KR20050083276A - 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법에 관한 것으로서, 피스톤에서도 보울이 형성된 상부를 포함하는 크라운부를 스틸을 소재로 하여 선 제작하고, 그 아래 나머지 부분인 스커트부를 알루미늄 합금을 소재로 주조하여 제작하되, 선 제작한 상기 크라운부를 링 캐리어와 함께 다이에 장치한 후 인서트시키는 방식으로 스커트부를 주조하여, 스틸재인 크라운부와 알루미늄재인 스커트부가 일체로 된 피스톤을 제조하게 되는 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따르면, 연소압을 직접 받게 되는 부분이면서 상대적으로 큰 내구력을 요하는 부분인 크라운부가 스틸로 제작됨으로써, 큰 내구력을 가지는 피스톤을 제조할 수 있게 된다. 또한, ART 피스톤 제조시와 비교할 때 오일 갤러리의 설치가 가능하여 냉각성능이 우수한 피스톤을 제조할 수 있으며, 전체를 스틸로 제작하는 것에 비해 중량이 가볍고 연비 측면에서 보다 유리한 피스톤을 제조할 수 있게 된다.

Description

자동차 엔진용 피스톤의 제조방법{Method for manufacturing piston of automobile engine}

본 발명은 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법에 관한 것으로서, 피스톤에서도 보울이 형성된 상부를 포함하는 크라운부를 스틸을 소재로 하여 선 제작하고, 그 아래 나머지 부분인 스커트부를 알루미늄 합금을 소재로 주조하여 제작하되, 선 제작한 상기 크라운부를 링 캐리어와 함께 다이에 장치한 후 인서트시키는 방식으로 스커트부를 주조하여, 스틸재인 크라운부와 알루미늄재인 스커트부가 일체로 된 피스톤을 제조하게 되는 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 엔진은 공기와 연료를 연소실 내로 유입시켜 연소시킴으로써 동력을 얻는 대표적인 내연기관이다.

이러한 자동차용 엔진의 실린더 내에는 고속으로 왕복운동을 하는 피스톤이 설치되고 있으며, 이 피스톤은 연소실에서 발생한 고온, 고압의 연소가스압을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크 축을 회전시키는 일을 한다.

이와 같이 피스톤은 고온의 연소가스에 피스톤 헤드가 노출되고, 또한 고압을 충격적으로 받으며, 실린더 내에서의 고속 왕복운동으로 큰 마찰이 생기는 등 가혹한 조건 하에서 구동된다.

따라서, 피스톤은 위의 가혹한 조건하에서도 그 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 제조되어야 함은 물론 가벼우면서도 견고할 뿐만 아니라 열전도성 및 내열성이 좋은 재질로 제조되어야 한다.

한편, 엔진 실린더 블록의 각 실린더를 상하로 왕복운동하는 피스톤의 상부 외주면 상에는 다수개의 피스톤 링이 설치되는데, 이 피스톤 링은 상측으로 통상 2개가 설치되는 압축링과, 그 하측으로 설치되는 1개의 오일링으로 구분되어진다.

보다 상세하게는, 피스톤의 외주면에는 상측으로 압축링 장착을 위한 2개의 링 홈과, 그 아래쪽으로 오일링이 삽입 장착되는 1개의 링 홈이 형성되어 있고, 상기 링 홈에 기밀 유지가 가능하도록 설계에 따라 여러 형상으로 이루어진 압축링 및 오일링이 삽입 장착되고 있다.

여기서, 상측의 압축링은 연소실의 기밀을 유지하는 역할을 주로 하고, 팽창연소 행정시 연소실내에서 발생한 고온열을 피스톤으로부터 전달받아 열의 대부분을 실린더 벽면으로 방출하여 냉각 작용을 하며, 또한 실린더 벽면에 부착된 오일을 긁어내리는 역할도 하게 된다.

하측의 오일링은 실린더 벽에 뿌려진 오일을 긁어내려 최소한의 유막을 만들고, 이를 통해 실린더 내벽과 피스톤 사이의 마모를 방지하면서 피스톤의 부드러운 왕복운동을 유도하게 된다.

상기와 같은 압축링 및 오일링을 갖는 피스톤은 엔진의 구동과 함께 실린더블록의 실린더 벽면을 따라 상하로 왕복운동을 하게 되는데, 흡입/압축/팽창/배기행정의 순서로 직선 왕복운동을 하게 된다.

참고로, 압축링 중 가장 위쪽의 링 홈에 장착된 링은 탑 링(top ring) 또는 제1링, 아래쪽 링 홈에 장착된 링은 바텀 링(bottom ring) 또는 제2링이라 칭하기도 한다.

한편, 현재 양산되고 있는 피스톤 중 하나로서 알루미늄 합금을 재질로 하여 주조과정을 거쳐 제조된 것이 사용되고 있으며, 이는 첨부한 도 2에 나타낸 바와 같이 탑 링이 삽입 장착되는 탑 링 캐리어를 제외한 나머지 부분이 모두 알루미늄 합금재로 되어 있다.

도 2의 피스톤에 대하여 간단히 설명하면, 피스톤(100) 상단 중앙부위에는 인젝터에서 분사되는 연료의 스월을 유도하여 공기와 연료가 잘 혼합되도록 하는 보울(bowl, 111)이 형성되어 있고, 피스톤(100) 상부 외주면 상에는 피스톤 링이 장착되는 링 캐리어(121)와 링 홈(123)들이 형성되어 있다.

또한, 통상의 피스톤(100)에서는 고온의 연소열에 의한 피스톤 파손의 방지와 피스톤의 내부 냉각을 위한 환형의 오일 갤러리(oil gallery, 122a)가 피스톤 몸체의 내부, 즉 링 홈의 안쪽으로 설치되어 있으며, 이 오일 갤러리(122a)의 일측과 타측으로는 오일 유입을 위한 유입구(124)와 배출을 위한 배출구(미도시됨)가 각각 형성되어 있다.

따라서, 엔진의 운전시 오일의 일부가 유입구(124)를 통해 오일 갤러리(122a) 내부로 유입된 후 순환되면서 피스톤 몸체 및 링 캐리어(121)를 냉각시키고, 순환된 오일은 배출구를 통해 몸체 밖으로 배출되도록 되어 있다.

상기한 오일 갤러리(122a)는 피스톤(100)의 주조과정에서 코어에 의한 살빼기 공정을 통해 피스톤의 몸체 내부에 환형으로 형성하는 것이 일반적이나, 도 2의 예에서와 같이 스틸 재질의 오일 갤러리(122a)와 링 결합부(122b)를 일체로 제작한 탑 링 캐리어(121)를 피스톤 주조시 몸체 내부로 인서트시키기도 한다.

여기서, 탑 링 캐리어(121)라 함은 피스톤 링 중에서 최상위의 링, 즉 탑 링이 결합되는 장소가 되는 곳으로서, 예시한 바와 같이 링 모양으로 형성되어 내부로 오일이 이동하는 통로로서 사용되는 오일 갤러리(122a)와, 이 오일 갤러리(122a) 외측으로 'ㄷ'자 모양의 링 결합부(122b)가 일체로 형성되어 있으며, 특히 엔진의 비출력 및 연소압이 증대됨에 따라 탑 링의 온도 저감 및 이를 통한 탑 링의 소착방지를 목적으로 하여 적용된다.

즉, 상기 링 결합부(122b)의 홈 부위에 탑 링이 결합되는 것이며, 이 탑 링이 오일 갤러리(122a)를 순환하는 오일에 의해 쉽게 냉각되도록 함으로써 연소실에서의 연소동작에 의해 고온이 전달되더라도 쉽게 냉각되어 실린더 블록 내벽에 소착되는 현상이 방지될 수 있는 것이다.

그 밖에 현재 양산되고 있는 자동차 엔진용 피스톤으로는, 보울(111)을 포함하는 피스톤 상부, 즉 크라운 부(110)를 스틸로 단조하여 제작하고 아래의 스커트부(120)를 알루미늄 재질로 제작한 후 추후 두 부품을 하나의 피스톤으로 조립한 ART(articulate, 관절) 피스톤과, 피스톤 전체를 스틸을 재질로 하여 제작한 모노 스틸(mono steel) 피스톤이 있다.

그러나, 위에서 언급한 3종류의 피스톤 모두 각기 단점을 가지고 있으며, 이는 다음과 같다.

먼저, 비출력 및 연소압이 증대되고 있는 현재의 엔진 개발 추세에 따라 점차 피스톤의 상부쪽에 응력이 증대되고 있는 형편이며, 이에 알루미늄 피스톤의 경우에는 그 재질의 특성상 내구성 측면에서 많은 불리한 단점을 가지고 있는 것이 사실이다.

또한, 조립체로 구성한 ART 피스톤의 경우 단조 특성상 오일 갤러리를 일체로 형성하지 못하고 있는 형편이며, 그로 인해 냉각성능이 좋지 않은 단점을 가지고 있다.

또한, 스틸재 피스톤의 경우 위의 단점들이 해소될 수는 있으나, 그 재질의 특성상 중량이 크고 연비에 불리한 단점을 가지고 있는 형편이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연소압을 직접 받게 되는 부분이면서 상대적으로 큰 내구력을 요하는 부분인 피스톤 상부 크라운부를 스틸로 제작하고, 그 아래 나머지 부분인 스커트부를 알루미늄 합금을 소재로 일체화 하여 제조함으로써, 종래 알루미늄 피스톤에 비해 큰 내구력을 가지면서 ART 피스톤 제조시와 비교할 때 오일 갤러리의 설치가 가능하여 냉각성능이 우수한 피스톤을 제조할 수 있으며, 또한 전체를 스틸로 제작한 것에 비해 중량이 가볍고 연비 측면에서 보다 유리한 피스톤을 제조할 수 있는 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법에 있어서,

보울이 형성된 헤드 상부 및 탑 랜드 부분을 포함하는 피스톤 상부영역의 크라운부를 스틸을 소재로 사용하여 단조 또는 주조하여 제작하는 단계와;

탑 링 캐리어를 제작하는 단계와;

상기 크라운부를 상측으로 하여 상기 탑 링 캐리어와 함께 다이에 장치한 후 다이 내부에 알루미늄 합금 용탕을 주입하여, 링 홈 및 오일 갤러리부, 피스톤 핀 결합부 등을 포함하는 하측 나머지 영역의 스커트부를 일체로 주조하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 스틸-알루미늄 재질의 피스톤 단면도이다.

본 발명은 우선 보울(bowl)이 형성된 헤드 상부 및 탑 랜드 부분 등을 포함하는 상부영역의 크라운부를 스틸을 소재로 하여 제작하고, 그 아래 나머지 영역의 스커트부를 알루미늄 합금을 소재로 하여 주물 제작하되, 상기 스커트부의 주물 제작시에 기 제작된 상기 크라운부를 링 캐리어와 함께 다이에 장치한 후 인서트시키는 방법으로 주조하여, 상기 스틸재 크라운부와 알루미늄재 스커트부를 일체로 제작하는 것에 주된 특징이 있다.

통상, 피스톤(100)의 상단 중앙부위에는 보울(111)이 형성되는 바, 이하 피스톤에서도 보울(111)이 형성된 헤드 상부 및 탑 랜드 부분 등을 포함하는 상부영역을 크라운부라 칭하기로 하며, 이 크라운부를 제외한 나머지의 아래부분을 스커트부라 칭하기로 한다(도 1에서 파팅 라인을 따라 색깔 구분함).

즉, 도 1에서 도면부호 110으로 지시되고 있는 피스톤(100)의 상부가 본 발명의 제조방법에서 스틸로 선 제작되는 크라운부가 되며, 도면부호 120으로 지시되고 있는 그 아래부분이 알루미늄 합금을 소재로 주조하여 성형되는 스커트부가 된다.

도면부호 121는 오일 갤러리(122a)와 링 결합부(122b)가 일체로 된 탑 링 캐리어를 지시하는 것이고, 도면부호 123의 링 홈 중 상측의 홈은 또 하나의 압축 링인 바텀 링이 삽입 장착되는 링 홈을, 하측의 홈은 오일링이 삽입 장착되는 링 홈을 나타낸다.

또한, 도면부호 124는 오일 유입을 위한 유입구를 지시하는 것으로서, 이를 통해 캐리어(121)의 오일 갤러리(122a) 안쪽으로 오일이 유입되도록 되어 있으며, 오일 갤러리(122a)를 순환하여 냉각작용을 수행한 오일은 미도시된 배출구를 통해 피스톤 밖으로 배출되도록 되어 있다.

본 발명의 제조방법을 상술하면, 도 1에 도시한 바와 같은 피스톤을 제조하기 위하여, 먼저 보울(111)이 형성된 헤드 상부 및 탑 랜드 부분을 포함하는 피스톤 상부영역의 크라운부(110)를 스틸을 소재로 사용하여 단조 또는 주조하여 제작한다.

이후, 오일 갤러리(122a)와 링 결합부(122b)가 일체로 된 탑 링 캐리어(121)를 종래의 방법대로 별도 제작한다.

그 다음, 상기 크라운부(110)를 상측으로, 그리고 탑 링 캐리어(121)를 그 하측으로 소정 간격을 두고서 다이에 장치한 후 다이 내부에 스커트부(120)의 소재가 되는 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 링 홈 및 오일 갤러리부, 피스톤 핀 결합부 등을 포함하는 그 아래 나머지 영역의 스커트부(120)를 주조하게 된다.

이때, 스커트부(120)에는 스틸재의 크라운부(110) 및 탑 링 캐리어(121)를 인서트하여 주조하는 것과 함께 오일 유입구(124) 및 배출구, 그 밖의 피스톤 핀 결합부 등을 형성시킨다.

상기 탑 링 캐리어(121)의 제작 및 설치와, 오일 유입구(124) 및 배출구, 그 밖의 피스톤 핀 결합부 등의 형성은 종래와 동일한 방법이 적용된다.

즉, 스틸을 소재로 사용하여 오일 갤러리(122a)와 링 결합부(122b)가 일체가 되게 탑 링 캐리어(121)를 선 제작한 후 주조시 역시 선 제작된 스틸재의 크라운 부(110)와 함께 다이에 장치하여 인서트시키며, 또한 코어 설치 후 용탕 주입하여 오일 유입구(124) 및 배출구, 피스톤 핀 결합부 등을 스커트부(120)에 형성하는 것이다.

물론, 오일 갤러리를 탑 링 캐리어의 링 결합부와 일체화 하지 않고 스커트부 주조시 코어 설치를 통해 별도 형성하는 것도 실시 가능하다.

이와 같이 본 발명은 연소압을 직접 받게 되는 부분이면서 상대적으로 큰 내구력을 요하는 부분인 상부 크라운부를 스틸을 소재로 사용하여 선 제작한 후 이를 스커트부 주조시 일체로 삽입 제조하는 기술로서, 크라운부를 스틸로 구성하여 기준 알루미늄 피스톤에 비해 증가된 연소압에도 대응이 가능한 내구력을 가지는 피스톤을 제조할 수 있게 된다.

또한, ART 피스톤 제조시와 비교할 때 오일 갤러리의 설치가 가능하여 냉각성능이 우수한 피스톤을 제조할 수 있으며, 조립 작업 삭제로 공정 축소와 원가 절감의 장점이 있게 된다.

또한, 전체를 스틸로 제작하는 것에 비해 중량이 가볍고 연비 측면에서 보다 유리한 피스톤을 제조할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법은 피스톤에서도 보울이 형성된 상부를 포함하는 크라운부를 스틸을 소재로 하여 선 제작하고, 그 아래 나머지 부분인 스커트부를 알루미늄 합금을 소재로 성형하여 제작하되, 성형시 선 제작한 상기 상부 크라운부를 링 캐리어와 함께 다이에 장치한 후 인서트시키는 방법으로 스커트부를 주조하여 제작함으로써, 스틸재인 크라운부와 알루미늄재인 스커트부가 일체로 된 피스톤을 제작하는데 주된 특징이 있다.

이러한 본 발명에 따르면, 다음과 같은 장점이 있게 된다.

1) 연소압을 직접 받게 되는 부분이면서 상대적으로 큰 내구력을 요하는 부분인 크라운부가 스틸로 제작됨으로써, 기준 알루미늄 피스톤과는 달리 증가된 연소압에 대응이 가능한 큰 내구력을 가지는 피스톤을 제조할 수 있게 된다.

2) ART 피스톤 제조시와 비교할 때 오일 갤러리의 설치가 가능하여 냉각성능이 우수한 피스톤을 제조할 수 있으며, 부품 조립 작업의 삭제로 공정 축소와 원가 절감의 장점이 있게 된다.

3) 전체를 스틸로 제작하는 것에 비해 중량이 가볍고 연비 측면에서 보다 유리한 피스톤을 제조할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 스틸-알루미늄 재질의 피스톤 단면도,

도 2는 종래기술에 따른 알루미늄 재질의 피스톤 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 피스톤 110 : 크라운부

111 : 보울 120 : 스커트부

121 : 탑 링 캐리어 122a : 오일 갤러리

122b : 링 결합부 123 : 링 홈

124 : 오일 유입구

Claims (1)

1. 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법에 있어서,

   보울이 형성된 헤드 상부 및 탑 랜드 부분을 포함하는 피스톤 상부영역의 크라운부를 스틸을 소재로 사용하여 단조 또는 주조하여 제작하는 단계와;

   탑 링 캐리어를 제작하는 단계와;

   상기 크라운부를 상측으로 하여 상기 탑 링 캐리어와 함께 다이에 장치한 후 다이 내부에 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 링 홈 및 오일 갤러리부, 피스톤 핀 결합부 등을 포함하는 하측 나머지 영역의 스커트부를 일체로 주조하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 피스톤의 제조방법.