KR20210067880A - 대형 엔진용 피스톤 링 및 대형 엔진 - Google Patents

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piston
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프랭크 모즈너
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빈터투르 가스 앤 디젤 아게
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Abstract

적어도 하나의 실린더를 갖는 대형 엔진을 위한 피스톤 링이 제안되며, 실린더 안에는 피스톤이 앞뒤로 이동 가능하도록 배치되고, 피스톤 링(1)은 제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 재료로 만들어지는 본체(7), 본체(7)의 반경 방향 외측 경계 표면에 배치되며 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 재료로 만들어지는 중간 층(8), 및 반경 방향 외측에서 중간 층(8)에 배치되며 제 3 열팽창 계수를 갖는 제 2 재료로 만들어지는 마모 방지 층(9)을 포함하고, 제 3 열팽창 계수는 제 1 열팽창 계수 보다 작고, 제 2 열팽창 계수는 제 3 열팽창 계수 보다 작다.

Description

대형 엔진용 피스톤 링 및 대형 엔진{A PISTON RING FOR A LARGE ENGINE AND A LARGE ENGINE}
본 발명은, 각각의 카테고리의 독립 특허 청구항의 전제부에 따른 대형 엔진용 피스톤 링 및 대형 엔진에 관한 것이다.
대형 엔진은 전통적으로 중유(heavy fuel oil)를 갖는 대형 디젤 엔진으로서 작동된다. 2-행정 또는 4-행정 엔진, 예컨대 종방향 소기식(scavenged) 2-행정 대형 디젤 엔진으로 설계될 수 있는 대형 엔진은, 종종, 선박을 위한 구동 유닛으로서 사용되거나, 또는 심지어 예컨대 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기를 구동시키기 위해 정치식 작동에서 구동 유닛으로서 사용된다. 엔진은 통상적으로 상당한 기간 동안 연속적인 작동으로 가동되며, 이에 따라 작동 안전성 및 가용성에 대해 높은 요구 사항이 부과된다. 따라서, 작동 재료의 특히 긴 유지보수 간격, 낮은 마모 및 경제적인 취급이 작동자에게는 핵심적인 기준이다. 대형 디젤 엔진은 실린더를 가지며, 이 실린더는 일반적으로 적어도 200 mm의 내경(보어)을 갖는다. 오늘날 최대 960 mm 또는 심지어 그 이상의 보어를 갖는 대형 엔진이 사용된다.
경제적이고 효율적인 작동, 배기 배출 임계치의 준수 및 자원의 이용 가능성이라는 점 하에서, 중유에 대한 대체 연료를 또한 현재 대형 엔진을 위해 찾고 있다. 이와 관련하여, 액체 연료, 즉 액체 상태로 연소실 안으로 도입되는 연료, 및 기체 연료, 즉 기체 상태로 연소실 안으로 도입되는 연료 둘 다가 사용된다.
중유에 대한 알려져 있는 대체 연료로서 액체 연료의 예는, 특히 석유 정제의 잔류물로서 남는 다른 중탄화수소, 알코올, 특히, 메탄올 또는 에탄올, 가솔린, 디젤 또는 또한 에멀젼 또는 현탁물이 있다. 예를 들면, MSAR(Multiphase Superfine Atomized Residue)로 알려져 있는 에멀젼이 연료로 사용되는 것이 알려져 있다. 잘 알려져 있는 현탁물은 석탄 가루와 물의 현탁물이며, 이 현탁물은 대형 엔진용 연료로서도 사용된다. LNG(액화 천연 가스)와 같은 천연 가스가 기체 연료로 알려져 있다.
특히, 적어도 2개의 상이한 연료로 작동될 수 있는 대형 엔진이 또한 알려져 있으며, 따라서, 엔진은 작동 상황 또는 환경에 따라 한 연료로 작동되거나 또는 다른 연료로 작동된다.
적어도 2개의 또는 심지어 그 보다 많은 상이한 액체 또는 기체 연료로 작동될 수 있는 대형 엔진은, 현재 사용되고 있는 연료에 따라 연료에 따라 종종 상이한 작동 모드로 작동된다. 종종 디젤 작동이라고 하는 작동 모드에서, 연료의 연소는 일반적으로 연료의 압축 점화 또는 자기 점화의 원리에 따라 일어난다. 종종 오토(Otto) 작동이라고 하는 모드에서, 연소는 점화 가능한 예혼합된 공기-연료 혼합물의 스파크 점화로 일어난다. 이 스파크 점화는, 예컨대 전기 스파크에 의해, 예컨대, 스파크 플러그로, 또는 소량의 분사 연료의 자기 점화(이는 다른 연료의 스파크 점화를 야기할 수 있음)에 의해 일어날 수 있다. 자기 점화를 위한 소량의 연료가 종종 연소실에 연결되어 있는 예연소실 안으로 분사된다.
더욱이, 오토 작동과 디젤 작동의 혼합된 형태가 또한 알려져 있다.
2개의 상이한 연료로 작동될 수 있는 대형 엔진의 한 예는 종방향 소기식 대형 디젤 엔진이며, 이 엔진은 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계된다. 이 엔진은 액체 모드(액체 연료가 연소를 위해 실린더 안으로 도입됨) 및 가스 모드(가스가 연료로서 실린더 안으로 도입됨)로 작동될 수 있다.
본 출원의 구조 내에서, "대형 디젤 엔진" 이라는 용어는, 적어도 디젤 작동으로 작동될 수 있는 엔진을 말한다. 그래서, 특히, "대형 디젤 엔진" 이라는 용어는, 디젤 작동에 추가로 다른 모드로, 예컨대 오토 작동으로 작동될 수 있는 이중 연료 또는 다중 연료 대형 엔진도 포함한다.
물론, 대형 엔진은 또한 가스 엔진으로 설계될 수 있는데, 가스 엔진은 연료로서 하나 이상의 가스로만 작동될 수 있다.
대형 엔진의 각 실린더에 피스톤이 제공되는데, 이 피스톤은 상사점과 하사점 사이에서 실린더 러닝 표면을 따라 앞뒤로 이동할 수 있도록 배치된다. 실린더 러닝 표면은 일반적으로 실린더 라이너(라이너라고도 함)로 형성된다. 실린더 커버와 함께 피스톤은 연소 과정이 일어나는 연소실의 경계를 정한다. 적어도 하나의 피스톤 링이 각 피스톤에 제공되며, 이 피스톤 링은 피스톤의 반경 방향 외측 쉘 표면에서 통상적으로 그에 제공되어 있는 주변 홈에 배치된다. 일바적으로, 복수의 피스톤 링이 각 피스톤에 제공되며, 이들 피스톤 링은 작동 상태에서 실린더 러닝 표면을 따라 슬라이딩한다.
또한, 윤활 시스템이 제공되며, 이 시스템으로 윤활유 막이 피스톤 링과 실린더 러닝 표면 사이에 형성되어, 피스톤이 실린더 러닝 표면을 따라 가능한 한 잘 슬라이딩할 수 있다.
작동 상태에서, 피스톤 링, 특히 연소실에 가장 가까운 제 1 또는 최상측 피스톤 링은 강한 기계적, 열적 및 화학적 부하를 함께 받게 된다. 결과적으로 생기는 마모를 가능한 한 낮게 유지시켜 피스톤 링의 사용 수명을 증가시키기 위한 많은 노력들이 이미 행해졌다.
매우 높은 최대 내부 실린더 압력을 갖는 대형 엔진, 특히 대형 디젤 엔진의 경우에, 오늘날 빈번히 사용되는 피스톤 링의 설계는 반경 방향 외측에 마모 방지 층(예컨대, 주철로 이루어짐)을 본체에 제공하는 것이며, 이 마모 방지 층은 작동 상태에서 실린더 러닝 표면의 상대 부분이 된다. 예컨대, 경질 크롬 코팅이 마모 방지 층으로서 제공될 수 있다.
피스톤 링의 마모 방지 층용으로 대형 엔진에서 매우 빈번히 사용되는 재료는 크롬계 재료이며, 이를 위해 크롬 세라믹 이라는 용어가 만들어졌다. 이 코팅 시스템에서, 경질 세라믹 입자, 예컨대 산화알루미늄(Al2O3)이 미세 균열 네트워크를 갖는 경질 크롬 매트릭스에 매립된다. 이러한 코팅은 예컨대 CKS라는 상품명으로 상용화되어 있다. 크롬 세라믹으로 만들어지는 마모 방지 코팅은 매우 낮은 마모 및 긴 사용 수명에 특징이 있다.
그러한 크롬 세라믹 코팅의 성능에도 불구하고, 그러한 크롬 세라믹 코팅과 관한 문제가 대형 엔진에서, 특히 최상측 피스톤 링(연소실에 가장 가깝고 그래서 최고의 부하에 노출됨)에서 반복적으로 일어난다. 거기서, 상당한 균열 형성이 크롬 세라믹 코팅에서 관찰되는데, 이는 코팅의 전체 영역의 칩핑(chipping)을 유발할 수 있다. 대형 엔진의 작동 동안에, 이는 피스톤 링 뿐만 아니라 실린더 러닝 표면에 대한 상당한 손상을 유발할 수 있고, 이 결과, 시간 및 비용 집약적인 수리 작업이 필요할 수 있다.
그러므로, 이러한 최신 기술에서 출발한 본 발명의 목적은, 특히 저항적이고 코팅의 심각한 균열 형성 또는 칩핑의 위험이 적어도 상당히 감소되는 마모 방지 층을 갖는 대형 엔진용 피스톤 링을 제안하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 이러한 피스톤 링을 갖는 대형 엔진을 제안하는 것이다.
위의 목적을 달성하는 본 발명의 대상은 각각의 카테고리의 독립 특허 청구항의 특징적인 점을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 실린더를 갖는 대형 엔진을 위한 피스톤 링이 제안되며, 상기 실린더 안에는 피스톤이 앞뒤로 이동 가능하도록 배치되고, 상기 피스톤 링은 제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 재료로 만들어지는 본체, 본체의 반경 방향 외측 경계 표면에 배치되며 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 재료로 만들어지는 중간 층, 및 반경 방향 외측에서 중간 층에 배치되며 제 3 열팽창 계수를 갖는 제 3 재료로 만들어지는 마모 방지 층을 포함하고, 상기 제 3 열팽창 계수는 제 1 열팽창 계수 보다 작고, 제 2 열팽창 계수는 제 3 열팽창 계수 보다 작다.
본 출원에서, 열팽창 계수는 0℃ 내지 300℃의 온도 범위에서의 평균 선형 팽창 계수, 즉 0℃ 내지 300℃의 범위에서의 온도 변화의 결과로 재료의 길이 변화를 나타내는 특성 값을 말한다. L300이 T300=300℃ 온도에서 재료의 본체의 길이를 의미하고 L0은 T0=0℃ 온도에서 재료의 본체의 길이를 의미한다고 하면, 본 출원의 목적을 위한 이 재료의 열팽창 계수는 (L300-L0)/(LO-(T300-T0))로 주어진다.
중요한 인식에 의하면, 최신 기술에 알려져 있는 피스톤 링에서 마모 방지 층의 균열 형성 또는 이 층의 칩핑은 주로 열적 요인으로 인한 것이다. 경질 마모 방지 층을 이루는 재료, 예컨대, 크롬 세라믹의 열팽창 계수는, 피스톤 링의 본체를 이루는 재료, 예컨대 주철의 열팽창 계수의 절반 보다 약간만 더 크다. 대형 엔진의 작동 상태에서, 피스톤 링, 특히 최상측 피스톤 링은 예컨대 200℃ 이상으로 매우 강하게 가열된다. 제 1 피스톤 링의 온도는 특히 230℃ 이상으로 상승할 수 있다. 온도가 변할 때 본체의 재료는 마모 방지 층의 재료 보다 훨씬 더 많이 팽창하므로, 마모 방지 층은 본체의 이 강한 팽창을 따르려고 한다. 결과적으로, 매우 강한 열 유도 응력이 마모 방지 층에 발생된다. 마모 방지 층을 이루는 경질 재료, 예컨대 크롬 세라믹은 일반적으로 상당히 취성적이기 때문에, 마모 방지 층에서의 균열 형성은 이 열 유도 응력에 의해 촉진되며, 이에 따라 결국, 마모 방지 층의 영역에서 칩핑이 일어날 수 있다.
본 발명에 따르면, 그러므로, 마모 방지 층과 본체 사이에 중간 층을 제공하는 것이 제안되며, 이 중간 층은, 마모 방지 층을 이루는 제 3 재료의 제 3 열팽창 계수 보다 작고 또한 본체를 이루는 제 1 재료의 제 1 열팽창 계수 보다 작은 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 재료로 만들어진다. 중간층은 마모 방지 층과 본체 사이에 중간 층을 제공되므로(중간 층은 마모 방지 층을 이루는 제 3 재료의 제 3 열팽창 계수 보다 작은 열팽창 계수를 갖는 제 2 재료로 만들어짐), 본체의 더 강한 팽창으로 인한 열 유도 응력이 중간 층에 흡수되어, 대형 엔진의 작동 동안에 마모 방지 층에서의 열 유도 응력이 상당히 감소된다. 따라서, 마모 방지 층에서의 균열 형성 및 결과적인 칩핑의 위험이 적어도 상당히 감소된다.
실제로, 중간 층은 마모 방지 층의 두께 보다 큰 두께를 갖는 것이 유리한 것으로 입증되었다. 각 경우에 두께는 각 층의 반경 방향 연장을 의미한다. 중간 층의 두께가 더 크기 때문에, 열 유도 응력이 특히 잘 흡수될 수 있다.
바람직하게는, 본체는 주철 또는 강으로 만들어지는데, 즉, 제 1 재료는 바람직하게는 주철 또는 강이다.
높은 내마모성으로 인해, 마모 방지 층은 경질 크롬, 또는 경질 중실 입자, 예컨대 세라믹 입자 및/또는 경질 세라믹 입자 또는 다이아몬드 입자가 매립되어 있는 경질 크롬 매트릭스로 이루어진다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 중간 층에 대해, 이 중간 층은 철-니켈 합금 또는 철-니켈-코발트 합금으로 만들어지고, 특히, 인바르(Invar) 효과를 갖는 합금으로 만들어진다. 본 출원에서, 인바르 효과는, 알반적인 경우 처럼, 주어진 온도 범위에서 비정상적으로 작거나 심지어 음의 열팽창 계수를 갖는 특성을 말하다.
특히 바람직하게는, 중간 층은, 적어도 28 중량% 니켈, 바람직하게는 약 36 중량% 니켈을 함유하는 철-니켈 합금으로 만들어지고, 제 3 재료는 크롬 세라믹이다.
중간 층을 위한 특히 바람직한 제 2 재료는, Invar 또는 Invar 36이라는 상품명으로 상용화되어 있는 철-니켈 합금이다.
다른 바람직한 실시 형태의 경우에, 중간 층은, 적어도 28 중량% 니켈 및 적어도 15 중량% 코발트, 바람직하게는 약 29.5 중량% 니켈 및 17 중량% 코발트를 함유하는 철-니켈-코발트 합금으로 만들어지고, 제 3 재료는 크롬 세라믹이다.
중간 층을 위한 다른 특히 바람직한 제 2 재료는, Kovar 라는 상품명으로 상용화되어 있는 철-니켈-코발트 합금이다.
Invar 및 Kovar는, 전형적인 금속 보다 작은, 예컨대, 크롬의 열팽창 계수 보다 작은 열팽창 계수에 특징이 있다.
더 바람직하게는, 중간 층은 최대 48 중량% 니켈을 함유하는 철-니켈 합금으로 만들어진다.
특히 제조 상의 이유로, 중간 층은 본체에 용접되는 것이 바람직하다.
제 1 열팽창 계수가 적어도 10×10-6/K인 재료가 피스톤 링의 본체를 위한 제 1 재료로서 바람직하다.
제 3 열팽창 계수가 최대 8×10-6/K, 바람직하게는 최대 7×10-6/K인 재료가 피스톤 링의 마모 방지 층을 위한 제 3 재료로서 바람직하다.
제 2 열팽창 계수가 최대 6×10-6/K인 재료가 피스톤 링의 중간 층을 위한 제 2 재료로서 바람직하다.
이미 언급한 바와 같이, 각 경우에 열팽창 계수는 0℃ 내지 300℃의 온도 범위에서의 평균 선형 팽창 계수를 말한다
또한 바람직한 실시 형태에 따르면, 피스톤 링은 로크(lock)를 가지며, 원주 방향에 대해 인서트가 반경 방향 내측에서 로크의 양측에 제공되고, 인서트는 제 4 열팽창 계수를 갖는 제 4 재료로 만들어지며, 제 4 열팽창 계수는 본체를 이루는 제 1 재료의 제 1 열팽창 계수 보다 작다.
바이메탈 효과로 인해, 이 방안은, 온도가 증가할 때, 피스톤 링의 두 단부(로크를 형성함)가 반경 방향에 대해 내측으로 가압되는 이점을 갖는다. 이로써, 온도가 증가할 때 피스톤 링의 이들 두 단부는 상대 부분에 더 강하게 가압되지 않고 더 약하게 가압되어, 피스톤 링의 이들 두 단부의 과도한 마모가 회피되는 이점이 얻어진다.
로크로부터 원주 방향으로 시작하는 인서트는 각 경우에 피스톤 링의 내주의 일부 영역에만 걸쳐 연장되어 있는 실시 형태가 가능하다.
또한, 인서트가 피스톤 링의 전체 반경 방향 내측 면에 걸쳐 연장되어 있는 실시 형태가 바람직하다.
바람직하게는, 마모 방지 층은 중간 충에 갈바니적으로(galvanically) 가해진다.
대형 엔진이 본 발명에 의해 더 제안되며, 이 대형 엔진은 적어도 하나의 실린더를 가지며, 실린더 안에는 피스톤이 앞뒤로 이동 가능하도록 배치되고, 피스톤은 적어도 최상측 피스톤 링을 포함하고, 적어도 그 최상측 피스톤 링은 본 발명에 따라 설계된다.
바람직한 실시 형태에서, 대형 엔진은 종방향 소기식(scavenged) 2-행정 대형 디젤 엔진, 특히, 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계되며, 이중 연료 대형 디젤 엔진은 액체 연료가 연소를 위해 실린더 안으로 도입되는 액체 모드로 작동될 수 있고, 또한 연료로서 가스가 실린더 안으로 도입되는 가스 모드로도 작동될 수 있다.
본 발명의 추가의 유리한 대책과 실시예는 종속 청구항에서 알 수 있다.
이하, 실시 형태 및 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 엔진용 피스톤 링의 제 1 실시 형태의 상면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면선을 따른 도 1의 피스톤 링의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 대형 엔진용 피스톤 링의 제 2 실시 형태의 상면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면선을 따른 도 3의 피스톤 링의 단면도이다.
본 발명에 따르면, 대형 엔진용 피스톤 링이 제안된다. "대형 엔진" 이라는 용어는, 일반적으로, 선박을 위한 주 구동 유닛으로서 사용되거나, 또는 예컨대 전기 에너지를 생성하기 위한 대형 발전기를 구동시키기 위해 정치식 작동에서 주 구동 유닛으로서 사용되는 엔진을 말한다. 일반적으로, 대형 디젤 엔진의 실린더 각각은 적어도 약 200 mm의 내경(보어)을 갖는다. "종방향 소기식" 이라는 용어는, 소기용 공기 또는 과급 공기가 하단부의 영역에서 실린더 안으로 도입되는 것을 의미한다.
실시 형태를 참조하는 본 발명에 대한 이하의 설명에서, 실용상 특히 중요한 대형 엔진의 경우를 예시적으로 참조하며, 그 엔진은 이중 연료 엔진, 즉 2개의 상이한 연로로 작동될 수 있는 엔진으로 설계된다. 특히, 대형 디젤 엔진의 이 실시예는, 액체만이 실린더의 연소실 안으로 분사되는 액체 모드로 작동될 수 있다. 통상적으로, 액체 연료, 예컨대, 중유 또는 디젤유가 적절한 시간에 연소실 안으로 직접 분사되고 거기서 자기 점화의 디젤 원리에 디젤 원리에 따라 점화된다. 대형 디젤 엔진은 또한 가스 모드로도 작동될 수 있는데, 이 가스 모드에서는, 연료로서 역할하는 가스, 예컨대 천연 가스가 예혼합된 공기-연료 혼합물의 형태로 연소실 안에서 점화된다. 가스 모드에서, 대형 엔진은 특히 저압법에 따라 작동하는데, 즉 가스는 기체 상태에서 실린더 안으로 도입되며, 가스의 분사 압력은 최대 50 bar, 바람직하게는 최대 20 bar 이다. 공기-가스 혼합물은 오토 원리에 따라 연소실 안에서 스파크 점화된다. 이 스파크 점화는, 일반적으로, 소량의 자기 점화 액체 연료(예컨대, 디젤유 또는 중유)를 적절한 순간에 연소실 안으로 또는 예연소실 안으로 도입시켜 일어나고, 그 후에 연료는 연소실 안에서 자기 점화되고 공기-연료 혼합물의 스파크 점화를 일으키게 된다.
이하, 종방향 소기식 이중 연료 2-행정 대형 디젤 엔진으로 설계되는 대형 엔진을 참조한다.
대형 디젤 엔진은 적어도 하나의, 하지만 통상적으로는 복수의 실린더를 갖는다. 각 실린더의 내부에는, 피스톤이 상사점과 하사점 사이에서 실린더 축선을 따라 전후로 이동 가능하도록 그 자체 알려져 있는 방식으로 배치된다. 피스톤 로드에 의해, 피스톤은 그 자체 알려져 있는 방식으로 크로스헤드에 연결되며, 이 크로스헤드는 푸시 로드에 의해 크랭크축에 연결되며, 그래서 피스톤의 운동이 피스톤 로드, 크로스헤드 및 푸시 로드를 통해 크랭크축에 전달되어 이 크랭크축을 회전시키게 된다. 피스톤의 정상부는 실린더 커버와 함께, 연료가 연소를 위해 도입되는 연소실의 경계를 이룬다. 가스 모드에서, 이 연료는 가스, 예컨대, LNG(액화 천연 가스)와 같은 천연 가스이고, 액체 모드에서는, 이 연료는 중유 또는 디젤 연료와 같은 액체 연료이다.
각 실린더는 전형적으로 실린더 라이너(라이너라고도 함)를 가지며, 이 라이너는 피스톤을 위한 실리더 러닝 표면을 포함한다. 작동 상태에서, 피스톤은 상사점과 하사점 사이에서 이 실린더 러닝 표면을 따라 앞뒤로 슬라이딩한다. 피스톤은 적어도 하나의 피스톤 링을 가지며, 이 링은 피스톤 주위에서 외측 쉘 표면을 따라 연장되어 있고 일반적으로 피스톤의 원주 방향 홈에 배치된다. 매우 많은 실시 형태에서, 복수의 피스톤 링이 피스톤에 제공되며, 이들 링은 실린더 축선에 대해 서로 앞뒤로 배치된다. 예컨대, 3개 또는 4개의 피스톤 링이 제공되며, 각 피스톤 링은 피스톤의 쉘 표면에 있는 각각의 원주 방향 홈에 배치된다. 제 1 또는 최상측 피스톤 링은 연소실에 가장 가까이 배치되는 피스톤 링이다. 이 최상측 피스톤 링은, 대형 디젤의 작동 동안에 최고의 열적 및 기계적 부하에 노출되는 피스톤 링이다. 작동 상태에서, 피스톤 링은 실린더 러닝 표면(피스톤 링에 대한 상대 부분을 형성함)을 따라 그 자체 알려져 있는 방식으로 슬라이딩한다.
도 1은 본 발명에 따른 대형 엔진용 피스톤 링의 제 1 실시 형태의 상면도이다. 이 피스톤 링은 전체적으로 참조 번호 "1"로 나타나 있다. 더 나은 이해를 위해, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면선을 따른 도 1의 피스톤 링(1)의 단면을 나타낸다. 피스톤 링은, 그 자체 알려져 있는 방식으로 피스톤의 원주 방향 홈(나타나 있지 않음)에 삽입될 수 있도록 설계된다. 그러므로, 조립된 상태에서, 피스톤 링(1)은, 피스톤이 작동 상태에서 이동하는 실린더의 실린더 축선에 수직하게 배치된다. 실린더 축선에 의해 규정되는 방향을 축선 방향이라고 한다. 축선 방향에 수직인 방향을 반경 방향이라고 한다.
피스톤 링(1)은 실질적으로 환형인 디스크형 설계를 가지며, 피스톤 링(1)의 반경 방향 외측 경계 표면을 외측 표면(2)이라고 하고, 반경 방향 내측 경계 표면을 내측 표면(2)이라고 한다. 작동 상태에서, 외측 표면(2)은 실린더 러닝 표면(나타나 있지 않음)의 상대 부분을 형성한다. 내측 표면은 피스톤과 대향한다. 피스톤 링(1)은 개구를 더 포함하는데, 이 개구는 로크(lock)(4)라고 하며 내측 표면(3)으로부터 외측 표면(2)까지 반경 방향으로 연장되어 있고, 그래서 피스톤 링은 피스톤 링의 원주 방향에서 보는 바와 같이 서로 대향하는 2개의 단부(5, 6)(즉, 제 1 단부(5)와 제 2 단부(6))를 갖는다. 피스톤 링은 동심으로 배치되는 3개의 환형 구조로 이루어지며, 즉, 반경 방향 내측에 배치되는 본체(7), 이 본체(7)의 반경 방향 외측 경계 표면에 배치되는 중간 층(8), 및 이 중간 층(8)의 반경 방향 외측 경계 표면에 배치되는 마모 방지 층(9)으로 이루어진다. 마모 방지 층(9)의 반경 방향 외측 경계 표면은 피스톤 링의 외측 표면(2)을 형성하고, 이 외측 표면은 작동 상태에서 실린더 러닝 표면을 따라 슬라이딩한다.
본체(7)는 두께(D1)를 가지며, 이는 본체(7)의 반경 방향 연장을 의미한다. 중간 층(8)은 두께(D2)를 가지며, 이는 중간 층의 반경 방향 연장을 의미한다. 마모 방지 층(9)은 두께(D3)를 가지며, 이는 마모 방지 층(9)의 반경 방향 연장을 의미한다. 따라서, 피스톤 링(1)의 총 두께(D), 즉 내측 표면(3)과 외측 표면(2) 사이의 거리는 D1+D2+D3 = D 이다.
본체(7)는 제 1 열팽창 계수(α1)를 갖는 제 1 재료로 이루어진다. 중간 층(8)은 제 2 열팽창 계수(α2)를 갖는 제 2 재료로 이루어진다. 마모 방지 층(9)은 제 3 열팽창 계수(α3)를 갖는 제 3 재료로 이루어진다.
3개의 재료는, 제 3 열팽창 계수(α3)가 제 1 열팽창 계수(α1) 보다 작고 또한 제 2 열팽창 계수(α2)는 제 3 열팽창 계수(α3) 보다 작도록 선택된다. 이는, 중간 층(8)이 가장 작은 열팽창 계수(α2)를 가지며 본체는 가장 큰 열팽창 계수(α1)를 갖는 것을 의미한다. 마모 방지 층(9)의 제 3 열팽창 계수(α3)는 일반적으로 중간 층(8)의 제 2 열팽창 계수(α2)와 본체(7)의 제 1 열팽창 계수 사이에 있다. 이는 α2 ＜ α3 ＜ α1를 의미한다.
본 출원에서 열팽창 계수는 각 경우에 0℃ 내지 300℃의 온도 범위에서의 평균 선형 팽창 계수이기 때문에,α2 ＜ α3 ＜ α1 관계는, 특히, 대형 엔진의 작동 상태에서 최상측 피스톤 링(1)의 온도가 일반적으로 이동할 때의 온도 범위, 즉 예컨대, 적어도 주변 온도 내지 250℃의 범위에서 적용된다.
본체(7)를 이루는 제 1 재료는 바람직하게는 철계 합금, 예컨대, 강 또는 주철이다. 예컨대, 주철은 α1 = 12×10-6/K의 열팽창 계수를 갖는다. 바람직하게는, 본체용 제 1 재료는 제 1 열팽창 계수(α1)는 적어도 10×10-6/K 이도록 선택된다.
마모 방지 층(9)을 이루는 제 3 재료는 바람직하게 매우 큰 내마모성을 갖는 재료이다. 특히, 이하의 재료가 마모 방지 층(9)을 위한 제 3 재료로서 적절하다: 경질 크롬; 크롬 세라믹, 즉 세라믹 입자, 바람직하게는 산화알루미늄(Al2O3) 입자가 매립되어 있는 경질 크롬 매트릭스; 다이아몬드 입자가 매립되어 있는 경질 크롬 매트릭스.
또한, 물리적 또는 화학적 증착, 즉 PVD 또는 CVP 공정에 의해 증기상으로 제조되는 코팅을 마모 방지 층(9)으로서 제공하는 것도 가능하다.
바람직하게는, 마모 방지 층을 위한 제 3 재료는, 제 3 열팽창 계수(α3)가 최대 8×10-6/K, 바람직하게는 최대 7×10-6/K 이도록 설계된다. 특히 바람직하게는, 제 3 재료는 크롬 세라믹이다. 이는 전형적으로 약 6×10-6/K인 제 3 열팽창 계수(α3)를 갖는다.
매우 작은 제 2 열팽창 계수(α2)(최대 6×10-6/K)를 갖는 재료가 바람직하게제 2 재료로서 선택된다. 특히 바람직하게는, 제 2 재료는 인바르(invar) 효과를 갖는다. 제 2 재료로서, 특히 철-니켈 합금 또는 철-니켈-코발트 합금, 특히 적어도 28 중량% 니켈 및 특히 바람직하게는 약 36 중량% 니켈을 함유하는 철-니켈 합금이 적합하다. 이러한 합금은 예컨대 Invar 라는 상품명으로 상용화되어 있는 철-니켈 합금이다.
중간 층(8)을 위한 다른 바람직한 제 2 재료는 Kovar 라는 상품명으로 상용화되어 있는 철-니켈-코발트 합금이다.
Invar 및 Kovar는 전형적인 금속 보다 작은 열팽창 계수에 특징이 있다. Kovar는 0℃ 내지 300℃에서 약 5.3×10-6/K의 열팽창 계수를 갖는다.
바람직하게는, 중간 층(8)의 두께(D2)는 본체(7)의 두께(D1) 보다 작다. 바람직하게는, 중간 층(8)의 두께(D2)는 본체(7)의 두께(D1) 보다 적어도 3배 작고, 특히 바람직하게는 적어도 10배 작다.
피스톤 링(1)을 만들기 위한 절차는 예컨대 다음과 같다. 먼저, 본체(7)는 제 1 재료, 예컨대, 주철 또는 강으로 만들어진다. 재료에 따라, 이는 주조 또는 밀링과 같은 기계 가공으로 행해질 수 있다. 다음에, 중간 층(8)이 용접 공정으로 본체(7)에 용접된다. 이를 위해, 제 2 재료, 예컨대 철-니켈-코발트 합금(Kovar)가 사용된다. 다음에, 마모 방지 층(바람직하게는 제 3 재료로서 크롬 세라믹으로 이루어짐)이 갈바니 공정으로 중간 층(8)에 생성된다.
바람직하게는 이렇게 해서 만들어지는 피스톤 링은 열처리를 받는다. 이 열처리 동안에, 피스톤 링은 대형 엔진의 작동 동안에 피스톤 링(1)의 작동 온도 보다 높은 뜨임(tempering) 온도에서 장시간 동안 유지된다. 이 열처리는 피스톤 링(1)의 마모 방지 층(9)에서 잔류 압축 응력을 유도하는 역할을 한다. 이 뜨림 온도는, 중간 층(8)이 열 유도 응력으로 인해 소성적으로 변형하도록 높게 선택된다. 피스톤 링(1)의 다음 냉각 동안에, 마모 방지 층(9)에 압축 응력이 발생한다.
도 3은 본 발명에 따른 대형 엔진용 피스톤 링(1)의 제 2 실시 형태의 상면도를 나타낸다. 더 나은 이해를 위해, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면선을 따른 피스톤 링의 제 2 실시 형태의 단면을 나타낸다.
제 2 실시 형태에 대한 이하의 설명에서는, 제 1 실시 형태와의 차이점만 더 상세히 논의한다. 그외에, 제 1 실시 형태에 관한 설명은 동일하거나 유사하게 제 2 실시 형태에도 적용된다. 참조 부호는 제 1 실시 형태와 관련하여 이미 설명된 바와 동일한 의미를 갖는다.
피스톤 링(1)의 제 2 실시 형태에서, 인서트(10)가 반경 방향 내측에서 원주 방향에 대해 로크(4)의 양측에, 즉, 제 1 단부(5)의 영역 및 제 2 단부(6)의 영역에 제공되며, 이 인서트는 제 4 열팽창 계수(α4)를 갖는 제 4 재료로 만들어진다. 제 4 재료는, 제 4 열팽창 계수(α4)가 본체(7)를 이루는 제 1 재료의 제 1 열팽창 계수(α1) 보다 작도록 선택된다. 제 4 재료는 제 2 재료와 다를 수 있지만, 그럴 필요는 없다. 인서트(10)는 두께(D4)를 가지며, 이는 그 인서트의 반경 방향 연장을 의미한다. 인서트가 사용되는 경우, 총 두께(D)는 D1+D2+D3+D4의 합이다.
바이메탈 효과로 인해, 이 방안은, 온도가 증가할 때, 피스톤 링의 두 단부(5, 6)(로크의 경계를 정함)가 반경 방향에 대해 내측으로 가압되는(도 3에서 참조 부호 없이 2개의 화살표로 나타나 있는 바와 같은) 이점을 갖는다. 이로써, 온도가 증가할 때 피스톤 링의 이들 두 단부(5, 6)는 상대 부분에 더 강하게 가압되지 않고 더 약하게 가압되어, 피스톤 링(1)의 이들 두 단부(5, 6)의 과도한 마모가 회피되는 이점이 얻어진다.
제 2 실시 형태의 일 변형예로서, 인서트는 본체의 전체 반경 방향 내측 면에 걸쳐 연장되어 있을 수 있고, 그래서 피스톤 링(1)의 내부 표면(3)은 인서트(10)로 형성된다. 이 실시 형태에서, 피스톤 링(1)은 동심으로 배치되는 4개의 환형 구조로 이루어진다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 실린더를 갖는 대형 엔진을 위한 피스톤 링으로서, 상기 실린더 안에는 피스톤이 앞뒤로 이동 가능하도록 배치되고, 상기 피스톤 링(1)은 제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 재료로 만들어지는 본체(7), 본체(7)의 반경 방향 외측 경계 표면에 배치되며 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 재료로 만들어지는 중간 층(8), 및 반경 방향 외측에서 중간 층(8)에 배치되며 제 3 열팽창 계수를 갖는 제 3 재료로 만들어지는 마모 방지 층(9)을 포함하고, 상기 제 3 열팽창 계수는 제 1 열팽창 계수 보다 작고, 제 2 열팽창 계수는 제 3 열팽창 계수 보다 작은, 피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 층(8)은 마모 방지 층(9)의 두께(D3) 보다 큰 두께(D2)를 갖는, 피스톤 링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 재료는 주철 또는 강인, 피스톤 링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마모 방지 층(9)은 경질 크롬, 또는 경질 중실 입자가 매립되어 있는 경질 크롬 매트릭스로 이루어지는, 피스톤 링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 층(8)은 철-니켈 합금 또는 철-니켈-코발트 합금으로 만들어지는, 피스톤 링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 층(8)은, 적어도 28 중량% 니켈, 바람직하게는 약 36 중량% 니켈을 함유하는 철-니켈 합금으로 만들어지고, 제 3 재료는 크롬 세라믹인, 피스톤 링.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 층(8)은, 적어도 28 중량% 니켈 및 적어도 15 중량% 코발트, 바람직하게는 약 29.5 중량% 니켈 및 17 중량% 코발트를 함유하는 철-니켈-코발트 합금으로 만들어지고, 제 3 재료는 크롬 세라믹인, 피스톤 링.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중간 층(8)은 상기 본체에 용접되는, 피스톤 링.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 열팽창 계수는 적어도 10×10-6/K인, 피스톤 링.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 열팽창 계수는 최대 8×10-6/K, 바람직하게는 최대 7×10-6/K인, 피스톤 링.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 열팽창 계수는 최대 6×10-6/K인, 피스톤 링.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 링(1)은 로크(lock)(4)를 가지며, 원주 방향에 대해 인서트(10)가 반경 방향 내측에서 상기 로크(4)의 양측에 제공되고, 상기 인서트는 제 4 열팽창 계수를 갖는 제 4 재료로 만들어지며, 제 4 열팽창 계수는 상기 본체(7)를 이루는 제 1 재료의 제 1 열팽창 계수 보다 작은, 피스톤 링.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 인서트는 피스톤 링(1)의 전체 반경 방향 내측 면에 걸쳐 연장되어 있는, 피스톤 링.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마모 방지 층(9)은 상기 중간 충(8)에 갈바니적으로(galvanically) 가해지는, 피스톤 링.
  15. 적어도 하나의 실린더를 갖는 대형 엔진으로서, 상기 실린더 안에는 피스톤이 앞뒤로 이동 가능하도록 배치되고, 상기 피스톤은 적어도 하나의 최상측 피스톤 링(1)을 포함하고, 적어도 상기 최상측 피스톤 링(1)은 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따라 설계되며, 상기 대형 엔진은 종방향 소기식(scavenged) 2-행정 대형 디젤 엔진, 특히, 이중 연료 대형 디젤 엔진으로 설계되며, 이중 연료 대형 디젤 엔진은 액체 연료가 연소를 위해 실린더 안으로 도입되는 액체 모드로 작동될 수 있고, 또한 연료로서 가스가 실린더 안으로 도입되는 가스 모드로도 작동될 수 있는, 대형 엔진.
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