KR20160016720A - 왕복동 엔진용 피스톤 조립체 - Google Patents

왕복동 엔진용 피스톤 조립체 Download PDF

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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

왕복동 엔진용 파워 실린더 시스템은 실린더 내에서 이동하도록 구성된 피스톤을 포함한다. 최상부 홈은 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되고 제1 링을 지지하도록 구성되어 있으며, 제1 링이 최상부 홈 내에 배치되어 있는 동안에 최상부 홈의 일부와 제1 링의 내주면 사이에 공간이 형성된다. 최저부 홈은 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되고 최상부 홈으로부터 축방향으로 떨어져 있다. 최저부 홈 내에 위치 설정되는 제2 링은 피스톤이 실린더 내에 위치 설정되어 있는 동안에 실린더의 환형 내벽에 대해 대략 1 ㎫ 미만의 단위 압력을 가하도록 구성된다. 상부 랜드에 형성되는 하나 이상의 채널은 제1 링이 최상부 홈 내에 배치되어 있는 동안에 연소 가스를 공간으로 전달하도록 구성된다.

Description

왕복동 엔진용 피스톤 조립체{PISTON ASSEMBLY FOR A RECIPROCATING ENGINE}
본 명세서에 개시된 주제는 전반적으로 왕복동 엔진, 보다 구체적으로는 왕복동 엔진용 피스톤 조립체에 관한 것이다.
왕복동 엔진(예컨대, 왕복동 내연 엔진)은 산화제(예컨대, 공기)를 이용하여 연료를 연소시킴으로써 고온 연소 가스를 발생시키는데, 발생된 고온 연소 가스는 다시 실린더 내의 피스톤(예컨대, 왕복동 피스톤)을 구동시킨다. 특히, 고온 연소 가스는 팽창됨으로써, 팽창 행정 중에 피스톤을 실린더의 상부로부터 저부로 직선 이동시키는 압력을 피스톤에 대해 가한다. 피스톤은 연소 가스에 의해 가해진 압력과 피스톤의 직선 운동을, 하나 이상의 부하, 예컨대 전기 발전기를 구동시키는 회전 운동으로 (예컨대, 피스톤에 연결된 커넥팅 로드와 크랭크샤프트를 통해) 전환시킨다. 피스톤과 관련 구조체들(예컨대, 피스톤 조립체)의 구성은 배기 가스 배출물(예컨대, 연소되지 않은 탄화수소) 및 엔진 효율 뿐만 아니라 윤활유(예컨대, 오일) 소비에 크게 영향을 미칠 수 있다. 더욱이, 피스톤 조립체의 구성은 왕복동 엔진의 구성요소들 간의 마찰 및 왕복동 엔진의 작동 수명에 크게 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 피스톤 조립체의 구성을 개선하는 것이 요망된다.
최초 청구된 발명의 범위에 상응하는 특정 실시예들을 아래에 요약한다. 이들 실시예는 청구된 발명의 범위를 제한하고자 의도된 것이 아니며, 정확하게는 이들 실시예는 단지 발명의 가능한 형태를 간단히 요약하고자 의도된 것이다. 실제로, 본 발명은 아래 기술되는 실시예와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포괄할 수 있다.
일 실시예에서, 왕복동 엔진용 파워 실린더 시스템은 실린더 내에서 이동하도록 구성된 피스톤을 포함한다. 최상부 홈은 피스톤의 상부 랜드 아래에 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장된다. 최상부 홈은 제1 링을 지지하도록 구성되어 있으며, 제1 링이 최상부 홈 내에 배치되어 있는 동안에 최상부 홈의 일부와 제1 링의 내주면 사이에 공간이 형성된다. 최저부 홈은 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되고 피스톤의 축방향 축선을 따라 최상부 홈으로부터 축방향으로 떨어져 있다. 최저부 홈 내에 위치 설정되는 제2 링은 피스톤이 실린더 내에 위치 설정되어 있는 동안에 실린더의 환형 내벽에 대해 대략 1 ㎫ 미만의 압력을 가하도록 구성된다. 상부 랜드에 형성되는 하나 이상의 채널은 제1 링이 최상부 홈 내에 배치되어 있는 동안에 연소 가스를 공간으로 전달하도록 구성된다.
일 실시예에서, 왕복동 엔진용 파워 실린더 시스템은 내벽을 갖고 공동을 형성하는 실린더를 포함한다. 피스톤은 실린더 내에 위치 설정되고 실린더 내에서 왕복동 방식으로 이동하도록 구성된다. 최상부 홈 및 최저부 홈은 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 각각 연장되고, 최상부 홈은 상부 랜드에 인접하게 위치 설정된다. 제1 링은 최상부 홈 내에 배치되고, 하나 이상의 채널은 최상부 홈의 축방향 상부면 또는 제1 링의 상부면으로 연장된다. 하나 이상의 채널은 제1 링의 내주면과 최상부 홈의 일부 사이의 공간으로 연소 가스를 지향시키도록 구성된다. 최저부 홈 내에 제2 링이 위치 설정되고, 제2 링은 피스톤이 실린더 내에서 이동할 때에 실린더의 내벽에 대해 대략 1 ㎫ 미만의 압력을 가하도록 구성된다.
일 실시예에서, 왕복동 엔진용 파워 실린더 시스템은 실린더 내에 배치되고 실린더 내에서 왕복동 방식으로 이동하도록 구성되는 피스톤을 포함한다. 시스템은 피스톤의 최상부 홈 내에 배치되는 상부 링을 포함하고, 최상부 홈에 통하는 하나 이상의 채널은 피스톤이 실린더 내에서 이동할 때에 상부 링을 실린더의 내벽을 향해 반경 방향 외향으로 강제 이동시키기 위해 연소 가스를 상부 링의 내주면으로 전달하도록 구성된다. 피스톤 조립체는 또한 피스톤의 최저부 홈 내에 배치되는 오일 링을 포함하고, 오일 링은 피스톤이 실린더 내에서 이동할 때에 실린더의 내벽에 대해 대략 1 ㎫ 미만의 압력을 가하도록 구성된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 이점은 유사 부호들이 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분들을 나타내는 첨부 도면을 참조하여, 이후의 상세한 설명을 파악할 때에 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 왕복동 엔진 시스템의 일부의 실시예의 개략적인 블럭도이고;
도 2는 실린더 내에 위치 설정된 피스톤의 실시예의 단면도이며;
도 3은 피스톤의 상부 랜드에 형성된 반경 방향 채널을 갖고 저인장 오일 링을 갖는 피스톤의 실시예의 일부의 측면도이고;
도 4는 3개의 피스톤 링과, 피스톤의 상부 랜드에 형성된 반경 방향 채널을 갖는 피스톤의 실시예의 일부의 측단면도이며;
도 5는 2개의 피스톤 링과, 피스톤의 상부 랜드에 형성된 반경 방향 채널을 갖는 피스톤의 실시예의 일부의 측단면도이고;
도 6은 3개의 피스톤 링과, 상부 피스톤 링에 형성된 반경 방향 채널과, 피스톤의 상부 랜드에 형성된 축방향 채널을 갖는 피스톤의 실시예의 일부의 측단면도이다.
본 발명의 하나 이상의 특정 실시예를 아래에 설명한다. 이들 실시예를 간결하게 설명하고자 하는 노력으로 실제 구현예의 모든 특징부들을 명세서에 기술하지는 않을 것이다. 임의의 엔지니어링 또는 설계 프로젝트에서와 같은 임의의 이러한 실제 구현예의 개발에 있어서 구현예마다 다를 수 있는 시스템 관련 및 영업 관련 제약을 준수하는 것과 같은 개발자의 특정 목적을 달성하기 위해 다수의 구현예-특유의 결정을 행하여야 함을 알아야 한다. 더욱이, 이러한 개별 노력은 복잡하고 시간 소비적일 수 있지만 그럼에도 본 개시 내용의 이익을 향유하는 통상의 기술자에게는 설계, 제작 및 제조의 일상적인 일일 수 있음을 알아야 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 도입할 때에, 단수형 표현은 요소들 중 하나 이상의 요소가 존재함을 의미하도록 의도된다. "구비하다", "포함하다" 및 "갖는다"의 표현은 포괄적임을 의도한 것으로 열거된 요소 외에 추가의 요소가 존재할 수 있음을 의미한다.
본 개시에 따른 왕복동 엔진(예컨대, 왕복동 내연 엔진)용 파워 실린더 시스템은 연소 가스에 의해 가해지는 압력과 피스톤의 직선 운동을 하나 이상의 부하에 동력을 공급하도록 회전 운동으로 전환시키기 위해 실린더(예컨대, 라이너) 내에서 직선 이동하도록 각각 구성되는 하나 이상의 피스톤을 포함할 수 있다. 각 피스톤은 피스톤 둘레에서 그리고 피스톤의 상부 랜드 아래에서 원주 방향으로 연장되는 상부 환형 홈(예컨대, 상부 링 홈 또는 압축 링 홈)을 가질 수 있고, 상부 링(예컨대, 상부 피스톤 링 또는 압축 링)이 상부 홈 내에 배치될 수 있다. 상부 링은 일반적으로 연소 챔버로부터 연료와 공기, 즉 연료-공기 혼합물이 탈출하는 것을 차단하고 및/또는 적절한 압력의 유지를 용이하게 하여 팽창하는 고온 연소 가스가 피스톤의 왕복 운동을 유발 가능하도록 구성될 수 있다. 각 피스톤은 또한 피스톤의 상부 랜드로부터 먼 쪽의 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되는 저부 환형 홈(예컨대, 저부 링 홈 또는 오일 링 홈)을 가질 수 있고, 저부 링(예컨대, 저부 피스톤 링 또는 오일 링)이 저부 홈 내에 배치될 수 있다. 오일 링은 대체로 실린더의 내벽을 라이닝하는 윤활유(예컨대, 오일)을 긁어내도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 추가 환형 홈(예컨대, 하나 이상의 추가 링 홈 또는 추가 압축 링 홈)이 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장될 수 있고, 하나 이상의 추가 링(예컨대, 추가 압축 링)이 하나 이상의 추가 링 홈 내에 배치될 수 있다. 상부 링, 오일 링, 및/또는 추가 링이 함께 링 팩을 형성할 수 있고 대체로 엔진 내에서 연소 가스 및/또는 윤활유(예컨대, 오일)의 유동을 제어할 수 있다.
왕복동 엔진의 작동 중에, 연소 챔버 내에서 연료와 공기가 연소하여 피스톤이 실린더 내에서 이동하게 한다. 연소 가스는 또한 상부 링의 외주면에 대해 압력을 가하여 상부 링을 실린더의 내벽으로부터 멀어지게 반경 방향 내측을 향해 강제 이동시킨다. 개시된 실시예는, 연소 가스가 상부 링의 내주면에 대해 반경 방향 외향을 향하는 힘을 가하도록 연소 가스를 상부 링의 내주면에 인접한 공간으로 전달하도록 구성되는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다. 유리하게는, 하나 이상의 채널은 또한 실린더 내에서의 오일 제어를 용이하게 할 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 채널은 상부 링이 실린더의 내벽과의 접촉을 유지 가능하게 할 수 있고, 이에 따라 상부 링이 실린더의 내벽을 따라 오일을 긁어낼 수 있게 할 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 채널이 없이, 오일이 상부 홈 내에 축적될 수 있어 연소 가스가 공간 내로 유동하는 것을 차단할 수 있다. 개시된 실시예에서, 하나 이상의 채널은 오일이 상부 홈으로부터 (예컨대, 연소 챔버 내로 또는 실린더의 내벽을 따라) 탈출 가능하게 할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 채널은 상부 홈 내에서 그리고 상부 홈 밖으로 오일의 유동을 용이하게 할 수 있고, 및/또는 상부 홈 내에서 오일의 잔류 시간을 감소시킬 수 있는데, 이는 일반적으로 오일 유동 및 제어를 개선시킬 수 있다. 그러한 경우에, 오일 링은, 예컨대 실린더의 내벽에 대해 대략 1 메가파스칼(㎫) 미만의 압력을 가하도록 구성되는 저인장 오일 링일 수 있다. 본 명세서에 개시된 특징을 갖는 피스톤은, 반경 방향 링의 압괴를 방지할 뿐만 아니라 미연소 탄화수소의 블로우바이(blowby), 오일 소비, 배출물, 및/또는 구성요소들 간의 마찰을 감소시키면서 오일을 효과적이고도 효율적으로 제어할 수 있는데, 이로 인해 예컨대 마모 및 스커핑(scuffing)이 적어질 수 있다.
도면을 참조하면, 도 1은 엔진 구동식 파워 발생 시스템(8)의 일부의 실시예의 블럭도를 도시한다. 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 시스템(8)은 하나 이상의 연소 챔버(12)[예컨대, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 10개, 12개, 14개, 16개, 18개, 20개, 또는 그 이상의 연소 챔버(12)]를 갖는 엔진(10)(예컨대, 왕복동 내연 엔진)을 포함한다. 공기 공급부(14)는 각각의 연소 챔버(12)에 공기, 산소, 산소 농후(oxygen-enriched) 공기, 산소 저감(oxygen-reduced) 공기 또는 이들의 조합과 같은 가압 산화제(16)를 제공하도록 구성된다. 연소 챔버(12)는 또한 연료 공급부(19)로부터 연료(18)(예컨대, 액체 및/또는 기체 연료)를 받도록 구성되고, 연료-공기 혼합물은 각각의 연소 챔버(12) 내에서 점화되고 연소된다. 고온 가압 연소 가스는 각각의 연소 챔버(12)에 인접한 피스톤(20)이 실린더(26) 내에서 직선 이동하게 하고 가스에 의해 가해지는 압력을 샤프트(22)를 회전시키는 회전 운동으로 전환시킨다. 또한, 샤프트(22)는 이 샤프트(22)의 회전을 통해 동력을 받는 부하(24)에 커플링될 수 있다. 예컨대, 부하(24)는 발전기와 같이 시스템(10)의 회전 출력을 통해 동력을 발생시킬 수 있는 임의의 적절한 기구일 수 있다. 추가로, 아래의 설명은 산화제(16)로서 공기를 언급하지만, 개시된 실시예에 임의의 적절한 산화제가 사용될 수 있다. 유사하게, 연료(18)는 예컨대, 천연 가스, 관련 석유 가스, 프로판, 바이오 가스, 하수 가스, 매립지 가스, 탄광 가스와 같은 임의의 적절한 연료일 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템(8)은 고정식 용례에(예컨대, 산업 발전 엔진에) 또는 이동식 용례에(예컨대, 자동차 또는 항공기에) 사용하기에 적합할 수 있다. 엔진(10)은 2행정 엔진, 3행정 엔진, 4행정 엔진, 5행정 엔진 또는 6행정 엔진일 수 있다. 엔진(10)은 또한 임의의 개수의 연소 챔버(12), 피스톤(20), 및 관련 실린더(예컨대, 1-24개)를 포함할 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 시스템(8)은 실린더 내에 왕복동하는 4개, 6개, 8개, 10개, 16개, 24개 또는 그 이상의 피스톤(20)을 갖는 대규모 산업용 왕복동 엔진을 포함할 수 있다. 몇몇의 그러한 경우에, 실린더 및/또는 피스톤(20)은 대략 13.5 - 34 센티미터(㎝)의 직경을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 실린더 및/또는 피스톤(20)은 대략 10-40 ㎝, 15-25 ㎝, 또는 약 15 ㎝의 직경을 가질 수 있다. 특정한 실시예에서, 피스톤(20)은 이 피스톤(20)의 상부 링 홈 내에 Ni-레지스트 링 인서트를 갖는 강철 피스톤 또는 알루미늄 피스톤일 수 있다. 시스템(8)은 10 ㎾ 내지 10 ㎿ 범위의 파워를 발생시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엔진(10)은 대략 1800 미만의 분당 회전수(RPM)로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엔진(10)은 대략 2000 RPM, 1900 RPM, 1700 RPM, 1600 RPM, 1500 RPM, 1400 RPM, 1300 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM, 900 RPM, 또는 750 RPM 미만으로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엔진(10)은 대략 750-200 RPM, 900-1800 RPM, 또는 1000-1600 RPM으로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엔진(10)은 대략 1800 RPM, 1500 RPM, 1200 RPM, 1000 RPM, 또는 900 RPM으로 작동할 수 있다. 예시적인 엔진(10)은, 예컨대 General Electric Company사의 옌바허 엔진(예컨대, 옌바허 타입 2, 타입 3, 타입 4, 타입 6 또는 J920 FleXtra) 또는 워키쇼 엔진(예컨대, 워키쇼 VGF, VHP, APG, 275GL)을 포함할 수 있다.
도 2는 왕복동 엔진(10)의 실린더(26; 예컨대, 엔진 실린더) 내에 배치되는 피스톤(20)을 갖는 피스톤 조립체(25)의 실시예의 측단면도이다. 실린더(26)는 원통형 공동(30; 예컨대, 보어)을 형성하는 환형 내벽(28)을 갖는다. 피스톤(20)은 축방향 축선 또는 방향(34), 반경 방향 축선 또는 방향(36), 및 원주 방향 축선 또는 방향(38)에 의해 형성될 수 있다. 피스톤(20)은 상부(40; 예컨대, 상부 랜드)와, 피스톤(20) 둘레에서 원주 방향으로[예컨대, 원주 방향(38)으로] 연장되는 상부 환형 홈(42; 예컨대, 상부 홈 또는 상부 압축 링 홈)을 포함한다. 상부 링(44; 예컨대, 상부 피스톤 링 또는 상부 압축 링)이 상부 홈(42) 내에 위치 설정될 수 있다.
상부 링(44)은 상부 홈(42)으로부터 반경 방향 외측을 향해 돌출되어 실린더(26)의 환형 내벽(28)과 접촉하도록 구성된다. 상부 링(44)은 대체로 연소 챔버(12)로부터 연료(18)와 공기(16), 또는 연료-공기 혼합물(82)가 탈출하는 것을 차단하고, 및/또는 팽창하는 고온 연소 가스가 피스톤(20)의 왕복 운동을 야기할 수 있도록 적절한 압력의 유지를 용이하게 한다. 더욱이, 본 실시예의 상부 링(44)은, 예컨대 환형 내벽(28)을 코팅하고 엔진(10) 내에 열 및/또는 마찰을 제어하는 오일을 긁어내는 것을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 피스톤(20)은 이 피스톤(20) 둘레에서 원주 방향으로 연장되는 저부 환형 홈(46; 예컨대, 저부 링 홈 또는 오일 링 홈)을 포함한다. 저부 링(48; 예컨대, 저부 피스톤 링 또는 오일 링)이 저부 홈(46) 내에 배치된다. 오일 링(48)은 저부 홈(46)으로부터 반경 방향 외측을 향해 돌출되어 실린더(26)의 내벽(28)과 접촉할 수 있다. 오일 링(48)은 대체로 실린더(26)의 내벽(28)을 라이닝하는 오일을 긁어내고 실린더(26) 내에서의 오일 유동을 제어하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 하나 이상의 추가 환형 홈(50; 예컨대, 하나 이상의 추가 링 홈 또는 추가 압축 링 홈)이 피스톤(20) 둘레에서 원주 방향으로 연장될 수 있다. 그러한 몇몇의 경우에, 추가 환형 홈(50)이 상부 홈(42)과 저부 홈(46) 사이에 위치 설정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 추가 링(52; 예컨대, 하나 이상의 추가 링 또는 추가 압축 링)이 하나 이상의 추가 링 홈(50)의 각각의 홈 내에 배치될 수 있다. 추가 링(52)은 블로우바이를 차단하고 및/또는 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 오일을 긁어내도록 구성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 피스톤(20)은 커넥팅 로드(56) 및 핀(58)을 통해 크랭크샤프트(54)에 부착된다. 크랭크샤프트(54)는 피스톤(24)의 왕복 직선 운동을 회전 운동으로 전환시킨다. 전술한 바와 같이, 피스톤(20)이 이동함에 따라, 크랭크샤프트(54)가 회전하여 부하(24; 도 1에 도시됨)에 동력을 공급한다. 도시된 바와 같이, 연소 챔버(14)는 피스톤(24)의 상부 랜드(40)에 인접하게 위치 설정된다. 연료 인젝터(60)가 연료(18)를 연소 챔버(14)에 제공하고, 밸브(62)가 연소 챔버(14)로 공기(16)의 운반을 제어한다. 배기 밸브(64)는 엔진(10)으로부터 배기 가스의 방출을 제어한다. 그러나, 연료(18) 및 공기(16)를 연소 챔버(14)에 제공하고 및/또는 배기 가스를 방출하는 임의의 적절한 요소 및/또는 기법이 이용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 작동시에, 연소 챔버(14) 내에서 공기(16)와 연료(18)의 연소는 피스톤(20)이 실린더(26)의 공동(30) 내에서 축방향(34)으로 왕복동 방식으로(예컨대, 전후로) 이동하게 한다.
실린더(26)의 환형 내벽(28)과 피스톤(20)의 상부 랜드(40)의 외측면(80; 예컨대, 환형 표면) 사이에 갭(78)(예컨대, 환형 공간을 획정하는 반경 방향 간극)이 제공된다. 전술한 바와 같이, 예컨대 블로우바이를 방지할 뿐만 아니라 상부 링(44)이 환형 내벽(28)으로부터 오일을 긁어낼 수 있도록 상부 링(44)과 실린더(26)의 환형 내벽(28) 사이에 접촉을 유지하는 것이 요망된다. 그러나, 엔진(10)의 작동 중에, 연소 챔버(12)로부터의 연소 가스는 상부 링(44)의 외측면(90; 예컨대, 반경 방향 외측면 또는 외주면)과 접촉하고 상부 링(44)을 실린더(26)의 내벽(28)으로부터 멀어지게 [예컨대, 반경 방향 축선(36)을 따라] 반경 방향 내측을 향해 강제 이동시키는 힘을 가한다. 따라서, 본 실시예는 연소 가스를 상부 링(44)의 내주면(도 4에 도시됨)에 인접한 공간(도 4에 도시됨)으로 전달하도록 구성된 하나 이상의 반경 방향 채널(100) 등의 하나 이상의 채널(예컨대, 통로, 트러프, 홈 등)을 포함한다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 그러한 구성은 하나 이상의 반경 방향 채널(100)이 상부 링(44)을 가로지르는 압력 구배를 밸런싱[예컨대, 상부 링(44)을 안정화] 가능하게 하고 및/또는 상부 링(44)이 실린더(26)의 환형 내벽(28)과의 접촉을 유지 가능하게 한다.
추가적으로, 하나 이상의 반경 방향 채널(100)은 유리하게는 저인장 오일 링(48)의 사용을 가능하게 할 수 있다. 통상적인 엔진에서, 그러한 저인장 오일 링(48)은 환형 내벽(28)으로부터 오일을 효과적으로 그리고 신뢰성 있게 긁어내기에 충분한 압력을 환형 내벽(28)에 대해 가하지 못하여 실린더(26) 내의 오일을 적절하게 제어하지 못한다. 또한, 하나 이상의 반경 방향 채널(100)이 없으면, 오일이 상부 홈(42)을 통과하는 연소 가스의 유동을 차단할 수 있다. 그러나, 현재 개시된 실시예에서, 하나 이상의 반경 방향 채널(100)은 연소 가스가 반경 방향 외향 압력을 상부 링(44)에 대해 가할 수 있게 함으로써, 상부 링(44)이 환형 내벽(28)과의 접촉을 유지하고 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 오일을 긁어낼 수 있게 할 수 있다. 또한, 하나 이상의 반경 방향 채널(100)은 상부 링(44)과 상부 홈(42)의 축방향 표면(도 3에 도시됨) 사이의 축방향 거리(도 3에 도시됨)를 증가시켜, 피스톤 조립체(25)의 구성요소에 대한 오일의 점착을 감소시키고 오일이 [예컨대, 연소 챔버(12) 내로 또는 실린더(26)의 환형 내벽(28)을 따라] 상부 홈(42) 밖으로 유동(상부 홈으로부터 탈출) 가능하게 하며 및/또는 상부 홈(42) 내에서 오일의 잔류 시간을 감소시킨다. 따라서, 하나 이상의 반경 방향 채널(100), 상부 링(44), 및 저인장 오일 링(48)이 함께 실린더(26) 내에서 블로우바이 및 오일의 적절한 제어를 가능하게 할 수 있다.
일례로서, 저인장 오일 링(48)은 대략 1 ㎫ 미만의 단위 압력을 실린더(26)의 환형 내벽(28)에 대해 가하도록 구성될 수 있다. 저인장 오일 링(48)에 의해 가해지는 단위 압력은 도 4에 관련하여 아래에서 보다 상세하게 설명된다. 또한, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 저인장 오일 링(48)은 임의의 적절한 형상 또는 구조를 가질 수 있고 저인장 오일 링(48)에 연결된 하나 이상의 스프링에 의해 반경 방향 외측을 향해 편향될 수 있다. 유리하게는, 저인장 오일 링(48)은 엔진(10) 내의 [예컨대, 오일 링(48)과 실린더(26) 사이에서의] 마찰을 감소시켜 엔진(10)의 구성요소에 대한 효율을 보다 크게 하고 마모 및 파열을 적게 만든다.
도 3은 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 형성된 반경 방향 채널(100)을 갖는 피스톤의 실시예의 일부를 도시하는 측면도이다. 도시된 바와 같이, 반경 방향 채널(100)은 피스톤(20) 둘레에서 별개의 지점에[예컨대, 피스톤(20) 둘레에서 원주 방향으로 떨어진 별개의 지점에] 형성된다. 예시된 실시예에서, 반경 방향 채널(100)은 곡선형 단면을 갖고[예컨대, 곡선형 벽(99)을 갖고], 상부 랜드(40)의 저부면 및 상부 홈(42)의 상부면(예컨대, 상부면 또는 상부 둘레) 모두에 대응하는 축방향 표면(101; 예컨대, 환형 표면) 내로 또는 축방향 표면을 따라 형성된다. 반경 방향 채널(100)은 피스톤(20)의 상부 랜드(40)의 외측면(80)으로부터 반경 방향 내측을 향해[예컨대, 반경 방향(36)으로] 연장될 수 있다. 도시된 바와 같이, 반경 방향 채널(100)은 상부 홈(42)을 향해 개방되고, 상부 링(44)과 축방향 표면(101) 사이의 축방향 거리(102)는 [반경 방향 채널(100)과 일치하는 제1 축방향 거리(102)보다 큰 제1 축방향 거리(102) 및 제2 축방향 거리(103)에 의해 도시된 바와 같이] 반경 방향 채널(100)을 따라 증가된다. 따라서, 상부 링(44)과 축방향 표면(101) 사이의 축방향 거리는 상부 링(44) 둘레에서 원주 방향으로 변동된다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 그러한 구성은 공동(30)으로부터 반경 방향 채널(100)을 따라 공간(도 4에 도시됨)으로 연소 가스의 전달을 용이하게 하고, 공간에서 연소 가스는 상부 링(44)의 내측면(도 4에 도시됨)에 대해 반경 방향 외향 힘(예컨대, 압력 유도 편향력)을 가한다. 따라서, 반경 방향 채널(100)은 상부 링(44)을 가로지르는 압력 구배의 제어를 용이하게 할 수 있고 실린더(26)의 환형 내벽(28)과의 접촉을 유지 가능하게 할 수 있다.
예시된 실시예에서, 오일 링(48)은 저부 홈(46)에 배치된다. 전술한 바와 같이, 오일 링(48)은, 오일 링(48)과 실린더(26)의 환형 내벽(28) 사이에 마찰을 감소시키면서 오일 링(48)이 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 오일을 긁어낼 수 있게 하는 저인장 오일 링(48)일 수 있다. 전술한 바와 같이, 하나 이상의 반경 방향 채널(100)은 상부 링(44)과 저인장 오일 링(48)이 엔진(10) 내의 오일을 적절하게 제어 가능하게 할 수 있다. 유리하게는, 본 명세서에 개시된 특징을 갖는 피스톤 조립체(25)는 반경 방향 링의 압괴를 방지할 뿐만 아니라 블로우바이, 오일 소비, 배출물, 및/또는 구성요소들 간의 마찰을 감소시키면서 오일을 효과적이고도 효율적으로 제어하고 오일을 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 긁어낼 수 있는데, 이로 인해 예컨대 마모 및 스커핑이 적어질 수 있다.
추가적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤(20)은 피스톤(20) 둘레에서 원주 방향으로 연장되고 상부 홈(42)과 저부 홈(46) 사이에 위치 설정되는 추가 홈(50)을 포함할 수 있다. 추가 링(52)은 추가 홈(50) 내에 배치될 수 있다. 추가 링(52)은 다양한 구성들 및 특징들 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예컨대, 몇몇 실시예에서, 추가 링(52)은 블로우바이를 차단하고 및/또는 오일을 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 긁어내기 위해 실린더(26)의 환형 내벽(28)과 접촉하도록 구성되는 압축 링이다. 이하에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 추가 홈(50)과 추가 링(52)이 제공되고, 상부 홈(42)과 저부 홈(46)은 피스톤(20) 둘레에서 원주 방향으로 연장되고 단지 링들[예컨대, 상부 링(44)과 오일 링(48)]을 지지하도록 구성되는 홈이다. 그러한 경우에, 상부 링(44)과 저인장 오일 링(48)은 추가 링(52)이 필요없이 함께 오일을 환형 내벽(28)으로부터 효과적으로 긁어내고 및/또는 블로우바이를 적절하게 차단할 수 있다.
곡선형 단면을 갖는 반경 방향 채널(100)이 도시되어 있지만, 본 명세서에 개시된 방식으로 연소 가스의 전달을 용이하게 하는 임의의 적절한 단면 또는 구성을 가질 수 있다. 더욱이, 다중 반경 방향 채널(100)이 예시되어 있지만, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 이상 등의 임의의 개수의 반경 방향 채널(100)이 제공될 수 있다. 게다가, 반경 방향 채널(100)은 피스톤(20) 둘레에 균일한 원주 방향 간격을 갖는 것을 비롯하여 임의의 적절한 방식으로 분포될 수 있다.
전술한 내용을 유념하면, 도 4는 3개의 피스톤 링[예컨대, 상부 링(44), 오일 링(48) 및 추가 링(52)]과 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 형성되는 반경 방향 채널(100)을 갖는 피스톤(20)의 실시예의 일부의 측단면도이다. 예시된 실시예에서, 반경 방향 채널(100)은 피스톤(20)의 축방향 표면(101)에 형성된다. 반경 방향 채널(100)은 상부 랜드(40)의 외측면(8)으로부터 [예컨대, 반경 방향 축선(36)을 따라] 반경 방향 내측을 향해 연장된다. 엔진(10)의 작동 중에, 연소 가스는 상부 링(44)의 외측면(90)에 압력을 가하고 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 멀어지게 상부 링(44)을 강제 이동시키는 반경 방향 내향 힘(108)을 발생시킨다.
일부의 연소 가스가 상부 홈(42) 내에서 유동하게 할 수 있도록 상부 링(44)의 상부면(110; 예컨대, 축방향 상부면)과 피스톤(20)의 축방향 표면(101) 사이에 갭(120; 예컨대, 상부 홈 간극)이 제공되지만, 갭(120)을 가로지르는 제1 축방향 거리(102)는 바람직하게는 링의 리프트 및 흔들림을 최소화하도록 구성된다. 따라서, 오일이 비교적 작은 갭(120) 내에 축적되어 상부 홈(42)을 통과하는 연소 가스의 유동을 차단할 수 있다. 따라서, 갭(120)이 오일에 의해 차단된다면, 갭(120)은 상부 링(44)의 내측면(124; 예컨대, 반경 방향 내측면 또는 내주면)으로 연소 가스의 효율적이고 신뢰성 있는 전달을 불가능하게 할 수 있다. 따라서, 개시된 반경 방향 채널(100)이 없는 경우에, 갭(120)이 오일에 의해 차단되면, 상부 링(44)을 가로질러 [예컨대, 외측면(90)과 내측면(124) 사이에] 큰 압력차가 존재할 수 있다. 예컨대, 개시된 반경 방향 채널(100)이 없는 경우에, 외측면(90)에 인접한 압력은 내측면(124)에 인접한 압력보다 클 수 있다. 그러한 경우, 상부 링(44)은 반경 방향 링의 압괴에 민감할 수 있고, 이로 인해, 예컨대 오일 소비 및 블로우바이가 증가된다.
본 실시예에서, 반경 방향 채널(100)은 상부 링(44)의 내측면(124) 및 상부 홈(42)의 내벽(131; 예컨대, 환형 내벽)에 인접한 공간(130; 예컨대, 환형 공간)으로 연소 가스의 전달을 용이하게 하도록 구성될 수 있고, 이는 상부 링(44)의 안정성을 제공할 수 있다. 공간(130) 내의 연소 가스는 반경 방향 내향 힘(108)을 밸런싱하거나 상쇄시키도록 반경 방향 내향 힘(108)을 가할 수 있고, 상부 링(44)을 가로지르는 압력은 반경 방향 링의 압괴를 차단하며 예컨대 상부 링(44)과 실린더(26)의 환형 내벽(28) 사이의 접촉을 유지하도록 실질적으로 동일하거나 달리 제어될 수 있다. 도시된 바와 같이, 상부 링(44)의 외주면(90)은 환형 내벽(28)과 접촉하여 환형 밀봉점(114; 예컨대, 환형 시일)을 형성하도록 구성된다. 그러한 구성은 유리하게는 엔진(10)의 작동 중에 상부 링(44)이 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 오일을 긁어낼 수 있게 할 수 있다. 게다가, 오일은 특정한 상황에서 상부 홈(42)을 비롯한 피스톤(20)에 들어붙을 수 있는 대체로 점성 및 점착성의 액체이다. 반경 방향 채널(100)은 상부 링(44)과 축방향 표면(101) 사이에 더 큰 축방향 거리(103)를 제공할 뿐만 아니라 더 낮은 표면적 대 체적비를 제공한다. 그러한 구성은 점착성을 감소시키고 상부 홈(42) 밖으로 [예컨대, 연소 챔버(12)를 향한 또는 실린더(26)의 환형 내벽(28)을 따른] 오일의 유동을 대체로 용이하게 할 수 있고, 이에 따라 상부 링의 안정성을 향상시켜 오일 제어를 유지하고 엔진(10) 내의 오일 소비를 감소시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 특정한 실시예에서, 하나 이상의 반경 방향 채널(100)은 저인장 오일 링(48)의 사용을 가능하게 할 수 있다. 저인장 오일 링(48)은 적절한 오일 제어를 여전히 유지하면서 저인장 오일 링(48)과 실린더(26)의 환형 내벽(28) 사이의 마찰이 감소되도록 구성된다. 저인장 오일 링(48)은 임의의 적절한 형상 또는 구성을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 저인장 오일 링(48)은 외측면(140; 예컨대, 반경 방향 외측면 또는 외주면)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 오일 링(48)은 오일과 맞물려 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 오일을 긁어내도록 구성되는 제1 환형 돌기(142)(예컨대, 제1 레일)와 제2 환형 돌기(144)(예컨대, 제2 레일)를 갖는 U형 단면을 갖는다. 제1 환형 돌기(142)는 제1 폭(146)[예컨대, 실린더(26)의 환형 내벽(28)과 접촉하도록 구성되는 폭]을 갖고 제2 환형 돌기(144)는 제2 폭(148)[예컨대, 실린더(26)의 환형 내벽(28)과 접촉하도록 구성되는 폭]을 갖는다. 제1 폭(146)과 제2 폭(148)은 대체로 동일할 수 있거나 서로 상이할 수 있다. 스프링(150; 예컨대, 환형 스프링)이 오일 링(48)에 커플링되어 오일 링(48)을 실린더(26)의 환형 내벽(28)을 향해 반경 방향 외향으로 압박하도록 구성된다.
도시된 바와 같이, 피스톤 조립체(25)는 하나의 추가 링(52)을 포함한다. 추가 링(25)은 상부 홈(42)과 저부 홈(46) 사이에서 축방향으로 추가 홈(50) 내에 위치 설정된다. 추가 링(52)은 임의의 적절한 형상 또는 구성을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 추가 링(52)은 테이퍼형 외측면(152; 예컨대, 원추형 및/또는 곡선형 환형 표면을 갖는 반경 방향 외측면 또는 외주면)을 포함한다. 추가 링(52)은 대체로 블로우바이를 차단하고, 오일을 실린더(26)의 환형 내벽(28)으로부터 긁어내며, 및/또는 상부 링(44)에 도달하는 오일의 양을 제어하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 개시에 따른 몇몇 실시예에서, 추가 링(52)이 제공되지 않을 수 있다. 오히려, 상부 링(44) 및 오일 링(48)은 함께 추가 링(52)이 없이 적절한 오일 제어를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 특정한 실시예에서, 저인장 오일 링(48)은 실린더(26)의 환형 내벽(28)에 대해 비교적 낮은 단위 압력을 가하도록 구성될 수 있다. 단위 압력은 오일 링(28)에 의해 가해지는 접선 방향 힘(예컨대, 인장), 오일 링 폭[예컨대, 제1 폭(146)과 제2 폭(148)의 합], 및 실린더(26)의 보어 직경(156)에 비례한다. 접선 방향 힘은 보어 직경(156) 내에 압축될 때에 스프링(150)의 [예컨대, 원주 방향 축선(34)을 따른] 원주 방향 힘이다. 아래에 나타낸 수학식 1에서, Pu는 단위 압력이고, Ft는 접선 방향 힘이며, w는 오일 링 폭(146, 148)이고, D는 보어 직경(156)이다.
Figure pat00001
특정한 실시예에서, 저인장 오일 링(48)은 실린더(26)의 환형 내벽(28)에 대해 대략 1 ㎫ 미만의 단위 압력을 가하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저인장 오일 링(48)은 대략 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.75, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 또는 1.5 ㎫ 미만의 단위 압력을 가하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저인장 오일 링(48)은 대략 0.2 내지 1, 0.4 내지 0.75, 또는 0.7 내지 0.9 ㎫의 단위 압력을 가하도록 구성될 수 있다. 게다가, 특정한 실시예에서, 제1 폭(146) 및/또는 제2 폭(148) 각각은 대략 0.08 밀리미터(㎜), 0.09 ㎜, 0.1 밀리미터(㎜), 0.2 ㎜, 0.3 ㎜, 0.4 ㎜, 0.5 ㎜, 0.6 ㎜, 0.8 ㎜, 0.9 ㎜, 또는 1 ㎜일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 폭(146) 및/또는 제2 폭(148) 각각은, 예컨대 대략 0.09 내지 0.6 ㎜, 0.l 내지 0.5 ㎜, 또는 0.2 내지 0.4 ㎜일 수 있다. 유리하게는, 저인장 오일 링(48)은 [예컨대, 오일 링(48)과 실린더(26) 사이에서] 엔진(10) 내의 마찰을 감소시켜, 엔진(10)의 구성요소들에서의 효율을 보다 크게 만들고 마모 및 파열을 더 적게 만든다. 반경 방향 채널(100)과 함께, 상부 링(44), 및/또는 추가 링(52), 저인장 오일 링(48)은 엔진(10) 내에 적절한 오일 제어를 용이하게 할 수 있다.
도 5는 2개의 피스톤 링[예컨대, 상부 링(44)과 오일 링(48)]과, 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 형성되는 하나 이상의 반경 방향 채널(100)을 갖는 피스톤(20)의 실시예의 일부를 도시한다. 도시된 바와 같이, 추가 홈(50)과 추가 링(52)은 제공되지 않고, 상부 홈(42)과 저부 홈(46)이 피스톤(20) 둘레에서 원주 방향으로 연장되며 단지 링[예컨대, 상부 링(44)과 오일 링(48)]을 지지하도록 구성되는 홈들이다. 그러한 경우에, 상부 링(44)과 저인장 오일 링(48)은 함께 환형 내벽(28)으로부터 오일을 효과적으로 긁어내고 및/또는 추가 링(52) 없이 블로우바이를 적절하게 차단할 수 있다.
도 6은 상부 링(44)에 형성된 반경 방향 채널(100)과 피스톤(20)의 상부 랜드(40)를 통해 형성된 축방향 채널(160)을 갖는 피스톤(20)의 실시예의 일부의 측단면도를 예시한다. 특정한 실시예에서, 반경 방향 채널(100)은 상부 링(44)의 상부면(110)을 따라 형성될 수 있고 및/또는 피스톤(20)의 상부 랜드(40)를 통해 제공될 수 있다. 그러한 채널은, 예컨대 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 형성된 반경 방향 채널(100)에 추가하여 또는 그 대체물로서 제공될 수 있다.
도시된 바와 같이, 상부 링(44)에 형성된 반경 방향 채널(100)은 상부 링(44)의 외측면(90)으로부터 내측면(124)으로 반경 방향 내측을 향해[예컨대, 반경 방향(36)으로] 연장될 수 있다. 반경 방향 채널(100)은 반경 방향 채널(100)과 일치하는 반경(104)을 따라 상부 링(44)의 상부면(110)과 상부 홈(42)의 상부면(101) 사이의 축방향 거리(102)를 증가시킬 수 있다. 따라서, 반경 방향 채널(100)은 화살표(162)에 의해 도시된 바와 같이 공동(30)으로부터 내측면(124)에 인접한 공간(130)으로 연소 가스의 유동을 용이하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 공간(130)으로 가스의 전달은 상부 링(44)의 환형 외측면(90)과 내측면(124) 사이의 압력차를 제어할 수 있고, 이에 따라 상부 링(44)이 실린더(26)의 내벽(28)과의 접촉을 유지하게 할 수 있다.
게다가, 피스톤(20)의 상부면(161)으로부터 축방향(34)으로 상부 랜드(40)를 통해 공간(130)으로 연장되는 축방향 채널(160)이 도시되어 있다. 따라서, 축방향 채널(160)은 화살표(166)로 도시된 바와 같이 연소 챔버(12)로부터 내측면(124)에 인접한 공간(130)으로 연소 가스의 유동을 용이하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 공간(130)으로 가스의 전달은 상부 링(44)의 외측면(90)과 내측면(124) 간의 압력차를 제어할 수 있고, 이에 따라 테이퍼진 또는 부분적으로 테이퍼진 환형 외측면(90)을 갖는 상부 링(44)이 실린더(26)의 내벽(28)과의 접촉을 유지하게 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160)은 상부 링(44)의 내측면(124)과 상부 링(44)의 외측면(90) 사이에 압력을 균등하거나 압력차를 일으키는 데에 일조함으로써, 예컨대 반경 방향 링의 압괴 및/또는 블로우바이를 차단하도록 상부 링(44)을 실린더(26)에 대해 반경 방향 외향으로 편향시키는 데에 일조할 수 있다. 예컨대, 반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160)은 상부 링(44)을 실린더(26)의 환형 내벽(28)에 대해 반경 방향 외향으로 압박하도록 밀봉점(114) 아래에서 축방향으로 양의 압력차를 발생시키면서 밀봉점(114) 위에서 축방향으로 압력을 균등시키는 데에 일조할 수 있다. 게다가, 상부 링(44), 반경 방향 채널(100), 및/또는 축방향 채널(160)은 엔진(10) 내에서 오일 제어를 또한 제공하면서 반경 방향 링의 압괴 및 블로우바이를 차단하도록 구성될 수 있다. 그러한 구성은 저인장 오일 링(48)의 사용을 가능하게 할 수 있고, 이는 유리하게는 엔진(10)의 다양한 구성요소들 간의 마찰을 감소시킨다.
반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160)이 엔진(10) 내의 다양한 위치에 예시되어 있지만, 반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160)은 상부 링(44)의 내측면(124)에 인접한 공간(130)으로 연소 가스의 전달을 용이하게 하도록 임의의 적절한 지점에 위치 설정될 수 있다. 게다가, 임의의 적절한 개수의 반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160)이 제공될 수 있다. 예컨대, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 이상의 반경 방향 채널(100)이 제공될 수 있고, 및/또는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 이상의 축방향 채널(160)이 제공될 수 있다. 상부 링(44)의 반경 방향 채널(100), 상부 홈(42)의 상부면(101)의 반경 방향 채널(100), 및/또는 축방향 채널(160)은 피스톤(20) 원주 둘레의 별개의 지점에서 떨어져 있을 수 있고, 몇몇의 경우에, 서로 균일한 거리를 두고 떨어져 있을 수 있다. 더욱이, 다양한 저마찰 코팅이 본 명세서에 개시된 반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160)에 추가하여 이용될 수 있다.
게다가, 상부 링(44)에 위치 설정된 반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160)을 갖는 몇몇 실시예에서, 추가 홈(50) 및 추가 링(52)은 제공되지 않는다. 따라서, 상부 홈(42)과 저부 홈(46)은 도 5에 도시된 바와 같이 피스톤(20) 둘레에서 원주 방향으로 연장되고 단지 링[예컨대, 상부 링(44)과 오일 링(48)]을 지지하도록 구성되는 홈이다. 그러한 경우에, 상부 링(44)과 저인장 오일 링(48)은 함께 추가 링(52)이 없이 오일을 환형 내벽(28)으로부터 효과적으로 긁어내고 및/또는 블로우바이를 적절하게 차단할 수 있다.
게다가, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 링(44)은 특정한 실시예에서 배럴형 프로파일, 테이퍼진 프로파일, 또는 부분적으로 테이퍼진 프로파일(예컨대, 원추형 프로파일)과 같이 반경 방향 축선(161) 둘레에서 비대칭 프로파일(예컨대, 비대칭 단면)을 가질 수 있다. 그러한 경우에, 상부 링(44)의 외측면(90)은 피스톤의 하방 행정(예컨대, 팽창 행정) 중에 실린더의 내벽으로부터 오일을 효과적이고도 효율적으로 긁어내도록 구성될 수 있다. 도 4 내지 도 6 각각에 상이하게 도시되어 있지만, 상부 링(44)은 도 4 내지 도 6에 도시된 프로파일들 중 임의의 프로파일을 비롯하여 임의의 적절한 프로파일을 가질 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 링(44)은 비대칭 배럴형(예컨대, 곡선형) 외측면(90)을 갖는다. 추가적인 예로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 링(44)은 상부 링(44)의 높이(163)를 가로질러 직선으로 테이퍼진다. 따라서, 상부 링(44)의 반경(164)(및 이에 따라 직경)은 상부 링(44)의 상부면(110)과 저부면(112) 사이에서 증가한다. 상부 링(44)의 가장 작은 반경(164)은 상부면(110)과 일치하고, 상부 링(44)의 가장 큰 반경(164)은 저부면(112)과 일치한다. 그러한 구성에서, 외측면(90)은 환형 내벽(28)과 접촉하여 상부 링(44)의 저부면(112)에 또는 그 근처에 밀봉점(114)을 형성하도록 구성된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 링(44)은 부분적으로 테이퍼진 외측면(90)을 갖고, 상부 링의 반경(164)은 밀봉점(114)을 형성하는 상부면(110)과 중간 구역(168) 사이에서 증가한다. 배럴형 프로파일, 직선으로 테이퍼진 프로파일, 또는 부분적으로 테이퍼진 프로파일에 대한 압력이 상부 링(44)을 반경 방향 내향으로 압박할 수 있지만, 상부 홈(42)의 축방향 표면(101)의 반경 방향 채널(100), 상부 링(44)의 반경 방향 채널(100), 및/또는 축방향 채널(160)은 전술한 방식으로 연소 가스를 공간(130)으로 전달하여 상부 링(44)을 가로지르는 압력을 제어하고, 상부 링(44)을 안정화시키며, 및/또는 오일을 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160)은 상부 링(44)을 실린더(26)의 환형 내벽(28)에 대해 반경 방향 외향으로 압박하도록 밀봉점(114) 아래에서 축방향으로 양의 압력차를 발생시키면서 밀봉점(114) 위에서 축방향으로 압력을 균등시키는 데에 일조할 수 있다.
개시된 실시예의 기술적 효과는 반경 방향 채널(100) 및/또는 축방향 채널(160) 등의 채널을 통해 엔진(10) 내에 연소 가스의 분포를 제어하는 시스템을 제공하는 것을 포함한다. 예컨대, 연소 가스는 피스톤 조립체의 상부 링(44)의 외측면(90)에 대해 압력을 가할 수 있다. 상부 랜드(40)에 또는 상부 링(44)에 형성된 반경 방향 채널(100)은 연소 가스를 상부 링(44)의 내측면(124)에 인접한 공간(130)으로 전달할 수 있어, 외측면(90)과 내측면(124) 사이에 압력 구배를 제어하고 상부 링(44)이 실린더(26)의 내벽(28)과의 접촉을 유지할 수 있게 한다. 그러한 구성은 또한 유리하게는 엔진(10) 내의 오일을 제어하여 저인장 오일 링(48)의 사용을 가능하게 할 수 있다. 개시된 실시예는 유리하게는 예컨대 오일 소비, 배출물, 블로우바이, 반경 방향 링의 압괴, 및/또는 엔진(10) 내의 마찰을 감소시킬 수 있다.
이와 같이 기술된 설명은 최상의 모드를 비롯한 본 발명을 개시하고, 임의의 당업자가 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조 및 이용하는 것과 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 본 발명을 실시할 수 있게 하도록 예를 이용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되고, 당업자에게 생각이 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 청구범위의 문자 그대로의 언어와 상이하지 않는 구조적 요소를 갖는다면, 또는 청구범위의 문자 그대로의 언어로부터 대단찮은 차이를 갖는 균등한 구조적 요소를 포함한다면, 청구범위의 범주 내에 있도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 왕복동 엔진용 파워 실린더 시스템으로서,
    왕복동 엔진의 실린더 내에서 이동하도록 구성된 피스톤;
    피스톤의 상부 랜드 아래에 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되고 제1 링을 지지하도록 구성된 최상부 홈으로서, 제1 링이 최상부 홈 내에 배치되어 있는 동안에 최상부 홈의 일부와 제1 링의 내주면 사이에 공간이 형성되는 것인 최상부 홈;
    상기 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되고 피스톤의 축방향 축선을 따라 최상부 홈으로부터 축방향으로 떨어져 있으며, 제2 링을 지지하도록 구성되는 최저부 홈;
    상기 최저부 홈 내에 위치 설정되는 제2 링으로서, 제2 링은 피스톤이 실린더 내에 위치 설정되어 있는 동안에 실린더의 환형 내벽에 대해 대략 1 ㎫ 미만의 단위 압력을 가하도록 구성되는 것인 제2 링; 및
    상기 상부 랜드에 형성되는 하나 이상의 채널로서, 상기 하나 이상의 채널은 제1 링이 최상부 홈 내에 배치되어 있는 동안에 최상부 홈의 일부와 제1 링의 내주면 사이의 공간으로 연소 가스의 전달을 가능하게 하도록 구성되는 것인 하나 이상의 채널
    을 포함하는 파워 실린더 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 링을 더 포함하고, 하나 이상의 링 채널은 제1 링의 상부면에 하나 이상의 별개의 지점에서 반경 방향으로 연장되고, 하나 이상의 링 채널은 제1 링이 최상부 홈 내에 배치되어 있는 동안에 최상부 홈의 일부와 제1 링의 내주면 사이의 공간으로 연소 가스의 전달을 가능하게 하도록 구성되는 것인 파워 실린더 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널의 적어도 일부는 상부 랜드의 축방향 표면에서 반경 방향으로 연장되는 것인 파워 실린더 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널의 적어도 일부는 축방향으로 피스톤의 상부 랜드를 통해 공간으로 연장되는 것인 파워 실린더 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 최상부 홈과 최저부 홈은 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되는 단지 링을 지지하는 홈인 것인 파워 실린더 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 링은 피스톤이 실린더 내에 위치 설정되어 있는 동안에 실린더의 환형 내벽에 대해 대략 0.75 ㎫ 미만의 단위 압력을 가하도록 구성되는 것인 파워 실린더 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 링은 하나 이상의 스프링에 의해 실린더의 환형 내벽에 대해 반경 방향 외향으로 편향되는 것인 파워 실린더 시스템.
  8. 왕복동 엔진용 파워 실린더 시스템으로서,
    공동을 둘러싸는 내벽을 갖는 실린더;
    상기 실린더 내에 위치 설정되고 실린더 내에서 왕복동 방식으로 이동하도록 구성되는 피스톤;
    피스톤 둘레에서 원주 방향으로 각각 연장되는 최상부 홈 및 최저부 홈으로서, 상기 최상부 홈은 상부 랜드 아래에 위치 설정되는 것인 최상부 홈 및 최저부 홈;
    상기 최상부 홈 내에 배치되는 제1 링으로서, 하나 이상의 채널은 최상부 홈의 축방향 상부면 또는 제1 링의 상부면으로 연장되고 제1 링의 내주면과 최상부 홈의 일부 사이의 공간으로 연소 가스를 지향시키도록 구성되는 것인 제1 링; 및
    최저부 홈 내에 위치 설정되는 제2 링으로서, 제2 링은 피스톤이 실린더 내에서 이동할 때에 실린더의 내벽에 대해 대략 1 ㎫ 미만의 압력을 가하도록 구성되는 저인장 링인 것인 제2 링
    을 포함하는 파워 실린더 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널 중 적어도 일부는 제1 링의 상부면에 하나 이상의 별개의 지점에서 반경 방향으로 연장되는 것인 파워 실린더 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널 중 적어도 일부는 최상부 홈의 축방향 상부면에서 반경 방향으로 연장되는 것인 파워 실린더 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널 중 적어도 일부는 축방향으로 피스톤의 상부 랜드를 통해 공간으로 연장되는 것인 파워 실린더 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제2 링은 하나 이상의 스프링에 의해 실린더의 내벽에 대해 반경 방향 외향으로 편향되는 것인 파워 실린더 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 최상부 홈과 최저부 홈 사이의 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되는 중간 홈을 더 포함하고, 상기 중간 홈 내에 제3 링이 배치되는 것인 파워 실린더 시스템.
  14. 제8항에 있어서, 상기 제2 링은 피스톤이 실린더 내에 위치 설정되는 동안에 실린더의 환형 내벽에 대해 대략 0.75 ㎫ 미만의 압력을 가하도록 구성되는 것인 파워 실린더 시스템.
  15. 왕복동 엔진용 파워 실린더 시스템으로서,
    실린더 내에 배치되고 실린더 내에서 왕복동 방식으로 이동하도록 구성되는 피스톤;
    피스톤의 최상부 홈 내에 배치되는 상부 링으로서, 상기 최상부 홈에 통하는 하나 이상의 채널은 피스톤이 실린더 내에서 이동할 때에 상부 링을 실린더의 내벽을 향해 반경 방향 외향으로 강제 이동시키기 위해 연소 가스를 상부 링의 내주면으로 전달하도록 구성되는 것인 상부 링;
    피스톤의 최저부 홈 내에 배치되는 오일 링으로서, 오일 링은 피스톤이 실린더 내에서 이동할 때에 실린더의 내벽에 대해 대략 1 ㎫ 미만의 압력을 가하도록 구성되는 것인 오일 링
    을 포함하는 파워 실린더 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널은 하나 이상의 별개의 지점에서 최상부 홈의 축방향 표면으로 연장되는 것인 파워 실린더 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널의 적어도 일부는 최상부 홈의 축방향 표면에서 반경 방향으로 연장되는 것인 파워 실린더 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 상기 하나 이상의 채널의 적어도 일부는 상부 링의 상부면에서 반경 방향으로 연장되는 것인 파워 실린더 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 상기 오일 링은 피스톤이 실린더 내에서 이동할 때에 실린더의 내벽에 대해 대략 0.5 ㎫ 미만의 압력을 가하도록 구성되는 것인 파워 실린더 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 상기 상부 링은 비대칭 프로파일을 갖는 외주면을 포함하는 것인 파워 실린더 시스템.
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