KR100591395B1 - 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관의 엔진에서 팽창행정 시에 피스톤이 연료폭발로 인한 비틀림으로 엔진의 효율성이 저하되는 것을 방지하기 위한 내연기관용 엔진용 피스톤에 관한 것으로서, 실린더 내부의 상측에 팽창행정시 가스압력을 상부 피스톤 링과 중앙 피스톤 링의 사이에 형성하는 공간에 유입하도록 함으로써 유입된 가스압력이 상부 피스톤 링의 하측에서 밀어 올리는 반발력이 발생하도록 하며, 이러한 반발력은 상부에서 가해지는 가스압력이 일정부분 상실하도록 함으로써 상부 피스톤 링이 기울어지지 않도록 하여 링홈에서의 마찰력을 최소화시킴으로 유동성을 확보하고, 피스톤이 기울어질 때 피스톤과 함께 움직이지 않고 피스톤 링의 단면이 실린더 내벽에 밀착한 상태를 유지하도록 하여 혼합가스의 누출을 차단함으로 팽창행정의 효율성을 높이고 동력성능을 향상시키도록 하기 위한 목적을 가지는 것이다.

엔진, 피스톤

Description

효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤{combustion engine piston}

도 1은 내연기관용 엔진의 각 행정별 거동을 나타낸 개략도.

도 2는 팽창행정시 속도별 피스톤의 거동을 나타낸 개략도.

도 3은 압축말기에서 팽창초기의 피스톤 운동을 나타낸 개략도.

도 4는 종래 피스톤의 팽창행정에서의 링 상태를 도시한 단면도.

도 5는 종래 피스톤의 팽창행정을 도시한 단면도.

도 6은 본 발명에 의한 엔진 피스톤의 단면도.

도 7은 본 발명에 의한 엔진 피스톤의 팽창행정 공정을 도시한 단면도.

도 8은 본 발명에 의한 팽창행정에서의 링 상태를 도시한 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 제 1 실시예를 나타낸 단면도.

도 10은 본 발명에 따른 제 2 실시예를 나타낸 단면도.

도 11은 본 발명에 따른 제 3 실시예를 나타낸 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

(1) 실린더 (2) 피스톤 (3) 공간부 (4) 연소실

(11) 실린더 내벽 (12) 유입통로 (21),(22) 링

(23) 링홈 (24) 반홈 (25) 경사면 (26) 가공면

본 발명은 내연기관의 엔진에서 팽창행정 시에 피스톤이 연료폭발로 인한 비틀림으로 엔진의 효율성이 저하되는 것을 방지하기 위한 내연기관용 엔진용 피스톤에 관한 것으로서, 상세하게는 압축행정 후 점화플러그에 의하여 연료가 폭발이 일어나는 팽창행정이 발생할 때 피스톤 헤드의 기울임이 발생할 때 혼합가스의 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 피스톤의 팽창행정 시 상부의 피스톤 링은 피스톤 헤드의 기우는 방향과 관계없이 실린더 내벽과 일직선상으로 운동함에 따라 혼합가스가 피스톤 링과 실린더 내벽사이로 유출하는 것을 방지하여 연소율을 높이고 높은 연비를 유지할 수 있도록 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관은 연료를 기관 내부, 즉 실린더 안에서 연소시킬 때 발생하는 열에너지를 기계에너지로 바꾸는 기관을 가리키며, 피스톤의 행정, 동작에 따라 4행정기관은 흡입, 압축, 팽창(폭발), 배기의 과정이 피스톤이 2번 왕복하여 이루어지며 2행정 기관은 피스톤이 1번 왕복하며 앞의 네 과정이 모두 일어난다.

상기와 같은 내연기관 엔진의 각 행정별 피스톤이 움직이는 거동을 살펴보면 도 1에 도시한 바와 같이 흡입, 압축, 팽창, 배기의 과정에서 기구학적 운동의 움직임에 의해서 피스톤이 실린더 내에서 수직상태로 승, 하강하지 않고 크랭크축의 회전운동에 의해서 피스톤 헤드 부분이 좌측 또는 우측으로 기울임을 가지면서 움직이고 있는 것을 알 수 있고, 이러한 움직임은 속도에 따라 4행정이 완료되는 시간이 차이가 있음으로 팽창행정일 때에 정점에서 피스톤 헤드의 기울기가 서로 다른 것임을 도 2를 통해서 알 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이 피스톤 헤드의 상면이 정점상태에서 수평상태가 되도록 4000 rpm에 설정하면 이하속도에서는 피스톤 헤드가 우측으로 경사진 상태임을 알 수 있고, 이상의 속도에서는 좌측으로 경사진 상태임을 알 수 있다.

상기와 같이 종래의 자동차 엔진은 압축행정 말기에서부터 팽창행정 초기에 있어서 기구학적 운동의 움직임에 의하여 피스톤 헤드부가 필연적으로 도 1 내지 도 3에서와 같이 기울임과 회전반경(반 스러스트 측에서 스러스트 측으로 이동)에서의 거동을 하는 발생하고, 특히 피스톤은 도 3에서와 같이 실린더 내부에서 반 스러스트 측에서 스러스트 측으로 움직이는 현상이 발생한다.

이때에 연소실에서 연료의 폭발이 발생함으로 폭발로 인한 높은 압력을 받고 있는 상부 피스톤 링이 도 4에서와 같이 하부 방향으로 기울어지면서 도면의 링의 내측모서리 지점(a)과 피스톤의 링홈 모서리지점(b)에서의 마찰력이 최고조에 달하게 됨으로 피스톤 링의 유동성이 저하되고 이러한 피스톤 링의 유동성 저하는 피스톤이 도 3의 2단계 내지 5단계와 같이 기울임이 발생하였을 때 피스톤과 동일하게 기울게 되어 도 5에서와 같이 실린더 내벽과 상부 피스톤 링이 떨어지는 현상이 발생하며, 이때 혼합가스가 크랭크 실(OIL PAN)로 유입된다.

이와 같이 크랭크 실로 유입하는 혼합가스의 손실에 의하여 크랭크축을 회전 시키는 팽창행정에서의 효율성이 저하되고 이에 따라 연료의 소모가 커지게 됨으로 연비가 낮아지는 문제점을 가지는 것이다.

또한, 크랭크실로 유입된 혼합가스는 재연료 시스템에 의하여 흡입 매니폴드를 통하여 재연소됨으로 인해서 연소효율이 떨어지고 동력성능이 저하되는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 내연기관용 엔진에 있어서 피스톤 링과 실린더 내벽사이의 공간이 형성되어 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 실린더 내부의 상측에 팽창행정시 가스압력을 상부 피스톤 링과 중앙 피스톤 링의 사이에 형성하는 공간에 유입하도록 함으로써 유입된 가스압력이 상부 피스톤 링의 하측에서 밀어 올리는 반발력이 발생하도록 하며, 이러한 반발력은 상부에서 가해지는 가스압력이 일정부분 상실하도록 함으로써 상부 피스톤 링이 기울어지지 않도록 하여 링홈에서의 마찰력을 최소화시킴으로 유동성을 확보하고, 피스톤이 기울어질 때 피스톤과 함께 움직이지 않고 피스톤 링의 단면이 실린더 내벽에 밀착한 상태를 유지하도록 하여 혼합가스의 누출을 차단함으로 팽창행정의 효율성을 높이고 동력성능을 향상시키도록 하기 위한 목적을 가지는 것이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실린더(1)의 내벽(11)에 피스톤(2)이 승, 하강하면서 흡입, 압축, 팽창, 배 기의 과정으로 크랭크축에 동력을 발생하는 내연기관용 엔진에 있어서,

상기 피스톤(2)이 실린더(1)의 정점에 위치하였을 때 상부 피스톤 링(21)과 중앙 피스톤 링(22)의 사이에 형성된 공간부(3)에 팽창압력에서 발생하는 가스압력을 유입하는 유입통로(12)를 상기 실린더(1)의 내벽(11)에 형성하고 유입통로(12)를 통해 유입한 가스압력이 상부 피스톤 링(21)의 하부에서 반발압력이 발생하도록 피스톤(2)의 외측부에 반발발생홈부를 형성한 것이다.

상기 가스 압력을 유입하는 유입통로(12)는 팽창행정의 초기에 피스톤 헤드가 기울임과 회전반경이 반 스러스트 측에서 스러스트 측으로 발생함으로 상부 피스톤 링에 효과적으로 반발압력이 발생하도록 하기 위해서는 실린더(1) 내부의 스러스트 방향에 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 반발발생홈부의 구체적인 실시예로서는 다음과 같다.

제 1 실시예로서, 상기 도 9에 도시한 바와 같이 공간부(3)로 유입한 가스압력이 보다 효율적으로 상부 피스톤 링(21)에 반발압력을 발생하기 위해서는 상부 피스톤 링(21)을 피스톤(2)에 결합하기 위한 링홈(23)의 하부면에 반홈(24)을 일정한 깊이로 형성하여 상부 피스톤 링(21)의 저면에서 반발압력이 링(21)에 미치는 영향력을 비교적 넓게 함으로 상부 피스톤 링(21)의 유동성을 효율적이도록 하는 것이다.

제 2 실시예로서, 상기 도 10에 도시한 바와 같이 상부 피스톤 링(21)을 결합하는 링홈(23)의 하부 모서리를 모따기하여 경사면(25)을 형성함으로 반발압력이 링(21)에 미치는 영향력을 비교적 넓게 함으로 상부 피스톤 링(21)의 유동성을 효 율적이도록 하는 것이다.

제 3 실시예로서, 상기 도 11에 도시한 바와 같이 실린더 내벽(11)에 유입통로(12)가 형성된 방향으로 상부 피스톤 링(21)과 하부 피스톤 링(21)의 사이를 임의로 가공한 가공면(26)을 형성하여 그 부분의 공간이 다른 부분의 공간보다 넓게 형성함으로 압축행정에서 팽창행정으로 전환하는 과정에서 공간부(3)에 보다 많은 양의 혼합가스를 빠른 시간 안에 유입시키고, 가공면(26)을 형성한 공간부(3)의 내부공간이 다른 측의 공간보다 넓고 큼으로 유입통로(12)의 크기나 형태를 임으로 형성할 수 있는 것이다.

상기와 같이 구성한 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

피스톤(2)이 실린더(1) 내부에서 크랭크축을 중심으로 회전운동을 직선운동으로 변환시키면서 흡입, 압축, 팽창, 배기의 행정을 수행하면서 크랭크축의 회전력을 부여하여 추진동력을 발생시킨다.

상기 피스톤(2)의 행정 중 흡입과 배기의 행정은 피스톤(2)이 실린더(1) 내의 하부에 위치하고 압축에서 팽창행정으로 전환할 때에는 피스톤(2)이 실린더(1)의 상부에 위치한다.

이때, 상기의 과정에서 연소실(4) 내부에 폭발이 발생하고 이러한 가스압력은 피스톤(2)의 상부에서 강하게 작용하여 피스톤(2)이 필연적으로 반 스러스트에서 스러스트 쪽으로 기울임이 발생시키면서 피스톤(2)을 하강시킨다.

상기와 같이 가스압력에 의하여 피스톤(2)이 하강하면 도 7에 도시한 바와 같이 상부 피스톤 링(21)이 유입통로(12)를 통과하면서 가스압력을 상부 피스톤 링(21)과 중앙 피스톤 링(21)의 사이에 형성하는 공간부(3)로 가스압력을 유입시켜 상부 피스톤 링(21)의 저부에서 상부 피스톤 링(21)의 상부에 가해지는 가스압력에 반발하는 반발압력을 가지게 함으로 도 8에서와 같이 피스톤 링(21)의 외각 단부가 하강하는 것을 방지하여 피스톤 링(21)이 수평상태를 유지하도록 함으로 피스톤 링(21)은 링홈(23)에서 유동성을 가지게 되어 피스톤(2)이 스러스트 측에서 반 스러스트 측으로 이동할 때 피스톤 링(21)이 피스톤(2)과 함께 움직이는 것이 아니라 피스톤 링(21)은 실린더 내벽(11)과 밀착상태를 유지한 상태에서 피스톤(2)만 기울임이 발생함으로 피스톤 링(21)과 실린더 내벽(11)에 틈새가 발생하는 것을 방지하여 혼합가스의 손실을 방지한다.

이때, 공간부(3)로 유입한 반발압력이 상부 피스톤 링(21)에 보다 넓은 면적으로 반발력을 작용하게 하여 피스톤 링(21)의 유동성 효율을 높이도록 실시예에서와 같이 피스톤(2)의 외측부에 반발발생홈부를 형성하는 것으로, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1에서 적용하는 상부 피스톤 링(21)에 반발압력을 높이기 위한 반발발생홈부를 상부 피스톤 링(21)이 결합하는 링홈(23)의 하면에 적어도 하나 이상의 반홈(24)을 일정한 깊이로 가공하여 공간부(3)에 유입한 반발압력이 상부 피스톤 링(21)의 저면에 영향을 미치게 하여 상부 피스톤 링(21)의 상면에 작용하는 가스압력을 상쇄시켜 피스톤 링(21)과 링홈(23)의 마찰력을 감소시킴으로 피스톤 링(21)의 원활한 유동성을 확보하는 것이다.

이때, 상기 반발발생홈부로서 반홈(24)을 형성하는 위치로서는 가스유입이 유리한 스러스트 측으로 형성하는 것이 바람직하며, 반홈(24)이 복수의 수로 형성할 때에는 스러스트 측에는 근접위치로 형성하고 반 스러스트 측에는 스러스트 측보다 간격을 크게 형성하여 반발압력의 힘의 분배가 균등하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

실시예 2에서 적용하는 상부 피스톤 링(21)에 반발압력을 높이기 위한 반발발생홈부는 상부 피스톤 링(21)이 결합하는 링홈(23)의 하면 모서리를 모따기하여 링홈(23)의 하면 모서리에 경사면(25)을 형성함으로써 공간부(3)에 유입한 반발압력이 상부 피스톤 링(21)의 저면에 영향을 미치게 한 것이다.

이때, 상기 1 실시예에서는 반발압력이 피스톤 링(21)의 저면 특정부위에 작용을 하게 되지만, 상기 2 실시예에서는 피스톤 링(21)의 저면에 고르게 작용을 하는 특징을 가진다.

그리고, 상기 경사면(25)을 링홈(23)의 전체적으로 형성하거나 유입통로(12)가 형성된 방향에만 형성하여도 무방하다.

실시예 3에서 적용하는 상부 피스톤 링(21)에 반발압력을 높이기 위한 반발발생홈부는 공간부(3)의 유입통로(12)가 형성된 방향으로 상부 피스톤 링(21)과 중앙 피스톤 링(22)의 사이 피스톤(2) 외벽을 가공한 가공면(26)을 형성하여 유입통로(12)가 형성된 방향의 공간부(3)의 넓이가 다른 부위보다 넓게 함으로 보다 많은 가스압력을 공간부(3)에 유입시켜 피스톤 링(21)의 상부에 작용하는 가스압력에 대한 반발압력을 높일 수 있도록 한 것이다.

따라서, 상기와 같이 압축행정에서 팽창행정으로 전환하였을 때 연소실(4) 에서 발생하는 가스압력이 피스톤(2)에 작용을 하여 반 스러스트 측에서 스러스트 측으로의 기울임을 가지도록 작용하는바, 상기와 같은 작동에서 피스톤(2)이 기울어져 발생하는 반 스러스트 측에서의 피스톤(2)과 실린더 내벽(11)과의 사이 틈새를 상부 피스톤 링(21)이 실린더 내벽(11)과 밀착한 상태에서 피스톤(2)만 반 스러스트 측에서 스러스트 측으로 움직이도록 함으로 틈새가 발생하는 것을 방지함으로 가스압력의 누출로 인한 효율성 감소를 방지하는 것이다.

이와 같이 본 발명은 압축행정에서 팽창행정으로 전환할 때 피스톤 헤드가 기울임이 발생하여 틈새가 생기는 것을 방지하는 것으로 상부 피스톤 링의 상면에서 가해지는 가스압력을 하면에서 반발하여 상실시킴으로 상부 피스톤 링에 유동성을 확보시켜 신속히 틈새가 발생하는 방향으로 이동하여 틈새가 발생하는 것을 방지함으로써 팽창행정의 효율성을 높이고 동력성능을 향상시키는 효과를 가지는 것이다.

Claims (8)

1. 실린더의 내벽에 피스톤이 승, 하강하면서 흡입, 압축, 팽창, 배기의 과정으로 크랭크축에 동력을 발생하는 내연기관용 엔진에 있어서,

   상기 피스톤이 실린더의 정점에 위치하였을 때 상부 피스톤 링과 중앙 피스톤 링의 사이에 형성된 공간부에 팽창압력에서 발생하는 가스압력을 유입하는 유입통로를 상기 실린더 내벽에 형성하고, 유입통로를 통해 유입한 가스압력이 상부 피스톤 링의 저부에서 반발압력이 발생하도록 피스톤 외측부에 반발발생홈부를 형성한 것을 특징으로 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 반발발생홈부는 상부 피스톤 링을 피스톤에 결합하기 위한 링홈에 반홈을 일정한 깊이로 형성하여 상부 피스톤 링의 저면에서 반발압력이 링에 미치는 영향력을 비교적 넓게 함으로 상부 피스톤 링의 유동성을 효율적이도록 하는 것을 특징으로 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 반발발생홈부인 반홈을 적어도 하나 이상의 수로 형성하는 것을 특징으로 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   반홈이 복수의 수 이상으로 형성하였을 때에는 유입통로를 형성한 방향에는 반홈의 사이를 근접시키고 유입통로에서 떨어진 방향에는 반홈의 간격을 크게 형성한 것을 특징으로 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 반발발생홈부는 상부 피스톤 링을 결합하는 링홈의 하부 모서리를 모따기하여 경사면을 형성한 것을 특징으로 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 반발발생홈부는 경사면을 링홈의 전체적으로 형성한 것을 특징으로 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 반발발생홈부인 경사면을 링홈에서 유입통로가 형성된 방향에만 형성한 것을 특징으로 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 반발발생홈부는 실린더 내벽에 유입통로가 형성된 방향으로 상부 피스톤 링과 하부 피스톤 링의 사이를 임의로 가공한 가공면을 형성한 것을 특징으로 하는 효율성을 개선한 내연기관용 엔진용 피스톤.

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