KR20240123378A - 피스톤, 크랭크 구동부, 및 왕복동 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 엔진을 위한 피스톤에 관한 것으로, 피스톤은 상측, 하측, 및 원주를 따라 연장되는 원주면을 구비하되, 이동축이 상측 및 하측을 통해 원주면의 접선과 본질적으로 평행하게 연장되고, 원주면은 이동축을 따라 실린더의 실린더 보어 내에서 피스톤을 안내하도록 설계되고, 상측은 가스의 압축력을 흡수하도록 설계되고, 하측은 인장 및 압축 방향으로 하나의 언더컷 또는 복수의 언더컷을 갖는 커넥팅 로드 리셉터클을 구비하고, 그에 따라 커넥팅 로드 리셉터클은 형상 끼워맞춤 방식으로 커넥팅 로드 리셉터클에 대응하는 커넥팅 로드의 후화부를 수용하도록 구성되고, 그에 따라 상기 후화부는 피벗축을 중심으로 피벗가능하고, 피스톤은 이동축을 통해 연장되는 방사상으로 배치된 임의의 수의 실질적으로 평탄한 단면들을 구비한다. 본 발명은 또한 크랭크 구동부 및 내연기관에 관한 것이다.

Description

피스톤, 크랭크 구동부, 및 왕복동 내연기관

본 발명은 특히 원동기를 위한 피스톤에 관한 것으로, 피스톤은 상측, 하측, 및 피스톤의 이동축과 실질적으로 평행하며 원주를 따라 연장되는 원주면을 구비한다. 원주면은 피스톤의 상측으로부터 하측으로 연장되되, 원주면은 이동축을 따라 실린더 보어 내에서 피스톤을 안내하도록 설계되고, 상측은 가스의 압축력을 수용하도록 설계된다. 피스톤의 하측은 하나 이상의 언더컷을 갖는 커넥팅 로드 홀더를 구비한다. 언더컷은 커넥팅 로드 헤드와 맞물리도록 위치하여, 커넥팅 로드가 피스톤을 당길 때 커넥팅 로드 헤드가 피스톤에서 빠지는 것을 방지하고, 그에 따라 커넥팅 로드 홀더는 피벗축을 중심으로 피벗가능한 배열로 커넥팅 로드 및 피스톤을 확실히 연결하기 위해 사용될 수 있다. 피스톤은 이동축을 통해 연장되는 방사상으로 배치된 임의의 수의 실질적으로 평탄한 단면들을 구비하되, 이들 각각은 대략 동일한 단면적을 갖는다. 본 발명은 또한 피스톤 및 특히 커넥팅 로드를 갖는 크랭크 구동부, 및 왕복동 피스톤 연소 엔진에 관한 것이다.

디젤 엔진 또는 가솔린 엔진 및 기타 엔진과 같은 왕복동 피스톤 원리에 따라 작동하는 종래의 엔진은 일반적으로 피스톤을 구비하되, 피스톤은 피스톤이 왕복 운동하는 실린더의 보어와 정렬되는 중심축 주위에 원통형 외주 원주면을 갖는다. 피스톤은 선회축(swivel axis) 상에서 커넥팅 로드에 피벗식으로 연결된다. 선행 기술의 설계에서, 피스톤 및 커넥팅 로드는 이른바 피스톤 핀으로 서로 피벗가능하게 연결된다. 피스톤 핀은 엔진의 왕복 질량에 추가되어, 엔진의 효율 및 그에 따라 또한 엔진의 오염물질 배출에 악영향을 미친다(또는 달리 말하면, 오염물질 배출의 감소를 저해한다).

피스톤이 하측에 배치되는 커넥팅 로드 홀더를 구비하고, 커넥팅 로드가 커넥팅 로드 홀더에 부착될 수 있는 헤드를 구비하는 경우, 이는 (피스톤 핀이 부재하기 때문에) 조립체의 왕복 질량의 감소 및 마찰 손실의 감소로 이어진다. 그러나, 특히 엔진의 연소 과정에 의해 발생되는 열과 관련하여, 이러한 피스톤의 열 관리가 종종 어려워진다. 게다가, 어떤 경우에도, 피스톤의 설계와 무관하게, 열 팽창에 의해 야기되는 피스톤 기하형상 변화가 수용되어야 한다. 물론, 피스톤은 가열시 팽창한다. 특히 디젤 엔진에서 선행 기술의 피스톤은 가온 작동 상태에서 적합한 둥근 기하형상을 취하기 위해 타원형 외주면을 갖도록 만들어져야 한다.

본 발명의 목적은 선행 기술을 개선하는 데에 있다.

상기 목적은 상측, 하측, 및 원주를 따라 연장되는 원주면을 갖는 특히 원동기를 위한 피스톤에 의해 달성된다. 피스톤은 원주면의 접선과 실질적으로 평행하게 연장되는 왕복동 이동축을 따라 이동한다. 원주면은 일반적으로 피스톤이 작동하는 실린더 보어를 따라 피스톤을 안내한다. 피스톤의 상측은 가스의 압축력을 흡수하도록 설계되고, 하측은 부착된 커넥팅 로드에 의해 가해지는 힘을 견디도록 배치되는 커넥팅 로드 리셉터클을 구비한다. 하나의 언더컷 또는 여러 언더컷이 배치되고, 그에 따라 커넥팅 로드 홀더는 형상 끼워맞춤 방식 및 피벗축을 중심으로 피벗가능한 방식으로 커넥팅 로드 헤드를 수용 및 유지하고, 피스톤은 임의의 요망된 형상을 갖는다. 피스톤의 형상은 피스톤의 이동축을 통해 잘라낸 임의의 수의 단면들이 실질적으로 균일한 단면적을 갖도록 정해진다. 이러한 이동축을 통해 잘라낸 단면들의 단면적은 바람직하게는 10% 미만으로 상이하다.

특히 이동축을 통해 잘라낸 모든 단면에 실질적으로 균일한 단면적을 제공함에 의한 피스톤의 이러한 기하학적 설계는 피스톤의 원주 주위의 균일한 열 팽창 거동으로 이어지므로, 피스톤은 예를 들어 피스톤이 작동하는 실린더 보어의 직경에 맞게 매우 정확하게 기하학적으로 조정된다. 예를 들어 (선행 기술에 나타난 타원형 형상이 아닌) 피스톤의 균일한 원주 기하형상이 달성될 수 있기 때문에, 이는 실린더의 벽에 대한 밀봉 거동을 개선할 뿐만 아니라 피스톤의 제조를 굉장히 단순화한다.

후술하는 용어들은 이러한 맥락에서 설명된다:

"피스톤"은 엔진 및 관련 기계의 경우 "실린더"를 포함하는 주변 하우징과 함께 사용되는 가동 구성요소이다. 실린더의 부피는 실린더 내의 피스톤의 왕복 운동으로 인해 변화된다. 이러한 원리는 상이한 설계에서 상이한 방식으로, 본 발명의 경우, 특히 실린더 내에서 상하 이동할 수 있는 왕복동 피스톤으로 실현될 수 있다.

이러한 피스톤의 "상측(상면)"은 예를 들어 내연기관에서 연소실 부피에 할당되는 예를 들어 피스톤 크라운으로 알려져 있는 피스톤의 영역이다. 이후, 내연기관을 예로 들면, 이러한 상측은 팽창하는 점화된 가스 혼합물로부터 압축력을 흡수하여, 크랭크샤프트 구동부를 작동시키는 데에 요구되는 힘을 커넥팅 로드로 전달하고 거기서부터 크랭크샤프트로 전달한다.

"하측"은 커넥팅 로드에 대향하는 피스톤측, 즉 특히 커넥팅 로드 홀더를 구비하는 피스톤측이다.

"원주면"은 예를 들어 내연기관의 경우 실린더 보어에 대향하는 피스톤의 표면이다. 주어진 예시적인 세부사항은 대략 원통형 형상을 갖는 피스톤의 일반적인 설계를 참조한다. 마찬가지로, 기술적으로 실행가능한 경우, 대응하는 상이한 형상의 피스톤 및 상이한 형상의 실린더 보어가 또한 실현될 수 있다. 원주면은 또한 통상적으로 이른바 피스톤 스커트로 사용될 수 있다.

"이동축"은 예를 들어 크랭크샤프트의 회전 중에 피스톤이 이동하는 축을 지칭한다. 특히, 이러한 이동축은 실린더 보어의 중심축과 평행하므로, 각각의 경우 수학적으로 정확한 축이 의도되는 것이 아니라, 합리적인 기술적 편차를 갖는 대응하는 방향이 의도된다.

"실린더 보어"는 예를 들어 내연기관의 엔진 블록 내의 주조 및/또는 드릴 공동일 수 있고, 이는 이후 예를 들어 호닝에 의해 다듬어진다. 그러나, 이러한 실린더 보어는 또한 증기 엔진, 증기 발생기 팽창 구동부, 또는 다른 형태의 동력 엔진의 둥근 또는 실질적으로 둥근 공동일 수 있다. 피스톤은 최종 개방측을 향하여 실린더 보어를 폐쇄하고, 그에 따라 실린더 보어 내의 압축력이 피스톤에 전달될 수 있다. 이후, 힘은 실린더 보어 내의 피스톤에 작용한다.

압축력을 가하는 "가스"는 압축 공기와 같은 단순한 압축 가스, 또는 과열 증기와 같은 상전이에서 기인한 가스, 또는 예를 들어 주변 공기 및 또한 예를 들어 가솔린 또는 디젤 엔진에서 점화를 통해 엔진 구성요소에 압축력을 가하는 가솔린 또는 디젤 또는 다른 연료의 가스 혼합물일 수 있다.

피스톤의 하측에 있는 "커넥팅 로드 홀더"는 인장방지 및 피벗가능 방식으로 피스톤에 커넥팅 로드를 부착하기 위해 사용되고, 그에 따라 피스톤은 커넥팅 로드와 함께 이른바 크랭크 구동부(예를 들어, 크랭크샤프트에 피스톤을 연결하는 커넥팅 로드)에서 서로 연결된다. 피스톤과 커넥팅 로드의 피벗식 연결은 피스톤이 커넥팅 로드에 대해 자유롭게 피벗하지만 이에 고정되는 방식으로 구축된다.

"언더컷"은, 힘의 방향의 구성요소 또는 영역 또는 부분 영역이 인출을 확실히 방지하거나 힘을 확실히 전달할 수 있는, 장착부 또는 장착부의 일부의 설계를 지칭한다. 이러한 언더컷은 힘을 전달하기 위해 언더컷을 통해 부착/현수되는 구성요소에 의해 사용될 수 있다.

커넥팅 로드의 (헤드와 같은) "후화부(thickening)"는 후화부에 인접하게 위치하는 커넥팅 로드의 부분보다 더 큰 또는 더 넓은 단면을 갖거나 더 큰 또는 더 넓은 직경을 갖는 영역이다. 특히, 이러한 후화부는 언더컷(특히, 언더컷에 의해 형성되는 표면)과 함께 힘저항 연결을 형성하기 위해 형상 끼워맞춤 인장/비틀림 연결을 형성하는 역할을 할 수 있다.

대응하는 "단면적"은 피스톤의 이동축을 통과하는 절단면을 갖는 피스톤의 가상의 절단에서 기인한 본질적으로 평탄한 평면을 지칭한다. 이러한 단면적은 면적 측정치로 명시되되, 본 발명의 바람직한 특징은 이러한 단면적이 이동축을 중심으로 회전각으로 회전되는 다른 단면과 동일하거나 실질적으로 동일하다는 데에 있다.

훨씬 더 정확하게 열 팽창을 제어할 수 있도록, 피스톤의 형상은 이동축을 통과하는 복수의 평면의 단면적이 서로 바람직하게는 7% 미만, 더 바람직하게는 5% 미만, 더욱더 바람직하게는 2% 미만으로 상이하도록 정해진다.

이러한 맥락에서, 제1 단면적 및 제2 단면적은 각각 임의의 단면적을 나타내되, 예를 들어 일례에서 예를 들어 제1 단면적에 수직인 상이한 기준축에 있는 두 단면적은 설계가 동일하거나 유사하고, 그에 따라 예를 들어 피스톤의 열 변형 거동은 두 주요 방향으로 제어됨을 주목해야 한다. 각각의 단면적은 또한 서로에 대해 임의의 각도로 진행될 수 있고, 그에 따라 특히 피스톤의 원주 주위의 임의의 단면적들의 비교는 실질적인 균일성 기준을 충족한다.

일 실시예에서, 원주면은 피스톤의 상단에서 하단까지 및/또는 하단(하측)에 걸쳐 보호 커버를 구비하므로, 피스톤 스커트는 피스톤의 직경의 10% 미만, 5% 미만, 및/또는 2% 미만의 방사상 두께를 갖는다.

하측의 방향, 즉 크랭크샤프트의 방향으로 피스톤의 대략 관형의 연장부인 "피스톤 스커트"는 특히 박벽형이다. 이러한 영역에서 열 팽창은 굉장히 감소한다.

예를 들어 피스톤의 필수 표면적 및/또는 필수 부분, 예를 들어 언더컷의 부분과 비교하여 각각의 단면적들에 대한 균형을 달성하기 위해, 부피 및/또는 부피들의 등화에 의해, 하나의 등화 부피 및/또는 여러 등화 부피가 상측 및/또는 하측에 배치된다.

그 결과, 기술상 요구되지 않는 경우 피스톤의 재료가 일 지점에서 제거되거나 추가되는 방식으로 대응하는 보상 부피(들)가 적용될 수 있고, 그에 따라 상이한 단면적들의 서로에 대한 균일성 기준이 충족된다.

일 실시예에서, 하나의 제거 부피 및/또는 복수의 제거 부피가 또한 상측 및/또는 하측에 리세스될 수 있으므로, 각각의 단면적들에 배치되는 피스톤의 부피부들에 대한 보상이 감소된 부피(들)에 의해 달성된다.

이는, 또한 대응하는 추가 부피(보상 부피)와 함께, 제거 부피가 대응하는 면적 크기를 보상하기 위해 사용될 수 있음을 의미한다.

"보상 부피"는 특정 영역의 부피 증가, 즉 추가 재료의 적용을 나타내는 반면, "제거 부피"는 재료의 제거 또는 부재를 나타낸다. 예를 들어, 피스톤의 주조시, 대응하는 제거 부피와 관련하여 추가 공구 부피가 성형 공구에 제공될 수 있고, 보상 부피와 관련하여 대응하는 부피가 성형 공구에서 제거된다. 한편, 피스톤이 금속 절단 공정에 의해 형성되는 경우, CNC 밀링 프로그램에서 대응하는 보상 부피 또는 제거 부피를 형성하는 것이 가능하다.

피스톤의 열 팽창 거동이 균일한 것을 보장하기 위해, 여러 보상 부피 및/또는 여러 제거 부피가 이동축에 대해 대칭으로 배치된다.

일 실시예에서, 피스톤은 원주면의 평균값에 의해 획정되는 직경을 갖는다. 중심 반경, 및 원주면에 대해 방사상으로 배치되는 이동축을 통과하는 임의의 수의 반경들이 평균 반경으로부터 바람직하게는 1% 미만, 더 바람직하게는 0.5% 미만, 더욱더 바람직하게는 1 ‰ 미만으로 상이한 반경들을 형성한다.

그 결과, 피스톤은 특히 높은 진원도를 가지며, 이러한 진원도는 예를 들어 대응하는 반경들에 의해 획정된다. 각각의 단면적들을 유사한 크기 또는 심지어 동일한 크기로 설계함으로써, 피스톤 핀을 갖는 종래의 피스톤의 제조에서와 같이, 더 이상 피스톤을 타원형 형상으로 만들 필요가 없다. 그에 따라, 열 팽창이 미리 고려된다. 따라서, 본 발명에 따라 제조될 수 있는 이러한 피스톤은 특히 둥근 형상일 수 있으므로, 간단한 제조 공정으로(예를 들어, 선삭 기계 상에서) 제조될 수 있다. 마찬가지로, 또한 피스톤 링과 함께 사용될 때, 이러한 특히 둥근 피스톤은 둥근 실린더 보어에 대해 잘 밀봉되고, 그에 따라 특히 엔진의 냉간 시동 중에 추가 오일 손실, 블로-바이 손실, 또는 우발적 오일 누출이 일어나지 않는다.

"표면의 평균값"은 예를 들어 원주상 영역의 표면의 모든 가능한 측정점 또는 표면의 모든 계산점의 평균값을 지칭한다. 이러한 정의로부터, 예를 들어 임의의 수의 반경들의 산술 평균일 수 있는 "평균 반경"이 결정될 수 있다. 이러한 평균 반경은 다른 반경들에 대한 기준으로 사용되고, 이는 반경들의 대응하는 국부 편차 및 그에 따라 피스톤의 진원도 편차를 야기할 수 있다.

높은 강도를 발생시키는 한편 특히 용이하게 및 경량으로 피스톤을 제조할 수 있도록, 피스톤은 바람직하게는 주조 알루미늄 합금과 같은 알루미늄, 강, 또는 강 합금으로 제조된다.

다른 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들 중 하나에 따른 피스톤, 및 특히 피스톤의 커넥팅 로드 홀더에 대응하는 후화부(커넥팅 로드 헤드)를 갖는 커넥팅 로드를 구비한 크랭크샤프트 구동부를 채용한다.

이러한 크랭크 메커니즘은 사전 조립되어, 본 발명이 제공하는 이점을 갖는 내연기관 내에 장착될 수 있다.

또 다른 양태에서, 상기 목적은 전술한 실시예들 중 하나에 따른 피스톤 및/또는 전술한 크랭크 구동부를 갖는 왕복동 피스톤 내연기관에 의해 달성된다.

이러한 왕복동 피스톤 내연기관은 본 발명의 모든 이점을 갖는다. 예를 들어, 본 발명에 따른 피스톤은 피스톤과 실린더 보어 사이의 대응하는 공차를 개선하기 위해 사용될 수 있고, 그에 따라 마모, 냉간 시동 중의 오일 소비, 및 배기가 개선될 수 있다. 이는 특히 커넥팅 로드가 커넥팅 로드 홀더를 통해 피스톤에 연결되는 피스톤과 관련하여 적용된다.

본 발명은 예시적인 실시예들을 참조하여 이하에 보다 상세히 설명된다.
도 1은 피스톤 및 커넥팅 로드를 포함하는 크랭크 메커니즘을 도시한 은선 사시도이다.
도 2a는 도 1의 조립체의 피스톤의 측입면도이다.
도 2b는 도 1의 조립체의 피스톤을 도시한 저면도이다.
도 2c는 도 1의 조립체의 피스톤을 도시한 측입단면도이다.
도 2d는 단면 설명선과 함께 도 1의 조립체의 피스톤을 도시한 저면도이다.
도 3a는 도 1의 조립체의 커넥팅 로드를 도시한 측입면도이다.
도 3b는 도 1의 조립체의 커넥팅 로드를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따라 만들어진 크랭크 구동부의 실시예를 도시한 부분 단면 측입면도이다.
도 5는 본 발명에 제공된 바와 같은 크랭크 조립체들을 사용하는 내연기관을 도시한 부분 절개 사시도이다.

크랭크 유닛(101)은 피스톤(201) 및 커넥팅 로드(301)를 구비한다. 크랭크 유닛(101)은 디젤 엔진(미도시)의 일부이고, 대응하는 디젤 엔진은 예를 들어 4개, 6개, 또는 심지어 8개의 크랭크 유닛을 구비할 수 있되, 각각의 피스톤(201)은 대응하는 실린더 내에 이동축(281)을 따라 이동가능하게 수용된다. 커넥팅 로드(301)는 실린더 번호에 대응하는 크랭크샤프트의 각각의 크랭크 핀 상에서 크랭크축(185)을 중심으로 이동될 수 있다. 디젤 엔진은 예를 들어 인라인 4실린더, 인라인 6실린더, 또는 V8 엔진으로 설계된다. 각각의 경우, 이는 터보 및/또는 수퍼차징 및 디젤 연료를 위한 고압 분사 시스템을 갖는 디젤 엔진이므로, 각각의 실린더 내의 연소 온도가 높다. 물론, 다른 설계가 또한 크랭크 유닛(101)을 사용하여 실현될 수 있다. 이러한 예에서, 피스톤(101)은 알루미늄 합금으로 만들어진다.

각각의 커넥팅 로드(301)는 강으로 단조된다. 커넥팅 로드는 선회축(183)을 중심으로 피스톤(201)에 피벗식으로 연결되고, 그에 따라 크랭크샤프트가 완전히 회전될 때(미도시), 크랭크축(185)은 원형 운동을 통해 안내되고, 피스톤(201)은 커넥팅 로드(301)에 의해 실린더 내에서 상하 이동된다. 따라서, 크랭크샤프트의 완전한 회전이 기계적 장애물 없이 수행된다. 피스톤(201)의 상측(203)에서, 예를 들어 분사된 디젤의 연소에 의해 발생되는 가스 압력이 피스톤(201)을 구동하고, 그에 따라 엔진이 디젤 원리에 따라 작동된다. 분사된 디젤 연료의 점화는 실린더 내의 흡입 공기의 압축을 통해 달성된다. 흡입 공기의 압축 온도는 700 ℃를 초과하고, 결과적인 연소 온도는 1,200 ℃를 초과한다. 피스톤(201) 상의 열적 영향이 대응하여 높아진다.

실린더 내의 연소실을 향하여 지향되는 상측(크라운; 203) 외에, 피스톤(201)은 원주면(205) 및 하면(207)을 구비한다(도 2a 참조). 원추형 돔(243)을 갖는 연소 공동(241)이 상측 내에 이동축(281)과 동심으로 배치된다(도 2c 참조). 원추형 돔(243)은 연소 공동(241) 내의 표면적을 확대한다.

원주면(205)의 주요 구성요소는 하측(207)의 방향으로 하강하는 피스톤 스커트(219)를 형성한다(도 2c 참조). 피스톤 스커트는 원통형이며 얇은 벽을 구비한다. 상측(203)에서 시작하여, 피스톤(201)은 상측(203)과 제1 환형 링 홈(223) 사이의 거리를 형성하는 좁은 원주상 칼라(221)를 구비한다. 실린더에 대한 밀봉을 위한 피스톤 링이 이러한 제1 환형 홈(223) 내에 배치된다. 추가로 하측(207)의 방향으로, 제2 환형 링 홈(225) 및 제3 환형 링 홈(227)이 배치되되, 환형 홈(225)에는 밀봉 링으로서 피스톤 링이 삽입되고, 환형 홈(227)에는 오일 스크레이퍼 링의 역할을 하는 피스톤 링이 삽입된다(각각의 경우 피스톤 링은 미도시). 엔진 오일의 배출을 촉진하는 추가 보어들(229)이 환형 홈(227) 상에 배치된다.

원주상 칼라(221)는 디젤 엔진의 선행 기술에 이른바 "방화벽"으로 알려져 있고, 선행 기술에서는 이러한 엔진에서 피스톤의 원주면(20)보다 훨씬 더 작은 직경으로 설계된다. 그러나, 도 2a의 본 발명의 실시예의 원주상 칼라(221)의 반경(282)은 기술적 공차 내에서 원주면(205)의 반경(284)과 동일하다. 따라서, 피스톤(201)은 이의 원통형 형상과 관련하여 선반 상의 단일 클램핑 작업 및 단일 선삭 작업에서 균일한 직경으로 가공될 수 있다.

본 발명은 열 팽창을 제한하기 위해 추가 냉각을 제공하기 때문에, 원주상 칼라(221)가 이러한 형태로 설계될 수 있다. 칼라(221)는 이러한 영역을 상당히 확장시키는 피스톤 크라운 가열의 증가를 감안하여 선행 기술에서 감소된 직경으로 만들어져야 했다. 본 발명의 피스톤의 방열은 이러한 필요성을 제거한다.

하측(207)에서, 피스톤(201)은 커넥팅 로드(301)와 맞물리기 위한 커넥팅 로드 홀더(210)를 구비한다. 홀더(210)는 본질적으로 언더컷(211)을 형성함으로써 포함되되(도 2c 참조), 이는 선회축(183)을 중심으로 동심이며, 재료의 한계에 있는 각각의 에지(217)를 특징으로 한다. 언더컷(211)이 피벗축(183)을 따라 계속 접근가능할 수 있도록, 및 언더컷(211)이 커넥팅 로드 홀더의 내표면(213)으로 마감처리될 수 있도록, 피스톤 스커트(219)는 피벗축(183)을 따라 양측에 컷아웃(220)을 구비한다. 이러한 컷아웃(220)으로 인해, 커넥팅 로드 헤드(303; 도 3a 참조)가 커넥팅 로드 홀더 내로 측방향으로 슬라이딩하여 내표면(213; 도 2a 참조)과 피벗식으로 맞물릴 수 있다. 또한, 컷아웃(220)의 존재는 내표면(213)의 미세 가공을 위한 공구의 삽입을 가능하게 한다.

피스톤(201)의 하측에서 알 수 있는 바와 같이(도 2b 참조), 피스톤(201)은 방사상 대칭이 아니다. 피스톤(201)의 직접적인 기술적 부피, 즉 언더컷(211)으로 커넥팅 로드 홀더(210)를 형성하기 위한 부피 외에, 피스톤 스커트(219)를 위한 부피 뿐만 아니라 다른 특징부를 위한 대응하는 부피도 달라진다. 피스톤(201)은 후화부들(231, 235)의 영역을 구비한다. 피스톤은 또한 다수의 포켓(233)을 포함한다. 후화부들 및 포켓들은 선회축(183)에 대해 대칭으로 배치된다. 후화부들(231), 포켓들(233), 및 후화부들(235)의 대응하는 부피는, 포켓들(233)과 후화부들(235)이 모두 이동축(281)을 통해 교차하는 면들이 될 수 있는 방식으로, 즉, 예를 들어 이러한 절단면들이 절단 평면(271), 절단 평면(273), 또는 절단 평면(275)을 따라 형성되되(도 2d 참조), 이들 각각은 예를 들어 각각의 비교 교차면들 중 가장 작은 절단 평면(271)과 관련하여 예를 들어 2%의 공차 내에서 동일한 단면적을 갖는 방식으로, 선택된다. 이러한 기하학적 설계는 피스톤(201)의 열 팽창 거동이 이동축(281) 주위의 상이한 극 위치들에서 거의 동일하거나 심지어 동일한 것을 보장한다. 이를 위해, 재료가 후화부들(231)에 추가되고, 재료가 포켓들(233)로부터 제거되고, 재료가 후화부들(235)에 적용된다. 이를 통해, 예를 들어 각각의 절단 평면들 내에 적용되는, 예를 들어 픽업(210)을 위해 기술적으로 요구되는 부피가 그에 따라 균형을 이루게 된다. 마찬가지로, 예를 들어, 컷아웃(220)의 영역에 걸친 단면적의 손실 및 피스톤 스커트(219) 내의 재료의 손실을 적어도 부분적으로 상쇄하기 위해, 각각의 후화부(235)가 제공된다. 대응하여, 피스톤(201)의 균형을 유지하기 위해 피스톤의 대응하는 부피의 재료를 제거 또는 추가함으로써, 다른 구성요소가 또한 보상된다.

언더컷(211)의 내표면(213)에는, 환형 유지 링 홈들(215)이 이동축(281)에 대해 대칭으로 피벗축(183)을 따라 양측에 구비되되(도 2b 참조), 이러한 환형 홈들은 언더컷(211)의 형상으로 인해 부분 환형 홈들(215)로 형성된다. 각각의 환형 유지 링 홈(215)은 내표면(213)의 직경(216)으로부터 내표면(213)의 직경(218)으로 연장되는 단면적을 갖는다(도 2c 참조).

커넥팅 로드(301; 도 3a 참조)는 커넥팅 로드 헤드(303), 중간 영역(305), 및 크랭크샤프트 연결부(307)를 구비한다. 커넥팅 로드 헤드는 원통형 외표면(311)을 갖는 벌지로 설계된다. 외표면(311)은 피스톤의 내표면(213) 내에 긴밀한 슬라이딩 및 피벗식 끼워맞춤 방식으로 가공된다. 게다가, 챔퍼들(312)이 피벗축(183)의 방향으로 헤드(303)의 단부 영역들에 배치된다. 따라서, 커넥팅 로드 헤드(303)는 피벗축(183)을 따라 피스톤에 측방향으로 삽입될 수 있고, 그에 따라 선회 조인트가 피벗축(183)을 중심으로 커넥팅 로드와 피스톤 사이에 형성된다.

중간 영역(305)은 커넥팅 로드 헤드(303)와 크랭크샤프트 연결부(307)를 연결하고, 커넥팅 로드 헤드(303)와 크랭크샤프트 연결부(307) 사이에 중앙 중립 평면을 구비한다. 중간 영역(305)은 또한 양측에 리세스(306)를 구비하고, 그에 따라 전반적으로 중간 영역(305)의 강성 단면이 이중 T자형 빔으로 형성된다. 또한, 중간 영역(305)의 양측에 형성되는 리세스들(316)을 갖는 웹들(315)은 중간 영역 및 크랭크샤프트 연결부(307)가 강성이지만 가능한 한 경량이 되는 방식으로 배치된다.

크랭크샤프트 연결부(307)의 대략 절반이 커넥팅 로드(301)의 일부로 구성된다. 나머지 절반은 커넥팅 로드 캡(308)으로 구성되되, 두 구성요소는 크랭크샤프트축(185)을 중심으로 동심 배치된다. 크랭크샤프트에 대한 저마찰 내마모성 비상작동 연결을 형성하기 위해, 베어링 쉘(321)이 크랭크샤프트 아이(309)의 내표면 상에 구비된다. 베어링 쉘은 커넥팅 로드(301) 및 로드 캡(308)에 대해 이의 위치를 회전 고정하는 특징부를 구비한다.

또한, 커넥팅 로드(301)는 커넥팅 로드 헤드(303)의 외표면 영역(311) 상에 더 작은 직경의 밸브 홈(341)을 구비한다(도 3b 참조). 밸브 홈(341)은 토출 개구(343)에 연결된다(도 3a 참조). 토출 개구(343)는 토출 개구(343)와 크랭크샤프트 아이(309) 내에 배치되는 유입 개구(347) 사이에 위치하는 오일 채널(345)의 일부이다. 오일 채널(345)은 중간 영역(305)의 중립 평면(정상 작동시 금속 입자가 압축/인장되지 않는 평면)을 따라 위치하고, 그에 따라 중간 영역(305)은 특히 절곡에 대하여 오일 채널(345)에 의해 가능한 한 적게 약화된다.

커넥팅 로드(301)와 피스톤(201)을 끼워맞추기 위해, 커넥팅 로드 헤드(303)는 피벗축(183)을 따라 피스톤의 언더컷(211; 도 2a 참조) 내로 측방향으로 밀어넣어진다. 환형 유지 링 홈(215)에는, 둥근 와이어 단면을 갖는 탄성 유지 링(미도시)이 이의 일부가 내표면(213)에 의해 형성되는 언더컷(211)의 단면에 삽입되는 방식으로 삽입된다. 이후, 이러한 유지 링은 커넥팅 로드 헤드(303) 상의 챔퍼(312)에 의해 환형 홈(215) 내로 다시 밀어넣어지고, 그에 따라 유지 링의 단면은 직경(216)과 직경(218) 사이에 완전히 위치할 수 있도록 이러한 방식으로 선택된다.

따라서, 챔퍼(312)는 커넥팅 로드 헤드(303)가 피스톤(201)에 삽입되는 것을 용이하게 한다. 유지 링 홈들(215) 내에 유지 링들을 사용하면, 커넥팅 로드 헤드(303)가 피벗축(183)을 따라 피스톤으로부터 우발적으로 제거되지 않도록 고정된다.

언더컷(211) 내의 커넥팅 로드 헤드와 피스톤(201) 사이의 연결의 윤활과 관련된 크랭크 유닛(101)의 기능이 다음과 같이 설명된다:

크랭크샤프트(미도시) 내에는, 크랭크샤프트의 대응하는 베어링 포인트들을 윤활하기 위해 진행되는 오일 채널이 있다. 크랭크샤프트 오일 토출 구멍들이 베어링 포인트들에 구비된다. 크랭크샤프트는 또한 크랭크축(185) 주위에서 각각의 커넥팅 로드(301)를 수용하는 크랭크 핀 저널들 상에 가압 엔진 오일을 위한 대응하는 토출 구멍들을 구비한다. 이후, 엔진 오일은 크랭크샤프트 상의 원주상 환형 홈 내로 공급되고, 유입 개구(347; 도 3a 참조)를 통해 오일 채널(345) 내로 흘러서 토출 개구(343)까지 흐른다. 토출 개구(343) 및 밸브 홈(341)으로, (커넥팅 로드의) 원통형 외표면(311)과 (피스톤의) 원통형 내표면(213) 사이의 피벗 경계면의 윤활을 위해 가압 엔진 오일을 저장하는 오일 저장부가 형성된다.

또한, 밸브 홈(341)은 크랭크샤프트의 위치 및 피스톤(201)에 대한 커넥팅 로드(301)의 결과적인 위치에 따라 오일 유동을 제어하기 위해 사용된다. 피스톤(201)이 상사점 또는 하사점에 도달하였을 때, 커넥팅 로드(301)는 이동축(281)을 따라 실린더 보어 내에서 본질적으로 수직이다. 이러한 상태에서, 밸브 홈(341)은 언더컷(211)의 내표면(213)에 대해 완전히 밀봉되고, 그에 따라 오일은 밸브 홈(341)을 통해 빠져나갈 수 없다. 여기서, 예를 들어 실린더 내의 연료의 점화가 일어날 때, 신뢰할 만한 윤활 및 이상적인 윤활이 보장되고, 피스톤(201)과 커넥팅 로드(301) 사이의 열 전달이 보장된다. 마찬가지로, 오일 저장부 내의 오일 쿠션은 또한 직접적인 재료 접촉을 방지한다.

동력 행정에서, 피스톤(201)은 연소 가스에 의해 가열되어 하향 가압된다. 크랭크샤프트는 먼저 TDC로부터 약 90° 피벗되고, 커넥팅 로드(301)는 피스톤에 대해 피벗된다. 밸브 홈(341)의 치수는 밸브 홈(341)의 일부가 이제 언더컷(211)의 에지(217; 도 2b 참조)에서 해제되는 방식으로 정해진다. 이때, 엔진 압력 하에 오일 채널(345)을 통해 공급되는 오일이 밸브 홈(341)의 개방된 부분으로부터 분출된다. 이러한 오일은 또한 가열된 상태이며, 이의 토출은 열을 커넥팅 로드/피스톤 연결부로부터 멀리 전달한다. 이러한 상태에서, 커넥팅 로드 헤드(303)와 언더컷(211) 사이의 연결부에는 비교적 가벼운 부하가 있고, 그에 따라 엔진 오일의 배출이 윤활에 이용가능한 오일의 감소를 의미할지라도 여기서 유리하게 사용될 수 있다.

이후, 크랭크샤프트가 하사점(TDC로부터 180°)에 접근하는 경우, 언더컷(211)은 밸브 홈(341)을 폐쇄한다; 이때, 크랭크샤프트의 관성력이 그에 따라 적용될 수 있다. 추가적인 크랭크샤프트 회전은 배기 행정을 개시하고, 이는 전체 오일 압력이 폐쇄된 밸브 홈(341) 내에 수용된 상태로 개시된다. 이때, 열이 또한 엔진 오일에 추가로 전달된다; 270°의 크랭크샤프트 위치에서, 밸브의 밸브 홈(341)의 일부가 에지(217)를 지나 피벗되어 밸브 홈(341)이 개방됨에 따라, 오일 압력은 다시 엔진 오일 밖으로 열을 전달하기 위해 사용된다. 이후, 360°(TDC 또는 0°에 대응하는 전체 각도)의 크랭크샤프트 위치까지, 밸브 홈(341)은 에지(217)에 의해 다시 폐쇄되고, 그에 따라 전체 오일 압력은 다시 연결부에서 상사점에 존재하고, 오일 소산으로의 새로운 열 전달의 가용성에 도달한다. 물론, 이러한 사이클은 크랭크샤프트의 회전마다 반복되고, 그에 따라 피벗축(183) 주위의 이동의 충분한 윤활 뿐만 아니라 커넥팅 로드(301) 및 피스톤(201)으로부터의 최적화된 방열을 가져온다.

도 4는 본 발명에 따른 크랭크 메커니즘의 예시적인 실시예의 부분 측단면도를 도시하되, 크랭크 메커니즘은 상기에 설명된 예시적인 실시예들 중 하나에 따른 피스톤(201) 및 윤활제 안내부가 내부에 위치한 대응하는 커넥팅 로드(301)(즉, 크랭크 유닛(101)), 및 크랭크샤프트(401)를 포함한다. 커넥팅 로드(301)는 일반적인 방식으로 크랭크샤프트(401)에 결합된다. 피스톤(201)은 이동축(281)을 따라 이동가능하도록 실린더 장치(501) 내에 배치된다.

도 5는 인라인 4실린더 엔진의 실린더 뱅크를 형성하는 4개의 실린더를 갖는 실린더 장치(501), 및 상기 실시예들 중 하나에 따른 피스톤(201) 및 커넥팅 로드(301)를 갖는 왕복동 피스톤 연소 엔진(601)의 예시적인 실시예의 부분 단면 사시도를 상세히 도시한다. 각각의 경우, 피스톤(201) 및 커넥팅 로드(301)는 크랭크 유닛(101)을 형성한다. 커넥팅 로드(301)는 크랭크샤프트(401)에 결합된다.

도 4 및 도 5에 도시된 설계 실시예에서, 피스톤(201) 및 커넥팅 로드(301)의 "내부 작용"은 명료함을 위해 도시되지 않는다.

이러한 맥락에서, 상기에 설명된 바와 같이, 모든 실시예에서, 피스톤(201)의 기하학적 설계는 또한 방열을 최적화함을 주목해야 한다. 피스톤(201)의 리셉터클(210) 내의 커넥팅 로드(301)의 중앙 연결은 탁월한 열 전도를 가능하게 하고, 그에 따라 선행 기술에 공지된 "파이어 바"가 또한 생략될 수 있다. 피스톤(201)의 간단한 기하형상 및 균일한 진원도와 함께, 이는 제조가 용이하며 또한 매우 효율적인 디젤 엔진의 제조를 가능하게 한다.

그 결과, 피스톤(201)의 기하형상, 컴팩트한 설계, 및 중앙 연소실은 디젤 엔진이 높은 연소 온도로 작동되는 것을 가능하게 함에 따라, 디젤 엔진은 높은 연소 온도 및 그에 따라 감소된 배기 및 효율적인 연소로 작동될 수 있다. 여분의 열은 커넥팅 로드(301) 내로, 및 엔진의 나머지 부분 전체에 걸쳐 제어된 오일 유동에 의해 소산된다. 순환형 오일은 탁월한 열 관리를 제공한다. 따라서, 전반적으로, 본 발명에 따른 피스톤(201) 및 커넥팅 로드(301)의 조합은 왕복 질량을 감소시켰다. 본 실시예에는 이러한 유형의 피스톤(201) 및 커넥팅 로드(301)가 터보차저 및 고압 분사를 갖는 디젤 엔진에 대해 도시되었지만, 동일한 배열이 가솔린 엔진 및 압축기를 비롯한 다른 유형의 엔진 및 기계에 적합함을 주목해야 한다.

101 크랭크 유닛
183 선회축
185 크랭크축(크랭크 핀 축)
201 피스톤
203 상측(피스톤 크라운)
205 원주면
207 하측(하면)
210 커넥팅 로드 홀더
211 언더컷
213 내표면
215 유지 링 홈
216 직경
217 에지
218 직경
219 피스톤 스커트
220 컷아웃
221 주변 칼라(원주상 칼라)
223 링 홈(상단 압축 링 홈)
225 링 홈(제2 압축 링 홈)
227 링 홈(오일 제어 링 홈)
229 드릴 구멍
231 후화부
233 포켓
235 후화부
241 연소 공동
243 원추형 돔
261 폭
271 절단 평면
273 절단 평면
275 절단 평면
281 이동축
282 반경
284 반경
301 커넥팅 로드
303 커넥팅 로드 헤드
305 중간 범위
306 심화부(리세스)
307 크랭크샤프트 연결부
308 커넥팅 로드 캡
309 크랭크샤프트 아이
311 외표면
312 챔퍼
315 바(웹)
316 리세스
321 베어링 쉘
341 밸브 홈
343 토출 개구
345 오일 채널
347 유입 개구
401 크랭크샤프트
501 실린더 장치
601 왕복동 내연기관

Claims (10)

1. 특히 엔진을 위한 피스톤(201)으로, 상기 피스톤(201)은 상측(203), 하측(207), 및 원주를 따라 진행되는 원주면(205)을 구비하되, 이동축(281)이 상기 상측(203) 및 상기 하측(207)을 통해 상기 원주면(205)의 접선과 본질적으로 평행하게 진행되고, 상기 원주면(205)은 상기 이동축(281)을 따라 실린더의 실린더 보어 내에서 상기 피스톤(201)을 안내하기 위해 사용되고, 상기 상측(203)은 가스의 압축력을 흡수하도록 설계되고, 상기 하측(207)은 인장 및 압축 방향으로 하나의 언더컷(211) 또는 복수의 언더컷을 갖는 커넥팅 로드 홀더(210)를 구비하고, 그에 따라 상기 커넥팅 로드 홀더(210)는 형상 끼워맞춤 방식으로 상기 커넥팅 로드 홀더(210)에 대응하는 커넥팅 로드(301)의 헤드 부분(303)을 수용하도록 구성되고, 상기 피스톤은 피벗축(183)을 중심으로 상기 커넥팅 로드 헤드 부분에 대해 피벗할 수 있고, 상기 피스톤(201)은 상기 이동축(281)을 통해 방사상으로 배치되는 임의의 수의 실질적으로 평탄한 단면들(271, 273, 275)을 구비하고, 상기 실질적으로 평탄한 단면들(271, 273, 275)은 상기 이동축(281)을 통해 방사상으로 연장되는 것인 피스톤(201)으로서, 상기 피스톤(201)의 형상은 상기 이동축(281)을 통해 연장되는 방사상으로 배치된 실질적으로 평탄한 제1 단면(271, 273, 275) 및 상기 이동축(281)을 통해 연장되는 방사상으로 배치된 실질적으로 평탄한 제2 단면(271, 273, 275)의 단면적이 서로 10% 미만으로 상이하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제1항에 있어서, 상기 피스톤(201)의 형상은 상기 이동축(281)을 통해 연장되는 방사상으로 배치된 실질적으로 평탄한 제1 단면(271, 273, 275) 및 상기 이동축(281)을 통해 방사상으로 배치되는 실질적으로 평탄한 제2 단면(271, 273, 275)의 단면적이 서로 7% 미만, 5% 미만, 및/또는 2% 미만으로 상이하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원주면(205) 상에서, 내표면(205)이 상기 상측(203)으로부터 상기 하측(207)으로 및/또는 상기 하측(207)을 넘어서 연장되고, 특히 피스톤 스커트(219)가 상기 피스톤(201)의 반경(284)의 10% 미만, 5% 미만, 및/또는 2% 미만의 방사상 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 후화부(231, 235)가 상기 상측(203) 및/또는 상기 하측(207)에 구비되고/거나 여러 후화부(231, 235)가 배치되고, 상기 후화부들(231, 235) 및/또는 보상 부피들(231, 235)에 의해, 상기 각각의 단면적들(271, 273, 275)에 리세스되는 상기 피스톤의 부피부들에 대한 보상이 달성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 포켓(233) 및/또는 복수의 포켓(233)이 상기 상측(203) 및/또는 상기 하측(207)에 리세스되고, 상기 포켓(233) 및/또는 토출 포켓들(233)에 의해, 상기 각각의 단면적들(271, 273, 275)에 배치되는 상기 피스톤의 부피부들에 대한 보상이 달성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제4항 및/또는 제5항에 있어서, 복수의 후화부(231) 및/또는 여러 포켓(233)이 상기 이동축(281)에 대해 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(201)은 상기 원주면의 표면의 평균값에 의해 획정되는 평균 반경, 및 상기 이동축(281)을 통해 연장되고 상기 이동축에 대해 방사상으로 배치되는 임의의 수의 추가적인 반경들(284)을 가지며, 상기 피스톤(201)의 형상은 상기 이동축(281)으로부터 측방향으로 연장되는 반경이 상기 평균 반경으로부터 1% 미만, 0.5% 미만, 특히 1 ‰ 미만으로 벗어나도록 정해지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(201)은 알루미늄, 주조 알루미늄 합금, 강, 주조 강 합금, 및/또는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 피스톤(201), 및 특히 상기 피스톤(201)의 커넥팅 로드 홀더(210)에 대응하는 헤드 영역(303)을 갖는 커넥팅 로드(301)를 구비한 크랭크 유닛(101).
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 피스톤(201) 및/또는 제9항에 따른 크랭크 메커니즘(101)을 포함하는, 왕복동 피스톤 내연기관.