피스톤 및 링 업데이트

피스톤과 링의 기본 디자인은 최초의 내연기관이 발명되었을 때와 거의 동일합니다. 피스톤은 여전히 ​​​​실린더 내에서 위아래로 미끄러지는 둥근 금속 슬러그입니다. 그리고 링은 여전히 ​​압축을 밀봉하고 연소 블로우바이를 최소화하며 오일을 제어하는 ​​데 사용됩니다.

이전 설계와 유사함에도 불구하고 피스톤 설계는 FEA(유한 요소 분석)라는 컴퓨터 모델링 프로그램에서 모양까지도 공들여 작성하는 매우 복잡한 프로세스가 되었습니다. 요즘에는 피스톤도 실제로 둥글지 않습니다. 많은 엔진은 냉각 시에는 타원형 모양이 되었다가 엔진이 작동 온도까지 따뜻해지면 둥근 모양으로 확장되도록 특별히 설계되었습니다. 그러나 연소 과정으로 인해 발생하는 힘은 화염 전면이 확장됨에 따라 피스톤 크라운 영역에 초기 압력의 대부분을 가합니다.

피스톤 링의 경우 폭이 더 얇아지고 고급 표면 코팅이 적용된 강철 링을 향한 추세가 계속되고 있습니다. 직접 분사 및 강제 유도로 인한 것은 아니지만 피스톤 링의 표면 코팅은 이러한 엔진의 높은 요구 사항을 충족하기 위해 계속해서 발전하고 있습니다. 일반적으로 오늘날 시장에 출시된 모든 새로운 엔진은 모든 링에 강철을 사용하고 일부 유형의 물리적 기상 증착(PVD) 코팅을 사용합니다.

더 높은 압력과 열 팽창을 보상하기 위해 피스톤 재료와 디자인이 수년에 걸쳐 발전해 왔지만, 고려해야 할 변수가 너무 많기 때문에 연소실 조건에 최적화된 피스톤을 선택하는 것이 어려울 수 있습니다. 엔진 제작자는 재료 유형, 단조, 주조 또는 빌렛 등의 제조 공정, 코팅을 포함한 링 팩, 비용 등을 고려해야 합니다. 단조 피스톤은 최고의 강도와 내구성을 제공하지만, 사용 가능하더라도 모든 응용 분야에 최선의 선택이 아닐 수도 있습니다. 빌렛 설계는 설계 측면에서 유연성을 제공하고 크기 조정에 더 많은 유연성을 제공하지만 알루미늄 플러그를 사용 가능한 부품으로 절단하는 데 필요한 가공량으로 인해 생산 비용이 더 많이 듭니다. 주조 피스톤은 대량으로 만들어지지만 빌릿이나 단조품으로 만든 것만큼 강하지 않습니다. 고객을 위한 최상의 조합을 결정하는 것은 궁극적으로 엔진 제조업체의 몫입니다.

더 작은 엔진에 터보차징을 적용하는 것은 오늘날 OEM이 따르는 추세입니다. 이를 통해 더 작은 연료 효율의 엔진이 더 큰 변위 사촌과 유사한 출력을 가질 수 있지만 피스톤과 링이 견뎌야 하는 부하와 온도도 증가합니다. 더 작은 고출력 엔진에는 더 높은 온도와 연소 압력을 처리할 수 있는 재료로 만들어진 피스톤이 필요합니다. 과거의 주조 피스톤은 오늘날의 가솔린 ​​직접 분사(GDI) 또는 터보차지 직접 분사(TGDI) 응용 분야에 적합하지 않습니다.

대부분의 GDI 엔진은 VVT(가변 밸브 타이밍) 캠을 사용합니다. VVT는 엔진 성능 튜닝을 위한 많은 공간을 제공할 수 있지만, 이 설정에서는 캠이 전진하고 지연될 때 밸브에 충분한 간격을 제공하기 위해 피스톤 상단에 더 깊은 밸브 릴리프가 필요합니다. VVT가 장착된 대부분의 엔진에 있는 캠 페이저는 캠을 최대 40도까지 회전할 수 있으며 일부는 캠 타이밍을 60도까지 이동할 수 있습니다. 이는 캠 회전이 많기 때문에 피스톤에 밸브 릴리프에 대한 적절한 간격이 없으면 밸브를 너무 오랫동안 열어두면 귀중한 금속 부품이 충돌할 수 있습니다.

GDI 엔진의 피스톤은 크라운 영역을 제외하고는 포트 분사 엔진과 설계가 매우 유사합니다. GDI 엔진의 대부분의 피스톤에는 주입된 연료가 스파크 플러그 쪽으로 향하도록 크라운에 함몰부가 있습니다. 상대적으로 풍부한 연료 혼합물의 이 웅덩이는 점화 플러그를 겨냥하여 연소를 시작합니다. 점화 플러그가 연료 풀을 점화한 후, 챔버에 있는 나머지 연료가 연소되어 보다 효율적인 혼합물을 생성할 수 있습니다.

대부분의 성능과 고출력 엔진의 경우 단조 피스톤이 가장 적합합니다. 단조 피스톤은 4032 및 2618과 같은 가장 내구성이 뛰어난 합금으로 제조되기 때문입니다. 인장 강도에 있어서 두 합금은 크게 다르지 않습니다. 4032의 정격은 약 55,000psi이고, 2618의 정격은 약 65,000psi입니다. 4032 피스톤은 2618로 만든 피스톤보다 약간 가볍습니다. 4032 합금으로 만든 피스톤은 약 10-12%의 실리콘 함량을 가지며 아산화질소 또는 약한 부스트 강제 유도 엔진과 같은 응용 분야에 널리 사용됩니다. 실리콘 함량은 알루미늄에 2618 합금에 비해 낮은 팽창률을 제공하며 더 나은 내구성을 위해 피스톤과 실린더 벽 간극을 더 조밀하게 작동할 수 있습니다. 4032로 제작된 피스톤에는 엔진이 작동 온도에 도달하는 동안 소음을 많이 내지 않는 추가 기능도 있습니다.