자동차 엔진 chapter20.(엔진 구조)

※ 피스톤 링
피스톤에는 피스톤 링이 끼워져 있으며, 압축 링과 오일 링이라 불리는 두 종류의 피스톤 링이 있습니다. 압축 링은 연소실 내에서 발생하는 압축 압력과 연소 압력이 새어 나가는 것을 막아주며, 오일링은 실린더 벽으로부터 오일을 긁어모읍니다. 전체 피스톤 링을 도시화한 것입니다. 링들은 실린더보다 다소 직경이 크므로 링들을 설치하기 위해서는 압축되어야 합니다. 그러면 링들은 실린더 내에서 다소 압축된 형태로 있게 되고, 이것은 링 끝의 간격을 근접시켜, 실린더 벽에 대해서 단단히 당겨지고 압축된 상태로 존재하게 됩니다. 피스톤과 링에 대한 정비는 이러한 측정 내용들에 대한 점검을 포함합니다.
※ 압축 링(Compression Rings)
압축 링은 일반적으로 주철로 만들어지고, 일부 디젤 엔진과 고성능 엔진들은 연철(ductile iron) 링을 사용합니다. 압축 링은 또한 오일을 제어하는 데 도움을 줍니다. 흡입 행정시에 압축 링이 하강함에 따라, 압축 링은 실린더 벽으로부터 모든 미세한 오일 막들을 긁어모읍니다. 배기 행정 중에는 링들은 위로 이동하며 이때 오일 막 위를 미끄러지는 경향이 있습니다. 압축 링에는 다양한 형상이 있으며, 역방향으로의 비틀림(reverse twist) 형상과 곡면 형상(barrel face)이 그것입니다. 두 개의 압축 링 모두 압축력에 의해 링 홈의 하부 면에 대하여 수평으로 아래 방향으로 밀립니다. 상대적으로 압축 링은 압력이 낮은 부분 부하 상태(part throttle)에서는 전부하에서만큼 편평하게 되지는 않습니다. 흡입 행정 중에는 피스톤 상부의 진공 상태가 실린더 벽의 오일을 링 위로 끌어올리려 합니다. 역방향 비틀림 링은 이것을 막아줍니다. 이 비틀림은 링 홈에 대항하는 방향으로 링의 하부를 밀어서 밀폐하게 됩니다. 한편 정방향 비틀림 링은 오일이 링 주변에서 작동을 할 수 있도록 다른 방향으로 비틉니다. 곡면 링은 약간 곡면화된 면을 가지고 있으며, 곡면 링은 실린더 벽과 아주 좁은 접속면을 가지기 때문에 벽에 가해지는 힘이 상대적으로 높습니다. 상사점(TDC)과 하사점(BDC)에서 피스톤이 방향을 바꿀 때, 링이 약간의 제동을 걸지만 접속면을 벗어나지는 않습니다. 실린더 벽에 작용하는 링에 의한 힘은 계속 유지됩니다. 제동 작용이 실린더 상부에서 링이 올라가려는 것을 막아줍니다.
※ 압축 링의 코팅
압축 링의 코팅은 링의 웨어-인(wear-in)과 실린더 벽과 링의 마모를 줄이는 데 도움을 줍니다. 웨어-인이란 새로 교체했을 때, 실린더 벽과 링이 약간의 불규칙성을 가져서 완벽하게 끼워지지 않는 것을 의미합니다. 시간이 지나면 이러한 불규칙한 부분이 점점 마모되어 나중에는 잘 맞게 됩니다. 상대적으로 빨리 마모되는 연한 재질, 즉 인산염(phosphate), 흑연(graphile), 산화철 등이 웨어-인에 도움이 됩니다. 또한 이러한 재질은 마모를 줄여주는 약간의 오일을 포함하고 있습니다. 피스톤 링들이 수리 시 직면하는 마모의 형태는 링의 코팅을 결정하는 데 매우 중요합니다. 예전에는 연마 손상(abrasive wear)이 링과 실린더 벽 마모의 가장 전형적인 형태였습니다. 그 원인은 에어 필터를 거쳐서 엔진 오일로 들어가는 미세한 먼지 입자입니다. 연마 손상이 문제시되는 곳에는 크롬 평면 가공이 도움이 되며, 크롬은 매우 단단한 금속입니다. 매끄러운 표면으로 가공이 끝나면 실린더 벽 마모가 좀처럼 발생되지 않습니다. 연마 손상은 성능이 우수한 에어 필터 덕분에 요즘에는 별로 문제시되지 않는 반면, 최근에는 표면 마찰에 의한 마모가 더 중요한 문제입니다. 실린더 벽과 링, 피스톤들은 매우 높은 온도에서 작동하고, 이 온도는 움직이는 금속들을 녹는점까지 도달시킬 수 있는 열점(hot spot)을 만듭니다. 이 경우, 링이 상사점 부근에서 순간적으로 멈추었을 때, 링이 아래로 움직이기 시작하면 그 접착 부는 다시 떨어집니다. 떨어진 접착점은 거친 상태로 남게 되며 표면에서 마찰을 일으키게 되므로 링, 피스톤, 벽들이 긁혀서 작동 불량을 초래할 수 있습니다. 마찰에 의한 마모를 방지하기 위해서는 주철재 맨 위 압축 링에 몰리브덴을 첨가해야 합니다. 주철재는 대략 2250℉[1233℃]에서 녹는 반면, 크롬은 대략 3450℉[1898℃]에서 녹습니다. 따라서 몰리브덴이 첨가된 링은 표면 마찰이 없어 더 높은 고온에서도 작동이 가능합니다. 
주의 몰리브덴은 일반적으로 충전재이자 코팅재가 아닙니다. 표면 노출된 몰리브덴 코팅 모서리는 쉽게 부서집니다. 몰리브덴으로 링 사이나 링 홈 이러한 문제점을 막아 줄 수 있습니다.
※ 두 개의 압축 링에 대한 필수 요건
팽창 행정의 초기에는, 연소 압력이 1200psi[6895 kPa]까지 상승될 수도 있으므로 한 개의 압축 링만으로는 이 압력을 견디기에는 역부족입니다. 그래서 두 개의 압축 링이 사용됩니다. 이것이 바로 상부 압축 링과 하부(중간) 압축 링입니다. 두 개의 압축 링은 서로 다릅니다. 압력은 상부 링의 전역에 작용하여 실린더 벽 쪽으로 상부 링을 밉니다. 압력은 또한 하부의 링 홈 쪽으로도 작용하여 압축 링을 아래로 밀어내며, 이것은 양방향을 밀폐하는 효과를 얻습니다. 상부 링 주변에 작용되는 압력은 하부 링을 양방향으로 밀폐하기에는 충분하지 않을지도 모릅니다. 하부 링에는 일반적으로 밀폐 효과를 높이기 위해서 비틀림 링이 사용되지만, 때때로 팽창(expander) 링 또는 내부 장력(inner tension) 링이 벽에 대한 밀폐 효과를 높이기 위해서 하부 링 이면에 장착되는 경우도 있습니다.