KR20180059798A - 피스톤 링 - Google Patents

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KR20180059798A
KR20180059798A KR1020187008929A KR20187008929A KR20180059798A KR 20180059798 A KR20180059798 A KR 20180059798A KR 1020187008929 A KR1020187008929 A KR 1020187008929A KR 20187008929 A KR20187008929 A KR 20187008929A KR 20180059798 A KR20180059798 A KR 20180059798A
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피터 슈미트
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페데랄-모굴 부르샤이트 게엠베하
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Abstract

내연 기관을 위한 피스톤 링이 제공되며, 상기 피스톤 링은 상기 피스톤 링의 링 엣지 상에 제공되는 적어도 하나의 압입부를 포함하며, 상기 피스톤 링의 원주 방향으로의 상기 적어도 하나의 압입부는 가변 깊이 프로파일을 가진다.

Description

피스톤 링
본 발명은 피스톤 링(piston ring)에 관한 것으로, 특히 현대식 내연 기관(modern internal combustion engine)들을 위한 개선된 내구성을 구비하는 피스톤 링에 관한 것이다.
압축 피스톤 링(compression piston ring) (이하, 일반적으로 "피스톤 링"이라 칭함)들은 주로 내연 기관의 크랭크 케이스(crankcase)에 대해 연소 챔버를 실링(sealing)하는 역할을 수행하여, 크랭크 케이스 내로 연소 가스가 침투하는 것과, 그보다 정도는 덜하지만, 연소 챔버 내로 윤활유가 침투하는 것을 방지한다.
피스톤 링들은 베어링 표면, 즉 실린더의 내부 벽면 및 피스톤 링의 외부 축 표면의 경계 뿐만 아니라 하부 엣지, 즉 피스톤 링의 하부 반경 표면(lower radial surface), 피스톤 링 그루브(piston ring groove) 및 피스톤 링 사이의 경계를 실링(seal)한다. 여기 및 이하에서, "하부(lower)"는 연소 챔버로부터 멀어지는 방향으로 향하는(facing away) 피스톤 또는 실린더의 측면을 의미한다.
오늘날의 고압 기계(highly pressurized machine)들에서, 부식성(corrosive) 및 연마성(abrasive) 침식(attack) 둘 다가 피스톤 링의 하부 링 엣지들에서 종종 발생한다. 그 이유는 링 엣지와 피스톤 그루브 사이의 공간에 너무 적은 윤활 오일이 도달하기 때문이다. 피스톤 그루브와 피스톤 링 사이의 영역에 도달하는 윤활제(lubricant)의 양을 줄이기 위한 추가적인 시도들이 이루어짐에 따라 이 문제가 가까운 장래에 더 심각해질 것이다. 이는 소위 "오일 펌핑 (oil pumping)", 즉 피스톤의 상하 운동 중 피스톤 링의 흔들림으로 인해 연소 챔버 내로 오일이 불필요하게 펌핑되는 것을 방지하기 위해 사용되며, 궁극적으로 배출 제어 및 유해한 연소 물질들의 감소를 제공한다.
그루브 및 피스톤 링의 엣지 상의 부식 및 연마성 마모(abrasive wear)는 기능적인 실링 기밀성(seal tightness)을 제한하고, 이는 더 높은 블로우-바이 값(blow-by value)들 및 궁극적으로 짧은 사용 수명(service lifetime) 이후에 피스톤 링의 파손을 야기할 수 있다.
베어링 표면들의 마모를 방지하기 위해, 이들은 크롬으로 도금된다. 그러나, 상술한 링 엣지들 상에 마모의 문제에서, 크롬 도금은 거의 긍정적인 효과를 가지지 못한다. CH 373594 A에서, 그루브 및 피스톤 링의 두 금속 표면들 사이의 건조 마찰(dry friction)을 방지하기 위해, 연소 챔버와 마주하는 피스톤 링의 적어도 (상부) 표면에 결합제(binding agent)를 함유하는 건식 윤활제(dry lubricant)로 채워지는 압입부(indentation)들을 제공하는 것이 제안된다. 건식 윤활제는 동시에 부식 방지를 제공한다.
그러나, 이러한 압입부들에 의해 제공되는 마모 및/또는 부식에 대한 보호는 단지 매우 제한된 기간에 불과하다. 추가적인 마모를 촉진하는 요인들이 작용하는 경우, 이러한 보호용 압입부들은 짧은 기간 내에 마모(worn away)되어 그 보호 효과를 잃을 수 있다. 본 발명은 상기 문제점들에 대한 해결책을 제공한다.
본 발명은 피스톤 링에 관한 것으로, 특히 현대식 내연 기관들을 위한 개선된 내구성을 구비하는 피스톤 링에 관한 것이다. 여기에서 연소 챔버와 마주하는 방향으로 향하는(facing towards) 또는 연소실로부터 멀어지는 방향으로 향하는(facing away) 쪽이라는 언급이 있는 경우에, 이는 반드시 상응하는 특징이 어셈블리된(assembled) 상태에서만 효과적이라는 것을 의미하는 것이 아니며, 크랭크 케이스 및 연소 챔버와 관련하여 기술된 피스톤 링에 대한 설치 방향에 관련이 있다. 이러한 예정된 설치 방향은 보통 피스톤 링 상에 표시된다(예를 들어, 링 엣지 상에 새겨진(imprinted) "상부").
본 발명의 바람직한 실시예에서, 내연 기관을 위한 피스톤 링이 제공되며, 상기 피스톤 링은 피스톤 링의 링 엣지 상에 제공되는 적어도 하나의 압입부(indentation)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 압입부는 피스톤 링의 원주 방향으로 가변 깊이 프로파일(varying depth profile)을 가진다.
일 실시예에서, 링 엣지는 연소 챔버로부터 멀어지는 방향으로 향한다(facing away). 다른 실시예에서, 링 엣지는 연소 챔버와 마주하는 방향으로 향한다(facing towards).
일 실시예에서, 피스톤 링은 또한 연소 챔버와 마주하는 방향으로 향하는 링 엣지 상에 제공되는 적어도 하나의 압입부를 포함하고, 적어도 하나의 압입부는 피스톤 링의 원주 방향으로 가변 깊이 프로파일을 가진다.
일 실시예에서, 링 엣지와 압입부의 최고점 사이의 축 방향 거리는 링 엣지와 압입부의 최심점(deepest point) 사이의 축 방향 거리의 50 % 이하이다.
일 실시예에서, 압입부의 깊이 프로파일은 정현파(sinusoidal) 형상, 물결(undulating) 형상, 지그재그(zig-zag) 형상, 톱니(saw-tooth) 형상 또는 사다리꼴(trapezoidal) 형상을 가진다.
일 실시예에서, 링 엣지의 일부분에서 피스톤 링의 링 엣지에서의 압입부는 링 엣지의 경계로부터 반경 방향으로 변하는 거리(radially varying distance)를 가진다.
일 실시예에서, 링 엣지의 경계로부터의 반경 거리(radial distance)는 원주 방향으로 정현파식으로 변한다.
추가적인 실시예에서, 피스톤 링은 연소 챔버로부터 멀어지는 방향으로 향하는 링 엣지 상에 제공되는 제 2 압입부를 포함하며, 적어도 하나의 압입부는 피스톤 링의 원주 방향으로 제 1 압입부의 깊이 프로파일에 대해 위상 변이되는(phase-shifted) 가변 깊이 프로파일을 가진다.
일 실시예에서, 연질 재료(soft material)가 적어도 하나의 압입부들에 도입된다(introduced).
일 실시예에서, 연질 재료는 구리(copper), 몰리브덴(molybdenum), 티타늄(titanium), 크롬(chromium), 코발트(cobalt), 니켈(nickel), 주석(tin), 아연(zinc), 텅스텐(tungsten) 또는 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 연질 재료는 구리, 몰리브덴 또는 윤활제 바니시(lubricant varnish)로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 압입부에서의 연질 재료의 충전 높이(filling height)는 5 % 내지 50 %이고, 가장 바람직하게는 10 % 내지 30 %이다.
일 실시예에서, 연소 챔버로부터 멀어지는 방향으로 향하는 링 엣지의 측면 상에, 적어도 2 개의 압입부들이 제공되며, 그 중 하나는 연질 재료로 채워지고 다른 하나는 채워지지 않는다.
일 실시예에서, 연소 챔버와 마주하는 방향으로 향하는 링 엣지의 측면 상에, 적어도 2 개의 압입부들이 제공되며, 그 중 하나는 연질 재료로 채워지고 다른 하나는 채워지지 않는다.
여기에 도시된 모든 도면들은 본질적으로 개략적이며 예시적이다. 수치들 및 크기들은 본 발명의 디자인 및 효과들을 설명하기 위해서 과장될 수 있다. 가능한, 동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부분들을 나타내기 위해 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤 그루브에 설치되는 피스톤 링의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링의 세그먼트를 나타낸 도면이다.
도 2b는 압입부의 깊이 프로파일(depth profile)을 나타내는 단면선 S를 따라 도 2a의 피스톤 링을 통하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 링의 세그먼트를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피스톤 링의 세그먼트를 나타낸 도면이다.
본 발명은 피스톤 링에 관한 것으로, 특히 현대식 내연 기관들을 위한 개선된 내구성을 구비하는 피스톤 링에 관한 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 피스톤 그루브에 설치되는 피스톤 링의 단면도이다.
도 1은 특히 내연 기관의 피스톤 (2)에서 그루브 (1) 또는 압입부(indentation)를 도시한다. 피스톤 링 (3)은 그루브 (1)에 삽입된다. 도 1에서, 연소 챔버(도시되지 않음)는 도시된 장치(arrangement) 위에 위치된다. 연소 가스들의 접촉 압력에 의해, 피스톤 링은 통상 아래쪽으로, 즉 연소 챔버로부터 멀어지도록 압력을 받는다. 결과적으로, 피스톤 링 (3)의 베어링 표면(즉, 실린더 내부 벽면 (6)과 피스톤 링 (3)의 외부 축 표면의 경계)과, 다른 한편으로 링 피스톤 링 (3)의 하부 엣지 (4) (즉, 피스톤 링 그루브 (1)와 피스톤 링 (3)의 하부 반경 표면 사이의 경계) 상에 상당한 연마력들이 발생한다.
본 발명에 따른 압입부 (5)들은 피스톤 링의 상부 엣지 및 하부 엣지 (4) 상에 개략적으로 도시된다. 압력으로 인해 하부 엣지 상의 힘들이 일반적으로 더 강하기 때문에, 피스톤 링 (3)의 하부 엣지 상의 압입부 (5)가 특히 바람직하지만, 본 발명에서 상부 엣지 상의 압입부들이 선택적으로 제공된다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 링의 세그먼트를 나타낸 도면이다. 도 2a는 하부 링 엣지 (4)에서 동심원의 압입부들로서 피스톤 링 (3)에서의 압입부 (5)들을 도시한다. 그러나, 대응하는 압입부들이 본 발명에 따른 피스톤 링의 상부 링 엣지 상에 제공될 수도 있다.
도 2b는 단면선 S를 따라 도 2a의 피스톤 링을 통하는 단면도이다. 도 2b는 특히, 압입부 (5)를 따르는 압입부 (5)의 깊이(depth)가 일정하지 않지만, 일정한 정도로, 바람직하게는 규칙적인 방식으로 변하는 것을 도시한다. 도 2b는 정현파형 압입부 프로파일(sinusoidal indentation profile)을 예시로서 도시하며, 줄쳐진 윗 부분은 압입부 (5)를 형성하도록 제거된 물질을 나타낸다. 압입부 (5)의 깊이 프로파일의 정현파 형상 이외에, 물결(undulating) 형상, 지그재그(zig-zag) 형상, 톱니형상(saw-tooth) 또는 사다리꼴(trapezoidal) 형상 등과 같은 다른 프로파일 형상들도 가능하다. 압입부들의 형상은 이에 제한되지 않는다. 상이한 형상들이 링 엣지의 압입부 (5) 사이(among)에서와 링 엣지들 사이에서 자유롭게 결합될 수 있다. 그러나, 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이 물결 형상 또는 정현파 형상이 특히 바람직하다.
반경 방향 단면(도 1에서와 같은)에서, 압입부는 바람직하게는 V-형상 (도 1에 도시됨), 직사각형, 사다리꼴 형상, 둥근 바닥을 구비하는 압입부의 형태 (U 형상), 또는 다른 적절한 형태일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 링 엣지 (4)와 압입부의 최고점 사이의 축 방향 거리 (b)는 링 엣지 (4)와 압입부의 최심점(deepest point) 사이의 축 방향 거리 (a)의 50 % 이하이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 다른 실시예들에 따른 피스톤 링의 부분도를 나타낸다. 도 3은 어떻게 복수의 압입부 (5)들이 피스톤 링 (3)의 링 엣지 (4) 상에 동심원으로 오프셋(concentrically offset)되어 제공되는지를 도시한다. 도 4는 피스톤 링 (3)의 링 엣지 (4)에서의 압입부 (5)가 물결 형상을 가지므로, 링 엣지 (4)에서의 압입부 (5)가 피스톤 링 (3)의 반경 방향 높이의 일부에서 구불구불한(meander) 것을 보여준다. 환언하면, 피스톤 링 (3)의 링 엣지 (4)에서의 압입부 (5)는 링 엣지 (4)의 일부분에서 엣지 (4)의 경계로부터 반경 방향으로 변하는 거리(radially varying distance)를 가진다. 링 엣지 (4)의 외부 엣지가 바람직하게 여기에 의도된다. 이러한 물결 형태가 특히 바람직하여, 정현파 또는 웨이브형 압입 프로파일 (도 2b에 도시됨)을 구비하는 정현파 또는 웨이브형 압입부 (5) (도 4에 도시됨)에서 특히 긍정적인 효과가 달성될 수 있다.
둘러싸거나 또는 부분적으로 둘러싸는 압입부 (5)에 의해, 상이한 압력 조건들에서 그루브에서 원주 방향으로의 오일의 흐름이 보장되는 것이 가능하다. 이렇게 제공되는 오일은 공지된 방식으로 피스톤 링 (3)의 하부 엣지 (4)에서, 그리고 또한 선택적인 실시예들에서 피스톤 링 (3)의 상부 엣지에서 마모 및 부식을 감소시킨다. 복수의 압입부 (5)들이 서로 평행하게 배열(예를 들어, 도 2a에서와 같이)되는 경우에, 개별적인 압입부 (5)의 깊이 프로파일들은 동일한 위상(즉, 인접한 압입부 (5)의 최심점 위에 반경 방향으로 압입부의 최심점)이 아닌, 위상-변이되는(phase-shifted) 방식(골 위에 마루(peak over valley))으로 배열되는 것이 바람직하다.
선택적으로, 본 발명에 따른 하나 이상의 압입부 (5)에서, 연소에 의해 시스템 내로 운반되는 입자들을 흡수하는 연질 재료(soft material)가 도입된다. 연질 재료는 바람직하게 구리(copper), 몰리브덴(molybdenum), 티타늄(titanium), 크롬(chromium), 코발트(cobalt), 니켈(nickel), 주석(tin), 아연(zinc), 텅스텐(tungsten) 또는 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료들을 포함한다. 연질 재료는 바람직하게는 구리, 몰리브덴 또는 윤활제 바니시(lubricant varnish)로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료를 포함한다. 그러나, 일반적으로 모든 재료들이 피스톤 스커트(piston skirt)들 또는 실린더 벽들의 구성에서 일반적으로 바람직한 윤활 효과를 제공하기에 적합한 연질 재료로 적용이 가능하다(예를 들어, 피스톤 스커트/실린더 벽에 함유물(inclusion)들 또는 비드(bead)들의 형태).
일 실시예에서, 압입부에서의 연질 재료의 충전량의 정도(캐비티(cavity)의 깊이의 %, 즉 링 엣지로부터 압입부의 최심점까지의 수직 거리)는 2 % 내지 99 %이고, 바람직하게는 5 % 내지 50 %, 가장 바람직하게는 10 % 내지 30 %이다.
본 발명의 압입부 (5)들은 공지된 방법들을 사용하여 피스톤 링 내로 기계적으로 밀링(milled)되거나 (화학적으로) 마멸(abraded)될 수 있다.

Claims (15)

  1. 내연 기관(internal combustion engine)을 위한 피스톤 링(piston ring) (3)으로서,
    상기 피스톤 링 (3)의 링 엣지 (4) 상에 제공되는 적어도 하나의 압입부(indentation) (5)-상기 적어도 하나의 압입부 (5)는 상기 피스톤 링의 원주 방향으로 가변 깊이 프로파일(varying depth profile)을 가짐-;
    을 포함하는,
    피스톤 링 (3).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 엣지 (4)는 연소 챔버로부터 멀어지는 방향으로 향하는(facing away),
    피스톤 링 (3).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 엣지 (4)는 연소 챔버와 마주하는 방향으로 향하는(facing towards),
    피스톤 링 (3).
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연소 챔버와 마주하는 방향으로 향하는 상기 링 엣지 상에 제공되는 적어도 하나의 압입부 (5)-상기 적어도 하나의 압입부 (5)는 상기 피스톤 링 (3)의 원주 방향으로 가변 깊이 프로파일을 가짐-
    를 더 포함하는,
    피스톤 링 (3).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 엣지 (4)와 상기 압입부의 최고점 사이의 축 방향 거리 (b)는 상기 링 엣지 (4)와 상기 압입부의 최심점(deepest point) 사이의 축 방향 거리 (a)의 50 % 이하인
    피스톤 링 (3).
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압입부 (5)의 깊이 프로파일은 정현파(sinusoidal) 형상, 지그재그(zig-zag) 형상, 톱니(saw-tooth) 형상 또는 사다리꼴(trapezoidal) 형상을 가지는,
    피스톤 링 (3).
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 엣지 (4)의 일부분 상에 피스톤 링 (3)들의 상기 링 엣지 (4)에서의 압입부 (5)는
    상기 링 엣지 (4)로부터 반경 방향으로 변하는 거리를 가지는,
    피스톤 링 (3).
  8. 제 7 항에 있어서,
    원주 방향으로 상기 링 엣지 (4)의 경계로부터의 반경 거리(radial distance)는 정현파식으로(sinusoidally) 변하는,
    피스톤 링 (3).
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소 챔버로부터 멀어지는 상기 링 엣지 (4) 상에 구비되는 제 2 압입부 (5)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 압입부 (5)는 상기 피스톤의 링의 원주 방향으로 제 1 압입부 (5)의 깊이 프로파일에 대해 위상 변이되는(phase-shifted) 가변 깊이 프로파일을 가지는,
    피스톤 링 (3).
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 압입부 (5)들에 연질 재료(soft material)가 삽입되는,
    피스톤 링 (3).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연질 재료는 구리(copper), 몰리브덴(molybdenum), 티타늄(titanium), 크롬(chromium), 코발트(cobalt), 니켈(nickel), 주석(tin), 아연(zinc), 텅스텐(tungsten) 또는 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료를 포함하는,
    피스톤 링(3).
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 연질 재료는 구리, 몰리브덴 또는 윤활제 바니시(lubricant varnish)로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료를 포함하는,
    피스톤 링(3).
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 압입부에서의 상기 연질 재료의 충전 높이(filling height)는 5 % 내지 50 %인,
    피스톤 링(3).
  14. 제 10 항에 있어서,
    연소 챔버로부터 멀어지는 방향으로 향하는 상기 링 엣지 (4)의 측면 상에 적어도 2 개의 압입부 (5)들이 제공되며, 상기 압입부 (5)들 중 하나는 연질 재료로 채워지고 다른 하나는 채워지지 않는,
    피스톤 링(3).
  15. 제 10 항에 있어서,
    연소 챔버와 마주하는 방향으로 향하는 상기 링 엣지 (4)의 측면 상에 적어도 2 개의 압입부 (5)들이 제공되고, 상기 압입부 (5)들 중 하나는 연질 재료로 채워지고 다른 하나는 채워지지 않는,
    피스톤 링(3).
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