KR20030086286A - 왕복 기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더(2)에 수용된 적어도 하나의 피스톤(7)을 포함하는 왕복 기관에 관한 것이다. 상기 피스톤은 피스톤 링 홈(8)에 배열되는 적어도 하나의 피스톤 링(10)을 구비한다. 상기 피스톤 링에 있는 단부(12, 13)는 그루브 및 스프링 형태로 서로 맞물리고, 원주를 간극 없이 가로지르며 실린더면의 주행면과 공동 작용하는 외주면을 형성한다. 본 발명의 목적은 상기 엔진을 가능한 한 오랫동안 마모가 적게 구동하고 운전 능력을 높이는 데 있다. 본 발명의 목적은 적어도 하나의 단부(12)가 적어도 하나의 방사상 관통 리세스(18)를 구비하고, 관통 리세스의 개방된 횡단면이 서로 맞물리는 두 단부(12, 13)의 상호 상대운동에 의해 영향을 받음으로써 달성된다.

Description

왕복 기관 {RECIPROCATING ENGINE}

상기에서 설명된 형태의 슬롯(slot) 없는 피스톤 링의 경우 점화 압력(ignition pressure)이 높으면 바람직하지 않게 피스톤의 부하가 높아지기 때문에, 배치된 시트면 및 주행면에 높은 부하와 심한 마모가 생길 수 있다. 따라서 피스톤 링의 높이를 관통하는 원주면 누출 홈(leakage groove)을 구비하는 것이 이미 제안된 바 있다.

동종의 피스톤 링은 유럽 특허 EP 0742 875 B1에 기재되어 있다. 여기에서는 원주면 누출 홈의 내부 횡단면이 피스톤 링의 마모가 계속되면 점점 더 작아지므로, 결국 피스톤 링이 밀폐되고, 배치된 시트면 및 주행면의 바람직하지 않은 높은 부하 및 심한 마모와 연관하여 상기에서 언급된 문제점이 다시 발생된다는 단점이 있다. 이와 연관하여, 실린더 헤드를 간단하게 검사하는 차원에서 원주면 누출 홈의 아직 남아있는 횡단면을 확인하기가 대단히 어렵거나 전혀 확인할 수 없다는 단점도 있다. 따라서 상기에서 언급된 형태의 피스톤 링이 취급자도 제때 알아차리지 못한 상태에서 갑자기 밀폐되어, 취급자가 시트면 및 주행면의 마모와 관련된 상기에서 언급된 단점들 때문에 놀라게 되는 일이 과거에는 흔히 발생했다.

본 발명은 실린더에 수용되는 적어도 하나의 피스톤을 포함하는 왕복 기관, 특히 주로 2행정 대형 디젤엔진 형태의 왕복 내연기관에 관한 것으로, 피스톤은 피스톤 링 홈(piston ring groove)에 배열되는 적어도 하나의 피스톤 링(piston ring)을 구비하고, 피스톤 링에 있는 단부(end pieces)는 그루브(groove) 및 스프링(spring) 형태로 서로 맞물리고, 원주를 간극(gap) 없이 가로지르며 실린더면의 주행면(running surface)과 공동 작용하는 외주면(outer peripheral surface)을 형성한다.

도 1은 2행정 대형 디젤 엔진의 실린더를 수직으로 절단한 부분 도면.

도 2는 서로 맞물리는 단부를 갖는 본 발명에 의한 피스톤 링을 도시한 부분 사시도.

도 3은 도 2의 선 III/III을 따라 절단한 도면.

도 4는 마모되지 않은 상태에서 서로 맞물리는 단부를 갖는 본 발명에 의한피스톤 링을 방사상 외부에서 본 부분 도면.

도 5는 비교적 긴 구동 시간 후 도 4에 따른 장치를 보여주는 도면.

본 발명의 목적은 서두에 언급된 형태의 장치가 간단하고도 저렴한 방법을 통해, 가능한 한 오랫동안 마모가 적게 구동되고 운전 능력을 높이는 데 있다.

본 발명의 목적은 적어도 하나의 단부가 적어도 하나의 방사상 관통 리세스(radial through recess)를 구비하고, 관통 리세스의 개방된 횡단면이 서로 맞물리는 두 단부의 상호 상대운동(relative movement)에 의해 영향을 받음으로써 달성된다.

이러한 방안을 통해, 서두에 언급된 단점들을 완벽하게 방지할 수 있다. 적어도 한쪽 단부에 구비되는 방사상 관통 리세스는 바람직하게 슬롯 없는 피스톤 링의 경우에도 의도적으로 누출을 가능하게 함으로써, 피스톤 링의 마모가 커져도 누출이 자동으로 줄거나 완전히 사라지지는 않는다. 따라서 본 발명에 의한 방안을 통해 피스톤 링이 완전히 마모될 때까지 바람직한 누출을 유지할 수 있으므로, 점화 압력이 높은 장치의 경우에도 피스톤 링이 완전히 마모될 때까지 비교적 부하가 적으며, 무리가 가지 않게 장치를 구동할 수 있다. 이와 동시에 피스톤 링의 소정의 마모의 두께를 완전히 활용할 수 있으므로, 전체 수명이 길어지고 따라서 수리 비용이 작게 든다. 본 발명에 의한 피스톤 링은 갑자기 밀폐되지 않기 때문에 상기의 장점은, 시트면 및 주행면의 부하에 불리한 영향을 미치지 않으면서 비교적 강도가 높은 재질을 활용함으로써 더욱 강화된다. 갑자기 밀폐되는 피스톤 링의 경우, 강도가 높은 재질의 사용은 시트면 및 주행면을 빨리 손상시킬 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명에 의한 관통 리세스가 피스톤 및 실린더 라이너(cylinder liner) 사이의 간극으로부터 비교적 멀리 떨어져 있어서, 그곳의 온도는 비교적 낮을 수 있다. 이로써 도달 가능한 수명에 마찬가지로 긍정적으로 작용하고, 특히 피스톤 링 세트의 최상부 피스톤 링에 유리하게 된다. 본 발명에 의한 방안의 또 다른 장점으로는, 본 발명에 의한 관통 리세스를 실린더 헤드(cylinder head)의 검사로 쉽게 파악할 수 있어서 믿을만한 관리가 가능하므로, 취급자가 갑자기 못쓰게 된 피스톤 링 때문에 놀랄 필요가 없다는 점을 들 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 방안은 수명이 긴 것 외에, 안정성이 높고 취급하기 용이하며 전체적으로 대단히 경제적으로 된다.

본 발명에 의한 방안들의 바람직한 형태 및 바람직한 개선 형태는 종속항에 제시된다. 피스톤의 한쪽 단부에는 축과 평행한 내부 레그(leg) 및 내부 레그에 대해 직각으로 연장되는 상부 레그에 의해 경계지어지는 방사상 외부로 개방된 그루브가 구비되고, 다른쪽 단부에는 그루브에 맞물리는 핑거(finger)가 구비되므로, 본 발명에 의한 관통 리세스는 축과 평행한 레그 및/또는 핑거 영역에 구비되는 것이 바람직하다. 본 발명에 의한 방안은 따라서 이미 확인된 슬롯 없는 피스톤 링의 구조 원리의 활용에 모순되지 않고, 이 구조 원리를 바람직하게 개선한 것이라는 장점을 지닌다. 검사로 쉽게 인식할 수 있는 본 발명에 의한 관통 리세스가 생기면, 원주면 누출 리세스의 상태에 대한 믿을만한 정보를 얻을 수 있다. 축과 평행한 레그 및/또는 핑거 영역에 구비되는 본 발명에 의한 관통 리세스는 바람직하게 추후에도 장착이 가능하다. 따라서 이미 언급된 방안들에서는 바람직하게, 이미 언급된 슬롯 없는 피스톤 링에 본 발명에 의한 관통 리세스를 추후에 간단히 장착하는 것도 가능하다.

그루브를 구비하는 단부의 축과 평행한 레그는 본 발명에 의한 관통 리세스를 구비하는 것만으로 대체로 충분하다. 이런 방법을 통해, 피스톤 링을 간단하게 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 피스톤 링의 언급할만한 약점 역시 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 관통 리세스는 상기 단부의 하부면에 구비되는 것이 바람직하다. 이런 방법을 통해, 본 발명에 의한 관통 리세스가 피스톤 및 실린더 라이너 사이의 간극에 대해 갖는 간격이 가능한 한 커지므로, 온도는 특히 낮아질 수 있다.

상기에서 언급된 방안들의 다른 개선 형태에서는 위에서부터 아래까지 관통되는 원주면 누출 리세스를 구비하는 피스톤 링의 경우, 본 발명에 의한 관통 리세스가 적어도 원주면 누출 리세스의 횡단면이 마모 때문에 작아질 때에 개방되도록 형성되고 배치됨으로써 흐름 저항은 소정의 값을 능가한다. 이로써 우선 원주면 누출 리세스는 활동적이고, 마모가 계속 진행되어 누출 리세스가 더 이상 충분하지 않으면 추가 누출 리세스로 이루어지는 본 발명에 의한 관통 리세스가 추가된다는점이 확인되었다. 이런 방법을 통해, 피스톤 링의 전체 수명이 연장되고, 언급된 피스톤 링이 갑자기 밀폐되지 않는다는 점을 확인할 수 있다. 이로써 취급자의 주의 부담이 덜어진다.

본 발명에 의한 방안들은 또한 원주면 누출 리세스의 횡단면이 줄어드는 만큼 개방 횡단면이 커지도록 관통 리세스가 배열되고 형성될 수 있는 가능성을 제공한다. 이런 방법을 통해, 비교적 긴 시간에 걸쳐 누출의 비율이 균등하게 되고 따라서 구동 조건도 동일하게 될 수 있다.

다른 형태에서는 본 발명에 의한 관통 리세스가 슬롯이 있는 피스톤 링의 슬롯 내부 횡단면에 상응하는 개방 횡단면을 구비하도록 형성되고 배열된다. 이 때문에 본 발명에 의한 방안은 활동적인 누출 횡단면에 관한 한 높은 가변성을 지닐 수 있어서, 요구 사항이 아무리 여러 가지여도 간단히 해결 가능하다.

상기에서 언급된 방안들의 기타 바람직한 형태와 바람직한 개선형태는 나머지 종속항들에 제시되고, 도면에 의거한 다음의 예에 대한 설명에서 보다 상세히 알 수 있다.

본 발명의 주요 대상은 왕복 내연기관, 특히 예컨대 선박의 구동에 적용될 수 있는 2행정 대형 디젤 엔진이다. 동종의 장치의 구조 및 작용 방식은 이미 잘 알려져 있고, 따라서 이 점에 대해서는 더 자세한 설명이 필요하지 않다.

도 1에 도시된 연소실(combustion chamber)(1)을 포함하는 2행정 대형 디젤 엔진의 실린더는 실린더 라이너(2) 및 실린더 헤드(6)로 이루어진다. 이때 실린더 헤드는 실린더 라이너에 수용되며, 밸브(3)에 의해 조절되는 배기구(outlet)(4) 및 분사 밸브(injection valve)(5)를 구비한다. 연소실(1)의 이동 가능한 하부 경계는 실린더 라이너(2)에 유도되는 피스톤(7)에 의해 형성되고, 피스톤은 상부 및 상부에 고정되는 하부로 이루어질 수 있다. 피스톤(7)의 상부에는 원주면 피스톤 링 홈(8, 9)이 네 개 구비되고, 이 피스톤 링 홈에 각각 하나의 피스톤 링(10, 11)이 수용된다.

동종의 피스톤 링 세트의 하부 피스톤 링, 즉 두 개의 하부 피스톤 링(11)은 대체로 슬롯이 있는 피스톤 링으로 형성되고, 약간의 각도를 갖고 경사진 피스톤 링 단부들은 슬롯 또는 간극을 형성하면서 서로 마주보고 있다. 이러한 형태의 피스톤 링 세트의 적어도 최상부 피스톤 링은 동력 손실을 방지하기 위해 슬롯 없는 피스톤 링으로 형성되고, 이러한 피스톤 링은 원주 전체를 간극 없이 가로지르며 실린더 라이너(2)의 주행면과 공동 작용하는 원주면을 구비한다. 본 실시예의 경우, 피스톤 링 세트의 상부 두 개의 피스톤 링(10)은 동종의 슬롯 없는 피스톤 링으로 형성된다.

도 2에서 알 수 있듯이, 슬롯 없는 피스톤 링은 그루브 및 스프링의 형태에 따라 상호 맞물리는 단부(12, 13)를 구비한다. 단부는 피스톤 링 접합부(piston ring joint)에, 외주면을 중단시키고 위에서 아래까지 가로지르는 간극이 생기지 못하도록 형성된다. 도 2의 근거가 되는 예에서 좌측에 도시된 단부(12)는 방사상 외부 및 하부로 개방된 그루브(14)를 구비하고, 그루브는 도 3에서 볼 수 있듯이 방사상 내부로는 피스톤 축에 대해 평행으로 연장되는 레그(15)에 의해, 또 상부로는 상기 레그에 대해 직각으로 연장되는 상부 레그(16)에 의해 경계지어진다. 우측에 도시된 다른 단부(13)는 그루브(14)에 삽입 가능하고 횡단면상 그루브에 적합한 핑거로 형성된다.

슬롯이 있는 피스톤 링의 경우, 피스톤 링 단부들 사이에 있는 슬롯 또는 간극의 영역에 누출이 발생할 수 있는 유로(flow way)가 형성된다. 원주를 통해 폐쇄되고 가로지르는 슬롯 없는 피스톤 링(10)의 원주면은 동종의 누출을 허용하지 않는데, 이것은 위에서 이미 언급한대로 피스톤 링 세트의 최상부 내지 상부 피스톤 링에 바람직하다. 그러나 후속 피스톤 링에 충분한 가압(pressurization)을 보장하기 위해서는 의도적인 누출이 필요하다. 이를 위해 도 2의 근거가 되는 피스톤 링(10)의 경우 원주면에 배열되고 위에서 아래까지 가로지르는 누출 홈(17)이 구비된다. 누출 홈은 축과 평행한 외곽 선(case line)에 대해 비스듬히 연장될 수 있고, 도시된 예에서는 단지 간단한 설명을 위해 축과 평행하게 연장되도록 도시되었다. 마모되지 않은 상태의 누출 홈(17)은 깊이(t)를 갖는다.

구동이 진행되는 동안 피스톤 링(10, 11)은 실린더 라이너(2)의 주행면과 공동 작용하는 외주면에서 마모되므로, 두께가 계속 줄어든다. 이러한 두께 감소는 피스톤 링이 확장됨으로써 균형을 이루게 된다. 이때 슬롯이 있는 피스톤 링(11)의 경우 피스톤 링 단부들 사이의 간격은 점점 커지고, 슬롯 없는 피스톤 링(10)의 경우 서로 맞물리는 단부(12, 13)는 상응하게 서로 밀린다. 도 2에 따른 실시예에서는 단부(13)를 형성하는 핑거가 부분적으로는 단부(12)의 그루브(14)로부터 다시 밀려난다.

피스톤 링의 두께가 감소하면, 깊이 및 누출 홈(17)의 내부 횡단면 역시 점점 작아진다. 이로써 흐름 저항은 더욱 커진다. 일정한 흐름 저항부터는 누출 홈(17)을 통해 누출이 더 이상 일어날 수 없다. 그러나 본 발명에 의한 형태의 피스톤 링(10)이 갑자기 밀폐될 수 없다는 사실을 보장하기 위해, 적어도 하나의 단부(12 내지 13) 영역에 적어도 하나의 방사상 관통 리세스(18)가 구비된다. 이때 관통 리세스의 개방 횡단면은 두 단부(12, 13)의 상호 상대 운동에 의해 조절될 수 있다.

관통 리세스(18)는 핑거로 형성된 단부(13) 및 그루브(14)를 포함하는 단부(12)에 배치된다. 도시된 예에서는 오직 단부(12)만 방사상 관통 리세스(18)를 포함한다. 이를 위해 방사상 내부에서 그루브(14)와의 경계를 이루는 레그(15)는 앞쪽 및 아래쪽 에지(edge) 영역에 에지 리세스(edge recess)(19)를 구비한다. 이로써 형성된 관통 리세스(18)는 상기 단부(12)의 자유 단부 하부면 영역에 위치한다.

방사상 내부 레그(15)의 하부 단부 영역에 구비되는 관통 리세스(18)는 따라서 실제로 배치된 피스톤 링 홈(8)의 안쪽 하부 에지 영역에 위치하고, 또한 연소실(1)과 통하는 실린더 라이너(2) 및 피스톤(7) 사이의 간극으로부터 가장 먼 영역에 위치한다. 관통 리세스(18)를 통해 누출이 발생하는 한, 피스톤 링(10)은 도 3에서 흐름을 보여주는 화살표(20)로 암시된 것처럼 실제로 환류해야 한다. 이로써 관통 리세스(18) 영역에 작용하는 온도 부하는 전체적으로 유지된다.

마모되지 않은 상태의 피스톤 링(10)의 경우, 도 4에서 알 수 있는 것처럼 단부(13)를 형성하는 핑거는 멀리서 단부(12)의 배치된 그루브(14)에 들어감으로, 관통 리세스(18)의 모습이 가려지고 이로써 폐쇄된다. 이때 바람직한 누출은 오직 원주면 그루브(17)를 통해 이루어진다. 마모가 커지면, 단부(13)를 형성하는 핑거는 도 5에 암시된 것처럼 계속 그루브(14)로부터 밀려나온다. 단부(13)를 형성하는 핑거의 앞쪽 단부가 그루브(14)의 안쪽 단부에 대해 리세스(18)의 안쪽 단부가 갖는 간격(L)에 의한 소정의 위치(position)를 넘어서자마자, 도 5에서 볼 수 있듯이 관통 리세스(18)는 부분적으로 열려진다. 이와 비슷한 상황이 도 2에도 나타나 있다.

이때 간격(L)은 관통 리세스(18)가 열려질 정도로 선택될 있다. 관통 리세스가 열리는 것은 원주면 누출 홈(17)이 사라지거나, 도 4에서 누출 홈(17)(실선으로 도시됨)을 통해 암시되듯이 주로 흐름 저항이 커짐에 따라 이를 통해 생긴 누출이 거의 정지될 정도로 줄어드는 경우이다. 그러나 관통 리세스(18)가 일찍 개방되도록 간격(L)을 선택할수도 있다. 관통 리세스(18)의 높이(H)를 추가로 선택할 수 있으므로, 마모가 커지고 있는 관통 리세스(18)의 개방된 횡단면은 원주면 누출 홈(17)의 전체 횡단면이 작아지는 것만큼 커진다.

마찬가지로 관통 리세스(18)가 처음부터 열려 있도록 간격(L)을 선택할수도 있다. 이러한 경우에는 원주면 누출 홈(17)을 완전히 포기할 수 있다. 내부 높이(H)를 상응하게 선택함으로써 어느 경우에나 개방된 누출 횡단면의 바람직한 크기를 얻을 수 있다. 따라서 이러한 경우에는 관통 리세스(18)의 개방된 횡단면이 슬롯이 있는 피스톤 링의 슬롯 내지 간극의 내부 횡단면에 항상 상응하도록 간격(L) 및 내부 높이(H)를 선택하는 것도 가능하다.

본 발명에 의한 실시형태들은 본 발명이 도시된 실시예들에만 국한되지 않음을 보여준다.

본 발명은 실린더에 수용되는 적어도 하나의 피스톤을 포함하는 왕복 기관, 특히 주로 2행정 대형 디젤엔진 형태의 왕복 내연기관에 이용된다.

Claims (10)

1. 실린더(2)에 수용되는 적어도 하나의 피스톤(7)을 포함하고, 상기 피스톤은 피스톤 링 홈(8)에 배열되는 적어도 하나의 피스톤 링(10)을 구비하고, 상기 피스톤 링의 단부(12, 13)는 그루브(14) 및 스프링 형태로 서로 맞물리고, 원주를 간극 없이 가로지르며 실린더면의 주행면과 공동 작용하는 외주면을 형성하는 왕복 기관, 특히 주로 2행정 대형 디젤엔진 형태의 왕복 내연기관으로서,

   적어도 하나의 단부(12)가 적어도 하나의 방사상 관통 리세스(18)를 구비하고, 상기 관통 리세스의 개방된 횡단면이 서로 맞물리는 상기 두 단부(12, 13)의 상호 상대운동에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
2. 제1항에 있어서,

   상기 단부(12)는 방사상 외부 및 하부로 개방되고 축과 평행한 내부 레그(15) 및 상기 내부 레그에 대해 직각으로 연장되는 상부 레그(16)에 의해 경계지어지는 그루브(14)를 구비하고, 다른쪽 단부(13)는 상기 그루브(14)에 맞물리는 핑거를 구비하며,

   상기 단부(12)의 축과 평행한 상기 레그(15) 및/또는 상기 단부(13)의 핑거는 상기 적어도 하나의 관통 리세스(18)를 구비하는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 단부(12, 13) 중 하나의 단부만 상기 관통 리세스(18)를 구비하는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
4. 제3항에 있어서,

   상기 그루브(14)를 구비하는 상기 단부(12)의 축과 평행한 레그(15)는 상기 관통 리세스(18)를 구비하는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 관통 리세스(18)는 상기 단부(12)의 하부면 영역에 구비되는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 관통 리세스(18)는 상기 단부(12)의 자유 단부 영역에 배열되는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피스톤 링(10)이 위에서 아래까지 가로지르는 원주면 누출 리세스(17)를 구비하며,

   상기 관통 리세스(18)는 적어도 상기 원주면 누출 리세스(17)의 횡단면이 작아져서 흐름 저항이 소정의 값을 넘을 때에 개방되도록 형성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피스톤 링(10)이 위에서 아래까지 가로지르는 원주면 누출 리세스(17)를 구비하며,

   상기 관통 리세스(18)는 개방된 횡단면이, 상기 원주면 누출 리세스(17)의 횡단면이 마모에 의해 작아지는 것만큼 커지도록 형성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 관통 리세스(18)는 슬롯이 있는 피스톤 링(11)의 슬롯 내부 횡단면에 상응하는 개방된 횡단면을 구비하도록 형성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 왕복 기관.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    복수의 피스톤 링(10, 11)을 포괄하는 피스톤 링 세트를 구비하며,

    적어도 최상부 피스톤 링(10)은 상기 그루브(14) 및 스프링의 형태에 따라 서로 맞물리는 상기 단부(12, 13)를 구비하는 슬롯 없는 피스톤 링으로 형성되고, 적어도 하나의 단부(12) 영역에 적어도 하나의 방사상 관통 리세스(18)를 구비하는것을 특징으로 하는 왕복 기관.