기관 09> 피스톤·피스톤 링·피스톤 핀

1. 피스톤(Piston)

1) 피스톤 구조 역할 : 피스톤(Piston)은 동력행정에서 고온, 고압의 가스 압력을 받아 실린더내를 상하운동하며, 커넥팅로드를 통해 크랭크축에 회전력을 발생시키는 일을 한다. (열에너지-기게적에너지)

       

                          

2) 피스톤의 재질 : 피스톤의 재질은 피스톤 헤드는 고온(2000℃이상)의 연소가스에 노출되고 30~40kg/㎠의 압력을 충격적으로 받으며, 실린더 안에서 고속운동(약 10~20m/s)을 하기 때문에 큰 마찰이 생기므로, 이러한 악조건에서 그 기능을 발휘할 수 있는 알루미늄 합금 피스톤을 많이 쓰고 있다 . 재질은 특수주철 피스톤, 알루미늄 합금( 구리, 로엑스,규소) 피스톤 등이 있다.

 

3) 피스톤의 구비조건

㉠ 폭발압력을 유효하게 이용할 것            ㉡ 가스 및 오일 누출 방지      ㉢ 마찰로 인한 기계적 손실 방지

㉣ 기계적 강도가 클 것                            ㉤ 가벼울 것

 

4) 피스톤의 종류

㉠ 테이프형 피스톤 : 열팽창을 고려하여 피스톤 헤부의 지름을 적게한 것

㉡ 타원형 피스톤  : 보스방향의 지름을 적게하여 열팽창 고려

㉢ 솔리트 피스톤  : 열에대한 보상장치 없고 통풍형

㉣ 스플리트 피스톤 : 가로홈과 세로홈을 두고 가로홈은 스커트 열 전달 억제 세로홈은 전달에의한 팽창 억제(스플릿 스커트형)

㉤ 인바아 스트러트 피스톤 : 인바강을 넣고 일체 주조한 형식

㉥ 옵셋 피스톤 : 피스톤 핀을 중심으로 1.5mm 정도 옵셋

㉦ 슬리퍼 피스톤 : 측압을 받지 않는 스커트부를 잘라낸 형식

 

 

5) 실린더와 피스톤 간극 : 실린더 내경의 0.05%이며, 간극이 크면 피스톤 슬랩이 발생되고 블로바이 가스가 많이 발생하며, 간극이 적으면 피스톤 및 링이 소결된다.

 

[용어]블로바이 가스(blow-by gas) : 엔진의 압축 행정과 팽창 행정에서 실린더와 피스톤의 간극으로부터 크랭크 케이스로 빠져 나온 가스. 구성은 압축 행정에서 새어나온 혼합기가 75~90%를 점유하며, 10~25%가 팽창 행정에서 발생하는 연소가스이다. 엔진 오일을 열화시켜 엔진 내부를 녹슬게 하는 원인이 되므로 예전에는 신속히 외부로 나오게 하였으나 대기 오염을 방지하기 위해 흡기 계통으로 되돌려 보내고 있다. 블로바이란 바람이 지나가는 것.

 

2. 피스톤 링(Piston Ring)

    피스톤 링의 3대 작용은 기밀작용, 열전도작용 및 오일제어작용을 한다. 왕복형 엔진의 피스톤 링 홈(링 그루브)에 머리띠처럼 부착되는 고리(링). 피스톤이 실린더 내에서 기밀을 유지하면서 미끄럼 운동을 하도록 주철 또는 강철로 만든 링에서 일부를 잘라낸 모양에, 적절한 탄성을 가지고 있다. 연소 가스의 누설을 방지하는 압축 링과 실린더 벽과 피스톤 사이를 윤활하는 오일량을 제어하는 오일 링이 있다.

 

1) 피스톤 링의 3대작용 : 기밀유지(압축링), 오일제어, 열전도작용.

 

2) 피스톤 링의 재질 : 특수주철, 가단주조,원심주조

 

3) 링이음 간극 : 열팽창을 고려하여 둠 0.03-0.01,  링 절개구 위치는 120-180도 각을두고 설치하고 측압과 보스방향을 피한다.

 

4) 링 이음 간극 구하는 공식  : δ = πDα(t1-t2) = π×D×(12×102)×250-110) = 0.0052Dmm

    ◆ 압축링의 온도(t1) (250℃)   ◆ 실린더 벽의 온도 (t2) (110℃)        ◆ 실린더 지름 Dmm    

   ◆ 팽창계수 α (12×10-6)         ◆ 지름 100mm                                 ◆ δ= 0.52mm

 

5) 피스톤 링의 마칠력 동력 손실

     ① 마찰력( F ) =  fnZ          ◆ f = 피스톤 링 1개의 마찰력      ◆ n = 피스톤 1개당 링의 수        ◆ Z = 실린더 수

     ② 손실 동력

      ③ 피스톤 평균 속도 : v (15m/s)    ◆ 링의 총 마찰력 F( 0.25kg×4)       ◆ 손실 동력 Nrf (0.8ps)            ◆ 링의 수 : 4개

 

6) 피스톤 링 이음 형식 : 버트이음, 랩이음, 각이음, 실이음

                                     

 

7) 피스톤 링의 장력 : 장력이 적으면 블로바이 현상 , 열전도 감소  장력이 크면 실린더 벽 마멸증대, 마찰손실 증대

 

3. 피스톤 핀(Piston pin)

  피스톤 내에서 피스톤과 커넥팅 로드의 소단부를 연결하는 핀. 결합 방법으로는 핀을 보스에 고정하고, 커넥팅 로드에 부시를 넣어 회전시키는 고정식, 커넥팅 로드를 핀에 고정하고, 핀을 핀 보스 내에서 회전시키는 반부동식, 핀이 고정되지 않고 자유로이 회전하도록 되어 있는 전부동식이 있다. 피스톤 핀은 피스톤과 함께 실린더 내를 고속으로 왕복운동하기 때문에 가벼워야 하고, 또 변화되는 큰 하중에 견딜 수 있도록 강도가 커야 한다. 핀의 재질로는 저탄소강이나 크롬강으로 표면을 경화하여 내마멸성을 높이고 내부는 그대로 두어 인성을 유지하도록 한다.

▶ 피스톤 핀의 설치형식 : 고정식, 반부동식, 전 부동식