Development of a New Measurement System for Piston Ring Friction

Abstract

Due to the piston dynamics and its wide lubricating range, various factors can affect the friction change, including piston and ring designs, and environmental parameters such as engine oil temperature, engine speed, and in-cylinder pressure. It is important to separate the total piston friction into two major friction parts, piston skirt friction and ring friction to observe the effect of each factor on the piston friction. Though various measurement methods for the piston friction have been developed in the past, the piston ring friction has not been investigated separately from the entire piston friction considering both engine motoring and firing conditions. A new measurement system was developed to examine the piston ring friction in detail based on floating liner method. In comparison to conventional floating liner experiments, one another piston was adopted above the conventional crank-piston system to minimize friction from thrust force. The measuring piston is connected with the conventional piston by adding an extended connecting rod in between. The new system has double pistons. Therefore, with the new system, the measuring piston tends to move straight up and down in the liner. The piston secondary motion including the piston thrust and angular motion can be minimized nearly zero with the new system. Because of its structural characteristic, the piston skirt friction, from the interaction between the piston skirt and the liner, can be excluded with the new system. In addition, the irregular piston ring behavior such as piston ring twist and fluttering from the piston tilting motion can also be excepted. The friction changes from the interaction solely between the piston ring and the liner can be measured. This allows the parametric study of the friction force that occurs only in the piston ring. The new system has been built up as a reliable system through many updates. To implement the stable combustion with the floating liner, a gas seal has to be applied. However, it is difficult to maintain the liner in a floating state and seal the combustion gas at the same time. To compromise these two opposite aspects, several gas sealing methods were reviewed and tested. The gas seal showed the same sealing performance with the conventional fixed liner. Moreover, in order to minimize the disturbing extra force factors on floating liner and to measure only the friction force, the extra force factors are eliminated in two approaches. The system is modified to minimize these factors. On the other hand, the extra force factors are measured to exclude the effective amount from the measured friction data. Furthermore, the geometrical change of the entire system was made for more reliable friction measurement. With the modified system, only piston can be taken out from the engine, and the boundary conditions can be maintained throughout the several repetitive experiments. The data repeatability was confirmed with the experimental results. Various factors affecting lubrication conditions of piston rings were tested. The piston friction force is measured under the main engine operating conditions, which include engine oil temperature, engine speed, and in-cylinder pressure. Friction data shows a good agreement with the Stribeck curve as the engine operating parameter changes. Additionally, the tension effect of Oil Control Ring (OCR) was examined. The friction force change follows the amount of OCR tension changes. Through the experimental results drawn with the new system, it is possible to provide a quantitative analysis on friction. The newly developed device can highly contribute to fundamental piston ring researches.

최근 지구 온난화에서 기인하는 기후, 생태계 변화가 가속화되면서 본 위기를 극복하기 위한 다양한 노력이 범국가적 차원에서 논의되고 있다. 지구 온난화의 주범으로 꼽히는 자동차 내연기관에서의 이산화탄소 배출로 인해 내연기관 자동차의 생산을 중단하고 판매를 금지하는 법을 오는 2035년부터 독일을 제외한 유럽 국가에서 시행하게 된다. 그러나 여전히 실 도로의 많은 교통수단이 내연기관을 사용하고 있고, 하이브리드 및 전기차로의 인프라 변경 과정에서 내연기관의 활용은 필연적이다. 내연기관에서의 연비를 향상시키고 이산화탄소를 줄이는 방법에는 다양한 효율 저감 인자를 개선시키는 방법이 있는데, 본 연구에서는 내연기관 기계적 마찰 손실에 기여하는 바가 큰 피스톤 링 마찰력에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 피스톤 링 마찰력을 줄이고 개선하기 위해서는 우선 실제 내연기관에서의 피스톤 링 마찰력을 정량적으로 측정하는 것이 중요하다. 피스톤 링 마찰력을 측정하기 위해 다양한 측정방법이 고안, 개발되었으나, 여전히 해당 장비의 신뢰성이 엔진 고온 고압의 연소상황에서 현저히 떨어지며, 피스톤 링에 집중된 기초적인 측정 장비가 엔진 전체 구동 상황을 반영하기 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 엔진 모터링, 연소 조건에서 모두 구동 가능한 피스톤 링 마찰력 측정 장치를 개발하고 그 성능을 다양한 조건에서의 실험 결과를 기반으로 마찰 기초 이론과 비교, 검증하였다. 본 연구에서 새로 연구 개발한 피스톤 링 마찰력 측정 시스템은 기존의 부동라이너 기법을 활용하고 있으며, 실험 조건을 연구의 목적에 따라 다양하게 변경할 수 있는 단기통 엔진으로 제작, 완성되었다. 선행연구에서의 부동 라이너 기법은 엔진 연소시에 오직 피스톤 및 링 팩의 마찰력을 측정할 수 있는 장점을 가지나, 기존 피스톤-크랭크 시스템을 사용하여 피스톤 이차 거동까지 반영되므로, 순수 피스톤 링에서 기인하는 마찰력을 측정하기 어렵고, 피스톤 이차 거동에 의한 큰 피스톤 측력의 작용으로 부동 라이너에 추가 진동이 작용하여 마찰력 측정에 어려움이 있다. 그러나 본 장치는 이중 피스톤 구조를 고안하여, 기존 피스톤-크랭크 장치에 연장 콘로드를 활용하여 하나의 피스톤을 더 얹는 방식으로, 피스톤 측력을 0에 가까운 수준으로 크게 줄였다. 따라서 새롭게 개발된 장치는 구조적 특징으로 피스톤 측력에 의한 부동라이너의 추가 진동을 줄여 마찰력 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한 피스톤의 각운동, 즉 피스톤 경사각(Piston Tilting Angle)의 영향을 기존 피스톤-크랭크 시스템 대비 1/17 수준으로 줄일 수 있어, 피스톤 경사각으로 인해 발생하는 피스톤 링의 무작위적 각운동이 마찰력에 끼치는 영향을 배제할 수 있다. 따라서 본 장치로 피스톤 이차 거동에 의한 피스톤 스커트 마찰력 뿐만 아니라, 피스톤 경사각 발생에 의해 무분별하게 생성되는, 피스톤 링 Twist, Fluttering 현상에서 기인한 마찰력 변화 또한 배제한 순수 피스톤 링 제원에 따른 마찰력 측정을 가능케 하였다. 개발된 장비가 기존의 선행연구에서의 현상, 기초 마찰 이론에 근거한 마찰력 변화를 잘 따라가는지 확인하기 위해 다양한 엔진 구동 조건에서의 실험을 수행하였다. 피스톤 상면에 압력이 걸리지 않는 상황에서 엔진 속도, 오일 온도에 따른 피스톤 링 마찰력 변화를 확인하는 기초적인 실험을 수행하였고, 피스톤 상면에 압력이 걸리는 모터링, 연소 조건에서의 마찰력 또한 측정하였다. 측정된 마찰력 데이터는 마찰 기초 이론인 Stribeck curve를 잘 따라가며, 윤활 조건의 변화에 따라서 마찰력 값의 변화를 확인할 수 있었다. 또한 세가지 피스톤 링에서 오일 컨트롤 링(OCR)의 장력 변화에 따른 마찰력 변화를 오일 온도, 엔진 속도에 따라 관찰하여, 오일 컨트롤 링 장력의 변화량이 마찰력에 기인하는 정도를 본 개발된 장비를 통해 확인할 수 있음을 입증하였다. 따라서 새롭게 고안된 본 장비를 활용하여 피스톤 링 개발 단계에서, 개발 방향에 대한 마찰력 측면에서의 정량적인 지표를 높은 신뢰도로 제공할 수 있다. 더욱이 본 장비에서 측정된 데이터는 추후 보다 신뢰성 높은 피스톤 링 마찰 시뮬레이션 모델 구축에 중요한 검증 자료로 활용될 수 있을 것이다.