KR20140125369A - 대형 내연기관을 위한 피스톤 - Google Patents

대형 내연기관을 위한 피스톤 Download PDF

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Abstract

180㎜ 내지 650㎜의 피스톤 직경(D)을 갖는 내연 디젤 기관을 위한 피스톤(1)으로, 피스톤(1)은 서로 연결되는 상부(2)와 바디부(3)를 포함하고, 상부(2)는 내연기관의 실린더에 설치시 연소실에 대응되는 피스톤(1) 측으로 정의되고, 바디부(3)는 피스톤핀(4)을 위한 어퍼쳐(30)와 사용시 피스톤(1)과 피스톤핀(4) 사이에서 힘을 분배하기 위한 보스(32)를 구비하고, 바디부(3)는 내부(33), 외면(34) 및 작동가능하게 연결되는 면(35)을 포함한다. 바디부(3)의 내부(33)는 물결(331) 모양의 표면의 매크로 지오메트리를 구비하는 내부 벽(또는 표면)(330)을 포함하고, 물결(331)의 길이는 3㎜ 내지 25㎜이고 물결(331)의 높이는 0.3㎜ 내지 3㎜이며, 물결의 표면은 5㎛ 내지 9㎛의 표면 거칠기(surface roughness)로 측정될 수 있는 마이크로 지오메트리(micro geometry)를 구비한다.

Description

대형 내연기관을 위한 피스톤{PISTON FOR LARGE SIZED INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 180㎜ 내지 650㎜의 피스톤 직경을 갖는 내연 디젤 기관을 위한 피스톤에 관한 것으로서, 피스톤은 서로 연결되는 상부와 바디부를 포함하며,
- 상부는 내연 기관의 실린더에 설치시 연소실에 대응되는 피스톤 부분으로 정의되고,
- 바디부는 피스톤핀을 위한 어퍼쳐, 사용시 피스톤과 피스톤핀 사이에서 힘을 분배하기 위한 보스들을 구비하고, 바디부는 내부와 외면과 작동가능하게 연결되는 면을 구비한다.
대형 내연기관은 가령, 선박 추진 시스템의 동력원과 같은 전기 발전 장치에서 까다로운 전력 공급 작업에 널리 사용된다.
대형 내연기관에서 동일한 실린더 변위로 더 많은 엔진의 출력을 획득하기 위한 수요가 증가하고 있다. 목표는 동력 생산율을 증가시킴과 동시에 엔진으로부터 발생하는 배출물을 감소시키는 것이다. 이러한 결과를 지향하는 하나의 경로는 작동중에 실린더 압력(cylinder pressure)을 증가시키는 것이다. 반면에 이러한 대형 기관의 신뢰도도 또한 향상되어야 하며, 가령, 어떠한 오작동도 없어야 한다. 이는 피스톤을 포함하는 엔진의 모든 부품들에 요구되는 개발의 원인이 된다.
본 발명의 목적은 180㎜ 내지 650㎜ 범위의 피스톤 직경을 갖는 대형 내연 디젤 기관을 위한 피스톤을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 오랜 기간의 시간 동안 작동하더라도 증가된 실린더 압력을 견딜 수 있는 피스톤을 제공하는 것이다.
특히, 내연 디젤 기관의 높은 동력 생산율에서의 피로를 견디는 능력이 본 발명에서의 하나의 목적이다. 이러한 증가된 요구에 따라 피스톤을 개발하기 위한 도전적인 기술적 과제를 갖는 동시에, 또한 피스톤 생산의 경제적인 측면이 고려되어야 한다. 피스톤은 가급적이면 하나의 피스톤에 대한 단위 가격이 비싸지 않은 방법으로 제조되어야 한다. 따라서 제조비용과 기술적 우수성의 균형은 고려되어야만 한다. 대형 피스톤에 대한 현재 시장에서, 피스톤은 여전히 비싸지 않아야 하고 동시에 기술적으로 가능하면 지각되지 않아야 하며, 어떠한 문제의 원인이 되지 않고 엔진의 전체 수명 동안 작동되어야 한다.
본 발명은 바디부의 내부는 물결 모양의 표면(wavy surface)의 매크로 지오메트리(macro geometry)를 구비하는 내부 벽(또는 표면)을 포함하고, 여기서, 물결의 길이는 3㎜ 내지 25㎜이고 물결의 높이는 0.3㎜ 내지 3㎜이며, 물결의 표면은 5㎛ 내지 9㎛의 표면 거칠기(surface roughness)로 측정될 수 있는 마이크로 지오메트리(micro geometry)를 구비한다. 여기서의 표면 거칠기는 Ra로써 측정되며, 가령 표면 거칠기의 산술평균일 수 있다.
이러한 종류의 내부 지오메트리를 구비하는 피스톤에서 출원인은 종래의 주조 또는 단조에 의해 형성된 표면과 비교할 때 내피로성(fatigue resistance)이 현저히 향상되며 여전히 제조 비용은 적정한 수준으로 유지될 수 있다는 것을 발견하였다. 매크로 지오메트리와 마이크로 지오메트리가 결합된 상태인 피로 상태에 대비하여 청구된 지오메트리를 구비하는 피스톤은 종래의 피스톤에서 최초 균열이 발생할 수 있는 지점(spot)이 성장하는 것을 실질적으로 제거한다.
일실시예에 따르면, 물결 모양의 표면은 내부 벽에 물결의 마루가 피스톤의 축방향을 따라 형성되도록 마련된다. 이는 좋은 고형 구조를 가능하게 하면서도 제조방법이 거의 가장 간단한 것 중에 하나이다.
일실시예에 따르면, 매크로 지오메트리는 보스들에 의해 물결의 마루가 내부의 돔 또는 돔들을 가리키기 때문에 형성된다. 다시 말하면, 물결의 마루가 바디부 내부의 돔 또는 돔들을 향하도록 연장된다. 이러한 특징은 기하학적으로 일정한 또는 방사형의 대칭 구조를 가능하게 하며, 대칭 구조는 내부의 돔을 향하여 수렴한다. 이러한 특징은 피로 균열의 최초 지점에서 발생할 수 있는 응력 집중을 완화하는 것을 도와주는 효과가 있다.
본 발명의 일실시에예 따르면, 마이크로 지오메트리의 표면 패턴은 등방성이다. 이는 바디부 내부의 표면은 표면의 각 방향으로 상당히 유사한 패턴들을 포함한다는 것을 의미한다. 이러한 등방성의 표면 패턴은 가령 숏피닝 또는 숏블라스팅에 의해 획득될 수 있다. 이러한 특징의 효과는 매크로 지오메트리에 대한 밀링과 같은 종래의 제조 공정에 의해 발생가능한 방향성을 가지는 표시들이 없도록 표면을 만드는 것이다. 게다가, 상술한 방법들은 바디부의 내부 표면에 상당한 압축 응력이 인가시킬 수 있고, 또한 피스톤의 내피로성에 긍정적인 효과를 줄 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 바디부의 내부 벽은 압축 응력이 인가되는 표면층을 가진다.
본 명세서에서 작동가능하게 연결되는 면은 피스톤의 다른 부품 또는 내연기관 그 자체와 접촉하거나 밀접한 관계로 연동하는 피스톤의 표면이다. 가령, 설치된 경우, 피스톤핀과 접촉하는 피스톤핀 어퍼쳐의 표면이 작동가능하게 연결되는 면이다. 또한, 바디부의 외측, 작은 여유 공간 내에서 슬라이딩하고 작은 오일층에 의해 실린더 표면과 분리되는 슬리브 부재는 작동가능하게 연결되는 면으로 볼 수 있다. 또한, 피스톤의 바디부와 상부 사이에 연결되는 면은 하나의 작동가능하게 연결되는 면이다. 여기서, 작동가능하게 연결되는 면은 피스톤의 실제 구조에 따라 더 있을 수 있다.
또한, 본 명세서에서 마이크로 지오메트리의 표면 패턴이 등방성이라는 특징은 표면이 표면상에서 각각의 방향과 유사한 평면상의 방향에 형성된다는 것을 의미한다. 피스톤의 축방향은 피스톤이 작동중에 있을시 피스톤이 움직이는 방향이다. 피스톤은 일반적으로 원형 또는 원형에 가까우며, 축 방향은 상술한 원의 중심축과 평행하다.
물결 모양의 표면의 매크로 지오메트리와 관련하여, 물결의 길이는 가령, 어느 하나의 물결의 마루와 인접한 물결의 마루 사이의 거리로 측정될 수 있다. 이와 유사하게, 물결의 높이는 물결의 골로부터 인접한 2개의 물결들의 마루들을 연결하는 부분을 수직으로 연결함으로써 측정할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면들과 관련하여 더욱 상세히 후술한다.
도 1은 피스톤의 개략도 및 부분 단면도를 나타낸다.
도 2는 피스톤 바디부 내부의 더욱 상세한 도면을 나타낸다.
도 3은 일실시예에 따른 바디부 내부에서의 물결 모양의 지오메트리 및 일실시예에 따른 도시된 미소 이미지로서 마이크로 지오메트리를 나타낸다.
도 4는 일실시예에 따른 바디부와 보스 내부에서의 물결 모양의 지오메트리를 나타낸다.
도 1은 180㎜ 내지 650㎜의 피스톤 직경 D를 갖는 내연 디젤 기관을 위한 피스톤(1)을 나타내며, 피스톤(1)은 서로 연결되는 상부(2)와 바디부(3)를 포함한다.
- 상부(2)는 내연기관의 실린더에 설치될 시, 연소실에 대응되는 피스톤 부분을 의미하고,
- 바디부(3)는 피스톤핀(gudgeon pin)(4)(미도시, 오직 위치만이 도시됨)을 위한 어퍼쳐(30)와 사용시 피스톤(1)과 피스톤핀 사이에서 힘을 분배하는 보스(32)들을 구비하고, 바디부(3)는 내부(33)와 외면(34)과 작동가능하게 연결되는 면들(operable connecting surfaces)을 구비한다. 명확히 보이기 위한 목적을 위해, 피스톤(1)은 다른 부품들이 쉽게 보여질 수 있도록 부분 단면도로써 여기에 나타난다.
도 2는, 바디부의 내부가 보여질 수 있도록 피스톤(1)의 바디부(3)를 나타낸다. 바디부(3)의 내부(33)는 물결 모양 표면(331)의 매크로 지오메트리를 구비하는 내부 벽(330)(또는 표면)을 포함하고, 여기서, 물결의 길이 L은 3㎜ 내지 25㎜이고 물결의 높이 H는 0.3㎜ 내지 3㎜이며, 물결의 표면은 5㎛ 내지 9㎛의 표면 거칠기(surface roughness)로 측정될 수 있는 등방성의 마이트로 지오메트리(micro geometry)를 구비한다. 여기서의 표면 거칠기는 Ra로써 측정되며, 가령 표면 거칠기의 산술평균일 수 있다.
피스톤(1)의 일실시예에 따르면, 피스톤(1)의 직경 D가 180㎜ 내지 300㎜일 때, 물결(331)의 길이 L은 3㎜ 내지 15㎜이고, 물결(331)의 높이 H는 0.3㎜ 내지 1㎜이다. 계속하여 일실시예에 따르면, 피스톤(1)의 직경 D가 300㎜ 이상이면, 물결(331)의 길이 L은 15㎜를 상당히 초과하고, 물결(331)의 높이 H는 1㎜ 이상이다. 다만, 보스(32)들 또는 돔들(33)(domes)에 의한 특정 영역에서 물결 길이 L은 상술한 15㎜보다 더 작아질 수 있고, 심지어 0에 수렴될 수 있다. 이는 물결들(331)이 피스톤(1)의 전체 크기에 대비하여 크기 면에서 매우 적합하게 되는 것을 가능하게 하며, 이와 동시에 생산 능력을 적합한 상태로 유지한다. 도 2에 따른 실시예에서, 돔들(36)은 가령 볼트와 같이, 체결 수단들을 위한 표면으로써 형성되며 피스톤의 상부를 피스톤의 바디부(3)에 부착시킨다.
물결 모양의 표면의 매크로 지오메트리와 관련하여, 물결들의 표준은 도 2 또는 도 3에 도시된 것과 같이 종래의 방식에 의해 결정될 수 있다. 물결의 길이 L은 가령, 어느 하나의 물결의 마루(3311)와 이에 인접한 물결의 마루(3311) 사이의 거리로써 측정될 수 있다. 이와 유사하게, 물결의 높이 h는 물결의 골(3312)에서 2개의 인접한 물결들의 마루(3311)를 연결한 부분을 수직으로 연결함으로써 측정할 수 있다.
도 3(및 도 2)은 특히, 물결의 반경 R이 10㎜ 내지 30㎜, 바람직하게는 12.5㎜ 내지 25㎜인 경우에서의 피스톤의 내부의 일실시예를 나타낸다. 물결의 반경 R은 균열의 발생에 대항하거나 최초 균열의 성장에 대항하는 표면 저항에 영향을 주는 일요소이다.
도 3은 또한 도시된 미소 이미지(도면 3에서의 사각으로 확장된)로써 마이크로 지오메트리의 일실시예도 나타낸다. 도면에서 발견할 수 있는 하나는 마이크로 지오메트리의 표면 패턴이 등방성(isotropic)이라는 점이다. 이는 바디부 내부의 표면은 패턴을 포함한다는 것을 의미하며, 패턴은 표면의 평면상에 각각의 방향으로 상당히 유사하게 형성된다. 이러한 등방성의 표면 패턴은 가령, 숏 피닝(shot peenign) 또는 숏 블라스팅(shot blasting)을 통해 획득할 수 있다. 이러한 특징의 효과는 매크로 지오메트리의 밀링(milling)과 같은 종래의 제조 과정에 의해 발생되는 소정의 방향성을 가지는 표시들이 없도록 표면을 만드는 것이다. 게다가, 상술한 마무리 방법은 바디부의 내부의 표면에 상당한 압축 응력을 인가하는 원인이 되며, 피스톤의 내피로성에 긍정적인 효과를 발생시키는 원인이 된다.
표면 거칠기 범위는 내피로성에 영향을 미친다. 만약 표면이 상당히 거칠다면, 초기 균열이 성장할 수 있는 지점(spot)들이 이미 형성되어 있을 수 있다. 만약 표면이 매끄럽지만 가령 밀링 공정에 의한 날카로운 방향성을 가지는 표시들이 있다면, 충분한 내피로성이 있지 않을 수 있다. 내피로성의 목적을 위한 광학 표면에 관한 연구에서 출원인은 최적의 등방성의 표면 거칠기는 5㎛ 내지 9㎛ 범위에 있음을 발견했으며, 여기서 표면 거칠기는 Ra로써 측정되며, 가령 표면 거칠기의 산술평균일 수 있다.
도 4는 보스 또는 보스들(32)에서의 물결 모양의 지오메트리의 일실시예를 나타낸다. 보스들(32)에 의해 물결의 마루(3311)는 내부의 돔(36) 또는 돔들을 가리킨다. 바디부의 내부는 다소 큰 반경으로 휘어지거나 선회하는 것을 제외하고는 작은 코너 반지름이 없거나 또는 이와 유사하도록 설계되는 것이 바람직하다. 특정한 형상 중 하나는 돔(dome)과 같은 형상이다. 만약 피스톤의 상부가 바디부의 내부로부터 다수의 볼트에 의해 부착가능하다면, 각각의 볼트가 부착되는 지점에서 돔과 같은 형상이 마련되는 방법으로 내부의 형상이 마련되는 것이 바람직하다. 교변 응력(alternating stress)에 의해 초래되는 최초 균열에 대하여 충분히 저항할 수 있는 내부 벽을 형성하도록, 물결 모양의 표면은 그러한 물결들이 돔들의 상부를 향하여 수렴하도록 형성된다. 또한, 도면 4에서 물결 모양의 표면은 내부 벽에서 다수의 물결들의 마루(3311)들이 피스톤의 축방향을 따라 형성되도록 마련된 것을 알 수 있다.
상술한 것과 같은 피스톤을 생산하기 위한 하나의 제조 방법은 후술한다. 피스톤 블랭크(piston blank)는 주조 또는 단조에 의해 형성된다. 피스톤 블랭크는 작동할 준비가 된 피스톤의 최종 지오메트리에 상당히 근접한 전체 지오메트리를 포함하며, 피스톤이 완성되기 이전에 실질적으로 모든 면을 가공하는 방법으로 전반적으로 피스톤의 여유 공간을 가공하기 위한 공정도 여전히 포함한다. 피스톤 바디부의 내부는 청구된 것과 같은 매크로 지오메트리가 달성되도록 밀링 경로가 선정된 축 밀링 공구(가령, 플런지 밀링과 같은)에 의해 가공된다. 일실시예에 따르면, 직경이 50㎜인 가공 헤드(machining head)(물결에 대해 25㎜의 반경이 주어지도록)가 선정되고, 제공된 매크로 지오메트리가 달성되도록 프로그램화된다.(수치제어 밀링 머신(NC milling machine)에 의해 공구 경로가 프로그램화된다.) 매크로 지오메트리의 밀링이 준비된 후에, 바디부의 내부에 청구한 것과 같은 마이크로 지오메트리가 달성되도록 피스톤의 바디부는 숏피닝(shot peened)되거나 숏블라스팅(shot blasted)된다. 작동가능하게 연결되는 면들은 숏피닝 또는 숏블라스팅되지 않는 것이 바람직하다.
1: 피스톤
D: 피스톤 직경
2: 상부
3: 바디부
30: 어퍼쳐
32: 보스
33: 내부
330: 내부벽
331: 물결, 물결 모양의 표면
3311: 물결의 마루
3312: 물결의 골
L : 물결의 길이
h : 물결의 높이
R : 물결의 반경
34: 외면
35: 작동가능하게 연결되는 면
36: 돔
4: 피스톤핀

Claims (9)

180㎜ 내지 650㎜의 피스톤 직경(D)을 갖는 내연 디젤 기관을 위한 피스톤(1)으로 상기 피스톤(1)은 서로 연결되는 상부(2)와 바디부(3)를 포함하며,
상기 상부(2)는 상기 기관의 실린더에 설치시 연소실에 대응되는 상기 피스톤(1) 부분으로 정의되고,
상기 바디부(3)는 피스톤핀(4)을 위한 어퍼쳐(30) 및 사용시 상기 피스톤(1)과 상기 피스톤핀(4) 사이에서 힘을 분배하기 위한 보스(32)들을 구비하고, 상기 바디부(3)는 내부(33), 외면(34) 및 작동가능하게 연결되는 면들(35)을 구비하며,
상기 바디부(3)의 상기 내부(33)는 물결 모양(331) 표면의 매크로 지오메트리를 구비하는 내부 벽(또는 표면)(330)을 포함하며, 상기 물결(331)의 길이는 3㎜ 내지 25㎜이고, 상기 물결(331)의 높이는 0.3㎜ 내지 3㎜이며, 상기 물결(331) 모양의 표면은 5㎛ 내지 9㎛의 표면 거칠기(surface roughness)로 측정될 수 있는 마이크로 지오메트리(micro geometry)를 구비하는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제 1항에 있어서,
상기 물결 모양의 표면은 상기 물결의 마루가 상기 내부 벽에 상기 피스톤(1)의 축방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제 1항에 있어서,
상기 물결의 마루(3311)는 상기 보스들에 의해 상기 내부의 돔 또는 돔(36)들을 가르키는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 물결의 마루(3311)는 상기 보스들에 의해 상기 내부의 돔 또는 돔(36)들을 가르키는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제 1항에 있어서,
상기 피스톤의 직경(D)이 180㎜ 내지 300㎜인 경우, 상기 물결의 길이(L)는 3㎜ 내지 15㎜이며, 상기 물결의 높이(h)는 0.3㎜ 내지 1.0㎜ 인 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제 1항에 있어서,
상기 피스톤의 직경(D)이 300㎜ 이상인 경우, 상기 물결의 길이(L)은 15㎜를 상당히 초과하고, 물결의 높이(h)는 1.0㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제 1항에 있어서,
물결의 반경(R)은 10㎜ 내지 30㎜ 이며, 바람직하게는 12.5㎜ 내지 25㎜ 인 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제 1항에 있어서,
상기 마이크로 지오메트리의 표면 패턴은 등방성인 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제 1항에 있어서,
상기 바디부(3)의 상기 내부 벽(330)은 압축 응력이 인가되는 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
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