[[엔진학]]메인무빙시스템 / 피스톤

[뉘앙스]

메인무빙시스템 / 피스톤

 

개요

피스톤은 동력행정에서 고온, 고압의 가스압력을 받아 실린더 안을 왕복운동하며 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 회전력을 발생하는 일을 한다. 따라서 피스톤은 왕복운동에 따른 관성력을 작게 할 목적으로 가벼워야 하며 다음으로는 열팽창을 최소화하기 위해 열전도율이 좋아야 한다. 또한 열변형이 적어야 한다.

※ Y합금 : 알루미늄+구리+니켈
※ 로-엑스 : 알루미늄+규소+(소량의 규소+니켈)

분류

피스톤의 분류에는 캠 그라운드 피스톤, 솔리드피스톤, 슬리퍼 피스톤, 스플릿 피스톤, 인바아 스트럿 피스톤, 오프셋 피스톤 등 여러 종류가 있다.

캠 그라운드 피스톤(Cam ground piston)

타원형 피스톤이라고도 하며 피스톤 핀을 지지하는 보스 부분은 핀의 마찰에 의해 온도가 높아지므로 열팽창을 고려하여 상온에서 핀 보스부의 직경을 작게 하고 핀 직각 방향으로는 직경을 진원에 가깝게 한다. 경합금 피스톤에 주로 사용한다.

스플릿 피스톤(Split piston)

스플릿 피스톤은 측압이 적은 스커트 윗쪽에 세로의 홈을 두어 열이 스커트 부분으로 전달되는 것을 제한하여 측압 및 온도의 상승에 따른 변형을 방지한다.

인바아 스트럿 피스톤(Inver strut piston)

열 팽창계수가 적은 인바아 스트럿을 스커트 위 부분에 넣고 일체 주조하여 만든 피스톤으로 온도변화에 따른 피스톤 간극을 일정하게 유지할 수 있다.

슬리퍼 피스톤(Slipper piston)

슬리퍼 피스톤은 측압을 받지 않는 부분의 스커트 부분을 절개한 모양으로 피스톤의 무게와 슬램을 줄여 고속 엔진용으로 사용된다.

솔리드 피스톤(Solid piston)

솔리드 피스톤은 스커트 부에 열에 의한 변형을 방지하는 홈(slot)이 없고 통형(solid)으로 되어 있어 정숙한 운전보다는 가혹 조건에 주로 사용되는 엔진이다.

옵프셋 피스톤(Off-set piston)

옵프셋 피스톤은 슬램을 방지하기 위해 피스톤의 중심에서 피스톤 핀의 위치를 1mm~2.5mm 정도 편심하여 제작된 피스톤 이다.

[ 슬램 ]
상사점에서 피스톤은 측압을 받는 면이 전환되므로 이때 피스톤 간극 만큼 피스톤이 이동하여 실린더 벽을 치는 소음을 말한다.

구성

피스톤은 여러가지 구성품으로 이루어져 있다, 헤드, 링지대, 스커트부, 보스부 등이 피스톤의 골격을 이루고 있고 부수적으로 피스톤 핀, 피스톤 링 등이 장착된다.

피스톤 헤드(Piston head)

피스톤 헤드는 고온 고압에 노출되는 부분으로 연소실의 일부를 형성하고 있고 뒤면에는 리브(rib)를 두어 헤드부의 열을 피스톤 링이나 스커트부로 전달 및 보강의 역할을 한다. 피스톤 헤드의 형상에 따라 다음과 같은 종류가 있다.

피스톤 링지대(Piston ring belt)

피스톤 링지대는 피스톤 링을 끼우기 위한 (ring groove)과 홈과 홈사이를 랜드(land)라 하며 링홈에는 남는 오일을 배출시키는 배유구가 있다. 일부에는 헤드부의 열이 스커트로 전달되는 것을 방지하기 위하여 히트댐(heat dam)을 설치한 것도 있다.

피스톤 보스부(Piston boss)

피스톤 보스부는 피스톤 핀이 장착되며 두껍게 되어 있다.

피스톤 스커트부(Piston skirt)

피스톤 스커트는 피스톤의 측압을 받는 부분으로 왕복운동을 안정화시키는 역할을 한다.

피스톤 링(Piston ring)

피스톤 링은 링홈에 2~3개의 압축링 및 오일링이 장착되며, 압축 및 팽창행정에서 연소실내 기밀을 유지하며, 피스톤의 열을 실린더 벽으로 전달하는 역할을 한다. 또한 실린더 벽의 오일을 회수한다. 피스톤 링의 재질은 일부가 절개된 특수주철 또는 강철제 링으로 원심주조법으로 제작된다.

<피스톤 링의 작용>

[ 압축링 ]
압축링은 피스톤의 압축 및 폭발행정 시 연소실내의 혼합기와 연소가스의 누출을 방지하기 위한 기밀작용을 하며, 또한 폭발행정에 의한 피스톤 헤드의 고온에 의한 열 변형을 방지하기 위하여 실린더 벽으로 피스톤 헤드의 열을 방출하며, 피스톤 상승 시 피스톤링에 고여 있는 오일에 의해 윤활작용을 한다.

[ 오일링 ]
오일링은 윤활작용에 의한 실린더 벽의 엔진오일을 피스톤이 하강하면서, 남는 오일을 회수하는 기능을 한다. 회수된 오일은 피스톤 오일링 홈에 있는 배유구를 통해 오일팬으로 되돌아간다.

[ 피스톤 링 절개부 간극(end gap) ]
피스톤 링 절개부 간극은 피스톤의 상하왕복 운동 시 연소실의 고온, 고압에 따른 열팽창을 고려하여 틈새를 두었으며, 간극이 클때는 연소실내 가스의 누설 및 엔진오일이 연소실로 유입되므로 엔진오일 소모가 많다. 또한 간극이 작으면 열팽창으로 인한 실린더벽의 손상 및 고착을 일으키기 쉽다.

피스톤 핀(Piston pin)

피스톤 핀은 피스톤과 커넥팅로드 소단부를 연결하는 핀으로 피스톤 보스부에 장착되며 피스톤에 가해지는 폭발력을 커넥팅로드를 통해 크랭크축에 전달하는 역할을 한다. 핀의 고정 방식에 따라 고정식, 반부동식, 전부동식으로 분류 한다.

고정식	고정식은 피스톤 보스부에 피스톤 핀을 고정하는 방식으로 커넥팅로드 소단부에 구리 부싱을 삽입한 방식이다.
반부동식	반부동식은 커넥팅로드 소단부에 클램프레 피스톤 핀을 볼트로 고정시키는 방식이다.
전부동식	전부동식은 피스톤 핀이 커넥팅로드나 피스톤 보스부에 고정되지 않고 자유롭게 회전하며 핀의 양끝단에 스냅링을 설치한 방식이다.

피스톤 작동도