KR101360410B1 - 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법 - Google Patents

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Abstract

라이너(300)가 설치되는 알루미늄 실린더 블록의 주조 직후 극저온 가스(500)로 라이너(300)의 상부를 냉각하여 라이너(300) 상부 및 라이너(300)의 외면과 접하는 알루미늄 실린더 블록의 보어부(130) 상부에 영구 변형을 유도함과 동시에 영구 변형에 따른 수축 잔류 응력을 발생시키는 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법이 소개된다. 이 변형 억제 방법에 따르면, 열처리 공정을 생략하여 알루미늄 실린더 블록을 제조할 경우 엔진 가동시 연소실 상부가 확장되는 현상이 방지되어 엔진 내구성이 향상되고, 오일 소모가 줄어들 수 있게 된다.
실린더, 블럭, 변형, 억제, 라이너

Description

알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법{METHOD FOR RESTRAINING DEFORMATION OF ALUMINIUM CYLINDERBLOCK}
본 발명은 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 공정을 생략하여 알루미늄 실린더 블록을 제조할 경우 엔진 가동시 연소실 상부가 확장되는 현상을 방지하기 위한 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법에 관한 것이다.
실린더 블록은 차량 엔진의 중심이 되는 부분으로서, 경량화 및 고성능 확보를 위하여 최근 가솔린 엔진의 실린더 블록은 대부분 알루미늄으로 제조되고 있다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 알루미늄 실린더 블록(100)은 그 하부(110)와 상부(120)의 살 두께가 차이 나도록 형성되는데, 크랭크축이 위치하게 되는 하부(110)는 강성 확보를 위해 살 두께가 두껍게 형성되고, 연소실(200)이 위치하는 상부(120)는 냉각을 위해 살 두께가 얇게 형성된다.
이와 같은 알루미늄 실린더 블록(100)은 주조에 의해 생산되어 지는데, 500℃ 이상에서 주조된 알루미늄 실린더 블록(100)이 상온의 대기와 접촉하게 되면 수축을 하게 된다. 이 경우 알루미늄 실린더 블록(100)의 하부(110)와 상부(120)의 살두께 차이로 인하여 하부(110)와 상부(120)의 수축량이 달라져 알루미늄 실린더 블록(100) 전체에서 충분한 수축이 이루어지지 못하게 된다. 그 결과 충분한 수축이 이루어지지 못한 부분(살 두께가 두꺼운 하부(120)가 이에 해당함)에는 잔류 수축 응력이 발생하게 되며, 이러한 잔류 수축 응력은 추후 엔진 가동 중 발생하는 열로 인하여 알루미늄 실린더 블록의 강성이 저하될 경우 알루미늄 실린더 블록의 형상을 변형시키는 힘으로 작용하게 된다. 구체적으로는, 알루미늄 실린더 블록(100)의 하부(110)에 발생한 잔류 수축 응력이 상부(120)로 작용(이는 마치 빨래 집게 손잡이를 누르면 집게가 벌어지는 현상과 유사함)하여 연소실(200)의 상부를 넓히게 된다.
이와 같은 연소실(200) 상부가 넓어지게 되는 엔진 변형은 장시간에 걸쳐 일어나면서 미세 소음을 발생시키고, 오일 소모량을 증가시키며, 균열 발생을 야기하는 등 다양한 문제를 발생시켜 엔진의 내구성을 떨어뜨리는 요인이 된다. 따라서, 주조 후 열처리 공정을 통해 잔류 응력을 풀어준 다음 이후의 가공 공정을 행하는 것이 일반적이다.
한편, 알루미늄 실린더 블록의 열처리 공정은 200℃ 내외의 온도에서 실시되며, 대형의 열처리로를 필요로 한다. 따라서, 열처리 공정은 알루미늄 실린더 블록의 제조 과정의 복잡화 및 설비 투자 증가를 가져와 제조 원가를 상승시키는 원인이 되었기 때문에 가격 경쟁력이 중요한 소형 엔진의 경우 알루미늄 실린더 블록 제조시 열처리 공정을 생략하면서도 열처리 공정 생략으로 인한 알루미늄 실린더 블록의 변형을 억제할 수 있는 방법을 찾는 것이 중요한 과제로 부각되었다.
이상, 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제에 관한 과제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 열처리 공정을 생략하여 알루미늄 실린더 블록을 제조할 경우 엔진 가동시 연소실 상부가 확장되는 현상을 방지하여 엔진 내구성을 향상키고 오일 소모를 억제할 수 있는 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법은, 라이너가 설치되는 알루미늄 실린더 블록의 주조 후 극저온 가스를 분사하는 냉각 노즐을 라이너 내부에 삽입하되, 알루미늄 실린더 블록의 보어부 상단으로부터 일정 깊이로 삽입하고, 극저온 가스를 분사하여 라이너의 상부를 냉각함으로써, 라이너 상부 및 상기 라이너의 외면과 접하는 알루미늄 실린더 블록의 보어부 상부에 수축 잔류 응력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
알루미늄 실린더 블록의 주조 후 라이너를 삽입하는 경우에는 상기 냉각 노즐의 삽입 깊이가 알루미늄 실린더 블록의 보어부 상단으로부터 1~3㎝가 되도록 하여 라이너의 상부를 냉각하는 것이 바람직하다.
알루미늄 실린더 블록의 주조시 라이너를 미리 삽입하여 라이너와 일체로 성형하는 경우에는 상기 냉각 노즐의 삽입 깊이가 알루미늄 실린더 블록의 보어부 상단으로부터 2~4㎝가 되도록 하여 라이너의 상부를 냉각하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법에 따르면, 열처리 공정을 생략하여 알루미늄 실린더 블록을 제조할 경우 연소실 상부가 확장되는 현상이 방지되어 엔진 내구성이 향상되고 오일 소모가 억제될 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법에 대하여 살펴본다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법은 알루미늄 실린더 블록의 주조 직후 극저온 가스(500)를 분사하는 냉각 노즐(400)을 알루미늄 실린더 블록의 연소실(200) 내부(좀더 구체적으로는 라이너(300) 내부)에 삽입하여 극저온 가스(500)로 라이너(300)의 상부를 냉각하는 것이다. 일반적인 상황에서는 냉각이 완료되면 다시금 소재가 팽창되므로 아무런 효과를 얻을 수 없지만 주조 직후의 고온의 상태에서 냉각이 이루어지게 되면 소재의 강성이 떨어진 상황이므로 냉각된 부분에 후술할 국부적인 영구 변형을 발생시킬 수 있게 된다.
여기서, 상기 라이너(300)는 연소실(200)의 내면을 이루는 것으로서, 알루미늄 실린더 블록의 주조 후 보어부(130)에 삽입(도 2 참조)되거나 알루미늄 실린더 블록의 주조시 미리 삽입되어 알루미늄 실린더 블록과 일체로 성형(도 3 참조)된다.
한편, 상기와 같이 라이너(300) 상부를 냉각하면 라이너(300)의 상부는 수축하게 되고, 상기 라이너(300)의 외면과 접하는 보어부(130)의 상부 또한 수축하게 된다. 여기서, 라이너(300)는 두께 3㎜ 내외의 얇은 주철로 이루어지고, 라이너(300)의 외면과 연접하는 보어부(130)는 알루미늄으로 이루어지기 때문에 열팽창 계수의 차이(알루미늄의 열팽창 계수는 주철의 열팽창 계수의 약 3배임)로 보어부(130)에서 더 강한 수축이 일어난다.
냉각이 끝나고 나면, 상기 라이너(300)의 상부 및 상기 라이너(300)와 연접하여 함께 냉각된 상기 보어부(130)의 상부에는 수축에 따른 영구 변형이 발생하게 된다. 이러한 영구 변형은 라이너(300)의 상부 및 보어부(130)의 상부에 수축 잔류 응력을 발생시킨다.
이 경우, 라이너(300)의 상부 및 보어부(130)의 상부에 발생되는 영구 변형을 보어부(130)의 상부 중 1cm 정도의 국부적인 영역에만 제한시킴으로써, 열충격으로 알루미늄 실린더 블록에 균열이 야기될 수 있는 가능성을 최소화하면서도 변형되지 않은 라이너 및 알루미늄 실린더 블록의 나머지 부분에 수축 응력이 가해질 수 있도록 하여 알루미늄 실린더 블록의 변형을 억제할 수 있는 것이다.
라이너(300)의 상부 및 보어부(130)의 상부에 발생되는 영구 변형은 소재 표면보다는 소재 내부에서 더 크게 발생하기에 영구 변형에 따른 수축 잔류 응력의 효과(변형되지 않은 라이너 및 알루미늄 실린더 블록의 나머지 부분에 대해 수축 응력을 가하는 것)는 알루미늄 실린더 블록에 대한 차후의 가공 및 알루미늄 실린더 블록을 이용한 엔진의 최종 조립 이후에도 유지될 수 있게 된다.
한편, 주철의 항복 강도는 약 700MPa로서, 알루미늄의 항복 강도인 160MPa 보다 높기 때문에 주철로 이루어진 라이너(300)는 알루미늄으로 이루어진 보어부(130)가 라이너(300)보다 더 많이 수축하여 연소실(200)을 변형시키는 것을 억제하는 역할을 하며, 상온으로 회복되면서 발생될 수 있는 알루미늄 실린더 블록의 팽창을 잡아주는 역할도 한다.
한편, 상기 라이너(300)로는 표면에 돌기가 형성된 스파이니 라이너(spiny liner)가 사용되는 것이 바람직한데, 스파이니 라이너(spiny liner)의 표면에 형성된 돌기는 라이너(300)와 보어부(130) 사이의 미세한 공간에서 보어부(130)의 움직임을 잡아주어 알루미늄 실린더 블록의 미세한 변형을 세밀하게 억제하는 역할을 하기 때문이다.
이하에서는, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법의 효과를 극대화할 수 있는 세부적인 사항들에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 라이너(300)의 상부를 냉각하기 위한 극저온 가스(500)로는 질소 가스를 사용하는 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 냉각 노즐(400)은 액체 질소 탱크(미도시)와 연결된다.
라이너(300)의 상부 표면에 분사되는 질소 가스는 - 170℃ 정도의 극저온이기에 라이너(300)의 상부 표면은 급속으로 냉각될 수 있게 된다.
이러한 냉각은 알루미늄 실린더 블록이 주조기(미도시)에서 취출된 직후 소 재의 강성이 떨어진 고온의 상태에서 시행되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 주조 후 소재가 상온으로 식은 상태에서는 소성 변형이 일어나기 어려워 국부적인 영구 변형을 발생시킬 수 없기 때문이다.
라이너(300)의 상부 표면에 대한 냉각은 1분 정도 실시하는 것이 바람직하지만, 알루미늄 실린더 블록의 크기 및 응력 수준에 따라 달라질 수 있다.
상기 냉각 노즐(400)은 그 직경의 크기가 0.5cm 정도 되도록 작게 형성되는 것이 좋으나, 냉각 노즐(400)의 가공성에 대한 고려 및 질소 가스 분사시 수증기의 응고로 인해 노즐 막힘 현상이 일어날 수 있는 상황을 고려하여 상황에 맞게 최적화하여 결정하는 것이 바람직하다.
한편, 극저온 가스(500)를 분사하는 냉각 노즐(400)을 라이너(300) 내부에 삽입할 경우에는 그 삽입 깊이를 달리할 필요가 있다. 왜냐하면, 라이너(300)를 알루미늄 실린더 블록에 삽입하는 시기에 따라 라이너(300)의 상단부가 보어부(130)에 고정되는 위치가 달라지기 때문이며, 이와 같은 냉각 노즐(400) 삽입 깊이의 세밀한 조정은 극저온 가스(500)의 분사 지점을 정확히 설정하여 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 효과를 최대화하기 위함이다.
구체적으로 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 알루미늄 실린더 블록의 주조 후 라이너(300)를 삽입하는 경우에는 냉각 노즐(400)의 삽입 깊이(D1)가 알루미늄 실린더 블록의 보어부(130) 상단으로부터 1~3㎝가 되도록 하며, 알루미늄 실린더 블록의 주조시 라이너(300)를 미리 삽입하여 라이너와 일체로 성형하는 경우에는 냉각 노즐(400)의 삽입 깊이(D2)가 알루미늄 실린더 블록의 보어부(130) 상단으 로부터 2~4㎝가 되도록 한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
도 1은 알루미늄 실린더 블록의 구조를 보이기 위한 도면.
도 2는 알루미늄 실린더 블록의 주조 후 라이너를 삽입하는 경우에 있어서 냉각 노즐의 위치를 보이기 위한 도면.
도 3은 알루미늄 실린더 블록의 주조시 라이너를 미리 삽입하여 라이너와 일체로 성형하는 경우에 있어서 냉각 노즐의 위치를 보이기 위한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 알루미늄 실린더 블록 200 : 연소실
110 : 알루미늄 실린더 블록의 하부 120 : 알루미늄 실린더 블록의 상부
130 : 보어 300 : 라이너
400 : 냉각 노즐 500 : 극저온 가스

Claims (3)

  1. 라이너가 설치되는 알루미늄 실린더 블록의 주조 후 극저온 가스를 분사하는 냉각 노즐을 라이너 내부에 삽입하되, 알루미늄 실린더 블록의 보어부 상단으로부터 일정 깊이로 삽입하고, 극저온 가스를 분사하여 라이너의 상부를 냉각함으로써, 라이너 상부 및 상기 라이너의 외면과 접하는 알루미늄 실린더 블록의 보어부 상부에 수축 잔류 응력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    알루미늄 실린더 블록의 주조 후 라이너를 삽입하는 경우에는 상기 냉각 노즐의 삽입 깊이가 알루미늄 실린더 블록의 보어부 상단으로부터 1~3㎝가 되도록 하여 라이너의 상부를 냉각하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    알루미늄 실린더 블록의 주조시 라이너를 미리 삽입하여 라이너와 일체로 성형하는 경우에는 상기 냉각 노즐의 삽입 깊이가 알루미늄 실린더 블록의 보어부 상단으로부터 2~4㎝가 되도록 하여 라이너의 상부를 냉각하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 실린더 블록의 변형 억제 방법.
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