자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 12. 피스톤과 커넥팅로드 1

12. 피스톤과 커넥팅로드 1

① 가스 블로바이 혼합가스가 실린더와 피스톤 사이에서 미 연소상태로 크랭크 실로 누출되는 현상을 말한다. ② 피스톤의 무게 차이 실린더 수가 많은 기관에서 피스톤 상호간의 무게 차이는 2%(7g) 이내, 피스톤-커넥팅로드 어셈블리의 경우에는 2%(30g) 이내이어야 한다. 피스톤 상호간의 무게 차이가 크면 회전 불평 형으로 인하여 진동이 발생한다.

가. 피스톤(piston)
피스톤은 실린더 내에서 왕복운동하는 기구이며, 폭발행정에서 고온·고압의 가스로
부터 받은 압력으로 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축에서 회전력이 발생하도록 한다. 또 흡
입·압축 및 배기 행정에서는 크랭크축으로부터 힘을 받아 각각 작동을 한다. 피스톤의
구비조건은 다음과 같다.

① 피스톤은 실린더 내를 고속으로 왕복운동을 하므로 관성력에 의한 동력손실을 적
게 하고 순응성을 향상시키기 위해 무게가 가벼울 것
② 열전도율이 크고, 열팽창률이 적을 것
③ 고온·고압에 충분히 견딜 수 있을 것
④ 피스톤은 실린더 내의 폭발압력을 유효하게 이용할 수 있고, 어떤 온도에서도 가
스 블로 바이(gas blow by)가 없을 것
⑤ 실린더 벽과의 마찰이 적고, 기계적 손실이 최소가 되도록 윤활을 하기 위한 적당
한 간극이 있을 것
⑥ 피스톤 상호간의 무게 차이가 적을 것
⑦ 실린더 벽을 윤활하는 윤활유가 연소실에 들어가지 못하는 구조 일 것

 

(1) 피스톤의 구조
피스톤은 피스톤 헤드(piston head), 링 지대(ring belt), 스커트(skirt section), 보
스(boss section) 등으로 구성되어 있다. 피스톤 헤드의 모양에는 그 사용되는 기관의
연소실과 알맞게 조합되는 형상으로 되어 있으며 여러 가지의 것이 있다.
편평형은 일반적으로 널리 사용되는 형식이며, 볼록(dome)형과 쐐기형은 반구형 연
소실과 알맞게 되어있으며 높은 압축비를 얻기에 좋다. 불규칙형은 2행정 사이클 기관
에서 연소가스의 배출이나 미 연소가스의 와류를 돕도록 디플렉터(deflector)를 둔 것이
며, 밸브 노치형(notched for valve)은 밸브 양정(楊程 : lift)을 충분히 하기 위한 것으
로 높은 압축비의 기관에서 사용된다.
오목형은 연소실의 형상을 둥글게 하여 압축 혼합가스의 냉각 면적이 연소실 체적에
대해 최소가 되도록 한다. 따라서 열 손실이 적으며 온도분포가 균일하게 되나 제작이
어렵고 와류효과가 적다.

링 지대에는 피스톤 링을 끼우기 위한 홈이 파져 있다. 피스톤 링이 끼워지는 홈을 링
홈(ring groove), 홈과 홈 사이를 랜드(land)라 부르며 위에서부터 차례로 제1번 랜드,
제2번 랜드 … 라 부른다. 그리고 어떤 형식에서는 제1번 랜드에 좁은 홈을 여러 개 파
서 피스톤 헤드의 열이 스커트로 전달되는 것을 억제하고 있다

 

이 홈을 히트 댐(heat dam)이라 부르며, 주로 피스톤 링을 높은 온도로부터 보호한
다. 오일 링이 끼워지는 링 홈에는 작은 구멍에 전체둘레에 걸쳐 뚫어져 있다. 이 구멍
은 실린더 벽과 피스톤이나 피스톤 링이 운반하는 윤활유 가운데에서 여분의 윤활유를
피스톤 안쪽으로 되돌려 보낸다.
피스톤 아랫부분이 되는 스커트는 피스톤이 왕복운동을 할 때 측압을 받는다.
그리고 보스는 비교적 두껍게 되어 있으며 이곳에 피스톤을 커넥팅로드에 연결하는
피스톤 핀이 꽂혀진다. 피스톤 헤드는 높은 온도에서의 노출로 열팽창이 크기 때문에
스커트보다 지름이 작게되어 있다. 그리고 보스는 두께가 두껍기 때문에 열팽창이 크므
로 팽창되는 양을 고려하여 작게 만든다.

 

(2) 피스톤의 재질
피스톤의 재료로는 특수주철과 알루미늄 합금이 있으며 알루미늄 합금을 대부분 사
용한다. 주철은 알루미늄 합금에 비해 강도가 크고, 열팽창률이 작아 피스톤 간극을 작
게 할 수 있어 블로바이나 피스톤 슬랩을 감소시킬 수 있다.
주로 사용되는 피스톤용 알루미늄 합금에는 구리계열의 Y합금(Y-alloy)과 규소계열
의 로 엑스(Lo-ex : Low Expansion alloy)가 있다. Y합금의 표준조직은 구리(Cu 4%),
니켈(Ni 2%), 마그네슘(Mg 1.5%) 나머지가 알루미늄인 대표적인 주물용 합금이다.