KR101013740B1 - 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템에 관한 것으로,

실린더헤드의 각 연소실에 형성된 포트에 설치된 밸브가이드에 직선운동이 가능하게 설치되며, 밸브스템과 접촉하는 밸브가이드의 하단부측 내경부에 형성되는 안착부와, 상기 밸브가이드의 안착부보다는 낮은 위치의 밸브스템 하단부측에 형성되는 걸림턱과, 상단은 밸브가이드의 안착부에 걸림되고 하단은 상기 밸브스템의 걸림턱에 걸림되도록 상기 밸브스템에 장착되는 탄성소자를 구비하여 밸브리프트에 의하여 직선운동으로 작동하면서 상기 포트를 열고 닫아주는 밸브 시스템에 있어서, 상기 탄성소자는 상,하단이 밸브가이드의 안착부와 밸브스템의 걸림턱 각각에 탄력적으로 닿지 아니한 상태로 상기 밸브스템에 설치되어 밸브스템의 상하운동에 따라 상기 안착부와 걸림턱에 의하여 압축 및 팽창되는 작동이 반복되는 과정 중 상기 탄성소자의 팽창작동시에는 그 상,하단이 상기한 안착부 및 걸림턱 각각에서 탄력적으로 닿고 떨어지는 진동작동의 반복에 의해 상기 탄성소자에 서어징 현상이 발생되도록 하여 카본의 고착이 미연에 방지되도록 하는데 특징이 있는 발명이다.

밸브, 밸브가이드, 밸브스템, 카본

Description

카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템{Engine valve system having apparatus for preventing adhesion of carbon}

도 1은 일반적인 기술에 따른 배기밸브 설치상태 단면도

도 2는 종래 카본 제거 구조를 갖는 밸브 구조의 부분 단면 예시도

도 3은 도 2에 도시되어 있는 기술을 적용시 발생되는 문제점을 설명하기 위한 사진 예

도 4와 도 5는 본 발명에 따른 카본 막의 형성을 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템의 부분 단면 예시도

※도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명

201 : 밸브스템

202 : 걸림턱

500 : 밸브가이드

500A : 탄성소자 안착부

600 : 탄성소자

본 발명은 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄성소자를 구비시켜 탄성소자의 서어징 현상을 이용하여 카본의 고착이 미연에 방지되도록 하기 위한 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 엔진의 각 실린더에는 팽창행정에 필요한 혼합기를 연소실내로 끌어 들이기 위한 흡입밸브와 연소가스를 외부로 배출시키기 위한 배기밸브가 구비되어 있으며, 상기한 흡입밸브와 배기밸브는 피스톤이 1싸이클행정을 하는 극히 짧은 시간에 용이하게 혼합기를 흡입하고 연소가스를 배출시키는 작동을 교대로 수행하며, 또한 상기의 양 밸브는 1싸이클행정 중 압축행정과 팽창행정시에는 흡기포트와 배기포트를 동시에 닫아 기밀을 유지하도록 구성되어 있는데, 배기밸브의 경우는 불완전연소로 인하여 발생되는 카본에 의한 밸브 스틱(valve stick) 현상이 발생되어 기밀 유지가 완전하지 못하게 되며, 이러한 불완전기밀현상은 실린더헤드 내부의 오일을 과다하게 소모시키게 된다.

즉, 배기포트에 설치되는 배기밸브스템의 경우는 도 1에 도시된 바와 같이 실린더헤드(100)의 연소실(101)에는 흡기포트(102)와 배기포트(103)가 형성되어 있으며, 상기 배기포트(103)에는 배기밸브(200)가 설치되어 있다.

배기밸브(200)가 배기포트(103)를 개방시켜 연소가스를 배출시킬 때 불완전연소에 의해 발생된 카본이 밸브스템(201)에 다량 고착되면서 밸브스템(201)이 배기포트(103)를 닫아주기 위해 상승작동될 때 밸브스템(201) 외주면에 고착된 카본이 밸브가이드(300)의 내주면과 접촉하게 된다.

밸브스템(201)에 계속하여 고착되는 카본의 누적현상으로 인하여 밸브가이드(300) 내주면의 마찰현상이 심해지면 배기밸브(200)의 작동이 원활해지지 않게 되는 문제점이 발생되는 동시에 누적된 카본이 밸브가이드(300)의 내주면을 마모시키는 현상을 나타내면서 밸브스템(201)과 밸브가이드(300) 사이의 간극을 점차로 넓어지게 한다.

이로 인해 배기포트(103)로 배출되는 고온의 연소가스가 그 넓어진 간극으로 유입되고, 고온의 연소가스에 의해 밸브스템(201)와 밸브가이드(300)가 가열되면서 팽창되는 현상이 나타나게 되는데, 이렇게 밸브스템(201)에 카본이 누적되는 현상과 함께 밸브스템(201) 및 밸브가이드(300)가 팽창되는 현상이 나타나게 되면 밸브스템(201)과 밸브가이드(300) 사이의 간극은 오히려 좁아지게 되므로 밸브스템(201)의 작동이 더욱 원활하지 못하게 되어 기밀유지가 어렵게 되는 문제점이 발생된다.

또한 밸브스템(201)에 고착된 카본으로 인하여 밸브가이드(300)와의 사이에 형성된 간극으로 스며드는 고온의 연소가스는 고무재질의 밸브스템시일(valve stem seal : 400)을 경화시키게 되고, 밸브스템시일(400)이 경화될 경우에는 오일누설방지 작동이 약화되어 실린더헤드(100) 내부의 오일이 경화된 밸브스템시일(400)에 의해 생긴 틈새로 밸브스템(201)과 밸브가이드(300) 사이의 간극을 통해 배기포트(103)쪽으로 스며들게 되어 오일의 소모량이 많아지게 되는 문제점이 발생될 뿐 아니라 그 스며든 오일이 고온의 연소가스에 의해 밸브스템(201)과 밸브가이드(300) 사이에서 카본과 함께 응축되어 배기밸브(200)의 작동에 장애를 일으키게 되면서 기밀유지불량을 일으키게 되어 엔진의 성능을 급격히 떨어뜨리는 문제점을 발생시키게 된다.

상술한 문제점을 해소하기 위해 근래 제안되어진 기술에서는 첨부한 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 밸브스템(201)과 밸브가이드(300A)의 접촉 내경부에 상기 밸브가이드(300A)를 가공한 홈을 형성하여 걸림턱(300B)을 형성하였으며, 밸브스템(201)의 상하 유동에 방해되지 않는 범위내에서 상기 밸브가이드(300A)를 가공한 홈에 대응하는 카본브레이크(201A)를 설치하였다.

이와 같이 형성되어진 근래 기술은 카본브레이크(201A)에 의해 일차적으로 상기 밸브스템(201)과 밸브가이드(300A)의 접촉부로 카본이 유입 고착되는 것을 방지하며, 걸림턱(300B)은 밸브스템(201)의 상하 운동 시 카본브레이크(201A)의 영역을 넘어 밸브스템(201)의 외경에 안착되는 카본을 긁어서 밸브스템(201)에 고착화된 퇴적 카본을 제거되게 하였다.

그러나 상술한 근래 기술은 카본브레이크(201A)의 편심가공(첨부한 도 2에서 참조번호 "a"참조)에 따라 카본브레이크(201A)와 밸브스템(201)간의 중심 오차가 최대 2mm까지 발생될 수 있으며, 실제로 첨부한 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 엔진 연소실 쪽에서 바라본 카본 브레이크(201A) 형성부 주변에 고착화 되어진 카본이 형성되어 있음을 확인할 수가 있다.

이와 같은 문제점은 엔진의 안정성과 소비자의 신뢰성을 낮추는 문제점으로 제시된다.

상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 탄성소자를 구비시켜 탄성소자의 서어징 현상을 이용해서 카본의 고착이 미연에 방지되도록 하기 위한 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카본 막의 형성을 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템의 특징은, 실린더헤드의 각 연소실에 형성된 포트에 설치된 밸브가이드에 직선운동이 가능하게 설치되며, 밸브스템과 접촉하는 밸브가이드의 하단부측 내경부에 형성되는 안착부와, 상기 밸브가이드의 안착부보다는 낮은 위치의 밸브스템 하단부측에 형성되는 걸림턱과, 상단은 밸브가이드의 안착부에 걸림되고 하단은 상기 밸브스템의 걸림턱에 걸림되도록 상기 밸브스템에 장착되는 탄성소자를 구비하여 밸브리프터에 의하여 직선운동으로 작동하면서 상기 포트를 열고 닫아주는 밸브 시스템에 있어서, 상기 탄성소자는 상,하단이 밸브가이드의 안착부와 밸브스템의 걸림턱 사이에 설치되어 있되, 상기 탄성소자의 상,하단이 상기한 안착부(500A)와 걸림턱(202) 각각에 탄성력이 작용되지 아니한 상태로 밸브스템(201)에 설치되어 밸브스템의 상하운동에 따라 상기 안착부(500A)와 걸림턱(202)에 의하여 압축 및 팽창되는 작동이 반복되는 과정 중 상기 탄성소자의 팽창작동시 에는 그 상,하단이 상기한 안착부(500A) 및 걸림턱(202) 각각에 탄력적으로 닿았다가 떨어지는 진동작동의 반복에 의해 상기 탄성소자가 부르르 떠는 서어징 현상이 발생되도록 하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카본 막의 형성을 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템의 부가적인 특징으로, 상기 탄성 소자는 코일 스프링을 사용하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카본 막의 형성을 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템의 부가적인 다른 특징으로, 상기 탄성소자의 팽창작동시에는 양단(상,하단)이 안착부 및 걸림턱에 각각 닿으면서 이탈되지 않는 구조를 가지고 있는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 카본 막의 형성을 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템의 부가적인 또 다른 특징으로, 상기 탄성소자는 압축작동시 상기 탄성소자의 반력이 밸브의 유동에 영향을 미치지 않을 정도의 탄성력을 가지고 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 적용되어진 기술적 사상을 간략히 살펴보면, 카본의 형성 원인은 연소실에 유입되는 흡기중의 수분과 먼지가 밸브 계를 통해 유입된 엔진오일과 접촉되면서, 밸브 오버랩 구간에 역류되어지는 화염에 의해 불완전 연소됨에 따라 밸브스템 및 밸브가이드, 인포트(IN-PORT) 내측에 쌓여서 형성되는 것이다.

또한, 종래 기술이 기구적인 카본 브레이크나 걸림턱을 형성시켜 카본의 형성 위치를 밸브스템 및 밸브가이드의 접촉면이 아닌 위치에 형성시키거나 혹은 형성되어진 카본을 긁어내는 것임에 따라, 시간이 지나면서 조금씩 고착되는 카본의 영향에서 완전히 벗어나지 못하는 것이 문제점 이였다.

따라서 본 발명은 카본을 긁어내는 것이 아니라 카본의 입자가 밸브스템에 고착되기 이전에 튕겨내도록 한다면 카본의 고착에 따른 문제점을 해소할 수 있을 것이라는 데 착안한 것이다.

그러므로 본 발명은 카본의 입자가 밸브스템에 고착되기 이전에 튕겨내기 위한 수단으로 일정탄성 계수를 갖는 탄성소자(바람직하기로는 코일 스프링 적용)를 밸브스템의 밸브 연결부와 다른 부분(밸브가이드 측)에 형성시켜, 밸브스템의 상하 운동에 의해 탄성소자가 압축 및 팽창하는 과정에서 발생되는 서어징 현상(떨림 현상)을 이용하도록 한다.

첨부한 도 4와 도 5는 본 발명에 따른 카본 막의 형성을 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템의 부분 단면 예시도로서, 도 4는 밸브가 포트를 닫는 하향 운동의 경우에 해당하며, 도 5는 밸브가 포트를 여는 상향 운동의 경우에 해당한다.

첨부한 도 4와 도 5에 도시되어 있는 본 발명에 따른 카본 막의 형성을 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템의 고조를 살펴보면, 본 발명에 따른 밸브 시스템은 실린더헤드(도시하지 않았음)의 각 연소실에 형성된 포트(도시하지 않았음)에 설치된 밸브스템(201)과 밸브가이드(500)의 접촉 내경부에 상기 밸브가이드(500)를 편심 오차 없이 가공한 홈을 형성하여 도면부호 600으로 지칭되는 코일 스프링이 안착되도록 하는 도면부호 500A로 지칭되는 안착부을 형성하였다.

또한, 밸브스템(201)에는 상기 안착부(500A)에 안착되어진 코일 스프링(600)이 일정 영역내에서 탄성력을 받을 수 있도록 도면부호 202로 지칭되는 걸림턱을 형성시킨다.

따라서 걸림턱(202)이 구비된 밸브스템(201A)을 실린더헤드에 장착시 코일스프링(600)을 끼운 상태로 압입한다.

이때, 상기 코일 스프링(600)은 팽창시에는 밸브스템(201)의 걸림턱(202)과 상기 밸브가이드(500)에 형성되어 있는 안착부(500A) 각각에 양단(상,하단)이 살짝 닿는 것처럼 보여질 정도로써 미세하게 떨어진 구조를 가지며, 압축시에는 상기 코일 스프링(600)의 반력이 밸브의 유동에 영향을 미치지 않을 정도로 세팅된다.

이에 따라 코일 스프링(600)은 포트의 개폐를 위한 밸브스템(201A)의 상하 운동 시 서어징(sursing) 현상을 일으키게 되는데, 일반적으로 서어징 현상이란 스프링이 압축/팽창시 양 끝단에 형성되는 미세한 간격에 의해 스프링이 떠는 현상을 말한다.

따라서 코일 스프링(600)에 서어징 현상이 발생하면 스프링이 안팎으로 진동하면서 밸브의 스템부(201A) 외측면과 가이드(500) 내측면을 때리게 되고, 이 현상이 주기적으로 발생하게 되면 진동에 의해 카본 퇴적을 막게 된다.

또한, 부가적으로 상기 코일 스프링(600)의 안착을 위해 형성되어진 안착부(500A)는 첨부한 도 2에 도시되어 있는 종래 기술에서의 도면부호 300B로 지칭되는 걸림턱의 기능을 수행하게 되어 카본 형성 방지를 위한 안정적인 이중구조를 갖게 된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 카본 막의 형성을 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템을 제공하면, 종래 기술이 기구적인 카본 브레이크나 걸림턱을 형성시켜 카본의 형성 위치를 밸브스템 및 밸브가이드의 접촉면이 아닌 위치에 형성시키거나 혹은 형성되어진 카본을 긁어내는 것임에 따라, 시간이 지나면서 조금씩 고착되는 카본의 영향에서 완전히 벗어나지 못하던 한계성을 극복할 수 있다.

Claims (4)

1. 실린더헤드의 각 연소실에 형성된 포트에 설치된 밸브가이드에 직선운동이 가능하게 설치되며, 밸브스템과 접촉하는 밸브가이드의 하단부측 내경부에 형성되는 안착부와, 상기 밸브가이드의 안착부보다는 낮은 위치의 밸브스템 하단부측에 형성되는 걸림턱과, 상단은 밸브가이드의 안착부에 걸림되고 하단은 상기 밸브스템의 걸림턱에 걸림되도록 상기 밸브스템에 장착되는 탄성소자를 구비하여 밸브리프터에 의하여 직선운동으로 작동하면서 상기 포트를 열고 닫아주는 밸브 시스템에 있어서,

   상기 탄성소자는 밸브가이드(500)의 안착부(500A)와 밸브스템(201)의 걸림턱(202) 사이에 설치되어 있되, 상기 탄성소자의 상,하단이 상기한 안착부(500A)와 걸림턱(202) 각각에 탄성력이 작용되지 아니한 상태로 상기 밸브스템(201)에 설치되어 밸브스템의 상하운동에 따라 상기 안착부(500A)와 걸림턱(202)에 의하여 압축 및 팽창되는 작동이 반복되는 과정 중 상기 탄성소자의 팽창작동시에는 그 상,하단이 상기한 안착부(500A) 및 걸림턱(202) 각각에 탄력적으로 닿았다가 떨어지는 진동작동의 반복에 의해 상기 탄성소자가 부르르 떠는 서어징 현상이 발생되도록 한 것을 특징으로 하는 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄성 소자는 코일 스프링(600)을 사용하는 것을 특징으로 하는 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄성소자(600)는 팽창작동시 걸림턱(202)과 상기 밸브가이드(500)에 형성되어 있는 안착부(500A)에 접촉되면서 이탈되지 않는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄성소자는 압축작동시에는 코일스프링(600)의 반력이 밸브의 유동에 영향을 미치지 않을 정도의 탄성력을 갖는 것을 특징으로 하는 카본 막 형성 방지 구조를 갖는 엔진 밸브 시스템.

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