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 실린더로증기기관 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.

구성

1-1) 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 연소시켜 연소 효율을 좋게 하기 위해 평평하다. 하지만, 압축비를 높이기 위해 중앙 부분이 솟아올라 있거나 흡, 배기 밸브가 열렸을 때 피스톤에 부딪치지 않도록 밸브 리세스라 불리는 움푹하게 팬 곳이 설계되어 있는 등 복잡한 형상을 이루고 있기도 한다. 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 잘 되도록 실린더 헤드가 특이한 언덕 형태로 존재하는 등, 헤드의 형상에 의해 많은 특성들이 결정되곤 한다. 1-2) 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)를 긁어모아, 크랭크케이스로 다시 되돌려 보내는 역할을 돕는다. 1-3) 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. 1-4) 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 스커트부는 피스톤 핀 보스나 각 부의 살 두께 등에 영향을 받으므로 온도 변화도 복잡하게 이뤄진다. 특히 보스 쪽은 하중에 의하여 변형이 일어나고 피스톤 핀의 마찰에 의하여 온도가 높아지며, 스러스트측은 열팽창이 증가하게 된다. 그러므로 상온에서는 단축을 갖는 타원형이도록 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 이상 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 스트럿형(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. 인바강은 열팽창율이 보통 강의 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 주입시켜 피스톤의 열팽창에 따른 변형을 적게 하기 위해 제작된 피스톤이다.

(6) 오프셋 피스톤(offset piston) 피스톤 중심에 대하여 피스톤 핀의 중심을 스러스트측으로 1-2.5mm정도 편위시킨 피스톤을 말한다. 피스톤은 상사점에서 스러스트면이 변하고 그 때 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 연소가스에 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.