피스톤 과 실린더 스크래치 (피스톤 링의 스커핑/스틱/플러터 현상)

실린더 스크래치

실린더 스크래치에 관한 이야기다. 엔진속 실린더가 왜 스크래치가 나는지 스크래치가 나면 쇠가루 때문에 엔진이 붙어버려서 멈추는건지.. 뭐 때문에 이런 증상이 일어나는 살짝 알아보자.

 

엔진속에서 피스톤이 왕복 운동을 하는 틀을 실린더 블럭(숏블럭) 이라고 한다.

블럭의 위에 장착되는 실린더헤드와 아랫쪽에 장착되는 엔진오일팬이 탈착된 상태를 블럭이라고 한다.

위그림에서는 피스톤과 크랭크축까지 모두 탈거된 상태다. 스크래치가 발생한 엔진블럭은 당연하게도 재사용이 불가능 하기 때문에 이를 재사용 하기위한 실린더 블럭가공이 필요하게 된다.

 

실린더 스크래치

 

 

실린더 내벽에 일자로 길게 스크래치가 여러군데 발생되어 있다. 이런 현상이 어떻게 일어나게 되는걸까?

간단하게 보면 쇠로된 원통안에서 쇠기둥이 위아래로 움직이게 된다는건데, 왕복운동을 하면서 발생하는 마찰저항을 최소화 하기위한 대책이 엔진오일 이다.

 

피스톤이 올라갈때 엔진오일을 실린더벽에 바르고, 내려오면서 오일을 쓸어내린다. 점도 유지력이 좋은 윤활작용이 마찰저항을 줄이면서 피스톤의 왕복운동을 원활하게 하는거다.

결국 피스톤과 실린더벽 사이에 마찰저항의 한계점이 넘어서면 피스톤이 실린더 벽을 긁으면서 스크래치가 발생한다.

 

 

 

 

피스톤의 재질

특수주철과 알루미늄 합금이 있고, 주철은 강도는 크고, 열팽창률은 적어서 블로바이나 피스톤 슬램을 감소시킬수 있지만, 무게가 무겁다.

무게가 무거우면 관성이 커져서 고속기관용 으로 사용하기 부적합하다.

그러나, 알루미늄 합금은 구리계열의 Y합금과 규소계열의 LO-EX(Low Expansion), 코비탈리움이 있다.

 

피스톤

 

 

피스톤용 알루미늄 합금 종류

1) Y합금

-표준조직: Cu 4%, Ni 2%, Mg 1.5% 나머지 알루미늄

-특징: 열전도성이 크다.

         내열성이 우수하다.

         고온 강도가 뛰어나다.

-용도: 실린더 헤드재료, 실린더 블럭, 피스톤

 

2) LO-EX

-표준조직: Cu 1%, Ni 1~2.5%, Mg 1%, Fe 0.7% 나머지 알루미늄

-특징: 밀도가 낮다.

         열전도성이 좋다.

         열팽창이 적다.

         내열성이 우수하다.

-용도: 피스톤 재료

 

3) 코비탈리움(Cobitalium)

-표준조직: Cu 1~5%

              Si 0.5~2%

              Mg 0.4~2%

              Fe 1~2%

              Ni 0.4~2%

              Ti 0.2%

              Cr 0.2~1%

             나머지 알루미늄

-용도: Y합금의 일종으로 피스톤 재질로 

         많이 사용된다.

 

4) 기타 종류

RR 53, KS 245 등이 있다.

 

알루미늄 합금의 무게가 가볍고 열전도성이 

크다는 특징으로 인해 피스톤 헤드의 온도가

낮아져 고속용 기관에 적합하다.

 

실린더 열부하

피스톤의 재질과 실린더의 재질을 알루미늄으로

바꾸는 가장큰 이유는 경량화보다 열부하의

영향 때문이다.

피스톤은 실린더 내부를 왕복하며 폭발행정시

순간적으로 2000~2500도의 고온을 발생시키며

연소가스 팽창력에 의해 3~4톤의 큰 힘을 받아

커넥팅로드로 전달하는 역할을 하기 때문에

열전도율도 좋고, 열팽창에 의해 형상이 변하지

않아하는 것이다. 

 

 

피스톤 링

실린더 내벽(라이너)과 직접적인 마찰을 일으키는 것은 피스톤에 끼워져 있는 피스톤 링이다.

피스톤링은 2개의 압축링과 1개의 오일링으로 구성되어 있다. 각각의 링에는 TOP면이 존재하고, 마킹이 되어 있다.

뒤집어 끼우면 엔진을 손상시킬수 있을만큼 중요하고, 조립법도 120도 옵셋과 180도 옵셋으로 조립하는 방법이 있다.

 

잘못 조립된 피스톤 링

 

이런식으로 피스톤링을 잘못 조립하게되면 압축압력 저하로 인한 엔진부조 현상과 심각한 엔진오일 소모 증상이 발생한다. 또한,피스톤링을 뒤집어서 장착을 하게되면 점화플러그가 젖어서 불꽃을 일으키지 못할정도로 엔진오일이 소모되기도 한다.

 

피스톤링은 몰리브덴(Mo)재질로 되어 있으며 몰리브덴은 마찰계수가 낮고, 녹는점은 2,621℃로 주철이나 크롬에 비해 상당히 높으면서도 크롬보다 경도가 낮다. 그래서 톱 링을 몰리브덴 도금 하면 고온에서도 충분히 링의 기능을 유지하면서 스커핑 현상을 감소 시킬수 있다.

 

 

 

 스커핑(Scuffing) 현상 이란

: 실린더벽과 피스톤링 마찰부분에 과도한 열이 축적되면 유막이 파손되고, 피스톤링이 직접 실린더 벽을 긁는 현상을 말한다. 스커핑 현상이 발생하면 실린더 벽은 물론이고 피스톤 링의 마멸이촉진된다.

 

피스톤 링 손상

 

 

피스톤링의 역활

피스톤링은 3대 작용을 갖는다.

기밀작용(압축링), 오일제어작용, 열전도작용이 있다.

1번과 2번 압축링은 실린더 내부로 흡입되는 혼합기가 누설되는것을 방지하는데, 1번링에서 미쳐 잡지 못하고 누설된 가스는 2번링에서 한번더 잡아주게 된다.

 

오일링은 피스톤이 상승하면서 오일젯이 피스톤으로 쏘아 올리는 엔진오일을 실린더벽에 발라 유막을 형성시키고, 하강하면서 피스톤 드레인 구멍으로 오일을 긁어 내린다. 오일링이 미쳐 긁어 내리지 못한 엔진오일은 2번링이 연소실로 올라가지 못하게 한번더 잡아주게 된다.

 

실린더벽에는 피스톤의 운동과 피스톤링 사이의 압력 변동에 따라 유체윤활 상태와 경계윤활 상태가 번갈아 나타난다.

마찰력을 감소 시키고 피스톤링 마모 등의 측면에서 유체윤활(유막윤활) 상태를 유지하는 것이 좋다.

하지만, 엔진이 허용하는 회전수를 초과하여 실린더 내에 유막이 형성되지 못해서 발생하는 과열과 이로 인한 오일점도 저하시 피스톤링의 스틱현상이 발생한다. 스틱현상전에 발생하는건 플러터 현상

 

피스톤링의 스틱(Stick)현상

실린더 벽과 피스톤 사이를 윤활하는 오일막이 없어져 실린더와 피스톤의 직접적인 마찰로 피스톤이 녹아 실린더에 고착되는 현상.

 

피스톤링의 플러터(Flutter)현상

엔진의 회전속도가 높아지면서 피스톤링이 링홈 내에 밀착되지 않고 홈 안에서 진동을 하게 되는데 가스누설에 의한 출력저하, 오일펌핑 현상이 발생하게 된다. 

한마디로 엔진오일 관리가 중요하다는 애기.