KR100301569B1 - 내연기관의 충격흡수 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 운송수단과 기계기구의 동력원으로 사용되는 내연기관의 피스톤에 관하여 개시하며, 특히 팽창행정을 위한 폭발 순간에 가해지는 충격을 흡수하여 그 충격을 최소화하면서 그 충격력을 저장하여 피스톤 운동에 회생시키는 축력식 충격흡수 피스톤을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 피스톤은 연소가스 압력이 가해지는 헤드에 형성된 오목한 충격흡수실(13)을 가지며, 그 충격흡수실에 결합되는 축력식 충격흡수장치(20)를 구비하여 된다. 축력식 충격흡수장치는 충격흡수실에 이동가능하게 수용되는 보조피스톤(21)과 이를 탄력지지하는 스프링부재(23)를 포함한다. 스프링부재는 보조피스톤에 작용하는 연소가스 압력에 신축적으로 대응하는 탄력을 보유함으로써 피스톤이 상사점 부근에 있을 때의 충격을 흡수하여 그 충격을 최소화하면서 저장된 충격력을 피스톤 운동에 회생시키는 작용을 한다. 따라서 피스톤 충격에 의한 기계소음을 줄이고 출력을 높여주는 한편, 저연비 및 매연감소 등에도 효과가 있다.

Description

내연기관의 충격흡수 피스톤{SHOCK-ABSORBING PISTON OF INTERNAL- COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 각종 운송수단과 기계기구의 동력원으로 사용되는 내연기관의 충격흡수 피스톤(piston)에 관한 것으로서, 특히 팽창행정을 위한 폭발 순간에 가해지는 충격을 흡수하여 최소화하고, 더 나아가서는 그 흡수된 충격을 저장하여 피스톤 운동에 회생시킬 수 있는 축력식 충격흡수(regenerative shock-absorbing) 구조의 피스톤에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 내연기관은 실린더 내에서 공기와 혼합된 연료를 폭발적으로 연소시켜 피스톤에 왕복운동을 주는 열기관으로서, 피스톤의 왕복운동에 따라 흡기-압축-팽창(폭발)-배기의 사이클을 이룬다.

도 1은 내연기관의 개요를 설명하기 위해 4행정 1사이클을 이루며 전기점화방식을 사용하는 가솔린 기관을 도시한 개요도이다. 도면에 있어서, 부호 1은 실린더(cylinder), 2는 흡기밸브, 3은 배기밸브, 4는 점화플러그이다. 피스톤(5)은 실린더(1) 내의 상사점과 하사점 사이를 왕복운동하고, 피스톤(5)의 왕복운동은 연접봉(connecting rod; 6)을 통해 크랭크(crank; 7)의 회전운동으로 바뀌게 되어 있다. 도면중 미설명 부호 8은 실린더 내벽과 피스톤 헤드(상면) 사이에 압축과 폭발이 이루어지는 연소실을 가리킨다.

종래에 사용되고 있는 통상적인 피스톤(5)은 도 2에 보인 바와 같이 고온고압의 연소가스에 의해 직접 가격받는 부분인 헤드(head; 5a)를 가지는 원통형 몸체로 되어 있다. 원통형 몸체에는 또한 실린더 내벽과의 기밀유지를 위한 도시하지 않은 피스톤링(piston ring)을 끼우기 위한 3개의 링홈(5b), 그리고 연접봉을 도시하지 않은 피스톤핀(piston pin)을 끼워 연결하도록 측면으로 관통하는 구멍(5c)을가지고 있다. 여기서 헤드(5a)는 일반적으로 평면으로 되어 있으나, 디젤 기관의 경우 연소실을 형성하기 위해 적당히 오목한 모양으로 되어 있는 경우도 있다.

피스톤(5)의 4행정이 이루어지는 과정을 간략하게 설명하면, 먼저 실린더(1) 일측의 흡기밸브(2)를 열고 배기밸브(3)를 닫은 상태에서 피스톤(5)을 상사점 위치에서 하강시키면 그 흡기밸브를 통해 공기와 혼합된 연료(가솔린)가 실린더(1) 내의 연소실(8)로 흡입되는 흡기행정이 이루어지고, 이어서 흡기밸브(2)를 닫고 피스톤(5)을 그 하사점에서 상사점으로 상승시키면 공기와 혼합된 연료가 실린더 연소실(8) 내에서 고온 고압으로 압축되는 압축행정이 이루어진다. 압축행정이 종료되는 시점인 피스톤(1)이 상사점 부근에 이르렀을 때 점화플러그(4)를 작동시키면, 그 압축된 연료가 폭발적으로 연소되면서 급격하게 팽창하게 되고, 이러한 연소가스의 팽창에 의한 압력으로 피스톤(5) 헤드(5a)가 가격되어 하강되어지는 팽창행정이 이루어진다. 이러한 팽창행정에 의한 피스톤(5)의 하강운동은 연접봉(6)을 통해 크랭크(7)의 회전운동으로 바뀐다. 한편, 크랭크(7)에는 도시하지 않은 플라이휘일(flywheel)이 설치되어 있다. 플라이휘일은 큰 질량에 상당하는 관성으로 회전되어 피스톤(5)이 상사점과 하사점에서 용이하게 방향전환할 수 있게 한다. 즉, 피스톤(5)은 팽창행정이 끝나는 하사점에서 다시 상사점으로 상승하게 되는데, 이때 배기밸브(3)를 열어서 실린더(1) 연소실(8) 내의 연소가스를 외부로 배기시키는 배기행정을 행하는 것이다.

참고로, 연료로서 경유나 중유를 사용하는 디젤기관(diesel engine)은 가솔린기관과 달리, 공기만을 흡입 및 압축해서 공기의 압력과 온도가 높아진 곳에 연료유(경유나 중유)를 직접 분사하여 점화하는 압축점화방식으로 그 연소가스를 단열팽창시킴으로써 상기 사이클을 이룬다.

내연기관에 있어서는 팽창행정시 연소가스 압력에 의해 피스톤 헤드가 주기적으로 가격된다. 문제는, 종래의 피스톤이 그 자체적으로 충격을 흡수할 수 없는 단순한 구조로 되어 있기 때문에 주기적으로 상당한 충격을 받게 되고, 이에 따라 주기적인 피스톤노크(piston knock)가 발생되고 있는 것이다.

피스톤이 상사점을 지난 위치에서 가격될 때의 충격은 비교적 덜 하겠으나, 일반적으로는 압축행정의 종료 직전, 즉 피스톤이 상사점에 이르기 조금 전에 점화하는 것이 연소가 가장 잘 되는 것으로 알려져 있다. 피스톤이 상사점에 이르기 전에 연소되는 연소가스 압력이 작용하게 되면 피스톤 운동이 방해받으므로 출력이 저하되며, 또 피스톤이 상사점에 이르러 연접봉과 크랭크가 일직선상에 연직방향으로 놓인 상태에서는 그 연소가스 압력이 피스톤 운동에 아무런 역할을 하지 않고 단지 피스톤만을 가격하는 매우 큰 충격으로 작용하게 된다. 피스톤에 가해지는 충격은 연접봉을 통해 부하측에 그대로 전달되어 기계적인 무리를 주게된다.

이와같이 피스톤이 상사점 부근에 있을 때 가격받는 충격은 많은 기계소음과 출력저하의 직접적인 원인이 되고 있을 뿐 아니라, 실린더 내벽과 피스톤의 마모를촉진시키므로 수명을 단축시킨다. 또한 피스톤의 압축성능을 떨어트려 연료의 불완전 연소를 유발함으로써 연료소비증가와 함께 매연증가에도 적잖은 영향을 미친다.

본 출원인은 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명을 하기에 앞서 피스톤 충격을 연접봉에서 흡수 및 저장하여 그 충격력을 피스톤 운동으로 회생시키는 '충격흡수 축력식 커넥팅로드'를 창안, 1996년 특허출원 제10442호로 출원하여 등록사정받은 바 있다.

본 발명에서의 목적은 연소가스 압력으로 직접 가격되는 피스톤 헤드에서 충격을 흡수하여 그 충격을 최소화하면서 그 흡수된 충격을 저장하여 피스톤 운동에 회생시킴으로써 상기한 제반 문제점을 해결할 수 있는 축력식 충격흡수 구조로 개선된 피스톤을 제공하고자 한다.

도 1은 내연기관의 원리를 설명하기 위해 4행정 사이클 가솔린 기관을 도시한 개요도.

도 2는 종래에 사용되고 있는 통상적인 내연기관의 피스톤을 부분 절단하여 도시한 사시도.

도 3은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 내연기관의 충격흡수 피스톤을 보인 사시도(원내는 피스톤의 헤드 표면 일부를 확대발췌한 단면도).

도 4a 및 4b는 도 3에 도시된 피스톤 헤드에 형성되는 요철부 형상을 보인 평면도.

도 5는 본 발명의 두 번째 실시예에 따라 축력식 충격흡수장치가 결합된 내연기관의 충격흡수 피스톤을 부분 절단 및 분리하여 도시한 사시도.

도 6은 도 5에 도시된 축력식 충격흡수장치의 결합상태를 보인 단면도.

도 7은 도 5에 도시된 축력식 충격흡수장치의 동작상태 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10,10' : 피스톤11 : 헤드

12;12a,12b : 요철부13 : 충격흡수실

20 : 축력식 충격흡수장치21 : 보조피스톤

22 : 안내봉23 : 스프링부재

24 : 고정키25 : 고정판

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

팽창행정시 연소가스 압력으로 가격되는 피스톤 헤드 표면에 충격을 흡수할 수 있는 신축적 공간으로서 적어도 하나의 오목한 충격흡수실을 형성하고, 그 충격흡수실에는 연소가스 압력에 의한 순간 충격에 신축적으로 대응할 수 있는 축력식 충격흡수장치로서, 그 충격흡수실에 또하나의 보조피스톤을 이동가능하게 수용시키고, 그 보조피스톤이 연소가스 압력에 의한 순간 충격으로 밀려나게 될 때 수축하여 곧바로 복원시킬 수 있는 탄력을 보유하는 스프링부재를 사용하여 그 보조피스톤을 충격에 대항하는 방향으로 탄력지지하여 구성한다.

즉, 압축행정이 종료되는 지점인 피스톤이 상사점 부근에 있을 때 점화되어 순간적으로 가해지는 연소가스 압력에 대해 그 헤드 일부를 점하는 보조피스톤이 스프링부재를 억누르면서 일단 물러나게 하여 그 연소가스 압력에 의한 순간적인 충격을 흡수하게 한 다음, 그 충격 직후에는 복원되게 하여, 그 복원시에 작용하는 반력을 이용, 그 충격에 상당하는 힘을 회생시키는 작용을 통해 피스톤 운동을 돕도록 구성하는 것이다.

여기서 보조피스톤은 그 상면이 헤드 표면의 일부를 담당케 하며, 스프링부재는 가스압력에 의한 순간 충격에는 수축되어지나 압축행정시에 작용하는 연소실 내의 압력을 충분히 능가하는 탄력을 보유케 하는 것이 바람직하다.

더 바람직하게는 헤드 표면 및 보조피스톤의 상면에 상기한 바와같은 요철부를 형성함으로써 더욱 효과적으로 충격을 약화 내지 흡수하고 저장하여 회생시킬 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 더욱 자세하게 설명한다.

첫 번째 실시예로서, 도 3에 도시된 피스톤(10)은 그 헤드(11)에 원내의 확대발췌 단면도에서 보는 바와 같이 균등하게 배치되는 다수의 요철부(12)를 형성하여 된다. 요철부는 예컨대, 도 4a와 같이 삼각뿔 모양이나 도 4b와 같이 사각뿔 모양의 오목홈(12a,12b)을 사방연속무늬의 형태로 균등하게 배치되도록 형성할 수 있으며, 또한 도시하지는 않았으나 여러가지 모양의 홈 또는 돌기를 형성하여 그 표면적을 넓힐 수 있을 것이다.

이와같은 구조의 피스톤(10)는 전술한 바와 같이 그 헤드(11)의 표면적이 다수의 요철부(12;12a,12b)에 의하여 넓어진 만큼 동일한 크기로 가격되는 연소가스 압력이 분산되어 작용하게 되므로 단위면적당 가해지는 압력이 상대적으로 약화되고, 따라서 초기의 연소가스 압력에 의한 충격을 덜 받게 되는 것이다.

다음, 두 번째 실시예로서, 도 5에 보인 피스톤(10')은 헤드(11) 표면에 오목하게 2개소에 형성된 원형의 충격흡수실(13)을 가지고 있으며, 그 충격흡수실(13)에 축력식 충격흡수장치(20)가 결합되는 구조이다. 도면에는 축력식 충격흡수장치(20)가 2개소에 결합되어 있으나 하나만 있어도 되며, 또한 효과상승을 위해 더 많이 구비될 수도 있다. 피스톤(10')은 그 충격흡수장치(20)와 함께 헤드(11)에 전술한 바와 같은 다수의 요철부가 형성된 구조로 되어 있다.

축력식 충격흡수장치(20)는 피스톤 헤드(11)에 형성된 충격흡수실(13)에 이동가능하게 수용되는 보조피스톤(21), 이 보조피스톤(21) 밑 중심에 일체로 형성되어 충격흡수실(13) 바닥면 중앙부에 뚫린 안내구멍(14)에 삽입되어 보조피스톤(21)의 이동을 안내하는 안내봉(22), 이 안내봉(22)을 관통시킨 채로 충격흡수실(13) 바닥면과 보조피스톤(21) 밑면 사이에 개재되어 그 보조피스톤(21)을 탄력적으로 지지하여 주는 스프링부재(23), 충격흡수실(13) 바닥면의 안내구멍(14) 이면측에서 그 안내구멍(14)을 통과한 보조피스톤(21)의 안내봉(22)을 이탈되지 않게 고정하기 위해 그 안내봉(22)의 키홈(22a)에 끼우도록 된 고정키(24), 안내봉(22)을 관통시킨 채 피스톤 헤드(11)의 내면(15)과 고정키(24) 사이에 개재되어 안내봉(22)의 일정한 왕복이동을 허용하면서 위쪽으로 이탈되지 않게 고정하기 위한 고정판(25)으로 구성된다.

보조피스톤(21)에는 링홈(21a)이 형성되어 있고 거기에 피스톤링(26)을 끼우도록 한다. 피스톤링(26)은 충격흡수실(13) 내벽과 절술한 연소실을 기밀하게 차단하여 연소가스의 유출을 방지하기 위한 것이다.

스프링부재(23)는 원환상의 고탄력 탄성판을 원주방향에 일정간격으로 절결하여 만든 판스프링 형태로 제작한다. 물론 스프링부재(23)는 주지된 코일스프링을 사용하여도 된다.

고정판(25)은 넓은 면적의 사각판으로서, 가운데 안내봉(22)을 관통시킬 수 있게 뚫은 구멍(25a)을 가지고 있으며, 1차 조립한 도 6에 나타난 가상선 상태에서 모퉁이 부분(25b)을 2단절곡시켜 안내봉(22)의 키홈(24)에 삽입된 고정키(24)가 이완되지 않게 구속하는 형태로 변형시켜 고정하도록 된 것이다. 이와같이 고정키(24)와 고정판(25)으로 고정한 이유는 강한 탄력을 보유하는 스프링부재(23)에 대항하여 넓은 면적으로 피스톤 헤드(11)의 내면을 접하게 됨으로써 보다 안정된 결합을 꾀하기 위함이다.

스프링부재(23)는 전술했던 바와 같이 가스압력에 의한 순간 충격에는 수축되어지고 압축행정시에 작용하는 연소실 내의 최대 압력을 충분히 능가하는 탄력을 보유하도록 제작되었다. 한편 보조피스톤(21)은 실린더 연소실의 환경을 감안, 고온고압에 대해 충분한 내구성을 갖도록 피스톤 헤드(11)와 동일재질로 하고, 스프링부재(23)의 탄력을 받아 고정판(25)이 허용하는 범위에서 최대로 상승되었을 때 그 상면이 피스톤 헤드(11)의 표면과 동일 높이에 있게 하여 그 헤드(11)의 일부를 담당토록 하고, 그 상면과 헤드(11)에 전술한 바와 같은 요철부(12)를 형성하였다.

한편, 충격흡수실 바닥의 안내구멍(14) 내주에 시일홈(14a)을 형성하고 오일시일링(17)을 끼우게 한다. 오일시일링(17)은 보조피스톤에 달린 안내봉(22)과의 사이에 기밀을 유지하여 실린더 하부의 크랭크실로부터의 냉각 및 윤활용 오일이 침투되지 않게 한다.

이하, 상기와 같은 축력식 충격흡수 피스톤(10')에 결합된 축력식 충격흡수장치(20)의 작동을 설명한다.

도 6과 같은 상태에서 피스톤(10')이 압축행정을 위해 상승되면, 전술한 도 1의 실린더 연소실에 흡입된 공기와 연료가 압축되는데, 이때 연소실 내의 압력보다 스프링부재(23)의 탄력이 충분히 강하므로 보조피스톤(21)은 그 상면이 피스톤헤드(11)와 동일높이로 유지된 상태에 있게 된다.

피스톤(10')이 상사점 부근에 이르렀을 때, 즉 압축행정이 종료되는 시점에서 팽창행정을 위해 연소실에 압축된 연료를 점화시키면 그 점화 직후 폭발적으로 연소되는 연소가스 압력이 스프링부재(23)의 탄력보다 크므로 도 7과 같이 보조피스톤(21)이 스프링부재(23)를 억누르는 상태로 밀려나므로 그 폭발 순간에 가격되는 충격이 보조피스톤(21)을 통해 스프링부재(23)에 의해 흡수되고, 따라서 피스톤(10')이 상사점 부근에서 그 충격에 의해 피스톤 운동에 방해받거나 연직상태의 연접봉을 통해 충격이 부하측으로 전달되는 현상은 크게 줄어든다. 한편, 충격을 흡수하도록 억눌려진 스프링부재(23)은 그 충격에 상당하는 힘과 평형을 이루는 회생가능한 탄력을 보유하게 되므로 그 힘을 저장하고 있는 상태에 있는 것이다.

이어, 도 7과 같은 상태에서 충격 직후 연소가스 압력에 의해 피스톤(10')이 상사점을 지나서 하강하게 됨에 따라 연소실의 부피가 증가되어 그 압력이 억눌려진 스프링부재(23)의 탄력보다 약해지면, 억눌린 스프링부재(23)의 복원력에 의해 대단히 빠르게 상승된다. 이와같이 보조피스톤(21) 상승되면 연소실의 부피가 축소되어야 하는데, 사실상 피스톤(10')에 대하여 그 연소실은 하나의 고형체와 같으므로 보조피스톤(21)을 상승시키려는 스프링부재(23)에 저장된 힘에 대응한 복원력은 피스톤 헤드(11)를 역으로 가압하는 반력으로 작용하여 피스톤(10')의 그 하강운동을 가속화시키게 된다.

즉, 폭발적으로 연소되는 연소가스 압력이 처음 가격되는 순간의 충격을 흡수하면서 그 충격에 상당하는 힘을 저장하였다가 그 충격 직후에 피스톤 운동을 가속화시키는 유효출력으로 회생시키는 작용을 수행하는 것이다.

이상의 실시예를 통하여 설명한 바와 같이 본 발명은 피스톤 헤드의 표면을 널링하여 그 표면적을 넓힘으로써 폭발적으로 연소되는 연소가스 압력에 의해 초기 가격되는 충격을 덜 받는 피스톤을 제공하고, 또한 그 충격을 흡수 및 저장하여 유효출력으로 회생시킬 수 있는 축력식 충격흡수장치를 결합시킨 피스톤을 제공하는 것이다.

따라서 본 발명은 내연기관에서의 팽창행정 초기의 큰 충격을 배제함으로써 피스톤노크 등의 기계소음을 현저히 줄이고, 충격을 흡수 및 저장하여 유효출력으로 회생시키므로 내연기관의 출력을 높여주는데 효과적이다. 뿐만 아니라 본 발명은 충격의 영향을 최소화하므로 마모를 줄일 수 있어서 수명을 연장시키고, 또한 높은 출력과 피스톤의 압축성능을 증강시켜 연료의 연소효율을 높여주게 되므로 저연비 및 매연감소에도 효과적인 발명이 될 것이다.

본 발명은 상기에 설명되고 도면으로 예시된 것에 의하여 한정되는 것은 아니며 다음에 기재되는 청구의 범위 내에서 다양한 형태의 변형 및 변용도 가능한 것이다.

Claims (4)

1. 내연기관의 실린더 내에 수용되어 연소가스 압력으로 이동하게 된 내연기관의 피스톤에 있어서, 연소가스 압력이 가해지는 피스톤 몸체의 헤드 표면에 오목하게 형성된 적어도 하나의 충격흡수실과, 이 충격흡수실에 이동가능하게 수용된 보조피스톤과, 이 보조피스톤에 가해지는 충격을 흡수하도록 수축된 후 복원하려는 탄력을 보유하여 그 보조피스톤을 충격에 대항하는 방향으로 지지하여 주는 스프링부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 충격흡수 피스톤.
2. 제2항에 있어서, 상기한 보조피스톤이 그 이동을 안내하도록 형성되는 안내봉을 가지고 있고, 상기한 충격흡수실 바닥면에 그 안내봉을 관통시켜 지지하도록 형성된 안내구멍이 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 충격흡수 피스톤.
3. 제3항에 있어서, 상기한 안내구멍 외측에서 상기한 안내봉 단부를 이탈되지 않게 고정하는 수단이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 충격흡수피스톤.
4. 제2항에 있어서, 상기 피스톤 몸체의 헤드 표면 및 상기 보조피스톤에 그 표면적이 넓어지도록 다수의 요철부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 충격흡수 피스톤.