KR20130083608A - 과급 가스엔진용 흡배기 밸브 및 밸브 시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과급 가스엔진용 흡기 밸브의 밸브 시트에 가해지는 압력을 감소시킴으로써, 밸브 시트의 수명을 증가시킨 밸브와 밸브 시트에 관한 것으로, 과급 가스엔진의 연소실에 적용되는 것으로서, 연소실에 설치되고, 밸브에 접촉하는 밀착면을 갖는 밸브 시트; 및 상기 밀착면에 접촉하는 경사면이 형성된 밸브를 포함하며, 상기 밀착면과 상기 경사면의 접촉 면적을 넓히기 위하여, 상기 밀착면과 상기 경사면이 상기 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 45°보다 작은 것을 특징으로 한다. 특히, 밸브의 경사면과 밸브 시트의 밀착면이 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 30°인 것이 바람직하다.
본 발명은, 기체의 흐름을 원활하게 하기 위하여 설계된 일반적인 연소실 흡배기 밸브의 구조를 과급 가스엔진의 특성에 맞추어 변경함으로써, 밸브 시트에 가해지는 압력을 크게 줄인 과급 가스엔진용 밸브 및 밸브 시트를 제공하는 효과가 있다. 또한, 과급 가스엔진의 밸브 시트에 가해지는 압력을 권고 수치인 80MPa 미만으로 감소시킴으로써, 과급 가스엔진에 적용된 밸브 시트의 수명이 크게 향상되는 효과가 있다.

Description

과급 가스엔진용 흡배기 밸브 및 밸브 시트{EXHAUST VALVE AND VALVE SEAT FOR SUPERCHARGED GAS ENGINE}

본 발명은 내연기관의 연소실에 사용되는 흡배기 밸브와 밸브시트에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 과급 가스엔진에 적용되는 흡배기 밸브와 밸브시트에 관한 것이다.

일반적으로, 내연기관은 연소실의 내부에서 연료를 연소시켜 발생하는 폭발 연소의 힘을 직선 왕복 운동하는 피스톤에 전달하고, 피스톤에 연결된 크랭크 샤프트가 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 과정을 거친다.

이러한 내연기관은 폭발 연소과정에서 내부를 밀폐하여야 하므로, 연소실 내부로 기체의 유입과 배출을 조절하기 위한 흡기밸브와 배기밸브가 연소실의 상부에 설치된다. 그리고 연소실 내부의 기밀성을 향상시키기 위하여, 흡배기 밸브와 접촉하는 실린더 헤드에 밸브 시트를 설치한다.

이러한 밸브 시트에는 밸브의 상부에 밀착할 수 있도록 밸브의 상부에 형성된 경사면과 동일한 각도를 갖는 밀착면이 형성된다. 밸브 상부 경사면의 각도 및 밸브 시트 밀착면의 각도는 밸브와 밸브 시트의 사이를 흐르는 기체의 흐름에 영향을 미치며, 기체의 흐름을 방해하지 않도록 밸브 아랫면에 대하여 밸브 경사면이 45° 이상의 각도를 갖도록 경사면과 밀착면을 형성하는 것이 일반적이다. 그리고 밸브 시트 밀착면의 지름보다 밸브 헤드의 지름이 큰 경우에도 기체의 흐름에 방해가 되기 때문에, 밸브의 크기와 밸브 시트의 크기를 맞추어 제작하고 있다.

한편, 최근에는 연소실 내에 대기압 이상의 높은 압력으로 공기를 압축하여 공급하는 과급 엔진(supercharged engine)의 사용이 늘고 있다. 과급 엔진은 1회의 폭발 연소에서 연소되는 연료의 양을 증가시킴으로써 엔진의 출력을 높이는 방법이며, 소형 엔진과 달리 부품이 받는 관성이 커서 2사이클 엔진 또는 그 이상의 고 회전 엔진을 적용하지 못하는 대형 엔진의 출력향상 방법으로 사용된다.

특히, 종래 엔진의 설계를 크게 변경하지 않고 과급기를 추가하는 방법으로 적용할 수 있으며, 자연 흡기 엔진에 비하여 완전연소가 촉진되어 오염물질의 배출이 적기 때문에, 기차 또는 선박용 엔진과 같은 대형 엔진에의 적용이 늘고 있다.

이러한 과급 엔진은 자연흡기 엔진에 비하여 폭발 시의 압력이 높기 때문에 엔진의 수명이 짧다는 단점이 있다. 특히, 선박 등에서 사용되는 과급 가스엔진의 경우에는 연료의 성분상 윤활성이 낮고 열 부하가 높기 때문에 디젤 엔진에 비하여 밸브 시트의 수명이 더욱 짧다.

나아가, 현재는 과급 가스엔진에 대해서도, 종래의 자연흡기 엔진에 사용되던 흡배기 밸브와 밸브 시트의 구조를 그대로 사용하기 때문에, 열 부하에 의하여 밸브 시트의 수명이 매우 짧아지는 문제가 발생하고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 과급 가스엔진용 흡기 밸브의 밸브 시트에 가해지는 압력을 감소시킴으로써, 밸브 시트의 수명을 증가시킨 밸브와 밸브 시트의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 과급 가스엔진용 흡배기 밸브 및 밸브 시트는, 과급 가스엔진의 연소실에 적용되는 것으로서, 연소실에 설치되고, 밸브에 접촉하는 밀착면을 갖는 밸브 시트; 및 상기 밀착면에 접촉하는 경사면이 형성된 밸브를 포함하며, 상기 밀착면과 상기 경사면의 접촉 면적을 넓히기 위하여, 상기 밀착면과 상기 경사면이 상기 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 45°보다 작은 것을 특징으로 한다.

과급 가스엔진의 경우, 일반적인 디젤엔진과 같이 밸브의 경사면과 밸브 시트의 밀착면이 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 45°가 되도록 밸브와 밸브 시트를 구성하면, 밸브 시트에 가해지는 압력이 100MPa를 넘는다. 이는 밸브 시트에 가해지는 압력에 대한 권고수치인 80MPa를 훨씬 넘는 수치로서, 이대로 밸브와 밸브 시트를 구성하는 경우에 밸브 시트의 수명이 매우 짧을 수밖에 없다.

본 발명의 발명자들은, 서로 접촉하는 밸브의 경사면과 밸브 시트의 밀착면이 밸브의 아랫면과 이루는 각도를 45°보다 작게 함으로써, 경사면과 밀착면이 접촉하는 접촉면적을 넓혀 밸브 시트에 가해지는 압력을 줄이는 본 발명을 발명하였다.

특히, 밸브의 경사면과 밸브 시트의 밀착면이 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 30°인 것이 바람직하다. 밸브의 경사면과 밸브 시트의 밀착면이 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 작아질수록 접촉 면적이 증가하여 밸브 시트에 가해지는 압력은 감소하지만, 밸브의 경사면과 밸브 시트의 밀착면이 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 30°보다 작아지는 경우에는, 밸브와 밸브 시트 사이에 기체의 흐름이 원활하지 못한 문제가 발생한다. 따라서 밸브의 경사면과 밸브 시트의 밀착면이 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 30°인 경우에, 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 가장 뛰어난 압력 감소의 효과를 나타낸다.

또한, 경사면의 하부 지름을 밀착면의 하부 지름보다 크게 구성하면, 밸브와 밸브 시트의 주된 접촉부분이 밸브 부분에 형성되기 때문에 밸브 시트의 마모를 줄여 밸브 시트의 수명을 늘리는 효과가 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 기체의 흐름을 원활하게 하기 위하여 설계된 일반적인 연소실 흡배기 밸브의 구조를 과급 가스엔진의 특성에 맞추어 변경함으로써, 밸브 시트에 가해지는 압력을 크게 줄인 과급 가스엔진용 밸브 및 밸브 시트를 제공하는 효과가 있다.

또한, 과급 가스엔진의 밸브 시트에 가해지는 압력을 권고 수치인 80MPa 미만으로 감소시킴으로써, 과급 가스엔진에 적용된 밸브 시트의 수명을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 과급 가스엔진용 흡배기 밸브 및 밸브 시트의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 엔진에 종래의 흡배기 밸브를 적용한 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1과 도 2에 적용된 밸브의 외형을 비교한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 과급 가스엔진용 흡배기 밸브와 밸브 시트의 접촉상태를 나타내는 확대도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 과급 가스엔진용 흡배기 밸브 및 밸브 시트의 구조를 나타내는 도면이다.

본 실시예의 과급 가스엔진용 흡배기 밸브는 밸브(10)와 밸브 시트(20)로 구성된다.

밸브(10)는 갓 모양의 밸브 헤드와 밸브 봉을 갖는 포핏 밸브로서, 연소실의 내부에서 밸브 헤드가 움직이며 연소실을 개폐한다.

그리고 밸브 시트(20)는 연소실의 기밀 정도를 높이기 위하여 밸브(10)와 맞닿는 연소실의 상부에 설치되는 점에서 종래의 밸브 및 밸브 시트와 같다.

다만, 밸브(10)와 밸브 시트(20)의 접촉면적을 넓히기 위하여, 밸브 아랫면에 대한 밸브(10)의 상부 경사면 및 밸브 시트(20) 밀착면의 각도를 45°보다 작은 30°로 설계하였다.

그리고 본 실시예와의 비교를 위하여, 동일한 구조를 갖는 엔진에 종래의 일반적인 구조의 밸브와 밸브 시트를 설치하였다.

도 2는 도 1의 엔진에 종래의 흡배기 밸브 및 밸브 시트를 적용한 모습을 나타내는 도면이다. 도시된 것과 같이, 적용된 엔진의 구조는 동일하며, 밸브(100)의 경사면과 밸브 시트(200)의 밀착면이 밸브(100)의 아랫면에 대하여 45°의 각도를 갖는다.

도 3은 도 1과 도 2에 적용된 밸브의 외형을 비교한 도면이다.

도면에서 검은 색으로 표시된 외곽선이 종래의 일반적인 구조의 밸브이고, 붉은 색으로 표시된 외곽선이 본 실시예의 밸브이다. 도시된 것과 같이, 본 실시예의 밸브와 종래의 밸브는 동일한 구조의 엔진에 적용되기 때문에, 경사면(12, 120)보다 위쪽인 밸브부분과 밸브의 아랫면이 일치하는 것을 확인할 수 있다.

그러나 종래의 밸브(100)가 밸브의 아랫면에 대하여 45° 각도의 경사면(120)이 형성되는 반면에, 본 실시예의 밸브(10)는 30° 각도의 경사면(12)이 형성된다. 그 결과, 본 실시예의 밸브(10)는 경사면(12)의 각도가 작아지면서, 경사면(12)의 면적이 더 넓어졌으며, 경사면이 갖는 지름에 변화가 생겼다.

밸브 경사면의 지름은 상부 지름과 하부 지름의 두 부분에 대하여 표현하여야 한다. 도면에서, d1과 d2는 종래 밸브 경사면(120)이 갖는 상부 지름(d1)과 하부 지름(d2)이며, D1과 D2는 본 실시예의 밸브 경사면(12)이 갖는 상부 지름(D1)과 하부 지름(D2)이다.

도시된 것과 같이, 종래 밸브 경사면(120)의 상부 지름(d1)에 비하여 본 실시예 밸브 경사면(12)의 상부 지름(D1)이 작아졌으며, 종래 밸브 경사면(120)의 하부 지름(d2)에 비하여 본 실시예 밸브 경사면(12)의 하부 지름(D2)은 더 커졌다.

이러한 변화를 수치로 표현하면 다음의 표와 같다.

	종래의 밸브	본 실시예의 밸브
경사면의 각도	45°	30°
경사면 상부 지름	d1 = 66mm	D1 = 64mm
경사면 하부 지름	d2 = 72mm	D2 = 73mm

그리고 도 3에 별도로 도시하지는 않았지만, 밸브 시트에는 상기 밸브의 경사면에 접촉하도록 각각의 경사면과 동일한 각도를 갖는 밀착면이 형성된다.

이렇게 구성된 두 개의 밸브 및 밸브 시트를 적용한 과급 가스엔진에 대하여, 연소 시에 밸브 시트에 가해지는 접촉 면압을 측정하였다.

종래의 일반적인 흡배기 밸브 구조를 적용한 과급 가스엔진의 경우에 밸브 시트면에 가해지는 접촉 면압이 106MPa로 측정되었으며, 본 실시예의 흡배기 밸브 구조를 적용한 경우에는 79.3MPa로 측정되었다.

종래의 일반적인 흡배기 밸브 구조를 적용한 경우에는 밸브 시트의 면압에 대한 권고 값인 80MPa을 상당히 초과하는 면압을 나타내어 밸브 시트의 수명이 매우 짧을 것임을 예상할 수 있다. 반면에, 본 실시예의 흡배기 밸브 구조를 적용한 경우에는 밸브 시트의 면압이 권고수치인 80MPa보다 낮기 때문에, 충분한 밸브 시트의 수명을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

또한, 본 실시예에 따른 흡배기 밸브의 구조는 밸브 경사면의 하부 지름을 늘림으로써 밸브 시트의 마모를 줄일 수 있다.

도 4는 본 실시예에 따른 흡배기 밸브와 밸브 시트의 접촉상태를 나타내는 확대도이다. 도 1에서 점선의 원으로 표시된 부분을 확대한 것이다.

이에 따르면, 밸브 경사면(12)의 각도를 30°로 낮추면서, 밸브 경사면(12)의 하부 지름이 밸브 시트(20)에 형성된 밀착면(22)의 하부 지름보다 크게 구성된다. 결국, 밸브 경사면(12)의 하단이 밸브 시트의 밀착면(22)보다 외부로 돌출됨으로써, 밸브와 밸브 시트의 접촉이 경사면(12)의 중간 부분에서만 일어난다. 따라서 접촉에 의한 마모가 밸브의 경사면에서 주로 발생하여, 밸브 시트의 수명이 늘어나는 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이 본 발명은, 기체의 흐름을 원활하게 하기 위하여 설계된 일반적인 연소실 흡배기 밸브의 구조를 과급 가스엔진의 특성에 맞추어 변경함으로써, 밸브 시트에 가해지는 100MPa 이상의 면압을 80MPa 미만으로 크게 줄일 수 있었다. 이러한 면압의 감소는 밸브 시트의 수명을 크게 증가시킬 것으로 예상된다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10, 100: 밸브 12, 120: 경사면
20, 200: 밸브 시트 22: 밀착면

Claims (3)

1. 과급 가스엔진의 연소실에 적용되는 것으로서,
   연소실에 설치되고, 밸브에 접촉하는 밀착면을 갖는 밸브 시트; 및
   상기 밀착면에 접촉하는 경사면이 형성되고, 상기 연소실을 밀폐하는 밸브를 포함하며,
   상기 밀착면과 상기 경사면의 접촉 면적을 넓히기 위하여, 상기 밀착면과 상기 경사면이 상기 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 45°보다 작은 것을 특징으로 하는 과급 가스엔진용 흡배기 밸브 및 밸브 시트.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 밀착면과 상기 경사면이 상기 밸브의 아랫면과 이루는 각도가 30°인 것을 특징으로 하는 과급 가스엔진용 흡배기 밸브 및 밸브 시트.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 경사면의 하부 지름이 상기 밀착면의 하부 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 과급 가스엔진용 흡배기 밸브 및 밸브 시트.

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