KR100239390B1 - 랜드의 파손방지 구조를 갖는 엔진 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 랜드의 파손방지 구조를 갖는 엔진 피스톤에 관한 것으로, 특히 피스톤 링의 삽입을 위하여 일정간격으로 제 1 랜드와 제 2 랜드와 제 3 랜드 및 피스톤 스커트부등 돌출부를 형성하고, 상기 랜드 사이에 제 1 링과 제 2 링 및 오일링을 끼움결합하여 이루어지는 피스톤의 랜드에 있어서, 폭발행정시 제 1 링의 외주가 제 2 랜드의 접촉부위에 가하는 압력을 줄이기 위해, 상기 피스톤 랜드중 제 2 랜드의 길이를 제 1 랜드 및 제 3 랜드등 타 랜드의 외주 길이보다 짧게 형성하여 구성하는 것이 특징이다.

Description

랜드의 파손방지 구조를 갖는 엔진 피스톤

본 발명은 랜드의 파손방지 구조를 갖는 엔진 피스톤에 관한 것으로, 특히 피스톤 링의 삽입을 위하여 일정간격으로 돌출부를 형성하는 피스톤의 랜드 중 세컨드 랜드의 길이를 타 랜드의 길이보다 짧게하여, 연소실 압력으로 인하여 압축링이 세컨드 랜드에 압축힘을 가할 때 파손이 일어나지 않토록 하는 것을 특징으로 한는 랜드의 파손방지 구조를 갖는 엔진 피스톤에 관한 것이다.

일반적으로 피스톤은 실린더 내를 왕복운동하여 동력행정에서 고온 고압의 가스로부터 받은 압력으로 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크축에 회전력을 제공하는 일을 하는 것으로, 피스톤 헤드(piston head), 링지대(ring belt), 스커트부(skirt section) 및 보스(boss) 등의 주요부로 되어 있으며 헤드는 연소실의 일부를 형성한다. 이러한 피스톤 헤드의 뒷면에는 리브(rib)가 만들어져 있으며, 이 리브는 피스톤 헤드의 열을 피스톤 링이나 스커트부에 속히 전달하고 동시에 피스톤을 보강하는 일도 한다.

먼저, 주조형식을 살펴보면, 상기와 같은 주철제 피스톤의 재료는 실린더 블록과 같은 정도의 내마모성과 기계적 강도를 갖는 고급 주철 또는 니켈크롬 주철이 사용되며, 조직을 균등하게 하기 위해 원심 주조법으로 만든다.

경합금제 피스톤의 재료는 내열성, 내마모성, 기계적 강도가 크고 열팽창율이 되도록 작은 알루미늄 합금이 사용되며, 용융한 금속을 강제의 주형에 압입하는 다이캐스팅 주조법을 사용하고 있다.

여기서, 스커트부의 두께는 실린더 벽에 대한 측압에 견딜수 있는 정도가 필요하며, 피스톤 지름의 0.03mm 정도로 한다.

그리고, 피스톤 헤드 아래면은 강성을 크게하고 윤활유에 의한 냉각 면적을 넓게 할 목적으로 방사형 리브를 형성하며, 헤드의 윗면은 연소실의 형식에 따라 평면, 경사면, 원뿔형 볼록면으로 만드는데, 가솔린 엔진에는 평면이 가장 많으며, 반구형 연소실의 일부 형식에서는 원뿔형 볼록면으로 만든것도 있다.

피스톤의 윗면, 측면, 피스톤 링홈 등은 피스톤 선반으로 가공한 후에 피스톤 연마기로 정밀한 연마 다듬질을 하고, 피스톤 핀 구멍은 리머로 가공한 다음 피스톤 핀 연마기로 정밀한 부시를 가공한다.

상기 경합금제 피스톤은 위쪽의 2 - 3개의 링홈을 압축 링홈으로, 그 아래의 1 - 2개의 링홈을 오일홈으로 하며, 사용하는 링의 단면의 모양에 따라 링을 결합하였을 때 상하면의 링 사이드 클리어런스는 0.035㎜ 정도이며, 링 홈의 깊이는 링을 끼웠을 때 링의 두께 보다 0.5㎜정도 여유가 있어야 한다.

그리고, 링홈 사이에 있는 각 랜드의 너비는 링 너비의 1.0 - 1.3배로 하며, 오일링 홈에는 오일링의 형식에 적합하도록 피스톤 내면으로 통하는 오일의 릴리프 홀 또는 릴리프 그룹이 만들어져 있다.

이러한 피스톤 구조의 일실시예를 도 1에 나타내었다.

여기서 1은 제 1 링이고, 2는 제 2 링이며, 3은 오일링이고, 4는 피스톤헤드이며, 5는 톱랜드이고, 6은 제 2 랜드이며, 7은 제 3 랜드이고, 8은 피스톤핀이며, 9는 피스톤 보스이고, 10은 피스톤 스커트부이다.

이와같이 구성되는 일반적인 피스톤에 있어서 피스톤 링의 기능을 살펴보면,

첫째, 기밀을 유지하는 것이다(도 2a). 4행정 가솔린 엔진을 예로 생각해 보면 흡입, 압축, 폭발, 배기의 네가지 행정에 있어 엔진이 작동하고 있는 경우에는 어느 행정 에서도 피스톤 링은 피스톤과 함께 실린더 내의 기밀 작용을 하고 있다.

둘째, 유막의 조성작용(도 2b, 실린더 벽면의 윤활유 막의 조절작용 및 과잉 오일의 제거작용, 여기서 11은 배유구멍)이다. 고온과 고압 상태에서 가혹하게 마찰하고 있는 링과 실린더가 직접 금속 접촉을하여 타붙는 것을 방지하기 위하여 언제나 적절한 유막을 유지할 수 있는 정도의 오일이 공급되고 있다.

셋째, 피스톤이 받는 열을 실린더 벽으로 전달하는 것이며(도 2c, 여기서 12는 물자켓), 피스톤의 과열을 방지하기 위해 피스톤 링의 재질은 열이 잘 전도되는 것으로 만든다. 상기 도 2a, b, c에서 13은 실린더 벽면이다.

여기서 제 1 링은 연소실의 압축 압력을 가장 많이 받고 있는바, 따라서 제 2 랜드(5)가 연소실 폭팔행정시 가장 많은 하중을 받게 된다.

도 3은 연소실이 폭발행정을 진행시 제 1 링이 실린더와 피스톤 사이의 기밀을 유지하면서도 폭발압력을 받아 외주가 내주에 비해 아래로 경사지는 상황을 도시하고 있다.

이러한 상황이 발생하는 이유는 홈의 두께보다 링의 두께가 작도록 하고, 또한 홈의 깊이보다 링의 일면 길이가 짧기 때문에 내부 유동이 당연히 일어나게 되며, 따라서 외주에 힘이 가해질 때 외주는 하강하고 내주는 상승하게 되는 결과를 초래한다.

그런데 종래의 피스톤 구조를 살펴보면 하중을 가장많이 받는 제 2 랜드의 길이가 제 1 랜드의 길이와 같도록 구성하기 때문에 제 1 링의 연소실에서 받는 압력이 강하게 작용하게 된다.

이는 도 4a와 같은 지레대의 원리를 생각하면 받침점에 해당하는 제 1 링과 제 2 랜드의 접촉부위(6-1)는 폭발압력의 힘이 가해지는부분(화살표방향)에 가깝게 위치하기 때문에 압력이 일정이상 증가하면 제 2 랜드가 파손되는 일이 발생한다.

이를 해결하기 위해 제 2 랜드의 두께를 늘리기도 하지만, 이럴 경우에는 피스톤의 전체무게를 증가시키는 원인으로 작용하여 바람직 하지 않다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로,

제 2 랜드의 길이를 제 1 랜드보다 짧게 형성하여, 제 2 랜드에 걸리는 하중을 적게 유지함으로써, 제 1 링에 가해지는 압력으로 인하여 제 2 랜드가 파손되는 것을 막도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 피스톤을 이루는 랜드 중 세컨드 랜드의 길이를 타 랜드의 길이보다 짧게 형성함이 특징이다.

도 1은 일반적인 엔진 피스톤의 분해 사시도.

도 2a,b,c는 일반적인 피스톤의 작용상태도.

도 3은 일반적인 피스톤의 폭발행정시 작용상태 확대도.

도 4a는 일반적인 피스톤의 폭발행정시 제 2 랜드에 가해지는 충격을 설명하 는 개략도.

4b는 본 발명에서 피스톤의 폭발행정시 제 2 랜드에 가해지는 충격을 설 명하는 개략도.

도 5는 본 발명의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 제 1 링 2: 제 2 링

3: 오일링 4: 피스톤헤드

5: 제 1 랜드 6: 제 2 랜드

7: 제 3 랜드 8: 피스톤핀

이하 도면을 참조로 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 구성도로써, 피스톤에 형성된 제 1 랜드와 제 2 랜드와 제 3 랜드 및 피스톤 스커트부 사이에 제 1 링과 제 2 링 및 오일링이 끼움결합되어 이루어지는 피스톤에 있어서,

폭발행정시 제 2 랜드(6)에 가해지는 제 1 링(1)의 하중을 감소시키기 위해 제 2 랜드(6)의 폭(L1)을 제 1 랜드(5)의 폭(L2)에 비해 상대적으로 짧게 형성한 구조를 갖는다.

상기와 같이 구성하는 본 발명은 크랭크 샤프트의 유동에 의한 피스톤의 유동과, 또한 캠 샤프트의 유동으로 인한 점화시기 발생을 조합시켜 엔진을 동작시, 폭발행정에서 피스톤의 제 1 링에 강한 힘이 전달되었을 때 제 2 랜드(6)에 가해지는 충격이 줄어들게 된다.

이는 도 4b에 나타낸 바와같이 받침점 역할을 하는 제 1 링과 제 2 랜드의 접촉부위(6-1)가 제 1 링(1)의 외주에 비해 안쪽으로 많이 들어가 있기 때문에, 폭발행정중 피스톤의 제 1 링(1)에 일정한 압력이 가해졌을 때, 피스톤의 제 2 랜드(6)에 가해지는 충격이 줄어들게 되는 것이다.

즉, 화살표 방향으로 힘을 가하였을 때, 종래에는 도 4A와 같이 받침점에 해당하는 제 1 링과 제 2 랜드의 접촉부위(6-1)가 피스톤의 제 1 링(1)에 가까이에 있기 때문에 제 2 랜드에 많은 힘이 작용하여 제 2 랜드가 파괴될 수 있으나, 본 발명을 이용하게 되면 도 4B와 같이 받침점에 해당하는 제 1 링과 제 2 랜드의 접촉부위(6-1)가 피스톤 제 1 링(1) 압력을 받는 쪽보다 멀리 있기 때문에 제 2 랜드에 작용하는 힘이 적게 걸리게 되어 제 2 랜드가 파괴되는 현상을 막을 수 있다.

따라서 본 발명은 제 2 랜드의 폭(L1)을 제 1 랜드의 폭(L2)에 비해 상대적으로 짧게 형성함으로써 피스톤 랜드에 부가되는 하중을 막아, 피스톤의 수명을 연장시킬 뿐만 아니라, 피스톤의 중량을 낮출수 있으므로, 엔진의 무게를 줄이는데도 도움을 줄수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명을 이용하게 되면 제 2 랜드의 길이를 짧게하여 연소실 압력으로 인하여 압축링이 세컨드 랜드에 압축힘을 가할 때 파손이 일어나지 않토록 하기 때문에 피스톤의 수명을 연장시키며, 아울러 엔진의 무게를 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (1)

1. 제 1 랜드(5)와 제 2 랜드(6)와 제 3 랜드(7) 및 피스톤 스커트부(8) 사이에 제 1 링(1)과 제 2 링(2) 및 오일링(3)이 끼움결합되어 이루어지는 피스톤에 있어서,

   폭발행정시 제 2 랜드(6)에 가해지는 제 1 링(1)의 하중을 감소시키기 위해 제 2 랜드(6)의 폭(L1)을 제 1 랜드(5)의 폭(L2)에 비해 상대적으로 짧게 형성한 것을 특징으로 하는 랜드의 파손방지 구조를 갖는 엔진 피스톤.

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