KR101902711B1 - Valvetrain device of internal combustion engine for friction loss reduction - Google Patents

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Abstract

By minimizing radius of a base unit of a cam of a valve train compared to conventional one, the entire length of the circumferential surface of the cam is minimized, so that the rolling contact length of the cam and a roller per one rotation of a cam shaft is reduced. By reducing the circumferential length of the cam as in the present invention, driving friction torque of the cam shaft is improved by 50% or more, and such an effect of improving friction improves fuel consumption of an internal combustion engine to 1-2%.

Description

내연기관의 마찰저감을 위한 밸브트레인 장치 { Valvetrain device of internal combustion engine for friction loss reduction }Technical Field [0001] The present invention relates to a valve train apparatus for reducing friction of an internal combustion engine,

본 발명은 자동차 또는 중장비에 동력을 발생하는 내연기관의 에너지 효율 개선과 관련된 기술 분야이다. 내연기관의 에너지 효율은 내연 기관 각 부품의 마찰 손실과 관련성이 크다. 특히 밸브트레인은 내연 기관의 마찰 손실을 유발하는 대표적인 시스템이므로 지속적으로 개선되어야 하는 중요한 부분이다.The present invention is a technical field related to improvement of energy efficiency of an internal combustion engine that generates power in automobiles or heavy equipment. The energy efficiency of the internal combustion engine is highly related to the friction loss of each component of the internal combustion engine. Particularly, valve train is a representative system that causes friction loss of the internal combustion engine and is an important part that needs to be constantly improved.

내연기관에서 일직선 방향으로 왕복 운동하는 흡기 또는 배기 밸브와, 한개의 고정점을 중심으로 회전 방향으로 왕복 운동하고 회전 운동을 하는 롤러가 있는 롤러 스윙암과, 상기 롤러 스윙암의 롤러와 상시 접촉을 하는 캠 형상을 가지고 일정 방향으로 연속적으로 회전하는 캠축을 구성하여 밸브트레인 장치를 구성한다. 상기 롤러와 상기 캠간 구름 접촉을 통해 마찰 손실이 발생하고 있는데 이는 캠축의 구동 토크를 증대시키고 결국 내연 기관의 에너지 효율을 저하시키는 요인이 되고 있다.An intake or exhaust valve reciprocating in a straight direction in the internal combustion engine; a roller swing arm having a roller that reciprocates in a rotational direction about a single fixed point and performs a rotational motion; And the camshaft is continuously rotated in a predetermined direction to form a camshaft, thereby constituting a valve train apparatus. Friction loss is generated through the rolling contact between the roller and the cam, which increases the driving torque of the camshaft, which in turn decreases the energy efficiency of the internal combustion engine.

내연 기관의 밸브트레인 장치에 있어서 캠과 롤러스윙암의 롤러간 구름 마찰을 개선하여 밸브트레인의 마찰 손실을 개선함으로써 내연기관의 효율을 개선하고자 한다. In order to improve the efficiency of the internal combustion engine by improving the frictional loss of the valve train by improving the rolling friction between the cam and the roller of the roller swing arm in the valve train apparatus of the internal combustion engine.

기존 대비 밸브트레인의 캠의 베이스부의 반경을 최소화하여 캠의 원주 전체 길이를 최소화함으로써, 캠축 1회전당 캠과 롤러의 구름 접촉 길이가 기존 대비 감소하게 되고 그만큼 구름 마찰을 줄일 수 있다.By minimizing the radius of the base portion of the cam of the valve train compared to the conventional one, the entire length of the circumference of the cam is minimized, thereby reducing the rolling contact length between the cam and the roller per one rotation of the camshaft.

본 발명과 같이 캠의 원주 길이를 기존 대비 감소시킴으로써 캠축의 구동 마찰 토크가 50% 이상 개선되고 이러한 마찰 개선 효과는 내연기관의 연비를 1~2% 수준으로 개선하는 효과가 있다. 마찰 손실 개선효과 이 외에도 고속 운전 조건에서 롤러스윙암에서 발생하는 마찰 손실 열을 줄일 수 있어 과열에 의한 내구성 문제를 예방하는 효과도 있다.By reducing the circumferential length of the cam as in the present invention, the driving friction torque of the camshaft is improved by 50% or more, and such friction improvement effect is improved to improve the fuel consumption of the internal combustion engine to 1 to 2%. In addition to the effect of improving the friction loss, friction loss heat generated in the roller swing arm can be reduced under high speed operation conditions, thereby preventing durability problems due to overheating.

[도 1] : 종래 기술의 밸브트레인 장치, [도 2] : 본 발명의 밸브트레인 장치 , [도 3] : 캠축 구동토크 측정 비교 결과[Fig. 1]: Prior art valve train apparatus, [Fig. 2]: Valve train apparatus of the present invention [Fig. 3]

[도 1] 에 표시한 바와 같이 종래 기술의 내연 기관의 밸브트레인 장치는 밸브(1), 롤러스윙암(2), 캠축(3) , 유압간극조정장치(4) 등으로 구성되어 있다. 캠축(1)이 일정 방향으로 회전하면 캠축(1)에 고정되어 있는 캠(6)이 회전하게 되고 롤러스윙암(2)에 구성되어 있는 롤러(5)에 의해 롤러스윙암(2)이 유압간극조정장치(4)를 힌지 기준점으로 하여 회전방향으로 왕복 운동하게 된다. 롤러스윙암(2) 이 왕복 운동하면 이와 접촉하는 밸브(1)이 직선방향으로 왕복 운동하게 되어 있다. 종래 기술에는 캠(6)의 베이스부(7)의 반경 크기가 보통 16~19mm 수준으로 개발되고 있으며 롤러(5)의 외경은 보통 15~18mm 수준으로 개발되고 있다. 상기 베이스부(7)의 반경 크기가 크면 클수록 캠(6)의 캠형상을 둘러 싸고 있는 원주 전체 길이가 비례적으로 길게 된다. 상기 원주 전체 길이가 길면 길수록 캠축(3)의 1 회전당 캠(6)과 롤러(5)간 구름 접촉 길이가 늘어나 구름 마찰에 의한 토크 손실이 증가한다. 또한 상기 베이스부(7) 의 반경이 늘어나면 고속 운전 조건에서 롤러(5)의 회전수가 급격히 증가하여 구름 접촉 마찰 손실에 의한 열이 발생하여 내구성에 문제가 발생하는 경우도 있다.As shown in Fig. 1, the valve train apparatus of the internal combustion engine of the prior art is constituted of the valve 1, the roller swing arm 2, the camshaft 3, the hydraulic gap adjusting device 4, and the like. When the camshaft 1 rotates in a predetermined direction, the cam 6 fixed to the camshaft 1 rotates and the roller swing arm 2 is rotated by the roller 5 constituted by the roller swing arm 2, And reciprocates in the rotational direction with the gap adjusting device 4 as a hinge reference point. When the roller swing arm 2 reciprocates, the valve 1 in contact with the roller swing arm reciprocates in a linear direction. In the prior art, the radial size of the base portion 7 of the cam 6 is usually in the range of 16 to 19 mm, and the outer diameter of the roller 5 is usually 15 to 18 mm. The greater the radius of the base portion 7, the longer the circumferential length of the cam 6 of the cam 6 is proportionally larger. The longer the total length of the circumference is, the longer the rolling contact length between the cam 6 and the roller 5 per rotation of the camshaft 3 increases and the torque loss due to rolling friction increases. Also, if the radius of the base portion 7 is increased, the number of revolutions of the roller 5 is rapidly increased under high-speed operation conditions, and heat due to rolling contact friction loss is generated, thereby causing a problem in durability.

[도 2]에 표시된 바와 같이 본 발명의 실시 방법은 캠(6') 의 베이스부(7')의 반경을 14.0mm 이하로 구성하고 롤러(5')의 외경을 18.0mm 이상으로 구성한다. 이렇게 구성하면 캠(6')을 둘러싸고 있는 원주 전체의 길이가 종래 대비 감소하게 되고 캠(6')와 롤러(5')의 캠축(1) 1회전당 구름 접촉 길이도 감소하게 됨으로써 구름 마찰 손실이 감소하게 되는 것이다. 내연기관의 4기통 엔진에서는 통상 롤러(5)와 캠(6)의 조합이 흡기 밸브, 배기 밸브 모두 합하면 16개 정도로 구성되어 있으므로 이러한 구름 마찰의 손실의 합은 무시하지 못할 정도의 에너지 손실 차이를 발생시킨다. As shown in FIG. 2, in the method of the present invention, the radius of the base portion 7 'of the cam 6' is 14.0 mm or less and the outer diameter of the roller 5 'is 18.0 mm or more. With this configuration, the length of the entire circumference surrounding the cam 6 'is reduced compared with the conventional one, and the rolling contact length of the cam 6' and the roller 5 'per rotation of the camshaft 1 also decreases, . In the four-cylinder engine of the internal combustion engine, since the combination of the roller 5 and the cam 6 is composed of about 16 in total of the intake valve and the exhaust valve, the sum of the loss of the rolling friction can not be neglected .

구름 접촉에 의한 마찰 손실량을 비교하기 위해 샘플 제작을 진행하였다. 비교를 위한 베이스 엔진은 베이스부(7) 반경은 16.0mm 이고 본 발명에 의한 베이스부(7')의 반경은 11.5mm 로 제작하였다. 베이스 엔진의 롤러(5)의 외경은 15.0mm이고 본 발명에 따른 롤러(5')의 외경은 21.0mm 이다. 동일한 밸브 리프트에 대해 샘플 제작하여 캠축 구동 토크를 측정한 결과는 [도 3] 에 나타내었다. 캠을 둘러싸고 있는 원주 길이의 경우 베이스 엔진은 106.5mm 이고 본 발명의 원주 길이는 78.3mm 이다. 이와 같은 원주 길이의 차이에 의한 캠축 구동 토크를 비교해 보면 회전수 영역에 따라 차이는 나지만 대략 50% 정도의 차이를 나타낸 것을 볼수 있다. 이는 내연기관의 연비 측면에서는 1~2%의 개선 효과를 기대할 수 있다.A sample was prepared to compare the amount of friction loss due to rolling contact. In the base engine for comparison, the base 7 has a radius of 16.0 mm and the base 7 'according to the present invention has a radius of 11.5 mm. The outer diameter of the roller 5 of the base engine is 15.0 mm and the outer diameter of the roller 5 'according to the present invention is 21.0 mm. The results of measuring the camshaft drive torque by sampling against the same valve lift are shown in FIG. For the circumferential length surrounding the cam, the base engine is 106.5 mm and the circumferential length of the present invention is 78.3 mm. Comparing the camshaft drive torque due to the difference of the circumferential lengths, it can be seen that there is a difference of about 50% although there is a difference according to the number of revolutions. This can be expected to improve the fuel economy of the internal combustion engine by 1 to 2%.

상기와 같이 롤러(5')의 외경을 캠 베이스부(7') 반경과 동시에 변경하는 이유는 다음과 같다. 캠(6')의 베이스부(7') 반경을 축소시 만약에 롤러(5') 의 외경을 변경하지 않으면 캠(6')의 캠 형상에 있어서 오목부 반경이 너무 작게 형성되어 캠형상을 가공시 연삭 휠의 크기가 너무 작게 요구되어 양산성이 떨어진다. 이러한 문제를 보완하기 위해 롤러(5')의 크기도 조정해 주어야 하는 것이다. 보통 베이스부(7')의 반경과 롤러(5')의 반경의 합을 20~24mm 정도로 구성하면 상기에 언급한 캠 형상의 오목부 반경이 작아지는 문제를 해결 할 수 있다.The reason why the outer diameter of the roller 5 'is changed simultaneously with the radius of the cam base 7' as described above is as follows. If the radius of the base portion 7 'of the cam 6' is reduced, if the outer diameter of the roller 5 'is not changed, the radius of the concave portion in the cam shape of the cam 6' The size of the grinding wheel is required to be too small at the time of machining, thereby deteriorating mass productivity. In order to solve this problem, it is necessary to adjust the size of the roller 5 '. Normally, if the sum of the radius of the base portion 7 'and the radius of the roller 5' is set to about 20 to 24 mm, the above-mentioned problem of the cam-shaped concave radius being reduced can be solved.

1 : 흡기 또는 배기 밸브 , 2 : 롤러스윙암, 3 : 캠축 , 4 : 유압간극조정장치 , 5,5' : 롤러 , 6,6' : 캠, 7,7' : 캠 베이스부1: intake or exhaust valve, 2: roller swing arm, 3: camshaft, 4: hydraulic gap adjustment device, 5,5 ': roller, 6,6'

Claims (2)

일직선 방향으로 왕복 운동하는 흡기 또는 배기 밸브와, 한개의 고정점을 중심으로 회전 방향으로 왕복 운동하고 회전 운동을 하는 롤러가 있는 롤러 스윙암과, 상기 롤러 스윙암의 롤러와 상시 접촉을 하는 캠 형상을 가지고 일정 방향으로 연속적으로 회전하는 캠축을 구성하는 내연 기관의 밸브트레인 장치에 있어서, 상기 캠 형상의 베이스 반경을 14.0mm 이하로 구성하고 상기 롤러의 외경을 18.0mm 이상으로 구성한 것을 특징으로 하는 밸브트레인 장치An intake or exhaust valve reciprocating in a straight direction, a roller swing arm having a roller reciprocating in a rotating direction about a fixed point and rotating, and a cam Wherein the base radius of the cam is set to 14.0 mm or less and the outer diameter of the roller is set to 18.0 mm or more in the valve train apparatus of the internal combustion engine constituting a cam shaft continuously rotating in a predetermined direction Train device 제1항에서, 상기 캠 형상의 베이스 반경과 상기 롤러의 반경을 합한 값이 20 ~ 24mm 가 되도록 상기 캠 형상의 베이스와 상기 롤러의 반경을 구성한 것을 특징으로 하는 밸브트레인 장치.




2. The valve train apparatus according to claim 1, wherein the radius of the cam-shaped base and the roller are configured so that a sum of the base radius of the cam and the radius of the roller is 20 to 24 mm.




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