KR101322132B1 - 내연 기관용 피스톤 및 그 제조 방법 - Google Patents

내연 기관용 피스톤 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주조된 피스톤 크라운(11), 피스톤 크라운(11)에 주조된 적어도 하나의 링 캐리어(17) 및 피스톤 크라운(11)에서 링 캐리어(17)의 높이로 둘레로 진행하는 냉각 채널(18)을 포함하는 내연 기관용 피스톤(10)에 관한 것이다. 본 발명에서는 방사상 외측을 향하는 냉각 채널(18)의 측벽부(19)가 링 캐리어(17)를 통해 형성되며 냉각 채널(18)의 나머지 측벽부(22, 23, 24)가 피스톤 크라운(11)을 통해 형성된다. 또한 본 발명은 이러한 유형의 피스톤의 제조 방법에 관한 것으로서, 이 방법에서는 환형 솔트 코어(33)가 환형 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26)의 방사상 내측면(21)을 따라 적어도 부분적으로 접하며, 솔트 코어(33) 및 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26)가 서로 결합되도록 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26) 및 솔트 코어(33)가 함께 가열되고, 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26) 및 솔트 코어(33)에서 그 결과로 나타나는 부품이 주형으로 삽입되고 그 결과로 나타나는 부품이 주형에서 주조된다.

Description

내연 기관용 피스톤 및 그 제조 방법{PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 주조된 피스톤 크라운, 피스톤 크라운에 주조된 적어도 하나의 링 캐리어 및 피스톤 크라운에서 링 캐리어의 높이로 둘레로 진행하는 냉각 채널을 포함하는 내연 기관용 피스톤 및 이러한 유형의 피스톤의 제조 방법에 관한 것이다.
예를 들어 디젤 엔진과 같이 특히 고부하가 발생하는 내연 기관에서는 최상단 링 그루브에 삽입된 피스톤 링이 매우 높은 온도 부하에 노출된다. 따라서 적어도 최상단 링 그루브에는 보강부로서 링 캐리어가 제공된다. 링 캐리어는 일반적으로 내마모성 금속 또는 주철, 바람직하게는 니레지스트(NiResist) 재료, 오스테나이트 주철로 제조된다. 또한 링 캐리어의 높이에서 둘레로 진행하는 냉각 채널이 제공되는데, 링 그루브 및 그에 삽입된 피스톤 링의 양호한 냉각을 보장하기 위해 이 냉각 채널은 가능한 한 링 그루브에 인접하게 배치된다. 냉각 채널은 링 캐리어에 부착된 냉각 채널 부품으로 형성된다. 피스톤의 제조를 위해 링 캐리어가 그에 결합된 냉각 채널 부품과 함께 주형에 삽입되고 피스톤 또는 피스톤 크라운의 주조 시 주조되고 이러한 방식으로 피스톤 크라운에서 고정된다.
또한 주조 피스톤의 제조 시 주형에 솔트 코어(salt core)를 삽입함으로써 둘레로 진행하는 냉각 채널을 제조하는 방법도 알려져 있다. 냉매의 공급구 또는 방출구를 통해 냉각 채널을 물로 씻어냄으로써 솔트 코어가 주조 후에 제거된다.
종래 기술에서는 별도의 냉각 채널 부품을 사용하지 않기 위하여 솔트 코어를 통한 냉각 채널의 제조와 링 캐리어의 주조를 조합하는 복수의 방법이 알려져 있다. 일본 공개 특허 공보 JP 01 224 158 A에는 그에 통합된 솔트 코어가 포함된 섬유 복합체가 사용되는 방법이 공개되어 있다. 독일 공개 특허 공보 DE 197 01 085 A1 및 독일 실용신안 공보 DE 298 23 552 U1에는 고정 수단을 통해 링 캐리어를 솔트 코어와 결합하는 방법이 공개되어 있다. 독일 공개 특허 공보 DE 103 25 916 A1에는 링 캐리어가 그 후면에서 아래로 개발된 홈을 가지며 그에 솔트 코어가 고정되는 방법이 공개되어 있다.
알려진 방법들은, 솔트 코어와 링 캐리어 사이의 고정 수단의 부착 및 링 캐리어에 제공되는 홈의 제조와 관련하여 모두 복잡하거나 또는 번거롭다는 공통점을 갖는다.
본 발명의 목적은 적어도 하나의 링 캐리어 및 링 캐리어의 높이에서 둘레로 진행하는 냉각 채널을 포함하며 간단하게 저비용으로 제조할 수 있는 피스톤을 제공하는 것이다.
이 목적은 하기의 특징을 포함하는 피스톤 또는 청구항 1항의 특징을 포함하는 방법을 통해 달성된다. 본 발명에서는 방사상 외측을 향하는 냉각 채널이 링 캐리어를 통해 형성되고 냉각 채널의 나머지 측벽부가 피스톤 크라운을 통해 형성된다. 본 발명에 따른 방법의 특징은, 환형 솔트 코어가 환형 링 캐리어 또는 링 캐리어 블랭크의 방사상 내측면을 따라 적어도 부분적으로 접하며, 솔트 코어 및 링 캐리어 또는 링 캐리어 블랭크가 서로 결합되도록 링 캐리어 또는 링 캐리어 블랭크 및 솔트 코어가 함께 가열되고, 링 캐리어 또는 링 캐리어 블랭크 및 솔트 코어에서 그 결과로 나타나는 부품이 주형으로 삽입되고 그 결과로 나타나는 부품이 주형에서 주조되는 것이다.
본 발명에 따른 피스톤은 단순한 구조를 특징으로 한다. 특히 솔트 코어와 링 캐리어 사이의 고정 부재 또는 링 캐리어에 의해 완전히 둘러 싸인 솔트 코어가 필요치 않다. 냉각 채널이 그 둘레의 대부분에 걸쳐 직접 피스톤 크라운에 접하므로, 열전도가 개선되며 이로써 효과적인 냉각이 가능하다.
이로써 링 지대의 부하, 특히 냉각 채널에 포함된 피스톤 링의 부하가 감소되며, 따라서 가동 중에 본 발명에 따른 피스톤의 안정적인 기능이 보장되고 그 수명이 증가한다. 본 발명에 따른 제조 방법은 종래 기술에 따른 제조 방법에 비해 단순하고 이로써 비용이 절감되며 경제적이다.
바람직한 개선된 형태는 종속항에 설명된다.
일반적으로 링 캐리어가 최상단 링 그루브를 지지하는데, 그 이유는 최상단 피스톤 링(압축 링) 및 이로써 최상단 링 그루브가 최대 열부하 및 기계적 부하에 노출되기 때문이다. 하지만 개별 사례에서는 링 캐리어가 최상단 링 그루브에 인접한 링 그루브도 형성할 수 있다.
적어도 하나의 링 캐리어가 바람직하게도 니레지스트(NiResist) 재료로 제조되는데, 그 이유는 이 재료가 그에 적합한 것으로 입증되었기 때문이다. 니레지스트(NiResist)의 개념은 특히 내부식성이 우수하며 예를 들어 팽창계수와 같은 피스톤 크라운 재료와 대등한 열학적 특성을 갖는 오스테나이트성 회주철 재료로 이해된다.
본 발명에 따른 방법에는 링 캐리어 블랭크도 사용되며, 피스톤 제조 공정에서 링 캐리어 블랭크의 주조 후에 이 링 캐리어 블랭크에 링 그루브가 형성된다.
솔트 코어는 바람직한 방식으로 예를 들어 링 캐리어 블랭크 또는 링 캐리어의 상단 모서리 및 하단 모서리를 따라 접촉할 수 있다. 이런 방식으로 링 캐리어 블랭크 또는 링 캐리어 및 솔트 코어가 억지 끼워맞춤식으로 서로 결합될 수 있다. 이로써 특히 간단한 방식으로 통일된 부품을 얻게 되는데, 이 부품은 필요 시 예를 들어 앨핀법과 같은 선처리 후에 원활하게 주형에 삽입될 수 있다.
링 캐리어 블랭크 또는 링 캐리어에 사용된 재료에 따라서 링 캐리어 블랭크 또는 링 캐리어 및 솔트 코어가 예를 들어 400 내지 750 ℃의 온도, 바람직하게는 700 ℃의 온도로 가열된다.
특히 간단한 방식으로 링 캐리어 블랭크 또는 링 캐리어에서 원하는 위치에 솔트 코어를 접촉시키기 위해, 링 캐리어 블랭크 또는 링 캐리어 및 솔트 코어를 가열 전에 포지셔닝 장치에 배치할 수 있다. 포지셔닝 장치는 링 캐리어 블랭크 또는 링 캐리어 및 솔트 코어를 위한 지지면을 포함하는데, 이 지지면은 링 캐리어 블랭크 또는 링 캐리어 및 솔트 코어를 서로 정확하게 위치시키는 기능을 한다.
본 발명에 따른 방법을 통해 완전한 피스톤 뿐 아니라 피스톤 크라운의 제조도 가능하다.
아래에서 본 발명의 실시예가 첨부한 도면을 근거로 상세히 설명된다. 도면은 개략도이며 현척이 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤의 실시예에 대한 단면도를 나타낸다.
도 2는 가열 전에 위치가 결정된 링 캐리어 및 위치가 결정된 솔트 코어가 포함된 포지셔닝 장치의 반단면도를 나타낸다.
도 3은 가열 후의 도 2에 따른 포지셔닝 장치를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤(10)의 실시예를 나타낸다. 피스톤(10)은 피스톤 크라운(11) 및 축방향으로 그에 연결되는 피스톤 스커트(12)를 포함한다. 피스톤 크라운(11)은 연소 공동(13) 및 (도시되지 않은) 피스톤 링을 수용하기 위한 링 그루브를 구비하며 그 둘레로 진행하는 링 지대(14)를 포함한다. 피스톤 스커트(12)의 부분에는 (도시되지 않은) 피스톤 핀을 수용하기 위한 구멍(15)이 제공된다. 이 실시예에서 피스톤(10)은 예를 들어 알루미늄 재료와 같은 금속 재료로 주조된다.
최상단 링 그루브(16) 또는 링 지대(14)의 압축 링 그루브는 예를 들어 니레지스트(NiResist) 재료로 이루어진 링 캐리어(17)를 포함한다. 또한 피스톤 크라운(11)은 링 그루브(16) 또는 링 캐리어(17)의 높이에서 둘레로 진행하는 환형 냉각 채널(18)을 포함한다. 냉각 채널(18)의 방사상 외측을 향하는 또는 방사상 외측에 존재하는 측벽부(19)만이 링 캐리어(17) 자체를 통해, 즉 링 캐리어(17)의 방사상 내측면(21)을 통해 형성된다. 냉각 채널(18)의 나머지 측벽부, 즉 방사상 내측을 향하는 측벽부(22), 축방향 위를 향하는 측벽부(23) 및 축방향 아래를 향하는 측벽부(24)는 피스톤 크라운(11) 자체로 형성된다.
이 실시예에서 냉각 채널(18)의 방사상 아래를 향하는 측벽부(24)에는 냉매를 위한 공급 채널 또는 방출 채널(25)이 제공된다.
피스톤(10)의 본 발명에 따른 제조 방법의 제1 단계는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 우선 아직 링 그루브를 포함하지 않은 링 캐리어 블랭크(26)가 포지셔닝 장치(27)에 삽입된다. 물론 완성된 링 캐리어(17)도 사용될 수 있다. 이 실시예에서 거의 접시 형태인 포지셔닝 장치(27)는 중앙 지지면(28) 및 계단으로 형성된 환형의 둘레로 진행하는 지지면(29)을 포함하며, 이 지지면은 둘레로 진행하는 가장자리(31)에 의해 한정된다. 포지셔닝 장치(27)는 예를 들어 세라믹 재료와 같은 열전도도가 낮은 재료로 이루어질 수 있다. 이 경우에서는 차후 가열(하기 설명 참조)이 예를 들어 가열 오븐과 같은 별도의 가열 장치에서 이루어진다. 그에 대한 대안으로써 포지셔닝 장치에 (도시하지 않은) 가열 장치가 내장될 수도 있으므로, 차후 가열이 직접 포지셔닝 장치에서 이루어질 수 있는데, 이런 경우에는 포지셔닝 장치가 열전도성 재료로 이루어진다.
링 캐리어 블랭크(26)는 그 외측 가장자리(32)가 둘레로 진행하는 외측의 환형 지지면(29)에서 지지되도록 포지셔닝 장치(27)에 삽입된다. 둘레로 진행하는 가장자리(31)와 링 캐리어 블랭크(26) 사이 및 중앙 지지면(28)과 링 캐리어 블랭 크(26) 사이에 각각 일정한 거리가 유지된다. 즉 링 캐리어 블랭크(26)는 둘레로 진행하는 가장자리(31) 뿐 아니라 중앙 지지면(28)에 대해서도 일정한 거리를 유지하면서 배치된다.
이제 환형 솔트 코어(annular salt core)(33)가 링 캐리어 블랭크(26)의 방사상 내측면(21)에 적어도 부분적으로나마 접하도록, 솔트 코어가 포지셔닝 장치(27)에 삽입된다. 솔트 코어는 중앙 지지면(28)에 놓인다. 링 캐리어 블랭크(26)의 지지를 위하여 계단으로 형성된 외측 지지면(29)은, 솔트 코어(33)가 링 캐리어 블랭크(26)에서 특정한 위치를 차지하도록, 즉 특정한 위치에서 링 캐리어 블랭크(26)에 접하도록 그 높이에서 치수가 결정된다. 이 실시예에서는 솔트 코어(33)가 링 캐리어 블랭크(26)의 방사상 내측면(21)의 둘레로 진행하는 하단 모서리(35) 및 둘레로 진행하는 상단 모서리(34)에 각각 접하도록 이 특정한 위치가 형성된다. 방사상 내측면(21)는 오목하게 휘어져 있으므로, 그와 인접한 솔트 코어(33) 측면 사이에 특정한 틈새(36)가 형성된다.
하기 공정 단계에서는 링 캐리어 블랭크(26) 및 솔트 코어(33)가 함께 가열된다. 온도는 특히 링 캐리어 블랭크(26)에 사용된 재료에 따라 결정되며 예를 들어 니레지스트(NiResist) 재료로 이루어진 링 캐리어 블랭크(26)에 대해 개략적으로 약 700 ℃이다. 중요한 것은 솔트 코어(33)가 그 큰 열팽창계수로 인해 링 캐리어 블랭크(26)에 비해 팽창되는 것이다. 이 공정을 위해 전술한 바와 같이 둘레로 진행하는 가장자리(31) 및 중앙 지지면(28)에 대해 특정한 틈새 및 솔트 코어(33)에 대해 특정한 틈새(36)가 제공된다. 도 3에서는 특정한 틈새 또는 틈새(36)가 도 2에 따른 도시에 비해 감소되는 것을 쉽게 알 수 있다.
가열로 인하여, 솔트 코어(33)의 팽창 시 방사상 내측면(21)의 둘레로 진행하는 하단 모서리(35) 및 둘레로 진행하는 상단 모서리(34)가 솔트 코어(33)로 압입된다. 그 결과로써 솔트 코어(33) 및 링 캐리어 블랭크(26)가 수축 끼워맞춤 또는 억지 끼워맞춤식으로 일체형 부품으로 결합된다. 이 결합은 냉각 후에도 그대로 유지된다.
따라서 링 캐리어 및 솔트 코어를 포함하는 그 결과로 나타나는 부품은 포지셔닝 장치(27)에서 쉽게 탈거할 수 있다. 그 결과로 나타나는 부품은 경우에 따라서 예를 들어 앨핀법(Al-Fin Method)("앨핀 처리")에 따라 선처리되며 그 다음 주형에 삽입되고, 이 실시예에서는 이 주형에서 알루미늄 재료로 주조된다. 이 실시예에서는 그 결과로써 주조된 링 캐리어 블랭크(26)가 포함된 피스톤(10)을 얻게 된다. 링 캐리어 블랭크(26)내에 링 그루브(16)가 도입되어, 완성된 링 캐리어(17)를 얻게 된다. 솔트 코어(33)는 알려진 방식으로 제거된다. 즉 공급 채널 또는 방출 채널(25)에서 물로 씻어냄으로써 제거된다.
본 발명은 내연 기관용 피스톤 및 그 제조 방법에 이용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 주조된 피스톤 크라운(11), 피스톤 크라운(11)에 주조된 최소한 하나의 링 캐리어(17) 및 피스톤 크라운에서 링 캐리어(17)의 높이로 둘레로 진행하는 냉각 채널(18)을 포함하는 내연 기관용 피스톤(10)의 제조 방법으로서, 하기 공정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
    a) 환형 솔트 코어(33)가 환형 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26)의 방사상 내측면(21)을 따라 최소한 부분적으로 접하는 단계,
    b) 솔트 코어(33) 및 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26)가 서로 결합되도록, 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26) 및 솔트 코어(33)가 함께 가열되는 단계,
    c) 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26) 및 솔트 코어(33)를 포함하는 그 결과로서 나타나는 부품이 주형에 삽입되는 단계,
    d) 그 결과로서 나타나는 부품이 주형에서 주조되는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 솔트 코어(33)가 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26)의 상단 모서리(34) 및 하단 모서리(35)에 접하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26) 및 솔트 코어(33)가 억지 끼워맞춤식으로 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26) 및 솔트 코어(33)가 600 내지 750 ℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26) 및 솔트 코어(33)가 가열 전에 포지셔닝 장치(27)에 배치되며 최소한 부분적으로나마 접촉되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 링 캐리어(17) 또는 링 캐리어 블랭크(26)가 니레지스트 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 그 결과로 나타나는 부품이 주형으로 삽입되기 전에 앨핀법으로 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 주조 후에 링 그루브(16)가 형성되는 링 캐리어 블랭크(26)가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 피스톤(10) 또는 피스톤 크라운(11)이 제조되는 것을 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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