KR20060049342A - 피스톤 링 - Google Patents

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KR20060049342A KR1020050100733A KR20050100733A KR20060049342A KR 20060049342 A KR20060049342 A KR 20060049342A KR 1020050100733 A KR1020050100733 A KR 1020050100733A KR 20050100733 A KR20050100733 A KR 20050100733A KR 20060049342 A KR20060049342 A KR 20060049342A
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Abstract

왕복동 피스톤 연소기관, 특히 2행정 대형 디젤형인 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤(10)용 피스톤 링(1)은 외측 반경 및 내측 반경, 축방향 높이(H), 및 상기 외측 반경과 내측 반경 사이의 차이에 해당하는 폭(B)을 가지며, 상기 피스톤 링의 높이는 상기 피스톤 링의 폭보다 크거나 동일하다.
피스톤 링, 왕복동, 연소기관, 2행정, 높이, 폭, 진동, 이음부

Description

피스톤 링 {A PISTON RING}
도 1은 종래기술의 피스톤에 장착된 피스톤 링에 대한 상세단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링을 나타내는 도면이다.
도 3a-c는 이음부에 대한 3개의 상이한 변형을 나타내는 상세도이다.
도 4는 형상화된 가동면 및 보호층을 구비한 본 발명에 따른 피스톤 링의 변형을 나타내는 단면도이다.
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤용 피스톤 링에 관한 것이며, 또한 이러한 유형의 피스톤용 피스톤 링을 구비한 피스톤 링 팩, 및 이러한 유형의 피스톤 링 또는 피스톤 링 팩을 구비한 피스톤, 및 이러한 유형의 피스톤을 구비한 왕복동 피스톤 연소기관에 관한 것이다.
왕복동 피스톤 연소기관, 특히 디젤형인 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤에는, 피스톤의 그루브에 안착하여 실린더 공간을 외부에 대하여 밀봉하는 작용을 하는 피스톤 링이 제공된다. 왕복동 피스톤 연소기관 및 특히 2행정 대형 디젤형인 왕복동 피스톤 연소기관에 사용되는 피스톤 링은 대부분 직사각형의 단면을 갖는 다. 가동면 영역에서는 상기 가동면의 특별한 형상으로 인해 직사각형 형상으로부터 약간의 편차가 일어날 수 있다. 종래 피스톤의 축방향 높이는 일반적으로, 호칭 직경이 100㎜ 이상인 경우에 반경방향의 단면 치수, 즉 외경과 내경의 차이보다 상당히 작다. 축방향 높이가 큰 것은, 그에 따른 무게의 증가 및 작동 중에 발생하는 관성이 피스톤 링의 작동 행태에 악영향을 주기 때문에, 일반적으로 권장되지 않는다. 이러한 사실은 특히 고속 가동 왕복동 피스톤 연소기관에 적용된다. 피스톤 링의 호칭 직경에 따른 축방향 높이의 전형적인 값은 예를 들어 DIN 34110에 열거되어 있다.
이러한 유형의 피스톤 링의 단점은 작동 중에 진동이 발생된다는 것이다. 이와 관련하여, 휨 진동(bending oscillation) 및 비틀림 진동(torsional oscillation)이 특히 문제이다. 이들 진동은 그루브 벽에 충격을 주게 되며, 특히 그루브의 전방 에지를 마모시키게 된다. 따라서, 피스톤 링의 지지 포인트가 그루브의 내측으로 변위된다. 그러면, 피스톤 링은 그루브 내에 더 이상 안정된 방식으로 놓이지 않게 되고, 이는 마모를 더욱 증가시킨다.
본 발명의 목적은 왕복동 피스톤 연소기관, 특히 2행정 대형 디젤형인 왕복동 연소기관의 피스톤용으로, 보다 커다란 휨 강성 및 비틀림 강성을 가지며 작동 중에 피스톤의 그루브 내에 안정된 방식으로 놓이는 피스톤 링을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 피스톤용의 이러한 유형의 피스톤 링을 구비하는 피스톤 링 팩, 이러한 유형의 피스톤 링 또는 피스톤 링 팩을 구비하는 피스톤, 그리고 이러 한 유형의 피스톤을 구비하는 왕복동 피스톤 연소기관을 제공하는 것이다.
상기 목적은 특허청구범위 제1항에 정의한 피스톤 링, 제8항에 정의한 피스톤 링 팩, 제9항에 정의한 피스톤, 및 제10항에 정의한 왕복동 피스톤 연소기관에 의해 달성된다.
왕복동 피스톤 연소기관, 예를 들면 디젤형 특히 2행정 대형 디젤형인 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤을 위한 본 발명에 따른 피스톤 링은, 외측 반경(ra) 및 내측 반경(ri), 축방향 높이(H), 및 상기 외측 반경과 내측 반경 사이의 차이에 해당하는 폭(B)을 가지며, 피스톤 링의 높이는 피스톤 링의 폭보다 크거나 동일하다. 피스톤 링의 폭/높이 비율은 1:1 이상, 특히 1:1.1 내지 1:1.5 이상이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 피스톤 링에는 가동면, 상측면, 하측면, 및 상기 가동면의 반대쪽에 놓이는 내측면이 형성되며, 적어도 상기 가동면은 예를 들어 내마모성 보호층 및/또는 길들이기층(running-in layer)의 보호층을 갖는다. 나머지 표면에도 보호층이 제공될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 피스톤 링의 기재는 주철, 특히 라멜라(lamellar) 흑연, 버미큘라(vermicular) 흑연, 또는 구상 흑연을 함유한 주철을 포함한다. 보다 바람직한 변형예에서, 상기 보호층은 전기분해(galvanically) 또는 열적 분사 처리(thermal spraying process) 방식으로 도포되었다. 상기 보호층은 바람직하기로 는, 용접에 의한 부착, 보호층과 기재의 용착, 및/또는 기재에 대한 불순물 원자의 확산에 의해 형성되었다. 보호층의 형성 및/또는 금속열역학적 용접을 위해 필요한 열은 국부적으로 한정된 영역에, 예를 들면 레이저 또는 유도가열에 의해 공급된다.
피스톤 링의 가동면은 상부 및 하부 에지가 모따기 되거나(chamfered) 둥글게 되며 축방향 높이의 적어도 일부분이 외측으로 구부러진 아치형 및/또는 원뿔형으로 형상을 이룬다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 피스톤 링은 예를 들어 원주방향으로 형성되는 이음부에서 서로 접하며 피스톤 링의 축에 대하여 직각인 이음면에 의해 실질적으로 기밀성인 조인트를 포함한다.
본 발명은 또한 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤용이며 전술한 것과 같은 유형의 복수의 피스톤 링, 바람직하게는 동일한 폭을 가진 복수의 피스톤 링, 이러한 유형의 적어도 하나의 피스톤 링 또는 이러한 유형의 피스톤 링 팩을 구비한 피스톤, 및 이러한 유형의 적어도 하나의 피스톤을 구비한 왕복동 피스톤 연소기관, 예를 들면 디젤형, 특히 2행정 대형 디젤형인 왕복동 피스톤 연소기관을 포함한다.
본 발명에 따른 피스톤 링은 축방향 높이가 큰 덕분에, 상당히 큰 휨 강성 및 비틀림 강성을 갖는다. 이로 인해, 작동 중의 휨 진동 및 비틀림 진동의 문제가 효과적으로 저감되고 심지어는 모두 방지될 수 있다. 이것은 피스톤 링이 그루브 내에 안정적으로 지지되도록 한다. 실린더 또는 실린더 라이너의 마무리 동안, 예를 들어 직경의 차이 등과 같은 윤곽의 불균일이 발생하거나 잔존한다. 따라서, 예를 들어 작동 상태의 2행정 대형 디젤 연소기관의 실린더 라이너의 직경 차이는 0.2㎜까지 이르게 된다. 본 발명에 따른 피스톤 링의 커다란 축방향 높이는 이러한 유형의 차이를 양호하게 보정하고 윤곽의 형태를 양호하게 하도록 한다. 특히, 커다란 축방향 높이는 넓은 가동면 및 지지면을 가능하게 하며 이와 관련하여 작동 중의 대향하는 동력학적인 힘 및 윤활 유막의 두께를 증대시킨다. 이로 인해, 실린더의 윤곽에 대한 피스톤 링의 대응이 용이해지고, 피스톤 링의 가동면 및 실린더 또는 실린더 라이너에서 양자의 마모가 감소된다.
또한, 본 발명에 따른 피스톤 링은 실질적으로 기밀성 이음의 제공을 가능하게 한다. 이러한 유형의 이음은, 종래의 피스톤 링과 같이 축방향 높이가 작은 경우에 파단되기 쉬운 돌출부를 포함한다. 본 발명에 따른 피스톤 링은 축방향 높이가 크기 때문에, 돌출부가 안정적으로 형성될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예는 독립청구항 및 첨부도면에서 볼 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조한 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술의 피스톤에 장착된 피스톤 링(1)의 상세단면도이다. 피스톤(10)은 단지 일부분만을 나타내었으며, 작동 중에 실린더의 내벽 또는 실린더 라이너(20)를 따라 움직인다. 피스톤과 실린더의 내벽 또는 실린더 라이너 사이에는 간극이 형성되고, 그 폭은 실린더 윤곽의 불균일로 인해 약간 변화될 수 있다. 피스톤(10)에는 그루브(11)가 형성되며, 그 내부에 실질적으로 직사각형인 단면을 가진 종래의 피스톤 링(1)이 배치된다. 피스톤 링(1)의 치수는 그루브(11) 내에 느슨하게 안착되고 피스톤 링의 가동면이 실린더의 내벽 또는 실린더 라이너(20)와 접촉되도록 선택된다. 이로 인해, 피스톤 링은 작동 중에, 실린더의 윤곽 또는 실린더 라이너가 불균일하더라도 이들을 따를 수 있다. 피스톤 링이 그루브 내에 느슨하게 안착되어 있기 때문에, 작동 중에 실린더 내의 압력이 그루브와 피스톤 링 사이에서도 작용을 하여, 피스톤 링은 그 자체의 응력에 의해서만이 아니라 압력에 의해서도 실린더의 내벽 또는 실린더 라이너에 가압된다.
종래의 피스톤 링은 휨 강성 및 비틀림 강성이 제한되기 때문에, 피스톤 링(1)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 피스톤 링에 작용하는 마찰력 및 동력학적 힘에 의해 그루브 내에서 비틀림 된다. 이로 인해, 피스톤 링은 그루브 벽(12)에 균일하게 놓이지 않고 그루브의 전방 에지(12a)에 심하게 접촉하게 된다. 피스톤 운동의 방향 변경은 종래의 피스톤 링의 비틀림을 변경시켜서, 휨 진동 및 비틀림 진동, 이와 연관되는 그루브 벽(12)에 대한 충격, 및 그루브(11)의 전방 에지(12a)의 마모를 증대시킨다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링의 실시예를 나타내는 도면이다. 도시한 피스톤 링은 왕복동 피스톤 연소기관, 예를 들면 디젤형, 특히 2행정 대형 디젤형인 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤의 밀봉을 위해 작용한다. 피스톤 링(1)은 외측 반경(ra) 및 내측 반경(ri), 축방향(7) 높이(H), 및 외측 반경과 내측 반경 사이의 차이(ra-ri)에 해당하는 폭(B)을 가지며, 피스톤 링(1)의 높이(H)는 피스톤 링의 폭(B)보다 크거나 동일하다. 피스톤 링(1)은 또한 가동면(2), 상부면(4), 하부면(5), 및 가동면(2)과 반대쪽에 놓이는 내측면(3)을 갖는다. 편의상, 폭/높이의 비 율(B:H)을 적어도 1:1로 하며, 1:1.1 이상 또는 1:1.5 이상이 바람직하다. 이러한 유형의 피스톤 링은 동일한 직경의 종래의 피스톤 링에 비해 상당히 큰 휨 강성 및 비틀림 강성을 갖는다. 휨 강성 및 비틀림 강성이 높기 때문에, 작동 중에 발생하는 마찰력 및 동력학적 힘에 의한 이러한 유형의 피스톤 링의 비틀림은 실질적으로 무시될 수 있다.
피스톤 링(1)의 일 지점에는, 도 3a-c에 나타낸 바와 같이 파티션 이음부(8)가 형성되며 이음부라고 한다. 이음부로 인해, 피스톤 링은 실린더의 직경 또는 실린더 라이너의 불균일에 대응될 수 있다. 이음부는 또한 피스톤 링을 피스톤에 장착하기 용이하도록 하며, 작동 중에 피스톤 링의 미리 정해진 본래의 장력을 유지하도록 한다. 도 3a는 간단한 이음매의 변형을 상세하게 나타낸다. 이러한 변형에서, 이음부는 축방향으로 진행되는 파티션 이음부로 이루어진다. 이러한 변형은 제조비용이 낮은 장점과 함께 파티션 이음부의 밀봉 효과가 최소인 단점을 갖는다. 도 3b는 경사지게 연장되는 파티션 이음부를 가지는 또 다른 변형의 이음부를 나타낸다. 이러한 파티션 이음부 또한 제조가 용이하다.
도 3c에 나타낸 변형의 이음부에서, 피스톤 링의 일 단부에 설부(tongue)가 형성되고 타 단부에는 절결부가 형성되어, 피스톤 링의 폭 및 높이의 일부분이 상호 연장되도록 설계되어 있다. 설부 및 절결부는 피스톤 링의 원주방향에서 서로 슬라이딩되어 변위 가능하도록 설계되고 배치된다. 설부로 인해, 파티션 이음부는 설부의 영역에서의 단절이 축방향 뿐 아니라 반경방향으로도 이루어진다. 종래의 피스톤 링에서는 축방향 높이가 낮기 때문에 설부가 매우 얇아지고 따라서 파단되 기 쉬우며, 이로 인해 기밀성 이음부가 추가되기도 한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 피스톤 링은 축방향 높이가 비교적 크기 때문에 아무런 문제없이 기밀성 이음부가 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링의 실시예에 대한 단면도이다. 피스톤 링(1)은 가동면(2)을 가지며, 본 실시예에서는 가동면(2)이 내마모성 보호층(6b) 및 보호층(6b) 상에 선택적으로 길들이기층(6a)을 가진다. 필요한 경우, 피스톤 링의 나머지 표면에도 보호층이 제공될 수 있다. 피스톤 링의 기재는 바람직하게, 주철, 예를 들면 라멜라 흑연, 버미큘라 흑연, 또는 구상 흑연을 함유하는 주철로 이루어진다. 연소기관의 유형에 따라 다른 기재가 사용될 수도 있다. 보호층은 예를 들어 전기분해 또는 열적 분사 처리 방식으로 도포될 수 있다. 보호층은 용착, 용접, 브레이징, 및/또는 기재에 대한 불순물 원자의 확산에 의해 형성될 수 있다. 보호층의 형성에 필요한 열은 국부적으로 한정된 영역에, 예를 들면 레이저 또는 유도가열에 의해 공급되는 것이 바람직하다. 용착된 표면 영역은 예를 들어 코팅 파우더 및/또는 브레이징 화합물 및/또는 기재의 표면을 포함한다. 상기 표면은 약간만 그리고 코팅 파우더에 대한 금속열역학적 결합이 일어나는 범위까지만 용융되는 것이 바람직하다.
도 4에 나타낸 실시예에서, 가동면(2)은 상부 및 하부 에지(2a)가 모따기 되어 있으며 이들 에지(2a) 사이에 놓이는 영역(2b)이 외측으로 구부러진 아치를 형성하고 있다. 모따기는 가동면의 에지(2a)의 둥근 모서리 대신에 제공될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 피스톤에는 본 발명에 따른 복수의 피스톤 링, 예를 들면 3개 내지 5개의 피스톤 링이 제공된다. 이러한 피스톤용 피스톤 링은 또한 피스톤 링 팩이라고 하며, 각각의 피스톤 링은 피스톤의 장착된 위치에 따라 상이한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들면 각각의 피스톤 링의 축방향 높이 및/또는 이음부는 이상적인 밀봉성 및 가동성을 얻기 위해 피스톤에서의 위치에 따라 상이하게 설계될 수 있다. 피스톤 링 팩은 동일한 폭의 피스톤 링으로 형성되는 것이 바람직하다.
왕복동 피스톤 연소기관, 특히 2행정 디젤형인 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤(10)용 피스톤 링(1)은 외측 반경 및 내측 반경, 축방향 높이(H), 및 상기 외측 반경과 내측 반경 사이의 차이에 해당하는 폭(B)을 가지며, 피스톤 링의 높이는 피스톤 링의 폭보다 크거나 동일하다. 이러한 유형의 피스톤 링은 종래의 피스톤 링에 비해 상당히 큰 휨 강성 및 비틀림 강성을 갖는다. 따라서, 작동 중에 발생되는 휨 진동 및 비틀림 진동 및 그에 따른 피스톤 링, 그루브, 및 실린더 라이너에서의 마모는 거의 무시될 수 있다.

Claims (10)

  1. 왕복동 피스톤 연소기관, 특히 2행정 디젤형인 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤(10)용 피스톤 링으로서, 상기 피스톤 링(1)은 외측 반경(ra) 및 내측 반경(ri), 축방향 높이(H), 및 상기 외측 반경과 내측 반경 사이의 차이에 해당하는 폭(B)을 가지며,
    상기 피스톤 링(1)의 상기 높이는 상기 피스톤 링의 상기 폭(B)보다 크거나 동일한 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폭/높이 비율은 1:1.1 이상, 특히 1:1.5 이상인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    가동면(2), 상측면(4), 하측면(5), 및 상기 가동면(2)의 반대쪽에 놓이는 내측면(3)을 가지며, 적어도 상기 가동면은 보호층, 특히 내마모성 보호층 및/또는 길들이기층(running-in layer)을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    주철(cast iron), 특히 라멜라(lamellar) 흑연, 버미큘라(vermicular) 흑연, 또는 구상 흑연을 함유하는 주철로 만들어지는 기재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 내마모성 보호층 또는 상기 길들이기층은 전기분해(galvanically) 또는 열적 분사 처리(thermal spraying process) 방식으로 도포되거나, 상기 내마모성 보호층은 상기 기재에 대한 불순물 원자의 확산에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동면(2)의 상부 에지 및 하부 에지는 모따기 되거나(chamfered) 둥글게 되어 있으며, 상기 가동면 상기 축방향 높이의 적어도 일부분이 외측으로 구부러진 아치형이거나 원뿔형인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    실질적으로 기밀성인 이음부를 구비하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  8. 왕복동 피스톤 연소기관의 피스톤용 피스톤 링 팩에 있어서,
    상기 피스톤 링 팩은 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복수의 피스톤 링, 특히 동일한 폭을 가지는 복수의 피스톤 링으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 피스톤 링을 하나 이상 구비하거나, 제8항에 따른 피스톤 링 팩을 구비하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  10. 제9항에 따른 피스톤을 하나 이상 구비하는 2행정 대형 디젤형의 왕복동 피스톤 연소기관인 것을 특징으로 하는 왕복동 피스톤 연소기관.
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