KR20190015237A

KR20190015237A - 오일 가압 효과의 릿지들을 가지는 2-파트 오일 제어 링(two part oil control ring having oil pressure effect ridges)

Info

Publication number: KR20190015237A
Application number: KR1020187033610A
Authority: KR
Inventors: 리차드 미틀러; 페이비언 루크
Original assignee: 페데랄-모굴 부르샤이트 게엠베하
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2019-02-13
Also published as: BR112018071531A2; EP3408566B1; RU2727816C2; US20190178380A1; US10883600B2; WO2017207172A1; RU2018144143A; CN109073079B; RU2018144143A3; JP6866400B2; EP3408566A1; CN109073079A; DE102016110131A1; PT3408566T; JP2019518178A

Abstract

그 주행 표면들이 외측으로 굴곡된 두 개의 원주 방향의 숄더들을 포함하는 오일 와이퍼 링이 제공되며, 연소 챔버 측면 상의 숄더는 크랭크케이스 측면 상의 숄더의 축방향 높이보다 적어도 2 배 더 높은 축방향 높이를 가지며 그리고 상기 연소 챔버 상의 숄더는 비대칭적 크라운닝을 가진다.

Description

오일 가압 효과의 릿지들을 가지는 2-파트 오일 제어 링(TWO PART OIL CONTROL RING HAVING OIL PRESSURE EFFECT RIDGES)

본 발명은 피스톤 링들에 관한 것으로, 특히 오일 와이퍼 링에 관한 것이다.

4-행정 엔진들의 주된 문제점들 중 하나는 크랭크케이스(crankcase)에 존재하는 오일에 대해 피스톤 링 피스톤 시스템을 모니터링하고 실링(sealing)하는 것이다; 크랭크케이스 오일로부터 가능한 효과적으로 연소 챔버를 실링하도록 의도된 피스톤 링들이 이러한 목적을 위하여 사용된다. 이러한 관점에서, 연소 챔버로부터의 가스의 실링 및 마찰에 관련하여 피스톤 링 시스템의 기능성을 보장하기 위해, 일정량의 오일이 시스템에 필요하다는 점이 주목되어야 한다. 한편, 이 정의된(defined) 오일 부피는 피스톤 링 주행 표면 상의 유체역학적 윤활막(hydrodynamic lubricating film)을 억제하지 않으면서 가능한 한 작게 유지되어야 한다. 특히, 오일 와이퍼 링은 오일 방출들, 기능성(functionality) 및 내마모성(wear resistance) 사이에 완벽한 평형이 있는지 확인해야 한다.

이하에서 오일 링들로도 축약하여 지칭되는 오일 와이퍼 링들은 LVD, LVP HD 엔진들에서 2 또는 3-파트 설계들에 사용된다. 2-파트 링들의 경우, 링 캐리어(ring carrier)는 실린더 벽에 대해 외부 주행 표면을 가압하는 내부 스프링을 가지도록 설계된다. 실린더 벽으로부터 과도한 오일을 스크래핑하는(scrape) 두 개의 숄더들이 피스톤 링의 주행 표면 상에 배치되고, 예를 들어 보어(bore)들 또는 슬롯(slot)들 형태의 개구들은 숄더들 사이에 위치하며, 이들 개구들은 잔여 오일을 외부로부터 피스톤 링의 내부로 향하게 한다. 숄더들은 이들의 높이 및 깊이에 대해 대칭적 설계로 배치된다.

본 발명에 의해 다루어지는 문제점은 피스톤 링 시스템에 존재하는 오일 체적에 대한 제어를 더욱 개선하여 오일 소비를 감소시키고, 동시에 링 번들(ring bundle)의 기능성을 유지하는 것이다.

상기 문제점은 링 캐리어 및 내부 스프링을 포함하는 오일 와이퍼 링에 의해 본 발명에 따라 해결되며; 여기서 그 사이에 위치한 그루브를 가지는 두 개의 숄더들이 회전 방향으로 상기 링 캐리어의 외부 주행 표면에 배치되고; 상기 그루브로부터 상기 링 캐리어의 내부로 반경 방향(radially)으로 연장되는 개구들이 배치된다. 이 경우, 상기 숄더들의 주행 표면 영역들은 피봇 지점들을 가지는 볼록한 크라운형 방식(convexly crowned manner)으로 형성되고, 상기 두개의 피봇 지점들 및 상기 링 축 사이의 거리는 동일하며 그리고 상기 연소 챔버 상의 상기 숄더의 축방향 높이는 상기 크랭크케이스 측면 상의 상기 숄더의 축방향 높이보다 적어도 2배 더 높다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 연소 챔버 측면 상의 상기 숄더의 상기 주행 표면 영역은 비대칭적 크라운형 설계(asymmetrically crowned design)를 가진다.

다른 양상에 따르면, 상기 연소 챔버 측면 상의 상기 숄더의 상기 주행 표면 영역의 상기 피봇 지점은 상기 연소 챔버 측면 상의 상기 숄더의 축방향 높이의 25% 이하, 바람직하게는 15% 이하의 거리로 상기 그루브에 근접하게 배치될 수 있다.

추가적인 양상에 따라, 상기 크랭크케이스 측면 상의 상기 숄더의 주행 표면 영역은 대칭적 크라운형 설계를 가질 수 있으며 그리고 상기 피벗 지점은 상기 크랭크케이스 측면 상의 상기 어깨의 축방향 높이에 대해 중앙에(centrally) 배치될 수 있다.

이 경우에 표준적인 용어들은 다음과 같으며, 축방향(axially)은 상기 피스톤의 대응하는 방향에 대해, 즉 왕복운동(back-and-forth movement)과 같거나, 또는 상기 피스톤 실린더의 대응하는 축에 관련이 있다. 상기 링 축은 설치된 상태(installed state)에서 상기 피스톤의 중심 축과 일치하는 축 방향에서의 상기 링의 중심 지점을 통해 연장되는 축이다. 따라서, 방사 방향(radial direction)은 상기 링 축으로부터 멀어지거나 상기 링 평면에 평행하게 연장하는 방향이다.

본 발명의 예시적인 실시예들이 도면을 참조하여 이하에서 자세히 설명되며, 여기서 도 1은 오일 와이퍼 링의 축방향의 단면도를 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 오일 와이퍼 링의 예시적인 실시예를 축방향의 단면도로 도시한다. 오일 와이퍼 링은 링 캐리어 (1) 및 실린더 벽에 대해 외측으로 설치된 상태에서 오일 와이퍼 링을 가압하는 링-형상의 내부 스프링 (2)(예를 들어, 튜브 스프링)을 가지는 2-파트 설계를 가진다. 2 개의 숄더(3, 4)들은 회전 방향에서 오일 링의 주행 표면 영역 상에 원주 방향으로(circumferentially) 배치되고, 그 사이에 회전 방향에서 마찬가지로 원주 방향으로 배치되는 그루브 형태의 함몰부 (depression)가 위치하며, 그 사이에 마찬가지로 회전 방향에서 원주 방향으로 배열되고 축방향의 단면도에서 면 (F)을 가지는 그루브 형태의 함몰부가 위치한다. 다수의 개구 (5)(예를 들어, 보어(bore)들 또는 슬롯(slot)들의 형태인)들은 회전 방향에서 링 캐리어 (1)의 내부로 그루브의 하부로부터 연장되어, 주행 표면 영역으로부터 오일 링의 내부로의 과도한 오일이 링 그루브에서 유출되지 않고, 피스톤의 적합한 배출구를 통해 전달된다. 도시된 오일 링은 비대칭적 주행 표면 어레인지먼트(두 개의 숄더 (3, 4)들이 이들의 축방향 높이 (K, S) 및 그들의 주행 표면 윤곽 모두에서 급격히 상이함)를 특징으로 한다. 이 경우에 대칭 및 비대칭이라는 용어는 축방향과 관련하여, 즉 링 평면에 평행하게, 즉 축방향에 수직으로 연장되는 평면에 대한 거울 대칭의 의미로 이해되어야 한다. 도 1의 단면에서, 이는 수평선에 관련이 있다. 회전 방향에서, 링은 링 조인트로부터 떨어져 회전 대칭이다.

연소 챔버 측면 상의 숄더 (3)는 급격하게(sharply) 비대칭인 볼록한 크라우닝(convex crowning)을 가지며, 즉 주행면은 외측으로 굴곡되어 있으며, 위의 도면에서 그루브에 근접한 곡률은 연소 챔버를 향하는 숄더의 측면에 근접한 곡률보다 더 크다. 따라서 그루브에 근접하여, 주행 표면은 축 방향에서 상대적으로 급격한 굴곡을 나타내고(describe), 다른 측면 상에서는 상대적으로 평평한 곡선으로 연장된다. 피봇 지점 (Y) 또는 "꼭대기(apex)", 즉 반경 방향으로 가장 멀리 있고 링과 접하는 지점, 즉 실린더 벽은 그루브에 근접하여 위치한다. 축방향에서 그루브로부터의 피봇 지점 (Y)의 거리는 바람직하게는 연소 챔버 측면 상의 숄더 (3)의 축방향 높이 (K)의 25% 미만, 보다 바람직하게는 15% 미만으로, 피봇 지점 (Y)는 크랭크케이스의 방향에서 급격하게 아래로 향하게 된다. 연소 챔버 측면 상의 숄더 (3)의 주행 표면의 비대칭적 형상은 오일이 축 방향에서 실린더 벽 및 숄더의 주행 표면 사이의 상대적으로 큰 영역을 통과할 수 있어 실린더 벽 상에 숄더 (3)의 가압하는 힘에 대하여 작용하는 상대적으로 큰 힘을 일으키므로, 이러한 윤곽의 선택은 지나치게 많은 오일이 도입되는 경우 이것이 피스톤의 업 스트로크 중에 오버플로우될 것이라는 것을 의미한다. 반대로, 업스트로크 동안 피봇 지점 (Y)의 어레인지먼트는 그에 상응하여 연소 챔버 측면 상의 숄더의 양질의 오일 스트리핑 작용을 유도한다. 업스트로크 동안, 대응하는 압력 강하가 오일을 개구 (5)를 통해 링 캐리어 (1)의 내측으로 흐르게 할때까지 오일이 숄더 (3, 4)들 사이에 홀딩된다.

크랭크케이스 측면 상의 숄더 (4)는 상대적으로 급격하게 볼록한 크라운닝을 가지는 주행 표면 상에 형성되며, 즉 주행 표면은 축 방향으로 상대적으로 급격한 곡률을 가진다. 이 경우 "상대적으로 급격한"은 연소 챔버 측면 상의 숄더 (3)의 주행 표면의 완만하게 굴곡된 측면을 참조하여 이해되어야 한다. 크랭크케이스 측면 상의 숄더 (4)의 피봇 지점 (Z)은 크랭크케이스 측면 상의 숄더 (4)의 높이 (S)의 축 방향으로 대략 중간에 위치한다. 반경 방향에서, 크랭크케이스 측면 상의 숄더 (4)의 피봇 지점 (Z)의 어레인지먼트는 연소 챔버 측면 상의 숄더 (3)의 피봇 지점 (Y)의 어레인지먼트에 대응하고, 이들은 축 방향으로 서로 배향되어 따라서 링의 축으로부터 동일한 거리에 위치하고 그리고 설치된 상태에서 동시에 실린더 벽에 접한다. 이러한 주행 표면의 포메이션(formation)은 양질의 스트리핑 작용이 크랭크케이스 측면 상의 숄더 (3)에 의해 양방향으로 이루어짐을 의미한다: 다운스트로크 동안 오일은 크랭크케이스로 아래쪽으로 스트리핑되고; 업스트로크 동안 오일은 숄더들 사이의 영역에 홀딩된다.

숄더 (3, 4)들의 주행 표면의 구성은 축 방향에서 두 개의 숄더들 사이의 높이의 상이함에 의해 그 작용이 지지되고 가능해진다. 연소 챔버 측면 상의 숄더 (3)는 축방향 높이 (S)(스트리핑 높이(stripping height))를 가지는 크랭크 측면 상의 숄더 (4)의 적어도 2배 이상인 축방향 높이 (K) (제어 높이(control height))를 가진다. 이는 K> 2·S임을 의미한다.

이러한 기능을 보장하기 위해, 오일 와이퍼 링은 이러한 방식으로 설계되고, 특히 스프링 (2)은 링 캐리어 (1)의 중심 영역, 즉 스프링으로부터 발산하는 외부로 향하는 힘의 중심은 두 개의 피벗 지점 (Y, Z)들 사이의 축 방향 높이에 위치한다. 그리고 숄더 (3, 4)의 양 주행 표면들은 실린더 벽 상의 각각의 피벗 지점 (Y, Z)들 상에서 동시에 가압된다. 이 경우 힘의 약 절반이 두 숄더들 각각을 통해 전달되는 것이 바람직하다. 그러나, 작동 중 발생하는 동적인 힘들에 대항하고 그리고 모든 작동 상태들에서 실린더 벽 상에 적합한 압력을 보장하기 위해서, 불규칙한 힘의 분할이 또한 고려될 수 있어, 예를 들어 주행 동안에 숄더들 중 하나가 실린더로부터 떨어지는 것(being lifted off)을 방지한다.

두 개의 숄더 (3,4)들 사이에 위치하는 그루브는 두 개의 숄더들 사이의 거리에 대응하는 축방향 높이 (D) 및 깊이 (X)을 특징으로 한다. 숄더 (3,4)들 사이에 홀딩될 수 있는 오일의 부피는 그루브의 함몰된 표면 A = D·X에 의해 결정되고, 그리고 이 부피는 그루브의 평균 원주를 곱함으로써 획득된다.

한편으로, 피스톤 링들의 기능을 보장하기 위해 충분한 양의 오일이 피스톤 링 시스템에 도달하고, 다른 한편으로는 너무 많은 오일이 시스템 내부로 유입되지 않는 위치에 도달하여, 가능한 최소한의 방출 값들이 관찰될 수 있는 경우에, 이러한 숄더 (3, 4) 사이의 그루브의 부피는 중요하다. 이러한 목적을 위해 표면 A는 필요한 통류 인자(through-flow factor) D_x에 대한 링 숄더 높이들 K + S의 합 및 표면 압력 P₀의 곱에 비례해야 하는 것으로 나타나며, 여기서 표면 압력 P₀는 숄더들이 실린더 벽에 대해 가압하는 압력, 즉 숄더들의 주행 표면의 전체 영역에 대한 힘이다.

통류 인자 Dx의 수치값은 대략 2 내지 9 N/mm³이다. D_x 는 링의 전체 주행 표면에 대한 매체의 밀도(density of the medium) 및 전환된 체적 흐름(diverted volume flow)으로부터 획득된다: D_x = ρ/2·V²·1/Lh; 여기서, ρ는 매체의 밀도이고, V는 체적 흐름의 속도이고, Lh는 선형 높이, 즉 실린더 벽을 따르는 링의 주행 길이이다.

이러한 종류의 실시예는 링 번들(ring bundel)의 동시적인 완전한 기능성과 함께 오일 소비를 감소시킨다. 숄더들 사이의 전단력(shear force)들의 감소는 보다 작은 오일 부피를 통해서도 이루어진다.

Claims

링 캐리어(ring carrier) (1) 및 내부 스프링(internal spring) (2)을 포함하는 오일 와이퍼 링(oil wiper ring)으로서, 상기 오일 와이퍼 링은:
그 사이에 위치한 그루브(groove)를 가지는 두 개의 숄더(shoulder) (3,4)들이 회전 방향으로 상기 링 캐리어의 외부 주행 표면 상에 배치되고;
상기 그루브로부터 상기 링 캐리어 (1)의 내부로 반경 방향으로(radially) 연장되는 개구 (5)들이 배치되고;
상기 숄더 (3, 4)들의 주행 표면 영역들은 피봇 지점들을 가지는 볼록한 크라운형 방식(convexly crowned manner)으로 형성되고, 상기 두 개의 피봇 지점(pivot point)들 및 링 축 사이의 거리는 동일하며;
연소 챔버(combustion chamber) 측면 상의 숄더 (3)의 축방향 높이 (K)는 크랭크케이스(crankcase) 측면 상의 숄더 (4)의 축방향 높이 (S)보다 적어도 2 배 더 높은,
오일 와이퍼 링.
제 1 항에 있어서,
상기 연소 챔버 측면 상의 숄더 (3)의 주행 표면 영역은 비대칭적 크라운형 설계(asymmetrically crowned design)를 가지는, 오일 와이퍼 링.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 연소 챔버 측면 상의 숄더 (3)의 주행 표면 영역의 상기 피봇 지점 (Y)은 상기 연소 챔버 측면 상의 상기 숄더 (3)의 축방향 높이 (k)의 25% 이하인 거리로 상기 그루브에 근접하게 배치되는,
오일 와이퍼 링.
제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 크랭크케이스 측면 상의 상기 숄더 (4)의 주행 표면 영역은 대칭적 크라운형 설계를 가지며 그리고 상기 피벗 지점 (Z)은 상기 크랭크케이스 측면 상의 상기 숄더 (4)의 축방향 높이 (S)에 대해 중앙에(centrally) 배치될 수 있는,
오일 와이퍼 링.