KR20000022347A - 디젤형 내연기관용 피스톤 링 및/또는 피스톤 및 디젤기관의시운전 방법 - Google Patents

Abstract

2행정 크로스헤드 엔진의 피스톤 링 및/또는 피스톤은 그 반경방향 외표면상에 시운전 층(32, 37, 40, 42)을 구비하는데, 상기 시운전 층은 반경방향으로 적어도 0.1mm의 두께를 지니며, 흑연과 같은 5 내지 60%의 고체상태 윤활제, Ni, Al, Si 와 같은 40 내지 95%의 금속성 결합재 및 15% 이하의 유기 결합재를 포함하는 재료로 만들어진다. 시운전 층의 매크로 경도는 300 HV30 이하이다. 시운전 층은 엔진이 시동되어, 최대 3시간의 전체 작동 기간이내에 전부하에 도달하도록 한다.

Description

디젤형 내연기관용 피스톤 링 및/또는 피스톤 및 디젤기관의 시운전 방법

가장 최신의 디젤형 2행정 크로스헤드 엔진은 135바 이상의 매우 높은 최대 연소압에서 작동하도록 설계된다. 이러한 높은 압력은 피스톤 링에 대한 매우 높은 부하를 발생시키는데, 그 이유는, 한편으로는 3개 내지 5개의 링들이 연소실의 압력이 피스톤 아래로 유출하는 것을 방지해야 하는 경우 링들 전반에 걸친 차압(differential pressure)이 필연적으로 매우 높아지기 때문이며, 다른 한편으로는 압축과 연소에 의해 발생된 높은 압력이 마찰조건에 대하여 부정적 영향을 미치는 매우 높은 온도를 수반하여, 피스톤 링들과 라이너가 더 쉽게 녹아붙어 피스톤 링과 라이너에 손상을 주기 때문이다. 높은 압력에 대하여 시일하기 위해, 라이너의 내표면에 대한 피스톤 링들의 주벽압(abutment pressure;周壁壓)은 매우 높게 되어야 한다. 이것은 피스톤 링들이 윤활유 막을 통과하여 그 영역에서 라이너의 내표면에 대하여 마르게 하는 경향이 있다.

환경적인 이유로 인하여, 엔진이 매우 낮은 유황의 연료 또는 유황이 전혀 포함되지 않은 연료로 작동된다는 사실 때문에, 어려운 윤활조건이 더 악화될 수 있다. 이전에는 비교적 많은 양의 유황이 연료와 윤활유에 항상 포함되었는데, 이것은, 유황이 좋은 윤활제이므로 양호한 마찰조건을 유지하는데 도움이 되었다.

소형의 4행정 엔진으로부터, 예를들면 내연기관의 피스톤 링에 고체상태 윤활제를 포함하는 코팅을 제공하는 것이 공지되어 있다. 따라서, 독일 특허출원 명세서 제1 771 640호에서는, 배타적으로 분무된 몰리브덴으로 이루어진 마멸층들에서 관찰되는 실린더 라이너 상에서 심한 마멸작용을 방지하도록 마멸층에 MoS₂의 니켈-포위된 입자를 합체함으로써 피스톤 링상에 분무된 몰리브덴의 마멸층이 개량될 수 있다는 것을 지시한다. 미국특허 제5,239,955호는 열경화성 에폭시와 같은 수지에 흑연 및 MoS₂를 포함하는 고체 막 윤활제(solid film lublicant)를 지니는 피스톤 스커트(piston skirt)를 개시한다. 엔진의 시동시에 상당한 량의 고체 막 윤활제가 실린더 벽의 내표면으로 이동되며, 그 윤활제는 계속되는 엔진의 작동중 피스톤과 실린더 벽상에 유지된다. 일본 특허 공개 제63-289374호는 철 또는 Ni의 금속 기재에 고체상 윤활제의 매우 얇은 외부층과 경질의 질화된 마멸층(hard nitridated wear layer)을 지니는 피스톤 링을 개시한다. 외부층의 두께는 0.02mm이하이며, 따라서 그 외부층은 단지 몇회의 피스톤 행정후에 마모되어 없어질 것이다. GB 938,120호는, 시운전 피스톤 링의 문제점에 대한 해결수단으로서, 0.025 내지 0.125mm의 두께를 지니며 결합재(binder), 경질의 연마재 및 수지로 결합된 흑연과 산화알루미늄 같은 윤활제를 포함하는 분무된 코팅을 구비한 피스톤 링의 외표면을 제안한다. EP A2 0 126 323호에는, 시운전 층을 마모시켜 없어지게 하기 위하여 적어도 1000시간의 운전이 필요한 경도와 내마모성의 시운전 층을 지니는 실린더 부재가 공지되어 있다. 종래기술은 시운전 층에 강한 내마모성 성분이 포함될 것을 요한다.

높은 최대 압력의 본 발명에 관련된 대형 엔진에서의 조건은, 가솔린 기관에 대하여 40바 정도의 최대압력, 디젤기관에 대하여 80바 정도의 최대압력이 사용되는 4행정 엔진에서의 조건과 대체로 상이하다. 또한, 4행정 엔진의 엔진블록, 피스톤 및 피스톤 링들은 경금속으로 제조되는 반면, 대형엔진의 실린더 라이너, 피스톤 및 피스톤 링들은 높은 압력과 온도 영향에 견딜 수 있도록 주철, 주강 또는 강철로 제조된다. 한편으로는 주철과 강철 다른 한편으로는 알루미늄과 같은 경금속 사이의 마찰조건, 접착조건, 열적 영향에 대한 반응 등이 현저히 다르기 때문에, 사용된 재료들의 차이점은 분무된 코팅에 대한 특성들 상호간의 비교를 어렵게 한다.

전부하가 135바를 초과하는 최대 연소압의 디젤형의 대형 크로스헤드 엔진의 시운전에 있어서, 가장 큰 문제점은 라이너의 내표면과 피스톤 링의 외표면상에서의 녹아붙는 것(seizure)으로 발생한다. 다수의 경우 시운전이 완료되기 전에, 피스톤 링들을 교체하고 라이너를 다시 기계가공할 것을 필요로 한다. 다소의 경우, 엔진이 완전히 부하에 걸리기 전에 피스톤 링을 수차례 교체할 것을 요하는 경우조차 있다. 시간과 경비 소비의 문제는 논외로 하더라도, 상기와 같은 요구는 시운전중 이루어져야 하는 엔진의 초기 조절을 방해한다.

본 발명의 목적은, 적어도 엔진이 전부하에 걸릴때까지 녹아붙는 것에 대하여 적어도 피스톤링들과 바람직하게는 또한 피스톤까지도 보호함으로써 관련된 엔진들의 보다 빠르고 문제점이 적은 시운전을 가능하게 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤을 제공하는 것이다.

본 발명은 디젤형 내연기관, 특히 2행정 크로스헤드 엔진의 피스톤 링 및/또는 피스톤에 관한 것으로, 전부하(full load)에서 그 최대 연소압은 135바를 초과하고, 피스톤은, 예를들면 3개 내지 5개의 다수의 피스톤 링들을 구비하며, 최소한 750mm의 행정으로 실린더 라이너 내에서 왕복운동하며, 피스톤 링들은 링의 높이보다 축방향으로 더 높은 각각의 환형홈에 조립된 상태에서 최소한 250mm의 외경을 지니며, 각각의 피스톤 링은 라이너의 내표면을 따라 활주하는 반경방향 외표면을 지닌다.

도1은 피스톤 링을 구비한 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 라이너의 상부의 종단면도.

도2는 주조 링 재료상에 직접 시운전 층으로 코팅된 피스톤 링의 횡단면도.

도3은 주조 링 재료상에 분무된 경질의 마멸층의 외측상에 시운전 층으로 코팅된 피스톤 링의 다른 실시예의 횡단면도.

도4는 본 발명에 따른 피스톤의 부분측면도.

도5는 엔진의 시운전을 위한 본 발명에 따른 방법의 실시예의 그래프.

이러한 목적을 고려하여, 본 발명에 따른 피스톤 링 및/또는 피스톤은, 신규하게 제조된 상태에서 피스톤 링들의 반경방향 외표면 및/또는 피스톤의 반경방향 외표면의 영역이 고체상태 윤활제와 금속성 결합재를 포함하는 시운전 층을 구비하며, 상기 시운전 층은 반경방향으로 적어도 0.1mm의 두께를 지니고, 일반적으로 발생하는 불순물과는 별도로 중량퍼센트로하여, 5 내지 60%의 흑연과 같은 고체상태의 윤활제, Ni, Al, Si 와 같은 40 내지 95%의 금속성 결합재 및 선택적으로 15% 이하의 유기 결합재를 포함하는 재료로 제조되며, 상기 시운전 층의 매크로 경도(macro hardness)는 300 HV30 보다 적게되는 것을 특징으로 한다.

피스톤 링들의 초기 시운전중, 그 링들의 반경방향 외표면은 깍은면이 있는 형태(facetted shape)로 마모된다. 환형 홈들이 그 링들보다 더 높기 때문에, 상기 링들은 관련된 환형 홈내에서 축방향으로 자유롭게 이동하며, 링들 전반에 걸친 큰 압력차의 영향하에서, 링들이 홈들내에서 경사지거나 약간 뒤틀림으로써, 피스톤의 왕복이동중 링들의 외표면은 라이너의 내표면과 변화하는 각도를 형성한다. 우선 링들이 경사질때마다 링의 상부에지 또는 하부에지들은 라이너의 내측표면과 매우 적은 면적으로 접하게 되며, 링의 에지들이 라이너의 내표면상의 유막(oil film)을 순간적으로 통과하기 때문에 관련된 매우 높은 압력은 링 재료의 신속한 마멸을 초래한다. 링들이 깍은면이 있는 형태를 취함에 따라, 접촉면적이 증가되고, 표면 압력은 유막이 통과되는 한계 이하로 감소된다.

이러한 연마중 피스톤 링들의 외표면과 라이너의 내표면사이의 윤활이 매우 저조하게 되어 상호 활주면들 사이의 마찰이 높은 온도를 발생시킬 경우, 초기의 녹아붙는 현상이 라이너에 대한 피스톤 링의 접촉영역에 발생한다. 녹아붙는 현상이 일단 국부적 영역에 발생하면, 피스톤 링상에 형성된 매우 거친 표면이 마찰을 증가시킴으로써, 과도한 온도수준이 유지되며, 완전히 불량품으로 될 때까지 피스톤 링상의 더 넓은 영역으로 녹아붙는 현상이 전개될 것이다. 피스톤 링상의 거칠게 녹아붙는 영역은 또한 라이너의 내표면상에도 녹아붙는 현상을 발생시킬 수 있으며, 이것은 또한 증가된 온도 수준에도 기여한다.

엔진 부하와 그로인한 최대압력이 증가되면, 접촉압력이 증가하기 때문에, 외측 링 표면에 대한 깍은면의 연마가 완료되는 것을 허여하는 기간동안 엔진이 전부하로 작동될때까지 실제로 시운전 층은 녹아붙는것의 발생에 대하여 보호된다. 이것을 성취하기 위하여 시운전 층은 적어도 0.1mm의 두께를 지녀야 한다. 제1의 회전에서 깍은면들은 시운전 층내로 연마되기 때문에, 0.13, 0.15, 0.19 또는 0.25mm 또는 심지어 1 또는 2mm 또는 더 두꺼은 두께의 층들과 같은 현저히 더 두꺼은 시운전 층을 사용할 수 있으며, 그 결과 시운전의 마지막부분 또는 시운전의 후속 종결에서의 깍은면들은 기초가 되는 실질적으로 보다 경질의 피스톤 링 재료내로 서서히 연마된다. 시운전 층의 동시 제거와 함께 연마의 완료는, 라이너에 대한 링의 접촉영역이 충분히 커서 윤활유막이 통과되지 않을 때 일어난다.

본 발명에서는 실질적으로, 시운전 층이 300 HV30 이하의 매크로 경도로 유연하게 된다. 높은 최대압력의 현재의 대형 엔진에 있어서는, 엔진 부하가 50% 이상으로 상승될 때 시운전 기간의 적어도 일부중, 피스톤 링들의 외표면은 경질의 재료로 이루어져야 한다는 확고한 가정이 지금까지 존재했다. 본 발명으로 인하여, 유연한 시운전 층을 구비한 피스톤 링들이 엔진에 대한 상부 부하영역에서 발생하는 큰 영향에 견딜 수 있으며, 보다 신속히 깍은면 형상내로 연마되는 유연한 재료에서 깍은면 연마가 유리하게 실행될 수 있다는 것이 인정된다.

시운전 층의 5 내지 60%의 고체상 윤활제의 함량은 충분한 윤활의 유지를 보장하는 한편, 피스톤링이 유막을 형성하여 통과되지 않도록 접촉 면적이 충분히 크게 될 때까지 초기 연마가 일어난다. 고체상태 윤활제가 5%이하일 경우 마찰조건이 매우 열악해지며, 그함량이 60%이상일 경우 피스톤링의 외측표면에 윤활제를 충분히 잘 결합하는 것이 어렵게된다. 고체상태 윤활제로는 흑면이 적절하지만, MoS₂, LiF 및 그들의 혼합물과 같은 다른 공지된 윤활제를 사용하는 것 또한 가능하다. 금속성 결합재로서는 , Ni 또는 Al이 적합하며, 그들 양자는 연금속(soft metal)이지만, Cu, Ag, Si 및/또는 Zn과 같은 다른 연금속들 또한 사용될 수 있다.

한가지 적절한 실시예에 있어서, 강철, 주강 또는 주철의 주조 피스톤링 또느 피스톤 블랭크(piston blank)상에 시운전 층이 열분무된다. 그 열분무는 고성능의 매우 널리 공지된 공정이며, 가변 조성물의 코팅을 가하기위해 사용될 수 있다. 열분무된 코팅들은 또한 강철 또는 주철의 표면에 적절히 잘 부착되도록 제조될 수 있다. 열분무의 변형으로써, 소기의 시운전 층을 용융조(melting bath) 에 액침시킴으로써 코팅이 가해질 수 있지만, 이러한 적용 방법에서는 피스톤링들 또는 피스톤에 대한 열적인 영향을 조절하는 것이 더 어렵게 될 수 있다.

링들의 수명을 연장하기 위하여 주조 피스톤 링 블랭크에 경질의 마멸층을 제공하는 것이 공지되어 있다. 스웨덴의 다로스 에이비(DAROS AB)사에 의한 상업적 지정 PM2, PM10 또는 PM14의 경질의 마멸 코팅을 구비한 주철의 피스톤 링이 제조될 수 있다. 이러한 코팅은 1800HV를 초과하는 미소경도를 갖는 입자를 포함하며, 외측 링 표면상에 열분무된다. 이러한 매우 경질의 입자들이 실린더 라이너 상에 녹아붙는 것을 방지하기 위하여, 코팅의 외표면은 연마된다. 실린더 라이너와 피스톤링들의 제조공차로 인하여, 새로 제조된 피스톤 링들은 일반적으로 전체 원주 전반에 걸쳐 라이너와 완전히 접척하지 않을 것이다. 표면 경화되고, 연마된 외측 링 표면상에 구리 또느 순수 흑연의 매우 얇은 코팅을 가함으로써 피스톤링과 라이너 사이의 시일이 개선될 수 있다. 라이너와 피스톤링이 상호 접촉하는 장소에서, 수회의 피스톤 행정후에 상기 얇은 코팅이 마멸되지만, 그것은 보다 긴 기간동안 유지되어, 링과 라이너 사이의 끼워 맞춤이 완전히 정확하지 않은 장소에서 시일할 수 있다. 특정 지점에서 1200HV를 초과하는 미소경도를 지니는 재료의 마멸층으로 코팅된, 강철, 주강 또는 주철의 주조 피스톤 링 부재에 대하여 본 발명에 따른 시운전 층을 가하는 것을 원할 경우, 시운전 층이 마멸층상으로 분무될때까지, 마멸층의 분무에 의해 산출된 표면 거칠기가 유지되는 것이 바람직하다. 물론, 분무된 마멸층의 연마가 생략되는 것이 제조공정의 단순화에 유리하지만, 소기의 효과를 달성하기 위하여 시운전 층은 피스톤 링의 외표면상에 견고하게 점착되는 것이 보다 실질적이며, 그러한 효과는 연마된 경질의 표면상에서 달성하기 어렵다. 불충분한 점착시, 시운전 층은 소기의 깍은면 연마가 발생하기 전에 조각조각 깨질 수 있다.

시운전시 피스톤이 녹아 붙을 수 있다는 것 또한 공지되어 있다. 따라서, 상부 피스톤 링에 대한 환형 홈과 피스톤 상부 사이에 배치된 반경방향 외측 피스톤 표면의 상부영역에서, 강철, 주강 또는 주철의 주조 피스톤 블랭크는 0.1내지 5mm 범위의 전체층 두께를 지니는 열분무된 층을 구비하는 것이 적절하며, 그러한 시운전 층은 층의 최외측 부분을 구성한다. 시운전 층 자체를 위하여 필요한 것보다 실질적으로 더 두껍게 되는 두께로 분무된 층을 증강함으로써, 상부 피스톤 링 위쪽 영역에서의 실린더 라이너의 내표면과 피스톤 사이의 환형공간은 자체-윤활재료에 의해 충전되며, 그것은 실린더 라이닝의 내표면과 접촉시 녹아붙는 것이 발생하지 않도록 한다. 이러한 환형공간의 충전은, 열소실에서의 매우 높은 온도 수준에 대하여 상부 피스톤 링이 보호되는 부가의 장점을 제공한다. 높은 온도에서 윤활성 유막이 보다 쉽게 손상되기 때문에, 그 높은 온도는 윤활조건에 대하여 부정적 영향을 미친다. 따라서, 이러한 실시예는 상부 피스톤 링 주위의 윤활조건의 유리한 개선점을 제공하며, 그것은 시운전과 차후의 정상 엔진 작동시에 녹아붙는 위험을 감소시킨다.

다른 실시예에 있어서, 강철 또는 주철의 주조 피스톤 블랭크는, 하부 피스톤 링의 환형 홈과 피스톤의 하부 단부 사이에 배치된 반경방향 외표면의 하부영역상에 열분무된 시운전 층을 구비한다. 이와 관련하여, 피스톤은, 피스톤의 하단부 상에서 볼트 결합되고 피스톤의 하단부를 향해 하향 연장하는 하부 피스톤 부분인 피스톤 스커트상에 배치된 상기 하부 영역에 있어서, 피스톤은 실린더 라이너의 내표면과 접착할 수 있다. 시운전 층을 구비한 이러한 영역을 제공함으로써, 실린더 라이너의 내표면이 비교적 거친 경우의 시운전중 피스톤상에 녹아붙는것의 형성이 배제된다. 가장 높은 지점이 실린더 라이너의 내표면으로부터 마멸됨에 따라, 피스톤에 대한 녹아붙는 손상의 위험이 감소되며, 따라서 하부 피스톤 영역에 적절한 시운전 층을 가하기에 충분하다.

피스톤 링들상에 시운전 층을 가하는 것만이 가능하지만, 모든 피스톤 링들이 시운전 층으로 코팅되고, 하부 피스톤 링에 대한 환형 홈 하부에 배치된 그 하부영역에 적어도 시운전 층으로 피스톤이 코팅될 수 있는바, 그것은 피스톤과 피스톤 링들에 대한 녹아붙는 손상의 위험이 현저히 감소되기 때문에 엔진의 보다 신속한 시운전을 실행할 수 있기 때문이다.

본 발명은 또한 디젤형 2행정 크로스헤드 엔진의 시운전을 위한 방법으로서, 전하중에서 최대 연소압은 100바를 초과하며, 적어도 하나의 실린더에 관하여, 상기 엔진은, 수개의 신규하게 제작된 피스톤 링들을 구비한 피스톤이 적어도 750mm의 행정으로 왕복운동할 수 있는 실린더 라이너를 지니며, 각각의 피스톤 링은 적어도 250mm의 외경을 지니며, 반경방향 외표면은 라이너의 내표면과 접촉한다.

그러한 엔진의 시운전에 대한 공지된 방법은 일반적으로 여러시간에 걸쳐 계속되며, 그 여러시간중, 부하가 증가되기 전에 녹아붙는것에 대한 피스톤 링들의 검사를 위해 중간의 엔진 정지와 함께 엔진의 부하는 점차로 단계적으로 상승한다. 정상적으로 엔진은 약 15%의 부하에서 1/2시간의 작동으로 시동되며, 그후에 피스톤 링들이 검사된다. 그후에, 엔진은 다시 시동되어 수시간에 걸쳐 약 40%의 부하로 단계적으로 작동하며, 30분 동안의 엔진의 반복된 정지후에, 엔진은 작동되어 적어도 3시간에 걸쳐 90% 이하의 부하로 단계적으로 작동하며, 그후 부하가 100%까지 증가된다. 따라서, 엔진은 적어도 6시간의 전체 작동기간후 처음으로 전부하에 도달되며, 그후에 정지되고, 반복되는 검사가 행해진다. 이러한 느린 시운전에도 불구하고, 피스톤 링들의 녹아붙음과 같은 상단한 문제점들이, 상기에서 언급된 가장 신규한 엔진에 대하여 관찰된다. 새로운 피스톤 링들을 관찰할 필요가 있을 때, 시운전 절차는 처음부터 반복되어야만 한다.

본 발명에 따른 방법은, 엔진이 시동되고, 최대 3시간의 전체 작동기간이내에 전부하에 도달되며, 상기 전체 작동기간중 신규하게 제조된 피스톤 링들의 반경방향 외표면 및/또는 엔진의 시동전 피스톤의 반경방향 외표면의 영역상에 배치되는 시운전 층의 적어도 일부가 라이너의 내표면으로 이동되며, 엔진의 시동전에 반경방향으로 적어도 0.1mm의 두께를 지니며, 300 HV30 이하의 매크로 경도를 지니는 재료로 제조되는 것을 특징으로 한다. 신규하게 제작된 피스톤 링들이 신규하게 제작된 실린더 라이너에 장착되면, 엔진은 전부하에 도달되며, 상기 전부하에서 최대 연소 압력은 최대 3시간의 전체 작동기간내에서 135바를 초과한다.

유연하고, 적절히 두꺼운 시운전 층은, 부하가 실질적으로 보다 빨리 전부하까지 증가되며, 동시에 녹아붙는 손상의 위험이 당해 형태의 공지된 엔진에서보다 실질적으로 더 적게되는 시운전 절차를 가능하게 한다. 보다 신속하고 보다 안전한 시운전은 엔진의 제조와 관련하여 걸리는 시간을 실질적으로 절감한다. 동시에, 연료에 대한 분사 절차와 과급기(turbocharger) 시스템의 조절과 같은, 반드시 제조되어야 하는 엔진 구성부품의 조절에 대한 시운전을 보다 높은 정도까지 집중시킬 수 있다.

유연한 시운전 층이 피스톤링들의 외표면상에 깍인면들의 보다 신속한 연마를 제공한다는 사실에 부가하며, 연마재료가 라이너의 내측표면상에, 특히 그 상부영역에 피복된다. 이것은, 그 상사점으로부터 하향으로 피스톤이 크랭크샤프트의첫번째 20°회전 이동할때 엔진 싸이클의 일부중 연소실의 압력이 최고로 되며, 압력이 높을 때 연마가 일어나기 때문이다. 라이너의 내표면상에 피복된 재료는 녹아붙는 것을 방지하는 윤활조건을 제공하는데 도움이 되며, 실린더 라이너의 상부영역의 피복은 온도가 높기 때문에 윤활유에 기초한 윤활이 가장 어렵게되는 바로 그 영역에 도움이 된다. 본 발명은 그 내표면이 분무된 마멸층으로 이루어진 실린더 라이너를 사용하는 것을 가능하게 한다. 라이너의 내표면이 경질의 마멸층의 정상에 가해진 유연한 재료의 시운전 층을 구비한 엔진에 대하여 본 발명을 적용하는 것 또한 가능하다.

엔진은 최대 90분의 전체 작동기간내에 전부하에 이르는 것이 바람직하며, 상기 90분이라는 기간은 엔진 베어링들과 엔진 구성 부품의 조절을 고려하여 필요한 작동기간에 대체로 상응한다. 따라서, 이러한 시운전 절차는 실린더 구성부품상에 녹아붙는 것을 회피하는 고려에 의해 결정되지 않는다.

디젤 엔진의 피스톤 링들은 점차적으로 마멸되며, 실린더 라이너보다 더 짧은 수명을 지닌다. 공지된 엔진의 실린더의 피스톤 링들이 교체되어야 할 경우, 6시간 이상의 여러시간에 걸쳐 점차적으로 증가하는 부하로 시운전을 실행하는 것이 필요하다. 이것은 일반적으로 예정된 항해 계획이 준수되도록 요구되는 선박에서 발생하며, 그러한 선박에서의 지연은 선주에 대하여 일반적으로 일당 25,000-40,000 미국달러의 부담되는 비용을 과할 수 있다. 엔진의 실린더 상에 신규한 피스톤 링 세트를 장착한 후에 요구되는 시운전 시간을 감소 시킬 수 있다는 것이 명백한 장점이다.

본 발명에 따른 방법은, 수개의 신규하게 제작된 피스톤링들이 이전에 사용된 실린더 라이너에 장착될 수 있게 하며, 엔진이 시동되고, 최대 1시간의 전체 작동 기간이내에 전부하에 도달되도록 할 수 있다. 신규한 피스톤 링들에 대한 상기와 같은 짧은 시운전 기간으로 인하여, 아주 보통의 포트 스테이(port stay)중 링들의 교체는 어떠한 문제점도 발생시키지 않으며, 전부하 항해 명령이 주어질때까지 엔진으로부터 정상적으로 소비된 기간보다 더 짧은 시운전 기간이 시작된다.

이제 본 발명의 실시예들이 개략적인 도면을 참조로하여 더 상세히 설명될 것이다.

도1은 발전기의 작동을 위한 정지기관으로서 또는 선박의 추진기관으로서 사용될 수 있는 대형 2행정 크로스헤드 엔진용의 실린더 라이너(1)의 상부영역을 제시한다. 엔진의 크기에 따라, 실린더 라이너는 일반적으로 250mm 내지 1,000mm 범위의 실린더 보어와 일반적으로 1,000mm 내지 4,500mm 범위의 상응하는 길이의 상이한 크기로 제조될 수 있다. 라이너는 정상적으로 라이너의 내표면상에 분무된 마멸층을 구비한 주철 또는 강철 또는 주강으로 제작되며, 또한 일체로 형성되거나 또는 서로의 연장부에서 결합된 적어도 2개의 부분으로 분할될 수도 있다. 분할된 라이너의 경우에는, 하부부분과 다른 베이스 재료로 상부부분을 제작하는 것 또한 가능하다.

공지된 방식에 있어서, 엔진 프레임 박스 또는 실린더 블록의 상부 플레이트 (4)상에 배치된 환형의 하향면(3)에 의해 엔진(단지 부분적으로 도시됨)에 라이너가 장착되며, 그후에 피스톤(5)이 실린더 라이너에 장착되고, 실린더 커버(6)가 그환형의 상향면위의 라이너의 상부에 정렬되어, 커버 스터드(cover stud:도시되지 않았음)에 의해 상부 플레이트에 고정된다.

실린더 라이너의 하부 영역은 환형으로된 일련의 소기구(도시되지 않았음)를 지닌다. 피스톤은, 상부 피스톤 표면(9)이 실린더 커버(6)의 보어내에 배치되는 상사점과 상부 피스톤 표면(9)이 소기구들의 하단부 바로 아래에 배치되는 하사점 사이에서 라이너의 종방향으로 이동한다.

피스톤 로드(10), 크로스헤드 및 커넥팅 로드를 통하여, 공지된 방식으로 피스톤이 엔진 크랭크 샤프트와 연결된다. 크랭크 샤프트가 360°회전할 때마다, 피스톤은 하사점으로부터 상사점으로 이동하며, 다시 제자리로 되돌아온다.

환형 하향면(3)과 환형 상향면(7)사이에 배치된 상부영역에서 실린더 라이너(1)는 보다 큰 외경으로 형성되며, 이 영역의 상부에서 다수의 가늘고 긴 냉각보어(14)들이 외측 오목부(15)로부터 라이너의 벽내로 상향으로 드릴링 가공됨으로써, 직선형 냉각보어들의 종축들이 라이너의 종축에 관하여 비스듬히 연장한다. 각각의 냉각보어는 파이프 또는 배플 플레이드(baffle plate)가 삽입되어 오목부(13)로부터 보어의 상사단부까지 유입 냉각제를 안내하며, 상기 보어로부터 냉각제가 하향으로 유동하여 챔버(16)내로 나가며, 상기 챔버로부터 냉각제가 파이프(17)를 통하여 실린더 커버 내로 통과된다. 실제로 냉각보어는 서로에 관하여 비스듬히 연장하지만, 그들의 종축이 절삭평면에서 연장할 경우 냉각보어들이 잡아늘여진다는 것이 주목된다. 오목부(15)는 환형의 커버 플레이트(18)에 의해 포위된다. 냉각보어들은, 라이너의 벽에 끼워넣어져 외측 라이너 표면의 상부에서 챔버에 전개되는 만곡된 도관과 같은 다른 설계로 될 수 있다는 것이 공지되어 있다.

실린더 라이너는 그 내표면(13)상에 세라믹, 세라믹과 금속의 혼합물, 소위 서멧으로 이루어지는 1개 또는 그 이상의 열 분무된 경질의 마멸층들, 또는 비교적 유연한 금속 매트릭스에 장입된 매우 경질의 입자들로 이루어지는 마멸층을 구비할 수 있다. 상기 매트릭스는 예를들면 Cr, Ni 및/또는 Mo를 포함할 수 있으며, 상기 경질의 입자들은 예를들면, 탄화물, 질화물, 붕소화물 및/또는 산화물로 될 수 있다. 마멸층들중 하나는 또한 몰리브덴과 산화몰리브덴의 혼합물로 될 수 있다. Ni, Mo, Al 또는 Ag의 결합재로 고정된 흑연을 포함할수 있는 가장내측의 유연한 시운전 층을 라이너에 제공하는 것 또한 가능하다. 피스톤링들의 보다 빠른 연마를 발생시키는 내측 라이너 표면상의 유연한 시운전 층을 생략하는것 또한 가능한데, 그 이유는 그러한 경우 피스톤 링들이 라이너의 경질의 마멸층 또는 라이너의 주조 베이스 재료 상에서 직접 활주하기 때문이다. 실린더 라이너는 패턴의 파형 상부가 제거된 내측표면의 파형 패턴으로 제작될 수 있다. 전체 내표면을 따라 상기 패턴으로 라이너를 제작할 수 있다. 패턴은 또한 하향 피스톤 행정의 초기 40%중 피스톤 링들에 의해 일소되는 영역과 같은 라이너의 상부 영역에서만 기계가공될 수 있다. 그 영역은 또한 20%, 25%, 30%, 또는 35% 또는 중간값들과 같은 다른 상대 디멘션을 지닐 수 있다. 상기 파형 패턴은 피스톤 링들과 내측 라이너 표면 사이에 최상의 가능한 윤활조건을 유지하는데 도움을 주며, 윤활유는 트로프(trough)들 사이의 플래토(plateau)영역에 윤활유를 공급하도록 파형 트로프의 바닥에 모일 수 있다. 신규한 피스톤 링들이 신규한 라이너에서 시운전될 때, 외측 피스톤링 표면은 대략 평평한 플래토 영역상에서 활주한다.

도1에는 상사점 위치의 피스톤(5)이 도시되어 있다. 피스톤은 4개의 피스톤링(19)들을 구비하여, 상기 피스톤 링들중 상부 피스톤 링은 표준 경사 절삭링(standard oblique cut ring)이거나 또는 기밀형으로 되며, 다시 말하면 링의 격벽은 실질적으로 가스가 링의 격벽을 통하여 유동하는 것을 방지하도록 설계된다. 상기의 기밀은, 예를들면 링의 일단부가 링의 타단부의 상응하는 오목부내로 통과하는 평탄한 돌출부를 지님으로써 실행될 수 있다. 상부로부터 2번째 피스톤링과 3번째 피스톤링 및 하부 피스톤 링은, 링의 격벽이 상부링 표면으로부터 하부링 표면까지 원주방향으로 경사되게 연장하는 갭과 같이 형성되는 통상의 링, 다시말하면 대략 기밀형의 링으로 될 수 있다. 본 발명의 명세서에서 피스톤 링이라는 표현은 피스톤 압축 링에 대하여 사용된다.

도2의 피스톤 링(19)은 주철의 주조 피스톤 링 블랭크(30)를 포함한다. 외측 반경방향으로 표면(31)상에서, 부재는 시운전 층(32)이 적어도 0.1mm의 두께로 되도록 열분무에 의해 코팅된다. 도3의 피스톤 링(19)은 강철 또는 주강의 주조 피스톤 링 부재(34)를 포함한다. 그 부재는 주철로 제조되지 않으므로, 스웨덴의 다로스 에이비사에 의해 제조된 재료 PM2, PM10, PM14, PM20, PM28 또는 L1중 한가지와 같이 실린더 라이너의 내표면에 대하여 만족할만한 활주 특성을 지니는 재료의 마멸층(36)을 반경방향 외측 강철 표면(35)에 가하는 것을 필요로 한다. 열분무에 의해 적어도 0.1mm두께의 시운전 층(37)이 마멸층의 반경방향 외표면(33)에 가해진다. 피스톤 링들의 시운전 층들은 또한 0.1mm보다 더 두꺼운 두께, 예를들면 0.13내지 3.0mm의 두께, 바람직하게는 최대 2.0mm의 두께를 지닐 수 있다

도4는 피스톤 중간영역을 생략한 피스톤(5)의 세그먼트를 제시한다. 피스톤의 반경방향 외표면에 대하여 상부 피스톤링에 대한 환형홈으로부터 피스톤 인양공구(piston lifting tool)를 장착하기 위한 슬릿(39)까지 연장하는 상부영역(38)상에 0.1 내지 5mm 두께의 유연한 층(40)이 가해진다. 상기층의 최외측 부분은 시운전 층으로서 작용하며, 그 층은 피스톤 링들에 대하여 사용돤 시운전 층과 같은 조성으로 된다. 피스톤의 하부는 피스톤의 상부에 대하여 볼트 결합된 피스톤 스커트(41)로 이루어진다. 상기 피스톤 상부와 하부사이의 분할면은 점선으로 표시되어 있다. 피스톤 스커트의 외표면은 열분무에 의해 적어도 0.1mm두께의 시운전 층(42)으로 코팅된다.

열분무에 의해 목적물 주위의 재료의 층들에 대하여 분무하는 것은 매우 널리 공지되어 있다. 이것은 예를들면, 화염분무, 플라즈마 분무, HVOF 분무 또는 아크 분무일 수 있다. 분무방법은 예를들면 EP-B 0 341 672호, EP-A 0 203 556호, WO95/21994호 및 WO95/02023호에 개시되어 있다. 분무시, 예를들면, 일반적으로 발생하는 불순물과는 별도로 중량퍼센트로하여,

(a) 5내지 60%의 흑연과 40내지 95%의 Ni,

(b) 5내지 60%의 흑연과 40내지 95%의 Al,

(c) 5내지 60%의 흑연과 40내지 95%의 Si 및/또는Al, 또는

(d) 5내지 60%의 흑연과 20내지 90%의 Si 및/또는Al과 5내지 15%의 유기결합재 중 한가지 조성을 포함할 수 있는 충전재가 사용될 수 있다.

충전재가 20내지 25%의 흑연과 75내지 80%의 Ni 및/또는 Al을 포함하는 조성또는 충전재가 15내지 25%의 흑연과 75내지 85%의 Ni 및/또는 Al을 포함하는 조성이 적합하다.

실시예 1:

600mm이하의 외경을 지니는 주철의 4개의 피스톤 링들이 상호 나란히 고정되어, METCO제의 표준 플라즈마 분무장치에 의해 시운전 층으로 코팅되었다. 분무헤드와 피스톤 링들의 외표면사이의 거리는 115mm였으며, 500A의 전류가 사용되었다. 분무헤드와 피스톤 링들 사이의 상호회전은 27rpm으로 설정되었으며, 링들의 축방향 이송은 회전당 7mm로 설정되었다. 20%의 흑연과 80%의 니켈 조성의 니켈-코팅된 흑연 볼들의 분말 초기 재료가 분당 95g의 양으로 공급되어, 내측표면의 통과당 0.02mm의 층이 도포된다. 사용된 운반기체는 질소였다. 그층은 0.15mm의 두께까지 형성되었다. 층의 평균 경도는 140 HV30으로 측정되었다. 피스톤 링들은 분리되어, 부가의 후기공정없이 2행정크로스헤드 엔진의 표준 실린더 라이너의 피스톤상에 장착되었다. 그 엔진은 145바의 정상 최대 연소압을 지녔다. 15%부하에서 30분간의 초기작동후, 부하는 15분에 걸쳐 100%로 증가 되었으며, 그후에 1,5시간동안 작동이 계속되고, 엔진이 정지되었으며, 실린더 라이너가 검사되었다. 피스톤의 외측표면 또는 라이너의 내측표면상에서는 실질적으로 녹아붙는 어떠한 징후도 관찰되지 않았다. 피스톤 링들의 외표면에서 연마된 깍은면이 관찰되었는데, 그것은 녹아붙는 것의 형성없이 피스톤 링들의 계속되는 작동이 일어날 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 피스톤 링들로부터 시운전 층의 일부가, 피스톤 링들에 의해 일소된 영역의 상부 4분지 1의 실린더 라이너의 내표면상에 도포되는 것이 관찰되었다.

실시예 2:

350mm의 실린더 보어를 지니는 2행정 크로스헤드 엔진용 피스톤 스커트의 원통형 외표면이 화염분무에 의해 0.1mm 두께로 상기한 형태와 동일한 시운전 층으로 코팅되었다, 코팅후 그 시운전 층의 평균 두께는 75 HV30으로 측정되었다. 피스톤 스커트를 포함하는 피스톤이 통상의 실린더 라이너의 엔진에 장착되었고, 실린더가 통상의 방식으로 시운전되었다. 시운전 후, 피스톤 스커트 상에서 어떠한 녹아붙는 현상도 관찰할 수 없었다.

도5는, 엔진의 피스톤 링들이 상기한 형태의 유연한 시운전 층으로 코팅된, 크로스헤드형의 신규한 디젤엔진의 시운전을 위한 방법의 실시예를 제시한다. 엔진의 조립후, 작동이 시작되어 15%의 부하에서 30분간 작동하였으며, 그후 엔진이 정지하고, 피스톤 링의 상태가 검사된다. 30분의 정지후 부하가 5분 간격으로 15% 내지 25%, 40% 및 50%로 증가되며, 그후 엔진이 50%의 부하에서 30분간 작동된다. 그후 엔진의 정지없이 부하가 5분간격으로 60%, 75%, 85% 및 최종적으로 100%까지 증가된다. 따라서, 1.5시간에 걸친 전체 작동 시간후 엔진의 전부하에 도달되었다. 전부하에 대한 이러한 신속한 시운전은 피스톤 링들상의 유연한 시운전 층에 의해 가능하게 된다. 다른 점진적인 부하 변화에서도 시운전을 실시하는 것이 가능하다.

350mm의 실린더 크기, 145바의 정상 최대 연소압을 지니는 일반형 엔진을 가지고 특별한 실험을 실시함에 있어서, 메인 베어링들의 시운전을 위해 15%의 부하에서 30분 동안의 초기 작동이 실행되었으며, 그후 부하는 15분에 걸쳐 점진적으로 100%끼지 증가되었다. 1시간동안 전부하가 유지된 후, 엔진이 정지되고, 피스톤 링들의 상태가 검사되었다. 극도로 돌연한 시운전에도 불구하고, 놀랍게도 피스톤 링들의 외표면상에서 어떠한 녹아붙는 현상도 관찰되지 않았다.

시운전 층의 매크로 경도는 층의 조성과 적용 방법에 따른다. 매크로 경도는 각각의 조성물의 미소 경도에 따른다. 흑연 자체는 측정가능한 미소 경도를 지니지 않는데, 그것은, 시운전 층의 미소 경도가 흑연 함량의 증가에 따라 감소되는 것을 의미한다. 금속성 결합재의 미소 경도는 적용 방법에 따르며, 그것은, 예를들면, 니켈-흑연층들에 있어서, 그층이 화염 분무되면 100HV의 니켈상의 미소경도가 측정되며, 그 층이 플라즈마 분무되면 600HV이하의 미소 경도가 측정된다고 말할 수 있다. 따라서, 시운전 층의 매크로 경도는 흑연 함량을 변화시키고, 매우 유연한 층이 필요할 때 화염 분무를 선택함으로써, 40HV와 300HV 사이에서 필요에 따라 변화될 수 있다. 만일 아크 분무가 선택되면, 층은 더 경질로 되고, 플라즈마 분무에서는 보다 더 경질로 되며, HVOF 분무에서는 가장 경질로 된다.

Claims (13)

1. 전부하(full load)에서 그 최대 연소압은 135바를 초과하고, 피스톤(5)은, 3개 내지 5개의 다수의 피스톤 링(19)들을 구비하며, 최소한 750mm의 행정으로 실린더 라이너(1) 내에서 왕복운동하며, 피스톤 링들은 링의 높이보다 축방향으로 더 높은 각각의 환형홈에 조립된 상태에서 최소한 250mm의 외경을 지니며, 각각의 피스톤 링은 라이너의 내표면(13)을 따라 활주하는 반경방향 외표면을 지니는 디젤형 내연기관, 특히 2행정 크로스헤드 엔진의 피스톤 링 및/또는 피스톤에 있어서,

   신규하게 제조된 상태에서 상기 피스톤 링들의 반경방향 외표면 및/또는 피스톤(5)의 반경방향 외표면의 영역이 고체상태 윤활제와 금속성 결합재를 포함하는 시운전 층을 구비하며, 상기 시운전 층(32, 37, 40, 42)은 반경방향으로 적어도 0.1mm의 두께를 지니고, 일반적으로 발생하는 불순물과는 별도로 중량퍼센트로하여, 5 내지 60%의 흑연과 같은 고체상태의 윤활제, Ni, Al, Si와 같은 40 내지 95%의 금속성 결합재 및 선택적으로 15% 이하의 유기 결합재를 포함하는 재료로 제조되며, 상기 시운전 층의 매크로 경도(macro hardness)는 300 HV30 보다 적게되는 것을 특징으로 하는 디젤형 내연기관의 피스톤 링 및/또는 피스톤.
2. 제 1항에 있어서, 상기 시운전 층(32)은 강철 또는 주철의 주조 피스톤 링 또는 피스톤 블랭크(30)상에 열 분무되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤.
3. 제2항에 있어서, 열 분무에 의해 강철 또는 주철의 주조 피스톤 링 부재가, 특정 지점에서 1200 HV를 초과한는 미소 경도를 지니는 재료의 마멸층(36)으로 코팅되며, 상기 마멸층의 분무에 의해 발생된 표면 조도는, 시운전 층(37)이 마멸층상으로 분무될 때까지 유지되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상부 피스톤 링(19)에 대한 환형 홈과 피스톤 상부 사이에 배치된 반경방향 외표면의 상부영역(38)에서, 강철 또는 주강의 주조 피스톤 블랭크는 전체 층 두께가 0.1 내지 5mm 범위의 열 분무된 층을 구비하며, 시운전 층(40)이 층의 최외측 부분을 이루는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤.
5. 제2항 내지 제4항중 어느 한항에 있어서, 상기 강철 또는 주철의 주조 피스톤 블랭크는, 하부 피스톤 링(19)의 환형 홈과 피스톤의 하단부 사이에 배치된 반경방향 외표면의 하부영역(41)에 열 분무된 시운전 층(42)을 구비하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤.
6. 제2항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 모든 피스톤 링(19)들이 시운전 층(32, 37)으로 코팅되며, 피스톤(5)은, 하부 피스톤 링에 대한 환형 홈 아래에 배치된 적어도 그 하부 영역에 시운전 층(42)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤.
7. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤 링들상의 시운전 층(32, 37)은 0.13 내지 3.0mm 범위의 두께, 바람직하게는 최대 2.0mm의 두께를 지니는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤.
8. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시운전 층(32, 37, 40, 42)의 열 분무를 위해 사용된 충전재는, 일반적으로 발생하는 불순물과는 별도로 중량퍼센트로하여,

   (a) 5내지 60%의 흑연과 40내지 95%의 Ni,

   (b) 5내지 60%의 흑연과 40내지 95%의 Al,

   (c) 5내지 60%의 흑연과 40내지 95%의 Si 및/또는Al, 또는

   (d) 5내지 60%의 흑연과 20내지 90%의 Si 및/또는Al과 5내지 15%의 유기결합재 중 한가지 조성을 포함할 수 있는 조성을 지니는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤.
9. 제8항에 있어서, 상기 충전재는 15 내지 25%의 흑연과 75 내지 85%의 Ni 및/또는 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 및/또는 피스톤.
10. 전하중에서 최대 연소압은 100바를 초과하며, 적어도 하나의 실린더에 관하여, 엔진은, 수개의 신규하게 제작된 피스톤 링(19)들을 구비한 피스톤(5)이 적어도 750mm의 행정으로 왕복운동할 수 있는 실린더 라이너(1)를 지니며, 각각의 피스톤 링은 적어도 250mm의 외경을 지니며, 반경방향 외표면은 라이너의 내표면(13)과 접촉하는 디젤형 2행정 크로스헤드 엔진의 시운전 방법에 있어서,

    엔진이 시동되고, 최대 3시간의 전체 작동기간 이내에 전부하에 도달되며, 상기 전체 작동기간중 신규하게 제조된 피스톤 링들의 반경방향 외표면 및/또는 엔진의 시동전 피스톤의 반경방향 외표면의 영역상에 배치되는 시운전 층(32, 37, 40, 42)의 적어도 일부가 라이너의 내표면(13)으로 이동되며, 엔진의 시동전에 반경방향으로 적어도 0.1mm의 두께를 지니며, 300 HV30 이하의 매크로 경도를 지니는 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 디젤형 2행정 크로스헤드 엔진의 시운전 방법.
11. 제10항에 있어서, 신규하게 제조된 실린더 라이너를 지니는 상기 엔진이, 최대 3시간의 전체 작동 시간내에 최대 연소 압력이 135바를 초과하는 전부하에 도달되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 엔진은 최대 1.5 시간의 전체 작동 시간내에 전부하에 도달되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제10항에 있어서, 수개의 신규하게 제조된 피스톤 링들을 구비한 피스톤이 종전에 사용된 실린더 라이너(1)에 장착되며, 상기 엔진은 시동되어, 최대 1시간의 전체 작동 시간내에 전부하에 도달되는 것을 특징으로 하는 방법.