KR20070040577A - 다이아몬드상 카본이 코팅된 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실린더와 상기 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤과 상기 피스톤 외주연에 형성된 홈에 삽입되는 피스톤링으로 구성된 엔진에 있어서, 상기 엔진을 구성하는 실린더의 내면과 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤의 표면과 상기 피스톤의 홈에 삽입되는 피스톤링에 윤활 및 내구성을 증진시킬 수 있는 다이아몬드상 카본(DLC)이 코팅되어 있는 엔진에 관한 것이며,
특히 윤활유가 혼합된 연료유를 사용하는 2행정 엔진에 적용할 경우에는 연료유에 윤활유를 혼합시키지 않고서도 윤활특성을 얻을 수 있는 특성이 있다.
다이아몬드상 카본, 실린더, 피스톤, 엔진

Description

다이아몬드상 카본이 코팅된 엔진{Diamond like carbon coated engine}
도 1은 4행정 엔진에 적용되는 피스톤의 단면도.
도 2는 2행정 엔진에 적용되는 피스톤의 절개 사시도.
도 3은 2행정 엔진의 일부를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 다이아몬드상 카본(DLC)을 엔진에 코팅하기 위한 개념도.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
10, 20: 제 1 피스톤링홈 11, 21: 제 2 피스톤링홈
20a: 제 1 피스톤링 21a: 제 2 피스톤링
12: 오일링홈 13: 오일구멍
14: 4행정 피스톤 22: 피스톤 표면
23, 25: DLC 코팅막 24: 실린더 내면
26: 2행정 엔진 27: 2행정 피스톤
30: 가스주입부 31: 전원 공급부
32: 매칭 박스 33: 플라즈마
34: 가공물 35: 진공펌프
36: 배출관 37: 챔버
38: 음극
본 발명은 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실린더와 상기 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤과 상기 피스톤 외주연에 형성된 홈에 삽입되는 피스톤링으로 구성된 엔진에 있어서, 상기 엔진을 구성하는 실린더의 내면과 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤의 표면과 상기 피스톤의 홈에 삽입되는 피스톤링에 윤활 및 내구성을 증진시킬 수 있는 다이아몬드상 카본(Diamond like carbon; 이하, DLC라 한다)이 코팅되어 있는 엔진에 관한 것이며, 특히 실린더 내면과 피스톤 표면과 피스톤링에 DLC가 코팅되어 있는 2행정 엔진에 관한 것이다.
일반적으로 실린더와 상기 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤과 상기 피스톤 외주연에 형성된 홈에 삽입되는 피스톤링으로 구성된 엔진은 피스톤이 실린더 내부에서 왕복운동하게 되어 피스톤이 실린더와 미끄럼 접촉을 하기 때문에 발생하는 마찰에 따른 마모의 방지와 내열 및 윤활을 위해 윤활유를 혼입시키게 되어 있다.
통상적으로 4행정 엔진에 적용되는 피스톤은, 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더 내부의 혼합가스와 폭발가스 및 배기가스를 누설되지 않게 밀봉하는 역할을 하는 피스톤링이 삽입되는 제 1 및 제 2 피스톤링홈(10, 11)이 구성되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 피스톤링홈(10, 11) 하부에는 실린더 벽면에 남아있는 윤활유를 긁어내리는 역할을 하는 오일링이 삽입되는 오일링홈(12)이 구성되어 있으며, 상기 윤활유의 혼입통로가 되는 오일구멍(13)이 구성되어 있는 구조이다.
한편 2행정 엔진에 적용되는 피스톤은, 도 2에 도시된 바와 같이, 오일링홈이 없다. 상기와 같은 4행정 엔진과 2행정 엔진과의 가장 큰 차이점은, 4행정 엔진은 윤활과 연료 공급이 분리되어 작동을 하는데 반하여 2행정 엔진은 실린더 내부(연소실)에 연료유와 윤활유가 혼합이 되어 공급된 후 연소실 내에서 윤활도 하고 폭발, 연소도 하는 역할을 동시에 수행하게 된다. 즉 2행정 엔진은 연료유인 가솔린에 윤활유를 일반적으로 1/50~1/25정도 첨가 혼합하여 실린더 내부로 혼입시켜 마찰손실을 방지하도록 하는 것이 통례이다.
따라서 2행정 엔진의 실린더 내부(연소실)에 공급된 윤활유는 연료유와 함께 연소 됨으로 인해 연소 후에 남은 재가 점화플러그, 배기관 및 기타 배기가스등에 많은 영향을 미치게 되고 나아가서는 공해문제가 되고 있다. 특히 2행정 엔진은 오토바이,예초기,분무기,양수기,수목절단기,잔디깍기 등 일상생활과 밀접한 기계,기구의 엔진으로 사용되고 있어 배기가스의 매연은 사용자의 건강에 심각한 영향을 주고 있어 문제가 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 극복하고자 창안한 것으로서, 구체적으로는 실린더와 상기 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤과 상기 피스톤 외주연에 형성된 홈에 삽입되는 피스톤링으로 구성된 엔진에 있어 피스톤이 실린더 내부에서 왕복운동하게 되어 피스톤이 실린더와 미끄럼 접촉을 하기 때문에 발생하는 마찰에 따른 마모의 방지와 내열문제 등을 해결하기 위한 엔진을 제공하기 위한 것이다.
특히 연료유에 윤활유를 첨가시켜 사용하는 2행정 엔진에 있어 배기가스의 매연에 따른 공해문제를 해결하고 사용자의 건강에 나쁜 영향을 주지 않도록, 윤활유를 연료유에 첨가 혼입시키지 않고서도 윤활 및 내구(耐久) 특성을 얻을 수 있도록 한 2행정 엔진을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 실린더와 상기 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤과 상기 피스톤 외주연에 형성된 홈에 삽입되는 피스톤 링으로 구성된 엔진에 있어서, 상기 엔진을 구성하는 실린더의 내면과 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤의 표면과 상기 피스톤의 홈에 삽입되는 피스톤링에 윤활 및 내구성을 증진시킬 수 있는 DLC가 코팅된 엔진을 특징으로 하는 것이다.
또한 상기 엔진은 2행정 엔진인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 DLC 코팅을 엔진에 적용할 경우 내구성, 윤활성 등이 예상치 못하게 현저히 증가되며 특히 2행정 엔진에 적용할 경우는 윤활유를 연료유에 첨가하지 않아도 되는 놀라운 현상과 이로 인하여 윤활유를 첨가함에 따른 환경문제가 해결될 수 있는 사실에 근거한 것이다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 기술적 사상을 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 2행정 엔진에 적용되는 피스톤의 절개 사시도이고, 도 3은 2행정 엔진의 일부를 도시한 사시도이다.
본 발명의 기술적 사상은, 엔진을 구성하는 실린더의 내면과 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤의 표면과 상기 피스톤의 홈에 삽입되는 피스톤링에 DLC를 코팅하여 내부의 윤활 및 내구성을 획기적으로 증진시킨 엔진에 있다. 특히 윤활유를 실린더 내부(연소실)로 혼입시키지 않고서도 윤활 특성을 얻을수 있도록 실린더 내부면 및 피스톤 외부면에 DLC를 코팅한 2행정 엔진에 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2행정 피스톤(27)에는 제 1 피스톤링홈(20) 및 제 2 피스톤링홈(21)이 구성되어 있어서, 피스톤링(20a, 21a)이 상기 홈(20, 21)에 삽입될 수 있는 구조이다.
상기와 같은 구조로 구성된 피스톤링홈(20, 21)에 삽입되는 피스톤링(20a, 21a)은 링의 자체 탄성으로 실린더 벽면에 밀착되어 있지만 2행정 피스톤(27)과는 약간의 틈이 있다. 이것은 피스톤이 열팽창에 의해 늘어날 경우를 대비한 것이다. 피스톤링이 2개인 이유는 각각의 링의 틈새로 압축가스가 새어나가는 것을 상호보완하기 위한 구조이다.
상기와 같이 구성된 2행정 엔진에 적용되는 피스톤 표면(22)에는 6~10㎛의 DLC가 코팅된 DLC 코팅막(23)이 있고, 상기 피스톤링홈(20, 21)에 삽입되는 피스톤링(20a, 21a)에는 2.5~4.0㎛의 DLC가 코팅되어 있다.
뿐만 아니라, 도 3을 참조하면, 상기와 같은 구조의 2행정 피스톤(27)이 적용되는 2행정 엔진(26)의 실린더 내면(24)에도 6~10㎛의 DLC 코팅막(25)이 구성되어 있다.
위와 같은 구성의 DLC 코팅막은 엔진 내부의 피스톤과 실린더의 마찰면에서 마찰계수(μ) 0.05∼0.1 값을 얻을 수 있는 두께이고, 내열온도는 조건에 따라서는 800℃ 이상도 가능하다.
또한 피스톤 표면과 실린더 내면의 DLC 코팅막은 6-10㎛로 하고 피스톤링의 DLC 코팅막은 2.5~4.0㎛로 하여 차이가 있는 것은 그들의 재질에 차이가 있는데 기인하는 것으로 피스톤과 실린더의 재질은 알루미늄계열이고 피스톤링의 재질은 탄소강계열이기 때문이다. 또한 코팅막의 두께가 너무 얇으면 내구성에 문제가 있으므로 효율과 비용을 감안할 때 상기의 두께 범위로 코팅되는 것이 바람직하다.
DLC 막은 뛰어난 경도와 내마모성, 탄성력, 전기절연성 그리고 높은 광투과성과 굴절률을 가지고 있다. 또한, 표면의 화학적 안정성이 매우 뛰어나므로 부식에 강하고, 다른 금속과의 내응착성도 우수할 뿐만 아니라, 표면이 매우 평활한 특징을 가지고 있기 때문에 다른 경질 박막에 비해 막 자체와 상대재의 마모가 크게 억제되는 특징을 가지고 있다.
상기와 같은 DLC 코팅막의 특성으로 인해, 본 발명에 따라 DLC가 코팅된 2행정 엔진(26)에서는 저마찰(마찰계수 0.05~0.1) 윤활 특성을 얻을수 있어 윤활유를 실린더 내부(연소실)로 혼입시키지 않고서도 사용할 수 있는 특성이 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 DLC를 엔진에 코팅하기 위한 개념을 간략히 설명하고자 한다. 물론 본 발명에 따른 엔진의 DLC 코팅 방법은 하기의 방법에 국한된 것은 아니다.
DLC 코팅막을 실린더 내면(24) 및 피스톤 표면(22) 및 피스톤링(20a, 21a)에 도포하기 위한 장치는 크게 진공펌프(35), 챔버(37), 가스주입부(30), 전원공급부 (31), 가스배출관(36), 음극(38)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 플라즈마 화학 증착 장치(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)는 DLC 코팅을 위한 장치이며, 비교적 장치의 제작비가 저렴하고, 대형화가 용이할 뿐만 아니라 코팅속도가 수 ㎛/h 정도로 매우 크기 때문에 상업화에 유리한 시스템이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 벤젠(C6H6) 등의 탄화수소계열의 가스가 가스주입부(30)를 통하여 챔버(37) 내부로 공급되고, 전원공급부(31, RF Power Supply)로부터 음극(38)과 챔버(37) 사이에 RF Power가 인가되어, 상기 가스주입부(30)로부터 주입된 탄화수소 가스를 이온화 시키게 된다.
참고로, 매칭 박스(32, Matching Box)는 전원공급부(31)로부터 전달되는 RF Power를 안정화 시키는 역할을 한다.
상기와 같이 형성된 이온은 음극(38)으로 가속되어 DLC 코팅이 가능한 에너지를 가지고 가공물(34) 표면에 도달됨으로써 코팅이 되어 진다.
상기와 같이 코팅된 DLC 막은 뛰어난 경도와 내마모성을 지닐 뿐만 아니라 표면이 매우 평활하기 때문에 윤활특성이 매우 우수한 특징이 있다. 또한, 고체 윤활막(예;MoS2)에 버금가는 0.1 이하의 낮은 마찰계수를 갖기 때문에 상대운동하는 상대재의 마모가 크게 억제되는 특징이 있다.
상기한 바와 같이, 실린더 내면, 피스톤 표면, 피스톤링에 DLC가 코팅된 본 발명에 따른 엔진은 내구성 및 윤활성 등이 현저히 증가되며, 특히 2행정 엔진에 있어서는 내구성, 윤활성 등이 대폭 개선됨에 따라 윤활유를 연료유에 첨가하지 않아도 사용이 가능하게 되고, 배기가스의 매연으로 인한 공해문제를 해결할 수 있고, 2행정 엔진이 부착된 기계, 기구 사용자의 건강에도 획기적으로 기여 할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 실린더와 상기 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤과 상기 피스톤 외주연에 형성된 홈에 삽입되는 피스톤 링으로 구성된 엔진에 있어서,
    상기 엔진을 구성하는 실린더의 내면과 실린더 내부를 왕복운동하는 피스톤의 표면과 상기 피스톤의 홈에 삽입되는 피스톤링에는 윤활 및 내구성을 증진시킬수 있는 DLC가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진은 2행정 엔진인 것을 특징으로 엔진
  3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    DLC 코팅막의 두께는 피스톤 표면과 실린더 내부는 6~10㎛ 이고 피스톤링은 2.5~4.0㎛인 것을 특징으로 하는 엔진.
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