KR102094349B1

KR102094349B1 - 프로파일 섹션을 구비한 압축 피스톤 링 (compression piston ring with profiled section)

Info

Publication number: KR102094349B1
Application number: KR1020187000238A
Authority: KR
Inventors: 리차드 미틀러; 피터 에서
Original assignee: 페데랄-모굴 부르샤이트 게엠베하
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2020-03-27
Also published as: WO2017008948A1; EP3322922A1; US10495225B2; PT3322922T; US20180209539A1; CN107850213B; CN107850213A; KR20180014818A; DE102015111306B3; JP2018523072A; RU2679067C1; EP3322922B1

Abstract

주행면 영역(4), 상부 플랭크(6), 하부 플래크(8) 및 내부 원주 면(10)을 갖는 압축 피스톤 링(2)이 개시되며, 여기서 주행면 영역(4)은 프로파일 섹션을 구비하며, 이는 주행면 영역(4)의 축의 높이에서 바라보았을 때, 상부 정점(So) 및 하부 정점(Su)을 가지고 상호 이격되고 그리고 볼록한 구형으로 형성된 섹션들(12 및 14)을 포함하며, 깊이(Tn)의 홈(16)이 상기 정점들(So 및 Su) 사이에 배치되고, 상기 정점들(So 및 Su)은 축 방향으로 피스톤 링(2)의 중심부(M) 아래에 배치된다.

Description

프로파일 섹션을 구비한 압축 피스톤 링 (COMPRESSION PISTON RING WITH PROFILED SECTION)

본 발명은 주행면 영역(running-surface region)을 갖는 압축 피스톤 링(compression piston ring)에 대한 것이고, 주행면 영역은 피스톤 링의 높이의 중앙 아래에 두 개의 정점들(apexes)을 구비한 프로파일 섹션(profiled section)을 갖는다.

피스톤 링들, 그리고 특히 압축 피스톤 링들은, 내연 기관(internal combustion engines)의 제 1 (맨위(uppermost)) 그리고 제 2 (중앙(central)) 피스톤 링 홈 모두에 일반적으로 사용된다. 여기서, 압축 링의 기능은 하기의 특성들에 의해 설명된다.

1.연소 가스(combustion gas)들에 대해 크랭크케이스(crankcase)를 밀봉.

2.과도한 윤활유(lubricating oil)를 제거하여, 가능한 적은 윤활유가 실린더(cylinder)의 내벽에 잔류하고 그리고 연소될 수 있음.

구형(spherical) 디자인의 주행면을 구비한 링들은 이러한 목적으로 사용된다. 압축 링의 경우에, 많은 부분(large part)의 가스가 갭(gap)을 통해서 뿐만 아니라, 벽 두께(wall thickness) 및 직경(diameter)에 따라서, 크랭크케이스(crankcase)의 방향으로 하부 링 플랭크(lower ring flank)를 통해 흐르거나 또는 흘러내린다. 오늘날, 이러한 가스 흐름은, 대부분 접촉 영역(contact region)들에서의 피스톤 홈 플랭크 및 피스톤 링 플랭크의 플랭크 거칠기와 울퉁불퉁함에 의해 야기된다. 게다가, 온도 영향에 따라서, 피스톤 홈의 변형(deformation) 또한 발생할 수 있고, 이는 밀봉(sealing)에 대한 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

지금까지, 주행면 상에 하나의 최대 접촉 지점(maximum contact point)을 구비한 압축 링들을 각각 구형 대칭적으로(spherically symmetrically) 또는 대칭으로(symmetrically) 디자인하는 것이 알려져 있다. 원주 방향(circumferential direction)으로 정해진 이동성(defined movability)을 피스톤 링에 주기 위하여, 피스톤 링 홈 플랭크들 및 피스톤 링 플랭크들은 이러한 경우에 정해진 거칠기(defined roughness)로 제조된다. 일반적으로, 피스톤 링 홈 및 피스톤 링 자체의 울퉁불퉁함은 고려되지 않는다.

본 발명은 청구범위 제 1 항의 특징들을 구비한, 압축 링의 높이의 중앙 아래에 놓이는 2개의 정점들을 구비한 프로파일 섹션을 가지는 주행면 영역을 갖는 주행면 영역을 갖는 압축 피스톤 링과 관련된다. 바람직한 구현들은 종속항들에서 설명된다.

본 발명에 따른 압축 피스톤 링은 주행면 영역, 상부 플랭크, 하부 플랭크 및 내측 원주 면(inner circumferential surface)을 갖는다. 주행면 영역은 프로파일 섹션을 구비하는데, 주행면 영역의 축방향 높이에 대해 볼 때, 이는 각각의 경우에 상부 정점(upper apex) 및 하부 정점(lower apex)을 갖고, 상기 정점들은 서로 이격되고 그리고 볼록한 구형 구조이다. 상부 섹션은 상부 정점을 갖고 그리고 하부 섹션은 하부 정점을 갖는다. 홈 깊이(groove depth)를 갖는 홈은 정점들 사이에 배치된다. 정점들 모두는 축 방향으로 피스톤 링의 (높이에 따른) 중앙부 아래에 배치된다.

용어 “상부(upper)”는 여기서 “연소실(combustion chamber)의 방향으로”또는 “피스톤 헤드(piston head)의 방향으로”의 의미로 사용된다. 용어 “하부(lower)”는 여기서 “크랭크케이스(crankcase)의 방향으로” 또는 “피스톤 스커트(piston skirt)의 방향으로”의 의미로 사용된다.

이것은 주행면 상에 복수의 접촉 선(contact line) 또는 복수의 최대 접촉 지점(maximun contact point)을 갖는 압축 링이다. 또한, 이들은 축의 높이의 중앙부 아래에 모두 부착된다. 여기서, 오일 제거 작용(oil-stripping action)이, 업스트로크(upstoke)에서 유막(oil film) 상에서의 플로팅(floating) 또는 오버플로우(overflow) 역량을 변경시키지 않고, 다운스트로크(downstoke) 동안 상당히 증가한다. 소위 피봇 지점(pivot point)들 또는 정점(apex)들 모두는 포락 곡선(enveloping curve)상에 놓이고 그리고 두 개의 피봇 지점들의 경우에서 두 개의 지점들 모두가 전체 주행면 선의 엘리먼트(element)들이고 그리고 선의 가장 높은 지점을 정확하게 나타낼 수 있도록 묘사된다. 그 결과, 유체역학(hydrodynamics) 및 이에 따른 피스톤 링의 플로팅(floating)은 다운스트로크에서 감소되며, 이는 필연적으로 다운스트로크에서 증가된 제거 작용(stripping action)을 야기한다. 상부 정점 위의 왕관형 선(crowning line) 때문에, 기존의 압축 링과 동일한 유체역학이 업스트로크에서 달성될 수 있다.

피스톤 링의 예시적인 실시예에서, 상부 정점은 피스톤 링의 전체 높이의 22% 내지 45%의 범위에, 바람직하게는 25% 내지 40%의 범위에 그리고 더 바람직하게는 30% 내지 35%의 범위에 배치된다. 또한, 하부 정점은 피스톤 링의 전체 높이의 0% 내지 20%의 범위에, 바람직하게는 5% 내지 18%의 범위에, 더 바람직하게는 10% 내지 15%의 범위에 배치될 수 있다.

피스톤 링의 추가적인 예시적인 실시예에서, 피스톤 링의 상부 외측 엣지는 상부 깊이를 가지는데, 하부 정점과 비교된 하부 외측 엣지의 하부 깊이보다 상부 정점과 비교된 상부 깊이가 더 크다. 이는 주행면에서 하부 정점으로부터 하부 엣지로 연장되는 영역에서의 상승보다 피스톤 링의 상부 정점에서 상부 엣지로 연장되는 부분에서의 상승이 더 길고 더 얕다는 것과 대응된다.

추가적인 실시예에서, 피스톤 링은 정점을 구비한 제 3 중앙 볼록 구형 섹션(central convexly spherical section)을 포함하고, 이는 상부 정점과 하부 정점의 사이에 배치된다. 중앙 정점은 상부 정점 및/또는 하부 정점보다 더 큰 반경 방향 크기(radial extent)를 갖는다.

피스톤 링의 추가적인 구현에서, 피스톤 링의 축방향과 중앙 정점 및 상부 정점 사이의 선 간의 각도는, 피스톤 링의 축방향과 중앙 정점 및 하부 정점 사이의 선 간의 각도와 동일하다. 필수적으로, 접촉 선들(contact lines)은 동일한 원뿔(conical) 및 거울-대칭(mirror-symmetrical) 표면들에 걸쳐 있다(span). 피스톤 링이 피스톤 링 홈에서 기울어지는 경우, 두 개의 접촉 선들은 각각의 경우에 오일을 제거하기 위해 항상 여전히 사용 가능하다. 이러한 구현에서, 링(ring)은 상향 움직임(upwards movement)으로 그리고 하향 움직임(downwards movement)으로 각각의 경우에 모두 동일한 정도로 기울어진다고 가정된다.

그리고나서 피스톤 링이 피스톤 링 홈에서 기울어지는 경우, 두 개의 접촉 선들은 각각의 경우에 오일을 제거하기 위해 항상 여전히 사용 가능하다. 이러한 구현에서, 링은 상향 움직임으로 그리고 하향 움직임으로 각각의 경우에 모두 동일한 정도로 기울어진다고 가정된다.

피스톤 링의 추가적인 구현에서, 상부 정점과 중앙 정점 사이의 선과 평행한 피스톤 링의 축 방향이 존재하고 그리고 추가적으로, 피스톤 링의 축 방향과 중앙 정점 및 하부 정점 사이의 선 간의 각도가 존재한다. 필수적으로, 두 개의 상부 접촉 선들은 원통형 표면에 걸쳐있다. 두 개의 하부 접촉 선들은 원뿔형 표면에 걸쳐있다. 피스톤이 하나의 작업 사이클(working cycle)에서 아래쪽으로(downwards) 움직이는 경우, 연소 가스들은 피스톤 링을 하부 피스톤 링 홈 방향으로 가압하여, 피스톤 링이 하부 피스톤 링 홈과 편평하게 유지되도록(bear)하고 그리고 그 결과 중앙 및 상부 정점들(또는 접촉 선)은 내측 실린더 표면(inner cylinder surface)과 접촉한다. 그러나, 피스톤이 흡입 사이클(intake cycle) 동안 아래쪽으로 움직이는 경우, 새로운 공기가 실린더에 흡입되고 그리고 피스톤 링은 피스톤 링 홈의 상부 플랭크에 대해 양의 방향으로(positively) 기울어지거나 또는 비틀어져서, 피스톤 링은 하부 피스톤 링 홈에 대해 약간 비스듬히 유지되게 된다. 이러한 위치에서는, 중앙 정점 및 하부 정점(또는 각각의 접촉 선)이 내측 실린더 표면과 접촉될 수 있다.

피스톤 링이 피스톤 링 홈에서 기울어지는 경우, 두 개의 접촉 선들은 각각의 경우에 오일을 제거하기 위해 항상 여전히 사용 가능하다. 이러한 구현에서, 링은 각각의 경우에 작업 사이클에서 아래쪽으로 움직이는 동안 흡입 사이클과 다르게 기울어지거나 또는 비틀리는 것으로 가정된다.

피스톤 링의 추가적인 실시예에서, 상부 정점과 중심 정점 사이의 섹션들의 윤곽선은 각각의 경우에 중앙 정점과 하부 정점 사이의 윤곽선과 동일하다. 윤곽선들 각각은 각각의 경우에 서로에 대해 기울어질 수 있고, 세 개의 정점들(So, Sm 및 Su)은 하나의 선에 놓일 필요는 없다. 이러한 구현을 통해, 정점들 사이의 각각의 홈(한편으로 So과 Sm 사이 다른 한편으로 Sm과 So 사이)에 동일한 유체역학(hydrodynamic) 효과들이 사용될 수 있다. 제 1 상부 홈(No)은 정점들 So와 Sm 사이에 위치하고 그리고 제 2 하부 홈(Nu)은 정점들 Sm과 Su 사이에 위치한다.

피스톤 링의 다른 실시예로서, 주행면 영역은 적어도 정점들의 영역에, 다이아몬드 형 카본(diamond-like carbon)(DLC)과 같은, 내마모층(anti-wear layer)을 구비한다. 정점들 또는 접촉 선들은 오직 피스톤 링의 수직 범위의 작은 부분만 형성하여, 이에 따라서 높은 접촉 압력들 그리고 증가된 마모가 여기서 기대될 수 있다. 적절한 내마모층이 없다면 정점들의 미세 구조들은 신속하게 제거될 것이고 그리고 피스톤 링은 종래의 구형(spherical) 압축 링으로 변환될 것이다.

피스톤 링의 추가적인 구현에서, 구형(spherical) 섹션들은 주행면 영역의 축방향 높이를 기준으로 하여 서로 비대칭적으로 배치된다. 그 결과, 종래의 비대칭적인 구형(spherical) 압축 링들처럼, 피스톤 링의 제거 작용(stripping action)이 개선될 수 있다.

피스톤 링의 다른 구현에서, 상부 깊이(To)는 20 내지 40 μm 사이이고, 홈의 깊이(Tn)는 1 내지 5 μm 사이이며 그리고 하부 깊이(Tu)는 5 내지 20 μm 사이이다. 세 개의 정점들(So, Sm 및 Su)을 구비한 버전에서, 한편으로는 So 및 Sm 그리고 다른 한편으로는 Sm 및 Su의, 정점들 또는 선들 사이의 홈들은 각각의 경우에 동일한 치수(dimension)를 갖는다.

피스톤 링의 다른 예시적인 구현에서, 상부 및 하부 정점(So, Su)은 각각의 경우에, 추가적인 부하(loading) 없이 설치된 링을 통해, 동일한 방사형 평면 또는 동일한 실린더 표면에 놓인다. 피스톤 링의 다른 예시적인 구현에서, 상부 및 중앙 정점(So, Su)은 각각의 경우에, 추가적인 부하(loading) 없이 설치된 링을 통해, 동일한 방사형 평면 또는 동일한 실린더 표면에 놓인다.

이하에서, 각각의 예시적인 실시예들의 개략적인 도면들에 기초하여 본 발명은 더 자세히 설명된다.

도 1은 종래의 압축 피스톤 링의 반경 방향 단면도(sectional view)를 도시한다.
도 2 는 발명에 따른 피스톤 링의 제 1 구현의 단면도를 도시한다.
도 3a는 발명에 따른 피스톤 링의 추가적인 구현의 단면도를 도시한다.
도 3b는 동작 중인(under loading) 도 3a의 피스톤 링의 단면도를 도시한다.
도 4a는 발명에 따른 피스톤 링의 추가적인 구현의 단면도를 도시한다.
도 4b는 동작 중인(under loading) 도 4a의 피스톤 링의 단면도를 도시한다.

이하에서, 상세한 설명에서 그리고 도면에서, 동일한 참조 번호들은 동일하거나 또는 유사한 엘리먼트들 및 구성들을 지칭하기 위해 사용된다.

도 1은 종래의 압축 피스톤 링(20)의 반경 방향 단면도(sectional view)를 도시한다. 종래의 압축 피스톤 링(20)은 주행면 영역(4), 상부 플랭크(6), 하부 플랭크(8) 및 내측 원주 면(10)을 갖는다. 종래의 압축 피스톤 링(20)은 구형으로 형성된 주행면 영역(4)을 갖고, 이는 정점(S)을 포함하며, 여기서 주행면 영역(4)은 종래의 압축 피스톤 링(20)의 높이(H)의 중간 높이(1/2H)에서의 중앙부(M)에 대하여 배치된다. 종래 압축 피스톤 링(20)의 주행면은 비대칭적으로 구현되고, 피스톤 링은 상향 움직임 동안에 존재하는 유막(oil film)상에 플로팅(float)될 수 있고, 하향 움직임 동안에 내측 실린더 벽(inner cylinder wall)(미도시)으로부터 오일을 제거할 수 있다. 단면도는, 반경 방향으로 더 큰 종래의 압축 피스톤 링(20)의 치수(dimension)에 의해 한정되지 않고, 가능한한 명확하게 주행면의 프로파일(profile)을 도시할 수 있도록, 반경 방향으로 절개한 것이다.

도 2 는 본 발명에 따른 피스톤 링(2)의 제 1 구현의 단면도이다. 본 발명에 따른 피스톤 링(2)은 마찬가지로 주행면 영역(4), 상부 플랭크(6), 하부 플랭크(8) 및 내측 원주면(10)을 갖는다. 발명에 따른 압축 피스톤 링(2)은 구형 형상의 주행면 영역(4)을 갖고, 상기 주행면 영역(4) 상에서 상부 정점(So) 및 하부 정점(Su)이 배치되고, 이들은 홈(16)을 형성하는 골짜기(notch)에 의해 서로 분리된다. 상부 정점(So)은 상부 주행면 섹션(12)에 배치되고 그리고 하부 정점(Su)은 하부 주행면 섹션(14)에 배치된다. 두 개의 정점들(So 및 Su) 모두는 압축 피스톤 링(2)의 전체 높이(H)의 절반 높이(1/2H)의 중앙부(M)의 아래에 배치된다. 하나의 정점(S)대신에, 상부 정점(So) 및 하부 정점(Su)이 제공 되고, 이들은 홈(16)에 의해 서로 분리된다. 홈(16)은 오일 보유 저장소(oil retention reservoir)를 형성하고, 이것은 피스톤 링(2)의 윤활(lubrication) 및 제거(stripping) 작용을 향상시킨다. 도 1 의 종래 압축 피스톤 링(20)에서처럼, 주행면 영역(4)은 비대칭적인 형상을 갖는다.

두 개의 정점들(So 및 Su)은, 피스톤 링에 설치되거나 그렇지 않으면 해제(unloaded)되는 경우, 실린더 표면 또는 내측 실린더 표면상에 놓인다.

상부 엣지는 각각 가장 높은 정점 So 또는 Su와 비교하여 깊이 To를 갖고, 그것은 각각의 경우에 주행면 영역의 하부 엣지의 깊이(Tu) 보다 더 크다. 이러한 비대칭적인 형상 때문에, 피스톤 링은, 도 1의 종래의 피스톤 링(20)의 경우에서 처럼, 상향 움직임 동안에 존재하는 유막(oil film)위에 플로팅(float)될 수 있고, 하향 움직임 동안에 내측 실린더 표면(18)으로부터 오일을 제거할 수 있다. 정점들(So 및 Su) 사이의 홈(16)의 깊이는 To 및 Tu 보다 더 작다. 두 개의 정점들(So 및 Su)은 피스톤 링(2)에 설치된 상태에서 동일한 반경 방향 치수(radial dimension)를 가져, 이들은 각각의 경우에 내측 실린더 표면(18)의 안쪽에(inside) 접촉 선들을 형성한다. 또한, 도 2 에서, 측면도(side view)는 주행면의 프로파일을 더 명확하게 도시하기 위하여, 단면 선(section line)을 따라 반경 방향으로 절개되고 그리고 간단하게 도시된 것이다. 도 2에서, 상부 또는 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 대항하여 피스톤 링 플랭크들(6, 8)과 피스톤 링(2)은 편평하게 유지되고 그리고 피스톤 링 홈에서 기울어지지 않는다고 가정한다.

압축 링은 주행면 상에 하나 이상의 최대 접촉점 또는 하나 이상의 접촉 선을 갖는다. 이것들은 추가적으로 축방향 높이의 중심부(M) 아래에 모두 배치된다. 소위 피봇(pivot) 점들 또는 정점들로 불리는 So 및 Su 모두는 포락 곡선(enveloping curve) 상에 놓이고 그리고 그 상에서 묘사되어(described), 두 개의 피봇 점들의 경우에, 점들 모두는 전체 주행면 선의 요소들이 되고 그리고 선의 가장 높은 점을 정확하게 가리키며, 이에 따라 이들 모두는 실린더 표면 상에 놓일 수 있다. 그 결과, 피스톤 링의 플로팅(floating) 및 유체 역학은 다운스트로크에서 감소되며, 이는 필연적으로 “Ko” 방향으로 압축 스트로크 또는 업스트로크 동안 또는 다운스트로크에서 증가된 제거 작용(stripping action)을 야기한다. 상부 정점 위에서의 왕관형(crowning) 선 때문에, 종래의 압축 링과 동일한 유체역학이 업스트로크에서 달성될 수 있다.

도 3a는 본 발명에 따른 피스톤 링(2)의 제 2 구현에 대한 측면도를 도시한다. 기본적인 구조는 도 2에서의 구현에 대응되며 여기서 자세하게 반복되지는 않는다. 추가적인 중앙 정점(Sm)은 도 2의 홈(16)에 배치된다. 홈(16)은 상부 홈(No)과 그리고 하부 홈(Nu)으로 분리된다. 중앙 정점은 상부 및 하부 정점들(So 및 Su) 각각의 동일한 치수들(Ro 및 Ru)보다 더 큰 반경 방향 치수를 갖는다. 도 3a에서, Rm>Ro, Rm>Ru 그리고 Ro=Ru 이고, 여기서 기호들 “>” 및 “=”은 생산 및 측정의 분야에서의 정밀도가 적용되어야 한다. 이러한 구현은 피스톤 링이 하향 움직임 동안 그리고 상향 움직임(Ko) 동안 피스톤의 피스톤 링 홈의 내부에서 쉽게(easily) 그리고 균일하게(evenly) 피스톤 링이 기울어진다는 것을 가정한다.

도 3a에서의 피스톤 링(2)의 구조의 동작은 도 3b에 의해 명확해진다. 피스톤 링은, 상향 움직임(Ko) 동안에 그리고 하향 또는 흡입 움직임 동안에, 피스톤 링 홈에서 쉽게 기울어진다. 상향 움직임(Ko) 동안에, 프로파일에서의 상부 정점(So) 및 중앙 정점(Sm)을 구비한 피스톤 링(2)은, 실선으로 도시된 바와 같이 내측 실린더 벽에 대항하여, 음의 방향으로 비틀어진 방식(negatively twisted manner)을 유지한다. 대조적으로, 쇄선(An)은 미세하게 양의 방향으로 비틀어진 위치(slightly positively twisted position)에서의 압축 링을 도시하고, 이는 흡입 사이클 또는 피스톤의 상향 움직임 동안에 예상된다. 이러한 형태로, 상향 움직임 동안에 그리고 하향 움직임 동안에, 연소실로부터 가스를 밀봉시키기 위해 이용 가능한 실린더 벽과의 두 개의 접촉 선들이 항상 존재하게 된다.

도 4a는 본 발명에 따른 피스톤 링(2)의 제 2 구현에 대한 측면도를 도시한다. 기본적인 구조는 도 3a의 구현에 대응된다. 반경 방향 치수들(Ro, Rm 및 Ru)만이 오직 상이하게 분포된다. 각각의 경우에 중앙 정점(Sm) 및 상부 정점(So)은 반경 방향 치수들(Rm 및 Ro)을 갖고, 그것들은 동일하다. 하부 정점(Su)은 반경 방향 치수(Ru)를 갖고,이는 상부 및 중앙 정점(So 및 Sm)의 반경 방향 치수들(Ro 및 Rm)보다 더 작다. 도 4A에서, Ro > Ru, Rm > Ru 및 Ro = Rm 이고, 기호들“>” 및 “=” 은 제조 및 측정 분야의 정밀도로 적용되어야 한다.

이러한 구현은 각각의 경우에 피스톤의 하향 움직임 동안 최대 제거 작용을 달성하기 위해 설계된다. 피스톤 링은 작업 사이클(Ar)에서의 하향 움직임 동안에 그리고 흡입 사이클(An)에서의 하향 움직임 동안에, 내측 실린더 벽(18)으로부터 오일을 제거한다. 이러한 경우에, 작업 사이클(Ar) 동안, 피스톤 링 홈의 내부에서, 피스톤 링(2)은 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 대해 피스톤 링 플랭크(8)가 편평하게 되도록 유지하고, 그리고 피스톤의 흡입 사이클 동안 쉽게 그리고 균일하게 기울어진다.

도 4a의 피스톤 링(2)의 구조의 동작은 도 4b에 의해 명확해 진다. 압력 조건들이 상이하기 때문에, 피스톤 링은 흡입 사이클(An)의 하향 움직임 동안만 피스톤 링 홈에서 약간 양의 방향으로 비틀어진 방식(slightly positively twisted manner)으로 기울어진다. 대조적으로, 작업 사이클(Ar) 동안의 피스톤의 하향 움직임 동안, 연소 가스들에 대한 과도한 압력은 피스톤 링을 하부 피스톤 링 플랭크가 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 대해 편평한 상태로 가압한다.

흡입 사이클의 하향 움직임(An) 동안, 프로파일의 하부 정점(Su) 및 중앙 정점(Sm)을 구비한 피스톤 링(2)은, 쇄선으로 도시된 바와 같이, 내측 실린더 벽에 대해, 약간 양의 방향으로 비틀어진 방식을 유지한다. 대조적으로, 실선(Ar)은 작업 사이클 동안 피스톤의 하향 움직임 동안, 압축 링이 편평하고 그리고 비틀어지지 않은 것을 도시한다. 피스톤 링의 프로파일의 이러한 형상과 함께, 흡입 사이클(An)의 하향 움직임 동안 그리고 작업 사이클의 하향 움직임 동안 모두, 내측 실린더 벽으로부터 오일을 제거하기 위해 그리고 연소실로부터 가스를 밀봉하기 위하여 이용가능한 실린더 벽과의 두 개의 접촉 선들이 항상 존재한다(여기서 점선으로 도시됨).

압축 링은, 링이 비틀어지더라도, 하나 이상의 최대 접촉 점 또는 주행면 상에 하나 이상의 접촉 선을 항상 갖는다. 이러한 접촉 선들은 피스톤 링의 축방향 높이의 중심부(M)의 아래에 모두 배치된다. 피스톤 링은 정점들(So, Sm 및 Su)의 영역에서 각각의 경우에 구형으로 형성되고 그리고 상부 홈(No) 및 하부 홈(Nu)은 각각의 경우에 정점들(So, Sm 및 Su) 사이에 형성된다. 홈들(No 및 Nu)은 바람직하게 동일한 형상 또는 프로파일 섹션을 구비한다. 보다 바람직하게, 홈들(No 및 Nu)은 비대칭적인 형상 또는 프로파일 섹션을 갖고, 그것은 추가적으로 제거 작용에 대한 비대칭적인 압축 링의 효과를 증폭시킨다. 특히, 홈의 상부 플랭크를 보다 더 가파르게 그리고 홈의 하부 플랭크를 보다 더 얕게 하는 방식으로 구성하는 것이 제공된다. 결과적으로, 유체역학 그리고 그 결과 피스톤 링의 플로팅(floating)은 다운스트로크에서 감소되고, 이는 필수적으로 업스트로크 동안 보다 다운스트로크에서 더 증가된 제거 작용을 야기한다.

설명에 과부하가 걸리지 않도록, 청구항에 의해 커버(cover)되는 피스톤 링의 모든 조합들을 각각 나열하려고 시도하지 않았다. 실시예들의 특징들의 조합들로부터 야기되는 이러한 조합들은 마찬가지로 설명된 것으로 고려되어야 할 것이다.

2: 압축 피스톤 링(Compression piston ring)
4: 주행면 영역(Running-surface region)
6: 상부 플랭크(Upper flank)
8: 하부 플랭크(Lower flank)
10: 내측 원주 면(Inner circumferential surface)
12: 상부 섹션(Upper section)
14: 하부 섹션(Lower section)
18: 내측 실린더 표면(Inner cylinder surface)
20: 압축 피스톤 링(Compression piston ring)
Ko: 압축 사이클(Compression cycle)
An: 흡입 사이클(Intake cycle)
Ar: 작업 사이클(Working cycle)
H: 높이(Height)
L: 업스트로크 주행 방향(Upstroke running direction)
M: 중앙부(Centre)
N: 홈(Groove)
No: 상부 홈(Upper groove)
Nu: 하부 홈(Lower groove)
P: 프로파일 섹션(Profiled section)
Rm: 중앙 정점 반경(Central apex radius)
Ro: 상부 정점 반경(Upper apex radius)
Ru: 하부 정점 반경(Lower apex radius)
S: 정점(Apex)
Sch: 단면 선(Section line)
Sm: 중앙 정점(Central apex)
So: 상부 정점(Upper apex)
Su: 하부 정점(Lower apex)
Tn: 홈의 깊이(Depth of the groove)
To: 가장 높은 정점 아래의 상단 가장자리의 깊이(Depth of the upper edge below the highest apex)
Tu: 가장 높은 정점 아래의 하부 엣지의 깊이(Depth of the lower edge below the highest apex)

Claims

압축 피스톤 링(2)에 있어서,
주행면 영역(running-surface region)(4), 상부 플랭크(upper flank)(6), 하부 플랭크(lower flank)(8) 및 내측 원주 면(inner circumferential surface)(10)을 포함하고,
상기 주행면 영역(4)은 프로파일 섹션(profiled section)을 구비하고, 상기 주행면 영역(4)의 축 방향 높이에 대해 볼 때, 프로파일 섹션은 상호 이격되고(mutually spaced), 볼록하게 구형으로 만들어지며(convexly spherically constructed) 그리고 상부 및 하부 정점들(So,Su)을 갖는 섹션(section)들(12, 14)을 포함하고, 깊이(Tn)의 홈(groove)은 상기 정점들(So,Su) 사이에 배치되고, 상기 정점들(So,Su)은 축 방향에서 상기 피스톤 링(2)의 중심부(M) 아래에 배치되며, 그리고 구형 섹션들(12, 14)은 상기 주행면 영역의 축 방향 높이(H)의 방향을 기준으로 서로에 대해 비대칭적으로 배치되고,
상기 서로에 대해 비대칭적으로 배치되는 것은, 상기 구형 섹션들(12, 14)이 축 방향으로 그 형상을 다르게하여 배치되는 것을 의미하는,
압축 피스톤 링(2).
제 1 항에 있어서,
상기 상부 정점(So)은 상기 피스톤 링(2)의 전체 높이(H)의 22% 내지 45%의 범위에 배치되고, 그리고 하부 정점(Su)은 피스톤 링(2)의 전체 높이(H)의 0% 내지 20%의 범위에 배치되는 것을 특징으로 하는,
압축 피스톤 링.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 피스톤 링(2)의 상부 외측 엣지(upper outer edge)는 상부 깊이(To)를 가지며, 여기서 하부 정점(Su)과 비교된 하부 외측 엣지(lower outer edge)의 하부 깊이(Tu)보다 상부 정점(So)과 비교된 상부 깊이(To)가 더 큰 것을 특징으로 하는,
압축 피스톤 링.
제 1 항에 있어서,
정점(Sm)을 구비한 제 3 중앙 볼록 구형 섹션(central convexly spherical section)을 더 포함하고, 상기 제 3 중앙 볼록 구형 섹션은 상기 상부 정점(So)과 상기 하부 정점(Su) 사이에 배치되고, 중앙 정점(Sm)은 상기 상부 정점(So) 및 상기 하부 정점(Su) 중 적어도 하나 보다 큰 반경 방향 크기(radial extent)를 갖는,
압축 피스톤 링.
제 4 항에 있어서,
상기 피스톤 링(2)의 축방향과 상부 정점(So) 및 중앙 정점(Sm) 사이의 선(line) 간의 각도는, 상기 피스톤 링(2)의 축 방향과 중앙 정점(Sm) 및 하부 정점(Su) 사이의 선 간의 각도와 동일한 것을 특징으로 하는,
압축 피스톤 링.
제 4 항에 있어서,
상기 상부 정점(So)과 상기 중앙 정점(Sm) 사이의 선은 상기 피스톤 링(2)의 축 방향과 평행하고 그리고 상기 중앙 정점(Sm)과 상기 하부 정점(Su) 사이의 선과 상기 피스톤 링(2)의 축 방향 사이의 각도는 1 내지 6 사이의 각도분(angular minute)인 것을 특징으로 하는,
압축 피스톤 링.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부 정점(So)과 상기 중앙 정점(Sm) 사이의 섹션들의 윤곽선(contour)은 각각의 경우에 상기 중앙 정점(Sm)과 상기 하부 정점(Su) 사이의 윤곽선과 동일한 것을 특징으로 하는,
압축 피스톤 링.
제 4 항에 있어서,
상기 주행면 영역(8)은 적어도 상기 정점들(So, Sm, Su)의 영역에, 적어도 다이아몬드 형 카본(diamond-like carbon)(DLC)을 포함하는 내마모층(anti-wear layer)을 구비하는 것을 특징으로 하는,
압축 피스톤 링.
제 3 항에 있어서,
상부 깊이(To)는 20 내지 40 μm 사이, 홈(Tn)의 깊이는 1 내지 5 μm 사이 그리고 하부 깊이(Tu)는 5 내지 20 μm 사이인 것을 특징으로 하는,
압축 피스톤 링.
제 4 항에 있어서,
상기 하부 및 상기 상부 정점들(So, Su)은 각각의 경우에 동일한 반경 방향 평면에 놓이거나, 또는 상기 상부 및 상기 중앙 정점들(So, Sm)이 각각의 경우에 동일한 반경 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는,
압축 피스톤 링.
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