KR20120011866A - 윤곽 플랜지를 구비한 중심 냉각 갤러리를 가진 피스톤 - Google Patents

윤곽 플랜지를 구비한 중심 냉각 갤러리를 가진 피스톤 Download PDF

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Abstract

상기 피스톤은 연소력이 작용하게 되는 상부 연소 벽을 구비한 상부 크라운부와, 사이에 커넥팅 로드의 작은쪽 단부를 수용하도록 이격되어 있는 한쌍의 핀 보스를 구비한 하부 크라운부를 가지고 있다. 상기 상부 크라운부와 상기 하부 크라운부는 서로 유체연통하는 외측 오일 갤러리 및 중심 오일 갤러리를 형성한다. 상기 중심 오일 갤러리는 부분적으로 상기 외측 오일 갤러리로부터 반경방향 내측으로 그리고 상기 상부 연소 벽을 향해 상향으로 상기 상부 연소 벽으로부터 이격된 자유 에지까지 뻗어 있는 플랜지에 의해 형성된다. 상기 자유 에지는 상기 중심 축선을 중심으로 하는 개구부를 형성하고, 상기 개구부를 가로질러 서로 직경방향 반대편에 정렬되는 함몰부들에 의해 비평면 최저면을 가지고 있어, 중심 오일 갤러리를 통한 오일 유동을 향상시킨다.

Description

윤곽 플랜지를 구비한 중심 냉각 갤러리를 가진 피스톤{PISTON HAVING A CENTRAL COOLING GALLERY WITH A CONTOURED FLANGE}
본 발명은 일반적으로 내연 엔진용 피스톤에 관한 것이고, 보다 상세하게는 중심 오일 냉각 갤러리를 가진 피스톤에 관한 것이다.
중심 오일 냉각 갤러리나 2개의 사실상 폐쇄된 오일 냉각 갤러리(이중 갤러리)를 가진 피스톤 구조가 알려져 있다. 이중 갤러리 피스톤은 상하의 크라운부 사이에 형성된 환형의 반경방향 외측 갤러리 및 개방된 중심 갤러리를 가지고 있다. 외측 갤러리와 중심 갤러리는 서로 단절되어 있거나 오일 통로를 통해 서로 연통되어 있을 수 있다. 또한, 한쪽의 또는 양쪽의 갤러리로부터 리스트 핀까지 핀 윤활제 통로를 제공하는 것이 알려져 있다. 윤활제 통로는 핀 보스의 리스트 핀 보어 내로 그리고/또는 횡방향으로 이격된 핀 보스들 사이로 연장될 수 있다. 외측 갤러리는 특히 피스톤의 링 벨트 영역을 냉각하는 데 적합한 한편, 중심 갤러리는 특히 고온의 연소 가스에 노출되는 연소 보울 벽에 의해 부분적으로 형성되는 중심 크라운 영역을 냉각하는 데 적합하다.
연소 보울과 중심 크라운 영역은 사용시에 극한의 열에 노출된다. 그 때문에, 전술한 중심 갤러리는 중심 갤러리 영역에 냉각을 적절히 제공하기 위해 충분한 오일 유동을 제공할 필요가 있다. 폐쇄형과 개방형의 양자의 중심 갤러리가 알려져 있지만, 중심 크라운 영역에 적절한 냉각을 제공하는 것에 문제가 남아 있다. 특히，중심 크라운 영역에 충분한 오일 유동을 제공하는 동시에 오일의 "쿠킹(cooking; 가열에 의한 변화)" 및 열화를 피하기 위한 지속적인 노력이 계속되고 있다. 중심 갤러리 영역으로 안내된 오일이 너무 오랜 기간동안 중심 갤러리 영역에 남아 있는 것이 허용되면, 오일은 쿠킹이 이루어지게 되어, 오일의 냉각과 윤활의 양자의 작용을 모두 저하시키게 된다. 다른 한편, 오일이 중심 갤러리 영역 바깥으로 너무 급속하게 유동하는 것이 허용되면, 중심 갤러리 영역에서의 오일의 냉각 작용이 저하되어, 잠재적으로 피스톤의 가용 수명을 감소시키게 된다.
본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 해소하여, 오일이 중심 갤러리 영역에 너무 오랜 기간동안 남아 있지 않게 하고, 또한 오일이 중심 갤러리 영역 바깥으로 너무 급속하게 유동하는 것을 방지할 수 있는 구성을 가진 피스톤을 제공하는 데 있다.
피스톤은 연소력이 작용하게 되는 상부 연소 벽을 구비한 상부 크라운부와, 사이에 커넥팅 로드의 작은쪽 단부를 수용하도록 이격되어 있는 한쌍의 핀 보스를 구비한 하부 크라운부를 가지고 있는 피스톤 보디를 포함하고 있다. 상기 한쌍의 핀 보스는 핀 보어 축선을 따라 서로에 대해 정렬된 핀 보어를 가지고 있다. 상기 상부 크라운부와 상기 하부 크라운부는 서로 유체연통하는 외측 오일 갤러리 및 중심 오일 갤러리를 형성한다. 상기 중심 오일 갤러리는 부분적으로 상기 외측 오일 갤러리로부터 반경방향 내측으로 그리고 상기 상부 연소 벽을 향해 상향으로 상기 상부 연소 벽으로부터 이격된 자유 에지까지 뻗어 있는 플랜지에 의해 형성된다. 상기 자유 에지는 개구부를 형성하고, 상기 개구부를 가로질러 서로 직경방향 반대편에 정렬되는 함몰부들에 의해 비평면 최저면을 가지고 있다.
본 발명의 상기의 양태, 특징 및 장점은 하기의 현시점에서 바람직한 실시예의 설명, 첨부의 청구범위 및 여기서 간단히 설명되는 첨부도면을 참조하면 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 현시점에서 바람직한 하나의 양태에 따라 구성된 피스톤의 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 대략 2-2선에 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 도 1의 대략 3-3선에 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 도 1의 피스톤의 하부 크라운부의 평면도이다.
도면을 보다 상세히 참조한다면, 도 1 내지 도 3은 현시점에서 바람직한 본 발명의 하나의 양태에 따라 구성된 피스톤(10)을 예시하고 있다. 피스톤(10)은 중심 축선(14)을 따라 뻗어 있는 피스톤 보디(12)를 가지고 있고, 중심 축선(14)을 따라 피스톤 보디(12)가 실린더 보어(도시 안됨) 내에서 왕복운동한다. 피스톤 보디(12)는 상부 연소 벽(18)을 가진 상부 크라운부(16)를 포함하고 있고, 도면에서 상부 연소 벽(18)은 하나의 예로서 그것에 국한되지 않는 오목한 연소 보울(20)을 제공하고, 실린더 보어 내에서 이 오목한 연소 보울(20)에 연소력이 직접 작용하여 극한의 열이 발생하는 위치를 제공한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 크라운부(16)는 적어도 하나의 환형의 상부 리브를 가지며, 도면에서는 상부 연소 벽(18)에서 각 자유 단부(26, 28)까지 아래로 뻗어 있는 한쌍의 환형의 상부 리브(이하, 상부 내측 리브(22) 및 상부 외측 리브(24)라 함)를 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 피스톤 보디(12)는 또한 하부 크라운부(30)를 포함하고 있고, 하부 크라운부(30)는 적어도 하나의 환형의 하부 리브를 가지며, 도면에서는 상부 리브(22, 24)의 자유 단부(26, 28)와 정렬되어 배치되는 각 자유 단부(36, 38)까지 뻗어 있는 한쌍의 환형의 하부 리브(이하, 하부 내측 리브(32) 및 하부 외측 리브(34)라 함)를 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 하부 크라운부(30)는 또한 하부 내측 리브(32)로부터 상부 연소 벽(18)을 향해 반경방향 내측으로 그리고 상향으로 뻗어 있는 환형 플랜지(40)에 의해 제공되는 내측 갤러리 플로어(62)와, 리스트 핀(49)을 수용하기 위해 핀 축선(41)을 따라 정렬된 한쌍의 리스트 핀 보어(43, 45)를 제공하도록 플랜지(40)로부터 아래로 뻗어 있는 한쌍의 핀 보스(42, 44)를 포함하고 있고, 핀 보스(42, 44) 사이에는 커넥팅 로드(47)의 작은쪽 단부를 수용하기 위한 공간(46)이 구비된다. 환형 플랜지(40)는 상부 크라운부(16) 내측으로 연장되어 상부 연소 벽(18)과 축선방향으로 이격된 관계에 있는 상부 환형 자유 에지(48)를 가지고 있고, 자유 에지(48)는 오일의 "쿠킹" 없이 최적의 냉각이 발생하도록 상부 연소 벽(18) 바로 아래에 최적의 오일 유동을 제공하기 위한 윤곽으로 형성되어 있다.
상부 크라운부(16)는 내측 및 외측 리브 자유 단부(26, 28)로부터 상부 링 벨트 영역(52) 내로 상향으로 형성되어 있는 환형 외측 오일 갤러리 포켓(50)과, 내측 자유 단부(26)로부터 연소 보울(20) 바로 아래까지 상향으로 형성되어 있는 환형 내측 오일 갤러리 포켓(54)을 가진 상태로 형성되어 있다. 하부 크라운부(30)는, 주조 또는 단조 공정 등으로, 내측 및 외측 리브 자유 단부(36, 38)로부터 하부 링 벨트 영역(58) 내로 하향으로 형성되어 있는 환형 외측 오일 갤러리 포켓(56)과, 내측 자유 단부(36) 및 플랜지 자유 에지(48)로부터 밸리 즉 플로어(62)까지 하향으로 형성되어 있는 환형 내측 오일 갤러리 포켓(60)을 가진 상태로 형성되어 있고, 플로어(62)는 외측 오일 갤러리 포켓(56)의 플로어(63)에 대해 축선방향으로 상승된 위치에 있다. 상부 크라운부(16)를 하부 크라운부(30)에 부착할 때, 도면에 대략 폐쇄된 외측 오일 갤러리(64)로 도시된 환형 외측 오일 갤러리 및 내측 즉 중심 오일 갤러리(66)가 형성된다. 외측 오일 갤러리(64)는 외측 리브(24, 34) 및 내측 리브(22, 32)에 의해 한정되는 한편, 중심 오일 갤러리(66)는 플랜지(40)에 의해 부분적으로 형성되고 한정되며, 플랜지(40)는 외측 오일 갤러리(64)로부터 자유 에지(48)까지 반경방향 내측으로 뻗어 있다. 피스톤(10) 냉각을 용이하게 하기 위해, 하나 이상의 오일 유동 통로가 하부 리브(32, 34) 및/또는 플랜지(40)에 구비된다. 예컨대，도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 한쌍의 오일 통로(68)가 대략 핀 보어 축선(41)을 따라 하부 내측 리브(32)를 통해 뻗어 있고, 도 3에 도시된 바와 같이, 한쌍의 오일 통로(70)가 대략 핀 보어 축선(41)의 횡단방향으로 하부 내측 리브(32)를 통해 뻗어 있어, 외측 오일 갤러리가 중심 오일 갤러리(66)와 유체연통되도록 만든다. 오일 통로(68, 70)는 외측 오일 갤러리(64)의 최하부로부터 내측 오일 갤러리 포켓(60)의 플로어(62)까지 상향으로 뻗어 있다. 또한，도 4에 도시된 바와 같이, 한쌍의 입구와 출구의 오일 유동 개구부(72, 73)가 서로 직경방향 반대편에서 축선(41)에 대해 대략 45도로 외측 오일 갤러리 포켓(56)의 최하부 플로어(63)를 통해 뻗어 있다. 그리하여, 크랭크케이스로부터의 오일이 입구 개구부(72)를 통해 외측 오일 갤러리(64) 내로 상향 유동할 수 있고, 그 후에 오일은 외측 오일 갤러리(64)를 돌아 순환하고, 오일 유동 통로(68, 70)를 통해 일부 개방된 중심 오일 갤러리(66) 내로 관류하게 된다. 또한, 오일은 출구 개구부(73)를 통해 외측 오일 갤러리(64) 바깥으로 하향 유동할 수 있다. 또한，중심 오일 갤러리(66)로부터 리스트 핀/커넥팅 로드 조인트 영역으로의 오일의 유동을 용이하게 하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 한쌍의 오일 통로(74)가 플랜지(40)를 통해 뻗어 있고, 통로(74)는 내측 오일 갤러리 포켓(60)의 플로어(62)로부터 핀 보스(42, 44) 사이의 공간(46)으로 반경방향 내측으로 하향으로 뻗어 있다. 오일 통로(74)는 도면에서 대략 핀 보어 축선(41)의 방향을 따라 뻗어 있는 것으로 도시되어 있다.
환형 플랜지(40)는 원주방향으로 연속적인 원형 또는 둥근 벽으로서 형성되고, 대략의 오목면을 가진 플로어(62)를 제공하도록 내측 리브(32)로부터 반경방향 내측 방향으로 상향으로 만곡 경로를 따라 뻗어 있는 것으로 예시되어 있다. 플로어(62)는 필요에 따라 단면 직선형 표면 또는 볼록면을 가지도록 구성될 수도 있다는 것을 인지하여야 한다. 그것에 국한되지 않는 하나의 예시로, 플랜지(40)는 내측 및 외측 하부 리브(32, 34)의 높이에 근접한 높이로 자유 에지(48)까지 뻗어 있어, 자유 에지(48)의 일부분은 리브(32, 34)(예컨대 용접 조인트에 의해 서로 부착되는 자유 단부(26, 28; 36, 38)의 위치)와 동일 평면상에 있거나 거의 동일 평면상에 있을 수 있다. 그리하여, 내측 리브(32)와 플랜지(40)는 함께 중심 오일 갤러리(66) 전체를 통한 오일의 유동을 조절하는 환형 오일 수집 저류지(basin)를 형성한다. 그와 같이 형성되었을 때, 플랜지(40)는 당해 플랜지(40)의 플로어(62)와 상부 연소 벽(18)의 바닥면(76) 사이에 칵테일 셰이커와 유사한 "오일 세이크"를 제공하는 기능을 하고, 중심 오일 갤러리(66)가 밀폐되어 있지 않기 때문에, 오일은 플랜지(40)의 바닥면(78)에 튀게 된다. 오일은 중심 오일 갤러리(66)를 통해 관류하는 한편, 오일의 일부는 오일 통로(68, 70)를 통해 리스트 핀(49), 핀 보어(43, 45) 및 커넥팅 로드의 작은쪽 단부 사이에 형성된 핀 보어 조인트를 향해 유동할 수 있고, 나머지 오일은 플랜지의 상부 자유 에지(48)에 의해 형성되는 환형 상부 개구부(80)를 통해 안내될 수 있다. 개구부(80)는 중심 축선(14)을 중심으로 하여 원형 또는 대략 원형의 개구부로서 형성되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 개구부(80)는 케넥팅 로드(47)의 자유 단부의 폭(W)과 동일하거나 거의 같은 직경을 가진 크기로 되어 있고, 또한 개구부(80)를 통과하는 상대적으로 차가운 공기와의 자유로운 열교환을 제공한다.
중심 오일 갤러리(66)를 통한 오일의 유동을 조절함에 있어 추가적인 도움을 주기 위해, 환형 자유 에지(48)는 비평면의 윤곽을 가진 상부면(82)을 가진 상태로 형성되어 있다. 비평면 상부면은 이하 함몰부(84)로 언급되는, 플랜지(40) 내부로 하향 형성된 한쌍의 오목한 스캘럽(scallop)에 의해 제공된다. 함몰부(84)는 개구부(80)를 가로질러 서로 직경방향 반대편에 형성되고, 각각의 함몰부(84)는 대략 5 내지 45도 사이의 각도에 해당하는 범위에 걸쳐 있다. 한쌍의 함몰부(84) 사이에 뻗어 있는 플랜지 상부면(82)의 일부는 평면 또는 대략 평면인 표면(86)을 가진 상태로 형성되어 있다. 오일이 원하는 위치로 최적으로 안내되는 것을 보장하기 위해, 한쌍의 함몰부(84)는 핀 축선(41)을 따라 형성되며, 도면에서는 서로에 대해 거울 대칭인 상태로 핀 축선(41)을 따라 중심맞춤되어 있는 것으로 예시되어 있다. 함몰부(84)는 평면 표면(86)과의 완만한 무단차의 천이부(tansition)를 가진 상태로 형성될 수 있다. 또한, 함몰부(84)는 당해 함몰부의 최저부가 핀 축선(41) 위에 일직선으로 정렬되거나 대략 일직선으로 정렬된 상태의 오목한 윤곽을 가진 상태로 형성될 수 있다.
명백히，본 발명의 수많은 수정 및 변경이 이상의 교시에 비추어 이루어질 수 있다. 예컨대, 피스톤은 단일의 강 주조 공정으로 형성되는 등에 의해 일체식 재료편(monolithic piece of material)으로서 형성될 수 있도록 시도될 수 있다. 따라서, 첨부의 청구범위의 범위 내에서 본 발명은 전술한 특정 실시예와 다른 방식으로 실시될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 피스톤에 있어서, 상기 피스톤은:
    상기 피스톤이 왕복운동하면서 따르게 되는 중심 축선을 따라 뻗어 있고, 연소력이 작용하게 되는 상부 연소 벽을 구비한 상부 크라운부와, 사이에 커넥팅 로드의 작은쪽 단부를 수용하도록 이격되어 있는 한쌍의 핀 보스를 구비한 하부 크라운부를 가지고 있는 피스톤 보디로서, 상기 한쌍의 핀 보스가 핀 보어 축선을 따라 서로에 대해 정렬된 핀 보어를 가지고 있고, 상기 상부 크라운부와 상기 하부 크라운부가 서로 유체연통하는 외측 오일 갤러리 및 중심 오일 갤러리를 형성하게 되어 있는 피스톤 보디를 포함하고 있고,
    상기 중심 오일 갤러리는 부분적으로 상기 외측 오일 갤러리로부터 반경방향 내측으로 그리고 상기 상부 연소 벽을 향해 상향으로 상기 상부 연소 벽으로부터 이격된 자유 에지까지 뻗어 있는 플랜지에 의해 형성되고, 상기 자유 에지는 상기 중심 축선을 중심으로 하는 개구부를 형성하고, 상기 개구부를 가로질러 서로 직경방향 반대편에 정렬되는 함몰부들에 의해 비평면 최저면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 함몰부들은 상기 핀 보어 축선을 따라 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 자유 에지는 상기 함몰부들 사이에 뻗어 있는 평면 표면들을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 함몰부들은 상기 평면 표면들로 완만하게 천이하는 오목면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 개구부는 원형인 것을 특징으로 하는 피스톤.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 개구부는 상기 중심 축선을 중심으로 중심맞춤되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 개구부는 상기 커넥팅 로드의 작은쪽 단부의 폭과 거의 같은 직경을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 함몰부들의 각각은 대략 5 내지 45도 사이의 각도에 해당하는 범위에 걸쳐 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 크라운부는 자유 단부까지 뻗어 있는 환형 리브를 가지고 있고, 상기 하부 크라운부는 자유 단부까지 뻗어 있는 환형 리브를 가지고 있고, 상기 자유 단부들은 용접 조인트에 의해 서로에 대해 부착되고, 상기 자유 에지의 일부분은 상기 용접 조인트와 거의 동일 평면상에 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
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