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문제 정의
- 마모는 상대 운동하는 표면들에 존재하는 돌기들의 상호 접촉 때문에 그들 표면으로부터 물질이 이탈되는 현상으로 정의되어진다. 본 논문에서는 링-라이너와 링-그루브의 접촉짝에 대한 마모해석을 다루었다. 전자에서는 링 외 주면과 라이너마모를 다루고, 후자에서는 링그루브 측면 마모를 다룬다.
가설 설정
- ii) 링의 마모하중은 피스톤의 축방향 운동에 수직하다고 가정하였다.
- iii) 링 재질의 소성변형에 의한 응착마모만이 고려되었다. 즉, 마모는 유체유막이 파괴되어 재질간의 접촉이 존재할 때 일어난다고 가정하였다.
- iii) 링 재질의 소성변형에 의한 응착마모만이 고려되었다. 즉, 마모는 유체유막이 파괴되어 재질간의 접촉이 존재할 때 일어난다고 가정하였다.
제안 방법
- 4에 나타난 바와 같이 시간이 지남에 따라 곡선적으로 증가했다. 800시간 내구시험 후에 3대의 엔진에 대하여 실린 더 보아를 길이 방향으로 4등분 한 곳에서 각각 측정한 마모값의 평균값의 측정 범위와 비교하였다. 이때 계산된 보아 마모량은 상사점에서 측정값의 상한치의 약 2배 정도를 나타냈고, 하사점에서는 측정값의 상한치 정도를 나타냈다.
- 본 연구에서 는 링의 반경 방향 운동은 축방향에 수직하게 일어난다고 보았으며 반스트로크 마다 링이 그루브 안으로 들어갔다 나오는 것으로 보고 이때의 반경 방향 평균 속 도를 구하여 사용하였다. 둘째, 축방향 운동은 링간의 압력차에 의해 일어나며 링이 그루브 바닥에 붙었다 그루브 천장까지 올라가는 현상을 계산하여 순간 속도 를 구하였다. 반면, 원주방향 링 운동은 주로 그루브 내의 링 회전에 기인한다.
- 본 논문에서는 傷 평균값으로 표현했으며, 본 시험 엔진의 초기 길들이기 모드(early break-in mode)에서의 마모 입수 부피 값이다. 또한 k와 %는 직접적으로 계산된 값이 아니라 다른 실험연구[4, 5]로부터 얻어진 값들에 대한 평균값을 참고자료로 하여 선택한 값으로 마모량을 계산 후 내구시험 시 측정한 마모 결 과와 비교해가며 시행착오법으로 결정하였다.
- 한편 마모량은 마모율식을 매크랭크 각 간격에 대해 적분하여 구했다. 또한 마모계수는 축방향 운동과 반경 방향 운동에 대해 따로 적용하였으며 축방향 운동에 대해서는 속도 변화 시기가 빈번하지 않기 때문에 링 종류에 관계없이 같은 값을 사용하였고, 반경 방향에 대해서는 링 종류에 따라 다르게 적용하였다. 본 연구에서는 마모 계수 값을 변화시켜가며 마모량을 계산한 뒤에 엔진내구시험 후 측정한 실험적 마모량과 비교하여 마모계 수 값을 Table 2와 같이 결정하였다.
- 본 논문에서는 傷 평균값으로 표현했으며, 본 시험 엔진의 초기 길들이기 모드(early break-in mode)에서의 마모 입수 부피 값이다. 또한 k와 %는 직접적으로 계산된 값이 아니라 다른 실험연구[4, 5]로부터 얻어진 값들에 대한 평균값을 참고자료로 하여 선택한 값으로 마모량을 계산 후 내구시험 시 측정한 마모 결 과와 비교해가며 시행착오법으로 결정하였다.
- 현대엔진에서는 피스톤 링팩 튜닝이 정교하여 엔진 운전 중 링 외 주면 윤활과 오일 긁어 내리는 현상 변화가 심하지 않다고 볼 때, 링 외 주면의 마모와 이 지역에서 라이너에 생기는 과도 마모 패턴은 링의 앤드갭을 넓힐 가능성으로 인하여 브로우 바이와 블로우 백의 값이 상대적으로 크게 나타나며, 이로 인해 톱링이 들려지는 시점에서의 앤드갭을 통한 오일 소모에도 큰 영향을 준다. 본 논문에서는 주어진 운전 조건과 주어진 형상에 대하여 링 외 주면과 라이너 위에 나타나는 마모하중 분포의 계산을 통해 링과 라이너마모 문제를 다루었다. 또한 그루브의 확장이 링의 씰링 능력에 영향을 주기 때문에 그루브 내에서 축방향과 반경 방향으로의 링운동으로 인한 링 크루브 접촉면에서의 그루브 마모도 다루었다.
- 즉, 피스톤 측면 운동과 보아 뒤틀림과 링 외 주면-라이너 유체윤활에 영향을 받는다. 본 연구에서 는 링의 반경 방향 운동은 축방향에 수직하게 일어난다고 보았으며 반스트로크 마다 링이 그루브 안으로 들어갔다 나오는 것으로 보고 이때의 반경 방향 평균 속 도를 구하여 사용하였다. 둘째, 축방향 운동은 링간의 압력차에 의해 일어나며 링이 그루브 바닥에 붙었다 그루브 천장까지 올라가는 현상을 계산하여 순간 속도 를 구하였다.
- 본 연구에서는 그루브 내의 링의 축방향 운동 및 반경 방향 운동으로 인한 링-그루브 접촉면에서의 접촉 압 력 (RQ의 계산은 돌기 접촉력의 합으로 기술하였고, 이를 링과 그루브의 측면에 작용하는 마모하중 분포로 보았다.
- 또한 마모계수는 축방향 운동과 반경 방향 운동에 대해 따로 적용하였으며 축방향 운동에 대해서는 속도 변화 시기가 빈번하지 않기 때문에 링 종류에 관계없이 같은 값을 사용하였고, 반경 방향에 대해서는 링 종류에 따라 다르게 적용하였다. 본 연구에서는 마모 계수 값을 변화시켜가며 마모량을 계산한 뒤에 엔진내구시험 후 측정한 실험적 마모량과 비교하여 마모계 수 값을 Table 2와 같이 결정하였다.
- 이에 대한 여러 이유 중 한 가지는 마모계수가 윤활유 성분, 윤활조건, 윤활성 등과 같은 여러 변수에 의존되기 때문이다. 한편 마모량은 마모율식을 매크랭크 각 간격에 대해 적분하여 구했다. 또한 마모계수는 축방향 운동과 반경 방향 운동에 대해 따로 적용하였으며 축방향 운동에 대해서는 속도 변화 시기가 빈번하지 않기 때문에 링 종류에 관계없이 같은 값을 사용하였고, 반경 방향에 대해서는 링 종류에 따라 다르게 적용하였다.
대상 데이터
- 2와 같이 주어진다. 본 연구에서 계산에 사용한 모드는 주길들이기 모드와 내구 모드이다.
이론/모형
- 한편 피스톤링 팩의 링운동학, 링간 압력계산, 유 막두께 계산, 마찰 계산 등의 방법은 문헌[9]과 같은 내용을 적용했으며, 피스톤링팩 형상 모델링 및 오일소모계산은 문헌卩이의 방법을 사용하였다.
성능/효과
- 1. 계산 결과 실린더 보아 마모는 4곳에서 측정한 평균 측정치범위와 비교 시 상사점에서는 측정 범위의 상 한값의 두배 정도 나타났으며, 하사점에서는 측정 범위 의 상한치를 나타냈다. 보아 위치에 따른 마모 형태가 거칠지만 일반적인 경향의 형태를 나타내고 있다.
- 2.링 외 주면 마모 경향이 초기부터 직선적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 한편 계산된 마모량은 측정값 범위의 하한치를 나타내고 있어 마모 경향 예측에 어느 정도 유용한 계산 결과를 보이고 있다.
- 3.링 그루브마모는 내구시간이 지남에 따라 계속 조금씩 증가하지만 갑작스런 증가는 나타나지 않았다.
- 4.피스톤 링과 링그르부 및 실린더 보아의 마모 증가로 인한 엔진오일 소모는 1583시간 후 갑자기 증가하는 경향을 나타냈다. 이와 같은 오일 소모 과다 증 가에 대한 가장 밀접한 관계는 피스톤링 외 주면 마모에 있음을 알 수 있었다.
- 본계산 결과 링 외 주면 마모는 초기부터 직선적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 800시간 내구시험 후 측정한 마모값과 비교시오일링 과 톱링의 마모량은 측정값의 하한치를 나타냈으며 중 간링의 경우는 측정치의 하한값보다 약간 작게 계산되었다. 계산 결과 엔진 내구시험이 약 1583시간 지난 후 갑자기 마모량이 급하게 상승하기 시작하였다.
- 링 외 주면 마모 증가율과 유사하게 그 증가율은 오일링과 톱링은 비슷한 수준으로 높았으며, 중간 링은 낮게 나타났다. 800시간 내구시험 후 측정한 앤드갭 변화량과 비교시오일링의 변화량은 측정값의 하한치를 나타냈으며, '톱링과 중간 링은 하한치보다 약 10Mm 정도 낮은 값을 나타냈다. 내구시험이 약 1583시간 지난 후링 외 주면 마모와 마찬가지로 갑자기엔드 갭 변화량이 급하게 상승하였다.
- i) 피스톤의 측면 운동과 피스톤링의 홈 내의 경사운동은 없는 것으로 하였다.
- 이와 같은 오일 소모 과다 증 가에 대한 가장 밀접한 관계는 피스톤링 외 주면 마모에 있음을 알 수 있었다. 결과적으로 마모와 오일소모 측면에서 본엔진의 내구 수명은 약 1583시간이 된다 고보며 이는 실차 내구 약 197, 875 km가 된다고 볼 수 있으며, 본 해석 엔진에 대해서는 이 시점을 엔진 내 부품 교환 및 엔진 교환 시기로 볼 수 있다.
- 이 결과로부터 피스톤링 팩의 내구에 대한 한계를 알 수 있었다. 결과적으로 본 시험엔진의 링 및 실린더 보아 마모로 인한 오일 소모 증가 측면에서의 수명은 1583시간 정도 되며 이는 실차 내구 197, 875 km 정도이다.
- 계산 결과 내구시험이 약 1583시간 지난 후 갑자기 마모량이 급하게 상승하였다. 급상승 직전의 보아 마모량은 상사점에서는 184 gm 정도였고, 하사점에서는 약 67 呻 정도로 계산되었다.
- 800시간 내구시험 후 측정한 마모값과 비교시오일링 과 톱링의 마모량은 측정값의 하한치를 나타냈으며 중 간링의 경우는 측정치의 하한값보다 약간 작게 계산되었다. 계산 결과 엔진 내구시험이 약 1583시간 지난 후 갑자기 마모량이 급하게 상승하기 시작하였다. 이 시점은 실차 내구로 197, 875 km 정도이다.
- 이는 링장력과 연소압으로 인한 링에 작용하는 측면력만을 고려한 마모량이다. 그 결과는 내구시간이 증가함에 따라 그 증가량이 크게 나타났으며, 전반적으로 볼 때 연소 폭발 후 압력이 큰 상사점 바로 밑에서 제일 크게 나타났으며 하사점에서는 오일링장력으로 인한 마모량만이 나타나므로 작게 나타났다. 본 일차원 계산의 결과로는 마모의 형태가 매우 거칠게 나타났으나 그 형태는 일반적인 보아마모 패턴[8]과 유사하게 나타났다.
- 한편 계산된 마모량은 측정값 범위의 하한치를 나타내고 있어 마모 경향 예측에 어느 정도 유용한 계산 결과를 보이고 있다. 따라서 본계산 결과로 링 외 주면 마모의 하한값을 예측할 수 있었으며, 또한 마모값이 갑자기 증가하는 시점을 알 수 있었다. 즉 내구 1583시간이 지난 후링 외 주면 마모가 갑가지 증가한 후 피스톤-링팩 역학구조가 극한 상황이 되어 엔진이 사용한계에 도달하였음을 알아낼 수 있었다.
- 본 해석 결과 피스톤링 외 주면 마모는 Fig. 6에 나타난 바와 같이 시간이 지남에 따라 증가했으며 링장 력이 큰 오일링의 마모 증가량이 제일 컸으며, 그 다음이 톱링이며, 링장력이 작은 중간 링은 마모 증가량이 낮게 나타났다. 본계산 결과 링 외 주면 마모는 초기부터 직선적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다.
- 엔진 운전사이클 동안에 링-라이너와 링-그루브와 같은 미끄럼 운동하는 표면 사이에는 경계 윤활 조건으로 인한 상당한 접촉이 존재한다. 생성된 접촉 압력은 결과적으로 운전기간동안 링외주면 형상을 변화시키려고 하고, 한편으로 라이너 표면에 대하여는 피스톤의 운동방향이 바뀌는 부분, 즉 속도가 느려 유막이 파괴되며 높은 그루브 압력이 존재하는 폭발행정의 상사점 직후에서 주된 마모 흔적을 만든다. 현대엔진에서는 피스톤 링팩 튜닝이 정교하여 엔진 운전 중 링 외 주면 윤활과 오일 긁어 내리는 현상 변화가 심하지 않다고 볼 때, 링 외 주면의 마모와 이 지역에서 라이너에 생기는 과도 마모 패턴은 링의 앤드갭을 넓힐 가능성으로 인하여 브로우 바이와 블로우 백의 값이 상대적으로 크게 나타나며, 이로 인해 톱링이 들려지는 시점에서의 앤드갭을 통한 오일 소모에도 큰 영향을 준다.
- 보아 위치에 따른 마모 형태가 거칠지만 일반적인 경향의 형태를 나타내고 있다. 시간이 지남에 따라 마모 증가폭이 크게 나타났으며, 톱링의 영향이 가장 큰 것으로 나타났다. 상사점을 지난 후 연소압이 높은 곳에서 마모가 크게 나타났다.
- 따라서 본계산 결과로 링 외 주면 마모의 하한값을 예측할 수 있었으며, 또한 마모값이 갑자기 증가하는 시점을 알 수 있었다. 즉 내구 1583시간이 지난 후링 외 주면 마모가 갑가지 증가한 후 피스톤-링팩 역학구조가 극한 상황이 되어 엔진이 사용한계에 도달하였음을 알아낼 수 있었다.
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