KR20030000544A - 밸브시트 일체형 실린더 헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 가솔린 엔진의 실린더 헤드 성형방법에 있어서, 실린더 헤드 주조 공정을 금형 중 밸브 시트 자리에 밸브 시트 예비성형체(preform)을 삽입한 후 수행함으로써, 실린더 헤드 내에 복합재료로 이루어진 일체형 벨브시트면을 만드는 것을 특징으로 함으로써, 기존의 철계 소결 밸브 시트를 사용하는 경우에 비교하여 포트의 크기가 커지게 할 수 있어 엔진 성능향상에 도움이 되고, 그 외 소음감소, 공정 및 부품수 간소화, 재활용의 용이화라는 점에서 효과가 있다.

Description

밸브시트 일체형 실린더 헤드 및 그 제조방법{cylinder head with valve seat and a preparing method thereof}

본 발명은 가솔린 엔진의 실린더 헤드 구조에 관한 것으로서, 특히 밸브시트가 합체된 실린더 헤드에 관한 것이다.

자동차의 엔진 본체는 실린더(Cylinder), 실린더 블록(Cylinder Bloc), 실린더 헤드(Cylinder Head), 연소실(Combustion Chamber), 실린더 헤드가스켓(Cylinder Head Gasket) 으로 구성되어 있다.

실린더 블록은 엔진 몸체의 골격을 이루는 것으로서, 실린더는 피스톤이 내부에서 상하·왕복하면서 혼합기를 연소시키는 원통 또는 원기둥으로 강도와 내열성이 뛰어나지 않으면 안된다. 재질은 주철이 대부분이지만 최근 경량의 알루미늄 합금이 늘어나고 피스톤과의 접촉부위인 라이너(Liner)만은 3∼5mm의 특수 주철로 보강하고 있다. 또한 실린더 블록내에는 엔진 각부를 윤활하여 마찰을 줄이는 오일의 흐름통로(Galley)와 엔진을 냉각 시키는 물의 흐름통로(Water-Jacket)가 있다.

실린더 블록의 상부에 위치하는 실린더 헤드는 실린더와 함께 연소실을 형성하고 흡입·배기통로를 개폐하는 밸브기구가 있는 부품이다. 또한 냉각수를 통하는 워터 자켓, 연소실에 불꽃을 튀기는 스파크 플러그도 부착되어 있다. 실린더 헤드의 재질은 내열, 내압성이 요구되기 때문에 최근에는 알루미늄합금제가 많이 쓰이고 있다.

밸브의 형상은 「버섯」모양인데 일반적으로 스프링의 힘에 의해 흡기구와 배기구를 막고 있다가 엔진의 작동에 따라(크랭크샤프트에 연결된 캠샤프트의 움직임에 따라) 밸브가 여닫히면서 흡·배기가스의 교환이 이루어진다. 벨브는 실린더 헤드에 고정되어 작동한다. 밸브의 역할이 혼합가스의 교환인만큼 엔진이 고속화되면 될수록 가스의 유속은 빨라지므로 밸브의 경(徑)은 보다 큰 것이 요구된다.

그러나 배기량에 따라 연소실 단면적의 한계가 있으므로 무한정 밸브경을 크게할 수 없다. 따라서 주어진 단면적에서 가장 혼합기의 흡입량을 많게 하기 위해여러가지 아이디어가 나오게 된다. 흡입효율을 높이기 위해 최근 5밸브시스템까지 개발되었다. 그리고 혼다에서는 타원형 피스톤을 사용하여 보다 많은 밸브를 설치한 제품도 있다.

현재 주로 사용되고 있는 밸브는 포핏밸브(Poppet Valve)이며 밸브헤드, 밸브페이스, 밸브 스템 및 스텀엔드 등 4부분으로 구성되어 있다. 엔진의 출력을 증가시키려면 밸브헤드 부분의 지름이 큰 것이 좋다. 지름이 커지면 밸브의 리프트는 적어도 되며 체적 효율을 크게 할 수 있다. 이 때문에 일반적으로 흡기밸브의 지름이 배기밸브의 지름보다 크다. (흡입효율 증대)

밸브 시트(Seat)는 밸브 훼이스(Face)와 밀착하여 연소실의 압력이 새는 것을 방지하는 부분이며 완전한 기밀을 유지하고 더구나 고온가스에 노출되면서 밸브와 계속 충돌을 해도 손상되지 않을 정도의 경도가 필요하다. 밸브가 시트에 접촉할 때에는 매우 큰 충격을 받아 밸브시트가 점점 마모된다. 이 현상을 밸브 시트 리세션(Recession)이라 하며 유연휘발유를 사용하는 경우에는 연소할 때 생긴 납화합물이 밸브의 접촉면에 부착되어 충격을 완화시키므로 밸브시트의 마모를 방지하는 작용을 한다.

그러나 무연휘발유를 사용 하는 경우에는 이 방지작용이 없기 때문에 알루미늄 헤드는 물론 주철제 헤드에도 소결합금 등으로 만든 시트를 끼워 시트부분의 마모를 방지한다.

도 1 은 일반적인 가솔린 4밸브 엔진의 실린더 헤드의 구성을 보인 것이다. 도면 부호 중 1은 실린더 헤드, 2a 및 2b는 흡기 포트를, 3a 및 3b 는 배기 포트를보인다. 일반적으로 가솔린 엔진의 실린더 헤드는 앞서 설명한 바와 같이 최근 알루미늄재질을 사용하는 추세이고, 밸브는 스틸을 사용하고 있다. 밸브와 포트가 만나는 자리에는 소결합금제의 밸브 시트(4)가 암입되어 있다.

그런데, 이러한 경우 실린더 헤드에 시트 압입이 가능하도록 하기 위해서는, 실린더 헤드 가공공정이 필요하게 된다. 또, 실린더 헤드(1)에 시트(4)을 압입한 후에는, 시트 링의 이탈을 방지하기 위해 압입강도가 유지되도록 밸브 브리지(5)부에 5-6mm의 살이 있어야 한다. 또한 연소실 포트에 시트가 자리잡으므로 입구가 작아져서 흡기 효율이 떨어지고 이로 인해 성능 향상에 제한이 가해진다.

그리고 이와 같은 종래의 구조에서는 시트와 실린더 헤드 사이에 미세한 간격이 생기게 되므로 열전달 효과가 떨어진다는 단점도 있었다.

이에 본 발명은 상기 단점을 해소하기 위해 제공되는 것으로서, 가솔린 엔진에 있어서 밸브 시트와 실린더 헤드 사이의 간격의 발생을 방지하고, 또 실린더 헤드에 별도로 밸브 시트를 부과함으로써 흡기 포트의 내부크기가 작아지는 것을 방지할 수 있는 구조의 엔진 실린더 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서, 가솔린 엔진의 실린더 헤드 성형방법에 있어서, 실린더 헤드 주조 공정을 금형 중 밸브 시트 자리에 밸브 시트 예비성형체(preform)을 삽입한 후 수행함으로써, 실린더 헤드 내에 복합재료로 이루어진 일체형 벨브시트면을 만드는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 실린더 헤드 성형방법을 제공한다.

또한, 상기 밸브 시트 예비성형체의 재료는 다공성 니켈 금속인 것을 특징으로 하는 방법을 더욱 제공한다..

또한, 상기 밸브 시트 예비 성형체는 다공성 니켈 금속으로 제작되고 표면에 티탄 분말을 부착시킨 것을 특징으로 하는 방법을 더욱 제공한다.

또한, 상기 다공성 니켈 금속은 니켈 함유 99% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.을 더욱 제공한다.

또한, 위의 방법에 의해 제조되는 일체형 복합재료 벨브시트면을 가지는 가솔린 엔진의 실린더 헤드를 제공한다.

도 1은 일반적인 가솔린 엔진의 실린더 헤드의 개략적 구성을 보인 단면도.

도 2는 본 발명의 실린더 헤드의 개략적 구성을 보인 단면도.

<도면의 주요부호에 대한 설명>

1,10 : 실린더 헤드

2a,2b,20a.20b : 흡기 포트

3a,3b,30a.30b : 배기 포트

4,40 : 밸브 시트

5, 50 : 밸브 브리지

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명에 의한 엔진 실린더 헤드의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 엔진 실린더 헤드의 제조방법에 의해 제조된 실린더 헤드의 개략적 구성을 보인 단면도이다.

도면 중 실린더의 내부에는 상측에 배기 포트가 2개 있고, 하부에 흡기 포트가 2개 있다. 도면은 기존의 밸브 시트장착방법과의 비교를 위하여 본 발명에 의한 실린더 제조방법을 흡기포트에만 적용시킨 예를 도시하고 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니고, 흡기 포트에도 적용될 수 있다. 또, 도면은 4 밸브 시스템만을 도시하고 있으나, 그 외의 밸브시스템에도 적용될 수 있음은 당연하다.

엔진 실린더(10)는 금형 캐스팅에 의해 성형된다. 이 때, 엔진 실린더 중 흡기 포트(20a,20b) 의 내주면을 성형하게 될 부위에 다공성 니켈 금속으로 제조한밸브시트형태의 예비 성형체(PREFORM)을 삽입한다. 이 예비성형체는 엔진 실린더 재료인 알루미늄을 지지체로 하여 최종 성형된 실린더 헤드에서 복합재료를 구성하게 된다.

금속 복합재료의 제조방법은 복합재료의 제조방법으로써 강화재 예비성형체(preform)에 기지재인 금속을 가압주입하는 용탕단조법(Squeeze casting), 용융된 기지재를 기계적으로 교반하면서 강화입자를 합금융체중에 투입하여 균일 혼합한 후 응고시켜 복합재료를 제조하는 컴포캐스팅(Compocasting), 고압가스를 이용하여 용융된 금속을 분무시킨 후 분무된 액적이 급속냉각을 거치면서 반응고 상태로 기판에 충돌하여 성형체를 이루는 분무성형법(Spray forming) 및 분말야금법 등이 있다. 본 발명의 경우는 상기 용탕 캐스팅법을 이용한다.

다공성 니켈 금속을 재료로 하는 예비성형체는 오픈 셀(open cell)로 구성된 30-40PPI 의 것을 사용하고, 재질은 니켈 99% 이상의 것을 사용한다. 한편, 니켈 성형체의 제작 후에는 순도 99% 이상, 크기 50-100m 정도의 티탄 분말을 표면에 부착시켜서 주조시 사용할 최종 예비 성형체를 완성한다.

상기한 티탄 분말이 부착된, 다공성 니켈 예비 성형체를 실린더 헤드(10)의 금형 중 밸브시트 부착부위에 위치시키고 금형에 알루미늄을 부어 넣음으로써, 용탕 캐스팅법에 의해 실린더 헤드(10)를 주조한다.

이 때, 상기 티탄 분말을 알루미늄 용탕과 접하면 격렬한 발열반응을 하기 때문에, 저압으로 주조되는 실린더 헤드(10)에서 알루미늄이 충분한 유동성을 가지고 침투하게 된다. 또, 용탕 중에 녹아들어간 티탄은 알루미늄의 조직을 미세화시키는 기능을 한다.

이러한 과정에 의하여 최종 주조된 실린더 헤드(10)는 밸브가 삽입되는 포트(20a,20b,30a,30b)의 내주면에 상기 다공성 니켈과 알루미늄의 복합재료로 이루어진 밸브 시트(40)가 일체로 형성되게 된다.

따라서, 별도의 벨브 시트를 삽입해야할 필요가 없어지므로 이전의 밸브시트가 차지하던 공간만큼이 더욱 증가하게 되어, 실질적으로 포트의 크기가 커지게 되고, 이로서 흡기성능이 향상되고, 전체적으로 엔진 성능이 증가한다.

또, 기존의 철계 소결 시트의 사용시에는 시트와 밸브가 접촉시 큰 소음이 발생하나, 본 발명에 의한 복합재료는 철계 소결시트에 비해 재료가 연하기 때문에 소음이 발생하지 않는다.

또, 기존의 실린더 헤드의 가공 공정 중 필수적으로 이루어지던 시트자리 가공, 압입공정이 불필요하게 되므로 공정이 간단하게 되고, 기존에는 포트별로 시트를 만들어야 하나, 본 발명의 경우 예비 성형체 하나로 두 개의 흡기포트에 적용시킬 수 있기 때문에 부품수가 감소하게 된다.

그 외에도 실린더 헤드를 재용융하는 경우, 철계 소결 시트는 Fe 불순물로 인하여 재활용이 어려웠으나 니켈은 알루미늄에서 고온강도를 향상시키는 작용을 하므로 상기한 불순물 효과가 없다는 장점이 있다.

이상에서 살펴본 바와 본 발명에 의한 가솔린 엔진의 실린더 헤드 성형방법에 있어서, 실린더 헤드 주조 공정을 금형 중 밸브 시트 자리에 밸브 시트 예비성형체(preform)을 삽입한 후 수행함으로써, 실린더 헤드 내에 복합재료로 이루어진 일체형 벨브시트면을 만드는 것을 특징으로 함으로써, 기존의 철계 소결 밸브 시트를 사용하는 경우에 비교하여 포트의 크기가 커지게 할 수 있어 엔진 성능향상에 도움이 되고, 그 외 소음감소, 공정 및 부품수 간소화, 재활용의 용이화라는 점에서 효과가 있다.

Claims (5)

1. 가솔린 엔진의 실린더 헤드 성형방법에 있어서, 실린더 헤드 주조 공정을 금형 중 밸브 시트 자리에 밸브 시트 예비성형체(preform)을 삽입한 후 수행함으로써, 실린더 헤드 내에 복합재료로 이루어진 일체형 벨브시트면을 만드는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 실린더 헤드 성형방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 밸브 시트 예비성형체의 재료는 다공성 니켈 금속인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 밸브 시트 예비성형체는 다공성 니켈 금속으로 제작되고 표면에 티탄 분말을 부착시킨 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 다공성 니켈 금속은 니켈 함유 99% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는, 복합재료 밸브시트가 일체로 형성된 가솔린 엔진의 실린더 헤드.