KR102089809B1 - 실린더 라이너용 가변 두께 코팅 - Google Patents

실린더 라이너용 가변 두께 코팅 Download PDF

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Abstract

내연기관용 실린더 라이너는 종방향 축을 형성하는 라이너 본체를 포함하며, 상기 라이너 본체의 내부 표면 상의 코팅은 종방향 축을 따라 두께가 다양하다. 내부 표면 상의 코팅은 피스톤의 상사점 및 하사점에 대응하는 내부 표면의 영역에서 더 두껍다.

Description

실린더 라이너용 가변 두께 코팅{VARIABLE THICKNESS COATINGS FOR CYLINDER LINERS}
여기에 개시된 본 발명의 요지는 일반적으로 내연기관(internal combustion engine)용 실린더 라이너(cylinder liner)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 이러한 실린더 라이너용의 가변 두께 코팅에 관한 것이다.
전형적인 내연기관은 하나 이상의 피스톤, 실린더 블록, 및 하나 이상의 실린더 라이너를 포함한다. 실린더 라이너 또는 슬리브(sleeve)는, 실린더 블록 내에 끼워맞춰져서 실린더를 형성하는 원통형 부분이다. 실린더 라이너는 엔진의 중요한 구성요소이다. 실린더 라이너는 윤활제를 보지하면서 피스톤용 미끄럼 표면으로서 기능한다. 실린더 라이너는 저 마찰 및 고 내마모성(anti-galling) 특성을 갖는 것이 바람직하다. 마모성(galling)은 미끄럼 고형체 사이에서 발생하는 응착 마모(adhesive wear) 표면 손상의 형태로, 표면 뒤틀림 발생시에 미세하고 통상적으로 국부적인 거칠기(roughening)를 야기한다. 실린더 라이너는 고온 및 고압 하에서 피스톤 및 피스톤 링과 함께 고속으로 미끄러진다. 결과적으로, 실린더 라이너가 상당한 내열 및 내마모성 특성을 갖도록 저 마찰계수인 것이 바람직하다.
코팅은 바람직한 저 마찰계수와, 내열 및 내마모 특성을 갖는 실린더 라이너를 제공하도록 개발되어 왔다. 코팅을 도포하기 위한 수많은 기술이 존재하며, 다양한 코팅 재료들이 사용될 수도 있다. 사용될 수도 있는 코팅 기술 중에는 플라즈마 분사, 고속 산소 연료 스프레잉(high velocity oxygen fuel spraying), 레이저 코팅 및 화학 증착, 및 갈바닉 코팅(galvanic coating) 등이 있다. 코팅에 사용되는 재료는 세라믹, 세라믹과 금속의 복합물(서멧(cermet)), 금속 합금, 금속 화합물(예를 들어, 산화 티타늄) 등을 포함할 수도 있다. 실린더 라이너의 코팅에 사용되는 재료는 가격이 비싸며 엔진의 생산 단가에 상당히 추가된다.
하나의 예시적인 비제한 실시예에 따르면, 본 발명은 내연기관용 실린더 라이너에 관련한 것이며, 종방향 축을 형성하며, 제 1 단부 및 제 2 단부, 중간부, 및 내부 표면을 갖는 라이너 본체와, 종방향 축을 따라 두께가 변하는, 내부 표면 상의 코팅을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 피스톤과, 내부 표면을 갖는 라이너와, 윤활제를 갖는 내연기관 조립체에 관한 것이다. 또한, 내연기관은 라이너의 내부 표면 상의 코팅을 포함하며, 이 코팅은, 윤활제가 적어도 부분적으로 유체역학적 윤활(hydrodynamic lubrication)을 제공하는 라이너의 영역에서 더 얇다.
다른 실시예에서, 본 발명은 내연기관용 실린더 라이너를 코팅하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 라이너의 제 1 내부 표면을 사전결정된 두께의 제 1 층으로 코팅하는 단계와, 제 2 내부 표면을 사전결정된 두께의 제 2 층으로 코팅하는 단계와, 중간 내부 표면을 코팅하지 않은 상태로 남겨두는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 방법은 중간 섹션을 제 1 층 및 제 2 층보다 얇은 제 3 층으로 코팅하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 바람직한 실시예의 후술하는 상세 설명으로부터, 예시의 방법에 의해 본 발명의 주제를 도시하는 첨부된 도면과 결합하여, 명백해질 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이너를 갖는 비제한 피스톤 조립체의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 라이너를 갖는 비제한 피스톤 조립체의 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 실린더 보어를 갖는 비제한 피스톤 조립체의 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 라이너의 비제한 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 라이너의 비제한 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 라이너의 비제한 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 라이너의 비제한 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 라이너의 비제한 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 라이너의 비제한 단면도이다.
도 1에는 내연기관 조립체(11)의 일 실시예의 전형적인 예가 도시되어있다. 내연기관 조립체(11)는 실린더 헤드(15)를 갖는 실린더 블록(13)을 포함하며, 실린더 헤드(15)는 또한 흡기구(intake port)(17) 및 배기구(exhaust port)(19)를 갖는다. 실린더 블록(13)에는 실린더 라이너(21) 및 피스톤(23)이 배치되어있다. 일부 실시예에서, 실린더 라이너(21)는 실린더 블록(13) 내에 설치되는 것으로, 실린더 블록(13)과는 별개의 구성요소일 수 있다. 다른 실시예에서, 실린더 라이너(21)는 블록(13)의 일체형 부분일 수 있으며, 피스톤(23)이 배열된 블록(13)의 단지 일부로 설명된다. 피스톤(23)은 연결 로드(25)에 결합될 수도 있으며, 피스톤(23)의 주변에 배열된 압축 링(27, 29) 및 오일 제어 링(30)을 또한 포함할 수도 있다. 실린더 라이너(21)는 라이너 본체(XX)에 도포되는 코팅(31)을 포함할 수도 있다. 도 1에 도시된 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 코팅(31)은 상사점(top dead center : TDC 코팅(33)) 및 하사점(bottom dead center : BDC 코팅(35))에서 더 두꺼운 코팅을 갖는, 가변 두께를 가질 수도 있다. 미드스트로크(midstroke)(37)에서의 코팅은 TDC 코팅(33) 및 BDC 코팅(35)보다 얇을 수도 있다. 일부 실시예에서, 미드스트로크(37)의 일부 또는 전체에 코팅이 없을 수도 있다. 코팅(31)은 실린더 라이너(21)의 내부 표면(39)에 도포된다. 도 1은 하사점에서의 피스톤을 도시하며, 도 2는 미드스트로크에서의 피스톤(23)을 도시한다. 일부 실시예에서, 코팅(31)이 도포된 후, 실린더 라이너(21)는 일정한 내부 보어 직경(또는 반경)을 생성하도록 실린더 라이너(21) 및/또는 코팅(31)을 따라 구멍을 뚫거나 또는 연마한다. 다른 실시예에서, 코팅(31)이 도포된 후, 실린더 라이너(21)는 구멍을 뚫거나 또는 연마하지만, 실린더 라이너(21) 및/또는 코팅(31)을 따라 일정하지 않은 내부 보어 직경을 남긴다. 또 다른 실시예에서, 실린더 라이너(21) 및/또는 코팅(31)은 코팅(31)이 도포된 이후에 구멍을 뚫거나 연마하지 않는다. 엔진 조립체는 피스톤(23)과 실린더 라이너 또는 코팅(31) 사이의 마찰을 감소시키도록 작용하는 윤활제(도시하지 않음)가 마련될 수도 있다.
실제로, 실린더 라이너(21) 상의 코팅(31)은 내마모 특성은 물론 저 마찰 특성도 제공해야만 한다. 마찰은 표면의 형태에 의해 영향을 받는다. 윤활된 표면에서의 마찰은 경계 마찰(실질적으로 유체역학적 윤활이 없는 영역), 유체역학적 마찰(유체역학적 윤활이 있는 영역), 및 혼합 마찰(최소한의 부분적인 유체역학적 윤활이 있는 영역)로 분류될 수도 있다. 경계 마찰은 완전히 건조된 표면들 사이의 마찰이며, 이들 표면들은 표면 사이에 오직 꺼칠꺼칠한(asperity) 접촉만이 이뤄진다. 유체역학적 마찰은 꺼칠꺼칠한 접촉 없이 윤활제에 의해 완전히 분리된 표면 사이의 마찰이다. 혼합 마찰은 경계 마찰이 유체역학적 마찰을 포함할 때 발생한다. 유체 마찰은 유체역학적 윤활과 관련이 있으며, 경계 마찰은 윤활을 위한 경계 상태와 관련이 있다. 윤활은 유체역학적 상태로부터 경계 상태로 전이된다. 유체역학적 윤활은 피스톤의 미끄럼 속도가 빠른 곳인 미드스트로크 근방에서 촉진된다. 피스톤 행정의 상사점 및 하사점과 그 근방은 유체역학적 상태로부터 경계 상태로의 유동적인 윤활 전이로서의 미끄럼 속도이다. 경계 윤활에서는, 유막이 파손되어 꺼칠꺼칠한 접촉 및 마모를 야기한다. 마모 상태는 상사점(TDC)에서 가장 심각한데, 그곳에서 오일이 적어지고, 압력은 더 높으며, 높은 온도로 인해 점도가 낮기 때문이다. 최소한의 마모는 피스톤 미드스트로크에서 발생한다. 결과적으로, 실린더 라이너(21)의 상사점 및 하사점에서 더 많은 코팅이 바람직하다. 미드스트로크 영역에서는 더 적은 코팅이 요구된다. 코팅 재료 사용에서의 상당한 감소는 피스톤의 미드스트로크 영역에 더 얇은 코팅을 사용함으로써 얻을 수도 있다.
도 3은 개별 실린더 라이너 구성요소가 없는(본 실시예의 라이너는 실린더 블록(13)의 일체형 부분임) 내연기관조립체(11)의 일 실시예의 전형적인 예이다. 내연기관 조립체는 실린더 헤드(15)를 갖는 실린더 블록(13)을 포함하며, 실린더 헤드(15)는 또한 흡기구(17) 및 배기구(19)를 갖는다. 피스톤(23)은 실린더 블록(13)에 배열된다. 피스톤(23)은 연결 로드(25)에 결합될 수도 있으며, 피스톤(23)의 주변 상에 배열된 압축 링(27, 29) 및 오일 제어 링(30)을 또한 포함할 수도 있다. 실린더 블록(13)은 코팅(31)을 포함할 수도 있다. 도 3에 의해 도시된 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 코팅(31)은 상사점(TDC 코팅(33)) 및 하사점(BDC 코팅(35))에서 더 얇은 코팅을 갖는, 가변 두께를 갖는다. 미드스트로크(37)에서의 코팅은 TDC 코팅(33) 및 BDC 코팅(35)보다 더 얇을 수도 있다. 코팅(31)은 실린더 블록(13)의 내부 표면에 시행된다.
도 4 내지 도 9는 실린더 라이너(21)에 요구되는 코팅 재료의 양을 감소시키기 위해 사용될 수도 있는 코팅 도포의 각종 실시예를 도시한다. 도 4는 실린더 라이너(21)의 종방향 축을 따라 부분적인 단면을 도시한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 실린더 라이너(21)의 본체는 개념적으로 3개의 섹션으로 나누어질 수도 있다. 제 1 단부 섹션(41)은 피스톤(23)의 상사점 위치에 대응할 수도 있다. 실린더 라이너(21)는 제 1 단부 섹션 코팅(44)이 그 위에 도포될 수도 있는 제 1 내부 표면(43)을 가질 수도 있다. 제 2 단부 섹션(45)은 피스톤(23)의 하사점 위치에 대응할 수도 있다. 실린더 라이너(21)는 제 2 단부 섹션 코팅(48)이 그 위에 도포될 수도 있는 제 2 내부 표면(47)을 가질 수도 있다. 중간 섹션(49)은 중간 섹션 코팅(52)이 그 위에 도포되는 중간 내부 표면(51)과 관련이 있으며, 제 1 단부 섹션 코팅(44), 제 2 단부 섹션 코팅(48) 및 중간 섹션 코팅(52)은 코팅(31)과 동일한 재료일 수도 있고 코팅(31)과 상이한 재료로 구성될 수도 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, 제 1 단부 섹션 코팅(44) 및 제 2 단부 섹션 코팅(48)은 중간 섹션 코팅(52)보다 두꺼우며, 두꺼운 부분으로부터 중심 부분까지 선형으로 테이퍼(taper)질 수도 있다. 도 5는 중간 섹션 코팅(52)이 도포되지 않는 실시예를 도시한다. 도 6은 단지 제 1 단부 섹션 코팅(44)만 도포되는 실시예를 도시한다. 도 4 내지 도 6의 실시예에서 코팅의 두께가 실린더 라이너(21)의 종방향 축을 따라 선형적으로 변함에도 불구하고, 코팅의 단면이 직선이 아닌 곡선을 포함할 수도 있다는 것은 본 분야에 숙련된 자들에게는 자명하다. 도 7 내지 도 9는 코팅(31)의 두께가 계단식으로(in a step function) 변하는 실시예를 도시한다. 도 6에서, 코팅은 제 1 내부 표면(43) 및 제 2 내부 표면(47)에 도포된다. 이 예에서 제 1 단부 섹션 코팅(44) 및 제 2 단부 섹션 코팅(48)의 두께는 실린더 라이너(21)의 종방향 축을 따라 변하지 않는다. 중간 섹션 코팅(52)은 제 1 단부 섹션 코팅(44) 및 제 2 단부 섹션 코팅(48)보다 얇다. 도 8은 중간 내부 표면(51)에 코팅이 적용되지 않는 실시예를 도시한다. 도 9는 오직 제 1 단부 섹션 코팅(44)만 적용되는 실시예를 도시한다.
일 실시예에서, 실린더 라이너(21)의 코팅은, 플라즈마 분사, 고속 산소 연료 스프레잉, 레이저 코팅 및 기상 증착, 및 갈바닉 코팅 등과 같은 코팅의 가능한 모든 방법에 의해 성취될 수도 있다. 코팅 프로세스는 제 1 내부 표면(43)을 사전결정된 두께의 제 1 층으로 코팅하고, 제 2 내부 표면(47)을 사전결정된 두께의 제 2 층으로 코팅하고, 중간 내부 표면(51)은 코팅하지 않은 상태로 남겨두는 것을 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 코팅은 중간 내부 표면(51)에 제 1 단부 섹션 코팅(44)보다 얇은 코팅을 도포함으로써 성취될 수도 있다. 다른 실시예에서 코팅은 오직 제 1 내부 표면(43)에만 적용된다.
여기에 사용된 바와 같이, "하나(a, an)", "상기(the)", "적어도 하나", 및 "하나 이상의"는 호환하여 사용된다. 여기에 사용된 용어 "근방"은 영역, 위치, 또는 물체의 근처에 위치되어 있음을 의미한다. 여기에 사용된 용어 "선형으로"는 실질적으로 직선인 방향을 설명하기 위해 사용되며, 작은 각도의 곡선을 갖는 방향을 포함할 수도 있다. 여기에 사용된 코팅의 "두께"는 반경 방향에 따른 코팅의 치수이다. 또한, 여기에 사용된 용어 "얇은"은 전술된 코팅의 치수보다 더 작은 치수를 갖는 코팅의 두께와 관련한다. 여기에 사용된 용어 "사전결정된 두께"는 실린더 라이너의 열 및 접촉 손상으로부터의 보호를 보장하기 위해 미리 설정된 두께를 참조한다.
본 기술 분야에서 통상적인 기술 중 하나로서 이해될, 몇 가지 예시적인 실시예와 관련하여 상술된 매우 다양한 특징 및 구성은, 본 발명의 다른 가능한 실시예들을 형성하기 위해 선택적으로 더 시행될 수도 있다. 간결성을 위해, 그리고 본 기술 분야에서 통상적인 기술 중 하나의 능력을 고려하기 위해, 하기의 각종 청구항에 의해 수용된 또는 달리 수용된 모든 조합 및 가능한 실시예가 본 기술분야의 일부가 되도록 의도됨에도 불구하고, 모든 가능한 반복은 제공되지 않거나 또는 상세하게 논의되지 않는다. 또한, 본 발명의 몇몇 예시적인 실시예의 상기 논의로부터, 본 기술분야에 숙련된 자들은 발전, 변화, 및 수정을 이해할 것이다. 본 기술 분야 내의 이러한 발전, 변화, 및 수정은 첨부된 청구항에 의해 적용되도록 또한 의도된다. 또한, 전술한 내용은 단지 본 발명의 서술된 실시예에만 관련하며, 다수의 변형 및 변경예들이 하기의 특허청구범위 및 그들의 등가물에 의해 규정된 본 기술분야의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 여기에 이루어질 수 있음이 명백하다.
11 : 내연기관 조립체 13 : 실린더 블록
15 : 실린더 헤드 17 : 흡기구
19 : 배기구 21 : 실린더 라이너
23 : 피스톤 25 : 연결 로드
27 : 압축 링 29 : 압축 링
30 : 오일 조절 링 31 : 코팅
33 : 상사점에서의 코팅 35 : 하사점에서의 코팅
37 : 미드스트로크에서의 코팅 39 : 내부 표면
41 : 제 1 단부 섹션 43 : 제 1 내부 표면
44 : 제 1 단부 섹션 코팅 45 : 제 2 단부 섹션
47 : 제 2 내부 표면 48 : 제 2 단부 섹션 코팅
49 : 중간 섹션 51 : 중간 내부 표면
52 : 중간 섹션 코팅

Claims (20)

  1. 내연기관용 실린더 라이너에 있어서,
    라이너 본체(21)로서, 상기 라이너 본체(21)는 라이너 본체(21)의 종방향 축을 따라 제1 가변 폭을 갖는 환형 벽을 포함하고, 상기 환형 벽은 제 1 단부(41), 제 2 단부(45) 및 중간부(49)를 갖는 것인, 라이너 본체(21)와,
    상기 환형 벽의 내부 표면에 배치되고 상기 종방향 축을 따라 제2 가변 폭을 갖는 코팅(31)으로서, 상기 환형 벽과 코팅(31) 양자 모두의 조합이 상기 종방향 축에 대해 수직한 방향으로 실린더 라이너의 폭을 획정하고, 상기 실린더 라이너의 폭은 상기 제1 가변 폭 및 제2 가변 폭 양자 모두에 의해 획정되고, 상기 실린더 라이너의 폭은 상기 종방향 축을 따라 일정하고, 상기 환형 벽 상의 코팅(31)의 제2 가변 폭은 상기 제 1 단부(41)로부터 중간부(49)까지 감소하고, 상기 중간부(49)로부터 상기 제 2 단부(45)까지 증가하는 것인, 코팅(31)을 포함하는
    실린더 라이너.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅(31)은 상기 제 1 단부(41)의 근처의 내부 표면 및 상기 제 2 단부(45)의 근처의 내부 표면 상에서 더 두꺼우며, 상기 중간부(49)의 내부 표면은 코팅되지 않은
    실린더 라이너.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅(31)은 세라믹, 세라믹과 금속의 복합물, 금속 합금, 및 금속 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 코팅 재료를 포함하는
    실린더 라이너.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 표면 상의 상기 코팅(31)은 피스톤의 상사점(33)에 대응하는 상기 내부 표면의 영역에서 더 두꺼운
    실린더 라이너.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 표면 상의 상기 코팅(31)은 피스톤의 하사점(35)에 대응하는 상기 내부 표면의 영역에서 더 두꺼운
    실린더 라이너.
  8. 내연기관 조립체(11)에 있어서,
    피스톤(23)과,
    제 1 항에 따른 라이너(21)와,
    윤활제를 포함하며,
    코팅(31)은, 상기 윤활제가 적어도 부분적으로 유체역학적 윤활을 제공하는 상기 라이너의 영역에서 더 얇은
    내연기관 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 코팅(31)은, 상기 윤활제가 경계 윤활(boundary lubrication)을 제공하는 상기 라이너(21)의 영역에서 더 두꺼운
    내연기관 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 윤활제가 경계 윤활을 제공하는 상기 라이너(21)의 영역은 피스톤 행정에 있어서 상기 피스톤(23)의 상사점 위치(33) 및 하사점 위치(35) 중 하나 또는 양자 모두에 대응하는
    내연기관 조립체.
  11. 제 8 항에 있어서,
    실린더 라이너(21)는 실린더 블록(13)의 일체형 부분인
    내연기관 조립체.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 윤활제가 유체역학적 윤활을 제공하는 상기 라이너의 영역은 상기 피스톤(23)의 미드스트로크(37)(midstroke)에 대응하는
    내연기관 조립체.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 코팅(31)은 세라믹, 세라믹과 금속의 복합물, 금속 합금, 및 금속 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 코팅 재료를 포함하는
    내연기관 조립체.
  14. 내연기관(11)용 실린더 라이너를 코팅하는 방법으로서,
    상기 실린더 라이너는,
    라이너 본체(21)로서, 상기 라이너 본체(21)는 라이너 본체(21)의 종방향 축을 따라 제1 가변 폭을 갖는 환형 벽을 포함하고, 상기 환형 벽은 제 1 단부(41), 제 2 단부(45) 및 중간부(49)를 갖는 것인, 라이너 본체(21)와,
    상기 환형 벽의 내부 표면에 배치되고 상기 종방향 축을 따라 제2 가변 폭을 갖는 코팅(31)으로서, 상기 환형 벽과 코팅(31) 양자 모두의 조합이 상기 종방향 축에 대해 수직한 방향으로 실린더 라이너의 폭을 획정하고, 상기 실린더 라이너의 폭은 상기 제1 가변 폭 및 제2 가변 폭 양자 모두에 의해 획정되고, 상기 실린더 라이너의 폭은 상기 종방향 축을 따라 일정하고, 상기 환형 벽 상의 코팅(31)의 제2 가변 폭은 상기 제 1 단부(41)로부터 중간부(49)까지 감소하고, 상기 중간부(49)로부터 상기 제 2 단부(45)까지 증가하는 것인, 코팅(31)
    을 포함하고,
    상기 방법은,
    제 1 내부 표면을 사전결정된 두께의 제 1 층으로 코팅하는 단계와,
    제 2 내부 표면을 사전결정된 두께의 제 2 층으로 코팅하는 단계와,
    상기 중간 내부 표면을 코팅하지 않은 상태로 남겨두는 단계를 포함하는
    실린더 라이너 코팅 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 세라믹, 세라믹과 금속의 복합물, 금속 합금, 및 금속 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 코팅을 포함하는
    실린더 라이너 코팅 방법.
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