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KR20180030503A - 피스톤 링 - Google Patents

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KR20180030503A
KR20180030503A KR1020187000526A KR20187000526A KR20180030503A KR 20180030503 A KR20180030503 A KR 20180030503A KR 1020187000526 A KR1020187000526 A KR 1020187000526A KR 20187000526 A KR20187000526 A KR 20187000526A KR 20180030503 A KR20180030503 A KR 20180030503A
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piston ring
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joint
recess
region
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KR1020187000526A
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위르겐 길런
오이겐 볼프람
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페데랄-모굴 부르샤이트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 왕복동식 내연 기관의 피스톤 링에 관한 것으로, 개방 조인트, 반경 방향 외측 주행면, 반경 방향 내측 원주면 및 2 개의 축 방향 대향 플랭크면들을 가지는 환형 몸체, 상기 주행면 상의 적어도 부분적인 코팅(B), 및 상기 조인트 영역의 외부에서 끝나는 상기 주행면의 하부 영역의 원주 리세스(A) 를 포함한다. 상기 주행면은 상기 피스톤 링의 축 방향 높이(h)의 55 내지 80 %의 높이(h2)에 배치되는 피봇점을 갖는 구형 윤곽(spherical profile)을 가진다.

Description

피스톤 링
본 발명은 왕복동식 내연 기관(reciprocating internal combustion engine)의 개선된 피스톤 링(piston ring)에 관한 것으로, 특히 최적화된 디자인을 갖는 상부 링(top ring)에 관한 것이다.
상부 링 상에 엔진에 의해 생성된 압력 부하 및 점화 압력 하에서 피스톤 굴절(deflection)에 의한 결과로, 피스톤 그루브(piston groove)들과 피스톤 링 플랭크(piston ring flank)들 상에 축 방향 마모(axial wear)가 발생한다. 마모 패턴은 외경 상의 증가된 마모를 특징으로 한다. 여기서 피스톤 링과 실린더 표면 사이의 접촉점(contact point)이 주행 표면(running surface)의 상부 영역으로 더 멀리 이동한다. 유체 역학 효과(hydrodynamic effect)들의 결과로, 상부 링의 스크래핑 동작(scraping action)은 하향 운동에서 감소하고 (스크래핑 엣지(scraping edge)는 실린더 벽에서 리프팅됨(lifted off)), 윤활유(lubricating oil)가 실린더 벽에 잔존하며, 오일 소비가 증가한다.
종래 기술은 피스톤 링의 주행 표면 상의 비대칭 크라운(asymmetrical crown) 또는 미세한(minute) 형상이다. 이러한 피스톤 링들의 정점(vertex) (피봇점(pivot point)이라고도 함)의 위치는 ISO 6623 : 2004에서 정의되며, 피스톤 링 무게 중심 아래에 위치한다. 상부 플랭크로부터 정점까지의 거리는 피스톤 링의 높이의 절반보다 크거나, 또는 달리 말해서 정점이 피스톤 링의 수직 중심 아래에 위치한다.
본 발명에 따라, 왕복동식 내연 기관의 피스톤 링은 제 1 항의 특징들을 구비하며; 바람직한 실시예들이 종속항들에서 정의된다.
본 발명의 제 1 양상에 따라, 왕복동식 내연 기관의 피스톤 링이 제공되며, 상기 피스톤 링은:
- 개방 조인트(open joint), 반경 방향 외측 주행면(radially-outer running face), 반경 방향 내측 원주면(radially-inner circumferential face) 및 2 개의 축 방향 대향 플랭크면(axially opposed flank face)들을 가지는 환형 몸체(annular body);
- 상기 주행면 상의 적어도 부분적인 코팅(coating); 및
- 상기 조인트 영역의 전방에서 끝나는 상기 주행면의 하부 영역의 원주 리세스(circumferential recess);
를 포함한다.
여기서, 상기 주행면은 상기 피스톤 링의 축 방향 높이의 55 내지 80 %에 배치되는 피봇점을 갖는 크라운형 윤곽(crowned profile)을 가진다.
따라서, 피봇점은 피스톤 링의 중심(축 방향에서) 위에 위치한다. 상부 환형 플랭크(상단 플랭크(top flank))의 방향으로 정점 또는 피봇점의 위치의 이러한 특정한 변위에 의해, 중심 아래의 피봇점을 갖는 공지된 피스톤 링에 비해 외경 상에 피스톤 링의 하부 플랭크 상에 부하의 감소가 달성될 수 있다. 엔진 작동 중에 피스톤 링 상에 작용하는 힘들 때문에, 시계 방향 회전이 유도되며, 반면에 중심 아래의 피봇점을 갖는 종래의 피스톤 링은 시계 반대 방향으로 회전하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명의 피스톤 링은 개선된 오일 벗김(oil stripping) 작용 및 감소되는 마모의 효과가 있다.
오일을 벗기는 엣지를 실린더 벽으로부터 리프팅하는, 정점 아래의 유체 역학적 압력의 축적을 방지하기 위해, 원주 리세스 형태의 특정한 형상이 제공된다. 블로바이(blow-by) 손실들을 가능한 낮게 하기 위해, 리세스는 조인트의 전방의 일정한 거리 끝나며, 따라서 조인트 영역에는 리세스가 없다.
일 실시예에 따라, 상기 조인트 영역은 각각의 경우에 상기 조인트로부터 외측으로 상기 피스톤 링의 원주 길이의 0.003 내지 0.2 %의 범위로 연장된다. 환언하면, 상기 리세스는 상기 피스톤 링의 원주 길이의 0.003 내지 0.2 %에 대응하는 조인트로부터의 거리에서 시작된다.
일 실시예에 따라, 상기 크라운형 주행 표면 윤곽의 상기 피봇점은 상기 피스톤 링의 축 방향 높이의 60 내지 70 %에 배치된다. 이 실시예는 3mm보다 다소 작은 축 방향 높이를 갖는 피스톤 링들에 특히 적합하다.
일 실시예에 따라, 상기 반경 방향 내측 원주면은 축 중심에 대해 실질적으로 대칭인 윤곽을 가진다. 간단한 실시예에서, 내측 원주면은 본질적으로 단면적으로 평평하다.
일 실시예에 따라, 상기 링의 상기 축 방향 높이는 적어도 3mm 이다.
일 실시예에 따라, 상기 리세스의 반경 방향 깊이는 조인트 영역의 전방에서 끝난다(run out).
일 실시예에 따라, 상기 주행면 상의 코팅(B)은 피봇점을 덮거나 노출시킨다. 따라서, 피스톤 링은 거기에 적용된 코팅 상의 정점과 접촉하거나, 또는 대안적으로 상기 실린더 주행 표면에 노출된 상기 몸체와 접촉한다. 상기 코팅은 물리적 또는 전기화학적으로(galvanically) 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 피스톤 링을 단면도로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 1 실시 예를 단면도로 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 1 영역을 단면도로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 2 영역을 단면도로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 피스톤 링의 추가적인 실시예의 제 1 영역을 단면도로 도시한다.
도 6은 도 5의 피스톤 링의 제 2 영역을 단면도로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 피스톤 링의 조인트 영역의 평면도이다.
도 1은 공지된 종래 기술에 따른 종래의 피스톤 링을 단면도로 도시한다.
도시된 상황은 관련된 엔진의 동력 행정(power stroke)에서 피스톤이 하강하는 동안에 관한 것이다. 힘(F1)은 주로 피스톤 링의 외경에서 연소 가스들의 작용에 기인한다. 이는 시계 반대 방향으로 모멘트(M1)를 생성한다.
연료의 연소에 의해 생성된 가스 힘(F2)은 피스톤 링의 뒤쪽, 즉 반경 방향 내측 원주면에 적용된다. 물리적인 관점에서 보면, 표면 힘은 평평한 내면, 즉 대략 그 중앙의 축 방향 링 높이(F2 참조)의 중심(centroid) 상에 단일 힘으로 작용한다. 연소 가스들에 의해 또한 야기되는 다른 힘(F3)은 피스톤 링의 내경 상에 적용되고 시계 반대 방향으로 모멘트(M3)를 생성한다.
종래 기술에서, 하부 영역의 피봇점의 위치로 인해, 역력 (F4 참조)이 중심(X5) 아래에 적용된다. 이는 시계 반대 방향으로 모멘트(M5)를 유도하고, 하부 피스톤 그루브(groove)와 접촉하는 지점에서 피스톤 링에 반력(Fk)을 추가적으로 적용한다.
시계 반대 방향의 모멘트(M5)에 의해, 한편으로는 연소실(combustion chamber) 방향으로의 유효한 정점(effective vertex)의 엔진에 의해 생성된 변위가 발생하고, 다른 한편으로는 실린더 벽으로부터의 와이퍼 엣지의 리프팅(lifting)이 발생한다. 결과적으로, 피스톤 링의 오일 벗김 작용은 감소되고, 잔존하는 벗겨지지 않은 오일막은 더 두꺼워진다. 연소 사이클 중에 연소실에 잔존하는 오일은 연소되며, 이는 오일 소비가 증가하고 배기 가스 파라미터(exhaust gas parameter)들이 악화되는 것으로 이어진다.
요약하면, 종래의 피스톤 링의 단점들은 피스톤 링 상에 높은 부하, 증가된 마모, 증가된 오일 소비에 있다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 1 실시예를 단면도로 도시한다. 상부 환형 플랭크(상단 플랭크)의 방향으로의 정점 또는 피봇점 위치의 본 발명의 특정한 변위에 의해, 외경 상에 피스톤 링의 하부 플랭크 상에 부하의 감소가 이루어진다. 여기서 피봇점은 주행면의 중심 위에 위치한다.
도 1의 종래의 피스톤 링에서와 같이, 힘(F1)은 주로 피스톤 링의 외경에 계속 충격하여(impact), 시계 반대 방향으로 모멘트(M1)를 생성한다. 마찬가지로, 가스 힘(F3)이 하부 링 내경에 적용되는 것과 동일한 방식으로, 가스 힘(F2)이 링 내부면의 중심에 적용된다.
그러나 도 1의 상황과는 달리, 피스톤 링의 상반부로의 피봇점의 변위로 인해, 반력(F4)이 주행면의 중심 위에 적용된다. 이는 시계 방향으로 중심(X5)에 대한 모멘트(M5)를 야기한다. 그 결과, 반력(Fk)의 감소로 인해, 하부 피스톤 링 플랭크 및 인접한 하부 피스톤 링 그루브 상의 마모가 감소된다.
또한, 피스톤 링의 스트리핑 엣지는 실린더 내부면으로부터 리프팅되는 것과 오일 벗김 작용이 감소하는 것이 방지된다. 따라서, 반 시계 방향으로 회전하는 종래의 피스톤 링과 달리, 작동 시간 동안에 오일 소비가 감소된다.
그러나, 피스톤 링의 오일 스트리핑 엣지가 실린더 내부면으로부터 리프팅되지 않기 때문에, 스트리핑 엣지 상의 오일 (O)의 축적으로 인해(도 1의 상황 참조) 유체 역학적 압력이 형성될 수 있으며, 이는 차례로 시계 반대 방향으로의 모멘트를 야기한다. 본 발명에 따라, 이러한 효과를 피하기 위해 특정한 형상이 제공된다. 본 발명에 따른 피스톤 링의 경우에, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 원주 리세스가 주행면의 하부 영역에 제공된다.
그러나, 이것은 더욱 더 조인트에서의 블로바이 가스의 통과로 이어지기 때문에, 본 발명에 따르면, 이 리세스는 조인트의 전방에서 미리 끝나거나, 또는 조인트에 이르러(up to) 종래의 비-리세스 형상으로 변환된다. 이는 다음의 도면들에 도시된다.
도 3은 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 1 영역을 단면도로 도시한다. 여기서 이것은 조인트 영역 외부의 영역, 예를 들어 조인트에 대향하는 링 후면 영역의 형태를 취한다. 리세스(A)가 이 영역에 제공된다. 이 경우에, 리세스(A)는 주행면 상의 축 방향 링 높이의 20 내지 40 % 치수를 가져야 한다. 그러나 10 내지 60 %의 값들도 가능하다. 주행 표면상에는 전기화학적 또는 물리적으로 증착된(deposited) 코팅(B)(도 2에 별도로 도시되지 않음)이 있다. 이 실시예에서, 정점 자체는 코팅에 의해 덮이지 않지만, 다른 실시예들(예를 들어, 도 5 및 도 6 참조)에서, 코팅이 정점 위로 연장될 수도 있다.
이상적으로, 정점(F4가 적용되는)은 축 방향 링 높이 h 의 60 내지 70 %의 높이 h2 범위(h2 = h의 60 ~ 70 %)에 있어야 하지만, 특히 링 높이가 3mm 이상인 경우에 55 내지 80 %의 범위도 가능하다. 따라서, 정점은 중심 S 위에 위치한다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링의 제 2 영역을 단면도로 도시한다. 이는 조인트 영역에서의 영역이다. 블로바이 가스의 누설을 최소화하기 위해, 리세스(A) (여기서는 점선으로 도시됨)는 조인트 영역의 전방에서 미리 끝나며, 즉, 도시된 피스톤 링의 단면은 종래의 비-리세스 형상의 조인트 영역이 된다.
도 5 및 도 6은 도 3 및 도 4에 도시된 것에 대한 대안적인 실시예를 도시한다. 후자에서 벗어나, 도 3 및 도 4의 실시예에서는 정점에서 노출된 몸체가 실린더 주행면과 접촉하는데 반해, 이 실시예의 정점은 코팅에 의해 덮이며, 즉, 정점이 코팅 안에 있거나 또는 실린더 주행 표면과의 접촉이 코팅을 통해 이루어진다.
도 7은 리세스의 끝(run out)이 일 실시예에서 어떻게 디자인될 수 있는지 본 발명에 따른 피스톤 링의 조인트 영역에 대해 평면도로 도시한다. 본 발명에 따르면 조인트 자체 및 바로 인접한 영역(C)에서, 어떠한 리세스도 하부 주행면 영역에 존재하지 않는다. 리세스는 조인트로부터 일정한 거리에서만 시작한다. 조인트 영역과 완전히 리세스된 영역(recessed region) 사이의 전이 영역(transition region)에서, 그 첨도(steepness) 및/또는 원마도(roundness)가 요구 사항들에 따라 디자인될 수 있는 연속적인 윤곽에서 깊이가 증가하거나 감소한다.

Claims (7)

  1. 왕복동식 내연 기관(reciprocating internal combustion engine)의 피스톤 링에 있어서,
    개방 조인트(open joint), 반경 방향 외측 주행면(radially-outer running face), 반경 방향 내측 원주면(radially-inner circumferential face) 및 2 개의 축 방향 대향 플랭크면(axially opposed flank face)들을 가지는 환형 몸체(annular body);
    상기 주행면 상의 적어도 부분적인 코팅(coating)(B); 및
    상기 조인트 영역의 전방에서 끝나는 상기 주행면의 하부 영역의 원주 리세스(circumferential recess)(A);
    를 포함하고,
    상기 주행면은 상기 피스톤 링의 축 방향 높이 (h)의 55 내지 80 %의 높이 (h2)에 배치되는 피봇점(pivot point)을 갖는 크라운형 윤곽(crowned profile)을 가지며, 그리고
    상기 주행면 상의 상기 리세스(A)는 상기 피스톤 링의 축 방향 높이(h)의 20 내지 40 %의 치수를 가지는,
    피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조인트 영역 (C)은 각각의 경우에 상기 조인트로부터 상기 피스톤 링의 원주 길이(circumferential length)의 0.003 내지 0.2 %의 범위로 연장되는,
    피스톤 링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 크라운형 주행 표면 윤곽의 상기 피봇점은 상기 피스톤 링의 축 방향 높이의 60 내지 70 %에 배치되는,
    피스톤 링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경 방향 내측 원주면은 축 중심에 대해 실질적으로 대칭인 윤곽을 가지는,
    피스톤 링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링의 축 방향 높이(h)는 적어도 3mm인,
    피스톤 링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리세스(A)의 반경 방향 깊이(radial depth)는 상기 조인트 영역의 전방에서 끝나는,
    피스톤 링.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주행면의 상기 코팅(B)은 상기 피봇점을 덮거나 노출시키는,
    피스톤 링.



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Legal Events

Date Code Title Description
PA0105 International application

Patent event date: 20180108

Patent event code: PA01051R01D

Comment text: International Patent Application

PG1501 Laying open of application
PC1203 Withdrawal of no request for examination