KR20130101597A - 내연 기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그의 섭동면(h)이 박판 주위에 걸쳐 뻗어 있는 정점 선(3)을 가진 서로 평행인 측면으로 구성되는 박판(1, 1')을 가진 내연기관 피스톤의 오일 스크레이퍼 링에 관한 것으로 피스톤의 링 홈(7)에 배열되고 피스톤 크라운 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈측면(6)과 피스톤 크라운 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 섭동면의 마찰감소와 마모감소에 의한 개선된 오일 스크레이퍼 링 작용은 적어도 스프링 홈 측면(5, 6)의 하나가 피스톤 축에 대하여 일정한 각도(α,β)로 반경 방향 외측에 따라 실린더 측을 향하는 버팀 스프링의 단부에 이르기까지 경사지도록 함으로서 이루어지며 박판(1)의 섭동면(h)은 엔진을 길들인 마모 상태에 근접한 최종 윤곽에 대응하며 피스톤 내에서 오일 스크레이퍼 링의 조립된 상태에서 섭동면(h)의 정점 선(3)은 피스톤 크라운 측과 반대방향에 위치한 링 홈 측면(6) 쪽에 배열되어 있다.

Description

내연 기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링{OIL SCRAPER RING FOR PISTONS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 그의 섭동면이 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 피스톤 헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(groove side face)과 피스톤 헤드 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.

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 이루고 이에 따른 양호한 오일 스크레이핑(oil scraping)(오일 긁어내기)을 이루기 위하여 오일 스크레이퍼 링의 충분한 접선력(tangential force)이 필요하다. 그러나 박판의 섭동면에 큰 면압(面壓)이 작용함에 따라 엔진작동시에 큰 마찰하중도 작용한다. 이러한 마찰하중으로 내연기관의 효율이 저하되며 따라서 연료소비가 증가된다. 오일 스크레이퍼 링의 접선력의 설계는 이에 따라서 반드시 최소한의 마찰하중과 최대한의 오일 스크레이핑 작용 간에 절충이다. 접선하중의 감소 없이 엔진작동에 있어서 마찰하중을 줄이기 위한 종합적인 조치는 따라서 오일 스크레이퍼 링의 설계를 용이하게 하며 엔진의 효율을 개선시킨다.

이에 따라서 버팀 스프링의 특수 구성 외에도 상기 종류에 속하는 오일 스크레이퍼 링에 대하여 상기 요구사항을 충족시키도록 박판의 섭동면을 형성하고자 하는 시도가 있어왔다.

오일 스크레이퍼 링 또는 피스톤 링의 비대칭 섭동면은 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 특히 평행하지만 개선된 기밀을 유지하기 위하여 피스톤 축에 대하여 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 낮은 반면에 오일 스크레이퍼 링에 대해서는 높은 면압을 요한다.

본 발명의 과제는 공지된 선행기술에 비하여 오일 스크레이퍼 링의 섭동면의 마찰감소와 마모감소에 있어서 개선된 오일 스크레이핑 효과를 가지는 내연기관 피스톤의 분할형 오일 스크레이퍼 링을 제공하는 데 있다.

본 과제는 피스톤 축에 대하여 일정한 각도(α,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 피스톤 헤드로부터 떨어져 경사져 배열되어 있다. 박판의 섭동면은 엔진을 길들인 마모 상태에 근접한 최종 윤곽에 대응하도록 구성되어 있으며 여기서 피스톤의 오일 스크레이퍼 링 조립상태에 있어서 섭동면의 정점선은 피스톤 헤드측과 반대방향의 링 홈 측면 쪽으로 배열되어 있다.

박판의 섭동면은 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.

본 발명의 다른 실시예에 있어서는 양 링 홈 측면은 2개의 스프링 홈(spring groove)을 가지며 링(7) 내에 배열된 일체형 버팀 스프링이 구비되어 있다.

본 발명에 따른 섭동면 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 오일 스크레이핑 기능(oil scraping function)이 유지된다. 마찰력의 감소로 인하여 엔진효율의 개선이 이루어지거나 또는 마찰력 레벨(friction force level)의 변화가 없는 경우에 접선력의 증가로 오일 스크레이핑 성능의 개선이 가능하다. 그 밖에도 선행기술에 따른 링 팩키지(ring package)에 비하여 전체 링 팩키지의 축방향 높이의 감소가 이루어질 수 있다.

본 발명의 목적에 맞는 구성은 종속 청구범위의 대상이다.

본 발명에 따라 개선된 오일 스크레이핑 작용은 박판의 섭동면(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 외측 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- 피스톤 헤드 측을 향하는 스프링 홈 측면에 접하는 박판은 섭동면의 비대칭 구배와 결합하여 양호한 오일 스크레이핑 작용-"모서리"를 가지는 한편 박판의 각기 다른 위치는 섭동면의 정해진 볼록 비에 의하여 상향 행정시에 개선된 유체역학특성-"면"을 가진다(부위 I). 이로 인하여 비틀린 상태에서 불량한 오일 스크레이핑 작용을 가지는 박판에 발생하는 마찰력이 감소된다. 왕복운동의 변화는 각기 다른 위치로의 박판의 회전을 일으킨다.

본 발명의 실시예는 도면에 의하여 다음에 상세히 설명되며 도면의 내용은 다음과 같다:
도 1은 제1 실시예에 있어서 본 발명에 따른 오일 스크레이퍼 링의 단면도 및
도 2는 제2 실시예에 있어서 본 발명에 따른 오일 스크레이퍼 링의 단면도를 도시한다.

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 피스톤 헤드 측을 향하는 스프링 홈 측면(5)과 피스톤 헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(6)을 가진 스프링 홈(7')을 가진다. 본 발명에 따라서 피스톤 헤드 측에 면한 스프링 홈 측면(5)은 피스톤 축(10)에 대하여 90°각도를 이루게 배열되어 있으며 피스톤 헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(6)은 일정한 각도(β)로 피스톤 헤드로부터 떨어져 스프링 외주에 이르기까지 경사져 있다. 특히 그 각도(β)는 85°내지 87°각도이다.

본 발명에 따르면 박판(1)은 박판의 주위에 걸쳐서 뻗어 있는 정점선(vertex line)(3)을 가진 볼록 형상(크라운 형상)의 비대칭형 섭동면(h)을 가지며, 여기서 정점선(3)은 오일 스크레이핑을 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 피스톤 헤드 측과 반대방향에 위치한 스프링 홈 측면(6) 방향에 면하도록 배열되어 있다.

본 발명에 따라서 박판의 섭동면(h)은 수백 시간 이상의 엔진을 길들인 작동 과정에 대응하는 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 섭동면 좌표이며, 그리고 a, b 는 계수로서, a 는 박판의 폭에 대한 박판의 축 방향 측면 유격의 비로 정의되고; b 는 섭동면 곡률의 수치로 정의되며 모서리(edge) 역할을 하는 정점선(II) h(x=0)에 따르며 그리고 함수 h(x)=cx² 의 비대칭형의 제3 부위(III)에서 c는 b의 배수를 따르는 것을 특징으로 한다. 예로서 두께 0.4mm의 박판에 있어서는 값 h(x)=35x + 50x² 으로 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 섭동면(h)의 대표적인 볼록 비는 선행기술의 3μm/0.15mm 내지 15μm/0.15mm에 비하여 약 2μm/0.4mm 내지 10μm/0.4mm 에 달한다.

도 2에 의한 다른 실시 예에 의하면 버팀 스프링(4)은 제1 스프링 홈(7') 밑에 축 방향에 따라 제2 스프링 홈(7")을 가지며 그의 피스톤 헤드 측의 스프링 홈 측면(5 및 5')이 피스톤 횡축(10)에 대하여 평행하다.

피스톤 헤드 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 섭동면(h 및 h')의 양 정점 선(3, 3')(모서리)는 피스톤 헤드 측의 링 홈 측면(5)으로부터 떨어져 나타나도록 배열되어 있다.

오일 스크레이퍼 링을 엔진 실린더에 조립할 때 예컨대 박판 측면 중의 하나에 색 표시를 해서 보증이 될 수 있는 박판의 베어링 방향에 유의해야 한다.

섭동면 형상- 또는 윤곽의 가공은 예컨대 래핑(lapping)으로 행할 수 있다.

본 발명은 내연기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링에 이용될 수 있다.

Claims (3)

1. 내연 기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링으로서,
   오일 스크레이퍼 링은 평행한 측면들을 구비한, 강대로 구성되는 박판(1, 1')을 포함하며, 박판의 섭동면(h)은 박판의 주위에 걸쳐 연장되는 정점선(3)을 구비한 비대칭형 크라운 형상을 가지며,
   피스톤의 링 홈(7) 내에 배치된 브레이싱 스프링(4)은 박판(1, 1')이 수용되는 적어도 하나의 스프링 홈(7', 7"), 피스톤 헤드의 반대 방향을 향하는 스프링 홈 측면(6, 6')과 피스톤 헤드를 향하는 스프링 홈 측면(5, 5')을 포함하며, 스프링은 박판(1,1')을 반경 방향으로 실린더 벽(8)에 대해 가압시키는 내연 기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링에 있어서,
   상기 피스톤 헤드를 향하는 스프링 홈 측면(5, 5')은 피스톤 축(10)에 대하여 수직하게 연장되며,
   상기 피스톤 헤드의 반대 방향을 향하는 스프링 홈 측면(6, 6')은 실린더 측을 향하는 브레이싱 스프링(4) 단부에 이르기까지 반경 방향으로 외측으로 경사지도록 피스톤 축(10)에 대하여 수직하게 배치되는 평면에 대하여 경사지게 연장되며,
   피스톤 헤드 측과 반대 방향에 위치한 스프링 홈 측면(6, 6')과 피스톤 축(10)은 소정 각도(α, β)로 피스톤 헤드로부터 떨어져 경사지며,
   박판(1, 1')의 섭동면(h)은, 엔진을 길들인 마모 상태에 근접한 최종 윤곽에 대응하며, 피스톤에 오일 스크레이퍼 링이 장착된 상태에서는 섭동면(h)의 정점선(3)이 피스톤 헤드의 반대 방향을 향하는 링 홈 측면(6, 6')의 방향으로 배치되도록 형성되고
   박판(1, 1')의 섭동면(h) 단면은,
   - 비대칭형의 제1 부위(I)에서는 h(x) = ax + bx²의 2차 다항식에 따르며,
   여기에서 x는 mm 단위의 직교 좌표계의 섭동면 좌표이며, 그리고 a, b는 계수로서, a는 박판(1, 1')폭에 대한 박판(1, 1')의 축 방향 측면 유격의 비로 정의되고; b는 섭동면 곡률의 수치로 정의되며;
   - 모서리 형을 가진 정점선(II) h(x = 0)에 따르며,
   - 함수 h(x) = cx²의 비대칭형의 제3 부위(III)에 있어서 c는 b의 배수로 따르는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링.
2. 제1항에 있어서,
   브레이싱 스프링은 일체형으로 형성되고 2개의 스프링 홈(7', 7")을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링.
3. 제1항에 있어서,
   각도(α, β)는 85°내지 87°의 각도 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 피스톤용 오일 스크레이퍼 링.

Images