자동차 피스톤 구조와 명칭에 대해 자세히 알아보자

자동차 피스톤 구조와 명칭에 대해 자세히 알아보자

 

자동차 피스톤의 정의

피스톤은 상하로 수직 운전을 하는 것이 기본이다. 때문에 실린더의 진원도나 수직도를 문제시하게 되는데, 핵심인 피스톤이 거기에 제대로 대응하지 못하면 아무것도 안된다. 더구나 열을 받는 정도가 피스톤 부위에 따라 상당히 달라 열팽창의 차이가 잘 계산되어 피스톤 형상이 결정된다.

 

예를 들어 핀 보스(Pin Boss)가 있는 양쪽 방향의 스커트부는 짧은 것이 보통인데, 핀 보스 부분 쪽은 당연히 두껍기 때문에 열팽창이 크다. 따라서 스커트가 긴 쪽 보자 앤 간이 직영이 짧게 되어 있다. 운전하지 않을 때의 피스톤 스커트 형상은 핀 보스 쪽이 짧은 지름의 타원형인 것은 알고 있는 그대로다.

 

그뿐만 아니라 스커트 그 자체의 상하방향도 정확하게는 수직이 아니고, 미세하지만 R이 있다. 오일 링 홈 바로 밑에서부터 조금씩 부 품어 중앙 부분 근처에서 가장 크게 R이 만들어져 부풀어 있는 것이다. 스커트가 긴 피스톤은 중앙 부분이 쭉 뻗어 있지만, 스커트 하부가 안쪽으로 미세하게 들어간 R이 주어져 있다.

 

피스톤 스커트는 횡방향 떨림(Side run-out with bore)을 방지할 뿐만 아니라 피스톤 링이 오일을 훑어 내리는 도우미 역할을 한다. 현재는 소외 T형 피스톤(좌측사진)이 흔하지만 강력한 연소 압력에 견디는 터보 등과 같이 스커트 하부도 원형으로 해 강성을 확보한 피스톤도 있다. 

 

자동차 피스톤의 형상

피스톤 스커트는 피스톤 슬랩(Slap)을 막는 동시에 오일을 긁어내리거나 피스톤 강성을 확보하는 역할을 한다. 그 때문에 링 홈 바로 밑 부분에 R이 있으며, 스커트 밑부분도 안쪽으로 R이 있다.

 

또한 피스톤은 열에 노출되어 있기 때무넹 냉간 시엔 핀 보스 W고 지름을 짧게 하여 타원형이 되고, 작동 중에는 진원이 되도록 만들어져 있다. 피스톤 스커트는 고열에 노출되기 때문에 작동 시에 진원이 되도록, 냉각시엔 핀 방향이 짧은 타원 형상이 되어 있다.

 

스커트 강성 상하로 움직이는 피스톤이 실린더 벽과 빈틈없이 맞닿게 하기 위해서는 스커트의 강성을 확보할 필요가 있다. 따라서 스커트 두께를 줄이는 것은 현명하지 않다. 단, 스커트 변형이 일어나기 전에 피스톤을 자주 교환한다면 어느 정도는 줄여도 된다. 또한 경량화를 위해 스커트를 짧게 하는 것도 좋지 않다.

 

피스톤의 횡방향 떨림을 막는 것은 마찰 손실을 줄이는 측면으로는 중요하지만, 스커트 형상이 바뀌면 마찰 손실이 커질 우려가 있기 때문이다. 여기에 오일 소비가 증가되는 문제가 생길지도 모른다.

 

스커트가 길명 오일 링의 역할에 도움은 되지만, 단순히 스커트를 짧게 해서는 스커트 하부의 R형태가 바뀌어 실린더 벽을 긁을 수도 있다. 상하로 운동하는 피스톤은 실린더 벽으로부터 충격을 받으면서 움직인다고 해도 과언이 아닌데, 스커트 끝부분은 가장 심하게 충격을 받기 때문에 가장 변형하기 쉽다. 그런 변형이 일어나지 않는 형상으로 해줄 필요가 있다.

 

링 홈 형상의 체크 피스톤 링은 가스와 오일이 새지 않도록 하기 때문에 링 홈에 단단히 끼워져야 한다. 그러기 위해서는 홈이 진원이 되어 있는지, 홈의 폭이 전체적으로 평행한지 등을 체크한다.

 

또 홈이 조금이라도 아래쪽을 향해 있으며 블로바이 가스(Blow by gas)를 많이 발생시키기 때문에 잘 체크해야 한다. 피스톤 링이 홈 안에서 노는 일이 있어서는 안 된다. 링은 홈 안에서 돌고 있지만 정확하기 끼워있게 하는 것은 피스톤 쪽의 문제다.

 

자동차 피스톤 확인사항

링 홈이 밑으로 치우쳐 있거나 매끈하지 않으면 링이 잘 움직여주지 않는다. 그러므로 제작된 모든 피스톤은 사진처럼 체크해야 한다. 피스톤의 톱 랜드 지름의치수 검토 톱 랜드는 톱 링 홈의 위쪽의 원주 부분을 말하고, 다음에 세 컨트 랜드, 그 밑을 서드 랜드라고 하는데 여기서는 톱 랜드에 대해 생각해보자.

 

냉간 시 이 랜드 부분은 스커트와 마찬가지로 타원과 테이퍼 두 가지 형상으로 되어 있다. 특히 톱 랜드는 상당한 열을 받기 때문에 두 가지 형상이 더욱 현저하다. 작동 시에 진원이 되면 좋지만, 톱 랜드는 실린더 벽과의 클리어런스가 가능한 한 적은 쪽이 좋다. 링에 닿는 연소실의 가스 양을 적게 하면 그만큼 링의 움직임을 도와줄 수 있다.

 

가스 밀봉이 대단히 중요하지만, 그 때문에 링에 부담을 줘서는 마찰 손실이 늘어난다. 가스 밀봉 역할을 톱 랜드 부분에도 어느 정도 부담시키자는 생각이다.

 

게다가 실린더와의 클리어런스가 적으면 피스톤의 사이드 스러스트(Thrust)를 막을 수 있다. 마찰 손실을 줄이기 위해서도 톱 랜드 형상은 꼼꼼히 체크해야 한다. 또한 래버린스(Labyrinth) 효과를 줘서 압력이 내려가도록 작은 홈을 가공한다.

 

자동차 피스톤 링의 형상 중 나쁜 예

실린더 벽과 마찰을 되풀이하는 피스톤 링이 제대로 작동하기 위해서는 홈 형상이 전체적으로 평행이 되어야 하는 것이 중요하다. 불과 10-20′이지만 아래로 치우쳐도 그 기능를 제대로 발휘하지 못하게 된다.

 

톱 링의 홈을 경질 알루마이트로 처리하면 내구성이 향상된다. 그림에서 보듯이 홈 위쪽보다 아래쪽이 마모가 심하기 때문에 홈이 하향되어 있어면 좋지 않다는 것을 알 수 있다.

 

자동차 피스톤 표면처리의 실례

피스톤 헤드 부분과 톱 랜드 부분은 연소의 압력과 열을 정면으로 받기 때문에 니켈 도금을 하고, 톱 링의 홈이나 그 주변은 경질 알루마이트 처리하고, 세컨드 링과 오일 링 홈 및 그 주변은 주석 도금을, 스커트부는 수지(樹脂) 코팅을 하여 피스톤의 신뢰성을 확보한다.

 

자동차 피스톤 품질향상을 시키자

피스톤 핀의 옵셋(Offset) 피스톤 핀을 피스톤이 받은 연소 압력을 커넥팅로드로 전달하는 역할을 하는데, 피스톤의 횡 떨림을 막기 위해 약간 옵셋 되어 있다.

 

이것이 밀봉 역할과도 관련이 있다. 옵셋량은 0.25, 0.50, 0.75, 1.00 등 여러 가지 수치로 바꿔가면서 오일 소비, 블로 바이 효과를 보면서 어느 정도가 적당한지 결정한다. 옵셋량은 밀봉 역할과도 관계가 있기 때문에 어느 정도가 적당한지 실험에 의해 확인하는 것이 필요하다.

 

예전에는 솔리드(Solid) 타입의 피스톤이 일반적이었지만, 현재는 일반용이라도 슬리퍼 타입의 스커트 형상을 한 피스톤이 많아졌다. 사진은 피스톤 핀의 치수와 스커트의 길이를 W랍게 한 고도로 튜닝된 피스톤이다.