다는 것을 이해하여야 한다.

도 1은 실린더 라이너, 피스톤, 및 급기 시스템을 구비하는 실린더 장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 피스톤을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 오일 회수 링을 구비하는 피스톤 링 팩을 상세히 나타내는 도면이다.

도 4는 횡단 그루브를 구비하는 오일 회수 링을 나타내는 도면이다.

도 5a는 도 4의 선 A-A를 따라 취한 단면도이다.

도 5b는 도 4의 선 B-B를 따라 취한 단면도이다.

Claims (10)

1. 피스톤 링 팩(2)의 형성을 위한 오일 회수 링(1)을 포함하는 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤에 있어서,

   상기 피스톤은, 상기 대형 2행정 디젤 엔진의 실린더(5)의 실린더 벽(4)을 따라, 설치된 상태에서 왕복동 가능하도록 배치되고,

   상기 피스톤 링 팩(2)은, 상기 실린더(5)의 연소실(6)에 가장 근접하게 놓이며 제1 가동면(701)을 구비하는 제1 피스톤 링(7), 및 오일 회수 링 가동면(101)을 구비하는 오일 회수 링(1)을 포함하고,

   작동 상태에서 상기 제1 피스톤 링(7)의 상기 제1 가동면(701) 및 상기 오일 회수 링(1)의 상기 오일 회수 링 가동면(101)이 상기 실린더 벽(4)의 실린더 가동면(401)과 마찰 접촉되도록, 상기 제1 피스톤 링(7)은 제1 피스톤 링 그루브(702)에 배치되고, 상기 오일 회수 링(1)은 상기 피스톤의 오일 회수 링 그루브(102)에 배치되고,

   상기 오일 회수 링(1)은 상기 오일 회수 링 가동면(101)의 둘레방향으로 형성된 리세스(103)를 구비하고,

   상기 리세스(103)는 상기 오일 회수 링(1)의 둘레방향으로 연장된 2개의 오일 회수 립(lip)(1031)에 의해 형성된 오일 회수 그루브(103)이고,

   상기 오일 회수 그루브는 상기 피스톤의 내부로부터 상기 실린더 가동면(401)으로 윤활유를 공급하기 위해 상기 오일 회수 링 그루브(102)에 있는 윤활유 구멍과 연통하고,

   배출 통로(10)가, 상기 피스톤의 둘레면(301), 상기 오일 회수 링 그루브(102), 및 상기 제1 피스톤 링 그루브(702) 중 적어도 한 곳에 구비되고,

   상기 오일 회수 링(1)은, 상기 오일 회수 립(1031)에 형성된 횡단(traverse) 슬롯(107)을 포함하는,

   대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤.
2. 제1항에 있어서,

   상기 오일 회수 링(1)은 오일 공급부의 형성을 위해 상기 오일 회수 그루브(103)의 영역에 저장 포켓(104)을 포함하는, 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 오일 회수 링(1)은, 작동 상태에서 상기 오일 회수 링이 소정의 힘으로 상기 실린더 가동면(401)에 가압될 수 있도록, 스프링 부재(8)에 의해 상기 오일 회수 링 그루브(102)에서 탄성 지지되는, 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 오일 회수 링(1)은, 윤활유의 배출을 위한 배출 개구부(105)와 윤활유의 공급을 위한 공급 개구부(105) 중 적어도 하나를 포함하는, 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 오일 회수 링(1)은, 부식에 대한 방호부, 마모에 대한 방호부, 및 초기 가동 레이어(running-in layer) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 오일 회수 링(1)은 부식 방지 재료와 마모 방지 재료 중 적어도 하나로 만들어지고, 상기 마모에 대한 방호부는 마모 방호 코팅이고, 상기 부식에 대한 방호부는 부식 방호 레이어인, 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 피스톤은 추가 피스톤 링을 더 포함하고,

   상기 제1 피스톤 링(7)과 상기 추가 피스톤 링 중 적어도 하나는, 부식에 대한 방호부, 마모에 대한 방호부, 및 초기 가동 레이어 중 적어도 하나를 포함하고, 부식 방지 재료와 마모 방지 재료 중 적어도 하나로 만들어지고,

   상기 마모에 대한 방호부는 마모 방호 코팅(1000)이고, 상기 부식에 대한 방호부는 부식 방호 레이어, 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤.
7. 제6항에 있어서,

   상기 피스톤은, 상기 제1 피스톤 링 그루브(702)의 영역, 상기 추가 피스톤 링의 추가 피스톤 링 그루브의 영역, 및 상기 오일 회수 링 그루브의 영역 중 적어도 한곳에, 부식에 대한 방호부와 마모에 대한 방호부 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 피스톤은 부식 방지 재료와 마모 방지 재료 중 적어도 하나로 만들어지고, 상기 마모에 대한 방호부는 금속 또는 비금속 마모 방호 코팅(1000)이고, 상기 부식에 대한 방호부는 금속 또는 비금속 부식 방호 코팅인, 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤.
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