KR101442299B1 - 가변 밸브 기어를 구비한 내연 기관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각각의 실린더에 대해 제1 흡기 캠(10) 및 제2 흡기 캠(11)에 의해 각각 구동되도록 구성된 제1 흡기 밸브(12) 및 제2 흡기 밸브(13)와, 제2 흡기 캠(11)의 위상을 가변하도록 구성된 캠 위상 가변 기구(20)를 포함하는 엔진에 있어서, 제2 흡기 밸브(13)의 개방 시기가 시동 모드 시에 제1 흡기 밸브(12)의 개방 시기보다 진각하도록 캠 위상 가변 기구(20)를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변 밸브 기어를 구비한 내연 기관 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH VARIABLE VALVE GEAR}
본 발명은 흡기 캠의 위상이 변경 가능한 캠 위상 가변 기구를 구비한 내연 기관에 관한 것이다.
종래, 흡기 밸브의 개폐 시기를 변화시키도록 흡기 캠의 위상을 변경하는 캠 위상 가변 기구를 가변 밸브 기어로서 포함하는 내연 기관이 알려져 있다. 또한, 각각의 실린더에 복수 개의 흡기 밸브가 구비된 내연 기관에 캠 위상 가변 기구를 채용하는 기술이 개발되어 있다. 이러한 기술에 따르면, 부하 및 엔진 속도에 따라서 일부의 흡기 밸브의 개폐 시기가 변화된다.
이러한 내연 기관에서는, 예를 들어 고속, 고부하 모드 시에, 일부의 흡기 밸브의 개폐 시기를 지각시킴으로써, 지각 제어하지 않은 흡기 밸브를 포함하여 흡기 밸브의 개방 시기를 연장하여, 흡기의 유속을 증가시켜 출력을 확보한다. 한편, 저속, 고부하의 시동 모드에서는 적절한 압축비를 확보하기 위해서, 흡기 밸브의 지각이 제한된다(일본 특허 출원 공개 평3-202602호 공보).
그러나, 상기 특허 문헌에 기재된 기술에 따르면 시동 모드시에 흡기 밸브의 지각이 제한되기 때문에 흡기 밸브가 동일한 밸브 개방 시기를 공유하므로, 연소실 내에서 흡기류가 서로 간섭하여 스월의 발생을 억제한다. 따라서, 연소성이 저하되어 배기 성능이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 목적은 시동 모드 시에 스월을 확보하여 그 배기 성능을 향상시킬 수 있는 가변 밸브 기어를 구비한 내연 기관을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 각각의 실린더에 대해 제1 흡기 캠 및 제2 흡기 캠에 의해 각각 구동되도록 구성된 제1 흡기 밸브 및 제2 흡기 밸브와, 제2 흡기 캠의 위상을 가변하도록 구성된 캠 위상 가변 기구를 포함하는 가변 밸브 기어를 구비한 내연 기관을 제공하고, 제2 흡기 밸브의 개방 시기가 시동 모드 시에 제1 흡기 밸브의 개방 시기보다 진각하도록 캠 위상 가변 기구를 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 제2 흡기 밸브의 개방 시기가 시동 모드 시에 제1 흡기 밸브의 개방 시기보다 진각하므로, 흡기 밸브 개방 기간의 초기 단계에 제2 흡기 밸브만 개방되기 때문에 스월이 생성된다. 따라서, 연료의 기화 및 공기와의 혼합이 시동 모드 시에 촉진되어, 연소성 및 배기 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 제어 수단은 시동 모드 시에 제2 흡기 밸브의 개방 기간이 배기 밸브의 개방 기간과 오버랩되도록 캠 위상 가변 기구를 제어한다.
따라서, 흡기 온도가 오버랩에 의해 복귀된 배기에 의해 상승함으로써, 연료의 기화가 촉진되어 양호한 연소가 확보될 수 있다. 또한, 흡기 온도의 상승이 배기 온도의 상승을 야기하기 때문에, 배기 정화 촉매의 온도가 신속하게 상승될 수 있으므로, 배기 성능이 향상될 수 있다.
바람직하게는, 또한, 제2 흡기 캠은 제2 흡기 밸브의 개방 기간이 제1 흡기 밸브의 개방 기간보다 짧아지도록 설정된다.
편측 밸브 개방 기간이 흡기 밸브 개방 기간의 마지막 단계에 마련되므로, 스월이 강화되어, 연료의 기화 및 공기와의 혼합이 보다 촉진되므로, 연소성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제2 흡기 밸브의 개방 시기가 시동 모드 시에 제1 흡기 밸브의 개방 시기보다 진각하므로, 흡기 밸브 개방 기간의 초기 단계에 제2 흡기 밸브만 개방되기 때문에 스월이 생성된다. 따라서, 연료의 기화 및 공기와의 혼합이 시동 모드 시에 촉진되어, 연소성 및 배기 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 이후에 기술된 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 완벽하게 이해될 것이며, 첨부 도면은 설명을 위해 도시된 것일 뿐 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 엔진의 개략 구성도.
도 2는 밸브 및 포트의 배치를 도시하는 참고도.
도 3은 밸브 기구의 구조를 도시하는 종단면도.
도 4는 밸브 기구의 구조를 도시하는 상면도.
도 5는 제2 흡기 캠의 설치부의 구조를 도시하는 단면도.
도 6의 (a) 내지 도 6의 (c)는 흡기 밸브의 리프트량을 도시하는 타임 챠트로, 도 6의 (a)는 저부하 모드, 도 6의 (b)는 고속 고부하 모드, 도 6의 (c)는 시동 모드를 도시하는 도면.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는 스월을 도시하는 참고도로, 도 7의 (a)는 시동 모드 시의 편측 밸브 개방 기간 동안의 흡기 행정의 초기 단계, 도 7의 (b)는 시동 모드 시의 편측 밸브 개방 기간 동안의 압축 행정을 도시하는 도면.
이하, 첨부 도면에 기초하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 가변 밸브 기어를 구비한 내연 기관[엔진(1)]의 개략 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 엔진(1)은 DOHC식 밸브 기구를 포함한다. 캠 스프로킷(4, 5)이 엔진(1)의 흡기 캠 샤프트(2) 및 배기 캠 샤프트(3)의 각각의 전단부에 각각 접속된다. 캠 스프로킷(4, 5)은 체인(6)에 의해 크랭크 샤프트(7)에 연결된다. 크랭크 샤프트(7)가 회전함에 따라, 흡기 및 배기 캠 샤프트(2, 3)가 캠 스프로킷(4, 5)과 함께 회전된다. 흡기 밸브(12, 13)가 흡기 캠 샤프트(2) 상의 흡기 캠(10, 11)에 의해 개폐되고, 배기 밸브(16, 17)가 배기 캠 샤프트(3) 상의 배기 캠(14, 15)에 의해 개폐된다. 엔진(1)의 연소실(18)은 펜트루프형이다.
도 2는 엔진(1)의 밸브 및 포트의 배치를 도시하는 참고도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(1)의 각각의 실린더에는 2개의 흡기 밸브[제1 및 제2 흡기 밸브(12, 13)]와, 2개의 배기 밸브(16, 17)가 설치되어 있다. 제1 및 제2 흡기 밸브(12, 13)는 연소실(18)의 중앙부(c)의 (도 2에서와 같이)우측에 종방향으로 배치된다. 2개의 배기 밸브(16, 17)는 연소실(18)의 중앙부(c)의 좌측에 종방향으로 배치된다.
또한, 엔진(1)의 흡기 포트(19)는 연소실(18)의 우측 상방 위치로부터 연소실(18)을 향해 비스듬하게 연장되고, 연소실(18)의 직전에 분기하여 제1 및 제2 흡기 밸브(12, 13)에 의해 개폐되는 밸브 구멍에 개별적으로 연통한다.
또한, 제2 흡기 밸브(13)의 밸브 기구는 제2 흡기 캠(11)의 위상을 가변하는 캠 위상 가변 기구(20)를 포함한다.
도 3 내지 도 5는 밸브 기구의 구조도이다. 도 3은 종단면도, 도 4는 상면도, 도 5는 제2 흡기 캠(11)의 설치부의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 흡기 캠 샤프트(2)는 중공 형상의 제1 흡기 캠 샤프트(21)와, 제1 흡기 캠 샤프트에 삽입된 제2 흡기 캠 샤프트(22)를 포함하는 2중 구조를 갖는다. 제1 및 제2 흡기 캠 샤프트(21, 22)는 그들 사이에 간극을 두고 동심 상에 배치되며, 엔진(1)의 실린더 헤드에 형성된 지지부(23)에 피벗 가능하게 지지되어 있다. 제1 흡기 밸브(12)를 구동하는 제1 흡기 캠(10)이 제1 흡기 캠 샤프트(21)에 고정된다. 또한, 제2 흡기 캠(11)이 제1 흡기 캠 샤프트(21)에 피벗 가능하게 지지된다. 제2 흡기 캠(11)은 실질적으로 원통 형상의 지지부(11a)와 캠부(11b)를 포함한다. 제1 흡기 캠 샤프트(21)가 지지부(11a)에 삽입된다. 캠부(11b)는 지지부(11a)의 외주로부터 돌출하고, 제2 흡기 밸브(13)를 구동하는 역할을 한다. 제2 흡기 캠(11)과 제2 흡기 캠 샤프트(22)는 고정 핀(24)에 의해 서로에 대해 고정된다. 고정 핀(24)은 제2 흡기 캠(11)의 지지부(11a)와, 제1 및 제2 흡기 캠 샤프트(21, 22)를 관통한다. 고정 핀(24)은 제2 흡기 캠 샤프트(22) 내의 구멍에 실질적인 간극 없이 삽입되고, 그 대향 단부가 지지부(11a)에 크림핑되어 고정된다. 고정 핀(24)이 통과되는 긴 구멍(25)이 둘레 방향으로 연장되도록 제1 흡기 캠 샤프트(21)에 형성된다.
캠 위상 가변 기구(20)가 제1 흡기 캠 샤프트(21)의 일단부에 배치된다. 캠 위상 가변 기구(20)는 공지의 베인식 캠 위상 가변 기구이며, 베인 로터(31)가 캠 스프로킷(4)과 일체화한 하우징(30) 내에 피벗 가능하게 배치되고, 제2 흡기 캠 샤프트(22)가 볼트(32)에 의해 베인 로터(31)에 체결되도록 구성되어 있다.
또한, 캠 위상 가변 기구(20)에는 스프링(36)이 구비된다. 스프링(36)은 하우징(30)과 베인 로터(31) 사이에 배치되어, 로터(31)를 진각 방향으로 압박하는 역할을 한다. 따라서, 제2 흡기 캠(11)이 진각 방향으로 압박된다.
캠 위상 가변 기구(20)는 제1 흡기 캠 샤프트(21) 및 지지부(23)에 형성된 유로(33)를 통해 오일 컨트롤 밸브(이하, OCV라고 함)(34)에 접속된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 캠 위상 가변 기구(20)는, 베인 로터(31)가 엔진(1)의 오일 펌프(35)로부터 OCV(34)의 절환에 따라서 베인 로터(31)와 하우징(30) 사이에 형성된 유실로 공급된 작동유에 의해 피벗되는 방식으로, 캠 스프로킷(4)에 대한 제2 흡기 캠 샤프트(22)의 위상각, 즉 제2 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 연속적으로 조정할 수 있다.
ECU(40)(제어 수단)는 입출력 장치(도시하지 않음), ROM, RAM 등의 기억 장치, 중앙 처리 장치(CPU) 등을 구비하고 있고, 엔진(1)을 전체적으로 제어한다.
크랭크각 센서(41) 및 스로틀 센서(42)와 같은 각종 센서가 ECU(40)의 입력측에 접속된다. 크랭크각 센서(41)는 엔진(1)의 크랭크각을 검출한다. 스로틀 센서(42)는 스로틀 밸브(도시하지 않음)의 개방을 검출한다. 또한, OCV(34)뿐만 아니라 연료 분사 밸브(43), 점화 플러그(44) 등이 ECU(40)의 출력측에 접속된다. ECU(40)는 센서로부터의 검출 정보에 기초하여 점화 시기 및 분사량 등을 결정하고, 점화 플러그(44) 및 연료 분사 밸브(43)를 구동 제어한다. 또한, ECU(40)는 OCV(34), 즉 캠 위상 가변 기구(20)를 구동 제어한다.
도 6의 (a) 내지 도 6의 (c)는 흡기 밸브의 리프트량을 도시하는 타임챠트로, 도 6의 (a)는 저부하 모드를 도시하고, 도 6의 (b)는 고속 고부하 모드를 도시하고, 도 6의 (c)는 시동 모드를 도시한다.
도 6의 (a) 내지 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 밸브 개방 시기가 상사점 부근에 고정되는 한편, 제1 흡기 밸브(12)의 폐쇄 시기는 흡기가 피스톤에 의해 흡기 포트(19)로 되밀리는 구역 부근으로 고정된다.
ECU(40)는 크랭크각 센서(41) 및 스로틀 센서(42)로부터의 입력 신호에 기초하여 엔진 속도(N) 및 부하(L)를 구하고, 이들 엔진 속도 및 부하에 기초하여 캠 위상 가변 기구(20)의 작동 제어 변수, 즉 제2 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 작동 제어한다.
구체적으로는, ECU(40)는 저부하 모드에서 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이 제2 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 지각시킨다. 이때, 흡기 밸브 개방 기간은 제1 흡기 밸브(12)의 개방 시기와 지각한 제2 흡기 밸브(13)의 폐쇄 시기 사이의 기간으로 되어, 제2 흡기 밸브(13)가 지각되지 않는 경우와 비교하여 더 길어진다. 또한, 이때 제2 흡기 밸브(13)의 폐쇄 시기는 최대 지각 모드에서 하사점(BDC)보다 상사점(TDC)에 더 가깝도록 설정된다.
한편, 고속 고부하 모드에서 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이 ECU(40)는 제2 흡기 밸브(13)의 개폐 시기의 지각량을 도 6의 (a)에 도시하는 저부하 모드보다 작게 하여, 제2 흡기 밸브(13)의 개방 기간이 제1 흡기 밸브(12)의 개방 기간 내로 되도록 설정한다.
또한, 시동 모드에서 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이 ECU(40)는 제2 흡기 밸브(13)의 개폐 시기를 진각시킨다. 이때의 제2 흡기 밸브(13)의 개방 시기가 제1 흡기 밸브(12)의 개방 시기보다 진각하고, 제2 흡기 밸브(13)의 개방 기간이 배기 밸브(16, 17)의 개방 기간과 오버랩된다.
따라서, 본 실시 형태에 따르면, 밸브 개방 기간이 저부하 모드에서 증가하므로, 펌핑 로스가 저하되어, 연비를 향상시킬 수 있다. 제1 흡기 밸브(12)의 개방 시기가 상사점 부근으로 설정되므로, 흡기 행정 초기 단계의 펌핑 로스도 저감될 수 있다.
한편, 고속 고부하 상태에서는 제2 흡기 밸브(13)의 폐쇄 시기가 제1 흡기 밸브(12)의 폐쇄 시기보다 진각하므로, 흡기 밸브 수단의 전체 밸브 폐쇄 시기가 압축 행정의 전반이며, 흡기가 피스톤에 의해 흡기 포트(19)로 되밀림이 발생하는 구역 부근으로 설정되어 있으므로, 흡기의 충전 효율이 높아져, 출력을 확보할 수 있다.
시동 모드에서는, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 제2 흡기 밸브(13)의 개폐 시기가 진각하여 제2 흡기 밸브(13)만 개방되는 편측 밸브 개방 기간이 흡기 밸브 개방 기간 초기 단계에 마련된다. 그 결과, 시계 방향의 스월이 발생하여 연료와 공기의 혼합이나 연료의 기화가 촉진되며, 엔진이 적은 연료로 시동될 수 있고, 연소성이 향상되어, 배기 성능을 향상시킨다. 또한, 배기 밸브(16, 17)가 상당한 오버랩을 가짐으로, 흡기 밸브가 개방될 경우 흡기가 흡기 포트(19)로 블로우 백되고, 흡기 포트(19)에 부착된 연료를 날려 버려 미립화시킨다. 따라서, 흡기 온도가 배기에 의해 상승됨에 따라서, 연료의 기화가 촉진되어, 연소성을 향상시킬 수 있다.
또한, 미연소 연료(unburned fuel) 성분을 많이 포함한 배기가 배기 행정 후반에 배기 포트로 배출된다. 그러나, 스로틀 밸브(도시하지 않음)가 폐쇄되어 있으므로, 부압이 흡기 포트 내에 형성되어, 일단 배출된 배기 행정 후반의 배기가 흡기 포트측으로 빨려들어 간다. 그 후, 배기 가스가 재흡입되어 연소되므로, 미연소 연료 성분이 저감된다. 흡기 및 배기 밸브가 펜트루프형 연소실의 대향하는 경사면에 개별로 위치되는 경우, 배기 가스가 원활하게 흡기 포트측으로 빨려들어가, 다음의 행정에서 재흡입된다. 그 후, 흡기 포트 벽면에 부착된 액체 연료를 날려 버려, 그 결과 연료의 기화가 촉진되는 동시에 공기와 연료, 내부 EGR 가스와 미연소 연료 성분의 혼합이 촉진된다. 따라서, 미연소 연료의 배출이 더욱 저감된다. 또한, 배기 가스가 흡기 포트측으로 분출될 때에도 연소실에 스월이 생성되어, 혼합이 촉진된다.
또한, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 제2 흡기 밸브(13)의 개방 기간이 제1 흡기 밸브(12)의 개방 기간보다 짧게 설정되어 있다. 따라서, 제1 흡기 밸브(12)만 개방되는 편측 밸브 개방 기간이 흡기 밸브 개방 기간의 마지막 단계에 마련되므로, 일단, 흡입된 혼합기가 흡기 포트(19)로 되밀려져 진다. 그 결과, 시계 방향의 스월이 강화되어 연료의 기화를 촉진시켜, 연소성을 향상시킬 수 있다. 또한, 흡기 포트로 되밀린 혼합 기체는 다음 행정에서 재흡입되지만, 사전에 기화와 혼합이 진행되므로 연소성이 더욱 향상된다.
본 실시 형태에 따르면, 펜트루프형 연소실 벽면의 일 경사면 상의 제1 및 제2 흡기 밸브에 의해 개별로 개폐되는 밸브 구멍이 연소실의 중앙으로부터 오프셋하여 위치되고, 흡기 포트(19)가 우측으로부터 연장되어 있다. 연소실(18)이 펜트루프형이므로, 흡기 포트(19)를 통과한 흡기는 좌측 방향으로 용이하고 원활하게 유입될 수 있다. 이로 인해, 밸브 중 하나가 개방되어 있는 동안 스월이 강화될 수 있다.
또한, 시동 모드에서, 제2 흡기 밸브(13)의 폐쇄 시기는 제1 흡기 밸브(12)의 폐쇄 시기보다 지각하고 있지 않으므로, 점화성이 실압축비를 저하시키지 않고 확보될 수 있다. 이에 의해, 시동 모드에 있어서의 연료 소비가 감소되어, 배기 가스 중의 HC 함량의 증가가 억제되어 배기 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 실압축비가 높게 유지되므로 출력 성능이 적절하게 확보될 수 있다.
본 발명은 도 6의 (a) 내지 도 6의 (c)에 도시한 3개 모드의 캠 위상 가변 기구(20)에 대한 작동 설정으로 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 이들 모드를 엔진의 특성에 기초하여 연속적인 가변 방식으로 설정해도 좋다.
1 : 엔진
10 : 제1 흡기 캠
11 : 제2 흡기 캠
12 : 제1 흡기 밸브
13 : 제2 흡기 밸브
18 : 연소실
20 : 캠 위상 가변 기구
40 : ECU

Claims (3)

  1. 각각의 실린더에 대해, 제1 흡기 캠(10) 및 제2 흡기 캠(11)에 의해 각각 구동되도록 구성된 제1 흡기 밸브(12) 및 제2 흡기 밸브(13)와, 제2 흡기 캠(11)의 위상을 가변하도록 구성된 캠 위상 가변 기구(20)를 포함하는 가변 밸브 기어를 구비한 내연 기관에 있어서, 제2 흡기 밸브(13)의 개방 시기가 시동 모드 시에 제1 흡기 밸브(12)의 개방 시기보다 진각하고, 제2 흡기 밸브(13)의 개방 시기가 상기 시동 모드 시보다 저부하인 저부하 모드 시에 제1 흡기 밸브(12)의 개방 시기보다 지각하도록 캠 위상 가변 기구(20)를 제어하는 제어 수단(40)을 포함하고,
    상기 제2 흡기 캠(11)은 상기 제2 흡기 밸브(13)의 개방 기간이 상기 제1 흡기 밸브(12)의 개방 기간보다 짧아지도록 설정되는 것을 특징으로 하는, 가변 밸브 기어를 구비한 내연 기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단(40)은 제2 흡기 밸브(13)의 개방 기간이 상기 시동 모드에서 배기 밸브(16, 17)의 개방 기간과 오버랩되도록 상기 캠 위상 가변 기구(20)를 제어하는 것을 특징으로 하는, 가변 밸브 기어를 구비한 내연 기관.
  3. 삭제
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