[논문]피스톤계 마찰 특성 (II) -실험적 연구-

조명래; 하경표; 김중수; 오대윤; 한동철

doi:10.3795/ksme-a.2003.27.1.088

[국내논문] 피스톤계 마찰 특성 (II) -실험적 연구-
Friction Characteristics of Piston Assembly (II) -Experiment- 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.27 no.1 = no.208, 2003년, pp.88 - 93

조명래 (현대자동차 파워트레인연구소) , 하경표 (현대자동차 파워트레인연구소) , 김중수 (현대자동차 파워트레인연구소) , 오대윤 (현대자동차 파워트레인연구소) , 한동철 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this paper is to investigate the friction characteristics of piston assembly, which composed of ring pack and piston skirt. The friction force of piston assembly was measured by using the movable liner in the single cylinder engine, and the various parameters were tested. The friction force was suddenly increased at the expansion stroke due to higher cylinder pressure. The viscous friction was dominant at the mid stroke, but the boundary friction was dominant at the top and bottom dead centers. Through the experiment, we could validate previous theoretical study, and confirm that th e radial clearance and ring tension were very effective to reduce friction loss of piston assembly.

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문제 정의

한편 이。) 등은 피 스톤계를 모사한 장치를 개발하여 피스톤 링의 마 찰 특성에 대한 실험적 연구를 수행한 바 있다. 본 연구에서는 피스톤 계의 마찰 특성을 규명 하기 위해 부동 라이너를 적용한 단기통 엔진을 이용하여 다양한 인자에 대한 실험을 수행하였다. 실험결과를 통해 피스톤 링과 피스톤 스커트로 이루어진 피스톤계의 마찰 특성에 대한 이해가 가 능하였으며, 피스톤 링과 피스톤 스커트의 마찰에 큰 영향을 미치는 인자에 대한 평가가 가능하였다.

제안 방법

본 연구에서는 피스톤 계에서 발생하는 마찰력을 단기통 엔진에서 부동 라이너를 이용하여 측정하였다.
1 에는 본 연구에 사용된 부동 라이너의 개략도를 나타내었다. 라이너 상면에 작용하는 연소압에 의한 작용력을 해소하기 위해, Fig. 1 와 같이 라이너 외주면에 하 부 면적이 라이너 상부 면적과 동일한 돌출부를 설치하고, 이 부분과 라이너 상면 사이에 압력이 전달될 수 있는 통로를 설치하여, 동일한 면적에 동일한 압력이 작용하여 연소압에 의한 작용력이 상쇄되게 하였다. 연소실과 압력 보상부의 밀봉을 위해 세 개의 오링이 사용되었다.
또한 피스톤계의 마찰력은 라이너에 작용하는 측력에 비해 상당히 작은 값이므로 반경 방향 강성이 약하면 마찰력 신호가 측력에 의해 왜곡될 수 있다. 따라서 본 장치에서는 축방향 지 지 강성 및 반경 방향 지지 강성을 크게 하기 위해 Fig. 1에서 보는 바와 같이 라이너 상하부 지 지대를 설치하였다.
즉정된 마찰력 신호는 차지 앰프 (Charge Amplifier)를 통해 증폭된 후 PC에 저장되며 총 300엔진 사이클 동안의 신호를 평균하여 사용하였다. 또한 실린더 내의 연소 압력을 동시에 측정하여 마찰력 해석을 위한 입력 자료로 이용하였다 Fig.
부동 라이너를 이용한 피스톤계의 마찰력 측정 장치를 통해 다양한 운전 조건 및 설계 변수에 따른 피스톤계의 마찰력을 측정하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

성능/효과

본 연구에서는 피스톤 계의 마찰 특성을 규명 하기 위해 부동 라이너를 적용한 단기통 엔진을 이용하여 다양한 인자에 대한 실험을 수행하였다. 실험결과를 통해 피스톤 링과 피스톤 스커트로 이루어진 피스톤계의 마찰 특성에 대한 이해가 가 능하였으며, 피스톤 링과 피스톤 스커트의 마찰에 큰 영향을 미치는 인자에 대한 평가가 가능하였다. 또한 본 시험을 통해 측정된 결과를 이용하여 제 1 보에서 제시한 피스톤계 마찰 해석 모델과 해석 결과의 타당성을 검증할 수 있었다.
실험결과를 통해 피스톤 링과 피스톤 스커트로 이루어진 피스톤계의 마찰 특성에 대한 이해가 가 능하였으며, 피스톤 링과 피스톤 스커트의 마찰에 큰 영향을 미치는 인자에 대한 평가가 가능하였다. 또한 본 시험을 통해 측정된 결과를 이용하여 제 1 보에서 제시한 피스톤계 마찰 해석 모델과 해석 결과의 타당성을 검증할 수 있었다. 본 연구를 통해 제시된 결과들은 피스톤계의 마찰 저감을 위한 유용한 자료로 활용될 것으로 판단된다.
전체 마찰력의 경우 팽창 행정의 일부를 제외 하고 해석 결과 및 시험 결과가 상당히 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 피스톤계의 마찰 특성은 행정 중반에서는 유체 윤활 특성이 지배적인 경향을 보이고 있으며 상, 하사점에서는 경계 마찰에 의한 혼합 윤활 특성을 나타내고 있다.
8 의 틈새에 따른 피스톤계 마찰력의 차이로부터 확인할 수 있다. 위의 결과로부터 피스톤과 라이너 사이의 틈새의 증가가 피스톤 스커트 마찰 저감에 효과적임을 알 수 있다. 그러나 틈새의 과도한 증가는 오히려 유 막의 하중 지지력을 떨어뜨려 스커트와 라이너의 직접 접촉에 따른 경계 마찰 및 마모를 증가시킬 가능성이 있으므로 마찰을 줄이면서 충분한 유막 을 유지할 수 있는 적절한 틈새의 선정이 중요하 다.
링 장력에 따른 피스톤계 마찰력 측정 결과로부터 저장력 링의 적용이 피스톤계의 마찰 손실 저감에 효과적이며 이를 통해 상당한 연비 개선 효과를 얻을 수 있음을 예상할 수 있다. 그러나 링 장력 감소는 피스톤 링의 밀봉 효과를 저하시 켜 블로바이 (blow-by) 가스를 증가시키고 라이너 벽면의 오일을 충분히 긁어내리지 못하기 때문에 오일 소모가 증가할 가능성이 있다.
(1) 팽창 행정에서는 연소 압력의 차이에 의해 파이어링 마찰력이 모터링 보다 크나 그 외 행정에서는 모터링 마찰력이 상대적으로 크다. 이는 연소 조건에 따른 오일 온도 차이에 기인하는 것으로 판단된다.
(2) 오일 온도가 증가하고 엔진 속도가 감소할수록 행정 중반의 마찰력은 감소하는 반면 상, 하 사점의 마찰력은 증가하는 경향을 보였다.
(3) 피스톤과 라이너 사이의 반경 방향 틈새가 증가할수록 피스톤계 마찰은 감소하는 경향을 보였다.
(4) 링장력이 증가할수록 피스톤께 마찰은 급격이 증가한다. 저장력 링 사용은 피스톤계 마찰 저감에 매우 효과적이다.

후속연구

또한 본 시험을 통해 측정된 결과를 이용하여 제 1 보에서 제시한 피스톤계 마찰 해석 모델과 해석 결과의 타당성을 검증할 수 있었다. 본 연구를 통해 제시된 결과들은 피스톤계의 마찰 저감을 위한 유용한 자료로 활용될 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

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