KR20070030684A

KR20070030684A - 피스톤 링 팩

Info

Publication number: KR20070030684A
Application number: KR1020060088047A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 아모제르
Original assignee: 베르트질레 슈바이츠 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2007-03-16

Abstract

본 발명은 대형 2-행정(2-stroke) 디젤 엔진의 피스톤(2)용 피스톤 링 팩(1)에 관한 것이다. 이러한 구성에 있어서, 피스톤(2)은 장착 상태에서 대형 2-행정 디젤 엔진의 실린더(4)의 실린더 벽(3)의 실린더 주행 표면(7)을 따라 상하로 이동가능하도록 배치되며, 피스톤 링 팩(1)은 실린더(4)의 연소실(5)에 가장 근접 배치되며 제1 주행 표면(L1)을 가진 제1 피스톤 링(K1), 및 제2 주행 표면(L2)을 가진 제2 피스톤 링(K1)을 포함한다. 제1 피스톤 링(K1)은 피스톤(2)의 제1 피스톤 링 홈(N1)에 배치되고 제2 피스톤 링(K2)은 피스톤(2)의 제2 피스톤 링 홈(N2)에 배치되어, 동작 시에 제1 피스톤 링(K1)의 제1 주행 표면(L1)과 제2 피스톤 링(K2)의 제2 주행 표면(L2)이 실린더 벽(3)과 마찰 접촉한다. 이러한 구성의 본 발명에 의하면, 제1 피스톤 링(K1)의 제1 주행 표면(L1) 뿐 아니라 제2 피스톤 링(K2)의 제2 주행 표면(L2)도 마모 방지를 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 피스톤 링 팩(1)을 가진 피스톤(2)에 관한 것이다.

피스톤, 피스톤 링 팩, 실린더, 실린더 벽, 연소실, 제1 주행 표면, 제1 피스톤 링, 제2 주행 표면, 제2 피스톤 링, 제1 피스톤 링 홈, 제2 피스톤 링 홈, 실린더 주행 표면, 마모 방지.

Description

피스톤 링 팩{PISTON RING PACK}

도 1은 본 발명에 따른 피스톤 링 팩을 가진 2-행정 대형 디젤 엔진의 실린더이다.

도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링 팩의 일 실시예이다.

도 3의 (a)는 볼록 비대칭형의 주행 표면을 가진 피스톤 링이다.

도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 따른 또 다른 실시예이다.

도 3의 (c)는 볼록 대칭형의 주행 표면을 가진 피스톤 링이다.

도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링 팩의 또 다른 실시예이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 피스톤 팩 2: 피스톤

3: 실린더 벽 4: 실린더

5: 연소실 7: 실린더 주행 표면

K1: 제1 피스톤 링 K2: 제2 피스톤 링

L1: 제1 주행 표면 L2: 제2 주행 표면

N1: 제1 피스톤 링 홈 N2: 제2 피스톤 링 홈

본 발명은 대형 2-행정(2-stroke) 디젤 엔진 피스톤용 피스톤 링 팩(piston ring pack)에 관한 것으로서, 또한 본원 발명의 독립항 제1항 및 제11항의 전제부에 따른 피스톤 링 팩을 가진 피스톤에 관한 것이다.

종래 기술에 의해 공지되어 있는 대형 디젤 엔진의 피스톤들은 일반적으로 각각의 피스톤 홈(groove)에 배치된 복수개의 피스톤 링들의 팩(pack)이 구비되어 있다. 공지되어 있는 피스톤 링 팩은 일반적으로 적어도 2개의 피스톤 링을 포함하지만, 대형 디젤 엔진의 크기 및/또는 출력에 따라 및/또는 엔진이 작동하는 특별한 동작 조건상의 요청에 따라 3개,4개 심지어 5개의 피스톤 링을 포함할 수도 있다.

피스톤 링은 예컨대 피스톤을 실린더로 가이드하고, 실린더의 주행 표면에 윤활유를 분산시키거나 긁어내고, 크랭크 하우징(crank housing)에 대한 연소실의 밀봉 등과 같은 다양한 기능을 수행하는데, 이러한 피스톤 링은 동작 상태에서 매우 가혹한 부하에 노출되어 있다. 따라서 피스톤 링은 실린더의 주행 표면과 직접적으로 마찰 접촉하게 되며, 연소 압력(combustion pressure)은 피스톤 링에 의해 유지되므로 피스톤 링은 결국 상당한 열적, 기계적 및 화학적 부하에 노출되게 된다.

이러한 구성에 있어서, 특히 연소 압력의 유지 문제와 관련하여 가장 심하게 부하를 받는 피스톤 링은 실린더의 연소실에 가장 근접하게 배치된 피스톤 링인데, 이를 "최상단 링(top ring)"이라고도 한다. 이러한 종래 기술에 의해 알려진 피스 톤 링의 구성에 있어서, 최상단 링에만 마모 방지 코팅(wear protection coating)이 제공되는데, 그 주행 표면상에 예컨대 적절한 크롬 세라믹(chrome ceramic) 등으로 구성될 수 있는 이른바 저마모 코팅(low wear coating)이 제공된다. 한편, 피스톤 팩의 다른 피스톤 링들은 마모 보호층이 없으며, 주행 표면으로서 이들은 제거가능형 베딩-인 레이어(removable bedding-in layer) 이른바 런닝-인 레이어(running-in layer)를 구비할 수 있는데, 이러한 제거가능형 베딩-인 레이어는 당업자에게 자명한 방식으로 상대적으로 신속하게 그라운드 오프(ground-off)되고, 따라서 이에 상응하는 피스톤 링은 베딩-인 페이즈(bedding-in phase)의 종료후 실린더 라이너(cylinder liner)의 실린더 벽을 따라 이상적으로 주행한다.

이러한 구성에 있어서, 이러한 해결책은 몇가지 문제점을 유발하는 것으로 알려져 있다. 런닝 인 페이즈(running in phase)의 종료 후, 즉 레이어의 런닝이 어느 정도 마모된 경우, 예컨대 철 주조 재료(cast iron material)로 된 피스톤 링의 기본 재료(base material)가 피스톤 링의 주행 표면상에 노출되는데, 이는 실린더 벽의 주행 표면과의 마찰 접촉 때문이다. 즉, 동작 상태에서는 피스톤 링과 실린더 벽의 2개의 주조 재료 사이에서 마찰 접촉이 발생하는데 이는 상당한 마찰 손실을 일으키며 최악의 경우 이른바 "프레팅(fretting)" 또는 "스커핑(scuffing)"이 발생할 수도 있다.

이러한 구성에 있어서, 종래 기술에서 최상단 링 즉, 피스톤 링 팩 중에서 실린더의 연소실에 가장 근접하게 배치된 피스톤 링만을 마모 방지층으로 코팅하는 데에는 몇 가지 이유가 있다. 그 중 하나는 최상단 링이 가장 심한 부하를 받는 링 이기 때문이다. 확립된 견해에 따르면, 최상단 링 아래에 위치하는 피스톤 링 팩의 다른 피스톤 링들은 부하를 상당히 덜 받으므로 이들에 대한 코팅은 불필요한 것이기 때문에 최상단 링에 대한 마모 방지 코팅만으로도 충분하다고 가정되어 왔다. 다른 한편으로는, 마모 방지 코팅을 하는 것이 꽤 복잡하다는 것인데, 특히 시간이 많이 소모되고 따라서 비용이 많이 들게 된다. 이는 최적의 장착 상태와 실린더에서의 피스톤 링의 이상적인 동작을 보장할 수 있도록 마모 방지 코팅이 매우 정교하게 이루어져야 한다는 사실에 기인하는 것이다.

더구나, 최상단 링 아래에 위치하는 마모 방지층이 구비된 피스톤 링은 실린더 벽의 윤활유 막(lubricant film)에 나쁜 영향을 준다는 견해가 확립되어 있다. 주지된 바와 같이 최상단 링은 오일 스크래퍼 링(oil scraper ring)으로도 작용하는데, 즉 크랭크 하우징으로부터 멀어지는 방향으로 또는 그 반대 방향으로 연소실로부터 실린더 벽의 주행 표면에 가해지는 윤활유를 펌핑(pump)하는 작용을 말한다. 이러한 방식에 의해 대량의 윤활유가 연소 공정에 침투하는 것을 방지할 수 있다. 한편, 윤활유는 오일 스크래퍼 링으로 작용하는 최상단 링을 통해 그 아래에 위치하는 피스톤 링으로 펌핑되므로, 이들의 윤활작용이 개선된다.

이러한 구성에서 최상단 링의 오일 스크래핑 효과는 최상단 링의 주행 표면의 형상에 대한 특정 디자인을 통해 발생할 뿐 아니라, 특정한 유체역학적 및 이와 연관된 마찰학적(tribological) 상태에 기인하며, 코팅된 표면이 철 주조 재료로 제조된 실린더 벽의 주행 표면과 상호 작용하도록 한다.

따라서, 최상단 링 아래에 위치하며 마모 방지층이 구비된 피스톤 링은 오일 스크래퍼 링으로도 작용하며 따라서 피스톤 링 팩의 다른 피스톤 링에 대한 윤활 작용 특히 최상단 링의 윤활 작용에 손상을 주므로 스커핑(scuffing)의 위험성이 상당히 증가되는 것으로 간주되어 왔다.

따라서, 최상단 링 아래쪽의 피스톤 링에는 마모 방지 코팅이 제공되지 않아야 한다는 것이 당업자에게는 자명한 사항이다.

4-스트로크 연소 엔진에 대해서는, 예컨대 독일 특허 공보 DE 195 04 803 A1에 개시된 바와 같이, 최상단 링 아래에 배치된 피스톤 링들을 코팅하는 방법이 알려져 있다. 이는 예컨대 모터 차량에서 사용되는 4-스트로크 엔진의 윤활 시스템은 대형 2-행정 디젤 엔진에서 알려진 윤활 시스템과 완전히 다른 시스템을 가지고 있기 때문이다. 공지된 4-스트로크 엔진에 대해서는, 실린더의 주행 표면에 충분한 윤활유가 제공될 뿐 아니라, 심지어 보통 실린더의 주행 표면상에는 윤활유가 과잉 상태이기도 하므로 상당한 양의 윤활유가 주행 표면에서 미끄러져 크랭크 케이스의 오일 통(sump)으로 다시 들어가야 한다.

그러나, 특히 최근의 대형 2-행정 디젤 엔진에 있어서는 더욱 높은 출력 및/또는 출력 밀도를 요구하므로, 최상단 링 아래에 배치된 피스톤 링들은 보다 큰 부하에 노출되는 것으로 알려져 있다. 또한, 철 주조 재료로 제조된 피스톤 링과 이와 마찬가지로 철 주조 재료로 된 실린더 벽 사이에서 런닝-인 단계(running in phase) 이후의 동작 상황에서 발생하는 마찰 손실의 문제는 상당히 저평가되고 있다고 알려져 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 대형 2-행정 디젤 엔진에 있어서 피스톤의 개선된 동작 상태, 마모에 대한 높은 저항성 및 보다 경제성있는 동작을 보장해 주는 개선된 피스톤 링 팩과 이러한 피스톤 링을 가진 피스톤을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주제는 독립항 1항 및 11항의 구성을 특징으로 한다.

종속항들은 본 발명의 특정한 개선된 실시예들에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 대형 2-행정 디젤 엔진의 피스톤용 피스톤 링 팩에 관한 것이다. 이러한 구성에서, 장착 상태에서 피스톤은 대형 2-행정 디젤 엔진의 실린더의 실린더 벽을 따라 상하로 이동 가능하도록 배치되며, 피스톤 링 팩은 실린더의 연소실에 가장 근접 배치되며 제1 주행 표면을 가진 제1 피스톤 링과 제2 주행 표면을 가진 제2 피스톤 링을 포함한다. 제1 피스톤 링은 제1 피스톤 링 홈에 배치되고 제2 피스톤 링은 제2 피스톤 링 홈에 배치되어 동작 상태에서 제1 피스톤 링의 제1 주행 표면과 제2 피스톤 링의 제2 주행 표면은 실린더 벽과 마찰 접촉하게 된다. 본 발명에 의하면, 이러한 구성에 있어서, 제1 피스톤 링의 제1 주행 표면과 제2 피스톤 링의 제2 주행 표면은 마모 방지를 포함한다.

본 발명에서 중요한 점은 최상단 링뿐 아니라, 피스톤 링 팩의 적어도 하나 이상의 다른 피스톤 링, 바람직하게는 최상단 링에 가장 근접 배치된 피스톤 링은 피스톤 링의 주행 표면에 마모 방지를 포함한다.

놀랍게도 이러한 수단에 의하여 피스톤 링 팩의 다른 피스톤 링들의 마찰학 적 상태 및 동작 특성이 손상되지 않는 것으로 알려져 있다. 오히려, 마모 방지가 제공되는 피스톤 링의 적절한 디자인 특히 이러한 피스톤 링 및/또는 나머지 피스톤 링들의 주행 표면의 형태에 대한 적절한 디자인 및/또는 피스톤 링 팩의 피스톤 링의 적절한 배열 선택에 의해, 피스톤 링 팩의 동작 특성은 마모 방지가 제공되는 최상단 링 아래에 배치된 피스톤 링에 의해 매우 개선될 수 있다.

특정 실시예에서, 피스톤 링 팩은 제3 피스톤 링 홈에 제공되는 제3 주행 표면을 가진 제3 피스톤 링을 포함한다. 제2 주행 표면은 동작 상태에서 실린더 벽의 실린더 주행 표면과 마찰 접촉하게 된다.

이러한 구성에서, 제2 주행 표면 및/또는 제3 주행 표면은 마모 방지 및/또는 런닝-인 레이어(running-in layer)를 포함한다. 따라서, 예컨대 최상단 링이라고도 하는 제1 피스톤 링에 가장 근접 배치된 제2 피스톤 링은 마모 방지를 포함하며, 피스톤 링 팩의 제3 피스톤 링 및 다른 피스톤 링들에는 런닝 인 레이어가 제공된다. 제2 피스톤 링 뿐 아니라 피스톤 링 팩의 제3 피스톤 링 및/또는 또 다른 피스톤 링들도 마찬가지로 마모 방지를 포함할 수 있음은 물론이다.

또 다른 실시예에서, 제1 피스톤 링에 가장 근접 배치된 피스톤 링은 런닝 인 레이어를 포함하고 이 피스톤 링 아래에 배치된 제3 및/또는 또 다른 피스톤 링은 마모 방지를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 특히 동작 상태에서 제1 피스톤 링에 가장 근접 배치된 피스톤 링에 작용하는 부하가 소정 최대 부하를 초과하지 않는 경우에 유리하며, 따라서 이 피스톤 링에는 마모 방지가 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나, 그 아래의 피스톤 링은 마모 방지를 가지는데, 이에 의해 피스톤 링 팩 영역의 유막(oil film)이 개선되고 따라서 피스톤 링 팩의 마찰학적 및 기타 동작 특성이 전체적으로 최적화될 수 있다.

본 발명에 따른 피스톤 링 팩의 특별한 실시예에서, 제1 피스톤 링 및/또는 제2 피스톤 링 및/또는 제3 피스톤 링 및/또는 또 다른 피스톤 링은 마모 저항성 재료로 될 수 있다. 즉, 피스톤 링 재료로 일반적으로 사용되는 주조 재료는 적절한 합성물 또는 적절한 합금 요소들을 첨가함으로써 마모 저항성으로 될 수 있다. 이는 이러한 것에 적합한 것으로 알려져 있는 재료를 합금 또는 첨가함으로써 이루어질 수 있는데, 예컨대 크롬, 크롬 세라믹, 산화알루미늄(aluminum oxide), 규산염(silicates), 다이아몬드 입자(diamond particle) 특히 트리터(tritor), CKS-36, CKS-37, 탄화물(carbide) 특히 크롬 탄화물 등과 같이 특히 피스톤 링에 대한 마모 방지 재료로서 당업자에게 주지되어 있는 세라믹 또는 산화물(oxide)을 첨가함으로써 이루어질 수 있다. 특별한 경우 피스톤 링은 하나의 마모 저항성 재료로 전체적으로 제조되어 피스톤 링에 대하여 종래 기술에 의해 알려져 있고 일반적으로 사용되는 주조 재료가 전체적으로 또는 부분적으로 사용되지 않을 수 있다.

실제적인 경우 특별히 중요한 실시예로서 마모 방지는 마모 방지 코팅이다. 이러한 구성에 있어서, 제2 피스톤 링의 마모 방지 코팅의 두께 및/또는 제3 피스톤 링의 마모 방지 코팅의 두께 및/또는 또 다른 피스톤 링의 마모 방지 코팅의 두께는 제1 피스톤 링의 마모 방지 코팅 두께의 100%, 특히 3/4, 바람직하게는 1/2이거나 1/3, 1/4 또는 최대 10%일 수 있다.

이러한 구성에서, 제1, 제2, 제3 및/또는 기타 피스톤 링의 마모 방지 코팅 의 두께가 제1 피스톤 링의 마모 방지 코팅의 두께보다 작은 경우 특별한 장점을 가질 수 있다. 제1 및 기타 피스톤 링의 부하는 일반적으로 동작 상태에서 제1 피스톤 링이 노출되는 부하보다 매우 적으므로, 제2, 제3 및 기타 피스톤 링의 마모 방지 층의 두께는 대부분의 경우 제1 피스톤 링의 마모 방지 코팅의 두께보다 작게 선택할 수 있다. 제1 피스톤 링의 마모 방지 층의 두께에 대한 일반적인 값은 200㎛-660㎛, 특히 330㎛-400㎛이다. 기타 피스톤 링, 제2 피스톤 링의 마모 방지 층의 두께는 보다 작게 예컨대 10㎛-200㎛, 특히 50㎛-100㎛의 범위로 선택할 수 있다.

이러한 구성에 있어서 제2 및/또는 기타 피스톤 링의 마모 방지 층의 두께를 보다 작게 선택하는 것은 경제성에서만 흥미로운 것이다. 마모 방지 층은 바람직하게는 전기에 의해(galvanic) 또는 레이저 피복법(laser cladding)에 의해 인가되므로, 층을 생성하는 데 필요한 시간 노력은 층의 두께가 증가함에 따라 증가하게 된다.

이러한 구성에서 마모 방지층은 HVOF, 플라즈마 스프레잉(plasma spraying), 불꽃 스프레잉(flame spraying), 분말 스프레잉(powder spraying) 등과 같은 열 스프레이(thermal spraying) 방법이나 예컨대 용접 등과 같은 기타 적절한 코팅 방법을 사용하여 제조될 수도 있음은 물론이다.

이러한 구성에 있어서, 예컨대 본 발명의 제2 피스톤 링 및/또는 피스톤 링 팩의 모든 다른 피스톤 링은 제1 피스톤 링이 제조된 피스톤 링 블랭크(blank)와 동일한 피스톤 링 블랭크로 제조될 수도 있다. 피스톤 링 블랭크는 일반적으로 링 폭이 5mm에서 50mm, 바람직하게는 15mm에서 30mm이므로, 피스톤 링의 전체 폭은 실제적으로 코팅에 의해 영향을 받지 않으며, 따라서 수십 ㎛ 또는 수백 ㎛ 정도의 마모 방지 코팅의 차이는 실린더의 피스톤 링의 정확한 고정에 실제적으로 영향을 주지 못한다.

이러한 구성에 있어서, 제1 피스톤 링, 제2 피스톤 링, 제3 피스톤 링 및/또는 기타 피스톤 링의 주행 표면은 실린더 벽의 실린더 주행 표면 방향으로 볼록하게 제조되는 것이 바람직하다.

이러한 구성에서, 제1 피스톤 링, 제2 피스톤 링, 제3 피스톤 링 및/또는 기타 피스톤 링의 주행 표면은 각각의 피스톤 링의 중앙 평면에 대해 실린더 주행 표면 방향으로 대칭 또는 비대칭형으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 피스톤 링 팩의 실제적으로 특히 중요한 한 실시예에 있어서, 예컨대 제1 피스톤 링 즉, 최상단 링은 비대칭으로 형성되어 오일 스크래핑 링으로서의 기능을 수행하고, 제2 피스톤 링 또는 피스톤 링 팩의 기타 피스톤 링의 주행 표면 또는 마모 방지 코팅은 각각의 피스톤 링의 중앙 평면에 대해 대칭으로 형성되고 제2 또는 기타 피스톤 링의 주행 표면의 외부 경계면이 실린더 주행 표면 방향으로 볼록하도록 특히 원의 대칭형 원형 단면의 형태로 제조될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 제1 피스톤 링, 제2 피스톤 링, 제3 피스톤 링 및/또는 기타 피스톤 링의 주행 표면은 비대칭형으로 특히 연소실 방향으로 비대칭형으로 볼록하도록 형성할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 제1 피스톤 링, 제2 피스톤 링, 제3 피스톤 링 및/또는 기타 피스톤 링의 주행 표면은 피스톤 링의 중앙 평면에 대해 실린더 주행 표면 방향으로 비대칭형으로, 특히 연소실에서 멀어지는 방향으로 비대칭형으로 볼록하게 형성할 수 있음은 물론이다.

특히, 제1 피스톤 링은 연소실 방향으로 비대칭형으로 또는 연소실에서 멀어지는 방향으로 비대칭형으로 볼록하게 형성하여 오일 스크래퍼 링으로서의 기능을 수행하도록 하는 것이 바람직하다.

마모 방지 즉, 피스톤 링 그 자체 또는 예컨대 주조 재료로 된 피스톤 링의 마모 방지 코팅은 특히 크롬, 산화 알루미늄(aluminum oxide), 규산염(silicate), 다이아몬드 입자(diamond particle) 및 또는 크롬 세라믹, 특히 트리터(Tritor), CKS-36, CKS-37, CKS-37 및/또는 탄화물(carbide) 특히 크롬 탄화물을 포함할 수 있다. 마모 방지 층의 형성 및 마모 저항성 재료로 된 피스톤 링의 제조에 유용한 종래의 알려진 모든 마모 방지 재료가 적절하게 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 피스톤 링 팩의 실시예들은 예시적인 것이며 특히 3개 이상 즉 4,5,6 또는 그 이상의 피스톤 링을 가진 피스톤 링 팩 또한 본 발명에 포함되며, 특히 도시된 실시예들의 모든 적절한 조합들 또한 본 발명에 포함됨은 물론이다.

또한, 본 발명은 이상에서 상세히 설명한 바와 같은 피스톤 링 팩을 가진 피스톤에 관한 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 피스톤 링 팩을 구비하는 2-행정 대형 디젤 엔진의 실린더를 부분적으로 단면도로 나타낸 구조도로서, 상기 피스톤 링 팩은 이하에서도 전체적으로 참조 번호 1로 나타내었다.

실린더(4)에는 공지의 방법으로 피스톤(2)이 제공되며 피스톤(2)은 실린더 벽(3)의 실린더 주행 표면(7)을 따라 상하로 움직이도록 배치된다. 피스톤(2), 실린더 벽(3) 및 실린더 커버(8)는 실린더(4)의 연소실(5)을 경계 짓는다. 실린더 커버(8)에는 배기 가스를 방출하는 배기 밸브(9)와 연료가 주입되는 흡입 밸브(10)가 제공된다. 피스톤(2)에는 본 발명에 따른 복수개의 피스톤 링의 피스톤 링 팩(1)이 제공되는데, 도 1에는 간단히 설명하기 위하여 2개의 피스톤 링 즉 제1 피스톤 링(K1)과 제2 피스톤 링(K2)만을 나타내었다. 연소실에 가장 근접하게 배치된 피스톤 링(K1)은 최상단 링(top ring)이라고도 하며 피스톤 링 홈(N1)에 제공되고, 도면에 나타난 바와 같이 제2 피스톤 링(K2)은 제1 피스톤 링(K1) 아래쪽에 피스톤 링 홈(N2) 내에 배치되어 있다.

본원 명세서에 있어서 제2 피스톤 링(K2)을 언급할 경우, 이 피스톤 링(K2)은 제1 피스톤 링(K1)에 가장 근접하게 배치되어 있는 피스톤 링을 반드시 의미하는 것이 아님은 물론이다. 오히려, 제1 피스톤 링(K1)과 제2 피스톤 링(K2) 사이에 복수개의 피스톤 링이 배치되어 특정 경우 제2 피스톤 링(K2)은 피스톤 링 팩의 최하단 피스톤 링 즉 제1 피스톤 링(K1)에서 가장 멀리 떨어져 배치된 피스톤 링이 될 수도 있다.

도 1에 나타낸 실시예에 있어서, 제1 피스톤 링(K1) 및 제2 피스톤 링(K2)은 공지의 방법으로 주조 재료(cast material)로 제조되며, 제1 피스톤 링(K1) 뿐 아 니라 제2 피스톤 링(K2)에도 볼록하게 디자인되어 실린더 주행 표면(7) 방향으로 볼록하게 튀어나와 있는 마모 방지 코팅(6)이 제공된다. 2-행정 대형 디젤 엔진의 동작 상태에서 피스톤 링들(K1, K2)의 마모 방지 코팅(6)은 실린더(4)의 실린더 주행 표면(7)과 마찰 접촉하게 된다.

도 2에 피스톤 링 팩(1)의 특별한 실시예가 도시되어 있는데, 피스톤(2) 및 실린더(4)는 설명을 단순화하기 위하여 생략하여 나타내었다.

연소실(5)과 가장 근접하게 배치된 제1 피스톤 링(K1)이 도시되어 있으며, 피스톤 링들(K1, K2, K3)에 대한 연소실(5)의 위치는 참조 번호 5로 표시되어 있다. 제1 피스톤 링(K1)과 제2 피스톤 링(K2)은 높이(H)와 폭(B)의 2개의 거의 동일한 피스톤 링 블랭크(blank, 11) 또는 피스톤 링 본체(11)로 제조되며, 기존의 방법에 의해 주조 재료로 구성된다. 제1 피스톤 링(K1) 및 제2 피스톤 링(K2) 모두는 각각 제1 주행 표면(L1)과 제2 주행 표면(L2)상에 각각 마모 방지 코팅(6)이 제공되고, 제1 피스톤 링(K1)의 마모 방지 코팅(6)은 두께(S1)를 가지며 제2 피스톤 링(K2)의 마모 방지 코팅(6)은 두께(S2)를 갖는다. 이러한 구성에서 피스톤 링들(K1, K2)의 피스톤 링 본체(11)의 폭(B)은 마모 방지 코팅(6)의 두께(S1,S2)와 비교할 때 큰 차이가 난다. 피스톤 링 본체(11)의 폭(B)은 예컨대 25mm인 반면, 제1 피스톤 링(K1)의 마모 방지 레이어(6)의 두께(S1)는 350㎛이고, 제2 피스톤 링(K2)의 마모 방지 레이어(6)의 두께(S2)는 75㎛에 불과할 수 있다. 도 2의 예에서, 제1 피스톤 링(K1)의 제1 주행 표면(L1)과 제2 피스톤 링(K2)의 제2 주행 표면(L2)은 도 2에는 도시되지 않은 실린더 주행 표면(7) 방향으로 피스톤 링의 중앙 평면에 대해 연소실(5)에서 멀어지는 방향으로 비대칭으로 볼록하게 구성되어 있다.

폭(B)을 가진 피스톤 링(K1, K2, K3)의 마모 방지 코팅(6)의 볼록 형태로 구성된 3개의 특별한 실시예들이 도 3의 (a), (b) 및 (c)에 도시되어 있다. 마모 방지 코팅을 포함하지 않으며 마모 저항성 재료로 일체로 형성되는 피스톤 링 그 자체는 도면의 형상 예에 따른 주행 표면상에 설계될 수 있음을 유의해야 한다.

피스톤 주행 표면(L1, L2, L3)의 비대칭 볼록 형태의 실시예가 도 3의 (a) 및 (b)에 각각 도시되어 있다. 도 3의 (a)에 따른 실시예는 도시되지 않은 실린더 주행 표면(7) 방향으로 중앙 평면(I-I)에 대해 연소실(5)에서 멀어지는 방향으로 비대칭 돌출되어 있는 주행 표면(L1, L2, L3)의 실시예를 나타낸 것이다. 이와 반대로, 도 3의 (b)에서는, 도시되지 않은 실린더 주행 표면(7) 방향으로 중앙 평면(I-I)에 대해 연소실(5)쪽 방향으로 비대칭 돌출되어 있는 주행 표면(L1, L2, L3)의 실시예를 나타낸 것이다.

마지막으로, 도 3의 (c)는 실제적으로 특히 매우 중요한 예를 나타낸 것인데, 도시되지 않은 실린더 주행 표면(7) 방향으로 중앙 평면(I-I)에 대해 주행 표면(L1, L2, L3)이 대칭형인 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예는 제2 피스톤 링(K2) 및/또는 제3 피스톤 링(K3) 및/또는 또 다른 피스톤 링의 주행 표면(L2,L3)의 경우에 채택되는 것이 바람직하다.

마지막으로, 도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링 팩의 또 다른 실시예가 일부 단면도로 도시되어 있는데, 실제적으로 특히 중요한 실시예이다.

도 4의 피스톤(2)는 적어도 3개의 피스톤 링(N1,N2,N3)를 가지며, 이들은 각각 제1 피스톤 링(K1), 제2 피스톤 링(K2) 및 제3 피스톤 링(K3)을 각각 수용하고 있다. 이러한 구성하에서 피스톤 링들(K1, K2, K3)의 주행 표면(L1, L2, L3)은 동작시에 도 4에서는 간단하게 나타낸 실린더(4)의 실린더 벽(3)의 실린더 주행 표면(7)과 마찰 접촉하게 된다.

제1 피스톤 링(K1), 즉 연소실(5)에 가장 근접 배치된 피스톤 링에는 마모 방지 레이어(6)가 제공되며, 마찬가지 방식으로 도면에 도시한 바에 따라 본 실시예에서 피스톤 링(K1)에 직접 인접하며 피스톤 링(K1) 아래에 위치하는 피스톤 링(K2)에도 제공된다. 제1 피스톤 링(K1) 및 제2 피스톤 링(K2)에 비해 부하를 상당히 덜 받는 제3 피스톤 링(K3)은 피스톤 링 홈(N3)에 위치하며, 알려진 바와 같이 런닝 인 레이어가 제공되어, 제3 피스톤 링(K3)의 주행 표면(L3)을 형성하게 된다.

이러한 구성에서, 제1 피스톤 링(K1)은 주행 표면(L1)이 비대칭 볼록 형태로 형성되어, 무엇보다도 기존에 알려진 바와 같은 오일 스크래퍼 링으로서의 기능을 수행한다. 제1 피스톤 링(K2)은 이와 반대로 대칭 볼록 형태 즉, 중앙 평면(I-I)에 대해 피스톤 링(K2)의 주행 표면(L2)이 대칭형으로 형성되는데, 이에 의하여 피스톤 링 팩(1) 영역에서 유막의 균일하고 개선된 분포를 달성할 수 있으며, 따라서 특히 피스톤 링(K1)의 이상적인 윤활 작용을 보장할 수 있다.

본 발명의 피스톤 링 팩과 이러한 피스톤 링을 가진 피스톤에 의하면, 대형 2-행정 디젤 엔진에 있어서 피스톤의 개선된 동작 상태, 마모에 대한 높은 저항성 및 보다 경제성 있는 동작이 보장된다.

Claims

대형 2-행정 디젤 엔진의 피스톤(2)용 피스톤 링 팩에 있어서,

상기 피스톤(2)은 장착 상태에서 상기 대형 2-행정 디젤 엔진의 실린더(4)의 실린더 벽(3)을 따라 상하로 이동가능하도록 배치되며,

상기 피스톤 링 팩(1)은 상기 실린더(4)의 연소실(5)에 가장 근접 배치되며 제1 주행 표면(L1)을 가진 제1 피스톤 링(K1), 및 제2 주행 표면(L2)을 가진 제2 피스톤 링(K2)을 포함하고,

상기 제1 피스톤 링(K1)은 상기 피스톤(2)의 제1 피스톤 링 홈(N1)에 배치되며, 상기 제2 피스톤 링(K2)은 상기 피스톤(2)의 제2 피스톤 링 홈(N2)에 배치되어, 동작 시에 상기 제1 피스톤 링(K1)의 상기 제1 주행 표면(L1)과 상기 제2 피스톤 링(K2)의 상기 제2 주행 표면(L2)이 상기 실린더 벽(3)의 실린더 주행 표면(7)과 마찰 접촉하고,

상기 제1 피스톤 링(K1)의 상기 제1 주행 표면(L1)과 상기 제2 피스톤 링(K2)의 상기 제2 주행 표면(L2)은 마모 방지를 포함하는 것

을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항에 있어서,

제3 주행 표면(L3)을 가진 적어도 하나 이상의 제3 피스톤 링(K3)이 제3 피스톤 링 홈(N3)에 제공되고, 상기 제3 주행 표면(L3)은 동작시에 상기 실린더 벽(3)의 상기 실린더 주행 표면(7)과 마찰 접촉하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2 주행 표면(L2) 및/또는 상기 제3 주행 표면(L3)은 마모 방지 및/또는 런닝 인 레이어(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 피스톤 링(K1)은 마모 저항성 재료로 된 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 피스톤 링(K2)은 마모 저항성 재료로 된 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제3 피스톤 링(K3) 및/또는 또 다른 피스톤 링은 마모 저항성 재료로 된 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

마모 방지는 마모 방지 코팅(6)인 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 피스톤 링(K2)의 상기 마모 방지 코팅(6)의 두께(S2) 및/또는 상기 제3 피스톤 링(K3)의 상기 마모 방지 코팅(6)의 두께(S3) 및/또는 또 다른 피스톤 링의 마모 방지 코팅의 두께는 상기 제1 피스톤 링(K1)의 상기 마모 방지 코팅(6)의 두께(S1)의 100%이거나, 두께(S1)의 3/4이거나, 두께(S1)의 1/2이거나, 두께(S1)의 1/3이거나, 두께(S1)의 1/4이거나 또는 두께(S1)의 최대 10%인 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 피스톤 링(K1) 및/또는 상기 제2 피스톤 링(K2) 및/또는 상기 제3 피스톤 링(K3) 및/또는 또 다른 피스톤 링의 상기 주행 표면(L1, L2, L3)은 상기 실린더 벽(3)의 실린더 주행 표면 방향으로 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 피스톤 링(K1) 및/또는 상기 제2 피스톤 링(K2) 및/또는 상기 제3 피스톤 링(K3) 및/또는 또 다른 피스톤 링의 상기 주행 표면(L1, L2, L3)은 각각의 상기 피스톤 링(K1, K2, K3)의 중앙 평면(I-I)에 대해 상기 실린더 주행 표면(7) 방향으로 대칭 및/또는 비대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 피스톤 링(K1) 및/또는 상기 제2 피스톤 링(K2) 및/또는 상기 제3 피스톤 링(K3) 및/또는 또 다른 피스톤 링의 상기 주행 표면(L1, L2, L3)은 비대칭으로, 특히 상기 연소실(5) 방향으로 비대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 피스톤 링(K1) 및/또는 상기 제2 피스톤 링(K2) 및/또는 상기 제3 피스톤 링(K3) 및/또는 또 다른 피스톤 링의 상기 주행 표면(L1, L2, L3)은 비대칭으로, 특히 상기 피스톤 링(K1, K2, K3)의 중앙 평면(I-I)에 대해 상기 실린더 주행 표면(7) 방향으로 비대칭으로 볼록하게 형성되며, 특히 상기 연소실(5)에서 멀어지는 방향으로 비대칭으로 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 마모 방지는 크롬(chrome) 및/또는 산화알루미늄(aluminum oxide) 및/또는 규산염(silicate) 및/또는 다이아몬드 입자(diamond particle) 및/또는 크롬 세라믹(chrome ceramic), 특히 트리터(tritor) 및/또는 CKS-36 및/또는 CKS-37 및/또는 탄화물(carbide), 특히 크롬 탄화물(chrome carbide)인 것을 특징으로 하는 피스톤 링 팩.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 피스톤 링 팩을 구비하는 피스톤.