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피스톤 링

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목차

1. 개요

피스톤 링은 피스톤과 실린더 벽 사이의 틈을 밀봉하여 엔진의 효율을 높이는 데 사용되는 부품이다. 1825년 닐 스노드그래스에 의해 처음 증기 기관에 사용되었으며, 1850년대 존 램스보텀에 의해 금속 분할 링의 현대적인 디자인이 개발되었다. 피스톤 링은 압축 링과 오일 링으로 구분되며, 피스톤의 홈에서 자유롭게 움직이며 실린더 벽에 밀착되어 기밀을 유지하고 윤활하며 마찰을 줄이는 역할을 한다. 최근에는 재료 및 표면 처리 기술 발전을 통해 내마모성을 향상시키고 있다.

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피스톤 링
지도 정보
기본 정보
역할피스톤과 실린더 사이의 밀폐
목적연소실 가스 누출 방지
오일 제어
열 전달
재질주철
강철
세라믹
플라스틱
단면 모양직사각형
사다리꼴
배럴형
키스톤형
구성압축 링
오일 제어 링
기능
기밀 유지연소 가스가 크랭크 케이스로 누출되는 것을 방지하여 효율을 높임
오일 제어실린더 벽에서 과도한 오일을 긁어내어 연소를 방해하지 않도록 함
열 전달피스톤에서 실린더 벽으로 열을 전달하여 과열을 방지
추가 정보
기타피스톤 링은 내마모성이 뛰어나고 고온에 잘 견디어야 함
링의 장력은 올바른 밀봉을 보장하기 위해 중요함
피스톤 링은 엔진 수명에 중요한 부품임
형태분할된 원형
링 단부 간에 갭이 있음
로마자 표기
영어Piston ring
일본어Pisuton ringu
한국어Piseuton ring

2. 역사



초기 증기 기관은 연소실 밀봉을 위해 삼베 포장재를 사용했으나,[9] 높은 마찰 저항과 비효율적인 밀봉 문제가 있었다. 1825년 글래스고의 기술자 닐 스노드그래스(Neil Snodgrass)는 증기 기관 실린더에 스프링을 사용한 피스톤 링을 처음 사용했고, 캘레도니아호에서 실험했다.[10][11]

1850년대 존 램스보텀(John Ramsbottom)은 금속 분할 링 형태의 현대적인 피스톤 링을 발명했다. 초기 디자인은 원형이었으나 마모 문제가 있었고, 1854년 개선된 디자인은 약 6437.36km의 수명을 가졌다.[12] 이는 링에 균열이 있을 때 실린더 벽에 고른 압력을 가하지 못한다는 발견에 기반했으며, 개선된 피스톤 링은 원형에서 벗어난 모양으로 제조되어 설치 후 고른 압력을 가했다. 1855년 특허는 이러한 변화를 기록했다. 금속 피스톤 링은 마찰 저항, 증기 누출, 피스톤 질량을 감소시켜 동력, 효율, 유지보수 간격을 개선했다.

1926년 에비하라 케이키치는 개량형 피스톤 링 특허를 취득했다. 1927년 오가와 마사토시는 이화학흥업주식회사(리켄)를 설립, 일본 최초로 실용 피스톤 링 제조를 시작하여 리켄의 기술적 기초가 되었다.

세계적으로 주철에서 강선으로 이행이 진행 중이며, 일본계 메이커가 선두를 달리고 있다. 강선 소재는 히타치 금속(현 프로테리얼)에서 공급되며, 17Cr계 강의 마르텐사이트계 특수강이 주류이다.

2. 1. 초기 증기 기관

초기 증기 기관은 연소실을 밀봉하기 위해 삼베 포장재를 사용했는데,[9] 이는 높은 마찰 저항을 야기했고 매우 효과적인 밀봉을 제공하지 못했다.

증기 기관 실린더에 피스톤 링을 처음 사용한 것은 글래스고의 기술자이자 제분소 소유주였던 닐 스노드그래스(Neil Snodgrass)가 1825년 자신의 기계에 사용하면서 시작되었다. 이는 밀봉을 기밀하게 유지하기 위해 스프링을 사용했다. 제분소 내부에서 사용된 후, 캘레도니아호("Caledonia")라는 증기선에서 실험되었는데, 이 배는 가레로크(Gareloch)를 운항했다.[10][11]

금속 분할 링의 현대적인 디자인은 1850년대에 존 램스보텀(John Ramsbottom)에 의해 발명되었다. 1852년 램스보텀의 초기 디자인은 원형이었지만, 이는 고르지 않게 마모되어 성공적이지 못했다. 1854년 개정된 디자인은 최대 약 6437.36km의 수명을 가진다고 주장되었다.[12] 이는 설치 전에 완벽한 원형이었던 링에 균열이 있으면 설치 후 실린더 벽에 고른 압력을 가하지 않는다는 발견에 기반한 것이었다. 개정된 피스톤 링은 설치 후 고른 압력을 가할 수 있도록 원형에서 벗어난 모양으로 제조되었다. 1855년 특허는 이러한 변화를 기록했다. 금속 피스톤 링으로의 전환은 마찰 저항, 증기 누출 및 피스톤의 질량을 극적으로 감소시켜 동력 및 효율의 상당한 증가와 더 긴 유지보수 간격으로 이어졌다.

2. 2. 금속 피스톤 링의 등장 (19세기)

초기 증기 기관은 연소실을 밀봉하기 위해 삼베 포장재를 사용했는데,[9] 이는 높은 마찰 저항을 야기했고 매우 효과적인 밀봉을 제공하지 못했다.

증기 기관 실린더에 피스톤 링을 처음 사용한 것은 글래스고의 기술자이자 제분소 소유주였던 닐 스노드그래스(Neil Snodgrass)가 1825년 자신의 기계에 사용하면서 시작되었다. 이는 밀봉을 기밀하게 유지하기 위해 스프링을 사용했다. 제분소 내부에서 사용된 후, 캘레도니아호("Caledonia")라는 증기선에서 실험되었는데, 이 배는 가레로크(Gareloch)를 운항했다.[10][11]

금속 분할 링의 현대적인 디자인은 1850년대에 존 램스보텀(John Ramsbottom)에 의해 발명되었다. 1852년 램스보텀의 초기 디자인은 원형이었지만, 이는 고르지 않게 마모되어 성공적이지 못했다. 1854년 개정된 디자인은 최대 약 6437.36km의 수명을 가진다고 주장되었다.[12] 이는 설치 전에 완벽한 원형이었던 링에 균열이 있으면 설치 후 실린더 벽에 고른 압력을 가하지 않는다는 발견에 기반한 것이었다. 개정된 피스톤 링은 설치 후 고른 압력을 가할 수 있도록 원형에서 벗어난 모양으로 제조되었다. 1855년 특허는 이러한 변화를 기록했다. 금속 피스톤 링으로의 전환은 마찰 저항, 증기 누출 및 피스톤의 질량을 극적으로 감소시켜 동력 및 효율의 상당한 증가와 더 긴 유지보수 간격으로 이어졌다.

1926년에는 에비하라 케이키치가 개량형 피스톤 링의 특허를 취득했다. 1927년에 오가와 마사토시는 피스톤 링에 관한 연구 성과의 사업화를 목적으로 이화학흥업주식회사(후의 리켄)를 설립했고, 이 회사는 일본에서 처음으로 실용 피스톤 링 제조를 시작하여 현재 피스톤 링 제조 최대 기업인 리켄의 기술적 기초가 되었다.

2. 3. 일본의 피스톤 링 기술 발전 (20세기)

1854년, 영국인 기술자 존 람즈보텀(John Ramsbottom)이 증기기관용 피스톤 링을 발명했다. 1926년(다이쇼 15년) 에비하라 케이키치가 개량형 피스톤 링의 특허를 취득했다. 1927년(쇼와 2년) 오가와 마사토시는 피스톤 링에 관한 연구 성과의 사업화를 목적으로 이화학흥업주식회사(후의 리켄)를 설립했다. 이 회사는 일본에서 처음으로 실용 피스톤 링 제조를 시작하여 현재 피스톤 링 제조 최대 기업인 리켄의 기술적 기초가 되었다.[1]

세계적으로 주철에서 강선으로의 이행이 진행되고 있으며, 일본계 메이커들이 그 선두를 달리고 있다. 강선 소재의 대부분은 히타치 금속(현 프로테리얼)에서 공급되고 있으며, 17Cr계 강의 마르텐사이트계 특수강이 주류이다.[1]

3. 구조 및 설계

피스톤 링은 피스톤과 실린더 벽 사이의 간극을 밀봉하여 연소실의 압력이 크랭크 케이스로 새는 것을 방지하고, 엔진 오일이 연소실로 유입되는 것을 막는 중요한 부품이다. 링은 일반적으로 주철 또는 강철로 만들어지며, 내마모성을 높이기 위해 표면에 코팅 처리가 되기도 한다.

피스톤 링의 설계는 엔진의 성능과 수명에 큰 영향을 미친다. 링과 실린더 벽 사이의 간극은 매우 정밀하게 설계되어야 한다. 간극이 너무 작으면 피스톤이 팽창했을 때 실린더에 끼어 엔진 손상을 유발할 수 있고, 너무 크면 압축 가스가 새어 나가 엔진 출력이 저하될 수 있다.

자동차 엔진의 압축 링은 주로 직사각형 또는 키스톤 모양 단면을 가진다. 상부 압축 링은 일반적으로 주변부에 배럴 프로파일을 가지는 반면, 하부 압축 링은 테이퍼 네이피어 면을 가진다. 일부 엔진에서는 상부 링에도 테이퍼 면을 사용하며, 과거에는 단순한 평면 링이 사용되었다.

오일 컨트롤 링은 주철 한 조각, 여러 조각의 강철, 또는 나선형 스프링이 있는 강철/주철로 만들어져 밀봉에 필요한 장력을 생성한다. 주철 오일 링과 나선형 스프링이 있는 링은 다양한 형태의 두 개의 스크래핑 랜드를 가진다. 다중 조각 강철 오일 컨트롤 링은 일반적으로 두 개의 얇은 강철 링(레일)과 그 사이에 두 레일을 분리하고 반경 방향 압력을 제공하는 스페이서 익스팬더 스프링으로 구성된다.

피스톤 링 간극은 실린더 보어 내부에 있을 때 수천분의 몇 인치로 압축된다. 링 간극 형상에는 사각형 절단, 각도 절단, 타이트 조인트, 계단형 절단, 후크 계단 및 마이트어 계단이 있다.[8]

3. 1. 기능

피스톤 링은 피스톤과 실린더 벽 사이의 틈을 밀봉하도록 설계되었다.[2] 이 틈이 너무 작으면 피스톤의 열팽창으로 인해 피스톤이 실린더에 끼어 엔진에 심각한 손상을 입힐 수 있다. 반면에 틈이 크면 피스톤 링이 실린더 벽에 대한 밀봉이 불충분하여 과도한 블로바이(연소 가스가 크랭크케이스로 유입)가 발생하고 피스톤에 가해지는 압력이 감소하여 엔진의 출력이 저하된다.

실린더 벽 내부에서 피스톤 링이 미끄러지면서 엔진의 마찰 손실이 발생한다. 피스톤 링으로 인한 마찰은 엔진 전체 기계적 마찰 손실의 약 24%를 차지한다.[3][4] 따라서 피스톤 링 설계는 마찰을 최소화하면서도 우수한 밀봉과 적절한 수명을 확보해야 하는 과제를 안고 있다.

피스톤 링의 윤활은 어려우며, 이는 엔진 오일의 품질 향상을 이끄는 요인 중 하나였다. 엔진 오일은 고온 및 고속 미끄럼 접촉이라는 가혹한 조건에서도 견뎌야 한다. 특히 피스톤 링은 베어링 저널과 같은 연속 회전 운동이 아닌 진동 운동을 하기 때문에 윤활이 더욱 어렵다. 피스톤 이동의 한계점에서 링은 멈추고 방향을 바꾸는데, 이는 유체 베어링의 일반적인 오일 쐐기 효과를 방해하여 윤활 효과를 감소시킨다.

피스톤 링은 스프링의 힘으로 실린더 벽과의 접촉력과 밀봉 성능을 유지한다. 스프링 힘은 링 자체의 강성 또는 밀봉 링 뒤에 별도의 스프링을 통해 제공된다.

피스톤 링이 피스톤 홈에서 자유롭게 움직이며 실린더와 접촉을 유지하는 것은 매우 중요하다.[5] 연소 생성물이 축적되거나 윤활유가 제 기능을 못하면 링이 피스톤에 고착되어 엔진 고장을 일으킬 수 있으며, 이는 디젤 엔진 고장의 흔한 원인 중 하나이다.

왕복 엔진에는 기밀 유지를 위한 압축 링과 윤활을 위한 오일 링이 있다. 대부분 톱 링, 세컨드 링, 오일 링의 3개 1세트로 피스톤에 장착된다. 톱 링과 세컨드 링은 압축 링으로 사용되며, 맞닿는 부분이 잘려 있어 실린더 내벽에 대한 탄성과 장착성을 제공한다. 또한 연소 과정에서 피스톤에 전달된 열을 실린더 블록으로 방출하는 역할도 한다.

압축링은 피스톤과 실린더 내벽 사이의 틈을 없애고, 연소실에서 크랭크케이스 쪽으로 압축 가스가 새는 현상(블로바이)을 방지한다. 링의 맞닿는 부분은 열려 있지만, 운전 중에는 거의 닫힌 상태가 된다. 자유 상태에서 링의 직경은 실린더보다 크며, 실린더 내부에 장착될 때 바깥쪽으로 벌어지려는 힘으로 실린더 내벽에 밀착된다.

오일링은 실린더 내벽에 남아 있는 과도한 엔진오일을 긁어내고 적절한 유막을 형성하여 피스톤의 고착을 방지하는 역할을 한다.

3. 2. 종류

피스톤 링은 피스톤과 실린더 벽 사이의 틈을 밀봉하도록 설계되었다.[2] 이 틈이 너무 작으면 피스톤의 열팽창으로 인해 피스톤이 실린더에 끼어 엔진에 심각한 손상을 입힐 수 있다. 반면에 틈이 크면 피스톤 링이 실린더 벽에 대한 밀봉이 불충분하여 과도한 블로바이(연소 가스가 크랭크케이스로 유입)가 발생하고 피스톤에 가해지는 압력이 감소하여 엔진의 출력이 저하된다.

실린더 벽 내부에서 피스톤 링의 미끄럼 동작은 엔진 마찰 손실의 원인이 된다. 피스톤 링으로 인한 마찰은 엔진의 총 기계적 마찰 손실의 약 24%를 차지한다.[3][4] 링은 접촉력을 증가시키고 밀봉을 유지하기 위해 스프링처럼 작동하며, 스프링 힘은 링 자체의 강성 또는 밀봉 링 뒤의 별도 스프링에 의해 제공된다. 링이 피스톤의 홈에서 자유롭게 움직여 실린더와 접촉을 유지하는 것이 중요하다.[5]

피스톤 링은 금속-금속 슬라이딩 접촉을 사용하여 각각 고유한 기능을 가진 여러 개의 링으로 실링을 달성한다. 대부분의 피스톤은 실린더당 최소 두 개의 피스톤 링을 가지고 있으며, 자동차 피스톤 엔진은 일반적으로 실린더당 세 개의 링을 가진다.[6] 상위 두 개의 링은 압축 링으로 주로 연소실을 밀봉하는 역할을 하고, 하단 링은 오일 제어 링으로 주로 피스톤 스커트와 오일 제어 링을 윤활하기 위해 실린더 벽으로의 오일 공급을 제어한다.[7]

자동차 엔진의 압축 링은 일반적으로 직사각형 또는 키스톤 모양의 단면을 가진다. 상부 압축 링은 보통 주변부에 배럴 프로파일을 가지는 반면, 하부 압축 링은 일반적으로 테이퍼 네이피어 면을 가진다. 일부 엔진에서는 상부 링에도 테이퍼 면을 사용하며, 과거에는 단순한 평면 링이 사용되었다.

오일 컨트롤 링은 일반적으로 주철 한 조각, 여러 조각의 강철, 또는 나선형 스프링 백킹이 있는 강철/주철로 만들어져 밀착된 밀봉에 필요한 장력을 생성한다. 주철 오일 링과 나선형 스프링 백킹이 있는 링은 다양한 세부 형태의 두 개의 스크래핑 랜드를 가진다. 반면, 다중 조각 강철 오일 컨트롤 링은 일반적으로 두 개의 얇은 강철 링(레일)과 그 사이에 두 개의 레일을 분리하고 반경 방향 압력을 제공하는 스페이서-익스팬더 스프링으로 구성된다.

피스톤 링의 간극은 실린더 보어 내부에 있을 때 수천분의 몇 인치로 압축된다. 링 간극 형상에는 사각형 절단, 각도 절단, 타이트 조인트, 계단형 절단, 후크 계단 및 마이트어 계단이 있다.[8]

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왕복 엔진의 경우, 기밀을 유지하기 위한 압축 링과 윤활을 위한 오일 링이 있다. 대부분 톱 링, 세컨드 링, 오일 링의 3개 1세트로 피스톤에 장착된다. 톱 링과 세컨드 링에는 압축 링이 사용되며, 맞닿는 부분이 잘려 있어 실린더 내벽에 대한 탄성과 장착성이 부여되어 있다. 또한 연소에 의해 피스톤에 전달된 열을 실린더 블록으로 방출하는 역할도 한다.

3. 3. 형상

피스톤 링은 피스톤과 실린더 벽 사이의 틈을 밀봉하도록 설계되었다.[2] 이 틈이 너무 작으면 피스톤의 열팽창으로 인해 피스톤이 실린더에 끼어 엔진에 심각한 손상을 입힐 수 있다. 반면에 틈이 크면 피스톤 링이 실린더 벽에 대한 밀봉이 불충분하여 과도한 블로바이(연소 가스가 크랭크케이스로 유입)가 발생하고 피스톤에 가해지는 압력이 감소하여 엔진의 출력이 저하된다.

실린더 벽 내부에서 피스톤 링의 미끄럼 동작은 엔진 마찰 손실의 원인이 된다. 피스톤 링으로 인한 마찰은 엔진 전체 기계적 마찰 손실의 약 24%를 차지한다.[3][4] 따라서 피스톤 링 설계는 마찰을 최소화하면서도 우수한 밀봉과 적절한 수명을 확보하는 균형을 이루어야 한다.

피스톤 링 윤활은 어려우며, 이는 엔진 오일 품질 향상의 동기가 되었다. 엔진 오일은 고온 및 고속 미끄럼 접촉이라는 열악한 조건에서도 견뎌야 한다. 링은 베어링 저널과 같은 연속 회전이 아닌 진동 운동을 하므로 윤활이 더욱 어렵다. 피스톤 이동의 한계점에서 링은 멈추고 방향을 바꾸는데, 이는 유체 베어링의 일반적인 오일 쐐기 효과를 방해하여 윤활 효과를 감소시킨다.

링은 접촉력을 높이고 밀봉을 유지하기 위해 스프링처럼 작동한다. 스프링 힘은 링 자체의 강성 또는 밀봉 링 뒤의 별도 스프링에 의해 제공된다. 링이 피스톤 홈에서 자유롭게 움직여 실린더와 접촉을 유지하는 것이 중요하다.[5] 연소 생성물 축적이나 윤활유 고장으로 인해 링이 피스톤에 고착되면 엔진 고장을 일으킬 수 있으며, 이는 디젤 엔진 고장의 일반적인 원인이다.

자동차 엔진의 압축 링은 보통 직사각형 또는 키스톤 모양의 단면을 가진다. 상부 압축 링은 일반적으로 주변부에 배럴 프로파일을 가지는 반면, 하부 압축 링은 테이퍼 네이피어 면을 가진다. 일부 엔진에서는 상부 링에도 테이퍼 면을 사용하며, 과거에는 단순한 평면 링이 사용되었다.

오일 컨트롤 링은 일반적으로 주철 한 조각, 여러 조각의 강철, 또는 나선형 스프링 백킹이 있는 강철/주철로 만들어져 밀착된 밀봉에 필요한 장력을 생성한다. 주철 오일 링과 나선형 스프링 백킹이 있는 링은 다양한 세부 형태의 두 개의 스크래핑 랜드를 가진다. 반면, 다중 조각 강철 오일 컨트롤 링은 일반적으로 두 개의 얇은 강철 링(레일)과 그 사이에 두 레일을 분리하고 반경 방향 압력을 제공하는 스페이서-익스팬더 스프링으로 구성된다.

피스톤 링 간극은 실린더 보어 내부에 있을 때 수천분의 몇 인치로 압축된다. 링 간극 형상에는 사각형 절단, 각도 절단, 타이트 조인트, 계단형 절단, 후크 계단 및 마이트어 계단이 있다.[8]

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왕복 엔진의 경우, 기밀 유지를 위한 압축 링과 윤활을 위한 오일 링이 있다. 대부분 톱 링, 세컨드 링, 오일 링의 3개 1세트로 피스톤에 장착된다. 톱 링과 세컨드 링에는 압축 링이 사용된다. 맞닿는 부분이 잘려 있어 실린더 내벽에 대한 탄성과 장착성이 부여된다. 또한 연소에 의해 피스톤에 전달된 열을 실린더 블록으로 방출하는 역할도 한다.

피스톤 링의 구체적인 형상은 다음과 같다.

  • 압축 링 단면 형상: 더블 웨지, 정사각형 렉탱귤러, 내주측이 좁은 키스톤 링, 하프 키스톤 링, 외주에 단차가 있는 스크레이퍼 링 등
  • 압축 링 절단면 형상: 직각, 비스듬, 계단형 등
  • 표면 처리: 크롬 도금, PVD, DLC 등

3. 4. 재료 및 표면 처리

피스톤 링은 피스톤과 실린더 벽 사이의 틈을 밀봉하도록 설계되었다.[2] 이 틈이 너무 작으면 피스톤의 열팽창으로 인해 피스톤이 실린더에 끼어 엔진에 심각한 손상을 입힐 수 있다. 반면에 틈이 크면 피스톤 링이 실린더 벽에 대한 밀봉이 불충분하여 과도한 블로바이(연소 가스가 크랭크케이스로 유입)가 발생하고 피스톤에 가해지는 압력이 감소하여 엔진의 출력이 저하된다.

실린더 벽 내부에서 피스톤 링의 미끄럼 동작은 엔진 마찰 손실의 원인이 된다. 피스톤 링으로 인한 마찰은 엔진의 총 기계적 마찰 손실의 약 24%를 차지한다.[3][4] 따라서 피스톤 링 설계는 마찰을 최소화하면서도 우수한 밀봉과 허용 가능한 수명을 확보하는 것이 중요하다.

피스톤 링은 고유 하중과 가스 하중에 의해 실린더 보어를 따라 상하로 움직이며 마모된다. 이를 최소화하기 위해 주철이나 강철과 같은 내마모성 재료로 만들어지며, 내마모성을 더욱 향상시키기 위해 코팅이나 표면 처리가 이루어진다.

최신 오토바이에 사용되는 코팅에는 크롬(chromium)[13], 질화물(nitride)[14], 플라즈마 증착[15] 또는 물리 기상 증착(PVD)[16][17]에 의해 만들어진 세라믹 코팅이 포함된다. 대부분의 최신 디젤 엔진은 산화알루미늄 또는 다이아몬드 입자가 크롬 표면에 포함된 수정된 크롬 코팅(CKS 또는 GDC)[13]으로 상부 링이 코팅되어 있다.

자동차 엔진의 압축 링은 일반적으로 직사각형 또는 키스톤 모양의 단면을 가진다. 상부 압축 링은 주로 주변부에 배럴 프로파일을 가지는 반면, 하부 압축 링은 테이퍼 네이피어 면을 가진다.

오일 컨트롤 링은 일반적으로 주철 한 조각, 여러 조각의 강철, 또는 나선형 스프링이 있는 강철/주철로 만들어져 밀착된 밀봉에 필요한 장력을 만든다.

최근 자동차용 피스톤 링은 폭이 얇아(압축 링은 1.0~1.5mm 정도) 주철이 아닌 강철로 만들어진다.

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3. 5. 작동 원리

피스톤 링은 피스톤과 실린더 벽 사이의 틈을 막도록 설계되었다.[2] 이 틈이 너무 작으면 피스톤의 열팽창 때문에 피스톤이 실린더에 끼어 엔진에 심각한 손상을 입힐 수 있다. 반면에 틈이 크면 피스톤 링이 실린더 벽에 제대로 밀봉되지 않아 블로바이(연소 가스가 크랭크케이스로 유입)가 과도하게 발생하고 피스톤에 가해지는 압력이 줄어들어 엔진 출력이 떨어진다.

실린더 벽 내부에서 피스톤 링이 미끄러지면서 움직이는 것은 엔진의 마찰 손실을 일으킨다. 피스톤 링으로 인한 마찰은 엔진 전체 기계적 마찰 손실의 약 24%를 차지한다.[3][4] 따라서 피스톤 링 설계는 마찰을 최소화하면서도 우수한 밀봉과 적절한 수명을 확보해야 하는 과제를 안고 있다.

피스톤 링의 윤활은 어려우며, 이는 엔진 오일의 품질 향상을 이끄는 요인 중 하나였다. 엔진 오일은 고온 및 고속 미끄럼 접촉이 발생하는 열악한 조건에서도 견딜 수 있어야 한다. 피스톤 링은 베어링 저널과 같이 계속 회전하는 것이 아니라 진동 운동을 하기 때문에 윤활이 더욱 어렵다. 피스톤이 움직이다가 멈추고 방향을 바꾸는 지점에서 링은 유체 베어링의 일반적인 오일 쐐기 효과를 방해하여 윤활 효과를 떨어뜨린다.

피스톤 링은 접촉력을 높이고 밀봉을 유지하기 위해 스프링처럼 작동한다. 스프링 힘은 링 자체의 강성이나 밀봉 링 뒤에 있는 별도의 스프링에 의해 제공된다.

피스톤 링이 피스톤 홈에서 자유롭게 움직여 실린더와 계속 접촉하는 것이 중요하다.[5] 연소 생성물이 쌓이거나 윤활유가 제 기능을 못하여 피스톤에 링이 고착되면 엔진 고장을 일으킬 수 있으며, 이는 디젤 엔진 고장의 흔한 원인이다.

왕복 엔진에는 기밀을 유지하기 위한 압축 링과 윤활을 위한 오일 링이 있다. 대부분 톱 링, 세컨드 링, 오일 링의 3개 1세트로 피스톤에 장착된다. 톱 링과 세컨드 링에는 압축 링이 사용된다. 압축링은 맞닿는 부분이 잘려 있어 실린더 내벽에 대한 탄성과 장착성을 가진다. 또한 연소에 의해 피스톤에 전달된 열을 실린더 블록으로 방출하는 역할도 한다.

압축 링은 피스톤과 실린더 내벽 사이의 틈을 없애고, 연소실에서 크랭크케이스 쪽으로 압축 가스가 새는 것(블로바이)을 막는다. 맞닿는 부분이 열려 있으며, 운전 중에는 이 부분이 거의 닫힌 상태가 된다. 링의 자유 상태 지름은 실린더보다 크며, 실린더 내부에 장착될 때 바깥쪽으로 벌어지려는 힘으로 실린더 내벽에 밀착된다.

오일 링은 실린더 내벽에 남아 있는 과도한 엔진오일을 긁어내고 적절한 유막을 형성하여 피스톤이 눌어붙는 것을 방지한다.

4. 엔진 마모

피스톤 링은 고유 하중과 링에 작용하는 가스 하중 때문에 실린더 보어를 따라 상하로 움직이면서 마모된다. 이를 최소화하기 위해 주철이나 강철 같은 내마모성 재료로 만들어지며, 내마모성을 향상시키기 위해 코팅이나 처리가 이루어진다. 최신 오토바이에 사용되는 코팅에는 크롬, 질화물, 플라즈마 증착, 물리 기상 증착(PVD)으로 만들어진 세라믹 코팅이 있다.[13][14][15][16][17] 대부분의 최신 디젤 엔진은 상부 링이 산화알루미늄 또는 다이아몬드 입자가 크롬 표면에 포함된 수정된 크롬 코팅(CKS 또는 GDC)으로 코팅되어 있다.[13]

2행정 엔진의 경우 포트 설계 또한 피스톤 링 수명에 중요한 요소이다.

5. 주요 제조업체


  • 리켄(Riken)
  • TPR
  • 일본피스톤링(日本ピストンリング)
  • 게체(ゲッツェ) (독일)
  • 쉴드파워(シールドパワー) (미국)

참조

[1] 웹사이트 General Principles https://web.archive.[...] 2019-12-01
[2] 웹사이트 Piston Ring Functions and Operation https://web.archive.[...] 2009-07-01
[3] 논문 VCI 2840 - Carbon films - Basic knowledge, film types and properties https://www.vdi.de/r[...] 2019-12-01
[4] 웹사이트 Piston Ring Coating Reduces Gasoline Engine Friction https://web.archive.[...]
[5] 웹사이트 Piston Rings https://web.archive.[...]
[6] 웹사이트 Factors influencing oil control in a spark ignited gasoline engine https://web.archive.[...]
[7] 웹사이트 Piston & Piston Ring Assembly https://web.archive.[...]
[8] 웹사이트 Custom Ring Gaps https://web.archive.[...]
[9] 서적 Bearings (Workshop Practice) Special Interest Model 2008
[10] 웹사이트 Neil Snodgrass' Cigar https://www.dalmadan[...] 2017-05-14
[11] 뉴스 Snodgrass's obituary Glasgow Herald 1849-02-05
[12] 웹사이트 Proceedings Institution of Mechanical Engineers to 1859 http://www.steaminde[...] 2019-12-04
[13] 웹사이트 Wear-Resistant Peripheral Coatings https://web.archive.[...] 2010-07-04
[14] 웹사이트 Wear-Resistant Peripheral Coatings https://web.archive.[...] 2010-07-04
[15] 웹사이트 Wear-Resistant Peripheral Coatings https://web.archive.[...] 2010-07-04
[16] 웹사이트 Wear-Resistant Peripheral Coatings https://web.archive.[...] 2010-07-04
[17] 웹사이트 Metallic piston rings product sheet https://web.archive.[...] 2019-12-08


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