KR100872471B1 - 피스톤 링 - Google Patents

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Abstract

내연 기관에 사용되는 피스톤 링(1)은 윤활제와 상호작용을 함으로써 실린더 보어(3)와 피스톤(2) 사이에서 밀봉을 형성하는 활주면(10)을 갖는다. 활주면은 피스톤 링의 가장자리 영역(11, 12)에 위치되고 적어도 일부분에는 최대 마모 깊이(13)까지 마모로 인해 제거되는 분량이 제공된다. 변형부(5)는 가장자리 영역 내에 상감되고, 실린더 보어에 배열되는 고정 센서(4) 정면에서 이동할 때 센서로부터 신호를 발생시키거나 발생된 신호에 영향을 미쳐서 마모로 인해 제거되는 분량의 정보가 센서에 의해 발생되고 기록될 수 있다. 변형부(5)는 활주면(10)의 상단부 및/또는 하단부(15a, 15b)에 있는 가장자리 영역(11, 12)의 에지 영역(14)에 배열된다. 에지 영역의 폭은 활주면의 폭의 20% 미만이다.
피스톤 링, 내연 기관, 활주면, 실린더 보어, 피스톤, 윤활제, 마모, 센서

Description

피스톤 링 {A PISTON RING}
도 1은 피스톤 링을 지지하고 실린더 보어 내부에 배열되는 피스톤의 종단면도.
도 2는 실린더 보어의 내측면과 함께 축 방향으로 밀봉을 형성하는 본 발명의 피스톤 링의 종단면도.
도 3은 본 발명의 제2 피스톤 링에 대한 상세도.
도 4는 본 발명의 피스톤 링에 대한 제3 실시예를 도시하는 도면.
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 피스톤 링, 이러한 피스톤 링을 지지하는 피스톤을 갖는 배열, 그리고 이러한 배열을 갖는 특히 대형 디젤 엔진과 같은 내연 기관에 관한 것이다.
EP-A-0 706 039에는 내연 기관 내의 피스톤 링의 마모 상태를 감시할 수 있는 센서를 가진 장치가 공지되어 있다. 피스톤 링은 윤활제와 상호작용을 함으로써 실린더 보어와 피스톤 사이에 밀봉을 형성하는 활주면을 갖는다. 피스톤 링은 강자성 소재로 만들어진다. 비자성 소재로 된 상감(inlay) 형태의 변형부(modification)가 원통형 활주면의 가장자리 영역에 위치되며 적어도 마모에 의해 제거되는 분량만큼 제공된다. 이러한 상감층은 예를 들어 구리/알루미늄 청동으로 구성되고 단면이 활주면과 직각인 쐐기형으로 테이퍼를 이루는 환형의 개재물이다. 센서는 실린더 보어 내에 배열되는 스캐닝 장치이며, 자기 회로 및 전기 회로가 결합되어 있다. 실린더 보어 내에 배열된 고정 센서 정면에서 변형부가 이동할 때 유도 전압의 형태로 신호가 발생된다. 이러한 신호는 마모 상태에 좌우되므로 마모의 정도를 감시하기 위해 측정될 수 있다.
피스톤 링의 전술한 변형부는 각각의 경우에 공지된 내연 기관에 있는 활주면의 중앙 영역에 배열된다. 이러한 중앙 영역은 밀봉 효과를 고려하여 특히 정확하게 형성되어야 한다. 청동 상감 형태의 변형부는 피스톤 링의 약화를 의미하며 이로 인해 활주면의 품질이 열화된다. 그러므로 다른 수단에 의해 피스톤 링의 마모 상태를 감시하는 것이 제안되었다. EP-A-1 006 271에 대안이 기재되어 있다. 여기에서 센서는 초음파 변환기이다. 그러나 이러한 대안은 기술적으로 매우 까다롭다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 과제는 계측의 관점에서 까다롭지 않고 공지된 EP-A-0 706 039의 해결 방안의 단점이 제거된, 피스톤 링의 마모 상태를 감시할 수 있는 다른 대안을 제공하는 것이다. 상기 과제는 특허청구범위 제1항에 정의된 피스톤 링으로 충족될 수 있다.
내연 기관에 사용되는 피스톤 링은 윤활제와 상호작용을 함으로써 실린더 보어와 피스톤 사이에 밀봉을 형성하는 활주면을 갖는다. 활주면은 피스톤 링의 가장자리 영역에 위치되며 마모에 의해 제거되는 분량만큼 적어도 부분적으로 최대 마모 깊이로 제공된다. 변형부는 가장자리 영역에 형성되며, 실린더 보어에 배열된 고정 센서의 정면에서 이동함에 따라 센서에 의해 신호를 발생시키거나 발생된 신호에 영향을 미쳐서, 마모에 의해 제거된 분량이 센서에 의해 기록되어 그 정보가 발생된다. 변형부는 활주면의 상부 또는 하부 에지에 있는 가장자리 영역의 에지 영역에 배열된다. 에지 영역의 폭은 활주면의 폭의 20% 미만이다.
종속항인 제2항 내지 제5항은 본 발명의 피스톤 링에 대한 유리한 실시예에 관한 것이다. 제6항 내지 제9항은 내연 기관에 제공되는 상기 피스톤 링 및 대응 센서를 포함하는 배열에 관한 것이다. 제10항은 본 발명의 배열을 포함하는 내연 기관에 관한 것이다.
도 1은 그루브(20) 내에 피스톤 링(1)을 지지하는 피스톤(2)의 종단면도이다. 피스톤(2)은 실린더 보어(3) 내에 배열된다. 도 2에서, 피스톤 링(1)은 윤활제(미도시)와 상호작용을 함으로써 실린더 보어(3)와 피스톤(2) 사이에 밀봉을 형성하는 활주면(10)을 갖는다. 피스톤 링(1)의 가장자리 영역(11)에는 마모에 의해 제거되는 분량만큼 약간 만곡된 활주면(10)이 위치된다. 최대 마모 깊이는 점선으로 표시된 레벨(13) 만큼이며, 가장자리 영역(11)은 일점쇄선으로 표시된 레벨(12) 만큼 연장된다. 실린더 보어(3)에 배열되는 센서(4)는 커플링부(40)를 통해 실린더 보어(3)의 내벽에 연결되고, 전선(41)을 통해 평가 시스템(미도시)에 연결된다. 측정의 정확도는 제1 센서(4)와 직경 반대쪽에 배열되는 제2 센서(미도시)에 의해 향상될 수 있다.
변형부(5)는 가장자리 영역 내에 상감되고 고정 센서(4)의 정면에서 이동할 때 센서(4)로부터 신호를 발생시키거나 발생된 신호에 영향을 미친다. 센서(4)는 마모로 인해 제거된 분량의 범위에 대한 정보를 발생되거나 영향을 받은 신호로 수취하고 기록한다. 이 정보는 센서(4)에 의해 평가 시스템으로 전달된다. 변형부(5)는 활주면(10)의 상단부(15a) 및/또는 하단부(15b)에 있는 가장자리 영역(11)의 에지 영역에 배열된다. 에지 영역(14)의 폭은 활주면(10)의 폭의 20% 미만이며, 이 폭은 2개의 에지(15a, 15b) 사이에서의 공간이다.
도 2의 피스톤 링(1)에서, 변형부(5)는 베이스 몸체(1') 내의 환형 개재물(50)로서 형성된다. 하단부(15b)의 에지 영역(1)에 위치되는 이 개재물(50)의 단면은 활주면(10)과 직각인 쐐기형으로 테이퍼를 이룬다. 상단부(15a)의 대응 변형부가 추가적 또는 대안적으로 존재할 수 있으며 일점쇄선으로 표시되어 있다. 개재물(50)은 비자성 소재로 이루어지고, 베이스 몸체(1')의 소재는 자성, 특히 강자성이다. EP-A-0 706 039에 공지된 스캐닝 장치가 센서(4)로서 제공된다.
도 3은 본 발명의 제2 피스톤 링(1)을 상세하게 도시한다. 이 피스톤 링(1)에서는 변형부(5)가 리세스(51)의 형태로 형성된다. 리세스(51)는 2부분의 표면(51a, 51b), 즉 원통형 활주면(10)과 동심인 기준면(51a) 및 활주면(10)과 직각이거나 대략 직각인 플랭크(51b)를 가지며, 기준면(51a)은 활주면(10) 아래의 레벨(13)로 배열되고 활주면(10)으로부터 마모로 인해 제거되기 전까지의 거리는 최대 마모 깊이(레벨 13)와 동일하거나 더 크다.
도 4는 본 발명의 피스톤 링(1)의 제3 실시예에 따른 변형부(5)를 나타낸다. 변형부(5)는 활주면(10)과 동심으로 그루브(52)의 형태로 형성된다. 그루브(52)는, 활주면(10)과 동심이며 초음파 신호(44)용 반사면으로 사용되어 반향 신호(45)를 발생하도록 할 수 있는 플랭크(52a)를 갖는다. 제1 플랭크(52a)를 통해 전달된 초음파가 센서(4) 쪽으로 임의의 추가 반향 신호를 반사하지 않도록 경사지게 형성된 제2 플랭크(52b)가 유리하게 형성된다. 피스톤 링(1)에 균열이 발생하지 않도록 둥근 형태의 그루브(52) 베이스(52c)가 유리하게 형성된다.
고정부(42)에 의해 실린더 보어(3)에 부착되는 센서(4)는 EP-A 1 006 271에 공지된 초음파 변환기이다. 센서(4)는 커플링편(40)을 통해 초음파 신호(44)를 피스톤 링(1)의 하단부 영역(14)으로 방사한다. (피스톤 링이 상하로 이동할 때 센서(4)에 의해 마모된 상태가 측정될 수 있는 순간적인 상황이 예시된다.) 초음파 신호(44)는 그루브(52)의 플랭크(52a)에서 반향 신호(45)로서 부분적으로 반사된다. 활주면(10)과 플랭크(52a) 사이의 거리, 즉 피스톤 링(1)의 마모 상태는 방사된 신호(44)와 반향 신호(45)를 평가 시스템에서 비교함으로써 측정될 수 있다.
도 3에 도시한 실시예에서, 리세스(51)의 깊이, 즉 활주면(10) 및 활주면(10)과 평행인 기준면(51a) 사이의 거리는 그 신호가 특수한 전자 시스템에 의해 평가될 수 있는 와전류 센서를 바람직하게 사용함으로써 측정된다.
도 4에 도시한 제3 실시예에서 피스톤 링(1)의 변형부(5)는 마모로 인해 제거되는 양이 광학적 및/또는 기계적 수단에 의한 검사에 의해서, 그리고 실린더의 흡기구를 통한 검사에 의해서 측정되도록 형성되고, 활주면(10)과 피스톤 링(1)의 하측 돌출부(52) 사이의 거리는 기계적인 수단으로 측정될 수 있다. 도 3에 도시한 제2 실시예에 의해 유사한 검사가 또한 가능하다. 도 2의 제1 실시예에서는 광학적인 수단, 즉 확대경을 통해 활주면(10) 상의 개재물(50)의 가시적인 범위가 얼마나 넓은지를 측정할 수 있다.
실린더 보어(3)와 실린더 보어 내에 배열되는 센서(4) 및 본 발명의 피스톤 링을 지지하는 피스톤(2)을 포함하는 장치가 내연 기관, 특히 대형 디젤 엔진용으로 제공된다. 센서(4)는 피스톤 링(1)에 형성된 변형부(5)와 상호작용을 함으로써 신호를 발생시키고 이 신호는 전선(41)을 통해 전자식 평가 시스템에 전달된다. 마모로 인해 제거되는 양에 관한 피스톤 링의 상태는 이 신호를 근거로 판정된다. 평가 시스템은 피스톤 링의 상태가 시간이 흐름에 따라 변화하는 것을 엔진이 가동할 때 실시간으로 영구적으로 감시할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 이렇게 시간의 흐름에 따른 변화를 관찰하게 되면 예를 들어 마모 속도가 비정상적으로 클 때 연료가 부적절하게 사용되고 있음을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내연 기관의 실린더 보어(3)와 피스톤(2) 사이에서 윤활제와 상호작용을 함으로써 밀봉을 형성하고 최대 마모 깊이(13)까지 마모에 의해 제거되는 분량을 위해 적어도 부분적으로 제공되는 피스톤 링의 가장자리 영역(11, 12)에 위치되는 활주면(10)을 포함하고, 변형부(5)가 상기 가장자리 영역에 상감(象嵌)되어 상기 실린더 보어에 배열되는 고정 센서(4)의 정면에서 이동할 때 상기 센서로부터 신호를 발생시키거나 발생된 신호에 영향을 미쳐서 마모에 의해 제거되는 분량의 정보가 생성되고 상기 센서에 의해 기록될 수 있으며, 상기 변형부(5)는 상기 활주면(10)의 상단부 및/또는 하단부(15a, 15b)에 있는 상기 가장자리 영역(11, 12)의 에지 영역(14)에 배열되고, 상기 에지 영역의 폭은 상기 활주면의 폭의 20% 미만인 피스톤 링(1)에 있어서,
    상기 변형부(5)는 마모에 의한 제거를 위해 제공되는 영역(13) 외측의 가장자리 영역(11, 12)에 상감되고 상기 활주면(10)과 동심인 그루브(52)의 형태로 형성되며,
    상기 그루브는 상기 활주면과 동심이며, 반향 신호(45)를 발생하기 위한 초음파 신호(44)용 반사면인 제1 플랭크(52a)와, 제1 플랭크(52a)를 통해 전송된 초음파가 센서(4) 쪽으로 반향 신호를 반사하지 않도록 상기 제1 플랭크(52a)에 대해 경사지게 형성된 제2 플랭크(52b)를 구비한
    것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그루브(52)는 상기 제1 플랭크(52a)와 상기 제2 플랭크(52b) 사이에서 배치되며, 둥글게 형성된 베이스(52c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 변형부(5)는 마모에 의해 제거되는 양이 광학적 수단 또는 기계적 수단에 의한 검사에 의해 측정되도록 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학적 수단은 측정 확대경인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 기계적 수단은 상기 활주면(10)과 상기 그루브(52)의 기준면(52d) 사이의 간격을 측정하기 위한 장치인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  6. 실린더 보어(3)와 상기 실린더 보어에 배열되는 센서(4), 그리고 제1항에 따른 피스톤 링(1)을 지지하는 피스톤(2)을 포함하는 내연 기관 내부 장치로서, 상기 센서는 상기 피스톤 링에 형성된 변형부와 상호작용을 하여 신호(45)를 발생하고, 상기 신호를 전자식 평가 시스템으로 전달함으로써 마모에 의해 제거되는 양에 따른 상기 피스톤 링의 상태를 판별할 수 있는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    시간의 흐름에 따른 상기 피스톤 링의 상태 변화가 상기 평가 시스템에 의해 판별될 수 있는 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 센서(4)는 초음파(44)가 발생될 수 있고 반사된 초음파(45)가 기록될 수 있는 도구 또는 도구의 일부분인 장치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 내연 기관.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 내연 기관은 대형 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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