KR20150143621A - 가변 속성을 갖는 피스톤 링 - Google Patents

가변 속성을 갖는 피스톤 링 Download PDF

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마르쿠스 마흘
라인하르트 라우마이어
요한 리들
프랭크 나뎀
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페데랄-모굴 프리드베르그 게엠베하
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Abstract

본 발명은 외측 원주 표면, 내측 원주 표면 및 두 개의 측면들을 갖는 피스톤 링(1)에 관한 것으로, 상기 원주 표면은 구형 프로파일링 섹션을 가지며, 상기 작동 표면(2)의 축방향 폭 및/또는 작동 표면(2)과 하나 이상의 플랭크 사이의 각도 및/또는 프로파일링 섹션의 반경은 상기 피스톤 링(1)의 원주 전반에 걸쳐 주기적으로 변화한다.

Description

가변 속성을 갖는 피스톤 링 {PISTON RING HAVING VARYING ATTRIBUTES}
본 발명은 주기적으로 변화하는 속성들을 갖는 피스톤 링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연기관 또는 압축기를 위한 주기적으로 변화하는 지지 표면 폭 또는 위트니스 라인(witness line) 폭, 지지 표면과 측면 사이의 변화하는 각도 또는 지지 표면 프로파일의 변화하는 반경을 구비한 피스톤 링에 관한 것이다.
선박을 위한 현대의 대용적 엔진들은 보통 2행정 디젤 엔진들인데, 이는 이러한 엔진들의 회전 속도가 전형적으로 약 50 rpm 내지 250 rpm의 범위 내(전형적으로 100 rpm 미만)에 있고 엔진들의 파워가 실린더들의 개수에 따라 최고 약 100 MW에 도달할 수 있도록 엔진들이 설계되기 때문이다. 이 같은 대용적의 느리게 작동하는 2행정 선박들의 엔진들은 엔진들의 회전 속도의 결과로써, 회전 속도를 감소시키기 위한 감속 기어가 필요없을 수 있기 때문에 프로펠러(들)의 구동 샤프트(들)에 적접 작용하는 것이 바람직하다.
전형적으로, 이 같은 대용적 2행정 엔진들은 엔진 윤활을 위한 오일 회로 및 실린더 윤활을 위한 오일 회로의 두 개의 별개의 오일 회로들을 갖는다. 실린더 윤활은 적절한 때에 충분한 윤활유가 실린더 표면들 또는 피스톤 링들의 충분한 윤활을 보장하기 위해 제공된다.
기계의 부하에 따라, 실린더 윤활유는 라이너를 통하여 피스톤 챔버 내로 주입된다. 피스톤 링 또는 피스톤 링의 지지 표면은 이러한 윤활 막 상에서 작동한다. 엔진의 작동 동안, 좁은 오일 막, 소위 위트니스 라인은 지지 표면과 라이너 사이에 형성된다. 이러한 경우, 특히 비용을 절감하고 과도 윤활(overlubrication)을 방지하기 위하여 윤환 오일을 가능한 적게 주입하는 문제가 있다. 실린더 윤활은 예를 들면 상부 행정의 1/3에서 수행되며, 이에 의해 윤활 유는 피스톤 및 피스톤 링의 가능한 최적의 윤활이 보장되도록 윤활유 펌프에 의해 예를 들면 실린더 벽 내의 하나의 면에 제공된 윤활유 입구들을 통하여 실린더에 공급된다. 실린더 내로의 오일 공급은 보통 가스 역압 방법(gas counter pressure method)에 의해 수행된다.
예를 들면, 윤활유를 정밀하게 계량된 방식으로 노즐들을 통하여 실린더 내로 주입하는 윤활유 주입 시스템이 사용될 수 있다. 컴퓨터-제어식 시스템은 피스톤이 위치되는 위치를 등록하고 이에 따라 구체적으로 윤활유를 공급한다. 이는 고압으로 수행되어 구체적으로, 피스톤 링이 위치될 때 그리고 마찰이 실제로 발생하는 특별한 장소에 실린더 라이너의 가능한 균일한 적심(wetting)을 달성하도록 윤활유가 매우 정밀하게 퍼진다.
약 50 rpm 내지 약 250 rpm의 회전 속도를 가지는 현대의 대용적 2행정 선박들의 엔진들이 최고 2500 mm의 행정에서 작동되고 윤활유의 공급 및 공급된 윤활유의 분포를 위해 이용가능한 시간 간격은 작으며 따라서 윤활의 품질을 보장하기 위한 중요한 도전을 제기한다는 점을 유념하자. 예를 들면, 실린더가 900 mm의 (내부) 직경을 가지며 원주 전반에 걸쳐 균일하게 분포되는 8개의 액세스(access)들이 실린더 벽으로의 오일 공급을 위해 제공하여야 한다는 것이 추정되면, 공급된 윤활유는 제공된 시간 간격 내에서 각각의 입구들로부터 시작하여 피스톤 링의 원주 방향으로 약 350 mm의 길이에 걸쳐 분포되어야 한다.
하나의 피스톤 링 또는 복수의 피스톤 링들에 대한 종래의 설계에 있어서 원주 방향으로의 압력 구배들의 결핍의 결과로써, 원주 방향 또는 접선 방향으로의 윤활유의 전혀 없거나 단지 매우 좁은 (최대 약 3%의) 분포 또는 이동이 얻어지는 것을 보여준다. 다른 한편으로, 윤활유는 주로(약 97%) 피스톤 링의 작동 방향 또는 축방향으로 이동한다.
본 발명의 적용 영역은 일반적으로 내연기관들 및 피스톤 압축기들이며 또한 그 외의 선박들의 용도이다.
본 발명의 목적은 윤활유의 개선된 분포의 결과로써 또한 원주 방향으로 충분한 윤활 상태들을 보장하고 낮은 오일 소모 및 낮은 블로-바이(blow-by) 둘다를 보장하고 또한 생산하기에 양호한 피스톤 링을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양태에 따라, 외측 원주 표면, 내측 원주 표면 및 두 개의 측면들을 갖는 피스톤 링이 제공되며, 상기 원주 표면은 구형 프로파일링(spherical profiling)을 가지며,
- 상기 구형 프로파일링은 피스톤 링의 지지 표면을 형성하는 실질적으로 평평한(flat) 정점 구역을 가지며 상기 지지 표면의 축방향 폭은 피스톤 링의 원주 전반에 걸쳐 주기적으로 변화하며,
- 상기 구형 프로파일링은 피스톤 링의 지지 표면을 형성하는 실질적으로 평평한 정점 구역을 가지며, 상기 지지 표면과 하나 이상의 측면 사이의 각도가 피스톤 링의 원주 전반에 걸쳐 주기적으로 변화하고/하거나,
- 상기 구형 프로파일링의 반경은 피스톤 링의 원주 전반에 걸쳐 주기적으로 변화한다.
본 발명에 따라, 새로운 유형의 지지 표면 프로파일이 피스톤 링에 대해 제안된다. 피스톤 링의 지지 표면은 정점 구역을 갖는 실질적으로 볼록한 구형으로 형성된 프로파일링을 갖는다. 정점 구역에서 피스톤 링은 작동 동안 라이너에 맞닿아 접한다, 즉 정점 구역은 피스톤 링의 지지 표면을 형성한다. 본 발명에 따라, 속성들 "지지 표면의 축방향 폭", "지지 표면과 하나 이상의 측면 사이의 각도", 및 "구형 프로파일링의 반경" 중 하나 또는 수 개의 속성이 변화한다.
제 1 대안예에서 이러한 지지 표면의 축방향 폭은 원주 방향으로 변화한다, 즉 지지 표면의 축방향 폭은 원주에 따른 각 위치에 따라 변화한다. 동일한 방식으로, 지지 표면과 라이너 사이에서의 작동 동안 형성된 윤활유의 위트니스 라인은 지지 표면의 가변 폭에 따라 변화한다.
제 2 대안예에서, 지지 표면과 하나 이상의 측면 사이의 각도는 피스톤 링의 원주 전반에 걸쳐 변화한다. 즉, 지지 표면과 측면(들) 사이의 영역은 측면의 방향으로의 변화하는 기울기(steepness)에 따라 감소된다.
제 3 대안예에서, 구형 프로파일링의 반경은 피스톤 링의 원주 전반에 걸쳐 변화한다. 이러한 실시예에서 실질적으로 평평한 지지 표면이 존재하는 것이 절대적으로 필요한 것은 아니라는 점이 주목되어야 한다. 더 넓거나 더 좁은 위트니스 라인의 구성은 또한 본 발명에서 단지 구형 프로파일링의 더 크거나 더 작은 각도에 의해 달성될 수 있다. 실질적으로 평평한 정점 구역을 갖는 유사하게 가능한 변형예에서, 상기 반경은 정점이 없는 가상의 프로파일링(즉, 정점 구역이 없는 가상의 프로파일링)에 관한 것이다.
이러한 대안예들은 또한 임의적으로 조합될 수 있다.
따라서 이러한 방식으로 구성된 피스톤 링의 지지 표면은 연속 작동 중 가변 위트니스 라인 폭 또는 가변 각도 또는 가변 반경의 결과로써 유체 역학적 압력들이 원주 방향으로 증가하는 효과를 갖는다. 이러한 유체 역학적 압력들은 윤활유 흐름을 유발하고 원주 방향 또는 접선 방향으로의 윤활유의 재분포를 발생시키는 압력 구배들을 초래한다. 윤활유의 유체 역학적으로 달성되는 재분포는 공급된 또는 주입된 윤활유의 원주 방향으로의 요구된 공급의 감소 및 보다 균일하고 보다 신속한 분포를 초래한다.
일 실시예에 따라, 지지 표면의 중심의 축방향 위치는 주기적으로 변화한다. 결과적으로, 압력 구배들의 형성이 강화될 수 있다.
일 실시예에 따라, 지지 표면의 폭 및/또는 중심 위치의 변화는 적어도 하나의 완전한 주기를 포함한다. 바람직하게는 완전한 주기의 개수는 4개 내지 34개이다. 주기들의 개수는 공급 관통 액세스들의 개수에 맞춰질 수 있으며, 이 액세스들을 통하여 윤활유는 예를 들면 가스 역압 방법(gas counter-pressure method)으로 가압되거나 실린더 내로 주입된다. 이에 따라, 예를 들면, 주기들의 개수는 공급-관통 통로들 또는 노즐들의 개수와 동일할 수 있거나 이의 정수배일 수 있다.
일 실시예에 따라, 지지 표면의 폭 및/또는 중심 위치의 변화 및/또는 지지 표면과 하나 이상의 측면 사이의 각도의 변화 및/또는 지지 표면 프로파일의 반경의 변화는 피스톤 링의 링 조인트에 대해 대칭이다.
대안적인 실시예에 따라,
- 지지 표면의 폭 및/또는 중심 위치의 변화는 피스톤 링의 링 조인트에 대해 비대칭이고/이거나;
- 지지 표면과 하나 이상의 측면 사이의 각도의 변화는 피스톤 링의 링 조인트에 대해 비대칭이고/이거나;
- 구형 프로파일링의 반경의 변화는 피스톤 링의 링 조인트에 대해 비대칭이고/이거나;
- 피스톤 링의 원주 방향으로 볼 때, 지지 표면의 폭 및/또는 중심 위치의 변화의 거동은 원주 방향에 따라 상이하고/하거나;
- 피스톤 링의 원주 방향으로 볼 때 하나 이상의 측면과 지지 표면 사이의 각도의 변화의 거동은 원주 방향에 따라 상이하고/하거나;
- 피스톤 링의 원주 방향으로 볼 때 구형 프로파일링의 반경의 변화의 거동은 원주 방향에 따라 상이하다.
특히, 원주 방향에 따라 상이한 거동의 변형예의 결과로써, 압력 구배들은 "작동 방향 결합(running direction binding)"의 유형에 따라 생성될 수 있거나 유체 역학적 압력들 및 압력 차이들에 의해 생성된 윤활유 유동은 이에 따라 구체적으로는 더 많은 오일이 하나의 원주 방향으로 유동하고/오일이 반대 원주 방향으로보다 더 빨리 유동하도록 생성될 수 있다. 예를 들면, 이는 대략적으로 톱니형 변화에 의해 달성될 수 있으며 톱니의 상승 또는 하강 측면들은 반대 회전 방향으로보다 하나의 회전 방향으로 더 급하게(strongly) 상승 및 하강한다.
결과적으로, 힘들은 가변 지지 표면 폭/중심-대-중심 위치의 이러한 바람직한 방향에 의해 형성된 회전 방향으로 피스톤 링에 반대로 작용한다. 결과적으로, 원하는 경우 피스톤 링의 회전은 어떠한 끼임(seizing)을 회피하도록 여기될(excited) 수 있어 마모를 더 균일하게 한다.
일 실시예에 따라, 지지 표면의 에지는 이웃하는 측면에 대해 평행하게 형성된다. 지지 표면 폭의 변화는 이에 따라 유체역학적 압력 또는 압력 구배들만이 지지 표면의 다른 에지에서 발생하는 방식으로 발생한다. 이에 의해 윤활유 흐름들이 구체적으로는 단지 피스톤 링의 이러한 측면(예를 들면, 연소 챔버 반대쪽을 향하는 측면)상에서 여기되는 것을 달성할 수 있다.
일 실시예에 따라, 지지 표면의 양 에지들은 각각 정점들을 가지며 이 정점들에서 이웃하는 측면으로부터의 축방향 거리가 최소이며 상기 정점들은 지지 표면의 마주하는 에지들 중 각각 하나 상에 교대로 원주 방향으로 배치된다. 이러한 정점들은 둥근 형상을 가질 수 있지만 바람직하게는 비교적 뾰족한 정점들이 국부적으로 강화된 압력 구배들을 생성하도록 제공될 수 있다. 이는 특히 윤활유를 위한 공급 지점들 및 주입 지점들이 이로부터 오일을 가능한 신속하게 분포하도록 배열되는 경우 적합하다.
일 실시예에 따라, 축방향 폭은 정점들에서 최대치를 갖는다.
일 실시예에 따라, 지지 표면의 최소 축방향 폭은 최대 폭의 20%이다.
일 실시예에 따라, 지지 표면의 축방향 폭은 0.1 cm 내지 3 cm, 바람직하게는 0.2 cm 내지 1.5 cm이다.
일 실시예에 따라, 지지 표면의 축방향 폭은 피스톤 링의 축방향 폭의 5% 내지 50%이다.
일 실시예에 따라, 폭의 변화 또는 각도의 변화 또는 반경의 변화는 상승하거나 하강하는 측면들이 링 조인트에 대한 반대 회전 방향으로 보다 더 급하게 하나의 회전 방향으로 상승/하강하는 변화이다. 이는 예를 들면 톱니 모양과 같은 변화일 수 있다.
원주 방향으로의 오일 운반은 원주 방향에 따른 상이한 변화의 결과로써 달성된다. 폭의 변화의 경우, 오일 운반은 폭이 증가하는 방향으로 발생한다. 각도의 변화의 경우, 오일 운반은 각도가 증가하는 방향으로 발생한다.
본 발명은 도면들에 도시된 예시적인 실시예들을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 1 실시예의 외측 원주 표면의 일 부분의 반경 방향 평면도를 도시하며;
도 2는 도 1에 따른 피스톤 링을 통한 세 개의 상이한 횡단면도들을 도시하며,
도 3은 도 1 및 도 2에 따른 피스톤 링을 축방향 평면도로 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 2 실시예의 외측 원주 표면의 일 부분의 반경 방향 평면도를 도시하며,
도 5는 도 4에 따른 피스톤 링을 통한 두 개의 상이한 횡단면도들을 도시하며,
도 6은 도 4 및 도 5에 따른 피스톤 링을 축방향 평면도로 도시하며;
도 7은 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 3 실시예의 외측 원주 표면의 일 부분의 반경 방향 평면도를 도시하며;
도 8은 도 7에 따른 피스톤 링을 통한 두 개의 상이한 횡단면도들을 도시하며,
도 9는 도 7 및 도 8에 따른 피스톤 링을 축방향 평면도로 도시하며,
도 10은 제 4 실시예에 따른 피스톤 링을 통한 두 개의 상이한 횡단면도들을 도시하며,
도 11은 도 10에 따른 피스톤 링의 반경 방향 평면도를 도시하며,
도 12는 제 5 실시예에 따른 피스톤 링을 통한 두 개의 상이한 횡단면도들을 도시하며,
도 13은 도 12에 따른 피스톤 링의 반경 방향 평면도를 도시하며,
도 14는 제 6 실시예에 따른 피스톤 링의 반경 방향 평면도를 도시하며,
도 15는 제 7 실시예에 따른 피스톤 링의 반경 방향 평면도를 도시하며,
도 16은 제 8 실시예에 따른 피스톤 링의 반경 방향 평면도를 도시하며,
도 17은 제 9 실시예에 따른 피스톤 링의 반경 방향 평면도를 도시하며,
도 18은 제 10 실시예에 따른 피스톤 링을 통한 두 개의 상이한 횡단면도들을 도시하며,
도 19는 도 18로부터의 피스톤 링의 평면도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤 링(1)의 제 1 실시예의 지지 표면 측의 평면도를 도시한다. 피스톤 링(1)은 실질적으로 평평한 정점 구역을 가지는 프로파일링(profiling)을 가지며, 이 정점 구역을 통하여 피스톤 링(1)의 실제 지지 표면(2)이 형성된다. 작동 중, 지지 표면(2)은 실린더 라이너 또는 실린더 내부 측과의 접촉 표면을 형성한다. 오일 필름, 소위 위트니스 라인은 작동 동안 윤활 상태에서 지지 표면(2) 상에 형성될 것이다.
피스톤의 왕복 운동의 결과로써, 윤활유는 실질적으로 축방향으로만, 즉 도면에서 상방 또는 하방으로 이동되어 분포되어 퍼진다. 종래의 피스톤 링들에서, 기껏해야 윤활유의 양의 매우 적은 분포(최대 3%)는 접선 방향으로, 즉 피스톤 링의 원주 방향으로 달성된다. 그럼에도불구하고 종래의 피스톤 링들, 가능하게는 선박들의 엔진들의 대형 피스톤 링들에서 충분한 윤활을 얻도록, 한편으로는 비교적 많은 양의 오일이 주입 또는 공급되어야 하고, 다른 한편으로는, 윤활유가 피스톤 링의 원주 상의 수 개의 위치들에 분포되어 제공되어야 한다.
윤활유의 더 심하고(stronger) 더 가속화된 분포를 얻고 이에 의해 또한 공급된 필요 양을 감소시키기 위해, 본 발명은 피스톤 링의 원주 전반에 걸쳐 피스톤의 폭에서 가변적이 되도록 실제 지지 표면을 구성하는 것을 제안한다. 도 1에 도시된 바와 같이, (지지 표면을 형성하는 실질적으로 평평한 구역의 또는) 지지 표면의 축방향 폭(또는 높이)이 주기적으로 분포된 위치에서, 예를 들면, 횡단면 A-A의 위치에서 그리고 횡단면 B-B의 위치 옆 좌측 상에서 최대치를 갖는다. 최대 폭을 가지는 주기적으로 분포된 위치들 사이에 위치된 것은 예를 들면 횡단면 C-C의 위치에서와 같이, 최소 폭을 갖는 지지 표면(2)의 구역들이다.
지지 표면(2)의 가변 폭에 의해, 유체 역학적 압력들 및 압력 구배들은 오일 필름에서 생성되고, 유체 역학적 압력들 및 압력 구배들은 피스톤 링(1)의 원주 방향으로 오일의 증가되고 가속화된 운반을 제공한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 최대 폭의 위치들은 특히 정점(4)들의 위치들에서 이러한 효과를 강화하도록 대략적으로 하나의 지점까지 테이퍼지는 정점(4)들을 갖는다. 도시된 예시적인 실시예에서, 지지 표면(2)의 축방향으로 중심 지점이 또한 폭과 함께 주기적으로 변화하는 것이 또한 확인될 수 있다. 이는 또한 오일 운반이 주변 방향으로 여기되는 것을 보장한다. 그러나, 대안적으로, 또한 단지 폭이 변화하지만 지지 표면의 중심 지점이 피스톤 링의 원주 상의 측면들에 대해 일정한 (중심 또는 편심) 위치에 배치되는 것이 또한 가능하다(도시안됨).
도 2는 도 1로부터 피스톤 링의 대응하는 위치들을 통한 횡단면도들을 도시한다. 한편으로, 지지 표면의 중심 지점이 측면들에 대해 단면 A-A에서 더 상방으로, 단면 B-B에서 더 하방으로 그리고 단면 C-C에서 중심으로 변화 가능하다는 것을 여기서 용이하게 볼 수 있다. 더욱이, 가변 폭은 단면 A-A의 지지 표면의 폭(a)이 가장 크고 섹션 B-B의 폭(b)이 약간 더 작고 단면 C-C의 폭(c)이 가장 작은 경우로 보여질 수 있다.
도 3은 마지막으로 도 1 및 도 2로부터의 실시예가 축방향 평면도로 도시된다. 단면들(A 및 B)에 따른 지지 표면의 폭에서의 변화의 주기적 분포를 볼 수 있으며, 또한 주기적 변화는 피스톤 링의 조인트(3)에 대해 대칭적으로 구성된다. 대안적으로 그러나 주기적 변화가 피스톤 링의 조인트(3)에 대해 비대칭적으로 구성되는 것이 또한 가능하다(도시안됨). 이러한 예에서, 완전한 주기들의 개수는 5개이다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링(1)의 제 2 실시예의 지지 표면 측의 평면도를 도시한다. 이러한 실시예에서, 피스톤 링(1)의 지지 표면(2)은 또한 대략 하나의 지점까지 테이퍼지는 정점(4)들을 갖는다. 지지 표면(2)의 폭의 상대적 변화는 도 1 내지 3으로부터의 실시예에서보다 더 작지만 여기서 또한 폭의 최소치들은 지지 표면(2)의 상이한 에지들 상의 두 개의 인접한 정점들 사이에 위치된다. 이러한 예에서, 상부 또는 하부 에지의 정점(4)들은 대략적으로 1/4 주기만큼 서로에 대해 오프셋된다. 다른 위상 변화 값들(도시 안됨)도 또한 가능하다. 0의 위상 변화에 대해, 이는 중심 지점이 고정되지만 폭이 환경에 대해 추가로 가변되는 것이 달성될 수 있다.
도 5는 도 4에 따른 횡단면들을 도시한다. 도시된 예에서 단면 A-A의 폭(a)은 단면 B-B의 폭(b)과 동일하지만 또한 상이할 수 있다. 횡단면에서, 여기서 측면들에 대해 지지 표면(2)의 중심 지점의 위치가 피스톤 링의 원주 상에서 가변적인 것을 또한 볼 수 있다.
도 6은 마지막으로 도 4 및 도 5의 실시예를 축방향 평면도로 도시한다. 단면들(A 및 B)에 따른 지지 표면의 폭에서의 변화의 주기적 분포가 보여질 수 있으며, 또한 주기적 변화는 피스톤 링의 조인트(3)에 대해 대칭적으로 구성된다. 대안적으로, 그러나, 주기적 변화가 피스톤 링의 조인트(3)에 대해 가능하게는 대응하는 오프셋을 가지고 예를 들면 1/2 주기만큼 비대칭으로 구성되는 것이 또한 가능하다(도시안됨). 이러한 예에서 완료된 주기들의 개수는 33개이다.
도 7은 본 발명에 따른 피스톤 링(1)의 제 3 실시예의 지지 표면 측의 평면도를 도시한다. 이러한 실시예에서 피스톤 링(1)의 지지 표면(2)은 정현파 프로파일을 따르는 둥글게 처리된 정점(4)들을 갖는다. 상기 정점(4)들은 단지 지지 표면(2)의 하나의 에지(여기서 하부) 상에 위치되는 반면, 이러한 예에서 다른 에지(여기서 상부)가 피스톤 링(1)의 측면에 대해 평행하게 연장된다. 결과적으로, 유체 역학적 압력들 및 압력 구배들은 단지 일 측 상에 구체적으로 생산될 수 있고 이에 따라 단지 이러한 측면상에서 원주 방향으로의 오일 운반에 선택적으로 영향을 미칠 수 있다. 바람직하게는, 이는 연소 챔버 반대쪽을 향하는 피스톤 링의 측 상에 사용된다, 즉 지지 표면의 평행한 에지가 연소 챔버를 향한다. 그러나, 대안적으로 반대의 경우도 또한 가능하다(도시 안됨).
도 8은 도 7에 대응하는 횡단면도들을 도시한다. 단면 A-A의 폭(a)은 섹션 B-B의 폭(b)보다 더 크다. 횡단면에서, 여기서 측면들에 대해 지지 표면(2)의 중심 지점의 위치가 또한 피스톤 링의 원주 전반에 걸쳐 가변적이다는 것을 또한 볼 수 있다. 대안적으로, 그러나 단지 폭이 원주 전반에 걸쳐 가변적이지만 중심 지점이 측면들에 대해 고정되게 배열되는 것이 또한 가능하다(도시 안됨).
도 9는 마지막으로 도 7 및 도 8의 실시예는 축방향 평면도로 도시한다. 단면 A 및 B에 따른 지지 표면의 폭에서의 변화의 주기적 분포가 보여질 수 있으며, 또한 주기적 변화는 피스톤 링의 조인트(3)에 대해 대칭적으로 구성된다. 대안적으로, 그러나 주기적 변화가 가능하게는 예를 들면 1/2 주기 만큼 대응하는 오프셋으로 피스톤 링의 조인트(3)에 대해 비대칭으로 구성되는 것이 또한 가능하다(도시 안됨). 이러한 예에서 완전한 주기들의 개수는 5개이다. 상이한 개수들의 주기들이 또한 가능하고 주기들의 개수는 짝수 및 홀수 둘다 일 수 있다.
도 10은 지지 표면 또는 위트니스 라인의 폭이 변화하는 일 실시예에 따라 피스톤 링을 통한 두 개의 횡단면도들을 도시한다. 횡단면 A-A은 보다 작은 폭(b1)을 갖는 반면, 횡단면 B-B는 보다 큰 폭(b2)을 갖는다. (고정 라이너 또는 실린더 벽(5)과 함께) 피스톤 링(1)의 작동 방향은 각각의 경우 화살표로 표시된다. 증가된 두께를 가지는 오일 필름(6)은 이동 방향으로 지지 표면의 전방 섹션들 상에 형성된다.
도 11은 도 10으로부터의 실시예의 반경 방향 평면도를 도시한다. 여기서 지지 표면 또는 위트니스 라인 폭의 실질적인 선형 프로파일이 일 예로서 도시되며, 여기서 다른 비선형 프로파일들이 또한 가능하게는 선행 실시예에서와 같이 가능하다. 이러한 구성에서, 오일 운반(화살표에 의해 표시됨)은 더 작은 폭(b1)의 위치로부터 더 큰 폭(b2)의 위치를 향하여 달성된다. 톱니 방식으로의 폭의 이러한 변화가 피스톤 링 둘레의 원주 방향에 따라 비대칭인 경우, 더 큰 폭의 방향으로의 전체 오일 운반이 이에 의해 달성될 수 있다.
도 12는 지지 표면 또는 위트니스 라인과 여기서 피스톤 링의 운동 방향으로 전방 측면 사이의 각도가 변화하는 실시예에 따른 피스톤 링을 통한 두 개의 횡단면도들을 도시한다. 횡단면 A-A는 작은 각도(α1)를 갖는 반면, 횡단면(B-B)은 더 큰 각도(α2)를 갖는다. (고정된 라이너 또는 실린더 벽(5)과 함께) 피스톤 링(1)의 작동 방향은 각각의 경우 화살표로 표시된다. 증가된 두께를 갖는 오일 필름(6)은 운동의 방향으로 지지 표면의 전방 섹션들 상에 형성된다.
도 13은 도 12로부터의 실시예의 반경 방향 평면도를 도시한다. 여기서 지지 표면 또는 위트니스 라인 사이의 각도의 실질적인 선형 프로파일이 일 예로서 도시되고, 여기서 다른 비선형 프로파일들이 또한 가능하게는 선행 실시예들에서와 같이 가능하다. 이러한 구성에서 오일 운반(화살표에 의해 표시됨)은 더 작은 각도(α1)의 위치로부터 더 큰 각도(α2)의 위치를 향하여 달성된다. 톱니 방식으로의 폭의 이러한 변화가 피스톤 링 둘레의 원주 방향에 따라 비대칭인 경우, 더 큰 각도의 방향으로의 전체 오일 운반이 이에 의해 달성될 수 있다. 각각의 경우, 더 큰 각도의 방향으로의 오일 운반은 각도 차이들에 의해 단지 여기된다.
도 14는 예를 들면 도 10의 실시예에 대응하여 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링 둘레의 원주 방향에 따라 위트니스 라인 또는 지지 표면의 폭의 변화의 비대칭 프로파일을 볼 수 있는 방법을 반경 방향 평면도로 도시한다. 상기 프로파일은 여기서 예를 들면 톱니 곡선에 대응하지만 원주 방향을 따른 다른 상이한 대칭 프로파일들이 또한 가능하다. 지지 표면 또는 위트니스 라인의 폭은 더 짧은 구역(c1)들에서 (좌측으로부터 우측으로 볼 때)최대 폭으로부터 최소 폭으로 비교적 급하게 감소된다. 비교시 더 긴 구역(c2)에서, 폭은 다시 (또한 좌측으로부터 우측으로 볼 때) 최소 폭으로부터 최대 폭으로 상대적으로 약하게 증가한다. 반대 관측 방향, 즉 우측으로부터 좌측으로, 이러한 프로파일은 정확히 반대가 된다. 따라서, 원주 방향에 따라 본질적으로 대칭이지만 원주 방향들 사이에서 비대칭인 전체 변화가 달성되며 이는 전체적으로 피스톤 링이 이동할 때 원주 방향으로의(여기서 도시된 예에서 좌측으로부터 우측으로) 오일 운반이 발생한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링 둘레의 원주 방향에 따라 피스톤 링의 측면과 위트니스 라인 또는 지지 표면 사이의 각도의 변화의 비대칭 프로파일을 볼 수 있는 방법을 예를 들면 도 12의 실시예에 대응하는 반경 방향 평면도에서 도시한다. 상기 프로파일은 여기서 예를 들면, 톱니형 곡선에 대응하지만 원주 방향을 따라 다른 상이한 대칭 프로파일들이 또한 가능하다. 측면에 대한 지지 표면 또는 위트니스 라인의 각도는 (좌측으로부터 우측으로 볼 때) 최대 각도로부터 최소 각도로 더 긴 구역(d1)들로 비교적 약하게 감소한다. 비교시 더 짧은 구역(d2)들에서, 상기 각도는 다시 (또한, 좌측으로부터 우측으로 볼 때) 최소 폭으로부터 최대 폭으로 비교적 강하게 다시 증가한다. 반대의 관측 방향으로, 즉, 우측으로부터 좌측으로, 이러한 프로파일은 정확히 반대가 된다. 따라서, 전체적으로 원주 방향에 따라 본질적으로 대칭이지만 원주 방향들 사이에서 비대칭인 전체 변화가 달성되며 이는 전체적으로 피스톤 링이 이동할 때 원주 방향으로(여기서 도시된 예에서 좌측으로부터 우측으로) 오일 운반이 발생한다.
도 16 및 도 17은 원주 방향에 따라 지지 표면의 변화의 상이한 프로파일들의 추가의 대안적인 실시예들을 보여준다.
도 18은 본 발명에 따른 피스톤 링의 추가 실시예를 통하여 두 개의 상이한 횡단면들을 도시한다. 좌측 상에 도시된 것은 비교적 더 큰 반경(R1)을 구비한 구형 프로파일링을 갖는 단면 A-A이다. 우측 상에 도시된 것은 비교적 작은 반경(R2)을 구비한 구형 프로파일링을 갖는 단면 B-B이다. 작은 반경은 실린더 라이너 또는 표면 상의 비교적 소형 접촉 표면 및 이에 따라 비교적 작은 위트니스 라인 폭을 초래하는 반면 큰 반경은 비교적 큰 위트니스 라인 폭을 초래한다.
도 19는 도 18에 따라 구성된 피스톤 링을 보여주는 평면도를 도시한다. 섹션 A의 구역에서, 구형 프로파일링의 반경이 더 큰 반면 섹션 B의 구역에서 더 작다. 정점 라인은 여기서 중앙에서 연장한다. 수직한 대시(dash)들은 지지 표면 프로파일링의 반경의 주기적 변화를 나타내며 여기서 대시들 사이의 큰 간격들은 비교적 더 큰 반경들을 표시하고 작은 거리는 비교적 더 작은 반경들을 표시한다. 이러한 변화는 섹션(B)의 구역에서 반경의 최소치 및 구역(A)의 반경의 최대치를 갖는다.
본 발명에 따라 구성된 피스톤 링은 바람직하게는 예를 들면 대용적의 2행정 내연 기관들 또는 압축기들과 같은 내연 기관들용 피스톤들 내의 피스톤 링 그루브 내에 삽입될 수 있다. 여기서 한편으로 오일 소모가 그리고 다른 한편으로 블로-바이(blow-by)가 공지된 설계들에 비해 상당히 감소될 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 내연기관 또는 압축기의 피스톤들에 대해 개선된 피스톤 링이 보장된 윤활 조건들을 가지고 블로-바이 및 오일 소모에 관하여 예외적으로 우수한 결과를 달성하는 본 발명에 따른 피스톤 링이 제공되는 점에 주목하여야 한다.

Claims (12)

  1. 외측 원주 표면, 내측 원주 표면 및 두 개의 측면들을 갖는 피스톤 링(1)으로서,
    상기 원주 표면은 구형 프로파일링을 가지며,
    - 상기 구형 프로파일링은 상기 피스톤 링(1)의 지지 표면(2)을 형성하는 실질적으로 평평한 정점 구역을 가지며, 상기 지지 표면(2)의 축방향 폭(b1, b2)은 상기 피스톤 링(1)의 원주 전반에 걸쳐 주기적으로 변화하고/하거나;
    - 상기 구형 프로파일링은 상기 피스톤 링(1)의 지지 표면(2)을 형성하는 실질적으로 평평한 정점 구역을 가지며, 상기 지지 표면(2)과 하나 이상의 측면 사이의 상기 각도(α1, α2)는 상기 피스톤 링(1)의 원주 전반에 걸쳐 주기적으로 변화하고/하거나;
    상기 구형 프로파일링의 반경(r1, r2)은 상기 피스톤 링(1)의 원주 전반에 걸쳐 주기적으로 변화하는,
    피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 표면 또는 상기 구형 프로파일링(2)의 중심의 축방향 위치가 주기적으로 변화하는,
    피스톤 링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 표면(2)의 폭(b1, b2) 및/또는 중심의 위치 및/또는 각도(α1, α2) 및/또는 반경(r1, r2)의 변화는 하나 이상의 완전한 주기를 포함하는,
    피스톤 링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 표면(2)의 폭(b1, b2) 및/또는 중심 위치 변화는 상기 피스톤 링(1)의 링 조인트(3)에 대해 대칭이고/이거나;
    상기 지지 표면(2) 및 상기 하나 이상의 측면 사이의 각도(α1, α2)의 변화는 상기 피스톤 링(1)의 링 조인트(3)에 대해 대칭이고/이거나;
    상기 구형 프로파일링의 반경(r1, r2)의 변화는 상기 피스톤 링(1)의 링 조인트(3)에 대해 대칭인,
    피스톤 링.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 지지 표면(2)의 폭((b1, b2) 및/또는 중심 위치 변화는 상기 피스톤 링(1)의 링 조인트(3)에 대해 비대칭이고/이거나;
    - 상기 지지 표면(2)과 상기 하나 이상의 플랭크 사이의 각도(α1, α2)의 변화는 상기 피스톤 링(1)의 링 조인트(3)에 대해 비대칭이고/이거나;
    상기 구형 프로파일링의 반경(r1, r2)의 변화는 상기 피스톤 링(1)의 링 조인트(3)에 대해 비대칭이고/이거나;
    - 상기 피스톤 링(1)의 원주 방향으로 볼 때 상기 지지 표면(2)의 폭(b1, b2) 및/또는 중심 위치의 변화의 거동은 원주 방향에 따라 상이하고/하거나;
    - 상기 피스톤 링(1)의 원주 방향으로 볼 때 상기 지지 표면(2)과 하나 이상의 측면 사이의 각도(α1, α2)의 변화의 거동은 원주 방향에 따라 상이하고/하거나;
    - 상기 피스톤 링(1)의 원주 방향으로 볼 때 상기 구형 프로파일링의 반경(r1, r2)의 변화의 거동은 원주 방향에 따라 상이한,
    피스톤 링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 표면(2)의 에지는 상기 이웃하는 측면에 대해 평행하게 연장하는,
    피스톤 링.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 표면(2)의 양 에지들은 각각 상기 이웃하는 측면으로부터의 축방향 거리가 최소치를 갖는 정점(4)들을 가지며, 상기 정점(4)들은 상기 지지 표면(2)의 마주하는 에지들 중 각각 하나 상에 원주 방향으로 교대로 배치되는,
    피스톤 링.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 축방향 폭(b1, b2)은 정점(4)들에서 최대치를 갖는,
    피스톤 링.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 표면(2)의 최소 축방향 폭은 최대 폭의 20%인,
    피스톤 링.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 표면(2)의 축방향 폭(b1, b2)은 0.1 cm 내지 3 cm이고, 바람직하게는 0.2 cm 내지 1.5 cm인,
    피스톤 링.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 표면(2)의 상기 축방향 폭(b1, b2)은 상기 피스톤 링(1)의 축방향 폭의 5% 내지 50%인,
    피스톤 링.
  12. 제 5 항 또는 제 5 항에 종속하는 경우 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폭(b1, b2)의 변화 또는 상기 각도(α1, α2)의 변화 또는 상기 반경(r1, r2)의 변화는 상승하거나 하강하는 측면들이 반대 회전 방향으로보다 더 급하게 하나의 회전 방향으로 상승/하강하는 변화인,
    피스톤 링.
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