KR900004612B1

KR900004612B1 - 피스톤

Info

Publication number: KR900004612B1
Application number: KR1019860700566A
Authority: KR
Inventors: 레즈햄 프린스 로우드즈 마이클; 앨릭 파아커 데이빗
Original assignee: 에이이 피엘씨; 데이빗 깁슨 한톤
Priority date: 1984-12-15
Filing date: 1985-12-05
Publication date: 1990-06-30
Also published as: GB2168457A; GB2168457B; EP0204792A1; DE3569972D1; EP0204792B1; GB8431725D0; KR870700130A; WO1986003815A1; JPH0819875B2; GB8530307D0; US4809591A; JPS62501160A

Abstract

내용 없음.

Description

피스톤

[도면의 간단한 설명]

제1도는 내연기관이나 압축기용 피스톤으로서 다수의 오일유지요부가 형성된 지지면을 갖는 피스톤의 제1형태의 측면도이다.

제1a도는 제1도의 G-G 선과 E-E선에 따른 제1도 피스톤의 지지면에 대한 부분단면도이다.

제1b도는 제1도의 F-F선에 따른 제1도 피스톤의 지지면에 대한 부분단면도이다.

제1c도는 제1도의 D-D선과 B-B선에 따른 제1도 피스톤의 지지면에 대한 부분단면도이다.

제1d도는 제1도의 C-C선에 따른 제1도 피스톤의 지지면에 대한 부분단면도이다.

제1e도는 제1도의 S-S선에 따른 제1도 피스톤의 지지면에 대한 부분확대평면도이다.

제1f도는 제1도의 T-T선에 따른 제1도 피스톤의 지지면에 대한 부분확대 평면도이다.

제2도는 내연기관이나 압축기용 피스톤으로서 한개이상의 오일 유지 요부가 형성된 다수의 불연속지지면을 갖는 피스톤의 제2형태의 측면도이다.

제2a도는 제2도의 G-G선과 E-E선에 따른 제2도 피스톤의 지지면에 대한 부분단면도이다.

제2b도는 제2도의 F-F선에 따른 제2도 피스톤의 지지면에 대한 부분단면도이다.

제2c도는 제2도의 D-D선과 B-B선에 따른 지지면에 대한 부분단면도이다.

제2d도는 제2도의 C-C선에 따른 제2피스톤의 지지면에 대한 부분단면도이다.

제2e도는 제2도의 S-S선에 따른 제2피스톤의 지지면에 대한 부분확대 평면도이다.

제2f도는 제2도의 T-T선에 따른 제2도 피스톤의 지지면에 대한 부분확대 평면도이다.

[발명의 상세한 설명]

[피스톤]

본 발명은 크라운과, 피스톤축과 거전핀구멍축을 포함하는 평면의 각각의 측면에 형성시킨 거전핀 구멍 및, 피스톤의 왕복운동시에 추력을 실린더나 라이너에 전달하기 위한 지지면으로 구성시켜서된 내연기관이나 압축기용 피스톤에 관한 것이다.

피스톤이 엔진이나 압축기의 실린더나 라이너안에서 왕복운동을 할 때에는 이들 부품사이의 접촉에 의해서 소음이 발생된다.

이 소음은 피스톤이 실린더나 라이너에 대해 축방향으로 움직일 때 야기되는 소위 "피스톤 슬랩(piston slap)"에 의해 발생되는 바, 특히, 이것은 엔진이나 압축기가 하중을 받을 경우 및 피스톤이 상사점·하사점에 있을 경우에 발생된다. 이것은 아주 광범위하게 측정되어 분석되었었다. 예컨대 Journal of Sound Vibration(1965)2(2)의 132-146 페이지에 기술된 "Vibrations and Noise due to piston slap on Reciprocation Machinery"를 참조하라.

이 소음은 피스톤과 실린더라이너 사이에서 금속과 금속이 접촉하여 마모를 야기시킬 수 있으며, 소음이 높으면 좋지 않다는 단점이 있다.

또한, 습식 실린더라이너를 사용하는 엔진에 있어서, 소음을 발생할 수 있는 진동은 공동부식을 야기시킬 수도 있는바, 이것 역시 바람직하지 못하다. 이것은 1964년 1월에 발간된 Journal of the Royal Naval Shipbuilding Society에 피어슨이 기고한 "Waterside Attack of Diesel Engine Cylinder Liners"에 기술되어 있다.

피어슨이 주장한 것은 피스톤의 횡운동의 점성을 감소하기 위해서 피스톤 스커어트와 라이너사이에 오일을 완전히 유지하도록 한 것이다. 이것은 두개의 경사진 면을 가진 밀봉링을 제공함으로서 성취되는 바, 그중 한개의 밀봉링은 스커어트의 하측변부를 향하도록 하고, 다른 한개의 밀봉링은 링밴드 바로 밑에 위치시켰다. 이것은 실제 실험에 의해서 실린더라이너 진동을 경감시켜 소음과 라이너 공동을 감소시킨다는 것이 판명되었다.

그러나, 이러한 구조적인 배치가 피스톤 슬랩을 경감시키는데는 성공하였을지라도, 다른 많은 결점을 내재하고 있다.

첫째로, 밀봉링 사이에 유지되는 오일의 량은 상당시 높은 압력을 가지며, 밀봉링이 실린더나 라이너와 항상 접촉하기 때문에 이러한 압력을 전혀 방출할 수 없었다. 이것은 오일이 상측링을 지나서 종래의 압축 및 오일 스크래퍼링을 통과해서 연소실 안으로 가해지는 정도까지 오일의 압력을 증가시킨다. 이것은 오일을 많이 소비하며 배기를 많이 증가시킨다.

둘째로, 피스톤의 사방에 오일의 완전한 밀착부위를 발생시키므로써, 피스톤과 실린더 또는 라이너 사이에서 점성전단력을 증가시킨다. 이것은 엔진의 동력을 감소시키며 연료의 소비를 증가시킨다.

이러한 이유로 인하여, 피스톤 슬랩을 경감시키는 이러한 수단은 피스톤 슬랩을 경감시키는 방법에 대한 요건을 충족시켰을지라도 널리 응용되지 못하였다.

본 발명에 따르면, 크라운과, 피스톤축과 거전핀구멍축을 포함하는 평면의 각각의 측면에 형성시킨 거전핀 구멍 및, 피스톤의 왕복운동시에 추력을 실린더나 라이너에 전달하기 위한 지지면으로 구성시켜서된 내연기관이나 압축기용 피스톤을 제공하는바, 상기의 지지면에는, 축방향으로 이격된 주변연장변부와, 적어도 한개의 요부와 인접지지면사이에서 각각의 변부에 형성시킨 경사부를 포함하는 적어도 한개의 오일 유지요부를 형성시켜서, 왕복운동시에 상기의 요부가 피스톤의 축방향운동을 감쇠하기 위해서 윤활유를 유지함을 특징으로 한다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 기술하면 다음과 같다.

첨부도면을 참고로하여 기술될 모든 실시예에서의 피스톤은 내연기관에 쓰이는 알루미늄이나 알루미늄합금 피스톤이다. 피스톤은 주조에 의해서 제조될 수 있으며, 단조로 제조될 수 있을지라도 스퀴이즈 주조에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 피스톤은 크라운(10)과, 압축 피스톤링과 오일 조절 피스톤링을 수용하기 위한 세개의 홈(12)이 포함된 링 밴드(11), 및 피스톤축과 거전핀구멍(14)축을 포함하는 평면의 각각의 측면에 형성시킨 스커어트(13)를 포함한다.

피스톤축과 거전핀구멍축을 포함하는 평면의 각각의 측면에 있는 피스톤 스커어트(13)에는 각각의 실시예에 관해 하기에서 상술하는 바와 같은 한개이상의 부위로 형성된 추력면이 형성되어 있다. 이러한 추력면들은 추력을 연접봉에서부터 실린더나 라이너(도시하지 않았음)까지 전달한다.

제1도를 참조하면, 각각의 지지면(15)은 링밴드(11)와 스커어트의 하측변부(16)사이에서 축방향으로 연장된 각각의 스커어트상의 단일의 부위에 의해 형성된다. 그의 축방향 변부에서, 지지면(15)은 경사부(17)에 의해서 스커어트에 연결되어 있다(제1도 및 제1a도, 제1b도, 제1c도, 제1d도 참조).

세개의 요부(18a, 18b, 18c)는 지지면(15)에 형성되어 있다. 이들 요부는 두개의 축방향으로 이격된 행 즉 상측행과 하측행에 배치된다. 상측행은 피스톤축을 포함하며 거전핀구멍축과 수직인 평면의 지지면(15)과 교차하도록 배치된 한개의 요부(18a)만을 포함한다(제1b도 참조). 하측행은 상기의 평면의 대향측에 등간격으로 이격된 두개의 요부(18b, 18c)(제1도 및 제1d도 참조)를 포함하는바, 각각의 요부의 중심은 피스톤 주위에서 상기의 평면으로부터 약 22.5° 편심되어 있다(제1d도 참조). 따라서, 상측요부(18a)와 두개의 하측요부(18b, 18c) 사이에서는 어떠한 축방향 중첩도 없다. 상측요부(18a)의 면적은 두개의 각각의 하측요부(18b, 18c)면적보다 크며, 두개의 각각의 하측요부의 면적은 동일하다. 각각의 요부(18a, 18b, 18c)는 지지면(15)에 의해 전체적으로 둘러싸여 있다.

제1e도 및 제1f도에서 알 수 있는 바와 같이, 스커어트(13)는 축방향에서 대체로 볼록한 형상을 하고 있다.

각각의 요부(18)는 이격된 두개의 주변 연장변부(19)를 가진 대체로 장방형이다. 제1e도, 제1f도에서 알 수 있는 바와 같이, 경사부(20)는 요부(18)와 지지면(15)사이에서 각각의 변부(19)에 형성되어 있다. 이 경사부의 깊이는 12-125㎛가 바람직하다. 각각의 경사부(20)는 피스톤축에 수직인 평면에 위치할 수도 있거나 그러한 평면에 대해 경사질 수도 있다(제1e도 및 제1f도 참조).

각각의 요부(18)의 중심에서 기저부(30)는 경사부(21)에 의해 상기의 요부의 축방향 연장측변부(22)에 연결되어 있다(제2b도, 제2e도 참조). 기저부(30)의 각도는 5°가 바람직하며, 각각의 경사부(21)의 각도는 10°가 바람직하다. 각각의 경사부(21)의 기울기는 1.5°이하이다.

내연기관이나 압축기의 실린더 또는 라이너 내에 있는 제1도의 피스톤의 왕복운동시, 오일은 실린더나 라이너에 제공된 유막으로부터 지지면(15)을 지나 요부안으로 흘러들어가는 바, 여기에서 오일은 요부(18)의 변부(19)의 스크래핑 작용에 의해 유지된다.

지지면에 유막이 있기 때문에, 요부(18)는 그들의 변부에 충전되지 않을 것이다. 즉, 그 변부위에 오일이 있을 것이다.

피스톤 슬랩이 실린더나 라이너에 대해 비스듬하게 되어 잡음을 발생시키는 경향이 있는 상사점·하사점과 같은 위치에서, 요부(18)는 이러한 비스듬한 운동을 받지않으므로 발생된 잡음의 량을 절감시키는 오일의 완충을 제공한다.

요부를 각도적으로 엇갈리게 배열시킨 것은 충분한 오일을 요부에 항상 공급할 수 있다는 것이다. 대체로 삼각형의 형태로 피스톤의 각각의 측면에 형성시킨 세개의 요부를 사용하면, 이격된 오일완충을 제공하므로 피스톤은 피스톤의 축방향운동시 완충효과에 의해 피봇되지 않는다.

피스톤이 왕복운동을 함에 따라서, 피스톤은 거전핀에 피봇되므로, 피스톤은 실린더라이너에 대해 고정된 이격배향을 갖지 않는다. 이러한 결과, 피스톤의 연속적인 행정중에는 요부상에 유압이 설정될 수 없는 바, 그 이유는 배향의 변화가 요부로부터 오일을 방출하기 때문이다. 또한, 요부(18)의 측변부(22)로 연장된 경사부(21)는 요부내의 유압이 지나치게 상승되지 않도록 오일의 통과를 제어한다. 이것은 또한, 지지면(15)에 대한 오일의 추가적인 공급을 제공하는 장점이 있는 바, 그렇게 하는 것은 이러한 지지면이 항상 적당하게 윤활되도록 한다.

더우기, 요부가 피스톤의 지지면의 일부분만을 덮기때문에, 요부는 피스톤과 실린더라이너 사이에서 점성 전단력을 실질적으로 증가시키지 않는다. 이것은 또한 왕복운동의 각각의 방향에서 실린더 또는 라이너와 윤활된 활주접촉을 하는 피스톤의 일측만이 있다는 사실에 의해 뒷받침된다. 따라서, 피스톤 슬랩의 감소는 동력을 감소시키지 않거나 연료소비를 증가시키지 않고서도 성취된다.

제1도를 참조로하여 기술된 유형의 피스톤은 2.0리터 가솔린 기관에서 시험되었다. 그 시험은 상온시동후 1600r.p.m으로 가동되며 1분동안 1/3 하중을 받는 기관으로 수행되었다.

측정된 것은 피스톤 슬랩에 기인한 단주기(3ms)잡음의 레벨(L1)이었다(즉 피스톤 슬랩 펄스의 시동에서 시작되는 3ms 구간동안 여과된 방사잡음의 평균레벨이었다). 또한, 측정된 것은 측정레벨(L1)에 사용된 주파수밴드내의 다른 원으로부터 잡음(피스톤 슬랩을 포함)의 레벨(L2)이었다. L1과 L2간의 차이는 피스톤 슬랩잡음의 감입의 측정으로 제공한다.

41㎜의 간격에 장착되어 전술한 바와 같이 시험된 제1도의 피스톤에 대해서 L1=68㏈이고 L2=76㏈였다.

엔진에 원래의 장비로 장착된 피스톤(첨부도면을 참조로 하여 기술된 형상을 갖지 않는 피스톤)은 L1=68㏈이고 L2=86㏈였다. 따라서, 피스톤 슬랩의 "감입"(L2-L1)은 원래의 장치피스톤과 비교할 때 제1도의 피스톤보다는 낮은 10㏈(86㏈-76㏈)였다.

제2도 및 제2a도-제2f도를 참조하면, 제2-피스톤은 피스톤축과 거전핀구멍축을 포함하는 평면의 양측에 있는 지지면을 갖는 바, 그 지지면은 두개의 불연속 지지부위(23a, 23b)에 의해 형성된다. 불연속부위(23a, 23b)는 피스톤 주위로 실질적으로 연장된 가느다란 사각형의 형태이며, 피스톤축을 포함하며 거전핀구멍축에 수직인 평면의 스커어트면과 교차되게 대칭적으로 배치되어 있다. 두개의 불연속 부위(23a, 23b)는 축방향으로 이격되어 있다.

경사부(24)는 각각의 부위(23a, 23b)의 각각의 주변부(25)로 연장되어 있으며(제2도 및 제2e2f제2f도 참조), 또한 경사부(26)는 각각의 부위의 축방향 연장측변부(27)로 연장되어 있다(제2도 및 제2a도-제2d도 참조). 각각의 지지부위(23a, 23b)와 상기의 부위에서 이격된 관련 경사부의 변부사이의 방사상 거리는 12-125㎛가 바람직하다. 경사부의 각도는 1.5°이하이다.

이것은 영국특허 제2,104,188호에 따른 것이다.

지지부위(23a, 23b)에는 제1도 및 제1a도-제1f도의 요부(18a, 18b, 18c)와 동일한 크기 및 구성과 배열을 갖는 요부(28a, 28b, 28c)가 제공되는 바, 이러한 요부는 상세히 기술하지 않을 것이다.

이러한 요부(28a, 28b, 28c)는 상측부위(23)를 피스톤을 포함하며 거전핀구멍축에 수직인 평면의 양측면에 배치된 주변방향으로 이격된 두개의 면으로 분할한다(제2b도 참조). 하측부위(23)는 상기의 평면에 대칭으로 배치된 단일의 중앙부위로 제한된다(제2d도 참조).

사용시, 불연속부위(23a, 23b)의 주변부로 연장된 경사부(24)는 수렴통로를 형성하는 바, 이 통로는 오일을 이러한 부위로 향하게 하여, 이러한 부위(23a, 23b)의 사용으로부터 야기되는 스커어트부위의 감소에 의해 야기되는 증가된 압력하에서 유체역학적 윤활을 야기시킨다. 또한, 경사부(24)는 윤활유를 요부(28a)안으로 향하게 하는 바, 이 요부에서 윤활유는 이들 요부의 주변변부(29)에서 경사부(20)에 의해 유지된다. 부위(23a, 23b)와 관련된 이들 경사부(24)의 기능은 영국특허 제2104188호에 상세히 기술되어 있다.

제1도의 실시예와 관련하여 좀더 상세히 기술하고자 하는바, 요부(28a, 28b, 28c)에 있는 오일은 피스톤에 의해 발생된 잡음레벨을 감소시키는 피스톤의 측방향운동에 대한 완충효과를 제공할뿐만 아니라, 베어링 부위에 적당한 유체역학적 윤활을 제공한다.

많은 변경이 있을 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예컨대 지지면은 하나, 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 지지부위 및/또는 모든행 또는 각각의 행에 요부를 가진 지지부위의 한개나 둘이상의 밴드에 의해 형성될 수도 있다. 그 요부는 측경사부를 가지고 형성될 필요가 없다. 즉, 측변부에서 요부안으로 하향된 비교적 예리한 경사부가 있을 수도 있다. 요부는 상호연결될 수도 있다.

Claims

크라운과, 피스톤축과 거전핀구멍축을 포함하는 평면의 각각의 측면에 형성된 피스톤의 왕복 운동시에 추력을 실린더 또는 라이너에 전달하기 위한 지지면으로 구성시켜서된 내연기관이나 압축기용 피스톤에 있어서, 상기의 추력전달 지지면에는, 축방향으로 이격된 주변 연장변부(19; 29)와, 적어도 한개의 요부와 인접 지지면(15; 23)사이에서 각각의 변부에 형성시킨 경사부(20) 및 주변방향으로 연장된 경사부(21)에 의해서 주변적으로 인접된 지지면에 연결시킨 기저부(30)를 포함하는 적어도 한개의 오일유지요부(18; 28)를 형성시키되, 상기의 기저부와 경사부를 상기의 요부의 변부(22)사이로 연장시켜서, 왕복운동시에 상기의 요부가 피스톤의 측방향 운동을 감쇠하기 위해서 윤활유를 유지함을 특징으로 하는 피스톤.
제1항에 있어서, 요부의 최대깊이가 인접지지면 하측으로 125㎛ 이하임을 특징으로 하는 피스톤.
제1항 내지 제2항중 어느 하나에 있어서, 상기의 적어도 한개의 요부가 상기의 지지면(15, 23)에 제공된 적어도 두개의 요부(18a, 18b, 18c; 28a, 28b, 28c)중 하나임을 특징으로 하는 피스톤.
제3항에 있어서, 상기의 요부(18a, 18b, 18c; 28a, 28b, 28c)를 상기의 지지면(25; 27)에서 측방향으로 이격된 적어도 두개의 행에 배치시킴을 특징으로 하는 피스톤.
제3항에 있어서, 두개의 행중 각각의 행에는 적어도 한개의 요부를 형성시킴을 특징으로 하는 피스톤.
제5항에 있어서, 한개의 행에 있는 적어도 한개의 요부(18a; 28a)를 인접행에 있는 요부(18b, 18c; 28b, 28c)중 적어도 한개에 대해 주변적으로 엇갈리게 하여 상기의 한개의 행의 적어도 한개의 요부와 인접행의 적어도 한개의 요부사이에 어떠한 축방향 중첩이 생기지 않거나 실질적으로 없도록 함을 특징으로 하는 피스톤.
제3항에 있어서, 피스톤축과 거전핀구멍축을 포함하는 평면의 각각의 측면에 있는 지지면(15)을 단일의 연속면으로 형성시키되, 상기의 면에는 적어도 한개의 요부(18a, 18b, 18c)를 제공시킴을 특징으로 하는 피스톤.
제7항에 있어서, 피스톤 축과 거전핀구멍축을 포함하는 평면의 각각의 측면에 있는 지지면(23)을 다수의 불연속 지지부위(23a, 23b)로 형성시키되, 상기의 불연속 부위에는 적어도 한개의 요부를 제공시킴을 특징으로 하는 피스톤.
제8항에 있어서, 지지면(15; 23)을 피스톤의 스커어트(13)에 형성시키되, 상기의 스커어트의 방사상 외측으로 이격시킴을 특징으로 하는 피스톤.
제9항에 있어서, 지지면(23^a, 23^b)에는 상기의 지지면과 상기의 스커어트 사이에 있는 대체로 축방향으로 연장된 변부(25)를 형성시키고 경사부(24)를 상기의 변부와 스커어트 사이에 형성시킴을 특징으로 하는 피스톤.
제10항에 있어서, 지지면(15; 23)에는 상기의 지지면과 상기의 스커어트 사이에 있는 대체로 주변방향으로 연장된 변부(27)를 형성시키고, 경사부(17; 26)를 상기의 변부와 스커어트 사이에 형성시킴을 특징으로 하는 피스톤.