KR0165811B1 - 가솔린 엔진의 회전식 흡.배기 밸브 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진의 연료가스 및 연소가스의 흡입과 배기를 위한 장치인 흡·배기 밸브를 캠축과 캠의 구동에 의한 왕복식 개폐밸브와 캠축의 구동에 의한 컵 형상의 회전식 흡·배기 개폐 밸브 장치에 관한 것이다.

특히 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 상부보다 하부의 지름이 큰 형태로 상·하로 열린 상태의 상부 공간부와 하부 공간부가 형성되고, 상기 상부 공간부의 외측면이 실린더 헤드의 일측에 고정된 베어링에 의해 지지되어 회동.설치되며, 회전함에 따라 흡기포트와 배기포트를 통해서 혼합기와 연소가스를 순차적으로 흡·배기 하는 회전식 개폐밸브와; 상기 회전식 개폐밸브의 상·하부 공간부의 경계면에 밸브스템이 통과되도록 통공되어 형성된 밸브스템홈과; 상기 회전식 개폐밸브의 상부 공간부 상부면에 형성된 기어부와; 상기 회전식 개폐밸브의 하부의 외측면에서 하부 공간부로 일부분이 절개되어 혼합기와 연소가스를 흡·배기 되도록 형성되는 흡·배기 절개홈과; 캠축의 일단에 설치되어 상기 회전식 개폐밸브의 상부 공간부 상부면에 형성된 기어부와 맞물리고, 캠축의 회전에 따라 상기 회전식 개폐밸브를 회전시키는 기어와; 상기 회전식 개폐밸브의 밸브스템홈을 통해서 설치되고, 캠에 의해 작동되어 연소실 내부로 흡입되는 혼합기와 연소실 내부에서 발생한 연소가스를 단속하는 왕복식 개폐밸브를 구비한 특징이 있다.

따라서 본 발명은 엔진을 구성하는데 따른 부품의 감소와 이로 인한 제품의 생산비 절감으로 생산성의 향상이 있게 하는 효과가 있다.

또한 부품의 마찰에 의한 소음을 줄이고, 또한 흡·배기 효율이 좋은 엔진을 구성할 수 있는 효과가 발생한다.

Description

가솔린 엔진의 회전식 흡·배기 밸브 장치

제1도는 종래의 가솔린 엔진의 흡·배기 밸브 장치를 도시한 사시도.

제2도는 종래의 가솔린 엔진의 흡·배기 밸브 장치를 도시한 절개 단면도.

제3도는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브 장치를 도시한 절개 단면도.

제4도는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브를 도시한 사시도.

제5도는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브 장치를 도시한 평면도.

제6도는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브 개폐시기 선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명

10 : 실린더 헤드 11 : 캠축

12 : 캠 13 : 로커 암

14 : 흡기 밸브 15 : 배기 밸브

16 : 밸브스템 17 : 흡기포트

18 : 배기포트 19 : 연소실

30 : 회전식 개폐밸브 31 : 상부 공간부

31a : 기어부 32 : 하부 공간부

32a : 흡·배기 절개홈 33 : 밸브스템홈

40 : 기어 50 : 베어링

60 : 왕복식 개폐밸브 61 : 밸브스템

62 : 밸브 스프링 70 : 베벨기어

본 발명은 가솔린 엔진의 회전식 흡·배기 밸브 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 엔진의 연료가스 및 연소가스의 흡입과 배기를 위한 장치인 흡·배기 밸브를 캠 축(Cam Shaft)과 캠(Cam)의 구동에 의한 왕복식 개폐밸브와 캠축의 구동에 의한 컵(Cup) 형상의 회전식 흡·배기 개폐밸브를 구성하므로서, 엔진을 구성하는데 따른 부품의 감소와 이로 인한 제품의 생산비 절감으로 생산성의 향상을 가져오고, 왕복식 개폐밸브에 의한 소음이 줄어들고, 또한 흡·배기 효율이 좋은 엔진을 구성할 수 있도록 한 가솔린 엔진의 회전식 흡·배기 밸브 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 가솔린 엔진은 연료가스를 흡입하는 흡기계통과 연소가스를 배출하는 배기계통이 설치되어 있다. 그리고 이 흡·배기계통에는 상기의 연료가스를 실린더로 규칙적으로 보내는 흡기 밸브와 연소가스를 실린더(Cylinder)로부터 외기로 배출시키는 배기 밸브가 실린더 헤드(Cylinder Head)에 설치된다.

한편 4행정의 가솔린 엔진에서는 이 밸브 관계에 의해 흡입·압축·연소·배기가 확실하게 되고 있다. 가솔린 엔진에 사용되고 있는 밸브 자체는 버섯과 같은 모양을 하고 있으며, 접시형의 밸브에 개폐를 위한 스템이라고 하는 로드가 일체로 되어 있다. 연료가스는 피스톤의 하강에 의해 생기는 부압으로 실린더 내에 흡수되는데, 이때에는 흡기 밸브가 열려 있다. 피스톤이 하사점까지 내려갔을때 흡기 밸브는 닫히고 피스톤은 연료가스의 압축을 시작한다.

그리고 압축과 연소하는 동안에는 흡·배기 밸브가 모두 닫혀 있으며 기밀을 유지해야 한다. 또한 연소 후의 배기가스는 피스톤의 상승과 더불어 열리는 배기밸브에서 배기된다. 가령 밸브의 작동이 원활하게 이루어지지 않는 경우에는 흡입.압축.연소.배기의 행정에서 기밀을 유지하지 못하게 되거나 흡기가 충분히 실린더 안으로 들어가지 않거나, 또는 배기가스가 실린더 안에 남아 연소가 불완전하게 되거나 한다.

그러므로 실린더 내에서 연소를 확실히 하기 위해서는 밸브 장치의 정확한 작동과 높은 기밀성이 필요 불가결하다. 밸브 장치가 갖는 기능이 연료가스의 흡기와 배기의 흐름을 제어하고, 실린더 내의 기밀을 유지하는 점은 110년 전에 오토(Otto)가 발명한 4행정 가솔린 엔진 이래 변하지 않고 있다.

한편 흡·배기 밸브의 구동방식과 배치를 살펴보면, 밸브 장치는 밸브가 배치되어 있는 위치에 의해 다음의 사이드 밸브(SV, Side Valve)와 오버 헤드 밸브(Over Head Valve)로 분류할 수 있다. 역사적으로 보면 SV는 가솔린 엔진이 발명된 다음에 장기간에 걸쳐서 대량생산 자동차용 엔진의 주류를 이루었다. 엔진의 고성능화는 지금까지의 SV방식 즉, 밸브를 실린더 블록(Cylinder Block)의 안에 둔 것으로부터 실린더 헤드에 장치하는 오버 헤드 밸브(OHV, Over Head Valve), 오버 헤드 캠 샤프트(OHC, Over Head Cam Shaft), 더블 오버 헤드 캠 샤프트(DOHC, Double Over Head Cam Shaft) 방식으로 발전하여 현재의 자동차용 엔진은 모두 오버 헤드 밸브이다.

상기의 SV에서 흡·배기 밸브는 흡기가 1개, 배기가 1개로 밸브의 배열은 직렬로 되어 있다. OHV는 캠축이 크랭크케이스(Crankcase)내에 들어가 있는 푸시로드(Pushrod)방식과, 캠축이 실린더 헤드에 배치된 OHC 방식이 있다.

푸시로드의 밸브 배열은 대부분이 직렬식이며, 일부의 단기통과 T계의 예와 같이 흡·배기 밸브를 V형으로 배치한 엔진도 있지만, OHV의 흡·배기는 대부분이 카운터 플로(Counter Flow) 방식이다. 또한 흡·배기 밸브는 흡기 1개, 배기 1개의 1실린더 2밸브이다.

한편 캠축을 실린더 헤드로 옮긴 OHC 엔진의 밸브도 대부분은 흡기 1개, 배기 1개의 1실린더 2밸브이며 또 일부에는 OHC라도 밸브의 배열을 직렬로 하여 카운터 플로의 흡·배기 장치를 채용하고 있는 엔진도 있었다. L형 시리즈는 이 직렬형의 밸브 배열을 가진 전형적인 예이다. 이 L형 엔진은 실린더 헤드에 직렬의 밸브를 배치하여 스윙 암(Swing Arm)을 갖추고 캠축은 스윙 암의 위를 통과한다.

V형 6기통 JF 엔진은 1실린더 3밸브를 채용하고 있다. 흡기 2개, 배기 1개의 3개의 밸브는 로커 암(Rocker Arm)을 통해서 구동되고 있다. 이밖에 2E형에서도 흡기 2개, 배기 1개의 3밸브를 채용하고 있으며, 소형·경량엔진에도 여러개의 밸브가 채용되는 경향이 있다.

또한 흡기 2개, 배기 2개의 1실린더 4밸브를 채용하고 있는 엔진은 고출력 엔진에 많으며, 예전에는 경주용 엔진과 극히 일부의 특수한 차뿐이었다. 최근에는 대량 생산의 고회전형 엔진은 대부분이 1실린더 4밸브를 채용하고 있다. 이 밸브 장치는 생산비가 높아지는 단점은 있지만, 흡기 2개, 배기 2개의 4밸브를 1개의 캠축으로 개폐하는 싱글 오버 헤드 캠 샤프트(SOHC, Single Over Head Cam Shaft)의 1실린더 4밸브 엔진의 개발로 복수 밸브가 보다 일반적인 엔진으로 바뀌어 가고 있다.

상기의 SOHC의 1실린더 4밸브 엔진은 하나의 캠 축 위로 로커 암을 16개 배열하여 흡기 2개, 배기 2개의 1실린더 4밸브를 실현하고 있다. 하나의 캠으로 4개의 밸브를 구동하는 최대의 장점은 DOHC에 비해 실린더 헤드를 작게 할 수 있는 것이다. 따라서 궁극적인 밸브 장치라고도 할 수 있는 1실린더 4밸브를 확실히 작동시키는 데는 흡기 밸브와 배기밸브에 각각의 전용 캠축을 적용하여야 한다. 이것이 바로 흡·배기 밸브에 전용의 캠축을 갖는 더블 오버 헤드 캠 샤프트(DOHC)이다.

더블 오버 헤드 캠 샤프트(DOHC)의 밸브 장치는 대부분이 1실린더 4밸브이며, 흡·배기 밸브는 캠이 직접 고동하고 있다. 이 결과 흡·배기 밸브의 고회전역의 추종은 좋고, 고회전에서도 확실한 밸브의 개폐가 된다. 또한 경주용 엔진에서는 더욱 흡·배기 밸브의 수를 증가한 1실린더 5밸브의 엔진도 볼 수 있으나, 이것은 매우 특수한 엔진이며, 현시점에서는 1실린더 4밸브 장치가 고출력 엔진으로서의 하나의 이상형이라고 할 수 있다.

한편 SV는 산업용 엔진으로서는 아직도 건재하지만, 승용차용 엔진으로서의 이 SV는 볼 수 없게 되었다. SV방식은 흡·배기 밸브를 실린더의 측면에 배치하고 있다. 이 때문에 SV엔진은 실린더 헤드에 복잡한 가공이 필요하지 않다. 밸브 장치를 실린더 블록과 분리하여 만들기 때문에 극히 초보적인 생산기술로 대응할 수 있었다. 흡·배기 밸브는 크랭크축의 측면에 있는 캠축에 의해 밸브 장치가 직접 구동된다. 밸브는 캠의 리프터(Lifter)에 의해 열리고, 밸브 스프링에 의해 닫힌다.

그리고 SV엔진의 연소실은 밸브의 직경이 커짐에 따라 확대해 버리므로 압축비를 높이는 것이 곤란하기 때문에 고출력 엔진을 만드는데는 부적당하다. 그러나 캠 밸브의 직접구동에 의해 밸브 장치는 간편하며 엔진 전체의 부품수가 적은 점도 있어, 한때는 가솔린 엔진의 주류를 이루고 있었다.

이와 같이 상기에 기술한 여러 엔진 스타일 중 제1도 및 제2도에서와 같이 싱글 오버 헤드 캠 샤프트(SOHC) 방식을 예로 들어 설명하면, 실린더 헤드(10) 부분에 설치된 캠 축(11)의 구동으로 이 캠 축(11)에 형성된 캠(12)에 의해 로커 암(13)이 작동되고, 그리고 이 로커 암(13)에 의해 흡·배기 밸브(14,15)가 작동된다. 이때 흡·배기 밸브(14,15)의 밸브스템(16)이 흡기포트(17)와 배기포트(18)를 열고 닫음으로서, 연료가스와 연소가스를 연소실(19)로 흡입하고, 배출시키는 역할을 한다.

한편 상기 싱글 오버 헤드 캠 샤프트 방식의 엔진은 더블 오버 헤드 캠 샤프트 방식의 엔진과 함께 현재 가장 널리 사용되는 것으로 더블 오버 헤드 캠 샤프트 방식의 엔진에 비해 캠 축(11)이 하나이므로 부품수가 적어 실린더 헤드(10)의 구조를 간편하게 할 수 있고, 또한 생산비용도 낮출 수 있다는 장점이 있다.

그러나 상기 싱글 오버 헤드 캠 샤프트 방식의 엔진 또한, 1기통당 4개의 로커 암(13)을 가지며, 캠 축(11)에도 4개의 캠(12) 모서리가 있고, 그리고 4개의 흡·배기 밸브(14,15)를 가지고 있으므로 더블 오버 헤드 캠 샤프트 방식의 엔진에 비해서는 구조가 단순하다고는 하나 싱글 오버 헤드 캠 샤프트 방식의 엔진도 역시 1기통당 흡·배기 밸브가 2개인 엔진에 비해서 부품수가 많아져 구조가 복잡하고, 생산비용 또한 증가하는 단점이 있다.

또한 로커 암(13) 및 흡·배기 밸브(14,15)가 1기통당 4개씩이 설치되어 있기 때문에 각 부품의 마찰에 의한 상당한 소음을 유발시키는 문제점이 발생한다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자동차 엔진의 연료가스 및 연소가스의 흡입과 배기를 위한 장치인 흡·배기 밸브를 캠축과 캠의 구동에 의한 왕복식 개폐밸브와 캠축의 구동에 의한 컵 형상의 회전식 흡·배기 개폐밸브를 구성하여, 엔진을 구성하는데 따른 부품의 감소와 이로 인한 제품의 생산비 절감으로 생산성의 향상이 있게 하고, 부품의 마찰에 의한 소음을 줄이고, 또한 흡·배기 효율이 좋은 엔진을 구성할 수 있도록 한 가솔린 엔진의 회전식 흡·배기 밸브 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상부보다 하부의 지름이 큰 형태로 상·하로 열린 상태의 상부 공간부와 하부 공간부가 형성되고, 상기 상부 공간부의 외측면이 실린더 헤드의 일측에 고정된 베어링에 의해 지지되어 회동·설치되며, 회전함에 따라 흡기포트와 배기포트를 통해서 혼합기와 연소가스를 순차적으로 흡·배기 하는 회전식 개폐밸브와; 상기 회전식 개폐밸브의 상·하부 공간부의 경계면에 밸브스템이 통과되도록 통공되어 형성된 밸브스템홈과; 상기 회전식 개폐밸브의 상부 공간부 상부면에 형성된 기어부와; 상기 회전식 개폐밸브의 하부에 외측면에서 하부 공간부로 일부분이 절개되어 혼합기와 연소가스를 흡·배기되도록 형성되는 흡·배기 절개홈과; 캠축의 일단에 설치되어 상기 회전식 개폐밸브의 상부 공간부 상부면에 형성된 기어부와 맞물리고, 캠축의 회전에 따라 상기 회전식 개폐밸브를 회전시키는 기어와; 상기 회전식 개폐밸브의 밸브스템홈을 통해서 설치되고, 캠에 의해 작동되어 연소실 내부로 흡입되는 혼합기와 연소실 내부에서 발생한 연소가스를 단속하는 왕복식 개폐밸브를 구비한 특징이 있다.

또한 상기 회전식 개폐밸브의 상부 공간부에는 밸브스템의 상부에 체결되어 왕복식 개폐밸브에 탄성력을 제공하는 밸브 스프링이 설치되도록 한 특징이 있다.

한편 상기 회전식 개폐밸브의 상부 공간부 상부면에 형성된 기어부에와 캠축의 일단에 설치된 기어의 맞물림은 두 중심이 교차하는 베벨기어로 형성된 특징이 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

제3도는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브 장치를 도시한 절개 단면도이고, 제4도는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브를 도시한 사시도이다. 그리고 제5도는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브 장치를 도시한 평면도이고, 제6도는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브 개폐시기 선도를 나타낸 것이다.

상기 도면에 따르는 본 발명의 회전식 흡·배기 밸브 장치는 상부보다 하부의 지름이 큰 형태로 상·하로 열린 상태의 상부 공간부(31)와 하부 공간부(32)가 형성된 회전식 개폐밸브(30)가 실린더 헤드(10)의 일측에 설치되어 이 회전식 개폐밸브(30)가 회전함에 따라 흡기포트(17)와 배기포트(18)를 통해서 혼합기와 연소가스를 순차적으로 흡·배기 한다.

이때 상기 상·하부 공간부(31,32)의 경계면에 통공되어 밸브스템홈(33)이 형성되고, 그리고 상기 회전시 개폐밸브(30)의 상부 공간부(31) 상부면에는 기어부(31a)가 형성된다. 또한 상기 회전식 개폐밸브(30)의 하부에 외측면에서 하부 공간부(32)로 일부분이 절개되어 혼합기와 연소가스를 흡·배기 되도록 하는 흡·배기 절개홈(32a)이 형성된다.

그리고 캠축(11)의 일단에 기어(40)가 설치되어 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상부 공간부(31) 상부면에 형성된 기어부(31a)와 맞물리고, 캠축(11)의 회전에 따라 상기 회전식 개폐밸브(30)를 회전시킨다. 이때 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상부 공간부 상부면에 형성된 기어부(31a)와 캠축(11)의 일단에 설치된 기어(40)의 맞물림은 두 중심이 교차하는 베벨기어(70)의 형태로 되어 있다.

한편 상기 회전식 개폐밸브(30)의 밸브스템홈(33)을 통해서 왕복식 개폐밸브(60)가 설치되고, 캠(12)에 의해 작동되어 연소실(19) 내부로 흡입되는 혼합기와 연소실(19) 내부에서 발생한 연소가스를 단속하게 된다.

그리고 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상부 외측면에는 베어링(50)이 설치되어 이 회전식 개폐밸브(30)가 실린더 헤드(10)에 설치·고정되도록 지지하며, 기어(40)에 의해 회전할 때 마찰력을 감소시켜 유연하게 회전되도록 한다.

한편 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상부 공간부(31)에는 밸브스템(61)의 상부에 체결되어 왕복식 개폐밸브(60)에 탄성력을 제공하는 밸브 스프링(62)이 설치된다.

이처럼 구성된 본 발명은 캠축(11)의 회전에 따라 기어(40)가 회전하고, 이 기어(40)와 맞물려 있는 회전식 개폐밸브(30)가 회전하여 흡기포트(17)로 유입된 혼합기를 흡·배기 절개홈(32a)을 통해서 하부 공간부(31)로 유입되게 한다.

이때 캠(12)은 왕복식 개폐밸브(60)를 작동하여 열리게 함으로서 회전식 개폐밸브(30)의 하부 공간부에 있는 혼합기를 연소실(19) 내부로 유입되도록 하여 흡기행정을 마친다. 이후에 왕복식 개폐밸브(60)가 닫히고, 연소실(19) 내부에서는 압축 및 폭발행정을 거쳐 연소가스를 생성시킨다.

한편 폭발행정을 거쳐 연소가스가 생성된 후에 캠(12)에 의해 왕복식 개폐밸브(60)가 작동하여 열리게 되므로서 연소실(19) 내부의 연소가스는 회전식 개폐밸브의 하부 공간부(32)로 배출된다. 이때 왕복식 개폐밸브(60)는 닫히고, 회전식 개폐밸브(30)는 회전하여 흡·배기 절개홈(32a)이 배기포트(18)와 대응되어 하부 공간부(32)에 있는 연소가스가 배기포트(18)로 배출된다. 이와 같이 배기행정을 마치고 다시 흡기행정으로 들어간다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 자동차 엔진의 연료가스 및 연소가스의 흡입과 배기를 위한 장치인 흡·배기 밸브를 캠축과 캠의 구동에 의한 왕복식 개폐밸브와 캠축의 구동에 의한 컵 형상의 회전식 흡·배기 개폐밸브를 구성하므로서, 엔진을 구성하는데 따른 부품의 감소와 이로 인한 제품의 생산비 절감으로 생산성의 향상이 있게 하는 효과가 있다. 또한 부품의 마찰에 의한 소음을 줄이고, 또한 흡·배기 효율이 좋은 엔진을 구성할 수 있는 효과가 발생한다.

Claims (3)

1. 상부보다 하부의 지름이 큰 형태로 상·하로 열린 상태의 상부 공간부(31)와 하부 공간부(32)가 형성되고, 상기 상부 공간부(31)의 외측면이 실린더 헤드(10)의 일측에 고정된 베어링(50)에 의해 지지되어 회동·설치되며, 회전함에 따라 흡기포트(17)와 배기포트(18)를 통해서 혼합기와 연소가스를 순차적으로 흡·배기 하는 회전식 개폐밸브(30)와; 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상·하부 공간부(31,32)의 경계면에 밸브스템(61)이 통과되도록 통공되어 형성된 밸브스템홈(33)과; 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상부 공간부(31) 상부면에 형성된 기어부(31a)와; 상기 회전식 개폐밸브(30)의 하부에 외측면에서 하부 공간부(32)로 일부분이 절개되어 혼합기와 연소가스를 흡·배기 되도록 형성되는 흡·배기 절개홈(32a)과; 캠축(11)의 일단에 설치되어 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상부 공간부(31) 상부면에 형성된 기어부(31a)와 맞물리고, 캠축(11)의 회전에 따라 상기 회전식 개폐밸브(30)를 회전시키는 기어(40)와; 상기 회전식 개폐밸브(30)의 밸브스템홈(33)을 통해서 설치되고, 캠(12)에 의해 작동되어 연소실(19) 내부로 흡입되는 혼합기와 연소실(19) 내부에서 발생한 연소가스를 단속하는 왕복식 개폐밸브(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 회전식 흡·배기 밸브 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상부 공간부(31)에는 밸브스템(61)의 상부에 체결되어 왕복식 개폐밸브(60)에 탄성력을 제공하는 밸브 스프링(62)이 설치되도록 한 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 회전식 흡·배기 밸브 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 회전식 개폐밸브(30)의 상부 공간부 상부면에 형성된 기어부(31a)와 캠축(11)의 일단에 설치된 기어(40)의 맞물림은 두 중심이 교차하는 베벨기어(70)로 형성한 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 회전식 흡·배기 밸브 장치.