KR20090070350A - Ｔｏｐ Ｌａｎｄ 부에 이종 재질을 갖는 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진용 피스톤에 대한 것으로서, 피스톤(20)의 탑 랜드부(21)에 피스톤(20) 본체의 재질보다 열팽창 계수가 큰 이종 재질로 된 밴드부(100)를 구비하여, 엔진 운전시 상기 이종 재질로 된 밴드부(100)의 열팽창에 의해 엔진의 Dead Volume을 감소시켜 줄 수 있는 엔진용 피스톤에 대한 것이다.

피스톤, 연소실, 이종재질, 열팽창

Description

Ｔｏｐ Ｌａｎｄ 부에 이종 재질을 갖는 피스톤{PISTON HAVING TOP LAND PORTION MADE OF DIFFERENT MATERIAL FROM THE OTHER PART OF THE PISTON}

본 발명은 엔진용 피스톤에 대한 것으로서, 피스톤(20)의 탑 랜드부(21)에 피스톤(20) 본체의 재질보다 열팽창 계수가 큰 이종 재질로 된 밴드부(100)를 구비하여, 엔진 운전시 상기 이종 재질로 된 밴드부(100)의 열팽창에 의해 엔진의 Dead Volume을 감소시켜 줄 수 있는 엔진용 피스톤에 대한 것이다.

일반적으로 차량의 엔진에 사용되는 피스톤(20)은 실린더 블록의 실린더(10) 내를 왕복하는 것으로, 팽창행정에서 고온 및 고압의 가스압력을 받아 이것을 커넥팅 로드를 거쳐서 크랭크 축에 회전력을 주게 된다.

이러한 피스톤(20) 중 피스톤의 헤드부분은 약 2000℃ 이상의 연소가스에 의해 노출되고, 통상 40∼60kgf/cm²의 압력을 단시간에 충격적으로 받을 뿐 아니라 실린더 내를 고속도로 운동하므로 실린더 벽과의 사이에 강한 마찰이 발생된다.

따라서 피스톤(20)은 상술한 악조건 하에서 그 기능을 수행해야 하기 때문에 가스누설이 없는 구조이면서도 윤활을 위해 어느 정도의 틈새가 유지되어야 하며, 강도가 강하면서 가벼운 재질을 사용하여 제조되어야 한다. 최근 대부분의 피스톤은 강철 또는 알류미늄 합금재를 사용하여 중력주조에 의해 성형 가공된다.

이와 같은 종래의 차량 엔진용 피스톤(20)은 도 2에서 나타낸 바와 같이 상부에는 대략 3개 정도의 피스톤 링 홈(23)이 형성되며, 상기 피스톤 링의 상부 및 피스톤 링 홈(23) 사이에는 탑 랜드부(21)를 포함하는 랜드부(22)가 형성된다.

상기 피스톤 링 홈(22)에는 도시하지 않은 각각의 피스톤 링이 끼워지며, 이러한 피스톤 링은 압축과 팽창가스 압력에 대해서 연소실(30)의 기밀을 유지하는 기능을 지니면서 실린더(10) 벽면의 오일을 긁어내리는 기능을 수행하게 된다.

또한, 피스톤(20)은 실린더(10) 내의 고온 환경 하에서 작동하는 관계로 열팽창이 크게 이루어지므로 피스톤(20)의 성능과 관련하여 열팽창이 중요한 요소이다. 이러한 피스톤(20)의 열팽창을 고려하여, 상기 피스톤(20)과 상기 실린더(10)의 내부 벽면 사이에는 일명 "데드 존(Dead Zone)(40)"이라고 하는 일정한 간격의 소정 공간(40)을 둔다.

한편, 상기한 피스톤(20)의 가장 윗부분에 위치한 탑 랜드부(21)는 피스톤(20)의 왕복 행정시 실린더(10) 내의 벽면과 접촉되고, 또한 폭발행정으로 인해 피스톤(20) 상단 표면의 압력이 집중되는 곳이므로 상단한 스트레스가 가해지기 때문에 다른 랜드(22)보다 두껍게 형성되어, 충분한 강도와 내마모성을 지니게 된다.

그러나, 종래의 차량 엔진용 피스톤은 피스톤(20)의 열팽창과 사용상 안전 등을 고려하여 상기 데드 존(40)이 어느 정도의 크기를 가지게 되며, 그 결과 상기 데드 존에 의하여 형성되는 데드 볼륨(Dead Volume) 역시 항상 어느 정도 존재하게 된다.

한편, 엔진 운전시 연소실의 폭발로 인하여 피스톤 뿐만 아니라 실린더 역시 부피 팽창 하는데, 그 부피 팽창의 결과 피스톤(20)의 가장 윗부분에 형성된 탑 랜드부(21)의 외주면과 실린더(10)의 벽면 사이의 데드 존(40)은 더 커지게 된다.

이러한 데드 존(40)이 커지면 커질수록 불완전 연소에 의한 배기가스가 많이 발생되며 또한 엔진의 출력이 감소하고, 연료소비량이 증가하고 또한 연소실 내로 들어오는 오일의 양도 늘어나게 된다.

이에 엔진 운전시 상기 데드 존(40)의 부피를 줄여 데드 볼륨(Dead Volume)을 줄이는 것이 엔진 성능 향상을 위해 필요하다.

이에 본 발명에서는 엔진 운전 조건에서 피스톤의 구성을 개량하는 것만으로 엔진의 Dead Volume을 줄일 수 있도록 하는 구성이 개량된 피스톤을 제공하고자 한다. 따라서, 본 발명에서는 피스톤(20)의 탑 랜드부(21)에 피스톤(20) 본체의 재질보다 열팽창 계수가 큰 이종 재질로 된 밴드부(100)를 구비하여, 엔진의 Dead Volume을 감소시켜 줄 수 있는 엔진용 피스톤을 제공한다.

본 발명은 엔진의 실린더(10)에 삽입되어 사용되는 엔진용 피스톤(20)으로서, 상기 피스톤의 상부에는 1 개 이상의 랜드부가 형성되어 있으며, 상기 1개 이상의 랜드부 중 가장 윗부분에 위치한 탑 랜드부(21)에는 띠 형태의 밴드부(100)가 배치되어 있는 엔진용 피스톤을 제공한다. 여기서, 상기 띠 형태의 밴드부(100)는 상기 피스톤(20)의 다른 부분의 재질보다 열팽창 계수가 큰 재질로 이루어진 것이다.

즉, 본 발명에 의한 엔진용 피스톤(20)은 첨부된 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 피스톤의 상부에는 1 개 이상의 랜드부가 형성되어 있으며, 상기 1개 이상의 랜드부 중 가장 윗부분에 위치한 탑 랜드부(21)에는 상기 피스톤(20)의 본체 재질보다 열팽창 계수가 큰 재질로 된 띠 형태의 밴드 부(100)가 배치되어 있는 구조를 갖는다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 밴드부(100)의 재질은 열팽창 계수가 20~23 x10^-6/K 인 알루미늄 합금 재료이며, 상기 피스톤의 다른 부분의 재질은 열팽창 계수가 11~13 x10^-6/K 인 강철 또는 탄소강 재료인 것이 가능하다.

상기에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 엔진용 피스톤의 경우, 피스톤(20)의 탑 랜드부(21)에 피스톤(20) 본체의 재질보다 열팽창 계수가 큰 이종 재질로 된 밴드부(100)를 구비하여, 엔진 운전시 상기 이종 재질로 된 밴드부(100)의 열팽창에 의해 Dead Volume이 감소하며, 이에 따라 압축비가 상승한다. 상기와 같은 Dead Volume 의 감소에 의한 압축비 증가의 결과, 엔진의 출력 증가, Emission 감소, 연료 소비량의 감소 등의 효과를 나타낼 수 있고, 또한 연소실내로 들어오는 오일 소비량의 감소시킬 수 있다.

이하, 도면 및 실시예를 참고하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 피스톤의 구조를 보여주는 개략도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에서 제조한 피스톤의 규격을 보여준다.

<실시예 1 및 비교예 1>

비교예 1로서 강철 재질로 제조되되, 탑 랜드부(21)에 이종 재질의 재료로 된 밴드부를 구비하지 않는 피스톤을 제조한다.

또한 실시예 1로서, 상기 피스톤(20)의 강철 재질로 제조된 피스톤 본체의 탑 랜드부(21)에 상기 강철보다 열팽창 계수가 큰 알루미늄 합금으로 제조된 밴드부가 배치되어 있는 피스톤을 제조한다.

또한 본 발명의 일례에 따르면, 상기 밴드 부(100)는 두께 3~10mm이고, 높이 5~15mm이며 둘레길이는 상기 탑 랜드부(21)의 둘레 길이와 동일한 환형의 띠 형태인 것이 가능하다.

본 발명의 보다 구체적인 일례에 따르면 첨부된 도 4와 같은 규격을 갖는 피스톤을 제조할 수 있다. 구체적으로 지름 128mm, 스트로크(Stroke) 142mm인 실린더용의 피스톤으로서, 탑 랜드부의 길이가 20mm이고 탑 랜드부의 너비(width)가 25mm이고, 탑 랜드부의 클리어런스(Clearance)가 0.8mm인 피스톤에 대하여 높이(H)가 10mm이며, 두께(Thickness; T)가 5mm인 밴드부(100)를 상기 탑 랜드부에 배치할 수 있다.

구체적으로, 상기 강철(Steel)의 열팽창 계수(α_s)는 11~13 x10^-6/K 이며, 상기 알루미늄 합금의 열팽창 계수(α_A)는 20~23 x10^-6/K 이다.

한편, 본 발명의 비교예 및 실시예에서 제조된 피스톤(20)의 외경의 규격은 도 4에 나타난 바와 같다. 그 규격을 정리하면 하기와 같다.

Cylinder Bore Size(D): 128mm

Stroke(S): 142mm

Piston Top Land length(PTL): 20mm

Piston Top Land Width (PTW) : 25mm

Top land 부의 Clearance(TLC): 0.8mm

Top Dead Center 위치에서 Piston 과 Cylinder Head와의 Clearance(PCC) : 1mm

한편, 본 발명의 실시예에 따른 밴드부(100)의 높이(H)는 10mm이며, 상기 밴드부(100)의 두께(Thickness; T)는 5mm이다.

또한 연소실의 부피는 산술적으로 92333.37mm³이다.

<비교예 1에 의한 피스톤을 사용하는 엔진의 압축비 계산>

압축비는 아래의 수식에 의해 결정이 된다.

압축비 = (연소실 체적 + 행적 체적 + Dead Volume) / (연소실 체적 + Dead Volume)

여기서 상기 Dead Volume은 데드 존(dead zone; 40)의 부피이다. 이하에서는 상기 데드 존의 부피를 편의상 "Dead Volume"이라고 한다.

상기 식에 기초하여 하기의 순서에 따라 압축비를 계산할 수 있다.

(1) 밴드부(100)를 구비하지 않은 피스톤(20)을 사용하는 엔진의 압축비

- 행정 체적 계산

- Dead Volume 계산

따라서, 밴드부(100)를 구비하지 않은 피스톤(20)을 사용하는 엔진의 압축비는 하기와 같이 계산된다.

(2) 엔진을 운전하여 피스톤 온도가 상승하는 경우, 밴드부(100)를 구비하지 않은 피스톤(20)을 사용하는 엔진의 압축비( 비교예 1)

엔진의 운전시, 연료의 폭발로 인한 열전달로 피스톤(20)의 온도는 상승하게 된다. 피스톤(20)을 냉각시켜 주는 방식에 따라 상기 탑 랜드부(Top Land 부)의 온도에 많은 차이가 발생하기는 하지만, 일반적으로 탑 랜드부(21)는 200~350℃의 온도를 유지하도록 설계한다. 상기 탑 랜드부(21)의 온도가 200℃ 미만이 되면 과냉 각에 의한 마찰 손실이 증가하고, 350℃를 초과하면 피스톤 재료가 용해될 우려가 있기 때문이다.

따라서 여기서는 일반적으로 고려할 수 있도록 200 K 의 온도 차이가 발생한다고 가정한다.

한편 실린더 부분, 즉 실린더 라이너의 열팽창은 상기 탑 랜드부(21)에 밴브부(100)가 배치되었는지의 여부와는 관계가 없으므로, 따로 고려하지는 않도록 한다.

엔진 운전에 의한 피스톤(20)의 온도 상승에 따라 압축비를 계산하는 인자 중 변경하는 인자는 Dead Volume으로 한정하였다. 다른 인자들은 밴드부(100)의 유무와 관계없이 온도에 의해 변경하는 부분이라 고려하지 않기로 한다.

(3) 엔진을 운전하여 피스톤 온도가 상승하는 경우, 밴드부(100)를 구비하는 피스톤(20)을 사용하는 엔진의 압축비( 실시예 1)

탑 랜드부에 피스톤(20) 본체의 재질보다 열팽창 계수가 큰 이종 재질로 된 밴드부(100)를 구비하는 경우, 위에서 언급한 바와 같이 압축비 계산에 있어서 영향을 받는 부위는 Dead Volume 이며, 이 경우의Dead Volume은 아래와 같이 구할 수 있다.

또한, 이 경우의 압축비는 아래와 같이 구할 수 있다.

위의 결과에서 알 수 있듯이, 탑 랜드부에 피스톤(20) 본체의 재질보다 열팽창 계수가 큰 이종 재질로 된 밴드부(100)를 구비하는 경우, 상기 이종 재질로 된 밴드부(100)의 열팽창에 의해 Dead Volume이 감소하며, 이에 따라 압축비가 상승하는 것을 알 수 있다.

통상적으로 Dead Volume의 감소에 의해 압축비가 증가하게 되면, 엔진의 출력 증가, Emission 감소, 연료 소비량의 감소 등의 효과를 나타낼 수 있다.

도 1은 피스톤이 설치된 통상적인 실린더의 부분 단면도이다.

도 2는 도 1에서 A부분의 확대 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일례로서 피스톤의 탑 랜드부(21)에 밴드부(100)가 배치된 것의 일례를 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명에 일 실시예에서 제조한 피스톤을 보여주는 도면으로서, 탑 랜드부(21)에 밴드부(100)를 어떻게 배치하였는지를 보여준다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 실린더 20: 피스톤

21: 탑 랜드부 22: 랜드부

23: 피스톤 링 홈 30: 연소실

40: 데드 존(dead zone) 100: 밴드부

Claims (2)

1. 엔진의 실린더(10)에 삽입되어 사용되는 엔진용 피스톤(20)으로서,

   상기 피스톤의 상부에는 1 개 이상의 랜드부가 형성되어 있으며,

   상기 1개 이상의 랜드부 중 가장 윗부분에 위치한 탑 랜드부(21)에는 상기 피스톤(20) 본체의 재질보다 열팽창 계수가 큰 재질로 된 띠 형태의 밴드 부(100)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진용 피스톤.
2. 제 1항에 있어서, 상기 밴드 부(100)의 재질은 열팽창 계수가 20~23 x10^-6/K 인 알루미늄 합금 재료이며, 상기 피스톤의 다른 부분의 재질은 열팽창 계수가 11~13 x10^-6/K 인 강철 또는 탄소강 재료인 것을 특징으로 하는 엔진용 피스톤.

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