WO2013094944A1 - 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치 - Google Patents

미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치 Download PDF

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WO2013094944A1
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cylinder bore
piston
fine
cylinder
wear
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PCT/KR2012/010987
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오석주
김성기
한규봉
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두산인프라코어 주식회사
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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
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    • 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
    • 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 
    • F02F1/004—Cylinder 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
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    • 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

Definitions

  • fine irregularities are formed in consideration of an operating environment of an internal combustion engine in the vicinity of a top dead center and a bottom dead center of a piston, respectively, so that abrasion of a piston ring and a cylinder bore surface due to friction can be reduced, To an improved cylinder device.
  • the present invention relates to a cylinder device with improved wear resistance by an optimal arrangement of fine irregularities that can reduce wear due to direct contact with a piston by reducing secondary behavior caused by friction or the like during linear reciprocating motion of the piston .
  • the present invention relates to a cylinder apparatus having an optimal fine irregularity arrangement and a surface roughness which can reduce the consumption amount of engine oil by processing the cylinder bore surface so that the surface roughness becomes optimum.
  • the internal combustion engine uses a cylinder device that moves by receiving explosive force by fuel combustion.
  • fuel is injected into the cylinder device together with combustion air, ignited and exploded, and the cylinder device is operated by the explosive force.
  • the cylinder device includes a cylinder block 10 and a piston 20 reciprocating in a straight line in the cylinder block 10.
  • the cylinder block 10 may include a piston 20,
  • the cylinder liner 11 having excellent wear characteristics may be inserted.
  • the inner peripheral surface of the cylinder block 10 becomes the cylinder bore side (BS), and in the case of the type in which the cylinder liner 11 is further inserted The inner peripheral surface of the cylinder liner 11 becomes the cylinder bore surface BS '.
  • a piston ring R is fitted to an upper portion of the piston 20 moving along the inside of the cylinder block 10 and a piston skirt 20a is provided at a lower portion of the piston 20.
  • the piston 20 Is connected to the connecting rod 22 via the piston pin 21, the connecting rod 22 is connected to the crankshaft 23, and the CRS rotary shaft is fitted to the crankshaft 23.
  • Methods for machining fine irregularities include laser surface texturing (LST), machining using a machine tool, ion beam machining using electric and physical energy of ions dissociated from gases in a vacuum state And a processing method through a semiconductor etching process.
  • LST laser surface texturing
  • machining using a machine tool machining using a machine tool
  • ion beam machining using electric and physical energy of ions dissociated from gases in a vacuum state and a processing method through a semiconductor etching process.
  • the fine irregularities When the fine irregularities are formed on the cylinder bore surfaces BS and BS 'through the above-described processing method, the fine irregularities generate a hydrodynamic pressure effect, serve to store the lubricating oil, And is being studied in various fields.
  • the shape and arrangement of the fine irregularities that minimize friction and wear are greatly influenced by the operating conditions such as the contact type, the action load, the sliding speed, and the physical constraint of the two moving objects, There is a great difficulty in finding the optimal point to be minimized. Particularly, in the case of the engine cylinder liner 11, the sliding motion with the piston 20 occurs, and the conditions of motion thereof change continuously.
  • the two contact surfaces become a mixed lubrication state in which solid contact or boundary lubrication states are mixed.
  • the vicinity of the TDC is a high temperature operating environment due to the explosion stroke, the viscosity of the lubricant is low and the wear and friction environment of the cylinder liner 11 and the piston ring R are put into a worse condition.
  • the piston 20 of the internal combustion engine is provided with a piston pin 21 for reciprocating the stroke distance S due to the combustion pressure and the friction force generated between the piston ring R and the cylinder bore surfaces BS and BS ' ), which is called a piston secondary motion.
  • Korean Patent Publication No. 2011-26739 discloses that, (BS, BS ') to improve the lubrication performance while reducing the manufacturing cost and the machining time.
  • Engine oil consumption is also one of the major problems that arise between the cylinder bore surface (BS, BS ') and the piston.
  • the engine oil consumption is mainly generated between the cylinder bore surface (BS, BS ') and the piston (20).
  • the engine oil is present between the fine honing grooves on the cylinder bore surfaces BS and BS '.
  • the oil is evaporated under high temperature conditions or is introduced into the combustion chamber by the piston ring R during the rising stroke of the piston.
  • the engine oil is burned in the combustion process, which consumes engine oil.
  • the piston ring R is composed of a top ring, a second ring, and an oil ring. In this case, it is necessary to optimize the state of each ring to reduce the consumption of engine oil while preventing the degradation of lubrication performance. In order to improve the fuel efficiency of the engine, a method of minimizing the tension of the piston ring R is used. However, if the tension of the piston ring R is excessively reduced, the consumption of engine oil is increased.
  • the present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to improve the lubricating property between the piston ring and the cylinder bore surface by machining fine irregularities in the optimal selection region of the cylinder bore surface, And to provide a cylinder apparatus having an optimal fine concavo-convex arrangement and surface roughness that can reduce the amount of engine oil consumption by processing the cylinder bore surface so that the surface roughness of the cylinder bore surface is optimized.
  • the present invention provides a cylinder device improved in wear resistance by an optimal arrangement of fine irregularities capable of reducing wear caused by direct contact with a piston by reducing secondary behavior caused by friction or the like during linear reciprocating motion of the piston do.
  • a cylinder device having an optimal fine concavo-convex arrangement and surface roughness according to the present invention is formed on a cylinder bore surface inside a cylinder block, and has a ratio of 8% to 32% from a top dead center of a piston reciprocating linearly along the cylinder bore surface And a concavity and convexity formed by processing a plurality of fine concavities and convexities in a distance region.
  • the fine unevenness is a dimple-shaped fine groove having a circular section.
  • the fine grooves have a diameter (Db) of 0.07 to 0.17 mm, a depth (Dc) of 0.01 to 0.03 mm, and a density of 5 to 15%.
  • the surface roughness of the cylinder bore surface in the piston stroke region is Ra 0.18 to 0.40.
  • the cylinder apparatus improved in wear resistance by the optimal arrangement of fine irregularities according to the present invention is formed on the cylinder bore side inside the cylinder block and is provided with a piston which is reciprocating linearly along the cylinder bore surface from 5% A first irregular portion formed by processing a plurality of fine irregularities in a 35% distance region; And a second concavo-convex portion formed on a cylinder bore surface inside the cylinder block, the second concavo-convex portion being formed by machining a plurality of minute concavo-convex portions in a range of 100% to 140% from the top dead center of the piston.
  • the second concavo-convex part is formed by machining a plurality of minute concavo-convex parts in a range of 110% to 130% from the top dead center of the piston, and the second concavo-convex part is formed on the thrust side Is formed in the range of 120 to 180 degrees from the center point or is formed in the range of 120 to 180 degrees from the center point of the anti-thrust side existing on the cylinder bore surface, And 120 ° to 180 ° from the center point of the anti-thrust surface, respectively.
  • the fine unevenness constituting each of the first irregular portion and the second irregular portion is a dimple-shaped fine groove having a circular section.
  • the fine grooves have a diameter of 100 to 150 ⁇ m, a depth of 10 to 20 ⁇ m, and an arrangement interval of 350 ⁇ m to 450 ⁇ m.
  • the fine irregularities for retaining the oil film formation on the cylinder bore surface and collecting the minute abrasion are formed, Thereby making it possible to reduce wear of the surface.
  • the surface roughness of the cylinder bore surface is optimized so that the engine oil of the cylinder bore is prevented from flowing into the combustion space during the lifting stroke of the piston, the consumption of the engine oil can be reduced Let's do it.
  • fine irregularities such as the above are formed on the thrust surface and the anti-thrust surface, and the secondary behavior caused by friction or the like during the linear reciprocating motion of the piston The abrasion due to direct contact with the piston can also be reduced.
  • FIG. 1 is a front sectional view showing a general cylinder device.
  • Fig. 2 is a partial view showing a cylinder apparatus having an optimal fine irregularity arrangement and surface roughness according to the present invention.
  • Fig. 3 is an enlarged view showing fine irregularities of a cylinder apparatus having an optimum fine irregularity arrangement and surface roughness according to the present invention.
  • Fig. 4 is a graph showing the distribution of abrasion on the cylinder bore of a cylinder apparatus having an optimal fine irregularity arrangement and surface roughness.
  • Fig. 5 is a graph showing the abrasion state of the piston ring when the abrasion test is performed in the state where fine unevenness is formed on the cylinder bore surface.
  • FIG. 6 is a graph showing a state of wear when a wear test is performed in a state in which the surface roughness of the cylinder bore surface is adjusted.
  • FIG. 7 is a partial view showing a cylinder device improved in wear resistance by a microstructure optimal arrangement according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a partial view showing a cylinder device improved in wear resistance by a fine irregularity optimum arrangement according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the distribution of abrasion on the cylinder bore of a cylinder apparatus improved in wear resistance by the optimum arrangement of fine irregularities according to the present invention.
  • Piston pin 22 Connector ring
  • crankshaft (CRS) 30 concave / convex portion, first concave / convex portion
  • cylinder bore surfaces BS and BS 'described below refer to the surfaces directly contacting the piston 20 that reciprocates linearly.
  • the cylinder bore surfaces BS and BS' are of a type that does not further insert the cylinder liner 11
  • the inner circumferential surface of the cylinder block 10 will be the cylinder bore surface BS.
  • the inner peripheral surface of the cylinder liner 11 will be the cylinder bore surface BS ', and the inner surface of the cylinder block 10 will be coated with various layers (Not shown), the coating layer will be the cylinder bore surface.
  • the cylinder device having the optimum fine irregularity arrangement and surface roughness according to the present invention is formed on the cylinder bore surfaces BS and BS 'inside the cylinder block 10 and has a stroke range S (TDC) of the piston (20) reciprocating linearly in the piston (20).
  • the shape of the concave and convex portions, the arranging method and the machining area must be determined optimally, Shape, arrangement method and machining area are greatly influenced by the operating conditions such as the contact form, load, and sliding speed of the two surfaces.
  • the shape and arrangement method of the concavities and convexities for minimizing friction and wear are different. Therefore, the development of the surface irregularity technique for reducing friction and abrasion should be defined first in terms of the operating environment and the operating condition, and the shape and arrangement of fine irregularities should be selected under a predetermined operating environment or operating condition.
  • the concave-convex part 30 of the present invention is positioned in the range of A to B at 8 to 32% distance from the TDC of the piston 20 reciprocating linearly along the cylinder bore surfaces BS and BS ' And is formed by processing a plurality of fine irregularities (31).
  • the diameter Db of the fine grooves is 0.07 to 0.17 mm
  • the depth Dc (diameter) of the fine grooves is in the range of 0.07 to 0.17 mm
  • the density is preferably 5 to 15%.
  • the density is obtained from the ratio of the area of the quadrangular area (indicated by the dotted line) where the fine unevenness 31 is formed to the area of the fine unevenness 31 in FIG. That is, the density is obtained as Da 2 / (r 2 ) 2 , where r is Db / 2.
  • the liquid lubricant faded in the fine irregularities 31 contributes to maintaining the oil film formation, Improving the state and reducing the wear occurring at the interface.
  • the lubricant which remains in the fine irregularities 31 is provided and the wear particles, which are the factors accelerating the wear of the fine irregularities 31, are collected, so that the overall wear rate can be remarkably reduced.
  • the cylinder bore surfaces BS and BS ' are prevented from being operated in a state where the engine oil is insufficient due to the high combustion pressure and the combustion heat due to the operation characteristics of the internal combustion engine.
  • At least the region of the cylinder bore surface BS, BS 'within the piston stroke distance S from the top dead center (TDC) of the piston has a surface roughness Ra of 0.18 to 0.40, This makes it possible to reduce the consumption of the engine oil while the wear of the surfaces BS and BS 'is small.
  • the present invention optimizes the surface roughness of the cylinder bore surface (BS, BS ') to Ra 0.18 to 0.40, thereby reducing the consumption of engine oil and preventing the abrasion of the cylinder bore and the piston ring (R) do.
  • the diameter, depth and density of the fine unevenness (31) are determined as design variables, and the diameter is Db, the depth is Dc, and the density is Da 2 / ( ⁇ r) 2 . Where r is Db / 2.
  • 'UnTexture' is the maximum wear of the piston ring R when the fine concavities and convexities 31 of the present invention are not worked
  • 'Dim2-1', 'Dim Mid' and 'Dim 2-5' 2-1 ',' 2 Mid 'and' 2-5 'in Table 2 are the maximum wear of the piston ring R processed.
  • the shapes and machining areas of the fine irregularities 31 having the best abrasion reduction effect are applied to the cylinder bore surfaces BS and BS 'as shown in Table 3 and then the cylinder bore surfaces BS, BS ') from the top dead center (TDC) to the stroke distance S of Ra 0.12 ⁇ 0.41 to investigate the wear of the engine oil and the wear of the piston ring and the cylinder bore in the actual engine condition.
  • Fig. 6 shows the test results of [Table 3].
  • the amount of wear of the cylinder bore surfaces BS and BS 'and the piston ring R also decreases with respect to the reference specimen. However, if the surface roughness Ra is excessively low, the oil content of the cylinder bore surfaces BS and BS' The wear of the piston ring R is rather increased because the lubricating condition of the piston ring R and the cylinder bore surfaces BS and BS 'is deteriorated.
  • the surface roughness of the cylinder bore surfaces BS and BS' is Ra 0.18 to 0.40 It can be seen that it is suitable.
  • the cylinder apparatus improved in wear resistance by the optimal arrangement of fine irregularities is formed on the cylinder bore surfaces BS and BS 'in the cylinder block 10 (30) formed near the top dead center (TDC) of the piston (20) linearly reciprocating within the range of the stroke (S) and a portion formed near the bottom dead center (BDC) 2 concavo-convex portion 40 as shown in Fig.
  • the shape of the concave and convex portions, the arranging method and the machining area must be determined optimally, Shape, arrangement method and machining area are greatly influenced by the operating conditions such as the contact form, load, and sliding speed of the two surfaces.
  • the shape and arrangement method of the concavities and convexities for minimizing friction and wear are different. Therefore, the development of the surface irregularity technique for reducing friction and abrasion should be defined first in terms of the operating environment and the operating condition, and the shape and arrangement of fine irregularities should be selected under a predetermined operating environment or operating condition.
  • the first concavo-convex part 30 is spaced from the top dead center (TDC) of the piston 20 linearly reciprocating along the cylinder bore surface BS, BS 'by 5% to 35% Are formed by processing a plurality of fine irregularities (31) in the regions (A) to (B).
  • the second concavo-convex part 40 is formed on the cylinder bore surface BS, BS 'inside the cylinder block 10 and is located at a distance of 100% to 140% from the top dead center TDC of the piston 20 C to D).
  • the first concave-convex portion 30 is formed of a plurality of fine concavities and convexities 31 and is formed continuously along the circumferential direction of the cylinder bore surfaces BS and BS '. 3, each of the fine irregularities 31 has a dimple-shaped fine groove having a circular cross section.
  • the diameter Db of the fine groove is 100 to 150 um, Is 10 to 20 mu m, and the arrangement interval Da is preferably 350 to 450 mu m.
  • the liquid lubricant trapped in the fine irregularities 31 and 41 maintains the oil film formation Thereby improving the lubrication condition and reducing wear occurring at the interface.
  • the cylinder device improved in wear resistance by the optimal micro-irregularity arrangement has cylinder bore surfaces BS, BS 'inside the cylinder block 10, A first concavo-convex portion 30 formed in the vicinity of the TDC of the piston 20 linearly reciprocating within the range of the stroke distance S and a second concavo-convex portion 30 formed in the vicinity of the bottom dead center BDC 40a.
  • the first concave-convex part 30 is divided into a plurality of fine areas A to B at 5 to 35% distance from the top dead center (TDC) of the piston 20 which linearly reciprocates along the cylinder bore surfaces BS and BS ' And is formed by processing the concave and convex portions 31.
  • the first concavo-convex part 30 is formed continuously in the circumferential direction of the cylinder bore surfaces BS and BS ', and is the same as the above-described embodiment of the present invention.
  • the second concave-convex portion 40a is formed by machining a plurality of fine concavities and convexities 41 in a region C 'to D' of 110% to 130% distance from the top dead center TDC of the piston 20
  • the present invention is different from the embodiment of the present invention in which fine unevenness 41 is formed in a region C to D of 100% to 140% from the top dead center TDC of the piston 20.
  • the second concavo-convex portion 40a is formed at an angle of 120 deg. To 120 deg. From the center point of the thrust side existing on the cylinder bore surface BS, BS ' 180 ° from the central point of the anti-thrust side, or in the range of 120 ° to 180 ° from the center point of the anti-thrust side.
  • the second concavo-convex portion 40a has a direction perpendicular to the 'CRS rotation axis' (that is, the center point of the thrust surface or the anti-thrust surface) of the crankshaft 23 as shown in FIG. 8 May be formed in the range of 120 to 180 degrees in the clockwise direction as a reference point, but may be formed in the range of 120 to 180 in the counterclockwise direction.
  • the fine unevenness 41 of the second concave-convex portion 40a is formed by a dimple-shaped fine groove having a circular section in the same manner as in the embodiment of the present invention described with reference to Fig.
  • the diameter Db of each fine groove is 100 to 150 um
  • the depth Dc is 10 to 20 um
  • the arrangement interval Da is 350 to 450 um.
  • the piston 20 is configured such that the explosion pressure of the engine combustion chamber acts on the piston pin 21 by the pressure distribution applied to the upper surface of the piston 20 and the frictional force between the piston ring R and the cylinder bore surface BS, BS ' And then descends toward the center.
  • the outer surface of the piston 20 in the tilted direction is referred to as a thrust surface and the direction opposite thereto is referred to as an anti-thrust surface.
  • the present invention is characterized in that the thrust surface of the cylinder bore surface BS, BS ' And the fine irregularities 31 and 41 are formed on the surface corresponding to the tapered surface to reduce friction and abrasion.
  • the piston 20 including the piston skirt 20a as well as the cylinder bore surfaces BS and BS 'and the piston ring R is entirely supported by the cylinder bore surfaces BS, BS '), which is caused by direct contact with the wearer, can be significantly reduced.
  • the minute irregularities 31 and 41 of circular shape were processed into a rectangular arrangement so that the diameter Db of the fine concavities and convexities 31 and 41 was 100 mm, the depth Dc was 15 mm, and the arrangement interval Da was 350 mm, 8, the first concave-convex portion 30 near the top dead center (TDC) is machined on the entire cylinder bore surfaces BS and BS ', and the second concave-convex portion 40a near the bottom dead center BDC is machined Trust / Anti-Trust Only partially processed.
  • TDC top dead center
  • Test results The abrasion improving effects of Examples 2 and 5 of Table 4 were excellent, but this is not an optimal example. Therefore, the results of the nine tests of Table 4 were statistically analyzed, Example 10 "
  • the diameter Db, the depth Dc and the arrangement (diameter) of the circular micro concavities and convexes 31 and 41 are adjusted in order to further optimize the abrasion reduction of the piston ring R and the cylinder bore surfaces BS and BS '
  • the abrasion test was carried out as shown in Table 6, using the gap Da as a design parameter.
  • the machining area of the fine irregularities 31 and 41 was set to be the same as that of the example 10 '.
  • Example 10 shown in Table 7 shows the test results before optimization of the design parameters of the circular fine irregularities 31 and 41 and Comparative Example shows that the test results of the fine irregularities 31 and 41 were not processed to be.
  • Example 20 As can be seen in Table 7, the abrasion amount of Example 20 was improved by 58% or more of the abrasion amount of Comparative Example, and the abrasion improving effect was superior to that of Example 10.
  • the present invention can be applied to a cylinder apparatus having a wear-resistant characteristic by an optimal arrangement of fine irregularities capable of reducing wear on a piston ring and a cylinder bore surface due to friction.

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Abstract

본 발명은 실린더 보어면의 최적 선택 영역에 미세요철을 가공하여 피스톤 링과 실린더 보어면 사이의 윤활 특성을 향상시킴으로써 실린더 보어면 및 피스톤 링의 마모 발생을 저감시키고, 실린더 보어면의 표면 거칠기가 최적의 상태가 되도록 가공함으로써 엔진 오일의 소모량을 저감시킬 수 있도록 하는 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치에 관한 것이다.

Description

미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치
본 발명은 피스톤의 상사점 부근과 하사점 부근에 각각 내연기관의 작동 환경을 고려하여 미세요철을 형성함으로써 마찰에 의한 피스톤 링과 실린더 보어면의 마모를 저감시킬 수 있는 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 피스톤의 직선왕복운동시 마찰 등에 의해 발생하는 2차 거동을 저감시킴으로써 피스톤과의 직접 접촉에 의한 마모 역시 저감시킬 수 있는 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치에 관한 것이다.
또한, 실린더 보어면의 표면 거칠기가 최적의 상태가 되도록 가공함으로써 엔진 오일의 소모량을 저감시킬 수 있도록 하는 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치에 관한 것이다.
내연기관은 연료 연소에 의한 폭발력을 받아 운동하는 실린더 장치를 사용하는데, 가솔린기관이나 디젤기관에서는 실린더 장치 내에 연소용 공기와 함께 연료를 뿜어 넣고 점화 및 폭발시켜 그 폭발력으로 실린더 장치를 작동시킨다.
이러한 실린더 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 실린더 블럭(10)과 상기 실린더 블럭(10) 내부에서 직선왕복운동을 하는 피스톤(20)으로 이루어지며, 필요에 따라서는 실린더 블럭(10) 내부에 내마모 특성이 뛰어난 실린더 라이너(11)를 삽입하기도 한다.
따라서, 실린더 라이너(11)를 추가로 삽입하지 않는 타입의 경우에는 실린더 블럭(10) 내주면이 실린더 보어면(bore side)(BS)이 되고, 실린더 라이너(11)를 추가로 삽입한 타입의 경우에는 실린더 라이너(11)의 내주면이 실린더 보어면(BS')이 된다.
또한, 실린더 블럭(10) 내부를 따라 운동하는 피스톤(20)의 상부에는 피스톤 링(R)이 끼워져 있고 피스톤(20)의 하부에는 피스톤 스커트(skirt)(20a)가 구비되어 있으며, 피스톤(20)은 피스톤 핀(21)을 통해 커넥팅 로드(22)와 연결되고, 커넥링 로드(22)는 크랭크 샤프트(23)와 연결되며, 크랭크 샤프트(23)에는 CRS 회전축이 끼워진다.
한편, 이상과 같은 실린더 장치는 상대운동이 발생하는 실린더 보어면(BS, BS')과 피스톤(20) 사이의 접촉 면압이 높고 상대 운동시의 미끄럼 속도가 낮을 경우 두 접촉면은 고체접촉 또는 경계윤활상태가 혼재된 혼합윤활상태가 된다.
혼합윤활상태의 경우 고체접촉으로 인해 두 표면의 미세한 영역에 급격한 온도 상승이 유발되고, 온도 상승은 두 표면에 소성 변형 및 피로 파괴를 발생시키며, 이로 인해 두 표면 중 어느 한 표면에서 떨어져 나온 마모입자 접촉면에서의 마찰 및 마모를 더욱 증가시킨다.
이에, 최근에는 혼합윤활상태에서 상대운동을 하는 두 접촉면에서의 윤활성능을 향상시키기 위해 실린더 보어면(BS, BS')에 미세요철을 가공하는 방법이 시도되고 있다.
미세요철을 가공하는 방법으로는 레이저를 사용하는 방법(LST: Laser Surface Texturing), 공작 기계를 사용하는 머시닝 가공 방법, 진공 상태에서 가스들로부터 해리된 이온들의 전기적, 물리적 에너지를 사용하는 이온 빔 가공방법 및 반도체 식각 공정을 통한 가공 방법 등이 있다.
이상과 같이 기술된 가공 방법을 통해 실린더 보어면(BS, BS')에 미세요철은 형성하면, 미세요철이 유체 동압효과를 발생시키고, 윤활유를 저장하는 역할을 하며, 마모입자를 포획하는 기능 등을 하는 것으로 알려져 있어서, 다양한 분야에서 연구되고 있다.
그러나, 미세요철 가공을 통해서 마찰 및 마모를 최소화시키 위해서는 기계 요소의 운전조건에 적합하게 요철의 형상 및 그 배열 방법을 정하는 것이 매우 중요하다.
즉, 마찰 및 마모가 최소화 되는 미세요철의 형상 및 배열 방법은 상대운동 하는 두 물체의 접촉 형태, 작용 하중, 미끄럼 속도 등과 같은 운전 조건 및 물리적인 구속 조건에 따라 크게 영향을 받기 때문에 마찰 및 마모를 최소화되는 최적점을 찾는데 큰 어려움이 존재한다. 특히, 엔진용 실리더 라이너(11)의 경우 피스톤(20)과의 미끄럼 운동이 발생하고 그 운동조건이 계속 변화한다.
또한, 피스톤(20)은 커넥팅 로드(22)를 통해 크랭크 샤프트(23)와 연결되어 있어서 실린더 보어면(BS, BS')의 축방향으로 직선 왕복운동을 하므로, 상사점(TDC: Top Dead Center) 및 하사점(BDC: Bottom Dead Center)에서는 미끄럼 속도가 '0'이 되고, 실린더 보어면(BS, BS')과 피스톤(20)의 접촉면에서의 미끄럼 속도는 계속 변화하게 된다.
또한, 상사점(TDC) 및 하사점(BDC)에서는 미끄럼 속도가 '0'이 되기 때문에 두 접촉면은 고체접촉 또는 경계 윤활상태가 혼재된 혼합 윤활상태가 된다. 특히 상사점(TDC) 부근은 폭발행정으로 인한 고온의 작동 환경이기 때문에 윤활제의 점도가 낮아 실린더 라이너(11)와 피스톤 링(R)의 마모 및 마찰환경은 더욱 열악한 상태에 놓여지게 된다.
따라서, 엔진 작동환경이 피스톤 링(R) 마모에 취약한 방향으로 변해감에 따라 기존의 방법보다 더 피스톤 링(R)의 마모를 저감 시킬 수 있는 방법이 요구되는 실정이다.
또한, 내연기관의 피스톤(20)은 연소압이나 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS') 사이에서 발생하는 마찰력 등의 영향으로 행정거리(S)를 왕복하는 동안 피스톤 핀(21)을 중심으로 요동운동을 하는데, 이러한 요동운동을 피스톤 2차 거동(piston secondary motion)이라고 한다.
따라서, 2차 거동시의 요동운동으로 인하여 실린더 보어면(BS, BS')은 피스톤 링(R)뿐만 아니라 피스톤(20)과도 직접 접촉하게 되므로, 피스톤(20)의 요동 운동에 기인된 직접 접촉으로 인해 실린더 보어면(BS, BS')의 마모 발생량이 더욱 커지는 문제점이 있다.
한편, 종래에는 실린더 보어면(BS, BS')의 마모를 저감시키기 위해 열처리, 표면 조도 개선, 호닝(horning) 등의 방법이 사용되어 왔지만, 최근 엔진 작동환경이 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모에 취약한 방향으로 점차 변해감에 따라 기존의 방법보다 더욱 효과적으로 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모를 저감 시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.
이에, 한국공개특허 제2011-26739호에서는 상기 열처리, 표면 조도 개선, 호닝 등의 방법보다 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모를 더욱 저감시킬 수 있도록, 실린더 보어면(BS, BS')에 미세요철을 가공함으로써 제작비용과 가공시간을 단축시키면서도 윤활성능을 향상시키는 가공방법을 제안하였다.
그러나, 이러한 미세요철 가공방법도 피스톤(20)의 왕복운동시 각각 상사점(TDC)과 하사점(BDC)에서 순간속도가 크게 변화함에 따른 마모 발생에 모두 대응할 수 없음은 물론, 특히 피스톤 2차 거동시의 요동운동에 의한 마모 발생에도 대응할 수 없어서 최적의 효과를 가져올 수 있는 미세요철 가공방법이라고 볼 수 없었다.
또한, 엔진 오일 소모 역시 실린더 보어면(BS, BS')과 피스톤 사이에서 발생하는 중요 문제 중 하나이다. 엔진 오일 소모는 주로 실린더 보어면(BS, BS')와 피스톤(20) 사이에서 발생되는데 그 주요 원인은 다음과 같다.
즉, 실린더 보어면(BS, BS')에는 엔진 오일이 미세 호닝 그루브 사이에 존재하게 되고 이 오일은 고온 조건에서 증발되거나 피스톤의 상승 행정시 피스톤 링(R)에 의하여 연소실 내부로 유입되는데, 유입된 엔진 오일은 연소과정에서 연소되므로 이는 곧 엔진 오일의 소모가 된다.
엔진 오일 소모를 저감시키기 위하여 주로 실린더 보어의 변형을 최소화하거나 피스톤 링(R)의 형상 및 장력을 조절하는 것이 고려된다. 그러나, 실린더 보어의 변형은 실린더 보어가 위치한 실린더 블록(10)의 상단에 실린더 헤드(미도시)를 체결 시 주로 발생되므로, 결국 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 정합성을 다소 저하시켜 엔진 오일 소모를 감소시켜야 한다.
즉, 피스톤 링(R)은 탑 링, 세컨드 링 및 오일 링으로 구성되어 있는데, 이때 각 링의 상태를 최적화하여 윤활 성능의 저하는 방지하면서도 엔진 오일의 소모는 줄일 수 있어야 한다. 이에, 최근 엔진 연비의 향상을 위하여 피스톤 링(R)의 장력을 최소화하는 방법을 사용하고 있으나 피스톤 링(R)의 장력을 지나치게 저하시키면 오히려 엔진오일 소모가 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 실린더 보어면의 최적 선택 영역에 미세요철을 가공하여 피스톤 링과 실린더 보어면 사이의 윤활 특성을 향상시킴으로써 실린더 보어면 및 피스톤 링의 마모 발생을 저감시키고, 실린더 보어면의 표면 거칠기가 최적의 상태가 되도록 가공함으로써 엔진 오일의 소모량을 저감시킬 수 있도록 하는 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 피스톤의 직선 왕복 운동시 마찰 등에 의해 발생하는 2차 거동을 저감시킴으로써 피스톤과의 직접 저촉에 의한 마모 역시 저감시킬 수 있는 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치는 실린더 블럭 내부의 실린더 보어면에 형성되며, 상기 실린더 보어면을 따라 직선왕복운동하는 피스톤의 상사점으로부터 8% 내지 32% 거리 영역에 복수개의 미세요철을 가공하여 형성된 요철부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 미세요철은 단면이 원형인 딤플(dimple) 형상의 미세홈인 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세홈은 직경(Db)은 0.07 내지 0.17mm이고, 깊이(Dc)는 0.01 내지 0.03mm이며, 밀도는 5 내지 15%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실린더 보어면 중 피스톤 행정거리 영역 내의 표면 거칠기는 Ra 0.18 내지 0.40인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치는 실린더 블럭 내부의 실린더 보어면(bore side)에 형성되며, 상기 실린더 보어면을 따라 직선왕복운동하는 피스톤의 상사점으로부터 5% 내지 35% 거리 영역에 복수개의 미세요철을 가공하여 형성된 제1요철부; 및 상기 실린더 블럭 내부의 실린더 보어면에 형성되며, 상기 피스톤의 상사점으로부터 100% 내지 140% 거리 영역에 복수개의 미세요철을 가공하여 형성된 제2요철부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제2요철부는 상기 피스톤의 상사점으로부터 110% 내지 130% 거리 영역에 복수개의 미세요철을 가공하여 형성되며, 상기 제2요철부는 상기 실린더 보어면에 존재하는 트러스트면(thrust side)의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 형성되어 있거나, 상기 실린더 보어면에 존재하는 안티-트러스트면(anti-thrust side)의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 형성되어 있거나, 혹은 상기 트러스트면의 중심점으로부터 120°내지 180°범위와 상기 안티-트러스트면의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 각각 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1요철부와 제2요철부를 각각 구성하는 미세요철은 단면이 원형인 딤플(dimple) 형상의 미세홈인 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세홈은 직경은 100 내지 150um이고, 깊이는 10 내지 20um이며, 배열 간격은 350um 내지 450um인 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따른 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치에 의하면, 실린더 보어면에 유막형성을 유지시키고 미세 마모분을 포집하는 미세요철을 형성함으로써 마찰에 의한 피스톤 링과 실린더 보어면의 마모를 저감시킬 수 있게 한다.
또한, 실린더 보어면의 표면 거칠기가 최적의 상태가 되도록 가공하여 피스톤의 상승 행정시 실린더 보어의 엔진 오일이 연소공간으로 유입되는 것을 저감시키므로 이상과 같이 마모를 저감시키면서도 엔진 오일의 소모량을 저감시킬 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치에 의하면 트러스트면과 안티-트러스트면에 이상과 같은 미세요철을 형성하여 피스톤의 직선왕복운동시 마찰 등에 의해 발생하는 2차 거동을 저감시킴으로써 피스톤과의 직접 저촉에 의한 마모 역시 저감시킬 수 있게 한다.
도 1은 일반적인 실린더 장치를 나타낸 정단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치를 나타낸 부분도이다.
도 3은 본 발명에 따른 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치의 미세요철을 나타낸 확대도이다.
도 4는 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치의 실린더 보어면 마모 분포를 나타낸 그래프이다.
도 5는 미세요철을 실린더 보어면에 형성한 상태에서 마모 시험을 한 경우에 있어서 피스톤 링의 마모 상태를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실린더 보어면의 표면 거칠기를 조절한 상태에서 마모 시험을 한 경우에 있어서 마모 상태를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치를 나타낸 부분도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치를 나타낸 부분도이다.
도 9는 본 발명에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치의 실린더 보어면 마모분포를 나타낸 그래프이다.
*도면 부호에 대한 설명*
10: 실린더 블럭 11: 실린더 라이너
20: 피스톤 20a: 스커트(skirt)
21: 피스톤 핀 22: 커넥링 로드
23: 크랭크 샤프트(CRS) 30: 요철부, 제1요철부(요홈부)
40, 40a: 제2요철부(요홈부) 31,41: 미세요철
BS, BS': 실린더 보어면 R: 피스톤 링
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치에 대해 설명한다.
단, 이하에서 설명하는 실린더 보어면(BS, BS')은 직선 왕복운동하는 피스톤(20)과 직접 접하는 면을 의미하는 것으로, 도 1과 같이 실린더 라이너(11)를 추가로 삽입하지 않는 타입의 경우에는 실린더 블럭(10) 내주면이 실린더 보어면(BS)이 될 것이다.
반면, 실린더 라이너(11)를 추가로 삽입한 타입의 경우에는 상기 실린더 라이너(11)의 내주면이 실린더 보어면(BS')이 될 것이며, 그 외 실린더 블럭(10) 내주면에 각종 막을 코팅한 코팅층(미도시)이 있는 경우에는 그 코팅층이 실린더 보어면이 될 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치는 실린더 블럭(10) 내부의 실린더 보어면(BS, BS')에 형성된 것으로 행정거리(S) 범위 내에서 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 상사점(TDC: Top Dead Center) 부근에 형성된 요철부(30)를 포함한다.
이때, 실린더 보어면(BS, BS')에 미세요철을 형성함으로써 마찰 및 마모를 저감시키기 위해서는 미세요철의 형태, 배열 방법 및 가공 영역 등이 최적으로 정해져야 하며, 마찰 및 마모가 최소가 되는 요철의 형태, 배열 방법 및 가공 영역 등은 두 면의 접촉 형태, 하중, 미끄럼 속도 등의 운전 조건에 따라 크게 영향을 받는다.
예를 들어, 접촉부의 형태가 선 형상인 것과, 점 형상인 것 및 면 형상인 것의 여부에 따라 마찰 및 마모를 최소로 하기 위한 요철의 형태 및 배열 방법이 달라진다. 따라서, 마찰 및 마모 저감을 위한 표면 요철 기술 개발은 그 작동 환경이나 운전 조건에 대한 정의가 먼저 이루어져야 하며, 정해진 작동환경이나 운전조건 하에서 미세요철의 형태 및 배열이 선택되어야 한다.
이에, 본 발명의 요철부(30)는 실린더 보어면(BS, BS')을 따라 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 8% 내지 32% 거리 영역(A~B)에 복수개의 미세요철(31)을 가공하여 형성된다.
이때, 각각의 미세요철(31)은 도 3에 도시된 바와 같이 단면이 원형인 딤플(dimple) 형상의 미세홈으로 이루어져 있는데, 미세홈의 직경(Db)은 0.07 내지 0.17mm이고, 깊이(Dc)는 0.01 내지 0.03mm이며, 밀도는 5 내지 15%인 것이 바람직하다.
밀도는 도 3에서 미세요철(31)이 형성된 4각 영역(점선 표시)의 면적과 미세요철(31)의 면적에 대한 비율로 구해진다. 즉, 밀도는 Da2/(窕r)2로 구해지며, 여기서 r은 Db/2이다.
이상과 같이 실린더 보어면(BS, BS')의 최적 위치에 최적의 밀도로 미세요철(31)을 가공하게 되면 그 미세요철(31) 안에 머금고 있는 액체 윤활제가 유막 형성을 유지시키는데 기여하므로 윤활상태를 개선시키고 경계면에서 발생하는 마모를 저감시키는 역할을 한다.
또한, 윤활제가 부족한 상태에서는 미세요철(31)에 머금고 있는 윤활제를 제공하고, 미세요철(31)에 마모를 가속시키는 요인인 마모입자를 포집하므로, 전체적인 마모 속도를 월등히 저감시킬 수 있게 한다.
즉, 미세요철(31)을 너무 많이 가공하면 미세요철(31)이 가공되지 않은 마찰부의 면적이 지나치게 작아져서, 마찰부에 면압이 집중 및 증가되어 오히려 마찰 특성을 악화시키고, 반대로 미세요철(31)을 너무 적게 가공하면 그 개선 효과가 미미하여 연료 소모나 엔진 오일 소모량이 증가되는 것도 방지한다.
따라서, 본 발명은 미세요철(31)을 최적으로 위치, 형상 및 밀도로 형성함으로써, 실린더 보어면(BS, BS') 상에서 피스톤(20)이 직선 왕복운동을 하더라도 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS') 사이에 윤활제가 부족한 현상을 억제한다.
또한, 내연기관의 운전특성에 기인한 높은 연소압과 연소열로 인해 실린더 보어면(BS, BS')에 엔진오일이 부족한 상태에서 운전되는 것을 방지한다.
한편, 본 발명은 실린더 보어면(BS, BS') 중 적어도 피스톤의 상사점(TDC)으로부터 피스톤 행정거리(S) 이내의 영역은 표면 거칠기가 Ra 0.18 내지 0.40로 가공되어 있어서, 피스톤과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모가 적으면서도 엔지 오일의 소모를 감소시킬 수 있게 한다.
만약, 표면 거칠기가 Ra 0.18 미만이면 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')이 과도하게 정합되므로, 피스톤(20) 상승 행정시 미세 호닝 그루브 사이에 존재하던 엔진 오일이 실린더 헤드 측의 연소실 내로 유입되므로 연소시 엔진 오일 소모로 이어진다.
반면, 표면 거칠기가 Ra 0.40 초과이면, 피스톤과 실린더 보어면(BS, BS')의 마찰력이 과도하게 커서 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모가 심하게 발생함은 물론, 실린더 보어면(BS, BS')에 존재하는 엔진 오일의 양이 과도하게 되므로 이 역시 엔진 오일의 소모로 이어진다.
따라서, 본 발명은 실린더 보어면(BS, BS') 표면 거칠기를 Ra 0.18 내지 0.40로 최적화함으로써 엔진 오일의 소모를 저감시키고, 이로부터 발생될 수 있는 실린더 보어와 피스톤 링(R)의 마모를 방지한다.
이하, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치의 마모 시험 결과를 설명한다.
먼저, 내연기관의 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모발생을 저감시킬 수 있는 미세요철(31)의 최적 가공영역을 확인하기 위해 도 4와 같이 실 사용된 실린더 보어면(BS, BS')의 마모 상태를 측정하였다.
도 4를 보면, 행정거리 S 중 16~19cm 영역에서 가장 큰 마모가 발생하는 것을 알 수 있다.
이 엔진은 행정거리 S가 12.6cm 이며, 도 4의 마모영역을 도 2의 A, B, S로 표기하면 A/S=8%, B/S=32%가 된다. 즉, 내연기관에 사용되는 실린더 보어면(BS, BS')에 있어서, 실린더 보어면(BS, BS')의 상사점(TDC)으로부터 행정거리의 8~32% 영역에서 가장 많은 마모가 발생됨을 알 수 있다.
이는 피스톤 링(R)이 실린더 보어면(BS, BS')의 이 부분과 마찰될 때 가장 큰 마모가 발생한다는 것을 의미하며, 또한 본 발명에서 제안한 미세요철(31)을 이 영역에 가공하여 피스톤 링(R)의 마모를 개선시킬 수 있음을 의미한다.
본 발명에서 제안한 딤플 형태의 미세요철(31)을 실린더 보어면(BS, BS')에 가공함으로써 피스톤 링(R)의 마모가 개선되는 효과를 확인하기 위해, 아래의 [표 1]과 같이 마모 시험을 수행하였다. 이때 미세요철(31)은 직경, 깊이, 밀도를 설계 변수로 하며, 직경은 Db, 깊이는 Dc, 밀도는 Da2/(窕r)2로 구해진다. 여기서 r은 Db/2이다.
[표 1]
Figure PCTKR2012010987-appb-I000001
[표 1]의 시험결과 중 마모 개선 효과가 우수한 '1-1' 및 '1-5'와 그 중간 형상의 요철을 [표 2]와 같이 설계하여 5회의 마모 시험을 수행하고 그 결과를 도 5에 나타내었다.
[표 2]
Figure PCTKR2012010987-appb-I000002
도 5에서 'UnTexture'는 본 발명의 미세요철(31)을 가공하지 않은 경우의 피스톤 링(R) 최대 마모이고, 'Dim2-1', 'Dim Mid', 'Dim 2-5'는 각각 [표 2]의 '2-1', '2 Mid', '2-5'의 미세요철(31)이 가공된 피스톤 링(R)의 최대 마모이다.
도 5에서 알 수 있듯이 상기 '2 Mid'의 미세요철(31)이 실린더 보어면(BS, BS')에 가공된 경우의 피스톤 링(R) 최대 마모량은 미세요철(31)이 가공되지 않은 경우의 피스톤 링(R) 최대 마모량의 40% 수준이다. 즉, 직경 0.12mm, 깊이 0.02mm, 밀도 10%의 미세요철(31)을 실린더 보어면(BS, BS')의 상사점(TDC)으로부터 행정거리의 8~32% 영역에 가공하면 피스톤 링(R)의 최대 마모를 60% 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 앞선 실험과 같이 마모 저감 효과가 가장 뛰어난 미세요철(31)의 형태와 가공영역을 [표 3]과 같이 실린더 보어면(BS, BS')에 적용하고, 그 후 실린더 보어면(BS, BS')의 상사점(TDC)으로부터 행정거리 S까지 영역의 표면 거칠기를 Ra 0.12~0.41로 가공하여 실 엔진 상태에서 엔진오일 소모 및 피스톤링과 실린더 보어의 마모량을 조사하였다.
도 6은 [표 3]의 시험 결과를 나타내고 있다.
[표 3]
Figure PCTKR2012010987-appb-I000003
(여기서, LOC는 Lubricant Oil Consumption)
도 6에서 알 수 있듯이 기준 시편과 비교하여 표면 거칠기 Ra를 감소시킨 것이 전 시편에서 엔진오일 소모량이 감소된 것을 알 수 있는데, 이는 피스톤 행정거리(S) 내에서 실린더 보어면(BS, BS')의 표면 거칠기 Ra가 감소하면 실린더 보어면(BS, BS')에 존재하는 오일량이 감소하여 결국 연소실 내부로 유입되는 오일이 감소하기 때문이다.
또한, 실린더 보어면(BS, BS') 및 피스톤 링(R)의 마모량 또한 기준 시편 대비 감소하기는 하지만, 표면 거칠기 Ra가 과도하게 낮으면 실린더 보어면(BS, BS')의 오일 함유량이 적어 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 윤활 상태가 악화되기 때문에 오히려 피스톤 링(R)의 마모가 증가하는 현상을 보여주고 있다.
따라서, 본 시험을 통하여 실린더 보어면(BS, BS')의 상사점(TDC)으로부터 행정거리 S 까지를 포함하는 영역에 Ra 0.12~0.41의 표면을 갖도록 가공할 경우 엔진 오일 소모량을 현수준의 최대 57% 까지 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 엔진 오일 소모의 저감과 동시에 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모 증가를 억제하기 위해서는 실린더 보어면(BS, BS')의 표면 거칠기가 Ra 0.18~0.40인 것이 적합함을 알 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치는 실린더 블럭(10) 내부의 실린더 보어면(BS, BS')에 형성된 것으로 행정거리(S) 범위 내에서 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 상사점(TDC: Top Dead Center) 부근에 형성된 제1요철부(30) 및 하사점(BDC: Bottom Dead Center) 부근에 형성된 제2요철부(40)를 포함한다.
이때, 실린더 보어면(BS, BS')에 미세요철을 형성함으로써 마찰 및 마모를 저감시키기 위해서는 미세요철의 형태, 배열 방법 및 가공 영역 등이 최적으로 정해져야 하며, 마찰 및 마모가 최소가 되는 요철의 형태, 배열 방법 및 가공 영역 등은 두 면의 접촉 형태, 하중, 미끄럼 속도 등의 운전 조건에 따라 크게 영향을 받는다.
예를 들어, 접촉부의 형태가 선 형상인 것과, 점 형상인 것 및 면 형상인 것의 여부에 따라 마찰 및 마모를 최소로 하기 위한 요철의 형태 및 배열 방법이 달라진다. 따라서, 마찰 및 마모 저감을 위한 표면 요철 기술 개발은 그 작동 환경이나 운전 조건에 대한 정의가 먼저 이루어져야 하며, 정해진 작동환경이나 운전조건 하에서 미세요철의 형태 및 배열이 선택되어야 한다.
이에, 본 발명의 다른 실시예에서 상기 제1요철부(30)는 실린더 보어면(BS, BS')을 따라 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 5% 내지 35% 거리 영역(A~B)에 복수개의 미세요철(31)을 가공하여 형성된다.
그리고, 상기 제2요철부(40)는 실린더 블럭(10) 내부의 실린더 보어면(BS, BS')에 형성되며, 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 100% 내지 140% 거리 영역(C~D)에 복수개의 미세요철(41)을 가공하여 형성된다.
제1요철부(30)는 복수개의 미세요철(31)들의 집합으로 이루어지며 실린더 보어면(BS, BS')의 원주 방향을 따라 연속하여 형성되어 있다. 또한, 각각의 미세요철(31)은 도 3에 도시된 바와 같이 단면이 원형인 딤플(dimple) 형상의 미세홈으로 이루어져 있는데, 미세홈의 직경(Db)은 100 내지 150um이고, 깊이(Dc)는 10 내지 20um이며, 배열 간격(Da)은 350um 내지 450um인 것이 바람직하다.
이상과 같이 실린더 보어면(BS, BS')의 최적 위치에 최적의 밀도로 미세요철(31, 41)을 가공하면 그 미세요철(31, 41) 안에 포집되어 있는 액체 윤활제가 유막 형성을 유지시키는데 기여하므로 윤활상태를 개선시키고 경계면에서 발생하는 마모를 저감시키는 역할을 한다.
미세요철(31, 41)을 너무 많이 가공하면 미세요철(31, 41)이 가공되지 않은 마찰부의 면적이 지나치게 작아져서, 마찰부에 면압이 집중 및 증가되어 오히려 마찰 특성을 악화시키고, 반대로 미세요철(31, 41)을 너무 적게 가공하면 그 개선 효과가 미미하여 연료 소모나 엔진 오일 소모량이 증가된다.
따라서, 본 발명은 이상과 같이 미세요철(31, 41)을 최적으로 형성함으로써, 실린더 보어면(BS, BS') 상에서 피스톤(20)이 직선 왕복운동을 하더라도 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS') 사이에 윤활제가 부족한 현상을 억제한다. 또한, 내연기관의 운전특성에 기인한 높은 연소압과 연소열로 인해 실린더 보어면(BS, BS')에 엔진오일이 부족한 상태에서 운전되는 것을 방지한다.
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치에 대해 설명한다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치는 실린더 블럭(10) 내부의 실린더 보어면(BS, BS')에 형성된 것으로 행정거리(S)의 범위 내에서 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 상사점(TDC) 부근에 형성된 제1요철부(30) 및 하사점(BDC) 부근에 형성된 제2요철부(40a)를 포함한다.
제1요철부(30)는 실린더 보어면(BS, BS')을 따라 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 5% 내지 35% 거리 영역(A~B)에 복수개의 미세요철(31)을 가공하여 형성된다. 이러한 제1요철부(30)는 실린더 보어면(BS, BS')의 원주 방향을 연속하여 전체에 형성되며, 위에서 설명한 본 발명의 일 실시예와 같다.
그러나, 제2요철부(40a)는 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 110% 내지 130% 거리 영역(C'~D')에 복수개의 미세요철(41)을 가공하여 형성되어 있다는 점에서, 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 100% 내지 140% 거리 영역(C~D)에 미세요철(41)을 형성한 본 발명의 일 실시예와 다르다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 도 8의 (b)와 같이, 제2요철부(40a)가 실린더 보어면(BS, BS')에 존재하는 트러스트면(thrust side)의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 형성되어 있거나, 안티-트러스트면(anti-thrust side)의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 형성되어 있다.
물론, 트러스트면의 중심점으로부터 120°내지 180°범위와 안티-트러스트면의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 각각 형성될 수도 있음은 자명하며, 이점에서 미세요철(41)이 실린더 보어면(BS, BS')의 원주 방향을 따라 전체에 형성되어 있는 본 발명의 일 실시예와 다르다.
상기 제2요철부(40a)는 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 크랭크 샤프트(23)의 회전축인 'CRS 회전축'에 수직한 방향(즉, 트러스트면이나 안티-트러스트면의 중심점)을 기준점으로 하여 시계 방향으로 120°내지 180°범위에 형성될 수 있으나, 그 외 반시계 방향으로 120°내지 180°범위에 형성될 수도 있다.
제2요철부(40a)의 미세요철(41)은 도 3을 통해 설명한 본 발명의 일 실시예와 마찬가지로 단면이 원형인 딤플 형상의 미세홈으로 이루어지고. 각 미세홈의 직경(Db)은 100 내지 150um이고, 깊이(Dc)는 10 내지 20um이며, 배열 간격(Da)은 350um 내지 450um이다.
이상과 같이 본 발명의 또 다른 실시예는 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 순간속도가 급격히 변하는 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 부근에 해당하면서도 2차 거동(piston secondary motion)시 요동운동을 유발시키는 트러스트면과 안티-트러스트면에 미세요철(31, 41)을 형성한다.
즉, 피스톤(20)은 엔진 연소실의 폭발압력이 피스톤(20)의 상면에 가해지는 압력분포나 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS') 사이의 마찰력 등에 의해 피스톤 핀(21)을 중심으로 한쪽으로 기울어지면서 하강하게 된다.
이때, 피스톤(20)이 기울어진 방향의 외경면을 트러스트면이라 하고 그에 대향하는 방향을 안티-트러스트면이라 하는데, 본 발명은 실린더 보어면(BS, BS') 중 트러스트면과 안티-트러스트면에 대응하는 면에 미세요철(31, 41)을 형성함으로써 마찰 및 마모를 저감시킨다.
따라서, 2차 거동시의 요동운동으로 인하여 실린더 보어면(BS, BS')과 피스톤 링(R) 뿐만 아니라 피스톤 스커트(skirt)(20a)를 포함한 피스톤(20) 전체가 실린더 보어면(BS, BS')과 직접 접촉하면서 발생하는 심각한 마모 역시 월등히 저감시킬 수 있게 한다.
이하, 본 발명에 따른 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치의 마모 시험 결과를 설명한다.
먼저, 내연기관의 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모발생을 저감시킬 수 있는 미세요철(31, 41)의 최적 가공영역을 확인하기 위해 도 9와 같이 실 사용된 실린더 보어면(BS, BS')의 마모 상태를 측정하였다.
도 9를 보면, 16~19cm 영역 및 4~6cm 영역에서 큰 마모가 발생하는 것을 알 수 있다. 이 엔진의 행정거리 S는 12.6cm이며, 도 9의 마모영역을 도 8의 A, B, C, D, S로 표기하면 A/S=8%, B/S=32%, C/S=110%, D/S=135%가 된다.
즉, 내연기관에 사용되는 실린더 보어면(BS, BS')에 있어서, 실린더 보어면(BS, BS')의 상사점(TDC)으로부터 행정거리(S)의 8~32% 영역 및 110~135% 영역에서 가장 많은 마모가 발생되는 것을 알 수 있다.
이는 앞서 언급한 것과 같이 피스톤(20)의 운동방향이 바뀌는 행정거리(S) 양끝단 영역에서 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS') 사이의 유막 두께가 감소하여 마찰이 증가하고 이로 인하여 큰 마모가 발생한다는 것을 의미한다.
또한, 본 발명에서 제안한 미세요철(31, 41)을 위와 같은 동작특성이 고려된 최적 배치 영역에 가공하면 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모가 감소될 수 있는 최적의 상태로 개선될 수 있음을 의미한다.
다음, 본 발명에서 제안한 미세요철(31, 41)의 최적 배치조건을 통한 피스톤 링(R)과 실린더 보어의 마모 개선 효과를 확인하기 위해 아래의 [표 4]과 같이 마모 시험을 수행하였다.
미세요철(31, 41)의 직경(Db)은 100mm이고, 깊이(Dc)는 15mm이며, 배열 간격(Da)은 350mm이 되도록 원형 형태의 미세요철(31, 41)을 직사각형 배열로 가공하였으며, 도 8와 같이 상사점(TDC) 근처의 제1요철부(30)는 실린더 보어면(BS, BS') 전체에 가공하였고, 하사점(BDC) 근처의 제2요철부(40a)는 엔진의 트러스트/안티-트러스트 영역 일부에만 가공하였다.
이는 하사점(BDC) 영역이 상사점(TDC) 영역보다 2차 거동에 따른 피스톤(20)과 실린더 보어면(BS, BS')의 직접접촉이 발생하기 쉽기 때문이며, 그에 따른 마모발생을 줄이고자 피스톤(20)의 스커트(20a)까지 고려하여 가공영역을 설정하였기 때문이다.
[표 4]
Figure PCTKR2012010987-appb-I000004
시험 결과 [표 4]의 '실시예 2'와 '실시예 5'의 마모 개선 효과가 우수하였으나 이는 최적화된 실시예가 아니므로 [표 4]의 9개의 시험 결과를 통계적으로 분석하여 최대의 개선 효과가 예상되는 '실시예 10'을 도출하였다.
그 결과를 [표 5]에 나타내었다. [표 5]에 나타낸 '비교예'는 미세요철(31, 41)을 가공하지 않은 것에 대한 시험결과이며, [표 5]에서 알 수 있는 바와 같이 '실시예 10'의 마모량은 '비교예'의 마모량 대비 45% 이상 마모가 개선되었으며, '다른 실시예 1~9'에 비해서도 마모 개선효과가 뛰어났다.
즉, 전체 행정거리 S를 기준으로 상사점(TDC)에서 10~30% 영역과 110~130% 영역에, 그리고 트러스트/안티-트러스트 방향의 실린더 보어면(BS, BS') 중 150°영역에 미세요철(31, 41)을 배치하면 마모가 45% 이상 감소될 수 있음을 확인하였다.
[표 5]
Figure PCTKR2012010987-appb-I000005
상기 시험 결과를 바탕으로 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모 저감을 좀더 최적화시키기 위해서 원형의 미세요철(31, 41)의 직경(Db), 깊이(Dc) 및 배열 간격(Da)을 설계 변수로 하여 [표 6]과 같이 마모시험을 하였다. 이때 미세요철(31, 41)의 가공영역은 '실시예 10'과 동일하게 설정하였다.
[표 6]
Figure PCTKR2012010987-appb-I000006
상기 시험 결과 '실시예 12'와 '실시예 15'의 마모 개선 효과가 우수하였으나 이는 최적화된 실시예가 아니므로, [표 6]의 9개의 시험 결과를 통계적으로 분석하여 최대의 개선 효과가 예상되는 '실시예 20'을 도출하고 그 결과를 [표 7]에 나타내었다.
[표 7]
Figure PCTKR2012010987-appb-I000007
[표 7]에 나타낸 '실시예 10'은 원형 미세요철(31, 41)의 설계변수를 최적화하기 전의 시험결과이고 '비교예'는 미세요철(31, 41)을 가공하지 않은 것에 대한 시험결과이다.
[표 7]에서 알 수 있는 바와 같이 '실시예 20'의 마모량은 '비교예'의 마모량 대비 58% 이상 마모가 개선되었으며, '실시예 10'에 비해서도 마모 개선효과가 뛰어났다.
즉, 직경(Db) 120mm, 깊이(Dc) 15mm, 배열 간격(Da) 400mm의 원형의 미세요철(31, 41)을 '실시예 10'의 영역에 배치하여 가공하면 피스톤 링(R)과 실린더 보어면(BS, BS')의 마모가 60% 가까이 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명은 마찰에 의한 피스톤 링과 실린더 보어면의 마모를 저감시킬 수 있는 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개성된 실린더 장치에 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 실린더 블럭(10) 내부의 실린더 보어면(BS, BS')에 형성되며, 상기 실린더 보어면(BS, BS')을 따라 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 8% 내지 32% 거리 영역에 복수개의 미세요철(31)을 가공하여 형성된 요철부(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세요철(31)은 단면이 원형인 딤플(dimple) 형상의 미세홈인 것을 특징으로 하는 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미세홈은 직경(Db)은 0.07 내지 0.17mm이고, 깊이(Dc)는 0.01 내지 0.03mm이며, 밀도는 5 내지 15%인 것을 특징으로 하는 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 실린더 보어면(BS, BS') 중 피스톤 행정거리(S) 영역 내의 표면 거칠기는 Ra 0.18 내지 0.40인 것을 특징으로 하는 최적의 미세요철 배치 및 표면 거칠기를 갖는 실린더 장치.
  5. 실린더 블럭(10) 내부의 실린더 보어면(BS, BS')에 형성되며, 상기 실린더 보어면(BS, BS')을 따라 직선왕복운동하는 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 5% 내지 35% 거리 영역에 복수개의 미세요철(31)을 가공하여 형성된 제1요철부(30); 및
    상기 실린더 블럭(10) 내부의 실린더 보어면(BS, BS')에 형성되며, 상기 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 100% 내지 140% 거리 영역에 복수개의 미세요철(41)을 가공하여 형성된 제2요철부(40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2요철부(40)는,
    상기 피스톤(20)의 상사점(TDC)으로부터 110% 내지 130% 거리 영역에 복수개의 미세요철(41)을 가공하여 형성되며, 상기 제2요철부(40a)는 상기 실린더 보어면(BS, BS')에 존재하는 트러스트면(thrust side)의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 형성되어 있거나, 상기 실린더 보어면(BS, BS')에 존재하는 안티-트러스트면(anti-thrust side)의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 형성되어 있거나, 혹은 상기 트러스트면의 중심점으로부터 120°내지 180°범위와 상기 안티-트러스트면의 중심점으로부터 120°내지 180°범위에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1요철부(30)와 제2요철부(40, 40a)를 각각 구성하는 미세요철(31, 41)은,
    단면이 원형인 딤플(dimple) 형상의 미세홈인 것을 특징으로 하는 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 미세홈은,
    직경(Db)은 100 내지 150um이고, 깊이(Dc)는 10 내지 20um이며, 배열 간격(Da)은 350um 내지 450um인 것을 특징으로 하는 미세요철 최적 배치에 의해 내마모성이 개선된 실린더 장치.
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