자동차 구조학 > 엔진 주요부 (2/4)

피스톤

구비조건

낮은 관성: 즉 낮은 질량

높은 강도

높은 열전도율

적은 열팽창률

블로바이X : 실린더와 피스톤 사이에서 혼합기가 미연소 가스로 크랭크 실로 누출되는 현상 없어야 함.

피스톤간 무게차X : 2%, 7g이내

구성

피스톤 헤드 : 안쪽에 리브 걸치, 피스톤 보강.

편평형: 일반적

오목형: 연소실의 크기(높이)가 줄지만, 헤드가 열 면적이 커짐

볼록형: 압축비 좋으며, 반구형이나 다구형에서 주로 사용. 피스톤 무겁고 가공이 어려움.

디플렉터형: 2행정에서 연소가스 배출 및 미연소 가스의 와류를 위한 것.

불규칙&벨브노치 : 흡배기 밸브와 피스톤헤드의 접촉을 피하고, 밸브의 양정(lift)확보.

링지대(ring belt)

링홍과 링홈 사이 - 랜드(land) 압축링홈은 2~3개, 오일링홈은 1개이며 구멍이 있음.

1번랜드에 좁은 홈을 파서, 헤드부의 고열이 스커트부로 못 가도록 막는 heat dam을 둘 때도 있음

스커트(skirt section)

측압 받는 부분.(trust) 피스톤의 지름 = 스커트부의 지름.

보스(boss)

강성을 위해 두꺼움. 피스톤 핀용 구멍 마련. 압력 및 마찰열에 의해 변형하므로 스러스트보다 작은 지름

재질

특수주철

열팽창 적음 > 피스톤 간극 적어짐.

슬랩 및 블로바이 현상 적음

강도 큼

비중이 높아 관성이 커서 > 고속용에는 못 씀

알미늄합금

열전도성 양호(주철보다)

비중 작음

출력에 유리하나

적은 강도와 큰 열팽창계수에서 단점.(주철보다)

구리계Y합금 피스톤, 규소계 Lo-Ex합금 피스톤, 고규소 합금 피스톤으로 대체.

피스톤간극

클 때: 블로바이 발생(압축행정), 엔진출력저하(폭발행정). 또 블로바이 가스에 의한 엔진오일 희석 혹은 카본에 오염 가능

피스톤 링의 기능 저하 > 오일 소비 증대. 피스톤 슬랩 현상 발생

작을때:실린더 병에 형성된 오일유막 파괴 > 마찰 증대 > 소착(소결)현상 발생.

알미늄 합금 피스톤의 종류

캠연마 피스톤

보스부: 두껍다 (피스톤 핀에 연결되어서)

피스톤 헤드 작용 압력 및 핀의 마찰에 의한 온도상승 고려, 열팽창이 스러스트보다 크다.

그래서 보스부 지름은 작고 스러스트부 지름은 크다. (타원)

0.1~0.3mm차이

쓰러스트부: 앏다

헤드: 지름 작다

스커트는 큰데, 이런 테이퍼 형상이 헤드의 열팽창에 의해 원기둥으로 변함.

스플릿 피스톤

U자 혹은 T자 슬롯이 링홈과 스커트 사이에 위치.

U,T의 세로부분은 피스톤에 탄성을 제공, 측압에 의한 변형을 줄임

가로부분은 헤드의 온도가 스커트부로 전도되는 것을 제한.

U의 둥근 부분은 응력집중 방지.

인바 스트럿 피스톤(invar strut piston)

니켈망간합금의 스트럿을 보스부에 넣거나

인바제의 링을 스커트 윗부분에 넣고 일체 주조

열팽창 억제, 일정 간극 유지

현재 많이 사용

슬리퍼 피스톤

보스부 스커트 없는 피스톤.

측압부 접촉 면적 최소화, 슬랩 감소

커넥팅 로드 짧게 가능

스커트부 마찰 손실 감소

보스부에 오일 고이기 쉬움

오프셋피스톤

피스톤중심과 피스톤핀중심의 위치를 편심시킴.

상서점 부근에서 행정 변경시 피스톤 경사와 변환시기를 늦춰 피스톤 슬랩을 감소시킴.

솔리드 피스톤

강도가 높고 열팽창이 적은 재질을 사용, 

스커트에 보상장치 없음

피스톤의 전체 지름이 동일.

피스톤링

금속제 링. 끝부분 잘려서 이음공백

기밀, 오일제어, 열전도(냉각) 의 3대 작용

압축 링: 기밀+ 냉각(헤드 연소열>실린더벽)

2~3개 위쪽으로.

오일 링: 벽에 비산되는 오일 긁어 연소실 유입 방지

1~2개 아래쪽으로.

피스톤 필 윤활 후 오일 팬으로 회귀

내 마멸성, 내열성, 장력, 일정압력, 열전도, 고온에서의 적은 장력변화

피스톤 핀

보스부에 설치. (헤드 - 보스(피스톤핀 설치) - 스커트)

고속 운동 > 관성 X > 가벼워야 함

연소가스 폭발력 vs 피스톤 관성력 > 압축 인장 이겨낼만한 강도

핀 표면 > 내 마멸성 (저탄소강, 내식경도내마멸 니켈크롬강, 내식내마멸내열성 니켈몰리브덴강)

>침탄법 or 고주파 경화법으로 표면 경화, 내면 그대로 > 높은 인성 유지

고정방법

고정식 : 볼트로 보스부에 고정, 커넥팅 로드는 자유단.

반-부동식: 클램프볼트로 '커넥팅 로드 소단부'에 고정. 피스톤 핀은 자유단. (주철피스톤은 보스부에 부싱 설치, 알미늄은 미설치)

전-부동식: 양 끝에 스냅링. 로드 소단부에 부싱. 

커넥팅 로드

구성

소단부

부싱(원통형 디스크 형태) 압입 으로 핀과 연결

대단부

크랭크 핀과 연결, 폭발 행정에서 헤드압력을 크랭크 축에 전달

크랭크 핀에 연결되는 부분.

평면 분할 베어링을 사이에 두고 베어링 캡으로 조립됨

본체

중량 가볍게 + 강도 높게 = I자 단면

실린더 벽 윤활을 위해 부측압 쪽 오일 구멍

피스톤 상사점 부근 시 오일이 실린더 벽에 분출

구비조건

압축 인장, 관성하중을 이길만한 강성과 강도

(니켈크롬-경도, 크롬몰리브덴-내열성, 고탄소강 이용. 형타 단조로 제작)

길이

소단부 중심선-대단부 중심선 사이의 길이

행정의 1.5~2.3배

길면 : 측압 적어 마멸 감소. 엔진 높아지고 무거워지고 강성 감소.

짤음 : 강성 증대, 중량 감소, 엔진고 감소(고속용엔진에 적합), 측압 증가, 실린더 마멸 증가.