KR0180605B1 - 센터 피봇 로커아암형 오버 헤드 밸브트레인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센터 피봇 로커아암형 오버 헤드 밸브트레인에 관한 것으로, 밸브 오픈 지속기간이 228 - 224 크랭크 디그리를 유지하도록하고, 오버랩 기간이 38 - 22 로 설정되도록 캠의 형상을 구비하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 의하면 캠의 형상과 밸브 타이밍 등을 변경시킴으로서 엔진의 저속 토크 개선하고 아이들링 특성을 개선할수 있는 효과를 가져올 수 있다.

Description

센터 피봇 로커아암형 오버 헤드 밸브트레인

제1도는 종래의 캠축을 나타낸 사시도.

제2도는 4 행정 엔진의 밸브 타이밍 다이어그램.

제3도는 본 발명에 따른 밸브 타이밍 및 최대 변위를 나타낸 표.

제4도는 본 발명에 따른 밸브 리프트 분석 결과를 나타낸 표.

제5도는 본 발명에 따른 밸브트레인의 운전 성능을 나타낸 표.

제6도는 본 발명에 따른 엔진의 성능을 나타낸 표이다.

본 발명은 센터 피봇 로커아암형 오버 헤드 밸브트레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캠의 형상과 밸브 타이밍 등을 변경시킴으로서 엔진의 저속 토크 특성을 개선하고 아이들링 특성을 개선하기위한 센터 피봇 로커암형 오버 헤드 밸브트레인에 관한 것이다.

일반적으로 캠 샤프트는 흡입밸브, 배기백브와 같은 수의 캠을 밸브 개폐시기에 맞춘 위치와 각도를 배려한 것으로 오버 헤드 밸브식에서는 크랭크 케이스의 측면부에, 오버 헤드 캠 샤프트식에서는 실린더 헤드부에 장치되어 있다.

캠 샤프트에는 제1도에 도시한 것처럼 3 - 4 개소의 저널부(100)와 저널부(100)에는 베어링(102)으로 지지되어 있으며, 앞부분에는 밸브 개폐시기를 나타내는 타이밍 마크를 새겨넣은 타이밍 기어(104)가 장치되어 있다. 그밖에 캠부에는 연료 펌프를 구동하는 캠(106)과 배저기를 구동하는 기어(108)가 설치되어 있다.

캠 샤프트의 재질에는 일반적으로 내마모성이 큰 주철이 사용되며, 장기간 사용하여도 캠 표면의 곡선이 변화하여 밸브 개폐시기나 밸브 리프터에 영향을 주지 않도록 캠의 표면은 경화되어 있다. 또한 저탄소강을 침탄한 것이나 중탄소강을 사용하여 캠 면을 화염 또는 고주파 담금질한 것도 사용된다.

캠은 캠 샤프트의 회전에 의해 밸브에 개폐운동을 부여하는 것으로 캠의 표면에 밸브 리프터 또는 로커 암이 접촉되어 운동을 전달한다. 캠의 형상에는 밸브가 열려 있는 시간과 밸브가 움직이는 양에 의해 적절한 형상의 것이 선택된다.

흡배기 뱁브는 연료가스를 실린더로 규칙적으로 보내고, 또 배기시키는 역할을 하고 있다. 4 행정의 엔진에서는 이 밸브 관계에 의해 흡입.압축.연소.배기가 확실하게 되고 있다. 엔진에 사용되고 있는 밸브 자체는 버섯과 같은 모양을 하고 있으며, 접시형의 밸브에 개폐를 위한 스템이라고 하는 로드가 일체로 연결되어 있다.

연료가스는 피스톤의 하강에 의해 생기는 부압으로 실린더내에 흡수되는데, 이때에는 흡기 밸브가 열려있다. 피스톤이 하사점까지 내려갔을 때 흡기 밸브는 닫히고 피스톤은 연료가스의 압축을 시작한다. 압축과 연소하는 동안에는 흡배기 밸브가 모두 닫혀 있으며 기밀을 유지해야 한다. 그리고 연소후의 배출가스는 피스톤의 상승과 열리는 배기밸브에서 배출된다.

밸브타이밍이랑 피스톤의 각행정에 대한 밸브 개폐시기를 말한다. 엔진은 밸브가 개폐함으로써 혼합기의 흡입, 압축, 연소가스가 배출을 하지만, 밸브의 개폐는 피스톤의 상사점이나 하사점에서 개폐하는 것이 아니다.

흡입밸브는 피스톤의 흡입행정 앞 즉, 상사점 전에서 열리고, 흡입행정 후 즉, 하사점 후 잠깐 있다가 닫는다. 이것은 흡입의 관성을 사용하여 혼합기를 될 수 있은 한 많은 실린더내에 충전하기 위한 것이다.

또한 배기밸브는 피스톤의 배기행정 전에 즉, 하사점 전에 열려서 연소가스를 신속하게 연소실에서 배출하고 또한 배기행정을 끝마치고 흡입행정으로 넘어간 직후 즉, 상사점 후에 닫힌다. 이것은 연소가스의 배출을 될 수 있는 한 완전히 하기 위한 것이다.

예시도면 제2도는 흡입밸브 및 배기밸브의 개폐시기를 크랭크 축의 회전각도로 나타낸 것으로서 밸브 타이밍 다이어그램(valve timming diagram)을 나타낸 것이며, 배기행정의 종료로부터 흡입행정의 초기에 있어서는 흡입밸브와 배기밸브가 함께 열려 있는 시간이 있다.

이것을 오버랩(over lap)이라고 하며 연소가스의 배출을 완전히 함과 동시에 혼합기의 충전효율을 높이기 위한 것이다.

일반적으로 오버랩(over lap)은 고속형 엔진 일수록 흡배기효율을 높이기 위하여 크게 하는 것이 요구된다.

또한 배기가스를 정화하는 면에서는 오버 랩을 크게하여 연소가스의 일부를 흡입혼합기중에 혼합시켜서 연소속도를 완만하게 하면 최고연소온도가 낮아져 (NOx)을 저감시킬 수 있다.

그러나 저속저부하의 상태에서는 혼합기의 불로바이에 의해 (탄화수소) (HC)가 증가함과 동시에 출력 저하를 가져오므로 각 엔진마다 최적의 오버랩이 만들어진다.

따라서 본 발명에서는 밸브의 개폐시기가 엔진 성능에 미치는 영향은 흡배기 유동의 맥동 효과로 인하여 엔진마다 독특한 특성을 지니고 있으므로 최적 밸브타이밍을 설정하기 위해서는 흡배기 유동의 맥동 효과에 대한 실험, 엔진 시뮬에이션, 등을 수행해야 하나 밸브 오픈 시간과 흡배기 밸브의 오버랩 시간을 줄이는 방향으로 캠의 형상을 개선하여 엔진의 저속 성능 특성을 개선하고 아이들링 특성을 개선하는데 본 발명의 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기위한 본 발명의 구성을 첨부된 예시도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 밸브 오프 지속시간이 228 - 244 크랭크 디그리를 유지하도록 하고, 오버랩 시간이 38 - 22로 설정되도록 캠의 형상을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

예시도면 제3도는 본 발명에 따른 캠의 타이밍 및 최대 변위를 비교한 표로서, 밸브 오픈 지속시간이 상대적으로 짧아 캠에 대한 밸브 리프트는 가속도 값을 줄여 주기 위하여 밸브트레인 변형을 고려하여 캠의 리프트 곡선을 다듬질했다.

예시도면 제4도는 본 발명에 따른 밸브 리프트 분석 결과를 나타낸 표로서, 캠의 밸브 변위, 속도, 가속도 특성등이 나타나 있으며, 밸브 리프트 곡선의 속도 값은 캠/태핏 접촉점의 위치와 밀접한 관계가 있으므로 캠/태핏 접촉점이 로커암의 캠 접촉부위에서 지나치게 바깥으로 벗어나 에지 콘텍트(Edge contact)가 발생하는 것을 방지하기 위해서 리프트 곡선의 속도 값을 제한할 필요가 있어 본 발명의 캠 형상의 속도값은 0.2227mm/dge를 벗어나지 않는 범위에서 설계되도록 하였다.

리프트 곡선의 가속도 값은 밸브트레인에 작용하는 다이나믹 로드, 캠 단면의 곡률 반경, 접촉 응력, 등 밸브트레인의 운전 성능과 매우 밀접한 관계가 있으므로 캠의 설계시 최대 가속도 값이 0.01567mm/deg2보다 크지 않도록 했으며, 밸브 오픈 지속기간이 지나치게 짧아서 가속도 값이 커지는 경우는 캠 형상 설계시 밸브트레인 변형을 고려하고 스무싱(Smoothing)하는 방법을 이용하여 최대 가속도 값을 조절했다.

또한 본발명의 캠을 장착한 밸브트레인의 내구성을 예측하기 위하여 운전 성능을 평가한 표가 예시도면 제5도에 도시되어 있는데 캠과 태핏 사이에 작용하는 하중은 밸브트레인의 내구성을 평가하는 중요한 척도이며 밸브트레인에 작용하는 하중은 밸브 스프링에 의한 힘과 밸브트레인 이동 질량에 의한 관성력으로 구둔되며, 관성력이 캠 축 회전 속도의 제곱에 비례하므로 밸브트레인에 작용하는 최대 하중은 최고 운전속도에서 발생하게 된다.

엔진의 최고 운전속도에서 캠과 태핏 사이의 최대 하중은 1294 N 수준을 유지하도록 하여 운전 중 밸브트레인 계의 심각한 공진 현상이 발생하지 않는 한 밸브트레인의 부품의 파손과 같은 극단적인 문제가 발생되지 않도록 했다.

또한 최고 운전 속도에서 캠과 태핏 사이에 작용하는 최소 하중은 밸브트레인의 점핑 현상의 가능성을 판단하는 척도인데 3000crpm에서 242 N을 유지하도록 했다.

스프링 마진은 점핑 현상을 포함한 밸브트레인의 비정상적인 거동 가능성을 판단하는 중요한 척도로서 운전 속도에서 최소 스프링 마진은 최소항 30% - 35%를 유지하도록 하여 한계 속도 부근에서 밸브트레인 내부의 공진 현상이 발생하지 않는 한 큰 문제는 없다.

캠/태핏 접촉 응력은 캠과 로커암 접촉 부위의 마모에 중요한 영향을 미치는데 접촉 응력의 한계는 접촉하는 두 물체의 재질, 열처리 조건, 경도, 접촉 형태, 등에 따라서 다르게 나타나므로 캠과 태핏 사이에 작용하는 접촉응력의 최대값은 최저 운전속도에서 발생되는데, 이는 운전 속도가 낮은 영역에서는 밸브스프링에 의한 힘이 캠/태핏 작용력의 주된 성분이며 최대 스프링 힘은 캠 단면이 뾰쪽한 지점, 즉 최대 변위점에서 발생된다. 따라서 최대 접촉응력은 400RPM으로 운전될 때 일반적인 깅의 슬라이딩 접촉에서 허용되는 782MPa수준을 유지하도록 설계했다.

슬라이딩 접촉의 경우 접촉 부위의 최소 유막 두께는 캠/태핏 마모량을 결정하는 중요한 변수이며 최소 유막두께는 일반적으로 캠과 로커암 접촉 부위의 미끄럼 상대 속도가 작은 저속 운전시 발생하므로 최소 유막 두께가 400rpm일 때 0.38마이크로미터보다 작아지지 않도록 설계했다.

캠의 단면의 양의 곡률 반경은 캠/태핏 접촉 응력에 영향을 미치며, 캠 단면의 음의 곡률반경은 언더 컷 현상으로 인하여 가공 가능성을 평가하는 척도가 되며, 음의 곡률 반경의 크기가 캠 크라인더 휠의 반경보다 작으면 휠이 오목한 부분과 접촉할 수 없으므로 가공이 불가능하므로 음의 곡률 반경에 대한 제한 조건은 반드시 지켜져야 한다. 따라서 본 발명에서도 캠의 곡률 반경이 -473.7mm 크게 하여 특정 곡률 반경으로 인한 가공상의 문제점이 발생되지 않도록 한다.

예시도면 제6도는 본 발명에 따른 엔진 성능을 나타낸 표로서, 다이나모메터시험 결과에 의하면 본 발명의 엔진은 엔진의 저속 토크 성능이 개선되면서도 고속에서의 최대 파워 특성의 손상이 없으며, 아이들 상태의 안정성이 크게 개선된 것으로 나타난 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 캠의 형성과 밸브 타이밍 등을 변경시킴으로서 엔진의 저속 토크 특성을 개선하고 아이들링 특성을 개선할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

Claims (1)

1. 센터피봇 로커아암형 오버 헤드 밸브트레인에 있어서, 밸브 오픈 지속시간이 228 - 244 크랭크 디그리(crank degree)를 유지하도록 하고, 오버랩 시간이 38 - 22로 설정되도록 캠의 곡률반경을 -473.7mm 크게한 것을 특징으로 하는 센터 피봇 로커아암형 오버헤드 밸브트레인.