KR20160016724A - 왕복 엔진용 피스톤 조립체 - Google Patents

왕복 엔진용 피스톤 조립체 Download PDF

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KR20160016724A
KR20160016724A KR1020150110770A KR20150110770A KR20160016724A KR 20160016724 A KR20160016724 A KR 20160016724A KR 1020150110770 A KR1020150110770 A KR 1020150110770A KR 20150110770 A KR20150110770 A KR 20150110770A KR 20160016724 A KR20160016724 A KR 20160016724A
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리차드 존 도나휴
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

왕복 엔진용 동력 실린더 시스템은 실린더 내에서 운동하도록 구성된 피스톤을 포함한다. 본 시스템은 피스톤의 상부 랜드 아래에서 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되며, 내주면을 갖는 상부 링을 지지하도록 구성된 최상부 홈을 포함한다. 상부 링이 최상부 홈 내에 위치되어 있는 동안에 최상부 홈의 일부분과 상부 링의 내주면 사이에 공간이 형성되며, 상부 랜드에 형성된 하나 이상의 채널은 상기 공간으로 연소 가스를 전달할 수 있도록 구성된다. 본 시스템은, 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되고 피스톤의 축방향 축선을 따라 최상부 홈으로부터 이격되어 있는 최하부 홈을 포함하며, 최하부 홈은 하부 링을 지지하도록 구성되고, 오일 드레인을 구비하지 않는다.

Description

왕복 엔진용 피스톤 조립체{PISTON ASSEMBLY FOR A RECIPROCATING ENGINE}
본 명세서에 개시된 주제는 개략적으로 왕복 엔진에 관한 것으로서, 특히 왕복 엔진용 피스톤 조립체에 관한 것이다.
왕복 엔진(예컨대, 왕복 내연 기관)은 열간 연소 가스를 생성하도록 연료를 산화제(예컨대, 공기)로 연소시키고, 이는 이어서 피스톤(예컨대, 왕복 피스톤)을 실린더 내에서 구동시킨다. 특히, 열간 연소 가스는 팽창되어 피스톤에 대해 압력을 가하게 되고 이는 팽창 행정 동안에 실린더의 상부 부분으로부터 하부 부분으로 피스톤을 이동시킨다. 피스톤은 연소 가스에 의해 작용하는 압력으로 피스톤의 직선 운동을 회전 운동(예컨대, 피스톤에 연결되어 있는 커넥팅 로드와 크랭크축을 통하여)으로 변환하고 발전기와 같은 하나 이상의 부하를 구동시킨다. 피스톤과 관련 구조체(예컨대, 피스톤 조립체)의 구성은 배기 배출물(예컨대, 미연소 탄화수소)과 엔진 효율과 윤활제(예컨대, 윤활유)의 소비에 큰 영향을 줄 수 있다. 나아가, 피스톤 조립체의 구성은 왕복 엔진의 부품들 사이에서의 마찰과 왕복 엔진의 작동 수명에 큰 영향을 미칠 수 있다.
그러므로, 피스톤 조립체의 구성을 개선하는 것이 바람직하다.
본래 청구된 발명의 영역에 적합한 특정 실시예들을 이하에 개시한다. 이들 실시예는 청구된 발명의 영역을 한정하려는 의도가 아니며, 오히려 이들 실시예는 본 발명의 가능한 형태의 개략적인 개요를 제공하려고 의도한 것이다. 사실상, 본 발명은 이하에 개시된 실시예들과 유사 또는 다를 수 있는 여러 형태를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 왕복 엔진용 동력 실린더 시스템은 실린더 내에서 운동하도록 구성된 피스톤을 포함한다. 본 시스템은 피스톤의 상부 랜드(top land) 아래에서 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되며, 내주면을 갖는 상부 링을 지지하도록 구성된 최상부 홈을 포함한다. 상부 링이 최상부 홈 내에 위치되어 있는 동안에 최상부 홈의 일부분과 상부 링의 내주면 사이에 공간이 형성되며, 상부 랜드에 형성된 하나 이상의 채널은 상기 공간으로 연소 가스를 전달할 수 있도록 구성된다. 본 시스템은, 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되고 피스톤의 축방향 축선을 따라 최상부 홈으로부터 이격되어 있는 최하부 홈을 포함하며, 최하부 홈은 하부 링을 지지하도록 구성되고, 오일 드레인(oil drain)을 구비하지 않는다.
일 실시예에서, 왕복 엔진용 동력 실린더 시스템은 실린더 내에서 운동하도록 구성된 피스톤을 포함한다. 본 시스템은, 피스톤 주위에 둘레 방향으로 각각 연장되는 최상부 홈 및 최하부 홈을 포함하고, 최상부 홈은 상부 랜드 아래에 위치되어 있다. 본 시스템은 최상부 홈 내에 배치되는 상부 링을 포함하고, 하나 이상의 채널이 최상부 홈의 축방향 대향 상부 표면 또는 상부 링의 상부 표면 내로 연장되어, 연소 가스를 상부 링의 내주면과 최상부 홈의 일부분 사이의 공간으로 인도한다. 하나 이상의 채널의 각각은 제 1 반경을 갖는다. 본 시스템은, 최하부 홈 내에 위치되는 하부 링을 포함하고, 최하부 홈을 따라 연장되는 각각의 오일 드레인의 제 2 반경은 하나 이상의 채널의 각각의 채널의 제 1 반경보다 작다.
일 실시예에서, 왕복 엔진용 동력 실린더 시스템은 공동을 둘러싸는 내측벽을 갖는 실린더와, 실린더 내에 배치되며 실린더 내에서 왕복 방식으로 운동하도록 구성된 피스톤을 포함한다. 본 시스템은 피스톤의 최상부 홈 내에 배치된 상부 링을 포함하고, 최상부 홈으로 개방된 하나 이상의 채널은, 상기 피스톤이 실린더 내에서 운동할 때, 연소 가스를 하나 이상의 채널의 제 1 총 단면적을 통해 상부 링의 내주면에 전달하여 상부 링을 실린더의 내측벽을 향해 반경 방향 외측으로 구동하도록 구성된다. 본 시스템은 피스톤의 최하부 홈 내에 배치된 하부 링을 포함하고, 최하부 홈으로 개방된 오일 드레인의 제 2 총 단면적은 제 1 총 단면적보다 작다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽으면 잘 이해하게 될 것이며, 도면에서 같은 부품에는 같은 도면 부호를 사용한다.
도 1은 왕복 엔진 시스템의 일부의 일 실시예의 개략적 블록 다이어그램,
도 2는 실린더 내에 위치하는 피스톤의 일 실시예를 도시한 단면도,
도 3은 피스톤의 하부 홈에 형성된 오일 드레인(oil drain) 및 피스톤의 상부 랜드에 형성된 반경 방향 채널을 갖는 피스톤의 일 실시예의 일부분의 측면도,
도 4는 피스톤의 상부 랜드에 반경 방향 채널이 형성되어 있고, 오일 드레인은 구비되지 않은 피스톤의 일 실시예의 일부분의 측면도,
도 5는 3개의 피스톤 링과 피스톤의 상부 랜드에 형성된 반경 방향 채널과 피스톤의 하부 홈에 형성된 오일 드레인을 갖는 피스톤의 일 실시예의 일부분의 측단면도,
도 6은 2개의 피스톤 링과 피스톤의 상부 랜드에 형성된 반경 방향 채널과 피스톤의 하부 홈에 형성된 오일 드레인을 갖는 피스톤의 일 실시예의 일부분의 측단면도,
도 7은 3개의 피스톤 링과 상부 피스톤 링에 형성된 반경 방향 채널과 피스톤의 하부 홈에 형성된 오일 드레인을 갖는 피스톤의 일 실시예의 일부분의 측단면도.
본 발명의 하나 이상의 특정 실시예를 이하에 기술한다. 이들 실시예의 간결한 기재를 제공하기 위한 노력으로서, 실제 실시예의 모든 특징을 본 명세서에 기재하지는 않았다. 임의의 그러한 실제 실시예의 개발에 있어서, 임의의 기술 또는 설계 프로젝트에서와 같은 수많은 실시예-특정 결정은 실시예마다 다를 수 있는 시스템 관련 규제와 비지니스 관련 규제에 부합하는 것 등의 개발자의 특정 목적을 달성하도록 이루어져야 하는 것을 알아야 한다. 나아가, 이러한 개발에 대한 노력은 복잡하고 시간 소모적이나, 본 발명의 당업자에 대해서는 설계, 제작 및 제조에서의 일상적인 일에 불과할 수도 있음을 알아야 한다.
본 발명의 여러 실시예의 요소를 설명할 때, 관사 "a", "an", "the" 및 "said"는 하나 이상의 요소가 있다는 것을 의미할 의도이다. 용어 "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"은 포괄적인 의미로서, 기재된 요소 이외에 추가 요소가 있을 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 왕복 엔진(예컨대, 왕복 내연 기관)용 동력 실린더 시스템은, 실린더(예컨대, 라이너) 내에서 직선으로 운동하여, 연소 가스에 의해 가해지는 압력 및 피스톤의 직선 운동을 회전 운동으로 변환함으로써, 하나 이상의 부하에 동력을 공급하도록 각각 구성된 하나 이상의 피스톤을 포함할 수 있다. 각각의 피스톤은 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장된 상부 환형 홈(예컨대, 상부 링 홈, 최상부 링 홈, 또는 압축 링 홈)을 가질 수 있으며, 상부 링(예컨대, 상부 피스톤 링 또는 상부 압축 링)은 상부 홈 내에 배치될 수 있다. 상부 링은 일반적으로 연료와 공기 또는 연료-공기 혼합물이 연소 챔버로부터 새어 나오는 것을 차단하도록, 및/또는 열간 연소 가스의 팽창을 가능케 하여 피스톤의 왕복 운동을 초래하기에 적절한 압력을 유지하도록 구성되어 있다. 각각의 피스톤은 또한 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되는 하부 환형 홈(예컨대, 하부 링 홈, 최하부 링 홈, 또는 오일 링 홈)을 가질 수 있으며, 하부 링(예컨대, 하부 피스톤 링 또는 오일 링)이 하부 홈 내에 배치될 수 있다. 오일 링은 일반적으로 실린더의 내측벽(예컨대, 내주벽)을 덮는 윤활제(예컨대, 오일)를 긁어내도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 하나 이상의 추가 환형 홈(예컨대, 추가 링 홈 또는 추가 압축 링 홈)이 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장될 수 있고, 하나 이상의 추가 링(예컨대, 추가 링 또는 추가 압축 링)이 하나 이상의 추가 링 홈 내에 배치될 수도 있다. 상부 링, 오일 링, 및/또는 추가 링은 함께 링 팩을 형상할 수 있고, 일반적으로, 엔진 내에서 연소 가스 및/또는 윤활제(예컨대, 윤활유)의 유동을 제어할 수도 있다.
왕복 엔진이 작동하는 동안에, 연료와 공기가 연소 챔버에서 연소하여 피스톤이 실린더 내에서 운동하게 된다. 연소 가스는 또한 상부 링의 외주면에 대해 압력을 가하여 상부 링을 실린더의 내측벽으로부터 이격되게 반경 방향 내측으로 구동한다. 개시된 실시예는, 연소 가스를 상부 링의 내주면에 인접한 공간으로 전달되도록 구성된 하나 이상의 채널(예컨대, 반경 방향 채널)을 포함함으로써, 연소 가스가 상부 링의 내주면에 반경 방향 외측으로의 힘을 가하게 된다. 유리하게는, 하나 이상의 채널이 또한 실린더 내에서 오일 제어를 용이하게 할 수도 있다. 예컨대, 하나 이상의 채널은 상부 링이 실린더의 내측벽과 접촉을 유지하도록 하며, 따라서, 상부 링이 실린더 내측벽을 따라 오일을 긁어내게 할 수도 있다. 다른 하나의 예로서, 하나 이상의 채널 없이, 오일이 상부 홈에 축적되어 연소 가스가 공간으로 유동하는 것을 막을 수도 있다. 개시된 실시예에 있어서, 하나 이상의 채널은 오일이 상부 홈으로부터 (예컨대, 연소 챔버 내로 또는 실린더의 내측벽을 따라) 빠져나오게 할 수도 있다. 그러므로, 하나 이상의 채널은 (예컨대, 상부 홈에의 오일의 부착을 감소시킴으로써) 상부 홈으로부터의 오일의 유동을 원활하게 하거나, 및/또는 상부 홈 내에서의 오일의 잔류 시간을 감소시킬 수 있으며, 이는 일반적으로 엔진 내에서의 오일 소모 및 누설을 개선할 수 있다.
이하에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 본 실시예들은 오일 드레인이 없을 수도 있고, 비교적 작은 오일 드레인을 가질 수도 있다(예컨대, 하나 이상의 채널의 제 1 반경은 오일 드레인의 제 2 반경보다 더 큼). 그러한 구성은 하나 이상의 채널의 신뢰성 높고 지속적인 작동을 가능케 할 수 있다. 몇몇 엔진에 있어서, 링 팩(ring pack)으로부터 오일(예컨대, 실린더의 내측면으로부터 피스톤 아래의 섬프(sump)로 긁어낸 오일)을 배출하기 위해 하부 홈의 하부 표면에 대형 오일 드레인이 배치될 수도 있다. 그러나, 습식 섬프를 갖는 엔진을 포함하는 특정 엔진에 있어서, 그러한 대형 오일 드레인은 누설을 위한 누출 경로를 제공할 뿐만 아니라, 오일이 섬프로부터 링 팩으로 이동하게 할 수도 있다(예컨대, 오일의 역류). 섬프로부터의 오일의 역류는 상부 홈까지 이어질 수도 있으며, 이 경우에 오일은 하나 이상의 채널을 통한 가스의 전달을 방해하여, 하나 이상의 채널이 상부 링을 안정화시킴에 있어서의 신뢰성 및 효율성을 제한할 수 있다. 또한, 몇몇 경우에서, 하나 이상의 채널 내에 오일이 축적되면, 하나 이상의 채널을 통한 가스의 전달을 차단하는 탄소 퇴적물이 생길 수도 있다. 따라서, 이하에서 상세히 설명하는 특정 실시예에 의하면, 오일 드레인이 없는 피스톤 조립체 또는 비교적 작은 오일 드레인을 갖는 피스톤 조립체는 섬프로부터 링 팩으로의 오일의 역류를 차단 또는 감소시키는데 도움이 될 수 있으며, 그에 따라 하나 이상의 채널의 신뢰성 높고 효과적인 작동을 가능케 할 수도 있다. 본 명세서에 개시된 특징을 갖는 피스톤 조립체는 효과적이고 유효하게 오일을 제어할 수 있고, 링이 반경 방향으로 좌굴되는 것을 막아주며, 미연소 탄화수소 누설, 오일 소모, 배출 가스 및/또는 부품들 간의 마찰을 감소시키며, 그에 따라, 예컨대 마모 및 파열의 감소를 얻을 수 있다.
도면으로 돌아가 보면, 도 1은 엔진 구동 동력 생성 시스템(8)의 일부분의 일 실시예의 블록 다이어그램을 도시한다. 이하에 상세히 개시한 바와 같이, 시스템(8)은 하나 이상의 연소 챔버(예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 또는 그 이상의 연소 챔버)를 갖는 엔진(10)(예컨대, 왕복 내연 기관)을 포함한다. 공기 공급부(14)는 각각의 연소 챔버(12)에 공기, 산소, 산소 농후화된 공기(oxygen-enriched air), 산소 감소화된 공기(oxygen-reduced air), 이들의 임의의 조합과 같은 압축 산화제(16)를 제공하도록 구성된다. 연소 챔버(12)는 또한 연료 공급부(19)로부터 연료(18)(예컨대, 액체 및/또는 가스 연료)를 받도록 구성되며, 각각의 연소 챔버(12)에서 연료-공기 혼합물이 점화되어 연소된다. 열간 압축 연소 가스에 의해, 각각의 연소 챔버(12)에 인접한 피스톤(20)이 실린더(26) 내에서 직선으로 이동하여, 가스에 의해 가해진 압력을 회전 운동으로 변환하게 되며, 이는 축(22)을 회전시킨다. 나아가, 축(22)은 부하(24)와 연결될 수 있고, 부하(24)는 축(22)을 통해 동력을 받게 된다. 예컨대, 부하(24)는 시스템(10)의 회전 출력을 통해 동력을 생성할 수 있는 전기 발전기와 같은 임의의 적절한 기기일 수 있다. 또한, 이하의 설명에서는 공기가 산화제(16)로서 언급되지만, 다른 적절한 산화제가 개시된 실시예와 함께 사용될 수 있다. 유사하게, 연료(18)는, 예컨대 천연 가스, 석유 동반 가스, 프로판, 바이오가스, 하수 가스, 매립지 가스, 탄광 가스와 같은 임의의 적절한 연료일 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템(8)은 고정식 적용예(예컨대, 산업용 전력 생성 엔진) 또는 이동식 적용예(예컨대, 자동차 또는 항공기 내)에 사용하도록 구성될 수 있다. 엔진(10)은 2 행정 엔진, 3 행정 엔진, 4 행정 엔진, 5 행정 엔진, 또는 6 행정 엔진일 수 있다. 엔진(10)은 임의의 개수의 연소 챔버(12), 피스톤(20) 및 관련 실린더(예컨대, 1-24)를 또한 포함할 수도 있다. 예컨대, 특정 실시예에 있어서, 시스템(8)은 실린더 내에서 왕복하는 4, 6, 8, 10, 16, 24 또는 그 이상의 피스톤(20)을 갖는 대규모 산업용 왕복 엔진을 포함할 수도 있다. 이러한 몇몇의 경우에 있어서, 실린더 및/또는 피스톤(20)은 대략 13.5㎝ 내지 34㎝의 직경을 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 실린더 및/또는 피스톤(20)은 대략 10㎝ 내지 40㎝, 15㎝ 내지 25㎝, 또는 약 15㎝의 직경을 가질 수도 있다. 특정 실시예에 있어서, 피스톤(20)은 피스톤(20)의 상부 링 홈 내에 Ni-레지스트(resist) 링 인서트를 갖는 강철 피스톤 또는 알루미늄 피스톤일 수 있다. 시스템(8)은 10㎾ 내지 10㎿ 범위의 동력을 생성할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 엔진(10)은 약 1800RPM 미만으로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 엔진(10)은 대략 2000RPM, 1900RPM, 1700RPM, 1600RPM, 1500RPM, 1400RPM, 1300RPM, 1200RPM, 1000RPM, 900RPM, 또는 750RPM 미만으로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 엔진(10)은 대략 750RPM 내지 2000RPM, 900RPM 내지 1800RPM, 또는 1000RPM 내지 1600RPM으로 작동할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 엔진(10)은 대략 1800RPM, 1500RPM, 1200RPM, 1000RPM, 또는 900RPM 미만으로 작동할 수 있다. 예증적인 엔진(10)은, 예컨대, 제너럴 일렉트릭 컴퍼니의 젠바쳐(Jenbacher) 엔진(예컨대, 젠바쳐 타입 2, 타입 3, 타입 4, 타입 6 또는 J920 플렉스트라(FleXtra)) 또는 와우케사(Waukesha) 엔진(예컨대, 와우케사 VGF, VHP, APG, 275GL)을 포함할 수 있다.
도 2는 왕복 엔진(10)의 실린더(26)(예컨대, 엔진 실린더) 내에 배치된 피스톤(20)을 갖는 피스톤 조립체(25)의 일 실시예를 도시한 측단면도이다. 실린더(26)는 실린더 공동(30)(예컨대, 보어)을 규정하는 내측 환형벽(28)을 가진다. 피스톤(20)은 축방향 축선 또는 방향(34), 반경 방향 축선 또는 방향(36), 둘레 방향 축선 또는 방향(38)에 의해 규정될 수 있다. 피스톤(20)은 상부 부분(40)(예컨대, 상부 랜드)과, 피스톤(20) 주위에 둘레 방향(예컨대, 둘레 방향(38))으로 연장되는 상부 환형 홈(42)(예컨대, 상부 홈, 최상부 홈 또는 상부 압축 링 홈)을 포함한다. 상부 링(44)(예컨대, 상부 피스톤 링 또는 상부 압축 링)은 상부 홈(42) 내에 위치될 수 있다.
상부 링(44)은 상부 홈(42)으로부터 반경 방향 외측으로 돌출하여 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과 접촉하도록 구성되어 있다. 상부 링(44)은 일반적으로 연료(18)와 공기(16) 또는 연료-공기 혼합물(82)이 연소 챔버(12)로부터 새는 것을 차단하거나, 및/또는 팽창 열간 연소 가스가 피스톤(20)의 왕복 운동을 초래할 수 있도록 적절한 압력을 유지하게 해준다. 나아가, 본 실시예의 상부 링(44)은, 예컨대 내측 환형벽(28) 내에 코팅되어 있으며, 엔진(10) 내에서 열 및/또는 마찰을 제어하는 오일을 긁어내기가 용이하도록 구성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 피스톤(20)은 피스톤(20) 주위에 둘레 방향으로 연장된 하부 환형 홈(예컨대, 하부 링 홈, 최하부 링 홈 또는 오일 링 홈)을 포함한다. 하부 링(48)(예컨대, 하부 피스톤 링 또는 오일 링)은 하부 홈(46) 내에 배치된다. 오일 링(48)은 하부 홈(46)으로부터 반경 방향 외측으로 돌출하여 실린더(26)의 내측벽(28)과 접촉할 수 있다. 오일 링(48)은 일반적으로 실린더(26)의 내측벽(28)을 덮는 오일을 긁어내도록, 그리고 실린더(26) 내에서의 오일 유동을 제어하도록 구성된다.
몇몇 실시예에 있어서, 하나 이상의 추가 환형 홈(50)(예컨대, 추가 링 홈 또는 추가 압축 링 홈)은 상부 홈(42)과 하부 홈(46) 사이에서 피스톤(20) 주위에 둘레 방향으로 연장될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 하나 이상의 추가 링(52)(예컨대, 추가 링 또는 추가 압축 링)은 하나 이상의 추가 링 홈(50)의 각각에 배치될 수 있다. 추가 링(52)은 실린더(26)의 내측 환형벽(28)으로부터 오일을 긁어내거나 및/또는 누설을 차단하도록 구성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 피스톤(20)은 커넥팅 로드(56)와 핀(58)을 거쳐서 크랭크축(54)에 부착된다. 크랭크축(54)은 피스톤(20)의 직선 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다. 피스톤(20)이 움직이면, 크랭크축(54)은 상기에 설명한 바와 같이, 부하(24)(도 1에 도시됨)에 동력을 공급하도록 회전한다. 크랭크축(54)의 아래에 또는 그 주위에 섬프(59)가 배치된다. 특정 실시예에서, 섬프(59)는 오일 리저버(oil reservoir)를 갖는 습식 섬프이다. 도시된 바와 같이, 연소 챔버(12)는 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 인접하게 위치된다. 연료 인젝터(60)는 연료(18)를 연소 챔버(12)에 공급하고, 밸브(62)는 연소 챔버(12)로 전달되는 공기(16)를 제어한다. 배출 밸브(64)는 엔진(10)의 배출 가스의 토출을 제어한다. 그러나, 연료(18)와 공기(16)를 연소 챔버(14)에 공급하기 위한 임의의 적절한 요소 및/또는 기술, 및/또는 배출 가스를 토출하기 위한 임의의 적절한 요소 및/또는 기술을 사용할 수 있다는 것을 알아야 한다. 작동시에, 연소 챔버(12) 내에서 연료(18)와 공기(16)가 연소되어, 피스톤(20)이 실린더(26)의 공동(30) 내에서 축방향(34)으로 왕복 방식(예컨대, 전후로)으로 이동하게 된다.
실린더(26)의 내측 환형벽(28)과 피스톤(20)의 외측 표면(80)(예컨대, 환형 표면) 사이에 간극(78)(예컨대, 환형 공간을 규정하는 반경 방향 간극)이 제공된다. 상기한 바와 같이, 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과 상부 링(44) 사이의 접촉을 유지하여, 예컨대 누출을 차단할 뿐만 아니라, 상부 링(44)이 내측 환형벽(28)으로부터 오일을 긁어낼 수 있게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 엔진(10)이 작동하는 동안에, 연소 챔버(12)로부터의 연소 가스는 상부 링(44)의 외면(90)(예컨대, 반경 방향 외면 또는 외주면)에 접촉하여, 상부 링(44)을 실린더(26)의 내측벽(28)으로부터 이격되게 반경 방향 내측으로 (예컨대, 반경 방향 축선(36)을 따라) 구동하는 힘을 가한다. 따라서, 본 실시예는 상부 링(44)의 내주면(도 5에 도시됨)에 인접한 공간(도 5에 도시됨)으로 연소 가스를 전달하도록 구성된 하나 이상의 반경 방향 채널(94)과 같은 하나 이상의 채널(예컨대, 통로, 요홈, 홈 등)을 포함한다. 이러한 구성은 하나 이상의 반경 방향 채널(94)이 상부 링(44)을 가로지르는 압력 구배의 평형을 유지하게 하거나(예컨대, 상부 링(44)을 안정화시킴), 및/또는 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과의 접촉을 유지하게 할 수 있다. 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 피스톤 조립체(25) 내의 비교적 작은 오일 드레인(96) 또는 오일 드레인의 제거에 의하면, 하나 이상의 반경 방향 채널(94)을 통한 연소 가스 전달의 신뢰성 및 효율성을 높일 수 있다.
도 3은 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 형성된 반경 방향 채널(94)을 갖는 피스톤(20)의 일 실시예의 일부분의 측면도이다. 도시된 바와 같이, 반경 방향 채널(94)은 피스톤(20) 주위의 별개의 위치(예컨대, 피스톤(20) 주위에 둘레 방향으로 이격된 별개의 위치)에 형성된다. 도시된 실시예에 있어서, 반경 방향 채널(94)은 만곡된 단면(예컨대, 만곡된 벽(98)) 및 반경 방향 채널 반경(100)을 갖는다. 반경 방향 채널(94)은 축방향 대향 표면(102)(예컨대, 환형 표면) 내로 또는 그 표면을 따라 형성되어 있으며, 이는 상부 랜드(40)의 하부 표면과 상부 홈(42)의 상부 표면(예컨대, 상면 또는 상부 가장자리) 모두에 대응한다. 반경 방향 채널(94)은 피스톤(20)의 상부 랜드(40)의 외측 표면(80)(예컨대, 외측 환형 표면)으로부터 반경 방향 외측(예컨대, 반경 방향(36))으로 연장될 수 있다. 도시된 바와 같이, 반경 방향 채널(94)은 상부 홈(42) 쪽으로 개방되어 있고, 상부 링(44)과 축방향 대향 표면(102) 사이의 축방향 거리(104)는 반경 방향 채널(94)을 따라 증가된다(예컨대, 제 1 축방향 거리(104)보다 크며 반경 방향 채널(94)과 일치하는 제 2 축방향 거리(103)에 의해 도시된 바와 같음). 그러므로, 상부 링(44)과 축방향 대향 표면(102) 사이의 축방향 거리는 상부 링(44)에 대한 둘레 방향으로 변한다. 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 구성은 연소 가스가 공동(30)으로부터 반경 방향 채널(94)을 따라 공간(도 5에 도시됨)으로 전달되는 것을 용이하게 하고, 이 공간에서 연소 가스는 상부 링(44)의 내면(도 5에 도시됨)에 대해 반경 방향 외측으로의 힘(예컨대, 압력 유도 편의력(pressure-induced biasing force))을 가한다. 그러므로, 반경 방향 채널(94)은 상부 링(44)을 가로지르는 압력 구배의 제어를 용이하게 할 수 있고, 상부 링(44)이 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과의 접촉을 유지하게 할 수 있다. 예컨대, 반경 방향 채널(94)은 축방향으로 밀봉 포인트(107) 위의 압력을 균등하게 하면서, 축방향으로 밀봉 포인트(107) 아래에 양의 압력차를 생성하여, 상부 링(44)을 실린더(26)의 내측 환형벽(28)에 대해 반경 방향 외측으로 가압하는데 도움이 될 수 있다.
도시된 실시예에 있어서, 오일 링(48)은 하부 홈(46) 내에 배치되어 있다. 도시된 바와 같이, 피스톤 조립체(25)는 피스톤(20) 주위의 별개의 위치(예컨대, 피스톤(20) 주위에 둘레 방향으로 이격되어 있는 별개의 위치)에 형성된 오일 드레인(96)을 포함한다. 오일 드레인(96)은 도시된 바와 같이 반경 방향 채널(94)과 둘레 방향으로 정렬될 수 있고, 또는 오일 드레인(96)과 반경 방향 채널(94)은, 예컨대 둘레 방향으로 서로 엇갈리게 배치되거나 또는 오프셋(offset)될 수도 있다. 도시된 실시예에서, 오일 드레인(96)은 만곡된 단면(예컨대, 만곡된 벽(105))을 가지며, 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106)(예컨대, 환형 표면) 내에 또는 그 표면을 따라 형성된다. 오일 드레인(96)은 피스톤(20)의 외측 표면(80)(예컨대, 외측 환형 표면)으로부터 반경 방향 내측으로(예컨대, 반경 방향(36)으로) 연장될 수 있다. 도시된 바와 같이, 오일 드레인(96)은 하부 홈(46)을 향해 개방되어 있다.
몇몇 실시예에서, 모든 오일 드레인(96)의 총 단면적(예컨대, 피스톤 조립체(25)의 각 오일 드레인(96)의 단면적의 합)은 모든 반경 방향 채널(94)의 총 단면적(예컨대, 피스톤 조립체(25)의 각 반경 방향 채널(94)의 단면적의 합)보다 작을 수도 있다. 예컨대, 특정 실시예에서, 모든 오일 드레인(96)의 총 단면적 대 모든 반경 방향 채널(94)의 총 단면적의 비율은 대략 0.1 내지 0.9, 0.2 내지 0.8, 0.3 내지 0.7, 또는 0.4 내지 0.5일 수 있다. 각 오일 드레인(96)의 단면적은 오일 드레인 반경(109)를 기초로 하는 반면에, 각 반경 방향 채널(94)의 단면적은 반경 방향 채널 반경(100)을 기초로 한다. 보다 구체적으로, 모든 오일 드레인(96)의 총 단면적은 각 오일 드레인(96)의 오일 드레인 반경(109)과 오일 드레인(96)의 총 개수를 기초로 하는 반면에, 모든 반경 방향 채널(94)의 총 단면적은 각 반경 방향 채널(94)의 반경 방향 채널 반경(100)과 반경 방향 채널(94)의 총 개수를 기초로 한다. 그러한 구성은 오일 드레인(96)을 통한 반경 방향 채널(94) 쪽으로의 오일의 역류를 제한하면서도, 실린더(28)의 내측벽(26)으로부터 긁어내어 섬프(59)로 배출할 오일을 위한 경로를 제공할 수 있다.
추가적으로 또는 선택적으로, 특정 실시예에서, 각 오일 드레인(96)의 오일 드레인 반경(109)은 각 반경 방향 채널(94)의 반경 방향 채널 반경(100)보다 작을 수도 있다. 그러한 몇몇 실시예에서, 오일 드레인 반경(109)은 대략 2㎜보다 작을 수 있으며, 반경 방향 채널 반경(100)은 대략 2㎜보다 클 수도 있다. 그러한 몇몇 실시예에서, 예컨대, 오일 드레인 반경(109)은 대략 0.5㎜, 1㎜, 1.5㎜, 2.5㎜ 또는 3㎜보다 작을 수 있으며, 반경 방향 채널 반경(100)은 대략 0.5㎜, 1㎜, 1.5㎜, 2.5㎜ 또는 3㎜보다 클 수도 있다. 특정 실시예에서, 오일 드레인 반경(109) 대 반경 방향 채널 반경(100)의 비율은 대략 0.1 내지 0.9, 0.2 내지 0.8, 0.3 내지 0.7, 또는 0.4 내지 0.5일 수도 있다.
추가적으로 또는 선택적으로, 오일 드레인(96)은 오일 드레인 반경(109), 오일 드레인 길이(도 5에 도시됨), 및 피스톤(20)에 제공된 오일 드레인(96)의 개수(예컨대, 도 3에는 2개의 오일 드레인(96)이 도시됨)의 곱에 기초한 제 1 총 유량(total flow volume)을 가질 수도 있다. 추가적으로, 반경 방향 채널(94)은 반경 방향 채널 반경(100), 반경 방향 채널 길이(도 5에 도시됨), 및 피스톤(20)에 제공된 반경 방향 채널(94)의 개수(도 3에서는 2개의 반경 방향 채널(94)에 도시됨)의 곱에 기초한 제 2 총 유량을 갖는다. 특정 실시예에서, 오일 드레인(96)의 제 1 총 유량은 반경 방향 채널(94)의 제 2 총 유량보다 작다. 예컨대, 특정 실시예에서, 오일 드레인(96)의 제 1 총 유량 대 반경 방향 채널(94)의 제 2 총 유량의 비율은 대략 0.1 내지 0.9, 0.2 내지 0.8, 0.3 내지 0.7, 또는 0.4 내지 0.5일 수도 있다.
다른 예로서, 추가적으로 또는 선택적으로, 몇몇 실시예에서, 오일 드레인(96)의 총 개수는 피스톤 조립체(25) 내의 반경 방향 채널(94)의 총 개수보다 작을 수도 있다. 그러한 몇몇 예에서, 오일 드레인(96)의 개수는 대략 10개, 9개, 8개, 7개, 6개, 5개, 4개, 3개 또는 2개보다 적을 수 있으며, 반경 방향 채널(94)의 개수는 대략 10개, 9개, 8개, 7개, 6개, 5개, 4개, 3개 또는 2개보다 적을 수 있다. 특정 실시예에서, 오일 드레인(96)의 개수 대 반경 방향 채널(94)의 개수의 비율은 0.1 내지 0.9, 0.2 내지 0.8, 0.3 내지 0.7, 또는 0.4 내지 0.5일 수 있다. 상술한 바와 같이, 오일 드레인(96)의 더 작은 반경 또는 총 단면적과 같은 비교적 작은 크기 또는 치수에 의해, 반경 방향 채널(94)이 신회성 높게 그리고 효과적으로 상부 링(44)을 안정화시킬 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤(20)은 피스톤(20) 주위에 둘레 방향으로 연장되며 상부 홈(42)과 하부 홈(46) 내에 위치된 추가 홈(50)을 포함할 수도 있다. 추가 링(52)은 추가 홈(50) 내에 배치될 수 있다. 추가 링(52)은 임의의 다양한 구성 및 기능을 가질 수 있다. 예컨대, 몇몇 실시예에 있어서, 추가 링(52)은 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과 접촉하여 실린더(26)의 내측 환형벽(28)으로부터 오일을 긁어내거나 및/또는 누설을 차단하도록 구성된 압축 링이다. 이하에서 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 몇몇 실시예에서는, 추가 홈(50)과 추가 링(52)이 제공되지 않으며, 따라서, 피스톤(20) 주위에 둘레 방향으로 연장되며 링(예컨대, 상부 링(44)과 오일 링(48))을 지지하도록 구성된 홈은 상부 홈(42)과 하부 홈(46)뿐이다. 이러한 몇몇 예에 있어서, 상부 링(44)과 오일 링(48)은 함께, 추가 링(52) 없이, 내측 환형벽(28)으로부터 오일을 효율적으로 제어하거나 및/또는 충분하게 누설을 차단할 수 있다.
비록 반경 방향 채널(94) 및 오일 드레인(96)이 만곡된 단면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 반경 방향 채널(94) 또는 오일 드레인(96)은 본 명세서에 개시된 방식으로 연소 가스의 전달을 용이하게 하는 임의의 적절한 단면(예컨대, 직사각형, 삼각형, 다양한 곡률을 갖는 곡선형 등) 또는 구성을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 나아가, 복수의 반경 방향 채널(94) 및 복수의 오일 드레인(96)이 도시되어 있지만, 반경 방향 채널(94) 및/또는 오일 드레인(96)의 임의의 적절한 개수는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 또는 그 이상일 수도 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 반경 방향 채널(94) 및 오일 드레인(96)은 피스톤(20) 주위에 균일한 둘레 방향 간격으로 분포되는 방식을 포함하여 임의의 적절한 방식으로 분포될 수 있다.
도 4는 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 형성된 반경 방향 채널(94)을 갖는 피스톤(20)의 일 실시예의 일부분의 측면도이다. 도시된 바와 같이, 피스톤 조립체(25)는 오일 드레인(96)(도 3에 도시됨)이 없다. 도시된 실시예에서, 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106)은 피스톤(20)의 둘레 주위로 대체로 균일하다(예컨대, 평탄함). 그러한 경우에, 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106)은 피스톤(20)의 둘레 주위에서 오일 링(48)의 하부 표면(110)과 접촉한다. 따라서, 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106), 오일 링(48)의 하부 표면(110) 등에 어떠한 반경 방향 내향 홈(예컨대, 통로 또는 채널) 또는 유동 경로도 제공되지 않는다. 도시된 실시예에서는, 피스톤(20)의 외측 표면(80)으로부터 반경 방향 내측으로 연장되며 피스톤(20)을 통해 축방향으로 연장되어 섬프(59) 안밖으로의 오일의 전달을 가능케 하는 유동 경로가 존재하지 않는다. 오일 드레인(96)이 없기 때문에 섬프(59)로부터 반경 방향 채널(94)로의 오일의 역류가 제한될 수 있으며, 그에 따라 반경 방향 채널(94)이 신뢰성 높고 효율적으로 상부 링(44)을 안정화시킬 수 있다. 또한, 오일 드레인(96)의 부재는 누설을 줄일 수도 있다.
도 5는 3개의 피스톤 링(예컨대, 상부 링(44), 오일 링(48), 추가 링(52))과, 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 형성된 하나의 반경 방향 채널(94)과, 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106)에 형성된 하나의 오일 드레인(96)을 갖는 피스톤(20)의 일 실시예의 일부분을 도시한 측단면도이다. 도시된 실시예에 있어서, 반경 방향 채널(94)은 축방향 대향 표면(102) 내에 형성된다. 반경 방향 채널(94)은 상부 랜드(40)의 외측 표면(80)으로부터 반경 방향 내측으로 (예컨대, 반경 방향 축선(36)을 따라) 연장된다. 엔진(10)이 작동하는 동안에, 연소 가스는 상부 링(44)의 외면(90) 상에 압력을 가하여, 상부 링(44)을 실린더(26)의 내측 환형벽(28)으로부터 이격되게 구동하는 반경 방향 내측으로의 힘을 발생시킨다.
비록 상부 링(44)의 상면(121)(예컨대, 축방향 상부 면)과 피스톤(20)의 축방향 대향 표면(102) 사이에 갭(120)(예컨대, 상부 홈 간극)이 제공되어, 일부의 연소 가스가 상부 홈(42) 내에서 유동할 수 있게 되지만, 갭(120)을 가로지르는 제 1 축방향 거리(104)는 링의 리프트(lift)와 진동을 최소화하도록 구성되는 것이 바람직하다. 그러므로, 오일은 비교적 작은 갭(120) 내에 축적되어 상부 홈(42)을 통한 연소 가스의 유동을 차단할 수 있으며, 만일 갭(120)이 오일로 막혀 있다면, 갭(120)은 상부 링(44)의 내면(124)(예컨대, 반경 방향 내면 또는 내주면)으로 연소 가스를 효율적이고 신뢰 가능하게 전달하지 못할 수도 있다. 따라서, 개시된 반경 방향 채널(94)이 없으면, 오일이 상부 홈(42) 내에 축적될 수 있으며, 갭(120)이 오일로 막혀 있는 경우, 상부 링(44)을 가로질러(예컨대, 외면(90)과 내면(124) 사이에) 큰 압력차가 존재할 수도 있다. 예컨대, 개시된 반경 방향 채널(94)이 없으면, 오일이 상부 홈(42)에 부착되어 연소 가스의 유동을 차단할 수 있으며, 그에 따라 외면(90)에 인접한 압력이 내면(124)에 인접한 압력보다 더 클 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상부 링(44)은 반경 방향 링 좌굴에 민감해지며, 이는, 예컨대 오일 소모 및 누설의 증가를 초래할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 반경 방향 채널(94)은 상부 링(44)의 내면(124)에 인접한 공간(130)(예컨대, 환형 공간)과 상부 홈(42)의 내측벽(131)(예컨대, 내측 환형벽)으로 연소 가스를 용이하게 전달하도록 구성될 수 있으며, 이는 상부 링(44)의 안정성의 증가를 제공할 수 있다. 공간(130) 내의 연소 가스는 반경 방향 내측으로의 힘(108)과 균형을 이루거나 상쇄하는 반경 방향 외측으로의 힘(134)을 가할 수 있으며, 상부 링(44)을 가로지르는 압력은 실질적으로 동일하거나, 또는 예컨대 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과 상부 링(44) 사이에 접촉을 유지하고 반경 방향 링 좌굴을 막도록 다른 방식으로 제어될 수도 있다.
또한, 도시된 바와 같이, 상부 링(44)의 외면(90)은 내측 환형벽(28)과 접촉하여 밀봉 포인트(107)를 형성하도록 구성된다. 이러한 구성에 의하면, 바람직하게는 엔진(10)의 작동 동안에 상부 링(44)이 실린더(26)의 내측 환형벽(28)으로부터 오일을 긁어낼 수 있다. 또한, 오일은 대체로 점도가 있는 점착성 액체로서, 특정 환경에서는 상부 홈(42)을 포함하여 스톤(20)에 부착될 수 있다. 반경 방향 채널(94)은 상부 링(44)과 축방향 대향 표면(102) 사이의 보다 큰 축방향 거리(103) 및 보다 큰 총 간극 부피(crevice volume)뿐만 아니라, 보다 낮은 표면적 대 부피의 비를 제공한다. 이러한 구성은 부착을 감소시키고 일반적으로 상부 홈(42)으로부터 (예컨대, 연소 챔버(12) 내로의 또는 실린더(26)의 내측 환형벽(28)을 따른) 오일의 유동을 용이하게 할 수 있으며, 그에 따라, 오일 제어를 향상시키고 엔진(10) 내에서의 오일 소모를 감소시킬 수 있다.
반경 방향 채널(94) 내의 오일을 제한하고 반경 방향 채널(94)을 통한 연소 가스 전달의 신뢰성을 높이기 위해, 오일 드레인(96)은 섬프(59)로부터 상부 링(44) 쪽으로의 오일의 역류를 제한하거나 차단하기에 충분히 작을 수 있다(도 4에서는 존재하지 않는 것으로 도시됨). 예컨대, 오일 드레인(96)의 총 단면적은 상술한 바와 같이 반경 방향 채널(94)의 총 단면적보다 작을 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 오일 드레인(96)의 오일 드레인 반경(109), 총 유량 또는 개수 중 하나 이상은 반경 방향 채널(94)의 대응하는 특징보다 작을 수도 있다. 상술한 바와 같이, 도시된 실시예에서, 오일 드레인(96)은 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106)에 형성된다. 그러나, 오일 드레인(96)은 오일 링(48)의 하부 표면과 같은 임의의 적절한 표면에 형성될 수도 있다. 오일 드레인(96)은 피스톤(20)의 외측 표면(80)으로부터 반경 방향 내측(예컨대, 반경 방향 축선(36)에 따름)으로 연장된다. 엔진(10)의 작동 동안에, 오일 링(48)은 실린더(26)의 내측벽(28)으로부터 오일을 긁어내며, 오일 드레인(96)은 개략적으로 긁어낸 오일이 화살표(148)로 도시된 바와 같이 섬프로 전달되는 것을 용이하게 할 수 있다.
오일 링(48)은 임의의 적절한 형상 및 구성을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 오일 링(48)은 본체(150) 및 스프링(152)을 갖는 2-피스형 오일 링이다. 본체(150)는 외면(154)(예컨대, 반경 방향 외면 또는 외주면)을 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 오일 링(48)은 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과 결합하여 그로부터 오일을 긁어내도록 구성된 제 1 환형 돌출부(156)(예컨대, 제 1 레일) 및 제 2 환형 돌출부(158)(예컨대, 제 2 레일)을 갖는 U자 형상 단면을 가진다. 제 1 환형 돌출부(156)는 제 1 폭(160)(예컨대, 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과 접촉하도록 구성된 폭)를 가지고, 제 2 환형 돌출부(158)는 제 2 폭(162)(예컨대, 실린더(26)의 내측 환형벽(28)과 접촉하도록 구성된 폭)을 가진다. 제 1 폭(160)과 제 2 폭(162)은 대체로 동일할 수 있으며, 서로 다를 수도 있다. 스프링(152)은 오일 링(48)의 본체(150)에 결합되어 있고, 본체(150)를 실린더(26)의 내측 환형벽(28)을 향해 반경 방향 외측으로, 및/또는 하부 홈(46)에 대해 축방향 외측으로 가압하도록 구성되어 있다. 오일 링(48)은 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106) 및/또는 하부 홈(46)의 축방향 대향 상부 표면(164)와 접촉하도록 구성될 수도 있다.
도시된 바와 같이, 피스톤 조립체(25)는 하나의 추가 링(52)을 포함한다. 추가 링(25)은 상부 홈(42)과 하부 홈(46) 사이의 추가 홈(50) 내에 위치된다. 추가 링(52)은 임의의 적절한 형상 및 구성을 가질 수도 있다. 도시된 바와 같이, 추가 링(52)은 테이퍼진 외면(140)(예컨대, 외주면 또는 반경 방향 외면)을 포함한다. 추가 링(52)은 일반적으로 누설을 방지하도록, 실린더(26)의 내측 환형벽(28)으로부터 오일을 긁어내도록, 및/또는 상부 링(44)에 도달하는 오일의 양을 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 3개의 링을 갖는 몇몇 실시예에서, 하부 홈(46)은 오일 링(48)(예컨대, 본체(150) 및 스프링(152)을 구비함)을 지지하지 않을 수 있으며, 오히려, 상부 링(44) 또는 추가 링(52)과 형태가 유사한 제 2 압축 링을 지지할 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 몇몇 실시예에 있어서, 추가 링(52)은 제공되지 않을 수도 있다. 오히려, 상부 링(44)과 오일 링(48)은 함께 추가 링(52) 없이 충분한 오일 제어를 제공할 수도 있다.
도 6은 2개의 피스톤 홈(예컨대, 상부 홈(42) 및 하부 홈(46))과, 피스톤(20)의 상부 랜드(40)에 형성된 하나의 반경 방향 채널(94)과, 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106)에 형성된 하나의 오일 드레인(96)을 갖는 피스톤(20)의 일 실시예의 일부분을 도시한다. 도시된 바와 같이, 오일 드레인(96)은 하부 홈(46)의 축방향 대향 하부 표면(106)에 제공된다. 추가 홈(50)과 추가 링(52)이 제공되지 않으므로, 상부 홈(42)과 하부 홈(46)만이 피스톤(20) 주위에 둘레 방향으로 연장되며 링(예컨대, 상부 링(44)과 오일 링(48))을 지지하도록 구성된 홈이다. 이러한 경우에, 상부 링(44)과 오일 링(48)은 함께 추가 링(52)이 없이 내측 환형벽(28)으로부터 오일을 효율적으로 긁어내거나 및/또는 누설을 충분하게 차단할 수 있다.
오직 2개의 홈을 갖는 실시예에서, 상부 홈(42)과 하부 홈(46)은 임의의 적절한 거리만큼 이격되어 있을 수도 있다. 또한, 오직 2개의 홈을 갖는 몇몇 실시예에서, 하부 홈(46)은 오일 링(48)(예컨대, 본체(150) 및 스프링(152)을 구비함)을 지지하지 않을 수 있으며, 오히려, 상부 링(44) 또는 추가 링(52)(도 5에 도시됨)과 형태가 유사한 제 2 압축 링을 지지할 수도 있다. 나아가, 오직 2개의 홈을 갖는 실시예에서는, 누설을 줄이기 위해 피스톤 조립체(25)가 오일 드레인(96)을 구비하지 않는 것(도 4에 도시됨)이 특히 바람직할 수도 있다. 오직 2개의 홈을 갖는 다른 실시예에서, 피스톤 조립체(25)는, 위에서 상세히 논의한 바와 같이, 반경 방향 채널(94)보다 작은 치수를 갖는 오일 드레인(96)을 구비할 수도 있다. 오직 2개의 홈을 갖는 실시예는 상술한 특징 또는 도 7과 관련하여 후술할 특징 중 임의의 특징을 구비할 수도 있다.
도 7은 상부 링(44)에 형성된 하나의 반경 방향 채널(94)과, 하부 홈(46)에 형성된 하나의 오일 드레인(96)을 갖는 피스톤(20)의 일 실시예의 일부분의 측단면도이다. 특정 실시예에 있어서, 반경 방향 채널(94)은 상부 링(44)의 상면(121)을 따라 형성될 수 있다. 이러한 채널은, 예컨대 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 피스톤(20)의 상부 랜드(40) 내에 형성된 반경 방향 채널(94)에 추가하거나 또는 그를 대체하여 제공될 수 있다.
도시된 바와 같이, 상부 링(44)에 형성된 반경 방향 채널(94)은 상부 링(44)의 외면(90)으로부터 내면(124)까지 반경 방향 내측(예컨대, 반경 방향(36))으로 연장될 수 있다. 반경 방향 채널(94)은 상부 링(44)의 상면(121)과 상부 홈(42)의 축방향 대향 표면(102) 사이의 축방향 거리(104)를 반경 방향 채널(94)과 일치하는 반경(100)을 따라 증가시킬 수 있다. 그러므로, 반경 방향 채널(94)은 연소 가스가 화살표(172)로 도시한 바와 같이 공동(30)으로부터 내면(124)에 인접한 공간(130)으로 유동할 수 있게 한다. 상기한 바와 같이, 상기 공간(130)으로의 가스의 전달은 상부 링(44)의 환형 외면(90)과 내면(124) 사이에서의 압력차를 제어할 수 있고, 이에 의해, 상부 링(44)이 실린더(26)의 내측벽(28)과의 접촉을 유지할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이, 반경 방향 채널(94)은 상부 링(44)의 내면(124)과 상부 링(44)의 외면(90) 사이에 압력차를 생성하거나 또는 압력을 균등하게 하는데 도움이 될 수 있고, 이에 의해, 예컨대 상부 링(44)을 실린더(26)에 대해 반경 방향 외측으로 편의시켜서 반경 방향 링 좌굴 및/또는 누설을 방지하는데 도움이 될 수 있다. 또한, 상부 링(44) 및 반경 방향 채널(94)은 엔진(10) 내에서의 오일 제어를 제공하면서도 반경 방향 링 좌굴 및 누설을 차단하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 비교적 작은 오일 드레인(96)(예컨대, 상술한 바와 같이 반경 방향 채널(94)보다 작음)을 사용하거나 오일 드레인(96)을 사용하지 않는 것에서 비롯되며, 이는 유리하게는 예컨대 엔진의 작동 중에 섬프(59)로부터 반경 방향 채널(94) 쪽으로의 오일의 역류를 감소시키거나, 및/또는 누설을 감소시킨다.
또한, 상부 링(44) 내에 위치하는 반경 방향 채널(94)을 갖는 몇몇 실시예에 있어서, 추가 홈(50)과 추가 링(52)은 제공되지 않는다(도 6에 도시됨). 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 피스톤(20) 주위에 둘레 방향으로 연장되며 링(예컨대, 상부 링(44)과 오일 링(48))을 지지하도록 구성된 홈은 상부 홈(42)과 하부 홈(46)뿐이다. 이러한 경우에, 상부 링(44)과 오일 링(48)이 함께 추가 링(52) 없이 내측 환형벽(28)으로부터 오일을 효율적으로 긁어내거나 및/또는 누설을 충분히 방지할 수 있다. 오직 상부 링(44) 내에 위치된 반경 방향 채널(94)만을 갖는 실시예는 상술한 특징 또는 후술하는 특징 중 임의의 특징을 구비할 수 있다.
또한, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 링(44)은, 특정 실시예에 있어서, 배럴 형상 윤곽, 테이퍼진 윤곽, 또는 부분적으로 테이퍼진 윤곽(예컨대, 원추형 형상)과 같이 반경 방향 축선(181)에 대해 비대칭 윤곽(예컨대, 비대칭 단면)을 가질 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 상부 링(44)의 외면(90)은 피스톤의 하향 행정(예컨대, 팽창 행정) 동안에 실린더의 내측벽으로부터 오일을 유효하고 효율적으로 긁어내도록 구성될 수 있다. 도 5 내지 도 7의 각각에서는 다르게 도시되어 있지만, 상부 링(44)은 도 5 내지 도 7에 도시된 모든 윤곽을 포함하여 임의의 적절한 윤곽을 가질 수 있다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 링(44)은 비대칭형 배럴 형상의(예컨대, 만곡된) 외면(90)을 가진다. 다른 예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상부 링(44)은 상부 링(44)의 높이(183)에 걸쳐 선형으로 테이퍼져 있다. 그러므로, 상부 링(44)의 반경(184)(및 그에 따른 직경)은 상부 링(44)의 상면(121)과 하면(112) 사이에서 증가한다. 상부 링(44)의 가장 작은 반경(184)은 상면(121)과 일치하는 반면에, 상부 링(44)의 가장 큰 반경(184)은 하면(112)과 일치한다. 이러한 구성에 있어서, 외면(90)은 내측 환형벽(36)과 접촉하여 상부 링(44)의 하면(112)에 또는 하면(112)에 인접하게 밀봉 포인트(107)를 형성하도록 구성된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 링(44)은 부분적으로 테이퍼진 외면(90)을 가지고, 상부 링(44)의 반경(184)은 환형 시일(107)을 형성하는 중간 영역(186)과 상면(121) 사이에서 증가한다. 비록 배럴 형상 윤곽, 직선으로 테이퍼진 윤곽 또는 부분적으로 테이퍼진 윤곽에 대한 압력이 상부 링(44)을 반경 방향 내측으로 가압할 수 있지만, 상부 홈(42)의 축방향 대향 표면(102) 내의 반경 방향 채널(94), 및/또는 상부 링(44) 내의 반경 방향 채널(94)은 상부 링(44)의 횡단 압력을 제어하기 위해, 상부 링(44)을 안정화시키기 위해, 및/또는 오일을 제어하기 위해 상술한 방식으로 연소 가스를 공간(130)에 전달하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 반경 방향 채널(94)은 축방향으로 밀봉 포인트(107) 위의 압력을 균등하게 하면서 축방향으로 밀봉 포인트(107) 아래에 양의 압력차를 생성하여, 상부 링(44)을 실린더(26)의 내측 환형벽(28)에 대해 반경 방향 외측으로 가압하는데 도움이 될 수 있다.
개시된 실시예의 기술적인 효과는 반경 방향 채널(94)과 같은 채널을 통해 엔진(10) 내에서의 연소 가스의 분배를 제어하기 위한 시스템을 제공하는 것을 포함한다. 예컨대, 연소 가스는 피스톤 조립체의 상부 링(44)의 외면(90)에 대해 압력을 가할 수 있다. 상부 랜드(40) 또는 상부 링(44) 내에 형성된 반경 방향 채널(94)은 연소 가스를 상부 링(44)의 내면(124)에 인접한 공간(130)으로 전달함으로써, 외면(90)과 내면(124) 사이의 압력 구배를 제어하며, 상부 링(44)이 실린더(26)의 내측벽(28)과의 접촉을 유지하게 할 수 있다. 개시된 실시예는 또한 비교적 작은 오일 드레인(96)(예컨대, 반경 방향 채널(94)보다 작음)의 사용 또는 오일 드레인(96)의 부존재를 통해 엔진(10) 내의 오일을 제어한다. 그러한 구성은 반경 방향 채널(94) 근처에서 오일을 제한함으로써 반경 방향 채널(94)을 통한 연소 가스의 전달을 신뢰성 높고 지속적으로 제공할 수 있다. 개시된 실시예는, 바람직하게는 예컨대 엔진(10) 내에서의 오일 소모, 배출 가스, 누설, 반경 방향으로의 링의 좌굴, 및/또는 마모를 감소시킬 수 있다.
본 설명은 최선예를 포함하여 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 당업자로 하여금 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용 또는 임의의 통합된 방법의 실행을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 실시예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자가 생각할 수 있는 다른 실시예를 포함할 수도 있다. 이러한 다른 실시예는 이들 실시예가 청구범위의 문자적 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 가지고 있거나, 이들 실시예가 청구범위의 문자적 언어와 비실질적인 차이만을 갖는 균등한 구조적 요소를 포함하는 경우에는 청구범위의 영역 내에 있다는 것을 의미한다.
10 : 엔진 12 : 연소 챔버
14 : 공기 공급부 19 : 연료 공급부
20 : 피스톤 24 : 부하
26 : 실린더 28 : 내측벽
30 : 공동 40 : 상부 랜드
44 : 상부 링 50 : 추가 환형 홈
60 : 연료 인젝터 80 : 외측 표면
94 : 반경 방향 채널 96 : 오일 드레인

Claims (20)

  1. 왕복 엔진용 동력 실린더 시스템에 있어서,
    왕복 엔진의 실린더 내에서 운동하도록 구성된 피스톤과;
    상기 피스톤의 상부 랜드(top land) 아래에서 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되는 최상부 홈으로서, 상기 최상부 홈은 내주면을 갖는 상부 링을 지지하도록 구성되고, 상기 상부 링이 최상부 홈 내에 위치되어 있는 동안에 최상부 홈의 일부분과 상부 링의 내주면 사이에 공간이 형성되는, 상기 최상부 홈과;
    상기 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되고, 상기 피스톤의 축방향 축선을 따라 상기 최상부 홈으로부터 이격되어 있는 최하부 홈으로서, 상기 최하부 홈은 하부 링을 지지하도록 구성되며, 오일 드레인(oil drain)이 존재하지 않는, 상기 최하부 홈과;
    상기 상부 랜드 내에 형성되고, 상기 최상부 홈의 일부분과 상기 상부 링의 내주면 사이의 상기 공간으로 연소 가스를 전달할 수 있도록 구성된 하나 이상의 채널을 포함하는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 채널 중 적어도 몇몇 채널은 상기 상부 랜드의 축방향 대향 표면에서 반경 방향으로 연장되는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 링을 포함하고, 하나 이상의 링 채널은 상부 링의 상부 표면에서의 하나 이상의 별개의 위치에서 반경 방향으로 연장되고, 상기 하나 이상의 링 채널은, 상기 최상부 홈의 일부분과 상기 상부 링의 내주면 사이의 상기 공간으로 연소 가스를 전달할 수 있도록 구성되는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되는 링 지지 홈은 상기 최상부 홈과 상기 최하부 홈뿐인
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 링은 스프링을 갖는 오일 링이며, 상기 스프링은 상기 오일 링을 상기 실린더의 내주면을 향해 반경 방향 외측으로 가압하도록 구성되는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 최상부 홈과 상기 최하부 홈 사이에서 상기 피스톤 주위에 둘레 방향으로 연장되는 중간 홈을 포함하고, 상기 중간 홈 내에는 제 3 링이 배치되는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  7. 왕복 엔진용 동력 실린더 시스템에 있어서,
    왕복 엔진의 실린더 내에서 운동하도록 구성된 피스톤과;
    상기 피스톤 주위에 둘레 방향으로 각각 연장되는 최상부 홈 및 최하부 홈으로서, 상기 최상부 홈은 상부 랜드 아래에 위치되어 있는, 상기 최상부 홈 및 최하부 홈과;
    상기 최상부 홈 내에 배치되는 상부 링으로서, 상기 최상부 홈의 축방향 대향 상부 표면 또는 상기 상부 링의 상부 표면 내로 채널이 연장되고, 상기 채널은 상부 링의 내주면과 최상부 홈의 일부분 사이의 공간으로 연소 가스를 인도하도록 구성되며, 상기 채널은 제 1 반경을 갖는, 상기 상부 링과;
    상기 최하부 홈 내에 위치되는 하부 링으로서, 상기 최하부 홈의 오일 드레인의 제 2 반경이 상기 제 1 반경보다 작은, 상기 하부 링을 포함하는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 상부 링의 상부 표면 또는 상기 최상부 홈의 축방향 대향 상부 표면에서 반경 방향으로 연장되는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 반경은 대략 2㎜보다 작은
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 반경 대 상기 제 1 반경의 비율은 대략 0.1 내지 0.9인
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    제 1 총 단면적을 갖는 복수의 채널과, 제 2 총 단면적을 갖는 하나 이상의 오일 드레인을 포함하고, 상기 제 1 총 단면적은 상기 제 2 총 단면적보다 큰
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서,
    각각 상기 제 1 반경을 복수의 채널과, 각각 상기 제 2 반경을 갖는 하나 이상의 오일 드레인을 포함하고, 하나 이상의 채널의 제 1 개수는 하나 이상의 오일 드레인의 제 2 개수보다 큰
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  13. 왕복 엔진용 동력 실린더 시스템에 있어서,
    공동을 둘러싸는 내측벽을 갖는 실린더와;
    상기 실린더 내에 배치되고, 상기 실린더 내에서 왕복 방식으로 운동하도록 구성된 피스톤과;
    상기 피스톤의 최상부 홈 내에 배치된 상부 링으로서, 상기 최상부 홈으로 개방된 하나 이상의 채널은 제 1 총 단면적을 갖고, 상기 하나 이상의 채널은, 상기 피스톤이 실린더 내에서 운동할 때, 연소 가스를 상부 링의 내주면에 전달하여 상기 상부 링을 실린더의 내측벽을 향해 반경 방향 외측으로 구동하도록 구성되는, 상기 상부 링과;
    상기 피스톤의 최하부 홈 내에 배치된 하부 링으로서, 상기 최하부 홈으로 개방된 오일 드레인의 제 2 총 단면적이 상기 제 1 총 단면적보다 작은, 상기 하부 링을 포함하는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 채널 중 적어도 하나의 채널의 제 1 반경은 상기 오일 드레인 중 적어도 하나의 오일 드레인의 제 2 반경보다 큰
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 반경은 대략 2㎜보다 작은
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 총 단면적 대 상기 제 1 총 단면적의 비율은 대략 0.1 내지 0.9인
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 동력 실린더 시스템은 상기 최하부 홈으로 개방되는 오일 드레인을 구비하지 않는
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 채널의 제 1 개수는 상기 오일 드레인의 제 2 개수보다 큰
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 하부 링은 비대칭 윤곽을 갖는 압축 링인
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 하부 링은 하나 이상의 스프링에 의해 상기 실린더의 내측벽에 대해 반경 방향 외측으로 편의되는(biased)
    왕복 엔진용 동력 실린더 시스템.
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