KR100534994B1 - 마찰손실 저감형 피스톤 기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤과 실린더 보아 사이에 구름 운동부재를 개재하여 특히 팽창행정시 피스톤에 구름 운동을 부여함으로써, 피스톤과 실린더 보아 간의 마찰손실을 줄일 수 있으며, 궁극적으로 동력손실 방지 및 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 마찰손실 저감형 피스톤 기구에 관한 것이다.

본 발명의 피스톤 기구는 피스톤 몸체상에는 내외측을 관통하면서 슬라이드 가능한 동시에 실린더 보아 벽면에 구름 접촉되는 구름 운동부재를 장착하고, 커넥팅 로드의 소단부 둘레에는 구름 운동부재와 접동가능한 캠을 형성하여, 피스톤의 행정시 실린더 보아 벽면에 대해 구름 운동하면서 행정이 이루어질 수 있도록 한 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마찰손실 저감형 피스톤 기구{Anti-friction loss type piston mechanism}

본 발명은 피스톤에 작용하는 측력을 감소시켜 마찰손실을 저감할 수 있는 피스톤 기구에 관한 것으로서, 특히 피스톤과 실린더 보아 사이에 구름 운동부재를 개재하여 특히 팽창행정시 피스톤에 구름 운동을 부여함으로써, 피스톤과 실린더 보아 간의 마찰손실을 줄일 수 있으며, 궁극적으로 동력손실 방지 및 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 마찰손실 저감형 피스톤 기구에 관한 것이다.

최근 연료비 상승과 배기규제 강화로 인해 저연비, 저에미션 등과 관련한 기술개발의 요구가 증대되고 있다.

특히, 엔진의 마찰손실을 줄이면 엔진의 열효율이 높아져 차량이 동일한 연료로 주행할 수 있는 거리가 증가하고, 동일한 일을 하기 위해서 투입되는 연료의 양도 줄어 대기오염을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

그러므로, 엔진의 마찰손실 저감은 저연비, 저에미션 차량 개발을 위해 아주 중요하다.

한편, 피스톤계에서 발생하는 마찰손실은 엔진을 포함하는 내연기관 전체 마찰손실의 40% 정도를 차지하므로, 이 부분의 마찰손실 저감은 엔진 효율 향상에 크게 기여할 수 있다.

엔진의 피스톤 기구에서 피스톤과 실린더 보아 사이의 마찰력은 피스톤이 실린더 보아에 가하는 측력과 큰 상관관계를 갖는다.

피스톤 측력은 피스톤에 작용하는 전체 합력과 크랭크축에 전달하는 커넥팅 로드의 각에 따라 구해질 수 있다.

예를 들면, 커넥팅 로드의 수평방향 분력이 피스톤 측력이 되며, 피스톤에 작용하는 전체 합력은 피스톤 상면에 작용하는 연소압에 의한 힘과 피스톤 관성력의 합으로 주어진다.

이 피스톤 측력에 의한 마찰감소는 엔진 효율 향상에 큰 영향을 끼친다.

일반적으로 피스톤계의 마찰을 줄이는 한 방법으로 오프셋 크랭크축(offset crank shaft) 기법이 적용되고 있다.

이 기법은 실린더 보아 중심과 크랭크축 중심이 일치하지 않게(편심되게) 하여 실린더 내압이 최대가 될 때 커넥팅 로드의 작용각을 작게 함으로써 피스톤 측력을 작게 하는 기법이다.

이 방식은 압축행정에서는 측력이 증가하나, 흡기행정과 팽창행정에서의 측력 감소분이 더 커서 전체적으로 마찰이 저감되는 효과를 볼 수 있다.

오프셋 크랭크축은 특히 저속 저부하 영역에서 효과가 큰 것으로 알려져 있다.

피스톤계의 마찰을 줄이기 위한 다른 방법으로 연소압에 의한 힘과 관성력을 작게 하는 방법이 있는데, 그러나 연소압은 엔진 출력과 관련되므로 줄일 수 없고, 피스톤의 관성력을 줄여야 한다.

피스톤계의 무게를 절감하여 피스톤의 관성력을 작게 할 수 있으나, 피스톤의 강성은 요구되는 크기가 있으므로 무게 절감을 통한 마찰저감에는 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 구름 운동부재를 이용하여 피스톤의 팽창행정시 구름 운동을 부여함으로써, 피스톤에 작용하는 측력을 감소시켜 마찰손실을 저감할 수 있는 구조의 피스톤 기구를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 피스톤 몸체상에는 내외측을 관통하면서 슬라이드 가능한 동시에 실린더 보아 벽면에 구름 접촉되는 구름 운동부재(10)를 장착하고, 커넥팅 로드의 소단부 둘레에는 구름 운동부재(10)와 접동가능한 캠(16)을 형성하되, 상기 캠(16)은 커넥팅 로드의 길이축선에 대해 40∼50°경사진 위치에 그 정점을 갖게 형성하여 피스톤의 팽창행정시 구름 운동부재(10)가 실린더 보아 벽면에 대해 구름 운동이 이루어질 수 있도록 한 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 구름 운동부재는 피스톤 몸체의 슬라이드홈 내에서 움직이는 원통형의 슬라이더 및 커넥팅 로드의 캠에 접촉되는 헤드와, 상기 슬라이더의 직경보다 큰 직경을 갖고 있으며 슬라이더의 선단부 베어링홈 내에 핀으로 체결되어 실린더 보아면에 접촉하는 베어링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구름 운동부재의 헤드는 그 캠과의 접촉면이 구면으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰손실 저감형 피스톤 기구에서 구름 운동부재의 일 구현예를 보여주는 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 구름 운동부재(10)는 피스톤(140)에 함께 장착되면서 실린더 보아(12)의 벽면에 대해 구름운동을 수행함으로써, 피스톤(140)의 측력을 줄여주는 역할을 하게 된다.

이러한 구름 운동부재(10)는 원통형의 슬라이더(11) 및 헤드(12)와, 슬라이더(11)의 선단부에 형성한 베어링홈(15) 내에 위치되어 핀(13)으로 관통되는 구조로 장착되는 베어링(14)으로 이루어져 있다.

여기서, 상기 헤드(12)의 캠(16)과 접촉하게 되는 헤드 전면은 구면으로 형성하여 캠과의 접촉 전동효과를 높일 수 있도록 하는 것이 바람직하고, 상기 베어링(14)은 슬라이더(11)의 직경보다 약간 큰 직경을 갖게 하여 캠(16)의 정점(nose)과 접촉되지 않는 구간에서 구름 운동부재(10) 전체가 빠지는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 슬라이더(11)와 헤드(12)는 일체형으로 형성할 수도 있지만, 마모시 교체를 위해 나사체결 등의 조립식으로 구성하는 것이 좋다.

도 2와 도 3은 본 발명에 따른 마찰손실 저감형 피스톤 기구의 팽창행정시와 팽창행정 직후의 상태를 보여주는 단면도이다.

여기서, 도면부호 100은 커넥팅 로드를 나타내고, 110은 피스톤을 나타내며, 120은 실린더 보아를 나타내고, 130은 피스톤링을 나타내며, 140은 피스톤핀을 나타낸다.

피스톤(110)의 몸체에는 내측에서 외측을 향해 상향 경사진 구조의 슬라이드홈(17)이 형성되고, 이곳에 구름 운동부재(10)가 슬라이드 운동 가능한 구조로 장착된다.

이때, 슬라이드홈(17)의 외측 일부구간은 홈 직경의 크기가 약간 크게 이루어져 있어서 슬라이더(11)의 직경보다 크게 되어 있는 베어링(14)의 일부가 수용될 수 있게 되고, 이렇게 약간 크게 형성되어 있는 홈은 베어링(14)이 홈 내에 걸려지게 하는 턱의 역할도 하게 되므로, 슬라이더(11)가 완전히 밑으로 빠지는 문제를 해결할 수 있게 된다.

또한, 상기 구름 운동부재(10)를 움직여주는 수단으로는 캠(16)이 제공된다.

상기 캠(16)은 커넥팅 로드(100)의 소단부, 즉 피스톤핀(140)이 체결되는 부위에 일체 형성되며, 캠(16)의 정점은 커넥팅 로드(100)의 길이축선에 대해 40∼50°경사지게 위치되어 피스톤(110)이 상사점에서 하사점으로 내려오는 구간, 예를 들면 흡입행정시나 팽창행정시 구름 운동부재(10)와 접동되면서 구름 운동이 이루어질 수 있게 된다.

피스톤(110)의 행정 중에서 그 측력이 가장 강하게 작용하는 시점이 팽창행정 시점이므로, 위와 같이 캠(16)의 정점위치를 설정하는 것이 필요하고, 또 가장 바람직하다고 할 수 있다.

이와 같은 구름 운동부재(10)는 캠(16)과의 접동을 통해 슬라이드홈(17) 내에서 슬라이드되면서 실린더 보아(120)의 벽면에 대해 선택적으로 구름운동을 수행하게 되고, 이에 따라 피스톤(110)의 측력을 줄여줄 수 있게 된다.

이를 위하여, 도 2에 도시한 바와 같이, 피스톤(110)이 상사점에서 하사점으로 이동하는 행정구간, 예를 들면 흡입행정이나 팽창행정을 수행하는 구간에서 커넥팅 로드(100)의 자세변화에 따라 캠(16)이 도면의 좌측으로 움직이면서 구름 운동부재(10)의 헤드(12)를 눌러주게 되고, 이에 따라 구름 운동부재(10)는 슬라이드홈(17)을 따라 상향으로 가압되며, 그 선단부의 베어링(14)이 실린더 보아(120)의 벽면에 밀착되므로, 피스톤(110)은 베어링(14)에 의한 구름운동의 영향을 받으면서 행정을 수행하게 된다.

특히, 팽창행정시의 경우 피스톤(110)은 베어링(14)을 이용하여 실린더 보아(120)의 벽면에 대해 구름운동을 하면서 진행되므로, 진행시의 마찰 등에 따른 간섭을 최대한 줄일 수 있고, 이에 따라 피스톤(110)의 측력을 저감시킬 수 있으므로, 피스톤계의 효율저하를 최소화시킬 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 피스톤(110)의 팽창행정구간이나 흡입행정구간 이외에 배기행정구간이나 압축행정구간에서는 캠(16)과 구름 운동부재(10) 간의 접촉 전동이 이루어지지 않게 되므로, 이때의 구름 운동부재(10)는 아래쪽으로 내려와 있는 상태가 되고, 그 베어링(14)도 실린더 보아(120)의 벽면으로부터 떨어져 있는 상태로 있게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 피스톤의 팽창행정시 실린더 보아면에 대해 구름 운동을 할 수 있는 베어리 수단을 포함하는 피스톤 기구를 제공함으로써, 피스톤과 실린더 보아 간의 마찰손실을 최대한 줄일 수 있는 장점이 있으며, 이에 따라 동력손실 방지 및 연비 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰손실 저감형 피스톤 기구에서 구름 운동부재의 일 구현예를 보여주는 사시도

도 2는 본 발명에 따른 마찰손실 저감형 피스톤 기구의 팽창행정시 상태를 보여주는 단면도

도 3은 본 발명에 따른 마찰손실 저감형 피스톤 기구의 팽창행정 직후의 상태를 보여주는 단면도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 구름 운동부재 11 : 슬라이더

12 : 헤드 13 : 핀

14 : 베어링 15 : 베어링홈

16 : 캠 17 : 슬라이드홈

Claims (4)

1. 피스톤 몸체상에는 내외측을 관통하면서 슬라이드 가능한 동시에 실린더 보아 벽면에 구름 접촉되는 구름 운동부재(10)를 장착하고, 커넥팅 로드의 소단부 둘레에는 구름 운동부재(10)와 접동가능한 캠(16)을 형성하되, 상기 캠(16)은 커넥팅 로드의 길이축선에 대해 40∼50°경사진 위치에 그 정점을 갖게 형성하여 피스톤의 팽창행정시 구름 운동부재(10)가 실린더 보아 벽면에 대해 구름 운동이 이루어질 수 있도록 한 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰손실 저감형 피스톤 기구.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 구름 운동부재(10)는 피스톤 몸체의 슬라이드홈(17) 내에서 움직이는 원통형의 슬라이더(11) 및 커넥팅 로드의 캠(16)에 접촉되는 헤드(12)와, 상기 슬라이더(11)의 직경보다 큰 직경을 갖고 있으며 슬라이더(11)의 선단부 베어링홈(15) 내에 핀(13)으로 체결되어 실린더 보아면에 접촉하는 베어링(14)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰손실 저감형 피스톤 기구.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 구름 운동부재(10)의 헤드(12)는 그 캠과의 접촉면이 구면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰손실 저감형 피스톤 기구.