KR20170007237A - 원주방향의 홈을 구비하는 피스톤 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연 기관 또는 압축기를 위한 피스톤 링, 특히 외부 활주면(3), 두 개의 플랭크들(5, 6), 및 내주 표면(7)을 구비하는 피스톤 링에 관한 것이고, 상기 활주면(3)은 홈(2)을 갖는 프로파일을 가지고, 상기 홈(2)은 피스톤 링(1)의 단부에 대해 상부 활주면부(3')와 하부 활주면부(3") 사이에 배열된다.

Description

원주방향의 홈을 구비하는 피스톤 링{Piston ring comprising a groove in the circumferential direction}

본 발명은 내연 기관용 또는 압축기용 피스톤 링, 특히 활주면(running surface) 상에 배치되는 홈을 구비하는 피스톤 링에 관한 것이다.

현재, 선박을 위한 큰 체적 엔진들은 여전히 2행정 사이클의 디젤 엔진인데, 이는 이 유형의 엔진이 그들의 회전 속도가 실린더들의 개수에 따라 일반적으로 약 50 rpm 내지 250 rpm(통상 100 rpm 이하)의 범위에 놓이고, 그들의 출력이 약 100 MW까지 도달할 수 있기 때문이다. 그런 큰 체적의 완속(slow-running) 2 행정 사이클 선박용 엔진들은 바람직하게는 프로펠러(들)의 구동 샤프트(들) 상에 직접적으로 작용하는데, 이는 그들의 회전 속도로 인해 회전 속도 감속을 위한 감속 기어가 생략될 수 있기 때문이다.

일반적으로, 그런 큰 체적의 2 행정 사이클 엔진들은 두 개의 분리된 오일 순환로(circuit)들을 가지는데, 하나는 엔진 윤활을 위한 것이고, 하나는 실린더 윤활을 위한 것이다. 실린더 윤활은 적절한 순간에 충분한 윤활 오일이 가용하게 되는 것을 보장하여, 실린더 표면 또는 피스톤 링의 충분한 윤활을 보장한다.

실린더 윤활 오일은, 기계의 하중(load)에 따라 부시(bush)를 통해 피스톤 체임버(chamber) 내로 주입된다. 피스톤 링들은 이 윤활 필름, 베어링 접촉 표면(bearing contact surface) 상에서 활주한다. 여기서 고려할 점은 그 중에서도, 비용을 절약하고 과윤활(excess lubrication)을 방지하기 위해, 윤활 오일을 가능한 한 적게 주입해야 한다는 것이다. 윤활 오일 펌프에 의해 윤활 오일 입구들을 통해 실린더 내로 공급되는 오일을 윤활함으로써 실린더 윤활이 예를 들어 실린더 벽 내의 평면(plane)에 제공되는 상부 스트로크 3분의 1에서(the upper stroke third) 일어나고, 따라서 피스톤과 피스톤 링의 윤활이 가능한 한 최적의 방식으로 보장된다. 실린더들 내로의 오일 공급은 통상 가스 역압(counter-pressure) 과정 중에 일어난다.

예를 들어, 윤활 오일 주입 시스템이 사용될 수 있고, 이는 실린더 내로 윤활 오일을 노즐들을 통해 정확히 넣는다(dose). 컴퓨터 제어 시스템은 피스톤이 위치되고 목표가 된 방식으로(in a targeted manner) 윤활 오일을 공급하는 위치에서 기록한다(register). 이는 고압에서 일어나, 윤활 오일이 매우 미세하게 분사되어 실린더 부시의 가능한 한 균일한 축축함(a wetting)을 얻지만, 목표가 된 방식에서는 피스톤 링들이 위치되고 실제로는 마찰이 일어난다.

현대의, 큰 체적의 2 행정 사이클 선박용 엔진들이 2500 mm까지의 스트로크로 약 50 rpm에서 150 rpm까지의 회전 속도로 작동된다는 것을 고려할 때, 윤활 오일의 공급 및 공급된 윤활 오일의 분배를 위해 가용한 기간(time span)은 작고, 윤활의 질을 보장하기 위한 큰 도전을 제기한다. 만약 예를 들어 실린더가 900 mm의 (내부) 지름 및 공급 오일을 위해 원주에 균일하게 분배되는 여덟 유입부(inlets)들을 가진다면, 공급된 윤활 오일은 각 유입부들에서 시작하여 원주 방향으로 약 350 mm의 길이에 걸쳐, 제공된 기간 내에 분배되어야만 한다.

원주 방향의 압력 구배의 부족 때문에, 종래 구성의 하나 이상의 피스톤 링에서, 원주 방향에서 윤활 오일의 매우 작은 분배(최대 약 3%)만이 얻어지거나 얻어지지 않는다.

본 발명의 출원 분야는 전반적으로 내연 기관이고, 또 선박 용도 밖이다.

본 발명의 목적은 충분한 윤활 조건과 함께, 낮은 오일 소비량 및 낮은 통과량의 누설 가스(블로바이;blow-by)을 보장하고, 또 유리한 방법으로 제조될 수 있는 피스톤 링을 제공하는 것이다.

이 문제의 해결은 청구항 1의 특징부에 따르는 특징들을 갖는 피스톤 링을 통해 일어난다.

본 발명에 따르는 유리한 구성들은 종속항에 포함된다.

본 발명에 따르면, 외부 활주면을 구비하는 피스톤, 두 개의 (피스톤 링) 플랭크들(flanks) 및 내주 표면이 제공되고, 상기 활주면은 홈 형태의 프로파일을 가진다. 상기 홈은 피스톤 링의 단면에 대해, 상부 활주면부와 하부 활주면부 사이에 배치된다. 그런 방식으로 구성된 피스톤 링의 활주면은 상기 홈과 반대(counter) 활주면에 의해 형성되는 공동에 윤활 오일을 수용할 수 있다. 유체역학적 압력들이 연속 작동에서 상기 홈에 원주 방향으로 형성(build up)될 수 있다. 이 유체역학적 압력들은 윤활 오일 흐름들 및 상기 윤활 오일의 재분배를 야기하는 압력 구배를 낳는다. 유체역학에 의한 상기 윤활 오일의 재분배는 원주 방향에 대해, 상기 홈 내로 주입되거나 공급되는 윤활 오일의 필요량의 감소 및 더 균일한 분배로 이어진다.

따라서, 바람직하게는, 원주에 대해 윤활 오일의 균일한 베어링 접촉 표면이 얻어져서 충분한 윤활 조건을 보장하고, 누설 가스(블로바이)의 통로를 가능한 한 균일하게 밀봉하고 (또는 가능한 한 적은 누설 가스(블로바이)의 통과를 얻고), 상기 피스톤의 작업 방향으로 효과적으로 윤활 오일을 벗겨낼 수 있고, 오버러닝(overrunning)을 가능하게 한다.

피스톤 링의 실시예에서, 상기 홈은 일정한 거리에서 플랭크들로 연장한다. 피스톤 링의 실시예에서, 상기 홈은 플랭크들 또는 상부 플랭크와 하부 플랭크 사이의 중간에서 연장한다. 이 실시예는 특히 간단한 생산을 가능하게 하는데, 이는 상기 피스톤 링이 상기 홈의 도입부 전에 정렬될 필요가 없이 외부 표면의 중심에 홈을 도입하기에 충분하기 때문이다.

본 발명의 추가 실시예에서, 상기 홈은 피스톤 링의 상부 플랭크와 하부 플랭크 사이에서 높낮이가 있는 방식으로 연장한다. 이 실시예에서, 오일은 상기 홈의 오목한 부분의 연장 방향으로 더 멀리 상방 및 하방 각각의 이동과 함께 가압된다. 대응하는 역 움직임을 갖는 반대 움직임과 함께, 높낮이가 있는 홈을 갖는 링은 평평하고 똑바로 연장하는 홈을 갖는 링보다 오일을 더 잘 분배할 수 있다.

추가 예시적 실시예에서, 높낮이가 있는 홈의 높낮이가 있는 형태는 사인파 또는 코사인파를 형성하고, 이는 피스톤 링 주위로 연장한다. 반면 이 실시예는 사인파에 대응하는, 플랭크에 가까운 스러스트 단부들에서 상기 홈의 경로의 시작을 설명하는 것에 목적이 있다. 반면, 이 실시예는 또한 코사인파에 대응하는, 플랭크들 사이의 중간에 가까운 스러스트 단부들에서 상기 홈의 경로의 시작을 설명하는 것에 목적이 있다.

추가 예시적 실시예에서, 상기 높낮이가 있는 홈의 높낮이가 있는 형태는 플랭크들 사이에 비대칭적이거나 톱니 모양 같은 파형(wave)을 형성한다. 이 실시예는 피스톤 링 자체에 피스톤의 피스톤 링 홈에서의 회전 이동을 위한 바람직한 방향을 제공하도록 사용될 수 있다. 상기 홈 자체가 비대칭적으로 실시되면 이 효과는 강화될 수 있고, 따라서 링은 오일 막 위에서 한 방향으로 더 쉽게 뜰(float) 수 있다. 여기서, 비대칭의 더 집중적 작용 부분들은 모든 스트로크들을 위한 피스톤 링의 효과적인 회전 이동을 달성할 수 있다.

주기적으로 달라지는 홈은 연속적인 작동 유체역학적 압력이 형성되거나 원주 방향으로 일어나는 것을 야기한다. 이 유체역학적 압력들은 윤활 오일이 흐르도록 그리고 상기 윤활 오일의 재분배를 생성하도록 야기하는 압력 구배를 낳는다. 유체역학적으로 야기된 윤활 오일의 재분배는 원주 방향에 대해 상기 홈 내로 주입되거나 공급되는 윤활 오일의 필요량 및 더 균일한 분배로 이어진다.

피스톤 링의 활주면 내 홈은 실질적으로 볼록하게 덮이도록 구성되는 두 개의 활주면 섹션들 사이에 배치될 수 있다. 상기 홈은 원주 방향으로 주기적으로 달라지는 경로를 가진다.

피스톤 링의 추가 예시적 실시예에서, 높낮이가 있는 홈의 파형의 진폭은 원주 방향으로 그 경로를 따라 변화한다. 이에 의해, 오일 막에서 생기는 차이는 보상될 수 있고, 이는 피스톤 링의 불규칙한 접촉 압력에 의해 일어난다.

피스톤 링의 다른 예시적 실시예에서, 높낮이가 있는 홈이 원주 방향으로 연장하는 파형의 파장은 변화한다. 이 실시예에서, 상기 홈은 다양한 비틀림(twisting) 또는 그 원주 주위를 회전하는 것을 보여주는 피스톤 링에 적용될 수 있다.

피스톤 링의 다른 예시적 실시예에서, 파형의 진폭은 스러스트 단부들의 방향으로 증가한다. 피스톤 링의 추가 예시적 실시예에서, 파형의 진폭은 스러스트 단부들의 방향으로 감소한다. 이 실시예들은 스러스트 단부들 반대쪽에 놓인 영역들에서보다 스러스트 단부들에서 더 크거나 더 작은 비틀림을 보여주는 피스톤 링에 목적이 있다.

피스톤 링의 추가 예시적 실시예에서, 파형의 진폭은 스러스트 단부들의 방향으로 감소하고 그리고/또는 파형의 파장은 스러스트 단부들의 방향으로 증가한다. 이 실시예들은 또한 스러스트 단부들 반대쪽에 놓인 영역들에서보다 스러스트 단부들에서 더 크거나 작은 비틀림을 보여주는 피스톤 링에 목적이 있다.

피스톤 링의 추가 예시적 실시예에서, 상기 홈은 피스톤 링의 스러스트 영역 전에 끝난다. 이 실시예에서, 상기 홈에 위치되는 오일이 피스톤 링 틈으로 이동되고 이 위치에서 실린더 내부 벽 상에 과량의 오일이 남는 것이 방지될 수 있다.

상기 피스톤 링의 추가적 실시예에서, 상기 홈은 그 길이에 걸쳐 일정한 단면을 가지고, 바람직하게는, 일정한 깊이와 일정한 폭을 갖는 일정한 단면 형상을 갖는다. 이 제한은 1과 10 mm 사이의 단면 변화를 갖는 변이 영역을 포함할 수 있고 상기 홈의 생성에 의해 야기될 수 있는 상기 홈의 단부 영역들과 관련되지 않는다.

피스톤 링의 추가 실시예에서, 상기 홈은 원형(round) 단면을 갖는다. 피스톤 링의 추가 실시예에서, 상기 홈은 계란형(oval) 또는 타원형(elliptical) 단면을 갖는다. 피스톤 링의 다른 실시예에서, 상기 홈은 직사각형 단면을 갖는다. 피스톤 링의 추가 실시예에서, 상기 홈은 사다리꼴 단면을 갖는다.

단면이 원형인 홈은 상대적으로 쉽게 가공될 수 있거나 비가공 방식으로 생산될 수 있다는 장점을 가진다. 단면이 둥근 홈은 도구의 정렬이 벗어날 때 활주면과 상기 홈의 에지 사이의 각도가 약간 달라지기 때문에 상대적으로 큰 제조 공차가 생성된다는 추가 장점을 가진다. 단면이 원형이거나 타원형인 형상은 상부 또는 하부 활주면과 상기 홈의 접선 사이의 각도 차를 저조하게 달성할 수 있을 뿐이다. 직사각형 및 사다리꼴 홈은 깊이 가공에서의 편차들이 상기 홈의 플랭크와 활주면 사이의 각도 상에서 아무런 효과를 가지지 않는다는 장점을 가진다.

피스톤 링의 추가 실시예에서, 단면이 둥근 홈은 0.2 내지 2 mm의 반경을 가진다. 피스톤 링의 추가 실시예에서, 단면이 둥근 홈은 0.4 내지 1.6 mm의 반경을 가진다. 피스톤 링의 추가 실시예에서, 단면이 둥근 홈은 0.6 내지 1.2 mm의 반경을 가진다. 피스톤 링의 추가 실시예에서, 단면이 둥근 홈은 0.2 내지 0.4 mm의 반경을 가진다. 피스톤 링의 추가 실시예에서, 단면이 둥근 홈은 0.4 내지 0.6 mm의 반경을 가진다. 피스톤 링의 추가 실시예에서, 단면이 둥근 홈은 1.2 내지 1.6 mm의 반경을 가진다. 피스톤 링의 추가 실시예에서, 단면이 둥근 홈은 1.6 내지 2 mm의 반경을 가진다. 이 값들은 자동차의 응용 범위를 큰 크기의 엔진들까지 커버한다. 상기 홈의 실제 크기는 또한 사용되는 엔진, 계획된 윤활, 및 상기 엔진의 평균 피스톤 속도에 부분적으로 의존한다.

추가 실시예에서, 피스톤 링의 홈은 상부 홈 플랭크 및 하부 홈 플랭크를 포함한다. 둥근 홈의 경우에, 홈 플랭크는 둥근 에지로의 변이부 상 회전점(turning point)에서 또는 에지에서 홈의 접선으로 여겨진다. 뒤따르는 각도들은 또는 둥간 에지로의 변이부 상 회전점에서 또는 에지에서 활주면의 접선에 대한 접선과 관련된다. 따라서, 뒤따르는 각도들은 또 둥근 홈들 및 덮인 활주면들을 위해 정의된다.

실시예에서, 상부 홈 플랭크(또는 그 접선)는 상부 활주면부(또는 그 접선)와 45° 내지 135°의 상부 각도를 형성한다. 다른 실시예에서, 상부 홈 플랭크(또는 그 접선)는 상부 활주면부(또는 그 접선)와 60° 내지 120°의 상부 각도를 형성한다. 추가 실시예에서, 상부 홈 플랭크(또는 그 접선)는 상부 활주면부(또는 그 접선)와 70° 내지 110°의 상부 각도를 형성한다.

실시예에서, 하부 홈 플랭크(또는 그 접선)는 하부 활주면부(또는 그 접선)와 90° 내지 170°의 하부 각도를 형성한다. 다른 실시예에서, 하부 홈 플랭크(또는 그 접선)는 하부 활주면부(또는 그 접선)와 110° 내지 160°의 하부 각도를 형성한다. 추가 실시예에서, 하부 홈 플랭크(또는 그 접선)는 하부 활주면부(또는 그 접선)와 120° 내지 150°의 하부 각도를 형성한다. 상기 각도들은 상기 활주면 또는 상기 홈의 곧은 부분들과 관련된다. 상기 홈 또는 상기 활주면의 각 접선들 사이의 각도들을 결정하기 위해 곡선의 홈들 또는 활주면들이 사용되어야 할 경우에, 이는 에지에 존재하거나 상기 홈 또는 활주면이 에지 라운딩 상으로 연속하는 곳에 존재한다. 이는 상기 에지가 정의된 반경으로 돌았을 때 특히 간단하게 성립될 수 있다.

본 발명의 또 다른 추가 실시예에서, 상부 각도는 하부 각도보다 2° 내지 30°까지 더 작다. 본 발명의 다른 추가 실시예에서, 상부 각도는 하부 각도보다 4° 내지 20°까지 더 작다. 본 발명의 다른 추가 실시예에서, 상부 각도는 하부 각도보다 6° 내지 10° 더 작다. 이는 홈들이 원형의 단면을 가질 때 특히 각 활주면들의 대응하는 형태에 의해 달성될 수 있다.

피스톤 링의 추가 실시예에서, 상부 각도는 70°와 100° 사이이고, 하부 각도는 120° 내지 150°이고, 바람직하게는 상부 각도는 하부 각도보다 20° 내지 30° 더 작다.

추가 실시예에서, 상부 각도의 한 에지는 10 μm 내지 50 μm의 상부 곡률 반경을 가진다. 다른 실시예에서, 하부 각도의 에지는 40 μm 내지 120 μm의 하부 곡률 반경을 가진다. 추가 실시예에서, 상부 곡률 반경은 하부 곡률 반경보다 10 μm 내지 40 μm까지 더 작다. 이 크기들은 실린더 내부 벽 상에 오일을 제거하는 유리한 효과를 기대하는 이유를 제공한다.

피스톤 링의 추가 실시예에서, 외부 활주면은 10 mm와 60 mm 사이, 20 mm와 40 mm 사이, 더 바람직하게는 25 mm와 30 mm 사이의 곡률 반경을 가진다.

피스톤 링의 다른 실시예에서, 높낮이를 갖는 경로의 주기의 개수는 정수이고, 이 실시예는 특히 피스톤 링들이 대칭의 홈들을 갖도록 허용한다.

피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링의 활주면들은 실질적으로 대칭으로 구성된다.

다른 실시예에서, 높낮이가 있는 경로의 주기의 개수는 통산하여 4와 36 사이이다. 추가 실시예에서, 높낮이가 있는 경로의 주기의 개수는 통산하여 6과 24 사이이다. 추가 실시예에서, 높낮이가 있는 경로의 주기의 개수는 통산하여 8과 12 사이이다.

피스톤 링의 예시적 실시예에서, 상기 홈은 두 개의 다른 유형부들로 구성된다. 제 1 유형부는 원주 방향으로 연장한다. 제 2 유형부는 상기 제 1 유형부에 대해 예각으로 연장한다. 두 개의 유형부들은 각각 그들의 단부들에서 서로 엇갈리게 연결된다.

피스톤 링의 추가 실시예에서, 상기 홈은 피스톤 링의 스러스트 단부들에 배치된 저장부들에서 끝난다.

피스톤 링의 추가 실시예에서, 상기 홈(2)은 상기 스러스트 단부들에 경사지게 끝난다. 스러스트 단부들의 영역에서 천천히 감소되는 단면에서 일어나는 마모는 홈에 의해 상기 스러스트 단부들에서 감소될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 예시적 실시예들의 개략도들의 도움으로 아래에 더 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 높낮이가 있는 홈을 구비한 피스톤 링에 대한 사시도를 도시한다.
도 2는 직사각형 홈을 구비한 피스톤 링의 실시예를 통한 축 방향의 단면도를 도시한다.
도 3은 원형 홈을 구비한 피스톤 링의 실시예를 통한 축 방향의 단면도를 도시한다.
도 4A 내지 7은 홈을 구비한 피스톤 링의 다른 실시예들의 활주면의 도면을 도시한다.
도면에서 그리고 또 설명에서도, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소들 및 구성들을 위해 사용된다.

도 1은 본 발명에 따른 높낮이가 있는 홈(2)을 구비한 피스톤 링(1)의 사시도를 보여준다. 여기에 높낮이가 있는 방식으로 도시된 홈(2)은 피스톤 링(1)의 바깥 측 상에서 연장하고, 이는 피스톤 링(1)의 활주면(3) 또는 외부 원주 표면을 형성한다. 피스톤 링(1)의 활주면(3)은 상부 활주면부(3')를 포함하고, 이는 엔진의 연소실에 더 가까이 놓인다. 피스톤 링(1)의 활주면(3)은 하부 활주면부(3")를 포함하고, 이는 상기 엔진의 크랭크케이스 또는 오일 체임버에 더 가까이 놓인다. 위에서, 상기 피스톤 링의 상부 플랭크(5)가 연소실을 마주하는 것을 볼 수 있다. 크랭크케이스를 마주하는 하부 플랭크(6)는 상기 피스톤 링(1)에 의해 가려졌다. 참조 번호 7은 내주 표면(7)을 지시한다. 상기 피스톤 링은 두 개의 스러스트 표면들(A, B) 상의 스러스트에서 종료된다. 상기 홈(2)은 스러스트 표면들(A, B) 각각의 전에 종료되도록 보여진다. 이에 의해, 상기 홈(2)에 수집된 오일은 스러스트 표면들(A, B) 각각에서 빠져 나올 수 없다.

도 2는 직사각형 홈(2)을 구비한 피스톤 링(1)의 실시예를 통한 축 방향의 단면도를 보여준다. 도시된 직사각형 홈(2) 대신, 단면이 사다리꼴인 홈(2) 역시 사용될 수 있다. 상기 홈(2)은 여기에서는 높낮이가 있는 홈(2)으로 중간에 도시되었고, 상기 홈의 수직 위치는 단면에서 달라진다. 상기 홈은 여기서 상부 홈 플랭크(8) 및 하부 홈 플랭크(9)를 가진다. 연소실을 마주하는 상부 플랭크(5), 크랭크케이스를 마주하는 하부 플랭크(6), 및 내주 표면(7)도 단면에 표시되었다. 전체 활주면(3)은 곡률 반경 R'이 관련되는 약간(certain) 볼록함을 가진다. 그러므로 상부 및 하부 활주면부(3', 3")는 상기 곡률 반경 R'을 갖는 공유 볼록함(shared convexity)을 가진다. 세부 확대에서, 상부 활주면(3')에서 상부 홈 플랭크(8)까지 사이의 변이부가 도시된다. 에지는 상부 에지 반경(r')으로 둘러진다. 상부 에지 반경(r')은 가공에 의해 야기되거나 별개의 기계 가공 또는 성형(forming) 공정에 의해 생산될 수 있다. 상부 각도(α)는 활주면(3')에서 상부 홈 플랭크(8) 사이에 도시된다. 명확성을 위해, 하부 에지의 세부도는 생략되었다. 이는 도 3에 도시된다.

도 3은 원형 홈(2)을 구비한 피스톤 링(1)의 실시예를 통한 축 방향의 단면도를 보여준다. 도시된 원형의 홈(2) 대신, 단면이 타원형, 포물선형, 또는 계란형인 홈(2)도 사용될 수 있다. 상기 원형의 홈(2)은 홈 반경(R)을 가진다. 상기 홈(2)은 여기서도 비슷하게 높낮이가 있는 홈으로 중간에 도시되었고, 상기 홈의 수직 위치는 단면에서 달라진다. 상기 홈은 여기서 상부 홈 플랭크(8) 및 하부 홈 플랭크(9)를 가지고, 이는 각각 상기 활주면부들(3', 3")에 대한 에지들에서 둥근 홈의 접선들에 의해 정의된다. 여기서, 또한 연소실을 마주하는 상부 플랭크(5), 크랭크케이스를 마주하는 하부 플랭크(6), 및 피스톤 링(1)의 내주 표면(7)이 표시된다. 상부 활주면부(3')는 상부 곡률 반경(R')과 관련된 볼록함을 가지고, 이는 도 2의 대응하는 반경보다 더 크다. 하부 활주면부(3")는 하부 곡률 반경(R") 볼록함을 가진다. 도 3에서 곡률 반경들은 도 2의 곡률 반경들보다 더 작다. 이 실시예에서, 상기 상부 반경(R')은 여기서 상기 하부 반경(R")보다 더 크다. 세부 확대에서, 하부 활주면(3")에서 하부 홈 플랭크(9)까지 사이의 변이부가 도시된다. 에지는 하부 에지 반경(r")으로 둘러진다. 상기 상부 에지 반경(r')처럼, 하부 에지 반경(r") 또한 가공에 의해 야기되거나 별개의 기계 가공 또는 성형(forming) 공정에 의해 생산될 수 있다. 피스톤의 하방 스트로크에서 더 나은 오일 스크레이핑(scraping)을 달성하기 위해, 하나의 피스톤 링에 다른 곡률 반경들(r', r")을, 바람직하게는 r">r'로 선택되도록 사용할 수도 있다. 하부 각도(β)는 하부 활주면(3")과 하부 홈 플랭크(9) 사이에 도시된다. 각도(α)와 비교하면, 각도(β)는 더 커서 피스톤의 하방 스트로크/작업 스트로크 상 더 나은 오일 스크레이핑을 달성한다. 도 3의 더 나은 명확화를 위해, 상부 에지의 세부도는 생략되었다. 각도들(α, β)은 하나의 단일 피스톤 링에 함께 사용될 수도 있다는 점이 언급되고, α < β가 바람직하다.

도 4A 내지 7은 홈을 구비한 피스톤 링의 다른 실시예들의 활주면들의 도면들을 보여준다.

도 4A는 연속적인 곧은 홈(2)을 갖는 간단한 실시예의 활주면의 전개(development)를 보여주고, 이는 도 1의 스러스트 단부(A)에 대응하는 우측의 하나의 스러스트 단부로부터 도 1의 스러스트 단부(B)에 대응하는 좌측의 다른 스러스트 단부까지 연장한다. 여기서, 상기 홈은 상기 스러스트 또는 스러스트 단부들까지 개방되어 있어서, 상기 홈에 수집된 오일은 상기 스러스트에서 또는 상기 스러스트 단부들에서 빠져나갈 수 있다. 상기 홈(2)은 상기 활주면을 상부 활주면부(3')와 하부 활주면부(3")로 분할한다.

도 4B는 도 4A에 대응하는 간단한 실시예의 활주면의 전개를 보여주고, 상기 곧은 홈(2)은 우측의 상기 스러스트 단부 또는 좌측의 스러스트 단부 전에 끝난다. 여기서, 상기 홈은 상기 스러스트 또는 상기 스러스트 단부들에서 폐쇄되어, 상기 홈에 수집된 오일은 상기 스러스트에서 또는 상기 스러스트 단부들에서 빠져나갈 수 없다. 도 4B에서 상부 활주면부(3')는 스러스트 단부들의 영역 각각에서 하부 활주면부(3")와 연결된다.

도 5A는 도 4A에 대응하는 간단한 실시예의 전개된 활주면을 보여주고, 활주면부들(3', 3") 사이에서 연장하는 상기 홈(2)은 높낮이가 있는 홈으로서 실시된다. 도 4A에서처럼, 상기 홈은 상기 피스톤 링 또는 상기 활주면 전체 길이를 따라 연장하고, 스러스트 단부들에서 끝난다. 여기서도, 도 4A에서처럼 상기 홈에 수집된 오일은 상기 스러스트 또는 상기 스러스트 단부들에서 빠져나갈 수 있다. 도 5A에서 스러스트 단부(B)의 홈은 곧은 선으로 끝난다. 도 5B에서 스러스트 단부(A)의 홈(2)은 경사지게 끝난다. 상기 홈(2)은 양쪽 스러스트 단부들(A, B)에서 곧은 선으로 끝나는 것으로 고려될 수도 있다. 상기 홈(2)은 양쪽 스러스트 단부들(A, B)에서 경사지게 끝나는 것으로 고려될 수도 있다.

도 5B는 도 5A에 대응하는 간단한 실시예의 전개된 활주면을 보여주고, 높낮이가 있는 홈(2)은 우측의 스러스트 단부 또는 좌측의 스러스트 단부 전에 끝난다. 여기서, 상기 홈은 상기 스러스트 또는 상기 스러스트 단부들에서 폐쇄되어, 상기 홈에 수집된 오일은 상기 스러스트 또는 상기 스러스트 단부들에서 빠져나가지 못한다. 도 5B에서, 상부 활주면부(3')는 상기 스러스트 단부들의 영역 각각에서 상기 하부 활주면부(3")와 연결된다.

도 6A 내지 6C에서, 높낮이가 있는 방식으로 연장하는 홈(2)들의 다른 경로들이 도시된다. 도 6A 내지 6C는 전개된 활주면들을 보여준다. 전개에서, 링 백(ring back)은 상기 스러스트 단부들 사이의 중간에 배치되고, 상기 스러스트 단부들 반대쪽에 있지 않다. 도 6A 내지 6C에서, 상부 활주면부들(3')은 상기 스러스트 단부들의 영역 각각에서 하부 활주면부들(3")과 연결된다. 도 5B에서 상기 홈은 상기 링 백에 대해 적어도 실질적으로 거울 대칭으로 도시되었다. 도 6A 내지 6C에서, 상기 홈들은 상기 홈들은 실질적으로 점 대칭으로 도시된다. 도 6A 및 6B에서 홈(2)의 파장은 상기 스러스트 단부들과 상기 링 백 사이의 경로에서 달라진다.

도 6A에서 상기 홈은 스러스트 단부들보다 링 백에서 더 짧은 파장을 가진다. 여기서, 링은 링 백의 홈(2)에서 더 많은 오일의 양을 수용할 수 있고, 이에 따라 더 많은 양의 오일이 스러스트에 존재하는 것이 방지될 수 있다.

도 6B에서 상기 홈은 링 스러스트 단부들에서보다 링 백에서 더 긴 파장을 가진다. 여기서, 링은 링 백의 홈(2)에서 더 적은 오일을 수용할 수 있고, 이에 따라 특히 마모에 의해 영향 받는 스러스트 단부들이 더 잘 윤활되도록 할 수 있다.

도 6C는 실질적으로 도 6A에 대응되고, 추가로 링 백의 영역에서 상기 홈(2)의 경로의 진폭은 감소된다. 여기서, 링은 스러스트 단부들에서보다 링 백의 홈(2)에서 더 적은 오일을 수용할 수 있다. 도 6C에서 홈(2)은 스러스트 단부들(A, B)에 경사지게 끝난다. 상기 홈(2)은 다른 실시예에서 스러스트 단부들(A, B)에 경사지게 끝나는 것이 고려될 수 있다.

링 백에서 진폭을 증가시키는 것이 고려될 수 있으나, 여기에는 포함되지 않았고, 이는 설명을 불필요하게 끌 뿐이기 때문이다.

도 7은 상기 홈이 두 개의 다른 유형부들로 구성된 본 발명에 따른 피스톤 링의 실시예를 보여준다. 제 1 유형부는 원주 방향으로 연장하고 도면에 수평으로 도시된다. 제 2 유형부는 상기 제 1 유형부에 대해 예각으로 연장하고 도면에 비스듬하게 도시된다. 두 개의 유형부들은 각각 그들의 단부에서 서로 엇갈려 연결되고, 이에 의해 패턴 유형을 형성하며, 여기서 상기 홈은 짧은 거리를 뒤로 연장하고, 이 때 (각각 하부 또는 상부 플랭크에 가까운) 한 쪽에서 다른 쪽으로 변화한다. 도 7에서 상기 홈(2)은 저장부들(14)에서 끝나고, 이는 피스톤 링의 스러스트 단부들에 배치되며, 스러스트 단부들의 특히 우수한 윤활을 달성하기 위해 의도된다.

청구항들에 의해 포함되는 일부 가능한 실시예들은 도면들에 개별적으로만 도시되는 특징들의 모든 조합이 개시된 것으로 고려되어야 하는 이유로, 도면에 별도의 도면으로 나타내지 않았다. 추가로, 상기 홈은 사분면(quadrant) 형태의 단면을 가질 수 있다. 또한, 도면들에 개별 도면은 모든 청구된 각도 값들을 위해 만들어진 것은 아니다.

1: 피스톤 링
2: 리세스 또는 홈
3: 피스톤 링의 활주면 또는 외부 원주표면
3': (연소실을 마주하는) 상부 활주면부
3": (오일 체임버 또는 크랭크케이스를 마주하는) 하부 활주면부
5: 크랭크케이스를 마주하는 플랭크
6: 오일 체임버 또는 크랭크케이스를 마주하는 플랭크
7: 내주 표면
8: (연소실을 마주하는) 상부 홈 플랭크
9: (오일 체임버 또는 크랭크케이스를 마주하는) 하부 홈 플랭크
10: 볼록하게 덮는 방식으로 구성되는 활주면 프로파일의 제 1 부분
12: 볼록하게 덮는 방식으로 구성되는 활주면 프로파일의 제 2 부분
14: 홈에 연결되는 오일 저장부
A: 제 1 스러스트 단부
B: 제 2 스러스트 단부
r': 상부 활주면과 홈 사이의 에지의 라운딩 반경
r": 하부 활주면과 홈 사이의 에지의 라운딩 반경
R: 원형 홈의 반경
R': 상부 활주면 또는 전체 활주면의 반경
R": 하부 활주면의 반경
α: 상부 활주면과 홈 또는 그들의 접선들 사이의 각도
β: 하부 활주면과 홈 또는 그들의 접선들 사이의 각도

Claims (19)

1. 외부 활주면(3), 두 개의 플랭크들(5, 6), 및 내주 표면(7)을 구비하는 피스톤 링으로서,
   상기 활주면(3)은 홈(2)을 구비하는 프로파일을 갖고, 상기 홈(2)은 상부 활주면부(3')와 하부 활주면부(3") 사이의 피스톤 링(1)의 단면에 대해 배열되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 홈(2)은 일정한 거리에서 상기 플랭크들(5, 6)로, 바람직하게는 상기 플랭크들(5, 6) 사이의 중간에서 연장하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 홈(2)은 상기 플랭크들(5, 6) 사이에서 높낮이가 있는(undulating) 방식으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 높낮이가 있는 홈(2)은 상기 피스톤 링 주위로 연장하는 사인파 또는 코사인파를 형성하거나,
   상기 홈은 플랭크들(5, 6) 사이에서 비대칭하거나 톱니 같은 파형으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 높낮이가 있는 홈(2)이 연장하는 파형의 진폭은 원주 방향으로 변하고, 그리고/또는
   상기 높낮이가 있는 홈(2)이 연장하는 파형의 파장은 원주 방향으로 변하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 파형의 진폭은 스러스트 단부(thrust ends) 방향으로 증가하고 그리고/또는
   상기 파형의 파장은 스러스트 단부 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 파형의 진폭은 스러스트 단부의 방향으로 감소하고 그리고/또는
   상기 파형의 파장은 스러스트 단부의 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 홈(2)은 상기 피스톤 링의 스러스트 영역 전에 끝나는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 홈(2)은 상기 홈(2)의 길이에 걸쳐 일정한 단면, 바람직하게는 일정한 깊이와 일정한 폭을 갖는 일정한 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항 에 있어서,
    상기 홈(2)은 원형(round), 계란형(oval), 타원형(elliptical), 직사각형, 또는 사다리꼴의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 홈(2)의 원형 단면은 바람직하게는 0.2 내지 2 mm, 바람직하게는 0.4 내지 1.6 mm, 더 바람직하게는 0.6 내지 1.2 mm의 반지름을 갖는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항 에 있어서,
    상기 홈(2)은 상부 홈 플랭크(8) 및 하부 홈 플랭크(9)를 구비하고,
    상기 상부 홈 플랭크(8)는 상부 활주면부(3')와 함께 45° 내지 135°, 바람직하게는 60° 내지 120°, 더 바람직하게는 70° 내지 110°의 상부 각도를 형성하고,
    상기 하부 홈 플랭크(9)는 하부 활주면부(3")와 함께 90° 내지 170°, 바람직하게는 110° 내지 160°, 더 바람직하게는 120° 내지 150°의 하부 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 상부 각도는 상기 하부 각도보다 2° 내지 30°, 바람직하게는 4° 내지 20°, 더 바람직하게는 6° 내지 10°까지 더 작은 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 상부 각도의 에지는 10 내지 50 μm의 상부 곡률 반경을 가지고, 상기 하부 각도의 에지는 40 내지 120 μm의 하부 곡률 반경을 가지며, 바람직하게는 상기 상부 곡률 반경은 상기 하부 곡률 반경보다 10 내지 40 μm까지 더 작은 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 활주면(3)은 10과 60 mm 사이, 바람직하게는 20과 40 mm 사이, 더 바람직하게는 25와 30 mm사이의 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 높낮이가 있는 경로(course)의 주기의 개수는 정수이고, 그리고/또는 상기 피스톤 링(1)의 활주면(3) 상으로의 평면도에서 상기 홈(2)은 실질적으로 대칭이고 그리고/또는
    깊이 프로파일 및 폭 프로파일의 주기의 개수는 통산하여 4 와 36 사이, 바람직하게는 6과 24 사이, 더 바람직하게는 8과 12 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈(2)은 두 개의 다른 유형부로 구성되고,
    제 1 유형부는 원주 방향으로 연장하고 제 2 유형부는 상기 제 1 유형부와 예각으로 연결되고,
    상기 두 개의 유형부들은 그들의 단부에서 서로 엇갈리게(alternately) 연결되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈(2)은 저장부(reservoirs; 14)에서 끝나는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    
19. 제1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈(2)은 상기 스러스트 단부들(A, B)로 경사지게 끝나는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
    

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