KR20070017095A

KR20070017095A - 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치

Info

Publication number: KR20070017095A
Application number: KR1020067004364A
Authority: KR
Inventors: 롤프-게르하르트 피들러
Original assignee: 말레 게엠베하
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2007-02-08
Also published as: KR101234898B1; JP4778429B2; BRPI0414055B1; EP1660794A1; WO2005022011A1; BRPI0414055A; ES2391396T3; CN100504122C; EP1660794B1; DE10340313A1; US7431305B2; US20070017459A1; CN1846088A; JP2007504417A

Abstract

본 발명은 그의 섭동 면(h)이 박판 범위에 걸쳐서 뻗어 있는 정점 선(3)을 가진 볼록 비대칭형을 가진 평행한 측면을 제공하는 박판(1)을 가진 내연기관 피스톤의 오일스크레이핑-링 홈-배열에 관한 것이며 박판은 피스톤크라운 측과 반대방향의 링 홈 측면(6) 및 피스톤크라운 측과 동일방향인 링 측면(5)을 가진 피스톤의 링 홈(7) 안에 배열되어 있다. 발명에 따라서 공지된 선행기술에 비하여 섭동 면의 마찰감소 및 마모감소에 있어서 오일스크레이핑 효과의 개선은 적어도 링 홈 측면 (5, 6) 중의 하나는 피스톤 축에 대하여 일정한 각도(α,β)로 반경 방향으로 외향으로 피스톤 외경에 이르기까지 경사져 있으며 박판(1)의 섭동 면(h)은 길 들여진 엔진상태의 마모에 가까운 최종윤곽에 상당하며 피스톤 내에 오일 링(1)의 조립된 상태에서 섭동 면(h)의 정점 선(3)은 피스톤크라운 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6) 쪽으로 배열되도록 구성되어 있다.

Description

내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치{OIL SCRAPER RING RING GROOVE ARRANGEMENT FOR PISTONS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 그의 섭동 면(running surface)이 박판(薄板)의 원주에 걸쳐 뻗어 있는 정점 선(vertex line)을 가진 볼록 비대칭 형을 가지는 평행한 측면을 갖춘 박판을 가지며, 여기서 상기 박판은 피스톤의 링 홈 내에서 피스톤헤드 측과 반대방향의 홈 측면과 피스톤헤드 측과 동일한 방향의 홈측면을 가지고 배열되는, 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치에 관한 것이다.

엔진의 오일소비가 많은 외에도 엔진의 배출 거동에도 불리한 작용을 초래하는 정도의 과도한 엔진오일이 연소실에 도달하는 것을 방지하기 위하여 실린더 벽(cylinder wall)에 대하여 반경 방향에 따른 압력발생 및 이에 따른 양호한 오일스크레이핑 효과(oil scraping effect)를 얻기 위하여 오일 링의 충분한 접선하중이 필요하다. 그럼에도 강철-박판의 섭동 면에 고도의 면압(面壓)이 작용함에 따라 엔진작동시에 큰 마찰하중이 작용한다. 이러한 마찰하중은 내연기관의 효율을 저하시키며 이에 따라서 연료소비를 증가시킨다. 오일 스크레이터 링의 접선하중의 설계는 따라서 반드시 최소한의 마찰하중과 최대한의 오일스크레이핑 효과 간의 절충을 요한다. 접선하중을 줄이지 않고 엔진작동에 있어서 마찰하중을 줄이기 위한 총체 적인 조치는 이에 따라서 오일 스크레이퍼 링의 설계를 용이하게 하며 엔진의 효율을 개선 시킨다.

이에 따라서 상기 종류에 속하는 오일스크레이퍼 링에 있어서 상기 요구사항을 충족시키기 위한 박판의 섭동 면을 형성하기 위한 연구가 행해져왔다.

오일 스크레이퍼 링 또는 피스톤 링의 비 대칭 섭동 면은 DE 38 33 322 A1, DE 43 00 531 C1 또는 DE 44 29 649 C2에 공지되어 있다. 이와 똑같이 DE 33 05 385 C1에 피스톤 링이 공지되어 있는데 이것은 그의 링 홈-측벽이 개선된 기밀을 유지하기 위하여 피스톤 축에 대하여 특히 평행 경사져 있다. 경사지게 서로 평행한 방향을 취한 링 홈-측벽들은 일본 실용신안 57-73340에도 공지되어 있다. 하지만 이러한 상기 실시형태는 압축 링에 관한 것으로 그의 면압에 관한 요구는 아주 낮으며 이에 반하여 오일 스크레이퍼 링은 높은 면압을 요한다.

본 발명의 과제는 공지된 선행기술에 비하여 오일 링의 섭동 면의 마찰감소와 마모감소에 있어서 개선된 오일스크레이핑 효과를 이루는 내연기관 피스톤의 오일스크레이프 링-링홈-배열을 제공하는 데 있다.

본 과제는 피스톤 축에 대하여 각도를 가지고 링 홈 측면 중의 적어도 하나가 반경방향 외측으로 피스톤 외경에 이르기까지 경사지는 오일스크레이프링-링홈-배열에 의하여 해결되며 이 경우에 특히 피스톤헤드 측과 반대방향의 링 홈 측면이 피스톤헤드로부터 떨어져 경사져 배열되어 있다. 박판의 섭동 면은 길 들여진 엔진상태에서 마모에 가까운 최종 윤곽에 상당하도록 구성되어 있으며 피스톤의 오일 링 조립상태에 있어서 섭동 면의 정점 선은 피스톤헤드 측과 반대방향의 링 홈 측면 쪽으로 배열되어 있다.

박판의 섭동 면은 선행기술에 비하여 현저히 감소 된 볼록(凸)) 비(比)를 가진 비대칭 구배(句配)로 나타나며 섭동 면 윤곽은 2차 다항식에 따라 근사적으로 계산될 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 있어서는 피스톤헤드측과 반대방향의 링 홈 측면은 피스톤헤드에서 떨어져 경사져 있으며 피스톤크라운 측과 동일한 방향의 링 홈 측면은 피스톤헤드 측으로 향한 링 홈 측면은 피스톤헤드 쪽으로 기울도록, 양 링 홈 측면이 피스톤 축에 대하여 일정한 각도를 이루어 반경 방향에 따라 외 측으로 피스톤 외경에 이르기까지 경사 배열되어 있다.

본 발명에 따른 섭동 면 양태 및 본 발명에 따른 형태의 링 홈에 있어서 박판의 배열로 인하여 유리한 유체역학적인 조건에 의한 피스톤의 왕복운동에 따라서 접선하중의 감소 없이 오일 스크레이퍼 링의 마찰하중의 감소가 이루어지며 여기서 피스톤 왕복운동의 변동에 의한 오일스크레이핑 기능이 전 범위에걸쳐서 유지된다. 마찰하중의 감소로 인하여 엔진의 효율개선을 시키거나 또는 변함없는 마찰하중레벨(level)로 접선하중의 증가로 인하여 오일스크레이핑 방법의 개선이 가능하다.

종래의 오일스크레이핑 배열에 비하여 가공비용 및 제조비용이 내려가도록 버팀 스프링(bracing spring)을 생략할 수 있다. 그 밖에도 선행기술에 따른 링팩(ring package)에 비하여 전체의 링 팩의 축 방향 높이의 감축이 실현 가능하다.

본 방법의 적당한 양태들이 본 종속 청구범위의 대상이다.

본 발명의 실시 예는 다음에 도면을 가지고 보다 상세히 설명되며 도면의 내용은 다음과 같다:

도 1은 연소실로부터 멀어진 피스톤의 왕복운동에 있어서 본 발명에 따른 오일 스크레이퍼-링 홈-배열의 단면도;

도 2는 도 1에 따른 피스톤의 반대 왕복운동에 있어서 본 발명에 따른 오일 스크레이퍼 링- 홈-배열의 단면도;

도 3은 2개의 오일 스크레이퍼 링을 가진 오일스크레이퍼-링 홈-배열의 단면도;

도 4는 본 발명에 따른 오일 스크레이퍼 링의 투시도;

도 5는 오일 스크레이퍼 링-링 홈-배열의 제2 실시 예의 단면도

도 6은 오일 스크레이퍼 링-링 홈-배열의 제3 실시 예의 단면도

도 1 및 2에서 보는 바와 같이 오일 스크레이퍼 링- 링 홈-배열은 평행한 측면들과 하나의 섭동 면(h)을 가진 박판(1)으로 되어 있다. 박판(1)은 피스톤(9)의 링 홈(7)에 배열되어 있으며 그리고 엔진의 실린더 벽(8)에 대한 그의 섭동 면(h)과 정렬되어 있다. 링 홈 측면(5)은 피스톤크라운 측을 나타내며 링 홈 측면(6)은 링 홈(7)의 피스톤헤드와 반대방향 측을 나타낸다. 본 발명에 따라서 피스톤헤드 측 링 홈 측면(5)은 피스톤축(10)에 대하여 90°각도로 배열되어 있으며 이 경우에 피스톤헤드와 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6)은 피스톤 외주까지 이르는 각도( β)는 85°내지 87°이다.

오일 스크레이퍼 링-링 홈-배열에 따라서 박판(1)은 박판 주위에 걸쳐 뻗어 있는 정점 선(3)을 가진 볼록 비 대칭형 섭동 면(h)을 가지며 여기서 정점 선(3)은 실린더 벽(8)과 접하는 모서리로서 오일스크레이핑 역할을 한다. 도 1에 의하면 박판(1)은 그의 피스톤내 조립상태에 있어서 그의 정점 선(3)(모서리)가 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6)에 대하여 배열되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 링갭(ring gap)(11)의 반경 방향에 따른 프리스트레스(pre stress)를 증가시키기 위하여 닫을 수 있으며 오일 스크레이퍼 링의 반경 방향에 따라 있는 홈(2)을 가지고 있다.

본 발명에 따라서 박판의 섭동 면(h)은 수백 시간 이상의 엔진작동에서 길 들여진 과정에 상당한 형상을 가진다. 이것은 박판(1)의 단면으로된 섭동면(h)이 비 대칭형의 제1부위(I)의 단면에서 h(x) = ax + bx²의2차 다항식에 따르며 여기에서 x 는 mm단위의 직교좌표계에 있어서 섭동면좌표이며 a, b 계수에서 a는 박판 폭에 대한 박판의 축 방향 측면 유격의 비로 정의되며; b는 섭동 면 곡률의 수치로 정의되고; 모서리(edge)역할을 하는 정점선(II) h(x=0)에 따르며 함수 h(x)=cx²의 비 대칭 형의 제3 부위(III)에서 c는 b의 수배를 따르는 것을 특징으로 한다. 예로서 두께 0,4mm의 박판에 있어서는 값 h(x)=35x + 50x²으로 나타난다. 이에 따라서 도 1 및 2에 의하여 도시된 단면 곡선에서 x는 mm단위의 섭동면 좌표로서 h(x)는 μm단위의 볼록 비를 얻을 수 있다. 이러한 다항식의 계수들은 특정 용도로 조절할 수 있는 것이 당연하며 이 때 중요한 매개변수는 실린더 직경, 박판 단면의 치수 및 링 홈내의 조립된 오일 링의 축 방향 유격상태이다. 본 발명에 따른 섭동 면(h)의 대표적인 볼록 비는 선행기술의 3 내지 15μm/0,15mm에 비하여 약 2 내지 10μm/0,4mm이다.

도 3에 따른 또 다른 실시 예에 의하면 제1 박판(1)외에 제2 박판(1')-둘 다 자유로히 링 홈 내에서 그의 측면에 의하여 서로 쌓여있으며 -링 홈(7)에서 박판 높이에 따라 맞추어진 링 홈의 베이스높이(H)에 의하여 배열되어 있어서 피스톤 축과 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6)사이에 특히 85°내지 87°의 각도(β)가 발생한다. 이러한 실시 예에서 양 정점 선(3, 3')(모서리)은 피스톤크라운 측 링 홈측면(5)과 떨어진 곳을 향하여 배열되어 있다.

도 5에 따른 또 다른 실시 예에 의하면 피스톤헤드 측 링 홈(7)의 링 홈 측면(5)은 피스톤헤드에 대하여 각도(α)로 경사져 있거나 또는 도 6에 도시된 바와 같이 양 링 홈 측면(5 및 6)은, 피스톤헤드 측과 반대방향인 링 홈 측면(6)은 피스톤헤드로부터 떨어져 경사지고 피스톤헤드 측으로 향한 링 홈 측면(5)은 피스톤헤드 쪽으로 경사되도록 경사배열되는 방법으로, 피스톤 축(10)에 대하여 각도(α 및 β)로 반경 방향에 따라 외 측으로 피스톤 외경에 이르기까지 경사 배열된다. 각도(α)는 이때 특히 93°내지 98°이며 각도(β)는 제1 실시 예와 같이 특히 85°내지 87°이다.

본 발명에 따라 개선된 오일스크레이핑 효과는 박판의 섭동 면(h)에서 실린더 축 방향으로 가해지는 마찰력으로 박판을 컵 형으로 굽히는 토크(torque)를 발 생함으로서 이루어진다. 이것은 V-형 링 홈(7)의 양태가 무엇보다도 내측 접촉 면에서 축 방향에 따라 박판의 운동을 방해하는 한편 이에 반하여 외 측 접촉 면에서 명백히 큰 축 방향 운동증폭이 가능하기 때문에 가능하다. 마찰력 및 이에 따른 회전 토크는 피스톤의 왕복운동에 따라 부호를 바꾼다. 마찰력의 크기는 역시 속도에 좌우됨으로 이것이 컵 형 뒤틀림의 지속적인 변화를 초래하며 이것이 동적 비틀림으로 표시된다. 동적 비틀림에 의하여 왕복운동시 연소실로부터 떨어져서 -하향행정- 때 피스톤헤드 측으로 향한 홈 측면에 접하는 박판은 섭동 면의 비 대칭 구배와 결합하여 도 1에 도시된 바와 같이 양호한 오일스크레이핑 작용-"모서리"를 가짐으로 우수한 오일 스크레이핑 작용을 형성시키며- 한편 박판의 각기 다른 위치는 도 2에 도시된 바와 같이 섭동 면의 정해진 볼록 비에 의하여 하향 행정시에 개선된 유체역학특성-"면"을 가진다(부위 I). 이로 인하여 비틀린 상태에서 오일스크레이핑 효과가 좋지 않은 박판에 발생하는 마찰력이 감소 된다. 왕복운동의 변화는 박판의 회전을 일으켜서 박판이 각기 다른 위치에 있게 된다.

오일 링을 엔진 실린더에 조립할 때 예컨대 박판 측면 중의 하나에 색표시를 해서 보장이 될 수 있는 박판의 베어링방향에 유의해야 한다.

섭동 면 형상- 또는 윤곽의 가공은 예컨대 래핑(lapping)으로 가능하다.

본 발명은 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치에 이용될 수 있다.

Claims

내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치로서,

상기 장치는 평행한 측면들을 구비한 박판(1)을 포함하며, 상기 박판의 섭동면(h)은 상기 박판의 주위에 걸쳐 연장되는 정점선(3)을 구비한 비대칭형 크라운 형상을 가지며,

상기 박판은, 피스톤헤드의 반대 방향을 향하는 링 그루브 측면(6)과 상기 피스톤헤드를 향하는 링 그부브 측면(5)을 구비한 상기 피스톤의 링 그루브(7) 내에, 배치되는, 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치에 있어서,

상기 링 그루브 측면들(5, 6)의 최소한 하나는, 상기 피스톤의 외경에 이르기까지 반경 방향으로 외향으로 경사지도록, 상기 피스톤 축(10)에 대하여 소정 각도(α,β)로 연장되며,

상기 박판(1)의 섭동면(h)은, 길들여진 엔진상태에서는 마모 상태에 근접한 최종 윤곽에 상당하며, 피스톤에 오일 스크레이퍼 링(1)이 장착된 상태에서는 섭동면(h)의 정점선(3)은 상기 피스톤 헤드의 반대 방향을 향하는 링 그루브 측면(6)의 방향으로 배치되도록, 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.
제1항에 있어서,

상기 박판(1)의 섭동 면(h)단면은

- 비 대칭 형의 제1부위(I)에서는 h(x) = ax + bx²의 2차 다항식에 따르며,

여기서 x = mm단위의 직교좌표계의 섭동 면 좌표이며 그리고 a, b 는 계수로서, a는 박판 폭에 대한 박판의 축 방향 측면 유격의 비로 정의되며; b는 섭동 면 곡률의 수치로 정의되며;

- 모서리 형을 가진 정점선(II) h(x = 0)에 따르며,

- 함수 h(x) = cx²의 비 대칭 형의 제3부위(III)에 있어서 c는 b의 수배로 따르는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 링 홈측면(6)은 일정한 각도(β)를 가지고 피스톤헤드로부터 떨어져 경사져 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

피스톤헤드 측을 향하는 링 홈 측면(5)은 일정한 각도(α)로 피스톤헤드 쪽으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

홈 베이스높이(H)를 가진 링 홈(7)내에 2개의 박판(1, 1')이 자유로 서로 쌓여 배열되어 있으며 여기서 홈 베이스높이는 각도(β)가 제1항에 의한 배열에 따른 값과 일치하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.
제5항에 있어서,

양 정점 선(3, 3')은 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 링 홈측면(6)쪽을 향하면서 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.
제3항에 있어서,

각도(α)는 93 내지 98도의 값을 포함하며 각도(β)는 85 내지 87도의 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.
내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치로서,

상기 장치는 평행한 측면들을 구비한 박판(1)을 포함하며, 상기 박판의 섭동면(h)은 상기 박판의 주위에 걸쳐 연장되는 정점선(3)을 구비한 각각 하나의 비대 칭형 크라운 형상을 가지며,

상기 박판(1)은, 피스톤헤드의 반대 방향을 향하는 링 그루브 측면(6)과 상기 피스톤헤드를 향하는 링 그부브 측면(5)을 구비한 상기 피스톤의 링 그루브(7) 내에, 배치되는, 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치에 있어서,

상기 링 그루브 측면들(5, 6)은, 상기 피스톤의 외경에 이르기까지 반경 방향으로 외향으로 경사지도록, 상기 피스톤 축(10)에 대하여 각각 각도α 및 β 로 배열되며, 피스톤헤드의 반대 방향을 향하는 상기 링 그루브 측면(6)은 상기 피스톤헤드로부터 떨어져 경사지며 그리고 상기 피스톤헤드를 향하는 링 그부브 측면(5)은 피스톤헤드 쪽으로 경사 배열되며,

상기 박판(1)의 섭동면(h)은, 길들여진 엔진상태에서는 마모 상태에 근접한 최종 윤곽에 상당하며,

피스톤에 오일 링(1)이 장착된 상태에서는 섭동면(h)의 정점선(3)은 상기 피스톤 헤드의 반대 방향을 향하는 링 그루브 측면(6)의 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.
제7항에 있어서,

박판(1)의 섭동 면(h)단면은

- 비 대칭 형의 제1부위(I)에 있어서 h(x) = ax + bx²의2차 다항식에 따르며,

여기서 x 는 mm단위의 직교좌표계의 섭동 면 좌표이며, 그리고 a, b 는 계수로서 a는 박판폭에 대한 박판의 축 방향 측면 유격의 비로 정의되며 b는 섭동 면 곡률의 수치로 정의되고;

- 모서리 형을 가지는 정점(II) h(x = 0)을 따르며, 그리고

- 함수 h(x) = cx² 의 비대칭 형의 제3부위(III)에 있어서 c는 b의 수배인

것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼링 링그루브 장치.