KR20120062831A - 저마찰 스커트를 가진 일체주조의 피스톤 - Google Patents

Abstract

내연기관용 피스톤은 현수된 한쌍의 핀 보스를 가진 상부 크라운 부분을 가지고 있고, 여기에서 피스톤는 중앙 핀 보어 축선을 따라 축선방향으로 정렬된 핀 보어를 가지고 있다. 한쌍의 측면으로 이격된 스커트 부분은 핀 보스에 고정적으로 부착되고 그리고 최하부 자유단에 현수되어 있다. 적어도 하나의 스커트 부분은 핀 보어의 중앙 축선을 넘어 최하부 자유단으로부터 상향으로 뻗어 있는 오목부를 가지고 있다.

Description

저마찰 스커트를 가진 일체주조의 피스톤{MONOBLOC PISTON WITH A LOW FRICTION SKIRT}

본 발명은 일반적으로 내연기관에 관한 것이고, 더욱 상세히는 일체주조(monobloc)의 피스톤에 관한 것이다.

내연기관 그리고 특히 디젤기관이 피스톤과 단품으로서 형성된 고정 스커트를 가진 일체주조의 피스톤을 이용하는 것이 알려져 있다. 스커트는 전형적으로 실제로 직선의 바닥 에지로 아래쪽으로 대향한 핀 보스 사이에서 연속적으로 뻗어 있는 사각형 형상을 가지고 있다. 스커트가 전체적으로 실린더 보어 내에서 피스톤을 유효하게 안내하지만, 이들은 고유의 단점을 가지고 있다. 먼저, 재료가 연속 사각형 벽으로서 구성되므로, 스커트는 피스톤의 전체적인 무게를 증가시킨다. 증가된 무게는 증가된 관성력을 부여하므로서 관련 부품의 유효 수명을 감소시킬 수 있는 한편, 엔진의 연료 경제를 감소시킨다. 더욱이, 스커트의 증가된 면적은 실린더 라이너에 대한 마찰을 야기하고 그러므로 더욱 유효 수명을 감소시키고 그리고 엔진의 연료 경제를 감소시킨다. 이러한 단점에 더해서, 연속적인 사각형 스커트를 가짐으로써 핀 보스의 유연성을 감소시킨다. 따라서, 핀 보스가 피스톤의 행정 동안에 리스트 핀(wrist pin)과 함께 신축될 수 없기 때문에, 리스트 핀 조인트와 핀 보어에서 마찰이 증가한다. 더욱이, 스커트의 제작은 이들을 만드는데 사용되는 공정이 풀 스커트 영역에서 벽 형상 및 두께의 정밀한 형성을 제공해야 하는 어려움이 있다.

하부 표면으로부터 상향으로 핀 보어 축선으로 뻗어 있는 오목부를 가진 스커트를 형성하는 것을 포함하는 스커트 면적 및 무게를 줄이려는 시도가 있어왔지만, 이들 노력은 스커트 면적 및 무게에서 최대로 줄이는데 실패했고 그리고 상기한 마찰 문제는 여전히 스커트 벽과 실린더 보어 사이에서 그리고 또한 리스트 핀 조인트와 핀 보어 영역에서 상당히 남아있다.

본 발명에 따라 제작된 일체주조의 피스톤은 상기한 적어도 이들 문제로부터 야기된 단점을 극복 또는 크게 최소화하고 그러므로 엔진이 증가된 성능 레벨로 작동되게 하는 한편, 그들의 유효 수명을 증가시키는 외에, 그 연료 소비, 오일 소비 및 배기가스를 감소시킨다.

본 발명의 한 면에 따라서 구성된 내연기관용 피스톤은 현수된 한쌍의 핀 보스를 가진 상부 크라운 부분을 가지고 있고 그리고 중앙 핀 보어 축선을 따라 축선방향으로 정렬된 핀 보어를 가지고 있다. 한쌍의 측면으로 이격된 스커트 부분은 핀 보스에 고정적으로 부착되어 있고 그리고 최하부 자유단에 현가되어 있다. 적어도 하나의 스커트 부분은 핀 보어의 중앙 축선을 넘어 최하부 자유단으로부터 상향으로 뻗은 오목부를 가지고 있다.

본 발명의 다른 면에 따라서, 오목부는 핀 보어의 최상부 부분과 실질적으로 접하는 최하부 자유단으로부터 상향으로 뻗어 있다.

본 발명의 다른 면에 따라서, 오목부는 전체적으로 U자형이다.

본 발명의 다른 면에 따라서, 피스톤의 쓰러스트 사이드에서 스커트 부분은 오목부를 가지고 있고 그리고 피스톤의 안티-쓰러스트 사이드에서 스커트 부분은 오목부를 가지고 있지 않다.

본 발명의 다른 면에 따라서, 스커트 부분 양자는 오목부를 가지고 있다.

본 발명에 따라서 제작된 피스톤은 피스톤의 완전한 사이클 상에서 개선된 오일 흐름을 나타내고, 피스톤의 사이클 상에서 동적 점성 마찰을 줄이고, 그 완전한 사이클을 통해서 피스톤의 안내를 개선하고, 실린더 라이너 캐비테이션을 감소시키고, 피스톤 점성 마찰 손실을 감소시키고, 그루브 내의 피스톤 링에서 그리고 피스톤의 링 그루브에서 카본 빌드-업을 감소시키고, 피스톤 보스의 유연성을 증가시키고, 리스트 핀 조인트와 핀 보어에서 마찰을 감소시키고, 피스톤 링의 운동을 개선하고, 오일 소비 및 탑 랜드에 부착 형성된 카본을 줄여서, 카본 빌드-업에 의해서 전형적으로 야기된 보어 폴리싱을 감소시키고, 배기 가스를 감소시키고, 그리고 엔진의 수명 및 구동 성능을 전반적으로 개선한다. 이들 작용 효과의 합은 엔진 연료 소비를 감소시키고 그리고 단위 연료당 주행거리를 증가시킨다.

본 발명의 상기 및 다른 면, 특징 그리고 장점은 현재의 바람직한 실시예, 최상의 모드, 첨부된 청구범위 그리고 첨부된 도면의 상세한 아래 설명으로부터 당업자라면 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 현재의 바람직한 실시예에 따라서 구성된 피스톤의 부분 단면도;
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 전체적으로 취한 단면도;
도 3은 도 1의 선 3-3을 따라 전체적으로 취한 단면도;
도 4는 도 1의 피스톤의 저면도; 그리고
도 5는 본 발명의 다른 현재의 바람직한 실시예에 따라 구성된 피스톤의 도 4와 유사한 도면이다.

도면을 더 상세히 참조하면, 도 1 내지 4는 예를 들면, 대형 디젤 엔진과 같은 내연기관의 실린더 보어(도시생략)에서 왕복 운동을 위해서 본 발명의 하나의 현존하는 바람직한 실시예에 따라서 구성된 피스톤(10)을 예시하고 있다. 피스톤(10)은 피스톤(10)이 실린더 보어에서 왕복운동하는 중앙 길이방향 축선(14)을 따라서 뻗어 있는, 주조 또는 단조, 또는 임의의 다른 제조 공정에 의해 만들어진 몸체(12)를 가지고 있다. 몸체(12)는 예시를 통해서 하부 크라운(18)에 결합된 상부 크라운(16)을 가진 것으로 나타냈지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 하부 크라운(18)은 한쌍의 핀 보스(20)를 가지고 있는데, 이에 따라 중앙 길이방향 축선(14)에 가로질러 뻗어 있는 핀 보어 축선(24)을 따라 정렬된 측면으로 이격된 핀 보어(22)를 제공한다. 핀 보스(20)는 스트러트 부분(28)을 통해서 측면으로 이격된 스커트 부분(26)에 결합된다. 스커트 부분(26)은 핀 보어 축선(24)을 가로질러 직경방향으로 서로로부터 이격되어 있고 그리고 실린더 보어를 통해서 왕복운동하면서 원하는 방향성으로 피스톤(10)을 유지하도록 실린더 보어와 협력하여 구성되는 볼록 외부 표면(30)을 가지고 있다. 왕복운동 동안에, 유체역학적인 오일 필름이 전개되고 그리고 스커트 부분(26)의 볼록 외부 표면(30)과 실린더 보어의 벽 사이에서 유지되어 그들 사이의 동력학적 마찰을 최소화한다. 엔진의 유효 수명을 최대로 하고 그 성능을 강화하기 위해서, 도 5에서 단지 하나의 스커트 부분(26)만이 도시된 적어도 하나의 스커트 부분, 그리고 양 스커트 부분(26)으로서, 한정적이지 않는 예시를 통해 도 1 내지 4에 도시된, 그리고 피스톤(10)의 쓰러스트 사이드에서 바람직하게 적어도 스커트 부분은 전체적으로 U자형으로 나타나고 그리고 스커트 부분(26)의 최하부 에지(34)로부터 위쪽으로 뻗어 있고 그리고 볼록 외부 표면(30)에 중앙에 형성된 오목부(32)를 가지고 있다. 오목부(32)는 피스톤(10)의 전체적인 무게를 줄이고, 실린더 벽에 대해서 발생된 잠재적인 마찰을 줄이며, 사용중에 발생한 관성력을 감소시키고 그리고 피스톤(10)의 제작 능력을 개선한다.

피스톤(10)의 상부 크라운(16)은 오목한 연소 보울(bowl)(38)을 가진 상부 표면(36)을 가진 것으로 나타내어서 실린더 보어와 원하는 가스 흐름을 제공한다. 외벽 또는 링 벨트(40)는 상부 표면(36)으로부터 아래쪽으로 뻗어 있는데, 적어도 하나의 환형 링 그루브(42)가 피스톤 링(도시생략)의 느슨한 수용을 위해 링 벨트(40)에 형성되어 있다.

하부 크라운(18)은 단조 공정에서와 같이, 상부 크라운(16)으로부터 개별적으로 형성되는 것으로 나타내었고 그리고 결합되는데, 상부 및 하부 크라운(16,18)은 예를 들면, 용접 조인트(44)에 의해 함께 결합될 수 있다. 본 발명에 따라 구성된 피스톤(10)은 예를 들면, 주조와 같이 달리 형성된 상부 및 하부 크라운 부분을 가질 수 있고 그리고 이들은 용접 조인트와 다른 메카니즘을 사용하여 결합될 수 있다.

도 1에 잘 도시된 바와 같이, 무게 및 마찰 감소를 최대화 하기 위해서, 오목부(32)는 제한적이지 않는 예시를 통해서 중앙 핀 보어 핀 보어 축선(24)을 넘어서 최하부 에지(34)로부터 위쪽으로 뻗어 있는 것으로 도시되어 있다. 오목부(32)는 핀 보어(22)의 최상부 표면에 실질적으로 접하는 것으로 도시되어 있는 아치형 상부 표면(46)에 위쪽으로 뻗어 있다. 이와 같이, 오목부(32)의 높이는 핀 보어 축선(24)에 의해 전체적으로 이등분되고, 절두원추형 부분(48)은 핀 보어 축선(24) 아래에 있고 그리고 전체적으로 U자형 부분(50)은 핀 보어 축선(24) 위에 있다. 따라서, 오목부(32)의 가장 넓은 부분은 최하부 에지(34)에 인접하고 그리고 오목부(32)의 가장 좁은 부분은 아치형 상부 표면(46)에 인접한다. 오목부(32)는 예를 들면, 오목부(32)의 사이드가 아치형 상부 표면(46)에 라디우스(radius) 또는 필렛(filet)에 의해 혼합되고 그리고 전체적으로 서로 평행한 것과 같이, 도시된 것과 달리 형성될 수도 있다. 더욱이, 오목부(32)의 높이는 의도된 적용에 따라 조정될 수 있고 그리고 핀 보어 축선(24) 위로 또는 아래로 뻗어 있을 수 있다.

오목부(32)가 최하부 에지(34)에 개방되어 스커트 부분(26)의 제작은 둘레방향으로 감싸여진 슬릿을 가진 스커트 상에서 상당히 간단하게 될 수 있다. 오목부(32)가 개방되어, 예를 들면, 드릴 및/또는 밀링과 같은 2차적인 작업이 필요치않고 그리고 이차적인 작업은 감소되거나 줄어들 수 있다. 더욱이, 오목부(32)가 스커트 부분(26)의 중앙 부분을 차지하므로, 단조와 같은 공정에서 필요한 재료의 양은 상당히 줄어든다. 더욱이, 오목부(32)가 제공되는 스커트 부분(26)은 오목부(32)가 제공되지 않는 경우보다 핀 보스(20)와 함께 자유롭게 신축된다는 점에서, 확대된 오목부(32)는 핀 보스(20)에 더욱 향상된 신축성을 제공한다. 이것은 핀 보어(22)와 커넥팅 로드(도시생략)의 작은 끝 사이에서 리스트 핀 조인트가 피스톤(10)의 풀 스트로크 상에서 필요한 만큼 유연하게 하여 리스트 핀 조인트에서 마찰을 최소로 하고 그리고 리스트 핀과 핀 보스(20)사이에서 스커핑(scuffing)의 위험성을 최소로 한다. 더욱이, 오목부(32)는 실린더 보어 표면에 대해서 볼록 외부 표면(30)의 접촉면적을 최소로 해서 스커트 부분(26)과 실린더 보어 표면 사이에서 발생한 마찰의 양을 줄인다.

명백하게, 본 발명의 많은 수정 및 변경은 상기 교시에 비추어 가능하다. 그러므로, 첨부된 청구의 범위 내에서 본 발명은 상기 설명한 것과 달리 실시될 수 있다는 것은 이해될 것이다.

Claims (6)

1. 일체주조의 피스톤에 있어서,
   상부 크라운을 가진 피스톤 몸체;
   상기 상부 크라운으로부터 현수하고 그리고 핀 보어 축선을 따라 서로 정렬되는 핀 보어를 가진 한쌍의 핀 보스; 그리고
   상기 핀 보스에 고정적으로 부착되는 측면으로 이격된 한쌍의 스커트 부분;을 포함하고 있고,
   상기 스커트 부분은 상기 상부 크라운으로부터 최하부 자유단까지 현수하고, 적어도 하나의 상기 스커트 부분은 상기 핀 보어 축선을 넘어 상기 최하부 자유단으로부터 상향으로 뻗어 있는 오목부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 일체주조의 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 오목부는 핀 보어의 최상부의 부분과 실질적으로 접선관계로 최하부 자유단으로부터 상향으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 일체주조의 피스톤.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 스커트 부분 양자는 상기 오목부를 가지는 것을 특징으로 하는 일체주조의 피스톤.
4. 제 2 항에 있어서, 오목부는 전체적으로 U자형상인 것을 특징으로 하는 일체주조의 피스톤.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤 몸체는 단지 하나의 상기 오목부를 가지는 것을 특징으로 하는 일체주조의 피스톤.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 피스톤 몸체는 쓰러스트 사이드 및 안티-쓰러스트 사이드를 가지고 있고 그리고 상기 쓰러스트 사이드에서 상기 스커트 부분은 상기 오목부를 가지고 있고 그리고 상기 안티-쓰러스트 사이드에서 상기 스커트 부분은 상기 오목부를 가지지 않는 것을 특징으로 하는 일체주조의 피스톤.

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