KR20160023556A - 왕복동식 기관의 실린더 라이너 및 피스톤 상의 침착물을 제어하기 위한 시스템 - Google Patents

왕복동식 기관의 실린더 라이너 및 피스톤 상의 침착물을 제어하기 위한 시스템 Download PDF

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리차드 존 도나휴
마크 제임스 램케
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

시스템이 실린더 라이너 및 실린더 라이너 내부에 배치되는 피스톤을 구비하는 왕복동식 기관을 포함한다. 실린더 라이너는 내측 벽을 포함하며 그리고 캐비티 둘레로 연장된다. 내측 벽은 제1 축 방향 단부, 제2 축 방향 단부, 피스톤 이동 부분 및 상부 부분을 포함한다. 상부 부분은, 실린더 라이너의 제2 축 방향 단부에 대한 것 보다 실린더 라이너의 제1 축 방향 단부에 더 가깝다. 상부 부분은, 대략 2 ㎛ 초과의 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(total waviness: Wt)을 갖는, 제1 표면 마감 상태를 구비한다. 피스톤은 실린더 라이너 내부에서 왕복동식으로 운동하도록 구성된다. 피스톤은, 피스톤이 상사점 위치에 있을 때 실린더 라이너의 내측 벽의 상부 부분에 방사 방향으로 대향하도록 구성되는, 톱 랜드(top land)를 포함한다.

Description

왕복동식 기관의 실린더 라이너 및 피스톤 상의 침착물을 제어하기 위한 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING DEPOSITS ON CYLINDER LINER AND PISTON OF RECIPROCATING ENGINE}
본 명세서에서 개시되는 대상은 일반적으로 왕복동식 기관에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 왕복동식 기관의 실린더 라이너 및 피스톤의 표면 마감 상태(surface finish)에 관한 것이다.
왕복동식 기관(예를 들어, 내연 기관)은, 결과적으로 실린더 라이너 내부에서 피스톤(예를 들어, 왕복동식 피스톤)을 구동하는, 고온 연소 가스를 생성하도록 산화제(예를 들어, 공기)와 함께 연료를 연소시킨다. 특히, 고온 연소 가스는 팽창하며 그리고 피스톤에 대해 압력을 가하여, 팽창 행정(예를 들어, 하강 행정) 도중에 실린더 라이너 내부에서 피스톤을 선형으로 이동시키도록 한다. 피스톤은, 연소 가스에 의해 가해지는 압력 및 피스톤의 선형 운동을 (예를 들어, 피스톤에 연결되는 커넥팅 로드 및 크랭크샤프트를 통해) 회전 운동으로 변환하여, 하나 이상의 부하물(예를 들어, 발전기)을 회전시키도록 샤프트를 구동한다. 피스톤 및 실린더 라이너의 설계 및 구성은 배기가스(예를 들어, 질소 산화물, 일산화탄소, 등) 뿐만 아니라 오일 소모에도 상당히 영향을 미친다. 나아가, 피스톤 및 실린더 라이너의 설계 및 구성은 왕복동식 기관의 구성요소들 사이의 마찰 및 왕복동식 기관의 구성요소들의 수명에 상당한 영향을 미친다.
불행하게도, 피스톤 상에 형성되는 침착물은 실린더 라이너 상에서 마모를 증가시키거나 또는 배기가스에 영향을 미친다.
본래 청구된 발명의 범위에 상응하는 특정 실시예들이 이하에 개략적으로 설명된다. 이러한 실시예들은 청구된 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아닌 대신, 이러한 실시예들은 단지 본 발명의 가능한 형태의 개략적 개요를 제공하고자 하는 것이다. 실제로, 본 발명은 이하에 서술되는 실시예과 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태들을 포괄할 수 있을 것이다.
제1 실시예에서, 왕복동식 기관이 실린더 라이너 및 캐비티 내부에 배치되는 피스톤을 포함한다. 실린더 라이너는 내측 벽을 포함하며 그리고 캐비티 둘레로 연장된다. 내측 벽은 제1 축 방향 단부, 제2 축 방향 단부, 피스톤 이동 부분 및 상부 부분을 포함한다. 상부 부분은, 실린더 라이너의 제2 축 방향 단부에 대한 것 보다 실린더 라이너의 제1 축 방향 단부에 더 가깝고, 상부 부분은, 대략 2 ㎛ 초과의 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(total waviness: Wt)을 갖는, 제1 표면 마감 상태를 구비하며, 그리고 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 전체 표면파형(Wt)은 대략 0.8 mm의 특성 길이(characteristic length)에 기초하게 된다. 피스톤은 실린더 라이너 내부에서 왕복동식으로 이동하도록 구성된다. 피스톤은, 피스톤이 상사점 위치에 있을 때 실린더 라이너의 내측 벽의 상부 부분에 방사 방향으로 대향하도록 구성되는, 톱 랜드(top land)를 포함한다.
제2 실시예에서, 시스템이, 실린더 라이너 및 캐비티 내부에 배치되는 실린더를 구비하는 왕복동식 기관을 포함한다. 실린더 라이너는 내측 벽을 포함하며 그리고 캐비티 둘레로 연장된다. 실린더 라이너는, 실린더 라이너의 내측 벽의 상부 부분에서 제1 반경을 구비하며, 그리고 상부 부분은 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(Wt)을 갖는 제1 표면 마감 상태를 구비한다. 피스톤은 실린더 라이너 내부에서 왕복동식으로 이동하도록 구성된다. 피스톤은, 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되는 적어도 하나의 환형 홈 및 상기 적어도 하나의 환형 홈 중의 상부 환형 홈에 인접한 톱 랜드를 포함한다. 톱 랜드는 제2 반경 및 제2 표면 마감 상태를 구비한다. 왕복동식 기관의 작동 도중에 제1 반경과 제2 반경 사이의 방사 방향 간극은 대략 25 ㎛ 미만이다. 제2 표면 마감 상태는 대략 2 ㎛ 미만의 제2 거칠기 평균(Ra2)을 구비하며, 그리고 제2 거칠기 평균(Ra2)은 제1 거칠기 평균(Ra1)보다 작다. 제1 거칠기 평균(Ra1), 전체 표면파형(Wt), 및 제2 거칠기 평균(Ra2)은 대략 0.8 mm의 특성 길이에 기초하게 된다.
제3 실시예에서, 시스템이, 실린더 라이너 및 캐비티 내부에 배치되는 실린더를 구비하는 왕복동식 기관을 포함한다. 실린더 라이너는 내측 벽을 포함하며 그리고 캐비티 둘레로 연장된다. 내측 벽은 제1 축 방향 단부, 제2 축 방향 단부, 피스톤 이동 부분 및 상부 부분을 포함한다. 실린더 라이너는, 내측 벽의 상부 부분에서 제1 반경을 구비하며, 그리고 상부 부분은, 실린더 라이너의 제2 축 방향 단부에 대한 것 보다 실린더 라이너의 제1 축 방향 단부에 더 가깝다. 상부 부분은 제1 표면 마감 상태를 구비하며, 제1 표면 마감 상태는 대략 2 ㎛ 초과의 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(Wt)을 갖는다. 피스톤은 실린더 라이너 내부에서 왕복동식으로 이동하도록 구성된다. 피스톤은, 피스톤이 상사점 위치에 있을 때 실린더 라이너의 내측 벽의 상부 부분에 방사 방향으로 대향하도록 구성되는, 톱 랜드를 포함한다. 피스톤은 톱 랜드에서 제2 반경을 구비하며, 그리고 피스톤의 톱 랜드는, 제1 거칠기 평균(Ra1) 보다 작은 제2 거칠기 평균(Ra2)을 갖는 제2 표면 마감 상태를 구비한다. 왕복동식 기관의 작동 도중에 제1 반경과 제2 반경 사이의 방사 방향 간극은 대략 25 ㎛ 미만이며, 그리고 제1 거칠기 평균(Ra1)과 제2 거칠기 평균(Ra1) 사이의 차이가 대략 0.5 ㎛ 보다 크다. 제1 거칠기 평균(Ra1), 전체 표면파형(Wt), 및 제2 거칠기 평균(Ra2)은 대략 0.8 mm의 특성 길이에 기초하게 된다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들, 양태들 및 이점들이, 뒤따르는 상세한 설명이 동일한 참조 부호들이 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 읽힐 때, 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 기관 구동 동력 생성 시스템의 일부의 실시예에 대한 개략적 블록도이고;
도 2는 기관의 실린더 라이너 내부에 배치되는 피스톤의 실시예에 대한 단면도이며;
도 3은, 피스톤의 상사점 위치에 있을 때의 도 2의 3-3 선 내부에서 취한, 기관의 피스톤 및 실린더 라이너의 실시예에 대한 부분 단면도이며; 그리고
도 4는, 도 2의 3-3 선 내부에서 취한, 기관의 피스톤 및 실린더 라이너의 실시예에 대한 부분 단면도이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 이하에 설명될 것이다. 이러한 실시예들의 간결한 설명을 제공하고자 하는 노력으로, 실제 구현예의 모든 특징들이 명세서에서 설명되지 않을 수 있을 것이다. 임의의 공학적 또는 설계 프로젝트에서와 같은, 임의의 그러한 실제 구현예의 개발에서, 수많은 구현 특유의 결정들이, 구현예 별로 변할 수도 있는 시스템 관련 및 비지니스 관련 제약들에 대한 준수와 같은, 개발자의 특정 목적들을 달성하기 위해 이루어져야만 한다는 것을 인식해야 될 것이다. 더불어, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간을 소모하지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이익을 갖는 당업자에 대한 설계, 제작 및 제조의 일상적인 업무라는 점을 인식해야 될 것이다.
본 발명의 여러 실시예의 요소들을 소개할 때 부정관사 및 정관사는 하나 이상의 요소가 존재한다는 것을 의미하는 것으로 의도된다. 용어 "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"은 포괄적이도록 그리고 열거된 요소들과 다른 부가적인 요소들이 존재할 수 있다는 것을 의미하도록 의도된다.
본 개시에 따른 왕복동식 기관들(예를 들어, 내연 기관들)은 하나 이상의 피스톤 조립체를 포함하며, 피스톤 조립체는, 각각 연소 가스에 의해 가해지는 압력 및 피스톤의 직선 운동을 하나 이상의 부하물에 동력을 공급하기 위해 회전 운동으로 변환하도록, 실린더 라이너 내부에서 선형으로(예를 들어, 축 방향으로) 이동하도록 구성되는, 피스톤을 구비한다. 실린더 라이너의 상부 부분은, 대략 0.8 mm 의 특성 길이에 걸쳐, 대략 0.1, 0.05, 또는 0.03 mm 미만의 전체 표면파형(Wt) 및 대략 1, 2, 3, 4, 5, 10, 또는 15 ㎛ 보다 큰 거칠기 평균(Ra)을 갖는 표면 마감 상태를 구비할 수 있을 것이다. 인식하게 될 것으로서, 거칠기 평균(Ra) 및 전체 표면파형(Wt)은 상이한 특성 길이(예를 들어, 0.08, 0.25, 2.5 및 8 mm)와 함께 변할 수 있을 것이다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 실린더 라이너 내부의 피스톤의 톱 랜드가, 대략 2, 1, 0.8, 0.5, 또는 0.3 ㎛ 미만의 거칠기 평균을 갖는 표면 마감 상태를 구비할 수 있을 것이다. 피스톤의 톱 랜드 및 실린더 라이너의 상부 부분 사이의 반경 방향 간극은, 밀접한 톱 랜드(Tight Top Land: TTL) 상태로 본 명세서에서 정의될 수 있는, 실온에서 보어 직경의 대략 0.5 % 미만의 간극비와 함께 작동 온도에서 대략 25 ㎛ 미만일 것이다. 본 명세서에서 활용되는 바와 같이, 간극비는 보어 직경에 대한 톱 랜드 간극의 비로서 정의될 수 있으며 그리고 톱 랜드 간극은 실린더 보어 직경 및 피스톤 톱 랜드 직경 사이의 차이로서 정의될 수 있을 것이다. 피스톤의 톱 랜드에 비해 실린더 라이너의 상부 부분의 더 큰 거칠기는, 실린더 라이너 상의 침착물의 잔류를 증가시키고 및/또는 톱 랜드 상의 침착물의 잔류를 감소시킬 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 실린더 라이너 상의 잔류 침착물은 톱 랜드로부터의 침착물을 긁어낼(예를 들어, 제거할) 것이며, 그로 인해 피스톤의 톱 랜드 상의 침착물을 감소시킬 것이다. 더불어, 실린더 라이너의 상부 부분의 표면 마감 상태는 피스톤 조립체에 대한 틈새 체적(crevice volume)에 영향을 미치지 않을 것이다. 예를 들어, 분리된 폴리싱 저항 링(separate anti-polishing ring)(예를 들어, 탄소 스크레이퍼)이 피스톤 조립체의 틈새 체적을 증가시키고 및/또는 피스톤 조립체의 구성요소들의 양을 증가시키는 반면, 본 명세서에서 설명되는 실린더 라이너의 상부 부분의 표면 마감 상태는, 상부 부분 상의 잔류 침착물이 피스톤을 위한 폴리싱 저항 링으로서 기능하는 것을 가능하게 할 것이다. 더불어, 톱 랜드 상에 잔류하게 되는 침착물의 감소는, 실린더 라이너의 마모를 감소시키고 및/또는 피스톤의 마찰 가열을 감소시킬 수 있을 것이다. 실린더 라이너 및 피스톤의 톱 랜드 상에 잔류하게 되는 장착물로부터의 피스톤 사이의 마찰은, 톱 랜드와 실린더 라이너의 내측 벽 사이의 마모[예를 들어, 탄소 긁힘(carbon raking) 및 보어 폴리싱]를 야기할 수 있으며, 그로 인해, 오일 소모를 증가시키거나, 밀봉부를 지나가는 미연 탄화수소의 블로바이(blowby)를 증가시키거나, 또는 배기가스를 증가시키거나, 또는 이들의 임의의 조합을 증가시킬 수 있을 것이다. 따라서, 피스톤의 톱 랜드 상의 침착물을 감소시킴에 의해 실린더 라이너 및 피스톤 사이의 마찰을 감소시키는 것은, 오일 소모를 감소시키거나, 실린더 라이너와 피스톤 사이의 미연 탄화수소의 블로바이를 감소시키거나, 또는 배기가스를 감소시키거나, 또는 이들의 임의의 조합을 감소시킬 수 있을 것이다. 유리하게, 피스톤의 톱 랜드로부터 침착물을 제거하기 위해 사용되는 침착물을 보유하는 실린더 라이너의 상부 부분의 표면 마감 상태는, 피스톤 조립체의 틈새 체적에 상당히 부가되지 않을 수 있을 것이다.
도면을 참조하면, 도 1은 기관 구동 동력 생성 시스템(10)의 일부의 실시예에 대한 블록도를 도시한다. 이하에 상세하게 설명될 것으로서, 시스템(10)은 하나 이상의 연소 챔버(14)[예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 또는 그 이상의 연소 챔버(14)]를 구비하는 기관(12)을 포함한다. 각각의 연소 챔버(14)는 실린더(30) 및 실린더(30) 내에서 왕복하는 피스톤(24)에 의해 한정된다. 공기 공급부(16)가, 공기, 산소, 산소 풍부 공기, 산소 감소 공기, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 가압 산화제(18)를 제공하도록 구성된다. 연소 챔버(14)는 또한, 연료 공급부(22)로부터 연료(20)(예를 들어, 액체 및/또는 기체 연료)를 받아들이도록 구성된다. 산화제(18) 및 연료(20)의 혼합물(예를 들어, 연료-공기 혼합물)이 각각의 연소 챔버(14) 내부에서 점화되고 연소된다. 고온 가압 연소 가스는, 각각의 연소 챔버(14)에 인접한 피스톤(24)이 실린더(30) 내부에서 선형으로 이동하도록 그리고 가스에 의해 가해지는 압력을 회전 운동으로 변환하도록 야기하며, 그로 인해 샤프트(26)가 회전하도록 야기한다. 나아가, 샤프트(26)는, 샤프트(26)의 회전을 통해 동력을 공급받게 되는, 부하물(28)에 연결된다. 예를 들어, 부하물(28)은, 시스템(10)의 회전 출력을 통해 전력을 생성할 수 있는, 발전기와 같은, 임의의 적당한 장치일 수 있을 것이다. 다른 예로서, 부하물(28)은, 기관(12)에 의해 구동되는 차량일 수 있을 것이다. 부가적으로, 비록 뒤따르는 논의가 산화제(18)로서 공기를 언급하지만, 임의의 적당한 산화제가 개시된 실시예들과 더불어 사용될 수 있을 것이다. 유사하게, 연료(20)는, 예를 들어, 천연 가스, 수반 석유 가스(associated petroleum gas), 수소, 프로판, 가솔린, 바이오 가스, 하수 가스(sewage gas), 합성 가스, 매립지 가스, 석탄 광산 가스, 디젤, 등유, 또는 연료유와 같은, 임의의 적당한 연료일 수 있을 것이다.
본 명세서에 개시되는 시스템(10)은 고정형 적용들(예를 들어, 산업적 발전 기관들)에서의 사용을 위해 맞춰지거나 또는 이동형 적용들(예를 들어, 자동차 또는 항공기)에서의 사용을 위해 맞춰진다. 기관(12)은 2-행정 기관, 3-행정 기관, 4-행정 기관, 5-행정 기관, 또는 6-행정 기관일 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 실린더들(30)은, 기관 블록으로부터 분리하는, 실린더 라이너들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스틸 실린더 라이너들이 알루미늄 기관 블록과 함께 활용될 수 있을 것이다. 기관(12)은 또한, 임의의 수의 연소 챔버(14), 피스톤들(24), 및 연관되는 실린더들(30) 또는 실린더 라이너들(예를 들어, 1개 내지 24개)을 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 시스템(10)은, 실린더들 내에서 왕복하는 4, 6, 8, 10, 16, 24개 또는 그 이상의 피스톤(24)을 구비하는, 대규모 산업적 왕복동식 기관을 포함할 수 있을 것이다. 실린더 라이너들 또는 피스톤들(24)은, 대략 10 내지 34 센티미터(cm) 사이의, 12 내지 20 cm 사이의, 또는 대략 15 cm의 직경을 구비할 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 피스톤(24)은, 피스톤(24)의 상부 링 홈 내에 Ni 저항 링 삽입체를 갖는, 스틸 피스톤 또는 알루미늄 피스톤일 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 시스템(10)은 대략 10 kW 내지 10 MW 범위 이내의 전력을 생성할 것이다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 기관의 작동 속도는, 대략 1800, 1500, 1200, 1000, 900, 800, 또는 700 RPM 미만일 수 있을 것이다.
도 2는 왕복동식 기관(12)의 실린더 라이너(42)(예를 들어, 기관 실린더(30)) 내부에 배치되는 피스톤(24)을 구비하는 피스톤 조립체(40)의 실시예의 측단면도이다. 실린더 라이너(42)는 원통형 캐비티(46)를 한정하는 내측 환형 벽(44)을 구비한다. 기관(12)에 대한 방향들은, 축 방향 축 또는 축 방향(48), 방사 방향 축 또는 방사 방향(50), 및 원주 방향 축 또는 원주 방향(52)을 참조하여 설명될 것이다. 피스톤(24)은 톱 랜드(54) 및 피스톤(24) 둘레에서 원주 방향(예를 들어, 원주 방향(52))으로 연장되는 제1 환형 홈(56)(예를 들어, 상부 환형 홈 또는 상부 환형 링 홈)을 포함한다. 제1 환형 링(58)(예를 들어, 상부 환형 링 또는 상부 피스톤 링)이 상부 환형 홈(56) 내에 배치될 것이다. 상부 환형 링(58)은, 시스템(10)의 작동 도중에 상부 환형 링(58)이 종속되는 고온 고압의 연소 가스에 응답하여, 팽창 및 수축하도록 구성될 것이다. 도시된 바와 같이, 피스톤(24)은, 피스톤(24) 둘레에서 원주 방향으로 연장되며 그리고 축 방향 축(48)을 따라 상부 환형 홈(56)으로부터 이격되는, 하나 이상의 부가적인 환형 홈(60)을 포함할 것이다. 부가적인 환형 피스톤 링들(62)이 각각의 부가적인 환형 홈(60) 내에 배치될 것이다. 복수의 부가적 환형 홈(60) 및 상응하는 부가적 환형 피스톤 링들(62)이 임의의 다양한 구조를 구비할 수 있다는 것을 이해해야 된다. 예를 들어, 복수의 홈들(60) 중 하나 이상 및/또는 상응하는 부가적 링들(62)은, 예를 들어, 상이한 구조, 형상, 크기 및/또는 기능을 구비할 수 있다.
도시된 바와 같이, 피스톤(24)은 커넥팅 로드(66) 및 핀(68)을 통해 크랭크샤프트(64)에 부착된다. 크랭크샤프트(64)는 축 방향 축(48)을 따르는 피스톤(24)의 왕복 선형 운동을 회전 운동(70)으로 변환한다. 연소 챔버(14)는 피스톤(24)의 톱 랜드(54)에 인접하게 위치하게 된다. 하나 이상의 연료 분사기(72)가 연료(20)를 연소 챔버(14)에 제공하며, 그리고 하나 이상의 밸브(74)가 연소 챔버(14)로의 공기(18)의 운반을 제어한다. 배기 밸브(76)가 기관(12)으로부터의 배기가스(78)의 방출을 제어한다. 그러나, 연료(20) 및 공기(18)를 연소 챔버(14)에 제공하기 위한 그리고 배기가스(78)를 방출하기 위한, 임의의 적당한 요소들 및/또는 기술들이 활용될 수 있을 것이다.
작동에서, 연소 챔버(14) 내의 공기(18)와 연료(20)의 연소는 피스톤(24)을 실린더 라이너(42)의 캐비티(46) 내부에서 축 방향(48)으로 왕복동식(예를 들어, 전후로)으로 운동하도록 야기한다. 피스톤(24)이 운동함에 따라, 크랭크샤프트(64)는, 이상에 논의된 바와 같이, 부하물(28)(도 1 참조)에 동력을 제공하도록 회전한다. 틈새(80)(예를 들어, 환형 공간을 한정하는 방사방향 틈새)가 실린더 라이너(42)의 내측 벽(44)과 피스톤(24)의 외표면(82) 사이에 제공된다. 상부 환형 링(58) 및 임의의 부가적인 환형 링들(62)이, 연소 챔버(14) 내부에 연료(20, 공기(28), 및 연료-공기 혼합물(84)을 구속하기 위해, 실린더 라이너(42)의 내측 벽(44)과 접촉할 수 있을 것이다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 상부 환형 링(58) 및 임의의 부가적 환형 링들(62)은, 팽창하는 고온 연소 가스(78)가 축 방향 축(48)을 따라 피스톤(24)을 이동시키는 것을 야기할 수 있도록 하기 위해, 연소 챔버(14) 내부에서의 적당한 압력의 유지를 가능하게 할 수 있다. 상부 환형 링(58) 및/또는 임의의 부가적 환형 링들(62)은, 기관(12) 내부에서 열 생성을 감소시키고 및/또는 마찰을 감소시키기 위해 실린더 라이너(42)의 내측 벽(44) 위에 윤활제(예를 들어, 윤활유)를 분배할 수 있을 것이다.
피스톤(24)은, 실린더 라이너(42)의 제1 축 방향 단부(86)와 제2 축 방향 단부(88) 사이에서 축 방향 축(48)을 따라 왕복하여, 화살표(70)로 도시된 바와 같이 크랭크샤프트(64)를 회전시킨다. 피스톤(24)의 톱 랜드(54)는 왕복 운동의 대부분의 동안에 실린더 라이너(42)의 내측 벽(44)의 이동 부분(90)을 통해 왕복한다. 피스톤(24)이 실린더 라이너(42) 내부의 상사점 위치에 있을 때, 피스톤의 톱 랜드(54)는 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)과 방사 방향으로 대향한다. 인식하게 될 것으로서, 피스톤(24)의 상사점은, 피스톤(24)의 상부면(94)이 정점(96)에 있을 때에 대응한다. 일부 실시예에서, 커넥팅 로드(66)의 축(98)이, 상사점 위치에서 실린더 라이너(42)의 축과 실질적으로 정렬된다. 예를 들어, 피스톤(24)은, 커넥팅 로드(66)가 도 2의 파선들에 의해 도시되는 위치(102)에 있을 때, 상사점 위치에 있을 것이다. 인식하게 될 것으로서, 연소 챔버(14)의 용적은, 피스톤(24)이 상사점 위치에 있을 때, 최소 값을 구비할 것이다. 피스톤(24)의 운동은 상사점 위치에서 축 방향 축(48)을 따르는 방향으로 역전된다. 일부 실시예에서, 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)은, 커넥팅 로드(66)의 축(98)이 실린더 라이너(42)의 축에 대해 대략 15°이하, 10°이하, 5°이하 이내에 있을 때 톱 랜드(54)와 방사 방향으로 대향하는, 내측 벽(44)의 부분들을 포함한다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)은, 피스톤(24)이 상사점 위치에 있을 때 피스톤(24)의 톱 랜드(54) 상부에 놓이는, 내측 벽(44)의 부분들을 포함한다. 일부 실시예에서, 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)의 직경은, 실린더 라이너(42)의 이동 부분(90)의 직경과 실질적으로 동일할 수 있을 것이다.
도 3은, 도 2의 3-3선 내부를 취한, 기관(12)의 피스톤(24) 및 실린더 라이너(42)의 부분 단면도이다. 도 3은, 피스톤(24)의 톱 랜드(54)가 실린더 라이너(42)의 상부 부분과 방사 방향으로 대향하는, 상사점 위치에 있는 피스톤(24)을 예시한다. 연료(20) 및 공기(18)는, 피스톤(24)이 상사점 위치에 접근하기 이전에 또는 거의 접근할 때, 연소 챔버(14)에서 연소를 시작할 것이다. 연소 챔버(14) 내부의 연료(20) 및 공기(18)의 부분들은 피스톤(24)의 일부 연소 사이클 도중에 불완전하게 반응할 수 있을 것이다. 불완전 연소 생성물은, 배기가스에 기여할 수 있으며 및/또는 실린더 라이너(42) 또는 피스톤(24) 상에 침착물(예를 들어, 탄소 침착물)을 형성할 수 있을 것이다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 코크스화된 윤활제(예를 들어, 윤활유)가, 피스톤(24)의 톱 랜드(54) 및/또는 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)과 같은, 연소 챔버(14)의 표면들 상에 탄소 침착물을 형성할 수 있을 것이다. 특정 크기보다 더 큰 연소 챔버(14)에 가까운 간극들 또는 틈새들이, 피스톤 조립체(40)의 틈새 체적을 증가시킬 수 있을 것이다. 틈새들은, 하나의 피스톤 사이클로부터 다른 사이클까지, 연료-공기 혼합물(84) 또는 배기가스(78)의 부분들을 보유할 수 있으며, 그로 인해 연소 효율을 감소시킬 수 있다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 틈새들은 피스톤 사이클 도중에 연료(20) 또는 공기(18)의 부분들을 보유할 수 있으며, 그로 인해 피스톤 사이클 도중에 불완전 반응을 가능하게 하며 그리고 연소 효율을 감소시킬 수 있을 것이다.
따라서, 피스톤 조립체(40)의 피스톤(24) 및 실린더 라이너(42)의 기하학적 형상은, 밀접한 톱 랜드(TTL) 설계를 구비할 수 있으며, 그로 인해 피스톤 조립체(40)의 틈새 체적을 감소시키고, 배기가스를 감소시키며, 그리고 연소 효율을 증가시킨다. 본 명세서에서 한정되는 바와 같이, TTL 설계가, 기관(12)이 정격 온도(예를 들어, 대략 480℃ 내지 815℃ 사이의, 대략 540℃ 내지 760℃ 사이의, 또는 대략 590℃ 내지 700℃ 사이의 연소 온도)에서 작동할 때, 방사 방향으로 대략 25 ㎛ 미만의 작동 간극을 구비한다. 예를 들어, TTL 설계는, 기관(12)이 정격 온도에서 작동할 때, 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)의 제1 표면(120)과 피스톤(24)의 톱 랜드(54)의 제2 표면(122) 사이에, 방사 방향으로 35, 30, 25, 20, 또는 15 ㎛ 미만의 작동 간극(예를 들어, 틈(80))을 구비할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 피스톤 조립체(40)의 TTL 설계가, 실온(예를 들어, 대략 20℃)일 때, 알루미늄 피스톤에 대한 공칭 보어 직경의 대략 0.36% 내지 0.46% 사이인, 피스톤(24) 톱 랜드(54) 둘레에 톱 랜드 방사 방향 간극을 구비할 수 있을 것이다. TTL 설계의 다른 재료(예를 들어, 스틸)의 피스톤에 대한 톱 랜드(54) 둘레의 톱 랜드 방사 방향 간극은, 알루미늄 피스톤에 대한 톱 랜드 방사 방향 간극을 다른 재료(예를 들어, 스틸)와 알루미늄 사이의 열팽창 계수의 비율로 곱함으로써, 결정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 13.2(10-6 m/m K)의 열팽창 계수를 갖는 스틸(42CrMo4V)에 대해 그리고 21(10-6 m/m K)의 열팽창 계수를 갖는 알루미늄(M124G)에 대해, 스틸(42CrMo4V) 피스톤에 대한 톱 랜드(54) 둘레의 톱 랜드 방사 방향 간극은, 스틸(42CrMo4V) 피스톤에 대한 공칭 보어 직경의 대략 0.23% 내지 0.29% 사이이다. (예를 들어, 0.36% × (13.2/21) = 0.23%; 0.46 × (13/21) = 0.29%)
배기가스(78) 또는 윤활제로부터의 탄소 침착물이 연소 챔버(14) 둘레의 표면들 상에 형성될 수 있을 것이다. 탄소 침착물이 톱 랜드(54)의 제2 표면(122) 상에 형성되면, 탄소 침착물은, 실린더 라이너(42)의 내측 벽(44)의 이동 부분(90) 상에서 마찰 및 마모(예를 들어, 탄소 긁힘 및 보어 폴리싱)를 증가시킬 수 있을 것이다. 실린더 라이너(42)의 내측 벽(44) 상의 마모는, 틈(80)을 증가시키는 것을 통해 윤활유 소모를 증가시킬 수 있을 것이다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 내측 벽(44) 상에서의 증가된 마모는, 상부 환형 링(58) 또는 부가적 환형 링들(62)을 지나가는, 연료(20), 공기(18), 및/또는 연소 생성물(78)의 블로바이를 증가시킬 수 있을 것이다.
피스톤(24)을 향해 방사 방향으로 내향으로 연장되는 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)에서의 폴리싱 저항 링이, 제2 표면(122)으로부터의 침착물을 제거하기 위해 톱 랜드(54)와 상호작용할 수 있을 것이다. 폴리싱 저항 링과 함께 활용되는 피스톤(24)의 톱 랜드(54)는, 폴리싱 저항 링 없는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 활용되는 주어진 실린더 라이너(42)와 함께하는 피스톤(24)의 톱 랜드(54) 보다, 주어진 실린더 라이너(42)에 대해 더 작다(예를 들어, 더 작은 직경임). 폴리싱 저항 링을 구비하는 피스톤 조립체(4)와 함께 활용되는 더 작은 톱 랜드(54)는 피스톤(24)의 제2 표면(122)과 실린더 라이너(42)의 내측 환형 벽(44) 사이의 틈(80)을 증가시킨다. 폴리싱 저항 링과 동반하는 더 큰 틈(80)은 틈새 체적을 증가시킬 것이며 그리고 폴리싱 저항 링 없는 본 명세서에 설명되는 피스톤 조립체(40)의 실시예들에 비해 기관 효율을 감소시킬 것이다. 더불어, 폴리싱 저항 링을 구비하는 피스톤 조립체(40)는, 폴리싱 저항 링 없는 피스톤 조립체(40)에 비해 실린더 라이너(42) 및 톱 랜드(54)의 증가된 온도들을 구비할 수 있을 것이다. 더 낮은 실린더 라이너 및 톱 랜드(54)의 온도를 갖는 피스톤 조립체(40)는, 감소된 배기가스, 피스톤(24)의 증가된 피로 수명, 윤활제의 증가된 사용가능 수명, 및 덜 빈번한 윤활제 교환 간격, 또는 이들의 임의의 조합을 구비할 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 상부 부분(92)의 제1 표면(120)은, 연소 챔버(14)의 틈새 체적에 임의의 상당한 영향 없이 톱 랜드(54)에 비해 상부 부분(92) 상의 탄소 침착물의 형성을 촉진하는 제1 표면 마감 상태를 구비한다. 말하자면, 제1 표면(120) 상의 "거시적(macro)" 표면 마감 상태가 틈새 체적을 증가시킬 수 있는 반면, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 제1 마감 상태의 실시예는 TTL 설계의 간극들에 비해 틈새 체적에 대한 실질적으로 사소한 영향을 갖는 "미시적" 표면 마감 상태를 구비한다. 예를 들어, 제1 표면(120)의 제1 표면 마감 상태의 거칠기 평균(Ra)이, 기관(12)의 작동 도중에, TTL 간극(예를 들어, 25 ㎛) 보다 작다. 상부 부분(92)의 제1 표면(120) 상의 탄소 침착물은, 피스톤(24)의 톱 랜드(54)의 제2 표면(122) 상에 형성될 수 있는 탄소 침착물을 긁어내거나 제거하기 위해 적어도 부분적으로 틈(80)을 가로질러 연장될 수 있을 것이다. 인식하게 될 것으로서, 표면 마감 상태가 적어도 표면 거칠기 매개변수 및 표면파형 매개변수에 의해 정의될 수 있으며, 여기서 표면 거칠기 매개변수는 표면의 미세하게 이격된 불규칙성의 정도이며, 그리고 표면파형 매개변수는 특성 길이에 걸친 표면 거칠기 매개변수 보다 더 큰 간격을 갖는 표면 불규칙성의 정도이다. 본 명세서에서 논의되는 표면 거칠기 매개변수는 거칠기 평균(Ra) 매개변수이다. 거칠기 평균(Ra)은 윤곽을 따르는 절대 값들의 산술적 평균에 대응하는 매개변수이다. 본 명세서에서 논의되는 표면파형 매개 변수는 전체 표면파형(Wt) 매개변수이며, 여기서 전체 표면파형(Wt)은, 윤곽의 가장 큰 윤곽 꼭대기 높이(largest profile peak height) 및 가장 큰 윤곽 골짜기 깊이(largest profile valley depth)의 합계이다. 인식하게 될 것으로서, 전체 표면파형(Wt) 및 거칠기 평균(Ra)은, 대략 0.5, 0.8, 또는 1.0 mm 와 같은, 특성 길이를 가로질러 구체화될 수 있을 것이다. 제1 표면(120)의 거칠기 평균(Ra1)은, 대략 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 또는 20 ㎛ 초과일 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 제1 표면(120)의 거칠기 평균(Ra1)은, 대략 20 ㎛ 와 같이, 대략 25 ㎛ 미만일 수 있을 것이다. 제1 표면의 전체 표면파형(Wt)은, 대략 0.1, 0.05, 또는 0.03 mm 보다 작을 수 있을 것이다. 예를 들어, 제1 표면 마감 상태는, 대략 1 ㎛ 초과의 거칠기 평균(Ra1), 그리고 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(Wt)을 구비할 수 있을 것이다. 이에 국한되는 것은 아니지만, 25 ㎛ 미만의 거칠기 평균(Ra1) 및 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(Wt)을 갖는 제1 표면의 실시예들에 대한, "미시적" 표면 마감 상태가, 피스톤 조립체(40)의 틈새 체적을 눈에 띄게 증가시키지 않는다는 것을, 인식하게 될 것이다. 일부 실시예에서, 제1 표면(120)의 제1 표면 마감 상태는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 드릴링, 밀링, 보링, 브로칭(broaching), 리밍(reaming), 연마, 호우닝(honing), 전자폴리싱, 폴리싱, 또는 래핑(lapping), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 공정에 의해 형성될 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 피스톤 조립체(40)의 TTL 설계의 방사 방향 간극은 상부 부분(92) 및 톱 랜드(54) 상의 탄소 침착물의 형성을 감소시킬 수 있을 것이다. 그러나, 틈(80)이 기관(12)의 작동 도중에 보어 뒤틀림(distortion)으로 인해 증가하는 곳에서, 상부 부분(92)의 제1 표면(120) 상에 형성되는 탄소 침착물이 톱 랜드(54)의 제2 표면(122) 상의 탄소 침착물의 형성을 억제할 것이다. 톱 랜드(54)의 제2 표면(122) 상의 탄소 침착물의 형성을 감소시키는 것은, 내측 벽(44) 상의 마모를 감소시킬 것이고, 피스톤(24)과 실린더 라이너(42) 사이의 밀봉의 장기 지속성(longevity)을 증가시키며, 톱 랜드(54) 및 실린더 라이너(42)의 온도를 요구되는 작동 온도 범위(예를 들어, 250℃) 이내에 유지시킬 것이며, 또는 이들의 임의의 조합이 이루어지도록 할 것이다. 밀봉의 장기 지속성을 증가시키는 것 및/또는 피스톤(24) 또는 실린더 라이너(42)의 마모를 감소시키는 것은, 유지보수 간격과 연관된 비 작동 시간을 줄일 수 있으며, 그로 인해 기관(12)이 더 긴 지속시간 동안 부하물(28)에 동력을 제공하는 것을 계속하도록 할 수 있다. 탄소 침착물 형성은 구성요소들(예를 들어, 피스톤(24), 실린더 라이나(42))의 증가된 온도와 더불어 증가할 수 있을 것이다. 따라서, 톱 랜드(54)의 제2 표면(122) 상의 탄소 침착물의 형성을 감소시키는 것은 피스톤(24)으로부터 실린더 라이너(42)로의 열 전달을 증가시킬 수 있고, 그로 인해 톱 랜드(54)의 온도를 감소시킬 수 있으며 그리고 톱 랜드(54)의 제2 표면 상의 탄소 침착물 형성의 가능성을 추가로 감소시킬 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 톱 랜드(54)의 제2 표면(122)의 제2 표면 마감 상태가, 톱 랜드(54) 상의 탄소 침착물의 형성을 억제하도록 구성된다. 톱 랜드(54)의 제2 표면(122)의 거칠기 평균(Ra2)은 2, 1, 0.8, 0.5, 또는 0.3 ㎛ 미만일 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 제2 표면(122)의 제2 표면 마감 상태는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 드릴링, 밀링, 보링, 브로칭, 리밍, 연마, 호우닝, 전자폴리싱, 폴리싱, 또는 래핑, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 공정에 의해 형성될 수 있을 것이다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 코팅이 2 ㎛ 초과의 거칠기 평균을 갖는 톱 랜드(54)에 도포될 수 있으며, 따라서 도포된 코팅을 갖는 제2 표면(122)의 거칠기 평균(Ra2)이 대략 2, 1, 0.8, 0.5, 또는 0.3 ㎛ 미만이 되도록 할 수 있다. 코팅은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 다른 것들 중에서, 크롬, 흑연, 몰리브덴, 주철, 및 실리콘을 포함할 수 있을 것이다. 톱 랜드(54)의 제2 표면(122)의 제2 표면 마감 상태가 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)의 제1 표면 마감 상태보다 더 부드러울 때(예를 들어, Ra2 < Ra1), 탄소 침착물은, 톱 랜드(54)의 제2 표면(122) 상에서 보다 상부 부분(92)의 제1 표면(120) 상에 유지되지가 더욱 쉽다. 말하자면, 제1 표면(120)의 표면 거칠기는 탄소 침착물을 구속하는 더 양호한 기계적 고정 수단일 수 있을 것이며, 그리고 제2 표면(122)의 표면 거칠기는 탄소 침착물을 구속하기 위한 더 열악한 기계적 고정 수단일 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 제1 표면(120)의 거칠기 평균 매개변수(Ra1)와 제2 표면(122)의 거칠기 평균 매개변수(Ra2) 사이의 차이는, 차이 값보다 더 클 수 있을 것이다. 차이 값은, 대략 0.5, 0.7, 1, 2, 3, 4, 5 ㎛ 또는 그 이상일 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 제1 거칠기 평균(Ra1)은 제2 거칠기 평균(Ra2) 보다 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상의 지수(factor) 만큼 더 클 수 있을 것이다. 제1 거칠기 평균(Ra1)과 제2 거칠기 평균(Ra2) 사이의 더 큰 차이는, 피스톤 조립체(40) 내에 형성되는 임의의 탄소 침착물이 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)의 제1 표면(120) 상에 형성될 가능성을 증가시킬 수 있을 것이다.
실린더 라이너(42)의 상부 링 반환점(124) 아래에서, 내측 벽(44)의 이동 부분(90)의 제3 표면 마감 상태가, 대략 1, 0.8, 또는 0.5 ㎛ 미만의 거칠기 평균(Ra3)을 구비할 수 있을 것이다. 인식하게 될 것으로서, 실린더 라이너(42)의 상부 링 반환점(124)은 상사점 위치에서 톱 랜드(54)의 하부와 방사 방향으로 대향하게 된다. 따라서, 실린더 라이너(92)의 상부 부분(92)은, 축 방향(48)에서 상부 링 반환점(124) 위의 부분으로서 한정될 수 있을 것이다. 거칠기 평균(Ra3)은 거칠기 평균(Ra1) 보다 작을 수 있으며(예를 들어, 더욱 부드러움), 그로 인해 내측 벽(44)의 이동 부분(90) 상에 탄소 침착물의 형성을 억제할 것이다. 일부 실시예에서, 톱 랜드(54)의 제2 표면(122)의 거칠기 평균(Ra2)은 대략, 내측 벽(44)의 이동 부분(90)의 거칠기 평균(Ra3)과 동일하거나 그보다 작을 수 있을 것이다. 예를 들어, 이동 부분(90)의 거칠기 평균(Ra3)은 대략, 제2 표면(122)의 거칠기 평균(Ra2) 보다, 0, 10, 25, 50, 100, 200, 300, 또는 400 % 더 클 수 있을 것이다. 내측 벽(44)의 이동 부분(90)의 제3 표면 마감 상태는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 드릴링, 밀링, 보링, 브로칭, 리밍, 연마, 호우닝(예를 들어, 평탄화 호우닝), 전자폴리싱, 폴리싱, 또는 래핑, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 공정에 의해 형성될 수 있을 것이다.
도 4는, 도 2의 3-3 선 내부를 취한, 기관(12)의 실린더 라이너(42) 및 피스톤(24)의 부분 단면도이다. 도 4는 상사점 위치를 향해 축 방향(48)으로 이동하는 피스톤(24)을 예시한다. 실린더 라이너(42)의 상부 부분(92)의 제1 표면(120) 상의 제1 유지 침착물(130)이, 피스톤(24)과 실린더 라이너(42) 사이에서 환형 틈(80) 내로 연장된다. 피스톤(24)이 상사점 위치를 향해 이동함에 따라, 제1 유지 침착물(130)은, 피스톤(24)의 톱 랜드(54)의 제2 표면(122) 상의 제2 유지 침착물(132)과 상호작용할 것이다. 제2 표면(120)의 제1 표면 마감 상태는, 제2 표면(122)의 제2 표면 마감 상태가 피스톤(24)의 톱 랜드(54)에 제2 유지 침착물(132)을 고정하는 것보다, 상부 부분(92)에 제1 유지 침착물(130)을 더욱 잘 고정한다. 따라서, 상부 부분(92) 상의 제1 유지 침착물(130)은, 제2 유지 정착물(132)이 상부 부분(92)으로부터 제1 유지 정착물(130)을 제거하는 것보다, 톱 랜드(54)로부터 제2 유지 침착물(132)을 더 제거할 수 있을 것이다. 따라서, 피스톤(24)의 톱 랜드(54)는 제1 표면(120) 상의 제1 유지 침착물(130)에 의해 청소되며, 그로 인해 톱 랜드(54)의 제2 표면(122)과 실린더 라이너(42)의 이동 부분(90) 사이의 마찰을 감소시킬 것이다. 일부 실시예에서, 제1 표면(120)은, 적어도 부분적으로 수집(collection)에 기초하게 되는, 제2 표면(122) 보다 더 빠른 속도로 침착물을 축적할 수 있을 것이며, 그리고 제2 표면(122)의 제2 표면 마감 상태 보다 제1 표면(120)의 제1 표면 마감 상태에 의해 더 많은 윤활제(예를 들어, 윤활유)를 유지할 것이다. 유지된 윤활유는 연소 도중에 코크스화될 수 있을 것이고, 그로 인해 침착물(130)을 형성할 것이다.
본 명세서에서 논의된 실시예들의 기술적 효과는, 틈새 체적을 감소시키는 것 및 기관의 작동 도중에 연소 챔버 내에서의 탄소 침착물의 형성을 감소시키는 것을 포함한다. 부가적으로, 또는 변형예에서, 본 명세서에서 논의된 실시예들의 기술적 효과는, 피스톤의 온도를 감소시키는 것, 연소 효율을 개선하는 것, 윤활유 소모를 감소시키는 것, 실린더 라이너의 마모를 감소시키는 것, 블로바이를 감소시키는 것, 및 피스톤에 대한 밀봉 링들의 장기 지속성을 증가시키는 것, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 톱 랜드의 표면 마감 상태에 대한 실린더 라이너의 상부 부분의 더 거친 표면 마감 상태는, 실린더 라이너의 상부 부분 상의 침착물 형성의 가능성을 증가시킨다. 부가적으로, 탄소 침착물이 실린더 라이너 및 피스톤 상에 형성될 수 있는 정도까지, 톱 랜드의 표면 마감 상태에 대한 실린더 라이너의 상부 부분의 더 거친 표면 마감 상태는, 상부 부분 상에 유지된 침착물이 실린더 라이너 내부에서의 피스톤의 왕복 운동 도중에 피스톤의 톱 랜드로부터 침착물을 제거하는 것을 야기할 수 있도록 한다.
이러한 기술된 설명은, 최상의 모드를 포함하는, 본 발명을 개시하도록 하기 위한 그리고, 임의의 장치들 및 시스템들을 만들고 사용하는 것 및 임의의 통합된 방법들을 실행하는 것을 포함하는. 임의의 당업자가 본 발명을 실행하는 것을 가능하도록 하기 위한, 예들을 사용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는, 특허청구범위에 의해 한정되며 그리고 당업자에게서 일어날 수 있는 다른 예들을 포함할 수 있을 것이다. 일부 다른 예들은, 그들이 특허청구범위의 문헌적 언어와 상이하지 않은 구조적 요소들을 구비하는 경우, 또는 그들이 특허청구범위의 문헌적 언어와 사소한 차이를 갖는 균등한 구조적 요소들을 포함하는 경우, 특허청구범위의 범주 이내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 왕복동식 기관으로서:
    내측 벽을 구비하며 그리고 캐비티 둘레로 연장되는 실린더 라이너로서, 상기 내측 벽은 제1 축 방향 단부, 제2 축 방향 단부, 피스톤 이동 부분 및 상부 부분을 포함하며, 상기 상부 부분은, 실린더 라이너의 상기 제2 축 방향 단부에 대한 것 보다 실린더 라이너의 상기 제1 축 방향 단부에 더 가깝고, 상기 상부 부분은 제1 표면 마감 상태를 구비하고, 상기 제1 표면 마감 상태는 대략 2 ㎛ 초과의 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(Wt)을 포함하며, 그리고 상기 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 상기 전체 표면파형(Wt)은 대략 0.8 mm의 특성 길이에 기초하게 되는 것인, 실린더 라이너; 및
    상기 캐비티 내부에 배치되며 그리고 상기 실린더 라이너 내부에서 왕복동식으로 운동하도록 구성되는 피스톤으로서, 상기 피스톤은, 피스톤이 상사점 위치에 있을 때, 상기 실린더 라이너의 상기 내측 벽의 상기 상부 부분에 방사 방향으로 대향하게 되도록 구성되는 톱 랜드(top land)를 포함하는 것인, 피스톤
    을 포함하는 것인, 왕복동식 기관.
  2. 제 1항에 있어서,
    제1 거칠기 평균(Ra1)은 대략 5 ㎛ 초과인 것인, 왕복동식 기관.
  3. 제 1항에 있어서,
    제1 거칠기 평균(Ra1)은 대략 25 ㎛ 미만인 것인, 왕복동식 기관.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전체 표면파형(Wt)은 대략 0.05 mm 미만인 것인, 왕복동식 기관.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 피스톤의 상기 톱 랜드의 제2 표면 마감 상태가 대략 2 ㎛ 미만의 제2 거칠기 평균(Ra2)을 포함하고, 제2 거칠기 평균(Ra2)은 제1 거칠기 평균(Ra1) 보다 작으며, 그리고 제2 거칠기 평균(Ra2)은 대략 0.8 mm의 특성 길이에 기초하게 되는 것인, 왕복동식 기관.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 피스톤의 상기 톱 랜드는 제2 표면 마감 상태를 구비하고, 상기 제2 표면 마감 상태는 제2 거칠기 평균(Ra2)을 포함하며, 상기 내측 벽의 상기 상부 부분의 상기 제1 표면 마감 상태의 제1 거칠기 평균(Ra1)은 제2 거칠기 평균(Ra2) 보다 적어도 2배 더 큰 것인, 왕복동식 기관.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 피스톤의 상기 톱 랜드는 제2 표면 마감 상태를 구비하고, 상기 제2 표면 마감 상태는 제2 거칠기 평균(Ra2)을 포함하며, 제1 거칠기 평균(Ra1)과 제2 거칠기 평균(Ra2) 사이의 차이가 대략 0.5 ㎛ 를 초과하는 것인, 왕복동식 기관.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 부분은 제1 직경을 구비하고, 상기 피스톤 이동 부분은 제2 직경을 구비하며, 그리고 상기 제1 직경은 상기 제2 직경과 동일한 것인, 왕복동식 기관.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 실린더 라이너는 상기 내측 벽의 상기 상부 부분에서 제1 반경을 구비하고, 상기 피스톤은 상기 톱 랜드에서 제2 반경을 구비하며, 그리고 왕복동식 기관의 작동 도중에 상기 제1 반경과 상기 제2 반경 사이의 반경 방향 간극은 대략 25 ㎛ 미만인 것인, 왕복동식 기관.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 실린더 라이너는 상기 내측 벽의 상기 상부 부분에서 제1 반경을 구비하고, 상기 피스톤은 상기 톱 랜드에서 제2 반경을 구비하며, 상기 제1 반경과 상기 제2 반경 사이의 간극비가 실온에서 상기 내측 벽의 상기 상부 부분의 보어 직경의 대략 0.5 % 미만이며, 그리고 상기 보어 직경은 상기 제1 반경의 2배를 구비하는 것인, 왕복동식 기관.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 표면 마감 상태는, 왕복동식 기관의 작동 도중에 상기 내측 벽의 상기 상부 부분에 탄소 침착물을 유지하도록 구성되며, 그리고 상기 상부 부분에서의 상기 유지된 탄소 침착물은, 폴리싱 저항 링 없이 상기 톱 랜드에서 탄소 침착물을 감소시키도록 구성되는 것인, 왕복동식 기관.
  12. 왕복동식 기관으로서:
    내측 벽을 구비하며 그리고 캐비티 둘레로 연장되는 실린더 라이너로서, 실린더 라이너는 실린더 라이너의 상기 내측 벽의 상부 부분에서 제1 반경을 구비하며, 그리고 상기 상부 부분은 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(Wt)을 포함하는 제1 표면 마감 상태를 구비하는 것인, 실린더 라이너; 및
    상기 캐비티 내부에 배치되며 그리고 상기 실린더 라이너 내부에서 왕복동식으로 운동하도록 구성되는 피스톤
    을 포함하며,
    상기 피스톤은:
    상기 피스톤 둘레에서 원주 방향으로 연장되는 적어도 하나의 환형 홈; 및
    상기 적어도 하나의 환형 홈 중의 상부 환형 링에 인접한 톱 랜드로서, 상기 톱 랜드는 제2 반경 및 제2 표면 마감 상태를 구비하고, 왕복동식 기관의 작동 도중에 상기 제1 반경과 상기 제2 반경 사이의 반경 반향 간극이 대략 25 ㎛ 미만이며, 상기 제2 표면 마감 상태는 대략 2 ㎛ 미만의 제2 거칠기 평균(Ra2)을 포함하고, 제2 거칠기 평균(Ra2)은 제1 거칠기 평균(Ra1) 보다 작으며, 그리고 제1 거칠기 평균(Ra1), 전체 표면 파형(Wt) 및 제2 거칠기 평균(Ra2)은 대략 0.8 mm 의 특성 길이에 기초하게 되는 것인, 톱 랜드를 포함하는 것인, 왕복동식 기관.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 내측 벽의 상기 상부 부분의 제1 거칠기 평균(Ra1)은 상기 피스톤의 상기 톱 랜드의 제2 거칠기 평균(Ra2) 보다 적어도 2배 더 큰 것인, 왕복동식 기관.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 실린더 라이너는 상기 상부 부분 아래에 피스톤 이동 부분을 포함하며, 상기 내측 벽의 상기 상부 부분은 제1 직경을 구비하고, 상기 피스톤 이동 부분은 제2 직경을 구비하며, 상기 제1 직경은 상기 제2 직경과 동일한 것인, 왕복동식 기관.
  15. 제 12항에 있어서,
    제1 거칠기 평균(Ra1)과 제2 거칠기 평균(Ra2) 사이의 차이가 대략 0.5 ㎛ 를 초과하는 것인, 왕복동식 기관.
  16. 제 12항에 있어서,
    제2 거칠기 평균(Ra2)은 대략 0.5 ㎛ 미만인 것인, 왕복동식 기관.
  17. 왕복동식 기관으로서,
    내측 벽을 구비하며 그리고 캐비티 둘레로 연장되는 실린더 라이너로서, 상기 내측 벽은 제1 축 방향 단부, 제2 축 방향 단부, 피스톤 이동 부분 및 상부 부분을 포함하며, 상기 실린더 라이너는 상기 내측 벽의 상기 상부 부분에서 제1 직경을 구비하고, 상기 상부 부분은, 실린더 라이너의 상기 제2 축 방향 단부에 대한 것 보다 실린더 라이너의 상기 제1 축 방향 단부에 더 가깝고, 상기 상부 부분은 제1 표면 마감 상태를 구비하며, 그리고 상기 제1 표면 마감 상태는 대략 2 ㎛ 초과의 제1 거칠기 평균(Ra1) 및 대략 0.1 mm 미만의 전체 표면파형(Wt)을 포함하는 것인, 실린더 라이너; 및
    상기 캐비티 내부에 배치되며 그리고 상기 실린더 라이너 내부에서 왕복동식으로 운동하도록 구성되는 피스톤으로서, 상기 피스톤은, 피스톤이 상사점 위치에 있을 때, 상기 실린더 라이너의 상기 내측 벽의 상기 상부 부분에 방사 방향으로 대향하게 되도록 구성되는 톱 랜드(top land)를 포함하고, 상기 피스톤은 상기 톱 랜드에서 제2 반경을 구비하며, 그리고 상기 피스톤의 상기 톱 랜드는 제1 거칠기 평균(Ra1) 보다 작은 제2 거칠기 평균(Ra2)을 포함하는 제2 표면 마감 상태를 구비하는 것인, 피스톤
    을 포함하며,
    왕복동식 기관의 작동 도중에 상기 제1 반경과 상기 제2 반경 사이의 반경 반향 간극이 대략 25 ㎛ 미만이고, 제1 거칠기 평균(Ra1)과 제2 거칠기 평균(Ra2) 사이의 차이가 대략 0.5 ㎛ 를 초과하며, 그리고 제1 거칠기 평균(Ra1), 전체 표면 파형(Wt) 및 제2 거칠기 평균(Ra2)은 대략 0.8 mm 의 특성 길이에 기초하게 되는 것인, 왕복동식 기관.
  18. 제 17항에 있어서,
    제1 거칠기 평균(Ra1)은 대략 5 ㎛ 를 초과하는 것인, 왕복동식 기관.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 실린더 라이너는 상기 내측 벽의 상기 상부 부분에서 제1 반경을 구비하며, 상기 피스톤은 상기 톱 랜드에서 제2 반경을 구비하고, 상기 제1 반경과 상기 제2 반경 사이의 간극비가 실온에서 상기 내측 벽의 상기 상부 부분의 보어 직경의 대략 0.5 % 미만이며, 그리고 상기 보어 직경은 상기 제1 반경의 2배를 포함하는 것인, 왕복동식 기관.
  20. 제 17항에 있어서,
    제2 거칠기 평균(Ra2)은 대략 0.8 ㎛ 미만인 것인, 왕복동식 기관.
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