KR102430345B1 - 내연기관용 밸브 시트 인서트 - Google Patents

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Abstract

내연 기관(100)의 실린더 헤드(104)용 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)는 통로(22)를 한정하는 링형 몸체(20)를 포함하며, 통로는 유체를 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)의 입구 측(24)에서 출구 측(26)으로 축 방향(Z)을 따라 몸체(20)를 통과시킬 수 있게 하며, 몸체(20)는 제1 접촉 표면 부분(42)과 밸브 밀봉 표면 부분(46)을 갖는 입구 측 부분(32), 제2 접촉 표면 부분(48)을 갖는 출구 측 부분(34), 및 입구 측 부분(32)에서 출구 측 부분(34)으로 축 방향으로 연장되고, 입구 측 부분(32)에서 출구 측 부분(34)을 향하여 최소 두께 축 방향 위치(P)까지 재료 두께를 감소시키는 아치형 부분(36)을 포함하며, 최소 두께 축 방향 위치는 출구 측 부분(34)에 인접한 아치형 부분(36)의 중간에 위치된다. 그로 인하여 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)의 부하 저항성 구조체가 제공될 수 있다.

Description

내연기관용 밸브 시트 인서트{VALVE SEAT INSERT FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 일반적으로 내연기관의 밸브에 관한 것으로서, 더욱 특히 내연기관의 밸브용 밸브 시트 인서트에 관한 것이다.
흡기 밸브 및 배기 밸브의 적절한 기능은 내연기관을 작동하는 데 있어 필수적이다. 그러나 특히 밸브 스핀들과 밸브 시트는 고온 그리고 공격적인 배기가스 성분과 같은 불리한 조건을 겪는다. 이와 같은 불리한 조건에도 불구하고, 긴 수명이 바람직하다. 중속도 내연기관에서, 통상적으로 실린더 헤드의 각각의 밸브 개구 내로 압입 끼워 맞추어지는 또는 수축 끼워 맞추어지는 밸브 시트 인서트가 사용된다.
특히, 배기 밸브에 대하여, 실린더 헤드의 개구의 측벽과 함께 원주 냉각 채널을 형성하도록 밸브 시트 인서트가 구성된다. 냉각 채널은 엔진 냉각 회로에 연결되며 그리고 밸브 시트 인서트뿐만 아니라 밸브의 폐쇄 상태에서 밸브 시트와의 접촉을 통하여 밸브 스핀들의 바닥 부분을 간접적으로 냉각시키기 위하여 제공된다.
본 발명은 적어도 부분적으로 선행 시스템의 하나 이상의 양태를 개선 또는 극복하는 것에 관한 것이다.
일 양태에서, 내연기관의 실린더 헤드용 밸브 시트 인서트는 유체가 밸브 시트 인서트의 입구 측에서 출구 측으로 축 방향을 따라 몸체를 통과할 수 있게 하기 위한 통로를 한정하는 링형 몸체를 포함한다. 몸체는 제1 접촉 표면 부분, 맞댐 표면 부분 그리고 밸브 밀봉 표면 부분을 갖는 입구 측 부분을 포함한다. 몸체는 제2 접촉 표면 부분을 갖는 출구 측 부분 및 입구 측 부분에서 출구 측 부분으로 축 방향으로 연장되고 그리고 입구 측 부분에서 출구 측 부분을 향하여 최소 두께 축 방향 위치까지 재료 두께를 감소시키는 아치형 부분을 더 포함하며, 여기서 최소 두께 축 방향 위치는 출구 측 부분에 인접한 아치형 부분의 중간에 위치된다.
다른 양태에서, 내연기관의 실린더 헤드용 밸브 시트 인서트는 유체를 입구 측에서 출구 측으로 축 방향을 따라 몸체를 통과할 수 있게 하기 위한 통로를 한정하는 링형 몸체를 포함하며, 몸체는 장착 상태에서 실린더 헤드와 제1 밀봉 접촉을 형성하기 위한 제1 접촉 표면 부분을 갖는 입구 측 부분, 실린더 헤드에 장착될 때 위치를 한정하기 위한 맞댐 표면 부분, 및 밸브 스핀들에 맞추어진 밸브 밀봉 표면 부분, 장착 상태에서 실린더 헤드와 제2 밀봉 접촉을 형성하기 위한 제2 접촉 표면 부분을 갖는 출구 측 부분, 그리고 통로로부터 반경 방향으로 냉각 채널을 한정하는 아치형 부분을 포함하며, 밸브 시트 인서트의 장착된 상태에서 냉각 채널은 밸브 시트 인서트와 실린더 헤드 사이에 형성되며, 그리고 아치형 부분은 입구 측으로부터 반경 방향으로 아치형 부분의 적어도 60%를 따라 재료 두께를 감소시킨다.
다른 양태에서, 각각의 다수의 실린더와 연관되는 적어도 하나의 배기 밸브인 다수의 실린더를 갖는 내연기관을 위한 재장착 방법은 위에서 설명된 바와 같은 밸브 시트 인서트를 내연 기관의 실린더 헤드의 배기 개구에 부착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 양태가 하기 설명 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 연소 기관의 개략적인 횡단면도이다;
도 2는 도 1에 도시된 것과 같은 연소 기관의 흡기 밸브와 배기 밸브를 관통하는 개략적인 횡단면도이다;
도 3은 밸브 시트 인서트의 제1 실시예의 개략적인 횡단면을 도시한 도면이다;
도 4는 실린더 헤드에 장착된 밸브 시트 인서트의 제2 실시예의 개략적인 횡단면도이며;
도 5는 밸브 시트 인서트의 제3 실시예의 개략적인 부분적인 3차원 도면이다.
하기는 본 발명의 예시적인 실시예의 상세한 설명이다. 여기에서 설명되고 도면에 도시된 예시적인 실시예는 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 많은 다른 환경에서 그리고 많은 다른 응용을 구현하고 사용할 수 있게 하는 본 발명의 원리를 교시하도록 의도된 것이다. 따라서, 예시적인 실시예는 특허 보호 범위의 제한적인 설명인 것으로 의도되지 않으며 그리고 제한적인 설명인 것으로 고려되지 않아야 한다. 오히려, 특허 보호의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 한정되어야 한다.
본 발명은 부분적으로는 밸브 시트 인서트 내의 균열이 냉각 채널, 특히 냉각 채널의 밸브 시트 측으로부터 시작하여 형성된다는 발견에 기초할 수 있다. 밸브 시트 인서트가 압입 끼워맞춤, 근본적인 공차 및/또는 필수 동축 설계에 의하여 야기된 정적 응력/부하뿐만 아니라 연소, 특히 연소 압력에 의하여 야기된 교번 응력/부하의 적어도 2가지 유형의 응력을 겪는다는 것이 인식된다. 본 명세서에서 밸브 시트 인서트의 특정 기하학적 설계에 의해 이 응력/부하 영역을 공간적으로 분리하는 것이 제안된다. 특히, 이 기하학적 설계는 냉각 채널의 형상을 제외하고 종래의 표면 형상을 유지하면서 달성될 수 있다. 제안된 설계는 위에서 언급된 균열의 수를 줄이거나 그들의 형성을 지연시키거나 심지어 그 형성을 일절 방지할 수 있다.
본 발명은 또한 주어진 내부 표면 형상을 위하여 냉각 채널의 곡률 반경을 조정하는 것이 밸브 시트 인서트의 입구 측을 향하여, 즉 밸브 시트 측의 반대 측으로 장착함에 의하여 야기된 정적 응력 영역을 이동하게 할 수 있다는 발견에 부분적으로 기초할 수 있다. 구체적으로, (밸브 스핀들과의 상호 작용을 겪는) 입구 측 부분으로부터 거리를 두고 밸브 시트 인서트의 아치형 부분 내의 밸브 시트 인서트의 재료의 최소 두께를 제공하는 것은 정적 응력의 중심인 힌지형 부분을 형성할 수 있다. 이는 밸브 시트 인서트의 개선된 응력 조건을 야기할 수 있다. 예를 들어, 최소 두께를 출구 측 부분에 가깝게 이동시키는 것은 정적 응력과 교번 응력의 공간 분리를 최대화 할 수 있다.
밸브 시트 인서트를 갖는 내연 기관의 예시적인 실시예가 도 1 및 도 2를 참고하여 하기에 설명된다. 도 3 내지 도 5는 밸브 시트 인서트의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 1을 참고하면, 내연기관(100)은 다수의 실린더(102)를 적어도 부분적으로 한정하는 엔진 블록(101), 각 실린더(102) 내에 슬라이딩 가능하게 배치된 피스톤(110) 및 각 실린더(102)와 연관된 실린더 헤드(104)를 포함한다. 엔진(100)은 다수의 실린더(102)와 연관된 다수의 흡입 밸브(106) 및 배기 밸브(108)를 더 포함한다. 엔진(100)의 예는 예를 들어 8개, 12개 또는 16개의 실린더를 가질 수 있는, 천연가스, 스파크 점화식, V-형 터보과급기가 달린 그리고 후냉각의 엔진을 포함하며, 각 실린더는 예를 들어, 2개의 흡기 밸브 및 2개의 배기 밸브를 갖는다. 본 기술 분야의 숙련자는 엔진(100)이 예를 들어 이중 연료 동력 엔진과 같은 임의의 다른 유형의 내연기관일 수 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 엔진(100)은 더 많거나 더 적은 개수의 실린더(102)를 포함할 수 있으며, 실린더(102)들은 "인-라인(in-line)" 구성으로 또는 임의의 다른 적절한 구성으로 배치될 수 있다.
엔진(100)의 작동 중에, 흡기 밸브(106)는 가스와 공기의 혼합물이 각 실린더로 들어가게 하도록 그리고 배기 밸브(108)는 배기가스 흐름이 각 실린더를 빠져나가게 하도록 각각 개방하고 폐쇄할 수 있다. 이 목적을 위하여, 흡기 밸브(106)와 배기 밸브(108)는 밸브를 통한 각각의 흐름을 차단할 수 있는 밸브 스핀들(142)을 포함한다.
도 2는 예를 들어, 연소 기관(100)의 흡기 밸브(106)와 배기 밸브(108)의 확대된(비평면) 횡단면도를 도시한다.
흡기 밸브(106)와 배기 밸브(108)는 유사한 구성을 가질 수 있어 배기 밸브(108)의 구성만이 하기에 상세하게 설명될 것이다. 그러나 동일한 설명이 흡기 밸브(106)에도 또한 적용할 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
배기 밸브(108)는 밸브 가이드(140), 밸브 스핀들(142) 및 밸브 시트 인서트(10)를 포함한다. 밸브 가이드(140)는 하단부(141), 상단부(143) 및 관통 홀(145)을 갖는 긴 원통 형상을 가질 수 있다. 밸브 가이드(140)는 공지된 방식으로 실린더 헤드(104)에 고정될 수 있다.
밸브 스핀들(142)은 스핀들 시일을 갖는 바닥 부분(144)을 포함한다. 밸브 스핀들(142)은 밸브 가이드(140)의 관통 홀(145) 내에 배치되어 관통 홀(145) 내에서 위 아래로 슬라이딩할 수 있다. 밸브 스핀들(142)은 바이어싱 스프링(147)을 통하여 스핀들 시일이 밸브 시트 인서트(10)와 접촉하는 폐쇄 위치로 바이어스된다. 밸브 스핀들(142)은 예를 들어, 엔진(100)(도 1 참조)의 캠 샤프트(114)에 연결된 작동 메커니즘(112)을 통하여 개방 위치로 하향 이동하도록 작동될 수 있다. 대안적인 구성에서, 밸브를 작동시키기 위하여 커먼 레일 시스템이 사용될 수 있다.
실린더 헤드(104)는 특히 실린더 헤드(104)와 밸브 시트 인서트(10)의 외측 사이에 형성된 냉각 채널(12)에 냉각수를 공급하는 냉각 채널 시스템(148)을 포함한다. 일반적으로, 냉각 채널(12)은 예를 들어 대향 단들 위치된 냉각수 공급 및 해제 연결부를 구비한다. 연결부가 횡단면의 평면 내에 있지 않기 때문에 도 2의 단면도는 냉각 채널 시스템(148)과 냉각 채널(12) 사이의 연결부를 명확하게 도시하지 않는다.
도 2에서 보여질 수 있는 바와 같이, 통상적으로 배기 밸브(108)만이 냉각된 밸브 시트 인서트(10)를 포함한다. 구체적으로, 배기 밸브(108)가 폐쇄 위치에 있는 동안에 밸브 시트 인서트(10)의 냉각은 바닥 부분(144)의 냉각을 허용한다. 대조적으로, 흡입 공기가 밸브 스핀들의 충분한 냉각을 제공할 수 있기 때문에 흡입 밸브(106)용 밸브 시트 인서트는 냉각 채널 시스템을 통해 냉각될 필요가 없을 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 밸브 시트 인서트(150)는 냉각 채널을 형성하지 않는다.
실린더(102)로부터 배기 공기를 방출하기 위하여 연소 구역 면에서 실린더 헤드(104) 내로 연장되는 실린더 헤드(104)의 배기 개구(104A)(또한 도 4 참조) 내에 밸브 시트 인서트(10)가 장착된다. 밸브 시트 인서트(10)의 장착 깊이는 예를 들어, 40 mm 내지 80 mm 범위 내의 길이를 따라 연장된다. 이 길이 동안에, 밸브 시트 인서트(10)를 수용하기 위하여 배기 개구(104A)의 각각의 측벽은 예를 들어, 압입 끼워맞춤 및/또는 수축 끼워맞춤에 의하여 맞추어진다.
일부 실시예에서, 밸브 시트 인서트(10)는 배기 개구(104A) 내에 극저온 수축 끼워 맞추어질 수 있다. 구체적으로, 밸브 시트 인서트(10)는 배기 개구(104A)의 각각의 장착 부분 내에 극저온 수축 끼워 맞추어질 수 있다. 이 목적을 위하여, 밸브 시트 인서트(10)의 원주는 본질적으로 개구 직경의 동일한 공칭 치수를 갖는 외경을 가질 수 있지만 상이한 공차를 가질 수 있으며, 그로 인하여 예를 들어, 밸브 시트 인서트(10)의 그의 각각의 배출 개구(104A) 내로의 수축 끼워 맞춤을 용이하게 한다.
도 3에서, 밸브 시트 인서트(10A)가 반경 방향 횡단면으로 도시된다. 도시에 대하여, 파선(104')은 장착된 상태에서의 실린더 헤드(104)를 지시한다. 밸브 시트 인서트(10A)는 통로(22)를 한정하는 링형 몸체(20)를 포함한다(또한 도 5 참조). 내연기관의 작동 동안, 배기가스는 통로(22)를 통하여 흐를 수 있으며, 그로 인하여 축 방향(Z)을 따라 몸체(20)를 통과한다. 실린더 대칭 구조(축 대칭 몸체(20))에 대하여, 축 방향(Z)은 대칭 축(도 4의 대칭 축(SZ) 참조)의 방향에 대응할 수 있다. 도 3에서, 축 방향(Z)뿐만 아니라 (축 방향(Z)에 직교적으로 연장하는) 반경 방향(R)이 개략적으로 지시된다. 통상적으로 배기가스는 밸브 시트 인서트(10A)의 입구 측(24)에서 출구 측(26)으로 이동할 것이다. 도 3뿐만 아니라 도 4 및 도 5에서, 입구 측(24)은 도면의 바닥에 위치된 반면에, 출구 측(26)은 도면의 상단에 위치된다.
밸브 시트 인서트(10A)는 3개의 부분과 연관될 수 있다. 입구 측 부분(32)은 입구 측(24)에 위치되며 제1 접촉 표면 부분(42)뿐만 아니라 밸브 밀봉 표면 부분(46)을 포함한다. 일부 실시예에서, 맞댐 표면 부분(44)이 입구 측 부분(32)에 부가적으로 제공된다.
출구 측 부분(34)은 출구 측(26)에 위치되며 제2 접촉 표면 부분(48)을 포함한다.
아치형 부분(36)은 입구 측 부분(32)에서 출구 측 부분(34)으로 연장되며 본질적으로 장착된 상태에서 형성된 냉각 채널(도 2의 냉각 채널(12) 참조)의 주요 부분을 한정하는 벽을 형성한다. 아치형 부분(36)은 입구 측 부분(32)에서 출구 측 부분(34)을 향하여 최소 두께 축 방향 위치(P)(또는 작은 구역)까지 재료 두께를 감소시킨다. 최소 두께 축 방향 위치(P)는 출구 측 부분(34)에 인접한 아치형 부분(36)의 중간에 위치된다. 도 3에서, 최소 두께(dmim)는 아치형 부분(36)의 출구 측(26)에서의 냉각 채널 측 상의 더 큰 곡률 반경과 더 작은 곡률 반경 사이의 전이점에서 예시적으로 지시된다.
최소 두께 축 방향 위치(P)는 장착된 상태에서 정적 탄성형 응력(static spring-like stress)의 중심 영역을 한정한다. 예를 들어, 최소 두께 축 방향 위치(P)는, 도 3에서 지시된 바와 같이 축 방향(Z)을 따라 입구 측 부분(32)으로부터 측정된 아치형 부분(36)의 축 방향 연장부의 적어도 60%, 70%, 80% 또는 90%에 위치한다.
도 3에서, 좌측은 반경 방향으로 링형 몸체(20)의 안쪽(통로 (22))과 연관된 반면에, 우측은 링형 몸체(20)의 외측과 연관된다. 따라서 몸체(20)는 내부 표면(52)과 외부 표면(54)을 포함한다. 도 3의 실시예에서, 출구 측(26)에서 내부 표면(52)과 외부 표면(54)은 예를 들어 반경 방향 연장 표면 부분(44A)을 통하여 연결된다.
내부 표면(52)은 몸체(20)의 반경 방향으로의 내부 상에서 원주 방향으로 연장하며 특히 밸브 밀봉 표면 부분(46)을 포함한다. 예를 들어, 밸브 밀봉 표면 부분(46)은, 예를 들어 60°와 같은 40° 내지 80° 범위 내의 각도 하에서 축 방향(Z)에 대하여 기울어져 있다.
외부 표면(54)은 몸체(20)의 반경 방향으로의 외측 상에서 원주 방향으로 연장하고 제1 접촉 표면 부분(42), 맞댐 표면 부분(44) 및 제2 접촉 표면 부분(48)을 포함한다.
아치형 부분(36)에서, 외부 표면(54)은 오목하게 만곡진 반면에, 내부 표면(52)은 볼록하게 만곡진다.
예를 들어, 아치형 부분(36)에서, 외부 표면(54)은 일련의 만곡 부분(54A, 54B, 54C)으로 오목하게 만곡지며, 그로 인하여 이 만곡 부분은 최소 두께 축 방향 위치(P)까지 곡률 반경을 증가시킨다. 일부 실시예에서, 이웃하는 만곡 부분(54A, 54B, 54C)은 도 3에 도시된 바와 같이 본질적으로 접선적으로 서로 전이한다. 예를 들어, 만곡 부분(54A)은 2 ㎜와 같은 1 ㎜ 내지 3 ㎜의 곡률 반경을 가질 수 있으며, 만곡 부분(54B)은 8 ㎜와 같은 5 ㎜ 내지 10 ㎜의 곡률 반경을 가질 수 있고, 만곡 부분(54C)은 70 ㎜와 같은 50 ㎜ 내지 100 ㎜의 곡률 반경을 가질 수 있다.
유사하게, 내부 표면(52)은 도 3에 도시된 바와 같이 볼록한 형상을 야기하는 곡률 반경을 갖는 하나 이상의 부분, 예를 들어, 40 ㎜와 같은 20 ㎜ 내지 50 ㎜ 범위 내의 곡률 반경 및 100 ㎜와 같은 80 ㎜ 내지 120 ㎜ 범위 내의 곡률 반경을 갖는 2개의 부분을 포함할 수 있다.
만곡 부분(54C)의 곡률 반경보다 큰 곡률 반경을 갖는 다른 만곡 부분(54D)은 출구 측(26) 상에 지시되며 최소 두께 축 방향 위치(P)에서 시작한다. 만곡 부분(54D)은 5 ㎜와 같은 1 ㎜ 내지 10의 곡률 반경을 가질 수 있다. 도 3의 실시예에서, 평면 부분(54E)은 예를 들어, 직각 하에서 만곡 부분(54D)을 제2 접촉 표면 부분(48)과 연결시킨다.
즉, 아치형 부분(36)에서 외부 표면(54)은 거터형 연장부(62)를 갖는 요부(60)를 형성한다. 거터형 연장부(62)는 밸브 밀봉 표면 부분(46)을 향하여 연장되고 바닥(64)을 형성한다. 파선(66A)에 의하여 도 3에서 지시된 바와 같이 거터형 연장부(62)의 바닥(64)은 아치형 부분(36)의 시작점을 축 방향(Z)으로 한정한다. 아치형 부분(36)의 단부는 파선(66B)에 의하여 지시된 바와 같이 평면 부분(54E)과 본질적으로 일치한다.
거터형 연장부(62)로 돌아가서, 내부 거터 표면 부분(64A)은 아치형 부분(36)과 연관된 반면에, 외부 거터 표면 부분(64B)은 입구 측 부분(32)과 연관된다.
도 3에 예시적으로 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 아치형 부분(36)의 만곡 부분(54A)은 만곡 부분(54A')으로서 연장되어 입구 측 부분(32)의 표면 부분을 형성한다. 만곡 부분(54A')은 평면 표면 부분(64C)으로 전이되며, 이 평면 표면 부분은 예를 들어, 도 3에서 예시적으로 도시된 바와 같이 축 방향(Z)으로 연장된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 평면 표면 부분(64C)은 본질적으로 출구 측 부분(34)의 제2 접촉 표면 부분(48)과 정렬된다. 따라서, 요부(60)에 의하여 형성된 냉각 채널(12)은 비대칭 형상을 가질 것이며; 특히 냉각 채널(12)은 출구 측(26)에서보다 입구 측(24)에서 더 좁을 것이다.
도 3에 도시된 구성은 아치형 부분(36)의 감소하는 재료 두께를 제공하여 밸브 시트 인서트(10A)의 장착 동안의 임의의 변형은 최소 두께 축 방향 위치(P) 주변에 응력/부하를 생성할 수 있다. 따라서, 장착에 의하여 야기된 응력 및/또는 장착에 의하여 야기된 부하는 출구 측 부분(34)에 인접한 아치형 부분(36)의 중간에 존재할 것이다.
대조적으로, 밸브의 작동 동안에, 예를 들어 밸브 스핀들(142)과의 밸브 시트 인서트(10A)의 상호 작용에 의하여 야기된 임의의 응력/부하는 입구 측 부분(32) 내에 중심을 둘 수 있다. 따라서 이 두 가지 유형의 응력은 부분적으로 분리되며, 따라서 종래 기술의 구성과 비교하여 거터형 연장부(62)의 바닥(64)은 감소된 응력을 겪을 수 있다.
유사하게, 도 3의 구성은 바닥(64)에 인접한 영역에 더 많은 재료를 제공하고 그리고 이는 그 영역에서의 응력 저항을 증가시킨다.
따라서 요부(60)에서의 축 방향(Z)을 따르는 변화하는 곡률 반경의 개시된 순서는 위에서 논의된 이점을 제공할 수 있으며, 예를 들어 마모 및 손상에 대한 내구성 및 경향을 증가시킬 수 있다.
도 3 도시된 실시예와는 대조적으로, 거터형 연장부(62')를 형성하도록 도 4의 밸브 시트 인서트(10B)의 실시예는 약간 변형된다. 내부 표면(52) 및 대부분의 외부 표면(54)(예를 들어, 만곡 부분(54A, 54B, 54C)의 반경 성장)과 같은 구성은 도 3에 도시된 것과 동일하게 유지된 반면에, 장착된 상태에서 거터형 연장부(62')가 반경 방향(R)을 따라 더 연장되는 방식으로 바닥(64) 및 만곡 부분(54A')이 변형된다. 즉, 평면 표면 부분(64C)은 더 큰 반경(R64C)으로 전환되며, 그로 인하여 거터형 연장부(62')의 체적을 증가시킨다. 이는, 예를 들어 만곡 부분(54A 및 54B)을 위하여 다른 곡률 반경을 사용함에 의하여 그리고/또는 이들의 원점을 다르게 위치시킴에 의하여 달성될 수 있다.
그 결과, 재료 두께의 감소 그리고 입구 측 부분(32)에서의 부가적인 재료의 제공에 더하여, 냉각 채널(12)의 냉각 체적은 입구 측에서 증가될 수 있다. 그로 인하여 밸브 시트 인서트(10B)의 냉각 성능은 더 개선될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 밸브 시트 인서트(10A 및 10B)는 예를 들어, 반경 방향으로 연장하는 표면 부분(44A)과 제2 접촉 표면 부분(48) 사이뿐만 아니라 맞댐 표면 부분(44)과 제1 접촉 표면 부분(42) 사이에 모따기 면을 포함할 수 있다.
하기에서, 실린더 헤드(104)와의 밸브 시트 인서트의 상호 작용이 설명될 것이다. 도 3에 도면 부호가 과도하게 부여되는 것을 방지하기 위하여 특히 도 4가 참고된다. 그러나 밸브 시트 인서트(10A)뿐만 아니라 도 5에 도시된 밸브 시트 인서트(10C)에 동일한 것이 적용된다는 것을 숙련된 자는 이해할 것이다.
실린더 헤드(104)의 배기 개구(104A)가 도 4에서 계단-형상 형태로 개략적으로 지시된다. 구체적으로, 배기 개구(104A)는 삽입 방향으로, 여기에서는 축 방향(Z)을 따라 계단식으로 좁아진다. 구체적으로, 배기 개구(104A)는 제1 원주 측벽(104B), 제1 반경 방향 연장 면(104C), 제2 원주 측벽(104D) 및 제2 반경 방향 연장 면(104E)을 포함한다. 예를 들어, 원주 측벽(104B, 104D)은 축 방향으로 연장되는 반면에, 제1 및 제2 반경 방향 연장 면(104C, 104E)은 반경 방향으로 연장된다.
장착 상태에서 제1 접촉 표면 부분(42)은 제1 원주 측벽(104B)과 함께 입구 측(24)에서 냉각 채널(12)의 제1 밀봉을 형성한다. 제2 접촉 표면 부분(48)은 제2 원주 측벽(104D)과 함께 출구 측(26)에서 냉각 채널(12)의 제2 밀봉을 형성한다. 또한, 맞댐 표면 부분(44)은 제1 반경 방향 연장 면(104C)에 접촉할 수 있어 밸브 시트 인서트(10B)의 축 방향으로의 삽입을 제한한다. 그러나 일부 실시예에서, 제2 반경 방향 연장 면(104E)에 접촉함에 의하여 반경 방향 연장 표면 부분(44A)은 맞댐 면으로 작용할 수 있다. 후자의 경우, 맞댐 표면 부분(44)과 제1 반경 방향 연장 면(104C) 사이에 형성된 갭 내로의 냉각 채널(12)의 일부 연장이 주어질 수 있다.
다양한 구조에 대하여 위에서 개시된 바와 같이, 아치형 부분(36)은 통로(22)로부터 반경 방향으로 냉각 채널(12)을 한정하도록 구성된다. 밸브 시트 인서트의 장착 상태에서, 냉각 채널(12)은 밸브 시트 인서트와 실린더 헤드 사이에 형성된다.
일부 실시예에서, 제1 접촉 표면 부분(42)과 제2 접촉 표면 부분(48)은 축 방향으로 연장하며 그리고/또는 맞댐 표면 부분(44) 및 반경 방향 연장 표면 부분(44A)은 반경 방향으로 연장한다.
도 3 및 도 4에서 더 보여질 수 있는 바와 같이, 반경 방향 횡단면에서 볼 때 몸체(20)는 C-형상일 수 있다. 그러면, 입구 측 부분(32)과 출구 측 부분(34)은 각각 C-형상의 단부로서 고려될 수 있다. 아치형 부분(36)은 C-형상의 중간 부분을 형성하도록 고려될 수 있다. 도면에서 보여질 수 있는 바와 같이 그리고 배기 개구(104A)의 계단형 구성에 대한 적응에서, 입구 측 부분(32)과 연관된 단부는 도 4에 도시된 바와 같이 출구 측 부분(34)과 연관된 반경(REX)보다 큰 반경(REN)으로 연장한다.
또한, 일부 실시예에서, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 축 방향 중심 영역 내에서 최소 개구 반경(Rmin)을 한정하기 위하여 내부 표면(52)은 몸체(20)의 중심을 향하여 돌출될 수 있다.
도 5를 참고하면, 기하학적 구조, 특히 링형 몸체(20)와 연관된 통로(22), 입구 측(24) 그리고 출구 측(6)을 더 도시하기 위하여 예시적인 밸브 시트 인서트(10C)의 부분적인 3차원적 도면이 보여진다. 또한, 도 5는 밸브 시트 인서트를 위하여 적용될 수 있는 원통형-대칭 구조를 지시한다. 그러나 일부 실시예에서, 또한 타원형 구성이 사용될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같은 밸브 시트 인서트는 통상적으로 실린더 헤드의 각각의 개구에 압입 끼워 맞추어지거나 수축 끼워 맞추어진다. 따라서, 밸브 시트 인서트가 개구 내로 강제될 때, 기계적 장력은 요구되는 밀봉을 제공할 것이다. 예를 들어, 밸브 시트 인서트를 개구에 수축 끼워 넣을 때, 냉각된 밸브 시트 인서트를 개구에 삽입할 때, 작업자는 먼저 예를 들어, 액체 질소로 밸브 시트 인서트를 냉각할 것이다. 냉각된 상태에서의 감소된 치수로 인하여 이는 가능하다. 이 단계에서, 맞댐 표면 부분(44)은 예를 들어, 삽입 깊이를 제한할 수 있다. 그러면, 밸브 시트 인서트는 주위 온도로 따뜻해질 수 있어 밸브 시트 인서트는 개구 내로 수축 끼워 맞추어진다. 정상적으로 기능하지 못하는 밸브 시트 인서트를 위한 교체품으로서 사용될 수 있는, 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 밸브 시트 인서트를 재장착하기 위하여 동일한 절차가 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 밸브 시트 인서트의 재료는 내열 원심 주조일 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, M43C 시리즈의 엔진에 대하여 밸브 시트 인서트의 축 방향 치수는 50 ㎜ 내지 70 ㎜의 범위 내이며; 따라서, 최소 두께 위치가 10 ㎜ 내지 28 ㎜의 범위 내, 즉 적어도 축 방향 연장부의 절반을 넘도록 아치형 부분의 축 방향 연장부는 20 ㎜ 내지 30 ㎜의 범위 내이다. 또한, 내측 반경은 50 ㎜ 내지 65 ㎜ 범위 내이며, 입구 반경은 75 ㎜ 내지 80 ㎜ 범위 내이고, 출구 반경은 70 ㎜ 내지 7 5㎜ 범위 내이다. 아치형 부분의 반경 방향으로의 두께는 예를 들어, 위의 실시예에서 10 ㎜에서 7 ㎜로 감소한다.
위에서 설명된 장착에 더하여, 임의의 유형의 밸브 시트 인서트의 마모 또는 손상의 경우에, 동일한 것이 본 발명에 따른 밸브 시트 인서트로 쉽게 교체될 수 있다(예를 들어, 본 명세서 내에 개시된 밸브 시트 인서트를 사용한 재장착을 수행).
본 명세서 내에서 사용된 바와 같이, 용어 "내연기관"은, 예를 들어 가스 엔진과 같은 내연 기관을 지칭할 수 있으며, 이는 파이프 라인 전달, 처리 또는 가스 저장 및 회수에 동력을 공급하기 위한 것뿐만 아니라 전기를 생성하기 위한 발전 장치와 같은 고정식 동력 공급 시스템의 주 엔진 또는 보조 엔진으로 사용될 수 있다. 내연기관의 연료는 천연가스 및 천연가스와 다른 연료, 예를 들어 디젤 연료 등의 조합을 포함할 수 있다.
밸브 시트 인서트의 본 명세서 내에 개시된 실행을 위한 내연기관의 예는, 예를 들어 450 내지 750 rpm의 범위 내에서, 즉 중간 속도로 작동하는, 독일 키엘의 캐터필라 모토렌 게엠베하 앤드 코 카게(Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG, Kiel, Germany)에 의하여 제조된 M43C 시리즈의 엔진을 포함할 수 있다. 이와 같은 내연기관은 유지 보수 동안에 본 발명의 밸브 시트 인서트의 부착을 위하여 연소 엔진의 흡입 밸브 및 및 배기 밸브로의 접근을 제공할 수 있는 대형의 독립형 엔진 일 수 있다.
이 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에 설명되었지만, 하기의 청구항의 범위를 벗어나지 않고 개선 및 수정이 포함될 수 있다.

Claims (15)

  1. 내연 기관(100)의 실린더 헤드(104)용 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)에 있어서,
    통로(22)를 한정하는 링형 몸체(20)를 포함하되, 통로는 유체를 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)의 입구 측(24)에서 출구 측(26)으로 축 방향(Z)을 따라 몸체(20)를 통과시킬 수 있게 하며,
    몸체(20)는,
    제1 접촉 표면 부분(42)과 밸브 밀봉 표면 부분(46)을 갖는 입구 측 부분(32),
    제2 접촉 표면 부분(48)을 갖는 출구 측 부분(34), 및
    입구 측 부분(32)에서 출구 측 부분(34)으로 축 방향으로 연장되고, 입구 측 부분(32)에서 출구 측 부분(34)을 향하여 최소 두께 축 방향 위치(P)까지 재료 두께를 감소시키는 아치형 부분(36)을 포함하며,
    최소 두께 축 방향 위치는 출구 측 부분(34)에 인접한 아치형 부분(36)의 중간에 위치되고,
    아치형 부분(36)에서 외부 표면(54)은 밸브 밀봉 표면(46)을 향하는 거터형 연장부(62')를 갖는 요부(60)를 형성하며,
    거터형 연장부(62')는 반경 방향으로 제2 접촉 표면 부분(48)을 넘어서 더 연장됨으로써 거터형 연장부(62')의 체적을 증가시키는, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  2. 제1항에 있어서, 최소 두께 축 방향 위치(P)는 장착된 상태에서 정적 탄성 응력의 영역을 한정하며 입구 측 부분(32)으로부터 측정된, 아치형 부분(36)의 축 방향 연장부의 적어도 60%, 70%, 80% 또는 90%에 위치된, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 몸체(20)는
    몸체(20)의 반경 방향으로의 내측 상에서 원주 방향으로 연장되고 밸브 밀봉 표면 부분(46)을 포함하는 내부 표면(52); 및
    몸체(20)의 반경 방향으로의 외측 상에서 원주 방향으로 연장되고 제1 접촉 표면 부분(42), 제2 접촉 표면 부분(48), 및 맞댐 표면 부분(44)을 포함하는 외부 표면(54)을 더 포함하며;
    아치형 부분(36)에서 외부 표면(54)은 오목하게 만곡지며 그리고/또는 내부 표면(52)은 볼록하게 만곡진, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 아치형 부분(36)에서 외부 표면(54)은 최소 두께 축 방향 위치(P)까지 증가하는 곡률 반경을 갖는 일련의 만곡 부분(54A, 54B, 54C)으로 오목하게 만곡지며; 그리고/또는
    이웃하는 만곡 부분(54A, 54B, 54C)은 본질적으로 서로 접선적으로 전이되는, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 거터형 연장부(62')의 바닥(64)은 아치형 부분(36)의 축 방향 시작점을 한정하여 거터형 연장부(62')는 아치형 부분(36)과 입구 측 부분(32)과 각각 연관된 내부 거터 표면 부분(64A)과 외부 거터 표면 부분(64B)을 포함하는, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  6. 제5항에 있어서, 외부 거터 표면 부분(64B)은 내부 거터 표면 부분(64A)의 만곡 부분(54A)을 연장시키는 만곡 부분(54')을 포함하며 평면 표면 부분(64C)으로 전이되는, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  7. 제6항에 있어서, 평면 표면 부분(64C)은 축 방향으로 연장되고; 그리고/또는
    평면 표면 부분(64C)의 반경 방향 위치는 더 큰 반경(R64C)으로 전환되는, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 접촉 표면 부분(42)은 장착된 상태에서 실린더 헤드(104)와 제1 밀봉 접촉을 형성하도록 구성되며;
    맞댐 표면 부분(44)은 실린더 헤드(104)에 장착될 때 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)의 축 방향 위치를 한정하도록 구성되며;
    밸브 밀봉 표면 부분(46)은 밸브 스핀들(142)과 밀봉을 형성하도록 맞추어지고 축 방향(Z)에 대하여 60°의 각도 하에서 연장되며;
    제2 접촉 표면 부분(48)은 장착된 상태에서 실린더 헤드(104)와 제2 밀봉 접촉을 형성하도록 구성되며;
    아치형 부분(36)은 통로(22)로부터 반경 방향으로 냉각 채널(12)을 한정하도록 구성되되, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)의 장착된 상태에서 냉각 채널(12)은 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)와 실린더 헤드(104) 사이에 형성되며;
    제1 접촉 표면 부분(42) 및 제2 접촉 표면 부분(48)은 축 방향(Z)으로 연장되고;
    맞댐 표면 부분(44)은 반경 방향(R)으로 연장되는, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반경 방향 횡단면에서, 몸체(20)는 C-형상이며, 입구 측 부분(32)과 출구 측 부분(34)은 C-형상의 각각의 종단을 형성하고, 아치형 부분(36)은 C-형상의 중간 부분을 형성하며,
    입구 측 부분(32)과 연관된 단부는 출구 측 부분(34)과 연관된 반경(REX)보다 더 큰 반경(REN)으로 연장된, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 축 방향 중심 영역 내에서 최소 개구 반경(RMIN)을 한정하도록 내부 표면(52)은 몸체(20)의 중심을 향하여 돌출되고,
    외부 표면(54)에서의 요부(60)는 제2 접촉 표면 부분(48)보다 제1 접촉 표면 부분(42)에 더 인접한 축 방향(Z)으로 위치된 아치형 부분(36)의 최소 반경 방향 두께(dMIN)를 제공하도록 구성된, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 링형 몸체(20)는 원통 대칭인, 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C).
  12. 내연 기관(100)용 실린더 헤드 조립체에 있어서,
    내연기관(100)의 실린더(102)를 덮기 위한, 배기 개구(104A)를 포함하는 부분을 포함하는 실린더 헤드(104); 및
    배기 개구(104A)에 끼워지는, 제1항 또는 제2항에 따른 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)를 포함하며,
    그로 인하여 아치형 부분(36)과 실린더 헤드(104) 사이에 냉각 채널(12)이 형성된, 실린더 헤드 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 배기 개구(104A)는 삽입 방향으로 계단식으로 좁아지며, 그로 인하여 제1 원주 측벽(104B), 제1 반경 방향 연장 면(104C), 제2 원주 측벽(104D) 및 제2 반경 방향 연장 면(104E)을 포함하며; 그리고/또는
    제1 접촉 표면 부분(42)은 제1 원주 측벽(104B)과 함께 입구 측(24)에서 냉각 채널(12)의 제1 밀봉을 형성하고; 그리고/또는
    맞댐 표면 부분(44)은 제1 반경 방향 연장 면(104C)에 접촉하여, 그로 인하여 실린더 헤드(104)에 대하여 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)의 축 방향 위치를 한정하며; 그리고/또는
    제2 접촉 표면 부분(48)은 제2 원주 측벽(104D)과 함께 출구 측(26)에서 냉각 채널(12)의 제2 밀봉을 형성하는, 실린더 헤드 조립체.
  14. 제12항에 있어서, 아치형 부분(36)은 비대칭인 냉각 채널(12)을 제공하도록 그리고/또는 출구 측(26)에서보다 입구 측(24)에서 더 좁은 냉각 채널(12)을 제공하도록 형성된, 실린더 헤드 조립체.
  15. 각각의 다수의 실린더와 연관된 적어도 하나의 배기 밸브(108)인 다수의 실린더(102)를 갖는 내연기관용 재장착 방법에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따른 밸브 시트 인서트(10A, 10B, 10C)를 내연기관(100)의 실린더 헤드(104)의 배기 개구(104A)에 부착하는 것을 포함하는, 방법.
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