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KR20190064447A - 내연 기관의 밸브-피스톤 시스템 및 내연 기관 - Google Patents

내연 기관의 밸브-피스톤 시스템 및 내연 기관 Download PDF

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KR20190064447A
KR20190064447A KR1020180142413A KR20180142413A KR20190064447A KR 20190064447 A KR20190064447 A KR 20190064447A KR 1020180142413 A KR1020180142413 A KR 1020180142413A KR 20180142413 A KR20180142413 A KR 20180142413A KR 20190064447 A KR20190064447 A KR 20190064447A
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KR
South Korea
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valve
piston
gas exchange
angle
internal combustion
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KR1020180142413A
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KR102512199B1 (ko
Inventor
마르첼 모르겐슈테른
Original Assignee
만 에너지 솔루션즈 에스이
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Publication date
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Abstract

내연 기관의 실린더의 밸브-피스톤 시스템(20)으로서, 위아래로 이동 가능하게 안내되는 피스톤(26)을 구비하고, 적어도 하나의 흡입측 가스 교환 밸브(21) 및 적어도 하나의 배기측 가스 교환 밸브(22)를 구비하며, 상기 피스톤(26)은, 상기 가스 교환 밸브들(21, 22)을 지향하는 단부에, 상기 가스 교환 밸브들(21, 22)을 지향하는, 중앙 피스톤 홈통부(27) 및 상기 중앙 피스톤 홈통부(27) 내로 병합되는 횡방향 밸브 포켓들(28)을 포함하는 것인, 밸브-피스톤 시스템(20)에 있어서, 상기 개별적인 밸브 포켓(28)은, 상기 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)를 지향하는 밸브 포켓의 면(29)이 상기 피스톤(26)의 축 방향에 대한 수직선(30) 또는 상기 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)의 밸브 몸체(24)의 축 방향(25)에 대한 수직선(30)에 대해 경사지는 방식으로, 디스크 섹션형 또는 깔때기 섹션형으로 형성되는 것인, 밸브-피스톤 시스템이 제공된다.

Description

내연 기관의 밸브-피스톤 시스템 및 내연 기관{VALVE-PISTON SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 밸브-피스톤 시스템 및 내연 기관에 관한 것이다.
일반적으로, 내연 기관들은 전형적으로, 복수의 실린더를 구비한다. 내연 기관의 각 실린더는, 개별적인 실린더의 실린더 라이너 내에서 위아래로 이동 가능하게 안내되는, 피스톤을 구비한다. 이에 부가하여, 내연 기관의 각 실린더는, 적어도 충전 공기를 위한 적어도 하나의 흡입측 가스 교환 밸브 및 배기 가스를 위한 적어도 하나의 배기측 가스 교환 밸브를 구비한다. 특히 내연 기관이 가스 기관으로서 실시될 때, 연소를 위해 개별적인 실린더에 공급되는 충전 공기뿐만 아니라 가스-공기 혼합물의 형태의 기체상 연료가 또한 존재한다. 특히 내연 기관이 디젤 내연 기관으로서 실시될 때, 각 실린더는, 연료가 그를 통해 실린더에 공급될 수 있는 것인, 적어도 하나의 분사기를 구비한다.
실무적으로, 내연 기관의 실린더의 피스톤이, 가스 교환 밸브들을 지향하는 면 상에 또는 가스 교환 밸브들을 지향하는 단부 상에, 중앙 피스톤 홈통부(central piston trough)를 구비한다는 것이, 공지된다. 더불어, 피스톤의 이러한 단부 상에 가스 교환 밸브들을 지향하는 밸브 포켓들이 형성되고, 그러한 밸브 포켓들을 통해, 내연 기관의 작동 도중에 가스 교환 밸브들의 밸브 몸체들과 피스톤 사이의 충돌이 회피될 수 있다는 것이, 공지된다.
이로부터 시작하여, 본 발명은, 새로운 유형의, 내연 기관의 밸브-피스톤 시스템 및 그러한 밸브-피스톤 시스템을 갖는 내연 기관을 생성하는 것에 대한 목적에 기초하게 된다.
이러한 목적은, 청구항 제 1항에 따른 내연 기관의 밸브-피스톤 시스템을 통해 해소된다. 본 발명에 따르면, 개별적인 밸브 포켓은, 밸브 포켓의 개별적인 가스 교환 밸브를 지향하는 면이 피스톤의 축 방향에 대한 수직선 또는 개별적인 가스 교환 밸브의 밸브 몸체의 축 방향에 대한 수직선에 대해 경사지는 방식으로, 디스크 섹션형 또는 깔때기 섹션형으로 형성된다. 본 발명에 따른 밸브-피스톤 시스템과 더불어, 밸브 포켓들이 디스크 섹션형 또는 깔때기 섹션형으로 형성된다는 사실로 인해, 밸브 포켓들과 피스톤 홈통부 사이의 전이 구역 내에서의 소위 핫스팟들(hotspots)의 형성이, 회피된다. 더불어, 더 적은 소용돌이들이 연소 도중에 생성되고, 따라서 연료의 연소가, 더욱 효율적으로 그리고 그에 따라 더 높은 효율을 동반하는 가운데, 일어날 수 있도록 한다.
우선적으로, 개별적인 가스 교환 밸브를 지향하는 개별적인 밸브 포켓의 면은, 피스톤 홈통부의 방향으로 경사지게 된다. 이는, 핫스팟들을 감소시키거나 또는 회피하는데 그리고 소용돌이들을 감소시키는데, 특히 바람직하다,
다른 개선예에 따르면, 개별적인 가스 교환 밸브의 밸브 몸체가, 가스 교환 밸브의 개별적인 밸브 포켓을 향한 면이 밸브 몸체의 축 방향에 대한 수직선에 대해 경사지는 방식으로, 원뿔 섹션형 또는 절두 원뿔 섹션형으로 형성된다. 우선적으로, 개별적인 밸브 포켓을 지향하는 개별적인 밸브 몸체의 면은, 피스톤 홈통부로부터 멀어지게 경사지게 된다. 이는 또한, 핫스팟들을 회피하는데 그리고 소용돌이들을 감소시키는데, 바람직하다, 더불어, 가스 교환 밸브들의 밸브 몸체들과 피스톤 사이의 안전 거리가, 최소의 설치 공간을 동반하도록, 유지된다.
본 발명의 다른 개선예에 따르면, 개별적인 가스 교환 밸브를 지향하는 개별적인 밸브 포켓의 면은, 제1 각도를 갖도록 경사지게 되고, 개별적인 밸브 포켓을 지향하는 개별적인 밸브 몸체의 면은, 제2 각도를 갖도록 경사지게 된다. 우선적으로, 제1 각도 및 제2 각도는 동등한 크기이고, 따라서 경사진 면들이 서로 평행하게 연장되도록 한다. 대안적으로, 제2 각도는 제1 각도보다 더 크다. 본 발명의 이러한 구성은, 가스 교환 밸브들의 밸브 몸체들과 피스톤 사이의 안전 거리를 최소의 설치 공간을 동반하도록 유지하는 가운데, 실린더의 연소 챔버 내에서 핫스팟들을 감소시키거나 회피하는데 그리고 소용돌이들을 감소시키는데 바람직하다.
본 발명에 따른 내연 기관이, 청구항 제 10항에서 한정된다.
본 발명의 바람직한 다른 개선예들이, 종속 청구항들 및 뒤따르는 설명으로부터 달성된다.
본 발명의 예시적인 실시예들이, 이에 제한되지 않는, 도면을 통해, 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 내연 기관의 실린더의 평면도이고;
도 2는 실무적으로 공지되는 내연 기관의 밸브-피스톤 시스템의 발췌도이며;
도 3은 본 발명에 따른 내연 기관의 밸브-피스톤 시스템의 발췌도이다.
본 발명은, 내연 기관의 밸브-피스톤 시스템 및 내연 기관에 관한 것이다.
도 1은 내연 기관의 실린더에 대한 매우 개략적인 평면도를 도시한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 도 1의 실린더(10)는, 복수의 흡입측 가스 교환 밸브(11) 및 복수의 배기측 가스 교환 밸브(12)를 구비한다. 따라서, 적어도 충전 공기가 그를 통해 실린더(10)의 연소 챔버 내로 도입될 수 있는 것인, 2개의 흡입측 가스 교환 밸브(11)가, 도 1에 도시된다. 도 1에서, 연료는, 예를 들어 경유, 중유 또는 잔유와 같은 액체 연료가 그를 통해 개별적인 실린더의 연소 챔버 내로 분사될 수 있는 것인, 분사기(13)를 통해 개별적인 실린더의 연소 챔버 내로 도입된다. 연료의 연소 도중에 생성되는 배기 가스는, 배기측 가스 교환 밸브들(12)을 통해 연소 챔버로부터 방출될 수 있다.
본 발명은, 경유, 중유 또는 잔유와 같은 액체 연료가 그 내부에서 연소되는 것인, 내연 기관들과 함께하는 용도로 제한되지 않는다는 점을, 여기에서 알아야 한다. 대조적으로, 본 발명은 또한, 기체상 연료가 그 내부에서 연소되는 것인, 가스 기관들과 함께 사용될 수 있고, 그러한 가스 기관들과 함께하는 경우, 충전 공기 및 기체상 연료의 혼합물이, 흡입측 가스 교환 밸브들(11)을 통해 실린더의 연소 챔버 내로 도입된다. 더불어, 본 발명은, 이중-연료 기관들과 함께 활용될 수 있다.
도 2는, 내연 기관의 실린더(10)를 통한 발췌에 의한 단면도를 도시하고, 도 2에 도시된 세부사항은 실무 또는 종래기술에 대응한다. 도시된 가스 교환 밸브(11 또는 12)에 따르면, 도 2는, 개별적인 가스 교환 밸브(11 또는 12)를 개방 또는 폐쇄하기 위해, 자체의 축 방향(15)의 방향으로 작동 도중에 위아래로 이동될 수 있는, 밸브 몸체(14)를 도시한다. 더불어, 도 2는, 도시되지 않은 실린더의 라이너 내에서 위아래로, 말하자면, 일반적으로 개별적인 가스 교환 밸브(11, 12)의 밸브 몸체(14)의 축 방향(15)과 평행하게 연장되는 실린더(10)의 축 방향의 방향으로, 이동 가능하게 안내되는, 피스톤(16)을 도시한다.
도 2로부터 명백한 바와 같이, 피스톤(16)이, 가스 교환 밸브들(11, 12)을 지향하는 단부 상에, 중앙 피스톤 홈통부(17)를 구비한다는 것이, 이미 실무적으로 공지된다. 피스톤(16)의 이러한 단부에서, 도 2는, 더불어, 개별적인 가스 교환 밸브(11 또는 12)의 개별적인 밸브 몸체(14)를 지향하는, 밸브 포켓(18)을 도시하고, 작동 도중에 개별적인 실린더(10)의 개별적인 가스 교환 밸브(11 또는 12)의 개별적인 밸브 몸체(14)와 개별적인 실린더의 피스톤(16) 사이의 충돌을 방지하기 위한, 개별적인 가스 교환 밸브(11, 12)의 밸브 몸체(14)와 피스톤(16) 사이의 최소의 거리가, 개별적인 밸브 포켓(18)을 통해, 작동 도중에, 제공된다.
도 3은, 말하자면 흡입측 또는 배기측 가스 교환 밸브(21 또는 22)의 밸브 몸체(24) 및 피스톤(26)의 구역에서의, 본 발명에 따른 내연 기관의 실린더(23)의 밸브-피스톤 시스템(20)의 발췌도를 도시한다. 작동 도중에, 밸브 몸체(24)는, 개별적인 가스 교환 밸브(21 또는 22)를 개방 또는 폐쇄하기 위해, 자체의 축 방향(25)의 방향으로 이동 가능하다. 실린더(23)의 피스톤(26)은, 도시되지 않은 실린더(23)의 라이너 내에서 자체의 축 방향(미도시)의 방향으로 위아래로 이동 가능하게 안내되고, 피스톤(26)의 축 방향은 일반적으로, 개별적인 가스 교환 밸브(21 또는 22)의 개별적인 밸브 몸체(24)의 축 방향(25)과 평행하게 연장된다.
가스 교환 밸브들(21, 22)을 지향하는 단부 상에서, 피스톤(26)은, 가스 교환 밸브들(21, 22)을 지향하는 피스톤(26)의 단부 상의 중앙에 형성되는, 피스톤 홈통부(27)를 구비한다.
가스 교환 밸브들(21, 22)을 지향하는 이러한 단부에서, 개별적인 실린더(23)의 피스톤(26)은 더불어, 가스 교환 밸브들(21, 22)과 상호 작용하는, 밸브 포켓들(28)을 포함한다. 이러한 밸브 포켓들(28)은, 중앙 피스톤 홈통부(27) 내로 병합된다.
본 발명의 관점에서, 개별적인 밸브 포켓(28)은, 디스크 섹션형 또는 깔때기 섹션형으로, 말하자면, 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)를, 말하자면 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)의 밸브 몸체(24)를, 지향하는, 개별적인 밸브 포켓(28)의 면(29)이, 말하자면 제1 각도(α)를 갖는 피스톤(26)의 피스톤 홈통부(27)의 방향으로, 피스톤(26)의 축 방향에 또는 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)의 밸브 몸체(24)의 축 방향(25)에 대한 수직선(30)에 대해 경사지는 방식으로, 형성된다.
이러한 구성을 통해, 특히 밸브 포켓들(28)의 구역에서의, 특히 개별적인 밸브 포켓(28)과 피스톤 홈통부(27) 사이의 전이 에지(31)의 구역에서의, 소위 핫스팟들의 형성이 회피되는 가운데, 실린더(23)의 연소 챔버 내에서의 연료의 연소에 부정적으로 영향을 미치는 소용돌이들이, 부가적으로 감소된다. 밸브 포켓들(28)은, 피스톤 홈통부(27) 내로 조화롭게 병합된다.
밸브 몸체(24)는, 개별적인 밸브 포켓(28)을 지향하는 면(32)이 개별적인 밸브 몸체(24)의 축 방향(25)에 대한 수직선(33)에 대해 제2 각도(β)를 갖도록 경사지는 방식으로, 말하자면 개별적인 밸브 포켓(28)을 지향하는 개별적인 밸브 몸체(24)의 면(32)이 개별적인 밸브 몸체(24)의 피스톤(26)으로부터 또는 피스톤 홈통부(27)로부터 또는 개별적인 밸브 포켓(28)으로부터 멀어지게 경사지는 방식으로, 피스톤(26)을 지향하는 단부 상에서 원뿔 섹션형 또는 절두 원뿔 섹션형으로 형성된다.
설명된 바와 같이, 개별적인 가스 교환 밸브 또는 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)의 개별적인 밸브 몸체(24)를 지향하는 개별적인 밸브 포켓(28)의 면(29)은, 제1 각도(α)를 갖도록 경사지게 되고, 개별적인 밸브 포켓(28)을 지향하는 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)의 개별적인 밸브 몸체(24)의 면(32)은, 제2 각도(β)를 갖도록 경사지게 된다. 우선적으로, 제1 각도(α) 및 제2 각도(β)는 동일한 크기이고, 따라서 경사진 면들(29, 32)이 서로 평행하게 연장되도록 한다.
대안적으로, 경사진 면들이 서로 평행하게 연장되도록 제1 각도(α) 및 제2 각도(β)가 상이한 크기인 것이, 특히 제1 각도(α)가 이 경우 제2 각도(β)보다 더 작거나 또는 제2 각도(β)가 제1 각도(α)보다 더 크고, 경사진 면들(29, 32)의 가상의 연장선들이 이때, 피스톤(26)의 구역에서, 특히 피스톤 홈통부(27)의 구역에서, 교차하는 것이, 또한 가능하다.
2개의 각도(α, β)는, 최대 45°, 바람직하게 최대 40°, 특히 바람직하게 최대 35°에 달한다.
본 발명에 의해, 특히 밸브 포켓들(28)과 피스톤 홈통부(27) 사이의 전이 구역에서의, 과도한 온도를 갖는 구역들 또는 원치 않는 핫스팟들의 형성이, 회피될 수 있다. 더불어, 개별적인 실린더의 연소 챔버 내에서 연소될 연료의 소용돌이가 감소되며 그리고 연소가 이로 인해 더 높은 효율을 동반하는 가운데 일어날 수 있다. 가스 교환 밸브들(21, 22)의 밸브 몸체들(24)과 피스톤(26) 사이의 충돌이, 회피된다.
본 발명은, 디젤 내연 기관들 그리고 또한 불꽃 점화 내연 기관 양자 모두와 함께, 말하자면 2행정 내연 기관 그리고 또한 4행정 내연 기관 양자 모두와 함께, 사용될 수 있다. 여기서, 예를 들어 경유, 중유 또는 잔유와 같은 액체 연료 또는 예를 들어 천연 가스와 같은 기체상 연료 양자 모두가, 개별적인 내연 기관의 실린더들 내에서 연소될 수 있다.
10: 실린더 11: 흡입측 가스 교환 밸브
12: 배기측 가스 교환 밸브 13: 분사기
14: 밸브 몸체 15: 축 방향
16: 피스톤 17: 피스톤 홈통부
18: 밸브 포켓 20: 밸브-피스톤 시스템
21: 흡입측 가스 교환 밸브 22: 배기측 가스 교환 밸브
23: 실린더 24: 밸브 몸체
25: 축 방향 26: 피스톤
27: 피스톤 홈통부 28: 밸브 포켓
29: 면 30: 수직선
31: 에지 32: 면
33: 수직선

Claims (10)

  1. 내연 기관의 실린더의 밸브-피스톤 시스템(20)으로서,
    위아래로 이동 가능하게 안내되는 피스톤(26)을 구비하고,
    적어도 하나의 흡입측 가스 교환 밸브(21) 및 적어도 하나의 배기측 가스 교환 밸브(22)를 구비하며,
    상기 피스톤(26)은, 상기 가스 교환 밸브들(21, 22)을 지향하는 단부에, 상기 가스 교환 밸브들(21, 22)을 지향하는, 중앙 피스톤 홈통부(27) 및 상기 중앙 피스톤 홈통부(27) 내로 병합되는 횡방향 밸브 포켓들(28)을 포함하는 것인,
    밸브-피스톤 시스템(20)에 있어서,
    개별적인 밸브 포켓(28)은, 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)를 지향하는 밸브 포켓의 면(29)이 상기 피스톤(26)의 축 방향에 대한 수직선(30) 또는 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)의 밸브 몸체(24)의 축 방향(25)에 대한 수직선(30)에 대해 경사지는 방식으로, 디스크 섹션형 또는 깔때기 섹션형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)를 지향하는 상기 개별적인 밸브 포켓(28)의 상기 면(29)은, 상기 피스톤 홈통부(27)의 방향으로 경사지게 되는 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)의 밸브 몸체(24)가, 상기 개별적인 밸브 포켓(28)을 지향하는 밸브 몸체의 면(32)이 상기 밸브 몸체(24)의 축 방향(25)에 대한 수직선(33)에 대해 경사지는 방식으로, 원뿔 섹션형 또는 절두 원뿔 섹션형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 개별적인 밸브 포켓(28)을 지향하는 상기 개별적인 밸브 몸체(24)의 상기 면(32)은, 상기 피스톤 홈통부로부터 멀어지게 경사지게 되는 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 개별적인 가스 교환 밸브(21, 22)를 지향하는 상기 개별적인 밸브 포켓(28)의 상기 면(29)은, 제1 각도(α)를 갖도록 경사지게 되며, 그리고 상기 개별적인 밸브 포켓(28)을 지향하는 상기 개별적인 밸브 몸체(24)의 상기 면(32)은, 제2 각도(β)를 갖도록 경사지게 되는 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 각도(α) 및 상기 제2 각도(β)는 동일한 크기이고, 따라서 상기 경사진 면들(29, 32)이 서로 평행하게 연장되도록 하는 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제1 각도(α) 및 상기 제2 각도(β)는 상이한 크기이고, 따라서 상기 경사진 면들(29, 32)이 서로 평행하게 연장되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 각도(β)는 상기 제1 각도(α)보다 더 큰 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 각도(α) 및 상기 제2 각도(β)는, 최대 45°에 달하는 것을 특징으로 하는 밸브-피스톤 시스템.
  10. 적어도 하나의 실린더를 갖는 내연 기관에 있어서,
    실린더 또는 각 실린더는, 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 밸브-피스톤 시스템을 포함하는 것인, 내연 기관.
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