KR950008052B1 - 내연기관용 흡기밸브 - Google Patents

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크레이크 이. 월터스
빅토리아 에이취. 브라벤더
칼 제이 슈히
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워 밸브스 인코오포레이티드
알란시몬
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Abstract

내용 없음.

Description

내연기관용 흡기밸브
제1도는 종래의 내연기관의 연료 통로 내에 위치한 본 발명의 개선된 밸브를 나타낸도면.
제2도는 본 발명에 따른 개선된 밸브의 확대도.
제3도는 제2도의 3-3선을 따른 횡단면도.
제4도는 본 발명의 개선된 밸브의 다른 실시예를 나타낸도면.
제5도는 개선된 밸브 및 연료 통로를 나타낸도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 흡기밸브 12 : 실린더헤드
14 : 실린더블럭 16 : 실린더챔버
18 : 연료통로 20 : 밸브가이드
22 : 개구 24 : 플랫(flat)
26 : 시트 28 : 밸브봉
30 : 밸브헤드 32 : 혼합영역
34,34' : 축 36 : 직경영역
38 : 원통형상의 상부영역 40 : 개구의 먼부분
42 : 편향돌기 44 : 밸브
46 : 내향 테이퍼
본 발명은 내연기관용 흡기밸브에 관한 것으로, 특히 기존의 밸브봉 및 헤드를 가지며, 엔진의 실린더 헤드와 실린더 블럭간의 개구를 통해 연료혼합물의 흐름을 집중시켜 흐르는 속도를 증가시키기 위한 밸브봉과 헤드 사이의 혼합영역을 갖는 밸브에 관한 것이다.
종래의 내연기관은 각 실린더내에서 이동하는 피스톤을 수용하는 엔진 블럭 즉 실린더 블럭으로 이루어진다. 각 실린더의 한쪽 끝은 엔진 헤드 즉 실린더 헤드를 통해 연료 통로에 연결된 개구를 가지며 흡기밸브는 개구를 밀봉하는 제1위치와 개구를 개방하는 제2위치사이에서 이동된다. 종래의 흡기밸브는 알려져 있는 방식대로 개구를 밀봉하는 크기로 만든 밸브헤드와 연료통로에서 밸브가이드를 통해 밸브헤드로부터 위쪽으로 연장된 원통형상의 밸브봉을 갖는다. 뱉브봉은 개방 및 밀봉 위치 사이를 운동시 밸브가이드를 통해 미끄러지며 엔진운동의 어떠한 사이클중 엔진블럭에 연료를 유입시키도록 주지의 방법으로 밸브를 운동시키는 수단이 엔진내에 마련된다.
어떤 내연기관에 있어서도 최소 시간 동안에 연료혼합물이 최대량으로 엔진블럭에 유입되도록 하는 것이 바람직하다. 긴 시간동안 밸브를 개방하는 것이 추가되는 시간 때문에 유용한 해결책이 아니며, 또한, 밸브헤드와 개구 사이의 공간을 크게하는 것도 밸브가 추가되는 거리만큼 이동하는데 소요되는 추가시간 때문에 유용한 해결책이 아니다.
과거에서 부터 많은 사람들이 실린더에 유입되는 연료를 증가시킬 수 있는 많은 해결책을 제안해왔다. 예를 들어 발명의 명칭이 "내연기관 흡기밸브"이며 와른모슬러(Warren Mosler)에 의해 1988. 10. 25 허여된 미합중국 특허 제4,779,584호에는 밸브헤드의 하류 부분에 공기역학적 디자인을 갖는 흡기밸브가 개시되어 있다. 여기서 밸브헤드에 있어서 하류판 실린더헤드 장치와 맞닿는 부분의 아래부분을 의미하며, 상류란 맞닿는 부분 위에 밸브헤드 부분을 의미한다.
또한 많은 다른 사람들은 밸브헤드의 상류 부분을 수정하는 것을 제안했다. 예를 들어 발명이 명칭이 "디플렉터 플레이트가 구비된 내연기관 흡기밸브"이며 더크 바스턴호프(Dirk Bastenhof)에게 1973. 8. 11 허여된 미합중국 특허 제3,757,757호는 디플렉터 플레이트가 연료 흐름의 난류의 증가를 위해 밸브헤드의 상류쪽에 마련된다. 더욱이, 연료와 공기가 더 잘 혼합되도록 추가적인 난류를 일으키기 위할 뿐만 아니라 연료 흐름의 속도를 증가시키기 위해, 발명의 명칭이 "연소엔진밸브"이며 H.W.킴볼(Kimball)에게 1963. 5.21 허여된 미합중국 특허 제3,090,370호와, 발명의 명칭이 "엔진 밸브"이며 L.E. 에드워드(Edwards)에게 1930. 3. 18 허여된 미합중국 특허 제1,750,995호에서와 같이 어떤 사람들은 밸브헤드의 상류쪽에 핀(Fin)도는 리브(Rib)를 구비하도록 했다. 연료 흐름의 양을 증가시키기 위한 또다른 시도는 발명의 명칭이 "I.C. 엔진 밸브형태"이며 R.H. 슬리(slee)의 1983. 9. 7공개된 영국특허출원 제2,115,486A호에 개시되어 있으며, 여기에서는 난류를 감소시키므로서 연료 흐름을 증가시키도록 밸브봉과 밸브헤드 사이의 천이 영역의 증가를 제시하였다.
일련의 특허는 밸브봉과 밸브헤드 사이에서 순조로운 트랜지션의 바람직하다는 광범위하게 인정되는 종래의 기술을 무시한 것으로 보이는 밸브를 개시하고 있다. 일반적으로, 이러한 특허는 밸브봉이 밸브헤드에 부착되는 곳애 립(Lip)을 형성시킨 2개(또는 그 이상)의 부분으로된 밸브구조를 가지고 있다. 예를 들어 이러한 구조는 발명의 명칭이 "내연기관용 세라믹밸브 지지구조"이며 Y. 사토(Sato)등에서 1989. 6. 13 허여된 미합중국 특허 제4,838,218호 발명의 명칭이 "왕복동 엔진용 합성밸브 및 그 제조방법"이며 Y. 니시야마(Nishiyama)등에게 2989. 5. 30 허여된 미합중국 특허 제4,834,036호 발명의 명칭이 "포핏(Poppet)밸브"이며 K. 하시모드(Hashimoto)등에게 1978. 2. 14 허여된 미합중국 특허 제4,073,474호, 발명의 명칭이 "합성금속물 및 그 제조"이며 G.R. 리치(Rich)에게 1936. 4. 14 허여된 미합중국 특허 제2,037,340호, 발명의 명칭이 "밸브 및 그 제조방법"이며 M.J. 보일(Boyle)에게 1931. 9. 22 허여된 미합중국 특허 제1,824,322호, 발명의 명칭이 "밸브"이며 W.H. 스피어 (Spire)등에서 1930. 6. 24 허여된 미합중국 특허 제1,767,409호, 발명의 명칭이 "밸브 태핏(Tappet) 및 그유사 물품"이며 G.R. 리치에게 1927. 10. 11 허여된 미합중국 특허 제1,644,793호, 발명의 명칭이 "밸브"이며 A. 그라이너(Greiner)등에게 1924. 9. 2 허여된 미합중국 특허 제1,506,900호, 발명의 명칭이 "포핏 밸브"이며 M.M. 윌콕스(Wilcox)에게 1926. 5, 4 허여된 미합중국 특허 제1,583,432호, 발명의 명칭이 "밸브"이며 J.W. 스미드(Smith)등에게 1911. 3. 28 허여된 미합중국 특허 제987,757호에 나타나 있다.
발명의 명칭이 "밸브"이며 R.L. 엘러리(Ellery)에게 1917. 12. 18 허여된 미합중국 특허 제RE 14,412에는 빠져나가는 고온가스에 의한 손상에 대하여 밸브봉을 보강하기 위하여 밸브봉에 둥근 형상의 증폭물을 갖도록 한 배기밸브가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은, 엔진 내부의 가이드에서, 축방향으로 운동할 수 있는 크기의 대체적으로 원통형의 밸브봉과 상기 밸브봉이 가이드에서 운동함에 따라 개방위치와 밀폐위치 사이에서 운동하는 헤드를 갖는 내연 기관용 흡기밸브에 있어서 상기 밸브봉과 상기 헤드사이에 방사상의 불규칙 혼합 영역이라는 개선을 마련하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의하여 설명한다.
제1도는 본 발명에 따라 제조된 개선된 흡기밸브(10)를 나타낸다. 밸브(10)는 실린더헤드(12)와 실린더블럭 (14)사이에 위치한다. 실린더헤드(12)는 실린더블럭(14)위에 고정되어 실린더(16)를 형성하며 그것은 내연기관내에서 기존의 방식으로 동작하는 왕복하는 피스톤(도시하지 않음)을 수용한다. 실린더헤드(12)는 기화기 또는 전자연료 분사기와 같은 연료 시스템(도시하지 않음)으로부터 실린더(16)로 공기와 연료의 혼합물이 유동하도록 하기 위한 연료통로(18)를 포함한다. 밸브(10)는 실린더헤들(12)내에 형성된 밸브가이드(20)를 통해 미끄럼 운동하며 기존의 요동캠 타이밍기구(도시하지 않음)에 의해 상하로 운동한다. 실선으로 나타낸 바와 같이 밸브(10)가 내려온 위치에 있을때에는 실린더헤드(12)와 실린더블럭(14) 사이에 실린더(16)로 들어가는 개구(22)가 존재한다.
반대로, 점선으로 나타낸 바와 같이 밸브(10)가 올라간 위치에 있을때에는 밸브(10)상의 플랫(Flat) (24)과 실린더헤드(12)의 바닥쪽에 위치한 대응하는 시트(26) 사이의 밀봉에 의해 개구(22)가 밀폐된다.
어떠한 내연기관에 있어서도 설계상 하나의 목적은 밸브(10)가 실린더헤드(12)로부터 멀리 이동될때 개구(22)를 통해 주어진 시간내에 가능한 많은 연료를 통과시키게 하는 것이다. 일반적으로 또다른 목적은 밸브(10)가 헤드(12)로부터 멀어지는 시간을 가능한 짧도록 유지하는 것이다. 이 두가지 목적을 수행하는 하나의 방법은 개구(22)를 통해 유동되는 연료의 속도를 증가시키는 것이다.
밸브(10)는 밸브(10)가 실린더헤드(12)로 멀어질때 개구(22)를 통해 이동하는 연료의 속도를 증가시키도록 설계되어 왔다. 밸브(10)는 스테인레스강과 같은 단일물질로 되어 있지만 3개의 다른 영역을 포함하고 있다고 생각할 수도 있다. 최상부 영역은 밸브봉 영역(28)이며, 그것은 그것을 사용하는 엔진에 기초한 통상의 반경, 길이 및 디자인을 갖는 원통형의 것이다. 예를 들어 밸브봉 영역 (28)의 반경은 밸브가이드(20)를 통해 밸브봉이 용이하게 미끄러지도록 선택되고 길이는 주지의 방식대로 적절한 타이밍 캠기구가 선단에 고정되도록 선택된다. 밸브(10)의 최하부 영역은 헤드영역(30)이며, 그것도 그것을 사용하는 엔진에 기초한 통상의 직경 및 디자인을 갖는다. 헤드영역(30)과 밸브영역(28)은 모두 공동축(34)을 갖는다. 또한, 헤드영역(30)은 원통형상의 상부영역(38)으로부터 플랫(24)까지의 확장직경영역(36)을 더 포함한다.
기존의 밸브에 있어서는 상부 헤드영역의 직경과 밸브봉의 직경은 동일하다. 다음에서 설명되는 바와 같이, 이것은 밸브(10)의 경우에는 해당되지 않으며 상부 헤드영역(38)의 직경이 밸브봉(28)의 직경보다 크고 혼합영역(32)이 그 사이에 위치한다. 밸브봉(28)의 직경과 상부헤드영역(38)의 직경의 차에 예를 들어 0.044인치 정도이다. 혼합영역(32)은 제1도의 점선으로 나타낸 바와 같이 밸브(10)가 플랫트(24)가 시트(26)에 맞닿아 밀봉 위치에 있을때 밸브가이드(20) 바닥의 아래에 전체가 있도록 위치하게 한다. 또한, 혼합영역(32)은 제1도의 실선으로 나타낸 바와 같이 개방위치에 있을때 연료의 흐름 통로에 직접적으로 노출되어 있도록 위치하게 된다.
제2도 및 제3도는 혼합영역(32)의 확대도이다 혼합영역(32)은 일정길이(L)에 걸쳐서 직경이 증가되며, 그 길이는 밸브봉(28)의 직경으로 부터 헤드(30)의 상부영역(38)의 직경까지 대략 0.050~0.060인치 정도이다.
또한, 혼합영역 (32)은 밸브(10)의 바닥에서 약 1인치 정도에 배치된다. 혼합영역(32)은 제2도의 각도(α)로 나타낸 바와 같이 밸부봉(28)과 혼합영역(32) 사이의 곡선이 혼합영역(32)과 헤드(30)사이의 곡선보다 더 완만한 곡선이 되는 상태로 밸브(10)이 (34)에 대하여 일반적으로 45 1/2-50 1/2 각도를 갖도록 구부러져 들어가고 구부러져 나온다. 상술한 크기 및 각도는 단지 예에 불과하며, 혼합영역(32)의 크기 및 각도는 다르게 사용되어도 좋다. 예를 들어, 혼합영역(32)의 평균각도는 20 1/2-30 1/2 정도로 작아도 좋다. 또한 본 발명에 따라 제조되는 상기 다양한 크기의 각 밸브는 사용하고자 하는 각종 엔진에 특정하게 설계되어야 할 것이다.
앞서 설명한 형상이외에, 혼합영역(32)은 약간 이탈이 있도록 형성된다. 즉 혼합영역(32)의 축(34')은 밸브봉(28) 즉 헤드(30)의 축(34)과 동축상에 있지 않다. 이것이 바로 밸브봉과 헤드 사이에 천이영역을 갖는 다수부분으로된 밸브가 개시되어 있은 상술한 미합중국 특허에 나타나 있는 것과 같은 종래 기술류의 구조의 밸브에 대하여 개선된 밸브(10)가 달성하는 이점을 제공하는 최종의 특징인 것이다. 이탈의 양은 0.002∼0.005인치정도로서 작아야만 하고, 혼합영역(32)과 밸브봉(28)과 헤드(30)의 끝부분들 사이에는 부드럽게 천이가 되도록 하여야만 한다. 따라서, 밸브봉(28)의 직경(d1)과 혼합영역(32)의 상단에서의 직경(d1')은 길이는 같지만 약간의 각도로 서로 떨어져 있게 된다. 동시에, 밸브봉(28)의 직경(d2)과 혼합영역(32)의 하단에서의 직경(d2')은 길이는 동일하지만 동일한 약간의 각도로 서로 떨어져있다. 이탈의 양은 제3도에 최선으로 도시되어 있으며, 여기서 반경(rl)과 반경(rl')의 길이상 차이는 이탈량과 동일하다. 이러한 이탈은 밸브(10)의 중심축(34)과 혼합영역(32)의 중심축(34')상의 차이에 의한 것이다 따라서, 혼합영역(32)은 반경상 불규칙하다고 할 수 있다.
제4도는 개선된 밸브(44)의 혼합영역의 또다른 실시예를 나타낸 도면이다. 밸브(44)에 있어서 동축의 내향테이퍼(46)가 밸브봉(28)으로부터 혼합영역(38)의 시작부분을 향해 있는 것을 나타내었다. 테이퍼(46)는 제1도의 실선으로 도시한 바와 같이 밸브(44) 전체가 완전히 열렸을때의 밸브가이드(20)의 출구지점에서 시작되어도 좋으며, 비공동축 혼합영역(38)의 약간 위까지 연장되도록 좋다. 예를 들어 밸브봉(28)은 l1/32인치의 직경을 가져도 좋으며 혼합영역의 시작부분에서의 직경이 5/16인치이어도 좋다.
제1도에서, 반경상 불규칙한 혼합영역(32)을 갖는 밸브(10)를 혼합영역(32)이 유동하는 연료혼합물의 통로내에 있도록 실린더헤드(12)내에 설치하면, 적은 양의 추가적인 난류가 축(34,34')의 비동축관계 때문에 형성된다. 혼합영역(32)을 적절히 설계함으로써 난류는 개구내에(22), 특히 개구(22)의 먼부분(40)에 효과적으로 집중될 수 있다. 개구(22)의 먼부분(40)에서 추가적인 난류를 집중시키므로써 개구(22)의 먼부분(40)에서의 연료혼합물의 속도가 증가하게 된다. 먼부분(40)은 어느때나 연료혼합물의 대부분이 흐르는 개구(22)의 부분이므로, 이러한 속도의 증가는 주어진 시간내에 실린더 챔버(Chamber) (16)로 유입되는 연료의 양을 증가시키게 된다.
제1도 및 제5도에 의하면, 통로(18)의 바닥상에 편향돌기(Deflector Post)(40)를 설치하며 연료공급상의 추가적인 개선이 생김을 발견하였다. 편향돌기(42)는 통로(18)의 바닥을 흐르는 연료혼합물을 밸브(10)의 중심으로 부터 약간 편향시켜서 개구(22)를 향해 유동하도록 위해 설계된다.
그렇게 함으로써 흐르는 연료혼합물의 전체속도를 증가시킨다. 통로(18)의 바닥상을 흐르는 연료의 부분을 밸브헤드(30)의 넓은 부분에 의해 일반적으로 저지되며 편향돌기(42)는 단지 흐르는 연료혼합물을 밸브헤드(30)이 주위를 돌아 개구(22)쪽으로 향하도록 방향을 바꿀뿐이다. 그결과, 때로는 낮은 양정(Lift)이라 불리우는 밸브(10)의 실린더헤드(12) 사이의 더 작은 변위로서도 더 많은 연료가 개구(22)를 통과하도록 한다. 즉, 편향돌기(44)는 높은 양정 문제를 일으키지 않고 낮은 양정에서 저속의 연료를 방향 잡아줌으로써 어떤 개구에서나 개선될 수 있게 한다.
편향돌기(42)와 방사상의 불규칙 혼합영역(32)의 조합이 합쳐서 전반적으로 낮은 양정을 내연기관의 운전시에 이용될 수 있도록 함으로써, 밸브(10)의 개방 및 밀폐 시간을 짧게 할 수 있다. 물론 둘중에 하나를 단독으로 사용해서도 개선된 결과를 얻을 수 있다. 예를 들어 기존의 제너럴모터 2.5L 엔진내에 밸브(10)(여기에서 설명한 방사상 불규칙 혼합영역(32)을 갖는)를 설치하고 행한 테스트는 0.25인치 까지의 낮은 양정에서 15퍼센트까지의 흐름을 증가시키고 0.25 내지 0.45인치 사이의 높은 양정에서는 15퍼센트 까지의 흐름을 증가시켰다. 편향돌기(42)가 추가된 상태에서의 흐름의 증가는 낮은 양정에서 10퍼센트이며 높은 양정에서 3퍼 센트였다.

Claims (12)

  1. 실린더헤드(12)와 실린더블럭(14)으로된 엔진 내부의 가이드(20)안에서 축방향으로 운동할 수 있는 치수의 대체적으로 원통형인 밸브봉(28)과, 상기 밸브봉(28)이 상기 가이드(20)안에서 운동함에 따라 개방위치와 밀폐위치 사이를 운동하도록 하기 위한 밸브헤드(30)를 갖는 흡기밸브(20)에 있어서, 상기 밸브봉(28)과 상기 밸브헤드(30) 사이에 방사상의 불규칙 혼합영역(32)을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  2. 제1항에 있어서, 실린더헤드(12)와 실린더블럭(14)으로된 엔진이 연료가 엔진블럭(14)으로 유입되게 하는 연료통로(18)와 상기 통로(18)를 통해 상기 흐르는 연료에 대하여 각도를 가지고 운동하는 상기 밸브(10)를 구비하여, 상기 혼합영역(32)은 상기 통로(18)내에 위치하도록 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기벨브.
  3. 제2항에 있어서, 상기 방사상의 불규칙 혼합영역(32)은 1/1000인치 내지 5/1000인치의 이탈이 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로(18)는 상기 혼합영역(32)로부터 멀리 떨어져 있는 상기 밸브헤드(30) 부분 주위로 상기 연료를 편향시키기 위한 편향수단(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  5. 제4항에 있어서, 상기 혼합영역(32)은 상기 밸브봉(28) 및 밸브헤드(30)와 비동축인 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  6. 제4항에 있어서, 상기 편향수단(42)은 상기 통로(18)의 바닥상에 상기 연료유동 방향으로 상기 밸브헤드(30)에 대하여 중심에 위치한 편향돌기(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  7. 제6항에 있어서, 상기 방사상의 불규칙 혼합영역(32)은 2/1000인치 내지 5/1000인치의 이탈이 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  8. 제7항에 있어서, 상기 혼합영역(32)은 상기 밸브봉(28) 및 밸브헤드(30)와 비동축인 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  9. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사상의 불규칙 혼합영역 (32)은 1/000인치 내지 5/1000인치의 이탈이 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  10. 제1항 내지 제3항중 어느 한항에 있어서, 상기 혼합영역 (32)은 상기 밸브(10)가 상기 개방위치에 있을때 상기 통로(18)를 통과하는 상기 연료혼합물의 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  11. 제10항에 있어서, 상기 혼합영역(32)은 상기 밸브봉(8) 및 밸브헤드(30)와 비동축인 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
  12. 제1항 내지 제3항중 어느 항에 있어서, 상기 혼합영역(32)은 상기 밸브봉(28) 및 밸브헤드(30)와 비동측인 것을 특징으로 하는 내연기관의 흡기밸브.
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