KR20020097307A - 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치에 관한 것으로, 크랭크축에 연동되는 배기캠축의 단부에 로터(10)가 고정되고, 이 로터(10)는 체인을 매개로 흡기캠축을 연동시키는 하우징(20)에 내장되며, 상기 로터(10)에는 유압실린더(11)가 형성되고 이 유압실린더(11)에 피스톤(30)이 내장되며, 이 피스톤(30)은 상기 하우징(20)과 로드(31)를 매개로 연결된 구조로 이루어져 있다.

따라서, 상기 피스톤(30)에 취부된 시일(32)에 의해 형성된 진각 및 지각유압실(12,13)의 오일출입구(12a,13a)를 통하여 유압을 조절함으로써 피스톤(30)의 위치를 변경시킬 수 있게 되며, 피스톤(30)의 위치에 따라 로드(31)가 하우징(20)을 회전방향 또는 회전반대방향으로 회전시키게 됨으로써 로터(10)에 대한 하우징(20)의 위상을 가변시킬 수 있게 되고, 이에 따라 흡기캠축의 밸브타이밍을 조절할 수 있게 된다.

Description

자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치{variable valve timing apparatus for engine of vehicles}

본 발명은 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치에 관한 것으로, 특히 유압실과 시일의 수가 감소되고 구동유압이 적게 소모될 수 있도록 된 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 연소실내에서 혼합기와 연소가스의 교환작용--혼합기의 유입과 연소가스의 배출작용--이 완전하고도 신속하게 이루어져야 높은 출력을 낼 수 있다.

그러나, 흡입되는 혼합기 및 배출되는 연소가스는 각자의 운동관성을 가지고 있으므로 흡배기 밸브의 상대적 작동상태가 일정하게 고정되어 있는 상태에서는 혼합기와 연소가스의 흡입 및 배출작용이 최선으로 제어될 수 없다.

즉, 밸브양정이나 열림각이 캠의 형상 등에 따라 고정되어 있는 상태에서는 저·중속을 중시하는 경우에는 고속에서의 출력손실을 감수하고, 고속을 중시하는 경우에는 저속에서의 토크나 안정성을 희생할 수 밖에 없게 된다.

따라서 현재의 차량은 밸브 타이밍을 가변제어하여 넓은 회전영역에 걸쳐서최적의 흡배기상태를 유지함에 따라 전 영역에 걸쳐 엔진의 운전효율이 향상될 수 있도록 하고 있다.

상기와 같이 밸브타이밍을 가변제어하기 위한 밸브타이밍 가변장치에는 주로 헬리컬 스플라인 타입과 베인 타입의 장치가 사용되고 있는데, 헬리컬 스플라인 타입의 가변장치는 헬리컬 기어 사용으로 인해 원가가 비싸고 구동에 큰 유압이 소모된다는 단점이 있어서, 최근에는 베인타입의 가변장치 적용이 증가하고 있는 추세이다.

도 1은 상기 베인타입 밸브타이밍 가변장치의 정단면도와 측단면도를 도시한 것으로서, 이 가변장치는 캠축의 단부에 고정된 로터(100)와, 이 로터(100)를 내장하고 있는 하우징(200)으로 이루어지며, 상기 로터(100)에는 수개의 베인(110)이 형성되고, 하우징(200)에는 같은 수의 돌출부(210)가 형성되어 있어, 돌출부(210)들의 사이에 상기 베인(110)이 위치되는 상태로 조립된다.

이와 같이 베인(110)이 돌출부(210)들 사이에 위치되고, 베인(110)과 돌출부(210)의 단부에 시일(120,220)이 취부되어, 상기 베인(110)을 중심으로 양측에 진각유압실(310)과 지각유압실(320)이 형성된다.

따라서, 오일컨트롤밸브를 통해 상기 진각유압실(310)이나 지각유압실(320)로 오일을 공급하여 어느 한쪽의 유압실에 오일을 충진시킴으로써 로터(100)와 하우징(200)간에 위상차가 발생토록 하여 밸브타이밍을 가변적으로 조절할 수 있도록 되어 있다.

도시된 상태는 지각유압실(320)에 오일이 충진되어, 타이밍벨트와 동상회전되는 하우징(200)에 비해 로터(100)의 회전이 최대로 늦추어진 최지각상태를 나타낸다.

한편, 엔진의 시동시에는 유압실로 오일을 공급하는 유압라인에 오일이 채워지지 않은 상태이므로 오일공급을 통하여 로터(100)의 위상을 조절할 수 없다.

따라서, 도시된 바와 같이 돌출부(210)에 의해 베인(110)이 밀려지는 최지각상태로 로터(100)와 하우징(200)이 일체회전하게 되나, 이때 하우징(200)은 엔진의 회전수 변동에 따라 회전속도가 변화되고 로터(100)는 캠축의 회전관성에 의해 회전속도를 유지하려는 경향이 있으므로 베인(110)과 돌출부(210)의 사이에 충돌이 발생하여 덜컥거리는 소음이 발생하게 되며, 이는 밸브타이밍의 제어에도 악영향을 미치게 된다.

따라서, 유압실로 압력이 전달되지 않고 로터(100)가 최지각상태에 있는 엔진 시동시에 로터(100)와 하우징(200)을 상호 고정하여 회전시 양자간에 충돌이 발생하지 않도록 스토퍼핀(400)을 설치하고 있다.

상기 스토퍼핀(400)은 로터(100)에 설치되며, 스프링에 의하여 진행하여 하우징(200)에 형성된 동공(410)에 삽입됨으로써 시동초기에 로터(100)와 하우징(200)을 결합하고, 이후 유압라인에 오일이 충진되면 유압에 의하여 동공(410)으로부터 밀려 나와 로터(100)와 하우징(200)이 상대회전할 수 있도록 되어 있다.

한편, 상기와 같은 종래의 밸브타이밍 가변장치는 제품에 따라 다소 차이가있으나 보통 3∼4개의 베인이 형성된 로터를 사용하게 되는데, 따라서 하우징에 형성되는 유압실의 수가 많고, 이 유압실들의 기밀유지를 위한 시일의 수가 증가하는 단점이 있었으며, 시일의 수 증가로 인하여 로터와 하우징 간의 접촉면적이 증가하므로 필요 구동유압이 커진다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 유압실과 시일의 수가 줄어들고, 또한 필요 구동유압도 작아질 수 있으면서 시동초기에 로터와 하우징을 일체로 회전시킬 수 있도록 된 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 밸브타이밍 가변장치의 정단면도와 측단면도,

도 2는 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변장치의 정단면도,

도 3은 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변장치의 설치상태도,

도 4는 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변장치의 진각상태 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변장치의 지각상태 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변장치의 엔진시동시 평단면도,

도 7은 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변장치의 엔진시동후 소정시간이 경과하여 오일라인에 압력이 형성된 후의 평단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 로터,11 : 유압실린더,

12 : 진각유압실,13 : 지각유압실,

12a,13a : 오일출입구,12b,13b : 오일통로,

20 : 하우징,21 : 회동공간,

22 : 스프라켓,30 : 피스톤,

31 : 로드,32 : 시일,

33 : 수용홈,34 : 스토퍼핀,

35 : 스프링,40 : 배기캠축,

50 : 체인,60 : 흡기캠축,

70 : 스프라켓.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 캠축의 단부에 고정되고 내부에 유압실린더가 형성된 로터와, 이 로터가 내장되는 하우징과, 상기 로터의 유압실린더에 내장되고 로드를 매개로 상기 하우징과 연결되어 있는 피스톤을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 유압실린더의 양측에는 캠축을 통하여 오일컨트롤밸브와 연결되는 2개의 오일통로가 형성되며, 이중 한쪽의 오일통로는 유압이 생성되기전에 스프링에 탄지되는 스토퍼핀에 의하여 막혀져 있도록 된 구조로 이루어진다.

따라서, 유압실과 시일의 수가 대폭 감소되고, 마찰면적의 감소로 구동유압이 작아지며, 시동시 지각상태에서 로터와 하우징이 동시회전될 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변장치의 단면도로서, 본 발명은 원형의 상부가 일부절단된 활형의 로터(10)와, 이 로터(10)가 내장되고 회동가능하도록 회동공간(21)이 형성된 하우징(20)과, 상기 로터(10)의 내부에 형성된 유압실린더(11)에 내장되고 로드(31)를 매개로 상기 하우징(20)과 연결되는 피스톤(30)을 포함하여 이루어진다.

상기 로터(10)는 캠축의 단부에 보울트 등의 체결수단을 매개로 고정되고, 상기 하우징(20)의 외주면에는 로터(10)가 장착된 캠축의 대응캠축을 체인연동시키기 위한 스프라켓(22)이 형성된다.

상기 피스톤(30)의 양측부에는 각각 시일(32)이 취부되고, 이 시일(32)들에 의하여 유압실린더(11)의 양측에 밀폐된 압력실 즉, 진각유압실(12)과 지각유압실(13)이 형성되며, 이 진각유압실(12)과 지각유압실(13)에는 오일컨트롤밸브로부터 오일이 공급되는 오일출입구(12a,13a)가 형성된다.

한편, 종래 밸브타이밍 가변장치는 타이밍벨트에 하우징이 동상회전(하우징이 타이밍벨트에 직결될 수도 있고, 중간에 매개 축이나 기어 등이 있을 수 있으나 하우징의 회전은 크랭크축의 회전에 구속되어 위상변화될 수 없다.)되고, 내부에 위치한 로터의 회전상태를 가변시킴으로써 이 로터가 장착된 캠축의 밸브타이밍을 조절할 수 있도록 된 로터가변방식이지만, 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변장치는 반대로 로터의 회전이 크랭크축의 회전에 구속(크랭크축의 회전이 직접 전달되는 캠축에 로터가 장착되는 경우)되고, 하우징의 회전위상이 가변될 수 있게 되어, 이 하우징과 동상회전되는 캠축의 밸브타이밍을 조절할 수 있도록 된 하우징가변방식이다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 체인이나 타이밍벨트(도면에서 엔진의 우측단부에 설치되나 도시생략함)에 의해 크랭크축의 회전에 직접연동되는 배기캠축(40)의 단부에 상기 로터가 장착되고, 이 로터를 내장한 하우징(20)이 스프라켓(22)에 걸어진 체인(50)을 매개로 흡기캠축(60)의 스프라켓(70)을 구동하도록 되어 있다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 엔진제어유니트(ECU)에 의해 제어되는 오일컨트롤밸브(OCV)로부터 오일출입구(12a)를 통해 진각유압실(12)로 오일이 공급되면 피스톤(30)이 좌측으로 이동하면서 로드(31)를 회전방향으로 기울여줌으로써 이에 연결된 하우징(20)이 로터(10)의 회전방향과 동일한 방향으로 더욱 회전하게 되어 크랭크축과 동상회전되는 배기캠축(40)에 비하여 흡기캠축(60)이 일정량 빨리 회전됨으로써 진각작용이 이루어진다.

반면, 도 5에 도시된 바와 같이, 진각유압실(12)의 오일이 빠지고 13a번 오일출입구를 통하여 지각유압실(13)로 오일이 공급되면 피스톤(30)이 우측으로 이동하면서 로드(31)를 회전방향과 반대 방향으로 기울여줌으로써 하우징(20)이 로터(10)에 비해 일정량 늦은 시점에서 회전되므로 지각작용이 이루어지게 된다.

이와 같이 본 발명 밸브타이밍 가변장치는 크랭크축에 대하여 고정된 위상으로 회전되는 캠축에 로터(10)를 설치하고, 이 로터(10)내부에 하나의 유압실린더(11)를 형성하여, 이 유압실린더(11)의 피스톤(30) 왕복이동에 의하여 하우징(20)의 진각 및 지각회전이 가능토록 된 것으로서, 유압실의 수와 이 유압실을 진각 및 지각 유압실로 구획하기 위한 시일의 수가 줄어들고, 시일 수 감소로 인하여 마찰면적이 줄어들어 구동을 위한 필요유압이 작아지게 된다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤(30)의 우측부 후면(엔진 대향면)에는 수용홈(33)이 형성되고, 이 수용홈(33)에 스토퍼핀(34)이 수용되며, 이 스토퍼핀(34)은 스프링(35)에 의해 탄지된다.

따라서, 상기 스토퍼핀(34)이 스프링(35)에 의해 밀려져 진각유압실(12)의 오일출입구(12a)에 삽입됨으로써 피스톤(30)이 지각위치에 고정될 수 있게 되어 로터(10)와 하우징(20)이 도 5와 같은 상태로 상호 고정되므로 엔진 시동시 유압이 생성되기 전까지 로터(10)와 하우징(20)을 일체로 회전시킬 수 있게 되어 양자의 회전위상차 발생으로 인한 덜컥거림을 방지할 수 있게 된다.

이후, 소정의 시간이 경과하여 오일통로(12b)에 오일이 공급되어 유압이 발생되기 시작하고, 발생유압이 스프링(35) 반력보다 커지면 스토퍼핀(34)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 더 이상 오일출입구(12a)에 끼워져 있지 못하고 수용홈(33)의 내부로 밀려들어가게 되며, 이 상태에서 오일출입구(12a,13a)와 오일통로(12b,13b)를 통해 진각 및 지각유압실(12,13)의 유압이 자유로이 조절되면서 진각 및 지각작용이 일어나게 된다. 여기서 상기 오일통로(12b,13b)는 배기캠축(40)을 통하여 오일컨트롤밸브(OCV)에 연결된다.

그리고, 엔진이 정지하여 오일통로(12b,13b)를 통해 유압이 빠지면, 시동초기에 스토퍼핀(34)이 진각유압실(12)의 오일출입구(12a)에 다시 끼워져 로터(10)와 하우징(20)을 고정시킴으로써 오일라인에 정상적인 유압이 생성될 때까지 양자간에 발생하는 덜컥거림을 방지할 수 있도록 되어 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 유압실과 시일의 수가 줄게 되어 유압실의 기밀유지에 유리하고, 시일에 의한 마찰부분의 면적이 줄어듦으로써 소모 구동유압이 작아지게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 크랭크축에 연동되는 배기캠축(40)의 단부에 고정되고, 내부에 하나의 유압실린더(11)가 형성된 로터(10)와;

   내부에 형성된 회동공간(21)에 상기 로터(10)를 내장하고, 외주면에는 흡기캠축(60)의 스프라켓(70)을 체인연동시킬 수 있도록 스프라켓(22)이 형성된 하우징(20)과;

   상기 로터(10)의 유압실린더(11)에 내장되고, 로드(31)를 매개로 하우징(20)에 연결되어, 왕복이동함으로써 하우징(20)의 위상을 변동시키는 피스톤(30)을 포함하여 이루어진 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤(30)의 양측부에 각각 시일(32)이 구비되어 유압실린더(11)의 양측 공간에 밀폐된 진각유압실(12)과 지각유압실(13)이 형성되고, 이 진각유압실(12)과 지각유압실(13)에는 각각 오일출입구(12a,13a)가 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 오일출입구(12a,13a)는 배기캠축(40)에 형성된 오일통로(12b,13b)를 통하여 오일콘트롤밸브에 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 피스톤(30)의 진각유압실(12) 내측부 후면에 수용홈(33)이 형성되고, 이 수용홈(33)에 스프링(35)에 탄지되는 스토퍼핀(34)이 구비되며, 이 스토퍼핀(34)은 시동초기 상기 오일통로(12b,13b)에 유압이 형성되기 전 진각유압실(12)의 오일출입구(12a)에 삽입되어 있도록 된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변장치.