KR101249657B1 - 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것으로, 캠샤프트(10)에 고정판(40)과 이동 가능한 캠(20)이 설치되고, 상기 고정판(40)과 상기 캠(20)의 사이에 유압실린더(51,52)와 스프링(61,62)이 설치되며, 상기 캠(20)이 접하는 밸브캡(30)은 상면이 경사면으로 형성된다.
따라서, 엔진 운전 상태에 따라 상기 캠(20)의 위치를 조절하여 밸브 리프트를 연속적으로 가변 제어할 수 있다.

Description

엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치{continuously variable valve lift system of engine}

본 발명은 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밸브의 리프트량을 엔진 부하에 따라 가변시킬 수 있도록 된 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에는 연료가 연소되어 동력을 발생시키는 연소실이 형성되고, 상기 연소실의 상부에는 외부공기를 도입시키는 흡기밸브와, 연소가스를 외부로 배출하는 배기밸브가 구비된다. 상기 흡기밸브와 배기밸브는 크랭크샤프트에 연결된 밸브개폐기구에 의해 개폐된다.

통상적인 밸브개폐기구는 일정한 형상을 갖는 캠에 의해 작동되므로 밸브가 항상 일정한 리프트량을 가지게 되며, 이에 흡입 또는 배출되는 가스의 양을 조절할 수 없다. 따라서, 엔진은 그 운전영역 전체에 걸쳐서 최적의 흡배기 상태를 가질 수 없었다.

따라서 엔진의 열효율과 출력의 향상을 위해 밸브리프트와, 개폐시기 및 개폐시간을 가변시키고자 하는 시도가 이루어지고 있으며, 그 결과 개발된 것 중의 하나가 연속 가변 밸브 리프트 장치(CVVL; continuously variable valve lift)이다.

따라서, 밸브 리프트를 엔진의 운전 상태에 따라 최적으로 조절할 수 있게 됨으로써 높은 출력이 요구되는 고속/고부하 운전영역에서는 흡기유량을 최대화할 수 있고, 연비의 향상이나 배기가스의 저감이 중요한 저속/저부하 운전영역에서는 스로틀손실의 최소화 및 EGR효과의 상승을 도모할 수 있다.

그러나, 기존의 연속 가변 밸브 리프트 장치는 주로 캠이 소경부와 대경부의 2단으로 이루어진 형태로서 저속/저부하 운전영역과 고속/고부하 운전영역을 임의 설정된 엔진회전수를 기준으로 구분하고, 그 기준에 따라 밸브 리프트가 작은 경우와 큰 경우의 2단계 조절만 가능할 뿐, 엔진 운전 상태의 변화를 실시간 및 연속 적으로 추종하는 진정한 연속 가변 밸브 리프트 제어는 이루어지지 못하였다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 엔진의 운전 상태 변화에 따라 밸브의 리프트량을 연속적으로 조절할 수 있도록 된 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진의 실린더헤드에 회전 가능하게 설치된 캠샤프트와;

상기 캠샤프트에 축방향으로 이동할 수 있도록 설치된 캠과;

상기 캠에 접촉하는 상면이 경사면으로 형성된 밸브캡;을 포함한다.

또한, 상기 캠샤프트에 고정판이 설치되고, 상기 고정판과 상기 캠의 사이에 유압을 공급받아 상기 캠을 밀어주는 유압실린더가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캠은 엔진 회전수와 부하가 증가하면 상기 밸브캡 상면의 높은 쪽으로 이동하고, 엔진 회전수와 부하가 감소하면 낮은 쪽으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캠의 외주면과 상기 밸브캡의 상면은 상호 동일한 각도의 경사면으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 밸브캡의 측단면은 상기 캠샤프트의 중심과 동일선상에 최고점이 위치되는 호형면으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유압실린더에 연결되는 유압통로는 상기 캠샤프트와 상기 고정판의 내부에 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정판과 상기 캠의 사이에 상기 캠을 상기 고정판쪽으로 당겨주는 스프링이 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캠샤프트에서 상기 캠을 기준으로 상기 고정판의 반대쪽 위치에 스프링시트가 고정되고, 상기 캠과 상기 스프링시트의 사이에 상기 캠을 상기 고정판쪽으로 밀어주는 스프링이 설치될 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 엔진 회전수와 부하의 증감에 따라서 밸브캡의 경사면에서 캠이 접촉하는 위치가 실시간 및 연속적으로 가변될 수 있게 됨으로써 엔진 운전상태 변화에 따른 최적의 밸브 리프트 제어가 가능하게 된다.

즉, 엔진 회전수와 부하가 감소되면 밸브 리프트량이 감소됨으로써 외기의 과도 공급이 방지되어 스로틀손실이 감소되고, 배기가스중 EGR 가스량이 상대적으로 증가됨으로써 유해배기가스 배출이 감소되며, 연비가 향상된다.

또한, 엔진 회전수와 부하가 증가할때는 밸브 리프트량이 증가하여 보다 많은 양의 외기를 연소실로 공급할 수 있게 됨으로써 엔진 출력이 향상되는 효과가 있다.

또한, 상기 캠이 접촉하는 상기 밸브캡의 상면에 불연속부분이 존재하지 않으므로 엔진 운전 상태 변화에 따른 밸브 리프트의 완전한 연속 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치의 사시도,
도 2는 본 발명의 또 다른 변형 실시예를 도시한 정면도,
도 3은 본 발명의 요부인 캠과 밸브캡의 정면도,
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도로서, 캠과 밸브캡의 측단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 캠샤프트(10)와, 상기 캠샤프트(10)상에 축방향으로 좌우 이동할 수 있도록 설치된 캠(20)과, 상기 캠(20)에 접촉하는 상면(31)이 경사면으로 형성된 밸브캡(30)을 포함한다.

주지된 바와 같이, 상기 캠샤프트(10)는 엔진의 실린더헤드에 회전 가능하게 설치되고, 크랭크샤프트에 벨트로 연동된다.

상기 캠(20)에는 원형의 장착공(21)이 형성되고, 상기 장착공(21)으로 상기 캠샤프트(10)가 삽입되며, 삽입상태에서 상기 캠(20)은 캠샤프트(10)의 축방향을 따라 좌우 방향으로 슬라이딩 이동할 수 있다. 상기 캠(20)의 장착공(21) 내주면과 상기 캠샤프트(10)의 외주면 사이에는 윤활유가 제공될 수 있다.

상기 밸브캡(30)은 실리더헤드(1)에 설치된 밸브(3)의 상단에 장착되는 것으로, 상면(31)이 상기 캠(20)과 상시 접촉되며, 이와 같은 상시 접촉 상태를 유지하기 위해 하면이 스프링(4)에 의해 상방으로 탄성 지지된다.

상기 밸브캡(30)의 외주면은 원통형으로 형성되고, 상기 실린더헤드(1)에 형성된 동일한 형상의 가이드공(1a)에 삽입될 수 있다. 따라서, 상하 운동시 이동경로가 안정적으로 안내된다.

상기 캠샤프트(10)에는 상기 캠샤프트(10)를 중심으로 하고, 상기 캠샤프트(10)에 대해 직각 방향으로 확장 형성된 고정판(40)이 구비된다. 상기 고정판(40)은 상기 캠샤프트(10)상에서 이동 불가한 고정체이다.

상기 고정판(40)의 형상과 크기에는 별다른 제한이 없으며, 대략 상기 캠(20)과 유사한 크기의 원형판인 것이 바람직하다.

상기 고정판(40)의 일측면 즉, 상기 캠(20)과 마주보는 면에는 복수의 유압실린더(51,52)가 설치되고, 상기 유압실린더(51,52)의 실린더로드(51a,52a)는 상기 캠(20)의 상기 고정판(40) 대응면에 연결된다. 상기 실린더로드(51a,52a)는 상기 캠(20)에 용접 또는 볼팅 등의 방법으로 연결 및 고정된다.

상기 캠샤프트(10)와 상기 고정판(40)의 내부에는 상기 유압실린더(51,52)에 유압을 공급하기 위한 유압통로(11,11a,11b)가 형성된다.

상기 캠샤프트(10)에는 내부 중앙으로 유압통로(11)가 형성되며, 상기 유압통로(11)는 상기 고정판(40)의 내부에서 상기 유압실린더(51,52)와 동수의 유압통로(11a,11b)로 분기 형성된다. 상기 분기된 유압통로(11a,11b)는 상기 각 유압실린더(51,52)에 연결된다.

따라서, 도시하지 않은 유압공급수단(상기 유압통로(11)에 연결되는 유압공급관로에 설치된 유압펌프, 전자제어 개폐밸브, 유량측정센서 등)에 의해 상기 유압통로(11,11a,11b)를 통해서 상기 유압실린더(51,52)로 유압을 공급할 수 있다.

또한, 상기 고정판(40)과 캠(20)의 사이에는 복수의 스프링(61,62)이 설치된다. 상기 스프링(61,62)은 양단이 상기 고정판(40)과 캠(20)의 상호 마주보는 면(대응면)에 고정된다. 상기 스프링(61,62)은 인장스프링으로서 상기 캠(20)을 상기 고정판(40)쪽으로 당겨주는 역할을 한다. 상기 스프링(61,62)은 상기 유압실린더(51,52)와 동수로 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 유압실린더(51,52)의 작동방향에 대해 반대방향으로 힘을 가하여 상기 캠(20)을 상기 고정판(40)쪽으로 복귀시키기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 스프링(81,82)이 설치될 수 있다.

도 2에 도시된 실시예에서는, 상기 캠(20)을 기준으로 상기 고정판(40)이 설치된 방향의 반대쪽 방향에 스프링시트(70)가 설치된다. 상기 스프링시트(70)는 상기 캠(20)과 소정거리 이격된 위치에서 상기 캠샤프트(70)에 고정된 상태로 설치된다. 상기 스프링(81,82)은 상기 캠(20)과 상기 스프링시트(70)의 대응면에 양단이 고정된다. 상기 스프링(81,82)은 압축스프링으로서 유압실린더(51,52)에 의해 밀려진 캠(20)을 상기 고정판(40)쪽 방향으로 밀어주는 역할을 수행한다.

한편, 도 3과 같이 상기 밸브캡(30)의 상면(31)은 전술한 바와 같이 경사면으로 형성되어 있다. 또한, 상기 밸브캡(30)의 상면(31)에 접촉하는 상기 캠(20)의 외주면(캠프로파일면;22)도 상기 밸브캡(30)의 상면(31)과 동일한 각도의 경사면으로 형성된다. 상기 밸브캡(30)의 상면(31)은 상기 고정판(40)쪽에 가까울수록 높이가 낮아지고, 반대로 상기 고정판(40)쪽에서 멀어질수록 높이가 높아지는 경사도를 갖는다.

또한, 상기 밸브캡(30)의 상면(31)은 도 4에 도시된 바와 같이, 측면에서 보았을때 단면이 호형으로 형성된다. 상기 단면상에서 상기 상면(31)의 최고점은 상기 캠샤프트(10)의 중심과 동일선상에 형성되며, 상기 최고점을 기준으로 좌우 양측부분은 상기 캠샤프트(10)의 중심선을 기준으로 대칭 형상을 이룬다.

이제 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.

차량 운행 중 엔진이 저속/저부하 상태로 운전되면 상기 유압실린더(51,52)로부터 유압이 빠져나가고, 이때 상기 스프링(51,52)에 의해 상기 캠(20)이 상기 고정판(40)쪽으로 당겨지면서 상기 캠(20)은 상기 밸브캡(30)의 상면(31) 아래쪽으로 이동하여 접촉된다.(도 2의 스프링(81,82)의 경우에도 캠(20)의 이동방향은 동일하므로 별도의 설명은 생략한다.)

따라서, 상기 캠(20)에 의해 상기 밸브캡(30)이 하방으로 밀려지는 최대길이 즉, 상기 밸브(3)의 밸브 리프트량이 감소된다.

따라서 흡기밸브에서는 엔진 회전수와 부하의 크기가 감소한 것에 비례하여 흡입 공기량이 감소됨으로써 스로틀손실이 감소되어 연비 향상에 도움이 된다.

또한, 배기밸브에서는 배기가스중 EGR 순환량이 상대적으로 증가됨으로써 유해배기가스 배출이 감소되며, 연비가 향상된다.

상기와 같은 상태에서 엔진이 아이들(공회전) 상태로 운전되면, 상기 유압실린더(51,52)로부터 유압이 완전히 제거되고 상기 스프링(51,52)은 최대로 수축되며, 이때 상기 캠(20)은 상기 밸브캡(30) 상면의 가장 낮은 부분에 접하게 된다.

한편, 차량 운행 중 엔진의 회전수가 상승하고 부하가 증가하게 되면, 상기 유압통로(11,11a,11b)를 통해 상기 유압실린더(51,52)로 공급되는 유압의 크기가 증가되고, 이에 상기 실린더로드(51a,51b)가 상기 캠(20)을 밀어 상기 고정판(40)으로부터 멀어지는 방향으로 이동시킨다.

따라서, 상기 캠(20)은 상기 밸브캡(30)의 상면(31)에서 보다 높은 위치로 이동하여 접촉하게 되므로 상기 밸브(3)의 밸브 리프트량이 증가하게 된다.

따라서, 흡기밸브에서는 흡기량이 증가함으로써 엔진 회전수 및 부하 증가에 따라 요구되는 공기량을 충족시킬 수 있게 되고, 배기밸브에서는 밸브 개방시간이 증가하고 배출저항이 감소되어 연소가스가 원활하게 배출됨으로써 엔진의 출력이 향상된다.

상기와 같이, 엔진의 운전 상태에 변화에 따라 흡기밸브와 배기밸브의 밸브 리프트(개도량)가 실시간으로 연속 가변되어 보다 적절한 밸브 제어가 가능함으로써 엔진의 출력과 연비가 향상되고 유해배기가스 배출량이 감소되는 효과가 있다.

또한, 상기 밸브캡(30)의 상면(31)에는 급격한 높이차가 존재하는 불연속부분이 존재하지 않으므로 엔진 상태에 따라 상기 캠(20)이 상기 밸브캡(30)의 상면(31)을 따라 이동하면서 완전한 연속 제어가 가능하다.

한편, 상기 캠(20)의 외주면(22)과 상기 밸브캡(30)의 상면(31)이 동일한 각도의 경사면으로 형성됨으로써 상기 캠(20)이 엔진 운전 상태에 따라 좌우로 이동하여도 캠(20)과 밸브캡(30)의 접촉 상태가 양호하게 유지되며, 이에 장기간 사용하여도 캠(20)의 외주면이나 밸브캡(30)의 상면에 편마모가 발생하지 않게 된다.

또한, 상기 밸브캡(30)의 상면이 좌우방향의 중심을 최고점으로 하는 완만한 호형면으로 형성됨으로써 상기 밸브캡(30)의 하강과 상승의 작동방향 전환이 부드럽게 이루어짐으로써 밸브의 승강작동 전환이 원활하게 이루어진다.

10 : 캠샤프트 11,11a,11b : 유압통로
20 : 캠 21 : 장착공
22 : 외주면 30 : 밸브캡
31 : 상면 40 : 고정판
51,52 : 유압실린더 51a,52a : 실린더로드
61,62,81,82 : 스프링 70 : 스프링시트

Claims (8)

1. 엔진의 실린더헤드에 회전 가능하게 설치된 캠샤프트와;
   상기 캠샤프트에 축방향으로 이동할 수 있도록 설치된 캠과;
   상기 캠에 접촉하는 상면이 경사면으로 형성된 밸브캡;
   을 포함하며,
   상기 캠샤프트에 고정판이 설치되고, 상기 고정판과 상기 캠의 사이에 유압을 공급받아 상기 캠을 밀어주는 유압실린더가 설치되고,
   상기 유압 실린더의 유압이 빠져 나가면 상기 캠을 상기 고정판 측으로 이동시키는 스프링을 더 포함한 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 캠은 엔진 회전수와 부하가 증가하면 상기 밸브캡 상면의 높은 쪽으로 이동하고, 엔진 회전수와 부하가 감소하면 낮은 쪽으로 이동하는 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 캠의 외주면과 상기 밸브캡의 상면은 상호 동일한 각도의 경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 밸브캡의 측단면은 상기 캠샤프트의 중심과 동일선상에 최고점이 위치되는 호형면으로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 유압실린더에 연결되는 유압통로는 상기 캠샤프트와 상기 고정판의 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 스프링은 상기 고정판과 상기 캠의 사이에 설치되어 상기 캠을 상기 고정판쪽으로 당겨주는 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 캠샤프트에서 상기 캠을 기준으로 상기 고정판의 반대쪽 위치에 스프링시트가 고정되고,
   상기 스프링은 상기 캠과 상기 스프링시트의 사이에 설치되어 상기 캠을 상기 고정판쪽으로 밀어주는 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치.

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