KR101601313B1 - 가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 캠(2)의 프로파일을 스윙 암 조립체(100)가 추종하고, 스윙 암 조립체(100)의 운동에 의해 푸시 로드(6)를 동작시키며, 푸시 로드(6)의 동작에 의해 로커 암(8)이 동작하도록 된 오버 헤드 밸브 장치로서, 상기 스윙 암 조립체(100)는, 상기 캠(2)의 상부에서 일측이 힌지축(140)을 중심으로 상, 하 회동 가능하게 피벗 설치되는 하우징(110); 상기 미끄럼 축(122)의 하단에 회전가능하면서 상하방향으로 이동가능하게 결합되고, 상기 캠(2)의 외주면에 접촉하여 캠(2)의 프로파일을 따라 구르는 롤러(120); 상기 롤러(120)의 상부와 하우징(110)의 상단 사이에 개재되어 상기 롤러(120)를 상기 캠(2)을 향해 하향으로 탄성 가압하는 한편 반대측으로는 상기 하우징(110)을 상향으로 탄성 가압하는 압축 스프링(130); 및 유압의 제어에 의해 상기 하우징(110)을 힌지축(140)을 중심으로 회동시키는 액추에이터를 포함한다. 이러한 본 발명은, 하우징의 회전과 캠 프로파일의 추종에 의한 롤러의 상, 하 방향 이동에 의한 힘을 압축 스프링에 의해 상쇄하는 구조의 스윙 암 조립체와, 하우징의 회동을 위한 액추에이터에 의해, 캠에 대한 롤러의 접촉 지점을 안정적으로 이동시켜 밸브 타이밍을 변화시킬 수 있고, 밸브 타이밍 변경시 밸브 클리어런스의 변화를 최소화할 수 있으며, 밸브 운동을 안정적으로 유지할 수 있다.

Description

가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치{Overhead Valve System for Variable Valve Timing}

본 발명은 가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치에 관한 것으로서, 밸브 클리어런스의 변화 및 푸시 로드와 로커 암의 접촉 지점의 변화없이 캠에 대한 롤러의 접촉 지점을 이동가능토록 하여 밸브 타이밍을 변화시킴으로써, 기존에 가변 밸브 타이밍 기술을 적용하지 않던 선박용 및 산업용의 중ㆍ대형 엔진의 오버 헤드 밸브 장치에 쉽게 적용할 수 있고 자동차 엔진과 같은 소형 엔진의 오버 헤드 밸브 장치에도 유용하게 적용할 수 있는 가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치에 관한 것이다.

엔진의 가변 밸브 타이밍은, 엔진의 운전 속도와 부하 등의 조건에 따라 흡, 배기 밸브의 개폐 타이밍을 변화시켜 열효율과 출력을 최적화하고 연비를 향상시키는 기술이다.

가변 밸브 타이밍 장치에 관련한 일반적인 기술로서는, 캠의 위상을 변화시켜 밸브의 개방 시기를 진각(Advanced) 또는 지각(Retarded)시키는 장치가 있다.

그러나 이러한 가변 밸브 타이밍 장치는, 캠 샤프트의 전방 단부 부분에 헬리컬 기어식, 비틀림 스플라인 식, 배인(vane)식, 또는 전자 유압식 등으로 이루어지는 캠 위상 가변기구를 설치하여야 하는 등, 구성이 매우 복잡해지고 실린더 헤드 부분의 사이즈가 비대해 진다는 단점이 있다.

가변 밸브 타이밍 장치의 또 다른 예로서는, 밸브 리프트 기구의 구조를 변형하여 밸브의 개방 지속 시간이나 개폐 타이밍을 변화시키는 장치가 알려져 있으다. 그러나 이러한 장치 또한 구조적으로 복잡하고 실린더 헤드 부분의 부피를 증가시키는 단점이 있다. 또한, 이러한 장치는 오버 헤드 캠 샤프트 시스템에만 주로 적용하고 있고, 오버 헤드 밸브 시스템에는 적용하기 어려워, 기존에 가변 밸브 타이밍 장치가 적용되지 않던 선박용이나 산업용 중ㆍ대형 엔진의 오버 헤드 밸브 시스템을 위해서는 새로운 형태의 가변 밸브 타이밍 장치가 요구되고 있다.

도 1 및 도 2에는 종래의 오버 헤드 밸브 장치의 예를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 장치는 첫 번째의 예로서, 캠(2)에 의해 태핏(4)과 푸시 로드(6)를 승강시키고, 푸시 로드(6)에 의해 로커 암(8)을 회동시켜 밸브(10)를 개폐한다. 태핏(4)은 캠(2)의 회전운동을 상하운동으로 바꾸며, 푸시 로드(6)는 태핏(4)의 오목면에 닿아 있다.

도 2에 도시된 장치는 두 번째의 예로서, 직선 운동형 태핏 대신에 스윙 암(30)을 사용한 형태이다. 즉, 스윙 암(30)의 아래쪽 롤러(31)에 캠(2)이 접촉하고 위쪽에는 푸시 로드(6)가 지지되어 있으며, 스윙 암(30)은 힌지축(32)에 상하방향으로 회동가능하게 설치된 형태이다. 캠(2)이 회전하면 스윙 암(30)의 롤러(31)가 캠(2)의 프로파일을 추종하게 되고, 그에 의해 스윙 암(30)이 힌지축(32)을 중심으로 회동하여 푸시 로드(6)를 상하로 왕복운동시키게 되며, 푸시 로드(6)에 의해 로커 암(8)을 회동시켜 밸브(10)를 개폐한다.

도 1의 밸브 장치는, 캠(2)의 프로파일에 따라 태핏(4)이 상하운동을 하므로, 로커 암(8)의 길이와 상관없이 등가 질량을 가지기 때문에 힘의 전달과 효율에서 유리하다.

그러나 캠(2)의 프로파일에 따라 태핏(4)이 상하운동만을 하므로, 그 자체만으로는 밸브 개폐 타이밍을 변화시키거나 제어할 수 없다.

도 2의 밸브 장치는, 캠(2)의 프로파일에 의해 스윙 암(30)이 힌지축(32)을 중심으로 회전운동을 하는 구조이므로, 스윙 암(30)의 몸체 자체를 회동시킬 수 있다면 타이밍 제어가 가능해 진다.

그러나 타이밍을 바꾸기 전, 후의 밸브 운동에 영향이 없어야 한다. 요컨대, 도 2의 밸브 장치의 구조를 그대로 유지한 채 스윙 암(30)을 회동시킨다면 푸시 로드(60)와 로커 암(8)의 접촉점(A점)의 상하방향 좌표가 변화하게 되고, 그에 따라 로커 암(8)과 밸브(10) 사이의 클리어런스(즉, 밸브 래시(valve lash))가 지나치게 크게 변화하게 되어 정상적인 밸브 기능을 할 수 없게 된다. 따라서, 스윙 암(30)의 몸체를 회전시키더라도(즉, 타이밍을 변화시키더라도), 밸브 래시 값은 정상적인 밸브 운동에 영향이 없는 범위 내로 유지되어야 한다.

또한, 타이밍을 바꾸기 위해서 스윙 암(30)의 위치를 이동시켜야 하는데, 스윙 암(30)은 회동운동을 하는 구조이므로 이동 전, 후의 회전체의 토크를 조절하여야 한다. 원래의 위치로 돌아가려는 힘이 존재한다면 타이밍을 변화시킨 상태를 유지할 수 없기 때문이다.

본 발명은 상기와 같은 사항들을 고려하여 푸시 로드와 로커 암의 접촉 지점의 좌표에 변화를 주지않고 캠에 대한 롤러의 접촉 지점을 이동가능하도록 구성하여 밸브 타이밍을 변화시킬 수 있도록 하는 가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 밸브 타이밍 변화에 상관없이 스윙 하우징에 걸리는 토크의 크기를 절절하게 제어하여 동작이 안정적으로 이루어지도록 하고 구조물이 받는 피로를 최소화할 수 있도록 하는 가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적은, 캠의 프로파일을 스윙 암 조립체가 추종하고, 스윙 암 조립체의 운동에 의해 푸시 로드를 동작시키며, 푸시 로드의 동작에 의해 로커 암이 동작하도록 된 오버 헤드 밸브 장치로서, 상기 스윙 암 조립체는, 상기 캠의 상부에서 일측이 힌지축을 중심으로 상, 하 회동 가능하게 피벗 설치되는 하우징; 상기 하우징의 하단에 회전가능하면서 상하방향으로 이동가능하게 결합되고, 상기 캠의 외주면에 접촉하여 캠의 프로파일을 따라 구르는 롤러; 상기 롤러의 상부와 하우징의 상단 사이에 개재되어 상기 롤러를 상기 캠을 향해 하향으로 탄성 가압하는 한편 반대측으로는 상기 하우징을 상향으로 탄성 가압하는 압축 스프링; 및 유압의 제어에 의해 상기 하우징을 힌지축을 중심으로 회동시키는 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버 헤드 밸브 장치를 제공하는 것에 의해 달성된다.

상기 하우징에는 상하방향으로 안내공이 형성되고, 상기 안내공에는 미끄럼 축이 축방향으로 미끄럼 이동 가능하게 삽입되며, 상기 미끄럼 축의 하단에는 상기 롤러가 회전가능하게 결합되고, 미끄럼 축의 상단에는 상기 푸시 로드의 하단부가 미끄럼 회동가능하게 안착하며, 미끄럼 축의 상면과 안내공의 상단 내측면 사이에는 상기 압축 스프링이 개재된다.

상기 미끄럼 축의 상부에는 시트 블록이 결합되어, 상기 시트 블록의 상면에 상기 푸시 로드의 하단부가 미끄럼 회동가능하게 안착하도록 구성하여도 좋다.

또한, 상기 미끄럼 축은 스토퍼에 의해 상, 하 이동범위가 제한되도록 구성하여도 좋다.

상기 액추에이터는 유압 실린더로 구성할 수 있다.

유압 실린더는, 엔진의 일측에 회동가능하게 피벗 설치되는 실린더; 및 상기 실린더에 삽입되어 유압에 의해 운동하고, 선단이 힌지 핀에 의해 하우징에 회동가능하게 피벗 결합되는 피스톤 로드를 포함한다.

본 발명에 따른 가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치에 의하면, 하우징이 회동가능하게 설치되고, 하우징 내에서 롤러가 상, 하 방향으로 이동가능하며, 밸브 타이밍 변경시의 하우징의 회전과 캠 프로파일의 추종에 의한 롤러의 상, 하 방향 이동에 의한 힘을 압축 스프링의 지지에 의해 상쇄하는 구조의 스윙 암 조립체와, 스윙 암 조립체의 하우징을 회동시키는 액추에이터를 구비하는 것에 의해, 캠에 대한 롤러의 접촉 지점을 안정적으로 이동시켜 밸브 타이밍을 변화시킬 수 있으며, 그에 따라 밸브 타이밍 변경시 밸브 클리어런스의 변화를 최소화할 수 있으며 밸브 운동을 안정적으로 유지할 수 있다.

따라서, 기존에 가변 밸브 타이밍 장치가 적용되기 어려웠던 선박용이나 산업용 중ㆍ대형 엔진의 오버 헤드 밸브 시스템에 간단한 구조에 의해 가변 밸브 타이밍을 실현할 수 있다.

도 1은 종래의 일반적인 오버 헤드 밸브 장치의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 일반적인 오버 헤드 밸브 장치의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 밸브 타이밍용 오버 헤드 밸브 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 스윙 암 조립체를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 오버 헤드 밸브 장치에서 밸브 닫힘 시기가 530도 각도에서 이루어질 때의 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에서 밸브 닫힘 시기를 550도 각도로 변화시켰을 때의 상태를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 1과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하여 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 오버 헤드 밸브 장치는, 캠(2)의 프로파일을 스윙 암 조립체(100)가 추종하고, 스윙 암 조립체(100)의 운동에 의해 푸시 로드(6)를 동작시키며, 푸시 로드(6)의 동작에 의해 로커 암(8)이 동작하도록 된 오버 헤드 밸브 장치이다.

여기서, 스윙 암 조립체(100)는 캠(2)의 상부에 설치되는 것으로, 엔진의 일측에 힌지축(140)에 의해 상, 하 회동 가능하게 피벗 설치되는 하우징(110)과, 하우징(110)의 하단에 회전가능하면서 상하방향으로 이동가능하게 설치되는 롤러(120)와, 상기 롤러(120)의 상부와 하우징(110) 사이에 개재되어 롤러(120)는 캠(2)을 향해 하향으로 탄성 가압하고 상기 하우징(110)은 상향으로 탄성 가압하는 압축 스프링(130)과, 유압의 제어에 의해 상기 하우징(110)을 힌지축(140)을 중심으로 회동시키는 액추에이터를 포함한다.

좀 더 구체적으로, 힌지축(140)은 엔진에 고정되고, 하우징(110)은 유압 실린더(150)에 의해 힌지축(140)을 중심으로 상, 하 방향으로 회동 된다.

압축 스프링(130)은 롤러(120)를 캠(2) 표면을 향해 탄성 가압하는 한편, 롤러(120)와 캠(2) 사이의 반력을 하우징(110)에 전달함으로써 토크를 상쇄시켜 준다.

상기 롤러(120)의 회전 및 상하 방향 미끄럼 이동을 구체적으로 구현하기 위한 바람직한 예로서, 상기 하우징(110)에는 상하방향으로 안내공(112)이 형성되고, 상기 안내공(112)에는 미끄럼 축(122)이 축방향으로 미끄럼 이동 가능하게 삽입된다. 이러한 미끄럼 축(122)의 하단에는 롤러(120)가 축(121)으로 회전가능하게 결합된다. 압축 스프링(130)은, 미끄럼 축(122)의 상면과 안내공(112)의 상단 내측면 사이에 개재되어, 하방으로는 미끄럼 축(122)을 가압하고, 상방으로는 하우징(110)을 가압한다. 가공과 조립의 편의를 위해, 하우징(110)의 안내공(112)은 하우징(110)을 관통하도록 형성하고, 안내공(112)의 상단에는 커버(114)를 장착하여, 압축 스프링(130)에 의해 커버(114)의 내면을 가압하는 힘이 하우징(110)에 전달되도록 하고 있다.

상기 미끄럼 축(122)의 상단에는 푸시 로드(6)의 하단부가 안착 되는데, 본 실시예에서는 미끄럼 축(122)의 상부에 시트 블록(124)을 결합하여, 시트 블록(124)의 상면에 푸시 로드(6)의 하단부가 구면(球面) 접촉에 의해 미끄럼 회동가능하게 안착하도록 하고 있다. 시트 블록(124)은 푸시 로드(6)와의 미끄럼 마찰에 의해 마모에 강한 재질이나 표면 처리를 하여야 하는데, 이러한 재료가 고가이고, 가공 정밀도도 높아야 하므로 미끄럼 축(124) 전체를 시트 블록으로 하는 대신에 푸시 로드(6)와 접촉하는 부분만을 시트 블록(124)으로 마련한 것이다.

또한, 상기 미끄럼 축(122)은 스토퍼(126)에 의해 밸브 타이밍 조절 범위 내에서 상, 하 이동범위가 제한되도록 하고 있다.

본 실시예에 있어서, 액추에이터로는 유압 실린더(150)로 이루어진다. 유압 실린더 이외에 다른 장치(기구)를 사용하여도 좋다.

상기 유압 실린더(150)는, 실린더(151)와 피스톤 로드(152)를 포함하여, 유압 회로의 제어에 의해 피스톤 로드(152)가 전후진 한다. 실린더(151)는 엔진(1)의 일측에 힌지축(156)에 의해 회동가능하게 피벗 설치되고, 피스톤 로드(152)의 선단은 힌지 핀(154)에 의해 상기 하우징(110)에 회동가능하게 피벗 결합된다.

도 6은 본 발명에 따른 오버 헤드 밸브 장치에서 밸브 닫힘 시기가 530도 각도에서 이루어질 때의 상태를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6에서 밸브 닫힘 시기를 550도 각도로 변화시켰을 때의 상태를 나타내는 도면이다.

도 6 및 도 7에서, 크랭크축 2회전(720도 각도)에 캠축이 1회전(360도 각도)하고, 캠(2)이 도면상 시계방향으로 회전한다고 하고, 시계방면, 밸브 닫힘 시기를 530도 각도에서 550도 각도로 변화시킨다는 것은, P2 점(도 6의 상태)의 위치를 시계방향으로 10도 각도 진각시켜 P1 점(도 7의 상태)에 이르게 한다는 것을 의미한다.

도 6에서 유압실린더(150)에 유압이 공급되어 피스톤 로드(152)가 신장 상태를 유지하고, 피스톤 로드(152)에 의해 하우징(110)은 시계 방향으로 일정각도 회전되어 있다. 도 6에서처럼, 유압 실린더(150)가 하우징(110)을 시계방향으로 누르고 있어서 하우징(110)은 반시계 방향으로 움직이지 못한다. 이때, 압축 스프링(130)은 롤러(120)를 통해 캠(2)에 접촉해 있는 미끄럼 축(122)을 하향으로 밀고, 그에 의한 반력은 고정되어 있는 하우징(110)에 작용하여 상쇄된다. 롤러(120)가 캠(2)의 프로파일을 추종하여 정점에 가까이 갈수록 하우징(110)이 받는 토크 값이 최대가 되는데, 이때에는 하우징(110) 내부에 있는 미끄럼 축(122)과 압축 스프링(130)에 의해 회전하는 힘을 상쇄시켜 준다. 미끄럼 축(122)의 상, 하 운동범위는 스토퍼(126)에 의해 제한된다. 스토퍼(126)는 미끄럼 축(122)의 측면에 축방향으로 형성된 안내홈(128)에 미끄럼 가능한 상태로 삽입되어 있다.

그리고 도 7과 같이 밸브 닫힘 시기는 550도로 변화시킬 때에는 유압 실린더(150)의 유압이 빠져 하우징(110)은 힌지축(140)을 중심으로 시계반대방향으로 회전한다. 이때, 압축 스프링(130)은 롤러(120)를 통해 캠(2)에 접촉해 있는 미끄럼 축(122)을 하향으로 미는 한편, 하우징(110)을 반대방향으로 밀어 힘의 평형을 유지한다.

이와 같은 작용에 의해, 밸브 타이밍을 P1 -> P2로, 또는 P2 -> P1으로 변경시키더라도 밸브 클리어런스의 변화량, 즉 도 3에서 'A'점의 좌표 변화량을 최소화(통상적으로 0.1mm 이내)할 수 있는 시스템을 구현할 수 있게 되어, 밸브 타이밍 변경시에도 안정적인 밸브 운동을 유지할 수 있다. 또한, 회전하는 하우징(110)은 힌지축(140)을 중심으로 토크를 발생하게 되지만, 각각의 힘의 작용점의 위치와 하우징(110)의 기울어진 각도, 미끄럼 축(122)의 길이 및 압축 스프링(130)의 규격을 적절히 선택하는 것에 의해 밸브 클리어런스뿐만 아니라 토크를 안정되게 조절할 수 있고, 캠(2)의 회전운동에도 미끄럼 축(122)과 롤러(120)만 상하 이동할 뿐 하우징(110)이 회전하지는 않기 때문에 이상적인 밸브 운동을 구현할 수 있게 된다.

2 : 캠 6 : 푸시 로드
8 : 로커 암 10 : 밸브
100 : 스윙 암 조립체 110 : 하우징
112 : 안내공 114 : 커버
120 : 롤러 121 : 축
122 : 미끄럼 축 124 : 시트 블록
126 : 스토퍼 128 : 안내홈
130 : 압축 스프링 150 : 유압 실린더
151 : 실린더 152 : 피스톤 로드
154 : 힌지 핀 156 : 힌지축

Claims (6)

1. 캠(2)의 프로파일을 스윙 암 조립체(100)가 추종하고, 스윙 암 조립체(100)의 운동에 의해 푸시 로드(6)를 동작시키며, 푸시 로드(6)의 동작에 의해 로커 암(8)이 동작하도록 된 오버 헤드 밸브 장치로서,
   상기 스윙 암 조립체(100)는,
   상기 캠(2)의 상부에서 일측이 힌지축(140)을 중심으로 상, 하 회동 가능하게 피벗 설치되는 하우징(110);
   상기 하우징(110)의 하단에 회전가능하면서 상하방향으로 이동가능하게 결합되고, 상기 캠(2)의 외주면에 접촉하여 캠(2)의 프로파일을 따라 구르는 롤러(120);
   상기 롤러(120)의 상부와 하우징(110)의 상단 사이에 개재되어 상기 롤러(120)를 상기 캠(2)을 향해 하향으로 탄성 가압하는 한편 반대측으로는 상기 하우징(110)을 상향으로 탄성 가압하는 압축 스프링(130); 및
   유압의 제어에 의해 상기 하우징(110)을 힌지축(140)을 중심으로 회동시키는 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버 헤드 밸브 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하우징(110)에는 상하방향으로 안내공(112)이 형성되고,
   상기 안내공(112)에는 미끄럼 축(122)이 축방향으로 미끄럼 이동 가능하게 삽입되며,
   상기 미끄럼 축(122)의 하단에는 상기 롤러(120)가 회전가능하게 결합되고, 미끄럼 축(122)의 상단에는 상기 푸시 로드(6)의 하단부가 미끄럼 회동가능하게 안착하며, 미끄럼 축(122)의 상면과 안내공(112)의 상단 내측면 사이에는 상기 압축 스프링(130)이 개재되는 것을 특징으로 하는 오버 헤드 밸브 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 미끄럼 축(122)의 상부에는 시트 블록(124)이 결합되어, 상기 시트 블록(124)의 상면에 상기 푸시 로드(6)의 하단부가 미끄럼 회동가능하게 안착하는 것을 특징으로 하는 오버 헤드 밸브 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 미끄럼 축(122)은 스토퍼(126)에 의해 상, 하 이동범위가 제한되는 것을 특징으로 하는 오버 헤드 밸브 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 액추에이터는 유압 실린더(150)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오버 헤드 밸브 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 유압 실린더(150)는, 엔진의 일측에 회동가능하게 피벗 설치되는 실린더(151); 및
   상기 실린더(151)에 삽입되어 유압에 의해 운동하고, 선단이 힌지 핀(154)에 의해 하우징(110)에 회동가능하게 피벗 결합되는 피스톤 로드(152)를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버 헤드 밸브 장치.

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