KR20090124076A - 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치에 관한 것으로, 구동캠(10)과; 일정 위치에 회동 가능하게 설치된 제어축(20)과; 상기 제어축(20)에 설치되어 상기 구동캠(10)에 의해 회동되는 상부로커아암(30)과; 상기 상부로커아암(30)에 의해 눌려져 밸브(1)를 눌러주는 하부로커아암(40)과; 상기 하부로커아암(40)에 설치되고 상부로커아암((30)에 접촉되어 상부로커아암(30)의 작동력을 하부로커아암(40)에 전달하는 로커아암팔로워(50) 및; 상기 로커아암팔로워(50)의 위치를 가변시키는 가변수단;을 포함한다.

따라서, 적은 수의 부품으로 컴팩트하게 구성되고 실린더헤드 내에서 캠축보다 하부에 설치되는 구성으로 이루어져 작동이 간결하고 그 정밀도와 신뢰성이 향상되며, 내구성 확보가 용이할 뿐만 아니라, 특히 실린더헤드의 전고 감소를 통해 엔진의 크기를 줄임으로써 엔진룸의 레이아웃 자유도가 향상되는 효과가 있다.

밸브리프트, 하이리프트, 로우리프트

Description

엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치{Continuously variable valve lift system in engines}

본 발명은 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캠축의 회전에 따른 흡/배기밸브의 개폐시기와 개폐시간을 가변적으로 조절할 수 있도록 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것이다.

종래의 일반적인 밸브 작동기구에서는 캠축에 형성된 구동캠의 프로파일에 따라 밸브리프트가 일정하게 형성될 뿐이고, 밸브리프트(valve lift)와 듀레이션(duration)을 변화시킬 수 없었다. 따라서 고정된 밸브리프트와 듀레이션 하에서 엔진의 운전이 이루어지기 때문에 이들의 가변을 통한 출력 향상 및 연비 개선을 도모할 수 없었다.

이에 최근에는 엔진 운전 조건에 따라 밸브리프트와 개폐시간 및 개폐시각을 가변적으로 조절할 수 있는 밸브 작동기구의 개발이 활발하게 이루어지고 있는데, 그 중 하나가 본 출원인의 연속 가변 밸브리프트 장치(CVVL ; Continuously Variable Valve Lift system)이다.

상기 연속 가변 밸브리프트 장치는 흡/배기밸브의 개폐시기와 밸브리프트 등 의 밸브 운동을 엔진의 운전조건에 맞추어 최적으로 조절할 수 있으므로 고속/고부하 상태에서는 흡기 유량을 증가시켜 출력 향상을 도모할 수 있고, 저속/저부하 상태에서는 EGR 효과나 스로틀 손실을 최소화하여 연비 향상 및 배기가스 저감을 도모할 수 있다.

그런데, 종래의 연속 가변 밸브리프트 장치는 구성 부품의 수가 많고 결합구조가 복잡할 뿐만 아니라, 엔진의 실린더헤드 내부에서 캠축보다 높은 상측 공간을 점유하도록 설계되어 있어서 실린더헤드의 전고(total height)가 증가될 수 밖에 없었다.

따라서, 연속 가변 밸브리프트 장치가 적용된 엔진의 전체 크기가 증대될 수 밖에 없었고, 이로 인해 엔진룸 내에서 엔진의 점유공간이 확대되어 다른 장치들을 설치하기 위한 레이아웃 설정에 곤란함이 있었다.

또한, 가동부품(moving part)의 수가 많고, 그에 따라 작동 미캐니즘이 복잡함으로써 밸브리프트 및 듀레이션 조정의 정밀도나 신뢰성이 양호하지 않으며, 실제 엔진 적용시 가변 기구 전체의 내구성도 충분히 확보되지 않는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 발명된 것으로, 보다 적은 수의 부품으로 컴팩트하게 구성되고 실린더헤드 내에서 캠축보다 하부에 설치되는 구성으로 이루어져 작동이 간결하고 그 정밀도와 신뢰성이 향상되며, 내구성 확보가 용이할 뿐만 아니라, 특히 실린더헤드의 전고 감소를 통해 엔진의 크기를 줄임으로써 엔진룸의 레이아웃 자유도가 향상될 수 있도록 된 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

구동캠과;

일정 위치에 회동 가능하게 설치된 제어축과;

상기 제어축에 설치되어 상기 구동캠에 의해 회동되는 상부로커아암과;

상기 상부로커아암에 의해 눌려져 밸브를 눌러주는 하부로커아암과;

상기 하부로커아암에 설치되고 상부로커아암에 접촉되어 상부로커아암의 작동력을 하부로커아암에 전달하는 로커아암팔로워 및;

상기 로커아암팔로워의 위치를 가변시키는 가변수단;

을 포함하여 이루어진다.

상기 제어축은 상기 구동캠의 하부에 위치한다.

또한, 상기 제어축은 엔진제어유니트에 의해 회동각이 조절되는 모터에 연결 되어 회동된다.

또한, 상기 상부로커아암의 하측면에는 상기 로커아암팔로워의 접촉위치에 따라 하이리프트 및 로우리프트를 형성하는 프로파일이 형성된다.

또한, 상기 상부로커아암의 단부에는 롤러가 구비된다.

한편, 상기 로커아암팔로워는 로커아암샤프트에 회전 가능하게 설치되고, 상기 로커아암샤프트는 상기 하부로커아암에 형성된 경사홀에 설치된다.

상기 경사홀은 상기 제어축의 중심으로부터 하부보다 상부까지의 거리가 더 먼 상태로 형성된다.

또한, 상기 로커아암팔로워는 로커아암샤프트에 니들베어링을 매개로 회전 가능하게 설치된 롤러이다.

한편, 상기 가변수단은 상기 제어축에 연동되어 상기 로커아암샤프트를 밀어주는 제어레버와;

상기 하부로커아암의 일단에 회동 가능하게 장착되고, 상기 제어레버에 의한 밀림상태가 해제되었을 때 상기 로커아암샤프트를 반대방향으로 밀어주는 가변아암;

으로 이루어진다.

또한, 상기 제어레버는 상기 제어축에 일체로 형성되고, 하부의 일측면에는 상기 로커아암샤프트에 접촉되는 호형의 돌출곡면이 형성된다.

또한, 상기 가변아암은 하부로커아암 일단에 형성된 연결축상에 회동가능하게 설치된 기단부와;

일단이 상기 기단부에 삽입되어 그로부터 출몰가능하고, 타단이 상기 로커아암샤프트에 회동 가능하게 연결된 가동부 및;

상기 기단부와 가동부의 사이에 개재되어 가동부를 밀어주는 스프링;

으로 이루어진다.

상기 가동부의 단부에는 상기 로커아암샤프트를 파지하여 결합상태를 유지하면서 상대 회동가능한 원호형의 파지부가 형성된다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 장치의 구성이 보다 적은 수의 부품으로 컴팩트하게 이루어짐으로써 그 작동이 간결하고, 작동의 정밀도와 신뢰성이 향상되며, 충분한 내구성을 확보하여 견고한 장치를 구성하는 것이 용이하다.

또한, 장치가 실린더헤드 내에서 캠축보다 하부에 설치됨으로써 실린더헤드의 전고 감소를 통해 엔진의 크기를 감소시킬 수 있게 되고, 이에 엔진룸의 레이아웃 설정 자유도가 향상되는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 구성을 나타낸 도면으로서, 본 발명은 크랭크샤프트에 타이밍벨트 또는 타이밍체인으로 연결되어 회전되는 캠샤프트에 형성된 구동캠(10)과; 실린더헤드 내부의 일정 위치에 회동 가능하게 설치된 제어축(20)과; 상기 제어축(20)에 설치되어 상기 구동캠(10)에 의해 회동되는 상부로커아암(30)과; 상기 상부로커아암(30)의 회동 작동시 하방으로 눌려져 밸브(흡/배기밸브)를 눌러 하방으로 회동시키는 하부로커아암(40)과; 상기 하부로커아암(40)에 설치되고 상부로커아암(30)에 접촉되어 상부로커아암(30)의 작동력을 하부로커아암(40)에 전달하는 로커아암팔로워(50) 및; 상기 로커아암팔로워(50)의 위치를 가변시키는 가변수단;을 포함하여 이루어진다.

상기 제어축(20)은 구동캠(10)의 하부에 소정 거리 이격되어 설치되는데, 그 일측 단부는 모터(통상 CVVL모터라 칭하는 스텝모터이다.)에 연결되어, 엔진제어유니트(ECU)가 운전조건을 판단하여 모터의 작동방향과 작동각을 조절함에 따라 상기 제어축(20)의 회동이 이루어지도록 되어 있다.

상기 상부로커아암(30)은 기단부가 상기 제어축(20) 상에 설치되되, 상부로커아암(30)과 제어축(20)은 회전 방향으로 상호 구속되지 않아 상부로커아암(30)에 대해 제어축(20)은 자유로운 회전이 가능한 상태이다.

그리고, 상기 상부로커아암(30)의 하측면 중 상기 로커아암팔로워(50)가 접하는 면은 제어축(20)을 중심으로 하여 원형으로 형성된 기단부의 원주면에 부드럽게 연결되는 곡면으로 형성된다. 즉, 상기 곡면과 기단부의 원주면 일부가 로커아암팔로워(50)가 접하는 위치에 따라서 하부로커아암(40)의 누름량이 가변되도록 하는 프로파일(31)을 가지게 된다.

또한, 상기 상부로커아암(30)의 선단부에는 힌지축을 매개로 롤러(32)가 설치되며, 상기 롤러(32)는 상기 구동캠(10)에 접촉된다. 상기 롤러(32)와 구동캠(10)의 접촉 상태를 상시 유지하기 위하여 상기 상부로커아암(30)을 구동캠(10)쪽으로 회동시켜주는 스프링이 구비된다. 스프링은 단순 코일스프링 또는 양단부가 길게 연장된 형태의 코일스프링 등을 사용하여 상부로커아암(30)의 상부 또는 하부에서 밀어주거나 당겨주는 다양한 방식으로 설치될 수 있는 바, 그 상세한 설치 구조의 도시는 생략한다.

한편, 상기 상부로커아암(30)에 형성되는 로커아암팔로워(50) 접촉 프로파일(31) 면은 밸브 2개가(흡기밸브 및 배기밸브가 각각 2개씩 사용되는 경우, 근래 대부분의 엔진에서 채용되는 구조이다.) 한 쌍을 이루는 경우에 양측 하측면에 각각 형성되고, 그 프로파일 형성부의 사이 중앙 부분에 돌출된 선단부에 상기 롤러(32)가 설치된다.

이는 상기 하부로커아암(40)의 경우도 마찬가지여서 각각의 로커아암팔로워(50)를 구비한 하부로커아암(40)이 각 밸브(1)의 상부에 설치되고, 양쪽 하부로커아암은 연결축(42)을 매개로 상호 일체로 연결된다.

한편, 상기 하부로커아암(40)은 상기 상부로커아암(30)의 하부에 근접하여 설치되며, 일측 단부는 하이드롤릭래쉬어저스터(HLA ; Hydraulic Lash Adjuster, 3)에 지지되고, 일측 단부에는 밸브(1) 스템의 상단이 맞대어진다.

상기 밸브(1)에는 작동(개방작동) 후 원위치로 복귀하기 위한 리턴스프링(2)이 구비된다.

또한, 상기 하부로커아암(40)에는 경사홀(41)이 형성되고, 양측 하부로커아암(40)의 경사홀(41)에 양단이 삽입된 상태로 로커아암샤프트(60)가 설치되며, 상기 로커아암샤프트(60)에 로커아암팔로워(50)가 회전 가능하게 설치된다.

상기 로커아암샤프트(60)는 상기 경사홀(41)의 내부에서 그 상/하부로 이동 가능하다.

또한, 상기 경사홀(41)은 상기 제어축(20)의 중심으로부터 하부보다 상부까지의 거리가 더 먼 상태로 형성된다.

또한, 상기 로커아암팔로워(50)는 일종의 롤러로서, 로커아암샤프트(60)와의 사이에는 다수의 니들베어링(51)을 구비하여 마찰이 작은 구름 접촉상태에서 자유로이 회전된다.

한편, 상기 가변수단은 상기 경사홀(41)의 내부에서 상기 로커아암팔로워(50)의 위치를 가변시키기 위한 것으로, 제어축(20)에 설치되는 제어레버(70)와, 하부로커아암(40)의 상기 연결축(42) 중간부에 설치되는 가변아암(80)으로 이루어진다.

상기 제어레버(70)는 상기 제어축(20)에 일체로 형성되거나, 또는 별물로 형성되어 용접되거나, 제어레버(70)의 상단에 홀을 형성하여 그 홀에 제어축(20)을 삽입하되 상호 스플라인 결합되도록 하는 방식으로 체결되는 등 다양한 방식으로 설치될 수 있으나, 제어축(20)과 제어레버(70)는 회전방향으로는 상호 구속되어 상기 모터에 의해 제어축(20)이 회동될 때 제어축(20)과 일체로 동일한 각도로 회전되어야 한다.

상기 가변아암(80)은 로커아암샤프트(60)와 하부로커아암(40)의 연결축(42)을 연결하는 상태로 설치된다.

상기 가변아암(80)은 상기 연결축(42)에 회동 가능하게 설치된 기단부(81)와, 상기 로커아암샤프트(60)에 회동 가능하게 설치된 가동부(82)로 이루어지는데, 상기 가동부(82) 는 상기 기단부(81)에 출몰 가능한 상태로 삽입된다. 따라서, 신축작용을 통해 전체 길이가 가변될 수 있는 구조를 갖는다.

또한, 상기 기단부(81)와 가동부(82)의 사이에는 스프링(83)이 설치되며, 상기 스프링(83)은 가동부(82)가 기단부(81)의 내부로 밀려들어갈 때 압축되고, 압축상태에서 가동부(82)를 밀어내는 작용을 하게 된다.

또한, 상기 가동부(82)의 단부에는 상기 제어레버(70)측 부분이 개구된 원호 형상의 파지부(84)가 형성되며, 이 파지부(84)의 내부에 상기 로커아암샤프트(60)가 삽입 안착되어 상호 회동 가능한 상태로 연결된다.

한편, 상기 제어레버(70)는 상기 제어축(20)으로부터 하방으로 연장되는 방향으로 설치되는데, 몸체 하부의 로커아암샤프트(60)측 면에는 호형의 돌출곡면(71)이 형성된다. 상기 돌출곡면(71)은 상기 파지부(84)의 개구부를 통해 로커아암샤프트(60)에 직접 접촉되어 제어축(20) 회동시 로커아암샤프트(60)를 밀어준다.

이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여 상기 실시예의 작동을 설명한다.

도 5와 도 6은 밸브리프트가 최대인 하이리프트(high lift) 상태를 도시한 것으로, 모터에 의해 제어축(20)이 시계방향으로 회동된 상태이다.

따라서, 제어축(20)과 일체로 제어레버(70)가 시계방향으로 회동됨으로써 로커아암샤프트(60)가 경사홀(41)의 상부로 밀려 올라가며, 이에 로커아암팔로워(50)가 상방으로 이동하여 "a"점에 접촉된다. 상기 "a"점이 하이리프트 작동 시작위치가 된다. 이때 상기 돌출곡면(71)은 그 형상에 의하여 로커아암팔로워(50)를 보다 부드럽게 밀어 올려주는 작용을 하게 된다.

이때 상기 로커아암샤프트(60)가 경사홀(41)을 따라 상방으로 이동하여 연결축(42)과의 거리가 가까워짐으로써 상기 가변아암(80)이 수축되어 기단부(81)의 내부로 가동부(82)가 삽입되고 스프링(83)은 압축된다.

상기의 상태에서 구동캠(10)이 회전되면(구동캠의 작동방향은 반시계 방향임) 롤러(32)가 하방으로 이동하면서, 제어축(20)을 중심으로 상부로커아암(30)이 반시계방향(하방)으로 회동하여 로커아암팔로워(50)를 눌러 하부로커아암(40)을 눌러주게 되며, 이에 밸브(1)가 눌려 흡/배기 포트가 개방된다.

이때 상기 로커아암팔로워(50)와 상부로커아암(30)의 접촉점은 상부로커아암(30)의 프로파일(31)면을 따라 롤러(32)쪽으로 이동하게 되는데, 로커아암팔로워(50)의 작동 시작점(a)의 위치가 최상 위치에 있는 상태이므로 구동캠(10) 회전시 상부로커아암(30)에 의한 눌림량이 최대로 발생하여 하부로커아암(40)의 작동량이 최대가 되므로 밸브리프트가 최대인 하이리프트 상태가 구현된다.

한편, 도 6과 도 7은 밸브리프트가 최소인 로우리프트(low lift) 상태를 도시한 것으로, 상기 하이리프트 상태에서 모터에 의해 제어축(20)이 반시계방향으로 회동된 상태이다.

상기와 같이 제어축(20)이 회동됨으로써 제어축(20)이 더 이상 로커아암샤프트(60)를 지지하지 않게 되므로 압축되어 있던 스프링(83)의 복원력에 의해 기단부(81)로부터 가동부(82)가 돌출되면서 로커아암샤프트(60)를 밀어주게 되며, 이에 로커아암샤프트(60)는 경사홀(41)의 하부로 이동하게 된다.

따라서, 로커아암팔로워(50)와 상부로커아암(30)의 접촉점 위치는 "a"에서 "b"로 하강하게 되며, 따라서 구동캠(10) 회전에 의해 상부로커아암(30)이 동일한 각도로 하향 회동되어도 도 5,6의 하이리프트 상태일 때보다 상기 하부로커아암(40)의 작동량이 최대로 작은 로우리프트 상태가 구현된다.

따라서, 엔진제어유니트는 엔진의 작동상태 변화에 따라서 상기 제어축(30)의 회동 위치를 적절히 가변시킴으로써 밸브리프트가 하이리프트와 로우리프트의 사이에서 적절히 구현될 수 있게 된다. 또한, 상기 밸브리프트 가변에 수반하여 밸브 듀레이션의 가변이 이루어진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 밸브리프트 가변을 위한 구성 부품들의 수가 적어 작동이 간결함으로써 작동 정밀도와 신뢰성이 향상되어 보다 우수한 제어 성능을 가지는 연속 가변 밸브리프트 장치를 제공할 수 있게 된다.

또한, 같은 이유에서 장치의 내구성을 재고하는 것이 보다 용이해진다.

또한, 장치가 캠축의 하부에 컴팩트하게 구성됨으로써 실린더헤드의 전고 감소를 통해 엔진의 크기를 감소시킬 수 있고, 이에 엔진룸의 레이아웃 설정 자유도가 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연속 가변 밸브리프트 장치의 구성도,

도 2는 도 1의 사시도,

도 3은 도 1의 확대도로서, 하부로커아암 내측의 형상을 보여주는 투영도,

도 4는 도 1의 저면 사시도,

도 5와 6은 본 발명의 하이리프트 작동상태의 정면도와 사시도,

도 7과 8은 본 발명의 로우리프트 작동상태의 정면도와 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 ; 구동캠 20 ; 제어축

30 ; 상부로커아암 31 ; 프로파일

32 ; 롤러 40 ; 하부로커아암

41 ; 경사홀 42 ; 연결축

50 ; 로커아암팔로워 60 ; 로커아암샤프트

70 ; 제어레버 71 ; 돌출곡면

80 ; 가변아암 81 ; 기단부

82 ; 가동부 83 ;스프링

84 ; 파지부

Claims (12)

1. 구동캠과;

   일정 위치에 회동 가능하게 설치된 제어축과;

   상기 제어축에 설치되어 상기 구동캠에 의해 회동되는 상부로커아암과;

   상기 상부로커아암에 의해 눌려져 밸브를 눌러주는 하부로커아암과;

   상기 하부로커아암에 설치되고 상부로커아암에 접촉되어 상부로커아암의 작동력을 하부로커아암에 전달하는 로커아암팔로워 및;

   상기 로커아암팔로워의 위치를 가변시키는 가변수단;

   을 포함하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어축은 상기 구동캠의 하부에 위치한 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어축은 엔진제어유니트에 의해 회동각이 조절되는 모터에 연결되어 회전되는 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 상부로커아암의 하측면에는 상기 로커아암팔로워의 접촉위치에 따라 하이리프트 및 로우리프트를 형성하는 프로파일이 형성된 것을 특 징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 상부로커아암의 단부에 롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 로커아암팔로워는 로커아암샤프트에 회전 가능하게 설치되고, 상기 로커아암샤프트는 상기 하부로커아암에 형성된 경사홀에 설치된 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 경사홀은 상기 제어축의 중심으로부터 하부보다 상부까지의 거리가 더 먼 상태로 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 로커아암팔로워는 로커아암샤프트에 니들베어링을 매개로 회전 가능하게 설치된 롤러인 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브 리프트 장치.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 가변수단은 상기 제어축에 연동되어 상기 로커아암샤프트를 밀어주는 제어레버와;

   상기 하부로커아암의 일단에 회동 가능하게 장착되고, 상기 제어레버에 의한 밀림상태가 해제되었을 때 상기 로커아암샤프트를 반대방향으로 밀어주는 가변아암;

   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 제어레버는 상기 제어축에 일체로 형성되고, 하부의 일측면에는 상기 로커아암샤프트에 접촉되는 호형의 돌출곡면이 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
11. 청구항 9에 있어서,

    상기 가변아암은 하부로커아암 일단에 형성된 연결축상에 회동가능하게 설치된 기단부와;

    일단이 상기 기단부에 삽입되어 그로부터 출몰가능하고, 타단이 상기 로커아암샤프트에 회동 가능하게 연결된 가동부 및;

    상기 기단부와 가동부의 사이에 개재되어 가동부를 밀어주는 스프링;

    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 가동부의 단부에는 상기 로커아암샤프트를 파지하여 결합상태를 유지하면서 상대 회동 가능한 원호형의 파지부가 형성된 것을 특징으로 하는 엔진의 연속 가변 밸브리프트 장치.

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