KR20200065795A - 피스톤의 냉각구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각용 오일을 오일펌프로부터 공급받아 쿨링 갤러리 입구에 분사하여 쿨링 갤러리 내를 통과하여 피스톤을 냉각시키는 쿨링젯;을 포함한 내연기관 피스톤으로, 상기 쿨링젯(20)에서 분사된 오일이 실제로 피스톤 쿨링 갤러리(11)에 들어가는 양을 증대할 수 있도록 상기 쿨링 갤러리(11) 입구 쪽에 서브타켓(100)을 형성하되, 상기 서브타켓(100)은 입구쪽(쿨링젯(20)에서 가까운 쪽)이 출구쪽(쿨링젯(20)에서 먼 쪽)대비 내경이 큰 테이퍼 기둥 형상의 유도관(110)이 형성된 구조로 형성하였다.

Description

피스톤의 냉각구조{cooling structure for piston}

본 발명은 피스톤의 냉각구조에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 엔진의 피스톤 냉각 효율을 개선하여 연비 향상 및 피스톤 내구력 개선을 위한 피스톤의 냉각구조에 관한 것이다.

현재 상용되고 있는 엔진의 피스톤은 실린더 내를 왕복 운동하면서 팽창행정에서 고온고압의 가스 압력을 받아 이것을 커넥팅 로드를 거쳐서 크랭크 축에 회전력을 주는 기구로서, 피스톤의 탑부는 고온의 연소가스에 노출되어지고, 140 바(bar) 정도의 압력을 단시간에 충격적으로 받을 뿐만 아니라 실린더 내를 고속으로 운동하므로 실린더 벽과의 사이에 강한 마찰이 생긴다.

또, 피스톤은 열팽창을 고려하여 피스톤의 상부 외주면에 개재된 피스톤 링이 실린더 벽과 접촉하면서 고온에 의한 열소착이 발생될 수 있음으로써, 이를 방지하기 위한 냉각이 필요하다.

특히, 운전중 고온의 환경에서 견딜 수 있는 피스톤의 온도는 제한적이기 때문에 피스톤 쿨링젯을 적용하여 피스톤의 온도를 낮추는데, 쿨링젯의 유량을 증가시키려면 오일펌프가 커지게 되고, 이 때문에 엔진 연비가 저하되는 현상이 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 상기 피스톤 쿨링젯(20)은 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각용 오일을 오일펌프(도시하지 않음)에서 공급 받아 피스톤 쿨링 갤러리 입구(12)에 분사하여 쿨링 갤러리(11) 내를 통과하여 피스톤(10)을 냉각시키는 역할을 한다. 따라서 쿨링젯(20)에서 분사한 오일의 유량이 아무리 많아도 쿨링 갤러리(11)를 통과하지 못하면 실제 냉각 기능을 할 수 없다(도 2 비교 도면 참조).

상기 쿨링젯(20)에서 분사한 오일이 실제 엔진 연비에 영향 없이 무한으로 공급이 가능 하다면 아무런 문제가 되지 않지만, 실제는 오일펌프에서 발생한 동력으로 냉각용 오일을 쿨링젯에서 분사하고 이 분사량을 증대하기 위해서는 오일펌프의 용량이 증대되어야 한다. 연비 향상을 위해서는 쿨링젯에서 분사된 냉각 오일이 100% 쿨링 갤러리 입구로 들어가야 최적의 연비 조건이 된다.

그러나 종래의 쿨링젯 효율(효율=통과유량/토출유량)은 80% 수준 이하이다.

따라서, 본 발명은 쿨링젯의 통과효율을 증대하기 위해 스커트 내측에 가이드 형상을 적용하여 오일 유선의 흐름을 제어함으로써, 이를 통해 통과 효율을 향상시킬 수 있으며, 오일펌프의 용량 최적화가 가능해 연비를 향상시킬 수 있도록 한 피스톤의 냉각구조를 제안한다.

1. 한국 등록특허 제10-0403388호(2003.10.15)

1. 한국 등록특허 제10-1896709호(2018.09.03)

1. 한국 공개특허 제10-2014-0034639호(2014.03.20)

1. 한국 등록특허 제10-1459426호(2014.11.03)

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로서, 쿨링젯에서 분사된 오일이 실제로 피스톤 쿨링 갤러리에 들어가는 양을 증대할 수 있는 방안으로, 상기 쿨링젯에서 토출되는 양을 축소하여 오일펌프 용량을 낮추고 이에 따른 연비 향상을 도모할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;

냉각용 오일을 오일펌프로부터 공급받아 쿨링 갤러리 입구에 분사하여 쿨링 갤러리 내를 통과하여 피스톤을 냉각시키는 쿨링젯;을 포함한 내연기관 피스톤으로,

상기 쿨링젯에서 분사된 오일이 실제로 피스톤 쿨링 갤러리에 들어가는 양을 증대할 수 있도록 상기 쿨링 갤러리 입구 쪽에 서브타켓을 형성하되, 상기 서브타켓은 입구쪽(쿨링젯에서 가까운 쪽)이 출구쪽(쿨링젯에서 먼 쪽)대비 내경이 큰 테이퍼 기둥 형상의 유도관이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서브타켓은 입구 쪽을 좁게 하되 완만한 곡선 경사유도부를 형성하여 쿨링젯으로부터 분사된 오일의 압력 강화 및 유속을 상승시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하고, 상기 서브타켓의 갯수와 위치는 피스톤의 형상이나 용도 및 쿨링 갤러리의 형상에 따라 변경 가공할 수있 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명 피스톤의 냉각구조는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 쿨링젯에서 분사된 냉각 오일이 100% 쿨링 갤러리 입구로 들어갈 수 있도록 서브타켓의 형상을 변경시킴으로써, 최적의 연비 향상과 냉각 성능을 향상시킬 수가 있다.

둘째, 기존 피스톤을 추가 가공하기 때문에 원가 상승이 없고, 별도의 추가 부품 발생이 없는 구조로 대량 생산할 수가 있다.

도 1은 종래피스톤 냉각구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 기존 쿨링젯에서 분사한 오일의 유량분포와 본 발명 분사오일 유량분포를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 피스톤의 냉각구조를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 쿨링젯에서 분사된 오일이 실제로 피스톤 쿨링 갤러리에 들어가는 양을 증대할 수 있는 방안으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 서브타켓(Sub Target)(100)의 형상은 입구쪽(쿨링젯(20)에서 가까운 쪽)이 출구쪽(쿨링젯(20)에서 먼 쪽)대비 내경이 큰 테이퍼(Taper) 기둥 형상의 유도관(110)이 형성되어 있다.

이는 입출구경이 동일할 때 보다 테이퍼 기둥 형상 적용시 쿨링젯(20)의 통과효율이 증대하였기 때문이다.

이때, 기둥의 높이는 엔진별/피스톤 전장 길이에 따라 상이하게 적용될 수 있기 때문에 이는 시험이나 해석을 통해 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 서브타켓(100)은 입구 쪽을 좁게 하되 완만한 곡선 경사유도부(101)를 형성하여 쿨링젯(20)으로부터 분사된 오일의 압력 강화 및 유속을 상승시킬 수 있도록 하였다.

본 발명 피스톤의 냉각구조의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

쿨링 갤러리(11)를 통과한 오일은 높은 압력(통상 정격점 기준 4.0bar 수준)으로 분사되기 때문에, 쿨링젯(20)의 파이프(21)에서 토출되는 순간부터 도 3에 도시된 바와 같이, 와류가 형성되어 직진 운동을 한다.

따라서 타겟으로 하는 지점의 거리가 멀수록 역삼각형 형상의 운동 범위를 띄게 되는데, 분사 시험을 반복하면서 실험적으로 검증한 결과는 메인타켓(Main Target)(200) 이전에 서브타켓(100)을 통과할 경우 쿨링젯(20)에서 분사된 오일의 직진성이 향상된다(도2 참조).

즉, 메인타켓 만 있는 경우는 4bar의 높은 압력으로 분사된 오일이 대기압에 노출되는 순간주변의 간섭 없이 운동에너지를 발산하기 때문에 와류강도가 높아지지만(갑자기 좁아진 유로가 형성되기 때문에), 서브타켓(100)을 지나게 되면 오일의 속도가 높아지고 압력이 낮아지기 때문에 외부로 발산하는 와류 강도가 낮아져 퍼짐 현상이 축소된다. 뿐만 아니라, 서브타겟(100)을 통과한 운동에너지는 직진하고자 하는 관성력이 메인타켓(200) 만 있는 경우에 비해서 높아지기 때문에 직진성 또한 향상된다.

본 발명을 적용하게 되면 쿨링젯(20)의 냉각효율을 대략 최소 10% 이상 향상시킬 수 있을 것이다.

따라서 용량 축소에 따른 부과적인 연비 향상 부분을 제외하더라도 오일 펌프 용량의 축소 가능과, 이에 따른 엔진 대상 연비를 향상시킬 수가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : 피스톤 11 : 쿨링 갤러리
12 : 쿨링 갤러리 입구 20 : 쿨링젯
21 : 파이프 100 : 서브타켓
101 : 곡선 경사유도부 110 : 기둥 형상의 유도관

Claims (4)

1. 냉각용 오일을 오일펌프로부터 공급받아 쿨링 갤러리 입구에 분사하여 쿨링 갤러리 내를 통과하여 피스톤을 냉각시키는 쿨링젯;을 포함한 내연기관 피스톤에 있어서,
   상기 쿨링젯에서 분사된 오일이 실제로 피스톤 쿨링 갤러리에 들어가는 양을 증대할 수 있도록 상기 쿨링 갤러리 입구 쪽에 서브타켓을 형성한 것을 특징으로 하는 피스톤의 냉각구조.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 서브타켓은 쿨링젯에서 가까운 입구쪽이 쿨링젯에서 먼 출구쪽 대비 내경이 큰 테이퍼 기둥 형상의 유도관이 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤의 냉각구조.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 서브타켓은 입구 쪽을 좁게 하되 완만한 곡선 경사유도부를 형성하여 쿨링젯으로부터 분사된 오일의 압력 강화 및 유속을 상승시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 피스톤의 냉각구조.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 서브타켓의 갯수와 위치는 피스톤의 형상이나 용도 및 쿨링 갤러리의 형상에 따라 변경 가공할 수있 것을 특징으로 하는 피스톤의 냉각구조.
   

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