데스모드로믹 밸브

Desmodromic valve
일반적으로 기계적인 용어로 말하자면 탈모드적 다른 방향에서 작동하기 위해 서로 다른 제어장치를 가진 메커니즘을 참조하기 위해 사용된다.
두카티 엔진의 데스모드로믹 포핏 밸브.

탈모드롬 밸브는 왕복 엔진 포핏 밸브로, 기존의 스프링이 아닌 캠과 레버리지 시스템에 의해 확실히 닫힌다.

일반적인 4행정 엔진의 밸브는 사이클이 시작될 때 공기/연료 혼합물이 실린더로 유입되고 사이클이 끝날 때 배기 가스가 배출되도록 한다. 기존의 4행정 엔진 밸브는 캠에 의해 개방되고 리턴 스프링에 의해 폐쇄된다. 데스모드롬 밸브를 사용하는 엔진은 2개의 캠과 2개의 액추에이터를 가지고 있으며, 각각 리턴 스프링 없이 양의 개폐를 위한 것이다.

어원

이 단어는 그리스어 데스모스(Δεμό, "bond" 또는 "knot"로 번역됨)와 드로모스(Δμμς, "track" 또는 "way")에서 유래한다. 이는 밸브가 캠축에 연속적으로 "결합"되는 주요 특성을 나타낸다.

아이디어

공통 밸브 스프링 시스템은 높은 회전 속도를 내지 않고 낮은 유지보수를 요구하는 설계의 전통적인 대량 생산 엔진에 만족한다.[1] 초기 탈모드롬 개발 당시 밸브 스프링은 금속 피로에서 깨지기 때문에 엔진 성능에 큰 제약이 있었다. 1950년대에 새로운 진공 용해 공정은 밸브 스프링의 금속에서 불순물을 제거하여 수명과 효율성을 크게 증가시켰다. 그러나 많은 스프링은 8000rpm 이상의 지속적인 작동에서 여전히 고장이 발생할 수 있다.[2] 탈모드롬 시스템은 스프링의 필요성을 완전히 제거함으로써 이 문제를 해결하기 위해 고안되었다. 또한, 최대 RPM이 증가함에 따라 밸브 플로트를 방지하기 위해 더 높은 스프링 힘이 요구되어 모든 속도에서 스프링 질량(즉, 관성) 증가와 캠 드래그 및 부품의 높은 마모를 초래하게 되는데, 이는 탈모드롬 메커니즘에 의해 해결된 문제들이다.

디자인과 역사

디스모드로믹 포핏 밸브 예.

완전히 제어된 밸브 이동은 엔진 개발 초기 단계에서 구상되었지만, 신뢰성 있게 작동하고 지나치게 복잡하지 않은 시스템을 고안하는 데는 오랜 시간이 걸렸다. 데스모드로믹 밸브 시스템은 구스타프 메이스가 1896년 특허에서 처음 언급하였다.[citation needed] 1910년 오스틴의 해양 엔진은 300 bhp를 생산했고 "아이렌 1"이라는 이름의 쾌속정에 설치되었다; 그것의 올 알루미늄, 트윈 오버헤드 밸브 엔진은 쌍둥이 자석, 트윈 카뷰레터, 데스모드로믹 밸브를 가지고 있었다.[3] 1914년 그랑프리 델라지와 나간트(포머로이 "그랑프리 카" 참조)는 데스모드로믹 밸브 시스템(현재의 두카티 시스템과는 달리 수량)을 사용했다.[4]

1933년부터 1934년까지 단기간 생존한 이탈리아의 제조업체인 아자리티는 173 cc와 348 cc 트윈실린더 엔진을 생산했는데, 그 중 일부는 탈모드롬 밸브 기어가 있었고 밸브는 별도의 캠축에 의해 닫혔다.[5]

1954–1955년의 메르세데스-벤츠 W196 포뮬러 원 레이싱 카와 1955년의 메르세데스-벤츠 300SLR 스포츠 레이싱 카는 둘 다 탈모드롬 밸브 구동식이었다.

1956년 두카티 엔지니어인 파비오 타글리오니는 두카티 125 그랑프리를 위한 데스모드 판막 시스템을 개발하여 두카티 125 데스모를 만들었다.

그는 이렇게 말했다고 한다.

탈모드롬 시스템의 특정 목적은 밸브가 가능한 한 일관되게 타이밍 도표를 준수하도록 강제하는 것이다. 이렇게 하면 손실된 에너지는 무시할 수 있고 성능 곡선은 더 균일하며 신뢰성이 더 좋다.

그를 쫓아온 기술자들은 그 개발을 계속했고, 두카티는 탈모드롬과 관련된 특허를 다수 보유하고 있었다. 데스모드로믹 밸브 작동은 1968년부터 '와이드케이스' 마크 3 싱글 실린더가 도입되면서 최고급 생산 두카티 오토바이에 적용됐다.

1959년 마세라티 형제는 그들의 마지막 디자인 중 하나를 도입했다: 탈모드적인 4기통 엔진, 2000cc 엔진이었다.

기존 밸브트레인과의 비교

최신 엔진에서는 높은 RPM에서 밸브 스프링 고장이 대부분 수리되었다. 데스모드로믹 시스템의 주요 이점은 높은 rpm에서 밸브 플로트를 방지하는 것이다.

기존의 스프링밸브 작동에서는 엔진 속도가 증가함에 따라 밸브의 관성이 결국 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하기 전에 밸브를 완전히 닫는 스프링의 능력을 극복하게 된다. 이것은 몇 가지 문제로 이어질 수 있다. 첫째로, 그리고 가장 손상되는 것은 피스톤이 밸브와 충돌하고 둘 다 파괴된다. 둘째, 연소가 시작되기 전에 밸브가 완전히 자리로 되돌아가지 않는다. 이를 통해 연소 가스가 조기에 빠져나갈 수 있어 실린더 압력이 감소해 엔진 성능이 크게 저하된다. 이것은 또한 밸브를 과열시킬 수 있고, 밸브를 뒤틀어서 치명적인 고장으로 이어질 수 있다. 스프링 밸브 엔진에서 밸브 플로트를 위한 전통적인 방법은 스프링을 뻣뻣하게 하는 것이다. 이는 밸브의 시트 압력(밸브를 닫힌 상태로 유지하는 정적 압력)을 증가시킨다. 이는 앞서 언급한 밸브 플로트의 감소로 인해 높은 엔진 속도에서 이롭다. 단점은 모든 엔진 속도에서 밸브를 열기 위해 엔진이 더 열심히 작동해야 한다는 것이다. 스프링 압력이 높을수록 밸브 트레인의 마찰(온도와 마모)이 커진다.

탈모드롬 시스템은 샘의 힘을 이겨낼 필요가 없기 때문에 이 문제를 회피한다. 여전히 밸브 개폐의 관성을 극복해야 하며, 이는 이동 부품의 유효 질량에 따라 달라진다. 스프링이 있는 기존 밸브의 유효 질량은 밸브 스프링 질량의 1/2과 모든 밸브 스프링 고정기 질량을 포함한다. 그러나 탈모드롬 시스템은 밸브당 두 개의 로커 암의 관성을 다루어야 하므로 이 장점은 설계자의 기술에 크게 좌우된다. 또 다른 단점은 캠과 로커 암 사이의 접촉점이다. 롤러 태핏은 상당한 이동 질량을 더하지만 기존 밸브 트레인에서는 비교적 사용하기 쉽다. 탈모드롬 시스템에서는 로커 암의 한쪽 끝에 롤러가 필요하게 되어, 로커 암의 모멘트를 크게 증가시키고 "유효한 질량"의 이점을 부정하게 된다. 따라서 데스모 시스템은 일반적으로 캠과 로커 암 사이의 슬라이딩 마찰을 다루는데 필요하며 따라서 마모가 더 클 수 있다. 대부분의 듀카티 로커 암의 접촉점은 이 마모를 줄이기 위해 단단한 색상으로 되어 있다. 또 다른 가능한 단점은 탈모드롬 시스템에 유압 밸브 래시 조절기를 통합하는 것이 매우 어렵기 때문에 밸브를 주기적으로 조정해야 한다는 것이다. 그러나 밸브 래시는 일반적으로 캠 팔로워 아래의 심을 사용하여 설정되기 때문에 일반적인 성능 지향 이륜자동차에 해당된다.

단점들

컴퓨터로 밸브 구동 역학을 분석할 수 있던 시절, 데스모드롬 드라이브는 엔진 속도가 증가하면서 악화되고 있는 문제에 대한 해결책을 제공하는 것처럼 보였다. 그 시절부터 캠의 리프트, 속도, 가속도, 저크 커브 등을 컴퓨터로 모델링해[6] 캠의 역학이 겉으로 보이는 것과 다르다는 것을 밝혀냈다. 적절한 분석으로 밸브 조정, 유압 태핏, 푸시 로드, 로커 암, 그리고 무엇보다 밸브 플로트와 관련된 문제는 탈모드롬 구동 없이 과거의 것이 되었다.

오늘날 대부분의 자동차 엔진은 오버헤드 캠을 사용하여 평평한 태핏을 구동하여 가장 짧고 가벼운 무게와 캠에서 밸브까지 가장 비탄성적인 경로를 달성함으로써 푸시로드와 로커 암과 같은 탄성적인 요소를 피한다. 컴퓨터는 밸브-트레인 시스템의 상당히 정확한 가속 모델링을 허용했다.

수치 컴퓨팅 방법을 쉽게 사용할 수 있게 되기 전에 가속은 캠 리프트 프로필을 속도 및 가속도로 두 번 구별함으로써만 달성할 수 있었다. 이것은 해시(소음)를 너무 많이 발생시켜 두 번째 파생상품(가속)은 쓸데없이 부정확했다. 컴퓨터는 리프트의 세 번째 파생상품인 저크 곡선에서 통합을 허용했는데, 그것은 편리하게 정점을 원하는 리프트 프로필을 제공하도록 조정할 수 있는 연속 직선이다.

저크 곡선의 통합은 부드러운 가속 곡선을 생성하는 반면, 세 번째 적분은 본질적으로 이상적인 리프트 곡선(캠 프로필)을 제공한다. 대부분 '예술가'처럼 보이지 않는 이런 캠으로 밸브 잡음(리프트 오프)이 사라지고 밸브 트레인 탄성이 정밀 감시를 받았다.

오늘날 대부분의 캠은 밸브를 열고 닫는 동안 동일한 양의 가속도와 음의 가속도를 가진 미러 이미지(대칭) 프로파일을 가지고 있다. 그러나 일부 고속(엔진 RPM 측면에서) 모터는 밸브를 빠르게 열고 마모를 줄이기 위해 더 부드럽게 다시 좌석에 세우기 위해 현재 비대칭 캠 프로필을 채택하고 있다. 또한 1948년 포드 V8에서 보듯이 1940년대 후반부터 생산 차량은 비대칭 캠 로브 프로파일을 채용해 왔다.[7] 이 모터에서 흡기 및 배기 프로파일은 비대칭 설계가 있었다. 비대칭 캠축의 보다 현대적인 적용에는 공격적인 프로필을 사용하여 280 브레이크 마력에 도달하는 코스워스의 2.3 리터 크레이트 모터가 포함된다.[8] 비대칭 캠은 곡선 캠과 플랫 태핏 사이의 헤르츠안 접촉 응력에 의해 속도가 제한되어 밸브를 가능한 한 천천히 열거나 닫을 수 있으며, 이에 따라 왕복성분(특히 밸브, 태핏 및 스프링)의 결합 질량의 가속도가 더욱 제어되도록 보장한다.

이와는 대조적으로 데스모드로믹 드라이브는 밸브당 2개의 캠을 사용하며 각각 별도의 로커 암(리버 태핏)이 있다. 최대 밸브 가속은 캠 대 태핏 갈링 응력에 의해 제한되므로 이동 질량과 캠 접촉 영역 모두에 의해 제어된다. 최대 강성과 최소 접촉 응력은 리프트와 닫힘 응력이 스프링 힘에 영향을 받지 않는 기존의 플랫 태핏과 스프링으로 가장 잘 달성된다. 둘 다 스프링 하중이 최소이고 접촉 반경이 가장 큰 베이스 [9]서클에서 발생한다. 탈모드롬 캠의 곡선(리버) 태핏은[10] 동일한 리프트 프로파일에 대해 플랫 태핏보다 높은 접촉 응력을 유발하여 리프트와 폐쇄 속도를 제한한다.

재래식 캠의 경우, 스트레스는 풀 리프트에서 가장 높으며, 0 속도에서 회전할 때(엔진 크랭킹의 개시), 밸브 카운터의 관성력으로 속도가 증가하면 감소하는 반면, 데스모드 캠은 기본적으로 0 속도에서 하중이 없고(스프링이 없을 경우), 그 하중은 완전히 관성적이며, 따라서 i속력을 내며 그것의 가장 큰 관성 스트레스는 그것의 가장 작은 반경에 있다. 두 방법 중 하나에 대한 가속력은 운동 에너지로 인한 속도의 제곱에 따라 증가한다.[11]

밸브 플로트를 분석한 결과 슬링키와 마찬가지로 코일 사이에 진동 압축파를 발생시킨 밸브 스프링의 공진에 의해 크게 발생하는 것으로 밝혀졌다. 고속 사진은 특정 공명 속도에서 밸브 스프링이 더 이상 한쪽 끝이나 양쪽 끝에서 접촉하지 않아 밸브가 떠 있다가[12] 닫힌 캠과 충돌한다는 것을 보여주었다.

이러한 이유로 오늘날에는 세 개의 동심원 밸브 스프링이 서로 다른 내부에 내포되기도 한다. 즉, 더 많은 힘( 유의한 스프링 상수가 없는 내부 스프링)을 위해서가 아니라 외부 스프링의 진동을 감소시키는 스너버 역할을 하기 위해서입니다.[citation needed]

봄의 질량을 진동시키는 초기 해결책은[when?] 노턴 맨스[14] 엔진에 사용되는 쥐덫이나 머리핀 스프링이었다[13]. 이것들은 공명은 피했지만 실린더 헤드 안쪽을 찾는 것은 볼품없었다.

공명하지 않는 밸브 스프링은 진행형이며, 그 형태로부터 다양한 피치 또는 다양한 직경의[15] 벌집 스프링으로 상처입는다. 이러한 스프링의 활성 코일 수는 스트로크 동안 다양하며, 정적 끝에 더 가깝게 감긴 코일이 있어 스프링이 압축되거나 벌집 스프링에서처럼 활동하지 않게 되며, 위쪽의 작은 직경의 코일이 더 딱딱해진다. 두 메커니즘 모두 스프링 힘과 그 이동 질량은 스트로크에 따라 달라지기 때문에 공명을 감소시킨다. 스프링 설계의 이러한 발전으로 탈모드롬 밸브 구동부의 초기 추진력인 밸브 플로트가 제거되었다.

예

유명한 예로는 성공적인 메르세데스-벤츠 W196과 메르세데스-벤츠 300 SLR 경주용 자동차와 가장 흔히 볼 수 있는 현대적인 두카티 오토바이가 있다.

데모드로믹 밸브를 장착한 두카티 오토바이는 1990년부터 1992년까지, 1994–96, 1998–99, 2001, 2003–04, 2006, 2008, 2011년까지 슈퍼바이크 세계선수권대회를 포함하여 수많은 레이스와 선수권 대회에서 우승했다. 두카티의 그랑프리 오토바이 경주 복귀는 2006년 스페인 발렌시아에서 열린 최종 990cc 모토GP 경주에서 1-2로 결승선을 통과하는 등 여러 차례 승리를 거머쥔 GP3(데스모데시치) 바이크의 데스모드로믹 V4 990cc 엔진에 의해 추진됐다. 2007년 800cc 시대가 시작되면서 여전히 스포츠에서 가장 강력한 엔진으로 평가받고 있으며, 2007년 MotoGP 챔피언십에 케이시 스토너, 2007년 MotoGP 챔피언십에 이어 두카티를 GP7(데스모데시치) 바이크로 시공자 챔피언십에 진출시켰다.

참고 항목

원천

  1. ^ 리볼라, A 등: "디모드롬 밸브 열차의 탄소학적 거동 모델링", SMA2002 소음 진동 엔지니어링 국제회의, 2002년 9월 16-18일 - 벨기에 루벤
  2. ^ Falco, Charles M. (July 2003). "The Art and Materials Science of 190 mph Superbikes" (PDF). MRS Bulletin. p. 514. Archived from the original (PDF) on 2007-03-07. Retrieved 2006-11-02. Thus, neglecting all other factors, the faster an engine can be made to turn, the more power can be generated. Unfortunately, through at least the 1950s, valve springs often would fatigue and break when engines were operated for significant periods of time much above 8000 rpm.
  3. ^ Baker, John. "Austin Marine Engines". Austin Memories. Archived from the original on August 21, 2015. In 1910 Herbert Austin decided to build a Marine engine that at the time was very advanced. It produce 300bhp and was installed in a speed-boat called "Irene I" which was named after his eldest daughter who had married Colonel Waite. The all aluminium twin ohv engine had twin magneto, twin carburetor and desmodronic valves.
  4. ^ "Jansen Desmodromology". Archived from the original on May 25, 2012. Retrieved September 20, 2016.
  5. ^ 제목: 오토바이 백과사전, 편집자: Erwin Tragatsch, 출판사: New Burlington Books, Copyright: 1979 Quarto Publishing, Edition: 1988 개정, 페이지 81, ISBN 0-906286-07-7
  6. ^ "4stHEAD Insight - Death of a Black Art" (PDF). Retrieved 2011-12-06.
  7. ^ "Cam Design History". www.tildentechnologies.com. Retrieved 11 April 2018.
  8. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2013-06-18. Retrieved 2012-11-08.CS1 maint: 제목으로 보관된 복사본(링크)
  9. ^ "Web Cam Inc - Performance and Racing Camshafts / Terminology". Webcamshafts.com. Retrieved 2011-12-06.
  10. ^ "Desmodromic Valve Gear". Usq.edu.au. Archived from the original on 2012-02-12. Retrieved 2011-12-06.
  11. ^ "Kinetic Energy". Glenbrook.k12.il.us. Archived from the original on 2012-08-04. Retrieved 2011-12-06.
  12. ^ "MERC valve spring tests 1000-6000rpm". Archived from the original on 2008-09-11. Retrieved 2008-06-25.
  13. ^ "ACLawrancePenguin.jpg". Archived from the original on 2008-09-11. Retrieved 2008-06-25.
  14. ^ Greenpark-Productions. (2005-02-25). "'1959 Norton Manx Restoration' September 2004—Engine Section, Welcome!". Members.shaw.ca. Retrieved 2011-12-06.
  15. ^ WMR 2007년 10월 9일 웨이백 머신에 보관

외부 링크