WO2012060487A1 - 내벽면에 요철이 형성된 실린더 - Google Patents

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김성기
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Doosan Infracore Co Ltd
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J10/00—Engine or like cylinders; Features of hollow, e.g. cylindrical, bodies in general
    • F16J10/02—Cylinders designed to receive moving pistons or plungers
    • F16J10/04—Running faces; Liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/18—Other cylinders
    • F02F1/20—Other cylinders characterised by constructional features providing for lubrication
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/08—Constructional features providing for lubrication

Definitions

  • the present invention relates to a cylinder of an internal combustion engine, and relates to a cylinder having irregularities formed on a wall surface of an inner wall. That is, the present invention relates to a technique for reducing friction and wear by forming fine concavities and convexities on at least one of two surfaces that perform relative motion through a lubricant.
  • the internal combustion engine includes a piston that moves under the explosive force caused by fuel combustion and a cylinder that guides the movement of the piston. Cylinders are also called cylinders. In gasoline and diesel engines, fuel is pumped together with air into the cylinder, ignited, and exploded, moving the pistons by the explosive force.
  • the inner or inner wall of the cylinder is called a bore, and the wall surface of the inner wall of the cylinder is also called a bore surface.
  • the piston constantly rubs against the inner wall of the cylinder as it moves inside the bore.
  • a piston ring is provided around the top of the piston in order to enhance the adhesion between the piston and the inner wall of the cylinder to prevent leakage of air or fuel explosion gas, and the friction between the piston ring and the inner wall of the cylinder is particularly severe.
  • the piston ring and the inner wall of the cylinder are generally relative to each other parallel to each other via a lubricant called engine oil.
  • the engine oil serves to reduce the friction between the piston ring and the cylinder inner wall by forming a lubricating film between the piston ring and the cylinder inner wall.
  • the present inventors when processing a plurality of fine irregularities on at least one of the two surfaces in relative motion, even if the two surfaces in parallel relative movement generates a fluid dynamic pressure between the two surfaces, thereby improving the lubricity Knowing that the present invention was completed.
  • the lubricant improves the lubrication state between the cylinder inner wall and the piston or piston ring to reduce the wear occurring at the interface surface I would like to. That is, the present invention provides a cylinder is formed with fine irregularities on the inner wall.
  • the fine concave-convex according to the present invention can reduce the wear of the cylinder and the piston ring more effectively than conventional heat treatment, surface roughness improvement, honing and the like.
  • the present invention also provides a method of shortening the cylinder manufacturing cost and manufacturing time by forming as much fine asperities as necessary to the optimum position.
  • the present invention provides a cylinder in which fine irregularities are formed in at least a portion of a stroke distance (L) section, which is a section between a top dead center (TDC) and a bottom dead center (BDC).
  • L stroke distance
  • TDC means the position of the piston head when the piston moves up to the highest point as it moves in the cylinder
  • BDC means the position of the piston head when the piston moves down to the lowest point as it moves in the cylinder.
  • the stroke is a section in which the piston head moves inside the cylinder, and means a section between the top dead center and the bottom dead center.
  • TDC is the top dead center of the cylinder
  • BDC is the bottom dead center of the cylinder
  • L the section between the top dead center and the bottom dead center indicated by "L” is the stroke distance.
  • the present invention relates to a cylinder for guiding the movement of the piston inserted therein, the cylinder is formed with a plurality of irregularities on the inner wall surface, the piston stroke distance in the region of 5 to 50% distance from the top dead center (TDC)
  • TDC top dead center
  • the region of 5 to 50% distance from the top dead center (TDC) in the cylinder stroke distance section is referred to as the first region 100 (see FIG. 2A).
  • the unevenness may be formed over the entire first region, or may be formed only in a portion of the first region. Whether the irregularities are formed over the entire first region or only a part of the first region, the irregularities may be formed at uniform intervals in the region where the irregularities are formed. It is an advantage in manufacturing processes and the like that irregularities are formed at uniform intervals.
  • a plurality of unevennesses may be formed in at least 30% or more of the region (first region) 100 having a distance of 5 to 50% from the top dead center (TDC) among the stroke distances of the piston. That is, the unevenness may be formed on the inner wall of the cylinder such that the unevenness is distributed in at least 30% or more of the first region 100.
  • a plurality of irregularities may be formed in at least part of an area of 8 to 32% distance from the top dead center (TDC) of the stroke distance of the piston.
  • TDC top dead center
  • the region of 8 to 32% distance from the top dead center (TDC) of the cylinder stroke distance is referred to as the second region 200 (see Fig. 2a).
  • the unevenness may be formed over the entire second area, or may be formed only in a part of the second area. Whether the irregularities are formed over the entire second region or only a part of the second region, the irregularities may be formed at uniform intervals in the region where the irregularities are formed. It is an advantage in manufacturing processes and the like that irregularities are formed at uniform intervals.
  • a plurality of unevennesses may be formed in at least 30% or more of the region (second region) 200 having a distance of 8 to 32% from the top dead center (TDC) among the stroke distances of the piston. That is, the irregularities may be formed on the inner wall of the cylinder such that the irregularities are distributed in at least 30% or more of the second region 200.
  • Too little unevenness on the inner wall of the cylinder reduces the lubricant trapping space, making it difficult to achieve sufficient lubrication effect.
  • too much unevenness on the inner wall of the cylinder makes the area of the non-uneven portion, ie, the portion that rubs against the piston ring, become too small. The surface pressure increases in the friction part, which may worsen the friction characteristics.
  • the key to reducing friction and wear due to surface irregularities is to determine the shape and arrangement of the irregularities to minimize friction and wear.
  • the shape and arrangement of the unevenness and the arrangement method for minimizing friction and wear are greatly influenced by the operating conditions such as the contact form of the two surfaces, the load, and the sliding speed, it is not a simple task to determine the requirements.
  • the contact portion is in the form of a line, in the form of a point, or in the form of a plane, the form and arrangement of the concavities and convexities for minimizing friction and wear are respectively different. Therefore, the development of surface unevenness forming technology for reducing friction and wear should first be identified and defined for its operating environment or operating conditions, and the development of the optimal uneven shape and arrangement under the specified operating environment or operating conditions.
  • processing the fine concavo-convex on the inner surface of the cylinder may increase fuel consumption or engine oil consumption.
  • irregularities should be formed in an optimal region.
  • the present invention suggests an optimal area for uneven processing and proposes the optimum shape of the uneven for improving wear, so as to reduce piston ring wear without increasing fuel and oil consumption at the same time.
  • the concave-convex shape is a microhole having a concave mirror shape (see FIG. 4).
  • the depth and density of the unevenness may vary depending on the size of the cylinder or the type of use.
  • the concave mirror-shaped micropores may have a depth of 0.01 to 0.03 mm and a diameter of 0.07 to 0.17 mm.
  • the ratio of the area occupied purely by the concave mirror micropores among the total area of the region where the concave mirror micropores is formed may be 5 to 15%.
  • the ratio of the said area is called "density.”
  • the density which is the ratio of the area occupied by the concave mirror micropores out of the total area of the region where the concave mirror micropores is formed, may be calculated by Equation 1 below.
  • the shape of the unevenness may be a broken groove shape (see FIG. 6).
  • the irregularities of the dashed groove shape may be 0.01 ⁇ 0.03mm in depth, 0.08 ⁇ 0.18mm in line width.
  • the gap between the length of the irregularities in the shape of the dashed groove and the irregularities may vary depending on the density of the irregularities. According to an example of the present invention, the ratio of the area of the dashed groove-shaped unevenness that is purely occupied by the dashed groove-shaped unevenness is 8-18%.
  • the density which is the ratio of the area occupied by the dashed grooves of the irregularities in the total area of the region where the wavy grooves are formed, may be calculated as in Equation 2 below.
  • the length and spacing of the dashed groove may be a variable of density.
  • other factors can be variables of density.
  • the present invention by forming irregularities on the inner wall of the cylinder, it captures the wear particles to accelerate the wear, supply the lubricant in the absence of lubricant, increase the oil film pressure between the piston ring and the inner wall of the cylinder to increase the cylinder and piston or piston It can reduce the wear of the ring.
  • the concave mirror-shaped microporous irregularities according to an example of the present invention are easy to process and are excellent in capturing wear particles, supplying lubricant, and increasing oil film pressure.
  • the concave-mirror type micro-hole concave-convex is particularly excellent in capturing wear particles, supplying lubricant, and increasing oil film pressure when the depth is 0.01 to 0.03 mm, the diameter is 0.07 to 0.17 mm, and the density is 5 to 15%. .
  • Concave-convex in the form of broken groove is also easy to process and has excellent effects of capturing wear particles, supplying lubricant, and increasing film pressure.
  • the broken groove-shaped unevenness is particularly excellent in the effect of trapping wear particles, supplying lubricant, and increasing oil film pressure when the depth is 0.01 to 0.03 mm, the line width is 0.08 to 0.18 mm, and the density is 8 to 18%.
  • the present invention by improving the lubrication state between the piston ring and the cylinder bore relative to each other in the internal combustion engine, it is possible to reduce the wear of the piston ring by more than 70%.
  • TDC top dead center
  • BDC bottom dead center
  • FIG. 2A is a view for explaining a position where micro-convexities are formed on an inner wall of a cylinder, and the left side shows a first region 100 which is a distance of 5 to 50% from a top dead center (TDC) among cylinder stroke distances. The right side shows the second area 200 which is an area of 8 to 32% from the top dead center (TDC) of the cylinder stroke distance.
  • TDC top dead center
  • Fig. 2B is a schematic diagram illustrating a position where fine irregularities are formed on the inner wall of the cylinder.
  • Figure 3 is a graph showing the wear distribution of the inner wall in the cylinder applied in Examples 1 to 10.
  • FIG. 4 is a view showing the shape of the micro-hole-shaped irregularities formed on the inner wall of the cylinder, showing the specifications and design parameters of the micro-hole-shaped irregularities.
  • FIG. 5 is a graph showing wear of the piston ring in the case where the micropore-shaped irregularities shown in FIG.
  • FIG. 6 is a view showing the shape of the dashed groove-shaped irregularities formed on the inner wall of the cylinder, showing the specifications and design parameters of the dashed groove-shaped irregularities.
  • FIG. 7 is a graph showing wear of the piston ring in the case where the broken groove-shaped unevenness shown in FIG. 6 is formed on the inner wall of the cylinder and subjected to abrasion test.
  • the fine unevenness of the inner wall of the cylinder is from 5 to 50% of the stroke distance from the top dead center, 5 to 50% of the stroke distance from the top dead center, and 8 to 32% of the stroke and top dead center from the top dead center. It was formed in areas other than 8 ⁇ 32% of stroke distance.
  • 9 is a graph comparing the amount of wear for each area ratio of the uneven portion in the region of 5 to 50% of the stroke distance from the top dead center of the inner wall of the cylinder.
  • 10 is a graph comparing the amount of wear for each area ratio of the uneven portion of the stroke between 8 and 32% of the stroke distance from the top dead center of the cylinder inner wall.
  • TDC Top Dead Center
  • BDC Bottom Dead Center
  • the wear state of the actual cylinder inner wall was first measured in order to identify a region inside the cylinder that can form a plurality of irregularities (uneven irregularities) to maximize the wear reduction effect of the cylinder and the piston ring. 3, the wear state of each distance was measured based on the distance measured from the lower end of the cylinder.
  • Length in FIG. 3 represents a distance from the lower end of the cylinder to the upper end.
  • This cylinder has a stroke distance of 12.6 cm, a top dead center of 20 cm, and a bottom dead center of 7.4 cm.
  • the cylinder of the present embodiment can be said to be the cylinder in which the most wear occurs in the region of 8 to 32% of the stroke distance from the top dead center.
  • the concave-mirror type micro-hole concave-convex convexity is a diameter, depth, and density as design variables, wherein the diameter is Db, the depth is Dc, and the density of the concave-convex convexity can be obtained from Equation 1.
  • Example 1 and 5 On the basis of the test results in Table 1, Examples 1 and 5, in which the wear reduction effect was particularly excellent, were selected. In addition, by implementing an additional concave-convex shape corresponding to the intermediate size of Example 1 and 5 set to Example 10 was designed as shown in Table 2. These were subjected to five wear tests for each, and the results are shown in FIG. 5.
  • the wear amount of the piston ring was reduced to a level of 40% as compared with the wear amount of the case where the unevenness was not formed (UnTexture).
  • the concave-mirror shape of 0.12mm in diameter, 0.02mm in depth and 10% in density is machined in the cylinder inner wall at 8 ⁇ 32% of the stroke distance from the top dead center, the wear of the piston ring can be reduced by 60%. Confirmed that it can.
  • the irregularities of the dashed groove shape as shown in FIG. 6 were formed in the cylinder as shown in Table 3 below, and the wear test was performed.
  • the irregularities in the shape of the broken grooves are line width, depth, and density as design variables.
  • the line width is Lc
  • the depth is Le
  • the density can be obtained by Equation 2.
  • Example 12 and 17 were selected that were excellent in abrasion improving effects.
  • Example 20 was further implemented by implementing the irregularities in the form of dashed grooves corresponding to the intermediate size of Examples 12 and 17. These were designed as shown in Table 4 below, and five wear tests were performed for each. The results are shown in FIG.
  • the piston ring wear amount is about 24% of the piston ring wear amount when the unevenness is not processed.
  • the wear of the piston ring can be reduced by 76%. It was.
  • i) when fine unevenness is not formed ii) when fine irregularities are formed in an area of 5 to 50% of the stroke distance from the top dead center, and iii) an area other than 5 to 50% of the stroke distance from the top dead center.
  • iv) forming fine irregularities in the region of 8 to 32% of the stroke distance from the top dead center iv) forming fine irregularities in the region of 8 to 32% of the stroke distance from the top dead center, and v) forming the fine irregularities in the region other than 8 to 32% of the stroke distance from the top dead center.
  • FIG. 9 may be referred to as a test result of how much microfabrication should be formed in 5% to 50% of the stroke distance from the top dead center.
  • the case where the unevenness was formed in the entire area of 5 to 50% of the stroke distance from the top dead center was marked as 100%, and the case in which the fine unevenness was not formed at all was indicated as 0%.
  • FIG. 10 may be referred to as a test result of how much microfabrication should be formed in 8% to 32% of the stroke distance from the top dead center.
  • the case where the unevenness was formed in 100% of the entire area of 8 to 32% of the stroke distance from the top dead center was marked as 100%, and the case in which the fine unevenness was not formed at all was indicated as 0%.
  • the present invention can be applied to various kinds of cylinders, and in particular to the cylinder of the internal combustion engine.

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Abstract

본 발명은 내구성을 향상시키기 위하여 내벽에 미세 요철을 형성한 실린더에 대한 것이다. 본 발명에 의한 상기 미세 요철은 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 유막 압력을 증대시키며, 엔진 오일이 부족한 곳에 엔진 오일을 원활이 공급함으로써 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 마모를 감소시킬 수 있다.

Description

내벽면에 요철이 형성된 실린더
본 발명은 내연기관의 실린더에 대한 것으로서, 내벽의 벽면에 요철이 형성되어 있는 실린더에 대한 것이다. 즉, 본 발명은 윤활제를 매개로 상대 운동을 하는 두 표면 중 적어도 한 표면에 미세 요철을 형성하여 마찰 및 마모를 감소시키는 기술에 대한 것이다.
내연기관은 연료 연소에 의한 폭발력을 받아 운동하는 피스톤과 상기 피스톤의 운동을 안내하는 실린더를 구비하고 있다. 실린더는 기통(氣筒)이라고도 하는데, 가솔린기관이나 디젤기관에서는 실린더 안에 연료를 공기와 함께 뿜어 넣고 점화, 폭발시켜, 그 폭발력으로 피스톤을 움직인다.
상기 실린더의 내부 또는 내벽을 보어(bore)라고 하고, 실린더의 내벽의 벽면을 보어면이라고도 한다.
피스톤은 실린더의 내부(보어)를 움직이면서 실린더의 내벽과 끊임없이 마찰을 한다. 특히, 피스톤과 실린더 내벽 사이의 밀착을 증진시켜 공기나 연료 폭발 가스가 새지 않도록 하기 위하여 피스톤 상부의 둘레에는 피스톤 링이 구비되어 있는데, 상기 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 마찰이 특히 심하다.
피스톤 링과 실린더 내벽은 일반적으로 엔진오일이라는 윤활제를 매개로 서로 평행하게 상대운동을 한다. 이때 엔진오일은 피스톤 링과 실린더 내벽 사이에 윤활막을 형성하여 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 마찰을 감소시키는 역할을 한다.
일반적으로 실린더의 내벽과 피스톤과 같이 두 표면이 평행한 경우 액체 윤활제를 매개로 그 두 표면이 상대운동을 할지라도 그 윤활제 안에는 유체 동압이 발생하지 않는다는 것은 유체윤활 이론으로부터 잘 알려진 사실이다.
이와 같이 실린더와 피스톤의 평행한 상대운동은 윤활막을 형성시키기 어려운 운동일 뿐만 아니라, 실린더에서의 높은 연소압과 연소열로 인해 피스톤(또는 피스톤 링)과 실린더 내벽 사이에는 항상 엔진오일이 부족한 상태에서 운전된다. 이로 인해 피스톤 링과 실린더 내벽에는 심한 마찰과 마모가 일어난다. 이런 운전조건 하에서 장시간 운전할 경우 연료 소모나 엔진 오일 소모량이 증가하는 것은 물론, 경우에 따라 엔진 교체의 원인이 되기도 한다.
피스톤 링과 마찰하는 실린더 내벽의 마모 감소를 위하여 종래 열처리, 표면 조도 개선, 호닝(horning) 등의 방법이 개발되어 왔다. 하지만, 엔진의 작동환경이 피스톤 링 마모에 취약한 방향으로 변해감에 따라 기존의 방법 보다 더 효율적으로 피스톤 링의 마모를 감소시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.
이에 본 발명자들은, 상대 운동을 하는 두 표면 중 적어도 한 표면에 다수의 미세 요철을 가공하면 그 두 표면이 평행하게 상대운동을 할지라도 두 면 사이에 유체 동압이 발생하고 이로 인해 윤활성을 개선시킬 수 있음을 알고 본 발명을 완성하였다.
본 발명에서는 내연기관의 실린더(10)의 내벽(11)에 요철(40, 50)을 형성하여 실린더 및 피스톤 링의 마모를 감소시키고자 한다.
본 발명에서는 실린더 내벽면에 요철을 형성하여 상기 요철이 엔진오일과 같은 윤활제를 포집하도록 함으로써, 상기 윤활제가 실린더 내벽과 피스톤 또는 피스톤 링 사이의 윤활상태를 개선시켜 경계면에서 발생하는 마모를 저감시키도록 하고자 한다. 즉, 본 발명에서는 내벽에 미세요철이 형성된 실린더를 제공한다.
본 발명에 따른 미세 요철은 종래의 열처리, 표면 조도 개선, 호닝 등의 방법 보다 더 효과적으로 실린더와 피스톤 링의 마모를 감소시킬 수 있다.
본 발명에서는 특히 실린더에서 마모 감소 효과를 극대화할 수 있는 위치를 찾아내어 그 위치에 미세 요철을 형성함으로써 효율적으로 실린더와 피스톤 또는 피스톤 링의 마모를 감소시키고자 한다.
본 발명은 또한 최적의 위치에 필요한 정도 만큼만의 미세 요철을 형성함으로써 실린더 제조 비용과 제조 시간을 단축하는 방안을 제공하고자 한다.
본 발명은 상사점(Top Dead Center; TDC)과 하사점(Bottom Dead Center; BDC) 사이 구간인 행정거리(L) 구간 중 적어도 일부의 영역에 미세요철이 형성된 실린더를 제공한다.
상사점(TDC)이란 피스톤이 실린더에서 운동하면서 가장 높은 지점까지 올라갔을 때 피스톤 헤드부의 위치를 의미하고, 하사점(BDC)이란 피스톤이 실린더에서 운동하면서 가장 낮은 지점까지 내려갔을 때 피스톤 헤드부의 위치를 의미한다. 또한 행정거리란 피스톤 헤드부가 실린더 내부에서 움직이는 구간으로서, 상사점과 하사점 사이의 구간을 의미한다. 도 1, 도 2a 및 2b에서 "TDC"로 표시된 것이 실린더의 상사점이고, "BDC"로 표시된 것이 실린더의 하사점이며, "L"로 표시된 상사점과 하사점 사이의 구간이 행정거리이다.
본 발명은 내부에 삽입되는 피스톤의 운동을 안내하는 실린더에 대한 것으로서, 상기 실린더는 내벽면에 복수개의 요철이 형성되되, 피스톤 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역 중 적어도 일부의 영역에 복수개의 요철이 형성된 실린더를 제공한다.
본 발명에서는 실린더 행정거리 구간 중 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역을 제1영역(100)이라 한다(도 2a 참조).
상기 요철은 상기 제1영역 전체에 걸쳐서 형성될 수도 있고, 상기 제1영역의 일부에만 형성될 수도 있다. 상기 요철이 상기 제1영역 전체에 걸쳐서 형성되든 상기 제1영역의 일부에만 형성되든, 상기 요철은 요철이 형성되는 영역내에서 균일한 간격을 두고 형성되도록 할 수 있다. 요철이 균일한 간격으로 형성되는 것이 제조공정 등에서 이점이 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 피스톤의 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역(제1영역; 100) 중 적어도 30% 이상의 영역에 복수개의 요철이 형성되도록 할 수 있다. 즉, 상기 요철이 상기 제1영역(100) 중 적어도 30% 이상의 영역에 분포되도록 실린더 내벽에 요철을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 피스톤의 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역 중 적어도 일부의 영역에 복수개의 요철이 형성되도록 할 수도 있다. 본 발명에서는 실린더 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역을 제2영역(200)이라 한다(도 2a 참조).
상기 요철은 상기 제2영역 전체에 걸쳐서 형성될 수도 있고, 상기 제2영역의 일부에만 형성될 수도 있다. 상기 요철이 상기 제2영역 전체에 걸쳐서 형성되든 상기 제2영역의 일부에만 형성되든, 상기 요철은 요철이 형성되는 영역내에서 균일한 간격을 두고 형성되도록 할 수 있다. 요철이 균일한 간격으로 형성되는 것이 제조공정 등에서 이점이 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 피스톤의 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역(제2영역; 200) 중 적어도 30% 이상의 영역에 복수개의 요철이 형성되도록 할 수 있다. 즉, 상기 요철이 상기 제2영역(200) 중 적어도 30% 이상의 영역에 분포되도록 실린더 내벽에 요철을 형성할 수 있다.
실린더 내벽에 요철이 너무 적으면 윤활제 포집공간이 줄어들어 충분한 윤활효과를 나타내기 어렵고, 또한 실린더 내벽에 요철이 너무 많으면 요철이 아닌 부분, 즉 피스톤링과 마찰하는 부분의 면적이 지나치게 작아지게 되어 오히려 그 마찰부분에서 면압이 증가하게 되어 마찰 특성을 악화시킬 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 요철의 형태에 특별히 제한이 있는 것은 아니다. 오목하게 형성되어서 윤활유를 포집할 수 있는 형태라면 요철의 형태로서 어느 것이든 가능하다. 그렇지만, 요철의 형상이 적절하지 않으면 마찰 감소의 효과가 크지 않을 수 있다.
표면 미세 요철에 의한 마찰 및 마모 감소 기술의 핵심은 마찰 및 마모가 최소가 되도록 요철의 형태, 배열 방법을 정하는 것이라고 할 수 있다.
그런데, 마찰 및 마모가 최소가 되도록 하는 요철의 형태, 배열 방법은 두 면의 접촉 형태, 하중, 미끄럼 속도 등의 운전 조건에 따라 크게 영향을 받기 때문에 그 요건을 정하는 것은 단순한 작업이 아니다. 예를 들어, 접촉부의 형태가 선 형상일 때, 점 형상일 때, 또는 면 형상일 때 마찰 및 마모를 최소로 하기 위한 요철의 형태 및 배열 방법은 각각 달라진다. 따라서, 마찰 및 마모 감소를 위한 표면 요철 형성 기술 개발은 그 작동 환경이나 운전 조건에 대한 확인 및 정의가 먼저 이루어져야 하며, 정해진 작동 환경이나 운전 조건 하에서 최적의 요철 형태 및 그 배열을 개발해야만 한다.
한편, 실린더 내면에 미세 요철을 가공하는 것은 연료 소모나 엔진 오일 소모량을 증가시킬 수도 있다. 이를 방지하기 위해서는 최적의 영역에 요철을 형성해야 한다. 본 발명에서는 연료 및 오일 소모량을 증가시키지 않으면서 동시에 피스톤 링 마모를 저감시킬 수 있도록, 요철 가공을 위한 최적의 영역을 제시하고 마모 개선을 위한 그 요철의 최적형상을 제안한다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 요철의 형태가 오목거울 형태의 미세구멍인 것이 가능하다(도 4 참조). 실린더의 규격이나 사용 형태에 따라 요철의 깊이 및 밀도는 달라질 수 있다.
상기 본 발명의 일례에 따르면, 상기 오목거울 형태의 미세구멍은 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 직경이 0.07~0.17mm 이 되도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 순수하게 차지하는 면적의 비율은 5~15% 인 것이 가능하다. 이하, 상기 면적의 비율을 "밀도"라고 한다.
도 4를 참고하면 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 순수하게 차지하는 면적의 비율인 밀도는 아래 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2010007690-appb-M000001
본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 요철의 형태가 파선홈 형태인 것도 가능하다(도 6 참조).
상기 본 발명의 일례에서, 상기 파선홈 형태의 요철은 깊이 0.01~0.03mm, 선폭 0.08~0.18mm으로 할 수 있다.
상기 파선홈 형태의 요철의 길이 및 요철 사이의 간격은 요철의 밀도에 따라 다양하게 변할 수 있다. 본 발명의 일례에 따라면 상기 파선홈 형태의 요철이 형성 및 분포되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 파선홈 형태의 요철이 순수하게 차지하는 면적의 비율은 8~18% 인 것이 가능하다.
도 6를 참고하면, 상기 파선홈 형태의 요철이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 파선홈 형태의 요철이 순수하게 차지하는 면적의 비율인 밀도는 아래 수학식 2과 같이 계산될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2010007690-appb-M000002
본 발명의 일례에 따르면 상기 파선홈의 길이와 간격이 밀도의 변수가 될 수있다. 물론 다른 요소가 밀도의 변수가 될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따르면 실린더 내벽 상부에 요철을 형성함으로써, 마모를 가속시키는 마모입자를 포획하고, 윤활제가 부족한 상황에서 윤활제를 공급하고, 피스톤 링과 실린더 내벽 사이의 유막압력을 증대시켜 실린더와 피스톤 또는 피스톤 링의 마모를 감소시킬 수 있다.
특히 실린더 내벽 중 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에 요철을 형성하는 경우 실린더와 피스톤 또는 피스톤 링의 마모 감소에 효과가 매우 우수하다.
본 발명의 일례에 따른 오목거울 형태의 미세구멍형 요철은 가공이 용이하고 마모입자 포획, 윤활제 공급, 유막압력 증대 효과가 뛰어나다. 상기 오목거울 형태의 미세구멍형 요철은 특히, 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 직경이 0.07~0.17mm 이고, 밀도가 5~15%일 때, 마모입자 포획, 윤활제 공급, 유막압력 증대 효과가 뛰어나다.
파선홈 형태의 요철 역시 가공이 용이하고 마모입자 포획, 윤활제 공급, 유막압력 증대 효과가 우수하다. 상기 파선홈 형태 요철은 특히, 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 선폭이 0.08~0.18mm 이고, 밀도가 8~18% 일 때, 마모입자 포획, 윤활제 공급, 유막압력 증대 효과가 뛰어나다.
본 발명에 의하면 내연기관에서 서로 상대운동을 하는 피스톤 링과 실린더 보어 사이 윤활상태를 개선하여 피스톤 링의 마모를 70% 이상까지도 감소시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 실린더를 보여주는 도면으로서, 상사점(TDC)과 하사점(BDC)를 보여준다.
도 2a는 실린더 내벽에서 미세요철이 형성되는 위치를 설명하기 위한 도면으로서, 왼쪽은 실린더 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역인 제1영역(100)을 표시하는 것이고, 오른쪽은 실린더 행정거리 중 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역인 제2영역(200)을 표시하는 것이다.
도 2b는 실린더 내벽에 미세요철이 형성되는 위치를 설명하는 개략도이다.
도 3은 실시예 1 내지 10에 적용된 실린더에서 내벽의 마모분포를 보여주는 그래프이다.
도 4는 실린더 내벽에 형성되는 미세구멍 형태 요철의 모습을 형상화한 도면으로서, 미세구멍 형태 요철의 규격 및 설계 변수를 보여준다.
도 5은 도 4에 도시된 미세구멍 형태 요철을 실린더 내벽에 형성하여 마모 시험을 한 경우에 있어서 피스톤 링의 마모를 보여주는 그래프이다.
도 6는 실린더 내벽에 형성되는 파선홈 형태 요철의 모습을 형상화한 도면으로서, 파선홈 형태 요철의 규격 및 설계 변수를 보여준다.
도 7은 도 6에 도시된 파선홈 형태 요철을 실린더 내벽에 형성하여 마모 시험을 한 경우에 있어서 피스톤 링의 마모를 보여주는 그래프이다.
도 8은 실린더 내벽에 미세 요철이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우에 있어서 피스톤 링의 마모량을 비교한 그래프이다. 이때, 실린더 내벽의 미세 요철은 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역, 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역 이외의 영역, 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 영역과 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 이외의 영역에 각각 형성되었다.
도 9는 실린더 내벽의 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역 중에서 요철이 형성된 부분의 면적 비율별로 마모량을 비교한 그래프이다.
도 10은 실린더 내벽의 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 영역 중에서 요철이 형성된 부분의 면적 비율별로 마모량을 비교한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 실린더 11: 실린더 내벽
40: 오목거울 형태의 미세구멍형 요철 50: 파선홈 형태의 요철
TDC: 상사점 BDC: 하사점
L: 행정거리
이하 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
<실시예 1~10>
본 발명에 있어서, 복수개의 요철(미세요철)을 형성하여 실린더와 피스톤 링의 마모감소 효과를 극대화할 수 있는 실린더 내부의 영역을 확인하기 위하여 먼저 실제 사용된 실린더 내벽의 마모 상태를 측정하였다. 실린더 하단부에서부터 측정한 거리를 기준으로 각각의 거리별 마모 상태를 측정하여 도 3에 도시하였다.
도 3에서의 거리(Length)는 실린더 하단부에서 상단쪽으로 올라가면서의 거리를 나타낸다. 이 실린더의 행정거리는 12.6cm이고, 상사점이 20cm 지점이며, 하사점이 7.4cm 지점이다.
도 3을 보면, 16~19cm 영역에서 가장 큰 마모가 발생하는 것을 알 수 있다. 도 3의 마모영역을 도 2의 A, B로 표기하면 A=1cm, B=4cm이며, 이 실린더의 행정거리 L은 12.6cm이기 때문에 A/L=0.08, B/L=0.32이 된다. 따라서, 본 실시예의 실린더는 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에서 가장 많은 마모가 발생되는 실린더라고 할 수 있다.
본 발명에 따른 오목거울 형태의 미세구멍형 요철을 실린더 내벽에 형성하는 것에 의한 피스톤 링과 실린더의 마모 개선 효과를 확인하기 위해, 아래와 같이 마모 시험을 수행하였다.
도 4에 도시된 것과 같은 오목거울 형태의 미세구멍형 요철을 아래 표 1과 같이 실린더 형성하여 마모 시험을 수행하였다. 여기서 오목거울 형태의 미세구멍형 요철은 직경, 깊이, 밀도를 설계 변수로 하며, 여기서 직경은 Db, 깊이는 Dc이고, 상기 요철의 밀도는 수학식 1로부터 구할 수 있다.
표 1
Figure PCTKR2010007690-appb-T000001
표 1의 시험결과를 기초로 마모 감소 효과가 특히 우수한 실시예 1 및 5를 선정하였다. 아울러 상기 실시예 1과 5의 중간 사이즈에 해당하는 요철형상을 추가로 구현하여 실시예 10으로 설정하여 하기 표 2와 같이 설계하였다. 이들을 각각마다 5회의 마모 시험을 수행하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
표 2
Figure PCTKR2010007690-appb-T000002
도 5에서 "UnTexture"는 요철이 형성되지 않은 실린더에서의 피스톤 링의 마모량을 나타내고, Dim 2-1, 2 Mid, Dim 2-5는 각각 표 2의 실시예 1, 실시예 10, 실시예 5에 따른 요철이 형성된 실런더 에서의 피스톤 링의 마모량을 나타낸다.
도 5에서 보면, 실시예 10의 경우 요철이 형성되지 않은 경우(UnTexture)의 마모량과 비교할 때 피스톤 링의 마모량이 40% 수준으로 감소하였다. 즉, 직경 0.12mm, 깊이 0.02mm, 밀도 10%의 오목거울 형태의 미세구멍형 요철을 실린더 내벽에 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에 가공하면 피스톤 링의 마모를 60% 정도 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
<실시예 11~20>
본 발명에 따른 파선홈 형태의 요철을 실린더 내벽에 형성하는 경우의 피스톤 링 마모 개선 효과를 확인하기 위해 아래와 같이 마모 시험을 수행하였다.
도 6에서와 같은 파선홈 형태의 요철을 아래 표 3와 같이 실린더에 형성하여 마모 시험을 수행하였다. 이때 파선홈 형태의 요철은 선폭, 깊이, 밀도를 설계 변수로 하는데, 여기서 선폭은 Lc, 깊이는 Le이고, 밀도는 수학식 2에 의하여 구할 수 있다.
표 3
Figure PCTKR2010007690-appb-T000003
상기 표 3의 시험결과를 기초로 하여 마모 개선 효과가 우수한 실시예 12 및 17을 선정하였다. 아울러 상기 실시예 12와 17의 중간 사이즈에 해당하는 파선홈 형태의 요철을 추가로 구현하여 실시예 20으로 하였다. 이들을 하기 표 4와 같이 설계하여, 각각마다 5회의 마모 시험을 수행하였다. 그 결과는 도 7에 나타내었다.
표 4
Figure PCTKR2010007690-appb-T000004
도 7에서 "UnTexture"는 요철이 가공되지 않은 피스톤 링의 마모를 나타내고, Dash 2-2, Dash 2-7, Dash Opt는 각각 표 4의 실시예 12, 17 및 20에서의 피스톤 링의 마모를 나타낸다.
도 7에서 보는 바와 같이, 실시예 20에 의한 요철이 실린더 내벽에 가공된 경우 피스톤 링 마모량은 요철이 가공되지 않은 경우의 피스톤 링 마모량의 24% 수준이다. 즉, 선폭 0.13mm, 깊이 0.02mm, 밀도 13%의 파선홈 형태의 요철을 실린더 내벽의 상사점으로부터 행정거리의 8~32% 영역에 가공하면 피스톤 링의 마모를 76% 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 내연기관에서 서로 상대운동을 하는 피스톤 링과 실린더 내벽 사이 윤활상태를 개선하여 피스톤 링의 마모를 70% 까지도 감소시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 적용된 실린더에 요철을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우 피스톤 링의 마모량을 도 8에서 비교하였다.
구체적으로, i) 미세 요철을 형성하지 않은 경우, ii) 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역에 미세요철을 형성한 경우, iii) 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역 이외의 영역에 미세 요철을 형성한 경우, iv) 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 영역에 미세요철을 형성한 경우, 및 v) 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 이외의 영역에 미세 요철을 형성한 경우에 대한 시험 결과를 비교하였다.
도 8을 보면, 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역 이외의 영역에 미세요철이 형성된 경우는 실린더 내벽에 미세요철을 형성하지 않은 경우와 마찬가지로 피스톤 링의 마모 감소 효과가 거의 없었다. 반면, 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역에 미세요철을 형성한 경우와 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 영역에 미세요철을 형성한 경우는, 실린더 내벽에 미세요철을 형성하지 않은 경우에 비해 피스톤 링의 마모 감소 효과가 우수하였다. 특히, 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 영역에 미세요철을 형성한 경우, 피스톤 링의 마모 감소 효과가 가장 뛰어남을 알 수 있었다.
또한, 본 실시예에 따라 실린더 내벽에 미세요철을 형성하되, 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역 중 일부에 미세요철을 형성하는 경우, 미세요철이 형성된 면적 비율별에 따른 피스톤 링의 마모량을 비교하였고, 실험 결과를 도 9에 나타내었다. 즉, 도 9는 상기 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역 중 몇 %의 영역에 미세 가공을 형성하여야 하는지에 대한 시험 결과라고 할 수 있다. 이때, 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 전체 영역에 대하여 요철을 형성한 경우를 100 %로 표기하고 미세 요철을 전혀 형성하지 않은 경우를 0 %로 표기하였다. 아울러, 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 %영역 중에서 상단부터 차례로 10 % 영역, 20 % 영역, 30 % 영역, 40 % 영역, 50 % 영역, 60 % 영역, 70 % 영역, 80 % 영역, 90 % 영역에 대하여도 미세요철을 형성하고 피스톤 링의 마모량을 측정하였다.
실험 결과, 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역(제1영역; 100) 중 적어도 30 % 이상의 영역에 요철을 형성하는 경우, 우수한 피스톤 링 마모개선 효과를 나타낼 수 있음을 확인하였다(도 9 참조).
아울러, 본 발명에 따라 실린더 내벽에 미세요철을 형성하되, 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 영역 내에서 부분적으로 요철을 형성할 경우, 요철이 형성된 면적 비율별로 피스톤 링의 마모량을 비교하여 도 10에 나타내였다. 즉, 도 10은 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 영역 중 몇 %의 영역에 미세 가공을 형성하여야 하는지에 대한 시험 결과라고 할 수 있다. 이때, 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 전체 영역에 대하여 요철을 형성한 경우를 100 %로 표기하고 미세 요철을 전혀 형성하지 않은 경우를 0 %로 표기하였다. 아울러, 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 %영역 중에서 상단부터 차례로 10 % 영역, 20 % 영역, 30 % 영역, 40 % 영역, 50 % 영역, 60 % 영역, 70 % 영역, 80 % 영역, 90 % 영역에 대하여도 미세요철을 형성하고 피스톤 링의 마모량을 측정하였다.
시험결과, 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 %의 영역(제2영역; 200) 중에서 적어도 30 % 이상의 영역에 요철을 형성하는 경우, 우수한 피스톤 링 마모개선 효과를 나타낼 수 있음을 확인하였다(도 10 참조). 즉, 8 ~ 32 %의 영역 중에서 그 영역의 30 % 이상에 미세 요철을 가공하는 것이 효과적이었다. 게다가, 상사점으로부터 행정거리의 8 ~ 32 % 영역 중 30 % 이상의 영역에 요철을 형성한 경우가, 상사점으로부터 행정거리의 5 ~ 50 % 영역 중 30 % 이상의 영역에 요철을 형성한 경우에 비해, 피스톤 링의 마모량이 더 감소하였음을 알 수 있었다.
본 발명은 다양한 종류의 실린더에 적용할 수 있으며, 특히 내연기관의 실린더에 적용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내부에 피스톤이 삽입되어 피스톤의 운동을 안내하는 실린더로서,
    상기 실린더 내벽에 복수개의 요철을 형성하되, 피스톤의 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역 중 적어도 일부의 영역에 복수개의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤의 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 5 내지 50% 거리의 영역 중 적어도 30% 이상의 영역에 상기 복수개의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤의 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역 중 적어도 일부의 영역에 상기 복수개의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 피스톤의 행정거리 구간 중에서 상사점(TDC)으로부터 8 내지 32% 거리의 영역 중 적어도 30% 이상의 영역에 상기 복수개의 요철이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요철의 형태가 오목거울 형태의 미세구멍인 것을 특징으로 하는 실린더.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 오목거울 형태의 미세구멍은 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 직경이 0.07~0.17mm 인 것을 특징으로 하는 실린더.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 오목거울 형태의 미세구멍이 순수하게 차지하는 면적은 5~15% 인 것을 특징으로 하는 실린더.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요철의 형태가 파선홈 형태인 것을 특징으로 하는 실린더.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 파선홈 형태의 요철의 깊이가 0.01~0.03mm 이고, 선폭이 0.08~0.18mm인 것을 특징으로 하는 실린더.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 요철이 형성되어 있는 영역의 전체 면적 중 상기 요철이 순수하게 차지하는 면적은 밀도가 8~18% 인 것을 특징으로 하는 실린더.
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