KR100488565B1 - 피스톤의 윤활 및 냉각구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤의 왕복운동 도중에 피스톤의 외주면으로 오일이 공급될 수 있도록 피스톤의 내측에 오일 저장공간이 형성되고, 상기 오일 저장공간으로 오일이 공급될 수 있도록 커넥팅 로드에 오일 홀이 형성되는 피스톤의 윤활 및 냉각구조에 관한 것으로,

피스톤의 상부 외주면에 오일 링 및 압축 링이 장착되고, 그 하단부에는 커넥팅 로드가 링크 결합된 채 실린더에 내재되는 피스톤의 구조에 있어서,

상기한 피스톤의 내측에 실린더의 내벽으로 오일이 배출될 수 있도록 피스톤의 중간부 외주면과 연통되는 오일 저장공간과;

상기 오일 저장공간으로 오일펌프에서 펌핑된 오일이 유입될 수 있도록 커넥팅 로드의 내부에 마련되는 오일 홀과;

상기한 오일 저장공간과 오일 홀이 연결되는 부위에 마련되는 밸브장착부와;

상기 밸브장착부의 상측에 그 단면형상이 접시모양으로 형성되며, 그 도중에는 오일이 통과되도록 하기 위한 다수의 오일통과홀이 상하방향으로 형성되는 밸브시트와;

상부에 밸브면이 마련되고 하부에 밸브스템이 마련되어 상기한 밸브장착부에 상하방향으로 배치되어지는 밸브와;

상기한 밸브의 밸브스템 하부에 마련되는 캡을 매개로 하여 상기한 밸브를 탄력지지하기 위한 스프링; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

피스톤의 윤활 및 냉각구조{Cooling and lubrication apparatus for piston}

본 발명은 피스톤의 윤활 및 냉각구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피스톤의 왕복운동 도중에 피스톤의 외주면으로 오일이 공급될 수 있도록 피스톤의 내측에 오일 저장공간이 형성되고, 상기 오일 저장공간으로 오일이 공급될 수 있도록 커넥팅 로드에 오일 홀이 형성되는 피스톤의 윤활 및 냉각구조에 관한 것이다.

피스톤 링의 역할은 압축과 팽창가스 압력에 대해서 연소실의 기밀을 유지하고, 팽창가스가 연소실에서 크랭크 케이스로 누설되는 것을 방지함과 동시에 피스톤이 받은 열의 대부분을 실린더 벽에 전달한다. 또한, 실린더 벽에 뿌려진 오일을 긁어내려 필요 최소한의 유막을 만듦과 동시에 남은 오일이 연소실로 침입해서 올라가는 것을 방지하고 있다.

이 중에서 주로 기밀유지에 사용되는 링을 압축 링(Compression ring)이라고 하며, 오일을 긁어내리는 작용을 하는 일을 오일 링(Oil ring)이라고 한다. 일반적인 자동차의 가솔린 엔진에는 2개의 압축 링과 1~2개의 오일 링이 사용된다.

이와 같은 피스톤 링은 내원과 외원이 동심원으로 되어 있으며, 압축 링은 기밀작용 이외에 일부 오일을 긁어내리는 작용이 이루어질 수 있도록 그 단면형상이 테이퍼형이나 언더 컷형으로 형성된다.

도 5는 일반적인 엔진의 실린더 형상을 도시한 것으로서, 엔진의 실린더(11)에는 피스톤(12)이 수용되고, 상기 실린더(11) 및 피스톤(12)을 냉각하기 위한 냉각수가 통과되는 워터 재킷(13)이 실린더 블럭(10)의 실린더 둘레에 걸쳐 마련된다. 또한, 상기한 피스톤(12)의 상부 외주면에는 상술한 바와 같이 압축 링(14)과 오일 링(15)이 장착되어진다.

한편, 크랭크 축에 축지된 피스톤(12)이 상하이동되고 연료의 연소과정에서 발생되는 열과 마찰이 상기한 워터 재킷(13)을 통과하는 냉각수와, 피스톤(12)의 하측으로 공급되어지는 엔진 오일에 의해서 냉각되고 윤활되어지는 것이다.

그러나 엔진이 가동되는 도중에는 실린더 벽면으로 오일이 지속적으로 공급되지만, 엔진이 정지하면 상기 실린더로 오일이 공급되지 않고 차량이 장기 정차하는 경우에는 상기 실린더 벽면에 오일이 남아 있지 않게 된다. 따라서 엔진이 시동되면, 상기 실린더와 피스톤 사이의 윤활작용이 원활하지 않아 마찰이 발생하게 되고, 이로 인해 상기 실린더 벽면이 심하게 손상되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 피스톤의 왕복운동 도중에 피스톤의 외주면으로 오일이 공급될 수 있도록 피스톤의 내측에 오일 저장공간이 형성되고, 상기 오일 저장공간으로 오일이 공급될 수 있도록 커넥팅 로드에 오일 홀이 형성되는 피스톤의 윤활 및 냉각구조를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

피스톤의 상부 외주면에 오일 링 및 압축 링이 장착되고, 그 하단부에는 커넥팅 로드가 링크 결합된 채 실린더에 내재되는 피스톤의 구조에 있어서,

상기한 피스톤의 내측에 실린더의 내벽으로 오일이 배출될 수 있도록 피스톤의 중간부 외주면과 연통되는 오일 저장공간과;

상기 오일 저장공간으로 오일펌프에서 펌핑된 오일이 유입될 수 있도록 커넥팅 로드의 내부에 마련되는 오일 홀과;

상기한 오일 저장공간과 오일 홀이 연결되는 부위에 마련되는 밸브장착부와;

상기 밸브장착부의 상측에 그 단면형상이 접시모양으로 형성되며, 그 도중에는 오일이 통과되도록 하기 위한 다수의 오일통과홀이 상하방향으로 형성되는 밸브시트와;

상부에 밸브면이 마련되고 하부에 밸브스템이 마련되어 상기한 밸브장착부에 상하방향으로 배치되어지는 밸브와;

상기한 밸브의 밸브스템 하부에 마련되는 캡을 매개로 하여 상기한 밸브를 탄력지지하기 위한 스프링; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 피스톤의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 피스톤의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 피스톤의 요부확대도이고, 도 3은 본 발명의 작동상태를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 A-A선 단면도이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 20은 본 발명에 의해 형성되는 피스톤을 지시하는 것이고, 도면부호 40은 본 발명에 의한 피스톤에 적용되는 밸브를 지시하는 것이다.

상기한 피스톤(20)의 외형은 종래의 일반적인 피스톤과 마찬가지로 그 상부에 다수의 링 홈(21)이 형성된다. 상기한 피스톤(20)의 중간부에는 오일이 저장되는 오일 저장공간(22)이 형성되는데, 이 오일 저장공간(22)은 밸브장착부(26)의 상부에 마련되는 제1리저버(23)와 상기 제1리저버(23)의 외주에 마련되는 제2리저버(24)로 양분된 채로 구성된다.

상기한 제1리저버(23)는 피스톤(20)의 중심부 중간위치에 원통형으로 형성되는 것으로, 커넥팅 로드(30)에 형성되는 오일 홀(31)과 연통될 수 있도록 형성된다. 그리고 상기 제2리저버(24)는 상기한 제1리저버(23)의 상부 외측으로 흘러넘치게 되는 오일이 고일 수 있도록 제1리저버(23)의 외측에 그 단면형상이 새의 날개가 펼쳐진 모양의 홈으로 형성된다. 상기 제2리저버(24)의 저면부 위치는 상기 제1리저버(23)의 깊이 만큼이면 적당하고, 그 일측의 단면형상을 살펴보면 도면에서와 같이 움푹파인 웅덩이의 형상을 하게 된다.

즉, 상기한 제1리저버(23)와 제2리저버(24)는 도면에서와 같이 그 단면형상이 새의 날개가 펼쳐진 모양과 같이 서로 연통되어지고, 제1리저버(23)의 상부에는 하측으로 향하여 돌출되는 돌출부(25)가 형성된다. 이 돌출부(25)는 제1리저버(23)에 저장되어 있던 오일이 양측의 제2리저버(24)로 골고루 분배될 수 있도록 하기 위한 것이다.

한편, 상기한 오일 저장공간(22)으로 오일이 공급될 수 있도록 하기 위해 피스톤 핀(32)으로써 상기한 피스톤(20)과 힌지결합되는 커넥팅 로드(30)의 도중에는 오일 홀(31)이 형성된다. 상기 오일 홀(31)은 윤활을 위해 크랭크 축(35) 상으로 분사되는 오일이 커넥팅 로드(30)의 저널부(33)를 통해 유입되어 피스톤 핀(32)이 축삽된 위치까지 안내되도록 하기 위한 것이다. 이렇게 피스톤 핀(32)이 끼워지는 축공(34)까지 유도된 오일이 계속해서 상기한 제1리저버(23)까지 유도될 수 있도록 상기 축공(34)과 제1리저버(23) 사이에는 오일 홀(31)이 연장형성된다.

그리고 상기한 제1리저버(23)와 오일 홀(31)이 연결되는 부위에는 하향으로 관통되는 밸브장착부(26)가 형성된다. 상기 밸브장착부(26)에는 엔진의 흡기밸브 및 배기밸브의 형상을 한 밸브(40)가 장착되는데, 상기한 밸브(40)는 그 상부에 접시모양의 밸브면(41)이 마련되고 하부에는 원기둥형상의 밸브스템(42)이 길게 마련되어 상기 밸브장착부(26)에 수직상으로 배치될 수 있도록 구성된다.

이를 위해, 밸브장착부(26)의 상측에는 밸브(40)의 밸브면(41)이 위치될 밸브시트(27)가 접시모양의 단면형상으로 형성되고, 상기 밸브시트(27)의 중앙으로 관통된 밸브장착부(26)의 외주에는 오일 홀(31)을 통과한 오일이 제1리저버(23)로 상향되도록 하기 위한 오일통과홀(28)이 상하방향으로 여러개 형성된다. 즉, 상기한 밸브(40)의 상하이동에 따라 밸브면(41)에 의해서 상기 오일통과홀(28)이 개폐되도록 구성되는 것이다.

그리고 상기한 밸브스템(42)의 하부 끝단에는 스프링(43)의 일끝단을 탄력지지하기 위한 캡(44)이 끼워지고, 상기 캡(44)의 내주면과 밸브스템(42)의 외주면 간에는 쐐기역할을 하는 코터(45)를 끼워 상기 캡(44)이 밸브스템(42)에 고정되도록 구성된다. 또한, 상기한 오일통과홀(28)의 하부와 상기한 캡(44) 사이에는 밸브(40)를 탄력지지하기 위한 스프링(43)이 개재된다. 이 스프링(43)은 일반적인 상황일 때에는 상기 밸브면(41)이 밸브시트(27)에 밀착되도록 하여 밸브(40)가 닫힌 상태가 되도록 하고, 피스톤(20)이 상하이동되는 경우에는 그에 따른 관성력과 오일 홀(31)을 통과한 오일의 압력에 수축되어 밸브(40)가 열리도록 하는 역할을 하는 것이다.

도면 중의 미설명 부호 29는 밸브(40)의 상하이동을 안내하기 위한 가이드이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

엔진이 시동되면 상기한 피스톤(20)은 실린더 내에서 상하로 왕복운동되어지고, 운전자가 차량을 고속으로 운행하고자 하는 의도에 따라서 상기한 피스톤(20)은 더욱 빠르게 왕복운동된다.

이 과정에서 상기한 피스톤(20)의 윤활을 위해서 크랭크 케이스 내부에는 엔진오일이 분사되고, 이렇게 분사되는 오일의 일부는 크랭크 축(35)에 축지되는 커넥팅 로드(30)의 저널부에 유입되어진다.

상기와 같이 커넥팅 로드(30)의 저널부로 입력되는 오일은 상기한 오일 홀(31)을 따라서 피스톤 핀(32)의 위치까지 상승된다. 이렇게 상승된 오일의 일부는 피스톤 핀(32)을 윤활하게 되고, 나머지의 오일은 계속해서 축공(34)과 제1리저버(23)를 연결하는 오일 홀(31)을 따라 상승된다.

상기한 오일 홀(31)을 따라 상승되는 오일은 상기한 밸브(40)를 밀어올리고, 벌어진 틈을 통해 제1리저버(23)로 유입된다. 즉, 오일의 상승압력과 피스톤이 하강하는 경우의 관성력에 의해서 밸브(40)가 상승되므로서 오일통과홀(28)이 개방되어 오일 홀(31)의 오일이 제1리저버(23)로 이동되는 것이 허용되는 것이다. 그리고 제1리저버(23)를 채운 오일은 제2리저버(24)로 흘러 넘치게 되어 제2리저버(24)에 저장된다.

또한, 피스톤(20)의 상승작동시에는 상기한 밸브(40)는 관성력에 의해서 하측으로 이동되어 오일통과홀(28)을 닫게 되어, 제1리저버(23)에 유입된 오일이 하측으로 흐르게 되는 것이 방지된다.

따라서 피스톤(20)의 상승시에는 오일통과홀(28)이 열리게 되어 오일 홀(31)의 오일이 상기 제1리저버(23)로 유입되고, 피스톤(20)이 하강시에는 상기 오일통과홀(28)이 닫히게 되어 오일 홀(31)의 오일이 제1리저버(23)로 유입되는 것이 차단된다.

상기와 같이 제1리저버(23) 및 제2리저버(24)를 채우게 되는 오일은 고온의 피스톤(20)을 냉각하게 되고, 피스톤(20)의 상하왕복 운동에 따라 유입되는 오일의 양만큼씩의 오일이 피스톤(20)의 외주면으로 빠져나가 실린더 벽면과의 마찰을 윤활하게 된다.

특히, 엔진이 정지되었을 경우에도 상기한 제1리저버(23) 및 제2리저버(24)에는 오일이 채워져 있게 되므로서, 엔진이 다시 시동되었을 경우에 피스톤(20)의 가동과 동시에 곧바로 실린더 벽면으로 오일이 공급된다.

따라서 엔진의 냉시동시에도 피스톤(20)과 실린더 벽 사이에 윤활이 이루어지게 되므로서 엔진의 내구성이 증대되어진다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 제1리저버 및 제2리저버에 항상 소정량의 오일이 채워지게 되므로서 피스톤의 냉각성능이 향상될 뿐만 아니라, 엔진의 시동정지 후에도 제1리저버 및 제2리저버에 오일이 채워져 있게 되므로서 엔진이 다시 시동되었을 경우에 시동과 동시에 피스톤과 실린더 벽 사이의 윤활이 이루어져 엔진의 내구성능을 향상시키는데 커다란 역할을 하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 피스톤의 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 피스톤의 요부확대도.

도 3은 본 발명의 작동상태를 설명하기 위한 도면.

도 4는 A-A선 단면도.

도 5는 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 피스톤 22 : 오일 저장공간

23 : 제1리저버 24 : 제2리저버

26 : 밸브장착부 30 : 커넥팅 로드

31 : 오일 홀 32 : 피스톤 핀

40 : 밸브 41 : 밸브면

42 : 밸브스템 43 : 스프링

Claims (2)

1. 피스톤의 상부 외주면에 오일 링 및 압축 링이 장착되고, 그 하단부에는 커넥팅 로드가 링크 결합된 채 실린더에 내재되는 피스톤의 구조에 있어서,

   상기한 피스톤(20)의 내측에 실린더의 내벽으로 오일이 배출될 수 있도록 피스톤(20)의 중간부 외주면과 연통되는 오일 저장공간(22)과;

   상기 오일 저장공간(22)으로 오일펌프에서 펌핑된 오일이 유입될 수 있도록 커넥팅 로드(30)의 내부에 마련되는 오일 홀(31)과;

   상기한 오일 저장공간(22)과 오일 홀(31)이 연결되는 부위에 마련되는 밸브장착부(26)와;

   상기 밸브장착부(26)의 상측에 그 단면형상이 접시모양으로 형성되며, 그 도중에는 오일이 통과되도록 하기 위한 다수의 오일통과홀(28)이 상하방향으로 형성되는 밸브시트(27)와;

   상부에 밸브면(41)이 마련되고 하부에 밸브스템(42)이 마련되어 상기한 밸브장착부(26)에 상하방향으로 배치되어지는 밸브(40)와;

   상기한 밸브(40)의 밸브스템(42) 하부에 마련되는 캡(44)을 매개로 하여 상기한 밸브(40)를 탄력지지하기 위한 스프링(43); 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤의 윤활 및 냉각구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기한 오일 저장공간(22)은 밸브(40)의 상측에 마련되는 제1리저버(23)와, 상기 제1리저버(23)의 외주에 마련되는 제2리저버(24)로 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤의 윤활 및 냉각구조.