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피스톤은 실린더 내를 직선왕복 운동을 하여 폭발행정에서 높은 온도와 압력의 가스로부터 받은 동력을 커텍팅로드를 통해 크랭크축에 회전력을 발생시키고 흡입과 압축 및 배기행정에서는 크랭크축으로부터 힘을 받아서 각각 작용을 합니다. 지금부터 피스톤의 기능과 구조에 대해서 간단하게 살펴보도록 하겠습니다.
피스톤의 구비조건은 다음과 같습니다. 일단 무게가 가벼워야 합니다. 높은 온도와 압력의 가스에 충분히 견딜 수 있어야 합니다. 그리고 열전도율이 좋아야 하고 열팽창률이 적어야 합니다. blow by가 없어야 하며 피스톤 상호 간의 무게 차이가 적어야 합니다. 피스톤의 구조와 재질 및 간극 등에 대해 설명드리도록 하겠습니다.
피스톤의 구조
1. 피스톤 헤드
피스톤 헤드는 연소실의 일부를 형성하며 뒷면에는 리브를 두기도 합니다. 이 리브는 헤드 부분의 열을 피스톤 링이나 스커트 부분으로 신속하게 전달하며 피스톤을 보강하기도 합니다.
2. 피스톤 링 지대
링 지대는 피스톤 링을 끼우기 위한 링 홈과 홈 사이인 랜드가 있습니다. 그리고 오일 링이 끼워지는 링 홈에는 링이 긁어 내린 기관오일을 피스톤 안쪽으로 보내기 위한 오일구멍이 뚫려 있습니다. 어떤 형식의 피스톤에서는 제1번 랜드에 좁은 홈을 여러 개 파서 피스톤 헤드 부분의 높은 열이 스커트 부분으로 전달되는 것을 차단해 주는 히트 댐을 두기도 합니다.
3. 피스톤 보스&스커트 부분
피스톤 보스 부분은 비교적 두껍게 되어 있습니다. 피스톤 핀이 끼워지는 구멍이 마련되어 있습니다. 스터트 부분은 피스톤이 왕복운동을 할 때 측압을 받는 곳입니다. 피스톤 지름은 이 스커트 부분의 지름을 나타내는 것입니다.
피스톤의 재질과 간극
피스톤의 재질은 특수주철과 알루미늄 합금이 있습니다. 현재는 대부분 알루미늄 합금을 사용하고 있습니다. 피스톤 간극이란 실린더 안 지름과 피스톤 최대 바깥 지름과의 차이입니다. 기관 작동 중 열팽창을 고려하여 두고 있습니다. 피스톤 간극이 작으면 기관 작동 중 열팽창으로 인해 실린더와 피스톤 사이에서 고착이 발생하게 됩니다.
피스톤 간극이 클 경우에는 피스톤 슬랩이 발생됩니다. 압축압력이 저하되고 기관오일이 연소실로 올라오게 됩니다. 블로바이가 일어나고 기관오일이 연료로 희석됩니다. 기관의 출력이 낮아지고 백색 배기가스가 발생하게 됩니다.
알루미늄 합금 피스톤의 종류
1. 캠연마 피스톤
피스톤은 상온에서 피스톤 보스 부분을 짧은 지름, 스커트 부분을 긴지름으로 하는 타원형으로 하고 온도상승에 따라 보스 부분의 지름이 증대되어 기관의 정상온도에서 진원에 가깝게 되어 전체 면이 접촉하게 되는 피스톤으로 알루미늄 합금 피스톤의 대표적입니다.
2. 스플릿&인바 스트럿 피스톤
스플릿 피스톤은 측압이 적은 부분의 스커트 윗부분에 세로로 홈을 두어 스커트 부분으로 열이 전달되는 것을 제한하는 피스톤을 말합니다. 인바 스트럿 피스톤은 열팽창률이 매우 적은 인바제 스트럿이나 링을 스커트 부분에 넣고 일체주조 한 피스톤입니다. 기관 작동 중 일정한 피스톤 간극을 유지할 수 있습니다.
3. 슬리퍼&오프셋&솔리드 피스톤
슬리퍼 피스톤은 측압을 받지 않는 스커트 부분을 잘라 낸 피스톤입니다. 무게와 피스톤 슬랩을 감소시킬 수 있지만 스커트를 잘라 낸 부분에 기관오일이 고이기 쉽습니다. 오프셋 피스톤은 슬랩을 방지하기 위하여 피스톤 핀의 위치를 중심으로부터 1.5mm 정도 편심시켜 상사점에서 경사변환 시기를 늦어지게 한 형식입니다. 마지막으로 솔리드 피스톤은 스커트 부분에 홈이 없고 통형으로 된 형식입니다. 기계적 강도가 높아 가혹한 운전조건의 디젤기관에서 주로 사용하고 있습니다.