KR20120075455A

KR20120075455A - 피스톤을 냉각시키기 위한 방법 및 냉각된 피스톤

Info

Publication number: KR20120075455A
Application number: KR1020127001821A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 라쿠아; 폴커 레네르트
Original assignee: 카에스 콜벤슈미트 게엠베하
Priority date: 2009-07-25
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-07-06
Also published as: CN102575614A; WO2011012273A1; EP2459861A1; JP2013500425A; DE102010032173A1

Abstract

본 발명은 적어도 하나 이상의 연소 분사물에 노출되는 피스톤 헤드(17)가 분사되는 오일에 의해 냉각되고, 상기 오일은 압력실(12)로부터 피스톤(1)의 냉각 채널(9)에 위치하여 냉각 채널(9)과 분리 부재(11)의 벽의 일부 사이에서 오일이 채워질 수 있는 압력실(12)을 형성하는 분리 부재(11)의 적어도 하나의 개구부(16)를 통해 오일이 채워진 압력실(12)에 조성된 압력에 의해 피스톤 헤드의 바닥면(18)의 적어도 하나의 영역을 향해 분사되는, 내연기관의 피스톤(1)을 냉각시키는 것에 관한 것이며, 본 발명에 따르면, 오일은 연소 분사물에 직접 노출되지 않는 피스톤 헤드(17)의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면(18) 영역을 향해 연속적인 방식으로 분사된다.

Description

피스톤을 냉각시키기 위한 방법 및 냉각된 피스톤{METHOD FOR COOLING A PISTON AND A COOLED PISTON}

본 발명은 2개의 독립항 각각의 전제부의 특징에 따라 적어도 하나의 연소 분사물에 노출되는 피스톤 헤드를 분사되는 오일에 의해 냉각시키는 내연기관의 피스톤 냉각 방법, 및 내연기관의 피스톤에 관한 것이다.

WO 2007/110056 A1에는 그 주위를 둘러싸고 있는 냉각 채널에서 피스톤 헤드에 평행하게 배치된 환형의 분리벽이 제공되어 있는 내연기관용 피스톤이 공지되어 있다. 상기 분리벽에는 하나 또는 다수의 노즐형 개구부가 있다. 피스톤의 냉매로서는 오일이 사용된다. 이때, 각 개구부의 오일 배출 분사물은 피스톤 헤드의 바닥면을 향한다. 또한 상기 배출되는 분사물은 바닥면의 영역에 부딪히고 바닥면에 대향 위치하는 상부에 위치한 영역은 적어도 하나 이상의 연소 분사물에 노출되어 있다.

내연기관에서 피스톤이 작동할 때, 연료가 연소하면서 피스톤 자체뿐 아니라 피스톤 헤드의 상부에는 고열이 발생한다. 피스톤이 고온에서 작동하면 작동 안정성(신뢰가능성)이 감소하는 단점이 있는데, 이는 특히 고온의 실린더 내에서 피스톤이 팽창하고 그 결과 작동 중의 피스톤에는 또 다른 마찰 거동이 존재하기 때문이다. 피스톤 헤드의 상부에 고온이 가해지면 피스톤 재료의 피로 현상이 나타나고 과열에 의해 장기간에 걸쳐 피스톤 재료의 파손으로 이어진다.

따라서 본 발명의 과제는 작동 중에 피스톤의 온도를 감소시킬 수 있는 상술한 형태의 방법과 피스톤을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 상기 과제는 연소 분사물에 직접 노출되지 않는 피스톤 헤드의 영역에 대향 위치하는 상기 피스톤 헤드의 바닥면 영역에 오일을 연속적으로 분사함으로써 해결된다.

본 발명에 따라 내연기관의 피스톤을 냉각하면 다음과 같은 몇 가지 장점을 달성할 수 있다:

오일을 이용하여 냉각하면 한편으로는 연소 공동과 피스톤 내 링 홈의 온도가 감소한다. 다른 한편으로는 작동 온도를 낮춰 피스톤의 작동 안정성(신뢰성)을 개선시킨다. 또한 본 발명에 따르면 피스톤, 특히 피스톤 헤드의 표면온도가 낮아진다. 게다가 냉각을 통해 피스톤 재료의 피로 현상이 나타날 위험성이 감소한다. 또한 예를 들면 재료 균열, 재료 마모 및/또는 재료 침식과 같은 파손으로부터 재료를 장기간 보호한다. 추가로 분리 부재에 있는 개구부의 수와 직경을 적절히 조정하면 피스톤의 최적 냉각이 이루어진다. 압력실 내 압력을 적절히 조정하여 압력실로부터 오일을 최적으로 외부 분사시켜 피스톤의 바닥면에 오일 탄화물이 생성되는 것을 방지한다.

본 발명의 유리한 실시형태에 있어서, 피스톤은 주위를 완전하게 둘러싸지 않은 적어도 하나의 차단된 냉각 채널을 포함할 수 있다. 또한 본 발명의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 피스톤은 각각 차단되고 바람직하게는 평면상으로 서로 소정 간격으로 주위를 둘러싸는 다수 개의 냉각 채널을 포함한다. 이 경우, 각 냉각 채널은 바람직하게는 피스톤 중심축에 동일한 거리로 평면 배치된다. 이와 다르게, 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 피스톤의 냉각 채널은 냉각 채널로서 피스톤 주위를 완전하게 둘러쌀 수 있다.

본 발명에 따르면, 분리 부재가 냉각 채널 내에 위치하고 피스톤의 냉각 채널을 2개의 영역으로 분할한다. 상기 냉각 채널 내 형성된 분할 영역 중 하나는 체적이 제한된 냉각 채널이고, 다른 하나의 영역은 냉각 채널에 형성된 압력실로서, 압력실의 체적은 냉각 채널의 체적과 제한된 냉각 채널의 체적 차이에 대략 상응한다.

또한 상기 분리 부재는 오일이 연속적으로 흘러나와 오일이 피스톤 헤드의 바닥면으로 분사되는 적어도 하나의 개구부를 갖는다.

상기 분리 부재의 형상은 냉각 채널의 형태에 맞게 적절히 조정된다. 이를 통해 상기 분리 부재가 냉각 채널에 적절히 위치할 수 있다. 또한 상기 분리 부재는 하나의 부품으로서 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 분리 부재는 다수 개의 부품으로 구성될 수도 있고 이들 다수 개의 부품들은 분리 부재로 조립될 수도 있다. 상기 분리 부재의 형태는 분리벽의 형태에 따라 평면형, 곡선형, 경사형 또는 임의의 다른 기하학적으로 가능한 모든 형태를 가질 수 있다. 이때 상기 분리 부재의 치수는 피스톤의 용도에 맞게 적절히 조정된다. 상기 분리 부재의 치수는 피스톤의 치수, 이에 따라 냉각 채널의 치수에 따라서도 적절히 조정된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 분리 부재는 금속 또는 합금, 바람직하게는 강철, 강철 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 상기 분리 부재는 합성수지 또는 경질 재료로도 구성될 수 있다.

상기 분리 부재는 바람직하게는 표준 방법, 예를 들면 주조, 성형가공법, 예를 들면 단조 또는 프레스 및/또는 절삭 가공법, 예를 들면 선반가공, 연마 또는 밀링에 의해 제조된다.

또한 피스톤의 냉각 채널에서 압력실은 냉각 채널의 벽의 일부와 분리 부재의 벽의 일부 사이에 형성된다. 본 발명에 따르면, 압력실에는 가압된 오일이 채워진다. 이와 달리 상기 압력실에는 임의의 다른 냉매가 채워질 수도 있다.

피스톤 내 압력실의 표면은 양호한 표면 품질을 얻기 위해 부분적으로 바람직하게는 가공법, 바람직하게는 절삭 가공법에 의해 가공된다. 표면 품질을 양호하게 함으로써 연마 또는 절삭과 같은 가공법에 의해 가공된 냉각 채널에 분리 부재를 적절히 형성할 수 있다. 이때 압력실의 표면의 일부는 바람직하게는 측면으로부터 가공되는데, 즉 예를 들면 2-부분 피스톤의 경우, 분리 부재와 압력실 벽의 접촉면 뿐 아니라 경우에 따라 압력실의 다른 표면에 맞게 압력실 벽을 각각의 측면으로부터 공구에 의해 가공한다.

냉각 채널의 벽이 분리 부재와의 공차가 거의 없이 끼워 맞춰지도록 냉각 채널에 분리 부재를 적절히 제공하면 압력실을 폐쇄시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 냉각 채널에서 분리 부재에 의해 형성되는 압력실은 적어도 하나의 밀봉 부재를 통해, 바람직하게는 적어도 하나의 밀봉 링 부재 및/또는 적어도 하나의 경질 고무에 의해 분리 부재와 냉각 채널의 접촉면의 일부에서 피스톤 내 냉각 채널로부터 밀봉하여 압력실 내 압력 손실을 방지한다. 분리 부재와 냉각 채널의 접촉면의 형태와 형상에 따라 밀봉 링 부재 및/또는 경질 고무를 사용하는 것이 바람직하다.

이때 오일이 채워진 압력실의 압력은 바람직하게는 1.5 내지 10 바아(bar), 바람직하게는 3 바아로 조성된다. 이를 통해 압력실 내 압력이 계속 조성되고 오일이 압력실 내에 계속하여 축적되게 된다. 이때 경우에 따라 새로운 오일이 소정의 압력과 체적 유량으로 압력실로 연속적으로 유입되어 작동을 위한 압력이 조절된 상태에서 유지된다. 오일이 채워진 압력실 내 압력은 바람직하게는 펌프 작용 또는 주입에 의해 연결봉 또는 핀을 통해 조성된다. 핀을 통한 오일의 이송은 예를 들면 핀 홀을 통해 이뤄질 수 있다. 피스톤의 용도와 크기에 따라 1.5 바아 내지 10 바아 범위를 벗어난 또 다른 압력으로 적절히 조절될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태로서 분리 부재는 마찰식 결합, 바람직하게는 나사 결합 또는 프레스 결합에 의해 냉각 채널에 체결된다. 나사 결합의 경우, 분리 부재가 냉각 채널 내 위치된 상태에서 바람직하게는 피스톤 내 적어도 하나의 나사와 적어도 하나의 나사산에 의해 냉각 채널에 체결된다. 프레스 결합의 경우, 바람직하게는 분리 부재와 냉각 채널 사이에 탈착이 불가능한 결합이 이뤄지도록 분리 부재가 냉각 채널에 체결된다.

이와 다르게 또는 추가로, 분리 부재는 점착식 결합, 바람직하게는 접착제 및/또는 용접에 의해 냉각 채널에 체결될 수 있다. 점착식 결합의 경우, 냉각 채널 내 위치한 분리 부재가 바람직하게는 냉각 채널에 고착되고/또는 바람직하게는 냉각 채널과 용접된다. 이를 통해 분리 부재와 냉각 채널 사이 탈착이 불가능한 결합이 이뤄질 수 있다.

또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 냉각 채널 내 분리 부재는 표준 방법, 바람직하게는 주조에 의해 생성될 수 있다. 이 경우 피스톤은 바람직하게는 표준 방법, 예를 들면 사형 주조 또는 금형 주조에 의해 일체형 피스톤으로서 제조된다. 사형 주조에 의한 주조시 냉각 채널과 그 안에 존재하는 분리 부재는 함께 예를 들면 주형을 제거하는 기술에 의해 피스톤에서 직접 제조한다. 이와 달리, 금형 주조에 의한 주조시 분리 부재는 주형을 제거하는 기술에 의해 피스톤에서 함께 주조한다. 이와 달리, 상부와 하부는 서로 분리하여 주조될 수 있는데, 상부 또는 하부의 주조시 분리 부재와 함께 주조된다.

이와 달리, 피스톤 또는 상부와 하부는 예를 들면 단조 또는 프레스와 같은 성형공정 또는 절삭 가공법, 예를 들면 선삭 또는 밀링에 의해 제조될 수도 있다. 이와 달리, 상부와 하부는 각각 서로 다른 가공법에 의해 제조될 수도 있다.

일체형 피스톤은 바람직하게는 금속 또는 경금속, 바람직하게는 철, 강철, 강철 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 상부와 하부를 갖는 2-부분 피스톤의 경우, 상부와 하부는 동일하거나 상이한 재료로 제조된다. 상부와 하부에 대한 재료로서 바람직하게는 금속 또는 경금속, 특히 철, 강철, 강철 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용된다.

이하, 분리 부재 내 하나의 개구부만 있는 실시형태를 예로 들어 설명하기로 한다. 압력실에서 피스톤의 냉각을 위해 사용되는 가압 상태의 오일은 분리 부재에 있는 적어도 하나의 개구부를 통해 피스톤의 바닥면 방향으로 연속적으로 분사된다. 오일은 바람직하게는 연소 분사물에 직접 노출되지 않는 피스톤 헤드의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면 영역을 향해 연속적으로 분사된다. 이를 통해 적어도 하나 이상의 연소 분사물에 의해 냉각되지 않는 피스톤의 영역이 정확히 냉각된다. 연소 분사물이 부딪히지 않아 연소 분사물의 연료에 의해 냉각되지 않는 피스톤 내 영역이 100℃ 이상의 온도로 증가한다는 것이 온도측정에 의해 알려져 있다. 피스톤 내 연소 분사물이 부딪히는 영역의 온도는 연소 분사물이 부딪히지 않는 영역의 온도보다 더 낮다. 연소 분사물이라 함은 연소실에 도입된 연료 분사물로서 피스톤 헤드의 표면에 부딪히고 연소실에서 연소되는 분사물을 의미한다.

개구부는 분리 부재 자체에 형성되거나 분리 부재로 조립되는 2개 이상의 부품에 의해 형성될 수 있다. 분리 부재는 냉각 채널의 형상과 분할 링 또는 링의 형태에 따라 형성되고, 오일은 분리 부재의 개구부를 통해 경우에 따라 냉각 채널의 원형, 환형 및/또는 타원형 형태와 관련하여 피스톤 헤드의 바닥면에 적절하게 분사된다. 냉각 채널의 원형, 환형 및/또는 타원형 형태가 중간에 차단된 영역을 가상으로 연결해야만 완전한 원형, 환형 및/또는 타원형태가 얻어질 수 있다.

분리 부재에 있는 개구부는 바람직하게는 수직형 홀로서 제공된다. 이때 분리 부재에 있는 개구부의 표면과 형태는 가공기술적으로 특별히 가공되지는 않는다. 이와 달리, 개구부는 벤투리-노즐로서 형성되거나 또 다른 노즐 타입의 형태에 따라 형성될 수 있다. 이와 달리, 수직형 홀인 개구부는 노즐의 형태에 따른 홀로서 형성할 수 있다. 이와 달리, 분리 부재 자체를 주조할 때 개구부를 분리 부재 내에 형성할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시형태로서, 개구부는 바람직하게는 관형, 슬롯형 및/또는 노즐형으로 형성된다. 개구부의 형상이 광폭 슬롯인 경우, 보다 넓은 평면 분사가 이뤄질 수 있다.

본 발명에 따르면, 개구부는 피스톤 헤드의 바닥면 영역 방향으로 향하도록 배향되어 오일이 적어도 하나 이상의 연소 분사물에 직접 노출되지 않는 피스톤 헤드의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면 영역을 향해 연속적으로 분사되도록 한다. 이와 다르게 또는 추가로, 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 개구부는 피스톤 헤드의 바닥면 영역 방향으로 배향되어 적어도 하나 이상의 연소 분사물에 직접 노출되는 피스톤 헤드의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면 영역을 향해 오일이 분사될 수 있다. 이를 통해, 대향 위치의 연소 분사물에 노출되는 피스톤 헤드의 바닥면 영역과 대향 위치의 연소 분사물에 직접 노출되지 않는 피스톤 헤드의 바닥면 영역은 적어도 2개 이상의 개구부, 예를 들면 나란히 배치된 2개 이상의 개구부를 사용하여 연소 분사물에 노출되는 영역은 그 중 하나의 개구부로부터 분사되고 연소 분사물에 전혀 노출되지 않는 영역은 다른 개구부로부터 분사될 수 있다. 이와 달리, 오일은 하나의 개구부를 통해 경우에 따라 대향 위치하는 측면 위 일부 영역에서는 연소 분사물에 노출되고 일부 영역에서는 연소 분사물에 전혀 노출되지 않는 피스톤의 바닥면 영역에 분사될 수도 있다. 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 분리 부재 내 개구부의 형태와 형상은 분리 부재 내 서로 다른 개구부 형태가 존재하도록 다양할 수 있다.

본 발명의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 피스톤의 행정 운동에 의해 압력실로부터 분리 부재의 개구부를 통해 피스톤의 바닥면 방향으로 더욱 많은 오일이 제공되고 가속화된다. 압력실 내 오일의 관성으로 인해 피스톤의 행정 운동에 의해 특히 피스톤이 연소실로부터 밖으로 재차 이동하여 연소실이 확대될 때 압력실 내 압력이 증대된다.

피스톤 작동 중에 피스톤을 최적으로 냉각시키기 위해서 분리 부재 내 개구부의 수를 적절히 조정해야 한다. 최적의 냉각을 위해 각 개구부의 직경도 적절히 조정해야 한다. 경우에 따라 분리 부재 내 개구부의 치수는 분리 부재의 치수와 피스톤에서 요구하는 냉각 성능에 맞게 조정된다. 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 채널이 주위를 완전히 둘러싸는 경우에는 1 내지 180개의 개구부를 사용하는 것이 바람직하다. 차단된 냉각 채널에 대한 개구부의 수는 경우에 따라 차단된 냉각 채널의 길이 대 주위를 완전히 둘러싸는 냉각 채널의 길이의 비로부터 계산될 수 있는 인자에 의해 결정될 수 있다. 주위를 50% 둘러싸는 냉각 채널의 경우 비율이 0.5이기 때문에 개구부의 수는 바람직하게는 1 내지 90개이다. 이와 다르게 또는 추가로, 개구부의 수 대 개구부의 직경의 비는 1:10 1/mm(밀리미터 당 1 대 10) 내지 360:1 1/mm(밀리미터 당 360 대 1) 범위일 수 있다.

본 발명의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 피스톤은 상부와 하부로 구성되며, 피스톤의 조립시 상부와 하부로부터 적어도 하나의 공동 지지면이 형성될 수 있다. 이를 통해 지지면 영역에서 피스톤 내 각 분리 부재의 간단한 위치 조정과 조립이 가능하다.

본 발명의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 피스톤은 적어도 하나의 냉각 슬롯 및/또는 적어도 하나의 냉각 홀을 갖는다. 냉각 슬롯 및/또는 냉각 홀은 바람직하게는 경우에 따라 차단된 냉각 채널 사이에 배치되어 피스톤 또는 피스톤 헤드를 더 냉각시킬 수 있다.

첨부된 4개의 도면에는 본 발명의 바람직한 실시형태들이 더욱 상세히 설명되어 있다. 도면에서:
도 1: 냉각 채널 내에서 스테이 볼트에 의해 분리 부재가 냉각 채널에 체결되어 있는 피스톤의 부분 단면도,
도 2 및 도 3: 경질 고무와 나사에 의해 분리 부재가 피스톤의 냉각 채널에 고정되어 있는 피스톤의 부분 단면도, 및
도 4: 분리 부재의 또 다른 실시예를 갖는 피스톤의 부분 단면도.

도 1 내지 도 4의 4개의 도면에는 내연기관용 피스톤(1)의 부분 단면도가 도시되어 있다. 3개의 실시예에서 피스톤(1)은 각각 동일하게 구성되어 있으며 이에 대해 먼저 대략적으로 기재하기로 한다. 다음, 3개의 실시예 각각을 상세히 설명한다. 이어서, 3개의 실시예와 관련하여 피스톤의 작동 상태에 대해 기재한다. 4개의 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 참조번호로 표시되어 있고 서로 다른 구성요소에 대해서는 새로운 참조번호가 사용된다.

3개의 실시예에서, 내연기관용 피스톤(1)은 상부(2)와 하부(3)로 구성되어 있다.

상부(2)는 하부(3)와 별도로 제조된다. 상부(2)와 하부(3) 사이에는 적어도 하나의 공동 지지면이 형성될 수 있다. 3개의 실시예에서는 각각 2개의 지지면(4,5)이 형성되어 있다.

실시예에서, 상부(2)와 하부(3)는 마찰식 결합, 예를 들면 하나의 나사 결합에 의해 서로 결합되어 있다(미도시). 상부(2)와 하부(3)의 위치조정을 위해 2개의 지지면(4,5)을 적절하게 위치시키는 핀이 사용된다.

이와 다르게 또는 추가로, 상기 상부와 하부는 또 다른 마찰식 결합, 예를 들면 프레스 결합에 의해서 서로 결합될 수도 있다.

이와 다르게 또는 추가로, 상기 상부와 하부는 점착식 결합, 예를 들면 접착제 및/또는 용접에 의해 서로 결합될 수도 있다.

피스톤(1)은 적어도 하나의 연소실 공동(6), 실시예에서는 경우에 따라 하나의 연소실 공동(6), 적어도 하나의 링 홈(7), 실시예에서는 경우에 따라 전체 피스톤(1) 주위를 둘러싸는 3개의 링 홈(7), 하나의 피스톤 헤드(17), 적어도 하나의 냉각 채널(9), 실시예에서는 경우에 따라 피스톤(1) 내 2개의 차단된 냉각 채널(9), 각각의 냉각 채널(9)로부터 오일을 제거하기 위한 적어도 하나의 배출구(10), 실시예에서는 경우에 따라 각각의 차단된 냉각 채널(9)에 대한 다수 개의 배출구(10)를 포함한다. 나아가, 도 1 내지 도 3에 따른 각 실시예에서 피스톤(1)은 각 차단된 냉각 채널(9)에 대해 그 주위를 둘러싸는 하나의 밀봉 링(8)을 홈 안에 포함하고 도 4에 따른 실시예에서 피스톤(1)은 각 차단된 냉각 채널(9) 주위를 둘러싸는 2개의 밀봉 링(8)을 포함하고 있다. 밀봉 링(8)의 주목적은 피스톤(1)에서 차단된 냉각 채널(9)을 실린더 부시의 영역으로부터 밀봉하는 것이다. 적어도 하나 이상의 연소 분사물은 피스톤 헤드(17)의 상면에 부딪힌다. 실시예에서는 다수 개의 연소 분사물이 피스톤 헤드(17)의 상면에 부딪힌다(도 1 내지 4에 도시되어 있지 않음).

이하, 예를 들면 피스톤(1) 내 2개의 차단된 냉각 채널(9) 중 하나를 상세히 기재한다. 다른 하나의 차단된 냉각 채널(9)은 동일하게 구성되어 있다. 이 경우, 2개의 차단된 냉각 채널(9)은 피스톤(1) 내에서 평면으로 배치되고 피스톤 중심축에 대해 동일한 이격 거리(행정 방향으로 도시됨)와 서로 동일한 거리로 피스톤(1) 내에 배치되므로, 각 실시예에서는 대칭적인 배치로 나타난다. 이 경우, 2개의 차단된 냉각 채널(9)은 경우에 따라 그 치수로 인해 약 150˚의 각도를 형성한다. 2개의 차단된 냉각 채널(9)을 포함하는 피스톤(1)에는 추가로 적어도 하나의 냉각 슬롯 및/또는 적어도 하나의 냉각 홀을 포함할 수 있고, 이 경우 2개의 차단된 냉각 채널(9)은 일정 거리로 이격된다. 실시예에서는 경우에 따라 냉각을 더욱 촉진하기 위해 이 위치에 2개의 냉각 슬롯이 설치된다.

각 실시예에서 피스톤(1) 내 2개의 차단된 냉각 채널(9) 중 하나는 분리 부재(11)를 통해 2개의 영역으로 분할되며, 이에 대해서 아래에 기재한다. 냉각 채널(9)의 영역 중 하나는 냉각 채널(9)의 벽의 일부와 분리 부재(11)의 벽의 일부 사이에 형성되어 있는 압력실(12)이다. 냉각 채널(9) 내 또 다른 제2영역은 원래의 냉각 채널(9)에 비해 체적이 제한된 냉각 채널(9a)이다.

3개의 실시형태에서, 차단된 냉각 채널(9)은 단 하나의 부품으로 구성된 하나의 분리 부재(11)를 포함한다. 분리 부재(11)는 전체 차단된 냉각 채널(9)의 영역 내 포함되어 있다. 도 1 내지 도 4에 따른 실시예에서 분리 부재(11)에는 적어도 하나의 개구부(16)가 있다. 실시예 각각은 경우에 따라 다수 개의 개구부(16)를 갖는데, 이에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

이와 달리, 상기 분리 부재는 다수 개의 부품으로 조립되어 전체 분리 부재를 구성할 수 있는데, 이때 상기 분리 부재는 차단된 냉각 채널의 영역 내 완전히 포함되어 조립 구성된다. 이 경우, 적어도 하나의 개구부가 적어도 2개 이상의 분리 부재에 의해 형성되어 적어도 2개 이상의 분리 부재를 조립할 때 적어도 하나의 개구부가 형성될 수도 있다.

실시예에서 분리 부재(11)는 예를 들면 알루미늄 합금으로 제조된다.

이하, 3개의 실시예를 각각 개별적으로 더욱 상세히 기재한다.

도 1에 따른 실시예에서, 분리 부재(11)는 차단된 냉각 채널(9)에서 마찰식 결합, 예를 들면 나사 결합에 의해 체결된다.

나사 결합의 경우, 실시예에서는 나사산에 의해 피스톤(1)의 하부(3)에 견고하게 나사 결합되는 스테이 볼트(13)가 피스톤(1)의 차단된 냉각 채널(9)에서 사용된다. 피스톤(1)의 차단된 냉각 채널(9)에서 분리 부재(11)를 체결하기 위해 바람직하게는 3개의 스테이 볼트(13)가 사용된다. 이와 달리, 스테이 볼트(13) 대신에 임의의 다른 나사 형태, 예를 들면 실린더 나사를 사용하여 분리 부재(11)를 피스톤(1)에 체결할 수 있다. 나아가 각 스테이 볼트(13)가 제공되어 있는 하부(3)의 위치에는 나사 홈이 적절히 형성되어 있다.

각 스테이 볼트(13)가 하부에 위치한 분리 부재(11)는 스테이 볼트(13)가 적절히 끼워지는 체결 개구부(14)를 추가로 갖는다.

이하, 도 1에 도시되어 있는 스테이 볼트(13)를 예로 들어 설명한다.

분리 부재(11)는 분리 부재(11)의 체결 개구부(14) 내 스테이 볼트(13)가 위치되는 암나사에 의해 하부(3)에서 바닥면과 나사산에 의해 견고하게 나사결합되는 스테이 볼트(13)의 상면에 체결된다.

이 경우, 도 1에 따르면 분리 부재(11)는 하부(3)의 평면 위 영역에 위치하여 압력실(12)을 형성한다. 분리 부재(11)의 또 다른 영역은 냉각 채널(9)의 벽과 적어도 하나의 밀봉 부재, 바람직하게는 적어도 하나의 밀봉 링 부재(15) 및/또는 적어도 하나의 경질 고무에 의해 피스톤(1) 내 제한된 냉각 채널(9a)로부터 밀봉된다. 도 1에 따른 실시예에서는 경우에 따라 분리 부재(11)와 냉각 채널(9)의 벽 사이에서 압력실(12)을 밀봉시키는 하나의 밀봉 링 부재(15)가 분리 부재(11)에 사용된다. 이 경우, 도 1에 따르면 밀봉 링 부재(15)는 분리 부재(11)의 홈에 끼워진다.

이와 달리, 상기 분리 부재는 예를 들면 분리 부재와 하부의 냉각 채널 벽 사이에 위치한 경질 고무에 의해 냉각 채널의 벽으로부터 밀봉될 수 있다.

피스톤(1) 내 압력실(12)의 표면은 분리 부재(11)를 설치하기 전에 양호한 표면 품질을 얻기 위해 가공법, 바람직하게는 밀링 및/또는 연삭과 같은 절삭 가공법에 의해 가공되어 실시예에서 사용된 밀봉 링 부재(15)의 밀봉과 하부(3)에 대한 냉각 채널(9) 내 분리 부재(11)의 밀착을 양호하게 할 수 있다. 실시예에서는 압력실(12)을 먼저 밀링 가공한 후 연마하여 평활한 고품질의 표면을 얻는다.

소정 형상의 피스톤, 예를 들면 주조된 피스톤에서는 상기 가공단계가 필요 없을 수도 있다.

이와 다르게 또는 추가로, 상기 분리 부재는 또 다른 마찰식 결합, 바람직하게는 프레스 결합에 의해 냉각 채널에 체결될 수 있다. 이를 위해 상기 분리 부재와 냉각 채널의 벽은 분리 부재가 예를 들면 하부에서 웨지형으로 설치되거나 또는 압착되는 마찰식 결합부를 형성할 수 있다.

이와 다르게 또는 추가로, 상기 분리 부재는 또한 점착식 결합, 바람직하게는 접착제 및/또는 용접에 의해 냉각 채널에서 체결될 수 있다. 이를 위해 상기 분리 부재는 냉각 채널의 벽과 접착 및/또는 용접된다.

실시예에서는 피스톤(1)의 하부(3)에 형성되어 있는 다수 개의 오일 유입구(도 1에는 미도시)를 통해 오일이 압력실(12)에 공급된다.

도 1에 따르면, 분리 부재(11)는 관형으로 형성되는 다수 개의 개구부(16)를 갖는다. 이 경우, 도 1에 따르면 분리 부재(11)는 각각 서로 소정 거리로 배치되어 있는 다수 개의 관형 캡을 포함하고 있다. 도 1에 따르면 상기 캡에는 예를 들면 홀에 의해 관형 개구부(16)가 형성된다. 이 경우, 홀 형태의 각 개구부(16)는 특별히 가공하지 않는다. 개구부(16)의 형태에 의해 피스톤 헤드의 바닥면(18)을 향해 오일이 분사될 수 있다.

도 1에 따르면, 상기 캡의 치수에 의해 압력실(12)로부터 흘러나온 오일은 제한된 냉각 채널(9a)에 모여있는 오일로 분사되지 않는데, 이는 각각의 캡이 제한된 냉각 채널(9a)에 모여있는 오일보다 높게 돌출되어 있기 때문이다.

이와 달리, 각각의 개구부는 예를 들면 벤투리 노즐의 형태에 따라 노즐형으로 형성될 수 있다. 이를 통해 압력실로부터 빠져나온 오일의 압력이 수직형 홀에서의 압력에 비해 더 높아지거나 최적화된다.

이하, 도 2와 도 3의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2와 도 3에 따른 실시예에서는 압력실(12)을 형성하는 공동의 형태가 분리 부재(11)에 끼워 맞춰진다. 이 경우, 분리 부재(11)는 차단된 냉각 채널(9)의 영역에 포함되고 하부(3)에 있는 차단된 냉각 채널(9)의 홈에 적절히 도입되는 경질 고무(20) 위에 위치한다. 이 경우, 경질 고무(20)는 냉각 채널(9)의 외형에 맞게 조정된다. 상기 공동에는 하부(3)와 경질 고무(20)를 관통하는 연결봉 또는 핀을 통해 펌프 작용 또는 주입에 의해 오일을 공급하는 적어도 하나의 오일 유입구(21)에 의해 오일이 공급된다. 도 2와 도 3에 따른 실시예에서, 피스톤(1)은 다수 개의 오일 유입구(21)를 갖는다. 상기 공동에는 가압 상태에서 오일 유입구(21)로부터 공급된 오일에 의해 압력이 계속하여 조성되고, 소정의 압력과 소정의 체적 유량으로 새로 공급되는 오일은 압력실(12), 즉 공동으로 계속하여 유입된다.

도 3에 따르면, 분리 부재(11)에 있는 적어도 하나의 체결 개구부(14), 실시예에서는 바람직하게는 3개의 체결 개구부(14)와 경질 고무(20)에 있는 적어도 하나의 홀, 실시예에서는 바람직하게는 3개의 홀을 통해 적어도 하나의 실린더 나사(22), 실시예에서는 바람직하게는 3개의 실린더 나사(22)가 분리 부재(11)와 경질 고무(20)를 관통하여 적어도 하나의 나사산, 실시예에서는 3개의 나사산에 의해 하부(3)와 견고하게 나사 결합된다. 도 3에 따르면, 각각의 실린더 나사(22)는 체결 개구부(14)와 경질 고무(20)의 홀을 통해 안내되어 나사산과 나사 결합한다. 이를 통해 분리 부재(11)와 경질 고무(20)는 피스톤(1)의 하부(3)와 견고하게 결합되고 경질 고무(20)에 의해 밀봉된 압력실(12)은 차단된 냉각 채널(9)에 생성된다.

도 2와 도 3에 따르면 분리 부재는 다수 개의 슬롯형 개구부(16)를 갖지만, 도 2와 도 3에서는 각각 하나의 개구부(16)만이 도시되어 있다. 분리 부재(11)는 각각 슬롯형 개구부(16)를 갖는 적절한 슬롯형 캡을 포함한다. 이 경우, 상기 캡은 깊이 T를 갖는다. 도 2와 도 3에 따른 실시예에서, 슬롯형 개구부(16)는 경우에 따라 분리 부재(11) 또는 각각의 캡에 홀 형태로 형성된다.

이하, 도 2에 있는 슬롯형 개구부(16)를 간단히 설명하기로 한다. 도 2에 도시되어 있는 슬롯형 개구부(16)는 소정의 단면 각도, 예를 들면 40˚를 갖는 차단된 냉각 채널(9)에서 경우에 따라 캡에 의해 둘러싸여 있다. 이로 인해, 분리 부재(11)의 슬롯형 개구부(16)로부터 오일이 슬롯 형태로 분사될 때 개구부(16)의 슬롯 형태에 의해 피스톤 헤드의 바닥면(18)의 평면 영역이 분사될 수 있다.

이와 달리, 상기 분리 부재는 경질 고무에 접착될 수도 있다. 상기 분리 부재는 냉각 채널에 있는 리세스에서 냉각 채널의 하부 영역에 맞게 조정된 경질 고무에 적절히 접착될 수 있다.

이하, 도 4의 실시예를 상세히 기재한다.

도 4에 따른 실시예에서, 분리 부재(11)는 그 일부가 피스톤(1)의 하부(3)에 마찰식으로 끼워져 체결된다. 이때 하부(3)와 분리 부재(11) 사이에는 2개의 접합 영역(23)이 형성된다. 도 4에 따르면, 분리 부재(11)의 압력실(12)은 분리 부재(11)에 있는 홈에 각각 위치되어 있는 2개의 밀봉 링(8)에 의해 제한된 냉각 채널(9a)과 실린더 부시로부터 밀봉된다. 링 홈(7)에 대향 위치하는 상부(2)의 벽의 일부와 분리 부재(11)에 형성되어 있는 공동 사이에는 분리 부재(11)의 적어도 하나의 개구부(16)로부터 오일이 배출되는 압력실(12)이 형성되어 있다. 상기 실시예에서 분리 부재(11)에는 다수 개의 개구부(16)가 있다. 도 4에 따르면, 개구부(16)는 경우에 따라 분리 부재(11) 내에 적절하게 형성되는데, 예를 들면 개구부(16)는 분리 부재(11)의 상부 영역에 형성할 수 있다. 도 4에 따른 실시예에서는 분리 부재(11) 각각에 개구부(16)가 홀 형태로 형성되어 있다. 홀 각각의 깊이와 형태에 의해 배출된 오일을 피스톤 헤드의 바닥면(18) 방향으로 적절하게 안내하는 관형의 개구부(16)를 얻을 수 있다. 나아가 분리 부재(11)에는 다수 개의 오일 유입구(21)가 있다. 도 4에는 개구부(16)와 오일 유입구(21)가 각각 단 하나만 도시되어 있다.

이하, 도 1 내지 도 4에 따른 3개의 실시예에 대해 내연기관에서 피스톤(1)의 작동을 예로 들어 설명하기로 한다.

실시예에서 펌프 작용 또는 주입에 의해 연결봉 또는 핀을 통해 가압 상태로 공급되는 오일은 오일 유입구(21)를 통해 차단된 냉각 채널(9)의 압력실(12)로 유입된다. 이를 통해 오일은 압력실(12) 내 분배된다. 이때, 압력실(12) 내 조성된 압력, 바람직하게는 약 3 바아의 압력에 의해 오일은 분리 부재(11)의 개구부(16)로부터 피스톤 헤드의 바닥면(18) 방향으로 연속적으로 배출될 수 있다. 이때, 각 개구부(16)로부터 하나의 분사물(19)이 배출된다. 도 1과 도 4에 따른 실시예에서는 홀 형태의 각 개구부(16)의 관형 형상에 의해 각 분사물(19)의 형태는 대략 원형이다. 도 2와 도 3에 따른 실시예에서는 각 개구부(16)의 형태가 슬롯형이므로 분사물(19)의 형태는 분사하는 평면의 오일벽의 형태에 따라 다르다.

상기 3개의 실시예에서는 피스톤 헤드의 바닥면(18)에 부딪히는 분사물(19)은 개구부(16) 각각의 배향에 의해 연소 분사물에 직접 노출되지 않는 피스톤 헤드(17)의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면(18) 영역에 정확히 부딪힌다.

이와 다르게 또는 추가로, 오일은 개구부 각각의 배향에 의해 연소 분사물에 직접 노출되는 피스톤 헤드의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면 영역에 분사될 수도 있다.

피스톤(1)이 하강할 때, 즉 연소실이 확대될 때, 오일의 관성에 의해 오일은 고압, 즉 3개의 실시예에서는 각각 3 바아를 초과하는 압력 상태에서 압력실(12)로부터 각 개구부(16)를 통해 안내되어 개구부(16)로부터 피스톤 헤드의 바닥면(18) 방향으로 가속화된다.

이어서, 제한된 냉각 채널(9a)에 직선으로 분사된 오일은 다수 개의 배출구(10)를 통해 제한된 냉각 채널(9a)로부터 배출된다.

적어도 하나의 냉각 슬롯 및/또는 적어도 하나의 냉각 홀을 갖는 피스톤의 경우, 상술한 실시예에 대해 또 다른 가능한 실시형태로서 일지지피스톤, 즉 단 하나의 (내부) 지지면을 필요로 하는 피스톤으로서 형성될 수 있다. 내부 지지면으로서 예를 들면 도 1에서 내부에 위치한(피스톤 중심축에 근접한) 지지면(4)이 도시되어 있다.

상술한 실시예에 대해 또 다른 가능한 실시형태에 있어서, 피스톤에서 냉각 채널은 주위를 둘러싸는 형태일 수 있다. 이 경우, 분리 부재는 냉각 채널에 맞게 형태와 크기가 조정된다. 예를 들면 일체형으로 주위를 둘러싸는 분리 부재가 사용될 수 있다. 바람직하게는 주위를 둘러싸는 냉각 채널은 경우에 따라 6개 내지 8개의 체결 수단, 예를 들면 스테이 볼트 또는 실린더 나사가 적절한 수의 나사산과 함께 주위를 둘러싸는 냉각 채널에서 분리 부재를 체결하기 위해 사용된다.

이와 다르게, 또 다른 실시형태에 있어서, 피스톤은 피스톤 중심축을 중심으로 360˚미만의 각을 형성하는 하나의 차단된 냉각 채널만을 포함할 수 있다. 이 경우, 분리 부재는 냉각 채널에 맞게 형태와 크기가 조정된다.

또 다른 실시형태에 있어서, 피스톤은 주조된 상부와 이와는 별도로 주조된 하부로 구성될 수 있다. 이러한 피스톤은 표준 방법, 바람직하게는 주조에 의해 각 피스톤 부품의 각 냉각 채널에서 분리 부재와 함께 제조될 수 있는데, 이 경우 예를 들면 주조공정, 예를 들면 사형 주조 또는 금형 주조에 의해 하부를 제조하고 예를 들면 주형을 제거하는 기술에 의해 하부에 분리 부재를 직접 함께 주조한다.

또 다른 실시형태에 있어서, 상부와 하부로 구성된 피스톤은 분리 부재와 함께 일체형으로 주조될 수 있다.

또 다른 실시형태에 있어서, 도 1 내지 4에 도시되어 있는 3개의 실시형태를 임의로 조합하여 피스톤으로 구현할 수 있다.

도면부호 리스트
1 피스톤
2 상부
3 하부
4 지지면
5 지지면
6 연소실 공동
7 링 홈
8 밀봉 링
9 냉각 채널
9a 제한된 냉각 채널
10 배출구
11 분리 부재
12 압력실
13 스테이 볼트
14 체결 개구부
15 밀봉 링 부재
16 개구부
17 피스톤 헤드
18 피스톤 헤드의 바닥면
19 분사물
20 경질 고무
21 오일 유입구
22 실린더 나사
23 접합 영역
T 깊이(슬롯형 개구부의 깊이)

Claims

적어도 하나 이상의 연소 분사물에 노출되는 피스톤 헤드(17)를 분사되는 오일에 의해 냉각시켜 내연기관의 피스톤(1)을 냉각시키기 위한 방법으로서,
오일이 압력실(12)로부터 피스톤(1)의 냉각 채널(9)에 위치하여 냉각 채널(9)과 분리 부재(11)의 벽의 일부 사이에서 오일이 채워질 수 있는 압력실(12)을 형성하는 분리 부재(11)의 적어도 하나의 개구부(16)를 통해 오일이 채워진 압력실(12)에 조성된 압력에 의해 피스톤 헤드의 바닥면(18)의 적어도 하나의 영역을 향해 분사되되,
오일이 연소 분사물에 직접 노출되지 않는 피스톤 헤드(17)의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면(18) 영역을 향해 연속적으로 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 오일이 채워진 압력실(12)에 1.5 내지 10 바아, 바람직하게는 약 3 바아의 압력이 조성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 오일이 채워진 압력실(12) 내 압력이 펌프 작용 또는 주입에 의해 연결봉 또는 핀을 통해 조성되는 것을 특징으로 하는 방법.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오일이 연소 분사물에 직접 노출되는 피스톤 헤드(17)의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면(18) 영역을 향해 연속적으로 분사되어 연소 분사물에 노출되는 영역과 연소 분사물에 전혀 노출되지 않는 영역 모두가 분사되는 것을 특징으로 하는 방법.
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오일이 피스톤(1)의 행정 운동에 의해 압력실(12)로부터 분리 부재(11)의 개구부(16)를 통해 피스톤 헤드의 바닥면(18)의 방향으로 더욱 많이 제공되고 가속되는 것을 특징으로 하는 방법.
적어도 하나 이상의 연소 분사물에 노출되는 피스톤 헤드(17)와 적어도 하나의 개구부(16)가 형성된 분리 부재(11)가 위치하는 냉각 채널(9)을 포함하는 내연기관의 피스톤(1)으로서, 냉각 채널(9)의 벽의 일부와 분리 부재(11) 사이에서 가압된 오일이 채워지는 압력실(12)이 형성되되, 연소 분사물에 직접 노출되지 않는 피스톤 헤드(17)의 영역과 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면(18) 영역을 향해 오일이 연속적으로 분사되도록 개구부(16)가 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제6항에 있어서, 연소 분사물에 직접 노출되는 피스톤 헤드(17)의 영역에 대향 위치하는 피스톤 헤드의 바닥면(18) 영역을 향해 오일이 연속적으로 분사되도록 개구부(16)가 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제6항 또는 제7항에 있어서, 피스톤(1)이 적어도 하나의 차단된 냉각 채널(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 분리 부재(11)가 마찰식 결합, 바람직하게는 나사 결합 또는 프레스 결합에 의해 냉각 채널(9)에 체결되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 분리 부재(11)가 점착식 결합, 바람직하게는 접착제 및/또는 용접에 의해 냉각 채널(9)에 체결되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 분리 부재(11)가 다수 개의 부품으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 채널(9)에서 분리 부재(11)에 의해 형성되는 압력실(12)이 적어도 하나의 밀봉 부재, 바람직하게는 적어도 하나의 밀봉 링 부재(15) 및/또는 적어도 하나의 경질 고무(20)에 의해 피스톤(1) 내 냉각 채널(9)로부터 밀봉되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 개구부(16)가 관형, 슬롯형 및/또는 노즐형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤(1)이 적어도 하나의 냉각 슬롯 및/또는 적어도 하나의 냉각 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).