KR20140004311A - 내연기관 및 그 제조방법 - Google Patents

내연기관 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소 효율을 높이고, 연소시 발생되는 에너지로부터 촉매를 활성화시켜 연소 후에 발생되는 배기가스를 분해할 수 있는 내연기관 및 그 제조방법을 위하여, 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는 연소실 내면의 적어도 일부 상에 형성된 열팽창 버퍼층, 상기 열팽창 버퍼층 상에 형성된 단열층 및 상기 단열층 상에 형성되며 연소 배기가스를 분해하는 광촉매층을 포함하는, 내연기관을 제공한다.

Description

내연기관 및 그 제조방법{Internal combustion engine and manufacturing method thereof}
본 발명은 엔진 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 내연기관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 내연/외연 기관을 포함하는 엔진은 연료를 연소시켜서 발생하는 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 연료가 연소되는 과정에서 발생하여 외부로 방출하는 배기가스는 대기를 오염시키고 인체에도 해로운 경우가 많으므로, 세계 각국은 배기가스에 대하여 각종 규제들을 적용하고 있다.
이산화티타늄(TiO2)은 산화력이 매우 커서 향균, 살균, 악취제거 등의 효과가 있으며, 광촉매, 향균제 및 악취제거제 등으로 사용되고 있다. 현재 세계적 제조량은 약 300만톤/year으로 주로 백색 도료로 소비되고 있다. 광촉매는 안정해야 하며, 빛을 흡수하여 다른 물질을 산화시키는 능력이 뛰어나야 하는데, 이산화티타늄은 이러한 면에서 적합하다. 또한, 무독성으로 수용액이나 산, 염기 용액에 녹지 않고 유기물을 광분해 시키며 띠간격(band gap)은 3.0~3.2eV로 상대적으로 큰 편이기 때문에 자외선(ultraviolet wave) 영역의 빛, 특히, 385nm 파장의 빛을 흡수하여 광촉매 역할을 수행한다. 다른 염료나 색상을 띠는 유기물과 섞어 광촉매 역할을 수행하면 가시광선(visible light)영역의 빛으로도 광촉매 역할을 수행할 수 있다.
그러나 이러한 종래의 내연기관 및 그 제조방법의 경우에는 연소 효율이 낮고, 연소시 발생하는 배기가스, 예컨대 디젤 엔진 등에서 발생하는 질소산화물(NOx) 등을 분해하기 위해 별도의 배기관 등에 선택적 촉매환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 장치 등을 구비해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 연소 효율을 높이고, 연소시 발생되는 에너지로부터 촉매를 활성화시켜 연소 후에 발생되는 배기가스를 분해할 수 있는 내연기관 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는, 연소실 내면의 적어도 일부 상에 형성된 열팽창 버퍼층, 상기 열팽창 버퍼층 상에 형성된 단열층, 상기 단열층 상에 형성되며 연소 배기가스를 분해하는 광촉매층을 포함하는, 내연기관이 제공된다.
상기 열팽창 버퍼층은 상기 연소실 내면의 적어도 일부보다 열팽창계수가 작고 상기 단열층보다 열팽창계수가 커서 상기 연소실 내면의 적어도 일부와 상기 단열층 간의 열팽창계수의 차이를 완화하여 접합력을 개선하는 버퍼층을 포함할 수 있다.
상기 열팽창 버퍼층은 니켈크롬(NiCr) 합금을 포함하며, 상기 단열층은 지르코니아(ZrO2)를 포함하고, 상기 광촉매층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 단열층은, 연소 효율을 개선하도록, 폐쇄된 기공이 내부에 형성된 단열층을 포함할 수 있다.
상기 광촉매층은 개기공/폐기공이 내부에 형성된 광촉매층을 포함할 수 있다.
상기 열팽창 버퍼층이 형성되는 상기 연소실 내면은 표면이 요철을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는 연소실 내면의 적어도 일부 상에 형성된 열팽창 버퍼층 및 상기 열팽창 버퍼층 상에 형성된 단열 및 광촉매 복합층을 포함하는, 내연기관이 제공된다.
상기 단열 및 광촉매 복합층은 지르코니아(ZrO2)를 포함하고 동시에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 열팽창 버퍼층이 형성되는 상기 연소실 내면은 표면이 요철을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는 연소실 내면의 적어도 일부 상에 요철을 형성하도록 표면처리를 수행하는 단계, 상기 연소실 내면의 적어도 일부 상에 열팽창 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 열팽창 버퍼층 상에 단열층을 형성하는 단계 및 상기 단열층 상에 연소 배기가스를 분해하는 광촉매층을 형성하는 단계를 포함하는, 내연기관의 제조방법이 제공된다.
상기 표면처리는, 샌드블라스트, 폴리싱, 레이져텍스쳐링 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
상기 단열층을 형성하는 단계는 플라즈마 용사(plasma thermal spray)법을 이용하여 단열층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광촉매층을 형성하는 단계는 화학 기상 증착(CVD)법, 플라즈마 용사(plasma thermal spray)법, 스핀코팅법 또는 딥코팅법을 이용하여 광촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는 연소실 내면의 적어도 일부 상에 요철을 형성하도록 표면처리를 수행하는 단계, 상기 연소실 내면의 적어도 일부 상에 열팽창 버퍼층을 형성하는 단계 및 상기 열팽창 버퍼층 상에 단열 및 광촉매 복합층을 형성하는 단계를 포함하는, 내연기관의 제조방법이 제공된다.
상기 열팽창 버퍼층 상에 단열 및 광촉매 복합층을 형성하는 단계는, 지르코니아(ZrO2)를 포함하는 제1분말을 준비하는 단계, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 제2분말을 준비하는 단계, 상기 열팽창 버퍼층 상에 상기 제1분말과 상기 제2분말을 혼합 분사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소 효율을 높이고, 연소시 발생되는 에너지로부터 촉매를 활성화시켜 연소 후에 발생되는 배기가스를 분해할 수 있는 내연기관 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소실 내면에 형성되는 기능성 코팅층을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연소실 내면에 형성되는 기능성 코팅층을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 코팅층을 형성하는 방법을 도해하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기능성 코팅층을 형성하는 방법을 도해하는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하의 실시예에서, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면에서 묘사되는 방향에 추가하여 구조체의 다른 방향들을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 구조체의 상하가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 언급되는 연소실 내면은 실린더(20)의 내부면(20a), 실린더 헤드(25)의 상면(25a) 및 피스톤 헤드(30) 상면(30a) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 언급되는 기능성 코팅층은 실린더 헤드 및 피스톤 헤드 등을 포함하는 연소실 내면인, 금속모재 상에 형성될 수 있는 코팅층으로서, 열팽창 버퍼층, 단열층 및 광촉매층이 차례로 형성된 코팅층 또는 열팽창 버퍼층 상에 단열 및 광촉매 복합층이 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 일부로서, 내연기관을 개략적으로 도시하는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속모재 상에 형성되는 기능성 코팅층을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
내연기관(100)은 가솔린기관이나 디젤기관 등을 포함할 수 있고, 이러한 내연기관(100)은 연료와 공기를 혼합하여 연소를 발생시키는 연소실(10)을 포함한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 연소실(10)을 포함하는 내연기관(100)은 실린더(20), 실린더 헤드(25), 피스톤 헤드(30), 흡기밸브(41), 배기밸브(42) 및 연료분사노즐(50)을 포함할 수 있다. 이러한 실린더(20), 실린더 헤드(25), 피스톤 헤드(30), 흡기밸브(41) 및 배기밸브(42)는 금속으로 이루어 졌으므로 금속모재(55)로 불릴 수 있고, 금속모재(55)의 상에는, 기능성 코팅층(60, 60a)이 형성될 수 있다. 추가적으로 금속모재(55) 상에는 요철(미도시)이 형성될 수도 있다. 금속모재(55) 상에 형성된 요철을 통해 후술하는 기능성 코팅층(60, 60a)과의 접합력을 증가시킬 수 있다.
상기 연소실(10) 내면의 적어도 일부 상에는 기능성 코팅층(60, 60a)이 형성될 수 있다. 도 1에서는 일 예로서, 피스톤 헤드(30) 상에 기능성 코팅층(60, 60a)이 형성된 것을 도시하였으며, 기능성 코팅층(60)은 이 밖에 연소실(10)의 내면 즉, 금속모재(55) 상에 형성될 수 있다. 기능성 코팅층(60, 60a)에 관한 상세한 설명은 후술한다.
연소실(10) 내면의 적어도 일부를 포함하는, 금속모재(55)의 상에는 요철(미도시)이 형성될 수 있다. 예컨대, 요철은 연소실 내면을 구성하는 실린더(20)의 내부면(20a), 실린더 헤드(25)의 상면(25a) 및 피스톤 헤드(30) 상면(30a) 중 적어도 하나의 상에 형성될 수 있다. 요철이 형성된 금속모재(55) 상에는 열팽창 버퍼층(61)이 형성될 수 있다. 이러한 열팽창 버퍼층(61)은 연소실의 내면뿐만 아니라 흡기밸브(41) 및 배기밸브(42)의 상에도 형성될 수 있으며 이러한 부분들은 금속모재(55)에 포함 될 수 있다. 열팽창 버퍼층(61) 상에는 단열층(62)을 형성할 수 있고, 단열층(62) 상에는 연소 배기가스를 분해하는 광촉매층(63)을 형성할 수 있다. 이렇게 금속모재(55) 상에 형성된 층들은 기능성 코팅층(60)이라 불릴 수 있다.
열팽창 버퍼층(61)은 열팽창 버퍼층(61) 상에 형성되는 단열층(62)과 금속모재(55)와의 접합력을 향상시키고, 열팽창계수 차이에 의한 내구수명의 한계를 극복하기 위해 형성하는 층으로써 예컨대, 니켈크롬(NiCr) 합금 등을 포함할 수 있다. 이러한 열팽창 버퍼층(61)은 연소실(10) 내면의 적어도 일부보다 열팽창 계수가 작고 상기 단열층(62) 보다는 열팽창 계수가 커서 금속모재(55)와 상기 단열층(62) 간의 열팽창계수의 차이를 완화하여 접합력을 개선할 수 있다.
단열층(62)은 플라즈마 용사(Plasma Thermal spray)법을 이용하여 금속모재(55) 상에 형성된 열팽창 버퍼층(61) 상에 형성될 수 있다. 이러한 단열층(62)을 형성하는 단열 소재로는 낮은 열전도도와 우수한 내열 및 내식성을 가지는 지르코니아(Zirconia, ZrO2)를 사용할 수 있다. 상기 금속모재(55)와 접합력이 개선된 단열층(62)은 연소실(10) 내의 연료의 연소시 열효율을 올릴 수 있다. 뿐만 아니라 금속표면의 작동온도를 낮추고, 고온가스에 대한 부식저항을 향상시키는 등 연소실(10) 내면의 내구성과 연소시 열효율을 증가시켜 연비를 향상시킬 수 있다. 나아가, 배기가스의 유독가스로 분류되는 탄화수소류(CnHm), 예컨대, 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2) 등도 저감할 수 있다.
이러한 유독가스의 저감과 열효율을 증가시킬 수 있는 장점에도 불구하고, 단열층(62)만 형성하였을 경우에는, 또 다른 유독가스인 질소산화물(NOx)이 증가할 우려가 있다. 따라서 단열층(62)을 형성할 경우에는 질소산화물을 제거하기 위해, 예컨대, 배기관 등에 NOx 저감기술인 선택적 촉매환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 장치 등을 따로 설치하여야 했으나, 본 발명의 일 실시예에서는 단열층(62) 상에 광촉매층(63)을 형성함으로써 연소효율의 증가와 동시에 질소산화물과 같은 유독가스 문제도 해결할 수 있다.
한편, 지르코니아로 형성된 단열층(62) 내부에는 폐쇄된 기공이 형성될 수 있으며, 이러한 폐쇄된 기공 내부에는 불활성 가스가 포함될 수 있다. 불활성 가스로 이루어진 기공은 금속재료에 비해 현저하게 낮은 열전도도를 나타낼 수 있으며, 이러한 폐쇄된 기공을 통해 단열층(62)의 단열성을 더 높일 수 있다.
단열층(62) 상에는 상술한 바와 같이 연소 배기가스를 분해하는 광촉매층(63)이 형성될 수 있다. 이러한 광촉매층(63)은 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 단열층(62) 상에는 티타늄산화물 중 하나인 이산화티타늄(TiO2)을 형성할 수 있다. 이산화티타늄(TiO2)은 유기물을 광분해 시킬수 있고, 자외선 영역의 빛, 특히 385nm 부근의 빛을 흡수하여 광촉매 역할을 수행할 수 있다. 가솔린엔진의 연소시에는 450nm의 청색빛과 자외선 등이 발생하고, 디젤엔진의 연소시에는 562nm의 노란불빛 및 자외선 등이 발생한다. 따라서, 자외선 등이 광촉매층(63)이 형성되어 있는 실린더 헤드(25)의 상면 및 피스톤 헤드(30)의 상면 등 연소실(10)의 내면에 조사되면, 광촉매는 활성화 되고, 연소실(10) 내에서 발생한 배기가스가 아래의 반응식 1과 같은 환원 반응에 의해 분해될 수 있다. 이러한 반응은 광촉매층(63)과 배기가스의 접촉을 통해 일어날 수 있다.
금속모재(55) 상에 열팽창 버퍼층(61), 단열층(62) 및 광촉매층(63)이 차례로 형성된 기능성 코팅층(60)을 통해 유독가스로 분류되는 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2) 등을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 질소산화물(NOx) 또한 선택적 촉매환원(SCR) 장치 같은 별도의 장치를 구비할 필요 없이 연소실 내에서 발생하는 반응에 의해 감소시킬 수 있다. 따라서, 비용면에서 경제적이고 간단한 방법으로 연비의 향상 및 배기가스를 저감할 수 있다.
한편, 광촉매층은 개방된 기공을 포함할 수 있으며, 이러한 개방된 기공을 통해 배기가스의 입출입이 가능할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연소실 내면에 형성되는 기능성 코팅층을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 이 실시예에 따른 기능성 코팅층은 도 2를 참조할 수 있고, 중복된 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 실린더(20), 실린더 헤드(25), 피스톤 헤드(30)를 포함하는 금속모재(55)의 적어도 일부 상에, 즉 연소실(10) 내면의 적어도 일부 상에 요철(미도시)을 형성할 수 있다. 예컨대, 요철은 연소실 내면을 구성하는 실린더(20)의 내부면(20a), 실린더 헤드(25)의 상면(25a) 및 피스톤 헤드(30) 상면(30a) 중 적어도 하나의 상에 형성될 수 있다. 요철이 형성된 금속모재(55) 상에는 열팽창 버퍼층(61)이 형성될 수 있다. 열팽창 버퍼층(61) 상에는 단열 및 광촉매 복합층(64)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 열팽창 버퍼층(61) 상에 광촉매 복합층(64)이 형성된 층은 기능성 코팅층(60a)으로 불릴 수 있고, 기능성 코팅층(60a)에 포함된 열팽창 버퍼층(61)은 금속모재(55)와 단열 및 광촉매 복합층(64)과의 접합력을 개선할 수 있으며, 니켈크롬(NiCr) 합금 등으로 이루어질 수 있다.
단열 및 광촉매 복합층(64)은 상술한 단열층(62)과 광촉매층(63)을 혼합한 층으로서, 열팽창 버퍼층(61) 상에 형성될 수 있으며, 지르코니아(ZrO2)를 포함하고, 동시에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 단열 및 광촉매 복합층(64)은 금속 표면의 작동온도를 낮추고, 고온가스에 대한 부식저항을 향상시킴으로써 연소효율 및 열효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물(NOx)을 포함하는 배기가스 등을 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 코팅층을 형성하는 방법을 도해하는 순서도이다. 이 실시예에 따른 기능성 코팅층은 도 2 및 도 3을 참조할 수 있고, 중복된 설명은 생략할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 실린더 헤드(25) 및 피스톤 헤드(30)를 포함하는 연소실(10) 내면, 즉, 금속모재(55)를 표면처리 할 수 있다(S210). 표면처리는 샌드블라스트, 폴리싱, 레이저텍스쳐링 등의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 샌드블라스트 방법을 사용하면 금속모재(55)의 표면에 알루미나 분말 및 세라믹 분말 등을 분사하여 요철을 형성할 수 있고, 폴리싱 방법을 통해 금속모재(55)를 습식 또는 건식 식각하여 요철을 형성할 수 있다. 레이저텍스쳐링 방법은 금속모재(55) 상에 레이저를 반복해서 발사해 요철을 형성하며 펄스식 레이저를 사용할 수 있고, 레이저 빔의 파장은 금속모재(55)의 재질에 의해 선택될 수 있다. 이밖에 금속모재(55) 상에 요철을 형성할 수 있는 방법은 어떤 것이든 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
요철이 형성된 금속모재(55)의 적어도 일부 상에 열팽창 버퍼층(61)을 형성할 수 있다(S220). 열팽창 버퍼층(61)은 연소실(10) 내면의 적어도 일부보다 열팽창 계수가 작고 상기 단열층(62)보다는 열팽창 계수가 커서 연소실(10) 내면의 적어도 일부와 단열층(62)과의 접합력을 향상시킬 수 있다. 이러한 열팽창 버퍼층(61)으로는 니켈크롬(NiCr) 합금 등을 포함할 수 있으며, 니켈 분말 및 크롬 분말을 혼합한 혼합분말을 후술하는 플라즈마 용사법(plasma thermal spray) 등을 이용하여 형성 할 수 있다.
이어, 상기 열팽창 버퍼층(61) 상에 열전도도가 낮으며 내구성이 높은 단열층(62)을 형성할 수 있다(S230). 단열층(62)은 플라즈마 용사법을 이용하여 형성 할 수 있으며, 지르코니아 분말을 융점 이상의 온도로 가열하여 용융시킨 후 열팽창 버퍼층(61)이 형성된 금속모재(55) 상에 도포시킬 수 있다. 예를 들어, 열팽창 버퍼층(61)이 형성된 실린더 헤드(25) 상면(25a)에 용융된 지르코니아를 도포한 후 골고루 다 도포되었다고 판단되는 시점에서 이를 응고시킴으로써 실린더 헤드(25) 상면(25a)에 단열층(62)을 형성할 수 있다.
실린더 헤드(25)의 상면(25a)에 단열층(62)을 형성한 것과 같이, 연소실(10)의 내면에 포함되는 피스톤 헤드(30)의 상면과 같은 다른 부분에도 플라즈마 용사법을 이용하여 단열층(62)을 형성할 수 있다. 플라즈마 용사법을 수행하는 동안 불활성 분위기를 조성함으로써 산화되는 정도를 제어 할 수 있으며, 이러한 불활성 가스로는 질소, 아르곤 및 헬륨 등을 포함할 수 있다. 단열층(62)의 내부에는 불활성 가스 등이 개재될 수 있다. 이렇게 개재된 불활성 가스는 응고 과정에서 금속분말의 용착으로 형성된 겹합체 내부에 포획되어 외부로 빠져나가지 못하여 형성될 수 있다. 폐쇄된 기공이 개재된 단열층(62)은 낮은 열전도도를 나타내게 되고, 연소실(10) 내부의 열을 차단하여 연소 효율을 증가시키며, 연비를 향상시키는 결과를 가져올 수 있다.
상기 단열층(62) 상에는 연소 배기가스를 분해하는 광촉매층(63)을 형성할 수 있다(S240). 광촉매층(63)을 구성하는 물질로는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 이러한 광촉매층(63)을 형성하는 방법으로는 화학 기상 증착(CVD)법, 플라즈마 용사(plasma thermal spray)법, 스핀코팅법 또는 딥코팅법을 이용할 수 있다.
예를 들어, 단열층(62) 상에는 광촉매층(63)으로 이산화 티타늄(TiO2)을 형성할 수 있는데, 이산화 티타늄(TiO2)은 결정구조에 따라 아나타제(anatase)형, 루틸(rutile)형 등으로 구분할 수 있으며, 루틸형에 비해 광분해 효율이 큰 아나타제형이 80~100% 포함된 분말원료를 단열층(62) 상에 용사코팅하여 광촉매층(63)을 형성할 수 있다.
이렇게, 금속모재(55) 상에 열팽창 버퍼층(61), 단열층(62) 및 광촉매층(63)을 차례로 형성한 기능성 코팅층(60)을 통해 열효율을 향상시키고, NOx와 같은 배기가스를 분해할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기능성 코팅층을 형성하는 방법을 도해하는 순서도이다. 이 실시예에 따른 기능성 코팅층은 도 2 내지 도 4를 참조할 수 있고, 중복된 설명은 생략할 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 실린더 헤드(25) 및 피스톤 헤드(30)를 포함하는 연소실(10) 내면의 적어도 일부 상에 표면처리를 통해 금속모재(55)의 상에 요철을 형성할 수 있다(S210). 표면처리는 샌딩 등을 통하여 형성할 수 있으며, 이러한 금속모재(55) 상에 형성된 요철을 통해 후술하는 기능성 코팅층(60, 60a)과의 접합력을 증가시킬 수 있다. 요철이 형성된 금속모재(55) 상에는 열팽창 버퍼층(61)을 형성할 수 있다(S220). 열팽창 버퍼층(61)은 상술한바와 같이, 금속모재(55)와 단열층(62)과의 접합력을 향상시킬 수 있다. 이러한 열팽창 버퍼층(61)으로는 니켈크롬(NiCr) 합금 등을 포함할 수 있으며, 니켈 분말 및 크롬 분말을 혼합한 혼합분말을 플라즈마 용사법(plasma thermal spray) 등을 이용하여 형성 할 수 있다.
이어, 상기 열팽창 버퍼층(61) 상에 단열 및 광촉매 복합층(64)을 형성할 수 있다(S250). 단열 및 광촉매 복합층(64)은 지르코니아(ZrO2)를 포함하고, 동시에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기와 같은 열팽창 버퍼층(61) 상에 단열 및 광촉매 복합층(64)을 형성한 기능성 코팅층(60a)을 통해 열효율의 향상 및 NOx와 같은 배기가스를 저감할 수 있다.
단열 및 광촉매 복합층(64)을 형성하는 방법으로는, 먼저 지르코니아(ZrO2)를 포함하는 제1분말을 준비할 수 있다. 다음, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 제2분말을 준비할 수 있다. 그 후, 상기 제1분말과 상기 제2분말을 혼합시키고, 플라즈마 용사법 등을 이용하여 혼합된 분말을 상기 열팽창 버퍼층(61)이 형성되어 있는 연소실(10) 내면의 적어도 일부에 혼합 분사할 수 있다. 분사된 상기 제1분말과 제2분말이 혼합된 분말은 예컨대, 플라즈마 용사법을 이용할 경우 분말들이 융점 이상의 온도로 가열되고, 열팽창 버퍼층(61)이 형성된 금속모재(55) 상에 도포된 후 응고되어 단열 및 광촉매 복합층(64)을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같은, 기능성 코팅층(60, 60a)을 포함하는 내연기관은 금속 표면의 작동온도를 낮추고, 고온가스에 대한 부식저항을 향상시킴으로써 연소효율을 증가시켜 연비를 향상시킬 수 있다. 나아가, 질소산화물(NOx)을 포함하는 배기가스 등을 감소시킬 수 있으며, 탄화수소(HC) 및 이산화탄소(CO2) 등의 유독가스 또한 동시에 저감할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 내연기관 10: 연소실
20: 실린더 25: 실린더 헤드
30: 피스톤 헤드 41: 흡기밸브
42: 배기밸브 50: 연료분사노즐

Claims (15)

  1. 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는 연소실 내면의 적어도 일부 상에 형성된 열팽창 버퍼층;
    상기 열팽창 버퍼층 상에 형성된 단열층; 및
    상기 단열층 상에 형성되며 연소 배기가스를 분해하는 광촉매층;
    을 포함하는, 내연기관.
  2. 제1항에서,
    상기 열팽창 버퍼층은 상기 연소실 내면의 적어도 일부보다 열팽창계수가 작고 상기 단열층보다 열팽창계수가 커서 상기 연소실 내면의 적어도 일부와 상기 단열층 간의 열팽창계수의 차이를 완화하여 접합력을 개선하는 버퍼층을 포함하는, 내연기관.
  3. 제1항에서,
    상기 열팽창 버퍼층은 니켈크롬(NiCr) 합금을 포함하며, 상기 단열층은 지르코니아(ZrO2)를 포함하고, 상기 광촉매층은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 내연기관.
  4. 제1항에서,
    상기 단열층은, 연소 효율을 개선하도록, 폐쇄된 기공이 내부에 형성된 단열층을 포함하는, 내연기관.
  5. 제1항에서,
    상기 광촉매층은 개기공/폐기공이 내부에 형성된 광촉매층을 포함하는, 내연기관.
  6. 제1항에서,
    상기 열팽창 버퍼층이 형성되는 상기 연소실 내면은 표면이 요철을 가지는, 내연 기관.
  7. 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는 연소실 내면의 적어도 일부 상에 형성된 열팽창 버퍼층; 및
    상기 열팽창 버퍼층 상에 형성된 단열 및 광촉매 복합층;
    을 포함하는, 내연기관.
  8. 제7항에서,
    상기 단열 및 광촉매 복합층은 지르코니아(ZrO2)를 포함하고 동시에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는, 내연기관.
  9. 제7항에서,
    상기 열팽창 버퍼층이 형성되는 상기 연소실 내면은 표면이 요철을 가지는, 내연 기관.
  10. 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는 연소실 내면의 적어도 일부 상에 요철을 형성하도록 표면처리를 수행하는 단계;
    상기 연소실 내면의 적어도 일부 상에 열팽창 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 열팽창 버퍼층 상에 단열층을 형성하는 단계; 및
    상기 단열층 상에 연소 배기가스를 분해하는 광촉매층을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 내연기관의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 표면처리는, 샌드블라스트, 폴리싱, 레이져텍스쳐링 중 어느 하나를 이용하는, 내연기관의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 단열층을 형성하는 단계는 플라즈마 용사(plasma thermal spray)법을 이용하여 단열층을 형성하는 단계를 포함하는, 내연기관의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 광촉매층을 형성하는 단계는 화학 기상 증착(CVD)법, 플라즈마 용사(plasma thermal spray)법, 스핀코팅법 또는 딥코팅법을 이용하여 광촉매층을 형성하는 단계를 포함하는, 내연기관의 제조방법.
  14. 실린더 헤드 및 피스톤 헤드를 포함하는 연소실 내면의 적어도 일부 상에 요철을 형성하도록 표면처리를 수행하는 단계;
    상기 연소실 내면의 적어도 일부 상에 열팽창 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 열팽창 버퍼층 상에 단열 및 광촉매 복합층을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 내연기관의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열팽창 버퍼층 상에 단열 및 광촉매 복합층을 형성하는 단계는
    지르코니아(ZrO2)를 포함하는 제1분말을 준비하는 단계;
    백금(Pt), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 티타늄산화물(TiO2) 및 바나듐산화물(V2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 제2분말을 준비하는 단계; 및
    상기 열팽창 버퍼층 상에 상기 제1분말과 상기 제2분말을 혼합 분사하는 단계;
    를 포함하는, 내연기관의 제조방법.
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