KR20140052182A - 구조가 개선된 실린더 라이너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더 블록의 실린더 내에 구비되는 실린더 라이너에 있어서, 상기 실린더 라이너는 냉각수의 접촉면적을 넓히고 냉각수의 유동을 균일하게 하기 위한 냉각수 유동부가 형성되어 실린더 라이너 외주면에 냉각수를 효과적으로 유동시켜 냉각성능을 향상시키고, 실린더 라이너의 변형을 방지하여 엔진 오일 소비율이 감소되는 효과가 있다.

Description

구조가 개선된 실린더 라이너{CYLINDER LINER WITH IMPROVED STRUCTURE}

본 발명은 실린더 라이너에 관한 것이며, 구체적으로 실린더 라이너에 냉각수의 유동을 더욱 효과적으로 구현하기 위해 냉각수 유동부를 포함하는 구조가 개선된 실린더 라이너에 관한 것이다.

각종기계를 구동하기 위해 엔진이 사용되고 있으며, 이러한 엔진을 구동시키기 위해 엔진 오일이 소비된다.

현재 각 분야에서 이러한 엔진에 사용되는 엔진 오일 소모량을 줄이기 위해 수많은 연구가 행하여지고 있으며, 이러한 엔진 오일 소모량에 영향을 미치는 주요 요소는 다음의 표 1과 같다.

엔진 오일 소모량에 영향을 미치는 요소
1	피스톤 링의 성계 및 추종성
2	피스톤의 구조 및 피스톤과 실린더 또는 피스톤과 실린더실린더 라이너 간극
3	윤활유의 특성
4	운전 조건
5	실린더 라이너의 변형

연소실 내로 유입되는 엔진 오일 소모를 줄이기 위한 연구는 상기 1 및 2에 대한 연구가 대부분이었으며 그동안 많은 성과를 거두어 왔다.

그러나 실제 연소실 내 엔진 오일 소모의 발생 메커니즘은 피스톤의 구조 및 피스톤 링의 단독적인 거동이 아닌 실린더 라이너(Cylinder Liner)의 변형 거동과 상관관계를 맺고 있으므로, 이러한 실린더 라이너의 변형을 감소시키기 위한 연구가 최근 많이 이루어지고 있는 실정이다.

예를 들어, 운전 중 발생하는 실린더 라이너의 변형을 방지하기 위해서 엔진 블록 내 냉각수로의 설계 변경 및 냉각수 펌프 용량 변경 등을 행하고 있다. 하지만 이는 막대한 시간 및 비용의 증가를 초래하며, 특히 냉각수 펌프 용량의 증대는 구동축의 동력 손실을 초래하여 엔진의 연비를 감소시키기 쉽다.

따라서 개발되는 엔진 및 기존에 개발된 엔진 모두에 적용할 수 있는 실린더 라이너의 열변형 감소 대책이 필요하다.

한편, 실린더 라이너는 엔진 구동시 실린더 내에서 고속으로 왕복 운동하는 피스톤과의 마찰에 의해 발생되는 마모율을 최소화시키기 위해 실린더와 피스톤 사이에 구비된다. 즉, 이러한 실린더 라이너를 구비한 엔진에서 피스톤은 실린더 블록이 아닌 실린더 라이너를 따라 왕복 운동하게 된다.

이러한 실린더 라이너는 냉각수에 직접 닿지 않는 건식 실린더 라이너와, 바깥 둘레가 실린더 블록의 내주면과 함께 워터재킷을 형성함으로써 직접 냉각수와 접촉하는 습식 실린더 라이너로 구분된다.

상기 습식 실린더 라이너는 실린더 블록의 내측에 결합되어, 워터 자켓을 형성하는 구조를 지니고 있으며, 이러한 습식 실린더 라이너를 구체적으로 살펴보자면 다음과 같다.

도 1은 실린더 라이너가 구비된 실린더 블록의 일부를 도시한 상면도이다.

도 1을 참조하면, 습식 실린더 라이너(2)의 중공부(2a)에는 피스톤(미도시)이 왕복 운동가능하게 구비되며, 상기 실린더 라이너(2)의 외주면 및 실린더 블록(1)은 냉각수가 유동하는 워터자켓을 형성한다. 도시된 것과 같이, 냉각수는 상기 실린더 블록(1)에 형성된 유입구(1a)로 유입되어 실린더 라이너(2)의 외주면을 따라 유동하여 토출구(1b)로 배출된다.

이러한 실린더 라이너(2)는 운전 중 직선 왕복운동과 요동운동을 주기적으로 하는 피스톤의 상대 부품으로서, 피스톤 상부의 연소실에서 발생하는 높은 연소압과 연소열의 직접적인 영향을 받다.

또한, 실린더 라이너(2)의 내주면은 피스톤 링과 경계 윤활 조건에서 면 접촉 상태로 운전되므로 마찰로 인한 고열이 발생하기 쉽다.

이러한 발열을 감소하고자 상기 실린더 블록(1)과 실린더 라이너(2) 사이에 냉각수를 유동시키고 있으나, 도시된 바와 같이 엔진 블록 내부의 구조적 특성, 예를 들어, 엔진 헤드 커버와의 체결을 위한 체결부(1c), 강성 보강을 위한 돌출부(1d) 등으로 인하여 냉각수의 유동 면적이 급격히 감소하거나, 와류 등으로 냉각이 효율적으로 이루어지지 않는 영역이 발생하기 쉽다.

이와 같은 여러 가지 이유로, 실린더 라이너(2)는 사용에 따른 변형이 쉽게 발생하고, 이러한 변형은 피스톤과 실린더 라이너 내주면 사이의 간극 증가를 초래하여 연소실 내부로 유입되는 엔진 오일량을 증가시키게 된다.

다시 말해, 종래와 같은 실린더 라이너 구조는 엔진 구동으로 인한 실린더 라이너의 변형이 발생하기 쉽고 이러한 실린더 라이너의 변형은 엔진 오일 소모량과 직접적인 연관이 있으므로, 이러한 실린더 라이너의 변형을 방지함과 동시에 제조 비용이 크게 상승하지 아니하는 실린더 라이너 개발의 필요성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 엔진 오일 소모량을 감소시킬 수 있는 실린더 라이너를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 엔진 구성을 유지하면서도 엔진 오일 소모량을 감소할 수 있는 실린더 라이너를 개발하여 엔진 제조비용이 크게 상승하지 않는 실린더 라이너를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 실린더 블록의 실린더 내에 구비되는 실린더 라이너에 있어서, 상기 실린더 라이너는 냉각수의 접촉면적을 넓히고 냉각수의 유동을 균일하게 하기 위한 냉각수 유동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 구조가 개선된 실린더 라이너를 제공한다.

바람직하게, 상기 냉각수 유동부는 상기 실린더 라이너의 외주면에 일정한 간격으로 요입되어 형성되는 다수개의 축방향 리세스와, 상기 실린더 라이너의 외주면에 요입되어 형성되되 상기 축방향 리세스의 중단부에 형성되는 단일의 원주방향 리세스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 축방향 리세스의 원주방향 길이는 상기 실린더 라이너의 중심축을 기준으로 10도 내지 50도의 원주각에 해당하는 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 축방향 리세스의 원주방향 길이는 상기 실린더 라이너의 중심축을 기준으로 20도의 원주각에 해당하는 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 축방향 리세스는 상기 실린더 라이너 내부에 수용되어 왕복운동을 하는 피스톤의 행정 범위 내에 형성되되, 상기 축방향 리세스의 축방향 길이는 상기 피스톤의 행정길이 대비 70%의 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 원주방향 리세스는 상기 실린더 라이너 내부에 수용되어 왕복운동을 하는 피스톤의 행정 범위 내에 형성되되, 상기 피스톤 행정 거리의 30% 내지 50%인 곳에 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 축방향 리세스 및 원주방향 리세스의 반경방향 길이는 상기 실린더 라이너의 두께 대비 40% 이하인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 축방향 리세스 및 원주방향 리세스의 반경방향 길이는 상기 실린더 라이너의 두께 대비 30%로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 해결 수단으로 인해 실린더 라이너 외주면에 냉각수를 효과적으로 유동시켜 냉각성능을 향상시키고, 실린더 라이너의 변형을 방지하여 엔진 오일 소비율이 감소되는 효과가 있다.

또한, 종래 엔진 구조에 적용할 수 있는 실린더 라이너로서 엔진 제조비용 및 유지비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1은 실린더 라이너가 구비된 실린더 블록의 일부를 도시한 상면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 유동부가 구비된 실린더 라이너의 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 실린더 라이너에 냉각수가 유동되는 것을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 유동부가 형성된 실린더 라이너의 치수를 표시한 측단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 유동부가 형성된 실린더 라이너의 치수를 표시한 상면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 당업자가 이해하는 용어의 일반적인 의미와 동일하고, 만약 본 명세서에서 사용된 용어가 당해 용어의 일반적인 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다.

다만, 이하에 기술될 발명은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것을 아니며, 명세서 전반에 걸쳐서 동일하게 사용된 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명의 주요한 특징은 실린더 라이너 외주면에 형성된 냉각수 유동부에 있다.

이러한 특징을 상세하게 설명하자면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실린더 라이너의 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 실린더 라이너에 냉각수가 유동되는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 실린더 라이너(100)는 냉각수의 접촉면적을 넓히고 냉각수의 유동을 균일하게 하기 위한 냉각수 유동부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 냉각수 유동부는 상기 실린더 라이너(100)의 외주면에 일정한 간격으로 요입되어 형성되는 다수개의 축방향 리세스(110)와, 상기 실린더 라이너(100)의 외주면에 요입되어 형성되되 상기 축방향 리세스(110)의 중단부에 형성되는 단일의 원주방향 리세스(120)를 포함한다.

일반적으로, 습식 실린더 라이너는 장착 특성상 행정 길이를 포함한 특정 영역만 냉각수와 접촉을 하게 된다. 이는 연소실을 포함한 피스톤의 행정길이 영역이 열변형이 가장 심하게 발생하기 때문이다. 또한 행정길이가 포함된 영역은 엔진 블록 내부의 구조적 특성으로 인하여 냉각수의 유동 면적이 급격히 감소하는 영역이 발생하기 쉽다(도 1참조).

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 축방향 리세스(110) 및 원주방향 리세스(120)는 도 3에 도시된 것과 같이 냉각수의 유동을 균일하고 안정적이게 하며 종래의 실린더 라이너에 비해 냉각수의 접촉면적이 넓어지므로, 엔진 구동시 발생되는 고열에 대한 냉각효과가 향상되고 실린더 라이너(100)의 열변형이 최소화되어 엔진 오일 소비량을 감소시킬 수 있는 것이다.

한편, 본 발명의 더욱 주요한 특징은 상기 축방향 리세스(110) 및 원주방향 리세스(120)의 임계적 의의에 있다.

왜냐하면, 실린더 라이너(100) 외주면에 가공될 축방향 리세스(110) 및 원주방향 리세스(120)에 대한 설계가 부적합할 경우, 엔진 구동시 강성 부족으로 인한 피로파괴를 유발될 수 있기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 실린더 라이너(100)의 강성을 유지하면서도 열변형은 감소될 수 있도록 엔진의 운전조건 및 설계조건 그리고 냉각수의 유동조건을 고려하여, 상기 냉각수 유동부를 형성하는 축방향 리세스(110) 및 원주방향 리세스(120)의 홈의 패턴 형상 및 실린더 라이너(100) 내에서의 최적 가공 영역을 제안하고자 한다.

이하 설명은 도 4 및 도 5를 참조하여 자세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 유동부가 형성된 실린더 라이너(100)의 치수를 표시한 측단면도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 유동부가 형성된 실린더 라이너(100)의 치수를 표시한 상면도이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 냉각수 유동부에 의한 엔진 오일 소모량 감소 효과를 확인하기 위해 하기 표 2와 같이 변수에 대해 실험을 수행하였다.

실험 변수로는 축방향 리세스(110)의 배열간격, 가공길이 비율, 가공 깊이 비율이며 각각 P, L/S, T/W로 표시된다. 여기서 L은 축방향 리세스(110)의 축방향 길이(가공길이), S는 행정길이(stroke), T는 리세스의 반경방향 길이(가공깊이), W는 실린더 라이너(100)의 전체 두께를 의미한다.

이때 실험 수행의 효율성과 결과값의 최적화를 위해서 실린더 라이너(100) 외주면에 가공되는 상기 축방향 리세스(110)의 원주방향 길이(E)는 실린더 라이너(100)의 중심축을 기준으로 원주상에 10도(degree)의 원주각에 해당하는 호의 길이로 고정하였고, 원주방향 리세스(120)의 축 방향 가공 위치(M)은 행정 길이(S)의 50%에 해당하는 위치로 고정하였다.

이는 실린더 라이너(100) 외주면에 가공된 리세스 내부의 원활한 냉각수 유동과 실린더 라이너(100)의 강성저하를 막기 위해서 실시한 예비 실험 및 해석 결과를 바탕으로 결정한 값이다.

시험 결과 실시예 2와 실시예 5의 마모 개선 효과가 우수하였으나 이는 최적화된 실시예가 아니므로, 상기 표 2의 9개의 시험 결과를 통계적으로 분석하여 최대의 개선 효과가 예상되는 실시예 10을 도출하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.

표 3에 나타낸 실시예 10은 20도(degree) 간격으로 전체 두께 대비 홈의 깊이(=T/W)가 30%이고 행정길이 대비 홈 가공길이(=L/S)가 70%가 되도록 실린더 라이너(100)의 외주면에 홈을 가공한 것이고, 비교예는 실린더 라이너 외주면에 홈을 가공하지 않은 것에 대한 시험결과이다.

표 3에서 알 수 있는 바와 같이 실시예 10의 엔진 오일 소모량은 비교예의 결과 대비 36% 이상 개선되었으며, 다른 실시예 1 내지 9에 비해서도 엔진 오일 소모 개선효과가 뛰어났다.

즉, 20도(degree) 간격으로 전체 두께 대비 홈의 깊이(=T/W)가 30%이고 행정길이 대비 홈 가공길이(=L/S)가 70%가 되도록 실린더 라이너(100)의 외주면에 홈을 가공하면 실린더 라이너(100)의 변형이 감소되어 엔진 오일 소모량이 최대 36% 이상 감소될수 있음을 확인하였다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 유동부의 축방향 리세스(110)의 원주방향 길이(E)는 실린더 라이너(100)의 강성 및 냉각 성능을 고려할 때, 상기 실린더 라이너(100)의 중심축을 기준으로 10도 내지 50도의 원주각에 해당하는 길이로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 상기 축방향 리세스(110)의 원주방향 길이(E)는 상기 실린더 라이너(100)의 중심축을 기준으로 20도의 원주각에 해당하는 길이로 형성될 수 있다.

또한, 상기 축방향 리세스(110)는 피스톤 왕복운동에 의한 마찰열이 발생하는 피스톤의 행정 범위(S) 내에 형성되되, 상기 축방향 리세스(110)의 축방향 길이(L)는 상기 피스톤의 행정길이 대비 70%의 길이로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 유동부의 원주방향 리세스(120)는 상기 실린더 라이너(100) 내부에 수용되어 왕복운동을 하는 피스톤의 행정 범위(S) 내에 형성되되, 상기 피스톤 행정 거리(S)의 30% 내지 50%인 곳에 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면 상기 범위가 실린더 라이너(100)와 피스톤 사이에서 발생하는 마찰 손실이 가장 크게 발생하기 때문이며, 상기 실린더 라이너(100) 외주면과 실린더 블록 사이의 냉각수 유동 특성이 제일 취약하기 때문이다.

한편, 상기 축방향 리세스(110) 및 원주방향 리세스(120)의 반경방향 길이(가공깊이; T)는 실린더 라이너(100)의 강성을 고려할 때, 상기 실린더 라이너(100)의 두께 대비 40% 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 실린더 라이너(100)의 두께 대비 30%의 깊이로 형성될 수 있다.

이러한 실린더 라이너(100)의 구조적 특징으로 인해, 본 발명의 일실시예에 따른 냉각수 유동부가 구비된 실린더 라이너(100)는 냉각 성능이 더욱 향상되어 실린더 라이너(100)의 변형을 방지하고, 이는 엔진 오일 소비량이 종래의 실린더 라이너에 비해 현저히 감소하게 하는 결과를 가져온다.

이상, 상기 설명에 의해 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이며, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위 및 그와 균등한 범위에 의하여 정해져야 한다.

100: 실린더 라이너 110: 축방향 리세스
120: 원주방향 리세스

Claims (7)

1. 실린더 블록의 실린더 내에 구비되는 실린더 라이너에 있어서,
   상기 실린더 라이너의 외주면에 일정한 간격으로 요입되어 형성되는 다수개의 축방향 리세스; 및
   상기 실린더 라이너의 외주면에 요입되어 형성되되, 상기 축방향 리세스의 중단부에 형성되는 단일의 원주방향 리세스;
   를 포함하여 냉각수의 접촉면적을 넓히고 냉각수의 유동을 균일하게 하기 위한 냉각수 유동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 구조가 개선된 실린더 라이너.
2. 제1항에 있어서,
   상기 축방향 리세스의 원주방향 길이는 상기 실린더 라이너의 중심축을 기준으로 10도 내지 50도의 원주각에 해당하는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 구조가 개선된 실린더 라이너.
3. 제2항에 있어서,
   상기 축방향 리세스의 원주방향 길이는 상기 실린더 라이너의 중심축을 기준으로 20도의 원주각에 해당하는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 구조가 개선된 실린더 라이너.
4. 제1항에 있어서,
   상기 축방향 리세스는 상기 실린더 라이너 내부에 수용되어 왕복운동을 하는 피스톤의 행정 범위 내에 형성되되, 상기 축방향 리세스의 축방향 길이는 상기 피스톤의 행정길이 대비 70%의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 구조가 개선된 실린더 라이너.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 원주방향 리세스는 상기 실린더 라이너 내부에 수용되어 왕복운동을 하는 피스톤의 행정 범위 내에 형성되되, 상기 피스톤 행정 거리의 30% 내지 50%인 곳에 형성되는 것을 특징으로 하는 구조가 개선된 실린더 라이너.
6. 제1항에 있어서,
   상기 축방향 리세스 및 원주방향 리세스의 반경방향 길이는 상기 실린더 라이너의 두께 대비 40% 이하인 것을 특징으로 하는 구조가 개선된 실린더 라이너.
7. 제6항에 있어서,
   상기 축방향 리세스 및 원주방향 리세스의 반경방향 길이는 상기 실린더 라이너의 두께 대비 30%로 형성되는 것을 특징으로 하는 구조가 개선된 실린더 라이너.

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