KR20110111417A - 밀봉 슬리브 - Google Patents

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KR20110111417A
KR20110111417A KR1020117017007A KR20117017007A KR20110111417A KR 20110111417 A KR20110111417 A KR 20110111417A KR 1020117017007 A KR1020117017007 A KR 1020117017007A KR 20117017007 A KR20117017007 A KR 20117017007A KR 20110111417 A KR20110111417 A KR 20110111417A
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Abstract

내연 기관의 피스톤과 실린더 벽부 사이를 밀봉하는 밀봉 슬리브는, 실린더의 반경 방향에서의 밀봉 슬리브의 폭(w)보다 3개 이상 큰 피스톤 이동 방향에서의 높이를 가지며, 실린더 벽부와 접촉하는 외측면에 가압된 환형 절결부(도 2의 6)를 갖는다.

Description

밀봉 슬리브{SEALING SLEEVE}
본 발명은 밀봉 슬리브에 관한 것으로, 구체적으로는 피스톤 시일과 실린더 벽부 간의 마찰을 저하시키는 것에 관한 것이다.
실린더 내부에서 피스톤이 왕복운동하는 내연 기관에서는 피스톤과 실린더 벽부 간의 우수한 시일(seal)이 필수적이다. 이 시일은 일반적으로 피스톤 둘레 상의 홈에 위치하는 소위 피스톤 링에 의해 달성된다. 실린더 내부의 가스 압력은 피스톤 링을 실린더 벽부와 피스톤 홈의 일측면에 대하여 힘을 가한다. 그러므로, 피스톤 링과 실린더 벽부 사이의 간극 및 피스톤 링과 피스톤 홈측 사이의 간극은 작아지게 된다. 이것이 시일로서 작용하며, 가스 누설을 감소시킨다.
실린더 내부의 가스 압력은 특히 컴프레셔 또는 터보 차저에 의해 달성된 증가된 유입구 공기 압력으로 작동되는 엔진에서는 다소 높아질 수 있다. 높은 가스 압력은 피스톤 링과 피스톤 사이 또한 피스톤 링과 실린더 벽부 사이에 그에 대응하여 높은 접촉 압력을 발생한다. 피스톤 링과 실린더 벽부 간의 높은 접촉 압력은 그 자체가 실린더 내의 피스톤의 이동에 저항하는 마찰로 나타나게 된다. 이 마찰은 윤활유를 가함으로써 감소되기는 하지만 상당히 클 수 있으며, 엔진의 에너지 효율을 저하시킨다. 또한, 국부적인 열 발생을 야기하여, 윤활에 유해할 수도 있고, 마모를 초래하며, 점검(overhaul) 사이의 작동 시간을 크게 제한하며, 엔진의 기대 수명을 단축시킬 수 있다. 마찰이 접촉력 및 그에 따라 실린더 가스 압력과 기하학적 크기에 좌우되기 때문에, 이러한 국부적인 가열 영향은 대형 엔진에서 더욱 크게 나타난다.
도 1에는 종래의 피스톤 링이 도시되어 있으며, 몇몇의 관련된 기하하적 치수가 도시되어 있다. 실린더 및 실린더의 피스톤을 관통하는 중앙 단면의 일부분을 나타내고 있는 이 도면에서, 도면부호 1은 피스톤, 도면부호 2는 실린더 벽부, 도면부호 3은 피스톤 링, 도면부호 4는 피스톤 링-피스톤 홈 밀봉 영역, 도면부호 5는 피스톤 링-실린더 벽부 밀봉 영역을 나타낸다.
뒤틀림이 없는 몸체(non-warping body)이고, 피스톤 링에 걸친 가스 압력차가 P인 것으로 가정한 상태에서의 이상적이고 간략한 분석에서는, 다음과 같이 나타난다(도 1에 도시된 바와 같은 치수):
a) 피스톤 링과 피스톤 홈 간의(영역 4) 고형물 대 고형물 접촉 압력(solid to solid contact pressure)은 다음과 같다:
Pㆍ(W-(W-C)/2)/(W-C) > P/2
이것은 우수한 접촉 및 우수한 시일을 제공한다.
b) 피스톤 링과 실린더 벽부 간의(영역 5) 고형물 대 고형물 접촉 압력은 다음과 같다:
P/2
이것 또한 우수한 시일을 제공한다.
c) 피스톤 링과 실린더 벽부 간의 마찰은 다음과 같다:
Pㆍhㆍℓㆍu/2 (여기서, u는 마찰 계수이고, ℓ은 실린더 벽부의 원주 길이이다)
밀봉 슬롯 내의 가스 오일 혼합물의 압력은 어떠한 압력에서 다른 압력으로 바뀔 때에 선형적으로 변화하는 것으로 가정된다. 피스톤 링의 탄력성(springiness)에 의한 힘은 무시된다.
c)로부터, 마찰과 또한 피스톤의 원주 길이 당의 마찰은 피스톤 링 높이 h에 좌우되는 것이 명백하다. 이것을 더욱 작게 할 수 있을수록, 마찰이 더욱 작아지게 될 것이다. 예컨대 왕복운동 피스톤 링의 탄력성 및 뒤틀림(warping)을 포함하는 더욱 복잡한 모델링은 이 결론을 입증할 것이다.
종래의 피스톤 링에 대해, 높이 h는 피스톤 링이 압력 및 마찰력으로 인한 뒤틀림에 저항하도록 하기 위한 필요성에 의해 결정된다. 적절한 피스톤과 실린더 벽부 간의 간극(도 1에서의 c)은 실린더 보어(bore) 크기에 비례하여 증가하는 경향이 있다. 과도한 뒤틀림을 방지하기 위해, 종래에는, 피스톤 링은 압력 P가 증가되지 않더라도 더욱 대형의 실린더 보어를 위해 더 크게 구성되었다. 종래에는 링의 높이 h는 실린더 보어 직경에 비례하여 이루어졌다.
대형 선박의 엔진에서, 마찰열에 의하여 윤활 시스템 및 윤활유 품질에 대한 요구가 높아지게 되었다. 이러한 엔진에 대한 있을 수 있는 장애 모드는, 피스톤 링과 실린더 벽부 사이의 윤활에 문제가 발생하는 "스커핑(scuffing)"으로 지칭된다. 이것은 엔진에 대한 심각한 손상을 초래할 수 있다.
본 발명은 피스톤 시일과 실린더 벽부 간의 마찰을 저하시키는 것에 관한 것이다. 본 발명 목적 중의 하나는 엔진의 에너지 효율을 증가시키는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 피스톤 시일과 실린더 벽부 간의 마찰에 의해 야기된 국부적 발열을 감소시키고, 이에 의해 윤활 및 수명을 향상시키는 것이다.
본 발명에 따라, 피스톤 시일과 실린더 벽부 간의 마찰을 감소시킬 수 있다. 이에 의해 엔진의 에너지 효율이 증가될 것이며, 마모를 감소시키고, 점검 사이의 시간을 증가시키고, 엔진의 기대 수명을 연장시킬 것이다. 본 발명은 피스톤 밀봉과 실린더 벽부 사이의 밀봉이 이들 간의 접촉 압력에 좌우되는 한편, 마찰이 접촉력에 좌우된다는 현실에 주안점을 두고 있다. 접촉 면적의 감소는 접촉 압력이 일정하게 유지되는 경우에도 마찰을 감소시킨다.
도 1은 종래의 피스톤 링을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 이러한 밀봉 슬리브의 예를 도시하고 있다.
도 3은 밀봉 슬리브의 다른 예를 도시하고 있다.
도 4는 밀봉 슬리브의 다른 예를 도시하고 있다.
도 5는 바닥부로부터 일부 재료를 제거한 밀봉 슬리브를 도시하고 있다.
신규의 본 발명은 밀봉 링이 아닌 밀봉 슬리브를 채용한다. 도 2는 본 발명에 따른 이러한 밀봉 슬리브의 예를 도시하고 있으며, 몇몇 관련된 기하학적 치수가 나타내어져 있다. 도 1에서와 같이 실린더 및 피스톤의 유사한 중앙 단면을 나타내고 있는 이 도면에서, 도면부호 1은 피스톤, 도면부호 2는 실린더 벽부, 도면부호 3은 밀봉 슬리브, 도면부호 4는 밀봉 슬리브-피스톤 홈 밀봉 영역, 도면부호 5는 밀봉 슬리브-실린더 벽부 밀봉 영역을 나타낸다. 피스톤과 밀봉 슬리브 위에 높은 압력이 있는 것으로 가정한다. 밀봉 슬리브(3)의 외측 부분에는, 환형 절결 공간(6)이 존재한다. 이 공간은 가스 압력이 환형 절결 공간(6)과 밀봉 슬리브 뒤쪽 영역(9) 사이에서 고르게 되도록 하는 환형으로 이격된 복수의 구멍(7)을 통해 밀봉 슬리브의 뒤쪽과 연결된다. 이 영역(9)은 슬롯(10)을 통해 피스톤 위의 높은 압력에 연결된다.
마찬가지로, 도 1의 종래의 피스톤 링에 대해 이전에 이루어진 것과 유사한 간단한 분석을 도 2의 신규의 밀봉 슬리브에 대해서도 행한다:
a) 밀봉 슬리브와 피스톤 홈 간의(영역 4) 고형물 대 고형물 접촉 압력은 다음과 같다:
Pㆍ(W-(W-C)/2)/(W-C) > P/2
이것은 우수한 접촉 및 우수한 시일을 제공한다.
b) 밀봉 슬리브와 실린더 벽부 간의(영역 5) 고형물 대 고형물 접촉 압력은 다음과 같다:
P/2
이것 또한 우수한 시일을 제공한다.
c) 피스톤 시일과 실린더 벽부 간의 마찰은 다음과 같다:
Pㆍheffㆍℓㆍu/2 (여기서, u는 마찰 계수이고, ℓ은 실린더 벽부의 원주 길이이다)
heff가 도 1에서의 종래의 피스톤 링의 h보다 훨씬 작게 될 수 있으므로, 이 밀봉 슬리브의 마찰은 훨씬 작아질 수 있다. 환형 절결 공간(6)에서의 압력은 밀봉 슬리브의 뒤편 및 피스톤의 상단 상의 압력과 동일하다. 슬롯(8) 내의 압력 또한 동일한 것으로 간주할 수 있다. 그러므로, 압력차 P는 밀봉 슬리브의 전체 높이 중의 일부분에만 작용한다. 이와 달리, 환형 절결 공간(6) 내의 가스는 밀봉 슬리브의 내측의 압력에 의해 야기된 힘의 대부분과 균형을 이루는 가스 쿠션으로서 기능하는 것으로 간주할 수 있다.
마찰 및 가스 압력에 의한 힘으로 인한 뒤틀림에 대한 충분한 저항을 달성하면서 실린더 벽부에 대해 너무 많은 마찰이 이루어지지 않게 하기 위해, 종래의 피스톤 링은 피스톤 링의 폭 w이 피스톤 링의 높이보다 크거나 또는 동일하도록 되어 있다. 본 발명에 따른 밀봉 슬리브는, 폭 w보다 훨씬 큰 높이 h로 이루어질 수 있다. 환형 절결 공간(6) 내의 가스 쿠션 때문에, 이와 같이 폭보다 높이를 훨씬 크게 하는 것은 실린더 벽부에 대하여 과도한 마찰을 초래하지 않고 이루어질 수 있다. 전체 높이가 높아짐에 따라 슬리브는 폭 w이 작은 경우에도 뒤틀림에 대한 저항력을 갖게 된다.
본 발명의 제3 목적은 여전히 반경 방향으로 플렉서블하고 실린더 벽부의 불규칙성을 따를 수 있으면서 과도한 뒤틀림에 저항할 수 있는 피스톤 시일을 구성하는 것이다. 완벽하지 않은(non-perfect) 실린더 벽부를 조정하는 이러한 성능은 누설을 감소시키며, 또한 비정상적으로 높은 접촉 압력 및 돌출되어 있는 실린더 벽부 영역에서의 위험한 마찰 상태에 대한 위험을 감소시킨다. 스커핑은 이러한 영역에서 시작되는 경우가 있다. 본 발명의 밀봉 슬리브의 가요성은 윤활 상황을 보다 완화시킨다. 윤활이 깨끗한 윤활유의 연속적인 공급에 의해 이루어지는 이러한 엔진에서, 윤활유 공급이 감소될 수 있으며, 그에 따라 운영비가 절감된다.
일직선의 빔을 만곡시키기 위해 힘을 가할 때, 그 결과의 만곡(1/r, 여기서 r은 만곡 반경)은 빔 횡단면의 관성의 모멘트에 반비례한다. 이것은 만곡 방향에서의 단면의 높이의 입방체(cube)에 비례한다. 처음부터 이미 만곡되어 있는 물체에 대해서는, 원래 형상으로부터의 변형에 해당 관계가 적용된다. 본 발명에 따른 밀봉 슬리브는 높이 h의 1/3 미만의 폭으로 이루어지는 것이 이로울 수 있다. 다른 환경은 일정하게 유지하면서 폭 w를 1/3로 감소시킴으로써 횡단면의 관성의 모멘트가 원래 값의 1/27로 변경될 것이다. 그러므로, 실린더 벽부에서의 불규칙성에 대해 밀봉 슬리브를 조정하기 위해 요구되는 힘은 27의 계수로 감소될 것이다. 이것은 종래부터 이용되고 있고 이미 입증되어 있는 구성 재료를 바꿀 필요가 없게 한다.
본 발명에 따라 구성된 피스톤 시일은 종래의 피스톤 링보다 작은 폭으로 이루어질 수 있어 바람직하다. 구형 엔진의 개량을 위해, 구형 피스톤 링 홈이 더 작은 폭의 신규의 밀봉 슬리브와 사용될 수 있다면, 이점들이 있을 것이다. 이것은 빈 공간을 채우고 작동 슬리브를 정확한 위치에 유지하기 위해 밀봉 슬리브 내측에 위치되는 비작동 링을 이용함으로써 달성될 수 있다. 다른 경우에, 피스톤 홈의 외측부의 높이가 상방 및 하방으로 증가될 수 있으며, 본 발명에 따라 구성된 신규의 더 높은 시일이 그 결과의 더 높은 외측 홈에 끼워진다. 그 후, 밀봉 슬리브가 새로운 홈 표면에 의해 정위치에 고정되는 한편, 오래된 더 깊은 홈의 나머지가 슬리브 중앙 뒤에 위치되어 지장을 주지 않을 것이다.
신규의 피스톤 시일의 중요한 특징은 슬리브의 외측면의 환형 절결 공간(6)이 피스톤의 고압측과 가스 운반 접촉(gas conveying contact)하게 된다는 것이다. 이에 의하여 환형 절결 공간이 슬리브와 실린더 벽부 사이의 가스 쿠션으로서 작용하게 된다. 이 가스 쿠션은 슬리브의 뒤편 상에서 작용하는 가스 압력으로부터의 힘의 부분을 균형을 이루게 한다. 도 2에 도시된 설계에서, 가스 연결은 슬리브를 통과하는 슬리브 뒤편의 공간(9)까지 연장하는 구멍부(7)에 의해 달성되며, 이 공간(9)은 슬롯(10)을 통해 피스톤의 고압측과 접촉하고 있으며, 이 슬롯(10)은 슬리브와 슬리브의 고압측에 있는 홈측 사이에 형성되어 있다. 이와 달리, 일반적인 경우와 같이, 높은 압력이 항상 피스톤 시일의 동일 측면에 있을 때, 이러한 가스 운반 연결은, 슬리브의 상부(높은 압력이 수직 작동 피스톤 위에 있는 것으로 가정) 내의 수직 구멍 또는 수직 홈(11)을 통해 더욱 직접적인 경로에 의해 달성될 수 있다. 이에 대한 2가지의 대안이 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.
종래의 피스톤 링은 상단 및 하단에서 더 많이 마모되고, 그에 따라 다소 볼록한 밀봉 표면을 갖는 경향이 있다. 실제로, 이러한 볼록한 또는 배럴(barrel) 형상의 외측면은 의도적인 설계 특징부인 경우도 있다. 이러한 볼록한 표면이 마찰과 가스 압력 및 피스톤과 실린더 간의 간극으로부터의 링의 뒤틀림에 대한 지지를 거의 제공하지 않을 것이다. 뒤틀림을 방지하기 위해, 링은 내부 강도 및 넓은 폭(w)에 의존한다. 본 발명에 따른 밀봉 슬리브에서는 상황이 다르다. 볼록한 접촉 표면이 없지만, 서로로부터 약간의 거리에 2개의 상이한 별도의 접촉 표면이 존재한다. 이것은 마모된 슬리브에도 적용된다.
도 2의 밀봉 슬리브와 실린더 벽부 사이의 접촉 영역(8)은 밀봉 기능을 갖지 않는다. 그러나, 그 곳에 접촉이 있는 한, 이것은 피스톤 슬리브가 적절한 배향으로 있다는 것을 의미한다. 종래의 피스톤 링이 뒤틀리지 않는 내부 강도에 의존하지만, 본 발명에 따른 피스톤 시일은 실린더 벽부에 의해 비틀림없는 상태로 유지되고 지지된다. 접촉 영역(8)은 위로부터의 압력에 의해 슬리브가 기울어지는 경향 및 피스톤과 실린더벽부 사이의 간극이 도움이 되는 슬리브의 탄력성에 의해 제공된다. 도 2의 밀봉 영역(5)에서의 접촉력은 시일 뒤의 압력의 작용에 직접 좌우된다. 그러므로, 압력은 접촉면을 실린더 벽부에 기댄채로 유지하며, 슬리브는 뒤틀림의 위험 없이 상당히 좁고 플렉서블하게(도 2의 폭 w보다 작은) 구성될 수 있다. 기울어지는 경향(tilting tendency)은, 슬리브의 바닥(낮은 압력 부분)의 외측부로부터 재료를 제거하고, 이에 의해 홈의 에지로부터의 기울어짐을 위한 피봇 포인트를 이동시킴으로써 피스톤과 실린더 사이의 간극에 좌우되지 않고 이루어져 향상될 수 있다. 이것은 밀봉 슬리브의 낮은 압력 부분의 외측 에지를 베벨링(bevelling)하거나 또는 라운딩함으로써 달성되며, 이로써 피스톤 홈측에 대한 밀봉에 의해, 피스톤 홈측과의 밀봉 슬리브의 접촉면이 피스톤 홈 내에서 종료된다. 도면부호 1이 피스톤을 나타내고, 도면부호 2가 실린더 벽부를 나타내고, 도면부호 3이 슬리브의 바닥부(12)로부터 일부 재료를 제거한 밀봉 슬리브를 나타내고 있는 도 5를 참조하면, 기울어짐을 위한 피봇 포인트(13)는 실린더 벽부(2)로부터 먼 쪽으로 이동된다. 피봇 포인트의 이러한 이동은 또한 홈 에지(14)에서의 재료 피로에 의한 손상의 위험을 저하시킨다. 이와 달리, 도 15에 점선으로 나타낸 바와 같이 에지(14)에서 홈의 외측부로부터 재료를 제거함으로써 대응하는 효과를 얻을 수 있다. 종래의 피스톤 링을 갖는 상황과는 반대로, 실린더 벽부로부터 먼 쪽으로의 이러한 피봇 포인트의 이동은 시일이 뒤틀어지는 경향을 증가시키지 않을 것이다.
상기한 설명에서는 간략화를 위해, 단지 하나의 밀봉 장치가 사용되고, 실린더 내의 높은 압력이 위로부터만 작용하는 상황에 대해 설명하였다. 본 발명은 이러한 특수한 경우로 한정되지 않고, 다른 상황 그리고 통상적인 피스톤 링의 경우에서와 같이 일련의 여러 밀봉 장치가 이용되고 있는 곳에도 동일하게 적용할 수 있다. 위로부터의 압력, 또는 피스톤 또는 밀봉 슬리브 이상의 압력은, 장치의 높은 압력측으로부터의 압력 또는 높은 압력측 이상의 압력으로 이해될 수도 있다.

Claims (4)

  1. 내연 기관의 피스톤과 실린더 벽부 사이의 밀봉을 위해, 실린더 벽부를 향하는 피스톤 표면 내의 홈에 위치되고, 종래의 피스톤 링과 동일한 방식으로 실린더 벽부와 피스톤 홈의 일측면에 대하여 밀봉하는 밀봉 슬리브(3)로서,
    뒤틀림에 대한 저항과, 실린더 벽부를 따르는 성능 및 가요성을 동시에 달성하기 위해, 높이(h)가 폭(w)의 3배 이상이고, 실린더 벽부(2)를 향하는 표면이 환형 절결부를 갖고, 이 환형 절결부가 밀봉 슬리브(3) 내의 구멍 또는 홈의 형태인 연결부(7, 11)를 통해 가압되도록 배치되는,
    것을 특징으로 하는 밀봉 슬리브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결부(7, 11)는, 상기 밀봉 슬리브(3)를 통해 상기 환형 절결부(6)로부터 상기 밀봉 슬리브(3)의 상기 실린더 벽부(2)로부터 먼 쪽으로 향하는 측면까지 연장하는 구멍(7)의 형태로 되는, 밀봉 슬리브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 실린더 벽부(2)를 향하는 상기 밀봉 슬리브(3)의 상위부 내의 홈 또는 구멍(11)의 형태로 되는, 밀봉 슬리브.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더 벽부(2)를 향하는 상기 밀봉 슬리브(3)의 하위부(12)가 라운드되거나 베벨링(bevelling)되는, 밀봉 슬리브.
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