KR20030049220A

KR20030049220A - 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치

Info

Publication number: KR20030049220A
Application number: KR1020010079379A
Authority: KR
Inventors: 이태경
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-06-25

Abstract

본 발명은 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치에 관한 것으로, 엔진의 운전 조건에 따라 밸브 스프링의 강성을 가변화시킬 수 있게 함으로써, 저속의 운전 영역에서 불필요하게 소모되는 엔진의 구동 토오크 손실을 줄일 수 있도록 하여 연비의 향상을 도모할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 실린더 헤드(10)의 흡/배기 밸브(14)상에 설치되어 이의 개폐를 조절하는 흡/배기 밸브(14)와, 이 흡/배기 밸브(14)의 작동시 복원력을 부여하는 밸브 스프링(16), 이 밸브 스프링(16)의 상단을 고정지지하는 리테이너 조립체(18), 상기 흡/배기 밸브(14)의 상단부에 안착되는 태핏(20) 및, 이 태핏(20)의 상부에서 캠축(22)상에 장착되어 상기 흡/배기 밸브(14)의 개폐를 도모하는 캠(24)을 포함하는 엔진의 밸브 트레인 계통에 있어서, 상기 밸브 스프링(16)은 엔진의 운전 속도를 검출받는 제어유니트(28)에 의해 작동이 제어되는 액츄에이터(26)를 매개로 하여 이의 장착 길이를 가변화시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치{variation system of valve spring stiffness for automotive vehicles}

본 발명은 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진의 운전 속도에 따라 밸브 스프링의 강성을 가변화시켜 밸브 트레인 계통에서 유발되는 마찰에 의한 손실을 줄임으로써 연비의 향상을 도모할 수 있도록 하는 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 엔진은 실린더 헤드커버와 실린더 블럭이 형성하는 연소실내에 적정 비율의 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 분사시켜 연소시킴으로써 발생하는 운동 에너지를 차량의 구동에 이용하도록 하는 장치인 바, 이와 같은 엔진의 경우에 있어 연비는 엔진의 성능을 결정하는 데 중요한 인자로 작용하고 있어, 이에 따라 차량의 제조회사들은 엔진의 설계 및 제작에 있어 연비의 향상을 위해 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다.

한편, 엔진의 연비 향상을 위한 주된 방법으로는 연소실내에서 발생하는 연소를 효율적으로 하여 연료의 소비율을 저감시키는 방법과, 엔진의 구동에 있어 구동 마찰 손실을 줄임으로서 엔진의 연비를 향상시키는 방법이 있다.

그 중에서, 엔진의 마찰 손실을 결정하는 주요 인자로는 크랭크 트레인에 의한 마찰 손실과, 밸브 트레인에 의한 마찰 손실 및, 기타 부대 장비에 의한 구동 마찰 손실을 들 수 있는 바, 상기 밸브 트레인에서 발생하는 마찰 손실은 통상적으로 엔진이 낮은 운전 속도(대략 2000rpm)의 영역에서 가동될 경우에 전체 엔진의 마찰 손실에서 대략 1/3을 점유하고 있는 것으로 알려지고 있다.

따라서, 엔진의 밸브 트레인 계통에서의 구동 토오크를 줄여 마찰 손실을 줄인다면 엔진에 있어 연비의 향상을 도모할 수 있게 된다.

한편, 일반적인 엔진에 있어 흡/배기 밸브의 밸브 트레인 계통의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드(10)에 형성된 흡/배기 통로(12)상에 설치되어 이의 개폐를 조절하는 흡/배기 밸브(14)와, 이 흡/배기 밸브(14)의 밸브 스템(14a)의 외주에 끼워진 밸브 스프링(16), 이 밸브 스프링(16)의 상단을 고정지지하는 리테이너 조립체(18), 상기 밸브 스템(14a)의 상단부에 안착되는 태핏(20) 및, 이 태핏(20)의 상부에서 캠축(22)상에 장착된 캠(24) 등을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 밸브 스프링(16)의 하단부는 실린더 헤드(10)상에 안착된 장착부재(10a)상에 지지되고, 상단부는 상기 리테이너 조립체(18)에 의해 지지된다.

그리고, 상기 캠축(22)은 엔진의 크랭크 축(도시안됨)의 회전과 연동되어 회전되도록 크랭크 축과 타이밍 장치(타이밍 벨트 내지 타이밍 체인 또는 타이밍 기어)를 매개로 연결되어 있다.

따라서, 엔진의 작동시 크랭크 축이 회전되고, 이 크랭크 축과 타이밍 장치를 매개로 연결된 상기 캠축(22)이 회전되며, 이 캠축(22)상에 설치된 캠(24)이 회전하면서 이의 프로파일(profile;윤곽)에 따라 상기 태핏(20)이 주기적으로 가압되는 한편, 이 태핏(20)의 주기적인 가압에 따라 상기 흡/배기 밸브(14)의 밸브 스템(14a)은 밸브 스프링(16)을 주기적으로 가압하면서 하강과 상승을 반복하여 흡/배기 통로(12)를 개방 및 폐쇄시키게 된다.

한편, 엔진의 밸브 트레인 계통에서 상기 밸브 스프링(16)은 엔진의 최고 허용 운전 속도에 이르기까지 밸브계의 동적거동을 안정적으로 유지할 수 있어야 하는 바, 이를 위해 상기 밸브 스프링(16)은 이의 장착 하중과 강성이 각각 엔진의 최고 허용 운전 속도에 부합하도록 설계되어진다.

여기서, 상기 최고 허용 운전 속도는 가솔린 엔진의 경우에 7000rpm 정도이고 디젤 엔진의 경우에는 5200rpm의 범위이나, 통상적인 주행 조건에서 엔진의 운전 속도는 엔진의 최고 허용 운전 속도에 크게 미치지 못하고, 가솔린 엔진의 경우에는 대략 2000에서 3000rpm의 범위이고 디젤 엔진의 경우에는 대략 1000에서 2000rpm의 범위이다.

그런데, 엔진의 운전 속도가 상승할수록 밸브 트레인 계통에서 관성 질량에 의한 관성력의 크기는 밸브의 가속도의 제곱과 밸브의 관성 질량의 곱에 비례하게 되는 데, 상기 밸브 스프링(16)의 강성은 엔진의 최고 허용 운전 속도에서 밸브계의 관성력의 크기를 이길 수 있을 정도의 크기로 설계가 이루어지기 때문에, 일반적인 주행 조건하에서 상기 밸브 스프링(16)의 강성은 엔진의 최고 허용 운전 속도에서 요구하는 밸브 스프링(16)의 강성 보다 작아도 충분하다.

즉, 상기 밸브 스프링(16)은 이의 강성을 엔진의 통상적인 운전 속도를 감안하여 설계하여도 이의 거동은 안정적일 수 있음에도 불구하고, 엔진의 최고 허용 운전 속도를 감안한 강성을 갖도록 설계하는 것은, 엔진을 저속 운전 조건하에서 가동시킬 경우에 밸브 트레인 계통의 구동을 위한 토오크는 필요 이상으로 크게 요구되기 때문에, 연비의 측면에서 불리하게 작용하는 단점이 있는 것이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 엔진의 운전 조건에 따라 밸브 스프링의 강성을 가변화시킬 수 있게 함으로써, 저속의 운전 영역에서 불필요하게 소모되는 엔진의 구동 토오크 손실을 줄일 수 있도록 하여 연비의 향상을 도모할 수 있도록 하는 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실린더 헤드의 흡/배기 밸브상에 설치되어 이의 개폐를 조절하는 흡/배기 밸브와, 이 흡/배기 밸브의 작동시 복원력을 부여하는 밸브 스프링, 이 밸브 스프링의 상단을 고정지지하는 리테이너 조립체, 상기 흡/배기 밸브의 상단부에 안착되는 태핏 및, 이 태핏의 상부에서 캠축상에 장착되어 상기 흡/배기 밸브의 개폐를 도모하는 캠을 포함하는 엔진의 밸브 트레인 계통에 있어서, 상기 밸브 스프링은 엔진의 운전 속도를 검출받는 제어유니트에 의해 작동이 제어되는 액츄에이터를 매개로 하여 이의 장착 길이를 가변화시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 자동차 엔진의 밸브 트레인 계통을 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 밸브 스프링 강성 가변장치를 갖춘 자동차 엔진의 밸브 트레인 계통을 도시한 단면도.

도 3은 도 2에 도시된 밸브 스프링 강성 가변장치가 엔진의 고속 운전조건하에서 작동되는 상태를 도시한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-실린더 헤드12-흡/배기 통로

14-흡/배기 밸브16-밸브 스프링

18-리테이너 조립체20-태핏

22-캠축24-캠

26-액츄에이터26a-솔레노이드

26b-플런져28-제어유니트

30-속도 감지 센서32-스토퍼

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 밸브 스프링 강성 가변장치를 갖춘 자동차 엔진의 밸브 트레인 계통을 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 밸브 스프링 강성 가변장치가 엔진의 고속 운전조건하에서 작동되는 상태를 도시한 단면도인 바, 본 발명의 상세한 설명을 위해 종래 엔진의 밸브 트레인 계통을 도시한 도 1에서와 동일한 참조부위에는 동일한 참조부호를 병기하기로 한다.

본 발명은 엔진의 밸브 트레인 계통에 있어 밸브 스프링에 대한 강성을 엔진의 운전 속도에 따라 가변화시킬 수 있도록 한 것인 바, 엔진의 밸브 트레인 계통은 도 2에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드(10)에 형성된 흡/배기 통로(12)상에 설치되어 이의 개폐를 조절하는 흡/배기 밸브(14)와, 이 흡/배기 밸브(14)의 밸브 스템(14a)의 외주에 끼워진 밸브 스프링(16), 이 밸브 스프링(16)의 상단을 고정지지하는 리테이너 조립체(18), 상기 밸브 스템(14a)의 상단부에 안착되는 태핏(20) 및, 이 태핏(20)의 상부에서 캠축(22)상에 장착된 캠(24) 등으로 구성된다.

그리고, 상기 캠축(22)은 엔진의 크랭크 축(도시안됨)의 회전과 연동되어 회전되도록 크랭크 축과 타이밍 장치(타이밍 벨트 내지 타이밍 체인 또는 타이밍 기어)를 매개로 연결된다.

또한, 상기 밸브 스프링(16)의 하단부를 지지하는 장착부재(10a)는 상기 실린더 헤드(10)의 상부면에서 승/하강이 자유롭게 설치되고, 상기 흡/배기 밸브(14)의 밸브 스템(14a)은 상기 장착부재(10a)를 관통하여 설치되는 것으로, 이의 하부에는 상기 실린더 헤드(10)내로 삽입되어 장착부재(10a)의 위치를 안정되게 하는 지지부재(10b)가 일체로 형성되어 있다.

한편, 상기 장착부재(10a)의 저면부에는 액츄에이터(26)가 설치되어 있는바, 이 액츄에이터(26)는 상기 실린더 헤드(10)내에 수용된 것으로, 이의 구성은 솔레노이드(26a)와 플런져(26b)로 이루어진다.

그리고, 상기 액츄에이터(26)의 작동은 제어유니트(28)에 의해 제어되는 바, 이 제어유니트(28)는 크랭크 축의 회전 속도를 감지하는 속도 감지 센서(30)와 연결되어 있다.

또한, 상기 제어유니트(28)는 상기 속도 감지 센서(30)를 통해 검출하는 크랭크 축의 회전 속도, 즉 엔진의 운전 속도에 따라 상기 액츄에이터(26)의 솔레노이드(26a)에 제어 신호를 출력하게 되는 바, 예컨대 엔진의 운전 속도가 저속 영역인 경우에는 상기 액츄에이터(26)의 하강 상태를 도모하게 되고, 엔진의 운전 속도가 고속 영역인 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 액츄에이터(26)의 상승 상태를 도모하게 된다.

한편, 상기 실린더 헤드(10)의 측부에는 상기 장착부재(10a)의 상승을 제한하는 스토퍼(32)가 일체로 고정되도록 설치되어 있는 바, 이 스토퍼(32)는 상기 액츄에이터(26)의 구동에 따른 장착부재(10a)의 상승시 상승의 정도를 제한하는 위치에 구비된다.

이하, 본 발명에 따른 밸브 스프링 강성 가변장치의 작동을 상세히 설명한다.

먼저, 상기 제어유니트(28)는 속도 감지 센서(30)로부터 입력되는 크랭크 축의 회전 속도를 검출하고서 차속에 따른 밸브 스프링(16)의 필요 강성을 연산하고, 이 연산된 상기 밸브 스프링(16)의 필요 강성에 구현하기 위한 밸브 스프링(16)의장착 길이를 연산하며, 이 연산된 상기 밸브 스프링(16)의 장착 길이에 따라 상기 액츄에이터(26)의 플런져(26b)를 필요 높이 만큼 상승시키기 위한 작동 전압을 연산하여 이를 상기 액츄에이터(26)의 솔레노이드(26a)에 인가하게 된다.

이때, 상기 밸브 스프링(16)의 필요 강성은 다음과 같이 결정된다. 밸브 트레인 계통에서 작용하는 힘은 크게 밸브계의 관성 질량에 의한 관성력과, 흡/배기시 흡/배기 밸브(14)에 작용하는 실린더의 압력, 흡기 압력, 밸브계의 관성력, 흡/배기시 실린더내 압력과 흡기 압력을 이길 수 있는 스프링력으로 이루어진다.

그 중에서 상기 스프링력은 밸브계의 관성 질량에 의한 관성력과 밸브에 작용하는 흡기압력에 의한 힘의 합에 동적 거동 특성에 따른 안전 계수를 곱한 값으로 결정된다.

그런데, 밸브계의 관성 질량에 의한 관성력은 밸브의 가속도 제곱에 비례하고, 밸브의 가속도는 엔진의 회전 속도의 제곱에 비례하게 되므로, 엔진의 운전 속도에 따라 요구되는 밸브 스프링(16)의 최대 하중은 엔진의 운전 속도의 제곱에 비례하는 경향을 가지게 된다.

즉, 저속 운전 조건에서 요구되는 스프링력은 고속 운전 조건에서 요구되는 스프링력 보다 휠씬 작고, 저속에서 엔진이 작동할 때 밸브 스프링(16)은 필요 이상의 과도한 강성을 가지고 있다. 따라서 저속 운전 조건에서 밸브계의 구동력을 필요 이상으로 많이 요구된다.

따라서, 상기 밸브 스프링(16)의 강성을 낮추어 주는 것이 밸브계 구동력 측면에서 유리하지만 밸브 스프링(16)의 강성을 너무 낮추게 되면 고속에서 밸브의점프(jump) 및 바운스(bounce)가 발생하게 되므로, 고속에서는 밸브 스프링(16)의 강성을 충분히 크게 하여 밸브의 점프 및 바운스가 발생하지 않도록 하여야 한다.

이를 위해 저속에서는 밸브 스프링(16)의 강성을 작게 하여 밸브계 구동력을 줄이고, 고속에서는 밸브 스프링(16)의 강성을 크게 하여 밸브의 점프 및 바운스를 방지한다. 이는 저속에서는 밸브 스프링(16)의 장착 길이를 크게 하여 밸브 스프링(16)의 강성을 작게 하여 연비의 향상을 구현하고, 고속에서는 밸브 스프링(16)의 장착 길이를 작게 하여 밸브 스프링(16)의 강성을 크게 하여 밸브의 점프 및 바운스를 방지하는 것이다.

즉, 엔진의 운전 속도가 낮은 저속 운전 조건에서는, 상기 제어유니트(28)가 적절한 전압을 액츄에이터(26)의 솔레노이드(26a)에 인가하여 이 액츄에이터(26)의 플런져(26b)가 상기 장착부재(10a)의 위치를 도 2에 도시된 바와 같이 하강시켜 상기 밸브 스프링(16)의 장착 길이를 증가시킴으로써, 상기 밸브 스프링(16)의 강성은 낮아지게 되고, 이로 인해 밸브계를 구동시키기 위한 엔진의 구동 토오크는 감소하게 되어 엔진의 마찰 손실이 감소하여 연비의 향상을 도모할 수 있게 된다.

그리고, 엔진의 운전 속도가 높은 고속 운전 조건에서는, 상기 제어유니트(28)가 적절한 전압을 액츄에이터(26)의 솔레노이드(26a)에 인가하여 이 액츄에이터(26)의 플런져(26b)가 상기 장착부재(10a)의 위치를 도 3에 도시된 바와 같이 상승시켜 상기 밸브 스프링(16)의 장착 길이를 감소시킴으로써, 상기 밸브 스프링(16)의 강성은 증가하게 되고, 이로 인해 밸브는 작동시 점프 및 바운스와 같은 이상 현상 없이 안정적인 동적 거동을 하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치에 의하면, 엔진의 운전 속도에 따라 밸브 트레인 계통의 밸브 스프링(16)의 장착 길이를 가변화시켜 이의 강성을 변경함으로써, 저속 운전 조건에서 밸브계의 작동을 위한 엔진의 불필요한 구동 토오크를 줄여 연비의 향상을 도모함과 더불어, 고속 운전 조건에서 밸브의 점프 및 바운스의 이상 거동을 배제할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims

실린더 헤드(10)의 흡/배기 밸브(14)상에 설치되어 이의 개폐를 조절하는 흡/배기 밸브(14)와, 이 흡/배기 밸브(14)의 작동시 복원력을 부여하는 밸브 스프링(16), 이 밸브 스프링(16)의 상단을 고정지지하는 리테이너 조립체(18), 상기 흡/배기 밸브(14)의 상단부에 안착되는 태핏(20) 및, 이 태핏(20)의 상부에서 캠축(22)상에 장착되어 상기 흡/배기 밸브(14)의 개폐를 도모하는 캠(24)을 포함하는 엔진의 밸브 트레인 계통에 있어서,

상기 밸브 스프링(16)은 엔진의 운전 속도에 따라 제어되는 액츄에이터(26)를 매개로 하여 이의 장착 길이를 가변화시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치.
제 1 항에 있어서,

상기 액츄에이터(26)는 밸브 스프링(16)의 하단을 지지하는 장착부재(10a)를 상하로 이동시키도록 된 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 액츄에이터(26)는 속도 감지 센서(30)를 매개로 엔진의 운전 속도를 검출받는 제어유니트(28)에 의해 작동이 제어되는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치.
제 1 항에 있어서,

상기 실린더 헤드(10)에는 장착부재(10a)의 상승 위치를 제한하는 스토퍼(32)가 구비된 것을 특징으로 하는 엔진의 밸브 스프링 강성 가변장치.