KR20110129016A

KR20110129016A - 연소 개선을 위한 밸브 리프트 장치를 가지는 엔진

Info

Publication number: KR20110129016A
Application number: KR1020100048406A
Authority: KR
Inventors: 임혁
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-12-01

Abstract

본 발명은 같은 기통에 흡기를 도입하도록 설치되는 2개의 흡기밸브를 각기 다른 프로파일에 의해 열림 시기를 달리하여 흡기 초기 연소실 내의 텀블 유동 및 스월 유동을 함께 일으켜 유동을 강화시켜 연소속도를 빠르게 함으로서 연비를 개선할 수 있는 HEV 엔진용의 연소 개선을 위한 밸브 리프트 장치를 가지는 실린더 내 분사식 엔진을 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 연소실에 흡기를 도입하기 위하여 마련되는 한쌍의 흡기포트의 각각에 마련되는 제1흡기밸브 및 제2흡기밸브와, 흡기캠축에 설치되어 상기 제1흡기밸브를 개폐하는 제1흡기캠 및 상기 제2흡기밸브를 개폐하는 제2흡기캠을 구비하고 있으며, 상기 제1흡기캠 및 제2흡기캠 프로파일에 기초해서 상기 제1 및 제2흡기밸브를 개폐하도록 구성된 실린더 내 분사식 엔진에 있어서, 상기 제1흡기캠의 노스 선단부와 제2흡기캠의 노스 선단부는 서로 편심되게 형성하여 상기 제1흡기밸브와 제2흡기밸브가 시간차를 두고 개방되도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

연소 개선을 위한 밸브 리프트 장치를 가지는 엔진{Engine having valve lifting device to improve combustion}

본 발명은 차량 엔진의 스월 생성에 의한 연소 개선을 위한 밸브리프트 장치의 구조 개선에 관한 것이다.

엔진은 연소실 내에서 혼합기와 연소가스의 교환작용--혼합기의 유입과 연소가스의 배출작용--이 완전하고도 신속하게 이루어져야 높은 출력을 낼 수 있다.

그러나, 흡입되는 혼합기 및 배출되는 연소가스는 각각의 운동관성을 가지고 있으므로 흡/배기 밸브의 상대적 작동상태가 일정하게 고정되어 있는 상태에서는 혼합기와 연소가스의 흡입 및 배출작용이 최선으로 제어될 수 없다.

따라서 현재의 차량은 밸브타이밍을 가변 제어하여 보다 넓은 영역에 걸쳐서 최적의 흡배기 상태를 유지함에 따라 엔진의 전 운전영역에서 운전효율이 향상될 수 있도록 하고 있다.

밸브의 타이밍을 가변 제어하는 종래 기술로는 한국 공개특허공보 2005-0063229호(발명의 명칭 : 차량 엔진의 가변 밸브리프트 기구)에 개시된 것이 있는 데, 상기 발명은 캠 프로파일 설계를 통하여 자유로운 밸브타이밍 조절이 가능하도록 차량 엔진의 가변 밸브리프트 기구를 제공함에 있는 것으로, 각각의 프로파일을 가지고 동일 축상에 형성된 좌측캠과 우측캠, 그 좌측캠에 의해 회동되는 좌측로커아암, 상기 우측캠에 의해 회동되는 우측로커아암, 상기 좌측로커아암과 우측로커아암의 사이에 위치한 중앙로커아암, 상기 로커아암들에 형성된 핀홀에 내장되어 로커아암들을 결합 및 분리하는 핀, 상기 중앙로커아암에 의해 작동되는 밸브, 이 밸브를 원위치시키는 스프링을 포함하여 구성되어 있다.

이에 따라, 상기 핀의 위치에 따라 중앙로커아암이 어느쪽 로커아암과 결합하느냐가 결정되고, 그에 따라 해당 캠의 프로파일에 따른 밸브의 개폐가 이루어지게 되어 밸브타이밍 가변이 이루어지게 되며, 어느 한쪽 캠의 프로파일이 다른 한쪽 캠의 작동에 전혀 영향을 주지 않으므로 양쪽 캠의 프로파일을 자유롭게 설계 가능하게 된다.

그러나 상기한 발명은 1개 밸브의 리프트를 로커아암의 구동을 통해 밸브 리프트를 가변하는 방식이어서 펌핑 저감에는 효과가 있으나 연소실로 도입되는 가스의 텀블 유동만 가져올 뿐 스월 유동을 촉진할 수 없어 연소성을 개선하지는 못하는 한계가 있다.

또 일본 공개특허 1993-133211호(발명의 명칭 : 내연기관용 밸브 장치)에는 1개 밸브의 리프트를 가변하는 기구를 제안하고 있으며, 동 발명은 직동 태핏의 상형을 변경하고 2개의 캠으로 1개의 밸브를 구동하여 펌핑을 저감하도록 하고 있다.

한편, 일본 공개특허 2003-184520호(발명의 명칭 : 가변 밸브 타이밍 기구를 갖는 엔진)에서는 1개의 밸브를 여러 개의 캠 프로파일을 이용하여 밸브리프트를 가변적으로 제어하는 방식을 제안하고 있는 데, 이 방식 역시 1개 밸브 가변을 통해 펌핑 저감을 유도할 뿐 연소성 개선에는 별 효과가 없다.

이에 본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은 같은 기통에 흡기를 도입하도록 설치되는 2개의 흡기밸브를 각기 다른 프로파일에 의해 열림 시기를 달리하여 흡기 초기 연소실 내의 텀블 유동 및 스월 유동을 함께 일으켜 유동을 강화시켜 연소속도를 빠르게 함으로서 연비를 개선할 수 있는 연소 개선을 위한 밸브 리프트 장치를 가지는 엔진을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 연소실에 흡기를 도입하기 위하여 마련되는 한쌍의 흡기포트의 각각에 마련되는 제1흡기밸브 및 제2흡기밸브와, 흡기캠축에 설치되어 상기 제1흡기밸브를 개폐하는 제1흡기캠 및 상기 제2흡기밸브를 개폐하는 제2흡기캠을 구비하고 있으며, 상기 제1흡기캠 및 제2흡기캠 프로파일에 기초해서 상기 제1 및 제2흡기밸브를 개폐하도록 구성된 엔진에 있어서, 상기 제1흡기캠의 노스 선단부와 제2흡기캠의 노스 선단부는 서로 편심되게 형성하여 상기 제1흡기밸브와 제2흡기밸브가 시간차를 두고 개방되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 제1흡기밸브를 개방하는 제1흡기캠의 프로파일은 상기 제2흡기밸브를 개방하는 제2흡기캠의 프로파일과 대비하여 상기 제1밸브가 제2밸브보다 개방을 지연되게 설계함으로써 흡기초기 스월 유동을 연소실에 형성되도록 한 것을 특징으로 한다.

또 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 제1 및 제2흡기캠의 편심은 흡기 초기 유속이 가장 빠른 흡기 밸브 열림 후 크랭크 각도를 기준하여 0~60°사이에 있는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하기는 상기 제1 및 제2흡기캠의 바람직한 편심각은 흡기 초기 유속이 가장 빠른 흡기 밸브 열림 후 크랭크 각도를 기준하여 40~60°사이에 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 엔진(GDI, MPI 엔진 및 앳킨슨 사이클(atkinson cycle) 적용 HEV 엔진 등 모든 엔진을 포함)에서 흡기를 도입하도록 개방되는 2개의 밸브 열림 시기에 위상차를 줌으로써 종래의 텀블(tumble) 유동과 스월(swirl) 유동이 복합된 인클라인드 스월(inclined swirl) 유동이 생성되어 압축 행정 말가지 유동이 유지되어지게 됨으로써 화염전파 속도를 개선하여 연소특성을 향상하는 효과가 있다.

도1은 본 발명 엔진의 연소실 근방의 단면 구조를 나타낸 단면도이다.
도2는 본 발명 엔진의 연소실에 있어서의 A-A 단면도이다.
도3은 본 발명에 의한 제1흡기캠과 제2흡기캠이 설치된 흡기캠축의 요부 확대도이다.
도4는 본 발명에 의한 제1흡기캠과 제2흡기캠이 설치된 흡기캠축의 측면도이다.
도5는 본 발명 엔진에 있어 크랭크 각과 캠 리프트의 관계를 나타낸 그래프이다.

도1은 엔진(1,본 발명은 GDI 엔진이나 MPI 엔진 등 엔진 종류에 제한은 없으나 특히 바람직하게 적용할 수 있는 엔진은 앳킨슨 사이클(atkinson cycle)이 적용되는 HEV 엔진이다)의 연소실(2) 부근의 단면구조로서, 엔진(1)의 실린더블록(3)에는 복수개의 실린더(4 ,본 발명에서는 1개만 도시)가 형성되어 있고, 동 실린더(4)내에는 피스톤(5)이 왕복 구동이 가능하게 설치되어 있다. 그리고 실린더(4) 상부에는 실린더헤드(6)에 의해 상기 연소실(2)이 형성되어 있다.

상기 실린더헤드(6)에는 흡기를 연소실(2)에 도입하는 통로를 구성하는 제1흡기포트(7)와 제2흡기포트(8)가 형성되어 있고, 그들 흡기포트들(7)(8)은 각각 연소실(2)에 접속되어 있다.

또 실린더헤드(6)에는 연소실(2)에 접속되어 배기통로의 일부를 형성하는 제1배기포트(9)와 제2배기포트(10)가 형성되어 있고, 그들 배기포트(9)(10)는 각 흡기포트(7)(8)와 인접하여 형성되어 있다.

그리고 상기 실린더헤드(6)에는 각 실린더(4)의 연소실(2)에 대응하여 점화 플러그(11) 및 연료분사밸브(12)가 장착되어 있다.

상기 각 흡기포트(7)(8)의 개구부(13a)(13b)는 실린더헤드(6)에 왕복운동이 가능하게 마련된 제1흡기밸브(14)와 제2흡기밸브(15, 제흡기밸브와 같은 형상으로 흡기포트8을 개페하게 설치되어 있으나 직접 도시는 생략하였다)에 의해서 각각 개폐되게 구성되어 있다. 같은 모양으로 상기 각 배기포트(9)(10)의 개구부(16a)(16b)는 실린더헤드(6)에 왕복운동이 가능하게 마련된 제1배기밸브(17)와 제2배기밸브(18)에 의해서 각각 개폐되게 구성되어 있다.

도3은 밸브 리프트 장치로서 상기 각 흡기밸브(14)(15)를 개폐하기 위한 제1흡기캠(19)과 제2흡기캠(20)이 형성된 흡기캠축(21)의 일부를 확대하여 도시한 것으로, 상기 흡기캠축(21)은 실린더헤드(6)에 회전 가능하게 설치된다.

이에 따라 상기 흡기캠축(21)에는 상기 제1흡기밸브(14)를 개폐하도록 구동하는 제1흡기캠(19)과, 상기 제2흡기밸브(15)를 개폐하도록 구동하는 제2흡기캠(20)이 나란히 인접하여 각 실린더(4)에 대응하여 형성되어 있다.

상기 제1흡기캠(19) 및 제2흡기캠(20)은 각각 코끝처럼 뾰족하게 돌출한 노스 선단부(19a)(20a)를 구비하고 있으며, 이들 노스 선단부(19a)(20a)는 도4의 측면도에서 확인되는 것처럼 서로 어긋난, 즉 그의 중심 축선이 편심(E:offset)된 프로파일을 가지도록 설계되어 있다.

상기 제1 및 제2흡기캠(19)(20)의 편심(E)은 흡기 초기 유속이 가장 빠른 흡기밸브 열림(IVO) 후 0~60°(크랭크 각도 기준) 사이에 있는 것이 바람직하다.

이처럼 종래의 경우 같은 기통의 2개의 흡기밸브를 개폐하기 위한 2개의 흡기캠은 모두 동일한 프로파일로 설계되었지만 본 발명은 흡기 과정 중 연소실 내 스월 유동을 형성할 수 있도록 흡기밸브의 열림 시기 및 프로파일을 다르게 설정하고 있으며, 흡기밸브 개방의 위상차를 가져오는 편심(offset) 각도의 설정은 흡기 밸브의 열림 초기 피스톤 속도 및 흡기밸브 유동을 고려하여 설계된다.

도5는 본 발명 엔진에 있어 크랭크 각과 캠 리프트의 관계를 나타낸 그래프로서, 상기한 본 발명의 특징을 잘 보여주고 있다.

배기캠의 리프트는 크랭크 각도 -90° 부근에서 최대(즉, 밸브가 풀로 열림을 말한다)가 된 후, 리프트 양이 점차 줄어 들어 피스톤이 상사점에 다다르면(이때의 크랭크 각은 0°) 제1흡기밸브(14)가 열리기 시작하여 제1흡기포트(7)를 통해 흡기가 연소실(2)에 도입되며, 이때 배기밸브(17,18)는 완전히 닫힌 상태가 아니라 여전히 약간 개방된 상태로 피스톤이 하강하여 크랭크 각이 대략 80°에 이르러서야 배기밸브(17,18)가 완전히 닫힌다.

한편, 제1흡기밸브(14)가 흡기행정이 시작되는 상사점에서 개방되기 시작하여도 제2흡기밸브(15)는 여전히 닫힌 채로 있는 데, 이 같은 이유는 제1흡기캠(19)과 제2흡기캠(20)이 편심(E)된 프로파일을 가지고 있기 때문으로서, 제1흡기밸브(14)가 열리고 대략 크랭크 각 0~60°사이로서, 바람직하기는 40~60°, 더욱 바람직하기는 45°근방에서 제2흡기캠(20)의 노스 선단부(20a)가 제2흡기밸브(15)의 정점에 도달하여 비로서 열리기 시작하며, 이 같은 2개의 흡기밸브(14)(15) 개방의 시간차에 의한 흡기의 각기 다른 유동이 텀블 유동과 스월 유동을 가져와 이들 유동의 혼합 결과인 인클라인드 유동을 가져오게 되는 것이며, 이로써 연소 속도 개선으로 HEV 엔진의 연비가 개선(대략 1~2% 정도로 측정됨)되는 것이다.

1:엔진 2:연소실
3:실린더블록 4:실린더
5:피스톤 6:실린더헤드
7,8:흡기포트 9,10:배기포트
13(13a,13b):흡기포트 개구부 14:제1흡기밸브
15:제2흡기밸브 16(16a,16b):배기포트 개구부
17,18:배기밸브 19:제1흡기캠
19a:노스 선단부 20:제2흡기캠
20a:노스 선단부 21:흡기캠축

Claims

연소실에 흡기를 도입하기 위하여 마련되는 한쌍의 흡기포트의 각각에 마련되는 제1흡기밸브 및 제2흡기밸브와, 흡기캠축에 설치되어 상기 제1흡기밸브를 개폐하는 제1흡기캠 및 상기 제2흡기밸브를 개폐하는 제2흡기캠을 구비하고 있으며, 상기 제1흡기캠 및 제2흡기캠 프로파일에 기초해서 상기 제1 및 제2흡기밸브를 개폐하도록 구성된 엔진에 있어서, 상기 제1흡기캠의 노스 선단부와 제2흡기캠의 노스 선단부는 서로 편심되게 형성하여 상기 제1흡기밸브와 제2흡기밸브가 시간차를 두고 개방되도록 한 것을 특징으로 하는 엔진.
제1항에 있어서, 상기 제1흡기밸브를 개방하는 제1흡기캠의 프로파일은 상기 제2흡기밸브를 개방하는 제2흡기캠의 프로파일과 대비하여 상기 제1밸브가 제2밸브보다 개방을 지연되게 설계함으로써 흡기초기 스월 유동을 연소실에 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 엔진.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2흡기캠의 편심은 흡기 초기 유속이 가장 빠른 흡기 밸브 열림 후 크랭크 각도를 기준하여 0~60°사이에 있는 것을 특징으로 하는 엔진.
제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2흡기캠의 바람직한 편심각은 흡기 초기 유속이 가장 빠른 흡기 밸브 열림 후 크랭크 각도를 기준하여 40~60°사이에 있는 것을 특징으로 하는 엔진.