KR100915051B1

KR100915051B1 - 일체형 피스톤

Info

Publication number: KR100915051B1
Application number: KR1020047004108A
Authority: KR
Inventors: 가이서랜달; 츄실루오; 니그로로베르토부에노
Original assignee: 페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2009-09-02
Also published as: DE60237026D1; JP2005507042A; MXPA04003703A; KR20040049308A; US20030075042A1; ATE474127T1; US6862976B2; WO2003036045A1; EP1438485A4; EP1438485B9; EP1438485A1; JP4267453B2; EP1438485B1

Abstract

모노브록 피스톤은 스틸로 구성되며 냉각용의 오일 갤러리(32)를 형성토록 용접되는 적어도 두 개의 강철 부분(13, 15)을 갖는다. 외부의 링벨트(14)가 내부 환상의 내부지지벽(34)으로부터 간격을 두고 있으며 연소구(28)와 하부벽에 의하여 결합되어 있다. 한 쌍의 핀보스(38)가 축방향으로 정렬된 핀공(42)을 갖는다. 피스톤 스커트(46)는 핀공을 갖는 단일고정부분으로 구성된다. 피스톤은 다음의 치수 관계를 갖는다. ISMD = BD의 42-55%, 여기에서 ISMD는 내부지지벽의 평균 직경을 나타내고 BD는 링벨트벽의 외경을 나타낸다. ISW = BD의 3-8%, 여기에서 ISW는 내부지지벽의 단면폭을 나타낸다. CH ＞ BD의 53%, 여기에서 CH는 핀공축선과 상부면 사이에서 측정된 압축높이를 나타낸다. TLH ＞ BD의 4%, 여기에서 TLH는 상부 링요구의 상측부와 상기 상부면의 사이에서 측정된 상부영역높이를 나타낸다. SL = BD의 30-80%, 여기에서 SL은 피스톤 스커트의 상측단부와 하측단부 사이에서 측정된 피스톤 스커트의 길이를 나타낸다. SW = BD의 2.5-6.5%, 여기에서 SW는 피스톤 스커트의 두께를 나타낸다. GA = BD²의 150-250%와 GV = BD² x CH의 5-20%, 여기에서 GA는 상기한 바와 같은 면적이고 GV는 오일갤러리의 체적을 나타낸다.

Description

일체형 피스톤 {MONOBLOC PISTON}

본 발명은 디젤엔진 분야에 사용되는 피스톤에 관한 것이다.

최근의 디젤엔진은 배출가스규제에 맞도록 제작됨으로써 디젤엔진은 실린더압력이 증가하게 되었다. 이러한 디젤엔진에 있어서는, 실린더압력을 300 바아까지 높아지게 하여 엔진이 엄격한 배출가스규제에 부합되면서도 현재의 츨력레벨을 유지하고 연료의 효율성을 갖게 한다. 최근의 디젤엔진에 있어서의 증가된 실린더압력은, 출력을 발생하도록 실린더에서 왕복동하는 디젤엔진 피스톤의 구조적인 안전성, 냉각효율 및 성능에 대한 요구조건을 증가시켰다. 일부의 디젤엔진 피스톤이 만족스럽게 그 성능이 발휘되지만 최근의 디젤엔진에 대한 증가된 요구조건을 만족시킬 수는 없었다.

본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따라 구성된 피스톤의 사시도,

도 2는 도 1의 2-2선에 대한 단면도, 및

도 3은 도 1의 3-3선에 대한 단면도이다.

본 발명의 목적은 최근의 디젤엔진에 대한 증가된 요구조건하에 만족스럽게 성능이 발휘될 수 있는 통상적인 디젤엔진을 개선하는데 있다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따라서 구성된 일체형 피스톤은 용접결합에 의해 결합되는 최소한 두 개의 강철 부분으로 형성되는 피스톤동체를 포함한다. 이 피스톤동체는 환형으로 된 외부의 링벨트벽을 구비하되 이 링벨트벽이 상부면과 이 상부면으로부터 이격된 링벨트벽의 하부영역의 사이에서 연장되어 있다. 다수의 링요구가 링벨트벽에 형성되어 있되 상단변부를 가진 하나의 상부 링요구를 포함한다. 연소구가 피스톤동체의 상부면에 형성되고 연소구벽에 의하여 부분적으로 윤곽이 드러난다. 환상의 내부지지벽은 링벨트벽으로부터 방사상 내측으로 이격되고 상단부에서는 연소구벽(30)에 의하여 링벨트벽과 결합되어 있으면서 하단부에서는 하단벽(36)에 의해서 링벨트벽과 결합되어 있다. 한 쌍의 핀보스가 핀공축선을 따라 일직선으로 배치된 핀공을 가지고 있다. 피스톤스커트가 상부면과 하부면을 가진 핀보스와는 하나의 고정부로서 형성된다. 상기 링벨트벽, 연소구벽(30), 하단벽(36), 및 내부지지벽(34)의 사이에서 내부의 오일 갤러리(32)를 형성하고 있으며, 오일 갤러리(32)의 상측부가 상기 상부 링요구(20)의 상단부 위로 뻗어 있다. 상기 일체형 피스톤은 다음의 치수 관계를 갖는다.

ISMD = BD의 42-55%, 여기에서 ISMD는 내부지지벽의 평균직경을 나타내고 BD는 링벨트벽의 외경을 나타낸다.

ISW = BD의 3-8%, 여기에서 ISW는 내부지지벽의 단면폭을 나타낸다.

CH > BD의 53%, 여기에서 CH는 핀공축선과 상부면 사이에서 측정된 압축높이(a compression height)를 나타낸다.

TLH > BD의 4%, 여기에서 TLH는 상부 링요구의 상측부와 상부면의 사이에서 측정된 상부영역높이(a top land height)를 나타낸다.

SL = BD의 30-80%, 여기에서 SL은 피스톤 스커트의 상측단부와 하측단부의 사이에서 측정된 피스톤 스커트의 길이를 나타낸다.

SW = BD의 2.5-6.5%, 여기에서 SW는 피스톤 스커트의 두께를 나타낸다.

GA = BD²의 150-250%와 GV = BD²x CH의 5-20%, 여기에서 GA는 상기한 바와 같은 면적이고 GV는 오일갤러리의 체적을 나타낸다.

본 발명에 따라서 제작된 피스톤은 충분한 구조적 안정성, 냉각효율성, 및 이러한 피스톤이 300 바아에 이르는 실린더압력을 갖는 최근의 디젤엔진에서 작동될 수 있도록 하는 성능을 제공하는 잇점을 갖는다.

또한 본 발명의 피스톤은 콤팩트하고 재료사용의 효율면에서 우수한 구조를 갖는 이러한 고성능의 피스톤을 제공하는 잇점을 갖는다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 적절한 실시형태에 따라서 구성된 밀폐된 일체형 피스톤(10)을 보이고 있으며, 이 피스톤은 용접결합부(70)에서 용접되는 적어도 두 개의 강철 부분(13)(15)으로 구성되는 피스톤동체(11)를 포함하고 피스톤의 두 개의 강철 부분은 피스톤동체(11)의 내부의 냉각용 오일 갤러리(32)를 형성한다. 피스톤동체(11)는 일반적으로 원통형인 외부의 링벨트(14)를 갖는 헤드부분(12)을 포함하고 이 외부의 링벨트는 헤드부분(12)과 상부면(16)으로부터 간격을 둔 하부영역(18)사이에 걸쳐 형성되어 있다. 링벨트(14)에는 이 링벨트(14)의 외면(26)측으로 가공된 다수의 링요구(20)(22)(24)가 형성되어 있다. 외면(26)은 도 2와 도 3에서 실린더공 직경으로서 나타낸 소정의 직경 BD를 갖는다. 도 3에서 보인 바와 같이, 링벨트(14)의 벽은 링요구(20)(22)(24)의 기부로부터 내측으로 링벨트벽의 두께에 해당하는 소정의 두께 또는 폭 RBW를 갖는다.

헤드부분(12)에는 링벨트(14)로부터 방사상 내측으로 이 헤드부분(12)의 상부면(16)에 가공되고 연소구벽(30)을 갖는 연소구(28)가 형성되어 있다. 헤드부분(12)은 도 2에서 보인 바와 같이 상부링요구(20)와 상부면(16)으로부터 측정된 소정의 상부본체높이 TLH를 갖는다.

피스톤(10)은 부분적으로 링벨트(14)에 의하여 윤곽이 드러나는 외벽과 연소구벽(30)에 의하여 윤곽이 드러나는 상부벽을 갖는 내부의 환상의 오일 갤러리(32)를 갖는다. 오일 갤러리(32)는 환상의 내부지지벽(34)에 의해 둘러싸여 있으며 이 내부지지벽은 링벨트(14)로부터 방사상 내측으로 간격을 두고 있으면서 연소구벽(30)과 주연방향으로 연장된 하단벽(36)의 사이에서 연장되어 있고 상기 주연방향으로 연장된 하단벽은 연소구벽(30)에 대하여 간격을 둔 상태로 내부지지벽(34)과 링벨트(14)의 사이에서 더 연장되어 오일 갤러리(32)의 저면을 밀폐한다. 내부지지벽(34)은 소정의 폭 ISW를 가지며, 도 2에서 보인 바와 같이 소정의 내부지지 수단의 직경 ISMD를 결정한다. 오일 갤러리(32)의 상측부는 도 3에서 보인 바와 같이 소정의 거리 GRP 만큼 상부 링요구(20)의 상측부로부터 연장되어 있다.

도 2에서 보인 바와 같이, 한쌍의 핀 보스(38)가 헤드부분(12)으로부터 하측으로 뻗어 있고 커넥팅로드의 상측단부가 삽입되는 공간인 핀공(42)을 형성하도록 서로 축방향으로 간격을 둔 내변(40)을 갖는다. 핀 보스(38)에는 핀공축선(A)에 대해 일직선으로 정렬된 핀공(42)이 형성되어 있다. 핀공(42)에는 피스톤(10)을 커넥팅로드(도시하지 않았음)에 결합시키는 피스톤핀(도시하지 않았음)이 삽입된다. 피스톤(10)은 도 2에서 보인 바와 같이 핀공축선(A)과 헤드부분(12)의 상부면(16) 사이에서 소정의 압축높이 CH를 갖는다.

피스톤(10)에는 핀보스와는 하나의 고정부분으로서 형성된(즉, 핀보스의 연장부분 또는 구조적인 부분으로서 형성된) 일체형의 피스톤 스커트(46)가 형성되어 있는데 이 피스톤 스커트는 헤드부분(12)의 링벨트(14)로부터 하측으로 뻗어 있고 피스톤의 양측에서 각각의 핀보스(38)에 연결되어 있다. 피스톤 스커트(46)는 하부면(48)과 상부면(50) 사이에 걸쳐 형성되어 있다. 피스톤 스커트(46)는 도 2에서 보인 바와 같이 피스톤 스커트의 하부면(48)과 상부면(50) 사이에 소정의 피스톤 스커트 길이 SL과, 도 2에서 보인 바와 같이 소정의 피스톤 스커트 폭 SW를 갖는다. 오일요구(52)가 하부영역(18)에 인접하여 링벨트(14)의 외면(26)측으로 가공되어 있으며 이 오일요구는 피스톤 스커트(46)의 외면(54)으로부터 링벨트의 외면(26)을 분리하고 피스톤 스커트(46)의 상부면(50)의 윤곽이 드러나게 한다. 오일요구(52)는 오일 갤러리(32)를 향해 관통되거나 피스톤 스커트(46)의 내부를 향해 관통되어 있지 않으며 오일 갤러리(32)의 하단벽(36)과 방사상 일직선으로 정렬되어 있다. 오일요구(52)는 피스톤(10)의 둘레에 연장되어 있으나 핀보스(38)의 영역에서 단절됨으로써 도 2에서 보인 바와 같이 오일요구(52)가 핀보스(38)의 요입형의 평면상 외면(56)측으로 개방되고 이에 의해 오일요구(52)에 수집된 오일이 외면(56)의 영역을 가로질러 크랭크 케이스측을 향하여 하측으로 배출될 수 있게 된다. 도 3에서 보인 바와 같이, 피스톤 링(58)(60)(62)이 각각 링요구(20)(22)(24)에 삽입되는 반면에 오일요구(52)에는 피스톤 링이 삽입되어 있지 않다.

핀공(42)들 사이의 공간은 연소구벽(30)측으로 개방되어 있다. 따라서 연소구벽(30)의 하측에 공간(64)이 형성되고 이는 핀공(42)들 사이의 공간측으로 개방된 내부지지벽(34)에 의하여 방사상으로 둘러싸여 있다. 오일 갤러리(32)에는 도 3에서 개략적으로 보인 바와 같이 하나 이상의 오일유입구(66)가 형성되어 있으며 이는 피스톤의 작동시에 상응하는 하나 이상의 오일젯트(도시하지 않았음)에 연통함으로서 냉각용 오일이 오일 갤러리(32)측으로 향하도록 하여 작동하는 피스톤(10)의 왕복운동에 따라 잘 알려진 바와 같은 오일의 "칵테일 셰이커(cocktail shaker)"의 작용으로 오일 갤러리(32)를 둘러싸고 있는 벽을 냉각시킬 수 있게 되어 있다. 오일 갤러리(32)측으로 주입된 오일은 도 3에서 개략적으로 보인 바와 같이 하나 이상의 배출구(68)를 통하여 내부공간(64)으로 보내어지고 여기에서 크랭크 케이스(도시하지 않았음)측으로 배출된다.

밀폐형의 오일 갤러리(32)를 형성하기 위하여, 피스톤(10)은 처음부터 상기 오일 갤러리 구조를 갖도록 가공된 둘 이상의 구성요소로부터 구성되며 이후에 이들 구성요소가 결합공정에서 서로 결합되면서 밀폐형의 오일 갤러리(32)가 형성된다. 예시된 실시형태에서, 피스톤(10)은 상하로 분리된 크라운 부분으로 구성되며 도 2에서 보인 바와 같이 용접결합부(70)에서 이들 부분이 용접, 좋기로는 마찰용접으로 결합된다.

피스톤(10)은 강철로 만들어지며 피스톤이 300 바아 부근의 높은 실린더 압력하에서 성공적으로 작동될 수 있도록 하는 다음의 치수 관계를 갖는다.

ISMD = BD의 42-55%

내부지지벽(34)의 위치는 불필요한 굽힘모멘트가 도입됨이 없이 아주 높은 압력하에서도 연소구벽(30)을 지지할 수 있도록 하는데 중요하다.

ISW = BD의 3-8%

내부지지벽(34)의 단면은 상기 높은 압력에 의하여 가하여지는 좌굴하중(buckling load)을 견디는데 중요하나, 너무 넓어서 핀보스(38)에 대한 열 전도를 할 수 없어서는 아니된다.

CH > BD의 53%

이러한 치수의 관계는 피스톤이 두 부분으로 구성되어 마찰용접으로 결합될 수 있도록 하는데 필요하다.

TLH > BD의 4%

4% 미만의 TLH 값은 상부 링요구(20)에 지나치게 높은 온도를 부여한다.

GRP > 0

상부 링요구(20)를 충분히 냉각시키기 위하여, 오일 갤러리(32)는 상부 링요구(20)의 상측으로 연장될 필요가 있다.

SL = BD의 30-80%

이러한 치수의 관계에 의해 피스톤 스커트가 충분한 안내역할과 부하용량(load carrying capacity) 및 수용가능한 낮은 마찰수준을 제공하는 것이 보증된다.

SW = BD의 2.5-6.5%

이러한 치수 관계에 의해 피스톤 스커트가 피스톤의 작동중 적당한 유연성을 유지하는 한편 피스톤 스커트에 부과되는 부하를 견딜 수 있도록 충분히 강한 것이 보증된다.

GA = BD²의 150-250% 및 GV = BD²x CH의 5-20%

이러한 면적 및 체적의 관계는 피스톤의 작동중 피스톤을 적절히 냉각시킬 수 있기에 충분한 오일을 보유할 수 있도록 오일 갤러리를 넓게 만든다.

본 발명의 많은 개량 및 변형이 상기한 내용을 바탕으로 가능하다 할 것은 자명한 바, 특별한 언급이 없는 한 본 발명은 청구범위의 내용에 한정하며 이해하여야 한다.

Claims

일체형 피스톤으로서,

용접결합에 의해 결합되는 최소한 두 개의 강철 부분(13, 15)으로 형성되고, 환형으로 된 외부의 링벨트(14)벽을 구비하되 이 링벨트벽이 상부면(16)과 이 상부면으로부터 이격된 링벨트벽의 하부영역(18)의 사이에서 연장되어 있는 피스톤동체(11) ;

링벨트벽에 형성되어 있되 상단변부를 가진 하나의 상부 링요구(20)를 포함하는 다수의 링요구(20,22,24) ;

피스톤동체의 상부면(16)에 형성되고 연소구벽(30)에 의하여 부분적으로 윤곽이 드러나는 연소구(28) ;

링벨트벽으로부터 방사상 내측으로 이격되고 상단부에서는 연소구벽(30)에 의하여 링벨트벽과 결합되어 있으면서 하단부에서는 하단벽(36)에 의해서 링벨트벽과 결합되어 있는 환상의 내부지지벽(34) ;

핀공축선(A)을 따라 일직선으로 배치된 핀공(42)을 가진 한 쌍의 핀보스(38) ; 및

상부면과 하부면을 가진 핀보스(38)와는 하나의 고정부로서 형성된 피스톤스커트(46)를 포함하고,

상기 링벨트벽, 연소구벽(30), 하단벽(36), 및 내부지지벽(34)의 사이에서 내부의 오일 갤러리(32)를 형성하고 있으며, 오일 갤러리(32)의 상측부가 상기 상부 링요구(20)의 상단부 위로 뻗어 있으며,

다음의 치수 관계, 즉

ISMD = BD의 42-55% (ISMD는 내부지지벽의 평균직경을 나타내고 BD는 링벨트벽의 외경을 나타냄),

ISW = BD의 3-8% (ISW는 내부지지벽의 단면폭을 나타냄),

CH > BD의 53% (CH는 핀공축선과 상부면 사이에서 측정된 압축높이(a compression height)를 나타냄),

TLH > BD의 4% (TLH는 상부 링요구의 상측부와 상부면의 사이에서 측정된 상부영역높이(a top land height)를 나타냄),

SL = BD의 30-80% (SL은 피스톤 스커트의 상측단부와 하측단부의 사이에서 측정된 피스톤 스커트의 길이를 나타냄),

SW = BD의 2.5-6.5% (SW는 피스톤 스커트의 두께를 나타냄), 및

GA = BD²의 150-250%와 GV = BD²x CH의 5-20% (GA는 상기한 바와 같은 면적이고 GV는 오일 갤러리의 체적을 나타냄)

를 가지는 일체형 피스톤.
제1항에 있어서, 상기 용접결합이 마찰용접결합을 포함하는 일체형 피스톤.