KR20080019433A - 차량용 가변밸브 리프트 장치 - Google Patents

차량용 가변밸브 리프트 장치 Download PDF

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KR20080019433A
KR20080019433A KR1020060081768A KR20060081768A KR20080019433A KR 20080019433 A KR20080019433 A KR 20080019433A KR 1020060081768 A KR1020060081768 A KR 1020060081768A KR 20060081768 A KR20060081768 A KR 20060081768A KR 20080019433 A KR20080019433 A KR 20080019433A
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권기영
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 차량용 가변밸브 리프트 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 롤러 스윙암 형식의 가변밸브 리프트 장치 대신에 직동식 밸브 트레인 형식을 채택하여, 단순한 구조 및 부품수 저감에 따른 제조원가를 절감할 수 있도록 한 차량용 가변밸브 리프트 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 중심축이 편심되게 설치된 구동캠과; 상기 구동캠과 일정한 간격으로 힌지핀에 의해 회전가능하게 설치되고, 일측에 곡면부가 형성된 롤러 가이드와; 상기 구동캠에 의해 상기 롤러 가이드의 곡면부를 따라 상하방향을 이동하고, 하단에 힌지축이 형성된 커넥팅 롤러와; 하방향으로 이동된 커넥팅 롤러가 원래 위치로 복귀하도록 일단부가 상기 커넥팅 롤러를 탄성지지하고 중심부가 고정핀에 의해 힌지결합된 리턴스프링과; 상기 커넥팅 롤러와 밸브 사이에 연결되어 밸브를 개폐시켜 주는 롤러 직동식 태핏; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 가변밸브 리프트 장치를 제공한다.
리프트, 타이밍, 밸브, 롤러 가이드, 커넥팅 롤러, 스프링, 태핏, 캠

Description

차량용 가변밸브 리프트 장치{Variable valve lift apparatus for vehicle}
도 1은 흡기밸브 및 배기밸브의 개폐타이밍을 나타내는 그래프이고,
도 2는 종래의 가변밸브 리프트 시스템을 나타내는 사시도이고,
도 3은 종래의 가변밸브 리프트 팔로우워를 나타내는 사시도이고,
도 4는 도 3의 "A-A"선을 따라 취한 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 가변밸브 리프트 장치의 일실시예를 나타내는 단면도이고,
도 6은 하이 리프트에서 본 발명에 따른 가변밸브 리프트 장치의 개폐상태를 나타내는 단면도이고,
도 7은 로우 리프트에서 본 발명에 따른 가변밸브 리프트 장치의 개폐상태를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
50 : 밸브 51 : 구동캠
51a : 중심축 52 : 롤러 가이드
52a : 힌지핀 52b : 곡면부
53 : 커넥팅 롤러 53a : 힌지축
53b : 회전체 53b' : 회전축
54 : 롤러 직동식 태핏 55 : 리턴스프링
55a : 고정핀 56 : 밸브스프링
본 발명은 차량용 가변밸브 리프트 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 롤러 스윙암 형식의 가변밸브 리프트 장치 대신에 직동식 밸브 트레인 형식을 채택하여, 단순한 구조 및 부품수 저감에 따른 제조원가를 절감할 수 있도록 한 차량용 가변밸브 리프트 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관의 회전수는 통상적으로 약 500RPM에서부터 6000RPM까지 변화하기 때문에 엔진에 흡입되는 공기 또는 혼합기의 흐름이 크게 변화하며, 흡기 밸브 및 배기 밸브의 개폐에 의하여 공기 또는 혼합기와 배기가스의 흐름량을 제어하는 왕복동 내연기관에 있어서는 고속시에 고출력을 얻기 위하여서는 흡기 밸브의 열려 있는 시간을 길게 하여 충전 효율을 증가시키는 것이 필요하지만, 흡기 밸브의 열려 있는 시간을 길게하면 배기 밸브와의 오버랩이 크게 되므로, 저속 운전시에는 엔진의 회전상태가 불량하게 되기 때문에, 도 1에 도시한 상기 오버랩을 일정한 범위내에 있게 하여야 한다.
따라서, 흡기 밸브와 배기 밸브의 개폐 타이밍을 엔진의 운전조건에 부합시 켜 출력 성능을 향상시키기 위하여 가변밸브리프트(Varible Valve Lift) 장치가 사용되고 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 스윙 암 타입(swing arm type)에서 기존에 밸브 한개에 캠 한개씩 접촉하여 구동하였으나, 가변밸브리프트 시스템에서는 밸브 한개에 3개의 캠이 적용된다.
또한, 캠샤프트의 캠이 3개로 분할되고, 가운데 캠(10)은 로우 리프트(low lift)를 형성하고, 양 옆의 2개의 캠(11)은 하이 리프트(high lift)를 형성한다. 이때, 하이 리프트 캠(11)의 돌기부분은 로우 리프트 캠(10)보다 상대적으로 더 돌출되어 있다.
도 3은 기존 사양의 가변밸브 리프트 팔로우워의 구조를 나타내는 사시도로서, 아우터바디(14) 및 이너바디(15)와, 하이 리프트 캠(11)과 접촉하는 접촉패드(17)와, 로우 리프트 캠(10)과 접촉하는 로울러(18)로 구성되어 있다.
이때, 상기 접촉패드(17)는 아우터바디(14)와 일체형으로 형성되고, 로울러(18)는 이너바디(15)와 일체형으로 형성되어 있다.
상기 가변밸브 리프트 팔로우워(100)는 아우터바디(14)와 이너바디(15)가 분리되어 각각 독립적으로 구동되고, 밸브는 이너바디(15)의 로울러(18)와 접촉하는 로우 리프트 캠(10)의 회전운동을 받아 상하로 움직이게 되어 로우 리프트로 작동된다.
보다 상세하게는, 도 4는 도 3의 "A-A"선을 따라 취한 단면도로서, 가변밸브 리프트 팔로우워(13)의 이너바디의 하부 일측에는 밸브접촉부(19)가 형성되어 있 고, 타측에는 HLA(Hydraulic Lash Adjuster) 접촉부(110)가 형성되어 있다.
HLA(23)는 오일이 항상 공급되는 부분으로서, 일정한 압력을 가진 오일이 HLA 접촉부(210)를 통해 이너바디(15) 내부로 유입된다.
이너바디(15)의 우측단에는 로크 플레이트 바디(120)와 로크 플레이트(121)가 서로 결합되어 장착되어 있고, 로크 플레이트(121)는 장방형의 블럭 2개가 로크 플레이트 바디(120)에 횡방향으로 삽입되어 있는 구조이다.
또한, 이너바디(15)에는 로크 플레이트(121)와 일정한 간격으로 피스톤(130)이 설치되어 있고, 피스톤(130)의 일단면과 로크 플레이트 바디(120)의 일단면이 접촉되어 있다. 즉, 상기 로크 플레이트 바디(120)의 일단부는 로크 플레이트(121)와 결합되어 있고, 로크 플레이트 바디(120)의 타단부는 피스톤(130)과 접촉되어 있는 구조이다.
이러한 구조는 이너바디(15)의 하단에 형성된 HLA 접촉부(210)를 통해 오일이 유입되어 이너바디(15)에 충진되면, 오일의 압력으로 로크 플레이트 바디(120)의 타단부가 밀리면서, 피스톤(130) 및 로크 플레이트(121)가 아우터바디(14)의 후부 하단으로 삽입될 수 있도록 되어 있다.
상기 로크 플레이트(121)가 아우터바디(14)의 후부 하단에 삽입되어 이너바디(15)와 아우터바디(14)가 로킹되게 되면, 아우터바디(15)와 이너바디(14)가 일체로 움직여 아우터바디(14)의 접촉패드(17)에 접촉하는 하이 리프트 캠(11)에 의해 로우 리프트 캠(10)이 이너바디(15)의 로울러(18)와 떨어져서 헛돌게 되고, 이너바디(15)와 접촉하는 밸브는 아우터바디(14)의 상하운동을 받아 하이 리프트로 작동 한다.
또한, 상기 로크 플레이트 바디(120)에는 리턴스프링(122)이 로크 플레이트(121)의 상부에 위치하도록 길이방향으로 설치되어 있고, 상기 오일이 HLA 접촉부(210)를 통해 빠져나가게 되면 리턴스프링(122)의 복원력에 의해 로크 플레이트(121)가 후방으로 이동하여 복귀됨으로써, 이너바디(15)와 아우터바디(14)는 다시 분리되어 독립적으로 움직이므로 밸브가 이너바디(15)의 로울러(18)와 접촉하여 로우 리프트로 작동한다.
따라서, 파트 로드(part load)의 저속 구간에서는 밸브가 로우 리프트로 작동하여 빠른속도로 공기가 흡입되고, 풀 로드(full load) 조건에서는 밸브가 하이 리프트로 작동하여 많은 양의 공기가 흡입되게 된다.
이와 같이 내연기관에서 흡기밸브와 배기밸브는 캠에 의해 구동되며, 흡배기 밸브가 열리고 닫히는 시기(타이밍) 및 열리는 양(리프트)은 이 캠의 형상에 따라 결정된다.
또한, 캠축은 크랭크축에 의해 구동되므로, 크랭크각을 기준으로 일정한 시점에 밸브가 개폐되고, 밸브가 열려있는 구간(듀레이션)도 크랭크각을 기준으로 일정하다.
즉, 크랭크각을 기준으로 일정한 시기에 밸브가 개폐되고, 이는 엔진 별로 고정된 값을 갖고, 엔진 회전수와 부하에 무관하게 일정한 값을 갖게 된다.
그러나, 기존의 일반 캠으로는 밸브리프트와 듀레이션을 변화시킬 수 없고, 고정된 리프트와 듀레이션을 특정 RPM에 고정해야 하기 때문에 연비와 출력의 최적 화를 도모할 수 없다.
또한, 종래의 롤러 스위암 형식의 연속 가변 밸브 리프트 장치는 아우터 바디 및 이너 바디, 접촉패트, 로울러 등 부품수가 많고 구조가 복잡하여 원가가 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 하이리프트 또는 로우 리프트를 결정하는 롤러 가이드의 회전각도에 따라 커넥팅 롤러가 구동캠에서 전달되는 수직변위의 리프트를 수평변위로 변환하여, 수평변위의 증감조정에 의해 리프트가 연속적으로 결정됨으로써, 밸브의 개폐 타이밍을 엔진조건에 부합시켜 출력을 향상시킬 뿐만 아니라 단순한 구조 및 부품수 저감에 따른 제조원가를 절감할 수 있도록 한 차량용 가변밸브 리프트 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 차량용 가변밸브 리프트 장치에 있어서,
중심축이 편심되게 설치된 구동캠과; 상기 구동캠과 일정한 간격으로 힌지핀에 의해 회전가능하게 설치되고, 일측에 곡면부가 형성된 롤러 가이드와; 상기 구동캠에 의해 상기 롤러 가이드의 곡면부를 따라 상하방향으로 이동하고, 하단에 태핏(54)이 부착된 커넥팅 롤러와; 하방향으로 이동된 커넥팅 롤러가 원래 위치로 복 귀하도록 일단부가 상기 커넥팅 롤러를 탄성지지하고 중심부가 고정핀(55a)에 의해 힌지결합된 리턴스프링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 태핏은 힌지축에 의해 커넥팅롤러에 결합된는 것을 특징으로 한다.
또한, 차량의 고속구간 상태에서 상기 롤러 가이드가 상방향으로 회전하여 상기 롤러 가이드의 곡면부 및 구동캠 사이의 간격이 좁아져서 커넥팅롤러의 상하 이동거리가 크고(하이 리프트 상태), 차량의 저속구간에서 상기 롤러 가이드가 하방향으로 회전하여 상기 롤러 가이드의 곡면부 및 구동캠 사이의 간격이 넓어져서 커넥팅롤러의 상하 이동거리가 작은(로우 리프트 상태) 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 차량용 가변밸브 리프트 장치의 일실시예를 나타내는 단면도이다.
본 발명은 흡배기 밸브(50)의 개폐타이밍을 엔진조건에 부합시켜 차량의 출력성능을 향상시켜주는 가변밸브 리프트 장치에 관한 것이다.
본 발명은 단순한 구조 및 부품수가 적은 직동식 밸브트레인 형성을 채택한 점에 주안점이 있다.
전술한 바와 같이 내연기관에서 흡기밸브와 배기밸브(50)는 구동캠(51)에 의해 구동되고, 흡배기 밸브(50)가 열리고 닫히는 시기(타이밍) 및 열리는 양(리프트)은 이 구동캠(51)의 형상에 따라 결정된다.
본 발명은 구동캠(51)과, 하이 리프트 또는 로우 리프트를 결정해주는 롤러 가이드(52)와, 구동캠(51)과 롤러 가이드(52) 사이에 접촉하면서 구동캠(51)의 상하운동을 밸브(50)에 전달하는 커넥팅 롤러(53)로 구성되어 있다.
상기 구동캠(51)은 크랭크축과 연결되어 회전하고, 구동캠(51)의 중심축(51a)이 편심되어 있다. 이 구동캠(51)과 수평방향으로 일정한 간격을 두고 롤러 가이드(52)가 힌지핀(52a)에 의해 회전가능하게 설치되어 있다.
상기 롤러 가이드(52)의 단면은 상면과 좌측면이 직각을 이루고 우측면이 곡면으로 형성되어 있고, 롤러 가이드의 좌측 상단부가 힌지핀(52a)에 의해 결합되어 상하방향으로 회전가능하게 설치되어 있다.
상기 롤러 가이드(52)의 우측면에 형성된 곡면부(52b)와 구동캠(51) 사이에는 구동캠(51)의 수직변위 리프트를 수평변위로 전환하는 커넥팅 롤러(53)가 설치되어 있고, 커넥팅 롤러(53)의 하부에는 롤러직동식 태핏(54)과 밸브(50)가 설치되어 있다.
상기 커넥팅 롤러(53)는 태핏(54)과 연결된 힌지축(53a)을 중심으로 롤러 가이드(52)의 곡면부(52b)를 따라 구동캠(51)에 의해 상하방향으로 움직인다.
상기 커넥팅 롤러(53)의 상단부는 원통형상의 회전체(53b)이고, 회전체(53b)의 외주면이 구동캠(51)의 외주연과 곡면부(52b) 내주연을 따라 회전하고, 회전체(53b)의 중심부에는 회전축(53b')이 형성되어 있다. 이때, 회전축(53b')과 힌지축(53a)은 평행하게 배치되어 있다.
상기 롤러 가이드(52)의 회전각도에 따라 커넥팅 롤러(53)가 구동캠(51)에서 전달되는 수직변위의 리프트를 수평변위로 변환한다.
상기 롤러 가이드(52)의 상부에는 고정핀(55a)에 의해 나선형으로 감긴 리턴스프링(55)이 설치되고, 리턴스프링(55)의 일단부가 커넥팅 롤러(53)의 회전축(53b')에 고정되어, 구동캠(51)의 돌출부가 커넥팅 롤러(53)의 회전체(53b)를 가압하고, 회전체(53b)가 롤러 가이드(52)를 따라 회전하면서 회전체(53b)의 회전축(53b')이 리턴스프링(55)의 일단부를 가압하는 구조로 되어 있다.
상기 커넥팅 롤러(53)의 힌지축(53a)에는 롤러 직동식 태핏(54)의 상단부가 결합되고, 태핏(54)의 저면에는 밸브(50) 및 밸브 스프링(56)이 설치되며, 밸브(50)가 실린더의 연소실을 개폐한다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 차량용 가변밸브 리프트 장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
도 6은 하이 리프트에서 본 발명에 따른 가변밸브 리프트 장치의 개폐상태를 나타내는 단면도이고, 도 7은 로우 리프트에서 본 발명에 따른 가변밸브 리프트 장치의 개폐상태를 나타내는 단면도이다.
차량의 고속구간에서 롤러 가이드(52)가 힌지핀(52a)을 중심으로 구동캠(51)측으로 회전하여 구동캠(51)과 롤러 가이드(52)의 곡면부(52b) 사이의 간격이 좁아진 채로 고정되고, 구동캠(51)이 회전하면서 커넥팅 롤러(53)의 회전체(53b)를 하방향으로 가압하게 되고, 회전체(53b)가 롤러 가이드(52)를 따라 회전하면서 하방향으로 밀리게 된다.
이때, 회전체(53b)를 탄성지지하던 리턴스프링(55)의 일단부가 압축되고, 커넥팅 롤러(53)의 힌지축(53a)이 함께 하강함에 따라 밸브스프링(56)이 압축되면서 밸브(50)의 열림량이 커지게 된다.
계속해서 상기 구동캠(51)이 더욱 회전하면서 회전체(53b)에 가압력이 해제되면서 가압되었던 리턴스프링(55)의 탄성력에 의해 회전체(53b)가 원래 위치로 이동하게 된다.
차량의 저속구간에서 롤러 가이드(52)가 힌지핀(52a)을 중심으로 구동캠(51)의 반대측방향으로 회전하여 구동캠(51)과 롤러 가이드(52)의 곡면부(52b) 사이의 간격이 넓어진 채로 고정되고, 구동캠(51)이 회전하면서 커넥팅 롤러(53)의 회전체(53b)가 롤러 가이드(52)를 따라 회전하여 하방향으로 이동하게 된다.
이때 상기 회전체(53b)의 하방향으로 이동거리는 고속구간에서보다 더욱 짧게 되고 회전체(53b)에 의해 리턴스프링(55)이 압축된다. 왜냐하면 롤러 가이드(52)가 하방향으로 회전하면서 구동캠(51)과 롤러 가이드(52) 사이의 간격이 넓어지게 되므로, 커넥팅 롤러(53)의 회전체(53b)가 힌지축(53a)을 중심으로 구동캠(51) 반대측 방향으로 회전하게 된다.
따라서 저속구간에서 구동캠(55)의 회전반경과 회전체(53b) 사이의 간격이 벌어짐에 따라 밸브(50)의 상하 이동거리가 짧아지게 된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 가변밸브 리프트 장치에 의하면, 하이리프트 또는 로우 리프트를 결정하는 롤러 가이드의 회전각도에 따라 커넥팅 롤러가 구동캠에서 전달되는 수직변위의 리프트를 수평변위로 변환함으로써, 수평변위의 증감조정에 의해 엔진의 속도나 부하에 따라 최적화된 리프트를 연속적으로 설정하여, 전 영역에서 고른 출력 및 향상된 연비효과를 얻을 수 있다.
또한, 다른 연속 가변밸브 리프트 장치 대비 부품수가 적고 구조가 간단하여 실제 엔진 구성에 적용 및 제작이 용이하고 중량을 저감시킬 수 있고 원가 측면에서도 유리한 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 차량용 가변밸브 리프트 장치에 있어서,
    중심축이 편심되게 설치된 구동캠(51)과;
    상기 구동캠과 일정한 간격으로 힌지핀에 의해 회전가능하게 설치되고, 일측에 곡면부가 형성된 롤러 가이드(52)와;
    상기 구동캠에 의해 상기 롤러 가이드의 곡면부(52b)를 따라 상하방향으로 이동하고, 하단에 태핏(54)이 부착된 커넥팅 롤러(53)와;
    하방향으로 이동된 커넥팅 롤러가 원래 위치로 복귀하도록 일단부가 상기 커넥팅 롤러를 탄성지지하고 중심부가 고정핀(55a)에 의해 힌지결합된 리턴스프링(55);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 가변밸브 리프트 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 태핏(54)은 힌지축(53b')에 의해 커넥팅롤러에 결합된는 것을 특징으로 하는 차량용 가변밸브 리프트 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    차량의 고속구간 상태에서 상기 롤러 가이드가 상방향으로 회전하여 상기 롤러 가이드의 곡면부 및 구동캠 사이의 간격이 좁아져서 커넥팅롤러의 상하 이동거리가 크고(하이 리프트 상태), 차량의 저속구간에서 상기 롤러 가이드가 하방향으로 회전하여 상기 롤러 가이드의 곡면부 및 구동캠 사이의 간격이 넓어져서 커넥팅롤러의 상하 이동거리가 작은(로우 리프트 상태) 것을 특징으로 하는 차량용 가변밸브 리프트 장치.
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US10167750B2 (en) 2016-08-17 2019-01-01 Hyundai Motor Company Variable valve duration apparatus

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