KR20080043300A - 내연 기관용 피스톤 - Google Patents

Abstract

내연 기관용 피스톤은 피스톤 헤드(1)를 포함하고, 상기 피스톤 헤드 위에 피스톤 허브(3)와 피스톤 스커트(2)가 형성되며, 피스톤 스커트(2)와 피스톤 허브(3) 사이에서 연장된 보강 립(7)을 포함하며, 상기 보강 립(7)은 마주보는 방향으로 만곡되는 2개의 부분(7a, 7b)을 각각 포함한다.

Description

내연 기관용 피스톤{PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관용 피스톤에 관한 것으로, 특히 피스톤 헤드를 포함하고 상기 피스톤 헤드 상에 피스톤 허브와 피스톤 스커트가 형성되며 피스톤 허브와 피스톤 스커트 사이에서 연장되는 보강 립을 포함하는 차량 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 최근에 승용차의 엔진용 피스톤은 알루미늄으로 제조된다. 이러한 피스톤은 일반적인 압축 높이, 즉 대략 23 내지 35 mm의 피스톤 허브의 중앙선과 피스톤 헤드의 상측 변부 사이의 거리를 가진다. 최적화된 형상이 제공된 이러한 치수에 따라, 재료의 하중 한계에 도달된다. 보다 큰 실린더 용량과 보다 큰 출력을 가진 동일한 외측 치수의 내연 엔진을 제조하고, 보다 콤팩트하고 경량이며 경제적인 동일한 외측 치수를 가진 동일한 실린더 용량의 엔진을 제조하기 위하여 피스톤의 압축 높이를 추가적으로 감소시키는 것이 선호된다.

본 발명의 목적은 상기 특징을 가진 피스톤을 구성하는 데 있다.

본 발명에 따르는 목적에 있어서, 상기 지시된 타입의 피스톤 내에서 보강 립은 상반된 방향으로 만곡된 2개의 부분을 각각 포함한다. 이러한 보강 립은 과도한 변형 없이 피스톤 상에 작동되는 연결 로드로 얇은 피스톤 헤드에 가해지는 압축 하중을 전달하기 위해 필요하다. 전장에 대해 균일하게 만곡된 종래의 보강 립과는 상반되게, 대안의 곡률을 가진 립들은 피스톤 스커트의 변형에 상당한 영향을 미치지 않고 실린더의 종방향 축에 대한 반경 방향으로 피스톤 스커트와 실린더 재킷 사이에서 작용하는 압력에 대해 항복할 수 있으며(yield), 이에 따라 피스톤 스커트는 변형된 실린더 벽으로 넓은 영역에 걸쳐 끼워 맞춤된다(adapt).

피스톤 스커트가 허브의 한 측면 상에 2개의 축방향으로 돌출된 플레이트 부재를 형성할 때, 바람직하게 한 쌍의 보강 립은 허브와 각각의 플레이트 부재 사이에서 연장된다.

상기 플레이트 부재의 넓은 영역을 실린더 벽으로 끼워 맞추기 위하여, 바람직하게 각각의 플레이트 부재는 한 쌍의 보강 립과 플레이트 부재 사이의 연결 영역을 초과하여 피스톤의 원주 방향으로 연장된다.

보강 립의 공간 절약식 위치 설정을 보장하기 위하여, 보강 립은 쌍을 이루는 각각의 립의 2개의 만곡된 부분을 포함하며, 피스톤 허브에 인접한 부분은 쌍을 이루는 그 외의 다른 립을 대향한 측면에 곡률 중심을 가지며, 피스톤 스커트에 인접한 동일한 립의 부분은 쌍을 이루는 그 외의 다른 립으로부터 이격된 측면에 곡률 중심을 가진다.

중량을 감소시키기 위하여, 허브는 피스톤 보그의 축의 방향으로 2개로 갈라질 수 있으며(split), 그럼에도 불구하고 피스톤 헤드의 적절한 치구적 안정성을 보장하기 위하여 허브의 2개의 부분은 피스톤 헤드 상에 형성된 환형 립에 의해 연결될 수 있다.

추가 개선점에 있어서, 추가적인 2 쌍의 보강 립은 피스톤 스커트의 방향으로, 피스톤 보스의 축 방향에 대해 실질적으로 평행하게 허브로부터 연장될 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따르는 피스톤은 예를 들어 주철 또는 스틸과 같은 철 재료로 제조된다. 이러한 철 재료는 알루미늄보다 강도와 탄성 계수가 크며, 플레이트 부재의 측면 상에서 피스톤 스커트의 폭과 피스톤의 벽 두께는 하중 하에서 동일한 안정성을 가진 알루미늄 피스톤보다 작게 형성될 수 있다. 이에 따라 피스톤의 낮은 압축 높이가 구현될 수 있다.

철 재료를 이용함에 따라 단순한 프레싱(pressing)에 의해 허브의 아이(eye) 내에 피스톤 핀을 고정할 수 있으며, 이에 따라 리테이닝 링을 언더컷으로 삽입하고 피스톤 보스(piston boss) 내에 언더컷을 형성함으로써 피스톤 핀을 고정하는 알루미늄 피스톤을 위한 종래의 방법이 필요 없게 된다.

본 발명의 추가적인 특징은 실시예의 하기 기술 내용에 따라 도출된다.

도 1은 철 재료로 제조된 본 발명에 따르는 피스톤의 투시도.

도 2는 도 1의 피스톤을 절단한 단면도.

도 3은 승용차 엔진용 종래의 알루미늄 피스톤의 투시도.

*도면 부호*

1: 피스톤 헤드 2: 피스톤 스커트

3: 피스톤 허브 4: 피스톤 핀

5: 요홈 6: 립

7: 보강 립 8: 플레이트 부재

9: 부착 지점 10: 변부

11: 보강 립

도 3의 종래의 피스톤과 같이, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따르는 피스톤은 실린더의 연소 챔버를 향하는 헤드 플레이트 부재(head plate member, 1)를 가지며, 상기 헤드 플레이트 부재로부터 원통형 피스톤 스커트(cylindrical piston skirt, 2)가 돌출된다. 피스톤 스커트(2)의 외측 원주 상에 형성된 요홈은 도시되지 않은 피스톤 링을 수용한다. 피스톤 허브(3)는 헤드 플레이트 부재(1)의 하측 중앙에 형성되며, 상기 피스톤 허브 내에 피스톤 핀(4)이 억지 끼워 맞춤된다. 중량을 감소시키기 위하여, 피스톤 허브(3)는 부분(3a, 3b)들로 세분화되며, 상기 부분들은 피스톤 핀(4)의 한 단부와 인접하며 상기 부분들 사이에서 피스톤 핀(4)이 자유롭게 연장된다. 피스톤에 대한 재료로써 철을 이용함에 따라 피스톤 핀(4)은 피스톤 허브(3) 내에 영구 고정 방식으로 압축시킴으로써 장착될 수 있으며, 도 3 의 알루미늄 피스톤과 상반되게 피스톤 허브(3)의 보어 내에 2개의 언더컷 요홈(undercut groove, 5)들이 형성되며, 상기 언더컷 요홈들 내에 리테이닝 링(retaining ring)이 장착되며, 상기 리테이닝 링은 피스톤 핀(gudgeon pin)(도 3에 도시되지 않음)이 단부 면에 대해 배치됨으로써 슬리핑(slipping)이 발생하는 것을 방지한다. 리테이닝 링이 도 1의 피스톤에 대해 요구되지 않기 때문에, 피스톤 허브(3)는 피스톤 핀(4)의 단부 위로 돌출되지 않으며, 이러한 이유로 피스톤 핀(4) 상에서 작용하는 도시되지 않은 연결 로드 포크(connecting rod fork)는 좁게 형성될 수 있으며, 이에 따라 경량으로 형성된다.

헤드 플레이트 부재(1)의 중앙 영역은 피스톤 허브의 2개의 부분(3a, 3b)을 통해 연장된 낮은 높이의 환형 립(6)에 의해 보강된다.

2개의 만곡된 보강 립(7)은 피스톤 허브의 각각의 2개의 부분(3a, 3b)으로부터 실린더의 종방향으로 피스톤 스커트(2)를 연장시키는 2개의 플레이트 부재(8)를 향해 연장된다. 보강 립(7)은 곡률(curvature)의 상반된 방향으로 외측에 플레이트 부재(8)에 인접한 오목한 부분(7b)과 피스톤 허브(3)에 인접한 외측을 향하여 볼록한 부분(7a)을 포함하는 2개의 부분을 각각 가진다. 2가지의 방향으로 만곡된 형태로 인해 보강 립(7)은 플레이트 부재(8)를 만곡시키는 상당한 토크를 플레이트 부래(8)로 가하지 않고 플레이트 부재(8)와 마주보는 실린더 벽 사이에서 작용하는 압력에 대해 탄성적으로 항복하며(yield), 이에 따라 플레이트 부재(8)는 넓은 영역에 걸쳐 실린더 벽으로 끼워 맞춤될 수 있다(adapt). 도 3에 도시된 바와 같이, 보강 립(7)의 오로지 외측을 향하여 볼록한 곡률이 주어짐에 따라 립의 탄성 업세 팅 변형(elastic upsetting deformation)으로 인해 이의 곡률을 감소시키는 효과를 가지는 토크가 플레이트 부재(8)에 대해 작용하고, 이에 따라 실린더 벽과 플레이트 부재(8)의 넓은 영역 접촉의 구현이 어려워진다.

실린더 벽과 플레이트 부재(8)의 넓은 영역 접촉은 각각의 플레이트 부재(8)에 대한 립(7)의 부착 지점(9)이 플레이트 부재(8)의 횡방향 변부(10)로부터 이의 중앙을 향하여 이동됨으로써 추가적으로 개선되며, 이에 따라 부착 지점(9)의 외측에서 플레이트 부재(8)의 변부 영역은 실린더 벽으로 상대적으로 용이하게 끼워 맞춤될 수 있다.

도 2에 도시된 단면도의 양 측면에서 낮은 높이의 보강 립(11)은 피스톤 스커트(2)와 피스톤 허브(3) 사이에서 연장된다.

상기 기술된 피스톤 구조에 따라, 피스톤 재료의 하중 한계를 초과하지 않고 20 mm보다 낮은 압축 높이(compression height)를 구현할 수 있다. 철 재료의 높은 하중-지지 용량으로 인해, 재료의 두께는 알루미늄 피스톤보다 얇게 선택될 수 있으며, 피스톤 핀이 알루미늄 피스톤에 비해 짧게 형성될 수 있기 때문에 임의의 경우 본 발명에 따르는 피스톤의 중량은 대응 엔진 파워(corresponding engine power)를 위해 설계된 알루미늄 피스톤보다 실질적으로 크지 않는다. 헤드 플레이트 부재(1)의 얇은 두께와 알루미늄에 비해 철 재료의 낮은 열 전도성으로 인해 보다 적은 열이 실린더를 둘러싸는 냉각수 재킷에 대하여 피스톤 링에 의해 피스톤으로부터 제거된다.

이에 따라 헤드 플레이트 부재(1)의 온도는 작동 중 알루미늄 피스톤에 비해 높으며, 이는 특히 직접 분사식 엔진의 경우 부분-부하 작동(part-load operation) 동안 혼합기 형성(mixture formation)의 관점에서 개선되는 것을 입증되었다.

Claims (8)

1. 피스톤 헤드(1)를 포함하고, 상기 피스톤 헤드 위에 피스톤 허브(3)와 피스톤 스커트(2)가 형성되며, 피스톤 스커트(2)와 피스톤 허브(3) 사이에서 연장된 보강 립(7)을 포함하는 내연 기관용 피스톤에 있어서, 상기 보강 립(7)은 마주보는 방향으로 만곡되는 2개의 부분(7a, 7b)을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서, 피스톤 스커트(2)는 허브(3)의 한 측면 상에 2개의 축방향으로 돌출된 플레이트 부재(2)를 형성하며, 각각의 경우 한 쌍의 보강 립(7)이 각각의 플레이트 부재(8)와 허브(3) 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 2 항에 있어서, 각각의 플레이트 부재(8)는 한 쌍의 보강 립(7)과 플레이트 부재(8) 사이의 연결 영역 위에서 원주 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 쌍을 이루는 각각의 립(7)의 2개의 만곡된 부분(7a, 7b)을 포함하며, 피스톤 허브(3)에 인접한 부분(7a)은 쌍을 이루는 그 외의 다른 립(7)을 대향한 측면에 곡률 중심을 가지며, 피스톤 스커트(2)에 인접한 부분(7b)은 쌍을 이루는 각각의 그 외 다른 립(7)으로부터 이격된 상기 각각의 립(7)의 측면에 곡률 중심을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 허브(3)는 피스톤 보스의 축 방향으로 2개로 갈라지며, 허브(3)의 2개의 부분(3a, 3b)은 피스톤 헤드(1) 상에 형성되는 환형 립(6)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 2 쌍의 보강 립(11)은 피스톤 스커트(2)의 방향으로, 피스톤 보스의 축 방향에 대해 실질적으로 평행하게 허브(3)로부터 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤은 철 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제 7 항에 있어서, 피스톤 핀(4)은 허브(3)의 보스로 억지 끼워맞춤되는 것을 특징으로 하는 피스톤.

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