엔진 밸브

엔진 밸브는 엔진 작동 중에 연소실 또는 실린더로의 유체 또는 가스의 흐름을 허용하거나 제한하기 위해 내연 기관에 사용되는 기계적 구성 요소입니다. 기능적으로 그들은 흐름을 차단하거나 통과시킨다는 점에서 많은 다른 유형의 밸브와 유사하게 작동하지만 정확한 순서로 열리고 닫히기 위해 로커 암과 같은 다른 엔진 구성 요소와 인터페이스하는 순전히 기계적인 장치입니다. 정확한 타이밍.

엔진 밸브라는 용어는 차량의 배기 가스 재순환 시스템 및 배출 제어의 일부로 공기 분사에 사용되는 체크 밸브 유형을 나타낼 수도 있습니다. 이 유형의 엔진 밸브는 이 기사에서 다루지 않습니다.

엔진 밸브는 가솔린, 디젤, 등유, 천연 가스(LNG) 또는 프로판(LP)과 같은 연료를 사용하는지 여부에 관계없이 많은 유형의 연소 엔진에 공통적입니다. 엔진 유형은 연료의 점화에서 동력을 생성하는 연소실인 실린더의 수에 따라 다릅니다. 또한 작동 유형(2사이클 또는 4사이클)과 엔진 내 밸브의 설계 배치[오버헤드 밸브(OHV), 오버헤드 캠(OHC) 또는 밸브 인 블록(VIB)]에 따라 다릅니다. .

이 기사에서는 일반적인 연소 엔진에서 엔진 밸브의 작동에 대해 간략하게 설명하고 밸브 유형과 설계 및 재료에 대한 정보를 제공합니다. 다른 밸브 유형에 대한 기타 정보는 관련 가이드 밸브 이해에서 찾을 수 있습니다.

엔진 밸브 명명법
대부분의 엔진 밸브는 위아래로 터지는 동작으로 인해 포핏 스타일 밸브로 설계되었으며 유체 또는 가스의 통과를 차단하기 위해 가공된 밸브 시트에 맞는 원추형 프로파일 밸브 헤드가 특징입니다. 밸브 헤드의 독특한 모양 때문에 버섯 밸브라고도 합니다. 그림 1은 일반적인 엔진 밸브의 여러 요소에 대한 명명법을 보여줍니다.

포핏 밸브의 명명법을 보여주는 다이어그램.
그림 1 - 표준 포핏 스타일 엔진 밸브의 명칭.
이미지 크레디트: https://dieselnet.com

두 가지 주요 요소는 밸브 스템과 밸브 헤드입니다. 헤드에는 일치시킬 밸브 시트의 가공과 일치하도록 지정된 각도로 가공된 시트 면으로 이어지는 필렛이 있습니다. 밸브 시트에 대한 밸브 면의 안착은 연소 압력에 대한 밸브의 밀봉을 제공합니다.

밸브 스템은 밸브 스프링이 제공하는 시트 압력에 대해 스템을 움직이는 힘을 생성하여 밸브를 작동시키는 엔진의 기계적 요소에 밸브를 연결합니다. 키퍼 홈은 스프링을 제자리에 고정하는 데 사용되며 밸브 스템의 끝은 밸브를 작동시키는 로커 암, 태핏 또는 리프터에 의해 반복적으로 접촉됩니다.

엔진 작동
4행정 또는 4사이클 내연 기관은 두 가지 주요 유형의 밸브인 흡기 밸브와 배기 밸브를 사용합니다. 흡기 밸브는 압축 및 점화 전에 공기/연료 혼합물이 엔진의 실린더로 흐르도록 하고 배기 밸브는 점화가 발생한 후 연소 과정에서 배기 가스를 배출할 수 있도록 열립니다.

정상 작동 시 피스톤이 부착된 엔진의 크랭크축은 엔진용 밸브 트레인 장치의 일부로 캠축에 연결됩니다. 크랭크축의 움직임은 타이밍 체인, 타이밍 벨트 또는 기타 기어 메커니즘을 통해 캠축으로 움직임을 전달합니다. 크랭크축의 위치(실린더에서 피스톤의 위치를 ​​결정함)와 캠축의 위치(실린더의 밸브 위치를 결정함) 사이의 타이밍과 정렬은 최고 엔진 성능뿐만 아니라 고압축 엔진에서 피스톤과 밸브 사이의 간섭을 방지합니다.

흡기 사이클에서 흡기 밸브가 열리면 흡기 실린더 피스톤이 아래쪽으로 순환합니다. 피스톤 운동은 공기/연료 혼합물을 실린더로 끌어들이는 데 도움이 되는 부압을 생성합니다. 피스톤이 실린더의 가장 낮은 위치(하사점이라고 함)에 도달한 직후 흡기 밸브가 닫힙니다. 압축 사이클에서 흡기 밸브는 실린더를 밀봉하기 위해 피스톤이 실린더에서 가장 높은 위치(상사점으로 알려짐)로 상승할 때 닫혀 공기/연료 혼합물을 작은 부피로 압축합니다. 이 압축 작용은 연료가 점화될 때 피스톤에 더 높은 압력을 제공하고 연료의 효율적인 연소를 돕기 위해 혼합물을 예열하는 역할을 합니다. 동력 주기에서 공기/연료 혼합물이 점화되어 피스톤을 다시 가장 낮은 위치로 낮추는 폭발을 생성하고 공기/연료 혼합물을 연소시켜 방출된 화학 에너지를 크랭크축의 회전 운동으로 전달합니다. 배기 사이클은 흡기 밸브가 닫힌 상태를 유지하고 배기 밸브가 이제 열려 있는 동안 피스톤이 실린더에서 다시 위로 올라가도록 합니다. 피스톤에 의해 생성된 압력은 배기 가스를 배기 밸브를 통해 실린더에서 배기 매니폴드로 밀어내는 데 도움이 됩니다. 배기 매니폴드에는 배기 시스템, 음향 소음을 줄이기 위한 머플러가 포함된 파이프 세트, 엔진 연소로 인한 배기 가스를 관리하기 위한 촉매 변환기 시스템이 연결되어 있습니다. 피스톤이 배기 사이클에서 실린더 상단에 도달하면 배기 밸브가 닫히기 시작하고 흡기 밸브가 열리기 시작하여 프로세스가 다시 시작됩니다. 흡기의 실린더 압력은 흡기 밸브를 열린 상태로 유지하는 데 도움이 되고 압축 사이클의 고압은 두 밸브를 모두 닫은 상태로 유지하는 데 도움이 됩니다.

여러 개의 실린더가 있는 엔진에서 동일한 4개의 사이클이 각 실린더에서 반복되지만 엔진이 부드러운 출력을 입증하고 소음과 진동을 최소화하도록 순서가 지정됩니다. 피스톤 운동, 밸브 운동 및 점화의 순서는 정확한 기계적 설계와 공기/연료 혼합물을 점화시키는 점화 플러그에 대한 점화 신호의 전기적 타이밍을 통해 수행됩니다.

엔진 밸브 모션
엔진 밸브의 운동은 캠축의 회전으로 밸브의 선형 운동을 생성하는 역할을 하는 일련의 로브 또는 캠을 포함하는 엔진의 캠축에 의해 구동됩니다. 캠축의 캠 로브 수는 엔진의 밸브 수와 같습니다. 캠축이 실린더 헤드에 있을 때 엔진을 오버헤드 캠(OHC) 설계라고 합니다. 캠축이 엔진 블록에 있을 때 엔진을 오버헤드 밸브(OHV) 설계라고 합니다. 엔진 설계에 관계없이 엔진 밸브의 기본적인 움직임은 밸브 스템을 누르고 밸브 스프링을 압축하는 힘을 제공하는 리프터 또는 태핏에 대항하는 캠에 의해 발생하여 밸브를 고정하는 스프링 장력을 제거합니다. 닫힌 위치. 밸브 스템의 이러한 움직임은 밸브를 실린더 헤드의 시트에서 들어 올려 밸브를 엽니다. 캠축이 더 회전하고 편심 부분이 더 이상 리프터 또는 태핏과 직접 접촉하지 않도록 캠 로브가 이동하면 밸브 스템이 캠 로브의 중심 부분에 올라감에 따라 스프링 압력이 밸브를 닫습니다.

밸브 스템과 로커 암 또는 캠 사이의 적절한 밸브 간극을 유지하는 것은 밸브의 적절한 작동을 위해 매우 중요합니다. 작동 중 엔진 온도가 상승함에 따라 금속 부품이 팽창할 수 있도록 약간의 최소 여유 공간이 필요합니다. 특정 클리어런스 값은 엔진마다 다르며 적절한 클리어런스를 유지하지 못하면 엔진 작동 및 성능에 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 밸브 간극이 너무 크면 밸브가 최적보다 늦게 열리고 더 빨리 닫히므로 엔진 성능이 저하되고 엔진 소음이 증가할 수 있습니다. 밸브 간극이 너무 작으면 밸브가 완전히 닫히지 않아 압축 손실이 발생할 수 있습니다. 유압식 밸브 리프터는 자체 보상형이며 밸브 간극 조정이 필요하지 않습니다.

최신 연소 엔진은 설계 및 응용 분야에 따라 실린더당 다른 수의 밸브를 사용할 수 있습니다. 잔디 깎는 기계에 사용되는 것과 같은 소형 엔진에는 흡기 밸브와 배기 밸브가 하나만 있을 수 있습니다. 4기통, 6기통 또는 8기통 엔진과 같은 대형 차량 엔진은 실린더당 4개의 밸브 또는 때로는 5개의 밸브를 사용할 수 있습니다.

엔진 밸브 재료
엔진 밸브는 내연 기관에서 스트레스를 많이 받는 부품 중 하나입니다. 신뢰할 수 있는 엔진 작동의 필요성은 엔진 밸브가 고온, 연소실의 고압, 엔진 역학의 기계적 부하 및 응력에 대한 반복적이고 지속적인 노출에 대한 내성을 나타낼 수 있어야 한다는 것을 의미합니다.

내연 기관의 흡기 밸브는 흡기 주기 동안 밸브를 통과하는 유입 공기/연료 혼합물의 냉각 효과로 인해 열 스트레스를 덜 받습니다. 대조적으로, 배기 밸브는 엔진의 배기 사이클 동안 배기 가스 경로에 있기 때문에 더 높은 수준의 열 스트레스에 노출됩니다. 또한, 배기 밸브가 배기 사이클 동안 열려 있고 실린더 헤드와 접촉하지 않는다는 사실은 연소면과 밸브 헤드의 더 작은 열 질량이 급격한 온도 변화에 대한 더 큰 잠재력을 갖는다는 것을 의미합니다.

흡기 밸브는 작동 온도가 낮기 때문에 일반적으로 크롬, 니켈 또는 텅스텐강과 같은 재료로 만들어집니다. 더 높은 온도의 배기 밸브는 니크롬, 실리콘-크롬 또는 코발트-크롬 합금과 같은 내열 금속을 사용할 수 있습니다.

더 높은 온도에 노출되는 밸브 면은 때때로 코발트와 크롬의 합금인 스텔라이트를 밸브 면에 용접하여 더 내구성이 있습니다.

엔진 밸브 제작에 사용되는 다른 유형의 재료에는 스테인리스강, 티타늄 및 트라이발로이 합금이 있습니다.

또한 엔진 밸브의 기계적 특성 및 마모 특성을 개선하기 위해 코팅 및 표면 마감을 적용할 수 있습니다. 그 예로는 크롬 도금, 인산염 도금, 질화물 코팅 및 소용돌이 마무리가 있습니다.

엔진 밸브의 종류
기능별(흡기 대 배기) 엔진 밸브의 특성화 외에도 설계 및 재료를 기반으로 존재하는 몇 가지 특정 유형의 엔진 밸브가 있습니다. 엔진 밸브의 주요 유형은 다음과 같습니다.

모노메탈 엔진 밸브
바이메탈 엔진 밸브
중공 엔진 밸브
모노메탈 엔진 밸브는 이름에서 알 수 있듯이 밸브 스템과 밸브 헤드를 모두 형성하는 단일 재료로 제작됩니다. 이러한 유형의 엔진 밸브는 높은 내열성과 우수한 마찰 방지 기능을 모두 제공합니다.

바이메탈 엔진 밸브라고도 하는 바이메탈 엔진 밸브는 마찰 용접 공정을 사용하여 두 개의 서로 다른 재료를 결합하여 밸브 헤드에 오스테나이트 강이 있고 밸브 스템에 마르텐사이트 강이 있는 밸브를 만들어 만듭니다. 밸브 헤드의 오스테나이트계 강재는 고온 내성 및 내식성을 제공하고 밸브 스템용 마텐자이트계 강재는 높은 인장 강도와 내마모성을 제공하는 이러한 각 강재의 특성은 최적의 목적을 제공합니다.

중공 엔진 밸브는 나트륨으로 채워진 중공 공동을 포함하는 특수 바이메탈 밸브입니다. 나트륨은 밸브 온도가 상승함에 따라 액화되고 밸브의 움직임에 의해 순환되어 더 뜨거운 밸브 헤드에서 열을 분산시키는 데 도움이 됩니다. 중공 설계는 솔리드 밸브보다 스템을 통한 더 큰 열 전달을 촉진합니다. 마르텐사이트 줄기 재료가 오스테나이트 헤드 재료보다 열 전도율이 더 높기 때문입니다. 중공 밸브는 고체 밸브가 처리할 수 없는 더 높은 배기 가스 온도를 가진 더 작고 밀도가 높은 엔진 설계에서 더 많은 출력을 제공하는 현대식 엔진에 특히 적합합니다. 이러한 더 높은 배기 온도는 다음을 포함한 여러 조건의 결과입니다.

온실 가스 배출을 줄이는 희박 연소 과정에 대한 열망
더 높은 효율성을 제공하는 더 높은 압축비와 더 높은 연소 압력을 가진 엔진 설계
더 작은 엔진에서 더 많은 엔진 성능을 위해 터보차저를 지원하는 통합 매니폴드 설계
엔진 밸브 설계에는 몇 가지 다른 유형이 있습니다. 소위 슬리브 밸브는 실린더 벽과 피스톤 사이에 있는 튜브 또는 슬리브로 구성되며 다른 엔진 밸브와 마찬가지로 캠축에서 구동되어 미끄러지거나 회전합니다. 슬리브 밸브의 움직임으로 인해 슬리브로 절단된 포트가 엔진 주기의 다른 지점에서 실린더 벽의 해당 포트와 정렬되어 로커 암과 리프터의 복잡성 없이 단순한 엔진 흡기 및 배기 밸브로 기능합니다.

엔진 밸브 사양
일반적인 엔진 밸브는 아래에 요약된 매개변수로 지정됩니다. 이 데이터는 정보 제공을 위한 것이며 엔진 밸브를 지정하는 데 사용되는 매개변수가 제조업체마다 다를 수 있다는 점에 유의하십시오. 사양을 이해함으로써 구매자는 엔진 밸브 공급업체와 특정 요구 사항에 대해 논의할 수 있습니다.