글로벌오토뉴스

상단배너

  • 검색
  • 시승기검색
ä ۷ιλƮ  ͼ  ī 󱳼 ڵδ ʱ ڵ 躴 ͽ ǽ ȣٱ Ÿ̾ Auto Journal  Productive Product

일본엔진기술 동향보고 - 트라이볼러지 기술

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2015-01-23 21:08:46

본문

1. 도입

현재 일본은 2018년까지 기존 내연기관의 제동열효율을 50%까지 끌어올리는 것을 목표로 혁신적 이노베이션창조프로그램(SIP)「 혁신적연소기술」이라는대형국가프로젝트를올해하반기부터가동한다. 연간15억엔 정도의 예산이 투입되는 SIP 과제는 가솔린연소팀, 디젤연소팀, 제어팀, 손실저감팀으로 크게 나뉘어져 있다.

글 / 문석수 (일본산업기술종합연구소)
출처 / 오토저널 2014년 11월호

대부분의 과제가 엔진 분무/화염거동, 열전달 메커니즘을 기초부터 재해석하여 이를 모델링하고, 구축된 모델을 기반으로 초희박연소, 노킹방지, 연소속도 향상, 열손실 저감을 동시에 구현할 수 있는 최적분사/연소전략을 수립하는데 초점이 맞춰져 있으나 엔진 내 마찰손실을 최소화하는 트라이볼러지 기술 역시 하나의 주요한 과제로 선정되어 있다.

본 고에서는 위에 언급한 엔진관련 테마들 중, 최근 일본의 트라이볼러지 관련 연구 및 개발동향에 대해서 소개하고자 한다. 본 고에 소개되는 내용은 최근 JSAE의 학술대회에 발표된 내용을 바탕으로 하고 있다.

2. 피스톤 코팅패턴을 이용한 마찰력 및 연료소비율 저감

2013년 JSAE 춘계대회에서 동경도시대학은 반스러트스(Anti-thrust) 측의 피스톤 스커트부에 적용한 다양한 코팅패턴이 피스톤 마찰력 및 엔진 연료소비율에 미치는 영향에 대해서 발표했다. 해당 연구에서는 코팅패턴에 의한 접동면적의 감소효과가 반스러스트방향에 측면력(Side Force)이 발생하고 액체윤활이 주로 이루어지는 흡입 및 압축행정에 국한될 것이라고 추정하고, 전면코팅 대신 반스러스트 측에만 코팅패턴을 적용하는 방식을 택했다.

그림 1은 해당 연구에서 적용한 Graphite 코팅패턴 및 각 코팅패턴에 의한 접동면적의 감소율을 나타내고 있다. 피스톤 A는 윤활유의 배출성이 높을 것이라 예상되는 종방향 줄무늬 패턴을, 피스톤 B는 코팅부의 유막형성에 유리할 것이라 예상되는 횡방향 줄무늬 패턴을, 피스톤 C와 D는 윤활유 배출특성의 영향을 파악하기 위한 비교인자로서 물방울 형태를 적용했다. 피스톤의 마찰력은 유동라이너 장치(Floating Liner Device)를, 연료소비율은 4기통 직분디젤엔진을 이용하여 측정하였다.

결과를 통해 피스톤 A의 경우가 마찰력 및 연료소비율의 저감효과가 가장 크게 나타났다. 결과의 요인으로서 종방향 줄무늬 패턴을 적용할 경우, 액체윤활조건에 있어서의 오일 배출성능을 강화하는 동시에 유막을 얇게 유지할 수 있기 때문이라고 밝혔다. 한편 코팅패턴을 스러스트(Thrust) 측에 적용할 경우에는 혼합윤활조건이 주로 형성되는 팽창행정 중에 마찰력이 대폭 증가하는 경향이 나타나기 때문에 패턴코팅은 반스러스트 측에만 적용하는 것이 효과적이라고 밝혔다.

3. 나일론첨가 PAI 수지를 이용한 마이크로 딤플 형성기법

마이크로 딤플 코팅을 이용한 엔진마찰저감 기법은 근래 폭넓게 연구되고 있다. 2013년 JSAE 춘계대회에서 Suzuki 자동차는 PAI(Polyamide-imide)에 나일론(Nylone) 입자를 첨가하고, 가열소성을 통해 수지표면에 마이크로 딤플을 랜덤하게 생성시키는 수법을 고안해 발표했다.

38244_1.jpg

결과를 통해 나일론 입자의 체적비율을 최적화하여 첨가했을 때 29~42% 정도의 피스톤 마찰계수 저감효과가 발생하고 이 때의 최적 표면조도는 Ra 0.2㎛임을 밝혔다 (그림 2).

4. 새로운 고체윤활제‘오버레이’의 개발

2013년 JSAE 추계대회에서 다이호공업은 엔진정지회수가 상대적으로 많은 하이브리드시스템 및 아이들링 스톱시스템을 탑재한 엔진의 기동토크를 저감하고 축의 마모내구성을 향상시키기 위해 개발한 고체윤활제‘오버레이’에 관해 소개했다.

MoS2 및 PAI 수지를 이용한 기존제품 대비 재기동 시의 마찰저감을 위해 MoS2를 Graphite로 변경하였으며, 페라이트상의 랩핑효과를 통한 마모성능향상을 위해 경질의 SiC를 소량 첨가했다고 밝혔다. 새로운 윤활제를 이용함으로써 기존제품 대비 기동토크가 15% 저감되고, 축부분의 마모량이 90% 저감되었다고 밝혔다.

5. 실린더보어 딤플패턴 형성에 의한 연비향상

2013년 JSAE 추계대회에서 일본피스톤링은 실런더보어(Cylinder Bore)의 딤플텍스쳐(Dimple Texture)처리를 이용한 마찰손실 및 엔진연료소비율의 저감기술에 대해서 발표했다. 그림 3은 해당 연구에 적용된 딤플텍스쳐의 위치 및 패턴을 나타낸다. 마찰력 및 유막측정은 실제 엔진이 아닌 모의 실험장치를 통해 측정하였으며, 연료소비율은 6기통 디젤엔진을 이용해서 중량차연비기준모드에서 측정하였다.

결과를 통해, 액체윤활이 주로 이루어지는 행정중앙부에 그림 3에 나타낸 딤플텍스쳐를 적용할 경우, 접동면적의 감소해 의해 피스톤링의 FMEP가 17% , 연료소비율이 3.2% 정도 저감되는 효과가 확인되었다.

한편 피스톤링의 접동부 내에만 딤플텍스쳐를 적용함으로써 딤플텍스쳐의 형성이 오일소비 및 블로바이에 미치는 영향을 최소화하고 내구성을 확보하는 것이 가능하다고 밝혔다.

6. 2피스 피스톤링의 외주형상 최적화

2014년 JSAE 춘계대회에서 리켄은 2피스 피스톤링의 외주형상이 외주마찰력 및 오일소비량에 미치는 영향에 대해 발표했다. 그림 4는 연구에 적용된 3가지 타입의 피스톤링의 형상을 나타낸다.

A타입은 기존 피스톤링 양단의 엣지부분에 R형상을, B타입은 정점위치가 중심선으로부터 오프셋 되어 있는 형상을, C타입은 계단형상을 적용하였다. 피스톤 마찰력은 유동라이너법을, 오일소비량은 4기통 가솔린엔진을 이용하여 측정하였다.

38244_2.jpg

실험을 통해 B타입 외주형상의 마찰력이 가장 낮고, 오일소비량도 가장 적은 결과를 얻었다. 이는 B타입의 경우 피스톤링의 접동에 의한 유압발생영역 및 오일전단 영역이 감소하고, 이로 인해 피스톤링 외주의 유막이 얇아지는 것에 기인한다고 밝혔다.

7. 혼다자동차 1.6ℓ디젤엔진의 마찰저감기술

2013년 7월호에서 혼다자동차의 1.6ℓ신형디젤엔진기술에 대해서 소개한 바가 있다. 신형디젤엔진에 적용되 다양한 기술 중 트라이볼러지 관련기술만을 간략하게 정리하면 다음과 같다.

38244_3.jpg


􀓋피스톤스커트 접동면적을 35% 감소시킴으로써 피스톤 마찰력의 5% 저감
􀓋피스톤링 폭의 감소를 통한 장력저감
􀓋크랭크축 재료의 강도개선를 통한 크랭크핀 직경의 대폭저감

8. 맺음말

본 고에서는 최근 일본의 트라이볼러지 관련 연구 및 개발동향에 대해서 살펴보았다. 필자가 트라이볼러지 기술에 관한 전문가는 아니기 때문에 기술의 흐름에 대한 전체적인 총평을 하기는 어려우나 조사한 내용을 바탕으로 최근 일본의 트라이볼러지 관련 연구흐름을 정리해 보면 다음와 같다.

􀓋저마찰 고체윤활제의 개발
􀓋피스톤 코팅패턴의 최적화
􀓋피스톤 및 구동부품의 소형경량화
􀓋피스톤링 형상의 최적화

향후 SIP 과제 등을 통해 트라이볼러지 기술에 관한 연구가 보다 활발하게 이루어질 것이라 예상되며 이를 통해 수년 안에 괄목한 만한 성과가 이루어지기를 기대해 본다.
  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너
우측배너(위)
우측배너(아래)