KR20140123585A - 내연 엔진용 피스톤 링 - Google Patents

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Abstract

피스톤 몸체(piston body) 및 피스톤 링을 포함하는 피스톤 조립체(piston assembly)가 제공된다. 피스톤은 스커트(skirt)를 가지며, 이 스커트의 일 부분은 원주방향(circumferentially)으로 연속적으로 연장되고 스커트 직경을 갖는다. 피소톤 링은 링 몸체(ring body)를 가지며, 이 링 몸체는 이완된 상태(relaxed condition)에 있을 때 대체로 헬리컬 형상(helical shape)으로 적어도 하나의 선회(at least one revolution)를 통해 연장된다. 또한 링 몸체는 내측면을 가지며, 이완된 상태에 있을 때 이 내측면은 스커트 직경보다 작은 링 직경을 나타낸다. 링 몸체는 피스톤 몸체의 스커트를 원주방향으로 둘러싸며, 이로써 링 몸체 및 피스톤 몸체 사이에 다이나믹한 밀봉(dynamic seal)을 확립하기 위해, 상기 내측면이 피스톤 몸체의 스커트의 원주방향으로 연속적인 부분의 외측면에 접촉유지 되게끔 편향(bias)되게 된다.

Description

내연 엔진용 피스톤 링 {PISTON RING FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 출원은, 2012년 2월 17일 출원된 출원 시리얼 번호 61/600,216의 이익을 청구하는 바이다.
본 발명은 일반적으로 실린더 내에서 왕복운동하는 적어도 하나의 피스톤을 가지는 내연 엔진들에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는, 왕복운동하는 피스톤 및 실린더벽(cylinder wall) 사이의 밀봉(seal)에 관한 것이다.
통상적으로 내연 엔진에는 엔진 블록(engine block)의 실린더 내에서 왕복운동하는 적어도 하나의 피스톤 몸체(piston body)가 제공되어 있다. 일반적으로 각각의 피스톤 몸체에는 복수 개의 링 그루브들(ring grooves)이 포함되어 있으며, 이들 링 그루브들 각각은 피스톤 링을 수용하고 이를 작동가능하게 지지해준다. 엔진 작동 시, 이들 피스톤 링들은 링 그루브들 내에 유지되어, 엔진 블록의 실린더 내에서 그들의 해당 피스톤 몸체와 함께 왕복운동을 하게 된다. 무엇보다도 피스톤 링들은, 피스톤 몸체 상부의 연소실(combustion chamber) 내의 연소가스를 밀봉해주는 기능을 하고, 피스톤 몸체로부터 실린더벽으로 열을 전달해주는 기능을 하며, 오일(oil)이 크랭크케이스(crank case)로부터 연소실 내로 들어가는 것을 막아주며, 실린더벽에 대체적으로 균일한 오일 필름(oil film)을 제공해주는 기능을 한다. 이러한 피스톤 링들은 통상적으로 스프링력(spring force)을 가지고 실린더벽에 맞대어 반경방향 외측으로 편향되어(biased), 피스톤 몸체 및 실린더벽 사이에 밀봉을 확립해준다.
본 발명의 일 양상은, 스커트(skirt)를 지닌 피스톤 몸체(piston body)를 포함하는 피스톤 조립체(piston assembly)를 제공한다. 상기 스커트의 적어도 일 부분은 원주방향으로(circumferentially) 연속적으로 연장되면서 스커트 직경(skirt diameter)을 갖는다. 상기 피스톤 조립체는 또한 피스톤 링을 포함하며, 상기 피스톤 링은, 대체로, 즉 일반적으로 헬리컬 형상(helical shape)을 지니면서 내측면(inner face)을 갖는 링 몸체(ring body)를 갖는다. 상기 링 몸체는 이완된 상태(relaxed condition)에 있를 때 적어도 하나의 완전한 선회(at least one full revolution)를 통해 연장된다, 즉 적어도 한 번 완전히 감겨진 선회에 걸쳐서 연장된다. 상기 링 몸체가 이완된 상태에 있을 때, 링 몸체의 내측면은 스커트 직경보다 작은 링 직경(ring diameter)을 갖는다. 상기 링 몸체는 피스톤 몸체의 스커트를 원주방향으로 둘러싸면서 링 몸체 및 피스톤 몸체 사이에 다이나믹한 밀봉(dynamic seal)을 확립하기 위해, 상기 내측면이 상기 스커트 중 원주방향으로 연속적인 부분의 외측면에 접촉유지(engagement) 되게끔, 즉 맞물리게끔 편향(bias)되게 한다.
상기 피스톤 링은 실린더벽 및 피스톤 몸체 사이에 밀봉을 확립하게끔 실린더벽의 채널(channel) 내에 앉혀질 수 있다. 이리하여 피스톤 링은 일반적으로 엔진의 작동 중에 실리더벽에 대해 상대적으로 움직이지 않고 정지 상태를 유지한다. 이러한 위치 선정으로 인해, 스커트 길이에 대한 절충 또는 타협이 없이, 피스톤 몸체가 엔진의 실린더 내에서 왕복운동할 때 피스톤 몸체의 안정성(stability)이 증가될 수 있다. 즉 피스톤 몸체가 하사점(bottom dead center) 위치에 있을 때 스커트가 실린더벽을 지나 아래로 연장될 수 있다. 또한 상기 피스톤 링은 블로바이(blow by)를 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 파워 실린더 조립체(power cylinder assembly)를 제공한다. 이 파워 실린더 조립체는 실린더벽을 포함하며, 상기 실린더벽에는 실린더벽 내부에 형성되고 원주방향으로 연속적인 채널이 있다. 또한 상기 파워 실린더 조립체는, 스커트를 지닌 피스톤 몸체를 포함하며, 상기 스커트의 외측면의 적어도 일 부분은 원주 둘레에 실질적으로 연속되게 연장된다. 스커트의 이 부분은 대체로, 즉 일반적으로 연속적인 스커트 직경(skirt diameter)을 갖는다. 상기 파워 실린더 조립체는 실린더벽의 채널 내에 배치되는 피스톤 링을 더 포함한다. 상기 피스톤 링은 링 몸체(ring body)를 가지며, 상기 링 몸체는, 상기 링 몸체가 이완된 상태에 있을 때 일반적으로 헬리컬 형상을 지니면서 적어도 하나의 완전한 선회를 통해, 즉 일 회 이상 완전히 감겨진 선회에 걸쳐 연장된다. 상기 링 몸체가 이완된 상태에 있을 때 링 몸체는, 피스톤 몸체의 스커트 직경보다 작은 내경을 갖는 내측면을 가진다. 상기 링 몸체는 피스톤 몸체의 스커트를 원주방향으로 빙 둘러싸고, 상기 내측면은 실린더벽 및 피스톤 몸체 사이에 밀봉을 확립하기 위해, 상기 스커트 중 원주방향으로 연속적인 부분의 외측면에 접촉유지 되게끔, 즉 외측면과 맞물리게끔 편향이 된다.
본 발명의 또 다른 양상은, 피스톤 몸체에 대해 실린더벽을 밀봉하기 위한 피스톤 링이다. 상기 피스톤 링은 링 몸체를 가지는데, 상기 링 몸체는 이완된 상태에 있을 때 일반적으로 헬리컬 형상을 지니면서 적어도 하나의 선회를 통해 연장된다. 상기 링 몸체는 내측면을 가지는데, 상기 내측면은 피스톤 몸체와 다이나믹하게 접촉유지되게끔, 즉 피스톤 몸체와 다이나믹하게 맞물리게끔 둥글게 되거나 모따기(chamfering) 된다.
첨부된 도면들과 연계된 상세한 설명으로부터 본 발명에 대한 이해가 더 잘 될 것이며, 본 발명의 특징들 및 장점들이 쉽게 파악이 될 것이다.
도 1은 피스톤 링의 예시적인 실시예에 대한 사시도이다.
도 2는, 도 1의 피스톤 링을 포함하고, 피스톤 몸체가 상사점(top dead center) 위치에 있는 상태를 보여주는 파워 실린더 조립체(power cylinder assembly)의 예시적인 실시예에 대한 단면도이다.
도 3은, 도 1의 피스톤 링을 지니고, 피스톤 몸체가 하사점(bottom dead center) 위치에 있는 상태를 보여주는 파워 실린더 조립체의 예시적인 실시예에 대한 또 하나의 단면도이다.
도 4는, 실린더벽의 채널 속에 배치되어 피스톤 몸체와 밀봉식 접촉유지(sealing engagement) 되고 있는 도 1의 피스톤 링을 보여주는 부분적 횡단면도이다.
도 5는 도 1의 피스톤 링에 대한 평면도이다.
도면들을 참조하면, 여러 도면들에 걸쳐 동일 또는 유사한 부분들을 지칭하는 데에는 동일 또는 유사한 참조부호들이 사용되었으며, 도 1에는 내연 엔진의 파워 실린더 조립체(26)의 실린더벽(24)에 대해 피스톤 몸체(22)를 밀봉하기 위한 피스톤 링(20)의 예시적인 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 도 2 및 도 3의 단면도를 참조하면, 예시적인 피스톤 링(20)이, 엔진 블록(28) 및 2-피스 실린더 라이너(two-piece cylinder liner)를 가지는 내연 엔진의 파워 실린더 조립체(26) 내에 설치되는 것으로 도시되어 있으며, 실린더벽(24)이 축방향으로 연장되며, 실린더벽(24)에는 실린더벽(24) 둘레에 실질적인 원주방향으로 연장되는 채널(32)이 있다. 구체적으로 말하면, 예시적인 실시예에서 피스톤 링(20)은, 상술한 채널(32)을 제시하기 위해 축방향으로 서로 간격을 둔 실린더 라이너(30) 피스들의 단부들(ends) 사이에 배치된다. 그러나 채널(32)은 여러가지 다양한 방법들을 통해 실린더벽(24) 속에 형성될 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어 채널(32)이, 실린더 라이너(30) 없이 엔진 블록(28) 속에 직접적으로 형성될 수도 있다. 예시적인 피스톤 링(20)은 디젤유를 연료로 하는 압축점화(compression ignition) 엔진에 설치되는 것으로 도시되어 있는데, 이 피스톤 링(20)은, 예컨대 스파크점화(spark ignition) 엔진들 또는 실린더당 두 개의 피스톤이 수평으로 대향하고 있는 엔진들을 포함하여 여러가지 다양한 타입의 내연 엔진들에 사용될 수 있음을 인식해야 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 예시적인 파워 실린더 조립체(26)의 피스톤 몸체(22)에는 하나 이상의 상부 피스톤 링들(34)(예시적인 실시예에서는 복수 개가 도시됨)이 포함되어 있는데, 이들은 피스톤 몸체(22)의 외측벽에 형성된 연관 링 그루브들 내에 유지되고 있다. 또한 피스톤 몸체(22)에는 스커트(36)가 있는데, 이 스커트(36)는 피스톤 링(20) 부위로부터 매달려, 즉 늘어져 있으며, 엔진 작동 중에 피스톤 몸체(22)가 실린더 내에서 왕복운동할 때 피스톤 몸체(22)를 안내하는 것을 도와 준다. 스커트(36)의 적어도 일 부분은 대체로, 즉 일반적으로 실린더 형상으로서, 원주 둘레에 연속적으로 연장되는 외측면을 갖는다. 구체적으로, 원주방향으로 연속적인 스커트 부분의 외측면은 스커트 직경 DS 를 가지며, 스커트(36)의 이 부분 사이즈는 실린더벽(24)의 내경에 가깝게 그러나 실린더벽(24)의 내경보다는 상대적으로 작게 정해져서, 이들 사이에 작동 갭(operating gap)이 존재하게 된다. 피스톤 몸체(22)는 리스트 핀(wrist pin)(미 도시)에 의해 또는 이와 유사한 타입의 연결장치에 의해 커넥팅로드(connecting rod)(40)에 연결되며, 이 커넥팅로드(40)는 크랭크샤프트(미 도시) 또는 이와 유사한 메카니즘에 연결된다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 예시적인 피스톤 링(20)은 실린더벽(24)의 채널(32) 내에 자리잡아 엔진 블록(28)에 대해 정지 상태로 장착되며, 실린더벽(24) 및 피스톤 몸체(22) 사이에 가스 및 유체의 타이트한 밀봉을 확립하게끔, 피스톤 몸체(22)의 스커트(36)의 외측면에 맞대어 밀봉이 이루어진다. 피스톤 링(20)은 내측면(42)(도 4에 잘 나타남)을 가지며, 이 내측면(42)은 엔진의 작동 중에 피스톤 몸체(22)의 스커트(36)와 계속적으로 접촉하여, 피스톤 몸체(22)의 한 측면에서는 연소실 내의 연소가스를 밀봉하고, 피스톤 몸체(22)의 다른 측면에서는 예컨대 크랭크케이스(미 도시) 또는 여타의 오일 챔버 내에서 오일을 밀봉해준다. 엔진의 작동 중에 피스톤 몸체(22)는 실린더벽(24) 내에서, 도 2에 도시된 상사점 및 도 3에 도시된 하사점 사이를 상하 운동을 하게 된다. 도시된 바와 같이 피스톤 링(20)은 스커트(36)의 원주방향으로 연속된 부분과 밀봉식 접촉유지(sealing engagement) 상태를 계속 유지하여, 피스톤 몸체(22)의 이동범위 전체에 걸쳐 가스 및 오일에 대한 타이트한 밀봉을 유지해준다. 실린더벽(24)의 채널(32) 내에 피스톤 링(20)이 위치함으로써, 피스톤 몸체(22)가 엔진의 실린더 내에서 왕복운동할 때, 스커트(36) 길이에 대한 절충 또는 타협 없이 피스톤 몸체(22)의 안전성이 증가될 수 있다. 즉 피스톤 몸체(22)가 하사점 위치에 있을 때 스커트(36)는 크랭크케이스(미 도시) 내로 하향 연장될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 피스톤 링(20)은 링 몸체(42)를 포함하며, 상기 링 몸체(42)는 이완된 상태에서 대체로 헬리컬 형상(helical shape)을 가지면서 하나의 축선을 중심으로 하나 이상의 선회(revolution)를 통해, 즉 한 번 이상 감겨진 선회에 걸쳐서 연장된다. 예를 들면, 예시적인 실시예에서 링 몸체(42)는 이완된 상태에서 약 7개의 완전 선회들(full revolution)을 통해, 즉 7번 감겨진 선회들에 걸쳐서 연장된다. 링 몸체(42)에는 상기 축선을 향해 대면하는, 즉 상기 축선을 향해 마주하고 있는 연속적인 내측면(44)이 있으며, 링 몸체는 상기 축선을 중심으로 연장된다. 피스톤 링(20)을 위 또는 아래에서 바라본 도 5에 도시된 바와 같이, 내측면(44)은 링 직경 DR 을 가지는 원주에 걸쳐 연장되며, 링 직경 DR 은 피스톤 몸체(22)의 스커트(36)의 스커트 직경 DS 보다 작다.
링 몸체(42)를 피스톤 몸체(22)의 스커트(36) 상에 설치하기 위해서는, 링 몸체(42)를 벌리거나 감긴 것을 풀어서 링 몸체(42) 재료에 부분적으로 탄력적인 변형을 일으킨다. 이리하여 링 직경 DR 이 일시적으로 스커트 직경 DS 보다 크게 만든다. 그 다음 링 몸체(42)를 피스톤 몸체(22)의 스커트(36) 위에 끼운 다음에 링 몸체(42)를 이완시킴으로써, 즉 링 몸체(42)에 가한 힘을 풀어줌으로써, 링 몸체(42) 내부 스프링력(spring force)으로 링 몸체(42)의 내측면(44)이 피스톤 몸체(22)의 외측면에 맞대어지도록 편향(bias)되게 한다.
도 4를 참조하면, 예시적인 실시예에서 링 몸체(42)는 실린더벽(24)의 채널(32) 내에 앉혀져 봉쇄되고 피스톤 몸체(22)의 외측면에 맞대어지도록 편향되어, 실린더벽(24) 및 피스톤 몸체(22) 사이에 가스 및 오일에 대한 타이트한 밀봉을 확립한다. 도면상에는 링 몸체(42)의 내측면(44)이 둥근 형태로 도시되어 있다. 그러나 내측면(44)은 대안적으로 모따기(chamfering)될 수 있으며 또는 피스톤 몸체(22)의 외측면에 맞대어 밀봉을 형성하기에 적합한 임의의 형상을 가질 수 있으며, 또는 가변적인(varyable) 기하학적 형상을 가질 수 있다는 것을 인식해야 한다. 연속적인 내측면(44)은 링 몸체(42)에, 피스톤 몸체(22)와 접촉하는 헬리컬 형상의 선(line) 또는 면(surface)을 제공해준다. 이로써 원주방향으로 연속적인 오일 스크래핑(oil scrapping) 그리고 가스 및 오일 밀봉 성능이 제공된다.
링 몸체(42)는 임의의 바람직한 제조 프로세스를 통해 형성될 수 있으며, 예컨대 스프링 스틸을 포함하여 임의의 스프링 같은 재료(spring-like material)로 만들어질 수 있다. 또한 링 몸체(42)는 코팅이 되지 않거나 또는 내측면(44)에 내마모성 코팅(크롬, 산화 알루미늄 세라믹을 지닌 크롬 [씨케이에스(CKS)], 마이크로다이아몬드를 지닌 크롬 [지디씨(GDC)] 등)이 이루어질 수 있다. 링 몸체(42)의 재질 및 기하학적 형상은, 링 몸체(42) 및 피스톤 몸체(22) 사이의 마찰은 최소화하면서, 실린더벽(24) 및 피스톤 몸체(22) 사이에 가스 및 오일에 대한 타이트한 밀봉을 제공하게끔 선정되는 것이 바람직하다.
상술한 실시예들에 대해 기술된 내용은 설명을 위한 것으로서 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 여기서 개시된 실시예들에 대한 변형들 및 수정들이 당업자들에 의해 이루어질 수 있을 것이며, 이들 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 스커트(skirt)를 갖는 피스톤 몸체(piston body);
    대체로 헬리컬 형상(helical shape)을 갖는 링 몸체(ring body);를 포함하며,
    상기 스커트의 외측면의 적어도 일 부분은 원주방향으로(circumferentially) 연속적으로 연장되면서 스커트 직경(skirt diameter)을 가지며,
    상기 링 몸체는 이완된 상태(relaxed condition)에 있를 때 적어도 하나의 완전한 선회(at least one full revolution)를 통해 연장되고, 상기 링 몸체는, 상기 링 몸체가 상기 이완된 상태에 있을 때 상기 스커트 직경보다 작은 링 직경(ring diameter)을 나타내는 내측면을 가지며,
    상기 링 몸체는 상기 피스톤 몸체의 상기 스커트를 원주방향으로 둘러싸면서, 상기 링 몸체의 상기 내측면은 상기 링 몸체 및 상기 피스톤 몸체 사이에 밀봉을 확립하도록, 상기 스커트의 원주방향으로 연속적인 부분의 상기 외측면에 접촉유지(engagement) 되게끔 편향(bias)되는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체(piton assembly).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링 몸체의 상기 내측면은 둥글게 되거나 모따기(chamfering) 되는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 링 몸체의 상기 내측면은 둥글게 되는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 링 몸체는 상기 이완 상태에 있을 때 복수 개의 선회들(a plurality of revolutions)을 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  5. 채널(channel)이 형성된 실린더벽;
    스커트를 갖는 피스톤 몸체;
    상기 실린더벽의 상기 채널 내에 배치된 피스톤 링;을 포함하며,
    상기 채널은 상기 실린더벽 둘레에 실질적으로 원주방향으로 연장되며, 상기 스커트의 외측면의 적어도 일 부분은 스커트 직경을 지니면서 원주 둘레에 실질적으로 연속적으로 연장되며, 상기 피스톤 링은, 대체로 헬리컬 형상을 지닌 링 몸체를 가지며, 상기 링 몸체는 이완된 상태에 있을 때 적어도 하나의 완전한 선회를 통해 연장되고, 상기 링 몸체는, 상기 링 몸체가 이완된 상태에 있을 때 상기 스커트 직경보다 작은 링 직경을 나타내는 내측면을 가지며,
    상기 링 몸체는 상기 피스톤 몸체의 상기 스커트를 원주방향으로 둘러싸면서, 상기 내측면은 상기 실린더벽 및 상기 피스톤 몸체 사이에 밀봉을 확립하기 위해, 상기 스커트의 원주방향으로 연속적인 부분의 상기 외측면에 접촉유지 되게끔 편향되는 것을 특징으로 하는 파워 실린더 조립체(power cylinder assembly).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 링 몸체의 상기 내측면은 둥글게 되거나 모따기 되는 것을 특징으로특징으로 하는 파워 실린더 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 링 몸체의 상기 내측면은 둥글게 되는 것을 특징으로 하는 파워 실린더 조립체 .
  8. 제5항에 있어서,
    상기 링 몸체는 상기 이완 상태에 있을 때 복수 개의 선회들을 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 파워 실린더 조립체.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 피스톤 링의 상기 내측면은 코팅(coating)되지 않는 것을 특징으로 하는 파워 실린더 조립체.
  10. 피스톤 몸체에 대해 실린더벽을 밀봉하기 위한 피스톤 링으로서, 상기 피스톤 링은,
    대체로 헬리컬 형상을 지니면서 적어도 하나의 선회를 통해 연장되는 링 몸체를 포함하며,
    상기 링 몸체는, 피스톤 몸체와 다이나믹하게(dynamically) 접촉유지 되게끔, 둥글게 된 또는 모따기 된 내측면을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
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