KR20090006354A - 피스톤의 인서트 링 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탑링 홈부의 보강을 위하여 피스톤에 삽입되는 인서트 링의 구조에 관한 것으로, 피스톤(30)의 상단 테두리를 따라 위치되도록 원형 링 형상을 갖는 본체(22); 상기 본체(22)에 고정 형성되며 상기 피스톤(30) 쪽으로 길게 연장 형성되는 여러 개의 하부 바(24); 상기 본체(22)에 양단이 각각 고정되며 피스톤 핀 방향과 나란한 방향으로 긴 길이를 갖는 지지 바(27); 및 상기 본체(22)에 양단이 각각 고정되며 피스톤 핀 방향에 수직한 트러스트 방향으로 긴 길이를 갖는 지지 바(28)를 포함하여 구성되며, 이러한 구성에 의하면 피스톤에 작용하는 압축 및 인장 응력이 지지 바들에 분산됨으로써 피스톤의 전체적인 강성이 증대된다.

피스톤, 응력, 인서트 링, 분산, 강성

Description

피스톤의 인서트 링 구조{Insert ring structure of piston}

본 발명은 피스톤의 인서트 링 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인장 및 압축 응력을 받는 부위의 강성을 확보하여 연소작용에 의한 열적, 기계적 부하를 충분히 견딜 수 있는 피스톤의 인서트 링 구조에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린 엔진은 연소개시 전에 공기와 연료를 균일하게 혼합시킨 혼합기를 점화플러그로써 점화시켜 연소가 이루어지게 하며, 디젤 엔진은 공기만을 흡입하여 고압축비로 압축한 후 여기에 연료를 고압으로 분사시킴으로써 자기착화 연소에 도달되게 한다. 특히, 대개의 디젤 엔진은 인젝터에서 분사되는 연료를 피스톤에 형성된 보울에서 스월시켜 연료와 공기가 잘 혼합되도록 하여 연소시키는 방법이 주로 사용되고 있다.

최근의 피스톤 구조를 살펴보면, 직접분사식 디젤기관용 피스톤(10)의 경우, 도 1에 도시된 것처럼, 연소실(11)이 대부분 피스톤 중심에 위치하는 형상을 갖는다. 그리고, 이러한 피스톤(10)은 원주방향으로 대칭구조인 원환의 냉각구조(갤러리)(12)를 갖는다.

또한, 피스톤에는 탑링 홈부의 보강을 위해서 기능적인 측면 뿐만 아니라 비 용적인 측면에서도 유리한 니켈 레지스트 캐리어(Ni-resist Carrier)라 불리는 주철계의 인서트(13)가 삽입된다.

피스톤에 요구되는 성능 및 내구성을 만족시키기 위해 고강도 알루미늄 재질이 적용되며 부가적으로 압입된 동합금계 부싱을 적용하여 핀 보스부 하중증대에 대응하기도 한다.

이러한 피스톤 분야의 기술동향을 살펴보면, 사회적으로 요구되는 온실효과 완화를 위한 이산화탄소 배출량 감소를 위해서 엔진의 연료소비율 감소에 주안점을 두고 있다. 따라서, 피스톤의 개발에 있어, 열적 기계적 부하 증대에 대한 대응, 즉및 엔진의 연소압력이 200bar 이상인 경우에도 충분히 견딜 수 있도록 하는 것이 중요하다. 출력증대에는 연소압 증대 또한 수반되며 이때의 최고 연소압은 200bar를 초과하기도 하기 때문이다.

현재의 엔진개발동향은 피스톤 연소실의 형상에도 영향을 미친다. 세계 각국의 엔진, 특히 연소실 사양을 보면 이전 사양에 비하여 직경은 커지고 깊이는 얕아지는 추세를 가짐을 알 수 있다. 이것은 피스톤에 있어서 연소실과 피스톤 링 캐리어와의 간격이 작아지는 것을 의미한다.

이에 의해 피스톤 측면에서의 열부하는 갈수록 증대되고 있으며, 피스톤의 기능 및 내구력 측면에서 가장 취약부위인 연소실 모서리부와 톱링홈부의 온도는 비출력 증대에 따라서 상승하게 된다. 냉각 갤러리가 있는 경우에도 연소실 모서리부의 온도는 알루미늄 합금의 한계온도인 400℃를 초과하기도 하며, 톱링홈부의 온도 또한 300℃를 초과하여 연소중의 카본퇴적에 의해서 탑링 기능 저하작용이 발생 하기도 한다.

전술한 것처럼, 탑링 홈부의 보강을 위해서 통상적으로 기능적인 측면 뿐만 아니라 비용적인 측면에서도 유리한 니켈 레지스트 캐리어라 불리는 주철계의 인서트(인서트 링)가 삽입되는데, 이러한 인서트 링은 피스톤 주조용 금형에 인서트 링을 셋팅한 후 피스톤 주조에 의해 인서트 링을 피스톤 소재에 고정시키는 공정으로 피스톤에 고정 설치된다.

그러나, 이러한 종래의 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.

디젤엔진용 피스톤은 고유의 연소특성에 의하여 하중조건이 급격히 변화하는 트랜션트 사이클 로딩(Transient cycle loading) 조건하에서 연소실 모서리부에 균열이 종종 발생한다.

피스톤에 작용하는 하중으로는 피스톤의 기계적인 운동과 가스폭발 등에 의하여 연소실 주변에 작용하는 인장응력과 압축응력(Hoop stress)이 있으며, 고온에 의하여 재질적으로 취약한 부분에 기계적응력과 열부하가 중첩되며, 이러한 중첩은 주로 연소실 모서리부 또는 밸브자리 가공면등의 교점부에서 발생한다.

도 2에 도시된 것처럼, 응력은 피스톤 핀 방향, 즉 P-P방향에 직각방향인 트러스트 방향(T-T방향)에서 발생하며, 피스톤 핀축 방향으로는 핀축을 대칭으로 좌우방향으로 인장응력이 주로 작용하고, 트러스트축 방향은 피스톤의 중심축을 대칭으로 좌우로 압축응력이 작용한다.

그리고, P-P방향 균열발생시 인장응력을 계속적으로 받게 되어 그 진전속도는 증가하며, T-T방향 균열발생시 압축응력을 지속적으로 받게 되어 그 진전속도는 상대적으로 매우 느리다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인장 및 압축 응력을 받는 방향에 지지 바를 설치하여 피스톤 주조시 삽입함에 의해 인장하중이 주로 작용하는 취약부위인 P-P축 방향과 압축응력이 작용하는 T-T축 방향의 강성을 충분히 확보할 수 있는 피스톤의 인서트 링 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명은, 탑링 홈부의 보강을 위하여 피스톤에 삽입되는 인서트 링의 구조로서, 피스톤의 상단 테두리를 따라 위치되도록 원형 링 형상을 갖는 본체; 상기 본체에 고정 형성되며 상기 피스톤 쪽으로 길게 연장 형성되는 여러 개의 하부 바; 상기 본체에 양단이 각각 고정되며 피스톤 핀 방향과 나란한 방향으로 긴 길이를 갖는 지지 바; 및 상기 본체에 양단이 각각 고정되며 피스톤 핀 방향에 수직한 트러스트 방향으로 긴 길이를 갖는 지지 바를 포함하여 구성된 피스톤의 인서트 링 구조를 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 지지 바들은 상기 본체의 테두리에 인접하도록 설치되어 전체적으로 정사각형 모양을 형성하도록 배치된다.

또한, 상기 지지 바들은 정사각형 모양의 각 변에 2개 이상 설치될 수 있다.

또한, 상기 하부 바는 상기 본체의 원주방향을 따라 일정 간격 떨어져 배치 된다.

이러한 본 발명에 따른 피스톤의 인서트 링 구조에 의하면, 피스톤 핀 방향과 그에 수직한 방향으로 작용하는 압축 및 인장 응력의 일부가 여러 개의 지지 바들에 분산됨으로써 피스톤의 전체적인 강성이 증대된다.

따라서, 피스톤에 가해지는 부하에 의해 피스톤이 균열되는 등의 소손을 방지하는데 매우 효과적이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도3은 본 발명의 구조에 사용되는 인서트 링을 전체적으로 나타낸 사시도이며, 도4는 도3의 인서트 링이 피스톤에 설치된 모습을 나타낸 사시도이다.

본 발명의 인서트 링(20)은 원형 링 형상의 본체(22)를 갖는다.

상기 본체(22)는 피스톤(30)의 상단 테두리를 따라 형성되도록 그 크기가 설정된다.

상기 본체(22)에는 피스톤(30) 쪽으로 연장된 여러 개의 하부 바(24)가 일체로 형성되며, 이들 하부 바(24)는 상기 본체(22)의 원주 방향을 따라 일정 간격 떨어져 배치된다.

또한, 상기 본체(22)에는 여러 개의 지지 바(27)(28)가 고정 형성되는데, 이들 지지 바(27)(28)는 본체(22)가 피스톤(30)에 고정되었을 때 피스톤 핀 방향, 즉 P-P 방향과 나란한 것들과, 트러스트 방향, 즉 T-T 방향과 나란한 것들을 포함한다.

상기 지지 바(27)(28)들은 본체(22)의 내부 쪽에 위치하면서 또한 그 본체(22)의 테두리에 인접하도록 설치되어 전체적으로 이들 지지 바(27)(28) 들은 대략의 정사각형 모양을 형성한다.

이때, 정사각형 모양의 각 변에는 지지 바가 각각 1개이거나 또는 그 이상, 즉 2개 이상일 수 있다.

이러한 본 발명의 인서트 링(20)은 피스톤 주조시 삽입되어 피스톤과 일체로 형성된다.

이렇게 본체(22)에 고정 설치된 지지 바(27)(28)들은 피스톤(30)에 형성되는 압축 및 인장 응력을 분담함으로써 전체적인 피스톤의 강성을 증대시킨다.

따라서, 피스톤에 가해지는 열적 기계적 부하 증대에 따른 압축 및 인장 응력의 증가분 또는 그 이상이 지지 바(27)(28)들에 분산되며, 이는 피스톤의 균열 등 소손을 방지하는 작용을 한다.

도 1은 일반적인 피스톤 구조를 나타내는 일부 절개 사시도;

도 2는 일반적인 피스톤에 형성되는 압축 및 인장 응력의 분포를 나타낸 도면;

도 3은 본 발명의 구조에 사용되는 인서트 링을 전체적으로 나타낸 사시도;

도 4는 도 3의 인서트 링이 피스톤에 설치된 모습을 나타낸 사시도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

20 : 인서트 링

22 : 본체

24 : 하부 바

27, 28 : 지지 바

30 : 피스톤

Claims (4)

1. 탑링 홈부의 보강을 위하여 피스톤에 삽입되는 인서트 링의 구조로서,

   피스톤(30)의 상단 테두리를 따라 위치되도록 원형 링 형상을 갖는 본체(22);

   상기 본체(22)에 고정 형성되며 상기 피스톤(30) 쪽으로 길게 연장 형성되는 여러 개의 하부 바(24);

   상기 본체(22)에 양단이 각각 고정되며 피스톤 핀 방향과 나란한 방향으로 긴 길이를 갖는 지지 바(27); 및

   상기 본체(22)에 양단이 각각 고정되며 피스톤 핀 방향에 수직한 트러스트 방향으로 긴 길이를 갖는 지지 바(28)를 포함하여 구성된 피스톤의 인서트 링 구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지 바(27)(28)들은 상기 본체(22)의 테두리에 인접하도록 설치되어 전체적으로 정사각형 모양을 형성하도록 배치됨을 특징으로 하는 피스톤의 인서트 링 구조.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 지지 바(27)(28)들은 정사각형 모양의 각 변에 2개 이상 설치됨을 특징 으로 하는 피스톤의 인서트 링 구조.
4. 청구항 1 내지 청구항 3의 어느 한 항에 있어서,

   상기 하부 바(24)는 상기 본체(22)의 원주방향을 따라 일정 간격 떨어져 배치됨을 특징으로 하는 피스톤의 인서트 링 구조.

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