KR100807129B1 - 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치 - Google Patents

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Abstract

각각의 실린더 (2) 에 제공되며 선형 운동을 통해 각각의 실린더의 밸브 (3) 를 구동하는 캠 기구 (13) 를 통해 밸브구동원에서 출력되는 회전 운동을 선형 운동으로 전환하는 밸브 구동 장치 (10) 로서, 밸브 구동 장치에는 밸브의 밸브개방기간이 오버랩되지 않는 다수의 실린더를 포함하는 일 군의 실린더의 밸브구동원으로서 공용되는 전기 모터 (11, 12); 및 전기 모터 (11, 12) 의 회전 운동을 상기 실린더 군의 각각의 캠 기구 (13) 의 캠 (16) 에 전달하는 운동전달기구 (14, 15) 가 설치되어있다.
Figure R1020067027884
밸브 구동 장치

Description

다기통 내연기관용 밸브 구동 장치 {VALVE GEAR FOR MULTI-CYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 다기통 내연기관에 사용되며 내연기관의 각각의 실린더의 밸브를 개폐하도록 구동하는 밸브 구동 장치에 관한 것이다.
예컨대, 일본특허공보 제 1989 - 16964 호에, 스텝 모터로 흡기밸브 또는 배기밸브 중 적어도 하나는 구동하는 밸브 구동 장치의 일 형태가 개시되어있다. 예컨대, 일본실용신안공개공보 제 1990 - 27123 호에는, 각각의 밸브에 대해, 전기 모터 및 전기 모터의 회전 운동을 밸브의 선형 운동으로 전환하는 캠 기구를 포함하는 다른 형태의 밸브 구동 장치가 개시되어있다. 또한, 일본국내단계특허공보 제 2002 - 500311 호는 선행 인용문서로서 본 발명과 관련이 있다.
다기통 내연기관의 다수의 실린더의 밸브 구동원으로서 전기 모터를 공유하는 경우에 있어 밸브의 작동 특성을 변화시키도록 전기 모터가 제어되는 때에, 밸브의 밸브개방기간이 변화되면서 그 밸브개방기간이 오버랩되는 다른 밸브들의 작동 특성에 모터가 영향을 줄 수 있다. 따라서, 밸브의 작동 특성 제어의 유연성이 한정된다. 한편, 각각의 밸브에 전기 모터가 사용될 경우, 밸브의 작동 특성은 각각의 밸브에 대해 유연하게 변화할 수 있다. 그러나, 전기 모터의 수가 증가함으로써, 밸브 구동 장치가 대형화되고 밸브 구동 장치를 차량에 장착하는데에 제약이 커진다.
본 발명의 목적은 밸브의 작동 특성을 유연하게 제어할 수 있는 소형화된 밸브 구동 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 양태에 따른 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치는, 밸브구동원에서 출력되는 회전 운동을 각각의 실린더에 제공된 운동전환 장치를 통해 선형 운동으로 전환하고, 선형 운동으로 각각의 실린더의 밸브를 구동하며, 밸브의 밸브개방기간이 오버랩되지 않는 다수의 실린더를 포함하는 실린더 군에서 밸브구동원으로서 공용되는 전기 모터를 포함한다.
상기 밸브 구동 장치에 따라, 하나의 전기 모터가 다수의 실린더에서 밸브구동원으로 공용되기 때문에, 각각의 실린더에 전기 모터가 제공되는 경우에 비하여 장치가 소형화되고 밸브 구동 장치 장착의 제약이 완화된다. 또한, 전기 모터를 공유하는 실린더 군에서 밸브개방기간이 오버랩되지않고, 이에 따라 밸브의 밸브개방기간 사이에는 모든 밸브가 밀폐되는 기간이 존재한다. 그러므로, 전기 모터의 회전 속도 및 방향을 변화시킴으로써 실린더 군의 실린더의 밸브 (흡기밸브 또는 배기밸브 중 어느 하나) 의 작동 특성이 바뀐 경우, 이전에 개방된 밸브가 밀폐되는 시간과 다음에 개방되는 밸브가 개방되는 시간 사이 (모든 밸브가 밀폐되어있는 기간) 의 기간에 이전의 변화를 상쇄시키도록 전기 모터의 회전을 더 변화시킴으로써 다음에 개방되는 밸브의 작동 특성에 대한 이전에 개방된 밸브의 작동 특성 변화의 영향이 상쇄된다. 예컨대, 밸브의 작용각을 감소시키도록 밸브의 밸브개방기간에 전기 모터가 가속되는 경우, 다음 밸브가 개방되기 전에 가속된 양에 대응하여 전기 모터를 감속함으로써 다음 밸브의 개방의 개시점의 위치가 바뀌지 않는다. 전기 모터를 제어함으로써, 이전의 밸브에서와 유사한 변화 또는 작용각에서의 독특한 변화가 다음 밸브에 제공된다. 또한, 전기 모터의 정지 및 역회전을 조합함으로써 밸브의 작동 특성이 바뀐 경우, 다음 밸브가 개방되기 이전에 이전의 변화를 상쇄하도록 전기 모터의 회전을 제어함으로써 다른 밸브의 작동에 영향을 주지않고 각각의 밸브의 작동이 제어된다. 이와 같이, 각각의 실린더의 작동 특성이 유연하게 제어될 수 있다. 여기서 설명한 회전 속도의 변화는 회전 속도를 0 으로 제어하는, 즉 전기 모터의 회전을 멈추는 개념을 포함한다는 것을 유의해야 한다.
본 발명의 밸브 구동 장치의 양태에서, 밸브 구동 장치는 전기 모터의 회전 운동을 실린더 군의 각각의 운동전환 장치의 회전체에 전달하는 운동전달기구를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 밸브 구동 장치의 양태에서, 실린더 군의 각각의 밸브를 구동할 때에 발생하는 구동 토크를 감소시키는 토크저감기구가 실린더 군에 공용될 수 있다. 전기 모터가 실린더 군의 실린더에 공용될 때, 각각의 실린더의 밸브 구동시 전기 모터의 회전 저항으로 나타나는 각각의 토크가 공용 토크저감기구에 의해 모두 감소될 수 있다. 이와 같이, 토크저감기구의 공용은 것은 밸브 구동 장치가 대형화되는 것을 방지하고 차량에 밸브 구동 장치를 장착하는데에 제약을 완화시킨다.
운동전달기구에는 실린더 군의 운동전달 장치의 회전체들을 서로 연결하는 전달 축이 제공될 수 있고, 전기 모터는 회전 운동을 운동전달 축에 전달하도록 운동전달 축에 연결될 수 있다. 이러한 구성에 따라, 운동전달 축에 전기 모터를 연결함으로써 다수의 실린더의 각각의 운동전달 장치에 회전 운동이 균일하게 전달될 수 있다.
본 발명에 있어서, 내연기관은 외측 실린더 쌍 사이의 점화 간격이 실린더의 점화 순서에 있어 크랭크 각 360°로 설정되는 등간격 점화식 직렬 4 기통 4 행정사이클 내연기관으로 구성될 수 있다. 이 경우, 전기 모터로서 외측 실린더 쌍으로 구성되는 제 1 군 실린더의 운동전환 장치에 공용되는 제 1 전기 모터 및 내측 실린더 쌍으로 구성되는 제 2 군 실린더의 운동전환 장치에 공용되는 제 2 전기 모터를 제공하고 운동전달기구로서 제 1 전기 모터의 회전 운동을 제 1 군 실린더의 각각의 운동전환 장치의 회전체에 전달하는 제 1 운동전달기구 및 제 2 전기 모터의 회전 운동을 제 2 군 실린더의 각각의 운동전환 장치의 회전체에 전달하는 제 2 운동전달기구를 제공함으로써 본 발명의 양태에 따른 밸브 구동 장치가 달성된다. 이러한 구성에 있어서, "4 행정사이클" 은 크랭크가 2 회 회전하는 동안 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 행정이 연속해서 발생하는 작동을 의미한다. 밸브의 작동 특성의 제어를 통해 크랭크축이 1 회 회전하는 동안 4 개의 행정이 일어나는 2 행정 사이클로 사이클이 전환될 수 있어도, 사이클이 4 행정 사이클 작동이 실행되는 경우를 포함하는 한은 사이클은 여전히 4 행정 사이클로 분류된다.
상기 양태에 더하여, 제 1 운동전달기구에는 제 1 군 실린더의 각각의 운동전환 장치의 회전체들을 연결하는 제 1 운동전달 축이 설치될 수 있고, 제 2 운동전달기구에는 제 2 군 실린더의 각각의 운동전환 장치의 회전체들을 연결하는 제 2 운동전달 축이 설치될 수 있다. 제 2 운동전달 축은 제 1 운동전달 축의 외측에 동축으로 위치할 수 있고, 제 1 전기 모터는 회전 운동을 제 1 운동전달 축에 전달하도록 제 1 운동전달 축에 연결될 수 있으며, 제 2 전기 모터는 회전 운동을 제 2 운동전달 축에 전달하도록 제 2 운동전달 축에 연결될 수 있다. 이러한 구성에 따라, 제 1 군 실린더의 실린더들이 제 2 군 실린더에 의해 서로 분리되어도, 제 1 전기 모터의 회전 운동은 제 1 군 실린더의 각각의 실린더의 운동전환 장치에 전달될 수 있다. 제 2 군 실린더의 주변에 전기 모터를 연결함으로써 제 2 군 실린더에도 회전 운동이 전달될 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 내연기관은 등간격 점화식 6 기통 4 행정사이클 내연기관으로 구성될 수 있다. 이 경우, 실린더 군은 각각의 실린더 사이의 점화 시기가 실린더의 점화 순서에 있어 크랭크 각으로 360°로 설정되는 실린더들로 구성될 수 있으며, 전기 모터 및 전달 기구가 각각의 실린더에 제공될 수 있다. 이러한 구성에 따라, 1 개의 실린더 군의 각각의 밸브의 개방 시간 사이에 모든 밸브에 대한 밀폐 시간을 충분히 제공함으로써 본 발명이 달성될 수 있다. 그러나, 밸브의 어떤 작용각에서는, 크랭크 각 360°미만의 점화 간격을 갖는 2 개 이상의 실린더가 1 개의 실린더 군에 포함될 수 있다. 4 행정사이클의 의미는 상기와 동일하다.
본 발명의 밸브 구동 장치의 양태에 있어서, 예컨대, 운동전환 장치로서 캠 기구가 사용될 수 있고, 캠 기구의 캠이 운동전환 장치의 회전체로 다뤄질 수 있다. 즉, 밸브를 작동시키며 밸브개방기간이 전기 모터에 의해 서로 오버랩되지 않는 각각의 실린더에 제공되어있는 캠의 작동에 의해 밸브 구동 장치가 구성될 수 있다.
본 발명의 양태에 있어서, 밸브 구동 장치는 전기 모터의 1 이상의 회전 속도 및 회전 방향을 변화시킴으로써 실린더 군의 각각의 밸브의 작동 특성을 제어하는 제어 장치를 더 포함할 수 있다. 밸브개방기간이 오버랩되지않는 다수의 실린더로 구성되는 다수의 실린더 군 각각의 밸브에 대한 밸브구동원으로서 전기 모터가 사용되는 경우, 제어 장치는 각각의 전기 모터의 1 이상의 회전 속도 또는 회전 방향을 변화시킴으로써 실린더 군의 각각의 밸브를 제어할 수 있다.
상기 양태에 더하여, 밸브 구동 장치는 전기 모터에서 출력되는 회전 운동을 밸브의 선형 운동으로 전환하는 캠 기구를 포함할 수 있고, 제어 장치는 각각의 밸브의 리프트 양이 최대가 될 때 밸브를 구동하는 캠의 회전 속도가 최대 또는 최소가 되도록 회전 속도를 변화시키면서 캠 기구의 캠이 동일한 방향으로 계속 회전하도록 전기 모터를 제어할 수 있다. 이 경우, 밸브의 작용각은 회전 속도를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 또한, 작용각을 변화시켜 획득된 밸브의 리프트 양의 변화에서, 리프트 양이 최대가 될 때 회전 속도를 최대화하거나 최소화하도록 회전 속도의 변화를 제어함으로써 작용각의 조정 범위가 최대화될 수 있다. 다수의 실린더 군 각각에 전기 모터가 사용될 때, 바람직하게는, 제어 장치는 전기 모터 중 하나를 상기와 같이 제어한다.
또한, 상기 양태에 있어서, 밸브 구동 장치는 전기 모터에서 출력되는 회전 운동을 밸브의 선형 운동으로 전환하는 캠 기구를 포함할 수 있고, 각각의 실린더 군은 2 개의 실린더로 구성될 수 있으며, 전기 모터가 실린더 군의 실린더의 캠 기구의 캠에 의해 최대 리프트 양이 주어지는 위치와 동일 실린더 군의 또 다른 실린더의 캠 기구의 캠에 의해 최대 리프트 양이 주어지는 위치 사이의 범위 내에서 요동량을 바꾸면서 반대되는 2 방향으로 요동하도록 제어 장치는 전기 모터를 구동할 수 있다. 상기 구성에 따라, 캠의 요동을 통하여, 각각의 실린더의 밸브의 피크 리프트 양은 캠에 의해 주어지는 최대 리프트 양 이하로 제어될 수 있다. 피크 리프트 량은 전기 모터의 요동량을 변화시킴으로써 계속 변화될 수 있다. 또한, 다수의 전기 모터가 다수의 실린더 군 각각에 사용되고 실린더 군 각각이 2 개의 실린더를 구비할 때, 바람직하게는, 제어 장치는 상기와 같이 각각의 전기 모터를 제어한다.
상기 양태에 있어서, 제어 장치는 요동 중에 전기 모터의 회전 속도를 더 변화시킬 수 있다. 요동 중에 회전 속도를 변화시킴으로써 밸브의 작용각은 계속 변화될 수 있다. 따라서, 흡기밸브는 흡기밸브의 제어시 리프트 양 및 작용각을 감소시킴으로써 흡기량을 감소시키는 작동 특성이 제공되고, 이에 따라 스로틀 밸브와 같은 흡기 스로틀을 개방함으로써 펌핑 손실이 감소될 수 있다. 다수의 전기 모터가 다수의 실린더 군에 사용될 때, 제어 장치는 요동시 전기 모터의 회전 속도를 더 변화시킬 수 있다.
또한, 요동 제어에 있어서, 제어 장치는 밸브 구동 중에 실린더 군의 캠의 노즈부의 헤드의 양측을 교대로 사용하도록 전기 모터를 제어할 수 있다. 요동 제어에 있어서, 각각의 실린더의 밸브는 캠 노즈부의 헤드의 일측만을 사용하여 개폐될 수 있지만, 윤활 또는 마모가 사용된 측으로 편중되는 경향이 있다. 이와 달리, 양측이 교대로 사용될 때, 윤활 또는 마모의 편중이 방지될 수 있다. 또한, '교대로' 는 소정 기간에 양측을 번갈아 사용하여 밸브를 구동하는 것을 말하며 캠을 개폐할 때마다 양측이 번갈아 사용되는 경우로 한정되지 않는다. 기간의 변화는 요동 시간 및 횟수와 같은 변수에 따라 달라진다. 다수의 전기 모터가 다수의 실린더 군에 사용될 때, 제어 장치는 각각의 실린더 군의 캠이 상기와 같이 사용되도록 전기 모터를 제어할 수 있다.
본 발명의 밸브 구동 장치의 양태에 있어서, 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 실린더 군의 한 실린더의 밸브는 개폐되고 동일 실린더 군의 다른 실린더의 밸브는 밀폐되어있도록 전기 모터를 반대되는 2 방향으로 요동시킬 수 있다. 상기 범위 내에서의 전기 모터의 요동을 통해, 1 개의 실린더에서는 연소시키고 다른 실린더에서는 연소를 중지시킴으로써 감소 실린더 작동이 달성된다. 이 경우, 기계적인 밸브 스토퍼가 필요하지 않기 때문에, 밸브 구동 장치는 단순해질 수 있다.
또한, 다수의 실린더 군 각각에 밸브구동원으로서 전기 모터가 사용되는 구성에 있어서, 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 각각의 모터로 구동되는 밸브가 모두 밀폐되는 위치에서 전기 모터의 일부를 정지시킬 수 있다. 각각의 실린더의 밸브개방기간은 동일한 실린더 군에서는 오버랩되지 않기 때문에, 모든 실린더의 밸브가 밀폐되는 범위 내의 적당한 위치에서 전기 모터를 정지시킴으로써 동일 실린더 군의 모든 실린더에서 연소가 정지될 수 있다. 다른 전기 모터는 각각의 밸브를 개폐하도록 제어하면서 전기 모터의 일부를 상기와 같이 제어함으로써 감소 실린더 작동이 달성된다.
상기 양태에 더하여, 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 밸브가 밀폐되어있는 실린더의 수가 실린더의 총 수 미만인 되도록 각각의 전기 모터를 제어할 수 있다. 상기 구성과 관련하여 전술한 바와 같이, 전기 모터를 반대되는 2 방향으로 요동시키거나 전기 모터를 정지시킴으로써 동일 실린더 군에서 1 개 이상의 실린더에서의 연소를 정지시킬 수 있다. 연소 정지 제어를 조정하고 실린더의 총 수 이내에서 비연소 실린더의 수를 변화시킴으로써 내연기관의 감소 실린더 작동에서 작동 상태가 유연하게 제어될 수 있다.
상기 양태에 더하여, 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 밸브가 밀폐되어있는 실린더의 수가 실린더의 총 수 미만이 되고 밸브가 개폐되는 실린더에서 실린더의 1 이상의 리프트 양 및 작용각이 변화되도록 각각의 전기 모터를 제어할 수 있다. 이 경우, 실린더의 총수 미만인 비연소 실린더의 수 및 연소 실린더에서의 리프트 양 또는 작용각을 변화시킴으로써 그 실린더에서의 흡기 효율 또는 배기 효율이 변화하며 내연기관의 작동 상태가 유연하게 제어될 수 있다. 예컨대, 흡기밸브의 리프트 양 및 밸브의 작용각을 변화시킴으로써 펌핑 손실 및 엔진 제동력이 끊임없이 제어된다.
도 1 은 본 발명에 따른 밸브 구동 장치의 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 2A 는 크랭크 각과 본 발명이 적용되는 내연기관의 각각의 실린더의 밸브개방기간 사이의 관계를 도시하는 도면이다.
도 2B 는 크랭크 각과 밸브개방기간이 오버랩되지 않는 제 1 군 실린더에서의 밸브개방 시간 사이의 관계를 도시하는 도면이다.
도 2C 는 크랭크 각과 밸브개방기간이 오버랩되지 않는 제 2 군 실린더에서의 밸브개방 시간 사이의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3 은 도 1 의 밸브 구동 장치의 전개도이다.
도 4 는 도 1 의 밸브 구동 장치의 단면도이다.
도 5 는 오버랩 방식에 있어서의 동일 실린더 군의 캠을 도시하는 도면이다.
도 6 은 토크저감기구를 도시하는 도면이다.
도 7 은 토크저감기구의 역위상 캠을 도시하는 도면이다.
도 8 은 도 1 의 밸브 구동 장치에 의해 실현될 수 있는 작동 특성의 변화를 도시하는 도면이다.
도 9 는 크랭크 각에 대한 밸브 스프링에 의한 밸브 스프링 토크 및 토크저감기구에 의한 역위상 토크의 관계를 도시하는 도면이다.
도 10 은 전기 모터 제어 장치로서 엔진 제어 유닛이 도 1 의 밸브 구동 장치에 제공되어있는 실시예를 도시하는 도면이다.
도 11 은 전기 모터가 흡기밸브의 작용각을 감소시키도록 제어될 때 크랭크 각에 대한 캠 속도 및 흡기밸브의 리프트 양의 관계를 도시하는 도면이다.
도 12 는 흡기밸브의 리프트 양이 최대인 위치에서 캠을 최대 속도로 회전시키도록 캠 속도 변화의 위상이 바뀌는 실시예를 도시하는 도면이다.
도 13 은 캠 속도의 위상이 반대 위상으로 바뀌는 실시예를 도시하는 도면이다.
도 14A 내지 도 14C 는 2 개의 실린더의 흡기밸브가 캠의 요동에 의해 개폐되는 양태를 도시하는 도면이다.
도 15 는 2 개의 실린더의 흡기밸브가 캠의 요동으로 개폐될 때 크랭크 각에 대한 캠 각, 캠 속도, 및 흡기밸브의 리프트 양의 관계를 도시하는 도면이다.
도 16 은 1 개의 실린더의 흡기밸브는 개폐되고 다른 실린더의 흡기밸브는 캠의 요동에 의해 개폐가 정지될 때 크랭크 각에 대한 캠 각, 캠 속도, 및 흡기밸브의 리프트 양의 관계를 도시하는 도면이다.
도 17A 내지 도 17C 는 어떤 실린더의 흡기밸브는 정지하고 다른 실린더의 흡기밸브는 개폐될 때 정지된 실린더 및 작동중인 실린더의 조합의 실시예를 도시하는 도면이다.
도 18 은 밸브 구동 장치가 V 형 6 기통 내연기관에 적용되는 실시예를 도시하는 도면이다.
도 19A 는 도 18 의 내연기관에서 표준 작용각이 240°.CA 로 설정될 때 크랭크 각에 대한 각각의 밸브의 리프트 양의 관계를 도시하는 도면이다.
도 19B 는 도 18 의 내연기관에서 표준 작용각이 180°.CA 로 설정될 때 크랭크 각에 대한 각각의 밸브의 리프트 양의 관계를 도시하는 도면이다.
도 20 은 밸브 구동 장치가 본 발명에 따른 V 형 6 기통 내연기관에 적용되는 또 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도 21 은 직렬 6 기통 내연기관의 실린더 배치 및 실린더 번호부여의 예를 도시하는 도면이다.
도 22A 는 도 20 의 내연기관에서 표준 작용각이 240°.CA 로 설정될 때 크랭크 각에 대한 각각의 밸브의 리프트 양의 관계를 도시하는 도면이다.
도 22B 는 도 20 의 내연기관에서 표준 작용각이 180°.CA 로 설정될 때 크랭크 각에 대한 각각의 밸브의 리프트 양의 관계를 도시하는 도면이다.
도 1 은 밸브 구동 장치가 왕복식 4 행정사이클 내연기관에 적용되는 실시예를 도시한다. 내연기관 (1A) 은 일렬로 배치된 4 개의 실린더 (2) 를 구비하는 직렬 4 기통 엔진이다. 도 1 에서, 직렬로 배치된 실린더의 일단부에서 타단부까지 실린더에 #1 ~ #4 의 번호를 부여하여 각각의 실린더 (2) 를 다른 실린더와 구별한다. 전형적으로는, 4 행정사이클 직렬 4 기통 내연기관 (1A) 에 있어서, 외측의 #1 실린더 및 #4 실린더 (2) 쌍 사이의 점화 간격은 360°.CA (이하, '°.CA' 은 크랭크각을 나타낸다) 로 설정되고, 내측의 #2 실린더 및 #3 실린더 (2) 쌍의 점화 시기는 #1 실린더 (2) 의 점화 시기로부터 각각 180°.CA 및 540°.CA 까지 지연된다. 따라서, 180°.CA 의 간격으로 등간격 점화가 실현된다. #2 실린더 및 #3 실린더 (2) 간의 점화 시기의 순서가 자유롭게 바뀔 수 있다는 것을 유의해야한다. 이하, #3 실린더 (2) 의 점화 시기가 #2 실린더 (2) 의 점화 시기 앞에 있다고 가정한다. 따라서, 내연기관 (1A) 의 실린더 (2) 의 점화 순서는 #1→#3→#4→#2 로 설정된다.
각각의 실린더 (2) 에는 2 개의 흡기밸브 (3) 가 제공되어있다. 여기서, 배기밸브는 도시되지 않는다. 흡기밸브 (3) 는 밸브 구동 장치 (10) 에 의해 개폐된다. 본 기술에 잘 공지된 바와 같이, 흡기밸브 (3) 에는, 실린더 헤드의 밸브 스템 (stem) 가이드 (비도시) 를 통과하는 스템 (3a) 이 흡기밸브의 스템 (3a) 의 축선 방향으로 왕복이동 가능하게 제공되어있다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 밸브 리프터 (4) 는 일체로 그리고 왕복이동 가능하게 흡기밸브 (3) 의 상단부에 고정되어있다. 밸브 스프링 (5) 이 밸브 리프터 (4) 와 실린더 헤드 사이에 장착되어있다. 흡기밸브 (3) 는, 밸브면 (3b) 이 흡기 포트의 밸브 시트에 밀착되는 방향 (밸브를 밀폐하는 방향) 으로 밸브 스프링 (5) 의 압축에 대해 반발력을 받는다. 밸브 구동 장치 (10) 는 밸브 스프링의 힘에 대해 밸브를 개방하는 방향으로 흡기밸브 (3) 를 구동한다.
도 2A 는 크랭크 각과 각각의 실린더 (2) 의 흡기밸브 (3) 의 리프트 양 (리프트 양은 밀폐된 위치에서 밸브가 개방되는 방향으로의 변위이다) 사이의 관계를 도시한다. 각각의 흡기밸브 (3) 의 작용각 (작용각은 크랭크 각과 관련한 밸브개방기간을 말한다) 은 내연기관 (1A) 의 사양에 따라 적당히 조율된다. 또한, 가변 밸브구동 기구를 구비하는 밸브 구동 장치에서 내연기관 (1A) 의 작동 상태에 따라 작용각이 변한다. 전형적으로는, 흡기밸브 (3) 의 작용각은 240°.CA 로 설정된다. 작용각의 이러한 설정에 있어서, 도 2B 에 도시된 바와 같이, 외측 의 #1 실린더 및 #4 실린더 쌍 간에는 흡기밸브의 밸브개방기간이 서로 오버랩되지 않으며, 도 2C 에 도시된 바와 같이, 내측의 #2 실린더 및 #3 실린더 쌍 간에는 흡기밸브의 밸브개방기간이 서로 오버랩되지 않는다. 따라서, 도 1 에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 밸브 구동 장치 (10) 에 있어서, 실린더는 외측의 실린더 (2) 쌍으로 구성된 제 1 군 실린더 및 내측의 실린더 (2) 쌍으로 구성된 제 2 군 실린더로 분류된다. 제 1 전기 모터 (11) 및 제 2 전기 모터 (12) 가 밸브구동 원으로서 각각의 실린더 군에 개별적으로 제공된다.
도 3 및 도 4 는 밸브 구동 장치 (10) 를 상세하게 도시한다. 이 도면들에 도시된 바와 같이, 밸브 구동 장치 (10) 는 상기 전기 모터 (11, 12) 뿐만 아니라 각각의 흡기밸브 (3) 에 제공된 운동전환 장치의 역할을 하는 각각의 캠 기구 (13) 및 전기 모터 (11, 12) 의 회전을 그 모터에 대응하는 각각의 실린더 군의 캠 기구 (13) 에 전달하는 제 1 운동전달기구 및 제 2 운동전달기구 (14, 15) 를 포함한다. 캠 기구 (13) 는 모두 동일한 구성을 갖는다. 캠 기구 (13) 는 회전체인 캠 (16) 을 구비하며 흡기밸브 (3) 의 상단부에 제공된 밸브 리프터 (4) 를 캠 (16) 을 이용해 아래로 밀어 밸브 개방 방향으로 흡기밸브 (3) 를 구동한다. 즉, 밸브 리프터 (4) 는 캠 (16) 의 종동자 역할을 한다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 기초 원 (16a) 을 부분적으로 돌출한 노즈부 (nose portion) (16b) 가 제공된 잘 공지된 형태로 캠 (16) 의 프로파일이 설정된다. 노즈부 (16b) 에 의해 밸브 리프터 (4) 가 아래로 밀린다.
제 1 운동전달기구 (14) 는 외측 #1 실린더 및 #4 실린더의 각각의 캠 (16) 을 서로 연결하는 캠 축 (17) (제 1 전달 축) 및 전기 모터 (11) 의 회전을 캠 축 (17) 에 전달하는 감속기 (18) 를 포함한다. 감속기 (18) 는 전기 모터 (11) 의 출력 축 (11a) 에 고정된 모터 기어 (19) 및 모터 기어 (19) 와 일체로 회전하고 맞물리도록 되어있으며 캠 축 (17) 의 일단부에 고정된 피동 기어 (20) 를 포함한다. 캠 축 (17) 은 #1 실린더의 캠 (16) 을 구동하는 제 1 축 부재 (21) 및 #4 실린더의 캠 (16) 을 구동하는 제 2 축 부재 (22) 가 결합하는 상호연결 구조를 갖는다. 축연결부 (23) 가 제 1 축 부재 (21) 에 동일 축으로 그리고 일체로 형성되며, 축연결부 (23) 는 #2 실린더 및 #3 실린더 위를 지나 #4 실린더로 이어진다. 축연결부 (23) 의 일단부의 축연결부 (24) 를 제 2 축 부재 (22) 의 축연결 구멍 (25) 에 동일 축으로 고정하는 것으로 양 축 부재 (21, 22) 는 동일 축으로 연결된다. 스플라인과 같은 회전 정지 수단이 축연결부 (24) 와 축연결 구멍 (25) 사이에 형성되어있다. 따라서, 제 1 축 부재 및 제 2 축 부재 (21, 22) 는 일체로 회전하도록 연결된다. 축연결부 (23) 는 제 1 축 부재 및 제 2 축 부재 (21, 22) 보다 직경이 더 작다. 캠 (16) 이 제 1 축 부재 및 제 2 축 부재 (21, 22) 에 일체로 형성되어있지만, 캠 (16) 은 축 부재 (21, 22) 에서 분리된 부품으로 형성될 수 있고 압축 피팅 또는 열 피팅과 같은 피팅 수단으로 축 부재 (21, 22) 에 고정될 수 있다.
한편, 제 2 전달 기구 (15) 는 내측 #2 실린더 및 #3 실린더의 각각의 캠 (16) 을 서로 연결하는 캠 축 (30) (제 2 전달 축) 및 전기 모터 (12) 의 회전을 캠 축 (30) 에 전달하는 감속기 (31) 를 포함한다. 감속기 (31) 는 전기 모터 (12) 의 출력 축 (12a) 에 고정된 모터 기어 (32), 모터 기어 (32) 와 맞물리는 중간 기어 (33), 및 중간 기어 (33) 와 일체로 회전하고 맞물리도록 되어있으며 캠 축 (30) 의 중간부에 고정된 피동 기어 (34) 를 포함한다. 캠 축 (30) 은 축선 방향으로 이어지는 관통 구멍 (30a) 을 구비하는 관형 축의 형태로 구성되어있으며, 캠 (16) 은 캠 축의 외주상에 일체로 형성되어있다. 캠 축 (17) 의 축연결부 (23) 가 캠 축 (30) 의 관통 구멍 (30a) 에 회전 가능하게 삽입된다. 따라서, 캠 축 (30) 은 캠 축 (17) 의 외주 주위에 회전 가능하게 그리고 동일 축으로 배치된다. 또한, 캠 축 (30) 의 직경은 캠 축 (17) 의 제 1 축 부재 및 제 2 축 부재 (21, 22) 의 직경과 동일하다. 캠 (16) 은 캠 축 (30) 에서 분리된 부품으로 형성될 수 있고 압축 피팅 또는 열 피팅과 같은 피팅 수단으로 캠 축 (30) 에 고정될 수 있다. 피동 기어 (34) 는 동일한 방법으로 형성된다.
동일 실린더 군의 #1 또는 #3 중 한 실린더의 캠 (16) 과 나머지 실린더 군의 #4 또는 #2 중 또 다른 실린더의 캠 (16) 이, 그 캠 노즈부 (16b) 의 헤드 (16c) 가 외주 방향으로 서로에 대해 180°로 위치하도록, 캠 축 (17 또는 30) 에 각각 연결된다. 이 두 실린더 간에 흡기밸브 (3) 의 밸브개방기간이 360°.CA 로 교체되기 때문에, 캠 (16) 이 이와 같이 구성된다. 따라서, 도 5 에 명백하게 도시된 바와 같이, 그 캠 (16) 들의 노즈부 (16b) 가 서로 오버랩되지 않는 영역 (X) 이 각각의 캠 축 (17, 30) 의 외주 방향에 나타난다. 밸브 리프터 (4) 와 캠 (16) 사이에 적당한 간극 (밸브 간극) 이 생기도록 기초 원 (16a) 의 직경이 설정된다는 것을 유의해야 한다. 또한, 캠 기구 (13) 는 크랭크 케이스에 제공 될 수 있고, 캠 기구에서 획득된 선형 운동은 푸쉬로드와 같은 운동전달 부품을 통해 흡기밸브 (3) 에 전달된다. 내연기관은 OHC 타입으로 한정되지 않고 OHV 타입일 수 있다.
각각의 운동전달기구 (14, 15) 에는 토크저감기구 (40) 가 설치된다. 도 6 에 상세하게 도시된 바와 같이, 토크저감기구 (40) 는 역위상 캠 (41) 및 역위상 캠 (41) 의 외주에 마찰에 의한 하중을 가하는 토크부가 유닛 (42) 을 포함한다. #2 실린더 및 #3 실린더용 토크저감기구 (40) 가 도 6 에 도시되어있다는 것을 유의해야 한다. 또한, #1 실린더 및 #4 실린더용 토크저감기구 (40) 도 동일한 구성을 갖는다. 역위상 캠 (41) 이 캠 축 (17) 의 제 2 축 부재 (22) 의 일단부 및 캠 축 (30) 의 일단부 각각에 일체로 회전하도록 고정되어있다. 역위상 캠 (41) 은 축 (17, 30) 상에 일체로 형성될 수 있다. 또한, 역위상 캠 (41) 은 분리된 부품으로 형성될 수 있고 압축 피팅 또는 열 피팅과 같은 피팅 수단으로 축 (17, 30) 에 고정될 수 있다. 역위상 캠 (41) 의 외주면이 캠면으로 구성된다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 캠면의 프로파일은 기초원 (41a) 의 일부에 한 쌍의 홈 (41b) 을 구비하도록 구성된다. 홈 (41b) 은 홈 (41b) 의 바닥 (41c) 이 외주 방향으로 서로 180°로 분리되도록 제공되어있다.
도 6 으로 돌아와, 토크부가 유닛 (42) 은, 역위상 캠 (41) 의 외주를 향하도록 배치된 리프터 (43), 리프터 (43) 외측에 배치된 리테이너 (44), 및 리프터 (43) 와 리테이너 (44) 사이에 장착되며 리프터 (43) 를 역위상 캠 (41) 을 향해 미는 코일 스프링 (45) 을 포함한다. 롤러 (46) 가 리프터 (43) 의 일단부에 회전 가능하게 고정되어있다. 롤러 (46) 가 코일 스프링 (45) 의 반발력으로 역위상 캠 (41) 의 외주로 가압된다.
캠 축 (17) 의 역위상 캠 (41) 에 대응하는 리프터 (43) 는, 롤러 (46) 가 역위상 캠 (41) 에 제공된 홈 (41b) 중 하나의 바닥 (41c) 과 접촉하게 될 때 캠 축 (17) 에 고정된 #1 실린더용 캠 (16) 의 노즈부 (16b) 의 헤드 (16c) 가 #1 실린더용 밸브 리프터 (4) 와 접촉하도록 그리고 롤러 (46) 가 다른 홈 (41b) 의 바닥 (41c) 과 접촉하게 될 때 축 (17) 에 고정된 #4 실린더용 캠 (16) 의 노즈부 (16b) 의 헤드 (16c) 가 #3 실린더용 밸브 리프터 (4) 에 제공된 다른 홈 (41b) 의 바닥 (41c) 과 접촉하도록 캠 축 (17) 의 외주 방향으로 위치한다. 또한, 축 (30) 의 역위상 캠 (41) 에 대응하는 리프터 (43) 는, 롤러 (46) 가 역위상 캠 (41) 에 제공된 홈 (41b) 중 하나의 바닥 (41c) 과 접촉하게 될 때 축 (30) 에 고정된 #3 실린더용 캠 (16) 의 노즈 (16b) 의 헤드 (16c) 가 #3 실린더용 밸브 리프터 (4) 와 접촉하도록 그리고 롤러 (46) 가 다른 홈 (41b) 의 바닥 (41c) 과 접촉하게 될 때 축 (30) 에 고정된 #2 실린더용 캠 (16) 의 노즈부 (16b) 의 헤드 (16c) 가 #2 실린더용 밸브 리프터 (4) 에 제공된 다른 홈 (41b) 의 바닥 (41c) 과 접촉하도록 캠 축 (30) 의 외주 방향으로 위치한다.
상기와 같이 구성된 밸브 구동 장치 (10) 에 따라, 내연기관 (1A) 의 크랭크축의 회전 속도의 절반의 속도 (이하, 표준 속도라 함) 로 일방향으로 계속 회전하도록 전기 모터 (11, 12) 로 캠축 (17, 30) 을 구동함으로써 흡기밸브 (3) 가 크랭크축의 회전과 동시에 각각 개폐되게 된다. 이러한 작동은 크랭크축의 동력으 로 밸브를 구동하는 전형적인 기계식 밸브 구동 장치의 작동과 유사하다.
또한, 본 밸브 구동 장치 (10) 에 따라, 도 8 의 항목 A ~ G 에 도시된 바와 같이, 전기 모터 (11, 12) 에 의해 캠 축 (17, 30) 의 회전 속도가 그 표준 속도에 대해 변화함으로써, 크랭크 각과 캠 (16) 의 위상 사이의 상관 관계의 변화에 따라 흡기밸브 (3) 의 작동 특성이 다양한 방식으로 변화한다. 도 8 에서, 실선으로 된 '리프트 형태' 는 캠 축 (17, 30) 이 표준 속도로 계속 회전할 때의 흡기밸브 (3) 의 작동 특성을 나타내고, 가상선으로 된 '리프트 모양' 은 모터 (11, 12) 의 속도 제어를 통해 실현된 흡기밸브 (3) 의 변경된 작동 특성을 나타낸다. 리프트 모양의 횡축 및 종축은 각각 크랭크 각 및 리프트 양을 나타낸다.
우선, 도 8 의 항목 A 에 도시된 작동 특성의 변화는, 흡기밸브 (3) 가 밀폐되는 동안 크랭크 각과 캠 (16) 의 위상 사이의 상관 관계가 변화하도록 캠 축 (17, 30) 의 회전을 그 표준 속도에 대해 가속 또는 감속하여 실현된다. 흡기밸브 (3) 가 개방되는 동안 캠 축 (17, 30) 의 회전이 그 표준 속도에 대해 가속 또는 감속될 때, 작용각은 도 8 의 항목 C 에 도시된 것처럼 변화한다.
도 8 의 항목 B 는, 최대 리프트 양, 즉 노즈부 (16b) 의 헤드 (16c) 가 밸브 리프터 (4) 와 접촉할 때의 흡기밸브 (3) 의 리프트 양 미만으로 흡기밸브 (3) 의 리프트 양이 제한되는 예를 도시한다. 캠 (16) 이 흡기밸브 (3) 를 개방하는 동안 전기 모터 (11, 12) 를 멈춘 다음 전기 모터를 반대 방향으로 회전시킴으로써, 리프트 양의 이러한 변화가 실현된다. 이 경우에 있어서, 흡기밸브 (3) 는 캠 (16) 의 전방 회전 구동으로 개방되도록 가압되고, 이와 반대로 노즈부 (16b) 의 헤드 (16c) 가 밸브 리프터 (4) 와 접촉하기 이전에 캠 (16) 의 후방 회전 구동을 개시함으로써 흡기밸브 (3) 는 밸브 밀폐 방향으로 되돌아온다. 흡기밸브 (3) 의 작용각은 모터 (11, 12) 의 전후방 회전 구동으로 적당히 변화될 수 있기 때문에, 도 8 의 항목 D 에 도시된 바와 같이, 작용각의 변화없이 리프트 양만이 변화될 수 있다.
도 8 의 항목 E 는, 캠 축 (17, 30) 을 일방향으로 계속 회전시키고 흡기밸브 (3) 가 개방되는 동안에는 캠 축의 회전 속도를 가속하고 흡기밸브 (3) 가 밀폐되는 동안에는 크랭크 각과 캠 (16) 사이의 가속에 의한 위상 변화를 상쇄하도록 캠 축 (17, 30) 의 회전 속도를 감속하여 흡기밸브 (3) 의 작용각을 유지시키면서 리프트 속도를 변화시키는 예를 도시한다. 도 8 의 항목 E 에 도시된 작동 특성이 주어지면, 흡기밸브 (3) 의 신속한 개방으로 흡기 효율이 향상되며, 흡기밸브 (3) 밀폐시의 리프트 속도의 감속으로 흡기밸브 (3) 가 밸브 시트와 접촉하게 될 때 발생하는 충격이 완화될 수 있다.
도 8 의 항목 F 는, 표준 속도의 2 배, 즉 크랭크 축과 동일한 회전 속도로 회전하도록 캠 축 (17, 30) 을 구동하여, 흡기밸브 (3) 가 한번 개폐되는 기간 동안에 흡기밸브 (3) 를 분리된 2 세트로 개폐함으로써 내연기관 (1A) 의 작동 사이클이 4 행정 사이클에서 2 행정 사이클로 변화되는 예를 도시한다. 또한, 도 8 의 항목 G 는, 내연기관 (1A) 이 성층 연소를 하는 경우에 있어, 조기에 흡기밸브 (3) 가 개방되는 예이다. 그러나, 흡기밸브 (3) 가 개방되기 시작한 이후 일정 시간 동안은 리프트 양이 작게 유지된다. 흡기밸브 (3) 가 밀폐되는 동안 캠 축 (17, 30) 을 표준 속도 이상으로 가속하여 흡기밸브 (3) 의 개방 시기를 앞당긴 이후, 캠 축 (17, 30) 의 회전 속도를 상당히 저속으로 감속하거나 캠 축 (17, 30) 을 일시적으로 정지시켜 리프트 양의 증가가 억제되도록 그리고 소정 시간 동안 상기 상태를 유지한 이후 캠 축 (17, 30) 을 가속하여 리프트 양이 증가하도록 함으로써 이 작동 특성이 이루어진다. 또한, 도 8 의 항목 H 는 캠 축 (17, 30) 을 정지시켜 흡기밸브 (3) 가 밀폐된 채로 유지되게 한 예이다. 노즈부 (16b) 가 밸브 리프터 (4) 를 미는 동안 캠 축 (17, 30) 을 정지시켜 흡기밸브 (3) 를 개방 상태로 유지할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 밸브 구동 장치 (10) 에 따라, 흡기밸브 (3) 는 전기 모터 (11, 12) 에 의한 캠 축 (17, 30) 의 속도 제어를 통해 다양한 작동 특성을 가질 수 있다. 또한, 상기와 같이, 노즈부 (16b) 가 오버랩되지 않는 영역 (X) 이 캠 축 (17, 30) 의 외주에 제공되어있기 때문에, 전기 모터 (11) 에 의해 작동되는 #1 실린더 및 #4 실린더에서의 흡기밸브 (3) 의 밸브개방기간은 오버랩되지 않는다. 유사하게는, 모터 (12) 에 의해 작동되는 #2 실린더 및 #3 실린더에서의 흡기밸브 (3) 의 밸브개방기간은 오버랩되지 않는다. 따라서, 크랭크 각과 캠 (16) 의 위상 사이의 상관 관계가 캠 축 (17, 30) 을 표준 속도로 계속 구동하는 경우에서의 관계와 다르더라도, 예컨대, 캠 축 (17) 의 영역 (X) 이 밸브 리프터 (4) 를 향하는 동안, 즉 #1 실린더 및 #4 실린더의 캠 축 (17) 상의 캠 (16) 의 기초 원 (16a) 이 모두 밸브 리프터 (4) 를 통과하는 동안, 상기 상관 관계에서의 차이를 상쇄하도록 전기 모터 (11) 의 속도를 조정함으로써 전기 모터 (11) 의 속도 제어와 함께 #1 실린더 또는 #4 실린더 중 어느 하나의 흡기밸브 (3) 의 작동 특성을 변화시킨 결과, 실린더 중 하나의 흡기밸브 (3) 의 작동 상태의 변화가 다른 실린더의 흡기밸브 (3) 의 작동 특성에 영향을 주지 않아 작동 특성의 변화가 마음대로 제어될 수 있다. 유사하게는, 동일한 절차가 #2 실린더 및 #3 실린더에 또한 적용될 수 있다.
1 개의 공용 전기 모터로 실린더 (2) 의 캠 (16) 모두를 구동하는 경우에는, 상기 영역 (X) 이 존재하지 않으며 각각의 흡기밸브 (3) 의 밸브개방기간이 또 다른 흡기밸브 (3) 의 밸브개방기간과 반드시 오버랩되기 때문에, 각각의 흡기밸브 (3) 의 작용각은 변경될 수 없으며 캠 축 (17, 30) 은 반대 방향으로 회전될 수 없음을 유의해야 한다. 따라서, 도 8 의 항목 A 및 항목 E 이외의 항목들에서는, 상기 장점이 달성될 수 없다. 또한, 밸브 구동 장치 (10) 에 따라, 모든 실린더 (2) 의 흡기밸브 (3) 가 동일한 전기 모터로 구동될 때에 비하여 다양한 작동 특성의 변화를 달성할 수 있다. 또한, 각각의 실린더에 전기 모터가 사용되는 경우에 비하여 더 적은 모터가 필요하기 때문에, 밸브 구동 장치 (10) 는 포함되는 부품 수의 감소로 소형화될 수 있으며 비용에 있어서의 장점을 갖는다.
본 실시예에 따른 밸브 구동 장치 (10) 에 있어서, 각각의 운동전달기구 (14, 15) 마다 토크저감기구 (40) 가 사용되기 때문에, 전기 모터 (11, 12) 에 가하는 구동 토크의 감소로 전기 모터 (11, 12) 에 필요한 정격 토크가 감소될 수 있어, 전기 모터 (11, 12) 의 소형화 및 더 컴팩트한 밸브 구동 장치 (10) 를 달성하게 된다. 도 9 는 캠 축 (17 또는 30) 에 대한 밸브 스프링 (5) 에 의해 가해 지는 밸브 스프링 토크 (실선), 캠 축 (17 또는 30) 에 대한 토크저감기구 (40) 에 의해 가해지는 역 토크 (파선), 및 크랭크 각 간의 관계를 도시한다. 횡좌표는 토크＝0 을 나타내며, 캠 (16) 의 전방 회전에 대향하는 방향으로 가해지는 토크는 양의 부호 (＋) 로 나타내며, 캠 (16) 의 전방 회전 방향으로 가해지는 토크는 음의 부호 (－) 로 나타낸다. 도 9 는 캠 축 (17, 30) 이 표준 속도에서 전방으로 계속 구동되는 예를 도시한다.
도 9 에 실선으로 도시한 바와 같이, 캠 (16) 이 흡기밸브 (3) 를 최대 리프트 양에 위치하게 하는 곳에서 밸브 스프링 토크는 대략 0 이다. 밸브 스프링 (5) 의 반발력은 역회전 방향으로 캠 (16) 을 밀기 때문에, 최대 리프트 양에 도달하기 이전, 즉 흡기밸브 (3) 의 개방 과정에서 밸브 스프링 토크는 양이다. 밸브 스프링 (5) 의 반발력은 전방 회전 방향으로 캠 (16) 을 밀기 때문에, 최대 리프트 양에 도달한 이후, 즉 흡기밸브 (3) 의 밀폐 과정에서 밸브 스프링 토크는 음이다. 한편, 도 9 에 파선으로 도시한 바와 같이, 역위상 토크는 최대 리프트 양의 위치에서 대략 0 이고, 최대 리프트 양 위치에 도달하기 이전에는 음이며, 최대 리프트 양 위치에 도달한 이후에는 양이다. 흡기 밸브 (3) 의 개방 과정에서, 리프터 (43) 는 홈 (41b) 의 바닥 (41c) 으로 나아가고, 코일 스프링 (45) 의 반발력은 역위상 캠 (41) 을 전방 회전 방향으로 구동하도록 리프터 (43) 를 통해 역위상 캠 (41) 에 가해지며, 반면에 흡기밸브 (3) 의 밀폐 과정에서, 리프터 (43) 는 홈 (41b) 의 바닥 (41c) 에서 멀어지고, 코일 스프링 (45) 의 반발력은 역위상 캠 (41) 을 역회전 방향으로 밀도록 리프터 (43) 를 통해 역위상 캠 (41) 에 가해 진다.
따라서, 캠 (16) 측에서 캠 축 (17, 30) 으로 가해지는 밸브 스프링 토크, 즉 밸브 리프터 (4) 및 캠 (16) 을 통해 밸브 스프링 (5) 에서 캠 축 (17, 30) 에 가해지는 토크와 역위상 캠 (41) 측에서 캠 축 (17, 30) 에 가해지는 역위상 토크, 즉 리프터 (43) 및 역위상 캠 (41) 을 통해 토크부가 유닛 (42) 의 코일 스프링 (45) 에서 가해지는 역위상 토크가 서로 반대 방향으로 가해져 서로 상쇄된다. 밸브 스프링 토크 및 역위상 토크로부터 조합된 토크가 구동 토크로서 전기 모터 (11, 12) 에 가해지기 때문에, 전기 모터 (11, 12) 에 가해지는 구동 토크가 감소하고, 이로써 전기 모터 (11, 12) 에 필요한 정격 토크가 감소하여 전기 모터의 소형화를 달성하게 된다. 역위상 캠 (41) 이 각각의 캠 축 (17, 30) 에 사용되고 각각의 역위상 캠 (41) 은 2 개의 실린더 (2) 에 공용되기 때문에, 각각의 실린더 (2) 에 대한 역위상 캠을 사용하는 경우에 비하여 토크저감기구 또한 소형화되고 이에 따라 더 컴팩트한 형태의 밸브 구동 장치 (10) 가 달성된다. 위에서 표준 속도로 계속 회전하도록 캠 축 (17, 30) 을 구동하는 경우를 설명하였지만, 밸브 스프링 토크와 역위상 토크 사이의 관계가 서로 역위상의 관계에 있기 때문에, 속도 또는 회전 방향을 변화시키는 경우에서도 구동 토크의 감소에 대한 동일한 효과가 획득된다. 또한, 밸브 스프링 토크만이 역위상 토크에 의해 상쇄될 목표로 고려되지만, 캠 (16) 의 관성 등으로 인해 발생하는 토크를 더 고려하여 역위상 토크를 결정할 수 있다.
다음으로, 도 10 내지 도 17 을 참조하여 전기 모터 (11, 12) 의 제어를 상 세하게 설명한다. 전기 모터 (11, 12) 의 작동은 도 10 에 도시된 바와 같이 전자 제어 유닛 (6) (ECU) 에 의해 제어되는 것으로 한다. 전자 제어 유닛 (6) 은 마이크로프로세서 및 마이크로프로세서의 작동에 필요한 메모리와 같은 주변 기기들을 포함하는 컴퓨터 유닛이다. 전자 제어 유닛 (6) 은 전기 모터 (11, 12) 를 제어하는 전용 유닛 또는 다른 목적으로도 사용되는 엔진 제어 유닛과 같은 유닛으로 사용될 수 있다. 도 10 에서, ECU (6) 를 제외한 다른 부품들은 도 1 의 부품들과 동일하다.
이하에서, 제 1 군 실린더 (#1 실린더 및 #4 실린더) 용 전기 모터 (11) 의 제어를 설명하지만, 달리 기술하지 않는 한, 제 2 군 실린더 (#2 실린더 및 #3 실린더) 용 전기 모터 (12) 가 동일한 방식으로 제어될 수 있다. 또한, 이하, 캠 (16) 및 캠축 (17) 이 상기 표준 속도에서 일방향으로 계속 회전하도록 구동될 때, #1 실린더 및 #4 실린더의 흡기밸브 (3) 는 도 2B 에 도시된 바와 같이 360°.CA 의 간격으로 개폐되고, 각각의 밸브 (3) 의 작용각은 240°.CA (표준 작용각이라 함) 로 설정되는 것으로 하며, 리프트 양 및 작용각의 변화가 이러한 상태와 관련하여 설명된다. 즉, 캠 (16) 의 프로파일은 흡기밸브 (3) 의 작용각이 240°.CA 로 설정되도록 설계된다. 도 11, 도 12, 도 15 및 도 16 에 파선으로 도시된 리프트 양의 파형은 캠 속도가 표준 속도로 고정될 때의 파형에 대응한다. 이 도면들에서, 크랭크 각에 대한 표기 'CA' 가 생략된다.
[작용각의 가변 제어]
ECU (6) 는 캠 축을 일방향으로 계속 회전시키고 캠 축 (17) 의 회전 속도를 적절히 변화시키도록 전기 모터의 회전을 제어하고, 이에 따라 흡기밸브 (3) 의 작용각 및 리프트 양의 특성이 변화한다. 도 11 은 그 경우의 예를 도시한다. 도 11 은, 캠 축 (17) 을 계속적으로 그리고 단일방향으로 회전시켜 흡기밸브 (3) 를 개폐하도록 구동하면서 전기 모터 (11) 의 출력 축 (11a) 의 회전 속도를 360°.CA 의 간격으로 변화시킴으로써 흡기밸브 (3) 의 작용각이 변화할 때의 캠 속도 (캠 (16) 의 회전 속도), 흡기밸브 (3) 의 리프트 양, 및 크랭크 각의 관계를 도시한다. 이 예에 있어서, 캠 속도는 흡기밸브 (3) 가 개방되는 동안 캠 속도가 최대가 되도록 360°.CA 의 간격으로 변화한다. 또한, 흡기밸브 (3) 가 개방되기 시작하는 시기 (t1) 와 밸브가 밀폐되는 시기 (t2) 사이에서 캠 속도가 표준 속도를 초과하는 면적 (S1) 이 캠 속도가 표준 속도 아래로 떨어지는 면적 (S2) 보다 크도록 캠 속도가 변화한다. 따라서, 흡기밸브 (3) 의 작용각은 표준 작용각보다 작아진다. 또한, 캠 속도가 표준 속도로 고정되는 경우의 흡기밸브 (3) 의 리프트 양이 최대가 되는 위치를 캠 속도가 최대인 위치로 설정한다. 또한, 일 주기의 캠 속도의 파형은 캠 속도가 최대인 위치에 대해 횡 방향으로 대칭이다.
도 12 는, 캠 (16) 의 노즈 헤드 (16c) 가 밸브 리프터 (4) 를 지날 때 흡기밸브 (3) 의 리프트 양이 최대가 되는 위치 (최대 리프트 위치) 에서 캠 속도가 최대가 되도록 도 11 의 캠 속도 변화의 위상이 변화되는 예를 도시한다. 상기와 같이 위상을 변화시킴으로써 도 11 의 면적 (S2) 이 감소하거나 사라진다. 이리하여, 표준 작용각에 대해 작용각의 감소량이 증가한다. 면적 (S2) 이 사라지도록 제어함으로써 최대 감소량이 달성된다.
도 13 에 도시된 예에서, 흡기밸브 (3) 가 개방되는 동안 캠 속도가 최소가 되도록 360°.CA 간격으로 캠 속도가 변화한다. 즉, 캠 속도는 도 11 의 캠 속도 변화에 대응하는 표준 속도에 대해 종 방향으로 대칭적으로 변화한다. 따라서, 흡기밸브 (3) 가 개방되기 시작하는 시기 (t1) 와 밸브가 밀폐되는 시기 (t2) 사이에서, 캠 속도가 표준 속도를 초과하는 면적 (S1) 이 캠 속도가 표준 속도 아래로 떨어지는 면적 (S2) 보다 작다. 이리하여, 흡기밸브 (3) 의 작용각이 표준 작용각보다 커진다. 또한, 도 13 에 도시된 예에 있어서, 흡기밸브 (3) 의 최대 리프트 량 위치에서 캠 속도가 최소가 되도록 캠 속도 변화의 위상은 더 변화될 수 있다. 이러한 구성에 따라, 표준 작용각에 대한 작용각의 증가량은 증가할 수 있다.
또한, 예컨대, 흡기밸브 (3) 의 리프트 양이 증가하는 동안 캠을 가속하고 리프트 양이 감소하는 동안 캠 속도를 낮추어, 작용각이 표준 작용각과 일치되게 하거나 그들 사이의 차이를 억제하도록 리프트 양의 변화의 파형이 최대 리프트 위치 전후로 대칭이 되게 설정된다. 360°.CA 간격으로 작동하는 상기 제어를 실행함으로써 #1 실린더 및 #4 실린더 각각에 사용되는 흡기밸브 (3) 의 작용각 또는 리프트 특성을 변화시 킬 수 있다. 캠 속도가 360°.CA 간격으로 변화하기 때문에, 한 실린더의 흡기밸브 (3) 의 작동 특성의 변화가 다른 실린더의 흡기밸브의 작동 특성의 변화에 영향을 주시 않는다.
[가변 리프트 제어]
ECU (6) 는, 캠 (16) 의 회전 방향이 바뀌도록 반대되는 2 방향으로 전기 모 터 (11) 의 출력 축 (11a) 을 요동시켜, 즉 흡기 밸브 (3) 가 개방되는 동안 소정의 회전 각마다 출력 축 (11a) 의 회전 방향을 교대로 변화시켜 흡기밸브 (3) 의 최대 리프트 양을 변화시킬 수 있다. 이 경우에 있어서의 캠 (16) 의 작동 예가 도 14A 내지 도 14C 에 도시되어있다. 도 14A 내지 도 14C 에서, 실선은 #1 실린더용 캠 (16) 및 밸브 리프터 (4) 를 나타내고, 파선은 #4 실린더용 캠 (16) 및 밸브 리프터 (4) 를 나타낸다. 요동 제어에서, 예컨대, 도 14A 에 화살표 (A) 로 도시한 방향으로 #1 실린더의 캠 (16) 을 회전시켜 밸브 리프터 (4) 가 캠 (16) 의 노즈부 (16b) 를 통해 아래로 밀리고, 그 다음 캠 (16) 의 노즈 헤드 (16c) 가 밸브 리프터에 도달하기 이전에 캠 (16) 의 회전 방향이 화살표 (B) 방향으로 역전된다. 그 다음, 도 5 에 도시된 영역 (X) 이 도 14B 에 도시된 바와 같이 밸브 리프터 (4) 를 통과하도록 캠 (16) 의 회전 방향이 유지된다. 그 이후에, 캠 (16) 의 회전 방향이 유지되고, 도 14C 에 도시된 바와 같이 #4 실린더의 캠 (16) 의 노즈부 (16b) 에 의해 밸브 리프터 (4) 가 아래로 밀린다. #4 실린더의 캠 (16) 의 노즈 헤드 (16c) 가 밸브 리프터 (4) 에 도달하기 이전에 캠 (16) 의 회전 방향이 화살표 (A) 방향으로 다시 역전된다. 이러한 요동 운동을 반복함으로써, #1 실린더 및 #4 실린더 각각의 피크 리프트 양을 최대 리프트 양 이하로 제한하면서 각각의 실린더의 흡기밸브 (3) 를 연속해서 개폐하게 된다.
도 15 는 요동 제어에서 캠의 회전 각 (캠 각), 캠 속도, 흡기밸브 (3) 의 리프트 양 및 크랭크 각의 관계를 도시한다. 캠 각은, 기초 원 (16a) 과 기초 원 (16a) 의 중심을 통과하는 선이 교차하고 노즈 헤드 (16c) 가 밸브 리프터 (4) 를 향하는 상태에 대하여, 캠 (16) 의 노즈부 (16b) 가 밸브 리프터 (4) 를 아래로 미는 방향, 즉 도 14A 의 화살표 (A) 방향으로 캠이 회전할 때 양인 것으로 정의된다. 캠 속도 또한 동일한 방식으로 정의된다.
도 15 에 도시된 예에 있어서, #1 실린더의 캠 (16) 의 기초 원 (16a) 이 밸브 리프터 (4) 를 향하는 동안 (크랭크 각이 0 ~ 60°.CA 일 때) 캠 (16) 은 가속되고, 노즈부 (16b) 가 밸브 리프터 (4) 를 아래로 밀기 시작하는 일정 시기 동안, 즉 흡기밸브 (3) 가 리프팅되기 시작하는 시기 동안 캠 (16) 은 표준 속도 (도 14A 의 화살표 (A) 방향으로의 회전에 대응함) 로 회전한다. 그 후에, 캠 (16) 은 흡기밸브 (3) 를 리프팅하는 과정에서 감속되기 시작하고, 그 다음 캠은 일시적으로 멈추며 (캠 속도가 0 이고 #1 실린더의 리프트 양이 최대인 도 15 의 위치), 캠 (16) 의 회전 방향은 역전된다. 역전 이후에, 캠 속도는 표준 속도로 증가하며, 흡기밸브 (3) 가 밀폐될 때까지 회전 속도 (도 14A 의 화살표 (B) 방향으로의 회전에 대응함) 는 유지된다. 상기 제어에 따라, 캠 (16) 은 180°.CA 미만의 범위 내에서 요동하며, #1 실린더의 흡기밸브 (3) 의 피크 리프트 양은 최대 리프트 양 미만으로 억제된다.
요동 제어에서 흡기밸브 (3) 의 피크 리프트 양은 캠 (16) 의 요동 범위를 변화시킴으로써 적절히 변화될 수 있다. 도 15 에 있어서, 흡기밸브 (3) 의 피크 리프트 양은 리프팅 개시로부터 캠 속도가 0 이 될 때까지 캠 (16) 의 회전 각 (요동 양) 만큼 증가하는 한편, 피크 리프트 양은 요동 양만큼 감소한다. 요동 범위는 각각의 #1 실린더 및 #4 실린더의 최대 리프트 위치, 즉 #1 실린더 및 #4 실린더의 각각의 캠 (16) 의 노즈 헤드 (16c) 가 밸브 리프터 (4) 를 지나는 위치의 범위 내에서 조정될 수 있다.
한편, 요동 제어에 있어서, 흡기 밸브 (3) 의 작용각은 요동시의 캠 (16) 의 회전 속도를 조정함으로써 표준 작용각보다 더 크게 또는 더 작게 변화될 수 있다. 도 15 에 도시된 예에 있어서, 작용각은 표준 작용각 미만이 되도록 제어된다. 리프트 양이 최대 리프트 양 미만으로 억제된 경우, 리프트 양의 억제뿐만 아니라 작용각을 표준 작용각 미만으로 더 제어함으로써 흡기량이 억제될 수 있고, 이에 따라 흡기 밸브 (3) 의 밸브개방 면적 (리프트 양을 나타내는 파형 선 및 크랭크 각을 나타내는 횡좌표로 둘러싸인 면적) 은 작게 유지된다. 내연기관 (1A) 이 이와 같이 저부하 저속 회전으로 제어될 때, 내연기관 (1A) 의 흡기 시스템에 사용되는 스로틀 밸브의 개방 레벨을 증가시켜 펌핑 손실을 감소시킬 수 있다.
#1 실린더의 흡기밸브 (3) 의 작용각이 표준 작용각에 대하여 변경된 경우에 있어서, #4 실린더의 흡기밸브 (3) 가 리프팅되기 시작할 때까지 캠 속도가 표준 속도로 유지될 때, #4 실린더의 흡기밸브 (3) 의 리프트 개시 시기는 작용각의 변화로 인해 원래 계획된 시기, 즉 # 1 실린더의 흡기밸브 (3) 의 리프트 개시 시기로부터 360°.CA 이후에 설정된 시기에 대하여 변화된다. 그러므로, 도 15 에 있어서, #1 실린더의 흡기밸브 (3) 가 리프트된 이후, #4 실린더의 흡기밸브 (3) 가 리프팅되기 시작할 때까지 캠 속도는 일시적으로 느려져, #4 실린더의 흡기밸브 (3) 가 420°.CA 에서 리프팅을 시작하게 된다. 캠 (16) 의 속도 제어에 있어서, #4 실린더의 흡기밸브 (3) 가 리프팅되기 시작한 이후, 회전 방향만이 상이해 지며, 속도는 #1 실린더에서와 동일하다.
도 15 에 도시된 예에 있어서, 흡기밸브 (3) 의 개폐는 각각의 실린더에 사용되는 캠 (16) 의 노즈 헤드 (16c) 중 일측 만을 사용하여 제어된다. 캠 (16) 과 밸브 리프터 (4) 사이의 불균일한 윤활 및 캠 (16) 의 불균일한 마모를 균일하게 하기 위해서, 캠 (16) 의 요동 범위는 캠 (16) 의 노즈 헤드 (16c) 의 양측 모두 (도 14A 에서 C1 및 C2) 를 사용하여 흡기밸브 (3) 를 구동하도록 적당한 간격으로 전환될 수 있다. 이 전환 기간은 요동 시간 및 횟수와 같은 변수에 따라 결정될 수 있다. 또한, 범위가 전환될 때, 캠 (16) 의 노즈 헤드 (16c) 는 밸브 리프터 (4) 위를 지나야 한다. 전기 모터 (11) 의 요동 제어 및 전기 모터 (11) 를 일방향으로 계속 회전시키는 제어가 내연기관 (1A) 의 작동 상태, 예컨대 캠 (16) 이 전기 모터 (11) 에 의해 저부하 저속 회전에서 요동하는 경우 및 캠 (16) 이 전기 모터 (11) 에 의해 고부하 고속 회전에서 일방향으로 계속 회전하는 경우에 따라 선택적으로 사용될 때, 사용되는 캠 (16) 의 영역은 계속적인 회전 전후에 전환된다.
[부분적으로 비활성화된 실린더 작동의 제어]
내연기관의 저속 작동 또는 저부하 작동시, 일부의 실린더의 흡기밸브를 밀폐된 상태로 유지함으로써, 일부의 실린더에서 연소가 멈추는 감소 실린더 작동이 필요할 수 있다. 크랭크 축의 회전을 밸브에 전달하는 기계식 밸브 구동 장치의 감소 실린더 작동에는 특화된 밸브 스토퍼가 필요하다. 그러나, 본 실시예의 밸브 구동 장치 (10) 에 따라, 동일한 전기 모터 (11, 12) 에 의해 구동되는 각 쌍의 캠 (16) 은 상기 영역 (X) 을 구비하기 때문에, ECU (6) 를 통해 반대되는 2 방향으로 전기 모터 (11, 12) 를 요동시키거나 모터를 멈춤으로써 감소 실린더 작동이 쉽게 달성된다. 이하, 몇몇 예를 설명한다.
도 16 은 반대되는 2 방향으로 전기 모터 (11) 를 요동시켜 #4 실린더에서의 연소가 멈추는 예를 도시한다. 이 예에서, #1 실린더의 흡기밸브 (3) 의 리프팅이 종료될 때까지, 캠 속도 및 캠 각은 도 15 에서와 동일한 방식으로 제어된다. #1 실린더의 흡기밸브 (3) 의 리프팅이 종료된 이후, 캠 (16) 은 감속되고 #1 실린더와 관련된 전기 모터의 제어 기간의 종료점 (360°.CA) 에서 멈춘다. 이 점에서, 캠 각은 0 이며, #1 실린더 및 #4 실린더의 캠 (16) 모두는 그 기초 원 (16a) 이 밸브 리프터 (4) 를 향하도록 위치한다. 캠 (16) 은 이 상태로부터 #4 실린더와 관련된 전기 모터 (11) 의 제어 기간의 종료점 (720°.CA) 까지 멈춰있다. 그 이후, #1 실린더의 흡기밸브 (3) 가 다시 리프트된다. 상기 제어를 통하여, #1 실린더의 흡기밸브 (3) 를 개폐하면서, #4 실린더의 흡기밸브 (3) 를 밀폐된 상태로 멈춰있게 할 수 있다. #4 실린더의 흡기밸브 (3) 를 개폐하고 #1 실린더의 흡기밸브 (3) 를 밀폐된 상태로 멈춰있게 할 수도 있다.
상기 영역 (X) 이 밸브 리프터 (4) 를 향하는 상태, 즉 동일한 군의 실린더의 흡기밸브가 모두 밀폐된 상태에서 0°.CA ~ 720°.CA 에서 전기 모터 (11) 를 멈춤으로써, 도 17A 에 도시된 바와 같이 동일 실린더 군 (예컨대, #1 실린더 및 #4 실린더) 의 어떠한 흡기밸브 (3) 도 멈춰질 수 있다. 이 경우에, 전기 모터 (12) 는 실린더의 흡기밸브 (3) 가 개폐되도록 다른 실린더 군 (#2 실린더 및 #3 실린더) 의 각각의 캠 (16) 을 구동하기 때문에, 2 개의 실린더를 비연소 상태로 유지하면서 나머지 2 개의 #2 실린더 및 #3 실린더를 360°.CA 간격으로 연소시키게 된다. 또한, 전기 모터 (12) 는 #2 실린더 및 #3 실린더의 흡기밸브 (3) 가 모두 밀폐된 곳에서 멈출 수 있는 반면, 전기 모터 (11) 는 흡기밸브 (3) 가 개폐되도록 #1 실린더 및 #4 실린더의 캠 (16) 을 구동할 수 있다.
이와 달리, 감소 실린더 작동에서, 전기 모터 (11, 12) 의 요동 및 멈춤을 조합하여 총 실린더의 수 미만의 범위 (1 ~ 3) 내에서 비작동 실린더의 수를 적절히 바꿀 수 있다. 예컨대, 도 17B 는 #1 실린더만 연소를 멈춘 예를 도시하고 도 17C 는 #1 실린더 및 #3 실린더가 연소를 멈춘 예를 도시한다. 바람직하게는, 연소하지 않는 비연소 실린더의 수 및 비연소 실린더는 내연기관 (1A) 의 작동 상태에 따라 선택된다. 상기와 같이 비연소 실린더가 상대적으로 쉽게 선택되기 때문에, 감소 실린더 작동에서 펌핑 손실이 감소하며 내연기관 (1A) 은 고효율 상태에서 작동될 수 있다. 따라서, 연료 효율이 향상된다. 또한, 실린더의 일부가 비연소중인 동안, 연소 실린더에서는 흡기밸브 (3) 의 작용각 및 리프트 양이 상기와 같은 제어에 의해 변화될 수 있다. 이 경우, 연소 실린더의 캠 (16) 이 표준 속도로 계속 회전하는 때에 비하여 내연기관 (1A) 에서의 펌핑 손실이 더 정확하게 제어될 수 있기 때문에, 엔진 제동력이 더 자주 조정된다.
상기 설명에서는, 흡기밸브 (3) 의 작동 특성이 캠 (16) 의 회전 속도 또는 회전 방향과 관련하여 설명된다. 그러나, 전기 모터 (11, 12) 와 캠 (16) 사이의 감소비 또는 회전 방향 관계를 고려하면, 캠 (16) 의 회전 속도 또는 회전 방향 을 전기 모터 (11, 12) 의 출력 축 (11a, 12a) 의 회전 속도 또는 회전 방향으로 각각 대체할 수 있다. 흡기밸브 (3) 의 상기 작동 특성은 출력 축 (11a, 12a) 의 대체된 회전 속도 및 회전 방향에 따라 ECU (6) 에 의한 전기 모터 (11, 12) 의 제어를 통해 변화될 수 있다. 예컨대, 캠 (16) 의 회전 속도, 회전 방향, 작동 제어 모드 (일방향으로 계속 회전하는 제어 모드 및 요동 제어 모드) 와 요동 제어 모드에서의 요동 범위 (회전 방향이 바뀌는 점에서의 캠 각 또는 요동 각으로 특정됨) 의 관계와 같은 내연기관 (1A) 의 작동 상태 및 캠 (16) 의 작동에 대한 정보가 ECU (6) 의 ROM 에 미리 저장되며, 내연기관 (1A) 의 다양한 센서로부터의 정보에 의해 작동 상태가 결정된다. 캠 (16) 의 작동 상태는 결정된 결과에 의해 특정된다. 출력 축 (11a, 12a) 의 작동 특성으로 대체되는 출력 축의 작동 특성을 갖는 전기 모터 (11, 12) 를 제어하여, 상기 작용각, 리프트 특성, 최대 리프트 양, 및 비연소 실린더의 수와 같은 작동 특성을 변화시킬 수 있다. 이 경우, 크랭크 센서 또는 캠 각 센서가 크랭크 각 또는 캠 축 (17, 30) 의 회전 위치를 검출하기 때문에, 전기 모터 (11, 12) 를 피드백 제어하게 된다.
본 발명은 상기 실시예들로 한정되지 않으며 수정되거나 변경될 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 직렬 4 기통 내연기관이 설명되어있지만, 밸브개방기간이 오버랩되지않는 실린더 모두가 일군의 실린더에서 서로 개별적인 경우 다수의 실린더가 사용될 수 있다. 도 18 은 밸브 구동 장치 (50) 가 사용되는 V 형 6 기통 내연기관 (1B) 을 도시한다. 이 내연기관에서, 실린더 (2) (#1, #3, #5) 및 실린더 (2) (#2, #4, #6) 는 하나의 뱅크 (bank) (51) 및 다른 뱅크 (52) 에 각각 일 렬로 배치된다. 점화는 실린더 번호 순으로, 즉 #1→#2→#3→#4→#5→#6 으로 발생한다. 또한, 뱅크 각이 60°로 설정되기 때문에, 점화 충격은 120°.CA 마다 발생한다.
내연기관 (1B) 에 적용된 밸브 구동 장치 (50) 에서, 다른 실린더에서 360°.CA 의 간격에 있는 실린더가 일군의 실린더를 이루기 때문에, 각각의 실린더의 밸브를 작동하기 위해 3 개의 모터 (53, 54, 55) 가 필요하다. 표준 작용각이 240°.CA 일 때, 각각의 흡기밸브의 리프트 양은 도 19A 에 도시된 바와 같이 크랭크 각에 대응한다. 따라서, 도 18 에서, 제 1 군 실린더는 #1 실린더 및 #4 실린더를 포함하고, 제 2 군 실린더는 #2 실린더 및 #5 실린더를 포함하며, 제 3 군 실린더는 #3 실린더 및 #6 실린더를 포함하고, 3 개의 모터가 제 1 군 실린더, 제 2 군 실린더 및 제 3 군 실린더에 제공된다.
제 1 전기 모터 (53) 의 회전 운동은 기어 열 (56) 및 캠 축 (57) 을 포함하는 전달 기구 (58) 를 통해 #1 실린더 및 #4 실린더용 캠 (16) 에 전달된다. 제 2 전기 모터 (54) 의 회전 운동은 기어 열 (59) 및 캠 축 (60) 을 포함하는 전달 기구 (61) 를 통해 #2 실린더 및 #5 실린더용 캠 (16) 에 전달된다. 제 3 전기 모터 (55) 의 회전 운동은 기어 열 (61) 및 캠 축 (63) 을 포함하는 전달 기구 (64) 를 통해 #3 실린더 및 #6 실린더용 캠 (16) 에 전달된다. #2 실린더 및 #5 실린더용 캠 축 (60) 은 도 3 및 도 4 의 캠 축 (17) 과 구조가 동일하다. 캠 축 (57, 63) 은 캠 축 (60) 의 외주에 동일 축으로 위치하는 중공 축이며 회전할 수 있다. 캠 축 (57, 60, 63) 은 뱅크 (51) 와 뱅크 (52) 사이에 위치하 며, 캠 축 (57, 60, 63) 용 캠 (16) 각각의 회전은 종동자 (비도시) 의 선형 운동으로 전환된다. 종동자의 선형 운동이 푸쉬로드와 같은 운동전달 유닛을 통해 흡기밸브를 포함하는 밸브에 전달되고, 이에 따라 밸브는 왕복운동한다. 도 18 에 도시된 내연기관 (1B) 은 OHV 식이다.
이러한 구성에 있어서, 각각의 실린더 군에서의 밸브개방기간 또한 도 2A 에서와 같이 오버랩되지않고, 관련된 전기 모터의 수는 각각의 밸브의 작동 특성이 향상되는만큼 감소하기 때문에 소형화된 밸브 구동 장치를 달성하게 된다. 또한, 동일 실린더 군의 캠 (16) 이 상기와 동일한 방식으로 제어될 수 있다. 도 18 에서, 각각의 캠 축 (57, 60, 63) 은 토크저감기구 (40) 를 구비한다.
도 18 에서, 일군의 실린더는 2 개의 실린더를 구비하지만, 표준 작용각을 180°.CA 로 설정하는 경우, 도 19B 에 도시된 바와 같이, #1 실린더, #3 실린더 및 #5 실린더의 밸브개방기간은 오버랩되지않고, #2 실린더, #4 실린더 및 #6 실린더의 밸브개방기간 또한 오버랩되지않는다. 이 경우, 제 1 군 실린더는 #1 실린더, #3 실린더 및 #5 실린더로 구성될 수 있고, 제 2 군 실린더는 #2 실린더, #4 실린더 및 #6 실린더로 구성될 수 있으며, 본 발명에 따른 밸브 구동 장치 (10) 가 이 구성에 적용될 수 있다. 즉, 실린더 군이 본 발명에서 뱅크마다 포함될 수 있다.
도 20 은 밸브 구동 장치가 V 형 6 기통 내연기관에 적용되는 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 캠 캐리어 (71, 72) 가 한 쌍의 뱅크 (51, 52) 에 각각 제공되어있다. 각각의 캠 캐리어는 흡기밸브 (3) 를 작동하기 위한 2 개의 캠 축 (73, 74) 및 배기밸브 (비도시) 를 작동하기 위한 1 개의 캠 축 (75) 을 구비한다. 모든 캠 축은 대응하는 캐리어에 동일 축으로 고정되고, 회전할 수 있으며, 동일 축으로 위치한다. 도 20 에서, 뱅크 (51) 의 캠 축 (74) 이 캠 캐리어 (71) 에서 분리되어있지만, 실제로, 캠 축 (73, 74) 은 캠 캐리어 (72) 상의 캠 축 (74) 처럼 캠 캐리어 (71) 상에 동일 축으로 위치한다.
캠 (16) 은 한 뱅크의 인접한 2 개의 실린더 (2) 에 대응하는 흡기밸브 (3) 를 작동시키기 위해 캠 축 (73) 과 일체로 형성되어있으며 회전할 수 있다. 캠 (16) 은 동일 뱅크의 나머지 실린더 (2) 에 대응하는 흡기밸브 (3) 를 작동시키기 위해 다른 캠 축 (74) 과 일체로 형성되어있으며 또한 회전할 수 있다. 캠 축 (73) 은 제 1 전달 기구 (14) 를 통해 제 1 전기 모터 (11) 에 의해 회전하고, 캠 축 (74) 은 제 2 전달 기구 (15) 를 통해 제 2 전기 모터 (12) 에 의해 회전한다. 캠 (76) 은 한 뱅크의 모든 실린더의 배기밸브를 작동시키도록 배기를 위한 캠 축 (75) 과 일체로 형성되어있으며 작동할 수 있다. 캠 축 (75) 은 전달 기구 (77) 를 통해 하나의 전기 모터 (78) 에 의해 회전한다. 각각의 실린더 (2) 에 대한 캠 (16) 은 서로 120°의 위상 차이를 갖기 때문에, 2 개의 실린더 (2) 에서의 흡기밸브 (3) 의 작동 특성은 제 1 모터 (11) 의 요동 제어에 의해 독립적으로 제어될 수 있고, 나머지 실린더 (2) 에서의 흡기밸브 (3) 의 작동 특성은 2 개의 실린더 (2) 의 흡기밸브 (3) 에 관계없이 제 2 모터 (12) 에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
본 발명은 직렬 6 기통, V 형 8 기통, 또는 V 형 12 기통 내연기관에 적용될 수 있다. 도 21 에 도시된 직렬 6 기통 내연기관 (1C) 에서, 실린더 (2) 는 일단부에서 타단부까지 #1 ~ #6 의 번호가 부여되어 있으며, 실린더의 점화 순서는 #1→#5→#3→#6→#2→#4 이다. 도 22A 는 각각의 실린더 밸브의 표준 작용각이 240°.CA 일 때의 각각의 흡기밸브의 리프트 양과 크랭크 각 사이의 관계를 도시하며, 이 경우, 제 1 군 실린더, 제 2 군 실린더, 및 제 3 군 실린더는 #1 및 #6, #2 및 #5, 그리고 #3 및 #4 실린더로 각각 구성되고, 본 발명에 따른 밸브 구동 장치가 이 구성에 적용될 수 있다. 도 22B 는 직렬 6 기통 내연기관 (1C) 에서 각각의 흡기밸브의 표준 작용각이 180°.CA 로 설정될 때의 각각의 흡기밸브의 리프트 양과 크랭크 각 사이의 관계를 도시하며, 이 경우, 제 1 군 실린더 및 제 2 군 실린더는 #1, #2, 및 #3 실린더 그리고 #4, #5, 및 #6 실린더로 각각 구성되고, 점화 순서는 #1→#4→#2→#6→#3→#5 이고 밸브 구동 장치가 또한 이 구성에 적용될 수 있다.
V 형 8 기통 내연기관에 적용하는 경우, 4 개의 실린더가 각각의 뱅크에 직렬로 배치되기 때문에, 각각의 뱅크를 직렬 4 기통 내연기관으로 생각하여 상기 실시예를 이용할 수 있다. V 형 12 기통 내연기관에서, 6 개의 실린더가 각각의 뱅크에 일렬로 배치되기 때문에, 각각의 뱅크를 직렬 6 기통 내연기관으로 생각하여 상기 실시예를 또한 이용할 수 있다. 또한, 가변실린더 제어가 실행될 때, 6 기통 내연기관에서는 1 ~ 5 이내로, 8 기통 내연기관에서는 1 ~ 7 이내로, 그리고 12 기통 내연기관에서는 1 ~11 이내로 비연소 실린더의 수가 선택될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는, 1 개의 모터에 의해 개방되는 실린더의 수 및 그 조합 그리고 전기 모터의 수는 작용각의 조정가능 양과 관련하여 밸브개방기간의 순서에 있어 오버랩되지않도록 결정되는 것이 바람직하다. 즉, 작용각이 변화하는 경우에도 일군의 실린더에서 밸브개방기간이 오버랩되지않도록 1 개의 모터에 의해 개방되는 실린더의 수 및 그 조합 그리고 전기 모터의 수가 결정될 수 있다. 상기 실시예는 전기 모터의 수, 실린더의 수 및 그들의 배치, 그리고 1 개의 모터에 의해 제어되는 실린더들의 조합을 한정하지 않는다.
상기 실시예에 흡기밸브 (3) 가 도시되어있지만, 본 발명은 배기밸브에 적용될 수도 있다. 본 발명에 따라 배기밸브를 제어하고 각각의 실린더의 배기 효율을 변화시킴으로써 내연기관의 작동 상태를 제어할 수 있다. 또한, 흡기밸브 및 배기밸브 모두가 본 발명에 따라 제어될 수 있다. 감속기 (18, 31) 는 본 발명에 따른 실시예에 필수적이지않을 수 있고 또는 출력 축 (11a, 12a) 및 캠 축 (17, 30) 에 직접연결될 수 있다. 바람직하게는, 감속기 (18, 31) 의 감속비는 전기 모터 (11, 12) 의 속도를 쉽게 제어하기 위해 동일한 레벨로 설정된다. 토크저감기구 (40) 는 본 발명에 따른 실시예에 필수적이지않을 수 있다. 토크저감기구 (40) 를 제공하는 경우, 역위상 캠 (41) 은 캠 축 (17, 30) 과 같은 중간 기어에 필수적으로 제공되지않을 수 있고 감속기 (18, 31) 에 제공될 수 있다. 그러나, 이 경우, 역위상 캠 (41) 의 회전 속도는 캠 축 (17, 30) 의 회전 속도에 정수 배가 되어야한다. 운동전환 장치는 캠 기구 (13) 로 한정되지않고 슬라이더 크랭크 기구와 같은 링크 기구일 수 있으며, 이 경우, 링크 기구의 회전입력부의 회전체는 전기 모터에 의해 구동될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 밸브 구동 장치로, 각각의 실린더의 밸브의 작동 특성 제어에 대한 유연성이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에 따라, 밸브 구동 장치는 전기 모터가 각각의 실린더에 제공될 때에 비하여 소형화될 수 있고 차량에 쉽게 장착될 수 있다.

Claims (18)

  1. 밸브구동원에서 출력되는 회전 운동을 각각의 실린더에 제공된 운동전환 장치를 통해 선형 운동으로 전환하며 선형 운동으로 각각의 실린더의 밸브를 구동하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치로서,
    밸브의 밸브개방기간이 오버랩되지않는 다수의 실린더를 포함하는 실린더 군의 밸브구동원으로서 공용되는 전기 모터를 포함하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전기 모터의 회전 운동을 상기 실린더 군의 각각의 운동전환 장치의 회전체에 전달하는 운동전달기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실린더 군의 각각의 밸브를 구동할 때에 발생하는 구동 토크를 감소시키는 토크저감기구가 상기 실린더 군에 공용되는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 운동전달기구에는 상기 실린더 군의 각각의 운동전환 장치의 회전체를 서로 연결하는 전달 축이 제공되어있으며,
    상기 전기 모터는 회전 운동을 운동전달 축에 전달하도록 운동전달 축에 연결되어있는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 내연기관은 등간격 점화식 직렬 4 기통 4 행정사이클 내연기관으로서 구성되고,
    외측 실린더 쌍 사이의 점화 간격은 실린더의 점화 순서로 크랭크 각 360°로 설정되고,
    상기 내연기관에는 전기 모터로서 외측 실린더 쌍으로 구성된 제 1 군 실린더의 운동전환 장치에 공용되는 제 1 전기 모터 및 내측 실린더 쌍으로 구성된 제 2 군 실린더의 운동전환 장치에 공용되는 제 2 전기 모터가 설치되어있으며,
    상기 운동전달기구는 제 1 전기 모터의 회전 운동을 제 1 군 실린더의 각각의 운동전환 장치의 회전체에 전달하는 제 1 운동전달기구 및 제 2 전기 모터의 회전 운동을 제 2 군 실린더의 각각의 운동전환 장치의 회전체에 전달하는 제 2 운동전달기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 운동전달기구는 제 1 군 실린더의 각각의 운동전환 장치의 회전체 들을 연결하는 제 1 운동전달 축을 포함하며 상기 제 2 운동전달기구는 제 2 군 실린더의 각각의 운동전환 장치의 회전체들을 연결하는 제 2 운동전달 축을 포함하고,
    상기 제 2 운동전달 축은 제 1 운동전달 축의 외측에 동축으로 위치하고,
    상기 제 1 전기 모터는 회전 운동을 제 1 운동전달 축에 전달하도록 제 1 운동전달 축에 연결되어있으며,
    상기 제 2 전기 모터는 회전 운동을 제 2 운동전달 축에 전달하도록 제 2 운동전달 축에 연결되어있는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 내연기관은 등간격 점화식 6 기통 4 행정사이클 내연기관으로 구성되고,
    실린더 군은 각각의 실린더들 사이의 점화 시기가 실린더의 점화 순서에 있어 크랭크 각 360°로 설정되는 실린더들로 구성되며,
    상기 전기 모터 및 전달 기구는 각각의 실린더에 제공되는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  8. 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 운동전환 장치는 캠 기구로 구성되며,
    상기 회전체는 캠 기구의 캠인 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    전기 모터의 1 이상의 회전 속도 및 회전 방향을 변화시킴으로써 상기 실린더 군의 각각의 밸브의 작동 특성을 제어하는 제어 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    전기 모터에서 출력되는 회전 운동을 밸브의 선형 운동으로 전환하는 캠 기구를 더 포함하며,
    상기 제어 장치는 밸브의 리프트 양이 최대가 될 때 각각의 밸브를 구동하는 캠의 회전 속도가 최대 또는 최소가 되도록 회전 속도를 변화시키면서 캠 기구의 캠이 동일한 방향으로 계속 회전하도록 전기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    전기 모터에서 출력되는 회전 운동을 밸브의 선형 운동으로 전환하는 캠 기구를 더 포함하고,
    상기 각각의 실린더 군은 2 개의 실린더로 구성되며,
    전기 모터가 실린더 군의 실린더의 캠 기구의 캠에 의해 최대 리프트 양이 주어지는 위치와 동일 실린더 군의 또 다른 실린더의 캠 기구의 캠에 의해 최대 리프트 양이 주어지는 위치 사이의 범위 내에서 요동량을 바꾸면서 반대되는 2 방향으로 요동하도록 상기 제어 장치는 전기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 요동 중에 전기 모터의 회전 속도를 더 변화시키는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 밸브 구동 중에 상기 실린더 군의 캠의 노즈부의 헤드의 양측을 교대로 사용하도록 전기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 실린더 군의 한 실린더의 밸브는 개폐되고 동일 실린더 군의 다른 실린더의 밸브는 밀폐되어있도록 전기 모터를 반대되는 2 방향으로 요동시키는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기 모터는 밸브개방기간이 오버랩되지않는 다수의 실린더로 구성되는 각각의 실린더 군에 밸브구동원으로 제공되며,
    상기 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 실린더 군의 한 실린더의 밸브는 개폐되고 동일 실린더 군의 다른 실린더의 밸브는 밀폐되어있도록 1 개 이상의 전기 모터를 반대되는 2 방향으로 요동시키는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기 모터는 밸브개방기간이 오버랩되지않는 다수의 실린더로 구성되는 다수의 실린더 군 각각에 밸브구동원으로 사용되며,
    상기 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 각각의 모터에 의해 구동되는 모든 밸브가 밀폐되어있는 위치에서 전기 모터의 일부를 정지시키는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 밸브가 밀폐되어있는 실린더의 수가 실린더의 총 수 미만이 되도록 각각의 전기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
  18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 내연기관의 감소 실린더 작동에서 밸브가 밀폐되어있는 실린더의 수가 실린더의 총 수 미만이 되고 밸브가 개폐되는 실린더에서 실린더의 1 이상의 리프트 양 및 작용각이 변화되도록 각각의 전기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연기관용 밸브 구동 장치.
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