KR20210132072A - 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링(sealing)하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 시일링 장치는 적어도 하나의 피스톤과 상기 피스톤을 수용하는 원통형 부품(cylindrical component)을 포함한다. 상기 피스톤은 상기 원통형 부품 안에서 상측 끝 위치와 하측 끝 위치 사이에서 교번적으로 이동가능하며, 상기 피스톤의 상측 끝 위치 범위에서 상기 원통형 부품은 적어도 하나의 시일링 요소와 작동상 연결될 수 있으며, 상기 시일링 요소는, 홈 내에 삽입된 것으로서 조인트(joint)를 구비하고, 내부 긴장 시일링 링(internally tensioning sealing ring)으로서 설계되며, 피스톤을 대면하는 내측 원주 표면의 영역에 윤곽부(profiling)를 구비하고, 상기 피스톤은 상기 윤곽부의 높이의 영역에 상측 끝 위치의 영역을 갖는다.

Description

내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링하기 위한 장치

본 발명은 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링하기 위한 장치에 관한 것이다.

가스 유동과 관련하여 내부 연소 엔진의 연소 챔버에 대하여 크랭크케이스(crankcase)를 시일링하기 위하여 압축 피스톤 링이 제공된다. 이것은 피스톤 안에 설치되는 적합한 피스톤 링들을 이용하여 구현된다. 실제의 시일링 효과는, 지탱 표면의 구형 형상 및 해당 피스톤 속력에 의해 형성되는 실린더와 피스톤 링 사이의 오일 유체력(oil hydrodynamic)을 증진시킴으로써 얻어진다. 오일 필름이 파손되는 때에는 혼합 마찰(mixed friction)뿐만 아니라 유체 마찰(hydrodynamic friction)도 발생한다. 냉각 채널들에 의해 발생되는 피스톤 저항으로 인하여, 피스톤 링들의 위치들은 통상적으로 피스톤의 피스톤 크라운(piston crown)의 수 밀리미터 아래에 있게 된다. 이것은 소위 무용-체적(dead-volume)을 유발하는데, 이것은 압축 및 가스/연료 혼합과 관련하여 시스템의 최적 효율에 대해 부정적 영향을 준다.

자동차 및 HD 발전에 있어서, 보통 세 개의 피스톤 링, 즉 오일링 및 두 개의 압축 링으로 이루어진 시스템이 사용되게 되었다. 피스톤의 위치에 따라서, 이 링들은 스트로크(stroke) 동안에 연소 챔버로부터의 가스 유동으로부터 그리고 크랭크케이스로부터의 오일 유동으로부터 시스템을 시일링한다.

DE 19 30 834 C3 에는 다소의 잔류물을 형성하는 경향이 있는 액체 연료로 작동되는 직립형 크로스헤드(cross-head) 내부 연소 엔진으로부터 오일 및 연소 잔류물을 배출시키기 위한 장치가 개시되어 있는바, 이것은 엔진 격실에 대하여 피스톤 아래의 에지를 시일링하는 중간 플로어(intermediate floor), 작동 동안에 왕복하는 피스톤 로드에 대한 시일링을 제공하는 스터핑 박스(stuffing box)를 구비한 스터핑 박스 캐리어(stuffing box carrier), 그리고 필요한 경우에는 피스톤 저부가 소기(scavenging air)를 압축하는데 사용될 경우에 중간 플로어 바로 위에 배치되는 밸브 하우징을 포함한다. 돌출된 피스톤 휠 또는 실린더 내벽의 엔진측 단부 섹션, 그리고 이에 대해 평행하게 연장된 고리형 공간의 내벽 표면에서는, (존재하는 경우에) 상기 밸브 하우징, 또는 스터핑 박스 지지부, 또는 상기 중간 플로어에 외부 또는 내부 클램핑 시일링 링들이 제공된다.

EP 2 535 540 81 에는 피스톤이 상사점 위치를 통과하는 때에 실린더 내에서 안내되는 피스톤, 파이어 브리지(fire bridge)의 영역에서 찌꺼기를 제거하기 위한 내부 연소 엔진의 실린더의 삽입체가 개시되어 있는바, 이것은 실린더의 반경방향 요부 내에 고정적으로 배치될 수 있는 적어도 하나의 제1 고리형 요소와 상기 제1 고리형 요소 내에 형성되는 제1 고리형 요소의 반경방향 홈 내에 삽입될 수 있는 적어도 하나의 제2 고리형 요소를 포함하며, 상기 홈 내의 제2 고리형 요소는 제1 고리형 요소에 대해 반경방향으로 이동가능하고 또한 축방향으로는 실질적으로 부동적이다.

본 발명의 목적은, 도입부에서 설명된 압축 및 가스/연료 혼합과 관련하여 시스템의 최적 효율에 대해 부정적 영향을 주는 무용-체적(dead-volume)에 상이한 구조 설계가 가해지도록, 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링하기 위한 장치를 개선하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링하기 위한 시일링 링을 제공하는 것인바, 이에 의하면 상기 부정적 효과와 관련된 소위 무용-체적을 최적화시키는 것이 가능하게 된다.

상기 목적은 본 발명에 따른 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링(sealing)하기 위한 장치에 의해 달성되는바, 상기 시일링 장치는 적어도 하나의 피스톤과 상기 피스톤을 수용하는 원통형 부품(cylindrical component)을 포함한다. 상기 피스톤은 상기 원통형 부품 안에서 상측 끝 위치와 하측 끝 위치 사이에서 교번적으로 이동가능하며, 상기 피스톤의 상측 끝 위치 영역에서 상기 원통형 부품은 적어도 하나의 시일링 요소와 작동상 연결될 수 있으며, 상기 시일링 요소는, 홈 내에 삽입된 것으로서 조인트(joint)를 구비하고, 내부 긴장 시일링 링(internally tensioning sealing ring)으로서 설계되며, 피스톤을 대면하는 내측 원주 표면의 영역에 윤곽부(profiling)를 구비하고, 상기 피스톤은 상기 윤곽부의 높이의 영역에 상측 끝 위치를 갖는다.

본 발명에 따른 시일링 장치의 유리한 실시예들은 관련된 종속항들에 기재되어 있다.

또하 상기 목적은 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링하기 위한 시일링 링에 의해 달성되는바, 상기 시일링 링은 상측 플랭크, 하측 플랭크, 외측 원주 표면, 내측 원주 표면, 및 조인트를 포함하는 내부 긴장 시일링 링으로서 설계되고, 상기 내측 원주 표면에는 윤곽부가 제공된다.

본 발명에 따른 시일링 링의 유리한 실시예들은 관련된 종속항들에 기재되어 있다.

추가적인 시일링 링이 피스톤을 둘러싸는 부품, 예를 들어 라이너 안으로 도입되어서, 피스톤 크라운과 상부 링의 최상측 위치 사이의 소위 무용-체적이 최대 압축 시기에 폐쇄된다. 이것은 가스/연료 혼합물이 무용-체적 안으로 관통함을 방지한다. 오일 액적들에 의해 유발되는 조기발화(Pre-inflammation)도 방지된다.

바람직하게는, 상기 시일링 링이 라이너 홈 안으로 삽입되고, 내부 긴장 힘의 성분을 갖는다. 상기 시일링 링의 조인트 간극은 내부 긴장의 시기에 정확히 0 (제로)이다. 피스톤 크라운은 상기 내부 긴장 시일링 링과 함께 상사점에서 끝나며, 치수가 겹치는 경우에는 라이너 홈의 방향으로 개방될 수 있다.

본 발명에 의하여 다음과 같은 장점들이 얻어진다.

- 무용-체적의 감소

- 최적 연소로 인한 효율 증가

- 감소하는 가스 유동에 의한 입자 형성 방지

- 오일 액적들의 연소 챔버 방향으로의 비산 방지.

피스톤은 시일링 링을 지나서 이동하는 것이 아니라, 기껏해야 시일링 링, 특히 상사점에서 시일링 링의 상측 플랭크에서 끝날 수 있다.

유리하게는 금속 시일링 링으로서 설계되는 시일링 링은 사각형의 단면을 갖는다. 여기에서, 피스톤에 대한 내측 원주 표면의 기하형태상 윤곽의 최대 변화가 주어질 수 있다. 미뉴트(minute) 또는 원추형 설계안의 형상으로 설계된 내측 원주 표면이 적절하다.

종래의 피스톤 링들과 유사하게, 라이너 안에 설치되는 상기 시일링 링도 상측 플랭크 및 하측 플랭크를 구비한다. 종래의 피스톤 링들과는 달리, 본 발명에 따른 시일링 링은 외측 원주 표면을 구비하고, 내측의 윤곽을 가진 원주 표면은 피스톤에 대한 지탱 표면으로서 설계된다.

상기 시일링 링은, 상측 링 플랭크의 영역이 하측 링 플랭크의 영역에서보다 작은 직경을 갖도록 기하학적으로 설계된다. 따라서, 피스톤의 상방향 스트로크 동안에 피스톤이 원추형의 내측 원주 표면(지탱 표면)을 따라서 슬라이딩하고 또한 조인트를 구비한 시일링 링이 벌어지게 함을 가능하게 한다. 이와 같은 추가적인 시일링 지점으로 인하여, 전술된 무용-체적이 감소되고 전술된 긍정적인 효과가 얻어진다.

상기 피스톤과 시일링 링 사이의 상기 선택된 기하학적 관계로 인하여, 피스톤 크라운은 상측 끝 지점(상사점)에서 시일링 링의 내측 원주 표면과 접촉한다.

본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 상기 시일링 링에는 마모 보호 층이 제공될 수 있는바, 이것은 내측 원주 표면(지탱 표면) 영역에서의 마찰을 감소시킨다. 이것은 예를 들어 Cr, CKS, PVD, 또는 DG 을 기반으로 하여 형성될 수 있다.

추가적인 시일링 링은 피스톤에 대하여 어떠한 독립적인 축방향 움직임을 수행하지 않는다. 상기 시일링 링은 반경방향 및 축방향 모두에서 라이너 홈 내에서 자유로이 움직일 수 있으며, 반경방향 성분의 움직임은 설치된 상태에서 피스톤에 의하여만 외측으로 수행될 수 있다.

상기 시일링 링을 수용하는 홈은 라이너 내에 삽입되거나 또는 라이너에 도입될 수 있는 별도의 세그먼트 내의 요부로서 제공될 수 있다. 라이너 또는 추가적인 세그먼트가 없다면, 상기 시일링 요소는 직접 실린더 블록에 설치될 수도 있다.

여기에서, 시일링 링의 벽은 라이너의 벽 두께에 의하여 제한되며, 개별적으로 (예를 들어 0.5 - 100 mm) 설계될 수 있다.

아래에서는 아래와 같은 도면들을 참조로 하여 본 발명의 예시적인 실시예들에 대해 설명한다.
도 1 내지 도 3 에는 원통형 부품 안에 도입되는 시일링 링을 포함하는 연소 챔버의 시일링 구조가 도시되어 있는바, 각 도면에서 피스톤은 상기 원통형 부품 내의 다양한 위치에 있는 것으로 도시되어 있다.
도 4 에는 피스톤과의 접촉이 없는 상태의 시일링 링이 도시되어 있다.
도 5 에는 피스톤과의 접촉이 있는 상태의 시일링 링이 도시되어 있다.

도 1 내지 도 3 에는 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링하기 위한 장치가 도시되어 있다. 여기에는 다음과 같은 부품, 즉 각각 피스톤 링(5, 6, 7)을 수용하기 위한 다수의 홈들(2, 3, 4)을 포함하는 피스톤(1)이 도시되어 있다. 피스톤 링(7)은 통상적인 오일 스크레이퍼 링(oil scraper ring)이고, 피스톤 링(5, 6)은 압축 링으로 설계되었다. 피스톤(1)은 표시되기만 한 끝 위치들(o, u) 사이에서 교번적으로 이동될 수 있다. 피스톤(1)은 원통형 부품(8) 내에서 끝 위치들(o, u) 사이로 안내된다. 이 예에서, 원통형 부품(8)은 라이너로서 설계된 것이지만, 이것은 통상적인 실린더 벽일 수도 있다. 상측 끝 위치(o)의 영역에서, 원통형 부품(8)에는 수용 홈(9)이 제공되는바, 이 안에는 추가적인 시일링 요소(10)가 삽입된다. 시일링 요소(10)는 사각형의 내부 긴장 시일링 링으로 설계된다. 시일링 링(10)은 상측 플랭크(upper flank)(11), 하측 플랭크(lower flank)(12), 외측 원주 표면(13), 및 내측 원주 표면(14)을 포함한다. 이 예에서 지탱 표면으로 설계된 내측 원주 표면(14)에는 원추형으로 증각하는 윤곽부가 제공된다. 화살표는 반경방향의 힘 성분을 표시한다. 피스톤(1)은 연소 챔버 측(상측 끝 위치(o))에 피스톤 크라운(15)을 구비한다. 지탱 표면(14)(윤곽부)에는 예를 들어 Cr 기반의 마모 저감 층(14')이 제공될 수 있다. Cr 의 대안으로서는 CKS, PVD, DG 가 사용될 수 있다.

도 1 에는 피스톤(1)이 하측 끝 위치(u)로부터 추가적인 시일링 요소(10)의 방향으로 이동하되 아직 시일링 요소(10)와 접촉하지는 않은 위치가 도시되어 있다. 윤곽부(14)는 시일링 요소(10)의 전체 구조 높이에 걸쳐서 연장된 높이(h)를 갖는다. 원추형의 윤곽 외에도, 곡선형 윤곽 또는 다른 기하형태의 외형도 가능하다.

도 2 에는 피스톤 크라운(15)이 시일링 요소(10)의 영역(16)에서 높이(h)의 영역 내에서 시일링 요소(10)의 지탱 표면(윤곽부)(14)과 접촉하는 모습이 도시되어 있다. 이 때 내부 긴장 시일링 요소(10)의 폭이 확장(화살표)되고, 그 결과로서 수용 홈(9)의 홈 기저부(groove base)(17)로부터의 시일링 요소(10)의 거리가 감소된다. 이와 같은 첫번째 접촉에서, 상부 링으로 설계된 피스톤 링(5)과 시일링 요소(10)의 하측 플랭크(12) 사이에는 미리 결정가능한 거리가 존재한다.

도 3 에는 피스톤(1)의 위치가 상측 끝 위치(o)의 영역에 있는 모습이 도시되어 있다. 시일링 요소(10)의 하측 링 플랭크(12)와 피스톤 링(5) 사이의 거리는 더 감소되었다. 여기에 도시되지 않은 시일링 요소(10)의 간극은 피스톤(1)의 상측 끝 위치(o)에서 최대의 유격을 갖는다. 지탱 표면(윤곽부)(14)와 피스톤 크라운(15)의 접촉 영역(16')은 시일링 요소(10)의 대략 상측 링 플랭크(11)의 레벨에 위치한다.

도 2 및 도 3 에 도시된 접촉 영역들(16, 16') 사이에서는, 연소 챔버가 피스톤(1)의 상측 끝 위치(o)의 영역에서 완전히 시일링되어서, 무용-체적이 감소될 뿐만 아니라, 이와 동시에 최적의 연소로 인한 효율 증가가 얻어진다. 감소하는 가스 유동으로 인한 입자 형성이 신뢰성있게 방지된다. 유사하게, 오일 액적들의 연소 챔버의 방향으로의 비산(throwing off)도 방지된다.

도 4 및 도 5 에는 시일링 링(10)이 도시되어 있다. 조인트(18)가 도시되어 있다. 도 4 에는, 내부 긴장 시일링 링으로 설계된 시일링 요소(10)가, 여기에는 도시되지 않은 피스톤과 접촉하지 않는 위치에서의 모습이 도시되어 있다. 이 때 조인트 간극(FT)이 최소로 된 모습이 도시되어 있다.

도 5 에는 피스톤과 접촉하는 시일링 링(10)이 도시되어 있다. 이 때 조인트 간극(FT)은 최대 개방 폭을 갖는 것으로 도시되어 있다.

1: 피스톤
2 : 홈
3 : 홈
4 : 홈
5 : 피스톤 링
6 : 피스톤 링
7 : 피스톤 링
8 : 부품(라이너)
9 : 홈
10 : 시일링 요소
11 : 상측 플랭크
12 : 하측 플랭크
13 : 외측 원주 표면
14 : 내측 원주 표면(bearing surface)
14': Cr 층
15 : 피스톤 크라운
16 : 접촉 영역
16': 접촉 영역
17 : 홈 기저부(groove base)
18 : 조인트
o : 상측 끝 위치
u : 하측 끝 위치
h : 윤곽부의 높이
FT : 조인트 간극

Claims (13)

1. 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링(sealing)하기 위한 장치로서,
   상기 시일링 장치는 적어도 하나의 피스톤(1)과 상기 피스톤(1)을 수용하는 원통형 부품(cylindrical component)(8)을 포함하고, 상기 원통형 부품(8) 내의 피스톤(1)은 상측 끝 위치(o)와 하측 끝 위치(u) 사이에서 교번적으로 이동가능하며, 상기 피스톤(1)의 상측 끝 위치(o)에서 상기 원통형 부품(8)은 적어도 하나의 시일링 요소(10)와 작동상 연결될 수 있으며,
   상기 시일링 요소(10)는, 홈(9) 내에 삽입된 것으로서 조인트(joint)(18)를 구비하고, 내부 긴장 시일링 링(internally tensioning sealing ring)으로서 설계되며, 피스톤(1)을 대면하는 내측 원주 표면(14)의 영역에 윤곽부(profiling)를 구비하고, 상기 피스톤(1)은 상기 윤곽부(14)의 높이(h)의 영역에 상측 끝 위치(o)의 영역을 갖는, 시일링 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시일링 링(10)은 내부 긴장 시일링 링, 특히 사각형의 피스톤 링으로 설계되는, 시일링 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 시일링 링(10)의 피스톤(1)을 대면하는 내측 원주 표면(14)에는 원추형 윤곽부가 제공되거나, 또는 상기 시일링 링(10)의 피스톤(1)을 대면하는 내측 원주 표면(14)이 미뉴트(minute) 형상의 활주 표면(running surface)으로 설계되는, 시일링 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 상측 플랭크(11)의 영역에서 상기 피스톤(1)과 상기 윤곽부(14) 또는 시일링 링(10) 사이에 시일링 접촉이 구현될 수 있도록, 상기 윤곽부(14)는 시일링 링(10)의 상측 플랭크(upper flank)(11)로부터 시작하여 하측 플랭크(12)의 방향으로 실질적으로 균일한 방식으로 테이퍼(taper)지는, 시일링 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 내부 긴장 시일링 링(10)에는 미리 결정가능한 조인트 간극(joint clearance)(FT)이 제공되고, 상기 조인트 간극은 피스톤(1)의 상측 끝 위치(o)의 영역에서 시일링 링(10)의 상기 윤곽부를 구비한 내측 원주 표면(14)과 상기 피스톤(1)의 상방향 이동의 결과로서 변화가능, 특히 확장가능한, 시일링 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 시일링 링(10)의 내측 원주 표면(14)에는 특히 Cr, CKS, PVD, 또는 DG 기반의 마모 저감용 보호층(wear-reducing protective layer)(14')이 제공되는, 시일링 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 원통형 부품(8)은 라이너(liner)로서 설계되는, 시일링 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 시일링 링(10)은, 시일링 링(10)의 최대 최상측 지점(maximum uppermost point)이 피스톤(1)의 피스톤 크라운(15)의 상측 끝 위치(o)에서 끝나도록, 피스톤 링의 위에 배치되는, 시일링 장치.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 시일링 링(10)은, 시일링 링(10)의 최상측 지점이 피스톤(1)의 피스톤 크라운(15) 외부에 위치하도록, 상기 부품 상에 있는 상부 압축 링(5)으로서 설계된 피스톤 링 위에 미리 결정가능한 거리를 두고 배치되며,
   상기 피스톤(1)의 상측 끝 위치(o)의 영역에는 상기 시일링 링(10)의 윤곽부와 상기 피스톤 크라운(15) 사이에 적어도 20%의 겹침(overlapping)이 제공되는, 시일링 장치.
10. 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 시일링하기 위한 시일링 링으로서,
    상기 시일링 링은 상측 플랭크(11), 하측 플랭크(12), 외측 원주 표면(13), 내측 원주 표면(14), 및 조인트(18)를 포함하는 내부 긴장 시일링 링(10)으로서 설계되고,
    상기 내측 원주 표면(14)은 윤곽부가 제공된 지탱 표면(bearing surface)으로서 설계되는, 시일링 링.
11. 제10항에 있어서,
    상기 내부 긴장 시일링 링(10)은 미리 결정가능한 조인트 간극(FT)을 구비한 금속 사각형 링으로 설계되는, 시일링 링.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 내측 원주 표면(14)에는 원추형 윤곽부가 제공되거나, 또한 상기 내측 원주 표면(14)이 미뉴트(minute)로서 설계되는, 시일링 링.
13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 원주 표면(14)은 윤곽부를 구비한 지탱 표면으로서 설계되고, 상기 지탱 표면(14)의 적어도 윤곽부에는 특히 Cr, CKS, PVD, 또는 DG 기반의 마모 저감용 보호층(14')이 제공되는, 시일링 링.

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