KR102128537B1 - 내마모성과 내열성 실린더 라이너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모성과 내열성 실린더 라이너에 관한 것으로, 실린더 라이너를 외측의 몸체와 내측의 슬리브로 구분하고 내측의 슬리브를 염욕 열처리에 의해 내마모성을 확보하고 내측의 슬리브와 냉각자켓을 순환하는 냉각매체 간의 직접적인 열교환을 통해 내열성을 확보하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 내마모성과 내열성 실린더 라이너는, 실린더 블록의 홀에 삽입 고정되는 원통형의 실린더라이너 몸체(10)와; 표면이 열처리되며 상기 실린더라이너 몸체의 내부에 삽입 고정되는 내측 슬리브(20)와; 상기 실린더라이너 몸체의 둘레부에 상기 내측 슬리브와 열전달되도록 연결되는 한편 실린더 블록(1)의 냉각 자켓(2)과 대응하며 상기 냉각 자켓을 순환하는 냉각매체를 통해 상기 내측 슬리브를 냉각하는 열전달블록(30)을 포함하고, 상기 실린더라이너 몸체는 외주면에 형성되며 상기 열전달블록이 삽입되는 블록 삽입홈(12) 및 상기 블록 삽입홈에 내외부가 관통하도록 형성되는 홀(13)을 포함하며, 상기 열전달블록은 상기 블록 삽입홈에 상기 실린더라이너 몸체의 외주면보다 돌출되지 않도록 삽입 고정되는 판상의 블록 몸체(31) 및 상기 블록 몸체의 내주면에 돌출 형성되며 상기 홀을 관통하여 단부가 상기 내측 슬리브에 접촉되는 접촉부(32)로 구성된다.

Description

내마모성과 내열성 실린더 라이너{WEAR RESISTANCE AND HEAT RESISTANCE CYLINDER LINER}

본 발명은 내연기관용 실린더 라이너에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실린더 라이너를 외측의 몸체와 내측의 슬리브로 구분하고 내측의 슬리브를 염욕 열처리에 의해 내마모성을 확보하고 내측의 슬리브와 냉각자켓을 순환하는 냉각매체 간의 직접적인 열교환을 통해 내열성을 확보하는 내마모성과 내열성 실린더 라이너에 관한 것이다.

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.

일반적으로 내연기관의 엔진은 혼합기가 실린더 내부의 연소실에서 연소되면서 발생되는 연소압력에 의한 피스톤 승강운동을 크랭크 기구에 의한 회전운동으로 변환시켜 출력시킴으로써 동력을 얻게 되는 것이며, 그러한 중요 구성부품으로는 실린더 블록과 피스톤 및 크랭크 기구 등이 있다.

실린더 블록은 주어진 열에너지로부터 가능한 한 큰 동력을 얻기 위하여 실린더와 피스톤 사이에서 압축된 혼합기나 연소한 폭발가스가 새지 않도록 함과 동시에 피스톤의 접동에 의한 마찰과 마모가 적어야 하는 특징을 가지고 있으며, 실린더 블록의 정밀한 연마 가공 등의 어려움을 해결하기 위하여 별도의 실린더 라이너를 실린더 블록에 적용한다.

종래의 실린더 라이너는 주철의 실린더 블록에 맞춰 특수 주철로 만들어진 것이 사용된다.

한편, 연소실을 형성하며 피스톤이 왕복운동을 하는 실린더블록의 보어(bore)부의 경우, 연소실을 이루는 상부는 냉각이 잘 되어야 하는 반면 피스톤이 왕복운동을 하는 중간부 및 하부는 오일의 점도를 유지하기 위해 보온을 하는 기능이 필요하다.

즉, 실린더 라이너는 냉각성과 보온성 모두를 만족하여야 하고 아울러 내마모성도 만족하여야 한다.

특허문헌(공개특허 제10-2007-0060326호)은 실린더블럭의 내측에 결합되어 워터재킷을 형성하며, 상기 워터재킷의 내부를 순환하는 냉각수와 접촉되는 냉각수접촉부를 갖는 엔진의 실린더라이너에 있어서, 상기 냉각수접촉부의 표면에 폴리머코팅층이 형성되어 있는 것으로, 폴리머코팅층을 통해 냉각수의 열을 전달하는 것이며, 내마모성의 확보와 내열성을 함께 만족하는데 단점이 있다.

특허문헌(공개특허 제10-2002-0023457호)은 실린더블럭 내벽에 삽입되는 실린더라이너의 상부를 냉각하기 위해 실린더라이너 상부외주에 환형으로 형성되는 2차 냉각채널에 있어서, 실린더블럭 및 실린더라이너 주위를 냉각하기 위한 냉각수로에서 유입구를 통해 2차냉각채널로 공급된 냉각수가 냉각수출구로 흘러나가도록 연결되는 유출구를 냉각수출구의 시작위치에 가깝게 형성하며, 상기 2차 냉각채널과 유출구의 수평상 위치를 극복하기 위해 별도의 연결통로가 구성된다.

공개특허 제10-2007-0060326호 공개특허 제10-2002-0023457호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실린더 라이너를 외측의 몸체와 내측의 슬리브로 구분하고 내측의 슬리브를 염욕 열처리에 의해 내마모성을 확보하고 내측의 슬리브와 냉각자켓을 순환하는 냉각매체 간의 직접적인 열교환을 통해 내열성을 확보하는 내마모성과 내열성 실린더 라이너를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 내마모성과 내열성 실린더 라이너는, 실린더 블록의 홀에 삽입 고정되는 원통형의 실린더라이너 몸체와; 표면이 열처리되며 상기 실린더라이너 몸체의 내부에 삽입 고정되는 내측 슬리브와; 상기 실린더라이너 몸체의 둘레부에 상기 내측 슬리브와 열전달되도록 연결되는 한편 실린더 블록의 냉각 자켓과 대응하며 상기 냉각 자켓을 순환하는 냉각매체를 통해 상기 내측 슬리브를 냉각하는 열전달블록을 포함하고, 상기 실린더라이너 몸체는 외주면에 형성되며 상기 열전달블록이 삽입되는 블록 삽입홈 및 상기 블록 삽입홈에 내외부가 관통하도록 형성되는 홀을 포함하며, 상기 열전달블록은 상기 블록 삽입홈에 상기 실린더라이너 몸체의 외주면보다 돌출되지 않도록 삽입 고정되는 판상의 블록 몸체 및 상기 블록 몸체의 내주면에 돌출 형성되며 상기 홀을 관통하여 단부가 상기 내측 슬리브에 접촉되는 접촉부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 내마모성과 내열성 실린더 라이너에 의하면, 피스톤의 접동부를 내마모성이 우수한 내측 슬리브하고 실린더 블록의 냉각자켓과 대응하는 부분을 열전도율이 우수한 재질의 열전달블록으로 구성하여 내마모성과 내열성 모두를 확보함으로써 내연기관의 성능을 향상하고 내구성을 향상하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 내마모성과 내열성 실린더 라이너의 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 내마모성과 내열성 실린더 라이너의 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 내마모성과 내열성 실린더 라이너에 적용된 열전달블록의 다른 예를 보인 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 내마모성과 내열성 실린더 라이너에 적용된 내측 슬리브의 표면 처리 공정도.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1과 도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 내마모성과 내열성 실린더 라이너(100)는, 원통형의 실린더라이너 몸체(10), 실린더라이너 몸체(10)의 내부에 삽입 고정되는 내측 슬리브(20), 내측 슬리브(20)의 열을 직접 실린더 블록(10)의 냉각자켓(2)을 순환하는 냉각매체에 전달하여 내측 슬리브(20)의 냉각을 유도하는 열전달블록(30)으로 구성된다.

실린더라이너 몸체(10)는 내측 슬리브(20)보다 강도가 약한 재질 또는 내측 슬리브(20)와 동일한 주철이면서 표면이 고강도 처리되지 않은 것이며 내측 슬리브(20)를 설치하기 위한 베이스이면서 열전달블록(30)을 열전달을 위한 최적의 위치에만 적용하기 위한 베이스이고, 구조적 특징은 다음과 같다.

실린더라이너 몸체(10)는 상하 종방향의 원통형으로서 상단부(또는 하단부 포함)에는 실린더 블록(1)의 턱에 안착되는 외향의 플랜지(11)가 구비된다.

실린더라이너 몸체(10)는 외주면에 형성되며 열전달블록(30)이 삽입되는 블록 삽입홈(12)이 형성되고, 블록 삽입홈(12)에 삽입 설치된 열전달블록(30)과 내측 슬리브(20)의 연결(직접 열전달이 가능한 연결)을 위하여 내외부가 관통하도록 홀(13)이 형성된다.

블록 삽입홈(12)은 전체적으로 균일한 깊이의 홈으로 형성되며 열전달블록(30)의 형상과 동일한 형상이고, 실린더라이너 몸체(10)의 외주면에 하나의 링 형태로 형성될 수 있고 또는 도면에서 보이는 것처럼, 2개 이상이 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 형성될 수 있다.

블록 삽입홈(12)은 열전달블록(30)이 실린더 블록(1)의 냉각자켓(2)과 대응하는 위치이고, 따라서, 열전달블록(30)을 실린더 라이너(100)에 전체적으로 형성하지 아니하고 냉각을 위한 필요한 곳에만 형성할 수 있다.

결국 내측 슬리브(20)가 열처리를 통해 실린더 라이너의 강도를 만족하기 때문에 실린더라이너 몸체(10)는 내측 슬리브(20)와 열전달블록(30)을 지지하는 기능만 수행하는 것도 무방하므로 불필요한 열처리 등을 요구하지 않는다.

홀(13)은 열전달블록(30)의 접촉부(32)가 내측 슬리브(20)와 접촉되어 내측 슬리브(20)의 열이 접촉부(32)를 통해 냉각매체에 전달되도록 하는 것으로, 블록 삽입홈(12)에 원형, 사각형 등의 단면으로 1개 이상이 형성된다.

내측 슬리브(20)는 바람직하게 주철이며 내마모성 확보를 위하여 염욕 처리되며, 바람직하게 슬리브 예열 - 염욕 열처리 - 냉각의 공정으로 이루어진다.

1. 슬리브 예열.

주철로 제조된 슬리브를 가열기에 넣고 예열하며, 예열 온도는 염욕 열처리 온도보다 낮은 온도로서 예를 들어 400℃ ~ 500℃이고, 10분~30분간의 예열 공정을 통해 슬리브의 온도가 높아짐으로써 염욕 열처리 시 고온의 충격으로 인한 손상을 줄이는 효과가 있다.

2. 염욕 열처리.

염욕로에 물과 염화물(염화나트륨 등)을 넣고 용해(물과 염욕제의 혼합비율은 공지와 동일하므로 구체적인 수치로 한정하지 않는다)하고 예열된 슬리브를 투입한 후 700~900℃에서 1시간 30분 ~ 2시간 30분 동안 열처리한다. 열처리 공정을 통해 슬리브의 조직이 치밀해진다.

3. 냉각.

염욕 열처리된 슬리브를 냉각하며 냉각 조건은 1차 냉각(염욕로 안에서 250℃~350℃, 30분~60분간 1차 냉각) - 2차 냉각(슬리브를 냉각로에 넣고 냉각매체(냉각수)를 통해 70℃~150℃, 10분~30분간 1차 급속 냉각) - 2차 냉각(상온, 22시간 ~ 24시간)이며, 3차에 걸친 냉각을 통해 완성된 내측 슬리브(20)는 냉각으로 인한 성질변경과 균열 등을 일으키지 않는다.

열전달블록(30)은 열전도율이 우수한 재질(바람직하게 구리이며 물론, 구리로 한정되는 것은 아니다)이며, 구조는 블록 몸체(31) 및 접촉부(32)로 이루어진다.

블록 몸체(31)는 실린더라이너 몸체(10)의 블록 삽입홈(12)에 삽입되며 내측 슬리브(20)의 열과 냉각매체의 열의 교환을 유도한다.

블록 몸체(31)는 냉각매체와의 열전달 면적을 넓히기 위하여 외주면이 요철 형태로 구성될 수 있다.

접촉부(32)는 내측 슬리브(20)의 열이 실린더라이너 몸체(10)를 통해 간접적으로 전달되지 않고 직접 전달되도록 내측 슬리브(20)와 접촉되도록 구성되며 홀(13)을 관통하여 단부가 내측 슬리브(20)에 접촉된다.

내측 슬리브(20)와 접촉부(32)의 열전달 효율을 높이기 위하여 내측 슬리브(20)의 외주면에 접촉부(32)의 단부가 삽입되는 접촉부 삽입홈이 구성될 수 있다.

지금까지는 열전달블록(30)이 실린더라이너 몸체(10)에 삽입 설치되는 것으로 설명하였으나 열전달블록(30)과 실린더라이너 몸체(10)의 생산오차와 조립오차가 발생하여 조립 불량이 발생하고 그에 따른 냉각매체의 누출이나 열전달 효율 저하가 발생할 수 있으며, 이를 해결하기 위하여 열전달블록(30)은 블록삽입홈(12)과 홀(13)에 열전달재료(액상 구리 등)가 충진된 후 경화를 통해 제조되는 것도 가능하다.

충진식 열전달블록(30)을 위해서는 실린더라이너 몸체(10)의 내주면에 내측 슬리브(20)를 결합하여 홀(13)을 막아야 하고 실린더라이너 몸체(10)가 원형이기 때문에 충진 재료가 누출되지 않도록 블록 삽입홈(12)을 덮으면서 충진 재료를 주입 충진할 수 있는 덮개가 사용될 수 있다.

즉, 본 발명은 열전달블록의 방식에 따라 제조 방법이 달라진다.

즉, 조립식 열전달블록 시 제조 방법은 실린더라이너 몸체(10)와 내측 슬리브(20) 조립 - 열전달블록(30) 조립의 공정으로 이루어지고, 충진식 열전달블록 시 제조 방법은 실린더라이너 몸체(10)와 내측 슬리브(20) 조립 - 실린더라이너 몸체(10)의 블록 삽입홈(12)과 홀(13)에 충진 재료 주입 - 경화의 공정으로 이루어진다.

또한, 본 발명은 저부에서 외부 공기가 침투하는 것을 막아 공기의 침투로 인한 마모성과 보온성 저하를 해결하기 위하여 보온 캡(40)이 적용된다.

보온 캡(40)은 관형이면서 실린더라이너 몸체(10)와 쐐기식으로 결합되는 쐐기부(41)를 포함한다. 따라서, 실린더라이너 몸체(10)의 하단 외주면에는 쐐기부(41)와 대응하는 경사의 쐐기부가 구성된다.

하고, 또한, 실린더라이너 몸체(10)와 내측 슬리브(20)의 하단부를 덮어 실린더라이너 몸체(10)와 내측 슬리브(20) 사이로 공기가 침투하는 것을 막는 링 형태의 차단턱(42)을 포함한다.

보온 캡(40)은 열전도율이 낮은 금속(철, 니켈 등)이 가능하고, 실린더라이너 몸체(10)와 내측 슬리브(20) 및 열전달블록(30)의 조립체를 실린더 블록(1)에 강제 압입 등으로 조립한 후 실린더라이너 몸체(10)와 실린더블록(1) 사이에 후결합될 수 있고 물론, 실린더라이너 몸체(10)에 선결합된 후 실린더 블록(1)에 설치되는 것도 가능하다.

10 : 실린더라이너 몸체, 11 : 플랜지
12 : 블록 삽입홈, 13 : 홀
20 : 내측 슬리브, 30 : 열전달블록
31 : 블록 몸체, 32 : 접촉부
40 : 보온 캡, 41 : 쐐기부
42 : 차단턱,

Claims (5)

1. 실린더 블록의 홀에 삽입 고정되는 원통형의 실린더라이너 몸체(10)와;
   표면이 열처리되며 상기 실린더라이너 몸체의 내부에 삽입 고정되는 내측 슬리브(20)와;
   상기 실린더라이너 몸체의 둘레부에 상기 내측 슬리브와 열전달되도록 연결되는 한편 실린더 블록의 냉각 자켓과 대응하며 상기 냉각 자켓을 순환하는 냉각매체를 통해 상기 내측 슬리브를 냉각하는 열전달블록(30)와;
   상기 실린더라이너 몸체의 하단부에 쐐기 결합되며 하단의 차단턱을 통해 상기 실린더라이너 몸체와 내측 슬리브 사이의 틈을 막는 보온 캡(40)을 포함하고,
   상기 실린더라이너 몸체는 상기 내측 슬리브보다 강도가 약하거나 동일한 주철이면서 표면의 고강도 처리가 없고, 외주면에는 원주방향을 따라 2개 이상이 일정 간격을 두고 상기 열전달블록이 삽입되는 블록 삽입홈(12)이 형성되면서 상기 블록 삽입홈에 내외부가 관통하는 홀(13)이 형성되는 구조이며,
   상기 열전달블록은 상기 실린더라이너 몸체의 블록 삽입홈에 상기 실린더라이너 몸체의 외주면보다 돌출되지 않도록 삽입 고정되는 판상의 블록 몸체(31) 및 상기 블록 몸체의 내주면에 돌출 형성되며 상기 블록 삽입홈에 형성된 홀을 관통하여 단부가 상기 내측 슬리브에 접촉되는 접촉부(32)를 포함하고,
   상기 내측 슬리브는 슬리브를 400℃ ~ 500℃, 10분~30분간의 예열하는 제1단계, 상기 제1단계를 통해 예열된 슬리브를 700~900℃, 1시간 30분 ~ 2시간 30분 동안 염욕 열처리하는 제2단계 및 상기 제2단계를 통해 염욕 열처리된 슬리브를 상온 ~ 350℃에서 다단계에 걸쳐 냉각하는 제3단계를 포함하는 열처리를 통해 제조되고 외주면에 상기 열전달블록의 접촉부의 단부가 삽입되어 열전달 효율을 높이는 접촉부 삽입홈을 포함하며,
   상기 보온캡은 상기 실린더라이너 몸체와 상기 내측 슬리브의 하단부를 덮어 상기 실린더라이너 몸체와 상기 내측 슬리브 사이로 공기가 침투하는 것을 막는 링 형태의 차단턱(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성과 내열성 실린더 라이너.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 열전달블록의 블록 몸체는 외주면이 요철형인 것을 특징으로 하는 내마모성과 내열성 실린더 라이너.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 열전달블록은 상기 실린더라이너 몸체의 블록 삽입홈과 홀에 충진 및 경화를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 내마모성과 내열성 실린더 라이너.
   
   
   
   
   
   
   
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