KR20150082205A - 가변 정점 라인을 갖는 피스톤 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 활주 표면(3), 2 개의 플랭크(5, 6)들 및 내부 원주 표면(7)을 갖는 피스톤 링(1)에 관한 것이다. 활주 표면(3)은 프로파일을 갖는다. 활주 표면의 프로파일은 본질적으로 볼록한 구형(10)이고 정점(B1)을 갖는다. 정점(B1)의 축방향 위치는 원주 방향으로 주기적으로 변한다.

Description

가변 정점 라인을 갖는 피스톤 링 {PISTON RING WITH VARYING APEX LINES}

본 발명은 내연기관을 위한 또는 압축기를 위한 피스톤 링, 특히 원주 방향으로 활주하는 활주면에 배열되고 축방향으로 주기적인 가변 정점 라인을 갖는 피스톤 링에 관한 것이다.

선박들을 위한 최근의 대형 엔진들은 여전히 2-행정 디젤 엔진들인데, 이는 이러한 타입의 엔진이 실린더들의 개수에 의존하여, 엔진의 속도가 통상적으로 대략 50 rpm 내지 250 rpm(통상적으로 100 rpm 미만) 의 범위이고 엔진의 동력이 대략 최대 100 MW 에 도달할 수 있는 방식으로 디자인될 수 있기 때문이다. 이러한 대형, 서행 2-행정 선박 엔진들은 바람직하게는 프로펠러(들)의 구동 샤프트(들)에 직접 작용하는데, 이는 회전 속도를 감소시키기 위한 감속 기어가 상기 엔진들의 속도로 인하여 생략될 수 있기 때문이다.

이러한 대형 2-행정 엔진들은 통상적으로는 2 개의 별개의 오일 회로들을 가지며, 그 중 하나는 엔진 윤활을 위한 것이고 다른 하나는 실린더 윤활을 위한 것이다. 실린더 윤활은 충분한 윤활제가 실린더 표면들 및 피스톤 링들의 충분한 윤활을 보장하기 위해 적절한 시점에 제공되는 것을 보장한다.

실린더 윤활제는, 기계의 하중에 의존하여 라이너를 통하여 피스톤 챔버 안으로 주입된다. 피스톤 링들은 지지 표면 상의 이러한 윤활 막에서 활주한다. 여기서 그 중에서도 비용을 절약하고 과도한 윤활을 방지하기 위해 가능한 한 적은 윤활제를 주입하는 것이 중요하다. 실린더 윤활은 실린더 안으로 예컨대 실린더 벽의 평면에 제공되는 윤활제 입구들을 통하여 윤활제 펌프에 의해 윤활제를 공급함으로써 예컨대 상부 제 3 행정에서 일어나서 피스톤 및 피스톤 링의 윤활은 가능한 한 최적의 방식인 것이 보장된다. 실린더들 안으로의 오일 공급은 보통 가스 카운터 압력 방법을 사용하여 일어난다.

예컨대, 정밀하게 계량된 방식으로 노즐들을 통하여 실린더들 안으로 윤활제를 주입하는 윤활제 주입 시스템이 사용될 수 있다. 컴퓨터 제어된 시스템은 피스톤이 위치되는 위치를 등록하고 그 후 목표된 방식으로 윤활제를 공급한다. 이는 고압에서 일어남으로써, 윤활제가 매우 미세하게 분사되지만 실린더 라이너의 가능한 가장 균일한 젖음을 달성하게 되지만, 피스톤 링들이 있고 마찰이 실제적으로 일어나는 곳을 목표로 한다.

당업자가 최근의 대형 2-행정 선박 엔진들이 최대 2500㎜ 의 행정에 대해 대략 50 rpm 내지 250 rpm 의 속도로 작동되는 것을 고려한다면, 윤활제의 공급 및 공급된 윤활제의 배분을 위해 이용 가능한 시간 기간은 짧으며 윤활의 품질을 보장하는데 있어서 큰 어려움들을 갖는다. 당업자가 예컨대 실린더가 900㎜ 의 (내부)직경을 갖고 실린더 벽의 원주 주위로 균일하게 배분된 오일 공급을 위한 8 개의 입구들이 제공되는 것을 가정하면, 공급된 윤활제는 이용 가능한 시간 기간에서 각각의 입구들로부터 시작하여 대략 350㎜ 의 길이에 걸쳐 원주 방향으로 배분되어야만 한다.

예컨대 특허 US 3851889호로부터 공지된 피스톤 링들이 있으며, 이에 의해 난류가 링의 활주면의 일 측 상에 만들어지는 베벨, 및 내부에 제공되고 원주 주위로 유도되는 그루브들 또는 리세스들에 의해 오일 유동에서 발생되며, 그 결과 시스템의 오일 유동은 피스톤 운동의 바람직한 방향(하방)으로 주로 안내된다. 특허 문헌 DE 871 390호는 원주 주위의 활주면에 포켓형 오목부들이 제공되는 피스톤 링들을 설명하며, 상기 오목부들은 서로 미끄러지는 면들 사이의 공간 안으로의 오일의 통행을 용이하게 하려는 것이다.

원주 방향으로의 불충분한 압력 구배로 인하여, 하나 또는 그 초과의 피스톤 링들의 종래의 디자인에 있어서 원주 방향으로 윤활제가 없거나 또는 단지 매우 낮은 배분(최대 대략 3%)이 얻어지는 것이 발견되었다.

본 발명의 사용은 선박들에 없는 것을 포함한, 모든 내연기관들에 대한 것이다.

본 발명의 목적은 낮은 오일 소비 및 충분한 윤활 조건들에 의한 더 낮은 누출(blow-by)을 보장하고 비싸지 않게 제조될 수 있는 피스톤 링을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 피스톤 링에 의해 달성된다. 바람직한 구성들은 종속 청구항들의 요지를 형성한다.

본 발명에 따르면, 피스톤 링을 위한 신규한 활주면 프로파일이 제안된다. 피스톤 링의 활주면은 정점 또는 피봇 지점을 갖는 실질적으로 볼록한 곡선 프로파일을 갖고, 활주면 상의 그의 축방향 위치는 원주 방향에 대하여 변한다.

이러한 방식으로 형성되는 피스톤 링의 활주면은 작동 동안 원주 방향으로 유체역학 압력이 생성 또는 발생되는(특히 정점의 축방향 위치에 따라 변함) 것을 야기한다. 상기 유체역학 압력들은 압력 구배들을 초래하며, 이는 윤활제 유동들 및 윤활제의 원주 배분을 유도한다. 윤활제의 유체역학적으로 실행되는 원주 배분은 원주 방향에 대하여, 그루브 안으로 공급되는 또는 주입되는 윤활제의 필요한 양의 감소 및 더 균일한 배분을 초래한다.

따라서 원주에 대하여 균일한 윤활제의 지지 표면은 충분한 윤활 조건들을 보장하기 위해, 누출로부터 가능한 한 균일하게 밀봉하기 위해(또는 가능한 가장 낮은 누출을 얻기 위해), 피스톤의 작업 방향으로 윤활제를 효과적으로 벗겨내기 위해 그리고 급속한 퍼짐(over-running)을 가능하게 하기 위해 원하는 대로 얻어진다.

본 발명의 일 양태는 오일이 원주 방향으로 전달되어서 더 적은 오일이 소비되도록 하는 데 있다. 이를 위해, 정점은 원주 방향으로 축방향 높이에 걸쳐 일정하게 변하거나 변경되지만, 바람직하게는 종래 기술의 경우에서와 같이 활주면 상에 리세스들 또는 구멍들 또는 슬롯들이 존재하지 않는다.

2 개 이상의 피스톤 링들로 구성되는 시스템이 또한 바람직하게 제공된다. 2 개의 피스톤 링들이 각각 본 발명에 따라 형성된다. 본 발명에 따른 2 개의 피스톤 링들의 정상부(apice)들의 주기적인 가변 축방향 위치들의 추이들은 시스템 배열에서 180°만큼 위상 오프셋된다.

피스톤 링은 바람직하게는 정점의 축방향 위치의 변화가 원주 방향으로 주기적이며 바람직하게는 주기적인 가변 축방향 위치의 주기의 수가 정수인 방식으로 형성된다.

피스톤 링의 정점(B1)의 축방향 위치의 추이가 피스톤 링(1)의 중심 평면에 평행하거나 일치하는 평면에 대하여 실질적으로 대칭인 것이 또한 바람직하다.

피스톤 링의 정점(B1)의 축방향 위치의 추이가 피스톤 링(1)의 중심 평면에 평행하거나 일치하는 평면에 대하여 비대칭인 것이 또한 바람직하다.

또한, 피스톤 링의 정점(B1)의 축방향 위치는 바람직하게는 피스톤 링의 축방향 크기에 대하여 대략 50% 내지 60%의 총 변동을 갖는다.

또한, 피스톤 링의 정점(B1)의 축방향 위치의 추이의 주기의 수는 바람직하게는 포괄적으로 4 내지 36 의 범위에 놓인다.

마지막으로, 2 개 이상의 피스톤 링들로 구성되는 시스템에서, 2 개의 피스톤 링들은 각각 바람직하게는 상기 언급된 것과 같은 피스톤 링이고 2 개 이상의 피스톤 링들의 정상부들의 주기적인 가변 축방향 위치들의 추이들은 180°만큼 위상 오프셋된다.

본 발명은 도면들에 도시된 예시적인 실시예들을 사용하여 이하에 더 상세하게 설명된다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 상이한 각도 위치들에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링을 통하는 제 1 (반경방향) 횡단면, 제 2 (반경방향) 횡단면 및 제 3 (반경방향) 횡단면을 도시하고;
도 2a는 도 1에 도시된 본 발명의 피스톤 링에 따른 피스톤 링의, 원주 방향으로 활주하는 활주면의 세부사항의 평면도를 도시하고;
도 2b는 도 2a에 도시된 피스톤 링의, 원주 방향으로 활주하는 활주면의 세부사항에 따른 활주면의 프로파일의 정점 라인의 추이를 도시하고;
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예의 피스톤 링의 세부사항의 사시도를 도시하고;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 활주면의 프로파일의 정점 라인에 대한 함수적으로 설명된 추이를 예로서 도시한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 피스톤 링(1)을 통하는, 원주 방향으로 서로로부터 이격된 (반경방향) 횡단면들을 도시한다.

도 1 에 도시되고 바람직하게는 압축 및 오일 제어 링으로서 동시에 작용하는, 본 발명에 따른 피스톤 링(1)은 연소 챔버를 등지는 외부 프로파일된 측, 즉 피스톤 링(1)의 프로파일된 활주면(3), 연소 챔버(31)를 마주하는 플랭크(5), 오일 챔버(32)를 마주하는 플랭크(6) 및 내부 원주면(7)을 갖는다.

상기 및 이하의 설명이 내연기관, 특히 2-행정 내연기관의 피스톤을 위한 본 발명에 따른 피스톤 링(1)의 사용에 관한 것이지만, 당업자에게는 본 발명에 따른 실시예에 따른 피스톤 링이 압축기들에서도 또한 사용될 수 있다는 것이 즉시 자명한 것에 주목해야 한다.

활주면(3)은 실질적으로 볼록한 곡선이고 정점(B1)을 갖고 외부 원주를 따라 뻗어있는 정점 라인(11)을 형성하는 프로파일을 갖는다.

원주 방향 정점 라인(11)의 영역에서, 피스톤 링(1)은 연소 챔버(31)로부터의 누출을 방지하기 위해 실린더 라이너와 같은 카운터 활주면(30)에 대하여 밀봉된다. 피스톤 운동은 유체역학 오일 막이 피스톤 링(1)과 카운터 활주면(30) 사이에 형성되는 것을 야기하고, 상기 오일 막은 피스톤 운동으로 인해 피스톤 링(1)과 카운터 활주면(30) 사이에 형성되고 상기 부분들 사이의 충분한 윤활을 보장한다. 횡단면도들에서, 원주 방향으로 뻗어있는 정점 라인(11)은 정상부(B1)로서 도시된다.

도 1a 내지 도 1c에서 이미 볼 수 있는 바와 같이, 활주면(3)의 프로파일의 정점(B1)은 피스톤 링(1)의 축방향으로 원주에 대한 횡단면의 위치에 의해 변한다. 도 2b에서, 정점(B1)의 중앙 위치는 개략적으로 도시되지만, 도 2a 및 도 2c는 중앙 위치에 대한 2 개의 축방향들의 정점(B1)의 최대 변화 위치들을 개략적으로 도시한다.

피스톤 링(1)의 횡단면의 도심(centroid)은 바람직하게는 정점(B1)의 2 개의 최외측 축방향 위치들 사이의 평면에 놓인다. 이는 정적인 상태의 피스톤 링(1)이 정점 라인(11)의 전체 추이에 걸쳐 카운터 활주면(30)을 지탱하고 카운터 활주면과 피스톤 링 사이에 위치되는 얇은 오일 막(도시되지 않음)에 의해 상기 카운터 활주면으로부터 최소한으로 이격될 수 있는 것을 보장한다.

도 2a는 본 발명에 따른 피스톤 링(1)의, 원주 방향으로 활주하는 활주면(3)의 세부 사항의 평면도를 도시한다. 축방향으로 주기적인 가변 정점(B1)의 추이를 도 2a에서 볼 수 있다. 여기서 예로서 도시된 추이는 피스톤 링(1)의 중심 평면에 대칭이다. 즉, 정점(B1)의 축방향 위치는 피스톤 링(1)의 중심 평면에 대하여 최대 진폭으로 변한다.

도시된 대칭은 단지 본 발명의 바람직한 실시예이며 본 발명이 이에 제한되는 것을 의미하지 않는다는 것에 주목해야 한다. 예컨대, 정점(B1)의 축방향 위치의 추이는 피스톤 링(1)의 중심 평면에 평행하고 떨어져 있는 평면에 대하여 또한 대칭일 수 있다. 또한, 정점(B1)의 축방향 위치의 추이는 마찬가지로 비대칭일 수 있으며, 즉 정점(B1)의 축방향 위치의 추이의 진폭들은 피스톤 링(1)의 중심 평면으로부터 시작하는 2 개의 대향하는 축방향들에서 상이하다.

도 2a에서, 섹션 위치(A, B, C 및 D)들이 또한 도시된다. 도 1a에 도시된 횡단면도는 위치(A 또는 D)에서의 섹션에 의해 얻어지는 반면, 도 1b에 도시된 횡단면도는 위치(B)에서의 섹션에 의해 얻어지고 도 1c에 도시된 횡단면도는 위치(C)에서의 섹션에 의해 얻어진다.

도 2b는 피스톤 링(1)의 평면의 도면을 도시한다. 도 2a에 도시된 원주 위치들 및 섹션 위치(A, B, C 및 D)들은 피스톤 링 평면에 도시된다. 정점(B1)의 축방향 위치는 피스톤 링(1)의 외부 원주를 따라 주기적으로 변한다. 도 2b는 예로서 6 주기를 도시한다. 이는 피스톤 링 원주에 대한 주기 각도가 도시된 예시적인 실시예에서 φ = 60°인 것을 의미한다. 정점(B1)의 축방향 위치의 변화들의 주기는 바람직하게는 포괄적으로 4(φ = 90°) 내지 36(φ = 10°)의 범위 내에 놓인다. 주기들은 바람직하게는 정수이고 특히 동수(equal number)이다.

주기들의 수는, 예컨대 가스 카운터 압력 방법(gas counter pressure method)을 사용하여 윤활제가 프레스되거나 실린더 안으로 주입되는 입구들 또는 노즐들의 개수에 매칭될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 예컨대, 주기들의 수는 입구들 또는 노즐들의 수와 동일하거나 또는 이들의 정수의 배수일 수 있다.

정점(B1)의 축방향 위치는 바람직하게는 피스톤 링(1)의 축방향 크기에 대하여 대략 50% 내지 60% 의 전체 변형 폭(즉, 축방향 위치의 대칭 추이의 경우 진폭의 두 배)을 갖는다. 정점(B1)의 축방향 위치는 바람직하게는 피스톤 링(1)의 축방향 크기에 대하여 대략 25% 내지 75% 의 범위 내에서 변한다.

피스톤 링(1)의 본 발명에 따른 다른 예시적인 실시예가 도 3에 사시도로 도시된다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 2 개의 피스톤 링들이 시스템으로서 사용될 수 있다. 이러한 경우, 피스톤 링들은 바람직하게는 각각의 정상부들의 축방향 위치들의 추이들이 180°만큼 서로로부터 위상 오프셋되는 방식으로 형성된다.

정점(B1)의 축방향 위치의 추이는 바람직하게는 일정하고 더 바람직하게는 주기적이고, 일정한 함수에 의해 설명될 수 있다. 특히, 정점(B1)의 축방향 위치의 추이는 주기적이고, 상이할 수 있는 함수에 의해 설명될 수 있다. 이는 예컨대 정점(B1)의 축방향 위치의 추이가, 예컨대 원주 각도(φ)와 주기의 수(k)의 함수로서 표현될 수 있는 것을 의미한다 :

P _axial = A _max ㆍcos(kㆍφ)

상기 예시적인 함수는 도 4의 더 양호한 이해를 위해 도시된다.

본 출원에서 제안된 피스톤 링은 특히 400㎜ 초과의 직경을 갖는 시스템의 피스톤들을 위한 것이다.

본 발명에 따라 형성된 피스톤 링은 바람직하게는 대형 2-행정 내연기관들과 같은 내연기관들 또는 압축기들을 위한 피스톤들의 피스톤 링 그루브에서 사용될 수 있다. 오일 소비 및 누출 모두가 공지된 구성들에 비교하여 크게 감소될 수 있다는 것이 발견되었다. 따라서, 본 발명에 따른 피스톤에 의해, 충분한 윤활 조건들을 보장하면서 누출 및 오일 소비에 관하여 뛰어난 결과들을 달성하는 내연기관 또는 압축기의 피스톤들을 위한 피스톤 링이 디자인 및 제조 측면 모두에 있어서 만들어지는 것에 주목해야 한다.

본 발명의 기본 개념은 오일 소비를 감소시키기 위해 원주 방향으로 오일을 전달하는 데 있다. 이러한 목적은 피봇 지점 또는 정점이 원주 방향으로 축방향 높이에 걸쳐 변경되지만, 종래 기술에서와 같이 활주면에 리세스들 또는 구멍들 또는 슬롯들이 존재하지 않는다는 점에서 달성된다. 활주면은 정점을 제외하고는, 사실상 변경되지 않고 남아있는다. 피스톤 링을 측면으로부터 본다면, 구불구불한 또는 사인 곡선의 가시적인 프로파일을 볼 수 있다.

1 피스톤 링
3 피스톤 링의 활주면(연소 챔버를 등지는 외부 측) 및 외부 원주면
5 연소 챔버를 마주하는 플랭크
6 오일 챔버를 마주하는 플랭크
7 내부 원주면
10 활주면 프로파일의 볼록한 곡선 섹션
11 정점 라인
B1 정점 라인의 정점
30 카운터 활주면, 예컨대 실린더 라이너
31 연소 챔버
32 오일 챔버

Claims (7)

1. 외부 활주면(3), 2 개의 플랭크(5, 6)들 및 내부 원주면(7)을 갖는 피스톤 링으로서,
   상기 활주면(3)은 프로파일을 갖고,
   상기 활주면(3)의 프로파일은 실질적으로 볼록한 곡선이고 정점(B1)을 갖는, 피스톤 링에 있어서,
   상기 정점(B1)의 축방향 위치는 원주 방향으로 가변적인 것을 특징으로 하는,
   피스톤 링.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 정점의 축방향 위치의 변동은 주기적이고 바람직하게는 주기적인 가변 축방향 위치의 주기의 수는 정수인 것을 특징으로 하는,
   피스톤 링.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 정점(B1)의 축방향 위치의 추이는 피스톤 링(1)의 중심 평면에 평행하거나 또는 일치하는 평면에 대하여 실질적으로 대칭인 것을 특징으로 하는,
   피스톤 링.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 정점(B1)의 축방향 위치의 추이는 피스톤 링(1)의 중심 평면에 평행하거나 또는 일치하는 평면에 대하여 비대칭인 것을 특징으로 하는,
   피스톤 링.
   
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 정점(B1)의 축방향 위치는 피스톤 링(1)의 축방향 크기에 대하여 대략 50% 내지 60%의 총 변동을 갖는 것을 특징으로 하는,
   피스톤 링.
   
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 정점(B1)의 축방향 위치의 추이의 주기의 수는 포괄적으로 4 내지 36 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는,
   피스톤 링.
   
7. 2 개 이상의 피스톤 링들로 구성되는 시스템에 있어서,
   2 개의 피스톤 링들은 각각 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 피스톤 링이며,
   2 개 이상의 피스톤 링들의 정상부의 주기적인 가변 축방향 위치들의 추이들은 180°만큼 위상 오프셋되는 것을 특징으로 하는,
   시스템.

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