KR20110131231A - 냉각 경로를 갖는 슬리브 밸브 조립체 - Google Patents

냉각 경로를 갖는 슬리브 밸브 조립체 Download PDF

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Abstract

슬리브 밸브 조립체에 관한 것이다. 이 조립체는 밸브 시트, 슬리브 밸브, 및 오일 경로-형성 피스를 구비한다. 슬리브 밸브는 공동을 갖는 원위 단부를 구비한다. 원위 단부는 슬리브 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트와 접촉한다. 오일 경로-형성 피스는 유입 포트, 유출 포트 및 다수의 냉각 통로를 구비한다. 슬리브 밸브의 플랜지는, 유입 포트에 유입되어 냉각 통로를 통해서 이동하는 냉각 유체가 유출 포트에서 빠져나가기 전에 공동에 진입하도록 오일 경로-형성 피스와 슬라이딩 접촉한다.

Description

냉각 경로를 갖는 슬리브 밸브 조립체{SLEEVE VALVE ASSEMBLY WITH COOLING PATH}
본 출원은, 발명의 명칭이 슬리브 밸브 조립체이고 2009년 2월 24일자로 출원되었으며 그 전체가 본 명세서에 원용되는 미국 가출원 제61/155,010호를 35 U.S.C. §119(e)하에 우선권으로 주장한다.
내연기관은 피스톤과 이 피스톤이 회전 및/또는 슬라이딩하는 실린더 내의 실린더 벽 사이에 끼워지는 슬리브 밸브를 구비한다. 슬리브 밸브는 밸브 내의 개구가 연소 사이클의 적절한 스테이지에서 실린더 내의 흡입 및 배기 포트와 정렬되도록 피스톤과 독자적으로 움직인다. 이러한 슬리브 밸브의 일 예가, 발명의 명칭이 "내연기관"이고 Cleeves Engines Inc.에 양도되었으며 그 전체가 본 명세서에 원용되는 미국 특허 제7,559,298호에 개시되어 있다.
도 9는 종래의 환형 슬리브 밸브 조립체(20)의 일부의 단면도이다. 슬리브 밸브 조립체(20)는 슬리브 밸브(22), 오일 경로-형성 피스(24) 및 밸브 시트(36)를 구비한다. 슬리브 밸브(22)는 단부면(14)을 갖는 원위 단부(18), 내표면(21) 및 외표면(23)을 갖는다. 오일 경로-형성 피스(16)는 오일 유입구(28), 냉각 통로(30), 및 오일 유출구(32)를 구비한다. 도 9는 단부면(14)이 밸브 시트(36)와 접촉하고 있을 때 폐쇄 위치에 놓이는 슬리브 밸브(22)를 도시한다.
슬리브 밸브(22)는 밸브 시일(26)을 지나서 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 왕복한다. 시일(26)의 한 쪽에는 한 쪽에서 흡입되거나 다른 쪽에서[포트(34)를 거쳐서] 배출되는 매니폴드 가스가 존재하며, 시일(26)의 다른 쪽은 오일 경로-형성 피스(16) 내의 냉각/윤활 오일 경로(27)이다. 실린더(도시되지 않음) 내의 연소 가스는 슬리브 밸브(22)의 내표면(21)을 가열하며, 슬리브 밸브(22)의 외표면(23) 상의 오일 시일을 간접적으로 가열한다. 이 실시예에서, 냉각 통로(30)를 통해서 이동하는 냉매는 슬리브 밸브(22)의 외표면(23)으로부터 적어도 거리(t1) 이격된다. 통상적인 거리(t1)는 슬리브 밸브(22)의 외표면(23)으로부터 수 밀리미터 이격된다.
종래의 슬리브 밸브는 보통 스틸로 제조된다. 슬리브 밸브(22)가 스틸인 경우에, 슬리브 밸브(22)의 단부면(14)을 엔진의 작동 중에 효과적으로 냉각시키는 것은 매우 어렵다.
슬리브 밸브 설계를 위해 보다 효과적인 냉각 시스템이 요구된다.
본 발명의 일 태양은 개선된 냉각 특징을 갖는 슬리브 밸브 조립체를 제공하는 것이다. 냉각 유체가 슬리브 밸브의 선단 근처를 순환할 수 있게 하는 슬리브 밸브 조립체의 제공은 조립체의 냉각 효율을 극대화하는 한 가지 방법이다. 일 실시예에서, 슬리브 밸브 조립체는 밸브의 원위 단부에 오목한 공동을 갖는 슬리브 밸브를 구비한다. 다른 실시예에서, 슬리브 밸브 조립체는, 슬리브 밸브의 외표면에 형성된 냉각 홈과 조합되는 높은 열전도성 특징을 갖는 슬리브 밸브를 구비한다. 또 다른 실시예에서, 슬리브 밸브 조립체는 열전달제로 부분 충전되는 중공 슬리브 밸브를 구비한다.
선단에 오목한 공동을 갖는 슬리브 밸브는 오일 경로-형성 피스 내에서 순환하는 냉각 유체가 슬리브 밸브의 가장 뜨거운 부분에 가까운 거리 내에서 이동할 수 있게 한다. 작동 시에, 실린더 내에서 발생된 열은 슬리브 밸브의 내표면을 가열시킨다. 실린더 내의 최고 온도는 슬리브 밸브의 원위 단부에 존재하며, 원위 단부가 밸브의 가장 뜨거운 부분이 되게 한다. 슬리브 밸브의 선단에 있는 공동은 냉각 유체가 밸브 선단의 내표면에 분사될 수 있게 한다. 따라서, 냉각 유체는 밸브 자체의 두께 만큼만 밸브의 가장 뜨거운 표면으로부터 분리된다.
열전달제로 충전된 중공 슬리브 밸브는 고성능 엔진에 요구될 수 있는 추가 냉각을 제공한다. 일 실시예에서, 슬리브 밸브 내의 공동은 나트륨으로 부분 충전된다. 나트륨이 (실린더로부터) 내부 슬리브 밸브 벽을 통해서 전달되는 열에 노출될 때, 나트륨은 액화되고 공동 주위에서 출렁거리기(slosh) 시작한다. 액체 나트륨은 슬리브 밸브의 내벽으로부터 열을 취출(draw)한다. 오일 경로-형성 피스는 냉각 유체를 슬리브 밸브의 외벽을 따라서 순환시킨다. 슬리브 밸브의 외벽을 따라서 흐르는 냉각 유체는 슬리브 밸브의 외벽으로부터 열을 취출한다. 이는 또한 오일 경로 형성 피스에 열을 전도한다.
높은 열전도 특징을 갖는 슬리브 밸브는 슬리브 밸브의 고온 단부로부터 열을 취출하기 위한 높은 열 플럭스(heat flux)를 제공한다. 일 실시예에서, 슬리브 밸브는 알루미늄 슬리브 밸브를 포함할 수 있다. 알루미늄은 높은 열전도성을 가지며, 따라서 예를 들어 스틸보다 빠르게 열을 방열시킬 수 있다. 알루미늄 슬리브 밸브의 질량을 감소시키고 냉각용 표면적을 증가시키기 위해, 슬리브 밸브의 외표면에 축방향 홈이 형성된다. 오일 경로-형성 피스는 이들 홈을 통해서 냉각 유체를 순환시킨다.
본 발명의 일 실시예는 슬리브 밸브의 수명을 증가시키는 것이다. 일 실시예에서, 슬리브 밸브 위에 경화된 삽입체가 배치된다. 대안적으로, 슬리브 밸브의 선단 위에는 코팅이 제공된다. 삽입체 또는 코팅은 슬리브 밸브 재료 자체보다 높은 경도를 갖는 것이 바람직하다. 삽입체 및/또는 코팅은 슬리브 밸브의 마모를 방지하거나 감속시킬 것이다. 삽입체는 큰 표면적에 걸쳐서 밸브 시트로부터 수신되는 충격력을 분산시키기 위해 충격 흡수 특징부를 구비할 수 있다.
이 개요는 상세한 설명에서 추가적으로 후술되는 간단한 형태의 개념 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 개요는 청구 요지의 핵심 특징 또는 필수 특징을 확인하기 위해 의도된 것도 아니고, 청구 요지의 범위를 결정하는데 있어서 보조 수단으로 사용되기 위한 것도 아니다.
도 1은 슬리브 밸브가 폐쇄 위치에 있는 상태의, 슬리브 밸브 조립체의 절취 등각도이다.
도 2는 슬리브 밸브가 개방 위치에 있는 상태의, 도 1에 도시된 슬리브 밸브 조립체의 절취 등각도이다.
도 3은 오일 경로-형성 피스의 절취 등각도이다.
도 4는 슬리브 밸브 조립체의 다른 실시예의 측단면도이다.
도 5는 슬리브 밸브의 원위 단부의 추가 상세를 제공하는, 도 1에 도시된 슬리브 밸브 조립체의 측단면도이다.
도 6은 슬리브 밸브가 개방 위치에 있는 상태의, 도 5에 도시된 슬리브 밸브 조립체의 측단면도이다.
도 7은 슬리브 밸브가 폐쇄 위치에 있는 상태의, 슬리브 밸브 조립체의 다른 실시예의 측단면도이다.
도 8은 슬리브 밸브가 개방 위치에 있는 상태의, 슬리브 밸브 조립체의 다른 실시예의 측단면도이다.
도 9는 슬리브 밸브가 폐쇄 위치에 있는 상태의, 종래 기술에 따른 슬리브 밸브 조립체의 측단면도이다.
도 10은 슬리브 밸브의 원위 단부에 삽입체의 다른 실시예가 제공되는, 도 7에 도시된 슬리브 밸브의 측단면도이다.
도 11은 슬리브 밸브의 원위 단부에 삽입체의 다른 실시예가 제공되는, 도 7에 도시된 슬리브 밸브의 측단면도이다.
도 12는 슬리브 밸브의 원위 단부를 코팅이 커버하는, 도 7에 도시된 슬리브 밸브의 측단면도이다.
도 13은 슬리브 밸브의 원위 단부에 삽입체의 다른 실시예가 제공되는, 도 7에 도시된 슬리브 밸브의 측단면도이다.
도 14는 슬리브 밸브의 원위 단부에 삽입체의 또 다른 실시예가 제공되는, 도 7에 도시된 슬리브 밸브의 측단면도이다.
이제 본 발명을 도 1 내지 도 8과 도 10 내지 도 14를 참조하여 설명할 것이다. 도 1은 슬리브 밸브 조립체(100)를 도시한다. 슬리브 밸브 조립체(100)는 슬리브 밸브(102), 중심 연결 피스(104) 및 오일 경로-형성 피스(106)를 구비한다. 도 1에서는, 슬리브 밸브(102)의 단부면(110)이 밸브 시트(116)와 접촉할 때 슬리브 밸브(102)가 폐쇄 위치에 있는 것으로 도시되어 있다.
슬리브 밸브(102)는 슬리브 부분(103), 단부면(110) 및 플랜지(112)를 구비한다. 슬리브 부분(103)은 내표면(103A)과 외표면(103B)을 구비한다. 슬리브 부분(103)은 원통형 형상이며, 외경(OD1), 내경(ID1) 및 축방향 중심선(C-C)을 갖는다. 따라서 슬리브 부분(103)의 두께 또는 폭(t2)은 외경(OD1)과 내경(ID1) 사이의 거리의 절반이다.
도 1 실시예에서, 슬리브 부분(103)은, 단부면(110)과 플랜지(112)로 이행되는 원위 단부(108)("상단부" 또는 "선단"으로도 지칭됨)를 구비한다. 나중에 더 자세히 설명하듯이, 단부면(110)은 슬리브(102)가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트(116)와 시일을 형성한다. 플랜지(112)는 단부면(110)으로부터 후방으로 거리(d1) 연장되며, 내표면(115)과 외표면(117)을 갖는다. 슬리브 부분(103)과 플랜지(112) 사이에서 슬리브 밸브 선단에는 공동(114)이 형성된다. 특히, 공동(114)은 슬리브 부분(103)의 외표면(103B), 슬리브 밸브 선단의 내벽(119)(도 4 및 도 5 참조) 및 플랜지(112)의 내표면(115) 사이의 영역에 의해 형성된다. 도 1은 슬리브 부분(103)의 두께(t2)가 슬리브 선단 및 플랜지(112)의 두께보다 약간 얇은 것을 도시한다. 슬리브 부분(103), 슬리브 선단 및 플랜지(112)가 균일한 폭을 갖거나 플랜지(112)가 슬리브 부분(103)에 대해 얇을 수 있는 것은 본 발명의 범위에 포함된다.
중심 연결 피스(104)는 외측 부분(105)과 내측 부분(107)을 갖는 링 형태이다. 중심 연결 피스(104)는 점화 플러그 슬리브(도시되지 않음)를 구비하며, 이 슬리브를 통해서 점화 플러그가 삽입될 수 있다. 중심 연결 피스(104)는 추가로 밸브 시트(116)를 형성한다. 한쪽에 있는 중심 연결 피스(104)와 다른 쪽에 있는 실린더 블록(도시되지 않음) 사이에는 공기 유입 또는 유출 포트(10)(도 4에 도시됨)가 형성된다.
오일 경로-형성 피스(106)는 슬리브 밸브 조립체(100)에 두 가지 주요 기능을 제공한다: 이는 조립체를 통해서 냉각 유체(예를 들면, 오일)를 순환시키기 위한 냉각 유체 경로를 형성하며; 이는 슬리브 부분(103) 및 플랜지(112)를 위한 가이드로서 작용한다. 오일 경로-형성 피스(106) 내의 냉각 유체 경로는 유입 포트(120), 원주방향 홈(126), 축방향 홈(128), 수집 장치(collector)(170) 및 유출 포트(122)에 의해 형성된다. 유입 포트(120)는 냉각 유체가 오일 경로-형성 피스(106)에 진입하여 슬리브 부분(103)의 외표면(103B)을 향해서 이동할 수 있게 한다. 냉각 유체는 유출 포트(122)에서 수집 장치(170)로 빠져나간다. 원주방향 홈(126)은 냉각 유체가 슬리브 부분(103)의 둘레 주위에서 그 외표면(103B)을 따라서 분배될 수 있게 한다. 축방향 홈(128)은 제1 가이드 링(183)에 제공된다. 홈(128)은 원주방향 홈(126)으로부터 공동(114)으로의 경로를 제공한다. 제1 가이드 링(183)은 일반적으로 슬리브 부분(103)의 외표면(103B)이 따라서 미끄러져 슬리브 밸브(102)의 반경방향 운동(화살표 A-A에 직교하는 운동)을 방지하기 위한 표면을 제공한다. 제1 가이드 링(183)의 추가 상세는 나중에 도 3을 참조하여 제공될 것이다.
오일 경로-형성 피스(106)는 또한 제2 가이드 링(185)을 구비한다. 제2 가이드 링(185)은 두 표면(145, 147) 사이에 시일 홈(133)을 구비한다. 제2 가이드 링(185)은 플랜지(112)용 안내면을 제공할 수 있다. 제2 가이드 링(185)이 플랜지(112)용 안내면을 제공하는 경우에, 표면(145) 또는 표면(147)이 플랜지(112)용 안내면을 제공하는 것은 본 발명의 범위에 포함된다. 대안적으로, 양 표면(145, 147)은 플랜지(112)용 안내면을 제공할 수 있다. 시일 홈(133) 내의 시일은 냉각 유체가 포트(10)로 누설되는 것을 방지한다. 제2 가이드 링(185)의 추가 상세는 나중에 도 3을 참조하여 제공될 것이다.
슬리브 밸브(102)는 화살표 A-A로 도시하듯이, 오일 경로-형성 피스(106)에 대해 좌우로 슬라이딩 이동할 수 있다. 슬리브 밸브(102)가 (도 1의 사시도에서) 우측으로 이동하면 포트(10)가 개방된다. 슬리브 밸브(102)가 좌측으로 이동하면 포트(10)가 폐쇄되고, 슬리브 밸브(102)의 단부면(110)은 밸브 시트(116)와 시일을 형성한다.
도 1이 점화 중에 폐쇄되는 슬리브 밸브를 나타내면, 슬리브 밸브(102)의 내부 체적은 압축 공기와 연료, 통상은 기화 석유로 충전된다. 연료가 점화되면, 이는 연소를 초래하고, 슬리브 밸브(102)의 내부 체적 내의 압력 증가를 초래한다. 이 경우에, 슬리브 부분(103)은 사이클 중에 최고 압력 및 온도를 겪는다. 특히, 슬리브 선단 또는 원위 단부(108)는 최고 온도를 겪는다. 점화 이후, 실린더의 내부 체적은 증가된 연소 압력으로 인해 팽창한다(피스톤이 우측으로 도시됨, 도시되지 않음). 이 팽창은 슬리브 밸브(102)의 내부 체적 내의 압력 및 온도의 감소를 초래한다. 따라서, 슬리브 부분(103)의 내표면(103A)이 겪는 온도 구배는 원위 단부(108)에서 가장 고온이고 내표면(103A)의 온도는 [원위 단부(108)로부터 먼] 슬리브 부분(103) 아래에서 감소된다. 따라서, 슬리브 밸브(102)의 가장 뜨거운 부분[예를 들면, 원위 단부(108)]에 걸친 냉각 유체의 순환은 효과적인 냉각을 제공한다.
작동 시에, 냉각 유체는 효과적으로 홈(128)으로부터 공동(114) 안으로 스프레이 또는 제트 분사된다. 따라서, 냉각 유체가 공동(114)으로부터 수집 장치(170)로 배출되기[결국에는 포트(122)를 빠져나가기] 전에 냉각 유체는 슬리브 부분(103)의 외표면(103B), 밸브(102)의 선단의 내표면(119)(도 4 및 도 5) 및 플랜지(112)의 내표면(115)과 접촉하거나 이를 커버한다. 따라서 공동(114) 내의 냉각 유체는 슬리브 부분(103)의 두께(t2)만큼만 슬리브 부분(103)의 내표면(103A)으로부터 분리된다. 단지 예시적으로, 슬리브 부분(103)의 두께(t2)는 1 내지 3mm의 거리를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 공동(114) 내의 냉각 유체는 슬리브 선단의 두께만큼만 밸브(102)의 단부면(110)으로부터 분리된다. 슬리브 밸브 선단에 제공된 공동(114)은 슬리브 밸브(102)의 가장 뜨거운 부분과 냉각 유체 사이의 거리를 급격히 감소시키며, 종래의 슬리브 밸브 설계에 비해서 조립체(100)의 열전달 속도를 크게 증가시킨다.
도 1은 플랜지(112)가 단부면(110)으로부터 후방으로 거리(d1)만큼 연장됨을 도시한다. 플랜지(112)의 길이(d1)는 변화될 수도 있다. 나중에 보다 자세히 설명하듯이, 플랜지(112)는 여러 가지 기능을 제공한다. 플랜지(112)의 외표면(117)은 오일 경로-형성 피스(106)의 제2 가이드 링(185)의 제2 접촉면(147)과 슬라이딩 접촉한다. 플랜지(112)의 외표면(117)과 제1 접촉면(145) 사이에 윤활이 없기 때문에 플랜지(112)의 외표면(117)은 제1 접촉면(145)과 슬라이딩 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 냉각 유체가 플랜지(112)의 외표면(117)을 따라서 수집 장치(170)로부터 포트(10)로 누설되는 것을 방지하기 위해, 제1 및 제2 접촉면(145, 147) 사이에 배치된 채널(133)에 시일(130)(도 5에 도시됨)이 착좌된다.
도 2는 개방 위치에 있는 슬리브 밸브(102)를 도시한다. 도 2에 도시하듯이, 슬리브 밸브(102)는 밸브 시트(116)로부터 후방으로 거리(d4) 이동하였다. 시일(130)은 슬리브 밸브(102)가 후방으로 이동할 때 플랜지(112)의 외표면(117)과 접촉을 유지한다. 슬리브 밸브(102)가 후방으로 이동함에 따라, 슬리브 밸브(102)의 원위 단부(108)는 시일(130)을 향해서 이동한다. 전술했듯이, 원위 단부(108)는 엔진의 작동 중에 슬리브 밸브(102)의 고온 부분이다. 따라서, 시일(130)은 슬리브 밸브가 개방될 때 슬리브 밸브(102)의 더 고온 부분을 지나서 이동한다. 단지 예시적으로, 밸브(102)가 도 2에 도시된 개방 위치에 있을 때 시일(130)은 단부면(110)의 1 내지 3mm 내에 있다[밸브(102)가 도 1에 도시된 폐쇄 위치에 있을 때 대략 1.5cm 이격된 것과 대조적으로]. 이들 거리는 단지 예시적이다.
플랜지(112)의 길이(d1)는 플랜지(112)가 항상 시일(130)과 접촉 유지되도록 충분히 길어야 한다. 제1 가이드 링(183)이 안내면[예를 들어, 슬리브 부분(103)의 가이드 오프 외표면(103b)]을 제공하는 경우에, 표면(145, 147)은 플랜지(112)의 외표면(117)과 접촉하지 않을 것 같다. 대신에, 표면(145)은 배기 가스의 배출을 최소화하거나 방지하기 위해 플랜지(112)의 외표면(117)에 근접하며, 표면(147)은 제2 가이드 링(185)의 시일(130)을 지지 및 설치하기 위해 플랜지(112)의 외표면(117)에 근접하다. 플랜지(112)는 밸브(102)가 개방 위치(도 2)에 있을 때 플랜지(112)의 림(119)(도 4 및 도 5)이 수집 장치(170)의 후방 벽(171)과 접촉하도록 길지 않아야 한다. 도 2는 또한, 냉각 유체가 슬리브 밸브(102)의 작동의 모든 태양 중에 유동하여 조립체에 대한 기계적 손상을 방지할 수 있도록 플랜지(112)의 내표면(115)과 수집 장치(170)의 하면(173) 사이에 갭이 존재하는 것을 도시한다. 냉각 유체 경로의 추가 상세는 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 명세서에 제공된다.
도 2는 단부면(110)이 제1 표면(111)과 제2 표면(113)을 구비하는 것을 도시한다. 나중에 더 자세히 설명하듯이, 단부면(110)의 형상 또는 구조는 밸브 시트(116)의 형상을 반영하는 것이 바람직하다.
도 3은 오일 경로-형성 피스(106)의 추가 상세를 제공한다. 도 3은 오일 경로-형성 피스(106)가 보디(180), 제1 가이드 링(183) 및 제2 가이드 링(185)을 구비하는 것을 도시한다. 보디(180)는, 냉각 유체가 원주방향 홈(126) 안으로 이동할 수 있게 하는 유입 포트(120)를 구비한다. 보디(180)에는 또한 수집 장치(170)와 유출 포트(122)가 형성된다. 제1 가이드 링(183)은 다중 냉각 홈(128)을 구비하며, 각각의 냉각 홈은 유입구(128A)와 유출구(128B)를 갖는다. 원주방향 홈(126)에 진입하는 냉각 유체는 냉각 홈(128) 안으로 빠져나간다. 홈(128) 사이에 형성된 융기면(raised surface)(141)은 밸브(102)가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동할 때 슬리브 부분(103)의 외표면(103B)에 대한 안내면을 제공한다. 융기면(141)은 또한, 냉각 유체가 원주방향 홈(126) 주위에 분포되고 이어서 단부 벽(110)의 내표면(119)에 충돌하기 위해 충분한 속도로 냉각 홈(128)을 통과하도록 보장하기 위해 유동 제한기로서 작용한다. 냉각 홈(128)은 냉각 액체가 원주방향 홈(126)으로부터 슬리브 밸브 부분(103)의 외표면(103B)을 따라서 슬리브 밸브(102)의 원위 단부(108)에 있는 공동(114) 안으로 이동하기 위한 경로를 제공한다. 제1 가이드 링(183)은 슬리브 부분(103)의 외경(OD1)과 거의 동일한 내경을 갖는다.
도 3은 가이드 링(183) 내의 냉각 홈(128)의 하나의 구조를 도시한다. 냉각 홈(128)은 도 3 구조에 제한되지 않는다. 가이드 링(183)은 도 3에 도시된 것보다 많은(또는 적은) 냉각 홈(128)을 구비할 수 있으며, 냉각 홈(128)은 다른 형상(예를 들면, 정사각형 단면 등)을 포함할 수 있다. 홈(128)은 또한 도 3에 도시된 것보다 크거나 작은 직경을 가질 수 있다. 홈(128)의 길이는 또한 변화될 수 있다. 도 3에 도시된 홈(128)은 슬리브 밸브(102)의 중심선(C-C)에 대해 축방향으로 정렬된다. 홈(128)은 또한 슬리브 밸브(102)의 중심선(C-C)에 대해 경사 배치될 수 있다.
제2 가이드 링(185)은 플랜지(112)에 대한 안내를 제공한다. 가이드 링(185)의 내경은 플랜지(112)의 외경과 거의 유사한 것이 바람직하다. 전술했듯이, 가이드 링(185)은 또한 냉각 유체가 포트(10) 안으로 누설되는 것을 방지하기 위해 [시일(130)을 거쳐서] 플랜지(112)의 외표면(117)과 시일을 유지한다.
도 4 내지 도 8은 슬리브 밸브 및 오일 경로-형성 피스의 다양한 구조를 도시한다. 도 4는 슬리브 밸브(102)가 폐쇄 위치에 있는 상태의, 도 1 및 도 2에 도시된 슬리브 밸브 조립체(100)의 변형예를 도시한다. 도 4 구조에서, 플랜지(112)의 외표면(117)은 작동 중에 오일 경로-형성 피스(106)의 표면(146)과 직접 접촉하지 않는다. 또한, 시일(130)은 슬리브 밸브(102)의 단부면(110)으로부터 일정 거리를 유지하기 위해 플랜지(112)와 함께 이동한다.
도 4는 두 개의 돌기(132)가 플랜지(112)의 외표면(117)으로부터 상방 연장되는 것을 도시한다. 각각의 돌기(132)의 원위 단부는 오일 경로-형성 피스(106)의 표면(146)에 근접한다. 일 실시예에서, 돌기(132)의 원위 단부는 표면(146)과 간극을 가지며, 돌기(132) 사이에 착좌되는 시일을 지지한다.
도 4 구조의 한 가지 장점은 시일(130)이 슬리브 밸브(102)의 단부면(110)으로부터 일정 거리를 유지한다는 것이다. 슬리브 밸브(102)가 개방됨(우측으로 이동함)에 따라, 시일(130)은 플랜지(112)와 함께 우측으로 이동한다. 따라서, 시일(130)은 플랜지(112)의 가장 뜨거운 부분을 지나서[단부면(110)을 향해서] 미끄러지지 않는다. 시일(130)이 고온에 노출되면 시일(130)의 수명이 저하될 수 있다. 따라서, 시일(130)을 슬리브 밸브(102)의 단부면(110)으로부터 일정 거리 유지시키게 되면 시일(130)의 수명을 증가시킬 수 있다. 각각의 돌기(132)는 높이(h1)를 갖는다. 돌기(132)의 높이(h1)는 공동(114)의 이용가능한 높이(h2)를 감소시키며, 공동(114)의 체적을 효과적으로 감소시킨다.
도 4는 (도 4의 사시도에서) 냉각 유체가 유입 포트(120)에 진입하고 유출 포트(122)를 떠날 때 냉각 유체가 슬리브 밸브 조립체(100) 내에서 우에서 좌로 유동하는(화살표로 점선 도시)것을 도시한다. 대안적으로, 유체 유동은 역전될 수 있다[예를 들어, 유입 포트(120)와 유출 포트(122)가 역전된다]. 도 4는 또한 슬리브 부분(103)의 두께가 플랜지(112) 또는 밸브의 선단의 두께보다 큰 것을 도시한다. 전술했듯이, 슬리브 부분(103)은 적절한 강성 특징을 제공하기 위해 보다 큰 두께를 요구할 것 같다. 냉각 유체가 공동(114) 내에서 출렁거림에 따라, 냉각 유체는 슬리브 부분(103)의 외표면(103B), 플랜지(112)의 내표면(115), 및 슬리브 선단의 내표면(119)을 냉각시키고 있다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 슬리브 밸브(102), 연결 피스(104) 및 오일 경로-형성 피스(106)의 추가 상세를 제공한다. 도 5는 폐쇄 위치에 있는 슬리브 밸브(102)를 도시하며, 따라서 슬리브 밸브(102)의 단부면(110)은 밸브 시트(116)와 접촉 상태에 있다. 도 5는 슬리브 선단의 내벽(119)이 슬리브 부분(103)의 외표면(103B)과 각도(θ)를 형성하는 것을 도시한다. 각도(θ)는 30도와 90도 사이의 임의의 각도를 포함할 수 있으며, 일 실시예에서는 45도를 포함한다. 도 5는 또한 공동(114)의 높이(h3)를 도시한다. 공동의 증가된 높이는 플랜지(112)의 외표면(117)이 오일 경로-형성 피스(106)의 표면(145, 147)과 시일을 형성하게 만든다. 도 5에 도시된 높이(h3)는 플랜지(112)와 오일 경로-형성 피스(106) 사이에 존재했던 갭(h1)이 제거되었기 때문에 도 4에 도시된 높이(h2)보다 크다. 공동(114)의 체적 증가는, 공동(114)을 통해서 순환할 수 있는 냉각 유체의 양을 증가시킨다. 슬리브 밸브 선단 내에서의 냉각 유체의 증가된 순환은 도 5에 도시된 조립체의 보다 양호한 냉각 특징을 제공하며[예를 들어, 실린더 내의 고온에 노출되는 슬리브 부분(103)으로부터 더 많은 열을 제거함], 덜 제한적인 배출을 허용한다.
채널(133) 내에 착좌된 시일(130)은 정지 상태에 있으며, 플랜지(112)와 함께 움직이지 않는다. 슬리브 밸브(102)가 개방 위치로 이동함에 따라(도 6 참조), 플랜지(112)의 외표면(117)은 시일(130)을 지나서 이동한다. 플랜지(112)의 원위 단부(108)를 시일(130)에 가깝게 이동시키게 되면, 전술했듯이 플랜지(112)가 원위 단부(108)에서 가장 뜨겁기 때문에 시일(130)은 고온에 놓이게 된다.
도 6은 슬리브 밸브(102)가 개방 위치에 배치될 때 플랜지(112)의 내표면(115)과 수집 장치(170)의 바닥면(173) 사이에 갭(g1)이 유지되는 것을 도시한다. 갭(g1)은 냉각 유체가 공동(114)으로부터 수집 장치(170) 내로 빠져나가고 포트(122)를 거쳐서 빠져나갈 수 있게 한다. 일 실시예에서, 갭(g1)은 1 내지 3mm의 거리를 포함한다. 갭(g1)은 변화할 수 있으며, 다른 거리 또한 포함할 수 있다.
도 7은 슬리브 밸브 조립체의 다른 실시예를 도시한다. 도 7에 도시된 슬리브 밸브 조립체(200)는 슬리브 밸브(202), 연결 피스(104) 및 오일 경로-형성 피스(206)를 구비한다. 연결 피스(104)는 도 4 내지 도 6에 도시된 구조와 거의 유사하며, 따라서 연결 피스(104)는 밸브 시트(116)를 구비한다.
슬리브 밸브(202)는 상부 또는 원위 단부(208) 및 제2 단부(209)를 구비하며, 내표면(203A) 및 외표면(203B)을 갖는다. 슬리브 밸브(202)의 원위 단부(208)는 도 7에 도시하듯이 밸브 시트(116)와 시일을 형성하는 단부면(210)을 형성한다. 단부면(210)은 제1 섹션(210a) 및 제2 섹션(210b)을 구비한다. 제1 섹션(210a)은 제2 섹션(210b)의 반경방향 내측에[즉, 도 1의 중심축(C)에 가깝게] 위치할 수 있다. 제1 섹션(210a)은 중심축에 대해 경사 각도로 제공될 수 있으며, 유사하게 형성된 경사 각도를 갖는 시트(116)의 일부와 교합할 수 있다. 부분(210a)과 시트(116)의 각각의 각도는 대략 동일할 수 있다. 대안적으로, 제1 부분(210a)의 각도는, 제1 부분(210a)이 시트(116)의 부분에 대해 교합할 때 부분(210a)의 반경방향 최내측 선단이 먼저 시트(116)와 접촉하도록 시트(116)의 대응 부분의 각도보다 더 기울어질 수 있다.
시트의 반경방향 내측 부분에 시일을 제공하는 것은 연소 가스 압력에 노출되는 단부면(210)의 면적을 제한한다. 단부면(210)에 대한 가스 압력은 밸브를 시트로부터 들어올리는 경향이 있다. 특히, 시일이 단부면(210)과 시트(116) 사이에서 반경방향으로 더 멀어지면, 이는 가스가 밸브를 시트로부터 밀어내기 위해 시도하는 힘을 증가시킨다. 따라서, 시트(116)와 단부면(210)의 반경방향 최내측 부분 사이에 시일을 제공하는 것은 원위 단부(208)가 시트(116)로부터 가압 이격되는 힘을 감소시킨다. 슬리브 밸브를 가압하고 원위 단부(208)를 시트(116)에 대해 유지시키기 위해 스프링이 사용될 수 있다. 단부면(210)의 반경방향 내경에 시일을 제공하는 것은 스프링이 슬리브 밸브를 시트(116)에 대해 유지시키는데 필요한 힘을 감소시킨다. 시일은 추가 실시예에서 단부면(210)과 시트(116) 사이의 경계면을 따라서 어느 곳에나 만들어질 수 있다. 원위 단부(208)는 두께 또는 폭(t3)을 가지며, 밸브(202)의 제2 단부는 원위 단부(108)의 두께(t3)보다 얇은 두께 또는 폭(t4)을 갖는다. 도 7에 도시하듯이, 원위 단부(208)는 슬리브 선단에 공동을 갖지 않는다.
오일 경로 형성 피스(206)는 하나 이상의 유입 포트(220)와 원주방향 홈(248)을 구비한다. 원주방향 홈(248)은 냉각 유체가 슬리브 부분(203)의 둘레 주위에 그 외표면(203B)을 따라서 분포될 수 있게 한다. 오일 경로 형성 피스(206)는 시일 홈(233)을 추가로 구비한다. 홈(233) 안에는 시일(230)이 착좌되며, 이 시일은 제1 표면(245)과 제2 표면(247) 사이에 배치된다. 시일(230)은 냉각 유체가 슬리브 밸브(202)의 외표면(203B)과 제2 표면(245) 사이에서 포트(10)로 누설되는 것을 방지한다.
슬리브 밸브(202)의 외표면(203B)은 밸브(202)의 둘레 주위에 축방향 홈(228)을 생성하도록 가공되었다. 각각의 홈은 제1 단부(228A)와 제2 단부(228B)를 갖는다. 제1 가이드 링(183)을 일 예로서(도 3에 도시) 사용하면, 슬리브 밸브(202)의 외표면(203B)은 제1 가이드 링(183)과 유사하게 보이고, 슬리브 밸브(202)의 외표면(203B)은 홈(228) 사이에 상승면(141)을 갖는 다중 홈(228)을 갖는다. 밸브(202)의 외표면(203B)은 오일 경로-형성 피스(206)의 표면(247, 249)과 슬라이딩 접촉한다.
밸브의 선단에 공동(114)을 갖는 슬리브 밸브의 도 4 내지 도 6 실시예에 비해서, 도 7에 도시된 슬리브 밸브(202)는 냉각 유체를 슬리브 밸브(202)의 원위 단부(208) 근처에 분포시키기 위한 수단을 일절 갖지 않는다. 중실 선단을 갖는 밸브는 또한 큰 질량을 갖는 밸브를 잠재적으로 생성한다. 도 7에 도시된 슬리브 밸브(202)는 마찬가지로, 원위 단부(208)의 큰 질량을 상쇄(하고 실질적으로 유사한 중량을 유지)하기 위해 도 4 내지 도 6에 도시된 슬리브 밸브보다 가벼운 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 슬리브 밸브(202)는 알루미늄이다. 슬리브 밸브(202)의 원위 단부(208)의 중량이 슬리브 밸브(102)의 선단보다 클 것 같지만, 알루미늄 슬리브 밸브(202)(도 7에 도시됨)의 질량은 스틸 슬리브 밸브(102)(도 4 구조를 가짐)의 질량과 거의 동일하다.
알루미늄의 재료 강성은 스틸의 1/3이다. 따라서, 슬리브 밸브의 원위 단부의 두께(t3)는 스틸 슬리브 밸브의 두께보다 거의 세 배 두꺼울 필요가 있다. 그러나, 알루미늄의 질량은 스틸의 대략 1/3이기 때문에, 결과적인 슬리브 밸브는 스틸 슬리브 밸브와 동일한 중량이다. 알루미늄 사용은 스틸에 비해 여러 가지 장점이 있다. 알루미늄은 스틸보다 대략 두 배 더 열을 전도한다. 따라서, 두께(t3)를 갖는 원위 단부를 갖는 알루미늄 슬리브 밸브는 두께(t2)를 갖는 스틸 슬리브 밸브보다 여섯 배 많은 열을 제거한다. 또한, 슬리브 부분(212)은 원위 단부(208)로부터 멀어지는 표면적을 증가시키기 위해 핀(fin)을 형성하도록 가공될 수 있다. 슬리브 부분(212)의 두께 감소는, 피스톤이 원위 단부(208)로부터 멀어질수록 실린더 내부 압력이 낮아지기 때문에 가능하다. 핀은 냉각 유체에 더 많은 열을 전달하는데 도움이 된다.
슬리브 밸브(202)의 질량을 가볍게 하기 위해, 도 7은, 냉각 홈(228)을 형성하기 위해 외표면(203B)의 일부가 제거되어, 밸브(202) 일부의 두께를 두께(t4)로 감소시키는 것을 도시한다. 냉각 홈(228)의 길이는 변화될 수 있다. 도 7은 슬리브 밸브(202)가 폐쇄 위치에 있을 때 냉각 홈(228)이 시일(230) 안으로 연장되지 않는 것을 도시한다. 즉, 슬리브 밸브(202)의 외표면(203B)은 원위 단부(208)에서 작동 중에 항상 시일(230)과 접촉 상태를 유지한다.
냉각 유체는 오일 경로-형성 피스(206)에 있는 유입 포트(220) 내로 이동하고 냉각 홈(228)의 제1 단부(228A) 내로 이동한다. 냉각 유체는 냉각 유체용 유출 포트를 제공하는 냉각 홈(228)의 제2 단부(228B)를 향하여 냉각 홈(228) 안에서 이동한다. 슬리브 밸브(202)의 외표면(203B)에 냉각 통로(228)를 형성하는 것은, 냉각 유체를 실린더 내로부터 가장 뜨거운 열에 노출되는 표면인 슬리브 밸브(202)의 내표면(203A)에 가능한 한 가깝게 이동시킨다. 거리(t4)를 허용가능한 최소 거리로 감소시키는 것은 실린더 내로부터의 열이 냉각 유체에 노출되기 전에 이동해야 하는 거리를 감소시킨다. 이는 실린더 내의 최고 온도를 겪는, 밸브(202)의 원위 단부(208)에 대해서도 마찬가지이다.
슬리브 밸브(202)의 원위 단부(208)는 슬리브 밸브(202)의 보디 부분(209)보다 높은 실린더 내로부터의 압력을 받는다. 두꺼운 원위 단부(208)를 갖는 슬리브 밸브(202)는 원위 단부(208)에서 요구되는 것보다 높은 강성 특징을 제공한다. (스틸 대신) 알루미늄 슬리브 밸브(202)의 경우에, 슬리브 밸브(202)의 두께(t4)는 강성 이유로 종래 슬리브 밸브의 슬리브 부분(103)의 두께(t2)보다 클 수도 있다. 예를 들어, 알루미늄 슬리브 밸브의 두께(t4)는 도 1에 도시된 슬리브 부분(103)의 두께(t2)보다 대략 세 배 두껍도록 요구될 수 있다. 슬리브 밸브(202)의 두께(t4)는 변화될 수 있다. 슬리브 밸브(202)는 구리 베릴륨, 금속 매트릭스 복합체, 다양한 Al 합금 등과 같은, 그러나 이것에 제한되지 않는, 다른 높은 열전도성 재료를 포함할 수 있다.
알루미늄 슬리브 밸브의 한 가지 장점은, 알루미늄이 스틸보다 상당히 높은 열전도성을 갖는 것이다. 실린더 내의 열에 노출되는 표면적[내표면(203A)의 면적]이 밸브(202)의 큰 단면적과 조합되는 도 1에 도시된 밸브(102)의 표면적과 동일하지만, 슬리브 밸브(202)로부터 더 많은 열이 취출될 수 있다. 알루미늄의 한 가지 단점은 고온에서의 재료의 낮은 경도이다. 알루미늄의 이 재료 특성은 밸브 시트(116)로부터 단부면(110)의 과도한 마모를 초래하여, 슬리브 밸브(202)의 수명을 감소시킬 수 있다.
단부면(210)의 과도한 마모를 방지하기 위해 슬리브 밸브(202)[또는 슬리브 밸브(102)]의 단부면(210) 위에 삽입체 또는 코팅이 배치될 수 있다. 삽입체 및 코팅의 추가 상세는 본 명세서에서 나중에 도 10 내지 도 14를 참조하여 제공될 것이다.
도 8은 슬리브 밸브 조립체(300)를 도시한다. 슬리브 밸브 조립체(300)는 슬리브 밸브(302), 연결 피스(304) 및 오일 경로-형성 피스(306)를 구비한다. 도 8에 도시된 슬리브 밸브(302)는 중공형이다. 밸브(302)는 외벽(308), 내벽(310), 제1 단부 벽(312) 및 제2 단부 벽(314)에 의해 형성되는 공동(336)을 갖는다. 제1 단부 벽(312)은 제1 표면(311) 및 제2 표면(313)을 갖는 외표면(316)을 구비한다. 연결 피스(304)는 밸브 시트(116)를 형성한다.
오일 경로-형성 피스(306)는 유입 포트(320), 냉각 홈(328) 및 유출 포트(322)를 구비한다. 오일 경로-형성 피스(306)는 제1 표면과 제2 표면(345, 347) 사이에 원주방향 홈(333)[홈(333)에 시일(130)이 착좌된 상태로 도시됨]을 더 구비한다. 가이드 링(183)의 도 3 예를 사용하면, 홈(328)을 갖는 오일 경로-형성 피스(306)의 부분은 가이드 링(183)과 유사하게 보일 수 있다[예를 들어, 홈(328)은 오일 경로-형성 피스(306)의 내표면(346)에 가공된다]. 이 경우에, 외벽(308)의 외표면(308A)은 오일 경로-형성 피스(306)의 내표면(346)과 슬라이딩 접촉 상태에 있다. 표면(345, 347) 및 홈(333)을 갖는 오일 경로-형성 피스(306)의 부분은 도 3에 도시된 표면(145, 147) 및 홈(133)과 유사하게 보일 수 있다. 이 경우에, 외표면(308A)은 표면(347)과 슬라이딩 접촉 상태에 있으며, 시일(330)은 오일이 포트(10) 내로 누설되는 것을 방지한다.
슬리브 밸브(302)는 도 8에서 개방 위치에 있는 것으로 도시된다. 도 8에 도시하듯이, 시일(330)은 밸브(302)가 개방 위치로 이동할 때 밸브(302)의 원위 단부(308)를 지나서 이동한다. 전술했듯이, 밸브의 원위 단부는 밸브의 가장 뜨거운 부분이며, 따라서 도 8의 시일(330)은 밸브(302)의 더 높은 온도를 겪게 될 것이다. 홈(328)을 통해서 이동하는 냉각 유체는 밸브(302)의 원위 단부(308) 또는 내벽(310)에 특히 가깝게 이동하지 않는다.
그러나, 슬리브 밸브(302) 내의 공동(336)은, 양호한 열전달 특징을 가지며 작동 온도에서 액상인 재료로 부분 충전된다. 공동(336)을 부분 충전할 수 있는 이러한 재료의 하나는 나트륨이다. 이 경우에, 공동(336) 내의 나트륨은 내벽(310)의 열에 노출될 때 액체 형태로 변태되고, 슬리브 밸브(302)가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동할 때 공동(336) 내에서 전후로 출렁거리기 시작한다. 용융된 또는 액상 나트륨은 밸브(302)의 내벽(310) 및 제1 단부 벽(312)으로부터 열을 취출한다. 나트륨은 하나의 예시적인 재료이며, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 다른 재료가 슬리브 밸브(302)의 공동(336)을 부분 충전할 수도 있다.
공동(336) 내의 용융 나트륨은 밸브(302)의 벽 각각에 열을 전달한다. 홈(328) 안에서 이동하는 냉각 액체는 밸브(302)의 외벽(308)과 직접 접촉한다. 따라서, 냉각 유체는 외벽(308)으로부터 열을 취출하고 열 차이를 생성하며, 이 열 차이로 인해 용융 나트륨 금속으로부터 외벽(308)을 향해 열이 취출된다. 도 8에 도시된 슬리브 밸브 조립체(300)를 적용할 수 있는 일 예는 고성능 엔진에서의 사용이다. 슬리브 조립체(300)는 다른 엔진에도 사용될 수 있다.
도 10 내지 도 14는 슬리브 밸브의 내구성을 향상시키기 위한 삽입체 및 코팅의 다양한 실시예를 도시한다. 도 10 내지 도 14에 도시된 슬리브 밸브는 일반적으로 도 7에 도시된 슬리브 밸브(202)와 일치한다. 슬리브 밸브(202)는 단지 예시적인 것이며, 본 명세서에 기재된 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 본 명세서에 기재된 삽입체 및 코팅은 임의의 다른 슬리브 밸브와 관련하여 사용될 수 있다.
일반적으로, 슬리브 밸브의 반복적인 개폐는 단부면(210) 또는 밸브 선단이 밸브 시트(116)에 반복적으로 내려앉게 만든다. 이 반복되는 밸브 시트(116)와의 접촉은 단부면(210)이 시간에 따라 마모 및 변형되게 만든다. 결국, 단부면(210)은 슬리브 밸브(202)가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트(116)와 효과적인 시일을 형성하지 못할 것이다. 슬리브 밸브의 마모에 기여하는 두 가지 성분은 (i) 슬리브 밸브가 밸브 시트에 내려앉는 속도 및 (ⅱ) 슬리브 재료의 경도이다. 밸브 시트에 대한 슬리브 밸브의 반복된 충돌은 두 표면[예를 들어 도 10의 표면(213)과 예를 들어 도 4의 밸브 시트(116)]의 러빙/스크레이핑(rubbing/scraping)을 초래하고 및/또는 재료 자체를 점진적으로 콤팩트하게 만든다.
도 10은 단부면(210) 위에 완전히 배치되고 도 7에 도시된 슬리브 밸브(202)의 표면(203A, 203B) 위에 부분적으로 배치되는 삽입체(250)를 도시한다. 삽입체(250)는 외부 부재(251) 및 내부 부재(253)를 갖는 경화된 슬리브 선단을 형성한다. 삽입체(250)는 현장 타설, 스웨이징 단조 수축 끼워맞춤(예를 들면, 경질 재료가 고온이고 Al이 매우 저온일 때의 조립) 등을 포함하지만 이것에 한정되지는 않는 여러 가지 다른 방법에 의해 슬리브 밸브(202)에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 표면(211, 213, 203A, 203B)은 삽입체(250)를 대비하여 가공되었으며, 삽입체(250)를 배치하기 위한 시트를 형성한다. 대안적으로, 삽입체(250)는 표면(211, 213) 위에 직접 부착될 수도 있다. 도 10에 도시된 삽입체(250)의 정면은 슬리브 밸브(202)의 표면(211, 213)을 반영한다. 따라서, 도 10 실시예에서, 삽입체(250)의 접촉면(255)은 밸브(202)가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트(116)와 시일을 형성한다.
삽입체(250)는 표면(255)을 변형시키지 않고 밸브 시트(116)와의 반복적인 충돌을 견뎌내기에 충분한 경도를 갖는 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 단지 예시적으로, 탄소강은 하나의 이러한 재료를 포함할 수 있다. 다른 재료는 공구강, 전통적인 포핏 밸브 스틸 또는 티타늄 합금, 구리 베릴륨 등을 포함할 수 있지만 이것에 한정되지는 않는다.
삽입체(250)는 외부 부재(251)를 형성하기 위해 밸브(202)의 단부면(210)을 둘러싼다. 외부 부재(251)는 슬리브 밸브(102)의 외표면(203B)을 따라서 일정 거리(X1) 연장된다. 단지 예시적으로, 거리(X1)는 1mm 내지 10mm의 거리를 포함할 수 있다. 외부 부재(251)의 표면(257)은 작동 중에 슬리브 밸브(202)의 동작 범위와 간섭하지 않도록 외표면(203B)과 동일 평면에 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 10에 도시된 슬리브 밸브(202)가 도 6에 도시된 슬리브 밸브를 대체하면, 삽입체(250)는 도 6에 도시된 완전 개방 위치를 이동시키기 위한 슬리브 밸브의 능력과 간섭하지 않는[예를 들어, 삽입체(250)의 표면(257)은 상승되어 오일 경로-형성 피스(106)를 때리지 않아야 함] 것이 바람직하다. 삽입체(250)의 내부 부재(253)는 슬리브 밸브(202)의 내표면(203A)을 따라서 거리(X2)만큼 연장된다. 거리(X2)는 임의의 거리를 포함할 수 있다. 단지 예시적으로, 거리(X2)는 1mm 내지 3mm를 포함한다. 도 10은 거리(X2)가 거리(X1)보다 짧은 것을 도시하지만 이것이 삽입체(250)의 필수 특징은 아니다.
전술했듯이, 삽입체의 표면(255)은 반복적으로 밸브 시트(116) 안에 고속으로 내려앉을 것이다. 이는 표면(255)이 높은 충돌력을 겪게 한다. 삽입체(250)를 외표면(203B)을 따라서 및 내표면(203A)을 따라서 연장시키는 것은 삽입체(250)의 전체 표면적을 증가시킨다[간단히 단부면(210)을 삽입체(250)로 커버하는 것과 대조적으로]. 삽입체(250)의 표면적을 증가시키는 것은, 표면(255)이 수용하는 (밸브 시트 타격으로부터의) 충돌력을 넓은 면적에 걸쳐서 분포시키며, 이는 충돌 에너지 소실 및 유지 간섭을 위해 더 많은 면적을 제공한다. 도 10은 삽입체(250)가 균일한 두께를 갖는 것을 도시한다. 대안적으로, 삽입체(250)의 표면의 하나 이상은 상이한 폭 또는 표면적을 포함할 수 있다.
도 11은 삽입체(280)의 다른 실시예를 도시한다. 삽입체(280)는 제1 부재(282)와 제2 부재(284)를 구비한다. 삽입체(280)의 제1 부재(282)는 도 7에 도시된 슬리브 밸브(202)의 접촉면(213)을 효과적으로 대체하는 원위 단부면(285)을 갖는다. 제1 부재(282)의 원위 단부면(285)은 슬리브 밸브(202)의 내표면(203A)과 동일 평면에 놓이지만, 도 14와 같이 연장될 수 있다. 밸브 시트(116)와 접촉하지 않는 슬리브 밸브(202)의 표면(211)은 그 표면(211)의 둘러쌈(wrap around)이 삽입체(280)의 유지를 제공하도록 삽입체(280)에 의해 커버되지 않는다. 삽입체(280)의 제2 부재(284)는 슬리브 밸브(202)의 원위 단부(208)로 거리(X3)만큼 내측으로 연장된다. 거리(X3)는 변화될 수 있다.
삽입체(280)의 제2 부재(284)는 삽입체(280)의 전체 표면적을 증가시키며, 이는 삽입체(280)가 수용한 충돌력을 넓은 면적에 걸쳐서 분포시키고[표면(113)을 간단히 커버하는 삽입체(280)와 대조적으로] 충돌력을 소실시키기 위해 더 많은 면적을 제공한다. 도 11에 도시된 삽입체(280)의 한 가지 장점은 삽입체(280)가 밸브(202)의 외표면(203B)을 따라서 연장되지 않는다는 것이다. 따라서, 삽입체(280)는 밸브(202)의 작동과 간섭할 수 없다[예를 들어, 삽입체(280)는 오일 경로-형성 피스(106)를 타격하지 않거나 또는 일 표면과 매끄러운 접촉 상태를 지속하는 시일과 간섭하지 않을 것이다].
도 12는 단부면(210)에 코팅(290)을 갖는 슬리브 밸브(202)를 도시한다. 일 실시예에서, 코팅(290)은 크롬 도금을 포함한다. 대안적으로, 단부면(210)은 산화 알루미늄 코팅을 형성하도록 양극산화될 수 있다. 사용될 수 있는 다른 재료는 니카실(Nikasil), 다이아몬드형 카본, 화염 분사된 경금속, 세라믹 재료 등을 포함하지만 이것에 한정되지는 않는다.
도 12는 코팅(290)이 슬리브 밸브(202)의 단부면(210)[예를 들어, 제1 표면(211) 및 제2 표면(213)]을 완전히 커버하는 것을 도시한다. 대안적으로, 코팅(290)은, 밸브 시트(116)를 타격하는 표면인 표면(213) 위에만 형성될 수도 있다. 전술한 삽입체와 마찬가지로, 코팅(290)은 슬리브 밸브(202)의 수명을 증가시키기 위해 슬리브 밸브(202) 자체보다 경질의 재료인 것이 바람직하다. 코팅(290)은 작동 중에 슬리브 밸브(202)의 단부면(210)과 밸브 시트(116) 사이의 일정한 러빙 및/또는 스크레이핑으로 인한 슬리브 밸브(202)의 마모를 방지하거나 감속시키기 위한 것이다. 코팅의 두께는 변화될 수 있으며, 코팅 재료의 형태에 종속된다. 단지 예시적으로, 양극산화된 코팅은 1 내지 10 미크론의 두께를 가질 수 있으며, 도금되거나 분사된 재료는 100 내지 200 미크론의 두께를 가질 수 있다.
도 13은 도 10에 도시된 삽입체(250)의 다른 실시예를 도시한다. 도 13에서, 삽입체(250)의 상부 부재(251)는 슬리브 밸브(202)의 외표면(203B)을 따라서 거리(X4)만큼 연장된다. 거리(X4)는 도 10에 도시된 거리(X2)보다 크다. 일 실시예에서, 삽입체(250)의 상부 부재(251)는 슬리브 밸브(202)의 거의 전체 외표면(203B)을 따라서 홈(228)까지 연장된다.
도 13에 도시된 삽입체(250)의 한 가지 장점은 삽입체(250)의 상부 부재(251)가 슬리브 밸브(202)와 오일 경로-형성 피스(206)(도 7에 도시됨)의 시일 사이의 전체(또는 거의 전체) 접촉면을 커버한다는 것이다. 작동 시에, 삽입체(250)가 없는 슬리브 밸브(202)는 오일 경로-형성 피스(206)의 시일과의 슬라이딩 접촉으로 인해 외표면(203B)을 따라서 마모를 겪는다. 도 13에 도시된 삽입체(250)의 추가는 경질 표면[상부 부재(251)]을 오일 경로-형성 피스(206)의 시일과 슬라이딩 접촉 상태에 둔다. 이 경질 표면(251)은 슬리브 재료와 동일한 속도로 마모되지 않을 것이며, 설령 있다고 해도, 슬리브 밸브(202)의 수명을 효과적으로 연장시킬 것이다.
도 14는 삽입체(400)를 도시한다. 도 14에서, 삽입체(400)는 외부 부재(402), 전방 부재(404) 및 충돌 에너지 흡수 구조물(410)을 구비한다. 상부 부재(402)는 슬리브 밸브(202)의 외표면(203B)을 따라서 거리(X5)만큼 연장된다. 도 13과 마찬가지로, 상부 부재(402)는 슬리브 밸브(202)의 거의 전체 외표면(203B)을 따라서 홈(228)까지 연장된다. 전방 부재(404)는, 슬리브 밸브(202)가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트(116)와 시일을 형성하는 접촉면(408)을 규정한다.
도 14는 전방 부재(404)가, 실린더 내로 하방 연장되고 슬리브 밸브(202)의 내표면(203A)을 지나서 돌출하는 선단(408)을 구비하는 것을 도시한다. 전방 부재(404)가 실린더 내로 연장되는 거리는 변화될 수 있다. 단지 예시적으로, 상기 거리는 1 내지 10mm를 포함할 수 있다. 도 14는 또한, 삽입체(400)의 전방 부재(404)가 슬리브 밸브의 내표면(203A)과 각도(φ)를 형성하는 것을 도시한다. 각도(φ)는 15도와 55도 사이의 임의의 각도를 포함할 수 있으며, 일 실시예에서는 45도를 포함한다. 선단(408)은 내표면(409)과 외표면(411)을 구비하며, 슬리브 밸브(202)의 원위 단부(208)에 립(lip)을 형성한다. 피스톤(도시되지 않음)이 연소실 내에서 공기를 압축할 때, 슬리브 밸브(202)가 폐쇄 위치에 있는 상태에서, 선단(408)의 내표면(409)과 외표면(411) 사이에는 정압 차이가 발생된다. 정압 차이는 선단(408)을 밸브 시트(116)에 대해 밀봉된 상태로 유지시키는데 추가적으로 도움이 된다.
충돌 에너지 흡수 구조물(410)은 삽입체(400)의 전체 표면적을 증가시킨다. 전술했듯이, 삽입체의 전체 표면적을 증가시키는 것은 삽입체에 충돌하는 밸브 시트(116)로부터 수용되는 충돌력을 분산 소실시키는데 도움이 된다.
본 시스템의 상기 상세한 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제시된 것이다. 이것은 포괄적이거나, 본 시스템을 개시된 정확한 형태로 제한하려는 것이 아니다. 상기 교시 내용을 감안하여 많은 수정 및 변경이 있을 수 있다. 기술된 실시예는, 본 시스템 및 그 실제 적용의 원리를 가장 잘 설명하여 당업자가 본 발명의 시스템을 고려되는 특정 용도에 적합한 각종 실시예 내에서 및 이들 각종 실시예와 함께 최상으로 사용할 수 있도록 하기 위해 선택되었다. 본 발명의 시스템의 범위는 청구범위에 의해 한정되도록 의도된다.
요지는 구조적 특징 및/또는 방법론적 행동에 특정한 언어로 기술되었지만, 청구범위에서 한정되는 요지가 반드시 전술한 특정 특징 또는 행동에 한정될 필요가 없음을 알아야 한다. 오히려, 상기 특정 특징 및 행동은 청구범위를 실시하는 예시적인 형태로 개시되어 있다.

Claims (32)

  1. 슬리브 밸브 조립체이며,
    밸브 시트;
    공동을 갖는 원위 단부를 갖는 슬리브 밸브로서, 상기 원위 단부는 슬리브 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트와 접촉하는 슬리브 밸브; 및
    유입 포트, 유출 포트 및 다수의 냉각 통로를 갖는 유체 경로-형성 피스를 포함하고,
    상기 슬리브 밸브는 상기 유체 경로-형성 피스와 슬라이딩 접촉하며,
    유체 경로-형성 피스를 통해서 이동하는 냉각 유체는 공동에 진입하여 유출 포트에서 빠져나가기 전에 유입 포트에 유입되어 냉각 통로를 통해서 이동하는 슬리브 밸브 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 슬리브 밸브의 원위 단부를 적어도 부분적으로 커버하는 삽입체를 더 포함하는 슬리브 밸브 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 슬리브 밸브의 원위 단부를 적어도 부분적으로 커버하는 코팅을 더 포함하는 슬리브 밸브 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유체 경로-형성 피스는 홈을 갖는 가이드 링을 구비하며, 상기 다수의 냉각 통로는 가이드 링의 홈과 슬리브 밸브에 의해 형성되는 통로를 구비하는 슬리브 밸브 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 홈은 슬리브 밸브의 이동 축을 따라서 배향되는 슬리브 밸브 조립체.
  6. 제4항에 있어서, 유체는 홈을 통해서 유동하고, 홈을 빠져나갈 때 슬리브 밸브의 원위 단부 상으로 유동하는 슬리브 밸브 조립체.
  7. 제4항에 있어서, 상기 슬리브 밸브는 슬리브 밸브의 다른 부분으로부터 반경방향 외측으로 이격되어 이를 둘러싸는 플랜지를 구비하며, 상기 플랜지와 이 플랜지가 둘러싸는 슬리브 밸브의 부분은 슬리브 밸브의 원위 단부에 공동을 형성하는 슬리브 밸브 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 가이드 링은 제1 가이드 링을 포함하고, 유체 경로-형성 피스는 제2 가이드 링을 더 포함하며, 상기 플랜지의 일부는 상기 제2 가이드 링 근처에서 슬라이딩하고, 상기 플랜지에 의해 둘러싸이는 슬리브 밸브의 일부는 제1 가이드 링 근처에서 슬라이딩하는 슬리브 밸브 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 플랜지와 상기 제2 가이드 링 사이의 시일을 더 포함하며, 상기 시일은 유체 경로-형성 피스로부터의 유체가 유체 경로-형성 피스와 슬리브 밸브 사이로부터 누설되는 것을 방지하는 슬리브 밸브 조립체.
  10. 내연기관용 슬리브 밸브 조립체이며,
    내연기관의 연소실을 적어도 부분적으로 형성하는 원통형 슬리브 밸브; 및
    상기 원통형 슬리브 밸브를 적어도 부분적으로 둘러싸고, 상기 원통형 슬리브 밸브와 대면하는 내표면을 구비하는 유체 경로-형성 피스를 포함하고,
    상기 유체 경로-형성 피스는
    유입 포트,
    유출 포트, 및
    유체가 상기 유입 포트와 유출 포트 사이를 통과하도록 상기 유체 경로-형성 피스의 내표면과 슬리브 밸브 사이에 형성된 다수의 통로를 구비하는 슬리브 밸브 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 다수의 통로는 상기 유체 경로-형성 피스의 내표면 주위에 원주방향으로 형성된 다수의 홈에 의해 형성되는 슬리브 밸브 조립체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 슬리브 밸브는 연소실에 대한 공기/연료 유입구를 밀봉할 수 있는 제1 표면 및 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면에 의해 규정되는 두께를 갖는 원위 선단을 더 구비하며, 상기 유체 경로-형성 피스는 원위 선단으로부터 열을 취출하기 위해 제2 표면에 유체를 전달하는 슬리브 밸브 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 밸브 조립체는 중심축을 가지며, 상기 슬리브 밸브의 원위 선단은 제1 섹션과 제2 섹션을 구비하고, 상기 제1 섹션은 제2 섹션의 반경방향 내측에 위치하며, 상기 제1 섹션은 시트에 대해 시일을 형성하고, 시트에 대한 제1 섹션의 착석은 슬리브 밸브가 시트에 대해 가압되는 힘을 주어진 연소실 가스 압력에 대한 제2 섹션과 시트 사이의 시일에 비해서 감소시킬 수 있는 슬리브 밸브 조립체.
  14. 제10항에 있어서, 상기 슬리브 밸브는 슬리브 밸브의 단부 부분으로부터 반경방향 외측으로 이격되어 이를 둘러싸는 플랜지를 더 구비하며, 상기 플랜지는 슬리브 밸브의 원위 선단에 의해 슬리브 밸브의 단부 부분에 연결되고, 상기 원위 선단은 연소실에 대한 공기/연료 유입구를 밀봉시킬 수 있는 슬리브 밸브 조립체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 슬리브 밸브의 플랜지, 원위 선단 및 단부 부분은 원위 선단 근처에 공동을 형성하며, 유체 경로 형성 피스는 공동을 거쳐서 원위 선단에 유체를 송출하여 원위 선단을 냉각시킬 수 있는 슬리브 밸브 조립체.
  16. 제10항에 있어서, 상기 슬리브 밸브는 공기/연료 유입구를 밀봉하기 위한 원위 선단을 구비하며, 상기 원위 선단은 그 마모 방지를 위해 시일과 코팅 중 하나를 구비하는 슬리브 밸브 조립체.
  17. 제10항에 있어서, 상기 유체 경로-형성 피스에 고정 장착되고 상기 슬리브 밸브와 접촉하여 배치되는 유체 시일을 더 포함하며, 상기 유체 시일은 유체 경로-형성 피스와 슬리브 밸브 사이로부터의 유체 누설을 방지하는 슬리브 밸브 조립체.
  18. 제10항에 있어서, 상기 슬리브 밸브에 고정 장착되고 상기 유체 경로-형성 피스와 접촉하여 배치되는 유체 시일을 더 포함하며, 상기 유체 시일은 유체 경로-형성 피스와 슬리브 밸브 사이로부터의 유체 누설을 방지하는 슬리브 밸브 조립체.
  19. 제10항에 있어서, 상기 유체 경로-형성 피스는 슬리브 밸브의 원위 선단으로부터 열을 취출하기 위해 유입 포트와 유출 포트 사이에 유체 유동 경로를 구비하는 슬리브 밸브 조립체.
  20. 제10항에 있어서, 상기 유체 경로-형성 피스는 슬리브 밸브의 원위 선단으로부터 열을 취출하기 위해 유입 포트와 유출 포트 사이에 유체 유동 경로를 구비하는 슬리브 밸브 조립체.
  21. 제10항에 있어서, 상기 슬리브 밸브는 연소실을 적어도 부분적으로 형성하는 내벽, 및 상기 내벽으로부터 반경방향 외측으로 이격된 외벽을 구비하며, 상기 내벽과 외벽은 슬리브 밸브에 공동을 형성하고, 상기 공동은 슬리브 밸브의 내벽으로부터 슬리브 밸브의 외벽으로 열을 전달하기 위한 열전달 재료를 구비하며, 상기 유체 경로-형성 피스는 슬리브 밸브의 외벽으로부터 유체 경로-형성 피스 내의 유체로 열을 전달하는 슬리브 밸브 조립체.
  22. 제21항에 있어서, 상기 열전달 재료는 나트륨인 슬리브 밸브 조립체.
  23. 내연기관용 슬리브 밸브 조립체이며,
    내연기관의 연소실을 적어도 부분적으로 형성하는 원통형 슬리브 밸브로서, 중심축을 따라서 왕복할 수 있고, 공기/연료 유입 포트를 밀봉하기 위한 원위 선단을 구비하는 원통형 슬리브 밸브; 및
    상기 원통형 슬리브 밸브를 적어도 부분적으로 둘러싸는 원통형 유체 경로-형성 피스를 포함하고,
    상기 유체 경로-형성 피스는
    유입 포트,
    유출 포트, 및
    상기 유입 포트와 유출 포트 사이에 배치되는 원통형 가이드 링으로서, 상기 원통형 슬리브 밸브를 둘러싸고 이에 인접하는 다수의 홈을 구비하는 원통형 가이드 링을 구비하며,
    상기 유입 포트, 유출 포트 및 홈은 유체가 슬리브 밸브를 냉각시키기 위해 유동할 수 있는 유체 유동 경로를 형성하는 슬리브 밸브 조립체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 홈은 슬리브 밸브가 따라서 왕복하는 중심축에 평행한 축을 따라서 배향되는 슬리브 밸브 조립체.
  25. 제23항에 있어서, 상기 홈은 슬리브 밸브가 따라서 왕복하는 중심축에 대해 경사 각도를 형성하는 축을 따라서 배향되는 슬리브 밸브 조립체.
  26. 제23항에 있어서, 상기 슬리브 밸브는 슬리브 밸브의 단부 부분으로부터 반경방향 외측으로 이격되어 이를 둘러싸는 플랜지를 구비하며, 상기 플랜지와 단부 부분은 원위 선단 근처에 공동을 형성하고, 상기 유체 유동 경로는 원위 선단으로부터 열을 취출하기 위해 공동을 구비하는 슬리브 밸브 조립체.
  27. 제23항에 있어서, 상기 가이드 링은 제1 가이드 링을 포함하고, 상기 유체 경로-형성 피스는 제2 가이드 링을 더 포함하며, 상기 플랜지의 일부는 상기 제2 가이드 링에 대해 슬라이딩하고, 상기 슬리브 밸브의 단부 부분은 상기 제1 가이드 링에 대해 슬라이딩하는 슬리브 밸브 조립체.
  28. 제27항에 있어서, 상기 플랜지와 상기 제2 가이드 링 사이의 시일을 더 포함하며, 상기 시일은 유체 경로-형성 피스로부터의 유체가 유체 경로-형성 피스와 슬리브 밸브 사이로부터 누설되는 것을 방지하는 슬리브 밸브 조립체.
  29. 제23항에 있어서, 상기 원위 선단은 그 마모 감소를 위해 삽입체에 의해 커버되는 슬리브 밸브 조립체.
  30. 제29항에 있어서, 상기 삽입체는 탄소강, 경화강, 티타늄 합금, 및 구리 베릴륨 중 하나로 형성되는 슬리브 밸브 조립체.
  31. 제23항에 있어서, 상기 원위 선단은 그 마모 감소를 위해 코팅에 의해 커버되는 슬리브 밸브 조립체.
  32. 제31항에 있어서, 상기 코팅은 크롬 도금 양극산화된 알루미늄 산화물, 니카실, 다이아몬드형 탄소, 화염 분무된 경질 금속, 및 세라믹 재료 중 하나로 형성되는 슬리브 밸브 조립체.
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