KR20090003836A

KR20090003836A - 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계

Info

Publication number: KR20090003836A
Application number: KR1020070067543A
Authority: KR
Inventors: 봉하동; 주남로
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-12
Also published as: KR101262399B1

Abstract

본 발명은 연속 가변 흡기계에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 연속 가변 지프형 흡기계에 관한 것이다.

가변 흡기 시스템으로서, 길이 방향으로 소정의 곡률을 가진 관 형태의 지프와; 일단부에서 상기 지프와 연통되고, 뱅크가 2 분할되며, 이 2 분할된 뱅크 사이에 뱅크 분리형 가변 흡기 장치가 구비된 플레넘 챔버와; 상기 플레넘 챔버의 타단부에 연통되는 다수의 러너와; 그리고, 상기 지프 내의 일측벽에 구비되어 상기 지프 직경을 가변할 수 있는 블레이드, 상기 지프 바깥쪽에 상기 블레이드와 접촉할 수 있도록 구비되어 상기 블레이드를 작동시키는 캠, 상기 캠을 회전 구동시키는 액츄에이터 및 상기 블레이드를 복원시키고 상기 캠과 블레이드의 접촉을 유지시키는 복원 스프링으로 구성된 지프 직경 가변 장치; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계{VARIABLE ZIP TYPE INTAKE SYSTEM EQUIPPED VARIABLE INTAKE DEVICE OF SEPARATED BANK TYPE}

일반적으로 사용되는 가변 흡기계(VIS : Variable Intake System)에는, 낮은 회전수(rpm)일 때 흡기의 이동 거리를 길게 하고 그 이동 통로를 좁게 하며, 높은 회전수일 때 흡기의 이동 거리를 짧게 하고 그 이동 통로를 넓게 하는 방식이다. 즉, 흡입 공기량은 흡기 맥동(부하)을 이용하면 증가시킬 수 있는데, 흡기관 길이와 직경의 영향을 받으며, 고속에서는 관 길이가 짧고 직경이 큰 것이 저항을 적게 하므로 유리하고, 저속에서는 관 길이가 길고 직경이 작은 것이 흡기 맥동을 충분히 이용할 수 있어 유리하다. 따라서, 흡기관을 고속용과 저속용 2개로 분리하여 부압이나 스텝 모터 등을 이용하여 밸브로 전환해 주면 각 엔진 회전수에 맞는 최적의 제어가 가능하게 되어 체적 효율이 증가한다.

이것에 대한 종래예가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.

도 1은 종래의 뱅크 분리형 가변 흡기계(100)의 측단면도이고, 도 2는 종래 의 뱅크 분리형 가변 흡기계(100)의 작동도로서, (A)는 저속일 때의 작동도이고, (B)는 고속일 때의 작동도이다.

먼저, 도 1을 참조하여, 종래의 뱅크 분리형 가변 흡기계(100)는, 일측에 지프(ZIP)(110)가 구비되고, 상기 지프(110)와 연통되고 2 분할된 뱅크(122)가 형성된 플레넘 챔버(plenum chamber)(120)가 구비되며, 상기 플레넘 챔버(120)와 연통되는 러너(runner)(130)가 구비되어 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이 구성된 종래의 뱅크 분리형 가변 흡기계(100)는, 흡기를 연소실(도시 생략)로 유도하여 흡기를 공급하기 위한 관으로서, 이 흡기가 통과하는 러너의 길이에 따라서 엔진 효율이 달라지게 된다. 앞에서 서술한 바와 같이, 엔진이 중저속 영역에서는 러너의 길이가 긴 것이 유리하고, 고속 영역에서는 러너의 길이가 짧은 것이 유리하다.

이와 같이, 엔진의 회전수에 따라 러너의 직경을 변화시켜 엔진의 효율을 올리기 위해, 도 2와 같이 가변 흡기 시스템이 작동하게 된다.

도 2(A)는 엔진이 중저속인 경우를 나타낸 작동도로서, 가변 흡기 시스템 밸브(125)가 러너의 직경을 작게 하여 흡기 통로를 가늘고 긴 통로가 되게 하고, 도 2(B)는 엔진이 고속인 경우를 나타낸 작동도로서, 가변 흡기 시스템 밸브(125)가 러너(130)의 직경을 크게 하여 흡기 통로를 굵고 짧은 통로가 되게 한다. 도 2에 도시한 화살표는 흡기를 나타낸다.

그러나, 이와 같은 종래의 가변 흡기계에서는, 엔진의 중속 영역을 위해서 어느 정도의 러너 길이를 요구함으로써, 고속 영역에서의 성능을 저해하게 된다.

고속 성능을 위해서 러너의 저항을 작게 하기 위해 길이가 짧고 직경이 큰 것이 유리한데, 중속 성능을 보장하기 위해 러너를 충분히 짧고 직경이 큰 것으로 할 수 없다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본원 발명자들은 러너의 직경을 중고속으로 설정하고 저중속을 위해 러너의 앞에 구비되는 지프의 직경을 조절하도록 한 것을 발명하게 되었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은, 러너의 직경을 중고속으로 설정하고, 저중속의 성능을 위해 지프의 직경을 가변할 수 있는 지프 직경 가변 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러므로, 본 발명은, 가변 흡기계로서, 길이 방향으로 소정의 곡률을 가진 관 형태의 지프와; 일단부에서 상기 지프와 연통되고, 뱅크가 2 분할되며, 이 2 분할된 뱅크 사이에 뱅크 분리형 가변 흡기 장치가 구비된 플레넘 챔버와; 상기 플레넘 챔버의 타단부에 연통되는 다수의 러너와; 그리고, 상기 지프 내의 일측벽에 구비되어 상기 지프 직경을 가변할 수 있는 블레이드, 상기 지프 바깥쪽에 상기 블레이드와 접촉할 수 있도록 구비되어 상기 블레이드를 작동시키는 캠, 상기 캠을 회전 구동시키는 액츄에이터 및 상기 블레이드를 복원시키고 상기 캠과 블레이드의 접촉을 유지시키는 복원 스프링으로 구성된 지프 직경 가변 장치; 로 구성되는 것 을 특징으로 한다.

또한, 상기 지프의 단면 중 상기 지프 직경 가변 장치의 블레이드의 양측면 가장자리가 회동하는 영역은 평행하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지프 내의 일측벽에 상기 블레이드의 일단부가 힌지 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 블레이드는, 길이 방향으로 상기 지프의 소정의 곡률에 상응하게 형성된 곡률로 이루어지고, 폭 방향으로 상기 지프의 직경에 상응하게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한,상기 캠과 상기 블레이드 사이의 접촉 부분은 블로우 바이 가스(blow by gas)의 오일 미스트(oil mist)를 이용하여 윤활하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캠의 각도에 따라 상기 지프 직경의 가변을 결정하는 논리 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 형성함으로써, 본 발명은, 엔진의 고속 성능을 위해 러너의 길이를 충분히 짧게 하고, 엔진의 중저속 성능을 위해 지프의 직경을 가변으로 함으로써, 저속에서부터 고속에 걸친 전영역에서 최대 토크를 낼 수 있는 가변 흡기계를 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가변 지프형 흡기계를 설명한다.

도 3 내지 도 5는, 러너의 직경이 46mm, 러너의 길이가 230mm이고, 플레넘 챔버의 부피가 1.45리터인 엔진에서, 지프의 길이를 300mm로 하고 지프의 직경을 엔진의 회전수(rpm)에 따라 변화시키면서, 회전수당 토크의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3 내지 도 5에 나타낸 그래프에 의해 다음의 표 1과 같이 회전수에 따른 최적의 지프 직경 및 최고 토크에 대해 나타낼 수 있다.

도 3 내지 도 5 및 표 1에서부터 알 수 있는 바와 같이, 지프의 직경이 일정한 경우, 최고 토크에 해당하는 지프의 직경을 알 수 있다. 엔진 회전수가 1500rpm인 경우, 지프의 길이가 300mm로 고정된 상태에서 최대 토크를 내는 지프의 직경은 약 33 ~ 37mm 사이인 경우를 알 수 있다. 이 때의 토크는 322Nm이다. 이러한 방법으로, 도 3 내지 도5에 도시한 바와 같이, 각각의 엔진 회전수에 따라 최고의 토크를 낼 수 있는 지프 직경을 알 수 있다.

즉, 고속 성능을 위해 러너의 길이를 비교적 짧게 하고 러너의 직경을 크게 하며, 저중속 성능을 위해 지프의 길이를 소정의 길이를 가지고 구비되도록 한 상태에서 지프의 직경을 가변으로 하는 것은 종래의 러너의 직경을 가변으로 하는 것보다 용이하게 흡기를 조절할 수 있다.

상기한 실험에 근거하여 본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계의 구성에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계는 도 1에 도시된 종래의 뱅크 분리형 가변 흡기계의 구성에 지프 직경 가변 장치의 구성을 추가한 구성이므로, 종래의 구성에 대한 상세한 설명은 생략 또는 축약하기로 한다.

도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계의 구성을 개략적으로 나타내고 있다.

도 6 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계(1)는 소정의 곡률을 가진 관 형태의 지프(10)가 일측에 구비되고, 이 지프(10)와 연통하며 그 내부에서 뱅크(22)가 2 분할된 플레넘 챔버(20)가 구비된다. 또한, 상기 플레넘 챔버(20)는 상기 지프(10)와 연결된 부분의 반대편에 다수의 러너(30)가 구비된다.

먼저, 지프(10) 및 지프 직경 가변 장치(15)에 대해 설명한다.

지프(10)는 엔진의 레이아웃에 따라 소정의 곡률을 가지고 형성된다. 본 발명에서는 대략 C자 모양으로 형성된 지프(10)가 도시되어 있다. 이 지프(10)는 단면이 대략 사각형으로 형성되고 그 모서리는 둥글게 굴곡져 있다. 지프(10)의 굴곡 안쪽 방향(도 6 및 도 7에서 대략 C자 모양으로 형성된 지프의 오른쪽 방향)의 소정 위치에 후술하는 지프 직경 가변 장치(15)의 구성 요소들이 설치되는 설치대(14)가 구비되고, 지프(10)의 굴곡 안쪽 방향에 이 지프의 곡률에 상응하게 형성된 블레이드(16)가 구비된다. 도 6 및 도 7에 도시한 형태는 활 모양으로 굴곡지고 복원 스프링(18)이 장착되는 방향의 단부(端部)가 고리 모양으로 형성되어 있으나, 이러한 형태로 한정되는 것은 아니다.

상기 블레이드(16)는 일측에서 상기 설치대(14)와 지프(10)가 만나는 부분에서 힌지 결합(13)되어 회전 가능하게 장착된다. 또한, 상기 블레이드(16)의 타측에는 복원 스프링(18)이 장착되고, 이 복원 스프링(18)의 일측은 블레이드(16)에, 타측은 설치대(14)에 고정된다. 복원 스프링(18)의 역할을 후술하기로 한다.

또한, 상기 블레이드(16)의 폭은, 상기 지프(10)의 직경에 상응하게 형성된다. 더불어, 상기 블레이드(16)는 지프의 직경을 변경할 때, 블레이드(16)와 지프(10)의 내벽면과의 리키지(leakage)가 없도록, 블레이드(16)의 가장자리에 통상적인 누출 방지 처리를 하여도 좋다.

이와 같이 구비된 블레이드(16)의 바깥쪽(도 6 및 도 7에서 블레이드의 오른쪽)에 이 블레이드(16)를 힌지 결합된 점(13)을 중심으로 하여 회전하도록 캠(17)이 구비된다. 상기 캠(17)은 설치대(14)의 소정 위치에 중심점이 형성되고, 이 중심점을 중심으로 둥근 쐐기 형태의 캠(17)이 상기 블레이드(16)의 바깥쪽 면에 닿아서 회전하면, 상기 블레이드(16)가 지프(10) 내부로 밀려 지프(10)의 직경을 조절하도록 한다.

상기 설치대(14)에는, 상기 블레이드(16)를 움직이게 하는 캠(17)을 구동하기 위한 액츄에이터(19)가 설치된다. 이 액츄에이터(19)는 엔진의 회전수에 따라 플레넘 챔버(20) 내의 뱅크 분리형 가변 흡기 장치(25)와 연동하여 제어되도록 되어 있다.

또한, 본 발명의 일실시예로서 도 6 및 도 7에 도시한 것에서는, 설치대(14)가 구비되어 있으나, 이것으로 한정되는 것은 아니며, 상기 블레이드(16), 캠(17), 복원 스프링(18) 및 액츄에이터(19)가 상기 지프(10)의 일측면에 구비될 수 있도록 하는 구성이면 어떠한 구성으로 하여도 상관없다.

다음으로, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계의 작동에 대해 설명한다.

도 7에서 블레이드를 실선으로 나타낸 것은 엔진이 중저속인 경우를 나타내고, 블레이드를 점선으로 나타낸 것은 엔진이 고속인 경우를 나타내고 있다.

엔진이 중저속인 경우에는, 자동차의 중앙 처리 장치의 신호에 의해 지프(10)의 직경을 가변시키도록 캠(17)의 액츄에이터(19)를 구동시켜, 상기 캠(17)을 도 7에서 실선으로 나타낸 위치로 회전시키면, 블레이드(16)는 지프(10)의 내부로 밀려 들어가서 지프(10)의 직경을 작게 만들어, 중저속에서의 최대 토크를 낼 수 있도록 한다.

또한, 엔진이 고속인 경우에는, 상술한 바와 같이, 중앙 처리 장치의 신호에 의해 액츄에이터(19)를 도 7에 점선으로 나타낸 위치로 캠(17)을 회전시키면, 블레이드(16)는 블레이드(16)의 타측에 장착된 복원 스프링(18)에 의해 지프(10) 내부로부터 바깥쪽으로 당겨져서, 지프(10)의 직경을 크게 만든다. 이렇게 함으로써, 고속에서의 최대 토크를 낼 수 있도록 한다.

또한, 상기 복원 스프링(18)은, 지프(10)의 직경을 크게 할 때, 블레이드(16)를 복원시키는 역할뿐만 아니라, 상시 블레이드(16)를 지프(10) 바깥쪽으로 당기게 함으로써, 캠(17)과 블레이드(16)의 접촉력을 높여 캠(17)의 작동에 블레이드(16)가 즉각 반응하도록 하고 있다.

이와 같이, 상기 캠(17)과 상기 블레이드(16)는 상기 복원 스프링(18)에 의해 접촉력이 강화되어 있어, 마찰력이 크게 되어 있으므로, 이 두 요소간의 윤활이 필요로 하게 된다. 이에 대한 윤활은 블로우 바이 가스의 오일 미스트를 이용할 수 있다.

블로우 바이 가스는 연소실에서 피스톤과 실린더 벽면 사이를 지나서 오일 팬 쪽으로 빠져나온 연소가스를 말하는 것으로, 이 블로우 바이 가스는 엔진의 오일 통로를 통해서 실린더 헤드 커버 아래로 이동된 다음에 오일 증기나 비산 오일 등과 함께 PCV(Positive Crank-case Ventilation) 밸브를 통해 흡기 통로로 나가게 되어 것이다. 그러므로, 미량의 윤활 성분이 유동에 함유되어 움직이는 블로우 바이 가스만으로 충분히 캠 노우즈(nose)를 윤활할 수 있다.

또한, 본 발명은 뱅크 분리형 가변 흡기계에 상기 지프 직경 가변 장치를 더 구비한 것으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 뱅크가 2 분할되어 있으므로, 상기 지프 직경 가변 장치(15)도 2 분할된 뱅크에 각각 구비된다. 도 8에서는, 도시를 간략화 하기 위해 각 지프 직경 가변 장치(15)의 캠(17)만을 도시하고 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 연속 가변 지프형 흡기계(1)에서는, 회전수에 따라 지프(10)의 직경을 변경함으로써, 엔진 효율을 최적화함에 있어서, 이 지프(1)의 직경을 변경하는 데에는 캠(17)의 회전 각도와 상관 관계가 있다. 이에 대한 관계를 상술한 표 1에 기초하여 다음 표 2로 나타낼 수 있다.

상기한 표 2에 나타내는 바와 같이 매니폴드의 절대 압력(MAP : manifold absolute pressure, 이하, 간단하게 '부하'라고 함)이 낮은 영역에서는 유동 속도를 크게 하기 위해 밸브를 많이 닫아서, 흡기의 유속 증대로 연소 상태를 개선하고, 부하가 높은 영역에서는 일정 개도를 열어서, 유동 저항을 최소화하여 고속 성능을 향상시키도록 한다.

또한, 뱅크 분리형 가변 흡기 장치에서는, 유동 속도 유지를 위해서 저부하시에는 밸브를 닫고, 고부하시에는 충분한 유동을 위해서 밸브를 충분히 열어 준다.

이와 같은, 캠의 회전 각도와 엔진 회전수 및 흡기 매니폴드의 절대 압력 간의 상관 관계에 의한 논리 회로에 의해 상기 캠의 회전 각도를 제어함으로써, 엔진 효율을 최적화할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 종래의 가변 흡기계의 측단면도.

도 2(A)는 종래의 가변 흡기계의 중저속인 경우에 가변 흡기계의 작동도이고, 도 2(B)는 종래의 가변 흡기계의 고속인 경우에 가변 흡기계의 작동도.

도 3은 지프의 길이와 직경에 대하여 엔진의 회전수 당 토크를 나타내는 그래프로서, (A)는 1500rpm, (B)는 2000rpm, (C)는 2500rpm, (D)는 3000rpm.

도 4는 지프의 길이와 직경에 대하여 엔진의 회전수 당 토크를 나타내는 그래프로서, (A)는 3500rpm, (B)는 4000rpm, (C)는 4500rpm, (D)는 5000rpm.

도 5는 지프의 길이와 직경에 대하여 엔진의 회전수 당 토크를 나타내는 그래프로서, (A)는 5500rpm, (B)는 6000rpm, (C)는 6300rpm.

도 6은 본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계를 나타내는 개념도로서, 고속인 경우를 나타낸 도.

도 7은 본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계를 나타내는 개념도로서, 저중속인 경우를 나타낸 도.

도 8은 본 발명에 따른 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계의 측단면도.

<부호의 설명>

1 : 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 가변 지프형 흡기계

10 : 지프 13 : 힌지 결합

14 : 설치대 15 : 지프 직경 가변 장치

16 : 블레이드 17 : 캠

18 : 복원 스프링 19 : 액츄에이터

20 : 플레넘 챔버 22 : 뱅크

25 : 뱅크 분리형 가변 흡기 장치 30 : 러너

Claims

가변 흡기계로서,

길이 방향으로 소정의 곡률을 가진 관 형태의 지프(ZIP)와;

일단부에서 상기 지프와 연통되고, 뱅크(bank)가 2 분할되며, 이 2 분할된 뱅크 사이에 뱅크 분리형 가변 흡기 장치가 구비된 플레넘 챔버(plenum chamber)와;

상기 플레넘 챔버의 타단부에 연통되는 다수의 러너(runner)와; 그리고,

상기 지프 내의 일측벽에 구비되어 상기 지프 직경을 가변할 수 있는 블레이드, 상기 지프 바깥쪽에 상기 블레이드와 접촉할 수 있도록 구비되어 상기 블레이드를 작동시키는 캠, 상기 캠을 회전 구동시키는 액츄에이터 및 상기 블레이드를 복원시키고 상기 캠과 블레이드의 접촉을 유지시키는 복원 스프링으로 구성된 지프 직경 가변 장치;

로 구성되는 것을 특징으로 하는 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 연속 가변 지프형 흡기계.
청구항 1에 있어서,

상기 지프의 단면 중 상기 지프 직경 가변 장치의 블레이드의 양측면 가장자리가 회동하는 영역은 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 연속 가변 지프형 흡기계.
청구항 1에 있어서,

상기 지프 내의 일측벽에 상기 블레이드의 일단부가 힌지 결합되는 것을 특징으로 하는 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 연속 가변 지프형 흡기계.
청구항 1에 있어서,

상기 블레이드는, 길이 방향으로 상기 지프의 소정의 곡률에 상응하게 형성된 곡률로 이루어지고, 폭 방향으로 상기 지프의 직경에 상응하게 형성된 것을 특징으로 하는 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 연속 가변 지프형 흡기계.
청구항 1에 있어서,

상기 캠과 상기 블레이드 사이의 접촉 부분은 블로우 바이 가스(blow by gas)의 오일 미스트(oil mist)를 이용하여 윤활하는 것을 특징으로 하는 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 연속 가변 지프형 흡기계.
청구항 1에 있어서,

상기 캠의 각도에 따라 상기 지프 직경의 가변을 결정하는 논리 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 뱅크 분리형 가변 흡기 장치를 구비한 연속 가변 지프형 흡기계.