KR20190086204A

KR20190086204A - 내연기관용 피스톤

Info

Publication number: KR20190086204A
Application number: KR1020180004447A
Authority: KR
Inventors: 양준규; 류관호; 전상혁; 심우석; 유인철; 박장익
Original assignee: 동양피스톤 주식회사
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-07-22
Also published as: KR102013436B1; EP3511556B1; EP3511556A1; US20190218997A1; US10760526B2

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, 상부에 연소가 일어나는 연소실을 포함하는 크라운부가 형성되고, 하부에 피스톤 핀이 삽입되는 피스톤 핀 보스부 및 실린더 벽면과 대응될 수 있는 스커트부가 형성되는 몸체 및 상기 몸체를 냉각 시키는 냉매가 흐를 수 있도록, 상기 몸체의 내부에 냉매 유로가 형성되고 상기 냉매 유로의 일측에 냉매 유입구 및 상기 냉매 유로의 타측에 냉매 배출구가 형성되는 냉각 채널을 포함하고, 상기 냉각 채널은, 내연기관의 연소 시 상기 냉각 채널의 상단에서 발생되는 응력을 줄일 수 있도록, 단면 형상이 전체적으로 장타원형(Oblong) 형상으로 형성되고, 상기 장타원형의 각 호(Arc) 중 적어도 어느 하나가 2차 곡선의 제 1 타원호로 형성될 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 것이다.

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.

이때, 내연기관용 피스톤은, 연소실이 있는 크라운부에서 연소에 의한 하중과 고온이 발생하게 된다. 이에 따라, 내연기관용 피스톤의 크라운부에는, 크라운부의 냉각을 위한 냉각 채널이 형성되고, 이러한 냉각 채널은 모서리부가 일정한 라운드(Regular round) 형상을 가지는 장타원형 형상으로 형성되었다.

이러한, 종래의 내연기관용 피스톤은, 엔진출력이 높아질수록 연소실이 형성된 크라운부가 점점 더 고온에 노출이 됨으로써, 크라운부가 일정온도 이상으로 올라가게 되면 열에 의한 크랙 등의 파손이 발생하는 문제점이 있었다. 이러한 이유로 크라운부의 냉각 성능을 높이기 위해서, 냉각 채널을 점점 더 크라운부의 상부로 가깝게 형성하게 되었다.

그러나, 냉각 채널이 크라운부에 가까워 질수록 냉각에는 유리하나, 반대로 연소 하중과 고온을 받는 부분과 가까워져 냉각 채널의 상단부에 응력이 집중되어 내연기관용 피스톤의 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 냉각 채널의 응력 집중부에 타원형 라운드(Elliptical round) 형상을 형성하여 응력 분산 효과를 극대화할 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, 상부에 연소가 일어나는 연소실을 포함하는 크라운부가 형성되고, 하부에 피스톤 핀이 삽입되는 피스톤 핀 보스부 및 실린더 벽면과 대응될 수 있는 스커트부가 형성되는 몸체; 및 상기 몸체를 냉각 시키는 냉매가 흐를 수 있도록, 상기 몸체의 내부에 냉매 유로가 형성되고 상기 냉매 유로의 일측에 냉매 유입구 및 상기 냉매 유로의 타측에 냉매 배출구가 형성되는 냉각 채널;을 포함하고, 상기 냉각 채널은, 내연기관의 연소 시 상기 냉각 채널의 상단에서 발생되는 응력을 줄일 수 있도록, 단면 형상이 전체적으로 장타원형(Oblong) 형상으로 형성되고, 상기 장타원형의 각 호(Arc) 중 적어도 어느 하나가 2차 곡선의 제 1 타원호로 형성될 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 제 1 타원호는, 상기 제 1 타원호의 두 초점을 잇는 축 위의 선분인 제 1 장축이 상기 장타원형의 길이 방향으로 형성되고, 상기 두 초점을 잇는 축의 수직인 선분인 제 1 단축이 상기 장타원형의 폭 방향으로 형성될 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 제 1 타원호는, 상기 제 1 장축 대비 상기 제 1 단축의 비율이 60% 내지 65%일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 제 1 타원호는, 상기 장타원형의 폭 대비 상기 제 1 단축의 비율이 55% 내지 60%일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 냉각 채널은, 상기 장타원형의 각 호(Arc) 중 적어도 어느 하나가 상기 제 1 장축과 다른 크기의 제 2 장축 및 상기 제 1 단축과 다른 크기의 제 2 단축을 가지는 2차 곡선의 제 2 타원호로 형성될 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 냉각 채널은, 상단부가 상기 크라운부의 외경면에 형성된 복수개의 링 그루브 중 가장 상단에 위치한 탑 링 그루브보다 높게 형성될 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 냉각 채널은, 상기 크라운부의 상면으로부터 상단부까지의 거리가 7mm 내지 9mm일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 냉매 유입구 또는 상기 냉매 배출구 인근의 상기 피스톤 핀 보스부와 상기 스커트부의 연결 부분에 상기 몸체의 높이 방향으로 오목하게 형성되는 오일 홈부;를 더 포함할 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 오일 홈부는, 내연기관의 연소 시 상기 냉매 유입구 및 상기 냉매 배출구 인근에서 발생되는 응력을 줄일 수 있도록, 내경면 하단 모서리부 또는 외경면 하단 모서리부 중 적어도 어느 하나가 2차 곡선의 제 3 타원호로 형성될 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 제 3 타원호는, 제 3 장축 대비 제 3 단축의 비율이 75% 내지 85%일 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 크라운부의 하면과, 상기 피스톤 핀 보스부 및 상기 스커트부의 연결 부분에 2차 곡선의 제 4 타원호 형상으로 형성되는 보강부;를 더 포함할 수 있다.

상기 내연기관용 피스톤에서, 상기 제 4 타원호는, 제 4 장축 대비 제 4 단축의 비율이 55% 내지 60%일 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각 채널의 응력 집중부측 모서리부에 타원형 라운드(Elliptical round) 형상을 형성함으로써, 응력 집중부측 모서리부가 일정한 라운드(Regular round) 형상을 가진 종래의 냉각 채널보다 응력 분산 효과를 극대화할 수 있다.

이에 따라, 전체적인 냉각 채널의 형상을 크게 변경하지 않으면서 냉각 채널의 높이를 낮추지 않고, 크라운부의 상부로 최대한 가깝게 형성하면서 안전율을 증대시킬 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 단면도이다.
도 2는 도 1의 내연기관용 피스톤의 냉각 채널의 다양한 실시예를 나타내는 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 냉각 채널을 나타내는 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 냉각 채널의 응력 해석 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 오일 홈부를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 오일 홈부의 응력 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 보강부를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 보강부 적용에 따른 각 부위별 안전도를 나타내는 그래프이다.

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.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 내연기관용 피스톤의 냉각 채널(20)의 다양한 실시예를 나타내는 단면도들이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤은, 크게, 몸체(10)와, 냉각 채널(20) 및 오일 홈부(30)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 몸체(10)는, 상부에 연소가 일어나는 연소실(B)을 포함하는 크라운부(11)가 형성되고, 하부에 피스톤 핀이 삽입되는 피스톤 핀 보스부(12) 및 실린더 벽면과 대응될 수 있는 스커트부(13)가 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 몸체(10)는, 크라운부(11)와 피스톤 핀 보스부(12) 및 스커트부(13)를 포함하며 일체형상의 스틸 또는 알루미늄으로 주조될 수 있다. 또한, 몸체(10)는, 내연기관의 실린더 내에서 가스 및 오일이 누출되는 것을 방지할 수 있고, 마찰로 인한 실린더 벽면과 스커트부(13)를 포함하는 몸체(10) 자체 손상을 방지할 수 있으며, 가벼우면서도 고압력에 강하고 고열로 인한 팽창이 적은 매우 다양한 재질의 부재들이 적용될 수 있다.

또한, 몸체(10)의 크라운부(11)는, 상면에 우묵한 그릇 형상의 보울(Bowl) 형상으로 형성되는 연소실(B)이 형성되고, 외경면에는 피스톤 링(미도시)가 삽입될 수 있도록, 상기 외경면을 따라 오목하게 형성되는 링 그루브(RG)가 형성될 수 있다. 내연기관용 피스톤과 내연기관의 실린더 사이에는 틈새가 있고, 그 틈새는 링 그루브(RG)에 삽입된 상기 피스톤 링에 의해 실링될 수 있다.

예컨대, 링 그루브(RG)는, 탑 링 그루브(Top ring groove)(RG-1)와, 세컨드 링 그루브(Second ring groove)(RG-2) 및 오일 링 그루브(Oil ring groove)(RG-3)를 포함할 수 있다. 탑 링 그루브(RG-1) 및 세컨드 링 그루브(RG-2)에는 압축 피스톤 링이 삽입되고, 오일 링 그루브(RG-3)에는 오일 피스톤 링이 삽입될 수 있다. 탑 링 그루브(RG-1)의 상기 압축 피스톤 링은, 연소실(B)의 가스를 밀봉하고, 오일 링 그루브(RG-3)의 상기 오일 피스톤 링은 실린더 벽면의 오일을 긁어내리고, 세컨드 링 그루브(RG-2)의 상기 압축 피스톤 링은, 가스의 밀봉과 동시에 실린더 벽면의 유막의 두께를 조정하는 역할을 할 수 있다.

또한, 몸체(10)의 피스톤 핀 보스부(12)는, 피스톤 핀(미도시)이 삽입될 수 있도록 형성될 수 있다. 상기 피스톤 핀은 피스톤 핀 보스부(12)와 커넥팅 로드(미도시)의 소단부(Small end)를 연결하는 핀으로, 내연기관용 피스톤이 받는 큰 힘을 상기 커넥팅 로드를 통해 크랭크 샤프트에 전달함과 동시에 내연기관용 피스톤과 함께 실린더 안을 고속으로 왕복 운동할 수 있다.

또한, 몸체(10)의 스커트부(13)는, 내연기관의 실린더의 벽면과 대응될 수 있도록 몸체(10)의 일측에 형성될 수 있다. 스커트부(13)는, 상기 실린더 내에서 내연기관용 피스톤의 왕복운동이 원활하도록 안내자(Guide) 역할을 하면서 내연기관용 피스톤에 작용하는 측압을 상기 실린더 벽면에 전달하는 역할을 할 수 있다. 이때, 스커트부(13)의 길이가 충분히 길면, 내연기관용 피스톤의 운동방향이 바뀔 때 피스톤-슬랩을 최소화할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 냉각 채널(20)은, 몸체(10)를 냉각 시키는 냉매가 흐를 수 있도록, 몸체(10)의 내부에 냉매 유로가 형성되고 상기 냉매 유로의 일측에 냉매 유입구(21) 및 상기 냉매 유로의 타측에 냉매 배출구(22)가 형성될 수 있다. 이때, 냉각 채널(20)은, 내연기관의 연소 시 냉각 채널(20)의 상단에서 발생되는 응력을 줄일 수 있도록, 단면 형상이 전체적으로 장타원형(Oblong) 형상으로 형성되고, 상기 장타원형의 각 호(Arc) 중 적어도 어느 하나가 2차 곡선의 제 1 타원호(EA-1)로 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 제 1 타원호(EA-1)는, 제 1 타원호(EA-1)의 두 초점을 잇는 축 위의 선분인 제 1 장축(A1)이 상기 장타원형의 길이 방향으로 형성되고, 상기 두 초점을 잇는 축의 수직인 선분인 제 1 단축(B1)이 상기 장타원형의 폭(W) 방향으로 형성될 수 있다.

이때, 제 1 타원호(EA-1)는, 제 1 장축(A1) 대비 제 1 단축(B1)의 비율이 60% 내지 65%이고, 상기 장타원형의 폭(W) 대비 제 1 단축(B1)의 비율이 55% 내지 60%일 수 있다. 또한, 냉각 채널(20)은, 상단부가 크라운부(11)의 외경면에 형성된 복수개의 링 그루브(RG) 중 가장 상단에 위치한 탑 링 그루브(RG-1) 보다 높게 형성되고, 크라운부(11)의 상면으로부터 냉각 채널(20)의 상단부까지의 거리(D)가 7mm 내지 9mm일 수 있다.

예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각 채널(20)은, 단면 형상이 전체적으로 상기 장타원형 형상으로 형성되고, 각 호(Arc)중 크라운부(11)의 연소실(B)과 가까운 호가 타원형 라운드(Elliptical round)를 가진 제 1 타원호(EA-1)로 형성되고 나머지 각 호는 일정한 라운드(Regular round)를 가지는 원호(RA)로 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 장타원형의 폭(W)은 4.3mm로 형성되고, 제 1 타원호(EA-1)는, 제 1 장축(A1)이 4.1mm로 형성되고 제 1 단축(B1)이 2.5mm로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제 1 타원호(EA-1)의 제 1 단축(B1)은, 상기 장타원형의 폭(W) 대비 58%의 비율을 가지고, 제 1 장축(A1) 대비 제 1 단축(B1)의 비가 60%로 형성될 수 있다.

따라서, 냉각 채널(20)의 응력 집중부측 모서리부에 타원형 라운드(Elliptical round) 형상을 형성함으로써, 응력 집중부측 모서리부가 일정한 라운드(Regular round) 형상을 가진 종래의 냉각 채널보다 응력 분산 효과를 극대화할 수 있다. 이때, 냉각 채널(20)의 형상은 반드시 도 1에 국한되지 않고, 응력 집중부측 모서리부 이외에도 도 2에 도시된 바와 같이, 타원형 라운드가 냉각 채널(20)의 상기 장타원형의 각 호 중 적어도 어느 하나 이상에 다양하게 형성될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤은, 전체적인 냉각 채널(20)의 형상을 크게 변경하지 않으면서, 냉각 채널(20)의 높이를 낮추지 않고 크라운부(11)의 상부로 최대한 가깝게 형성함으로써, 냉각 채널(20)의 냉각 성능을 극대화 하면서 동시에 안전율을 증대시키는 효과를 가질 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 냉각 채널(20)을 나타내는 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 냉각 채널(20)은, 상기 장타원형의 각 호(Arc) 중 적어도 어느 하나가 제 1 장축(A1)과 다른 크기의 제 2 장축(A2) 및 제 1 단축(B1)과 다른 크기의 제 2 단축(B2)을 가지는 2차 곡선의 제 2 타원호(EA-2)로 형성될 수 있다.

예컨대, 냉각 채널(20)은, 단면 형상이 전체적으로 상기 장타원형 형상으로 형성되고, 각 호(Arc)중 크라운부(11)의 연소실(B)과 가까운 호가 타원형 라운드(Elliptical round)를 가진 제 1 타원호(EA-1)로 형성되고, 상기 장타원형의 주축을 기준으로 제 1 타원호(EA-1)와 마주보는 호가 제 1 타원호(EA-1)와 다른 크기의 제 2 장축(A1)과 제 2 단축(B1)을 가지는 타원형 라운드의 제 2 타원호(EA-2)로 형성될 수 있다. 이외의, 냉각 채널(20) 하단의 나머지 각 호는 일정한 라운드(Regular round)를 가지는 원호(RA)로 형성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 피스톤은, 냉각 채널(20)의 응력 집중부측 모서리부에 타원형 라운드(Elliptical round) 형상을 형성함으로써, 응력 집중부측 모서리부가 일정한 라운드(Regular round) 형상을 가진 종래의 냉각 채널보다 응력 분산 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 냉각 채널(20)의 응력 집중부측 모서리부와 마주보는 링 그루브(RG)측 모서리부도 타원형 라운드 형상을 형성함으로써 링 그루브(RG)측으로부터 전해지는 압력에 의한 응력 또한 용이하게 분산할 수 있다.

그러므로, 전체적인 냉각 채널(20)의 형상을 크게 변경하지 않으면서, 냉각 채널(20)의 높이를 낮추지 않고 크라운부(11)의 상부로 최대한 가깝게 형성함으로써, 냉각 채널(20)의 냉각 성능을 극대화 하면서 동시에 안전율을 증대시키는 효과를 가질 수 있다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 냉각 채널의 응력 해석 결과를 나타내는 그래프들이다.

내연기관용 피스톤의 온도 저감을 위해, 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이, 크라운부(11)의 상면에서 냉각 채널(20)의 상단부 까지의 거리가 9mm인 종래의 내연기관용 피스톤에서, (B)에 도시된 바와 같이, 크라운부(11)의 상면에서 냉각 채널(20)의 상단부 까지의 거리를 8.6mm로 줄이게 되면, 크라운부(11)의 연소실(B)의 온도가 397.3℃에서 392.1℃로 약 5.2℃낮아지는 것으로 해석되었다. 또한, 연소실(B) 온도 저감에 따라 냉각 채널(20)과 링 그루브(RG) 및 피스톤 핀 보스부(12)의 온도 또한 약 1~2℃가량 저감되는 것으로 해석되었다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 크라운부(11)의 상면에서 냉각 채널(20)의 상단부 까지의 거리를 8.6mm 유지한 상태에서, 냉각 채널(20)의 모서리부의 형상을 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 채널(20) 또는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 채널(20)과 같이 타원호 형상으로 형성한 경우에도 비슷한 온도 저감 효과가 있는 것으로 해석되었다.

도 5에 도시된 바와 같이, 내연기관용 피스톤의 온도 저감을 위해 냉각 채널(20)을 크라운부(11)의 상면과 가까이 형성할수록, 냉각 채널(20) 상단부의 응력은 증가하는 것으로 해석되었다. 예컨대, 크라운부(11)의 상면에서 냉각 채널(20)의 상단부 까지의 거리를 9mm에서 8.6mm로 축소하면, 냉각 채널(20) 상단부에 걸리는 응력이 약 15% 증가하는 것으로 나타났다.

그러나, 크라운부(11)의 상면에서 냉각 채널(20)의 상단부 까지의 거리가 8.6mm일 때, 냉각 채널(20)의 형상을 모서리부가 마주 보는 모서리부와 대칭 형상의 타원호 형상으로 형성하면 일정한 라운드 형상일 때보다, 냉각 채널(20) 상단부에 걸리는 응력이 약 5% 저감되고, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 채널(20) 또는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 채널(20)과 같이 비대칭 형상의 타원호 형상으로 형성한 경우에는 9.0mm일 때와 유사한 수준으로 저감되는 것으로 나타났다.

이에 따라, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 이와 같은 냉각 채널(20) 형상의 최적화를 통해 크라운부(11)의 연소실(B)의 피스톤 핀 방향의 Hoop stress는 종래에 비해 약 12% 가량 저감되고, 스커트부(13) 방향의 Hoop stress는 약 28% 가량 저감되는 것으로 나타났다.

따라서, 냉각 채널(20)의 모서리부 중 적어도 어느 하나 이상에 타원형 라운드(Elliptical round) 형상을 형성함으로써, 응력 집중부측 모서리부가 일정한 라운드(Regular round) 형상을 가진 종래의 냉각 채널보다 응력 분산 효과를 극대화할 수 있다. 이에 따라, 전체적인 냉각 채널(20)의 형상을 크게 변경하지 않으면서, 냉각 채널(20)의 높이를 낮추지 않고 크라운부(11)의 상부로 최대한 가깝게 형성함으로써, 냉각 채널(20)의 냉각 성능을 극대화 하면서 동시에 안전율을 증대시키는 효과를 가질 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 오일 홈부(30)를 나타내는 단면도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 오일 홈부(30)의 응력 해석 결과를 나타내는 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤은, 냉매 유입구(21) 또는 냉매 배출구(22) 인근의 피스톤 핀 보스부(12)와 스커트부(13)의 연결 부분에 몸체(10)의 높이 방향으로 오목하게 형성되는 오일 홈부(30)를 더 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 오일 홈부(30)는, 실린더 내에서 내연기관용 피스톤의 하강 시 냉매 유입구(21)로 냉매를 분사하는 냉매 분사 노즐이 내연기관용 피스톤과 충돌하지 않도록 회피된 홈부일 수 있다.

이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 오일 홈부(30)는, 내연기관의 연소 시 냉매 유입구(21) 및 냉매 배출구(22) 인근에서 발생되는 응력을 줄일 수 있도록, 내경면 하단 모서리부 또는 외경면 하단 모서리부 중 적어도 어느 하나가 2차 곡선의 제 3 타원호(EA-3)로 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 내연기관용 피스톤의 하강 시 상기 냉매 분사 노즐을 회피하기 위한 홈부인 오일 홈부(30)로 인하여 내연기관용 피스톤의 강성이 전체적으로 떨어질 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 오일 홈부(30)의 내경면 하단 모서리부 또는 외경면 하단 모서리부 중 적어도 어느 하나 이상을 타원호 형상의 제 3 타원호(EA-3)로 형성하여 강도를 보강할 수 있다.

예컨대, 제 3 타원호(EA-3)는, 제 3 장축(A3) 대비 제 3 단축(B3)의 비율이 75% 내지 85%일 수 있다. 더욱 구체적으로, 제 3 타원호(EA-3)의 제 3 단축(B3)이 2.5mm로 형성되고 제 3 장축(A3)이 3.15mm로 형성되어, 제 3 장축(A3) 대비 제 3 단축(B3)의 비가 약 80%로 형성될 수 있다.

이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 냉매 유입구(21) 및 냉매 배출구(22)의 인근에 형성된 오일 홈부(30)의 형상 최적화를 통하여, 오일 홈부(30)에 타원호 형상이 형성되지 않는 종래의 내연기관용 피스톤에 비해, 냉매 유입구(21) 인근의 ② Boss of outlet(thrust)의 응력이 약 30% 감소되고, ③ Hole of outlet(thrust)의 응력이 약 35% 감소되는 것으로 나타났다.

따라서, 냉각 채널(20)의 응력 집중부측 모서리부 이외에도, 내연기관용 피스톤의 취약 부위인 오일 홈부(30)에도 타원형 라운드(Elliptical round) 형상을 형성함으로써, 모서리부가 일정한 라운드(Regular round) 형상 또는 직각 형상을 가진 종래의 내연기관용 피스톤보다 피스톤의 강도를 전체적으로 더욱 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 내연기관용 피스톤의 냉각 성능을 극대화 하면서 동시에 안전율을 증대시키는 효과를 가질 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 보강부(40)를 나타내는 단면도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤의 보강부(40) 적용에 따른 각 부위별 안전도를 나타내는 그래프이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 피스톤은, 크라운부(11)의 하면과, 피스톤 핀 보스부(12) 및 스커트부(13)의 연결부분과 피스톤 전체의 강도를 보강할 수 있도록, 크라운부(11)의 하면과, 피스톤 핀 보스부(12) 및 스커트부(13)의 연결부분에 2차 곡선의 제 4 타원호(EA-4) 형상으로 형성되는 보강부(40)를 더 포함할 수 있다.

이때, 도 10에 도시된 바와 같이, 보강부(40)는, 크라운부(11)의 하면과, 피스톤 핀 보스부(12) 및 스커트부(13)의 연결부분을 효과적으로 보강할 수 있도록, 제 4 타원호(EA-4)는 제 4 장축(A4) 대비 제 4 단축(B4)의 비율이 55% 내지 60%일 수 있다. 더욱 구체적으로, 제 4 타원호(EA-4)의 제 4 단축(B4)이 4mm로 형성되고 제 4 장축(A4)이 7mm로 형성되어, 제 4 장축(A4) 대비 제 4 단축(B4)의 비가 약 57%로 형성될 수 있다.

이에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이, 크라운부(11)의 하면과, 피스톤 핀 보스부(12) 및 스커트부(13)의 연결부분에 제 4 타원호(EA-4) 형상으로 형성되는 보강부(40)를 형성함으로써, 일정한 라운드 형상을 가지는 보강부를 가지는 종래의 내연기관용 피스톤에 비해 전체적으로 피스톤의 안전율이 높아지는 것으로 나타났다. 특히, 피스톤에서 가장 크랙이 많이 발생하는 크라운부(Head)(11)의 안전율이 보강부(40)가 일정한 라운드 형상으로 형성될 때 1.60에서 제 4 타원호(EA-4) 형상으로 형성될 때 1.67로 증가되는 것으로 나타났다.

따라서, 냉각 채널(20)의 응력 집중부측 모서리부 이외에도, 내연기관용 피스톤의 취약 부위인 크라운부(11)의 하면과, 피스톤 핀 보스부(12) 및 스커트부(13)의 연결 부분의 보강부(40)에도 타원형 라운드(Elliptical round) 형상을 형성함으로써, 보강부(40)가 일정한 라운드(Regular round) 형상을 가진 종래의 내연기관용 피스톤보다 피스톤의 강도를 전체적으로 더욱 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 내연기관용 피스톤의 냉각 성능을 극대화 하면서 동시에 안전율을 증대시키는 효과를 가질 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: 크라운부
12: 피스톤 핀 보스부
13: 스커트부
20: 냉각 채널
21: 냉매 유입구
22: 냉매 배출구
30: 오일 홈부
40: 보강부
B: 연소실
EA-1: 제 1 타원호
EA-2: 제 2 타원호
EA-3: 제 3 타원호
EA-4: 제 4 타원호

Claims

상부에 연소가 일어나는 연소실을 포함하는 크라운부가 형성되고, 하부에 피스톤 핀이 삽입되는 피스톤 핀 보스부 및 실린더 벽면과 대응될 수 있는 스커트부가 형성되는 몸체; 및
상기 몸체를 냉각 시키는 냉매가 흐를 수 있도록, 상기 몸체의 내부에 냉매 유로가 형성되고 상기 냉매 유로의 일측에 냉매 유입구 및 상기 냉매 유로의 타측에 냉매 배출구가 형성되는 냉각 채널;을 포함하고,
상기 냉각 채널은,
내연기관의 연소 시 상기 냉각 채널의 상단에서 발생되는 응력을 줄일 수 있도록, 단면 형상이 전체적으로 장타원형(Oblong) 형상으로 형성되고, 상기 장타원형의 각 호(Arc) 중 적어도 어느 하나가 2차 곡선의 제 1 타원호로 형성되는, 내연기관용 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 타원호는,
상기 제 1 타원호의 두 초점을 잇는 축 위의 선분인 제 1 장축이 상기 장타원형의 길이 방향으로 형성되고, 상기 두 초점을 잇는 축의 수직인 선분인 제 1 단축이 상기 장타원형의 폭 방향으로 형성되는, 내연기관용 피스톤.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 타원호는,
상기 제 1 장축 대비 상기 제 1 단축의 비율이 60% 내지 65%인, 내연기관용 피스톤.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 타원호는,
상기 장타원형의 폭 대비 상기 제 1 단축의 비율이 55% 내지 60%인, 내연기관용 피스톤.
제 2 항에 있어서,
상기 냉각 채널은,
상기 장타원형의 각 호(Arc) 중 적어도 어느 하나가 상기 제 1 장축과 다른 크기의 제 2 장축 및 상기 제 1 단축과 다른 크기의 제 2 단축을 가지는 2차 곡선의 제 2 타원호로 형성되는, 내연기관용 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각 채널은,
상단부가 상기 크라운부의 외경면에 형성된 복수개의 링 그루브 중 가장 상단에 위치한 탑 링 그루브보다 높게 형성되는, 내연기관용 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각 채널은,
상기 크라운부의 상면으로부터 상단부까지의 거리가 7mm 내지 9mm인, 내연기관용 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매 유입구 또는 상기 냉매 배출구 인근의 상기 피스톤 핀 보스부와 상기 스커트부의 연결 부분에 상기 몸체의 높이 방향으로 오목하게 형성되는 오일 홈부;
를 더 포함하는, 내연기관용 피스톤.
제 8 항에 있어서,
상기 오일 홈부는,
내연기관의 연소 시 상기 냉매 유입구 및 상기 냉매 배출구 인근에서 발생되는 응력을 줄일 수 있도록, 내경면 하단 모서리부 또는 외경면 하단 모서리부 중 적어도 어느 하나가 2차 곡선의 제 3 타원호로 형성되는, 내연기관용 피스톤.
제 9 항에 있어서,
상기 제 3 타원호는,
제 3 장축 대비 제 3 단축의 비율이 75% 내지 85%인, 내연기관용 피스톤.
제 1 항에 있어서,
상기 크라운부의 하면과, 상기 피스톤 핀 보스부 및 상기 스커트부의 연결 부분에 2차 곡선의 제 4 타원호 형상으로 형성되는 보강부;
를 더 포함하는, 내연기관용 피스톤.
제 11 항에 있어서,
상기 제 4 타원호는,
제 4 장축 대비 제 4 단축의 비율이 55% 내지 60%인, 내연기관용 피스톤.