KR100590952B1 - 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피스톤 상부에 복합재료를 일체로 고압주조한 다음 경질피막산화처리 (Hard Anodizing)를 함으로써, 복합재료로 이루어진 피스톤의 상단부가 폭발행정시 변형을 일어나게 되어 기밀효과를 높일 수 있게 되어 2개의 링만으로도 충분히 기밀유지 뿐만 아니라 엔진성능을 향상시킬 수 있는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이를 실현하기 위해 본 발명은, 피스톤의 헤드부를 성형하기 위한 복합재료와 피스톤의 몸체부를 형성하기 위한 알루미늄 합금을 금형에 주입하여 피스톤 본체를 고압주조하는 과정과; 상기 피스톤 본체의 탑부를 경질피막산화처리(Hard Anodizing)하는 과정과; 그리고, 이 피스톤 본체의 외주에 통상의 탑 랜드 높이보다 작은 위치에 첫번째 링 블럭이 오도록 2개의 링 블럭을 형성하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 및 그 제조방법을 제공하는데 있는 것이다.

가솔린 엔진, 피스톤

Description

가솔린 엔진용 2-링 피스톤 및 그 제조방법{2-ring piston and manufacturing method for gasoline engine}

도 1은 종래의 가솔린 엔진용 피스톤의 장착 상태를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 2-링 피스톤의 장착상태를 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 2-링 피스톤의 폭발행정시 작동상태를 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 피스톤 본체 11 : 탑부

12a, 12b : 링 블럭 13 : 압축링

14 : 오일링 100 : 실린더

H : 탑 랜드 높이(Top Land Height)

본 발명은 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피스톤 상부에 복합재료를 일체로 고압주조한 다음 경질피막산화처리 (Hard Anodizing)를 함으로써, 복합재료로 이루어진 피스톤의 상단부가 폭발행정시 변형을 최대한 방지하게 되어 기밀효과를 높일 수 있게 되어 2개의 링만으로도 충분히 기밀유지 뿐만 아니라 엔진성능을 향상시킬 수 있는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린 엔진용 피스톤은 실린더 내부를 고속으로 왕복운동을 하면서 연소의 고온과 고압의 가혹한 조건하에서 작동되는 엔진의 구성요소로, 가벼우면서도 견고할 뿐만 아니라 열팽창 계수가 적고 열전도성이 좋은 재질을 사용하여 제작하고 있다.

이러한 조건을 만족하는 재질로서 보통 알루미늄 합금제를 많이 사용하고 있으나 이 외에 주철제, 드물게는 단조품 등도 사용되고 있다.

첨부도면 도 1은 종래의 피스톤을 도시한 도면으로, 피스톤은 보통 피스톤 본체(10)와 헤드 부분에 끼울 수 있는 피스톤 링, 커넥팅 로드와 연결하는 피스톤 핀으로 구분할 수 있다.

또한, 상기 피스톤 본체(10)에는 피스톤 링을 끼울 수 있도록 링 블럭(12)이 형성되어 있으며, 이 링 블럭의 갯수는 엔진의 크기나 출력 등에 따라 달라지나 보 통 3개가 형성된 것이 가장 많이 사용되고 있다.

상기 피스톤 링은 일반적으로 2개의 압축링과 1개의 오일 링으로 구성되어 있으며, 압축링은 실린더 내의 혼합기 및 폭발가스 등이 실린더 하부로 빠져 나가는 것을 막아 주게 되고, 오일링은 실린더 벽면에 남아 있는 윤활용 오일을 긁어 내리게 된다.

그러나, 기존의 피스톤은 상면과 제 1압축링의 상면과의 거리(top land height)가 길기 때문에 피스톤과 실린더의 사이에 혼합기 또는 연소가스가 채워지는 크레비스 볼륨(crevice volum)이 커지게 되고, 이에 따라 미연소된 혼합기가 대기로 배출되어 환경오염을 일으키거나 잔여 연소가스에 의해 완전연소가 이루어지지 않아 엔진 출력이 떨어지게 되는 문제가 발생하게 되어 이에 대한 개선이 필요하게 되었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 피스톤의 헤드부를 성형하기 위한 복합재료와 피스톤의 몸체부를 형성하기 위한 알루미늄 합금을 금형에 주입하여 피스톤 본체를 고압주조하는 과정과; 상기 피스톤 본체의 탑부를 경질피막산화처리(Hard Anodizing)를 하는 과정과; 그리고, 이 피스톤 본체의 외주에 통상의 탑 랜드 높이보다 작은 위치에 첫번째 링 블럭이 오도록 2개의 링 블럭을 형성하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 제조방법을 제공하는데 있는 것이다.

또한, 본 발명은 탑부가 복합재료로 고압주조되어 경질피막산화처리된 피스톤 본체로 이루어지되, 상기 피스톤 본체에는 통상의 탑 랜드 높이보다 낮은 위치에 제 1링 블럭이 오도록 전부 2개의 링 블럭이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤을 제공하는데 있는 것이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 2는 본 발명에 따른 2-링 피스톤의 장착상태를 나타내는 단면도로, 도면부호 10은 피스톤 본체를, 100은 실린더를 각각 나타낸다.

본 발명은 상기 피스톤 본체(10)를 성형함에 있어서, 압축링(13)과 오일링(14)이 설치되는 탑부(11)의 강성을 증대시키기 위해 복합재료로 하여 일체로 고압 주조하고, 이 탑부에 경질피막산화처리(Hard Anodizing)를 하여 연소열에 의한 피스톤의 열화를 방지하여, 그 측면에 통상의 탑 랜드 높이(H)보다 낮은 위치에 오도록 2개의 링 블럭(12)이 형성되도록 한 것이다.

이를 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 산화알루미늄(Al₂O₃) 3 ∼ 5중량비, 실리카(SiO₂) 5 ∼8중량비, 산화아연(ZnO₂) 2 ∼ 3중량비로 이루어진 복합재료를 피스톤 성형을 위한 금형에 집어 넣고, 여기에 통상의 피스톤 제작용 알루미늄 합금을 주입하여 일체로 피스톤 본체(10)를 형성하고, 상기 복합재료로 형성된 피스톤의 탑부(11)에 경질피막산화처리(Hard Anodizing)하여 피스톤 본체(10)를 제작한 것이다.

여기서, 상기 경질피막 산화처리 결과 5∼20㎛로 피막 두께를 형성하게 되며, 이때의 표면강도는 Hv400 이상이다.

이렇게 제작된 상기 피스톤 본체(10)는 그 탑부(11)의 외주면에 압축링(13)과 오일링(14)를 설치하기 위해서 2개의 링 블럭(12a,12b)를 성형하게 되며, 이때 상기 링 블럭(12a)은 탑부(11)의 상단으로부터의 거리인 탑 랜드 높이(H)가 통상의 높이보다 낮게 제작되어 있다.

즉, 종래에는 피스톤 탑부의 상단과 가장 윗쪽에 있는 링 블럭 상면까지의 거리인 탑 랜드 높이(H)가 약 5㎜이지만, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 상기 탑 랜드 높이(H)를 4㎜로 설정함으로써, 피스톤 본체(10)와 실린더(100), 그리고 압축링(13)에 의해 얻어지는 크레비스 볼륨(crevice volume)을 최소화할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 이루어진 피스톤 본체(10)는 상술한 바와 같이 형성된 상부의 링 블럭(12a)에 압축링(13)을 삽입 장착하게 되고, 나머지 하부의 링 블럭(12b)에 오일링(14)을 삽입 장착하여, 종래의 압축링 및 오일링과 마찬가지로 배기가스나 혼합기의 유출을 막아 주고 또한 윤활오일을 긁어 내리게 된다.

상기 탑부(11)가 복합재료로 구성되어 있고 경질피막산화 처리되어 탑 랜드 높이(H)가 통상의 피스톤 보다 더 낮더라도 실린더(100)에 장착된 상태에서 폭발행정 진행시 첨부도면 도 3b에 도시한 바와 같은 변형이 발생되는 것이 최대한 방지 되어 크레비스 볼륨이 최소화되어 배기가스나 혼합기의 잔여량을 더욱 줄일 수 있으며, 피스톤의 내구성도 증가되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 시험결과를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 중량비 산화알루미늄 : 실리카 : 산화아연 = 3 : 5 : 2의 조성을 갖는 복합재료를 알루미늄 합금에 고압주조하여 일체로 성형하고, 여기에 경질산화피막을 5∼20㎛ 두께로 피막처리한 다음, 탑 랜드 높이(H)를 4㎜로 하여 2개의 링 블럭(12a,12b)를 형성하여 실린더(100)에 장착하여 종래의 피스톤을 장착하여 시험한 결과는 다음의 표 1과 같다.

탑 랜드 높이	THC	CO	NOx
5㎜	2.336	12.86	6.25
4㎜	2.158	12.43	6.07
저감율(%)	7.6↓	3.3↓	2.9
여기서, 시험결과는 엔진에 촉매장치를 장착하지 않은 상태에서 시험한 것임. 탑 랜드 높이가 5㎜인 종래의 피스톤은 3개의 링을 적용한 것임. 탑 랜드 높이가 4㎜의 본 발명에 따른 피스톤은 2개의 링을 적용한 것임.

이러한 시험결과를 나타내는 시험결과인 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명은 기존의 3-링 피스톤에 비해 다음과 같은 잇점을 가지게 된다.

첫째, 2-링 피스톤의 적용으로 3-링 피스톤과 대비해서 링의 갯수가 줄어 들어 피스톤과 실린더 사이에서 생기는 마찰을 10% 정도 줄일 수 있다.

둘째, 촉매장치를 적용하지 않은 상태에서 상술한 바와 같은 저감율을 얻을 수 있으므로, 촉매장치를 장착하게 되면 더 큰 저감율을 얻을 수 있다.

셋째, 탑부에 경질 산화피막이 형성되어 있어 연소폭발시 피스톤으로 열전달이 쉽게 이루어지지 않아 피스톤의 강성이 저하되는 것을 막아 주게 되어 결과적으로 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 피스톤 본체를 성형함에 있어서 탑부를 산화알루미늄, 실리카, 산화아연이 일정 비율로 조성된 복합재료를 고압주조로 일체 성형한 다음, 그 표면에 경질산화 피막을 형성하고, 복합재료로 이루어진 탑부의 외주면에 통상의 탑 랜드 높이보다 낮게 압축링과 오일링을 설치할 수 있게 함으로써, 피스톤의 강성을 유지시켜 줄 수 있을 뿐만 아니라 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 실린더와 피스톤 그리고 압축링 사이에 혼합기나 배기가스가 채워지는 크래비스 볼륨의 전체 체적을 줄일 수 있게 되어, 연소되지 않은 혼합기가 배기가스에 섞여 배출되는 것을 막아 환경오염을 줄일 수 있게 되고, 또한 배기가스가 연소실 내에 남아 불순물을 형성하는 것을 막을 수 있게 되어, 결과적으로 엔진의 성능을 더욱 높일 수 있을 뿐만 아니라 원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (9)

1. 피스톤의 헤드부를 성형하기 위해 산화알루미늄 3∼5중량비, 실리카 5∼8중량비, 산화아연 2∼3중량비의 조성을 갖는 복합재료와 피스톤의 몸체부를 형성하기 위한 알루미늄 합금을 금형에 주입하여 피스톤 본체를 고압주조하는 과정;

   상기 피스톤 본체의 탑부를 경질피막산화처리(Hard Anodizing)를 하는 과정;

   상기 피스톤 본체에 설치되는 첫번째 링 블럭의 상면과 피스톤 본체의 상단까지의 거리가 4mm가 되게 하면서 2개의 링 블럭을 설치하는 과정;

   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 복합재료는 피스톤의 10∼15중량% 인 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복합재료는 산화알루미늄 : 실리카 : 산화아연의 중량비가 3 : 5 : 2인 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 경질피막산화처리는 두께가 5∼20㎛이고 이때의 표면강도는 Hv400 이상인 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤 제조방법.
5. 삭제
6. 탑부가 산화알루미늄 3∼5중량비, 실리카 5∼8중량비, 산화아연 2∼3중량비의 조성을 갖는 복합재료로 고압주조되어 경질피막산화처리된 피스톤 본체로 이루어지되, 상기 피스톤 본체에 설치되는 제1링블럭의 상면과 피스톤 본체의 상단까지의 거리가 4mm가 되게 하면서 전부 2개의 링 블럭이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 경질피막산화처리는 그 두께가 5∼20㎛이고 이때의 표면강도는 Hv400 이상인 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤.
8. 삭제
9. 제 6 항에 있어서, 상기 상기 복합재료는 산화알루미늄 : 실리카 : 산화아연의 중량비가 3 : 5 : 2인 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진용 2-링 피스톤.

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