KR20180092858A

KR20180092858A - 가스 교환 밸브의 밸브 시트 링, 가스 교환 밸브, 및 밸브 시트 링의 제조 방법

Info

Publication number: KR20180092858A
Application number: KR1020180014486A
Authority: KR
Inventors: 크리스티안 에셰이
Original assignee: 만 디젤 앤 터보 에스이
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2018-08-20
Also published as: CN108412570A; DE102017102544A1; CH713420A2; JP2018128019A

Abstract

내연 기관의 실린더의 가스 교환 밸브를 위한 밸브 시트 링(10)을 개시하며, 이 밸브 시트 링에서, 가스 교환 밸브의 폐쇄를 위해 가스 교환 밸브의 밸브 바디가 상기 밸브 시트 링에 기대어질 수 있고, 밸브 바디는 가스 교환 밸브의 개방을 우해 밸브 시트 링으로부터 분리될 수 있다. 밸브 시트 링(10)은 상이한 재료들로, 즉 제1 섹션(13)에서는 제1 재료로 그리고 제2 섹션(14)에서는 제2 재료로 이루어지며, 제1 재료는 제2 재료에 비해 큰 강도를 가지며, 제2 재료는 상기 제1 재료에 비해 높은 열전도도를 갖는다.

Description

가스 교환 밸브의 밸브 시트 링, 가스 교환 밸브, 및 밸브 시트 링의 제조 방법{VALVE SEAT RING OF A GAS EXCHANGE VALVE, GAS EXCHANGE VALVE AND METHOD FOR PRODUCING THE VALVE SEAT RING}

본 발명은 내연 기관의 가스 교환 밸브의 밸브 시트 링에 관한 것이다. 본 발명은 또한 내연 기관용 가스 교환 밸브 및 이 가스 교환 밸브를 제조하는 방법에 관한 것이다.

당업계에 공지된 내연 기관은 가스 교환 밸브, 즉 급기(charge air)를 내연 기관의 실린더에 공급할 수 있는 입구측 가스 교환 밸브와, 배기가스를 내연 기관의 실린더로부터 배출할 수 있는 배기측 가스 교환 밸브를 포함한다.

내연 기관의 각 가스 교환 밸브는 밸브 바디를 포함하며, 밸브 시트 링이 그 밸브 바디와 상호 작용한다. 폐쇄 상태의 가스 교환 밸브의 경우, 밸브 바디는 그 정해진 영역이 밸브 시트 링의 정해진 표면 영역 상에 얹혀지거나 안착되는 한편, 개방 상태의 가스 교환 밸브의 경우에 밸브 바디의 그 영역은 밸브 시트 링에 기대어지지 않거나 그 밸브 시트 링으로부터 분리 또는 들어올려진다.

당업계에 공지된 가스 교환 밸브의 밸브 시트 링은 전체적으로 하나의 동일 재료로 제조되고 부분적으로 마모 보호재(하드 페이싱(hard-facing))이 마련된다. 실린더의 연소실 내에서의 점점 증가하는 고압 및 고온의 결과로, 가스 교환 밸브의 밸브 시트 링에 대한 요건은 특히 강도와 관련하여 열전도성 및 내마모성을 증가시키고 있다. 당업계에 공지된 밸브 시트 링의 경우, 그러한 요건들은 단지 부적절하게 만 충족되고 있을 뿐이다.

이로부터 시작하여, 본 발명은 가스 교환 밸브의 밸브 시트 링의 신규한 타입, 그러한 밸브 시트 링을 갖는 가스 교환 밸브, 및 그 밸브 시트 링을 제조하는 방법을 제공한다는 과제에 기초한다.

이 과제는 청구항 1에 따른 밸브 시트 링을 통해 해결된다. 본 발명에 따르면, 밸브 시트 링은 상이한 재료들로, 즉 제1 섹션에서는 제1 재료로 그리고 제2 섹션에서는 제2 재료로 이루어지며, 제1 재료는 제2 재료에 비해 큰 강도를 가지며, 제2 재료는 제1 재료에 비해 큰 열전도도를 갖는다. 따라서, 본 발명은, 하나의 동일 재료로 연속하여 제조되는 것이 아니라 복합 구조의 의미에서 상이한 재료들의 섹션을 갖는 밸브 시트 링을 제안한다. 제1 재료의 제1 섹션은 밸브 시트 링의 정적 및 동적 강도라는 주 기능을 떠맡는다. 제2 재료의 제2 섹션은 밸브 시트 링으로부터 멀리 많은 열을 운반한다는 기능을 떠맡는다. 대안적으로, 두 재료는 각각 해당 다른 재료의 해당 주 기능을 지원한다. 상이한 재료들의 이용의 이점은, 그 재료들이 그 주 기능에 적합하게 개별적으로 선택될 수 있고, 단일 재료는 고강도와 양호한 열전도성의 측면에서의 요구조건을 동시에 충족하지 못한다는 점에서 유리하다.

바람직하게는, 밸브 시트 링은 제3 섹션에서 제3 재료로 이루어지며, 제3 재료는 제1 및 제2 재료에 비해 큰 연성(ductility)을 갖는다. 밸브 시트 링의 제3 섹션에서의 제3 재료의 경우, 특히 가스 교환 밸브의 폐쇄 거동이 긍정적으로 영향을 받을 수 있다. 제3 섹션에서의 높은 연성으로 인해, 가스 교환 밸브의 밸브 시트 링과 밸브 바디 간의 밀봉 효과가 수 시간의 작동 시간 내에서도 달성되어, 작동 변동을 감소시키는 것을 보장한다.

다른 유리한 개선점에 따르면, 밸브 시트 링은 복수의 부분으로 형성되며, 밸브 바디와 상호 작용하여 이를 냉각시키는 제1 부분은 상이한 재료들로 이루어진 섹션들을 포함하며, 내연 기관 내에 밸브 시트 링을 조립하는 기능을 하는 제2 부분은 전체적으로 하나의 재료로 이루어지며, 이들 두 부분은 서로에 고정된 방식으로 연결된다. 이는 밸브 시트 링의 경제적 제조를 위해 유리하다. 단지 강도 및 열전도성은 물론 밀봉 효과의 측면에서 중요한 밸브 시트 링의 영역들만이 상이한 재료들의 섹션들로 제조된다. 내연 기관 내에 밸브 시트 링을 조립하는 기능을 하는 밸브 시트 링의 부분은 종래의 방식으로 하나의 동일 재료로 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 가스 교환 밸브는 청구항 11에 정의되어 있다. 밸브 시트 링을 제조하는 방법은 청구항 12 또는 13에 정의되어 있다.

본 발명의 다른 바람직한 개선점들은 종속 청구항 및 이하의 상세한 설명으로부터 얻어진다. 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 이에 한정되는 일 없이 보다 상세하게 설명한다. 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 가스 교환 밸브의 밸브 시트 링의 영역에서 본 발명에 따른 내연 기관의 부분 추출 도면이다.

본 발명은 내연 기관의 가스 교환 밸브를 위한 밸브 시트 링, 그러한 밸브 시트 링을 갖는 가스 교환 밸브, 및 그 밸브 시트 링을 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 내연 기관의 실린더의 가스 교환 밸브를 위한 밸브 시트 링(10)으로부터의 부분 추출 도면을 매우 개략적인 방식으로 도시한다. 그 가스 교환 밸브는 급기를 위한 입구측 가스 교환 밸브 또는 배기를 위한 배기측 가스 교환 밸브일 수 있다.

도 1에 도시한 밸브 시트 링(10)은 도시 생략한 밸브 바디와 상호 작용하며, 그 밸브 바디는 밸브 콘 또는 밸브 디스크로도 설명한다. 가스 교환 밸브를 폐쇄하는 경우, 밸브 바디는 밸브 시트 링(10)에 기대어질 수 있으며, 접촉하는 밸브 바디와 밸브 시트 링(10)의 섹션 또는 표면 영역들이 밀봉 효과를 제공한다. 가스 교환 밸브를 개방하는 경우, 밸브 바디는 밸브 시트 링(10)에서 분리, 특히 들어올려질 수 있다.

도 1에 도시한 밸브 시트 링(10)은 고정된 방식으로, 즉 도 1에서는 용접 시임(18)을 통해 서로 연결된 2개의 부분(11, 12)을 포함한다. 밸브 시트 링(10)의 제1 부분(11)은 밸브 바디와 상호 작용하며 강도, 열전도성 및 밀봉 효과의 측면에서 적절한 설계되어야 하는 부분이다. 밸브 시트 링(10)의 제2 부분(12)은 내연 기관의 실린더 헤드에 밸브 시트 링(10)을 조립하는 기능을 한다.

내연 기관에, 특히 내연 기관의 실린더 헤드에 밸브 시트 링(10)을 조립하는 기능을 하는 밸브 시트 링(10)의 제2 부분(12)은 하나의 동일 재료로 연속하여 제조되며, 그 제2 부분(12)은 특히 예를 들면 밀링 또는 선삭 등의 절삭 가공법(chip-machining method)을 통해 제조될 수 있다.

밸브 바디와 상호 작용하는 도 1의 밸브 시트 링(10)의 제1 부분(11)은 상이한 재료들로 제조된다.

따라서, 밸브 시트 링(10)의 제1 부분(11)은 제1 재료의 제1 섹션(13)과 제2 재료의 제2 섹션을 포함하며, 제1 섹션(13)의 제1 재료는 제2 섹션(14)의 제2 재료와 비교해 큰 강도를 가지며, 제2 섹션(14)의 제2 재료는 제1 섹션(13)의 제1 재료와 비교해 큰 열전도도를 갖는다.

제1 재료로 제조된 제1 섹션(13)은 주로 밸브 시트 링(10)의 적절한 정적 및 동적 강도를 보장한다. 제2 재료의 제2 섹션(14)은 주로 적절한 높은 열전도도를 제공하여, 온도 제어될 밸브 시트 링(10)의 표면으로부터 멀리 많은 열을 운반할 수 있게 한다. 상이한 재료들로 이루어진 두 섹션들은 모두 각각 해당 다른 재료의 해당 다른 영역의 기능을 추가적으로 지원하여 떠맡는다.

이 경우, 상이한 재료들의 섹션(13, 14)은 복합 구조를 형성한다. 두 섹션(13, 14)의 재료 각각은 해다 기능을 위해 별개로 선택 또는 설계될 수 있다. 제1 재료는 바람직하게는 제1 금속 재료이다. 마찬가지로, 제2 재료도 바람직하게는 제2 금속 재료이다.

바람직하게는, 제1 섹션(13)의 제1 재료의 강도는 740 N/m² 내 1,200 N/m²에 상당한다. 제1 섹션(13)을 위한 제1 재료로서는 바람직하게는 스텔라이트(stellite) 12가 이용된다. 바람직하게는, 제2 섹션(14)의 제2 재료의 열전도도는 250 W/mK 내지 400 W/mK에 상당한다. 제2 섹션(14)을 위한 제2 재료로서는 바람직하게는 구리가 이용된다.

고강도를 갖는 제1 재료로 형성된 제1 섹션(13)은 바람직하게는 3차원 구조를 형성하며, 제2 섹션(14)은 그 3차원 구조의 중공 공간 또는 자유 공간이 제2 재료로 채워진다는 점으로 인해 비교적 높은 열전도도를 갖는 제2 재료로 형성된다. 이 경우, 3차원 구조는 규칙적 구조(regular structure), 특히 허니콤 구조 또는 프레임워크 구조일 수 있거나, 심지어는 특히 발포 구조 등의 불규칙적 구조일 수 도 있다.

본 발명의 측면에서, 밸브 시트 링(10)은, 적어도 밸브 바디와 상호 작용하는 부분(11)의 영역에 상이한 재료들의 섹션(13, 14), 즉 밸브 시트 링(10)의 정적 및 동적 강도라는 주 기능을 제공하는 제1 재료의 제1 섹션(13)과, 밸브 시트 링(10)의 표면 영역 등의 온도 제어될 섹션으로부터 멀리 많은 열을 운반하는 제2 재료의 제2 섹션(14)을 포함한다. 도 1은 밸브 시트 링(10)의 부분(11)의 영역에서 냉각제가 통과해 흐르는 냉각 튜브 또는 냉각 덕트의 의미에서의 냉각 장치를 도시하며, 제2 재료의 제2 섹션(14)을 통해, 냉각 장치(17)의 방향으로 열의 양호한 운반이 보장된다.

도 1에 도시한 본 발명에 따른 밸브 시트 링(10)의 바람직한 예시적인 실시예에서, 그 밸브 시트 링(10)은 밸브 시트 링(10)의 표면 영역(16)을 획정하는 제3 섹션(15)을 포함하며, 밸브 바디는 가스 교환 밸브의 폐쇄를 위해 그에 기대어질 수 있다. 밸브 바디를 위한 저부 영역을 형성하는 제3 섹션(15)에서, 밸브 시트 링(10)은 바람직하게는 제3 재료로 제조되며, 제3 재료는 제1 및 제2 재료에 비해 높거나 더 큰 연성(ductility)을 갖는다.

바람직하게는 제3 재료로서는 다음의 금속 또는 세라믹 재료, 즉 니켈 또는 지르코늄 산화물이 이용된다.

높은 연성을 갖는 금속 또는 세라믹 재료의 제3 섹션을 통해, 특히 가스 교환 밸브의 밸브 시트 링(10)과 밸브 바디 간의 밀봉 효과가 개선되어, 우수한 밀봉 효과가 수 시간의 작동 시간 내에서도 달성될 수 있고, 따라 작동의 변동이 감소될 수 있다.

게다가, 본 발명은 그러한 밸브 시트 링(10)을 갖는 가스 교환 밸브에 관한 것으로, 그 가스 교환 밸브는 또한 밸브 시트 링(10)과 상호 작용하는 도시 생략한 밸브 바디를 포함한다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 밸브 시트 링을 제조하는 방법에 관한 것이다. 도 1에 도시한 밸브 시트 링(10)은 제2 부분(12)을 절삭 가공 제조 방법에 의해 제조함으로써 제조된다. 밸브 시트 링(10)의 제1 부분(11)의 제조를 위해, 중공 공간 구조 등의 3차원 구조가 제1 재료로 먼저 제조되며, 따라서 제1 단계에서 밸브 시트 링(10)의 제1 부분(11)을 생성하는 제1 섹션(13)이 제1 재료로 먼저 제조된다. 여기서, 3차원 구조는 이미 설명한 바와 같이 예를 들면 허니콤 구조의 형태 등의 규칙적 구조로 구현될 수 있거나, 예를 들면 발포 구조의 형태 등의 불규칙적 구조로 구현될 수 있다. 3차원 구조는 예를 들면 3D 프린팅 등의 제너러티브 제조 기법(generative production method)을 통해 제조될 수 있다. 3차원 구조의 제조에 후속하여, 중공 공간 또는 자유 공간은 예를 들면 용침(infiltration)을 통해 제2 재료로 채워지며, 이에 의해 제1 재료의 제1 섹션(13) 및 제2 재료의 제2 섹션(14)을 제공한다. 2개의 부분(11, 12)의 마련 후에, 이들은 바람직하게는 용접에 의해 서로 연결된다.

이와 달리, 적어도 제1 재료의 제1 섹션(13)과 제2 재료의 제2 섹션(14)을 포함하는 제1 부분(11)은, 밸브 시트 링(10)의 부분(11)의 두 재료, 나가가서는 두 섹션(13, 14) 모두를 제너러티브 제조 기법에 의해, 예를 들면 다중 재료 3D 프린팅 프로세스에 의해 동시에 또는 대략 동시에 제조하는 식으로 제조하는 것도 가능하다.

두 부분(11, 12)을 연결하기 전에 또는 두 부분(11, 2)을 연결한 후에, 제3 재료의 제3 섹션(15)이 예를 들면 코팅 기법에 의해 밸브 시트 링(10)의 부분(11) 상에 형성될 수 있다. 대안적으로, 제1 부분(11)의 제3 섹션도 제너러티브 제조 기법에 의해 제조될 수 있다.

내연 기관에, 특히 내연 기관의 실린더 헤드에 밸브 시트 링(10)을 조립하는 기능을 하는 밸브 시트 링(10)의 제2 부분(12)은 바람직하게는 전체적으로 하나의 동일 재료로 제조된다. 이 경우, 제2 부분(12)은 바람직하게는 제1 부분(11)의 제1 섹션(13)의 제1 재료로 이루어진다. 그러면, 이는 예를 들면 용접에 의한 두 부분(11, 12)의 양호한 연결성을 보장한다.

따라서, 본 발명은 내연 기관의 가스 교환 밸브를 위한 전체적으로 신규한 형태의 밸브 시트 링(10)을 제안한다. 높은 기계적 부하 및 높은 열 부하에 노출되는 적어도 밸브 시트 링(10)의 제1 부분(11)이 상이한 재료들로 제조된 적어도 2개의 상이한 섹션(13, 14)들의 복합 구조로, 즉 비교적 높은 강도를 갖는 제1 재료의 제1 섹션(13)과 비교적 높은 열전도도를 갖는 제2 재료의 제2 섹션(14)으로 이루어진다.

특히 바람직한 실시예에서는 밸브 바디를 위한 저부 영역으로서 기능하는 제3 섹션에서 밸브 시트 링(10)이 높은 연성을 갖는 제3 재료로 제조된다.

10: 밸브 시트 링
11: 부분
12: 부분
13: 제1 섹션
14: 제2 섹션
15: 제3 섹션
16: 표면
17: 냉각 장치
18: 용접 시임

Claims

내연 기관의 실린더의 가스 교환 밸브를 위한 밸브 시트 링(10)으로서, 상기 가스 교환 밸브의 폐쇄를 위해 상기 가스 교환 밸브의 밸브 바디가 상기 밸브 시트 링에 기대어질 수 있고, 상기 가스 교환 밸브의 개방을 위해 상기 밸브 바디가 상기 밸브 시트 링으로부터 분리될 수 있는, 밸브 시트 링(10)에 있어서,
상기 밸브 시트 링(10)은 상이한 재료들로, 즉 제1 섹션(13)에서는 제1 재료로 그리고 제2 섹션(14)에서는 제2 재료로 이루어지며, 상기 제1 재료는 상기 제2 재료에 비해 큰 강도를 가지며, 상기 제2 재료는 상기 제1 재료에 비해 높은 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제1항에 있어서, 상기 제1 재료로 형성된 상기 제1 섹션(13)은 3차원 구조를 형성하며, 상기 제2 섹션(14)은 상기 3차원 구조의 중공 공간 또는 자유 공간을 상기 제2 재료로 채움으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제2항에 있어서, 상기 3차원 구조는 규칙적 구조(regular structure), 특히 허니콤 구조인 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제2항에 있어서, 상기 3차원 구조는 불규칙적 구조(irregular structure), 특히 발포 구조를 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 재료는 제1 금속 재료인 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 재료는 제2 금속 재료인 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 시트 링(10)은 제3 섹션(15)에서 제3 재료로 형성되며, 상기 제3 재료는 상기 제1 및 제2 재료에 비해 큰 연성(ductility)을 갖는 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제7항에 있어서, 상기 제3 섹션(15)은 상기 가스 교환 밸브의 폐쇄를 위해 상기 밸브 바디가 기대어질 수 있는 상기 밸브 시트 링(10)의 표면 영역(16)을 획정하는 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제3 재료는 제3 금속 또는 세라믹 재료인 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 시트 링(10)은 복수의 부분으로 형성되며, 상기 밸브 바디와 상호 작용하여 이를 냉각시키는 제1 부분(11)이 상이한 재료들로 이루어진 섹션(13, 14, 15)들을 포함하며, 상기 내연 기관 내에 밸브 시트 링을 조립하는 기능을 하는 제2 부분(12)은 전체적으로 하나의 재료로 이루어지며, 상기 두 부분(11, 12)은 서로에 고정된 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링.
밸브 바디 및 이 밸브 바디를 위한 밸브 시트 링(10)을 구비한 내연 기관의 가스 교환 밸브에 있어서,
상기 밸브 시트 링(10)은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따라 형성되는 것인 가스 교환 밸브.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 밸브 시트 링(10)을 제조하는 방법에 있어서,
제1 단계에서, 3차원 구조를 형성하도록 상기 제1 섹션(13)을 상기 제1 재료로 형성하며, 이어서, 제2 단계에서, 상기 3차원 구조의 중공 공간 또는 자유 공간을 상기 제2 재료로 채움으로써 상기 제2 섹션(14)을 형성하는 것을 특징으로 하는 밸브 시트 링의 제조 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 밸브 시트 링(10)을 제조하는 방법에 있어서,
제너러티브 제조 기법(generative production method)을 통해 동시에 상기 제1 섹션(13)을 제1 재료로 제조하고 상기 제2 섹션(14)을 제2 재료로 제조하는 것을 특징으로 하는 것인 밸브 시트 링의 제조 방법.