KR20030032668A - 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구에 관한 것으로, 선기어(1), 유성기어(2), 유성기어캐리어(4), 링기어(3)로 이루어지는 유성기어장치의 상기 선기어가 동력이 전달되는 풀리의 샤프트에 고정되고, 상기 유성기어캐리어(4)가 캠샤프트에 고정되는 한편, 회전축에 웜(5)이 장착된 모터(6)가 구비되고, 상기 웜(5)은 링기어(3)의 외주면에 형성된 웜기어(3a)에 치합되는 구조로 이루어진다.

따라서, 엔진제어유니트(10)로 하여금 상기 모터(6)를 작동시켜 링기어(3)를 정방향 또는 역방향으로 회전시켜 선기어(1)와 유성기어캐리어(4) 간의 위상변화를 일으킬 수 있게 됨으로써 밸브타이밍을 가변제어할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 구조가 단순하고, 유압을 이용하지 않게 됨으로써 비용이 절감되고, 정밀한 제어가 가능한 장점이 있다.

Description

자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구{variable valve timing apparatus of engine in vehicles}

본 발명은 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구에 관한 것으로, 특히 유성기어장치를 이용한 밸브타이밍 가변기구에 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 감수할 수 밖에 없고, 고속을 중시하는 경우에는 저속에서의 토크나 안정성을 희생할 수 밖에 없게 된다.

따라서 현재의 차량은 밸브타이밍을 가변제어하여 보다 넓은 영역에 걸쳐서 최적의 흡배기상태를 유지함에 따라 엔진의 전 운전영역에서 운전효율이 향상될 수 있도록 하고 있다.

상기와 같이 밸브타이밍을 가변제어하기 위한 종래의 밸브타이밍 가변기구에는 헬리컬기어를 유압에 의해 전후방향으로 이동시킴으로써 캠샤프트의 위상을 제어하는 헬리컬기어(helical gear) 타입 가변기구와, 캠 스프라켓에 연결되는 하우징과 로터의 베인 사이에 2개의 유압실을 형성시키고 오일 콘트롤밸브로 유압을 조절하여 캠샤프트의 위상을 제어하는 베인(vane) 타입 가변기구와, 크랭크샤프트와 배기측의 캠샤프트 및 이 배기측 캠샤프트와 흡기측의 캠샤프트를 각각 체인으로 연결하고 텐셔너를 이용하여 체인이 느슨해지는 위치를 선택함으로써 흡기측 캠샤프트의 위상을 가변시킬 수 있도록 된 체인 텐셔너(chain tension) 작동 타입 가변기구가 있는데, 이중 한 종류인 상기 베인 타입 가변기구를 일례로써 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 베인타입 가변기구는 캠축의 단부에 고정된 로터(100)와, 이 로터(100)를 내장하며 타측 캠스프라켓에 연결되어 구동되는 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, 오일컨트롤밸브(OCV)를 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.

한편, 상기 헬리컬타입 가변기구는 유압에 의하여 헬리컬기어를 전후방향으로 움직여야 하므로 고압의 유압이 필요하여 원가상승요인이 크고 또한 유압에 의한 제어가 이루어지기 때문에 밸브타이밍을 정밀하게 제어하기가 어려운 문제점이 있었다.

또한, 상기 베인타입 가변기구도 헬리컬타입에 비해 약간의 원가절감 효과는 있으나 역시 헬리컬타입과 마찬가지로 유압에 의해 제어되어 타이밍의 정밀제어가 어려유며 여전히 구조가 복잡하여 원가상승요인이 큰 문제점이 있었다.

그리고, 상기 체인 텐셔너 작동 타입 가변기구는 배기측의 타이밍은 고정된 상태에서 흡기 타이밍만을 변화시키는 것으로 충분한 효과를 얻기 어려우며, 체인의 늘어지는 정도를 이용하므로 정밀제어는 불가능하다는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 가변기구들의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 구조가 단순할 뿐만 아니라 유압을 이용하지 않음으로써 비용이 절감되고, 보다 정밀한 밸브타이밍 제어가 가능하도록 된 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 밸브타이밍 가변기구의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변기구의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 밸브타이밍 가변기구의 작동설명도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 선기어,2 : 유성기어,

3 : 링기어,3a : 웜기어,

4 : 유성기어캐리어,5 : 웜,

6 : 모터,7 : 풀리,

8 : 풀리샤프트,9 : 캠샤프트,

10 : 엔진제어유니트.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 선기어, 유성기어, 유성기어캐리어, 링기어로 이루어지는 유성기어장치를 이용한 것으로, 상기 선기어가 풀리샤프트에 고정되고, 유성기어캐리어가 캠샤프트에 고정되는 한편, 회전축에 웜이 장착된 모터가 구비되고, 이 모터의 웜은 상기 링기어의 외주면에 형성된 웜기어에 치합되는 구조로 이루어진다.

즉, 상기 링기어를 임의로 회전시켜 동력전달중 선기어와 유성기어캐리어 간의 위상변화를 일으킬 수 있게 됨으로써 밸브타이밍을 가변제어할 수 있도록 된 것이다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구의 구성도로서, 본 발명은 유성기어장치를 이용하며, 구동측(풀리)과 피동측(캠샤프트) 간의 위상제어를 전력을 이용하여 실시함에 그 특징이 있다.

상기 유성기어장치는 선기어(1)를 중심으로 3개의 유성기어(2)가 유성기어캐리어(4)로 지지되어 물려지고, 그 외주에 링기어(3)가 맞물린 구조로 이루어진다.

이와 같은 유성기어장치는 상기 선기어(1)가 풀리샤프트의 단부에 고정되고, 유성기어캐리어(4)는 캠샤프트의 단부에 고정되는 상태로 장착된다.

한편, 유성기어장치에서 상기 선기어(1)와 유성기어캐리어(4)의 회전비는 선기어(1)와 링기어(3)의 잇수에 따라 정해지는데, 본 발명에 적용되는 유성기어장치의 선기어(1)와 유성기어캐리어(4)의 회전비는 엔진에서 크랭크샤프트와 캠샤프트의 회전비와 같도록 2:1로 정해진다.

한편, 상기 링기어(3)의 측부에는 모터(6)가 고정설치되며, 이 모터(6)의 회전축에는 웜(5;worm)이 장착되고, 이 웜(5)은 상기 링기어(3)의 외주면에 형성된 웜기어(3a)에 치합된다.

그리고, 상기 모터(6)는 엔진제어유니트(10)에 연결되어, 밸브타이밍의 가변조절이 필요할 경우 엔진제어유니트(10)에 의해 작동되도록 되어 있다.

이하, 도 2와 도 3을 동시참조하면서 본 발명의 작동을 설명하기로 한다.

크랭크샤프트에서 발생된 회전력은 타이밍벨트(또는 체인)를 통하여 캠샤프트 구동 풀리(또는 스프라켓)(7)로 전달되며, 이 풀리(7)에 전달된 회전력은 상기 풀리샤프트(8)를 통해 선기어(1)로 전달된다.

선기어(1)가 회전되면 따라서 유성기어(2)들이 링기어(3)에 맞물려 회전하게 되는데, 이때 링기어(3)는 외주면에 형성된 웜기어(3a)에 작동되지 않는 상태에 있는 모터의 웜(5)이 맞물려 있어서 회전될 수 없는 상태이므로 상기 유성기어(2)는 링기어(3)의 내측면을 따라 회전하게 되고, 이로써 유성기어캐리어(4)는 상기 선기어(1)와 같은 방향으로 회전하게 되며, 유성기어캐리어(4)에 전달된 회전력은 캠샤프트(9)를 회전시켜 밸브를 구동시킨다.

이때 상기 선기어(1)와 유성기어캐리어(4)는 전술한 바와 같이 정확히 2:1의 회전속도비로 회전되며, 링기어(3)는 웜(5)에 의해 고정된 상태이므로 양자의 회전비는 변화(선기어와 유성기어캐리어 간의 회전위상변화)하지 않게 되고, 따라서 밸브타이밍의 변화가 없는 보통상태의 밸브구동이 이루어진다.

한편, 엔진회전속도를 고려하여 밸브타이밍을 조절할 필요가 있을때는(진각 또는 지각상태로의 조절) 상기 엔진제어유니트(10)가 맵핑(Mapping)된 데이터에 근거하여 모터(6)를 작동시켜, 링기어(3)를 순간적으로 소정각도 정회전 또는 역회전시킴으로써 선기어(1)와 유성기어캐리어(4)간에 회전위상차를 발생시키고, 이로인해 밸브타이밍이 조절된다.

즉, 상기 웜(5)이 정회전되었을 때 상기 링기어(3)가 순방향(캠샤프트의 회전방향)으로 더욱 회전되도록 웜(5)과 웜기어(3a)가 형성되었을 경우, 모터(6)를 정방향으로 작동시키면 링기어(3)가 순방향으로 회전되는만큼 유성기어캐리어(4)가 늦게 돌게 되므로 밸브타이밍이 느려지게 되고(지각조절), 반대로 모터(6)를 역방향으로 작동시키면 링기어(3)가 역방향으로 회전되는만큼 유성기어캐리어(4)가 빨리 돌게 되므로 밸브타이밍이 빨라지게 된다(진각조절).

상기와 같은 작동을 통해 선기어(1)와 유성기어캐리어(4) 간의 위상변화가목표수준에 도달하여 변화된 밸브타이밍을 그대로 유지하고자 할 때는, 엔진제어유니트(10)가 모터(6)의 작동을 중지시켜 웜(6)이 링기어(3)를 고정토록 함으로써 더 이상의 타이밍 변화를 방지하고, 이와같이 조절된 밸브타이밍은 이후 새로운 조절요인이 발생할 때까지 고정되어 변하지 않게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 밸브타이밍 가변기구의 구조가 단순해지고 가변기구 조작을 유압이 아닌 전력을 사용함으로써 유압라인을 구성할 필요가 없게 되므로 원가가 절감된다.

또한, 전력에 의해 발생되는 기구적 힘(웜과 링기어의 웜기어의 치합상태에 의해 전달되는 힘)을 이용함으로써 유압에 의한 제어를 수행할 때 보다 보다 정밀한 밸브타이밍 조절이 가능하다.

또한, 본 발명의 주 구성부인 유성기어장치는 그 작동성능과 내구성이 이미 자동변속기에서 입증된 장치이므로 작동성능에 대한 신뢰도가 매우 뛰어나며, 밸브를 구동시키는데 필요한 토크만 전달하면 되므로 매우 작은 크기로 제작할 수 있어 시스템의 경량화를 도모할 수 있게 된다.

또한, 가변기구 자체의 경량화 뿐만 아니라, 유압유압을 사용치 않게 됨으로써 유압라인을 구성하던 부품 및 장치들의 무게만큼 차체 중량이 감소하게 되므로 연비가 개선되는 효과도 있게 된다.

Claims (3)

1. 선기어(1)를 중심으로 3개의 유성기어(2)가 유성기어캐리어(4)로 지지되어 물려지고 그 외주에 링기어(3)가 맞물린 구조로 이루어진 유성기어장치의 상기 선기어(1)가 엔진회전력이 전달되는 풀리샤프트(8)의 단부에 고정되고, 상기 유성기어캐리어(4)는 캠샤프트(9)의 단부에 고정되는 한편, 회전축에 웜(5)이 장착된 모터(6)가 구비되고, 이 모터(6)의 웜(5)은 상기 유성기어장치의 링기어(3) 외주면에 형성된 웜기어(3a)에 치합되는 구조로 이루어진 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구.
2. 제 1항에 있어서, 상기 모터(6)는 밸브타이밍이 맵핑된 엔진제어유니트(10)에 의해 작동제어되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구.
3. 제 2항에 있어서, 상기 엔진제어유니트(10)는 밸브타이밍의 지각조절이 필요할 경우 모터(6)를 정방향으로 작동시켜 링기어(3)를 순방향으로 회전시키고, 진각조절이 필요할 경우에는 모터(6)를 역방향으로 작동시켜 링기어(3)를 역방향으로 회전키도록 된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 밸브타이밍 가변기구.