KAWASAKI 310 ENGINE NEW PISTON STORY
코리아서커스 가와사키 제트스키 스토리 URTRA 310 시리즈
Q, 피스톤이란 무엇인가?
A, 엔진의 동력을 만드는 기본적인 파츠
연료가 폭발해서 발생하는 에너지을
이용하여 동력으로 전환시킨다
Q, 어떤 작동을 하는가?
A, 피스톤은 실린더의 가운데에서 상하의 움짐임을 반복한다.
이 움직임이 컨넥팅로드를 통하여 크랭크샤프트로 전달된다.
그래서 크랭크샤프트가 상하 움직임을 회전운동으로 변환한다.
4사이클 엔진의 피스톤의 움직임
흡입 ▷ 압축 ▷ 폭발 ▷ 배기
*INTAKE(흡입)
크랭크의 회전운동에 의해서 피스톤이 내려간다. 동시에 흡기밸브가 열리고, 혼합기(공기와 가솔린)이 실린더 내부로 보내진다. 그리고 피스톤이 최하단부(하사점)에 오면 흡입밸브가 닫힌다.
*COMPRESSION(압축)
피스톤이 상승하면, 혼합기를 압축시킨다. 피스톤이 최상부(상사점) 까지 올라가면, 혼합기는 최고로 압축되며, 여기서 스파크플러그가 점화되어 혼합기가 폭발한다.
*COMBUSTION(폭발)
압축된 상태에서 점화되면, 혼합기는 한번에 발화한다. 이 폭발력이 피스톤을 강렬하게 밀어내린다. 동시에 배기밸브가 조금씩 열려져 간다. 피스톤이 내려갈때 까지 흡기밸브는 닫혀진 상태.
*EXHAUST(배기)
피스톤이 하사점까지 내려가면, 실린더 내부는 폭발가스(배기가스) 가득찬다. 다시 피스톤이 올라가면 배기밸브가 열린다. 배기가스는 이순간 배기관을 경유해 머플러로 배출된다.
Q, [피스톤은 무엇으로 만들어졌나?
A, 대부분의 피스톤이 '알미늄합금'으로 만들어져 있다.
피스톤은 엔진파츠 중에 서도 가장 운동량이 많다. 여기에 극도의 압력과 온도가 변화하는 과도한 조건속에서 사용되어, 열을 곧바로 날려보내는 능력에도 뛰어나지 않으면 안된다. 피스톤의 소재로 요구되는 것은 , [경량] [고강성] [고열강도] [고내마모] [고열전도] 이상 5가지. 이런 조건을 충족시켜, 가격과 생산성에도 우수한 소재가 알미늄 합금이다.
Q, 구조는 어떻게 되어있는가?
A,피스톤은 중공의 알미늄 물체.
측면에는 [피스톤링]라고 불려지는 금속제의 링을 꽂을수 있도록 3열의 홈이 있다.
피스톤 측면
피스톤 하부의 스커트 라고 불려지는 부분은 중공(비어있음) 부하를 많이 받는 피스톤핀 주위만 두껍게 되어있다.
피스톤 상단부
탑부분의 형상은 완전 평면이 되지않으면 안된다.
높은 압축을 만들고, 크게 모아서 올리거나, 옆으로 압축을 보내기 위해서 안쪽으로 들어간 모양도 있다. 여기서 자연흡기 엔진과 과급기 엔진의 피스톤은 나눠진다. 전자가 자연흡기, 후자가 과급기 사양인 경우가 많다.
피스톤 제조방법
생산성과 가격을 중시하여 양산품의 경우에는 주조 방법으로 만드는게 일반적이다. 다만 레이싱엔진과 튜닝엔진에는 연소상황에 내구성과 고강도가 필요하므로 단조 피스톤이 사용된다.(사진은 야마하 SVHO 주조 피스톤)
피스톤 탑
피스톤 머리부분. 폭발행위를 직접받아 열을 순간적으로 실린더로 전파시킨다.
탑링 라인
피스톤 링이 장착되는 가상 위쪽 홈
세컨링 라인
피스톤 링이 장착되는 가운데 홈
오일링 라인
오일 링이 장착되는 홈
피스톤 핀 홀
이 홀에 피스톤핀이 삽입되어 컨넥팅 로드와 고정된다
탑 랜드
피스톤 탑에서 탑 링 사이의 부분. 여기를 두껍게 할수록 피스톤의 강도가 강해진다.
세컨 랜드
탑 링과 세컨 링 사이의 간격
서드 랜드
세컨링과 오일링 사이의 간격
스커트
피스톤의 기초가 되는 부분. 피스톤이 실린더 안에서 기울어짐을 방지한다.
Q, 피스톤링 이란 무엇인가?
A, 피스톤이 실린더 안에서 효율적인 작동과, 엔진성능과 내구성을 향상 시키기 위하여 존재한다
피스톤링 의 사양
*두께가 mm단위의 금속제 링으로, 한 부분이 잘라진[C]의 형상으로 되어 있다.
*자체의 장력(바깥으로 밀어내는힘)으로 실린더와 밀착되어, 실린더 내부의 기밀성을 높힌다.
*링은 위에서 부터 " 탑링" , "세컨더 링" , "오일 링" 으로 불려진다.
*각각의 링은 다른 역할을 하며, 기밀성을 만들어 낸다.
피스톤 링의 역할
1)연소가스와 불연소가스 가스의 누출을 방지
연료가 폭발시 발생하는 가스와 불연 혼합기와, 가솔린이 피스톤과 실린더 사이에서 밑으로 내려가지 않도록 밀폐시킨다. 탑 링과 세컨 링의 역할이다.
2)유량을 콘트롤 한다.
정제된 윤활오일이 연소실 (피스톤 탑 과 실린더 천정안의 공간)에 들어가지 않도록 실린더 표면의 윤활을 조절한다. 세컨링과 오일 링의 역할이다.
3)열전달 기능
연료의 폭발에 의한 피스톤 탑의 온도는 약 300~400˚C 까지 올라간다. 이 열을 실린더로 보내고, 피스톤을 냉각 시킨다. 탑 링의 역할이다.
4)피스톤 의 자세유지
피스톤이 기울어지지 않도록 하며, 부드럽게 상하 움직임을 하도록 보조한다.
A
연소에 의해서 발생되는 압력파가 피스톤의 측면에서 아래로 누출되면 피스톤을 눌러 내리는 힘이 감소하며, 엔진 파워를 감소 시킨다.
B
피스톤 링이 자체의 장력으로 실린더에 밀착되어 있기 때문에 연소실의 기밀성이 유지된다. 정확한 엔진의 성능을 만들어 내는것이 가능하다.
자주 발생하는 트러블 #1 노킹
"노킹" 이라는 것은 혼합기의 이상연소에 의해서 발생되는 폭발파와, 통상 연소에 의한 압력파가 부딪히거나, 이런 현상에 의해 실린더의 내벽과 피스톤이 파동되는 현상.
이상연소가 일어나는 메카니즘
①피스톤 탑에서 탑 링 까지의 거리 (크래피스 볼륨)에는 화염이 가지않아 불연소 혼합기와 가솔린이 머물기 쉽다.
②크래피스 볼륨에 남아 있는 불연소 혼합기가 고온과 압축에 의해서 자연발화.
③통상의 연소에 의한 폭발과, 불연소 혼합기에 의한 폭발의 에네르기가 실린더 내에서 부딪혀, 이때 발생되는 소리가 "노킹음" 이라고 한다.④폭발에 의한 압력파동 의 행위에 의해서 실린더 내벽과 피스톤이 손상된다.
노킹이 발생하는 장소
노킹은 화염이 도달하기 힘든 장소, 피스톤 중심에서 가장 멀리 떨어진 장소에서 일어나기 쉽다. 더욱이 실린더 직경이 크면 클수록 노킹이 발생하기 쉬워진다. 고성능을 추구하는 엔진일수록 실린더와 피스톤 사이즈가 작아진다.
노킹 으로 인해서 일어나는 트러블
실린더와 피스톤의 파손
완전연소(통상연소)와 불완전연소(이상연소)의 압력파의 충돌은 매우 큰 에네르기를 가지고 있다. 이 힘이 피스톤과 실린더 내벽에 직접적인 데미지 발생을 일으킬수 있으니 노킹이 계속되면, 피스톤과 실린더가 파손될 위험이 높다.
피스톤과 실린더의 용해
발화점 과 피스톤탑 과의 사이에 "경계층" 이라고 불려지는 곳이 있다. 이 때문에 스파크플러그 점화에 의해 통상연소의 경우 피스톤이 직접, 폭염에 의한 고열에 노출되는 것은 없다. 그러나 크래피스볼륨에 고여진 혼합기가 폴발하면 실린더와 피스톤이 직접 폭발하는 고열에 노출되어, 온도가 상승한다. 이 상태가 계속되면 피스톤과 실린더가 녹아내려 버린다.
노킹이 발생하기 쉬운 경우
① 고압축 엔진
② 과급기(슈퍼챠져) 장착된 엔진
③ 연료의 옥탄가가 낮은 경우
④ 연료가 부족한 경우(마지막 남은 연료가 적게 공급되는 경우)
⑤ 점화시기가 바른경우⑥ 점화 불량의 경우
⑦ 흡기 온도가 높은 경우
⑧ 엔진이 고온 상태일 경우
노킹의 대처법
* 실린더 사이즈를 작게하고 다기통화 한다.
* 옥탄가가 높은 연료를 사용한다.
* 흡기온도를 낮춘다.
* 과급 압력을 낮춘다.(과급기 슈퍼챠져 장착 엔진경우)
* [노킹센서]로 가솔린의 분사량과 점화 타이밍을 콘트롤 한다.
자주 발생하는 피스톤트러블 #2 Flutter ring
Q,Flutter ring (플루트링)이란 무엇인가?
A,피스톤 링이 측면 가운데로 떠오르는 형상
플루트 링은 왜 발생하는 것일까?
플루트 링은 피스톤의 상하운동에 의해서 발생되는 관성력이, 피스톤링이 작동하는 압력보다도 커지게 되면 발생한다.
A,피스톤 링이 정상적일때
실린더의 내벽에는 마찰에 의한 발열을 방지하고, 윤활을 부드럽게 하기 위하여 오일의 유막이 형성되어 있다.
B, 피스톤 링이 비정상적일 때 (플루트 링 상태)
압력파 와 불연소의 혼합기가 실린더 내벽의 오일을 씻어 날려버려 고열에 의한 고착현상이 일어나기 쉽다.
플루트링이 만들어 내는 트러블
① 엔진의 파워 다운
혼합기의 폭발에 의한 압력파가 아래로 새어, 피스톤을 눌러 내리는 힘이 감소 되어 엔진 파워가 약해진다.
② 피스톤의 고열고착
압력파와 불연소 혼합기는 플루트 링으로 의해서 만들어진 공간사이를 지날때 유막을 지워 날려버린다. 그러면 실린더와 피스톤(피스톤링) 사이에 과도한 마찰열이 발생되어 양쪽을 녹혀버려 엔진의 회전이 정지된다.
③ 오일의 증가
실린더 내에는 압축된 공기와 기체 상태로 분사된 가솔린이 존재한다. 불연소 된 가솔린이 크랭크케이스로 떨어지면, 하사점 부위에 모여있는 오일의 양이 증가하여, 윤활기능이 떨어진다.
피스톤 형상 변경에 의한 효과
내구성(강성)의 향상과 플루트링 현상을 방지
A,탑 랜드 확대
연소에 의한 발열 행위의 영향을 가장 많이 받는 탑 랜드. 이 부분의 두께를 높히는 것으로 피스톤의 강성을 상승시켰다. 다만, 탑 랜드의 두께가 두껍게 되면, 이곳에 불연소 혼합기가 모여지는 순간 "크래비스볼륨" 이 넓어져 노킹 발생이 쉽게 된다. 그래서 URTRA 310 엔진은 고성능 노킹센스를 탑재하여, 컴퓨터에서 점화 타이밍과 가솔린 분사량을 콘트롤 하여 노킹 발생을 해결한다.
B,V자형상의 홈(Laburinth"미로")추가
세컨 랜드에 V자형의 굴곡홈을 설계하여 실린더 내부의 기밀성을 높히고, 탑링의 플루트 링을 방지 하여준다. 이홈을 V자형상의 홈(Laburinth"미로")이라고 한다.여기에 연소가스가 흘러 들어가 와류를 발생시켜 가스가 날아 가는것을 방지하며, 실린더 내벽의 유막을 보호한다. 레이서에서 사용되는 피스톤에서 볼수있는 가공방법 이지만 가격이 높기 때문에 순정 피스톤 에서는 사용되지 않는다.
본 자료는 월드제트스포츠 의 허락으로 코리아서커스 에서 번역 재편집 하였습니다.
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자료제공 : 월드제트스포츠
작성 : 코리아서커스 강경훈
