KR101855770B1 - 가변 밸브 듀레이션 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치는 캠 샤프트와 함께 회전하는 제1 캠, 상기 캠 샤프트와 함께 회전하는 제2 캠, 상기 제1 캠에 의해 구동되어 밸브 리프트를 발생시키는 제1 작동 유닛, 상기 제2 캠에 의해 구동되어 밸브 리프트를 발생시키는 제2 작동 유닛, 그리고 엔진의 동작 상태에 따라 상기 제1 작동 유닛 또는 상기 제2 작동 유닛에 의해 상기 밸브 리프트를 발생시키도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

가변 밸브 듀레이션 장치{VARIBLE VAVLE DURATION APPARATUS}
본 발명은 가변 밸브 듀레이션 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단한 구성으로 밸브의 열림 시간(opening duration)을 엔진의 동작상태에 따라 가변 시킬 수 있는 가변 밸브 듀레이션 시스템 및 이를 포함하는 엔진에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관(internal combustion engine)은 연소실(combustion chamber)에 연료와 공기를 받아들여 이를 연소함으로써 동력을 형성한다. 공기를 흡입할 때에는 캠축(camshaft)의 구동에 의해 흡기밸브(intake valves)를 작동시키고, 흡기밸브가 열려있는 동안 공기가 연소실에 흡입되게 된다. 또한, 캠축의 구동에 의해 배기밸브(exhaust valve)를 작동시키고 배기밸브가 열려있는 동안 공기가 연소실에서 배출되게 된다.
그런데, 최적의 흡기밸브/배기밸브 동작은 엔진의 회전속도에 따라 달라진다. 즉, 엔진의 회전속도에 따라 적절한 리프트(lift) 또는 밸브 오프닝/클로징 타임이 달라지게 된다. 이와 같이 엔진의 회전속도에 따라 적절한 밸브 동작을 구현하기 위하여, 밸브를 구동시키는 캠의 형상을 복수 개로 설계하거나, 밸브가 엔진 회전수에 따라 다른 리프트(lift)로 동작하도록 구현하는 가변 밸브 리프트(variable valve lift; VVL) 장치가 연구되고 있다.
또한, 밸브의 열림 시간을 조절하는 것으로 VVT(Variable Valve Timing)기술이 개발되어왔는데, 이는 밸브 듀레이션이 고정된 상태로 밸브 열림/닫힘 시점을 조절하는 기술이다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 엔진의 작동 상태에 따라 밸브 리프트의 듀레이션을 조절할 수 있는 가변 밸브 듀레이션 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 가변 밸브 듀레이션 장치는 캠 샤프트와 함께 회전하는 제1 캠, 상기 캠 샤프트와 함께 회전하는 제2 캠, 상기 제1 캠에 의해 구동되어 밸브 리프트를 발생시키는 제1 작동 유닛, 상기 제2 캠에 의해 구동되어 밸브 리프트를 발생시키는 제2 작동 유닛, 그리고 엔진의 동작 상태에 따라 상기 제1 작동 유닛 또는 상기 제2 작동 유닛에 의해 상기 밸브 리프트를 발생시키도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 엔진의 회전수가 제1 설정값 이하이거나 제2 설정값 이상인 경우, 상기 제1 작동 유닛에 의해 상기 밸브 리프트를 발생시키도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 엔진의 회전수가 제1 설정값과 제2 설정값 사이인 경우, 상기 제2 작동 유닛에 의해 상기 밸브 리프트를 발생시킬 수 있다.
상기 제1 작동 유닛과 상기 제2 작동 유닛을 고정시키거나 해제시켜 밸브를 가변적으로 구동하는 랫칭부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 엔진의 회전수가 제1 설정값과 제2 설정값 사이인 경우, 상기 랫칭부로 상기 제1 작동 유닛과 상기 제2 작동 유닛을 고정시키고, 상기 엔진의 회전수가 상기 제1 설정값 이하이거나 상기 제2 설정값 이상인 경우, 상기 랫칭부로 상기 제1 작동 유닛과 상기 제2 작동 유닛을 해제시키도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 엔진의 회전수가 제1 설정값과 제2 설정값 사이인 경우, 상기 제2 작동 유닛이 상기 제2 캠에 의해 동작하여 밸브 리프트의 발생시키되, 상기 제1 작동 유닛에 의해 밸브 리프트를 발생시킬 때 보다 밸브 리프트의 듀레이션을 증가시켜 밸브 리프트 타이밍을 지각시킬 수 있다.
상기 제2 작동 유닛은, 내측 패드의 사이에 배치되며, 상기 제2 캠에 의해 회전하는 내측 롤러를 포함할 수 있다.
상기 제1 작동 유닛은, 상기 내측 패드와 상기 내측 롤러의 외측에 배치되며, 상기 제1 캠에 의해 밸브를 구동하는 외측 패드를 포함할 수 있다.
상기 제1 작동 유닛은, 상기 내측 롤러 및 상기 내측 패드의 양단에 각각 배치되며, 상기 제1 캠에 의해 밸브를 구동하는 외측 롤러를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진의 회전수에 따라 흡기 밸브의 열림 기간을 조절함으로써, 시동성능을 향상시키고 연비를 개선할 수 있는 환경을 제공한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 롤러 타입의 가변 밸브 듀레이션 장치의 일부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패드 타입의 가변 밸브 듀레이션 장치의 분해 사시도이다.
도 4는 도3의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치가 밸브 리프트의 듀레이션을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다.
도 6은 제1 작동 유닛과 제2 작동 유닛이 해제된 경우를 나타내는 단면도이다.
도 7은 제1 작동 유닛과 제2 작동 유닛이 고정된 경우를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치의 밸브 프로파일은 나타낸 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 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.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 "차량", "차", "차량의", "자동차" 또는 다른 유사한 용어들은 스포츠 실용차(sports utility vehicles; SUV), 버스, 트럭, 다양한 상용차를 포함하는 승용차, 다양한 종류의 보트나 선박을 포함하는 배, 항공기 및 이와 유사한 것을 포함하는 자동차를 포함하며, 하이브리드 차량, 전기 차량, 플러그 인 하이브리드 전기 차량, 수소연료 차량 및 다른 대체 연료(예를 들어, 석유 외의 자원으로부터 얻어지는 연료) 차량을 포함한다.
추가적으로, 몇몇 방법들은 적어도 하나의 제어기에 의하여 실행될 수 있다. 제어기라는 용어는 메모리와, 알고리즘 구조로 해석되는 하나 이상의 단계들을 실행하도록 된 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 언급한다. 상기 메모리는 알고리즘 단계들을 저장하도록 되어 있고, 프로세서는 아래에서 기재하는 하나 이상의 프로세스들을 수행하기 위하여 상기 알고리즘 단계들을 특별히 실행하도록 되어 있다.
더 나아가, 본 발명의 제어 로직은 프로세서, 제어기 또는 이와 유사한 것에 의하여 실행되는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 컴퓨터가 읽을 수 있는 수단 상의 일시적이지 않고 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체로 구현될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 수단의 예들은, 이에 한정되지는 않지만, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 플래쉬 드라이브, 스마트 카드 및 광학 데이터 저장 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 재생 매체는 네트웍으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 예를 들어 텔레매틱스 서버나 CAN(Controller Area Network)에 의하여 분산 방식으로 저장되고 실행될 수 있다.
이제 도 1 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 엔진은 실린더 헤드에 통해 장착되는 가변 밸브 듀레이션 장치를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치는 캠 샤프트(10)와 함께 회전하는 복수의 제1 캠(20), 상기 캠 샤프트(10)와 함께 회전하는 제2 캠(30), 상기 제1 캠(20)에 의해 구동되어 밸브 리프트를 발생시키는 제1 작동 유닛(110), 상기 제2 캠(30)에 의해 구동되어 밸브 리프트를 발생시키는 제2 작동 유닛(130), 엔진의 동작 상태에 따라 상기 제1 작동 유닛(110) 또는 상기 제2 작동 유닛(130)에 의해 밸브 리프트를 발생시키도록 제어하는 제어부(100), 및 상기 제1 작동 유닛(110) 또는 상기 제2 작동 유닛(130)에 의해 개폐되는 밸브(50)를 포함한다.
여기서, 제어부(100)는 엔진의 회전수를 모니터링하고, 엔진의 회전수에 따라 제1 작동 유닛(110)와 제2 작동 유닛(130)를 고정시키거나 해제시켜 밸브 리프트의 듀레이션을 제어한다.
예를 들어, 제어부(100)는 제1 설정값 이하(예를 들어, 1500rpm)이거나 제2 설정값(예를 들어, 4500rpm) 이상인 경우, 제1 작동 유닛(110)와 제2 작동 유닛(130)를 고정시키고, 상기 제1 작동 유닛(110)에 의해 밸브(50)의 상기 밸브 리프트를 발생시키도록 제어한다.
또한, 제어부(100)는 상기 엔진의 회전수가 상기 제1 설정값과 상기 제2 설정값 사이인 경우, 제1 작동 유닛(110)와 제2 작동 유닛(130)를 해제시키고, 상기 제2 작동 유닛(130)에 의해 상기 밸브 리프트를 발생시키도록 제어한다.
이러한 목적을 위하여, 제어부(100)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 밸브 듀레이션 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 롤러 타입의 가변 밸브 듀레이션 장치의 일부를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 롤러 타입의 가변 밸브 듀레이션 장치는 제1 작동 유닛(110), 내측 패드(120), 제2 작동 유닛(130), 외측 암(140), 유압 간극 조절부(60; HLA; Hydraulic Lash Adjuster), 및 토션 스프링(142)를 포함한다.
제2 작동 유닛(130)은 내측 패드(120)의 사이에 배치되며, 상기 제2 캠(30)에 의해 회전하는 내측 롤러(132)를 포함한다. 그리고, 제1 작동 유닛(110)은 내측 롤러(132) 및 내측 패드(120)의 양단에 각각 배치되며, 제1 캠(20)에 의해 밸브를 구동하는 복수의 외측 롤러(112)를 포함한다.
외측 암(140)에는 상기 제1 작동 유닛(110)의 외측 롤러(112) 및 제2 작동 유닛(130)의 내측 롤러(132)를 고정시키거나 해제시켜 밸브를 가변적으로 구동하는 랫칭부(미도시)가 배치된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패드 타입의 가변 밸브 듀레이션 장치의 분해 사시도이고, 도 4는 도3의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 패드 타입의 가변 밸브 듀레이션 장치는 제1 작동 유닛(110), 내측 패드(120), 제2 작동 유닛(130), 랫칭부(150), 로스트 모션 스프링(160), 및 유압 간극 조절부(60)를 포함한다.
여기서, 제2 작동 유닛(130)은 내측 롤러(132) 및 내측 롤러 핀(134)을 포함한다. 상기 내측 롤러(132)는 내측 패드(120) 사이에 배치되며, 상기 제2 캠(30)에 의해 회전한다. 그리고, 상기 내측 롤러 핀(134)은 상기 내측 패드(120)에 상기 내측 롤러(132)를 체결한다.
제1 작동 유닛(110)은 본 발명의 외측 패드(114)를 포함한다. 상기 외측 패드(114)는 내측 패드(120)와 내측 롤러(132)의 외측에 배치되며, 상기 제1 캠(20)에 의해 밸브(50)를 구동할 수 있다. 그리고, 제1 작동 유닛(110)의 외측 패드(114)는 제1 핀(122)에 의해 내측 패드(120)와 체결된다. 그리고, 제1 작동 유닛(110)의 외측 패드(114)에는 제2 핀(162)에 의해 로스트 모션 스프링(160)이 체결된다.
그리고, 랫칭부(150)는 제1 작동 유닛(110)과 제2 작동 유닛(130)이 밸브를가변적으로 구동시킬 수 있도록 제1 작동 유닛(110)의 외측 패드(114) 및 제2 작동 유닛(130)의 내측 롤러(132)를 고정시키거나 해제시킨다. 그리고, 랫칭부(150)는 클립(152), 스프링 지지부(154), 고정핀(156) 및 고정 스프링(158)을 포함한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치가 밸브 리프트의 듀레이션을 제어하는 과정을 간략히 도시한 흐름도이다. 이하의 흐름도는 도 1 내지 도 4의 구성과 연계하여 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치는 엔진의 동작 상태를 모니터링한다(S102).
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치는 엔진 회전수가 제1 설정값 이하이거나 제2 설정값 이상인 경우, 랫칭부(150)를 이용해 제1 작동 유닛(110)과 제2 작동 유닛(130)를 해제 시킨다(S104, S106).
도 6은 제1 작동 유닛과 제2 작동 유닛이 해제된 경우를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 유압 간극 조절부(60)를 통한 오일 공급이 없는 경우, 제어부(100)는 제1 작동 유닛(110)과 제2 작동 유닛(130)을 해제시킨다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치는 제1 캠(20)에 의해 밸브 리프트의 발생시킨다(S108).
이때, 제2 작동 유닛(130)은 제2 캠(30)에 의해 회전하지만, 로스트 모션 스프링(160)에 의해 밸브 리프트를 발생시키지 않는다. 그리고, 제1 작동 유닛(110)이 제1 캠(20)에 의해 회전하여 밸브 리프트를 발생시킨다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치는 엔진 회전수가 제1 설정값과 제2 설정값 사이인 경우, 랫칭부(150)를 통해서 제1 작동 유닛(110)와 제2 작동 유닛(130)을 고정시킨다(S110, S112).
도 7은 제1 작동 유닛과 제2 작동 유닛이 고정된 경우를 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 유압 간극 조절부(60)를 통한 오일 공급이 있는 경우, 랫칭부(150)의 고정핀(156)을 이동시켜 제1 작동 유닛(110)과 제2 작동 유닛(130)을 고정 시킨다. 여기서, 랫칭부(150)는 제1 작동 유닛(110)의 외측 패드(114)와 제2 작동 유닛(130)의 내측 롤러(132)를 고정시킬 수 있다.
그리고, 제2 작동 유닛(130)은 제2 캠(30)에 의해 작동되어 밸브 리프트의 발생시킨다(S114). 이때, 제2 작동 유닛(130)에 의해 밸브 리프트를 발생시키는 경우에는 제1 작동 유닛(110)에 의해 밸브 리프트를 발생시킬 때 보다 밸브 리프트의 듀레이션을 증가시켜 밸브 리프트 타이밍을 지각시킨다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 장치의 밸브 프로파일은 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 제1 캠(20)에 의한 듀레이션은 240 내지 250CA이지만, 제2 캠(30)에 의해 듀레이션은 270 내지 280CA일 수 있다.
따라서, 엔진 회전수가 제1 설정값보다 낮거나 제2 설정값 보다 높은 경우에는 제1 캠(20)에 의해 제1 작동 유닛(110)을 작동시켜 밸브의 개폐 타이밍을 정상동작 시킴으로써, 시동성능을 향상시킨다.
하지만, 엔진 회전수가 제1 설정값과 제2 설정값 사이인 경우에는 제2 캠(30)에 의해 제2 작동 유닛(130)을 작동시키고, 밸브의 개폐 타이밍을 지각시켜 열림 시간(opening duration)을 증가시킴으로써, LIVC(late intake valve closing)효과로 연비를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 발명의 한 실시예에 따른 가변 밸브 듀레이션 엔진의 회전수에 따라 흡기 밸브의 열림 기간을 조절함으로써, 시동성능을 향상시키고 연비를 개선할 수 있는 환경을 제공한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다. 이러한 기록 매체는 서버뿐만 아니라 사용자 단말에서도 실행될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 캠 샤프트와 함께 회전하는 제1 캠,
    상기 캠 샤프트와 함께 회전하는 제2 캠,
    상기 제1 캠에 의해 구동되어 밸브 리프트를 발생시키는 제1 작동 유닛,
    상기 제2 캠에 의해 구동되어 밸브 리프트를 발생시키는 제2 작동 유닛, 그리고
    엔진의 동작 상태에 따라 상기 제1 작동 유닛 또는 상기 제2 작동 유닛에 의해 상기 밸브 리프트를 발생시키도록 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    엔진의 회전수가 제1 설정값 이하이거나 제2 설정값 이상인 경우, 상기 제1 작동 유닛에 의해 상기 밸브 리프트를 발생시키도록 제어하고,
    상기 엔진의 회전수가 제1 설정값과 제2 설정값 사이인 경우, 상기 제2 작동 유닛에 의해 상기 밸브 리프트를 발생시키도록 제어하되,
    상기 제1 캠에 의한 듀레이션은 240 내지 250CA이고,
    상기 제2 캠에 의한 듀레이션은 270 내지 280CA이며,
    상기 제2 작동 유닛에 의해 밸브 리프트를 발생시키는 경우에는 상기 제1 작동 유닛에 의해 밸브 리프트를 발생시킬 때 보다 밸브 리프트의 듀레이션을 증가시켜 밸브 리프트 타이밍을 지각시키는 가변 밸브 듀레이션 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 제1 작동 유닛과 상기 제2 작동 유닛을 고정시키거나 해제시켜 밸브를 가변적으로 구동하는 랫칭부
    를 더 포함하는 가변 밸브 듀레이션 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 제어부는,
    상기 엔진의 회전수가 제1 설정값과 제2 설정값 사이인 경우, 상기 랫칭부로 상기 제1 작동 유닛과 상기 제2 작동 유닛을 고정시키고,
    상기 엔진의 회전수가 상기 제1 설정값 이하이거나 상기 제2 설정값 이상인 경우, 상기 랫칭부로 상기 제1 작동 유닛과 상기 제2 작동 유닛을 해제시키도록 제어하는 가변 밸브 듀레이션 장치.
  6. 삭제
  7. 제4항에서,
    상기 제2 작동 유닛은,
    내측 패드의 사이에 배치되며, 상기 제2 캠에 의해 회전하는 내측 롤러를 포함하는 가변 밸브 듀레이션 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 작동 유닛은,
    상기 내측 패드와 상기 내측 롤러의 외측에 배치되며, 상기 제1 캠에 의해 밸브를 구동하는 외측 패드를 포함하는 가변 밸브 듀레이션 장치.
  9. 제7항에서,
    상기 제1 작동 유닛은,
    상기 내측 롤러 및 상기 내측 패드의 양단에 각각 배치되며, 상기 제1 캠에 의해 밸브를 구동하는 외측 롤러를 포함하는 가변 밸브 듀레이션 장치.
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