KR20000017311A - 다기통 내연 기관을 작동시키는 방법 및 다기통 내연 기관의밸브 구동 장치 - Google Patents

다기통 내연 기관을 작동시키는 방법 및 다기통 내연 기관의밸브 구동 장치 Download PDF

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하르트무트보스
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주르겐 헤르만
독토르 잉그.에이치.씨.에프. 포르세 악티엔게젤샤프트
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Abstract

엔진이 2개의 실린더 군으로 작동되는데, 이들 중 제1 실린더 군은 항상 동력을 제공받으며, 제2 실린더 군은 동력 공급 및 차단에 의해 작동될 수 있다. 제2 실린더 군은 해당 급기 변경 밸브의 밸브 리프트를 절환함으로써 동력 공급 및 차단된다. 항상 작동되는 실린더 군의 밸브 리프트는 또한 제2 실린더 군의 양 작동 상태에서 제1 실린더 군에 대해 소비가 최적화된 밸브 리프트가 설정될 수 있도록 독립 가변적이다.

Description

다기통 내연 기관을 작동시키는 방법 및 다기통 내연 기관의 밸브 구동 장치{METHOD FOR OPERATING A MULTICYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VALVE DRIVE OF A MULTICYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 제1항 내지 제3항의 전제부에 따른 다기통 내연 기관을 작동시키는 방법 및 청구항 제8항의 전제부에 따른 다기통 내연 기관의 밸브 구동 장치에 관한 것이다.
상기 전제부에 따른 다기통 내연 기관을 작동시키는 한 방법이 DE 196 04 737 A1호로부터 알려져 있다. 이 내연 기관은 2개의 실린더 군을 갖는데, 이들 중하나의 실린더 군은 항상 작동되고 제2 실린더 군은 이들을 동력 공급(cut-in) 및/또는 차단(cut-out)함으로써 작동될 수 있다. 이 엔진을 작동시키기 위해서, 제2 실린더 군은 저위의 전부하 범위에서 차단되고, 제1 실린더 군은 제로 부하와 전부하 사이에서 작동된다. 상위 전 범위에서, 제2 실린더 군은 동력 공급되고 제로 부하와 전부하 사이에서 작동된다. 제1 실린더 군은 상기 상위 부하 범위의 전부하로 항상 작동된다. 이러한 종류의 다기통 내연 기관을 작동시키는 방법은 2개의 실린더 군에 대해 완전 별개의 흡기 시스템과 흡기 시스템 제어 장치가 요구되는 단점을 갖는다. 따라서, 2개의 별도의 제어 장치와 조절 유닛 및 2개의 질량 유동율 계량기 및 이와 연결된 공기 유동 센서가 요구된다.
또한, DE 196 06 054 A1호로부터는 밸브 위상을 변경시키는 장치 및 절환 가능한 리프트 전달 부재로 작동되는 내연 기관의 밸브 구동 장치가 알려져 있다. 절환 가능한 리프트 전달 부재로 인해, 관련 급기 변경 밸브의 밸브 리프트는 설정되었던 밸브 개구 위상에 상관없이 긴 또는 짧은 리프트로 작동될 수 있다. 이러한 종류의 밸브 구동 장치에 의해, 엔진은 각각의 경우에 최적의 연료 소비와 배출값을 갖는 각종 운전 모드에서 rpm과 부하의 함수로서 작동될 수 있다.
한편, 본 발명의 목적은 특히 공전 부하 및 저 부하 시의 연료 소비의 부차적인 감소가 구조상 및 제어 공학상 저비용으로 달성될 수 있도록 상기 전제부에 따른 다기통 내연 기관을 작동시키는 방법 및 다기통 엔진의 밸브 구동 장치를 개선하는데 있다.
도1은 엔진의 개략 선도.
도2는 밸브 구동 장치의 개략 선도.
도3은 밸브 구동 장치의 각종 운전 모드를 rpm, 부하 및 유효 평균 압력의 함수로 작도한 밸브 구동 장치의 그래프.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
8 : 제1 실린더 군
9 : 제2 실린더 군
11, 12 : 캠샤프트
13 : 리프트 전달 부재
14, 15, 17 : 유압 밸브
22, 23 : 컵 부재 또는 리프팅 부재
24a, 24b 내지 26a, 26b : 캠
본 발명에 따르면, 상기 본적은 청구항 제1항 내지 제3항과 청구항 제8항의 특징부에 의해 달성된다. 항상 작동되는 제1 실린더 군과 제1 실린더 군과는 독립적으로 동력 공급 또는 차단되는 제2 실린더 군을 갖는 엔진에서 제1 실린더 군이 제2 실린더 군의 차단 부하 범위와 제2 실린더 군의 동력 공급 부하 범위에서 상이한 밸브 리프트 값으로 작동되면, 상기 부하 범위 각각의 저위 부분에서 보다 짧은 밸브 리프트를 갖는 작동에 의해 연료 소비의 상당한 감소가 달성된다. 이러한 종류의 작동은 각 경우의 저위 부하 범위에서의 보다 짧은 밸브 리프트로 인해 상당한 마찰 감소와 상당한 흡입 공정의 스로틀 제거를 가져오는 장점을 갖는다. 이와 동시에, 특히 제2 실린더 군이 차단되는 공전 범위에서, 엔진(10)의 높은 수준의 원활한 운전이 보장된다. 이러한 종류의 방법은 비교적 저비용만으로 전체 흡기 시스템에서 채택될 수 있는데, 이는 특히 흡기 시스템을 2개의 상이하게 작동되는 실린더 군으로 분할하는 것이 필요치 않기 때문이다.
상기 전제부에 따른 밸브 구동 장치에서 동력 공급 및 차단될 수 있는 실린더 군은 각 경우의 밸브 리프트가 상이하고, 실린더의 차단 상태에서 다른 실린더 군의 밸브 리프트를 중간 리프트와 긴 리프트 사이에서 절환함으로써 흡입 밸브의 밸브 리프트가 제로 또는 최소가 되도록 설계되는 경우에, 마찬가지로 상당한 연료 절약이 달성될 수 있다. 특히 저위의 전부하 범위에서, 제2 실린더 군을 차단시키고 짧은 밸브 리프트를 갖는 제1 실린더 군을 작동시킴으로써 상당한 마찰 개선이 달성된다.
실린더 군이 차단 또는 항상 동력 공급될 시에, 항상 작동되는 실린더 군에 있어서 짧은 밸브 리프트를 갖는 해당 부하 범위들 중 저위 범위에서, 엔진이 작동되면, 특히 마찰을 감소시킴으로서 상당한 연료 소비 이점이 실현될 수 있다. 각 경우의 저위 부하 범위에서 밸브 리프트를 감소시킴으로써 엔진의 흡기측에서 향상된 스로틀 제거도 가능하다.
제2 실린더 군이 차단 및/또는 항상 동력 공급될 시에, 제1 실린더 군이 긴 밸브 리프트를 갖는 상태로 엔진이 작동되면, 각 경우의 해당 부하 범위의 상위 수준에서 보다 큰 정도의 실린더 충전이 달성될 수 있으며, 이에 따라 제2 실린더 군이 동력 공급 또는 차단될 시에 동력 및 토크와 관련된 상당한 이점이 달성된다.
특히 항상 동력 공급되는 실린더 군의 각각의 부분 부하 범위에서, 이들 실린더 군의 각각의 실린더가 상이한 밸브 리프트를 갖는 2개의 흡입 밸브로 작동되면 향상된 실린더 충전이 달성될 수 있다. 이와 같이 실린더마다 밸브 리프트가 상이하기 때문에 소기의 와류가 발생될 수 있다. 특히 부분 부하 범위에서 유입 공기 혼합물 또는 흡입되는 공기의 소기의 와류로 인해 충전 거동 및 연소 공정이 향상될 수 있다.
이러한 종류의 밸브 구동 장치는 리프트 전달 부재가 2개의 동심 리프트 부재를 갖는 태핏으로 설계되는 경우에 특히 소형이 된다. 이러한 종류의 밸브 구동 장치는 종래의 밸브를 비교적 약간의 부가적인 비용을 들여서 태핏으로 교체할 수 있다.
본 발명에 관한 또 다른 이점 및 유리한 개선이 종속항 및 명세서에서 계속된다.
이하의 명세서 및 도면에서 본 발명의 일 실시예가 보다 상세히 설명될 것이다.
본 실시예로 제한되지는 않지만 도1에 개략적으로 도시된 엔진(7)은 실린더(1 내지 6)를 갖는 6기통 대향 피스톤 엔진에 관한 것이다. 실린더(1 내지 3)는 제1 실린더 뱅크(bank) 또는 실린더 군(8)을 형성하고, 실린더(4 내지 6)는 제2 실린더 뱅크 또는 실린더 군(9)을 형성한다. 도2에 보다 상세히 도시된 급기 변경 밸브(6)는 캠샤프트(11, 12)에 의해 가동된다. 급기 변경 밸브(10)는 rpm 및/또는 부하에 따라 각종 밸브 리프트(lift)로 작동된다. 이러한 목적으로, 각각의 리프트 전달 부재(13)는 유압 밸브(14, 15)의 제어 하에서 대응하는 절환 위치로 이동된다. 그러므로, 중앙 제어 장치(16)가 엔진을 전반적으로 제어할 뿐만 아니라 특히 유압 밸브(14, 15)를 제어한다.
도2에 개략적으로 도시된 밸브 구동 장치는 흡기 밸브의 역할을 하고, 컵형 태핏(tappet)으로 설계된 리프트 전달 부재(13)를 통해 캠샤프트(11, 12)에 의해 가동되는 급기 변경 밸브(10)의 일례를 도시하고 있다. 이 밸브 구동 장치는 본 명세서에 기재된 실시예에서 실린더의 흡기측을 대표한다. 밸브 구동 장치의 구조상 설계는 양쪽 실린더 군(8, 9)에 대해 본질적으로 동일하며, 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 작동 시점에 따라 좌우되는 리프트 높이만 상이하다. 제1 실린더 군(8)의 흡입 밸브(10)는 캠샤프트(11)에 의해 작동되며, 제2 실린더 군(9)의 흡입 밸브는 제2 캠샤프트(12)에 작동된다. 태핏(13)의 각각은 실린더 헤드(18)의 보어(17) 내에 장착되며, 압축 스프링(19)을 통해서 급기 변경 밸브(10) 상에 영구적으로 장착된 밸브 헤드(20)에 맞닿는다. 밸브 스프링(21)이 밸브 헤드(20)의 하부면에 맞닿으며, 상기 스프링은 대향한 실린더 헤드에 맞닿으며 급기 변경 밸브(10)를 폐쇄 위치로 이동시킨다.
컵형 태핏으로 설계된 리프트 전달 부재(13)는 캠샤프트(11, 12)의 각종 부분 캠(24a, 24b 내지 26a, 26b)과 상호 작동하는 2개의 동심 컵 부재(22, 23)를 구비한다. 2개의 외부 부분 캠(24a, 24b 및 26a, 26b)은 동일하게 설계된다. 다시 말해서, 이들 캠은 동일한 리프트 높이와 위상 위치를 갖는다. 이들 2개의 부분 캠은 2개의 컵 부재들 중 외부 컵 부재(22)와 상호 작동한다. 중간 부분 캠(25a, 25b)은 보다 짧은 리프트 높이를 가지며 내부 컵 부재(23)와 상호 작동한다. 2개의 컵 부재(22, 23)는 가로로 연장되는 보어(28) 내에 변위 가능하게 장착된 결합 부재(27)에 의해 결합 또는 분리될 수 있다. 이러한 목적으로, 결합 부재(27)는 유압 밸브(14, 15)를 통해 가압된다. 그러한 리프트 전달 부재는 예를 들어 DE 195 46 437 A1호에 기재되어 있다. 도2에 도시된 결합 부재(27)의 절환 위치에서 2개의 컵 부재(22, 23)는 중간 부분 캠(25a, 25b)의 리프트 운동이 내부 컵 부재(23)에 의해 급기 변경 밸브(10)로 전달되도록 서로에 대해 결합되지 않는다. 이러한 분리 절환 위치에서, 외부 컵 부재(22)는 그 리프팅 운동이 급기 변경 밸브에 전달되지 않고, 내부 컵 부재(23)와 독립적으로 부분 캠(24a, 24b 및 26a, 26b)에 의해 이동된다. 결합 부재(27)의 제2 절환 위치(도시하지 않음)에서, 2개의 컵 부재(22, 23)는 서로 결합된다. 급기 변경 밸브(10)는 2개의 외부 부분 캠(24a, 24b 및 26a, 26b)의 리프팅 패턴에 종동하며, 이에 대응해서 보다 큰 밸브 리프트로 가동된다.
부분 캠(24a, 24b 및 26a, 26b)은 이들이 보다 큰 밸브 리프트를 발생시키도록 2개의 실린더 군(8, 9)용으로 설계된다. 외부 부분 캠의 리프트 곡선이 양쪽 실린더 군에 대해 동일해지도록 하는 것이 쉽게 가능하다. 중간 부분 캠(25a, 25b)은 2개의 실린더 군(8, 9)에 대해 상이하게 설계된다.
항상 작동되는 제1 실린더 군(9)용의 중간 부분 캠(25a)들은 대응하는 외부 부분 캠(24a, 26a)보다 짧은 리프트를 갖도록 설계된다. 부가적으로, 이들 중앙 부분 캠들은 또한 각각의 경우에 작동 범위에 적합한 각종 위상 위치를 갖는다.
동력 공급 또는 차단될 수 있는 제2 실린더 군(9)의 경우에, 부분 캠(25b)은 급기 변경 밸브(10)로 전달되는 리프트 높이가 영이 되게 설계됨으로써, 급기 변경 밸브(10) 또는 흡입 밸브는 리프트 전달 부재(13)의 대응 절환 높이에서 개방되지 않게 된다. 그러나, 매우 짧은 밸브 리프트가 급기 변경 밸브(10)로 전달되도록 제2 실린더 군(9)용의 중간 부분 캠(25a, 25b)의 리프트 높이를 설계하는 것도 가능하다. 그러한 설계에 의해서, 연소실로부터 먼 쪽으로 향한 흡기 밸브측에 연료가 수집되고, 실린더가 재동력 공급되어 짧은 불규칙 연소를 야기시킨 후에 상기 연료가 연소실 내로 들어가는 상황을 회피할 수 있다.
이러한 종류의 내연 기관은 제어 유형에 따라서 전체 밸브 구동 장치의 4가지의 각종 작동 상태에서 작동될 수 있다:
작동 상태 A: 제2 실린더 군(9)이 차단되고(밸브 리프트는 영, 유효 부분 캠은 25b), 제1 밸브 군(8)이 짧은 밸브 리프트를 가짐(유효 부분 캠은 25a);
작동 상태 B: 제2 실린더 군(9)이 차단되고(밸브 리프트 영, 유효 부분 캠은 25b), 제1 밸브 군(8)이 긴 밸브 리프트를 가짐(유효 부분 캠은 25a, 26a);
작동 상태 C: 제2 실린더 군(9)이 동력 공급되고(긴 밸브 리프트, 유효 부분 캠은 24b, 26b), 제1 실린더 군(8)이 짧은 밸브 리프트를 가짐(유효 부분 캠은 25a);
작동 상태 D: 제2 실린더 군(9)이 동력 공급되고(긴 밸브 리프트, 유효 부분 캠은 24b, 26b), 제1 밸브 군(8)이 긴 밸브 리프트를 가짐(유효 부분 캠은 24a, 26a).
연료 분사면에서 특히 바람직하고 그러면서도 효율적인 엔진의 작동 유형은 엔진이 rpm 및 부하에 따라, 도3에 도시된 특성 지도를 기초로 해서 4개의 작동점 A 내지 D들 중 하나의 작동점에서 작동될 때 얻어진다. 그러한 내연 기관의 작동 중에 연료 소비를 크게 감소시킬 가능성은 최적화된 연소, 급기 변경 손실의 감소 및 마찰의 감소에 의해 부분 부하 소비 및 공전 시의 소비를 최적화해서 부분 부하를 최적화함으로써 얻어지는 것으로 판명되었다. 부분 부하 범위에서의 명백한 소비 이점은 밸브 개방력의 감소와 이에 따른 밸브 마찰의 감소에 의해 밸브 리프트를 감소시킴으로써 달성된다. 기계적 손실 중 50％까지는 저 엔진 rpm에서 밸브 구동 장치의 구동 손실에 의해 야기되기 때문에, 연료 소비는 특히 부분 부하 및 공전 범위에서 명백히 감소될 수 있다.
저 rpm 및 부하를 갖는, 공전 시의 작동 중과 공전 운전 근방에서의 작동 중에, 엔진은 제2 실린더 군이 차단되고 제1 실린더 군의 밸브 리프트 값이 제한된 상태로 작동된다(작동 상태 A). 실제로 가장 자주 사용되며 약간의 부하 내지 중간 부하를 요구하는 특성 지도의 중간 영역(부분 부하 범위)에서, 엔진은 특히 2개의 상이한 부분 부하 모드를 갖는 상기 범위의 저위 부분에서의 소비를 감소시키도록 작동될 수 있다. 저 부하 및 저 rpm에서, 엔진은 제2 실린더 군이 차단되고 제1 실린더 군의 밸브 리프트가 짧은 상태로 작동된다. 보다 높은 부하 요구 및/또는 rpm 값을 갖는 고위 부분 부하 범위에서, 엔진은 제2 실린더 군이 동력 공급되고 제1 실린더 군의 밸브 리프트의 값이 제한된 상태로 작동된다(작동 상태 C). 엔진의 전부하 범위에서, 양 실린더 군은 밸브 리프트가 긴 상태로 작동된다(작동 상태 D).
이러한 종류의 작동 방법은 적어도 2개의 실린더를 갖고 이들 실린더 중 적어도 한 실린더는 항상 작동되고 다른 실린더는 동력 공급 또는 차단에 의해 작동될 수 있는 다수의 엔진 디자인에 적합하다.
이러한 작동 방법은 본 명세서에서 예로서 제시된 리프트 전달 부재와는 다르게 작동하는 리프트 전달 부재와 상호 작동하는 밸브 구동 장치에도 적합하다. 절환 가능한 태핏 대신에 적절하게 설계된 캠 종동체 또는 로커-아암 밸브 구동 장치를 사용하는 것도 쉽게 가능하다.
상술한 본원 발명의 구성에 따르면 특히 공전 부하 및 저 부하 시의 연료 소비의 부차적인 감소가 저비용으로 달성될 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 항상 작동되는 제1 실린더 군과 독립적으로 동력 공급 및 차단될 수 있는 제2 실린더 군을 갖는 다기통 내연 기관을 작동시키는 방법에 있어서,
    하위 부하 범위에서 제1 실린더 군(9)은 차단되고, 제2 실린더 군(8)은 부하 및/또는 rpm의 함수로서 변경될 수 있는 밸브 리프트로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 항상 작동되는 제1 실린더 군과 독립적으로 동력 공급 및 차단될 수 있는 제2 실린더 군을 갖는 다기통 내연 기관을 작동시키는 방법에 있어서,
    상위 부하 범위에서, 제2 실린더 군(9)은 동력 공급되고, 제1 실린더 군(8)은 부하 및/또는 rpm의 함수로서 변경될 수 있는 밸브 리프트로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 항상 작동되는 제1 실린더 군과 독립적으로 동력 공급 및 차단될 수 있는 제2 실린더 군을 갖는 다기통 내연 기관을 작동시키는 방법에 있어서,
    제2 실린더 군(9)은 하위 부하 범위에서 차단되고 상위 부하 범위에서 동력 공급되며, 제1 실린더 군(8)은 양쪽 부하 범위에서 부하 및/또는 rpm의 함수로서 변경될 수 있는 밸브 리프트로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 공전 운전 시에 제2 실린더 군(9)은 차단되고 제1 실린더 군(8)은 짧은 밸브 리프트로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 실린더 군(9)은 저위 부분 부하 범위에서 차단되고 제1 실린더 군(8)은 긴 밸브 리프트로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 실린더 군(9)은 상위 부분 부하 범위에서 작동되고 제1 실린더 군(8)은 짧은 밸브 리프트로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 실린더 군(9)은 전부하 범위에서 동력 공급되고 제1 실린더 군(8)은 긴 밸브 리프트로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 실린더당 적어도 하나의 흡기 밸브(10)와, 흡입 밸브를 작동시키는 캠샤프트(11, 12)와, 캠샤프트의 캠(24a, 24b 내지 26a 내지 26b)과 흡입 밸브 사이에 위치되는 리프트 전달 부재(13)와, 흡입 밸브의 밸브 리프트를 가변시키는 수단(14, 15, 27)과, 적어도 2개의 리프트 곡선을 갖는 캠과 상호 작동하는 실린더당 적어도 하나의 흡입 밸브를 구비하고, 상기 흡입 밸브 상의 리프트 전달 부재는 2개의 리프팅 부재(22, 23)를 구비하며, 리프팅 부재의 각각은 상이한 리프트 곡선의 캠과 상호 작동하는 다기통 엔진의 밸브 구동 장치에 있어서,
    적어도 하나의 실린더(4 내지 6)는 동력 공급 및 차단될 수 있으며, 이러한 목적으로 리프트 전달 부재의 해당 리프팅 곡선들 중 하나는 만약 있다고 하더라도 최소의 리프팅 운동만이 흡입 밸브(10)로 전달되도록 설계되고, 적어도 하나의 부가적인 실린더(1 내지 3)의 리프트 전달 부재의 관련 리프트 곡선(24a 내지 26a)은 리프트 곡선(25a)이 최소의 리프트 거리를 갖고 다른 리프트 곡선(24a, 26a)이 보다 긴 리프트 거리를 갖도록 설계되는 것을 특징으로 하는 밸브 구동 장치
  9. 제8항에 있어서, 적어도 2개의 흡입 밸브(10)가 실린더마다 제공되고, 각 흡입 밸브(10)는 적어도 2개의 상이한 리프트 곡선을 갖는 캠(24a, 24b 내지 26a, 26b)과 상호 작동하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동 장치.
  10. 제9항에 있어서, 캠은 긴 밸브 리프트를 위한 제1 리프트 곡선(24a, 24b, 26a, 26b)과 짧은 밸브 리프트를 위한 제2 리프트 곡선(25a, 25b)을 가지며, 한 실린더와 관련된 적어도 2개의 캠의 짧은 밸브 리프트를 위한 리프트 곡선은 상이한 것을 특징으로 하는 밸브 구동 장치.
  11. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 리프트 전달 부재(13)는 2개의 동심 리프팅 부재(22, 23)를 갖는 컵형 태핏을 갖는 것을 특징으로 하는 밸브 구동 장치.
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