피스톤

피스톤이란 회전운동을 직선운동(상하운동)으로 변환하거나, 혹은 그 반대의 작용을 하는 기구를 말한다.

개요

피스톤(piston)은 꼭 맞는 텅 빈 실린더에서 압력을 받으면 앞뒤로 움직일 수 있게 만들어진 속까지 굳은 실린더로피스톤(piston)은 꼭 맞는 증기기관 등의 실린더 속에서 연소(폭발) 행정(combustion stroke)에서 발생한 고온·고압의 가스 압력을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 회전력을 발생시키는 원통형 엔진의 주요 부품이다. 텅 빈 실린더에서 압력을 받으면 앞뒤로 움직일 수 있게 만들어진 속까지 굳은 실린더로

구성

• 피스톤 헤드 : 피스톤 헤드는 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 연소 시켜 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 직분사 되는 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 벨트에는 피스톤 링이 끼워지는 링 그루브가 피스톤 링의 개수만큼 가공되어있다. 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 보스는 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 : 스커트는 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.

종류

(1) 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.

(2) 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.

(3) 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.

(4) 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 스커트(split skirt)형은 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.

(5)인바 스트럿 형(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 강철제 작은 링(small ring)을 피스톤 스커트 상부에 주입해 피스톤의 열팽창에 따른 변형을 적게 하기 위해 제작된 피스톤이다.

(6) 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 슬랩(piston slap)이다.

재질

피스톤의 재질은 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 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.

피스톤의 구비 조건

1. 실린더 내의 폭발 가스 압력을 유효하게 이용할 수 있고 또 어떤 온도 하에서도 가스가

새지 않는 구조일 것.

1. 실린더 벽과의 마찰이 적고 기계적 손실이 최소가 되도록 윤활하기 위한 적당한 간극이 있을 것.
2. 실린더 벽을 윤활 하는 오일이 연소실에 들어가지 못하는 구조일 것.
3. 고온에서 강도가 저하되지 않고 열전도가 잘 되어 열점에 의한 이상연소를 방지할 수 있을 것.
4. 충분한 기계적 강도가 있을 것.
5. 실린더 내를 고속으로 왕복 운동하므로 관성력에 의한 동력손실을 적게 하는 순응력을 높이기

위하여 가능한 한 가벼울 것. 또한 다기통 엔진인 경우 피스톤의 무게가 같을 것.

피스톤 4행정

흡입행정 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. 압축행정 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 상승 시켜 연소를 쉽게 하고 폭발압력을 증대시키기 위함이다. 그리고 디젤기관의 압축비가 높은 이유는 압축착화이기 때문에 기관의 회전속도가 빨라질수록 압축압력은 상승한다 폭발행정 가솔린 기관은 압축된 혼합가스에 점화플러그에서 전기불꽃 방전으로 점화하고, 디젤기관은 압축된 공기에 인젝터에서 연료를 분사 시켜 자기 착화하여, 실린더 내의 압력을 상승 시켜 피소 톤에 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. 배기행정 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.

운동방향

가솔린 엔진 같은 왕복 엔진은 피스톤이 왕복 운동을 해서 힘을 발생시키는데, 자동차가 주행하려면 타이어의 회전 운동이 필요합니다. 그래서 왕복 엔진은 크랭크축(crankshaft)과 커넥팅 로드(connecting rod)를 이용하여 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환합니다. 크랭크 기구(crank mechanism)는 기본적인 기계요소(기계를 구성하고 있는 단위 부품의 하나)로 다양한 기계에서 사용되고 있습니다. 자전거의 페달을 예로 들면 이해하기가 쉽습니다.

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 끌어 올려서, 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.

참고자료

• 〈피스톤〉, 《나무위키》
• 〈피스톤〉, 《위키백과》
• 휠라이프, 〈"피스톤" -엔진의 시작-〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-22
• 착한아저씨,〈피스톤의 구조와 종류 〉, 《다음 블로그》, 2010-12-17
• cell1517, 〈피스톤이란?〉, 《네이버블로그》, 2010-02-10
• 깔끔이, 〈피스톤의 구비 조건〉, 《지게차 코리아》, 2009-03-26
• 김군, 〈4행정 사이클 기관〉, 《네이버블로그》, 2015-01-29
• JINSOL KIM, 〈크랭크 기구 : 피스톤은 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다.〉, 《네이버 블로그》, 2018-06-01