KR100974763B1

KR100974763B1 - 가변 밸브 액츄에이터

Info

Publication number: KR100974763B1
Application number: KR1020080030295A
Authority: KR
Inventors: 이종원
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2010-08-06
Also published as: KR20090105054A; DE102008047377A1; US8251026B2; CN101550849A; CN101550849B; US20090241874A1; JP2009250230A

Abstract

본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터는, 구동캠으로부터 힘을 전달받아 로커암을 가압함으로써 엔진의 밸브를 개폐시키는 가변 밸브 액츄에이터에 있어서, 일측이 회동 가능한 구조로 엔진에 결합되는 스윙암; 및 일측이 상기 로커암에 접촉되고 타측이 상기 스윙암의 타측에 회동 가능한 구조로 결합되어, 상기 구동캠에 의해 가압되어 상기 로커암을 가압하는 가압수단;을 포함하여 구성된다.

본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터를 이용하면, 구동캠과 캠샤프트의 위치를 변경시키지 아니하면서도 밸브의 개폐시기 및 리프트 거리를 조절할 수 있고, 밸브의 개폐시기를 보다 용이하게 조절할 수 있으며, 내부 구성이 간단하여 제품 적용성이 매우 우수하다는 장점이 있다.

엔진, 밸브, 캠, 개폐, 가변, 회동

Description

가변 밸브 액츄에이터{Variable valve actuator}

본 발명은 가변 밸브 액츄에이터에 관한 것으로, 더 상세하게는 엔진의 저/고속 운전영역에 따라 밸브의 개폐시기 및 리프트 거리가 가변될 수 있도록 구성되는 가변 밸브 액츄에이터에 관한 것이다.

엔진은 크랭크 샤프트의 회전력을 전달받은 캠샤프트가 회전되고, 상기 캠샤프트에 형성된 캠에 의해서 흡기 및 배기 밸브가 일정 간격으로 상하로 왕복운동하면서 연소실에 흡입공기가 공급되고, 연소가스가 배기되는 과정을 거쳐, 혼합기를 압축 및 폭발시켜서 동력을 얻는 과정이 반복된다.

상기와 같이 흡기 및 배기 밸브를 작동시키기 위한 구동캠과 캠샤프트, 태핏, 로커암 등의 일련의 기구들을 밸브트레인이라 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 밸브트레인에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 밸브트레인의 측면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 밸브트레인은 구동캠(12), 캠샤프트(11), 로커암(14), 밸브(15)를 포함하여 구성되며, 캠샤프트(11)에는 다수의 구동캠(12) 이 소정간격을 두고 결합되고, 상기 구동캠(12)의 하측에 피봇점(13)을 기준으로 각운동하는 로커암(14)이 구비된다.

또, 상기 로커암(14)의 외측 끝 하측에는 밸브(15)가 밸브스프링(16)에 의해 탄력지지된 채로 실린더 헤드의 흡기 포트 혹은 배기 포트에 형성된다. 즉, 상기한 캠샤프트(11)가 회전되면 회전반경을 달리하는 구동캠(12)에 의해서 로커암(14)의 롤러(14a)가 상하로 밀리게 된다. 그러면 상기한 로커암(14)은 피봇점(13)을 기준으로 각운동을 하게 되고, 로커암(14)의 외측 끝단은 밸브(15)의 스템 엔드부에 일정 간격으로 힘을 가하게 된다. 따라서 밸브(15)는 밸브 스프링(16)의 탄발력을 이기고 하강하게 되고, 구동캠(12)의 위치가 바뀌게 되어 상기한 로커암(14)이 상측으로 각운동하는 상태가 되면 밸브(15)는 밸브 스프링(16)의 탄발력에 의해 다시 상승하게 된다.

이와 같이 밸브 트레인(10)의 작동에 의해서 흡기 및 배기 밸브는 소정의 간격으로 개폐가 반복해서 이루어진게 된다.

그러나 상기한 종래의 밸브 트레인은 캠의 운동에 의한 1자유도계 운동을 하므로서 고속의 엔진 작동 조건 및 저속의 엔진 작동조건과 같은 엔진 운행조건에 따른 밸브 트레인의 변경이 불가능하였다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 엔진의 속도에 따라 밸브(15)의 개폐시기 및 리프트 거리를 조정할 수 있도록 구성되는 다양한 종류의 가변 밸브 액츄에이터가 고안된 바 있으나, 이러한 종래의 가변 밸브 액츄에이터는 구동캠(12)과 캠샤프트(11)의 위치를 변경시켜야하므로 기존 설계되어 양산되는 엔진에 쉽게 적용시키기가 어렵다는 단점이 있다.

또한, 종래에 고안되었던 가변 밸브 액츄에이터는 단순히 밸브(15)의 리프트 거리를 증감시킴으로써 밸브(15)의 개폐시기가 조절되도록 구성되어 있으므로, 밸브(15)의 개폐시기를 보다 효율적으로 조절할 수 없다는 단점이 있다.

또한, 밸브(15)의 리프트 거리 및 개폐시기를 조절하기 위해서는 캠샤프트(11)에 결합된 구동캠(12) 이외에 별도의 가변캠이 추가로 요구되는데, 종래에 고안되었던 가변 밸브 액츄에이터는 각 밸브(15)마다 구동캠(12)과 가변캠이 각각 장착되어야 하므로 내부 구성이 복잡해진다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 구동캠과 캠샤프트의 위치를 변경시키지 아니하면서도 밸브의 개폐시기 및 리프트 거리를 조절할 수 있고, 밸브의 개폐시기를 보다 안정적으로 조절할 수 있으며, 내부 구성이 간단해지도록 구성되는 가변 밸브 액츄에이터를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터는,

구동캠으로부터 힘을 전달받아 로커암을 가압함으로써 엔진의 밸브를 개폐시 키는 가변 밸브 액츄에이터에 있어서,

일측이 회동 가능한 구조로 엔진에 결합되는 스윙암; 및

일측이 상기 로커암에 접촉되고 타측이 상기 스윙암의 타측에 회동 가능한 구조로 결합되어, 상기 구동캠에 의해 가압되어 상기 로커암을 가압하는 가압수단;

을 포함하여 구성된다.

상기 가압수단은, 상기 스윙암의 회동 각도에 따라 상기 로커암에 접촉되는 지점이 변경되고, 상기 구동캠과 접촉되는 지점의 위치가 변경되도록 구성된다.

상기 가압수단은, 상기 구동캠과 접촉되는 지점에 종동롤러가 구비된다.

상기 스윙암은, 일측이 회동 가능한 구조로 엔진에 결합되고 타측이 상기 밸브와 멀어지는 방향으로 연장되는 둘 이상의 회동바와, 상기 둘 이상의 회동바 타측을 연결하도록 결합되는 연결바를 포함하여 구성된다.

상기 가압수단은 상기 연결바에 둘 이상 결합되어 서로 다른 로커암을 가압하도록 구성된다.

상기 로커암은 상기 가압수단과 접촉되는 부위에 로커암롤러가 구비되고,

상기 가압수단은 상기 로커암롤러와 접촉되는 면이 오목한 곡면으로 형성된 다.

상기 스윙암을 회동시키는 스윙수단을 더 포함한다.

상기 스윙수단은, 상기 스윙암의 타측 하부에 위치되는 스윙샤프트와, 상기 스윙샤프트에 결합되어 상기 스윙샤프트의 회전 각도에 따라 상기 회동바의 타측을 밀어 올리는 스윙캠을 포함하여 구성된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터의 측면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터가 엔진에 장착된 형상을 도시하는 사시도이며, 도 4는 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터의 사시도이다.

본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 캠샤프트(310)에 장착된 구동캠(300)으로부터 힘을 전달받아 로커암(200)을 가압함으로써 엔진의 밸브(100)를 개폐시키는 가변 밸브 액츄에이터로서, 일측이 회동 가능한 구조로 엔진에 결합되는 스윙암(400)과, 일측이 상기 로커암(200)에 접촉되고 타측이 상기 스윙암(400)의 타측에 회동 가능한 구조로 결합되어 상기 구동캠(300)에 의해 가압될 때 상기 로커암(200)을 가압하도록 구성되는 가압수단(500)을 포함한다.

상기 로커암(200)은 일측(도 2에서는 좌측)이 밸브(100)의 상부에 결합되고, 타측이 유압식 밸브(100)간극 조정장치(120)에 접촉되도록 구성된다. 또한, 상기 밸브(100)는 로커암(200)에 의해 하강되고 밸브스프링(110)의 탄성에 의해 상향 복귀된다.

상기 스윙암(400)은 구동캠(300)으로부터 가압수단(500)으로의 힘 전달 시점을 변경시키기 위한 구성요소로서, 둘 이상의 회동바(410)와 연결바(420)로 구성된다.

상기 회동바(410)는 엔진에 고정 결합된 고정브라켓(430)에 일측(본 실시예에서는 좌측단)이 회동 가능한 구조로 결합되고, 타측(본 실시예에서는 우측단)이 상기 밸브(100)와 멀어지는 방향(도 2에서는 우측방향)으로 연장된다. 또한 상기 연결바(420)는 각 회동바(410)의 타측을 연결하도록 결합된다.

즉, 상기 스윙암(400)은 상기 고정브라켓(430)과 힌지 결합된 지점을 중심으 로 회동하도록 구성되어, 회동 각도에 따라 밸브(100)의 개폐시기 및 밸브(100)의 리프트 높이를 가변시키는 역할을 하게 된다. 이와 같은 상기 스윙암(400)의 동작 및 이에 따른 효과는 이하 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

상기 가압수단(500)은 타측(본 실시예에서는 우측단)이 상기 연결바(420)에 둘 이상 결합되어 서로 다른 로커암(200)을 가압하도록 구성되고, 상기 가압수단(500)과 접촉되는 부위에는 상기 구동캠(300)과의 마찰력을 줄이기 위한 종동롤러(510)가 구비된다.

상기 가압수단(500)은 상기 연결바(420)에 고정 결합되는 것이 아니라 회동 가능한 구조 즉, 힌지결합되므로, 상기 회동바(410)의 타측이 상승되도록 스윙암(400)이 회동하더라도 상기 로커암(200)을 가압하지는 아니하고, 상기 구동캠(300)에 의해 하향 가압될 때 상기 로커암(200)을 가압하여 밸브(100)가 개방되도록 한다.

그러나 상기 스윙암(400)의 회동 각도가 변경되면, 상기 종동롤러(510)가 상기 구동캠(300)과 접촉되는 지점이 달라지므로 로커암(200)을 누르기 시작하는 시점(결과적으로 밸브(100)가 개폐되는 시점)이 달라지게 되고, 상기 로커암(200)에 접촉되는 가압수단(500) 지점(더 정확하게는 로커암롤러(210)와 접촉되는 가압수단(500) 지점)이 변경되므로 가압수단(500) 회동에 따른 로커암(200) 가압거리(결과적으로 밸브(100)의 리프트 거리)가 변경된다는 효과가 발생된다.

이와 같은 상기 가압수단(500)의 동작구성 및 이에 따른 효과 역시 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

또한, 상기 가압수단(500)은 상기 로커암롤러(210)와의 접촉 부위가 변경되더라도 상기 로커암롤러(210)를 보다 안정적으로 가압할 수 있도록, 상기 로커암롤러(210)와 접촉되는 면이 오목한 곡면으로 형성됨이 바람직하다.

본 실시예에서는 구동캠(300)이 종동롤러(510)를 가압함으로써 상기 가압수단(500)의 일측이 하강되는 구성만을 설명하고 있으나, 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터는 상기 종동롤러(510) 없이 구동캠(300)이 직접 가압수단(500)을 가압하도록 구성될 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는 하나의 구동캠(300)이 두 개의 가압수단(500)을 하강시키는 구성만을 설명하고 있으나, 하나의 스윙암(400)에 셋 이상의 가압수단(500)을 결합시킴으로써 하나의 구동캠(300)으로 셋 이상의 밸브(100)를 개폐시킬 수도 있고, 각각의 가압수단(500)에 구동캠(300)을 별도로 장착시킴으로써 하나의 구동캠(300)으로 하나의 가압수단(500)을 개별 하강시키도록 구성될 수도 있다.

본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터는, 상기 스윙수단(600)이 자동으로 회동될 수 있도록 상기 스윙암(400)을 회동시키는 스윙수단(600)을 더 포함할 수 있다.

상기 스윙수단(600)은 상기 스윙암(400)을 회동시키기 위한 구성요소로서, 상기 스윙암(400)의 타측 하부에 위치되는 스윙샤프트(610)와, 상기 스윙샤프트(610)에 결합되어 상기 스윙샤프트(610)의 회전 각도에 따라 상기 회동바(410)의 타측을 밀어 올리는 스윙캠(620)을 포함하여 구성된다. 즉, 도 2에 도시된 상태에서 상기 스윙샤프트(610)가 반시계방향으로 회전하면 상기 스윙캠(620)이 상기 회동바(410)의 타측을 밀어 올림으로써 상기 스윙암(400) 역시 반시계방향으로 회전하게 되고, 상기 스윙샤프트(610)가 시계방향으로 회전하면 상기 스윙암(400)은 자중에 의해 시계방향으로 회전하게 된다.

이때 상기 스윙수단(600)은, 엔진이 속도 등 여러 가지 설정 조건에 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 일정 각도 회전될 수 있도록 제어부에 의해 회전이 제어되도록 구성된다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터의 사용예를 도시하는 측면도이다.

도 5a는 스윙암(400)의 타측(본 실시예에서는 우측단)이 아래로 내려가도록 스윙암(400)이 회전되었을 때 가압수단(500)과 로커암롤러(210)의 위치를 도시하는 측면도이고, 도 5b는 이때 구동캠(300)과 종동롤러(510) 간의 위치를 도시하는 측면도이다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 상태에서 상기 구동캠(300)이 시계방향으로 회전하게 되면, 상기 구동캠(300)의 돌출부위(장변방향 외측면)가 종동롤러(510)와 접촉되는 시점부터 상기 가압수단(500)은 일측(본 실시예에서는 좌측단)이 아래로 내려가게 되고, 상기 가압수단(500)은 일측 저면이 로커암롤러(210)를 아래로 누르게 되어 로커암(200) 회동 및 밸브(100) 개방이 이루어지게 된다.

또한, 도 6a는 스윙암(400)의 타측(본 실시예에서는 우측단)이 위로 올라가도록 스윙암(400)이 회전되었을 때 가압수단(500)과 로커암롤러(210)의 위치를 도시하는 측면도이고, 도 6b는 이때 구동캠(300)과 종동롤러(510) 간의 위치를 도시하는 측면도이다.

도 6a에 도시된 바와 같이 스윙암(400)이 반시계방향으로 회동되면, 가압수단(500)은 도 5a에 도시된 경우에 비해 보다 우측 끝단을 향한 부위가 상기 로커암롤러(210)를 가압하게 되고, 종동롤러(510)는 도 6b에 도시된 바와 같이 구동캠(300)의 외측면을 타고 반시계방향으로 올라가게 된다.

이때, 상기 가압수단(500)은 우측단이 연결바(420)에 힌지 결합되어 있어 우측 끝단으로 갈수록 회전반경이 작아지게 되는바, 도 6a에 도시된 바와 같이 도 5a에 도시된 경우에 비해 가압수단(500)의 우측으로 이격된 지점이 상기 로커암롤러(210)를 가압하게 되면 그만큼 로커암(200)의 하강 거리가 짧아지고 이에 따라 밸브(100)의 리프트 거리도 짧아지게 된다.

또한, 도 6a에 도시된 바와 같이 스윙암(400)이 반시계방향으로 회동되면 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 종동롤러(510)는 구동캠(300)의 외주면을 타고 올라가게 되는데, 이와 같이 종동롤러(510)의 위치가 변경되면 구동캠(300)이 조금만 회전하더라도 종동롤러(510)가 하향으로 가압된다. 즉, 도 6a에 도시된 바와 같이 스윙암(400)이 반시계방향으로 회동된 상태에서는, 도 5a에 도시된 경우에 비해 밸브(100)의 개방시기가 빨라지게 된다.
도 5a 및 도 6a에서 확인할 수 있듯이, 상기 구동캠(300)의 단면을 캠샤프트(310)의 축방향으로 연장했을 때 상기 로커암롤러(210)와 상기 종동롤러(510)는 상기 구동캠(300)의 기초원 상에 인접하게 배치된다. 상기 종동롤러(510)은 상기 연결바(420)의 반대편에 위치한 점선으로 표시되어 있는 부분에 해당된다.

결론적으로, 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터는, 도 5a에 도시된 상태에서는 밸브(100)의 하강거리가 길어지고 밸브(100)의 개방시기는 늦어지게 되며, 도 6a에 도시된 상태에서는 밸브(100)의 하강거리가 짧아지고 밸브(100)의 개방시기는 빨라지게 된다는 효과를 얻을 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터를 이용하면, 엔진이 저속인지 또는 고속인지에 따라 밸브(100)의 하강거리 및 개방시기를 적절하게 조절함으로써, 배기가스를 저감시키고, 배기가스 후처리에 사용되는 귀금속 비용을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터는, 하나의 스윙암(400)에 둘 이상의 가압수단(500)을 상호 연결시켜 장착함으로써, 하나의 구동캠(300)으로 둘 이상의 밸브(100)를 조작할 수 있게 되고, 이에 따라 내부 구성이 보다 간단해진다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터는, 기존에 통상적으로 사용되고 있는 밸브(100), 로커암(200), 구동캠(300) 등의 위치를 변경시키지 아니하고 엔진에 장착될 수 있으므로, 제품 적용성이 매우 우수하다는 장점이 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

도 1은 종래 밸브 트레인의 측면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터의 측면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터가 엔진에 장착된 형상을 도시하는 사시도이다.

도 4는 본 발명에 의한 가변 밸브 액츄에이터의 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 밸브 110 : 밸브스프링

200 : 로커암 210 : 로커암롤러

300 : 구동캠 310 : 캠샤프트

400 : 스윙암 410 : 회동바

420 : 연결바 500 : 가압수단

510 : 종동롤러 600 : 스윙수단

610 : 스윙샤프트 620 : 스윙캠

Claims

구동캠으로부터 힘을 전달받아 로커암을 가압함으로써 엔진의 밸브를 개폐시키는 가변 밸브 액츄에이터에 있어서,

일측이 회동 가능한 구조로 엔진에 결합되고 타측이 상기 밸브와 멀어지는 방향으로 연장되는 둘 이상의 회동바와, 상기 둘 이상의 회동바 타측을 연결하도록 결합되는 연결바를 구비하는 스윙암; 및

일측이 상기 로커암에 접촉되고 타측이 상기 스윙암의 타측에 회동 가능한 구조로 결합되어, 상기 구동캠에 의해 수직으로 가압되어 상기 로커암을 가압하는 가압수단;을 포함하며,

상기 가압수단은 상기 연결바에 둘 이상 회동가능하게 결합되어 서로 다른 로커암을 가압하고,

상기 가압수단은, 상기 구동캠과 접촉되는 지점에 종동롤러가 구비되며,

상기 로커암은 상기 가압수단과 접촉되는 부위에 로커암롤러가 구비되고,

상기 가압수단은 상기 로커암롤러와 접촉되는 면이 오목한 곡면으로 형성되며,

상기 구동캠의 단면을 캠샤프트의 축방향으로 연장했을 때 상기 로커암롤러와 상기 종동롤러는 상기 구동캠의 기초원 상에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 액츄에이터.
제1항에 있어서,

상기 가압수단은, 상기 스윙암의 회동 각도에 따라 상기 로커암에 접촉되는 지점이 변경되고, 상기 구동캠과 접촉되는 지점의 위치가 변경되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 액츄에이터.
삭제
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삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 스윙암을 회동시키는 스윙수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 액츄에이터.
제7항에 있어서,

상기 스윙수단은, 상기 스윙암의 타측 하부에 위치되는 스윙샤프트와, 상기 스윙샤프트에 결합되어 상기 스윙샤프트의 회전 각도에 따라 상기 회동바의 타측을 밀어 올리는 스윙캠을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 액츄에이터.