KR101920147B1 - 자동차 엔진의 흡배기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진을 작동시키기 위해 실린더 안에 혼합기를 흡입하고 연소된 가스를 외부로 배출하는 흡배기 장치에 관한 것이다.
본 발명은 엔진 실린더의 흡기측과 배기측에 원형의 축형 밸브를 설치하고, 자체 축선을 중심으로 회전 동작하는 축형 밸브를 이용하여 흡기구와 배기구를 개폐하는 새로운 메커니즘의 밸브 시스템을 구현함으로써, 밸브 기구의 구조 단순화 및 경량화는 물론, 응답성을 높여 제어의 효율성의 향상시킬 수 있고, 기밀성 향상에 따른 제품의 신뢰성을 확보할 수 있는 등 전체적인 엔진 효율을 증대시킬 수 있는 자동차 엔진의 흡배기 장치를 제공한다.

Description

자동차 엔진의 흡배기 장치{INTAKE AND EXHAUST SYSTEM FOR CAR ENGINE}

본 발명은 자동차 엔진의 흡배기 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 엔진을 작동시키기 위해 실린더 안에 혼합기를 흡입하고 연소된 가스를 외부로 배출하는 흡배기 장치에 관한 것이다.

일반적으로 밸브 기구(Valve system)는 실린더의 흡기 밸브, 배기 밸브를 크랭크 축의 회전에 동조하여 개폐(상하)하는 기구이다.

이러한 밸브 기구는 크랭크 축의 타이밍 기어, 캠 축 구동 기어. 캠축, 타펫(Tappet), 푸시로드, 로커암, 로커축, 밸브 스프링 등으로 구성되며, 캠을 이용하여 캠 축의 회전 운동을 밸브의 수직 운동으로 변환하고, 이렇게 변환된 밸브의 수직 운동을 통해 실린더 내로 연료 혼합기를 흡기하거나 실린더 내부의 연소된 가스를 배출하는 동작을 수행한다.

예를 들면, 자동차 엔진은 크랭크 축의 회전력에 의해 캠 축이 회전되고, 상기 캠 축에 형성된 캠에 의해 엔진 흡기 및 배기 밸브가 일정시간 간격으로 상하로 직선 왕복운동을 하면서 연소실에 연료가스와 공기의 혼합가스를 분사, 압축 및 폭발시켜 그 폭발에 의해 동력을 얻는 일련의 과정이 반복된다.

그러나, 기존 엔진의 밸브 작동은 크랭크 축에 의한 타이밍 벨트와 연동하는 캠 축의 회전으로 캠의 형상에 따라 밸브가 열리는 과정에서의 구조적 부득이한 모순이 발생하고, 이로 인해 많은 출력 손실로 인한 에너지 낭비와 불완전 연소로 인해서 인체에 치명적이고 환경오염에 심각한 배기가스 발생을 초래하였으며, 복잡한 구조로 인한 기계적 마찰 손실과 많은 소음이 발생하는 문제점이 있다.

예를 들면, 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 Cycle 중 실질적인 동력을 얻는 힘은 폭발 압력에 의해 결정된다.

따라서, 폭발 압력이 높으면 엔진 출력 역시 상승하지만 이에는 한계가 있기 때문에 폭발 압력을 높이지 않고 출력을 높이기 위해서는 다른 부수행정의 작동을 확실히 함으로써, 흡입 시에는 실린더에서 필요로 하는 양의 공기와 연료를 빠르고 쉽게 빨아들이고, 압축 시에는 빨아들인 공기와 연료가 새어 나가지 않도록 기밀 유지가 잘 되어야 한다.

그리고, 폭발 행정 역시 연료를 확실하게 연소하여 폭발 압력을 높이고, 발생한 압력의 손실과 유해 배기가스를 줄이며, 다음 흡입을 위한 배기가스는 신속하게 빠져 나가야 된다.

즉, 위와 같은 조건을 만족하기 위해서는 각 행정의 기간 동안에 확실한 밸브작동을 하여야 된다.

하지만, 기존 일반 엔진의 1분당 RPM은 6000RPM 정도이고, 크랭크 축과 캠 축과의 회전 비가 1:2 이므로, 캠 축에 의해 작동되는 밸브는 분당 3000번 개폐를 하게 되는데, 이를 한 행정을 완료하는 시간으로 계산하여 보면, 피스톤이 최대 상승점인 상사점에서 최대 하사점까지의 소요 시간은 5/1000초 이며, 이때의 밸브 여닫이 시간은 1/100초 가 된다는 것을 알 수 있다.

이는 밸브의 열림 속도가 피스톤 속도보다 느리다는 것을 알 수 있으며, 또 캠의 표면 형상에 따라 서서히 열렸다 닫히는 아날로그적 제어에 의한 흡,배기 효율이 떨어짐을 알 수 있다.

이와 같은 밸브작동의 특징적 문제를 어느 정도 해결하기 위한 흡,배기 밸브를 미리 열고, 늦게 닫음으로써 밸브의 열림 기간을 길게 하여 흡,배기 효율을 높이는 밸브 오버랩 기간을 두었다.

하지만, 이로 인해 압축 행정 시의 혼합 가스와 폭발 행정 시 폭발 압력의 일부에 대한 손실을 갖게 되며, 차후의 엔진에서는 밸브를 하나씩 더 사용하여 더 많은 공기를 흡입하는 더블 캠 구조로서, 엔진의 회전속도 범위를 넓히고 출력은 높혔지만, 구조가 복잡하고 중량과 생산비가 많이 증가되는 문제점이 있다.

이와 같이 밸브의 부득이한 구조적 모순에 의한 행정의 불확실한 작동으로, 많은 출력 손실과 심각한 공해를 초래하였으며, 복잡한 구조로 인한 기계적 마찰 손실과 많은 소음이 발생한다.

이러한 점을 해소하기 위하여 한국 공개특허 특2000-0030576호에서는『엔진의 출력을 높이며 중량과 유해한 배기가스를 절감하는 흡,배기 방법 및 구조』에 관한 기술을 제시하고 있다.

그러나, 상기『엔진의 출력을 높이며 중량과 유해한 배기가스를 절감하는 흡,배기 방법 및 구조』는 축형 밸브가 속이 꽉 차 있는 통짜의 원통형 중량물로 이루어져 있기 때문에 동작 시 물리적 관성이 있어 동작이 느리고, 그 결과 빠른 응답성이 요구되는 밸브 기구의 추세에 적합하지 못할 뿐만 아니라, 통짜의 원통형 중량물 형태로 실린더 블록측에 직접 조립되는 구조인 관계로 기밀성을 확보하는데 어려움이 있는 등 전반적으로 제품의 품질에 대한 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

한국 공개특허 특2000-0030576호

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 엔진 실린더의 흡기측과 배기측에 원형의 축형 밸브를 설치하고, 자체 축선을 중심으로 회전 동작하는 축형 밸브를 이용하여 흡기구와 배기구를 개폐하는 새로운 메커니즘의 밸브 시스템을 구현함으로써, 밸브 기구의 구조 단순화 및 경량화는 물론, 응답성을 높여 제어의 효율성의 향상시킬 수 있고, 기밀성 향상에 따른 제품의 신뢰성을 확보할 수 있는 등 전체적인 엔진 효율을 증대시킬 수 있는 자동차 엔진의 흡배기 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 자동차 엔진의 흡배기 장치는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 자동차 엔진의 흡배기 장치는 상면부에 점화플러그 장착홀과 인젝터 장착홀, 그리고 흡기홀과 배기홀을 가지는 동시에 하면부에 실린더 장착홈을 가지면서 실린더 블록측에 설치되는 밸브 블록과, 상기 흡기홀측 및 배기홀측과 연통되는 흡기통로와 배기통로를 각각 가지면서 밸브 블록의 내측에 블록 길이방향을 따라 서로 나란하게 관통 설치되는 원통형의 흡기측 밸브 코어 및 배기측 밸브 코어와, 상기 흡기측 밸브 코어 및 배기측 밸브 코어의 각 외주면에 동축 구조로 나란하게 끼워져 결합됨과 더불어 자체 축선을 중심으로 회전 가능하고 직경방향을 가로지르는 흡기구와 배기구를 이용하여 흡기홀측 및 배기홀측과 흡기통로측 및 배기통로측을 개폐하는 원통형 관 형태의 흡기밸브 및 배기밸브와, 상기 흡기밸브 및 배기밸브의 구동을 위한 흡기측 액추에이터 및 배기측 액추에이터를 포함하는 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 밸브 블록에는 가운데 1개의 인젝터 장착홀과 양옆에 2개의 점화플러그 장착홀이 형성될 수 있다.

또한, 상기 흡기홀과 배기홀, 흡기통로와 배기통로, 흡기구와 배기구는 장공(Slot hole) 형태 또는 간격을 두고 일렬로 나란하게 배치되는 복수 개의 원형 홀 형태 등으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 흡기홀 및 배기홀과 흡기통로 및 배기통로는 약 40∼50°정도의 경사진 방향으로 관통 형성될 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 흡기측 액추에이터와 배기측 액추에이터는 서보 모터, 또는 엔진 크랭크축 동력을 이용하는 체인이나 벨트 동력기구, 또는 전자클러치, 전기자 및 회전자 또는 유압식 또는 공압식 모터 동력기구 등으로 이루어질 수 있다.

한편, 다른 실시예로서, 상기 자동차 엔진의 흡배기 장치는 상면부에 점화플러그 장착홀, 흡기홀 및 배기홀을 가지는 동시에 하면부에 실린더 장착홈을 가지면서 실린더 블록측에 설치되는 밸브 블록과, 상기 흡기홀측 및 배기홀측과 연통되는 흡기통로와 배기통로를 각각 가지면서 밸브 블록의 내측에 블록 길이방향을 따라 서로 나란하게 관통 설치되는 원통형의 흡기측 밸브 코어 및 배기측 밸브 코어와, 상기 흡기측 밸브 코어 및 배기측 밸브 코어의 각 외주면에 동축 구조로 나란하게 끼워져 결합됨과 더불어 자체 축선을 중심으로 회전 가능하고 직경방향을 가로지르는 흡기구와 배기구를 이용하여 흡기홀측 및 배기홀측과 흡기통로측 및 배기통로측을 개폐하는 원통형 관 형태의 흡기밸브 및 배기밸브와, 상기 흡기밸브 및 배기밸브의 구동을 위한 흡기측 액추에이터 및 배기측 액추에이터를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제공하는 자동차 엔진의 흡배기 장치는 자체 축선을 중심으로 회전 동작하면서 흡기구와 배기구를 개폐하는 원형의 축형 밸브를 포함하는 새로운 밸브 시스템을 적용함으로써 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 크랭크 축의 타이밍 기어, 캠 축 구동 기어. 캠축, 타펫(Tappet), 푸시로드, 로커암, 로커축, 밸브 스프링 등을 포함하는 기존의 밸브 기구에 비해 기어류, 캠 및 캠축, 푸시로드, 요동암, 롤러, 밸브나사 등과 같은 부품들을 삭제할 수 있는 등 전체적인 밸브 기구의 구조를 단순화할 수 있고 경량화를 도모할 수 있으며 제조비용을 절감할 수 있어 경제적이다.

둘째, 중공관 형태로 이루어진 경량의 축형 밸브를 동작시키는 밸브 작동 메커니즘을 채택함으로써, 동작 특성이 빠르고 동작 시 원심력이 없어 제어 관성을 최소화할 수 있는 등 제어 응답성과 제어 정밀도를 높일 수 있고, 따라서 제어의 효율성을 향상시킬 수 있다.

셋째, 내측의 축형 코어와 외측의 축형 밸브를 조합한 구조를 채택함으로써, 기밀 유지가 유리하여 완벽한 기밀성을 확보할 수 있다.

넷째, 응답성 향상에 따른 제어의 효율성을 높일 수 있고, 우수한 기밀성을 확보할 수 있는 등 전반적으로 제품에 대한 신뢰도 및 경쟁력을 높일 수 있다.

다섯째, 최적의 밸브 개폐시기 제어를 구현하여 입력손실을 줄이고 흡/배기 효율을 증대시킴으로써, 완전연소를 촉진하여 엔진 효율의 최대화로 많은 에너지 절약은 물론 연비를 향상시킬 수 있고, 오염에 치명적인 유해 배기가스를 줄일 수 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 흡배기 장치를 나타내는 사시도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 흡배기 장치의 밸브 블록의 저면을 나타내는 사시도
도 4와 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 흡배기 장치를 나타내는 사시도
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 흡배기 장치의 밸브 블록의 저면을 나타내는 사시도
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 흡배기 장치를 나타내는 단면도
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 흡배기 장치의 작동상태를 나타내는 개략도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 흡배기 장치를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 흡배기 장치의 밸브 블록의 저면을 나타내는 사시도이고, 도 4와 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 흡배기 장치를 나타내는 사시도이고, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 흡배기 장치의 밸브 블록의 저면을 나타내는 사시도이다.

도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 자동차 엔진의 흡배기 장치는 실린더 블록(도 7a 내지 도 7c의 도면부호 100)의 상면부에 설치되는 밸브 블록(15)을 포함한다.

여기서, 상기 밸브 블록(15)은 일반적인 자동차 엔진에서 실린더 블록과 실린더 헤드 간의 결합구조와 마찬가지로 실린더 블록측에 볼트 체결구조로 결합될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

일 예로서, 상기 밸브 블록(15)측에 실린더 블록(100)에 있는 볼트 체결홀(미도시)의 위치에 일대일 대응되면서 블록 상하두께를 관통하는 다수의 볼트 관통홀(미도시)을 형성하여, 볼트 체결홀과 볼트 관통홀을 이용하여 볼트를 체결하는 구조로 밸브 블록(15)을 설치할 수 있다.

이러한 밸브 블록(15)은 후술하는 밸브 코어를 수용할 수 있는 공간을 내부에 가지는 사각의 블럭 형태로 이루어져 있으며, 블록 상면부에는 나사홀로 되어 있는 적어도 1개 이상의 점화플러그 장착홀(10)과 인젝터 장착홀(11)이 형성된다.

예를 들면, 상기 밸브 블록(15)의 상면부에는 전후 길이 및 좌우 폭 가운데 위치에 1개의 인젝터 장착홀(11)이 형성될 수 있고, 이렇게 형성되는 인젝터 장착홀(11)의 양옆에 각각 1개씩의 점화플러그 장착홀(10)이 형성될 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 인젝터 장착홀(11)에 장착되는 인젝터(미도시)를 통해 다이렉트 인젝션 방식으로 연료를 실린더 내에 분사할 수 있게 되며, 점화플러그(미도시)를 장착할 수 있는 점화플러그 장착홀(10)을 복수 개로 갖춤으로써 엔진의 고출력화에 따른 점화 효율의 향상으로 인해 최대 폭발압력을 최적으로 제어할 수 있으며, 화염 전파속도를 빠르게 하여 배기가스(NOx:질소산화물)를 획기적으로 저감하기 위한 실린더 당 점화플러그의 수를 증가할 수 있는 적절한 공간을 제공할 수 있으며, 가변압축을 쉽게 적용할 수 있는 이점이 있다.

이때, 상기 인젝터 장착홀(11)은 수직의 경로로 형성될 수 있으며, 상기 양옆의 점화플러그 장착홀(11)은 인젝터 장착홀(11)의 수직 경로를 향해 경사진 경로로 형성될 수 있게 된다.

그리고, 상기 밸브 블록(15)의 상면부, 예를 들면 블록 폭 방향 양쪽 가장자리의 경사면 부분에는 흡기의 유입과 배기의 배출을 위한 흡기홀(12a,12b)과 배기홀(13a,13b)이 각각 형성된다.

이러한 흡기홀(12a,12b)과 배기홀(13a,13b)은 밸브 블록(15)의 상면부에서 하면부까지 연통되는 구조로 형성되며, 이에 따라 외부로부터의 흡기가 흡기홀(12a,12b)을 거쳐 실린더 내로 유입될 수 있게 되고, 또 실린더 내의 배기가 배기홀(13a,13b)을 거쳐 외부로 배출될 수 있게 된다.

특히, 상기 흡기홀(12a,12b)과 배기홀(13a,13b)은 장공(Slot hole) 형태로 이루어질 수 있다.

다른 예로서, 상기 흡기홀(12a,12b)과 배기홀(13a,13b)은 서로 간격을 두고 블록 길이방향을 따라 일렬로 나란하게 배치되는 복수 개의 원형 홀 형태로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 흡기홀(12a,12b)과 배기홀(13a,13b)은 블럭 두께를 수직으로 가로지르는 수직선상(또는 블럭 두께를 수평으로 가로지르는 수평선상)을 기준으로 하여 실린더가 위치되어 있는 블럭 폭 중심의 하면부를 향해 약 40∼50°정도의 경사진 각도, 바람직하게는 45°경사진 각도로 관통 형성될 수 있게 된다.

즉, 상기 흡기홀(12a,12b)과 배기홀(13a,13b)은 블록 폭 양편에 각각 배치되면서 약 40∼50°정도의 경사진 각도를 이루며 블록 폭 중심 하면부를 향해 대략 "V"자 형상으로 배치될 수 있게 된다.

이러한 흡기홀(12a,12b)은 흡기 매니폴드(미도시)측과 연결될 수 있게 되고, 배기홀(13a,13b)은 배기 매니폴드(미도시)측과 연결될 수 있게 된다.

이와 더불어, 상기 밸브 블록(15)의 하면부 중심에는 실린더 블록(100)에 있는 실린더(도 7a 내지 도 7c의 도면부호 110)와 동일한 직경을 가지는 실린더 장착홈(14)이 형성된다.

이에 따라, 상기 밸브 블록(15)과 실린더 블록(100)의 조립 시 실린더 장착홈(14)은 실린더(110)와 함께 연소실을 조성할 수 있게 된다.

또한, 상기 자동차 엔진의 흡배기 장치는 밸브의 회전 개폐 동작 시 밸브의 회전 중심축 역할도 하면서 흡기와 배기의 통로를 제공하는 수단으로 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19)를 포함한다.

상기 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)는 한쪽 단부에 플랜지(27)를 가지는 원통형의 축 형태로 이루어지며, 밸브 블록(15)의 내부를 블록 길이방향을 따라 관통하면서 서로 일정간격을 두고 나란하게 위치되어 볼트 체결구조 등으로 고정 설치될 수 있게 된다.

이러한 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)에는 코어축 직경을 관통하는 방향, 즉 코어축 방향에 대해 직각을 이루는 직경 방향으로 형성되는 흡기통로(16)와 배기통로(17)가 각각 구비되며, 이때의 흡기통로(16)와 배기통로(17)는 밸브 블록(15)에 있는 흡기홀(12) 및 배기홀(13)과 동일한 크기 및 형상을 가짐과 더불어 서로 일치되면서 연통될 수 있게 된다.

그리고, 상기 흡기통로(16)와 배기통로(17)는 장공(Slot hole) 형태, 또는 서로 간격을 두고 코어 길이방향을 따라 일렬로 나란하게 배치되는 복수 개의 원형 홀 형태로 이루어질 수 있게 된다.

이때의 상기 흡기통로(16)와 배기통로(17)는 블럭 두께를 수직으로 가로지르는 수직선상(또는 블럭 두께를 수평으로 가로지르는 수평선상)을 기준으로 하여 실린더가 위치되어 있는 블럭 폭 중심의 하면부를 향해 약 40∼50°정도의 경사진 각도, 바람직하게는 45°경사진 각도로 형성될 수 있게 된다.

즉, 상기 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)가 밸브 블록(15)의 전면에 밀착되는 플랜지(27)를 기준으로 하여 밸브 블록(15)의 내부에 삽입 설치된 상태에서, 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)에 있는 흡기통로(16) 및 배기통로(17)와 밸브 블록(15)에 있는 흡기홀(12a,12b) 및 배기홀(13a,13b)은 직선상으로 연통될 수 있게 된다.

또한, 상기 자동차 엔진의 흡배기 장치는 실질적으로 흡기와 배기의 출입을 단속하는 수단으로 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)를 포함한다.

상기 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)는 한쪽 단부는 개방됨과 더불어 다른 한쪽 단부에는 밸브축(26)을 가지는 원통형의 관 형태로 이루어지게 된다.

이러한 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)는 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)의 각 외주면에 동축 구조로 나란하게 끼워져 결합된다.

이렇게 결합되는 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)의 각 내주면과 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)의 각 외주면은 서로 밀착된 상태를 유지할 수 있게 됨과 더불어, 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)의 개방되어 있는 쪽 단면부는 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)의 플랜지(27)의 안쪽면 턱부분에 밀착될 수 있게 되고, 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23)의 내측으로 삽입되는 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)의 단면부는 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23)의 안쪽 벽면에 밀착될 수 있게 된다.

그리고, 상기 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)에는 밸브축 방향에 대해 직각을 이루는 직경 방향으로 축선을 관통하면서 형성되는 흡기구(20)와 배기구(21)가 각각 구비되며, 이때의 흡기구(20)와 배기구(21)는 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19)에 있는 흡기통로(16) 및 배기통로(17)는 물론, 밸브 블록(15)에 있는 흡기홀(12) 및 배기홀(13)과 동일한 크기 및 형상을 가짐과 더불어 밸브 회전에 따라 서로 일치되면서 연통될 수 있게 된다.

이와 더불어, 상기 흡기구(20)와 배기구(21)는 장공(Slot hole) 형태, 또는 서로 간격을 두고 밸브 길이방향을 따라 일렬로 나란하게 배치되는 복수 개의 원형 홀 형태로 이루어질 수 있게 된다.

이와 같은 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)는 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)에 각각 결합된 상태로 밸브 블록(15)의 내부에 설치되고, 이렇게 설치된 상태에서 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)의 밸브축(26)은 밸브 블록(15)의 외부로 연장되어 노출된 상태가 되며, 이때의 밸브 블록(15)의 밸브축 관통부위에는 실(미도시) 등과 함께 마감 플레이트(28)가 볼트 체결구조 등으로 결합되어 기밀을 유지할 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)는 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)에 각각 결합된 상태에서 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)를 중심축으로 하여 자체 축선을 중심으로 회전되면서 실린더(110)의 연소실측을 출입하는 흡기와 배기를 단속할 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 흡기밸브(22)의 회전에 따라 흡기홀(12a,12b), 흡기통로(16) 및 흡기구(20)가 일직선상에 놓이면서 연통되면 흡기 매니폴드측 흡기가 실린더(110)의 연소실 내로 들어올 수 있게 되고, 이와 마찬가지로 배기홀(13a,13b), 배기통로(17) 및 배기구(21)가 일직선상에 놓이면서 연통되면 실린더(110)의 연소실 내부로부터의 배기가 배기 매니폴드측으로 빠져나갈 수 있게 된다.

일 예로서, 상기 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)는 약 45°정도의 각도 범위 내에서 시계방향 또는 반시계방향으로 반복 회전되면서 흡기홀(12a,12b)측 및 배기홀(13a,13b)측, 그리고 흡기통로(16)측 및 배기통로(17)측을 선택적으로 개방하거나 차단함으로써, 흡기를 도입하거나 배기를 배출시킬 수 있게 된다.

다른 예로서, 상기 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)는 약 90°씩 한쪽 방향으로 한 스텝씩 간헐적으로 회전되면서 흡기홀(12a,12b)측 및 배기홀(13a,13b)측, 그리고 흡기통로(16)측 및 배기통로(17)측을 선택적으로 개방하거나 차단함으로써, 흡기를 도입하거나 배기를 배출시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 흡기밸브(22)와 배기밸브(23), 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19), 밸브 블록(15), 실린더 헤드(미도시) 등은 열팽창계수가 적고 내열 및 내마모성이 우수한 세라믹, 고탄소강 등의 소재를 가공한 후, 세라믹 코팅 또는 DLC 코팅(흑연계 다이아몬드 코팅) 등의 표면처리를 하여 섭동저항을 최소화 하고, 기밀유지 성능을 더 높이기 위하여 피스톤링과 같은 시트링(미도시) 등을 추가 장착하여 효율 및 신뢰성을 높이는 것이 바람직하다.

특히, 상기 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)의 기밀성 향상을 통해 엔진 효율을 한층 더 향상시키기 위하여, 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)의 각 양단부에는 흡기측 밸브 코어(18)와 배기측 밸브 코어(19)의 내주면과의 사이에 니들 베어링이나 실 등과 같은 기밀부재가 개재될 수 있게 된다.

한편, 상기 흡기측 밸브 코어(18) 및 흡기밸브(22)와 배기측 밸브 코어(19) 및 배기밸브(23)는 위에서 설명한 바와 같이 밸브 블록(15) 상에 설치되지만, 다른 예로서 점화플러그 장착홀, 인젝터 장착홀, 흡기홀, 배기홀 등이 갖추어져 있는 실린더 헤드(미도시) 상에 직접 설치될 수도 있게 된다.

또한, 상기 자동차 엔진의 흡배기 장치는 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)의 회전 작동을 위한 동력을 제공하는 수단으로 흡기측 액추에이터(24)와 배기측 액추에이터(25)를 포함한다.

상기 흡기측 액추에이터(24)와 배기측 액추에이터(25)는 각각 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)를 작동시켜주는 역할을 하는 것으로서, 이를 위하여 흡기측 액추에이터(24)와 배기측 액추에이터(25)는 실린더 블록측이나 실린더 블록 주변의 프레임측에 브라켓(미도시) 등을 통해 지지되는 구조로 설치되면서 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)에 연결되어 동력을 전달할 수 있게 된다.

일 예로서, 상기 흡기측 액추에이터(24)와 배기측 액추에이터(25)는 ECU 등에 의해 제어되면서 정역 회전이 가능한 서보 모터로 이루어질 수 있게 되고, 이때의 서보 모터의 축은 커플러(29)를 매개로 하여 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)에 연결될 수 있게 된다.

다른 예로서, 상기 흡기측 액추에이터(24)와 배기측 액추에이터(25)는 엔진 크랭크축 동력을 이용하는 체인 또는 벨트 동력기구로 이루어질 수 있게 된다.

예를 들면, 엔진의 크랭크축(미도시)과 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23)의 밸브축(26)에 스프로킷(미도시)이나 풀리(미도시)를 장착하고, 양측의 스프로킷이나 풀리 사이에 체인(미도시)이나 타이밍 벨트(미도시)를 연결하여 동력을 전달하는 방식으로 크랭크축의 동력을 이용하여 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)를 작동시킬 수 있게 된다.

또 다른 예로서, 후술하는 전기자와 회전자 타입으로 이루어질 수 있게 된다.

또 다른 예로서, 상기 흡기측 액추에이터(24)와 배기측 액추에이터(25)는 유압식 또는 공압식 모터의 동력기구로도 이루어질 수 있게 된다.

예를 들면, 상대적으로 큰 힘의 유압 및 공압 모터를 흡,배기 밸브측에 연결하고, 유압 및 공압의 공급 및 배기를 제어할 수 있는 상대적으로 작은 힘의 전자솔레노이드밸브로서 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)를 작동시킬 수 있게 된다.

이에 따라, 4 사이클 엔진의 흡입, 압축, 폭발, 배기 4개 행정에 따른 ECU의 출력 제어에 의해 흡기측 액추에이터(24)나 배기측 액추에이터(25), 예를 들면 흡기측 서보 모터나 배기측 서보 모터가 작동하게 되면, 각각의 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)가 회전 작동되면서 흡기와 배기가 출입하게 되므로서, 엔진이 구동이 이루어질 수 있게 된다.

여기서, 4 사이클 엔진의 흡입, 압축, 폭발, 배기 4개 행정을 입력으로 하는 ECU의 출력에 의해 서보 모터의 작동을 제어하는 방법은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.

예를 들면, 크랭크축의 회전각을 감지하는 크랭크각 센서의 신호를 입력으로 하는 ECU의 출력 제어에 의해 서보 모터를 작동시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 자동차 엔진의 흡배기 장치에 대한 다른 실시예를 제공한다.

즉, 상기 제1실시예 및 제2실시예에서는 다이렉트 인젝션 방식의 엔진에 적용되는 흡배기 장치에 대해 설명하였으나, 제3실시예에서는 실린더 연소실 내에 연료와 공기의 혼합기를 공급하는, 즉 기화기에 의하여 혼합가스를 형성하여 공급하는 카뷰레터방식의 엔진에 적용되는 흡배기 장치를 제공한다.

이러한 제3실시예에서는 밸브 블록(15)에 설치되는 인젝터(미도시)를 삭제하는 대신에 흡기밸브(22)를 통해 공급되는 혼합기가 실린더의 연소실 내로 제공되는 구조를 보여준다.

이를 위하여, 상기 밸브 블록(15)에는 상면부에 점화플러그 장착홀(10), 흡기홀(12a.12b) 및 배기홀(13a,13b)이 구비되고, 하면부에 실린더 장착홈(14)이 구비되며, 이러한 밸브 블록(15)은 실린더 블록측에 조립되는 구조로 설치된다.

여기서, 상기 밸브 블록(15)에 구비되는 점화플러그 장착홀(10)은 1개 내지 3개로 이루어질 수 있게 되지만, 실린더 보어(내경)가 커짐에 따라 점화플러그 장착을 위한 점화플러그 장착홀(10)의 갯수가 증가할 수 있음은 물론이다.

그리고, 흡기홀(12)측 및 배기홀(13)측과 연통되는 흡기통로(16)와 배기통로(17)를 각각 가지면서 밸브 블록(15)의 내측에 블록 길이방향을 따라 서로 나란하게 관통 설치되는 원통형의 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19), 상기 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19)의 각 외주면에 동축 구조로 나란하게 끼워져 결합됨과 더불어 자체 축선을 중심으로 회전 가능하고 직경방향을 가로지르는 흡기구(20)와 배기구(21)를 이용하여 흡기홀(12a,12b)측 및 배기홀(13a,13b)측과 흡기통로(16)측 및 배기통로(17)측을 개폐하는 원통형 관 형태의 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23), 상기 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23)의 구동을 위한 흡기측 액추에이터(24) 및 배기측 액추에이터(25) 등은 위의 제1실시예 및 제2실시예와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명에서 제공하는 흡배기 장치는 자동차 엔진은 물론 현재 사용되고 있는 예초기용 소형 엔진(배기량 39cc, 실린더 보어 39mm)에 적용될 수 있고, 그 밖에 오토바이 엔진이나, 각종 산업용 및 차량의 모든 내연기관용 엔진에도 적용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 흡배기 장치를 나타내는 단면도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 여기서는 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)의 회전 작동을 위한 동력을 제공하는 수단으로 전기자와 회전자 타입으로 이루어지는 흡기측 액추에이터(24)와 배기측 액추에이터(25)의 다른 예를 보여준다.

이를 위하여, 상기 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)의 각 밸브축(26)에는 원형의 캡 형태로 이루어진 회전자(30)가 동축구조로 설치되는 동시에 이렇게 설치되는 회전자(30)의 내주면에는 영구자석(31)이 설치된다.

그리고, 상기 영구자석(31)이 갖추어져 있는 회전자(30)의 내측으로는 마감 플레이트(28)에 의해 지지되는 아마츄어, 즉 전기자(32)가 배치되고, 이때의 전기자(32)는 영구자석(31)과 일정 갭을 유지하면서 동심원 상으로 위치될 수 있게 된다.

여기서, 상기 전기자(32)는 볼트 체결구조 등으로 마감 플레이트(28)에 고정될 수 있게 되고, 미설명 부호 33은 영구자석(31)과 전기자(32)를 보호하면서 마감 플레이트(28)측에 착탈가능한 구조로 설치되는 커버를 나타낸다.

이와 더불어, 회전자(30)의 회전을 감지하는 수단으로 엔코더(34)와 엔코더 센서(35)가 마련되고, 이때의 엔코더(34)는 가장자리 영역을 따라 일정간격으로 홀을 갖는 원판 형태로서 회전자 후단부에 체결구조 등으로 고정되며, 이러한 엔코더(34)에 대응하여 커버(33)의 안쪽면에는 엔코더 센서(35)가 설치된다.

이와 같은 엔코더(34) 및 엔코더 센서(35)는 밸브 축의 회전 방향과 속도를 감지하는 역할을 하게 되며, 이때의 엔코더 및 엔코더 센서의 작동 방식은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방식이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.

여기서, 영구자석형 아우터 방식의 회전자를 사용하는 이유는 회전토크와 응답성을 높이기 위함이다.

따라서, 상기 전기자(32)로부터 연장되는 리드선(미도시)을 통해 전류 및 전압이 공급되면 회전자(30)가 회전될 수 있게 되고, 결국 회전자(30)와 일체식으로 결합되어 있는 밸브축(26)이 회전되면서 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)가 회전될 수 있게 된다.

특히, 상기 엔코더의 위치에 따른 밸브의 열림 및 닫힘 상태를 파악할 수 있으며, 엔진 회전 범위에 따른 최적의 흡배기 밸브의 열림 및 닫힘 시기를 기계적 제한없이 신속 정확하게 정밀 제어함으로써, 엔진의 효율을 극대화시키고 배기가스를 획기적으로 저감할 수 있는 이점이 있다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 흡배기 장치의 작동상태를 나타내는 개략도이다.

도 8a 내지 도 8c에 도시한 바와 같이, 4 사이클 엔진의 피스톤 작동과 혼합가스에 의한 흡입, 압축, 폭발, 배기 4개 행정이 이루어지는 조건에서, 액추에이터에 의해 동작하는 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23)의 적절한 개폐 작동에 의해 흡기가 흡입되거나 배기가 배출될 수 있게 된다.

그리고, 실린더(110)의 내부에서 상하 왕복 운동하는 피스톤(120)의 경우, 도 8a 내지 도 8c에서는 각 행정 시마다 동일한 높이에 위치되어 있는 상태로 도시되어 있지만, 실제로는 상한 위치에서 하한 위치 사이를 움직일 수 있게 되며, 여기서는 밸브의 개폐 작동 위주로 설명하기로 한다.

먼저, 흡입 행정 시, 피스톤(120)은 실린더(110) 내의 하한 위치에 있게 되고, 이때의 흡기밸브(22)의 회전 작동에 의해 흡기밸브(22)의 흡기구(20)와 밸브 블록(15)의 흡기홀(12a,12b) 및 흡기측 밸브 코어(18)의 흡기통로(16)는 연통된 상태가 되면서 흡기 매니폴드측에서 공급되는 흡기가 실린더(110) 내의 연소실로 유입된다.

물론, 카뷰레터 방식 엔진에서는 공기와 연료의 혼합기가 연소실로 유입될 수 있게 된다.

그리고, 배기밸브(23)는 흡기밸브(22)와 약 90°의 위상차를 두고 위치되므로서, 밸브 블록(15)의 배기홀(13a,13b)과 배기측 밸브 코어(19)의 배기통로(17)는 차단된 상태가 된다.

다음, 압축/폭발 행정 시, 피스톤(120)은 실린더(110) 내의 하한 위치에서 상한 위치로 갔다가(압축) 다시 하한 위치로 오게 되며(폭발), 이때의 흡기밸브(22)와 배기밸브(23)는 밸브 블록(15)의 배기홀(13a,13b)과 배기측 밸브 코어(19)의 배기통로(17)를 차단하고 있는 상태가 된다.

이때의 인젝터(미도시)에서는 연료가 분사되는 동시에 점화플러그(미도시)에 의한 점화가 이루어질 수 있게 된다.

다음, 배기 행정 시, 피스톤(120)은 실린더(110) 내의 상한 위치에 있게 되고, 이때의 배기밸브(23)의 회전 작동에 의해 배기밸브(23)의 배기구(21)와 밸브 블록(15)의 배기홀(13a,13b) 및 배기측 밸브 코어(19)의 배기통로(17)는 연통된 상태가 된다.

이에 따라, 연소실 내의 배기가스는 배기 매니폴드(미도시)측으로 배출된다.

그리고, 흡기밸브(22)는 배기밸브(23)와 약 90°의 위상차를 두고 위치되므로서, 밸브 블록(15)의 흡기홀(12a,12b)과 흡기측 밸브 코어(18)의 흡기통로(16)는 차단된 상태가 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 자동차 엔진을 작동시키기 위해 실린더 안에 혼합기를 흡입하고 연소된 가스를 외부로 배출하는 과정에서, 엔진 실린더의 흡기측과 배기측에 내외측으로 결합되는 원형의 밸브 코어 및 밸브의 조합으로 이루어지는 밸브 기구를 구비함으로써, 밸브 기구의 구조를 단순화 및 경량화 할 수 있고, 결국 빠른 응답성을 기대할 수 있게 되어 흡배기 효율과 기밀성을 향상시킬 수 있다.

이와 더불어, 연료분사노즐 및 다수 개의 점화플러그를 장착할 수 있으므로, 화염 전파속도를 빠르게 하여 연소온도를 낮출 수 있고, 따라서 배기가스 중의 NOx를 획기적으로 저감함으로써 고가의 희토류를 사용하는 삼원촉매장치의 사용 또한 회피할 수 있게 되어 보다 경제적이면서 고출력화에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.

특히, 요즘 추세인 다운사이징화로 인한 저배기량 고출력화엔진의 지향 특징으로서 엔진과급기를 사용하는 추세이나, 중고속 시의 고출력화에는 유리하나 저중속 시에는 압축비 저하로서 출력과 배기가스저감 효율이 떨어지는데, 이를 해결할 수 있는 가변압축비엔진 시스템 또한 적용가능한 이점이 있다.

10 : 점화플러그 장착홀
11 : 인젝터 장착홀
12a,12b : 흡기홀
13a,13b : 배기홀
14 : 실린더 장착홈
15 : 밸브 블록
16 : 흡기통로
17 : 배기통로
18 : 흡기측 밸브 코어
19 : 배기측 밸브 코어
20 : 흡기구
21 : 배기구
22 : 흡기밸브
23 : 배기밸브
24 : 흡기측 액추에이터
25 : 배기측 액추에이터
26 : 밸브축
27 : 플랜지
28 : 마감 플레이트
29 : 커플러
30 : 회전자
31 : 영구자석
32 : 전기자 및 엔코더
33 : 커버
34 : 엔코더
35 : 엔코더 센서

Claims (9)

1. 상면부에 점화플러그 장착홀(10)과 인젝터 장착홀(11), 그리고 흡기홀(12a.12b)과 배기홀(13a,13b)을 가지는 동시에 하면부에 실린더 장착홈(14)을 가지면서 실린더 블록측에 설치되는 밸브 블록(15);
   밸브의 회전 개폐 동작 시 밸브의 회전 중심축 역할을 하면서 흡기와 배기의 통로를 제공하는 수단으로서, 한쪽 단부에 플랜지(27)를 가지는 원통형의 축 형태로 이루어지며, 밸브 블록(15)의 내부를 블록 길이방향을 따라 관통하면서 서로 일정간격을 두고 나란하게 위치되어 볼트 체결구조로 고정 설치되고, 밸브 블록(15)의 전면에 밀착되는 플랜지(27)를 기준으로 하여 밸브 블록(15)의 내부에 삽입 설치된 상태에서 밸브 블록(15)에 있는 흡기홀(12a,12b) 및 배기홀(13a,13b)과 직선상으로 연통되는 흡기통로(16)와 배기통로(17)를 각각 가지는 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19);
   상기 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19)의 각 외주면에 동축 구조로 나란하게 끼워져 결합됨과 더불어 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19)를 중심축으로 하여 자체 축선을 중심으로 회전 가능하고 직경방향을 가로지르는 흡기구(20)와 배기구(21)를 이용하여 흡기홀(12a,12b)측 및 배기홀(13a,13b)측과 흡기통로(16)측 및 배기통로(17)측을 개폐하는 원통형 관 형태의 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23);
   상기 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23)의 구동을 위한 흡기측 액추에이터(24) 및 배기측 액추에이터(25);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 흡배기 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 밸브 블록(15)에는 가운데 1개의 인젝터 장착홀(11)과 양옆에 2개의 점화플러그 장착홀(10)이 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 흡배기 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 흡기홀(12a,12b)과 배기홀(13a,13b), 흡기통로(16)와 배기통로(17), 흡기구(20)와 배기구(21)는 장공(Slot hole) 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 흡배기 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 흡기홀(12a,12b)과 배기홀(13a,13b), 흡기통로(16)와 배기통로(17), 흡기구(20)와 배기구(21)는 간격을 두고 일렬로 나란하게 배치되는 복수 개의 원형 홀 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 흡배기 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 흡기홀(12a,12b) 및 배기홀(13a,13b)과 흡기통로(16) 및 배기통로(17)는 40∼50°의 경사진 방향으로 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 흡배기 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 흡기측 액추에이터(24)와 배기측 액추에이터(25)는 서보 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 흡배기 장치.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 상면부에 점화플러그 장착홀(10), 흡기홀(12a.12b) 및 배기홀(13a,13b)을 가지는 동시에 하면부에 실린더 장착홈(14)을 가지면서 실린더 블록측에 설치되는 밸브 블록(15);
   밸브의 회전 개폐 동작 시 밸브의 회전 중심축 역할을 하면서 흡기와 배기의 통로를 제공하는 수단으로서, 한쪽 단부에 플랜지(27)를 가지는 원통형의 축 형태로 이루어지며, 밸브 블록(15)의 내부를 블록 길이방향을 따라 관통하면서 서로 일정간격을 두고 나란하게 위치되어 볼트 체결구조로 고정 설치되고, 밸브 블록(15)의 전면에 밀착되는 플랜지(27)를 기준으로 하여 밸브 블록(15)의 내부에 삽입 설치된 상태에서 밸브 블록(15)에 있는 흡기홀(12a,12b) 및 배기홀(13a,13b)과 직선상으로 연통되는 흡기통로(16)와 배기통로(17)를 각각 가지는 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19);
   상기 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19)의 각 외주면에 동축 구조로 나란하게 끼워져 결합됨과 더불어 흡기측 밸브 코어(18) 및 배기측 밸브 코어(19)를 중심축으로 하여 자체 축선을 중심으로 회전 가능하고 직경방향을 가로지르는 흡기구(20)와 배기구(21)를 이용하여 흡기홀(12a,12b)측 및 배기홀(13a,13b)측과 흡기통로(16)측 및 배기통로(17)측을 개폐하는 원통형 관 형태의 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23);
   상기 흡기밸브(22) 및 배기밸브(23)의 구동을 위한 흡기측 액추에이터(24) 및 배기측 액추에이터(25);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 흡배기 장치.

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