KR20110050384A - 내연 기관용 가변 밸브 장치 - Google Patents

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Abstract

내연 기관용 가변 밸브 장치는 제1 및 제2 흡기 캠 사이의 위상차(스플릿)를 가변하는 캠 위상 가변 기구를 포함한다. 내연 기관의 소정의 운전 상태에 따라서, 제2 흡기 캠은 소정의 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내이고 흡기 캠 샤프트의 구동 토크의 최소 변동(진폭)을 수반하는 위상(스플릿)(S1)을 취하도록 제어된다.

Description

내연 기관용 가변 밸브 장치 {VARIABLE VALVE DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 가변 밸브 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 흡배기 밸브의 밸브 개폐 시기의 최적화를 도모하는 기술에 관한 것이다.
최근, 밸브의 개폐 시기(캠의 위상)를 변화시키는 가변 밸브 장치로서, 캠 위상 가변 기구를 구비한 내연 기관(엔진)이 점점 더 많이 나오고 있다. 또한, 각각의 기통에 복수의 흡기 밸브가 구비된 엔진에 상기 캠 위상 가변 기구를 채용하고, 엔진의 운전 상태에 따라서 흡기 밸브 중 일부만은 물론 모든 흡기 밸브의 밸브 개폐 시기를 변화(스플릿)시키는 기술이 개발되어 있다(일본 특허 출원 공개 제2009-144521호).
이러한 방식으로 개별 기통 관련 흡기 밸브 중 일부만의 밸브 개폐 시기를 변화시키는 것이 가능하면, 복수의 흡기 밸브를 전체적으로 연속으로 개방시키도록 할 수 있어, 흡기 밸브에 있어서 전체적인 밸브의 개방 기간을 길게 하여 자유도가 높은 밸브 제어를 실시할 수 있어, 엔진의 운전 성능의 향상을 도모할 수 있다.
통상, 내연 기관이 저속도 저부하 상태인 경우에는, 흡기 밸브의 폐쇄 시기를 보다 지각(遲角)시킴으로써 펌핑 손실을 저감시킬 수 있으므로, 흡기 밸브의 폐쇄 시기에 대해서는 최지각 위치로 설정하는 것이 바람직하다고 여겨지고 있다. 이러한 견지에 기초하여, 전술된 공개 문헌에 따르면, 내연 기관이 시동이나 아이들링 등의 기간 중에 관찰되는 저속도 저부하 상태에 있을 때에는, 복수의 밸브 중 개폐 시기가 변화 가능한 하나(본 명세서에서는 2개의 밸브 중 하나)를 최지각 위치로 제어하도록 하고 있다.
그러나 발명자들의 연구에 따르면, 열간 아이들링 상태와 같이 내연 기관의 난기(暖機) 후의 극저속도 극저부하 기간 중에 있어서, 밸브 중 개폐 시기가 변화 가능한 하나를 상기와 같은 최지각 위치로 제어하도록 하면, 펌핑 손실에 대해서는 저감되지만, 오히려 연소가 불안정해지거나 연비가 악화되는 현상이 일어나는 것이 확인되었다. 내연 기관의 난기 후의 극저속도 극저부하 기간 중에 있어서 연소 안정성 및 연비의 악화는 바람직하지 못하다. 아이들링의 실시 빈도가 높은 것을 고려하면, 내연 기관의 운전 성능의 향상을 충분히 도모할 수 없다.
본 발명의 목적은, 내연 기관의 펌핑 손실 저감 운전 중에 있어서의 연소 안정성 및 연비의 악화를 방지할 수 있어, 내연 기관의 운전 성능의 향상을 도모하는 것이 가능한 내연 기관의 가변 밸브 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 각각의 기통에 제1 흡기 캠에 의해 구동되는 제1 흡기 밸브와 제2 흡기 캠에 의해 구동되는 제2 흡기 밸브를 갖고, 제1 흡기 캠에 대해 제2 흡기 캠의 위상을 가변하는 것이 가능한 캠 위상 가변 기구와, 캠 위상 가변 기구를 제어하는 위상 가변 제어 유닛을 구비하고, 캠 위상 가변 기구는, 파이프로 형성된 아우터 캠 샤프트 내에 인너 캠 샤프트를 회전 가능하게 배치함으로써 형성되어, 내연 기관의 크랭크 출력에 의해 구동 가능한 흡기 캠 샤프트를 갖고, 아우터 캠 샤프트의 외주부에 제1 흡기 캠이 설치되고, 아우터 캠 샤프트의 축심 주위로 회전 가능하게 제2 흡기 캠이 설치되고, 아우터 캠 샤프트와 인너 캠 샤프트의 상대 변위에 의해, 제2 흡기 캠의 위상을 제1 흡기 캠에 기초하여 가변시키고, 위상 가변 제어 유닛은, 내연 기관의 소정의 운전 상태에 따라서 제1 흡기 캠에 대해 제2 흡기 캠의 위상을 가변함으로써 제2 흡기 캠이 펌핑 손실을 확보하는 소정의 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내의 위상을 취하도록 하고, 제2 흡기 캠은, 소정의 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내에 있어서, 흡기 캠 샤프트의 구동 토크가 최소가 되는 소정의 위상으로 설정되는 내연 기관용 가변 밸브 장치를 제공한다.
아우터 캠 샤프트에 대한 인너 캠 샤프트의 상대 변위에 따라서 흡기 캠 샤프트의 토크 변동 폭은 가변한다. 토크 변동이 크면 윤활유가 유체 윤활로부터 경계 윤활로 전환될 가능성이 커져 흡기 캠 샤프트의 마찰이 증가한다. 따라서, 펌핑 손실 저감 운전 시, 흡기 캠 샤프트의 최소 토크 변동을 수반하는 위상을 취하도록 제2 흡기 캠을 제어하면, 흡기 캠 샤프트의 마찰을 저감하고, 향상된 연소 안정성 및 나아가 향상된 연비를 야기할 수 있다.
본 발명은 예시로서만 제공되어 본 발명을 한정하지 않는 첨부 도면 및 이후 제공되는 상세한 설명으로부터 더 상세하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 내연 기관의 가변 밸브 장치의 개략 구성도.
도 2는 제1 및 제2 캠 위상 가변 기구의 작동 제어에 사용되는 맵.
도 3의 (a), 도 3의 (b) 및 도 3의 (c)는 작동 제어가 저속도 저부하 영역에서 행해지는 동안의 엔진의 크랭크각과 제1 및 제2 흡기 밸브 그리고 배기 밸브의 리프트량과의 관계를 개별적으로 나타내는 도면.
도 4는 스트리벡 선도.
도 5는 제1 흡기 밸브와 제2 흡기 밸브 사이의 스플릿량과 흡기 캠 샤프트에 걸리는 토크와의 관계를 나타내는 도면.
도 6은 제1 흡기 밸브와 제2 흡기 밸브 사이의 스플릿량과 흡기 및 배기 캠 샤프트에 걸리는 토크와의 관계를 나타내는 도면.
이하, 첨부 도면에 기초하여 본 발명의 일 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 내연 기관의 가변 밸브 장치의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 더 구체적으로, 도 1은 엔진(1)의 실린더 헤드(2)의 내부 구조를 도시하는 상면도이다.
엔진(1)은, 예를 들어 DOHC식 밸브 트레인을 갖는 직렬 4기통의 엔진이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 실린더 헤드(2)의 내부에 회전 가능하게 지지된 배기 캠 샤프트(3) 및 흡기 캠 샤프트(4)는, 각각 그 위에 장착되는 캠 스프로킷(5, 6)을 가진다. 캠 스프로킷(5, 6)은 체인(7)을 통해 도시하지 않은 크랭크 샤프트에 연결되어 있다.
엔진(1)의 각각의 기통(8)에는, 2개의 흡기 밸브(9, 10)와 2개의 배기 밸브(14, 14)가 설치되어 있다. 흡기 캠 샤프트(4) 상에는 제1 및 제2 흡기 캠(11, 12)이 교대로 제공되고, 각각의 기통(8)에 대한 2개의 흡기 밸브(9, 10)는 제1 및 제2 흡기 캠(11, 12)에 의해 개별적으로 구동된다. 각각의 기통(8)에 대한 2개의 배기 밸브(14, 14)는, 배기 캠 샤프트(3)에 고정된 배기 캠(13)에 의해 구동된다.
흡기 캠 샤프트(4)는 중공 형상의 아우터 캠 샤프트와, 아우터 캠 샤프트 내에 배치된 인너 캠 샤프트를 구비한 2중 구조 샤프트이다. 인너 캠 샤프트는, 약간의 간극을 가지면서 아우터 캠 샤프트 내측에 동심으로 배치된다. 이렇게 배열된 인너 및 아우터 캠 샤프트는 엔진(1)의 실린더 헤드(2)에 제공된 캠 저널(23) 내에 회전 가능하게 수용되어 있다.
아우터 캠 샤프트에는 각각의 제1 흡기 캠(11)이 고정되어 있다. 각각의 제2 흡기 캠(12)은 아우터 캠 샤프트 상에 얹히고, 아우터 캠 샤프트 내에 형성되는 주위 방향으로 연장된 관통 구멍을 통해 끼워진 고정 핀에 의해 인너 캠 샤프트에 고정되어 있다. 이것으로부터, 제1 흡기 캠(11)은 아우터 캠 샤프트와 회전하고, 제2 흡기 캠(12)은 인너 캠 샤프트와 회전하며, 제2 흡기 캠(12)을 구비한 인너 캠 샤프트는 아우터 캠 샤프트에 대해 회전(turn)이 허용된다.
흡기 캠 샤프트(4)에는, 제1 캠 위상 가변 기구(30) 및 제2 캠 위상 가변 기구(청구범위에서 "캠 위상 가변 기구"로 칭함)(31)가 설치되어 있다. 제1 및 제2 캠 위상 가변 기구(30, 31)에는, 예를 들어 공지의 베인식 유압 액추에이터가 각각 형성되어 있다. 베인식 유압 액추에이터는, 원통 형상의 하우징(커버) 내에 회전 가능하게 배열된 베인 로터로 구성되고, 유압 유닛(50)으로부터 솔레노이드 작동식 유압 밸브(52, 54)를 거쳐서 하우징 내로 공급되는 작동 유량, 즉 하우징 내측의 작동 유압에 따라서, 하우징에 대한 베인의 상대 변위가 가변되도록 설계된다.
제1 캠 위상 가변 기구(30)는 흡기 캠 샤프트(4)의 전단부에 설치되고, 하우징에는 캠 스프로킷(6)이 고정되고, 베인 로터에는 아우터 캠 샤프트가 고정되어 있다.
제2 캠 위상 가변 기구(31)는 흡기 캠 샤프트(4)의 후단부에 설치되고, 하우징에는 아우터 캠 샤프트가 고정되고, 베인 로터에는 인너 캠 샤프트가 고정되어 있다.
결과적으로, 제1 캠 위상 가변 기구(30)가 캠 스프로킷(6)에 대해 아우터 캠 샤프트의 상대 변위를 가변시킬 수 있고, 한편 제2 캠 위상 가변 기구(31)가 아우터 캠 샤프트에 대해 인너 캠 샤프트의 상대 변위를 가변시킬 수 있어서, 제1 캠 위상 가변 기구(30)는 배기 밸브(14)의 개폐 시기에 대해 제1 흡기 밸브(9)의 개폐 시기 및 제2 흡기 밸브(10)의 개폐 시기를 함께 가변시킬 수 있고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)는 제1 흡기 밸브(9)의 개폐 시기와 제2 흡기 밸브(10)의 개폐 시기 사이의 위상차(스플릿량)를 가변시킬 수 있다.
실린더 헤드(2)에는 아우터 캠 샤프트의 실제 상대 변위를 검출하는 제1 캠 센서(32)가 장착되어 있다. 제1 캠 센서(32)로부터의 정보에 기초하여, 유압 밸브(52)의 밸브 위치를 조정함으로써, 제1 캠 위상 가변 기구(30)가 제어될 수 있다.
흡기 캠 샤프트(4)는 실린더 헤드(2)의 후방벽(2a)을 통해 연장하고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)는 실린더 헤드(2)의 외측에 배치되어, 액추에이터 커버(40)로 덮여 있다.
액추에이터 커버(40)에는, 제2 캠 위상 가변 기구(31)의 베인 로터의 회전 타이밍을 검출함으로써 인너 캠 샤프트의 실제 상대 변위를 검출하는 제2 캠 센서(45)가 장착되어 있다.
결과적으로, 제1 및 제2 캠 센서(32, 45)로부터의 정보에 기초하여, 인너 및 아우터 캠 샤프트 사이의 실제 상대 변위를 획득할 수 있고, 이와 같이 획득한 실제 상대 변위에 기초하여, 솔레노이드 작동식 유압 밸브(54)의 밸브 위치를 조정함으로써, 제2 캠 위상 가변 기구(31)가 제어될 수 있다.
전자 컨트롤 유닛(ECU)(60)은, 엔진(1)의 각종 태양을 제어하며, CPU, 메모리 등으로 구성되어 있다. ECU(60)의 입력측에는 전술된 제1 및 제2 캠 센서(32, 45) 외에, 엔진(1)의 액셀러레이터 위치를 검출하는 액셀러레이터 위치 센서(APS)(62) 및 크랭크각을 검출하는 크랭크각 센서(64)와 같은 각종 센서류가 접속된다. ECU(60)의 출력측에는 전술된 솔레노이드 작동식 유압 밸브(52, 54)를 포함하는 각종 디바이스류가 접속되어 있다. APS(62)로부터의 액셀러레이터 위치 정보에 기초하여 엔진 부하가 획득되고, 크랭크각 센서(64)로부터의 크랭크각 정보에 기초하여 엔진 속도(rpm)(Ne)가 획득된다.
이어서, 전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 관한 내연 기관의 가변 밸브 장치의 작동 방법 및 기능에 대해 설명한다.
ECU(60)(청구범위에서 "위상 가변 제어 유닛"으로 칭함)는 제1 및 제2 캠 위상 가변 기구(30, 31)를 도 2에 나타내는 맵에 따라서, 엔진(1)의 운전 상태, 즉 엔진 부하와 엔진 속도(Ne)에 기초하여 제어한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 및 제2 캠 위상 가변 기구(30, 31)는, 엔진(1)의 범위가 정해진 운전 영역, 즉 시동 및 난기 운전 영역 X, 저속도 저부하 운전 영역 A, 저속도 고부하 운전 영역 B 및 고속도 운전 영역 C에 따라 제어된다.
엔진(1)이 유압 유닛(50)으로부터 공급되는 유압이 충분하지 않은, 시동 및 난기 운전 영역 X에 있는 경우, 각각 로크 핀에 의해 제1 캠 위상 가변 기구(도면에서 "제1 VVT"로 나타냄)(30)는 최지각 위상으로 유지되고, 제2 캠 위상 가변 기구(도면에서 "제2 VVT"로 나타냄)(31)는 최진각 위상으로 유지된다.
운전 영역 A에서는, 시동 및 난기 운전 영역 X와는 달리, 제1 캠 위상 가변 기구(30)는 최지각 위상으로 유지되고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)는 엔진 속도 및 부하에 따라 결정되는 위상을 취하도록 제어한다. 구체적으로는, 엔진 속도(Ne)가 소정치 N0 이상 소정치 N1 미만인 경우는, 유압 유닛(50)으로부터의 공급 유압이 낮다. 이러한 이유로, 제1 캠 위상 가변 기구(30)와 비교하여 개폐 시기를 가변하도록 배열된 밸브의 수가 적은 제2 캠 위상 가변 기구(31)가 제1 캠 위상 가변 기구(30)보다 높은 제어성을 가지는 점을 고려하여, 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 로크 핀 혹은 유압에 의해 최지각 위상으로 유지하고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)에 대해서는 엔진 속도 및 부하에 따라 결정되는 위상을 취하도록 제어한다. 또한, 엔진 부하가 소정치 L1 미만 또한 엔진 속도(Ne)가 소정치 N1 초과 소정치 N2 미만인 경우라도, 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 최지각 위상으로 유지하고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)에 대해서는 엔진 속도 및 부하에 따라 결정되는 위상을 취하도록 제어한다.
운전 영역 B에서는, 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 엔진 속도 및 부하에 따라 결정되는 지각 위상을 취하도록 제어하고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)에 대해서는 최진각 위상으로 유지한다. 구체적으로는, APS(62)로부터의 액셀러레이터 위치 정보에 따라 획득된 엔진 부하가 소정치 L1 초과 또한 엔진 속도(Ne)가 소정치 N1 이상 소정치 N2 미만인 경우에, 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 엔진 속도 및 부하에 따라 결정되는 지각 위상을 취하도록 제어하고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)에 대해서는 최진각 위상으로 유지한다.
운전 영역 C에서는, 운전 영역 X와 마찬가지로, 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 최지각 위상으로 유지하고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)에 대해서는 최진각 위상으로 유지한다. 구체적으로는, 엔진 속도(Ne)가 소정치 N2 이상인 경우에, 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 최지각 위상으로 유지하고, 제2 캠 위상 가변 기구(31)에 대해서는 최진각 위상으로 유지한다.
종합하면, 저부하 저속도 운전 영역 A에서는, 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 최지각 위상으로 고정하여 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 우선적으로 제어하게 한다. 고부하 저속도 운전 영역 B에서는, 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 최진각 위상으로 고정하여 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 우선적으로 제어하게 한다. 고속도 운전 영역 C에서는, 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 최지각 위상으로 고정하고, 제2 캠 위상 가변 기구를 최진각 위상으로 고정하도록 하고 있다.
제1 및 제2 캠 위상 가변 기구(30, 31) 중 적어도 어느 한쪽을 고정한다는 것은, 유압이 제1 및 제2 캠 위상 가변 기구(30, 31) 양쪽에 동시에 절대 공급되지 않고, 즉 유압 공급이 제1 및 제2 캠 위상 가변 기구(30, 31) 중 한쪽으로 한정될 수 있음을 의미한다. 따라서, 운전 영역 A, B, C 중 어디에 있어서도, 유압의 변동을 감소시켜, 제1 및 제2 캠 위상 가변 기구(30, 31)를 모두 안정적으로 고정밀도로 제어할 수 있다.
이에 의해, 제1 및 제2 흡기 밸브(9, 10)를 연속으로 원활하고 자유롭게 작동시켜 흡기 밸브 "개방" 기간을 연장할 수 있고, 이는 흡입 매니폴드압을 정밀하게 제어하면서 펌핑 손실을 양호하게 저하시키도록 할 수 있으므로, 엔진 출력의 향상과 연료 소비의 저감을 도모할 수 있다.
저부하 저속도 운전 영역 A의 중심 영역에서는, 제2 캠 위상 가변 기구(31)가 최지각 위상으로 유지되고, 운전 영역 A의 외주 부분에서는, 제2 캠 위상 가변 기구(31)가 화살표로 도시된 바와 같이 영역 A의 중심으로부터 더 이격된 엔진 부하 및 속도에 대해 적게 지각된 위상을 취하도록 제어된다.
또한, 도 2에 파선으로 나타내는 바와 같이, 운전 영역 A는 극저부하 극저속도 운전 영역 A1과 나머지 A2로 나뉘어져 있다. 운전 영역 A1이 난기 후의 극저속도 극저부하 운전 영역(청구범위에서 "소정의 극저속도 극저부하 운전 영역"으로 칭함)으로서, 열간 아이들링 운전 영역도 포함하고, 운전 영역 A2가 통상의 저속도 저부하 운전 영역이다.
극저속도 극저부하 운전 영역 A1은, 중심 영역이 아닌 운전 영역 A의 외주 영역에 포함된다. 이러한 이유로, 극저속도 극저부하 운전 영역 A1에서는, 제1 캠 위상 가변 기구(30)는 최지각 위상으로 유지되고, 한편 제2 캠 위상 가변 기구(31)에 대해서는, 펌핑 손실 저감 운전 또는 펌핑 손실이 양호하게 저감되는 운전을 확보하는 위상 범위[청구범위에서 "소정의 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위"로 칭함, 예를 들어, 20° 내지 90°의 위상(스플릿) 범위] 내에서 엔진 속도 및 부하에 따라 결정되는 지각 위상을 취하도록 제어한다.
도 3은, 운전 영역 A에서의 제어에 의해, 크랭크각에 따라 제1 흡기 밸브(9), 제2 흡기 밸브(10) 및 배기 밸브(14)의 리프트량이 어떻게 변하는지를 나타내고 있다. 도 3의 (a)에 있어서, 시동 및 난기 운전 영역 X에서와 마찬가지로 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 최진각 위상으로 하여, 제2 흡기 밸브(10)를 적게 지각된 위치에서 폐쇄한다. 이로써 실 압축비가 증가되어, 착화성을 높여 연소 안정을 도모한다. 도 3의 (b)는 엔진(1)이 극저속도 극저부하 운전 영역 A1이어서, 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내에서 엔진 속도 및 부하에 따라 결정되는 지각 위상을 취하도록 제어하여, 제2 흡기 밸브를 더 지각된 지점에서 폐쇄하는 경우이다. 이는 펌핑 손실을 줄일 뿐만 아니라, 제1 및 제2 흡기 밸브의 엇갈린 "개방" 기간이 통 내 유동 강화를 제공하고 이러한 흡기 밸브 폐쇄 타이밍이 실 압축비의 밸런스를 제공하기 때문에 연소 안정화 및 나아가 연비를 향상시킨다. 도 3의 (c)는 엔진(1)이 운전 영역 A2에 포함되는 운전 영역 A의 중심 영역에 있어서, 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 최지각 위상으로 유지하여, 제1 흡기 밸브(9)의 개폐 시기와 제2 흡기 밸브(10)의 개폐 시기 사이의 위상차 또는 스플릿량을 최대로 하는 경우이다. 이는 실 압축비를 최소화시키고(흡기 밸브의 폐쇄 지연에 의함), 펌핑 손실을 최소화시키며, 통내 유동 강화가 이루어져, 연비를 향상시킨다.
전술된 바와 같이, 극저속도 극저부하 운전 영역 A1에 있어서는, 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내에서 엔진의 속도 및 부하에 따라서 결정되는 지각 위상을 취하도록 제어한다. 이는, 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내에서 최지각 위상으로 유지하여 제1 흡기 밸브(9)와 제2 흡기 밸브(10) 사이의 스플릿량을 최대로 하면, 그 결과 연소 안정성이 쉽게 악화되고, 이것이 연비를 악화시키는 것을 확인하였기 때문이다.
펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내라도 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 최지각 위상으로 유지하면 연비의 악화가 야기되는 현상의 이유는, 흡기 캠 샤프트(4) 및 흡기 밸브(9, 10)에서의 윤활유의 윤활 모드의 전이에 의해 야기되는 마찰 증대에서 발견되는 것으로 생각되며, 이하에서 설명한다.
도 4를 참조하면, 윤활유의 점도, 미끄럼 속도 및 변동 하중{(점도)×(미끄럼 속도)/(변동 하중)}과 윤활 상태의 관계를 나타내는 소위 스트리벡 선도가 도시되어 있다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 윤활유의 점도가 작아질수록, 미끄럼 속도가 작아질수록, 또는 변동 하중이 커질수록, 윤활 상태가 유체 윤활로부터 혼합 윤활 또는 나아가 경계 윤활로 변화되어, 그 결과 마찰 계수(μ)가 커진다.
극저속도 저부하 운전 영역에 있어서는, 구동되는 흡기 캠 샤프트(4)가 변동 하중을 발생한다. 도 5는 흡기 캠 샤프트(4) 상의 진동하는 구동 토크의 최대 값(실선) 및 최소 값(파선)이 제1 및 제2 흡기 캠(11, 12) 사이의 스플릿량에 따라 어떻게 변하는지를 도시하고 있다. 도 5는 스플릿 S1에서, 흡기 캠 샤프트(4) 상의 구동 토크 진폭, 그에 따른 변동 하중이 최소가 되는 것을 보여준다.
도 4에 도시된 관계를 살펴보면, 흡기 캠 샤프트(4)의 구동 토크 및 그에 따른 하중의 최소 변동이 이루어지는 스플릿 S1에서는, 유체 윤활이 유지될 가능성이 높다. 따라서, 마찰계수(μ)가 작게 유지되어, 체인과 같은 캠 샤프트 구동 전달 시스템의 미끄럼부 상에서의 최대 부하 및 전달 시스템에 의해 구동하는 축을 지지하는 베어링 상에서의 최대 부하가 저감되고, 그 결과 구동 마찰은 작아지고, 연비는 향상된다.
전술된 바와 같이, 극저속도 저부하 운전 영역에서는, 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내에서 결과적으로 구동 마찰이 작고 연비가 최대가 되는 위상(스플릿 S1)을 취하도록 제어함으로써, 엔진(1)의 연료 소비가 감소될 수 있다.
여기서는 흡기 캠 샤프트(4) 상의 구동 토크만을 고려하였지만, 배기 및 흡기 캠 샤프트(3, 4) 상의 합성된 구동 토크를 고려할 수도 있다.
구체적으로, 도 5와 유사한 도 6은, 제1 및 제2 흡기 밸브(9, 10) 사이의 스플릿량(위상차)에 따라 배기 및 흡기 캠 샤프트(3, 4) 상의 합성된 구동 토크의 최대 값(실선) 및 최소 값(파선)이 어떻게 변하는지를 도시하고 있다. 도 6은 스플릿 S1'에서, 배기 및 흡기 캠 샤프트(3, 4) 상의 합성된 토크의 진폭 및 그에 따른 하중 변동이 최소인 것을 보여준다.
결과적으로, 제2 캠 위상 가변 기구(31)를 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내에서 결과적으로 밸브 구동 마찰이 작고 연비가 최대가 되는 위상(스플릿 S1')을 취하도록 제어함으로써, 엔진(1)의 연료 소비가 감소될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 관한 내연 기관의 가변 밸브 장치를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 전술된 실시예에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 실시예에서는, 제1 흡기 밸브(9)의 개폐 시기와 제2 흡기 밸브(10)의 개폐 시기 사이의 위상차(스플릿량)를 가변하는 제2 캠 위상 가변 기구(31) 외에, 제1 흡기 밸브(9)의 개폐 시기 및 제2 흡기 밸브(10)의 개폐 시기를 함께 가변하는 제1 캠 위상 가변 기구(30)를 구비하고 있지만, 제2 캠 위상 가변 기구(31)만 구비한 엔진이라도 본 발명을 양호하게 적용 가능하다.
또한, 상기 실시예에서는 엔진(1)이 DOHC식 밸브 트레인을 갖는 직렬 4기통의 엔진이지만, DOHC식 밸브 트레인을 필요로 하는 엔진(1)이면, 엔진(1)은 직렬 방식으로 한정되지 않고 V형 엔진일 수도 있고, 기통수도 4기통으로 한정되는 것은 아니다.
1 : 엔진
2 : 실린더 헤드
4 : 흡기 캠 샤프트
9 : 제1 흡기 밸브
10 : 제2 흡기 밸브
11 : 제1 흡기 캠
12 : 제2 흡기 캠
30 : 제1 캠 위상 가변 기구
50 : 유압 유닛

Claims (3)

  1. 각각의 기통에 제1 흡기 캠에 의해 구동되는 제1 흡기 밸브와 제2 흡기 캠에 의해 구동되는 제2 흡기 밸브를 갖고, 상기 제1 흡기 캠에 대해 상기 제2 흡기 캠의 위상을 가변하는 것이 가능한 캠 위상 가변 기구와,
    상기 캠 위상 가변 기구를 제어하는 위상 가변 제어 유닛을 구비하고,
    상기 캠 위상 가변 기구는, 파이프로 형성된 아우터 캠 샤프트 내에 인너 캠 샤프트를 회전 가능하게 배치함으로써 형성되어, 상기 내연 기관의 크랭크 출력에 의해 구동 가능한 흡기 캠 샤프트를 갖고, 상기 아우터 캠 샤프트의 외주부에 상기 제1 흡기 캠이 설치되고, 상기 아우터 캠 샤프트의 축심 주위로 회전 가능하게 상기 제2 흡기 캠이 설치되고, 상기 아우터 캠 샤프트와 상기 인너 캠 샤프트의 상대 변위에 의해, 상기 제2 흡기 캠의 위상을 상기 제1 흡기 캠에 기초하여 가변시키고,
    상기 위상 가변 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 소정의 운전 상태에 따라서 상기 제1 흡기 캠에 대해 상기 제2 흡기 캠의 위상을 가변함으로써 상기 제2 흡기 캠이 펌핑 손실을 확보하는 소정의 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내의 위상을 취하도록 하고,
    상기 제2 흡기 캠은, 상기 소정의 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내에 있어서, 상기 흡기 캠 샤프트의 구동 토크가 최소가 되는 소정의 위상으로 설정되는, 내연 기관용 가변 밸브 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변 밸브 장치는 각각의 기통에 제공되어 배기 캠에 의해 구동하는 배기 밸브 및 상기 내연 기관의 크랭크 출력에 의해 구동되도록 배열되는 배기 캠 샤프트를 더 포함하고, 상기 배기 캠 샤프트의 외주부에 상기 배기 캠이 각각 설치되고,
    상기 위상 가변 제어 유닛은, 상기 내연 기관의 소정의 운전 상태에 따라서 상기 제1 흡기 캠에 대해 상기 제2 흡기 캠의 위상을 가변함으로써 상기 제2 흡기 캠이 소정의 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내이고 상기 흡기 및 배기 캠 샤프트 상의 합성된 구동 토크의 최소 변동을 수반하는 위상을 취하도록 하는, 내연 기관용 가변 밸브 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내연 기관의 소정의 극저속도 극저부하 운전 영역에 있어서, 상기 위상 가변 제어 유닛은, 제2 흡기 캠을 상기 소정의 펌핑 손실 저감 운전 위상 범위 내이고 상기 흡기 캠 샤프트 상의 구동 토크 또는 상기 흡기 및 배기 캠 샤프트 상의 합성된 구동 토크의 최소 변동을 수반하는 위상을 취하도록 제어하는, 내연 기관용 가변 밸브 장치.
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