KR101454934B1

KR101454934B1 - 가변 밸브 리프트 장치

Info

Publication number: KR101454934B1
Application number: KR1020090089604A
Authority: KR
Inventors: 이은호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2014-10-28
Also published as: KR20110032215A

Abstract

본 발명은 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 편심캠과 가변캠을 동일 축상인 캠샤프트에 배열하여 캠샤프트의 중심을 이동시킴으로써 가변할 수 있는 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 가변 밸브 리프트 장치를 이용하면, 가변캠이 캠샤프트에 장착됨으로써 구성부품이 최소화되어 원가가 절감되며, 밸브리프트를 위한 요동캠 및 로커암의 동작범위가 작아 레이아웃이 향상되는 장점이 있다.

가변, 밸브 리프트, 가변캠

Description

가변 밸브 리프트 장치{Continuasly Variable Valve Lift Apparatus}

일반적으로 엔진에는 연료가 연소되어 동력을 발생시키는 연소실이 구비되고, 이 연소실에는 연소될 연료가 포함된 혼합가스를 제공하는 흡기밸브와 연소된 가스를 방출하는 배기밸브가 형성되어 있다. 이들 흡기밸브 및 배기밸브는 크랭크 샤프트에 연결된 밸브 개폐기구에 의해 연소실을 개폐한다.

통상적인 밸브 개폐기구는 일반적으로 일정한 형상을 갖는 캠에 의해 밸브가 항상 일정한 리프트 양을 가지게 되며, 따라서 흡입 또는 배출되는 가스의 양을 조절할 수 없다. 이에 따라 엔진은 그 운전영역 전반에 걸쳐서 필요로 하는 최적의 상태를 발휘하지 못하게 된다.

따라서, 종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 저속 또는 고속 등의 다양 한 작동 조건에 따라 밸브를 조절하여 엔진 효율을 향상 시킬 수 있는 가변 밸브 리프트 장치가 제공되었다.

도 1은 종래기술에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 단면도로써, 종래기술에 의한 가변 밸브 리프트 장치는 캠샤프트(10)에 장착되는 편심캠(11), 편심캠(11) 외주면을 둘러싸도록 장착되는 링크암(20), 상기 링크암(20)과 연결되며, 가변캠(30)의 외주면을 둘러싸도록 장착되는 로커암(40), 상기 가변캠(30)에 편심되어 삽입되는 가변샤프트(50), 상기 캠샤프트(10)에 회동가능하게 장착되어 밸브태핏(80)을 가압하는 요동캠(60) 및 상기 로커암(40)과 상기 요동캠(60)을 연결하는 연결부재(70)로 구성된다.

상기 가변 밸브 리프트 장치는 캠샤프트(10)가 회전되면 링크암(20)이 편심캠(11)의 중심을 중심으로 회전하고 이에 따라 로커암(40) 및 연결부재(70)가 회동되어 상기 요동캠을 상기 캠샤프트의 중심을 중심으로 회전시킨다.

그러나 이러한 종래기술에 의한 가변 밸브 리프트 장치는 가변캠이 장착되는 가변샤프트가 별도로 구비됨으로써 원가가 상승되며, 가동부품(moving part)의 구조가 복잡하여 연속 가변 밸브 리프트 장치가 구비되는 엔진의 부피는 커질 수 밖에 없고, 이로 인해 엔진룸 내에서 엔진의 실린더 헤드 부위가 점유하는 공간의 확대로 인해 다른 부품을 설치하는 데 있어 공간적 제약이 발생하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 구성부품의 최소화를 위해 캠샤프트 상에 가변캠과 로커암이 장착되며, 요동캠이 가변캠에 장착되어 엔진의 레이아웃이 향상되는 가변 밸브 리프트 장치를 제공하는데 목적이 있다.

크랭크샤프트와 연동되어 회전되며, 외주면을 둘러싸는 편심캠이 일체로 형성되는 캠샤프트;

상기 편심캠의 외주면을 둘러싸도록 장착되어, 상기 캠샤프트와 별개로 회전되는 로커암;

상기 로커암과 연동되도록 연결되며, 상기 캠샤프트가 편심되도록 삽입되어 회전시 상기 캠샤프트를 횡방향으로 이동시키는 가변캠;

상기 로커암과 연동되도록 연결되어 상기 로커암의 회전에 따라 상기 가변캠의 중심을 중심으로 회동하여 밸브태핏을 가압하는 요동캠;

을 포함하며, 상기 요동캠은 상기 밸브태핏을 가압하는 캠노우즈 중 일부가 상기 요동캠의 회전축과의 거리가 일측을 갈수록 멀어지도록 형성되고, 상기 가변캠의 회전에 의해 상기 캠샤프트가 이동됨에 따라 상기 밸브태핏과 접촉되는 지점이 가변되는 것을 특징으로 한다.

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

도 2는 본 발명에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 분해사시도이다.

본 발명에 의한 가변 밸브 리프트 장치는, 밸브태핏(710)을 가압하는 요동캠(400)의 회전축인 가변캠(300)에 캠샤프트(100)가 편심되어 삽입되고 로커암(200)이 회동가능하게 장착되는 편심캠(110)이 상기 캠샤프트(100)에 일체로 형성되되, 상기 로커암(200)이 상기 요동캠(400) 및 가변캠(300)에 연결되어 상기 가변캠(300)의 회전에 의해 상기 밸브태핏(710)에 접촉되는 요동캠(400)의 접촉지점이 가변됨으로써, 좁은 공간 내에서 밸브 리프트의 가변이 가능하고 구성이 최소화 되도록 구성된다는 점에 가장 큰 특징이 있다.

이에 따라 본 발명에 의한 가변 밸브 리프트 장치는 외주면을 둘러싸는 편심캠(110)이 일체로 형성되는 캠샤프트(100), 상기 편심캠(110)의 외주면을 둘러싸도록 장착되는 로커암(200), 상기 캠샤프트(100)가 편심되어 삽입되고, 외주면에 일 체로 형성되어 상기 로커암(200)과 연동되도록 연결되는 링크암(310)이 마련된 가변캠(300), 상기 가변캠(300)에 회동가능하게 장착되며, 상기 로커암(200)과 연동되도록 연결되어 밸브태핏(710)을 가압하는 요동캠(400)으로 구성된다.

캠샤프트(100)는 크랭크샤프트(미도시)와 연동되어 회전되며, 상기 캠샤프트(100)에는 편심캠(110)이 일체로 형성되어 있다. 상기 편심캠(110)이 상기 캠샤프트(100)와 일체로 형성됨으로써 상기 캠샤프트(100)의 회전시 상기 편심캠(110)이 함께 회전된다.

그리고 상기 편심캠(110)의 외주면을 둘러싸도록 장착된 로커암(200)은 상기 캠샤프트(100)가 회전할 때 상기 편심캠(110)의 중심축을 중심으로 회전된다.

한편, 상기 캠샤프트(100)가 편심되도록 삽입된 가변캠(300)이 구비되며, 상기 가변캠에는 밸브태핏(710)을 가압하여 밸브(700)를 개폐시키는 요동캠(400)이 회동가능하게 장착된다.

그리고 상기 요동캠(400)과 가변캠(300)은 연결부재(500)에 의해 상기 로커암(200)과 연결된다. 여기서, 상기 가변캠(300)의 외주면에는 상기 로커암(200)과 용이한 결합을 위한 링크암(310)이 일체로 돌출형성되며, 상기 로커암(200)과 상기 링크암(310) 및 요동캠(400)에는 연결을 위한 관통공(210, 311, 410)이 형성되어 있다.

상기 요동캠(400)과 로커암(200)을 연결하고, 상기 가변캠(400)과 로커암(200)을 연결하는 연결부재는 연결링크(510)와 연결핀(520)으로 구성된다. 상기 연결링크(510)는 한 쌍의 나란한 축을 가진 축공(511)이 형성되어 있으며, 상기 연 결핀은 상기 축공(511)과 상기 관통공(210, 311, 410)에 삽입된다.

상기와 같이 상기 로커암(200)과 상기 가변캠(200)이 연결되고, 상기 로커암(200)과 상기 요동캠(400)이 연결됨으로써, 상기 캠샤프트(100)가 회전될 때, 상기 로커암(200)이 고정된 상기 가변캠(300)에 의해 구속되어 회전되며, 상기 로커암(200)의 회전이 상기 요동캠(400)에 전달되어 상기 요동캠(400)이 상기 밸브태핏(710)을 가압되도록 구성되는 것이다.

여기서 상기 밸브태핏(710)과 접촉되는 접촉면인 캠노우즈(420)는 일부가 상기 가변캠(300)의 중심(요동캠의 회전축)에서 동일거리에 형성되며, 나머지부분은 상기 가변캠(300)의 중심(요동캠의 회전축)에서 점점 멀어지도록 형성된다. 이는 공지된 가변 밸브 리프트에서 사용되는 요동캠(400)의 일반적인 형상이다.

여기서 상기 가변캠(300)은 상기 가변캠(300)의 외주면 상단에 안착되어 실린더헤드(미도시)에 결합고정되는 캠캡(600)에 의해 고정된 상태로 유지되되, 상기 가변캠(300)을 회전시키는 별도의 구동수단(미도시) 구비되어, 상기 구동수단에 의해 상기 가변캠(300)이 상기 가변캠(300)의 중심을 회전축으로 회전되어 상기 캠샤프트(100)를 횡방향으로 이동시킨다.

상기 캠샤프트의 이동에 의해 상기 밸브태핏(710)에 접촉되는 상기 요동캠의 캠노우즈(420)의 접촉지점이 가변된다.

도 4는 본 발명의 가변 밸브 리프트 장치의 가변시 상태를 나타낸 단면도이다. 도 4의 (a)는 하이 리프트(high lift)일 때의 리프트 초기상태이며, 도 4의 로우 리프트(low lift)일 때의 리프트 초기상태이다.

하이 리프트 상태의 가변캠 중심(P1)은 캠샤프트의 중심(P)을 기준으로 좌측 상부로 편심되어 위치되고, 편심캠(P2)의 중심은 상기 캠샤프트의 중심(P)을 기준으로 우측 상부로 편심되어 위치된다. 상기 가변캠(300)에 회동가능하게 장착되는 요동캠(400)의 캠노우즈(420)는 밸브태핏(710)과 접촉되어 있다.

상기 하이 리프트일 때, 상기 캠노우즈(420)는 상기 가변캠의 중심(요동캠의 회동축)(P1)에서 동일거리에 형성된 면 중 상기 캠노우즈의 기준면(X)으로부터 α˚ 이격된 지점(A)에 접촉된다. 이와 같은 상태에서 상기 캠샤프트(100)가 회전되면, 상기 요동캠의 캠노우즈(420) 중 상기 가변캠의 중심(P1)에서 점점 멀어지는 면이 상기 밸브태핏(710)에 접촉되도록 회전된다.

상기 하이 리프트를 로우 리프트로 변경시키기 위해 별도의 구동수단(미도시)을 구동시켜 상기 가변캠(300)을 회전시키면 도 4의 (b)의 상태가 된다. 이때, 가변캠(300)은 가변캠의 중심(P1)을 회전축으로 θ˚만큼 회전된 것으로 하이 리프트일 때의 가변캠 중심(P1)과 상기 로우 리프트일 때의 가변캠 중심(P1)은 동일하다.

따라서, 상기 가변캠의 중심(P1)을 기준으로 캠샤프트 중심(P')이 θ˚만큼 회전된 위치로 변경됨으로써 상기 캠샤프트(100)가 횡방향으로 이동되면서 상기 로커암(200)의 중심도 이동된다. 이때, 상기 로커암(200)이 상기 가변캠(300)과 연결되어 있어 상기 가변캠(300)이 회전된 만큼 상기 로커암(200)이 상기 편심캠(110)의 둘레를 따라 회전되며, 상기 로커암(200)의 중심 이동과 회전에 의해 상기 요동캠(400) 또한 회전된다.

이에 따라, 상기 밸브태핏(710)에 접촉되는 상기 캠노우즈(420)의 초기 접촉지점이 상기 캠노우즈의 기준면(X)과 가까워지도록 변경되며, 상기 로우 리프트일 때의 상기 캠노우즈 접촉지점(B)은 기준면에서 β˚이격된 지점(B)으로 β는 α보다 작다.

또한, 하이 리프트와 로우 리프트의 초기상태인 α˚이격된 지점(A)과 β˚이격된 지점(B)은 상기 캠노우즈(420) 중 상기 가변캠의 중심(P1)에서 동일거리에 형성된 캠노우즈(420)에 위치됨으로써 리프트의 초기상태 일 때는 밸브 리프트가 이루어지지 않도록 구성된다.

상기와 같이 상기 가변캠(300)의 회전으로 상기 캠샤프트(100)가 횡방향으로 이동됨으로써 상기 요동캠(400)의 밸브태핏(710)과의 초기 접촉지점이 가변된다. 상기 요동캠(400)의 회동각은 일정하고 초기 접촉지점이 가변됨으로써, 하이리프트 일 때, 상기 밸브태핏(710)이 상기 요동캠(400)의 회전축으로부터 동일거리에 형성된 캠노우즈(420)와 더 짧은 시간동안 접촉된다. 이에 따라 상기 요동캠(400)의 회전축으로부터 더 먼 거리에 형성된 상기 캠노우즈(420)와 접촉됨으로써 밸브리프트량이 증가되는 것이다.

이와 같이 밸브리프트 양을 가변시키기 위해 상기 가변캠(300)이 삽입되는 별도의 축이 구비되지 않고 상기 가변캠(300)에 상기 요동캠(400)이 장착됨으로써, 공간 활용에 매우 유리하며, 중량 및 원가를 절감하는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 가변 밸브 리프트 장치의 하이 리프트 모드에서의 작동상태를 나타낸 단면도이다.

하이 리프트의 초기상태에는 요동캠의 캠노우즈(420)가 기준면(X)에서 α˚만큼 이격된 지점(A)이 밸브태핏(710)에 접촉된 상태이다. 상기의 초기 접촉지점(A)은 캠노우즈(420) 중 요동캠(400)의 회전축에서 동일한 거리에 형성된 캠노우즈(420)로써, 이 상태에서는 밸브리프트가 이루어지지 않는다.

상기와 같이 상기 요동캠(400)의 초기 접촉지점(A)이 상기 밸브태핏(710)에 접촉되어 있는 상태에서 상기 캠샤프트(100)가 회동되면, 상기 로커암(200)이 회전하여 상기 로커암(200)과 연결된 상기 요동캠(400)이 회전된다.

여기서 상기 로커암(200)은 두 개의 연결점 즉, 상기 가변캠의 링크암(310)과 연결되는 관통공(211)과, 상기 요동캠(400)과 연결되는 관통공(212)이 형성되어 있어 상기 로커암(200)이 고정된 상기 가변캠(300)에 의해 구속되어 회전되며, 상기 로커암(200)의 회전에 연동되어 상기 요동캠(400)이 회전된다.

상기 요동캠(400)의 회전동작에 대해 더 자세히 설명하면 상기 링크암(310)과 연결된 상기 로커암의 관통공(211) 중심은 상기 링크암의 관통공(311)이 중심축이 되어 상기 연결링크(510)의 축공사이 거리(r)를 반경으로 하는 제1가상원(C)의 원주를 따라 이동된다.

상기 로커암(200)의 일측이 상기 가변캠(300)에 구속된 상태로 회동됨으로써 상기 요동캠(400) 또한 상기 로커암(200)의 회동에 연동되어 소정각도(Τ˚) 범위 내에서 회전된다. 상기 연결부재(500)들에 의해 상기 요동캠(400)은 상기 로커암(200)과 연동되어 소정각도(Τ˚) 범위 내에서 왕복이동되며, 이에 따라 밸브(700)가 리프트된다. 이때, 밸브는 상기 요동캠(400)이 가장 큰 회동각도로 회전 되었을 때, 최대 리프트(t₁) 상태가 된다.

도 6은 본 발명의 가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 모드에서의 작동상태를 나타낸 단면도이다.

로우 리프트의 초기상태에는 요동캠의 캠노우즈(420)가 기준면(X)에서 β˚만큼 이격된 지점(B)이 밸브태핏(710)에 접촉된 상태이다. 상기의 초기 접촉지점(B)은 캠노우즈(420) 중 요동캠(400)의 회전축에서 동일한 거리에 형성된 캠노우즈(420)로써, 이 상태에서는 밸브리프트가 이루어지지 않는다.

상기와 같이 상기 요동캠(400)의 초기 접촉지점(B)이 상기 밸브태핏(710)에 접촉되어 있는 상태에서 상기 캠샤프트(100)가 회동되면, 상기 로커암(200)이 회전하여 상기 로커암(200)과 연결된 상기 요동캠(400)이 회전된다.

상기 로우리프트 상태에서의 밸브 리프트도 상기 하이리프트의 밸브 리프트와 동일하게 작동되되, 상기 초기 접촉지점(B)이 변경됨으로써, 상기 캠노우즈(420) 중 요동캠(400)의 회전축에서 동일한 거리에 형성된 캠노우즈(420)와의 접촉시간이 길어 밸브가 닫혀있는 상태가 길게 유지됨으로써 최대리프트량(t₂)이 하이리프트의 최대리프트량(t₁)보다 작아지게 된다.

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 종래기술에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 사시도이다.

도 3은 본 발명에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 분해사시도이다.

도 4는 본 발명의 가변 밸브 리프트 장치의 가변시 상태를 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 캠샤프트 110: 편심캠

200: 로커암 300: 가변캠

310: 링크암 400: 요동캠

500: 연결부재 600: 캠캡

710: 밸브태핏

Claims

크랭크샤프트와 연동되어 회전되며, 외주면을 둘러싸는 편심캠(110)이 일체로 형성되는 캠샤프트(100);

상기 편심캠(110)의 외주면을 둘러싸도록 장착되어, 상기 캠샤프트(100)와 별개로 회전되는 로커암(200);

상기 로커암(200)과 연동되도록 연결되며, 상기 캠샤프트(100)가 편심되도록 삽입되어 회전시 상기 캠샤프트(100)를 횡방향으로 이동시키는 가변캠(300);

상기 로커암(200)과 연동되도록 연결되어 상기 로커암(200)의 회전에 따라 상기 가변캠의 중심(P1)을 중심으로 회동하여 밸브태핏(710)을 가압하는 요동캠(400);

을 포함하며, 상기 요동캠(400)은 상기 밸브태핏(710)을 가압하는 캠노우즈(420) 중 일부가 상기 요동캠(400)의 회전축과의 거리가 일측을 갈수록 멀어지도록 형성되고, 상기 가변캠(300)의 회전에 의해 상기 캠샤프트(100)가 이동됨에 따라 상기 밸브태핏(710)과 접촉되는 지점이 가변되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 로커암(200)과 상기 가변캠(300)을 연결하고, 상기 요동캠(400)을 상기 로커암(200)과 연결하는 연결부재(500)가 구비되며, 상기 연결부재(500)는,

상기 캠샤프트(100)의 중심축과 나란한 방향으로 한 쌍의 축공(511)이 마련된 연결링크(510);

상기 연결링크(510)의 한 쌍의 축공(511)에 삽입되는 연결핀(520);

을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 로커암(200)과 상기 요동캠(400)에는 상기 연결핀(520)이 삽입되는 관통공(210, 410)이 형성되며, 상기 가변캠(300)의 외주면에는 축방향과 직각으로 교차되도록 돌출되어 상기 연결핀(520)이 삽입되는 관통공(311)이 마련된 링크암(310)이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가변캠(300)의 상부 외주면에 안착되어 실린더 헤드에 결합고정되는 캠캡(600)이 구비되어,

상기 가변캠(300)이 고정된 상태로 유지되며, 상기 캠샤프트(100)를 횡방향으로 이동시킬 때 자전되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
제 1 항에 있어서,

밸브 리프트의 가변을 위해 상기 가변캠(300)을 상기 가변캠의 중심(P1)을 회전축으로 회전시키는 구동수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.