KR20190101089A

KR20190101089A - 엔진 피스톤링

Info

Publication number: KR20190101089A
Application number: KR1020180021029A
Authority: KR
Inventors: 이민용
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-08-30
Also published as: US20190257424A1; US10844956B2

Abstract

본 발명에 따른 엔진 피스톤링은 피스톤헤드에 형성된 다수의 링그루브 중 하나에 끼워지고, 원주방향을 따라 단면의 형상이 사각형인 제1구간과, 단면의 형상이 내주면 상단 모서리에 챔퍼가공에 의한 경사면이 형성된 내부 베벨형인 제2구간이 교번하여 이어지도록 마련된 압축링;을 포함할 수 있다.

Description

엔진 피스톤링 {PISTON RING FOR ENGINE}

본 발명은 다양한 운전조건에 따라 안정적으로 거동할 수 있는 엔진 피스톤링에 관한 것이다.

피스톤은 내연기관의 사이클 행정시, 실린더 내에서 왕복운동을 하면서 연소실과 크랭크실 사이의 기밀을 유지하는 역할을 한다.

피스톤의 구조를 간단히 살펴보면, 피스톤헤드에 다수의 링그루브가 원주방향을 따라 형성되고, 상기 링그루브에는 피스톤링이 각각 끼워진다.

이때, 상기 피스톤링은 실린더 벽면에 있는 오일이 연소실에 들어가지 못하도록 긁어내리는 오일링과, 연소 가스가 누설되지 못하게 피스톤과 실린더 벽 사이에 밀착되어 기밀을 유지하고 동시에 피스톤으로부터 열을 전달받아 실린더 벽으로 전달하는 압축링을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 링그루브 사이에는 랜드부가 형성됨으로써, 상기 피스톤링이 랜드부에 안착 및 지지되면서 피스톤의 왕복운동이 이루어지게 마련된다.

일반적으로 피스톤링의 형상은 설계자가 차량의 운전조건이나 주행조건에 따라 발생되는 장점과 단점을 고려하여 적절한 설계형상을 적용하여 제작한다.

예를 들어, 피스톤링의 단면 형상이 직사각형이라면 제작이 용이하면서 중저속이나 가감속 운전조건에서의 안정성이 향상된다는 효과가 발현되고, 피스톤링의 단면 형상이 내부 베벨형이라면 기밀작용이 강화되면서 고속 운전시 거동이 안정화된다는 효과가 발현된다.

반대로, 각 형상마다 단점도 가지고 있는데, 피스톤링의 단면 형상이 직사각형일 경우에는 고속 운전조건에서 링의 관성 증가로 인해 떨림 현상이 발생하고, 내부 베벨형일 경우에는 중저속이나 가감속 운전조건에서 링의 비틀림량 불균일로 인해 실링성능이 저하되는 현상이 발생된다.

즉, 단일 패턴이 적용되는 피스톤 링은 형상에 따라 그 장단점이 명확하게 발생한다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2016-0086769 A

본 발명은 두 가지 단면 형상이 교번하여 이어지도록 형성됨으로써, 고속, 중저속, 가감속 등의 다양한 운전조건에서도 거동 안정성을 확보하여 오일소모 및 블로바이가스 배출을 최소화하는 엔진 피스톤링을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔진 피스톤링은 피스톤헤드에 형성된 다수의 링그루브 중 하나에 끼워지고, 원주방향을 따라 단면의 형상이 사각형인 제1구간과, 단면의 형상이 내주면 상단 모서리에 챔퍼가공에 의한 경사면이 형성된 내부 베벨형인 제2구간이 교번하여 이어지도록 마련된 압축링;을 포함할 수 있다.

상기 압축링은 상기 피스톤헤드에 형성된 다수의 링그루브 중 최상단에 위치한 링그루브에 끼워지는 탑링인 것을 특징으로 포함할 수 있다.

상기 압축링에는, 상기 제1구간과 제2구간 사이를 연결하고, 양단부의 단면 형상이 각각 인접한 구간의 단면 형상과 동일하며, 단면의 형상이 내부 베벨형이되 상기 제1구간으로부터 상기 제2구간으로 갈수록 경사면의 폭이 점진적으로 넓어지는 연결구간이 더 마련된 것을 특징으로 포함할 수 있다.

상기 압축링은 상기 제1구간 및 제2구간의 반경방향 두께가 서로 동일한 것을 특징으로 포함할 수 있다.

상기 압축링은 상기 제2구간에서 경사면 각도가 45°가 되도록 챔퍼가공된 것을 특징으로 포함할 수 있다.

상기 제2구간에서의 경사면 높이는, 상기 압축링의 폭이 설정길이 이하인 경우에 상기 압축링의 폭에 제1팩터를 곱한 값으로 설계되고, 상기 압축링의 폭이 설정길이보다 길 경우에 상기 압축링의 폭에 제2팩터를 곱한 값으로 설계되며, 상기 제1팩터는 상기 제2팩터보다 큰 값인 것을 특징으로 포함할 수 있다.

상기 제2팩터는 상기 제1팩터의 0.93~0.95배 값인 것을 특징으로 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 엔진 피스톤링에 따르면 압축링에 사각형 및 내부 베벨형의 단면 형상이 모두 적용되는바, 고속 운전조건에서는 베벨형 구간의 비틀림으로 인해 거동이 안정화되고, 중저속이나 가감속 운전조건에서는 사각형 구간에 의해 거동이 안정화됨으로써, 다양한 운전조건에 따른 피스톤링의 거동 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 피스톤링의 거동 안정성이 확보되는바, 궁극적으로는 압축링을 통한 기밀성이 향상되어 오일소모량을 개선할 수 있고, 블로바이 가스가 새어나오는 현상을 최소화할 수 있다.

아울러, 압축링에 사각형 및 내부 베벨형 단면형이 교번하여 마련되는바, 압축링 자체의 비틀림강성이 증대됨으로써, 실린더 상대 운동 시 그루브 내 거동 안정성을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 피스톤을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축링을 도시한 평면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축링을 상세히 도시한 상세도,
도 4는 도 3의 X-X단면을 도시한 단면도,
도 5는 도 3의 Y-Y단면을 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축링 제2구간의 거동을 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 엔진 피스톤링에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 피스톤을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축링을 도시한 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축링을 상세히 도시한 상세도이고, 도 4는 도 3의 X-X단면을 도시한 단면도이며, 도 5는 도 3의 Y-Y단면을 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축링 제2구간의 거동을 도시한 도면이다.

먼저, 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 엔진 피스톤링은 피스톤헤드(10)에 형성된 다수의 링그루브(12) 중 하나에 끼워지고, 원주방향을 따라 단면의 형상이 사각형인 제1구간(A)과, 단면의 형상이 내주면 상단 모서리에 챔퍼가공에 의한 경사면(22)이 형성된 내부 베벨형인 제2구간(B)이 교번하여 이어지도록 마련된 압축링(20);을 포함할 수 있다.

상기 피스톤헤드(10)는 커넥팅 로드의 움직임에 따라 실린더 내부를 상하방향으로 왕복운동하면서 실린더 내부에서 연소 행정이 이루어지도록 마련된다.

본 발명의 압축링(20)은 상기 피스톤헤드(10)에 형성된 링그루브(12)에 끼워져 피스톤헤드(10)와 함께 상하 왕복운동하면서 실질적으로 연소가 이루어지는 연소실의 기밀을 유지하게 된다.

특히, 본 발명에서 상기 압축링(20)은 단면 형상이 직사각형인 제1구간(A)과 내부 베벨형인 제2구간(B)이 교번하면서 이어지도록 마련된다.

일반적으로, 압축링(20)의 단면이 직사각형 형상이라면 차량이 중저속이나 가감속 주행 중일 경우에는 관성이 작아져 상하방향으로의 거동 안정성이 확보되는 반면, 차량이 고속 주행 중일 경우에는 관성이 증가하면서 상하방향으로 떨림현상이 발생하여 거동 안정성이 저하된다.

반대로, 단면이 내부 베벨형인 경우 압축링(20)은 경사면(22) 형성된 부분인 상부 측이 상대적으로 강성이 약해지기 때문에 위쪽으로 비틀리게 된다. 그런데, 차량이 고속 주행중에는 링 자체의 비틀림력에 의해 오히려 링의 거동 안정성이 향상되고, 중저속 또는 가감속 주행중에는 링의 비틀림력이 불균일하게 발생하면서 링의 거동 안정성이 저하되는 현상이 발생된다.

종래에 피스톤링은 전 구간의 단면 형상이 모두 동일한 형상으로 형성되도록 제작됨으로써, 단면 형상에 따라 주행조건 별로 장단점이 뚜렷하게 구분되었으나, 본 발명의 압축링(20)은 제1구간(A)과 제2구간(B)이 교번하여 이어지기 때문에 복수의 단면 형상을 가지도록 제작되는바, 고속, 중저속 및 가감속 운전조건에서 모두 거동 안정성을 확보할 수 있다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이 압축링(20)은 차량이 고속 운전모드일 경우에는 내부 베벨형 단면을 가지는 제2구간(B)에서 외주면인 링페이스 측이 상대적으로 상방으로 올라가고 내주면 측은 상대적으로 하방으로 내려가는 비틀림이 발생하는데, 이러한 비틀림으로 인해 고속 운전모드에서도 압축링(20)의 거동 안정성이 확보될 수 있다.

반면, 차량이 중저속 또는 가감속 운전모드일 경우에는 사각형 단면을 가지는 제1구간(A)에서 상하방향으로의 이동량이 적기 때문에 상대적으로 거동 안정성이 확보될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 압축링(20)은 차량의 다양한 운전조건에 대응하여 거동 안정성을 확보할 수 있는바, 오일소모 및 블로바이가스가 누출되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

여기서, 상기 압축링(20)은 상기 피스톤헤드(10)에 형성된 다수의 링그루브(12) 중 최상단에 위치한 링그루브에 끼워지는 탑링일 수 있다.

따라서, 거동 안정성과 기밀성이 뛰어난 압축링(20)을 탑링에 적용함으로써, 실린더 내에서의 압력손실이나 엔진 압축비가 변동되는 상황을 효과적으로 방지할 수 있다.

아울러, 압축링(20)에 두 가지 단면형상이 교번하여 이어지도록 마련됨으로써, 압축링(20)의 비틀림 강성이 증대될 수 있다. 이 역시 압축링(20)의 거동안정성을 증대시키는 요인이 될 수 있다.

한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 상기 압축링(20)에는, 상기 제1구간(A)과 제2구간(B) 사이를 연결하고, 양단부의 단면 형상이 각각 인접한 구간의 단면 형상과 동일하며, 단면의 형상이 내부 베벨형이되 상기 제1구간(A)으로부터 상기 제2구간(B)으로 갈수록 경사면(22)의 폭이 점진적으로 넓어지는 연결구간(C)이 더 마련된다.

즉, 압축링(20)에서 단면 형상이 서로 상이한 제1구간(A)과 제2구간(B)이 단순히 교번하여 마련된다면 단면 형상의 차이에 따른 날카로운 엣지(Edge)부분이 형성되는데, 이는 압축링(20)이 쉽게 마모되게 하는 요인이 되거나 피스톤헤드(10)에 손상을 가하는 요인이 될 수 있다.

따라서, 본 발명의 압축링(20)은 제1구간(A)과 제2구간(B) 사이에 연결구간(C)을 마련하여 단면 형상의 차이로 인한 엣지(Edge)가 형성되는 것을 방지한다.

특히, 연결구간(C)은 제1구간(A)과 연결되는 부분의 단면 형상은 직사각형이지만, 제2구간(B)과 인접해질수록 점진적으로 경사면(22)의 폭이 넓어지는 내부 베벨형 단면 형상을 가지도록 설계되어 날카로운 엣지(Edge)로 인해 상품 내구성이 저하되는 현상을 방지할 수 있다.

다만, 압축링(20)은 연결구간(C)을 통해 제1구간(A)과 제2구간(B)와 같은 거동 안정성을 확보하는 효과는 얻기는 어렵다. 따라서, 압축링(20)은 상품 내구성을 저하시키지 않는 한도에서 연결구간(C)을 최소화하도록 설계함으로써, 제1구간(A)과 제2구간(B)을 충분히 확보하여 거동 안정성을 극대화할 수 있다.

한편, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 압축링(20)은 상기 제1구간(A)의 반경방향 두께(t₁)가 제2구간(B)의 반경방향 두께(t₂)와 서로 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.

즉, 압축링(20)의 전 구간에서의 반경방향 두께가 동일하기 때문에 제품 생산성이 향상된다.

도 5를 참조하면, 본 발명에서 상기 압축링(20)은 상기 제2구간(B)에서 경사면(22) 각도가 45°가 되도록 챔퍼가공될 수 있다.

아울러, 상기 제2구간(B)에서의 경사면 높이(h)는, 상기 압축링(20)의 폭(w)이 설정길이 이하인 경우에 상기 압축링(20)의 폭(w)에 제1팩터를 곱한 값으로 설계되고, 상기 압축링(20)의 폭(w)이 설정길이보다 길 경우에 상기 압축링(20)의 폭(w)에 제2팩터를 곱한 값으로 설계되며, 상기 제1팩터는 상기 제2팩터보다 큰 값인 것을 특징으로 할 수 있다.

일반적으로 압축링(20)은 축방향 길이가 폭(w)이라는 표현으로 명명되는데, 상기 압축링(20)은 그 폭(w)과 비례한 질량을 가지게 된다.

예를 들어, 상기 설정길이가 1mm라고 가정하였을 때, 상기 압축링(20)의 폭(w)이 1mm라면 경사면(22)의 높이(h)는 상대적으로 큰 비율의 제1팩터를 이용하여 산출되어, 압축링(20)의 폭(w) 대비 경사면(22) 높이(h)가 크게 형성되고, 상기 압축링(20)의 폭(w)이 1.2mm라면 경사면(22)의 높이(h)는 상대적으로 작은 비율의 제2팩터를 이용하여 산출됨으로써 압축링(20)의 폭(w) 대비 경사면(22) 높이(h)가 작게 형성된다.

이는 압축링(20)의 폭(w)이 작을 경우, 질량이 감소하여 거동 안정성이 저감되는 것을 방지하기 위해 경사면(22)의 크기를 증대시키는 것이다. 따라서, 압축링(20)의 거동 안정성이 확보되어 궁극적으로 기밀성을 향상시키고 오일이 과도하게 소모되는 것을 방지할 수 있다.

구체적으로 상기 제2팩터는 상기 제1팩터의 0.93~0.95배 값일 수 있다.

일 예로, 상기 제1팩터는 0.35, 제2팩터는 0.33으로 설정되어, 제1팩터에 비해 제2팩터가 6% 저감된 값으로 설정될 수 있다. 하지만, 상술한 수치들은 이해를 돕기위해 기재된 값일 뿐, 설계자나 차량에 따라 가변되어 적용될 수 있는 바 수치로써 한정되어서는 안될 것이다.

이에 따라, 압축링(20)의 거동이 안정되어 연소실 내에서의 기밀성과 오일 누유 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 피스톤헤드
12: 링그루브
14: 랜드
20: 압축링
22: 경사면
30: 실린더벽

Claims

피스톤헤드에 형성된 다수의 링그루브 중 하나에 끼워지고, 원주방향을 따라 단면의 형상이 사각형인 제1구간과, 단면의 형상이 내주면 상단 모서리에 챔퍼가공에 의한 경사면이 형성된 내부 베벨형인 제2구간이 교번하여 이어지도록 마련된 압축링;을 포함하는 엔진 피스톤링.
청구항 1에 있어서,
상기 압축링은 상기 피스톤헤드에 형성된 다수의 링그루브 중 최상단에 위치한 링그루브에 끼워지는 탑링인 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.
청구항 1에 있어서,
상기 압축링에는, 상기 제1구간과 제2구간 사이를 연결하고, 양단부의 단면 형상이 각각 인접한 구간의 단면 형상과 동일하며, 단면의 형상이 내부 베벨형이되 상기 제1구간으로부터 상기 제2구간으로 갈수록 경사면의 폭이 점진적으로 넓어지는 연결구간이 더 마련된 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.
청구항 1에 있어서,
상기 압축링은 상기 제1구간 및 제2구간의 반경방향 두께가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.
청구항 1에 있어서,
상기 압축링은 상기 제2구간에서 경사면 각도가 45°가 되도록 챔퍼가공된 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.
청구항 1에 있어서,
상기 제2구간에서의 경사면 높이는, 상기 압축링의 폭이 설정길이 이하인 경우에 상기 압축링의 폭에 제1팩터를 곱한 값으로 설계되고, 상기 압축링의 폭이 설정길이보다 길 경우에 상기 압축링의 폭에 제2팩터를 곱한 값으로 설계되며,
상기 제1팩터는 상기 제2팩터보다 큰 값인 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.
청구항 6에 있어서,
상기 제2팩터는 상기 제1팩터의 0.93~0.95배 값인 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤링.