KR20140120923A

KR20140120923A - 기능이 증진된 냉각 갤러리를 지닌 피스톤

Info

Publication number: KR20140120923A
Application number: KR1020147023873A
Authority: KR
Inventors: 미구엘 아제베두; 케이스 햄프턴
Original assignee: 페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2014-10-14
Also published as: KR102080359B1; EP2812553A1; BR112014019774A2; CN104204487A; EP2812553B1; JP2018021560A; WO2013119909A1; US20130206095A1; CN104204487B; JP6527203B2; US10753310B2; BR112014019774A8; JP2015511290A

Abstract

내연 엔진용 피스톤은, 상부 연소면(combustion surface)을 가진 상부 연소벽(upper combustion wall)과 상부 연소면에 이웃한 링벨트 부위(ring belt region)를 지닌 실린더형 외측벽(cylindrical outer wall)을 포함하는 몸체와, 링벨트 부위와 방사상으로 정렬되어 위치하는 밀폐된 환형의 냉각 갤러리(cooling gallery)를 가진다. 냉각 갤러리 내에는 냉각 매체(cooling medium)가 함유되어 있다. 냉각 갤러리는, 링벨트 부위를 따라 연장되는 방사상 최외측 부분을 포함하는 내측면(inner surface)을 가진다. 최외측 부분은 상부 연소벽으로부터 종방향 중심 축선을 향해 수렴한다. 피스톤의 왕복운동 중에, 냉각 매체는 유동하면서 냉각 갤러리의 벽들과의 접촉을 유지하며, 이로써 열이 상부 연소벽으로부터 냉각 매체로, 그리고 냉각 매체로부터 피스톤 몸체, 링벨트 부위 그리고 궁극적으로 엔진 냉각 시스템으로 전달되는 성능이 극대화된다.

Description

기능이 증진된 냉각 갤러리를 지닌 피스톤{PISTON WITH ENHANCED COOLING GALLERY}

본 발명은 일반적으로 내연 엔진에 관련된 것으로, 좀 더 구체적으로 내연엔진용 피스톤에 관한 것이다.

엔진 제조사들은, 연료 경제성의 향상, 연료 연소에 대한 향상, 오일 소모량의 감소, 운송수단 내에서 열의 활용을 위한 배기 온도의 증대, 실린더 보어(cylinder bore) 내에서의 압축하중의 증대, 중량의 감소 및 엔진의 콤팩트화 등을 비제한적으로 포함하여, 엔진의 효율 및 성능 향상에 대한 요구가 증가하는 상황에 직면하고 있다. 따라서 엔진의 연소실 내의 온도 및 압축하중을 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나 연소실 내의 온도 및 압축하중을 증가시키면, 피스톤에 대한 마모 및 물리적 부담이 증가하여 그 잠재적 유효수명이 줄어들게 된다. 특히 염려가 되는 부분은, 피스톤의 피스톤 링 부위 및 상부 연소면(upper combution surface) 부위에서의 열의 축적 및 이에 관련된 마모에 관한 것이다.

본 발명에 따라 제작된 피스톤은 현대의 고성능 엔진에서 발생하는 과도한 열에 대해 더 잘 견딜 수 있으며, 이는, 본원에 개시된 내용 및 도면들로부터 당업계 기술자가 자명하게 알 수 있을 것이다.

내연 엔진용 피스톤이 제공된다. 상기 피스톤은 실린더형 외측면(cylindrical outer surface)을 포함하고, 상기 외측면 속으로 환형의 최상부 링 그루브(uppermost ring groove) 및 하부 링그루브(lower ring groove)가 연장된다. 탑 랜드(top land)는 최상부 링 그루브로부터 상부 연소면(upper combution surface)까지 연장된다. 몸체에는 핀 보어 축선(pin bore axis)을 따라 서로 정렬된 핀 보어들(pin bores)을 지닌 한 쌍의 핀 보스들(pin bosses)이 있다. 최상부 링 그루브 내에는 제1 피스톤 링이 배치되고, 하부 링 그루브 내에는 제2 피스톤 링이 배치된다. 상기 몸체는 환형의 밀봉된 냉각 갤러리(sealed cooling gallery)를 가지고, 냉각 갤러리 내에는 냉각 매체(cooling medium)가 포함된다. 상기 밀봉된 냉각 갤러리는 제1 및 제2 피스톤 링들 사이에서 실질적으로 방사상으로 정렬되게 구성된다. 이리하여, 상기 밀봉된 냉각 갤러리는, 내부에 들어 있는 냉각 매체가 상부 연소면 및 링벨트 부위에 대해 최적의 냉각 효과를 발휘하도록 구성된다. 따라서 피스톤의 유효 수명이 증가될 수 있다.

본 발명의 양상들, 특징들 및 장점들은 이하의 바람직한 실시예들 및 최상의 모드에 대한 상세한 설명, 청구항들 및 첨부된 도면들로부터 쉽게 파악이 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 양상에 따라 제작된 피스톤의 핀 보어 축선(pin bore axis)에 대해 횡방향으로 개괄적으로 취해진 단면도이다.
도 2는 도 1의 피스톤의 핀 보어 축선을 따라 개괄적으로 취해진 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 양상에 따라 제작된 피스톤의 핀 보어 축선에 대해 횡방향으로 개괄적으로 취해진 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1 및 도 2에는 예컨대 현대식이고 콤팩트하고 고성능의 차량엔진과 같은 내연 엔진의 실린더 보어(cylinder bore) 내에서 왕복운동하는, 본 발명의 바람직한 일 양상에 따라 제작된 피스톤(10)에 대한 단면도가 도시되어 있다. 이 피스톤(10)은 몸체(12)를 가지는데, 이 몸체(12)는 주조된 단일의 일체식 피스(piece), 또는 단조된 재료 또는 강편 재료로부터 성형된 단일의 일체식 피스로 되는데 이는 예시적으로서 이에 국한되지는 않는다. 상기 몸체(12)는 중심 종축선(central longitudinal axis)(13)을 따라 연장되며, 이 중심 종축선(13)을 따라 피스톤(10)이 실린더 보어 내에서 왕복운동을 한다. 몸체(12)는 상부 연소벽(upper combustion wall)(14)을 가지며, 상부 연소벽(14)의 한 측에는 실린더 보어 내의 연소가스에 직접적으로 노출되도록 구성된 상부 연소면(upper combustion surface)(16)이 있고, 반대 측에는 상부 연소면(16)의 일 부분에 대해 축방향으로 바로 밑에 위치하는 언더크라운면(undercrown surface)(18)이 있다. 피스톤 몸체(12)는 또한 대체로 실린더형인 외측벽(20)을 포함하는데, 실린더형 외측벽(20)에는 상부 연소면(16)으로부터 상기 상부 연소면(16)에 바로 인접한 링벨트 부위(ring belt region)(22)에 걸쳐 매달려있는, 즉 늘어져 있는 실린더형 외측면(cylindrical outer surface)(21)이 있다. 링벨트 부위(22)에는 최상부의 피스톤 링 그루브(23) 및 하부의 링 그루브가 포함되는데, 하부의 링 그루브는 도면에 최하부 링 그루브(24)로 도시되어 있다. 링 그루브들(23, 24) 각각은 그 안에 제각기 제1 피스톤 링(26), 제2 피스톤 링(27)을 수용하게끔 구성된다. 또한 피스톤 몸체(12)에는 밀폐된 냉각 갤러리(cooling gallery)(28)가 형성되는데, 냉각 갤러리(28) 내에는 냉각 매체(30)가 들어 있다. 냉각 갤러리(28)는 링벨트 부위(22)와 실질적인 방사상 정렬(radial alignment)이 되어, 방사상 내측으로 구성되어 있다. 냉각 갤러리(28)는 본 발명에 따라, 상부 연소면(16) 및 링벨트 부위(22)로부터 실린더 라이너(cylinder liner) 및 엔진 블록으로의 열전달을 촉진시키도록 구성된다. 이리하여 상부 연소벽(14) 및 링벨트 부위(22)에서 발생한 열은 궁극적으로 실린더 라이너 및 엔진 블록으로 전달되며, 이로써 피스톤(10)의 작동온도의 감소를 촉진시켜 피스톤(10)의 유효 수명을 연장시켜 준다.

냉각 매체(30)는 전적으로 금속성 냉각제(metallic coolant)로서 제공될 수 있는데, 이는 피스톤(10)의 작동온도에서는 액체이다. 원하는 바의 열전달 계수를 고려하여, 임의의 적합한 가벼운 금속성 재료가 사용될 수 있다. 또한 냉각 매체(30)는 구리 또는 알루미늄과 같은 분말 금속과 혼합된 액체 금속으로서 제공될 수 있다. 금속성 분말을 추가하는 것은 특히 냉각 매체(30)의 열전달 성질을 증진시키는 것이 요구될 때 활용될 수 있다. 또한 산업용으로 열전달을 위해 통상적으로 사용되는 열전달 유체가 사용될 수도 있다.

도 2에 잘 나타난 바와 같이 피스톤 몸체(12)는, 중심 종축선(central longitudinal axis)(13)에 대체로 가로질러 연장되는 핀 보어 축선(36)을 따라 동축으로 정렬되고 횡방향으로 간격을 두고 있는 핀 보어(34)들을 제공하기 위해, 언더크라운면(18)에 달려 있는 한 쌍의 핀 보스(pin boss)(32)들을 가진다. 이 핀 보스(32)들은 횡방향으로 간격을 둔 스커트 부분(skirt portion)(38)들에 연결되는데, 스커트 부분(38)들은, 핀 보어 축선(36)과 교차하는 대향하는 측면들에 서로 직경방향으로, 즉 서로 180도 간격을 두고 있으며, 실린더 보어(11) 내에서 슬라이딩 운동하게끔 윤곽을 지닌 볼록한 외측면(40)들을 가지고 있어서, 피스톤(10)이 실린더 보어 내에서 왕복운동할 때 피스톤(10)을 요구되는 방향으로 유지하는 것을 용이하게 해준다.

상부 연소면(14)은, 실린더 보어 내에 원하는 바의 가스 유동(gas flow)을 제공하도록, 상부 연소면(16)의 평평한 맨 윗부분으로부터, 도드라진 중앙 피크(raised central peak)(45)를 중심으로 연장되면서 맨 밑의 환형의 골짜기(annular velly)(43) 쪽으로 늘어진 리세스된 연소 보울(reccesed combustion bowl)(42)을 가지는 것으로 도시되어 있다. 연소 보울(42)로 인해 적어도 부분적으로, 연소 보울(42), 냉각 갤러리(28) 및 언더크라운면(18) 사이에 피스톤 몸체 재료의 비교적 얇은 부위가 형성된다.

상부 랜드 부위(upper land region)(44)로부터 늘어진 링벨트 부위의 최대 직경 D2에서 줄어든 직경 D1을 가지는 상부 연소면(16)으로부터 외측벽(outer wall)(20)이 하향으로 연장되는 것으로 도시되어 있는데, 이는 예시적으로서 이에 국한되는 것은 아니다. 이리하여 외측면(21) 및 실린더 라이너 사이의 대체로 L-형상인 제1 피스톤 링(26)의 제1 부분(48)을 수용하게끔 환형의 갭 또는 공간(46)이 제공된다. 직경 D1은, 피스톤 링(26)의 제1 부분(48)이 상부 랜드 부위(44) 및 실린더 라이너 사이에서 자유로이 부동(浮動)하여 원하는 바의 슬라이딩 방향으로 자동적으로 찾아갈 수 있도록 사이즈가 정해진다. 제1 피스톤 링(26)을 좀 더 수용하고 위치를 잡아주기 위해, 환형의 링 그루브(23)가 반경방향 내측으로 상부 랜드 부위(44)의 직경이 줄어든 외측벽(20) 속으로 연장된다. 여기서 링 그루브(23)의 사이즈는, 대체로 L-형상인 제1 피스톤 링(26)의 횡방향으로 연장된 제2 부분(50)을 수용하게끔 정해진다. 링 그루브(23)의 크기는, 제1 피스톤 링(26)의 제2 부분(50)이 그 안에서 자유로이 부동할 수 있도록 정해져서, 피스톤(10)의 왕복운동 중에 제1 피스톤 링(26)이 자동적으로 원하는 바의 슬라이딩 방향을 찾아가는 것을 더욱 가능하게 한다.

제1 피스톤 링(26)은 대체로 L-형상을 지니며, 제1 부분(48)은 L-형상 구성의 직립의 또는 수직으로 연장되는 다리(leg)를 제공하고, 제2 부분은 L-형상 구성의 횡방향으로 또는 수평으로 연장되는 다리를 제공한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 제1 부분(48)은 환형의 공간(46) 내에 수용되고, 제2 부분(50)은 링 그루브(23) 내에 수용된다.

제2 피스톤 링(27)은 제1 피스톤 링(26)으로부터 축방향 하향으로 이격되어 있으며, 실린더 라이너로부터 오일을 크랑크케이스로 다시 닦아내리는 것을 촉진시키는 와이퍼 링(wiper ring)으로서 나타나 있다. 제1 및 제2 피스톤 링(26, 27) 사이에 연장되는 외측면(21)은 연속적이며 끈김이 없어서, 최상부 링 그루브(23) 및, 최하부 링 그루브(24)로 도시된 하부의 링 그루브 사이에는 어떠한 링 그루브도 없다. 따라서 피스톤(10)은 단지 두 개의 링 그루브들(23, 24) 및, 이에 대응하는 피스톤 링들(26, 27)을 가진다. 여기서 논의되는 개념은 또한 전통적인 3 링 피스톤 패키지를 포함하며, 2 링은 바람직한 실시예라는 것을 이해하여야 한다.

냉각 갤러리(28)는 링 그루브들(23, 24) 사이에서 연장됨으로써, 연소 보울(42)의 골짜기 부위(43) 및 상부 연소면(16)의 최상부 평평한 부위 뿐만 아니라 링 벨트 부위(22) 전체를 냉각시키는 것이 촉진된다. 특히 냉각 갤러리(28)는 상향으로 최상부 피크 또는 면(uppermost peak or surface)(52)까지 연장되고, 하향으로는 최하부 골짜기 또는 면(lowermost velly or surface)(54)까지 연장된다. 최상부 면(52)은 최상부 링 그루브(23)의 평평한 맨 아랫면(55)과 정렬되는 것으로 도시되어 있고, 최하부 면(54)은 하부 링 그루브(24)의 맨 위 평평한 면(56)과 방사상으로 정렬되는 것으로 도시되어 있다.

도 3에는 본 발명의 바람직한 일 양상에 따라 제작된 피스톤의 횡단면도가 도시되어 있는데, 앞에서 논의된 것과 유사한 구성에 대해서 식별을 위해 앞에서의 동일한 참조부호에 100을 더한 참조부호를 사용하였다. 피스톤(110)은 앞에서 논의된 바와 같이 몸체(112)와, 상부 연소면(116) 및 언더크라운면(118)을 가지는 상부 연소벽(114)을 가진다. 또한 피스톤 몸체(112)는 대체로 실린더형인 외측벽(120)을 포함하는데, 실린더형 외측벽(120)에는 링벨트 부위(122)에 걸쳐 상부 연소면(116)으로부터 매달려있는, 즉 늘어져 있는 실린더형 외측면(121)이 있다. 링벨트 부위(122)에는 최상부의 링 그루브(123) 및 하부의 링 그루브가 포함되는데, 하부의 링 그루브는 도면에 최하부 링 그루브(124)로 도시되어 있다. 링 그루브들(123, 124) 각각은 그 안에 제각기 제1 피스톤 링(26), 제2 피스톤 링(27)을 수용하게끔 구성된다. 또한 피스톤 몸체(112)에는 밀폐된 냉각 갤러리(128)가 있는데, 냉각 갤러리(28) 내에는 냉각 매체(130)가 들어 있다. 냉각 갤러리(128)는 링벨트 부위(122)와 실질적인 방사상 정렬이 되어, 방사상 내측으로 구성되어 있다.

최상부 링 그루브(123)는 앞에서 논의된 바와 같이 구성되었지만, 최하부 링 그루브(124)는 축방향 상향으로 이동되어서, 링 그루브들(123, 124) 사이에는 제2 피스톤 링(127)의 두께와 대체로 같은 두께를 지닌 피스톤 몸체 재질의 비교적 얇은 환형의 플랜지(60)가 형성된다. 따라서 링벨트 부위(122)는 참조부호 22의 링벨트 부위(22)에 비해 줄어든 축방향 길이를 가진다.

또한 참조부호 10의 피스톤(10)에 비해 대조적으로, 연소 보울(142)은 전체가 오목한 면을 가져서 중앙 피크가 없다. 또한 냉각 갤러리(128)는 제1 실시예에서와 같이 상향으로는 최상부 피크 또는 면(152)까지 연장되고, 하향으로는 최하부 면(154)까지 연장되며, 최상부 면(152)은 최상부 링 그루브(123)의 평평한 맨 아랫면(155)와 방사상 정렬되는 것으로 도시되어 있다. 그러나 제 1실시예에 비해 대조적으로 최하부 면(154)은 하부 링 그루브(124)의 최하부 평평한 면(62) 아래로 연장되는 것으로 도시되어 있다. 따라서 냉각 갤러리(128)는 최하부 피스톤 링 그루브(124)의 축방향 폭 전체에 걸쳐 연장된다.

상술한 바와 같은 바람직한 실시예들에 대한 상세 설명으로부터 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 자명한 일이다. 그러므로 본 발명은 청구항에 기술된 발명의 범위 내에서, 본원에서 특정적으로 기술된 바와는 달리 실현될 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims

내연 엔진용 피스톤으로서 상기 피스톤은,
실린더형 외측면(cylindrical outer surface)을 지닌 몸체(body)로서, 환형의 최상부 링 그루브(uppermost ring groove) 및 하부 링그루브(lower ring groove)가 상기 외측면 속으로 연장되고, 탑 랜드(top land)가 상기 최상부 링 그루브로부터 상부 연소면(upper combution surface)까지 연장되고, 핀 보어 축선(pin bore axis)을 따라 서로 정렬된 핀 보어들(pin bores)을 지닌 한 쌍의 핀 보스들(pin bosses)을 가지는 몸체;
상기 최상부 링 그루브 내에 배치되는 제1 피스톤 링;
상기 하부 링 그루브 내에 배치되는 제2 피스톤 링;을 포함하며,
상기 몸체는 환형의 밀봉된 냉각 갤러리(sealed cooling gallery)를 가지고, 상기 냉각 갤러리 내에는 냉각 매체(cooling medium)가 배치되고, 상기 밀봉된 냉각 갤러리는 상기 제1 및 제2 피스톤 링들 사이에 방사상으로 정렬된 형태인 것을 특징으로 하는 피스톤.
제1항에 있어서,
상기 탑 랜드는 상기 외측면으로부터 방사상 내측으로 리세스된(recessed) 것을 특징으로 하는 피스톤.
제2항에 있어서,
상기 제1 피스톤 링은, 상기 최상부 링 그루브 내에 수용되게끔 구성된 제1 부분(first portion) 및 상기 최상부 링 그루브로부터 상기 탑 랜드를 따라 상향으로 연장되게 구성된 제2 부분(second portion)을 가지는 대체로 L-형상인 것을 특징으로 하는 피스톤.
제1항에 있어서,
상기 밀봉된 냉각 갤러리는 최상부 면(uppermost sutface) 및 최하부 면(lowermost surface)을 가지며, 상기 최상부 면은 실질적으로 상기 최상부 링 그루브와 방사상으로(radially) 정렬이 되고, 상기 최하부 면은 실질적으로 상기 하부 링 그루브와 방사상으로 정렬이 되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제1항에 있어서,
상기 밀봉된 갤러리는 최상부 면 및 최하부 면을 가지며, 상기 최상부 면은 실질적으로 상기 최상부 링 그루브와 방사상 정렬이 되고, 상기 최하부 면은 상기 하부 링 그루브 아래로 연장되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제5항에 있어서,
상기 하부 링 그루브는 최하부 링 그루브인 것을 특징으로 하는 피스톤.