KR101706751B1

KR101706751B1 - 고압 피스톤 크라운

Info

Publication number: KR101706751B1
Application number: KR1020160126353A
Authority: KR
Inventors: 한금태
Original assignee: 삼영기계 (주)
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2017-02-27
Also published as: US20180094602A1; EP3301285A1; DK3301285T3; EP3301285B1; US10393062B2

Abstract

본 발명은 피스톤 스커트의 상부에 결합되어 실린더를 왕복하는 피스톤 크라운의 내부 구조를 변경하여, 종래의 피스톤 크라운보다 높은 압력을 견딜 수 있는 고압 피스톤 크라운에 관한 것으로써, 방사형으로 배치되고, 일측이 상기 고압 피스톤 크라운의 중앙부(C)와 연결되며, 상기 고압 피스톤 크라운의 외측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 다수의 메인 리브(110)를 포함하는 리브부(100), 상기 리브부(100)에 의해 형성되어, 상기 피스톤 스커트로부터 유입되는 냉각유가 흐르는 오일 갤러리(200) 및 상기 중앙부(20)의 하측에 형성되어 내부가 상기 오일 갤러리(200)와 이어지도록 상기 리브부(100)와 연결되는 하부판(300)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고압 피스톤 크라운{High preassure piston crown}

본 발명은 고압 압축압력 피스톤 크라운에 관한 것으로써, 보다 상세히는 종래의 피스톤 크라운보다 높은 압력을 견딜 수 있는 고압 압축압력 피스톤 크라운에 관한 것이다. 이하 "고압 피스톤"이라 한다.

엔진과 함께 사용되는 피스톤은 실린더 내부를 왕복하며, 엔진의 팽창 행정시 순간적으로 발생하는 섭씨 1,700℃ 이상 되는 연소가스의 폭발 팽창력에 의해 단면적당 200bar 이상(실린더 직경 20Cm인 경우 62톤이상의 압축폭발 압력을 받음)의 큰 힘을 받아 이 힘을 커넥팅 로드로 전달하는 역할을 한다. (1bar??1kgf/㎠)

도 1은 종래 피스톤의 구조를 설명하기 위한 것으로써, 본 발명의 출원인과 동일 출원인의 한국등록특허 10-1383121호("피스톤 조립체", 공개일 2014.04.09., 이하 선행기술 1)에 개시된 도면 중 일부이다. 도 1을 참고하여 피스톤의 구조를 간략하게 설명하면, 피스톤의 윗부분은 피스톤 헤드(Piston Head) 또는 피스톤 크라운(Piston Crown)등으로 불리며, 이는 도 1의 도번 10에 해당하는 부분이다. 상기 피스톤 크라운(100)의 하측에 결합된 부분은 피스톤 스커트로, 도 1의 도번 20에 해당하는 부분이며, 상기 피스톤 크라운(10)과 결합되어 피스톤의 왕복운동을 안정화 하는 역할을 한다.

한편, 최근 엔진을 사용하는 장치의 대형화 및 엔진효율의 개선 요구에 따라 엔진의 출력 자체가 높아지고 있는 추세이고, 따라서 피스톤 크라운에 전달되는 압력은 점차 높아져 이러한 압력에 견딜 수 있는 피스톤 크라운의 개발이 필요한 실정이다. 도 2는 선행기술 1의 도면 중 일부로써, 도 2에 도시된 바와 같이 선행기술 1은 상기 피스톤 크라운의 상면에 다수의 리브(30)가 방사형으로 형성되고, 상기 다수의 리브(30)가 피스톤 크라운의 중심부로 모여 서로 이어짐으로써, 피스톤 크라운의 강도를 보강하였다. 그러나 선행문헌 1과 같은 구조는 작은 직경을 가지는 피스톤에는 적합할 수 있으나, 중대형 피스톤과 같이 피스톤의 반경이 커질수록 리브가 약해지는 결과로 이어져, 높은 폭발 압력을 견디기에는 구조적으로 한계가 있다.

한국등록특허 10-1383121호("피스톤 조립체", 공개일 2014.04.09.)

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 고압 피스톤 크라운의 목적은 보다 강한 압력을 견딜 수 있는 고압 압축압력 피스톤 크라운을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 위한 본 발명에 의한 고압 피스톤 크라운은 피스톤 스커트의 일측에 결합되는 고압 피스톤 크라운에 관한 것으로, 피스톤 스커트의 일측에 결합되는 고압 피스톤 크라운에 관한 것으로, 방사형으로 배치되고, 일측이 상기 고압 피스톤 크라운의 중앙부(C)와 연결되며, 상기 고압 피스톤 크라운의 외측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 다수의 메인 리브(110)를 포함하는 리브부(100), 상기 리브부(100)에 의해 형성되어, 상기 피스톤 스커트로부터 유입되는 냉각유가 흐르는 오일 갤러리(200) 및 상기 중앙부(20)의 하측에 형성되어 내부가 상기 오일 갤러리(200)와 이어지도록 상기 리브부(100)와 연결되는 하부판(300)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리브부(100)는 상기 중앙부(C)를 향해 연장되되, 상기 메인리브(110)보다 짧게 연장 형성되고, 상기 고압 피스톤 크라운의 외측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 다수의 서브 리브(120)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리브부(100)는 인접한 상기 메인 리브(110) 또는 서브 리브(120)를 서로 연결하고, 하측으로 연장 형성되어 상기 하부판(300)과 연결되는 지지부(130) 및 상기 지지부(130)에 형성되어, 볼트가 삽입되는 볼트홀(140)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 고압 피스톤 크라운에 의하면, 리브부(100)에 포함되는 리브들이 외측으로 갈수록 넓이가 넓어져 구조적 안성정이 증가하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면, 리브부(100)의 하측에 지지부(140)가 연장 형성되어 구조적 안정성이 증가하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 피스톤 조립체의 단면도.
도 2는 종래 피스톤 크라운의 평면도.
도 3은 본 발명의 피스톤 크라운의 사시도.
도 4는 도 3의 일부분을 절단한 사시도.
도 5는 도 4의 평면도.
도 6은 도 5의 부분 확대도.
도 7은 도 3의 평면도.
도 8은 도 7의 A-A' 방향 단면도.
도 9는 도 7의 B-B' 방향 단면도.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 고압 피스톤 크라운의 바람직한 실시예들에 관하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 고압 피스톤 크라운을 뒤집어 상기 고압 피스톤 크라운의 하측이 보이도록 놓은 상태로, 도 3을 기준으로 상기 고압 피스톤 크라운의 상측에 피스톤 스커트의 일측이 결합된다. 즉, 도 1에 도시된 피스톤 크라운의 하측이 도 3에 보이는 상측이 되며, 도 3에 도시된 상기 고압 피스톤 크라운의 하측이 엔진에서 폭발 행정이 일어나는 방향이다. 상기 고압 피스톤 크라운의 상측, 즉 엔진에서 폭발이 일어나는 방향은 금속판으로 막혀 있어 폭발에 의한 압력을 받는 형태이며, 상기 금속판의 반대 방향인 도 3의 상측면에 각종 구성이 형성되어 본 발명만의 특징이 나타나게 된다.

도 4는 도 3에 도시된 상기 고압 피스톤 크라운을 수평한 평면 방향으로 자른 것을 도시한 것이고, 도 5는 도 4의 상부 평면도를 도시한 것이며, 도 6은 도 5의 일부분을 확대 도시한 것이다. 도 7은 도 3의 상측에서 상기 고압 피스톤 크라운을 바라본 것이고, 도 8은 도 7의 A-A'방향의 단면도를 도시한 것이며, 도 9는 도 7의 B-B'방향의 단면도를 도시한 것이다.

도 4 내지 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 상기 고압 피스톤 크라운은 리브부(100), 오일 갤러리(200) 및 하부판(300)을 포함한다.

도 4 내지 6에 도시된 바와 같이, 상기 리브부(100)는 상기 금속판의 하측으로 돌출 형성되어 상기 하부판(300)과 연결되는 구성으로, 메인 리브(110), 서브 리브(120), 지지부(130) 및 볼트홀(140)을 포함한다.

도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 상기 메인 리브(110)는 방사형으로 배치되고, 일측이 상기 고압 피스톤 크라운의 중앙부(20)와 연결되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤 크라운(10)의 외측으로 갈수록 단면적이 넓어진다.

도 3의 하측에 위치한 상기 금속판은 상기 리브부(100)를 서로 연결한다.

도 4 및 5에 도시된 상기 메인 리브(110)는 상기 고압 피스톤 크라운이 보다 높은 압력에 사용 가능하도록 구조적 안정성을 높이기 위한 구성이다. 상기 메인 리브(110) 자체는 높이의 단차가 있는 구성으로, 도 8 및 9에 도시된 바와 같이 상기 메인 리브(110)의 높이는 상기 고압 피스톤 크라운의 외측은 높고, 중앙부(20)로 갈수록 낮아졌다가 다시 높아진다. 이러한 구조는 도 4에 보다 상세히 도시되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 메인 리브 일측(110A)은 상기 중앙부(20)까지 연장 형성되어, 상기 중앙부(20)와 서로 연결되는 것을 확인할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 메인 리브(110)는 일측의 넓이(W1)보다 타측의 넓이(W2)가 넓은 일종의 사다리꼴 형상을 하고 있다. 이는 종래 일자 형태로 형성되는 리브보다 상기 메인 리브(110)의 단면적을 보다 넓게 함으로써, 상기 고압 피스톤 크라운의 구조적 안정성을 증가시켜 엔진 폭발 행정 과정에서 작용하는 높은 압력을 견디게 하기 위함이다. 종래 동일 출원인의 선행 발명에서도 상기 메인 리브(110)에 대응하는 구성이 있었지만, 도 9에 도시된 상기 메인 리브(110)처럼 피스톤 크라운의 외측으로 갈수록 넓이가 증가하는 사다리꼴이 아니었으며, 따라서 피스톤이 삽입되는 실린더의 규모가 커지면 커질수록 리브의 효과가 떨어지는 문제점이 있었고, 본 발명의 상기 메인 리브(110)가 외측으로 갈수록 넓이가 넓어지는 형상은 이를 극복하기 위한 것이다.

상기 메인 리브(110)는 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 다수개가 형성될 수 있으나, 본 발명의 실시예에와 같이 서로 마주보는 두 개의 상기 메인 리브(110)가 한 쌍으로, 다수의 쌍이 형성되는 것이 바람직하다.

도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 상기 서브 리브(120)는 상기 중앙부(20)를 향해 연장되되, 상기 메인리브(110)보다 짧게 연장 형성되고, 상기 피스톤 크라운(10)의 외측으로 갈수록 단면적이 넓어진다. 상기 서브 리브(120) 또한 상기 메인 리브(110)와 동일한 목적으로 형성된다. 도 4 및 5에는 상기 서브 리브 일측(120A)이 상기 중앙부(20)까지 연장 형성되지 않는데, 이는 상기 중앙부(20)는 반경이 작아 외주면의 둘레길이가 상대적으로 짧으므로, 다수개의 상기 메인 리브(110)가 상기 중앙부(20)까지 연장되면, 상기 서브 리브(120A)가 상기 중앙부(20)의 외주면에 연장될 수 없기 때문이다. 이러한 이유로 상기 서브 리브(120A)는 상기 중앙부(20)까지 연장되지 않는다.

상기 지지부(130)는 인접한 상기 메인 리브(110) 또는 서브 리브(120)를 서로 연결한다. 도 4 및 5에서는 두 개의 메인 리브(110)와, 그 사이에 형성된 서브 리브(120)를 서로 연결한다. 즉 본 발명의 실시예에서는 총 세 개의 리브를 연결하는데, 본 발명은 이에 한정하지 않으며 개수에 관계없이 상기 메인 리브(110) 또는 서브 리브(120)를 연결할 수 있고, 나아가 서로 인접한 다수의 메인 리브(110)만을 서로 연결하거나 다수의 서브 리브(120)만을 연결할 수 있다.

상기 지지부(130)가 인접한 다수의 상기 메인 리브(110) 또는 서브 리브(120)를 서로 연결하는 서로 인접한 리브끼리 연결됨으로써, 구조적 안정성을 높이기 위한 것이다. 본 발명에 의한 상기 고압 피스톤 크라운은 비교적 높은 압력을 전달받는데, 이 과정에서 워낙 높은 압력을 받기 때문에 상기 고압 피스톤 크라운에 진동이 전달될 수 있으며, 이 진동은 도 8 및 9를 기준으로 상기 고압 피스톤 크라운이 받는 압력이 방향인 상측에서 하측 방향이 아닌 수평 방향일 수 있다. 상기 메인 리브(110) 및 서브 리브(120)는 도 8 및 9를 기준으로 하측으로 돌출된 구성이므로 특히 이러한 수평 방향의 진동에 약할 수 있다. 이를 방지하기 위해 상기 지지부(130)는 인접한 상기 메인 리브(110) 또는 서브 리브(120)를 연결한다.

도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 상기 지지부(130)는 인접한 상기 메인 리브(110) 또는 서브 리브(120)를 서로 연결할 뿐만 아니라 하측으로 연장 형성되어 상기 하부판(300)과 연결될 수 있다. 상기 지지부(130)가 이러한 구조를 가지는 이유 역시 구조적 안정성을 증가시키기 위한 것이다. 즉, 상기 지지부(130)는 상기 메인 리브(110), 서브 리브(120) 및 하부판(300)을 구조적으로 연결시킴으로써 함께 엔진으로부터 받는 높은 압력을 견딜 수 있으며, 상하 방향이 아닌 수평방향의 진동 또한 저감시켜주는 역할을 한다.

도 4 및 5에 도시된 본 발명의 실시예에서 상기 지지부(130)는 두 개가 형성되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않으며 다수개가 형성될 수 있다. 또한, 피스톤의 반경이 커지면 상기 지지부(130)는 서로 연결시킨 메인 리브 또는 서브 리브에 복수개 형성될 수 있다. 이를 예를 들어 상세히 설명하면, 두 개의 메인 리브와 그 사이에 형성된 서브 리브가 형성되고, 메인 리브와 서브 리브의 외측에 지지부가 한 개 형성되고, 내측에 또 다른 지지부가 형성되어 보다 결합을 견고히 할 수 있다.

도 8에 도시된 상기 볼트홀(140)은 상기 지지부(130)에 형성되어, 볼트가 삽입된다. 즉 상기 볼트는 상기 피스톤 스커트와 고압 피스톤 크라운을 서로 결합시키기 위한 것으로, 연장 형성된 지지부(130)를 통해 상기 피스톤 스커트와 고압 피스톤 크라운이 서로 결합될 수 있다. 상기 지지부(130)는 상술한 바와 같이 복수개가 형성될 수 있으므로, 상기 지지부(130)의 개수를 늘리면 상기 피스톤 스커트와 고압 피스톤 크라운을 서로 결합시키는 볼트또한 복수개 설치할 수 있고, 이에 따라 피스톤 스커트와 고압 피스톤 크라운 간의 결합이 견고해 지는 효과가 있다.

도 8 및 9에 도시된 상기 오일 갤러리(200)는 상기 리브부(100)에 의해 형성되어, 상기 피스톤 스커트로부터 유입되는 냉각유가 흐르는 공간이다. 즉, 상기 리브부(100)는 피스톤 스커트로부터 유입되는 냉각유가 특정 방향으로 흐르도록 하는 일종의 가이드 역할을 하며, 이를 위해 상기 리브부(100)는 크라운의 형상을 따라 곡선을 띄고 있다. 상기 오일 갤러리(200)와 이를 통해 유입, 배출되는 냉각유의 방향은 도 9에 도시되어 있으며, 이 냉각유는 엔진의 폭발 행정 과정에서 발생하는 고온에 의해 달궈진 상기 피스톤 크라운(10)과 맞닿아 이를 식혀주는 역할을 한다. 즉 도 9의 하측에서 유입되는 냉각유의 온도는 비교적 저온이고, 하측으로 배출되는 냉각유는 고온이 된다.

도 8 및 9를 기준으로 봤을 때, 상기 메인 리브(110) 및 서브 리브(120)는 다수개가 하측으로 다수개가 돌출 형성된 구조이므로 표면적이 증가하게 된다. 이렇게 표면적이 증가하게 되므로, 냉각유가 상기 고압 피스톤 크라운과 접촉하는 면적이 넓어져 냉각유의 냉각효율이 증가하는 효과가 있으며, 따라서 본 발명에 의한 고압 피스톤 크라운을 사용하면 보다 높은 출력의 엔진을 사용할 수 있는 효과가 있다.

상기 하부판(300)은 상기 중앙부(20)의 하측에 형성되어 내부가 상기 오일 갤러리(200)와 이어지도록 상측이 상기 메인리브(110) 및 서브 리브(120)와 결합된다. 상기 하부판(300)의 중앙부분에는 상기 오일 갤러리(200)와 이어지도록 형성되는 일종의 공간이 관통 형성되어 있으며, 이 공간은 고압 피스톤 크라운의 높은 온도를 떨어뜨린 냉각유가 배출되며, 상기 피스톤 스커트와 이어진다. 도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 상기 하부판(300)과 피스톤 크라운 폭발면 내면측(310)은 부분적으로 상기 리브부(100)와 연결되어, 상기 리브부(100)에서 받는 압력을 분산시키면서 하측에 결합되는 피스톤 크라운과 스커트 조립면을 통하여 스커트에 전달하는 역할을 한다.

상기한 고압 피스톤 스커트는 주물로 형성되어, 종래보다 강도가 높은 강도를 가지도록 한다. 이에 필요조건으로 인장강도가 80kgf/㎟이상이면서 신율이 5% 이상인 닥타일 주철이 적합하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

C : 중앙부
100 : 리브부
110 : 메인 리브 110A : 메인 리브 일측
120 : 서브 리브 120A : 서브 리브 일측
130 : 연결부
140 : 볼트홀
200 : 오일 갤러리
300 : 하부판
W1 : 메인 리브의 일측 넓이
W2 : 메인 리브의 타측 넓이

Claims

피스톤 스커트의 일측에 결합되는 고압 피스톤 크라운에 관한 것으로,
방사형으로 배치되고, 일측이 상기 고압 피스톤 크라운의 중앙부(C)와 연결되며, 상기 고압 피스톤 크라운의 외측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 다수의 메인 리브(110)를 포함하는 리브부(100);
상기 리브부(100)에 의해 형성되어, 상기 피스톤 스커트로부터 유입되는 냉각유가 흐르는 오일 갤러리(200); 및
상기 중앙부(C)의 하측에 형성되어 내부가 상기 오일 갤러리(200)와 이어지도록 상기 리브부(100)와 연결되는 하부판(300);
을 포함하되,
상기 리브부(100)는 상기 중앙부(C)를 향해 연장되되, 상기 메인리브(110)보다 짧게 연장 형성되고, 상기 고압 피스톤 크라운의 외측으로 갈수록 단면적이 넓어지는 다수의 서브 리브(120)를 더 포함하되,
상기 고압 피스톤 크라운은 인장강도가 80kgf/㎟ 이상이면서 신율이 5% 이상인 덕타일 주철로 형성되는 것을 특징으로 하는 고압 피스톤 크라운.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 리브부(100)는
인접한 상기 메인 리브(110) 또는 서브 리브(120)를 서로 연결하고, 하측으로 연장 형성되어 상기 하부판(300)과 연결되는 지지부(130) 및
상기 지지부(130)에 형성되어, 볼트가 삽입되는 볼트홀(140)
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 피스톤 크라운.