KR20020037045A

KR20020037045A - 왕복-피스톤 기관용 피스톤 링

Info

Publication number: KR20020037045A
Application number: KR1020027002787A
Authority: KR
Inventors: 목크즐스키레흐
Original assignee: 존 스텐달 한센; 맨 비 앤드 더블유 디젤 에이/에스
Priority date: 1999-09-04
Filing date: 2000-08-19
Publication date: 2002-05-17
Also published as: DE19942241C2; GB2370091B; GB2370091A; WO2001018434A1; AU6571900A; DE19942241A1; SE0200329L; KR100467380B1; JP2003532823A; SE518994C2; JP3931964B2; GB0204494D0; SE0200329D0

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 피스톤(5)을 갖는 왕복 피스톤 기계에 관한 것이다. 상기 피스톤은 이 피스톤(5)의 대응 피스톤 링 홈(7) 내에 위치되는 적어도 하나의 피스톤 링(6)을 구비하고, 상기 피스톤 링 홈은 상기 피스톤 링(6)에 적합한 지지면(8)을 가지고 있다. 본 발명의 목적은 지지면(8) 영역 내의 높은 압력에도 불구하고 마모 없는 작동 및 상기한 피스톤의 고 내구성을 가능하게 하는데 있다. 이러한 목적으로, 상기한 피스톤 링은 지지면(8)을 향하는 저면의 적어도 방사상 외측 영역에, 오일 포켓(13) 및 인접하는 지지 영역(18)을 형성하는 홈(14, 15)을 구비한다. 피스톤 링의 기본 재질의 마모 저항과는 다른 마모 저항을 갖는 알루미늄 청동으로 적어도 부분적으로 구성되는 충전재(16, 17)가 상기 홈에 배치된다.

Description

왕복-피스톤 기관용 피스톤 링{PISTON RING FOR A RECIPROCATING PISTON MACHINE}

피스톤 링에 작용하는 힘은 피스톤의 상하 운동의 결과로서 방향의 변화를 겪는다. 그러므로 상기 피스톤 링은 틸팅 운동으로 자극된다. 이것은 피스톤 링 홈의 지지면의 방사상 외측 에지의 영역에서 윤활막이 손상될 수 있는 매우 높은 압축력에 이르게 한다. 그러므로 그 결과 불충분한 윤활 및 극도의 마멸이 발생된다. 지지면, 특히 방사상 외측 영역에, 보강 코팅을 제공함에 의하여 이 문제점을 해결하기 위한 시도들이 이미 있었다. 일반적으로, 후자를 위하여 크롬이 사용된다. 그러나, 상기 경우에서도 이전에 언급된 마멸이 발생되며 또한 매우 높은 불리한 효과를 가지고 있었다. 상기에 관련하여 크롬층의 표면에, 바람직하게 크롬보다 더 큰 경도를 갖는 얇은 산화크롬층이 형성되는 것을 가정할 수 있다. 그러나, 상기 산화크롬층이 파괴되자 마자, 매우 빠른 마모가 발생될 수 있는 결과로, 매우 연질의 크롬이 노출된다.

본 발명은 적어도 하나의 피스톤을 가지고 있으며, 상기 피스톤은 이 피스톤의 결합 피스톤 링 홈 내에 배치되는 적어도 하나의 피스톤 링을 구비하고, 상기 홈은 상기 피스톤 링과 결합되고 바람직하게 크롬 코팅에 의하여 방사상 외측 영역에 적어도 부분적으로 보강되는 지지면을 가지고 있는, 왕복-피스톤 기관, 특히 2행정 대형 디젤 기관에 관한 것이다.

도 1은 2행정 대형 디젤 기관의 실린더의 부분 단면도이다.

도 2는 결합 피스톤 링 홈을 갖는 피스톤 링을 관통하는 방사상 단면도이다.

도 3은 홈의 연질 충전재를 갖는 일 실시예의 경우에 피스톤 링과 피스톤 링 홈 사이의 상호 접촉부의 확대 상세도이다.

도 4는 홈의 경질 충전재를 갖는 일 실시예의 경우의 도 3과 같은 도면이다.

도 5는 그루브홈형 홈을 갖는 피스톤 링의 저면도이다.

도 6은 구멍형 홈을 갖는 피스톤 링의 저면도이다.

상기 배경에 반하고, 따라서 본 발명의 목적은, 피스톤 링 홈의 지지면의 영역에서 고 압축력에도 불구하고, 저-마모 작동 및 긴 수명이 달성되는 방식으로 처음에 언급한 종류의 장치를 개선하는 간단하고 값싼 수단을 갖는데 있다.

상기한 목적은 상기 피스톤 링이 지지면을 향하는 피스톤 링 밑면의 적어도 방사상 외측 영역에 오일 포켓 및 상기 오일 포켓에 인접한 지지 영역을 형성하기 위하여 충전재와 결합되는 홈을 구비하고, 상기 충전재가 피스톤 링 기본 재질의 마모 저항과는 다른 마모 저항을 갖는 알루미늄 청동을 적어도 부분적으로 포함하는 본 발명에 따라 달성된다.

새로운 상태에서 상기 홈은 결합 충전재에 의하여 완전히 폐쇄될 수 있다. 따라서, 기계 가공하기 쉬운 매끄러운, 비-형상(non-profiled) 표면이 된다. 그러나, 초기 작동 상태 동안에서와 같이, 연질재의 더욱 급속한 마모 때문에 원하는 오일 포켓(13)이 발생되는데, 상기 경우에 그 오일 포켓의 깊이는 피스톤 링의 증가하는 마모와 함께 상기 마모에 따른 비율로 진행하지만 원하는 방식으로 매우 낮아, 수명 내내 원하는 오일 포켓이 존재한다. 상기 오일 포켓에 윤활유가 저장될 수 있으며, 상기 윤활유는 주기적으로 발생하는 압축력의 결과로 피스톤 링 홈의 지지면과 피스톤 링의 지지면 사이의 간극으로 가압되고, 상기 오일 포켓을 둘러싼다. 상기 오일 포켓은 비교적 낮은 깊이 그러므로 비교적 저 용량을 가지고 있으므로, 그 결과 실질적으로 얇은 오일막이 전체 피스톤 링 표면에 걸쳐서 분포되며, 따라서 표면 압력의 국부적인 증가가 발생되지 않는다. 상기 설명은 본 발명에 따른 수단으로 초기에 설명한 목적이 극히 단순하고 값싼 방식으로 달성되는 것을 증명한다.

상기 수단의 바람직한 개량 및 실질적인 개선은 종속항에 표시된다.

따라서, 상기 홈의 충전재를 형성하는 재질은 피스톤 링 기본 재질보다 더 낮거나 또는 더 높은 마모를 가질 수 있다. 제1 경우에서, 상기 오일 포켓은 충전재를 구비한 상기 홈의 영역에 발생된다. 제2 경우에서, 상기 오일 포켓은 충전재를 구비한 상기 홈 사이의 영역에 발생된다. 제1 경우에서, 지지면으로부터 파괴되는 재질은 연질 충전재 재질로 들어갈 수 있으며 따라서 고정될 수 있다. 상기한 방식에서, 상기 재질 입자들의 자유 운동을 정지하는 것이 가능하며, 따라서 상기 재질 입자들이 일으키는 파괴를 방지한다. 제2 경우에서, 상기 피스톤 링 기본 재질보다 더욱 경질인 재질이 선택될 수 있으며, 따라서 그 마모가 매우 느린 속도로만 진행하게 된다.

피스톤 링 기본 재질보다 더 연질인 충전재 재질로서, 알루미늄, 철 및 구리를 포함하는 알루미늄 청동이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 피스톤 링 기본 재질보다 더 경질인 충전재 재질을 형성하도록, 알루미늄, 철, 망간, 실리콘, 탄소 및 구리를 포함하는 알루미늄 청동이 사용될 수 있다.

상기 수단의 다른 개선에서, 상기 홈은 이격된 그루브 형상 및/또는 결합 표면을 따라 일정하게 분포되는 막힌 구멍을 적어도 부분적으로 가질 수 있다.

제1 경우에서, 제조가 결과적으로 비교적 쉽다. 제2 경우에서, 각각의 결합 표면을 걸쳐서 특히 양호한 분포가 얻어진다.

다른 바람직한 수단은 상기 피스톤 링 밑면의 방사상 내측 영역에 홈이 없도록 될 수 있다. 상기 외측 영역에서 보다 피스톤 링 밑면의 방사상 내측 영역에서 더 느리게 마모되는 홈의 충전재가 또한 가스 침투를 방지하도록 할지라도, 상기 수단에 의하여 불필요한 가스 침투가 특히 신뢰할 수 있는 방식으로 방지될 수 있다.

또한 상기 수단의 바람직한 개량 및 실질적인 개선은 나머지 종속항에 표시되고 도면을 참조하여 실시예의 다음 설명으로부터 상세하게 알 수 있다.

본 발명은 왕복-피스톤, 특히 왕복-피스톤 내연기관, 바람직하게 크로스헤드형 구조의 저속 2행정 대형 디젤 엔진에 사용된다. 이와 같은 장치의 구조 및 방식은 알려져 있으며 따라서 본 문맥에서 더 이상의 설명을 필요로 하지 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 2행정 대형 디젤 기관의 실린더는 입구 슬롯(1)을 구비하고 도시되지 않은 출구 장치를 포함한 일부분만이 도시된 실린더 헤드(3) 상에 장착되는, 실린더 라이너(2)를 포함한다. 상기 실린더 헤드는 연소실(4)의 상부 경계를 형성하고, 상기 실린더 내에 배치되는 피스톤(5)에 의하여 형성되는 하부 경계는 상하로 이동할 수 있게 하며 도시되지 않은 방식으로 크랭크축과 함께 커넥팅 로드를 통하여 협동하는 크로스헤드에 피스톤 로드로 연결된다.

상기 피스톤(5)은 본 경우에서 4개의 피스톤 링(6)을 포함하는 피스톤 링 세트를 구비한다. 도 2에서 명백히 나타난 바와 같이, 상기 피스톤 링(6)은 피스톤 스커트의 결합 피스톤 링 홈(7) 내에 각각 배치된다. 피스톤 링(6)의 밑면은 상기 경우에 결합 피스톤 링 홈(7)의 결합 밑면 지지면(8) 상에 리셋(reset)된다. 상기 피스톤 링(6)의 외주면은 작동면(running surface)으로 설계되고, 실린더 라이너(2)의 작동면으로 마찬가지로 설계되는, 그 내부에 기대고 위치한다.

피스톤 링(6)과 각각 결합되는 피스톤 링 홈(7)의 상호 접촉면에 뿐만 아니라 피스톤 링(6)과 실린더 라이너(2)의 작동면에 윤활유를 공급하기 위하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 실린더 라이너(2)는 미 도시된 장치에 의하여 기관의 행정 동안 윤활유를 채워줄 수 있는, 레이디얼 윤활유 구멍(9)을 구비할 수 있다.

피스톤 링 홈(7)은 결합되는 피스톤 링(6)에 비하여 각각 큰 치수를 가지고 있어, 피스톤 링(7)의 내부에서 위쪽으로 및 방사상으로 도 2에 보이는 간극(gap)(10)이 발생되고, 상기 간극은 피스톤(5)과 실린더 라이너(2)에 의하여연소실(4)에 연결되며 그러므로 작동 중에 연소 가스로 채워질 수 있다. 따라서, 방사상 외측 방향 레이디얼 힘 및 하향 축 방향 힘이 피스톤 링에 작용한다. 상기 레이디얼 힘이 실린더 라이너(2)에 대하여 피스톤 링(6)을 가압한다. 상기 축 방향 힘에 의하여 피스톤 링(6)이 결합 지지면(8)에 대하여 각각 그 밑면에 의하여 가압된다. 마찰력이 연소실(4) 내의 압력으로부터 발생되는 축 방향 힘에 중첩되고, 상기 마찰력은 피스톤(5)의 상향 이동 동안 아래쪽으로 향하고 피스톤의 하향 이동 동안 위쪽으로 향한다.

하향력은 피스톤 링(6)의 밑면과 각각 결합되는 홈-측면 지지면 사이에 매우 높은 압축력에 이르게 한다. 그러므로 상기 지지면(8)은 바람직하게 크롬 코팅에 의하여 보강된다. 크롬은 단지 일반적으로 인정하듯이 약 300 HV의 경도를 가지고 있다. 그러나, 크롬층의 표면에서 얇은 산화크롬층이 발생되는데, 산화크롬층은 약 800 HV의 매우 높은 경도에 이르게 되며, 따라서 양호한 지지 특성을 갖게된다.

피스톤(5)의 상향 및 하향 운동 동안 힘의 방향 변화 때문에, 피스톤 링(6)은 약간의 틸팅(tilting) 운동을 하며, 따라서 지지면(8)의 방사상 외부 영역의 압력이 특히 높게 된다. 상기 영역은 지지면(8) 폭의 대략 1/3을 포함한다. 상기 높은 압축력은 추가적인 조치없이, 오일막의 파괴에 이르게 하며, 따라서 견고한 산화크롬층이 매우 빨리 마모되며, 비교적 연질의 크롬을 노출시키게 하며, 또한 더 빠른 비율로 마모를 진행시키게 한다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 지지면(8)의 방사상 외부 영역과 결합되는 적어도 그 밑면의 영역에서 피스톤 링(6)은 오일 포켓(oil pocket)(13)을 구비하는데, 상기 오일 포켓은 도 2에 단순히 나타나고 도 2에서 나타나지 않지만 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 지지 영역(18)에 인접한다. 상기 오일 포켓(13)은 오일 저장기로서 기능한다.

상기 오일 포켓(13)을 형성하기 위하여, 도 3 및 도 4에 잘 나타난 바와 같이, 상기 피스톤 링(6)이 그 밑면 영역에 마모 저항을 갖는 재질의 충전재(filling)(16 및/또는 17)와 결합되는 홈(14 및/또는 15)을 구비하고, 상기 마모 저항은 피스톤 링(6)의 기본 재질의 마모 저항과는 다르다.

도 3의 기초를 형성하는 예에서, 홈(14)의 충전재(16)는 피스톤 링 기본 재질의 마모 저항보다 낮은 마모 저항을 갖는 재질을 기초로 한다. 상기 충전재(16)를 형성하기 위하여, 알루미늄, 철 및 구리를 포함하는 알루미늄 청동이 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 경우에 2% - 20%, 바람직하게 9% - 11% Al(알루미늄), 0.5% - 8%, 바람직하게 0.5% - 2% Fe(철) 및 잔류원소 Cu(구리)가 제공될 수 있다.

새로운 상태에서, 상기 홈은 결합 충전재에 의하여 완전히 폐쇄될 수 있다. 따라서, 기계 가공하기 쉬운 매끄러운, 비-형상(non-profiled) 표면이 된다. 그러나, 초기 작동 상태 동안에서와 같이, 기본 재질과 비교되는 충전재의 더욱 급속한 마모의 결과로서, 원하는 오일 포켓(13)이 발생되는데, 상기 오일 포켓은 비교적 낮은 깊이를 가지고 있으며 따라서 비교적 얕은 오일 저장기로서 기능한다.

상기 홈(14)의 외측에 위치하는, 피스톤 링 밑면의 영역은 이미 앞에서 설명한 지지 영역을 형성한다. 주기적으로 압축력을 발생하는 결과로서 오일 포켓(13) 내에 저장된 오일은 옆길로 멀리 가압되고 상기 경우에서 부득이하게 피스톤 링 홈의 지지면(8)과 피스톤 링의 지지면(18) 사이의 간극(19)으로 통과한다. 비교적 낮은 오일 체적 및 오일 포켓(13)의 비교적 낮은 깊이 때문에 이것은 전체 지지면(8) 위로, 전체 지지면(8) 위로 일정하게 분포되는 연속적인 얇은 오일막을 발생시켜, 제공되는 오일 포켓(13)에도 불구하고 지지면(18)의 영역 내의 표면 압력의 국부적인 증가가 없다.

도 4의 기초를 형성하는 예에서, 상기 홈(15)의 충전재(17)를 형성하는 재질은 피스톤 링 기본 재질의 마모 저항보다 높은 마모 저항을 가지고 있다. 새로운 상태에서, 상기 홈(15)은 마찬가지로 완전히 가득찰 수 있으며, 따라서 기계 가공하기 쉬운 매끄러운, 비-형상 표면으로 된다. 여기서, 초기 작동 상태 동안에서와 같이 충전 재질과 비교되는 피스톤 링 기본 재질의 더 급속한 마모 때문에, 원하는 오일 포켓(13)이 홈(15)의 충전재(17) 사이 영역에서 발생한다. 상기 케이스에서 충전재(17)는 제자리에 남아 있고 단지 매우 느리게 마모되고 오일 포켓(13)의 범위를 결정한다.

여기서, 적당한 재질로서, 적어도 알루미늄, 철, 망간, 실리콘, 탄소 및 구리를 포함하는 알루미늄 청동이 사용될 수 있다. 바람직하게 상기 재질은 2% - 20% Al, 0.5% - 10% Fe, 0.1% - 8% Mn,=, 1% - 2% Si, 0.1% - 10% Ni, =, 1% - 2% C 및 각각 구성 원소 Sb(안티몬), Co(코발트), Be(베릴륨), Cr(크롬), Sn(주석), Cd(카드뮴), Zn(아연), Pb(납) 중 적어도 하나의 많아야 5% - 20% 및 잔류원소 Cu(구리)를 포함할 수 있다. 특히 바람직하게 14% - 17% Al, 3% - 5% Fe, 1% - 3% Mn, 0.1% - 2% Si, 많아야 0.3% C 및 잔류원소 Cu가 제공될 수 있다.

상기 충전재(17)의 밑면은 제자리에 위치하며, 따라서 피스톤 링의 지지면(18)을 형성한다. 상기 효과는 도 3과 관련하여 상기에서 이미 나타낸 것과 동일하다. 각 경우는 피스톤 링 마모를 증가시키면서 그에 따른 비율로 진행되는 오일 포켓(13)의 비교적 낮은 깊이로 이르게 한다. 주기적으로 발생하는 압축 동안 오일 포켓(13) 내에 저장된 오일은 지지면(8)과 지지면(18) 사이의 간극(19)으로 막의 형태로 가압된다. 오일 포켓(13)의 낮은 깊이 때문에 오일막이 발생되는데, 상기 오일막은 전체 지지면(8) 위로 균일하게 분포된다.

상기에서 언급한 홈(14 및/또는 15)은 임의의 형상을 가질 수 있는데, 예를 들면, 상기 홈은 도 5에 도시된 바와 같이 그루브(20) 형상을 가질 수 있으며, 또는 도 6에 도시된 바와 같이 막힌 구멍(21) 형상을 가질 수 있다. 이격된 그루브(20)는 레이디얼 형상 또는 도시된 바와 같이 곡선 형상을 가질 수 있다. 상기 그루브(20)는 도 5의 오른쪽에 나타난 바와 같이 피스톤 링(6)의 전체 폭에 걸쳐서 연장될 수 있으며, 또는 도 5의 왼쪽에 나타낸 바와 같이 외측 영역에 형성될 수 있다. 상기 마지막에 언급된 변형은 피스톤 링(6) 아래에 불필요한 가스 침투를 방지하는 것을 더 쉽게 한다.

상기 막힌 구멍(21)은 바람직하게 결합 표면에 걸쳐서 일정하게 분포되고, 전체 피스톤 링 폭에 대한 분포가 도 6의 왼쪽에 나타낸 바와 같이 제공될 수 있으며, 도 6의 오른쪽에 나타낸 바와 같이 방사상으로 외측 영역에 걸쳐서만 제공될 수 있다. 상기 예에서 오일 포켓(13)은 불필요한 가스 침투를 항상 양호하게 막을 수 있는 지지면(18)에 의하여 실질적으로 둘러싸이는 안전지대(islands)를 형성한다.

상기 피스톤 링(6)의 외주 작동면의 영역에서 양호한 오일 분포를 보장하도록, 도 2에 더 자세하게 나타난 바와 같이, 상기 피스톤 링(6)은 적어도 하나의 채널(22)과 함께 그 외주 작동면의 영역에 제공될 수 있으며, 상기 채널은 원주 방향으로 연장되고 결합 피스톤 링(6)의 전체 외주를 따라 오일 포켓(23)을 형성하도록 연속적인 원주 웨브(web)(24)에 의하여 실린더 헤드(3)로 향하는 피스톤 링 상부면으로부터 떨어져 배치된다.

본 발명은 왕복-피스톤, 특히 왕복-피스톤 내연기관, 바람직하게 크로스헤드형 구조의 저속 2행정 대형 디젤 엔진에 사용된다.

Claims

적어도 하나의 피스톤(5)을 가지고 있으며, 상기 피스톤(5)은 이 피스톤(5)의 결합 피스톤 링 홈(7) 내에 배치되는 적어도 하나의 피스톤 링(6)을 구비하고, 상기 홈은 지지면(8)을 가지고 있고, 상기 지지면은 상기 피스톤 링(6)과 결합되고 크롬 코팅(12)에 의하여 적어도 방사상 외측 영역에서 바람직하게 보강되는 왕복-피스톤 기관, 특히 2행정 대형 디젤 기관에 있어서,

상기 피스톤 링(6)은 지지면(8)을 향하는 피스톤 링 밑면의 적어도 방사상 외측 영역에, 오일 포켓(13) 및 상기 오일 포켓에 인접한 지지 영역(18)을 형성하기 위하여, 충전재(16, 17)와 결합되는 홈(14, 15)을 구비하고,

상기 충전재(16, 17)는 피스톤 링 기본 재질의 마모 저항과는 다른 마모 저항을 갖는 알루미늄 청동을 적어도 부분적으로 포함하는

것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제1항에 있어서,

상기 충전재(16)를 형성하는 재질은, 피스톤 링 기본 재질의 마모 저항과는 다른 마모 저항을 갖는 알루미늄 청동을 전적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 충전재(16)를 형성하는 재질은 피스톤 링 기본 재질보다 낮은 마모 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제3항에 있어서,

상기 충전재(16)를 형성하는 알루미늄 청동은 적어도 알루미늄, 철 및 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 충전재(17)를 형성하는 재질은 피스톤 링 기본 재질보다 더 높은 마모 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제5항에 있어서,

상기 충전재(17)를 형성하는 알루미늄 청동은 적어도 알루미늄, 철, 망간, 실리콘, 탄소 및 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 오일 포켓(13)을 형성하기 위하여 제공되는 상기 홈은 이격된 그루브(20) 형상을 적어도 부분적으로 갖는 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 오일 포켓(13)을 형성하기 위하여 제공되는 상기 홈은, 결합면을 걸쳐서 일정하게 분포되는 막힌 구멍 형상을 적어도 부분적으로 갖는 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피스톤 링(6) 밑면의 방사상 내측 영역은 홈이 없는(recess-free) 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피스톤 링 또는 상기 피스톤 링들(6)은 적어도 하나의 채널(22)과 함께 그 외주 작동면의 영역에 제공되며, 상기 채널은 원주 방향으로 연장되고 결합 피스톤 링(6)의 전체 외주를 따라 오일 포켓(23)을 형성하도록 연속적인 원주 웨브(web)(24)에 의하여 실린더 헤드(3)로 향하는 피스톤 링 상부면으로부터 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 왕복-피스톤 기관.