KR20020021647A - 밀폐 링 및 이를 구비한 피스톤 - Google Patents

Abstract

피스톤링 조립체는 상부링과 하부링으로 구성된다. 상기 상부링과 하부링은 공통의 축선과, 공통 외측 환상 표면과 공통 내측 환상 표면과, 상호 접촉면을 가진다. 상기 두 접촉면은 방사상으로 외측단과 내측단을 갖는 접촉부에서 서로간의 접촉상태를 유지한다. 상기 두 접촉면은 상기 외측단에서 방사상으로 벌어져, 첫번째 쐐기형 공간을 형성하고, 그 공간의 꼭지점은 상기 외측단에 존재한다. 그 꼭지각은 대략 10초 내지 1도 30초의 범위를 갖는다. 상기 외측단과 상기 공통 외측환상 표면사이의 거리는 상기 내측단과 상기 공통 내측 환상표면과의 거리보다 길다. 본 발명은 또한 상기 피스톤 링 조립체가 사용되는 피스톤을 포함한다.

Description

밀폐 링 및 이를 구비한 피스톤{PISTON AND PISTON RING ASSEMBLY}

종래의 피스톤은 상부 링과 하부 링을 포함하는 한 쌍의 밀폐 링을 포함한다. 이러한 피스톤은 원통형 벽을 가진 실린더에서 상하로 왕복운동하며, 상기 벽에는 윤활유가 칠해져 있어 상기 링들이 미끄러진다. 상기 하부 링은 미끄러져 내리면서 벽으로 부터 상기 윤활유의 일부를 긁어내리고, 이 윤활유는 하부 링의 외부 아래 가장자리에 축적되어 높은 압력을 형성한다. 그러는 동안에, 하부 링의 하부 환상 측면과, 상하부 링들을 수용하기 위하여 피스톤에 형성된 링 홈의 상부 환상 벽 사이에 환상 틈이 형성된다. 연소실은 보통 피스톤의 상부와 실린더 사이에 형성된다. 상기 축적된 윤활유는 고압에 의해 상기 환상 틈과 상기 링의 내부 원통형 표면과 상기 홈의 밑부분 사이에 형성된 뒤 틈(back gap)을 통하여 연소실안으로 압착된다. 그래서, 상기 윤활유는 연소실에서 연소되어, 윤활유의 낭비와 함께 대기를 오염시킨다.

본 발명은 피스톤 및 피스톤 링에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 한 쌍의 밀폐링이 링 홈에 제공된 피스톤의 축 단면도이고,

도 2는 도 1에서 도시한 밀폐 링의 배열을 나타내는 평면도이고,

도 3은 도 1에서 도시한 밀폐링의 방사상 단면도이고,

도 4는 도 1에서 도시한 링 홈에 인접한 피스톤 부분의 단면도이고,

도 5는 윤활유를 축적하는 공동이 구비된 도 1에서 도시한 피스톤의 실린더내부 하방운동을 도시하고,

도 6은 도 5와 반대방향으로 움직이는 피스톤을 도시한 것으로, 상기 축적된 윤활유의 흐름 상태를 나타내고,

도 7과 도 8은 본 발명의 또다른 실시예를 도시하고,

도 9는 도 2의 부분확대도이고,

도 10은 본 발명의 또다른 실시예를 도시하고,

도 11은 밀폐링의 바람직한 배열을 도시하고,

도 12는 상기 실시예에서의 동작을 도시하는, 도 10의 부분 확대 단면도이다.

따라서, 본 발명의 목적은 연소 가스와 윤활유를 밀폐시키는 성능을 개선한 한쌍의 링들을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 긁어내린 윤활유내의 조성압력을 경감시키는 한 쌍의 링들을 제공함에 있다.

본 발명에 따른 한 쌍의 링들은 상부 링과 하부 링을 포함하고, 상기 링들은 공통 축선, 공통 외측 원통형 표면, 공통 내측 원통형 표면과, 한 쌍의 접촉 면을 구비하며, 상기 접촉면은 방사상 외측단과 방사상 내측단을 갖는 상기 링들의 방사상 단면에서 계합길이를 형성하고, 상기 접촉면과 상기 공통 원통형 표면은 상기 외측단에서 방사상 내향 모서리가 있는 첫번째 쐐기모양 틈을 형성하며, 상기 내향 모서리는 10초 내지 1도 30초 범위의 제 1각을 갖고, 상기 외측단은 상기 공통 내측 원통형표면보다 상기 공통 외측 원통형 표면에서 더 멀리 떨어진다.

본 발명의 다른 실시예인 피스톤은 연소실과 접하는 상부면과, 외측 원통형 표면과, 상기 외측 원통형 표면에 의하여 정의되는 중심축선과, 상기 원통형 표면아래 방사상으로 함몰된 링 홈을 포함하고, 상기 링 홈은 상기 피스톤의 상단을 향하는 환상벽이 설치되며 이 홈의 환상벽과 밀접하는 환상측면을 갖는 밀폐링을 수용하는데 사용되고, 상기 밀폐 링, 상기 피스톤과 상기 외측 원통형 표면은 상기 링의 측면에 의해 정의되는 평면에 걸쳐서 배치된 환상 공동을 형성하고, 상기 환상 공동은 상기 평면과 상기 공동의 원주상 교차점들중 내측교차점에서 방사상으로 함몰되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 본 발명은 가스밀폐용 상부링 (1)과 하부링 (2)을 수용하는 첫번째 링 홈과 윤활유 밀폐링(10)을 수용하는 두번째 링 홈을 갖는 피스톤(8)을 포함한다. 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 상부 링(1)은 장방형 절취부를 갖지만, 상기 하부 링(2)은 방사상 계단형 절취부를 가지고 있으며, 상하부링들은 겹쳐서 배열하되 그 절취부들은 직경방향으로 서로 대향하게 배치된다. 도 3에서 보는 바와 같이, 하부 링(2)은 코 형상의 노치(5)가 형성된 방사상외측 부분을 포함하는 밑면이 있고, 도 4에서 보는 바와 같이 상기 첫번째 홈은 다른 코 형상의 노치(6)로 형성된 방사상 외측 부분을 포함하는 하부 벽을 가지고 있으며, 상기 노치(5)와 노치(6)는 환상 공동(7)을 형성하여 윤활유가 축적되게 하고 상기 축적된 윤활유에 조성된 압력을 경감시킨다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤은 실린더 내부에서 상하로 왕복운동하며, 상기 실린더는 상기 피스톤의 상부와 연소실을 형성한다. 특히, 상기 하부 링(2)은 외측 하부 모서리를 가지며, 상기 하부 모서리는 상기 피스톤이 아래방향으로 움직일 때 실린더 벽으로 부터 윤활유를 긁어 내린다. 이 긁어 내려진 윤활유는 상기 환상 공동(7)안으로 흘러들어가며, 그러는 동안 측방 틈(9)이 상기 하부 링(2)의 밑면과 상기 홈의 하부 벽 사이에서 생성된다. 상기 공동이 상기 첫번째 홈의 하부 벽면이나 상기 측방 틈에 인접하여 함몰되어 있어서, 즉 상기 공동의 정점이 더 좁은 단면을 가질 수록, 상기 압력은 상기 공동에서 분산되어, 상기 하부 링(2)의 노치(5)가 상기 피스톤(8)에 형성된 상기 노치(6)보다 높은 압력을 수용한다. 상기 긁어내려진 윤활유가 노치(5)에서 노치(6)로 압력강하되어 상기 공동의 좁은 단면을 통하여 흐를 때, 상기 측방 틈(9)에는 진공이 형성되어, 상기 측방 틈(9)으로 그곳에 축적된 상기 윤활유를 빨아들이고, 이렇게 하여 상기 윤활유가 연소실로 유입되는 것을 방지한다. 반면, 상기 공동은 긁어내려질 어떤 윤활유라도 자유로이 축적될 수 있도록 충분한 부피를 갖도록 설계되어있어, 상기 공동(7)에는 고압이 조성되지 않는다. 그리하여, 상기 긁어내려진 윤활유는 상기 홈안의 링들을 우회하는 틈을 통하여 연소실로 유입되도록 강제되지 않는다. 그래서 본 발명에서는 오일소모가 저감되고 오염이 감소된다.도 6에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤이 위로 움직일 때 상기 공동(7)에 축적되어 있던 상기 윤활유는 상기 하부 링(2)과 상기 피스톤(8)로 부터 열을 분산시키는 한편 상기 실린더의 벽(13)위에 고르게 방출되어 균일한 윤활 막과 열 교환 매질을 형성한다. 결과적으로, 이 발명에 따르면 링과 피스톤의 윤활이 개선되고 온도가 저감되는 부수적 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 상부 링(1)과 하부 링(2)이 도 7에 도시된 바와 같이, 각각 사다리꼴 방사상 단면을 구성하거나, 도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 링은 직사각형 단면이고 다른 하나는 사다리꼴 단면을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 밀폐링과 피스톤으로 부터 열소산이나 열전달이 효율적이고 링들과 실린더벽 사이의 윤활이 향상되므로 그 수명이 종래의 2배나 된다.

본 발명의 다른 양호한 실시예는 아래에서 상세히 설명된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 피스톤에는 한 쌍의 가스밀폐 링들과 윤활유 밀폐 링이 설치된다. 상기의 가스밀폐 링들은 상기 피스톤의 첫번째 홈에 수용되며, 그들의 절취부는 직경방향으로 마주보게 배열되고 상기 피스톤의 핀(11)로 부터 엇갈리게 배치된다.

도 11에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서 한 쌍의 가스 밀폐링은 상부 링(1)과 하부 링(2)을 포함하고, 피스톤위에 조립되면 상기 링은 모두 직사각형의 방사상 단면을 구성한다. 양호하게는 상기 링들 사이에서 외측 원통형 표면으로 부터 방사상으로 안쪽을 향하며 10초 내지 1도 30초 범위의 각도를 이루는 쐐기모양 틈(22)이 형성된다. 보다 양호하게는 이 각도는 30초 내지 1도 30초 범위 혹은 10초 내지 1도 범위가 된다.

한편, 상기 링들 사이에는 내측 원통형 표면으로 부터 방사상으로 바깥쪽을 향하여 2도 내지 7도 30초 사이의 각도로, 보다 양호하게는 2도 내지 6도 사이의 각도로, 또다른 쐐기모양 틈(23)이 형성되는 것이 바람직하다. 이렇게 해서, 상기 링들의 방사상 단면에는 두개의 쐐기모양 틈 (22)와 (23)이 있으며, 두개의 틈은 방사상 서로를 향하는 뾰족한 정점을 갖는다. 상기 방사상 외측 틈(22)은 내측 틈(23)보다 방사상으로 긴 길이를 갖는다. 전자가 후자보다 방사상 10배 긴 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 상부 링과 하부 링이 어느 정도 서로에 대해 선회할 수 있도록, 상기 날카로운 정점사이에 피벗(pivot)이 마련된다. 명백히, 상기 피벗은 상기 링의 외측 원통형 표면보다 상기 내측 원통형 표면에 방사상으로 더 가깝다.

본 발명의 또 다른 실시예에서 상부링(1)은 다각형의 방사상 단면을 구성하고 하부링(2)은 직사각형의 방사상 단면을 취한다. 상기 상부 링의 상측면과 상기 홈의 상부 벽 사이에 또 다른 환상 틈(9')이 구비되며, 상기 링들과 상기 홈의 방사상 바닥 사이에는 뒤 틈(9")형성된다.

본 발명에 따른 엔진 안에서, 상기 피스톤과 밀폐링들은 아래와 같은 방법으로 동작한다.

흡입 행정시, 즉 배기행정의 끝에 상기 피스톤이 작용행정의 상사점으로 부터 귀환할때, 상기 피스톤은 하사점으로 움직이며, 그과정에서 상기 상부 링(1)은 상기 틈(9')으로부터 침착된 탄화물을 압착한다. 그와 동시에, 상기 상부 링의 윗면과 상기 하부 링의 아랫면은 상기 홈의 상부벽 및 하부벽과 맞물리며, 상기 측방 틈(9)로 부터 상기 뒤 틈(9")으로 오일이 유입되는 것을 방지하는 밀폐수단을 형성한다. 흡입 행정에서, 상기 밀폐링과 상기 링 홈은 자동적으로 연소실로 부터의 연소가스의 누출과 상기 연소실로의 연료 유입을 방지하는 밀폐수단을 형성한다.

상기 흡입행정이 완료된후, 압축행정시, 상기 피스톤은 상기 하사점에서 상기 상사점으로 움직이며, 그 과정에서 상기 하부 링(2)는 상기 측방 틈(9)로 부터 상기 실린더 벽쪽으로 방사상 바깥 방향을 향해 윤활유를 압착한다. 상기 하부링(2)의 아랫면과 상기 홈의 아랫 벽이 밀착되어 밀폐수단을 형성하는 동안, 상기 상부 링(1)의 방사상 내측 상단 모서리는 상기 홈의 윗 벽에 밀착되어 또다른 밀폐 수단을 형성하며, 이 밀폐수단들은 상기 연소실안에서 압축된 공기의 유출을 차단시킨다.

압축행정이 종료된 후, 폭발행정에서 상기 피스톤은 상기 상사점으로부터 상기 하사점을 향하여 아래방향으로 움직인다. 공기와 가솔린의 혼합물이 연소실안에서 점화되면 연소실 내부의 압력이 급격히 증가하고, 상기 압력은 상기 피스톤의 상부와 상부 링의 윗면에 작용한다. 이것은 명백히 상기 뒤 틈(9")에 고압을 가져와, 상부 링을 실린더 벽에 대해 압박시켜, 상기 링이 요동치거나 진동하지 못하게 하여, 연소가스의 유출을 방지한다.

폭발행정이 끝나고 배기행정시, 상기 피스톤이 하사점으로부터 상사점을 향하여 상승할때, 링들은 압축행정에서와 동일한 방법으로 동작한다.

위와 같은 행정들의 설명에서 분명히 알 수 있듯이, 홈 벽들과 밀폐링들 사이에 각각 틈새가 있으므로 상부 링(1)과 하부 링(2)이 피스톤이나 홈에 대해 움직일 수 있어, 연소실로 오일이 새어들거나 연소실에서 가스가 새나가는 것을 막아주는 밀봉수단을 형성한다. 그러므로 이 발명의 링들은 긴 수명과 우수한 성능을 나타낸다.

종전의 기술적 해결 방법에 의하면, 피스톤에 통상적인 한 쌍의 밀폐링이 설치된다. 열 교환을 위해 접촉하는 면이 제한되어 있기 때문에 링들은 고온에 노출되고 윤활이 불량해서 빈번하게 마모되어 버린다.

이 발명에서는 실린더 벽과 밀폐링 사이에 마찰이 감소되고 오일과 가솔린의 소모가 저감되므로 동적성능이 실질적으로 더 효율적이다.

Claims (6)

1. 상부 링과 하부 링을 포함하는 한 쌍의 밀폐 링으로서, 상기 링들은 공통 축선, 공통 외측 원통형 표면, 공통 내측 원통형 표면과, 한 쌍의 접촉 면을 구비하며, 상기 접촉면은 방사상 외측단과 방사상 내측단을 갖는 상기 링들의 방사상 단면에서 계합길이를 형성하고, 상기 접촉면과 상기 공통 원통형 표면은 상기 외측단에서 방사상 내향 모서리가 있는 첫번째 쐐기모양 틈을 형성하며, 상기 내향 모서리는 10초 내지 1도 30초 범위의 제 1각을 갖고, 상기 외측단은 상기 공통 내측 원통형 표면보다 상기 공통 외측 원통형 표면에서 더 멀리 떨어진 한 쌍의 밀폐 링.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 접촉면은 상기 내측단에서 방사상 외향 모서리를 갖는 두번째 쐐기모양 틈을 형성하며, 상기 외향 모서리는 2도 내지 7도 30초 범위의 제 2각을 이루는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 밀폐 링.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1각은 10초 내지 1도 범위에 있는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 밀폐링.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2각은 2도 내지 6도 범위에 있는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 밀폐링.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 첫번째 틈은 두 번째 틈보다 10배 이상의 방사상 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 밀페링.
6. 연소실과 접하는 상부면과, 외측 원통형 표면과, 상기 외측 원통형 표면에 의하여 정의되는 중심축선과, 상기 원통형 표면아래 방사상으로 함몰된 링 홈을 포함하는 피스톤에서, 상기 링 홈은 상기 피스톤의 상단을 향하는 환상 벽이 설치되며 이 홈의 환상벽과 밀접하는 환상측면을 갖는 밀폐링을 수용하는 데 사용되고, 상기 밀폐 링, 상기 피스톤과 상기 외측 원통형 표면은 상기 링의 측면에 의해 정의되는 평면에 걸쳐서 배치된 환상 공동을 형성하고, 상기 환상 공동은 상기 평면과 상기 공동의 원주상 교차점들중 내측 교차점에서 방사상으로 함몰된 피스톤.