KR20040099551A - 엔진의 흡기 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 흡기 밸브에 관한 것으로서, 밸브 시트에 밀착하는 밸브 페이스가 형성된 흡기 밸브에 있어서, 상기 밸브 페이스(12)의 상측에는 밸브 페이스의 모서리에 이어지는 벨 마우스(18)가 형성되어 있으므로, 전자밸브시스템을 적용하지 않고도 간단히 저리프트시의 유동박리를 억제함으로써 엔진의 저중속 전개성능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

엔진의 흡기 밸브{intake valve of engine}

본 발명은 엔진의 흡기 밸브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진의 중저속 전개성능이 향상된 흡기 밸브에 관한 것이다.

일반적으로 흡기 밸브는 도1에 도시한 바와 같이, 닫힐 시에 밸브 시트에 밀착하는 밸브 페이스(2)와, 실린더의 내부와 마주보는 밸브 헤드(4)와, 밸브 스템(6) 및 밸브 스템 엔드(8)로 구성되어 있다.

흡기 밸브는 닫힘 상태에서는 밸브 시트와 밸브 페이스의 접촉으로 압축가스의 기밀을 유지해야 하며 열림 상태에서는 밸브 시트와 밸브 페이스 간 통로를 통해 흡입 공기가 유입되므로 이 흡입 유동에 대한 저항이 최소화되는 형태로 설계되어야 한다. 종래 흡기 밸브의 밸브 페이스부에 대한 형상이 도2에 자세히 도시되어 있는데, 도시한 바와 같이 밸브 페이스(2)는 그 상측면와 어쩔 수 없이 어떤 각도를 갖고 만나는 형태로 설계되어 왔다.

이와 같은 형태로 된 종래 흡기 밸브의 밸브 페이스(2)가 그 상측면와 만나는 각도에 의해 유동이 굴절하는 현상이 발생하게 된다. 이러한 유동굴절과 밸브 리프트 및 유동저항의 관계는 John B. Heywood의 Internal Combustion Engine Fundamental p227에 자세히 기술되어 있다.

도3 (a) 내지 도3 (c)는 밸브 리프트의 각 단계별로 밸브 페이스와 밸브 시트 사이를 흐르는 유동의 형태를 도시한 도면이고, 도4는 도3에 대해 밸브 리프트를 밸브 직경으로 나눈 값(Lv/Dv)에 따라 유동저항계수(Cd)를 나타낸 그래프이다.

유동저항계수(Cd : Discharge Coefficient)는 흡기유량(Q)을 기준속도(Vo)와 밸브 커튼 면적(Ac : Valve Curtain Area)의 곱으로 나눈 값이다.

즉, Cd = Q/(Vo x Ac) 이다.

여기서, Vo = (2 x 시험압력차/밀도)^0.5

상기 유동저항계수는 유동저항이 작을수록 커지고, 유동저항이 클수록 작아진다.

도3의 (a)에 도시한 바와 같이 밸브 리프트가 아주 작은 경우, 즉, Lv/Dv 가 0.1 이하인 경우에는 밸브 시트의 S점과 밸브 페이스의 F점에서 유동 박리가 일어나지만 유동의 통로가 아주 좁으므로 곧 밸브 시트면과 밸브 페이스면에 유동 경계선이 재부착하는 형태가 된다. 이런 상태로 밸브가 계속 열리면 유동 통로도 계속 넓어지는 형태가 되어 유동저항계수(Cd)는 증가하게 된다. 도4의 그래프의 a 부분이 이 현상을 나타내며 Lv/Dv 가 0.1 정도 될 때 까지 이 현상이 유지된다.

Lv/Dv가 0.1 이상이 되면 유동은 도3의 (b)에 도시한 바와 같이 천이된다. 이 단계에서는 S점에서 생긴 유동 박리는 곧 밸브 시트면에 재부착되지만 F점에서 생긴 유동 박리는 밸브 페이스면에 부착되지 않고 계속해서 발달하는 형태가 된다. 따라서 유동의 최소단면(Amin)은 도3의 (a) 경우 보다 더 후방에 생기게 되며 밸브가 열리면서 이 최소단면(Amin)도 넓어져 도4의 그래프의 b부분처럼유동저항계수(Cd)는 다시 증가하게 된다.

Lv/Dv가 0.17정도 될 때 까지 유동형태는 도3의 (b)의 상태를 유지하다가 그 이후에 다시 한번 도3의 (c)의 상태로 천이하게 된다. 도3의 (c)의 경우는 S점과 F점에서 발생한 박리가 더 이상 밸브 시트면과 밸브 페이스면에 재부착되지 않게 된다. 이때에는 밸브가 충분히 열려 최소단면은 더 이상 밸브 시트와 밸브 페이스 사이에 있는 것이 아니라 포트의 내부에서 발생하게 된다. 즉, 유량의 제약은 밸브 통로에서 생기는 것이 아니라 포트의 고유한 형태에 의해 지배되기 시작한다. 따라서 밸브가 더 열린다고 해서 유량의 변화는 없으며 다만 밸브 커튼 면적은 밸브 열림에 따라 계속 증가할 것이므로 유동저항계수(Cd)는 도4의 c 부분처럼 감소하는 형태가 된다.

그런데, 도3의 (a)에서 도3의 (b)로 유동이 천이되는 순간(도4의 그래프에서 d부분), 즉 F점에서 생긴 유동 박리가 밸브 페이스면을 완전히 이탈하는 순간에는 도3의 (a) 상태의 최소단면(Amin)에 비해 도3의 (b)상태의 최소단면(Amin)은 급격히 감소하게 되고 결국 Cd의 급격한 저하를 초래하여 유동저항에 악영향을 미치게 된다는 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법의 하나로서, 전자밸브시스템(EMV : Electro Magnetic Valve System)과 같이 흡기 밸브를 전기적으로 구동하여 밸브 열림 프로파일을 직선화시키면, 즉 밸브 열림을 빠르게 하면 엔진의 저중속 전개성능이 향상되어 상기 문제점을 해결할 수 있어 이러한 방법이 제안되고 있으나, 전자밸브 시스템의 경우 축전지 용량 및 가격 뿐만 아니라 42V 시스템과 같은 기타 기반 기술이 실현되어야 가능하므로 단기간 내에 실용화되기 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 전자밸브시스템을 적용하지 않고도 간단히 저리프트시의 유동박리를 억제함으로써 엔진의 저중속 전개성능을 향상시키는 흡기밸브를 제공하는 데 있다.

도1은 종래 흡기밸브를 나타내는 입면도,

도2는 도1에서 밸브 페이스부를 나타낸 상세 단면도,

도3a 내지 도3c는 밸브 리프트의 각 단계별로 밸브 페이스와 밸브 시트 사이를 흐르는 유동의 형태를 도시한 도면,

도4는 도3에 대해 밸브 리프트를 밸브 직경으로 나눈 값에 따라 유동저항계수를 나타낸 그래프,

도5는 본 발명에 의한 흡기밸브의 밸브 페이스부를 나타낸 도면,

도6은 벨 마우스의 반경을 구하기 위한 참고 설명도,

도7은 벨 마우스를 밸브 페이스의 상측에 형성한 상태의 유동 경계선을 표시한 도면,

도8은 도4의 그래프와 비교하여 본 발명의 유동저항계수를 나타낸 그래프,

도9는 종래의 흡기밸브와 본 발명의 벨 마우스를 형성한 흡기밸브를 사용하여 저중속 전개성능을 시험하여 비교한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12 : 밸브 페이스 12a : 모서리점

14 : 밸브 헤드 16 : 밸브 스템

18 : 벨 마우스 18a : 곡면

18b : 평면

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 엔진의 흡기밸브는, 밸브 시트에 밀착하는 밸브 페이스가 형성된 흡기 밸브에 있어서, 상기 밸브 페이스의 상측에는 밸브 페이스의 모서리에 이어지는 벨 마우스가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 벨 마우스의 반경(r)은, 밸브 수평면에 대한 밸브 페이스면의 각을 φ라 하고, 밸브 직경을 Dv라 할 때, r = (0.02 ~ 0.05)Dv x cosφ를 만족하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도5에 도시한 바와 같이, 닫힐 시에 밸브 시트에 밀착하는 밸브 페이스(12)의 하측으로 밸브 헤드(14)가 형성되고, 밸브 페이스(12)의 상측으로 밸브 스템(16)이 연결되어 있다.

상기 밸브 페이스(12)의 상측에는 밸브 페이스의 모서리에 이어지는 벨 마우스(18)가 형성되어 있다.

상기 벨 마우스(18)의 반경(r)은, 밸브 수평면에 대한 밸브 페이스면의 각을φ라 하고, 밸브 직경을 Dv라 할 때, r = (0.02 ~ 0.05)Dv x cosφ로 형성되는데, r = 0.05Dv x cosφ로 형성되는 것이 가장 바람직하다.

상기 벨 마우스(18)는 상기 밸브 스템 측에서 곡면(18a)을 이룬 후 상기 밸브 페이스면과 동일한 경사각으로 평면(18b)으로 형성되어 상기 밸브 페이스(12)의 상단 모서리(12a)에 이어져 있다.

상기 벨 마우스(18)의 반경은 다음과 같은 근거에 따라 정해진 것이다.

벨 마우스의 직경과 파이프의 직경에 따른 유동저항(유동손실)의 관계는 Frank M. White의 Fluid Mechanics p335에 그래프로서 잘 나타나 있는데, 그래프에서 유동손실을 가장 최소화 할 수 있는 치수는 벨 마우스의 반경이 파이프 직경의 약 20% 정도가 될 때로서, 이 경우 유동손실을 0.05 이하로 줄일 수 있는 것으로 나타나 있다. 만약 벨 마우스의 반경이 파이프 직경의 약 50% 정도가 된다면 그래프의 곡선을 연장하여 볼 때 유동손실을 거의 제거할 수 있는 것으로 된다.

이러한 벨 마우스를 도6에 도시한 바와 같이 유동이 천이되는 점인 Lv/Dv = 0.1의 저리프트 상태의 흡기밸브에 형성한다고 보고 오리피스의 직경(D)을 구해 보면,

D = Lv x cosφ = 0.1 x Dv cosφ이다.

여기서, Lv는 밸브 리프트이고, Dv는 밸브 직경이며, φ는 밸브 수평면에 대해 밸브 페이스면이 이루는 각이다.

유동손실이 최소로 하는 상태에서는 벨 마우스의 반경(r)이 오리피스 직경(D)의 20% ~ 50%일 때이므로,

r = (0.02 ~ 0.05)Dv x cosφ 가 된다.

이때, 벨 마우스의 반경(r)이 오리피스 직경의 50%일 때 유동손실을 거의 제거할 수 있으므로, r = 0.05 Dv x cosφ로 하는 것이 바람직하다.

도7은 이와 같은 벨 마우스(18)를 밸브 페이스(12)의 상측에 형성한 상태의 유동 경계선을 표시한 도면이다. 도시한 바와 같이, 도6에서 밸브 페이스의 상측 모서리에서 박리되는 유동 경계선이, 도7에서는 포트로부터 유입되는 흡기 유동이 벨 마우스(18)를 타고 흐르면서 박리가 억제되어 밸브 페이스의 면을 따라 흐르는 유체는 밸브 페이스의 끝까지 밸브 페이스의 면에 밀착되어 흐르는 유동 경계선을 나타내고 있음을 볼 수 있고, 최소단면(Amin)의 폭은 거의 오리피스 직경(도6의 D)만큼 유지되므로 도3의 (a)에서 도3의 (b)로 천이시 유동저항계수(Cd)의 급격한 감소가 생기지 않는다.

도8은 도4의 그래프와 비교하여 본 발명의 유동저항계수를 나타낸 그래프인데, 표시한 바와 같이 본 발명의 그래프는 a에서 c로 부드러운 곡선으로 이어짐을 알 수 있다.

도9는 종래의 흡기밸브와 본 발명의 벨 마우스를 형성한 흡기밸브를 사용하여 저중속 전개성능을 시험하여 비교한 그래프인데, 나타낸 바와 같이 본 발명의 흡기밸브를 사용한 엔진에서는 유동영역 천이시 유동저항계수의 급격한 저하를 방지할 수 있으므로 저리프트에서 유량확보가 가능하게 되어, 회전수에 따른 토오크를 나타낸 저중속 전개성능이 현저히 향상되었음을 알 수 있다. 이러한 저중속 전개성능은 전자밸브시스템(EMV : Electro Magnetic Valve System)과 같이 흡기 밸브를 전기적으로 구동하는 엔진과 거의 동일하다.

본 발명에 의한 엔진의 흡기밸브에 의하면, 전자밸브시스템을 적용하지 않고도 간단히 저리프트시의 유동박리를 억제함으로써 엔진의 저중속 전개성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 밸브 시트에 밀착하는 밸브 페이스가 형성된 흡기 밸브에 있어서,

   상기 밸브 페이스의 상측에는 밸브 페이스의 모서리에 이어지는 벨 마우스가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진의 흡기 밸브.
2. 제1항에 있어서,

   상기 벨 마우스의 반경(r)은,

   밸브 수평면에 대한 밸브 페이스면의 각을 φ라 하고, 밸브 직경을 Dv라 할 때, r = (0.02 ~ 0.05)Dv x Cosφ를 만족하는 것을 특징으로 하는 흡기 밸브.
3. 제1항에 있어서,

   상기 벨 마우스는,

   상기 밸브 스템 측에서 곡면을 이룬 후, 상기 밸브 페이스면과 동일한 경사각으로 평면으로 형성되어, 상기 밸브 페이스의 상단 모서리에 이어져 있는 것을 특징으로 하는 엔진의 흡기 밸브.