KR20140032455A - 언더크라운 지지 부재를 가진 피스톤 - Google Patents

Abstract

길이방향 중심축을 따라 뻗어있고 한 쌍의 핀 보스부들과 크라운부를 가지고 있는 피스톤 본체를 가진 피스톤이 제공되어 있다. 크라운부는 연소 벽으로부터 늘어져 있는 한 쌍의 리브들과, 그 내부에 형성된 연소 보울을 가진 연소 벽을 포함한다. 리브들 중 어느 하나는 연소 보울 바로 밑에서 연소 벽으로부터 늘어져 있고, 리브들 중 다른 하나는 연소 보울로부터 반경방향으로 이격되어 있다. 따라서, 리브들 중 어느 하나는 리브들 중 다른 하나에 비해 길이방향 중심 축을 따라 더 아래로 늘어져 있다. 리브들은 크라운부에 대해 지지를 제공하고, 또한 히트 싱크로서 작용해서 연소 벽으로부터 방열한다.

Description

언더크라운 지지 부재를 가진 피스톤{PISTON WITH AN UNDERCROWN SUPPORT FEATURE}

당해 출원은 미국 임시 출원 제61/502,602호의 이익을 주장한다.

본 발명은 대체로 내연 기관용 피스톤에 관한 것이다.

출력과 연비를 향상시키기 위한 지속적인 노력의 일환으로, 여러 엔진 제조업자들은 가솔린 엔진에서의 직접 분사, 터보 차져 및 슈퍼 차져와 같은 첨단 기술을 구현해 내고 있다. 종종, 여러 가지 첨단 기술은 엔진의 실린더 보어 내부에서의 연소 온도와 압력을 증가시킴으로써 엔진의 성능을 향상시킨다. 그러나 증가된 압력과 온도는 엔진의 피스톤 중에서 상부 크라운부의 원치않는 구부림 또는 이에 대한 다른 손상을 야기할 수 있다. 이러한 손상은 엔진의 성능을 감소시킬 수 있고, 심하면 엔진의 완전한 고장을 일으킬 수도 있다.

피스톤을 강화하여 증가된 연소 압력과 온도를 견디게 하기 위하여, 일부 피스톤 제조업자는 증대된 연소 벽 두께를 가진 피스톤을 생산하기 시작했다. 이러한 피스톤은 증가된 압력과 온도 하에서의 구부림을 견딜 수 있지만, 이 증대된 연소 벽 두께는 피스톤의 중량을 증가시키기도 하여, 첨단 기술에서의 출력과 연비의 성과를 퇴보시킬 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 피스톤은 길이방향 중심축을 따라 뻗어있는 피스톤 본체를 가지고 있는 것으로 제공된다. 피스톤 본체는 크라운부로부터 늘어져 있는 한 쌍의 핀 보스부들과 연소 벽을 가진 크라운부를 가진다. 크라운부는 크라운부와 함께 일체로 형성된 적어도 2개의 리브들을 포함하며, 각각의 리브는 연소 벽으로부터 늘어져 있다. 리브들 중 어느 하나는 길이방향 중심축을 따라 리브들 중 다른 하나보다 더 아래로 늘어져 있다(depend)(또는 뻗어있다(extend)). 리브들은 실질적으로 피스톤의 중량을 증가시키지 않으면서 상부 크라운의 강도를 강화하여 핀 보어 축 둘레에서의 구부림을 견딘다. 더욱이, 리브들은 히트 싱크(heat sink)로서 작용해서 연소 벽으로부터 방열하여 피스톤을 냉각시킨다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 리브들은 핀 보스부들 사이에 뻗어있고 핀 보어 축으로부터 바깥쪽을 향하여 굽어있다. 따라서, 리브들의 길이는 피스톤의 중량을 실질적으로 증가시키지 않으면서 늘어난다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 피스톤은 피스톤 본체를 포함하고 있는 것으로 제공되는데, 이 피스톤 본체는, 길이방향 중심축을 따라 뻗어있고, 연소 벽과 한 쌍의 핀 보스부들을 가진 크라운부를 가지고 있되 이 한 쌍의 핀 보스부들이 크라운부로부터 전체적으로 늘어져 있다. 연소 벽은 그 내부에 형성된 적어도 하나의 연소 보울(bowl)을 포함하고, 크라운부는 적어도 하나의 리브를 포함하는데, 이 리브는, 크라운부와 함께 일체로 형성되고, 적어도 하나의 연소 보울 바로 밑에서 연소 보울로부터 늘어져 있다. 따라서 적어도 하나의 리브는 실린더 보어 내의 연소의 중심에 종종 위치되는 연소 보울의 위치에서 상부 크라운의 강도를 강화시킨다.

본 발명은 리브를 포함하는 크라운부와 핀 보스부를 가진 피스톤 본체를 가지고 있는 피스톤에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 실질적으로 피스톤의 중량을 증가시키지 않으면서 상부 크라운의 강도를 강화하여 핀 보어 축 둘레에서의 구부림을 견디는 것이 가능하고 리브가 히트 싱크(heat sink)로서 작용해서 연소 벽으로부터 방열하여 피스톤을 냉각시킬 수 있으며, 이로써 엔진의 성능을 어느 정도 향상시킬 수 있다.

본 발명의 여러 가지 양태, 특성 및 이점은 다음에 오는 본 발명의 바람직한 실시예와 최선의 실시예의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위와 첨부의 도면과 관련하여 고려할 때 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따라 구성된 피스톤의 사시도이다.
도 2는 도 1에서의 피스톤의 측면도이다.
도 3은 도 1에서의 피스톤의 저면도이다.
도 4는 도 3에서의 4-4 라인을 따라 전체적으로 절단된 단면도이다.
도 5는 도 3에서의 5-5 라인을 따라 전체적으로 절단된 단면도이다.

도면을 참조하면, 여기서 유사한 부재번호들은 몇몇 도면 전체에 걸쳐 유사한 부품들을 지시하고, 본 발명의 현재의 바람직한 일 양태에 따라 구성된 피스톤(20)은 도 1 내지 도 5에 전체적으로 나타나 있다. 예시적인 실시예에서의 피스톤(20)은 일체형 원 피스로 제작되는데, 이 일체형 원 피스는 바람직하게는 거의 최종 형상으로 주조되고 나서 그 최종 치수로 기계가공된다. 그러나, 피스톤(20)이 이와 다르게 바람직한 제조공정 전체에 걸쳐 서로 결합되어 형성될 수 있는 다수의 피스로 제작될 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 피스톤(20)은 바람직하게는 알루미늄 합금으로 제조되지만, 이와 다르게 스틸이나 바람직한 금속 또는 그 합금으로 제조될 수 있다.

도 1에 나타나 있는 바와 같이, 예시적인 원 피스 피스톤(20)은 피스톤 본체(22)를 가지고 있는데, 이 피스톤 본체는 길이방향 중심축(A₁)을 따라 뻗어있고 상부 크라운부(24), 한 쌍의 핀 보스부(26)들 및 한 쌍의 스커트부(28)를 가지고 있다. 상부 크라운부(24)는 피스톤(20) 링들(미도시)을 수용하기 위하여 연소 벽(30)으로부터 축방향으로 이격되어 있는 한 쌍의 링 그루브(32)들과 연소 벽(30)을 포함한다. 핀 보스부(26)들은 상부 크라운부(24)로부터 길이방향 중심축(A₁)을 따라 아래쪽을 향하여 뻗어있다. 각각의 핀 보스부(26)들은 핀 보어(34)를 가지고, 핀 보어(34)들은 피스톤(20)을 커넥팅 로드(미도시)의 소단부와 상호연결하는 리스트 핀(wrist pin)(미도시)을 수용하기 위하여 핀 보어 축(A₂)(도 3에 도시됨)을 따라 서로 정렬되어 있다. 도 3에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 스커트부(28)들은 서로 마주하여 직경방향으로 배치되어 있으면서, 각각의 스커트부(28)는 핀 보스부(26)들 사이에 뻗어있고 핀 보스부(26)들을 상호연결한다. 엔진의 작동 동안, 피스톤 본체(22)는 실린더 보어(미도시) 내부에서 길이방향 중심축(A₁)을 따라 왕복운동하여, 커넥팅 로드(미도시)에 의해 크랭크샤프트(미도시)를 회전시킨다.

다시 도 1을 참조하면, 연소 벽(30)은 평면부, 상승부(돌출부) 및, 연소 벽 안에 형성된 연소 보울(36)을 포함한다. 연소 보울(36)은 길이방향 중심축(A1)에 대하여 비대칭으로 구성되어 있고, 환언하자면 연소 보울(36)의 축심은 길이방향 중심축(A₁)을 따라 배치되지 않는다. 그러나, 연소 보울(36)이 이와 다르게 중심축(A₁)에 대하여 대칭적으로 배치될 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 피스톤(20)이 직접 분사 기술을 이용하는 엔진에서 이용될 때, 실린더 보어 내의 가스와 연료의 연소는 종종 연소 보울(36) 둘레에 초점을 두고, 이로써 이 위치에서 증가된 압력과 열을 발생시킨다. 결과적으로, 연소 보울(36)은 통상적으로 크라운부(24) 상에서 가장 큰 응력을 받는 영역이다. 예시적인 피스톤(20)은 이러한 힘을 견디는 상부 크라운부(24)를 강화시키기 위하여 언더크라운 지지 구조를 가진다.

도 3을 참조하면, 피스톤(20)은 상부 크라운부(24)를 강화하기 위하여 서로 직경방향으로 이격되어 있으면서 대체로 핀 보스부(26)들 사이에 뻗어있는 한 쌍의 리브들(38, 40)을 포함하고, 이로써 연소 벽(30)이 직접 분사, 터보-차져 및/또는 슈퍼-차져를 이용하는 엔진의 증가된 압력과 온도에 노출될 때, 핀 보어 축(A₂) 둘레에서의 구부림에 대한 상부 크라운부(24)의 저항력을 강화한다. 구부림에 대한 이 강화된 저항력은 피스톤(20)의 중량을 실질적으로 증가시키지 않으면서 달성된다. 예시적인 실시예에서, 각각의 리브들(38, 40)은 연소 벽(30) 밑에 있는 지지부의 면적을 증가시키기 위해서 대체로 굽어 있거나 원호 형상이고, 이로써 핀 보어 축(A₂) 둘레에서의 구부림에 대한 상부 크라운의 저항력을 더 강화한다. 리브들(38, 40)의 원호 형상은 또한 리브들(38, 40)들이 마주하는 보스부(26)들과 대체로 매끄럽게 짝을 이루거나 마주하는 보스부(26)들과 상호연결되게 하고, 이로써 이들 요소들의 교차점에서의 원치않는 응력의 발생을 피한다. 도 5를 참조하면, 각각의 리브들(38, 40)은 상부 크라운부(24)로부터 늘어져 있고 상부 크라운부(24)와 일체로 형성된다. 따라서, 리브들(38, 40)은 추가적인 비용이 거의 없거나 전혀 없이 상부 크라운을 가진 "주조된 그대로" 형성될 수 있다. 그러나, 리브들(38, 40)이 적합한 제조공정을 통하여 상부 크라운 속에 형성될 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 구부림에 대한 상부 크라운의 저항력을 강화하는 것에 추가하여, 리브들(38, 40)은 또한 히트 싱크로서 작용해서 상부 크라운의 연소 벽(30)으로부터 방열하여 연소 벽(30)을 냉각시킬 수 있다. 이 히트 싱크 효과는 또한 증가된 연소 온도에 대한 피스톤(20)의 저항력을 강화한다. 특정 피스톤 설계에 대한 요구에 좌우되어 리브들이 이와 다르게 직선으로 형성될 수도 있고 심지어 안쪽을 향하여 원호를 형성할 수도 있다는 것은 이해되어야 한다.

또한 도 5를 참조하면, 예시적인 피스톤(20)의 연소 벽(30)은 연소 보울(36)의 위치 및 연소 보울(36)을 둘러싸는 영역 모두에서 대체로 균일한 두께로 형성된다. 본 명세서에서 "제 1 리브(38)"로서 지칭되는, 리브들(38, 40)들 중 어느 하나는 연소 보울(36) 바로 밑에서 연소 벽(30)으로부터 늘어져 있다. 따라서, 제 1 리브(38)는 그 가장 큰 응력을 받는 위치에서 상부 크라운부(24)에 대한 최적의 지지를 제공하도록 위치결정된다. 본 명세서에서 "제 2 리브(40)"로서 지칭되는, 리브들 중 다른 하나는 제 1 리브(38)로부터 직경방향으로 마주하여 연소 벽(30)으로부터 늘어져 있고, 연소 보울(36)로부터 이격되어 있다. 연소 벽(30)의 하부 표면이 연소 보울(36)의 영역 내에서 후퇴되어 있기 때문에, 제 1 리브(38)(연소 보울(36) 바로 밑에 있음)는 제 2 리브(40)에 대하여 후퇴되어 있고, 환언하자면 제 1 리브(38)는 제 2 리브(40) 보다 더 아래로 뻗어있다. 따라서, 제 1 리브(38)와 제 2 리브(40)가 대체로 유사한 길이를 가지고 있더라도, 연소 벽(30)의 바닥면은 단면에서 볼 수 있는 바와 같이 비대칭인 외관을 가진다. 더욱이, 예시적인 연소 보울(36)은 대체로 반구 형상을 가지고, 제 1 리브(38)는 핀 보어 축(A₂)으로부터 바깥쪽을 향하여 멀어질 뿐만 아니라 피스톤 본체(22)의 핀 보스부(26)들을 향하여 수직방향으로 원호를 형성한다.

도 3을 참조하면, 스커트부(28)들은 리브들(38, 40)과 대체로 동심방향으로 뻗어있다. 따라서, 스커트부(28)들은 리브들(38, 40)과 동일하거나 거의 동일한 곡률반경을 가진다. 그러나, 스커트부(28)들이 리브들(38, 40)과 함께 동심에 있을 필요가 없다는 것은 이해되어야 한다.

명백하게도, 본 발명의 여러 가지 수정과 변경은 위의 교시의 관점에서 가능하다. 따라서, 본 명세서로부터 유추할 수 있고 궁극적으로 허용되는 특허청구범위의 범위 내에서, 본 발명이 특별히 설명된 바와 다르게도 실시될 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (15)

1. 길이방향 중심축을 따라 뻗어있고, 연소 벽과 한 쌍의 핀 보스부들을 가진 크라운부를 가지고 있되 상기 한 쌍의 핀 보스부들이 상기 크라운부로부터 늘어져 있는, 피스톤 본체를 구비하고,
   상기 크라운부는 크라운부와 함께 일체로 형성된 적어도 2개의 리브들을 포함하고, 각각의 리브가 상기 연소 벽으로부터 늘어져 있으면서, 상기 리브들 중 어느 하나는 상기 리브들 중 다른 하나보다 상기 길이방향 중심축을 따라 더 아래로 늘어져 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서,
   각각의 상기 리브들은 상기 피 보스부들 사이에서 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 2 항에 있어서,
   각각의 상기 리브들은 상기 핀 보어 축으로부터 바깥쪽을 향하여 굽어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 2 항에 있어서,
   각각의 상기 리브들은 상기 길이방향 중심축에 대하여 굽어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 연소 벽은 연소 보울을 가지고 있고, 상기 리브들 중 하나는 상기 연소 보울로부터 반경방향으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 리브들 중 하나는 상기 연소 보울 바로 밑에서 상기 연소 벽으로부터 늘어져 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 연소 보울은 대체로 반구 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 연소 보울 바로 밑에서 상기 연소 벽으로부터 늘어져 있는 상기 리브는 상기 핀 보스부들을 향하여 아래쪽으로 굽어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제 1 항에 있어서,
   적어도 2개의 상기 리브들은 서로 마주하여 직경방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 길이방향 중심축을 따라 뻗어있고, 연소 벽과 한 쌍의 핀 보스부들을 가진 크라운부를 가지고 있되 상기 한 쌍의 핀 보스부들이 상기 크라운부로부터 대체로 늘어져 있는, 피스톤 본체를 구비하고,
    상기 크라운부의 상기 연소 벽은 그 내부에 형성된 적어도 하나의 연소 보울을 포함하고,
    상기 크라운부는, 상기 크라운부와 함께 일체로 형성된 적어도 하나의 리브를 포함하고, 적어도 하나의 상기 연소 보울 바로 밑에서 상기 연소 보울로부터 늘어져 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
11. 제 10 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 리브는 상기 핀 보스부들 사이에 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
12. 제 11 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 리브는 상기 핀 보어 축으로부터 바깥쪽을 향하여 굽어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
13. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 리브는 상기 핀 보스부들을 향하여 아래쪽으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 연소 보울은 상기 길이방향 중심축에 대하여 비대칭적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연소 보울은 대체로 반구 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.

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