KR101993684B1 - 코팅처리된 피스톤 및 코팅처리된 피스톤을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

적어도 부분적으로 강으로 형성되어 있되 그 내부에 형성되어 있는 연소통을 가진 연소 표면을 가지고 있는 크라운부를 포함하는, 디젤 내연 기관용 피스톤이 제공된다. 연소통은 연소통 림 영역이 존재하고, 귀금속과 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 코팅물질은 실질적으로 연소통 림 영역에만 도포된다. 코팅물질은 바람직하게는, 피스톤이 엔진의 작동 동안 상사점 위치에 있을 때 디젤 연료의 분무와 일직선을 이루고 있는 연소통 림 영역으로 된 영역에 도포된다.

Description

코팅처리된 피스톤 및 코팅처리된 피스톤을 제조하는 방법{COATED PISTON AND A METHOD OF MAKING A COATED PISTON}

본 발명은 피스톤에 관한 것이고, 더 정확하게는 디젤 엔진용 강(steel) 피스톤에 관한 것이다.

내연기관 제조업체는 엔진 효율과 성능을 향상시키자는 증가하는 요구에 직면하고 있는데, 이 요구는 연비를 향상시키는 것, 연료 소비량을 개선하는 것, 오일 소모량을 감소시키는 것, 실린더 보어 내부의 압축 하중을 증가시키는 것, 중량을 감소시키는 것, 및 엔진을 더 소형화하는 것을 포함하되 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 요구들 중 일부는 연소실에서의 공기/연료 혼합물의 압력과 온도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 따라서, 엔진 내부의 피스톤이 이러한 증가한 온도와 압력을 견딜 수 있어야 한다는 것은 중요하다.

이러한 환경에서 작동할 수 있는 피스톤을 생산하기 위하여, 다수의 제조업체는 피스톤을 전체적으로 알루미늄으로 형성하거나 알루미늄과 강 모두로 형성하지 않고 전체적으로 강으로 형성하게 되었다. 그러나, 강은 증가된 온도의 연소상태에 노출될 때 산화될 수 있고, 이는 피스톤의 성능과 내구성을 극적으로 감소시킬 수 있다. 산화의 위험을 감소시키는 한가지 공정은 피스톤을 코발트 또는 니켈 기반 재료로 코팅처리하는 것이다. 그러나, 이러한 접근은 그 한계을 가지고 있고, 모든 조건에 있어서 비용면에서 가장 효율적인 해결책이 될 수는 없다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 강으로 제조되어 있되 연소통 림 영역을 가진 연소통을 가지고 있는 연소 표면이 존재하는 크라운부를 포함하는, 디젤 엔진용 피스톤이 제공된다. 귀금속과 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 코팅물질은 연소통 림 영역의 적어도 일 부분과, 연소통 림 영역의 실질적으로 선택된 부분에만 선택적으로 도포된다. 내산화성 코팅물질이 유리한데, 이는 내산화성 코팅물질이 강 기반 금속으로 된 피스톤을 산화로부터 보호하고 연소상태에서의 압력과 온도를 견디는 것이 가능하기도 하기 때문이다. 코팅물질은 바람직하게는, 피스톤이 상사점 위치에 있을 때 연료 분사장치와 일치하는 피스톤의 상부 표면의 부분에만 도포된다. 따라서, 증가된 산화 보호에 대한 재료비는 피스톤의 효용을 훼손하지 않고 최소화된다.

본 발명의 다른 양태는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법을 제공하는데, 이 방법은, 강으로 되어 있되 연소통과 연소 림 영역을 가진 연소 표면을 가지고 있는 크라운부를 준비하는 단계를 포함한다. 이 방법은 귀금속과 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 코팅물질을 실질적으로 크라운부의 연소통 림 영역에만 선택적으로 도포하는 단계로 이어진다.

본 발명의 또 다른 양태는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법이고, 여기에서 코팅물질을 연소통 림 영역 상에 선택적으로 도포하는 단계는 코팅물질을 완드 도포기를 이용하여 크라운부의 연소통 림 영역 상에 전착하는 단계로서 더 정의되어 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 피스톤에 도포된 금속은 레늄,즉 높은 용융 온도(3186℃)를 가지되 화학적 침식을 견디고 과도한 연성이나 과도한 취성 모두 있지 않는 내화 금속이다.

본 발명은 코팅처리된 피스톤 및 코팅처리된 피스톤을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면 엔진 내부에 있는 피스톤이 고온과 고압을 견디는 것, 피스톤의 성능과 내구성은 감소시키지 않으면서 산화의 위험은 감소시키는 것, 및 피스톤을 비용면에서 효율적으로 제조하는 것이 가능하다.

본 발명의 여러 가지 특징과 이점은, 첨부의 도면과 관련하여 고려할 때 다음에 오는 발명의 상세한 설명을 참조하여 잘 이해되는 바와 같이 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 예시적인 피스톤의 단편적인 사시도이고, 귀금속으로 코팅된 영역은 환형으로 지시하는 것으로 나타나 있다.
도 2는 예시적인 피스톤의 위에서 바라 본 평면도이고, 귀금속으로 코팅된 영역은 환형으로 지시하는 것으로 나타나 있다.
도 3은 피스톤에 코팅물질을 도포하는 예시적인 도포기의 개략적인 도면이다.
도 4는 예시적인 디젤 엔진의 실린더 보어 내부에 배치되어 있는 도 1의 예시적인 피스톤의 개략적인 도면이다.
도 5는 도 4의 예시적인 피스톤의 확대된 단면도이고, 코팅물질의 두께가 과장되어 있고 금속으로 코팅된 영역 둘레에 집중되어 있다.

도면을 참조하면, 여기에서 유사한 부재번호는 몇몇 도면 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 지시하고, 본 발명의 일 양태에 따라 구성되고 디젤 엔진(22)에서 사용하기 위한 예시적인 피스톤(20)은 대체로 도 1과 도 2에 나타나 있고, 도 4의 디젤 엔진(22)에 설치된 바와 같이 나타나 있다.

도 1을 참조하면, 예시적인 피스톤(20)은 모노블록 구조를 가지고, 즉 일체형으로 서로 연결되어 원피스형 피스톤(20) 바디부로 존재하는 크라운부(24)와 스커트부(25)를 포함한다. 크라운부(24)는 정상부 또는 연소부, "멕시코 모자" 구조를 가진 연소통(26)을 가지고 있는 표면 및 연소통 림 영역(combustion bowl rim area)(28)을 포함한다. 그러나, 피스톤(20)이 이와 다르게 관절식으로 또는 비관절식으로 서로 연결되는 2개 이상의 피스로 형성될 수 있다는 것과, 임의의 바람직한 형상을 가진 연소통(26)을 가질 수 있다는 것은 이해되어야 한다. "연소통 림 영역(28)"이라는 용어는, 연소통(26)의 내부와 연소통(26) 주변 모두에 해당하는, 연소통(26)의 상부 에지와 연소통(26)의 상부 에지에 실질적으로 인접한 크라운부(24)의 영역을 이하에서 설명하는데 사용된다.

디젤 엔진(22)의 연소실에서의 연소 온도와 압력을 견디기 위하여, 피스톤(20)의 적어도 크라운부(24)는 주로 또는 전체적으로, 예컨대 4140H 강 또는 미소합금강(microalloyed steel)과 같은 강으로 형성된다. 피스톤(20) 바디부의 크라운부(24)와 스커트부(25)는 정밀(또는 인베스트먼트(investment) 주조 공정을 거치고 난 후 그 최종 형태로 기계가공되어 바람직한 형상을 가진다. 그러나, 피스톤(20)의 크라운부(24)와 스커트부(25)가, 예컨대 빌릿(billet)으로부터의 단조가공 또는 기계가공을 포함하는 임의의 적합한 공정을 통하여 형성될 수 있고 형상을 가질 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 종래의 피스톤과 마찬가지로, 예시적인 피스톤(20) 역시 피스톤(20)을 디젤 엔진(22)의 실린더 보어에 대해 밀봉하는 피스톤 링(32)(도 4에 도시되어 있음)을 수용하는 복수 개의 링 그루브(30)를 포함한다.

코팅물질(34)은 실질적으로 연소통 림 영역(28)에만 있거나 연소통 림 영역(28)을 따르는 특정 위치에만 있는, 크라운부(24)의 연소 표면에 도포된다. 코팅물질(34) 전체는 실질적으로 귀금속 또는 내화 금속(레늄, 금, 백금, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴, 은 로듐 및 루테늄과 같은 것) 중에서 하나 이상으로 이루어지고, 이로써 강 기반 재료로 된 크라운부(24)의 코팅처리부를 산화로부터 보호한다. 특히, 코팅물질(34)은 연소통 림 영역(28)에 있는 연소 표면에만 실질적으로 도포된다. 도 4를 참조하면, 예시적인 실시예에서, 연소통 림 영역(28)의 코팅처리부(34)는 피스톤(20)이 상사점 위치에 있을 때 연료 분사장치(40)로부터의 디젤 연료의 분무와 대체로 일치한다. 따라서, 코팅물질(34)은, 이와 달리 엔진의 작동 동안 산화에 가장 취약할 수 있는 피스톤(20)의 크라운부와 스커트부를 보호한다. 코팅처리된 연소통 림 영역(28)을 따르는 특정 위치가 실린더 내의 연료 분사장치(40)의 유형과 실린더 보어 내의 피스톤(20)에 대한 그 배향에 좌우된다는 것 또한 이해되어야 한다. 이와 달리, 코팅물질(34)은 원한다면 전체 연소통 림 영역(28)에 도포될 수 있다.

코팅물질(34)은 가장 바람직하게는 높은 용융점(대략 3186℃)의 레늄(내화 금속)을 포함할 수 있다. 이점이 유리한데, 이는 디젤 엔진(22)의 작동 동안 코팅물질(34)이 연소 온도에 직접 노출되기 때문이다. 부가적으로, 레늄이 유리한데, 이는 레늄이 화학적 침식을 견딜 수 있고 과도한 연성이나 과도한 취성이 있지 않기 때문이다. 그러나, 코팅물질(34)이 이와 달리 다른 귀금속 및/또는 내화 금속을 포함할 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 예를 들어, 코팅물질(34)을 레늄, 루테늄, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금, 로듐, 금, 은, 코발트 및 니켈로 된 여러 가지 조합으로 배합하는 것이 바람직할 수 있다.

코팅물질(34)을 실질적으로 연소통 림 영역(28)에만 위치시키는 것이 유리한데, 이는, 사용된 귀금속의 량이 최소한으로 유지되어야 하기에 비용면에서 효율적인 방식으로 산화를 충분히 견디는 피스톤(20)을 제공하기 때문이다. 부가적으로, 코팅물질(34)은 바람직하게는 1 내지 100 미크론(1-100㎛) 사이의 두께를 가진다. 따라서, 개선된 내산화성을 위한 재료비는 매우 적다. 귀금속으로 코팅처리된 연소통 림 영역(28)의 특정 부분은, 예컨대 엔진의 실린더 당 연료 분사장치(40)의 개수, 연료 분사장치(40)의 유형, 연료 분사장치(40)의 피스톤(20)에 대한 배향, 및 피스톤(20)의 기하학적 구성에 기초하여 달라질 수 있다. 피스톤(20)의 연소 표면의 잔여부는 코팅처리되지 않을 수 있고 또는 귀금속 코팅물질(34) 보다 덜 비싼 하나 이상의 재료로 코팅처리될 수 있다.

코팅물질(34)을 크라운부(24)에 도포하기 전에, 크라운부(24)는 완전히 깨끗하게 처리된 상태여야 한다. 이는 바람직하게는 10 내지 15 볼트(10-15V) 사이의 전압으로 실행될 것이고, 산성 활성제와 중간 헹굼 단계를 포함할 수 있다. 부가적으로, 도 5의 과장된 확대도에 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 예시적인 실시예에서, 접착층(44)은 강 기반 재료로 된 크라운부(24)와 코팅물질(34) 사이의 피스톤(20)에 도포되어 있다. 접착층(44)은 바람직하게는 니켈로 되어 있고, 대략 1 내지 10 미크론(1-10㎛)의 두께를 가진다. 접착층(44)은 적합한 공정을 거쳐서 도포될 수 있다. 니켈 이외의 재료가 이와 달리 접착층(44)으로 사용될 수 있어서 접착층(44)이 임의의 바람직한 두께를 가질 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 원한다면, 마스크(미 도시)는 코팅물질(34)을 수용하지 않은 연소 표면의 영역에 도포될 수 있다.

도 4를 참조하면, 예시적인 실시예의 귀금속 및/또는 내화 금속 코팅물질은 완드(wand), 펜 또는 스타일러스(stylus) 형태의 도포기(46)를 이용하여 선택적인 전기 화학적 금속화 공정을 거쳐 접착층에 도포된다. 예시적인 도포기(46)는 손잡이(48)에 부착되고 흑연으로 된 양극부(38)를 포함한다. 도포기(46)의 양극부(38)는 바람직하게는 연소통 림 영역(28)과 유사한 형상을 가져서 코팅물질(34)을 피스톤(20) 위에 용이하게 도포한다. 양극부(38)의 팁은 폴리에스테르, 면사(cotton) 또는 스카치브라이트(scotchbrite)와 같은 직물 랩(50)으로 덮혀 있다. 예시적인 실시예에서,펌프(52)(페리스탈리틱(peristalitic) 펌프(52)와 같은 것)는 귀금속이나 내화 금속 용액을 직물 랩(50)에 전달하기 위하여 도포기(46)와 유체 연통되어 있다. 이와 달리, 도포기(46)의 팁은 귀금속 또는 내화 금속 용액 속에 주기적으로 침지될 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 디젤 엔진(22)용 피스톤을 제조하는 방법이다. 이 방법은, 강으로 되어 있되 연소통(26)과 연소통 림 영역(28)을 가진 연소 표면을 가지고 있는 크라운부를 준비하는 단계를 포함한다. 이 방법은 귀금속과 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 코팅물질(34)을 실질적으로 크라운부(24)의 연소통 림 영역(28)에만 선택적으로 도포하는 단계로 이어진다. 귀금속 및/또는 내화 금속 코팅물질(34)의 도포는, 레이저를 이용하여 건조되고나서 용융되는, 예컨대 슬러리 페이스트(slurry paste)나 전착물로 마무리 된다. 그러나, 임의의 바람직한 공정이 귀금속 및/또는 내화 금속 코팅물질(34)을 크라운부(24)의 연소통 림 영역(28) 상에 도포하는데 이용될 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 귀금속 및/또는 내화 금속 코팅물질(34) 전체는 실질적으로 레늄, 금, 백금, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴, 은, 로듐 및 루테늄과 같은 요소들 중 하나 이상으로 이루어 질 수 있다. 귀금속 및/또는 내화 금속 코팅물질(34)은 바람직하게는 1 내지 100 미크론(1-100㎛) 사이의 두께로 크라운부(24) 상에 도포될 수 있다. 이 방법은 또한, 귀금속 코팅물질(34)을 연소통 림에 선택적으로 도포하고 나서 귀금속 및/또는 내화 금속 코팅물질(34)을 접착층(44) 상에 도포하는 단계 전에 니켈을 포함하는 접착층(44)을 연소통 림에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 디젤 엔진(22)용 피스톤(20)을 제조하는 다른 방법이다. 이 방법은, 강으로 되어 있되 연소통(26)과 연소통 림 영역(28)을 가진 연소 표면을 가지고 있는 크라운부(24)를 준비하는 단계를 포함한다. 이 방법은 귀금속 및/또는 내화 금속을 포함하되 바람직하게는 하나 이상의 귀금속이나 내화 금속만을 실질적으로 가지는 코팅물질(34)을 완드 도포기(46)를 이용하여 실질적으로 크라운부(24)의 연소통 림 영역(28) 위에만 전착하는 단계로 이어진다. 전착 단계 동안, 완드 도포기(46)가 크라운부에 대하여 이동되는 동안 크라운부(24)는 정지상태로 유지될 수도 있고, 이와 반대로 크라운부가 완드 도포기에 대하여 이동되는 동안 완드 도포기는 정지상태로 유지될 수도 있다. 금속 코팅물질(34)은 레늄, 금, 백금, 이리듐, 팔라듐, 오스뮴, 은, 로듐 및 루테늄과 같은 요소들 중 하나 이상을 실질적으로 가질 수 있다.

명백하게도, 본 발명의 다수의 변경과 수정은 상술한 교시의 관점에서 가능하고, 첨부의 특허청구범위의 범위 내에서 특히 설명되어 있는 바와 다르게 실시될 수도 있다.

Claims (20)

1. 디젤 엔진용 피스톤으로서,
   상기 피스톤은:
   강으로 제조되어 있되, 연소통 림 영역을 가진 연소통을 가지고 있는 연소 표면이 존재하는 크라운부; 및
   귀금속과 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 연소통 림 영역의 적어도 하나의 미리 정해진 부분에 선택적으로 도포되는 코팅물질;을 포함하고,
   상기 코팅물질은 상기 크라운부의 상기 연소통 림 영역에만 실질적으로 도포되고, 상기 도포된 코팅물질은 1 내지 100 미크론(1-100㎛) 사이의 두께이고,
   상기 코팅물질 전체는 실질적으로 레늄이고,
   상기 연소통 림 영역의 상기 적어도 하나의 도포된 부분은 귀금속 및 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 상기 코팅물질로 도포되지 않은 상기 연소통 림 영역의 부분에 인접하여 배치되는 디젤 엔진용 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 코팅물질을 가진 상기 연소통 림 영역의 상기 미리 정해진 부분은, 상기 피스톤이 상사점 위치에 있을 때, 디젤 엔진 내부의 분사장치로부터의 연료의 분무와 일치하도록 선택되는 디젤 엔진용 피스톤.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 코팅물질은 전착 공정을 거쳐 상기 강으로 된 크라운부에 접착되는 디젤 엔진용 피스톤.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 강 재료로 된 연소통 림 영역과 상기 코팅물질 사이에 배치되는 접착층을 더 포함하는 디젤 엔진용 피스톤.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 접착층은 실질적으로 니켈인 디젤 엔진용 피스톤.
6. 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법으로서,
   상기 방법은:
   강으로 되어 있되, 연소통과 연소통 림 영역을 가진 연소 표면을 가지고 있는 크라운부를 준비하는 단계; 및
   귀금속과 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 코팅물질을 실질적으로 크라운부의 연소통 림 영역에만 선택적으로 도포하는 단계;를 포함하고,
   상기 코팅물질은 1 내지 100 미크론 (1-100㎛)의 두께로 도포되며,
   상기 코팅물질 전체는 실질적으로 레늄이고,
   상기 연소통 림 영역의 상기 적어도 하나의 도포된 부분은 귀금속 및 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 상기 코팅물질로 도포되지 않은 상기 연소통 림 영역의 부분에 인접하여 배치되는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   코팅물질을 선택적으로 도포하는 상기 단계는 귀금속을 가진 코팅물질을 실질적으로 크라운부의 연소통 림 영역 위에만 전착하는 단계를 포함하는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   코팅물질을 선택적을 도포하는 상기 단계는 슬러리 페이스트를 연소통 림 영역의 미리 정해진 영역에 도포하는 단계, 슬러리를 건조시키는 단계, 및 레이저를 이용하여 침전물을 용융시키는 단계를 포함하는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법.
9. 제 6 항에 있어서,
   코팅물질을 실질적으로 크라운부의 연소통 림 영역에만 선택적으로 도포하는 상기 단계 전에, 니켈을 포함하는 접착층을 상기 연소통 림 영역에 도포하는 단계를 더 포함하는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법.
10. 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은:
    강으로 되어 있되, 연소통과 연소통 림 영역을 가진 연소 표면을 가지고 있는 크라운부를 준비하는 단계; 및
    귀금속과 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 코팅물질을 완드 도포기를 이용하여 실질적으로 크라운부의 연소통 림 영역 위에만 전착하는 단계;를 포함하고,
    상기 코팅물질은 1 내지 100 미크론(1-100㎛) 사이의 두께로 전착되고,
    상기 코팅물질 전체는 실질적으로 레늄이고,
    상기 연소통 림 영역의 상기 적어도 하나의 전착된 부분은 귀금속 및 내화 금속 중 적어도 하나를 포함하는 상기 코팅물질로 전착되지 않은 상기 연소통 림 영역의 부분에 인접하여 배치되는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전착 단계는 크라운부를 정지상태로 유지하는 단계와, 완드 도포기를 크라운부에 대하여 이동시키는 단계를 포함하는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전착 단계는 완드 도포기를 정지상태로 유지하는 단계와, 크라운부를 완드 도포기에 대하여 이동시키는 단계를 포함하는 디젤 엔진용 피스톤을 제조하는 방법.
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