주운동부품

피스톤은 실린더의 가운데를 왕복하여 팽창행정은 순간적으로는 2000℃ 이상으로도 되는 연소가스가 팽창하게 됨에 따라 최대 3∼4톤 (터보엔진은 5톤) 의 굉장한 힘을 받아 이것을 콘로드에 전달하는 운동을 한다. 따라서 피스톤에는 우선 왕복운동에 따라 발생하는 관성력을 작게 할 목적으로 가벼운 것, 다음으로 팽창력을 확실히 받아 내는 것이 가능하도록 튼튼하게 열을 잘 전달, 열에 따라 형상이 변형되기 어려운 것이 필요하다.

가벼움과 튼튼함의 양쪽 모두를 도모할 목적으로 소재로서는 알루미늄이 사용되는 것이 보통이고, 알루미늄 합금을 주조하여 만든 것이 많고, 게다가 강도를 올려 치수변화를 작게 할 목적으로 열처리가 실시되고 있다.

피스톤의 윗부분은 피스톤헤드, 피스톤크라운 등으로 불리우고, 실린더헤드와의 사이에 연소실을 형성하는 중요한 부분이다. 혼합기를 빠르게 연소시켜 연소효율을 좋게 하기 위해서는 이부분이 평탄한 것이 바람직하지만, 압축비를 높일 목적으로 한가운데 부분이 솟아올라 있기도 하고, 흡배기밸브가 틀려 피스톤에 부딪치지 않도록 밸브리세스로 불리는 움푹한곳이 붙어있기도 하여 복잡한 형상을 하고 있는것도 있다. 피스톤의 아래부분은 피스톤스커트로 불리고, 피스톤의 왕복운동을 안정시키는 운동을 하고 있다. 스커트의 앞이 일부 도려낸 것같이 되어 있는 것은 피스톤이 아래로 내려왔을 때 밸런스웨이트가 이 부분을 지나가기 때문이다.

① 압축비를 올릴 목적으로 피스톤 크라운부를 쌓아올린 피스톤으로 구형

② 연소실형상을 좋게할 목적으로 피스톤 크라운부를 평탄하게 한 피스톤

③ 피스톤의 경량화 목적으로 스커트부를 원통으로 하지 않은 T형 피스톤, 고성능엔진에 사용된다.

④ 압축링을 1개로 한 2개 링 피스톤, 이렇게 함으로 하여 피스톤핀 위치도 올라가게 되고, 피스톤이 경량화되어 마찰손실 도 적게 된다.

⑤ 20∼30년전의 피스톤, 출력이 그다지 크지않은 시대에는 피스톤의 경량화는 중요한 항목이 아니고 무거워도 튼튼하게 만들 필요가 있었다.

피스톤과 실린더 사이에는 틈새가 있다. 이 틈새는 피스톤링에 의해 밀봉되어 있지만, 피스톤 자체의 상하운동으로 스커트 부분이 실린더벽에 부딪치는 것이 있다. 이것을 작게 하는 방법의 하나로 스커트의 형상 고안이 있다. 스커트는 가능한 한 짧은 것이 피스톤과의 마찰 및 접촉할때의 음을 작게 하고, 그 부분 가벼워서 좋지만, 이렇게 하여 여분 움직임이 크게 되므로, 피스톤의 크기와 밸런스의 균형이 잡힌 것으로 되어가고 있다.

피스톤은 피스톤핀에 의해 콘로드와 연결되어 있어 피스톤이 받는 팽창력 대부분이 핀에 걸리게 되어 있다. 피스톤핀은 보통 중공으로 되어 있어 같은 중량이라면 외경이 큰 쪽이 굽힘에 대해서 강하지만, 그렇게 하면 핀이 들어가 있는 피스톤핀보스가 크게 되어, 결과로서 핀으로부터 피스톤헤드까지의 길이 (Compression Height) 가 크게 되어 무겁게 되어 버리고 만다. 그렇게 한 것을 배려하여 핀은 피스톤 크기와 밸런스의 균형이 잡힌 굵기로 되어 있다.

① 압축비를 비교적 높이기 위해서 솟아올리고 있고, 밸브리세스도 정확히 채택한 NA 엔진용 피스톤

② 냉각을 잘 하기 위하여 피스톤 상부에 오일이 통과하는 구멍을 설치하고 있는 피스톤, 이것은 터보용으로 열적으로 엄격하게 되어 있기 때문에 오일제트에 의해 이때로부터 오일을 빨아들여 상하의 힘으로 구멍가운데를 오일이 통과하여 냉각한다.

위의 TOP RING이 가스를 밀봉하고 아래의 SECOND RING이 밀봉을 도와서 함께 유막두께를 조정한다.

오일링에 의해 긁어 떨어진 오일은 배출 구멍을 통해 피스톤내에 유입된다.

피스톤의 열은 링을 통과하여 실린더에 전달된다.

피스톤링은 피스톤의 머리부분에 둘러쌓인 스틸계의 윤(輪)으로 우선 피스톤과 실린더 사이를 밀봉하여 가스를 새지 못하게 하고, 다음으로 실린더 벽면의 윤활유를 긁어 떨어뜨려 연소실에 남아있지 않도록 하고 게다가 피스톤의 열을 실린더에 전달되게 하는 것의 3가지가 그 역할이다.

보통 3개의 링이 사용되고 있고, 피스톤헤드에 가까운 쪽의 2개를 Compression Ring, 스커트에 가까운 쪽의 링을 오일링이라고 말한다. 위의 압축링 (Top Ring)으로 가스의 밀봉을, 아래에 있는 오일링에 오일을 빼고 쓰고, 한가운데의 압축링 (Second Ring) 으로 밀봉을 완전하게 하는것과 동시에 유막의 두께 조정을 행한다.

압축링과 오일링이 1개씩의, 2本링의 피스톤도 있다.이것은 링의 역할을 다소 희생하지만, 피스톤링과 실린더벽사이의 마찰에 따른 손실을 적게 하여 연비를 좋게 하는 것을 목적으로 하는 것이다. 레이스용 엔진은 피스톤의 높이를 짧게 하여 경량화하는 것을 목적으로 2本링을 채용하고 있는 예도 있다.

압축링은 주철 및 스프링강으로 되어 있고, 가스 누설을 없게 하는 것과 동시에 피스톤 윤활면의 친숙성을 좋게 하여 마모를 경감하기 위해서 표면처리가 실시되고 있다. 링을 피스톤에 끼워넣기 위함과 적당한 장력을 가져서 실린더에 압착하기 위해서 링의 일부를 잘라 맞대고 있고, 이부분을 合口라고 한다. 연소가스는 조금씩이지만 이 合口로부터 누설된다. 이 블로바이 가스는 환원장치에 의해 연소실에 되돌려져 바깥으로 나가지 않도록 하고 있다.

압축링이 적합한 구멍은 링의 폭보다 약간 넓게 되어 있고, 링은 이 구멍 가운데를 상하로 움직이면서 조금씩 회전하고 있다. 실린더와의 친숙성이 평균화되면 동시에 3本의 링 合口가 겹치지 않도록 하기 위함이지만, 링의 강성이 부족하게 되면 고회전시에 Fluttering이 되어 구멍 가운데를 링이 날뛰며 놀아 가스를 밀봉하지 못하게 되는 것이 있다.

오일링은 단면이 コ자형으로 되어 있어, 실린더로부터 받은 오일을 コ자의 밑부분에 설치된 구멍을 통과하여 피스톤의 내측에 유입되도록 하고 있다. 또 엔진이 고회전이 되면 링이 장력만으로는 오일을 끊어버리지 못하게 되어 링에 익스펜더로 불리는 스프링을 붙여 실린더에 압착시키는 힘을 강하게 하고 있다.

콘로드는 피스톤과 크랭크샤프트를 연결하는 봉, 요컨대 CONNECTING ROD를 略한 것으로, 피스톤의 왕복운동을 크랭크의 회전운동으로 변환하는 일을 한다.

이 때문에 콘로드는 피스톤핀을 축에 진자같이 좌우로 흔들려서 전체가 상하로 움직이는 복잡한 운동을 하여 밸런스웨이트 등으로 수정하는 등의 어려운 관성력이 발생한다. 이때 콘로드의 중량이 관성력에 기여하는 비율은 왕복운동 1에 대해서 회전운동이 대략 2의 비율로 되어 있다. 그 관성력을 작게 하여 베어링의 분담을 가볍게 하고 진동도 작게 하기 위해서는 가능한 한 가벼운 것이 바람직하지만 피스톤에 걸리는 큰 팽창력을 크랭크샤프트에 전달할 목적의 강도도 물론 필요하다.

콘로드는 특수강의 주조 또는 단조에 의해 만들어지고, 실용차에는 제조하기 쉽게 싼 주조품이 사용되는 것도 있지만, 보다 강도가 높은 단조품이 사용되는 것이 보통이다. 레이스용으로는 고가이지만 가볍고 강한 티타늄 합금이 사용되고 있어 고성능인 엔진에도 채용되는 식으로 되어 왔다.

로드의 단면 형상은 긴쪽 방향으로부터 보아 I 字로 보이는 것과 H 字로 보이는 것이 있고, 각각 I형 단면, H형 단면으로 불린다.

같은 강도의 경우, I형 단면쪽이 가벼워져서 일반적으로는 이쪽을 채용하고 있고, H형 단면은 핀 축방향의 굽힘에 강한 것으로부터 레이스용 엔진에 사용되는 것이 있지만, H형은 핀 축에 대해서 직각 방향의 굽힘에 약해서 힘이 축의 중심 부분에 집중하여 좋지 않다고 하는 사람도 있다.

콘로드의 길이가 긴 만큼 피스톤의 가로 흔들림이 적다. 이것은 크랭크가 회전할때에 피스톤에 걸리는 힘을 종방향과 횡방향으로 나누어 생각할 경우 콘로드가 긴 만큼 횡방향의 힘 비율은 작게 되어 진동, 마찰 공히 작게 되기 때문이다. 그러나, 콘로드를 길게 한다고 하는 것은 엔진이 크게 되어, 무거운 방향으로 되어 바람직하지 않다. 일반적으로는 피스톤핀의 중심으로부터 크랭크핀까지의 길이 (센터 디스턴스라고 말하고, 이 길이를 콘로드의 길이라고 한다) 가 스트로크의 2배 전후로 되어 있다.

콘로드의 피스톤핀측 端은 그 크기로부터 SMALL END (소단부), 크랭크핀측의 端은 BIG END (대단부) 로 부르고, SMALL END는 피스톤핀으로 피스톤에, BIG END는 베어링을 사이에 두고 크랭크핀에 붙어 있다.

크랭크는 여기까지 몇번인가 언급한 왕복운동을 회전운동으로 변환한다는, 영어로는 『구부러진 손잡이』를 의미하며, 엔진도 옛날에는 크랭크를 사용하여 시동하였다. 시동용으로 전기 모터가 붙게 된 이후부터도 일본차는 1950년대까지는 시동장치가 고장난 때를 대비해서 엔진의 선단에 크랭크가 꽂혀져 있는 식이었다.

각 실린더의 크랭크를 연결한 것이 크랭크샤프트로 그 주축은 크랭크저어널, 콘로드의 BIG END가 붙여져 있는 부분을 크랭크핀으로 부른다. 이것은 콘로드 SMALL END의 피스톤이 붙여져 있는 부분을 피스톤핀이라고 부르는 것에 상응하는 것이다. 크랭크저어널과 크랭크핀을 연결하는 부분은 크랭크암(腕) 또는 크랭크웨브(力板)로 불려지고 있고, 이 크랭크암의 앞에 부채 모양을 한 카운터웨이트(밸런스웨이트) 라고 하는 추가 붙어있다.

카운터웨이트의 형상이 뿌리부분이 작고, 앞에 어느 정도의 큰 두께가 되어 있는 것은 같은 무게로도 회전할때에 추로서의 효과를 크게 하여 요컨대 관성력을 크게 할 목적이다.

크랭크샤프트는 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환하는 엔진의 운동부품 가운데에는 최고로 큰 부품이다. 피스톤에 팽창력이 걸려, 피스톤/콘로드/크랭크샤프트가 일체로 되어 회전할 때 큰 관성력이 걸리지 않도록 카운터웨이트가 부착되어 있다.

왕복엔진은 피스톤이, 팽창행정때마다 콘로드를 개입시켜 크랭크저어널을 눌러 회전시키는 것으로, 저어널로 확실하게 유지되지만 복잡한 굽힘과 비틀림이 작용한다. 이 때문에 크랭크저어널은 특별히 튼튼한 것이 필요하며, 스틸의 단조 및 주조에 의해 만들어지고 있다. 고성능엔진의 크랭크샤프트는 보다 강하고, 강성이 높은 단조품이지만, 스틸을 단조하는데에는 비용이 소요되기 때문에 보통의 엔진은 주조품이다. 주물로 만들어져 있다고 말하면 어쩐지 믿지 못하겠다는 느낌이 들지만, 카운터웨이트의 미묘한 형상을 정확히 만드는 것이 가능하기 때문에 적더라도 쓸데없는 부분은 삭제, 가볍게 하여 보통의 사용상에는 문제가 되지 않는 것으로 되어 있다.

카운터웨이트는 피스톤의 왕복운동과 크랭크샤프트의 회전운동, 양쪽의 질량 밸런스를 맞추고 있다. 밸런스를 맞춘다고 하는 것은 단순한 계산으로는 피스톤이 붙어있는 측과 카운터웨이트 측 각각의 질량에 따라 발생하는 관성력이 1대 1의 관계로 되는 것이지만 가능한 한 카운터웨이트를 작게 하여 크랭크샤프트를 가볍게 하기 위해서 저어널의 부담이 허용되는 범위에서 카운터웨이트는 가볍게 만들어져 있다.