KR20070017948A

KR20070017948A - Oil scraper ring for pistons of internal combustion engines

Info

Publication number: KR20070017948A
Application number: KR1020067004374A
Authority: KR
Inventors: 롤프-게르하르트 피들러
Original assignee: 말레 게엠베하
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2007-02-13

Abstract

본 발명은 그의 섭동 면(h)이 박판 주위에 걸쳐 뻗어 있는 정점 선(3)을 가진 서로 평행인 측면으로 구성되는 박판(1)을 가진 내연기관 피스톤의 오일 링에 관한 것으로 피스톤의 링 홈(7)에 배열되고 피스톤크라운 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈측면(6)과 피스톤크라운 측에 면한 스프링 홈 측면(5)을 가지는 버팀 스프링(4)은 박판(1)을 반경 방향으로 실린더 벽(8)에 대하여 압축한다. 발명에 따라서 공지된 선행기술에 비하여 섭동 면의 마찰감소와 마모감소에 의한 개선된 오일 링 작용은 적어도 스프링 홈 측면(5, 6)의 하나가 피스톤 축에 대하여 일정한 각도(β)로 반경 방향 외측에 따라 실린더 측을 향하는 버팀 스프링의 단부에 이르기까지 경사지도록 함으로서 이루어지며 박판(1)의 섭동 면(h)은 길 들여진 엔진상태에 있어서 마모에 가까운 최종 윤곽에 상당하며 피스톤 내에서 오일 링(1)의 조립된 상태에서 섭동 면(h)의 정점 선(3)은 피스톤크라운 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6) 쪽에 배열되어 있다.The present invention relates to an oil ring of an internal combustion engine piston having a thin plate (1) consisting of side plates parallel to each other, with its perturbation surface (h) extending around the thin plate with a peak line (3). The bracing springs (4) arranged at 7 and having a spring groove side face (6) located opposite to the piston crown side and a spring groove side face (5) facing the piston crown side make the plate (1) radially close the cylinder wall ( 8). Improved oil ring action due to reduced friction and reduced wear of the perturbation surface compared to the known prior art according to the invention is at least one of the spring groove sides 5, 6 radially outward at a constant angle β with respect to the piston axis. The perturbation surface (h) of the thin plate (1) corresponds to the final contour close to abrasion in the indented engine condition and the oil ring (1) in the piston. In the assembled state, the apex line 3 of the perturbation surface h is arranged on the side of the ring groove side 6 located opposite to the piston crown side.

Description

Oil scraper ring for piston of internal combustion engine {OIL SCRAPER RING FOR PISTONS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 그의 섭동 면이 박판의 범위에 걸쳐서 뻗어 있는 정점 선의 볼록형의(크라운 형상의) 비대칭형을 가진, 강대(鋼帶)(steel strip)로 구성되며, 평행한 측면들을 구비한 박판들을 가지며, 여기서 피스톤의 링 홈(ring groove) 내에 배열되고 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(groove side face)과 피스톤헤드 측에 면한 스프링 홈 측면을 가진 버팀 스프링(bracing spring)은 실린더 벽(cylinder wall)에 대하여 박판을 반경 방향으로 압축하는, 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링에 관한 것이다.The present invention consists of steel strips with convex (crown-shaped) asymmetry of apex lines whose perturbation faces extend over the range of sheets, with sheets having parallel sides. Where a bracing spring having a groove side face arranged in a ring groove of the piston and opposite the piston head side and a spring groove side facing the piston head side is provided with a cylinder wall ( An oil scraper ring for a piston of an internal combustion engine, which compresses a thin plate radially against a cylinder wall).

엔진의 높은 오일 소비 외에도 엔진의 배출 거동에 불리한 영향을 초래하는 과도한 엔진 오일이 연소실(combustion chamber)에 도달하는 것을 방지하기 위하여 실린더 벽에 반경 방향 압축을 및 이에 따른 양호한 오일스크레이핑(oil scraping)(오일 긁어내기)을 이루기 위하여 오일 스크레이퍼 링의 충분한 접선 력(tangential force)이 필요하다. 그러나 박판의 섭동 면에 큰 면압(面壓)이 작용함에 따라 엔진작동시에 큰 마찰하중도 작용한다. 이러한 마찰하중으로 내연기관의 효율이 저하되며 따라서 연료소비가 증가된다. 오일 스크레이퍼 링의 접선 력의 설계는 이에 따라서 반드시 최소한의 마찰하중과 최대한의 오일스크레이핑 작용 간에 절충이다. 접선하중의 감소없이 엔진작동에 있어서 마찰하중을 줄이기 위한 종합적인 조치는 따라서 오일 스크레이퍼 링의 설계를 용이하게 하며 엔진의 효율을 개선 시킨다.In addition to the high oil consumption of the engine, radial compression on the cylinder wall and thus good oil scraping to prevent excessive engine oil from reaching the combustion chamber, which adversely affects the exhaust behavior of the engine. Sufficient tangential force of oil scraper ring is needed to achieve (oil scraping). However, as a large surface pressure acts on the perturbation surface of the sheet, a large frictional load also acts upon engine operation. This frictional load lowers the efficiency of the internal combustion engine and thus increases fuel consumption. The tangential design of the oil scraper ring is thus a compromise between the minimum frictional load and the maximum oil scraping action. Comprehensive measures to reduce frictional loads in engine operation without reducing tangential loads thus facilitate the design of oil scraper rings and improve engine efficiency.

이에 따라서 버팀 스프링의 특수 구성 외에도 상기 종류에 속하는 오일 스크레이퍼 링에 대하여 상기 요구사항을 충족시키도록 박판의 섭동 면을 형성하고자 하는 시도가 있어왔다. Accordingly, there have been attempts to form perturbation faces of sheet metals to meet the above requirements for oil scraper rings of this kind, in addition to the special construction of the bracing springs.

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 C2 에 공지되어 있다. 이와 똑같이 DE 33 05 385 C1에 피스톤 링이 공지되어 있는데 이것은 피스톤의 링 홈 내에 배열되어 있으며, 그의 링 홈-측벽이 개선된 기밀을 유지하기 위하여 피스톤 축에 대하여 특히 평행하지만, 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 낮으나 오일 링에 대해서는 높은 면압을 요한다.Asymmetrical perturbation faces of oil scraper rings or piston rings are known from DE 38 33 322 A1, DE 43 00 531 C1 or DE 44 29 649 C2. Similarly a piston ring is known from DE 33 05 385 C1, which is arranged in the ring groove of the piston, whose ring groove-side wall is particularly parallel to the piston axis, but inclined, in order to maintain an improved hermeticity. Ring groove-side walls that are inclinedly parallel to each other are also known from Japanese Utility Model 57-73340. However, this embodiment relates to a compression ring, which requires very low surface pressure but high surface pressure on the oil ring.

본 발명의 과제는 공지된 선행기술에 비하여 오일 스크레이퍼 링의 섭동 면의 마찰감소와 마모감소에 있어서 개선된 오일스크레이핑 효과를 가지는 내연기관 피스톤의 분할형 오일링을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a split oil ring of an internal combustion engine piston having an improved oil scraping effect in reducing friction and abrasion of the perturbation surface of the oil scraper ring as compared to the known prior art.

본 과제는 피스톤 축에 대하여 일정한 각도(β)로 링 홈 측면 중의 적어도 하나가 반경 방향으로 외향으로 실린더 측의 버팀 스프링 단부에 이르기까지 경사지는 오일 스크레이퍼 링에 의하여 해결되며 이 경우에 특히 피스톤 헤드 측과 반대방향의 링 홈 측면이 피스톤헤드로부터 떨어져 경사져 배열되어 있다. 박판의 섭동 면은 길 들여진 엔진상태에서 마모에 가까운 최종 윤곽에 상당하도록 구성되어 있으며 여기서 피스톤의 오일 링 조립상태에 있어서 섭동면의 정점선은 피스톤헤드 측과 반대방향의 링 홈 측면 쪽으로 배열되어 있다.The problem is solved by an oil scraper ring in which at least one of the ring groove sides is inclined radially outward to the end of the support spring on the cylinder side at an angle β with respect to the piston axis, in this case especially the piston head side. The ring groove side in the opposite direction is arranged inclined away from the piston head. The perturbation surface of the thin plate is configured to correspond to the final contour which is close to abrasion in the tampered engine condition, where the peak line of the perturbation surface is arranged toward the ring groove side opposite to the piston head side in the oil ring assembly of the piston. .

박판의 섭동 면은 선행기술에 비하여 현저히 감소 된 볼록(凸)) 비(比)를 가진 비대칭 구배(句配)로 나타나며 여기서 섭동면 윤곽은 2차 다항식에 따라 근사적으로 설명이 가능하다.The perturbation plane of the thin plate appears to be an asymmetric gradient with a significantly reduced convex ratio compared to the prior art, where the perturbation plane contour can be approximated by a second order polynomial.

본 발명의 다른 실시 예에 있어서는 양 링 홈 측면은 2개의 스프링 홈(spring groove)를 가지며 링(7)내에 배열된 일체형 버팀 스프링이 구비되어 있다. 스프링 홈들은 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면은 청구 제1항에 의한 요구에 따른 각도와 일치하는 각도(β)를 취한다.In another embodiment of the present invention, both ring groove sides are provided with an integral brace spring arranged in the ring 7 with two spring grooves. The spring grooves are located opposite to the piston head side and the spring groove side takes an angle β coinciding with the angle as required by claim 1.

본 발명에 따른 섭동 면 양태와 본 발명에 따라 형성된 버팀 스프링(bracing spring) 내의 박판 배열에 의하여 유리한 유체역학적 조건에 의한 피스톤 왕복운동에 따라서 접선력의 감소 없이 전체의 오일 스크레이퍼 링의 마찰력의 감소가 이루어지며 전 범위에 걸친 피스톤 왕복운동의 변화에 의하여 오일스크레이핑 기능(oil scraping function)이 유지된다. 마찰력의 감소로 인하여 엔진효율의 개선이 이루어지거나 또는 마찰력레벨(friction force level)이 변화가 없는 경우에 접선 력의 증가로 오일스크레이핑 성능의 개선이 가능하다. 그 밖에도 선행기술에 따른 링 팩(ring package)에 비하여 전체 링 팩의 축방향 높이의 감소가 이루어질 수 있다. Due to the perturbation surface aspect according to the invention and the sheet arrangement in the bracing springs formed according to the invention, the frictional force of the entire oil scraper ring is reduced without reducing the tangential force according to the piston reciprocating motion due to advantageous hydrodynamic conditions. The oil scraping function is maintained by changing the piston reciprocating motion over the entire range. When the friction is reduced, the engine efficiency is improved, or when the friction force level is unchanged, the tangential force is increased to improve the oil scraping performance. In addition, a reduction in the axial height of the entire ring pack can be achieved compared to the ring pack according to the prior art.

본 발명의 목적에 맞는 구성은 종속청구범위의 대상이다.Configurations that are suitable for the purposes of the present invention are subject to the dependent claims.

본 발명의 실시예는 도면에 의하여 다음에 상세히 설명되며 도면의 내용은 다음과 같다:Embodiments of the present invention will be described in detail below by means of the drawings, the content of which is as follows:

도 1는 제1실시예에 있어서 발명에 따른 오일 스크레이퍼 링의 단면도 및1 is a cross-sectional view of an oil scraper ring according to the invention in the first embodiment and

도 2는 제2실시예에 있어서 발명에 따른 오일 링의 단면도를 도시한다. 2 shows a cross-sectional view of an oil ring according to the invention in the second embodiment.

도 1에서 보이듯이 오일 스크레이퍼 링은 박판(1)과 실린더 벽(8)에 대하여 반경 방향으로 박판을 압축하는 버팀 스프링(4)으로 구성된다. 상기 버팀 스프링(bracing spring)(4)은 피스톤 축(10)에 대하여 90°각도를 취하는 링 홈 측면을 가지는 링 홈(7) 내에 삽입되어 있으며 링 홈에 상당하는 외형과 크기를 가진다. 버팀 스프링은 피스톤헤드 측을 향하는 스프링 홈 측면(5)을 가진 스프링 홈(7')과 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(6)을 가진다. 본 발명에 따라서 피스톤헤드 측에 면한 스프링 홈 측면(5)은 피스톤 축(10)에 대하여 90°각도를 이루어 배열되어 있으며 피스톤 헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(6)은 일정한 각도(β)로 피스톤헤드로부터 떨어져 스프링 외주에 이르기까지 경사져 있다. 특히 그 각도(β)는 85°내지 87°각도이다.As shown in FIG. 1, the oil scraper ring consists of a brace spring 4 which compresses the lamella in the radial direction with respect to the lamella 1 and the cylinder wall 8. The bracing spring 4 is inserted in a ring groove 7 having a ring groove side with an angle of 90 ° with respect to the piston shaft 10 and has a shape and size corresponding to the ring groove. The brace spring has a spring groove 7 'with a spring groove side 5 facing the piston head side and a spring groove side 6 located opposite the piston head side. According to the invention the spring groove side face 5 facing the piston head side is arranged at an angle of 90 ° with respect to the piston shaft 10 and the spring groove side face 6 located opposite the piston head side has a constant angle (β). Inclined from the piston head to the outer circumference of the spring. In particular, the angle β is an angle of 85 ° to 87 °.

본 발명에 따르면 박판(1)은 박판의 주위에 걸쳐서 뻗어 있는 정점선(vertex line)(3)을 가진 볼록 형상(크라운 형상)의 비대칭형 섭동 면(h)을 가지며, 여기서 정점선(3)은 오일스크레이핑을 위한 실린더 벽(8)과 접촉하는 모서리역할을 한다. 도 1에 의하면 박판(1)은 피스톤 내에 그의 조립된 상태에서 그의 정점 선(3)(모서리)이 피스톤헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(6) 방향에 면하도록 배열되어 있다.According to the invention the thin plate 1 has a convex (crown shaped) asymmetric perturbation surface h with a vertex line 3 extending over the periphery of the thin plate, where the vertex line 3 Serves as an edge in contact with the cylinder wall 8 for oil scraping. According to FIG. 1, the thin plate 1 is arranged in its assembled state in the piston such that its apex line 3 (edge) faces the spring groove side 6 located opposite to the piston head side.

본 발명에 따라서 박판의 섭동 면(h)은 수백 시간 이상의 엔진작동의 길들이기 과정에 상당하는 형상을 갖는다. 이것은 비대칭형의 제1부위(I)단면에 있어서 박판(1)의 섭동면(h)은 2차 다항식 h(x) = ax + bx² 에 따르며, 여기서 x 는 mm 단위의 직교좌표로 된 섭동 면 좌표이며, 그리고 a, b 는 계수로서, a 는 박판의 폭에 대한 박판의 축 방향 측면 유격의 비로 정의되고; b 는 섭동 면 곡률의 수치로 정의되며 모서리(edge)역할을 하는 정점선(II) h(x=0)에 따르며 그리고 함수 h(x)=cx²의 비대칭형의 제3 부위(III)에서 c는 b의 수배를 따르는 것을 특징으로 한다. 예로서 두께 0,4mm의 박판에 있어서는 값 h(x)=35x + 50x²으로 표시된다. 이에 따라서 도 1 및 2에 의하여 도시된 단면 곡선에서 x는 mm단위의 섭동면 좌표로서 그리고 h(x)는 μm단위의 볼록 비를 얻을 수 있다. 이러한 다항식의 계수들은 특정 용도로 조절할 수 있는 것이 당연하며 이때 중요한 매개변수는 실린더 직경, 박판 단면의 치수 및 링 홈내의 조립된 오일 스크레이퍼 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/0,4mm 에 달한다. According to the invention, the perturbation surface h of the sheet has a shape corresponding to the process of taming the engine operation for several hundred hours or more. This means that the perturbation surface h of the thin plate 1 is the second order polynomial h (x) = ax + bx ² Where x is perturbation plane coordinates in Cartesian coordinates in mm, and a, b are coefficients, and a is defined as the ratio of the axial lateral play of the sheet to the width of the sheet; b is defined as the value of the perturbation plane curvature and depends on the vertex line (II) h (x = 0), which acts as an edge, and at the asymmetric third region (III) of function h (x) = cx ² c is characterized by following a multiple of b. For example, in a thin plate having a thickness of 0,4 mm, the value h (x) = 35x + 50x ² is represented. Accordingly, in the cross-sectional curves shown by FIGS. 1 and 2, x is a perturbation plane coordinate in mm and h (x) is a convex ratio in μm. It is natural that the coefficients of these polynomials can be adjusted for specific applications, where important parameters are the cylinder diameter, the dimensions of the sheet cross section and the axial play of the assembled oil scraper ring in the ring groove. The representative convex ratio of the perturbation surface h according to the invention amounts to about 2 to 10 μm / 0,4 mm as compared to 3 to 15 μm / 0,15 mm of the prior art.

도 2에 의한 다른 실시 예에 의하면 버팀 스프링(4)은 제1 스프링 홈(7') 밑 에 축 방향에 따라 제2 스프링 홈(7")을 가지며 그의 피스톤헤드 측의 스프링 홈 측면(5 및 5')이 피스톤 횡축(10)에 대하여 평행하다.According to another embodiment according to FIG. 2, the brace spring 4 has a second spring groove 7 ″ along the axial direction under the first spring groove 7 ′ and the spring groove side 5 and the piston head side thereof. 5 ′) is parallel to the piston transverse axis 10.

피스톤헤드 측의 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(6 및 6')은 반경 방향으로 외측으로 스프링 외벽에 이르기까지 3 내지 5도의 각도로 경사져 있다. 이러한 실시 예에서 섭동 면(h 및 h')의 양 정점 선(3, 3')(모서리)는 피스톤헤드 측의 링 홈 측면(5)으로부터 떨어져 나타나도록 배열되어 있다.Spring groove side surfaces 6 and 6 'located opposite to the piston head side are inclined radially outward at an angle of 3 to 5 degrees to the spring outer wall. In this embodiment both vertex lines 3, 3 ′ (edges) of the perturbation faces h and h ′ are arranged so as to appear away from the ring groove side 5 on the piston head side.

본 발명에 따라 개선된 오일스크레이핑 작용은 박판의 섭동 면(h)에서 실린더방향으로 가해지는 마찰력이 박판을 컵 형으로 굽히는 토크(torque)를 발생시킴으로서 이루어진다. 이것은 V-형 링 홈(7)의 형성이 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 나타난다. 동적 비틀림에 의하여 왕복운동시 연소실로부터 떨어질 때 -하향 행정시- 피스톤헤드 측을 향하는 스프링 홈 측면에 접하는 박판은 섭동면의 비대칭 구배와 결합하여 양호한 오일스크레이핑 작용-"모서리"를 가지는 한편 박판의 각기 다른 위치는 섭동 면의 정해진 볼록 비에 의하여 하향 행정시에 개선된 유체역학특성-"면"을 가진다(부위 I). 이로 인하여 비틀린 상태에서 불량한 오일스크레이핑 작용을 가지는 박판에 발생하는 마찰력이 감소된다. 왕복운동의 변화는 각기 다른 위치로의 박판의 회전을 일으킨다. The improved oil scraping action according to the present invention is achieved by the frictional force exerted in the cylinder direction on the perturbation surface h of the thin plates, generating a torque that bends the thin plates into cups. This is possible because the formation of the V-shaped ring groove 7 above all impedes the movement of the thin plates along the axial direction at the inner contact face, while the apparent axial motion amplification at the outer contact face is possible. The friction force and thus the rotational torque change sign according to the reciprocating motion of the piston. The magnitude of the frictional force is also dependent on speed, which results in a continuous change in cup-shaped warp, which is manifested as dynamic torsion. When moving away from the combustion chamber during reciprocation by dynamic torsion-in downward stroke-the thin plate facing the spring groove side facing the piston head side combines with the asymmetrical gradient of the perturbation surface and has a good oil scraping action-"edge" The different positions of have a hydrodynamic characteristic- "plane" in the downstroke due to the set convex ratio of the perturbation plane (site I). This reduces the frictional force generated in the thin plate having poor oil scraping action in the twisted state. Changes in the reciprocation cause the sheet to rotate to different positions.

오일 스크레이퍼 링을 엔진 실린더에 조립할 때 예컨대 박판 측면 중의 하나에 색 표시를 해서 보증이 될 수 있는 박판의 베어링 방향에 유의해야 한다.When assembling the oil scraper ring to the engine cylinder, care must be taken in the direction of the bearing of the sheet, for example, by color marking one of the sheet sides.

섭동 면 형상- 또는 윤곽의 가공은 예컨대 래핑(lapping)으로 행할 수 있다.The perturbation face shape- or contouring can be done, for example, by lapping.

본 발명은 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링에 이용될 수 있다. The present invention can be used in an oil scraper ring for a piston of an internal combustion engine.

Claims

As an oil scraper ring for the piston of an internal combustion engine,

The oil scraper ring comprises a thin plate 1 composed of a steel strip, with parallel sides, the perturbation surface h of the thin plate having a vertex line 3 extending over the periphery of the thin plate. Has an asymmetric crown shape,

The bracing spring 4 disposed in the ring groove 7 of the piston comprises a spring groove side 6 facing the piston head in the opposite direction and a spring groove side 5 facing the piston head, the spring In the oil scraper ring for the piston of an internal combustion engine, which presses the thin plate 1 against the cylinder wall 8 in the radial direction,

At least one of the spring groove side surfaces 5, 6 is angled outwardly with respect to the piston shaft 10 to be inclined radially outwards up to the end of the bracing spring 4 facing the cylinder side. Extended,

The perturbation surface h of the thin plate 1 corresponds to the final contour which is close to the wear state in the tamed engine state, and the peak line 3 of the perturbation surface h in the state where the oil ring 1 is mounted on the piston. ) Is formed so as to be arranged in the direction of the ring groove side (6) facing in the opposite direction of the piston head.

The method of claim 1

The cross section of the perturbation surface h of the thin plate 1 is

In the first part (I) of the asymmetric type, it follows the second order polynomial of h (x) = ax + bx ² ,

Where x is the perturbation plane coordinate of the Cartesian coordinate system in mm, and a, b are the coefficients, a is defined as the ratio of the axial lateral play of the sheet to the sheet width; b is defined as a numerical value of perturbation plane curvature;

-According to the vertex line (II) h (x = 0) with an edge shape,

Oil scraper ring for the piston of an internal combustion engine, characterized in that in the third part (III) of the asymmetric type of function h (x) = cx ² , c follows several times b.

The method according to claim 1 or 2,

An oil scraper ring for an internal combustion engine, characterized in that the spring groove side surface (6) located opposite to the piston head side is inclined away from the piston head at a constant angle (β).

The method according to claim 1 or 2,

The bracing spring is formed in one piece and has two spring grooves 7, 7 ′, which spring grooves are formed such that the angles α, β follow a value according to the arrangement according to claim 1. An oil scraper ring for a piston of an internal combustion engine.

The method of claim 1,

The angle (β) is an oil scraper ring for the piston of the internal combustion engine, characterized in that it comprises an angle value of 85 ° to 87 °.