KR20120089316A - 피스톤 및 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 미연소 상태로 배출되는 혼합기의 양이 적고, 피스톤 링이 열에 의해 교착(膠着)되지 않는 피스톤을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 피스톤 링을 설치하는 복수의 둘레홈이 외주면에 형성되어 있는 피스톤(2)으로서, 실린더(1)의 내부직경(B)과, 피스톤의 상면과 최상부의 둘레홈(4a)의 상면의 거리(L)와의 관계를 L/B≤0.1로 하고, 최상부의 둘레홈에 근접하게 냉각실(5a)을 형성한다. 피스톤과, 실린더 라이너(11)와, 가장 위의 피스톤 링(3a)에 의해 구획되는 데드 볼륨(dead volume)(S)이 작아져, 여기에 가두어져 미연소 상태로 배출되는 혼합기의 양이 감소되고, 또한, 냉각실(5a)에 의해 최상부의 피스톤 링이 열부하에 의해 실린더에 쉽게 교착되지 않게 되며, 엔진으로서의 열효율도 종래에 비해 개선된다.

Description

피스톤 및 엔진{PISTON AND ENGINE}

본 발명은, 실린더 내의 이른바 "데드 볼륨(dead volume)"으로 인해 미연소 (未燃)가스로서 배출되는 연료 혼합기(混合氣)의 양이 적고, 또한 피스톤 링이 열부하에 의해 교착(膠着)될 염려가 적을 뿐만 아니라, 열효율이 우수한 피스톤과, 이러한 피스톤을 구비한 엔진에 관한 것이다.

도 2(b)는, 종래의 엔진에 있어서 일부의 구조를 생략하고 도시한 실린더(1)의 단면도이다. 실린더(1) 내에 있는 피스톤(22)의 외주면에는, 실린더(1) 내의 기밀유지 및 윤활유의 역류 방지 등의 역할을 위해, 복수 개(도시된 예에서는 3개)의 피스톤 링(23)이 설치되어 있다. 즉, 피스톤(22)의 외주면에는, 복수(도시된 예에서는 3개)의 둘레홈(24)이 형성되어 있으며, 각각 피스톤 링(23)이 이동가능한 동시에 실린더 라이너(cylinder liner: 11)에 슬라이딩 가능하게 접촉하도록 장착되어 있다.

이러한 피스톤 링(23) 중, 가장 위에 배치되는 상부 링(23a)을 위한 둘레홈(24a)의 위치(L2)는, 종래에는 피스톤(22)의 높이(L5)의 대략 절반인 위치(이것은 실린더의 직경에 대해 대략 20%에 상당하는 위치임)에 형성되어 있고, 나머지 2개의 둘레홈(24) 및 피스톤 링(23)은 그보다 하방에 배치되어 있었다. 이것은, 피스톤 링(23)의 주변에는 윤활유가 있기 때문에, 실린더(1) 내의 연소로 인한 열에 의해 이 윤활유가 탄화(炭化)되고, 이것이 상부 링(23a)과 둘레홈(24a) 사이에 퇴적되어 상부 링(23a)이 교착되면서 움직일 수 없게 되어 버리는 경우가 있는데, 이러한 문제가 생기지 않도록 하기 위해, 경험공학적인 견지에서, 상부 링(23a)의 둘레홈(24a)의 위치(L2)를 상술한 바와 같이 피스톤(22)의 높이(L5)의 대략 절반인 위치(전술한 바와 같이 실린더의 직경에 대해 대략 20%에 상당하는 위치)로 정한 것이다.

하기의 특허문헌 1에는, 상술한 바와 같은 피스톤의 구조가 개시되어 있다.

일본 특허공개공보 제2005-194971호

상술한 바와 같은 종래의 피스톤의 구조에 따르면, 도 2(b)에 그레이 영역으로 나타낸 바와 같이, 피스톤(22)과, 실린더 라이너(11)와, 피스톤 링(23) 중에서 가장 위에 배치되는 상부 링(23a)의 사이에는, 실린더(1) 내의 공간에 연통하는 링형상의 공간(S)이 형성된다. 실린더(1) 내로 도입된 연료와 공기의 혼합기는, 압축행정에서 압축되었을 때 상기 공간(S) 내로 들어간다. 팽창행정에서는, 상기 공간(S) 내의 혼합기에 화염은 전파되지 않아, 공간(S) 내의 혼합기는 연소되지 않고 미연소 가스로서 실린더(1) 내로 배출되며, 최종적으로는 배기행정에서 배기가스관 내로 방출되어 버린다. 이 공간은, 일반적으로 데드 볼륨(이하, 상기 공간과 마찬가지로 S로 표시함)이라 불리는 구조적으로 화염이 미치지 않는 영역이며, 실린더(1) 내의 화염의 상태 등에 의존하여 연소가 진행되지 않는 영역인 이른바 켄칭 존(Quenching Zone)의 일부를 구성하는 것이다.

상술한 데드 볼륨(S)에 기인하여 미연소 가스로서 배출되는 혼합가스는, 예컨대 가스 엔진에 있어서 도시가스를 연료로 한 경우에는, 메탄을 90% 정도 포함하고 있다. 이 때문에, 연료경제성 및 메탄이 가지는 지구온난화 효과를 고려하면, 미연소 가스의 배출 억제는 사회적 요청이라 할 수 있다.

그러나, 종래의 피스톤(22)에 있어서의 피스톤 링(23)의 위치는, 전술한 바대로, 연소에 의한 열로 윤활유가 탄화하여 상부 링(23a)이 교착되는 것을 방지하는 것을 목적으로 하여 경험공학적으로 설정된 것이며, 피스톤 링(23)의 위치와 미연소 가스의 배출과의 관계에 대해서는 연구가 진행되어 있지 않아, 종래에는 데드 볼륨(S)을 개선하여 미연소 가스의 배출을 억제하면서, 상부 링(23a)의 교착도 방지할 수 있는 구체적인 제안은 전무하였다.

데드 볼륨(S)을 감소시키기 위해, 상부 링(23a)의 위치를 보다 높게 하여 연소면에 가까이 한다는 발상은 탁상에서는 가능하지만, 고출력인 동시에 고연소 압력(예컨대 15MPa정도)인 산업용 엔진에 있어서는, 이러한 피스톤 링의 배치는 곧바로 피스톤 링(23)의 열부하로 인한 교착을 발생시킬 것이 분명하므로, 실제로는 검증예가 없고, 결국, 피스톤 링(23)의 위치와 미연소 가스 배출의 관계, 그리고 이러한 것들이 엔진 열효율에 어떠한 영향을 줄지에 대해서는 아무런 지견도 알려진 바가 없었다.

본 발명은, 상술한 종래의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 하는 것이며, 이른바 데드 볼륨에 가두어져 미연소 가스로서 배출되는 연료 혼합기의 양이 적고, 또한 피스톤 링이 열부하에 의해 실린더에 교착될 우려가 적을 뿐만 아니라, 열효율이 종래에 비해 개선되는 피스톤과, 이러한 피스톤을 구비한 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

청구항 1에 기재된 피스톤은,

피스톤 링을 설치하는 복수의 둘레홈이 외주면에 형성되어 있는 피스톤으로서,

상기 피스톤이 수납되는 실린더의 내부직경(B)과, 상기 피스톤의 상면과 최상부의 상기 둘레홈의 상면의 거리(L)와의 관계가, L/B≤0.1인 동시에, 최상부의 상기 둘레홈에 근접하게 냉각실이 형성된 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 2에 기재된 엔진은,

외주면에 형성된 복수의 둘레홈에 각각 피스톤 링이 장착된 피스톤이 실린더(1) 내에 슬라이딩 가능하게 설치되어 있는 엔진으로서,

상기 피스톤이 수납되는 실린더의 내부직경(B)과, 상기 피스톤의 상면과 최상부의 상기 둘레홈의 상면의 거리(L)와의 관계가, L/B≤0.1인 동시에, 최상부의 상기 둘레홈에 근접하게 냉각실이 형성된 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 3에 기재된 엔진은,

상기 엔진이, 정미 평균 유효압(正味平均有效壓, Pme)이 1.8MPa이상인 가스 엔진인 것을 특징으로 하고 있다.

청구항 1에 기재된 피스톤 및 청구항 2에 기재된 엔진에 따르면, 피스톤이 수납되는 실린더의 내부직경(B)과, 피스톤의 상면과 최상부의 둘레홈의 상면의 거리(L)와의 관계를, L/B≤0.1의 조건이 충족되도록 설정하였으므로, 피스톤과, 실린더 라이너와, 가장 위에 배치되는 피스톤 링에 의해 구획되는 데드 볼륨이 가급적 작아져, 여기에 가두어지는 미연소 가스로서 배출되는 연료 혼합기의 양이 적어졌다. 또한, 피스톤 내부에, 최상부의 둘레홈에 근접하여 냉각실을 형성하였으므로, 연소시의 열에 직접 노출되는 최상부의 피스톤 링이 열부하에 의해 실린더에 교착될 우려가 적어졌다. 또한, 이러한 구성에 따르면, 엔진으로서의 열효율이 종래에 비해 개선됨이 밝혀졌다. 특히, 청구항 3에 기재된 엔진에 따르면, Pme(정미 평균 유효압)가 1.8MPa이상인 고효율의 가스 엔진에 있어서도, 열효율을 0.7 이상의 포인트로 개선할 수 있다.

도 1(a)는 실시형태에 따른 피스톤의 단면도, (b)는 종래의 피스톤의 단면도이다.
도 2(a)는 실시형태에 따른 피스톤을 가지는 실린더의 단면도, (b)는 종래의 피스톤을 가지는 실린더의 단면도이다.
도 3은 실시형태에 따른 피스톤과 종래의 피스톤에 대해, 상부 링의 홈 위치(L)와, 연소실 용적에 대한 데드 볼륨의 비율(%)과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실용기(實用機) 수준의 엔진의 실린더에 내장되어 성능시험을 행한 4종류의 피스톤의 각 크라운 부분을 나란히 도시한 도면으로서, (a)는 실시형태에 따른 피스톤의 단면도, (b)는 종래예의 피스톤의 단면도, (c)는 비교예 1의 피스톤의 단면도, (d)는 비교예 1의 피스톤의 단면도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 각 피스톤을 내장한 실용기 수준의 엔진의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 6은 도 4에 나타낸 엔진으로 행한 성능시험의 결과를 나타낸 도면으로서, 공기과잉률과 열효율의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 4에 나타낸 엔진으로 행한 성능시험의 결과를 나타낸 도면으로서, 공기과잉률과 배기중의 THC(총 탄화수소)의 농도의 관계를 나타낸 그래프이다.

1. 종래예와 비교하여 나타낸 실시형태의 구성(도 1?도 3)

도 1(a)는, 본 발명의 실시형태로서, 정미 평균 유효압(Pme)이 2MPa인 산업용 엔진의 피스톤(2)을 나타낸 단면도이고, 도 1(b)는 정미 평균 유효압(Pme)이 동일하게 2MPa인 종래의 산업용 엔진에 있어서의 종래의 피스톤(22)을 나타낸 단면도이다.

도 2(a)는, 실시형태의 피스톤(2)이 실린더(1) 내에 있는 상태를 나타낸 단면도이고, 도 2(b)는 종래의 피스톤(22)이 실린더(1) 내에 있는 상태를 나타낸 단면도이다.

참고로, 이들 피스톤은, 모두 크라운과 스커트를 조합시켜 이루어지는 조합형 피스톤으로서, 그 크라운 부분을 나타내고 있으며, 스커트 부분이나 커넥팅 로드 등은 생략되어 있다.

도 1(a) 및 도 2(a)에 나타낸 실시형태의 피스톤(2)에서는, 피스톤(2)의 상면과 최상부의 둘레홈(4a)의 상면과의 거리를 L이라 하고, 실린더(1)의 내부직경을 B라 하면, L의 B에 대한 비율, 즉 L/B는, 0.07로 설계되어 있다. 즉, 최상부의 둘레홈(4a)은 피스톤(2)의 정상면(頂面)에 근접한 위치에 설치되고, 나머지 2개의 둘레홈(4) 및 이들 둘레홈(4)에 각각 장착되는 총 2개의 피스톤 링(3)은, 피스톤(2)의 하단에 근접한 위치에 설치된다.

이에 반해, 도 1(b) 및 도 2(b)에 도시된 종래예의 피스톤(22)에서는, 3개의 둘레홈(24)과, 각 둘레홈(24)에 1개씩 장착되는 총 3개의 피스톤 링(23)의 배치가 다음과 같이 설정되어 있다. 즉, 피스톤(22)의 직경을 B라 하고 피스톤(22)의 상면과 최상부의 둘레홈(24a)의 상면과의 거리를 L2라 하면, L2/B=0.17이 되도록 설계되어 있다. 이와 같이, 실시형태의 피스톤(2)에서는, L/B의 값이 종래예에 비해 작게 설정되어 있다.

또한, 도 1(a) 및 도 2(a)에 나타낸 실시형태의 피스톤(2)의 경우는, 도 1(b) 및 도 2(b)에 나타낸 종래예와 마찬가지로, 피스톤(2)의 내부에는 냉각실(5)이 되는 공동(空洞)이 형성되어 하방으로 개방되어 있어, 엔진 구동시에 윤활유가 부착되어 냉각효과를 나타내도록 되어 있다. 그러나, 이러한 실시형태의 냉각실(5)은, 종래예의 냉각실(25)과는 달리, 최상부의 둘레홈(4a)에 근접한 위치에까지 연장설치된 상부 냉각실(5a)을 가지고 있다. 상기 상부 냉각실(5a)은, 하방부에서 냉각실(5)로 연통하는 동시에, 상방부는 최상부의 둘레홈(4a)의 상면보다 상방으로까지 연장되어 있으며, 이에 따라 최상부의 둘레홈(4a)의 측면부에 대해, 예컨대 상기 홈의 깊이 정도의 두꺼운 벽을 사이에 두고 둘레형상의 배치에 의해 전체면에서 대면하고 있다. 따라서, 최상부의 둘레홈(4a) 및 이에 장착되는 상부 링(3a)이, 피스톤(2)의 정상면에 가까운 위치에 있어서 엔진의 연소시에 연소 가스로부터 커다란 열을 받더라도, 그 전체 둘레에 걸쳐 냉각실(5) 및 상부 냉각실(5a)에 의해 효과적으로 냉각되므로, 이 부분에서 윤활유가 탄화하여 피스톤 링(3)이 둘레홈(4) 내에 교착되는 등의 문제는 확실하게 방지된다.

도 2(a)에 나타낸 실시형태의 피스톤(2)에서는, 전술한 바와 같이 L/B≒0.07로 하여, 최상부의 둘레홈(4a)을 피스톤(2)의 정상면에 근접한 위치에 마련하였으므로, 도 2(a) 중에 그레이 영역으로서 나타낸 데드 볼륨(S), 즉 피스톤(2)과 실린더 라이너(11)와 상부 링(3a) 사이의 공간은, 종래예의 피스톤(22)의 Ｌ2/B=0.17보다 좁다. 따라서, 압축행정에서 압축되어 데드 볼륨(S) 내로 들어가는 혼합기의 양은 도 2(b)를 참조하여 설명한 종래예의 피스톤(22)의 경우에 비해 적다.

즉, 도 2(b)에 나타낸 종래예의 피스톤(22)에서는, 전술한 바와 같이, L2/B의 값이 실시형태에 비해 크다. 이것은, 동 도면 중에 그레이 영역으로서 나타낸 데드 볼륨(S)의 높이, 즉 상부 링(23a)의 상면과 피스톤(2)의 정상면 간의 거리가 큰 것을 의미한다. 따라서, 종래예의 엔진에 있어서 압축행정에서 압축되어 실린더(1) 내의 데드 볼륨(S) 내로 들어가는 혼합기의 양은, 도 2(a)를 참조하여 설명한 실시형태의 피스톤(2)의 경우에 비해 크다.

따라서, 팽창행정에 있어서 화염이 전파되지 않고, 미연소 가스로서 실린더(1) 내로 배출되어, 배기행정에서 배기가스관 내로 방출되어 버리는 데드 볼륨(S) 내의 혼합가스의 양은, 종래예에 비해 실시형태 쪽이 적게 되어 있다. 본 예에 있어서의 비교에서는, 양자는 실린더 직경이 동일하며, 동일 수준의 출력의 엔진임을 전제로 하고 있지만, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상부 링의 위치가 다르기 때문에, 데드 볼륨(S)의 연소실 용적에 대한 비율은, 종래예의 엔진(점 b)에서는 1.4%나 되지만, 실시형태의 엔진(점 a)에서는 0.8%가 되어, 상부 링의 위치(L)가 감소함에 따라서, 데드 볼륨(S)의 연소실 용적에 대한 비율도 감소되어 있다. 상세한 것은 구체적인 실험 데이터에 근거하여 다음 항에서 후술하겠지만, 데드 볼륨(S)의 연소실 용적에 대한 비율 감소에 따라, 배출되는 미연소 가스의 용적도 감소된다.

이와 같이, 실시형태의 피스톤(2) 내지 이것을 가지는 엔진에 따르면, 상부 링(3a)의 위치를 피스톤(2)의 정상면 근방에 배치하였으므로, 데드 볼륨(S)이 작아져서 배출되는 미연소 가스의 용적을 감소시킬 수 있었다. 또한, 상부 링(3a)의 둘레홈(4a)에 근접한 위치까지 피스톤(2) 내의 냉각실(5)을 연장설치하여 상부 냉각실(5a)로 함으로써, 상부 링(3a) 및 그 둘레홈(4a)을 충분히 냉각시킬 수 있도록 하였으므로, 상부 링(3a)이 둘레홈(4a) 내에 교착되는 것은 확실하게 방지된다.

2. 엔진 성능의 비교(도 4?도 7)

다음으로는, 실시형태의 피스톤(2)과, 종래예의 피스톤(22)을, 실제로 실용기 엔진에 설치하여 운전함으로써, 엔진 성능을 비교한 결과에 대해 설명한다.

도 4는, 본 비교실험에 사용한 4가지 타입의 피스톤의 각 크라운 부분을 나란히 나타낸 도면으로서, (a)는 상기 실시형태의 피스톤(2)의 단면도이며, (b)는 상기 종래예의 피스톤(22)의 단면도이다. (c)는 비교예 1의 피스톤(32)의 단면도이다. 비교예 1의 피스톤(32)은, 실시형태의 피스톤(2)과 동일한 높이(L4)지만, 둘레홈(34) 및 피스톤 링(도시 생략)은 종래예와 같이 하반부에 있고, 또한 정상면에 종래예와 같은 볼록부(36)를 설치한 구조로 되어 있다. (d)는 비교예 2의 피스톤(42)의 단면도이다. 비교예 2의 피스톤(42)은, 실시형태의 피스톤(2)과 동일한 높이(L4)지만, 둘레홈(44) 및 피스톤 링(도시 생략)은 종래예와 같이 하반부에 있으며, 또한 정상면은 실시형태와 거의 동일한 오목형상의 구조로 되어 있다.

도 5에 나타낸 실용기인 엔진(12)은, 실린더 직경이 220mm의 6기통이며, 정격 출력이 1070kW/1000min^-1, 정미 평균 유효압(Pme)이 2MPa인 가스 엔진이다. 상기 엔진(12)에는 과급기(turbocharger; 13)가 설치되어 있어, 엔진(12)으로부터의 배기가 과급기(13)의 터빈을 구동하며, 이에 따라 컴프레서를 구동하여 공기를 압축하고, 공기냉각기(14)를 거쳐 엔진(12)의 연소실(15)로 거두어들일 수 있다. 과급기(13)의 공기흡입측에는, 바이패스 라인(16)과 바이패스량을 조정하는 밸브(17)가 설치되어 있어, 흡기량을 제어할 수 있게 되어 있다. 상기 엔진(12)은 발전기(18)를 구동시키도록 되어 있다.

도 6은, 공기과잉률에 대한 열효율의 포인트를 나타낸 것으로서, 예컨대, 기준 열효율을 50%로 한 경우, 계측한 열효율이 52%일 경우에는 2포인트로 표시된다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 실시형태의 엔진(검정 동그라미로 표시됨)에 의하면, 종래예나 비교예 1, 2에 비해, 대략 모든 공기과잉률에 걸쳐 열효율이 높으며, 기준값에 대해 약 1포인트 정도 개선되어 있다.

도 7은, 배기 중의 THC(Total Hidrocarbon)의 농도를 표준값과의 차이로 나타낸 것이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 실시형태의 엔진(검정 동그라미로 표시됨)에 의하면, 종래예나 비교예 1, 2에 비해, 대략 모든 공기과잉률에 걸쳐, 배기 중의 THC(Total Hidrocarbon)의 농도가 낮으며, 표준보다 약 500ppm 저하되어 있다.

3. 본 발명의 피스톤의 구조상의 특징

본 발명자는, 실시형태에서 구체적으로 예시한 구조의 피스톤(2) 외에, 동일한 B(본 예에서는 220mm)에 대해 다른 여러 가지의 Ｌ을 설정하여, L/B의 값이 상이한 동시에, 상부 링의 둘레홈 근방에 냉각실이 설치된 구조인 복수 종류의 피스톤을 제작하였다. 본 발명자는, 이러한 복수 종류의 피스톤에 대해, 「2. 엔진 성능의 비교」와 동일한 실험을 하였다. 그 결과, 이하에 설명하는 바와 같이, 종래예에 비해, 데드 볼륨(S)이 작아져 배출되는 미연소 가스의 용적을 감소시킬 수 있는 동시에 열효율도 우수한 엔진 성능을 얻기 위해 필요한 Ｌ/B의 조건을 확정하기에 이르렀다.

즉, 본 발명자의 실험에 따르면, L/B의 값이 0.1을 초과하면, 종래예 등과 비교하여 배출되는 미연소 가스의 양에 유의한 개선이 인정되지 않게 되었다. 이것은, 데드 볼륨(S)이 쓸데없이 커져 있기 때문으로 생각된다. 또한, L/B의 값이 0.1을 초과하면, 열효율에 대해서도 종래예 등과 비교하여 만족할 만한 개선 결과가 얻어지지 않고, 상부 링의 교착이 발생하게 되었다.

이와 같이, 복수의 둘레홈이 외주면에 형성되고, 각 둘레홈에 각각 피스톤 링이 장착되어 있는 피스톤에 있어서, 최상부의 둘레홈을 피스톤의 정상면에 근접하게 설치하고, 또한 최상부의 둘레홈에 근접하게 상부 냉각실을 형성하는 종래에 없는 특수한 구조를 채용했다는 것 만으로는, 반드시 종래의 과제를 해결할 수 있다고는 할 수 없다.

상기 실험의 결과, 열효율이나 배기 중의 THC농도에 있어서 종래예에 비해 우수한 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 상부 링의 교착이 일어나지 않기 위한 추가적인 구성상의 특징, 즉 발명으로서의 추가적인 필수 조건을 확정할 수 있었다. 즉, 상기의 특수한 구조에 있어서, 피스톤이 수납되는 실린더의 내부직경(B)과, 피스톤의 상면과 최상부의 둘레홈의 상면의 거리(L)와의 관계가, L/B≤0.1인 경우에는, 배출되는 미연소 가스의 양이 종래에 비해 감소되고, 열효율도 개선되며, 상부 링의 교착이 일어나지 않는다는 것이 판명되었다. 참고로, 전술한 바 대로, 「1. 종래예와 비교하여 나타낸 실시형태의 구성」의 실시형태에서는, L/B의 값이 상기 조건을 충족시키는 약 0.07로서, 상기 조건을 충족하고 있다.

본 발명자가 행한 실험의 결과에 따르면, L/B의 값에 대한 열효율의 포인트(도 6에서 설명한 바와 같은 기준값으로부터의 개선도를 ％로 표시한 값)는, 아래의 대응표와 같다.

L/B 열효율의 포인트

0.12 0

0.11 0.6

0.1 0.7

0.09 0.8

0.07 1.0(실시형태의 수치예)

이와 같이, L/B의 값과 열효율의 포인트는 비례관계에 있어, L/B의 값을 작게 해가면 열효율은 서서히 개선되어 가지만, 실용적인 견지에서 볼 때 0.6포인트의 개선으로는 불충분하며, 0.7포인트 이상의 개선이 필요하다. 이것은, 열효율의 개선에 의한 연비의 향상 및 이에 따른 운전비용의 절감과, 본 발명을 채용함에 따른 피스톤 내지 엔진의 제조 비용의 증대를, 장기적인 운용을 전제로 비교하여 고려했을 경우, 상기 열효율의 포인트가 0.7이상이 아니면 발명을 실시할 실익이 없기 때문이다. L/B의 값이 0.1이하이면, 상기 열효율의 포인트가 0.7이상이 되어, 실효성 있는 열효율의 개선을 달성할 수 있어, 산업상 실용적인 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명자 등의 지견에 따르면, 종래 구조의 피스톤을 구비한 가스 엔진으로서, Pme(정미 평균 유효압)가 1.8MPa이상인 고효율의 가스 엔진의 경우에는, 본 발명 이외의 수단을 이용하여 상기 열효율의 포인트를 0.7이상으로 하는 것은 곤란하여, 현실적으로 그러한 가스 엔진은 존재하지 않는다. 그런데, 본 발명의 실시형태에 있어서의 실험의 결과에 따르면, Pme(정미 평균 유효압)가 1.8MPa이상인 고효율의 가스 엔진이라 하더라도, 그 피스톤을 실시형태와 같은 Ｌ/B의 값이 0.1이하인 피스톤으로 교환함으로써, 상술한 바와 같이 상기 열효율을 0.7이상의 포인트로 개선하는 것이 가능하다는 것이 판명되었다.

4. 실시형태의 효과

1) 본 실시형태에 따르면, 상부 링의 냉각을 강화함으로써, 상부 링의 위치를 L/B≤0.1로 하더라도, 엔진의 정격 운전이 가능하다.

2) 상기 효과 1)에 의해, 상부 링의 교착을 회피하여, BMEP(Brake Mean Effective Pressure : 정미 평균 유효압력)이 1.8MPa이상인 고압력, 예컨대 2.0MPa(세계 최고 수준의 압력)으로의 운전이 가능해진다.

3) 미연소 배출물(도시 가스의 경우, 메탄이 90%정도)의 억제 효과를 얻을 수 있어, 연료경제성 및 메탄으로 인한 지구온난화를 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

1 : 실린더
2 : 피스톤
3 : 피스톤 링
3a : 상부 링
4 : 둘레홈
4a : 최상부의 둘레홈
5 : 냉각실
5a : 상부 냉각실
11 : 실린더 라이너
22 : 종래예의 피스톤
32 : 비교예 1의 피스톤
42 : 비교예 2의 피스톤
S : 데드 볼륨

Claims (3)

1. 피스톤 링을 설치하는 복수의 둘레홈이 외주면에 형성되어 있는 피스톤으로서,
   상기 피스톤이 수납되는 실린더의 내부직경(B)과, 상기 피스톤의 상면과 최상부의 상기 둘레홈의 상면의 거리(L)와의 관계가, L/B≤0.1인 동시에,
   최상부의 상기 둘레홈에 근접하게 냉각실이 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 외주면에 형성된 복수의 둘레홈에 각각 피스톤 링이 장착된 피스톤이 실린더 내에 슬라이딩 가능하게 설치되어 있는 엔진으로서,
   상기 피스톤이 수납되는 실린더의 내부직경(B)과, 상기 피스톤의 상면과 최상부의 상기 둘레홈의 상면의 거리(L)와의 관계가, L/B≤0.1인 동시에,
   최상부의 상기 둘레홈에 근접하게 냉각실이 형성된 것을 특징으로 하는 엔진.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 엔진은, 정미 평균 유효압(Pme)이 1.8MPa 이상인 가스 엔진임을 특징으로 하는 엔진.

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