피스톤이란?- 정의, 부품 및 유형

피스톤이란?

피스톤은 다른 유사한 메커니즘 중에서 왕복 엔진, 왕복 펌프, 가스 압축기, 유압 실린더 및 공압 실린더의 구성 요소입니다. 실린더에 포함되어 있고 피스톤 링에 의해 기밀하게 만들어지는 움직이는 부품입니다.
엔진에서 그 목적은 피스톤 로드 및/또는 커넥팅 로드를 통해 실린더의 팽창하는 가스에서 크랭크축으로 힘을 전달하는 것입니다. 펌프에서는 기능이 역전되어 실린더의 유체를 압축하거나 배출할 목적으로 크랭크축에서 피스톤으로 힘이 전달됩니다. 일부 엔진에서 피스톤은 실린더의 포트를 덮거나 열어 밸브 역할도 합니다.
피스톤은 피스톤 링으로 기밀하게 만들어진 실린더에 둘러싸인 움직이는 디스크입니다. 실린더 내부의 액체 또는 기체가 팽창 및 수축함에 따라 디스크는 실린더 내부를 이동합니다. 피스톤은 열 에너지를 기계적 작업으로 또는 그 반대로 변환하는 데 도움이 됩니다.
이 때문에 피스톤은 열기관의 핵심 부품입니다. 피스톤은 실린더에서 팽창하는 가스의 출력을 크랭크축으로 전달하여 작동하며, 이는 플라이휠에 회전 운동량을 제공합니다. 이러한 시스템을 왕복 엔진이라고 합니다.
피스톤이 계속해서 열 에너지를 작동으로 전환하려면 피스톤이 주기적 과정을 따라야 하며 이 주기를 완료하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
예를 들어:
실린더 내부의 가스에 열을 가하면 가스가 팽창하여 실린더의 부피가 증가하고 유용한 작업을 제공합니다.
실린더에서 열을 제거함으로써 가스의 압력이 감소하여 더 쉽게 압축될 수 있습니다.
피스톤에 일을 입력하면 피스톤이 초기 상태로 압축되어 다시 사이클을 수행할 준비가 됩니다.

 

피스톤 부품도

 

피스톤의 부품

1. 피스톤 링

피스톤 링은 피스톤과 실린더 벽 사이의 가스 압축을 유지합니다. 피스톤 링은 점화 시 발생하는 연소 가스가 피스톤과 실린더 사이의 개구부로 누출되지 않도록 실린더를 밀봉합니다.
일반적인 자동차 엔진에는 일반적으로 3가지 유형의 피스톤 링이 있습니다.

압축 링

이것은 상단 링이며 연소실에 가장 가깝습니다. 가스 또는 압력 링이라고도 합니다. 링은 연소 가스 누출을 방지합니다. 압축 링은 또한 피스톤에서 실린더 벽으로 열을 전달하는 데 도움이 됩니다.

와이퍼 링

와이퍼 링은 압축 링과 오일 링 사이의 링 홈에 위치한 테이퍼면이 있는 피스톤 링입니다. 와이퍼 링은 연소실을 더욱 밀봉하고 실린더 벽을 닦아 여분의 오일을 제거하는 데 사용됩니다. 압축 링을 통과하는 연소 가스는 와이퍼 링에 의해 차단됩니다.

오일 링

오일 링은 크랭크 케이스에 가장 가까운 링 홈에 위치한 피스톤 링입니다. 오일 링은 피스톤이 움직이는 동안 실린더 벽에서 과도한 오일을 닦아내는 데 사용됩니다. 초과 오일은 링 개구부를 통해 엔진 블록의 오일 저장소로 반환됩니다.

2. 피스톤 스커트

피스톤의 스커트는 피스톤의 둥근 부분에 장착된 원통형 재료를 말합니다. 부품은 우수한 내마모성과 자체 윤활 특성으로 인해 일반적으로 주철로 만들어집니다. 스커트에는 피스톤 오일 링과 압축 링을 장착하기 위한 홈이 있습니다. 피스톤 스커트는 특정 응용 분야에 맞게 다양한 디자인으로 제공됩니다.
피스톤 스커트에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

풀 스커트

솔리드 스커트라고도 합니다. 풀 스커트는 관 모양입니다. 그것은 일반적으로 대형 자동차의 엔진에 사용됩니다.

슬리퍼 스커트

피스톤 스커트의 유형은 오토바이 및 일부 자동차의 피스톤에 사용됩니다. 스커트의 일부가 절단되어 실린더 벽에 뒷면과 앞면만 남습니다. 이것은 무게를 줄이고 실린더 벽과 피스톤 사이의 접촉 면적을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

3. 피스톤 핀/거전 핀

피스톤 핀은 피스톤을 커넥팅 로드에 연결하고 피스톤이 움직일 때 피벗할 커넥팅 로드용 베어링을 제공하는 손목 핀 또는 거전 핀이라고도 합니다.
증기로 구동되는 엔진과 많은 대형 고정식 또는 선박용 엔진을 포함한 초기 엔진 설계에서 거전 핀은 로드를 통해 피스톤에 연결되는 슬라이딩 크로스헤드에 있습니다.
거전 핀은 일반적으로 커넥팅 로드와 피스톤 또는 크로스헤드에서 물리적으로 분리될 수 있는 고강도 및 경도의 강철 합금으로 만들어진 단조 짧은 중공 로드입니다.
특히 작고 고회전 자동차 엔진에서 피스톤 핀 설계는 까다롭습니다. 피스톤 핀은 엔진에서 발생하는 가장 높은 온도에서 작동해야 하며 피스톤 직경 내에 맞고 피스톤 질량을 과도하게 증가시키지 않기 위해 작고 가볍게 유지하면서 윤활하기 어려운 위치에 있습니다.
가벼움과 소형화에 대한 요구 사항은 높은 전단 및 굽힘 하중을 받고 전체 엔진의 베어링 중 가장 높은 압축 하중을 갖는 작은 직경의 로드를 요구합니다.
이러한 문제를 극복하기 위해 피스톤 핀이 만들어지는 재료와 만드는 방법은 내연 기관에서 볼 수 있는 모든 기계적 구성 요소 중 가장 정교합니다.
이들은 다음과 같은 유형의 핀을 생성합니다.

고정/고정 핀

핀은 나사를 통해 피스톤의 보스에 부착됩니다. 그러면 피스톤 로드가 핀을 중심으로 회전합니다.

반 부동

핀은 중간에 있는 커넥팅 로드에 부착되고 핀 끝은 피스톤 베어링 내에서 그리고 보스에서 자유롭게 움직입니다.

풀 플로팅

이 핀 유형에서는 핀이 핀 또는 피스톤 커넥팅 로드에 부착되지 않습니다. 대신 피스톤 보스에 부착된 플러그, 클립 또는 스냅 링으로 고정됩니다. 그러면 핀은 보스와 로드에서 진동할 수 있습니다.

4. 피스톤 헤드/크라운

피스톤 크라운 또는 돔이라고도 하며 피스톤의 헤드가 상단입니다. 연소가스와 접촉하는 부분입니다. 이것은 그것을 극도로 높은 온도로 가열합니다. 용융을 방지하기 위해 피스톤 헤드 부품은 강철 합금을 포함한 특수 합금으로 만들어집니다.
피스톤 헤드는 일반적으로 채널과 공동으로 제작됩니다. 이것은 연소를 개선하는 소용돌이를 만드는 데 도움이 됩니다. 다른 유형의 피스톤 헤드는 다른 엔진에 사용됩니다. 차이의 이유는 다양합니다. 선호하는 피스톤 헤드 디자인은 예상되는 성능 및 엔진 유형과 같은 많은 요인에 따라 다릅니다.

5. 커넥팅 로드

콘로드라고도하는 커넥팅로드는 피스톤을 크랭크 샤프트에 연결하는 피스톤 엔진의 일부입니다. 크랭크와 함께 커넥팅 로드는 피스톤의 왕복 운동을 크랭크 샤프트의 회전으로 변환합니다.

6. 피스톤 베어링

베어링은 회전이 일어나는 지점에 위치한 피스톤 부품입니다. 이들은 일반적으로 이 지점의 구멍에 맞는 반원형 금속 조각입니다. 피스톤 베어링은 로드가 크랭크축에 연결된 큰 끝 부분에 컵을 포함합니다. 로드가 피스톤에 연결되는 작은 끝에 베어링도 있습니다.
피스톤 베어링은 일반적으로 납 구리, 실리콘 알루미늄 등과 같은 복합 금속으로 만들어집니다. 베어링은 종종 경도를 향상시키고 피스톤과 커넥팅 로드의 움직임으로 인한 하중을 지지하기 위해 코팅됩니다.

 

모양에 따른 피스톤 베이스의 유형

1. 플랫 탑 피스톤

간단하게 들리겠지만 플랫 탑 피스톤에는 플랫 탑이 있습니다. 플랫 탑 피스톤은 표면 공간이 가장 작습니다. 이것은 그들이 가장 큰 힘을 생성할 수 있게 해줍니다. 이 유형의 피스톤은 효율적인 연소를 만드는 데 이상적입니다.
플랫 탑 피스톤은 가장 균일한 화염 분포를 생성합니다. 이것과 함께 오는 어려움은 더 작은 연소실에 대해 너무 많은 압축을 생성할 수 있다는 것입니다.

2. 접시 피스톤

접시 피스톤은 엔지니어에게 가장 적은 문제를 제공합니다. 그것은 그들이 소유하고 있는 어떤 재산보다 사용된 장소 때문입니다.
그들은 바깥 쪽 가장자리가 약간 말려있는 판과 같은 모양입니다. 일반적으로 접시 피스톤은 고양력 캠축이나 높은 압축비가 필요하지 않은 부스트 ​​응용 분야에 사용됩니다.

3. 돔 피스톤

접시 피스톤과 반대 개념으로 경기장의 꼭대기처럼 중앙에 거품이 있습니다. 이것은 피스톤 상단에서 사용 가능한 표면적을 늘리기 위해 수행됩니다. 더 많은 표면적은 더 적은 압축을 의미합니다.
더 많은 압축은 더 많은 힘이 생성된다는 것을 의미하지만 각 연소실이 처리할 수 있는 상한이 있습니다. 이러한 방식으로 압축률을 줄이면 엔진이 스스로 찢어지는 것을 근본적으로 방지할 수 있습니다.
생성된 힘의 양을 엔진이 안전하게 처리할 수 있는 범위로 제한하는 하나의 도구일 뿐입니다.
이제 막 시작했다면 이것은 시작일 뿐입니다. 조각들을 서로 맥락에 맞추지 않고는 전체 퍼즐을 이해할 수 없습니다.
따라서 이것이 피스톤이 하는 일과 모양의 차이가 어떻게 중요한지 설명하는 동안 전체 그림을 얻으려면 전체 엔진의 맥락에서 이해해야 합니다. 계속 공부하면 갈 수 있습니다.

 

피스톤의 종류

1. 트렁크 피스톤

트렁크 피스톤은 직경에 비해 깁니다. 피스톤과 원통형 크로스헤드 역할을 합니다. 커넥팅 로드는 회전의 대부분을 위해 각이 져 있기 때문에 실린더 벽에 대해 피스톤 측면을 따라 반응하는 측면력도 있습니다. 더 긴 피스톤이 이를 지원합니다.
트렁크 피스톤은 왕복 내연 기관의 초기부터 피스톤의 일반적인 설계였습니다. 고속 엔진은 이제 더 가벼운 슬리퍼 피스톤을 채택했지만 가솔린 엔진과 디젤 엔진 모두에 사용되었습니다.
특히 디젤 엔진의 경우 대부분의 트렁크 피스톤의 특징은 거전 핀과 크라운 사이의 링 외에도 거전 핀 아래에 오일 링용 홈이 있다는 것입니다.
'트렁크 피스톤'이라는 이름은 선박용 증기 기관의 초기 설계인 '트렁크 엔진'에서 따온 것입니다.
이를 보다 컴팩트하게 만들기 위해 별도의 크로스헤드가 있는 증기 기관의 일반적인 피스톤 로드를 피하고 대신 피스톤 내에 직접 거전 핀을 배치한 최초의 엔진 설계였습니다.
그렇지 않으면 이러한 트렁크 엔진 피스톤은 트렁크 피스톤과 거의 유사하지 않습니다. 그들은 직경이 매우 크고 복동식이었습니다. 그들의 '트렁크'는 피스톤 중앙에 장착된 좁은 실린더였습니다.

2. 크로스헤드 피스톤

대형 저속 디젤 엔진은 피스톤의 측면력에 대한 추가 지원이 필요할 수 있습니다. 이러한 엔진은 일반적으로 크로스헤드 피스톤을 사용합니다.
메인 피스톤에는 피스톤에서 아래쪽으로 뻗어 있는 큰 피스톤 로드가 있어 효과적으로 두 번째 작은 지름의 피스톤이 됩니다. 메인 피스톤은 가스 밀봉을 담당하고 피스톤 링을 운반합니다.
더 작은 피스톤은 순전히 기계식 가이드입니다. 트렁크 가이드로 작은 실린더 내에서 작동하며 거전 핀도 운반합니다.
크로스헤드의 윤활은 윤활유가 연소열에 영향을 받지 않기 때문에 트렁크 피스톤에 비해 장점이 있습니다. 오일은 연소 그을음 입자에 의해 오염되지 않고 열로 인해 분해되지 않으며 더 얇고 점도가 낮은 오일 사용될 수있다.
피스톤과 크로스헤드의 마찰은 트렁크 피스톤의 절반에 불과합니다. 이 피스톤의 추가 중량 때문에 고속 엔진에는 사용되지 않습니다.

3. 슬리퍼 피스톤

슬리퍼 피스톤(Slipper Piston)은 최대한 크기와 무게를 줄인 가솔린 엔진용 피스톤이다.
극단적 인 경우 피스톤 크라운, 피스톤 링 지지대 및 피스톤 스커트가 보어에서 흔들리는 것을 멈추기 위해 두 개의 랜드를 남기기에 충분할 정도로 축소됩니다.
거전 핀 주변의 피스톤 스커트 측면은 실린더 벽에서 멀어지도록 축소됩니다.
목적은 대부분 왕복 질량을 줄여 엔진의 균형을 쉽게 유지하고 고속을 허용하는 것입니다. 레이싱 애플리케이션에서 슬리퍼 피스톤 스커트는 풀 스커트의 강성과 강도를 유지하면서 매우 가벼우도록 구성할 수 있습니다.
감소된 관성은 엔진의 기계적 효율성도 향상시킵니다. 왕복 부품을 가속 및 감속하는 데 필요한 힘은 피스톤 헤드의 유체 압력보다 실린더 벽과 피스톤 마찰이 더 많이 발생합니다.
두 번째 이점은 실린더에서 위아래로 미끄러지는 스커트의 면적이 절반으로 줄어들기 때문에 실린더 벽과의 마찰이 약간 감소할 수 있다는 것입니다. 그러나 대부분의 마찰은 피스톤 링에 기인하는데, 이는 실제로 가장 조이는 부분인 보어와 손목 핀의 베어링 면에 있으므로 이점이 감소합니다.

4. 디플렉터 피스톤

디플렉터 피스톤은 크랭크실 압축이 있는 2행정 엔진에 사용되며, 여기서 실린더 내의 가스 흐름은 효율적인 청소를 제공하기 위해 주의 깊게 안내되어야 합니다.
교차 청소의 경우 이송(실린더로의 입구) 및 배기 포트는 실린더 벽의 직접 마주보는 면에 있습니다.
유입되는 혼합물이 한 포트에서 다른 포트로 직선으로 통과하는 것을 방지하기 위해 피스톤의 크라운에 융기된 리브가 있습니다. 이것은 연소실 주변에서 유입되는 혼합물을 위쪽으로 편향시키기 위한 것입니다.
피스톤 크라운의 많은 노력과 다양한 디자인이 개선된 청소를 개발하는 데 사용되었습니다. 크라운은 단순한 늑골에서 커다란 비대칭 돌출부로 발달했으며 일반적으로 흡입구 쪽은 가파르고 배출구는 완만한 곡선을 이룹니다.
그럼에도 불구하고 교차 청소는 기대만큼 효과적이지 않았습니다. 오늘날 대부분의 엔진은 대신 Schnoodle 포팅을 사용합니다. 이것은 실린더 측면에 한 쌍의 전송 포트를 배치하고 가스 흐름이 수평 축이 아닌 수직 축을 중심으로 회전하도록 합니다.

5. 레이싱 피스톤

레이싱 엔진에서 피스톤 강도와 강성은 일반적으로 승용차 엔진보다 훨씬 높지만 무게는 훨씬 적기 때문에 레이싱에 필요한 높은 엔진 RPM을 달성합니다.

 

피스톤 기능

▷ 작동 가스에서 힘 전달
▷ 작업실(실린더)의 가변 경계
▷ 작업실 밀봉
▷ 콘로드의 선형 가이딩(트렁크 피스톤 엔진)
▷ 방열
▷ 인출 및 방전에 의한 전하 교환 지원(4행정 엔진)
▷ 혼합물 형성 지원(피스톤 표면의 적절한 모양을 통해 연소실 측)
▷ 전하 교환 제어(2행정 엔진에서)
▷ 실링 요소 안내(피스톤 링)
▷ 콘로드 가이드(상단 가이드 콘로드용)

 

피스톤 특성

▷ 피스톤은 다음을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다.
▷ 연소 가스 압력의 망치 효과,
▷ 변동 하중 및
▷ 가스의 높은 온도.
▷ 피스톤은 다음과 같아야 합니다.
▷ 가벼운 무게
▷ 조용한 작동 및 기계적으로 강합니다.
▷ 경량으로 인해 관성 손실 및 모션의 변화로 인해 베어링의 관성 하중이 감소합니다.

 

피스톤 장점

▷ 기계적 단순성
▷ 유연성 및 신뢰성
▷ 전력 대 중량비
▷ 다중 연료 기능
▷ 낮은 터빈 작동 온도
▷ 진동과 소음이 적음
▷ 적은 유지보수
▷ 피스톤을 시작하게 쉬운
▷ 폐열 회수에 매우 적합
▷ 높은 수준의 기동성 부여
▷ 제조 비용 절감
▷ 낮은 NOx 배출
▷ HCCI 연소 과정을 제공합니다.
▷ 내부 균형
▷ 모듈성

 

피스톤 단점

▷ 연비가 좋지 않음
▷ 연료 공급의 안정성
▷ 낮은 부분 부하 효율
▷ 높은 연소율
▷ 감속 기어가 필요