KR100488567B1 - 피스톤의 슬랩 소음 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤의 측면이 실린더 내벽에 부딪치면서 발생되는 마찰에 의해 발생되는 슬랩 소음을 저감시키기 위한 탑 링을 경사지게 형성한 피스톤의 슬랩 소음 저감장치에 관한 것으로,

외주면 상부에 압축 링 및 오일 링이 끼워지기 위한 다수의 링 그루브가 형성되고, 그 중간부가 피스톤 핀으로써 커넥팅 로드의 상단부와 축결합된 채로 엔진의 실린더 내부에 수용되어 상하 왕복운동되는 피스톤에 있어서,

상기한 피스톤 핀의 위치가 피스톤의 무게 중심과 동일한 수직선 상에 존재하도록 하여 피스톤과 실린더의 마찰이 줄어들도록 하기 위해, 상기한 피스톤의 외주면 상부에 끼워지는 탑 링의 장착각도가 일측으로 경사진 채로 장착될 수 있도록 상기 피스톤의 최상위 링 그루브가 일측으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

피스톤의 슬랩 소음 저감장치{Noise reducing apparatus of piston}

본 발명은 피스톤의 슬랩 소음 저감장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피스톤의 측면이 실린더 내벽에 부딪치면서 발생되는 마찰에 의해 발생되는 슬랩 소음을 저감시키기 위한 탑 링을 경사지게 형성한 피스톤의 슬랩 소음 저감장치에 관한 것이다.

차량 엔진에 적용되는 피스톤은 실린더를 왕복운동하면서 팽창행정에서 고온고압의 가스 압력을 받아 이것을 피스톤 로드를 거쳐 크랭크 샤프트에 회전력을 주는 기구로써, 도 4에 도시하는 것과 같이 피스톤(10)에 피스톤 핀(11)을 끼우고, 피스톤 핀(11)을 커넥팅 로드(12)의 소단부에 계합하고, 커넥팅 로드(12)의 대단부는 크랭크 샤프트에 계합되는 구조로 되어 있다.

한편, 피스톤은 이러한 엔진의 연소 로드의 전달을 위해서 실린더 라이터에서 상하운동을 하는데, 이러한 엔진 메카니즘 때문에 상기한 피스톤과 실린더 벽 사이에는 소정 간격의 클리어런스(Clearance)가 존재하게 된다.

이때, 상기한 피스톤과 실린더 벽과의 클리어런스 때문에 피스톤이 교축운동(Transverse Motion)을 하게 된다. 즉, A쓰러스트 측에서 쓰러스트 측으로 운동하면서 피스톤이 실린더 벽과 부딪쳐 충격을 받게 되는 것이다.

즉, 피스톤은 작동 중에 상사점에서 측압을 받는 면이 바뀌므로 피스톤의 틈새만큼 피스톤이 옆으로 이동하여 실린더 벽에 부딪치면서 피스톤 슬랩에 의한 소음이 발생되는 것이다.

이러한 슬랩 소음을 방지하기 위한 종래의 방법으로는 피스톤과 실린더 벽 사이의 클리어런스를 줄리는 방법과, 오프 셋 피스톤을 적용하는 방법이 있었다.

상기한 오프 셋 피스톤은 피스톤의 중심에 대해 피스톤 핀의 중심을 쓰러스트 쪽으로 1.0 ~ 2.5 mm정도 편심되게 설정하는 것이다.

따라서 상기한 오프 셋 피스톤이 적용되는 경우에는 피스톤 핀이 중심을 쓰러스트 쪽으로 편심이 되게 하므로서, 상사점 전에 가스의 압력에 의한 힘가 피스톤 운동에 의한 관성력때문에 피스톤 핀 주위에 모멘트가 생겨 피스톤의 상부 일측이 먼저 쓰러스트 쪽의 실린더 벽면에 닿게 되고, 다음에 피스톤의 스커트부 일측이 상사점 후에 쓰러스트 쪽으로 이동하므로 충격이 완하되도록 구성되는 것이다.

그러나 상기와 같은 오프 셋 피스톤이 적용되는 경우에 피스톤의 무게 중심이 피스톤 핀 보어의 중심에서 어긋나게 형성된 채로 피스톤의 회전운동때문에 마찰 손실이 증가하게 되는 단점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 피스톤의 측면이 실린더 내벽에 부딪치면서 발생되는 마찰에 의해 발생되는 슬랩 소음을 저감시키기 위한 탑 링을 경사지게 형성한 피스톤의 슬랩 소음 저감장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

외주면 상부에 압축 링 및 오일 링이 끼워지기 위한 다수의 링 그루브가 형성되고, 그 중간부가 피스톤 핀으로써 커넥팅 로드의 상단부와 축결합된 채로 엔진의 실린더 내부에 수용되어 상하 왕복운동되는 피스톤에 있어서,

상기한 피스톤 핀의 위치가 피스톤의 무게 중심과 동일한 수직선 상에 존재하도록 하여 피스톤과 실린더의 마찰이 줄어들도록 하기 위해, 상기한 피스톤의 외주면 상부에 끼워지는 탑 링의 장착각도가 일측으로 경사진 채로 장착될 수 있도록 상기 피스톤의 최상위 링 그루브가 일측으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

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

도 1은 본 발명에 의해 형성되는 피스톤의 측면도이고, 도 2 내지 도 3은 본 발명에 의해 설정되는 링 그루브의 경사각도를 설명하기 위한 도면이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 20은 본 발명에 의한 피스톤을 지시하는 것이고, 도면부호 30은 탑 링을 지시하는 것이다.

상기한 피스톤(20)의 외주면 상부에 종래의 일반적인 피스톤과 마찬가지로 다수의 링 그루브(21,22,23)가 형성되는데, 상기한 링 그루브(21,22,23) 중 최상위에 위치되는 링 그루브(21)는 일측으로 경사지게 형성되는데, 특히 상기 링 그루브(21)는 A쓰러스트 측은 높고 쓰러스트 측은 낮게 형성되는 것이다.

다음은 첨부한 도면을 참고하며 본 발명에 의해 상기한 링 그루브(21)의 경사각이 설정되는 방법을 설명한다.

우선, 피스톤의 슬랩 소음을 저감시키기 위해서는 압축 상사점 부근에서 피스톤이 회전 모멘트를 받아 피스톤이 틸팅되는 것이 필요한데, 피스톤 핀 오프 셋에 따라 피스톤 핀에 작용하는 회전 모멘트(M)를 구하면 다음과 같이 표현된다.

----------------------(1)

여기서, D는 피스톤의 직경, P는 연소실 압력, ε는 피스톤 핀 오프 셋 량을 나타낸다. 피스톤 슬랩 소음을 저감시키기 위해서 식 (1)과 동일한 크기의 회전 모멘트가 필요하다.

본 발명에서는 피스톤(20)에 회전 모멘트를 유발하기 위해 도 1에서와 같이 탑 링(30)이 경사지게 장착된 피스톤(20)을 이용한다. 도 1은 탑 링(30)의 경사각이 피스톤(20) 상면에 대해 θ만큼 기울어진 경우이다. 그러나 일부 피스톤의 경우에는 피스톤 상면이 실린더 라이너의 횡단면(라이너 축에 수직하는 면)과 기울어진 피스톤도 존재하므로, 탑 링의 경사각은 엄밀하게는 실린더 라이너의 횡단면에 대해 기울어진 각으로 정의하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 탑 링(30)이 경사지게 장착되는 피스톤(20)의 경우 연소압에 의한 수직 방향 작용력은 식 (1)과 동일하게 표현된다. 그러나 탑 링(30)이 경사지게 장착되는 피스톤(20)은 수평방향으로의 작용력이 발생하는데, 이를 도 2와 다음의 식들로 구할 수 있다. 쓰러스트 측 탑 랜드 길이(h_Th), 반쓰러스트 측 탑 랜드 길이(h_AT), 피스톤 직경(D)과 탑 링 경사각(θ)은 다음의 관계를 갖는다.

-------------------------(2)

또한, 위치별 탑 랜드 길이는 다음과 같이 표현되고,

-----------(3)

수평 방향 분력은 다음과 같이 표현되므로,

---------------------(4)

---------------------(5)

탑 링(30)이 경사지게 장착된 피스톤(20)의 연소압에 의한 수평방향 작용력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

-------(6)

피스톤 핀의 중심과 피스톤 탑 링 중심간의 거리를 L이라 하면, 수평방향 작용력에 의한 피스톤 핀 중심에서의 회전 모멘트는

------------------(7)

가 된다.

피스톤 핀 오프 셋과 동일한 효과를 내기 위해서 탑 링(30)이 경사지게 장착되는 피스톤(20)을 적용할 경우, 식 (1)과 식 (7)에서

, ----------------(8)

가 됨을 알 수 있다.

한편, 지금까지는 피스톤의 무게 중심이 피스톤의 기하학적 중심과 일치하는 경우에 대해 고찰하였으나, 피스톤의 무게 중심이 피스톤의 기하학적 중심과 일치하지 않는 경우에 대해서도 동일한 해석을 수행할 수 있다. 도 3과 같이 피스톤 무게 중심이 피스톤의 기하학적 중심과 α만큼 떨어져 있고, 피스톤 핀을 피스톤 무게 중심과 동일한 수직선 상에 설치한 경우, 연소압에 의한 수직방향 작용력은 피스톤의 기하학적 중심에 등가적으로 집중된다고 볼 수 있으므로, 피스톤 핀 중심에서의 회전 모멘트는

-----------(9)

로 표현되고, 피스톤 핀 오프 셋과 동일한 효과를 내기 위해서는 탑 링의 경사각을 다음과 같이 설정하여야 한다.

------------------------------(10)

이상의 설명에서와 같이 피스톤(20)의 상부에 위치되는 탑 링(30)의 장착 경사각이 상기한 식 (10)에 의해서 설정되므로서, 피스톤 핀(25)의 위치가 피스톤(20)의 무게중심과 동일한 수직선 상에 존재하게 된다.

따라서 상기한 피스톤(20)이 실린더 라이너 내를 상하왕복하는 과정에서 마찰이 감소되므로서 피스톤 마찰에 의한 슬랩 소음이 종래의 오프 셋 피스톤을 적용하는 엔진에 비해서 저감된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 피스톤 핀의 위치가 피스톤의 무게중심과 동일한 수직선 상에 위치될 수 있도록 피스톤의 외주면 상부에 장착되는 탑 링이 소정의 각도만큼 경사지게 장착되므로서, 피스톤의 실린더 라이너를 따라 상하이동되는 과정에서 마찰이 감소되어 피스톤의 마찰에 따른 슬랩 소음이 저감되는 커다란 장점이 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 탑 링이 장착된 상태의 피스톤의 측면도.

도 2는 본 발명에 의한 수학식을 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명에 의한 피스톤의 측면도.

도 4는 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 피스톤

21 : 최상위 링 그루브

22,23 : 링 그루브

25 : 피스톤 핀

30 : 탑 링

Claims (2)

1. 외주면 상부에 압축 링 및 오일 링이 끼워지기 위한 다수의 링 그루브가 형성되고, 그 중간부가 피스톤 핀으로써 커넥팅 로드의 상단부와 축결합된 채로 엔진의 실린더 내부에 수용되어 상하 왕복운동되는 피스톤에 있어서,

   상기한 피스톤 핀(25)의 위치가 피스톤(20)의 무게 중심과 동일한 수직선 상에 존재하도록 하여 피스톤(20)과 실린더의 마찰이 줄어들도록 하기 위해, 상기한 피스톤(20)의 외주면 상부에 끼워지는 탑 링(30)의 장착각도가 일측으로 경사진 채로 장착될 수 있도록 상기 피스톤(20)의 최상위 링 그루브(21)가 일측으로 경사지게 형성되어지되,

   상기한 피스톤(20)의 최상위 링 그루브(21)의 경사각도(θ)는 하기의 수학식에 의해서 설정되는 것을 특징으로 하는 피스톤의 슬랩 소음 저감장치.

   ( L은 피스톤 핀의 중심과 피스톤 탑 링 중심간의 거리이며, ε는 피스톤 핀 오프 셋 량이며, α는 피스톤의 무게 중심과 피스톤의 기하학적 중심과의 거리임.)
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