피스톤

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피스톤은 왕복 엔진, 왕복 펌프, 가스 압축기, 유압 실린더 및 공압 실린더의 구성품이다.실린더에 의해 포함되어 있고 피스톤 링에 의해 가스가 조밀하게 만들어지는 움직이는 구성품이다.엔진의 목적은 실린더의 가스 팽창으로부터 피스톤 로드 및/또는 연결 로드를 통해 크랭크축으로 힘을 전달하는 것이다.펌프에서는 실린더 내의 오일을 압축하거나 배출하기 위해 기능이 역전되어 크랭크축에서 피스톤으로 힘이 전달된다.일부 엔진에서 피스톤은 실린더의 포트를 덮거나 덮어서 밸브 역할을 하기도 한다.

피스톤 엔진

내연기관

내연 엔진은 실린더 상단의 연소실 공간에서 팽창하는 연소 가스의 압력에 의해 작용한다.이 힘은 연결봉을 통해 아래로 작용하고 크랭크축에 작용한다.연결봉은 회전 거전 핀(미국: 손목 핀)에 의해 피스톤에 부착된다.이 핀은 피스톤 내부에 장착된다: 증기 엔진과 달리 피스톤 로드나 크로스헤드가 없다(빅 2 스트로크 엔진 제외).

전형적인 피스톤 디자인이 그림 위에 있다.이런 유형의 피스톤은 자동차 디젤 엔진에 널리 사용된다.목적에 따라 모양과 비율에 따라 엔진의 과충전 수준과 작업 조건을 변경할 수 있다.

고출력 디젤 엔진은 어려운 조건에서 작동한다.연소실의 최대 압력은 20 MPa에 이를 수 있으며 일부 피스톤 표면의 최대 온도는 450 °C를 초과할 수 있다.특수 냉각 캐비티를 만들어 피스톤 냉각을 개선할 수 있다.인젝터가 오일 공급 채널 «B »를 통해 이 냉각 캐비티 «A »를 공급한다.더 나은 온도 저감을 위해 건설은 세심하게 계산되고 분석되어야 한다.냉각 캐비티의 오일 흐름은 인젝터를 통과하는 오일 흐름의 80% 이상이어야 한다.

핀 자체는 경화된 강철로 피스톤에 고정되어 있으나 연결봉에서 자유롭게 이동할 수 있다.일부 설계에서는 두 구성 요소 모두에 느슨한 '완전 부동' 설계를 사용한다.모든 핀은 옆으로 이동하지 않아야 하며 핀 끝이 실린더 벽을 파고 들어가는 것을 방지해야 하며, 보통은 서클립에 의해 이루어진다.

가스 밀봉은 피스톤 링을 사용하여 달성된다.이것들은 좁은 철고리들로, 크라운 바로 아래의 피스톤의 홈에 느슨하게 고정되어 있다.링은 림의 한 지점에서 분할되어 가벼운 스프링 압력으로 실린더에 대해 누를 수 있다.두 가지 종류의 링이 사용된다: 상부 링은 단단한 면을 가지고 있고 가스 밀봉을 제공한다; 하부 링은 기름 스크레이퍼 역할을 하기 위해 가장자리가 좁고 U자 모양의 프로파일을 가지고 있다.피스톤 링과 관련된 많은 독점적이고 상세한 설계 특징이 있다.

피스톤은 보통 알루미늄 합금으로 주조되거나 단조된다.더 나은 힘과 피로 수명을 위해, 일부 경주용^[1] 피스톤은 대신에 위조될 수 있다.빌렛 피스톤은 사용 가능한 용서물의 크기와 구조에 의존하지 않기 때문에 레이싱 엔진에도 사용되어 마지막 순간의 설계 변경이 가능하다.비록 흔히 육안으로 볼 수 있는 것은 아니지만 피스톤 자체가 일정한 난형도와 종단 테이퍼로 설계되어 있어 완벽하게 둥글지는 않으며, 직경이 왕관보다 치마 밑바닥 근처에 더 크다.^[2]

초기 피스톤은 주철이었지만 가벼운 합금을 사용할 수 있다면 엔진 밸런싱에 분명한 이점이 있었다.엔진 연소 온도에서 살아남을 수 있는 피스톤을 생산하기 위해서는 특히 피스톤으로 사용하기 위해 Y합금, 히디미늄과 같은 새로운 합금을 개발해야 했다.

몇몇 초기 가스 엔진은^[i] 이중 작동 실린더를 가지고 있었지만, 그렇지 않으면 사실상 모든 내연기관 피스톤은 단일 작동이다.제2차 세계대전 당시 미국 잠수함 폼파노는^[ii] 불명예스럽게도 신뢰할 수 없는 H.O.R. 이중 작동 디젤 엔진의 원형을 장착했다.비록 소형이지만, 비좁은 잠수함에서 사용하기 위해, 이 엔진의 디자인은 반복되지 않았다.

Wikimedia Commons의 내연기관 피스톤 관련 매체

트렁크 피스톤스

트렁크 피스톤은 직경에 비례하여 길다.그것들은 피스톤과 원통형 크로스헤드 둘 다의 역할을 한다.연결봉이 회전의 상당 부분 각도를 이루면서 피스톤의 측면을 따라 실린더 벽에 부딪혀 반응하는 측면 힘도 있다.긴 피스톤은 이것을 지지하는데 도움이 된다.

트렁크 피스톤은 왕복식 내연기관 초기부터 피스톤의 일반적인 설계였다.고속 엔진은 이제 더 가벼운 무게 슬리퍼 피스톤을 채택했음에도 불구하고 가솔린 엔진과 디젤 엔진 모두에 사용되었다.

대부분의 트렁크 피스톤, 특히 디젤 엔진의 특징은 피스톤 핀과 크라운 사이의 링 외에 피스톤 핀 아래에 오일 링을 위한 홈이 있다는 것이다.

'트렁크 피스톤'이라는 이름은 해양 증기 엔진의 초기 설계인 '트렁크 엔진'에서 유래되었다.이를 보다 콤팩트하게 만들기 위해 이들은 별도의 크로스헤드가 있는 증기 엔진의 통상적인 피스톤 로드를 피했고 대신 피스톤 안에 거전 핀을 직접 배치한 최초의 엔진 설계였다.그렇지 않으면 이러한 트렁크 엔진 피스톤은 트렁크 피스톤과 거의 유사하지 않다. 그것들은 매우 큰 직경과 이중 작용이었다.그들의 '트렁크'는 피스톤의 중앙에 장착된 좁은 실린더였다.

위키미디어 커먼스의 트렁크 피스톤과 관련된 미디어

크로스헤드 피스톤

대형 저속 디젤 엔진은 피스톤의 측면 힘을 추가로 지지해야 할 수 있다.이러한 엔진은 일반적으로 크로스헤드 피스톤을 사용한다.주 피스톤에는 피스톤에서 아래쪽으로 확장되는 큰 피스톤 로드가 있으며, 이는 사실상 두 번째 소형 직경 피스톤이다.메인 피스톤은 가스 밀봉을 담당하며 피스톤 링을 운반한다.작은 피스톤은 순전히 기계적인 가이드다.그것은 트렁크 가이드로서 작은 실린더 안에서 작동하며 또한 거전 핀을 운반한다.

크로스헤드의 윤활유는 연소열의 영향을 받지 않기 때문에 트렁크 피스톤에 비해 이점이 있다. 즉, 오일은 연소 그을음 입자에 의해 오염되지 않고 열로 인해 분해되지 않으며 더 얇고 점성이 낮은 오일을 사용할 수 있다.피스톤과 크로스헤드 양쪽의 마찰은 트렁크 피스톤의 마찰력의 절반에 불과할 수 있다.^[3]

이러한 피스톤의 추가 중량 때문에 고속 엔진에는 사용되지 않는다.

Wikimedia Commons의 크로스헤드 피스톤과 관련된 미디어

슬리퍼 피스톤스

슬리퍼 피스톤은 크기와 무게가 가능한 많이 줄어든 가솔린 엔진용 피스톤이다.극단적인 경우에는 피스톤 크라운으로 감소하고 피스톤 링을 지지하며 피스톤 스커트가 보어 안에서 피스톤이 흔들리지 않도록 두 개의 땅을 남겨둘 정도로만 남는다.피스톤 핀 주위의 피스톤 스커트의 측면은 실린더 벽으로부터 떨어져 있다.그 목적은 대부분 왕복 질량을 감소시켜 엔진의 균형을 보다 용이하게 하여 고속을 허용하는 것이다.^[4]레이싱 애플리케이션에서 슬리퍼 피스톤 스커트는 풀 스커트의 강성과 강도를 유지하면서 매우 가벼운 중량을 산출하도록 구성할 수 있다.^[5]관성 감소는 또한 엔진의 기계적 효율을 향상시킨다: 왕복 부품을 가속하고 감속하는 데 필요한 힘은 피스톤 헤드의 유체 압력보다 실린더 벽과 더 많은 피스톤 마찰을 일으킨다.^[6]이차적인 이점은 실린더에서 위아래로 미끄러져 내려오는 스커트 면적이 절반으로 줄어들기 때문에 실린더 벽과의 마찰이 어느 정도 감소하는 것일 수 있다.그러나 대부분의 마찰은 피스톤 링에 기인하는데, 피스톤 링은 보어 및 손목 핀의 베어링 표면에 실제로 가장 밀착되는 부분이기 때문에 이점이 감소한다.

Wikimedia Commons의 Slipper 피스톤과 관련된 미디어

디플렉터 피스톤

디플렉터 피스톤은 크랭크케이스 압축이 있는 2행정 엔진에 사용되며, 실린더 내의 가스 흐름은 효율적인 청소 작업을 위해 주의 깊게 방향을 잡아야 한다.교차 청소 시 이송(실린더로 유입) 및 배기 포트는 실린더 벽의 측면을 직접 향하도록 한다.들어오는 혼합물이 한 포트에서 다른 포트로 직진하는 것을 방지하기 위해 피스톤은 크라운에 상승된 늑골을 가지고 있다.이는 유입되는 혼합물을 연소실 주위로 위쪽으로 꺾기 위한 것이다.^[7]

피스톤 크라운의 많은 노력과 많은 다른 디자인들이 향상된 청소 개발에 들어갔다.관은 단순한 갈비뼈에서 커다란 비대칭 불룩으로 발달했는데, 대개 입구 쪽에 가파른 얼굴을 하고 배기구에 완만한 곡선을 그리며 발달했다.그럼에도 불구하고, 교차 청소는 결코 기대만큼 효과적이지 않았다.오늘날 대부분의 엔진은 대신 슈누엘 포팅을 사용한다.이것은 한 쌍의 이송 포트를 실린더의 측면에 배치하고 가스 흐름이 수평 축이 아닌 수직 축을 중심으로 회전하도록 장려한다.^[8]

Wikimedia Commons의 디플렉터 피스톤과 관련된 미디어

레이싱 피스톤스

레이싱 엔진에서 피스톤 강도와 강성은 일반적으로 승용차 엔진보다 훨씬 높은 반면 무게는 훨씬 적은 반면 레이싱에 필요한 높은 엔진 RPM을 달성한다.^[9]

유압 실린더

유압 실린더는 단일 작동 또는 이중 작동일 수 있다.유압 액추에이터는 피스톤의 앞뒤 이동을 제어한다.가이드 링은 피스톤과 로드를 유도하고 실린더에 수직으로 작용하는 반경방향 힘을 흡수하며 금속 부품을 미끄럼 방지한다.

증기기관

증기 엔진은 보통 이중 작용(즉, 증기 압력이 피스톤의 양쪽에서 교대로 작용함)하며 증기의 입출력은 슬라이드 밸브, 피스톤 밸브 또는 포핏 밸브에 의해 제어된다.따라서 증기 엔진 피스톤은 거의 항상 비교적 얇은 디스크로, 그 직경은 두께의 몇 배가 된다. (한 가지 예외는 현대의 내연 엔진에 있는 피스톤과 더 비슷한 모양의 트렁크 엔진 피스톤이다.)또 다른 요인은 거의 모든 증기기관에서 크로스헤드를 사용하여 구동봉에 힘을 전달하기 때문에 피스톤을 '락'시키려고 하는 횡력이 거의 없기 때문에 실린더 모양의 피스톤 스커트가 필요하지 않다는 것이다.

펌프스

피스톤 펌프는 액체를 이동하거나 가스를 압축하는 데 사용될 수 있다.

액체의 경우

가스용

공기 대포

공기 대포에 사용되는 두 가지 특별한 유형의 피스톤이 있다: 근접 공차 피스톤과 이중 피스톤이다.근접 공차에서 피스톤 O링은 밸브 역할을 하지만 더블 피스톤 유형에서는 O링이 사용되지 않는다.^{[citation needed]}

참고 항목

메모들

참조

참고 문헌 목록

• Irving, P.E. (1967). Two-Stroke Power Units. Newnes.
• Ricardo, Harry (1922). The Internal Combustion Engine. Vol. I: Slow-Speed Engines (1st ed.). London: Blackie.

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 피스턴스와 관련된 미디어가 있다.

• 피스톤 엔진 에세이
• 작업물 작동 방식 – 기본 엔진 부품
• 피스톤 운동 방정식