KR100589152B1 - 냉각통로가 구비된 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤의 왕복운동에 따라 자동적으로 개폐되면서 흡입행정시에만 피스톤 상부에 냉각공기를 분사하여 피스톤의 크라운을 냉각시킬 수 있는 냉각통로가 구비된 피스톤에 관한 것으로서, 상기 크라운의 하부에는 중앙에 냉각통로가 구비되고, 상기 냉각통로는 흡입행정시에만 개방되고 다른 행정에서는 폐쇄되도록 작동하는 조절장치가 구비되며, 상기 크라운에는 다수개의 작은 에어홀이 뚫려있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 피스톤 크라운의 하부에 형성된 냉각통로를 통해 흡입행정시에 피스톤 크라운의 주위에 차가운 외부공기의 흐름을 발생시킴으로써 피스톤 헤드부를 냉각시키는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 별도의 동력장치 없이 피스톤의 상,하 왕복운동에 의해 자동적으로 냉각통로를 개폐시킴으로써 원가절감의 효과를 갖는다.

피스톤, 크라운, 냉각통로, 에어홀

Description

냉각통로가 구비된 피스톤{Piston with cooling pathway}

도 1은 종래의 피스톤의 구조를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 냉각통로가 구비된 피스톤의 구조를 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 크라운의 형상을 나타내는 평면도,

도 4a는 본 발명에 따른 냉각통로의 구조를 나타내는 구성도,

도 4b는 본 발명에 따른 원형판의 형상을 나타내는 평면도,

도 5는 본 발명에 따른 냉각통로의 측벽에 형성된 가이드 홈의 형상을 나타내는 전개도,

도 6a는 흡입행정시, 도 6b는 압축행정시, 도 6c는 폭발행정시, 도 6d는 배기행정시에 본 발명에 따른 냉각통로가 구비된 피스톤의 작동상태를 나타내는 작동상태도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 피스톤 12: 크라운

14: 압축링 16: 오일링

18: 오일통로 19: 피스톤보스

20: 스커트 30: 에어홀

40: 냉각통로 41: 내부공간

42: 상부판 43,45,51: 공기통로

44: 하부판 46: 가이드 홈

50: 원판 52: 가이드 핀

본 발명은 냉각통로가 구비된 피스톤에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피스톤의 왕복운동에 따라 자동적으로 개폐되면서 흡입행정시에만 피스톤 상부에 냉각공기를 분사하여 피스톤의 크라운을 냉각시킬 수 있는 냉각통로가 구비된 피스톤에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 엔진은 연료를 연소시켜 열에너지를 얻은 후, 이를 기계적 에너지로 바꾸는 열기관이다.

즉, 실린더내에 혼합기를 흡입하여 피스톤으로 압축한 후 점화연소시키면 열에너지를 발생하고 연소가스는 고온이 됨과 동시에 고압이 된다.

실린더내를 상하로 왕복하는 피스톤의 헤드에 높은 압력이 작용하고 이 압력에 의해 피스톤을 이동시키게 되므로 기계적 에너지로 바꾸어지는 것이다.

종래의 피스톤은 도 1에 도시된 바와 같이, 헤드부에 크라운(12)이 형성되어 연소실을 이루고, 상부 측면에는 연소실의 기밀을 유지하기 위한 압축링(14)과 실린더 벽에 분사된 오일을 긁어내리기 위한 오일링(16)이 끼워지고, 하단부에는 커 넥팅 로드와 연결되는 보스(19)가 형성되며, 피스톤(10)의 냉각을 위해 오일통로(18)가 형성된다.

상기 피스톤(10)은 실린더내를 왕복운동하면서 팽창행정에서 고온, 고압의 가스압력을 받아 이것을 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축에 회전력을 전달해주는 역할을 한다.

피스톤 헤드부의 크라운(12)은 2000℃ 이상의 연소가스에 직접 노출되고, 높은 압력을 단시간에 충격적으로 받을뿐 아니라 실린더내를 고속으로 상,하운동하므로 실린더 내벽과의 사이에 강한 마찰에 의한 마찰열이 발생한다.

즉, 피스톤 헤드부의 크라운(12)은 실린더의 상측면과 더불어 연소실의 일부를 형성하고 있어서 실린더와 같은 고온에 노출되지만, 냉각수나 외기로 직접 냉각할 수 없다.

엔진의 냉각장치로는 실린더 바깥 둘레에 쿨링 핀을 설치하고 여기에 공기의 흐름을 통과시켜 냉각하는 형식을 공랭식과, 실린더 바깥 주위에 재킷을 설치하여 여기에 물을 순환시켜 냉각시키는 수냉식이 있다.

이와 같이, 실린더의 경우 실린더 블록에 냉각수 통로가 형성되거나 실린더벽에 오일을 분사하여 냉각시키지만, 피스톤의 크라운은 고온에 노출되어 있음에도 불구하고 피스톤에 대한 냉각장치는 피스톤 링에 의한 열전달에 의한 냉각이나 내부에 오일 통로가 형성되어 있는 정도에 불과하다.

상기한 종래 피스톤은 별도의 냉각장치가 없으므로 연소실의 고열에 의해 실 린더에 고착되어 엔진고장을 일으키는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해 피스톤 내부에 오일 통로를 형성시키고 오일을 주입하여 냉각시키는 방법이 있으나, 주행시 오일 온도의 상승으로 일정한 온도제어가 어렵고 별도의 오일분사장치가 필요하여 제조비용상승의 원인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 별도의 냉각장치를 요구하지 않고 피스톤의 왕복운동을 구동력으로 하여 자동적으로 개폐되면서 피스톤 헤드부의 크라운을 냉각시킬 수 있는 냉각통로가 구비된 피스톤을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피스톤 상부에 형성된 크라운이 실린더 상측면과 더불어 연소실의 일부를 형성하는 구조로 되어있는 피스톤에 있어서, 상기 크라운의 하부에는 중앙에 냉각통로가 구비되어 있는 격판이 설치되고; 상기 냉각통로는 흡입행정시에만 개방되고 다른 행정에서는 폐쇄되도록 작동하는 조절장치가 구비되고; 상기 크라운에는 다수개의 작은 에어홀이 뚫려있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징은 상기 조절장치는 상기 냉각통로의 원통형 내부공간의 측벽에 형성된 싸인(sine)곡선 형태의 가이드 홈과, 상기 가이드 홈에 삽입되는 가이드 핀이 일측부에 형성되고 공기통로가 형성된 원판으로 구성되는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 냉각통로가 구비된 피스톤의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 크라운의 형상을 나타내는 평면도이며, 도 4a는 본 발명에 따른 냉각통로의 구조를 나타내는 구성도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 원형판의 형상을 나타내는 평면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 냉각통로의 측벽에 형성된 가이드 홈의 형상을 나타내는 전개도이다.

본 발명에 따른 냉각통로가 구비된 피스톤은 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 작은 직경의 에어홀(30)이 무수히 많이 뚫려있는 크라운(12)과, 상기 크라운(12) 하부에 형성된 냉각통로(40)와, 상기 냉각통로(40)에 피스톤(10)의 왕복 운동에 따라 자동적으로 개폐되도록 설치된 조절장치로 구성된 것이다.

더욱 상세히 설명하면, 상기 크라운(12)은 연소실의 고열에 직접 접촉하고 있는 피스톤(10)의 최상면으로서 표면에 무수히 많은 작은 직경의 에어홀(30)이 형성되어 있다.

상기 에어홀(30)은 차가운 외부 공기가 크라운(12) 하면 뿐 아니라 크라운(12) 상면에도 직접 접촉에 의하여 냉각시킬 수 있도록 하기 위하여 형성하는 것이다.

상기 냉각통로(40)는 차가운 외부 공기를 크라운(12) 하부에 공급하기 위해 상기 크라운(12)의 하부에 설치된 격판의 중앙부에 형성되는데, 각각 하나의 공기통로(43,45)가 형성된 상부판(42) 및 하부판(44)과 원통형의 내부공간(41)으로 이루어지고, 상기 상부판(42)의 공기통로(43)와 상기 하부판(44)의 공기통로(45)는 동일한 수직선상에 위치하도록 형성되어 있다.

다만, 상기 냉각통로(40)는 피스톤의 종류에 따라 피스톤 보스에 의해 간섭되거나 공기의 흐름이 방해받지 않도록 중앙부에서 약간 벗어난 위치에 만들 수도 있다.

상기 조절장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각통로(40)의 개폐를 위해 설치되는 것으로서, 상기 냉각통로(40)의 원통형 내부공간(41)의 측벽에 형성된 가이드 홈(46)과, 상기 가이드 홈(46)에 삽입될 수 있도록 가이드 핀(52)이 일측부에 형성되고 공기통로(51)가 중앙부에서 약간 벗어난 위치에 형성된 원판(50)으로 구성된다.

상기 가이드 홈(46)은 도 5에 도시된 바와 같이, 흡입행정과 폭발행정에서 최고점에 이르고 압축행정과 배기행정에서 최저점에 이르도록 상기 냉각통로(40)의 내측벽에 싸인(sine)곡선 형태로 형성되어 있다.

또한, 상기 원판(50)은 상기 냉각통로(40)를 밀폐시킬 수 있도록 상기 냉각통로(40)의 내주면의 직경과 동일한 직경을 갖고, 중앙부에 공기통로(51)가 형성되어 있으며, 측부에 형성된 가이드 핀(52)의 유도에 의해 상기 가이드 홈(46)을 따라 상,하 운동을 하면서 90도씩 회전하도록 되어 있다.

특히, 상기 원판(50)은 중앙부에서 약간 벗어난 위치에 공기통로(51)가 형성되어 있어서, 90도씩 회전됨에 따라 흡입행정시에는 상기 냉각통로(40)를 개방시키나, 압축, 폭발, 배기행정시에는 상기 냉각통로(40)를 폐쇄시키는 기능을 갖는다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 6a는 흡입행정시, 도 6b는 압축행정시, 도 6c는 폭발행정시, 도 6d는 배기행정시에 본 발명에 따른 냉각통로가 구비된 피스톤의 작동상태를 나타내는 작동상태도이다.

흡입행정시에는 냉각통로(40) 상,하부판(42,44)의 공기통로(43,45)와 원판(50)의 공기통로(51)가 일치하여 냉각통로(40)가 개방되고, 흡입행정을 제외한 압축, 폭발, 배기행정의 경우에는 상기 냉각통로(40)가 폐쇄되므로 엔진의 작동관계에 영향을 미치지 않는다.

상기 냉각통로(40)의 내부공간(41)에 설치된 원판(50)은 피스톤(10)의 상, 하 왕복운동에 대한 관성력과 연소실과 대기압의 압력차이에 의해 상, 하로 이동하게 되는데, 이와 같이 상, 하로 이동함에 따라 90도씩 회전하면서 상기 냉각통로(40)의 개폐작용을 한다.

상기 냉각통로(40)의 개폐작용을 상세히 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 원판(50)은 피스톤(10)의 각 행정마다 90도씩 회전하여, (a)→(b)→ (c)→(d) 순으로 냉각통로(40)를 개폐시킨다.

즉, 냉각통로(40)의 내부공간(41)에 설치된 원판(50)은 냉각통로(40)의 측벽에 형성된 가이드 홈(46)을 따라 각 행정마다 90도씩 회전하는데, 흡입행정시에는 냉각통로(40)의 상,하부판(42,44)의 공기통로(43,45)와 원판(50)의 공기통로(51)의 위치가 일치하여 냉각통로(40)가 개방되지만, 압축,폭발,배기행정시에는 냉각통로(40)의 상,하부판(42,44)의 공기통로(43,45)와 원판(50)의 공기통로(51)의 위치가 불일치하여 냉각통로(40)가 폐쇄된다.

따라서 상기와 같은 냉각통로(40)의 개폐과정은 별도의 동력장치없이 피스톤(10)의 상, 하 왕복운동에 의해 자동적으로 이루어지게 되고, 흡입행정시에만 개방되고 차가운 외부공기가 유입되어 크라운(12)의 냉각이 이루어진다.

또한, 흡입행정시에는 피스톤(10)이 하향 이동하면서 연소실 내부에 진공압이 형성되므로 외부공기가 상기 냉각통로(40)를 통해 피스톤(10)의 크라운(12) 하부에 유입되고, 그 외부공기의 일부가 크라운(12)의 에어홀(30)을 통해 크라운(12)의 상부면에 직접 접촉하면서 크라운(12) 전체를 빠르게 냉각시켜준다.

흡입행정은 공기와 연료의 혼합가스가 연소실로 유입되는 과정이므로 소량의 외부공기가 연소실로 유입되더라도 점화 플러그와 가장 먼 쪽인 피스톤 크라운 주위이므로 연소과정에 미치는 영향이 거의 없다.

그러나 최근의 희박연소엔진과 같이 혼합기의 비율을 매우 세밀하게 조절하는 경우에는 상기 냉각통로를 통해 유입되는 외부공기만큼 혼합기의 공기비율을 감소조절하는 것이 바람직하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형실시가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술사상은 상기한 실시예에 한정되지 아니한다.

상술한 본 발명에 따른 냉각통로가 구비된 피스톤에 의하면, 피스톤 크라운의 하부에 형성된 냉각통로를 통해 흡입행정시에 피스톤 크라운의 주위에 차가운 외부공기의 흐름을 발생시킴으로써 피스톤 헤드부를 냉각시키는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 별도의 동력장치 없이 피스톤의 상,하 왕복운동에 의해 자동적으로 냉각통로를 개폐시킴으로써 원가절감의 효과를 갖는다.

Claims (6)

1. 피스톤 상부에 형성된 크라운이 실린더 상측면과 더불어 연소실의 일부를 형성하는 구조로 되어있는 피스톤에 있어서,

   상기 크라운에 다수의 작은 에어홀이 형성되고;

   상기 크라운의 하부에 형성된 격판의 중앙에 상호 동일 수직선상에 위치되는 공기통로가 각각 형성된 상부판과 하부판으로 이루어지고 이들 상부판과 하부판의 사이에 원통형의 내부공간이 형성되어 있는 냉각통로가 형성되고;

   상기 냉각통로의 원통형 내부공간의 측벽에 흡입행정과 폭발행정에서 최고점을 이루고 압축행정과 배기행정에서 최저점을 이루는 싸인(sine)곡선 형태의 가이드 홈이 형성되고;

   상기 냉각통로의 원통형 내부공간에 상기 가이드 홈에 삽입되는 가이드 핀이 외주면에 일체로 형성되고, 흡입행정시 상기 상/하부판의 공기통로들과 동일선상에 놓여지는 공기통로가 형성된 원판이 구비되어, 상기 냉각통로는 흡입행정시에만 개방되고, 다른 행정에서는 폐쇄되도록 된 것을 특징으로 하는 냉각통로가 구비된 피스톤.
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