KR100408795B1 - 연소엔진용피스톤링 - Google Patents

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Abstract

연소엔진용, 특히 대형 디젤엔진용 피스톤링(1)은 실린더벽으로 향한 러닝면(11)을 가지고, 이것은 고체윤활제를 포함하거나, 또는 고체윤활제가 금속매트릭스 내에 용착된 슬라이드층(12 ; 13)을 포함한다. 하나의 슬라이드층, 또는 복수의 슬라이드층(12 ; 13)은 최초 수시간내, 이른바 엔진의 시동단계에 또는 최초의 수백 운전시간내, 이른바 엔진의 베딩다운 즉 러닝인 단계에 소모되어 버린다. 이들 슬라이드층(12 ; 13)은 통상 다시 손질을 필요로 하지 않는다. 이들 슬라이드층(12 ; 13)은 최초의 운전시간중, 종종 극단의 운전조건하에서 피스톤링(1) 및 실린더에의 손상에 대하여 추가의 안전성을 가져다 준다.

Description

연소엔진용 피스톤링
본 발명은 연소엔진용, 특히 대형 디젤엔진용 피스톤링에 관한 것이다. 통상, 수개의 피스톤링은 피스톤 상부의 그루브에 배열되어, 피스톤의 외주에 걸쳐 뻗어 있다. 피스톤링은 밀폐되지 않고, 실린더벽으로 향하는 이들의 외면은 실린더벽에 대하여 탄성적으로 접한다. 이러한 방법으로 연소공간은 크랭크케이스 또는 피스톤의 아래 쪽에 대하여 밀봉된다.
피스톤링은 자유로이 이동가능하게 그루브내에 자리잡고, 그루브내에 견고하게 위치하도록 허용되지 않을 수도 있다. 운전중, 피스톤링은 그루브내에서 외주 방향으로 회전한다. 피스톤링의 외면이 실린더벽에 정확하게 접하는가는 그루브내에의 피스톤링의 이동성에 의하여 보장된다.
피스톤링은 운전과정에서 마모되어 소정의 운전시간 후 교환하여 주지 않으면 안되는 마모성의 전형적 부품이다. 시동단계에서, 엔진에서 러닝할 때, 피스톤 링의 외면과 실린더내벽, 즉 러닝면이 서로 충분히 접하지 않으면, 통상 실린더벽및 피스톤에서 마모가 증가하는 것이 주목된다. 이러한 러닝인 단계에서 피스톤링 및 실린더의 제조상의 불균일을 편평하게 한다.
엔진제조자들의 권고에 의하면, 실린더 및 피스톤링에 손상을 피하기 위하여 엔진의 최초의 운전시간중, 즉 그 중에서도 러닝인중 특히 주의하여 운전하지 않으면 안된다고 한다. 따라서, 가능하면, 최고의 성능, 고불변파워 및 파워의 급격한 변화는 가능한 한 회피해야 한다.
실제로 엔진의 조심스런 러닝인은, 특히 대형 디젤엔진에서는 다만 제한적으로 가능하거나, 또는 불가능하다. 예를 들면, 선박은 극단의 조건하에서 합격판정 러닝중에 러닝하며, 합격판정러닝은 실제로 선박, 즉 엔진의 최초의 운전시간중에 발생한다. 이와 같이, 최고의 파워는 과부하영역, 즉 극단의 조건하에서 엔진으로부터 얻어진다. 운항중 및/또는 엔진의 러닝인 시간중 엔진에 대하여 특히 주의깊은 감시에도 불구하고, 흔히 피스톤링 및 실린더의 손상을 피할 수 없어, 실질적으로 새 기계에 번잡한 수리를 필요하게 만든다.
또한, 엔진이 가능한 한 조심스럽게 러닝인에 들어가거나 속도를 러닝업할때, 엔진의 피스톤링과 실린더, 또한 당연히 베어링 등과 같은 엔진의 다른 부품의 동작수명에 유리하게 된다.
본 발명의 목적은 운항중, 합격판정테스트중 및 러닝인중, 피스톤링과 실린더에 손상의 위험을 줄이고, 일반적으로 이러한 중요한 시점에서의 러닝특성이 향상된 피스톤링을 제공하는 것이다. 매우 조심스럽게 러닝인을 행한 엔진은 전체 운전기간에 걸쳐 향상된 러닝동작을 일반적으로 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤링을 나타낸 개략단면도.
이러한 종류의 피스톤링은 청구항 1의 특징부를 특징으로 한다. 본 발명에 따른 연소엔진은 청구항 12의 특징부를 특징으로 한다. 종속항은 피스톤링의 보다 유리한 전개에 관한 것이다.
본 발명은 여기에서 종래의 오일 윤활을 보조 및 보충하는 하나 이상의 자체 윤활면층이 배설됨으로써 실질적인 이점을 가져온다.
따라서, 러닝인층, 즉 슬라이드층은 운전 수시간내에, 예를 들면 5∼ 10시간의 운전시간내에 마모되도록 선택될 수 있다. 이 층은 상당히 연하여 제조 및/또는 설치에 의하여 야기되어 존재하게 될 불균일한 러닝면이 나타나고, 이것이 실링의 문제에 이를 수 있지만, 단시간의 운전시간 후 편평하게 된다. 러닝인층 즉, 슬라이드층은, 엔진의 최초의 운전시간중, 종종 극단의 운전조건하에서 피스톤링 및 실린더의 손상의 위험을 줄일 수 있도록 예를 들면 두께가 10 ㎛ ∼ 300 ㎛, 바람직하게는 30 ㎛ ∼ 100 ㎛, 예를 들면 0.05 mm( 50 ㎛ )이다.
금속과 고체윤활제와의 복합재료가, 예를 들면 러닝인층으로서 적합하다. 상기 러닝인층, 즉 슬라이드층은 엔진의 최초의 운전시간중, 종종 극단의 운전조건하에서 피스톤링 및 실린더의 손상의 위험을 줄일 수 있도록 다음의 조성을 가진 저합금강의 금속매트릭스가 적합하다.
C 0.5 중량% ∼ 2 중량%, 바람직하게는 1 중량%,
Cr 0.5 중량% ∼ 3 중량%, 바람직하게는 1 중량%,
Mn 0.5 중량% ∼ 2 중량%, 바람직하게는 1 중량%,
Cu 0.2 중량% ∼ 2 중량%, 바람직하게는 1.5 중량%,
Si 0.1 중량% ∼ 2 중량%, 바람직하게는 0.3 중량%,
Fe 나머지
2 체적% ∼25 체적%, 바람직하게는 10 체적%의 6붕소질화물(BN)이 고체윤활제로서 적합하다. 층은 APS법 (Atmospheric Plasma Spraying), 고속화염스프레이법 [HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)] 또는 다른 화염스프레이법으로 부착될 수 있다.
또한, 적합한 고체윤활제는 폴리에스테르, 폴리아미드, CaF2, BaF2또는 이들 불화물의 공융( 共融 ) 합금이다.
러닝인층 하측에 위치하는 어느 정도 견고하고 양호하게 부착된 다른 층, 이른바 베딩다운층 즉 러닝인층이 배설될 수 있고, 예를 들면, 200 ∼ 300 운전시간내에 마모되어 버린다. 이 층은 매우 양호한 러닝 특성 및 마모에 높은 저항, 즉 스커핑( scuffing )에 높은 저항을 가져야 한다. 스커핑은 접착력에 의한 마이크로웰딩의 스타트 또는 외관에 주어지는 명칭이다. 피스톤링의 경우에, 이것은 피스톤 링의 러닝면에 실린더벽의 일부의 용접이 될 것이다.
러닝인층은 두께가 20 ㎛ ∼ 250 ㎛, 바람직하게는 30 ㎛ ∼ 100 ㎛, 예를 들면 0.05 mm ( 50 ㎛ )이다. 러닝인층은 최초의 운전시간중, 특히 정치(定置)엔진 및 선박엔진에 대한 합격판정테스트 및 조정테스트중 안전을 증대시킨다. 이들 테스트에서, 모터는 극단의 운전조건하에 극단의 통제로 러닝된다. 운전조건, 즉 운전파라미터는, 특히 피스톤, 피스톤링 및 실린더에 극단적이고 바람직하지 않은 부하가 걸린 운전조건으로 신속하게 그리고 급격하게 변화한다. 이와 같은 운전조건 및 운전상태변화가 러닝인타임 중에 이들 부품을 손상시킬 수 있다는 사실은 공지되어 있다. 여기에서 러닝인층은 피스톤링 및 실린더의 손상에 대하여 부가의 보호조치를 가져온다.
베딩다운층 즉 러닝인층은 엔진의 최초의 운전시간중, 종종 극단의 운전조건하에서 피스톤링 및 실린더의 손상의 위험을 줄일 수 있도록 다음의 조성을 가진 저합금강의 매트릭스로 구성될 수 있다. 2 체적% ∼ 12 체적%, 바람직하게는 4 체적% ∼ 10 체적%의 고체윤활제, 예를 들면 MoS2가 매트릭스에 도입된다.
저합금강
C 1 중량% ∼ 2 중량%, 바람직하게는 1.5 중량%,
Cr 2 중량% ∼ 5 중량%, 바람직하게는 4 중량%,
Mn 1 중량% ∼ 3 중량%, 바람직하게는 1.5 중량%,
Cu 0.2 중량% ∼ 2 중량%, 바람직하게는 1.5 중량%,
Si 0.1 중량% ∼ 1 중량%, 바람직하게는 0.5 중량%,
Fe 나머지
이와 같은 층은 고속화염스프레이법 ( HVOF )에 의하여 부착될 수 있다.
다음의 조성을 가진 구리-알루미늄-합금은 엔진의 최초의 운전시간중, 종종극단의 운전조건하에서 피스톤링 및 실린더의 손상의 위험을 줄일 수 있도록 베딩다운층 즉 러닝인층용 금속매트릭스로서 적합하다.
Al 6 중량% ∼ 14 중량%, 바람직하게는 7 중량% ∼ 9 중량%
Mn 0.5 중량% ∼ 4 중량%, 바람직하게는 2 중량% ∼ 3 중량%
Cu 나머지
다음의 조성을 가진 코발트-크롬-합금도 엔진의 최초의 운전시간중, 종종 극단의 운전조건하에서 피스톤링 및 실린더의 손상의 위험을 줄일 수 있도록 러닝인층용 금속매트릭스로서 적합하다.
Cr 20 중량% ∼ 40 중량%, 바람직하게는 30 중량%,
C 1 중량% ∼ 3.5 중량%, 바람직하게는 2 중량%,
B 0.2 중량% ∼ 1.5 중량%, 바람직하게는 0.8 중량%,
Co 나머지
나선형 및 V형의 그루브는 자기특성이 구별되는 재료로 채워진 그루브를 가진 실린더벽에서 러닝하는 피스톤링의 실제층의 슬라이드면에 장기간 배설될 수 있는 것이 바람직하다. 그루브의 깊이는 약 2 mm ∼ 6 mm, 바람직하게는 4 mm ∼ 5 mm이다. 이것이 자기(磁氣)센서시스템으로 피스톤링의 마모 및 회전위치를 모니터할 수 있게 한다.
V형 그루브, 따라서 당연히 또한 거기에 위치한 재료층은 피스톤링의 마모가 증가하면서 피스톤 또는 피스톤링의 이동방향으로 더욱 좁아진다. 간단히 표현하면 이 재료층의 신호의 길이/지속시간은 피스톤링의 마모에 대한 측정이다. 피스톤링의 러닝면의 나선형 그루브와 함께, 차례로 신호가 일시적으로 나타나는 것은 피스톤링의 회전위치에 대한 측정이다. 피스톤링의 회전위치가 연속하여 변화하는 것, 즉 피스톤링이 운전중 피스톤의 자체 그루브내에서 회전할 수 있는 것은 중요하다. 또한, 피스톤링의 모니터링 및 또한 피스톤링내의 그루브의 형성에 관한 더욱 상세한 것은, 예를 들면 DE-25 17 751에서 알 수 있다.
회전위치의 검색은 또한 피스톤링이 여전히 시동 또는 베딩다운단계에 있고, 즉 층이 여전히 피스톤링 러닝면상에 있고, 즉 또한 충전된 그루브위를 덮고 있는 피스톤링에는 용이하게 가능하다. 피스톤링이 시동단계에서 정확하게 말썽없이 기능하고, 피스톤의 자체 그루브에 견고하게 위치하지 않는 것이 특히 중요하다.
예를 들면, 코발트, 망간 및 철과의 합금인 구리-알루미늄-합금은 피스톤 링의 그루브의 충전재료로서 매우 적합하고, 그것은 통상 캐스팅, 예를 들면 합금 그레이캐스트강으로 구성된다. 피스톤링의 마모 및 회전위치를 용이하게 판정할 수 있도록, 예를 들면, 다음의 Cu-Al-합금이 충전재료로서 적합하다.
Al 8 중량% ∼ 15중량%, 바람직하게는 12 중량%,
Co 0.5 중량% ∼ 3 중량%, 바람직하게는 2 중량%,
Mn 0.5 중량% ∼ 5 중량%, 바람직하게는 1.5 중량%,
Fe 1 중량% ∼ 5 중량%, 바람직하게는 3 중량%,
Cu 나머지
마모에 대한 저항증가는 Co-Fe-리치금속간 화합물의 입자의 침전으로부터, 그리고 또한 합금의 지배적인 β-매트릭스구조로부터 이 합금이 생긴다. 이들 입자는 층의 부하능력과 마모저항을 증대시킨다. 이러한 그루브내의 마모저항충전은 예를 들면 고속화염스프레이프로세스( HVOF )에 의하여 피스톤링에 부착할 수 있다.
예를 들면, 폴리아미드 및/또는 폴리에스테르와 같은 플라스틱 베이스에 5 체적% ∼ 30 체적%, 바람직하게는 15 체적% ∼ 20 체적%의 고체윤활제가 층의 부하 능력과 마모저항을 증대시키도록 피스톤링의 러닝면내의 그루브의 충전용으로 전술한 Cu-Al-합금과 결합될 수 있다.
그루브 및 그루브충전은 깊이/두께가 2 mm ∼ 6 mm, 바람직하게는 4 mm ∼ 5 mm 이다.
합금의 조성에 관한 모든 진술은 존재하게 될지도 모를 어떠한 오염물질은 고려하지 않고 있다는 것을 이해할 것이다.
베딩다운층 즉 러닝인층, 이른바 슬라이드층(12)은, 예를 들면 화염스프레이 프로세스에 의하여 피스톤링(1)의 러닝면(11)에 부착된다. 시동층, 즉 슬라이드층(13)은 상기 슬라이드층(12)에 부착된다. 피스톤링(1)의 러닝면내의 그루브(10)는 자기특성이 피스톤링(1)의 재료와는 실질적으로 상이한 충전재료(14)로 채워진다. 피스톤링(1)은 예를 들면 그레이캐스트강으로서 강자성 물질이고, 그루브(10)내의 충전재료(14)는 상자성체(常磁性體) 또는 반자성체(反磁性體) 또는 약한 자성물질이다. 그루브(10)는 유리하게는 나선형, 즉 완전한 선회로서 형성되어 피스톤링(1)의 외주상에서 볼 때 커버면(15)으로부터 간격이 상이하다. 따라서, 각도 위치, 즉 피스톤링(1)의 회전을 용이하게 판정하는 것이 가능하다. 또한, 피스톤링(1)이 견고하게 위치하고 있어 더 이상 회전하지 않을 때를 판정하는 것이 가능하다.
상기 슬라이드층(12) 및 상기 슬라이드층(13)은 두께가 단지 수 mm의 1/100, 예를 들면 0.05 mm 이다. 상기 슬라이드층(13)은 엔진의 최초의 운전시간중, 종종 극단의 운전조건하에서 피스톤링 및 실린더의 손상의 위험을 줄일 수 있도록 운전 수시간내, 최초 6∼10시간내에 마모되어 버린다. 상기 슬라이드층(12)은, 엔진의 최초의 운전시간중, 종종 극단의 운전조건하에서 피스톤링 및 실린더의 손상의 위험을 줄일 수 있도록 바람직하게는 수백 운전시간내, 바람직하게는 200-300시간내에 마모되어 버린다.
본 발명에 따른 피스톤링은 또한 2개층 즉, 슬라이드층(12) 및 슬라이드층(13) 중 하나만 배설될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명에 따른 피스톤링(1)은 피스톤링과 자기적(磁氣的)으로 상이한 재료로 충전된 그루브(10)를 반드시 가질 필요는 없다. 그루브(10)는 또한 3각형 횡단면이 아닌 상이한 횡단면을 가질 수 있다. 다만 필요한 것은 반경방향으로 볼 때, 피스톤링(1)의 마모가 전술한 방식으로 모니터될 때 그루브(10)의 폭이 변화하는 것이다.
연소엔진용, 특히 대형 디젤엔진용 피스톤링(1)은 실린더벽으로 향한 러닝면(11)을 가지고, 이것은 고체윤활제를 포함하거나, 또는 고체윤활제가 금속매트릭스 내에 용착된 슬라이드층(12 ; 13)을 포함한다. 하나의 슬라이드층, 또는 복수의 슬라이드층(12 ; 13)은 최초 수시간내, 이른바 엔진의 시동단계에 또는 최초의 수백 운전시간내, 이른바 엔진의 베딩다운 즉 러닝인 단계에 소모되어 버린다. 이들 슬라이드층(12 ; 13)은 통상 다시 손질을 필요로 하지 않는다. 이들 슬라이드층(12 ; 13)은 최초의 운전시간중, 종종 극단의 운전조건하에서 피스톤링(1) 및 실린더에의 손상에 대하여 추가의 안전성을 가져다 준다.

Claims (12)

  1. 실린더벽을 향하는 장기의 러닝면(11)을 구비하고, 상기 장기의 러닝면(1)에 적어도 하나의 층이 있는, 연소엔진용, 특히 대형 디젤엔진용 피스톤링(1)에 있어서,
    상기 적어도 하나의 층은
    (a) 상기 장기의 러닝면(11)에 제공되고, 자신의 화학 조성 및 두께가 수백 시간의 운전시간 내에 마모되도록 선택되고, 자체 윤활 슬라이드층을 구성하는 러닝인층, 즉 제2 슬라이드층(12), 또는
    (b) 상기 장기의 러닝면(11)에 제공되고, 자신의 화학 조성 및 두께가 수시간의 운전시간 내에 마모되도록 선택되고, 자체 윤활 층을 구성하는 시동층, 즉 제 1 슬라이드층(13), 또는
    (c) 상기 장기의 러닝면(11)에 제공되고, 자신의 화학 조성 및 두께가 수백 시간의 운전시간 내에 마모되도록 선택되고, 제1 자체 윤활 층을 구성하는 러닝인 층, 즉 제2 슬라이드층(12), 및 상기 장기의 러닝면(11)에 제공되고 상기 러닝인층 보다 낮은 경도를 가지며, 자신의 화학 조성 및 두께가 수시간의 운전시간 내에 마모되도록 선택되고, 제2 자체 윤활 층을 구성하는 시동층, 즉 제1 슬라이드층(13)
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  2. 청구항 1에 있어서, 제1의 슬라이드층(13) 아래에 제2의 슬라이드층(12)이배설되는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 하나의 슬라이드층(12 ; 13) 또는 두개의 슬라이드층의 외측 슬라이드층(13)이 운전시간 10시간 내에 마모되어 버리는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 하나의 슬라이드층(12 ; 13) 또는 두개의 슬라이드층의 내측 슬라이드층(12)이 운전시간 400시간 내에 마모되어 버리는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서, 슬라이드층(12 ; 13)중 최소한 하나는 두께가 10 ㎛ ∼ 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 하나의 슬라이드층(12 ; 13) 또는 하나 이상의 슬라이드 층으로서, 외측 슬라이드층(13)은 금속매트릭스가
    C 0.5 중량% ∼ 2 중량%,
    Cr 0.5 중량% ∼ 3 중량%,
    Mn 0.5 중량% ∼ 2 중량%,
    Cu 0.2 중량% ∼ 2 중량%,
    Si 0.1 중량% ∼ 2 중량%,
    Fe 나머지
    로 구성되고, 2 체적% ∼ 25 체적%의 6 붕소질화물(BN), 폴리에스테르, 폴리아미드, CaF2, BaF2또는 이들 불화물의 공융합금을 고체윤활제로서 도입하는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  7. 청구항 1 또는 2에 있어서, 하나의 슬라이드층(12 ; 13) 또는 하나 이상의 슬라이드층으로서, 제2의 내측 슬라이드층(12)은 금속매트릭스가
    1 중량% ∼ 2중량%의 C,
    2 중량% ∼ 5 중량%의 Cr,
    1 중량% ∼ 3 중량%의 Mn,
    0.2 중량% ∼ 2 중량%의 Cu,
    0.1 중량% ∼ 1 중량%의 Si,
    나머지 Fe,
    로 구성되고, 또는
    금속매트릭스가 Cu - Al - 합금이고, 이 합금은
    Al 6 중량% ∼ 14 중량%,
    Mn 0.5 중량% ∼ 4 중량%,
    Cu 나머지
    로 구성되고, 또는
    금속매트릭스가 CO - Cr - 합금이고, 이 합금은
    Cr 20 중량% ∼ 40 중량%,
    C 1 중량% ∼ 3.5 중량%,
    B 0.2 중량% ∼ 1.5 중량%,
    Co 나머지
    로 구성되고, 고체윤활제, 특히 2 황화몰리브덴 ( MoS2)이 2 체적% ∼ 12 체적%로 도입되는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  8. 청구항 1에 있어서, 실린더벽에 면하는 러닝면(11)내에 하나 이상의 그루브(10)를 가지고, 하나의 그루브(10) 또는 다수의 그루브(10)는 피스톤링(1)의 재료와는 상이한 자기특성의 재료(14)를 함유하는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  9. 청구항 8에 있어서, 하나의 그루브(10) 또는 다수의 그루브(10)가 나선형으로 러닝면(11)에 배설되고, 외주상에서 보아, 피스톤링(1)의 하나의 커버면(15)으로부터 간격이 변하는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  10. 청구항 8 또는 9에 있어서, 하나의 그루브(10) 또는 다수의 그루브(10)내의 충전재료(14)가 Co, Mn 및 Fe와의 합금인 Cu - Al - 합금이고, 이 합금은
    Al 8 중량% ∼ 15 중량%,
    Co 0.5 중량% ∼ 3 중량%,
    Mn 0.5 중량% ∼ 5 중량%,
    Fe 1 중량% ∼ 5 중량%,
    Cu 나머지
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  11. 청구항 10에 있어서, 고체윤활제, 특히 폴리아미드 및 폴리에스테르 중에서 적어도 하나 이상의 성분이 하나 또는 다수의 그루브(10)내의 Cu - Al - 합금중에 5 체적% ∼ 30 체적%로 용착된 것을 특징으로 하는 피스톤링.
  12. 청구항 1 또는 2에 따른 피스톤링(1)을 가지는 연소엔진, 특히 대형 디젤엔진.
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