KR100667395B1 - 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구에 관한 것으로, 저속아암(20)이 고속아암(10)의 내부에 포개지는 상태로 설치되고, 저속아암(20)의 롤러샤프트(21)와 고속아암(10)의 양측 원형실린더(12)에 압축핀(30), 센터핀(31) 및 리턴스프링(32)이 설치되는 한편, 고속아암(10)의 로커암샤프트보스(13)와, 사이드바디(14)를 통해 압축핀(30)이 내장된 원형실린더(12)쪽으로 오일통로가 형성되는 구조로 이루어져, 기구의 전체 폭이 감소되어 각 밸브마다의 개별적 제어가 가능해지고, 캠 저널부 등과의 간섭에 따른 설계 제약이 줄어들며, 오일유로 확보가 용이하고 래칭핀(상기 압축핀과 센터핀)의 지지점이 2개소이므로 래칭 작동의 신뢰성과 안정성이 향상된다.

Description

자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구{variable valve lift apparatus of engine for vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구의 사시도,

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 절개 사시도,

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 절개 사시도이다.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

1 : 로커암샤프트, 10 : 고속아암,

11 : 캠접촉부, 12 : 원형실린더,

13 : 로커암샤프트보스, 14 : 사이드바디,

15 : 오일공, 16 : 환형홈,

17 : 오일통로, 18,24 : 스프링지지판,

20 : 저속아암, 21 : 롤러샤프트,

22 : 롤러, 23 : 밸브가압단,

30 : 압축핀, 31 : 센터핀,

32 : 리턴스프링, 33 : 스프링캡,

40 : 로스트모션스프링.

본 발명은 자동차 엔진의 밸브 행정거리를 엔진 부하조건에 따라 조절하여 최적의 흡/배기 상태를 유지함으로써 엔진 성능을 향상시키는 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구에 관한 것이다.

엔진은 연소실내에서 외기의 유입과 연소가스의 배출 작용이 완전하고도 신속하게 이루어져야 높은 출력을 낼 수 있다.

그러나, 흡/배기 밸브의 작동상태가 일정한 패턴으로 고정되어 있는 상태에서는 엔진 부하에 따라 외기와 연소가스의 흡입 및 배출작용이 최선으로 제어될 수 없다.

따라서 최근 가변 밸브 리프트(VVL ; Variable Valve Lift)의 적용이 점차 증가되는 추세에 있다.

현재 존재하는 대표적인 가변 밸브 리프트 기구로서 로커암(Rocker Arm) 방식으로는 두 개의 로커암 사이에 고속캠용 로커암을 장착하고 고속캠과의 연결을 핀을 통해 제어하여 리프트를 변환하는 혼다(Honda)의 것과, 고속캠과 슬라이딩 접촉하며 왕복운동하는 고속캠용 팔로워(follower)에 핀을 삽입하는 방식으로 구성된 도요타(Toyota)의 것이 있다.

그러나, 상기 두 방식 모두 한 쌍을 이루는 두 개의 밸브(흡기밸브쌍, 배기밸브쌍)를 동시에 연결하는 방식으로 각 밸브의 개별적인 제어가 불가하고, 이를 위해서는 추가적인 기구가 필요하였으며, 헤드 설계시 캠 저널부 등과의 간섭에 의한 제약이 발생하는 단점이 있었다.

또한, 상기한 방식의 것 이외에 각 밸브를 독립적으로 제어하는 스윙암(Swing Arm) 방식의 기구도 있는데, 이 경우 래칭(Latching) 시스템에 유압을 공급하기가 난해하여 래칭 신뢰성이 떨어지며, 상기한 로커암 방식의 기구에 비해 충분한 강성을 확보하기가 어렵다는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 기존 로커암 방식의 밸브 리프트 기구에 대하여 각 밸브의 독립적인 제어가 가능하고, 이로 인해 헤드의 캠 저널부 위치 등에 대한 제약이 적으며, 기존 스윙암 방식의 밸브 리프트 기구에 대하여 오일 유로 확보가 용이하여 래칭 신뢰성이 향상될 수 있도록 된 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

바닥판과 양측 수직판으로 이루어진 바디가 로커암샤프트에 회동가능하게 장착되고, 양측 수직판의 단부 상측에는 고속캠에 접촉되는 캠접촉부가 형성되며, 양측 캠접촉부의 하부에는 원형실린더가 형성되고, 일측 원형실린더와 상기 수직판에 형성된 로커암샤프트보스를 연결하는 사이드바디가 형성되며, 상기 로커암샤프트와 상기 로커암샤프트보스와 상기 사이드바디에는 상기 로커암샤프트의 내부 공간과 상기 일측 원형실린더를 연통시키는 오일공, 환형홈, 오일통로가 각각 형성된 고속 아암과;

상기 고속아암의 양측 수직판 사이에 위치되어 상기 로커암샤프트에 회동가능하게 장착되고, 상기 고속아암의 양측 원형실린더와 동일한 내경을 가진 롤러샤프트가 설치되며, 이 롤러샤프트에 저속캠에 접촉되는 롤러가 구비되고, 이 롤러의 앞쪽으로 밸브가압단이 형성된 저속아암과;

상기 고속아암의 오일통로가 연결된 일측 원형실린더에 내장된 압축핀과;

상기 저속아암의 롤러샤프트에 내장된 센터핀과;

상기 고속아암의 타측 원형실린더에 내장된 리턴스프링을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 리턴스프링에는 상기 센터핀과 동일한 외경을 가지고 센터핀의 일단에 맞닿으며, 상기 리턴스프링이 내장된 원형실린더에 삽입되어 이를 따라 슬라이딩 이동되는 스프링캡이 구비된다.

그리고, 상기 고속아암과 저속아암의 로커암샤프트쪽 단부에는 상호 마주보는 스프링지지판이 형성되고, 이 스프링지지판의 사이에 로스트모션스프링이 설치된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 절개 사시도이며, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 절개 사시도로서, 도 1 내지 도 3을 동시에 참조하면서 설명하기로 한다.

본 발명은 가변 밸브리프트 기구로서 고속캠에 연동되는 고속아암(10)과, 저 속캠에 연동되는 저속아암(20)과, 이들을 상호 결합 및 분리시키기 위한 래칭핀(Latching pin)을 구비하게 된다.

상기 고속아암(10)은 바닥판과 양측 수직판을 갖추어 대략 "U"형상 단면의 바디(body)로 이루어진다.

상기 고속아암(10) 양측 수직판의 일측 단부의 상측에는 고속캠이 접촉되는 캠접촉부(11)가 완만한 곡면으로 형성된다.

또한, 상기 양측 수직판에는 상기 양쪽 캠접촉부(11)의 아래쪽에 상호 마주보는 원형실린더(12)가 돌출 형성된다. 이 원형실린더(12)들의 내경은 동일하다.

상기 원형실린더(12)들이 형성된 단부의 반대쪽 단부에는 로커암샤프트(1)가 관통되어 있는데, 일측 수직판에는 로커암샤프트보스(13)가 형성되며, 이와 연결되어 동일한 수직판에 사이드바디(14)가 돌출형성되는데, 상기 로커암샤프트보스(13)와 같은 수직판에 형성된 원형실린더(12)는 상기 사이드바디(14)로써 일체로 연결된다.

그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 로커암샤프트(1)는 중공샤프트로서 내부로 작동오일이 공급되도록 되어 있는 바, 상기 로커암샤프트(1)에는 오일공(15)이 형성되고, 이 오일공(15)과 접하는 상기 로커암샤프트보스(13)의 내경면에는 환형홈(16 ; 이 환형홈은 로커암샤프트(1)의 외경면에 형성될 수도 있다.)이 형성되며, 상기 사이드바디(14)에는 상기 환형홈(16)과 상기 원형실린더(12)를 연결하는 오일통로(17)가 형성된다.

상기 오일통로(17)는 상기 원형실린더(12) 내부공간의 가장 바깥쪽 부분에 연결된다.

한편, 상기 저속아암(20)의 바디 역시 상기 고속아암(10)의 바디와 동일한 형상의 단면구조를 가진다. 즉, 바닥판과 양측 수직판을 가지는 형상이다.

따라서, 상기 저속아암(20)은 양측 수직판이 상기 고속아암(10)의 양측 수직판에 접하도록 고속아암(10)의 바디 내부에 설치된다. 일측 단부에 상기 로커암샤프트(1)가 관통되어 회동 가능하도록 설치됨은 물론이다.

상기 저속아암(20)의 양측 수직판에는 상기 고속아암(10)의 양측 원형실린더(12) 사이 부분에 원형실린더(12)와 동일한 내경을 가진 중공의 롤러샤프트(21)가 설치되며, 상기 롤러샤프트(21)에는 저속캠이 접촉되어 저속아암(20)을 작동시키는 롤러(22)가 구비된다. 이 롤러(22)는 저속아암(20)의 바닥판에 형성된 구멍을 통해 하방으로 돌출되어 저속아암(20) 회동시 고속아암(10)의 바닥판에 접할 수 있다.

물론, 상기 롤러(22)가 작게 형성되어 저속아암(20)의 바닥판 상부 공간에만 위치되어도 무방하다.

그리고, 상기 저속아암(20)의 일측 단부(로커암샤프트(1)가 관통된 단부와 반대쪽 단부)는 고속아암(10)의 바디 외측으로 돌출 성형되어 밸브(도시하지 않음)의 상단을 눌러주는 밸브가압단(23)으로 형성된다.

한편, 상기 래칭핀은 상기 고속아암(10)의 일측 원형실린더(12)에 내장되는 압축핀(30)과, 상기 저속아암(20)의 롤러샤프트(21)에 내장되는 센터핀(31)으로 구성되는데, 상기 압축핀(30)과 센터핀(31)은 항상 맞닿아 있다.

상기 압축핀(30)은 일측 단면이 고속아암(10)의 수직판 내측면과 동일면에 위치하였을 때 상기 오일통로(17)가 연결되는 부분을 가리지 않는 길이를 갖는다.

상기 센터핀(31)은 유압이 전달되지 않는 상태에서, 저속아암(20)의 롤러샤프트(21) 내부에만 위치되는 길이를 갖는다. 즉, 상기 센터핀(31)이 중앙에 위치하였을 때 그 양단은 저속아암(20) 수직판의 외측면을 벗어나지 않고, 또한 상기 원형실린더(12)의 공간을 침범하지 않는다.

상기 압축핀(30)이 내장된 원형실린더(12)의 반대쪽 원형실린더(12)에는 리턴스프링(32)이 내장되어, 유압에 의한 작동 후(도 2에서 왼쪽방향) 센터핀(31)을 원위치시키는 역할을 한다.

상기 리턴스프링(32)에는 이의 일측 단부를 덮는 스프링캡(33)이 구비되는데, 이 스프링캡(33)은 상기 센터핀(31)과 동일한 외경(원형실린더(12)의 내경과 같은 지름)의 원통형으로 형성되어 원형실린더(12)에 삽입되어 슬라이딩 이동되며, 리턴스프링(32)이 압축되지 않은 평형상태에서 센터핀(31)과 맞닿은 일측 단면이 해당 수직판의 내측면과 동일면상에 위치하게 된다. 즉, 삽입된 원형실린더(12)의 공간을 벗어나지 않는다.

한편, 상기 고속아암(10)과 저속아암(20)의 후단부 즉, 로커암샤프트(1)가 관통된 쪽의 단부에는 각각 단순한 평판 형상으로 스프링지지판(18,24)이 형성된다.

상기 스프링지지판(18,24)들은 상호 마주보게 되며, 이들의 사이에는 코일스프링인 로스트모션스프링(40 ; Lost Motion Spring)이 구비된다.

이제, 본 발명의 작동을 설명한다.

본 발명에 따른 밸브 리프트 기구를 작동시키기 위하여 캠샤프트에는 상기 롤러(22) 상부에 짧은 장반경의 프로파일(profile)을 갖는 저속캠이 형성되고, 이기 저속캠의 양 옆에 인접하여 저속캠보다 긴 장반경의 프로파일을 갖는 고속캠이 형성된다.

엔진의 저속 부분 부하 운전시, 로커암샤프트(1)의 내부에는 유압이 생성되지 않는다.

따라서, 압축핀(30)과 센터핀(31)은 각각 원형실린더(12)와 롤러샤프트(21)의 내측에만 위치해 있게 되며, 이로써 고속아암(10)과 저속아암(20)은 상호 분리된 상태를 유지하면서 각자 독립적으로 거동된다.

따라서, 고속캠에 의한 고속아암(10)의 작동은 저속아암(20)에 영향을 주지 못하며, 저속아암(20)은 롤러(22)를 가압하는 저속캠의 프로파일에 의해서만 로커암샤프트(1)를 중심으로 회동하게 된다.

즉, 저속캠에 의해 저속아암(20)이 하방으로 눌려지는 것에 의해서 저속아암(20)의 밸브가압단(23)이 그 하면에 접촉해 있는 밸브를 눌러주게 되며, 이에 의해 밸브는 저속캠의 프로파일을 따라 개폐된다. 저속아암(20)의 원위치 복귀 및 롤러(22)의 저속캠과의 접촉 상태 유지는 밸브스템에 설치된 리턴스프링에 의해 이루어지게 된다.

이때, 고속캠의 회전을 캠접촉부(11)를 통해 전달받는 고속아암(10)은 밸브의 개폐에 영향을 주지 않는 로스트모션(lost motion)을 취하게 되며, 고속캠과의 접촉 후 상기 로스트모션스프링(40)의 복원력에 의하여 원위치되면서 항상 고속캠 에 접해 있게 된다.

한편, 엔진의 고속 전부하 운전시에는 로커암샤프트(1)의 내부로 전달된 유압이 오일공(15)→환형홈(16)→오일통로(17)를 통하여 원형실린더(12)내로 전달되며, 이에 의해 상기 압축핀(30)이 전진하면서 센터핀(31)을 밀어주게 된다.

따라서, 상기 압축핀(30)과 센터핀(31)이 각각 고속아암(10)과 저속아암(20)의 양쪽 수직판들에 걸쳐져 있게 됨으로써 고속아암(10)과 저속아암(20)이 일체로 결합된다.

이때는 캠접촉부(11)에 접촉되어 있는 고속캠에 의해 고속아암(10)이 연동되면, 이 고속아암(10)과 동일하게 저속아암(20)이 움직이게 되므로 결국 밸브가압단(23)에 의해 눌려지는 밸브는 상기 고속캠의 프로파일을 따라 개폐되게 되며, 상기 고속캠에 비해 상대적으로 짧은 프로파일을 갖는 저속캠은 밸브의 개폐에 영향을 주지 못한다.

이후, 엔진이 다시 저속 부분 부하 운전상태로 전환되면, 로커암샤프트(1)에 연결된 원형실린더(12)내 압력이 소멸되고, 따라서, 상기 리턴스프링(32)의 복원력에 의해 센터핀(31)과 압축핀(30)이 원위치로 복귀됨으로써 고속아암(10)과 저속아암(20)의 결합상태가 해제되어 밸브는 저속캠의 프로파일에 따라 개폐된다.

한편, 상기 리턴스프링(32)에 구비된 스프링캡(33)은 원형실린더(12)의 내경면을 따라 슬라이딩 이동됨으로써 작동시 원형실린더(12)내에서 리턴스프링(32)의 설치상태를 안정적으로 유지하고, 리턴스프링(32)과 센터핀(31)의 사이에서 양자간에 작용하는 힘이 안정적으로 전달될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.

상기와 같은 구성의 가변 밸브 리프트 기구는 고속아암(10)의 바디 내부에 저속아암(20)의 바디가 겹쳐져 설치됨으로써 그 좌우 폭이 종래의 가변 밸브 리프트 기구보다 크게 감소하게 된다.

따라서, 4밸브 시스템의 한쪽 밸브쌍(흡기밸브쌍 또는 배기밸브쌍)의 각 밸브마다 일체형이 아닌 전용의 밸브 리프트 기구를 설치하는 것이 가능하여 각 밸브를 모두 독립적으로 제어하는 것이 가능하다.

또한, 상기와 같이 각 밸브가 독립적으로 제어됨으로써 종래 로커암 방식 가변 밸브 리프트 기구에서와 같이 독립제어를 위한 추가적인 기구가 필요 없게 됨으로써 전체적인 기구의 구성이 단순화되어 캠 저널부 등과의 간섭이 줄어들게 된다.

한편, 종래의 스윙암 방식 가변 밸브 리프트 기구에 비하여 오일의 유로를 간단한 구조로써 안정적으로 확보할 수 있게 됨으로써 엔진 부하에 따른 래칭핀의 래칭 작동이 정확하게 이루어지게 된다.

또한, 압축핀과 센터핀이 모두 고속아암과 저속아암을 결합시키는 역할을 하게 됨으로써 보다 안정된 래칭상태의 유지가 가능하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기존 로커암 방식의 밸브 리프트 기구에 대하여 각 밸브의 독립적인 제어가 가능하고, 이로 인해 헤드의 캠 저널부 위치 등에 대한 제약이 적으며, 기존 스윙암 방식의 밸브 리프트 기구에 대하여 오일 유로 확보가 용이하여 래칭 신뢰성이 향상되고, 래칭핀이 2점 지지되므로 래칭 안정성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 바닥판과 양측 수직판으로 이루어진 바디가 로커암샤프트에 회동가능하게 장착되고, 양측 수직판의 단부 상측에는 고속캠에 접촉되는 캠접촉부가 형성되며, 양측 캠접촉부의 하부에는 원형실린더가 형성되고, 일측 원형실린더와 상기 수직판에 형성된 로커암샤프트보스를 연결하는 사이드바디가 형성되며, 상기 로커암샤프트와 상기 로커암샤프트보스와 상기 사이드바디에는 상기 로커암샤프트의 내부 공간과 상기 일측 원형실린더를 연통시키는 오일공, 환형홈, 오일통로가 각각 형성된 고속아암과;

   상기 고속아암의 양측 수직판 사이에 위치되어 상기 로커암샤프트에 회동가능하게 장착되고, 상기 고속아암의 양측 원형실린더와 동일한 내경을 가진 롤러샤프트가 설치되며, 이 롤러샤프트에 저속캠에 접촉되는 롤러가 구비되고, 이 롤러의 앞쪽으로 밸브가압단이 형성된 저속아암과;

   상기 고속아암의 오일통로가 연결된 일측 원형실린더에 내장된 압축핀과;

   상기 저속아암의 롤러샤프트에 내장된 센터핀과;

   상기 고속아암의 타측 원형실린더에 내장된 리턴스프링을 포함하여 구성되는 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구.
2. 제 1항에 있어서, 상기 리턴스프링에는 상기 센터핀과 동일한 외경을 가지고 센터핀의 일단에 맞닿으며, 상기 리턴스프링이 내장된 원형실린더에 삽입되어 이를 따라 슬라이딩 이동되는 스프링캡이 구비되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구.
3. 제 1항에 있어서, 상기 고속아암과 저속아암의 로커암샤프트쪽 단부에는 상호 마주보는 스프링지지판이 형성되고, 이 스프링지지판의 사이에 로스트모션스프링이 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 가변 밸브 리프트 기구.

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