KR100224075B1 - 피스톤 헤드 냉각구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소개스의 열에 의해 고온의 열부하를 받는 피스톤 헤드를 기관 구동 조건에서 저온의 유동공기를 유동시켜 피스톤 헤드 과열에 의한 출력저하나 노킹 현상 등을 저감 시키기 위하여 피스톤 헤드(2), 피스톤링 지대(3), 피스톤 스커트(6)로 이루어지는 피스톤 구조에 있어서, 상기 피스톤 헤드(2)면 기준으로 그 아래쪽 스커트부(6)측 내벽면 적소의 위치에 에어 가이드(8)를 설치하여 피스톤 운동에 의한 공기의 상승 유동을 얻어 피스톤 헤드(2)의 온도를 낮춰 주도록한 피스톤 헤드 냉각구조임.

Description

피스톤 헤드 냉각구조

본 발명은 연소개스의 열에 의해 고온의 열부하를 받는 피스톤 헤드를 기관 구동 조건에서 저온의 유동공기를 유동시켜 피스톤 헤드 과열에 의한 출력저하나 노킹 현상 등을 저감 시키는 것이다.

도 1과 같은 기관의 피스톤(1)에는 큰 힘이 주기적으로 작용하며 또 측압, 마찰력, 열부하(HEAT LOAD)등도 작용한다.

피스톤의 열부하는 도 2와 같이 혼합기가 연소하게 되면 연소개스의 온도는 약 2,000℃ ~ 2,500℃ 정도가 되며, 이 연소열의 대부분은 피스톤 헤드(2), 피스톤링 지대(3),피스톤 링을 거쳐 냉각된 실린더 벽(4)에 전달되고, 동시에 윤활유도 열의 일부를 전달받아 방출 시키지만 경금속 피스톤(1)의 경우 정상 작동 온도에서 피스톤 헤드(2)는 250℃ ~ 350℃, 피스톤핀(5)은 150℃ 정도까지 열부하를 받게되고, 이로인해 피스톤(1)은 열부하에 의해서 팽창하게 되며, 그 정도가 지나치면 피스톤 고착의 원인이 된다.

따라서 피스톤 헤드(2)의 직경을 스커트(6)의 직경보다 작게하고, 또 피스톤핀 (5)직각방향보다 피스톤핀 방향의 직경을 작게, 즉 피스톤 헤드(2)를 타원형으로 제작하여 열부하 차에 원인하는 팽창량의 차를 보상하는 방법이 이용되고 있다.

피스톤(1)의 재질은 밀도가 낮고, 고온강도가 높으면서 열 전도성이 좋고, 열 팽창계수는 낮으면서 내마모성이 크고, 마찰계수가 적은 Y합금, 로 액스(LO-Ex), 코비타리움(Cobitalium) 등의 합금을 사용하며 특히 고출력 기관으로 갈수록 열변형에 대한 내성이 강한 재질을 사용한다.

도 2는 공랭식 기관에서 경금속 피스톤의 열부하 선도를 나타낸다.

상기 선도에 의하면 연소실(7)측 연소개스 G에 접촉되는 피스톤 헤드(2)부가 가장 높고, 그 아래 스커트부(6)가 낮으며, 피스톤링 지대(3)는 스커트부(6)에 비해 높은 온도를 나타낸다.

이렇게 고온에 노출되는 피스톤(1)의 피스톤 헤드(2)는 노킹을 유발 시키고, 실린더 벽(4)과 접촉되는 피스톤 지대(3)측은 윤활유를 연소 시키는 역 기능을 하게된다.

본 발명은 연소개스에 직접 접촉되어 상대적으로 고온의 열을 받는 피스톤 헤드부의 온도를 낮춰 고출력 기관의 동적 성능을 향상 시키는 것이다.

도 1 은 기관의 경금속 피스톤 단면도.

도 2 는 도 1 의 피스톤 열부하 선도.

도 3 은 본 발명에 따른 피스톤내 공기 유동 상태도.

도 4 는 본 발명의 실시예를 보인 것으로 (가)는 대칭형 에어 가이드, (나)는 일체형 에어 가이드 설치예를 보인 도면.

도 5 는 본 발명의 에어 가이드 발췌 단면도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

1,1a:피스톤2:피스톤 헤드

3:피스톤링 지대4:실린더 벽

5:피스톤 핀6:스커트부

7:연소실8:에어 가이드

9:공간

피스톤 헤드(2), 피스톤링 지대(3), 피스톤 스커트(6)로 이루어지는 피스톤 구조에 있어서, 본 발명은 도 3과 같이 피스톤 헤드(2)면 기준으로 그 아래쪽 스커트부(6)측 내벽면 적소의 위치에 에어 가이드(8)를 설치하여 피스톤 운동에 의한 공기의 상승 유동을 얻어 피스톤 헤드(2)의 온도를 낮춰 주도록 구성한다.

상기 에어 가이드(8)는 도 4와 같이 스커트부(6) 내벽면에 대하여 양 방향 대칭 또는 일체형으로 장착 한다.

또한, 도 5와 같이 에어 가이드(8)의 설치각을 윗쪽을 좁게 하고, 아래쪽을 넓게하여 유동공기의 흐름을 많게하는 가운데 공기 유동 방향이 스커트부(6) 내벽을 따라 빠르게 피스톤 헤드(2) 아랫면에 접촉 되도록 경사각 R을 설정한다.

도 3은 본 발명에 따른 피스톤(1a) 구조를 나타낸다.

피스톤 헤드(2)측은 연소열을 직접받아 상대적으로 타 지역에 비해 대략 250℃ ~ 350℃정도의 열부하를 받고, 그 아래쪽 스커트부(6)측은 그보다 낮은 150℃ ~ 200℃의 열부하를 받게된다.

본 발명은 도 4와 같이 적절히 선택된 에어 가이드(8)를 스커트부(6)측 내벽에 장착 되어 스커트부(6)측 공간(9)에서 유동되는 공기를 에어 가이드(8)를 통해 가속 시켜 피스톤 헤드(2)측 아래면으로 유도하여 피스톤 헤드(2)측에서 받는 열부하를 저감 시키는 역할을 한다.

즉, 기관 구동이 있으면 피스톤(1a)이 회전 구동하는 과정에서 스커트부(6)측 공간(9)에서 공기를 유동 시키키는데, 정상적인 기관 구동에서 스커트부(6)측 공간(9)의 온도는 대략 150℃ 정도를 나타내고 이 유동 공기는 에어 가이드(8)를 따라 피스톤 헤드(2)의 밑면에 접촉 됨으로서 피스톤 헤드(2)측에 접촉되는 유동공기의 온도는 이 보다 낮은 상태로 피스톤 헤드(2)에 작용하여 결국 피스톤 헤드(2)측 온도를 낮춰 고온을 받는 피스톤 헤드(2)를 냉각 시킨다.

6000rpm 조건에서 에어 가이드(8)가 없는 피스톤 헤드(2)면의 온도가 300℃일 경우 에어 가이드(8)를 설치할 경우 피스톤 헤드(2)의 온도를 약250℃ 정도로 유지하여 피스톤 헤드(2)면의 온도를 약 50도℃ 정도를 낮출 수 있다.

도 4의 (가)는 에어 가이드(8)를 스커트부(6) 내벽에 대하여 양 방향 대칭적으로 분활하여 형성한 것으로 이 경우 피스톤 헤드(2) 아랫면 원하는 위치에 국부적으로 유동공기를 가속 시켜 보내는데 유리하다.

이에 대하여 (나)와 같은 에어 가이드(8) 장착의 경우 피스톤 헤드(2) 아래면에 고른 분포로 균일하게 유동공기를 보내는데 적합하다.

본 발명은 연소개스의 열에 의해 고온의 열부하를 받는 피스톤 헤드를 기관 구동 조건에서 에어 가이드를 통한 저온의 가속 공기 유동으로 냉각시켜 피스톤 헤드 과열에 의한 출력저하나 노킹 현상 등을 저감 시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 피스톤 헤드(2), 피스톤링 지대(3), 피스톤 스커트(6)로 이루어지는 피스톤 구조에 있어서,

   상기 피스톤 헤드(2)면 기준으로 그 아래쪽 스커트부(6)측 내벽면 적소의 위치에 에어 가이드(8)를 설치하여 피스톤 운동에 의한 공기의 상승 유동을 얻어 피스톤 헤드(2)의 온도를 낮춰 주도록 구성한 것을 특징으로 하는 피스톤 헤드 냉각구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 에어 가이드(6)는 스커트부(6) 내벽면에 대하여 양 방향 대칭으로 분활하여 설치한 것을 특징으로 하는 피스톤 헤드 냉각구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 에어 가이드(8)는 스커트부(6)측 내벽면을 따라 일체형으로 장착된 것을 특징으로 하는 피스톤 헤드 냉각구조.
4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,

   상기 에어 가이드(8)는 스커트부(6) 내벽면에 대하여 윗쪽에 비해 아래쪽이 상대적으로 넓은 비평형 상태로 장착된 것을 특징으로 하는 피스톤 헤드 구조.