KR20110026739A

KR20110026739A - 내벽면에 요철이 형성된 실린더

Info

Publication number: KR20110026739A
Application number: KR1020090084508A
Authority: KR
Inventors: 김성기
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-03-16

Abstract

본 발명은 내구성을 향상시키기 위하여 내벽에 미세 요철을 형성한 실린더에 대한 것이다. 본 발명에 의한 상기 미세 요철은 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 유막 압력을 증대 시키며, 엔진 오일이 부족한 곳에 엔진 오일을 원활이 공급함으로써 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 마모를 감소시킬 수 있다.

피스톤, 요철, 보어, 실린더, 마모

Description

내벽면에 요철이 형성된 실린더{A SYLINDER HAVING CONCAVO-CONVEX ON THE INNER SURFACE THEREOF}

본 발명은 내연기관의 실린더에 대한 것으로서, 내벽의 벽면에 요철이 형성되어 있는 실린더에 대한 것이다. 즉, 본 발명은 윤활제를 매개로 상대 운동을 하는 두 표면 중 적어도 한 표면에 미세 요철을 형성하여 마찰 및 마모를 감소시키는 기술에 대한 것이다.

내연기관은 연료 연소에 의한 폭발력을 받아 운동하는 피스톤과 상기 피스톤의 운동은 안내하는 실린더를 구비하고 있다. 실린더는 기통(氣筒)이라고도 하는데, 가솔린기관이나 디젤기관에서는 실린더 안에 연료를 공기와 함께 뿜어 넣고 점화, 폭발시켜, 그 폭발력으로 피스톤을 움직인다.

상기 실린더의 내부 또는 내벽을 보어(bore)라고 하고, 실린더의 내벽의 벽면을 보어면 이라고도 한다.

피스톤은 실린더의 내부(보어)를 움직이면서 실린더의 내벽과 끊임없이 마찰을 한다. 특히, 피스톤과 실린더 내벽 사이의 밀착을 증진시켜 공기나 연료 폭발 가스가 새지 않도록 하기 위하여 피스톤 상부의 둘레에는 피스톤 링이 구비되어 있 는데, 상기 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 마찰이 특히 심하다.

피스톤 링과 실린더 내벽은 일반적으로 엔진오일이라는 윤활제를 매개로 서로 평행하게 상대운동을 한다. 이때 엔진오일은 피스톤 링과 실린더 내벽 사이에 윤활막을 형성하여 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 마찰을 감소시키는 역할을 한다.

일반적으로 실린더의 내벽과 피스톤과 같이 두 표면이 평행한 경우 액체 윤활제를 매개로 그 두 표면이 상대운동을 할지라도 그 윤활제 안에는 유체 동압이 발생하지 않는다는 것은 유체윤활 이론으로부터 잘 알려진 사실이다.

이와 같이 실린더와 피스톤의 평행한 상대운동은 윤활막을 형성시키기 어려운 운동일 뿐만 아니라, 실린더에서의 높은 연소압과 연소열로 인해 피스톤(또는 피스톤 링)과 실린더 내벽 사이에는 항상 엔진오일이 부족한 상태에서 운전된다. 이로 인해 피스톤 링과 실린더 내벽에는 심한 마찰과 마모가 일어난다. 이런 운전조건 하에서 장시간 운전할 경우 연료 소모나 엔진 오일 소모량이 증가하는 것은 물론, 경우에 따라 엔진 교체의 원인이 되기도 한다.

피스톤 링과 마찰하는 실린더 내벽의 마모 감소를 위하여 종래 열처리, 표면 조도 개선, 호닝(horning) 등의 방법이 개발되어 왔다. 하지만, 엔진의 작동환경이 피스톤 링 마모에 취약한 방향으로 변해감에 따라 기존의 방법 보다 더 효율적으로 피스톤 링의 마모를 감소시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.

이에 본 발명자들은, 상대 운동을 하는 두 표면 중 적어도 한 표면에 다수의 미세 요철을 가공하면 그 두 표면이 평행하게 상대운동을 할지라도 두 면 사이에 유체 동압이 발생하고 이로 인해 윤활성을 개선시킬 수 있음을 알고 본 발명을 완성하였다.

본 발명에서는 내연기관의 실린더(10)의 내벽(11)에 요철(40, 50)을 형성하여 실린더 및 피스톤 링의 마모를 감소시키고자 한다.

본 발명에서는 실린더 내벽면에 요철을 형성하여 상기 요철이 엔진오일과 같은 윤활제를 포집하도록 함으로써, 상기 윤활제가 실린더 내벽과 피스톤 또는 피스톤 링 사이의 윤활상태를 개선시켜 경계면에서 발생하는 마모를 저감시키도록 하고자 한다. 즉, 본 발명에서는 내벽에 미세요철이 형성된 실린더를 제공한다.

본 발명에 따른 미세 요철은 종래의 열처리, 표면 조도 개선, 호닝 등의 방법 보다 더 효과적으로 실린더와 피스톤 링의 마모를 감소시킬 수 있다.

본 발명에서는 특히 실린더에서 마모 감소 효과를 극대화 할 수 있는 위치를 찾아내어 그 위치에 미세 요철을 형성함으로써 효율적으로 실린더와 피스톤 또는 피스톤 링의 마모를 감소시키고자 한다.

본 발명은 또한 최적의 위치에 필요한 정도 만큼만의 미세 요철을 형성함으로써 실린더 제조 비용과 제조 시간을 단축하는 방안을 제공하고자 한다.

본 발명은 상사점(Top Dead Center; TDC)과 하사점(Bottom Dead Center; BDC) 사이 구간인 행정거리(L) 구간 중 적어도 일부의 영역에 미세요철이 형성된 실린더를 제공한다.

상사점(TDC)이란 피스톤이 실린더에서 운동하면서 가장 높은 지점까지 올라갔을 때 피스톤 헤드부의 위치를 의미하고, 하사점(BDC)이란 피스톤이 실린더에서 운동하면서 가장 낮은 지점까지 내려갔을 때 피스톤 헤드부의 위치를 의미한다. 또한 행정거리란 피스톤 헤드부가 실린더 내부에서 움직이는 구간으로서, 상사점과 하사점 사이의 구간을 의미한다. 도 1, 도 2a 및 2b에서 "TDC"로 표시된 것이 실린더의 상사점이고, "BDC"로 표시된 것이 실린더의 하사점이며, "L"로 표시된 상사점과 하사점 사이의 구간이 행정거리이다.

본 발명은 내부에 삽입되는 피스톤의 운동을 안내하는 실린더에 대한 것으로서, 상기 실린더는 내벽면에 복수개의 요철이 형성되되, 피스톤 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역 중 적어도 일부의 영역에 복수개의 요철이 형성된 실린더를 제공한다.

본 발명에서는 실린더 행정거리 구간 중 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역을 제1영역(100)이라 한다(도 2a 참조).

상기 요철은 상기 제1영역 전체에 걸쳐서 형성될 수도 있고, 상기 제1영역의 일부에만 형성될 수도 있다. 상기 요철이 상기 제1영역 전체에 걸쳐서 형성되든 상기 제1영역의 일부에만 형성되든, 상기 요철은 요철이 형성되는 영역내에서 균일한 간격을 두고 형성되도록 할 수 있다. 요철이 균일한 간격으로 형성되는 것이 제조 공정 등에서 이점이 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 피스톤의 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역(제1영역; 100) 중 적어도 30% 이상의 영역에 복수개의 요철이 형성되도록 할 수 있다. 즉, 상기 요철이 상기 제1영역(100) 중 적어도 30% 이상의 영역에 분포되도록 실린더 내벽에 요철을 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 일례에 따르면, 피스톤의 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역 중 적어도 일부의 영역에 복수개의 요철이 형성되도록 할 수도 있다. 본 발명에서는 실린더 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역을 제2영역(200)이라 한다(도 2a 참조).

상기 요철은 상기 제2영역 전체에 걸쳐서 형성될 수도 있고, 상기 제2영역의 일부에만 형성될 수도 있다. 상기 요철이 상기 제2영역 전체에 걸쳐서 형성되든 상기 제2영역의 일부에만 형성되든, 상기 요철은 요철이 형성되는 영역내에서 균일한 간격을 두고 형성되도록 할 수 있다. 요철이 균일한 간격으로 형성되는 것이 제조공정 등에서 이점이 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 피스톤의 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역(제2영역; 200) 중 적어도 30% 이상의 영역에 복수개의 요철이 형성되도록 할 수 있다. 즉, 상기 요철이 상기 제2영역(200) 중 적어도 30% 이상의 영역에 분포되도록 실린더 내벽에 요철을 형성할 수 있다.

실린더 내벽에 요철이 너무 적으면 윤활제 포집공간이 줄어들어 충분한 윤활효과를 나타내기 어렵고, 또한 실린더 내벽에 요철이 너무 많으면 요철이 아닌 부 분, 즉 피스톤링과 마찰하는 부분의 면적이 지나치게 작아지게 되어 오히려 그 마찰부분에서 면압이 증가하게 되어 마찰 특성을 악화시킬 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 요철의 형태에 특별히 제한이 있는 것은 아니다. 오목하게 형성되어서 윤활유를 포집할 수 있는 형태라면 요철의 형태로서 어느 것이든 가능하다. 그렇지만, 요철의 형상이 적절하지 않으면 마찰 감소의 효과가 크지 않을 수 있다.

표면 미세 요철에 의한 마찰 및 마모 감소 기술의 핵심은 마찰 및 마모가 최소가 되도록 요철의 형태, 배열 방법을 정하는 것이라고 할 수 있다.

그런데, 마찰 및 마모가 최소가 되도록 하는 요철의 형태, 배열 방법은 두 면의 접촉 형태, 하중, 미끄럼 속도 등의 운전 조건에 따라 크게 영향을 받기 때문에 그 요건을 정하는 것은 단순한 작업이 아니다. 예를 들어, 접촉부의 형태가 선 형상일 때, 점 형상일 때, 또는 면 형상일 때 마찰 및 마모를 최소로 하기 위한 요철의 형태 및 배열 방법은 각각 달라진다. 따라서, 마찰 및 마모 감소를 위한 표면 요철 형성 기술 개발은 그 작동 환경이나 운전 조건에 대한 확인 및 정의가 먼저 이루어져야 하며, 정해진 작동 환경이나 운전 조건 하에서 최적의 요철 형태 및 그 배열을 개발해야만 한다.

한편, 실린더 내면에 미세 요철을 가공하는 것은 연료 소모나 엔진 오일 소모량을 증가시킬 수도 있다. 이를 방지하기 위해서는 최적의 영역에 요철을 형성해야 한다. 본 발명에서는 연료 및 오일 소모량을 증가시키지 않으면서 동시에 피스톤 링 마모를 저감 시킬 수 있도록, 요철 가공을 위한 최적의 영역을 제시하고 마 모 개선을 위한 그 요철의 최적형상을 제안한다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 요철의 형태가 오목거울 형태의 미세구멍인 것이 가능하다(도 4 참조). 실린더의 규격이나 사용 형태에 따라 요철의 깊이 및 밀도는 달라질 수 있다.

상기 본 발명의 일례에 따르면, 상기 오목거울 형태의 미세구멍은 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 직경이 0.07~0.17mm 이 되도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 순수하게 차지하는 면적의 비율은 5~15% 인 것이 가능하다. 이하, 상기 면적의 비율을 "밀도"라고 한다.

도 4를 참고하면 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 순수하게 차지하는 면적의 비율인 밀도는 아래 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.

미세구멍의 순수 면적 비율 (밀도) = {πx(Db/2)²}/(Da)²

본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 요철의 형태가 파선홈 형태인 것도 가능하다(도 6 참조).

상기 본 발명의 일례에서, 상기 파선홈 형태의 요철은 깊이 0.01~0.03mm, 선폭 0.08~0.18mm으로 할 수 있다.

상기 파선홈 형태의 요철의 길이 및 요철 사이의 간격은 요철의 밀도에 따라 다양하게 변할 수 있다. 본 발명의 일례에 따라면 상기 파선홈 형태의 요철이 형성 및 분포되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 파선홈 형태의 요철이 순수하게 차지하는 면적의 비율은 8~18% 인 것이 가능하다.

도 6를 참고하면, 상기 파선홈 형태의 요철이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 파선홈 형태의 요철이 순수하게 차지하는 면적의 비율인 밀도는 아래 수학식 2과 같이 계산될 수 있다.

파선홈 형태 요철의 순수 면적비율 (밀도) = (Lc x Lb)/{(La+Lc)x(Lb+Ld)}

본 발명의 일례에 따르면 상기 파선홈의 길이와 간격이 밀도의 변수가 될 수있다. 물론 다른 요소가 밀도의 변수가 될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따르면 실린더 내벽 상부에 요철을 형성함으로써, 마모를 가속시키는 마모입자를 포획하고, 윤활제가 부족한 상황에서 윤활제를 공급하고, 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 유막압력을 증대시켜 실린더와 피스톤 또는 피스톤 링의 마모를 감소시킬 수 있다.

특히 실린더 내벽 중 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에 요철을 형성하는 경우 실린더와 피스톤 또는 피스톤 링의 마모 감소에 효과가 매우 우수하다.

본 발명의 일례에 따른 오목거울 형태의 미세구멍형 요철은 가공이 용이하고 마모입자 포획, 윤활제 공급, 유막압력 증대 효과가 뛰어나다. 상기 오목거울 형태 의 미세구멍형 요철은 특히, 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 직경이 0.07~0.17mm 이고, 밀도가 5~15%일 때, 마모입자 포획, 윤활제 공급, 유막압력 증대 효과가 뛰어나다.

파선홈 형태의 요철 역시 가공이 용이하고 마모입자 포획, 윤활제 공급, 유막압력 증대 효과가 우수하다. 상기 파선홈 형태 요철은 특히, 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 선폭이 0.08~0.18mm 이고, 밀도가 8~18% 일 때, 마모입자 포획, 윤활제 공급, 유막압력 증대 효과가 뛰어나다.

본 발명에 의하면 내연기관에서 서로 상대운동을 하는 피스톤 링과 실린더 보어 사이 윤활상태를 개선하여 피스톤 링의 마모를 70% 이상까지도 감소시킬 수 있다.

이하 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

<실시예 1~10>

본 발명에 있어서, 복수개의 요철(미세요철)을 형성하여 실린더와 피스톤 링의 마모감소 효과를 극대화할 수 있는 실린더 내부의 영역을 확인하기 위하여 먼저 실제 사용된 실린더 내벽의 마모 상태를 측정하였다. 실린더 하단부에서부터 측정한 거리를 기준으로 각각의 거리별 마모 상태를 측정하여 도 3에 도시하였다.

도 3에서의 거리(Length)는 실린더 하단부에서 상단쪽으로 올라가면서의 거리를 나타낸다. 이 실린더의 행정거리는 12.6cm이고, 상사점이 20cm 지점이며, 하사점이 7.4cm 지점이다.

도 3을 보면, 16~19cm 영역에서 가장 큰 마모가 발생하는 것을 알 수 있다. 도 3의 마모영역을 도 2의 A, B로 표기하면 A=1cm, B=4cm이며, 이 실린더의 행정거리 L은 12.6cm이기 때문에 A/L=0.08, B/L=0.32이 된다. 따라서, 본 실시예의 실린더는 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에서 가장 많은 마모가 발생되는 실린더라고 할 수 있다.

본 발명에 따른 오목거울 형태의 미세구멍형 요철을 실린더 내벽에 형성하는 것에 의한 피스톤 링과 실린더의 마모 개선 효과를 확인하기 위해, 아래와 같이 마모 시험을 수행하였다.

도 4에 도시된 것과 같은 오목거울 형태의 미세구멍형 요철을 아래 표 1과 같이 실린더 형성하여 마모 시험을 수행하였다. 여기서 오모거울 형태의 미세구멍형 요철은 직경, 깊이, 밀도를 설계 변수로 하며, 여기서 직경은 Db, 깊이는 Dc이고, 상기 요철의 밀도는 수학식 1로부터 구할 수 있다.

구분	설계값			제조 후 측정값
구분	선폭(μm)	깊이 (μm)	밀도 (%)	선폭(μm)	깊이 (μm)	밀도 (%)
실시예 1	100	12	6	108	13.5	7.9
실시예 2	100	20	16	101	20.5	15.9
실시예 3	100	30	23	95	31.2	20.2
실시예 4	150	12	6	142	14.6	5.8
실시예 5	150	20	16	150	21.9	15.7
실시예 6	150	30	23	163	31.4	27.5
실시예 7	190	12	6	181	12.3	5.2
실시예 8	190	20	16	197	20.9	15.3
실시예 9	190	30	23	196	31.4	23.3

표 1의 시험결과를 기초로 마모 감소 효과가 특히 우수한 실시예 1 및 5를 선정하였다. 아울러 상기 실시예 1과 5의 중간 사이즈에 해당하는 요철형상을 추가로 구현하여 실시예 10으로 설정하여 하기 표 2와 같이 설계하였다. 이들을 각각마다 5회의 마모 시험을 수행하여 그 결과를 도 5에 나타내었다.

구분	설계값			제조 후 측정값
구분	선폭(μm)	깊이 (μm)	밀도 (%)	선폭(μm)	깊이 (μm)	밀도 (%)
실시예 1	100	12	6	103	13.2	7.9
실시예 10	120	20	10	120	22.5	10.0
실시예 5	150	20	16	148	20.9	16.7

도 5에서 "UnTexture"는 요철이 형성되지 않은 실린더에서의 피스톤 링의 마모량을 나타내고, Dim 2-1, 2 Mid, Dim 2-5는 각각 표 2의 실시예 1, 실시예 10, 실시예 5에 따른 요철이 형성된 실런더 에서의 피스톤 링의 마모량을 나타낸다.

도 5에서 보면, 실시예 10의 경우 요철이 형성되지 않은 경우(UnTexture)의 마모량과 비교할 때 피스톤 링의 마모량이 40% 수준으로 감소하였다. 즉, 직경 0.12mm, 깊이 0.02mm, 밀도 10%의 오목거울 형태의 미세구멍형 요철을 실린더 내벽에 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에 가공하면 피스톤 링의 마모를 60% 정도 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

<실시예 11~20>

본 발명에 따른 파선홈 형태의 요철을 실린더 내벽에 형성하는 경우의 피스톤 링 마모 개선 효과를 확인하기 위해 아래와 같이 마모 시험을 수행하였다.

도 6에서와 같은 파선홈 형태의 요철을 아래 표 3와 같이 실린더에 형성하여 마모 시험을 수행하였다. 이때 파선홈 형태의 요철은 선폭, 깊이, 밀도를 설계 변수로 하는데, 여기서 선폭은 Lc, 깊이는 Le이고, 밀도는 수학식 2에 의하여 구할 수 있다.

구분	설계값			제조 후 측정값
구분	선폭(μm)	깊이 (μm)	밀도 (%)	선폭(μm)	깊이 (μm)	밀도 (%)
실시예 11	100	10	5	87	10.0	4.4
실시예 12	100	20	13	105	17.9	13.8
실시예 13	100	30	21	107	31.5	22.6
실시예 14	135	10	5	137	13.2	13.3
실시예 15	135	20	13	127	24.2	19.9
실시예 16	135	30	21	132	24.1	4.9
실시예 17	180	10	5	150	17.2	17.6
실시예 18	180	20	13	173	24.2	4.8
실시예 19	180	30	21	170	34.8	12.3

상기 표 3의 시험결과를 기초로 하여 마모 개선 효과가 우수한 실시예 12 및 17을 선정하였다. 아울러 상기 실시예 12와 17의 중간 사이즈에 해당하는 파선홈 형태의 요철을 추가로 구현하여 실시예 20으로 하였다. 이들을 하기 표 4와 같이 설계하여, 각각마다 5회의 마모 시험을 수행하였다. 그 결과는 도 7에 나타내었다.

구분	설계값			측정값 평균 데이터
구분	선폭(μm)	깊이(μm)	밀도(%)	마찰(N)	피스톤링 마모(μm)	라이너 마모 (%)
실시예 12	100	20	13	7.13	1.67	1.95
실시예 17	180	10	21	7.32	2.02	2.25
실시예 20	135	20	13	7.19	1.43	2.11

도 7에서 "UnTexture"는 요철이 가공되지 않은 피스톤 링의 마모를 나타내고, Dash 2-2, Dash 2-7, Dash Opt는 각각 표 4의 실시예 12, 17 및 20에서의 피스톤 링의 마모를 나타낸다.

도 7에서 보는 바와 같이, 실시예 20에 의한 요철이 실린더 내벽에 가공된 경우 피스톤 링 마모량은 요철이 가공되지 않은 경우의 피스톤 링 마모량의 24% 수준이다. 즉, 선폭 0.13mm, 깊이 0.02mm, 밀도 13%의 파선홈 형태의 요철을 실린더 내벽의 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에 가공하면 피스톤 링의 마모를 76% 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 내연기관에서 서로 상대운동을 하는 피스톤 링과 실린더 내벽 사이 윤활상태를 개선하여 피스톤 링의 마모를 70% 까지도 감소시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에 적용된 실린더에 요철을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우 피스톤 링의 마모량을 도 8에서 비교하였다.

구체적으로, 미세 요철을 형성하지 않은 경우, 상사점으로부터 행정거리8~32% 영역에 미세요철을 형성한 경우 및 상사점으로부터 행정거리 8~32% 이외의 영역에 메세 요철을 형성한 경우에 대한 시험 결과를 비교하였다. 도 8을 보면, 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에 미세요철을 형성한 경우 마모 감소 효과가 가장 뛰어남을 알 수 있다.

또한, 본 실시예에 적용된 실린더에서 상사점으로부터 8~32% 영역 내에서 부분적으로 요철을 형성할 경우, 요철이 형성된 면적 비율별로 마모량을 비교하여 도 9에서 그래프로 표시하였다. 즉, 도 9는 상기 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역 중 몇 %의 영역에 미세 가공을 형성하여야 하는지에 대한 시험 결과라고 할 수 있다.

상사점으로부터 행정거리의 8~32% 전체 영역에 대하여 요철을 형성한 경우를 100%로 표기하고 미세 요철을 전혀 형성하지 않은 경우를 0%로 표기하였다. 아울러, 상사점으로부터 행정거리의 8~32%영역 중에서 상단부터 차례로 10% 영역, 20%영역, 30%영역, 40%영역, 50%영역, 60%영역, 70%영역, 80%영역, 90%영역에 대하여도 미세요철을 형성하고 마모량을 측정하였다.

도 9에 나타난 시험결과 상사점으로부터 행정거리의 8~32%의 영역(제2영역; 200) 중에서 적어도 30% 이상의 영역에 요철을 형성하는 경우 우수한 피스톤 링 마모개선 효과를 나타낼 수 있음을 확인하였다. 즉, 8~32%의 영역 중에서 그 영역의 30% 이상에 미세 요철을 가공하는 것이 효과적이었다.

본 발명은 다양한 종류의 실린더에 적용할 수 있으며, 특히 내연기관의 실린더에 적용할 수 있다.

도 1은 일반적인 실린더를 보여주는 도면으로서, 상사점(TDC)과 하사점(BDC)를 보여준다.

도 2a는 실린더 내벽에서 미세요철이 형성되는 위치를 설명하기 위한 도면으로서, 왼쪽은 실린더 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역인 제1영역(100)을 표시하는 것이고, 오른쪽은 실린더 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역인 제2영역(200)을 표시하는 것이다.

도 2b는 실린더 내벽에 미세요철이 형성되는 위치를 설명하는 개략도이다.

도 3은 실시예 1 내지 10에 적용된 실린더에서 내벽의 마모분포를 보여주는 그래프이다.

도 4는 실린더 내벽에 형성되는 미세구멍 형태 요철의 모습을 형상화한 도면으로서, 미세구멍 형태 요철의 규격 및 설계 변수를 보여준다.

도 5은 도 4에 도시된 미세구멍 형태 요철을 실린더 내벽에 형성하여 마모 시험을 한 경우에 있어서 피스톤 링의 마모를 보여주는 그래프이다.

도 6는 실린더 내벽에 형성되는 파선홈 형태 요철의 모습을 형상화한 도면으로서, 파선홈 형태 요철의 규격 및 설계 변수를 보여준다.

도 7은 도 6에 도시된 파선홈 형태 요철을 실린더 내벽에 형성하여 마모 시험을 한 경우에 있어서 피스톤 링의 마모를 보여주는 그래프이다.

도 8은 실린더 내벽에 미세 요철이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우에 있어서 피스톤 링의 마모량을 비교한 그래프이다.

도 9는 실린더 내벽의 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역 중에서 요철이 형성된 부분의 면적 비율별로 마모량을 비교한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 실린더 11: 실린더 내벽

40: 오목거울 형태의 미세구멍형 요철 50: 파선홈 형태의 요철

TDC: 상사점 BDC: 하사점

L: 행정거리

Claims

내부에 피스톤이 삽입되어 피스톤의 운동을 안내하는 실린더로서,

상기 실린더 내벽에 복수개의 요철을 형성하되, 피스톤의 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역 중 적어도 일부의 영역에 복수개의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더.
제 1항에 있어서, 상기 피스톤의 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역 중 적어도 30% 이상의 영역에 상기 복수개의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더.
제 1항에 있어서, 상기 피스톤의 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역 중 적어도 일부의 영역에 상기 복수개의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더.
제 3항에 있어서, 상기 피스톤의 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역 중 적어도 30% 이상의 영역에 상기 복수개의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요철의 형태가 오목거울 형태의 미세구멍인 것을 특징으로 하는 실린더.
제 5항에 있어서, 상기 오목거울 형태의 미세구멍은 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 직경이 0.07~0.17mm 인 것을 특징으로 하는 실린더.
제 6항에 있어서, 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 순수하게 차지하는 면적은 5~15% 인 것을 특징으로 하는 실린더.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요철의 형태가 파선홈 형태인 것을 특징으로 하는 실린더.
제 8항에 있어서, 상기 파선홈 형태의 요철의 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 선폭이 0.08~0.18mm인 것을 특징으로 하는 실린더.
제 9항에 있어서, 상기 요철이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 요철이 순수하게 차지하는 면적은 밀도가 8~18% 인 것을 특징으로 하는 실린더.