KR0164488B1 - 외부공기를 이용한 밸브리프트 조정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밸브 리프트 조절장치에 관한 것이다. 엔진이 고RPM으로 작동되어 오일 압력이 높아지면, 피스톤(26)이 상승되고; 뜨거운 공기가 공기유동통로(20)를 따라 유동되어 왁스(44)에 공급되며; 뜨거운 공기의 열에 의해 왁스(44)는 팽창되고; 왁스(44)의 팽창에 따라 외부 밸브스프링 시트(40)가 상방향으로 밀려 올라가면서 밸브스프링(42)을 압축시키며; 밸브스프링(42)이 압축된 상태로 유지되므로써, 캠에 의해 밸브(32)가 오픈될 때 밸브스프링(42)의 변위, 즉 밸브 리프트의 조절이 이루어지게 된다.

Description

외부공기를 이용한 밸브 리프트 조절장치
제1(a)도는 엔진이 고속작동 또는 저속작동될 때의 밸브개도와 혼합기량과의 관계를 나타내는 그래프.
제1(b)도는 엔진 RPM과 출력과의 관계를 나타내는 그래프.
제2(a)도는 본 발명에 따른 밸브 리프트 조절장치의 전체적인 구성을 나타내는 단면도.
제2(b)도는 왁스의 팽창에 따라 상승되는 외부 밸브스프링 시트에 의해 밸브스프링이 압축된 상태를 나타내는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 조절장치 12 : 배기 매니포울드
14 : 히트 프로텍터 16 : 포트(port)
18 : 고무 호스 20 : 공기 유동통로
22 : 오일순환로 24 : 작동실
26 : 피스톤 28 : 인장스프링
30 : 구멍 32 : 밸브
34 : 밸브스템 36 : 스템가이드
38 : 내부 스프링시트 40 : 외부 스프링시트
42 : 밸브스프링 44 : 왁스
46 : 유입구 48 : 배출구
50 : 리테이너 52 : 실린더 헤드
본 발명은 밸브 리프트 조절장치에 관한 것이고, 특히 저출력 엔진 차량에 있어서 외부공기를 이용하여 밸브 리프트를 효과적으로 변화시키므로써 흡기 및 배기효율을 개선하며 엔진출력을 향상시키게 되는 외부공기를 이용한 밸브 리프트 조절장치(device for adjusting valve lift using out-door air)에 관한 것이다.
자동차의 흡기밸브(inlet valve) 또는 배기밸브(exhaust valve)는 실린더 헤드에 설치되어 공기 또는 혼합기를 실린더내로 유입시키고 연소개스를 배출시키는 동시에 압축 및 폭발 행정에서 밸브 시트에 밀착되어 개스의 누출을 방지하는 기능을 한다. 흡기 또는 배기밸브는 피스톤이 일사이클을 작동하는 극히 짧은 시간동안에 신뢰성있는 방식으로 흡기 및 배기 기능을 수행하여 실린더의 체적효율을 높여야 하며, 압축 및 동력(폭발)행정에서는 충분한 기밀을 유지하여야 한다. 상기 밸브들은 로커 아암(rocker arm)에 의해 작동되고, 로커 아암은 타이밍 벨드(timing belt)를 경유하여 크랭크축에 의해 회전되는 캠(cam)에 의해 구동된다.
흡기밸브 또는 배기밸브의 개폐시기 조절에는 밸브 타이밍을 조절하는 방법과 밸브 리프트를 조절하는 방법이 있게 되며, 밸브 타이밍의 조절은 예컨대 캠샤프트의 위상각 조절에 의해 이루어지고, 밸브 리프트의 조절은 예컨대 저속용 또는 고속용의 두개의 로커아암을 설치하여 두개의 로커아암중 하나는 선택적으로 작동시키는 방식으로 이루어지게 된다.
자동차의 엔진은 통상적으로 시내주행을 목표로 설계되는 저출력 엔진 및 고속도로에서의 주행을 목표로 설계되는 고출력 엔진으로 나누어지게 되며, SOHC(single over head camshaft)는 저출력 엔진에 해당되고, DOHC(double over head camshaft)는 고출력 엔진에 해당된다. 저출력 엔진은 낮은 RPM 영역(예컨대 2,000-3,000 RPM)에서 흡기밸브가 열려서 닫힐 때까지 연소실로 유입되는 혼합기의 양이 최대로 되도록 설계되며, 고출력 엔진은 높은 RPM 영역(예컨대 3,500-4,000 RPM)에서 혼합기의 양이 최대로 되도록 설계된다.
그러나, 저출력 엔진으로 설계된 차량이 고속으로 주행하는 경우에는, 피스톤의 관성력 및 밸브 트레인 시스템(valve train system)의 관성력(예컨대, 각 부품의 기계적인 마찰, 흡기 매니포울드의 저항 등)으로 인하여 힘의 균형이 깨어지게 되어, 연소실로 유입되는 혼합기가 흡기 매니포울드로 역류되거나 배기 매니포울드를 통하여 외부로 빠져나가게 되므로써 흡기효율을 저하시키게 된다. 이러한 경유에는, 실질적으로 연소실로 유입되는 혼합기의 양이 저속때에 비해 고속에서 작아지게 되어, 제 1(a)도에 도시한 바와 같이, 빗금친 부분만큼의 혼합기의 손실이 있게 되고, 제 1(b)도에 실선으로 도시한 바와 같이, 엔진출력이 떨어지게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술에 따른 밸브 시스템에 내재되었던 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 저출력 엔진 차량에 있어서 외부공기를 이용하여 밸브 리프트를 효과적으로 변화시키므로써 흡기 및 배기효율을 개선하며 엔진출력을 향상시키게 되는 외부공기를 이용한 밸브 리프트 조절장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일면에 따라, 밸브 리프트 조절장치가 제공되며: 상기 밸브 리프트 조절장치는, 배기 매니포울드를 거친 뜨거운 공기가 유동할 수 있는 공기 유동통로를 마련하고, 상기 공기 유동통로의 경로상에 형성되면서 오일순환로와 연통되는 작동실을 갖는, 실린더 헤드; 그 하단부가 상기 실린더 헤더의 상면에 밀착되는 내부 밸브스프링 시트; 상기 내부 밸브스프링 시트와의 사이에 소정의 공간을 두고 상기 내부 밸브스프링 시트를 덮는 방식으로 제공되면서 밸브스프링의 안착면을 마련하게 되는 외부 밸브스프링시트; 상기 실린더 헤드의 상기 작동실에 배설되어 상기 오일순환로를 따라 유동되는 고압의 오일에 의해 작동되어 상기 공기 유동통로를 개방시키므로써 상기 내부 밸브스프링 시트와 외부 밸브스프링 시트사이의 공간으로 상기 뜨거운 공기를 유동시키게 되는 피스톤부재; 및 상기 내부 밸브스프링 시트와 외부 밸브스프링 시트사이에 배열되어 상기 뜨거운 공기에 의해 팽창되어 상기 외부 밸브스프링 시트를 밀어올리게 되는 왁스를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 특성에 따라, 저출력 엔진 차량이 고속으로 주행하는 경우에 높은 오일압력에 의해 공기 유동통로가 개방되어 배기 매니포울드로부터 공급되는 뜨거운 공기가 내부 밸브스프링 시트와 외부 밸브스프링 시트사이의 공간으로 유입되어 왁스를 팽창시키게 되고 왁스의 팽창에 따라 외부 밸브스프링 시트가 상방향으로 밀어올려지게 되므로서, 외부공기를 이용하여 밸브 리프트를 효과적으로 변화시킬 수 있게 되므로, 흡기 및 배기효율이 개선되며 엔진출력을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 상기 공기 유동통로에는 호스의 일단부가 연결되며, 상기 호스의 다른 단부는 배기 매니포울드의 상부에 제공되는 히트 프로텍터에 형성되는 포트에 연결된다.
본 발명의 상기 특성에 따라, 배기 매니포울드와 히트 프로텍터의 사이에서 유동되는 뜨거운 공기가 상기 공기 유동토로로 공급될 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술하면, 도면 전체를 통하여 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
제 2(a)도를 참조하면, 본 발명에 따른 밸브 리프트 조절장치의 전체적인 구성을 나타내는 단면도를 도시한다. 본 발명에 따른 밸브 리프트 조절장치(10)는 실린더 헤드(52)를 포함하고, 실린더 헤드(52)는 실린더 블록(도시안됨)의 상단부에 장차된다. 실린더 헤드(52)의 내부에는 오일 순환로(22)가 형성되며, 상기 오일 순환로 (22)를 따라 오일이 순환되면서 냉각기능을 수행하게 된다. 상기 오일이 크랭크 샤프트에 의해 구동되는 오일펌프에 의해 공급되기 때문에, 오일의 압력은 엔진의 RPM에 따라 변화되고, 엔진이 저RPM으로 작동되는 경우에 비해 고RPM으로 작동되는 경우에 오일의 압력은 높게 된다.
상기 실린더 헤드(52)에는 공기 유동통로(20)가 마련되며, 상기 공기 유동통로(20)의 경로중에는 작동실(24)이 형성된다. 상기 작동실(24)은 상기 오일 순환로(22)와 연통되고(communicated), 상기 작동실(24)의 내부에는 피스톤(26)이 상하방향으로 왕복이동가능한 방식으로 제공된다. 상기 피스톤(26)의 중간부분에는 구멍(30)이 직경방향으로 형성되며, 상기 피스톤(26)의 상부에는 인장스프링(28)이 배설된다. 상기 인장스프링(28)의 상단부는 상기 작동실(24)의 내벽에 고정되고, 하단부는 상기 피스톤(26)의 상면에 고정되어; 상기 피스톤(26)을 하방으로 압압(biasing)하게 된다.
상기 오일 순환로(22)의 입구측 단부에는 고무 호스(18)의 일단부가 연결되며, 상기 고무 호스(18)의 다른 단부는 배기 매니포울드(12)의 상부에 제공되는 히트 프로텍터(14)에 형성되는 포트(port)(16)에 연결된다. 상기 배기 매니포울드(12)와 히트 프로텍터(14)사이의 공간으로 유입되어 배기 매니포울드(12)의 열에 의해 덥혀진 뜨거운 공기는 상기 고무 호스(18)를 통하여 상기 공기 유동통로(20)로 공급된다.
상기 오일 순환로(22)를 따라 유동되는 오일의 압력이 낮을 경우에는, 피스톤(26)은 상기 작동실(24)내에서 하방으로 이동된 상태로 유지되고; 엔진이 고RPM으로 작동되어 오일의 압력이 높아지면, 오일이 상기 피스톤(26)을 상방향으로 밀어올리게 된다. 이에 의해, 상기 공기 유동통로(20)와 상기 피스톤(26)에 형성되는 상기 구멍(30)이 연통되므로, 공기는 피스톤(26)의 상기 구멍(30)을 통과하여 유동될 수 있게 된다.
상기 실린더 헤드(52)의 상면에는 내부 밸브스프링 시트(38)가 밀착적으로 안착되며(seated), 상기 내부 밸브스프링 시트(38)의 상부에는 외부 밸브스프링 시트(40)가 제공된다. 상기 외부 밸브스프링 시트(40)는 상기 내부 밸브스프링 시트(38)를 덮게 되고, 상기 내부 밸브스프링 시트(38)와 외부 밸브스프링 시트(40)의 사이에는 소정의 공간이 형성된다. 각각의 시트들(38, 40)을 관통하여 밸브(32)가 상하방향으로 이동될 수 있게 된다. 외부 밸브스프링 시트(40)의 외면에는 밸브스프링(42)의 하단부가 안착되며, 상기 밸브스프링(42)의 상단부는 밸브스템(34)의 상단부에 고정되는 리테이너(50)의 하면에 대해 위치된다. 도면부호 36은 밸브(32)의 상하방향 이동을 안내하는 밸브스템 가이드를 나타낸다. 상기 밸브(32)는 로커 아암(도시안됨)에 의해 작동될 수 있게 되고, 상기 로커 아암은 타이밍 벨트를 경유하여 크랭크축에 의해 회전되는 캠에 의해 구동된다.
상기 내부 밸브스프링 시트(38)의 바닥면에는 유입구(46) 및 배출구(48)가 형성되며, 상기 유입구(46)는 상기 공기 유동통로(20)와 연통된다. 상기 밸브스프링 시트들(38, 40)의 사이에 마련되는 상기 공간에는 왁스(44)가 제공되고, 상기 왁스(44)는 도너스와 같은 환형의 형상을 취하게 된다. 상기 왁스(44)는 열에 의해 팽창되며, 예컨대 80℃이하의 온도에서는 수축되고 90-100℃ 이상의 온도에서는 팽창된다.
제 2(b)도에 도시한 바와 같이, 엔진이 고RPM으로 작동되어 오일의 압력이 높아지면, 상기 피스톤(26)이 상승되고, 뜨거운 공기가 공기 유동통로(20)를 따라 유동되어 상기 내부 밸브스프링 시트(38)에 형성되는 구멍(30)을 통하여 왁스(44)에 공급된다. 뜨거운 공기의 열에 의해 왁스(44)는 팽창되며, 왁스(44)의 팽창에 따라 외부 밸브스프링 시트(40)가 상방향으로 밀려 올라가면서 밸브스프링(42)을 압축시키게 된다. 왁스(44)를 팽창시킨 뜨거운 공기는 상기 배출구(48)를 통하여 외부로 배출된다. 밸브스프링(42)이 압축된 상태로 유지되므로써, 캠에 의해 밸브(32)가 오픈될 때 밸브스프링(42)의 변위, 즉 압축될 수 있는 길이가 단축되고, 이에 따라 밸브 리프트의 조절이 이루어지게 된다. 이러한, 밸브 리프트의 조절을 수식으로 나타내면 이하와 같다:
F를 스프링력, K를 스프링상수, X를 변위(밸브 리프트)라 하면, F = KX로 표현되며; 변위를 3이라 가정할 때 뜨거운 공기 유입전의 스프링력 F1은, F1= 3K (1)로 되고; 뜨거운 공기의 유입에 따른 왁스의 팽창으로 밸브 스프링이 1 만큼 압축되어 있는 것으로 가정하는 경우 뜨거운 공기 유입후의 스프링력 F2는, F2= K(X+1) (2)로 되며; 캠에 의해 작용하는 힘은 동일하므로 식(1)과 식(2)는 서로 동일하게 되므로 상기 두개의 식을 연립하여 풀면 X값은 2가 된다. 그러므로, 왁스의 팽창에 따라 밸브 리프트가 3에서 2로 변화된다는 것을 알 수 있다. 제 1(b)도에 점선으로 도시한 바와 같이, 본 발명에 따라 밸브 리프트의 조절이 이루어지게 되는 경우에, 선행기술에 비해 엔진출력이 향상된다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 상기한 바와 같은 구성에 따라, 외부공기를 이용하여 밸브 리프트를 효과적으로 변화시킬 수 있게 되므로, 흡기 및 배기효율이 개선되며 엔진출력을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 변화 및 개조될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

Claims (2)

  1. 밸브 리프트 조절장치에 있어서, 배기 매니포울드를 거친 뜨거운 공기가 유동할 수 있는 공기 유동통로를 마련하고, 상기 공기 유동통로의 경로상에 형성되면서 오일순환로와 연통되는 작동실을 갖는 실린더 헤드; 그 하단부가 상기 실린더 헤드의 상면에 밀착되는 내부 밸브스프링 시트; 상기 내부 밸브스프링 시트와의 사이에 소정의 공간을 두고 상기 내부 밸브스프링 시트를 덮는 방식으로 제공되면서 밸브스프링의 안착면을 마련하게 되는 외부 밸브스프링 시트; 상기 실린더 헤드의 상기 작동실에 배설되어 상기 오일순환로를 따라 유동되는 고압의 오일에 의해 작동되어 상기 공기 유동통로를 개방시키므로써 상기 내부 밸브스프링 시트와 외부 밸브스프링 시트사이의 공간으로 상기 뜨거운 공기를 유동시키게 되는 피스톤부재; 및 상기 내부 밸브스프링 시트와 외부 밸브스프링 시트사이에 배열되어 상기 뜨거운 공기에 의해 팽창되어 상기 외부 밸브스프링 시트를 밀어올리게 되는 왁스를 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브 리프트 조절장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 유동통로에는 호스의 일단부가 연결되며, 상기 호스의 다른 단부는 배기 매니포울드의 상부에 제공되는 히트 프로텍터에 형성되는 포트에 연결되는 것을 특징으로 하는 밸브 리프트 조절장치.
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