KR20160128072A - 내연기관용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연 기관의 실린더 내부를 왕복하며 연소 행정에서 고온, 고압의 폭발 압력을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 동력을 전달하는 내연기관용 피스톤에 관한 것으로서, 피스톤 핀이 삽입될 수 있도록 제 1 방향에 피스톤 핀 보스부가 형성되는 몸체와, 실린더 벽면과 대응될 수 있도록 상기 몸체에 제 2 방향으로 형성되는 스커트부 및 상기 스커트부의 변형을 방지할 수 있도록 상기 스커트부의 내측면에 상기 스커트부와 일체로 형성되는 보강부를 포함할 수 있다.

Description

내연기관용 피스톤{Piston for internal combustion engine}

본 발명은 내연기관용 피스톤에 관한 것으로서, 더 상세하게는 내연 기관의 실린더 내부를 왕복하며 연소 행정에서 고온, 고압의 폭발 압력을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 동력을 전달하는 내연기관용 피스톤에 관한 것 이다.

일반적으로, 자동차는 가솔린 또는 디젤 및 액화천연가스 등을 연소시켜 그 폭발력을 이용하여 크랭크축을 회전시켜 구동력을 얻는 것으로, 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 이를 연소시키는 실린더를 갖춘 내연기관(이하, 엔진이라 함)을 갖추고 있다. 엔진에는 복수의 실린더를 형성하고 있는 실린더 블록과, 이 실린더 블록의 상부에 제공되어 연소실을 제공하는 실린더 헤드 및 실린더 내에 장착되어, 실린더를 승하강하는 왕복운동을 하면서 폭발로 인한 팽창과정에서 발생하는 고온, 고압의 가스 압력을 받아 커넥팅 로드를 통하여 크랭크 샤프트로 전달하여 주는 역할을 수행하도록 된 내연기관용 피스톤이 구비되어 있다.

종래의 내연기관용 피스톤은, 왕복운동을 할 때 측압을 받는 부분인 스커트부의 살 두께를 원주 방향으로 동일하게 유지하여 설계하였다. 즉, 상기 스커트부의 살 두께를 일정하게 함으로써, 상기 스커트부 하단의 오발(Oval) 값이 상기 스커트부의 상단 대비 크게 설정되었다.

그러나 이러한 종래의 내연기관용 피스톤은, 상기 스커트부 하단의 오발 값을 크게 설정함으로 인하여 상기 스커트부 하단과 실린더벽부 간의 간격(Clearance)이 벌어져 피스톤 슬랩(Slap)에 의한 소음이 발생되었다. 또한, 상기 스커트부 상단과 하단의 오발 값의 차이가 커서 생산성에서도 불리한 측면이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 스커트부의 강성을 확보하여 상기 스커트부의 변형을 최소화할 수 있는 내연기관용 피스톤을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 내연기관용 피스톤이 제공된다. 상기 내연기관용 피스톤은, 피스톤 핀이 삽입될 수 있도록 제 1 방향에 피스톤 핀 보스부가 형성되는 몸체; 실린더 벽면과 대응될 수 있도록 상기 몸체에 제 2 방향으로 형성되는 스커트부; 및 상기 스커트부의 변형을 방지할 수 있도록 상기 스커트부의 내측면에 상기 스커트부와 일체로 형성되는 보강부;를 포함할 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 스커트부는, 단면 두께가 일정한 원호 형상이고, 상기 보강부는, 단면의 중간부가 제 1 두께이고, 상기 단면의 테두리부가 상기 제 1 두께 보다 얇은 제 2 두께이며 상기 중간부에서 상기 테두리부로 연속적으로 두께가 변하는 전체적으로 초승달 형태일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 보강부는, 외측면이 제 1 곡률 반경의 볼록 곡선 형상이고 내측면이 제 2 곡률 반경의 오목 곡선 형상일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 제 1 곡률 반경은, 상기 제 2 곡률 반경보다 작을 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 보강부는, 외측면이 제 1 곡률 반경의 볼록 곡선 형상이고 내측면이 직선 형상일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 보강부는, 외측면이 제 1 곡률 반경의 볼록 곡선 형상이고, 내측면이 중간부가 볼록하게 돌출 되는 볼록면부와 상기 내측면의 테두리부와 상기 볼록면부 사이가 오목하게 형성되는 제 1 오목면부 및 제 2 오목면부를 형성하는 형상일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 보강부의 상기 제 1 두께와 상기 스커트부의 단면 두께의 합은, 상기 스커트부의 단면 두께의 2.5배 이내의 두께를 가질 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 스커트부는, 상기 스커트부의 상단부 외측면의 직경인 제 1 직경과 상기 스커트부의 하단부 외측면의 직경인 제 2 직경의 차이가 0.5mm 이내일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 스커트부의 하단은 상기 피스톤 핀 보스부의 하단 보다 높게 형성될 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 몸체와 상기 스커트부 및 상기 보강부는 일체형상의 스틸로 주조될 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스커트부 내측면에 보강부를 형성하여 스커트부의 강성을 보강하며, 스커트부의 변형을 방지하고, 스커트부의 변형을 최소화함에 따라 스커트부의 상단과 하단의 오발(Oval)값의 차이를 최소화할 수 있는 내연기관용 피스톤을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤을 나타내는 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤을 나타내는 단면도들이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 스커트부와 실린더벽부의 간격을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 5의 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 측압 해석 결과를 나타내는 압력 분포도이다.
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤을 개략적으로 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤을 개략적으로 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

본 발명에서 언급되는 피스톤은 실린더 내를 직선왕복 운동을 하여 폭발행정에서의 높은 온도와 압력의 가스로부터 받은 동력을 커넥팅 로드를 통하여 크랭크 축에 회전력을 발생시키고 흡입, 압축 및 배기 행정에서는 상기 크랭크 축으로부터 힘을 받아서 각각 작용을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)을 나타내는 사시도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 내연기관용 피스톤(100)을 나타내는 단면도들이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)은, 몸체(10)와 스커트부(20) 및 보강부(30)를 포함하며 스틸 재질 또는 알루미늄 재질로 주조될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)은 실린더 내에서 가스 및 오일이 누출되는 것을 방지할 수 있고, 마찰로 인한 실린더 벽면과 내연기관용 피스톤(100) 자체 손상을 방지할 수 있으며, 가벼우면서도 고압력에 강하고 고열로 인한 팽창이 적은 매우 다양한 재질의 부재들이 적용될 수 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 몸체(10)는, 피스톤 핀의 축방향인 제 1 방향으로 피스톤 핀 보스부(11)가 형성되어, 상기 피스톤 핀(미도시)이 삽입될 수 있다. 상기 피스톤 핀은 피스톤 핀 보스부(11)와 커넥팅 로드(미도시)의 소단부(Small end)를 연결하는 핀으로, 내연기관용 피스톤(100)이 받는 큰 힘을 상기 커넥팅 로드를 통해 크랭크 샤프트에 전달함과 동시에 내연기관용 피스톤(100)과 함께 실린더 안을 고속으로 왕복 운동할 수 있다.

또한, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 스커트부(20)는, 몸체(10)에 상기 피스톤 핀 축의 수직방향인 제 2 방향으로 형성되어, 실린더 블록의 실린더 벽면과 대응될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 보강부(30)는 스커트부(20)의 내측면에 스커트부(20)와 일체형으로 형성되어, 스커트부(20)의 강도를 보강하여 스커트부(20)의 변형을 방지하는 역할을 할 수 있다.

이러한 보강부(30)는 스커트부(20)와 동일한 재질로 동시에 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 보강부(30)는 스커트부(20)와 다른 재질로 형성되는 것도 가능하다.

예컨대, 보강부(30)는 강도가 높고 열변형율이 적은 스틸 계열의 재질을 적용할 수 있고, 스커트부(20)는 보강부(30) 보다 강도가 낮거나 열변형율이 높더라도 상대적으로 무게가 가벼운 알루미늄 계열의 재질을 적용할 수 있다.

그러나, 이러한 보강부(30)와 스커트부(20)의 재질은 이에 반드시 국한되지 않고, 다양한 종류의 다양한 금속 재질이 모두 적용될 수 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 스커트부(20)는, 단면 두께(t)가 일정한 원호 형상으로 형성된다. 보강부(30)는, 단면의 중간부가 두께가 가장 두꺼운 제 1 두께(T1)이고 상기 단면의 테두리부가 제 1 두께(T1)보다 얇은 제 2 두께(T2)로 형성되며, 테두리부의 양끝단은 뾰족한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 보강부(30)의 중간부에서 테두리부로 연속적으로 두께가 줄어들면서 변하여 전체적으로 초승달 형태로 형성된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 보강부(30)가 초승달 형태로 형성될 수 있도록, 보강부(30)의 외측면(P1)이 스커트부(20) 내측면의 곡률 반경과 동일한 제 1 곡률 반경을 가지는 볼록 곡선 형상으로 형성되고, 내측면(P2)이 제 1 곡률 반경보다 큰 제 2 곡률 반경을 가지는 오목 곡선 형상으로 형성된다.

이러한 보강부(30)의 제 1 두께(T1)은 두꺼우면 두꺼울수록 강도가 보강될 수 있을 것이다. 그러나, 보강부(30)의 제 1 두께(T1)가 일정한 두께 이상으로 너무 두꺼워지면 무게가 증대되어 이는 에너지 손실을 야기할 수 있다.

따라서, 반복적인 수치 해석 결과, 보강부(30)의 제 1 두께(T1)와 스커트부(20)의 단면 두께(t)의 합은, 스커트부(20)의 단면 두께(t)의 2.5배 이내의 두께를 가지도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 스커트부(20)의 하단은 피스톤 핀 보스부(11)의 하단보다 높게 형성되어, 스커트부(20)의 중량 증가를 최소화하면서 스커트부(20)의 강도를 최적화할 수 있다.

그러나, 스커트부(20)의 하단은 반드시 도 2에 국한되지 않고, 예컨대, 상기 피스톤 핀 보스부(11) 보다 낮게 형성되는 것도 가능하다. 이는 설계 중량이나 설계 강도에 따라 최적화되어 설계될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)은, 몸체(10)에 스커트부(20)를 구비하여 실린더 내에서 고속으로 왕복운동을 할 때, 실린더 벽면으로부터 받는 측압을 상쇄하고 피스톤의 운동방향을 안내하여 피스톤의 왕복운동을 안정시키는 효과를 가질 수 있다.

이때, 스커트부(20)의 길이가 짧으면, 실린더 벽면으로부터 받는 측압을 충분히 상쇄시키지 못 하고 내연기관용 피스톤(100)의 운동방향을 제대로 안내할 수 없어 내연기관용 피스톤(100)의 왕복운동이 불안정해질 수 있다. 이와 반대로, 스커트부(20)의 길이가 길면, 내연기관용 피스톤(100)의 무게가 무거워지고, 스커트부(20)와 실린더벽면의 접촉 면적이 지나치게 넓어지게 되어 내연기관용 피스톤(100)의 왕복운동 시 마찰이 심하게 발생하여 원활한 왕복운동을 할 수 없을 수 있다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)의 스커트부(20)는, 보강부(30)를 형성하고 보강부(30)의 두께와 형상을 최적화 하면서 스커트부(20)의 강도를 보강할 수 있으므로, 스커트부(20)를 짧게 형성하여 실린더벽면과 마찰을 줄이고 스커트부(20)가 실린더 벽면으로부터 받는 측압을 충분히 상쇄하여 내연기관용 피스톤(100)이 원활한 왕복운동을 할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 해석 실험 예를 설명한다. 다만, 하기의 해석 실험 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일뿐, 본 발명이 아래의 해석 실험 예에 의해서 한정되는 것은 아니다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)의 스커트부(20)와 실린더벽부의 간격을 나타내는 그래프이다.

일반적으로 스커트부의 단면 두께가 일정한 원호 형상으로 형성되어, 피스톤의 온도가 상승하게 되면 상기 스커트부 하단의 변형이 쉽게 발생되므로 상기 스커트부가 피스톤 외측방향으로 벌어질 경우 실린더에 상기 스커트부가 걸리는 문제가 있었다. 이에, 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 기존의 내연기관용 피스톤은, 스커트부의 하단으로 갈수록 오발(Oval)값을 크게 하여 상기 스커트부의 하단으로 갈수록 실린더 벽면과의 간격(Clearance)이 커지는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)은, 보강부(30)에 의해 스커트부(20)의 강도가 보강되어, 내연기관용 피스톤(100)의 온도가 상승하더라도 스커트부(20) 하단의 변형이 쉽게 발생하지 않으므로 스커트부(20) 상단과 하단의 오발값의 차이를 0.5mm이내로 유지할 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 변경된 오발값에 따라 스커트부(20)와 실린더 벽면과의 간격이 일정하게 감소되는 것을 확인할 수 있다.

즉, 내연기관용 피스톤의 경우 상하 운동 시에 실린더 측벽에 교대로 압력을 가하게 되며, 이때 내연기관용 피스톤과 스커트부에 측압(Thrust)이 작용한다. 측압은 내연기관용 피스톤이 상하 운동을 수직으로 하는 것이 아니라 실린더 벽면 쪽으로 기울어지면서 실린더 벽에 충돌하기 때문인데, 이로 인해 측압과 소음이 발생될 수 있는 데, 본 발명의 경우, 스커트부(20) 상단과 하단의 오발값의 차이를 줄여서 측압 및 소음을 줄일 수 있다.

도 6은 도 5의 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)의 측압 해석 결과를 나타내는 압력 분포도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 기존의 오발값을 가지고 있는 내연기관용 피스톤은, 스커트부와 실린더 벽면과의 간격이 크게 발생하여 상기 스커트부와 실린더 벽면과의 충돌거리가 늘어나므로, 해석 결과에 붉은색으로 표시된 바와 같이 상기 스커트부에 측압이 크게 발생하였다. 이와 반대로, 변경된 오발값을 가지고 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)은, 스커트부(20)와 실린더 벽면과의 간격이 거의 발생하지 않으므로, 스커트부(20)와 실린더 벽면과의 충돌거리가 거의 없어 측압 발생량이 줄어드는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(100)은, 스커트부(20)의 상단과 하단의 오발 차이가 0.5mm를 넘지 않도록 최소화하고, 스커트부(20)의 하단과 실린더 벽면과의 간격을 최소화함으로써 피스톤 슬랩(Slap)에 의한 소음을 방지할 수 있다. 또한, 스커트부(20) 상단과 하단의 오발값의 차이를 최소화하여 제품의 가공성을 향상시키고, 이로 인하여 내연기관용 피스톤(100)의 생산성을 증대 시키는 효과를 가질 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(200)을 나타내는 단면도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(200)의 보강부(40)는, 외측면(P3)이 스커트부(20) 내측면의 곡률 반경과 동일한 제 1 곡률 반경을 가지는 볼록 곡선 형상으로 형성되고, 내측면(P4)이 직선 형상으로 형성된다.

따라서, 직선 형상의 내측면(P4)는 피스톤(100)의 압력측과 배압측에 수직 방향의 전단력을 보강할 수 있기 때문에 피스톤(100)의 크기나 형상이나 규격에 따라 전단력을 보강하고자 하는 경우에 적용시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(200)은, 내측면(P4)이 직선 형상으로 형성되어, 스커트부(20)의 측압 방향의 강도뿐만 아니라 측압의 수직방향에 대한 강도 또한 보강할 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(300)을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤(300)의 보강부(50)는, 외측면(P5)이 스커트부(20) 내측면의 곡률 반경과 동일한 제 1 곡률 반경을 가지는 볼록 곡선 형상으로 형성되고, 내측면(P6)이, 중간부가 볼록하게 돌출되는 볼록면부(P6-1)와 내측면(P6)의 테두리부와 볼록면부(P6-1) 사이가 오목하게 형성되는 제 1 오목면부(P6-2) 및 제 2 오목면부(P6-3)를 포함하는 형상으로 형성된다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(300)은, 제 1 오목면부(P6-2) 및 제 2 오목면부(P6-3), 즉 두개의 아치 형상이 연속되는 형상으로 형성되어 스커트부(20)의 측압 방향의 강도를 보강하면서 스커트부(20)의 무게 또한 최대한으로 경량화할 수 있다.

아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤(300)은, 양단부가 급격한 노치가 형성되어 있지 않아서 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있고, 이로 인하여 제품에 크랙이 발생되거나 기타 불량 포인트가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 몸체
11: 피스톤 핀 보스부
20: 스커트부
30, 40, 50: 보강부
100, 200, 300: 내연기관용 피스톤

Claims (10)

1. 피스톤 핀이 삽입될 수 있도록 제 1 방향에 피스톤 핀 보스부가 형성되는 몸체;
   실린더 벽면과 대응될 수 있도록 상기 몸체에 제 2 방향으로 형성되는 스커트부; 및
   상기 스커트부의 변형을 방지할 수 있도록 상기 스커트부의 내측면에 상기 스커트부와 일체로 형성되는 보강부;
   를 포함하는, 내연기관용 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스커트부는,
   단면 두께가 일정한 원호 형상이고,
   상기 보강부는,
   단면의 중간부가 제 1 두께이고, 상기 단면의 테두리부가 상기 제 1 두께 보다 얇은 제 2 두께이며 상기 중간부에서 상기 테두리부로 연속적으로 두께가 변하는 전체적으로 초승달 형태인, 내연기관용 피스톤.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 보강부는,
   외측면이 제 1 곡률 반경의 볼록 곡선 형상이고 내측면이 제 2 곡률 반경의 오목 곡선 형상인, 내연기관용 피스톤.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 곡률 반경은,
   상기 제 2 곡률 반경보다 작은 것인, 내연기관용 피스톤.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 보강부는,
   외측면이 제 1 곡률 반경의 볼록 곡선 형상이고 내측면이 직선 형상인, 내연기관용 피스톤.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 보강부는,
   외측면이 제 1 곡률 반경의 볼록 곡선 형상이고,
   내측면이 중간부가 볼록하게 돌출 되는 볼록면부와 상기 내측면의 테두리부와 상기 볼록면부 사이가 오목하게 형성되는 제 1 오목면부 및 제 2 오목면부를 형성하는 형상인, 내연기관용 피스톤.
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 보강부의 상기 제 1 두께와 상기 스커트부의 단면 두께의 합은,
   상기 스커트부의 단면 두께의 2.5배 이내의 두께를 가지는 것인, 내연기관용 피스톤.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 스커트부는,
   상기 스커트부의 상단부 외측면의 직경인 제 1 직경과 상기 스커트부의 하단부 외측면의 직경인 제 2 직경의 차이가 0.5mm 이내인, 내연기관용 피스톤.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 스커트부의 하단은 상기 피스톤 핀 보스부의 하단 보다 높게 형성되는 것인, 내연기관용 피스톤.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체와 상기 스커트부 및 상기 보강부는 일체형상의 스틸로 주조되는 것인, 내연기관용 피스톤.

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