KR101279845B1 - 내연 기관용 피스톤 및 상기 유형의 피스톤의 냉각 덕트용커버 링 - Google Patents

내연 기관용 피스톤 및 상기 유형의 피스톤의 냉각 덕트용커버 링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피스톤 핀(23)의 고정을 위한 최소한 하나의 허브 구멍(21, 21')을 포함하며, 피스톤 헤드에서부터 환형 홈(25)을 통해 이격된 피스톤 스커트(12) 및 피스톤 헤드(11)를 구비한 내연 기관용 일체형 피스톤(10)에 관한 것으로서, 피스톤 헤드(11)에는 냉각수를 위하여 환형으로 둘레에 형성된 냉각 덕트(16)가 제공되며, 냉각 덕트가 최소한 두 개의 세그먼트(30a, 30b)를 포함하는 커버 링(30)으로 밀폐된다. 본 발명에서는 커버 링(30)이 동시에 피스톤 핀(23)을 위한 고정 부재로서 형성되도록, 최소한 하나의 커버 링(30) 구역이 최소한 부분적으로나마 최소한 하나의 허브 구멍(21, 21')의 자유 개구로 돌출된다. 또한 본 발명의 대상은 이러한 유형의 커버 링(30)이다.

Description

내연 기관용 피스톤 및 상기 유형의 피스톤의 냉각 덕트용 커버 링{PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND COVERING RING FOR THE COOLING DUCT OF A PISTON OF SAID TYPE}
본 발명은 피스톤 핀의 고정을 위한 적어도 하나의 허브 구멍을 포함하며, 피스톤 헤드에서부터 환형 홈을 통해 이격된 피스톤 스커트 및 피스톤 헤드를 구비한 내연 기관용 일체형 피스톤에 관한 것으로서, 피스톤 헤드에는 냉각수를 위하여 환형으로 둘레에 형성된 냉각 덕트가 제공되며, 냉각 덕트가 적어도 두 개의 세그먼트를 포함하는 커버 링으로 밀폐된다. 또한 본 발명은 내연 기관용 일체형 피스톤의, 환형의 둘레로 진행하는 냉각 덕트를 위한 두 개 또는 그 이상의 세그먼트를 포함하는 커버 링에 관한 것이다.
이러한 유형의 피스톤 및 이러한 유형의 커버 링은 독일 특허 DE 103 46 822 A1에 공개되어 있다. 이 피스톤은 스커트 측에서 두 개의 반구형 반쪽 쉘을 포함하는 커버 링에 의해 밀폐되는 환형 냉각 덕트를 포함한다. 커버 링은 내측을 향하는 그루브를 포함하며, 이 그루브를 통해 반쪽 쉘이 조립의 목적을 위해 그루브 형태에 상보적으로 형성된 피스톤 외측 돌출부에 맞물릴 수 있다. 또한 반쪽 쉘은 그 맞대기면의 구역에서 스냅 결합부를 포함하며, 그를 통해 반쪽 쉘이 서로 결합될 수 있다. 하지만 추가적인 그루브를 구비한 커버 링 또는 추가적인 돌출부를 구비한 피스톤의 형상은 매우 복잡하며 따라서 바람직하지 않다. 또한 조립이 난해한데, 그 이유는 양측 반쪽 쉘이 피스톤에 있는 해당 돌출부에 정확하게 부착되어야 하기 때문이다.
다른 유사한 피스톤은 동독 특허 DD 252 638 A1 및 독일 특허 DE 41 34 530 A1에 공개되어 있다. 이 특허에서는 아래로 열려 있고 둘레로 진행하는 환형 냉각 덕트의 커버로 기능하는 측벽 부분이 열린 판재 링으로서 형성된다. 판재 링은 그루브에서 방사상 방향의 예하중 하에서 피스톤 링 지대 또는 연소실 측벽의 외측 둘레부에 접한다.
마지막으로 유럽 특허 EP 0 561 817 B1 및 EP 0 799 373 B1에는 피스톤 크라운의 가장자리 구역에 배치된 냉각 덕트를 구비한 일체형 피스톤이 공개되어 있다. 마찬가지로 이 냉각 덕트도, 판 스프링 형태로 형성되며 경우에 따라서 칼라가 부착된 커버 링에 의해 밀폐된다.
하지만 모든 이러한 실시 형태에서는 판 스프링 형태의 커버 링의 각 세그먼트가 개별적으로 예하중 상태에서 피스톤 헤드의 해당 지지부에 부착되어야 한다.
따라서 본 발명의 목적은 간단한 피스톤 구조 및 감소된 피스톤 중량에 기여하는 전술한 유형의 피스톤 또는 전술한 유형의 커버 링을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구한 1항의 특징을 포함하는 피스톤 또는 청구항 11항의 특징을 포함하는 커버 링을 통해 달성된다. 본 발명에서는 커버 링 또는 적어도 커버 링 구역이 동시에 피스톤 핀을 위한 고정 부재로서 형성되도록, 적어도 커버 링 구역이 적어도 부분적으로나마 적어도 하나의 허브 구멍의 자유 개구로 돌출된다.
본 발명에 따른 원리는 커버 링이 허브 구멍에서 피스톤 핀의 축방향 동작을 한정하는 고정 부재로서 작용하는 것이다. 종래 기술에서는 이 기능이 서클립 또는 스냅링에 의해 수행된다. 이 링은 핀 허브에 있는 핀 고정홈에 삽입된다. 따라서 본 발명에 따른 피스톤 또는 커버 링의 형태에서는 서클립 또는 스냅 링이 사용되지 않을 수 있다. 따라서 본 발명은 피스톤 중량의 절감에 기여한다. 또한 본 발명에서는 핀 고정홈이 필요치 않으며, 따라서 피스톤 구조가 단순화된다.
바람직한 개선된 형태는 종속항에 설명된다.
특히 바람직한 실시 형태에서는, 커버 링이 피스톤 탑 랜드를 통해 서로 결합되는 내측 레그 및 외측 레그를 포함한다. 이러한 커버 링 형태는, 냉각 덕트 및/또는 환형 홈을 밀폐하는 다양한 가능성을 제공한다. 예를 들어 내측 레그가 적어도 하나의 허브 구멍의 자유 개구로 삽입될 수 있으며 이러한 방식으로 피스톤 핀을 위하여 커버 링에서 본 발명에 따라 제공되는 고정 부재가 형성될 수 있다. 또한 외측 레그가 환형 홈의 피스톤 스커트측 경계부를 형성할 수 있다. 바람직하게도 커버 링의 횡단면은 거의 U자 형태 또는 거의 V자 형태로 형성된다. 하지만 양측 레그의 형태 및 그를 결합하는 피스톤 탑 랜드의 형태도 임의의 형태로 형성될 수 있다(사다리꼴, 반구형 등).
다른 특히 바람직한 개선된 형태에서는, 환형 홈이 피스톤의 환형 측벽에 형성된 정면과 피스톤 스커트에 형성된 적어도 하나의 어깨부 사이에 배치되며, 커버 링이 그 외측 레그를 통해 정면에서 지지되고 그 피스톤 탑 랜드를 통해 적어도 하나의 어깨부에서 지지된다. 이 개선된 형태는 종래 방식에 비해 복수의 다른 이점을 갖는다. 특히 지금까지 스커트 연결부에서 필요했던 돌출부 뿐 아니라 그에 상보적인, 커버 링 내측벽의 그루브가 더 이상 필요치 않다. 이로써 피스톤 뿐 아니라 커버 링의 구조도 현저하게 단순화된다. 또한 피스톤에서 커버 링의 조립 과정이 기존 방식에 비해 현저하게 용이한데, 그 이유는 돌출부 및 그루브의 복잡한 위치 결정 과정이 필요치 않기 때문이다. 또한 커버 링은 종래 방식의 냉각 덕트 뿐 아니라 환형 홈도 감싸므로, 그 결과 종래 방식의 냉각 덕트 및 환형 홈이 더 확장된 새로운 냉각 덕트를 형성한다. 이로써 본 발명에 따른 피스톤의 냉각이 더욱 간단하고 안정적으로 수행된다. 마지막으로 커버 링의 외측 레그가 환형 측벽 및 피스톤 스커트와 함께 거의 평면인 매끈한 표면을 형성하는데, 이는 본 발명에 따른 피스톤의 구동 특성을 더욱 개선한다.
커버 링의 내측 레그가 피스톤의 스커트 연결부에서 지지되는 경우, 커버 링이 매우 견고하고 안정적으로 그 위치에 고정된다. 또한 이제 냉각 덕트로서 작용하는 환형 홈의 외부에 대한 밀폐가 개선된다.
냉각수의 유동 특성, 특히 유속의 제어를 위하여 커버 링의 내측 레그의 형태도 변경될 수 있다. 예를 들어 내측 레그의 높이 또는 내측 레그의 각도 위치가 커버 링 둘래의 커버 링 중앙선에 대해 변경될 수 있다. 특히 커버 링에 의해 형성된 냉각수 흐름 덕트가 유입구에서 배출구 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
아래에서 본 발명의 실시예가 첨부한 도면을 근거로 상세히 설명된다. 도면은 개략도이며 현척이 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤의 실시 형태에 대한 단면도를 나타낸다.
도 2는 쇄선으로 표시한 피스톤 핀이 포함된, 도 1의 피스톤을 90°회전시킨 상태를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 커버 링의 실시 형태에 대한 사시도를 나타낸다.
도 4는 도 1에 따른 피스톤에 대한 사시도를 나타낸다.
도 1, 도 2 및 도 4는 내연 기관용 일체형 피스톤(10)을 나타낸다. 피스톤(10)은 강철 재질로 제조되며 스커트 연결부(13)를 통해 일체형으로 서로 결합된 피스톤 스커트(12) 및 피스톤 헤드(11)를 포함한다. 피스톤 헤드(11)는 피스톤 크라운(14) 및 연소실 오목부(combustion chamber bowl)(15)를 포함한다. 방사상 외측에 있는 피스톤 헤드(11) 구역에는 둘레로 진행하는 환형의 냉각 덕트(16)가 배치되는데, 그 방사상 외측 경계는 피스톤 크라운(14)에 형성된 환형 측벽(17)에 의해 형성되고 그 방사상 내측 경계는 환형 리브(annular rib)(18)에 의해 형성된다. 환형 측벽(17)은 피스톤 링 캐리어로서 기능하며 피스톤 스커트(12)에 대향하는 수평한 정면(19)으로 끝난다.
피스톤 헤드(11)에는 두 개의 일치하는 허브 구멍(21, 21')을 구비한 두 개의 핀 허브(20, 20')가 형성되어 있다. 핀 허브(20, 20')의 정면은 환형 측벽(17)에 대해 피스톤 종축의 방향으로 후퇴되어 있다. 핀 허브(20, 20')의 스커트 부 재(22, 22')를 통해 서로 결합된다. 스커트 부재(22, 22')는 스커트 연결부(13)를 통해 피스톤 헤드(11)에 형성된다.
스커트 연결부(13)는 피스톤 종축의 방향으로 후퇴되며 환형 리브(18)로 진행한다. 이로 인해 환형 홈(25)이 형성되는데, 이 홈은 일측면에서 스커트 연결부(13)에 의해 한정되고 다른 측면에서는 피스톤 헤드(11)에 대향하는 수평한 어깨부(24, 24')에 의해 한정되며, 어깨부(24, 24')가 스커트 부재(22, 22')의 상단 경계부를 형성한다.
외측 레그(31), 내측 레그(32) 및 양측 레그를 결합하는 피스톤 탑 랜드(33)를 포함하는 커버 링(30)은 환형 측벽(17)과 스커트 부재(22, 22') 사이에 압입되어 있다. 외측 레그(31)의 상단 가장자리는 환형 측벽(17)의 정면(19)에서 지지되고 피스톤 탑 랜드(33)는 스커트 부재(22, 22')의 어깨부(24, 24')에 지지된다. 내측 레그(32)는 스커트 연결부(13)에서 지지된다. 이러한 방식으로 환형 홈(25)이 외측으로 닫히고 밀폐된다. 둘레로 진행하는 환형 냉각 덕트(16) 및 환형 홈(25)이 이제 현저하게 확장된 새로운 냉각 덕트를 형성한다. 환형 측벽(17)에 비해 뒤로 후퇴하고 따라서 어깨부(24, 24')와 비교할 수 있는 지지면을 포함하지 않는 핀 허브(20, 20')의 구역에는 커버 링(30)의 내측 레그(32)가 허브 구멍(21, 21')의 자유 개구 내부로 돌출된다(도 4 비교). 이 구역에서 커버 링(30)의 내측 레그(32)는, 도 2에서 쇄선으로 도시된, 허브 구멍(21, 21')에 수용된 피스톤 핀(23)의 축방향 동작에 대한 고정 부재를 형성한다 따라서 서클립 또는 스냅 링 형태의 기존 방식의 고정 부재는 필요치 않다. 따라서 도 1 및 도 2에서도 뚜렷하게 알 수 있듯 이, 핀 허브(20, 20')가 더 이상 핀 고정 그루브를 포함하지 않는다.
도 3에는 본 발명에 따른 커버 링(30)의 실시예가 도시되어 있다. 커버 링(30)은 강철, 또는 알루미늄과 같은 금속성 재료 또는 적합한 합금으로 제조되거나 주조 또는 단조될 수 있다. 하지만 커버 링(30)은 예를 들어 사출성형법을 통하여 내열성 합성수지 재질로도 제조가 가능하다. 커버 링(30)은 외측 레그(31), 내측 레그(32) 및 양측 레그를 결합하는 피스톤 탑 랜드(33)를 포함한다. 실시예에서는 커버 링(30)이 횡단면이 거의 U자 형태이지만, 커버 링은 다른 적합한 횡단면을 가질 수 있다. 이 실시예에서 커버 링(30)은 투피스로 형성되어 있다. 이 실시예에서 양측 환형 세그먼트(30a, 30b)은 이음판(34)을 통해 리벳팅되어 있다. 하지만 환형 세그먼트(30a, 30b)는 예를 들어 스냅 고정, 래치 고정, 클립 고정, 접착, 용접, 납땜 등과 같은 다른 임의의 방식으로 서로 결합될 수 있다.
또한 커버 링(30)은 냉각수를 위한 유입구(35) 및 유입구(35)에 대해 대각선 방향으로 배치되는 배출구(36)를 포함한다. 이 실시예에서 유입구(35) 및 배출구(36)는 환형 세그먼트(30a, 30b)의 접합부에 형성된다. 이에 상응하게 내측 레그(32)의 접합부 외측에 존재하는 구역(32a, 32b)이 피스톤 핀(23)을 위한 고정 부재를 형성한다. 이 실시예에서 바람직하게도 내측 레그(32)는 그 환형 진행에서 변동되는 높이를 가지며, 고정 부재로서 기능하는 구역(32a, 32b)이 최고점을 형성한다. 이와 달리 더 외측 레그(31)의 높이는 일정한데, 그 이유는 커버 링(30)의 부착 상태에서 이 레그가 환형 측벽(17)의 정면(19)에서 지지되기 때문이다.
이 실시예에서 커버 링(30)의 피스톤 탑 랜드(33)는, 그가 유입구(35)에서부 터 배출구(36) 방향으로 경사를 갖도록, 형성된다. 이로 인해 특히 배출구(35)로의 냉각수의 유속이 증가되므로, 손상을 발생시킬 수 있는 냉각수 정체가 방지된다. 내측 레그(32)의 변동되는 높이도 냉각수 유동 특성에 영향을 미치므로, 유속을 정확하게 조절하는 것이 가능하다.
본 발명은 내연 기관용 피스톤 및 이러한 유형의 피스톤의 냉각 덕트용 커버 링에 이용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 피스톤 핀(23)의 고정을 위한 최소한 하나의 허브 구멍(21, 21')을 포함하며, 피스톤 헤드에서부터 환형 홈(25)을 통해 이격된 피스톤 스커트(12) 및 피스톤 헤드(11)를 구비한 내연 기관용 일체형 피스톤(10)으로서, 피스톤 헤드(11)에는 냉각수를 위하여 환형으로 둘레에 형성된 냉각 덕트(16)가 제공되며, 냉각 덕트가 최소한 두 개의 세그먼트(30a, 30b)를 포함하는 커버 링(30)으로 밀폐되는 피스톤에 있어서, 커버 링(30)이 동시에 피스톤 핀(23)을 위한 고정 부재로서 형성되도록, 최소한 하나의 커버 링(30) 구역이 최소한 부분적으로나마 최소한 하나의 허브 구멍(21, 21')의 자유 개구로 돌출되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커버 링(30)이 피스톤 탑 랜드(33)를 통해 서로 결합되는 내측 레그(32) 및 외측 레그(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  3. 제2항에 있어서, 상기 커버 링(30)의 횡단면은 U자 형태 또는 V자 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 피스톤 핀(23)을 위한 고정 부재를 형성하는 방식으로 내측 레그(32)가 최소한 하나의 허브 구멍(21, 21')의 자유 개구로 돌출되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  5. 제2항에 있어서, 상기 외측 레그(31)가 환형 홈(25)의 피스톤 스커트측 경계부를 형성하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  6. 제2항에 있어서, 상기 환형 홈(25)이 피스톤(10)의 환형 측벽(17)에 형성된 정면(19)과 피스톤 스커트(12)에 형성된 최소한 하나의 어깨부(22, 22') 사이에 배치되며, 상기 커버 링(30)이 그 외측 레그(31)를 통해 정면(19)에서 지지되고 그 피스톤 탑 랜드(33)를 통해 최소한 하나의 어깨부(22, 22')에서 지지되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  7. 제2항에 있어서, 커버 링의 상기 내측 레그(32)가 피스톤(10)의 스커트 연결부(13)에서 지지되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  8. 제2항에 있어서, 상기 내측 레그(32)의 높이가 커버 링(30)의 둘레에서 변동되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  9. 제2항에 있어서, 상기 내측 레그(32)의 각도 위치가 커버 링(30)의 둘레에서 커버 링(30)의 중앙축에 대해 변동되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  10. 제1항에 있어서, 상기 커버 링(30)이 냉각수를 위한 유입구(35) 및 그에 대해 대각선 방향으로 대향하게 배치된 배출구(36)를 포함하며 커버 링(30)에 의해 형성된 냉각수 흐름 덕트가 유입구(35)에서 배출구(36) 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  11. 피스톤 핀(23)의 고정을 위한 최소한 하나의 허브 구멍(21, 21')을 포함하며, 피스톤 헤드에서부터 환형 홈(25)을 통해 이격된 피스톤 스커트(12) 및 피스톤 헤드(11)를 구비한 피스톤(10)으로서, 내연 기관용 일체형 피스톤(10)의 둘레에 형성된 환형 냉각 덕트(16)를 위한 두 개 또는 그 이상의 세그먼트(30a, 30b)를 포함하는 커버 링(30)에 있어서, 최소한 하나의 커버 링(30) 구역이 동시에 피스톤 핀(23)을 위한 고정 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 커버 링.
  12. 제11항에 있어서, 커버 링이 피스톤 탑 랜드(33)를 통해 서로 결합되는 내측 레그(32) 및 외측 레그(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 커버 링.
  13. 제12항에 있어서, 커버 링의 횡단면은 U자 형태 또는 V자 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 커버 링.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 커버 링(30)이 조립된 상태에서 내측 레그가 최소한 하나의 허브 구멍(21, 21')의 자유 개구로 돌출되는 방식으로 내측 레그(32)가 피스톤 핀(23)을 위한 고정 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 커버 링.
  15. 제12항에 있어서, 커버 링(30)이 조립된 상태에서 상기 외측 레그(31)가 환형 홈(25)의 피스톤 스커트측 경계부를 형성하는 것을 특징으로 하는 커버 링.
  16. 제12항에 있어서, 상기 내측 레그(32)의 높이가 커버 링(30)의 둘레에서 변동되는 것을 특징으로 하는 커버 링.
  17. 제12항에 있어서, 상기 내측 레그(32)의 각도 위치가 커버 링(30)의 둘레에서 커버 링(30)의 중앙선에 대해 변동되는 것을 특징으로 하는 커버 링.
  18. 제11항에 있어서, 상기 커버 링(30)이 냉각수를 위한 유입구(35) 및 그에 대해 대각선 방향으로 대향하게 배치된 배출구(36)를 포함하며 커버 링(30)에 의해 형성된 냉각수 흐름 덕트가 유입구(35)에서 배출구(36) 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 커버 링.
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