KR20050064100A - Articulated steel forging piston for use in a diesel engine - Google Patents
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Abstract
상부의 스틸 피스톤 크라운부(10)는 180bar 이상의 연소압력에 대응할 수 있고, 스켈레톤 형태로 최적화되어 전체적인 중량을 저감하며, 중앙에 위치하여 연소가 이루어지는 연소실(20)과, 연소가스의 누설을 방지하는 톱 링(30)과, 연소가스의 누설 방지 및 윤활유의 양을 조정하는 세컨드 링(40)과, 윤활유의 양을 조정하는 오일 링(50)으로 이루어진 링조립부(90)와, 알루미늄 합금의 스커트부(100)의 냉각 갤러리(110)와 중합되어 연소시 발생하는 고온의 열응력을 저감시키는 냉각 갤러리(60)와, 연소로 인한 고압의 폭발력을 커넥팅 로드(도시하지 않음)로 전달하는 연결부로서의 피스톤 핀(200)의 삽입에 의해 피스톤 크라운부(10)와 스커트부(100)가 체결되도록 구성된 피스톤 핀 홀(70)과, 상기 피스톤 핀(200)과 피스톤 핀 홀(70)과의 사이의 마모를 방지하도록 설치된 부시(80)로 이루어지고, 그 하부에 중합되어 결합되는 알루미늄 합금의 스커트부(100)는 왕복운동시의 안정성을 유지하고 경량화를 도모할 수 있도록 연소실(20)에 형성된 고온의 열응력을 냉각시키고자 피스톤 크라운부(10)의 냉각 갤러리(60)와 결합가능한 냉각 갤러리(110)와, 상기 피스톤 크라운부(10)의 피스톤 핀 홀(70)과 합체되어 피스톤 핀(200)이 삽입되는 피스톤 핀 홀(120)로 구성된다.The upper steel piston crown portion 10 may correspond to a combustion pressure of 180 bar or more, and is optimized in the form of a skeleton to reduce the overall weight, and is located in the center of the combustion chamber 20 and the combustion to prevent the leakage of combustion gas A ring assembly 90 consisting of a top ring 30, a second ring 40 for preventing the leakage of combustion gas and adjusting the amount of lubricating oil, an oil ring 50 for adjusting the amount of lubricating oil, and an aluminum alloy Cooling gallery 60 that is polymerized with the cooling gallery 110 of the skirt 100 to reduce the high temperature thermal stress generated during combustion, and the connecting portion for transmitting a high pressure explosion force due to combustion to the connecting rod (not shown) The piston pin hole 70 configured to fasten the piston crown portion 10 and the skirt portion 100 by the insertion of the piston pin 200 as a piston pin, and between the piston pin 200 and the piston pin hole 70. To prevent wear The skirt portion 100 of the aluminum alloy made of a bush 80, which is polymerized and bonded to the lower portion of the bush 80, maintains stability during reciprocation and reduces the weight of the high temperature thermal stress formed in the combustion chamber 20. The piston pin 200 is inserted into the cooling gallery 110 which can be combined with the cooling gallery 60 of the piston crown part 10 and the piston pin hole 70 of the piston crown part 10 to be cooled. It consists of a piston pin hole 120.
Description
본 발명은 디젤엔진용 분절(articulatd) 스틸 단조 피스톤에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스틸로 형성된 피스톤 크라운과 알루미늄합금으로 형성된 스커트의 이질 체결을 별도의 연결기구없이 피스톤 핀만으로 결합함으로서 구조의 단순화 및 경량화를 달성할 수 있는 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤에 관한 것이다.The present invention relates to an articulated steel forged piston for a diesel engine, and more particularly, by combining heterogeneous fastening of a piston crown formed of steel and a skirt formed of an aluminum alloy with only a piston pin without a separate connection mechanism, thereby simplifying the structure and The present invention relates to a segmented steel forged piston for a diesel engine that can achieve weight reduction.
잘 알려진 바와 같이, 일반적인 디젤엔진은 그 연소실이 모두 알루미늄 합금으로 구성되어 있으며, 그 형상은 얕은 접시형, 깊은 접시형, 트로이달형, 리엔트런트형, 마우라형 및 구상형 등이 있지만, 이러한 기존의 알루미늄 합금 피스톤으로는 고성능, 고출력의 트럭 및 버스와 같은 디젤 사용차량에서 발생하는 180bar 이상의 연소압력이 피스톤 핀 보스 하단에 전달하는 힘을 견딜 수 없어 피스톤 핀 홀 및 피스톤 크라운에 균열이 발생되어 전체적으로 피스톤이 파괴되는 문제점이 있었다.As is well known, a typical diesel engine has all its combustion chambers made of aluminum alloy, and its shapes are shallow dish type, deep dish type, troidal type, reentrant type, maura type and spherical type. Aluminum alloy pistons are unable to withstand the force transmitted to the bottom of the piston pin boss due to the combustion pressure of more than 180 bar from diesel vehicles such as high-performance, high-power trucks and buses, causing cracks in the piston pin holes and piston crown. There was a problem that the piston is destroyed.
따라서, 본 발명은 이에 따라 안출된 것으로, 그 목적은 180bar 이상의 연소압력에 견딜 수 있고, 기존의 알루미늄 합금 피스톤에 대비하여 120%의 중량을 가지는 스켈레톤 형태로서 스틸로 형성된 피스톤 크라운과 알루미늄 합금으로 형성된 스커트의 이질 체결이 가능한 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤을 제공하는 것이다. Accordingly, the present invention has been devised accordingly, the object is to form a piston crown formed of steel and aluminum alloy as a skeleton form that can withstand a combustion pressure of more than 180bar, and has a weight of 120% compared to the existing aluminum alloy piston It is to provide a segmented steel forged piston for a diesel engine that allows heterogeneous tightening of a skirt.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤은 스틸로 이루어진 상부의 피스톤 크라운부와 알루미늄 합금으로 이루어져서 상기 피스톤의 왕복 운동시 거동을 안정시키는 가이드 역활을 행하는 하부의 스커트부로 분절되어, 상기 피스톤 크라운부는 중앙에 위치하여 연소가 이루어지며 연소가스에서 받은 열을 효과적으로 주위에 전달하고 연소압력에 대한 강도 및 고온 연소가스에 의한 열 충격에 견디는 형상의 연소실과, 각각 연소가스의 누설을 방지하고, 상기 연소가스의 누설방지 및 윤활유의 양을 조정하며, 윤활유의 양을 조정하도록 외측면에 순차적으로 설치되는 톱링과, 세컨드링과, 오일링으로 구성된 링 조립부와, 상기 알루미늄 합금으로 이루어진 스커트부와 중합되어 연소시 발생하는 고온의 열응력을 저감시키는 개방형 냉각 갤러리와, 연소로 인한 고압의 폭발력을 커넥팅 로드로 전달하는 연결부로서 피스톤 핀이 삽입되는 피스톤 핀 홀과, 상기 피스톤 핀과 상기 피스톤 핀 홀사이의 마모를 방지하고자 상기 피스톤 핀 홀내에 삽입되는 부시로 구성되며, 상기 스커트부는 그 상단에 상기 연소실에 형성된 고온의 열응력을 냉각시키고자 상기 피스톤 크라운부의 냉각 갤러리와 결합가능한 냉각 갤러리와, 상기 피스톤 크라운부의 피스톤 핀 홀과 합체되어 피스톤 핀이 삽입되는 피스톤 핀 홀로 구성된다.The segmented steel forged piston for diesel engine of the present invention for achieving the above object is segmented into a lower skirt portion which serves as a guide that stabilizes the behavior during the reciprocating motion of the piston by being made of an upper portion of the piston crown made of steel and an aluminum alloy. The piston crown is located at the center of the combustion, and the combustion chamber is formed to effectively transfer the heat received from the combustion gas to the surroundings, and to withstand the heat shock caused by the strength of the combustion pressure and the hot combustion gas, and the leakage of the combustion gas, respectively. A ring assembly consisting of a top ring, a second ring, and an oil ring, which are sequentially installed on an outer surface to prevent the leakage of the combustion gas and to adjust the amount of lubricating oil, and to adjust the amount of lubricating oil. It is polymerized with the made skirt to reduce the high temperature thermal stress generated during combustion. In the open cooling gallery to reduce, the piston pin hole into which the piston pin is inserted as a connection for transmitting the high pressure explosion force due to combustion to the connecting rod, and in the piston pin hole to prevent wear between the piston pin and the piston pin hole It is composed of a bush that is inserted, the skirt portion is combined with the piston pin hole of the piston crown portion and the cooling gallery which can be combined with the cooling gallery of the piston crown portion to cool the high temperature thermal stress formed in the combustion chamber on the top of the piston pin It consists of a piston pin hole to be inserted.
본 발명에 의하면, 스틸로 형성된 피스톤 크라운과 알루미늄 합금으로 형성된 스커트의 이질 체결을 별도의 연결기구 없이 이전부터 사용되고 있는 피스톤 핀만으로 결합함으로서 분절 피스톤 구조의 단순화 및 경량화를 이루는 효과를 가진다.According to the present invention, the heterogeneous fastening of the piston crown formed of steel and the skirt formed of the aluminum alloy is combined with only the piston pins that have been used previously without a separate connection mechanism, thereby achieving the effect of simplifying and lightening the segmented piston structure.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a segmented steel forged piston for a diesel engine according to an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤중 스틸로 형성된 피스톤 크라운부의 단면을 도시하고 있고, 도 2는 피스톤중 알루미늄 합금으로 형성된 스커트부의 단면을 도시한 것으로, 도 3은 피스톤 크라운부와 스커트부의 결합된 상태를 일부 절결하여 나타내고 있다.1 illustrates a cross section of a piston crown portion formed of steel in a segmented steel forged piston for a diesel engine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 illustrates a cross section of a skirt portion formed of an aluminum alloy in the piston. 3 shows the state in which the piston crown portion and the skirt portion are coupled in part.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤은 전체적으로 두 부분으로 구성되는 바, 스틸(SCM440H)로 이루어진 피스톤 크라운부(10)와, 이 크라운부(10)의 하부에 중합되어 결합되는 알루미늄 합금(AC8A)으로 이루어진 스커트부(100)로 구성된다.As shown, the segmented steel forged piston for a diesel engine according to an embodiment of the present invention is composed of two parts as a whole, the piston crown portion 10 made of steel (SCM440H), and the crown portion 10 It is composed of a skirt portion 100 made of an aluminum alloy (AC8A) is polymerized and bonded to the lower portion of.
도 1에 있어서, 피스톤 크라운부(10)는 연소가스에서 받은 열을 효과적으로 주위에 전달하고 연소압력에 대한 강도 및 고온 연소가스에 의한 열 충격에 견디는 오메가 형상으로 중앙에 위치하여 연소가 이루어지는 연소실(20)과, 연소가스의 누설을 방지하는 톱 링(30)과, 연소가스의 누설 방지 및 윤활유의 양을 조정하는 세컨드 링(40)과, 윤활유의 양을 조정하는 오일 링(50)으로 이루어지고, 또한, 알루미늄 합금의 스커트부(100)와 중합되어 연소시 발생하는 고온의 열응력을 저감시키는 개방형 냉각 갤러리(60)와, 도 3에 잘 나타나있는 바와 같이, 연소로 인한 고압의 폭발력을 커넥팅 로드(도시하지 않음)로 전달하는 연결부로서의 피스톤 핀(200)의 삽입에 의해 피스톤 크라운부(10)와 스커트부(100)가 체결되도록 구성된 피스톤 핀 홀(70)과, 상기 피스톤 핀(200)과 피스톤 핀 홀(70)과의 사이의 마모를 방지하도록 설치된 부시(80)로 이루어진다.In FIG. 1, the piston crown portion 10 is a combustion chamber in which the combustion is carried out in the center in an omega shape that effectively transfers heat received from the combustion gas to the surroundings and withstands the strength against the combustion pressure and the thermal shock caused by the hot combustion gas. 20), a top ring 30 for preventing the leakage of combustion gas, a second ring 40 for preventing the leakage of combustion gas and adjusting the amount of lubricating oil, and an oil ring 50 for adjusting the amount of lubricating oil. And an open cooling gallery 60 which polymerizes with the skirt portion 100 of the aluminum alloy to reduce the high temperature thermal stress generated during combustion, and as shown in FIG. A piston pin hole 70 configured to engage the piston crown portion 10 and the skirt portion 100 by insertion of the piston pin 200 as a connecting portion to be transmitted to a connecting rod (not shown), and the piston pin 200 ) And a bush 80 installed to prevent abrasion between the piston pin hole 70 and the piston pin hole 70.
도 2에 있어서, 스커트부(100)는 그 상단에 연소실(20)에 형성된 고온의 열응력을 냉각시키고자 피스톤 크라운부(10)의 냉각 갤러리(60)와 결합가능한 냉각 갤러리(110)와, 상기 피스톤 크라운부(10)의 피스톤 핀 홀(70)과 합체되어 피스톤 핀(200)이 삽입되는 피스톤 핀 홀(120)로 구성된다.In FIG. 2, the skirt portion 100 includes a cooling gallery 110 which can be coupled to the cooling gallery 60 of the piston crown portion 10 to cool the high temperature thermal stress formed in the combustion chamber 20 at an upper end thereof. It is composed of a piston pin hole 120 is incorporated with the piston pin hole 70 of the piston crown portion 10 is the piston pin 200 is inserted.
이상과 같이 본 발명은 180bar 이상의 고압 폭발압력에 대응하기 위하여, 상부의 피스톤 크라운부(10)와 하부의 스커트부(100)로 분절된 것으로, 상부의 피스톤 크라운부(10)는 고압의 연소압력에 견딜 수 있도록 스틸로 이루어져 있고, 하부의 스커트부(100)는 왕복 운동시의 안정성을 유지하고 경량화를 도모하도록 알류미늄 합금으로 이루어진 분절 스틸 단조 피스톤으로서, 피스톤 전체의 중량 저감을 달성하기 위하여 도 4와 도 5에 도시된 바와 같은 구조해석을 통하여 피스톤 크라운부의 연소실 형상을 다양한 형태로 변경한 시뮬레이션을 실시하여 폰 미세스(Von Mises) 응력 및 온도분포를 분석하고 그 결과를 적용한 것이며, 이에 따라 본 발명의 분절 스틸 단조 피스톤은 피스톤 크라운부의 각 부분의 두께를 최소화하여 제작할 수 있고, 또한, 구조해석의 결과에 따라 제작한 분절 스틸 피스톤의 내구 신뢰성 시험을 피스톤 내구 시험기를 통하여 실시한 바, 스켈레톤 형태로 하여 중량을 최소화한 분절 스틸 피스톤의 형상에 대한 신뢰성을 확인하였다. 그 내구 시험 결과가 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 실험결과로 알 수 있는 바와 같이, 180bar의 고압하에서 100,000km 주행한 실험후의 분절 피스톤 핀 홀의 수직 진원도를 측정하였을 때 실험전후의 차이가 2㎛(허용범위:20㎛ 이내)의 범위에 있는 양호한 결과가 도출됨으로서 고압의 연소에 효과적으로 대응할 수 있는 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤이 개발된 것이다. As described above, the present invention is divided into an upper piston crown portion 10 and a lower skirt portion 100 so as to correspond to a high pressure explosion pressure of 180 bar or more, and the upper piston crown portion 10 is a high pressure combustion pressure. It is made of steel so that it can withstand, the lower skirt portion 100 is a segmented steel forged piston made of aluminum alloy to maintain stability during the reciprocating motion and to reduce the weight, in order to achieve weight reduction of the entire piston Figure 4 And through the structural analysis as shown in Figure 5 through the simulation to change the combustion chamber shape of the piston crown in various forms to analyze the von Mises stress and temperature distribution and apply the results, according to the present invention Segmented steel forged pistons can be manufactured by minimizing the thickness of each part of the piston crown. The endurance reliability test of the segmented steel piston produced according to the results was carried out through a piston endurance tester. As a result, the reliability of the shape of the segmented steel piston in the form of a skeleton was minimized. The endurance test results are shown in FIG. As can be seen from the experimental results of FIG. 6, the difference before and after the experiment was measured in the range of 2 μm (acceptable range: within 20 μm) when the vertical roundness of the segmented piston pin hole was measured after driving 100,000 km under high pressure of 180 bar. The resultant good results have been developed for the segmented steel forged piston for the diesel engine of the present invention that can effectively cope with high-pressure combustion.
또한 본 발명은 스틸로 형성된 피스톤 크라운부와 알루미늄 합금으로 형성된 스커트부의 이질 체결을 별도의 연결기구없이 이전부터 사용되고 있는 피스톤 핀만으로 결합함으로서 분절 피스톤의 구조를 단순화하였고 그 경량화를 달성하게 되었다.In addition, the present invention simplifies the structure of the segmented piston and achieves light weight by combining heterogeneous fastening of the piston crown formed of steel and the skirt formed of the aluminum alloy with only the piston pins previously used without a separate connection mechanism.
이상과 같은 본 발명에 따른 분절형 스틸 단조 피스톤은 대형 상용차량에서부터 중소형의 차량에 까지 모두 적용시킬 수 있을 뿐만 아니라 2 사이클 기관과 선박용 디젤엔진에도 적용이 가능한 것이다.As described above, the segmented steel forged piston according to the present invention can be applied to both a large commercial vehicle and a medium-sized vehicle, as well as to a two cycle engine and a marine diesel engine.
상술한 바와 같이 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤은 상부의 피스톤 크라운부가 스틸로 이루어져서 180bar 이상의 연소압력에 대응할 수 있고, 하부의 스커트부가 알루미늄 합금으로 이루어지므로서, 왕복운동시의 안정성을 유지하고 경량화를 도모할 수 있는 효과를 가진다.As described above, the segmented steel forged piston for the diesel engine of the present invention is made of steel, and the piston portion of the upper portion can cope with combustion pressure of 180 bar or more, and the skirt portion of the lower portion is made of aluminum alloy, thereby maintaining stability during reciprocating motion. And the weight can be reduced.
또한 구조해석 및 피스톤 내구 시험기를 통한 실험에 의해 스틸 피스톤의 형상을 도 1에 도시된 바와 같이 스켈레톤형태로 최적화함으로서 전체적인 중량의 저감을 달성하는 효과를 가진다.In addition, by optimizing the shape of the steel piston in the skeleton form as shown in Figure 1 by the structural analysis and experiments through the piston durability tester has the effect of achieving a reduction in the overall weight.
더구나 본 발명은 스틸로 형성된 피스톤 크라운부와 알루미늄 합금으로 형성된 스커트부의 이질 체결을 별도의 연결기구없이 이전부터 사용되고 있는 피스톤 핀만으로 도 3에 도시된 바와 같이 결합함으로서 피스톤 구조의 단순화 및 경량화를 달성하는 효과를 가진다.Furthermore, the present invention combines the heterogeneous fastening of the piston crown portion formed of steel and the skirt portion formed of the aluminum alloy, as shown in FIG. Has an effect.
이상에 설명한 바와 같은 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤은 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변경내지 변형 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신에 포함된다고 보아야 할 것이다As described above, the segmented steel forged piston for the diesel engine of the present invention is just one embodiment, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and as claimed in the following claims, Without departing from the gist of the present invention, one of ordinary skill in the art should be considered to be included in the technical spirit of the present invention to the extent that changes or modifications can be made.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 피스톤 크라운 부분을 나타내는 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing a piston crown portion of a segmented steel forged piston for a diesel engine according to an embodiment of the present invention,
도 2는 도 1의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 스커트 부분을 나타내는 단면도이고,2 is a cross-sectional view showing a skirt portion of the segmented steel forged piston for the diesel engine of FIG.
도 3은 도 1의 피스톤 크라운 부분과 도 2의 스커트 부분이 결합된 상태를 나타내는 일부 절결 조립도이고,3 is a partially cut-away view illustrating a state in which the piston crown portion of FIG. 1 and the skirt portion of FIG. 2 are coupled;
도 4는 본 발명의 디젤엔진용 분절 스틸 단조 피스톤의 폰미세스 응력과 온도에 대한 구조해석이고,4 is a structural analysis of the phone mist stress and temperature of the segmented steel forged piston for a diesel engine of the present invention,
도 5는 본 발명 피스톤의 내구 실험 결과로서의 핀 홀 진원도 분석이다.5 is a pinhole roundness analysis as a result of the durability test of the piston of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 피스톤 크라운 20 : 연소실10: piston crown 20: combustion chamber
30 : 톱 링 40 : 세컨드 링30: top ring 40: second ring
50 : 오일 링 60, 110 : 개방형 냉각 갤러리50: oil ring 60, 110: open cooling gallery
70, 120 : 피스톤 핀 홀 80 : 부시70, 120: piston pin hole 80: bush
90 : 링 조립부 100 : 스커트부90 ring assembly 100 skirt portion
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Cited By (2)
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| CN109653896A (en) * | 2017-10-10 | 2019-04-19 | 隆巴第尼有限责任公司 | Piston and its manufacturing method |
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- 2003-12-23 KR KR1020030095377A patent/KR20050064100A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |