리드 밸브
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1. 개요
리드 밸브는 액체와 기체의 자동 유량 제어에 사용되는 밸브의 한 종류이다. 워터 펌프, 풀무, 2행정 기관 등 다양한 분야에 사용되었으며, 특히 2행정 기관의 성능 향상에 기여한다. 2행정 기관에서는 연료-공기 혼합물의 흐름을 조절하며, 레이싱 엔진에서는 복합 재료로 제작되어 강성 조절과 안전성을 확보한다. 또한, 펄스 제트 엔진에도 사용되며, 압력 구배 및 질량 유량을 고려하여 설계된다.
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| 리드 밸브 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 종류 | 체크 밸브 |
| 작동 방식 | 유체의 압력 차이에 의해 작동 |
| 용도 | 2행정 엔진 압축기 계량 펌프 맥동 감쇠기 기타 비 복귀 밸브 응용 분야 |
| 상세 정보 | |
| 작동 원리 | 리드(얇은 판)가 밸브 시트에 밀착되어 입구를 막음. 입구 측의 압력이 출구 측보다 높아지면 리드가 휘어져 유체가 흐름. 압력이 같아지거나 역전되면 리드가 다시 닫힘. |
| 특징 | 구조가 간단하고 신뢰성이 높음. 빠른 응답 속도. 소형화가 용이. |
| 장점 | 낮은 유지 보수 비용. 다양한 유체에 적용 가능. 넓은 온도 범위에서 사용 가능. |
| 단점 | 고압 환경에는 부적합. 리드의 피로 파괴 가능성. |
| 재료 | 강철 스테인리스강 플라스틱 복합 재료 |
| 응용 분야 | 2행정 엔진: 연료-공기 혼합물의 역류 방지 압축기: 냉매, 공기 등의 압축 계량 펌프: 정확한 유량 제어 맥동 감쇠기: 펌프 맥동 감소 의료 기기: 인공 호흡기, 혈액 펌프 분석 장비: 가스 크로마토그래피, 질량 분석기 |
| 추가 정보 | 유체의 흐름을 한 방향으로만 허용하는 체크 밸브의 일종 |
2. 응용
리드 밸브는 액체와 기체의 자동 흐름 제어의 초기 형태 중 하나이다.[1] 2행정 기관과 펄스 제트 엔진의 흡기구, 공기 압축기 및 냉동기용 압축기의 흡·배기 밸브 등에 사용된다.[1]
2. 1. 전통적인 응용
리드 밸브는 보통 구멍을 덮는 가죽 플랩으로, 액체와 기체의 자동 유량 제어를 위한 가장 초창기 형태 중 하나이다. 수천 년 동안 워터 펌프에 사용되었으며, 수백 년 동안 고온 대장간 및 교회 오르간, 아코디언과 같은 악기의 풀무에도 사용되었다. 자연계에서는 심장 판막이 다소 비슷한 방식으로 작동한다.2. 2. 펌프
리드 밸브는 일부 왕복 압축기 설계 및 크고 작은 일부 악기의 펌핑 요소에 사용된다.[1]2. 3. 2행정 기관
리드 밸브는 2행정 기관의 고성능 버전에서 연료-공기 혼합물이 실린더로 유입되는 것을 제어하는 데 사용된다. 피스톤이 실린더에서 위아래로 움직일 때, 크랭크실 내부의 압력 차이로 인해 밸브가 열리고 닫히면서 혼합물의 흐름을 조절한다.[4] 2행정 기관에서 리드 밸브는 주로 흡기 포트에 배치되지만, 크랭크축 공간으로의 흡입을 제어하는 데 사용되기도 한다.[1]카트 경주와 같은 레이싱 엔진에서는 복합 재료로 만들어진 리드 밸브가 선호된다. 이는 강성 조절이 쉽고 고장 시 비교적 안전하기 때문이다. 고속 충격은 모든 리드 밸브에 영향을 미치며, 금속 밸브는 피로를 겪는다. 리드 밸브는 로터리 밸브만큼 정확하게 작동하지 않아 작은 rpm 범위에서는 로터리 밸브 엔진이 더 나은 성능을 보일 수 있지만, 리드 밸브 엔진은 더 넓은 rpm 범위에서 더 나은 성능을 보이는 경우가 많다. 더 정교한 설계에서는 다단계 리드를 사용하여 더 넓은 rpm 범위에서 더 나은 성능을 얻을 수 있도록 한다.
2. 4. 반켈 로터리 엔진
얀마 디젤은 소형 반켈 엔진의 흡기 포트에 리드 밸브를 도입하여 낮은 회전수와 부분 부하에서 토크와 성능을 향상시킨 일본의 엔진 제조사이다.[1] 토요타는 층상 혼합 로터리 엔진(SCRE) 개념을 테스트한 프로토타입에 리드 밸브를 사용했지만, 양산 모델에는 적용되지 않았다.[1] 노턴 오토바이 라인에 반켈 엔진을 탑재한 데이비드 W. 가사이드는 리드 밸브가 낮은 회전수와 부분 부하에서는 성능을 향상시키지만, 고속 출력은 감소시킨다고 언급했다.[1]2. 5. 펄스 제트 엔진
리드 밸브는 저렴하지만 비효율적인 펄스 제트 엔진에 사용되며, 그 예로 독일 V-1 (비행 폭탄)에 사용된 Argus As 014 엔진이 있다. 원통형 엔진 전면의 밸브는 엔진 내 공기 기둥의 공명으로 인해 연소실의 낮은 압력에 의해 열린다. 연료는 연소실로 분사되어 이전 사이클의 뜨거운 연소 가스에 의해 점화된다. 충전물이 팽창하여 대부분 엔진 밖으로 배출되면 내부 압력이 다시 대기압 이하로 떨어지고 리드 밸브를 통해 신선한 공기가 유입되어 사이클이 반복된다. 전진 운동으로 인한 어느 정도의 램 공기 압력은 새로운 신선한 공기로 연소실을 청소하고 채우는 데 도움이 되어 엔진의 더 높은 속도에서 출력을 향상시킨다.[1]3. 설계 및 모델링
리드 밸브는 압력 구배 및 질량 유량을 고려하여 설계된다.[2] 압력 구배는 개방 시 밸브 리프트를 평가하는 데 사용되며, 리프트 및 전체 부품 형상(압력 손실 계수 고려)을 사용하여 질량 유량을 계산한다. 고속 응용 분야(압축기 및 엔진)의 경우 동적 응답을 고려해야 한다. 간단한 접근 방식은 여기 주파수와 비교되는 첫 번째 고유값의 평가로 구성된다.
리드 밸브의 설계는 시뮬레이션을 사용하여 개선할 수 있다. 플랩[3]의 역학은 유체와 구조 사이의 결합을 무시하고 연구할 수 있다. 이 경우 구조 부품의 변화는 집중 매개변수 모델 또는 유한 요소 모델을 사용하여 시뮬레이션되며, 다양한 밸브 리프트에서의 토출 계수는 실험 또는 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션을 사용하여 평가된다.
전체 시스템에 대한 연구는 통합된 유체-구조 상호작용 모델을 필요로 한다.
참조
[1]
서적
The Complete Guide to Motorcycle Mechanics
Prentice-Hall, Inc.
[2]
서적
The Basic Design of Two Stroke Engines
Society of Automotive Engineers Inc.
[3]
논문
Nonlinear modeling of reed valve dynamics
[4]
서적
The Complete Guide to Motorcycle Mechanics
Prentice-Hall, Inc.
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