KR20200024613A - 엔진의 연소실 - Google Patents

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KR20200024613A
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이태원
백홍길
이승우
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진의 연소실에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 작동시간 증가에 따라 흡기밸브와 밸브시트 사이의 접촉폭이 증가하더라도 흡기밸브를 통하여 유입되는 유동의 저항이 증가되지 않도록 하여 체적효율의 저하를 방지할 수 있는 엔진의 연소실에 관한 발명이다.

Description

엔진의 연소실{Combustion chamber of the engine}
본 발명은 엔진의 연소실에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 작동시간 증가에 따라 흡기밸브와 밸브시트 사이의 접촉폭이 증가하더라도 흡기밸브를 통하여 유입되는 유동의 저항이 증가되지 않도록 하여 체적효율의 저하를 방지할 수 있는 엔진의 연소실에 관한 발명이다.
일반적으로, 엔진은 도 1에 도시된 바와 같이 실린더와 상기 실린더의 상부에 실린더헤드가 결합되고, 상기 실린더에 피스톤이 설치되어 연소실을 형성한다.
상기 실린더헤드(2)에는 상기 연소실의 내부로 혼합기 또는 공기를 흡기하기 위한 흡기밸브(8)와, 연소 후 배기가스를 배출하기 위한 배기밸브(12)가 각각 흡기포트(10)와 배기포트(14)에 설치되고, 상기 실린더헤드(2)에서 상기 흡기밸브(8) 및 상기 배기밸브(12)와 접촉되는 부위에는 밸브시트(16)를 형성하여, 상기 흡기밸브(8), 상기 배기밸브(12)의 기밀성이 높아지도록 한다. 상기 밸브시트(16)는 상기 실린더헤드(2)와 일체로 형성되거나, 별도로 형성되어 상기 실린더헤드(2)에 조립된다.
한편, 엔진의 작동시간이 늘어날수록 상기 밸브시트(16)가 마모되어 상기 흡기밸브(8)와 상기 밸브시트(16)의 접촉폭이 증가하게 되고, 이는 흡기 시 상기 연소실의 내부로 유입되는 유량을 저하시켜 상기 엔진의 출력 성능이 악화시키게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 초기에는 W1의 폭으로 상기 흡기밸브(8)와 상기 밸브시트(16)가 접촉되지만, 상기 엔진의 작동시간의 늘어남에 따라 상기 밸브시트(16)가 마모되면서 상기 흡기밸브(8)와 상기 밸브시트(16)의 접촉 폭이 증가하여 초기의 접촉 폭보다 더 넓은 폭(예를 들면, W2)을 갖게 된다.
한편, 상기 흡기밸브(8)와 상기 밸브시트(16)의 접촉 폭이 증가함에 따라 상기 흡기밸브(8)와 상기 실린더헤드(2) 사이의 간극(G)이 줄어들어 체적효율이 저하되고 냉각손실이 발생하여 엔진의 출력 성능이 악화되는 문제가 있다.
종래에는 흡기밸브(8)의 직경 선정 시 체적효율 또는 냉각손실을 고려하지 않고, 상기 밸브시트(16)의 마모 후 상기 흡기밸브(8)와 상기 밸브시트(16)의 접촉폭을 고려하여 상기 흡기밸브(8)의 직경을 선정하였으므로 상기 흡기밸브(8)의 직경 사이즈가 비교적 크게 설정되었다.
이로 인해 상기 엔진의 작동시간이 증가할수록 상기 흡기밸브(8)와 상기 실린더헤드(2) 사이의 간극(G)이 줄어들어 유동저항이 증가하게 되고, 유동저항의 증가로 인해 엔진의 체적효율이 저하되어 엔진의 성능을 악화시키는 요인이 되었다.
한국공개특허 제10-2011-0003954호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 엔진의 작동시간 증가에 따라 흡기밸브와 밸브시트 사이의 접촉폭이 증가하더라도 흡기밸브를 통하여 유입되는 유동의 저항이 증가되지 않도록 하여 체적효율의 저하를 방지할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
흡기밸브;
흡기밸브와 엔진의 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경;
흡기밸브 헤드의 직경;
실린더헤드의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선의 직경;을 포함하고,
흡기밸브와 엔진의 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경과 흡기밸브 헤드의 직경은 일정 값 이하의 직경차를 가지며,
흡기밸브와 엔진의 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경과 흡기밸브 헤드의 직경의 직경차에 의해 밸브시트의 마모 후에도 흡기밸브 헤드의 직경과 실린더헤드의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선의 직경은 일정 값 이상의 직경차로 유지하는 것을 특징으로 한다.
흡기밸브와 엔진의 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경과 흡기밸브 헤드의 직경의 직경차는 0.4mm 이하인 것을 특징으로 한다.
흡기밸브와 밸브시트의 초기 접촉폭은 1.5mm이상인 것을 특징으로 한다.
흡기밸브의 중심축과 초기상태 시 흡기밸브에 비접촉되는 밸브시트의 페이스부가 이루는 각도 A는 65도 이상인 것을 특징으로 한다.
흡기밸브 헤드의 직경과 실린더헤드의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선의 직경의 직경차는 4.0mm이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 엔진의 작동시간 증가에 따라 흡기밸브와 밸브시트 사이의 접촉폭이 증가하더라도 상기 흡기밸브와 상기 실린더헤드 사이의 간극(G)이 좁아지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 엔진의 작동시간이 증가하더라도 흡기밸브를 통하여 유입되는 유동의 저항이 증가되지 않도록 하여 체적효율의 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이와 같이, 상기 엔진의 작동시간의 증가에도 불구하고, 체적효율을 상기 엔진의 초기상태로 유지하도록 함으로써 엔진의 성능저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 통상적인 엔진의 연소실 구조를 도시한 단면도,
도 2는 도 1에서 흡기밸브와 밸브시트가 접촉하는 부위를 확대 도시한 단면도.
도 3은 밸브시트의 마모로 인하여, 흡기밸브와 실린더헤드 사이의 간극이 좁아진 상태를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 흡기밸브가 설치된 상태를 도시한 단면도.
도 5는 도 4에서 흡기밸브와 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경 Do의 상세도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 흡기밸브의 직경 이 충분히 크게 형성되는 이유를 설명하기 위한 도면으로서, 도 6a는 본 발명의 흡기밸브의 직경 이 밸브시트의 접촉되는 부위보다 충분히 크게 형성된 상태를 도시한 단면도이고, 도 6b는 흡기밸브의 직경이 충분히 크게 형성되지 않아 마모 시 밸브시트에 단차가 형성된 상태를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 상기 흡기밸브의 중심축과 밸브시트의 비접촉 페이스부가 이루는 각도 A의 선정 이유를 설명하기 위한 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 흡기밸브와 밸브시트의 접촉폭 선정 이유를 설명하기 위한 단면도.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명은 엔진의 연소실에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 작동시간 증가에 따라 흡기밸브와 밸브시트 사이의 접촉폭이 증가하더라도 흡기밸브를 통하여 유입되는 유동의 저항이 증가되지 않도록 하여 체적효율의 저하를 방지할 수 있는 엔진의 연소실에 관한 발명이다.
도 4에는 본 발명에 따른 흡기밸브가 설치된 상태를 도시한 단면도가 도시되어 있다.
본 발명의 흡기밸브(18)는, 헤드부의 둘레방향으로 일정 각도의 경사면을 갖도록 하향 연장되는 흡기밸브 페이스부(20)와, 상기 흡기밸브 페이스부(20)로부터 상기 흡기밸브(18)의 중심축(L)과 평행하도록 일정 길이 하향 연장되는 림부(22)를 포함한다.
실린더헤드(2)에서 상기 흡기밸브(18)와 접촉되는 부위에 형성되는 밸브시트(24)는, 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 접촉되어 마모되는 부위이며 일정 각도의 경사면을 갖도록 하향 연장되는 밸브시트 페이스부(26)와, 상기 밸브시트 페이스부(26)로부터 일정 각도 절곡되어 연장되는 비접촉 페이스부(28)를 포함한다.
상기 흡기밸브 페이스부(20)는 상기 밸브시트 페이스부(26) 보다 큰 폭을 갖도록 형성된다.
상기 흡기밸브의 중심축(L)과 상기 흡기밸브 페이스부(20) 사이의 각도는 45.5도이며, 상기 흡기밸브의 중심축(L)과 상기 흡기밸브 페이스부(20) 사이의 각도 보다 상기 흡기밸브의 중심축(L)과 상기 밸브시트 페이스부(26) 사이의 각도가 더 작게 형성된다.
즉, 초기 상태 시, 도면상 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트 페이스부(26)는 서로 선접촉되지 않은 상태로, 도 5를 참고하여 보면, 상기 밸브시트 페이스부(26)의 최하측점에서만 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트(24)가 점접촉하게 된다.
상기 림부(22)의 직경(Dg)은 상기 밸브시트 페이스부(26)가 마모되어 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트 페이스부(26)의 접촉폭이 증가함에 따라 상기 림부(22)와 상기 실린더헤드(2) 사이의 간극(G)이 줄어 체적효율이 저하되는 문제를 해결하기 위해, 실린더헤드(2)의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선(30)의 직경(Dp)과 상기 림부의 직경(Dg)의 직경차를 고려하여 선정된다.
상기 밸브시트 페이스부(26)가 마모된 후에도 실린더헤드(2)의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선(30)의 직경(Dp)과 상기 림부의 직경(Dg)이 일정 직경차 이상으로 유지되기 위해 상기 림부의 직경(Dg)은 종래보다 축소되어 초기상태 시, 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트(24)가 접촉하는 점에 의해 형성되는 직경(Do)과 일정 값 이하의 직경차를 갖도록 형성된다.
상기 림부의 직경(Dg)과 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트(24)가 접촉하는 점에 의해 형성되는 직경(Do)의 직경차는 0.4mm 이하가 되는 것이 바람직하다.
상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트(24)가 접촉하는 점에 의해 형성되는 직경(Do)과 상기 림부의 직경(Dg) 차이에 의해 상기 밸브시트 페이스부(26)의 마모 후에도 상기 림부의 직경(Dg)과 실린더헤드(2)의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선(30)의 직경(Dp)은 일정 값 이상의 직경차로 유지된다.
상기 림부의 직경(Dg)과 상기 실린더헤드(2)의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선(30)의 직경(Dp)의 직경차는 4.0mm이하인 것이 바람직하다.
상기 실린더헤드(2)의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선(30)은 상기 흡기밸브의 중심축(L)과 평행이다.
상기 림부의 직경(Dg)과 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트(24)가 접촉하는 점에 의해 형성되는 직경(Dp)의 직경차 유지만을 고려하여 상기 림부의 직경(Dg)을 축소할 경우 유동저항이 축소되어 체적효율은 증대될 수 있지만, 상기 림부의 직경(Dg)이 축소되기 때문에 상기 밸브시트 페이스부(26)의 마모 시 단차가 발생되는 문제가 발생하게 된다.
이를 도 6을 참고하여 이를 설명하도록 한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 흡기밸브의 직경이 충분히 크게 형성되는 이유를 설명하기 위한 도면으로서, 도 6a는 본 발명의 흡기밸브의 직경이 밸브시트의 접촉되는 부위보다 크게 형성된 상태를 도시한 단면도이고, 도 6b는 흡기밸브의 직경이 충분히 크게 형성되지 않아 마모 시 밸브시트에 단차가 형성된 상태를 도시한 단면도이다.
상기 흡기밸브(18)가 왕복운동하면서 상기 밸브시트 페이스부(26)와 상기 흡기밸브 페이스부(20)가 접촉되면 상기 밸브시트 페이스부(26)가 마모되어진다.
상기 림부의 직경(Dg)이 일정 직경 이상으로 충분히 클 경우, 도 6 a에 도시된 바와 같이 상기 밸브시트 페이스부(26)가 마모되어도 마모된 상기 밸브시트 페이스부(26)의 전체 폭이 상기 흡기밸브 페이스부(20)에 접촉될 수 있지만, 상기 림부의 직경(Dg)이 일정 직경 이하로 충분히 크지 않을 경우, 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 밸브시트 페이스부(26)가 마모되었을 때 마모된 상기 밸브시트 페이스부(26)의 전체 폭이 상기 흡기밸브 페이스부(20)에 접촉되지 못하여 상기 밸브시트 페이스부(26)에 단차가 발생하게 되고, 이로 인해 상기 흡기밸브(18)가 닫힌 상태에서 누기가 발생되는 문제가 발생된다.
즉, 상기 실린더헤드(2)의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선(30)과 상기 림부 사이의 간극(G)만을 고려하여 상기 림부의 직경(Dg)을 축소할 경우 상기 밸브시트 페이스부(26)에 단차가 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 상기 흡기밸브의 중심축(L)과 초기상태 시 상기 흡기밸브(18)에 비접촉되는 상기 밸브시트의 페이스부(28)가 이루는 각도 A를 한정하여 상기 실린더헤드(2)의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선(30)과 상기 림부(22) 사이의 간극(G)이 일정 간격 이상으로 유지되면서도 상기 밸브시트 페이스부(26)에 단차가 발생되지 않도록 구성하였다.
도 7에는 본 발명에 따른 상기 흡기밸브의 중심축과 밸브시트의 비접촉 페이스부가 이루는 각도 A의 선정 이유를 설명하기 위한 단면도가 도시되어 있다.
상기 각도 A가 60도(α') 일 때, 상기 밸브시트 페이스부(26)에 약 200㎛ 마모가 발생되면, 상기 밸브시트 페이스부(26a)의 폭은 초기 상태 보다 약 0.938 mm 증가하게 된다.
증가된 상기 밸브시트 페이스부(26a)의 폭과 상기 림부 직경(Dg) 공차 및 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트(24)가 접촉하는 점에 의해 형성되는 직경(Do) 공차를 고려하면, 상기 각도 A가 60도(α') 이며, 상기 밸브시트 페이스부(26)에 약 200㎛ 마모가 발생되었을 때, 상기 밸브시트 페이스부(26a)와 추가 접촉되기 위해 요구되는 상기 흡기밸브 페이스부(20)의 폭(a2)은 총 1.017mm 정도가 된다.
상기 각도 A가 75도(α) 일 때, 상기 밸브시트 페이스부(26)에 약 200㎛ 마모가 발생되면, 상기 밸브시트 페이스부(26a)의 폭은 초기 상태 보다 약 0.542 mm 증가하게 된다.
증가된 상기 밸브시트 페이스부(26a)의 폭과 상기 림부 직경(Dg) 공차 및 상기 흡기밸브 페이스부(20)와 상기 밸브시트(24)가 접촉하는 점에 의해 형성되는 직경(Do) 공차를 고려하면, 상기 각도 A가 75도(α) 이며, 상기 밸브시트 페이스부(26)에 약 200㎛ 마모가 발생되었을 때, 상기 밸브시트 페이스부(26a)와 추가 접촉되기 위해 요구되는 상기 흡기밸브 페이스부(20)의 폭(a1)은 총 0.620mm 정도가 된다.
즉, 상기 각도 A 증대 시 상기 밸브시트 페이스부(26)에 마모가 발생되었을 때, 상기 밸브시트 페이스부(26a)와 추가 접촉되기 위해 요구되는 상기 흡기밸브 페이스부(20)의 폭이 축소 될 수 있다.
따라서, 상기 A각도의 한정으로 인해 상기 흡기밸브 페이스부(20)의 폭이 축소되어 상기 림부(22)의 직경(Dg)을 축소시킬 수 있으면서도, 마모된 상기 밸브시트 페이스부(26a)의 전체 폭이 상기 흡기밸브 페이스부(20)에 접촉되어 상기 림부(22)의 직경(Dg) 축소로 인해 상기 밸브시트 페이스부(26)에 단차가 발생하는 문제를 해결할 수 있게 된다.
상기 흡기밸브의 중심축(L)과 초기상태 시 상기 흡기밸브(18)에 비접촉되는 상기 밸브시트의 페이스부(28)가 이루는 각도 A는 65도 이상인 것이 바람직하다.
도 8에는 본 발명에 따른 흡기밸브와 밸브시트의 접촉폭 선정 이유를 설명하기 위한 단면도가 도시되어 있다.
상기 밸브시트 페이스부(26)의 마모가 진행됨에 따라 상기 밸브시트 페이스부(26)와 상기 흡기밸브 페이스부(20)의 접촉폭은 증가하게 된다.
상기 밸브시트 페이스부(26)와 상기 흡기밸브 페이스부(20)의 접촉폭이 증가(f1→f2)할 수록 단위 면적당 가해지는 흡기밸브(18)의 하중이 저감되므로 상기 밸브시트 페이스부(26)와 상기 흡기밸브 페이스부(20)의 접촉폭을 증가시키면 상기 밸브시트 페이스부(26)의 마모량이 축소된다,
따라서 본 발명에서는 상기 밸브시트 페이스부(26)와 상기 흡기밸브 페이스부(20)의 초기 접촉폭(즉, 상기 밸브시트 페이스부(26)의 초기 폭)을 1.5mm이상으로 하여 단위 면적당 가해지는 흡기밸브(18)의 하중을 저감시킬 수 있도록 하였다.
이상에서 설명된 본 발명의 엔진의 연소실의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
2 : 실린더헤드
4 : 실린더
6 : 피스톤
8 : 종래의 흡기밸브
10 : 흡기포트
12 : 배기밸브
14 : 배기포트
16 : 종래의 밸브시트
18 : 흡기밸브
20 : 흡기밸브 페이스부
22 : 림부
24 : 밸브시트
26 : 밸브시트 페이스부
26a : 마모 후 밸브시트 페이스부
28 : 밸브시트의 비접촉 페이스부
30 : 실린더헤드의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선

Claims (5)

  1. 엔진의 연소실에 있어서,
    흡기밸브;
    상기 흡기밸브와 상기 엔진의 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경;
    상기 흡기밸브 헤드의 직경;
    실린더헤드의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선의 직경;을 포함하고,
    상기 흡기밸브와 상기 엔진의 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경과 상기 흡기밸브 헤드의 직경은 일정 값 이하의 직경차를 가지며,
    상기 흡기밸브와 상기 엔진의 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경과 상기 흡기밸브 헤드의 직경의 직경차에 의해 상기 밸브시트의 마모 후에도 상기 흡기밸브 헤드의 직경과 실린더헤드의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선의 직경은 일정 값 이상의 직경차로 유지하는 것
    을 특징으로 하는 엔진의 연소실.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡기밸브와 상기 엔진의 밸브시트가 접하는 점에 의해 형성되는 직경과 상기 흡기밸브 헤드의 직경의 직경차는 0.4mm 이하인 것을 특징으로 하는 엔진의 연소실.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡기밸브와 상기 밸브시트의 초기 접촉폭은 1.5mm이상인 것을 특징으로 하는 엔진의 연소실.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡기밸브의 중심축과 초기상태 시 상기 흡기밸브에 비접촉되는 상기 밸브시트의 페이스부가 이루는 각도 A는 65도 이상인 것을 특징으로 하는 엔진의 연소실.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡기밸브 헤드의 직경과 상기 실린더헤드의 내측 하단부로부터 연장되는 가상의 연장선의 직경의 직경차는 4.0mm이하인 것을 특징으로 하는 엔진의 연소실.
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