피스톤
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1. 개요
피스톤은 왕복 운동을 통해 에너지를 변환하는 장치로, 주로 피스톤 기관, 내연 기관, 펌프, 공기 대포, 유압 실린더, 증기 기관 등에 사용된다. 내연 기관의 피스톤은 고온, 고압 환경에서 작동하며, 알루미늄 합금, 철, 티타늄 합금 등의 재료로 제작된다. 피스톤은 실린더 내에서 왕복 운동을 하며, 이 운동은 커넥팅 로드를 통해 크랭크축으로 전달되어 회전 운동으로 변환된다. 피스톤의 구조는 용도에 따라 트렁크 피스톤, 크로스헤드 피스톤, 슬리퍼 피스톤, 편향 피스톤 등 다양하며, 피스톤 링을 사용하여 기밀성을 유지하고 마찰을 줄인다.
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- 피스톤 - 피스톤 링
피스톤 링은 왕복 엔진에서 피스톤과 실린더 벽 사이를 밀봉하여 압축 가스 누출을 막고 엔진 오일이 연소실로 유입되는 것을 방지하는 부품으로, 압축 링과 오일 링으로 구성되며 엔진 효율과 수명에 중요한 역할을 한다. - 피스톤 - 피스톤 로드
피스톤 로드는 피스톤과 크로스헤드를 연결하여 힘과 운동을 전달하는 기계 부품으로, 증기 기관에서 시작되어 다양한 산업 분야에서 활용되며 스마트 센서 기술과 융합되어 발전하고 있다. - 엔진 - 실린더 헤드
실린더 헤드는 내연기관의 연소실을 밀폐하고 밸브와 점화 플러그 등을 지지하며, 연소실 형상과 흡배기 포트 설계는 엔진 성능에 영향을 주고 냉각 시스템으로 열을 제거하며, 밸브 트레인 구성 방식에 따라 구조와 작동 방식이 달라지고 재료는 주철에서 알루미늄 합금으로 변화해왔으며 엔진 형식에 따라 개수가 달라지는 엔진의 핵심 부품이다. - 엔진 - 제트 엔진
제트 엔진은 가스 터빈을 사용하여 추력을 얻는 항공기 추진 시스템으로, 터보제트 엔진에서 시작하여 다양한 형태로 발전해왔으며, 연료 효율과 소음 감소를 위한 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. - 엔진 기술 - 연결봉
연결봉은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로, 또는 그 반대로 변환하는 기계 장치로, 증기 기관이나 내연 기관에서 피스톤과 크랭크축을 연결하며, 강철, 알루미늄 합금 등으로 제작되고, 특수한 형태로도 사용된다. - 엔진 기술 - 압축비
압축비는 내연기관의 성능을 나타내는 지표로, 실린더 내 피스톤의 위치에 따른 부피 비율을 의미하며, 엔진의 열효율과 출력을 결정하고, 튜닝을 통해 변경하거나 가변 압축비 엔진 기술을 통해 효율성을 높이기도 한다.
| 피스톤 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 피스톤 |
| 영어 | piston |
| 기능 | |
| 주요 기능 | 실린더 내에서 유체의 압축 또는 팽창을 조절하는 기계 부품 |
| 역할 | |
| 역할 | 압축 밀폐 동력 전달 |
| 구조 | |
| 구조 | 일반적으로 원통형 형태를 가짐 |
| 사용 분야 | |
| 사용 분야 | 엔진 펌프 압축기 유압 장치 |
| 관련 용어 | |
| 관련 용어 | 실린더 크랭크 축 커넥팅 로드 |
| 기타 | |
| 참고 문헌 | 삼성당(三省堂) 백과사전 편집부, 1934, 신수백과사전(新修百科事典), 삼성당(三省堂) 군항당(軍港堂), 1909, 기관용어(機關用語), 군항당(軍港堂) |
2. 피스톤 기관
피스톤 기관은 피스톤의 왕복 운동을 이용하여 에너지를 변환하는 장치이다. 이 힘은 연결봉을 통해 크랭크 축에 작용한다. 이 핀은 피스톤 내부에 장착되며, 증기 기관과 달리 (큰 2행정 엔진을 제외하면) 피스톤 로드 또는 크로스 헤드가 없다. 핀은 고경도 강철이며 피스톤에 고정되지만, 연결봉에서는 자유롭게 이동한다. 일부 설계에서는 두 구성 요소 모두에서 느슨한 '완전 부유형' 설계를 사용한다. 핀의 끝부분은 일반적으로 서클립으로 고정되어 실린더 벽을 긁는 것을 방지한다.[1] 가스 밀봉은 피스톤 링을 사용하여 이루어진다. 피스톤 링은 크라운 바로 아래, 피스톤 홈에 느슨하게 장착된 여러 개의 좁은 철제 링이다. 링은 가장자리의 한 지점에서 분리되어 가벼운 스프링 압력으로 실린더에 밀착된다. 상부 링은 기체 밀봉을, 하부 링은 오일 스크레이퍼 역할을 한다.[2]
내연기관은 실린더 상단의 연소실에서 팽창하는 연소 가스의 압력에 의해 작동하며, 이 힘은 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 전달된다. 커넥팅 로드는 크랭크핀(wrist pin)을 통해 피스톤에 연결된다.
고출력 디젤 엔진은 열악한 조건에서 작동한다. 연소실의 최대 압력은 20 MPa에 달할 수 있으며, 피스톤 표면 온도는 최대 450°C를 초과할 수 있다. 특수 냉각 공간을 만들어 피스톤 냉각을 개선하며, 인젝터는 오일 공급 채널을 통해 냉각 공간에 오일을 공급한다.
피스톤은 일반적으로 주조되거나 단조된 알루미늄 합금으로 만들어진다. 초기 피스톤은 주철로 만들어졌으나, 가벼운 합금을 사용하면 엔진 균형에 유리하다. 엔진 연소 온도를 견디기 위해 Y 합금, 히두미늄과 같은 새로운 합금이 개발되었다.
피스톤 펌프는 액체를 이동시키거나 기체를 압축하는 데 사용될 수 있다.
2. 1. 내연 기관
내연기관은 실린더 상단의 연소실 공간에서 팽창하는 연소 가스의 압력에 의해 작동하며, 이 힘은 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 전달된다. 커넥팅 로드는 크랭크핀(wrist pin)에 의해 피스톤에 연결된다. 이 핀은 피스톤 내부에 장착되며, 증기 기관과 달리 피스톤 로드나 크로스헤드는 없다(대형 2행정 엔진 제외).[1]일반적인 피스톤은 주조되거나 단조된 알루미늄 합금으로 만들어진다. 더 나은 강도와 피로 수명을 위해 일부 경주용 피스톤은 단조될 수 있다.[2] 빌릿 피스톤은 사용 가능한 단조의 크기와 구조에 의존하지 않고 설계 변경이 가능하기 때문에 경주용 엔진에 사용되기도 한다.
핀 자체는 경화된 강철로 만들어지며 피스톤에 고정되지만 커넥팅 로드에서는 자유롭게 움직인다. 몇몇 설계에서는 두 구성 요소 모두에서 느슨한 '완전 부유형' 설계를 사용한다. 모든 핀은 측면으로 움직이는 것을 방지하고 핀의 끝이 실린더 벽에 파고드는 것을 방지해야 하며, 일반적으로 원형 클립으로 이를 방지한다.
기체 밀봉은 피스톤 링을 사용하여 달성된다. 이것은 피스톤의 홈에 느슨하게 장착된 여러 개의 좁은 철 링으로, 크라운 바로 아래에 있다. 링은 가장자리의 한 지점에서 분리되어 가벼운 스프링 압력으로 실린더에 눌러진다. 상부 링은 솔리드 페이스를 가지고 있으며 기체 밀봉을 제공하고, 하부 링은 좁은 가장자리와 U자형 프로필을 가지고 있으며 오일 스크레이퍼 역할을 한다. 피스톤 링에는 많은 독점적이고 세부적인 설계 기능이 있다.
초기 가스 엔진 중 일부는 복동 실린더를 가지고 있었지만, 그렇지 않으면 모든 내연 기관 피스톤은 단동이다.
2. 1. 1. 트렁크 피스톤
트렁크 피스톤은 지름에 비해 길이가 길다. 피스톤과 원통형 크로스헤드의 역할을 동시에 수행한다. 연결봉은 회전하는 동안 대부분의 시간 동안 각도를 이루고 있기 때문에, 피스톤의 측면에서 실린더 벽에 작용하는 측면 힘이 발생한다. 더 긴 피스톤은 이러한 힘을 지탱하는 데 도움이 된다.트렁크 피스톤은 왕복 내연기관의 초기부터 일반적인 피스톤 설계였다. 가솔린 엔진과 디젤 엔진 모두에 사용되었지만, 고속 엔진은 이제 더 가벼운 슬리퍼 피스톤을 채택하고 있다.
대부분의 트렁크 피스톤, 특히 디젤 엔진의 특징은 피스톤핀과 크라운 사이의 링 외에도 피스톤핀 아래에 오일 링을 위한 홈이 있다는 것이다.
'트렁크 피스톤'이라는 이름은 초기형 선박용 증기 기관 설계인 '트렁크 엔진'에서 유래했다. 이를 더 소형화하기 위해 일반적인 증기 기관의 피스톤 로드와 별도의 크로스헤드를 사용하지 않았고, 대신 피스톤핀을 피스톤 내부에 직접 배치한 최초의 엔진 설계였다. 그러나 이러한 트렁크 엔진 피스톤은 트렁크 피스톤과 거의 유사하지 않았다. 지름이 매우 크고 복동식이었다. '트렁크'는 피스톤 중앙에 장착된 좁은 원통이었다.
2. 1. 2. 크로스헤드 피스톤
크로스헤드 피스톤은 대형 저속 디젤 엔진에 사용되는 피스톤 구조이다. 주 피스톤은 아래로 연장되는 큰 피스톤 로드를 가지며, 이는 사실상 직경이 더 작은 두 번째 피스톤으로 연결된다. 주 피스톤은 연소실의 기밀 유지를 담당하고 피스톤 링을 지지하며, 작은 피스톤은 트렁크 가이드 역할을 하는 작은 실린더 내부에서 작동하면서 커넥팅 로드를 연결하는 콘 로드(gudgeon pin)를 지지하는 기계적인 안내 역할을 한다.크로스헤드 피스톤의 윤활유는 연소열에 직접 노출되지 않아 연소 그을음 입자에 의한 오염과 열 분해가 적고, 더 얇고 점도가 낮은 오일을 사용할 수 있다. 이러한 특징 덕분에 피스톤과 크로스헤드의 마찰은 일반적인 트렁크 피스톤의 절반 수준으로 감소한다. 그러나 추가적인 무게로 인해 고속 엔진에는 적합하지 않아 사용되지 않는다.
2. 1. 3. 슬리퍼 피스톤
'''슬리퍼 피스톤'''은 가솔린 엔진용 피스톤으로, 크기와 무게를 가능한 한 줄인 형태이다. 극단적인 경우에는 피스톤 크라운, 피스톤 링 지지대, 그리고 피스톤이 실린더 내부에서 흔들리는 것을 막기 위해 두 개의 랜드(land)만 남겨 놓을 정도로만 피스톤 스커트를 남겨 놓는다. 콘로드 핀 주변의 피스톤 스커트 측면은 실린더 벽에서 멀리 떨어져 있다.
주된 목적은 왕복 질량을 줄여 엔진 밸런싱을 용이하게 하고 고속 회전을 가능하게 하는 것이다.[3] 레이싱 분야에서는 슬리퍼 피스톤 스커트를 구성하여 매우 가벼운 무게를 유지하면서도 전체 스커트의 강성과 강도를 유지할 수 있다. 관성 감소는 엔진의 기계적 효율을 향상시킨다. 왕복 부품을 가속 및 감속하는 데 필요한 힘은 피스톤 헤드의 유체 압력보다 실린더 벽과의 피스톤 마찰을 더 많이 발생시킨다. 부차적인 이점으로는 실린더 내부를 상하로 미끄러지는 스커트의 면적이 절반으로 줄어들기 때문에 실린더 벽과의 마찰이 다소 감소할 수 있다. 그러나 대부분의 마찰은 피스톤 링과 크랭크핀의 베어링 표면으로 인해 발생하며, 따라서 그 이점은 감소한다.
2. 1. 4. 편향 피스톤 (2행정 엔진)
편향 피스톤은 크랭크케이스 압축 방식의 2행정 엔진에 사용되며, 실린더 내부의 기체 흐름을 효율적인 가스 배출을 위해 제어해야 하는 경우에 사용된다. 크로스 스캐빈징 방식에서는 이송 및 배기 포트가 실린더 벽의 정면에 위치한다. 유입되는 혼합기가 한 포트에서 다른 포트로 직접 통과하는 것을 방지하기 위해, 피스톤 크라운(피스톤 머리)에는 돌출된 리브(능선)가 있다. 이 리브는 유입되는 혼합기를 연소실 주위로 상향 편향시킨다.
개선된 가스 배출을 위해 많은 노력과 다양한 피스톤 크라운 설계가 이루어졌다. 단순한 리브에서 시작하여 비대칭적인 큰 돌출부로 발전했으며, 흡입구 쪽은 가파른 면을, 배기구 쪽은 완만한 곡선을 가지는 형태가 일반적이었다. 그러나 크로스 스캐빈징은 기대만큼 효과적이지 않았다. 오늘날 대부분의 2행정 엔진은 슈누어레 포팅을 사용한다. 이 방식은 실린더 측면에 한 쌍의 이송 포트를 배치하여 수평축이 아닌 수직축을 중심으로 기체 흐름이 회전하도록 유도한다.
2. 1. 5. 경주용 피스톤
경주용 피스톤은 승용차 엔진보다 훨씬 높은 강도와 강성을 요구하지만, 높은 엔진 회전 속도(RPM)를 달성하기 위해 무게는 훨씬 가볍게 제작된다.[4] 이를 위해 일반적으로 알루미늄 합금을 주조하거나 단조하여 제작하며, 특히 더 높은 강도와 피로 수명이 필요한 경우에는 단조 방식을 사용한다.[1] 빌릿 피스톤은 단조의 크기와 구조에 제약 없이 설계 변경이 가능하여 경주용 엔진에 사용되기도 한다.경주용 피스톤은 완벽한 원형이 아닌 특정 수준의 타원율과 프로필 테이퍼로 설계되며, 스커트 하단 근처의 직경이 크라운보다 크다.[2] 일부 레이싱 엔진에서는 스커트를 거의 생략하여 마찰력을 줄이기도 한다.
2. 2. 펌프
피스톤 펌프는 액체를 이동시키거나 기체를 압축하는 데 사용될 수 있다.2. 2. 1. 액체용 펌프
피스톤 펌프는 액체를 이동시키거나 기체를 압축하는 데 사용할 수 있다.
2. 2. 2. 기체용 펌프
기체용 피스톤 펌프는 왕복동 압축기라고도 불리며, 공기, 냉매 등 다양한 기체를 압축하는 데 사용된다.2. 3. 공기 대포
공기 대포는 압축 공기의 힘을 이용하여 물체를 발사하는 장치이다. 공기 대포에는 밀착 피스톤과 이중 피스톤 두 가지 유형이 사용된다. 밀착 피스톤에서는 O링이 밸브 역할을 하지만, 이중 피스톤 유형에서는 O링을 사용하지 않는다.3. 피스톤의 구조 및 재료
연소실(실린더)은 일반적으로 원형 단면을 가지므로, 피스톤 역시 원형 단면을 갖는다. 가솔린 엔진의 경우, 효율적인 연소(화염 전파)와 밸브와의 간섭을 피하기 위해 연소실 형상이 복잡해져, 연소실 바닥면을 겸하는 피스톤 윗면도 요철이 많은 경우가 많다(밸브 리세스). 높은 압축비를 위해 윗면에 볼록한 형상을 주거나, 반대로 압축비를 낮추기 위해 오목한 형상을 만들기도 한다. 디젤 엔진의 경우에는 피스톤 윗부분을 크게 오목하게 만들어 연소실을 형성한다.
피스톤 재료로는 철, 알루미늄 합금, 티타늄 합금 등이 사용된다. 피스톤 링에는 특수강, 특수 주철이 사용된다. 제조 방법으로는 생산성과 비용을 중시하는 양산품의 경우, 현재는 알루미늄 주조품[8]이 일반적이다. 경주용 차량이나 튜닝카에 사용되는 전용 피스톤은 연소 시 충격에 견딜 수 있는 강도를 확보하기 위해 알루미늄 단조품[9]으로 제작되는 경우가 많다. 피스톤에서 엔진 작동 시 가장 힘든 부분은 피스톤 핀과 피스톤 계면의 마찰이며, 독일차를 시작으로 다운사이징 엔진에서는 이 부분에 DLC 코팅을 하여 문제를 해결하기도 한다.
실린더 내 기체나 액체가 피스톤 측면에서 새면 효율 감소나 윤활유의 희석 등 위험한 상황이 발생한다. 하지만 실린더와 피스톤 단면 형상을 완전히 동일하게 하면 마찰로 인한 운동 에너지 손실이 발생한다. 이를 방지하기 위해 피스톤 주위에 鉢巻(하치마키, 머리띠)와 같은 구조인 피스톤 링을 부착한다. 피스톤 링은 자유 상태에서 실린더 지름보다 크게 만들어져 실린더 내에서 바깥으로 퍼지려는 장력을 발생시켜 측면의 吹き抜け(후키누케, 틈새로 빠져나감)를 억제한다. 피스톤 링은 보통 2~3개 부착한다.
피스톤 하부에는 스커트라고 불리는 부분이 있다. 스커트는 피스톤이 실린더 내부에서 기울어지는 것을 방지한다. 과거에는 피스톤 전체에 스커트가 있었지만, 최근에는 피스톤이 기울어지는 방향, 즉 피스톤 핀에 직각 방향에만 스커트가 설치되는 것이 일반적이다. 또한 스커트 길이도 짧아지고 있다(슬리퍼 피스톤). 스커트 형상은 단순한 원통처럼 보이지만, 고온에서 정원이 되도록 수평 단면은 타원형이며, 부드러운 작동과 흔들림에 의한 타격음을 억제하기 위해 옆에서 보면 중앙 부근이 부풀어 오른 통 모양을 하고 있다. 일부 레이싱 엔진에서는 스커트를 거의 생략하여 마찰력을 줄이기도 한다. 최근에는 스커트 부분에 코팅을 하여 마찰력을 줄이는 경우도 있다. 코팅 조성은 엔진 성능을 직접적으로 좌우하기 때문에 많은 제조사에서 비밀로 하지만, 주로 몰리브덴을 포함하는 불소 수지(듀폰사의 테플론® 등)이라고 알려져 있다.
4. 운동의 변환
내연기관의 피스톤은 실린더 상단의 연소실에서 팽창하는 연소 가스의 압력을 받아 작동한다. 이 힘은 커넥팅 로드(콘로드)를 통해 크랭크축에 전달된다. 피스톤은 크랭크핀(wrist pin)을 통해 커넥팅 로드와 연결되며, 이 핀은 피스톤 내부에 장착된다. 증기 기관과 달리, (대형 2행정 엔진을 제외하고) 피스톤 로드나 크로스헤드는 사용되지 않는다.[1]
피스톤은 실린더 내부에서 혼합기가 연소될 때 발생하는 가스 팽창 압력을 받아 실린더 부피가 증가하는 방향으로 움직인다. 이러한 직선 운동은 커넥팅 로드를 통해 크랭크축의 회전 운동으로 변환된다. 피스톤과 커넥팅 로드 사이에 직선 운동만 하고 요동하지 않는 피스톤 로드가 들어가는 크로스헤드 방식도 존재하며, 주로 대형 기관에 사용된다.[1]
이러한 구성을 통해 왕복 운동은 타이어, 프로펠러, 스크루 등의 회전 운동으로 변환될 수 있다. 발전기와 연결하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 경우도 있다.[1]
"피스톤-크랭크 기구"에서 피스톤의 위치는 시간에 따라 사인 곡선이 아닌 형태로 변화한다. (상사점 부근의 움직임이 더 빠르다.) 이는 엔진 진동을 악화시키기도 한다.[1]
혼합기 흡입, 압축, 연소 가스 배기 사이클에서는 크랭크축이 피스톤을 움직인다.[1]
5. 보어 스트로크 비
피스톤의 지름(실린더의 내경)과 스트로크의 비를 보어 스트로크 비라고 한다. 같은 회전수라면, 쇼트 스트로크일수록 평균 피스톤 속도가 느리다.
과거 9m/s가 기계적 강도 한계로 여겨졌던 시절에는 고회전 엔진에 채용되었지만, 기계 가공 정밀도와 재료의 향상에 따라 피스톤 속도의 한계가 높아지고 있다. 또한 롱 스트로크는 저마찰이며, 대경의 연소실은 연소 효율 저하로 이어진다는 실험 결과도 있어, 연비 향상을 중시하는 승용차용 엔진에서 보어 스트로크 비의 경향에는 변화가 생기고 있다.[1]
6. 유압 실린더
유압 실린더는 단동식 또는 복동식일 수 있다. 유압 액추에이터는 피스톤의 앞뒤 이동을 제어한다. 가이드 링은 피스톤과 로드를 안내하고 실린더에 수직으로 작용하는 반경 방향 힘을 흡수하여 슬라이딩 금속 부품 간의 접촉을 방지한다.
7. 증기 기관
증기기관은 일반적으로 복동식(피스톤의 양쪽에 번갈아 증기압이 작용)이며, 증기의 유입과 배출은 슬라이드 밸브, 피스톤 밸브 또는 팝펫 밸브에 의해 제어된다.[1] 따라서 증기기관 피스톤은 거의 항상 비교적 얇은 원반 모양이며, 지름이 두께보다 몇 배나 크다.[1] (한 가지 예외는 트렁크 기관 피스톤으로, 현대 내연기관의 피스톤과 더 유사한 모양이다.)[1] 거의 모든 증기기관이 크로스헤드를 사용하여 힘을 구동축으로 전달하기 때문에, 피스톤을 "흔들"려는 횡력이 거의 없어 원통형 피스톤 스커트가 필요하지 않다.[1]
참조
[1]
뉴스
What Makes A Racing Piston?
http://blog.wiseco.c[...]
2018-04-22
[2]
뉴스
Full-Round vs. Strutted: Piston Forging Designs and Skirt Styles Explained
https://blog.wiseco.[...]
2018-07-15
[3]
특허
Piston with improved side loading resistance
https://patents.goog[...]
2009-10-12
[4]
뉴스
Racing Piston Technology – Piston Weight And Design – Circle Track Magazine
http://www.hotrod.co[...]
Hot Rod Network
2007-05-31
[5]
서적
新修百科辞典
三省堂
[6]
서적
機関用語
軍港堂
[7]
서적
大辞林 4.0
三省堂
[8]
문서
일본에서의 피스톤 재료
[9]
문서
단조 피스톤의 사용
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