KR20090092765A - 피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트 - Google Patents

피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트

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Abstract

피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트(1)로서, 그 시트 인서어트(1)의 내부에 위치한 냉각덕트(2), 상기 냉각덕트(2)로 냉각액을 운반하기 위한 입구 포트(3) 및 상기 냉각덕트(2)로부터 냉각액을 배출하기 위한 출구 포트(4)를 포함하여 구성된다. 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4)는 서로 근접하게 배치되며, 상기 냉각덕트 (2)는 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이에 배치되어 전체 시트 인서어트(1) 주위의 적어도 거의 대부분을 따라 연장된다.

Description

피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트{VALVE SEAT INSERT FOR A PISTON ENGINE}
본 발명은 피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트(valve seat insert)에 관한 것이다.
피스톤엔진에서, 실린더헤드의 역할은, 실린더 슬리브의 상부 끝단을 덮어 연소실의 상부 부분을 형성하는 것이다. 상기 실린더 헤드에는 연소과정의 가스를 위한 입구 및 출구 통로가 형성되며, 또한 상기 실린더 헤드는 밸브 기어용의 기 초부(base)가, 디젤엔진에 있어서는 연료분사밸브용의 기초부가 된다. 상기 실린더 헤드에는 또한 상기 구성요소들에 요구되는 냉각을 위한 냉각용 덕트가 구비된다. 상기 실린더 헤드에 있어서 냉각이 필요한 구성요소들중 하나로서의 배기밸브 시트 인서어트는, 배기밸브 디스크 에 대한 그 결합 대향면에 높은 열적 부하가 걸리게 된다. 상기 시트 인서어트가 과도하게 가열되면, 영구적인 변형이 초래될 수 있으며 이는 상기 배기밸브의 누설을 초래하게 된다.
상기 배기밸브 시트 인서어트의 냉각을 위하여 다양한 구성들이 개발되어 오고 있다. 예를 들어, 상기 실린더 헤드의 냉각덕트들을 가능한 한 상기 시트 인서어트에 가깝게 배치하거나, 또는 상기 시트 인서어트를 위한 별도의 냉각액용 냉각덕트가 채택될 수 있다. 이러한 종류의 구성들에 관련된 문제는, 냉각효과가 불충분하고 냉각액이 누설된다는 것에 있다.
도 1은 실린더 헤드에 결합되어 장착된 본 발명에 따른 시트 인서어트의 단면도이다.
도 2는, A-A선을 따른 도 1의 시트 인서어트의 단면도이다.
본 발명의 목적은, 피스톤엔진에 있어서, 상기 밸브 시트 인서어트의 냉각을 개선하기 위한 것에 있다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 개시된 사항에 의하여 달성된다. 본 발명에 따른 밸브 시트 인서어트는 냉각덕트와, 냉각액을 상기 냉각덕트로 운반하기 위한 입구 포트와 상기 냉각덕트 밖으로 냉각액을 배출하기 위한 출구 포트를 포함하여 구성된다. 본 발명에 따르면, 상기 입구 포트 및 출구 포트는 서로 가깝게 배치된다. 또한, 상기 냉각덕트는 상기 입구 포트와 출구 포트 사이에 배치되며, 상기 냉각덕트는 전체 시트 인서어트(1) 주위의 적어도 거의 대부분을 따라 연장된다.
본 발명에 의하여 크나큰 효과가 얻어진다.
상기 시트 인서어트의 입구 포트 및 출구 포트는 서로 근접하게 배치되며, 냉각액은 상기 입구 포트와 출구 포트 사이에 위치하는 냉각덕트 내를 흐르며 상기 냉각덕트는 전체 시트 인서어트 주위의 적어도 거의 대부분을 따라 위치하고 있다. 안정적인 냉각액의 순환으로 인하여, 상기 시트 인서어트에서 비냉각영역은 존재하지 않으며, 이에 따라 상기 시트 인서어트의 냉각이 개선되고 작동수명이 연장된다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 시트 인서어트는 하나의 단일 부품(one-part piece)이며, 바람직하게는 단일 주조품(one-part casting) 또는 열간정수압프레스법(heat isostatic pressing)에 의하여 제조되는 단일 부품이다. 예컨대 용접에 의하여 여러 개의 별도의 부품으로 만들어지는 시트 인서어트에 비하여, 씰링되어야 할 표면들이 훨씬 적기 때문에, 상기 냉각덕트로부터의 냉각액 누설문제는 그렇게 크지 않다. 더욱이, 상기 냉각수 덕트를 주형 내의 적절한 위치에 두는 것이 용이하므로, 원하는 대로 덕트의 형상을 만들 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 냉각액용의 입구 포트와 출구 포트가 상기 시트 인서어트의 바깥둘레에 배치된다. 상기 시트 인서어트는 수축 끼워맞춤 (shrinkage fit)에 의하여 상기 실린더 헤드에 결합되며, 상기 시트 인서어트의 외주는 실린더 헤드의 대응되는 면에 대한 결합면으로서 작용한다. 이 때 상기 시트 인서어트의 외주로 열려진 입구 포트와 출구 포트는 냉각액 순환부와 빈틈없게 결합되어 있고 그 결합부는 엔진 배기가스로부터 보호된다. 또한, 외주의 상기 입구 포트 및 출구 포트는 주조 코어(foundry core)에 대한 지지점으로서 사용될 수 있어, 시트 인서어트가 주조될 동안, 상기 포트들은 덮여지거나 주조 후에 씰링될 필요가 없다.
이하에, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 더 자세히 설명한다.
도면들은 수냉 피스톤엔진 예컨대, 대형 디젤엔진의 실린더 헤드(5)에 수축 끼워맞춤에 의하여 부착된 피스톤엔진의 밸브 시트 인서어트(1)를 도시하고 있다. 상기 시트 인서어트(1)의 외주(8)는 실린더헤드(5)의 리세스의 에지부분에 맞추어 결합되어 있다. 실린더헤드(5)의 역할은 실린더슬리브의 상부 끝단을 덮어 실린더의 연소실(7)의 상부 부분을 형성하는 것이다. 또한, 상기 실린더헤드(5)는 실린더 연소 과정의 가스를 위한 입구 통로 및 출구통로(6)를 구비하고 있다. 상기 입구 및 출구 통로를 지나는 가스 흐름은 상기 통로와 결합하여 배치된 밸브들에 의하여 조절된다. 상기 실린더헤드는 또한 밸브 기어용의 기초부로서, 디젤엔진에 있어서는 연료분사 밸브용의 기초부로서 작용한다. 상기 실린더헤드(5)는 냉각액용의 통로 덕트를 구비하며, 상기 덕트는 엔진 냉각시스템의 일부이다. 도면에서는, 배기 밸브 시트 인서어트(1)가 도시되어 있으며, 이는 배기밸브 디스크(도시하지 않음)에 대한 대향면으로 작용한다. 상기 시트 인서어트(1)는 배기 통로(6)를 감싸고 있다.
상기 시트 인서어트(1)는 고리형의 냉각덕트(2)를 감싸고 있다. 상기 시트 인서어트(1)는 냉각덕트 내를 흐르는 냉각액에 의하여 냉각된다. 상기 냉각덕트(2)는 완전하게 상기 시트 인서어트(1)의 내부에 배치되며, 이는 상기 시트 인서어트가 상기 냉각덕트(2)의 모든 외부벽을 형성한다는 것을 의미한다. 상기 시트 인서어트는 상기 냉각덕트(2)를 완전하게 감싸고 있다. 상기 냉각덕트(2)는 전체 시트 인서어트(1) 주위의 거의 대부분을 따라 연장된다. 상기 시트 인서어트(1)는 또한 냉각액을 상기 냉각덕트(2)로 운반하기 위한 입구 포트(3)와 냉각액을 냉각덕트(2) 밖으로 배출하기 위한 출구 포트(4)를 포함하여 구성된다. 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4)는 상기 실린더헤드(5)의 냉각 회로 또는 그와는 별도의 독립된 냉각회로와 연결된다. 상기 입구포트(3)와 출구 포트(4)는 서로 근접하게 배치된다. 냉각덕트(2)는 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이에 배치되며, 적어도 거의 전 시트 인서어트(1)의 주위를 따라 연장된다. 또한, 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 외에, 상기 냉각덕트(2)는 개구를 가지고 있지 않으며, 상기 포트들을 통하여 냉각액은 냉각덕트(2)로 들어가거나 이로부터 나온게 된다. 즉, 상기 냉각덕트(2)는 단지 하나의 입구 포트 및 하나의 출구 포트와 유통 연결되어 있다. 또한, 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이의 짧은 쪽의 루트는 닫혀있다. 따라서, 상기 시트 인서어트(1)로 공급되는 냉각액은 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이에서 거의 전 시트 인서어트(1)를 따르는 냉각덕트(2) 내를 순환한다. 상기 냉각덕트(2)는 분기되어 있지 않기 때문에, 시트 인서어트(1)로 공급되는 모든 냉각액은 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이의 단지 하나의 루트인 냉각덕트(2) 내를 흐른다. 시트 인서어트(1) 내의 냉각액의 흐름 방향은 도면에서 화살표로 표시되어 있다.
충분하게 균일한 냉각효과를 제공하기 위하여, 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4)는 가능한 서로 가깝게 배치된다. 입구 포트(3)의 중심과 출구 포트(4)의 중심 사이의 중심각 α는, 최대 70° 바람직하게는 최대 20°이다. 상기 중심각 α는 그러나, 적어도 5°이상, 바람직하게는 적어도 10°이다. 따라서, 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 중심 사이의 우각(reflex central angle) β는 적어도 290° 바람직하게는 적어도 340°이다. 상기 우각 β는, 그러나 최대 355°바람직하게는 최대 350°이다. 상기 중심각은, 시트 인서어트의 중심 P와 입구 포트(3)의 중심을 연결하는 직선과, 중심 P와 출구 포트(4)의 중심을 연결하는 직선 사이의 각도이다. 상기 냉각덕트(2)는 시트 인서어트의 중심 P 주위로 상기 우각 β의 범위에 걸쳐 곡선을 그리며 형성되어 있다.
상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4)는 상기 시트 인서어트(1)의 외주(8), 즉 수축 끼워맞춤에 의하여 상기 실린더 헤드(5) 상의 대향면에 대하여 결합되는 시트 인서어트(1)의 표면 상에 위치하고 있다. 시트 인서어트(1)는 하나의 단일 부품, 예컨대 주조에 의하여 제조되는 하나의 단일 주조품이다. 주조 과정 동안, 냉각덕트의 주조 코어는 상기 입구 포트 및 출구포트에서 지지되며 또한 그 밖의 추가적인 몇몇 지점에 의하여 지지될 수 있다. 선택적으로, 상기 시트 인서어트(1)는 분말야금제조법, 예컨대 열간정수압프레스법(HIP)에 의하여 제조될 수 있다. 이 방법에서는, 분말상 원재료가 시트형의 캡슐(sheet capsule)에 싸여지며, 상기 시트형 캡슐은 후에 수행될 정수압 성형(약 1800 bar)에 의한 변형을 고려하여 최종제품의 형태에 가깝게 되어 있다. 냉각덕트는 튜브형태로 만들어져 상기 캡슐내에 위치되고 이후 분말이 채워진다. 분말이 채워진 캡슐은 모든 방향으로부터 균일하게 압력이 가해지고, 그 사이에 상기 캡슐은 고온하에 있으며, 이에 의하여 상기 분말상 원재료는 몰드(mould)의 형태에 따른 형상으로 압축성형된다.
냉각액은 상기 입구 포트(3)를 통하여 상기 냉각덕트(2)내로 공급된다. 상기 냉각액은 거의 전 시트 인서어트(1) 주위에 있는 냉각덕트(2) 내를 순환하고, 그 후 상기 출구 포트(4)를 통하여 냉각덕트(2)로부터 배출된다. 상기 냉각액은 시트 인서어트의 중심 P 주위의 냉각덕트(2) 내에서 우각 β의 범위에 걸쳐 순환한다.
본 발명은 상술한 것과 다른 실시예들을 가진다. 도 1 및 도 2에 따른 실시에서는, 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이의 냉각덕트(2)의 짧은 쪽의 영역은 닫혀 있으며, 이에 따라 냉각액은 상기 포트들(3,4) 사이에서 거의 전 시트 인서어트 주위를 따라 지나는 보다 긴 루트를 따라서만 흐른다. 상기 냉각덕트(2)는 전체 시트 인서어트 주위를 따라 연장되는 완전한 고리형의 형태로 될 수 있으며, 이 경우는 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이의 짧은 쪽 부분은 하나의 개방된 영역이 형성된다. 상기 짧은 쪽의 부분에는 스로틀링부가 제공되어, 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이의 짧은 쪽의 루트를 통하여서는 단지 소량의 냉각액만이 흐르고, 반면 전체 시트 인서어트의 거의 대부분를 따라 연장되는 보다 긴 쪽의 루트를 따라서는 대부분의 냉각액이 흐르게 된다. 도 1 및 도 2에 따른 실시예에 유사하게, 이 실시예에서도 상기 시트 인서어트는 냉각덕트를 완전하게 감싸고 있다.

Claims (5)

  1. 피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트(1)로서, 상기 시트 인서어트는 그 시트 인서어트(1)의 완전히 내부에 위치한 냉각덕트(2), 상기 냉각덕트(2)로 냉각액을 운반하기 위한 입구 포트(3) 및 상기 냉각덕트(2)로부터 냉각액을 배출하기 위한 출구 포트(4)를 포함하여 구성되고, 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4)는 서로 근접하게 배치되며, 상기 냉각덕트(2)는 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이에 배치되어 전체 시트 인서어트(1) 주위의 적어도 거의 대부분을 따라 연장되는 피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트(1)에 있어서,
    상기 밸브 시트 인서어트는 단일의 부품(one-piece part)인 것을 특징으로 하는 피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트.
  2. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    냉각액이, 상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4) 사이에 배치되며 전체 시트 인서어트(1) 주위의 적어도 거의 대부분을 따르는 냉각덕트(2)내를 흐르는 것을 특징으로 하는 피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트.
  3. 선행하는 항 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 입구 포트(3)의 중심과 출구 포트(4)의 중심 사이의 중심각(α)은 최대 70° 바람직하게는 최대 20°인 것을 특징으로 하는 피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트.
  4. 선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 입구 포트(3)와 출구 포트(4)는 상기 시트 인서어트(1)의 외주(8)에 배치된 것을 특징으로 하는 피스톤엔진용 밸브 시트 인서어트.
  5. 실린더의 연소실(7)로부터의 배기 가스를 배출하기 위한 배출통로(6)를 구비한실린더 헤드(5)를 포함하여 구성되는 피스톤엔진용의 실린더헤드 장치에 있어서,
    상기 배출통로(6)는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 밸브 시트 인서어트(1)와 연결되게 배치되며, 상기 시트 인서어트는 입구 포트(3) 및 출구 포트 (4)를 통하여 냉각 시스템과 연결되는 것을 특징으로 하는 피스톤엔진용의 실린더헤드 장치.
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