KR20240078621A - 피스톤 및 선박용 내연 기관 - Google Patents

피스톤 및 선박용 내연 기관 Download PDF

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가부시키가이샤 자판엔진코포레숀
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Abstract

(과제) 실린더의 내주면과 피스톤 링 사이의 시일성이 저하하는 사태를 억제할 수 있는 피스톤 및 선박용 내연 기관을 제공하는 것.
(해결 수단) 선박용 내연 기관의 연소실이 형성되는 실린더의 내부를 왕복 이동하는 피스톤 본체와, 상기 피스톤 본체의 왕복 이동 방향으로 나열되도록 상기 피스톤 본체의 외주부에 형성되고, 상기 실린더의 내주면과 슬라이딩 접촉하는 복수의 피스톤 링을 구비한다. 상기 복수의 피스톤 링 중 적어도 1 개는, 상기 실린더의 내주면과 슬라이딩 접촉하여 피막 입자를 탈락할 수 있는 용사 피막이 형성되어 있는 용사 피막형 링이다. 상기 용사 피막형 링을 제외한 나머지 피스톤 링은, 상기 실린더의 내주면과 슬라이딩 접촉하는 도금 피막이 형성되어 있는 도금 피막형 링이다.

Description

피스톤 및 선박용 내연 기관{PISTON AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR SHIP}
본 발명은, 피스톤 및 선박용 내연 기관에 관한 것이다.
종래, 선박에 탑재되는 선박용 내연 기관에서는, 피스톤을 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 수용하는 실린더가 복수 형성되고, 이들 복수의 실린더의 각 내부에 있어서의 피스톤의 왕복 이동이 크랭크의 회전 이동으로 변환되어, 크랭크 샤프트가 회전하도록 되어 있다. 일반적으로, 선박용 내연 기관에 있어서, 실린더의 내부에는 연소실이 형성되어 있다. 피스톤은, 그 정상부가 연소실에 면하도록 실린더의 내부에 수용되어 있다. 또한, 실린더의 하부에는, 연소실에 새로운 연소용 기체를 도입하기 위한 소기 포트가 형성되어 있다. 피스톤은, 연소실에 공급된 연료와 압축된 연소용 기체에 의한 연소 에너지를 이용하여, 실린더 내의 연소실과 소기 포트측의 실린더 단부 (하단부) 사이를 왕복 이동한다.
또한, 피스톤의 외주부에는, 피스톤의 왕복 이동 방향으로 나열되는 복수의 환상 홈이 형성되어 있고, 이들 복수의 환상 홈의 각각에는 피스톤 링이 형성되어 있다. 예를 들어, 피스톤 링은, 합구 (合口) 라고 칭해지는 절단 부분이 형성되어 있고, 이로써, 피스톤의 직경 방향으로 확경 및 축경 가능한 탄력성을 가지고 있다. 이와 같은 피스톤 링은, 실린더의 내주면에 적당한 면압을 가하면서 항상 접촉하고, 피스톤의 왕복 이동에 수반하여 실린더의 내주면을 슬라이딩한다 (특허문헌 1 참조). 상기 실린더의 내주면과 피스톤 링의 슬라이딩 접촉에 의해, 이들 실린더의 내주면과 피스톤 링 사이의 시일성이 유지되고, 이 결과, 당해 슬라이딩 접촉부를 통한 가스나 윤활유 등의 유체의 누수가 억제된다.
일본 공개특허공보 평4-157262호
그런데, 피스톤의 외주부에 형성되는 복수의 피스톤 링의 각각에는, 상기 서술한 특허문헌 1 에 예시되는 바와 같이, 내마모성이 높은 도금 피막이 코팅되어 있는 경우가 많다. 이 경우, 실린더의 내주면에 대한 피스톤 링의 내마모성을 높일 수 있기 때문에, 실린더의 내부를 피스톤이 왕복 이동해도, 피스톤 링은 잘 마모되지 않게 된다. 또한, 실린더의 내부를 피스톤이 왕복 이동하고 있을 때에는, 예를 들어, 피스톤의 스커트부가 실린더의 내주면과 스치는 사태, 연소실에서의 연료의 연소에 의해 발생한 잔류물이 실린더의 내주면과 피스톤 링 사이에 끼는 사태, 또는, 실린더의 내주면 상의 윤활유가 부족한 사태 등에서 기인하여, 실린더의 내주면에 흠집이 생길 가능성이 있다. 그러나, 실린더의 내주면에 한번 흠집이 생기면, 내마모성이 높은 피스톤 링의 도금 피막이 당해 흠집에 슬라이딩 접촉하여, 당해 흠집이 악화 (흠집의 범위가 확대) 하게 되고, 이 결과, 실린더의 내주면과 피스톤 링 사이의 시일성이 저하할 우려가 있다. 나아가서는, 당해 흠집이 실린더의 내주면의 스커프에 이르는 경우가 있고, 이것에서 기인하여, 실린더 및 피스톤의 부품 교환을 피할 수 없게 된다.
한편, 피스톤의 외주부에 형성되는 복수의 피스톤 링의 각각에는, 상기 서술한 도금 피막이 아니라, 용사한 미립자를 분사하여 형성되는 용사 피막이 코팅되어 있는 경우가 있다. 이 경우, 실린더의 내주면에 대한 피스톤 링의 내마모성은, 내마모성이 우수한 도금 피막에 비하여 낮기는 하지만, 상기 서술한 각종 사태에서 기인하여 실린더의 내주면에 흠집이 생겨도, 피스톤의 왕복 이동에 수반하여 용사 피막이 당해 흠집에 슬라이딩 접촉하여 피막 입자가 탈락하여 마모됨으로써, 당해 흠집의 악화를 억제할 수 있다. 그러나, 실린더의 내부를 피스톤이 왕복 이동하고 있을 때에, 피스톤 링의 용사 피막이 실린더의 내주면에 슬라이딩 접촉하면, 이들 실린더의 내주면과 용사 피막의 마모량 (소정 가동 시간당 마모량) 이 과도하게 많아지게 되고, 이 결과, 실린더의 내주면과 피스톤 링 사이의 시일성이 저하할 우려가 있다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 실린더의 내주면과 피스톤 링 사이의 시일성이 저하하는 사태를 억제할 수 있는 피스톤 및 선박용 내연 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관련된 피스톤은, 선박용 내연 기관의 연소실이 형성되는 실린더의 내부를 왕복 이동하는 피스톤 본체와, 상기 피스톤 본체의 왕복 이동 방향으로 나열되도록 상기 피스톤 본체의 외주부에 형성되고, 상기 실린더의 내주면과 슬라이딩 접촉하는 복수의 피스톤 링을 구비하고, 상기 복수의 피스톤 링 중 적어도 1 개는, 상기 실린더의 내주면과 슬라이딩 접촉하여 피막 입자를 탈락할 수 있는 용사 피막이 형성되어 있는 용사 피막형 링이며, 상기 용사 피막형 링을 제외한 나머지의 피스톤 링은, 상기 실린더의 내주면과 슬라이딩 접촉하는 도금 피막이 형성되어 있는 도금 피막형 링인, 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련된 피스톤은, 상기의 발명에 있어서, 상기 복수의 피스톤 링 중, 상기 실린더 내의 상기 연소실에 가장 가까운 측에 형성되어 있는 피스톤 링은, 상기 도금 피막형 링인, 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련된 피스톤은, 상기의 발명에 있어서, 상기 복수의 피스톤 링 중, 상기 실린더 내의 상기 연소실로부터 가장 떨어진 측에 형성되어 있는 피스톤 링은, 상기 용사 피막형 링인, 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련된 피스톤은, 상기의 발명에 있어서, 상기 복수의 피스톤 링 중, 상기 실린더 내의 상기 연소실에 가장 가까운 측에 형성되어 있는 피스톤 링은, 상기 용사 피막형 링인, 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련된 피스톤은, 상기의 발명에 있어서, 상기 복수의 피스톤 링 중, 상기 실린더 내의 상기 연소실로부터 가장 떨어진 측에 형성되어 있는 피스톤 링은, 상기 도금 피막형 링인, 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련된 피스톤은, 상기의 발명에 있어서, 상기 도금 피막은, 상기 용사 피막에 비하여 내마모성이 높은 경질재로 이루어지는, 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련된 선박용 내연 기관은, 상기의 발명의 어느 하나에 기재된 피스톤과, 상기 피스톤을 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 수용하는 실린더를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 실린더의 내주면과 피스톤 링 사이의 시일성이 저하하는 사태를 억제할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤이 적용된 선박용 내연 기관의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤의 단면 구조의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤의 작용을 설명하는 모식도이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 피스톤의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 6 은, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 피스톤의 단면 구조의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.
이하에, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관련된 피스톤 및 선박용 내연 기관의 바람직한 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시형태에 의해, 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면은 모식적인 것이며, 각 요소의 치수의 관계, 각 요소의 비율 등은, 현실의 것과는 상이한 경우가 있는 것에 유의할 필요가 있다. 도면의 상호간에 있어서도, 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 경우가 있다. 또한, 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호가 부여되어 있다.
(실시형태 1)
먼저, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤이 적용된 선박용 내연 기관의 구성에 대하여 설명한다. 도 1 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤이 적용된 선박용 내연 기관의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 이 선박용 내연 기관 (10) 은, 선박에 탑재되는 크로스 헤드형 내연 기관의 일례이며, 프로펠러 축을 통하여 선박의 추진용 프로펠러 (모두 도시 생략) 를 회전 구동시키는 추진용의 기관 (주기관) 이다. 예를 들어, 선박용 내연 기관 (10) 은, 유니 플로 소배기식의 크로스 헤드형 디젤 엔진 등의 2 스트로크 디젤 엔진이다.
상세하게는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 선박용 내연 기관 (10) 은, 높이 방향 (D1) 의 하측에 위치하는 대판 (1) 과, 대판 (1) 상에 형성되는 가구 (架構) (5) 와, 가구 (5) 상에 형성되는 실린더 재킷 (11) 을 구비한다. 이들 대판 (1) 과 가구 (5) 와 실린더 재킷 (11) 은, 선박용 내연 기관 (10) 의 높이 방향 (D1) (즉 상하 방향) 으로 연장되는 복수의 타이 볼트 (27) 등의 연결 부재에 의해, 일체로 체결되어 고정되어 있다. 또한, 선박용 내연 기관 (10) 은, 실린더 재킷 (11) 에 형성되는 실린더 (12) 와, 실린더 (12) 의 내부에 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 형성되는 피스톤 (15) 과, 피스톤 (15) 의 왕복 이동에 연동하여 회전하는 크랭크 샤프트 (2) 를 구비한다.
대판 (1) 은, 선박용 내연 기관 (10) 의 크랭크 샤프트 (2) 를 수용하는 크랭크 케이스를 구성하는 것이다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 대판 (1) 의 내부에는, 크랭크 (4) 를 갖는 크랭크 샤프트 (2) 와 베어링부 (3) 가 형성된다. 크랭크 샤프트 (2) 는, 선박의 추진력을 출력하는 출력 축의 일례이며, 베어링부 (3) 에 의해 자유롭게 회전할 수 있도록 지지되어 있다. 이 크랭크 샤프트 (2) 에는, 크랭크 (4) 를 개재하여 연접봉 (6) 의 하단부가 자유롭게 회동할 수 있도록 연결되어 있다.
가구 (5) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 연접봉 (6) 과, 슬라이딩 판 (7) 과, 크로스 헤드 (8) 가 형성된다. 본 실시형태 1 에 있어서, 가구 (5) 는, 피스톤 축 방향을 따라 형성되는 슬라이딩 판 (7) 이 선박용 내연 기관 (10) 의 폭 방향 (D2) 에 간격을 두고 1 쌍을 이루도록 배치되어 있다. 연접봉 (6) 은, 그 하단부가 크랭크 샤프트 (2) 의 크랭크 (4) 에 연접된 양태로, 1 쌍의 슬라이딩 판 (7) 사이에 배치되어 있다. 크로스 헤드 (8) 에는, 피스톤 봉 (16) 의 하단부에 접속되는 크로스 헤드 핀 (9) 과, 연접봉 (6) 의 상단부에 접속되는 크로스 헤드 베어링 (도시 생략) 이, 크로스 헤드 핀 (9) 의 하반부에 있어서 각각 자유롭게 회동할 수 있도록 연결된다. 이 크로스 헤드 (8) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이 1 쌍의 슬라이딩 판 (7) 사이에 배치되고, 이 1 쌍의 슬라이딩 판 (7) 을 따라 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 지지되어 있다.
실린더 재킷 (11) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 가구 (5) 의 상부에 형성되고, 실린더 (12) 를 지지한다. 본 실시형태 1 에 있어서, 실린더 (12) 는, 실린더 라이너 (13) 와 실린더 커버 (14) 에 의해 구성되는 통상의 구조체 (기통) 이다. 실린더 라이너 (13) 는, 예를 들어 원통 형상의 구조체로서, 실린더 재킷 (11) 에 의해 지지된다. 실린더 (12) 는, 이 실린더 라이너 (13) 의 내부에 피스톤 (15) 을 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 수용한다. 실린더 라이너 (13) 의 상부에는, 실린더 커버 (14) 가 고정된다. 이들 실린더 라이너 (13) 와 실린더 커버 (14) 와 피스톤 (15) 에 의해, 선박용 내연 기관 (10) 의 연소실 (17) 이 실린더 (12) 의 내부에 형성 (구획) 된다. 피스톤 (15) 은, 연소실 (17) 에 면하는 상태에서 실린더 라이너 (13) 의 내부를 피스톤 축 방향 (도 1 에서는 높이 방향 (D1)) 으로 왕복 이동할 수 있도록 구성된다. 이 피스톤 (15) 의 하단부에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 피스톤 봉 (16) 의 상단부가 연결되어 있다.
또한, 실린더 커버 (14) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 배기 밸브 (20) 와 동밸브 장치 (21) 가 형성되어 있다. 배기 밸브 (20) 는, 실린더 (12) 내의 연소실 (17) 에 통하는 배기 관 (23) 의 배기구 (배기 포트) 를 개폐 가능하게 폐지하는 밸브이다. 동밸브 장치 (21) 는, 배기 밸브 (20) 를 개폐 구동시키는 장치이다. 또한, 선박용 내연 기관 (10) 은, 실린더 (12) 의 근방에, 배기 매니폴드 (22) 를 구비한다. 배기 매니폴드 (22) 는, 실린더 (12) 내의 연소실 (17) 로부터 배기 관 (23) 을 통하여 배기 가스를 받아 들이고, 받아 들인 배기 가스를 일시 저류하여, 이 배기 가스의 동압을 정압으로 바꾼다.
또한, 선박용 내연 기관 (10) 은, 공기 등의 연소용 기체를 과급하는 과급기 (24) 와, 압축 후의 연소용 기체를 냉각시키는 냉각기 (25) 와, 냉각 후의 연소용 기체 (압축 가스) 를 일시 저류하는 소기 트렁크 (26) 를 구비한다. 과급기 (24) 는, 배기 가스의 압력을 이용하여 터빈과 함께 압축기 (모두 도시 생략) 를 회전시키고, 이로써, 연소용 기체를 압축한다. 냉각기 (25) 는, 과급기 (24) 에 의해 압축된 연소용 기체를 냉각시킨다. 소기 트렁크 (26) 는, 과급기 (24) 에 의해 압축되고 또한 냉각기 (25) 에 의해 냉각된 연소용 기체를 일시 저류한다. 또한, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 실린더 재킷 (11) 에는 소기실 (18) 이 형성되고, 실린더 (12) 의 실린더 라이너 (13) 에는 소기 포트 (19) 가 형성되어 있다. 소기실 (18) 은, 개구부 (도시 생략) 등을 통하여 소기 트렁크 (26) 와 연통한다. 소기 포트 (19) 는, 실린더 라이너 (13) 의 내부를 왕복 이동하는 피스톤 (15) 이 하사점에 위치했을 때에 열림 상태가 되고, 이 소기실 (18) 과 실린더 라이너 (13) 내의 연소실 (17) 을 연통한다. 상기의 연소용 기체는, 소기 트렁크 (26) 로부터 소기실 (18) 및 소기 포트 (19) 를 통하여 실린더 라이너 (13) 내의 연소실 (17) 에 송급된다.
특별히 도시되지 않지만, 선박용 내연 기관 (10) 은, 연료 분사 밸브 및 연료 분사 펌프를 구비한다. 선박용 내연 기관 (10) 에 있어서, 연료 분사 펌프는, 배관 등을 통하여 연료 분사 밸브에 연료를 압송한다. 또한, 선박용 내연 기관 (10) 은, 배기 가스 중의 질소산화물 (NOx) 을 저감시키는 설비로서, 배기 가스 재순환 (EGR : Exhaust Gas Recirculation) 시스템이나 선택식 촉매 환원 (SCR : Selective Catalytic Reduction) 시스템을 구비하고 있어도 된다.
상기 서술한 바와 같은 구성을 갖는 선박용 내연 기관 (10) 에 있어서, 실린더 (12) 내의 연소실 (17) 에는, 연료 분사 밸브로부터 연료가 공급되고, 또한, 소기 트렁크 (26) 로부터 소기실 (18) 및 소기 포트 (19) 를 통하여 연소용 기체가 공급된다. 이로써, 연소실 (17) 에서는, 공급된 연료가 연소용 기체에 의해 착화하여 연소한다. 그리고, 연소실 (17) 에서의 연료의 연소에 의해 발생한 에너지에 의해, 피스톤 (15) 은, 실린더 라이너 (13) 의 내부를 피스톤 축 방향으로 왕복 이동한다. 이 때, 동밸브 장치 (21) 에 의해 배기 밸브 (20) 가 작동하여 실린더 (12) 의 배기 포트가 개방되면, 연료의 연소 후에 실린더 라이너 (13) 내에 잔류하는 잔류 가스가 배기 가스로서 배기 관 (23) 으로 배출된다. 이것과 함께, 실린더 라이너 (13) 내의 연소실 (17) 에는, 소기 트렁크 (26) 로부터 소기실 (18) 및 소기 포트 (19) 를 통하여 새롭게 연소용 기체가 도입된다.
또한, 피스톤 (15) 이 상기 서술한 바와 같이 피스톤 축 방향으로 왕복 이동하면, 피스톤 (15) 과 함께 피스톤 봉 (16) 이 피스톤 축 방향으로 왕복 이동한다. 이것에 연동하여, 크로스 헤드 (8) 는, 슬라이딩 판 (7) 을 따라 피스톤 축 방향으로 왕복 이동한다. 이로써, 크로스 헤드 (8) 의 크로스 헤드 핀 (9) 은, 크로스 헤드 베어링을 통하여 연접봉 (6) 에 회전 구동력을 가한다. 이 회전 구동력에 의해, 연접봉 (6) 의 하단부에 접속되는 크랭크 (4) 가 크랭크 운동 (회전 이동) 하고, 이 결과, 크랭크 샤프트 (2) 가 회전한다. 크랭크 샤프트 (2) 는, 이와 같이 피스톤 (15) 의 왕복 이동을 크랭크 (4) 에 의해 회전 이동으로 변환하여, 프로펠러 축과 함께 선박의 추진용 프로펠러를 회전시킨다. 이로써, 크랭크 샤프트 (2) 는, 선박의 추진력을 출력한다.
또한, 선박용 내연 기관 (10) 의 높이 방향 (D1) 은, 상하 방향이며, 예를 들어, 피스톤 (15) 의 왕복 이동의 방향에 대하여 평행이다. 선박용 내연 기관 (10) 의 폭 방향 (D2) 은, 높이 방향 (D1) 및 축 방향 (D3) 에 대하여 수직의 방향이다. 선박용 내연 기관 (10) 의 축 방향 (D3) 은, 도 1 에 나타내는 크랭크 샤프트 (2) 의 길이 방향에 대하여 평행이다. 즉, 이들 높이 방향 (D1), 폭 방향 (D2) 및 축 방향 (D3) 은, 서로 수직의 방향이다. 또한, 높이 방향 (D1), 폭 방향 (D2) 및 축 방향 (D3) 은, 선박용 내연 기관 (10) 에 대해서는 물론, 선박용 내연 기관 (10) 을 구성하는 각 구성부 (예를 들어 실린더 (12) 및 피스톤 (15) 등) 에 대해서도 동일하다.
다음으로, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤 (15) 의 구성에 대하여 설명한다. 도 2 는, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 2 에는, 도 1 에 나타낸 선박용 내연 기관 (10) 의 실린더 (12) 및 피스톤 (15) 이 확대되어 도시되어 있다. 도 3 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤의 단면 구조의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 3 에는, 도 2 에 나타내는 피스톤 (15) 중 영역 (R1) 의 단면 구조가 확대되어 도시되어 있다.
도 2, 3 에 나타내는 바와 같이, 이 피스톤 (15) 은, 실린더 (12) 의 내부를 왕복 이동하는 피스톤 본체 (151) 와, 이 피스톤 본체 (151) 의 외주부에 형성되어 있는 복수의 피스톤 링을 구비한다. 본 실시형태 1 에 있어서, 피스톤 (15) 은, 이들 복수의 피스톤 링의 일례로서, 최상단 피스톤 링 (153), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (155) 이라는 3 개의 피스톤 링을 구비하고 있다.
피스톤 본체 (151) 는, 상기 서술한 선박용 내연 기관 (10) (도 1 참조) 의 연소실 (17) 이 형성되는 실린더 (12) 의 내부를 왕복 이동하도록 구성된다. 상세하게는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 피스톤 본체 (151) 는, 피스톤 축 (C1) 방향으로부터 보아 원형을 이루는 정상부 (151a) 와, 피스톤 축 (C1) 주위의 외주부 (151b) 를 갖는다. 피스톤 본체 (151) 는, 정상부 (151a) 가 연소실 (17) 에 면하도록, 실린더 (12) 의 내부, 보다 구체적으로는, 실린더 (12) 의 원통부를 구성하는 실린더 라이너 (13) 의 내부에, 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 수용된다. 이 연소실 (17) 은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 실린더 커버 (14) 의 내벽면과 피스톤 본체 (151) 의 정상부 (151a) 에 의해 둘러싸이는 공간이다. 피스톤 본체 (151) 는, 실린더 라이너 (13) 의 내부에 있어서, 정상부 (151a) 가 연소실 (17) 에 면한 상태를 유지하면서, 이 연소실 (17) 과 실린더 재킷 (11) 내의 소기실 (18) (도 1 참조) 사이를 피스톤 축 (C1) 방향으로 왕복 이동한다. 또한, 피스톤 축 (C1) 은, 원 형상의 정상부 (151a) 의 중심을 통과하고 또한 피스톤 본체 (151) 의 직경 방향에 대하여 수직인 축 (중심축) 이다. 실린더 (12) 의 내주면은, 당해 실린더 (12) 의 원통부를 구성하는 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 이다.
또한, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 피스톤 본체 (151) 는, 외주부 (151b) 와 일체를 이루고 정상부 (151a) 와는 반대측으로 연장되는 스커트부 (152) 를 갖는다. 스커트부 (152) 는, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 접촉함으로써, 실린더 라이너 (13) 의 내부에 있어서의 피스톤 (15) 의 왕복 이동의 방향을 규제한다. 상기 서술한 피스톤 봉 (16) 은, 스커트부 (152) 로부터 연장되도록 피스톤 본체 (151) 에 연결되어 있다.
최상단 피스톤 링 (153), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (155) 은, 각각, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 형성되어 실린더 (12) 의 내주면 (13a) 과 슬라이딩 접촉하도록 구성된다. 이하, 본 실시형태 1 에서는, 「최상단 피스톤 링 (153), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (155)」 을 총칭하여 「복수의 피스톤 링」 이라고 칭하는 경우가 있다.
상세하게는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에는, 피스톤 축 (C1) 주위의 둘레 방향으로 연장되는 복수 (본 실시형태 1 에서는 3 개) 의 환상 홈부 (156 ∼ 158) 가, 피스톤 축 (C1) 방향으로 나열되도록 형성되어 있다. 최상단 피스톤 링 (153) 은, 이들 환상 홈부 (156 ∼ 158) 중, 피스톤 본체 (151) 의 정상부 (151a) 에 가장 가까운 최상단의 환상 홈부 (156) 에 장착되어 있다. 중간 피스톤 링 (154) 은, 이들 환상 홈부 (156 ∼ 158) 중, 최상단의 환상 홈부 (156) 와 최하단의 환상 홈부 (158) 사이에 위치하는 중간의 환상 홈부 (157) 에 장착되어 있다. 최하단 피스톤 링 (155) 은, 이들 환상 홈부 (156 ∼ 158) 중, 피스톤 본체 (151) 의 정상부 (151a) 로부터 가장 먼 최하단의 환상 홈부 (158) 에 장착되어 있다. 이와 같이 하여, 최상단 피스톤 링 (153), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (155) 은, 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동 방향으로 나열되도록 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 형성된다.
또한, 최상단 피스톤 링 (153), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (155) 은, 각각, 링의 절단 부분인 합구 (도시 생략) 가 형성되어 있다. 이 구조에 의해, 이들 복수의 피스톤 링은, 각각, 피스톤 본체 (151) 의 직경 방향으로 확경 및 축경 가능한 탄력성을 갖게 된다. 피스톤 본체 (151) 가 실린더 (12) 의 내부에 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 수용되었을 때, 이들 복수의 피스톤 링은, 각각, 실린더 (12) 의 내주면 (13a) 에 적당한 면압을 가하면서 당해 내주면 (13a) 과 항상 접촉하고, 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동에 수반하여 당해 내주면 (13a) 을 슬라이딩한다.
상기 서술한 바와 같이 실린더 (12) 의 내주면 (13a) 에 슬라이딩 접촉하는 복수의 피스톤 링 중 적어도 1 개는, 용사 피막형 링이며, 당해 용사 피막형 링을 제외한 나머지의 피스톤 링은, 도금 피막형 링이다. 용사 피막형 링은, 실린더 (12) 의 내주면 (13a) 과 슬라이딩 접촉하여 피막 입자를 탈락할 수 있는 용사 피막이 형성되어 있는 피스톤 링이다. 용사 피막은, 가열 등에 의해 용융 또는 연화시킨 재료 입자 (미립자) 를 기재 표면에 분사하여 형성되는 피막이다. 용사 피막의 재료 입자로는, 예를 들어, 몰리브덴 (Mo), 크롬카바이드 (Cr-C), 니켈크롬 합금 (NiCr) 등을 들 수 있다. 도금 피막형 링은, 실린더 (12) 의 내주면 (13a) 과 슬라이딩 접촉하는 도금 피막이 형성되어 있는 피스톤 링이다. 도금 피막은, 용사 피막에 비하여 내마모성이 높은 경질재로 이루어지는 피막이며, 당해 경질재를 기재 표면에 도금 처리함으로써 형성된다. 도금 피막의 경질재로는, 예를 들어, 크롬 (Cr), 크롬 세라믹, 질화크롬 (CrN), 다이아몬드 라이크 카본 (DLC) 등을 들 수 있다. 또한, 도금 처리로는, 예를 들어, PVD 등의 물리 증착, CVD 등의 화학 증착을 들 수 있다.
본 실시형태 1 에 있어서는, 도 2, 3 에 나타내는 바와 같이, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 형성되어 있는 복수의 피스톤 링 중, 실린더 (12) 내의 연소실 (17) 에 가장 가까운 측에 형성되어 있는 최상단 피스톤 링 (153) 은, 도금 피막형 링이다. 상세하게는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 최상단 피스톤 링 (153) 은, 상기 서술한 합구를 갖는 링상의 기재 (153a) 와, 이 기재 (153a) 의 외주면에 형성된 도금 피막 (153b) 에 의해 구성되어 있다. 기재 (153a) 는, 예를 들어, 철이나 강 등의 금속제의 주물에 의해 구성된다. 최상단 피스톤 링 (153) 은, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 있어서의 최상단의 환상 홈부 (156) 에 장착되고, 도금 피막 (153b) 을 면압 (P11) 으로 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 항상 가압한다. 이와 같은 최상단 피스톤 링 (153) 은, 실린더 (12) 의 내부에 있어서의 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동에 수반하여, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 도금 피막 (153b) 을 슬라이딩 접촉시키면서 당해 내주면 (13a) 을 슬라이딩한다.
상기 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 대한 최상단 피스톤 링 (153) 의 면압 (P11) (도 3 참조) 은, 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동 방향 (피스톤 축 (C1) 방향) 의 양측으로부터 최상단 피스톤 링 (153) 에 가해지는 압력 (P1, P2) 의 차 (P1 - P2) 에 상당한다. 본 실시형태 1 에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 일방의 압력 (P1) 은, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 사이의 공간 (이하, 환상 공간이라고 한다) 중, 실린더 (12) 내의 연소실 (17) (도 2 참조) 에 통하는 공간의 압력이다. 즉, 당해 압력 (P1) 은, 연소실 (17) 의 압력과 동일하다. 타방의 압력 (P2) 은, 상기 환상 공간 중, 최상단 피스톤 링 (153) 과 중간 피스톤 링 (154) 사이에 끼워지는 공간의 압력이다.
또한, 도 2, 3 에 나타내는 바와 같이, 상기 서술한 복수의 피스톤 링 중, 실린더 (12) 내의 연소실 (17) 로부터 가장 떨어진 측에 형성되어 있는 최하단 피스톤 링 (155) 은, 용사 피막형 링이다. 상세하게는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 최하단 피스톤 링 (155) 은, 상기 서술한 최상단 피스톤 링 (153) 과 동일한 기재 (155a) 와, 이 기재 (155a) 의 외주면에 형성된 용사 피막 (155b) 에 의해 구성되어 있다. 최하단 피스톤 링 (155) 은, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 있어서의 최하단의 환상 홈부 (158) 에 장착되고, 용사 피막 (155b) 을 면압 (P13) 으로 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 항상 가압한다. 이와 같은 최하단 피스톤 링 (155) 은, 실린더 (12) 의 내부에 있어서의 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동에 수반하여, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 용사 피막 (155b) 을 슬라이딩 접촉시키면서 당해 내주면 (13a) 을 슬라이딩한다. 이 때, 용사 피막 (155b) 은, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과의 슬라이딩 접촉에 의해 마모하고, 이 결과, 용사 피막 (155b) 으로부터 피막 입자가 탈락하는 경우가 있다. 당해 피막 입자는, 용사 피막 (155b) 과 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 사이에 개재함으로써, 당해 내주면 (13a) 을 연마하는 연마제로서 기능한다.
상기 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 대한 최하단 피스톤 링 (155) 의 면압 (P13) (도 3 참조) 은, 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동 방향의 양측으로부터 최하단 피스톤 링 (155) 에 가해지는 압력 (P3, P4) 의 차 (P3 - P4) 에 상당한다. 본 실시형태 1 에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 일방의 압력 (P3) 은, 실린더 라이너 (13) 와 피스톤 본체 (151) 사이의 환상 공간 중, 중간 피스톤 링 (154) 과 최하단 피스톤 링 (155) 사이에 끼워지는 공간의 압력이다. 타방의 압력 (P4) 은, 실린더 라이너 (13) 와 피스톤 본체 (151) 사이의 환상 공간 중, 도 1 에 나타낸 실린더 (12) 의 소기 포트 (19) 를 개재하여 소기실 (18) 에 통하는 공간의 압력이다. 즉, 당해 압력 (P4) 은, 소기실 (18) 의 압력과 동일하다.
또한, 도 2, 3 에 나타내는 바와 같이, 상기 서술한 복수의 피스톤 링 중, 최상단 피스톤 링 (153) 과 최하단 피스톤 링 (155) 사이에 형성되어 있는 중간 피스톤 링 (154) 은, 도금 피막형 링이다. 상세하게는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 중간 피스톤 링 (154) 은, 상기 서술한 최상단 피스톤 링 (153) 과 동일한 링상의 기재 (154a) 와 도금 피막 (154b) 에 의해 구성되어 있다. 중간 피스톤 링 (154) 은, 상기 서술한 최상단의 환상 홈부 (156) 와 최하단의 환상 홈부 (158) 사이에 위치하는 환상 홈부 (157) 에 장착되고, 도금 피막 (154b) 을 면압 (P12) 으로 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 항상 가압한다. 이와 같은 중간 피스톤 링 (154) 은, 실린더 (12) 의 내부에 있어서의 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동에 수반하여, 상기 서술한 최상단 피스톤 링 (153) 과 마찬가지로, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 도금 피막 (154b) 을 슬라이딩 접촉시키면서 당해 내주면 (13a) 을 슬라이딩한다.
상기 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 대한 중간 피스톤 링 (154) 의 면압 (P12) (도 3 참조) 은, 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동 방향의 양측으로부터 중간 피스톤 링 (154) 에 가해지는 압력 (P2, P3) 의 차 (P2 - P3) 에 상당한다. 본 실시형태 1 에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 일방의 압력 (P2) 은, 상기 서술한 바와 같이, 최상단 피스톤 링 (153) 과 중간 피스톤 링 (154) 사이에 끼워지는 환상 공간의 압력이다. 타방의 압력 (P3) 은, 상기 서술한 바와 같이, 중간 피스톤 링 (154) 과 최하단 피스톤 링 (155) 사이에 끼워지는 환상 공간의 압력이다.
여기서, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 사이의 환상 공간에 있어서의 압력 (P1 ∼ P4) 에 있어서, 연소실 (17) 측의 압력 (P1) 과 복수의 피스톤 링간의 압력 (P2) 의 압력차는, 다른 압력 (P2, P3) 의 압력차나 압력 (P3, P4) 의 압력차에 비하여 크다. 따라서, 상기 서술한 최상단 피스톤 링 (153), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (155) 의 각 면압 (P11 ∼ P13) 중, 최상단 피스톤 링 (153) 의 면압 (P11) 이 가장 높다. 본 실시형태 1 에서는, 이와 같이 가장 높은 면압 (P11) 의 최상단 피스톤 링 (153) 이, 내마모성이 높은 도금 피막형 링이 되어 있다.
또한, 이들 압력 (P1 ∼ P4) 에 있어서, 복수의 피스톤 링간의 압력 (P3) 과 소기실 (18) 측의 압력 (P4) 의 압력차는, 상기 압력 (P1, P2) 의 압력차에 비하여 작지만, 복수의 피스톤 링간의 압력 (P2, P3) 의 압력차에 비하여 크다. 따라서, 상기 서술한 면압 (P11 ∼ P13) 중, 최하단 피스톤 링 (155) 의 면압 (P13) 은, 최상단 피스톤 링 (153) 의 면압 (P11) 에 이어서 2 번째로 높다. 본 실시형태 1 에서는, 이와 같이 2 번째로 높은 면압 (P13) 의 최하단 피스톤 링 (155) 이, 연마제로서 기능하는 피막 입자를 탈락시킬 수 있는 용사 피막형 링이 되어 있다.
또한, 이들 압력 (P1 ∼ P4) 에 있어서, 복수의 피스톤 링간의 압력 (P2) 과 압력 (P3) 의 압력차는, 상기 서술한 다른 압력 (P1, P2) 의 압력차나 압력 (P3, P4) 의 압력차에 비하여 작다. 따라서, 상기 서술한 면압 (P11 ∼ P13) 중, 중간 피스톤 링 (154) 의 면압 (P12) 이 가장 낮다. 본 실시형태 1 에서는, 이와 같이 가장 낮은 면압 (P12) 의 중간 피스톤 링 (154) 은, 최상단 피스톤 링 (153) 과 동일한 도금 피막형 링이 되어 있다.
다음으로, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤 (15) 의 작용에 대하여 설명한다. 도 4 는, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 피스톤의 작용을 설명하는 모식도이다. 본 실시형태 1 에 관련된 피스톤 (15) 은, 상기 서술한 바와 같이, 도금 피막형 링인 최상단 피스톤 링 (153) 및 중간 피스톤 링 (154) 과, 용사 피막형 링인 최하단 피스톤 링 (155) 을 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 구비하고 있다. 이와 같은 피스톤 (15) 은, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 대한 도금 피막형 링의 높은 내마모성과, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 용사 피막형 링의 슬라이딩 접촉에 의해 당해 내주면 (13a) 의 흠집을 수복하는 흠집 수복 기능을 겸비한다. 이하에서는, 이 피스톤 (15) 의 작용으로서, 용사 피막형 링에 의한 흠집 수복 기능을 설명한다.
상세하게는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 최하단 피스톤 링 (155) 은, 기재 (155a) 의 외주면 상에 용사 피막 (155b) 을 갖는 용사 피막형 링이며, 실린더 (12) 내에서의 피스톤 (15) 의 왕복 이동 (도 1 참조) 에 수반하여, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 을 슬라이딩한다. 이 때, 최하단 피스톤 링 (155) 은, 용사 피막 (155b) 을 면압 (P13) 으로 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 슬라이딩 접촉시키고 있다. 예를 들어, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 흠집 (160) 이 발생했을 경우, 당해 내주면 (13a) 중 흠집 (160) 의 부분이 거칠어지고, 나아가서는, 윤활유에 의한 당해 내주면 (13a) 의 윤활 상태도 악화된다. 최하단 피스톤 링 (155) 은, 이와 같은 흠집 (160) 에 의한 조면에 용사 피막 (155b) 을 비비면서, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 을 슬라이딩한다. 이 결과, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 용사 피막 (155b) 이 마모하여, 적어도 1 개 (도 4 에서는 3 개) 의 피막 입자 (155c) 가 용사 피막 (155b) 으로부터 탈락한다. 최하단 피스톤 링 (155) 은, 이와 같은 피막 입자 (155c) 를 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 용사 피막 (155b) 사이에 끼운 상태가 된다 (상태 A1).
또한, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 흠집 (160) 이 발생하는 원인으로서, 예를 들어, 피스톤 (15) 의 스커트부 (152) (도 2 참조) 가 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 스치는 사태, 연소실 (17) 에서의 연료의 연소에 의해 발생한 잔류물이 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 복수의 피스톤 링의 적어도 1 개 사이에 끼는 사태, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 상의 윤활유가 부족한 사태 등을 들 수 있다.
그 후, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 최하단 피스톤 링 (155) 은, 피막 입자 (155c) 를 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 용사 피막 (155b) 사이에 끼운 상태 (물린 상태) 를 유지하면서, 당해 내주면 (13a) 을 계속 슬라이딩한다 (상태 A2). 이 상태 A2 에 있어서, 최하단 피스톤 링 (155) 은, 피스톤 (15) 의 왕복 이동 방향으로 복수 회 왕복하도록 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 을 슬라이딩함과 함께, 흠집 (160) 의 조면을 포함하는 당해 내주면 (13a) 의 슬라이딩 영역에 피막 입자 (155c) 를 반복하여 비빈다. 피막 입자 (155c) 는, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 과 용사 피막 (155b) 사이에 끼워지는 것에 의해 연마제가 되어, 당해 내주면 (13a) 과 용사 피막 (155b) 의 마모를 촉진시킨다. 최하단 피스톤 링 (155) 은, 이와 같은 피막 입자 (155c) 에 의해, 흠집 (160) 의 조면과 함께 당해 내주면 (13a) 을 계속 연마한다.
상기 서술한 바와 같이 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 을 계속 연마한 결과, 최하단 피스톤 링 (155) 은, 흠집 (160) 의 조면을 매끄러운 면으로 수복함과 함께, 당해 내주면 (13a) 의 슬라이딩 영역 전체를 매끄러운 상태로 한다. 이에 수반하여, 최하단 피스톤 링 (155) 의 용사 피막 (155b) 은, 피막 입자 (155c) 의 탈락에 의해 거칠어져 있던 슬라이딩 접촉면을 원래의 매끄러운 면으로 회복한다 (상태 A3). 그 후, 최하단 피스톤 링 (155) 은, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 흠집 (160) 이 발생할 때 마다, 상기 서술한 상태 A1 ∼ A3 에 예시되는 바와 같이, 용사 피막 (155b) 으로부터 탈락한 피막 입자 (155c) 를 연마제로서 이용하고, 흠집 (160) 의 조면을 포함하는 당해 내주면 (13a) 의 슬라이딩 영역 전체를 매끄러운 면으로 수복한다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 1 에서는, 선박용 내연 기관의 연소실이 형성되는 실린더의 내부를 왕복 이동하는 피스톤 본체의 외주부에, 실린더의 내주면과 슬라이딩 접촉하는 복수의 피스톤 링을, 피스톤 본체의 왕복 이동 방향으로 나열되도록 형성하고, 이들 복수의 피스톤 링 중 적어도 1 개를 용사 피막형 링으로 하고, 용사 피막형 링을 제외한 나머지 피스톤 링을 도금 피막형 링으로 하고 있다.
이 때문에, 실린더의 내주면에 대한 높은 내마모성을 갖는 도금 피막이 형성되어 있는 도금 피막형 링에 의해, 피스톤 링의 내마모성을 확보함과 함께, 실린더의 내주면과 슬라이딩 접촉하여 피막 입자를 탈락할 수 있는 용사 피막이 형성되어 있는 용사 피막형 링에 의해, 피스톤 링의 흠집 수복 기능을 확보할 수 있다. 상기와 같이 피스톤 링의 내마모성과 흠집 수복 기능을 양립시킴으로써, 피스톤의 왕복 이동에 수반하는, 실린더의 내주면과 복수의 피스톤 링의 마모를 도금 피막형 링에 의해 억제하면서, 용사 피막형 링의 용사 피막으로부터 탈락한 피막 입자를 연마제로서 이용함으로써, 당해 내주면에 발생한 흠집을 수복할 수 있다. 이 결과, 실린더의 내주면 및 복수의 피스톤 링의 마모량 (선박용 내연 기관의 가동 시간당 마모량) 을 소정 기준치 이하 (예를 들어 0.05 ㎜/1000 h 이하) 로 저감시킬 수 있고, 실린더의 내주면과 피스톤 링 사이의 시일성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태 1 에서는, 상기 서술한 피스톤과, 당해 피스톤을 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 수용하는 실린더를 구비하는 선박용 내연 기관을 구성하고 있다. 이 때문에, 상기 서술한 피스톤의 작용 효과를 향수할 수 있다. 나아가서는, 실린더의 내주면의 흠집의 악화 (확대) 를 억제할 수 있는 것으로부터, 당해 내주면의 흠집이 스커프에 이르는 사태를 억제할 수 있고, 이 결과, 실린더 및 피스톤을 장수명화하여, 이것들의 교환 빈도를 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태 1 에서는, 복수의 피스톤 링 중, 실린더 내의 연소실에 가장 가까운 측에 형성되어 있는 피스톤 링을 도금 피막형 링으로 하고 있다. 이 때문에, 이들 복수의 피스톤 링 중에서, 실린더의 내주면에 슬라이딩 접촉할 때의 면압이 가장 높아지는 피스톤 링을, 내마모성이 높은 도금 피막형 링으로 할 수 있다. 이로써, 당해 면압이 가장 높아지는 피스톤 링의 마모를 억제할 수 있는 것으로부터, 복수의 피스톤 링의 내마모성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 복수의 피스톤 링 중, 실린더 내의 연소실로부터 가장 떨어진 측에 형성되어 있는 피스톤 링을 용사 피막형 링으로 하고 있다. 이 때문에, 상기 복수의 피스톤 링 중에서, 실린더의 내주면에 슬라이딩 접촉할 때의 면압이 2 번째로 높아지는 피스톤 링을, 당해 내주면과의 슬라이딩 접촉에 의해 피막 입자를 탈락할 수 있는 용사 피막형 링으로 할 수 있다. 이로써, 피스톤 링의 용사 피막의 과도한 마모를 억제하면서, 실린더의 내주면을 연마하는 연마제로서 이용 가능한 피막 입자를 당해 용사 피막으로부터 생성할 수 있다. 이 결과, 상기 복수의 피스톤 링의 높은 내마모성과 실린더의 내주면의 흠집을 수복하는 흠집 수복 기능을 용이하게 양립시킬 수 있다.
(실시형태 2)
다음으로, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 피스톤 및 선박용 내연 기관에 대하여 설명한다. 도 5 는, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 피스톤의 일 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 6 은, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 피스톤의 단면 구조의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 6 에는, 도 5 에 나타내는 피스톤 (15A) 중 영역 (R2) 의 단면 구조가 확대되어 도시되어 있다.
도 5, 6 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 피스톤 (15A) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 관련된 피스톤 (15) 의 최상단 피스톤 링 (153) 대신에 최상단 피스톤 링 (253) 을 구비하고, 최하단 피스톤 링 (155) 대신에 최하단 피스톤 링 (255) 을 구비한다. 최상단 피스톤 링 (253) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 있어서의 최상단 피스톤 링 (153) 의 도금 피막 (153b) 대신에 용사 피막 (253b) 을 구비한다. 최하단 피스톤 링 (255) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 있어서의 최하단 피스톤 링 (155) 의 용사 피막 (155b) 대신에 도금 피막 (255b) 을 구비한다. 또한, 특별히 도시되지 않지만, 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 선박용 내연 기관은, 상기 서술한 실시형태 1 에 관련된 선박용 내연 기관 (10) 의 피스톤 (15) 대신에 피스톤 (15A) 을 구비하고 있다. 그 밖의 구성은 실시형태 1 과 동일하고, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 부여하고 있다.
최상단 피스톤 링 (253), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (255) 은, 각각, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 형성되어 실린더 (12) 의 내주면 (13a) 과 슬라이딩 접촉하도록 구성된다. 이하, 본 실시형태 2 에서는, 「최상단 피스톤 링 (253), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (255)」 을 총칭하여 「복수의 피스톤 링」 이라고 칭하는 경우가 있다.
상세하게는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 최상단 피스톤 링 (253) 은, 환상 홈부 (156 ∼ 158) 중, 피스톤 본체 (151) 의 정상부 (151a) 에 가장 가까운 최상단의 환상 홈부 (156) 에 장착되어 있다. 최하단 피스톤 링 (255) 은, 환상 홈부 (156 ∼ 158) 중, 피스톤 본체 (151) 의 정상부 (151a) 로부터 가장 먼 최하단의 환상 홈부 (158) 에 장착되어 있다. 중간 피스톤 링 (154) 은, 상기 서술한 실시형태 1 과 마찬가지로, 중간의 환상 홈부 (157) 에 장착되어 있다. 이와 같이 하여, 최상단 피스톤 링 (253), 중간 피스톤 링 (154) 및 최하단 피스톤 링 (255) 은, 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동 방향으로 나열되도록 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 형성된다.
상기 서술한 바와 같이 실린더 (12) 의 내주면 (13a) 에 슬라이딩 접촉하는 복수의 피스톤 링 중 적어도 1 개는, 용사 피막형 링이며, 당해 용사 피막형 링을 제외한 나머지의 피스톤 링은, 도금 피막형 링이다. 본 실시형태 2 에 있어서는, 도 5, 6 에 나타내는 바와 같이, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 형성되어 있는 복수의 피스톤 링 중, 실린더 (12) 내의 연소실 (17) 에 가장 가까운 측에 형성되어 있는 최상단 피스톤 링 (253) 은, 용사 피막형 링이다.
상세하게는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 최상단 피스톤 링 (253) 은, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일한 기재 (153a) 와, 이 기재 (153a) 의 외주면에 형성된 용사 피막 (253b) 에 의해 구성되어 있다. 이 용사 피막 (253b) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 있어서의 용사 피막형 링의 용사 피막 (예를 들어 도 3 에 나타내는 용사 피막 (155b)) 과 동일하다. 최상단 피스톤 링 (253) 은, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 있어서의 최상단의 환상 홈부 (156) 에 장착되고, 용사 피막 (253b) 을 면압 (P11) 으로 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 항상 가압한다. 이와 같은 최상단 피스톤 링 (253) 은, 실린더 (12) 의 내부에 있어서의 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동에 수반하여, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 용사 피막 (253b) 을 슬라이딩 접촉시키면서 당해 내주면 (13a) 을 슬라이딩한다. 이 때, 용사 피막 (253b) 은, 실시형태 1 에 있어서의 용사 피막 (155b) 의 면압 (P13) 보다 높은 면압 (P11) 으로 당해 내주면 (13a) 에 슬라이딩 접촉하면서 마모한다. 이 결과, 실시형태 1 에 비하여 용이하게, 피막 입자가 용사 피막 (253b) 으로부터 탈락하는 것이 가능해진다. 당해 피막 입자는, 용사 피막 (253b) 과 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 사이에 개재함으로써, 당해 내주면 (13a) 을 연마하는 연마제로서 기능한다.
또한, 도 5, 6 에 나타내는 바와 같이, 상기 서술한 복수의 피스톤 링 중, 실린더 (12) 내의 연소실 (17) 로부터 가장 떨어진 측에 형성되어 있는 최하단 피스톤 링 (255) 은, 도금 피막형 링이다.
상세하게는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 최하단 피스톤 링 (255) 은, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일한 기재 (155a) 와, 이 기재 (155a) 의 외주면에 형성된 도금 피막 (255b) 에 의해 구성되어 있다. 이 도금 피막 (255b) 은, 상기 서술한 실시형태 1 에 있어서의 도금 피막형 링의 도금 피막 (예를 들어 도 3 에 나타내는 도금 피막 (153b, 154b)) 과 동일하다. 최하단 피스톤 링 (255) 은, 피스톤 본체 (151) 의 외주부 (151b) 에 있어서의 최하단의 환상 홈부 (158) 에 장착되고, 도금 피막 (255b) 을 면압 (P13) 으로 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 항상 가압한다. 이와 같은 최하단 피스톤 링 (255) 은, 실린더 (12) 의 내부에 있어서의 피스톤 본체 (151) 의 왕복 이동에 수반하여, 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 에 도금 피막 (255b) 을 슬라이딩 접촉시키면서 당해 내주면 (13a) 을 슬라이딩한다. 이 때, 도금 피막 (255b) 은, 상기 서술한 용사 피막 (253b) 의 면압 (P11) 다음으로 높은 면압 (P13) 으로 당해 내주면 (13a) 에 슬라이딩 접촉한다.
상기 서술한 바와 같은 구성을 갖는 피스톤 (15A) 에 있어서, 최상단 피스톤 링 (253) 의 용사 피막 (253b) 은, 연마제로서 이용 가능한 피막 입자를, 실시형태 1 에 있어서의 용사 피막 (155b) 보다 내보내기 쉽다. 이 때문에, 최상단 피스톤 링 (253) 은, 실시형태 1 에 있어서의 최하단 피스톤 링 (155) 에 비하여 효율적으로, 당해 피막 입자를 이용하여 실린더 라이너 (13) 의 내주면 (13a) 의 흠집을 연마하여, 수복한다. 또한, 최상단 피스톤 링 (253) 에 의한 흠집 수복 기능은, 그 자체, 상기 서술한 실시형태 1 에 있어서의 흠집 수복 기능 (도 4 참조) 과 동일하다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태 2 에서는, 복수의 피스톤 링 중, 실린더 내의 연소실에 가장 가까운 측에 형성되어 있는 피스톤 링을 용사 피막형 링으로 하고, 또한, 당해 연소실로부터 가장 떨어진 측에 형성되어 있는 피스톤 링을 도금 피막형 링으로 하고, 그 외를 실시형태 1 과 동일하게 하고 있다. 이 때문에, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일한 작용 효과를 향수함과 함께, 이들 복수의 피스톤 링 중에서, 실린더의 내주면에 슬라이딩 접촉할 때의 면압이 가장 높아지는 피스톤 링을, 당해 내주면과의 슬라이딩 접촉에 의해 피막 입자를 탈락할 수 있는 용사 피막형 링으로 하고, 실린더의 내주면에 슬라이딩 접촉할 때의 면압이 2 번째로 높아지는 피스톤 링을, 내마모성이 높은 도금 피막형 링으로 할 수 있다. 이로써, 당해 용사 피막형 링의 용사 피막으로부터 피막 입자를 보다 용이하게 생성할 수 있는 것으로부터, 당해 피막 입자를 연마제에 이용하여 실린더의 내주면의 흠집을 수복하는 흠집 수복 기능을 용이하게 발휘할 수 있음과 함께, 상기 면압이 2 번째로 높아지는 피스톤 링의 마모를 억제하여 복수의 피스톤 링의 내마모성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 서술한 실시형태 1, 2 에서는, 피스톤 본체의 외주부에 형성되는 복수의 피스톤 링의 일례로서 3 개의 피스톤 링을 예시했지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 피스톤 본체의 외주부에는, 당해 피스톤 본체의 왕복 이동 방향으로 나열되도록 2 개의 피스톤 링이 형성되어 있어도 되고, 3 개 이상의 피스톤 링이 형성되어 있어도 된다.
또한, 상기 서술한 실시형태 1, 2 에서는, 3 개의 피스톤 링 중, 2 개를 도금 피막형 링으로 하고, 나머지 1 개의 피스톤 링을 용사 피막형 링으로 하고 있었지만, 본 발명은, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 피스톤 본체의 외주부에 형성하는 피스톤 링의 수를 2 개로 하고, 이들 2 개의 피스톤 링 중, 일방을 도금 피막형 링으로 하고, 타방을 용사 피막형 링으로 해도 된다. 혹은, 피스톤 본체의 외주부에 형성하는 피스톤 링의 수를 3 개 이상으로 하고, 이들 3 개 이상의 피스톤 링 중, 적어도 1 개를 도금 피막형 링으로 하고, 나머지를 용사 피막형 링으로 해도 된다. 이 때, 도금 피막형 링의 수는, 용사 피막형 링의 수보다 많아도 되고, 적어도 되고, 용사 피막형 링과 동수여도 된다.
또한, 상기 서술한 실시형태 1, 2 에서는, 피스톤 본체의 외주부에 형성되는 복수의 피스톤 링 중, 중간 피스톤 링을 도금 피막형 링으로 하고 있었지만, 본 발명은, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 당해 중간 피스톤 링은, 도금 피막형 링이어도 되고, 용사 피막형 링이어도 된다. 또한, 최상단 피스톤 링과 최하단 피스톤 링 사이에 복수의 중간 피스톤 링이 배치되어 있는 경우, 이들 복수의 중간 피스톤 링은, 모두 도금 피막형 링이어도 되고, 모두 용사 피막형 링이어도 되고, 도금 피막형 링과 용사 피막형 링의 조합이어도 된다.
또한, 상기 서술한 실시형태 1 에서는, 피스톤 본체의 외주부에 형성되는 복수의 피스톤 링 중, 최상단 피스톤 링을 도금 피막형 링으로 하고, 최하단 피스톤 링을 용사 피막형 링으로 하고 있었지만, 본 발명은, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이들 복수의 피스톤 링 중, 최상단 피스톤 링 및 최하단 피스톤 링의 양방을 도금 피막형 링으로 하고, 이들 최상단 피스톤 링과 최하단 피스톤 링 사이에 형성되는 1 개 또는 복수의 중간 피스톤 링 중 적어도 1 개를 용사 피막형 링으로 해도 된다.
또한, 상기 서술한 실시형태 2 에서는, 피스톤 본체의 외주부에 형성되는 복수의 피스톤 링 중, 최상단 피스톤 링을 용사 피막형 링으로 하고, 최하단 피스톤 링을 도금 피막형 링으로 하고 있었지만, 본 발명은, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이들 복수의 피스톤 링 중, 최상단 피스톤 링 및 최하단 피스톤 링의 양방을 용사 피막형 링으로 하고, 이들 최상단 피스톤 링과 최하단 피스톤 링 사이에 형성되는 1 개 또는 복수의 중간 피스톤 링 중 적어도 1 개를 도금 피막형 링으로 해도 된다.
또한, 상기 서술한 실시형태 1, 2 에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 서술한 각 구성 요소를 적절히 조합하여 구성한 것도 본 발명에 포함된다. 그 외에, 상기 서술한 실시형태 1, 2 에 기초하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시형태, 실시예 및 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
1 ; 대판
2 ; 크랭크 샤프트
3 ; 베어링부
4 ; 크랭크
5 ; 가구
6 ; 연접 봉
7 ; 슬라이딩 판
8 ; 크로스 헤드
9 ; 크로스 헤드 핀
10 ; 선박용 내연 기관
11 ; 실린더 재킷
12 ; 실린더
13 ; 실린더 라이너
13a ; 내주면
14 ; 실린더 커버
15, 15A ; 피스톤
16 ; 피스톤 봉
17 ; 연소실
18 ; 소기실
19 ; 소기 포트
20 ; 배기 밸브
21 ; 동밸브 장치
22 ; 배기 매니폴드
23 ; 배기 관
24 ; 과급기
25 ; 냉각기
26 ; 소기 트렁크
27 ; 타이 볼트
151 ; 피스톤 본체
151a ; 정상부
151b ; 외주부
152 ; 스커트부
153, 253 ; 최상단 피스톤 링
153a, 154a, 155a ; 기재
153b, 154b, 255b ; 도금 피막
154 ; 중간 피스톤 링
155, 255 ; 최하단 피스톤 링
155b, 253b ; 용사 피막
155c ; 피막 입자
156, 157, 158 ; 환상 홈부
160 ; 흠집
C1 ; 피스톤 축
D1 ; 높이 방향
D2 ; 폭 방향
D3 ; 축 방향
R1, R2 ; 영역

Claims (1)

  1. 발명의 설명에 기재된 것을 특징으로 하는 피스톤.
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