KR19980702660A - 실린더에 코우크스 스크레이핑 링을 지니는 내연기관 - Google Patents

Abstract

유니플로우 소기장치를 지닌 2행정 크로스 헤드 엔진은 실린더내의 코우크스 스크레이핑 링 및 실린더내에서 종방향으로 변위가능하며 피스톤링(19,19')들을 구비한 피스톤(18)을 지니는 바, 상기 피스톤링(19,19')들은 피스톤의 변위시 실린더의 원통형 내측 표면을 따라 활주하며, 피스톤 아래의 공간과 작업실(20) 사이에 압력-시일링 분리부를 형성하며, 상기 작업실(20)은 피스톤의 최상부 피스톤링 위쪽에 배치되며, 최상부 피스톤링(19'), 피스톤(18), 실린더의 내측 표면 및 실린더 커버(8)로 경계지워진다. 코우크스 스크레이핑 링(23)은 실린더의 내측 표면으로부터 돌출하며, 축방향 위치를 따라 환상으로 연장하여, 피스톤이 그 상사점 위치에 있을 때 최상부 피스톤링이 상기 코우크스 스크레이핑 링의 하부에지 근처에 배치된다. 원통형 내측 표면에서, 코우크스 스크레이핑 링(23)은 코우크스 스크레이핑 링의 하부 표면으로부터 상부 표면까지 실린더의 종축에 관하여 경사지게 연장하는 수개의 누출 그루브(24)들을 구비한다. 변형적으로, 최상부 피스톤링 위쪽에 배치된 최상부 피스톤 영역(21)의 원통형 외측 표면에 누출 그루브들이 제공될 수 있다.

Description

실린더에 코우크스 스크레이핑 링을 지니는 내연기관

상기와 같은 코우크스 스크레이핑 링을 지니는 엔진은 실린더 커버에 흡입밸브와 배기밸브 양자를 지니는 4행정 엔진 분야에 공지되어 있다. 코우크스 스크레이핑 링의 목적은 최상부 피스톤링 위쪽에 배치된 원통형 최상부 피스톤 영역으로부터 코우크스 부착물을 긁어내는 것이다. 최상부 피스톤링은 피스톤링 위쪽의 최상부 피스톤 영역과 실린더의 내측 표면 사이에 배치된 환상공간에 연소실의 하한을 형성한다. 따라서 연소 생성물의 일부는 환상공간내로 침투하여 최상부 피스톤 영역의 외측 표면상에 부착될 것이다. 실린더 내측 표면으로부터의 윤활유가 또한 상기 외측 표면상으로 산재될 수 있다. 그 기름찌끼와 부착된 연소 생성물들은 연소시 강한 열의 영향에 노출되어, 엔진이 작동함에 따라, 외측 피스톤 표면상에서 응집성 코우크스 층으로 변환될 것이다. 코우크스 스크레이핑 링이 사용되지 않는다면, 상기 코우크스층은 실린더의 내측 표면에 이를때까지 그 두께가 증가할 것이다.

실린더와 피스톤링들의 손상을 회피하기 위해서는, 이러한 상호 이동가능한 부품들 사이에 적절한 윤활유 막(film)이 유지되어야 한다. 피스톤 주위의 코우크스층이 그 최대 두께까지 증가하여 실린더의 내측 표면과 접촉하면, 그것은 얇은 유막과 간섭하여, 오일의 상당량을 흡수하거나 및/또는 긁어내어, 윤활조건에 악영향을 끼칠 것이다. 최악의 경우, 윤활이 국부적으로 저하되어, 피스톤링들 또는 라이너에 심각한 손상이 발생할 것이다.

4행정 엔진 분야에 공지된 코우크스 스크레이핑 링은 피스톤이 그 상사점 위치 근처에 이동할 때 및 최상부 피스톤 영역이 코우크스 스크레이핑 링을 지나 왕복될때 코우크스층의 두께를 제한하는 바, 상기 코우크스 스크레이핑 링의 상부 및 하부 환상에지들은 그 에지들에 접하는 코우크스를 깍아낸다. 스크레이핑 링이 실린더의 내측 표면으로부터 돌출하기 때문에 코우크스층은 그 두께의 성장이 회피되는 바, 상기 두께의 성장은 코우크스층과 실린더의 내측 표면 사이에 접촉을 유발한다.

코우크스 스크레이핑 링을 지니는 공지의 엔진은 4행정 엔진이며, 4행정 엔진의 흡입 및 배기밸브 양자는 실린더 커버에 배치되기 때문에, 엔진의 다른 작동조건은 코우크스 스크레이핑 링의 사용 여부에 크게 영향받지는 않는다. 4행정 엔진에 있어서, 실린더의 소기는 각각의 작동 행정 사이에서 독립 피스톤 행정에 의해 실행되며, 연소공기 공급은 계속해서 일어나는 하향 흡입행정에서 흡입밸브를 통하여 위에서 아래로 이루어진다. 그러므로, 코우크스 스크레이핑 링은 실린더의 소기 및 충전에 영향을 주지 않는다. 4행정 엔진의 코우크스 스크레이핑 링으로 달성하는 바람직한 결과에 대해 더 중요한 요소는 실린더의 내측 표면에 관한 피스톤 자체의 운동이다. 4행정 사이클은 한 번 걸러 상향 행정에서 피스톤상에 상이한 부하를 수반하며, 또한 하향 행정에서 부하의 형태는 한 번 걸러 변화한다. 그 결과는 상사점 위치 근처에서 피스톤의 반경방향 위치가 항상 변하여, 코우크스 스크레이핑 링은 그 자신의 내경에 상응하는 것보다 더 깊게 코우크스를 긁어내며, 그로 인해 코우크스 피복된 최상부 피스톤 영역과 코우크스 스크레이핑 링 사이에 자동적으로 간극이 형성된다. 유니플로우(Uniflow) 소기의 2-행정 크로스 헤드 엔진에 있어서, 상황은 그리 간단하지 않으며, 4-행정 엔진으로부터 공지된 코우크스 스크레이핑 링에 관한 실험은 증가된 연료소비율 및 특히 최상부 피스톤링의 손상과 같은 형태의 작동상의 문제점을 보여주었으며, 이러한 사실은, 코우크스 스크레이핑 링이 피스톤링들에 대한 윤활 조건을 실질적으로 개선시킨다고 생각되었었기 때문에 경이적이다.

본 발명의 목적은 상기의 단점들을 개선하여, 2-행정 크로스 헤드 엔진에 코우크스 스크레이핑 링의 유리한 사용을 가능하게 하는 것이다.

본 발명은 실린더에 코우크스 스크레이핑 링(coke scraping ring)을 지니고 실린더에서 종방향으로 변위가능한 피스톤을 지니며 피스톤링들을 구비한 내연기관에 관한 것인바, 상기 피스톤링들은 피스톤의 변위시 실린더의 실질적으로 원통형 내측면을 따라 활주하고 피스톤 아래의 공간과 작업실(working chamber) 사이에 압력 밀폐용 분리부를 형성하며, 상기 작업실은 피스톤의 최상부 피스톤링 위쪽에 배치되고 최상부 피스톤링, 피스톤, 실린더의 내측 표면 및 실린더 커버로 경계지워지며, 상기 코우크스 스크레이핑 링은 실린더의 내측 표면으로부터 돌출하고 축방향 위치에서 환상으로 연장하여, 피스톤이 그 상사점 위치에 있을 때 코우크스 스크레이핑 링의 하부에 근처에 최상부 피스톤링이 배치되도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 코우크스 스크레이핑 링을 지닌 엔진의 개략 단면도.

도 2는 도 1의 엔진의 실린더에서 코우크스 스크레이핑 링의 주변의 확대 부분 단면도.

도 3은 코우크스 스크레이핑 링의 전개된 측면도.

도 4는 코우크스 스크레이핑 링의 평면도.

도 5는 최상부 피스톤링 위쪽 영역에 누출 그루브들을 지닌 최상부 피스톤 영역의 사시도.

도 6은 누출 그루브를 지닌 피스톤의 다른 실시예.

이러한 관점에서, 본 발명은, 엔진이 소기 공기구를 지니는 유니플로우 소기장치가 하부 실린더 영역에 배치된 2-행정 크로스 헤드 엔진이며, 그 원통형 내측 표면에서 코우크스 스크레이핑 링은 코우크스 스크레이핑 링의 하부 표면으로부터 상부 표면까지 실린더의 종축에 관하여 경사지게 연장하는 수개의 누출 그루브들을 구비하는 것을 특징으로 한다.

2-행정 엔진에 공지된 코우크스 스크레이핑 링을 사용함으로 발생되는 상기 단점들은 후술되는 메카니즘의 도움으로 설명될 수 있다고 가정한다. 2행정 크로스 헤드 엔진에서 피스톤은 각각의 상향이동중 압축 행정을 실행하고, 각각의 하향이동중 작동 행정을 실행한다. 이러한 사실은 피스톤이 코우크스 스크레이핑 링을 지나 위아래로 통과할 때마다 피스톤은 대체로 동일한 방식으로 부하걸린다는 것을 의미하며, 이러한 이유로 피스톤은 상사점 위치 근처에서 균일하고 반복적인 형태의 운동을 실행한다. 균일한 형태의 운동의 성향은 크로스 헤드에 의해 강화되며, 상기 크로스 헤드는 실린더의 종축을 따라 순전한 병진운동으로 피스톤 로드의 하부단부를 안내한다. 결과적으로, 피스톤 주변상의 코우크스 부착물은 코우크스 스크레이핑 링 내로 정확하게 형상 끼워맞춤(shape-fitting)을 이루어, 상기 코우크스 스크레이핑 링과 최상부 피스톤 영역 사이에 간극이 거의 없게 된다. 압축 행정에서 피스톤의 상부가 코우크스 스크레이핑 링을 통과하면, 코우크스층을 지닌 피스톤의 외측 표면과 실린더의 내측 표면 사이의 환상 공동이 돌출 코우크스 스크레이핑 링과 최상부 피스톤링 사이에 축방향으로 형성된다. 상향 피스톤 운동은 그 내부 공기의 필연적 강한 압력으로 환상 공동의 신속한 축방향 단축을 발생시키는 바, 그것은 최상부 피스톤링상에 매우 증가된 부하를 야기한다.

코우크스 스크레이핑 링의 원통형 내측 표면의 누출 그루브는 환상 공동내의 압력 형성을 감소 또는 배제하는 바, 그 이유는 환상 공동내의 공기가 누출 그루브를 통하여 피스톤 상부 위쪽에 배치된 작업실 부분으로 빠져나갈 수 있기 때문이다. 이것은 코우크스 스크레이핑 링의 존재로 인하여 증가된 부하로 최상부 피스톤링의 노출을 회피한다. 이러한 요소는 오늘날 대형 2행정 크로스 헤드 엔진에 있어서 특히 중요한 바 상기 대형 2행정 크로스 헤드 엔진은 1:16-1:20과 같이 매우 높은 유효 압축비로 진전되었으며, 그들 자체는 피스톤링에 대한 매우 큰 부하를 발생시킨다.

누출 그루브들의 경사진 경로는 누출 그루브들의 반대편 영역에서 코우크스가 긁어내어지는 것을 보장한다. 누출 그루브들의 하부 개구부들 반대편의 코우크스 부착물의 일부는 코우크스 스크레이핑 링의 하부에서와 만나지 않지만, 계속되는 상향 피스톤운동중 누출 그루브의 상부에지들을 통과하여 원하는 차원으로 긁어내어질 것이다. 그루브에 긁어내어진 코우크스 입자들은 그루브들을 빠져나가는 누출 공기에 의해 피스톤 위의 공간으로 올라간다. 더욱이, 누출 그루브들은 연료소비를 감소시킨다. 누출 그루브가 없다면, 피스톤 상부가 코우크스 스크레이핑 링과 같은 수준 또는 그 위에 배치될 때 연소의 제1부분에서 유효 피스톤 면적이 감소되는 바, 그 이유는, 코우크스 스크레이핑 링은 작업실의 압력증가가 최상부 피스톤링 아래로 전달되는 것을 방지하기 때문이며, 상기 최상부 피스톤링에서 유효 피스톤 면적은 실린더의 전체 단면적을 커버한다. 누출 그루브들은 압축행정과 작동 행정중 코우크스 스크레이핑 링 전반에 걸쳐 압력 강하를 감소시키거나 또는 배제하며, 따라서, 연료소비율은 실질적으로 코우크스 스크레이핑 링의 사용여부에 좌우되지 않는다.

1500 내지 5500kW의 고출력 실린더를 지니는 대형 2행정 디젤 엔진 분야에서 코우크스 스크레이핑 링은 특히 유리한 효과를 제공하는 바, 여기서 연료는 분무된 연료의 방향비 연무(direction-specific mist)를 방출하는 2, 3 또는 4개의 연료 분사기에 의해 실린더 내로 분사된다. 연료의 연소는 비교적 응집된 열작용을 발생시키지만, 열부하가 가장 크게 되는 상사점 위치 부근에 피스톤이 있으며, 피스톤이 누출 그루브를 통하여 피스톤링으로 고온의 가스를 보내기만 하는 중 코우크스 스크레이핑 링은 최상부 피스톤링을 커버하기 때문에 열부하는 최상부 피스톤링 전반에 더 균일하게 분포되며, 또한 실린더 내측 표면상의 열 민감성 윤활유막을 보호한다. 상기 두가지 요소들이 피스톤링 팩에 대한 더 나은 작동조건을 제공하며, 피스톤 상의 코우크스가 윤활유막과 접촉하는 것을 방지하는 효과를 증대시킨다.

코우크스 스크레이핑 링의 원통형 내측 표면에 있는 누출 그루브들의 변형 배치에 따르면, 엔진은 소기용 공기구를 지닌 유니플로우 소기 장치가 하부 실린더 영역에 배치된 2행정 크로스 헤드 엔진이며, 코우크스 스크레이핑 링의 원통형 외측 표면에서 최상부 피스톤링 위쪽에 배치된 최상부 피스톤 영역에는 피스톤의 상부 영역으로부터 최상부 피스톤링의 환상 그루브 영역 아래까지 연장하는 수개의 누출 그루브들이 구비되는 것을 특징으로 하는 방식으로 실린더에 코우크스 스크레이핑 링을 구비한 상기의 내연기관을 설계하는 것이 본 발명의 범위내에서 또한 가능하다. 본 경우에 있어서, 코우크스 스크레이핑 링의 원통형 내측 표면은 간섭성 순환 원통형 표면으로 형성될 수 있다. 각각의 엔진 사이클중, 압축 공기와 연소가스 양자의 유동이 누출 그루브들을 통과하는 바, 그것은 그루브들 내에 코우크스 퇴적물을 배제한다.

제1실시예에 있어서, 실린더의 원통형 내측 표면은 상부 커버 영역과 하부 라이너 영역으로 구성되며, 코우크스 스크레이핑 링은 상기 라이너 영역의 상부에 배치된다. 코우크스 스크레이핑 링은 라이너 내측 표면의 오목부에 끼워진 링일 수 있으며, 또는 변형적으로, 라이너 재료 자체의 돌출부, 즉 라이너의 일체 정합부로 될 수 있다. 후자의 경우, 엔진의 조립시 엔진의 적소로 라이너가 하향배치되기 전에 피스톤이 라이너를 통하여 아래로부터 상부로 통과하도록 피스톤 로드를 지닌 피스톤이 장착되어야 한다. 무엇보다도, 본 실시예는 기존의 엔진이 코우크스 스크레이핑 링을 장착할 수 있는 유리한 점이 있다.

변형 실시예에 있어서, 실린더의 원동형 내측 표면은 상부 커버 영역과 하부 라이너 영역으로 구성되며, 코우크스 스크레이핑 링은 커버 영역의 하부에 배치된다. 또한, 이 경우, 코우크스 스크레이핑 링은 상부 커버 영역의 오목부에 삽입된 분리 링으로 되거나 또는 커버 영역과 일체로 형성될 수 있는 바, 상기 커버 영역의 하부는 그 위에 배치된 영역보다 더 작은 내경으로 약간 회전(fine-turned)된다. 누출 그루브들이 코우크스 스크레이핑 링에 배치될 경우, 그것들은 상기 커버 영역의 최하부까지 작용할 수 있다. 본 변형 실시예는 실린더 커버가 라이너보다 더 강한 내열재료로 제조되는, 특히 높은 열부하에 노출되는 실린더에 적용할 수 있다. 코우크스 스크레이핑 링을 커버영역에 배치함으로써, 라이너와 커버 사이의 분리표면은 상사점 위치에서 최상부 피스톤링에 대한 위치 바로 위의 영역까지 하향이동될 수 있다.

누출 그루브들은 실린더의 원통형 내측 표면으로부터 돌출하는 코우크스 스크레이핑 링의 축방향 면적의 0.25 내지 50퍼센트로 형성되는 것이 바람직하고, 5 내지 40퍼센트로 형성되는 것이 더 바람직하며, 20 내지 30퍼센트로 형성되는 것이 가장 적절하다. 누출 그루브의 면적이 0.25퍼센트 이하로 될 경우, 코우크스 스크레이핑 링 전반에 걸친 압력 강하가 너무 크게 되며, 50퍼센트 이상의 누출 면적에서는 더 이상의 적극적 효과가 달성되지 않는다. 5퍼센트의 한계는 여전히 압력강하를 발생시키지만, 그럼에도 불구하고 작동조건의 현저한 개선이며, 40퍼센트의 한계는 코우크스 스크레이핑 링 전반에 걸쳐 압력 강하를 방지하기에 충분하다. 20퍼센트와 30퍼센트 사이 구간의 면적은 소량의 압력강하 또는 영(0)의 압력 강하를 달성하기 위한 목적과 열부하를 균일하게 분배하기 위한 목적 양자를 적절히 충족시킨다.

유니 플로우 소기 장치를 지닌 엔진에 있어서, 소기구들은 피스톤의 상부 표면에 의해 개방되는 것이 바람직한 바, 그것은 코우크스 스크레이핑 링이 실린더의 내측 표면으로부터 너무 많이 돌출하지 말아야 함을 의미하며, 그 이유는 코우크스층과 실린더의 내측 표면 사이에 과도한 나비의 환형공간의 결과는 작동 행정의 끝에서 소기구들 상부측의 최상부 피스톤링의 통과가 상기 소기구들을 개방시키기 때문이다. 결과적으로, 250 내지 1000mm 구간의 실린더 보어에 대하여, 코우크스 스크레이핑 링은 실린더의 내측 표면으로부터 0.5 내지 5mm, 최소한 0.2mm 돌출하는 것이 바람직하다. 0.2mm의 낮은 값 또는 0.5mm는 상부 피스톤 표면이 통과할 때까지 소기구들의 완전한 차단을 보장한다. 최대형 엔진에 있어서, 코우크스 스크레이핑 링은 2 내지 3mm, 최소한 1mm 돌출하는 것이 적절하지만, 소형 엔진에서는 0.5-2mm가 적절하다. 상기 링이 0.25mm 이하 돌출할 경우에는, 코우크스 퇴적물이 실린더 내측 표면상의 윤활유막에 확실히 접촉하지 않도록 하는 것이 더 어렵다.

최상부 피스톤링 위에 배치된 최상부 피스톤 영역은 피스톤링들을 지니는 하부 피스톤 영역보다 더 작은 직경을 지니는 것이 바람직하고, 코우크스 스크레이핑 링의 내경은 최상부 피스톤 영역의 직경보다 2 내지 6mm, 최소 0.5mm 더 크게 되는 것이 바람직하며, 1 내지 4mm 더 크게 되는 것이 적절하다. 이러한 직경비와 더불어, 코우크스층은 0.5 내지 3mm, 적절하게는 0.75 내지 2mm의 두께로 형성될 수 있는 바, 그것은 피스톤 주변이 스크레이핑 링과 접촉하는 위험없이, 코우크스 스크레이핑 링에 관한 피스톤의 반경방향 배치를 위한 적절한 간극을 제공한다.

본 발명의 범위내에서, 실린더의 내측 표면과 최상부 피스톤 영역 주변의 환상 공간이 큰 두께를 지니도록 최상부 피스톤 영역 직경의 상응하는 감소를 수반하여, 코우크스 스크레이핑 링이 실린더의 내측 표면으로부터 상기 언급된 것보다 더 도출하도록 하는 것이 가능하다. 이와 같은 설계는 소기구들의 더 빠른 개방, 즉 작동 행정의 끝에서 최상부 피스톤링의 더 빠른 통과를 수반하며, 따라서 소기구들의 개방시간에 따른 엔진의 다른 변수들 및 배기밸브의 개방시간이 소기용 공기의 더 빠른 공급에 따라 변경되어야 한다.

피스톤 또는 코우크스 스크레이핑 링의 누출 그루브 수는 바람직한 누출 면적과 최상부 피스톤링에 대한 열부하의 바람직한 균일화에 따라 결정되며, 더 큰 누출 면적과 열부하의 더 균일한 분배는 더 많은 수의 누출 그루브의 사용을 요한다. 코우크스 스크레이핑 링 또는 피스톤은 4 내지 30개의 누출 그루브를 구비하는 것이 적절하다.

최상부 피스톤링에 대한 열부하의 균일화에 있어 상당히 유리하므로, 15개 이상의 누출 그루브가 바람직하다.

누출 그루브가 최상부 피스톤 영역 주위에 형성될 경우, 누출 그루브들은 실린더의 축과 평행하게 연장하여, 코우크스의 어떠한 파편이라도 누출 그루브에 걸리지 않아, 누출 그루브의 막힘의 위험을 피하는 것이 유리하다. 그렇지 않으면, 누출 그루브들의 수와 크기는 후술되는 명세서의 코우크스 스크레이핑 링의 누출 그루브와 동일한 방식으로 선택될 수 있다.

본 발명의 실시예들이 개략적인 첨부도면을 참조로 하여 더 상세히 설명될 것이다.

도 1에 도시된 엔진은 유니플로우 소기장치를 지니며 중유와 같은 오일로 가동되는 대형 2행정 디젤 엔진이며, 상기 오일의 연소는 잔류 생성물을 형성하며, 상기 잔류 생성물은 엔진 작업실의 표면상에 코우크스로서 부착될 수 있다. 실린더의 차원과 수에 따라, 엔진은 예를 들면 2,000 내지 70,000kW의 출력을 발생시킬 수 있다. 그러한 엔진은 통상적으로 선박의 주엔진으로 사용되거나 고정식 동력발생용 엔진으로 사용된다. 양자의 경우에 있어서, 엔진 구성요소의 체크 및 전체적 분해없이도 장기간 동안 엔진이 작동될 수 있다는 것이 중요하다. 이러한 엔진은 엔진의 전체적 분해없이 2년 이상 연속적으로 작동될 수 있는 것이 바람직하며, 이것은 실린더 요소들에 대한 최상의 작동조건을 요한다.

엔진의 정지부는 크랭크 샤프트(2)가 저어널되는 받침대(1) 및 상기 받침대 상에 장착되고 그 상부표면에 실린더 영역(4)을 지지하는 엔진 프레임 박스(3)를 포함한다. 실린더 라이너(5)는 커버 스터드(7; cover stud)들과 실린더 커버(8)에 의해 실린더 영역의 상부 플레이트(6)에 대하여 고정된다. 실린더 라이너는 환상 중간 부재(9)를 경유하여 상부 플레이트의 상부 표면상에 안착되는 두꺼운 벽 두께를 지닐 상부 영역 및 실린더 영역(4)내로 하향 돌출하는 가늘고 긴 하부 영역을 지닌다. 그 하부 단부에서 실린더 라이너는 다수의 소기구(10)들을 지니며, 피스톤이 하사점 위치 근처에 있을 때 상기 소기구들을 통하여 소기 공기 리시버(11)로부터의 소기용 및 충전용 공기가 실린더 내로 유동한다. 유압 작동가능한 배기밸브를 지나는 배기밸브 하우징(12)이 실린더 커버 중앙에 배치된다. 배기밸브가 개방되면, 소기구들로부터의 소기용 공기는 실린더를 통하여 상향 유동하며, 동시에 연소가스가 배기밸브를 통하여 배기 리시버(13)내로 유동하는 바, 상기 배기 리시버(13)로부터 가스는 터보 충전기를 경유하여 배기 파이프내로 유동한다. 엔진은 예를 들면 3.5-4바아의 충전압력으로 고압 충전된다.

커넥팅 로드(14)가 크랭크 샤프트(2)를 크로스 헤드(15)와 연결하는 바, 크로스 헤드(15)는 엔진 프레임 박스의 안내면(16)에 의해 실린더의 종축을 병진 왕복운동으로 피스톤 로드(17)의 하단부를 안내한다. 피스톤(18)은 피스톤 로드의 상부에 장착된다. 도 2에 최상으로 도시된 바와 같이, 피스톤은 수개의, 예를 들면 4개의 피스톤링(19,19')들을 지니는 바, 상기 피스톤링들은 실린더 라이너의 내측 표면을 따라 활주하며, 피스톤 하부에 배치되어 소기용 공기로 충전된 실린더 영역의 공동과 연통하는 공간과 작업실(20) 사이에 압력-시일링 분리부를 형성한다.

연소실 또는 작업실(20)은 실린더 커버(8)의 내측 표면, 실린더 라이너(5)의 내측 표면, 피스톤(18)의 상부, 최상부 피스톤링(19') 및 최상부 피스톤링으로부터 상향 연장하는 최상부 피스톤 영역(21)의 주위로 제한된다. 최상부 피스톤 영역(21)은 피스톤의 하부 부분보다 더 작은 직경을 지녀, 최상부 피스톤 영역의 외측 표면과 실린더의 내측 표면 사이에 환상 공간이 존재하며, 상기 환상 공간에서 코우크스는 외측 피스톤 표면상에 부착될 것이다.

실린더 내의 환상 코우크스 스크레이핑 링(23)은 실린더의 내측 표면으로부터 돌출하여, 최상부 피스톤 영역(21)의 외측 표면상에 코우크스 부착물을 긁어냄으로써, 상기 부착물들이 코우크스 스크레이핑 링의 내경에 상응하는 최대 직경을 초과하지 않도록 할 수 있다. 코우크스 스크레이핑 링은 피스톤이 도면에 도시된 상사 중심위치에 있을 때 상부 피스톤링(19')이 코우크스 스크레이핑 링(23) 아래의 링 높이 보다 더 작게 되도록 실린더의 축방향 위치를 지닌 바, 이것은 코우크스층이 주로 최상부 피스톤링 아래로 항상 긁어내어지는 것을 보장한다. 코우크스 스크레이핑 링이 다소 더 높게, 예를 들면 2 내지 3개의 링 높이 만큼 더 높게 배치될지라도, 실질적인 코우크스-스크레이핑 효과는 여전히 달성될 것이다.

도 3 및 도 4는 그 내측 표면에서, 코우크스 스크레이핑 링 아래에 배치된 환상 공간(22)의 일부와 작업실(20)의 잔여 상부 영역 사이에서 가스유동 연통을 발생시키는 수개의 누출 그루브(24)들을 구비한 코우크스 스크레이핑 링을 제시한다. 누출 그루브들의 유동 면적은 코우크스 스크레이핑 링 전반에 걸친 압력 강하가 무시할 수 있을 정도로 적용되는 것이 적절하다. 누출 그루브들은 코우크스 스크레이핑 링의 내측 주위를 따라 균일하게 분포되는 것이 유리한 바, 그 이유는 최상부 피스톤링(19')상의 매우 균일한 열부하를 발생시키기 때문이다. 누출 그루브들의 깊이는 실린더의 내측 표면에 관한 코우크스 스크레이핑 링의 돌출 두께에 상당할 수 있다. 이것은 코우크스 스크레이핑 링이 내측 표면으로부터 예를 들면 0.5-3mm, 최소한 0.25mm의 짧은 간격으로 돌출할 경우 특히 유리하다. 환상 공간(22)이 넓은 나비를 지니는 방식으로 피스톤과 스크레이핑 링이 제조되고, 소기구(10)들이 최상부 피스톤링의 통과에 의해 개방될 경우, 누출 그루브들의 깊이는 코우크스 스크레이핑 링의 내향 돌출부의 두께보다 더 작게 되어야 한다. 더 큰 깊이에서 각각의 그루브를 통한 가스유동은 너무 크게 되어 최상부 피스톤링 상의 열부하가 국부적으로 너무 높게 될 수 있으므로, 누출 그루브는 3-4mm보다 깊지 않게 되는 것이 바람직하다. 예를 들면 15개 또는 그 이상의 적절히 많은 수의 누출 그루브들로 조합된 1.5-2mm 이하의 그루브로 매우 균일한 열 분배가 달성될 수 있다.

누출 그루브들의 나비는 누출 그루브의 수, 그루브 깊이 및 원하는 전체 유동 면적, 즉 그루브 단부들의 전체적 축방향 단면적에 기초하여 선택된다. 대부분의 경우 5-30mm의 그루브 나비가 적절할 것이며, 10-20mm의 그루브 나비가 균일한 열부하를 달성하기에 적합하다.

누출 그루브(24)는 실린더의 종축에 관하여 경사지게 연장하여, 상부 그루브 단부(25)가 하부 그루브 단부(26)에 관하여 원주 방향으로 배치된다. 이것은 코우크스층이 상부 피스톤 영역(21)의 전체 주변을 따라 긁어내어지는 장점을 제공한다. 도시된 실시예에서, 누출 그루브의 종축은 실린더의 종축과 45도의 각도를 형성한다. 물론, 15도 내지 80도 사이의 다른 각도를 사용할 수도 있다. 각도는 상부 그루브 단부(25)와 하부 그루브 단부(26) 사이에 축방향 중첩이 일어나지 않도록 그루브 나비에 적용된다. 제작상의 이유로 인하여, 누출 그루브는 상부 그루브 단부와 하부 그루브 단부 사이에서 직선으로 연장하는 것이 바람직하지만, 상부 그루브 단부(25)와 하부 그루브 단부(26) 사이에 유동 연통을 발생시키는 다른 설계가 L자형 또는 비선형 코스와 같이 설계로 무리없이 선택될 수 있다.

도 5 및 도 6은 누출 그루브들이 최상부 피스톤 영역의 피스톤 외측 표면에 배치된 실시예를 제시한다. 설명을 간단화하기 위해 상기와 동일한 요소에 대하여는 동일한 참조 번호가 사용된다. 도면에서 피스톤링들은 생략된 것이 주지되어야 한다.

도 5에서는, 피스톤의 좌측으로, 실린더 커버 재료에 직접 형성된, 즉 커버의 일체 및 합착부로 형성된 코우크스 스크레이핑 링(23') 주변 영역의 실린더 커버(8) 및 라이너(5)의 최상부의 종단면도가 도시되어 있다. 피스톤의 우측으로, 변형설계의 상응하는 종단면이 도시되는 바, 코우크스 스크레이핑 링(23')은 실린더 라이너의 재료에 직접, 즉 라이너의 일체 및 합착부로 제조된다. 도면의 좌측과 우측을 비교해 보면, 동일한 엔진에서 실린더 커버와 라이너 사이의 분리표면(27)이 실린더의 종방향으로 하향이동되도록 실린더 커버에 코우크스 스크레이핑 링(23')을 배치할 수 있는 이점이 있다는 것을 즉시 알 수 있다. 커버의 내측 표면이 피스톤링에 대한 이동표면을 구성하지 않으므로, 윤활성 및 활주특성은 커버재료의 선택에서 무시될 수 있다. 따라서, 커버는 전형적으로 주철인 라이너 재료보다 더 부식성이 있고 내열성인 강철과 같은 재료로 제조될 수 있다. 열의 영향은 실린더의 상부 영역에서 가장 크며, 결과적으로 실린더는 하향으로 더 연장하는 커버에 의해 더 긴 수명이 달성될 수 있다.

도시된 실시예에서, 라이너(5)상에 또는 라이너(5)내에 또는 커버(8)상에 또는 커버(8)내에 배치되는 코우크스 스크레이핑 링(23')은 원통형 내측 표면(28)을 지니며, 상기 내측 표면(28)은 환상이며, 누출 그루브들이 존재하지 않는다. 물론, 제조상의 이유로 상기 설계가 적절하지 않다면, 예를 들면 라이너 또는 커버의 내측 표면을 회전함으로써 제조될 수 있는 코우크스 스크레이핑 링 상에 그리고 피스톤 상에 몇몇의 누출 그루브를 배치할 수 있다.

누출 그루브(24')들은 피스톤의 최상부 영역(21)에 배치되며, 피스톤의 상부림의 챔퍼로부터 최상부 피스톤링에 대한 최상부 환상 그루브(29)까지 하향 연장한다. 피스톤의 최상부 영역(21)은 큰 높이로 되며, 따라서 피스톤이 그 상사점에 있을 때 피스톤링들은 실린더에서 더 하향 배치되며, 그것은 실린더 커버가 실린더 더 아래로 연장하는 것을 가능하게 한다.

도 5의 누출 그루브들은 실린더의 종축과 약 30도의 각(r)을 형성한다. 실제로, 그 각은 0도 내지 60도 사이에서 또는 더 크게 선택될 수 있지만, 최소한의 길이 부분을 따라 그루브는 최소 15도의 각도를 형성하여, 상부 및 하부 그루브 단부들이 서로 수직하게 배치되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

도 6은 피스톤의 변형 실시예를 제시하는 바, 여기서 누출 그루브(24)들은 실린더의 종축과 평행하게 연장하는 상부 영역(24a) 및 실린더의 종축에 관하여 경사지게 연장하는 하부 영역(24b)을 지닌다. 하부 경사 영역(24b)은 상부 그루브 단부에 관하여 원주방향으로 하부 그루브 단부를 변위시켜, 전체 원주를 따라 코우크스가 긁어내어진다. 누출 그루브들의 상부 영역(24a)은 코우크스를 긁어내는데 기여하지 않으므로, 긁어내어진 코우크스 입자로 막힐 위험이 없다. 누출 그루브의 경사 영역을 그루브의 상단부에 배치하는 것 또한 가능한 바, 그것은 코우크스의 스크레이핑이 일어나는 중 그루브들을 통과하는 가스속도가 더 빨라지게 하는 장점을 제공하며, 그 이유는 상기 그루브 영역이 코우크스 스크레이핑 링을 통과하는 중 피스톤의 운동속도가 더 빠르기 때문이다.

그루브들의 하부 단부에 경사 그루브 영역의 설계는 피스톤링에 대한 환상 그루브를 지니는 하부 피스톤 영역에 고정된 분리 피스톤 상부에 의해 피스톤의 최상부 영역(21)의 비교적 높은 높이가 형성될 때 특히 유리하다. 이 경우, 누출 그루브들의 2가지 영역은 각각의 피스톤 영역의 직선 그루브와 같이 간단한 방식으로 제조될 수 있다.

그렇지 않으면, 면적 및 수에 따라, 누출 그루브들은 코우크스 스크레이핑 링에 정렬된 누출 그루브에 상응하게 형성될 수 있다.

내용없음

Claims (10)

1. 실린더에 코우크스 스크레이핑 링(coke scraping ring)을 지니고 실린더에서 종방향으로 변위가능한 피스톤(18)을 지니며 피스톤링(19,19')들을 구비한 내연기관으로서, 상기 피스톤링들은 피스톤의 변위시 실린더의 실질적으로 원통형 내측 표면을 따라 활주하고 피스톤 아래의 공간과 작업실(20; working chamber)사이에 압력 밀폐용 분리부를 형성하며, 상기 작업실(20)은 피스톤의 최상부 피스톤링 위쪽에 배치되고, 최상부 피스톤링(19'), 피스톤(18), 실린더의 내측 표면 및 실린더 커버(8)로 경계지워지며, 상기 코우크스 스크레이핑 링(23)은 실린더의 내측 표면으로부터 돌출하고 축방향 위치에서 환상으로 연장하여, 피스톤이 그 상사점 위치에 있을 때 코우크스 스크레이핑 링의 하부에 근처에 최상부 피스톤링이 배치되는 내연기관에 있어서, 상기 엔진은 소기공기구(10)를 지니는 유니플로우 소기장치가 하부 실린더 영역에 배치된 2-행정 크로스 헤드 엔진이며, 그 원통형 내측 표면에서 코우크스 스크레이핑 링(23)은 코우크스 스크레이핑 링의 하부 표면으로부터 상부 표면까지 실린더의 종축에 관하여 경사지게 연장하는 수개의 누출 그루브(24)들을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
2. 실린더에 코우크스 스크레이핑 링(coke scraping ring)을 지니고 실린더에서 종방향으로 변위가능한 피스톤(18)을 지니며 피스톤링(19,19')들을 구비한 내연기관으로서, 상기 피스톤링들은 피스톤의 변위시 실린더의 실질적으로 원통형 내측 표면을 따라 활주하고 피스톤 아래의 공간과 작업실(20; working chamber) 사이에 압력 밀폐용 분리부를 형성하며, 상기 작업실(20)은 피스톤의 최상부 피스톤링 위쪽에 배치되고, 최상부 피스톤링(19'), 피스톤(18), 실린더의 내측 표면 및 실린더 커버(8)로 경계지워지며, 상기 코우크스 스크레이핑 링(23)은 실린더의 내측 표면으로부터 돌출하고 축방향 위치에서 환상으로 연장하여, 피스톤이 그 상사점 위치에 있을 때 코우크스 스크레이핑 링의 하부에 근처에 최상부 피스톤링이 배치되는 내연기관에 있어서, 엔진은 소기용 공기구(10)를 지닌 유니플로우 소기장치가 하부 실린더 영역에 배치된 2행정 크로스 헤드 엔진이며, 코우크스 스크레이핑 링의 원통형 외측 표면에서 최상부 피스톤링 위쪽에 배치된 최상부 피스톤 영역(21)에는 피스톤 영역의 상부부터 최상부 피스톤링(19')의 환상 그루브 영역 아래까지 연장하는 수개의 누출 그루브(24')들이 구비되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실린더의 원통형 내측 표면은 상부 커버 영역 및 하부 라이너 영역으로 구성되며, 코우크스 스크레이핑 링(23,23')은 라이너 영역(5)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실린더의 원통형 내측 표면은 상부 커버 영역 및 하부 라이너 영역으로 구성되며, 코우크스 스크레이핑 링(23,23')은 커버 영역의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 코우크스 스크레이핑 링(23,23')은, 실린더 라이너 또는 커버 영역의 재료로 돌출부로서 제조되는 실린더 라이너 또는 상부 커버 영역의 일체형 접합부로 되는 내연기관.
6. 선행 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 누출 그루브(24,24')는 실린더의 원통형 내측 표면으로부터 돌출하는 코우크스 스크레이핑 링(23,23')의 축방향 면적의 0.25 내지 50퍼센트로 형성되며, 바람직하게는 상기 면적의 5 내지 40퍼센트, 적절하게는 20 내지 30퍼센트로 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
7. 선행 항중 어느 한 항에 있어서, 실린더 보어는 250 내지 1000mm로 되며, 코우크스 스크레이핑 링(23,23')은 실린더의 내측 표면으로부터 적어도 0.2mm, 바람직하게는 0.5 내지 5mm 돌출하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
8. 선행 항중 어느 한 항에 있어서, 최상부 피스톤링(19')의 위쪽에 배치된 최상부 피스톤 영역(21)은 피스톤링들을 지닌 하부 피스톤 영역보다 더 작은 직경을 지니며, 코우크스 스크레이핑 링(23,23')의 내경은 최상부 피스톤 영역의 직경보다 2 내지 6mm 더 크게, 최소한 0.5mm로 되며, 적절하게는 최상부 피스톤 영역의 직경보다 3 내지 4mm 더 크게, 최소한 1mm로 되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
9. 선행 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 코우크스 스크레이핑 링(23,23') 또는 최상부 피스톤 영역(21)은 4 내지 30개의 누출 그루브들, 바람직하게는 15개의 누출 그루브들을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
10. 선행 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 누출 그루브(24,24')들의 종축은 실린더의 축방향과 0도 내지 60도의 각도를 형성하며, 바람직하게는 최소 15도, 적절하게는 45도의 각도를 형성하는 내연기관.