KR102430722B1 - 데드 볼륨이 제거된 vcm 장치 및 흡기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 흡기 시스템(100)에 적용된 VCM 장치(1)는 밸브(10)에 플랩(30)의 각운동을 위한 회전 중심으로 작용하는 밸브 회전 축(20)의 플랩 구간부(21-1)에 위치된 밸브 매스(40)를 적용하고, 상기 밸브 매스(40)가 공기 흐름을 플랩(30)쪽으로 안내하도록 플랩(30)과 러너(120)의 이격 간격을 이어줌으로써 밸브 회전 축 구조로 인해 유동 정체점으로 작용하던 밸브(10)의 데드 볼륨(Dead Volume)이 제거될 수 있고, 특히 엔진의 냉간 시동에 의한 밸브 닫힘 시 유동(Airflow)의 난류가 유동 정체점 없이 빠른 속도로 연소실에 흡입될 수 있도록 유도함으로써 혼합기의 최적연소 유도로 배기가스 저감 및 연비저감 성능이 크게 개선되는 특징을 갖는다.

Description

데드 볼륨이 제거된 VCM 장치 및 흡기 시스템{Variable Charge Motion Without Valve's Dead Volume and Intake System}
본 발명은 VCM 장치에 관한 것으로, 특히 밸브의 데드 볼륨(Dead Volume)을 제거하여 밸브 닫힘(Close) 상태에서도 공기 흐름의 유동 정체를 발생시키지 않는 VCM이 적용된 흡기 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 VCM(Variable Charge Motion 또는 Variable Control Module) 장치(이하 VCM)는 엔진 성능과 함께 연비 향상을 위해 차량에 적용된다.
일례로, 상기 VCM은 회전동력을 발생시키는 모터, 흡기 매니폴드(Intake Manifold)의 러너(Runner)(즉, 관로)를 여닫아 러너 단면적을 조절하는 밸브와 함께 링크 기구를 동력 전달 메커니즘으로 하고, ECU(Electronic Control Unit)의 모터 제어로 작동한다. 이 경우 상기 밸브는 엔진의 실린더 수량에 맞춰 복수개로 구성된다.
그러므로 상기 VCM은 동작 시 밸브 열림((Open)에 의한 러너 단면적의 확장으로 공기와 연료의 혼합을 용이 하게 함으로써 초기 냉간 시동 시 혼합기의 최적연소 유도로 배기가스 저감 및 연비저감 효과를 발생하여 준다.
일본특개 2007-278131(2007.10.25)
하지만, 상기 VCM은 NC(Normal Close) 타입으로 모터 전원의 미 인가에 따른 밸브 eke힘(Close) 상태에서 데드 볼륨(Dead Volume)을 형성하는 구조적 단점을 가지고 있다.
이러한 데드 볼륨(Dead Volume)의 발생은 복수개의 밸브를 장착한 밸브 축이 원형 구조로 이루어짐에 따른 것으로, 이는 러너와 접촉 부위(즉, 밸브 하단부)에 유동 정체점을 형성한다.
그 결과 상기 VCM은 러너의 단면적을 좁힌 밸브 닫힘(Close) 시 밸브를 빠른 속도로 지나야 하는 유동(Airflow)을 원활하게 유도하지 못하면서 유량 손실을 가져옴으로써 완전연소에 필요한 균일한 혼합기 형성을 어렵게 할 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 밸브 회전 축 구조에 의한 밸브의 데드 볼륨(Dead Volume)을 제거함으로써 밸브 닫힘(Close) 시 유동 정체점이 형성되지 않고, 특히 유동(Airflow)의 난류가 유동 정체점 없이 빠른 속도로 연소실에 흡입될 수 있도록 유도함으로써 혼합기의 최적연소 유도로 배기가스 저감 및 연비저감 성능이 크게 개선되는 데드 볼륨이 제거된 VCM 장치 및 흡기 시스템의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 VCM 장치는 축 중심으로 일정각도 회전(즉, 각운동)함으로써 상하 움직임을 형성하는 밸브가 회전 운동이 발생되는 밸브 회전 축, 상기 밸브 회전 축의 플랩 구간부에 위치되고, 상기 밸브 회전 축을 회전 중심으로 하여 상기 각운동이 발생되는 플랩, 및 상기 플랩 구간부에서 상기 플랩과 고정되고, 상기 플랩 구간부에서 돌출되어 공기 흐름을 상기 플랩쪽으로 안내 해주는 밸브 매스로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 매스는 고무로 이루어지고, 오버몰딩(Over-Molding) 공법으로 상기 밸브 회전 축과 상기 플랩에 일체화된다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 회전 축에는 상기 플랩이 각각 위치되도록 상기 플랩 구간부가 밸브 구간부를 이격 간격으로 하여 복수개로 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 매스는 상기 플랩 구간부의 직각 구조에 위치되고, 상기 직각 구조는 상기 플랩의 상면과 이어지는 수평면과 상기 플랩의 끝부위 측면과 이어지는 수직면으로 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 매스는 수평한 직선 길이로 이루어진 러너 고정부, 및 상기 러너 고정부에서 꺾인 수직한 직선 길이로 이루어지고, 상기 플랩의 플랩 홀에 끼워지는 밸브 돌기로 상기 플랩의 끝부위 측면에 고정되는 밸브 고정부로 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 러너 고정부는 상기 수평면의 위치에서 돌출되어 상기 플랩의 끝부위를 연장하는 상기 직선 길이로 상기 공기 흐름이 정체되는 데드 볼륨(Dead Volume)의 형성을 제거해 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 러너 고정부는 상면부와 하면부로 단차 구조를 형성하고, 상기 하면부에 공기가 흐르는 러너의 러너 홀에 끼워져 고정되는 러너 돌기가 돌출된다. 상기 상면부는 상기 플랩 구간부의 상기 수평면과 상기 러너의 이격 간격을 직선 구간으로 이어주고, 상기 직선 구간은 상기 공기 흐름을 스트림 라인으로 형성해 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 돌기는 상기 밸브 고정부의 한쪽 면에서 돌출된다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 매스는 스토퍼를 구비하고, 상기 스토퍼는 상기 밸브 회전 축의 회전에 따른 상기 밸브 고정부의 움직임을 상기 러너 고정부에서 제한해 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 스토퍼는 상기 밸브 고정부에서 돌출된 하단 면 접촉부 및 상기 러너 고정부에서 돌출된 상단 면 접촉부로 이루어지고, 상기 하단 면 접촉부와 상기 상단 면 접촉부는 직선 면으로 접촉을 형성해 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 스토퍼는 상기 밸브 고정부에서 돌출된 하단 요철 접촉부 및 상기 러너 고정부에서 돌출된 상단 요철 접촉부로 이루어지고, 상기 상단 요철 접촉부와 상기 하단 요철 접촉부는 요철(凹凸) 결합 구조로 접촉을 형성해 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브는 상기 밸브 회전 축을 링크 기구와 연결하고, 상기 링크 기구는 액추에이터와 연결되어 상기 밸브 회전 축을 움직여 주며, 상기 액추에이터는 모터를 구동하는 ECU로 제어된다.
바람직한 실시예로서, 상기 링크 기구는 상기 모터의 회전을 직선 이동으로 전환하는 직선 이동 로드, 및 상기 직선 이동을 각운동을 전환하여 상기 밸브 회전 축으로 전달하는 각운동 레버로 구성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 흡기 시스템은 플랩의 각운동을 위한 회전 중심으로 작용하는 밸브 회전 축의 플랩 구간부에 밸브 매스가 위치되고, 상기 밸브 매스로 상기 플랩쪽으로 안내되는 공기 흐름을 정체시키는 데드 볼륨(Dead Volume)의 형성이 방지되는 VCM 장치; 및 상기 플랩의 움직임으로 러너 단면적이 조절되는 공기 흐름 통로를 형성하고, 상기 밸브 매스로 상기 플랩과 형성하는 이격 간격이 이어지는 러너가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 매스는 러너 돌기와 밸브 돌기를 구비하고, 상기 러너 돌기는 러너 홀에 끼워져 상기 러너와 고정되며, 상기 밸브 돌기는 플랩 홀에 끼워져 상기 플랩과 고정된다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸브 매스는 “ㄱ"자 단면 형상으로 이루어지고, 상기 “ㄱ"자 단면 형상은 상기 플랩 구간부에서 상기 러너쪽으로 위치되어져 상기 이격 간격을 이어준다.
이러한 본 발명의 흡기 시스템에 적용된 VCM 장치는 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, 데드 볼륨이 제거됨으로써 밸브 닫힘(Close) 시 VCM 시스템의 성능이 개선된다. 둘째, 데드 볼륨 삭제로 유동(Airflow)의 흐름을 방해하던 유동 정체점 부위가 흐름을 안내하는 기능으로 전환될 수 있다. 셋째, 유동흐름 안내로 밸브를 지난 유동 난류가 빠른 속도로 연소실에 흡입되도록 유도한다. 넷째, 데드 볼륨의 제거에 밸브 매스가 적용됨으로써 기존의 밸브 및 밸브 회전 축 구조에 대한 변경을 최소화할 수 있다. 다섯째, 유동이 연소실에 빠르면서 균일하게 충진 됨으로써 데드 볼륨이 제거된 VCM을 갖춘 흡기 시스템이 적용된 엔진이 초기 냉간 시동 시 혼합기의 최적연소 유도로 배기가스 저감 및 연비저감 효과를 향상한다.
도 1은 본 발명에 따른 흡기 시스템에 적용된 데드 볼륨이 제거된 VCM 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 VCM 장치를 구성하는 밸브의 세부 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 밸브의 조립 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 밸브를 구성하는 밸브 매스의 변형 예이고, 도 5는 본 발명에 따른 VCM 장치의 밸브 닫힘 시 밸브 매스를 이용한 데드 볼륨 제거 상태에서 흡기 시스템의 러너로 유동이 형성되는 상태이며, 도 6은 본 발명에 따른 VCM 장치의 밸브 닫힘에 대한 러너의 유동 시뮬레이션 결과이고, 도 7은 본 발명에 따른 VCM 장치의 밸브 열림 시 밸브 매스의 영향 없이 유량 보존이 동일하게 형성되는 상태이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 흡기 시스템(100)은 VCM 장치(1)(Variable Charge Motion)을 포함한다.
일례로 상기 흡기 시스템(100)은 흡기 매니폴드(Intake Manifold)(110), 러너(Runner)(120)를 포함하고, 상기 러너(120)는 엔진의 초기 냉간 시동 시 VCM(1)의 밸브(10)를 통해 단면적이 축소됨으로써 흡기 매니폴드(110)를 통해 엔진의 연소실로 보내지는 혼합기의 최적연소 유도로 배기가스 저감 및 연비저감 효과를 향상한다.
특히 상기 러너(120)는 러너 홀(121)(도 3 참조)을 형성하고, 상기 러너 홀(121)을 이용해 밸브 매스(40)의 러너 돌기(41-1)(도 3 참조)가 끼워져 고정된다.
일례로 상기 VCM 장치(1)는 밸브(10), 링크 기구(50), 액추에이터(60) 및 ECU(Electronic Control Unit)(70)로 구성된다.
구체적으로 상기 밸브(10)는 NC(Normal Close) 타입으로, 모터(60)의 구동 시 링크 기구(50)를 통해 밸브 닫힘(Close)에서 밸브 열림(Open)으로 전환됨으로써 러너(120)의 단면적을 넓혀 준다. 이를 위해 상기 밸브(10)는 밸브 회전 축(20), 플랩(30) 및 밸브 매스(40)로 구성된다.
일례로 상기 밸브 회전 축(20)은 원형 단면을 갖는 소정 길이로 이루어지고, 일단에 링크 기구(50)의 연결 레버(52)에 연결되어 회전(즉, 각운동)된다. 상기 플랩(30)은 제1 내지 n 플랩(30a,...,30n)로 구성되고, 상기 제1 내지 n 플랩(30a,...,30n)의 각각은 밸브 회전 축(20)의 길이 방향으로 일직선 배열된다. 상기 밸브 매스(40)는 밸브 회전 축(20)과 제1 내지 n 플랩(30a,...,30n)의 각각에 대해 밀착됨으로써 밸브 닫힘(Close) 시 제1 내지 n 플랩(30a,...,30n)의 각각에서 데드 볼륨(Dead Volume)의 형성을 제거한다.
특히 상기 제1 내지 n 츨랩(30a,...,30n)의 수량은 엔진 실린더 개수에 맞춘 러너(120)의 개수와 동일하며, 상기 밸브 매스(40)의 수량은 제1 내지 n 플랩(30a,...,30n)의 개수와 동일하다.
또한, 상기 밸브 매스(40)는 오버몰딩(Over-Molding) 공법으로 밸브 회전 축(20)과 플랩(30)에 일체화된다.
구체적으로 상기 링크 기구(50)는 액추에이터(60)의 모터 구동 시 모터 회전력을 각운동으로 전환하여 밸브(10)의 밸브 회전 축(20)에 전달한다.
이를 위해 상기 링크 기구(50)는 액추에이터(60)의 모터 축에 연결되어 모터 회전력을 직선 이동을 전환하는 직선 이동 로드(51), 상기 직선 이동 로드(51)의 일단에 핀 고정되어 직선 이동에 의한 각운동을 밸브 회전 축(20)에 전달하는 각운동 레버(52)로 구성된다. 이 경우 상기 직선 이동 로드(51)의 직선 이동 전환은 피니언과 랙크 조합이나 볼 스크류 조합 등을 직선 이동 전환 기구로 하여 구현된다.
구체적으로 상기 액추에이터(60)는 ECU(70)의 제어 신호를 받고, 전원과 신호 출력 및 모터 위치 검출 등을 위한 전기 회로 기판과 전기적으로 연결되어 회전력을 발생하고, 모터 회전력을 직선 이동 전환 기구로 전달하는 모터 축을 갖춘 모터로 구성된다.
구체적으로 상기 ECU(70)는 엔진정보를 읽고, 모터 출력신호를 생성하여 액추에이터(60)의 동작을 제어한다. 그러므로 상기 ECU(70)는 별도의 VCM 전용 제어기일 수 있으나 엔진 제어기를 적용할 수 있다.
한편 도 2 내지 도 4는 상기 밸브(10)를 구성하는 밸브 회전 축(20), 플랩(30) 및 밸브 매스(40)에 대한 세부 구조를 예시한다. 이 경우 상기 제1 내지 n 플랩(30a,...,30n)은 4기통 엔진에 맞춘 제1 플랩(30a), 제2 플랩(30b), 제3 플랩(30c) 및 제4 플랩(30d)으로 설명된다.
도 2의 밸브(10)의 분리 사시도를 참조하면, 상기 밸브 회전 축(20)은 1개로 이루어지고, 상기 플랩(30)은 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 4개로 구성되며, 상기 밸브 매스(40)는 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 개수에 맞춰 4개로 구성된다. 이 경우 상기 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 각각은 4개로 이루어진 러너(120)에 각각 적용된다.
일례로 상기 밸브 회전 축(20)은 원형 단면으로 소정 길이를 갖는 원형 로드(21)로 이루어지고, 상기 원형 로드(21)는 전체 길이를 따라 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)에 맞춰 4곳에 형성된 플랩 구간부(21-1)를 형성하며, 밸브 구간부(21-2)를 4개의 플랩 구간부(21-1) 사이에 형성하여 준다.
특히 상기 플랩 구간(21-1)은 원형 로드(21)의 원형 단면을 횡 방향(Transverse Direction)으로 잘라낸 수평면(22)과 종 방향(Longitudinal Direction)으로 잘라낸 수직면(25)으로 이루어짐으로써 대략 직각 구조로 형성된다. 이 경우 상기 수평면(22)은 플랩(30)의 상면(즉, 플랩 바디(31)의 상면)과 이어지며, 상기 수직면(25)은 플랩(30)의 끝부위 측면(즉, 플랩 바디(31)의 플랩 엔드(33)의 전면)과 이어진다.
또한, 상기 밸브 구간부(21-2)에는 베어링이 장착되어 밸브 회전 축(20)의 회전 운동을 원활하게 하여 준다.
일례로 상기 플랩(30)은 플랩 바디(31), 축 보스(32), 플랩 엔드(33) 및 플랩 홀(35)을 구성요소로 한다. 그러므로 상기 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)은 4개의 플랩(30)을 제1 플랩(30a), 제2 플랩(30b), 제3 플랩(30c), 제4 플랩(30d)으로 명명하여 구분되고, 상기 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 각각은 4개의 플랩 구간(21-1)에 위치되어 밸브 회전 축(20)의 종 방향(Longitudinal Direction)을 따라 일직선상으로 배열된다.
구체적으로 상기 플랩 바디(31)는 공기가 지나가는 유동(Airflow) 흐름을 안내하는 직선 면으로 이루어진다. 상기 축 보스(32)는 밸브 회전 축(20)의 원형 로드(21)가 관통하는 축 홀의 형성 부위에서 직선 면의 좌우 측면에 벽면을 형성한다.
그리고 상기 플랩 엔드(33)는 축 보스(32)를 관통한 밸브 회전 축(20)의 원형 로드(21)가 안착되도록 플랩 바디(31)의 직선 면 끝부위에서 호 형상의 안착면을 형성하고, 플랩 구간부(21-1)에 위치된다. 상기 플랩 홀(35)은 플랩 엔드(33)의 측면에 천공된다. 이 경우 상기 플랩 홀(35)은 서로 간격을 두고 3개를 한 쌍으로 하여 형성되나, 그 개수는 밸브 매스(40)의 밸브 돌기(43-1)의 수량에 따라 변경될 수 있다.
일례로 상기 밸브 매스(40)는 러너 고정부(41), 러너 돌기(41-1), 밸브 고정부(43) 및 밸브 돌기(43-1)로 구성되고, 대략 “ㄱ"자 형상으로 이루어진다.
구체적으로 상기 러너 고정부(41)는 하면부가 상면부 보다 아래쪽에서 연장되어 상면부에 단차면을 형성하는 단차 형상의 수평 구조로 이루어지고, 상기 러너 돌기(41-1)는 상면부의 높이까지 하면부에서 수직하게 돌출된다. 이 경우 상기 러너 돌기(41-1)는 서로 간격을 두고 2개가 한 쌍으로 이루어지고, 원기둥 형상으로 이루어진다.
그리고 상기 밸브 고정부(43)는 러너 고정부(41)의 상면부에서 아래쪽으로 연장되는 직선 형상의 수직 구조로 이루어지고, 상기 밸브 돌기(43-1)는 수직 구조의 아래쪽부위에서 한쪽 측면에 대해 수평하게 돌출된다. 이 경우 상기 밸브 돌기(43-1)는 플랩(30)의 플랩 엔드(33)에 천공된 플랩 홀(35)의 수량에 맞춰 3개의 돌기를 한 쌍으로 형성하여 준다.
도 3의 밸브(10)의 조립 사시도를 참조하면, 상기 밸브(10)는 밸브 회전 축(20)이 축 보스(32)를 관통하여 4개의 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)이 밸브 회전 축(20)과 조립되고, 상기 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 각각이 위치된 4개의 플랩 구간부(21-1)로 4개의 밸브 매스(40)가 위치된다. 이 경우 상기 밸브 매스(40)는 오버몰딩(Over-Molding) 공법으로 4개의 플랩 구간부(21-1)에서 밸브 회전 축(20)과 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 각각에 대해 일체화된다.
일례로 상기 밸브 매스(40)의 조립 구조 측면에서, 상기 러너 고정부(41)는 단차 구조의 상면부와 하면부 중 상면부가 러너(120)쪽으로 이어짐으로써 밸브 회전 축(20)의 수평면(22)과 러너(120)의 엔드부위가 형성한 이격 간격을 메워주며, 상기 하면부는 러너(120)의 엔드부위의 아래쪽으로 위치되고, 상기 러너 돌기(41-1)는 러너(120)에 천공된 2개의 러너 홀(121) 각각에 끼워진다.
그리고 상기 밸브 고정부(43)는 밸브 돌기(43-1)를 통해 플랩(30)의 플랩 엔드(33)에 천공된 3개의 플랩 홀(35) 각각으로 끼워져 고정된다.
그러므로 상기 러너 고정부(41)는 상면부와 하면부의 단차면으로 러너(120)의 엔드부위에 밀착됨으로써 러너(120)가 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 각각에 대해 이격 간격 없이 이어질 수 있게 된다. 또한 상기 밸브 고정부(43)는 밸브 회전 축(20)의 수직면(25)과 플랩(30)의 플랩 엔드(33)의 측면에 밀착된다.
특히 도 4를 참조하면, 상기 밸브 매스(40)에 스토퍼(45)가 구성됨으로써 밸브 회전 축(20)의 각운동에 의한 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 회전 운동 시 스토퍼(45)의 접촉을 통해 매스 재질인 고무 내구성을 높여 줄 수 있다.
이러한 이유는 상기 밸브 매스(40)는 밸브 회전 축(20)의 각운동 반복 시 러너(120)에 고정된 러너 고정부(41)는 움직임이 없는 반면 플랩(30)에 고정된 밸브 고정부(43)는 밸브 회전 축(20)과 함께 움직임을 반복함으로써 밸브 매스(40)의 피로도 증가로 내구 성능이 저하되기 때문이다. 그러므로 상기 스토퍼(45)가 러너 고정부(41)쪽으로 이동되는 밸브 고정부(43)의 이동을 구속해줌으로써 반복적인 밸브 매스(40)의 움직임으로부터 매스의 재질인 고무에 대한 피로도 증가를 낮출 수 있다.
이를 위해 상기 스토퍼(45)는 러너 고정부(41)와 밸브 고정부(43)의 사이로 위치된 직선형 스토퍼(45-1) 또는 요철형 스토퍼(45-2)로 구성된다.
일례로 상기 직선형 스토퍼(45-1)는 러너 고정부(41)의 하면부에서 돌출된 상단 면 접촉부(47) 및 밸브 고정부(43)에서 돌출된 하단 면 접촉부(46)로 구성되고, 상기 상단 면 접촉부(47)와 상기 하단 면 접촉부(46)는 직선면 접촉 구조로 이루어진다.
반면 상기 요철형 스토퍼(45-2)는 러너 고정부(41)의 하면부에서 돌출된 상단 요철 접촉부(49) 및 밸브 고정부(43)에서 돌출된 하단 요철 접촉부(48)로 이루어짐으로서 요철(凹凸) 결합 구조를 형성한다.
특히 상기 상단 요철 접촉부(49)는 그 중간 부위를 철 형상(凸)의 돌출 구조로 하는 반면 상기 요하단 요철 접촉부(48)는 그 중간 부위를 요 형상(凹)의 함몰 구조로 함으로써 요철(凹凸) 결합 구조를 형성하고, 이러한 요철(凹凸) 결합 구조를 이용해 직선 면 접촉 구조 대비 매스의 재질인 고무에 대한 피로도 증가를 더 낮추어 줄 수 있다.
한편 도 5 내지 도 7은 흡기 시스템(100)에서 VCM 장치(1)의 작동 상태를 나타낸다. 이 경우 밸브(10)는 제1,2,3,4 플랩(30a,30b,30c,30d)의 동작으로 이루어지나 설명 편의상 플랩(30)으로 설명한다.
도 5의 VCM 장치(1)의 닫힘 상태를 참조하면, ECU(70)는 엔진 정보로 확인된 엔진의 냉간 시동 시 액추에이터(50)의 모터를 정지함으로써 모터 정지에 의한 직선 이동 로드(51)의 후퇴 이동과 각운동 레버(52)의 움직임으로 밸브 회전 축(20)이 회전되고, 그러면 플랩(30)은 밸브 회전 축(20)의 움직임에 의한 시계방향 회전으로 위로 올라감으로써 러너(120)의 통로를 막아 러너 단면적을 좁혀주는 밸브 닫힘의 상태로 전환되고, 이를 통해 상기 밸브(10)는 NC(Normal Close)의 상태가 된다.
이러한 밸브 닫힘 상태에서, 상기 밸브 매스(40)는 러너 고정부(41)를 통해 플랩(30)과 러너(120)의 이격 간격을 경사각(예, 예각)으로 이어줌으로써 기존 구조에서 발생되었던 이격 간격에 의한 데드 볼륨(Dead Volume)의 형성이 제거된다.
그 결과 상기 러너(120)를 흐르는 공기는 플랩(30)의 플랩 바디(31)를 따라 좁아진 러너 통로쪽으로 보내지고, 이러한 과정에서 밸브 매스(40) 쪽으로 흘러가는 공기는 러너 고정부(41)의 면을 따라 러너(120)에서 플랩 바디(31)로 이어지는 공기 스트림라인을 형성하고, 이는 공기의 유동 정체점을 형성하지 않음으로써 유동(Airflow)에서 기존의 데드 볼륨(Dead Volume)이 제거된다.
도 6을 참조하면, 상기 유동 시뮬레이션은 VCM 장치(1)의 밸브 닫힘 시 데드 볼륨(Dead Volume)이 제거된 상태에서 밸브(10)를 지나는 유동 해석 결과를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 유동 해석 결과는 밸브 매스(40)를 이용한 유동 정체점 제거의 효과를 보여주고, 이러한 효과는 아래 표 1은 수치적 결과로 예시된다.
Figure 112020122372519-pat00001
이러한 수치적 결과로부터, 1개의 러너(120)를 기준으로 하여 4기통 엔진의 4개의 러너(120)인 경우 공기 유량이 기존 대비 약 41.2(g/min)를 증가시켜 줄 수 있다.
그리고 도 7의 VCM 장치(1)의 열림(Open) 상태를 참조하면, ECU(70)는 엔진 정보로 확인된 엔진 상태에 맞춰 액추에이터(50)의 모터를 구동함으로써 모터 회전에 의한 직선 이동 로드(51)의 전진 이동과 각운동 레버(52)의 움직임으로 밸브 회전 축(20)이 회전되고, 그러면 플랩(30)은 밸브 회전 축(20)의 움직임에 의한 반시계방향 회전으로 밑으로 내려감으로써 러너(120)의 통로를 열어 러너 단면적을 넓혀주는 밸브 열림의 상태로 전환된다.
이러한 밸브 열림 상태에서, 상기 플랩(30)과 상기 러너(120)의 이격 간격은 밸브 매스(40)의 러너 고정부(41)를 통해 직선으로 이어짐으로써 러너(120)를 흐르는 공기는 기존 구조와 같이 밸브 열림의 유량을 그대로 보존할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 흡기 시스템(100)에 적용된 VCM 장치(1)는 밸브(10)에 플랩(30)의 각운동을 위한 회전 중심으로 작용하는 밸브 회전 축(20)의 플랩 구간부(21-1)에 위치된 밸브 매스(40)를 적용하고, 상기 밸브 매스(40)가 공기 흐름을 플랩(30)쪽으로 안내하도록 플랩(30)과 러너(120)의 이격 간격을 이어줌으로써 밸브 회전 축 구조로 인해 유동 정체점으로 작용하던 밸브(10)의 데드 볼륨(Dead Volume)이 제거될 수 있고, 특히 엔진의 냉간 시동에 의한 밸브 닫힘 시 유동(Airflow)의 난류가 유동 정체점 없이 빠른 속도로 연소실에 흡입될 수 있도록 유도함으로써 혼합기의 최적연소 유도로 배기가스 저감 및 연비저감 성능이 크게 개선될 수 있다.
1 : VCM(Variable Charge Motion) 장치
10 : 밸브
20 : 밸브 회전 축 21 : 원형 로드
21-1 : 플랩 구간부 21-2 : 밸브 구간부
22 : 수평면 25 : 수직면
30 : 플랩 30a,...,30n : 제1 내지 n 플랩
31 : 플랩 바디
32 : 축 보스 33 : 플랩 엔드
35 : 플랩 홀
40 : 밸브 매스 41 : 러너 고정부
41-1 : 러너 돌기 43 : 밸브 고정부
43-1 : 밸브 돌기 45 : 스토퍼
45-1 : 직선형 스토퍼 46 : 하단 면 접촉부
47 : 상단 면 접촉부 45-2 : 요철형 스토퍼
48 : 하단 요철 접촉부 49 : 상단 요철 접촉부
50 : 링크 기구 51 : 직선 이동 로드
52 : 각운동 레버 60 : 액추에이터
70 : ECU(Electronic Control Unit)
100 : 흡기 시스템 110 : 흡기 매니폴드(Intake Manifold)
120 : 러너(Runner) 121 : 러너 홀

Claims (18)

  1. 축 중심으로 일정각도 회전함으로써 상하 움직임을 형성하는 밸브가 포함되고,
    상기 밸브는 회전 운동이 발생되는 밸브 회전 축, 상기 밸브 회전 축의 플랩 구간부에 위치되고, 상기 밸브 회전 축을 회전 중심으로 하여 상기 상하 움직임이 발생되는 플랩, 및 상기 플랩 구간부에서 상기 플랩과 고정되고, 상기 플랩 구간부에서 돌출되어 공기 흐름을 상기 플랩쪽으로 안내 해주는 밸브 매스로 구성되고,
    상기 밸브 회전 축에는 상기 플랩이 각각 위치되도록 상기 플랩 구간부가 밸브 구간부를 이격 간격으로 하여 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 밸브 매스는 고무로 이루어지는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 밸브 매스는 오버몰딩(Over-Molding) 공법으로 상기 밸브 회전 축과 상기 플랩에 일체화되는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 밸브 매스는 상기 플랩 구간부의 직각 구조에 위치되고, 상기 직각 구조는 상기 플랩의 상면과 이어지는 수평면과 상기 플랩의 끝부위 측면과 이어지는 수직면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 밸브 매스는 수평한 직선 길이로 이루어진 러너 고정부, 및 상기 러너 고정부에서 꺾인 수직한 직선 길이로 이루어지고, 상기 플랩의 플랩 홀에 끼워지는 밸브 돌기로 상기 플랩의 끝부위 측면에 고정되는 밸브 고정부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 러너 고정부는 상기 수평면의 위치에서 돌출되어 상기 플랩의 끝부위를 연장하는 상기 직선 길이로 상기 공기 흐름이 정체되는 데드 볼륨(Dead Volume)의 형성을 제거해 주는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 러너 고정부는 상면부와 하면부로 단차 구조를 형성하고, 상기 하면부에 공기가 흐르는 러너의 러너 홀에 끼워져 고정되는 러너 돌기가 돌출되는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 상면부는 상기 플랩 구간부의 상기 수평면과 상기 러너의 이격 간격을 직선 구간으로 이어주고, 상기 직선 구간은 상기 공기 흐름을 스트림 라인으로 형성해 주는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 밸브 돌기는 상기 밸브 고정부의 한쪽 면에서 돌출되는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  11. 청구항 6에 있어서, 상기 밸브 매스는 스토퍼를 구비하고, 상기 스토퍼는 상기 밸브 회전 축의 회전에 따른 상기 밸브 고정부의 움직임을 상기 러너 고정부에서 제한해 주는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 스토퍼는 상기 밸브 고정부에서 돌출된 하단 면 접촉부 및 상기 러너 고정부에서 돌출된 상단 면 접촉부로 이루어지고, 상기 하단 면 접촉부와 상기 상단 면 접촉부는 직선 면으로 접촉을 형성해 주는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 스토퍼는 상기 밸브 고정부에서 돌출된 하단 요철 접촉부 및 상기 러너 고정부에서 돌출된 상단 요철 접촉부로 이루어지고, 상기 상단 요철 접촉부와 상기 하단 요철 접촉부는 요철(凹凸) 결합 구조로 접촉을 형성해 주는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 밸브는 상기 밸브 회전 축을 링크 기구와 연결하고, 상기 링크 기구는 액추에이터와 연결되어 상기 밸브 회전 축을 움직여 주며, 상기 액추에이터는 모터를 구동하는 ECU(Electronic Control Unit)로 제어되는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 링크 기구는 상기 모터의 회전을 직선 이동으로 전환하는 직선 이동 로드, 및 상기 직선 이동을 각운동을 전환하여 상기 밸브 회전 축으로 전달하는 각운동 레버로 구성되는 것을 특징으로 하는 VCM 장치.
  16. 플랩의 상하 움직임을 위한 회전 중심으로 작용하는 밸브 회전 축의 플랩 구간부에 밸브 매스가 위치되고, 상기 밸브 매스로 상기 플랩쪽으로 안내되는 공기 흐름을 정체시키는 데드 볼륨(Dead Volume)의 형성이 방지되는 VCM 장치(Variable Charge Motion); 및
    상기 플랩의 움직임으로 러너 단면적이 조절되는 공기 흐름 통로를 형성하고, 상기 밸브 매스로 상기 플랩과 형성하는 이격 간격이 이어지는 러너가 포함되고,
    상기 밸브 매스는 러너 돌기와 밸브 돌기를 구비하고, 상기 러너 돌기는 러너 홀에 끼워져 상기 러너와 고정되며, 상기 밸브 돌기는 플랩 홀에 끼워져 상기 플랩과 고정되는 것을 특징으로 하는 흡기 시스템.
  17. 삭제
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 밸브 매스는 “ㄱ"자 단면 형상으로 이루어지고, 상기 “ㄱ"자 단면 형상은 상기 플랩 구간부에서 상기 러너쪽으로 위치되어 상기 이격 간격을 이어주는 것을 특징으로 하는 흡기 시스템.
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