KR20190040327A - 실린더 헤드 및 엔진 - Google Patents

Abstract

[과제] 흡배기용 밸브의 부품 비용과 엔진의 다운사이징의 관계, 및 흡배기용 밸브의 냉각 성능과 추종성의 관계에 타협점을 찾고, 이들의 서로 모순되는 관계에 최선의 조화를 가져온다.
[해결수단] 흡기 밸브(151) 보다 고온의 환경에 노출되는 배기 밸브(161)에는, 냉각 작용이 우수한 냉매를 봉입한 중공 밸브를 사용함으로써, 다운사이징에 따른 저해 요인을 제거한다. 한편, 배기 밸브(161) 정도의 높은 냉각 작용이 요구되지 않지만, 연소 효율을 향상시키기 위해서는 배기 밸브(161) 이상의 추종성이 요구되는 흡기 밸브(151)에는, 상대적으로 부품 비용이 낮고, 무게가 작고, 추종성이 우수한, 냉매를 봉입하지 않은 중공 밸브를 사용한다.

Description

실린더 헤드 및 엔진

본 발명은 흡배기용 밸브로서 중공 밸브(hollow valve)를 포함하는 실린더 헤드 및 이를 탑재하는 엔진에 관한 것이다.

중공 밸브는 항공기용 엔진으로는 제2차 세계 대전 이전부터 기술적인 노하우가 쌓여 왔으며, 또한, 자동차 엔진에 있어서도, 예를 들어 레이싱 자동차와 같은 고성능 엔진에서는 중공 밸브의 사용이 일반화되었다. 이러한 중공 밸브를 사용하는 장점은 2가지가 있다. 하나는 경량화에 의해 높은 추종성(followability)을 얻을 수 있으므로, 엔진을 더 빠르게 회전시킬 수 있다는 점이다. 또 다른 장점은 중공 구조이므로 그 내부에 냉매 등을 봉입할 수 있으며, 이로 인한 냉각 효과를 기대할 수 있다는 점이다. 일반적으로는 금속 나트륨과 같은 냉매를 봉입하여, 더 높은 연소실의 온도에도 대응할 수 있도록 하는 것이 종래부터 행해지고 있다.

이러한 중공 밸브는 제조에 많은 공정이 소요되고 고가의 것이므로, 자동차용으로는 터보차저(turbocharger)를 탑재하거나, 또는 높은 압축비를 갖는 고성능 엔진에는 비교적 일찍 도입되었지만, 대중적인 자동차에의 도입은 비교적 장벽이 높았다.

그러나 최근 이산화탄소 배출량의 절감에 의한 지구 온난화 방지 등의 관점에서 엔진의 다운사이징이 세계적으로 유행하고 있다. 즉, 동일 차종에서도 종래보다 작은 배기량의 엔진을 채용하고, 여기에 터보차저를 탑재하여 소형 엔진임에도 불구하고 본래의 토크 부족을 보충하거나, 압축비를 높여 연비를 개선하는 것이 트렌드를 이루고 있다. 즉 "엔진 다운사이징"이라는 개념은 단순히 엔진의 배기량을 줄이는 것에 머무르는 것이 아니다. 터보차저를 탑재하거나 또는 압축비를 높이는 것과 같은 방법을 병용함으로써, 배기량을 축소함에 따른 단점을 해소하거나, 또는 그러한 단점을 사용자가 느끼지 못하도록 하는 것을 의미한다. 이 때문에 최근 엔진의 다운사이징이 널리 보급됨에 따라 연소 온도는 더 고온화되는 경향이 있다. 이에 따라, 주목받기 시작한 것이 중공 밸브이며, 대중적인 자동차에 있어서도 냉매를 봉입한 중공 밸브를 이용하는 사례가 늘고 있다. 또한, 경차용 엔진에도 냉매를 봉입한 중공 밸브가 채용되기 시작하였다.

중공 밸브 기술에 관한 특허로서, 예를 들어, 특허문헌 1 및 2를 들 수 있다.

특허문헌 1은 1999년 12월 24일에 특허 출원된 공개 특허 공보로서, 흡기 밸브와 배기 밸브의 적어도 한쪽에 중공 밸브를 이용한 발명을 개시하고 있다(단락 [0009], 도 2 및 도 4 참조). 그러나, 흡배기용 밸브는 중공 밸브이지만, 냉매 등을 봉입하고 있다는 설명은 없다.

특허문헌 2는 2004년 10월 28일에 특허 출원된 공개 특허 공보로서, 흡기 밸브와 배기 밸브의 모두 중공 밸브를 이용한 발명을 개시하고 있다(단락 [0029] 및 도 2 참조). 다만, 특허문헌 2의 흡배기용 밸브는 특허문헌 1과는 달리, 나트륨 칼륨과 같은 나트륨 화합물을 포함하는 냉매를 봉입하고 있다.

[특허문헌]

특허문헌 1: 일본국특허공개공보 특개2001-182540호 공보

특허문헌 2: 일본국특허공개공보 특개2006-125277호 공보

냉매를 봉입한 중공 밸브를 채용할 때의 문제점은 부품 비용이 높아진다는 점이다. 특히 최근 경향이 되고 있는 대중적인 자동차에 냉매를 봉입한 중공 밸브를 도입하는 것은 부품 비용이 차량 판매 가격에 반영되는 점을 고려하면 무조건 받아들일 수 있는 것만은 아니다. 반대로, 엔진의 다운사이징에 따른 터보차저의 적용이나 높은 압축비화의 경향에 비추어 보면, 연소 온도를 고려하여 냉매를 봉입한 중공 밸브의 도입은 불가피하다고 할 수 있다. 따라서 흡배기용 밸브의 부품 비용과 엔진 다운사이징 사이에는 트레이드 오프가 생긴다는 문제가 있다.

또한, 두 번째 문제는 흡배기용 밸브의 경량화이다. 밸브에 봉입하는 냉매로 많이 사용되는 것은 금속 나트륨이다. 냉매를 봉입하지 중공 밸브와 비교하면 당연히 밸브의 무게가 증가하고, 마찰 저감 효과를 저하시키는 문제가 있다. 따라서 흡배기용 밸브의 냉각 성능과 경량화라는 면에서도 다른 트레이드 오프가 존재한다. 또 다른 문제는 흡입 효율 저하이다. 흡기 밸브의 냉매는 밸브의 밸브 헤드부(valve head)의 온도를 축부(stem)에 전달할 목적으로 봉입된다. 흡기 밸브의 축부의 온도가 상승하면 축부를 통과하는 흡입 공기가 가열된다. 흡입 공기가 가열되면, 체적 효율이 저하되어 연소 효율이 저하된다. 이에 따라 흡기용 밸브의 냉각 성능과 체적 효율이라는 면에서도 다른 트레이드 오프가 존재한다.

본 발명은 이러한 점에 고려하여 이루어진 것으로, 흡배기용 밸브의 비용과 엔진 다운사이징의 관계 및 흡배기용 밸브의 냉각 성능과 추종성/체적 효율과의 관계에 타협점을 찾아내고, 이와 같은 서로 모순되는 관계에서 최선의 조화를 이끌어내는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하고 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 각각 축부 및 밸브 헤드부를 구비한 흡기 밸브와 배기 밸브를 포함하는 내연 기관의 실린더 헤드에 있어서, 흡기 밸브는 냉매를 봉입하지 않은 중공부를 내부에 구비한 중공 밸브이고, 배기 밸브는 냉매를 봉입하는 중공부를 내부에 구비한 중공 밸브인 것을 특징으로 한다. 배기 밸브에 냉매를 봉입하는 중공 밸브를 이용하고, 흡기 밸브에 냉매를 봉입하지 않은 중공 밸브를 사용함으로써, 성능과 비용의 균형을 최적화할 수 있게 된다.

흡기 밸브는 축부 및 밸브 헤드부에 중공부가 마련된 헤드 중공 밸브라도 좋다. 흡기 밸브를 헤드 중공 밸브로 함으로써 흡기 밸브를 경량화할 수 있다.

이와 달리, 흡기 밸브는 축부에 중공부가 마련된 축 중공 밸브라도 좋다. 흡기 밸브를 축 중공 밸브로 함으로써, 특히 밸브 헤드 직경이 큰 밸브에서 흡기 밸브의 강도 저하를 방지하고 결과적으로 높은 연소 압력 엔진의 경우 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한, 제조 비용을 절감할 수 있다.

또한, 배기 밸브는 축부 및 밸브 헤드부에 중공부가 마련된 헤드 중공 밸브라도 좋다. 냉매를 봉입한 배기 밸브를 헤드 중공 밸브로 함으로써, 냉매를 밸브 헤드부까지 전달할 수 있으므로 높은 냉각 효과를 얻을 수 있다.

이와 달리, 배기 밸브는 축부에 중공부가 마련된 축 중공 밸브라도 좋다. 배기 밸브를 축 중공 밸브로 함으로써 제조 비용을 절감할 수 있다.

흡기 밸브의 밸브 헤드부가 배기 밸브의 밸브 헤드부보다 큰 경우, 흡기 밸브의 중공부 길이를 배기 밸브의 중공부 길이보다 길게 또는 흡기 밸브의 중공부의 직경을 배기 밸브의 중공부의 직경보다 크게 해도 좋다. 물론, 흡기 밸브의 중공부 길이를 배기 밸브의 중공부 길이보다 길게 하고, 또한 흡기 밸브의 중공부의 직경을 배기 밸브의 중공부의 직경보다 크게 해도 좋다. 밸브 헤드부의 크기의 차이에 의해 발생하는 흡기 밸브와 배기 밸브의 무게 차이를 중공부 길이 또는 직경 또는 이들 모두를 변경하여 줄일 수 있다. 이에 따라 엔진 마찰을 감소시켜 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 엔진은 실린더에서 피스톤을 왕복 운동 가능하게 유지하고, 커넥팅 로드를 통해 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 크랭크 샤프트를 회전 가능하게 유지하는 실린더 블록과, 실린더를 연소실로 연결시켜 실린더 블록에 고정되는 청구항 1 내지 7의 어느 하나에 기재된 실린더 헤드를 구비하여 상기 과제를 해결한다.

본 발명에 따르면, 흡기 밸브보다 고온의 환경에 노출되는 배기 밸브에는 냉각 작용이 뛰어난 냉매를 봉입한 중공 밸브를 채용한다. 한편, 추종성이 더 요구되는 흡기 밸브에는 가장 가볍고 추종성이 우수하며 저비용인, 냉매를 봉입하지 않은 중공 밸브를 채용하므로, 흡배기용 밸브의 냉각 성능과 추종성 및 비용 면에서 균형 잡힌 실린더 헤드 및 엔진을 제공할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 엔진을 도시하는 종단면도이다.
도 2는 터보차저를 포함하는 엔진의 흡배기 시스템을 도시하는 평면도이다.
흡배기용 밸브 조합의 제 1 형태로서, 도 3(a)는 흡기 밸브를 도시하는 종단 정면도이고,도 3(b)는 배기 밸브를 도시하는 종단 정면도이다.
흡배기용 밸브 조합의 제 2 형태로서, 도 4(a)는 흡기 밸브를 도시하는 종단 정면도이고, 도 4(b)는 배기 밸브를 도시하는 종단 정면도이다.
흡배기용 밸브 조합의 제 3 형태로서, 도 5(a)는 흡기 밸브를 도시하는 종단 정면도이고, 도 5(b)는 배기 밸브를 도시하는 종단 정면도이다.
흡배기용 밸브 조합의 제 4 형태로서, 도 6(a)는 흡기 밸브를 도시하는 종단 정면도이고, 도 6(b)는 배기 밸브를 도시하는 종단 정면도이다.
흡배기용 밸브 조합의 변형예로서, 도 7(a)는 흡기 밸브를 도시하는 종단 정면도이고, 도 7(b)는 배기 밸브를 도시하는 종단 정면도이다.
흡배기용 밸브 조합의 다른 변형예로서, 도 8(a)는 흡기 밸브를 도시하는 종단 정면도이고, 도 8(b)는 배기 밸브를 도시하는 종단 정면도이다.
흡배기용 밸브 조합의 또 다른 변형예로서, 도 9(a)는 흡기 밸브를 도시하는 종단 정면도이고, 도 9(b)는 배기 밸브를 도시하는 종단 정면도이다.

실시의 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예는 터보차저를 포함하는 엔진에 대한 적용예이다. 다음 항목에 따라 설명한다.

1. 엔진의 기본 구조

2. 엔진의 흡배기 시스템

3. 흡기 밸브와 배기 밸브의 구조

(1) 제 1 형태

(2) 제 2 형태

(3) 제 3 형태

(4) 제 4 형태

4. 작용

(1) 흡배기용 밸브의 부품 비용과 엔진 다운사이징과의 관계

(2) 흡배기용 밸브의 냉각 성능과 추종성과의 관계

5. 변형예

1. 엔진의 기본 구조

도 1에 도시된 것과 같이, 엔진(11)은 실린더 블록(201)과, 그 위에 탑재된 실린더 헤드(101)를 포함한다.

실린더 블록(201)은 그 상부에 실린더(211)를 구비하고, 그 하단에 크랭크 샤프트(221)를 회전 가능하게 유지하고 있다. 실린더(211)는 원통형이며, 내부에 피스톤(231)을 슬라이드 가능하게 포함한다. 따라서 피스톤(231)은 매끄럽게 표면 처리된 실린더(211)의 내벽을 슬라이딩하여 왕복 운동을 할 수 있다. 이러한 피스톤(231)은 커넥팅 로드(241)를 통해 크랭크 샤프트(221)에 연결되므로, 피스톤(231)의 왕복 운동이 커넥팅 로드(241)를 통해 크랭크 샤프트(221)의 회전 운동으로 변환된다. 도 1에서, 참조 번호 222로 표시되는 샤프트는 크랭크 샤프트(221)의 회전축이다. 또한, 참조 번호 223으로 표시되는 샤프트는 커넥팅 로드(241)와 연결되는 크랭크 샤프트(221)의 연결 축이다.

실린더 헤드(101)는 실린더(211)와 피스톤(231)에 대면하는 위치에서 실린더 블록(201)에 연결되고, 이 연결 부분에 연소실 형성 영역(111)을 구비하고 있다. 연소실 형성 영역(111)은 실린더 헤드(101)가 실린더 블록(201)에 탑재된 상태에서 연소실(C)를 형성하는 영역이며, 흡배기용 포트(121, 131)와, 점화 플러그(301)를 장착하기 위한 플러그 구멍(141)이 개구되어 있다. 도 1에서, 참조 번호 121로 표시되는 것은 흡기 포트이고, 참조 번호 131로 표시되는 것은 배기 포트이다. 이러한 흡기 포트(121) 및 배기 포트(131)는 피스톤(231)의 축 중심에 대하여 대칭이 되는 위치에 배치되고, 흡기 포트(121)는 흡기 통로(122)에, 배기 포트(131)는 배기 통로(132)에 각각 연결되어 있다. 플러그 구멍(141)은 점화 플러그(301)를 나사 결합할 수 있는 나사 구멍의 형태의 것으로, 피스톤(231)의 축 중심에 위치한다.

실린더 헤드(101)는 흡배기용 밸브(151, 161)를 포함한다. 도 1에서, 참조 번호 151로 표시되는 것은 흡기 밸브이고, 참조 번호 161로 표시되는 것은 배기 밸브이다. 이러한 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)는 실린더 헤드(101)에 장착된 밸브 가이드(VG)에 의해 슬라이드 가능하게 유지되고 있다. 흡배기용 밸브(151, 161)는 기둥 형태의 축부(152, 162)의 일단에 실질적으로 원추형의 밸브 헤드부(153, 163)가 연결되는, 전체적으로 버섯 모양이다. 이하 여기에서는 흡배기용 밸브(151, 161)의 축부(152, 162)에 가까운 쪽을 위쪽으로, 밸브 헤드부(153, 163)에 가까운 쪽을 아래쪽으로 설명한다. 흡배기용 포트(121, 131)는 밸브 헤드부(153, 163)에 의해 개폐된다. 이러한 흡배기용 밸브(151, 161)는 축부(152, 162)의 후단 부분에 어퍼시트(upper sheet)(US)가 부착되어 있다. 실린더 헤드(101)에는 이러한 어퍼시트(US)와 대면하는 위치에 로우어시트(lower sheet)(LS)가 형성되고, 이러한 어퍼시트(US)와 로우어시트(LS) 사이에 밸브 스프링(CS)이 압축 상태로 배치된다. 따라서, 흡배기용 밸브(151, 161)는 후단 부분에 압력이 가해지면 슬라이드 이동하여 흡배기용 포트(121, 131)를 개방한다. 이때 어퍼시트(US)가 로우어시트(LS)에 근접하기 때문에 밸브 스프링(CS)은 압축된다. 이 상태에서 후단부에 가해진 압력을 해제하면, 압축된 밸브 스프링(CS)의 복원력에 의해 흡배기용 밸브(151, 161)가 가압되어, 밸브(151, 161)는 신속하게 원래의 위치로 복귀한다.

흡배기용 밸브(151, 161)를 구동하고, 흡배기용 포트(121, 131)를 개폐시키는 것은 밸브 구동 기구(171)이다. 밸브 구동 기구(171)는 실린더 헤드(101)에 내장된 흡배기용 밸브(151, 161)를 각각 개별적으로 구동하는 2개의 캠샤프트(172)를 주로 포함한다. 이 캠샤프트(172)는 각각 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)의 후단 부분에 압력을 가하는 캠(173)을 구비하고, 캠샤프트(172)의 회전에 의해 캠(173)이 사전 결정된 타이밍에 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)를 구동한다. 이에 따라 흡기 포트(121)만이 개방된 "흡입", 흡배기용 포트(121, 131)가 모두 폐쇄된 "압축", "연소", 배기 포트(131)만이 개방된 "배기"의 4 사이클의 동작이 실행된다. 이러한 4 사이클의 각 과정에서 밸브 구동 기구(171)는 피스톤(231)이 하사점을 향해 내려가는 타이밍에 "흡입", 하사점까지 내려간 피스톤(231)이 상사점까지 상승하는 타이밍에 "압축", 피스톤(231)이 상사점까지 올라간 타이밍에 "연소", 하사점까지 내려간 피스톤(231)이 상사점을 향해 올라가는 타이밍에 "배기"를 실행하도록 크랭크 샤프트(221)의 회전과 동기한다.

도 1에 도시되지는 않지만, 실린더 헤드(101)는 연료 분사 장치(미도시)를 구비하고 있다. 이 연료 분사 장치는 연료인 가솔린을 안개 상태로 하여 "흡입"의 타이밍에서 연소실(C)에 분사하여 연료와 공기의 혼합기(air-fuel mixture)를 생성한다. 따라서 "압축" 공정에서는 연료가 포함된 혼합기가 압축되고, 압축된 혼합기는 점화 플러그(301)에 의한 불꽃에 의해 폭발하여, "연소" 공정이 수행된다.

2. 엔진의 흡배기 시스템

도 2에 도시된 것과 같이, 본 실시 형태의 엔진(11)은 4기통 엔진이며, 터보차저(401)를 포함한다. 즉, 엔진(11)의 실린더 헤드(101)에는 각 실린더의 흡기 통로(122)를 형성하는 4개의 파이프로 분기된 흡기 매니폴드(411)와 각 기통의 배기 통로(132)를 형성하는 4개의 파이프로 분기된 배기 매니폴드(421)가 연결되어 있다. 이러한 흡기 매니폴드(411) 및 배기 매니폴드(421)의 4개의 분기 파이프(411a, 421a)는 합류하고, 하나의 집합 파이프(411b, 421b)를 형성한다. 합류하여 하나로 합쳐진 배기 매니폴드(421)의 집합 파이프(421b)에 의해 형성되는 배기 통로(132)에는 터보차저(401)의 터빈(402)이 배치된다. 터빈(402)과 동축 상에 연결된 터보차저(401)의 압축기(403)는, 합류하여 하나로 합쳐진 흡기 매니폴드(411)의 집합 파이프(411b)에 의해 형성되는 흡기 통로(122)에 배치된다.

따라서 배기 통로(132)를 흐르는 배기 가스에 의해 터빈(402)이 회전하고, 이에 따라 압축기(403)가 같은 속도로 회전하여 공기를 압축한다. 그러면 "흡입" 공정에서 더 많은 산소를 포함한 혼합기가 연소실(C)에 공급되어, "연소" 공정에서의 연소 효율이 향상된다. 이러한 터보차저(401)에 의한 과급 공정에서는 압축기(403)에 의한 압축에 의해 흡기 통로(122)를 흐르는 공기의 온도가 상승한다. 그러면 "흡입" 공정에서 실린더(211)에 흡입된 혼합기에 노킹이 발생하기 쉬워진다. 그러므로, 본 실시예에서는 압축기(403)와 분기 파이프(411a) 사이에 인터쿨러(431)를 마련하여, 흡기 통로(122)를 흐르는 공기의 온도를 낮추고 있다. 또한, 흡기 통로(122)에서 인터쿨러(431)의 하류 측에는 스로틀 밸브(throttle valve)(441)가 마련되어 흡기 통로(122)를 흐르는 공기의 유량을 조정할 수 있다.

물론 위의 실린더 헤드 기타 엔진의 구조는 일례이며, 본 발명이 특징으로 하는 후술하는 흡배기 밸브의 구조는 내연 기관용 실린더 헤드 내지 엔진에 다양하게 적용될 수 있다.

3. 흡기 밸브와 배기 밸브의 구조

본 실시예에서는 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)에 중공 밸브를 이용하고 있다. 중공 밸브는 내부에 중공부(H)를 마련한 밸브이다. 중공 밸브를 채용하고 있는 점에 대해서는 공통이지만, 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)는 그 구조가 다르다. 도 3(a), (b) 내지 도 6(a), (b)에는 본 실시예에 채용 가능한 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)의 4가지 조합(제 1 형태 내지 제 4 형태)을 도시한다.

(1) 제 1 형태

도 3(a)에 도시된 것과 같이, 흡기 밸브(151)의 중공부(H)는 축부(152)의 중간 부근으로부터 밸브 헤드부(153)까지 연장하는 연속된 하나의 공간으로 형성되어 있다. 이와 같이, 축부 뿐만 아니라 밸브 헤드부까지 중공으로 되어 있는 밸브를 이하에서는 "헤드 중공 밸브"라고 한다. 밸브 헤드부까지 중공으로 함으로써 흡기 밸브(151)를 더 경량화시켜 엔진 마찰을 줄일 수 있다. 헤드 중공 밸브인 흡기 밸브(151)는 냉매를 봉입하고 있지 않다. 이와 같이, 흡기 밸브의 냉매 봉입 공정을 포함하지 않으므로, 저비용 및 고성능화를 실현할 수 있다. 또한, 흡기 밸브(151)에 냉매를 봉입하면, 밸브 헤드부(153)의 열이 냉매를 통해 축부(152)에 전달되고, 축부(152)의 온도가 상승할 가능성이 있다. 냉매를 봉입하지 않기 때문에, 축부(152)의 온도 상승에 의한 흡입 공기의 온도 상승을 방지하고, 연소 효율의 저하를 방지할 수 있다.

도 3(b)에 도시된 것과 같이, 배기 밸브(161)는 축부(162) 뿐만 아니라, 밸브 헤드부(163)까지 중공부(H)를 마련한 헤드 중공 밸브이다. 또한, 중공부(H)에는 냉매(164)를 봉입하고 있다. 냉매(164)로는, 예를 들어, 금속 나트륨이 사용된다. 배기 밸브(161)는 헤드 중공 밸브이기 때문에 냉매(164)는 밸브 헤드부(163)까지 전달되어 높은 냉각 효과를 얻을 수 있다. 냉매(164)에 의해 배기 밸브(161)의 저면의 온도가 내려가므로, 흡입 효율을 향상시키고, 노크 한계를 확장하고, 사전 점화를 방지할 수 있다. 또한 밸브 헤드부(163) 및 축부(164)의 온도가 내려가므로, 재료 강도의 안전율을 향상시킬 수 있다. 결과적으로 가볍고 비용이 저렴한 밸브 강재를 사용하는 것이 가능하므로, 경제성을 향상시킬 수 있다.

(2) 제 2 형태

제 2 형태에서는, 제 1 형태와 마찬가지로, 도 4(a)에 도시된 것과 같이, 흡기 밸브(151)는 냉매를 봉입하지 중공부(H)를 갖는 헤드 중공 밸브이고, 도 4(b)에 도시된 것과 같이, 배기 밸브(161)는 밸브 헤드부(163)에 중공부(H)를 마련한 헤드 중공 밸브이며, 배기 밸브(161)의 중공부(H)는 냉매(164)를 봉입하고 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 일반적으로 흡기 밸브(151)의 밸브 헤드부(153)는 배기 밸브(161)의 밸브 헤드부(163)보다 크다. 따라서, 도 3에 도시된 것과 같이, 두 밸브의 중공부(H)를 같은 크기로 하면 흡기 밸브(151)가 배기 밸브(161)보다 무겁다. 배기 밸브(161)는 냉매(164)를 봉입하고 있지만 냉매(164)의 비중은 일반적으로 밸브 강재보다 작다. 예를 들어, 금속 나트륨의 비중은 밸브 강재의 8 분의 1 정도이다. 따라서 냉매(164)의 무게를 더해도 일반적으로 배기 밸브(161)보다 흡기 밸브(151)가 무겁다.

상술한 것과 같이, 흡기 밸브(151) 및 배기 밸브(161)는 밸브 스프링(CS)에 의해 가압되어 폐쇄 상태로 유지된다. 따라서 밸브 스프링(CS)은 밸브의 무게에 비례하는 반발력을 발생하도록 설계할 필요가 있다. 부품의 제조 비용 절감을 위해 일반적으로 흡기 밸브(151) 및 배기 밸브(161)에 공통의 밸브 스프링(CS)이 사용된다. 따라서 밸브 스프링(CS)은 무게가 큰 흡기 밸브(151)에 적합하도록 설계된다. 여기서, 흡기 밸브(151)를 경량화하여 배기 밸브(161)와의 무게 차이를 줄일 수 있다면, 밸브 스프링(CS)의 반발력을 낮출 수 있다. 결과적으로, 엔진 마찰을 감소시켜 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

그러므로, 도 4에 도시된 것과 같이, 흡기 밸브(151)의 중공부(H)의 길이(L1)는 배기 밸브(161)의 중공부(H) 길이(L2)보다 크게 설정된다. 여기에서 "중공부의 길이"는 흡기 밸브(151) 및 배기 밸브(161)의 하단으로부터 중공부(H)의 상단까지의 길이를 의미한다. 이와 같이, 흡기 밸브(151)의 중공부(H)를 길게 하면 중공부(H)의 부피가 커져 밸브 강재의 양이 줄어든다. 이에 따라, 흡기 밸브(151)를 경량화하여 배기 밸브(161)와의 무게 차이를 줄일 수 있다. 길이(L1) 및 길이(L2)는 특정 수치에 한정되지 않으므로, 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)의 무게 차이가 줄어들도록, 또는 이들 밸브의 무게가 동일하게 되도록 적절하게 설정할 수 있다.

(3) 제 3 형태

도 5(b)에 도시된 것과 같이, 제 3 형태에 있어서, 배기 밸브(161)는 제 1 형태 및 제 2 형태와 같고, 축부(162) 뿐만 아니라, 밸브 헤드부(163)까지 중공부(H)를 포함하는 헤드 중공 밸브이며, 내부에 냉매(164)를 봉입하고 있다. 또한, 제 3 형태에 있어서, 도 5(a)에 도시된 것과 같이, 흡기 밸브(151)는, 밸브 헤드부(153)는 채워져 있고, 축부(152)에만 중공부(H)를 갖는다. 이와 같이 축부(152)에만 중공부(H)를 마련한 밸브를 "축 중공 밸브"라고 한다.

높은 연소 압력을 갖는 엔진에서, 특히 밸브 헤드의 직경이 큰 헤드 중공 밸브의 경우에는, 흡기 밸브에 헤드 중공 밸브를 이용하면 저면이 오목하게 될 위험이 있다. 따라서 흡기 밸브(151)에 의식적으로 축 중공 밸브를 이용함으로써 강도의 저하를 방지하여 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한, 축 중공 밸브를 이용함으로써 제조 비용을 절감할 수 있다.

한편, 축 중공 밸브는 밸브 헤드부의 내부가 채워져 있으므로 헤드 중공 밸브보다 무게가 크다. 제 3 형태에서는 배기 밸브(161)가 헤드 중공 밸브이므로 두 밸브의 무게 차이는 제 2 형태보다 증가하게 된다. 그러므로, 도 5에 도시된 것과 같이, 흡기 밸브(151)의 중공부(L1)의 길이를 제 2의 형태보다 더 길게 하여 흡기 밸브(151)를 더욱 경량화하여 배기 밸브(161)와의 무게 차이를 줄일 수 있다. 이는 제 2 형태와 마찬가지로 엔진 마찰을 감소시켜 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

(4) 제 4 형태

도 6(a)에 도시된 것과 같이, 흡기 밸브(151)는 제 3 형태와 마찬가지로, 축부(152)에만 중공부(H)를 마련한 축 중공 밸브이다. 도 6(b)에 도시된 것과 같이, 제 4 형태의 배기 밸브(161)는 제 1 형태 내지 제 3 형태의 배기 밸브(161)와 동일한 것이다. 즉, 축부(162) 뿐만 아니라 밸브 헤드부(163)까지 중공부(H)를 마련한 헤드 중공 밸브이며, 내부에는 냉매(164)를 봉입하고 있다.

제 4 형태에서는 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)의 중공부(H)의 길이는 동일하지만, 흡기 밸브(151)의 중공부(H)의 직경(D1)은 배기 밸브(161)의 중공부의 직경(D2)보다 크다. 흡기 밸브(151)의 중공부(H)의 직경(D1)을 크게 하면, 중공부(H) 부피가 커져 그만큼 밸브 강재의 양이 감소하게 된다. 이는 제 2 형태 및 제 3 형태와 마찬가지로 흡기 밸브(151)를 경량화하여, 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)의 무게 차이를 줄일 수 있다. 결과적으로, 엔진 마찰을 감소시켜 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다. 한편, "중공부의 직경"은 중공부의 축부의 직경을 의미한다. 직경(D1) 및 직경(D2)은 특정 수치에 한정되지 않으므로, 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)의 무게 차이가 감소되도록, 또는 이들 밸브의 무게가 동일하게 되도록 적절하게 설정할 수 있다.

4. 작용

엔진(11) 및 터보차저(401)의 동작에 대해서는 간단하게 전술하였기 때문에 자세한 설명은 생략한다. 여기에서는 흡배기용 밸브(151, 161)의 동작에 대해 설명한다.

(1) 흡배기용 밸브의 부품 비용과 엔진의 다운사이징과의 관계

전술한 것과 같이, 엔진의 다운사이징을 실현하는 데는 냉매를 봉입한 중공 밸브의 채용이 바람직하고, 경우에 따라서는 그것이 불가피한 경우도 있다. 그러나, 냉매를 봉입한 중공 밸브는 내부가 채워져 있는 밸브에 비해 부품 비용이 상당히 높고, 차종이나 등급과 관계없이 제한 없이 채용할 수 있는 것은 아니다. 그러므로 본 실시예에서는 흡배기용 밸브(151, 161)의 최적의 조합을 제안하고 있다. 우선 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)가 노출되는 환경의 차이에 주목하면, 배기 밸브(161) 쪽에 더 엄격한 열 대책이 요구된다. 연소에 의해 가열된 연소 가스를 배기 포트(131)로부터 배기 통로(132)로 인도하기 때문에, 흡기 포트(121)로부터 외부 공기를 포착하여 실린더(211)에 불어 넣는 것에 불과한 흡기 밸브(151)보다 배기 밸브(161)가 더 높은 온도 환경에 노출되기 때문이다. 그러므로 본 실시예에서는 상기 제 1 내지 제 3 형태와 같이 배기 밸브(161)에는 냉매를 봉입한 중공 밸브를 이용하고 흡기 밸브(151)에는 냉매를 봉입하지 않은 중공 밸브를 이용한다. 이로써 흡배기용 밸브(151, 161)의 부품 비용 및 엔진(11)의 다운사이징이라는 서로 모순되는 관계에서 최선의 조화를 이끌어 낼 수 있다.

2) 흡배기용 밸브의 냉각 성능과 추종성과의 관계

연소실(C)의 연소 효율의 향상 및 엔진의 높은 회전은 흡배기용 밸브(151, 161)의 추종성에 큰 영향을 준다. 예를 들어, 흡기 밸브(151)의 추종성이 떨어지면, "흡입" 공정에서 실린더(211)에 도입할 수 있는 혼합기의 양에 변동을 초래한다. 이는, 흡기 밸브(151)의 추종성이 떨어지면, 실린더(211)에 최대량의 혼합기를 흡입하지 못하거나, 또는 흡입된 혼합기가 흡기 포트(121)로 되돌아가 버릴 수 있기 때문이다. 마찬가지로, 배기 밸브(161)에 대해서도 그 추종성이 떨어지면, 연소실(C)에 연소 후 가스가 잔존하는 문제를 일으킨다. 그러므로, 본 실시예에서는 흡배기용 밸브(151, 161)로 중공 밸브를 채용하여 추종성을 향상시킨다. 특히 흡기 밸브(151)에 대해서는 냉매(164)를 봉입하지 않는 중공 밸브를 사용하므로, 추종성의 향상을 더 기대할 수 있다.

5. 변형예

이상과 같이 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 생략, 대체, 변경을 할 수 있다. 상술한 실시예 및 그 변형예는 발명의 범위와 요지에 포함되는 것과 동시에, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.

예를 들어, 상술한 형태에서는 흡기 밸브(151)의 경량화의 수단으로서 흡기 밸브(151)의 중공부(H)의 길이(L1)를 배기 밸브(161)의 중공부(H)의 길이(L2)보다 길게 설정한 예(상기 제 2 및 제 3 형태)와, 흡기 밸브(151)의 중공부(H)의 직경(D1)을 배기 밸브(161)의 중공부(H)의 직경(D2)보다 크게 설정한 예(상기 제 4 형태)를 설명하였지만, 실시에서는 이러한 2가지 수단을 병용하여도 좋다.

또한, 제 4 형태에서는 흡기 밸브(151)가 축 중공 밸브인 예를 설명하였으나, 도 7에 도시된 것과, 흡기 밸브(151)로 헤드 중공 밸브를 사용하고, 중공부(H)의 직경(D1)을 배기 밸브(161)의 중공부(H)의 직경(D2)보다 크게 설정하여도 좋다.

또한, 상술의 형태에서, 배기 밸브(161)로 모두 헤드 중공 밸브를 사용하는 예를 설명하였다. 그러나, 도 8(b) 및 도 9(b)에 도시된 것과 같이, 배기 밸브(161)를 축 중공 밸브로 하여도 좋다. 배기 밸브(161)로 축 중공 밸브를 사용하면, 제조 비용을 절감할 수 있다. 이 경우, 흡기 밸브(151)는 도 8(a)에 도시된 것과 축 중공 밸브로 하여도 좋고, 또는 도 9(a)에 도시된 것과 같이 헤드 중공 밸브로 하여도 좋다. 도 8 및 도 9의 경우에도, 흡기 밸브(151)와 배기 밸브(161)에 무게 차이가 있는 경우에는 흡기 밸브(151)의 중공부(H)의 길이(L1)를 배기 밸브(161)의 중공부(H)의 길이(L2)보다 길게 또는 직경(D1)을 직경(D2)보다 크게 하여 양자의 무게 차이를 줄이도록 하여도 좋다.

상술한 것과 같이, 일반적으로 흡기 밸브(151)가 배기 밸브(161)보다 무겁지만, 배기 밸브(161)가 흡기 밸브(151)보다 무거운 경우에는 배기 밸브(161)의 중공부(H)의 길이(L2)를 흡기 밸브(151)의 중공부(H) 길이(L1)보다 길거나 직경(D2)을 직경(D1)보다 크게 하여도 좋다. 그 외 모든 변형이나 변경이 허용된다.

참조 번호

111 연소실 형성 영역

121 흡기 포트

131 배기 포트

151 흡기 밸브

161 배기 밸브

171 밸브 구동 기구

201 실린더 블록

211 실린더

221 크랭크 샤프트

231 피스톤

241 커넥팅 로드

Ｃ 연소실

Ｈ 중공부

Claims (8)

1. 내연 기관의 실린더 헤드에 있어서,
   축부 및 밸브 헤드부를 구비한 흡기 밸브와,
   축부 및 밸브 헤드부를 구비한 배기 밸브를 포함하고,
   상기 흡기 밸브는 냉매를 봉입하지 않은 중공부를 내부에 구비한 중공 밸브이고,
   상기 배기 밸브는 냉매를 봉입하는 중공부를 내부에 구비한 중공 밸브인
   실린더 헤드.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡기 밸브는 상기 축부 및 상기 밸브 헤드부에 상기 중공부가 마련된 헤드 중공 밸브인 실린더 헤드.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡기 밸브는 상기 축부에 상기 중공부가 마련된 축 중공 밸브인 실린더 헤드.
   
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 배기 밸브는 상기 축부 및 상기 밸브 헤드부에 상기 중공부가 마련된 헤드 중공 밸브인 실린더 헤드.
   
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 배기 밸브는 상기 축부에 상기 중공부가 마련된 축 중공 밸브인 실린더 헤드.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 흡기 밸브의 상기 밸브 헤드부의 직경은 상기 배기 밸브의 상기 밸브 헤드부의 직경보다 크고, 상기 흡기 밸브의 상기 중공부의 길이는 상기 배기 밸브의 상기 중공부의 길이보다 긴 실린더 헤드.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 흡기 밸브의 상기 밸브 헤드부의 직경은 상기 배기 밸브의 상기 밸브 헤드부의 직경보다 크고, 상기 흡기 밸브의 상기 중공부의 직경은 상기 배기 밸브의 상기 중공부의 직경보다 큰 실린더 헤드.
   
8. 실린더 내에 피스톤을 왕복 운동 가능하게 유지하고, 커넥팅 로드를 통해 상기 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 크랭크 샤프트를 회전 가능하게 유지하는 실린더 블록과,
   상기 실린더를 상기 연소실에 연결시키고, 상기 실린더 블록에 고정되는 청구항 1 내지 7의 어느 하나에 기재된 실린더 헤드를 포함하는 엔진.

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