KR101575410B1

KR101575410B1 - 가변 플레늄형 흡기매니폴드 및 이를 이용한 엔진 기통 제어 방법

Info

Publication number: KR101575410B1
Application number: KR1020130119255A
Authority: KR
Inventors: 박대성; 김종혁; 민영대; 김호욱
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사; 주식회사 현대케피코
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-12-07
Also published as: KR20150040570A

Abstract

본 발명의 가변 플레늄형 흡기매니폴드는 좌 런너(50)와 우 런너(60)로 보내지는 외부 공기가 모여지는 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 형성한 흡기 매니폴드(10)와, 엔진의 저속 및 중속 운전시 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 가려주고 반면 엔진의 고속 운전시 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 열어주는 가변 플레늄 밸브(70,Variable Plenum Valve)를 갖춤으로써 1개의 가변 플레늄 밸브(70)밸브를 이용한 공기유량 제어로 전체적인 구성이 보다 단순하고 콤팩트하고, 특히 저/중속영역에서는 맥동효과를 향상하고 고속영역에서는 많은 공기 유량을 보내주면서도 압력파의 중첩 구간 회피가 가능함으로써 저/중속성능 향상과 고속성능 유지가 가능한 특징을 갖는다.

Description

가변 플레늄형 흡기매니폴드 및 이를 이용한 엔진 기통 제어 방법{Variable Plenum type Intake Manifold and Engine Cylinders Control Method thereof}

본 발명은 흡기매니폴드에 관한 것으로, 특히 고속영역에서는 압력파의 중첩 구간이 회피되면서도 고속성능 유지에 필요한 공기 유량을 많이 공급해주고, 저/중속영역에서는 맥동파 효과를 향상해 저/중속성능이 크게 개선될 수 있는 가변 플레늄형 흡기매니폴드 및 이를 이용한 엔진 기통 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고속영역에서 흡기매니폴드와 연소실사이의 공기 흐름 경로를 짧으면서 큰 직경으로 하고, 반면 저/중속영역에서 흡기매니폴드와 연소실사이의 공기 흐름 경로를 길면서 작은 직경으로 하면, 엔진 성능이 크게 개선될 수 있다.

이를 위해, 흡기 매니폴드가 짧은 길이의 런너(Runner)와 긴 길이의 런너(Runner)를 함께 갖춘 고정형(통상, TIS(Throttle Induction System)로 칭함)으로 구성되거나 또는 밸브를 이용해 런너(Runner)를 흐르는 공기 경로를 짧게하거나 길게 하는 가변형(통상 VIS(Variable Induction System)로 칭함)으로 구성된다.

일본특허공개2002-276380(2002년9월25일)

상기 특허문헌은 제2서지탱크를 좌우로 각각 분리하고, 복수의 밸브를 설치하여 운전영역에 따라 흡기경로가 달라지도록 구성한 기술의 예를 나타낸다.

하지만, TIS 타입 흡기매니폴드는 고유한 특성으로 인해 엔진 성능향상에 제한적일 수밖에 없다.

일례로, TIS 타입 흡기매니폴드에서는 최고치(Max Peak)가 기통이 증가할수록 고속으로 이동(Shift)되는 특성을 보임으로써 런너(Runner)의 수량 증가시 압력파(맥동파)의 영향도 함께 변화되어진다. 이로 인해, 4기통 엔진에 적용된 TIS 타입 흡기매니폴드는 8기통 엔진에 그대로 적용될 수 없다.

무엇보다도 TIS 타입 흡기매니폴드에서는 저중속과 고속 영역일 때 연소실과 연결된 런너(Runner)의 압력파가 큰 경향을 보이고, 이로 인해 압력파가 특히 저중속 영역에서 지속적으로 상승되지 못함으로써 흡입공기의 역류현상이 흡입행정 말기에 일어날 수밖에 없다.

반면, VIS 타입 흡기매니폴드는 TIS 타입 흡기매니폴드가 갖는 제반 현상이 해소됨으로써 엔진 성능향상에 더 우수한 장점이 있으나 이를 위해서는 각각의 런너(Runner)에 맞춘 다수 부품이 필요하고, 이는 결국 흡기매니폴드를 복잡한 구조로 변경함으로써 제조비용 상승으로 인한 가격 경쟁력 저하로 그 적용이 제한적일 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 1개의 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve)를 이용한 공기유량 제어로 전체적인 구성이 보다 단순하면서 콤팩트하게 이루어질 수 있고, 특히 저/중속영역에서는 맥동효과를 향상하고 고속영역에서는 많은 공기 유량을 보내주면서도 압력파의 중첩 구간 회피가 가능함으로써 저/중속성능 향상과 고속성능 유지가 가능한 가변 플레늄 형 흡기매니폴드 및 이를 이용한 엔진 기통 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 플레늄 형 흡기매니폴드는 진의 좌우 기통으로 각각 이어지는 좌 런너와 우 런너가 결합되고, 상기 좌 런너와 상기 우 런너로 보내지는 외부 공기가 모여지는 플레늄(Plenum)공간을 형성한 흡기 매니폴드와;

엔진의 저속 및 중속 운전시 상기 플레늄(Plenum)공간에서 빠져나온 공기유량이 상기 좌 런너와 상기 우 런너의 각각으로 보내지는 분리공기흐름을 형성하고, 엔진의 고속 운전시 상기 플레늄(Plenum)공간에서 빠져나온 공기유량이 상기 좌 런너와 상기 우 런너로 함께 보내지는 통합공기흐름을 형성하는 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve);가 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 흡기 매니폴드는 상기 플레늄(Plenum)공간을 좌 플레늄 공간과 우 플레늄 공간으로 형성하는 로어 매니폴드와, 외부 공기를 상기 좌 플레늄 공간과 상기 우 플레늄 공간으로 보내주는 유입 포트를 형성한 어퍼 매니폴드로 구성되며; 상기 가변 플레늄 밸브가 상기 로어 매니폴드와 상기 어퍼 매니폴드의 중첩부위로 위치되어져 상기 분리공기흐름과 상기 통합공기흐름을 형성한다.

상기 어퍼 매니폴드에는 상기 좌 런너에 연결되는 좌 런너 연결포트와 상기 우 런너에 연결되는 우 런너 연결포트가 구비되고; 상기 로어 매니폴드에는 상기 좌 런너 연결포트에 연결되는 좌 런너 연장포트와 상기 우 런너 연결포트에 연결되는 우 런너 연장포트가 구비된다.

상기 가변 플레늄 밸브는 상기 분리공기흐름과 상기 통합공기흐름을 형성하는 밸브 바디와, 상기 밸브 바디에 결합되어져 상기 분리공기흐름에서 상기 통합공기흐름으로 전환하거나 그 역으로 전환시켜주도록 컨트롤 로드로 구성된다.

상기 컨트롤 로드는 회전각도의 변경으로 상기 분리공기흐름에서 상기 통합공기흐름으로 전환하거나 그 역으로 전환시켜준다.

상기 밸브바디에는 상기 컨트롤 로드가 상기밸브바디의 중앙위치로 끼워져 회전되는 로드연결부가 형성되고, 상기 로드연결부에는 상기 컨트롤 로드의 회전각도 변경으로 밀폐되거나 개방되는 좌우연결구간이 형성된다.

상기 좌우연결구간은 상기 로드연결부의 원형단면 형상의 위쪽면을 제거하여 형성되고, 상기 컨트롤 로드에는 원형단면 형상의 반쪽부위를 가리는 반원단면축이 형성되고, 상기 반원단면축이 원형단면 형상의 위쪽으로 위치되어 상기 좌우연결구간을 밀폐하고, 원형단면 형상의 아래쪽으로 위치되어 상기 좌우연결구간을 개방한다.

상기 좌 런너는 상기 어퍼 매니폴드의 상기 좌 런너 연결포트에 연결되고, 상기 우 런너는 상기 어퍼 매니폴드의 상기 우 런너 연결포트에 연결되며, 상기 좌 런너와 상기 우 런너에는 다수 런너가 각각 구비되고, 상기 다수 런너는 상기 엔진의 좌 기통과 상기 엔진의 우 기통을 교차하도록 배열된다.

상기 다수 런너는 제1 런너내지 제8 런너로 구성되고; 상기 좌 런너에는 상기 엔진의 좌 기통중 제1실린더로 이어지는 제1 런너 및 제7실린더로 이어지는 제7 런너와 함께 상기 엔진의 우 기통중 제4실린더로 이어지는 제3 런너 및 제6실린더로 이어지는 제5 런너가 구비되고; 상기 우 런너에는 상기 엔진의 우 기통중 제2실린더로 이어지는 제2 런너 및 제8실린더로 이어지는 제8 런너와 함께 상기 엔진의 좌 기통중 제3실린더로 이어지는 제4 런너 및 제5실린더로 이어지는 제6 런너가 구비된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 플레늄형 흡기매니폴드를 이용한 엔진 기통 제어 방법은 차속을 이용해 엔진이 저속 및 중속 운전영역인지 고속 운전영역인지를 판단하는 공기유량제어 판단단계; 판단된 차속에 따라, 흡기메니폴드의 플레늄공간으로 유입된 외부 공기가 상기플레늄(Plenum)공간에서 빠져나와 엔진기통으로 이어진 좌 런너와 우 런너의 각각으로 공기유량을 보내는 분리공기흐름이나, 상기 좌 런너와 상기 우 런너로 함께 보내는 통합공기흐름을 형성하도록 상기 플레늄공간에 위치된 플레늄밸브가 제어되는 공기유량제어 실행단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 저속 및 중속 운전영역은 엔진회전수 1500 ~ 3500rpm이고, 상기 고속 운전영역은 엔진회전수 3500rpm 이상이다.

상기 분리공기흐름은 상기 저속 및 중속 운전영역에 적용되고, 상기 통합공기흐름은 상기 고속 운전영역에 적용된다.

상기 엔진의 좌 기통중 제1실린더로 이어지는 제1 런너 및 제7실린더로 이어지는 제7 런너와, 상기 엔진의 우 기통중 제4실린더로 이어지는 제3 런너 및 제6실린더로 이어지는 제5 런너가 상기 좌 런너를 구성하고; 상기 엔진의 우 기통중 제2실린더로 이어지는 제2 런너 및 제8실린더로 이어지는 제8 런너, 상기 엔진의 좌 기통중 제3실린더로 이어지는 제4 런너 및 제5실린더로 이어지는 제6 런너가 상기 우 런너를 구성한다.

이러한 본 발명은 1개의 가변 플레늄 밸브로 엔진의 좌우 기통에 서로 교차 배열된 런너(Runner)로 보내지는 공기유량을 엔진 운전영역에 맞춘 가변시켜주고, 특히 저/중속 운전 영역에서 맥동효과가 향상됨으로써 기존 TIS 흡기 매니폴드 대비 저/중속성능이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 1개의 가변 플레늄 밸브로 엔진의 좌우 기통에 서로 교차 배열된 런너(Runner)로 보내지는 공기유량을 엔진 운전영역에 맞춘 가변시켜주고, 특히 고속영역에서 많은 공기 유량을 보내주면서도 압력파의 중첩 구간 회피가 가능함으로써 VIS 흡기 매니폴드 대비 동등한 고속성능이 유지되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 엔진 기통별로 이어진 다수 런너(Runner)에 연결되는 공기 흐름 경로가 1개의 밸브를 이용해 가변제어 됨으로써 기존 VIS 타입 대비 단순 구성과 저 중량으로 흡기매니폴드가 제조되고, 특히 가격대비 경쟁력이 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 1개의 밸브를 이용해 런너(Runner)에서 엔진 기통으로 이어지는 공기 흐름 경로가 가변제어 됨으로써 기존 VIS 타입 대비 콤팩트한 구성으로 복잡한 레이아웃의 엔진룸 탑재성이 크게 개선되고, 특히 흡기매니폴드와 함께 설치되는 연료 레일 루트가 공용화됨으로써 보행자 법규 대응에도 적합한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드의 구성이고, 도 2는 도 1의 분해 구성이며, 도 3은 본 발명에 따른 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve)의 세부 구성이고, 도 4는 본 발명에 따른 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve)가 저/중속영역에서 작동되는 상태이며, 도 5는 본 발명에 따른 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve)가 고속영역에서 작동되는 상태이고, 도 6은 본 발명에 따른 좌 런너와 우런너가 8기통 엔진에 적용된 레이아웃이며, 도 7은 본 발명에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드의 단면에 대한 레이아웃이고, 도 8은 본 발명에 따른 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve)를 이용한 차속별 엔진 기통(8기통) 제어의 동작 흐름도이며, 도 9는 저/중속시 본 발명에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드의 작동상태이고, 도 10은 고속시 본 발명에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드의 작동상태이며, 도 11은 본 발명에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드를 적용한 엔진의 성능선도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 가변 플레늄형 흡기매니폴드에는 외부 공기가 유입되는 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 형성한 흡기 매니폴드(10)와, 공기를 엔진의 각 기통으로 공급해주는 런너(40)와, 엔진의 각 기통으로 보내지는 공기유량이 엔진의 운전영역에 따라 변화되도록 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 가변시키는 가변 플레늄 밸브(70,Variable Plenum Valve)가 포함된다.

상기 흡기 매니폴드(10)는 서로 포개져 결합됨으로써 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 형성하고, 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)으로 외부 공기를 유입시키는 어퍼 매니폴드(20)와 로어 매니폴드(30)로 구성된다.

상기 런너(40)는 흡기 매니폴드(10)의 좌측에서 엔진의 기통중 일부 기통으로 공기를 보내주는 좌 런너(50)와, 흡기 매니폴드(10)의 우측에서 엔진의 기통중 또 다른 일부 기통으로 공기를 보내주는 우 런너(60)로 구성된다.

상기 가변 플레늄 밸브(70)는 저/중속영역과 고속영역에서 엔진의 각 기통으로 보내지는 공기유량이 달라지도록 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 닫아주거나 열어준다.

단면 A-A와 같이, 상기 가변 플레늄 밸브(70,Variable Plenum Valve)는 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 가려주도록 어퍼 매니폴드(20)와 로어 매니폴드(30)의 사이에 위치된다.

본 실시예에서, 상기 가변 플레늄 밸브(70)는 엔진 회전수를 판단하는 ECU(Engine Control Unit)로 제어되고, 엔진의 각 기통으로 보내지는 공기유량이 저/중속영역에 비해 고속영역에서 상대적으로 많아지도록 동작된다.

한편, 도 2는 가변 플레늄형 흡기매니폴드의 분해 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 흡기 매니폴드(10)는 좌 플레늄 공간(31-1)과 우 플레늄 공간(31-2)을 형성한 로어 매니폴드(30)와, 외부 공기를 좌 플레늄 공간(31-1)과 우 플레늄 공간(31-2)으로 보내주는 유입 포트(21)를 형성한 어퍼 매니폴드(20)로 구성된다.

상기 어퍼 매니폴드(20)에는 좌 런너(50)에 연결되는 좌 런너 연결포트(23)와 우 런너(60)에 연결되는 우 런너 연결포트(25)가 구비되고, 상기 로어 매니폴드(30)에는 좌 런너 연결포트(23)에 연결되는 좌 런너 연장포트(33)와 우 런너 연결포트(25)에 연결되는 우 런너 연장포트(35)가 구비된다.

그러므로, 좌 런너 연결포트(23)와 좌 런너 연장포트(33)의 연결과 우 런너 연결포트(25)와 우 런너 연장포트(35)의 연결이 이루어짐으로써 분리 제작된 어퍼 매니폴드(20)와 로어 매니폴드(30)가 일체화되고, 서로 결합된 어퍼 매니폴드(20)와 로어 매니폴드(30)의 내부 공간으로 유입 포트(21)와 연통된 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)이 형성된다.

그리고, 런너(40)는 엔진의 기통수에 따른 런너를 각각 갖춘 좌 런너(50)와 우 런너(60)로 구성된다.

일례로, 8기통 엔진의 경우, 상기 좌 런너(50)는 제1 런너(51), 제3 런너(53), 제5 런너(55), 제7 런너(57)로 4개가 구비됨으로써 흡기 매니폴드(10)의 좌측에서 나오는 공기를 엔진의 각 기통으로 보내준다. 또한, 상기 우 런너(60)는 제2 런너(62), 제4 런너(64), 제6 런너(66), 제8 런너(68)로 4개가 구비됨으로써 흡기 매니폴드(10)의 우측에서 나오는 공기를 엔진의 각 기통으로 보내준다.

본 실시예에서, 제1 런너(51), 제3 런너(53), 제5 런너(55), 제7 런너(57), 제2 런너(62), 제4 런너(64), 제6 런너(66), 제8 런너(68)의 레이아웃은 서로 교차되며, 이러한 레이아웃은 이후 상세 설명된다.

또한, 상기 가변 플레늄 밸브(70)는 흡기 매니폴드(10)의 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 가린 상태에서 공기를 좌 런너(50)와 우 런너(60)로 보내주는 통로 역할을 하는 밸브 바디(71)와, 밸브 바디(71)의 공기 흐름을 저/중속영역에서 분리하는 반면 고속영역에서 통합해주도록 180도 회전되도록 밸브 바디(71)에 끼워진 컨트롤 로드(75)로 구성된다.

한편, 도 3은 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve)의 세부 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 가변 플레늄 밸브(70)에는 컨트롤 로드(75)를 끼울 수 있는 로드연결부(73)가 원형단면 형상으로 밸브 바디(71)에 형성된다.

그러므로, 상기 로드연결부(73)는 밸브 바디(71)의 중앙부위에 위치됨으로써 밸브 바디(71)가 로드연결부(73)를 중심으로 좌우로 구분될 수 있다.

일례로, 밸브 바디(71)는 로드연결부(73)를 중심으로 한쪽 부위가 좌 런너(50)에 연통되는 좌런너공기챔버(72-1)로 형성되고, 반대쪽 부위가 우 런너(60)에 연통되는 우런너공기챔버(72-2)로 형성된다.

또한, 상기 로드연결부(73)에는 원형단면의 위쪽면이 제거된 좌우연결구간(73-1)이 형성되고, 상기 컨트롤 로드(75)에는 반원단면축(75a)이 형성되며, 반원단면축(75a)은 컨트롤 로드(75)의 회전으로 그 위치가 변화됨으로써 좌우연결구간(73-1)을 밀폐하거나 또는 개방시켜 줄 수 있다.

본 실시예에서, 상기 컨트롤 로드(75)의 회전은 별도의 회전기구로 이루어지고, 이러한 회전기구는 엔진 회전수를 체크하는 ECU로 제어되는 모터나 액추에이터 또는 엔진의 회전기구중 어느 하나일 수 있다. 특히, 회전기구가 컨트롤 로드(75)는 그 끝부위에서 흡기 매니폴드(10)를 벗어나 위치함으로써 흡기 매니폴드(10)에서는 플레늄 공간(31,1,31-2)이 최적화되는 레이아웃을 가질 수 있다.

한편, 도 4는 저/중속영역에서 가변 플레늄 밸브(70)의 작동상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 컨트롤 로드(75)의 반원단면축(75a)이 위를 향함으로써 로드연결부(73)의 좌우연결구간(73-1)을 밀폐하는 상태가 되면, 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 거쳐 좌런너공기챔버(72-1)와 우런너공기챔버(72-2)로 각각 유입된 공기는 교차흐름형성이 불가할 수밖에 없다. 이는, 좌 런너(50)와 우 런너(60)로 보내지는 공기유량의 감소를 의미하므로 저/중속영역에 해당되고, 이러한 제어를 통해 맥동효과를 향상함으로써 저/중속성능이 크게 향상된다.

반면, 도 5는 고속영역에서 가변 플레늄 밸브(70)의 작동상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 컨트롤 로드(75)의 반원단면축(75a)이 밑을 향함으로써 로드연결부(73)의 좌우연결구간(73-1)을 개방하는 상태가 되면, 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 거쳐 좌런너공기챔버(72-1)와 우런너공기챔버(72-2)로 각각 유입된 공기는 교차흐름형성이 가능하게 된다. 이는, 좌 런너(50)와 우 런너(60)로 보내지는 공기유량의 증가를 의미하므로 고속영역에 해당되고, 이러한 제어를 통해 압력파의 중첩 구간이 회피되면서도 고속성능 유지에 필요한 공기 유량을 많이 공급해줌으로써 고속성능이 유지된다.

한편, 도 6은 8기통 엔진에서 좌 런너(50)와 우 런너(60)의 레이아웃을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 8기통은 좌측의 4기통과 우측의 4기통으로 구분되고, 좌 런너(50)와 우 런너(60)가 각각 4기통으로 공기유량을 공급하되, 좌 런너(50)와 우 런너(60)에서 나온 공기유량은 좌측 4기통과 우측 4기통을 서로 교차하면서 공급된다. 8기통 엔진에 이를 적용함으로써 압력파의 중첩 구간이 회피되거나 크게 개선된다.

이를 위해, 좌 런너(50)의 제1 런너(51)는 좌측의 4기통중 제1실린더로 이어지고, 제7 런너(57)는 좌측의 4기통중 제7실린더로 이어지며, 제3 런너(53)는 우측의 4기통중 제4실린더로 이어지고, 제5 런너(55)는 우측의 4기통중 제6실린더로 이어진다.

또한, 우 런너(60)의 제2 런너(62)는 우측의 4기통중 제2실린더로 이어지고, 제8 런너(68)는 우측의 4기통중 제8실린더로 이어지며, 제4 런너(64)는 좌측의 4기통중 제3실린더로 이어지고, 제6 런너(66)는 좌측의 4기통중 제5실린더로 이어진다.

한편, 도 7은 본 실시예에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드의 단면에 대한 레이아웃을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 공기흐름경로를 형성하는 플레늄공간(31-1,31-2)이 1개의 가변 플레늄 밸브(70)로 제어되고, 가변 플레늄 밸브(70)가 흡기 매니폴드(10)의 외부에서 조작됨으로써 플레늄공간(31-1,31-2)이 흡기 매니폴드(10)의 전체공간으로 형성된다.

이로 인해, 가변 플레늄 밸브(70)를 적용한 흡기 매니폴드(10)에서는 기존의 VIS밸브를 이용할 때에 비해 상대적으로 높이를 낮춘 플레늄공간높이(Hv)가 적용될 수 있고, 플레늄공간(31-1,31-2)이 플레늄공간높이(Hv)를 통해 형성되더라도 엔진 성능에서 요구하는 공기유량을 충분하게 공급할 수 있게 된다.

그러므로, 가변 플레늄 밸브(70)를 적용한 흡기 매니폴드(10)와 런너(40)가 결합된 상태에서 형성하는 흡기 매니폴드높이(Ha)가 기존의 VIS밸브를 이용할 때에 비해 상대적으로 낮아질 수 있다.

그러므로, 가변 플레늄 밸브(70)를 적용한 흡기 매니폴드(10)로 구성된 엔진은 기존의 VIS밸브를 이용한 엔진에 비해 상대적으로 콤팩트하게 이루어짐으로써 복잡한 레이아웃의 엔진룸 탑재성이 크게 개선될 수 있고, 특히 가변 플레늄 밸브(70)를 적용한 흡기 매니폴드(10)와 함께 설치되는 연료 레일 루트가 공용화됨으로써 보행자 법규 대응에도 용이할 수 있다.

한편, 도 8은 본 실시예에 따른 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve)를 이용한 차속별 엔진 기통(8기통) 제어의 동작 흐름을 나타낸다.

S10은 차속이 판단되는 단계로서, 이러한 차속은 저/중속과 고속으로 구분되며, 본 실시예에서 저/중속은 엔진회전수 1500 ~ 3500rpm이고, 고속은 엔진회전수 3500rpm 이상이 적용된다. 하지만, 저/중속 및 고속을 구분하는 엔진회전수는 엔진 성능이나 차량 종류에 따라 달라질 수 있다.

S20은 저/중속시 엔진 기통 제어의 예로서, 이러한 제어가 이루어짐으로써 S21과 같이 가변 플레늄 밸브(VPV, Variable Plenum Valve)가 작동(밸브 클로우즈(Valve Close))되고, 이어 S23과 같이 좌우 런너가 독립적인 상태로 전환됨으로써 좌 런너 기통은 S24 및 S24-1과 같이 운용되고 우 런너 기통은 S25 및 S25-1과 같이 운용된다.

S24의 좌 런너 기통 운영은 S24-1과 같이 Cyl.1, Cyl.7, Cyl.4, Cyl.6의 순서로 연소가 이루어지고, S25의 우 런너 기통 운영은 S25-1과 같이 Cyl.2, Cyl.8, Cyl.5, Cyl.3의 순서로 연소가 이루어진다. 그러므로, 저/중속시 8기통 엔진은 좌 런너나 우 런너를 통한 4기통 엔진과 같이 운용될 수 있다.

도 9는 엔진의 저/중속영역에서, 본 실시예에 따라 좌 런너 기통과 우 런너 기통이 개별적으로 운용됨으로써 8기통 엔진임에도 4기통 엔진과 같이 운용되는 상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 컨트롤 로드(75)는 반원단면축(75a)이 위를 향함으로써 로드연결부(73)의 좌우연결구간(73-1)을 밀폐함으로써 가변 플레늄 밸브(70)는 밸브 클로우즈(Valve Close)상태를 유지한다.

이러한 밸브 클로우즈(Valve Close)상태는 전술한 도 4의 가변 플레늄 밸브(70)와 동일한 작동상태이므로, 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 나온 공기는 로드연결부(73)의 좌우연결구간(73-1)을 통한 교차흐름 없이 좌런너공기챔버(72-1)와 우런너공기챔버(72-2)로 각각 유입된다.

이로 인해, 좌 런너(50)에는 좌런너공기챔버(72-1)에서 공기가 유입되고, 우 런너(60)에는 우런너공기챔버(72-2)에서 공기가 유입됨으로써 8기통 엔진이 마치 4기통 엔진과 같이 동작한다. 그러므로 흡기매니폴드(10)에서 엔진으로 보내지는 공기 흐름에서는 맥동효과가 향상됨으로써 저/중속성능이 크게 향상될 수 있다.

S30은 고속시 엔진 기통 제어의 예로서, 이러한 제어가 이루어짐으로써 S31과 같이 가변 플레늄 밸브(VPV, Variable Plenum Valve)가 작동(밸브 오픈(Valve Open))되고, 이어 S32과 같이 좌우 런너가 통합 상태로 전환됨으로써 좌우 런너 기통은 S33과 같이 운용된다.

S33의 좌우 런너 기통 운영은 S33-1과 같이 Cyl.1, Cyl.2, Cyl.7, Cyl.8, Cyl.4, Cy.5, Cyl.6, Cyl.3의 순서로 연소가 이루어진다. 그러므로, 고속시 8기통 엔진은 8기통 엔진으로 운용될 수 있다.

도 10은 엔진의 고속영역에서, 본 실시예에 따라 좌 런너 기통과 우 런너 기통이 통합운용됨으로써 8기통 엔진의 특성이 그대로 구현되는 상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 컨트롤 로드(75)가 약 180도 회전됨으로써 아래를 향한 반원단면축(75a)에 의해 로드연결부(73)의 좌우연결구간(73-1)이 개방된다. 이로 인해 가변 플레늄 밸브(70)는 밸브 오픈(Valve Open)상태를 유지한다.

이러한 밸브 오픈(Valve Open)상태는 전술한 도 5의 가변 플레늄 밸브(70)와 동일한 작동상태이므로, 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 나와 좌런너공기챔버(72-1)와 우런너공기챔버(72-2)로 각각 유입된 공기는 좌우연결구간(73-1)을 통해 서로 섞이는 교차흐름을 형성한다.

이로 인해, 좌 런너(50)에는 좌런너공기챔버(72-1)와 우런너공기챔버(72-2)에서 공기가 유입되고, 우 런너(60)는 우런너공기챔버(72-2)와 좌런너공기챔버(72-1)에서 공기가 유입됨으로써 8기통 엔진의 특성으로 동작한다. 그러므로 흡기매니폴드(10)에서 엔진으로 보내지는 공기 흐름에서는 압력파의 중첩 구간이 회피되면서도 고속성능 유지에 필요한 공기 유량을 많이 공급해줌으로써 고속성능이 유지된다.

한편, 도 11은 본 실시예에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드를 적용한 엔진의 성능선도이다.

도시된 바와 같이, 엔진 토크(Torque)는 토크-엔진스피드 선도를 통해 개선됨이 증명됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 가변 플레늄 밸브(70)의 제어로 8기통 엔진이 저/중속영역에서 좌 런너(50)와 우 런너(60)가 독립됨으로써 4기통 엔진과 같이 운영되고, 고속영역에서 좌 런너(50)와 우 런너(60)가 통합됨으로써 8기통 엔진으로 운영됨으로써 업력파 중첩구간이 해소됨과 더불어 맥동효과도 크게 향상되고, 특히 저/중속성능이 TIS 흡기 매니폴드대비 약 3%이상 개선됨에 기인된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 가변 플레늄형 흡기매니폴드는 좌 런너(50)와 우 런너(60)로 보내지는 외부 공기가 모여지는 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 형성한 흡기 매니폴드(10)와, 엔진의 저속 및 중속 운전시 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 가려주고 반면 엔진의 고속 운전시 플레늄(Plenum)공간(31-1,31-2)을 열어주는 가변 플레늄 밸브(70,Variable Plenum Valve)를 갖춤으로써 1개의 가변 플레늄 밸브(70)밸브를 이용한 공기유량 제어로 전체적인 구성이 보다 단순하고 콤팩트하고, 특히 저/중속영역에서는 맥동효과를 향상하고 고속영역에서는 많은 공기 유량을 보내주면서도 압력파의 중첩 구간 회피가 가능함으로써 저/중속성능 향상과 고속성능 유지가 가능하다.

10 : 흡기 매니폴드 20 : 어퍼 매니폴드
21 : 유입 포트 23 : 좌 런너 연결포트
25 : 우 런너 연결포트 30 : 로어 매니폴드
31-1 : 좌 플레늄 공간 31-2 : 우 플레늄 공간
33 : 좌 런너 연장포트 35 : 우 런너 연장포트
40 : 런너 50 : 좌 런너
51 : 제1 런너 53 : 제3 런너
55 : 제5 런너 57 : 제7 런너
60 : 우 런너
62 : 제2 런너 64 : 제4 런너
66 : 제6 런너 68 : 제8 런너
70 : 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve)
71 : 밸브 바디 72-1 : 좌런너공기챔버
72-2 : 우런너공기챔버 73 : 로드연결부
73-1 : 좌우연결구간 75 : 컨트롤 로드
75a : 반원단면축

Claims

엔진의 좌우 기통으로 각각 이어지는 좌 런너와 우 런너가 결합되고, 상기 좌 런너와 상기 우 런너로 보내지는 외부 공기가 모여지는 플레늄(Plenum)공간을 형성한 흡기 매니폴드와;
엔진의 저속 및 중속 운전시 상기 플레늄(Plenum)공간에서 빠져나온 공기유량이 상기 좌 런너와 상기 우 런너의 각각으로 보내지는 분리공기흐름을 형성하고, 엔진의 고속 운전시 상기 플레늄(Plenum)공간에서 빠져나온 공기유량이 상기 좌 런너와 상기 우 런너로 함께 보내지는 통합공기흐름을 형성하는 가변 플레늄 밸브(Variable Plenum Valve);가 포함되고,
상기 흡기 매니폴드는 상기 플레늄(Plenum)공간을 좌 플레늄 공간과 우 플레늄 공간으로 형성하는 로어 매니폴드와, 외부 공기를 상기 좌 플레늄 공간과 상기 우 플레늄 공간으로 보내주는 유입 포트를 형성한 어퍼 매니폴드로 구성되며;
상기 가변 플레늄 밸브가 상기 로어 매니폴드와 상기 어퍼 매니폴드의 중첩부위로 위치되어져 상기 분리공기흐름과 상기 통합공기흐름을 형성하고;
상기 가변 플레늄 밸브는 상기 분리공기흐름과 상기 통합공기흐름을 형성하는 밸브 바디와, 상기 밸브 바디에 결합되어져 상기 분리공기흐름에서 상기 통합공기흐름으로 전환하거나 그 역으로 전환시켜주도록 컨트롤 로드로 구성되며, 상기 밸브 바디에는 상기 컨트롤 로드가 상기 밸브 바디의 중앙위치로 끼워져 회전되는 로드연결부가 형성되고, 상기 로드연결부에는 상기 컨트롤 로드의 회전각도 변경으로 밀폐되거나 개방되는 좌우연결구간이 형성되며, 상기 좌우연결구간은 상기 로드연결부의 원형단면 형상의 위쪽면을 제거하여 형성되고, 상기 컨트롤 로드에는 원형단면 형상의 반쪽부위를 가리는 반원단면축이 형성된
는 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드.
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청구항 1에 있어서, 상기 어퍼 매니폴드에는 상기 좌 런너에 연결되는 좌 런너 연결포트와 상기 우 런너에 연결되는 우 런너 연결포트가 구비되고; 상기 로어 매니폴드에는 상기 좌 런너 연결포트에 연결되는 좌 런너 연장포트와 상기 우 런너 연결포트에 연결되는 우 런너 연장포트가 구비된 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드.
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청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤 로드는 회전각도의 변경으로 상기 분리공기흐름에서 상기 통합공기흐름으로 전환하거나 그 역으로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드.
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청구항 1에 있어서, 상기 반원단면축이 원형단면 형상의 위쪽으로 위치되어 상기 좌우연결구간을 밀폐하고, 원형단면 형상의 아래쪽으로 위치되어 상기 좌우연결구간을 개방하는 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드.
청구항 3에 있어서, 상기 좌 런너와 상기 우 런너에는 다수 런너가 각각 구비되고, 상기 다수 런너는 상기 엔진의 좌 기통과 상기 엔진의 우 기통을 교차하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드.
청구항 9에 있어서, 상기 다수 런너는 제1 런너내지 제8 런너로 구성되고;
상기 좌 런너에는 상기 엔진의 좌 기통중 제1실린더로 이어지는 제1 런너 및 제7실린더로 이어지는 제7 런너와 함께 상기 엔진의 우 기통중 제4실린더로 이어지는 제3 런너 및 제6실린더로 이어지는 제5 런너가 구비되고;
상기 우 런너에는 상기 엔진의 우 기통중 제2실린더로 이어지는 제2 런너 및 제8실린더로 이어지는 제8 런너와 함께 상기 엔진의 좌 기통중 제3실린더로 이어지는 제4 런너 및 제5실린더로 이어지는 제6 런너가 구비되는 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드.
청구항1,3,5,8,9,10중 어느 한 항에 의한 가변 플레늄형 흡기매니폴드를 구비한 엔진에서 차속을 이용해 엔진이 저속 및 중속 운전영역인지 고속 운전영역인지로 판단되는 공기유량제어 판단단계;
판단된 차속에 따라, 흡기메니폴드의 플레늄공간으로 유입된 외부 공기가 상기 플레늄(Plenum)공간에서 빠져나와 엔진기통으로 이어진 좌 런너와 우 런너의 각각으로 공기유량을 보내는 분리공기흐름이나, 상기 좌 런너와 상기 우 런너로 함께 보내는 통합공기흐름을 형성하도록 상기 플레늄공간에 위치된 플레늄밸브가 제어되는 공기유량제어 실행단계;로 수행되고,
상기 엔진의 좌 기통중 제1실린더로 이어지는 제1 런너 및 제7실린더로 이어지는 제7 런너와, 상기 엔진의 우 기통중 제4실린더로 이어지는 제3 런너 및 제6실린더로 이어지는 제5 런너가 상기 좌 런너를 구성하고;
상기 엔진의 우 기통중 제2실린더로 이어지는 제2 런너 및 제8실린더로 이어지는 제8 런너와, 상기 엔진의 좌 기통중 제3실린더로 이어지는 제4 런너 및 제5실린더로 이어지는 제6 런너가 상기 우 런너를 구성하는 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드를 이용한 엔진 기통 제어 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 저속 및 중속 운전영역은 엔진회전수 1500 ~ 3500rpm이고, 상기 고속 운전영역은 엔진회전수 3500rpm 이상인 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드를 이용한 엔진 기통 제어 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 분리공기흐름은 상기 저속 및 중속 운전영역에 적용되고, 상기 통합공기흐름은 상기 고속 운전영역에 적용되는 것을 특징으로 하는 가변 플레늄형 흡기매니폴드를 이용한 엔진 기통 제어 방법.
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