KR20120062304A

KR20120062304A - 엔진용 밸브

Info

Publication number: KR20120062304A
Application number: KR1020100123510A
Authority: KR
Inventors: 오석주
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-06-14
Also published as: KR101634404B1

Abstract

본 발명에 따른 엔진용 밸브는 밸브 구동부재와 직선 마찰 운동과 회전축(AR)을 중심으로 한 회전 마찰 운동하는 접촉면(10)을 구비하며, 상기 접촉면(10)에는 상기 회전축(AR)을 중심으로 방사상으로 형성된 복수의 요철라인(11)이 형성된다.

Description

엔진용 밸브{VALVE FOR ENGINE}

본 발명은 엔진에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 엔진의 흡기포트 또는 배기포트를 선택적으로 개폐시키는 엔진용 밸브에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 일반적으로 밸브 트레인은 캠에 의해 상하 방향 운동하는 푸시로드(1)와, 상기 푸시로드(1)에 의해 일정 구간 회전 운동하는 로커아암(2)과, 상기 로커아암(2)의 회전 운동에 의해 하방 가압되는 캘리퍼(3)와, 상기 캘리퍼(3)에 의해 하방으로 이동하고 밸브 스프링(4)에 의해 상방으로 이동하면서 밸브 포트를 개폐시키는 밸브(5)를 포함한다.

상기 밸브(5)는 상기 회전 운동하는 캘리퍼(3)에 의해 하방으로 가압되어 상하 방향 운동을 하게 된다. 따라서, 상기 캘리퍼(3)와 상기 밸브(5)의 상단의 접촉면(5a)은 직선 마찰 운동을 하게 된다. 또한, 상기 밸브(5)는 상하 방향 운동을 하면서 상하 방향 축을 중심으로 회전 운동을 하게 된다. 따라서, 상기 캘리퍼(3)와 밸브(5)의 접촉면(5a)은 직선 마찰 운동은 물론 회전 마찰 운동을 하게 된다.

일반적으로 마찰운동이 발생하는 두 표면에 윤활제가 부족한 경우 두 접촉면은 고체접촉 또는 경계 윤활상태가 혼재된 혼합윤활상태가 된다. 이러한 혼합윤활상태의 경우 고체접촉으로 인한 여 두 표면의 미세한 영역에 급격한 온도 상승을 유발하기 쉽다. 이러한 온도 상승은 두 표면에 소성 변형 및 피로 파괴를 발생시키며 이로 인하여 두 표면 중 어느 한 표면에서 떨어져 나온 입자는 마모입자가 되어 접촉면에서의 마찰 및 마모를 증가시킨다.

보다 구체적으로, 엔진용 흡,배기 밸브의 경우 장착되었을 때의 기구학적인 구속 조건에 기인하여 직선 왕복운동과 회전운동이 동시에 발생하는 복잡한 운동 조건 하에서 구동된다. 또한 고온의 작동 환경 때문에 접촉면(5a)에서의 윤활제를 통한 윤활성의 향상을 기대하기 어려워 밸브의 접촉면(5a)에서의 마찰 및 마모에 매우 취약하다.

현재 이러한 밸브 끝단 면의 마찰 및 마모를 개선하고자 끝단 면에 열처리를 수행하거나 경도가 높은 재질을 밸브 끝단 면에 이종 접합하는 방법 등이 사용되고 있다. 그러나 현재 대부분의 엔진은 4-Valve 구조이고 보통 상용 엔진의 기통수가 4~6기통임을 고려하면 한 엔진에서 사용되는 밸브 수는 엔진 내부의 다른 어떤 부품보다 많음을 알 수 있다. 이렇게 한 엔진당 다수의 밸브가 필요한 현실에서 각각의 밸브에 열처리 및 이종접합 공정을 적용하는 것은 생산성 측면이나 경제성 측면을 고려해 볼 때 적용에 불리함이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 밸브 접촉면의 구조를 개선하여 캘리퍼나 로커 아암과 같은 밸브 구동부재와 밸브의 내마모성 및 내구성을 향상시켜 수명을 연장할 수 있는 엔진용 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔진용 밸브는 밸브 구동부재와 직선 마찰 운동과 회전축(AR)을 중심으로 한 회전 마찰 운동하는 접촉면(10)을 구비하며, 상기 접촉면(10)에는 상기 회전축(AR)을 중심으로 방사상으로 복수의 요철라인(11)이 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 요철라인(11) 중 상호 인접하는 요철라인(11) 사이의 각도는 0°보다 크고 30°보다 작으며, 상기 요철라인(11)은 상기 접촉면(10)의 반경 방향으로 상호 이격되게 형성되는 복수의 장방형 홈(11a)을 포함한다.

또한, 상기 각 장방형 홈(11a)의 반경 방향의 길이(L)는 0mm보다 크고 0.4mm보다 작도록 설정되고, 상기 장방형 홈(11a)의 반경방향 배열간격(G)은 0mm보다 크고 0.2mm 보다 작도록 설정하면 윤활성능이 더욱 개선된다.

한편, 상기 복수의 요철라인(11) 중 상호 인접하는 요철라인(11) 사이의 각도는 0°보다 크고 18° 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 접촉면(10)에는 격자형으로 배열된 복수의 원형홈(21)이 더 형성된다.

또한, 상호 인접하는 원형홈(21) 사이의 간격(S)은 0㎛보다 크고 400㎛보다 작은 것이 바람직하다.

또한, 상기 원형홈(21)은 그 깊이(D)가 0㎛보다 크고 20㎛ 보다 작으며, 그 직경(P)이 0㎛ 보다 크고 100㎛보다 작은 것이 바람직하다.

전술한 바와 같은 과제 해결 수단에 의하면, 밸브의 회전 마찰 운동을 고려하여 방사형으로 요철라인을 형성함으로써, 밸브와 밸브 구동부재 사이의 윤활 성능을 개선할 수 있고, 이에 의해 밸브 및 밸브 구동부재의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 요철라인의 배열각도를 30°이하, 더 바람직하게는 20°이하로 형성하고, 요철라인의 각 장방형 홈의 반경 방향 길이(L)를 0mm보다 크고 0.4mm보다 작도록 설정하며, 상기 장방형 홈의 반경방향 배열간격(G)은 0mm보다 크고 0.2mm 보다 작도록 하면 윤활성능이 더욱더 개선된다.

한편, 밸브의 접촉면에 방사형 배열의 요철라인과 함께 격자형 배열의 원형홈을 더 형성함으로써 윤활성능을 극대화할 수 있다.

도 1은 일반적인 밸브 트레인을 개략적으로 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진용 밸브를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 엔진용 밸브의 접촉면을 확대 도시한 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 접촉면의 상호 인접한 요철라인을 확대 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진용 밸브의 접촉면을 개략적으로 나타낸 사시도,
도 6a는 도 5의 접촉면을 확대 도시한 도면이고, 도 6b는 도 6a의 6b-6b를 따라 절개한 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 밸브에 대하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진용 밸브는, 도 1에 도시된 바와 같이, 캘리퍼(3) 및 밸브 스프링(4)에 의해 상하 방향으로 이동하면서 회전축(AR)을 중심으로 회전 운동을 한다. 이때, 상기 밸브의 접촉면(10)은 마주하는 캘리퍼(3, 도 1 참조)의 접촉면(10)과 마찰운동을 하게 된다. 따라서 상기 밸브의 접촉면(10)과 캘리퍼(3, 도 1 참조)의 접촉면 사이의 윤활 성능을 향상시킴에 의해 내마모성을 향상시켜 밸브의 수명을 향상시킬 수 있게 된다. 본 실시예에서는 상기 밸브 접촉면(10)이 캘리퍼(3, 도 1 참조)와 접촉하여 마찰 운동을 하는 것을 예시하였으나, 본 실시예와 달리 상기 밸브 접촉면(10)은 밸브 트레인의 사양에 따라 로커아암과도 마찰 운동을 할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 예시하시 않았지만, 본 발명의 사상은 상기 밸브 접촉면(10)이 상대 마찰 운동을 하는 한 밸브를 구동시키는 모든 밸브 구동부재가 사용되는 엔진의 밸브 트레인에 적용될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 밸브의 접촉면(10)에는 방사상으로 복수의 요철라인(11)이 형성된다. 상기 복수의 요철라인(11)은 반경 방향으로 상호 이격되는 복수의 장방형 홈(11a)을 포함한다. 이러한 장방형 홈(11a)은 접촉면(10)에 레이저를 사용하는 방법(LST : Laser Surface Texturing), 공작 기계를 사용하는 머시닝 가공 방법, 진공 상태에서 가스들로부터 해리된 이온들의 전기적,물리적 에너지를 사용하는 이온 빔 가공방법, 또는 반도체 식각 공정을 통한 가공될 수 있다.

이와 같이 가공된 복수의 요철라인(11)은 유체 동압 효과 발생, 윤활유의 저장소 역할, 마모 입자 포획기능 등을 수행하여 마찰 및 마모를 감소시킨다.

보다 구체적으로, 전술한 바와 같이, 밸브는 캘리퍼(3)와 직선 마찰 운동은 물론 회전축(AR)을 중심으로 한 회전 마찰 운동을 하게 된다. 따라서, 회전 운동과 수직한 방향으로의 장방형 홈(11a)의 배치가 필요하며, 이를 위해 복수의 장방형 홈(11a)으로 형성된 요철라인(11)이 원주 방향으로 상호 이격되는 방사상의 배열을 가지게 하였다. 이와 같은 복수의 요철라인(11)이 접촉면(10)에서 마모를 가속시키는 마모입자를 포획하고, 윤활제가 부족한 상황에서 윤활제를 공급하는 기능을 하여 밸브 접촉면(10)에서의 윤활 성능을 향상시키게 되며, 특히 요철라인(11)을 방사상으로 배열함으로써 회전 마찰 운동에 대한 윤활 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 장방형 홈(11a)의 형상과 그 배열 방법은 윤활 성능을 향상시키는데 큰 영향을 미친다. 이를 위해 다음과 같이 마모시험을 수행하였으며, 그 결과는 하기의 [표 1]과 같다. 마모시험은 장방형 홈(11a)의 깊이와 선폭(W)을 각각 30㎛와 200㎛로 고정한 상태에서 장방형 홈(11a)의 길이(L)와 장방형 홈(11a)의 반경 방향 배열간격(G)과 요철라인(11)의 원주 방향 배열 각도(θ)를 변경하면서 실시하였다.

시험편 (Specimen)	Design Parameter			평균 데이터
시험편 (Specimen)	L(길이, ㎛)	G(반경방향 배열간격, ㎛)	θ(원주방향 배열간격,deg)	마모량(㎛)
실시예 1	100	50	10	33.49
실시예 2	100	200	18	25.72
실시예 3	100	400	30	27.32
실시예 4	400	50	18	30.12
실시예 5	400	200	30	22.04
실시예 6	400	200	18	17.65
실시예 7	400	400	10	24.15
실시예 8	700	50	30	29.82
실시예 9	700	200	10	30.01
실시예 10	700	400	18	35.33

시험 결과, 실시예 1 내지 10의 전체적인 마모성능이 개선되었고, 특히 실시예 6의 조건에서 마모량이 최소를 기록하였다. 즉, 실시예 6과 같이, 상호 인접하는 요철라인(11) 사이의 각도(θ)는 20°이내이고, 상기 각 장방형 홈(11a)의 반경 방향의 길이(L)는 0.4mm 이내이며, 상기 장방형 홈(11a)의 반경 방향 배열 간격(G)이 0.2mm 이내인 경우에 마모량이 최소인 것으로 나타났다.

한편, 도 3의 방사형의 배열만 있는 경우와 도 5의 격자형의 배열만 있는 경우(도 5는 방사형 배열과 격자형 배열이 조합된 경우를 도시하였으나, 도 5에서 방사형 배열을 제외하고 격자형 배열만 형성한 상태로 시험을 실시함)를 시험하였다. 시험은 방사형 배열의 경우 위 실시예 6과 동일하고, 격자형 배열의 경우 방사형 배열과 홈의 밀도와 길이 및 선폭이 동일한 조건에서 실시되었다. 시험결과, 방사형 배열(마모량 17.65㎛)이 격자형 배열(25.72㎛)보다 30% 정도가 마모량이 줄어들었음이 확인되었다. 즉, 방사형 배열의 경우, 직선형 마찰 운동은 물론 회전 마찰 운동을 고려하여 설계된 것으로서, 직선형 마찰 운동만을 고려한 격자형 배열의 경우보다 윤활성능이 우수함이 상기 시험을 통해 확인되었다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진용 밸브를 개략적으로 나타낸 도이다.

도 6을 참조하면, 도 3의 방사형 배열의 요철라인(11)과 함께 격자형 배열의 원형홈(21)이 형성된다. 앞서 시험 결과로부터 방사형 배열이 회전 운동의 발생에 따른 마모 저감에 효과가 있음이 확인되었다. 하지만 밸브는 직선 왕복 운동도 동시에 발생하므로 이에 대한 추가적인 개선을 하고자 원형홈(21)의 격자형 배열을 형성하여 시험을 하였다.

시험은 위의 실시예 6과 동일한 조건의 장방형 홈(11a)의 방사형 배열에 원형홈(21)의 직경(P)과 깊이(D)와 배열간격(S)을 가변시키며 실시되었다. 시험결과는 아래의 [표 2]와 같다.

시험편 (Specimen)	Design Parameter			평균 데이터
시험편 (Specimen)	P(직경, ㎛)	D(깊이, ㎛)	S(배열간격, ㎛)	마모량(㎛)
실시예 11	80	10	300	27.53
실시예 12	80	20	400	24.19
실시예 13	80	30	500	23.67
실시예 14	100	10	400	18.89
실시예 15	100	20	400	15.42
실시예 16	100	20	500	16.23
실시예 17	100	30	300	22.45
실시예 18	150	10	400	25.34
실시예 19	150	20	300	23.47
실시예 20	150	30	500	24.22

위의 표 2의 시험결과를 살펴보면 실시예 15에서와 같이 원형홈(21) 사이의 간격(S)이 400㎛ 이내이고, 원형홈(21)의 깊이(D)가 20㎛ 이내이며, 원형홈(21)의 직경(P)이 400㎛ 이내인 경우에 윤활 성능의 개선효과가 우수함을 확인할 수 있다.

또한, 장방형 홈(11a)의 방사형 배열만 있는 경우(실시예6)에 비해 약 12% 이상의 윤활성능이 개선됨을 확인할 수 있다.

10; 접촉면 11; 요철라인
11a; 장방형 홈 21; 원형홈

Claims

밸브 구동부재와 직선 마찰 운동과 회전축(AR)을 중심으로 한 회전 마찰 운동하는 접촉면(10)을 구비한 엔진용 밸브에 있어서,
상기 접촉면(10)에는 상기 회전축(AR)을 중심으로 복수의 요철라인(11)이 방사상으로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
제1항에 있어서,
상기 복수의 요철라인(11) 중 상호 인접하는 요철라인(11) 사이의 각도는 0°보다 크고 30°보다 작은 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
제2항에 있어서,
상기 요철라인(11)은 상기 접촉면(10)의 반경 방향으로 상호 이격되게 형성되는 복수의 장방형 홈(11a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
제3항에 있어서,
상기 복수의 요철라인(11) 중 상호 인접하는 요철라인(11) 사이의 각도는 0°보다 크고 18° 이하이며, 상기 각 장방형 홈(11a)의 반경 방향의 길이(L)는 0mm보다 크고 0.4mm보다 작으며, 상기 장방형 홈(11a)의 반경방향 배열간격(G)은 0mm보다 크고 0.2mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
제1항에 있어서,
상기 접촉면(10)에는 격자형으로 배열된 복수의 원형홈(21)이 더 형성된 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
제5항에 있어서,
상기 상호 인접하는 원형홈(21) 사이의 간격(S)은 0㎛보다 크고 400㎛보다 작으며, 상기 복수의 요철라인(11) 중 상호 인접하는 요철라인(11) 사이의 각도(θ)는 0°보다 크고 18° 이하인 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
제6항에 있어서,
상기 원형홈(21)은 그 깊이(D)가 0㎛보다 크고 20㎛ 보다 작으며, 그 직경(P)이 0㎛ 보다 크고 100㎛보다 작은 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.