KR101897313B1 - 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법 - Google Patents

엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법 Download PDF

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Abstract

엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법이 개시된다. 본 발명에 따른 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법은, 배기밸브 및 용접재를 각각 지지한 상태에서, 시트면이 형성된 배기밸브의 홈 부위와 용접재를 접촉시키고, 배기밸브를 회전시켜 마찰열을 이용하여 배기밸브의 홈 부위와 용접재를 소정 온도로 가열한 다음, 배기밸브를 용접재측으로 가압하여 시트면을 형성한다. 그러면, 배기밸브에 시트면이 상대적으로 균일하게 융착 형성되므로, 배기밸브의 신뢰성이 향상되는 효과가 있을 수 있다.

Description

엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법{METHOD FOR FORMING SHEET FACE OF EXHAUST VALVE FOR ENGINE}
본 발명은 실린더헤드에 형성된 배기포트측과 접촉 또는 비접촉되면서 배기포트를 개폐하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법에 관한 것이다.
엔진(Engine)이란, 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관을 말하며, 보편적으로는 실린더 내에서 연료와 공기가 혼합된 혼합기체를 점화하여 폭발시킴으로써 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관을 말한다.
일반적으로, 엔진은 실린더블럭과 상기 실린더블럭의 일면에 결합된 실린더헤드를 포함하며, 상기 실린더블럭과 상기 실린더헤드에 의하여 연소실이 형성된다. 구체적으로 설명하면, 상기 실린더헤드는 상기 실린더블럭의 일면에 결합되어, 상기 실린더블럭의 내부에 형성된 상기 연소실의 일측을 밀폐한다. 그리고, 상기 연소실의 타측으로는 피스톤이 삽입되어 직선왕복운동가능하게 설치되며, 상기 연소실의 타측은 상기 피스톤에 의하여 밀폐된다. 그리하여, 연료와 공기가 혼합된 혼합기체가 상기 연소실로 유입되어 폭발함에 따라 피스톤이 직선왕복운동하는 것이다.
상기 실린더헤드에는 혼합기체의 연소시 발생되는 연소가스가 배기되는 배기포트가 형성되고, 상기 배기포트는 배기밸브에 의하여 개폐된다.
상기 배기밸브는, 상기 연소실에 위치되며 승강하면서 상기 배기포트를 개폐하는 외형이 대략 깔때기 형상으로 형성된 헤드부, 상기 헤드부에서 연장 형성되어 상기 헤드부와 함께 운동하며 상측 부위는 상기 실린더헤드의 외측에 위치된 스핀들을 포함한다.
상기 연소실은 고온 및 고압이므로, 상기 배기밸브는 고온 및 고압의 환경에 노출되어 사용된다. 그러므로, 상기 배기밸브는 내마모성, 내식성 및 내열성이 우수한 재질로 형성된다. 특히, 상기 배기포트의 부위와 접촉되는 상기 헤드부의 시트면은 고경도(高硬度)로 형성된다.
종래에는 상기 시트면을 육성용접하여 형성한다. 그런데, 육성용접의 특성상, 상기 헤드부에 용접재가 균일하게 용착되지 않는 등의 결함이 발생할 수밖에 없다. 이로 인해, 상기 배기밸브의 신뢰성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 모든 문제점들을 해결할 수 있는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법을 제공하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 마찰용접으로 배기밸브의 헤드부에 시트면을 형성함으로써, 신뢰성을 향상시킬 수 있는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법을 제공하는 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법은, 연소실을 형성하는 상호 결합된 실린더블럭과 실린더헤드의 상기 실린더헤드에 형성된 배기포트측과 접촉 또는 비접촉되는 링형상의 시트면이 형성된 헤드부와 상기 헤드부에서 연장 형성된 스핀들을 가지면서 상기 배기포트를 개폐하는 배기밸브의 상기 시트면을 형성하기 위한 방법에 있어서, 상기 스핀들을 감싸는 형태의 제1지지부재에 형성하고자 하는 상기 시트면과 대응되는 링 형상의 용접재를 형성하는 단계; 상기 스핀들이 상기 제1지지부재를 관통하도록 하고, 상기 시트면이 형성될 상기 헤드부의 부위와 상기 용접재가 대향하도록 하여 상기 스핀들을 제2지지부재에 설치하는 단계; 상기 시트면이 형성될 상기 헤드부의 부위와 상기 용접재를 접촉시킨 상태에서 상기 제2지지부재로 상기 스핀들을 회전시키고, 상기 헤드부와 상기 용접재의 마찰에 의하여 발생하는 마찰열로 상호 접촉된 상기 헤드부와 상기 용접재를 가열하는 단계; 상호 접촉된 상기 헤드부와 상기 용접재가 소정 온도가 되었을 때, 상기 헤드부를 상기 용접재측으로 가압하여 상기 용접재를 상기 헤드부에 용접하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법은, 배기밸브 및 용접재를 각각 지지한 상태에서, 시트면이 형성된 배기밸브의 홈 부위와 용접재를 접촉시키고, 배기밸브를 회전시켜 마찰열을 이용하여 배기밸브의 홈 부위와 용접재를 소정 온도로 가열한 다음, 배기밸브를 용접재측으로 가압하여 시트면을 형성한다. 그러면, 배기밸브에 시트면이 상대적으로 균일하게 융착 형성되므로, 배기밸브의 신뢰성이 향상되는 효과가 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 개략적 구성을 보인 도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브를 보인 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브에 마찰용접으로 시트면을 형성하는 것을 보인 도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸기의 시트면을 형성하는 방법을 보인 흐름도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브의 시트면으로 사용되는 용접재의 접촉면의 다양한 형상을 보인 도.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 엔진은 상호 결합되는 실린더블럭(111)과 실린더헤드(115)를 포함할 수 있고, 실린더블럭(111)과 실린더헤드(115)에 의하여 연소실(111a)이 형성될 수 있다.
더 상세히 설명하면, 실린더블럭(111)의 내부에는 연소실(111a)의 대부분의 공간이 형성될 수 있고, 실린더헤드(115)는 실린더블럭(111)의 상면에 결합되어 연소실(111a)의 일측을 밀폐할 수 있다. 연소실(111a)을 형성하는 실린더블럭(111)의 내주면에는 실린더 라이너(112)가 설치될 수 있고, 실린더 라이너(112)에는 직선왕복운동가능하게 피스톤(121)이 설치될 수 있다. 피스톤(121)은 연소실(111a)의 타측을 통하여 실린더 라이너(112)에 삽입되며, 피스톤(121)에 의하여 연소실(111a)의 타측이 밀폐될 수 있다.
그리하여, 피스톤(121)과 실린더헤드(115) 사이에 형성된 연소실(111a)로 연료와 공기가 혼합된 혼합기체가 유입되어 압축 및 폭발 팽창함에 따라, 피스톤(121)은 직선왕복운동할 수 있다. 그러면, 피스톤(121)의 직선왕복운동에 의하여 커넥팅로드(미도시)를 매개로 피스톤(121)과 연결된 크랭크축(123)이 회전할 수 있다. 크랭크축(123)의 회전력의 대부분은 플라이휠을 통하여 클러치에 전달되고, 회전력의 일부는 캠축(125)을 통하여 밸브, 펌프, 발전기 또는 연료공급장치 등으로 전달될 수 있다.
상기 밸브는 배기밸브(130)(도 2 참조)를 포함할 수 있는데, 배기밸브(130)에 대하여 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브를 보인 사시도이다.
도시된 바와 같이, 연소실(111a)을 형성하는 실린더헤드(115)에는 혼합가스의 연소시 발생하는 연소가스가 배기되는 배기포트(미도시)가 형성될 수 있고, 상기 배기포트는 배기밸브(130)에 의하여 개폐될 수 있다.
상세히 설명하면, 배기밸브(130)는 외형이 대략 깔때기 형상으로 형성되어 연소실(111a)에 승강가능하게 설치되며 승강하면서 상기 배기포트를 개폐하는 헤드부(131), 헤드부(131)에서 연장 형성되어 헤드부(131)와 함께 운동하며 상측 부위는 실린더헤드(115)의 외측에 위치된 스핀들(125)을 포함할 수 있다.
그리하여, 연소실(111a)에서 혼합가스가 폭발하면, 배기밸브(130)가 상승하고, 이로 인해 헤드부(131)가 상기 배기포트를 형성하는 실린더헤드(115) 부위와 접촉하여 연소실(111a)의 기밀을 유지할 수 있다. 그리고, 연소실(111a)에서 혼합가스가 폭발한 후에는, 배기밸브(130)가 하강하고, 이로 인해 헤드부(131)가 상기 배기포트를 형성하는 실린더헤드(115) 부위와 이격되어 연소가스를 배출되는 것을 허용할 수 있다.
연소실(111a)은 600 이상의 고온과 700bar 이상의 고압 환경이므로, 배기밸브(130)는 내마모성, 내식성 및 내열성 우수한 스테인리스재로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 배기포트를 형성하는 실린더헤드(115)의 부위와 접촉되는 헤드부(131)의 시트면(132)은 고경도(高硬度)인 인코넬(Inconel)로 형성될 수 있다. 이때, 시트면(132)은 헤드부(131)에 형성된 링형상의 홈(131a)(도 3 참조)에 형성되는 것이 바람직하다.
배기밸브(130)가 설치되어 사용되는 환경적인 요인과 시트면(132)이 상기 배기포트를 형성하는 실린더헤드(115)에 부딪히는 사용상의 요인으로 인하여 시트면(132)이 헤드부(131)에 견고하게 결합되어야 한다. 그런데, 헤드부(131)와 시트면(132)은 상이한 재질이므로, 헤드부(131)에 시트면(132)을 균일함과 동시에 견고하게 결합하기가 어렵다.
본 실시예에 따른 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법은 헤드부(131)에 시트면(132)을 균일함과 동시에 견고하게 결합하기 위하여, 마찰용접으로 헤드부(131)에 시트면(132)을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브에 마찰용접으로 시트면을 형성하는 것을 보인 도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸기의 시트면을 형성하는 방법을 보인 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 단계(S110)에서는 제1지지부재(210)에 용접재(220)를 형성할 수 있다. 제1지지부재(210)는 배기밸브(130)의 스핀들(135)을 감싸는 형태의 지그(Zig) 등으로 마련될 수 있고, 용접재(220)는 형성하고자 하는 시트면(132)과 대응되는 링 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 용접재(220)는 링 형상의 홈(131a)과 대응되는 형상으로 형성될 수 있으며, 육성용접으로 형성될 수 있다.
그리고, 단계(S120)에서는 배기밸브(130)를 척(Chuck) 등과 같은 제2지지부재(미도시)에 지지할 수 있다. 이때, 상기 제2지지부재에 지지된 배기밸브(130)의 스핀들(135)은 제1지지부재(210)를 관통하고, 시트면(132)이 형성될 홈(131a) 부위는 용접재(220)와 대향할 수 있다.
그 후, 단계(S130)에서는 시트면(132)이 형성될 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 용접재(220)를 접촉시킨 상태에서 상기 제2지지부재를 회전시켜 스핀들(135)을 회전(S140)시킬 수 있다. 그러면, 헤드부(131)의 홈(131a)과 용접재(220)가 접촉되므로, 마찰에 의하여 마찰열이 발생하고, 마찰열에 의하여 상호 접촉된 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 용접재(220)는 가열될 수 있다.
그 후, 단계(S150)에서는 상호 접촉된 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 용접재(220)가 소정 온도가 되면, 제1지지부재(210) 또는 상기 제2지지부재를 이용하여 헤드부(131)를 용접재(220)측으로 가압할 수 있다. 그러면, 헤드부(131)의 홈(131a) 부위에 용접재(220)가 용접되므로, 시트면(132)이 형성되는 것이다.
마지막으로, 단계(S160)에서는 용접으로 형성된 시트면(132)을 황삭 가공 및 정삭 가공 등과 같은 후가공을 통하여 다듬을 수 있다.
배기밸브(130)의 헤드부(131)를 제1지지부재(210)측으로 가압하기 전, 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 접촉되는 용접재(220)의 접촉면이 완전한 평면으로 형성되어야, 상호 접촉되는 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 용접재(220)가 균일하게 가열될 수 있다. 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 용접재(220)의 접촉면이 균일하게 가열되어야, 홈(131a)에 용접재(220)가 균일하게 용접될 수 있다.
그런데, 용접재(220)의 접촉면을 완전한 평면으로 형성하는 것은 대단히 어렵다.
이러한 이유로, 본 실시예에 따른 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법은 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 용접재(220)의 접촉면이 국부적으로 접촉되도록, 용접재(220)의 접촉면을 비평면으로 형성할 수 있다. 그러면, 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 용접재(220) 사이의 접촉 압력을 높일 수 있고, 단시간에 헤드부(131)의 홈(131a) 부위와 용저재(220)를 가열할 수 있다.
용접재(220)의 접촉면을 비평면으로 형성한 다양한 실시예에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브의 시트면으로 사용되는 용접재의 접촉면의 다양한 형상을 보인 도이다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 용접재(221)의 접촉면(221a)은, 용접재(221)의 중심을 기준으로, 반경방향으로 가면서 산(221aa)과 골(221ab)이 반복된 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 용접재(223)의 접촉면(223a)은, 용접재(223)의 중심을 기준으로, 원주방향으로 가면서 산(223aa)과 골(223ab)이 반복된 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 용접재(225)의 접촉면(225a)은, 용접재(225)의 중심을 기준으로, 반경방향으로 가면서 산(225aaa)과 골(225aba)이 반복되고, 원주방향으로 가면서 산(225aab)과 골(225abb)이 반복된 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 용접재(227)의 접촉면(227a)은 일측에서 타측으로 가면서 산(227aa)과 골(227ab)이 반복된 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 도 5의 (e)에 도시된 바와 같이, 용접재(229)의 접촉면(229a)은 일측에서 타측으로 가면서 산(229aaa)과 골(229aba)이 반복되고, 또 다른 일측에서 또 다른 타측으로 가면서 산(229aab)과 골(229abb)이 반복되어 교차할 수 있다. 즉, 골(229aba, 229abb)은 메쉬 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법은, 배기밸브(130) 및 용접재(220)를 각각 지지한 상태에서, 배기밸브(130)의 홈(131a) 부위와 용접재(220)를 접촉시키고, 배기밸브(130)를 회전시켜 마찰열을 이용하여 배기밸브(130)의 홈(131a) 부위와 용접재(220)를 소정 온도로 가열한 다음, 배기밸브(130)를 용접재(220)측으로 가압하여 시트면(132)을 형성한다. 그러면, 배기밸브(130)에 상대적으로 균일한 시트면(132)이 형성될 수 있다.
130: 배기밸브
131: 헤드부
132: 시트면
135: 스핀들

Claims (9)

  1. 연소실을 형성하는 상호 결합된 실린더블럭과 실린더헤드의 상기 실린더헤드에 형성된 배기포트측과 접촉 또는 비접촉되는 링형상의 시트면이 형성된 헤드부와 상기 헤드부에서 연장 형성된 스핀들을 가지면서 상기 배기포트를 개폐하는 배기밸브의 상기 시트면을 형성하기 위한 방법에 있어서,
    상기 스핀들을 감싸는 형태의 제1지지부재에 형성하고자 하는 상기 시트면과 대응되는 링 형상의 용접재를 형성하는 단계;
    상기 스핀들이 상기 제1지지부재를 관통하도록 하고, 상기 시트면이 형성될 상기 헤드부의 부위와 상기 용접재가 대향하도록 하여 상기 스핀들을 제2지지부재에 설치하는 단계;
    상기 시트면이 형성될 상기 헤드부의 부위와 상기 용접재를 접촉시킨 상태에서 상기 제2지지부재로 상기 스핀들을 회전시키고, 상기 헤드부와 상기 용접재의 마찰에 의하여 발생하는 마찰열로 상호 접촉된 상기 헤드부와 상기 용접재를 가열하는 단계;
    상호 접촉된 상기 헤드부와 상기 용접재가 소정 온도가 되었을 때, 상기 헤드부를 상기 용접재측으로 가압하여 상기 용접재를 상기 헤드부에 용접하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시트면이 형성될 상기 헤드부의 부위에는 함몰된 링 형상의 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용접재는 육성용접에 의하여 상기 제1지지부재에 형성되는 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 헤드부를 상기 제1지지부재측으로 가압하기 전, 상기 헤드부와 접촉되는 상기 용접재의 접촉면은 비평면인 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 용접재의 접촉면은, 상기 용접재의 중심을 기준으로, 반경방향으로 가면서 산과 골이 반복된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 용접재의 접촉면은, 상기 용접재의 중심을 기준으로, 원주방향으로 가면서 산과 골이 반복된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 용접재의 접촉면은, 상기 용접재의 중심을 기준으로, 반경방향 및 원주방향으로 가면서 산과 골이 반복된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 용접재의 접촉면은 일측에서 타측으로 가면서 산과 골이 반복된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 용접재의 접촉면은 일측에서 타측으로 가면서 산과 골이 반복되고, 또다른 일측에서 또 다른 타측으로 가면서 산과 골이 반복되어 상호 교차하는 것을 특징으로 하는 엔진용 배기밸브의 시트면 형성방법.
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