KR20110071176A - 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조를 개시한다. 상기 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조는 피스톤(10)의 피스톤 링(10a)과 마찰되는 것으로서, 실린더라이너 내주면(2)에 호닝가공 시 형성된 복수의 제1 미세그루브(3)를 갖는 엔진의 실린더라이너(1)에 있어서, 상기 실린더라이너 내주면(2)의 마찰영역에는 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 제2 미세그루브(20)가 형성된 것을 특징으로 한다. 본 발명은 실린더라이너 내주면의 마찰영역에 피스톤의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 제2 미세그루브를 형성하여, 엔진의 실린더라이너와 피스톤 링 간의 마찰을 줄여 피스톤 링의 마모를 저감하고, 엔진의 윤활오일의 소모를 줄일 수 있게 한다.

실린더라이너, 보어, 미세그루브, 구조, 내마모

Description

엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조{Micro grooves structure of the cylinder liner bore for Engine}

본 발명은 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조에 관한 것으로, 특히 실린더라이너 보어의 내주면(또는 보어면)에 호닝가공에 의한 제1 미세그루브 외에 추가적으로 특정각도의 미세 그루브를 더 형성하여 피스톤 링의 마모를 저감하고 윤활오일의 소모를 줄일 수 있게 하는 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조에 관한 것이다.

근래에, 엔진 출력 및 연비향상의 요구가 심해짐에 따라 연소실의 연소압력 및 온도가 더욱 상승하는 추세이고 이에 따라 피스톤 링의 마모 환경은 더욱 악화되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 엔진의 실린더라이너와 피스톤의 작동관계를 보여주는 개략 부분확대도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 실린더라이너(1)의 실린더라이너 내주면(2)(또는 보어면)에는 호닝가공 시 발생한 그물(net) 모양의 제1 미세그루브(3)가 형성되어 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 실린더라이너(1)의 실린더라이너 내주면(2)에는 상기 그물 모양의 제1 미세그루브(3)가 상기 실린더라이너 내주면(2)을 따라 하사점(BDC; Bottom Dead Center)에서 상사점(TDC; Top Dead Center)까지 상하로 왕복운동하는 피스톤(10)의 행정(S; Stroke)과 무관하게 전체적으로 균일하게 형성되어 있었다.

그 때문에, 종래 기술에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조는 실린더라이너(1)의 실린더라이너 내주면(2)과 피스톤(10)의 피스톤 링(10a) 간에 윤활작용이 충분히 이루어지지 않아, 상기 실린더라이너 내주면(2)과 상기 피스톤 링(10a)간의 마찰이 크게 발생하여 피스톤 링(10a)의 마모가 심하고, 윤활오일의 소모량이 많아지는 문제가 있다.

위와 같은 이유로, 해당분야에서는 엔진의 마찰손실의 대부분을 차지하고 있는 실린더라이너와 피스톤 링과의 마찰감소에 대한 요구가 증가하고 있다. 따라서, 실린더라이너와 피스톤 링에 대한 마모 및 마찰감소에 대한 연구가 오래 전부터 진행되어 왔으며, 그 대표적인 기술로는 실린더라이너 호닝가공, 미세요철가공 등을 들 수 있다.

호닝가공은 오래 전부터 널리 알려진 기술로 실린더라이너의 내주면에 일정한 각도로 다수 개의 미세그루브를 형성해주어 실린더라이너와 피스톤 링과의 윤활성능을 개선해주는 역활을 한다. 또한, 최근에 들어서는 다수 개의 미세요철을 실린더라이너의 내주면에 형성하여 실린더라이너와 피스톤 링 간의 마찰 및 마모를 줄이려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 미세요철의 가공방법에는 기계적 가공, 리 소그래피(lithography), 레이저 표면 텍스처링 등의 방법이 있으며, 근래에는 레이저를 이용한 미세요철 가공방법이 확산되고 있는 추세이다.

호닝가공 방법에 의한 미세그루브와 레이저 표면 텍스처링 방법을 이용한 미세요철은 윤활유를 매개로 하여 상대운동을 하는 두 고체면의 윤활성능을 다음과 같은 이유로 개선시킬 수 있다.

두 표면이 평행하다면 액체 윤활제를 매개로 그 두 표면이 상대운동을 할지라도 그 윤활제 안에는 유체 동압이 발생하지 않는 다는 것은 유체윤활 이론으로부터 잘 알려진 사실이다. 예외의 경우도 있지만 유체 동압은 일반적으로 유막두께가 미끄럼 방향에 따라 감소하는 쐐기효과가 있을 때 발생한다.

하지만, 일반적으로 기계공작물은 미세한 굴곡이나 표면 조도에 의한 표면 굴곡을 가지고 있다. 이로 인해 두 표면이 평행하게 상대 운동을 할지라도 국부적으로 유막두께가 미끄럼 방향에 따라 감소하는 영역이 존재하며, 이 영역에서 발생하는 유막압력은 두 표면 사이의 윤활성을 개선시킨다. 반면, 미끄럼 방향에 따라 유막두께가 증가하는 영역 또한 존재하는 데 이 영역에서는 일반적으로 기포가 발생하여 주변 압력과 유사한 압력을 갖게 된다.

따라서, 상대 운동을 하는 두 표면 중 적어도 한 표면에 다수 개의 미세 요철을 형성하면, 그 두 표면이 평행하게 상대운동을 할지라도 두 면 사이에 유체 동압이 발생하고 이로 인해 윤활성을 개선시킬 수 있다. 이외에도 표면 미세 요철은 마모 입자 포획이나 미세 오일 저장소 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 이들 효과로 인해 본 기술은 다양한 분야에서 연구되고 있다.

통상적으로, 피스톤 링과 실린더라이너 내주면은 엔진 윤활유를 매개로 하여 서로 평행하게 상대운동을 한다. 그런데, 평행한 상대운동은 윤활막을 형성시키기 어려운 운동일 뿐만 아니라, 높은 연소압과 연소열로 인해 피스톤 링과 실린더라이너 내주면에는 심한 마찰과 마모가 일어난다. 이런 운전조건 하에서 장시간 운전할 경우 연료 소모나 엔진 윤활유의 소모량이 증가하는 것은 물론, 경우에 따라서는 엔진교체의 주원인이 되기도 한다. 이에 본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하고자 한다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 엔진의 실린더라이너와 피스톤 링 간의 마찰을 줄여 피스톤 링의 마모를 저감하고, 엔진의 윤활오일의 소모를 줄일 수 있게 하는 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 피스톤의 피스톤 링과 마찰되는 것으로서, 실린더라이너 내주면에 호닝가공 시 형성된 복수의 제1 미세그루브를 갖는 엔진의 실린더라이너에 있어서,

상기 실린더라이너 내주면의 마찰영역에는 상기 피스톤의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 제2 미세그루브가 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조를 제공한다.

또한, 본 발명은 위의 본 발명의 일실시예에 대하여 다음의 구체적인 실시예들을 더 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 실린더라이너 내주면의 마찰영역에는 상기 피스톤의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 파선형 미세그루브가 더 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 복수의 제2 미세그루브 중의 적어도 하나는 상기 피스톤의 운동방향에 대하여 80~90°를 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 복수의 파선형 미세그루브 중의 적어도 하나는 상기 피스톤의 운동방향에 대하여 80~90°를 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 복수의 파선형 미세그루브의 깊이는 15~25 ㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1 미세그루브의 깊이는 1~20 ㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 복수의 제2 미세그루브의 깊이는 1~15 ㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 복수의 파선형 미세그루브는 피스톤의 행정거리 구간 중에서 실리더라이너의 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역에 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 복수의 제1 미세그루브는 적어도 복수의 파선형 미세그루브의 패턴영역을 모두 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 실린더라이너 내주면의 마찰영역에 피스톤의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 제2 미세그루브를 형성하여, 엔진의 실린더라이너와 피스톤 링 간의 마찰을 줄여 피스톤 링의 마모를 저감하고, 엔진의 윤활오일의 소모를 줄일 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 실린더라이너 내주면의 마찰영역에 피스톤의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 제2 미세그루브와 복수의 파선형 미세그루브를 혼합된 형태로 형성하여, 엔진의 실린더라이너와 피스톤 링 간의 마찰을 줄여 피스톤 링의 마모를 더욱 저감하고, 엔진의 윤활오일의 소모량도 더 줄일 수 있게 한다.

이하, 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조의 실시예를 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조를 보여주는 개략 부분확대도이고, 도 3은 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조가 적용되는 실린더라이너와 피스톤의 작동관계를 보여주는 개략 부분확대도이다.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조가 적용되는 미세그루브와 피스톤의 운동방향 간의 배열관계를 보여주는 개략 부분확대도이고, 도 5는 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조 가 적용된 실린더라이너 내주면을 보여주는 개략 사진이다.

하기 본 발명에 대한 설명에서 종래 기술의 구성과 동일한 구성요소들에 대해서는 이해의 편의를 위해 종래 기술에서와 같은 동일한 부호를 사용하였다.

본 발명은 실린더라이너 내주면(2)에 복수의 제1 미세그루브(3)가 형성되어 있는 구조에다 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같은 미세그루브(20)가 추가적으로 더 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 미세그루브(20)의 가공영역은 도 3에 도시된 바와 같이 S로 정의되고, 상기 미세그루브(20)의 각도는 도 4에 도시된 바와 같이 α2로 정의되며, 상기 각도 α2는 상기 미세그루브(20)와 상기 피스톤(10)의 운동방향 사이의 각도이다. 각도 α1은 상기 제1 미세그루브(3)와 상기 피스톤(10)의 운동방향 사이의 각도를 나타낸다.

실시예 1

도 2 내지 도 4는 그물 모양의 제1 미세그루브(3)를 갖는 실린더라이너(1)에 복수의 제2 미세그루브(20)와 복수의 파선형 미세그루브(25)를 형성하였을 경우 피스톤 링(10a)의 마모 개선 효과를 확인하기 위한 것이다.

시편	설계 변수	피스톤 링 마모[㎛]
	미세그루브 각도(α2)[deg]
1	기존 실린더라이너(제1 미세그루브와 α2를 갖는 미세그루브 모두 없음)	6.21
2	제1 미세그루브는 있고 각도α2를 갖는 미세그루브 없음	11.61(↑87%)
3	90°(제1 미세그루브와 각도 α2를 갖는 미세그루브 있음)	1.49(↓76%)
4	85°(제1 미세그루브와 각도 α2를 갖는 미세그루브 있음)	1.86(↓70%)
5	80°(제1 미세그루브와 각도 α2를 갖는 미세그루브 있음)	2.86(↓45%)
6	75°(제1 미세그루브와 각도 α2를 갖는 미세그루브 있음)	5.46(↓6%)

위의 표 1은 실린더라이너 내주면(2)에 미세그루브(20)의 형성 각도 α2를 시험변수로 하여 수행한 피스톤 링(미도시)의 마모시험 결과이다. 일반적으로 실린더라이너 내주면(2)의 제1 미세그루브(3)의 각도 α1은 70°이므로 시험 시편의 α2를 90°에서 75°까지 설정하여 실시하였다. 표 1에 나타난 피스톤 링의 마모량 및 윤활유의 소모량의 증감율[%]은 시편 1, 즉 제1 미세그루브(3)와 α2를 갖는 미세그루브(20)가 없는 일반적인 실린더라이너를 기준으로 한 것이다(도 2와 도 4 참조).

위의 실험을 통하여, 제1 미세그루브(3)는 있고 미세그루브(20)의 각도 α2가 없는 경우 오히려 기존 실린더라이너 보다 피스톤 링의 마모가 증가하고, 미세그루브(20)의 각도 α2가 90°에 가까워질 경우 피스톤 링의 마모량이 감소함을 확인하였다. 특히, α2가 90°인 경우에는 피스톤 링의 마모를 76%까지 줄일 수 있음을 알 수 있다.

전술한 바와 같은 이유로, 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조는 피스톤(10)의 피스톤 링(10a)과 마찰되는 것으로서, 실린더라이너 내주면(2)에 호닝가공 시 형성된 제1 미세그루브(3)를 갖는 엔진의 실린더라이너(1)에 있어서, 상기 실린더라이너 내주면(2)의 마찰영역에는 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 제2 미세그루브(20)가 형성된다(도 2와 도 3 참조).

위와 같이 상기 실린더라이너 내주면(2)에 상기 제1 미세그루브(3) 외에 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대해 일정각도를 갖는 미세그루브(20)를 형성하게 되면, 상기 실린더라이너 내주면(2)과 상기 피스톤 링(10a) 간의 윤활상태를 개선시켜 마찰 경계면에서 발생하는 마모를 저감시킬 수 있게 되고, 그와 동시에 엔진 윤활유의 소모량을 감소시킬 수 있게 된다.

다른 실시예로, 상기 실린더라이너 내주면(2)의 마찰영역에는 상기 복수의 제2 미세그루브(20)를 갖는 구조에다 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 파선형 미세그루브(25)가 더 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 파선형 미세그루브(25)와 상기 복수의 제2 미세그루브(20)는 적어도 일부가 상호 평행하거나 상호 교차되는 형태로 이루어질 수 있다.

위와 같이 상기 복수의 제2 미세그루브와 상기 복수의 파선형 미세그루브의 혼합구조는 상기 실린더라이너 내주면(2)과 상기 피스톤 링(10a) 간의 윤활상태를 더욱 개선시켜 마찰 경계면에서 발생하는 마모를 저감시킬 수 있게 되고, 그와 동시에 엔진 윤활유의 소모량도 더 감소시킬 수 있게 한다.

실시예 2

실시예 1에서 피스톤 링의 마모 개선에 효과가 가장 크게 나타난 시편 3에서와 같은 미세그루브를 갖는 실린더라이너를 제작하여 실제의 엔진에 장착하고 엔진 윤활유 소모 시험을 실시하였다.

시편	설계 변수	엔진 윤활유의 소모량[g/kwh]
	미세그루브 각도(α2)[deg]
1	기존 실린더라이너(제1 미세그루브와 α2를 갖는 미세그루브 모두 없음)	0.21
2	90°(제1 미세그루브와 각도 α2를 갖는 미세그루브 있음)	0.19(↓8%)

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 미세그루브(3)와, 이와는 다른 미세그루브(20)가 혼합된 구조에서, 상기 미세그루브(20)가 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 90°를 이루는 경우, 그러한 각도를 갖는 혼합구조는 기존의 실린더라이너에 비해 엔진의 윤활유 소모량을 8% 정도 감소시킬 수 있음을 알 수 있다(도 2 내지 도 5 참조).

위와 같은 이유로, 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조에서, 상기 복수의 제2 미세그루브(20) 중의 적어도 하나는 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 80~90°를 이루는 것이 바람직하다. 또한, 위와 같은 이유로 상기 복수의 파선형 미세그루브(25) 중의 적어도 하나는 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 80~90°를 이루는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실린더라이너 내주면(2)과 상기 피스톤 링(10a) 간의 윤활성능을 최대한 높이기 위하여, 상기 복수의 제2 미세그루브(20)는 상기 마찰영역의 전체에 걸쳐 제공되고, 상기 복수의 파선형 미세그루브(25)는 피스톤(10)의 행정거리 구간 중에서 실리더라이너(1)의 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 복수의 제1 미세그루브(3)는 적어도 복수의 파선형 미세그루브(25)의 패턴영역을 모두 포함하는 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 실린더라이너 내주면(2)과 상기 피스톤 링(10a) 간의 윤활성능을 높이기 위해, 상기 복수의 파선형 미세그루브(25)의 깊이는 15~25 ㎛, 상기 제1 미세그루브(3)의 깊이는 1~20 ㎛, 상기 복수의 제2 미세그루브(20)의 깊이는 1~15 ㎛인 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 엔진의 실린더라이너와 피스톤의 작동관계를 보여주는 개략 부분확대도.

도 2는 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조를 보여주는 개략 부분확대도.

도 3은 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조가 적용되는 실린더라이너와 피스톤의 작동관계를 보여주는 개략 부분확대도.

도 4는 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조가 적용되는 미세그루브와 피스톤의 운동방향 간의 배열관계를 보여주는 개략 부분확대도.

도 5는 본 발명에 따른 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조가 적용된 실린더라이너 내주면을 보여주는 개략 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 실린더라이너 2: 실린더라이너 내주면

3: 제1 미세그루브 20: 제2 미세그루브

25: 파선형 미세그루브

Claims (9)

1. 피스톤(10)의 피스톤 링(10a)과 마찰되는 것으로서, 실린더라이너 내주면(2)에 호닝가공 시 형성된 복수의 제1 미세그루브(3)를 갖는 엔진의 실린더라이너(1)에 있어서,

   상기 실린더라이너 내주면(2)의 마찰영역에는 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 제2 미세그루브(20)가 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 실린더라이너 내주면(2)의 마찰영역에는 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 각각 일정각도를 갖는 복수의 파선형 미세그루브(25)가 더 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 제2 미세그루브(20) 중의 적어도 하나는 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 80~90°를 이루는 것인 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 복수의 파선형 미세그루브(25) 중의 적어도 하나는 상기 피스톤(10)의 운동방향에 대하여 80~90°를 이루는 것인 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 복수의 파선형 미세그루브(25)의 깊이는 15~25 ㎛인 것인 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 미세그루브(3)의 깊이는 1~20 ㎛인 것인 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 제2 미세그루브(20)의 깊이는 1~15 ㎛인 것인 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 복수의 파선형 미세그루브(25)는 피스톤(10)의 행정거리 구간 중에서 실리더라이너(1)의 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역에 형성된 것인 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수의 제1 미세그루브(3)는 적어도 복수의 파선형 미세그루브(25)의 패턴영역을 모두 포함하는 것인 엔진의 실린더라이너 보어의 미세그루브 구조.

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