1. 피스톤(Piston)

피스톤은 실린더 내에서 왕복운동하는 기구이며, 폭발행정에서 고온?고압의 가스로부터 받은 압력으로 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축에서 회전력이 발생하도록 한다. 또 흡입?압축 및 배기행정에서는 크랭크축으로부터 힘을 받아 각각 작동을 한다.

1.1. 피스톤의 구비조건

① 피스톤은 실린더 내를 고속으로 왕복운동을 하므로 관성력에 의한 동력손실을 적게 하고 무게가 가벼울 것

② 고온?고압에 충분히 견딜 수 있을 것

③ 열전도율이 크고, 열팽창률이 적을 것

④ 피스톤은 실린더 내의 폭발압력을 유효하게 이용할 수 있고, 어떤 온도에서도 가스 블로바이가 없을 것

⑤ 피스톤 상호간의 무게 차이가 적을 것

⑥ 실린더 벽과의 마찰이 적고, 기계적 손실이 최소가 되도록 윤활을 하기 위한 적당한 간극이 있을 것

⑦ 실린더 벽을 윤활하는 윤활유가 연소실에 들어가지 못하는 구조 일 것

피스톤 구조

1.2. 피스톤 헤드

피스톤은 피스톤 헤드(piston head), 링 지대(ring belt), 스커트(skirt section), 보스(boss section) 등으로 구성되어 있다. 피스톤 헤드의 모양에는 그 사용되는 기관의 연소실과 알맞게 조합되는 형상으로 되어 있으며 여러 가지의 것이 있다. 피스톤 헤드의 모양에는 편평형, 볼록형, 쐐기형, 불규칙형, 밸브 노치형이 있다.

1.3. 피스톤의 재질

피스톤의 재료로는 특수주철과 알루미늄 합금이 있으며 주로 사용되는 피스톤용 알루미늄 합금에는 구리계열의 Y합금(Y-alloy)과 규소계열의 로엑스(Lo-ex ; low expansion alloy)가 있다. 주철은 알루미늄 합금에 비해 강도가 크고, 열팽창률이 작아 피스톤 간극을 작게 할 수 있어 블로바이나 피스톤 슬랩을 감소시킬 수 있다.

1.4. 피스톤 간극(실린더 간극)

피스톤은 기관이 작동을 할 때 열팽창을 하므로 이를 위해 상온에서 실린더와의 사이에 어느 정도의 간극을 두게 되는데 이것을 피스톤 간극 또는 실린더 간극이라 한다. 피스톤 간극은 실린더 안지름과 피스톤 최대 바깥지름(스커트 지름)으로 표시하며 간극이 너무 크거나 작으면 다음과 같은 영향을 준다.

피스톤 간극

(1) 피스톤 간극이 적으면

피스톤 간극이 작으면 실린더와 피스톤 사이의 고착(소결)이 발생한다.

(2) 피스톤 간극이 크면

① 블로바이가 발생하여 압축압력이 저하한다.

② 연소실에 윤활유가 올라온다.

③ 윤활유가 연료에 희석된다.

④ 피스톤 슬랩이 발생하여 기관의 출력이 저하한다.

⑤ 기관의 시동이 어려워진다.

1.5. 알루미늄 합금 피스톤의 형상에 따른 분류

(1) 캠 타원(연마) 피스톤(cam ground piston)

이 피스톤은 피스톤 핀이 설치되는 보스부분이 다른 부분보다 두꺼워 기관이 작동되는 동안 열 축적이 많기 때문에 스커트가 측압을 받아 피스톤 핀 방향으로 팽창하는 경우가 있다. 이 때문에 열팽창을 고려하여 보스보다 스커트 지름을 0.25～0.30mm 정도 크게 만든 것이다.

캠 타원 피스톤은 기관이 작동되지 않을 때에는 피스톤 보스부분이 타원형의 짧은지름이 되고 스커트 부분은 긴지름이 되지만 기관이 작동되면 폭발 열에 의하여 정상 운전온도로 되면 진원형이 되어 피스톤 간극을 일정하게 유지한다.

(2) 스플릿 피스톤(split piston)

이 피스톤은 피스톤 스커트와 링 지대 사이에 가늘게 가공한 홈을 두어 스커트로 열이 전달되는 것을 제한하고, 열팽창을 적게 하기 위한 형식이다. 홈의 모양에는 U형, T형, I형 등이 있으며, 홈의 끝부분을 둥글게 하여 응력 집중을 피한다.

(3) 솔리드 스커트 피스톤(solid skirt piston)

이 피스톤은 스커트 부분에 홈(slot)이 없고 통형(筒形)으로 되어 있으며 열팽창에 대한 보상장치가 없기 때문에 모든 운전 상태에서 알맞은 피스톤 간극을 유지할 수 없으나 기계적 강도가 높아 가혹한 조건에서 운전되는 디젤기관에서 주로 사용한다.

(4) 인바 스트럿 피스톤(invar strut piston)

이 피스톤은 온도 변화에 따른 변형을 감소시키기 위하여 열팽창률이 매우 적은 인바 강을 기둥(strut) 또는 링(ring)모양으로 스커트 윗부분에 넣고 일체 주조한 형식이다.

(5) 오프셋 피스톤(편심 피스톤, off-set piston)

이 피스톤은 피스톤 슬랩을 피할 목적으로 피스톤 핀의 위치를 중심으로부터 0.5～2.0 mm 정도 오프셋 하여 상사점에서 피스톤 경사 변환 시기가 늦어지도록 한 것이다.

(6) 슬리퍼 피스톤(slipper piston)

이 피스톤은 측압을 받지 않는 스커트 부분을 떼어낸 모양의 것이다. 특징은 무게를 증대하지 않고 측압 접촉면적을 크게 하여 피스톤 슬랩을 감소시킬 수 있어 고속 기관용으로 많이 사용된다.