KR101558390B1 - 숏 듀레이션 캠의 설계 방법, 숏 듀레이션 캠, 이를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치 및 캠의 설계 방법 - Google Patents

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우수형
이주헌
손진욱
한승국
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현대자동차 주식회사
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Abstract

본 발명은 가변 밸브 리프트 장치에 적용되는 숏 듀레이션 캠의 설계 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 숏 듀레이션 캠의 캠 리프트 가속도는 캠 리프트 가속도의 중심 이전에 제1 피크가 형성되도록 설계되고, 상기 캠 리프트 가속도의 중심 이후에 제2 피크가 형성되도록 설계되되, 상기 제1 피크와 상기 제2 피크 중 큰 값에 대한 작은 값의 상대 비율은 0.8 이상이다.

Description

숏 듀레이션 캠의 설계 방법, 숏 듀레이션 캠, 이를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치 및 캠의 설계 방법{DESIGN METHOD OF SHORT DURATION CAM, SHORT DURATION CAM, VARIABLE VALVE LIFT APPARATUS INCLUDING THE SAME AND DESIGN METHOD OF SHORT DURATION CAM}
본 발명은 숏 듀레이션 캠의 설계 방법, 숏 듀레이션 캠, 이를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치 및 캠의 설계 방법에 관한 것으로서, 밸브 리프트 값을 상대적으로 크게 할 수 있는 숏 듀레이션 캠의 설계 방법, 숏 듀레이션 캠 및 이를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것이다.
최근 연비와 환경 문제를 해결하고자, 다운사이징 기술, 특히 가솔린 엔진 분야에서는 GDI(gasoline direct injection) 엔진과 T-GDI (turbo gasoline direct injection) 엔진의 다운사이징 기술 연구가 활발히 진행 중이다.
특히, 다운 사이징 엔진의 연비 개선 기술로, 압축비를 높이고, 흡기 밸브의 닫힘 시기를 피스톤 하사점 대비 진각시키는 밀러 사이클 엔진에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
밀러 사이클 엔진은 일반 엔진에 비해 유효 압축비는 상대적으로 낮고, 노킹 문제가 발생하지 않으며 유효 팽창비는 증가하여 엔진 효율이 증대된다.
그리고, 압축비에 따라 흡기밸브의 닫힘 시기를 조절하는 기술로 일본특허공개공보 제2004-218522호가 공개되었다.
도1은 일반적인 밸브 프로파일을 도시한 그래프이고, 도2는 일반적인 캠을 설계하는 방법을 설명하는 그래프이다.
예를 들어, 밀러 사이클을 구현하기 위해서는 흡기 밸브의 개폐 타이밍을 조절 하거나, 흡기 밸브의 밸브 듀레이션을 줄여야 하는데, 도1에 도시된 바와 같이, 일반적인 캠 프로파일을 갖는 캠(C1)의 밸브 듀레이션을 단순히 줄인 캠(C2)은 밸브 리프트가 예를 들어 8.5mm 에서 6.5mm 로 줄어들게 된다.
일반적인 캠의 설계 방법은, 도2의 (a)에 도시된 바와 같이, 우선 밸브 리프트의 가속도를 그 중심 대비 좌우 거의 대칭이 되도록 설계하고 그 밸브 리프트 가속도로부터 캠 리프트를 계산한다.
이를 통해 구해진 캠 리프트의 가속도는, 밸브 트레인 구조 특성상 도2의 (b) 와 같이 좌우 비대칭이 된다. 여기서, 캠 리프트 가속도의 그 중심 좌측의 값이 상대적으로 그 중심 우측의 값보다 크게 되며, 이는 캠 형상에 영향을 미치게 된다.
즉, 도5의 오목한 부분에 곡률반경 r1이 형성되며, 이 오목 형상의 곡률 반경값이 작아지게 된다. 이 곡률 반경이 작게 되면, 이를 가공하는 연삭 휠의 대응이 곤란하여 곡률 반경 값을 크게 해야 한다.
그런데, 곡률 반경 값을 크게 하려면, 최대 캠 가속도 값을 낮출 필요가 있는데 이 때문에 최대 캠 리프트 량이 줄어 들고, 따라서 밸브 리프트의 최대량도 줄어들게 된다.
즉, 도1에 도시된 바와 같이, 밸브 듀레이션을 줄이면 밸브 리프트의 최대 열림량도 비례해서, 예를 들어 8.5mm 에서 6.5mm 로 줄어들게 된다.
본 발명은, 밸브 리프트 값을 상대적으로 크게 할 수 있는 숏 듀레이션 캠의 설계 방법, 숏 듀레이션 캠, 이를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치 및 캠의 설계 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠의 설계 방법은 가변 밸브 리프트 장치에 적용되는 숏 듀레이션 캠의 설계 방법에 있어서, 상기 숏 듀레이션 캠의 캠 리프트 가속도는 캠 리프트 가속도의 중심 이전에 제1 피크가 형성되도록 설계되고, 상기 캠 리프트 가속도의 중심 이후에 제2 피크가 형성되도록 설계되되, 상기 제1 피크와 상기 제2 피크 중 큰 값에 대한 작은 값의 상대 비율은 0.8 이상일 수 있다.
상기 숏 듀레이션 캠의 설계 방법은 상기 숏 듀레이션 캠의 램프를 포함한 밸브 열림과 밸브 닫힘 사이의 듀레이션이 100~120도를 가질 수 있다.
상기 숏 듀레이션 캠의 설계 방법은 상기 숏 듀레이션 캠의 최대 밸브 리프트를 중심으로 밸브 리프트 프로파일이 비대칭일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠은 가변 밸브 리프트 장치에 적용되는 숏 듀레이션 캠에 적용될 수 있다.
상기 숏 듀레이션 캠의 캠 리프트 가속도는 캠 리프트 가속도의 중심 이전에 형성된 제1 피크와 상기 캠 리프트 가속도의 중심 이후에 형성된 제2 피크를 포함하되, 상기 제1 피크와 상기 제2 피크 중 큰 값에 대한 작은 값의 상대 비율은 0.8 이상일 수 있다.
상기 숏 듀레이션 캠은 상기 숏 듀레이션 캠의 램프를 포함한 밸브 열림과 밸브 닫힘 사이의 듀레이션이 100~120도를 가질 수 있다.
상기 숏 듀레이션 캠은 상기 숏 듀레이션 캠의 최대 밸브 리프트를 중심으로 밸브 리프트 프로파일이 비대칭일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 상기 숏 듀레이션 캠을 포함할 수 있다.
상기 숏 듀레이션 캠은 하사점 이전에 닫힐 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 캠의 설계 방법 있어서, 상기 캠의 캠 리프트 가속도는 캠 리프트 가속도의 중심 이전에 제1 피크가 형성되도록 설계되고, 상기 캠 리프트 가속도의 중심 이후에 제2 피크가 형성되도록 설계되되, 상기 제1 피크와 상기 제2 피크 중 큰 값에 대한 작은 값의 상대 비율은 0.8 이상일 수 있다.
상기 캠의 설계 방법은 상기 캠의 램프를 포함한 밸브 열림과 밸브 닫힘 사이의 듀레이션이 100~120도를 가질 수 있다.
상기 캠의 설계 방법은 상기 캠의 최대 밸브 리프트를 중심으로 밸브 리프트 프로파일이 비대칭일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠의 설계 방법, 숏 듀레이션 캠, 이를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치 및 캠의 설계 방법에 의하면, 밸브 리프트 값을 상대적으로 크게 할 수 있어 흡기 효율 증대가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠의 설계 방법, 숏 듀레이션 캠, 이를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치 및 캠의 설계 방법에 의하면, 밸브 리프트 값을 상대적으로 크게 할 수 있어 밀러 사이클 엔진에 적용 가능하다.
도1은 일반적인 밸브 프로파일을 도시한 그래프이다.
도2는 일반적인 캠을 설계하는 방법을 설명하는 그래프이다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 밸브 리프트 장치를 도시한 사시도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 숏 듀레이션 캠을 설계하는 방법을 설명하는 그래프이다.
도5는 일반적인 캠과 본 발명의 실시예에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 숏 듀레이션 캠을 도시한 도면이다.
도6은 일반적인 캠과 본 발명의 실시예에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 숏 듀레이션 캠의 밸브 프로파일을 도시한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 밸브 리프트 장치를 도시한 사시도이고, 도4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 숏 듀레이션 캠을 설계하는 방법을 설명하는 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠의 설계 방법은 가변 밸브 리프트 장치에 적용되는 숏 듀레이션 캠에 적용될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 밸브 듀레이션을 짧게 하기 위한 캠의 설계 방법으로 이용될 수도 있다.
도3에 도시된 바와 같이, 가변 밸브 리프트 장치(1)는 밸브 리프트를 가변 하기 위해 적용되며, 차량의 작동 상태에 따라 선택적으로 롱 듀레이션 캠(10) 또는 숏 듀레이션 캠(20)이 스윙암(30)의 스윙암 롤러(32)에 접촉하여 밸브(40)를 개폐하게 된다.
일반적인 숏 듀레이션 캠(20)은 도1에 도시된 바와 같이, 그 듀레이션을 짧게 하면, 밸브 리프트 프로파일, 즉 밸브 리프트의 최대값(peak)가 낮아지게 된다.
따라서, 흡기 공기량이 상대적으로 작아지게 되며, 특히 이러한 가변 밸브 리프트 장치(1)를 이용하여 밀러 사이클을 구현하는 경우, 유입 공기량이 불충분해 질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠(20)의 설계 방법은, 도4의 (a)에 도시된 바와 같이, 일반적인 캠 설계 방법과 달리, 캠 리프트 가속도를 먼저 설정하여 설계한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠(20)의 설계 방법은 캠 리프트 가속도의 중심(C) 이전에 제1 피크(P1)가 형성되도록 설계되고, 상기 캠 리프트 가속도의 중심(A) 이후에 제2 피크(P2)가 형성되도록 설계되며, 상기 제1 피크(P1)와 상기 제2 피크(P2) 중 큰 값에 대한 작은 값의 상대 비율은 0.8 이상일 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠(20)은 그 캠 리프트 가속도의 중심(C) 이전과 그 이후의 캠 리프트 가속도가 거의 대칭되도록 결정된다.
도4의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠(20)의 캠 리프트 가속도는 캠 리프트 가속도의 중심(C) 이전에 급경사부(F)와 완경사부(G), 상기 제1 피크(P1), 완만하고 대략 대칭적인 포물선 형상(H, I)을 포함하고, 상기 제1 피크(P1), 상기 완경사부(G) 및 상기 급경사부(F)에 대응되는 상기 제2 피크(P2), 완경사부(J) 및 급경사부(K)를 포함하도록 형성된다.
일반적인 캠의 캠 리프트 가속도는 도2의 (a)에 도시된 바와 같이, 밸브 리프트의 가속도를 그 중심(A) 대비 좌우 거의 대칭이 되도록 설계를 하기 때문에, 도2의 (b)에 도시된 바와 같이, 캠 리프트 가속도는 캠 리프트 가속도의 그 중심(B) 좌측의 가속도 최대값(B1)이 상대적으로 그 중심(B) 우측의 최대값(B2)보다 큰 비대칭 형상, 예를 들어 그래프의 중심을 기준으로 좌우 피크값(B1, B2)의 큰 값(B1)에 대한 작은 값(B2)의 비율이 약 0.7 이하가 되며, 이는 일반캠(Cam1)의 오목한 형상(도5의 r1 참조)의 곡률 반경이 작아지게 되고, 이를 가공하는 것이 곤란하게 된다. 따라서, 밸브 리프트의 최대값이 작아지게 된다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠(20)은 캠 리프트 가속도의 중심(C) 이전과 그 이후의 캠 리프트 가속도가 거의 대칭되도록 먼저 결정되어, 도4의 (b)와 같은 밸브 리프트 가속도 그래프를 갖게 된다.
도5는 일반적인 캠(Cam1)과 본 발명의 실시예에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 숏 듀레이션 캠(Cam2)을 도시한 도면이고, 도6은 일반적인 캠과 본 발명의 실시예에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 숏 듀레이션 캠의 밸브 프로파일을 도시한 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠(20)은, 도2의 (a)에 도시된 일반적인 캠의 밸브 리프트 가속도 그래프와 비교하면, 도4의 (b)에 도시된 바와 같이, 밸브 리프트 가속도 그래프의 중심 이후에 최저값(Min)을 갖게 되어 동특성(dynamic characteristic)이 악화되는 단점이 있으나, 캠의 오목부의 곡률 반경(r2)을 상대적으로 크게 할 수 있으며, 따라서, 밸브 리프트의 최대 값을 크게 할 수 있다.
도6을 참조하면, 일반적인 캠의 밸브 프로파일(C1)의 밸브 듀레이션을 작게 하면, 도6의 C2와 같이, 밸브 듀레이션이 작아지며, 밸브 리프트 최대값도 작아지게 되나, 예를 들어 8.5mm 에서 6.5mm로 작아진다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠의 설계 방법에 의하면, 밸브 듀레이션을 작게 하면서도 밸브 리프트 최대값을 상대적으로 크게, 예를 들어 9mm로 크게 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 로우 캠의 설계 방법에 의한 캠은 상기 숏 듀레이션 캠의 램프를 포함한 밸브 열림과 밸브 닫힘 사이의 듀레이션이 100~120도를 가질 수 있으며, 상대적으로 작은 밸브 듀레이션을 갖더라도 밸브 리프트의 최대값이 상대적으로 크기 때문에 밀러 사이클을 구현하는 엔진에 적용 가능하다.
상기 숏 듀레이션 캠의 설계 방법은 상기 숏 듀레이션 캠의 최대 밸브 리프트를 중심으로 밸브 리프트 프로파일이 비대칭일 수 있다.
즉, 도6을 참조하면, 일반적인 캠의 밸브 프로파일의 피크(peak) 위치는 대략 밸브 듀레이션의 중심(CP1, CP2)이 되나, 본 발명의 실시예에 의한 로우 캠의 설계 방법에 의한 캠은 밸브 리프트 피크 포인트(CP3)가 상대적으로 그 중심에서 지각된 형태로 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠의 설계 방법에 의한 숏 듀레이션 캠을 가변 밸브 리프트 장치에 적용할 경우, 동특성이 악화되지만, 상대적인 저속 영역에서는 상대적으로 큰 밸브 프로파일을 구현할 수 있으므로, 상대적인 저속, 예를 들어 4000rpm 이하에서는 숏 듀레이션 캠을 사용하고, 그 이상의 속도에서는 일반적인 형상의 롱 듀레이션 캠을 사용하여 연비 개선이 가능하다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠의 설계 방법, 숏 듀레이션 캠 및 이를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치에 의하면, 밸브 리프트 값을 상대적으로 크게 할 수 있어 흡기 효율 증대가 가능하다.
앞서 설명한 캠의 숏 듀레이션 캠의 설계 방법을 이용하여 제작된 캠을 가변밸브 리프트 장치의 숏 듀레이션 캠에 적용된 예로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 밀러 사이클 엔진에 적용 가능하다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 숏 듀레이션 캠의 설계 방법에 의한 숏 듀레이션 캠을 밀러 사이클, 즉 하사점 이전에 흡기 밸브가 닫히는 엔진에 적용할 경우, 밸브 듀레이션을 상대적으로 짧으나, 유효 압축비는 상대적으로 낮고, 노킹 문제가 발생하지 않으며 유효 팽창비는 증가하여 엔진 효율이 증대될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
1: 가변 밸브 리프트 장치 10: 롱 듀레이션 캠
20: 숏 듀레이션 캠 30: 스윙암
32: 스윙암 롤러 40: 밸브

Claims (11)

  1. 가변 밸브 리프트 장치에 적용되는 숏 듀레이션 캠의 설계 방법에 있어서,
    상기 숏 듀레이션 캠의 캠 리프트 가속도는
    캠 리프트 가속도의 중심 이전에 제1 피크가 형성되도록 설계되고,
    상기 캠 리프트 가속도의 중심 이후에 제2 피크가 형성되도록 설계되되,
    상기 제1 피크와 상기 제2 피크 중 큰 값에 대한 작은 값의 상대 비율은 0.8 이상인 숏 듀레이션 캠의 설계 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 숏 듀레이션 캠의 설계 방법은
    상기 숏 듀레이션 캠의 램프를 포함한 밸브 열림과 밸브 닫힘 사이의 듀레이션이 100~120도를 갖는 숏 듀레이션 캠의 설계 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 숏 듀레이션 캠의 설계 방법은
    상기 숏 듀레이션 캠의 최대 밸브 리프트를 중심으로 밸브 리프트 프로파일이 비대칭인 숏 듀레이션 캠의 설계 방법.
  4. 가변 밸브 리프트 장치에 적용되는 숏 듀레이션 캠에 있어서,
    상기 숏 듀레이션 캠의 캠 리프트 가속도는 캠 리프트 가속도의 중심 이전에 형성된 제1 피크와 상기 캠 리프트 가속도의 중심 이후에 형성된 제2 피크를 포함하되,
    상기 제1 피크와 상기 제2 피크 중 큰 값에 대한 작은 값의 상대 비율은 0.8 이상인 숏 듀레이션 캠.
  5. 제4항에서,
    상기 숏 듀레이션 캠은
    상기 숏 듀레이션 캠의 램프를 포함한 밸브 열림과 밸브 닫힘 사이의 듀레이션이 100~120도를 갖는 숏 듀레이션 캠.
  6. 제4항에서,
    상기 숏 듀레이션 캠은
    상기 숏 듀레이션 캠의 최대 밸브 리프트를 중심으로 밸브 리프트 프로파일이 비대칭인 숏 듀레이션 캠.
  7. 제4항에 따른 숏 듀레이션 캠을 포함한 가변 밸브 리프트 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 숏 듀레이션 캠은 하사점 이전에 닫히는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  9. 캠의 설계 방법에 있어서,
    상기 캠의 캠 리프트 가속도는
    캠 리프트 가속도의 중심 이전에 제1 피크가 형성되도록 설계되고,
    상기 캠 리프트 가속도의 중심 이후에 제2 피크가 형성되도록 설계되되,
    상기 제1 피크와 상기 제2 피크 중 큰 값에 대한 작은 값의 상대 비율은 0.8 이상인 캠의 설계 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 캠의 설계 방법은
    상기 캠의 램프를 포함한 밸브 열림과 밸브 닫힘 사이의 듀레이션이 100~120도를 갖는 캠의 설계 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 캠의 설계 방법은
    상기 캠의 최대 밸브 리프트를 중심으로 밸브 리프트 프로파일이 비대칭인 캠의 설계 방법.
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