KR20120043048A

KR20120043048A - 낮은 열전도성을 가진 피스톤 및 이 피스톤의 제작 방법

Info

Publication number: KR20120043048A
Application number: KR1020127005674A
Authority: KR
Inventors: 호세 레벨로; 토마스 에게러
Original assignee: 페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-05-03
Also published as: CN102510963B; CN102510963A; US20110030645A1; EP2462366A2; WO2011017581A2; EP2462366A4; BR112012002584A2; US8863718B2; KR101709624B1; JP2013501193A; EP2462366B1; WO2011017581A3

Abstract

피스톤 및 피스톤의 제작 방법이 제공된다. 상기 피스톤은 아래로 뻗어 있는 상부 구역을 가진 연소 표면을 가지고 있는 상부 크라운 및 한 쌍의 측방향으로 이격되어 있으며 축방향으로 정렬되어 있는 핀 보어가 형성된 한 쌍의 핀 보스를 가진 하부 크라운을 포함하고 있다. 상부 크라운은 약 7 내지 25 W/m-K의 범위 내의 열전도성을 가지는 제1 재료의 단일체로 만들어져 있다. 하부 크라운은 상부 크라운의 열전도성보다 큰 열전도성을 가지는 저급 강 재료로 만들어져 있다. 상부 크라운은 하부 크라운에 직접 연결되어 있으며, 상부 크라운은 열전도에 대한 장벽으로서 작용을 하므로, 왕복운동하는 피스톤을 수용하는 연소실 내의 열은 유지되고 극대화된다.

Description

낮은 열전도성을 가진 피스톤 및 이 피스톤의 제작 방법{LOW THERMAL CONDUCTIVITY PISTON AND METHOD OF CONSTRUCTION THEREOF}

본 발명은 대체로 내연 엔진에 관한 것이고, 보다 상세하게는 피스톤 및 피스톤의 제작 방법에 관한 것이다.

엔진 제조업자들은, 예를 들면, 연료 경제성을 향상시키는 것, 연료 연소를 개선하는 것, 오일 소모를 감소시키는 것 및 차량 내에서의 열의 추후적인 사용을 위해 배기 온도를 증가시키는 것을 포함하여 엔진 효율성 및 성능을 향상시키고자 하는 요구에 직면해 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서, 연소실 내에서의 엔진 작동 온도가 증가될 필요가 있다. 그러나, 연소실 내의 온도를 증가시키는 것이 바람직하지만, 피스톤을 작동가능한 온도로 유지시킬 필요가 있다. 피스톤을 연소실 내에서 작동가능한 온도로 유지시키는 것에 의해서, 피스톤의 상부 구역에 탄소의 축적이 시작되는 것이 컨트롤되고, 이로 인해 엔진의 작동 효율성이 개선된다. 이와 같이, 연소실 내의 온도를 증가시키는 것이 바람직한 것으로 생각되지만, 연소실 온도를 증가시키는 것은 피스톤, 특히 피스톤의 상부 구역의 전체적인 온도를 증가시킬 수 있다는 점에서 트레이드오프(tradeoff)가 존재한다.

연소실 작동 온도를 증가시키는 능력을 가지고 있는 피스톤을 구성하기 위한 몇가지 시도가 있었다. 한 가지 알려진 시도는 금속 피스톤 위에 세라믹 코팅을 이용한다. 그러나, 대체로 이러한 피스톤은 강도, 내구성 및 가공 문제점(processing issue)의 면에서 상기 피스톤이 사용하기에 부적합하다는 것을 경험한다. 다른 시도는 4% 내지 6%의 크롬 함유량 및 약 33 W/m-K의 열전도성을 가지는 보통 등급의 스테인레스 강을 이용하는 것을 포함하고 있는데, 어느 정도 유용하지만, 이러한 노력들은 원하는 상승된 작동 온도를 달성하고 지속시키기 위해서 열전도성에 있어서의 필요한 감소를 제공하지 못하고 있다.

본 발명에 따라 제작된 피스톤은 세라믹 코팅 피스톤과 관련된 단점들을 포함하여, 기존의 피스톤 구성의 단점들을 극복한다. 이와 같이, 본 발명에 따라 제작된 피스톤은, 연소실 온도를 증가시켜서, 높은 수준의 강도 및 내구성을 가지며 탄소 축적에 대한 가능성도 억제하면서 향상된 작동 효율성을 제공하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 한 실시형태에 따르면, 피스톤이 아래로 뻗어 있는 상부 구역을 가진 상부 연소 표면을 가지고 있는 상부 크라운 및 이 상부 크라운에 직접 용접된 하부 크라운을 포함하고 있다. 하부 크라운은 상부 크라운으로부터 한 쌍의 측방향으로 이격되어 있으며 축방향으로 정렬되어 있는 핀 보어로 뻗어 있는 한 쌍의 핀 보스를 가지고 있다. 상부 크라운은 약 7 내지 25 W/m-K의 범위 내의 열전도성을 가지는 제1 재료의 단일체로 만들어져 있다. 하부 크라운은 상부 크라운보다 큰 열전도성을 가지는 저급 강 재료로 만들어져 있다. 따라서, 상부 크라운은 열전도에 대한 장벽으로서 작용을 하므로, 왕복운동하는 피스톤을 수용하는 연소실 내의 열은 유지되고 극대화된다. 따라서, 엔진의 작동 효율성 및 전체적인 성능은 하류 엔진 사용처(downstream engine application)에 사용하기 위해 배기 가스 온도를 높이고, 연료 경제성을 증가시키고, 연료의 완전 연소를 촉진시키고, 피스톤 상부 구역에 탄소가 축적되는 것을 방지하는 것에 의해서 향상된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 사용시에 연소실 내의 온도는, 탄소 축적이 중단되는 대략적인 상한 온도로 결정되어 있는 약 섭씨 300도 이상으로 유지된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 고급 스테인레스 강 재료의 열전도성은 약 7 내지 25 W/m-K의 범위 내에 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상부 크라운은 약 11.5 내지 13.5 wt%의 크롬을 함유하며 약 23 W/m-K의 열전도성을 가지는 400 계열 스테인레스 강으로 만들어져 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상부 크라운은 약 15 내지 18 wt%의 크롬을 함유하며 약 13 W/m-K의 열전도성을 가지는 600 계열 스테인레스 강으로 만들어져 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상부 크라운은 대략 7.8 W/m-K의 열전도성을 가지는 티타늄으로 만들어져 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 내연 엔진용 피스톤을 제작하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 약 7 내지 25 W/m-K의 범위 내의 열전도성을 가지는 제1 재료의 단일체로 상부 크라운을 형성하는 것과, 상기 상부 크라운이 아래로 뻗어 있는 상부 구역을 가진 상부 연소 표면을 가지고, 상기 상부 구역은 피스톤 링을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 환형상의 링 그루브를 가지도록 상기 상부 크라운을 형성하는 것을 포함하고 있다. 부가적으로, 상기 방법은 상부 크라운보다 큰 열전도성을 가지는 저급 강 합금 재료로 하부 크라운을 형성하고, 상기 하부 크라운이 한 쌍의 측방향으로 이격되어 있으며 축방향으로 정렬되어 있는 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 가지도록 형성하는 것을 포함하고 있다. 또한, 상기 방벙은 하부 크라운을 상부 크라운에 직접 용접하는 것을 포함한다.

바람직한 실시예와 최적 모드의 아래의 상세한 설명, 첨부된 청구항 및 도면과 함께 고려하면 본 발명의 상기 실시형태, 특징 및 장점과 다른 실시형태, 특징 및 장점을 용이하게 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따라 제작된 피스톤의 부분 단면 사시도이고; 그리고
도 2는 대체로 도 1 피스톤의 핀 보어 축을 따라서 도시한 단면도이다.

도면을 보다 상세하게 참고하면, 도 1 및 도 2는, 예를 들면, 대형 디젤 엔진과 같은 내연 엔진의 실린더 보어 또는 챔버(도시되어 있지 않음) 내에서의 왕복운동을 위해 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라 제작된, 이하에서는 단순히 피스톤(10)이라고 칭하는, 피스톤 조립체를 도시하고 있다. 피스톤(10)은 주조나 단조, 또는 임의의 다른 제조 프로세스에 의해서 형성된 중심의 길이방향의 축(14)을 따라서 뻗어 있는 몸체(12)를 가지고 있고, 상기 중심의 길이방향의 축(14)을 따라서 피스톤(10)이 실린더 보어 내에서 왕복운동한다. 몸체(12)는 하부 크라운(18)에 연결된 상부 크라운(16)을 가지고 있다. 하부 크라운(18)은 중심의 길이방향의 축(14)을 대체로 가로질러서 뻗어 있는 핀 보어 축(24)을 따라서 정렬된 측방향으로 이격된 핀 보어(22)를 제공하기 위해 상부 크라운(16)으로부터 아래로 뻗은 한 쌍의 핀 보스(20)를 가지고 있다. 상기 핀 보스(20)는 지주(strut) 부분(28)을 통하여 측방향으로 이격된 스커트(skirt) 부분(26)에 연결되어 있다. 스커트 부분(26)은 핀 보어 축(24)를 따라 대향하는 양 쪽을 가로질러서 서로 직경방향으로 이격되어 있으며 피스톤(10)이 실린더 보어 전체에 걸쳐서 왕복운동할 때 피스톤(10)을 원하는 방향으로 유지시키기 위해 실린더 보어 내에서 협력하도록 형성된 볼록한 외측 표면을 가지고 있다. 상부 크라운(16)은 제1 재료로 단일체로 만들어져 있는 반면에, 하부 크라운(18)은 상기 제1 재료와는 다른 제2 재료로 상부 크라운(16)과는 별개의 부분으로 만들어져 있다. 제1 재료는 제2 재료보다 낮은 열전도성을 가지고 있고, 이하에서는 제1 재료를 낮은 열전도성을 가지는 것이라고 하는데, 여기서 "낮은 열전도성" 이란 약 7 내지 25 W/m-K의 범위 내에 있는 것을 의미한다. 따라서, 상부 크라운(16)은, 상부 크라운(16)으로부터 하부 크라운(18) 쪽으로 열전달에 대해 열전도에 대한 장벽으로서 작용을 하므로, 그 결과 상부 크라운(16) 상부의 실린더 보어 내에 발생된 열은 실린더 보어 내에 실질적으로 유지되고, 이로 인해, 연료 연소를 개선하고, 탄소 축적의 형성을 감소시키고, 배기 가스 온도를 상승시키며 그 밖의 다른 방식으로 엔진 작동 성능을 향상시킨다.

피스톤(10)의 상부 크라운(16)은 실린더 보어에 원하는 가스 유동을 제공하기 위해서 오목하게 형성된 연소 용기(32)를 가진 상부 연소 표면(30)을 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 상부 구역(34) 및 링 벨트(36)을 포함하는 외측 벽(33)은 상부 연소 표면(30)으로부터 외측 자유 단부(40)로 아래쪽으로 뻗어 있으며, 피스톤링(도시되어 있지 않음)의 유동적인(floating) 수용을 위해 적어도 하나의 환형상의 링 그루브(38)가 링 벨트(36)에 형성되어 있다. 환형상의 내측 리브(41)가 연소 용기(32)의 하부 표면으로부터 내측 자유 단부(42)로 뻗어 있고, 상기 내측 리브는 외측 자유 단부(40) 아래로 뻗어 있다. 따라서, 외측 벽(33) 및 내측 리브(41)는 환형상의 상부 외측 통로 부분(43)을 형성한다. 한 가지 바람직한 실시예에 따르면, 상부 크라운(16)이 고급 스테인레스 강 재료, 다시 말해서, 약 11.5 내지 13.5 wt%의 크롬 함유량 및 약 23 W/m-K의 열전도성을 가지는 400 계열 스테인레스 강으로 만들어져 있다. 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상부 크라운(16)이 다른 고급 스테인레스 강 재료, 다시 말해서, 약 15 내지 17.5 wt%의 크롬 함유량 및 약 13 W/m-K의 열전도성을 가지는 600 계열 스테인레스 강으로 만들어져 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상부 크라운(16)이 약 7.8 W/m-K의 열전도성을 가지는 티타늄으로 만들어져 있다.

하부 크라운(18)은, 하나의 예로서, 단조 프로세스와 같은 것에 의해 상부 크라운(16)과는 별개로 만들어져, 환형상의 하부 외측 통로 부분(47)을 형성하는 위로 뻗은 환형상의 외측 리브 자유 단부(44) 및 위로 뻗은 환형상의 내측 리브 자유 단부(46)를 통하여 상부 크라운(16)에 연결되어 있다. 상부 크라운(16)과 하부 크라운(18)은, 예를 들면, 각각의 외측 자유 단부(40, 44)와 내측 자유 단부(42, 46)를 가로질러서 형성된 마찰 용접 또는 임의의 다른 적절한 타입의 용접 조인트(45)에 의해 함께 연결되어 있는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 실질적으로 폐쇄된 외측 오일 통로(48)가 반대로 향하는 통로 부분(43, 47)에 의해 상부 크라운(16)과 하부 크라운(18) 사이에 형성되어 있고, 개방된 내측 통로(50)가 연소 용기(32)의 중심 부분의 아래에서 핀 보어(22)의 위쪽으로 형성되어 있다. 본 발명에 따라 제작된 피스톤(10)은, 예를 들면, 상이한 구성의 오일 통로를 가지고 있는, 다른 방식으로 형성된 상부 크라운 부분 및 하부 크라운 부분을 가질 수 있다는 사실을 인식하고 있어야 한다. 하부 크라운(18)은 임의의 적절한 경제적인 재료, 보다 바람직하게는 저급 강 합금, 예를 들면, 4140H, 또는 비조질강(micro-alloyed steel)과 같은 경제적인 금속 재료로 만들어져 있다.

작동시에, 낮은 열전도성을 가지는 강으로 만들어진 상부 크라운(16)은, 상부 연소 표면(30) 상부의 실린더 보어 내의 열에 대해 열전달에 대한 장벽으로서 작용한다. 따라서, 상부 크라운(16), 특히, 상부 구역(34) 부분은 단열 히트 싱크(insulative heat sink)로서 작용하고, 이로 인해 사용하는 동안 상부 구역(34)의 온도를 약 섭씨 300도 이상으로 상승시킨다. 따라서, 상부 구역(34)에 탄소 축적이 최소화되고, 그 결과, 링 그루브(38)내에 배치된 한 개의 링 또는 복수의 링(도시되어 있지 않음)이 실린더 벽에 대한 밀봉성이 저해되지 않는다. 탄소 축적은 대체로 약 섭씨 200도와 섭씨 300도 사이에서 발생하는 경향이 있고, 섭씨 300도 이상에서는 탄소가 연소되어 없어지므로, 상부 구역(34)에 축적되지 않는다. 따라서, 상부 구역(34)을 섭씨 300도 이상으로 유지되게 함으로써, 탄소의 축적이 방지된다. 부가적으로, 상부 크라운(16)을 통하여 아래쪽으로 열이 전도되는 것을 제한함으로써, 배기 가스의 온도가 상승되고, 이것에 의해, 예를 들면, 터보 복합(turbo compound) 동작과 같은, 다른 엔진 동작에서 사용하기 위한 추가적인 에너지원을 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 내연 엔진용 피스톤(10)을 제작하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 상부 크라운(16)을 약 7 내지 25 W/m-K의 범위 내의 열전도성을 가지는 제1 재료의 단일체로 형성하는 단계를 포함하고 있고, 이 상부 크라운(16)은 아래로 뻗어 있는 상부 구역(34)을 가진 상부 연소 표면(30)을 가지도록 형성되어 있으며, 상부 구역(34)은 피스톤링(도시되어 있지 않음)을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 환형상의 링 그루브(38)를 가지도록 형성되어 있다. 상기 방법은 상부 크라운(16)을 약 11.5 내지 13.5 wt%의 크롬을 함유하며 약 23 W/m-K의 열전도성을 가지는 고급 스테인레스 강, 약 15 내지 18 wt%의 크롬을 함유하며 약 13 W/m-K의 열전도성을 가지는 고급 스테인레스 강, 또는 대략 7.8 W/m-K의 열전도성을 가지는 티타늄 중의 하나로 형성하는 단계를 더 포함하고 있다. 상기 방법은, 하부 크라운(18)이 상부 크라운(16)보다 더 높은 열전도성을 가지게 형성되도록, 하부 크라운(18)을, 예를 들면, 약 1 wt%의 크롬 및 약 43 W/m-K의 열전도성을 가지는, 저급 강 합금 재료로 형성하는 단계를 더 포함하고 있다. 또한, 상기 방법은 하부 크라운(18)을 한 쌍의 측방향으로 이격되어 있으며, 축방향으로 정렬되어 있는 핀 보어(22)를 제공하는 한 쌍의 핀 보스(20)를 가지도록 형성하는 단계를 포함하고 있다. 그 다음에, 예를 들면, 마찰 용접 프로세스와 같은 공정으로 하부 크라운(18)을 상부 크라운(16)에 직접 용접하는데, 이때 상부 크라운(16)의 아래로 뻗은 외측 벽(33) 및 아래로 뻗은 내측 리브(41)는 하부 크라운(18)의 위로 뻗은 환형상의 외측 리브 자유 단부(44) 및 위로 뻗은 환형상의 내측 리브 자유 단부(46)에 각각 용접되어 실질적으로 폐쇄된 외측 통로(48)를 형성한다.

명백히, 상기의 개시내용에 기초하여 본 발명의 다양한 변형 및 수정이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 기술영역 내에서, 본 발명은 상기한 것과 달리 실시될 수 있다.

Claims

내연 엔진용 피스톤으로서,
약 7 내지 25 W/m-K의 범위 내의 열전도성을 가지는 제1 재료의 단일체로 만들어진 상부 크라운; 그리고
상기 상부 크라운에 직접 용접된 하부 크라운;
을 포함하고 있고,
상기 상부 크라운은 아래로 뻗어 있는 상부 구역을 가진 상부 연소 표면을 가지고 있고, 상기 상부 구역은 피스톤 링을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 환형상의 링 그루브를 가지고 있고,
상기 하부 크라운은 상기 상부 크라운보다 큰 열전도성을 가지는 저급 강 합금 재료로 만들어져 있고, 상기 하부 크라운은 한 쌍의 측방향으로 이격되어 있으며 축방향으로 정렬되어 있는 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤.
제1항에 있어서, 상부 크라운은 약 11.5 내지 13.5 wt%의 크롬을 함유하며 약 23 W/m-K의 열전도성을 가지는 400 계열 스테인레스 강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤.
제1항에 있어서, 상부 크라운은 약 15 내지 18 wt%의 크롬을 함유하며 약 13 W/m-K의 열전도성을 가지는 600 계열 스테인레스 강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤.
제1항에 있어서, 상부 크라운은 대략 7.8 W/m-K의 열전도성을 가지는 티타늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤.
제1항에 있어서, 하부 크라운은 약 1 wt%의 크롬을 함유하며 약 43 W/m-K의 열전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤.
내연 엔진용 피스톤을 제작하는 방법으로서,
약 7 내지 25 W/m-K의 범위 내의 열전도성을 가지는 제1 재료의 단일체로 상부 크라운을 형성하는 단계;
상기 상부 크라운보다 큰 열전도성을 가지는 저급 강 합금 재료로 하부 크라운을 형성하는 단계; 그리고
상기 하부 크라운을 상기 상부 크라운에 직접 용접하는 단계;
를 포함하고 있고,
상기 상부 크라운은 아래로 뻗어 있는 상부 구역을 가진 상부 연소 표면을 가지도록 형성되어 있고, 상기 상부 구역은 피스톤 링을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 환형상의 링 그루브를 가지고 있고,
상기 하부 크라운은 한 쌍의 측방향으로 이격되어 있으며 축방향으로 정렬되어 있는 핀 보어를 제공하는 한 쌍의 핀 보스를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤의 제작 방법.
제6항에 있어서, 상부 크라운을 약 11.5 내지 13.5 wt%의 크롬을 함유하며 약 23 W/m-K의 열전도성을 가지는 고급 스테인레스 강으로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤의 제작 방법.
제7항에 있어서, 하부 크라운을 약 1 wt%의 크롬을 함유하며 약 43 W/m-K의 열전도성을 가지도록 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤의 제작 방법.
제6항에 있어서, 상부 크라운을 약 15 내지 18 wt%의 크롬을 함유하며 약 13 W/m-K의 열전도성을 가지는 고급 스테인레스 강으로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤의 제작 방법.
제6항에 있어서, 상부 크라운을 대략 7.8 W/m-K의 열전도성을 가지는 티타늄으로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤의 제작 방법.
제6항에 있어서, 하부 크라운을 약 1 wt%의 크롬을 함유하며 약 43 W/m-K의 열전도성을 가지도록 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 엔진용 피스톤의 제작 방법.