KR20180018493A - 홈 밀봉부를 구비한 피스톤 링 - Google Patents

홈 밀봉부를 구비한 피스톤 링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(14)를 갖는 피스톤 링(2)에 관한 것이며, 상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(14)는 피스톤 링의 하부 링 플랭크(8) 상에 배치된다.

Description

홈 밀봉부를 구비한 피스톤 링
본 발명은 피스톤 링(piston ring)의 플랭크 링(flank ring)상에 홈 밀봉부(groove seal)을 구비한 피스톤 링에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 홈에 리세스되는(recess) 유연한 물질(flexible material)과 관련되고, 상기 물질은 피스톤 링의 하부 플랭크(즉, 피스톤 헤드 또는 연소실과 관련 있는 원위(far) 플랭크)를 밀봉한다.
피스톤 링들 그리고, 특히, 압축 링(compression ring)들은 내연 기관(combustion engines)들의 제 1 (상부(top)) 그리고 제 2 (중앙(central)) 피스톤 링 홈에서 일반적으로 사용된다. 압축 링의 기능은 하기의 특성들에 대한 특징이 있다:
1. 연소 가스(combustion gas)들에 대해 크랭크케이스(crankcase)를 밀봉.
2. 과도한 윤활유(lubricating oil)를 제거하여, 가능한 적은 윤활유가 실린더(cylinder)의 내벽에 잔류하고 그리고 연소될 수 있음.
왕관형의 디자인(crowned design)의 접촉 면(contact surface)을 구비한 링들은 이러한 목적으로 사용된다. 압축 링에서, 대부분의 가스는 조인트(joint)를 통해 크랭크케이스의 방향으로 흐를 뿐 아니라, 하부 링 플랭크(lower ring flank)를 통해 벽 두께(wall thickness) 및 직경(diameter)에 의존하여 흘러간다. 오늘날 이러한 가스 흐름은 대부분, 접촉 영역(contact regions)의 피스톤 링 홈 플랭크 및 피스톤 링의 표면 거칠기와 울퉁불퉁 함에 의해 야기된다. 온도 영향에 의존하여, 피스톤 홈의 변형(deformation) 또한 발생할 수 있고 이는 밀봉부에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
접촉 면 상에 각각 최대의 접촉 포인트(point)를 구비하는 대칭적인 또는 대칭적으로 왕관형태(crowned fashion)로 압축 링들을 설계하는 것이 알려져 있다. 이러한 경우에, 피스톤 링 홈 플랭크들 및 피스톤 링 플랭크들은 원주 방향(circumferential direction)으로 정해진 이동성(mobility)을 피스톤링들에 제공하기 위하여 정해진 표면 거칠기를 구비하도록 제조된다. 피스톤 링 홈의 울퉁불퉁 함이나 피스톤 링 그 자체의 울퉁불퉁 함은 일반적으로 고려되지 않는다.
예를 들어, 특허출원 DE102010034870A1 및 DE19942241A에서 주지의 피스톤 링들이 개시된다. DE102010034870A1은 피스톤 링의 벽 두께가 의도적으로 약해지도록 축 방향으로 관통-홀(through-hole)들을 구비하는 피스톤 링들을 개시하며, 이러한 벽 두께의 의도적 약화는, 특히 보어(bore)들이 가장자리(extreme fiber) 부근에서 생성되는 경우에 가장 효과적이다. DE19942241A1는 피스톤 링 홈 플랭크 상에 크롬 코팅(chrome coating)을 갖는 피스톤 링을 개시한다.
본 발명의 다양한 목적들 중 하나는 하부 피스톤 링 홈 플랭크와 하부 링 플랭크 사이의 갭(gap)을 통과하는 “블로바이(blowby)”를 감소시키는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제1항의 특징들을 구비한 피스톤 링에 의해 달성되고, 발명의 유익한 실시예들은 종속항들에 설명된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부를 구비한 피스톤 링이 제안되고, 여기서 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈은 하부 링 플랭크에 배치된다. 이러한 맥락에서, 하부 링 플랭크는 연소실(combustion chamber) 또는 피스톤 헤드(piston head)와 관련 있는 원위 플랭크로 간주된다. 본 발명의 실시예에 따른 신규한 피스톤 링은 상부 링 플랭크 및/또는 링의 내면으로부터 링 플랭크 밀봉 홈 또는 링 플랭크 밀봉 홈의 바닥으로 각각 연장되는 개구부들을 더 포함한다. 이러한 방식으로, 연소 가스들은 개구부들을 통해 링 플랭크 밀봉 홈에 인입될 수 있고 그곳에 배치된 링 플랭크 밀봉부를 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 대해 아래쪽으로 가압해, 그 결과 해당 위치에서의 밀봉 효과를 증진시킬 수 있다.
이러한 경우에, 정해진 표면 거칠기들을 갖는 마찰 파트너들(friction partners) 사이의 얇은 갭(thin gap)의 의해 밀봉 효과는 일반적으로 실현되고, 이는 스로틀 윈도우(throttle window) 또는 피스톤 링 갭에서의 블로바이와 비교하는 경우 거의 무시할 만하다. 현재까지, 높은 열적 그리고 기계적 응력(thermal and mechanical stress), 뿐만 아니라 피스톤 링을 통해 피스톤으로부터 내부 실린더 벽으로의 필요한 열 손실, 그리고 피스톤 링이 원주 방향(circumferential direction)으로 자유롭게 회전할 수 있어야 하는 요구사항 때문에, 밀봉부들은 이러한 목적으로 사용되지 않았다. 이러한 맥락에서, 본 발명은 하부 링 플랭크에 배치된 하나 이상의 밀봉 요소(element)들을 통하여 밀봉 효과를 실현하는 것을 목적으로 한다. 이러한 밀봉 요소들은 피스톤 링과 피스톤 링 홈 사이의 갭을 완전히 닫아서는 안되고, 오히려 향상된 방식으로 하부 링 플랭크와 하부 피스톤 링 홈 플랭크 사이의 갭을 단순히 밀봉시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신규한 피스톤 링의 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부는 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈에 배치되고, 그리고 적어도 부분적으로 링 플랭크 밀봉 홈에 리세스 된다(recessed). 이는 보다 크고, 특히 보다 두꺼운 피스톤 링 밀봉부를 사용하는 것을 가능하게 하여 장기적인(prolonged) 서비스 수명(service life) 또는 활동 시간(action time)이 달성될 수 있다. 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부를 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈에 각각 배치하여 축방향으로 이동 가능하게 하는 것이 바람직하며, 이에 따라 개구부들을 통해 링 플랭크 밀봉 홈의 하부와 링 플랭크 밀봉부 사이의 공간으로 연소 가스가 흐르게 하는 것이 가능해지며, 이에 따라 피스톤의 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 대하여 링 플랭크 밀봉부에 압력을 가할 수 있게 된다. 이러한 경우, 하부 링 플랭크에는 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈이 제공된다. 하지만, 하나 이상의 링 플랭크 밀봉부들을 수용하기 위하여 하부 링 플랭크에 둘, 셋 또는 그 이상의 링 플랭크 밀봉 홈들을 배열시키는 것 또한 가능하다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈은 사다리꼴 형태의 홈 또는 직사각형 형태의 홈으로 구현될 수 있다.
피스톤 링의 다른 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈은 더브테일(dovetail) 홈의 형태로 구현될 수 있다. 이러한 홈 형상에 대한 주요 장점은, 피스톤 링이 피스톤 링 홈으로 설치되는 도중에 밀봉부가 링 플랭크 밀봉 홈에서 쉽게 튀어나오지 않는다는 점이다.
피스톤 링의 다른 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈은 각각 피스톤 링 조인트의 앞에서 마감된다. 이러한 실시예는, 링 플랭크 밀봉 홈에서의 링 플랭크 밀봉부가 링 갭의 방향으로 링 플랭크 밀봉 홈 밖에서 측방향으로 이동하는 것을 방지하는 것을 가능케 하여, 긴 서비스 수명이 달성될 수 있다.
피스톤 링의 다른 예시적인 실시예에서, 링 플랭크 밀봉 홈은 피스톤 링 조인트까지 연장된다. 이는 폐쇄된 밀봉 링(이는 마찬가지로 피스톤 링 조인트로 연장됨)을 링 플랭크 밀봉 홈으로 삽입하는 것을 가능케 한다. 이러한 경우, 링 플랭크 밀봉 홈은 조인트를 향하여 확장될 수 있어서, 링 플랭크 밀봉부가 링 플랭크 밀봉 홈에서 움직일 수 있게 된다. 하지만, 링 플랭크 밀봉 홈 또는 링 플랭크 밀봉부는, 링 플랭크 밀봉 홈에서 링 플랭크 밀봉부의 원주방향의 움직임을 방지하는 요소들을 또한 구비할 수도 있다.
피스톤 링의 다른 예시적인 실시예에서, 링 플랭크 밀봉부는 O-링(O-ring)의 형태로 구현될 수 있다.
피스톤 링의 예시적인 실시예에서, 피스톤 링은 상부 링 플랭크로부터 링 플랭크 밀봉 홈으로 연장되는 개구부들을 포함한다. 이러한 경우, 연소 가스가 링 플랭크 밀봉부 뒤의 연소실로부터 개구부들을 통과하여 흐르기 때문에, 링 플랭크 밀봉 홈에 대항하여 링 플랭크 밀봉부에 압력을 가하는 것으로 기능한다. 이는 더브테일 형상의 링 플랭크 밀봉 홈을 통해 바람직하게 구현될 수 있으며, 더브테일 형상의 링 플랭크 밀봉 홈의 면적(area)은 더 많은 압력을 가할 수 있어서 링 플랭크 밀봉부에 더 큰 힘을 가할 수 있다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 피스톤 링의 내측으로부터 링 플랭크 밀봉 홈으로 연장되는 개구부들을 포함할 수 있다. 연소 가스는 상부 링 플랭크와 상부 피스톤 링 홈 플랭크 사이의 갭에 위치할 뿐만 아니라, 피스톤 링의 내측 또는 내면과 피스톤 링 홈의 하단 사이에 위치할 수 있다. 내면으로부터 링 플랭크 밀봉부 위의 링 플랭크 밀봉 홈으로 반경방향으로 연장하는 채널이 또한 피스톤 링 내로 제작될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 연소 가스는 링 플랭크 밀봉부 뒤에서 흐를 수 있어서 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 대해 링 플랭크 밀봉부에 압력을 가할 수 있으며 이에 따라 하부 피스톤 링 홈 플랭크와 하부 링 플랭크 사이의 밀봉 효과를 향상시킬 수 있다. 링 플랭크 밀봉부는 탄성을 가질 수도 있으며 링 플랭크 밀봉 홈을 완전히 채우지 않을 수도 있어서 연소 가스의 압력은 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 대하여 링 플랭크 밀봉부에 압력을 가할 수 있으며, 이에 의해 하부 링 플랭크와 하부 피스톤 링 [홈] 플랭크 간의 갭을 밀봉시킬 수 있다. 링 플랭크 밀봉 홈은 단지 하부 링 플랭크의 일부분으로만 연장하기 때문에, 부하 전달이 링 플랭크 밀봉 홈을 포함하지 않는 표면을 통해 발생된다.
피스톤 링의 다른 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부의 재질은 탄성재질이다. 탄성 링 플랭크 밀봉부 재질은 링 플랭크 밀봉부와 링 플랭크 밀봉 홈의 하부 사이의 챔버에서의 압력 하에서 이것이 변형될 수 있다는 사실 때문에 뛰어난 밀봉 효과를 달성하게 할 수 있다.
피스톤 링의 다른 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부의 재질은, 구리, 청동 및/또는 알루미늄과 같은 금속 재질 및/또는 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리콘 고무 또는 내열성 탄성중합체와 같은 내열성 플라스틱을 포함한다. 구리, 청동 및/또는 알루미늄 또는 이들 각각의 합금과 같은 금속 물질들은 상대적으로 간단한 방식으로 생산 및 처리될 수 있다. 상기 설명된 타입의 금속 물질들은 링 플랭크 밀봉부의 강도 및 온도 저항성을 정밀하게 조절하는 것을 가능케할 수 있다. 금속 물질들은 추가적으로 상기 금속 물질들이 각각의 밀봉면과 그리고 특히 알루미늄 피스톤에서의 피스톤 링 홈의 하부 플랭크와 상호작용하는 방식으로 물질의 경도를 조절하는 것을 가능케 하여 특히 소리 밀봉 효과가 달성될 수 있다. 폴리테트라플루오로에틸렌은 높은 열적 그리고 기계적 응력들을 위해 설계된 기존의 물질이며, 여기서 링 플랭크 밀봉부는 이러한 물질로 전체적으로 또는 부분적으로 제조될 수 있다. 실리콘 밀봉부들은 그 사이에 또한 고온 안정성 및 뛰어난 정밀성으로 생성될 수 있다. PPP(Polyparaphenylene)는 또한 튼튼한(heavy-duty) 플라스틱으로 사용될 수도 있다. 링 플랭크 밀봉부는 추가적으로 코팅될 수도 있어서 각각의 마찰 파트너들(즉, 알루미늄 피스톤 및 주철(cast iron), 철 피스톤 링)의 물질 특성들을 고려할 수 있다.
링 플랭크 밀봉부를 구비한 피스톤 링의 다른 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부의 재질은 피스톤 링 자체의 재질에 비해 상당히 높은 열팽창 계수를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 밀봉부 재질은 작동 온도가 증가함에 따라 링 플랭크 밀봉 홈으로부터 돌출될 수 있어서 이러한 위치에서의 밀봉 효과를 향상시킬 수 있다. 더불어, 링은 특히 냉(cold) 엔진이 시작될 때 피스톤 링 홈에서 원주 운동을 계속적으로 수행할 수 있다.
링 플랭크 밀봉부를 구비한 피스톤 링의 다른 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부가 피스톤 링의 안쪽 절반부(inner half) 상에 배치된다. 왕관형(crowned) 마모 형태의 기존의 압축 링들은, 상기 링이 작동하는 동안에 비틀어지는 것을 제안한다. 동력 행정(power stroke) 동안에 밀봉 효과가 주로 요구되기 때문에, 밀봉부는 또한 피스톤 링 플랭크와 피스톤 링 홈 플랭크 사이에서 가장 높은 표면 압력이 발생되는 위치에 배치되어야 한다. 이러한 설계는 추가적으로 피스톤으로부터 피스톤 링을 통해 냉각된(cooled) 내부 실린더 벽으로의 열 전달에 최소한의 영향을 미치게 하는 것을 가능케 한다.
바람직한 예시적인 실시예에서, 피스톤 링은 압축 링이다. 압축 링들은 상당한 차동 압력에 대상이 되기 때문에, 압축 링들은 본 발명에 대해 가장 적합하다. 오일(oil) 제어 링들은 이미 오일 필름(oil film)에 의해 상대적으로 양호하게 밀봉된다.
본 발명은 각각의 예시적인 실시예들의 개략도들을 참고하여 이하에서 보다 구체적으로 설명된다.
도 1은 설치된 상태의 기존 피스톤 링에 대한 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링의 단면도를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링의 수평 투영도(horizontal projection)를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 설치된 상태의 피스톤 링에 대한 단면도를 도시한다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링의 다른 단면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 링의 수평 투영도를 도시한다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 설치된 상태의 피스톤 링의 단면도를 도시한다.
도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 링의 다른 단면도를 도시한다.
도면들에서 이하의 설명 뿐만 아니라 동일하거나 유사한 요소(엘리먼트)들 및 컴포넌트들은 동일한 참조 번호들로 식별된다.
도 1은 피스톤(44)의 피스톤 링 홈(46)으로 삽입 또는 배치되는 기존의 피스톤 링(42)에 대한 단면도를 도시한다. 기존의 피스톤 링(42)은 각각 접촉면(4)을 구비하는 라이너(liner) 또는 실린더(40)에 기대어져 있다. 기존의 피스톤 링(42)은 하부 링 플랭크(8) 또는 도면에서의 상단부에 각각 위치한 연소실과 관련되는 원위 플랭크를 갖는 하부 피스톤 링 홈 플랭크(54) 상에 놓여있다. 하부 피스톤 링 홈 플랭크(54)의 표면 거칠기는 해당 도면에서는 매우 과장되어 있다. 상부 링 플랭크(6)는, 연소 가스가 피스톤 링 홈에서 밑으로 피스톤 링(42)에 압력을 가할 때 엔진의 동력 행정 동안에 예상되는 바와 같이 상부 피스톤 링 홈 플랭크(48)로부터 이격된다. 링 뒤의 부피(52)는 피스톤 링 홈의 하부(50)와 피스톤 링의 내면(10) 사이에서 확장된다. 동력 행정 동안에, 상부 링 플랭크(6)와 상부 피스톤 링 홈 플랭크(48) 간의 갭에서의 압력(P1)은 동력 행정 동안에 링 뒤의 부피(52)에서의 압력(P2) 보다 크다. 하부 피스톤 링 홈 플랭크(54) 및 하부 링 플랭크(8)의 표면 거칠기로 인해, 압력(P2)을 갖는 연소 가스의 일부분은 해당 위치에 형성된 밀봉 갭(A)을 통하여 탈출할 수 있다. 본 발명은 밀봉 갭(A)의 밀봉 효과를 향상시키기 위한 목적에 기초한다. 전통적으로는, 하부 피스톤 링 홈 플랭크(54) 및 하부 링 플랭크(8)의 표면 거칠기를 감소시킴으로써, 이를 달성하고자 하는 시도가 이루어질 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링의 단면도를 도시한다. 피스톤 링에는 링 플랭크 밀봉 홈(12)이 구비되며, 링 플랭크 밀봉 홈(12)에 링 플랭크 밀봉부(14)가 배치된다. 링 플랭크 밀봉 홈(12) 및 링 플랭크 밀봉부(14)는 단지 하부 링 플랭크의 일부를 커버하여, 하부 링 플랭크(8)의 대부분은 도시되지 않은 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 접촉할 수 있어서, 피스톤으로부터 링(2)을 통하여 내부 실린더 벽으로의 열 전달은 크게 영향을 받지 않은 채로 유지된다. 링 플랭크 밀봉부(14)의 재질은 높은 열팽창 계수를 가질 수 있어서 향상된 방식으로, 특히 자신의 작동 온도에 도달한 모터에서, 갭을 밀봉 시킬 수 있다. 개구부들(18)은 링 플랭크 밀봉 홈(12)의 하부로부터 상향으로 연장되고 그리고 연소 가스로 하여금, 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링이 삽입된 피스톤의 하부 피스톤 링 홈 플랭크에 대하여 하향으로 링 플랭크 밀봉 홈(12)에서의 링 플랭크 밀봉부(14)에 압력을 가하게 할 수 있다.
사다리꼴 홈들 또는 u형 홈들이 또한 직사각형 홈들 대신에 사용될 수도 있다. 도 2에서, 링 플랭크 밀봉부(14)는 피스톤 링(2)의 안쪽 절반부(IH)에 반경방향으로(radially) 배치된다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링(2)의 수평 투영도를 도시한다. 상부 링 플랭크(6)가 해당 수평 투영도에서 보여질 수 있으며, 여기서 외부 가장자리(edge)는 접촉면(4)에 의해 형성되고 그리고 피스톤 링 조인트는 참조 번호 22에 의해 식별된다. 링 플랭크 밀봉 홈(12)는 점선들로 표시되며 이는 링 플랭크 밀봉 홈(12)이 피스톤 링(2)의 원위 측부 상에 위치하기 때문이다. 링 플랭크 밀봉 홈(12)은 이 경우 피스톤 링 조인트(22)의 앞에서 종료된다. 하지만, 링 플랭크 밀봉 홈(12)은 또한 피스톤 링 조인트(22)까지 연장될 수도 있으며 그리고 기계적 수단을 통해 원주 방향으로 링 플랭크 밀봉 홈(12)의 외부로 링 플랭크 밀봉부(14)가 빠져나가는 것이 방지될 수도 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 설치된 상태의 피스톤 링(2)에 대한 단면도를 도시한다. 이러한 피스톤 링(2)의 수평 투영도는 도 3a에서의 수평 투영도와 상응한다. 피스톤 링은 피스톤의 피스톤 링 홈에 삽입된다. 링 플랭크 밀봉 홈(12)은 링 플랭크 밀봉 홈(12)에서 링 플랭크 밀봉부(14)를 계속 유지시키기 위하여 사다리꼴로 형성될 수 있다. 피스톤 링(2)은 상부 링 플랭크(6)로부터 링 플랭크 밀봉 홈(12)으로 연장하는 개구부들(18)을 구비한다. 압력(P1)의 연소 가스는, 개구부들(18)을 통과하여 링 플랭크 밀봉 홈(12)으로 멀리 확산될 수 있으며 그리고 링 플랭크 밀봉 홈(12)의 외부로 그리고 하부 피스톤 링 홈 플랭크(54)에 대항하여 링 플랭크 밀봉부(14)를 가압할 수 있다. 링 플랭크 밀봉부(14)가 충분한 탄성을 가진다면, 피스톤 링 홈 플랭크(54) 상에 가해지는 압력은 링 플랭크 밀봉 홈(12)의 테이퍼 비율(taper ratio)에 따라 증가할 수 있다. 도 3b에서, 링 플랭크 밀봉부(14)는 피스톤 링(2)의 중심에 방사형으로 배치된다.
도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 링에 대한 다른 단면도를 도시한다. 해당 피스톤 링(2)의 수평 투영도는 마찬가지로 도 3a에서의 수평 투영도에 상응한다. 링 플랭크 밀봉 홈(12)은 평행사변형의 형상을 가질 수 있어서 링 플랭크 밀봉부(14)에 대해 향상된 밀봉 기하 구조를 제공할 수 있으며, 이는 O-링(16) 또는 개방형 O-링(16) 각각의 형태로 구현될 수 있다. 하지만, O-링(16)은, 만약 재질이 조인트 영역에서의 연소실 가스로 노출되기에 충분히 강한 경우 그리고 테이퍼링되는(tapered off) 조인트에서 링 플랭크 밀봉 홈(12)의 단부(end)들이 O-링(16)이 마모되는 것을 방지하기 위해 충분히 유연한(smooth) 경우, 폐쇄될 수도 있다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 링(2)의 수평 투영도를 도시한다. 하부 링 플랭크(6) 뿐만 아니라 링 플랭크 밀봉 홈(12) 또는 링 플랭크 밀봉부(14)가 밑에서 바라본 형태로 해당 수평 투영도에서 보여진다. 외부 가장자리가 접촉면(4)에 의해 형성되고 그리고 피스톤 링 조인트가 참조 번호 22에 의해 식별된다. 개구부들(20)은 피스톤 링(2)의 내면(10) 또는 내측으로부터 링 플랭크 밀봉 홈(12)으로 연장된다. 개구부들이 점선으로 표시되는데 이는 이들이 피스톤 링을 통과하여 방사형으로 연장되기 때문이다. 링 플랭크 밀봉 홈(12) 또한 이러한 실시예에서 피스톤 링 조인트(22)의 앞에서 종료된다. 이러한 경우, 밀봉부(14) 상에 가해지는 압력은 도 3a 내지 3c에 따른 실시예 보다 작게 되어, 링 플랭크 밀봉부(14)에 링 플랭크 밀봉 홈(12)의 외부 방향으로 과도한 힘이 가해지는 것이 방지된다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 설치된 상태의 피스톤 링(2)에 대한 단면도를 도시한다. 해당 피스톤 링(2)의 수평 투영도는 도 4a에서의 수평 투영도와 상응한다. 링 플랭크 밀봉 홈(12)은 링 플랭크 밀봉 홈(12)에서 링 플랭크 밀봉부(14)를 유지시키기 위하여 사다리꼴 형태로 구현된다. 피스톤 링(2)에는 개구부들(20)이 구비되는데, 상기 개구부들(20)은 피스톤 링의 내면(10)으로부터 링 플랭크 밀봉 홈(12)으로 연장된다. 압력(P2)의 연소 가스는, 개구부들(18)을 통하여 링 플랭크 밀봉 홈(12)으로 멀리 확산될 수 있으며 그리고 링 플랭크 밀봉 홈(12)의 외부로 그리고 도시되지 않은 하부 피스톤 링 홈 플랭크(54)에 대항하여 링 플랭크 밀봉부(14)를 가압할 수 있다.
도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 링(2)에 대한 다른 단면도를 도시한다. 해당 피스톤 링(2)의 수평 투영도는 마찬가지로 도 4a에서의 수평 투영도와 상응한다. 링 플랭크 밀봉 홈(12)은, 도시되지 않은 하부 피스톤 링 홈 플랭크(54)의 방향으로의 변위가 가능한 최소한의 저항을 생성하기 위하여 직사각형으로 구현될 수 있다. 링 플랭크 밀봉 홈(12)의 기하 구조로 인하여, 하부 압력(P2) 또한 밀봉 갭의 적절한 밀봉 효과를 달성하기에 충분할 수 있다. 도 4c에서, 링 플랭크 밀봉부(14)는 피스톤 링(2)의 바깥쪽 절반부(AH)에 방사형으로(radially) 배치된다.
불필요한 반복들을 피하기 위하여, 링 플랭크 밀봉 홈(12), 링 플랭크 밀봉부(14), 개구부들(18 및 20), 및 링 플랭크 밀봉 홈들의 방사형 위치들의 모든 조합들이 개별적으로 논의되지는 않는다. 하지만, 기재된 실시예들로부터 도출되는 조합들은 개시되는 바와 마찬가지로 고려되어야 한다.
2. 피스톤 링
4. 균일면(constant surface)
6. 상부 링 플랭크
8. 하부 링 플랭크
10. 링의 내면
12. 링 플랭크 밀봉 홈
14. 링 플랭크 밀봉부
16. O-링
18. 상부 링 플랭크(6)로부터 링 플랭크 밀봉 홈으로 연장되는 개구부들
20. 피스톤 링의 내측으로부터 링 플랭크 밀봉 홈으로 연장되는 개구부들
22. 피스톤 링 조인트
40. 라이너(liner)/실린더
42. 기존의 피스톤 링
44. 피스톤
46. 피스톤 링 홈
48. 상부 피스톤 링 홈 플랭크
50. 피스톤 링 홈의 하부
52. 링 뒷부분의 부피
54. 하부 피스톤 링 홈 플랭크
A. 하부 링 플랭크와 하부 피스톤 링 플랭크 간의 밀봉 갭
AH. 반경 방향의 피스톤 링 두께의 바깥쪽 절반부
IH. 반경 방향의 피스톤 링 두께의 안쪽 절반부
P1. 상부 링 플랭크 상의 연소 가스 압력
P2. 링 뒷부분의 부피에서의 연소 가스 압력

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(ring flank seal)(14)를 구비한 피스톤 링(piston ring)(2)으로서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈(ring flank seal groove)(12)은 상기 피스톤 링의 하부 링 플랭크(lower ring flank)(8)에 배치되고, 상부 링 플랭크(upper ring flank)(6) 및/또는 상기 링의 내면(inner surface)(10)으로부터 상기 링 플랭크 밀봉 홈(12)으로 연장되는 개구부들(18)을 더 포함하는,
    적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(ring flank seal)(14)를 구비한 피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈(12)에 적어도 부분적으로 리세스(recessed)된 링 플랭크 밀봉부(14)를 더 포함하는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈(12)은 사다리꼴 홈의 형태로 구현되는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈(12)은 더브테일 홈(dovetail groove)의 형태로 구현되는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉 홈(12)은 피스톤 링 조인트(joint)의 앞에서 마감되는(end),
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 플랭크 밀봉 홈은 피스톤 링 조인트까지 연장되는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(14)은 O-링(O-ring)(16)의 형태로 구현되는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부들(18)은 상기 상부 링 플랭크(6)로부터 링 플랭크 밀봉 홈(12)으로 연장되는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부(20)들은 상기 링의 상기 내면(10)으로부터 상기 링 플랭크 밀봉 홈(12)으로 연장되는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  10. 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(14)의 재질(material)은 탄성재질(elastic)인,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(14)의 재질은 구리(copper), 청동(bronze) 및/또는 알루미늄(aluminum)과 같은 금속 재질 및/또는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(polytetrafluoroethylene), 실리콘 고무(silicone rubber) 및/또는 내열성 탄성중합체(temperature-resistant elastomer)와 같은 내열성 플라스틱(temperature-resistant plastic)을 포함하는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  12. 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(14)의 재질은 상기 피스톤 링(2)보다 상당히 높은 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion)를 갖는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  13. 제 2 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 링 플랭크 밀봉부(14)는 상기 피스톤 링(2)의 반경방향(radial) 두께의 안쪽 절반부(inner half)에 배치되는,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
  14. 제 2 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 링(2)은 압축 링(compression ring)(2)인,
    링 플랭크 밀봉부(14)를 구비한 피스톤 링(2).
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