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| − | '''피스톤'''이란 | + | '''피스톤'''(piston)이란 [[회전운동]]을 [[직선운동]](상하운동)으로 변환하거나, 혹은 그 반대의 작용을 하는 기구를 말한다.<ref name="피스톤 나무위키"> 〈[https://namu.wiki/w/%ED%94%BC%EC%8A%A4%ED%86%A4 피스톤]〉, 《나무위키》 </ref> |
==개요== | ==개요== | ||
| − | + | 피스톤은 꼭 맞는 텅 빈 실린더에서 압력을 받으면 앞뒤로 움직일 수 있게 만들어진 속까지 굳은 [[실린더]]이다.<ref name="피스톤 위키백과"> 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%94%BC%EC%8A%A4%ED%86%A4 피스톤]〉, 《위키백과》 </ref> 피스톤은 꼭 맞는 증기기관 등의 실린더 속에서 연소(폭발) 행정(combustion stroke)에서 발생한 고온·고압의 가스 압력을 받아 커넥팅 로드를 통해 [[크랭크축]](crankshaft)에 회전력을 발생시키는 원통형 [[엔진]]의 주요 부품이다.<ref name="네이버포스트 피스톤 엔진의 시작"> 휠라이프, 〈[https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?memberNo=32594659&volumeNo=9205323 "피스톤" -엔진의 시작-]〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-22 </ref> | |
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| + | == 원리 == | ||
| + | 피스톤은 실린더 내에서, 연소실과 크랭크축이 있는 크랭크케이스 사이의 기밀을 유지하며 왕복 운동을 한다. 이 왕복 운동은 실린더 내에서의 폭발력이 피스톤을 누르면서 발생하는 힘이 커넥팅 로드에 전달되면서 시작된다. 그리고 그 힘이 커넥팅 로드에 의해 크랭크축에 전달되며, 크랭크축에서 회전운동으로 전환된다. 피스톤은 엔진이 작동할 때 열팽창이 일어나므로, 상온에서 피스톤과 실린더 사이에 어느 정도의 간극이라 부르는 공차가 필요에 의해 존재한다. 연소가스는 피스톤 링에 의해 밀봉되기는 하지만, 이 밀봉을 확실히 하기 위해서 피스톤 간극은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 피스톤-커넥팅 로드는 크랭크축을 회전시키므로, 피스톤은 커넥팅 로드를 경사진 방향으로 누르게 된다. 이 때문에 피스톤은 좌우 실린더 측벽으로 요동치는 현상인 피스톤 슬랩이 발생하기도 한다. 열부하를 많이 받는 피스톤 헤드 부분은 스커트 부분보다 열팽창이 크기 때문에, 피스톤 헤드 부분에서의 냉간 간극이 스커트에서의 간극보다 더 크게 설계된다. 이때 부위에 따른 열을 받는 정도, 실린더의 재질, | ||
| + | 피스톤의 재질 등과 같은 요소들에 따라 최적의 냉간 간극을 설계하는 것이 피스톤 설계에 있어서 중요하다.<ref name="네이버포스트 피스톤 엔진의 시작"></ref> | ||
==구성== | ==구성== | ||
| − | *'''피스톤 헤드''' : | + | *'''피스톤 헤드''' : 고온과 높은 압력을 견디며, 피스톤의 상부 둘레에는 2∼3개의 피스톤 링을 피스톤 헤드 직경보다 헐겁게 끼워 엔진 실린더의 기밀을 유지하고, 엔진 오일이 연소실로 들어가는 것을 방지한다. 일반적인 피스톤 헤드는 혼합기를 빠르게 연소시켜 연소 효율을 높게 하기 위해 평평하다. 하지만, 압축비를 높이기 위해 중앙 부분이 솟아올라 있거나 흡, 배기 밸브가 열렸을 때 피스톤에 부딪히지 않도록 밸브 리세스라 불리는 움푹하게 팬 곳이 설계된 등 복잡한 형상을 이루고 있기도 하다. 일반적으로 가솔린 엔진에서는 실린더 헤드가 주로 평평하게 되어 있으나, 디젤 기관에서는 연소실을 형성하기 위해 적당히 오목한 모양으로 되어 있는 경우 또한 있다. 또한, 실린더 내로 연료가 직분사되는 형태의 엔진에서는 직분사 되는 연료가 공기와 혼합이 잘되도록 실린더 헤드가 특이한 언덕 형태로 존재하는 등, 헤드의 형상에 의해 많은 특성이 결정되곤 한다. |
| − | *'''링 벨트''' : | + | *'''링 벨트''' : 피스톤 링이 끼워지는 링 그루브가 피스톤 링의 개수만큼 가공되어 있다. 일반적으로 링 그루브는 링 벨트 부분에만 가공되나, 피스톤에 따라서는 스커트에 오일 링 그루브가 1개 더 존재하는 것도 있다. 오일 링에는 작은 구멍들이 전 둘레에 걸쳐서 일정한 간격으로 뚫려 있는 형상을 갖는다. 이 지그재그 형태의 구멍들은 실린더 벽과 피스톤 링 등에 존재하는 엔진 오일(윤활제)을 긁어모아, 크랭크 케이스로 다시 되돌려 보내는 역할을 돕는다. |
| − | *'''핀 보스''' : | + | *'''핀 보스''' : 커넥팅 로드와 피스톤을 연결해주는 역할을 하는 피스톤 핀이 설치되는 구멍을 말한다. 여기서 핀 보스는 피스톤에 작용하는 수직 방향의 힘을 전달받아, 다시 피스톤 핀에 전달하기 때문에 피스톤 헤드를 지지할 수 있도록 튼튼하게 보강되어 있다. |
| − | *'''스커트''' : | + | *'''스커트''' : 실린더 내에서 피스톤의 왕복운동이 원활하게 일어나도록 하고, 피스톤에 작용하는 측압을 실린더 벽에 전달한다. 스커트 앞의 일부분을 잘라낸 것과 같이 생긴 이유는 피스톤이 상사점과 하사점을 반복할 때 발생하는 무게중심의 이동과 관련이 있다고 한다.<ref name="네이버포스트 피스톤 엔진의 시작"></ref> |
==종류== | ==종류== | ||
| − | + | *'''캠 그라운드 피스톤'''(cam ground piston) : 피스톤 스커트 부는 피스톤 핀 보스나 각 부의 살 두께 등에 영향을 받으므로 온도 변화도 복잡하게 이뤄진다. 특히 보스 쪽은 하중에 의하여 변형이 일어나고 피스톤 핀의 마찰 때문에 온도가 높아지며, 스러스트측은 열팽창이 증가하게 된다. 그러므로 상온에서는 단축을 갖는 타원형이게 보스 방향을 가공하여 온도가 상승함에 따라 보스방향의 지름이 증가해 표준 치수인 ‘진원’에 가까워지도록 한다. 현재 합금제 피스톤은 이 형식의 것이 대부분이다. | |
| − | 피스톤 스커트 부는 피스톤 핀 보스나 각 부의 살 두께 등에 영향을 받으므로 온도 변화도 복잡하게 이뤄진다. 특히 보스 쪽은 하중에 의하여 변형이 일어나고 피스톤 핀의 마찰 때문에 온도가 높아지며, 스러스트측은 열팽창이 증가하게 된다. 그러므로 상온에서는 단축을 갖는 타원형이게 보스 방향을 가공하여 온도가 상승함에 따라 보스방향의 지름이 증가해 표준 치수인 ‘진원’에 가까워지도록 한다. 현재 합금제 피스톤은 이 형식의 것이 대부분이다. | + | *'''솔리드 피스톤'''(solid piston) : 스커트부를 원통으로 만들어 슬릿(slit)이 없으므로 열팽창에 의한 팽창을 막을 수 없고, 또 운동 조건에 적절한 피스톤 클리어런스(clearance)도 유지할 수 없다. 그러나 기계적 강도가 높으므로 정적인 엔진보다도 가혹한 조건에서 쓰이는 엔진에 주로 사용된다. |
| + | *'''슬리퍼 피스톤'''(slipper piston) : 슬리퍼 피스톤은 측압이 걸리지 않는 쪽의 스커트부를 제거한 형으로서 무게를 높이지 않고 스러스트의 접촉면적을 키워 피스톤 슬랩(piston slap)을 작게 한 것으로서, 고속 기관에 널리 사용된다. 그러나 스커트부를 제거한 부분에 오일이 묻어 있다가 오일이 연소실로 올라가는 원인이 된다. | ||
| + | *'''스플릿 스커트형'''(split skirt type) : 피스톤의 스커트부에 세로 방향으로 약간 경사지게 가는 홈을 가공해 넣어 열에 의한 팽창에 따라 피스톤 치수가 증가하더라도 피스톤이 더 팽창되지 않고 일정한 지름을 유지한다. 스플릿 스커트형은 피스톤 스커트부와 링부 사이에 그림 4·12와 같이 가늘게 가공된 홈인 슬롯(slot)을 만들어 스커트부로 열전도를 제한하고, 열팽창을 최소로 하기 위한 형식이다. 이 형식은 열팽창을 적게 하고 항상 일정한 치수의 피스톤을 유지하기 위하여 스커트부에 마련된 슬롯의 모양에 따라 T-슬롯형(T-slot type), U-슬롯형(U-slot type) 등이 있다. | ||
| + | *'''인바스트럿형'''(invar strut type) : 알루미늄 합금제 피스톤의 경우 보통의 강보다 열팽창율이 극히 적은 안바강을 지주(支柱)로 주입(鑄入)하여 열팽창에 따른 변형을 적게 한다.인바 강은 열팽창율이 보통강의 1/10이고, 니켈을 36% 함유한 강이다. 인바 스트럿형의 일종인 오토 서믹 피스톤(auto-thermic piston)도 열팽창이 적은 강철 작은 링(small ring)을 피스톤 스커트 상부에 주입해 피스톤의 열팽창에 따른 변형을 적게 하기 위해 제작된 피스톤이다. | ||
| + | *'''오프셋 피스톤'''(offset piston) : 피스톤 중심에 대하여 피스톤 핀의 중심을 스러스트측으로 1-2.5mm 정도 편위시킨 피스톤을 말한다. 피스톤은 상사점에서 스러스트면이 변하고 그때 피스톤 클리어런스만큼 피스톤이 옆으로 이동하여 실린더를 두드리는 것과 같은 소음이 발생한다. 이것이 피스톤 슬랩이다.<ref name= "다음블로그 유틸리티"> 착한아저씨, 〈[https://blog.daum.net/ghetto2974/17608418 피스톤의 구조와 종류 ]〉, 《다음 블로그》, 2010-12-17 </ref> | ||
| + | |||
| + | ==구비 조건== | ||
| + | * 실린더 내의 폭발 가스 압력을 유효하게 이용할 수 있고 또 어떤 온도 하에서도 가스가 새지 않는 구조여야 한다. | ||
| + | * 실린더 벽과의 마찰이 적고 기계적 손실이 최소가 되도록 윤활하기 위한 적당한 간극이 있어야 한다. | ||
| + | * 실린더 벽을 윤활 하는 오일이 연소실에 들어가지 못하는 구조여야 한다. | ||
| + | * 고온에서 강도가 저하되지 않고 열전도가 잘 되어 열점에 의한 이상연소를 방지할 수 있어야 한다. | ||
| + | * 충분한 기계적 강도가 있어야 한다. | ||
| + | * 실린더 내를 고속으로 왕복 운동하므로 관성력에 의한 동력 손실을 적게 하는 순응력을 높이기 위하여 가능한 한 가벼워야 한다. 또한 다기통 엔진인 경우 피스톤의 무게가 같아야 한다.<ref name="지게차 코리아> 깔끔이, 〈[http://jigecha.kr/kwa-jigecha_know_v-82?PB_1484123718=24 피스톤의 구비 조건]〉, 《지게차코리아》, 2009-03-26 </ref> | ||
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| + | ==재질== | ||
| + | 피스톤 헤드는 고온(2000℃ 이상)의 연소 가스에 노출되고 30~40kg/㎠의 압력을 충격적으로 받으며, 실린더 안에서 고속운동(약 10~20m/s)을 하기 때문에 큰 마찰이 생긴다. 이런 악조건 속에서 피스톤 재질의 주요 요건은 첫째, 무게가 가벼워 관성력이 작아야 한다. 둘째, 고온에서도 강도가 높아야 한다. 셋째, 스커트나 피스톤 링으로의 방열을 위해 열전도성이 좋아야 한다. 넷째, 열팽창계수가 낮아야 한다. 다섯째, 내마멸성이 좋아야 한다. 그래서 이 조건을 만족하여 기능을 발휘할 수 있는 알루미늄 합금 피스톤을 많이 쓰고 있다. 재질은 특수주철 피스톤, 알루미늄 합금(구리, 로엑스, 규소) 피스톤 등이 있다.<ref name="네이버 블로그 피스톤이란?"> cell1517, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=cell1517&logNo=100099735860 피스톤이란?]〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-10 </ref><ref name="네이버포스트 피스톤 엔진의 시작"></ref> | ||
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| + | ==피스톤 4행정== | ||
| + | 첫 번째로 흡입행정은 사이클의 맨 처음 행정으로 흡입밸브는 열리고 배기밸브는 닫혀 있으며, 피스톤은 상사점에서 하사점으로 내려간다. 흡입밸브는 상사점 전에서 열리고, 하사점 후에 닫힌다. 실린더내의 부압에 의하여 가솔린 기관은 혼합가스를, 디젤기관은 공기가 피스톤이 내려감에 따라 유입되며, 이때 크랭크축은 180도 회전한다. 두 번째로 압축행정은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가며, 이때 흡입밸브와 배기밸브는 모두 닫혀 있다. 이에 따라 가솔린 기관은 혼합가스를 디젤기관은 공기를 압축하며, 크랭크축은 360도 회전한다. 압축비는 가솔린 기관이 8~11 : 1, 디젤기관은 15~20 : 1, 압축압력은 가솔린 기관이 8~10kg f/ cm 2, 디젤기관이 30~45kgf/cm2 압축온도는 가솔린 기관이 120~140도, 디젤기관은 500~550도 정도이다. 압축하는 목적은 혼합 가스나 공기의 온도를 상승시켜 연소를 쉽게 하고 폭발압력을 증대시키기 위함이다. 그리고 디젤기관의 압축비가 높은 이유는 압축착화이기 때문에 기관의 회전속도가 빨라질수록 압축압력은 상승한다. 세 번째로 폭발행정을 보면 가솔린 기관은 압축된 혼합가스에 점화플러그에서 전기불꽃 방전으로 점화하고, 디젤기관은 압축된 공기에 인젝터에서 연료를 분사시켜 자기 착화하여, 실린더 내의 압력을 상승시켜 피스톤에 내리미는 힘을 가해 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축을 회전시키므로 동력을 얻는다. 피스톤은 상사점에서 하사점으로 내려가고, 흡입밸브와 배기밸브는 모두 닫혀 있음, 크랭크축은 540도 회전한다. 그리고 배기행정 초기에 배기밸브가 열려 연소 가스 자체압력으로 배출되는 현상을 블로다운이라 한다. 마지막으로 배기행정은 배기밸브가 열리면서 폭발행정에 일한 연소 가스를 실린더 밖으로 배출시키는 행정이다. 이때 피스톤은 하사점에서 상사점으로 올라가며, 크랭크축은 720도 회전하여 1 사이클을 완성한다. 배기밸브는 하사점 전에서 열리기 시작하여 상사점 후에 닫힌다.<ref name="다음 블로그 정비 상식> 김군, 〈[https://blog.daum.net/manchan2431/698 4행정 사이클 기관]〉, 《다음 블로그》, 2015-01-29 </ref> | ||
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| + | ==운동 방향== | ||
| + | [[가솔린엔진]] 같은 왕복 엔진은 피스톤이 왕복 운동을 해서 힘을 발생시키는데, 자동차가 주행하려면 [[타이어]]의 회전 운동이 필요하다. 그래서 왕복 엔진은 크랭크축과 커넥팅 로드(connecting rod)를 이용하여 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다. 크랭크 기구(crank mechanism)는 기본적인 기계요소로 다양한 기계에서 사용되고 있다. 자전거의 페달을 예로 들면 이해하기가 쉽다. 자전거 페달을 밟는 동작을 옆에서 보면 무릎이 기본적으로 상하 왕복 운동을 한다. 이 무릎의 위치가 피스톤이고 무릎 아래의 다리가 커넥팅 로드, 페달과 회전 운동을 연결하는 부분이 크랭크축에 해당한다. 페달을 밟을 때 무릎이 아래로 내려간다. 그러면 페달이 크게 원을 그리고, 회전축의 스프로킷(체인이 걸려 있는 톱니바퀴처럼 생긴 부분)이 회전한다. 이에 따라 직선 운동이 회전 운동으로 바뀐다. 페달이 가장 낮은 위치에 오면 그 이상은 밟을 수 없게 된다. 일반적으로 페달에 발을 고정하지는 않지만, 만약 발이 고정되어 있다면 페달을 끌어올려서, 즉 무릎을 위로 올려서 스프로킷을 회전시킬 수 있다. 이런 연속 동작을 통해 상하 왕복 운동이 회전 운동으로 바뀐다. 일반적인 [[자전거]]의 경우, 한쪽 발이 가장 낮은 위치에 있을 때 반대쪽 발은 가장 높은 위치에 있다. 높은 위치에 있는 발을 아래로 내려서 회전 운동을 계속하는데, 이때 가장 낮은 위치에 있던 발은 페달과 함께 위로 올라간다. 즉, 크랭크 기구는 회전 운동을 상하 왕복운동으로 바꿀 수 있다.<ref name="네이버블로그 자동차 구조"> JINSOL KIM, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=infoefficien&logNo=221289512852 크랭크 기구 : 피스톤은 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다.]〉, 《네이버 블로그》, 2018-06-01 </ref> | ||
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| + | ==간극== | ||
| + | 피스톤 간극이란 실린더 안지름과 피스톤 최대 바깥지름(스커트 부분지름)과의 차이를 말하며, 엔진 작동 중 열팽창을 고려하여 그 간격을 둔다. 피스톤 간극은 스커트 부분에서 측정한다. 만일 피스톤 간극이 작을 시 엔진 작동중 열팽창으로 인해 실린더와 피스톤 사이에서 고착(소결, 융착)이 발생하며 피스톤 간극이 클 시 압축 압력의 저하 블로바이 발생, 연소실에 엔진 오일 상승, 피스톤 슬랩 발생, 연료가 엔진 오일에 떨어져 희석되고, 엔진 출력의 감소, 엔진의 시동 성능이 저하되는 원인이 되기도 한다.<ref name="자동차 기관 - 피스톤의 모든것"> 자몽맛에이드v, 〈[https://heyhyojung.tistory.com/583 자동차 기관 - 1. 피스톤의 모든것(구비조건, 종류, 재질, 구조, 간극]〉, 《티스토리》, 2020-02-29 </ref> | ||
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| + | ==피스톤 링== | ||
| + | ===링의 작용=== | ||
| + | *기밀 유지 작용(밀봉) | ||
| + | *오일제어 작용(오일 긁어내리기) | ||
| + | *냉각작용(열전도) | ||
| + | 피스톤링은 피스톤과 실린더 내벽 사이의 기밀(공기 밀도)을 유지하고, 실린더 벽의 윤활유로 긁어 내려 윤활유가 연소실로 들어가지 않도록 하기 위하여 피스톤 바깥 둘레의 홈에 끼우는 링을 말한다. 기밀 유지를 목적으로 하는 것을 가스링, 윤활유 긁기를 주목적으로 하는 것을 오일 링이라고 한다. | ||
| + | |||
| + | ===링의 재질=== | ||
| + | 피스톤 링의 재질은 치밀한 특수 주철이며, 원심 주조법으로 제작한다. 피스톤 링의 재질은 실린더 벽 재질보다 다소 경도가 낮아야 하는데, 이것은 실린더 벽의 마멸을 감소시키기 위함이다. 또한 제1번 압축링과 오일링에는 크롬으로 도금을 하는데 이는 내마모성을 높이는 것이다. | ||
| + | |||
| + | ===정비=== | ||
| + | #링 이음부 간극은 엔진 작동 중 열팽창을 고려해서 간극을 두어야 하며, 피스톤 바깥지름에 관계된다. | ||
| + | #링 이음부 간극은 제1번 압축 링을 가장 크게 한다. | ||
| + | #실린더에 링을 끼우고 피스톤 헤드로 밀어 넣어 수평 상태로 한 후 필러 게이지로 측정한다. | ||
| + | #마멸된 실린더의 경우에는 가장 마멸이 적은 부분에서 측정하여 0.2~0.4mm이면 정상이다. | ||
| + | #피스톤 링을 피스톤에 조립할 때 각 링 이음부 방향이 한쪽으로 일직선 위에 있게 되면 블로바이가 발생하기 쉽다.<ref name="자몽이의 일상"> 자몽맛에이드v, 〈[https://heyhyojung.tistory.com/584?category=743103 자동차 기관-2. 피스톤 링 정보]〉, 《티스토리》, 2020-02-29 </ref> | ||
| − | + | ==피스톤 핀== | |
| − | + | 피스톤 핀은 피스톤 보스 부분에 끼워져 피스톤과 커넥팅 로드 소단부를 연결해주는 핀이며, 피스톤이 받은 폭발력을 커넥팅로드로 전달한다. 재질은 저탄소 침탄강, 니켈-크롬강이며, 내마모성을 높이기 위하여 표현은 경화시키고 내부는 그대로 두어 인성을 유지하고 있다. | |
| − | ( | + | ===고정 방법=== |
| − | + | *'''고정식''' : 피스톤 핀을 피스톤 보스 부분에 고정하는 방법이며, 커넥팅 로드 소단부에 구리합금의 부싱이 들어간다. | |
| + | *'''반부동식'''(요동식) : 피스톤 핀을 커넥팅 로드 소단부에 고정하는 방법이다. | ||
| + | *'''전부동식''' : 피스톤 핀을 피스톤 보스 부분, 커넥팅 로드 소단부 등 어느 부분에도 고정하지 않는 방법으로 핀의 양 끝에 스냅링이나 앤드 와셔를 두어 핀이 밖으로 이탈되는 것을 방지한다. | ||
| − | + | ===커텍팅 로드=== | |
| − | 피스톤의 | + | 피스톤 핀과 크랭크축을 연결하는 막대이며, 피스톤의 왕복운동을 크랭크축으로 전달하는 일을 한다. 소단부는 피스톤핀에 연결되고 대단부는 평면 베어링을 통하여 크랭크 핀에 결합하여 있다. 커넥팅 로드의 길이는 소단부 중심에서 대단부 중심 사이의 길이로 표시하며 피스톤 행정의 1.5~2.3배로 한다.<ref name="자동차 기관 피스톤 링 정보"> 자몽맛에이드v, 〈[https://heyhyojung.tistory.com/584?category=743103 자동차 기관 - 2.피스톤 링 정보(재질, 가공법, 정비]〉, 《티스토리》, 2020-02-29 </ref> |
| − | + | ==부하== | |
| + | ===폭발 압력=== | ||
| + | 가솔린엔진에 작용하는 가스의 폭발압력은 최대 70바, 디젤엔진에서는 190바에 이른다. 폭발압력이 60바, 피스톤헤드에 작용하는 힘은 약 30,000뉴턴 정도가 된다. | ||
| − | + | ===측압=== | |
| − | + | 피스톤은 상하 왕복운동을 하므로 운동 방향이 바뀌는 지점에서는 특히, 실린더의 벽면에 압력을 가하게 된다. 이때 피스톤스커트 부분에 작용하는 측압은 0.8뉴턴 정도이다. 피스톤이 측압방향으로 기울어지면서 실린더 벽을 때리고, 소음을 발생시키는 현상을 피스톤 슬랩이라고 한다. 피스톤 슬랩을 줄이는 방법은 피스톤과 실린더 간의 간격을 줄이고, 피스톤스커트의 길이를 길게 하고, 피스톤핀을 오프셋 시키는 방법 등이 있다. | |
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| − | + | ===마찰력=== | |
| − | + | 피스톤스커트, 링 벨트, 핀 보스 부분은 기관 운전 중 마찰에 의한 부하를 받게 된다. 따라서 마찰을 최소화하기 위해서 마멸이 적은 재료를 선택하거나 표면가공을 매끄럽게 하고 윤활이 원활하도록 하는 방법 등을 사용한다. | |
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| − | == | + | ===열부하=== |
| − | + | 폭발행정에서 발생하는 연소 가스의 온도는 최고 2,500도 정도 된다. 이것을 연소열이라고 하고, 연소열은 대부분 피스톤헤드. 링 벨트, 피스톤링을 거쳐서 실린더 벽에 전달된다. 동시에 엔진오일도 열의 일부를 전달받아 방출시킨다.<ref name="사람 그리고 자동차"> 사실요것만고치면돼요, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=kt9411&logNo=150160053764 피스톤 - 종류와 부하]〉, 《네이버 블로그》, 2013-02-19 </ref> | |
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| − | == | + | ==국내 개발 동향== |
| − | + | 일반적으로 피스톤의 기술개발 전략은 디젤엔진 또는 가솔린엔진에 따라 다르게 진행되어 왔다. 예를 들면 디젤엔진 피스톤의 경우 고연소압 및 고출력에 대응하는 기술이 중심이다. 이를 위해 저마찰 기술, 냉각효율 증대기술 및 고강도 화 기술을 중심으로 기술개발이 진행되어 왔다. 이에 반해 가솔린엔진 피스톤은 저마찰 기술, 설계 최적화를 통한 경량화 기술을 집중적으로 진행해 왔다. 그러나 최근 들어 가솔린엔진도 터보과급기술이 적용됨에 따라 고강도 화 기술이 요구되고 있으며 디젤엔진에서 사용하는 다양한 냉각기술을 채용하고 있다. 다시 말해 디젤엔진과 가솔린엔진 피스톤 기술이 융합되는 특징을 보여주고 있다. 국내뿐만 아니라 해외 피스톤 업계도 기존 알루미늄 합금이 가지고 있는 물리적인 특성의 한계를 극복하기 위해서 새로운 주조용 및 단조용 합금 소재 개발, 부분 강화 기술, 코팅기술, 스틸 및 마그네슘 피스톤 등의 새로운 소재 및 공법에 대한 기술개발을 진행하고 있다. 자동차의 많은 부품과 마찬가지로 피스톤 설계는 많은 경험과 노하우가 필요하며 업체마다 고유의 독자설계 소프트웨어와 상용 소프트웨어를 이용하여 엔진에서 요구하는 피스톤 설계를 진행하게 된다. 최근 들어 피스톤 경량화에 대한 요구 증가로 소재 자체에 대한 경량화뿐만 아니라 피스톤 살 두께를 최소로 하는 초박형 피스톤 설계의 중요성이 커짐에 따라 업체들에 신뢰성 있는 고도의 해석 기술이 점점 중요해지고 있다. 설계에서 요구하는 기계적 강도를 검토 후 재질 및 열처리를 선정하고 각 부품 간의 조립성 검토를 통해 최종적으로 피스톤 설계를 완료하게 된다. 또한 재료 분석과 재료 시험 설비를 이용하여 다양한 시편에 대한 시험을 통해 데이터베이스를 구축하고 설계자에게 피드백된다. 개발된 피스톤의 신뢰성을 확보하기 위해서 피스톤 전용 유압 시험기(Hydro-pulse Test) 및 신뢰성 시험 장비들을 이용하여 평가를 진행하고 품질을 판단하게 된다. | |
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| − | + | 마지막으로 실엔진 상태에서 온도 및 내구시험을 통해 최종적으로 제품 성능을 검증한다. 현재 승용 가솔린엔진, [[디젤엔진]]뿐만 아니라 소형엔진에도 가장 널리 사용되고 있는 피스톤은 주조방식으로 복잡한 형상을 비교적 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 한편 최근 가솔린엔진의 고출력화에 따른 연소실 온도와 압력 상승으로 단조 피스톤 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 그림 4의 알루미늄 단조 피스톤은 중력 주조 방법에 비해 재료의 조직을 보다 미세화가 가능하여 재료의 기계적 및 물리적 강도를 증가시킬 수 있으며 주조에서 발생하는 여러 가지 결함을 방지할 수 있는 장점이 있다. 알루미늄 단조 피스톤은 승용차 및 레이싱카에 주로 사용되고 있으며 고속, 고출력 가솔린엔진에 적합하다. 앞서 기술했듯이 엔진의 출력이 증가함에 따라 알루미늄 합금 피스톤의 재질의 한계를 극복하고자 여러 가지 소재 및 제조공업들이 개발되고 있는데 그 가운데 하나가 스틸 단조 피스톤 기술이다. 스틸 단조 피스톤은 스틸 소재를 이용하여 크라운 부와 스커트 부를 각각 가공 후 경계면을 마칠 용접하여 피스톤을 제작하게 된다. 알루미늄보다 스틸 소재가 가지는 기계적 성질이 우수하고 대용량 냉각 갤러리 설계가 가능하기 때문에 냉각성능 또한 우수하다. 다만 피스톤 중량이 증가하며 피스톤 부식에 의한 마찰력 증가를 최소화하기 위한 코팅기술이 필요하다. 이 외에도 피스톤 주 소재 변경 없이 기계적으로 취약한 부위에 부분 강화기술을 적용하고자 하는 연구도 진행되고 있다. 부분 강화기술은 연소실 크라운 부 및 링 홈 부위를 국부적으로 티그 또는 플라즈마를 이용하여 재용해시켜 기계적 강성을 향상하는 기술이다. 새로운 소재를 개발하지 않고 효과적으로 피스톤의 내구성을 향상할 수 있는 기술이다. 현재 디젤엔진 피스톤은 냉각을 위해 냉각 갤러리의 채용이 보편화되어 있다. 피스톤 냉각 갤러리 설계 시 피스톤의 상사점과 오일 젯의 상대 위치, 오일 유량, 온도, 충진율 등에 대한 인자를 고려해야 한다. 또한 냉각 갤러리 위치 및 형상 등도 냉각 효율을 결정하는 데 매우 중요하다. 주조방식 알루미늄 피스톤에 냉각 갤러리를 형성시키기 위해 소금 재질로 만든 솔트 코아가 사용되고 있다. 피스톤 냉각 효율을 향상하기 위해서는 갤러리 형상이 복잡해지게 되고 따라서 다양한 코어 재질과 공정에 대한 연구가 필요하게 된다. 특히 생산성, 성형 가공성, 기계적 성질이 우수한 재질 선정을 위해 소금 외에 설탕 및 레진 등 새로운 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 설탕 또는 레진을 사용할 경우보다 복잡한 형상의 코아 제작이 가능하므로 냉각 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.<ref name="글로벌 오토뉴스"> 채영석 기자, 〈[http://global-autonews.com/bbs/board.php?bo_table=bd_035&wr_id=215&page=20 국내 엔진 피스톤 기술 개발 동향]〉, 《글로벌오토뉴스》, 2014-10-28 </ref> | |
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| − | + | 국내 자동차 업계는 환경 규제에 따른 비용을 최소화하기 위해 차량 경량화를 진행하고 있다. 이에 최근 고출력용 엔진의 프리미엄 알루미늄 합금으로 내구성까지 갖춘 자동차 피스톤 기술이 주목받고 있다. [[㈜동서페더럴모굴]]의 피스톤이 그것이다. 냉각 갤러리를 적용한 열부하 저감용 피스톤 기술, 알루미늄 베이스에 톱링 강화를 위한 주철 제일 삽입기술, 높은 열부하 및 마모 대응하기 위한 표면처리 기술, 단조 피스톤 기술 등을 통해 자동차의 유형에 맞는 피스톤을 제공하고 있다. 고효율의 소형 1.0L급부터 중형, 대형 차량의 다양한 피스톤이 개발되고 있으며, [[SUV]]에 적합한 유로6 대응 피스톤은 물론, 압축천연가스, 액화석유가스 등 연료의 다변화에 맞는 가스 엔진용 피스톤도 포함된다.<ref name="공학저널> 김진성 기자, 〈[http://www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=158 자동차 심장 ‘피스톤’ 알루미늄으로 진화하다]〉, 《공학저널》, 2019-03-19 </ref> | |
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{{각주}} | {{각주}} | ||
==참고자료== | ==참고자료== | ||
| − | *〈[https://namu.wiki/w/%ED%94%BC%EC%8A%A4%ED%86%A4 피스톤]〉, 《나무위키》 | + | * 〈[https://namu.wiki/w/%ED%94%BC%EC%8A%A4%ED%86%A4 피스톤]〉, 《나무위키》 |
| − | *〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%94%BC%EC%8A%A4%ED%86%A4 피스톤]〉, 《위키백과》 | + | * 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%94%BC%EC%8A%A4%ED%86%A4 피스톤]〉, 《위키백과》 |
| − | *휠라이프, 〈[https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?memberNo=32594659&volumeNo=9205323 "피스톤" -엔진의 시작-]〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-22 | + | * 휠라이프, 〈[https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?memberNo=32594659&volumeNo=9205323 "피스톤" -엔진의 시작-]〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-22 |
| − | * 착한아저씨,〈[https://blog.daum.net/ghetto2974/17608418 피스톤의 구조와 종류 ]〉, 《다음 블로그》, 2010-12-17 | + | * 착한아저씨, 〈[https://blog.daum.net/ghetto2974/17608418 피스톤의 구조와 종류 ]〉, 《다음 블로그》, 2010-12-17 |
| − | * cell1517, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=cell1517&logNo=100099735860 피스톤이란?]〉, | + | * cell1517, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=cell1517&logNo=100099735860 피스톤이란?]〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-10 |
| − | *깔끔이, 〈[http://jigecha.kr/kwa-jigecha_know_v-82?PB_1484123718=24 피스톤의 구비 조건]〉, | + | * 깔끔이, 〈[http://jigecha.kr/kwa-jigecha_know_v-82?PB_1484123718=24 피스톤의 구비 조건]〉, 《지게차코리아》, 2009-03-26 |
| − | *김군, 〈[https://blog.daum.net/manchan2431/698 4행정 사이클 기관]〉, | + | * 김군, 〈[https://blog.daum.net/manchan2431/698 4행정 사이클 기관]〉, 《다음 블로그》, 2015-01-29 |
* JINSOL KIM, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=infoefficien&logNo=221289512852 크랭크 기구 : 피스톤은 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다.]〉, 《네이버 블로그》, 2018-06-01 | * JINSOL KIM, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=infoefficien&logNo=221289512852 크랭크 기구 : 피스톤은 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다.]〉, 《네이버 블로그》, 2018-06-01 | ||
| + | * 자몽맛에이드v, 〈[https://heyhyojung.tistory.com/583 자동차 기관 - 1. 피스톤의 모든것(구비조건, 종류, 재질, 구조, 간극]〉, 《티스토리》, 2020-02-29 | ||
| + | * 자몽맛에이드v, 〈[https://heyhyojung.tistory.com/584?category=743103 자동차 기관-2. 피스톤 링 정보]〉, 《티스토리》, 2020-02-29 | ||
| + | * 자몽맛에이드v, 〈[https://heyhyojung.tistory.com/584?category=743103 자동차 기관 - 2.피스톤 링 정보(재질, 가공법, 정비]〉, 《티스토리》, 2020-02-29 | ||
| + | * 채영석 기자, 〈[http://global-autonews.com/bbs/board.php?bo_table=bd_035&wr_id=215&page=20 국내 엔진 피스톤 기술 개발 동향]〉, 《글로벌오토뉴스》, 2014-10-28 | ||
| + | * 김진성 기자, 〈[http://www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=158 자동차 심장 ‘피스톤’ 알루미늄으로 진화하다]〉, 《공학저널》, 2019-03-19 | ||
| + | * 사실요것만고치면돼요, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=kt9411&logNo=150160053764 피스톤 - 종류와 부하]〉, 《네이버 블로그》, 2013-02-19 | ||
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* [[실린더]] | * [[실린더]] | ||
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피스톤(piston)이란 회전운동을 직선운동(상하운동)으로 변환하거나, 혹은 그 반대의 작용을 하는 기구를 말한다.[1]
목차
개요[편집]
피스톤은 꼭 맞는 텅 빈 실린더에서 압력을 받으면 앞뒤로 움직일 수 있게 만들어진 속까지 굳은 실린더이다.[2] 피스톤은 꼭 맞는 증기기관 등의 실린더 속에서 연소(폭발) 행정(combustion stroke)에서 발생한 고온·고압의 가스 압력을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크축(crankshaft)에 회전력을 발생시키는 원통형 엔진의 주요 부품이다.[3]
원리[편집]
피스톤은 실린더 내에서, 연소실과 크랭크축이 있는 크랭크케이스 사이의 기밀을 유지하며 왕복 운동을 한다. 이 왕복 운동은 실린더 내에서의 폭발력이 피스톤을 누르면서 발생하는 힘이 커넥팅 로드에 전달되면서 시작된다. 그리고 그 힘이 커넥팅 로드에 의해 크랭크축에 전달되며, 크랭크축에서 회전운동으로 전환된다. 피스톤은 엔진이 작동할 때 열팽창이 일어나므로, 상온에서 피스톤과 실린더 사이에 어느 정도의 간극이라 부르는 공차가 필요에 의해 존재한다. 연소가스는 피스톤 링에 의해 밀봉되기는 하지만, 이 밀봉을 확실히 하기 위해서 피스톤 간극은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 피스톤-커넥팅 로드는 크랭크축을 회전시키므로, 피스톤은 커넥팅 로드를 경사진 방향으로 누르게 된다. 이 때문에 피스톤은 좌우 실린더 측벽으로 요동치는 현상인 피스톤 슬랩이 발생하기도 한다. 열부하를 많이 받는 피스톤 헤드 부분은 스커트 부분보다 열팽창이 크기 때문에, 피스톤 헤드 부분에서의 냉간 간극이 스커트에서의 간극보다 더 크게 설계된다. 이때 부위에 따른 열을 받는 정도, 실린더의 재질, 피스톤의 재질 등과 같은 요소들에 따라 최적의 냉간 간극을 설계하는 것이 피스톤 설계에 있어서 중요하다.[3]
구성[편집]
- 피스톤 헤드 : 고온과 높은 압력을 견디며, 피스톤의 상부 둘레에는 2∼3개의 피스톤 링을 피스톤 헤드 직경보다 헐겁게 끼워 엔진 실린더의 기밀을 유지하고, 엔진 오일이 연소실로 들어가는 것을 방지한다. 일반적인 피스톤 헤드는 혼합기를 빠르게 연소시켜 연소 효율을 높게 하기 위해 평평하다. 하지만, 압축비를 높이기 위해 중앙 부분이 솟아올라 있거나 흡, 배기 밸브가 열렸을 때 피스톤에 부딪히지 않도록 밸브 리세스라 불리는 움푹하게 팬 곳이 설계된 등 복잡한 형상을 이루고 있기도 하다. 일반적으로 가솔린 엔진에서는 실린더 헤드가 주로 평평하게 되어 있으나, 디젤 기관에서는 연소실을 형성하기 위해 적당히 오목한 모양으로 되어 있는 경우 또한 있다. 또한, 실린더 내로 연료가 직분사되는 형태의 엔진에서는 직분사 되는 연료가 공기와 혼합이 잘되도록 실린더 헤드가 특이한 언덕 형태로 존재하는 등, 헤드의 형상에 의해 많은 특성이 결정되곤 한다.
- 링 벨트 : 피스톤 링이 끼워지는 링 그루브가 피스톤 링의 개수만큼 가공되어 있다. 일반적으로 링 그루브는 링 벨트 부분에만 가공되나, 피스톤에 따라서는 스커트에 오일 링 그루브가 1개 더 존재하는 것도 있다. 오일 링에는 작은 구멍들이 전 둘레에 걸쳐서 일정한 간격으로 뚫려 있는 형상을 갖는다. 이 지그재그 형태의 구멍들은 실린더 벽과 피스톤 링 등에 존재하는 엔진 오일(윤활제)을 긁어모아, 크랭크 케이스로 다시 되돌려 보내는 역할을 돕는다.
- 핀 보스 : 커넥팅 로드와 피스톤을 연결해주는 역할을 하는 피스톤 핀이 설치되는 구멍을 말한다. 여기서 핀 보스는 피스톤에 작용하는 수직 방향의 힘을 전달받아, 다시 피스톤 핀에 전달하기 때문에 피스톤 헤드를 지지할 수 있도록 튼튼하게 보강되어 있다.
- 스커트 : 실린더 내에서 피스톤의 왕복운동이 원활하게 일어나도록 하고, 피스톤에 작용하는 측압을 실린더 벽에 전달한다. 스커트 앞의 일부분을 잘라낸 것과 같이 생긴 이유는 피스톤이 상사점과 하사점을 반복할 때 발생하는 무게중심의 이동과 관련이 있다고 한다.[3]
종류[편집]
- 캠 그라운드 피스톤(cam ground piston) : 피스톤 스커트 부는 피스톤 핀 보스나 각 부의 살 두께 등에 영향을 받으므로 온도 변화도 복잡하게 이뤄진다. 특히 보스 쪽은 하중에 의하여 변형이 일어나고 피스톤 핀의 마찰 때문에 온도가 높아지며, 스러스트측은 열팽창이 증가하게 된다. 그러므로 상온에서는 단축을 갖는 타원형이게 보스 방향을 가공하여 온도가 상승함에 따라 보스방향의 지름이 증가해 표준 치수인 ‘진원’에 가까워지도록 한다. 현재 합금제 피스톤은 이 형식의 것이 대부분이다.
- 솔리드 피스톤(solid piston) : 스커트부를 원통으로 만들어 슬릿(slit)이 없으므로 열팽창에 의한 팽창을 막을 수 없고, 또 운동 조건에 적절한 피스톤 클리어런스(clearance)도 유지할 수 없다. 그러나 기계적 강도가 높으므로 정적인 엔진보다도 가혹한 조건에서 쓰이는 엔진에 주로 사용된다.
- 슬리퍼 피스톤(slipper piston) : 슬리퍼 피스톤은 측압이 걸리지 않는 쪽의 스커트부를 제거한 형으로서 무게를 높이지 않고 스러스트의 접촉면적을 키워 피스톤 슬랩(piston slap)을 작게 한 것으로서, 고속 기관에 널리 사용된다. 그러나 스커트부를 제거한 부분에 오일이 묻어 있다가 오일이 연소실로 올라가는 원인이 된다.
- 스플릿 스커트형(split skirt type) : 피스톤의 스커트부에 세로 방향으로 약간 경사지게 가는 홈을 가공해 넣어 열에 의한 팽창에 따라 피스톤 치수가 증가하더라도 피스톤이 더 팽창되지 않고 일정한 지름을 유지한다. 스플릿 스커트형은 피스톤 스커트부와 링부 사이에 그림 4·12와 같이 가늘게 가공된 홈인 슬롯(slot)을 만들어 스커트부로 열전도를 제한하고, 열팽창을 최소로 하기 위한 형식이다. 이 형식은 열팽창을 적게 하고 항상 일정한 치수의 피스톤을 유지하기 위하여 스커트부에 마련된 슬롯의 모양에 따라 T-슬롯형(T-slot type), U-슬롯형(U-slot type) 등이 있다.
- 인바스트럿형(invar strut type) : 알루미늄 합금제 피스톤의 경우 보통의 강보다 열팽창율이 극히 적은 안바강을 지주(支柱)로 주입(鑄入)하여 열팽창에 따른 변형을 적게 한다.인바 강은 열팽창율이 보통강의 1/10이고, 니켈을 36% 함유한 강이다. 인바 스트럿형의 일종인 오토 서믹 피스톤(auto-thermic piston)도 열팽창이 적은 강철 작은 링(small ring)을 피스톤 스커트 상부에 주입해 피스톤의 열팽창에 따른 변형을 적게 하기 위해 제작된 피스톤이다.
- 오프셋 피스톤(offset piston) : 피스톤 중심에 대하여 피스톤 핀의 중심을 스러스트측으로 1-2.5mm 정도 편위시킨 피스톤을 말한다. 피스톤은 상사점에서 스러스트면이 변하고 그때 피스톤 클리어런스만큼 피스톤이 옆으로 이동하여 실린더를 두드리는 것과 같은 소음이 발생한다. 이것이 피스톤 슬랩이다.[4]
구비 조건[편집]
- 실린더 내의 폭발 가스 압력을 유효하게 이용할 수 있고 또 어떤 온도 하에서도 가스가 새지 않는 구조여야 한다.
- 실린더 벽과의 마찰이 적고 기계적 손실이 최소가 되도록 윤활하기 위한 적당한 간극이 있어야 한다.
- 실린더 벽을 윤활 하는 오일이 연소실에 들어가지 못하는 구조여야 한다.
- 고온에서 강도가 저하되지 않고 열전도가 잘 되어 열점에 의한 이상연소를 방지할 수 있어야 한다.
- 충분한 기계적 강도가 있어야 한다.
- 실린더 내를 고속으로 왕복 운동하므로 관성력에 의한 동력 손실을 적게 하는 순응력을 높이기 위하여 가능한 한 가벼워야 한다. 또한 다기통 엔진인 경우 피스톤의 무게가 같아야 한다.[5]
재질[편집]
피스톤 헤드는 고온(2000℃ 이상)의 연소 가스에 노출되고 30~40kg/㎠의 압력을 충격적으로 받으며, 실린더 안에서 고속운동(약 10~20m/s)을 하기 때문에 큰 마찰이 생긴다. 이런 악조건 속에서 피스톤 재질의 주요 요건은 첫째, 무게가 가벼워 관성력이 작아야 한다. 둘째, 고온에서도 강도가 높아야 한다. 셋째, 스커트나 피스톤 링으로의 방열을 위해 열전도성이 좋아야 한다. 넷째, 열팽창계수가 낮아야 한다. 다섯째, 내마멸성이 좋아야 한다. 그래서 이 조건을 만족하여 기능을 발휘할 수 있는 알루미늄 합금 피스톤을 많이 쓰고 있다. 재질은 특수주철 피스톤, 알루미늄 합금(구리, 로엑스, 규소) 피스톤 등이 있다.[6][3]
피스톤 4행정[편집]
첫 번째로 흡입행정은 사이클의 맨 처음 행정으로 흡입밸브는 열리고 배기밸브는 닫혀 있으며, 피스톤은 상사점에서 하사점으로 내려간다. 흡입밸브는 상사점 전에서 열리고, 하사점 후에 닫힌다. 실린더내의 부압에 의하여 가솔린 기관은 혼합가스를, 디젤기관은 공기가 피스톤이 내려감에 따라 유입되며, 이때 크랭크축은 180도 회전한다. 두 번째로 압축행정은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가며, 이때 흡입밸브와 배기밸브는 모두 닫혀 있다. 이에 따라 가솔린 기관은 혼합가스를 디젤기관은 공기를 압축하며, 크랭크축은 360도 회전한다. 압축비는 가솔린 기관이 8~11 : 1, 디젤기관은 15~20 : 1, 압축압력은 가솔린 기관이 8~10kg f/ cm 2, 디젤기관이 30~45kgf/cm2 압축온도는 가솔린 기관이 120~140도, 디젤기관은 500~550도 정도이다. 압축하는 목적은 혼합 가스나 공기의 온도를 상승시켜 연소를 쉽게 하고 폭발압력을 증대시키기 위함이다. 그리고 디젤기관의 압축비가 높은 이유는 압축착화이기 때문에 기관의 회전속도가 빨라질수록 압축압력은 상승한다. 세 번째로 폭발행정을 보면 가솔린 기관은 압축된 혼합가스에 점화플러그에서 전기불꽃 방전으로 점화하고, 디젤기관은 압축된 공기에 인젝터에서 연료를 분사시켜 자기 착화하여, 실린더 내의 압력을 상승시켜 피스톤에 내리미는 힘을 가해 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축을 회전시키므로 동력을 얻는다. 피스톤은 상사점에서 하사점으로 내려가고, 흡입밸브와 배기밸브는 모두 닫혀 있음, 크랭크축은 540도 회전한다. 그리고 배기행정 초기에 배기밸브가 열려 연소 가스 자체압력으로 배출되는 현상을 블로다운이라 한다. 마지막으로 배기행정은 배기밸브가 열리면서 폭발행정에 일한 연소 가스를 실린더 밖으로 배출시키는 행정이다. 이때 피스톤은 하사점에서 상사점으로 올라가며, 크랭크축은 720도 회전하여 1 사이클을 완성한다. 배기밸브는 하사점 전에서 열리기 시작하여 상사점 후에 닫힌다.[7]
운동 방향[편집]
가솔린엔진 같은 왕복 엔진은 피스톤이 왕복 운동을 해서 힘을 발생시키는데, 자동차가 주행하려면 타이어의 회전 운동이 필요하다. 그래서 왕복 엔진은 크랭크축과 커넥팅 로드(connecting rod)를 이용하여 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다. 크랭크 기구(crank mechanism)는 기본적인 기계요소로 다양한 기계에서 사용되고 있다. 자전거의 페달을 예로 들면 이해하기가 쉽다. 자전거 페달을 밟는 동작을 옆에서 보면 무릎이 기본적으로 상하 왕복 운동을 한다. 이 무릎의 위치가 피스톤이고 무릎 아래의 다리가 커넥팅 로드, 페달과 회전 운동을 연결하는 부분이 크랭크축에 해당한다. 페달을 밟을 때 무릎이 아래로 내려간다. 그러면 페달이 크게 원을 그리고, 회전축의 스프로킷(체인이 걸려 있는 톱니바퀴처럼 생긴 부분)이 회전한다. 이에 따라 직선 운동이 회전 운동으로 바뀐다. 페달이 가장 낮은 위치에 오면 그 이상은 밟을 수 없게 된다. 일반적으로 페달에 발을 고정하지는 않지만, 만약 발이 고정되어 있다면 페달을 끌어올려서, 즉 무릎을 위로 올려서 스프로킷을 회전시킬 수 있다. 이런 연속 동작을 통해 상하 왕복 운동이 회전 운동으로 바뀐다. 일반적인 자전거의 경우, 한쪽 발이 가장 낮은 위치에 있을 때 반대쪽 발은 가장 높은 위치에 있다. 높은 위치에 있는 발을 아래로 내려서 회전 운동을 계속하는데, 이때 가장 낮은 위치에 있던 발은 페달과 함께 위로 올라간다. 즉, 크랭크 기구는 회전 운동을 상하 왕복운동으로 바꿀 수 있다.[8]
간극[편집]
피스톤 간극이란 실린더 안지름과 피스톤 최대 바깥지름(스커트 부분지름)과의 차이를 말하며, 엔진 작동 중 열팽창을 고려하여 그 간격을 둔다. 피스톤 간극은 스커트 부분에서 측정한다. 만일 피스톤 간극이 작을 시 엔진 작동중 열팽창으로 인해 실린더와 피스톤 사이에서 고착(소결, 융착)이 발생하며 피스톤 간극이 클 시 압축 압력의 저하 블로바이 발생, 연소실에 엔진 오일 상승, 피스톤 슬랩 발생, 연료가 엔진 오일에 떨어져 희석되고, 엔진 출력의 감소, 엔진의 시동 성능이 저하되는 원인이 되기도 한다.[9]
피스톤 링[편집]
링의 작용[편집]
- 기밀 유지 작용(밀봉)
- 오일제어 작용(오일 긁어내리기)
- 냉각작용(열전도)
피스톤링은 피스톤과 실린더 내벽 사이의 기밀(공기 밀도)을 유지하고, 실린더 벽의 윤활유로 긁어 내려 윤활유가 연소실로 들어가지 않도록 하기 위하여 피스톤 바깥 둘레의 홈에 끼우는 링을 말한다. 기밀 유지를 목적으로 하는 것을 가스링, 윤활유 긁기를 주목적으로 하는 것을 오일 링이라고 한다.
링의 재질[편집]
피스톤 링의 재질은 치밀한 특수 주철이며, 원심 주조법으로 제작한다. 피스톤 링의 재질은 실린더 벽 재질보다 다소 경도가 낮아야 하는데, 이것은 실린더 벽의 마멸을 감소시키기 위함이다. 또한 제1번 압축링과 오일링에는 크롬으로 도금을 하는데 이는 내마모성을 높이는 것이다.
정비[편집]
- 링 이음부 간극은 엔진 작동 중 열팽창을 고려해서 간극을 두어야 하며, 피스톤 바깥지름에 관계된다.
- 링 이음부 간극은 제1번 압축 링을 가장 크게 한다.
- 실린더에 링을 끼우고 피스톤 헤드로 밀어 넣어 수평 상태로 한 후 필러 게이지로 측정한다.
- 마멸된 실린더의 경우에는 가장 마멸이 적은 부분에서 측정하여 0.2~0.4mm이면 정상이다.
- 피스톤 링을 피스톤에 조립할 때 각 링 이음부 방향이 한쪽으로 일직선 위에 있게 되면 블로바이가 발생하기 쉽다.[10]
피스톤 핀[편집]
피스톤 핀은 피스톤 보스 부분에 끼워져 피스톤과 커넥팅 로드 소단부를 연결해주는 핀이며, 피스톤이 받은 폭발력을 커넥팅로드로 전달한다. 재질은 저탄소 침탄강, 니켈-크롬강이며, 내마모성을 높이기 위하여 표현은 경화시키고 내부는 그대로 두어 인성을 유지하고 있다.
고정 방법[편집]
- 고정식 : 피스톤 핀을 피스톤 보스 부분에 고정하는 방법이며, 커넥팅 로드 소단부에 구리합금의 부싱이 들어간다.
- 반부동식(요동식) : 피스톤 핀을 커넥팅 로드 소단부에 고정하는 방법이다.
- 전부동식 : 피스톤 핀을 피스톤 보스 부분, 커넥팅 로드 소단부 등 어느 부분에도 고정하지 않는 방법으로 핀의 양 끝에 스냅링이나 앤드 와셔를 두어 핀이 밖으로 이탈되는 것을 방지한다.
커텍팅 로드[편집]
피스톤 핀과 크랭크축을 연결하는 막대이며, 피스톤의 왕복운동을 크랭크축으로 전달하는 일을 한다. 소단부는 피스톤핀에 연결되고 대단부는 평면 베어링을 통하여 크랭크 핀에 결합하여 있다. 커넥팅 로드의 길이는 소단부 중심에서 대단부 중심 사이의 길이로 표시하며 피스톤 행정의 1.5~2.3배로 한다.[11]
부하[편집]
폭발 압력[편집]
가솔린엔진에 작용하는 가스의 폭발압력은 최대 70바, 디젤엔진에서는 190바에 이른다. 폭발압력이 60바, 피스톤헤드에 작용하는 힘은 약 30,000뉴턴 정도가 된다.
측압[편집]
피스톤은 상하 왕복운동을 하므로 운동 방향이 바뀌는 지점에서는 특히, 실린더의 벽면에 압력을 가하게 된다. 이때 피스톤스커트 부분에 작용하는 측압은 0.8뉴턴 정도이다. 피스톤이 측압방향으로 기울어지면서 실린더 벽을 때리고, 소음을 발생시키는 현상을 피스톤 슬랩이라고 한다. 피스톤 슬랩을 줄이는 방법은 피스톤과 실린더 간의 간격을 줄이고, 피스톤스커트의 길이를 길게 하고, 피스톤핀을 오프셋 시키는 방법 등이 있다.
마찰력[편집]
피스톤스커트, 링 벨트, 핀 보스 부분은 기관 운전 중 마찰에 의한 부하를 받게 된다. 따라서 마찰을 최소화하기 위해서 마멸이 적은 재료를 선택하거나 표면가공을 매끄럽게 하고 윤활이 원활하도록 하는 방법 등을 사용한다.
열부하[편집]
폭발행정에서 발생하는 연소 가스의 온도는 최고 2,500도 정도 된다. 이것을 연소열이라고 하고, 연소열은 대부분 피스톤헤드. 링 벨트, 피스톤링을 거쳐서 실린더 벽에 전달된다. 동시에 엔진오일도 열의 일부를 전달받아 방출시킨다.[12]
국내 개발 동향[편집]
일반적으로 피스톤의 기술개발 전략은 디젤엔진 또는 가솔린엔진에 따라 다르게 진행되어 왔다. 예를 들면 디젤엔진 피스톤의 경우 고연소압 및 고출력에 대응하는 기술이 중심이다. 이를 위해 저마찰 기술, 냉각효율 증대기술 및 고강도 화 기술을 중심으로 기술개발이 진행되어 왔다. 이에 반해 가솔린엔진 피스톤은 저마찰 기술, 설계 최적화를 통한 경량화 기술을 집중적으로 진행해 왔다. 그러나 최근 들어 가솔린엔진도 터보과급기술이 적용됨에 따라 고강도 화 기술이 요구되고 있으며 디젤엔진에서 사용하는 다양한 냉각기술을 채용하고 있다. 다시 말해 디젤엔진과 가솔린엔진 피스톤 기술이 융합되는 특징을 보여주고 있다. 국내뿐만 아니라 해외 피스톤 업계도 기존 알루미늄 합금이 가지고 있는 물리적인 특성의 한계를 극복하기 위해서 새로운 주조용 및 단조용 합금 소재 개발, 부분 강화 기술, 코팅기술, 스틸 및 마그네슘 피스톤 등의 새로운 소재 및 공법에 대한 기술개발을 진행하고 있다. 자동차의 많은 부품과 마찬가지로 피스톤 설계는 많은 경험과 노하우가 필요하며 업체마다 고유의 독자설계 소프트웨어와 상용 소프트웨어를 이용하여 엔진에서 요구하는 피스톤 설계를 진행하게 된다. 최근 들어 피스톤 경량화에 대한 요구 증가로 소재 자체에 대한 경량화뿐만 아니라 피스톤 살 두께를 최소로 하는 초박형 피스톤 설계의 중요성이 커짐에 따라 업체들에 신뢰성 있는 고도의 해석 기술이 점점 중요해지고 있다. 설계에서 요구하는 기계적 강도를 검토 후 재질 및 열처리를 선정하고 각 부품 간의 조립성 검토를 통해 최종적으로 피스톤 설계를 완료하게 된다. 또한 재료 분석과 재료 시험 설비를 이용하여 다양한 시편에 대한 시험을 통해 데이터베이스를 구축하고 설계자에게 피드백된다. 개발된 피스톤의 신뢰성을 확보하기 위해서 피스톤 전용 유압 시험기(Hydro-pulse Test) 및 신뢰성 시험 장비들을 이용하여 평가를 진행하고 품질을 판단하게 된다.
마지막으로 실엔진 상태에서 온도 및 내구시험을 통해 최종적으로 제품 성능을 검증한다. 현재 승용 가솔린엔진, 디젤엔진뿐만 아니라 소형엔진에도 가장 널리 사용되고 있는 피스톤은 주조방식으로 복잡한 형상을 비교적 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 한편 최근 가솔린엔진의 고출력화에 따른 연소실 온도와 압력 상승으로 단조 피스톤 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 그림 4의 알루미늄 단조 피스톤은 중력 주조 방법에 비해 재료의 조직을 보다 미세화가 가능하여 재료의 기계적 및 물리적 강도를 증가시킬 수 있으며 주조에서 발생하는 여러 가지 결함을 방지할 수 있는 장점이 있다. 알루미늄 단조 피스톤은 승용차 및 레이싱카에 주로 사용되고 있으며 고속, 고출력 가솔린엔진에 적합하다. 앞서 기술했듯이 엔진의 출력이 증가함에 따라 알루미늄 합금 피스톤의 재질의 한계를 극복하고자 여러 가지 소재 및 제조공업들이 개발되고 있는데 그 가운데 하나가 스틸 단조 피스톤 기술이다. 스틸 단조 피스톤은 스틸 소재를 이용하여 크라운 부와 스커트 부를 각각 가공 후 경계면을 마칠 용접하여 피스톤을 제작하게 된다. 알루미늄보다 스틸 소재가 가지는 기계적 성질이 우수하고 대용량 냉각 갤러리 설계가 가능하기 때문에 냉각성능 또한 우수하다. 다만 피스톤 중량이 증가하며 피스톤 부식에 의한 마찰력 증가를 최소화하기 위한 코팅기술이 필요하다. 이 외에도 피스톤 주 소재 변경 없이 기계적으로 취약한 부위에 부분 강화기술을 적용하고자 하는 연구도 진행되고 있다. 부분 강화기술은 연소실 크라운 부 및 링 홈 부위를 국부적으로 티그 또는 플라즈마를 이용하여 재용해시켜 기계적 강성을 향상하는 기술이다. 새로운 소재를 개발하지 않고 효과적으로 피스톤의 내구성을 향상할 수 있는 기술이다. 현재 디젤엔진 피스톤은 냉각을 위해 냉각 갤러리의 채용이 보편화되어 있다. 피스톤 냉각 갤러리 설계 시 피스톤의 상사점과 오일 젯의 상대 위치, 오일 유량, 온도, 충진율 등에 대한 인자를 고려해야 한다. 또한 냉각 갤러리 위치 및 형상 등도 냉각 효율을 결정하는 데 매우 중요하다. 주조방식 알루미늄 피스톤에 냉각 갤러리를 형성시키기 위해 소금 재질로 만든 솔트 코아가 사용되고 있다. 피스톤 냉각 효율을 향상하기 위해서는 갤러리 형상이 복잡해지게 되고 따라서 다양한 코어 재질과 공정에 대한 연구가 필요하게 된다. 특히 생산성, 성형 가공성, 기계적 성질이 우수한 재질 선정을 위해 소금 외에 설탕 및 레진 등 새로운 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 설탕 또는 레진을 사용할 경우보다 복잡한 형상의 코아 제작이 가능하므로 냉각 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.[13]
국내 자동차 업계는 환경 규제에 따른 비용을 최소화하기 위해 차량 경량화를 진행하고 있다. 이에 최근 고출력용 엔진의 프리미엄 알루미늄 합금으로 내구성까지 갖춘 자동차 피스톤 기술이 주목받고 있다. ㈜동서페더럴모굴의 피스톤이 그것이다. 냉각 갤러리를 적용한 열부하 저감용 피스톤 기술, 알루미늄 베이스에 톱링 강화를 위한 주철 제일 삽입기술, 높은 열부하 및 마모 대응하기 위한 표면처리 기술, 단조 피스톤 기술 등을 통해 자동차의 유형에 맞는 피스톤을 제공하고 있다. 고효율의 소형 1.0L급부터 중형, 대형 차량의 다양한 피스톤이 개발되고 있으며, SUV에 적합한 유로6 대응 피스톤은 물론, 압축천연가스, 액화석유가스 등 연료의 다변화에 맞는 가스 엔진용 피스톤도 포함된다.[14]
각주[편집]
- ↑ 〈피스톤〉, 《나무위키》
- ↑ 〈피스톤〉, 《위키백과》
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 휠라이프, 〈"피스톤" -엔진의 시작-〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-22
- ↑ 착한아저씨, 〈피스톤의 구조와 종류 〉, 《다음 블로그》, 2010-12-17
- ↑ 깔끔이, 〈피스톤의 구비 조건〉, 《지게차코리아》, 2009-03-26
- ↑ cell1517, 〈피스톤이란?〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-10
- ↑ 김군, 〈4행정 사이클 기관〉, 《다음 블로그》, 2015-01-29
- ↑ JINSOL KIM, 〈크랭크 기구 : 피스톤은 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다.〉, 《네이버 블로그》, 2018-06-01
- ↑ 자몽맛에이드v, 〈자동차 기관 - 1. 피스톤의 모든것(구비조건, 종류, 재질, 구조, 간극〉, 《티스토리》, 2020-02-29
- ↑ 자몽맛에이드v, 〈자동차 기관-2. 피스톤 링 정보〉, 《티스토리》, 2020-02-29
- ↑ 자몽맛에이드v, 〈자동차 기관 - 2.피스톤 링 정보(재질, 가공법, 정비〉, 《티스토리》, 2020-02-29
- ↑ 사실요것만고치면돼요, 〈피스톤 - 종류와 부하〉, 《네이버 블로그》, 2013-02-19
- ↑ 채영석 기자, 〈국내 엔진 피스톤 기술 개발 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2014-10-28
- ↑ 김진성 기자, 〈자동차 심장 ‘피스톤’ 알루미늄으로 진화하다〉, 《공학저널》, 2019-03-19
참고자료[편집]
- 〈피스톤〉, 《나무위키》
- 〈피스톤〉, 《위키백과》
- 휠라이프, 〈"피스톤" -엔진의 시작-〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-22
- 착한아저씨, 〈피스톤의 구조와 종류 〉, 《다음 블로그》, 2010-12-17
- cell1517, 〈피스톤이란?〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-10
- 깔끔이, 〈피스톤의 구비 조건〉, 《지게차코리아》, 2009-03-26
- 김군, 〈4행정 사이클 기관〉, 《다음 블로그》, 2015-01-29
- JINSOL KIM, 〈크랭크 기구 : 피스톤은 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다.〉, 《네이버 블로그》, 2018-06-01
- 자몽맛에이드v, 〈자동차 기관 - 1. 피스톤의 모든것(구비조건, 종류, 재질, 구조, 간극〉, 《티스토리》, 2020-02-29
- 자몽맛에이드v, 〈자동차 기관-2. 피스톤 링 정보〉, 《티스토리》, 2020-02-29
- 자몽맛에이드v, 〈자동차 기관 - 2.피스톤 링 정보(재질, 가공법, 정비〉, 《티스토리》, 2020-02-29
- 채영석 기자, 〈국내 엔진 피스톤 기술 개발 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2014-10-28
- 김진성 기자, 〈자동차 심장 ‘피스톤’ 알루미늄으로 진화하다〉, 《공학저널》, 2019-03-19
- 사실요것만고치면돼요, 〈피스톤 - 종류와 부하〉, 《네이버 블로그》, 2013-02-19
같이 보기[편집]
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