KR20180070778A - 피스톤 스커트 패턴 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 피스톤 스커트 패턴 구조는, 피스톤 헤드의 측면에 형성되어 실린더와 접하는 피스톤 스커트의 패턴 구조로서, 상기 피스톤 스커트의 표면에 오일포켓 역할을 하는 복수 개의 셀;을 포함하고, 상기 실린더와 접하는 상기 피스톤 스커트의 둘레 길이인 제1길이와, 상기 제1길이 중 복수 개의 상기 셀을 가로지르는 폭 길이의 합인 제2길이가 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

피스톤 스커트 패턴 구조 {SURFACE PATTERN OF PISTON SKIRT}

본 발명은 피스톤 스커트 패턴 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피스톤 헤드의 둘레에 설치된 피스톤 스커트 패턴 구조에 관한 것이다.

자동차의 엔진은 실린더 내부에서 왕복운동하는 피스톤을 이용하여 작동된다. 이때, 피스톤의 단부에 위치한 피스톤 헤드의 둘레에는 실린더 벽과 마찰되는 피스톤 스커트가 형성되어 있다.

피스톤 스커트는 실린더의 내벽과 지속적으로 마찰을 일으키기 때문에, 실린더 내부에 엔진오일을 공급하여 피스톤 스커트와 실린더 사이의 마찰계수를 감소시키게 된다.

종래에는 피스톤 스커트에 마찰계수 저감을 위한 코팅층을 형성시켰는데, 코팅층이 피스톤 스커트의 표면 전체를 감싸도록 형성될 경우 오일이 피스톤 스커트와 실린더 사이에서 이탈하여 마찰계수가 상승하는 문제가 있었다.

따라서, 피스톤 스커트의 표면에 오일포켓을 형성시켜 경계윤활 조건에서의 마찰계수를 저감시킬 수 있는 패턴 구조가 요구되고 있는 실정이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

미국 등록특허 7287459 (2007.06.08)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 경계윤활 및 혼합윤활 조건에서 마찰계수를 저감시킬 수 있는 피스톤 스커트 패턴 구조를 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 스커트 패턴 구조는, 피스톤 헤드의 측면에 형성되어 실린더와 접하는 피스톤 스커트의 패턴 구조로서, 상기 피스톤 스커트의 표면에 오일포켓 역할을 하는 복수 개의 셀;을 포함하고, 상기 셀은, 상기 피스톤 스커트의 슬라이딩 방향의 길이가 상기 피스톤 스커트의 둘레 방향의 길이보다 길게 형성되며, 상기 실린더와 접하는 상기 피스톤 스커트의 둘레 길이인 제1길이와, 상기 제1길이 중 복수 개의 상기 셀을 가로지르는 폭 길이의 합인 제2길이가 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

식: 0.4 ≤ 제2길이 / 제1길이 ≤ 0.7

상기 피스톤 스커트의 표면적 대비 상기 셀의 총 면적은 5~25%인 것을 특징으로 한다.

복수 개의 상기 셀은, 상기 피스톤 스커트의 둘레 방향을 따라 일정한 간격으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 셀은, 타원형, 사각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 피스톤 스커트의 표면에는 윤활코팅막이 형성되고, 상기 셀은, 상기 윤활코팅막에 형성된 오목한 형상의 홈인 것을 특징으로 한다.

상기 윤활코팅막의 두께는, 3~25㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 피스톤 스커트 패턴 구조에 따르면, 고압 저속의 경계/혼합윤활 조건에서 낮은 마찰계수를 유지할 수 있고, 이에 따라 피스톤에 가해지는 저항을 감소시키고 연비를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제1길이 및 제2길이를 설명하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 셀 밀도를 설명하는 도면,
도 3은 패턴 형상의 변화에 따라 마찰계수의 변화를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 실시예가 종래의 비교예에 비해 경계윤활 영역에서의 마찰계수가 저감됨을 나타낸 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 피스톤 스커트 패턴 구조에 대하여 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에는 피스톤 스커트(1) 및 실린더(3)의 접촉부가 간략하게 도시되어 있다. 도시되어 있는 피스톤 스커트(1)는 표면에 셀(2)이 형성되어 있는 표면 일부분이 확대되어 있고, 실린더(3)와의 접촉면(붉은 원으로 표시)에 따른 제1길이(A) 및 제2길이(B)가 나타나 있다.

도면상에 실린더(3)는 원형으로 도시되어 있지만, 실질적으로는 원통형의 피스톤 스커트(1) 둘레를 감싸는 파이프 형상으로 형성되어, 피스톤 스커트(1)의 전 면적이 실린더(3)에 접하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤 스커트(1)의 표면상에는 복수 개의 셀(2)이 형성되어 있다. 이러한 셀(2)은 일종의 오일포켓(Oil pocket) 역할을 하는 홈 형상의 구조로서, 윤활유를 저장하여 피스톤 스커트(1)와 실린더(3) 사이의 마찰계수를 감소시키게 된다.

이때, 셀(2)은 피스톤 스커트의 슬라이딩 방향 길이가 피스톤 스커트의 둘레 방향 길이에 비해 길게 형성되어, 피스톤 스커트의 슬라이딩 방향, 즉 도면상 세로 방향으로 긴 사각형, 타원형 등의 형상을 가질 수 있다.

또한, 피스톤 스커트의 둘레 방향 길이는 일정 범위를 만족해야 한다.

실린더(3)와 접하는 피스톤 스커트(1)의 둘레 길이인 제1길이(A)를 기준으로, 해당 길이 상에 위치한 복수 개의 셀(2)의 폭 길이(B1, B2, B3)들을 합한 제2길이(B)의 관계가 하기 식을 만족해야 한다.

식: 0.4 ≤ 제2길이 / 제1길이 ≤ 0.7

즉, 피스톤 스커트(1)의 둘레를 따라 형성된 셀(2)의 폭을 전부 더하면, 피스톤 스커트(1) 둘레 길이의 40~70%가 되는 것이다.

제2길이(B), 즉 셀(2)의 폭이 작거나 셀(2)의 개수가 작아서 제2길이(B)가 제1길이(A)의 40% 미만일 경우, 오일포켓에 충분한 양의 오일을 저장하지 못 하기 때문에 경계윤활 조건에서의 마찰 저감 효과가 나타나지 않고, 70%를 초과하면 피스톤 스커트(1)의 표면 내구성이 약화된다.

제1길이(A) 및 제2길이(B)의 한정사항과 함께, 도 2에 도시된 바와 같이, 피스톤 스커트(1)의 표면에 일정 단위면적(4)당 셀(2)의 면적의 합이 5~25%인 것이 바람직하다. 셀(2)의 총 면적이 작아 셀(2)의 면적비가 5% 미만일 경우 마찰저감 효과가 나타나지 않고, 25%를 초과하면 유체윤활 조건에서의 마찰저감이 어렵다.

셀(2)은 피스톤 스커트(1)의 둘레를 따라 복수 개가 형성되는데, 이때 각 셀(2)간의 간격이 일정한 것이 바람직하다. 셀(2)의 간격이 불규칙할 경우, 마찰이 실린더(3)의 한 방향으로만 집중되어 이상마모가 발생할 수 있다.

도 3은 셀(2)의 형태 및 마찰속도, 면압에 따른 마찰계수의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 면압은 피스톤 스커트와 실린더 사이에 발생하는 압력이고, 면압 700N 기준 경계윤활, 400N 기준 혼합윤활, 100N 기준 유체윤활을 나타내었다. 마찰속도는 19.8mm 거리를 1초에 왕복하는 횟수를 Hz로 나타내었다. 2.5Hz는 약 0.1m/s이다.

도 4는 마찰속도 및 면압에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸 것이다. 선형으로 나타난 그래프는 비교예 1의 마찰속도 및 면압의 변화에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸 것으로서, 유체에 의한 마찰이 일어나는 유체영역에서는 낮은 마찰계수를 나타내고, 고체끼리의 마찰이 시작되는 경계영역 및 혼합영역에서는 마찰계수가 급격하게 상승한다. 이때, 실시예 2는 비교예 1에 비해 경계영역에서 마찰계수가 낮아지는 것을 알 수 있다.

도 3에 도시되어 있는 실시예 1에는 가로 3mm, 세로 3.1mm 크기의 타원형 셀(2)이 형성되어 있고, 실시예 2에는 가로 2mm, 세로 2.05mm 크기의 타원형 셀(2)이 형성되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 2는 모두 비교예 1에 비해 마찰계수가 저감되는 것을 알 수 있다. 특히, 상하 방향으로 미세하게 긴 타원 형상의 셀(2)이 형성되어 있는 실시예 1 및 실시예 2는 길이비가 0.5, 셀 밀도가 20% 수준으로서 마찰저감 효과가 우수했다.

구체적으로, 면압 700N, 마찰 속도 2.5Hz의 경계윤활 조건에서, 셀(2)이 없을 때에 비해 실시예 1은 약 20%, 실시예 2는 약 25% 각각 마찰계수가 감소되었다.

이에 비해, 비교예 1은 셀(2)이 전혀 형성되어 있지 않아 경계윤활 영역에서의 마찰계수가 높게 형성되었고, 비교예 2는 세로 길이, 즉 피스톤 스커트의 슬라이딩 방향 길이가 더 길게 형성되는 조건은 만족하였지만, 길이비가 0.4에 미달하여 경계윤활 조건에서의 마찰계수 저감 효과가 나타나지 않았으며, 비교예 3은 셀(2)의 면적비 밀도가 25%를 초과하여 유체윤활 조건인 면압 100N 수준에서 마찰계수가 상승하였다.

실시예 1과 실시예 2를 비교해 보면, 두 실시예는 길이비와 밀도가 동일하게 형성되어 있다. 그러나 실시예 1은 더 작은 셀이 더 많은 수 형성되어 있고, 실시예 2는 더 큰 셀이 더 적은 수 형성되어 있는 차이가 있다. 실시예 1은 실시예 2에 비해 미세하게 마찰저감 효과가 낮았지만, 실시예 1 및 2 모두 우수한 마찰저감 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 이로부터, 길이비와 밀도가 본 발명의 범위를 만족할 경우 셀(2) 각각의 크기와 무관하게 마찰 저감 효과를 갖는다는 것을 알 수 있다.

피스톤 스커트(1)의 표면에는 윤활코팅막이 형성되는데, 셀(2)은 이러한 윤활코팅막의 일부분이 제거된 홈이거나, 피스톤 스커트(1)의 표면에 직접적으로 형성된 기계적 홈부일 수 있다. 그 구조의 상세와 무관하게, 셀(2)은 윤활유를 저장하는 오일포켓으로서 기능하게 된다.

윤활코팅막의 재질은 크게 한정하지 않지만, 예를 들어 MoS₂계 수지를 사용할 수 있을 것이다. 윤활코팅막의 두께는 3~25㎛의 범위인 것이 바람직한데, 윤활코팅막의 두께가 지나치게 얇으면 코팅막의 내구성이 부족해지고, 두께가 지나치게 두꺼워지면 코팅층을 형성시키기 어렵고, 표면 조도가 나빠져 마찰계수가 높아지게 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 셀(2)이 형성되어 있지 않은 비교예 1의 경우 경계영역에서 매우 높은 마찰계수를 나타내었지만, 실시예 2의 경우 경계영역에서의 마찰계수가 크게 감소한 것을 알 수 있다. 피스톤은 그 왕복운동 중에 상사점이나 하사점 근처에서 속도가 감소하므로, 여기서 마찰계수가 증가하게 된다. 따라서, 경계영역에서의 마찰계수를 감소시킬 경우 피스톤의 저항이 감소하여 연비를 향상시킬 수 있는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 피스톤 스커트
2: 셀
3: 실린더
4: 단위면적

Claims (6)

1. 피스톤 헤드의 측면에 형성되어 실린더와 접하는 피스톤 스커트의 패턴 구조로서,
   상기 피스톤 스커트의 표면에 오일포켓 역할을 하는 복수 개의 셀;을 포함하고,
   상기 셀은, 상기 피스톤 스커트의 슬라이딩 방향의 길이가 상기 피스톤 스커트의 둘레 방향의 길이보다 길게 형성되며,
   상기 실린더와 접하는 상기 피스톤 스커트의 둘레 길이인 제1길이와, 상기 제1길이 중 복수 개의 상기 셀을 가로지르는 폭 길이의 합인 제2길이가 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 스커트 패턴 구조.
   식: 0.4 ≤ 제2길이 / 제1길이 ≤ 0.7
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 피스톤 스커트의 표면적 대비 상기 셀의 총 면적은 5~25%인 것을 특징으로 하는, 피스톤 스커트 패턴 구조.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   복수 개의 상기 셀은, 상기 피스톤 스커트의 둘레 방향을 따라 일정한 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 스커트 패턴 구조.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 셀은, 타원형, 사각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 스커트 패턴 구조.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 피스톤 스커트의 표면에는 윤활코팅막이 형성되고,
   상기 셀은, 상기 윤활코팅막에 형성된 오목한 형상의 홈인 것을 특징으로 하는, 피스톤 스커트 패턴 구조.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 윤활코팅막의 두께는, 3~25㎛인 것을 특징으로 하는, 피스톤 스커트 패턴 구조.
   

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