KR19980064207A - 내연기관의 밸브장치 - Google Patents

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KR19980064207A
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와다아키히로
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Abstract

내연기관의 밸브장치에 있어서, 크랭크축의 회전력을 캠축으로 전달하는 전달기구의 부하를 감소시켜서, 그 내용수명의 저하를 방지한다.
엔진(11)은 흡기 캠축(24), 배기 캠축(25) 및 크랭크축(17)을 구비한다. 각 캠축(24,25)의 캠 풀리(30,31) 및 크랭크 축(17)의 크랭크 풀리(32)에 타이밍 벨트(33)를 걸어 장착한다. 각 캠축(24,25)은 밸브 캠(26,27)에 의해 흡기 밸브(20) 및 배기 밸브(21)를 개폐 구동한다. 배기 캠축(25)의 다른쪽 끝에 연료분사펌프(40)를 구동하기 위한 펌프 캠(41)이 형성된다. 이 펌프 캠(41)은 연료분사펌프(40)를 구동할 때 배기 캠축(25)에 생기는 구동 반력에 의해서, 각 캠축(24,25)에 생기는 토오크 변동이 상쇄되도록 그 위상이 설정된다.

Description

내연기관의 밸브장치
본 발명은 내연기관의 흡기 밸브나 배기 밸브를 개폐 구동하는 캠축이 구비된 밸브장치에 관한 것으로, 상세하게는 캠축의 회전에 의해 연료 펌프가 구동되도록 된 내연기관의 밸브장치에 관한 것이다.
일반적인 내연기관에 있어서는 크랭크축의 회전력이, 예를 들면 타이밍 벨트를 통해 캠축에 전달된다. 캠축은 전달된 회전력에 의해 회전되며, 해당 캠축에 형성된 밸브 캠에 의해 해당 기관의 흡기 밸브나 배기 밸브가 개폐 구동된다. 그리고, 흡기 밸브의 개방에 따라 내연기관의 연소실내로 도입된 공기와, 연료분사밸브로부터 분사된 연료의 혼합기가 해당 연소실내에서 연소·폭발함으로써 기관 구동력이 얻어진다. 또한, 연소후의 배기는 배기 밸브의 개방에 따라 연소실로부터 배출된다.
연료분사밸브에는 연료분사펌프로부터 연료가 압송되지만, 종래부터, 이 연료분사펌프가 캠축에 의해서 구동되도록 된 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 실개평7-22062호 공보에 기재된 「엔진의 연료펌프 작동장치」참조). 상기 종류의 기술에서는, 캠축에 형성된 펌프 구동용의 펌프 캠에 연료분사펌프의 피스톤이 눌려 접촉되며, 펌프 캠의 회전에 의해 피스톤이 왕복 구동된다. 그리고, 상기 피스톤의 왕복 운동에 따라, 연료분사펌프의 가압실 내에 연료 탱크로부터 연료가 흡입되는 동시에, 그 연료가 가압되어 연료분사밸브를 향하여 압송되도록 한다.
그런데, 흡기 밸브나 배기 밸브를 개폐 구동함에 따라, 캠축에는 구동 토오크의 변동이 생긴다. 흡기 밸브나 배기 밸브는 밸브 스프링에 의해서 상시 폐쇄되도록 힘이 가해지고, 이 밸브 스프링의 가압력에 의해서, 밸브를 개방시킬 때에는 회전 반대 방향의 회전 토오크가 작용하고, 반대로, 밸브를 폐쇄시킬 때에는 회전방향의 회전 토오크가 번갈아 캠축에 작용하기 때문이다. 또한, 각 밸브의 관성력도 상기 토오크 변동을 발생시키는 하나의 원인이 된다.
여기에서, 캠축에 의해 연료분사펌프가 구동되도록 된 경우에는 연료분사펌프의 흡입·가압 행정에 따라서 변동하는 구동 반력이 작용하기 때문에, 캠축에는 상술된 밸브의 개폐 구동에 따르는 토오크 변동에 더하여, 연료분사펌프를 구동함으로써 토오크 변동이 추가적으로 가해지게 된다. 따라서, 종래의 기술에 있어서는, 이들 각 토오크 변동이 중첩되어 증대된 경우에는, 타이밍 벨트의 장력이 과대하게 되어, 상기 벨트의 내용수명의 저하를 초래하는 문제점이 있었다.
또한, 이와 같이 캠축의 토오크 변동이 증대된 경우, 상기 타이밍 벨트의 장력 변동이 커지고, 벨트가 그 장력 변동을 기진력으로 하여 공진하는 현상이 발생하는 경우가 있다. 이러한 공진 현상이 발생되는 경우에는, 타이밍 벨트의 장력이 더욱 커져서, 벨트의 내용수명을 더욱 저하시키게 된다.
또한, 크랭크축의 회전력을 캠축에 전달하는 기구로서 타이밍 체인이라든지 기어등을 채용한 구성에 있어서도, 해당 체인의 장력 증대나 기어 치형부의 하중 증대가 또한 발생될 수 있다는 점에서, 상기 내용수명의 저하는 대강 공통적으로 발생하는 문제점이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서는, 예를 들면, 상기 밸브 스프링을 보다 작은 가압력을 갖는 것으로 변경하거나 또는 밸브 캠의 캠 형상을 변경함으로써, 밸브 개폐 구동으로 인한 토오크 변동을 감소시켜서, 타이밍 벨트에 장력 증대나 공진 현상을 억제시키는 것이 고려된다. 그러나, 이러한 구성의 변경은 내연기관의 기관 특성(예를 들면, 출력 특성)을 저하시키는 요인이 되므로 바람직하지 못하다.
본 발명의 목적은 내연기관의 흡기 밸브나 배기 밸브를 개폐 구동하는 캠축에 의해 연료 펌프가 구동되도록 된 내연기관의 밸브장치에서, 크랭크축의 회전력을 캠축에 전달하는 전달기구의 부하를 감소시키므로써, 전달기구의 내용수명의 저하를 방지시키는 것에 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 특허청구범위 제 1 항에 기재된 발명은 내연기관의 운전에 따라 회전하는 크랭크축과, 내연기관의 흡기 밸브 및 배기 밸브의 한쪽 이상을 개폐 구동하는 밸브 캠을 가진 캠축과, 크랭크축의 회전력을 캠축으로 전달하는 전달기구가 구비되며, 캠축에 형성된 펌프 캠에 의해 연료 펌프를 구동시켜서 해당 연료 펌프내에 형성된 가압실로부터 연료를 가압 압송시키는 내연기관의 밸브 장치에 있어서, 펌프 캠은 해당 펌프 캠이 형성된 캠축에 발생되는 토오크 변동을 억제하는 위상을 가지는 것을 그 취지로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 밸브 장치에서는, 전달기구에 의해 전달된 크랭크축의 회전력에 의해서 캠축이 회전함으로써, 해당 캠축에 형성된 밸브 캠이 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 개폐 구동시킨다. 또한, 캠축에는 펌프 캠이 형성되어 있고, 이 펌프 캠에 의해 연료 펌프가 구동되어 해당 펌프 내에 형성된 가압실로부터 연료가 가압 압송된다. 이와 같이, 연료를 가압하는 것에 의해, 캠축에는 그 가압력에 따른 회전 반력(이하,「펌프 구동 토오크」라고 한다)이 펌프 캠을 통해 작용된다. 또한, 연료의 압력은 일정하지 않게 변화하기 때문에, 상기 펌프 구동 토오크는 연료 가압력에 따라서 변동되게 된다.
또한, 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 개폐 구동할 때에 필요한 힘은 일정하지 않고, 캠축의 회전에 따라 변화한다. 따라서, 캠축을 회전 구동시키기 위한 구동 토오크(이하, 「밸브 구동 토오크」라고 한다)가 변동되게 된다. 밸브 장치에 있어서, 상기와 같은 밸브 구동 토오크의 변동이 발생하면, 전달기구에 의해 전달되는 회전력이 그 토오크 변동에 의해서 증대될 우려가 있다.
그래서, 상기 구성에 의하면, 캠축에 형성된 펌프 캠이, 해당 캠축에 발생되는 토오크 변동을 억제하는 위상을 가지므로, 펌프 구동 토오크의 변동은 상기 밸브 구동 토오크의 변동을 상쇄하도록 작용한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 특허청구범위 제 2 항에 기재된 발명은 제 1 항에 기재된 내연기관의 밸브 장치에 있어서, 캠축이 다수 설치되는 것과, 캠축의 하나 이상의 회전 위상을 변경시키는 위상 변경 기구와, 위상 변경 기구에 의해 회전 위상이 변경되는 캠축에 펌프 캠이 형성되도록 또한 구비된 것을 그 취지로 한다.
상기 구성에서는 위상 변경 기구에 의해서 캠축의 회전 위상이 변경된다. 여기에서, 위상 변경 기구에 의해 위상이 변경되지 않은 캠축에 펌프 캠이 형성되어 있는 경우, 해당 축의 회전 위상이 변경되는 것에 의해, 각 캠축의 밸브 구동 토오크의 변동과, 상기 펌프 구동 토오크의 변동이 중첩되어 증폭되는 것이 우려된다.
따라서, 상기 구성에 의하면, 위상 변경 기구에 의해 회전 위상이 변경되는 캠축에 펌프 캠이 형성되기 때문에, 펌프 구동 토오크의 변동은 그 캠축의 토오크 변동에 동기하여 변화하게 된다. 따라서, 상술된 밸브 구동 토오크의 변동과 펌프 구동 토오크의 변동이 중첩되어 증대하는 것이 억제된다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 특허청구범위 제 3 항에 기재된 발명은 내연기관의 운전에 따라 회전하는 크랭크축과, 내연기관의 흡기 밸브 및 배기 밸브의 한쪽 이상을 개폐 구동하는 캠을 가진 캠축과, 크랭크축의 회전력을 캠축으로 전달하는 전달기구를 구비하여, 캠축에 형성된 펌프 캠에 의해 연료 펌프를 구동시켜서 해당 연료 펌프 내에 형성된 가압실에서 연료를 가압 압송시키는 내연기관의 밸브 장치에 있어서, 가압실로 통하는 연료가 넘쳐 흐르는 통로에 설치된 제어 밸브를 펌프 캠이 형성된 캠축에 발생하는 토오크 변동이 억제되도록 개폐 제어하는 제어수단을 또한 구비한 것을 그 취지로 하는 것이다.
상기 구성에서는 연료 펌프의 가압실로 통하는 연료가 넘쳐 흐르는 통로가 설치되어 있다. 그리고, 연료가 넘쳐 흐르는 통로에 설치된 제어 밸브가 제어수단에 의해 개폐 제어됨으로써, 연료 펌프에서 연료 가압이 개시되거나 정지된다. 여기에서, 상기 구성에 있어서는, 제어수단에 의해 펌프 캠이 형성된 캠축에 발생하는 토오크 변동이 억제되도록 제어 밸브를 개폐 제어하도록 한다. 이로 인해, 가압실에 발생하는 연료 가압력의 크기가 변경되어 펌프 구동 토오크를 변화시키므로써, 해당 펌프 구동 토오크에 의해 밸브 구동 토오크의 변동이 상쇄된다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 특허청구범위 제 4 항에 기재된 발명은 특허청구범위 제 1 항에 기재된 내연기관의 밸브 장치에 있어서, 캠축이 다수 설치되는 것과, 전달기구는 크랭크축 및 다수의 각 캠축에 걸리게 장착되어 크랭크축의 회전력을 다수의 각 캠축으로 전달하는 연동대인 것과, 펌프 캠은, 연동대의 진행 방향에 있어서 크랭크축에 대하여 가장 근접한 위치에 배치되는 캠축에 형성되도록 또한 구비된 것을 그 취지로 하는 것이다.
상기 구성에서는 크랭크축의 회전력은 연동대에 의해 다수의 각 캠축으로 전달된다. 그리고, 연료 펌프를 구동하기 위한 펌프 캠은 연동대의 진행 방향에 있으며 크랭크축에 대하여 가장 근접한 위치에 배치되는 캠축에 형성되는 동시에, 해당 캠축에 생기는 토오크 변동을 억제하는 위상을 가지고 있다.
일반적으로, 상술된 바와 같이 크랭크축 및 다수의 각 캠축에 걸리게 장착된 연동대(예를 들면, 벨트나 체인)에 있어서는 그 진행 방향에 있어서 구동축인 크랭크축에 대하여 보다 근접한 위치에 있는 부분일수록 장력이 커진다.
상기 구성에 의하면, 펌프 구동 토오크의 변동에 의해 캠축에 생기는 밸브 구동 토오크의 변동이 상쇄되므로, 연동대에서 해당 캠축의 양측에 위치하는 각 부분, 즉, 작용하는 장력이 상대적으로 큰 각 부분에서 발생되는 장력 변동이 완화된다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 특허청구범위 제 5 항에 기재된 발명은 특허청구범위 제 3 항에 기재된 내연기관의 밸브 장치에 있어서, 캠축이 다수 설치되는 것과, 전달기구는 크랭크축 및 다수의 각 캠축에 걸리게 장착되어 크랭크축의 회전력을 다수의 각 캠축으로 전달하는 연동대인 것과, 펌프 캠은, 연동대의 진행 방향에 있어서 크랭크축에 대하여 가장 근접한 위치에 배치되는 캠축에 형성되도록 구비된 것을 그 취지로 하는 것이다.
상기 구성에서는, 제어수단에 의해, 펌프 캠이 형성된 캠축에 생기는 토오크 변동을 억제하도록 제어 밸브가 개폐 제어되므로, 펌프 구동 토오크의 변동에 의해 토오크 변동이 상쇄된다. 따라서, 연동대에서 해당 캠축의 양측에 위치한, 작용하는 장력이 상대적으로 큰 각 부분에서 발생되는 장력 변동이 완화된다.
도 1은 제 1 실시형태에서 엔진등의 개략 구성을 나타내는 사시도.
도 2는 엔진에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 시스템을 나타내는 개략 구성.
도 3은 제 1 실시형태에서 밸브계 토오크 변동등의 변화를 크랭크각에 대응시켜서 나타낸 그래프.
도 4는 비교예에서 밸브계 토오크 변동등의 변화를 크랭크각에 대응시켜서 나타낸 그래프.
도 5는 제 2 실시형태에서의 엔진을 나타내는 측면도.
도 6은 펌프 캠의 캠 형태를 나타내는 단면도.
도 7은 밸브계의 주요부를 나타내는 평면도.
도 8a 내지 8c는 제 2 실시형태에서 밸브계 토오크 변동등의 변화를 크랭크각에 대응시켜서 나타낸 그래프.
도 9는 제 3 실시형태에 있어서 밸브계 주요부를 나타내는 평면도.
도 10은 「배출 밸브 제어루틴」을 나타내는 흐름도.
도 11a 내지 11c는 제 3 실시형태에 있어서 밸브계 토오크 변동등의 변화를 크랭크각에 대응시켜서 나타낸 그래프.
도 12는 제 4 실시형태에 있어서 엔진등의 개략 구성을 나타내는 사시도.
도 13a 내지 도 13c는 제 4 실시형태에 있어서 흡기 캠축의 토오크 변동등의 변화를 크랭크각에 대응시켜서 나타낸 그래프.
도 14a 및 도 14b는 배기 캠축의 토오크 변동등의 변화를 크랭크각에 대응시켜서 나타낸 그래프.
도 15a 내지 도 15c는 VVT 기구에 의하여 흡기 캠축의 회전 위상을 변화시킨 경우에 있어서 해당 흡기축의 토오크 변동 등의 변화를 나타낸 그래프.
도 16a 내지 도 16c는 비교예에 있어서, 흡기 캠축의 회전 위상을 변화시킨 경우에 있어서 해당 축의 토오크 변동 등의 변화를 나타낸 그래프.
도 17은 별도의 실시형태에 있어서 밸브계의 주요부를 나타내는 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 엔진 17 : 크랭크축
20 : 흡기 밸브 21 : 배기 밸브
26,27,68 내지 71 : 밸브 캠 24,62,63 : 흡기 캠축
25,66,67 : 배기 캠축 33 : 타이밍 벨트
40 : 연료분사펌프 41 : 펌프 캠
45 : 연료 가압실 56 : 연료 배출 통로
57 : 배출 밸브 80 : VVT 기구
이하, 본 발명을 직렬 4기통 엔진의 해당 밸브 장치로서 구체화한 제 1 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태의 해당 밸브 장치를 포함하는 엔진(11)의 관련 부분을 나타내는 사시도이다. 엔진(11)은 실린더 블록(12)과, 해당 블록(12)의 상측에 고정된 실린더 헤드(13)가 구비된다. 엔진(11)은 직렬로 배치된 다수의 실린더(14)가 구비되며, 해당 실린더(14)의 내부에는 피스톤(15)이 왕복 운동 가능하게 설치되어 있다. 본 실시형태에서는 4개의 실린더(14)를 구비한 직렬 4기통 엔진(11)을 상정하고 있지만, 도면에서는 편의상, 그 하나의 실린더(14)만을 도시하고 있다. 피스톤(15)은 커넥팅 로드(16)를 통해 크랭크축(17)에 연결되어 있다.
또한, 실린더(14)의 내주벽과 피스톤(15) 및 실린더 헤드(13)에 의해 둘러싸인 공간에 연소실(18)이 형성되어 있다. 실린더 헤드(13)에는 각 실린더(14)에 대응하여 점화 플러그(도시 생략)가 설치되어 있다. 각 점화 플러그는 배전기(도시 생략)에 접속되어 있고, 점화기(도시 생략)로부터 출력된 고전압이 배전기에 의해서 각 점화 플러그에 분배되도록 된다.
또한, 실린더 헤드(13)에는, 각 실린더(14)에 대응하는 한 쌍의 흡기 밸브(20) 및 배기 밸브(21)가 설치되어 있고, 이들 각 밸브(20,21)에 의해서 연소실(18)로 통하는 흡기 포트 및 배기 포트(모두 도시 생략)가 개폐되도록 된다. 또한, 실린더 헤드(13)에는 연료 분배관(후술되는 도 2에 도시됨)(22)이 설치되며, 이 연료 분배관(22)에는 각 실린더(14)에 대응하는 4개의 연료분사밸브(후술되는 도 2에 도시됨)(23)가 접속되어 있으며, 이들 각 연료분사밸브(23)에 의해 연료 분배관(22) 내의 연료가 각 연소실(18) 안으로 직접 분사 공급된다.
실린더 헤드(13)에는 평행하게 배치된 흡기 캠축(24) 및 배기 캠축(25)이 회전 가능하게 지지되어 있다. 이들 각 캠축(24,25)에는 그 축 방향으로 소정 간격을 두고 한 쌍의 밸브 캠(26,27)이 다수 형성되어 있다. 각 밸브 캠(26,27)에는 흡기 밸브(20) 및 배기 밸브(21)의 밸브 리프터(20a,21a)가 접촉되어 있다. 밸브 리프터(20a,21a) 내에는 밸브 스프링(도시 생략)이 설치되어 있고, 밸브 리프터(20a,21a)는 이 밸브 스프링에 의해 밸브 캠(26,27)측을 향하여 추가적인 힘을 받는다.
각 캠축(24,25)의 한쪽 끝에는 캠 풀리(30,31)가 설치되며, 크랭크축(17)의 한쪽 끝에는 크랭크 풀리(32)가 각각 일체로 회전 가능하게 설치되어 있다. 이들 캠 풀리(30,31) 및 크랭크 풀리(32)에는 타이밍 벨트(33)가 걸리게 장착되어 있다. 크랭크축(17)의 회전력은 타이밍 벨트(33), 크랭크 풀리(32) 및 캠 풀리(30,31)를 통해 각 캠축(24,25)으로 전달된다. 또한, 엔진(11)의 일련의 행정(흡입, 압축, 연소·폭발, 배기 행정)에 있어서, 크랭크축(17)은 2회전(720°CA)하고, 각 캠축(24,25)은 각각 1회전한다.
또한, 크랭크축(17) 부근에는 크랭크각 센서(35)가 설치되어 있다. 크랭크각 센서(35)는 크랭크축(17)에 고정된 자성체 회전자(36)와, 전자픽업(37)으로 구성되어 있다. 자성체 회전자(36)의 외주에는 등각도 기어 치형부가 형성되어 있고, 이 등각도 기어 치형부 전자픽업(37)의 전방을 통과할 때마다, 해당 전자픽업(37)에는 펄스상의 크랭크 각도 신호가 발생된다.
전자픽업(37)은 엔진(11)의 전자제어장치(이하,「ECU」라고 한다)(38)에 접속되어 있고, 크랭크 각도 신호를 ECU(38)에 출력시킨다. 상기 배전기에는, 크랭크축(17)의 기준 위치를 검출하는 기통 판별 센서(도시 생략)가 설치되어 있고, ECU(38)에는 이 기통 판별 센서로부터 기준 위치 신호가 입력된다. ECU(38)는 이 기준 위치 신호 발생 후에, 크랭크각 센서(35)로부터의 크랭크 각도 신호의 발생수를 계측함으로써, 크랭크축(17)의 회전 각도(크랭크각θ)를 검출한다.
ECU(38)는 쌍방향 버스에 의해 접속된, RAM (랜덤 액세스 메모리), 각종 제어 프로그램 등이 기억된 ROM (리드 온리 메모리), 각종 연산을 실행하는 CPU (중앙 처리 장치) 등(모두 도시 생략)으로 구성되어 있다.
실린더 헤드(13)에는 상기 연료 분배관(22)에 고압의 연료를 압송하기 위한 연료분사펌프(40)가 설치되어 있다. 배기 캠축(25)의 다른쪽 끝에는 타원 형상의 펌프 캠(41)이 형성되어 있고, 이 펌프 캠(41)에는 연료분사펌프(40)의 펌프 리프터(42)가 접촉되어 있다.
도 2는 연료분사밸브(23)로 연료를 공급하기 위한 연료 공급 시스템을 나타내는 개략 구성도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 연료분사펌프(40) 내에는 실린더(43)가 형성되어 있고, 이 실린더(43) 내에는 플런저(44)가 왕복 운동 가능하게 설치되어 있다. 상기 펌프 리프터(42)는 플런저(44)의 하단부에 고정됨과 동시에, 도시되지 않은 스프링에 의해 펌프 캠(41)측으로 추가적인 힘을 받는다.
또한, 실린더(14)의 내벽면과 플런저(44)의 상단면에 둘러싸인 공간에 연료 가압실(45)이 형성되어 있다. 실린더(14)에는 연료 가압실(45)로 개방되는 고압 연료 포트(46)가 형성되어 있고, 해당 포트(46)는 고압 연료 통로(47)를 통해 연료 분배관(22)에 접속되어 있다. 이 고압 연료 통로(47)의 중도에는, 연료 분배관(22) 안으로 연료 가압실(45)측을 향해 연료가 역류되는 것을 규제하는 체크 밸브(48)가 설치되어 있다.
또한, 실린더(14)에는 공급 포트(49) 및 배출 포트(50)가 연료 가압실(45)로 개방되도록 형성되어 있다. 공급 포트(49)는 연료 공급 통로(51)를 통해 연료 탱크(52)에 접속되어 있다. 이 연료공급 통로(51)의 중도에는, 연료 필터(53) 및 피드 펌프(54)가 설치되어 있다. 연료 탱크(52) 내에 저장된 연료는 피드 펌프(54)에 의하여 연료 필터(53)를 통해 흡인됨과 동시에, 연료 공급 통로(51)를 통해 연료 가압실(45) 내로 압송된다. 또한, 연료 공급 통로(51)에 있어서 피드 펌프(54)와 연료 가압실(45) 사이의 부분에는, 연료 가압실(45) 내의 연료가 피드 펌프(54)측으로 역류되는 것을 규제하는 체크 밸브(55)가 설치되어 있다.
배출 포트(50)는 연료 배출 통로(56)를 통해 연료 탱크(52)에 접속되어 있다. 이 연료 배출 통로(56)의 중도에는 배출 밸브(57)가 설치되어 있다. 이 배출 밸브(57)는 통전 신호에 의하여 개폐되는 상시 개방된 형태의 전자 밸브로서, ECU(38)에 의해서 통전 제어된다. 즉, ECU(38)로부터 배출 밸브(57)에 대하여 온(ON) 신호가 출력됨으로써 해당 밸브(57)는 폐쇄 상태가 되며, ECU(38)로부터 통전이 정지됨으로써 해당 밸브(57)는 개방 상태가 된다.
엔진(11)의 운전이 개시되면, 연소실(18) 내에는 흡기 밸브(20)의 개방에 따라서 흡기 포트를 통해 공기가 도입되는 동시에, 연료분사밸브(23)로부터 연료가 분사된다. 이 공기와 연료의 가연 혼합기가 점화 플러그에 의해 점화되어, 폭발 연소됨으로써 크랭크축(17)의 회전력, 즉, 엔진(11)의 구동력이 얻어진다. 연소 후의 배기는 배기 밸브(21)의 개방에 따라 배기 포트 등을 통해 외부로 배출된다.
또한, 타이밍 벨트(33)를 통해 전달된 크랭크축(17)의 회전력에 의해 각 캠축(24,25)이 회전됨으로써 밸브 캠(26,27)이 회전된다. 그리고, 이 밸브 캠(26,27)의 회전에 의해 각 밸브(20,21)가 개폐 구동된다.
또한, 배기 캠축(25)과 동시에 펌프 캠(41)이 회전함으로써, 해당 캠(41)은 펌프 리프터(42)를 통해 플런저(44)를 왕복 운동시킨다. 그리고 이 플런저(44)의 왕복 운동에 의해, 배출 밸브(57)의 개폐 상태에 따라서 연료 가압실(45)로부터 고압으로 가압된 연료가 연료 분배관(22)으로 압송된다.
즉, 플런저(44)가 아래로 동작하면, 연료 가압실(45) 안으로 피드 펌프(54)로부터 연료 공급 통로(51)를 통하여 연료가 공급된다. 그리고, 펌프 캠(41)의 회전에 따라 플런저(44)가 위로 동작하기 시작할 때, ECU(38)에 의해 배출 밸브(57)가 개방 상태로 제어되는 경우에는, 플런저(44)가 위로 동작함에 따라 연료 가압실(45) 내로 공급된 연료는 가압되지 않고, 연료 배출 통로(56)를 통하여 연료 탱크(52)로 되돌아간다.
이것에 대하여, 플런저(44)가 위로 동작하고 있을 때 ECU(38)에 의하여 배출 밸브(57)가 폐쇄 제어되면, 연료 가압실(45) 내의 연료는 플런저(44)에 의해 가압된다. 그리고, 연료 가압실(45) 내의 연료는 고압 연료 통로(47)를 통하여 연료 분배관(22)으로 압송된다.
ECU(38)는 배출 밸브(57)의 폐쇄 시기를 변경하여 연료 분배관(22)에 압송되는 연료의 양을 조절하여, 해당 연료 분배관(22) 내에서의 연료 압력, 즉, 연료분사밸브(23)의 연료 분사압을 소정의 압력으로 제어한다. 또한, 본 실시형태에서의 펌프 캠(41)은 상술된 바와 같이 타원 형상으로, 그 전 둘레에 걸쳐서 2개의 캠 돌출부가 구비된다. 따라서, 연료분사펌프(40)는 크랭크축(17)이 2회전할 때 2번까지 연료의 가압 압송을 실행할 수 있다.
본 실시형태는 배기 캠축(25)에 형성된 펌프 캠(41)의 위상을 타이밍 벨트(33)의 장력이 감소되는 점에서 적합하게 설정한 것을 그 특징으로 하고 있다. 이하, 이 펌프 캠(41)의 위상에 대하여 설명한다.
상술된 바와 같이, 각 캠축(24,25)에는, 각 밸브(20,21)를 개폐 구동시키므로써 구동 토오크의 변동(이하,「밸브 구동 토오크 변동」이라고 한다)이 발생한다. 또한, 배기 캠축(25)에는 연료분사펌프(40)를 구동시키면 발생하는 구동 토오크의 변동(이하, 「펌프 구동 토오크 변동」이라고 한다)이 또한 가해진다. 또한 이 연료분사펌프(40)의 구동 토오크는 배출 밸브(57)가 폐쇄 상태에서 연료의 가압이 행해지고 있을 때에만 발생하고, 또한, 그 크기는 펌프 리프터(42)의 리프트량에 따라서 변화된다.
도 3은 상기 밸브 구동 토오크 변동 및 펌프 구동 토오크 변동을 크랭크각θ에 대응시켜서 도시된 것이다. 상기 도면에 있어서, 파선은, 흡기 캠축(24) 및 배기 캠축(25)에 발생하는 밸브 구동 토오크 변동을 합성하여 나타내고(이하, 이 합성된 밸브 구동 토오크 변동을 「밸브계 토오크 변동」이라고 한다) 일점쇄선은 배기 캠축(25)에 발생하는 펌프 구동 토오크 변동을 나타낸다. 또한, 상기 도면에 있어서, 실선은 밸브계 토오크 변동 및 펌프 구동 토오크 변동의 합성치(이하,「합성 토오크 변동」이라고 한다)를 나타낸다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 밸브계 토오크 변동에 있어서는, 크랭크축(17)이 2회전할 동안에 동일한 파형이 2번 반복되는 것을 알 수 있다. 또한, 펌프 구동 토오크 변동에 있어서도, 펌프 캠(41)이 2개의 캠 돌출부를 가지고 있는 점에서, 크랭크축(17)이 2회전할 때까지의 동안에 동일한 파형이 2회 반복되는 것을 알 수 있다. 또한, 이 경우, 연료분사펌프(40)에 의한 연료의 가압 압송이 상시 실행되고 있는 것으로 한다.
여기에서, 밸브계 토오크 변동 및 펌프 구동 토오크 변동에 있어서, 각각의 최대값이 같은 크랭크각θ에서 발생한 경우를 상정한다. 도 4는 이러한 경우에 있어서의 밸브계 토오크 변동, 펌프 구동 토오크 변동 및 이들 각 토오크 변동의 합성 토오크 변동을 비교예로서 크랭크각θ에 대응시켜서, 각각 파선, 일점쇄선, 및 실선으로 나타내고 있다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 이 경우에는, 합성 토오크 변동의 최대값 및 변동폭이 매우 크게 되는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 합성 토오크 변동의 최대값이 증대한 경우, 타이밍 벨트(33)에서의 최대 장력이 증대하여 해당 벨트(33)의 내용수명이 저하되는 것이 염려된다.
또한, 합성 토오크 변동의 변동폭이 증대함에 의해, 타이밍 벨트(33)에서의 장력이 크게 변동하게 되면, 해당 벨트(33)에는 그 장력 변동을 기진력으로 한 공진 현상이 발생하게 된다. 그 결과, 타이밍 벨트(33)의 최대 장력이 증폭되어 더욱 커지며, 해당 벨트(33)의 내용수명을 더욱 저하시키게 된다.
그래서, 본 실시형태에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 펌프 구동 토오크 변동(일점쇄선)의 최대값이 밸브계 토오크 변동의 최소값과 겹치도록, 펌프 캠(41)의 위상, 바꾸어 말하면, 캠 돌출부의 위치를 결정하도록 하고 있으므로, 밸브계 토오크 변동이 펌프 구동 토오크 변동에 의해서 상쇄되게 된다. 따라서, 본 실시형태에서의 합성 토오크 변동은 비교예에 대하여, 그 최대값 및 변동폭이 모두 작게 되는 것을 알 수 있다(본 실시형태에 의하면, 비교예와 비교하여 약 20%의 최대 장력 감소가 이루어지는 것이 확인되어 있다). 그 결과, 본 실시형태에 의하면, 타이밍 벨트(33)의 최대 장력을 감소시킬 수 있으며, 해당 벨트(33)의 내용수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 타이밍 벨트(33)의 장력 변동을 감소시킬 수 있다는 점에서, 해당 벨트(33)에서의 공진 현상 발생을 억제하여 상기 현상으로 인한 장력 증대를 방지할 수 있다. 따라서, 이 점에 있어서도, 본 실시형태에 의하면, 타이밍 벨트(33)의 내용수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 밸브 스프링의 가압력이나, 밸브 캠(26,27)의 캠 형태를 변경할 필요가 없기 때문에, 엔진(11)의 출력 특성 등을 저하시키지 않고, 타이밍 벨트(33)의 내용수명을 향상시킬 수 있다.
다음에, 본 발명을 V형 6기통 엔진(11)의 밸브 장치로서 구체화한 제 2 실시형태에 대하여, 상기 제 1 실시형태와의 상이점을 중심으로 설명한다. 또한, 본 실시형태의 구성에 있어서 제 1 실시형태와 같은 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 5는 본 실시형태에서의 엔진(11)을 나타내는 측면도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 엔진(11)은 크랭크축(17)을 중심으로 약 90°의 개방된 각도를 갖고 좌우에 배치된 좌우 각 뱅크(60,61)로 구성되며, 각 뱅크(60,61) 내에는 각각 3개의 실린더(도시 생략)가 형성되어 있다.
도 7은 본 실시형태에서의 밸브 장치의 주요부를 나타내는 평면도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 각 뱅크(60,61)에는 흡기 캠축(62,63)이 각각 설치되며, 이들 각 축(62,63)은 각 뱅크(60,61)측의 실린더 헤드(13)에 의해서 회전 가능하게 지지되어 있다. 각 흡기 캠축(62,63)의 한쪽 끝에는 캠 풀리(64,65)가 일체로 회전 가능하게 고정되며, 이들 각 풀리(64,65)와 크랭크 풀리(32)에는 도 5, 도 7에 도시된 바와 같이 타이밍 벨트(33)가 걸리게 장착되어 있다.
또한, 각 뱅크(60,61)에는 각 흡기 캠축(62,63)과 평행하게 배치된 배기 캠축(66,67)이 실린더 헤드(13)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 이들 각 흡기 캠축(62,63) 및 배기 캠축(66,67)에는 그 축 방향으로 소정 간격을 두고 한 쌍의 밸브 캠(68 내지 71)이 3세트 형성되어 있다.
흡기 캠축(62,63)에는 각각 구동 기어(72,73)가 설치되어 있다. 또한, 배기 캠축(66,67)에는 시저즈 기어화된 종동 기어(74,75)가 설치되며, 구동 기어(72,73)에 맞물려 있다. 이들 구동 기어(72,73) 및 종동 기어(74,75)는 각 캠축(62,63,66,67)의 축선 방향에 대하여 기어 치형부가 경사진 기어 치형을 가지고 있다. 크랭크축(17)의 회전력은 크랭크 풀리(32), 타이밍 벨트(33) 및 캠 풀리(64,65)를 통하여 흡기 캠축(62,63)으로 전달되고, 또한, 구동 기어(72,73) 및 종동 기어(74,75)를 통해 배기 캠축(66,67)으로 전달된다.
실린더 헤드(13)에는 각 뱅크(60,61)에 대응하는 연료 분배관(도시 생략)이 각각 설치되며, 각 연료 분배관에는 연료분사밸브(도시 생략)가 접속되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 제 1 실시형태와 동일한 구성을 구비한 연료분사펌프(도시 생략)가 각 뱅크(60,61)에 대응하여 실린더 헤드(13)에 각각 설치되어 있다. 이 연료분사펌프 및 해당 펌프의 가압 압송량을 조절하기 위한 배출 밸브의 구성 등은 제 1 실시형태와 동일하다.
각 배기 캠축(66,67)에는 연료분사펌프를 구동하기 위한 펌프 캠(76,77)이 각각 형성되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 펌프 캠(76,77)에는 3개의 캠 돌출부가 배기 캠축(66,67)의 축심을 중심으로 하여 120°마다 형성되어 있다. 따라서 각 연료분사펌프는 크랭크축(17)이 2회전하는 동안에 3번까지 연료의 가압 압송을 실행할 수 있다.
도 8a는 우측 뱅크(61)에 있어서의 밸브계 토오크 변동(흡기 캠축(62,63) 및 배기 캠축(66,67)에 있어서의 밸브 구동 토오크 변동의 합성치), 펌프 구동 토오크 변동 및 이들 각 토오크 변동의 합성 토오크 변동을 크랭크각θ에 대응시켜서, 각각 파선, 일점쇄선, 및 실선으로 나타내고 있다. 또한, 도 8b는 좌측 뱅크(60)에 있어서의 밸브계 토오크 변동, 펌프 구동 토오크 변동 및 이들 각 토오크 변동의 합성 토오크 변동을 동일하게, 각각 파선, 일점쇄선 및 실선으로 나타내고 있다.
본 실시형태에서와 같이, 각 뱅크(60,61)의 흡기 캠축(62,63) 및 배기 캠축(66,67)에 3세트의 캠이 형성되어 있는 경우에는, 도 8a, 도 8b에 도시된 바와 같이, 크랭크축(17)이 2회전하는 동안에 밸브계 토오크 변동에 있어서는 동일한 파형이 3번 반복되는 것을 알 수 있다. 또한, 각 펌프 구동 토오크 변동에 있어서도, 펌프 캠(76,77)에 3개의 캠 돌출부가 구비된 사실로부터, 크랭크축(17)이 2회전하기는 동안에 동일한 파형이 3번 반복된다.
본 실시형태에서는, 도 8a, 도 8b에 도시된 바와 같이, 각 뱅크(60,61)에 있어서, 펌프 구동 토오크 변동(일점쇄선)이 커지는 부분이 밸브계 토오크 변동(파선)이 작게 되는 부분에 겹치도록, 펌프 캠(76,77)의 위상, 바꾸어 말하면, 캠 돌출부의 위치를 결정하도록 하고 있다. 따라서, 밸브계 토오크 변동이 펌프 구동 토오크 변동에 의해서 상쇄된다.
도 8c는 각 뱅크(60,61)에 있어서의 밸브계 토오크 변동의 합성치, 및 각 뱅크(60,61)에 있어서의 합성 토오크 변동을 또한 합성한 값을 각각 크랭크각θ에 대응시켜서, 파선 및 실선으로 나타내고 있다. 또한, 도 8c에 있어서, 2점쇄선은 각 뱅크(60,61)에 있어서 펌프 구동 토오크 변동이 커지는 부분이 밸브계 토오크 변동이 커지는 부분에 겹치도록, 펌프 캠(76,77)의 위상을 설정한 경우에 있어서의, 합성 토오크 변동의 합성치를 비교예로서 나타내고 있다.
상기 도 8c에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서는 비교예와 비교하여, 합성 토오크 변동의 합성치에 있어서의 최대값이 작고, 또한, 변동폭의 크기가 대폭 감소되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 제 1 실시형태와 같이, 타이밍 벨트(33)에 작용하는 최대 장력을 감소시킬 수 있는 동시에, 장력 변동의 변동 폭을 크게 감소시킬 수 있으므로, 해당 벨트(33)의 내용수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 각 흡기 캠축(62,63) 및 배기 캠축(66,67)은, 경사진 기어 치형부를 가진 구동 기어(72,73) 및 종동 기어(74,75)에 의해 구동 연결된다. 이 때문에, 각 캠축(62,63,66 및, 67)에 토오크 변동이 생긴 경우에는, 각 캠축(62,63, 66 및, 67)은 그 축선 방향으로 진동하게 된다. 이러한 진동이 각 캠축(62,63,66 및, 67)에 생기면, 각 캠축(62,63,66 및, 67)을 지지하는 베어링 부분의 마모량이 증대될 우려가 있다.
그래서, 본 실시형태에 의하면, 펌프 구동 토오크 변동에 의하여 밸브계 토오크 변동을 상쇄하고, 각 캠축(62,63,66 및, 67)에 발생하는 토오크 변동을 억제하도록 하고 있다. 이로 인해, 각 캠축(62,63,66 및, 67)의 축선 방향에 있어서의 진동을 억제할 수 있어, 베어링 부분의 마모량이 증대되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 각 캠축(62,63,66 및, 67)의 축 방향에 있어서의 진동을 억제함으로써, 구동 기어(72,73) 및 종동 기어(74,75)에 있어서 기어 치형부가 부딪치는 소리의 발생이나 기어 치형부의 하중 증가를 억제할 수 있게 된다.
다음에, 본 발명을 직렬 6기통 엔진(11)의 밸브 장치로서 구체화한 제 3 실시형태에 대하여, 상기 제 1 실시형태와의 상이점을 중심으로 설명한다. 또한, 본 실시형태의 구성에 있어서 제 1 실시형태와 같은 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 9는 본 실시형태에서의 밸브 장치의 주요부를 나타내는 평면도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 흡기 캠축(24) 및 배기 캠축(25)에는, 각각 한 쌍의 캠(26,27)이 6세트씩 형성되어 있다. 흡기 캠축(24) 및 배기 캠축(25)의 한쪽 끝에는 캠 풀리(30,31)가 각각 고정되어 있고, 이들 각 풀리(30,31)와 크랭크 풀리(32)에는 타이밍 벨트(33)가 걸리게 장착되어 있다. 배기 캠축(25)의 다른쪽 끝에는 제 1 실시형태와 동일하게 2개의 캠 돌출부를 가진 타원 형상의 펌프 캠(41)이 형성되어 있다. 이 펌프 캠(41)의 회전에 의해 연료분사펌프(40)(도 2에 도시됨)가 구동된다. 이 연료분사펌프(40) 및 해당 펌프(40)의 가압 압송량을 조절하기 위한 배출 밸브(57)(도 2에 도시됨)의 구성 등은 제 1 실시형태와 동일하다.
도 11a 내지 도 11c는 본 실시형태에서 밸브계 토오크 변동(흡기 캠축(24) 및 배기 캠축(25)에 있어서의 밸브 구동 토오크 변동의 합성치), 펌프 구동 토오크 변동, 및 ECU(38)로부터 배출 밸브(57)에 출력되는 통전 신호가 크랭크각θ에 대응되는 변화를 각각 나타내고 있다. 또한, 상기 도 11b의 크랭크각θ2 내지 θ3, θ6 내지 θ7의 범위에서, 실선은 후술되는 「배출 밸브 제어 루틴」이 실행된 경우의 펌프 구동 토오크 변동을 나타내고, 파선은 해당 루틴을 실행되지 않은 경우의 해당 토오크 변동을 나타내고 있다.
본 실시형태와 같이, 각 캠축(24,25)에 6세트의 밸브 캠(26,27)이 형성되어 있는 경우에는, 상기 도면에 도시된 바와 같이 밸브계 토오크 변동의 주파수가 높아지며, 크랭크축(17)이 2회전하는 동안에, 해당 토오크 변동은 동일한 파형이 6회 반복되게 된다. 이 경우, 펌프 구동 토오크 변동이 커지는 부분(파선)과 밸브계 토오크 변동이 커지는 부분이 겹치게 되며(예를 들면, 도 10의 크랭크각θ2 내지 θ3의 범위), 이들 합성 토오크 변동이 증대하는 것을 피할 수 없다.
그리하여, 본 실시형태에서는 배출 밸브(57)를 제어하여, 펌프 구동 토오크 변동의 크기를 제어함으로써, 펌프 구동 토오크 변동과 밸브계 토오크 변동과의 합성 토오크 변동이 증대되지 않도록 하고 있다. 이하, 이 배출 밸브(57)를 제어할 때 실행되는「배출 밸브 제어 루틴」의 처리에 대하여 도 10에 도시된 흐름도를 참조하여 설명한다. 또한, 도 11c에 도시된 바와 같이 배출 밸브(57)에는 크랭크각θ1,θ5에서 통전이 개시되어, 크랭크각θ4, θ8에서 통전이 정지되지만, 이들 통전 개시 타이밍 및 통전 정지 타이밍은, 연료 분배관(22)(도 2에 도시됨)의 연료 압력을 제어하기 위한 제어루틴에 의해서 별도로 결정된다.
상기 루틴은 소정의 크랭크각θ(10°CA)의 간섭 처리로서 ECU(38)에 의해서 실행된다.
단계 100에서, ECU(38)는 현재의 크랭크각θ에 대하여 이하에 나타내는 2개의 조건중 어느 하나가 만족되는지의 여부를 판정한다.
조건(1) : θ2≤θ≤θ3
조건(2) : θ2+360°≤θ≤θ3+360°
(θ6=θ2+360°, θ7=θ3+360°)
여기에서, θ2, θ3은 각각 제 1 판정 크랭크각θ 및 제 2 판정 크랭크각θ이다. 본 실시형태에서는 밸브계 토오크 변동이 커지는 크랭크각θ의 범위가 조기에 구해지며, 그 범위에서의 최소각 및 최대각이 각각 제 1 판정 크랭크각θ2, 제 2 판정 크랭크각θ3으로서 결정되어 ECU(38)의 ROM에 기억된다.
단계 100에서 긍정 판정이 된 경우, ECU(38)는 단계 110으로 이행한다. 단계 110에서, ECU(38)는 배출 밸브(57)의 통전을 강제적으로 정지시킨다. 따라서, 배출 밸브(57)는 개방 상태가 되고, 연료 가압실(45)(도 2에 도시됨) 내의 연료는 연료 배출 통로(56)(도 2에 도시됨)를 통하여 연료 탱크(52)(도 2에 도시됨) 내로 되돌아간다. 그 결과, 연료 가압실(45) 내에서의 연료의 가압은 일단 정지되기 때문에, 도 11b에 도시된 바와 같이, 펌프 구동 토오크 변동은 크랭크각θ2 내지 θ3, θ6 내지 θ7의 범위에서, 거의 「0」까지 감소된다.
단계 100에서 부정 판정된 경우, 및 단계 110의 처리를 실행한 후, ECU(38)는 상기 루틴의 처리를 일단 종료한다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 밸브계 토오크 변동은 커지는 크랭크각θ(θ2≤θ≤θ3, θ2+360°≤θ≤θ3+360°)의 범위에서는, 배출 밸브(57)에 대한 통전을 정지시켜, 연료의 가압을 강제적으로 정지시켜서 펌프 구동 토오크 변동을 감소시키도록 하고 있다. 따라서, 밸브계 토오크 변동과 펌프 구동 토오크 변동이 겹쳐 증대되는 것을 방지할 수 있어, 타이밍 벨트(33)의 최대 장력, 장력 변동 폭을 감소시킬 수 있어, 해당 벨트(33)의 내용수명을 향상시킬 수 있다.
다음에, 본 발명을 직렬 4기통 엔진(11)의 밸브 장치로 구체화한 제 4 실시형태에 대하여, 상기 제 1 실시형태와의 상이점을 중심으로 설명한다. 또한, 본 실시형태의 구성에 있어서 제 1 실시형태와 같은 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이며 설명을 생략한다.
도 12는 본 실시형태의 밸브 장치를 포함한 엔진(11)의 관련 부분을 나타낸 사시도이다. 본 실시형태에의 구성으로서는, 연료분사펌프(40)를 구동하기 위한 펌프 캠(41)이 흡기 캠축(24)에 형성되며, 흡기 캠축(24)에 동축(24)의 회전 위상을 변경시키는 밸브 타이밍 변경 기구(이하, 「VVT 기구」라고 한다)(80)가 설치되어 있는 점이 상기 제 1 실시형태의 구성과 다르다.
상기 VVT 기구(80)는 흡기 캠축(24)의 한쪽 끝에 설치된 캠 풀리(81)와, 해당 캠 풀리(81)와 흡기 캠축(24) 사이에 설치된 위상 변경 기어(도시 생략)를 구비하고 있다. 이 위상 변경 기어는 캠 풀리(81) 및 흡기 캠축(24)의 쌍방에 대하여 경사진 기어 치형부로 맞물려 있다. 그리고, VVT 기구(80)에 있어서는, 위상 변경 기어가 유압에 의해서 흡기 캠축(24)의 축선 방향으로 이동되므로써, 캠 풀리(81)에 대한 흡기 캠축(24)의 회전 위상이 변경된다. ECU(38)는 도시되지 않는 오일 제어 밸브를 제어하여, 위상 변경 캠에 작용되는 유압의 크기를 조절시켜서, 흡기 캠축(24)의 회전 위상, 바꾸어 말하면, 흡기 밸브(20)의 개폐 타이밍을 조절한다.
본 실시형태와 같이, 크랭크 풀리(32), 각 캠 풀리(81,31)에 타이밍 벨트(33)가 걸리게 장착되고, 크랭크축(17)의 회전력을 전달하도록 한 경우, 해당 타이밍 벨트(33)의 진행 방향에 있어서 구동축인 크랭크축(17)에 보다 근접한 위치에 있는 부분일수록 그 장력이 커진다. 즉, 타이밍 벨트(33)에 있어서, 크랭크 풀리(32)와 흡기 캠축(24)의 캠 풀리(81) 사이의 인장측 부분(33A)(이하,「제 1 인장측 부분」이라고 한다)이 가장 장력이 커지고, 이어서, 각 캠 풀리(81,31) 사이의 인장측 부분(33B)(이하,「제 2 인장측 부분」이라고 한다)의 장력이 커진다.
도 13a는 흡기 캠축(24)의 토오크 변동, 펌프 구동 토오크 변동 및 이들 각 토오크 변동의 합성 토오크 변동을 크랭크각θ에 대응시킨 것을, 각각 파선, 일점쇄선 및 실선으로 나타낸다. 또한, 도 13b는 연소실(18)에 있어서의 혼합기의 연소 폭발 등에 따라 발생하는 크랭크축(17)의 토오크 변동을 나타내고 있다. 또한, 도 13c에서는 상기 합성 토오크 변동과, 크랭크축(17)의 토오크 변동을 합성한 합성 토오크 변동을 실선으로 나타내고 있다. 여기에서, 타이밍 벨트(33)의 제 1 인장측 부분(33A)에서의 장력 변동은 이 합성 토오크 변동에 의해서 발생한다. 또한 상기 도 13c에서는 흡기 캠축(24)의 토오크 변동과 크랭크축(17)의 토오크 변동의 합성치를 파선으로 나타내고 있다.
도 14a는 배기 캠축(25)의 토오크 변동을 나타내며, 도 14b에서는 도 13a에 도시된 합성 토오크 변동과, 배기 캠축(25)의 토오크 변동을 합성한 합성 토오크 변동을 실선으로 나타낸다. 여기에서, 타이밍 벨트(33)의 제 2 인장측 부분(33B)의 장력 변동은 이 합성 토오크 변동에 의해서 발생한다. 또한, 도 14b에서는 흡기 캠축(24) 및 배기 캠축(25)의 토오크 변동을 합성한 합성 토오크 변동을 파선으로 나타낸다.
본 실시형태에서는 도 13a에 도시된 바와 같이, 펌프 구동 토오크 변동이 커지는 부분이 흡기 캠축(24)의 토오크 변동이 작게 되는 부분에 거의 겹치도록 펌프 캠(41)의 위상, 바꾸어 말하면, 캠 돌출부의 위치를 결정하도록 하고 있다. 따라서, 밸브계 토오크 변동이 펌프 구동 토오크 변동에 의해서 상쇄된다. 그 결과, 도 13c, 도 14b에 도시된 바와 같이, 흡기 캠축(24)의 토오크 변동에 펌프 구동 토오크 변동이 겹치게 되어 그 변동폭이 증폭되지 않기 때문에, 제 1 인장측 부분(33A) 및 제 2 인장측 부분(33B)에 작용하는 합성 토오크 변동의 변동 폭을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 의하면, 상대적으로 장력이 커지는 제 1 인장측 부분(33A) 및 제 2 인장측 부분(33B)에서의 장력 변동의 변동폭을 감소시킬 수 있으며, 해당 타이밍 벨트(33)의 내용수명이 저하되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 흡기 캠축(24)의 회전 위상이 VVT 기구(80)에 의해 변경된다. 이와 같이 흡기 캠축(24)의 회전 위상이 변경됨으로써, 밸브계 토오크 변동이 커지는 부분과 펌프 구동 토오크 변동이 커지는 부분이 중첩되어, 합성 토오크 변동이 커지는 것이 우려된다.
도 15a에서는 본 실시형태에서의 밸브계 토오크 변동, 펌프 구동 토오크 변동 및 이들 각 토오크 변동의 합성 토오크 변동을 크랭크각θ에 대응시켜서, 각각 파선, 일점쇄선 및 실선으로 나타내고 있다. 또, 도 15b, 도 15c에서는 VVT 기구(80)를 작동시킴으로써, 흡기 캠축(24)의 회전 위상을 10°, 20°각각 진행시킨 경우의 밸브계 토오크 변동, 펌프 구동 토오크 변동 및 이들 각 토오크 변동의 합성 토오크 변동을 나타내고 있다.
이것에 대하여, 도 16a에서는, 본 실시형태와는 달리, 회전 위상이 변경되지 않는 배기 캠축(25)에 펌프 캠(41)이 형성된 경우의, 밸브계 토오크 변동, 펌프 구동 토오크 변동 및 이들 각 토오크 변동의 합성 토오크 변동을 비교예로서, 각각 파선, 일점쇄선, 및 실선으로써 나타내고 있다. 또한, 도 16b, 도 16c에서는 VVT 기구(80)를 작동시킴으로써, 흡기 캠축(24)의 회전 위상을 10°, 20°각각 진행시킨 경우의, 밸브계 토오크 변동, 펌프 구동 토오크 변동, 및 이들 각 토오크 변동의 합성 토오크 변동을 나타내고 있다.
도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같이, 배기 캠축(25)에 펌프 캠(41)이 형성된 경우에는, 흡기 캠축(24)의 회전 위상이 변경됨에 따라, 밸브계 토오크 변동이 커지는 부분과 펌프 구동 토오크 변동이 커지는 부분이 서서히 겹치게 되는 결과, 합성 토오크 변동의 최대값(H2) 및 최대 변동폭(A2)이 증대되고 있음을 알 수 있다.
이것에 대하여, 도 15a 내지 도 15c에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 흡기 캠축(24)에 있어서의 회전 위상의 변경에 따라, 펌프 구동 토오크 변동의 위상도 변화한다. 따라서, 합성 토오크 변동의 최대값(H1) 및 최대 변동폭(Al)은 모두 도 16c에 도시된 비교예의 최대값(H2) 및 최대 변동폭(A2)보다 작게 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, VVT 기구(80)에 의해 회전 위상이 변경되는 흡기 캠축(24)에 펌프 캠(41)이 형성되기 때문에, 해당 캠축(24)의 회전 위상이 변경되어 밸브계 토오크 변동이 변화되는 경우에도, 그 밸브계 토오크 변동의 변화로 인하여 합성 토오크 변동이 증가되는 것을 억제할 수 있다.
이상 설명한 각 실시형태는 이하에 나타내는 다른 실시형태와 같이 그 구성을 변경할 수 있다. 이들 다른 실시형태에 있어서도 상기 각 실시형태와 거의 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.
(1) 상기 각 실시형태에서는 캠 풀리(30,31 및, 81)와 크랭크 풀리(32)가 타이밍 벨트(33)에 의해 구동 연결되도록 하였다. 이것에 대하여, 각 풀리(30,31,32 및, 81)를 스프로켓으로 변경함과 동시에, 타이밍 벨트(33)를 타이밍 체인으로 변경하고, 해당 체인에 의해 크랭크축(17)의 회전력을 각 캠축(24,25,62,63,66 및, 67)에 전달하도록 해도 된다. 혹은, 크랭크축(17)의 회전력을 기어에 의해서 각 캠축(24,25,62,63,66 및, 67)에 전달하도록 해도 된다. 이러한 구성에 의해서도, 타이밍 체인의 장력이 감소되거나, 혹은 기어 치형부의 하중이 감소되므로써, 이들 각 부재의 내용수명이 향상될 수 있다.
(2) 상기 각 실시형태에서는 직렬 4기통, V형 6기통, 직렬 6기통의 엔진(11)에 본 발명을 적용한 경우를 나타냈지만, 엔진(11)은 이러한 타입에 한정되지 않고, 예를 들면, 더 많은 기통을 구비한 엔진에 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.
(3) 상기 제 1 내지 3 실시형태에서는 흡기 캠축(24,62 및, 63) 및 배기 캠축(25,66 및 67))에 생기는 각 밸브 구동 토오크 변동을 합성하여, 그 합성한 밸브계 밸브 구동 토오크 변동이 펌프 구동 토오크 변동에 의해서 상쇄되도록, 펌프 캠(41,76, 및, 77))의 위상을 결정하도록 하고 있다. 이것에 대하여, 펌프 구동 토오크 변동에 의하여 흡기 캠축(24,62 및, 63)), 혹은 배기 캠축(25,66 및, 67))의 밸브 구동 토오크 변동이 상쇄되도록, 펌프 캠(41,76 및, 77))의 위상을 결정하도록 해도 된다.
(4) 제 3 실시형태에서는 배기 캠축(25)에 펌프 캠(41)이 형성되도록 하였다. 이것에 대하여, 흡기 캠축(24)에 펌프 캠(41)이 형성되는 동시에, 배출 밸브(57)를 제어함으로써 흡기 캠축(24)의 밸브 구동 토오크 변동을 감소시키도록 해도 된다. 이와 같이 구성하면, 제 4 실시형태와 같이, 타이밍 벨트(33)에 있어서 상대적으로 장력이 커지는, 제 1 인장측 부분(33A) 및 제 2 인장측 부분(33B)의 장력 변동을 감소시킬 수 있다.
(5) 제 4 실시형태에서는 VVT 기구(80)를 흡기 캠축(24)에 설치하여, 동축(24)의 회전 위상을 변화시켜서 흡기 밸브(20)의 개폐 타이밍을 변경하도록 하였다. 이것에 대하여, VVT 기구(80)를 배기 캠축(25)에 설치하여, 해당 축(25)의 회전 위상을 변화시켜서 배기 밸브(21)의 개폐 타이밍을 변경하도록 해도 된다. 또한, 흡기 캠축(24)에 설치된 VVT 기구에 의해, 배기 캠축(25)의 회전 위상을 변화시켜서 배기 밸브(21)의 개폐 타이밍을 변경하는 것도 가능하다. 이 경우에는 펌프 캠(41)을 배기 캠축(25)에 형성하도록 한다.
(6) 상기 제 1 실시형태에서는 각 캠축(24,25)의 각각의 캠 풀리(30,31)를 고정하여, 이들 각 캠 풀리(30,31)를 모두 크랭크 풀리(32)에 걸리게 장착시키는 구성으로 하였다. 이것에 대하여, 도 17에 도시된 구성을 채용하는 것도 가능하다. 즉, 흡기 캠축(24)의 한쪽 끝에 캠 풀리(30)를 고정하여, 해당 풀리(30)와 크랭크 풀리(32)를 타이밍 벨트(33)에 의해 구동 연결한다. 그리고, 흡기 캠축(24)에 구동 기어(90)를 설치한다. 그리고, 이 구동 기어(90)를 배기 캠축(25)에 설치된 종동 기어(91)에 맞물리게 한다. 또한, 흡기 캠축(24)의 다른쪽 끝에 펌프 캠(41)을 형성한다. 이 경우, 구동 기어(90) 및 종동 기어(91)의 덜거덕거림등을 고려하면, 펌프 구동 토오크에 의해 타이밍 벨트(33)의 장력 변동을 감소시키는 데에는, 펌프 캠(41)을 흡기 캠축(24)에 형성하는 것이 바람직하다.
(7) 제 4 실시형태에서는 위상 변경 기어의 이동에 의해 흡기 캠축(24)의 회전 위상을 캠 풀리(81)에 대하여 변경시키도록 한 VVT 기구(80)를 채용하도록 하였지만, 해당 VVT 기구(80)로서는, 흡기 캠축(24)(혹은, 배기 캠축(25))의 회전 위상을 변경시키는 것이라면, 예를 들면, 이하와 같은 이른바 베인식 VVT 기구를 채용하는 것도 가능하다. 즉, 흡기 캠축(24)에 다수의 베인이 형성된 베인체를 고정하는 동시에, 그 베인체의 양측에 캠 풀리에 의해서 2개의 압력실을 형성한다. 그리고, 이 압력실로 공급되는 유압에 의해서 베인체를 회전시키고, 흡기 캠축(24),(배기 캠축(25)) 회전 위상을 변경하도록 해도 된다.
특허청구범위 제 1 항에 기재된 발명에서는, 캠축에 형성된 펌프 캠(41)의 위상이 해당 캠축에 발생하는 토오크 변동을 억제하도록 한다. 따라서, 펌프 구동 토오크의 변동에 의해서 캠축의 밸브 구동 토오크의 변동이 상쇄되어 감소한다. 이로 인해, 밸브 구동 토오크의 변동이 전달기구의 전달력을 증대시키는 것이 작게 된다. 그 결과, 본 발명에 의하면, 전달기구에 과대한 부하가 작용되는 것이 억제되며, 그 내용수명의 저하를 방지할 수 있다.
특허청구범위 제 2 항에 기재된 발명에서는 특허청구의 범위 제 1 항에 기재된 발명의 구성에 있어서, 위상 변경 기구에 의해 회전 위상이 변경되는 캠축에 펌프 캠이 형성된다. 따라서, 위상 변경 기구에 의해 캠축의 회전 위상이 변경된 경우라도, 그 캠축의 토오크 변동과 펌프 구동 토오크 변동의 각 위상은 동기되어 변화된다. 그 결과, 본 발명에 의하면, 특허청구범위 제 1 항에 기재된 발명의 효과에 부가하여, 캠축의 회전 위상이 변경됨으로써, 펌프 구동 토오크의 변동에 의해서 밸브 구동 토오크의 변동이 증폭되는 것을 억제할 수 있다.
특허청구범위 제 3 항에 기재된 발명에서는 연료 펌프의 가압실로 통하는 연료가 넘쳐 흐르는 통로에 제어 밸브를 설치하여, 해당 제어 밸브를 펌프 캠이 형성된 캠축에 발생하는 토오크 변동을 억제하도록 개폐 제어하도록 하고 있다. 따라서, 밸브 구동 토오크의 변동이 상쇄되도록 펌프 구동 토오크를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따르면, 전달기구에 있어서 부하가 밸브 구동 토오크의 변동에 의해 증대되는 것이 억제되어, 동 기구의 내용수명이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
제 4 항 또는 제 5 항에 기재된 발명에서는, 특허청구범위 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 발명의 구성에 있어서, 연동대의 진행 방향에 있어서 크랭크축에 대하여 가장 근접한 위치에 배치된 캠축에 펌프 캠이 형성된다. 따라서, 펌프 구동 토오크의 변동에 의해서 캠축에 생기는 토오크 변동이 상쇄됨으로써, 연동대에서 장력이 상대적으로 커지는 부분에 발생하는 장력의 변동이 완화된다. 그 결과, 본 발명에 따르면, 특허청구범위 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 발명의 효과에 부가하여, 연동대에서 장력이 크고, 내용수명의 저하가 우려되는 부분에서의 장력 변동을 억제시킬 수 있기 때문에, 해당 연동대에서 내용수명의 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 내연기관의 운전에 따라 회전되는 크랭크축과, 상기 내연기관의 흡기 밸브 및 배기 밸브의 한쪽 이상을 개폐 구동하는 밸브 캠을 가진 캠축과, 상기 크랭크축의 회전력을 캠축으로 전달하는 전달기구가 구비되어, 상기 캠축에 형성된 펌프 캠에 의해 연료 펌프를 구동시켜서 해당 연료 펌프 내에 형성된 가압실로부터 연료를 가압 압송시키는 내연기관의 밸브장치에 있어서, 상기 펌프 캠은 해당 펌프 캠이 형성된 캠축에 발생되는 토오크 변동을 억제하는 위상을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 캠축이 다수 설치되며, 상기 캠축의 하나 이상의 회전 위상을 변경하는 위상 변경 기구와, 상기 펌프 캠은 상기 위상 변경 기구에 의해 회전 위상이 변경되는 캠축에 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브장치.
  3. 내연기관의 운전에 따라 회전되는 크랭크축과, 상기 내연기관의 흡기 밸브 및 배기 밸브의 한쪽 이상을 개폐 구동하는 캠을 가진 캠축과, 상기 크랭크축의 회전력을 캠축으로 전달하는 전달기구가 구비되어, 상기 캠축에 형성된 펌프 캠에 의해 연료 펌프를 구동시켜서 해당 연료 펌프 내에 형성된 가압실로부터 연료를 가압 압송시키는 내연기관의 밸브장치에 있어서, 상기 가압실로 통하는 연료가 흘러 넘치는 통로에 설치된 제어 밸브는 상기 펌프 캠이 형성된 캠축에 발생되는 토오크 변동이 억제되도록 개폐 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 캠축이 다수 설치되며, 상기 전달기구는 크랭크축 및 다수의 각 캠축에 걸리게 장착되어 크랭크축의 회전력을 다수의 각 캠축으로 전달하는 연동대이며, 상기 펌프 캠은 연동대의 진행 방향에 있어서 크랭크축에 대하여 가장 근접한 위치에 배치된 캠축에 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 캠축이 다수 설치되며, 상기 전달기구는 크랭크축 및 다수의 각 캠축에 걸리게 장착되어 크랭크축의 회전력을 다수의 각 캠축으로 전달하는 연동대이며, 상기 펌프 캠은, 연동대의 진행 방향에 있어서 크랭크축에 대하여 가장 근접한 위치에 배치된 캠축에 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브장치.
KR1019970069458A 1996-12-19 1997-12-17 내연기관의 밸브장치 KR100286514B1 (ko)

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