KR20190138894A - 배기용 중공 포핏 밸브 - Google Patents
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Abstract
간이한 구조로 엔진의 저중속 회전시에 있어서 우산 중공 밸브와 동등 또는 그 이상의 냉각 효과를 발휘하는 배기용 중공 포핏 밸브의 제공. 선단을 향하여 직경이 증가하는 네크부(3)와 축부(2)와 우산부(4)를 가지고, 우산부(4)로부터 축부(2)에 걸쳐 형성된 중공부(9)에 냉매(14)가 장전된 배기용 중공 포핏 밸브(1)에 있어서, 축부(2)는 기단측의 제1 축부(5)와, 단차부(6)를 개재시켜 제1 축부(5)에 일체화됨과 아울러 네크부(3)에 일체화되는 제2 축부(7)를 가지고, 중공부(9)는 제1 축부(5)의 내측에 형성되는 제1 중공부(10)와, 제1 중공부(10)보다 크고 일정한 내경(d2)을 가지도록 제2 축부(7), 네크부(3) 및 우산부(4)의 내측에 형성되고, 테이퍼부 또는 만곡부를 개재시켜 제1 중공부(10)에 연속되도록 형성된 제2 중공부(12)를 구비하도록 했다.
Description
우산부로부터 축부의 내측에 걸쳐 형성된 중공부에 냉매가 장전된 배기용 중공 포핏 밸브에 관한 기술.
일반적으로 엔진용의 축 중공 밸브에는 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이 축부로부터 우산부의 내측에 걸쳐 일정한 내경을 가지도록 형성한 중공부에 냉매를 장전한 것이나, 특허문헌 2에 나타내는 바와 같이 우산부의 내측에 우산부의 외형을 따르도록 형성한 중공부를 구비한 우산 중공 밸브가 있다.
특허문헌 1과 같은 축 중공 밸브는 내경이 일정하기 때문에 밸브의 축 방향 운동에 기초하여 냉매가 밸브의 축 방향으로 움직이기 쉬운 반면, 냉매의 장전량 부족 및 냉매의 열 전달 허용량의 한계에 의해 밸브로부터 냉매로의 열 전달이 불충분하게 되어, 충분한 냉각 효과를 얻을 수 없을 우려가 있다.
또 특허문헌 2와 같은 우산 중공 밸브는 일정 내경을 가지는 중공부의 선단에 우산부의 외형을 따르도록 한 형상의 중공부를 형성하여 중공부의 용적을 확대함으로써, 냉매의 장전 용량 및 열 전달 허용량을 늘려 엔진의 고속 회전시에 충분한 냉각 효과를 얻을 수 있는 점에서 우수한 반면, 축부에 연속되는 우산부의 내측에 우산부의 외형을 따른 중공부를 형성하는 것에는 수고가 들기 때문에, 보다 간이한 형태로 충분한 냉각 효과를 얻을 수 있는 중공 포핏 밸브가 요구되고 있다.
특히 최근에는 엔진을 주행용의 구동원에 사용하지 않고 주행용 모터에 전원을 공급하는 발전기에만 사용하는 경우가 있고, 그러한 엔진은 고속 회전을 하지 않고 저중속 회전만으로 발전을 행하기 때문에, 고속 회전시보다 저중속 회전시에 우수한 냉각 효과를 발휘함으로써 내노크성이 향상되고, 연비 개선으로 이어지는 배기용 중공 포핏 밸브가 요구되고 있다.
상기 과제를 감안하여, 본원발명은 간이한 구조로 엔진의 저중속 회전시에 있어서 우산 중공 밸브와 동등 이상의 냉각 효과를 발휘하는 배기용 중공 포핏 밸브를 제공하는 것이다.
선단을 향하여 직경이 증가하는 네크부를 개재시켜 일체화되는 축부와 우산부를 가지고, 우산부로부터 축부에 걸쳐 형성된 중공부에 냉매가 장전된 배기용 중공 포핏 밸브에 있어서, 상기 축부는 기단측의 제1 축부와, 단차부를 개재시켜 제1 축부에 일체화됨과 아울러 네크부에 일체화되는 제2 축부를 가지고, 상기 중공부는 제1 축부의 내측에 형성되는 제1 중공부와, 제1 중공부보다 크고 일정한 내경을 가지도록 제2 축부, 네크부 및 우산부의 내측에 형성되고, 테이퍼부 또는 만곡부를 개재시켜 제1 중공부에 접속되도록 형성된 제2 중공부를 구비하도록 했다.
(작용) 배기시의 고온의 연소실에 노출되는 밸브의 제2 축부, 네크부 및 우산부의 강도가 유지된 상태에서, 제2 축부, 네크부 및 우산부의 내측에 설치한 제2 중공부의 용적이 확대되어 배기의 고온에 노출되는 부위의 냉매 장전량이 증가되어 열 전달의 허용량이 증가함으로써 연소실로부터 냉매로의 열 전달이 원활하게 행해지고, 밸브의 고속 진동시에 일정 내경을 가지는 제2 중공부 내에서 밸브의 축 방향으로 흔들어짐으로써 냉매가 제2 중공부의 내벽에 잔류하기 어려워지고, 테이퍼부 또는 만곡부를 개재시켜 제1 중공부와의 사이의 원활한 이동이 촉진된다.
특허문헌 1과 같은 냉매 주입 중공 밸브를 사용한 엔진을 저중속 회전 영역에서 동작시키는 경우, 중공부 내에서 우산부나 네크부 부근으로부터 열이 전달된 냉매가, 연소실 내에 직접 노출되지 않고 온도가 낮은 축단부(밸브 축 선단부(2))의 근방 영역으로 이동했을 때 융점 이하로 냉각됨으로써 중공부 내의 축단부 근방 영역에 고착해버려, 밸브의 열 인성을 악화시키는 일이 있다. 하지만, 본원의 엔진 밸브에 의하면, 축단부에 가깝고 연소실 내에 노출되지 않는 제1 중공부의 내경이 제2 중공부의 내경보다 직경 축소되어 있는 것에 의해 고착되는 냉매의 양이 적어지기 때문에, 저중속 회전량 영역에서의 밸브의 온도가 저감된다.
또 배기용 중공 포핏 밸브는 상기 제2 축부를 제1 축부보다 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
(작용) 제2 축부 그 자체의 열 전달의 허용량이 증가함으로써 연소실로부터 냉매로의 열 전달성이 더욱 향상된다.
제2 중공부는 기단부로부터 선단부에 걸쳐 내경이 상이한 복수의 중공부를 내경이 작은 것으로부터 순서대로 연속시킨 형상을 가지는 것이 바람직하다.
(작용) 선단부를 향하여 직경이 증가하는 네크부의 외형을 따르도록, 보다 큰 내경의 중공부가 형성되어, 제2 중공부 내의 냉매 장전량이 더욱 증가한다.
내경이 상이한 상기 복수의 중공부는 각각 테이퍼부 또는 만곡부를 개재시켜 연속되도록 형성되는 것이 바람직하다.
(작용) 테이퍼부 또는 만곡부에 의해 연속되는 복수의 중공부 사이에서 냉매의 원활한 이동이 촉진된다.
배기용 중공 포핏 밸브는 상기 우산부가 밸브 폐쇄시에 실린더 헤드의 시트부에 맞닿는 페이스부를 가지고, 상기 단차부의 기단부로부터 페이스부의 선단부까지의 축 방향 길이가 실린더 헤드의 밸브 가이드 개구부의 최선단부로부터 시트부의 선단부까지의 축 방향 길이보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다.
(작용) 배기시에 있어서의 중공 포핏 밸브의 개폐 동작시에 단차부 및 제2 축부가 실린더 헤드의 밸브 가이드 개구부에 간섭하지 않는다.
본원의 배기용 중공 포핏 밸브에 의하면, 고온에 노출되는 부위의 강도 저하가 없고, 고온에 노출되는 부위의 내측의 냉매 장전량이 늘어남으로써 냉매의 열 전달의 허용량이 늘어나고, 또한 우산부와 축부 사이의 냉매의 이동 효율이 향상되는 것과, 제2 중공부보다 제1 중공부의 내경을 작게 하여 축단부 가까이에 있어서의 냉매의 고착을 저감시키는 것에 의해, 엔진의 저중속 회전시에 있어서 종래의 우산 중공 밸브와 동등 이상의 냉각 효과를 발휘하면서, 제2 중공부의 형상이 내경이 일정한 스트레이트 구멍이기 때문에 제2 중공부를 간이하게 형성할 수 있다.
본원의 배기용 중공 포핏 밸브에 의하면, 고온에 노출되는 부위를 두껍게 함으로써 제2 축부 그 자체의 열 전달의 허용량이 늘어나 연소실로부터 냉매로의 열 전달성이 향상됨으로써 밸브에 의한 냉각 효과가 더욱 향상된다.
본원의 배기용 중공 포핏 밸브에 의하면, 내경이 상이한 복수의 스트레이트 구멍이 내경이 작은 순서대로 형성되기 때문에 제2 중공부를 용이하게 형성할 수 있고, 고온에 노출되는 제2 중공부의 내측의 냉매 장전량이 더욱 늘어남으로써 냉매의 열 전달의 허용량이 더욱 늘어난다.
본원의 배기용 중공 포핏 밸브에 의하면, 내경이 상이한 복수의 스트레이트 구멍이 내경이 작은 순서대로 형성되기 때문에 제2 중공부를 용이하게 형성할 수 있고, 고온에 노출되는 제2 중공부의 내측의 냉매 장전량이 더욱 늘어남으로써 냉매의 열 전달의 허용량이 더욱 늘어나, 밸브의 냉각 효과가 향상된다.
본원의 배기용 중공 포핏 밸브에 의하면, 제2 중공부 내의 냉매의 이동이 촉진됨으로써 우산부와 축부 사이의 냉매의 이동 효율이 더욱 향상되고, 밸브의 냉각 효과가 향상된다.
본원의 배기용 중공 포핏 밸브에 의하면, 밸브의 개폐 동작시에 단차부 및 제2 축부를 실린더 헤드의 밸브 가이드 개구부에 간섭시키지 않고 제2 중공부의 용적 및 제2 축부의 두께를 크게 할 수 있기 때문에, 연소실로부터 냉매로의 열 전달성이 더욱 향상된다.
도 1은 제1 실시형태에 관한 배기용 중공 포핏 밸브의 축 방향 단면도이다.
도 2는 제1 실시형태에 있어서의 제2 중공부의 변형예를 나타내는 축 방향 단면도이다.
도 3은 제2 실시형태에 관한 배기용 중공 포핏 밸브의 축 방향 단면도이다.
도 4는 실린더 헤드에 설치된 제2 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브의 종방향 단면도이다.
도 5는 제2 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브 측온 결과를 나타내는 그래프이며, (a)는 밸브 바닥면 중앙에 관한 그래프, (b)는 밸브 네크부에 관한 그래프이다.
도 2는 제1 실시형태에 있어서의 제2 중공부의 변형예를 나타내는 축 방향 단면도이다.
도 3은 제2 실시형태에 관한 배기용 중공 포핏 밸브의 축 방향 단면도이다.
도 4는 실린더 헤드에 설치된 제2 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브의 종방향 단면도이다.
도 5는 제2 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브 측온 결과를 나타내는 그래프이며, (a)는 밸브 바닥면 중앙에 관한 그래프, (b)는 밸브 네크부에 관한 그래프이다.
도 1에 의해 배기용 중공 포핏 밸브의 제1 실시형태를 설명한다. 도 1에 있어서는 배기용 중공 포핏 밸브의 우산부측을 선단측으로 하고, 축부측을 기단측으로 하여 설명한다.
도 1에 나타내는 제1 실시형태에 있어서의 배기용 중공 포핏 밸브(1)는 높은 내열성을 가지는 내열 합금 등으로 형성된 축부(2), 네크부(3) 및 우산부(4)를 가진다.
축부(2)는 제1 축부(5), 단차부(6) 및 제2 축부(7)에 의해 형성된다. 제2 축부(7)는 선단측으로부터 기단측으로 끝이 오므라든 볼록형의 만곡 형상으로 형성된 단차부(6)를 개재시켜 제1 축부(5)에 일체화되고, 제2 축부(7)의 외경(D2)은 단차부(6)에 의해 전체적으로 제1 축부(5)의 외경(D1)보다 크게 형성된다. 네크부(3)는 외경이 선단을 향하여 서서히 직경 증가하는 오목형 만곡 형상으로 형성되고, 또한 제2 축부(7)의 선단부(7a)에 매끄럽게 접속된다. 우산부(4)는 기단측으로부터 선단측으로 점차 퍼지는 테이퍼 형상의 페이스부(8)를 외주에 가지고, 페이스부(8)는 네크부(3)의 선단부(3a)와 접속된다. 또한 단차부(6)는 선단측으로부터 기단측으로 끝이 오므라드는 테이퍼부로서 형성되어도 된다.
축부(2), 네크부(3) 및 우산부(4)의 내측의 중심에는 배기용 중공 포핏 밸브(1)의 중심축선(O)과 동축이 되는 중공부(9)가 형성된다. 중공부(9)는 제1 중공부(10), 만곡부(11) 및 제2 중공부(12)에 의해 형성된다. 제1 중공부(10)는 일정한 내경을 가지도록 축부(2)의 제1 축부(5)의 내측에 형성되고, 제2 중공부(12)는 제1 중공부(10)의 내경(d1)보다 크고 일정한 내경(d2)을 가지도록 제2 축부(7), 네크부(3) 및 우산부(4)의 내측에 걸쳐 형성된다.
만곡부(11)는 선단부 내경이 d2, 또한 기단부 내경이 d1이 되는 선단측으로부터 기단부로 끝이 오므라드는 오목형의 만곡 형상을 가지고, 제2 중공부(12)는 만곡부(11)를 개재시켜 제1 중공부(10)에 매끄럽게 접속된다. 제1 중공부(10), 만곡부(11) 및 제2 중공부(12)는 배기용 중공 포핏 밸브(1)의 바닥면(4a)측으로부터 굴삭 가공 등에 의해 배기용 중공 포핏 밸브(1)의 중심축선(O) 둘레에 형성된다. 중공부(9)는 금속 나트륨 등의 냉매가 장전된 상태로 내열 합금 등으로 형성된 캡(13)이 저항 접합 등으로 부착됨으로써 폐색된다. 또한 만곡부(11)는 선단측으로부터 기단측으로 끝이 오므라드는 테이퍼부로서 형성되어도 된다.
제1 축부(5)는 외경(D1)이 될 때까지 내열 금속제의 봉재의 외주를 절삭하거나 하여 형성된다. 제1 실시형태에 있어서는 제1 축부(5)의 두께(t1)가 제2 축부(7)의 두께(t2)와 일치하도록 형성되어 있다. 제2 축부(7)는 제1 축부(5)의 제1 중공부(10)보다 내경이 큰 제2 중공부(12)가 내측에 형성되어도 제1 축부(5)와 동일한 두께를 가지는 것에 의해, 강도를 유지하면서 냉매(14)의 증량에 의한 열 전달성의 향상 효과를 발휘한다.
제1 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(1)에 의하면, 엔진의 연소실 및 배기 통로의 고온의 배기 가스에 노출되는 제2 축부(7), 네크부(3) 및 우산부(4)의 내측에 설치한 제2 중공부(12)의 내경(d2)을 제1 중공부(10)의 내경(d1)보다 크게 하여, 고온에 노출되는 제2 중공부(12)의 용적을 확대하여 냉매(14)의 장전량을 증가시키고, 열 전달의 허용량을 증가시킴으로써 연소실로부터 냉매(14)로의 열 전달이 원활하게 행해진다. 또 냉매(14)는 배기용 중공 포핏 밸브(1)의 고속 진동시에 일정한 내경(d2)을 가지는 제2 중공부(12)의 내측에서 밸브의 중심축선(O)을 따라 앞뒤로 흔들어짐으로써 제2 중공부(12)의 내벽에 잔류하기 어려워지기 때문에, 기단측의 제1 축부(5)를 향하여 끝이 가늘어지고 또한 접속점의 내경이 제1 및 제2 중공부(10, 12)와 일치하도록 형성된 만곡부(11)를 개재시켜 제1 중공부(10)와의 사이의 원활한 이동이 촉진된다.
그 결과, 배기용 중공 포핏 밸브(1)에 의하면, 우산부(4)와 축부(2) 사이의 냉매(14)의 이동 효율이 향상됨으로써, 엔진의 저중속 회전시에 있어서 종래의 우산 중공 밸브와 동등 이상의 냉각 효과를 발휘하면서, 제2 중공부(12)의 형상이 일정한 내경(d2)을 가지는 스트레이트 구멍이기 때문에 제2 중공부(12)를 간이하게 형성할 수 있다.
또한 도 2는 제1 실시형태에 나타내는 제2 중공부(12)의 변형예를 나타내는 것이다. 제1 실시형태와 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 설명을 할애한다. 도 2의 제2 중공부(12')는 내경(d2)의 중공부(A)와, 내경(d21)의 중공부(B)와, 내경(d22)의 중공부(C)에 의해 구성된다. 중공부(A)의 내경(d2)은 도 1의 제2 중공부(12)의 내경과 동일하다. 또 중공부(B)는 네크부(3)의 내측에 형성되고, 중공부(C)는 우산부(4)의 내측에 형성된다.
도 2에 나타내는 바와 같이 중공부(A 내지 C)는 기단부로부터 선단부에 걸쳐 내경이 상이한 복수의 중공부가 내경이 작은 것으로부터 순서대로 연속되는 형상을 가지도록 형성되고, 또한 엔진 밸브(1')의 중심축선(O') 둘레에 동축이 되도록 형성된다. 중공부(A 내지 C)는 각 내경은 d2<d21<d22가 된다. 중공부(A 내지 C)는 도 2에 나타내는 바와 같은 볼록형의 만곡부(a1, a2)나 테이퍼부(도시하지 않음)를 개재시켜 매끄럽게 접속되도록 형성되는 것이 바람직하다. 중공부(A 내지 C)의 각 접속 부분은 스트레이트 구멍으로 해도 되지만, 만곡부나 테이퍼부를 개재시켜 접속됨으로써 중공부(A 내지 C) 사이에 있어서의 냉매의 이동이 촉진된다.
제2 중공부(12')는 제1 중공부(10) 및 만곡부(11)와 함께 중공부(9')를 형성하고, 중공부(9')는 금속 나트륨 등의 냉매가 장전된 상태에서 내열 합금 등으로 형성된 캡(13')이 저항 접합 등으로 부착됨으로써 폐색된다. 본 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(1')에 의하면, 상이한 내경(d2, d21, d22)을 각각 가지는 스트레이트 구멍으로 이루어지는 중공부(A 내지 C)가 내경이 작은 순서대로 형성되기 때문에 제2 중공부(12')를 밸브의 선단측으로부터 용이하게 형성할 수 있고, 고온에 노출되는 제2 중공부(12')의 내측의 냉매 장전량이 더욱 늘어남으로써 냉매(14)의 열 전달의 허용량이 더욱 늘어나, 밸브의 냉각 효과가 향상된다.
또한 본 변형예의 제2 중공부(12')는 일례로서 중공부(A 내지 C까지) 3개로 나뉘어 있지만, 제2 중공부(12')는 2개로 나눔으로써 비용을 저감시켜도 되고, 반대로 4개 이상으로 나누어 더욱 네크부나 우산부를 따른 형상으로 함으로써 제2 중공부의 내용적을 증가시켜도 된다.
또한 도 1 및 도 2에 나타내는 제1 실시형태에 있어서의 배기용 중공 포핏 밸브(1)는 제1 및 제2 축부(5, 7)의 두께가 t1=t2가 되도록 형성되어 있지만, 제2 축부(7)의 두께(t2)는 제1 축부(5)의 두께(t1)보다 두껍게(즉 t2>t1이 되도록) 형성하는 것이 바람직하다. 그 경우, 제2 축부(7) 그 자체의 열 전달의 허용량이 증가함으로써 연소실 및 배기 통로의 배기 가스로부터 냉매(14)로의 열 전달성이 더욱 향상됨으로써 밸브에 의한 냉각 효과가 향상된다.
이어서 도 3 및 도 4에 의해, 배기용 중공 포핏 밸브의 제2 실시형태를 설명한다. 도 3 및 도 4에 있어서도 배기용 중공 포핏 밸브의 우산부측을 선단측으로 하고, 축부측을 기단측으로 하여 설명한다.
도 3 및 도 4에 나타내는 제2 실시형태에 있어서의 배기용 중공 포핏 밸브(21)는 제1 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(1)와 동일한 외형을 가지고, 높은 내열성을 가지는 내열 합금 등으로 형성된 축부(22), 네크부(23) 및 우산부(24)를 가진다.
축부(22)는 제1 축부(25), 단차부(26) 및 제2 축부(27)에 의해 형성된다. 제1 축부(25)는 내측에 후술하는 제1 중공부(30)를 가지는 본체부(25a)와, 본체부(25a)와 동일한 외경(D3)을 가지도록 형성되어 배기용 중공 포핏 밸브(21)를 형성하는 중실의 축단부(25b)에 의해 형성된다. 제2 축부(27)는 선단측으로부터 기단측으로 끝이 오므라드는 테이퍼 형상의 단차부(26)를 개재시켜 제1 축부(25)의 본체부(25a)에 일체화되고, 제2 축부(27)의 외경(D4)은 단차부(26)에 의해 전체적으로 제1 축부(25)의 외경(D3)보다 크게 형성된다. 또한 단차부(26)는 선단측으로부터 기단측으로 끝이 오므라드는 볼록 곡면 형상의 만곡부로서 형성되어도 된다.
네크부(23)는 외경이 선단을 향하여 서서히 직경 증가하는 오목형 만곡 형상으로 형성되고, 또한 제2 축부(27)의 선단부(27a)에 매끄럽게 접속된다. 우산부(24)는 기단측으로부터 선단측으로 점차 퍼지는 테이퍼 형상의 페이스부(28)를 외주에 가지고, 페이스부(28)는 네크부(23)의 선단부(23a)와 접속된다.
축부(22), 네크부(23) 및 우산부(24)의 내측의 중심에는 배기용 중공 포핏 밸브(21)의 중심축선(O1)과 동축이 되는 중공부(29)가 형성된다. 중공부(29)는 제1 중공부(30), 테이퍼부(31) 및 제2 중공부(32)에 의해 형성된다. 제1 중공부(30)는 일정한 내경을 가지도록 축부(22)의 제1 축부(25)의 본체부(25a)의 내측에 형성되고, 제2 중공부(32)는 제1 중공부(30)의 내경(d3)보다 크고 일정한 내경(d4)을 가지도록 제2 축부(27), 네크부(23) 및 우산부(24)의 내측에 걸쳐 형성된다. 또한 테이퍼부(31)는 선단측으로부터 기단측으로 끝이 오므라드는 오목 곡면 형상의 만곡부로서 형성되어도 된다.
테이퍼부(31)는 선단부 내경이 d4, 또한 기단부 내경이 d3이 되는 선단측으로부터 기단부로 끝이 오므라드는 형상을 가지고, 제2 중공부(32)는 테이퍼부(31)를 개재시켜 제1 중공부(30)에 매끄럽게 접속된다. 제2 중공부(32)는 우산부(24)와 일체의 바닥부(32a)에 의해 바닥면(24a)측으로 관통하지 않는 바닥이 있는 원통 형상으로 형성된다.
배기용 중공 포핏 밸브(21)는 제1 중공부(30), 테이퍼부(31) 및 제2 중공부(32)는 네크부(23) 및 우산부(24)와 동형의 네크부 및 우산부를 가지고, 또한 본체부(25a)와 제2 축부(27)를 합계한 축 방향 길이를 가지는 중실 포핏 밸브를 형성하고, 내경(d4)의 원형 구멍을 상기 중실 포핏 밸브의 기단부측으로부터 중심축선(O1) 둘레에 바닥이 있게 형성하고, 형성된 중공 포핏 밸브의 기단부측 외주를 드로잉 가공하여 내경(d4)의 원형 구멍의 기단부측에 테이퍼부(31)를 개재시켜 연결되는 내경(d3)의 원형 구멍을 형성하여 본체부(25a), 제2 축부(27), 제1 중공부(30) 및 제2 중공부(32)를 형성하고, 중공부(29)에 냉매(34)를 장전하고, 마지막으로 축단부(25b)를 본체부(25a)의 기단부(25c)에 저항 접합 등으로 축 접합하거나 하여 형성된다.
또 제2 실시형태에 있어서는 제1 축부(25)의 두께(t3)에 비해 제2 축부(27)의 두께(t4)를 두껍게(즉 t4>t3이 되도록) 형성하고 있기 때문에, 제2 축부(27) 그 자체의 열 전달의 허용량이 증가함으로써 연소실로부터 냉매(14)로의 열 전달성이 더욱 향상됨으로써 밸브에 의한 냉각 효과가 향상된다. 제2 축부(27)는 제1 축부(25)의 제1 중공부(30)보다 내경이 큰 제2 중공부(32)가 내측에 형성되고, 또한 제1 축부(25)보다 두껍게 형성됨으로써, 강도를 유지하면서 열 전달의 허용량 및 냉매(14)의 증가에 의한 열 전달성의 향상 효과를 발휘한다. 또한 제2 축부(27)는 제2 축부(27)의 두께(t4)를 제1 축부(25)의 두께(t3)에 동일하게 형성해도 되지만, 제2 축부(27) 그 자체의 열 전달의 허용량을 증가시키기 위해서 제1 축부보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 제2 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(21)(및 제1 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(1)에 있어서도 동일)에 있어서는 제2 중공부(32)의 기단부(32b)를 제2 축부(27)의 기단부(27b)와 밸브의 중심축선(O1)을 따른 방향에 있어서 동일 평면이 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 형성한 경우, 제2 중공부(32)가 단차부(26)의 내측으로 파고들어가 두께를 얇게 함으로써 단차부(26)의 강도를 저하시키지 않고, 배기 가스의 고온에 노출되는 제2 축부(27)의 내측에 최대한의 용적을 가지도록 형성되기 때문에, 밸브에 의한 냉각 효과가 더욱 향상된다.
제2 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(21)에 의하면, 엔진의 연소실 및 배기 통로의 고온의 배기 가스에 노출되는 제2 축부(27), 네크부(23) 및 우산부(24)의 내측에 설치한 제2 중공부(32)의 내경(d4)을 제1 중공부(30)의 내경(d3)보다 크게 하여, 고온에 노출되는 제2 축부(27)의 열 전달의 허용량을 확대하면서 제2 중공부(32)의 용적을 확대하여 냉매(34)의 장전량을 증가시킴으로써 후술하는 연소실(41) 및 배기 통로(42)의 배기 가스로부터 냉매(34)로의 열 전달이 원활하게 행해진다. 또 냉매(34)는 배기용 중공 포핏 밸브(1)의 고속 진동시에 일정한 내경(d4)을 가지는 제2 중공부(32)의 내측에서 밸브의 중심축선(O1)을 따라 앞뒤로 흔들어짐으로써 제2 중공부(32)의 내벽에 잔류하기 어려워지기 때문에, 기단측의 제1 축부(25)를 향하여 끝이 가늘어지고 또한 접속점의 내경이 제1 및 제2 중공부(30, 32)와 일치하도록 형성된 테이퍼부(31)를 개재시켜 제1 중공부(30)와의 사이의 원활한 이동이 촉진된다.
그 결과, 배기용 중공 포핏 밸브(21)에 의하면, 우산부(24)와 축부(22) 사이의 냉매(34)의 이동 효율이 향상됨으로써, 엔진의 저중속 회전시에 있어서 종래의 우산 중공 밸브와 동등 이상의 냉각 효과를 발휘하면서, 제2 중공부(32)의 형상이 일정한 내경(d4)을 가지는 스트레이트 구멍이기 때문에 제2 중공부(32)를 간이하게 형성할 수 있다.
또한 도 4는 실린더 헤드(40)에 설치되고, 배기에 기초하는 개폐시에 연소실(41)과 배기 통로(42) 사이를 진퇴하는 제2 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(21)를 나타내고 있다. 실린더 헤드(40)에는 밸브 가이드(40a)와 연소실(41)을 향하여 개구하는 배기 통로(42)가 설치되어 있다. 밸브 가이드(40a)에는 배기용 중공 포핏 밸브(21)의 축부(22)가 슬라이딩 접촉하는 밸브 삽입통과 구멍(40b)이 설치되고, 밸브 삽입통과 구멍(40b)의 선단은 배기 통로(42)에 개구한다. 밸브 삽입통과 구멍(40b)에는 밸브 스프링(43)에 의해 밸브 폐쇄 방향(밸브의 선단으로부터 기단 방향)으로 탄성 가압된 배기용 중공 포핏 밸브(21)의 축부(22)가 유지되어 앞뒤로 진퇴한다. 배기용 중공 포핏 밸브(21)는 밸브 개방시에 있어서 중심축선(O1)을 따라 선단 방향으로 슬라이드하고, 밸브 폐쇄시에 있어서 우산부(24)의 페이스부(28)가 밸브 스프링(43)의 탄성 가압력에 의해 배기 통로(42)의 개구 둘레 가장자리부에 형성된 실린더 헤드(40)의 시트부(44)의 시트면(44a)에 맞닿도록 형성된다.
또한 도 4에 나타내는 제2 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(21)에 있어서는, 단차부(26)의 기단부(26a)로부터 페이스부(28)의 선단부(28a)까지의 중심축선(O1)을 따른 방향의 길이(L1)가, 실린더 헤드(40)의 밸브 가이드 개구부(40c)의 최선단부(40d)로부터 시트부(44)의 선단부(44b)까지의 축 방향 길이(L2)보다 짧게 형성되는 것이 바람직하고, 도 1 및 도 2에 나타내는 제1 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브(1)에 있어서는, 단차부(6)의 기단부(6a)로부터 페이스부(8)의 선단부(8a)까지의 중심축선(O)을 따른 방향의 길이(L3)가, 배기용 중공 포핏 밸브(1)를 도 3의 실린더 헤드(40)에 설치했다고 가정한 경우에 있어서의 밸브 가이드 개구부(40c)의 최선단부(40d)로부터 시트부의 선단부까지의 축 방향 길이(L2)보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다.
배기용 중공 포핏 밸브(1, 21)를 이와 같이 형성한 경우, 단차부(6, 26)의 기단부(6a, 26a)는 밸브 폐쇄시에 있어서 실린더 헤드의 밸브 가이드 개구부의 최선단부(40d)보다 아래에 위치하기 때문에, 배기시에 있어서의 중공 포핏 밸브(1, 21)의 개폐 동작시에 단차부(6, 26) 및 제2 축부(7, 27)가 실린더 헤드(40)의 밸브 가이드 개구부(40c)에 간섭하지 않는다. 그 결과, 중공 포핏 밸브(1, 21)에 있어서는 제2 중공부(12, 32)의 용적 및 제2 축부(7, 27)의 두께(t2, t4)를 더욱 크게 할 수 있기 때문에, 연소실로부터 냉매로의 열 전달성이 더욱 향상된다.
도 5(a) (b)에 의해, 열전대법에 의해 측정한 제2 실시형태의 냉매 주입 중공 포핏 밸브(21)(도 3을 참조)를 사용한 엔진의 회전수에 대한 밸브의 우산부(24)의 바닥면(24a)의 중앙과 네크부(23)의 온도를 설명한다. 도 5(a)는 밸브의 바닥면(24a)의 중앙에 관한 그래프이며, 도 5(b)는 밸브의 네크부(23)에 관한 그래프이다. 각 도면의 횡축은 밸브의 회전수(rpm), 종축은 온도(℃)를 나타내며, 삼각의 라인이 특허문헌 2와 같은 종래의 냉매 주입 우산 중공 밸브의 온도를 나타내고, 사각의 라인이 제2 실시형태에 있어서의 냉매 주입 중공 밸브의 온도를 나타내는 것이다.
도 5(a)에 의하면 본 실시형태에 있어서의 냉매 주입 중공 밸브의 우산부의 바닥면 온도는 엔진의 회전수가 약 3500rpm일 때 종래의 냉매 주입 우산 중공 밸브와 동등한 온도가 된다. 또 본 실시형태에 있어서의 중공 밸브 바닥면 온도는 엔진이 약 3500rpm을 넘어 고속 회전하면, 종래의 우산 중공 밸브보다 다소 고온이 되지만, 엔진이 3500rpm 이하의 회전수로 저중속 회전을 하면, 종래의 우산 중공 밸브보다 낮게 억제된다.
또 도 5(b)에 의하면 본 실시형태에 있어서의 엔진 밸브의 네크부 온도는 엔진의 회전수가 3000rpm일 때 종래의 우산 중공 밸브와 동등한 온도가 된다. 또 본 실시형태에 있어서의 엔진 밸브의 네크부 온도는 엔진의 회전수가 약 3000rpm을 넘어 고속 회전하면 종래의 우산 중공 밸브보다 다소 고온이 되지만, 엔진이 3000rpm 이하의 회전수로 저중속 회전을 하면, 본 실시형태에 있어서의 중공 밸브의 바닥면 온도는 종래의 우산 중공 밸브보다 낮게 억제된다.
이와 같이, 도 5(a) (b)의 측정 결과로부터 종래의 냉매 주입 우산 중공 밸브는 엔진의 고속 회전시에 우수한 냉각 효과를 발휘하지만, 본 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브는 엔진의 저중속 회전시에 우산 중공 밸브와 동등 이상의 우수한 냉각 효과를 발휘함으로써 내노크성이 향상되고, 연비의 개선에 공헌하는 것이라고 할 수 있다.
중공 밸브의 냉매로서 일반적으로 사용되는 금속 나트륨은 융점이 98℃이다. 엔진이 저중속 회전할 때의 연소실로부터 열을 받는 냉매 주입 중공 밸브는 고속 회전시만큼 고온이 되지 않기 때문에, 종래의 중공 밸브의 중공부 내에 냉매로서 장전된 금속 나트륨은 연소실에 노출되는 고온의 우산부나 네크부의 내측 영역으로부터 연소실에 노출되지 않기 때문에 온도가 낮은 축단부의 근방 영역으로 이동했을 때 융점 이하로 냉각되어 축단부의 근방 영역에 고착됨으로써 이동이 저해되고, 우산부 및 네크부로부터 축부로의 밸브의 열 인성을 악화시킬 우려가 있다. 하지만, 본 실시형태의 냉매 주입 중공 밸브에 의하면, 축단부에 가까운 제1 중공부(10)의 내경이 제2 중공부(12)의 내경보다 작고, 만일 축단부 근방 영역에 고착되어도 고착되는 냉매의 양이 적어져 열 인성의 악화가 저감되기 때문에, 엔진이 저중속 회전량 영역에서 동작하고 있어도 밸브의 온도가 저감되는 것이라고 생각된다.
그 때문에, 본 실시형태의 배기용 중공 포핏 밸브는 전기 자동차의 구동용 모터에 사용되는 발전 전용 엔진과 같은 저중속 회전 영역에서만 동작하는 엔진에 사용됨으로써 가장 우수한 냉각 효과를 발휘하는 것이라고 할 수 있다.
1…배기용 중공 포핏 밸브
2…축부
3…네크부
4…우산부
5…제1 축부
6…단차부
7…제2 축부
8…페이스부
9…중공부
10…제1 중공부
11…만곡부
12…제2 중공부
14…냉매
21…배기용 중공 포핏 밸브
22…축부
23…네크부
24…우산부
25…제1 축부
26…단차부
27…제2 축부
28…페이스부
29…중공부
30…제1 중공부
31…테이퍼부
32…제2 중공부
34…냉매
40…실린더 헤드
40c…밸브 가이드 개구부
40d…최선단부
44…시트부
L1, L3…단차부의 기단부로부터 페이스부의 선단부까지의 축 방향 길이
L2…밸브 가이드 개구부의 최선단부로부터 페이스부의 선단부까지의 축 방향 길이
2…축부
3…네크부
4…우산부
5…제1 축부
6…단차부
7…제2 축부
8…페이스부
9…중공부
10…제1 중공부
11…만곡부
12…제2 중공부
14…냉매
21…배기용 중공 포핏 밸브
22…축부
23…네크부
24…우산부
25…제1 축부
26…단차부
27…제2 축부
28…페이스부
29…중공부
30…제1 중공부
31…테이퍼부
32…제2 중공부
34…냉매
40…실린더 헤드
40c…밸브 가이드 개구부
40d…최선단부
44…시트부
L1, L3…단차부의 기단부로부터 페이스부의 선단부까지의 축 방향 길이
L2…밸브 가이드 개구부의 최선단부로부터 페이스부의 선단부까지의 축 방향 길이
Claims (5)
- 선단을 향하여 직경이 증가하는 네크부를 개재시켜 일체화되는 축부와 우산부를 가지고, 우산부로부터 축부에 걸쳐 형성된 중공부에 냉매가 장전된 배기용 중공 포핏 밸브에 있어서,
상기 축부는
기단측의 제1 축부와, 단차부를 개재시켜 제1 축부에 일체화됨과 아울러 네크부에 일체화되는 제2 축부를 가지고,
상기 중공부는
제1 축부의 내측에 형성되는 제1 중공부와,
제1 중공부보다 크고 일정한 내경을 가지도록 제2 축부, 네크부 및 우산부의 내측에 형성되고, 테이퍼부 또는 만곡부를 개재시켜 제1 중공부에 연속되도록 형성된 제2 중공부를 구비한 것을 특징으로 하는 배기용 중공 포핏 밸브. - 제 1 항에 있어서, 상기 제2 축부는 제1 축부보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 배기용 중공 포핏 밸브.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제2 중공부는 기단부로부터 선단부에 걸쳐 내경이 상이한 복수의 중공부를 내경이 작은 것으로부터 순서대로 연속시킨 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 배기용 중공 포핏 밸브.
- 제 3 항에 있어서, 내경이 상이한 상기 복수의 중공부는 각각 테이퍼부 또는 만곡부를 개재시켜 연속되는 것을 특징으로 하는 배기용 중공 포핏 밸브.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 우산부는 밸브 폐쇄시에 실린더 헤드의 시트부에 맞닿는 페이스부를 가지고,
상기 단차부의 기단부로부터 페이스부의 선단부까지의 축 방향 길이가, 실린더 헤드의 밸브 가이드 개구부의 최선단부로부터 시트부의 선단부까지의 축 방향 길이보다 짧게 형성된 것을 특징으로 하는 배기용 중공 포핏 밸브.
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