KR20140108150A

KR20140108150A - 금속 중공 밸브

Info

Publication number: KR20140108150A
Application number: KR1020140023156A
Authority: KR
Inventors: 페터 크로스; 크리스토프 루벤; 로란트 샤헤러
Original assignee: 말레 인터내셔널 게엠베하
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2014-09-05
Also published as: EP2803827B1; JP2014169696A; EP2803827B2; DE102013203443A1; CN104018904A; CN104018904B; EP2803827A1

Abstract

본 발명은, 공동(5)을 가진 관형 축(2) 및 상기 축(2)과 연결된 밸브 헤드(3)를 포함한 내연기관의 금속 중공 밸브(1)에 관한 것이다. 상기 발명의 필수적인 특징에 의하면,
상기 축(2)은 5.0mm 보다 크고 6.0mm 보다 작은 외경(d_a) 및 3.0mm 보다 크고 4.6mm 보다 작은 내경(d_i)을 가지고,
상기 밸브 헤드(3)내에 공동(4)이 제공되며,
상기 공동(4)을 둘러싸는 벽이 1.0mm 보다 크고 2.0mm 보다 작은 두께(b₁, b₂)를 가진다.
특히 양호하게 냉각될 수 있는 금속 중공 밸브(1)가 생산될 수 있어서 노킹 한계가 증가될 수 있다.

Description

금속 중공 밸브{METALLIC HOLLOW VALVE}

본 발명은, 제 1 항의 서두를 따르고 관형 축 및 상기 관형축에 연결된 밸브 판(valve plate)을 가진 내연기관의 금속 중공 밸브(metallic hollow valve)에 관한 것이다.

내연기관 특히, 승용차량의 엔진에서 열 응력의 증가는, 예를 들어 밸브로서 약칭되고 냉각되어야 하는 가스 교환 밸브와 같은 엔진 부품들을 더욱 요구한다. 이를 위해, 내부의 냉각 매체(internal cooling medium)를 가진 소위 중공 밸브들이 이용된다.

문헌 제 EP 2 541 000 A1 호에 의하면, 금속 중공 밸브를 생산하기 위한 방법이 공개되고, 해당 스템핑(stamping)가공에 의해 상기 밸브는 계속해서 변형되고 특히 밸브의 축은 테이퍼 가공된다.

문헌 제 DE 10 2010 051 871 A1 호에 의하면, 내연기관의 가스교환을 위한 금속 중공 밸브들을 생산하기 위한 방법이 공개되고, 상기 밸브를 형성하는 중공 부분들의 공동(cavities)들은 서로 결합되며, 상기 공동들은 전기화학적 금속 제거(metal removal)법에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 이를 위해, 우선 상기 밸브 축이 종방향으로 드릴링되고, 다음에 상기 공동은 상기 밸브 축의 종방향 축에 대해 횡방향으로 형성되는 확대 보어(bore)로서 밸브헤드내에 형성된다. 상기 방법에 의하면, 특히 중공 밸브들은 간단하게 생산될 수 있고 동시에 밸브의 품질은 향상되어야 한다.

문헌 제 DE 10 2012 209 187 A1 호를 다시 한번 참고할 때, 내연기관의 금속 중공 밸브를 생산하기 위한 방법이 공개되고, 상기 방법에 의하면, 배(pear) 형상 구조의 단조 블랭크(forging blank)속으로 보어가 형성된다. 다음에 연속되는 밸브헤드가 전기화학적 제거법에 의해 적어도 부분적으로 중공구조로 가공되고, 계속해서 상기 방법에 의해 생산되는 상기 공동은 지지 유체(support fluid)에 의해 충진되고 상기 중공 밸브가 밀폐된다. 상기 중공 밸브는 상대적으로 유리한 비용으로 생산될 수 있다.

문헌 제 DE 10 2011 077 A1 호를 다시 한번 참고하면, 밸브 축속으로 통과하는 밸브 헤드를 가진 내연기관의 금속 중공 밸브를 생산하기 위한 방법이 공개되고, 상기 밸브 헤드속으로 보어가 삽입되며, 상기 밸브 헤드는 계속해서 전기화학적 제거법에 의해 적어도 부분적으로 중공구조를 가진다. 원리적으로 상기 금속 중공 밸브의 생산은 향상되어야 한다.

일반적으로 상기 방법은 금속 중공 밸브들에 적용될 수 있고, 상기 금속 중공 밸브들은 중실 밸브들보다 가볍고, 예를 들어, 나트륨과 같은 냉각매체로 충진될 때, 금속 중공 밸브들은 향상된 열 소산(heat dissipattion)작용을 제공한다. 오토(Otto) 엔진에서, 특히 우수한 열 소산작용을 제공하는 중공 밸브는 노킹 한계(knocking limit)를 변화(shifting)시키고 그 결과 특히 유리한 작동을 형성한다. 노킹은, 너무 높은 온도와 압력에 기인한 가솔린 공기 혼합물의 제어되지 않은 점화를 나타낸다. 노킹은, 높은 기계적 응력과 열 응력을 가지며 내연기관에 충격을 주고 결과적으로 수명과 효율에 부정적으로 영향을 준다. 그러나, 노킹 한계가 상승될 수 있다면, 실린더내부에서 압축(compacting)이 증가될 수 있고 연소공정에서 효율이 현저하게 증가되어 상대적으로 적은 연료소비로 상대적으로 높은 성능을 가져다 준다.

그러므로 본 발명은 상기 문제와 관련되고, 노킹 한계를 증가시키는 상기 형태의 금속 중공 밸브를 위한 향상된 실시예를 제공하는 것이다.

상기 문제는 본 발명에 따라 독립항 제 1 항의 주제에 의해 해결된다. 유리한 실시예들은 종속항들의 주제이다.

본 발명은, 매우 얇은 벽을 가진 중공 밸브로서 구성되어 특히 효과적으로 냉각되는 내연기관내에서 이용되는 (가스교환 밸브들)밸브들에 의해 내연기관내부에서 노킹 한계(knocking limit)를 증가시키는 일반적인 아이디어에 기초한다. 이를 위해, 본 발명을 따르는 상기 금속 중공 밸브는 종래기술에 따라 관형 축 및 관형축에 연결된 밸브 헤드를 가진다. 본 발명에 의하면, 상기 축은 5.0 mm 및 6.0mm 사이의 외경과, 3.0mm 및 4.6mm사이의 내경을 가져서, 상기 축의 벽 두께는 종래기술의 중공 밸브들과 비교하여 현저하게 감소된다. 또한, 상기 밸브 헤드내에 공동이 제공되고 상기 밸브 헤드를 둘러싸는 벽들은 1.0 mm 및 최대 2.0mm 사이의 두께를 가져서 유사하게 중공 밸브는 높은 열전달과 우수한 냉각기능을 가진다. 본 발명을 따르는 중공 밸브가 상대적으로 정교하게 구성되므로, 연소실을 향하는 평평한 밸브헤드 하부에서 특히 효과적인 냉각이 이루어질 수 있어서 노킹 한계를 변화(shifting)시키고 즉 상승시키고, 그 결과 상기 노킹에 의해 발생되는 내연기관의 기계적 응력과 열 응력을 감소시킨다. 본 발명을 따르는 상기 정교한 밸브에서 실린더내부에는 높은 압축(compacting)작용이 이루어질 수 있고 연소과정의 효율이 현저하게 증가되며 동시에 상대적으로 적은 연료소비로 상대적으로 높은 성능이 구해진다.

상기 공동의 내벽이 가지는 표면 거칠기(Rz)는 10μm보다 크거나 특히 16μm보다 크다. 상기 밸브 헤드내에서 상기 공동의 내벽상에 상대적으로 큰 표면 거칠기가 형성되어, 열전달영역이 증가되고 열교환에 긍정적인 영향을 주며 또한 본 발명을 따르는 중공 밸브들의 냉각에 긍정적인 영향을 준다. 또한, 내벽의 표면 거칠기는 중공밸브의 축내에 형성될 수 있다.

본 발명을 따르는 또 다른 유리한 실시예에 의하면, 상기 금속 중공 밸브는 X50CrMnNiNbN21-9 강 또는 X45CrSi9-3강 또는 NiCr20TiAl강 또는 NCF3015(Ni 30% 및 Cr15%) 강에 의해 제조된다. 상기 고합금강은 우선 본 발명에 따라 중공밸브의 정교한 구성을 허용하고 또한, 상대적으로 높은 마모저항성(wear resistance)을 가진다. 또한, 상기 고합금강은 일반적으로 높은 내부식성(corrosion resistance)을 가지고 예를 들어 오일(oil) 또는 연소배출가스와 같은 부식성(aggresive) 화학물질에 대해 높은 저항성을 가져서, 상기 고합금강은 특히 내연기관내부의 상기 금속 중공 밸브에서 이용하기 적합하다.

밸브 헤드내부의 공동은 전기화학적 제거법에 의해 생산되고, 상기 공동은 사실상 둥근 형상, 타원형상 또는 원추형상을 가지도록 구성된다. 상기 전기화학적 제거법은, 복잡한 공구를 사용하거나 상당한 기계적 시도를 하지 않고도 밸브 헤드내부에 가능한 큰 공동을 형성할 수 있는 가능성을 제공한다. 상기 전기화학적 제거법은 매우 정밀하게 제어되어야 하는 공정이어서, 본 발명을 따르는 금속 중공 밸브들은 일정하게 높은 품질로 생산될 수 있다. 유사하게 상기 축은 상기 전기화학적 제거법에 의해 확대될 수 있고 일반적으로 축은 처음에 드릴링된다.

본 발명의 또 다른 중요한 특징들과 장점들이 도면들 및 도면들을 참고하는 상세한 설명 및 종속항들로부터 이해된다.

상기 설명과 하기 추가 설명은 본 발명의 범위내에서 각각의 설명된 조합뿐만 아니라 다른 조합으로 이용되거나 단독으로 이용될 수 있다.

본 발명의 선호되는 실시예들이 도면에 도시되고 하기 상세한 설명으로 제공된다.

도 1은, 본 발명을 따르는 금속 중공 밸브를 도시한 단면도.

도 1을 참고할 때, 본 발명을 따르는 (도면에 도시되지 않은) 내연기관의 금속 중공 밸브(1)는 관형 축(2) 및 관형 축에 연결된 밸브 헤드(3)를 가진다. 상기 축(2)과 밸브 헤드(3)는 일반적으로 단일체로 구성된다. 상기 금속 중공 밸브(1)를 효율적으로 냉각시키기 위해, 상대적으로 얇은 벽 두께 (b₁, b₂, b₃)를 가진 금속 중공 밸브는 정교하게 장착되고, 벽 두께(b₁)는 도면에 도시되지 않은 연소실을 향하는 밸브헤드 기저부 영역에서 측정되며, 벽 두께(b₂)는 밸브 목(valve throat)(6) 영역에서 측정된다. 벽 두께(b₃)는 상기 축(2) 영역에서 벽 두께를 나타낸다. 상기 얇은 벽 두께 (b₁, b₂, b₃)를 통해 금속 중공 밸브의 냉각기능이 향상될 뿐만 아니라 내연기관의 노킹 한계도 상승되며, 가솔린- 공기 혼합물의 제어되지 않은 점화 및 이로 인한 높은 기계적 응력과 열응력이 회피될 수 있고 적어도 상당히 감소될 수 있다. 상기 얇은 벽 두께는 노킹 한계를 상승시킨다. 이를 위해, 본 발명을 따르는 금속 중공 밸브(1)는 밸브의 축(2) 영역에서 5 내지 6mm의 외경(d_a)을 가진다. 상기 축(2)의 영역에서 내경(d_i)은 3.0 내지 4.6mm 이므로, 상기 벽 두께(b₃)는 약 0.7 내지 1.5mm 이다. 물론, 상기 벽 두께(b₃)는 또한 공차 조건에 따라 약 0.5 내지 1.5mm일 수 있고, 외경(d_a)이 6mm일 때 내경(d_i)은 4.6mm인 것이 선호된다. 밸브헤드(3)내에 공동(4)이 제공되고, 상기 공동(4)은 상기 축(2)내에 배열된 공동(5)과 함께 나트륨과 같은 냉각제를 위한 수용공간을 형성한다. 상기 공도(4)을 둘러싸는 벽이 밸브 목(6)의 영역에서와 같이 밸브헤드 기저부의 영역에서 1 내지 2mm 의 두께(b1)를 가져서, 상기 영역에서 상기 벽의 두께(b₂)는 약 1 내지 2mm 이다.

상기 공동(4, 5)내에 배열된 냉각제와 금속 중공 밸브(1)사이에서 열전달을 추가로 개선하기 위하여, 상기 공도(4) 또는 공동(5)의 내벽(7)이 가지는 표면 거칠기(Rz)는 10μm 보다 크거나 특히 16μm 보다 크다. 표면 거칠기(Rz)가 증가함에 따라 열교환을 위해 이용되는 영역은 증가되어 열전달이 개선된다.

일반적으로, 중공 밸브(1)는 예를 들어 X45CrSi9-3 또는 NiCr20TiAl 또는 NCF3015 강과 같은 고합금 강(high- alloyed steel)으로부터 생산될 수 있다. 상기 고합금강에 의해 상기 금속 중공 밸브(1)는 본 발명에 의해 정교하게 구성될 수 있고 또한 상기 고합금강은 예를 들어 오일 또는 연소배출 가스와 같은 부식성(aggressive) 화학적 매체에 대해 저항성을 가지게 된다. 또한, 상기 고합금강들은 마모와 부식에 대해 높은 저항성을 가지고 따라서 높은 수명을 가진다.

상기 축(2)내부의 상기 공동(5)은 일반적으로 드릴링 가공되고, 밸브헤드(3)내부의 상기 공동(4)은 전기화학적 제거법에 의해 생산된다. 상기 공동(4)은, 예를 들어 둥근(round) 형상, 원추 형상 또는 타원형상으로 제조될 수 있다. 상기 전기화학적 제거법에 의해 공동(4)이 생산될 수 있고 따라서 간단하고 매우 정밀하며 상기 공동을 둘러싸는 벽들이 생산될 수 있다.

본 발명을 따르는 금속 중공 밸브(1)에 의하면, 금속 중공 밸브는 현저하게 냉각될 수 있고, 따라서 내연기관의 노킹 한계는 상승될 수 있어서, 내연기관의 수명을 증가시킬 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 연료소모에 의해 상대적으로 높은 성능이 구해진다. 또한, 정교한 실시예를 통해 중량이 감소되어 내연기관의 연료소모에 긍정적인 효과를 제공한다.

1....금속 중공 밸브,
5....공동,
2....축,
3....밸브 헤드,
4....공동.

Claims

공동(5)을 가진 관형 축(2) 및 상기 축(2)과 연결된 밸브 헤드(3)를 포함한 내연기관의 금속 중공 밸브(1)에 있어서,
상기 축(2)은 5.0mm 보다 크고 6.0mm 보다 작은 외경(d_a) 및 3.0mm 보다 크고 4.6mm 보다 작은 내경(d_i)을 가지고,
상기 밸브 헤드(3)내에 공동(4)이 제공되며,
상기 공동(4)을 둘러싸는 벽이 1.0mm 보다 크고 2.0mm 보다 작은 두께(b₁, b₂)를 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 금속 중공 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 공동(5)을 둘러싸는 벽이 0.7mm 보다 크고 1.5mm 보다 작은 두께(b₃)를 가지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 금속 중공 밸브.
전항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 중공 밸브(1)는 X50CrMnNiNbN21-9 강 또는 X45CrSi9-3강 또는 NiCr20TiAl강 또는 NCF3015 강에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 금속 중공 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 헤드(3)내부의 공동(4)은 전기화학적 제거법에 의해 적어도 부분적으로 생산되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 금속 중공 밸브.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동(4)은 둥근 형상 또는 타원형상 또는 원추형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 금속 중공 밸브.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동(5)은 상기 축(2)내에서 드릴링 가공되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 금속 중공 밸브.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동(4,5)의 내벽(7)이 가지는 표면 거칠기(Rz)는 10μm보다 크거나 특히 16μm보다 큰 것을 특징으로 하는 내연기관의 금속 중공 밸브.