KR20100111248A - 왕복 피스톤 엔진의 피스톤 링 패킷에 가해지는 가스 압력을 감소시키기 위한 감압 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕복 피스톤 엔진의 작동 상태에서 피스톤(2)의 링 영역(21)에 배치된 피스톤 링 패킷(22)에 작용하는 가스 압력(P)을 감소시키기 위한 감압 장치에 관한 것이다. 상기 피스톤(2)은, 링 영역(21)에 인접하며 조립 상태에서 왕복 피스톤 엔진의 연소실(3)을 대면하는 피스톤 크라운(23)을 포함한다. 피스톤(2)은 작동 상태에서 피스톤(2)의 피스톤 크라운(23)이 실린더(4) 내에서의 그의 운동의 상사점(OT) 근처에서 연소 잔여물(6)의 제어된 제거를 위해 실린더(4)의 실린더 벽(41)에 제공된 스크레이핑 장치(5)와 상호작용하도록, 실린더(4)의 종축(L)을 따라 전후로 움직일 수 있게 배치되며, 이때 감압 장치(1)는 리세스(100)의 형태로 형성됨으로써 감압 장치(1, 100)에서 연소 잔여물(6)의 제어된 침전이 달성될 수 있다. 본 발명에 따라, 스크레이핑 장치(5)와 피스톤 크라운(23)은 정체 온도에서 적어도 섹션별로 서로에 대해 사전 설정 가능한 각도(α)로 기울어지도록 설계 및 상호 배치되며, 그럼으로써 피스톤 크라운(23)과 스크레이핑 장치(5)의 상호작용 시 상사점(OT) 근처에서 피스톤 링 패킷(22)에 작용하는 가스 압력(P)의 감소가 자동으로 조정될 수 있다.

Description

왕복 피스톤 엔진의 피스톤 링 패킷에 가해지는 가스 압력을 감소시키기 위한 감압 장치{REDUCING DEVICE FOR THE REDUCTION OF A GAS PRESSURE ON A PISTON RING PACKAGE OF A RECIPROCATING COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 독립 청구항들의 전제부에 따른, 왕복 피스톤 엔진의 피스톤 링 패킷, 피스톤, 분해 가능한 스크레이퍼 링(scraper ring) 및 실린더에 가해지는 가스 압력을 감소시키기 위한 감압 장치와, 왕복 피스톤 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진에 관한 것이다.

종래 기술에 공지된, 예컨대 2행정 대형 디젤 엔진과 같은 왕복 피스톤 엔진, 특히 종방향 세척식 2행정 대형 디젤 엔진을 위한 피스톤은 통상 각각 하나의 피스톤 링 그루브 내에 층층이 배치된 복수의 피스톤 링으로 이루어진 패킷을 구비한다. 일반적으로 공지된 피스톤 링 패킷은 적어도 2개의 피스톤 링을 포함하는데, 대개는 왕복 피스톤 엔진의 크기, 출력 또는 구조에 따라 또는 엔진 구동과 관련한 요건 및 특수 작동 조건에 따라 3개, 4개 또는 5개 까지도 포함한다.

이 경우, 피스톤 링들은 예컨대 실린더 작동면 상에서의 윤활유 분배 및/또는 제거, 크랭크케이스에 대한 연소실의 밀폐, 또는 종방향 세척식 2행정 대형 디젤 엔진의 경우 리시버 챔버에 대한 밀폐 등과 같은 매우 다양한 기능을 충족시킨다.

종방향 세척식 2행정 대형 디젤 엔진의 경우, 리시버 챔버를 향해 있는 피스톤 하부측에 대하여 연소실을 밀폐시키기 위해 일반적으로 4개 또는 5개의 피스톤 링으로 구성된 피스톤 링 패킷이 사용되며, 세척 단계 시작 시 상기 리시버 챔버로부터 세척 슬릿을 통해 신선한 공기가 실린더의 연소실 내로 유입된다. 링형 갭으로 인해 하부 피스톤 링들이 다소 강한 하중을 받는다. 이때 하부 피스톤 링들 사이에 예컨대 압력 변동을 야기할 수 있는 여러 유형의 불안정 상태가 발생할 수 있으며, 상기 압력 변동은 다시 피스톤 트래블에서의 불안정성을 야기하는데, 그 이유는 유사한 또는 동일한 기능을 가진 피스톤 링이 너무 많이 존재하기 때문이다.

대형 디젤 엔진은 주로 선박용 구동 어셈블리로서 사용되거나, 또는 정상 작동시에도 예컨대 전기 에너지를 발생시키기 위한 대형 발전기의 구동을 위해 사용된다. 이때, 엔진은 보통 상당한 시간에 걸쳐 지속적으로 작동되며, 이는 작동 안전 및 가용성에 대한 요구도가 높다. 작동자의 경우, 엔진 작동을 위한 핵심 기준은 특히 긴 유지보수 주기, 적은 마모 및 경제적인 연료 관리이다. 무엇보다 그러한 대구경 저속 디젤 엔진(large-bore low-speed diesel engine)의 피스톤 트래블 거동은 유지보수 주기의 길이, 가용성, 윤활제 소비량과 관련한 결정적 인자일 뿐 아니라, 작동 비용과 더불어 경제성과 관련해서도 직접적인 변수이다. 따라서 엔진에 있어서 실린더 윤활의 복잡한 문제도 점점 더 중요한 의미를 가지게 되는데, 특히 대형 디젤 엔진의 경우 윤활 장치에 의한 실린더 윤활이 전후 방향으로 운동하는 피스톤에서 실시되거나, 실린더 벽에 제공된 윤활유 노즐을 통해 구현된다.

엔진 내 매우 다양한 위치에 침전될 수 있는 연소 잔류물은 엔진 작동 시 항상 문제를 일으키는 원인이 된다. 특히 주로 중유로 작동되는 2행정 대형 디젤 엔진의 경우 연소 잔여물은 중대한 문제인데, 그 이유는 사용 연료, 즉 중유가 모든 종류의 고체상, 액상 및 가스상 연소 잔여물을 야기할 수 있는 많은 원료로 이루어져 있기 때문이다. 그러한 연소 잔여물은 특히 피스톤과, 피스톤 링 그루브와, 특히 피스톤 크라운(piston crown) 또는 실린더에 침전될 수 있고, 바람직하게는 상사점 근처에도 침전될 수 있다.

특히 피스톤 크라운에서 연소 잔여물 침전물을 제거하기 위해, 예컨대 바르질라(Wartsila) 2행정 엔진에서는 실린더 라이너의 상부에 이른바 연마 방지 링(anti-polishing ring)을 제공하는 점이 공지되어 있다. 상기 링은 예컨대 일반적으로 실린더 자체의 내경보다 더 작은 내경을 갖는 직사각형 횡단면을 갖는 박벽 부시로서 설계될 수 있다. 직경 축소에 의해, 피스톤 크라운의 침전물을 제거하기 위한 제거 효과가 발생한다. 연마 방지 링의 내경은 엔진 작동 시 피스톤 크라운의 직경에, 더 구체적으로는 특히 최대 직경에 맞추어진다. 따라서 공지된 연마 방지 링의 경우, 피스톤 크라운과 연마 방지 링 사이의 갭이 가능한 작도록, 그러나 피스톤 크라운이 연마 방지 링과 기계적으로 직접 접촉되지는 않도록 그 내경이 좁게 설계되어야 한다.

연마 방지 링의 설계가 수많은 절충안에 따라야 하는 점은 자명하다. 부하가 낮고 피스톤 크라운이 보다 냉각된 경우, 갭, 즉 피스톤 크라운과 연마 방지 링 사이의 간격은 오직 열팽창 계수에 따라 부하가 높은 경우보다 더 크다. 이때, 일반적으로 실린더 작동면, 피스톤, 특히 피스톤 링, 피스톤 링 그루브, 피스톤 크라운 등과 같은 실린더 내 상이한 요소들이 주연 방향으로뿐만 아니라 종방향으로도 부하가 가해지는 작동 시간에 따라 상이하게 마모되기 때문에 고정된 직경을 갖지 않는 점이 추가로 고려된다.

따라서, 종래 기술에 공지된 엔진에서는 연마 방지 링과 피스톤 크라운의 상호작용이 모든 작동 조건 하에서 그리고 관여 요소들의 전체 수명에 걸쳐서 최적으로 이루어지지 않는 점이 명백해진다.

특히 연마 방지 링과 피스톤 크라운 사이의 최적의 밀폐 효과는, 상기 두 요소가 상사점 근처에서 본래 상호 밀폐 작용을 해야 하는 경우에 항상 보장되지는 않는다. 말하자면 연마 방지 링/피스톤 크라운 쌍의 실질적인 역할은 연소 잔여물의 제거 외에, 압축 행정 시 또는 연소실 내 공기 혼합물 연료의 점화에 의해 실린더 내 피스톤의 상사점 근처에 형성되는 과도한 가스 압력을 피스톤 하부에 대하여 그리고 우선적으로 피스톤 크라운 하부에 놓인 피스톤 링 패킷에 대하여 밀폐시키는 것이다.

그럼으로써 특히 연소실 내에서 상사점 근처에서 발생한 압력 에너지가 최대한 완전히 이용될 수 있고, 부분적으로 이용되지 않은 채 피스톤을 지나서 가스 흐름의 형태로 실린더 하부 및 리시버 챔버로 방출되지 않는 점이 보장되어야 한다. 또한, 연마 방지 링과 피스톤 크라운 사이의 밀폐 상태가 불충분할 경우 피스톤에서 아래쪽으로 흘러지나가는 가스 흐름에 의해 연소 잔류물의 침전물에서 개별 입자가 제어되지 않은 채로 떨어져 나감으로써 예컨대 실린더 하부에서 실린더 작동면에 침전될 수 있는 위험이 항상 존재하며, 그럼으로써 특히 실린더 윤활유가 오염되어 최악의 경우 상당한 흠집과 같은 손상이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 과제는 연소실과 피스톤 하부 사이에서, 특히 피스톤의 상사점 근처에서의 밀폐 상태가 개선될 수 있도록 하는 장치를 제공하는 것이다. 특히 본 발명을 통해, 작동 상태에서 피스톤의 피스톤 링 패킷에 작용하는 가스 압력이 감소되어야 하며, 이때 관련 요소들의 작동 상태 또는 마모 상태와 무관하게 자동으로 피스톤의 상사점 근처에서 피스톤 크라운과 마모 방지 링 사이의 최적의 밀폐 상태가 항상 달성될 수 있다.

상기 과제를 해결하는 본 발명의 대상은 독립 청구항들의 특징들로써 기술된다.

종속 청구항들은 본 발명의 매우 바람직한 실시예들과 관련된다.

따라서 본 발명은 왕복 피스톤 엔진의 작동 상태에서 피스톤의 링 영역에 배치된 피스톤 링 패킷에 작용하는 가스 압력을 감소시키기 위한 감압 장치와 관련된다. 상기 피스톤은, 링 영역에 인접하며 왕복 피스톤 엔진의 연소실을 대면하는 피스톤 크라운을 포함한다. 피스톤은 작동 상태에서, 피스톤의 피스톤 크라운이 실린더 내에서의 그의 운동의 상사점 근처에서 연소 잔여물의 제어된 제거를 위해 실린더의 실린더 벽에 제공된 스크레이핑 장치와 상호작용하도록, 실린더의 종축을 따라 전후로 움직일 수 있게 배치되며, 이때 감압 장치는 리세스 형태로 형성됨으로써 감압 장치에서 연소 잔여물의 제어된 침전이 달성될 수 있다. 본 발명에 따른 스크레이핑 장치와 피스톤 크라운은 적어도 정체 온도(stagnation temperature)에서 적어도 섹션별로 서로에 대해 사전 설정 가능한 각도로 기울어지도록 설계 및 상호 배치되며, 그럼으로써 피스톤 크라운과 스크레이핑 장치의 상호작용 시 상사점 근처에서 피스톤 링 패킷에 작용하는 가스 압력의 감소가 자동으로 조정될 수 있다.

"정체 온도"란 엔진이 비작동 상태에서 충분히 오랫동안 대기한 후의 엔진 온도를 의미한다. 따라서 엔진이 장시간 충분히 꺼져 있어서 거의 주변 온도와 비슷해진 경우 정체 온도는 실질적으로 주변 온도를 의미한다. 그러므로 주변 온도와 구별하여 엔진 또는 엔진의 여러 부품의 작동 온도는 당업자에 잘 공지되어 있듯이, 엔진 또는 엔진의 개별 부품들이 작동 상태에 있을 때 취하는 온도이다.

따라서 실린더 또는 스크레이핑 장치 또는 감압 장치와 피스톤 크라운 사이의 가변 횡단면의 장점은 본 발명에서 매우 중요하다.

스크레이핑 장치 또는 감압 장치 및 피스톤 크라운 등의 부품은 냉각 상태에서, 즉 정체 온도에서 서로 평행하게 놓이지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 스크레이핑 장치 또는 감압 장치 및 피스톤 크라운의 서로 마주보는 면들은 예컨대 구형 물결형 또는 계단형으로도 제공될 수 있다.

피스톤 크라운은 바람직하게 연소실로 갈수록 원추형으로 좁아지는 형태를 가지며, 스크레이퍼 링은 연소실에 대하여 닫히는 형태를 갖거나, 성형 추세에 따라 그 역의 경우도 가능하다. 또 다른 한 실시예에서는 서로 마주보는 두 면 중 하나만 가변 횡단면을 갖는 것도 가능하며, 이 경우 바람직하게는 피스톤 크라운이 가변 횡단면을 갖는다.

본 발명의 특별한 장점 중 하나는, 구성 요소들이 작동 중에 가열됨으로써 리세스 형태, 예컨대 홈 형태의 윤곽부를 갖도록 또는 갖지 않도록 설계될 수 있는 면들이 최적의 방식으로 대면하고, 그럼으로써 예컨대 오염물이 침전되거나 침전되지 않은 리세스의 래비린스(labyrinth) 내에서 원하는 밀폐 작용이 일어나는 데 있다.

이때, 연소실을 향해 닫히는, 특히 축소되는 횡단면은 침전물을 수반하지 않는 더 나은 밀폐를 야기하는데, 이는 연소실 가장 가까이에 가장 작은 횡단면이 놓이기 때문이다.

그에 반해 연소실을 향해 열리는, 특히 확장되는 횡단면은 더 높은 온도 및 더 큰 횡단면으로 인해 침전되는 그을음 입자들이 더 빠르게 침전되도록 한다.

좁아지거나 넓어지는 횡단면들은 바람직하게 수직선에 대해, 즉 실린더의 종축과 관련하여 약 0.238°내지 0.7°의 각도를 갖는다.

특히 본 발명에 따르면 연마 방지 링의 내경이 복수의 환형 홈 또는 소정의 가느다란 나사선을 갖는다. 그러한 리세스들 또는 기하학적으로 다르게 설계된 리세스들의 기능은 특히, 이미 공지된 방식으로 밀폐 효과를 가짐으로써 피스톤 크라운을 따라 피스톤 링 패킷 및 피스톤 하부 영역으로 가는 연소 가스의 부피 흐름을 적어도 크게 감소시키는 래비린스 효과를 발생시킬 수 있는 데 있다. 그럼으로써 피스톤 링 패킷에 최대로 작용하는 압력도 감소한다.

또한, 연마 방지 링뿐만 아니라 그 대안으로 또는 추가로 피스톤 크라운의 영역에도 제공될 수 있는 리세스들이 패인 표면이 연소 잔여물의 침전을 가속화할 수 있다. 그로 인해 연소 잔여물로 코팅된 피스톤 크라운의 표면 및/또는 연마 방지 링의 표면은 연마 방지 링의 내경 또는 피스톤 크라운의 외경을 감소시켜, 연마 방지 링과 피스톤 크라운 사이의 갭을 좁힌다. 그럼으로써 본 발명에 의해 연마 방지 링과 피스톤 크라운 사이의 간격은 작동 상태에서 자동으로 최적의 값으로 설정된다.

예컨대 출력이 증가함으로써 피스톤 크라운의 외경이 확대되고 연마 방지 링의 내경이 축소되는 경우, 연마 방지 링 및/또는 피스톤 크라운에 존재하는 연소 잔여물의 상대적으로 약한 침전물은, 상기 연마 방지 링과 피스톤 크라운 사이에 또는 상기 두 요소 모두 또는 그 중 하나에 존재하는 침전물들의 표면 사이에 최적의 간격이 설정되도록 상기 두 요소가 상대 운동을 함으로써 제거된다. 그 결과, 왕복 피스톤 엔진의 작동 상태 및 관련 엔진 요소들의 마모 상태와 상관없이, 연마 방지 링과 피스톤 크라운 사이에 자동으로 항상 최적의 간격이 형성됨으로써, 자동으로 항상 최적의 밀폐 작용이 달성되고, 피스톤 링 패킷에 가해지는 압력이 최대한 감소할 수 있다.

또한, 그렇게 하여 감소한 연마 방지 링과 피스톤 크라운 사이의 간격에 의해 연소실로부터의 연소 가스의 부피 흐름이 피스톤을 지나 피스톤 링 패킷을 거쳐 상당히 감소한다.

이미 설명한 바와 같이, 매우 바람직한 한 실시예에서는, 스크레이핑 장치, 바람직하게는 연마 방지 링에 리세스가 제공된다. 이 경우, 본 발명에 따른 리세스는 추가로 또는 그 대안으로 바람직하게 피스톤 크라운에도 제공될 수 있다.

리세스는 구체적인 요건에 따라 매우 다양하게 형성될 수 있다. 즉, 리세스는 예컨대 피스톤 링 크라운 또는 스크레이핑 장치, 즉 연마 방지 링에 정해진 패턴으로 또는 임의의, 바람직하게는 균일한 분포도로 제공될 수 있는 함몰부들의 필드로 형성될 수 있다.

실무에서 매우 중요한 한 실시예의 경우, 리세스는 실린더의 종축과 관련하여 환형 홈의 형태로 그리고/또는 실린더의 종축과 관련하여 나사 형태로 둘러싸는 홈의 형태로 형성되며, 이때 상기 두 유형의 홈은 물론 하나의 동일한 예에서 조합된 형태로 제공될 수도 있다. 이 경우 바람직하게는 복수의 환형 홈이 제공된다.

특히 실린더의 유지보수 작업을 간편화함으로써 비용도 절약하기 위해, 스크레이핑 장치가 분해 가능한, 즉 교체 가능한 스크레이퍼 링으로서 실린더 벽에 제공된다.

이 경우, 분해 가능한 스크레이핑 장치는 실린더의 종축과 관련하여 일정한 횡단면을 가진다. 즉, 연마 방지 링의 횡단면은 직사각형인 것이 특히 바람직하다. 특별한 경우, 연마 방지 링이 예컨대 피스톤 크라운의 기하학적 구조에 매칭되거나, 일정치 않은 가변 횡단면을 갖는 것도 가능하다. 예컨대 연마 방지 링이 피스톤 크라운의 횡단면에 대응되는 횡단면 형태, 예컨대 삼각형 횡단면 형태 또는 다른 적절한 횡단면 형태를 가질 수 있다.

역시 비용 측면의 이유에서 또는 엔진의 유지보수 작업의 간편화를 위해서, 분해 가능한 피스톤 크라운 링에 리세스가 제공될 수 있다. 즉, 피스톤 크라운에 연마 방지 링에 상응하게 교체 가능한 피스톤 크라운 링이 제공될 수 있으며, 상기 피스톤 크라운 링은 예컨대 피스톤 링과 용접되거나, 피스톤 크라운 상에 높은 장력 하에 고정되거나, 또 다른 적절한 방식으로 피스톤 크라운에 확실하게 고정된다. 그러한 경우 특정한 경우 전체 피스톤 대신 피스톤 크라운 링만 교체하면 되므로, 특히 대체 부품 및 비용이 절약된다.

바람직하게는, 본 발명의 리세스가 0.1mm 내지 5mm, 바람직하게는 0.5mm 내지 3mm의 최대 깊이를 가지며, 이때 예컨대 홈형 리세스의 경우 리세스의 수는 1/cm 내지 15/cm, 특히 4/cm 내지 10/cm이고, 또는 면 형태로 분포된 리세스의 경우 1/㎠ 내지 15/㎠, 특히 4/㎠ 내지 10/㎠이다.

본 발명은 또한 분해 가능한 스크레이퍼 링과, 본 발명에 따른 감압 장치를 구비한 분해 가능한 피스톤 크라운 링과, 실린더와, 분해 가능한 스크레이퍼 링 및 분해 가능한 피스톤 크라운 링을 구비한 피스톤에 관련된다.

본 발명은 또한 왕복 피스톤 엔진, 특히 본 출원서에 상세히 기술한 것과 같은 감압 장치 및/또는 피스톤 및/또는 실린더를 구비한 2행정 대형 디젤 엔진과 관련된다.

분해 가능한 스크레이퍼 링, 즉 연마 장지 링 및 분해 가능한 피스톤 크라운 링이 사용될 수 있음으로써, 특히 부분적으로 매우 높은 수명을 갖는 구형 엔진, 특히 대형 디젤 엔진도 본 발명에 따라 엔진의 복잡한 변형을 수행할 필요 없이 매우 간단하게 보완될 수 있는 본 발명의 매우 특별한 장점이 획득된다.

하기에서는 도면을 참고로 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명의 연마 방지 링을 구비한 실린더 장치를 도시한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 실린더 장치의 연마 방지 링에 연소 잔여물이 침전된 모습을 도시한 도면이다.
도 2a는 나사형으로 둘러싸는 홈을 갖는 피스톤 크라운을 구비한 본 발명에 따른 실린더 장치를 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a의 실린더 장치에서 피스톤 크라운에 연소 잔여물의 침전물이 형성된 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 분해 가능한 연마 방지 링 및 분해 가능한 피스톤 크라운 링을 구비한 본 발명에 따른 실린더 장치를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 또 다른 3개의 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.

도 1a 내지 도 3에는 각각 본 발명에 따른 감압 장치를 구비한 실린더 장치의 개략적인 부분 단면도가 도시되어 있으며, 상기 감압 장치는 하기에서 모두 도면부호 "1"로 지칭된다.

도 1a 내지 도 3의 모든 실시예에는, 본 발명에 따른 감압 장치(1, 100) 외에, 이미 공지된 왕복 피스톤 엔진, 본 실시예에서는 2행정 크로스헤드 대형 디젤 엔진의 실린더 장치가 도시되어 있으며, 상기 실린더 장치는 그 내부에 피스톤(2)이 배치되어 있는 실린더(4)를 구비하며, 상기 피스톤에서 링 영역(21)에는 3개의 피스톤 링을 구비한 피스톤 링 패킷(22)이 제공된다. 도시된 것처럼 연소실(3)을 대면하는 피스톤 크라운(23)의 하부에 배치된 피스톤 링 패킷(22)에는 작동 상태에서 피스톤(2)의 압축 행정 동안 또는 연소 혼합물의 점화에 의해 연소실(3)에 발생한 가스 압력(P)이 작용한다. 피스톤(2)은 널리 공지되어 있는 방식으로 작동 상태에서 실린더(4)의 종축(L)을 따라, 피스톤(2)의 피스톤 크라운(23)이 실린더(4) 내에서 그의 운동의 상사점(OT) 근처에서 실린더(4)의 실린더 벽(41)에 연소 잔여물(6)의 제거를 위해 제공된 스크레이핑 장치(5)와 상호작용하도록 전후로 운동할 수 있게 배치된다.

본 발명에 따르면 공지된 종래 기술과 달리, 감압 장치에서의 연소 잔여물(6)의 제어된 침전이 달성될 수 있도록, 그리고 상사점(OT) 근처에서 피스톤 크라운(23)이 스크레이핑 장치(5), 여기서는 연마 방지 링(5)과 상호작용할 때 피스톤 링 패킷(22)에 작용하는 가스 압력(P)의 감소가 자동으로 조정될 수 있도록, 리세스(100) 형태의 감압 장치(1)가 설계 및 제공된다.

이와 같은, 모든 실시예들에 명백하게 적합한 본 발명의 일반적인 원리는 도 1a 내지 도 3을 토대로 구체적으로 설명되듯이, 다양한 실시예로 구현될 수 있다.

도 1a에서는 본 발명에 따른 감압 장치(1)가 종축(L) 주변을 나사 형태로 둘러싸는 홈(100)으로서 형성되어 있다. 도 1a에는 실린더(4)가 수리 이후 처음으로 작동되기 전의 상태가 도시되어 있다. 따라서, 피스톤 크라운(23)에도 그리고 나사형 홈(100)을 구비한 스크레이핑 장치(5)에도 연소 잔여물(6)의 침전물이 존재하지 않는다.

도 1b에는 규정된 수의 작동 시간 이후의, 도 1a의 실린더 장치가 도시되어 있다. 분해 가능한 스크레이퍼 링(5)에 현재 명백히 연소 잔여물(6)이 침전되어 있는 것을 볼 수 있다. 피스톤 크라운(23)을 대면하는 표면에 있는 연소 잔여물(6)은 상사점(OT) 근처에서 피스톤(2)의 전후 운동 시 연소 잔여물(6)의 표면이 피스톤 크라운(23)의 대응 표면과 어느 정도 형상 결합식으로 상호작용하도록 형성된다. 그럼으로써 한편으로는 스크레이퍼 링(5)과 피스톤 크라운 사이에 최적의 밀폐 효과가 달성된다. 다른 한편으로는 예컨대 부하 변동 또는 온도 변동으로 인해 피스톤 크라운(23)의 외경 및/또는 스크레이퍼 링(5)의 내경이 변하는 경우에도 상기 최적의 밀폐가 유지된다. 스크레이퍼 링(5)과 피스톤 크라운(23) 사이의 간격이 예컨대 시간에 따라 더 커지면, 연소 잔여물(6)이 더 많이 침전됨에 따라 상기 틈이 다시 메워진다. 그에 반해, 스크레이퍼 링(5)과 피스톤 크라운(23) 사이의 간격이 작아지면, 피스톤 크라운(23)이 스크레이퍼 링(5) 상에 존재하는 비교적 연성인 침전물의 표면을 따라 스쳐 지나가면서, 다시 최적의 간격이 형성될 때까지 연소 잔여물(6)이 마멸된다.

이때, 도 1a에 도시된 것처럼 감압 장치(1, 100)에 아직 연소 잔여물(6)이 전혀 침전되지 않은 경우라 할지라도 스크레이퍼 링(5)과 피스톤 크라운(23) 사이의 밀폐 효과는 종래 기술에 비해 훨씬 더 개선되는 점은 자명하다. 이는 환형 홈(100)이 래비린스 씰(labyrinth seal)로서 작용하며, 오직 그 때문만으로도 피스톤 링 패킷(22)에 가해지는 압력이 현저히 감소하는 데 기인한다.

도 2a의 실시예와 도 2b의 실시예는 특히, 본 발명에 따른 감압 장치(1)가 스크레이핑 장치(5)가 아닌 피스톤 크라운(23)에 제공되는 점에서 도 1a 및 도 1b와 구별된다. 여기서는 리세스(100)가 환형 홈의 형태로 형성되지 않고, 어느 정도 균일하게 분포된 리세스(100), 예컨대 작은 오목부(100)의 형태로 피스톤 크라운(23)의 표면에 걸쳐서 분포되어 있다.

그럼으로써 연소 잔여물(6)의 침전물이 주로 피스톤 크라운(23)에 축적된다. 이로써 달성된 밀폐 효과는 도 1a 및 도 1b의 예에서와 전체적으로 유사하게 나타난다.

도 3에 도시된 본 발명의 매우 특수한 실시예에서는, 스크레이퍼 링(5)과 피스톤 크라운(23) 모두에 본 발명에 따른 감압 장치(1, 100)가 리세스(100)의 형태로 제공된다. 또한, 피스톤 크라운(23)에 분해 가능한 피스톤 크라운 링(7)이 제공됨으로써, 예컨대 피스톤 크라운(23)에 제공된 감압 장치(1, 100)가 마모될 경우 전체 피스톤(2)이 교체될 필요 없이 피스톤 크라운 링(7)만 교체하면 된다. 이때, 도 3의 실린더 장치는 아직 작동 전이므로, 연소 잔여물(6)의 침전물도 아직 존재하지 않는다. 작동 상태에서는 연소 잔여물이 피스톤 크라운(23)과 스크레이퍼 링(5) 모두에 서서히 침전되어 결국 형상 결합식 밀폐가 구현된다.

도 3의 예는, 침전물이 상대적으로 덜 발생하는 적용예의 경우에 특히 적합하며, 그럼으로써 본 실시예의 경우 피스톤 크라운(23)과 스크레이퍼 링(5) 모두에 제공되는 이중 작용 래비린스 씰이 특히 효과적이기 때문에, 연소 잔여물(6)의 확실한 침전 없이도 피스톤 크라운(23)과 스크레이퍼 링(5) 사이에 이미 종래 기술에 비해 훨씬 개선된 밀폐 효과가 보장된다.

도 4a 내지 4c에는 본 발명의 또 다른 매우 바람직한 3개의 실시예가 도시되어 있다.

이미 설명했듯이, 실린더(4) 또는 스크레이핑 장치(5) 또는 감압 장치(1)와 피스톤 크라운(23) 사이의 가변 횡단면의 장점은 본 발명에 있어 중요하다.

각각 정체 온도에서의 실린더를 도시한 도 4a 내지 4c로부터 매우 명백하게 알 수 있듯이, 스크레이핑 장치(5) 또는 감압 장치(1) 및 피스톤 크라운(23)은 특히 냉각 상태에서 서로 평행하게 놓이지 않도록 형성된다. 이때, 스크레이핑 장치(5) 또는 감압 장치(1) 및 피스톤 크라운(23)의 서로 마주보는 면들은 예컨대 구형, 물결형 또는 계단형으로도 제공될 수 있다.

도 4a의 실시예에 따른 피스톤 크라운(23)은 연소실(3)로 갈수록 원추형으로 좁아지는 형태를 가지며, 스크레이퍼 링(5)은 연소실에 대하여 닫히는 형태를 갖거나, 여기에는 명백히 도시되지 않은 또 다른 한 실시예에서는 성형 추세에 따라 그 역의 경우도 가능하다.

또 다른 한 실시예에서는, 도 4b에 개략적으로 도시된 것처럼, 서로 마주보는 두 면 중 하나만 가변 횡단면을 갖는 것도 가능하며, 이 경우 바람직하게는 피스톤 크라운(23)이 가변 횡단면을 갖는다.

마찬가지로 이미 설명하였듯이 본 발명의 특별한 장점 중 하나는, 구성 요소들이 작동 중에 가열됨으로써 리세스(100)의 형태, 예컨대 홈(100) 형태의 윤곽부(100)를 갖도록 또는 갖지 않도록 설계될 수 있는 면들이 최적의 방식으로 대면하고, 그럼으로써 예컨대 오염물이 침전되거나 침전되지 않은 리세스(100)의 래비린스 내에서 원하는 밀폐 작용이 일어나는 데 있다.

이때, 연소실(3)을 향해 닫히는, 특히 축소되는 횡단면은 도 4c에 도시된 것처럼 침전물(6)을 수반하지 않는 더 나은 밀폐를 야기하는데, 이는 연소실(3) 가장 가까이에 가장 작은 횡단면이 놓이기 때문이다.

그에 반해 연소실(3)을 향해 열리는, 특히 확장되는 횡단면은 더 높은 온도 및 더 큰 횡단면으로 인해 침전되는 그을음 입자들의 더 빠른 침전(6)을 야기한다.

도 4a 내지 4c에서 좁아지거나 넓어지는 횡단면들은 바람직하게 수직선에 대해, 즉 실린더(4)의 종축(L)과 관련하여 약 0.238°내지 0.7°의 각도를 갖는다.

당업자라면 전술한 본 발명의 실시예들이 예시일 뿐이며, 특히 도시된 본 발명의 실시예들의 적절한 모든 조합도 포함한다는 점을 알고 있다.

Claims (15)

1. 왕복 피스톤 엔진의 작동 상태에서 피스톤(2)의 링 영역(21)에 배치된 피스톤 링 패킷(22)에 작용하는 가스 압력(P)을 감소시키기 위한 감압 장치로서,
   상기 피스톤(2)은, 상기 링 영역(21)에 인접하며 조립 상태에서 왕복 피스톤 엔진의 연소실(3)을 대면하는 피스톤 크라운(23)을 포함하고, 상기 피스톤(2)은 작동 상태에서 상기 피스톤(2)의 상기 피스톤 크라운(23)이 실린더(4) 내에서의 그의 운동의 상사점(OT) 근처에서 연소 잔여물(6)의 제어된 제거를 위해 상기 실린더(4)의 실린더 벽(41)에 제공된 스크레이핑 장치(5)와 상호작용하도록, 상기 실린더(4)의 종축(L)을 따라 전후로 움직일 수 있게 배치되며, 이때 감압 장치는 리세스(100)의 형태로 형성됨으로써 감압 장치에서 상기 연소 잔여물(6)의 제어된 침전이 달성될 수 있는, 감압 장치에 있어서,
   상기 스크레이핑 장치(5)와 상기 피스톤 크라운(23)은 정체 온도에서 적어도 섹션별로 서로에 대해 사전 설정 가능한 각도(α)로 기울어지도록 설계 및 상호 배치되며, 그럼으로써 상기 피스톤 크라운(23)과 상기 스크레이핑 장치(5)의 상호작용시 상사점(OT) 근처에서 상기 피스톤 링 패킷(22)에 작용하는 가스 압력(P)의 감소가 자동으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 피스톤 크라운(23)은 상기 연소실(3)을 향하여 좁아지는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 피스톤 크라운(23)은 상기 연소실(3)을 향하여 확장되는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스크레이핑 장치(5)는 상기 연소실(3)을 향하여 좁아지는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스크레이핑 장치(5)는 상기 연소실(3)을 향하여 확장되는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 리세스(100)는 상기 스크레이핑 장치(5)에 제공되는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 리세스(100)는 상기 피스톤 크라운(23)에 제공되는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 리세스(100)는 상기 종축과 관련하여 환형 홈(100)의 형태로, 특히 상기 종축(L)과 관련하여 나사 형태로 둘러싸는 홈(100)의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   복수의 환형 홈(100)이 제공되는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크레이핑 장치(5)는 분해 가능한 스크레이퍼 링(5)으로서 상기 실린더 벽(41)에 제공되는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리세스(100)는 분해 가능한 피스톤 크라운 링(7)에 제공되는 것을 특징으로 하는 감압 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 감압 장치(1, 100)를 구비한 피스톤.
13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 감압 장치(1, 100)를 구비한 분해 가능한 스크레이퍼 링.
14. 제13항에 따른 분해 가능한 스크레이퍼 링(5)을 구비한 실린더.
15. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 감압 장치(1, 100) 및/또는 제12항에 따른 피스톤 및/또는 제14항에 따른 실린더를 구비한 왕복 피스톤 엔진, 특히 2행정 대형 디젤 엔진.

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