KR20240055074A - 실린더 - Google Patents

Abstract

실린더 내주면에 홈 가공을 갖는 실린더로서,
상기 홈 가공은 호닝 가공 홈과 상기 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈을 포함하고,
상기 호닝 가공 홈 및 상기 오목홈은 실린더 둘레 방향으로 연장되고, 또한 실린더 축 방향과 수직인 방향에 대하여 경사각을 갖고,
상기 실린더 내주면은 크랭크각이 50°이상 140°이하일 때 오일링의 슬라이딩 영역에서 실린더 축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm의 길이를 선택할 수 있는, 실린더.

Description

실린더

본 발명은 내연기관에 사용되는 실린더에 관한 것이다.

내연기관의 실린더는 그 내주면이 주철제인 것이 주류이다. 예를 들면, 주철제의 실린더 라이너를 알루미늄 합금제 블록으로 주물 포장한 구조, 주철제 모노블록 구조, 주철제 건식 라이너 또는 주철제 습식 라이너를 삽입한 구조를 들 수 있다.

한편, 실린더의 내주면에 내마모성이 우수한 용사나 도금 등의 코팅이 실시된 것이나 알루미늄 합금의 직슬라이딩으로 하는 것도 존재한다.

이들, 어느 구조에 있어서도 CO₂ 배출량 및 화석연료 사용량 삭감이 요구되고 있으며, 그 때문에 실린더 내주면의 거칠기, 구조 제어에 의한 마찰 저감 기술이 검토되고 있다.

예를 들면 특허문헌 1에는 복잡한 가공을 행하지 않고 마찰 평균 유효압을 저감시키는 것이 가능한 내연 기관의 실린더로서 그 내벽면을 상방 영역과 하방 영역, 행정 중앙부 영역(行程中央部領域, '피스톤이 왕복하는 거리(行程)인 중앙부 영역'을 지칭함)으로 구획하고, 행정 중앙부 영역의 표면 거칠기는 상방 영역 및 하방 영역의 표면 거칠기보다도 큰 실린더가 개시되어 있다.

특허문헌 2에는 호닝 가공된 실린더 라이너의 내주 표면에서 축 방향으로 굴곡을 가짐으로써 피스톤과 실린더 라이너 사이의 윤활 상태가 양호하게 유지되는 것이 개시되어 있다.

또한 특허문헌 3에는 실린더 라이너의 피스톤 링 슬라이딩면에 상기 피스톤 링의 슬라이딩 방향을 따라 파상의 요철면으로 형성되고, 제1 피스톤 링의 슬라이딩 행정의 중앙부 근방에 있어서 웨이브를 가장 깊게 형성함으로써, 실린더 라이너의 윤활 성능을 개선시키는 것이 개시되어 있다.

또한 특허문헌 4에는 실린더 내벽면 중 행정 중앙부 영역에 오목부가 형성되고, 행정 중앙부 영역의 면적 중 전체 오목부의 면적의 합계를 1 내지 80% 로 하고, 행정 중앙부 영역 이외의 영역에는 오목부가 형성되어 있지 않은 내벽면으로 함으로써, 피스톤 링과 실린더 내벽면의 왕복 운동 마찰을 저감시키는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 1 특개2019-78267호 공보 특허문헌 2 특개평4-106560호 공보 특허문헌 3 특공소60-001504호 공보 특허문헌 4 특허제5513945호 공보

상기 특허문헌 1 에는 실린더 라이너의 내벽면과, 피스톤 링과의 슬라이딩 속도가 큰 영역인 행정 중앙부 영역에서는 마찰 손실에 있어서 오일의 전단 저항의 영향이 커지는 것을 알 수 있다고 기재되어 있고, 내연 기관의 마찰 손실은 작업량이 큰 행정 중앙부 부근에서 현저하다. 그래서, 오일 소비 성능을 악화시키지 않고, 행정 중앙부 부근의 마찰을 저감시키는 것이 CO₂ 배출량의 삭감에는 유효하고, 상기 특허문헌 1에서는 행정 중앙부의 표면 조도를 크게 하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 지석을 조정한 호닝 가공 후 고원(plateau) 가공에 의해 형성한 고원면의 표면 조도에서는 마찰 저감 효과가 충분히 얻어지지 않아 개선의 여지가 있었다.

또한, 상기 특허문헌 2와 같이 실린더의 내주 표면에 단순 굴곡이 존재하고, 축 방향으로 굴곡 피치가 10 내지 20mm 이며, 굴곡 깊이가 1 내지 5㎛ 에서는 피스톤 링의 거동에 영향을 미칠 수 있어 마찰 저감의 효과가 충분히 얻어지지 않아 개선의 여지가 있었다.

또한, 상기 특허문헌 3과 같이 실린더 라이너의 내면의 웨이브 깊이가 0.005 내지 0.1mm 에서는 오일 소비 성능과 마찰 특성이 악화될 우려가 있었다.

또한, 상기 특허문헌 4와 같이 복수개 형성된 오목부의 면의 최대 높이 Ry가 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하에서는 마찰 저감의 효과가 충분히 얻어지지 않아 개선의 여지가 있었다.

본 발명에서는 이미 제안된 것과는 다른 방법으로, 보다 높은 마찰 저감 효과를 얻을 수 있는 실린더를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 검토를 진행하여 실린더 내주면 중 행정 중앙부 영역에서 호닝 가공 홈을 가짐과 함께 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈을 일정 수 이상 갖도록 표면 가공함으로써 높은 마찰 저감 효과를 얻을 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성시켰다.

본 발명은 실린더의 내주면에 홈 가공을 갖는 실린더로서,

상기 홈 가공은 호닝 가공 홈 및 상기 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈을 포함하고,

상기 호닝 가공 홈 및 상기 오목홈은 실린더 둘레 방향으로 연장되고, 또한 실린더 축 방향과 수직인 방향에 대하여 경사각을 갖고,

상기 실린더 내주면은 크랭크각이 50°이상 140°이하일 때 오일링의 슬라이딩 영역에서 실린더 축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이(長さ)를 선택할 수 있는 실린더이다.

상기 호닝 가공 홈 및 상기 오목홈은 상기 크랭크각이 50°이상 140°이하일 때 오일링의 슬라이딩 영역에서 오목홈끼리 교차하는 부분을 갖는 형태가 바람직하다.

또한, 상기 오목홈은 홈 폭이 30㎛ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 선택된 4mm 길이에서, 이하의 (i) 내지 (vi)에 나타내는 파라미터 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다.

(i) 포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W)가 0.28㎛ 이상인 것,

(ii) (포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W)) Х (굴곡 모티브의 평균 길이(AW))가 80㎛² 이상 300㎛² 이하인 것,

(iii) (포락 굴곡 곡선의 코어부의 레벨차(Rke)) / (조도 곡선의 코어부의 레벨차(Rk))가 0.6 이하인 것,

(iv) (포락 굴곡 곡선의 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvke)) / (조도 곡선의 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvk))가 0.9 이하인 것,

(v) (포락 굴곡 곡선의 돌출 산부의 평균 높이(Rpke) + 코어부의 레벨차(Rke) + 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvke)) / (조도 곡선의 돌출 산부의 평균 높이(Rpk) + 코어부의 레벨차(Rk) + 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvk)) 가 0.9 이하인 것,

(vi) (포락 굴곡 곡선의 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvke)) / (포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W)) 가 1.0 이하인 것.

또한, 상기 실린더 내주면은 상사점을 포함하는 크랭크각이 0°이상 50°미만일 때의 오일링의 슬라이딩 영역에서 실린더 축방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이를 선택할 수 없는 형태가 바람직하다.

본 발명과 같이 행정 중앙부 영역에 호닝 가공 홈에 더하여 오목홈을 형성시킴으로써 오일 소비 성능을 현저하게 악화시키지 않고 슬라이딩면의 마찰을 종래 수준보다도 저감시켜 연비를 개선할 수 있는 실린더를 제공할 수 있다. 그리고 바람직한 형태로서 상사점 부근에는 오목홈을 적게 하거나 또는 오목홈을 존재시키지 않음으로써 오일 소비 성능과의 양립을 도모할 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 관한 실린더 라이너의 단면 모식도이다.
도 2는 본 실시형태에 관한 실린더 라이너의 내주면의 일부를 확대한 확대 모식도이다.
도 3은 실시예에서 행한 마찰 시험의 시험기의 단면 모식도이다.

본 발명의 일 실시 형태는 실린더 내주면에 홈 가공을 갖는 실린더로서, 상기 홈 가공은 호닝 가공 홈 및 상기 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈을 포함하고, 상기 호닝 가공 홈 및 상기 오목홈은 실린더 둘레 방향으로 연장되고, 또한 실린더 축 방향과 수직인 방향에 대하여 경사각을 갖고, 상기 실린더 내주면은 크랭크각이 50°이상 140°이하일 때 오일링의 슬라이딩 영역(이하, 중앙부 영역이라고도 함)에서 실린더 축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이를 선택할 수 있는 실린더이다. 본 실시 형태에 대하여, 도 1을 이용하여 설명한다.

도 1은 실린더 라이너의 단면도이다. 실린더는 주철제의 실린더 라이너를 알루미늄 합금제 블록으로 주물 포장한 구조라도 좋고, 주철제 모노 블록 구조라도 좋고, 주철제 건식 라이너 또는 주철제 습식 라이너를 삽입한 구조라도 좋지만, 이하 실린더 라이너를 이용하는 형태로 설명을 행한다.

실린더 라이너(10)는 전형적으로는 주철제의 실린더 라이너이지만 알루미늄 합금이나 구리 합금에 의해 형성되어도 좋고, 그 재질은 특별히 한정되지 않는다.

실린더 라이너(10)는 내연기관의 실린더 블록에 설치되고, 그 내부를 피스톤이 도 1에 기재된 상하 방향(실린더 라이너 축 방향)으로 슬라이딩한다. 또한, 도 1에서 연소실 측이 도면에서 '상' 이고, 크랭크실 측이 도면에서 '하' 이다.

도 1에 기재된 일점쇄선(1)은 오일링의 상사점을, 일점쇄선(2)은 오일링의 하사점을 나타낸다.

도 1의 실린더 라이너(10)의 내주면은 홈 가공을 갖고, 홈 가공은 호닝 가공 홈 및 해당 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈을 포함한다.

호닝 가공 홈은 이미 알려진 방법에 의해 호닝 가공된 홈이어도 좋고, 호닝 가공의 횟수나 호닝 가공에서 이용하는 지석의 형상, 종류, 입도 등은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 호닝 가공에 의해 실린더 라이너의 내주면에 크로스 해치가 형성되어도 좋다. 크로스 해치를 형성하는 경우, 그 각도(예각)는 2°이상이 바람직하고, 5°이상이어도 좋고, 10° 이상이어도 좋다. 또한 통상 60° 이하이고, 45° 이하이어도 좋고, 30° 이하이어도 좋고, 15° 이하이어도 좋다.

호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈은 호닝 가공과는 다른 방법에 의해 형성되는 홈이며, 예를 들어 실린더 라이너 표면을 연삭하는 것, 소성 가공하는 것, 에칭하는 것, 레이저 가공하는 것 등에 의해 형성할 수 있다. 본 실시 형태에서는 오일 포켓이 될 수 있는 오목홈을 형성함으로써, 피스톤, 피스톤 링과의 슬라이딩 시의 접촉 면적을 감소시켜 오일의 전단 저항을 저감시킬 수 있다.

오목홈은 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 경우, 특히 그 크기는 한정되지 않지만 오일의 전단 저항 저감 효과를 얻는 관점에서 홈 폭의 하한은 30㎛ 이상이 바람직하고, 50㎛ 이상이 보다 바람직하고, 70㎛ 이상이 더욱 바람직하고, 100㎛ 이상이 특히 바람직하다. 한편, 오목홈의 홈 폭이 너무 넓으면, 피스톤 링의 면압이 상승하기 때문에 피스톤 링이 마모되기 쉽고, 또한 오목홈의 제조도 곤란해지기 때문에 홈 폭의 상한은 860㎛ 이하가 바람직하고, 800㎛ 이하라도 좋고, 500㎛ 이하라도 좋고, 300㎛ 이하라도 좋다. 홈 깊이는 통상 1.0 내지 2.0㎛ 이며, 0.5㎛ 이상이라도 좋고, 0.7㎛ 이상이라도 좋고, 1.0㎛ 이하라도 좋고, 9.0㎛ 이하라도 좋다. 일례에서는 홈 폭이 200㎛ 정도이며, 깊이가 1.0㎛ 정도이다.

호닝 가공 홈 및 오목홈의 홈 폭은 예를 들어 접촉식 조도계(주식회사 고사카 연구소 제조 SURFCORDER SE600)로 직경 방향 5000배, 축 방향 100배의 배율로 측정할 수 있다. 측정 위치는 축 방향으로 3개소, 축 방향의 각 측정 위치로부터 둘레 방향으로 90°간격으로 4개소씩, 합계 12개소를 측정하고, 각 프로파일 곡선에서 축 방향의 최대 개구부의 길이의 평균값을 홈 폭으로 한다. 또한, 측정 배율은 측정 대상의 홈 폭의 최소값에 따라 적절히 변화시켜도 좋고, 예를 들어 호닝 가공 홈을 측정하는 경우에는 직경 방향 5000배, 축 방향 500배의 배율로 측정하여도 좋다.

또한, 홈 폭의 측정 기기로서는 비접촉식 레이저 측정기(예를 들어 키엔스사 제조 VK-X1000)를 사용해도 좋다.

본 실시형태에서는 작업량이 큰 행정 중앙부 부근에서 마찰을 저감시키기 위해 실린더 라이너(10)의 내주면 중 크랭크각이 50°이상 140°이하일 때의 오일링의 슬라이딩 영역인 중앙부 영역(3)에서 상기 오목홈을 갖는다. 이것에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 도 1의 중앙부 영역(3)에서의 파선 영역(4)을 확대한 확대 모식도이다.

파선 영역(4)은 도면 중 가는 선으로 나타내어지는 호닝 가공 홈과, 도면 중 굵은 선으로 나타내어지는 오목홈을 갖는다. 호닝 가공 홈 및 오목홈은 실린더의 둘레 방향으로 연장되어 있고, 또한 실린더 축 방향과 수직인 방향에 대하여 경사각을 갖는다. 호닝 가공 홈의 경사각의 각도는 특별히 한정되지 않는다.

한편, 오목홈의 경사각도 특별히 한정되지 않지만 2°이상이여도 되고, 5°이상이여도 되고, 10°이상이여도 된다. 또한 통상 60°이하이고, 45°이하이여도 되고, 30°이하이여도 되고, 15°이하이여도 된다. 또한, 오목홈은 상기 크랭크각이 50°이상 140° 이하일 때의 오일링의 슬라이딩 영역에 오목홈끼리 교차함으로써 슬라이딩 환경이 보다 균일해지기 때문에 바람직하다.

본 실시예에서는 실린더축 방향으로 오목홈이 4개소 존재하는 것처럼 4mm 의 길이(41)를 선택할 수 있다. 도 2에서 길이(41)에는 오목홈이 5개소 존재한다. 이와 같이 단순히 실린더 내주면에 오목홈을 가지는 것이 아니라 중앙부 영역에서 실린더축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이를 선택할 수 있도록 오목홈을 형성함으로써 피스톤, 피스톤링과의 슬라이딩시 접촉 면적을 감소시키고 오일의 전단 저항을 저감시킬 수 있다.

4mm 의 길이(41)에 존재하는 오목홈의 수는 4개소 이상이면 특별히 한정되지 않고 오목홈이 5개소 존재하는 것처럼 4mm의 길이(41)를 선택할 수 있는 형태일 수도 있고 오목홈이 6개소 이상 존재하는 형태일 수도 있다. 한편 오목홈이 지나치게 많으면 오일 소비 성능이 악화될 수 있기 때문에 길이 4mm 에 존재하는 오목홈의 상한은 60개 이하인 것이 바람직하고, 40개 이하일 수도 있고 20개 이하일 수도 있다.

또한, 오목홈은 실린더 내주면의 진원도를 측정했을 때에 외주 측을 향하여 함몰되어 검출되기 때문에 실린더 내주면의 진원도를 측정하여도 오목홈의 존재를 파악할 수 있다.

상기 선택된 4mm 길이에서 더욱 이하의 (i) 내지 (vi)에 나타내는 파라미터 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다.

(i) 포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W)가 0.28㎛ 이상인 것

(ii) (포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W)) Х (굴곡 모티브의 평균 길이(AW))가 80㎛² 이상 300㎛² 이하인 것

(iii) (포락 굴곡 곡선의 코어부의 레벨차(Rke) / (조도 곡선의 코어부의 레벨차(Rk))가 0.6 이하인 것

(iv) (포락 굴곡 곡선의 돌출 곡부(突出谷部)의 평균 깊이(Rvke) / (조도 곡선의 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvk))가 0.9 이하인 것

(v) (포락 굴곡 곡선의 돌출 산부의 평균 높이(Rpke) + 코어부의 레벨차(Rke) + 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvke) / (조도 곡선의 돌출 산부의 평균 높이(Rpk) + 코어부의 레벨차(Rk) + 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvk))가 0.9 이하인 것

(vi) (포락 굴곡 곡선의 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvke) / (포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W)) 가 1.0 이하인 것

(i)의 평균 깊이(W)를 충족함으로써 보유성을 높일 수 있기 때문에 바람직하다. 평균 깊이(W)는 0.4 이상인 것이 바람직하고, 상한은 특별히 한정되지 않지만 통상 1.0 이하이다.

(ii)의 W Х AW 의 값을 충족함으로써 더욱 마찰 저감 효과를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. W Х AW 의 값은 90 이상인 것이 바람직하고, 270 이하인 것이 바람직하다.

(iii)의 Rke/Rk 의 값을 충족함으로써 추가적인 마찰 저감 효과를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. Rke/Rk 의 값은 0.5 이하인 것이 바람직하고, 하한은 특별히 한정되지 않지만, 통상 0.1 이상이다.

(iv)의 Rvke/Rvk의 값을 충족함으로써 오일의 전단 저항을 저감할 수 있기 때문에 바람직하다. Rvke/Rvk의 값은 0.7 이하인 것이 바람직하고, 하한은 특별히 한정되지 않지만 통상 0.05 이상이다.

(v)의 (Rpke+Rke+Rvke)/(Rpk+Rk+Rvk) 의 값을 충족함으로써 실린더 표면의 오목홈의 형상이 적합한 것이 되어 바람직하다. (Rpke+Rke+Rvke)/(Rpk+Rk+Rvk)의 값은 0.75 이하인 것이 바람직하고, 하한은 특별히 한정되지 않지만, 통상 0.1 이상이다.

(vi)의 Rvke/W 의 값을 충족하는, 즉 종래의 호닝 가공을 실시한 실린더 내주면보다도 W 에 대하여 Rvke 의 값을 작게 함으로써 마찰 저감 효과를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. Rvke/W 는 0.75 이하인 것이 바람직하고, 하한은 특별히 한정되지 않지만, 통상 0.1 이상이다.

또한, Rke, Rvke, Rpke, W, AW 를 포함하는 모티브 파라미터의 측정은 ISO12085 에 준하여 행해지고, 실린더 둘레 방향 4개소에서 계측한 값의 평균을 채용한다. 또한, ISO로 규정되는 평가 길이는 3.2mm 이며, 측정 대상인 4mm 중 임의의 3.2mm 에서 측정하면 된다.

Rk, Rvk, Rpk 를 포함하는 조도 파라미터의 측정 조건은 ISO4287 에 준하여 행해지고, 실린더 둘레 방향 4개소에서 계측한 값의 평균을 채용한다. 또한, ISO로 규정되는 평가 길이는 4.0mm 이다.

본 실시 형태에 관한 실린더 라이너의 내주면은 상기 중앙부 영역(3)에서 호닝 가공 홈 및 오목홈이 특정한 요건을 충족하여 존재하는 한 그 이외의 부분은 특별히 한정되지 않는다. 내주면 전체면이 호닝 가공되어 있어도 되고, 용사에 의한 용사 피막 등의 피막 처리를 갖고 있어도 된다.

그 중, 상기 실린더 내주면은 상사점을 포함하는 크랭크각이 0°이상 50°미만일 때의 오일링의 슬라이딩 영역(이하, 상사점 영역이라고도 칭한다. 도 1에서 부호 5의 영역이다.)에서 실린더 축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이를 선택할 수 없는 형태가 오일 소비 성능과 마찰 특성을 현저하게 악화시키지 않는 관점에서 바람직하고, 상기 오목홈이 존재하지 않는 형태인 것이 보다 바람직하다.

덧붙여, 하사점을 포함하는 크랭크각이 140°를 초과하고 180°이하일 때의 오일링의 슬라이딩 영역(이하, 하사점 영역이라고도 칭한다. 도 1에서 부호 6의 영역이다.)에서 실린더 축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이를 선택할 수 없는 형태가 바람직하다. 또한, 하사점 영역에 오목홈이 존재하는 경우, 오목홈이 유압의 발생을 방해하기 때문에 마찰 특성이 악화되는 경우가 있으므로 오목홈이 존재하지 않는 형태인 것보다 바람직하다.

또한, 중앙부 영역(3) 중 특히 크랭크각이 80°내지 110°일 때의 오일링의 슬라이딩 영역에서 실린더 축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm의 길이를 선택할 수 있는 것이 추가적인 마찰 저감 효과를 얻는 관점에서 바람직하다.

엔진의 설계에 의해 실린더 내주면에서 오일링의 슬라이딩 영역은 다르지만 일반적으로 오일링의 슬라이딩 영역은 실린더 라이너의 상단을 기점으로 했을 때 전체 길이의 1/5 위치로부터 전체 길이의 3/4 위치까지의 영역이며, 오목홈은 이 범위의 전부 또는 일부에 존재한다. 일례로서는 엔진의 보어 직경이 φ100mm의 경우, 실린더 라이너의 전체 길이는 194mm 정도가 되고, 실린더 라이너의 상단으로부터 39mm 내지 146mm 정도의 범위가 오일링의 슬라이딩 영역에 상당한다.

본 실시형태의 실린더 내주면을 형성함에 있어서는 상기 요건을 충족하도록 호닝 가공 홈 및 오목홈을 형성하는 수단을 적절히 적용하면 된다.

또한, 실린더 라이너를 배치하지 않는 실린더 블록이라도 실린더 라이너의 내주면과 마찬가지로 실린더 블록의 내주면을 가공할 수 있다.

실린더의 보어 직경은 특별히 한정되지 않고, 다양한 보어 직경의 실린더에 대하여 상기 오목홈 형상을 적용할 수 있지만 제조면에서 보어 직경은 φ50mm 이상인 것이 바람직하고, φ60mm 이상인 것이 보다 바람직하고, 또한 φ250mm 이하인 것이 바람직하고, φ200mm 이하인 것이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명에 대하여 실시예에 의해 상세히 설명하지만 본 발명은 이하의 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

주철재를 사용하여 내경(보어 직경) φ83mm, 두께 1.5mm 의 실린더 라이너를 준비하였다. 실린더 라이너의 내주면은 호닝 가공(크로스 해치: 예각 20°)에 의해 Rvk 가 0.17 내지 2.50㎛(실시예 1 내지 4), 0.88 내지 1.22㎛(실시예 5 내지 7), 0.50 내지 0.75㎛(실시예 8 내지 9), 0.41 내지 0.86㎛(실시예 10 내지 13), 0.38 내지 0.46㎛(실시예 14 내지 16)가 되도록 마무리하였다.

(실시예 1 내지 16)

다음에, 실린더 라이너에 피스톤 링을 장착한 피스톤의, 오일링의 상사점 위치를 크랭크각 0°, 오일링의 하사점 위치를 크랭크각 180°로 하여 실린더 라이너 내주면에서의 크랭크각 80°이상 110°이하의 슬라이딩 영역에 대하여 실시예 1, 5 내지 7, 14 내지 16은 조도를 작게 호닝 가공하고, 실시예 2 내지 4는 조도를 크게 호닝 가공하고, 실시예 8 내지 13 은 통상의 조도가 되도록 호닝 가공을 실시하고, 그 후 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈을 형성하였다. 또한, 실시예 5 내지 13은 오목홈의 깊이를 적절히 변경하고, 또한, 실시예 1 내지 4, 14 내지 16은 오목홈의 깊이를 균일하게 하였다.

또한, 오목홈의 형성은 실린더 라이너 축 방향과 수직인 방향에 대하여 평균 2.5°의 경사각을 갖고 있었다. 또한, 상기 가공에 의해 실시예 1 내지 16에 따른 실린더 라이너의 크랭크각 80°이상 110°이하의 영역에서 실린더 축 방향으로 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm의 길이를 선택할 수 있었다. 한편, 실시예 1 내지 16에 따른 실린더 라이너의 크랭크각 0°이상 50°미만의 영역 및 140° 초과 180°이하의 영역에 실린더 축 방향으로 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이를 선택할 수 없었다.

선택된 오목홈이 4개소 이상 존재하는 길이에 대해 실린더 라이너 내주면의 윤곽 곡선을 취득하고, Rk, Rpk, Rvk, Rke, Rke, Rvke, W, AW 의 값을 각각 산출하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예 1 내지 16)

표면에 호닝 가공을 실시함으로써 표 2의 조도가 되도록 실린더 라이너의 내주 표면을 가공하였다. 또한, 비교예 6은 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈을 형성하였다. 또한, 비교예 1 내지 6에 관한 실린더 라이너의 표면의 어느 영역에 있어서도 실린더 축 방향으로 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm의 길이를 선택할 수 없었다.

상기 얻어진 실시예 1 내지 16 및 비교예 1 내지 6에 따른 실린더 라이너에 형성된 오목홈의 홈 폭에 대해 접촉식 조도 측정기(주식회사 고사카연구소 제조 SURFCORDER SE600)로 직경 방향 5000배, 축 방향 100배의 배율로 측정하였다. 측정 위치는 축 방향으로 3개소, 축 방향의 각 측정 위치로부터 둘레 방향으로 90°간격으로 4개소씩, 합계 12개소를 측정하고, 각 프로파일 곡선에서 축 방향의 최대 개구부의 길이의 평균값을 홈 폭으로 하였다. 또한, 오목홈을 갖지 않는 비교예 1 내지 5에 대해서는 호닝 가공 홈의 홈 폭을 직경 방향 5000배, 축 방향 500배의 배율로 측정하였다. 결과를 표 1, 표 2 에 나타낸다.

상기 얻어진 실시예 1 내지 16 및 비교예 1 내지 6 에 관한 실린더 라이너에 대해 이하의 마찰 시험 및 오일 소비 실기 테스트를 실시하였다.

<마찰 시험>

마찰 시험은 단기통 부동 라이너 시험기(1사이클 중의 피스톤, 피스톤 링의 마찰 변화를 포착하는 시험기)로 대기 개방 모터 링 평가로 실시하였다. 마찰 시험에서는 보어 직경 φ83mm 이고 스트로크 86mm 의 크랭크식 단기통 모터 링 시험기(20)(부동 라이너 방식)를 사용하였다. 도 3에 마찰 시험에 사용한 크랭크식 단기통 모터 링 시험기의 단면 모식도를 도시한다. 실린더 라이너(21)는 스토퍼(23)에 의해 직경 방향의 거동이 제한되고, 축방향만 가동할 수 있는 구조이다. 실린더 라이너(21)에 부착된 센서(24)에 의해 실린더 라이너(21)에 작용하는 축방향의 슬라이딩 마찰력을 검출한다. 이 슬라이딩 마찰력의 1사이클당 마찰 토크를 배기량으로 나눈 마찰 평균 유효 압력(FMEP: Friction Mean Effective Pressure)에 의해 평가하였다.

시험 조건은 냉각수 온도가 80℃,엔진 오일의 온도가 80℃로 하고, 엔진 오일이 10W-30(점도 분류: SAE J300)을 사용하고, 평가 회전수는 600rpm 내지 2000rpm 사이에서 측정하였다.

FMEP 는 비교예 3(BM)의 값을 100% 로 한 경우의 상대값에 따라 이하의 기준에 따라 분류하고, A, B 를 합격 수준으로 하였다. 결과를 표 1, 표 2에 나타낸다.

<오일 소비 실기 테스트>

오일 소비 실기 테스트는 8L 글라스 디젤 엔진을 사용하였다. 운전 시에는 오일을 신선한 오일로 하고, 2000rpmХ최대부하(Full Load)로 소정 시간 운전시키고, 샘플링법으로 운전 전후의 오일의 중량차를 비교하였다.

오일 소비는 비교예 3(BM)의 값을 100% 로 한 경우의 상대값에 따라 이하의 기준에 따라 분류하고, α, β를 합격 수준으로 하였다. 결과를 표 1, 표 2에 나타낸다.

이들 결과보다 해당 영역에 적절히 오목홈을 형성함으로써 오일 소비 성능을 현저히 악화시키지 않고 마찰을 저감시킬 수 있었다.

10 : 실린더 라이너 1 : 오일링 상사점
2 : 오일링 하사점 3 : 중앙부 영역
4 : 파선 영역 41 : 길이(長さ)
5 : 상사점 영역 6 : 하사점 영역
20 : 크랭크식 단기통 모터링 시험기 21 : 실린더 라이너
23 : 스토퍼 24 : 센서

Claims (10)

1. 실린더 내주면에 홈 가공을 갖는 실린더로서,
   상기 홈 가공은:
   호닝 가공 홈; 및
   상기 호닝 가공 홈보다 홈 폭 및 홈 깊이가 큰 오목홈;
   을 포함하고,
   상기 호닝 가공 홈 및 상기 오목홈은 실린더 둘레 방향으로 연장되고, 실린더 축 방향과 수직인 방향에 대하여 경사각을 갖고,
   상기 실린더 내주면은 크랭크각이 50°이상 140°이하일 때 오일링의 슬라이딩 영역에서 실린더 축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이(長さ)를 선택하는, 실린더.
2. 제1항에 있어서,
   상기 오목홈은 상기 크랭크각이 50°이상 140° 이하일 때 오일링의 슬라이딩 영역에서 오목홈끼리 교차하는 부분을 갖는, 실린더.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 오목홈의 홈폭은 30㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 실린더.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 선택된 4mm의 길이에서 포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W) 가 0.28㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 실린더.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 선택된 4mm의 길이에서
   (포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W) Х (굴곡 모티브의 평균 길이(AW))
   가 80㎛² 이상 300㎛² 이하인 것을 특징으로 하는, 실린더.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 선택된 4mm의 길이에서
   (포락 굴곡 곡선의 코어부의 레벨차(Rke)) / (조도 곡선의 코어부의 레벨차(Rk))
   가 0.6 이하인 것을 특징으로 하는, 실린더.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 선택된 4mm의 길이에서
   (포락 굴곡 곡선의 돌출 곡부의 평균 깊이 (Rvke)) / (조도 곡선의 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvk))
   가 0.9 이하인 것을 특징으로 하는, 실린더.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 선택된 4mm의 길이에서
   (포락 굴곡 곡선의 돌출 산부의 평균 높이(Rpke) + 코어부의 레벨차(Rke) + 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvke)) / (조도 곡선의 돌출 산부의 평균 높이(Rpk) + 코어부의 레벨차(Rk) + 돌출 곡부의 평균 깊이(Rvk))
   가 0.9 이하인 것을 특징으로 하는, 실린더.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 선택된 4mm의 길이에서
   (포락 굴곡 곡선의 돌출 곡부의 평균 깊이 (Rvke)) / (포락 굴곡 곡선의 굴곡 모티브의 평균 깊이(W))
   가 1.0 이하인 것을 특징으로 하는, 실린더.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더 내주면은 상사점(上死点)을 포함하는 크랭크각이 0°이상 50°미만일 때 오일링의 슬라이딩 영역에서 실린더 축 방향으로 상기 오목홈이 4개소 이상 존재하는 4mm 의 길이를 선택할 수 없는 것을 특징으로 하는, 실린더.