KR101091621B1 - 내연기관의 밸브 어셈블리의 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의조절을 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내연기관의 밸브 어셈블리의 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치를 제공하며, 이 장치는, 상기 밸브의 개폐를 위해 상기 밸브 어셈블리를 작동시키는 접촉 수단을 가지며, 캠샤프트를 중심으로 하여 피벗 가능하게 구비되는 가동 곡면 부재, 소정의 방식으로 피벗 가능하고, 편심륜을 가지며, 상기 캠샤프트와 평행하게 배치되는 편심 샤프트, 상기 편심 샤프트의 편심륜을 중심으로 하여 피벗 가능하며, 상기 캠샤프트의 캠과 접촉하는 접촉 수단이 구비된 제1 암을 가지는 로커, 및 상기 로커의 제2 암을 상기 가동 곡면 부재의 암에 관절식으로 연결하는 연결 부재를 포함하고, 상기 가동 곡면 부재, 편심륜, 로커, 및 캠은, 상기 캠샤프트의 회전에 의해 상기 밸브가 개폐되고 상기 편심 샤프트의 소정의 피벗팅에 의해 상기 밸브의 스트로크가 조절 가능하도록, 서로에 대하여 적절한 형상을 가지고 배치된다.
내연기관, 밸브, 개폐, 스트로크, 캠샤프트, 편심 샤프트, 곡면 가동 부재

Description

내연기관의 밸브 어셈블리의 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치 {A DEVICE FOR OPENING AND CLOSING A VALVE OF A VALVE ASSEMBLY OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AS WELL AS FOR ADJUSTING THE STROKE OF THE VALVE}
본 발명은 내연기관의 밸브 어셈블리의 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 내연기관에 관한 것이기도 하다.
본 발명은 임의의 내연기관에 적용 가능하지만, 본 발명 및 그 문제점은 오토 엔진(Otto engine)에 대하여 더욱 상세히 기재되어 있다.
자원의 고갈에 의해, 그리고 환경 보호를 위해, 오토 엔진의 연료 소모량을 더욱 저감시키는 것은 의무적이다. 그러나 그 결과로서 엔진의 출력이 저하되어서는 안 된다. 이것은 오토 엔진의 효율을 증대시키는 것에 의해서만 이루어질 수 있다.
오토 엔진의 효율을 증대시키기 위한 방안은 WO 2006/054147 A1 공보에 기재되어 있으며, 밸브에서 상당한 유동 손실이 발생하여 오토 엔진의 효율을 저감시키기 때문에, 종래에 오토 엔진의 연소실에 도달하는 혼합기의 체적을 조절하기 위해 사용되었던 스로틀 밸브를 제거하는 것으로 이루어진다. 이러한 방안에서 스로틀 기능은, 밸브가 가변 스트로크를 가져서 오토 엔진의 연소실에 도달하는 혼합기의 체적을 조절하는 것으로 고려된다.
WO 2006/054147 A1에 기재된 방안에는, 밸브 개폐를 위해 밸브 어셈블리를 작동시키는 가동 곡면 부재를 가지는 장치가 채용되며, 이 가동 곡면 부재는 제1 편심 샤프트를 중심으로 하여 회동될 수 있도록 구비된다. 제1 편심 샤프트는 포지티브 리턴 종동 부재(positive-return follower element)에 의해 둘러싸이도록 구비된 제1 편심륜을 갖는다. 포지티브 리턴 종동 부재는 제1 로커 암에 관절식으로 연결되며, 로커 암은 소정의 방식으로 피벗 가능한 제2 편심 샤프트의 제2 편심륜을 중심으로 회동한다. 또한, 상기 장치는 연결 부재를 가지며, 이 연결 부재는 일 단부가 제2 로커 암에 관절식으로 연결되고 타 단부가 힌지 조인트에 의해 가동 곡면 부재에 관절식으로 연결된다.
전술한 방안에서는, 밸브의 개폐를 담당하는 제1 편심륜이, 포지티브 리턴 종동 부재 내부에서 회전할 수 있도록 항상 원형의 형상을 이루어야 하기 때문에, 그 윤곽의 설계를 실질적으로 변경할 수 없다는 단점을 갖는 것이 확인되었다. 이러한 "설계 자유도"가 없다면 가동 곡면 부재에 대하여 최적의 가동 곡면을 얻을 수 없다. 특히, 가변 스트로크보다 과도하게 밸브를 상승시키면 상당한 변형이 일어날 수 있어서 바람직하지 못하다. 또한, 제1 편심륜은, 원형 형상으로 인해, 대기 포지션, 즉 가동 곡면 부재의 작용이 일어나지 않는 영역을 가지지 않는다. 이러한 대기 포지션의 부재는, 예를 들어 내연기관의 연소 사이클 중에 밸브가 폐쇄되어 있도록, 가동 곡면 부재가 적절한 윤곽을 가지는 것에 의해 보상된다. 그러 나 이것은 결국, 종래 기술의 방안에 따른 장치의 부품들이 대폭 움직이고 따라서 대폭 가속되도록 하여, 마찰을 증가시키고 수명을 단축시키며 부품의 고품질을 위한 고비용을 수반시킨다.
본 발명의 과제는, 조립이 더욱 용이하고/또는 종래 기술의 방안의 적어도 대안적인, 개선된 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 청구항 1의 특징을 가지는 장치 및 청구항 8의 특징을 가지는 내연기관에 의해 달성된다.
따라서, 내연기관의 밸브 어셈블리의 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치가 제공된다. 밸브 어셈블리는 가동 곡면 부재를 가지며, 가동 곡면 부재는 밸브의 개폐를 위해 밸브 어셈블리를 작동시키는 접촉 수단을 포함하고, 가동 곡면 부재는 캠샤프트 둘레에 피벗 가능하게 구비된다. 밸브 어셈블리는 또한, 소정의 방식으로 피벗 가능하게 구비되고 편심륜을 가지며 캠샤프트와 실질적으로 평행하게 배치되는 편심 샤프트를 갖는다. 또한, 편심 샤프트의 편심륜 둘레에서 피벗 가능하게 구비되며 캠샤프트의 캠에 대하여 지지되는 접촉 수단을 구비하는 로커가 제공된다. 또한, 로커의 제2 암을 관절 방식으로 가동 곡면 부재의 암에 연결하는 연결 부재가 제공된다. 가동 곡면 부재, 편심륜, 로커, 및 캠은, 캠샤프트의 피벗팅에 의해, 그리고 편심륜의 소정의 피벗팅에 의해 소정의 방식으로 레버 홀더를 피벗시킴으로써 밸브의 스트로크가 조절 가능한 것에 의해 밸브가 개폐되도록, 서로에 대하여 적절한 형상을 이루어 배치된다.
또한, 내연기관은, 연소실의 입구에 배치되는 밸브를 가지는 하나 이상의 밸 브 어셈블리, 및 본 발명에 따른 장치를 포함하는 것으로 제공된다.
본 발명의 기본 아이디어는, 종래 기술의 방안에 따른 제1 편심륜을 캠으로 대체하고, 이 캠을 접촉 수단에 의해 로커와 결합시키는 것이다. 본 발명에 따른 캠은 종래 기술의 방안에 따른 제1 편심륜에 비해 그 윤곽이 상당한 자유도를 가질 수 있다. 이로 인해 가동 곡면 부재에 대하여 보다 양호한 가동 곡면이 이루어질 수 있다. 또한, 상기 캠은 대기 포지션을 구비할 수 있어서, 본 발명에 따른 어셈블리의 부품들이 비교적 적게 움직이고 따라서 가속이 더 작아지도록 하여, 마찰 저감, 수명 연장, 및 비용 저감을 가져다준다.
종속청구항에는 본 발명의 바람직한 실시예 및 개선점이 기재되어 있다.
본 발명에서, "접촉 수단"은 특히, 표면, 롤러 및/또는 슬라이딩 부재를 말한다. 본 발명에서, 접촉 수단은 2개의 부품 사이에서 운동을 전달하기 위해 이용된다.
본 발명에서, 밸브의 "스트로크"는 밸브의 태핏의 하사점과 상사점 사이에서 밸브의 태핏에 의해 커버되는 거리를 말한다.
본 발명에서, 구성요소의 "암"은 구성요소의 회전축에 대한 구성요소의 임의의 돌출부를 말한다. 예를 들어 암은 원반 부재의 일체형 구성요소일 수도 있다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 특징에 따르면, 연결 부재의 일 단부를 로커의 제2 암에 연결하는 제1 조인트 및 연결 부재의 타 단부를 가동 곡면 부재의 암에 연결하는 제2 조인트를 구비하며, 제1 및/또는 제2 조인트는 가동 곡면 부재가 밸브를 개방하기 위해 확장되는 경우에 연결 부재에 가해지는 압축 하중을 전달 하기만 한다. 따라서 제1 및 제2 조인트는, 인장 하중을 전달하기에 적절하도록 설계될 필요가 없으며, 훨씬 더욱 간단하게 제조될 수 있어서 비용이 저렴하다. 특히 바람직하게는, 이들 조인트는 압축 하중만을 전달하도록 설계된다.
다른 바람직한 특징에 따르면, 제1 및/또는 제2 조인트는 볼과 소켓 조인트, 및 힌지식 또는 새들 조인트로서 설계된다. 이들의 조합도 고려될 수 있어서, 예를 들면 제1 조인트는 볼과 소켓 조인트로 설계되고 제2 조인트는 새들 조인트로서 설계된다.
본 발명에 따른 장치의 또 다른 바람직한 특징에 따르면, 밸브를 폐쇄하도록 가동 곡면 부재를 복귀시키는 복귀 스프링이 제공된다. 로커와 가동 곡면 부재 사이에서 연결 부재에 의해 압축 하중만이 전달될 수 있는 경우에, 복귀 장치는 연결 부재가 로커 또는 가동 곡면 부재로부터 결합이 해제되는 것을 방지하도록 제공되어야 한다. 가동 곡면 부재의 암을 로커의 제2 암 쪽으로 사전 신장시키는 복귀 스프링은 특히 이러한 목적에 적합하다.
본 발명의 또 다른 바람직한 특징에 따르면, 로커의 제2 암과 가동 곡면 부재의 암 사이의 거리를 조절할 수 있는 조절 장치가 제공된다. 본 발명에 따른 장치의 구성요소 또는 편심 샤프트의 캠샤프트 및/또는 베어링의 제조 공차는 상기 조절 장치에 의해 보정될 수 있다. 특히, 조절 장치는 내연기관의 모든 실린더의 급기가 동일해질 수 있도록, 즉 내연기관 내의 여러 실린더의 밸브의 스트로크가 동일하게 조절될 수 있도록 한다. 조절 장치에 의한 조절은, 본 발명에 따른 장치의 조립 직전 또는 차량의 정비 후에 이루어질 수 있다.
조절 장치 대신에, 소정의 상이한 길이(조절 가능하지 않음)의 연결 부재들이 제공될 수도 있다. 로커의 제2 암과 가동 곡면 부재의 암 사이의 원하는 거리는 장치 및/또는 내연기관의 조립 중에 결정된다. 필요에 따라, 장치에는 보다 길거나 짧은 연결 부재가 설치된다.
본 발명에 따른 장치의 또 다른 바람직한 특징에 따르면, 조절 장치는 일 단부에, 연결 부재의 조인트 부재와 상호 작용하는 조인트 부재를 구비한 조절 부재가 구비되며, 타 단부에, 로커의 제2 암 또는 가동 곡면 부재의 암의 상대 나선과 맞물리는 나선이 구비되고 이 나선의 위치는 상대 나선에 대하여 조절 가능하다. 이러한 방식으로 설계된 조절 장치는 제조가 용이하며 비교적 신뢰적이다. 여기서, "조인트 부재는" 예를 들어, 조인트 시트(joint seat), 조인트 볼(joint ball), 조인트 부시(joint bush) 또는 조인트 핀(joint pin)을 말한다.
본 발명에 따른 장치의 또 다른 바람직한 특징에 따르면, 조절 부재의 나선이 상대 나선에 대하여 스스로 느슨해지는 회전을 방지하는 잠금 너트(lock nut)를 갖는다. 따라서, 장시간 가동의 영향에도 불구하고, 로커의 제2 암과 가동 곡면 부재의 암 사이의 거리가 변화되지 않도록 보장될 수 있다.
본 발명에 따른 내연기관의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 밸브 어셈블리는, 가동 곡면 부재와 접촉하여 그 피벗 운동을 밸브의 직선 운동으로 변환하여 밸브를 개폐시키는 롤러 캠 종동부(roller cam follower) 또는 버켓 태핏(bucket tappet)을 포함한다. 롤러 캠 종동부는 특히, 버켓 태핏이 바람직하지만 다른 기구도 고려될 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조한 예시적인 실시예에 따라 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
각각의 조인트 볼(22, 25)의 중간선을 넘어 감싸지 않도록 제공된다. 결과적으로, 이들 조인트(22, 23 및 25, 26)는 압축 하중을 전달할 수 있지만, 인장 하중은 전달하지 않는다. 가동 곡면 부재(27)는 바람직하게, 캠샤프트(2)를 중심으로 하여 선회될 수 있도록 캠샤프트(2)에 장착된다. 가동 곡면 부재(27)는 윤곽면(28)으로서 설계된 접촉 수단을 가지며, 이 접촉 수단은 내연기관(미도시)의 실린더의 밸브 어셈블리(28a)의 버켓 태핏(29)에 대하여 지지된다. 버켓 태핏(29)은 밸브 어셈블리(28a)의 밸브(30)를 작동시킨다. 윤곽면(28)은 바람직하게, 가동 곡면 부재(27)의 암(13)과 일체로 설계되며, 암(13)은 조인트 시트(26)를 지지한다. 복귀 스프링(32)은, 일 단부가 가동 곡면 부재(27)에 대하여 고정되게 제공되는 고정 지점(32a)에 고정되고, 타 단부는 가동 곡면 부재(27)에 고정된다. 복귀 스프링(32)은 가동 곡면 부재(27)의 암(31)을 연결 부재(24)에 대하여 사전 신장시키며, 이것은 로커(7)의 암(13)에 대하여 다시 사전 신장되는 것을 의미하고, 이것은 다시, 롤러 부재(5)가 캠(4)과 접촉을 유지하는 것을 의미한다. 이러한 구성에서, 복귀 스프링(32)은 시계방향 회전을 위해 가동 곡면 부재(27)의 암(31)을 사전 신장시킨다.
회전축(3, 8, 12)은 바람직하게 서로 평행하게 배치된다.
이상, 본 발명에 따른 장치(1)의 본질적인 구조를 설명하였으며, 이제 그 작 동 원리를 보다 상세히 설명하기로 한다.
오토 엔진의 작동 중에, 캠샤프트(2)는 예를 들어 도면에 화살표로 나타낸 바와 같이 시계반대방향으로 캠(4)과 함께 회전한다. 그리고 캠(4)은 롤러 부재(5)에 대하여 작용하여, 롤러 부재(5)를 화살표로 나타낸 방향으로 작동시킨다. 따라서, 로커(7)는 회전축(10)을 중심으로 하여 도면에 화살표로 나타낸 바와 같이 시계방향으로 선회된다. 이 때, 로커(7)의 제2 암(13)은 연결 부재(24)에 의해 가동 곡면 부재(27)를 작동시켜, 가동 곡면 부재(27)가 그 윤곽면(28)에 의해 버켓 태핏(29)에 작용되도록 한다. 그러면 밸브(30)가 개방된다. 캠샤프트(2)가 회전을 계속하고 캠(4)의 예시적인 최고 지점(33)이 롤러 부재(5)를 통과하면, 복귀 스프링(32)이 가동 곡면 부재(27)를 시계방향으로 선회시킨다. 그러면 밸브 스프링(미도시)이 작용하고 따라서 가동 곡면 부재(27)의 운동을 따라 다시 밸브(30)가 폐쇄된다. 버켓 태핏(29)은 실질적으로 가동 곡면 부재(27)의 윤곽면(28)과 접촉되어 있다. 따라서 밸브(30)는 도면에서 양방향 화살표로 나타낸 바와 같이 개폐 동작을 행하게 된다.
엔진의 출력이 더욱 많이 요구되는 경우, 편심 샤프트(11)는 도시하지 않은 장치에 의해 회전축(12)을 중심으로 하여 소정의 방식으로 선회된다. 이로 인해 가동 곡면 부재(27)에 대한 로커(7)의 포지션이 변화되어, 가동 곡면 부재(27)의 윤곽면(28)의 다른 부분 영역(34)이 버켓 태핏(29)과 접촉하게 된다. 따라서 밸브(30)의 스트로크(34)가 변화될 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시예에서는, 캠샤프트(7) 및/또는 가동 곡면 부재(27) 가 내연기관(미도시)의 하우징 내의 편심륜(9) 또는 캠샤프트(2)에 구비될 수도 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이들 실시예에만 한정되지 않고 여러 방식으로 변형될 수 있다.
또한, 본 발명은 디젤 엔진에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 장치가 도시하지 않은 차량용 오토 엔진에 설치된 것을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치
1캠샤프트 3 회전축
4 캠 5 롤러 부재
6 암 7 로커
8 회전축 9 편심륜
10 회전축 11 편심 샤프트
12 회전축 13 암
15 보어 16 나선
17 상대 나선 18 조절 부재
19 잠금 너트 20 단부
21 단부 22 조인트 볼
23 조인트 시트 24 연결 부재
25 조인트 볼 26 조인트 시트
27 가동 곡면 부재 28 윤곽면
28a 밸브 어셈블리 29 버켓 태핏
30 밸브 31 암
32 복귀 스프링 32a 고정 지점
33 최고 지점 34 스트로크

Claims (9)

  1. 내연기관의 밸브 어셈블리(28a)의 밸브(30) 개폐 및 밸브(30) 스트로크(34)의 조절을 위한 장치(1)에 있어서,
    상기 밸브(30)의 개폐를 위해 상기 밸브 어셈블리(28a)를 작동시키는 접촉 수단(28)을 가지며, 캠샤프트(2)를 중심으로 하여 피벗 가능하게 구비되는 가동 곡면 부재(27),
    소정의 방식으로 피벗 가능하고, 편심륜(9)을 가지며, 상기 캠샤프트(2)와 평행하게 배치되는 편심 샤프트(11),
    상기 편심 샤프트(11)의 편심륜을 중심으로 하여 피벗 가능하며, 상기 캠샤프트(2)의 캠(4)과 접촉하는 접촉 수단(5)이 구비된 제1 암(6)을 가지는 로커(7), 및
    상기 로커(7)의 제2 암(13)을 상기 가동 곡면 부재(27)의 암(31)에 관절식으로 연결하는 연결 부재(24)
    를 포함하고,
    상기 가동 곡면 부재(27), 편심륜(9), 로커(7), 및 캠(4)은, 상기 캠샤프트(2)의 회전에 의해 상기 밸브(30)가 개폐되고 상기 편심 샤프트(11)의 소정의 피벗팅에 의해 상기 밸브(30)의 스트로크(34)가 조절 가능하도록 배치된 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결 부재(24)의 일 단부를 상기 로커(7)의 제2 암(13)에 연결하는 제1 조인트(22, 23), 및 상기 연결 부재(24)의 타 단부를 상기 가동 곡면 부재(27)의 암(31)에 연결하는 제2 조인트(25, 26)를 포함하고, 상기 제1 조인트(22, 23) 또는 상기 제2 조인트(25, 26)는 상기 가동 곡면 부재(27)가 상기 밸브(30)를 개방하도록 확장되는 경우에 상기 연결 부재(24)에 인가되는 압축 하중만을 전달하는 것을 특징으로 하는, 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 조인트(22, 23) 또는 상기 제2 조인트(25, 26)는, 볼(ball), 힌지(hinge), 또는 새들 조인트(saddle joint)로서 설계된 것을 특징으로 하는, 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브(30)를 폐쇄하기 위해 상기 가동 곡면 부재(27)를 복귀시키는 복귀 스프링(32)이 구비된 것을 특징으로 하는, 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 로커(7)의 제2 암(13)과 상기 가동 곡면 부재(27)의 암(31) 사이의 거리를 조절 가능한 조절 장치(16, 17, 18)가 구비된 것을 특징으로 하는, 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 조절 장치는, 일 단부에 상기 연결 부재(24)의 조인트 부재(23)와 상호 작용하는 조인트 부재(22)가 구비되고, 타 단부에 상기 로커(7)의 제2 암(13) 또는 가동 곡면 부재(27)의 암(31)의 상대 나선(16)과 맞물리는 나선(17)이 구비되며 상기 나선(17)의 포지션은 상기 상대 나선(16)에 대하여 조절 가능한 것을 특징으로 하는, 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 조절 부재(18)의 나선(17)은, 상기 나선(17)이 상대 나선(16)에 대하여 스스로 느슨해지는 것을 방지하는 잠금 너트(19)를 가진 것을 특징으로 하는, 밸브 개폐 및 밸브 스트로크의 조절을 위한 장치.
  8. 내연기관에 있어서,
    상기 내연기관의 연소실의 입구에 배치되는 밸브(30)를 가진 하나 이상의 밸브 어셈블리(28a), 및 하나 이상의 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 장치(1)를 포함하는, 내연기관.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 밸브 어셈블리(28a)는, 가동 곡면 부재(27)의 접촉 수단(28)과 접촉하여 상기 가동 곡면 부재(27)의 피벗 운동을 상기 밸브(30)의 직선 운동으로 변환하여 상기 밸브(30)를 개폐시키는 롤러 캠 종동부(roller cam follower) 또는 버켓 태핏(bucket tappet)(29)을 가진 것을 특징으로 하는, 내연기관.
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