KR101582950B1 - 내연기관용 피스톤 및 이를 제작할 수 있는 냉각 채널 코어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤 핀이 삽입될 수 있도록 피스톤 핀 보스부가 형성되고, 실린더 벽면과 대응될 수 있는 스커트부가 형성되는 몸체; 및 상기 몸체를 냉각 시키는 냉매가 흐를 수 있도록, 상기 몸체의 내부에 냉매 유로가 형성되는 냉각 채널;을 포함하고, 상기 냉각 채널은, 상기 냉매가 상기 냉매 유로 내에서 난류가 발생할 수 있도록 상기 냉각 채널의 내벽에 형성되는 난류형성장치;를 포함하는, 내연기관용 피스톤 및 이를 제작할 수 있는 냉각 채널 코어를 제공한다.

Description

내연기관용 피스톤 및 이를 제작할 수 있는 냉각 채널 코어{Piston for internal combustion engine and cooling channel core for manufacturing of the piston}

본 발명은 내연기관용 피스톤 및 이를 제작할 수 있는 냉각 채널 코어에 관한 것으로서, 더 상세하게는 내연 기관의 실린더 내부를 왕복하며 연소 행정에서 고온, 고압의 폭발 압력을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 동력을 전달하는 내연기관용 피스톤 및 이를 제작할 수 있는 냉각 채널 코어에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차는 가솔린 또는 디젤 및 액화천연가스 등을 연소시켜 그 폭발력을 이용하여 크랭크축을 회전시켜 구동력을 얻는 것으로, 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 이를 연소시키는 실린더를 갖춘 내연기관(이하, 엔진이라 함)을 갖추고 있다.

이때, 고온고압의 압축착화기관인 디젤엔진의 경우에는 연소온도가 매우 높기 때문에 피스톤의 온도가 가솔린엔진에 비해서 상당히 높게 된다. 이로 인해서 피스톤 링의 소착발생 및 피스톤의 열적피로응력이 증대되어 엔진이 손상되는 현상이 생기며, 이와 같은 현상을 방지하기 위해서 디젤엔진의 피스톤에는 피스톤을 냉각하기 위한 냉각 채널이 형성된다.

종래의 내연기관용 피스톤은, 내연기관에서 높은 기계적 응력과 특히 열응력에 노출되어 있다. 따라서 기본적으로 특히 피스톤의 냉각 채널에 냉매를 유입함으로써 피스톤을 항상 최적으로 냉각할 필요성이 있다.

그러나 이러한 종래의 내연기관용 피스톤은, 냉각 채널 내부로 유입된 냉매가 피스톤 내부의 냉각 채널을 유동하여 냉각을 유도하나 실린더 내부에서 매우 빠른 속도로 상하운동을 하여 냉매가 냉각 채널 내부에서 단순 흐름 유동이나 층류유동으로 흐를 수 있으며 내벽에 찌꺼기 및 미세 슬러지가 접착되어 냉매의 유동성이 저하되며 이로 인하여 냉각 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 냉각 채널에 돌기를 형성함으로써 냉매의 이동시 난류를 발생시켜 냉각 효율을 개선하고 접촉면적을 넓히고 유속을 증가시켜 냉각 효율을 개선할 수 있으며, 이로 인하여 온도 상승에 의한 오일탄화를 억제할 수 있고, 제품의 품질이 향상되는 내연기관용 피스톤 및 이를 제작할 수 있는 냉각 채널 코어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 내연기관용 피스톤이 제공된다. 피스톤 핀이 삽입될 수 있도록 피스톤 핀 보스부가 형성되고, 실린더 벽면과 대응될 수 있는 스커트부가 형성되는 몸체; 및 상기 몸체를 냉각 시키는 냉매가 흐를 수 있도록, 상기 몸체의 내부에 냉매 유로가 형성되는 냉각 채널;을 포함하고, 상기 냉각 채널은, 상기 냉매가 상기 냉매 유로 내에서 난류가 발생할 수 있도록 상기 냉각 채널의 내벽에 형성되는 난류형성장치;를 포함할 수 있다.

상기 난류형성장치는, 상기 냉각 채널의 내벽의 내측에 형성되고 상기 냉각 채널의 바닥으로부터 제1높이에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 제1돌기; 및 상기 냉각 채널의 내벽의 외측에 형성되고 상기 냉각 채널의 상기 바닥으로부터 제2높이에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 제2돌기;를 포함할 수 있다.

상기 제1높이는 상기 제2높이 보다 높은 것일 수 있다.

상기 몸체는, 상기 냉각 채널의 일부분이 형성되고 피스톤 크라운의 적어도 일부분을 포함하는 제1부재; 및 상기 냉각 채널의 타부분이 형성되고 피스톤 스커트부를 포함하는 제2부재;를 포함하고, 상기 제1부재와 상기 제2부재의 접합면이 상기 제1돌기 또는 상기 제2돌기의 꼭지부를 지나도록 형성되는 것일 수 있다.

상기 몸체는, 상기 냉각 채널의 일부분이 형성되고 피스톤 크라운의 적어도 일부분을 포함하는 제1부재; 및 상기 냉각 채널의 타부분이 형성되고 피스톤 스커트부를 포함하는 제2부재;를 포함하고, 상기 제1부재와 상기 제2부재의 접합면이 상기 제1돌기 또는 상기 제2돌기의 꼭지부로 진행하다가 상기 제1돌기 또는 상기 제2돌기의 테두리부를 지나도록 형성되는 것일 수 있다.

상기 제1돌기는, 상기 냉각 채널의 내벽의 내측에 서로 이격되어 3개가 형성되고, 상기 제2돌기는, 상기 냉각 채널의 내벽의 외측에 서로 이격되어 3개가 형성되며, 상기 제1돌기 및 상기 제2돌기는 서로 대응되는 위치 또는 어긋나는 위치에 형성되는 것일 수 있다.

상기 제1돌기는, 상기 냉각 채널의 내벽의 내측 상부로부터 축 방향 높이의 1/4지점 내지 2/4지점 사이의 구간인 제1구간, 또는 3/4지점 내지 4/4지점 사이의 구간인 제2구간에 형성될 수 있고, 상기 제2돌기는, 상기 냉각 채널의 내벽의 외측 상부로부터 축 방향 높이의 3/4지점까지의 구간인 제3구간에 형성될 수 있는 것일 수 있다.

상기 제1돌기 및 상기 제2돌기는, 상기 냉각 채널의 내벽의 내측 또는 내벽의 외측으로부터 상기 냉매 유로로 돌출된 폭이 상기 냉각 채널의 폭의 0.4퍼센트 내지 30퍼센트인 것일 수 있다.

상기 제1돌기 또는 상기 제2돌기는, 상기 냉각 채널을 따라 상기 냉각 채널의 일측 바닥으로부터 제3높이에서 상기 냉각 채널의 타측 바닥으로부터 제4높이로 그 높이가 연속적으로 변화되는 것일 수 있다.

상기 제3높이는 상기 제4높이 보다 높은 것일 수 있다.

상기 난류형성장치는, 상기 냉각 채널의 내벽의 내측 또는 외측에 돌기 형상으로 형성되는 제3돌기; 및 상기 냉각 채널의 내벽의 외측 또는 내측에 홈 형상으로 형성되는 제1홈부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 냉각 채널 코어가 제공된다. 상기 냉각 채널 코어는, 냉각 채널을 형성할 수 있도록 피스톤 주조시 주조 금형 내부에 인서트되는 코어 몸체; 상기 코어 몸체의 내측 둘레를 따라 형성되는 제2홈부; 및 상기 코어 몸체의 외측 둘레를 따라 형성되는 제3홈부;를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각 채널에 돌기를 형성함으로써 냉매의 이동시 난류를 발생시켜 냉각 효율을 개선하고 접촉면적을 넓히고 유속을 증가시켜 냉각 효율을 개선할 수 있으며, 이로 인하여 온도 상승에 의한 오일탄화를 억제할 수 있고, 품질 저하에 따른 피스톤의 파손을 방지할 수 있으며, 생산성을 증가시키는 효과를 가지는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 내연기관용 피스톤의 냉각 채널을 나타내는 단면도이다.
도 3 내지 도 12는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 내연기관용 피스톤의 냉각 채널들을 나타내는 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 냉각 채널 코어를 나타내는 사시도이다.
도 14 및 도 15는 기존 피스톤의 냉각 채널을 수명 예측 결과를 해석한 수명예측도이다.
도 16은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 내연기관 피스톤의 피스톤 온도를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

본 발명에서 언급되는 피스톤은 실린더 내를 직선왕복 운동을 하여 폭발행정에서의 높은 온도와 압력의 가스로부터 받은 동력을 커넥팅 로드를 통하여 크랭크 축에 회전력을 발생시키고 흡입, 압축 및 배기 행정에서는 상기 크랭크 축으로부터 힘을 받아서 각각 작용을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연 기관용 피스톤(100)을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 내연 기관용 피스톤(100)의 냉각 채널(20)을 나타내는 단면도이다.

도1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)은 크게, 몸체(10), 냉각 채널(20), 난류형성장치(30)를 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(10)는, 피스톤 핀이 삽입될 수 있도록 피스톤 핀 보스부(13)가 형성되고, 실린더 벽면과 대응될 수 있는 스커트부(14)를 포함할 수 있다. 또한, 피스톤 핀의 축방향으로 피스톤 핀 보스부(13)가 형성되어, 상기 피스톤 핀(미도시)이 삽입될 수 있다. 상기 피스톤 핀은 피스톤 핀 보스부(13)와 커넥팅 로드(미도시)의 소단부(Small end)를 연결하는 핀으로, 내연기관용 피스톤(100)이 받는 큰 힘을 상기 커넥팅 로드를 통해 크랭크 샤프트에 전달함과 동시에 내연기관용 피스톤(100)과 함께 실린더 안을 고속으로 왕복 운동할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 스커트부(14)는, 몸체(10)에 상기 피스톤 핀 축의 수직방향으로 형성되어, 실린더 블록의 실린더 벽면과 대응될 수 있다. 또한, 피스톤의 내부에 형성되는 냉각 채널(20) 외측의 지름은 상기 피스톤의 지름의 80퍼센트 내지 92퍼센트일 수 있으며, 상기 피스톤 상부에서 핀 보스부(13) 중심까지의 거리는 상기 피스톤의 지름의 30퍼센트 내지 47퍼센트일 수 있으며, 스커트부(14)의 높이는 상기 피스톤의 지름의 30퍼센트 내지 45퍼센트일 수 있으며, 상기 피스톤 상부에서 첫 번째 링 홈부(미도시)까지의 거리는 상기 피스톤의 지름의 3.2퍼센트 내지 9.6퍼센트일 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 채널(20)은, 몸체(10)를 냉각 시키는 냉매(C)가 흐를 수 있도록, 몸체(10)의 내부에 냉매 유로(21)가 형성될 수 있으며, 냉매(C)가 냉매 유로(21) 내에서 난류가 발생할 수 있도록 냉각 채널(20)의 내벽에 형성되는 난류형성장치(30)를 포함할 수 있다. 여기서, 난류형성장치(30)는 적어도 1개 이상일 수 있다. 또한, 냉매(C)는, 냉각오일 및 냉각수를 포함할 수 있으며, 반드시 이에 한정되지는 않는다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 난류형성장치(30)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측에 형성되고 냉각 채널(20)의 바닥으로부터 제1높이(H1)에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 제1돌기(31) 및 냉각 채널(20)의 내벽의 외측에 형성되고 냉각 채널(20)의 상기 바닥으로부터 제2높이(H2)에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 제2돌기(32)를 포함한다.

이때, 제1높이(H1)는 제2높이(H2) 보다 높을 수 있다. 도시되지 않았지만, 제1높이(H1)는 제2높이(H2) 보다 낮을 수 있으며, 동일할 수도 있으며, 또한, 제1돌기(31) 및 제2돌기(32)는 돌기형상 이외에도, 다양한 불규칙한 형상을 포함할 수 있다.

따라서, 냉매(C)가 상승될 때, 냉매(C)는 제1높이(H1)에 형성된 제1돌기(31)에 의해 유동되고, 이어서, 제2높이(H2)에 형성된 제2돌기(32)에 의해 유동되며, 냉매(C)가 하강될 때, 냉매(C)는 제2높이(H2)에 형성된 제2돌기(32)에 의해 유동되고, 이어서, 제1높이(H1)에 형성된 제1돌기(31)에 의해 유동되어, 냉매의 난류, 즉 상하방향과 수직인 좌우방향으로의 유동을 더욱 활성화시킬 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1돌기(31)와 내벽과의 거리(A)는 냉각 채널(20) 폭(W)의 10퍼센트 내지 50퍼센트일 수 있고, 연소실부 내벽의 곡률 반경(R)중심과 제1돌기(31)의 중심과의 거리(B)는 연소실부 내벽의 곡률 반경(R)의 25퍼센트 이내 일 수 있고, 냉각채널(20) 하부의 모서리부의 폭(C)은 냉각 채널(20) 폭(W)의 3퍼센트 내지 15퍼센트일 수 있으며, 냉각 채널(20) 높이(H)는 폭(W)의 1배 내지 2.5배일 수 있다.

도 3 내지 도 12는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 내연 기관용 피스톤(110, 120, 130, 140, 150)의 일부를 나타내는 단면도들이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(120)의 몸체(10)는, 냉각 채널(20)의 일부분이 형성되고 피스톤 크라운의 적어도 일부분을 포함하는 제1부재(11) 및 냉각 채널(20)의 타부분이 형성되고 피스톤 스커트부(14)를 포함하는 제2부재(12)로 형성될 수 있다.

또한, 제1부재(11)와 제2부재(12)의 접합면(J)이 제1돌기(31-1) 또는 제2돌기(32-1)의 꼭지부(t)를 지나도록 형성될 수 있다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(110)은 냉각 채널(20)을 형성할 수 있도록, 피스톤 헤드부를 형성할 수 있는 제1부재(11)와 피스톤의 몸체를 형성할 수 있는 제2부재(12)를 접합하여 형성할 수 있다. 제1부재(11)와 제2부재(12)에는 냉각 채널(20)을 형성할 수 있는 공동이 형성되어, 제1부재(11)와 제2부재(12)를 접합 시에 맞물리는 공동이 냉각 채널(20)로 형성될 수 있으며, 여기서, 제1부재(11)와 제2부재(12)사이에 접합면(J)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1부재(11)의 내벽과 제2부재(12)의 내벽이 접합되는 내벽에 제1돌기(31-1)가 형성될 수 있다. 제1부재(11)와 제2부재(12)가 접합되어 제1돌기(31-2)의 꼭지부(t)를 형성할 수 있으며, 따라서 접합면(J)은, 꼭지부(t)를 지나가도록 형성될 수 있다.

따라서, 제1부재(11)와 제2부재(12)사이에 형성된 제1돌기(31-1)가 냉각 채널(20)의 둘레를 따라서 접합되어 이루어진 접합면(J) 만큼 접합되는 길이가 늘어나 접합을 더 견고하게 할 수 있으며, 이로 인하여 접합강도가 더 높아 질 수 있다.

이외에도, 꼭지부(t)를 지나는 접합면(J)은 제2돌기(32-1)에도 적용될 수 있으며, 제1돌기(31-1) 또는 제2돌기(32-1) 중 어느 하나에만 형성될 수 있거나, 또는 제1돌기(31-1)와 제2돌기(32-1)에 모두 적용되어 형성될 수도 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(120)의 몸체(10)는, 냉각 채널(20)의 일부분이 형성되고 피스톤 크라운의 적어도 일부분을 포함하는 제1부재(11) 및 냉각 채널(20)의 타부분이 형성되고 피스톤 스커트부(14)를 포함하는 제2부재(12)로 형성될 수 있다.

예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(110)은 냉각 채널(20)을 형성할 수 있도록, 피스톤 헤드부를 형성할 수 있는 제1부재(11)와 피스톤의 몸체를 형성할 수 있는 제2부재(12)를 접합하여 형성할 수 있다. 제1부재(11)와 제2부재(12)에는 냉각 채널(20)을 형성할 수 있는 공동이 형성되어, 제1부재(11)와 제2부재(12)를 접합 시에 맞물리는 공동이 냉각 채널(20)로 형성될 수 있으며, 제1부재(11)와 제2부재(12) 사이에 접합면(J)이 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1부재(11)의 내벽 또는 제2부재(12)의 내벽에 제1돌기(31)가 형성될 수 있다. 제1돌기(31)가 형성된 제1부재(11) 또는 제2부재(12)가 접합되어 제1돌기(31)의 테두리(e)에 접합면(J)이 형성될 수 있으며, 접합면(J)은, 제1돌기(31)의 테두리(e)를 지나가도록 형성될 수 있다.

따라서, 제1부재(11)와 제2부재(12)사이에 형성된 제1돌기(31)가 냉각 채널(20)의 둘레를 따라서 접합되어 이루어진 접합면(J) 만큼 접합되는 길이가 더욱 늘어나 접합을 더욱 견고하게 할 수 있으며, 이로 인하여 접합강도가 한층 더 높아 질 수 있다.

이외에도, 테두리(e)를 지나는 접합면(J)은 제2돌기(32)에도 적용될 수 있으며, 제1돌기(31) 또는 제2돌기(32) 중 어느 하나에만 형성될 수 있고, 또한, 제1돌기(31)와 제2돌기(32)에 모두 적용되어 형성될 수도 있다.

따라서, 냉각 채널(20)에 돌기가 형성됨으로써 상술한 바와 같이, 냉매의 이동시 난류를 발생시켜 냉각 효율을 개선하고 접촉면적을 넓히고 유속을 증가시켜 냉각 효율을 개선할 수 있으며, 제1돌기(31, 31-1) 또는 제2돌기(32, 32-1)가 제1부재(11) 또는 제2부재(12)에만 형성됨으로써 제1부재(11)와 제2부재(12)가 접합 시 더욱 견고하게 접합되는 효과를 가질 수 있다.

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(130)은, 제1돌기(31-2)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측에 서로 이격되어 3개가 형성되고, 제2돌기(32-2)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 외측에 서로 이격되어 3개가 형성되며, 제1돌기(31-2) 및 제2돌기(32-2)는 서로 대응되는 위치에 형성되는 것일 수 있다.

따라서, 냉매가 상승 또는 하강될 때, 광폭부와 협폭부를 지나면서 냉매의 난류, 즉 상하방향과 수직인 좌우방향으로의 유동을 더욱 활성화시킬 수 있다.

또한, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(130)은, 제1돌기(31-2)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측에 서로 이격되어 3개가 형성되고, 제2돌기(32-2)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 외측에 서로 이격되어 3개가 형성되며, 제1돌기(31-2) 및 제2돌기(32-2)는 서로 어긋나는 위치에 형성되는 것일 수 있다.

따라서, 냉매가 상승 또는 하강될 때, 지그재그로 유동되면서 냉매의 난류, 즉 상하방향과 수직인 좌우방향으로의 유동을 더욱 활성화시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험 예를 설명한다. 다만, 하기의 실험 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험 예에 의해서 한정되는 것은 아니다.

[실험 예]

본 실험예에서는 몸체(10), 냉각 채널(20) 및 난류형성장치(30)를 포함하는 내연기관용 피스톤(130)에서, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측 또는 내벽의 외측으로부터 냉매 유로(21)로 돌출된 제1돌기(31-2) 또는 제2돌기(32-2)의 폭(W1, W2, W3, W4, W5)이 의 크기에 따른 냉각 효율의 변화를 실험하였다.

도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 제1돌기(31-2) 및 제2돌기(32-2)의 폭(W1, W2, W3, W4, W5)은, 각각 W1 = 0.05 mm(냉각채널 폭의 0.4%), W2 = 2.0 mm(냉각채널 폭의 1.7%), W3 = 2.5 mm(냉각채널 폭의 20%), W4 = 3.0 mm(냉각채널 폭의 25%) 및 W5 = 3.5 mm(냉각채널 폭의 30%) 이고 각각의 냉각 효율(각각의 돌기 형성시의 최고온도/돌기가 형성되지 않은 냉각채널의 최고온도 x 100)은 돌기가 형성되지 않은 냉각채널에 비하여 W1의 냉각 효율 = 약 5.17%, W2의 냉각 효율 = 약 8.79%, W3의 냉각 효율 = 약 8.53%, W4의 냉각 효율 = 약 7.24% 및 W5의 냉각 효율 = 약 7.24% 이었다. 또한 돌기의 폭이 4.0 mm인 경우 냉각효율은 3.10%로 상승하는 것으로 확인되었다. 그러므로, 제1돌기(31-2) 및 제2돌기(32-2)의 폭은 2.0 mm(냉각채널 폭의 16.7%)일 때가 냉각효율이 16.7%로 가장 좋으며 돌기의 폭이 4.0 mm(냉각채널 폭의 35%)인 조건에서 냉각효율이 3.1%로 냉각개선 효과가 뚜렷하지 않음을 확인하였다. 따라서 본 실시예에 따르면 제1돌기(31-2) 및 제2돌기(32-2)의 돌출 폭이 냉각채널 폭의 0.4% 내지 30% 인 경우가 냉각효율이 가장 높은 것으로 확인되었다.

상기 실험예 이외에도, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1돌기(31) 및 제2돌기(32)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측 또는 내벽의 외측으로부터 냉매 유로(21)로 돌출된 폭(W6, W7)이 냉각 채널의 폭(W)의 0.4퍼센트 내지 30퍼센트의 폭으로 형성될 수 있다.

여기서, 도 16에 도시된 바와 같이, 피스톤 온도 해석 결과 냉각 채널의 폭에 대한 제1돌기(31) 및 제2돌기(32)의 폭이 0.4퍼센트에서 16.7퍼센트까지 피스톤의 온도가 떨어지다가 30퍼센트에서는 미비하게 상승을 하고 35퍼센트부터는 온도 상승이 현저히 증가하는 것이 검증되어, 상기 0.4퍼센트 내지 30퍼센트인 수치의 임계적 의미를 확인할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 제1돌기(31)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측 상부로부터 축 방향 높이의 1/4지점 내지 2/4지점 사이의 구간인 제1구간(A1), 또는 3/4지점 내지 4/4지점 사이의 구간인 제2구간(A2)에 형성될 수 있고, 제2돌기(32)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 외측 상부로부터 축 방향 높이의 3/4지점까지의 구간인 제3구간(A3)에 형성될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험 예를 설명한다. 다만, 하기의 실험 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험 예에 의해서 한정되는 것은 아니다.

[실험 예]

본 실험예에서는 몸체(10)와 냉각 채널을 포함하는 내연기관용 피스톤에서, 상기 냉각 채널의 예상되는 수명을 실험하여 수명예측 분포도로 나타내었다.

도 14 및 도 15는 기존 피스톤의 냉각 채널을 수명 예측 결과를 해석한 수명예측도이다.

도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 냉각 채널의 내벽 및 외벽에 대하여 색상별로 수명예측을 확인할 수 있으며, 해석결과를 바탕으로 수명이 최대인 부분에 접합부를 선택적으로 형성할 수 있다.

도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 냉각 채널의 내벽의 내측은, 상부로부터 축 방향 높이의 1/4지점 내지 2/4지점 사이의 구간인 제1구간(A1)과 또는 3/4지점 내지 4/4지점 사이의 구간인 제2구간(A2)이 수명이 최대인 것으로 확인되며, 냉각 채널(20)의 내벽의 외측은, 상부로부터 축 방향 높이의 3/4지점까지의 구간인 제3구간(A3)이 수명이 최대인 것으로 확인된다. 따라서, 수명이 최대인 제1구간(A1), 제2구간(A2) 또는 제3구간(A3)에 제1돌기(31) 또는 제2돌기(32)를 형성하는 것이 바람직하며, 또한, 접합부(J)도 수명이 최대인 제1구간(A1), 제2구간(A2) 또는 제3구간(A3)에 형성되는 것이 바람직하다. 그리하여, 냉각 채널(20)의 수명이 최대인 구간에 접합부(J), 제1돌기(31) 또는 제2돌기(32)를 형성함으로써 냉각 채널(20)의 수명을 연장하고 이로 인하여 제품의 효율 및 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(140)의 제1돌기(31-3) 또는 제2돌기(32-3)는, 냉각 채널(20)을 따라 냉각 채널(20)의 일측 바닥으로부터 제3높이(H3)에서 냉각 채널(20)의 타측 바닥으로부터 제4높이(H4)로 높이가 변화될 수 있다. 또한, 제3높이(H3)는 제4높이(H4) 보다 높을 수 있다.

예컨대, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1돌기(31-3)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측을 따라서 돌기 형상으로 형성되며, 냉각 채널(20)의 일측에서는 제1높이(H3)로 제1돌기(31-3)가 형성되고, 냉각 채널(20)의 타측에서는 제2높이(H4)로 제1돌기(31-3)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1돌기(31-3)가 냉각 채널(20)의 내벽에서 높이의 변화를 가지며 형성될 수 있다. 또한, 제2돌기(32-3)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 외측을 따라서 제1돌기(31-3)와 유사하게 높이의 변화를 가지며 형성될 수 있다. 그리하여, 냉각 채널(20)에 돌기가 높이의 차를 가지며 형성됨으로써, 냉매(C)의 이동시 난류를 더욱 발생시켜 냉각 효율을 개선하고 접촉면적을 넓히고 유속을 증가시켜 냉각 효율을 개선할 수 있으며, 냉각 채널(20)의 돌기의 높이가 변함에 따라 냉매(C)의 유동이 수월해져 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(140)의 난류형성장치(30)는, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측 또는 외측에 돌기 형상으로 형성되는 제3돌기(33) 및 냉각 채널(20)의 내벽의 외측 또는 내측에 홈 형상으로 형성되는 제1홈부(34)를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 12에 도시된 바와 같이, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측에 돌기 형상으로 제3돌기(33)가 형성되고, 냉각 채널(20)의 내벽의 외측에 홈 형상으로 제1홈부(34)가 형성될 수 있으며, 도시되지 않았지만, 냉각 채널(20)의 내벽의 외측에 돌기가 형성되고, 냉각 채널(20)의 내벽의 내측에 홈이 형성될 수 있다. 또한, 냉매 유로(21)로 돌출된 제3돌기(33)의 폭과 몸체(10)로 함몰된 제1홈부(34)의 폭이 동일할 수 있다. 그리하여, 냉각 채널(20)의 폭의 변화를 최소화 또는 폭이 일정하게 하여 냉각 채널의(20) 내부로 냉매(C)의 유동을 더욱 원활하게 할 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)의 냉각 채널 코어(200)를 나타내는 사시도이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 냉각 채널 코어(200)는, 냉각 채널(20)을 형성할 수 있도록 피스톤 주조시 주조 금형 내부에 인서트되는 코어 몸체(40)와, 코어 몸체(10)의 내측 둘레를 따라 형성되는 제2홈부(41) 및 코어 몸체(10)의 외측 둘레를 따라 형성되는 제3홈부(42)를 포함할 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 냉각 채널 코어(200)는, 냉각 채널(20)을 형성할 수 있도록 내연기관용 피스톤(100)을 주조 시 주조 금형(미도시) 내부에 인서트되는 제2홈부(41) 및 제3홈부(42)를 포함하는 코어 몸체(40)를 포함할 수 있다. 이때, 코어 몸체(51)는, 세라믹 계열 또는 솔트(Salt) 계열로 이루어 질 수 있다.

그리하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 채널 코어(200)는, 주조 금형(미도시)에 인서트 되어, 몸체(10)를 주조 시 냉각 채널(20)을 몸체(10)의 내부에 일체형으로 형성되도록 하여, 냉각 채널(20) 형성을 위해 몸체(10)를 상부와 하부로 분리하여 별도로 접합하는 공정을 줄일 수 있으므로, 공정의 간소화 및 원가절감을 하는 효과를 가질 수 있다.

이에 따라, 내연기관용 피스톤 및 이를 제작할 수 있는 냉각 채널 코어는, 냉각 채널에 돌기를 형성함으로써 냉매의 이동시 난류를 발생시켜 냉각 효율을 개선하고 접촉면적을 넓히고 유속을 증가시켜 냉각 효율을 개선할 수 있으며, 이로 인하여 온도 상승에 의한 오일탄화를 억제할 수 있고, 품질 저하에 따른 피스톤의 파손을 방지할 수 있으며, 생산성의 증가를 제공하는 효과 가질 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 몸체
11: 제1부재
12: 제2부재
20: 냉각 채널
21: 냉매 유로
30: 난류형성장치
31: 제1돌기
32: 제2돌기
33: 제3돌기
34: 제1홈부
40: 코어몸체
41: 제2홈부
42: 제3홈부
100, 110, 120, 130, 140, 150: 내연기관용 피스톤
200: 냉각채널
J: 접합면

Claims (12)

1. 피스톤 핀이 삽입될 수 있도록 피스톤 핀 보스부가 형성되고, 실린더 벽면과 대응될 수 있는 스커트부가 형성되는 몸체; 및
   상기 몸체를 냉각 시키는 냉매가 흐를 수 있도록, 상기 몸체의 내부에 냉매 유로가 형성되는 냉각 채널;
   을 포함하고,
   상기 냉각 채널은,
   상기 냉매가 상기 냉매 유로 내에서 난류가 발생할 수 있도록 상기 냉각 채널의 내벽에 형성되는 난류형성장치;를 포함하고,
   상기 난류형성장치는,
   상기 냉각 채널의 내벽의 내측에 형성되고 상기 냉각 채널의 바닥으로부터 제1높이에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 제1돌기; 및
   상기 냉각 채널의 내벽의 외측에 형성되고 상기 냉각 채널의 상기 바닥으로부터 제2높이에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 제2돌기;를 포함하고,
   상기 제1돌기 및 상기 제2돌기는,
   상기 냉각 채널을 따라 상기 냉각 채널의 일측 바닥으로부터 제3높이에서 상기 냉각 채널의 타측 바닥으로부터 제4높이로 그 높이가 연속적으로 변화되는 것인, 내연기관용 피스톤.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1높이는 상기 제2높이 보다 높은 것인, 내연기관용 피스톤.
4. 제1항에 있어서,
   상기 몸체는,
   상기 냉각 채널의 일부분이 형성되고 피스톤 크라운의 적어도 일부분을 포함하는 제1부재; 및
   상기 냉각 채널의 타부분이 형성되고 피스톤 스커트부를 포함하는 제2부재;
   를 포함하고,
   상기 제1부재와 상기 제2부재의 접합면이 상기 제1돌기 또는 상기 제2돌기의 꼭지부를 지나도록 형성되는 것인, 내연기관용 피스톤.
5. 제1항에 있어서,
   상기 몸체는,
   상기 냉각 채널의 일부분이 형성되는 제1부재; 및
   상기 냉각 채널의 타부분이 형성되는 제2부재;
   를 포함하고,
   상기 제1부재와 상기 제2부재의 접합면이 상기 제1돌기 또는 상기 제2돌기의 꼭지부로 진행하다가 상기 제1돌기 또는 상기 제2돌기의 테두리부를 지나도록 형성되는 것인, 내연기관용 피스톤.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1돌기는, 상기 냉각 채널의 내벽의 내측에 서로 이격되어 3개가 형성되고,
   상기 제2돌기는, 상기 냉각 채널의 내벽의 외측에 서로 이격되어 3개가 형성되며,
   상기 제1돌기 및 상기 제2돌기는 서로 대응되는 위치 또는 어긋나는 위치에 형성되는, 내연기관용 피스톤.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1돌기는,
   상기 냉각 채널의 내벽의 내측 상부로부터 축 방향 높이의 1/4지점 내지 2/4지점 사이의 구간인 제1구간, 또는 3/4지점 내지 4/4지점 사이의 구간인 제2구간에 형성될 수 있고,
   상기 제2돌기는,
   상기 냉각 채널의 내벽의 외측 상부로부터 축 방향 높이의 3/4지점까지의 구간인 제3구간에 형성될 수 있는 것인, 내연기관용 피스톤.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 제3높이는 상기 제4높이 보다 높은 것인, 내연기관용 피스톤.
11. 제1항에 있어서,
    상기 난류형성장치는,
    상기 냉각 채널의 내벽의 내측 또는 외측에 돌기 형상으로 형성되는 제3돌기; 및
    상기 냉각 채널의 내벽의 외측 또는 내측에 홈 형상으로 형성되는 제1홈부;
    를 더 포함하는, 내연기관용 피스톤.
12. 냉각 채널을 형성할 수 있도록 피스톤 주조시 주조 금형 내부에 인서트되는 코어 몸체;
    상기 코어 몸체의 내측 둘레를 따라 형성되는 제2홈부; 및
    상기 코어 몸체의 외측 둘레를 따라 형성되는 제3홈부;를 포함하고,
    상기 제2홈부 및 상기 제3홈부는,
    상기 냉각 채널을 따라 상기 냉각 채널의 일측 바닥으로부터 제3높이에서 상기 냉각 채널의 타측 바닥으로부터 제4높이로 그 높이가 연속적으로 변화되는 것인, 냉각 채널 코어.

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