KR101576967B1 - 피스톤 링 패키지의 기능 최적화 방법 및 이에 적합한 피스톤 링 패키지 - Google Patents

Abstract

피스톤(2)의 각각 할당된 피스톤 링 그루브(9a, b, c, d)에 배치되는 복수의 피스톤 링들(10a, b, c, d)을 구비한 피스톤 링 패키지에 있어서, 상기 피스톤 링 패키지는 상기 피스톤(2)의 작동 행정마다 상부로부터는 상기 피스톤(2)에 의해 범위 한정되는 상기 작동 챔버(5)에서 생성되는 연소 압력에 의해 가압되고, 하부로부터는 상기 피스톤(2) 하부에 존재하는 압력에 의해 가압되어 상기 피스톤 링 패키지(11) 전체의 기능의 최적화가 달성된다. 상기 모든 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서는 상기 작동 챔버(5)로부터 유출되는 가스의 누출이 허용되되, 홈붙이 피스톤 링을 포함한 배치구조에 비해 비교적 적은, 제어된 누출이 허용되고, 상기 누출은 상기 각각의 피스톤 링(10a, b, c, d)에 대해 각각 개별적으로 결정되며, 이 경우에 상기 작동 챔버(5)에 가장 가깝게 인접한 상기 피스톤 링(10a)으로부터 출발하여 상기 작동 챔버(5)에서 가장 멀리 이격된 상기 피스톤 링(10d)에 이르기까지 허용된 누출의 감소가 이루어진다.

Description

피스톤 링 패키지의 기능 최적화 방법 및 이에 적합한 피스톤 링 패키지{Method for optimization of function of piston ring package and piston ring package therefor}

본 발명은 중첩되어 배치되는 복수의 피스톤 링을 포함하는 피스톤 링 패키지의 기능을 최적화하는 방법에 관한 것으로서, 왕복 피스톤 내연 기관, 특히 피스톤의 작동 행정마다 상부로부터는 피스톤에 의해 범위 한정되는 작동 챔버에서 생성되는 연소 압력에 의해 가압되고, 하부로부터는 피스톤 하부에 존재하는 압력에 의해 가압되며, 피스톤 링 패키지 영역 내에 작동 챔버로부터 유출되는 가스가 존재하는 2행정 대형 디젤 엔진의 피스톤의 피스톤 링 패키지의 기능을 최적화하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 방법을 실행하기에 적합한 피스톤 링 패키지에 관한 것이다.

피스톤 링들의 영역에 존재하는, 작동 챔버로부터의 가스 누출은 특히 피스톤 링들에 반경 방향에서 가스 압력을 공급하며, 이런 점은 피스톤이 반경 방향으로 팽창하고 그로 인해 피스톤의 반경 방향의 안정화를 실현하기 위한 용도에 바람직하다. 다른 한편으로, 작동 챔버로부터 연소 가스의 누출은 출력 손실을 초래한다. 실제로 이용되는 피스톤 링은 두 가지 그룹, 즉 홈붙이 피스톤 링(slotted piston ring)과 이른바 밀봉식 피스톤 링(sealed piston ring)으로 분류된다. 홈붙이 피스톤 링의 경우 그 단부들이 서로 이격되어 있고, 그럼으로써 상부로부터 하부로 연장되는 누출 가스를 위한 유동 경로를 형성하는 홈이 형성된다. 이러한 유동 경로는 피스톤 링의 마모가 누적되고 피스톤 링의 팽창이 누적되면서 더욱 커진다. 밀봉형 피스톤 링은 그루브와 스프링의 방식에 따라 서로 맞물리는 단부를 구비함으로써, 폐쇄되어 원주 방향으로 연장되는 원주면이 형성된다. 여기서 가스 누출이 가능하도록 하기 위해, 피스톤 링들의 상면을 그들의 하면과 연결하는, 예컨대 원주면 측의 그루브 형태로 유동 경로들이 밀봉형 피스톤 링들에 제공될 수 있다.

EP 0 742 875 B1에 개시된 피스톤 링 패키지의 경우 최상부 피스톤 링만 밀봉형 피스톤 링으로 형성되고, 이 피스톤 링은 작동 챔버로부터 유출되는 가스의 제어된 누출을 달성하기 위해 원주면 측의 그루브를 구비한다. 나머지 피스톤 링들은 홈붙이 피스톤 링들로 형성될 수 있다. 상기 배치 구조의 경우 최상부 밀봉형 피스톤 링에서의 누출 가능성은 그 아래 위치하는 피스톤 링에 비해 대부분 제한된다. 그에 따라 이 피스톤 링에서는 자신의 상면에 인가되는 압력과 하면에 인가되는 압력 간의 차이가 가장 크다. 따라서 경험에 따라 이 피스톤 링은 나머지 피스톤 링들보다 더욱 빨리 마모된다. 다른 한편으로 홈붙이 피스톤 링의 경우 링 단부의 이격 간격에 의해 각각 형성되는 유동 경로는 밀봉형 피스톤 링의 누출 그루브들에 비해 비교적 크고, 그럼으로써 신속한 압력 보상이 제공되고 누출 가스는 빠르게 아래로 유출될 수 있으며, 하부 피스톤 링들은 작은 시간 간격만으로 최대 압력 부하를 받고, 이는 전체적으로 가용한 에너지의 활용을 악화시킨다는 문제를 발생시킨다. 또한, 홈의 안쪽 너비는 증가하는 마모와 더불어 증가하며, 이는 앞서 언급한 현상을 재차 격화시키면서 피스톤 링 패키지의 수명이 진행됨에 따라 출력 손실을 증가시킨다.

언급한 EP 0 742 875 B1은 원주면 측의 누출 그루브들을 구비한 복수의 밀봉형 피스톤 링을 포함하는 배치 구조도 언급한다. 이것에 의해 최상부 피스톤 링의 소정의 감압이 달성될 수는 있다. 그러나 연속되는 밀봉형 피스톤 링들은 동일하게 형성된다. 따라서 이러한 피스톤 링들에서 발생하는 누출은 대략 동일하다. 따라서 여기서는 피스톤 링 패키지 전체의 기능을 최적화하기 위해 개별 피스톤 링들에서 지정된 누출 가능성(누출량)들에 개별적으로 영향을 끼치는 것은 불가능하다.

이는 JP 58 167 860 A로부터 개시된 피스톤 링 패키지에도 해당된다. 언급된 JP 58 167 860 A는 전적으로 밀봉형 피스톤 링들 만으로 구성된 피스톤 링 패키지를 포함하는 피스톤을 개시한다. 이때 중첩되게 배치된 피스톤 링 그루브들은 최상부 피스톤 링의 감압을 위해 피스톤 측면의 보어(bore)들을 통해서 서로 연결된다. 이 경우 중첩되게 배치되는 피스톤 링 그루브들 간의 이러한 각각의 연결들은 동일한 개수의 보어들로 구성되며, 그럼으로써 해당 피스톤 링들에서 그런 방식으로 형성되는 누출 가능성들도 또한 실질적으로 동일하다. 개별 피스톤 링들에서 이루어지는 누출의 개별 조정과, 그와 함께 개별 피스톤 링들에서 개별 피스톤 링의 각각의 부하 거동 및 마모 거동에 대해 유효한 압력 강하의 개별 조정과, 그리고 피스톤 링 패키지 전체의 기능 최적화는 여기서도 가능하지 않다. 이런 점은 제외하더라도 피스톤 측면에서 피스톤 링 그루브로부터 피스톤 링 그루브로 이어지는 보어들은 외부로부터 관찰할 수도, 청소를 위해 접근할 수도 없다.

따라서, 이러한 사실로부터 출발하여 본 발명의 목적은 피스톤 링 패키지의 기능을 최적화할 수 있는, 서두에 언급한 방식의 방법을 제공하는 데 있다.

추가의 목적은 이에 적합한 피스톤 링 패키지를 제공하는 데 있다.

상기 방법과 관련된 목적은 본 발명에 따라 피스톤 링 패키지의 모든 피스톤 링들에서 작동 챔버로부터 유출되는 가스의 제어된 누출이 허용되되, 홈붙이 피스톤 링들의 배치 구조에 비해 비교적 적은 누출이 허용됨으로써 달성된다. 이러한 누출은 각각의 피스톤 링에 대해 개별적으로 결정되되, 특별한 실시예는 각각 허용되는 누출이 작동 챔버에 가장 가깝게 인접하는 피스톤 링으로부터 출발하여 작동 챔버로부터 가장 멀리 이격된 피스톤 링에 이르기까지 감소한다는 점에 있을 수 있다.

피스톤 링 패키지와 관련된 추가의 목적은 본 발명에 따라 피스톤 링 패키지의 모든 피스톤 링들에 각각 개별적으로 할당된, 각각의 피스톤 링의 상부 및 하부의 공간들을 연결하고 홈붙이 피스톤 링의 피스톤 링 홈에 비해 비교적 작은 총 횡단면을 구비한 가스 누출 경로가 할당됨으로써 달성된다. 가스 누출 경로의 효과적인 횡단면은 해당 피스톤 링이 마모된 경우에도 일정하게 유지되되, 특별한 실시예는 각각 피스톤 링에 할당된 가스 누출 경로들에 의해 형성되는, 자유로운 총 흐름 횡단면의 크기가 최상부 피스톤 링으로부터 출발하여 하부 방향으로 갈수록 개별적으로 단계적으로 감소된다는 점에 있을 수 있다.

이 경우에, 개별적인 피스톤 링들에서 이루어지는 누출의 균일화와 그로 인해 개별 피스톤 링들에 각각 할당된 피스톤 링들의 상면과 그것들의 하면에 가해지는 압력들 간의 압력 차이의 균일화 대신에 개별 피스톤 링들에 지정된 누출 가능성들의 개별적 조정과 그로 인해 거기서 각각의 피스톤 링의 거동에 유효한 압력 차이의 개별적 조정이 피스톤 링 패키지 전체의 기능을 지속적으로 최적화하는 측면에서 제공된다. 본 발명에 따른 조치에 의해 작동 챔버로부터 허용된 가스의 누출에 의해 야기되는 출력 손실이 낮은 수준으로 일정하게 유지되고, 그로 인해 전체적으로 피스톤 링 패키지의 수명 전체에 걸쳐서 우수한 종합 효율이 달성된다. 개별 피스톤 링에서 지정된 누출 가능성의 개별 조정을 통해 각각의 피스톤 링에 각각 할당된 최대 압력 부하 발생의 개별적인 시간 지연과 그와 함께 전체 가용한 에너지의 최적의 활용이 피스톤 행정마다 달성될 수 있다. 여기서 개별적으로 조정되는 하부 피스톤 링들의 최대 압력 부하가 발생할 경우, 피스톤 운동의 결과로, 이미 윤활막이 존재하며, 이는 내마모성 작동을 추가로 보조한다. 개별 피스톤 링들에서 누출 가능성들의 개별 조정과 그와 함께 피스톤 링들의 부하의 개별 조정으로 인해 바람직하게는 피스톤 링의 비교적 느린 마모뿐만 아니라 피스톤 링 패키지의 모든 피스톤 링들의 예컨대 균등한 마모가 달성될 수 있고 그와 함께 피스톤 링 패키지 전체의 비교적 긴 총 수명이 실현된다. 이러한 시간이 경과한 후에 바람직하게는 모든 피스톤 링들이 교체할 상태가 되고, 그에 따라 물질 손실없이 시간을 절감하는 동시적인 교체가 가능하다. 또한 피스톤 링들의 교체를 위한 정비 주기가 비교적 길다는 점도 보장된다. 따라서 정비 비용 및 수리 비용이 비교적 적게 발생한다. 본 발명에 따른 조치들의 추가적인 장점은 각각 흡수되어야 할 부하의 개별 조정의 결과 피스톤 링들이 비교적 적은 질량으로 형성될 수 있다는 점이며, 이는 동적 힘을 바람직하게 감소시키고 따라서 출력 손실의 절감에도 유리한 영향을 끼친다.

일차적인 조치들의 바람직한 실시예들 및 목적에 부합하는 개선 실시예들은 종속항들에 제시된다.

따라서, 목적에 부합되게 피스톤 링 패키지의 모든 피스톤 링들은 홈이 없는, 원주 방향으로 폐쇄된 피스톤 링들로 형성될 수 있고, 개별 할당된, 피스톤 링들의 상면에서 그들의 하면으로 연장되는 가스 누출 경로들은 원주면 측의 그루브로 형성되되, 그루브의 깊이는 수명에 걸쳐 허용된 피스톤 링 두께의 마모량에, 피스톤과 이것을 수용하는 실린더 라이너(cylinder liner) 사이의 틈의 너비를 합산한 것 이상이고, 그루브의 총 횡단면은 각각 설정되되, 최상부 피스톤 링에는 가장 큰 가스 누출 횡단면(가스 누출 경로 횡단면적)을, 최하부 피스톤 링에는 가장 작은 가스 누출 횡단면을 해당 피스톤 링 패키지(11) 영역에서 형성하도록 그루브들이 개별 피스톤 링에 할당될 수 있다. 원주면 측의 그루브들을 통해 개별 피스톤 링의 원주면 상에서의 가스 누출이 균등하게 분배되고 그와 함께 단지 하나의 홈을 통해 형성되는 누출구를 지닌 배치 구조에 비해 상부 방향에서 하부 방향으로 누출 가스의 브레이크 다운(breakdown)이 감소된다. 또한 원주면 측 그루브들은 실린더 라이너의 세정 가스 슬롯(slot)의 영역에서 쉽게 관찰할 수 있고, 필요한 경우 청소할 수 있다. 개시된 원주면 측 그루브들의 깊이는 가용한 유효 흐름 횡단면이, 이들 그루브가 할당된 피스톤 링의 전체 수명 기간 동안, 피스톤에 의해 커버되지 않는 그루브 영역과 일치하도록 정해지고, 그로 인해 유효 흐름 횡단면이 전체 수명 기간 동안 일정하게 유지되도록 보장한다. 따라서 이를 통해 원주면 측 그루브에 의해 허용된, 제어된 누출이 할당된 피스톤 링의 전체 수명에 걸쳐 일정하게 유지되는 것이 보장되며, 이는 피할 수 없는 출력 손실을 낮은 수준으로 지속시키기 위한 전제 조건이다. 따라서 바람직하게는 피스톤 링 패키지 전체의 총 수명에 걸쳐 엔진의 출력비가 동일하게 유지되도록 할 수 있다. 피스톤 링 패키지의 수명 중에 출력 변화는 바람직하게는 염려하지 않아도 된다.

피스톤 링 당(링마다) 모듈 방식으로 제공되는 그루브들은 개별적인 요구 사항에 부합되게 변경될 수 있다.

실무에 있어 잘 이용될 수 있는 결정 규칙은 피스톤 링 당 제공되는 동일한 크기의 원주면 측 그루브들의 개수가, 최상부 피스톤 링으로부터 출발하여 피스톤 링에서 피스톤 링으로 갈수록 각각, 많아야 1개의 원주면 측 그루브가진 피스톤 링에 이르기까지 절반씩 감소되고, 그런 다음 바람직하게는 동일하게 유지된다는 점에 있을 수 있다. 바람직하게는 적어도 하나의 그루브가 존재한다. 실무 중심의 해법은 상부 피스톤 링들에서, 여하튼 보다 덜 압력을 받는 하부의 피스톤 링들에서 보다 더욱 큰 감압이 제공되고, 그럼으로써 전체적으로 예컨대 피스톤 링들의 균등한 부하와 그와 더불어 균등한 마모 및 출력 손실의 일관성이 제공되는 것이다.

일차적인 조치들의 추가적인 바람직한 실시예들과 목적에 부합하는 개선 실시예들은 나머지 종속항들에서 개시되고 다음의 실시예 설명은 도면을 이용하여 더욱 상세하게 추론할 수 있다.

본 발명에 따르면, 피스톤 링 패키지의 기능을 최적화하여 왕복 피스톤 내연 기관의 출력 손실을 줄이고, 피스톤 링 패키지 내의 피스톤 링 간의 마모도를 균등하게 하여 피스톤 링 패키지 전체의 수명을 증가시킬 수 있다.

도 1은 왕복 피스톤 내연 기관의 실린더-피스톤 유닛의 상부 영역을 절단하여 도시하는 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링의 일부를 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 세부 사항(III)을 수직 방향으로 연장되는 그루브와 함께 확대하여 도시한 개략도이다.
도 4-7은 도 1의 기초가 되는 피스톤 링 패키지의, 경사진 그루브들을 지닌 피스톤 링 4개의 전개도들이다.

본 발명의 주된 응용 분야는 대형 엔진으로서 형성되는 왕복 피스톤 내연 기관, 예컨대 선박의 엔진에 이용되는 것과 같은 특히 2행정 대형 디젤 엔진이다. 그러한 배치 구조의 기본적인 구조와 작동 방식은 공지되어 있고, 따라서 본 맥락에서는 추가적으로 설명할 필요가 없다.

도 1의 기초가 되는 실린더-피스톤 유닛은 2행정 대형 디젤 엔진에 속한다. 도시된 실린더-피스톤 유닛은 실린더(1)와 이에 수용된 피스톤(2)으로 이루어진다. 실린더(1)는 원주 방향으로 연장되는 실린더 라이너(3)와 그 위에 수용되는 실린더 커버(4)를 포함한다. 실린더(1) 내에 작동 챔버(5)가 제공되고, 이 작동 챔버(5)의 하부 경계는 실린더 라이너(3) 내에서 안내되고 상하로 승강하는 피스톤(2)에 의해 형성된다. 작동 챔버(5)에는 상부의 배출 가스 유출구(6)가 제공되고, 포핏 밸브(poppet valve)로 형성되는 배기 밸브(7)가 할당된다. 작동 챔버(5)는 실린더 커버(4)에 배치된 적어도 하나의 분사 밸브(8)를 통해서는 연료를, 실린더 라이너(3) 하부 영역에 제공되고 여기서 상세하게 도시되지 않는 유입 홈을 통해서는 본질적으로 공기로 구성되는 세정 가스를 공급받을 수 있다.

본원의 방식의 대형 엔진의 피스톤(2)은 대체로 도 1에 도시된 상부와 이와 연결된, 상세히 도시되지 않는 하부로 구성되되, 하부는 상세히 설명되지 않으나 피스톤 로드를 지나서는 크로스헤드와, 크로스헤드에 관절 형태로 연결되는 커넥팅 로드를 지나서는 크랭크 샤프트와 상호 작용한다. 피스톤(2)은 도시된 상부 영역에 복수의, 중첩되게 배치되는 피스톤 링 그루브들(9a, b, c, d)을 구비하며, 이 피스톤 링 그루브들 내에 각각 할당된 피스톤 링(10a, b, c, d)이 배치된다. 도시된 실시예에는 중첩되게 배치된 4개의 피스톤 링 그루브들(9a, b, c, d)과 그에 부합하여 중첩되게 배치된 피스톤 링들(10a, b, c, d) 4개가 제공된다. 중첩되게 배치된 피스톤 링들(10a, b, c, d)은 이른바 피스톤 링 패키지(11)를 형성한다.

피스톤 링 패키지(11)의 피스톤 링들은 피스톤(2)의 외부 원주부와 실린더 라이너(3)의 내부 원주부 사이의 틈을 메운다. 따라서 피스톤 링 패키지(11)는 피스톤(2)의 작동 행정마다 상부로부터는 작동 챔버(5)에서 생성되는 연소 압력에 의해 가압되고, 하부로부터는 피스톤(2) 하부의 공간에 존재하는 압력에 의해 가압되되, 이 압력은 앞서 언급한 실린더 라이너(3)의 유입 슬롯을 지나서 작동 챔버(5)로 공급되는 세정 가스의 압력이다.

피스톤 링 패키지(11)는 자신의 피스톤 링들이 실린더 라이너(3)와 접촉함으로써 작동 챔버(5)부터의 연소 가스의 과도한 누출을 방지하고 동시에 피스톤(2)의 반경 방향의 안정화를 실현한다. 이를 위해 피스톤 링들(10a, b, c, d)은 반경 방향으로 내부로부터 인가되는 가스 압력에 의해 반경 방향으로 팽창되고, 실린더 라이너(3)에 밀착된다. 이를 실행하기 위해, 피스톤 링 패키지(11) 영역에 소정의 가스 누출이 요구되고, 그럼으로써 최상부 피스톤 링(10a) 뿐만 아니라, 그 하부로 연속되는 피스톤 링들(10b, c, d) 또한 반경 방향으로 내부로부터 가스 압력을 공급받는다. 이를 위해 피스톤 링들(10a, b, c, d)에는 제어된 누출을 위한 수단이 제공된다. 따라서 피스톤 링들(10a, b, c, d)의 각각에서는 할당된 누출에 좌우되고 자신의 상면과 자신의 하면에 인가되는 압력들 간의 압력차가 생겨난다. 이러한 압력차에 의해 해당 피스톤 링의 마모가 실질적으로 영향을 받는다.

피스톤 링 패키지(11)의 영역 내에서 연소 가스의 불가피한 누출은 필연적으로 소정의 출력 손실을 초래한다. 이는 실질적으로 피할 수 없으나, 최소화해야 하고, 피스톤 링 패키지(11)의 목표 수명에 걸쳐 본질적으로 일정하게 유지되어야 한다. 이를 위해 마모와 마모의 전제 조건으로서 누출이 피스톤 링 패키지의 각각의 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서 피스톤 링 패키지(11)의 목표 수명에 걸쳐 일정하게 유지되어야 한다. 이와 관련하여 모든 혹은 어쨌든 복수의 영향 인자를 고려하여, 개별 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서 각각 실현되는, 제어된 누출이 각각의 피스톤 링(10a, b, c, d)에 대해 개별적으로 각각 존재하는 비율에 맞추어 조정된다. 이러한 개별적인 조정은 개별 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서 균등한 마모와 그럼으로써 총 수명에 걸쳐 일정한 누출이 제공되도록 이루어진다. 이로 인해 개별 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서 발생하는 누출들 간의 관계 역시도 피스톤 링 패키지(11)의 총 수명에 걸쳐 변하지 않으며, 그럼으로써 전체적으로 피스톤 링 패키지(11)의 총 수명에 걸쳐 출력 손실이 일정하도록 할 수 있다.

언급된 조치들은 피스톤 링 패키지(11)의 모든 피스톤 링들(10a, b, c, d)이 홈이 없는, 원주 방향으로 폐쇄된, 도 2에 도시된 방식의 이른바 밀봉형 피스톤 링들로서 형성되고, 이 피스톤 링들에 개별적으로 결정된 가스 누출 경로는 예컨대 원주면 측의 그루브들(12) 형태로 할당됨으로써 용이해진다. 그루브들(12)은 여기서 비스듬히 경사지며, 이는 할당된 그루브들(12) 내에서 피스톤 축을 중심으로 피스톤 링들의 회전을 야기하며 그와 함께 경우에 따른 마모의 균일화를 보조한다. 도시된 예시들(도 4-7)에서 도시된 피스톤 링 패키지(11)의 모든 피스톤 링들(10a-d)의 모든 그루브들(12)은 동일한 방향으로, 즉 통상적인 사선 형태로 우측 상단에서부터 좌측 하단으로 경사진다. 연속되는 피스톤 링들에서 이루어지는 누출들의 바람직하지 못한 결합, 즉 이른바 블로 바이(blow by)를 방지하기 위하여 연속되는 피스톤 링들의 그루브들(12)은 적합하게는 서로 반대 방향으로 경사지게 해야 한다.

목적에 부합하게는, 최상부 피스톤 링(10a)은 도 4에 도시된 것과 반대로 역슬래쉬(backslash) 형태로 좌측 상단에서 우측 하단으로 경사진 그루브들(12)을 구비할 수 있다. 이로 인해 2행정 엔진인 경우, 통상 동일한 방향으로 경사지는 과급 공기 슬롯(charge air slot)을 통해 이러한 그루브들의 관찰이 용이해진다. 원주면 측 그루브들(12)에 대해 추가로 또는 대안으로, 중첩되게 배치되는 피스톤 링 그루브들(9a, b, c, d)을 서로 연결하고 혹은 최하부 피스톤 링 그루브(9d)로부터 하부 방향으로 출발하는, 바람직하게는 보어(bore)들에 의해 형성되는 유동 경로가 피스톤 측에 제공될 수도 있다. 원주 방향으로 폐쇄된, 홈 없는 피스톤 링들(10a, b, c, d)의 구조는, 도 2에서 분명하게 알 수 있듯이, 그루브와 스프링의 방식에 따라 맞물리는 단부 영역이 제공됨으로써 달성된다. 일측 단부 영역은, 도 2 좌측에 도시된 바, 반경 방향으로 외부와 하부로 개방된 챔버 형태의 리세스부(13)를 구비한다. 타측 단부 영역은, 도 2 우측에 도시된 바, 원주 방향으로 돌출된 핑거(14)(finger)를 구비하며, 이 핑거(14)는 횡단면에 따라 리세스부(13)의 횡단면에 맞추어 조절되고 이에 맞물린다. 리세스부(13)와 핑거(14)의 상호 맞물림 길이는 피스톤 링이 팽창되는 경우에도 마모의 결과로 상호 맞물림이 결코 완전히 제거되지 않도록 설정된다. 이런 방식으로 원주면 측으로 폐쇄되고, 실린더 라이너의 활주면과 밀폐되는 방식으로 상호 작용하는 원주면 뿐만 아니라 바닥 측으로 폐쇄되어 원주 방향으로 연장되며, 할당된 피스톤 링 그루브의 하면과 밀폐하는 방식으로 상호 작용하는 바닥면이 형성된다. 이 2 면들은 함께 협력하여 상부 방향에서 하부 방향으로의 가스의 관통을 저지한다. 바닥면은 이 때 그루브들이 없는 편평한 면 같은 것으로서 형성되고, 그럼으로써 어떠한 회전 위치에서도 밀봉 작용이 제공된다.

가스 누출 경로를 형성하고, 도 3에서는 편의상 수직 방향으로 연장되는 방식으로 도시된, 원주면 측 그루브들(12)의 깊이(t)는 도 3에서 가장 잘 알 수 있듯이, 할당된 피스톤 링(10)의 전체 수명에 걸쳐 허용된 피스톤 링 두께의 마모량을 피스톤(2)의 외부면과 실린더 라이너(3)의 활주면 간의 틈의 너비(b)에 합산한 것과 일치한다. 이런 방식으로 피스톤 링(10)의 전체 수명 기간 동안, 틈 너비(b)×그루브 폭(a)으로 생성되는 유효 흐름 횡단면이 일정하게 유지된다. 적합하게는 여기서 원주면 측의 그루브들(12)에 의해 형성되는 가스 누출 경로는 링 면에 대해 비스듬히, 바람직하게 여기서는 45°로 경사지게 배치될 수 있다. 이는 피스톤 링 패키지(11)의 중첩되게 배치된 피스톤 링들(10a, b, c, d)에 나타나는 최대 부하 발생이 바람직하게 시간적으로 지연되도록 보조한다.

중첩되게 배치되는 피스톤 링들(10a, b, c, d)에 각각 할당된 가스 누출 경로, 즉 그것의 유효 흐름 횡단면의 개별 설정은 그것의 개수, 여기서는 그루브들(12)의 개수 및/또는 그것의 너비, 여기서는 그루브 폭(a)의 변경에 의해 이루어질 수 있다. 목적에 부합되게 유효 흐름 횡단면의 크기는 작동 챔버(5)와 가장 가깝게 인접한 최상부 피스톤 링(10a)으로부터 출발하여 하부 방향으로 그 다음 피스톤 링들(10b, c, d)로 갈수록 단계적으로 감소된다. 이때 최상부 피스톤 링(10a)에 가장 큰 누출 흐름 횡단면이 할당되고, 그 하부에 위치한 피스톤 링들(10b, c, d)에는 점차 더 작은 누출 흐름 횡단면이 할당된다. 따라서 각각 허용된, 제어된 누출은 작동 챔버(5)로부터의 이격 간격이 커지면서 감소된다.

목적에 부합하게 모든 원주면 측 그루브들(12)은 폭이 동일하고, 그럼으로써 최상부 피스톤 링(10a)이 가장 많은 그루브들(12)을 보유하고 그 하부에 위치하는 피스톤 링들의 그루브들(12)의 개수는 하부 방향으로 갈수록 감소한다. 바람직하게는 이때 각각 선행하는 피스톤 링의 그루브들(12)의 개수의 절반씩 감소가 이루어지게 된다. 이 경우 하부 피스톤 링들에 대해서는 하나를 넘는 원주면 측 그루브를 포함하는 마지막 피스톤 링 아래의 모든 피스톤 링들은 각각 하나의 원주면 측 그루브를 포함하는 점이 적용된다.

전술한 규칙들은 도 4-7을 이용하여 설명되고, 각각 4 개의 피스톤 링들을 포함한 피스톤 링 패키지(11)의 피스톤 링이 이 도들에 기초가 된다. 도 4에 기초가 되는 최상부 피스톤 링(10a)는 여기서 4개의 원주면 측 그루브들(12)을 보유한다. 그 아래에 위치하는, 도 5에 기초가 되는 피스톤 링(10b)의 그루브들(12)의 개수는 최상부 피스톤 링(10a)의 그루브들(12)의 개수보다 절반만큼 더 적다. 그러므로 피스톤 링(10b)은 원주면 측 그루브들(12)을 2개만 보유한다. 이러한 규칙은 그 다음의, 도 6에 기초가 되는 피스톤 링(10c)에도 적용된다. 따라서 이 피스톤 링(10c)은 원주면 측 그루브(12)를 1개만 보유한다. 이 개수는 추가의 모든 피스톤 링들, 여기서는 도 7에 근간이 되고 작동 챔버(5)로부터 가장 멀리 이격된 최하부 피스톤 링(10d)에 대해 유지된다. 그러나 또 다른 감소 규칙도 생각해 볼 수 있다. 예컨대 2 개의 가운데 피스톤 링들(10b, c)이 각각 동일한 개수의 예컨대 2 개의 그루브들(12)을, 최하위 피스톤 링(10d)은 하나의 그루브(12)를 보유하든지 또는 하나도 구비하지 않을 수도 있다. 중첩되게 배치된 피스톤 링들의 개수도 역시 4 개의 피스톤 링들로 설명된 실시예와 위쪽으로 또는 아래쪽으로 차이가 날 수 있다. 어쨌거나 각각 허용된 누출 규모가 작동 챔버(5)로부터 멀어 질수록 감소된다. 즉 작동 챔버(5)에 바로 인접한 상부에서의 누출 규모가 보다 하부 혹은 최하부에서의 누출 규모보다 크다.

도 4-7에서는, 앞서 이미 언급하였듯이 간단하게 도시된, 도시된 피스톤 링 패키지의 모든 피스톤 링들(10a-d)이 오른 나사의 경우와 같이 경사진 그루브들(12)을 구비한다. 그러나 실제로는 목적에 부합하게 연속되는 피스톤 링들의 그루브들(12)은 서로 반대 방향으로 경사지게 된다. 예컨대 최상부 피스톤 링(10a)의 그루브들(12)들은 왼 나사에서와 같이 경사지게 되고, 제 2의 피스톤 링(10b)의 그루브들(12)은 오른 나사에서와 같이 경사지게 되는 등이다. 이와 같은 방식으로 그루브들(12)에 의해 실질적으로 형성되는, 연속되는 피스톤들의 흐름 노즐들이 동일한 방향으로 배향되어, 그 흐름 노즐로부터 유출되는 제트들이 실제로 편향 없이 피스톤 링 그루브로부터 다음 피스톤링 그루브로 블로 바이(blow by) 될 수 있는 점이 방지된다. 이러한 블로 바이 효과(blow by effect)는 앞서 언급된 연속되는 피스톤 링들의 서로 반대 방향의 기울기에 의해 방지된다.

2행정 엔진의 경우 실린더 라이너 하부 영역에 제공되는 과급 공기 유입 슬롯에 의해 형성되는 창을 통해 그루브들의 육안 점검이 용이하기 위해서는, 피스톤 운동 시에 이 유입 슬롯 영역에 도달하는 최상부 피스톤 링(10a)의 그루브들(12)이 유입 슬롯과 동일한 기울기를 보유하는 것이 바람직하다. 통상 기울기는 왼 나사 기울기이다.

앞서 서술한, 개별 피스톤 링들(10a, b, c, d)의 각각 제어된 허용 누출의 개별 설정은 개별 피스톤 링들의 균등한 마모를 위해 적합한 개별 부하들과, 피스톤 링 패키지(11)의 수명 전체에 걸쳐 불가피한 지속적인 출력 손실의 일관성에 대해 바람직한 관계를 발생시킨다. 이러한 출력 손실을 최소화하기 위하여 피스톤 링들(10a, b, c, d)은 피스톤 링 패키지(11) 전체의 밀봉 작용이 전체적으로 서두에 설명된, 공지된 배치 구조의 밀봉 작용을 능가하도록 형성되고, 그럼으로써 작동 행정마다 작동 챔버로부터 유출되는 누출 볼륨이 공지된 배치 구조에서 기대되는 누출보다 적다. 이를 위해 개별 피스톤 링들(10a, b, c, d)에 각각 할당된 가스 누출 경로의 유효 흐름 횡단면은 구체적인 경우의 각각의 요구에 부합하여 각각 조정된다. 도시된 실시예에서는 유효 흐름 횡단면이 하부 방향으로 갈수록 단계적으로 감소된다. 즉 유효 흐름 횡단면이 작동 챔버(5)에 가장 가깝게 인접한 최상부 피스톤 링(10a)로부터 출발하여 작동 챔버로부터 가장 멀리 이격된 피스톤 링(10d)에 이르기까지 하부 방향으로 감소된다. 그런 방식으로 상부 방향에서 하부 방향으로, 즉 작동 챔버로부터 점차 이격되면서 본 발명에 따라 조정되는 누출 용량은 바람직하게는 비교적 느린 피스톤 링들의 마모와 또한 그로 인해 긴 수명을 가져온다.

본 발명은 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims (22)

1. 복수의 중첩되게 배치되는 피스톤 링들(10a, b, c, d)을 구비하는 피스톤(2)의 피스톤 링 패키지(11)의 기능을 최적화하는 방법으로서, 상기 피스톤의 매 작동 행정 시에 상부로부터는 상기 피스톤(2)에 의해 범위가 한정되는 작동 챔버(5)에서 생성된 연소 압력에 의해 가압되고, 하부로부터는 상기 피스톤(2) 하부에 존재하는 압력에 의해 가압되며, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 영역에는 상기 작동 챔버(5)로부터 유출되는 가스가 존재하는 왕복 피스톤 내연 기관의 상기 피스톤의 상기 피스톤 링 패키지(11)의 기능을 최적화하는 방법에 있어서, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 모든 상기 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서는 상기 작동 챔버(5)로부터 유출된 가스가 허용되되, 홈붙이 피스톤 링들의 배치 구조에 비해 상대적으로 작은, 제어된 누출이 허용되고, 상기 누출은 각각의 피스톤 링(10a, b, c, d)에 대해 개별적으로 결정되며, 각각 허용된 상기 누출은 상기 작동 챔버(5)에 가장 가깝게 인접한 상기 피스톤 링(10a)으로부터 출발하여 상기 작동 챔버(5)로부터 가장 멀리 이격된 피스톤 링(10d)에 이르기까지 감소하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 개별 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서 각각 실현된, 상기 작동 챔버(5)로부터 유출되는 가스의 제어된 누출은 이로 인해 초래된 출력 손실이 상기 피스톤 링 패키지(11)의 수명에 걸쳐 일정하도록 개별적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 개별 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서 각각 실현된, 상기 작동 챔버(5)로부터 유출되는 가스의 제어된 누출은 개별적으로 결정되되, 상기 피스톤 링 패키지(11) 상부 및 하부에서 압력들 간의 총 압력 강하가 상기 피스톤 링 패키지(11)의 모든 피스톤 링들(10a, b, c, d) 상에 분배됨으로써 상기 피스톤 링 패키지(11)의 모든 피스톤 링들(10a, b, c, d)의 균등한 마모가 발생하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 작동 챔버(5)로부터 유출되는 가스의 누출로서, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 각각의 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서 각각 허용 및 제어되고 개별적으로 결정된 누출은 개별적으로 영향을 받되, 작동 행정마다 상기 피스톤 링 패키지(11)의 연속하는 상기 피스톤 링들(10a, b, c, d)의 최대 압력 부하가 상부 방향에서 하부 방향으로 시간적으로 지연되어 이루어지도록 영향을 받는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실행하기 위하여, 중첩되게 배치되는 복수의 피스톤 링들(10a,b, c, d)을 포함한 피스톤 링 패키지로서, 상기 피스톤 링들(10a, b, c, d)은 왕복 피스톤 내연 기관의 피스톤(2)의 각각 할당된 피스톤 링 그루브(9a, b, c, d)에 배치되고, 이때 상기 피스톤 링 패키지(11) 영역에는 상기 작동 챔버(5)로부터 유출되는 가스의 누출이 존재하는 피스톤 링 패키지에 있어서, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 모든 피스톤 링들(10a, b, c, d)에는 각각의 피스톤 링(10a, b, c, d)의 상부 및 하부의 공간들을 연결하고 홈붙이 피스톤 링들의 홈들에 비해 비교적 작은 총 횡단면을 구비하는 개별적으로 결정된 가스 누출 경로가 할당되되, 그것의 유효 횡단면은 상기 할당된 피스톤 링(10a, b, c, d)이 마모된 경우에도 일정하게 유지되며,
   각각 피스톤 링(10a, b, c, d)에 할당된 상기 가스 누출 경로에 의해 형성되는 자유로운 전체 흐름 횡단면의 크기는 상기 작동 챔버(5)에 가장 가까이 인접한 상부 피스톤 링(10a)으로부터 출발하여 아래 방향으로 상기 작동 챔버(5)로부터 가장 멀리 이격된 피스톤 링(10d)에 이르기까지 개별적으로 조정된 단계로 감소되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제6항에 있어서, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 모든 피스톤 링들(10a, b, c, d)은 홈이 없는, 원주 방향으로 폐쇄된 피스톤 링들로 형성되고,
   상기 피스톤 링들(10a, b, c, d)에 개별적으로 할당된, 상기 피스톤 링들(10a, b, c, d)의 상면으로부터 하면까지 연장되는 가스 누출 경로는 원주면 측 그루브들(12)로서 형성되되, 상기 그루브들(12)의 깊이는 수명에 걸쳐 상기 피스톤 링 두께의 허용 마모를 합산한 상기 피스톤(2)과 이를 수용하는 실린더 라이너(3) 간의 틈의 너비 이상이며,
   각각의 피스톤 링을 위한 총 횡단면은 개별적으로 결정되고, 이 경우에 최상부 피스톤 링(10a)에는 가장 큰 개별 가스 누출 횡단면이, 최하부 피스톤 링(10d)에는 가장 작은 개별 가스 누출 횡단면이 할당되되, 그루브들(12)을 형성하는 상기 피스톤 링 패키지(11)의 영역 내에 할당되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제9항에 있어서, 상기 원주면 측 그루브들(12)은 링 평면에 대해 경사지는 방식으로 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.
13. 삭제
14. 삭제
15. 제9항에 있어서, 상기 각각의 피스톤 링(10a, b, c, d)에는 각각 개별적으로 지정된 개수의 원주면 측 그루브들(12)이 할당되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.
16. 제9항에 있어서, 상기 각각의 피스톤 링(10a, b, c, d)에는 상기 피스톤 링(10a, b, c, d)의 원주면 측 그루브들(12)의 개별적으로 지정된 너비가 각각 할당되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.
17. 제9항에 있어서, 상기 모든 피스톤 링들(10a, b, c, d)의 상기 원주면 측 그루브들(12)의 구조는 동일하고 상기 피스톤 링(10a, b, c, d) 당 상기 원주면 측 그루브들(12)의 개수는 상기 최상부 피스톤 링(10a)으로부터 출발하여 아래 방향으로 갈수록 단계적으로 감소하는 것을 특징으로 피스톤 링 패키지.
18. 제17항에 있어서, 상기 피스톤 링(10a, b, c, d) 당 제공된, 동일한 원주면 측 그루브들(12)의 개수는 상기 최상부 피스톤 링(10a)으로부터 출발하여 피스톤 링에서 피스톤 링으로 갈수록 원주면 측 그루브(12)가 적어도 1개에 이를 때까지 절반으로 감소하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.
19. 제18항에 있어서, 하나가 넘는 원주면 측 그루브(12)를 구비하는 가장 아래쪽 피스톤 링(10b) 하부에 제공되는 모든 피스톤 링들(10c, d)은 각각 하나의 원주면 측 그루브(12)를 구비하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.
20. 제9항에 있어서, 상기 피스톤 링들(10a, b, c, d)은 적어도 4개이고, 상기 최상부 피스톤 링(10a)의 상기 원주면 측 그루브들(12)의 구조가 동일할 시에, 상기 최상부 피스톤 링(10a)은 원주면 측 그루브들(12) 4개를, 상기 제 2 피스톤 링(10b)은 원주면 측 그루브들(12) 2개를, 그리고 상기 추가적인 피스톤 링들(10c, d)은 각각 원주면 측 그루브(12) 1개를 구비하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.
21. 복수의 중첩되게 배치되는 피스톤 링들(10a, b, c, d)을 구비하는 피스톤(2)의 피스톤 링 패키지(11)의 기능을 최적화하는 방법으로서, 상기 피스톤의 매 작동 행정 시에 상부로부터는 상기 피스톤(2)에 의해 범위가 한정되는 작동 챔버(5)에서 생성된 연소 압력에 의해 가압되고, 하부로부터는 상기 피스톤(2) 하부에 존재하는 압력에 의해 가압되며, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 영역에는 상기 작동 챔버(5)로부터 유출되는 가스가 존재하는 대형 2행정 디젤 엔진의 상기 피스톤의 상기 피스톤 링 패키지(11)의 기능을 최적화하는 방법에 있어서, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 모든 상기 피스톤 링들(10a, b, c, d)에서는 상기 작동 챔버(5)로부터 유출된 가스가 허용되되, 홈붙이 피스톤 링들의 배치 구조에 비해 상대적으로 작은, 제어된 누출이 허용되고, 상기 누출은 각각의 피스톤 링(10a, b, c, d)에 대해 개별적으로 결정되며, 각각 허용된 상기 누출은 상기 작동 챔버(5)에 가장 가깝게 인접한 상기 피스톤 링(10a)으로부터 출발하여 상기 작동 챔버(5)로부터 가장 멀리 이격된 피스톤 링(10d)에 이르기까지 감소하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제21항에 따른 방법을 실행하기 위하여, 중첩되게 배치되는 복수의 피스톤 링들(10a,b, c, d)을 포함한 피스톤 링 패키지로서, 상기 피스톤 링들(10a, b, c, d)은 대형 2행정 디젤 엔진의 피스톤(2)의 각각 할당된 피스톤 링 그루브(9a, b, c, d)에 배치되고, 이때 상기 피스톤 링 패키지(11) 영역에는 상기 작동 챔버(5)로부터 유출되는 가스의 누출이 존재하는 피스톤 링 패키지에 있어서, 상기 피스톤 링 패키지(11)의 모든 피스톤 링들(10a, b, c, d)에는 각각의 피스톤 링(10a, b, c, d)의 상부 및 하부의 공간들을 연결하고 홈붙이 피스톤 링들의 홈들에 비해 비교적 작은 총 횡단면을 구비하는 개별적으로 결정된 가스 누출 경로가 할당되되, 그것의 유효 횡단면은 상기 할당된 피스톤 링(10a, b, c, d)이 마모된 경우에도 일정하게 유지되며,
    각각 피스톤 링(10a, b, c, d)에 할당된 상기 가스 누출 경로에 의해 형성되는 자유로운 전체 흐름 횡단면의 크기는 상기 작동 챔버(5)에 가장 가까이 인접한 상부 피스톤 링(10a)으로부터 출발하여 아래 방향으로 상기 작동 챔버(5)로부터 가장 멀리 이격된 피스톤 링(10d)에 이르기까지 개별적으로 조정된 단계로 감소되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 패키지.

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