1. 서론

최근 100년간 자동차 엔진 기술개발은 배출가스저감 기술과 출력 향상을 위한 기술에 초점이 맞추어져 왔다. 출력관점에서 살펴보면 디젤엔진은 20세기 말 커먼레일시스템이 적용된 후 2,000bar 이상의 연료분사시스템을 갖는 터보디젤시스템이 보편화됨에 따라 엔진의 비출력이 급격히 증가하였다.

글 / 이기수 (자동차부품연구원)
출처 / 오토저널 8월호

또한, 가솔린엔진의 경우도 200bar 이상 직접분사식 가솔린엔진에 터보과급을 조합함으로써 토크성능을 크게 개선시킬 수 있어서 디젤엔진에 근접한 성능을 보여주고 있다. 이와 같이 급변하는 엔진기술에 대응하기 위해서 엔진 부품들도 끊임없는 기술개발을 통해 기술적인 진보를 가져온 것이 확실하다.

수많은 엔진 부품들 가운데 그림 1의 피스톤은 엔진의 심장부에 위치하여 고온, 고압의 조건에서 작동하기 때문에 엔진 기술개발과 함께 그 중심에 있어 왔다. 본 고에서는 자동차 엔진의 핵심부품의 하나인 피스톤의 국내 기술개발 동향을 살펴보고자 한다. 피스톤의 기본적인 구성과 역할을 살펴보고 디젤 및 가솔린엔진 기술에 맞추어 개발되고 있는 다양한 피스톤 기술들을 간략히 소개하고자 한다.

2. 엔진 피스톤의 구조

오늘날 자동차 엔진용 피스톤의 주된 역할은 엔진의 실린더 속을 왕복하며 혼합기의 폭발력을 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크 샤프트에 전달시키는 것이다. 뿐만 아니라 연소실과 크랭크케이스간 기밀을 유지하고 연소열의 일부를 흡수하여 냉각시스템에 전달하는 기능을 담당하고 있다.

그림 2는 디젤엔진용 알루미늄 합금 피스톤의 일반적인 구조다. 피스톤은 크게 크라운 부와 스커트 부로 나눌 수 있다. 크라운 부는 연소실, 랜드, 링홈, 언더크라운, 냉각 갤러리로 구분되며 스커트 부는 냉각 오일 제트 홈, 스커트로보다 상세히 구별된다.

피스톤 연소실 형상은 연소를 보다 효율적으로 하기 위해 설계되며 연비와 배출가스에 직접적인 영향을 미치기 때문에 개발 엔진 컨셉에 맞게 설계된다. 랜드 및 링홈 부는 연소실 가스 압력으로부터 피스톤링을 지지하며 실린더 라이너로의 열전달 그리고 피스톤의 기밀을 담당하게 된다. 냉각 갤러리는 피스톤에 냉각 채널을 형성하여 오일 제트로부터 냉각 오일을 순환시켜 피스톤 열을 배출하는 기능을 담당한다. 피스톤 스커트는 피스톤 왕복 운동시 실린더 라이너와 적절하게 유막을 형성시켜 피스톤의 안정적인 거동을 가능하게 해준다.

3. 국내 피스톤 개발 동향

일반적으로 피스톤의 기술개발 전략은 디젤엔진 또는 가솔린엔진에 따라 다르게 진행되어 왔다. 예를 들면 디젤엔진 피스톤의 경우 고연소압 및 고출력에 대응하는 기술이 중심이다. 이를 위해 저마찰 기술, 냉각효율 증대기술 및 고강도화 기술을 중심으로 기술개발이 진행되어 왔다. 이에 반해 가솔린엔진 피스톤은 저마찰 기술, 설계 최적화를 통한 경량화 기술을 집중적으로 진행해 왔다. 그러나 최근 들어 가솔린엔진도 터보과급기술이 적용됨에 따라 고강도화 기술이 요구되고 있으며 디젤엔진에서 사용하는 다양한 냉각기술을 채용하고 있다. 다시 말해 디젤엔진과 가솔린엔진 피스톤 기술이 융합되는 특징을 보여주고 있다.

국내뿐만 아니라 해외 피스톤 업계도 기존 알루미늄 합금이 가지고 있는 물리적인 특성의 한계를 극복하기 위해서 새로운 주조용 및 단조용 합금 소재 개발, 부분강화 기술, 코팅기술, 스틸 및 마그네슘 피스톤 등의 새로운 소재 및 공법에 대한 기술개발을 진행하고 있다.

자동차의 많은 부품들과 마찬가지로 피스톤 설계는 많은 경험과 노하우를 필요로 하며 업체마다 고유의 독자설계 소프트웨어와 상용 소프트웨어를 이용하여 엔진에서 요구하는 피스톤 설계를 진행하게 된다. 최근 들어 피스톤 경량화에 대한 요구 증가로 소재 자체에 대한 경량화뿐만 아니라 피스톤 살 두께를 최소로 하는 초박형 피스톤 설계의 중요성이 커짐에 따라 업체들에게 신뢰성 있는 고도의 해석 기술이 점점 중요해 지고 있다. 설계에서 요구하는 기계적 강도를 검토 후 재질 및 열처리를 선정하고 각 부품들 간의 조립성 검토를 통해 최종적으로 피스톤 설계를 완료하게 된다. 또한 재료 분석과 재료 시험설비를 이용하여 다양한 시편에 대한 시험을 통해 데이터베이스를 구축하고 설계자에게 피드백된다.

개발된 피스톤의 신뢰성을 확보하기 위해서 피스톤 전용 유압시험기(Hydro-pulse Test) 및 신뢰성 시험 장비들을 이용하여 평가를 진행하고 품질을 판단하게 된다. 마지막으로 실엔진 상태에서 온도 및 내구시험을 통해 최종적으로 제품 성능을 검증한다. 현재 승용 가솔린엔진, 디젤엔진뿐만 아니라 소형엔진에도 가장 널리 사용되고 있는 피스톤은 주조방식으로 복잡한 형상을 비교적 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다.

한편 최근 가솔린엔진의 고출력화에 따른 연소실 온도와 압력 상승으로 단조 피스톤 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 그림 4의 알루미늄 단조 피스톤은 중력 주조방법에 비해 재료의 조직을 보다 미세화가 가능하여 재료의 기계적 및 물리적 강도를 증가시킬 수 있으며 주조에서 발생되는 여러 가지 결함을 방지할 수 있는 장점이 있다. 알루미늄 단조 피스톤은 승용차 및 레이싱카에 주로 사용되고 있으며 고속, 고출력 가솔린엔진에 적합하다.

앞서 기술했듯이 엔진의 출력이 증가됨에 따라 알루미늄 합금 피스톤의 재질의 한계를 극복하고자 여러 가지소재 및 제조공업들이 개발되고 있는데 그 가운데 하나가 스틸 단조 피스톤 기술이다. 스틸 단조 피스톤은 스틸소재를 이용하여 크라운부와 스커트부를 각각 가공 후 경계면을 마찰 용접하여 피스톤을 제작하게 된다. 알루미늄에 비해 스틸 소재가 가지는 기계적 성질이 우수하고 대용량 냉각 갤러리 설계가 가능하기 때문에 냉각성능 또한 우수하다. 다만 피스톤 중량이 증가하며 피스톤 부식에 의한 마찰력 증가를 최소화하기 위한 코팅기술이 필요하다.

이 외에도 피스톤 주 소재 변경 없이 기계적으로 취약한 부위에 부분 강화기술을 적용하고자 하는 연구도 진행되고 있다. 부분 강화기술은 연소실 크라운부 및 링홈 부위를 국부적으로 티그 또는 플라즈마를 이용하여 재용해 (Remelting)시켜 기계적 강성을 향상시키는 기술이다. 새로운 소재를 개발하지 않고 효과적으로 피스톤의 내구성을 향상시킬 수 있는 기술이다.

현재 디젤엔진 피스톤은 냉각을 위해 냉각 갤러리의 채용이 보편화되어 있다. 피스톤 냉각 갤러리 설계시 피스톤의 상사점과 오일 젯의 상대 위치, 오일 유량, 온도, 충진율 등에 대한 인자를 고려해야 된다. 또한 냉각 갤러리 위치 및 형상 등도 냉각 효율을 결정하는데 매우 중요하다. 주조방식 알루미늄 피스톤에 냉각 갤러리를 형성시키기 위해 그림 5와 같이 소금 재질로 만든 솔트코아가 사용되고 있다.

피스톤 냉각 효율을 향상시키기 위해서는 갤러리 형상이 복잡해지게 되고 따라서 다양한 코어 재질과 공정에 대한 연구가 필요하게 된다. 특히 생산성, 성형 가공성, 기계적 성질이 우수한 재질 선정을 위해 소금 외에 설탕 및 레진 등 새로운 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 설탕 또는 레진을 사용할 경우 보다 복잡한 형상의 코아 제작이 가능하므로 냉각 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

4. 결론

현재 전세계 피스톤 업계는 Big3 구도로 FM(美), Mahle(獨), KS(日)들이 기술력과 시장을 지배하고 있는 상황이다. 그러나 최근 들어 국내 피스톤 부품업계도 알루미늄 단조 피스톤, 부분강화 기술과 같은 기술력과 자동화공정기술을 통해 가격경쟁력을 확보함에 따라 선진업체와 동등 수준으로 성장하였다.

이 바탕에는 정부의 부품업체에 대한 지속적인 R&D 지원과 부품업체들의 피스톤의 새로운 소재개발, CAE 설계 기술, 공법 개발, 양산기술에 대한 적극적인 투자로부터 얻은 성과다. 앞으로도 국내 피스톤 업체들이 지속적인 성장을 위해서는 정부와 민간의 지속적인 관심과 투자가 계속되기를 기대한다.