KR20070020181A

KR20070020181A - 내연 기관의 일체형 피스톤용 냉각 채널 커버

Info

Publication number: KR20070020181A
Application number: KR1020067006548A
Authority: KR
Inventors: 디이터 가브리엘; 미카엘 티. 라프
Original assignee: 말레 게엠베하
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2007-02-20
Also published as: WO2005040586A1; CN100585154C; EP1682765A1; US6892690B2; BRPI0415300A; JP2007507652A; CN1863994A; US20050072394A1

Abstract

본 발명은, 내연 기관의 일체형 피스톤용 냉각 채널 커버로서, 피스톤은, 피스톤 링 밴드의 높이에서 피스톤 크라운 내부 주위로 연장되는 밀폐된 냉각 채널과, 피스톤 링 밴드와 피스톤 샤프트 사이에 구비되는 링형 홈을 구비하며, 피스톤 샤프트는 피스톤 크라운에 연결되는 피스톤 허브와 연결되는 냉각 채널 커버에 관한 것이다. 이러한 피스톤에 따르면, U자형 단면을 갖는 일체형 플라스틱 링/스프링강 링에 의해서, 냉각 채널 커버의 조립이 쉽게 이루어진다.

냉각 채널 커버, 일체형 피스톤, 내연 기관

Description

내연 기관의 일체형 피스톤용 냉각 채널 커버{COOLING CHANNEL COVER FOR A ONE-PIECE PISTON OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은, 내연 기관의 일체형 피스톤용 냉각 채널 커버로서, 피스톤은, 피스톤 링 밴드(band)의 높이에서 피스톤 크라운(crown) 내부 주위로 연장되는 밀폐된 냉각 채널과, 피스톤 링 밴드와 피스톤 샤프트 사이에 구비되는 링형 홈을 구비하는 냉각 채널 커버에 관한 것이다. 피스톤 샤프트는 피스톤 크라운에 연결되는 허브(hub)를 통해서 피스톤 크라운과 연결된다.

냉각 채널이 피스톤 헤드의 가장자리 영역에 배치되는 다부품 냉각 피스톤이 독일 공개 특허 공보 제40 39 751 A1호에 개시되어 있으며, 이러한 채널은 컵 스프링과 유사하게 형성된 판금 링에 의해 덮여져 있다. 이러한 판금 링은 일체형으로 형성되어 있으며, 피스톤이 두 부품으로 형성되어 있는 경우에만 피스톤과 쉽게 조립될 수 있다. 이와 관련하여, 상부 피스톤 부품을 하부 피스톤 부품에 연결시키기 전에 우선 판금 링을 상부 피스톤 부품과 조립할 필요가 있다.

또한, 바닥부가 개방된 냉각 채널을 덮으면서 원주 주위로 링형으로 연장되는 벽 부품이 개방 판금 링으로서 형성되어 있고, 이러한 판금 링이 각각 피스톤 링 영역의 내주에 대해 그리고 연소실 벽의 외주에 대해 홈에 놓여져 있어서, 시 거(Seeger) 링 원리에 따른 플라스틱의 변형, 즉 반경 방향으로의 플라스틱의 편향이 이루어지게 되는 피스톤이 독일 공개 특허 공보 제252 638 A1호와 제41 34 530 A1호에 개시되어 있다.

또한, 냉각 채널을 구비한 다부품 피스톤이 독일 특허 공보 제42 08 037 C2호에 개시되어 있으며, 이 문헌에 따르면, 바닥부가 개방된 냉각 채널이, 원주에서 적어도 두 부품으로 분할된 편향된 컵 스프링에 의해 덮여져 있으며, 축방향으로 대향된 측부에 대해 반경 방향 내부 및 반경 방향 외부에서 지지부에 자유롭게 놓여져 있다.

마지막으로, 냉각 채널이 피스톤 헤드의 가장자리 영역에 배치되는 일체형 냉각 채널 피스톤이 유럽 특허 공보 제0 561 871 B1호와 제0 799 373 B1호에 개시되어 있으며, 이러한 채널은 컵 스프링과 유사하게 형성된 커버 링에 의해서, 또는 컵스프링과 유사하게 형성되고 칼라(collar)를 구비하는 커버 링에 의해서 밀폐되어 있다.

위에서 설명한 종래 기술들의 단점은, 조립을 행하기 위해서는, 커버 링이나 컵 스프링이 두 부품으로 형성되어야 한다는 점이다. 또한, 조립 중에는, 두 반원형 링 절반부 각각이 편향 상태에서 피스톤 크라운의 해당 베어링 내에 개별적으로 삽입되어야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 신속하면서도 쉽게 설치할 수 있고, 종래 기술에 비해 피스톤 중량을 경감시킬 수 있는 내연 기관의 일체형 피스톤용 냉각 채널 커버를 제공하는 데 있다.

이러한 목적은, 폴리페닐렌 설파이드(PPS)나 고온 폴리이미드(PI)로 제조되고 U자형 단면을 갖는 일체형 플라스틱 링 또는 스프링강 링에 의해서 달성된다. 특히, U자형 링은, 링 바닥부와, 플라스틱 링의 원주 주위에 배치되고 링 바닥부에 성형되며 반경 방향 외부로 경사지게 형성되는 외측 섕크(shank)와, 플라스틱 링의 내주 주위에 배치되고 반경 방향 내부로 경사지게 형성되는 내측 섕크를 구비한다. 이러한 두 섕크는, 냉각 채널을 밀폐시키기 위해서 섕크들이 냉각 채널의 내부 가장자리의 원추형 홈에 편향없이 맞물려 링 바닥부가 냉각 채널을 밀폐시키게 할 수 있도록 반경 방향으로 변형된다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 링 바닥부로 연장되는 슬릿은 반경 방향 외측 섕크와 반경 방향 내측 섕크에 형성된다. 슬릿은 각기 다른 리지(ridge) 길이(L)를 갖는 다수의 섕크들을 형성시킬 수 있도록 원주에 걸쳐 비균일하게 분포되어 배치된다. 바람직하게는, 슬릿의 폭은 2mm 내지 3mm이며, 리지 길이는 15mm 내지 20mm이다.

바람직하게는, U자형 링은, 냉각 채널용 냉각 오일 유입구 또는 냉각 오일 유출구를 형성시킬 수 있게 입구 폭이 형성되도록 반경 방향으로 분할된다.

본 발명의 여타 다른 목적들 및 특징들은 첨부 도면들을 참고로 한 이하의 상세한 설명으로부터 명확하게 파악할 수 있다. 하지만, 도면들은 단지 예시적인 것으로서 본 발명을 그에 국한시키고자 하는 것은 아니다.

도 1은 냉각 채널이 본 발명에 따른 U자형 링에 의해 밀폐되어 있는 내연 기관용 일체형 피스톤을 도시한 도면으로서, 피스톤의 두 절반부를 서로 90°만큼 편위시켜 각각 종단면도로 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1에 따른 피스톤을 90°만큼 회전시켜 도시한 도면이다.

도 3은 도 2의 상세부 X에 따른 피스톤의 부분 상세도이다.

도 4는 U자형 플라스틱 링의 평면도이다.

도 5는 도 4의 U자형 링을 선 A-A를 따라 절단하여 도시한 단면도이다.

도 6은 도 4의 U자형 링을 선 B-B를 따라 절단하여 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 피스톤 2.1: 피스톤 종축

2.2: 피스톤 횡축 3: 허브 구멍

4: 피스톤 헤드 5: 연소 공간 함몰부

6: 냉각 채널 7: 피스톤 링 밴드

8: U자형 링 8.1: 반경 방향 외측 섕크

8.2: 반경 방향 내측 섕크 8.3: 링 바닥부

9: 피스톤 크라운 10: 샤프트

11: 링형 홈 13: 슬릿

13.1: 돌출부 14.1/14.2: 원주 방향 홈

15.1/15.2: 단차부 16: 냉각 오일 유입구

17: 냉각 오일 유출구 M: 입구 폭

L: 리지 길이

도면들에서 동일 부재는 동일 도면 부호로 표기하였다.

도 1은 내연 기관용 일체형 피스톤(1)의 단면도를 2개의 반쪽 단면도, 즉 피스톤의 종축(2)을 따른 좌측 단면도와, 그 단면도로부터 90°만큼 편위된 피스톤(1)의 종단면을 도시한 우측 단면도를 도시하고 있다.

피스톤(1)은 강재로 제조되며, 피스톤 링 밴드(band)(7)를 구비한 피스톤 크라운(crown)(9)과, 연소 공간 함몰부(5)를 구비한 피스톤 헤드(4)를 구비한다. 피스톤 샤프트(10)는 피스톤 크라운(9)에 연결된 피스톤 허브(hub)(3)와 연결된다. 원주 주위로 링 형상으로 연장되는 밀폐된 냉각 채널(6)이 피스톤 링 밴드(7)의 높이에서 피스톤 크라운(9)에 배치된다. 이러한 채널의 반경 방향 외측 경계와 반경 방향 내측 경계는, 피스톤 헤드(4)에 성형되는 링 벽과, 피스톤 허브(3)가 연결되는 피스톤 크라운 영역에 의해서 결정된다. 냉각 채널(6)의 내부에서, 링 벽 측에는 홈(14.2)이 구비되고, 피스톤 크라운 측에는 홈(14.1)이 구비되며, 냉각 채널 내부의 벽 영역은 피스톤 헤드(4) 쪽을 향해 축방향으로 원추형으로 폭이 좁아지는 형상을 갖는다. 각각의 경우에 있어서 기울기는 축방향 피스톤 축(2.1)과 홈 벽의 사면 사이의 각도에 의해 정의되며, 대략 30°이다. 홈(14.1, 14.2)은 각각 단차부(15.1, 15.2)에 의해 제한되며, 이러한 단차부도 피스톤 샤프트(10) 쪽을 향한 방향으로 원추형으로 폭이 좁아지는 형상을 갖고, 이러한 단차부의 위에서 정의된 각도는 대략 20°내지 30°이다.

링형 홈(11)이 피스톤 링 밴드(7)와 피스톤 샤프트(10) 사이에 구비되며, 이에 의해서 냉각 채널(6)을 U자형 단면을 갖는 일체형 플라스틱 링(8)/스프링강 링으로 밀폐시키는 조립체가 형성된다. 이를 위해서, 본 발명에 따르면, 폴리페닐렌 설파이드(약어: PPS)와 같은 열가소성 중합체 플라스틱이나, 라이톤(Ryton) R4^®이나, 듀폰(DuPont)의 베스펠^®(VESPEL^®) 혹은 미쓰이 케미칼즈 인코포레이티드(Mitsui Chemicals Inc.)의 아우룸(AURUM^®)과 같은 고온 폴리이미드(약어: PI)가 사용된다. 약어는 1997년도 국제 규격 ISO 1043-1에 따라 표기하였다. 이러한 플라스틱의 특징은 고온, 즉 200℃ 내지 400℃의 열에 견디면서 장시간 기능할 수 있다는 점에 있다. 또한, 플라스틱은 섬유로 강화될 수도 있다. 스프링강은 C_R75와 같은 표준 탄소강일 수 있다. 선택적으로 템퍼링(tempering) 처리를 할 수 있다.

도 4에 따르면, U자형 플라스틱 링(8)은, 링 바닥부(8.3)로부터 경사지게 형성된 반경 방향 외측 섕크(shank)(8.1)와, 링 바닥부(8.3)로부터 경사지게 형성된 반경 방향 내측 섕크(8.2)를 구비한다. 이러한 섕크들은 조립을 간단히 행하기 위해서 원주에 걸쳐 비균일하게 분포되어 배치된 슬릿(13)에 의해 분할되어, 각기 다른 길이의 섕크 분할부(L)가 형성된다. 슬릿은 하향으로 플라스틱 링(8)의 바닥부(8.3) 쪽으로 형성되고, 약간 V자형으로 형성되며, 2mm 내지 3mm의 슬릿 폭을 갖는다. 위에서 설명한 반경 방향 슬릿은 링의 원주에 걸쳐 분포되어 배치되며, 바람직하게는 15°내지 25°의 각도 범위로 분포되어 배치된다.

도 6의 단면도에 도시된 바와 같이, 외측 섕크(8.1)는 링 바닥부(8.3)의 외주에 배치되며, 피스톤의 횡축(2.2)에 대해 링 바닥부(8.3)로부터 반경 방향 외부로 경사지게 형성된다. 내측 섕크(8.2)는 반경 방향 내부로 경사지게 형성되며, 피스톤 바닥부(8.3)의 내주에 배치된다.

도 4에 명확하게 도시된 바와 같이, U자형 플라스틱 링(8)은 입구 폭(M)을 갖는 개구(17)가 형성되도록 반경 방향으로 분할된다. 이러한 개구에 180°만큼 대향되는 지점에는 대략 동일 폭을 갖는 U자형 개구(16)가 형성된다. 두 개구(16, 17)는 링(8)이 조립된 상태에서 냉각 채널(6)에 오일을 공급하는 오일 유입구와 오일 유출구로서의 역할을 각각 수행한다.

플라스틱 링(8)의 반쪽을 홈(11)의 축방향 높이에 해당되는 높이까지 평면으로부터 탄성적으로 위로 편향시켜 홈(11) 내로 삽입한 다음에 피스톤 크라운(9)에 연결되어 있는 허브 영역에 걸쳐 가압시킴으로써, 링(8)을 아주 간단한 방식으로 조립할 수 있게 된다. 이러한 선조립 상태에서, 링의 바닥부(8.3)는 피스톤 헤드 쪽을 향해 지향된다.

냉각 채널(6)을 밀폐시키기 위해서, 링(8)이 단차부(15.1, 15.2)에 걸쳐 가압되어, 링의 외측 섕크(8.1)와 내측 섕크(8.2)가 홈(14.1, 14.2)에 놓이게 되며, 섕크의 면이 단차부에 지지되게 된다. 이러한 상태에서, 링 바닥부(8.3)가 냉각 채널(6)을 밀폐시키게 된다. 원주에 배치되고 외측 섕크(8.1)에 대향되게 원주에서 돌출되며 냉각 채널의 홈(미도시)에 맞물리는 1개 또는 2개의 돌출부(13.1)는, U자형 링이 제자리로부터 이탈되어 회전되지 못하도록 하는 역할을 한다.

지금까지 본 발명의 몇 가지 실시예들을 도시하여 설명하였지만, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 본 발명에 여러 가지 변형과 수정을 가할 수 있다.

Claims

내연 기관의 일체형 피스톤용 냉각 채널 커버로서, 피스톤 링 밴드의 높이에서 상기 피스톤의 피스톤 크라운 내부 영역 주위로 연장되는 밀폐된 냉각 채널과, 상기 피스톤 크라운에 연결되는 피스톤 허브와 연결되는 피스톤 샤프트와 피스톤 링 밴드 사이에 구비되는 링형 홈을 구비하며, U자형 단면을 갖는 일체형 플라스틱 링 또는 스프링강 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 채널 커버.
제1항에 있어서,

상기 U자형 링은 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 또는 폴리이미드(PI)로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉각 채널 커버.
제1항에 있어서,

상기 플라스틱 링은, 링 바닥부와, 상기 커버의 원주 주위에 배치되고 상기 링 바닥부에 성형되며 반경 방향 외부로 경사지게 형성되는 외측 섕크와, 상기 커버의 원주 주위에 배치되고 반경 방향 내부로 경사지게 형성되는 내측 섕크를 구비하며, 상기 섕크들은, 상기 플라스틱 링이 피스톤에 장착될 때 냉각 채널을 밀폐시키기 위해서, 상기 섕크들이 냉각 채널의 내부 가장자리의 원추형 홈에 편향없이 맞물려 상기 링 바닥부가 냉각 채널을 밀폐시키게 할 수 있도록, 반경 방향으로 변형되는 것을 특징으로 하는 냉각 채널 커버.
제3항에 있어서,

상기 링 바닥부에 근접하게 연장되는 슬릿은 반경 방향 외측 섕크와 반경 방향 내측 섕크에 형성되며, 상기 슬릿은 각기 다른 리지 길이(L)를 갖는 다수의 섕크들을 형성시킬 수 있도록 원주에 걸쳐 비균일하게 분포되어 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각 채널 커버.
제4항에 있어서,

상기 슬릿의 폭은 2mm 내지 3mm이며, 상기 리지 길이는 15mm 내지 20mm인 것을 특징으로 하는 냉각 채널 커버.
제1항에 있어서,

상기 U자형 링은, 냉각 채널용 냉각 오일 유입구 또는 냉각 오일 유출구를 형성하는 입구 폭이 형성되도록 반경 방향으로 분할되는 것을 특징으로 하는 냉각 채널 커버.
내연 기관의 일체형 피스톤으로서,

피스톤 크라운과,

피스톤 링 밴드의 높이에서 상기 피스톤 크라운의 내부 영역 주위로 연장되는 밀폐된 냉각 채널과,

상기 피스톤 크라운에 연결되는 피스톤 허브를 통해서 피스톤 크라운과 연결되는 피스톤 샤프트와,

상기 피스톤 링 밴드와 피스톤 샤프트 사이에 구비되는 링형 홈과,

U자형 단면을 갖는 일체형 플라스틱 링/스프링강 링을 포함하고 상기 냉각 채널을 덮는 냉각 채널 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 피스톤.
제7항에 있어서,

상기 U자형 링은 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리이미드(PI) 또는 탄소 스프링강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 일체형 피스톤.
제7항에 있어서,

상기 플라스틱 링은, 링 바닥부와, 상기 플라스틱 링의 원주 주위에 배치되고 상기 링 바닥부에 성형되며 반경 방향 외부로 경사지게 형성되는 외측 섕크와, 상기 플라스틱 링의 원주 주위에 배치되고 반경 방향 내부로 경사지게 형성되는 내측 섕크를 구비하며, 상기 섕크들은, 상기 냉각 채널을 밀폐시키기 위해서, 상기 섕크들이 냉각 채널의 내부 가장자리의 원추형 홈에 편향없이 맞물려 상기 링 바닥부가 냉각 채널을 밀폐시키게 할 수 있도록, 반경 방향으로 변형되는 것을 특징으로 하는 일체형 피스톤.
제9항에 있어서,

상기 링 바닥부에 근접하게 연장되는 슬릿은 반경 방향 외측 섕크와 반경 방향 내측 섕크에 형성되며, 상기 슬릿은 각기 다른 리지 길이(L)를 갖는 다수의 섕크들을 형성시킬 수 있도록 원주에 걸쳐 비균일하게 분포되어 배치되는 것을 특징으로 하는 일체형 피스톤.
제10항에 있어서,

상기 슬릿의 폭은 2mm 내지 3mm이며, 상기 리지 길이는 15mm 내지 20mm인 것을 특징으로 하는 일체형 피스톤.
제7항에 있어서,

상기 U자형 링은, 냉각 채널용 냉각 오일 유입구 또는 냉각 오일 유출구를 형성하는 입구 폭이 형성되도록 반경 방향으로 분할되는 것을 특징으로 하는 냉각 채널 커버.