KR101383121B1 - 피스톤 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피스톤 스커트(200); 및 상기 피스톤 스커트(200)의 상부에 스터드볼트(300)에 의해 결합되는 피스톤 크라운(100)을 포함하는 피스톤 조립체에 있어서, 상기 피스톤 스커트(200)의 상부면(220)과 피스톤 크라운의 상부면(120) 사이에는 오일 갤러리(140, 150)이 형성되고, 상기 피스톤 크라운(100)의 상부면(120)에는 원둘레 형상의 환형부(121)와 직선 형태의 다수의 방사형 리브(122, 123)가 형성되며, 상기 다수의 방사형 리브(122, 123)는 상기 환형부(121)에 의하여 외측 리브(122)와 내측 리브(123)로 분리되는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체이다.

Description

피스톤 조립체{A PISTON ASSEMBLY}
본 발명은 디젤 엔진의 피스톤 조립체에 관한 것으로, 특히 조립체 피스톤에 있어서 피스톤 크라운 내부에 리브를 설치하고, 구상흑연주철로 제작된 크라운을 갖는 피스톤에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관용 피스톤은 엔진의 흡기-압축-폭발-배기의 행정 순서에 따라 실린더 내벽을 타고 상,하 왕복운동을 하며 커넥팅 로드로 힘을 전달하는 기능을 한다.
고성능의 엔진의 경우 운전 중 발생하는 고온의 열과 고압의 폭발압에 견디기 위해 피스톤 폭발면과 피스톤 링 홈을 포함하는 피스톤 상부 구조는 피스톤 크라운이라 하여 기계적 특성이 우수한 단조로 제작하고, 상대적으로 받는 힘이 약한 나머지 부분은 피스톤 스커트라 하여 주철등의 소재로 제작하게 되는데 이처럼 단조에 의해 피스톤 크라운을 제작하는 경우 단조 소재의 원가가 비싸고, 가공이 어려우며 생산성이 떨어져 피스톤 가격이 비싸지게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 크라운부의 냉각효율이 낮아 운전 중 열팽창으로 인해 피스톤 크라운의 외경이 실린더 라이너의 내경보다 커져 피스톤이 소착되는 것을 막기 위해 피스톤과 실린더 사이에는 넓은 클리어런스를 갖게 되어 연소효율을 떨어 뜨려 매연이나 NOx 등의 환경 유해물질을 발생시키는 주요 원인 중에 하나가 된다.
피스톤 크라운과 스커트를 주철 등의 단일 소재로 주조한 일체형 피스톤의 경우 종래의 일부 피스톤의 경우 피스톤 내부에 리브가 형성된 구조를 갖고 있기도 하지만 주조 제작이기 때문에 내부에 냉각유가 저장되는 오일갤러리 공간을 형성할 수 없어서 냉각 효율이 상대적으로 나빠 단조강과 주철로 제작된 조립형 피스톤과 마찬가지로 환경 유해물질의 발생이 많은 문제점을 가지고 있다. 또한 구조 강도도 취약하여 연소압력을 높일 수 없어서 고출력 엔진에 사용이 어려운 문제점을 갖고 있다.
피스톤 크라운에 리브를 형성하는 발명으로 공개 특허 2010-0127449가 있으나, 이는 피스톤 조립체가 회전하기 위한 구성으로 본 발명은 회전이 이루어지지 않는 상태에서 보다 견고하게 이루어지도록 한 것이다.
본 발명은 냉각 성능 문제와 구조 강도 문제 때문에 사용되어온 단조 소재의 피스톤 크라운을 주조 소재로 대체한 피스톤 조립체를 얻고자 한다.
본 발명은 피스톤 스커트(200); 및 상기 피스톤 스커트(200)의 상부에 스터드볼트(300)에 의해 결합되는 피스톤 크라운(100)을 포함하는 피스톤 조립체에 있어서, 상기 피스톤 스커트(200)의 상부면(220)과 피스톤 크라운의 상부면(120) 사이에는 오일 갤러리(140, 150)이 형성되고, 상기 피스톤 크라운(100)의 상부면(120)에는 원둘레 형상의 환형부(121)와 직선 형태의 다수의 방사형 리브(122, 123)가 형성되며, 상기 다수의 방사형 리브(122, 123)는 상기 환형부(121)에 의하여 외측 리브(122)와 내측 리브(123)로 분리되는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체이다.
또한, 본 발명의 외측 리브(122)는 내측 리브(123)보다 높이가 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 피스톤 스커트(200)의 상부면(220)에는 중앙의 윤활통로(222)가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 피스톤 스커트(200)의 상부면(220)에는 상기 피스톤 크라운(100)의 상부면(120)의 환형부(121)에 대응되는 환형부(221)가 형성되어 있으며,
상기 스터드 볼트(300)은 상기 피스톤 스커트(200)의 환형부(221)와 상기 피스톤 크라운(100)의 환형부(121)를 결합할 수 있다.
또한, 본 발명의 피스톤 크라운(100)의 환형부(121) 또는 피스톤 스커트(200)의 환형부(221)에는 오일통로(124, 223)가 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 외측 리브(122)와 상기 내측 리브(123)는 측면벽쪽에서 중앙부쪽으로 향하는 방향에서 높이가 점점 작아질 수 있다.
또한, 본 발명은 피스톤 스커트(500); 및 상기 피스톤 스커트(500)의 상부에 스터드 볼트(300)에 의해 결합되는 피스톤 크라운(400)을 포함하는 피스톤 조립체에 있어서, 상기 피스톤 스커트(500)의 상부면(520)과 피스톤 크라운의 상부면(420) 사이에는 오일 갤러리(440, 450)가 형성되고, 상기 피스톤 크라운(400)의 상부면(420)에는 부분적으로 원둘레 형상을 이루는 부분 환형부(421)와 직선 형태의 다수의 방사형 리브(422, 423)가 형성되며, 상기 다수의 방사형 리브(422, 423)의 일부는 상기 부분 환형부(421)에 의하여 외측 리브와 내측 리브로 분리되는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체이다.
또한, 본 발명의 상기 피스톤 크라운(400)과 상기 피스톤 스커트(500)에는 중심부에는 스터드 볼트(300)에 의해 체결부(460, 560)가 각각 형성되어 있으며, 중심부의 체결부(460)까지 연장되는 리브(422)와 상기 체결부(460)에는 도달하지 않는 리브(423)가 순차적으로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 피스톤 스커트(500)의 상부면(520)에는 중심부에서 간격을 둔 위치에 윤활통로(522)가 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 피스톤 스커트(500)의 상부면(520)에는 상기 피스톤 크라운(400)의 상부면(420)의 부분 환형부(421)에 대응되는 부분 환형부(521)가 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 피스톤 크라운(400)의 환형부(421) 또는 피스톤 스커트(500)의 환형부(521)에는 오일통로가 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 다수의 리브(422, 423)는 측면벽쪽에서 중앙부쪽으로 향하는 방향에서 높이가 점점 작아질 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하면, 냉각유와의 접촉면적이 넓어지며, 오일 채널에 의해 냉각 오일의 순환이 원활해져 보다 강력한 냉각 효과를 내게 된다. 또한 방사형 리브는 크라운 내부에서 폭발압이 직접 전달되는 폭발면 즉, 피스톤 크라운의 상부면을 지지하는 보강재 역할을 하게 되어 피스톤 크라운에 전달되는 폭발압에 대한 내구성이 높아지게 된다.
이에 의하여 본 발명은 종래의 조립체 피스톤에 비하여, 피스톤의 품질, 신뢰성과 수명을 향상시켰으며, 더 높은 출력을 요구하는 엔진에 적용할 수 있는 효과가 있게 되었다.
또한 이와 같이 향상된 성능으로 기존의 단조 제작하던 피스톤 크라운을 주조로 제작함으로써 공정 변경에 따른 생산성 향상과 소재의 가공성을 향상시켰다.
도1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 피스톤 조립체의 단면도이다.
도2는 도 1의 피스톤 조립체의 피스톤 크라운의 저면도이다.
도 3은 도 1의 피스톤 조립체의 피스톤 크라운에 오일 유동 통로를 도시한 단면도이다.
도 4은 도 1의 피스톤 조립체의 피스톤 스커트에 오일 유동 통로를 도시한 단면도이다.
도5은 본 발명의 또다른 바람직한 실시 예에 따른 피스톤 조립체의 저면도이다.
도6는 도 5 피스톤 조립체의 피스톤 크라운의 저면도이다.
이하 첨부된 도면에 따라, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다. 여기서 각 도면에 붙여진 도면부호는 일관성을 유지하고 있으므로 다른 도면이라도 동인한 부호로 표기된 것은 동일한 구성 및 작용을 가지는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 피스톤 조립체로서 상부의 피스톤 크라운(100)이 하부의 피스톤 스커트(200)와 스터드 볼트(300)에 의해 조립된 상태를 도시하고 있다.
도 2는 상기 도 1의 피스톤 조립체 중, 피스톤 크라운(100)의 저면도를 도시하고 있다.
본 발명에서의 피스톤 스커트(200)는 실린더 라이너 내벽안에서 상기 라이너 벽과 직접 마찰하며 이동하고, 피스톤 크라운(100)은 피스톤 스커트(200)위에 조립되며 연소 가스에 의한 열과 압력을 직접 전달받으며, 상기 피스톤 스커트(200)와 상기 피스톤 크라운(100)은 스터드 볼트(300)에 의해 결합된다.
피스톤 스커트(200)는 원통형 측면벽(210)과 상부면(220)로 이루어지며, 상부면(220)에는 피스톤 크라운(100)의 상부면(120)의 환형부(121)와 접촉하는 원둘레 형상의 환형부(221)와 중앙의 윤활통로(222)가 구비되어 있다.
피스톤 크라운(100)에도 측면벽(110)과 상부면(120)이 구비되어 있으며, 상부면(120)에는 상부면의 하방으로 연장되는 리브(122, 123)와 원둘레 형상의 환형부(121)가 형성되어 있으며, 상기 환형부(121)에는 피스톤 스커트(200)의 환형부(221)와 접촉한다.
상기 피스톤 크라운(100)과 피스톤 스커트(200)의 환형부(221)는 스터드 볼트(300)에 의해 연결된다.
본 발명에서, 피스톤 크라운의 리브(122, 123)는 직선 형태의 방사방향으로 이루어져 있으며, 환형부(121)에 의하여 외측의 리브(122)와 내측의 리브(123)로 나뉘어 진다.
상기 리브(122, 123)는 피스톤 조립체의 내부에 공급되는 오일의 채널(130)을 형성하게 된다.
도 1의 화살표는 피스톤 조립체 내부에서의 오일의 공급 경로를 도시하고 있는 것으로, 오일은 피스톤 스커트(200)의 측면벽(210)에 가까운 상부면(220)을 통해 피스톤 크라운(100)의 외측 오일 갤러리(140)에 공급되고, 피스톤 스커트(200) 또는 피스톤 크라운(100)의 환형부(221 또는 121)에 형성된 오일홀 또는 슬롯(223, 124, 3 내지 도 4에 도시)을 통해 중앙의 오일 갤러리(150)에 공급되며, 피스톤 스커트(200)의 중앙의 윤활통로(222)에 의하여 다시 피스톤 스커트(200) 쪽으로 이동된다.
또한, 상기 오일 경로의 역방향도 가능하다.
도 3에는 피스톤 크라운(100)의 상부면(120)의 환형부(121)에 오일홀(124)이 형성된 것을 도시하고, 도 4에는 피스톤 스커트(200)의 상부면(220)의 환형부(221)에 오일홀(223)이 형성된 것을 도시하고 있다.
위에서 설명한 것처럼, 피스톤 크라운의 리브는 상부면(120)으로 부터 하방으로 원둘레 형상을 이루는 환형부(121)에 의하여 외측 리브(122)와 내측 리브(123)으로 나누어 지는데, 외측 리브(122)에서 내측 리브(123) 방향으로 향하면서 리브의 높이는 점점 작아지도록 구성된다 (아래 도면 번호 160 설명 참조).
도 1의 도면 번호 160은 내측 리브(123) 및 외측 리브(122)의 하단부를 연결하는 선으로 내측 리브 및 외측 리브의 높이가 측면벽(110)쪽에서 중앙부로 가면서 높이가 점점 작아지는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 피스톤 스커트(200)의 환형부(221)가 피스톤 크라운(100)의 환형부(121)를 지지하고, 피스톤 크라운(100)의 리브는 피스톤 크라운(100)의 상부면(120) 을 지지하는 보강재 역할을 하게 되어 피스톤 크라운에 전달되는 폭발압에 대한 내구성이 높아지게 된다.
또한, 본 발명의 리브는 피스톤 크라운(100)이 냉각유와 접촉되는 면적을 넓어지게 하고, 리브는 냉각유가 이동하는 통로의 가이드와 같은 역활을 하여 오일 채널(130)을 형성하도록 하여 냉각유의 순환이 원활해져 보다 강력한 냉각 효과를 내도록 하였다.
이와 같이, 본 발명은 열응력과 구조강도가 개선되어 피스톤 조립체를 구성할 때, 크라운을 주강 혹은 주철 또는 구상흑연주철을 사용하여 주조 제작이 가능하게 되었으므로, 생산성과 가공성에서 대폭적인 개선 효과를 볼 수 있게 되었다.
또한, 이와 같은 구성으로 제작하는 경우 내부의 오일 갤러리(140, 150)와 리브(122, 123)를 소재상태에서 생성할 수 있어, 별도의 가공과정을 거치지 않는 장점을 같게 되었다.
도 5는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시 예에 따른 피스톤 조립체의 단면도이며, 도6는 도 5의 피스톤 조립체의 피스톤 크라운의 저면도이다.
도 5에 도시된 피스톤 조립체는 도 1과는 달리, 피스톤 크라운(400)과 피스톤 스커트(500)에는 중심부에 스터드 볼트(300)가 체결되는 체결부(460, 560)가 형성되어 있으며, 피스톤 스커트(500)의 윤활통로(522)는 중심부에서 일정 간격이 떨어진 위치에 형성되어 있다.
또한, 도 6의 저면도에서 확인할 수 있는 것처럼, 피스톤 크라운(400)의 리브(422, 423)는 중심부의 체결부(460)까지 연장되는 리브(422)와 체결부(460)에는 도달하지 않는 리브(423)가 순차적으로 형성되어 있다.
이는 원통형 피스톤 크라운(400)의 중앙부로 갈 수로 리브(422, 423)사이의 간격이 좁아지므로, 길게 형성된 리브와 짧게 형성된 리브가 순차적으로 형성되도록 한 것이다.
또한, 도 6에서 피스톤 크라운(400)의 상부면(420)에서 연장되는 부분 환형부(421)는 완전한 원둘레 형태가 아닌 부분적인 원둘레 형태를 이루고 있으며, 상기 부분 환형부(421)에 의하여, 리브(422, 423)의 일부는 내측 리브와 외측 리브로 나뉘어 진다.
도 5 및 도 6의 피스톤 조립체에서도, 냉각유는 피스톤 스커트(500)의 측면벽(510)에 인접한 상부면(520)을 통해 오일 갤러리(440)로 공급되고 리브(422, 423)에 의해 형성되는 오일 채녈(430)을 따라, 중앙으로 공급되며, 윤활 통로(522)에 의해 피스톤 스커트(500)쪽으로 흐르며, 이의 역방향도 가능하다.
도 5 및 도 6의 도면 번호는 서로 대응된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 피스톤 크라운 110: 측면벽
120: 상부면 121: 환형부
122: 외측 리브 123: 내측 리브
124: 오일 통로 130: 오일 채널
140: 외측 오일 갤러리 150: 내측 오일 갤러리
160: 리브의 높이 200: 피스톤 스커트
210: 측면벽 220: 상부면
221; 환형부 222: 윤활통로
223: 오일홀

Claims (5)

  1. 피스톤 스커트(200); 및
    상기 피스톤 스커트(200)의 상부에 스터드 볼트(300)에 의해 결합되는 주조된 피스톤 크라운(100)을 포함하는 피스톤 조립체에 있어서,
    상기 피스톤 스커트(200)의 상부면(220)과 피스톤 크라운의 상부면(120) 사이에는 오일 갤러리(140, 150)가 형성되고,
    상기 피스톤 크라운(100)의 상부면(120)에는 원둘레 형상의 환형부(121)와 냉각유가 흐르는 오일 채널(130)을 형성하는 직선 형태의 다수의 방사형 리브(122, 123)가 형성되며, 상기 다수의 방사형 리브(122, 123)는 상기 환형부(121)에 의하여 외측 리브(122)와 내측 리브(123)로 분리되고, 상기 외측 리브(122)가 상기 내측 리브(123)보다 높이가 크며,
    상기 피스톤 스커트(200)의 상부면(220)에는 상기 피스톤 크라운(100)의 상부면(120)의 환형부(121)에 대응되는 환형부(221)가 형성되어 있으며, 상기 스터드 볼트(300)는 상기 피스톤 스커트(200)의 환형부(221)와 상기 피스톤 크라운(100)의 환형부(121)를 결합하며, 상기 피스톤 크라운(100)의 환형부(121) 또는 피스톤 스커트(200)의 환형부(221)에는 오일통로(124, 223)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤 스커트(200)의 상부면(220)에는 중심부에 윤활통로(222)가 형성되어 있으며, 상기 외측 리브(122)와 상기 내측 리브(123)는 측면벽쪽에서 중앙부쪽으로 향하는 방향에서 높이가 점점 작아지는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
  3. 피스톤 스커트(500); 및
    상기 피스톤 스커트(500)의 상부에 스터드 볼트(300)에 의해 결합되는 주조된 피스톤 크라운(400)을 포함하는 피스톤 조립체에 있어서,
    상기 피스톤 스커트(500)의 상부면(520)과 피스톤 크라운의 상부면(420) 사이에는 오일 갤러리(440, 450)가 형성되고,
    상기 피스톤 크라운(400)의 상부면(420)에는 부분적으로 원둘레 형상을 이루는 부분 환형부(421)와 냉각유가 흐르는 오일 채널(430)을 형성하는 직선 형태의 다수의 방사형 리브(422, 423)가 형성되며, 상기 다수의 방사형 리브(422, 423)의 일부는 상기 부분 환형부(421)에 의하여 외측 리브와 내측 리브로 분리되고,
    상기 피스톤 크라운(400)과 상기 피스톤 스커트(500)의 중심부에는 스터드 볼트(300)에 의해 체결되는 체결부(460, 560)가 각각 형성되어 있으며,
    중심부의 체결부(460)까지 연장되는 리브(422)와 상기 체결부(460)에는 도달하지 않는 리브(423)가 순차적으로 형성되며,
    상기 피스톤 스커트(500)의 상부면(520)에는 중심부에서 간격을 둔 위치에 윤활통로(522)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피스톤 스커트(500)의 상부면(520)에는 상기 피스톤 크라운(400)의 상부면(420)의 부분 환형부(421)에 대응되는 부분 환형부(521)가 형성되어 있고,
    상기 피스톤 크라운(400)의 환형부(421) 또는 피스톤 스커트(500)의 환형부(521)에는 오일통로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다수의 리브(422, 423)는 측면벽쪽에서 중앙부쪽으로 향하는 방향에서 높이가 점점 작아지는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
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