KR20110134429A - 내연 기관용 가변식 거동 밸브 장치 - Google Patents

내연 기관용 가변식 거동 밸브 장치 Download PDF

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찰스 이. 프라이스
하워드 이. 무어
켈리 이. 스티븐슨
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제이피 스코우프 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 장치는 밸브 및 액추에이터를 포함한다. 밸브는 엔진의 실린더 헤드에 의해 형성된 밸브 포켓 내에 이동식으로 배치된 부분을 갖는다. 밸브는 실린더 헤드에 대해 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 이동하도록 구성된다. 밸브의 일부는 밸브가 개방 위치에 있을 때, 엔진의 실린더와 유체 연통하는 유동 개구를 형성한다. 액추에이터는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변경하도록 구성된다.

Description

내연 기관용 가변식 거동 밸브 장치{VARIABLE TRAVEL VALVE APPARATUS FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 발명의 명칭이 "개선된 헤드 밸브를 구비한 사이드 캠 개방형 포트 엔진(Side Cam Open Port Engine with Improved Head Valve)"인 2006년 3월 9일자 미국가출원 60/780,364호 및 발명의 명칭이 "사이드 캠 개방형 포트(Side Cam Open Port)"인 2005년 9월 23일자 미국가출원 60/719,506호의 우선권을 주장한 발명의 명칭이 "내연 기관용 밸브 장치(Valve Apparatus for an Internal Combustion Engine)"이며 2006년 9월 22일자로 출원된 미국특허 7,461,619호의 연속출원인 발명의 명칭이 "내연 기관용 밸브 장치(Valve Apparatus for an Internal Combustion Engine)"인 2008년 12월 8일자 미국특허출원 12/329,964호의 부분연속출원인 발명의 명칭이 "내연 기관용 가변식 거동 밸브 장치(Variable Travel Valve Apparatus for an Internal Combustion Engine)"인 2009년 2월 27일자 미국출원 12/394,700호의 연속출원이며, 이 문헌들 각각은 본원에 그 전체가 참조로 포함된다.
본 발명은 유체 처리 기계에서 기체 교환 공정을 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 내연 기관용 밸브 및 실린더 헤드에 관한 것이다.
예컨대 내연 기관, 압축기 등과 같은 많은 유체 처리 기계는 최적의 성능을 보장하기 위해 정확하고 효율적인 기체 교환 공정을 필요로 한다. 예를 들어, 내연 기관의 흡기 행정 중에는 미리 결정된 공기 및 연료의 양이 엔진의 작동 사이클의 미리 결정된 시간에 연소 챔버로 공급되어야 한다. 이때, 연소 챔버는 비효율적인 작동 및/또는 엔진 내의 각종 구성요소들의 손상을 방지하기 위해 연소가 일어나는 동안 밀봉되어야 한다. 배기 행정 동안에는 연소 챔버에서 연소된 기체가 연소 챔버로부터 효율적으로 배기되어야 한다.
몇몇 공지된 내연 기관은 연소 챔버 내외로 기체의 유동을 제어하기 위해 포핏 밸브(poppet valves)를 사용한다. 공지된 포핏 밸브는 세장형 스템 및 확장된 밀봉 헤드를 포함하는 왕복동식 밸브이다. 사용시에, 공지된 포핏 밸브는 밀봉 헤드가 밸브 시트로부터 이격되도록 연소 챔버를 향해 내측으로 개방되며, 이로 인해 밸브가 개방 위치에 있을 때 연소 챔버 내외로의 유동 통로가 형성된다. 밀봉 헤드는 연소 챔버를 효율적으로 밀봉하기 위해 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트상의 대응 표면과 접촉하도록 구성된 각진 표면(angled surface)을 포함할 수 있다.
그러나 공지된 포핏 밸브의 확대된 밀봉 헤드는 연소 실린더에 유출입되는 기체의 유동 통로를 방해하는데, 이는 비효율적인 기체 교환 공정을 야기할 수 있다. 또한, 확대된 밀봉 헤드는 유입 공기 내에 소용돌이 및 기타 바람직하지 않은 난류를 형성할 수도 있는데, 이는 연소가 일어나는데 부정적인 영향을 줄 수 있다. 이러한 영향을 최소화하기 위해, 몇몇 공지된 포핏 밸브는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 비교적 긴 거리를 이동하도록 구성된다. 그러나 밸브 상승을 증가시키는 것은 더 높은 기생 손실(parasitic losses), 밸브 트레인 마모 증가, 엔진 작동 중 밸브 대 피스톤 접촉 기회 증가 등을 유발한다.
공지된 포핏 밸브의 밀봉 헤드는 연소 챔버 안으로 연장하기 때문에, 이들은 엔진 연소의 극한 압력 및 온도에 노출되며, 이는 밸브의 고장 또는 누설 가능성을 증가시킨다. 연소 환경에 대한 노출은, 예컨대 큰 열 팽창, 해로운 탄소 침전물 축적 등을 유발할 수 있다. 또한, 이러한 배열은 밸브의 수리 및/또는 교환에 알맞지 않다. 많은 예에서, 예컨대 실린더 헤드는 밸브의 수리 또는 교체를 위해 제거되어야 한다.
누설의 가능성을 줄이기 위해, 공지된 포핏 밸브는 비교적 강성 스프링을 사용하여 폐쇄 위치로 편향된다. 따라서, 공지된 포핏 밸브는 종종 밸브를 개방하는데 필요한 큰 힘을 형성하기 위해 캠샤프트를 사용하여 동작된다. 그러나 공지된 캠샤프트 기반의 동작 시스템은 엔진 작동 조건의 함수로서 밸브 거동(또는 상승), 타이밍 및/또는 밸브 이벤트의 지속기간을 변경하는 것에 대한 유연성이 제한된다. 예를 들어, 몇몇 공지된 캠샤프트 기반의 동작 시스템은 밸브 개방 또는 지속기간을 변경할 수 있지만, 밸브 이벤트가 캠샤프트 또는 엔진 크랭크축의 회전 위치에 의존하기 때문에 이러한 변경은 제한적이다. 따라서, 밸브 이벤트(즉, 타이밍, 지속기간 및/또는 거동)는 각각의 엔진 작동 환경[예컨대, 낮은 아이들(low idle), 높은 속도, 완전한 부하 등]에 대해 최적화되는 것이 아니며, 대신 전체적인 성능을 양호하게 하는 타협으로 선택된다.
몇몇 공지된 포핏 밸브는 전자식 액추에이터를 사용하여 동작된다. 그러나 이러한 솔레노이드 기반의 동작 시스템에서는 종종 다수의 스프링 및/또는 솔레노이드가 편향 스프링의 힘을 극복해야 한다. 또한, 솔레노이드 기반의 동작 시스템은 편향 스프링의 힘에 반하여 밸브를 동작시키기 위해 비교적 큰 동력을 필요로 한다.
따라서, 내연 기관 및 이와 유사한 시스템 및 장치를 위한 개선된 밸브 동작 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
여기서는 기체 교환 밸브 및 방법이 개시된다. 일부 실시예에서, 장치는 밸브 및 액추에이터를 포함한다. 밸브는 엔진의 실린더 헤드에 의해 형성된 밸브 포켓 내에 이동 가능하게 배치되는 부분을 갖는다. 밸브는 실린더 헤드에 대해 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 이동하도록 구성된다. 밸브의 부분은 밸브가 개방 위치에 있을 때 엔진의 실린더와 유체 소통하는 유동 개구를 형성한다. 액추에이터는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변화시키도록 구성된다.
도 1 및 도 2는 제1 구성과 제2 구성의 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체를 각각 개략적으로 도시한다.
도 3 및 도 4는 제1 구성과 제2 구성의 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체를 각각 개략적으로 도시한다.
도 5는 제1 구성의 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체를 포함하는 엔진의 일부의 정면 단면도이다.
도 6은 제2 구성의 도 5에 도시된 실린더 헤드 조립체의 정면 단면도이다.
도 7은 도 5에서 "7"로 표시된 실린더 헤드 조립체의 일부의 정면 단면도이다.
도 8은 도 6에서 "8"로 표시된 실린더 헤드 조립체의 일부의 정면 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체의 일부의 평면도이다.
도 10 및 도 11은 각각 도 5에 도시된 밸브 부재의 평면도 및 정면도이다.
도 12는 12-12 라인을 따라 취한 도 11에 도시된 밸브 부재의 단면도이다.
도 13은 도 10 내지 도 12에 도시된 밸브 부재의 사시도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 밸브 부재의 사시도이다.
도 15 및 도 16은 각각 일 실시예에 따른 밸브 부재의 평면도 및 정면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 밸브 부재의 사시도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 밸브 부재의 사시도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 밸브 부재의 사시도이다.
도 20 및 도 21은 각각 일 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체의 정면 단면도 및 측면 단면도이다.
도 22는 일 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체의 일부의 정면 단면도이다.
도 23은 일 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체의 정면 단면도이다.
도 24 및 도 25는 각각 일 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체의 정면 단면도 및 측면 단면도이다.
도 26은 일 실시예에 따른 밸브 부재의 단면도이다.
도 27은 일차원 테이퍼부를 갖는 일 실시예에 따른 밸브 부재의 사시도이다.
도 28은 일 실시예에 따른 밸브 부재의 정면도이다.
도 29 및 도 30은 각각 제1 구성 및 제2 구성의 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체의 일부의 정단면도이다.
도 31은 실시예에 따른 엔진의 일부의 평면도이다.
도 32는 실시예에 따른 엔진의 일부를 도시한 개략도이다.
도 33은 펌핑 보조 모드에서 작동하는 도 32에 도시된 엔진의 일부를 도시한 개략도이다.
도 34 내지 도 36은 각각 제1 모드 및 제2 모드로 작동하는 실시예에 따른 엔진의 밸브 이벤트의 그래프도이다.
도 37은 도 5에 도시된 실린더 헤드 조립체의 사시 분해도이다.
도 38은 실시예에 따라 엔진을 조립하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 39는 실시예에 따라 엔진을 수리하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 40 및 도 42는 각각 실시예에 따른, 폐쇄 위치에 있는, 제1 구성 및 제2 구성의 가변식 거동 밸브 액추에이터 조립체를 갖는 엔진의 평면도의 개략도이다.
도 41 및 도 43은 각각 개방 위치에 있는, 제1 구성 및 제2 구성의 도 40 및 도 42에 도시된 엔진의 평면도의 개략도이다.
도 44 및 도 45는 각각 실시예에 따른, 폐쇄 위치에 있는, 제1 구성 및 제2 구성의 가변식 거동 밸브 액추에이터 조립체를 갖는 엔진의 평면도의 개략도이다.
도 46 및 도 47은 실시예에 따른 엔진의 사시도이다.
도 48은 도 46 및 도 47에 도시된 엔진의 실린더 헤드, 흡기 밸브 액추에이터 조립체, 및 배기 밸브 액추에이터 조립체의 측면도이다.
도 49는 도 46 및 도 47에 도시된 엔진의 일부의 평면 사시 분해도이다.
도 50은 도 46 및 도 47에 도시된 엔진의 흡기 밸브 액추에이터 조립체의 사시 분해도이다.
도 51 및 도 52는 각각 폐쇄 위치 및 제1 개방 위치에 있는 흡기 밸브를 갖춘, 도 46 및 도 47에 도시된 엔진의 일부의 측단면도이다.
도 53은 제2 개방 위치에 있는 흡기 밸브를 갖춘, 도 46 및 도 47에 도시된 엔진의 일부의 측단면도이다.
도 54는 도 49에 도시된 엔진의 흡기 밸브의 평면 사시도이다.
도 55는 도 54의 라인 X1-X1을 따라 취해진 도 54에 도시된 흡기 밸브의 측단면도이다.
도 56은 도 54에 도시된 흡기 밸브의 정면도이다.
도 57은 흡기 밸브 액추에이터 조립체의 일부의 단면도이다.
도 58은 도 46 및 도 47에 도시된 엔진의 배기 밸브 액추에이터 조립체의 사시 분해도이다.
도 59 및 도 60은 각각 폐쇄 위치 및 제1 개방 위치에 있는 배기 밸브를 갖춘, 도 46 및 도 47에 도시된 엔진의 일부의 측단면도이다.
도 61은 제2 개방 위치에 있는 배기 밸브를 갖춘, 도 46 및 도 47에 도시된 엔진의 일부의 측단면도이다.
도 62는 도 49에 도시된 엔진의 배기 밸브의 평면 사시도이다.
도 63은 도 62의 라인 X2-X2를 따라 취해진 도 62에 도시된 배기 밸브의 측단면도이다.
도 64는 도 62에 도시된 흡기 밸브의 정면도이다.
도 65는 실시예에 따른 엔진 제어 유닛(ECU)을 갖는 엔진의 개략도이다.
도 66 내지 도 68은 도 65에 도시된 ECU 내에 포함된 보정 테이블의 그래프도이다.
일부 실시예에서, 장치는 밸브 및 액추에이터를 포함한다. 밸브는 엔진의 실린더 헤드에 의해 형성된 밸브 포켓 내에 이동식으로 배치된 부분을 갖는다. 밸브는 실린더 헤드에 대해 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 이동하도록 구성된다. 밸브의 일부는 밸브가 개방 위치에 있을 때, 엔진의 실린더와 유체 연통하는 유동 개구를 형성한다. 액추에이터는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변경하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 장치는 밸브 및 액추에이터를 포함한다. 밸브는 엔진의 실린더 헤드에 의해 형성된 유동 통로 내에 이동식으로 배치된 부분을 갖는다. 밸브는 실린더 헤드에 대해 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 이동하도록 구성된다. 밸브는 엔진의 크랭크축의 회전에 대해 자유롭게 이동하도록 구성된다. 밸브는 밸브가 개방 위치에 있을 때, 엔진의 실린더의 외부에 배치된다. 액추에이터는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변경하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 장치는 밸브, 편향 부재, 및 액추에이터를 포함한다. 밸브는 엔진의 실린더 헤드에 의해 형성된 유동 통로 내에 이동식으로 배치된 부분을 갖는다. 밸브는 실린더 헤드에 대해 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 이동하도록 구성된다. 밸브는 엔진의 크랭크축의 회전에 대해 자유롭게 이동하도록 구성된다. 예를 들어, 스프링일 수 있는 편향 부재는 폐쇄 위치를 향해 밸브를 편향시키도록 구성된다. 편향 부재는 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, 밸브상에 힘을 가하도록 구성된다. 액추에이터는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변경하도록 구성된다. 편향 부재에 의해 밸브상에 가해진 힘은 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, 사실상 일정한 값으로 유지된다. 유사하게, 액추에이터는 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, 편향 부재에 의해 밸브상에 가해진 힘을 변경하지 않고 밸브 거동을 선택적으로 변경하도록 구성된다.
도 1 및 도 2는 각각 제1 및 제2 구성의 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체(130)의 개략도이다. 실린더 헤드 조립체(130)는 실린더 헤드(132) 및 밸브 부재(160)를 포함한다. 실린더 헤드(132)는 종축(Lp)을 갖는 밸브 포켓(138)을 형성하는 내부 표면(134)을 갖는다. 밸브 부재(160)는 2개의 유동 통로(168)를 형성하고 종축(Lv)을 갖는 테이퍼부(162)를 갖는다. 테이퍼부(162)는, 각각이 유동 통로(168) 중 하나에 인접하게 배치된 2개의 시일링 부분(172)을 포함한다. 테이퍼부(162)는 제1 측면(164) 및 제2 측면(165)을 포함한다. 테이퍼부(162)의 제2 측면(165)은 테이퍼 각도(θ)에 의해 종축(Lv)으로부터 각도 오프셋되고, 이로써 테이퍼부(162)의 테이퍼를 생성한다. 제1 측면(164)은 종축(Lv)에 사실상 평행하여 비대칭 테이퍼부(162)를 형성하는 것으로 도시되지만, 일부 실시예에서, 제1 측면(164)은 각도 오프셋되어 테이퍼부(162)가 종축(Lv)에 대해 대칭이 되게 한다. 테이퍼부(162)는 테이퍼 각도(θ)를 형성하는 선형 테이퍼를 포함하는 것으로 도시되지만, 일부 실시예에서, 테이퍼부(162)는 비선형 테어퍼를 포함할 수 있다.
밸브 부재(160)는 밸브 포켓(138) 내에 왕복운동식으로 배치됨으로써, 밸브 부재(160)의 테이퍼부(162)가 밸브 포켓(138) 내의 테이퍼부(162)의 종축(Lv)을 따라 이동될 수 있게 된다. 사용시, 실린더 헤드 조립체(130)는 제1 구성(도 1 참조) 및 제2 구성(도 2 참조)으로 위치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구성에서, 밸브 부재(160)는 시일링 부분(172)이 실린더 헤드(132)의 내부 표면(134)으로부터 이격되어 배치되는 제1 위치에 위치하여, 각각의 유동 통로(168)가 실린더 헤드(132)의 외부의 영역(137)과 유체 연통하게 된다. 도 2에 예시된 바와 같이, 실린더 헤드 조립체(132)는 A로 표시된 화살표에 의해 지시된 방향으로 종축(Lv)을 따라 안쪽으로 밸브 부재(160)를 이동시킴으로써 제2 구성으로 위치된다. 제2 구성에 있는 경우에, 시일링 부분(172)들은 유동 통로(168) 각각이 실린더 헤드(132)의 외측의 영역(137)으로부터 유체 격리되도록 실린더 헤드(132)의 내부 표면(134)의 일부분과 접촉하게 된다.
전체 밸브 부재(160)가 테이퍼된 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는, 밸브 부재의 일부분만이 테이퍼되어 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 밸브 부재는 하나 이상의 테이퍼되지 않은 부분을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브 부재는 다수의 테이퍼부들을 포함할 수 있다.
유동 통로(168)가 밸브 부재(160)의 종축(Lv)에 실질적으로 수직으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는, 유동 통로(168)는 종축(Lv)으로부터 각이 지게 오프셋 될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 밸브 부재(160)의 종축(Lv)은 밸브 포켓(138)의 종축(Lp)과 일치될 필요가 없다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 밸브 부재의 종축은 밸브 포켓의 종축으로부터 오프셋될 수 있고 종축에 평행할 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브의 종축은 밸브 포켓의 종축에 대해 소정 각도로 배치될 수 있다.
예시된 바와 같이, 테이퍼부(162)의 종축(Lv)은 밸브 부재의 종축과 일치된다. 이에 따라, 명세서 전체에 걸쳐서, 테이퍼부의 종축은 밸브 부재의 종축으로서 언급될 수 있고 그 반대도 마찬가지이다. 그러나, 일부 실시예에서, 테이퍼부의 종축은 밸브 부재의 종축으로부터 오프셋 될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 이하에 기술되는 바와 같이 제1 스템부 및/또는 제2 스템부는 밸브 부재의 종축이 테이퍼부의 종축으로부터 오프셋되도록 테이퍼부으로부터 각이 지게 오프셋될 수 있다.
실린더 헤드 조립체(130)는 유체 통로(168)가 실린더 헤드(132)의 외측의 영역(137)과 유체 연통하는 제1 구성(즉, 개방된 구성)과, 유체 통로(168)가 실린더 헤드(132)의 외측의 영역(137)으로부터 유체 격리되는 제2 구성(즉, 폐쇄된 구성)을 갖는 것으로 예시되어 있고, 일부 실시예에서는, 제1 구성이 폐쇄된 구성일 수 있고 제2 구성이 개방된 구성일 수 있다. 다른 실시예에서, 실린더 헤드 조립체(130)는 두 개 초과의 구성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 실린더 헤드 조립체는 예컨대 부분 개방 구성과 완전 개방 구성과 같은 다수의 개방 구성들을 가질 수 있다.
도 3 및 도 4는 제1 및 제2 구성 각각에서의 실시예에 따른 엔진(200)의 일부분의 개략도들이다. 엔진(200)은 실린더 헤드 조립체(230), 실린더(203) 및 가스 매니폴드(210)를 포함한다. 실린더(203)는 실린더 헤드 조립체(230)의 제1 표면(235)에 결합될 수 있고, 예를 들어, 엔진 블록(도시되지 않음)에 의해 한정된 연소 실린더일 수 있다. 가스 매니폴드(210)는 실린더 헤드 조립체(230)의 제2 표면(236)에 결합되고, 예를 들어, 흡기 매니폴드 또는 배기 매니폴드일 수 있다. 제1 표면(235) 및 제2 표면(236)이 실린더 헤드(232)의 서로 대향한 측면들 상에 배치되고 평행하게 되어 있지만, 다른 실시예에서는, 제1 표면 및 제2 표면이 서로 인접될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가스 매니폴드 및 실린더는 실린더 헤드의 동일 표면에 결합될 수 있다.
실린더 헤드 조립체(230)는 실린더 헤드(232) 및 밸브 부재(260)를 포함한다. 실린더 헤드(232)는 종축(Lp)을 갖는 밸브 포켓(238)을 한정하는 내부 표면(234)을 갖는다. 실린더 헤드(232)는 두 개의 실린더 유동 통로(248)들 및 두 개의 가스 매니폴드 유동 통로(244)들을 또한 한정한다. 각각의 실린더 유동 통로(248)들은 실린더(203) 및 밸브 포켓(238)과 유체 연통한다. 유사하게, 각각의 가스 매니폴드 유동 통로(244)들은 가스 매니폴드(210) 및 밸브 포켓(238)과 유체 연통한다. 실린더 유동 통로(248) 각각이 다른 실린더 유동 통로(248)로부터 유체 격리되는 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는, 실린더 유동 통로(248)들이 서로 유체 연통될 수 있다. 유사하게, 각각의 가스 매니폴드 유동 통로(244)들이 다른 가스 유체 유동 통로(244)로부터 유체 격리되는 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서, 가스 매니폴드 유동 통로(244)들은 서로 유체 연통될 수 있다.
밸브 부재(260)는 종축(Lv) 및 종축(Lv)에 대한 테이퍼 각도(Θ)를 갖는 테이퍼부(262)를 갖는다. 테이퍼부(262)는 두 개의 유동 통로(268)를 형성하고 두 개의 밀봉 부분(272)들을 포함하며, 그 각각은 유동 통로(268)들 중 하나에 인접하여 배치된다. 단일 차원에서 비대칭형 테이퍼로서 도시되어 있지만, 일부 실시예에서 테이퍼부는 종축(Lv)에 대하여 대칭적으로 테이퍼될 수 있다. 다른 실시예에서, 본 명세서에 더욱 상세하게 기술된 바와 같이, 테이퍼부는 종축(Lv)에 대하여 두 개의 차원들로 테이퍼될 수 있다.
밸브 부재(260)는 밸브 부재(260)의 테이퍼부(262)가 밸브 포켓(238) 내에서 그의 종축(Lv)을 따라 이동될 수 있도록 밸브 포켓(238) 내에서 배치된다. 사용시, 엔진(200)은 제1 구성(도 3) 및 제2 구성(도 4)으로 위치될 수 있다. 도 3에서 예시된 바와 같이, 제1 구성의 경우에, 밸브 부재(260)는 각각의 유동 통로(268)가 실린더 유동 통로(248)들 중 하나와 가스 매니폴드 유동 통로(244)들 중 하나와 유체 연통되는 제1 위치에 있게 된다. 이러한 방식으로, 가스 매니폴드(210)는 실린더(203)와 유체 연통한다. 엔진이 제1 구성에 있을 때 유동 통로(268)들이 실린더 유동 통로(248)들 및 가스 매니폴드 유동 통로(244)들과 정렬되는 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는, 유동 통로(268)들이 직접 정렬될 필요는 없다. 다시 말하면, 유동 통로(268, 248, 24)들은 엔진(200)이 제1 구성에 있을 때 오프셋될 수 있지만, 가스 매니폴드(210)는 실린더(203)와 여전히 유체 연통한다.
도 4에 예시된 바와 같이, 엔진(200)이 제2 구성에 있을 때, 밸브 부재(260)는 B로 표시된 화살표에 의해 지시된 방향으로 제1 위치로부터 축방향으로 오프셋 되는 제2 위치에 있게 된다. 제2 구성에서, 밀봉 부분(272)들은 각각의 유동 통로(268)가 실린더 유동 통로(248)들로부터 유체 격리되도록 실린더 헤드(232)의 내부 표면(234)의 일부분과 접촉하게 된다. 이러한 방식으로, 실린더(203)는 가스 매니폴드(210)로부터 유체 격리된다.
도 5는 실시예에 따른 제1 구성에서 실린더 헤드 조립체(330)를 포함하는 엔진(300)의 일부분의 정면 단면도이다. 도 6은 제2 구성에서 실린더 헤드 조립체(330)의 정면 단면도이다. 엔진(300)은 엔진 블록(302)과 엔진 블록(302)에 결합된 실린더 헤드 조립체(330)를 포함한다. 엔진 블록(302)은 종축(Lc)을 갖는 실린더(303)를 한정한다. 피스톤(304)이 실린더(303)의 종축(Lc)을 따라 왕복할 수 있도록 실린더(303) 내에서 배치된다. 피스톤(304)은 피스톤이 실린더(303) 내에서 왕복하도록 오프셋 스로우(offset throw)(307)를 갖는 크랭크축(308)에 연결 로드(306)에 의해 결합되고, 크랭크축(308)은 그 종축(도시되지 않음)을 중심으로 회전된다. 이러한 방식으로, 피스톤(304)의 왕복 운동은 회전 운동으로 변환될 수 있다.
실린더 헤드 조립체(330)의 제1 표면(335)은 제1 표면(335)의 일부분이 실린더(303)의 상부 부분을 덮음으로써 연소 챔버(309)를 형성하도록 엔진 블록(302)에 결합될 수 있다. 실린더(303)를 덮는 제1 표면(335)의 부분이, 일부 실시예에서, 실린더 헤드 조립체(330)가 연소 챔버 내로 돌출하는 밸브들을 포함하지 않기 때문에, 피스톤의 상단 표면으로부터 만곡되어 각이 지게 오프셋되는 것으로 도시되어 있지만, 연소 챔버의 일부를 형성하는 실린더 헤드 조립체의 표면은 임의의 적합한 형상 설계를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 연소 챔버의 일부를 형성하는 실린더 헤드 조립체의 표면은 피스톤의 상단 표면에 편평하고 평행하게 될 수 있다. 다른 실시예에서, 연소 챔버의 일부를 형성하는 실린더 헤드 조립체의 표면은 반구형 연소 챔버, 지붕형(pent-roof) 연소 챔버 또는 유사한 것을 형성하도록 만곡될 수 있다.
내부 영역(312)을 한정하는 가스 매니폴드(310)는 가스 매니폴드(310)의 내부 영역(312)이 제2 표면(336)의 일부와 유체 연통하도록 실린더 헤드 조립체(330)의 제2 표면(336)에 결합된다. 본 명세서에 상세하게 기술된 바와 같이, 이러한 배치는 예를 들어 공기 또는 연소 부산물과 같은 가스가 실린더 헤드 조립체(330) 및 가스 매니폴드(310)를 거쳐 실린더(303)의 내로 또는 밖으로 이송되게 한다. 단일 가스 매니폴드(310)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는, 엔진이 두 개 이상의 매니폴드들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 엔진은 실린더 헤드에 공기 및/또는 공기-연료 혼합물을 공급하도록 구성된 흡기 매니폴드와, 실린더 헤드로부터 멀리 배기 가스를 전송하도록 구성된 배기 매니폴드를 포함할 수 있다.
또한, 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 제1 표면(335)은 제2 표면(336)에 대향될 수 있으므로, 실린더(303) 내로 그리고/또는 밖으로의 가스의 유동은 실질적으로 직선을 따라 일어날 수 있다. 이러한 배치에서, 연료 분사기(도시되지 않음)는 실린더 유동 통로(348) 바로 위에서 흡기 매니폴드(도시되지 않음) 내에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 분사된 연료는 일련의 만곡부들에 영향받지 않으면서 실린더(303) 내로 전송될 수 있다. 연료 통로를 따라 존재하는 만곡부들을 제거하는 것은 연료 충돌 및/또는 벽 습윤(wall wetting)을 감소시킬 수 있고, 이에 의해 예를 들어 향상된 과도 응답(transient response)과 같은 더 효율적인 엔진 성능을 초래한다.
실린더 헤드 조립체(330)는 실린더 헤드(332) 및 밸브 부재(360)를 포함한다. 실린더 헤드(332)는 종축(Lp)을 갖는 밸브 포켓(338)을 한정하는 내부 표면(334)을 갖는다. 실린더 헤드(332)는 또한 4개의 실린더 유동 통로(348) 및 4개의 가스 매니폴드 유동 통로(344)를 규정한다. 각각의 실린더 유동 통로(348)는 실린더 헤드(332)의 제1 표면(335)에 인접하고, 실린더(303) 및 밸브 포켓(338)과 유체 연통한다. 유사하게, 각각의 가스 매니폴드 유동 통로(344)는 실린더 헤드(332)의 제2 표면(336)에 인접하고, 가스 매니폴드(310) 및 밸브 포켓(338)과 유체 연통한다. 각각의 실린더 유동 통로(348)는 대응 가스 매니폴드 유동 통로(344)와 정렬된다. 이러한 구성에서, 실린더 헤드 조립체(330)가 제1 (또는 개방된) 상태에 있을 때(예를 들어, 도 5 및 도 7 참조), 가스 매니폴드(310)는 실린더(303)와 유체 연통한다. 반대로, 실린더 헤드 조립체(330)가 제2 (또는 폐쇄된) 상태에 있을 때(예를 들어 도 6 및 도 8 참조), 가스 매니폴드(310)는 실린더(303)로부터 유체적으로 단절된다.
밸브 부재(360)는 테이퍼부(362), 제1 스템부(376) 및 제2 스템부(377)를 갖는다. 제1 스템부(376)는 밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)의 단부에 커플링되고, 캠샤프트(314)의 밸브 로브(315)와 결합되도록 구성된다. 제2 스템부(377)는 제1 스템부(376)에 대향하는 테이퍼부(362)의 단부에 커플링되고, 스프링(318)에 결합되도록 구성된다. 스프링(318)의 일부는 단부 판(323) 내에 수납되고, 단부 판은 스프링(318)을 제2 스템부(377)에 대해 가압하여 밸브 부재(360)를 도 6에 화살표 D에 의해 표시된 방향으로 편향시키도록 실린더 헤드(332)에 제거 가능하게 커플링된다.
밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)는 그것을 통해 4개의 유동 통로(368)를 규정한다. 테이퍼부는 8개의 시일링 부분(372)을 포함하고(예를 들어 도 10, 도 11 및 도 13 참조), 각각의 시일링 부분은 유동 통로(368)들 중 하나에 인접하여 배치되고 테이퍼부(362)의 외측 표면(363)의 주연부 둘레로 연속적으로 연장된다. 밸브 부재(360)는 밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)가 밸브 포켓(338) 내에서 밸브 부재(360)의 종축(Lv)을 따라서 이동될 수 있도록 밸브 포켓(338) 내에 배치된다. 일부 실시예에서, 밸브 포켓(338)은 밸브 포켓(338) 내에서의 밸브 부재(360)의 이동 범위를 제한하기 위해 밸브 부재(360) 상의 대응 표면(380)에 결합하도록 구성된 표면(352)을 포함한다.
사용시에, 캠샤프트(314)가 회전하여 밸브 로브(315)의 편심부가 밸브 부재(360)의 제1 스템(376)과 접촉할 때, 밸브 부재(360) 상에 밸브 로브(315)에 의해 가해지는 힘은 밸브 부재(360) 상에 스프링(318)에 의해 가해지는 힘을 극복하기에 충분하다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 밸브 부재(360)는 종축(Lv)을 따라 밸브 포켓(338) 내에서 화살표 C의 방향으로 제1 위치를 향해 이동됨으로써, 실린더 헤드 조립체(330)를 개방 상태로 만든다. 개방 상태에 있을 때, 밸브 부재(360)는 각각의 유동 통로(368)가 실린더 유동 통로(348)들 중 하나 및 가스 매니폴드 유동 통로(344)들 중 하나와 정렬되고 유체 연통하도록 밸브 포켓(338) 내에 위치된다. 이러한 방식으로, 가스 매니폴드(310)는 도 7에 화살표 E로 표시된 유동 통로를 따라 실린더(303)와 유체 연통한다.
캠샤프트(314)가 회전하여 캠샤프트 로브(315)의 편심부가 밸브 부재(360)의 제1 스템(376)과 접촉하지 않게 되면, 스프링(318)에 의해 가해지는 힘은 밸브 부재(360)를 화살표 D의 방향으로 제1 위치로부터 축방향으로 오프셋된 제2 위치를 향해 이동시켜, 실린더 헤드 조립체(330)를 폐쇄 상태로 만들기에 충분하다(도 6 참조). 폐쇄 상태에 있을 때, 각각의 유동 통로(368)는 대응 실린더 유동 통로(348) 및 가스 매니폴드 유동 통로(344)로부터 오프셋된다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 폐쇄 상태에 있을 때, 각각의 시일링 부분(372)은 각각의 유동 통로(368)가 실린더 유동 통로(348)로부터 유체적으로 단절되도록 실린더 헤드(332)의 내측 표면(334)의 일부와 접촉한다. 이러한 방식으로, 실린더(303)는 가스 매니폴드(310)로부터 유체적으로 단절된다.
실린더 헤드 조립체(330)는 폐쇄 상태에 있을 때 실린더 유동 통로(348)로부터 유동 통로(368)를 유체적으로 단절시키도록 구성되는 것으로 설명되지만, 일부 실시예에서는 각각의 유동 통로(368)가 실린더 헤드 유동 통로(348) 및 가스 매니폴드 유동 통로(344)로부터 유체적으로 단절되도록 시일링 부분(372)이 실린더 헤드(332)의 내측 표면(334)의 일부와 접촉하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서는, 각각의 유동 통로(368)가 가스 매니폴드 유동 통로(344)로부터만 유체적으로 단절되도록 시일링 부분(372)이 실린더 헤드(332)의 내측 표면(334)의 일부와 접촉하도록 구성될 수 있다.
각각의 실린더 유동 통로(348)는 다른 실린더 유동 통로(348)로부터 유체적으로 단절된 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는 실린더 유동 통로(348)들이 서로 유체 연통할 수 있다. 유사하게, 각각의 가스 매니폴드 유동 통로(344)는 다른 가스 매니폴드 유동 통로(344)로부터 유체적으로 단절된 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서 가스 매니폴드 유동 통로(344)들은 서로 유체 연통할 수 있다.
실린더(303)의 종축(Lc)은 밸브 포켓(338)의 종축(Lp) 및 밸브(360)의 종축(Lv)에 실질적으로 직각인 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는 실린더의 종축이 밸브 포켓의 종축 및/또는 밸브 부재의 종축에 대해 90도가 아닌 각도로 오프셋될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 실린더의 종축은 밸브 포켓의 종축 및/또는 밸브 부재의 종축에 실질적으로 평행할 수 있다. 유사하게, 상술한 바와 같이, 밸브 부재(360)의 종축(Lv)은 밸브 포켓(338)의 종축(Lp)과 동축이거나 평행할 필요가 없다.
일부 실시예에서, 캠샤프트(314)는 실린더 헤드(332)의 일부 내에 배치된다. 조립, 수리 및/또는 조정을 위해 캠샤프트(314) 및 제1 스템부(376)에 접근하는 것을 허용하도록 단부 판(322)이 실린더 헤드(332)에 제거 가능하게 커플링된다. 다른 실시예에서, 캠샤프트는 실린더 헤드에 제거 가능하게 커플링되는 별도의 캠 박스(도시되지 않음) 내에 배치된다. 유사하게, 단부 판(323)은 조립, 수리, 교체 및/또는 조정을 위해 스프링(318) 및/또는 밸브 부재(360)로의 접근을 허용하도록 실린더 헤드(332)에 제거 가능하게 커플링된다.
일부 실시예에서, 스프링(318)은 밸브 부재(360)에 힘을 가함으로써 실린더 헤드 조립체(330)가 폐쇄 상태에 있을 때 시일링 부분(372)이 내측 표면(334)과 접촉 상태를 유지하는 것을 보장하도록 구성된 코일 스프링이다. 스프링(318)은 예를 들어 예를 들어 스테인리스강 스프링 와이어와 같은 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있고, 적절한 편향력을 생성하도록 제조될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서는, 실린더 헤드 조립체(330)가 폐쇄 상태에 있을 때 시일링 부분(372)이 내측 표면(334)과 접촉 상태로 유지되는 것을 보장하기 위해 실린더 헤드 조립체가 임의의 적절한 편향 부재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서는, 실린더 헤드 조립체가 캔틸레버 스프링, 벨빌(Belleville) 스프링, 판 스프링 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 실린더 헤드 조립체가 밸브 부재에 편향력을 인가하도록 구성된 탄성 부재를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 실린더 헤드 조립체가 밸브 부재에 편향력을 인가하도록 구성된 공압 액추에이터, 유압 액추에이터, 전자식 액추에이터 등과 같은 액추에이터를 포함할 수 있다.
제1 스템부(376)는 캠샤프트(314)의 밸브 로브(315)와 직접 접촉하는 것으로 도시되고 설명되지만, 일부 실시예에서는 엔진 및/또는 실린더 헤드 조립체가 캠샤프트와 제1 스템부 사이에 배치된, 예를 들어 조정 가능한 태핏(tappet)과 같은, 사전 설정된 밸브 래쉬(valve lash) 설정을 유지하도록 구성된 부재를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 엔진 및/또는 실린더 헤드 조립체는 밸브 부재가 캠샤프트와 일정하게 접촉하는 것을 보장하기 위해 캠샤프트와 제1 스템부 사이에 배치된 유압 리프터를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 엔진 및/또는 실린더 헤드 조립체는 제1 스템부와의 사이에 배치된, 예를 들어 롤러 종동자와 같은 종동자 부재를 포함할 수 있다. 유사하게, 일부 실시예에서는, 엔진이 스프링에 인접하여 배치된 하나 이상의 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서는, 제2 스템부가 예를 들어 포켓, 클립 등과 같은 스프링 리테이너를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 밸브 로터가 스프링에 인접하여 배치될 수 있다.
실린더 헤드(332)는 엔진 블록(302)에 커플링된 별도의 구성요소인 것으로 도시되고 설명되지만, 일부 실시예에서 실린더 헤드(332)와 엔진 블록(302)은 단일체로서 제조되어, 실린더 헤드 가스켓 및 실린더 헤드 장착 볼트의 필요성을 소거할 수 있다. 일부 실시예에서는, 예를 들어, 엔진 블록과 실린더 헤드가 단일 몰드를 사용하여 주조될 수 있고, 그 후에 실린더, 밸브, 포켓 등을 포함하도록 기계가공될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 밸브 부재는 단부 판을 제거함으로써 설치 및/또는 서비스될 수 있다.
엔진(300)은 단일 실린더를 포함하는 것으로 도시되고 설명되지만, 일부 실시예에서 엔진은 임의의 구조로 임의의 수의 실린더를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 엔진은 직렬(in-line) 구조로 임의의 수의 실린더를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 임의의 수의 실린더가 V자형 구조, 대향 구조 또는 방사상 구조로 배치될 수 있다.
유사하게, 엔진(300)은 임의의 적절한 열역학 사이클을 채용할 수 있다. 그러한 엔진 유형은 예를 들어 디젤 엔진, 스파크 점화 엔진, 균질 차지 압축 점화(homogeneous charge compression ignition: HCCI) 엔진, 2행정 엔진 및/또는 4행정 엔진을 포함할 수 있다. 또한, 엔진(300)은 예를 들어 멀티-포트(multi-port) 연료 분사, 실린더로의 직접 분사, 탄화(carburetion) 등과 같은 임의의 적절한 유형의 연료 분사 시스템을 포함할 수 있다.
실린더 헤드 조립체(330)에 장착 구멍, 스파크 플러그 등이 결여된 것으로 앞서 도시되고 설명되었으나, 일부 실시예에서 실리더 헤드 조립체는 장착 구멍, 스파크 플러그, 냉각 통로, 오일 드릴링(oil drilling) 등을 포함한다.
앞에서 실린더 헤드 조립체(330)는 단일 밸브(360)와 단일 가스 매니폴드(310)를 참조하여 도시되고 설명되었으나, 일부 실시예에서 실린더 헤드 조립체는 복수의 밸브와 가스 매니폴드를 포함한다. 예를 들어, 도 9는 흡기 밸브 부재(360I)와 배기 밸브 부재(360E)를 포함하는 실린더 헤드 조립체(330)의 평면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 실린더 헤드(332)는 내부에 흡기 밸브 부재(360I)가 배치되는 흡기 밸브 포켓(338I)과, 내부에 배기 밸브 부재(360E)가 배치되는 배기 밸브 포켓(338E)을 형성한다. 또한, 전술한 배열과 유사하게, 실린더 헤드(332)는 4개의 흡기 매니폴드 유동 통로(344I)와, 4개의 배기 매니폴드 유동 통로(344E)와, 대응하는 실린더 유동 통로(도 9에 미도시됨)를 형성한다. 각각의 흡기 매니폴드 유동 통로(344I)는 실린더 헤드(332)의 제2 표면(336)에 인접하고, 흡기 매니폴드(미도시)와 흡기 밸브 포켓(338I)과 유체 연통한다. 유사하게, 각각의 배기 매니폴드 유동 통로(344E)는 실린더 헤드(332)의 제2 표면(336)에 인접하고, 배기 매니폴드(미도시)와 배기 밸브 포켓(338E)과 유체 연통한다.
흡기 밸브 부재(360I)와 배기 밸브 부재(360E)의 작동은, 각각 제1(또는 개방된) 위치와 제2(또는 폐쇄된) 위치를 갖는다는 점에서 전술한 밸브 부재(360)의 작동과 유사하다. 도 9에서, 흡기 밸브 부재(360I)는 개방 위치로 도시되며, 여기에서 흡기 밸브 부재(360I)의 테이퍼부(362I)에 의해 형성된 각 유동 통로(368I)는 그의 대응하는 흡기 매니폴드 유동 통로(344I)와 실린더 유동 통로(미도시)와 정렬된다. 이러한 방식에서, 흡기 매니폴드(미도시)는 실린더(303)와 유체 연통하여, 공기의 차지(charge)가 흡기 매니폴드로부터 실린더(303) 내로 이송되게 한다. 역으로, 배기 밸브 부재(360E)는 폐쇄 위치로 도시되며, 여기에서 배기 밸브 부재(360E)의 테이퍼부(362E)에 의해 형성된 각 유동 통로(368E)는 그의 대응하는 배기 매니폴드 유동 통로(344E)와 실린더 유동 통로(미도시)로부터 오프셋된다. 또한, 배기 밸브 부재(360E)에 의해 형성된 각 밀봉 부분(도 9에 도시되지 않음)은 각 유동 통로(368E)가 실린더 유동 통로(미도시)로부터 유체 격리되도록 배기 밸브 포켓(338E)의 내부 표면의 일부와 접촉한다. 이러한 방식에서 실린더(303)는 배기 매니폴드(미도시)로부터 유체 격리된다.
실린더 헤드 조립체(330)는 밸브 부재(360I, 360E)가 그들의 각각의 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동할 때 밸브 부재의 위치들의 다양한 조합에 대응하는 많은 상이한 구조를 가질 수 있다. 가능한 일 구조는 도 9에 도시된 바와 같이 흡기 밸브 부재(360I)가 개방 위치에 있고 배기 밸브 부재(360E)가 폐쇄 위치에 있는 흡기 구조를 포함한다. 다른 가능한 구조는 양 밸브가 그들의 폐쇄 위치에 있는 연소 구조를 포함한다. 다른 가능한 구조는 흡기 밸브 부재(360I)가 폐쇄 위치에 있고 배기 밸브 부재(360E)가 개방 위치에 있는 배기 구조를 포함한다. 다른 가능한 구조는 양 밸브가 그들의 개방 위치에 있는 중첩 구조이다.
전술한 작동과 유사하게, 흡기 밸브 부재(360I)와 배기 밸브 부재(360E)는 흡기 밸브 로브(315I)와 배기 밸브 로브(315E)를 포함하는 캠샤프트(314)에 의해 이동된다. 도시된 바와 같이, 흡기 밸브 부재(360I)와 배기 밸브 부재(360E) 각각은, 스프링(318I, 318E)에 의해 각각 폐쇄 위치 내에 편향된다. 흡기 밸브 로브(315I)와 배기 밸브 로브(315E)는 단일 캠샤프트(314) 상에 배치되는 것으로 도시되지만, 일부 실시예에서 엔진은 흡기 및 배기 밸브 부재들을 이동시키기 위한 분리된 캠샤프트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 흡기 밸브 부재(360I) 및/또는 배기 밸브 부재(360E)는, 예를 들어, 전자 솔레노이드, 스테퍼 모터(stepper motor), 유압 액추에이터, 공압 액추에이터, 압전 액추에이터 등과 같은 적합한 수단에 의해 이동될 수 있다. 다른 실시예에서, 흡기 밸브 부재(360I) 및/또는 배기 밸브 부재(360E)는 스프링에 의해 폐쇄 위치 내에 유지되지 않으며, 그보다는 밸브를 이동하기 위해 전술한 것과 유사한 기구를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 밸브 부재의 제1 스템은 캠샤프트 밸브 로브와 결합할 수 있고, 밸브 부재의 제2 스템은 밸브 부재를 편향시키도록 구성된 솔레노이드와 결합할 수 있다.
도 10 내지 도 13은 각각 밸브 부재(360)의 평면도, 정면도, 측단면도 및 사시도를 도시한다. 전술한 바와 같이, 밸브 부재는 테이퍼부(362), 제1 스템부(376) 및 제2 스템부(377)을 갖는다. 밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)는 4개의 유동 통로(368)를 형성한다. 각 유동 통로(368)는 테이퍼부(362)를 통해 연장되며, 제1 개방부(369)와 제2 개방부(370)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 유동 통로(368)는 테이퍼부(362)의 종축(Lv)을 따라 거리(S)만큼 이격된다. 거리(S)는 테이퍼부(362)가 제1(개방된 구조)로부터 제2(폐쇄된) 구조로 전이될 때 밸브 포켓(338) 내부에서 이동하는 거리에 대응된다. 따라서, 밸브 부재의 거동(또는 스트로크)은 유동 통로(368)를 함께 더 가까운 간격으로 배치함으로써 감소될 수 있다. 일부 실시예에서, 거리(S)는 2.3 mm 내지 4.2 mm(0.090 인치 내지 0.166 인치)일 수 있다. 일부 실시예에서, 거리(S)는 2.3 mm(0.090 인치) 미만 또는 4.2 mm(0.166 인치) 초과일 수 있다. 일정한 간격(S)을 갖는 것으로 도시되었으나, 일부 실시예에서 유동 통로는 각각 상이한 거리만큼 분리된다. 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 밸브 부재의 스트로크를 감소시킴으로써, 예를 들어, 감소된 기생 손실 및 더 약한 밸브 스프링의 사용이 가능함 등과 같은 엔진 성능에 있어서의 몇몇 개선점이 생길 수 있다.
테이퍼부(362)는 길고 협소한 형상을 갖는 4개의 유동 통로를 형성하는 것으로 도시되었으나, 일부 실시예에서 밸브 부재는 모든 적합한 형상과 크기를 갖는 임의의 개수의 유동 통로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 밸브 부재는 8개의 유동 통로를 포함할 수 있으며, 상기 8개의 유동 통로는 [유동 통로의 종축(Lf)에 법선방향인 평면을 따라 취한] 총 유동 면적이 4개의 더 큰 유동 통로를 갖는 밸브 부재의 유동 면적과 대략 동일하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 유동 통로는, "8개 통로 밸브 부재"의 유동 통로들 사이의 간격이 대략 "4개 통로 밸브 부재"의 유동 통로들 사이의 간격의 절반이 되도록 배열될 수 있다. 이로써 "8개 통로 밸브 부재"의 스트로크는 대략 "4개 통로 밸브 부재"의 스트로크의 절반이 되어, 그 결과, 밸브 부재가 대략 상기 거리의 절반만 이동하는 것을 필요로 하면서 실질적으로 동일한 유동 면적을 제공하는 배열을 생성한다.
각 유동 통로(368)는 다른 유동 통로(368)와 동일한 형상 및/또는 크기를 가질 필요가 없다. 그보다는, 도시된 바와 같이 유동 통로의 크기는 밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)의 테이퍼와 함께 감소될 수 있다. 이러한 방식에서, 밸브 부재(360)는 총 유동 면적을 최대화하도록 구성되어, 더 효율적인 엔진 작동을 생성할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 유동 통로(368)의 형상 및/또는 크기는 종축(Lf)을 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 유동 통로는 종축(Lf)을 따라 리드 인 챔퍼(lead-in chamfer) 또는 테이퍼를 가질 수 있다.
유사하게, 각각의 매니폴드 유동 통로(344) 및 각각의 실린더 유동 통로(348)는 각각 다른 매니폴드 유동 통로(344) 및 실린더 유동 통로(348)와 동일한 형상 및/또는 크기를 가질 필요가 없다. 또한, 일부 실시예에서, 매니폴드 유동 통로(344) 및/또는 실린더 유동 통로(348)의 형상 및/또는 크기는 그들의 각각의 종축을 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 매니폴드 유동 통로는 그들의 종축을 따라 리드 인 챔퍼 또는 테이퍼를 가질 수 있다. 다른 실시예에서 실린더 유동 통로는 그들의 종축을 따라 리드 인 챔퍼 또는 테이퍼를 가질 수 있다.
유동 통로(368)의 종축(Lf)은 밸브 부재(360)의 종축(Lv)에 실질적으로 법선방향인 것으로 도 12에 도시되었으나, 일부 실시예에서 유동 통로(368)의 종축(Lf)은 90도 외의 각도만큼 밸브 부재(360)의 종축(Lv)으로부터 각도적으로 오프셋될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서 일 유동 통로의 종축 및/또는 중심선은 다른 유동 통로의 종축에 평행할 필요가 없다.
도 5를 참조하여 앞서 논의된 바와 같이, 밸브 부재(360)는, 밸브 포켓(338) 내부의 밸브 부재(360)의 이동 범위를 제한하기 위해 밸브 포켓(338) 내부의 대응하는 표면(352)과 결합하도록 구성된 표면(380)을 포함한다. 표면(380)은 제2 스템부(377)에 인접하게 배치된 견부형 표면(shoulder-like surface)인 것으로 도시되었으나, 일부 실시예에서 표면(380)은 밸브 부재(360)를 따라 어떤 곳에서든 배치될 수 있고 모든 적합한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 밸브 부재는 제1 스템부 상에 배치된 표면을 가질 수 있고, 표면은 밸브 부재의 종방향 이동을 제한하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 밸브 부재는 스템부들 중 하나 상에 배치된 평평한 표면을 가질 수 있고, 평평한 표면은 밸브 부재의 회전 이동을 제한하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 도 37에 도시된 바와 같이 밸브 부재(360)는 정합 키홈(mating keyway: 399) 내부에 배치되도록 구성된 정렬 키(398)를 사용하여 정렬될 수 있다.
밸브 부재(360)의 평면도를 도시하는 도 10에 도시된 바와 같이, 테이퍼부(362)의 제1 대향 측부 표면(364)은 제1 테이퍼 각도(θ)만큼 서로로부터 각도적으로 오프셋된다. 유사하게, 밸브 부재(360)의 정면도를 나타내는 도 11에 도시된 바와 같이, 테이퍼부(362)의 제2 대향 측부 표면(365)은 각도(α)만큼 서로로부터 각도적으로 오프셋된다. 이러한 방식에서, 밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)는 2개의 차원으로 테이퍼진다.
상기 다른 방식에서, 밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)는 종축(Lv)에 수직한 제1 축(Y)을 따라 측정된 폭(W)을 갖는다. 유사하게, 테이퍼부(362)는 종축(Lv)과 제1 축(Y) 모두에 수직한 제2 축(Z)을 따라 측정된 두께(T)(밸브 부재의 임의의 부분의 벽 두께와 혼동하지 말 것)를 갖는다. 테이퍼부(362)는 두께(T)의 선형 변화 및 폭(W)의 선형 변화를 특징으로 하는 2차원 테이퍼를 갖는다. 도 10에 도시된 바와 같이, 테이퍼부(362)의 폭은 테이퍼부(362)의 일단부에서의 값(W1)으로부터 테이퍼부(362)의 반대 단부에서의 값(W2)까지 증가한다. 종축(Lv)을 따르는 폭의 변화는 제1 테이퍼 각도(θ)를 형성한다. 유사하게, 도 11에 도시된 바와 같이, 테이퍼부(362)의 두께는 테이퍼부(362)의 일단부에서의 값(T1)으로부터 테이퍼부(362)의 반대 단부에서의 값(T2)까지 증가한다. 종축(Lv)을 따르는 두께의 변화는 제2 테이퍼 각도(α)를 형성한다.
도시된 실시예에서, 제1 테이퍼 각도(θ) 및 제2 테이퍼 각도(α)는 각각 2와 10 사이이다. 일부 실시예에서, 제1 테이퍼 각도(θ)는 제2 테이퍼 각도(α)와 동일하다. 다른 실시예에서, 제1 테이퍼 각도(θ)는 제2 테이퍼 각도(α)와 다르다. 테이퍼 각도의 선택은 밸브 부재의 크기와 실린더 헤드(332)의 내부 표면(334) 및 시일링 부분(372)에 의해 형성되는 시일의 특성에 영향을 줄 수 있다. 일부 실시예에서, 예컨대 테이퍼 각도(θ, α)는 90°만큼 높을 수 있다. 다른 실시예에서, 테이퍼 각도(θ, α)는 1°만큼 낮을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 본원에 상세하게 설명되는 바와 같이, 밸브 부재는 테이퍼부가 없을 수도 있다(즉, 테이퍼 각도가 0°이다).
테이퍼부(362)가 단일의 선형 테이퍼를 갖는 것으로 도시 및 설명되었지만, 일부 실시예에서, 밸브 부재는 만곡된 테이퍼를 갖는 테이퍼부를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 본원에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 밸브 부재는 다중 테이퍼를 갖는 테이퍼부를 가질 수 있다. 또한, 측부 표면(164, 165)이 종축(Lv)에 사실상 대칭이 되도록 각도 오프셋된 것으로 도시되었지만, 측부 표면은 비대칭 방식으로 각도 오프셋될 수 있다.
도 10, 도 11, 도 13에 도시된 바와 같이, 테이퍼부(362)는 8개의 시일링 부분(372)을 포함하고, 이들 시일링 부분 각각은 테이퍼부(362)의 외부 표면(363)의 주연부 주위를 연속적으로 연장한다. 시일링 부분(372)은 시일링 부분(372) 중 두 개가 각각의 유동 통로(368)에 인접하여 배치되도록 배열된다. 이러한 방식으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드 조립체(330)가 폐쇄 위치에 있을 때, 시일링 부분(372)의 각각은 실린더 헤드(332)의 내부 표면(334)의 일부분과 접촉하여, 각 유동 통로(368)는 각 실린더 유동 통로(348) 및/또는 각 가스 매니폴드 유동 통로(344)로부터 유체 격리된다. 반대로, 실린더 헤드 조립체(330)가 개방 위치에 있을 때, 시일링 부분(372)의 각각은 실린더 헤드(332)의 내부 표면(334)으로부터 이격 배치되어, 각 유동 통로(368)는 대응하는 실린더 유동 통로(348) 및 대응하는 가스 매니폴드 유동 통로(344)와 유체 소통한다.
시일링 부분(372)이 밸브 부재(360)의 종축(Lv)에 사실상 수직한 외부 표면(363)의 주연부 주위에 연장하는 것으로 도시 및 설명되었지만, 일부 실시예에서, 시일링 부분은 종축(Lv)에 대해 임의의 각도를 형성할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 시일링 부분(372)은 서로에 대해 각도 오프셋될 수 있다.
시일링 부분(372)은 종축(Lv) 및 제1 축(Y)에 평행한 평면에서 볼 때 선형 방식으로 테이퍼부(362)의 외부 표면(363)의 주연 부분 주위를 연속적으로 연장하는 점들의 궤적으로서 도시 및 설명되었지만(즉, 도 10), 일부 실시예에서, 시일링 부분은 비선형 방식으로 외부 표면 주위를 연속적으로 연장할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 시일링 부분은 종축(Lv) 및 제1 축(Y)에 평행한 평면에서 볼 때 만곡될 수 있다. 다른 실시예에서, 예컨대 도 14에 도시된 바와 같이, 시일링 부분은 2차원일 수 있다. 도 14는 테이퍼부(472), 제1 스템부(476) 및 제2 스템부(477)를 갖는 밸브 부재(460)를 도시한다. 상술된 바와 같이, 테이퍼부는 관통하는 4개의 유동 통로(468)를 포함한다. 또한, 테이퍼부는 각 유동 통로(468) 주위에 배치되어 테이퍼부(462)의 외부 표면(463)의 주연부 주위에 연속적으로 연장하는 2개의 시일링 부분(472)을 포함한다(명확하게 도시하기 위해, 단지 2개의 시일링 부분(472)만이 도시된다). 상술된 시일링 부분(372)과 달리, 시일링 부분(472)은 밸브 부재(460)의 종축(Lv)을 따라 측정되는 폭(X)을 갖는다.
도 12에 도시된 바와 같이, 테이퍼부(362)는 타원형 단면을 가져서, 충분한 크기의 유동 통로들 및 충분한 크기의 테이퍼가 가능할 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 테이퍼부는 예컨대, 원형 단면, 장방형 단면 등과 같은 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수 있다.
도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 밸브 부재(360)는 제1 스템부(376), 제2 스템부(377) 및 테이퍼부(362)를 포함하도록 모놀리식으로 형성된다. 하지만, 다른 실시예에서, 밸브 부재는 제1 스템부, 제2 스템부 및 테이퍼부를 형성하도록 함께 결합되는 개별 구성 요소들을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 밸브 부재는 제1 스템부 및/또는 제2 스템부를 포함하지 않는다. 예컨대, 일부 실시예에서, 실린더 헤드 조립체는, 힘이 캠샤프트로부터 밸브 부재로 직접 전달될 수 있도록, 밸브 포켓 내에 배치되고 밸브 부재의 일부와 캠샤프트의 밸브 로브를 결합하도록 구성되는 개별 구성 요소를 포함한다. 유사하게, 일부 실시예에서, 실린더 헤드 조립체는, 힘이 스프링으로부터 밸브 부재로 전달될 수 있도록, 밸브 부재 내에 배치되고 밸브 부재의 일부와 스프링을 결합하도록 구성되는 개별 구성 요소를 포함한다.
시일링 부분(372) 및 외부 표면(363)이 모놀리식으로 구성된 것으로 도시되었지만, 일부 실시예에서, 시일링 부분은 테이퍼부의 외부 표면에 커플링되는 개별 구성 요소일 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 시일링 부분은 마찰 결합에 의해 테이퍼부의 외부 표면상의 정합 홈에 보유되는 시일링 링일 수 있다. 다른 실시예에서, 시일링 부분은 예컨대, 화학적 접합, 열접합 등과 같은 임의의 적절한 수단에 의해 테이퍼부의 외부 표면에 접합되는 개별 구성 요소이다. 또 다른 실시예에서, 시일링 부분은 예컨대, 정전 분무 증착(electrostatic spray deposition), 화학적 증착, 물리적 증착, 이온 교환 코팅(ionic exchange coating) 등과 같은 임의의 적절한 방식에 의해 테이퍼부의 외부 표면에 적용되는 코팅을 포함한다.
밸브 부재(360)는 임의의 적절한 재료 또는 재료들의 조합으로 제조될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 테이퍼부는 제1 재료로 제조될 수 있으며, 스템부는 제1 재료와 다른 제2 재료로 제조될 수 있으며, 개별적으로 형성된다면, 시일링 부분은 2개의 제1 재료와 다른 제3 재료로 제조될 수 있다. 이러한 방식으로, 밸브 부재의 각 부분은 의도된 기능에 가장 적합한 재료로 구성될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 시일링 부분은 예컨대, 비경화(unhardened) 430FR 스테인리스 스틸과 같은 상대적으로 부드러운 스테인리스 강으로 제조될 수 있어, 시일링 부분은 실린더 헤드의 내부 표면과 접촉할 때 쉽게 마모될 것이다. 이러한 방식으로, 밸브 부재는 사용 도중 연속적으로 연마될 수 있어서, 유밀 시일을 보장한다. 일부 실시예에서, 예컨대 테이퍼부는 예컨대 경화 440 스테인리스 스틸과 같은 고강도의 상대적으로 단단한 재료로 제조될 수 있다. 이러한 재료는 필요한 힘 및/또는 경도(hardness)를 제공할 수 있어, 고온 배기 가스에 반복적으로 노출됨으로써 발생할 수 있는 파괴에 견딜 수 있다. 일부 실시예에서, 예컨대, 스템부의 하나 또는 양자 모두는 높은 압축 강도를 갖도록 구성된 세라믹 재료로 제조될 수 있다.
일부 실시예에서, 밸브 포켓(338)을 형성하는 내부 표면(334)을 포함하는 실린더 헤드(332)는 예컨대, 주철과 같은 단일 재료에 의해 모놀리식으로 구성된다. 일부 모놀리식 실시예에서, 예컨대, 밸브 포켓(338)을 형성하는 내부 표면(334)은 밸브 부재(360)의 시일링 부분(372)과 결합하기 위해 적합한 표면을 제공하도록 기계 가공될 수 있어, 유밀 시일이 형성될 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서 실린더 헤드는 임의의 적절한 재료 조합으로 제조될 수 있다. 본원에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 실린더 헤드는 밸브 포켓 내에 배치되는 하나 이상의 밸브 삽입체를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 밸브 부재의 시일링 부분과 접촉하도록 구성되는 내부 표면의 일부분은 유밀 시일을 제공하는데 도움이 되는 방식 및/또는 재료로 구성될 수 있다.
유동 통로(368)가 밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)를 통해 연장하고 제1 개구(369) 및 제2 개구(370)를 갖는 것으로 도시 및 설명되었지만, 다른 실시예에서, 유동 통로는 밸브 부재를 통해 연장하지 않는다. 도 15 및 도 16은 일 실시예에 따른 밸브 부재(560)의 평면도 및 정면도를 각각 도시하며, 이 실시예에서, 유동 통로(568)는 밸브 부재(560)의 외부 표면(563) 주위를 연장한다. 상술된 밸브 부재(360)와 유사하게, 밸브 부재(560)는 제1 스템부(576), 제2 스템부(577) 및 테이퍼부(562)를 포함한다. 테이퍼부(562)는 4개의 유동 통로(568) 및 유동 통로(568)의 에지에 각각 인접하게 배치되는 8개의 시일링 부분(572)을 형성한다. 테이퍼부(562)를 통해 연장하는 것이 아니라, 도시된 유동 통로(568)는 테이퍼부(562)의 외부 표면(563) 주위를 연속적으로 연장하는 외부 표면(563) 내에 존재하는 리세스들이다.
다른 실시예에서, 유동 통로는 테이퍼부의 외부 표면 둘레의 일부에만 부분적으로 연장되는 리세스일 수 있다(본 명세서에서 보다 구체적으로 설명된 도 24 및 도 25 참조). 또 다른 실시예에서, 테이퍼부는 유동 통로 구조의 임의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 유동 통로의 일부는 테이퍼부를 관통하여 연장되도록 구성될 수 있고, 이와 동시에 다른 유동 통로는 테이퍼부의 외부 표면 둘레에 연장되도록 구성될 수 있다.
밸브 부재가 테이퍼부의 주연 둘레에 연장된 다수의 시일링 부분을 포함하는 것으로 도시되고 전술되었지만, 다른 실시예에서, 시일링 부분은 테이퍼부의 주연 둘레에 연장되지 않을 수도 있다. 예를 들면, 도 17에는 시일링 부분(672)이 유동 통로(668)의 개구(669) 주위에 연속하여 연장되는 본 발명의 실시예에 따른 밸브 부재(660)의 사시도가 도시되어 있다. 전술한 밸브 부재와 유사하게, 밸브 부재(660)는 제1 스템부(676)와, 제2 스템부(677)와, 테이퍼부(662)를 포함한다. 테이퍼부(662)에는 이를 관통하여 연장된 4개의 유동 통로(668)가 형성되어 있다. 각각의 유동 통로(668)는 제1 개구(669)와, 제1 개구의 반대 측에 배치된 (도시되지 않은) 제2 개구를 포함한다. 전술된 바와 같이, 각각의 유동 통로(668)의 제1 개구 및 제2 개구는 (도시되지 않은) 실린더 헤드에 의해 한정되는, 대응하는 가스 매니폴드 유동 통로와 실린더 유동 통로에 각각 정렬되도록 구성된다.
테이퍼부(662)는 테이퍼부(662)의 외부 표면(663)에 배치된 4개의 시일링 부분(672)을 포함한다. 각각의 시일링 부분(672)은 제1 개구(669) 주위에 연속하여 연장되는 지점들의 궤적(locus)을 포함한다. 이런 구조에서, 실린더 헤드 조립체가 폐쇄 상태에 있으면, 시일링 부분(672)은 (도시되지 않은) 실린더 헤드의 (도시되지 않은) 내부 표면의 일부와 접촉하게 되며, 이에 따라 제1 개구(669)는 (도시되지 않은) 이의 대응 가스 매니폴드 유동 통로로부터 유동적으로 분리된다. 각각의 제1 개구(669) 주위에 연속하여 연장되는 4개의 시일링 부분(672)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서, 시일링 부분은 제2 개구(670) 주위에 연속하여 연장될 수 있으며, 따라서 실린더 헤드 조립체가 폐쇄 상태에 있으면 제2 개구가 대응 실린더 유동 통로로부터 유동적으로 분리된다. 다른 실시예에서, 밸브 부재는 제1 개구(669) 및 제2 개구(670) 양자의 주위에 연장되는 시일링 부분을 포함할 수 있다.
도 18에는 시일링 부분(772)이 2차원적인 본 발명의 실시예에 따른 밸브 부재(760)의 사시도가 도시되어 있다. 예시된 바와 같이, 밸브 부재(760)는 테이퍼부(772)와, 제1 스템부(776)와, 제2 스템부(777)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 테이퍼부는 이를 관통하는 4개의 유동 통로(768)를 포함한다. 또한, 테이퍼부는 각각의 유동 통로(768)에 인접하여 각각 배치되어 유동 통로(768)의 제1 개구(769) 주위에 연속하여 연장된 4개의 시일링 부분(772)을 포함한다. 시일링 부분(772)은 시일링 부분(772)이 밸브 부재(760)의 종축(Lv)을 따라 측정된 폭(X)을 갖는다는 점에서 전술한 시일링 부분(672)과 상이하다.
도 19에는 시일링 부분(872)이 테이퍼부(862)의 주연 둘레를 따라 연장되고 제1 개구(869) 주위에 연장되는 본 발명의 실시예에 따른 밸브 부재(860)의 사시도가 도시되어 있다. 전술한 밸브 부재와 유사하게, 밸브 부재(860)는 제1 스템부(876)와, 제2 스템부(877)와, 테이퍼부(862)를 포함한다. 테이퍼부(862)에는 이를 관통하여 연장되는 4개의 유동 통로(868)가 형성되어 있다. 각각의 유동 통로(868)는 제1 개구(869)와, 제1 개구의 반대 측에 배치된 (도시되지 않은) 제2 개구를 포함한다. 테이퍼부(862)는 테이퍼부(862)의 외부 표면(863)에 배치된 시일링 부분(872)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 각각의 시일링 부분(872)은 테이퍼부(862)의 주연 둘레를 따라 연장되고 제1 개구(869) 주위에 연장된다. 일부 실시예에서, 시일링 부분은 인접한 개구들 사이의 전체 공간을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 실린더 헤드는 밸브 포켓 내에 배치되는 하나 이상의 밸브 인서트(valve insert)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 20 및 도 21에는 밸브 포켓(938) 내에 배치된 밸브 인서트(942)를 갖는 실린더 헤드 조립체(930)의 일부가 도시되어 있다. 예시된 실린더 헤드 조립체(930)는 실린더 헤드(932)와 밸브 부재(960)를 포함한다. 실린더 헤드(932)는 (도시되지 않은) 실린더에 커플링되도록 구성된 제1 외부 표면(935)과, (도시되지 않은) 가스 매니폴드에 커플링되도록 구성된 제2 외부 표면(936)을 가진다. 실린더 헤드(932)는 종축(Lp)을 갖는 밸브 포켓(938)을 한정하는 내부 표면(934)을 가진다. 또한, 실린더 헤드(932)는 전술한 방식과 유사한 방식으로 구성된, 4개의 실린더 유동 통로(948)와 4개의 가스 매니폴드 유동 통로(944)를 한정한다.
밸브 인서트(942)는 시일링 부분(940)을 포함하며 밸브 인서트를 통해 연장되는 4개의 인서트 유동 통로(945)를 한정한다. 밸브 인서트(942)는 각각의 인서트 유동 통로(945)의 제1 부분이 가스 매니폴드 유동 통로(944)들 중 하나와 정렬되고 각각의 인서트 유동 통로(945)의 제2 부분이 실린더 유동 통로(948)들 중 하나와 정렬되도록 밸브 포켓(938) 내에 배치된다.
밸브 부재(960)는 테이퍼부(962)와, 제1 스템부(976)와, 제2 스템부(977)를 가진다. 테이퍼부(962)는 전술한 바와 같이 외부 표면(963)을 가지며 이를 관통하여 연장되는 4개의 유동 통로(968)를 한정한다. 또한, 테이퍼부(962)는 각각이 유동 통로(968)들 중 하나에 인접하여 배치되는 (도시되지 않은) 다수의 시일링 부분을 포함한다. 시일링 부분은 전술한 임의의 유형일 수 있다. 밸브 부재(960)는 밸브 부재(960)의 테이퍼부(962)가 밸브 포켓(938) 내에서 개방 위치(도 20 및 도 21)와 폐쇄 위치(도시되지 않음) 사이를 밸브 부재(960)의 종축(Lv)을 따라 이동될 수 있도록 밸브 포켓(938) 내에 배치된다. 개방 위치에 있는 경우, 밸브 부재(960)는 각각의 유동 통로(968)가 인서트 유동 통로(945) 중 하나의 인서트 유동 통로, 실린더 유동 통로(948)들 중 하나의 실린더 유동 통로, 그리고 가스 매니폴드 유동 통로(944)들 중 하나의 가스 매니폴드 유동 통로와 정렬되어 유체 연통하도록 밸브 포켓(938) 내에 위치 설정된다. 이와 반대로, 폐쇄 위치에 있는 경우, 밸브 부재(960)는 시일링 부분이 밸브 인서트(942) 시일링 부분(940)과 접촉되도록 밸브 포켓(938) 내에 위치 설정된다. 이런 방식으로, 유동 통로(968)는 실린더 유동 통로(948) 및/또는 가스 매니폴드 유동 통로(944)로부터 유동적으로 분리된다.
도 21에 도시된 바와 같이, 밸브 포켓(938), 밸브 인서트(942) 및 밸브 부재(960) 모두는 원형 단면 형상을 가진다. 다른 실시예에서, 밸브 포켓은 비원형 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 밸브 포켓은 밸브 인서트 상의 대응 정렬 표면에 부합하도록 구성된 정렬 표면을 포함할 수 있다. 이런 구조는, 예컨대 밸브 인서트(942)가 밸브 포켓(938)으로 삽입될 때 밸브 인서트가 적절히 정렬되는 것(즉, 인서트 유동 통로(945)가 가스 매니폴드 유동 통로(944) 및 실린더 유동 통로(948)와 유체 연통하도록 회전식으로 정렬되는 것)을 보장하기 위해 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브 포켓, 밸브 인서트 및/또는 밸브 부재는 임의 적절한 단면 형상을 가질 수 있다.
밸브 인서트(942)는 임의 적절한 방법을 이용하여 밸브 포켓(938) 내에 커플링될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 밸브 인서트는 밸브 포켓과 억지 끼움식으로 커플링될 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브 인서트는 밸브 인서트를 고정하기 위해서, 용접에 의해, 나사 커플링 구조에 의해, 밸브 포켓의 표면을 피닝(peening)함으로써, 또는 이와 유사한 방식을 통해 밸브 포켓 내에 고정될 수 있다.
도 22에는 다수의 밸브 인서트(1042)를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체(1030) 일부의 단면도가 도시되어 있다. 도 22에는 실린더 헤드 조립체(1030)의 하나의 반부만이 도시되어 있지만, 본 기술분야의 당업자는 실린더 헤드 조립체가 밸브 포켓의 종축(Lp)을 중심으로 대체로 대칭을 이루며, 도시되고 전술된 실린더 헤드 조립체와 유사하다는 것을 알 것이다. 예시된 실린더 헤드 조립체(1030)는 실린더 헤드(1032)와 밸브 부재(1060)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 실린더 헤드(1032)는 적어도 하나의 실린더와 적어도 하나의 가스 매니폴드에 커플링될 수 있다. 실린더 헤드(1032)는 종축(Lp)을 갖는 밸브 포켓(1038)을 한정하는 내부 표면(1034)을 가진다. 또한, 실린더 헤드(1032)는 (도시되지 않은) 3개의 실린더 유동 통로와 3개의 가스 매니폴드 유동 통로(1044)를 한정한다.
도시된 바와 같이, 밸브 포켓(1038)은 여러 개의 비연속성 단차부를 포함한다. 각각의 단차부는 종축(Lp)에 대체로 평행한 표면을 포함하며, 가스 매니폴드 통로(1044)들 중 하나는 이런 평행한 표면을 관통하여 연장된다. 밸브 인서트(1042)는 밸브 인서트(1042)의 시일링 부분(1040)이 밸브 부재(1060)의 테이퍼부(1061)에 인접하도록 밸브 포켓(1038)의 각각의 비연속성 단차부 내에 배치된다. 이런 구조에서, 밸브 인서트(1042)는 가스 매니폴드 유동 통로(1044) 주위에 배치되지 않으며, 따라서 전술한 유형의 인서트 유동 통로를 가지지 않는다.
밸브 부재(1060)는 중앙부(1062)와, 제1 스템부(1076)와, 제2 스템부(1077)를 가진다. 스템부(1062)는 3개의 테이퍼부(1061)를 가지며, 이들 각각은 밸브 부재의 종축(Lv)에 대체로 평행한 표면에 인접하여 배치된다. 중앙부(1062)는 이를 관통하여 연장되며 테이퍼부(1061)들 중 하나에 배치된 개구를 갖는 3개의 유동 통로(1068)를 한정한다. 각각의 테이퍼부(1061)는 전술한 임의 유형의 하나 이상의 시일링 부분을 포함한다. 밸브 부재(1060)는 밸브 부재(1060)의 중앙부(1062)가 밸브 포켓(1038) 내에서 개방 위치(도 22)와 (도시되지 않은) 폐쇄 위치 사이를 밸브 부재(1060)의 종축(Lv)을 따라 이동될 수 있도록 밸브 포켓(1038) 내에 배치된다. 개방 위치에 있는 경우, 밸브 부재(1060)는 각각의 유동 통로(1068)가 (도시되지 않은) 실린더 유동 통로들 중 하나의 실린더 유동 통로와, 가스 매니폴드 유동 통로(1044)들 중 하나의 가스 매니폴드 유동 통로와 정렬되어 유체 연통하도록 밸브 포켓(1038) 내에 위치 설정된다. 반대로, 폐쇄 위치에 있을 때, 밸브 부재(1060)는, 테이퍼부(1061) 상의 시일링 부분이 대응하는 밸브 인서트(1042)의 시일링 부분(1040)과 접촉하도록 밸브 포켓(1038) 내에 배치된다. 이러한 방식으로, 유동 통로(1068)는 가스 매니폴드 유동 통로(1044) 및/또는 실린더 유동 통로(도시되어 있지 않음)로부터 유체 격리되어 있다.
비록, 실린더 헤드가 동일한 개수의 가스 매니폴드 유동 통로와 실린더 유동 통로를 갖는 것으로 도시 및 기재되어 있지만, 일부 실시예에 있어서, 실린더 헤드는 실린더 유동 통로보다 더 적은 개수의 가스 매니폴드 유동 통로를 가질 수 있고, 또는 그 반대일 수도 있다. 예를 들어, 도 23에는 단지 하나의 가스 매니폴드 유동 통로(1144) 당 4개의 실린더 유동 통로(1148)를 포함하는 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체(1160)가 도시되어 있다. 도시되어 있는 실린더 헤드 조립체(1130)는 실린더 헤드(1132)와 밸브 부재(1160)를 포함하고 있다. 실린더 헤드(1132)는 실린더(도시되어 있지 않음)에 결합되도록 구성된 제1 외부 표면(1135)과, 가스 매니폴드(도시되어 있지 않음)에 결합되도록 구성된 제2 외부 표면(1136)을 구비하고 있다. 실린더 헤드(1132)는 밸브 포켓(1138)을 형성하는 내부 표면(1134)을 구비하고, 상기 밸브 포켓 내에는 밸브 부재(1160)가 배치되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 실린더 헤드(1132)는 전술한 것과 유사하게 구성된 4개의 실린더 유동 통로(1148)와 하나의 가스 매니폴드 유동 통로(1144)를 형성한다.
밸브 부재(1160)는 테이퍼부(1162)와, 제1 스템부(1176)와, 제2 스템부(1177)를 구비하고 있다. 테이퍼부(1162)에는 전술한 바와 같이 테이퍼부를 통해 연장되는 4개의 유동 통로(1168)가 형성되어 있다. 테이퍼부(1162)는 또한 복수의 시일링 부분을 포함하고, 이 각각의 시일링 부분은 유동 통로(1168) 중 하나에 인접하게 배치되어 있다. 시일링 부분은 전술한 임의의 유형일 수 있다.
실린더 헤드 조립체(1130)는, 실린더 헤드 조립체(1130)가 폐쇄 구성일 때에(도 23 참조), 유동 통로(1168)가 가스 매니폴드 유동 통로(1144)로부터 유체 격리되는 점에 있어서 전술한 것과 상이하다. 또한, 유동 통로(1168)는 전술한 방식으로 실린더 유동 통로(1148)로부터 단지 격리된다.
비록, 엔진은 실린더 헤드의 제1 표면에 결합된 실린더와 실린더 헤드의 제2 표면에 결합된 가스 매니폴드를 구비하는 것으로 도시 및 기재되어 있지만, 여기서 제2 표면은 제1 표면에 대향하여, 이에 의해 "직선형 유동(straight flow)" 구성을 만들어 내며, 실린더와 가스 매니폴드는 임의의 적절한 구성으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 몇몇의 경우에, 가스 매니폴드는 실린더 헤드의 측부 표면(1236)에 결합되는 것이 바람직할 수 있다. 도 24 및 도 25에는, 실린더 유동 통로(1248)가 가스 매니폴드 유동 통로(1244)에 실질적으로 수직하는 실시예에 따른 실린더 헤드 조립체(1230)가 도시되어 있다. 이러한 방식으로, 가스 매니폴드(도시되어 있지 않음)는 실린더 헤드(1232)의 측부 표면(1236) 상에 장착될 수 있다.
도시되어 있는 실린더 헤드 조립체(1230)는 실린더 헤드(1232)와 밸브 부재(1260)를 포함하고 있다. 실린더 헤드(1232)는 실린더(도시되어 있지 않음)에 결합되도록 구성되는 바닥 표면(1235)과, 가스 매니폴드(도시되어 있지 않음)에 결합되도록 구성되는 측부 표면(1236)을 포함하고 있다. 측부 표면(1236)은 바닥 표면(1235)에 실질적으로 수직하고 인접하게 배치되어 있다. 다른 실시예에 있어서, 측부 표면은 90도가 아닌 각도 만큼 바닥 표면으로부터 각도적으로 오프셋될 수 있다. 실린더 헤드(1232)는 종축(Lp)을 갖는 밸브 포켓(1238)을 형성하는 내부 표면(1234)을 구비하고 있다. 실린더 헤드(1232)는 또한 4개의 실린더 유동 통로(1248)와 4개의 가스 매니폴드 유동 통로(1244)를 형성한다. 실린더 유동 통로(1248)와 실린더 매니폴드 유동 통로(1244)는, 실린더 유동 통로(1248)가 가스 매니폴드 유동 통로(1244)에 실질적으로 수직하다는 점에 있어서, 전술한 것과 상이하다.
밸브 부재(1260)는 테이퍼부(1262)와, 제1 스템부(1276)와, 제2 스템부(1277)를 구비하고 있다. 테이퍼부(1262)는 외부 표면(1263)을 포함하고, 4개의 유동 통로(1268)를 형성한다. 유동 통로(1268)는 테이퍼부(1262)를 통해 연장되는 루멘이 아니라, 부분적으로 테이퍼부(1262)의 외부 표면(1263) 둘레에서 연장되는 테이퍼부(1262) 내의 리세스이다. 유동 통로(1268)는 유동 손실을 최소화하는 방식으로 밸브 부재(1260)를 통해 가스 유동을 지향시키는 만곡 표면(1271)을 포함하고 있다. 소정의 실시예에서, 유동 통로(1268)의 표면(1271)이 예를 들어 유입 및/또는 유출 유동의 회전 유동 패턴과 같은 원하는 유동 특성을 만들어내도록 구성될 수 있다.
또한, 테이퍼부(1262)는 복수의 시일링 부분(도시되어 있지 않음)을 포함하고 있고, 이 각각의 시일링 부분은 유동 통로(1268) 중 하나와 인접하게 배치되어 있다. 시일링 부분은 전술한 임의의 유형일 수 있다. 밸브 부재(1260)는, 밸브 부재(1260)의 테이퍼부(1262)가 전술한 바와 같이 개방 위치(도 24 및 도 25)와 폐쇄 위치(도시되어 있지 않음) 사이에서 밸브 포켓(1238) 내의 밸브 부재(1260)의 종축(Lv)을 따라 이동할 수 있도록 밸브 포켓(1238) 내에 배치되어 있다.
비록, 밸브 부재에 의해 형성된 유동 통로는 서로 실질적으로 평행하고 밸브 부재의 종축에 실질적으로 수직한 것으로 도시 및 기재되어 있지만, 일부 실시예에 있어서 유동 통로는 90도가 아닌 각도 만큼 밸브 부재의 종축으로부터 오프셋되거나, 서로로부터 각도적으로 오프셋될 수 있다. 이러한 오프셋은 예를 들어, 유입 및/또는 유출 유동 내의 소용돌이 또는 회전(tumble) 패턴과 같은 원하는 유동 특성을 만드는 것이 예를 들어 바람직할 수 있다. 도 26에는 유동 통로(1368)가 서로로부터 각도적으로 오프셋되어 있고, 종축(Lv)에 수직하지 않는 실시예에 따른 밸브 부재(1360)의 단면도가 도시되어 있다. 전술한 밸브 부재와 유사하게, 밸브 부재(1360)는 테이퍼부를 통해 연장되는 4개의 유동 통로(1368)를 형성하는 테이퍼부(1362)를 포함하고 있다. 각 유동 통로(1368)는 종축(Lf)을 갖고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 종축(Lf)은 서로로부터 각도적으로 오프셋되어 있다. 또한, 종축(Lf)은 90도가 아닌 각도만큼 밸브 부재의 종축으로부터 오프셋되어 있다.
비록, 유동 통로(1368)가 선형 형상을 갖고 종축(Lf)을 형성하는 것으로 도시 및 기재되어 있지만, 다른 실시예에 있어서, 유동 통로는 만곡된 중앙선을 특징으로 하는 만곡 형상을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 유동 통로는 가스 유입 및/또는 유출 실린더의 원하는 유동 특성을 만들어내는 만곡된 형상을 갖도록 구성될 수 있다.
도 27은 실시예에 따른 밸브 부재(1460)의 사시도이고, 1차원 테이퍼부(1462)를 포함하고 있다. 도시되어 있는 밸브 부재(1460)는 테이퍼부를 통해 연장되는 3개의 유동 통로(1468)를 형성하는 테이퍼부(1462)를 포함하고 있다. 테이퍼부는 3개의 시일링 부분(1472)을 포함하고, 이 시일링 부분 각각은 유동 통로(1468) 중 하나에 인접하게 배치되고, 유동 통로(1468)의 개구 둘레에서 연속적으로 연장된다.
밸브 부재(1460)의 테이퍼부(1462)는 테이퍼부(1462)의 종축(Lv)에 수직하는 제1 축(Y)을 따라 측정된 폭(W)을 갖는다. 유사하게, 테이퍼부(1462)는 종축(Lv)과 제1 축(Y)에 모두 수직하는 제2 축(Z)을 따라 측정된 두께(T)를 갖는다. 테이퍼부(1462)는 두께(T)의 선형 변화를 특징으로 하는 1차원 테이퍼를 갖는다. 반대로, 폭(W)은 종축(Lv)을 따라 일정하게 유지된다. 도시되어 있는 바와 같이, 테이퍼부(1462)의 두께는 테이퍼부(1462)의 일단부의 값(T1)으로부터 테이퍼부(1462)의 대향 단부의 값(T2)으로 증가한다. 종축(Lv)을 따르는 두께의 변화가 테이퍼 각도(α)를 형성한다.
비록, 밸브 부재는 하나 이상의 시일링 부분을 포함하는 적어도 하나의 테이퍼부를 포함하는 것으로 도시 및 기재되어 있지만, 몇몇 실시형태에 있어서, 밸브 부재가 밸브 부재의 비테이퍼부(non-tapered portion) 상에 배치된 시일링 부분을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 밸브 부재에는 테이퍼부가 없을 수 있다. 도 28은 테이퍼부가 없는 밸브 부재(1560)의 정면도이다. 도시되어 있는 밸브 부재(1560)는 중앙부(1562)와, 제1 스템부(1576)와, 제2 스템부(1577)를 구비하고 있다. 전술한 바와 같이, 중앙부(1562)는 외부 표면(1563)을 갖고, 중앙부(1562)의 외부 표면(1563) 둘레에서 연속적으로 연장되는 3개의 유체 통로(1568)를 형성한다. 또한, 중앙부(1562)는 복수의 시일링 부분(1572)을 포함하고, 이 각각의 시일링 부분은 유동 통로(1568) 중 하나에 인접하게 배치되고, 중앙부(1562)의 주연부 둘레에서 연속적으로 연장된다.
전술한 것과 유사한 방식으로, 밸브 부재(1560)는, 밸브 부재(1560)의 중앙부(1562)가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 밸브 포켓 내의 밸브 부재(1560)의 종축(Lv)을 따라 이동할 수 있도록 밸브 포켓(도시되어 있지 않음) 내에 배치되어 있다. 개방 위치에 있을 때에, 밸브 부재(1560)는 각 유동 통로(1568)가 대응하는 실린더 유동 통로와 가스 매니폴드 유동 통로(도시되어 있지 않음)와 정렬되어 유체 연통하도록 밸브 포켓 내에 배치되어 있다. 반대로, 폐쇄 위치에 있을 때에, 밸브 부재(1560)는, 시일링 부분(1572)이 실린더 헤드의 내부 표면 중 일부와 접촉하여, 유동 통로(1568)를 유체 격리시키도록 밸브 포켓 내에 배치되어 있다.
전술한 바와 같이, 시일링 부분(1572)은 예를 들어, 밸브 부재의 외부 표면에 의해 형성되는 홈 내에 배치된 밀봉 링일 수 있다. 이러한 밀봉 링은 예를 들어, 반경방향으로 확장되도록 구성되어, 밸브 부재(1560)가 폐쇄 위치에 있을 때에 실린더 헤드의 내부 표면과 접촉하는 것을 보장하는 스프링 장전식 링일 수 있다.
반대로, 도 29 및 도 30에는 제1 및 제2 구성의 복수의 90도 테이퍼부(1631)를 각각 포함하는 실린더 헤드 조립체(1630)의 일부가 도시되어 있다. 도 29 및 도 30은 실린더 헤드 조립체(1630)의 1/2만을 도시하고 있지만, 기술 분야의 숙련자는 실린더 헤드 조립체는 일반적으로 밸브 포켓의 종축(Lp)을 중심으로 대칭이고, 앞서 도시 설명된 실린더 헤드 조립체와 유사함을 인식하여야 한다. 도시된 실린더 헤드 조립체(1630)는 실린더 헤드(1632) 및 밸브 부재(1660)를 포함한다. 실린더 헤드(1632)는 종축(Lp) 및 수개의 불연속 단차부를 가지는 밸브 포켓(1638)을 형성하는 내부면(1634)을 가진다. 실린더 헤드(1632)는 또한 3개의 실린더 유동 통로(도시되지 않음) 및 3개의 가스 매니폴드 유동 통로(1644)를 형성한다.
밸브 부재(1660)는 중심부(1662), 제1 스템부(1676) 및 제2 스템부(1677)를 가진다. 중심부(1662)는 3개의 테이퍼부(1661) 및 3개의 비테이퍼부(non-tapered portion)(1667)를 포함한다. 테이퍼부(1661)는 각각 90도[즉, 종축(Lv)에 실질적으로 수직]의 테이퍼 각도를 가진다. 각각의 테이퍼부(1661)는 비테이퍼부(1667) 중 하나에 인접하여 배치된다. 중심부(1662)는 이를 통해 연장하고 비테이퍼부(1667) 중 하나 상에 배치된 개구를 가지는 3개의 유동 통로(1668)를 형성한다. 각각의 테이퍼부(1661)는 밸브 부재(1660)의 외부면의 둘레 주위를 연장하는 시일링 부분을 포함한다.
밸브 부재(1660)는 밸브 포켓(1638) 내부에 배치되어, 밸브 부재(1660)의 중심부(1662)는 개방 위치(도 29에 도시)와 폐쇄 위치(도 30에 도시) 사이에서 밸브 포켓(1638) 내부 밸브 부재(1660)의 종축(Lv)을 따라 이동될 수 있다. 개방 위치인 경우, 밸브 부재(1660)는 각각의 유동 통로(1668)가 일 실린더 유동 통로(도시되지 않음) 및 일 가스 매니폴드 유동 통로(1644)와 경사져 유체 연통하도록 밸브 포켓(1638) 내부에 위치 설정된다. 반대로, 폐쇄 위치인 경우, 밸브 부재(1660)는 테이퍼부(1661) 상의 시일링 부분이 밸브 포켓(1638)에 의해 형성되는 대응 시일링 부분(1640)과 접촉하게 되도록 밸브 포켓(1638) 내부에 위치 설정된다. 이러한 방식으로, 유동 통로(1668)는 가스 매니폴드 유동 통로(1644) 및/또는 실린더 유동 통로(도시되지 않음)로부터 유체 격리된다.
캠샤프트와 결합하도록 구성되는 제1 스템부 및 스프링과 결합하도록 구성되는 제2 스템부를 포함하는 몇몇 밸브 부재가 도시 설명되었지만, 일부 실시예에 있어서는, 밸브 부재가 편향 부재와 결합하도록 구성되는 제1 스템부 및 액추에이터와 결합하도록 구성되는 제2 스템부를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 엔진은 각각 밸브 부재의 일 스템부와 결합하도록 구성되는 2개의 캠샤프트를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 밸브 부재는 스프링 보다는 캠샤프트 상의 밸브 로브에 의해 폐쇄 위치로 편향될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 엔진은 일 캠샤프트 및 예를 들어 공압 액추에이터, 유압 액추에이터, 전자 솔레노이드 액추에이터 등과 같은 일 액추에이터를 포함할 수 있다.
도 31은 밸브 부재(1760)를 이동시키도록 구성된 솔레노이드 액추에이터(1716) 및 캠샤프트(1714)를 모두 포함하는 실시예에 따른 엔진(1700)의 부분 평면도이다. 엔진(1700)은 실린더(1703), 실린더 헤드 조립체(1730) 및 가스 매니폴드(도시되지 않음)를 포함한다. 실린더 헤드 조립체(1730)는 실린더 헤드(1732), 흡기 밸브 부재(1760I) 및 배기 밸브 부재(1760E)를 포함한다. 실린더 헤드(1732)는 예를 들어 흡기 밸브 포켓, 배기 밸브 포켓, 다중 실린더 유동 통로, 적어도 하나의 매니폴드 유동 통로 등과 같은 전술된 특징부의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
흡기 밸브 부재(1760I)는 테이퍼부(1762I), 제1 스템부(1776I) 및 제2 스템부(1777I)를 가진다. 제1 스템부(1776I)는 제1 단부(1778I) 및 제2 단부(1779I)를 가진다. 유사하게, 제2 스템부(1777I)는 제1 단부(1792I) 및 제2 단부(1793I)를 가진다. 제1 스템부(1776I)의 제1 단부(1778I)는 테이퍼부(1762I)와 결합된다. 제1 스템부(1776I)의 제2 단부(1779I)는 흡기 캠샤프트(1714I)의 흡기 밸브 로브(1715I)와 결합하도록 구성된 롤러 형태의 종동부(1790I)를 포함한다. 제2 스템부(1777I)의 제1 단부(1792I)는 테이퍼부(1762I)와 결합된다. 제2 스템부(1777I)의 제2 단부(1793I)는 솔레노이드 액추에이터(1716I)와 결합되는 액추에이터 링크(1796I)와 결합된다.
유사하게, 배기 밸브 부재(1760E)는 테이퍼부(1762E), 제1 스템부(1776E) 및 제2 스템부(1777E)를 가진다. 제1 스템부(1776E)의 제1 단부(1778E)는 테이퍼부(1762E)와 결합된다. 제1 스템부(1776E)의 제2 단부(1779E)는 배기 캠샤프트(1714E)의 배기 밸브 로브(1715E)와 결합하도록 구성된 롤러 형태의 종동부(1790E)를 포함한다. 제2 스템부(1777E)의 제1 단부(1792E)는 테이퍼부(1762E)와 결합된다. 제2 스템부(1777E)의 제2 단부(1793E)는 솔레노이드 액추에이터(1716E)와 결합되는 액추에이터 링크(1796E)와 결합된다.
이러한 배열에 있어서, 밸브 부재(1760I, 1760E)는 전술된 바와 같이 각기 흡기 밸브 로브(1715I) 및 배기 밸브 로브(1715E)에 의해 이동될 수 있다. 또한, 솔레노이드 액추에이터(1716I, 1716E)는 화살표 F(흡기) 및 화살표 J(배기)에 의해 표시된 바와 같이 폐쇄 위치에 있어서 밸브 부재(1760I, 1760E)를 편향시키는 편향력을 공급할 수 있다. 추가로, 일부 실시예에 있어서, 솔레노이드 액추에이터(1716I, 1716E)는, 밸브 로브(1715I, 1715E)에 의해 전술된 바와 같은 표준 밸브 타이밍을 무시함으로써 밸브(1760I, 1760E)가 (크랭크 각 및/또는 시간 함수로서) 더 긴 지속기간 동안 개방 유지되는 것을 허용하기 위해 이용될 수 있다.
밸브 부재(1760)의 이동을 제어하기 위해 솔레노이드 액추에이터(1716) 및 캠샤프트(1714)를 포함하는 엔진(1700)이 도시 설명되었지만, 다른 실시예에서 엔진은 각각의 밸브 부재의 이동을 제어하기 위해 솔레노이드 액추에이터만을 포함할 수 있다. 이러한 배열에 있어서는, 캠샤프트가 없으므로, 밸브 부재가 임의의 개수의 방식으로 개방 및/또는 폐쇄되는 것을 허용하여 엔진의 성능을 향상시킨다. 예를 들어, 이후 더 상세히 설명되는 바와 같이, 일부 실시예에서는 흡기 및/또는 배기 밸브 부재는 엔진 사이클(즉 4 행정 기관에 대해서 720 크랭크 각) 동안 수회 사이클 개방 및 폐쇄될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 흡기 및/또는 배기 밸브 부재는 전체 엔진 사이클에 걸쳐 폐쇄 위치로 유지될 수 있다.
앞서 도시 설명된 실린더 헤드 조립체는 특히 캠이 없는 작동 및/또는 엔진 운전 사이클에 있어서 임의의 시점에서의 작동에 매우 적합하다. 더 구체적으로는, 전술된 바와 같이 앞서 도시 설명된 밸브 부재는 개방 위치에 있는 경우 연소실 내부로 연장되지 않기 때문에, 엔진 운전 동안 어떤 시점에서도 피스톤과 접촉하지 않는다. 따라서, 흡기 및/또는 배기 밸브 이벤트(즉, 크랭크 샤프트의 각도 위치 함수로서 밸브가 개방 및/또는 폐쇄되는 지점)는 피스톤의 위치와 무관하게(즉, 제한 인자로서 밸브 대 피스톤 접촉을 고려하지 않고) 구성될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에 있어서, 흡기 밸브 부재 및/또는 배기 밸브 부재는 피스톤이 상사점(TDC)에 있는 경우 완전 개방될 수 있다.
또한, 앞서 도시 설명된 밸브 부재는 밸브 부재의 개방이 실린더 압력에 의해 반하지 않고, 밸브 부재의 행정이 비교적 낮고, 그리고/또는 밸브의 개방에 반대되는 밸브 스프링이 비교적 낮은 편향력을 가질 수 있기 때문에 엔진 운전 동안 비교적 적은 동력으로 작동될 수 있다. 예를 들면, 전술된 바와 같이, 밸브 부재의 행정은 그 안에 다중 유동 통로를 포함하고 유동 통로 사이의 공간을 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 밸브 부재의 행정은 2.3 mm(0.090in)가 될 수 있다.
밸브 부재를 개방시키는데 필요한 동력을 직접 감소시키는 것에 추가하여, 밸브 부재의 행정을 감소시킴으로써 비교적 낮은 스프링력을 가지는 밸브 스프링의 사용을 허용하여 동력 필요치를 간접적으로도 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 스프링력은 밸브 부재의 일부가 밸브 작동 동안 액추에이터와 접촉을 유지하는 것을 보장하고, 그리고/또는 밸브 부재가 개방 및/또는 폐쇄시 그 종축을 따라 반복 진동하지 않는 것을 보장하도록 선택될 수 있다. 바꿔 말하면, 스프링력의 크기는 작동 중 밸브 "바운스(bounce)"를 방지하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 밸브 부재의 행정을 감소시키는 것은 밸브 부재가 감소된 속도, 가속도 및 저크(jerk)(즉, 가속도의 1차 미분) 프로파일으로서 개방 및/또는 폐쇄되는 것을 허용함으로써, 충격력 및/또는 작동 중에 밸브 부재가 바운싱되는 경향을 최소화시킬 수 있다. 그 결과, 일부 실시예는 밸브 스프링이 비교적 낮은 스프링력을 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에 있어서, 밸브 스프링은 밸브 부재가 폐쇄 위치 및 개방 위치 양자에 있는 경우 110N(50lbf)의 스프링력을 가하도록 구성될 수 있다.
감소된 밸브 부재(1760I, 1760E) 작동 요구 동력의 결과로서, 일부 실시예에 있어서, 솔레노이드 액추에이터(1716I, 1716E)는 비교적 낮은 전류를 필요로 하는 12 볼트 액추에이터일 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에 있어서, 솔레노이드 액추에이터는 14와 15 암페어 사이의 전류의 밸브 개방 중 소요 전류로서 12 볼트 상에서 작동할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 솔레노이드 액추에이터는 초기 밸브 부재 개방 이벤트 중에는 높은 전압 및/또는 전류로, 그리고 밸브 부재의 개방을 유지할 때에는 낮은 전압 및/또는 전류로 작동하도록 구성되는 12 볼트 액추에이터일 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에 있어서, 솔레노이드 액추에이터는 밸브 개방 이벤트의 최초 100 마이크로 초 동안에는 70과 90 볼트 사이의 초기 전압을 제공하는 "피크 앤 홀드(peak and hold)" 사이클 상에서 작동할 수 있다.
또한, 엔진의 기생 손실을 감소시키는 것에 추가하여, 감소된 동력 요구치 및/또는 감소된 밸브 부재 행정은 추가로 밸브 이벤트 형성에 있어 더 큰 자유도를 허용한다. 예를 들면, 일부 실시예에 있어서, 밸브 부재는 크랭크 샤프트 위치 함수로서 밸브 부재를 통한 유동 면적이 구형파(square wave)에 근접하도록 개방 및/또는 폐쇄하는 것으로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 흡기 밸브 부재 및/또는 배기 밸브 부재는 엔진 사이클 등의 동안에 다수 회 개폐하면서 더 긴 기간 동안 개방을 유지할 수 있다. 도 32는 일 실시예에 따른 엔진(1800)의 일부의 개략도이다. 엔진(1800)은 2개의 실린더(1803)를 한정하는 엔진 블록(1802)을 포함한다. 실린더(1803)는, 예컨대 4개의 실린더 엔진 중 2개의 실린더일 수 있다. 왕복 피스톤(1804)은 전술한 바와 같이 각 실린더(1803)에 배치된다. 실린더 헤드(1830)는 엔진 블록(1802)에 결합된다. 전술한 실린더 헤드 조립체와 마찬가지로, 실린더 헤드(1830)는 2개의 전자식으로 작동되는 흡기 밸브(1860I)와 2개의 전자식으로 작동되는 배기 밸브(1860E)를 포함한다. 흡기 밸브(1860I)는 흡기 매니폴드(1810I)와 각 실린더(1803) 사이에 가스의 흐름을 제어하도록 구성된다. 마찬가지로, 배기 밸브(1860E)는 배기 매니폴드(1810E)와 각 실린더 사이에 가스의 교환을 제어한다.
엔진(1800)은 흡기 밸브(1860I)와 배기 밸브(1860E) 각각에 통신하는 전자 제어 유닛(ECU, 1896)를 포함한다. ECU는 다양한 센서로부터 입력을 받아서, 소정의 엔진 작동 조건을 결정하고, 그에 따라 다양한 액추에이터에 신호를 전달하여 엔진을 제어하도록 구성된 공지된 형태의 프로세서이다. 예시된 실시예에서, ECU(1896)는 적절한 밸브 이벤트를 결정하고 각각의 밸브(1860I, 1860E)에 전자 신호를 제공하여, 밸브가 원하는 대로 개폐되도록 구성된다.
ECU(1896)는 예컨대 엔진(1800)을 제어하는데 관련된 하나 이상의 특정 작업을 수행하도록 구성된 상용 가능한 프로세싱 장치일 수 있다. 예컨대, ECU(1896)는 마이크로프로세서 및 메모리 장치를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서는 예컨대 하나 이상의 특정 기능을 수행하도록 설계된 주문형 반도체(ASIC, application-specific integrated circuit) 또는 ASIC들의 조합일 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로프로세서는 아날로그나 디지털 회로, 또는 다수의 회로의 조합일 수 있다. 메모리 장치는 예컨대 읽기 전용 기억 장치(ROM) 부품, 램(RAM) 부품, 전자식 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(EPROM), 소거 가능한 전자식 프로그램 가능 읽기 전용 기억 장치(EEPROM), 및/또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다.
엔진(1800)은 ECU(1896)를 포함하는 것으로 예시되고 설명되었지만, 일부 실시예에서 엔진(1800)은 본 명세서에 개시된 기능들을 수행하도록 프로세서에 지시하는 프로세서 판독 가능한 코드의 형태로 소프트웨어를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 엔진(1800)은 본 명세서에 개시된 기능들을 수행하는 펌웨어를 포함할 수 있다.
도 33은 "실린더 비활성" 모드로 작동하는 엔진(1800)의 일부의 개략도이다. 실린더 비활성은 엔진이 저감된 부하에서 작동하는 기간(즉, 엔진이 상대적으로 적은 양의 토크 및/또는 동력을 발생시키는 때), 예컨대 차량이 고속도로 속도로 작동되는 동안, 하나 이상의 실린더 내에서 연소 현상을 일시적으로 비활성화함으로써 엔진의 전반적인 효율을 향상시키는 방법이다. 저감된 부하에서의 작동은, 여러가지 중에서 흡기 공기를 스로틀링하는 것과 관련된 높은 펌핑 손실로 인해, 내재적으로는 비효율적이다. 이 경우, 하나 이상의 실린더에 연소 현상을 비활성화함으로써, 나머지 실린더들이 더 높은 부하에서 그리고 그에 따라 흡기 공기의 더 적은 스로틀링으로 작동하게 함으로써 펌핑 손실을 저감시켜서, 전반적인 엔진 효율이 향상될 수 있다.
엔진(1800)이 실린더 비활성 모드로 작동할 때, 예컨대 4개의 실린더 엔진 중 실린더#4일 수 있는 실린더(1803A)는 일반적인 4행정 연소 사이클로 작동하는 착화 실린더이다. 반대로, 예컨대 4개의 실린더 엔진 중 실린더#3일 수 있는 실린더(1803B)는 비활성 실린더이다. 도 33에 도시된 바와 같이, 엔진(1800)은 착화 실린더(1803A) 내의 피스톤(1804A)이 화살표(AA)로 도시된 바와 같이 흡기 행정에서 상사점(TDC)으로부터 하사점(BDC)을 향해 하향으로 이동하도록 구성된다. 흡기 행정 동안, 흡기 밸브(1860IA)는 개방됨으로써 공기 또는 공연 혼합기가 화살표(N)로 도시된 바와 같이 흡기 매니폴드(1810I)로부터 실린더(1803A) 내로 흐르는 것을 허용한다. 배기 밸브(1860EA)가 폐쇄되어, 실린더(1803A)는 배기 매니폴드(1810E)로부터 유체 격리된다.
반대로, 비활성 실린더(1803B) 내의 피스톤(1804B)은 화살표(BB)로 도시된 바와 같이 BDC로부터 TDC를 향해 상향으로 이동한다. 도시된 바와 같이, 흡기 밸브(1860IB)가 개방됨으로써 화살표(P)로 도시된 바와 같이 공기가 실린더(1803B)로부터 흡기 매니폴드(1810I)로 흐르는 것을 허용한다. 배기 밸브(1860EB)가 폐쇄되어 실린더(1803B)는 배기 매니폴드(1810E)로부터 유체 격리된다. 이 방식에서, 엔진(1800)은 실린더(1803B)가 그 내부에 저장된 공기를 흡기 매니폴드(1810I) 및/또는 실린더(1803A)로 펌핑하게 작동하도록 구성된다. 다른 방법으로는, 실린더(1803B)는 과급기로서 작용하도록 구성된다. 이 방식에서, 엔진(1800)은 실린더(1803A, 1803B)가 자연 흡입 실린더로 작동하여 연료와 공기를 연소시키는 "스탠다드" 모드, 그리고 실린더(1803B)가 비활성으로 되고 실린더(1803A)는 부스팅된 실린더로 작동하여 연료 및 공기를 연소하는 "펌핑 보조" 모드로 작동할 수 있다.
엔진(1800)은, 하나의 실린더가 다른 실린더에 공기를 공급하는 실린더 비활성 모드로 작동하는 것이 도시되고 설명되었지만, 엔진은 비착화 실린더의 배기 밸브 및 흡기 밸브 모두가 전체 엔진 사이클을 통해 폐쇄된 상태로 남아 있는 실린더 비활성 모드로 작동할 수도 있다. 다른 실시예에서, 엔진은 비착화 실린더의 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브가 전체 엔진 사이클을 통해 개방을 유지함으로써 비착화 실린더를 통해 공기를 펌핑하는 것에 수반하는 기생 손실을 배제하는 실린더 비활성 모드로 작동할 수도 있다. 다른 실시예에서, 엔진은 비착화 실린더가 차량으로부터 동력을 흡수하여 차량 제동 장치로서 작용하도록 구성된 실린더 비활성 모드로 작동할 수도 있다. 이 실시예에서, 예컨대 비착화 실린더의 배기 밸브는 일찍 개방되어, 그 내부에 수용된 압축 공기가 어떤 팽창 작업도 발생시키지 않고 방출되도록 구성될 수 있다.
도 34 내지 도 36은 각각 일반적인 4행정 연소 모드, 제1 배기 가스 순환(EGR) 모드 그리고 제2 EGR모드로 작동하는 다실린더 엔진의 실린더의 밸브 이벤트를 나타내는 그래프이다. 종축은 크랭크축의 회전 위치에 대한 실린더 내의 피스톤의 위치를 나타낸다. 예컨대, 0도 위치는 피스톤이 엔진의 착화 행정시 상사점에 있을 때 발생하고, 180도 위치는 피스톤의 착화후 하사점에 있을 때 발생하고, 360도 위치는 피스톤이 가스 배기 행정시 상사점에 위치할 때 발생한다. 점선으로 표시된 경계 영역은 실린더와 관련된 흡기 밸브가 개방되는 동안의 기간을 나타낸다. 유사하게, 실선으로 표시된 경계 영역은 실린더와 관련된 배기 밸브가 개방되는 동안의 기간을 나타낸다.
도 34에 도시된 바와 같이, 엔진이 4행정 연소 모드로 작동할 때, 압축 이벤트(1910)는 가스 혼합기가 실린더 내로 인입된 후에 발생한다. 압축 이벤트(1910) 동안, 흡기 밸브와 배기 밸브 모두는 피스톤이 TDC를 향해 상향 이동함에 따라 폐쇄됨으로써, 실린더 내에 수용된 가스 혼합기가 피스톤의 이동에 의해 압축되도록 한다. 적절한 지점, 예컨대 -10도에서, 연소 이벤트(1915)가 시작된다. 피스톤이 하향 이동함에 따라 적절한 지점, 예컨대 120도에서, 배기 밸브 개방 이벤트(1920)가 시작된다. 일부 실시예에서, 배기 밸브 개방 이벤트(1920)는 피스톤이 TDC에 도달하여 하향 이동을 시작할 때까지 계속된다. 또한, 도 34에 도시된 바와 같이, 흡기 밸브 개방 이벤트(1925)는 배기 밸브 개방 이벤트(1920)가 종료되기 전에 시작될 수 있다. 일부 실시예에서, 예컨대 흡기 밸브 개방 이벤트(1925)는 340도에서 시작되고, 배기 밸브 개방 이벤트(1920)는 390도에서 종료됨으로써, 50도의 중첩 구간을 야기할 수 있다. 적절한 지점, 예컨대 600도에서, 흡기 밸브 개방 이벤트(1925)가 종료하고 새로운 사이클이 시작된다.
일부 실시예에서, 소정량의 배기 가스가 배기 매니폴드로부터 배기 가스 순환(EGR) 밸브를 통해 흡기 매니폴드로 전달된다. 일부 실시예에서, EGR 밸브는 정확한 양의 배기 가스가 흡기 매니폴드에 전달되는 것을 보장하도록 제어된다.
도 35에 도시된 바와 같이, 엔진이 제1 EGR모드로 작동할 때, 실린더와 관련된 흡기 밸브는 배기 가스를 실린더로부터 직접 흡기 매니폴드(도 35에는 도시되지 않음)로 전달함으로써 별도의 EGR 밸브가 필요 없도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 압축 이벤트(1910')는 가스 혼합기가 실린더로 인입된 후에 발생한다. 압축 이벤트(1910') 동안, 흡기 밸브 및 배기 밸브 모두는 피스톤이 TDC를 향해 상향 이동함에 따라 폐쇄됨으로써, 실린더 내에 함유된 가스 혼합기가 피스톤의 이동에 의해 압축되도록 한다. 전술한 바와 같이, 적절한 지점에서, 연소 이벤트(1915')가 시작된다. 유사하게, 적절한 지점에서 배기 밸브 개방 이벤트(1920')가 시작된다. 배기 밸브 이벤트(1920') 동안 적절한 지점, 예컨대 190도에서, 제1 흡기 밸브 개방 이벤트(1950)가 발생한다. 제1 흡기 밸브 개방 이벤트(1950)는 실린더 내의 배기 가스의 압력이 흡기 매니폴드 내의 압력보다 더 클 때 발생하도록 구성되므로, 배기 가스의 일부가 실린더로부터 흡기 매니폴드로 흐른다. 이 방식에서, 배기 가스는 흡기 밸브를 통해 흡기 매니폴드로 직접 전달될 수 있다. 배기 가스의 양은 예컨대 제1 흡기 밸브 개방 이벤트(1950)의 지속기간을 변경하고, 제1 흡기 밸브 개방 이벤트(1950)가 발생하는 지점을 조정하고, 그리고/또는 제1 흡기 밸브 개방 이벤트(1950) 동안 흡기 밸브의 행정을 변경함으로써 제어될 수 있다.
도 35에 도시된 바와 같이, 제2 흡기 밸브 개방 이벤트(1925')는 배기 밸브 개방 이벤트(1920')가 종료되기 전에 시작될 수 있다. 전술한 바와 같이, 적절한 지점에서, 제1 흡기 밸브 개방 이벤트(1950)가 종료하고, 제2 흡기 밸브 개방 이벤트(1925')가 종료하고, 새로운 사이클이 시작된다.
도 36에 도시된 바와 같이, 엔진이 제2 EGR 모드에서 작동되면, 실린더와 관련된 배기 밸브가 배기 매니폴드(도시되지 않음)로부터 실린더(도 35에 도시되지 않음) 내로 직접 배기 가스를 전달하도록 구성되고, 이로 인하여 별도의 EGR 밸브에 대한 필요성이 없어진다. 도시된 바와 같이, 기체 혼합물이 실린더 내로 유인된 후 압축 이벤트(1910'')가 발생한다. 압축 이벤트(1910'') 동안, 피스톤이 TDC를 향해 상향으로 이동함에 따라서, 흡기 및 배기 밸브는 모두 폐쇄되고, 이로 인해 실린더 내에 수용된 기체 혼합물이 피스톤의 움직임에 의해 압축될 수 있게 된다.　 전술된 바와 같이, 적절한 시점에서 연소 이벤트(1915'')가 시작된다.　 유사하게, 적절한 시점에서 제1 배기 밸브 개방 이벤트(1920'')가 시작된다.
전술된 바와 같이, 흡기 밸브 개방 이벤트(1925'')는 제1 배기 밸브 개방 이벤트(1920'')가 종료되기 전에 시작될 수 있다.　 예를 들어, 500도에서와 같이, 흡기 밸브 개방 이벤트(1925'') 동안의 적절한 시점에서 제2 배기 밸브 개방 이벤트(1960)가 발생한다.　 배기 매니폴드 내의 배기 가스의 압력이 실린더 내의 압력보다 클 때, 제2 배기 밸브 개방 이벤트(1960)가 발생하도록 구성될 수 있기 때문에, 배기 가스의 일부가 배기 매니폴드로부터 실린더 내로 유동할 것이다.　 이러한 방식으로, 배기 가스는 배기 밸브를 통해 실린더 내로 직접 전달될 수 있다.　 예컨대 제2 배기 밸브 개방 이벤트(1960)의 지속기간을 변경시키거나, 제2 배기 밸브 개방 이벤트(1960)가 발생하는 시점을 조정하거나, 및/또는 제2 배기 밸브 개방 이벤트(1960) 동안의 배기 밸브의 스트로크를 변경시킴으로써, 실린더 내로의 배기 가스 유동의 양이 제어될 수 있다. 전술된 바와 같이, 적절한 시점에서, 제2 배기 밸브 개방 이벤트(1970)가 종료하고, 흡기 밸브 개방 이벤트(1925'')가 종료하고, 새로운 사이클이 시작된다.
밸브 이벤트가 구형파로서 표현되지만, 다른 실시예에서 밸브 이벤트는 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 　예를 들어, 일부 실시예에서 밸브 이벤트는 사인파로서 구성될 수 있다.　 이러한 방식으로, 밸브 부재의 가속이 밸브의 개방 및/또는 폐쇄 중에 밸브 바운스의 가능성을 최소화하도록 제어될 수 있다.
엔진 성능의 개선을 허용하는 것 외에도, 전술되고 도시된 밸브 부재의 배치는 또한 밸브 부재의 조립, 수리, 교체 및/또는 조정에 있어서의 개선을 초래한다. 예를 들어, 도 5를 참조하여 전술되고, 도 37에 도시된 바와 같이, 단부 판(323)은 캡 나사(317)을 통하여 실린더 헤드(332)에 제거가능하게 결합되고, 이로 인해 조립, 수리, 교체 및/또는 조정을 위해 스프링(318) 및 밸브 부재(360)로의 접근을 허용한다. 　밸브 부재(360)가 실린더 헤드의 제1 면(335)의 아래로 연장하지 않기 때문에[즉, 밸브 부재(360)가 실린더(303) 내로 돌출하지 않기 때문에], 밸브 부재(360)는 실린더(303)로부터 실린더 헤드 조립체(330)를 제거하지 않고 설치 및/또는 제거될 수 있다. 또한, 밸브 부재(360)의 폭 및/또는 두께가 캠샤프트(314)로부터 멀어지는 방향으로[예를 들어, 도 5에서 화살표(C)로 지시한 방향으로] 증가하도록 밸브 부재(360)의 테이퍼부(362)가 밸브 포켓(338) 내에 배치되기 때문에, 밸브 부재(360)는 캠샤프트(314), 및/또는 캠샤프트(314)와 밸브 부재(360) 사이에 배치될 수 있는 임의의 링크(즉, 태핏)을 제거하지 않고 제거될 수 있다. 또한, 밸브 부재(360)는 가스 매니폴드(310)을 제거하지 않고 제거될 수 있다.　 예를 들어, 일부 실시예에서, 사용자는 밸브 포켓(338)이 노출되도록 단부 판(323)을 이동시키고, 스프링(318)을 제거하고, 키웨이(399)로부터 정렬 키(398)를 제거하고, 밸브 포켓(338) 외측으로 밸브 부재(360)를 슬라이딩시킴으로써 밸브 부재(360)를 제거할 수 있다. 스프링(318)을 교체하기 위하여 유사한 절차가 수반될 수 있고, 이는 예를 들어, 밸브 부재(360)의 제1 스템부(377)에 인가된 편향 힘을 조정하기 위하여 바람직할 수 있다.
유사하게, 조립, 수리 및/또는 조정을 위해 캠샤프트(314) 및 제1 스템부(376)에 접근을 허용하기 위해 단부 판(322)(도 5 참조)이 실린더 헤드(332)에 제거 가능하게 결합된다. 예를 들어, 본 명세서에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 밸브 부재는 실린더 헤드가 폐쇄된 형태로 있을 때, 캠샤프트의 밸브 로브와 제1 스템부 사이에 소정의 간극을 제공하도록 구성된 조정가능한 태핏(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이러한 배치에서, 사용자는 조정을 위해 태핏에 접근하기 위해 단부 판(322)을 제거할 수 있다. 다른 실시예에서, 캠샤프트는 실린더 헤드에 제거 가능하게 결합된 개별의 캠 박스(도시되지 않음) 내에 배치된다.
도　38은 실시예에 따른 엔진을 조립하는 방법(2000)을 설명하는 흐름도이다.　 도시된 방법은 엔진 블록에 실린더 헤드를 결합하는 단계(2002)를 포함한다. 　전술된 바와 같이, 일부 실시예에서, 실린더 헤드는 실린더 헤드 볼트를 사용하여 엔진 블록에 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 실린더 헤드와 엔진 블록은 단일체로 구성될 수 있다.　 이러한 실시예에서 실린더 헤드는 주조 공정 중에 엔진 블록에 결합된다. 이후에 2004에서, 캠샤프트가 엔진에 설치된다.
이후에, 방법은 상기 도시되고 설명된 유형의 밸브 부재를 실린더 헤드에 의해 한정된 밸브 포켓 내로 이동시키는 단계(2006)를 포함한다. 전술된 바와 같이 일부 실시예에서 밸브 부재는 밸브 부재의 제1 스템부가 캠샤프트의 밸브 로브에 인접하여 결합되도록 설치될 수 있다.　 밸브 부재가 밸브 포켓 내에 배치되면, 편향 부재는 밸브 부재의 제2 스템부에 인접하게 배치되고(2008), 제1 단부 판은 실린더 헤드에 결합되어 편향 부재의 일부가 제1 단부 판에 결합된다(2010). 이러한 방식에서, 편향 부재는 부분적으로 압축된(즉, 예비 하중이 가해진) 상태로 적소에 보유된다. 편향 부재 예비 하중의 양은 제1 단부 판과 편향 부재 사이에 스페이서를 추가 및/또는 제거함으로써 조정될 수 있다.
일부 실시예에서, 편향 부재가 상대적으로 낮은 예비 하중력을 가지도록 구성될 수 있기 때문에, 제1 단부 판은 스프링 압축기를 사용하지 않고 실린더 헤드에 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 단부 판을 실린더 헤드에 고정하는 캡 나사는 제1 단부 판이 스프링 압축기를 사용하지 않고 실린더에 결합될 수 있도록 소정의 길이를 가질 수 있다.
이후에 도시된 방법은 밸브 래쉬 설정을 조정하는 단계(2012)를 가진다. 일부 실시예에서, 밸브 래쉬 설정은 밸브 부재의 제1 스템부와 캠샤프트 사이에 배치된 태핏을 조정함으로써 조정된다. 다른 실시예에서, 방법은 밸브 래쉬 설정을 조정하는 단계를 포함하지 않는다. 이후에, 전술된 바와 같이, 방법은 제2 단부 판을 실린더 헤드에 결합하는 단계(2014)를 포함한다.
도 39는 일 실시예에 따라 실린더 헤드를 제거하지 않고 엔진 내의 밸브 부재를 교체하기 위한 방법(2100)을 도시하는 흐름도이다. 도시된 방법은 실린더 헤드에 의해 한정된 밸브 포켓의 제1 개구를 노출하기 위해 단부 판을 이동시키는 단계(2102)를 포함한다. 일부 실시예에서, 단부 판은 실린더 헤드로부터 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 단부 판은 제1 개구가 노출되도록 헐거워지고 피봇될 수 있다. 밸브 부재의 제2 단부와 단부 판 사이에 배치된 편향 부재가 제거된다(2104). 이러한 방식에서, 밸브 부재의 제2 단부가 노출된다. 이후에 밸브 부재는 제1 개구를 통해 밸브 포켓의 내부로부터 이동된다(2106). 일부 실시예에서, 제1 개구를 통한 밸브 부재의 이동을 보조하기 위해 캠샤프트가 회전될 수 있다. 교체 밸브 부재가 밸브 포켓 내부에 배치된다(2108). 이후에 편향 부재가 교체되고(2110), 전술된 바와 같이 단부 판이 실린더 헤드에 결합된다(2112).
도 40 내지 도 43은 일 실시예에 따라 가변식 거동 밸브 액추에이터 조립체(3200)를 가지는 엔진(3100)의 일부의 평면도의 개략도이다. 엔진(3100)은 엔진 블록(도 40 내지 도 43에 도시되지 않음), 실린더 헤드(3132), 밸브(3160) 및 액추에이터 조립체(3200)를 포함한다. 엔진 블록은 내부에 피스톤(도 40 내지 도 43에 도시되지 않음)이 배치될 수 있는 실린더(3103)(점선으로 도시됨)를 한정한다. 실린더 헤드(3132)는 실린더 헤드(3132)의 일부가 실린더(3103)의 상부를 덮고 이로 인해 연소실을 형성하도록 엔진 블록에 결합된다. 실린더 헤드(3132)는 밸브 포켓(3138) 및 4개의 실린더 유동 통로(도 40 내지 도 43에 도시되지 않음)를 한정한다. 실린더 유동 통로는 밸브 포켓(3138) 및 실린더(3103)와 유체 연통된다. 이러한 방식에서, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 가스(예컨대, 배기 가스 또는 흡기 가스)는 엔진(3100)의 외측 영역과 실린더(3103) 사이에서 실린더 헤드(3132)를 경유하여 유동할 수 있다.
밸브(3160)는 제1 단부(3176) 및 제2 단부(3177)를 가지며, 4개의 유동 개구(3168)(도 40 내지 도 43에는 유동 개구 중 하나에만 표시되어 있다)를 한정한다. 유동 개구(3168)는 실린더 헤드(3132)의 실린더 유동 통로에 대응한다. 밸브(3160)가 4개의 유동 개구(3168)를 한정하도록 도시되지만, 다른 실시예에서, 밸브(3160)는 임의의 개수의 유동 개구(예컨대, 1개, 2개, 3개, 또는 그 이상)를 한정할 수 있다. 일부 실시예에서, 밸브(3160)는 상기 설명되고 도시된 밸브(360)와 유사하게 테이퍼형 밸브일 수 있다.
밸브(3160)는 실린더 헤드(3132)의 밸브 포켓(3138) 내부에 이동 가능하게 배치될 수 있다. 특히, 밸브(3160)는 폐쇄 위치(예컨대, 도 40 및 도 42)와 복수의 상이한 개방 위치(예컨대 도 41 및 도 43) 사이에서 밸브 포켓(3138) 내에서 이동할 수 있다. 밸브(3160)가 폐쇄 위치에 있을 때, 각 유동 개구(3168)는 대응하는 실린더 유동 통로로부터 오프셋(또는 정렬되지 않게) 될 수 있다. 또한, 밸브(3160)가 폐쇄 위치에 있을 때, 실린더 유동 통로가 실린더(3103)로부터 유체 격리되도록, 밸브(3160)의 적어도 일부는 밸브 포켓(3138)을 한정하는 실린더 헤드(3132)의 내측면의 일부와 접촉 상태에 있다. 일부 실시예에서, 밸브(3160)는 엔진(3100)의 외측 영역으로부터 실린더(3103)를 유체 격리하기 위해 실린더 헤드(3132)의 표면과 결합하도록 구성된 예컨대 테이퍼면과 같은 실링부(도 40 내지 도 43에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
도 40 및 도 42에 도시된 바와 같이, 밸브(3160)가 폐쇄 위치에 있을 때, 밸브의 제1 단부(3176)는 거리(dcl)만큼 단부 판(3123)으로부터 오프셋된다. 스프링(3118)은 밸브(3160)의 제1 단부(3176)와 단부 판(3123) 사이에 배치된다. 스프링(3118)은 폐쇄 위치에서 도 40의 화살표 CC에 의해 표시된 방향으로 밸브(3160)에 대하여 힘을 가하여 밸브(3160)를 편향시킨다. 밸브(3160)가 폐쇄 위치에 있을 때, 밸브(3160)는 임의의 적절한 기구에 의해 화살표 CC에 의해 표시된 방향으로 추가적으로 이동되는 것이 방지될 수 있다. 이러한 기구는, 예를 들어 밸브(3160) 및 밸브 포켓(3138)의 정합 테이퍼면, 기계적 단부 정지부, 자기 장치 등을 포함할 수 있다.
이하에 더욱 자세하게 설명되는 바와 같이, 액추에이터 조립체(3200)는 밸브(3160)가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동할 때 거동하는 거리를 선택적으로 변경하도록 구성된다. 유사하게는, 밸브(3160)는 폐쇄 위치(도 40 및 도 42)와 임의의 개수의 상이한 개방 위치 사이에서 이동할 수 있다. 도 41은 액추에이터 조립체(3200)의 제1 구성에 대응하는 개방 위치 또는 완전 개방 위치에서의 밸브(3160)를 도시한다. 도 43은 액추에이터 조립체(3200)의 제2 구성에 대응하는 개방 위치 또는 부분 개방 위치에서의 밸브(3160)를 도시한다. 밸브(3160)가 개방 위치에 있을 때, 밸브(3160)의 각각의 유동 개구(3168)는 대응하는 실린더 유동 통로와 적어도 부분적으로 정렬된다. 나아가, 밸브(3160)가 개방 위치에 있을 때, 밸브(3160)의 일부는 밸브 포켓(3138)을 한정하는 실린더 헤드(3132)의 내부면으로부터 이격되어 실린더 유동 통로는 실린더(3103)와 유체 연통된다. 이에 따라, 밸브(3160)가 개방 위치에 있을 때, 가스(예를 들어, 배기 가스 또는 흡기 가스)는 실린더 헤드(3132)를 경유하여 엔진(3100)의 외측 영역과 실린더(3103) 사이에서 유동할 수 있다.
도 41에 도시된 바와 같이, 밸브가 제1 개방 위치(즉, 완전 개방 위치)에 있을 때, 밸브의 제1 단부(3176)는 거리(dop1)만큼 단부 판(3123)으로부터 오프셋된다. 이에 따라, 밸브(3160)가 폐쇄 위치로부터 제1 개방 위치로 이동할 때 거동하는 거리는 식(1)에 의해 표시된다.
(1) Travel1 = dcl - dop1
도 43에 도시된 바와 같이, 밸브가 제2 개방 위치(즉, 부분 개방 위치)에 있을 때, 밸브의 제1 단부(3176)는 거리(dop1)보다 큰 거리(dop2)만큼 단부 판(3123)으로부터 오프셋된다. 따라서, 밸브(3160)가 폐쇄 위치로부터 제2 개방 위치로 이동할 때 거동하는 거리는 밸브(3160)가 폐쇄 위치로부터 제1 개방 위치로 이동할 때 거동하는 거리보다 작다. 밸브(3160)가 폐쇄 위치로부터 제2 개방 위치로 이동할 때 거동하는 거리는 식(2)에 의해 표시된다.
(2) Travel2 = dcl - dop2
액추에이터 조립체(3200)는 밸브 액추에이터(3210)와 가변식 거동 액추에이터(3250)를 포함한다. 밸브 액추에이터(3210)는 하우징(3240), 솔레노이드 코일(3242), 푸시 로드(3212) 및 전기자(3222)를 포함한다. 하우징(3240)의 제1 단부(3243)는 실린더 헤드(3132)에 이동 가능하게 결합된다. 이러한 방식으로, 이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 하우징(3242)[이에 따라, 밸브 액추에이터(3210)]은 실린더 헤드(3132)에 대하여 이동할 수 있다. 솔레노이드 코일(3242)은 하우징(3240)의 제1 단부(3243) 내에서 단단히 결합된다. 유사하게는, 하우징(3240)에 대한 솔레노이드 코일(3242)의 이동이 방지되도록, 솔레노이드 코일(3242)이 하우징(3240) 내에 배치된다.
푸시 로드(3212)는 제1 단부(3213)와 제2 단부(3214)를 갖는다. 푸시 로드(3212)의 제2 단부(3214)는 하우징(3240) 내에 배치되고, 전기자(3222)에 결합된다. 보다 상세하게는, 푸시 로드(3212)의 제2 단부(3214)는 전기자(3222)에 결합되어 전기자(3222)의 이동이 푸시 로드(3212)의 이동을 일으킨다. 푸시 로드(3212)의 일부는 솔레노이드 코일(3242) 내에서 이동 가능하게 배치된다. 이러한 방식으로, 전기자(3222)와 푸시 로드(3212)는 솔레노이드 코일(3242)에 대해 이동할 수 있다. 사용시, 솔레노이드 코일(3242)에 전류가 공급될 때, 도 41 및 도 43 각각의 화살표 DD 및 FF에 의해 표시된 방향으로 전기자(3222)에 대하여 힘을 인가하는 자기장이 생성된다. 자기력은 도 41 및 도 43 각각의 화살표 DD 및 FF에 표시된 바와 같이, 전기자(3222)와 푸시 로드(3212)가 솔레노이드 코일(3242)[및 하우징(3240)]에 대해 이동하게 한다. 전기자(3222)와 푸시 로드(3212)는 전기자(3222)가 솔레노이드 코일(3242)과 접촉할 때까지 거리(Sd)[즉, 솔레노이드 스트로크]를 통해 솔레노이드 코일(3242)에 대해 이동한다. 솔레노이드 코일(3242)에 전원을 끊을 때, 전기자가 하우징(4240)의 제2 단부(4244)와 접촉할 때까지, 전기자(3222)는 화살표 DD 및 FF에 의해 표시된 방향과 반대 방향으로 거동할 수 있다. 일부 실시예에서, 밸브 액추에이터(4210)는 전기자(3222)를 가압하여 하우징(4240)의 제2 단부와 접촉하도록 구성된 편향 부재를 포함한다.
푸시 로드(3212)의 제1 단부(3213)는 하우징(3240)의 외측에 배치된다. 더 특정하게는, 하우징(3240)이 실린더 헤드(3132)에 결합될 때, 푸시 로드(3212)의 제1 단부(3213)는 밸브(3160)의 제2 단부(3177)에 인접한 밸브 포켓(3138) 내에 배치된다. 더 특정하게는, 도 40 및 도 42에 도시된 바와 같이, 밸브(3160)가 폐쇄 위치에 있고 솔레노이드 코일(3242)에 대하여 전원을 끊을 때, 푸시 로드(3212)의 제1 단부(3213)는 밸브(3160)의 제2 단부(3177)로부터 이격된다. 푸시 로드(3212)의 제1 단부(3213)와 밸브(3160)의 제2 단부(3177) 사이의 거리는 (도 40에서 L1으로 표시되고 도 42에서 L2로 표시되는) 밸브 래쉬로 칭해진다. 푸시 로드(3212)와 밸브(3160) 사이에 간극(즉, 밸브 래쉬)를 제공하면, 밸브 트레인 부품의 열 성장, 밸브 트레인 부품의 제조 공차 등과 상관없이 밸브(3160)가 적절하게 작동(예를 들어, 폐쇄 위치에 있을 때 완전히 착좌됨)되는 것이 보장될 수 있다.
사용시, 솔레노이드 코일(3242)에 전원이 공급되고 푸시 로드(3212)가 화살표 DD에 표시된 바와 같이 이동할 때, 푸시 로드(3212)의 제1 단부(3213)는 밸브(3160)의 제2 단부(3177)와 접촉한다. 푸시 로드(3212)에 의해 밸브(3160)에 인가된 힘이 스프링(3118)에 의해 인가된 편향력보다 클 때, 밸브(3160)는 폐쇄 위치(예를 들어, 도 40)로부터 개방 위치(예를 들어, 도 41)로 이동한다. 앞서 설명된 바와 같이, 밸브 액추에이터(3210)는 전기적으로 작동되기 때문에, 밸브(3160)는 엔진(3100)의 캠샤프트 또는 크랭크축의 회전 위치와 무관하게 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동될 수 있다.
가변식 거동 액추에이터(3250)는 실린더 헤드(3132)에 대하여 하우징(3240)[이에 따라 밸브 액추에이터(3210)]를 이동시키도록 구성된다. 이러한 방식으로, 아래에서 설명되는 바와 같이, 가변식 거동 액추에이터(3250)는 밸브(3160)가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동할 때 거동하는 거리를 선택적으로 변경시킬 수 있다. 더 특정하게는, 밸브 거동은 식(3)으로 표시되는 바와 같이 솔레노이드 스트로크(Sd)와 밸브 래쉬에 관계된다.
(3) Travel = Sd - L
따라서, 밸브 거동은 솔레노이드 스트로크(Sd) 및/또는 밸브 래쉬(L)를 변경시킴으로써 조정될 수 있다.
도 40에 도시된 바와 같이, 액추에이터 조립체(3200)가 제1(또는 완전 개방) 구성에 있을 때, 하우징(3240)은 밸브 래쉬 설정치가 L1 값을 갖도록 실린더 헤드(3132)에 대해 위치설정된다. 따라서, 액추에이터 조립체(3200)가 제1 구성에 있을 때 밸브(3160)의 거동은 식(4)로 표시된다.
(4) Travel1 = Sd- L1 = dcl - dop1
도 42에 도시된 바와 같이, 액추에이터 조립체(3200)가 제2(또는 부분 개방) 구성에 있을 때, 하우징(3240)은 밸브 래쉬 설정치가 L1보다 큰 L2값을 갖도록 실린더 헤드(3132)에 대해 위치설정된다. 유사하게, 액추에이터 조립체(3200)가 제2(또는 부분 개방) 구성에 있을 때, 하우징(3240)은 도 42에서 화살표 EE로 표시된 바와 같이 실린더 헤드(3132)에 대해 이동되어 밸브 래쉬 설정치를 L2값으로 증가시킨다. 따라서, 액추에이터 조립체(3200)가 제2 구성에 있을 때, 밸브(3160)의 거동은 식(5)로 표시된다.
(5) Travel2 = Sd- L2 = dcl - dop2
가변식 거동 액추에이터(3250)는 도 42에서 화살표 EE로 표시된 바와 같이 실린더 헤드(3132)에 대해 밸브 액추에이터(3210)를 이동시키도록 임의의 적절한 기구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 가변식 거동 액추에이터(3250)는 실린더 헤드(3132)에 대해 밸브 액추에이터(3210)를 선형적으로 이동시키는 전자 액추에이터를 포함할 수 있다. 유사하게, 일부 실시예에서 가변식 거동 액추에이터(3250)는 실린더 헤드(3132)에 대해 밸브 액추에이터(3210)를 병진 운동시키는 전자 액추에이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 가변식 거동 액추에이터(3250)는 실린더 헤드(3132)에 대해 밸브 액추에이터(3210)를 병진 운동시키는 랙 및 피니언 배열을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 가변식 거동 액추에이터(3250)는 실린더 헤드에 대해 밸브 액추에이터(3210)를 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 하우징(3240)은 실린더 헤드(3132)에서의 대응 나사부와 정합하도록 구성된 나사부를 포함할 수 있어서 실린더 헤드(3132)에 대한 하우징(3240)의 회전은 도 42에서 화살표 EE로 표시된 바와 같은 이동을 초래한다.
위에서 설명한 바와 같이, 가변식 거동 액추에이터(3250)는 일정한 솔레노이드 스트로크(Sd)를 유지시키면서 밸브 래쉬(L)를 선택적으로 변화시킴으로써 밸브 거동을 변화시킨다. 이 방식에 있어서, 액추에이터 조립체(3200)가 제1 구성과 제2 구성 사이에서 이동할 때, 밸브 액추에이터(3210)의 전자-기계적인 특성은 실질적으로 일정하게 유지된다. 따라서, 솔레노이드 코일(3242)에 동력을 공급하기 위한 전류는 액추에이터 조립체(3200)의 구성의 함수로서 변화될 필요가 없다.
도 40 내지 도 43에 나타낸 바와 같이, 스프링(3118)은 액추에이터 조립체(3200)로부터 밸브(3160)의 반대측 단부[즉, 제1 단부(3176)]에 인접하게 배치된다. 이런 배치는 스프링(3118)의 기능적인 특성을 변화시키지 않으면서 액추에이터 조립체(3200)의 가변식 거동 액추에이터(3250)가 실린더 헤드(3132)에 대해 밸브 액추에이터(3210)를 이동시킬 수 있도록 한다. 더 구체적으로는, 액추에이터 조립체(3200)의 가변식 거동 액추에이터(3250)는 밸브(3160)가 폐쇄 위치에 있을 때의 스프링(3118)의 길이[즉, 스프링(3118)의 초기 길이]를 변화시키지 않으면서 실린더 헤드(3132)에 대해 밸브 액추에이터(3210)를 이동시킬 수 있다. 도시된 실시예에서, 스프링(3118)의 초기 길이는 밸브(3160)의 제1 단부(3176)와 단부 판(3123) 사이의 거리(dcl)에 대응한다. 스프링(3118)의 실질적으로 일정한 초기 길이를 유지시킴으로써, 액추에이터 조립체(3200)의 가변식 거동 액추에이터(3250)는 스프링(3118)에 의해 밸브(3160)에 가해진 편향 력을 변화시키지 않으면서 실린더 헤드(3132)에 대해 밸브 액추에이터(3210)를 이동시킬 수 있다. 따라서, 밸브(3160)는 액추에이터 조립체(3200)의 구성과 관계없이 반복가능한 및/또는 정확한 방식으로 이동될 수 있다.
밸브 거동을 감소시키는 것 외에, 래쉬(예컨대, L1으로부터 L2)를 선택적으로 증가시키는 것은 솔레노이드(3242)가 동력을 공급받은 후 밸브(3160)가 이동을 시작하는데 더 긴 시간이 걸리게 할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 가동 타이밍은 밸브 래쉬의 함수로서 오프셋 및/또는 조정될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 엔진(3100)은 액추에이터 조립체(3200)가 제1 구성과 제2 구성 사이에서 이동될 때 밸브 래쉬(예컨대, L1 에서 L2)의 변화의 함수로서 가동 타이밍을 자동으로 조정하도록 구성된 전자 제어 유닛 또는 ECU(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 예컨대, ECU는 액추에이터 조립체가 제1 구성(예컨대, 완전 개방 구성)에 있을 때 밸브의 밸브 래쉬 설정에 대응하는 입력을 수신하도록 구성되고 밸브 래쉬 설정의 실제 변화의 함수로서 가동 타이밍을 조정하도록 구성될 수 있다. 이 방식에서, ECU는 일반적인 엔진 디자인의 공칭값에 기초하는 대신 특정 엔진의 가동 타이밍을 제어할 수 있다.
액추에이터 조립체(3200)가 단지 하나의 부분적인 개방 구성을 갖는 것으로 나타내어져 있지만(예컨대, 도 42 및 도 43), 액추에이터 조립체(3200)는 완전 개방 구성과 임의의 개수의 부분 개방 구성 사이에서 이동될 수 있다. 예컨대, 액추에이터 조립체(3200)는 완전 개방 구성, 제1 부분 개방 구성(여기서, 밸브 거동은 완전 개방 밸브 거동의 대략 3/4임), 제2 부분 개방 구성(여기서, 밸브 거동은 완전 개방 밸브 거동의 대략 1/2임), 및 제3 부분 개방 구성(여기서, 밸브 거동은 완전 개방 밸브 거동의 대략 1/4임) 사이에서 이동될 수 있다. 또 다른 예에서, 액추에이터 조립체(3200)는 완전 개방 구성과 무한개의 부분 개방 구성 사이에서 이동될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 액추에이터 조립체(3200)는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 대략 0 mm 내지 2.3 mm(0인치 내지 0.090인치)의 임의의 값으로 조정할 수 있다. 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 거리(예컨대, 밸브 거동)를 선택적으로 변화시킴으로써, 액추에이터 조립체(3200)는 실린더(3103) 안 및/또는 밖으로의 가스 유동의 양 및/또는 유량을 정확하게 그리고/또는 정밀하게 조정할 수 있다. 더 구체적으로, 밸브 거동은 엔진 작동 조건[예컨대, 낮은 아이들, 도로 순항 조건 등]의 함수로서의 원하는 가스 유동 특성을 제공하기 위해 밸브 개방 이벤트의 타이밍 및 지속기간과 관련하여 변화될 수 있다. 일부 실시예에서, 이 배치에 의해 제공된 제어는 엔진 가스 교환 프로세스가 단지 밸브(3160) 및 액추에이터 조립체(3200)만을 사용하여 제어될 수 있게 하여 실린더 헤드(3132)의 상류의 스로틀 밸브에 대한 필요성을 제거한다.
도 40 내지 도 43에 나타낸 평면도의 개략적인 도시는 실린더(3103)의 중심선(도시되지 않음)에 실질적으로 수직인 방향으로 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동하는 밸브(3160)를 나타내고 있지만, 다른 실시예에서 밸브(3160)는 실린더(3103) 및/또는 실린더 헤드(3132)에 대해 임의의 적절한 방향으로 이동할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 밸브(3160)는 실린더(3103)의 중심선에 실질적으로 평행하게 이동할 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브(3160)는 실린더(3103)의 중심선에 평행하지 않고 수직이 아닌 방향으로 이동할 수 있다.
가변식 거동 액추에이터(3250)는 일정한 솔레노이드 스트로크(Sd)를 유지하면서 밸브 래쉬(L)를 선택적으로 변화시킴으로써 밸브 거동을 변화시키는 것으로서 위에서 설명하고 나타내고 있지만, 다른 실시예에서 가변식 거동 액추에이터는 실질적으로 일정한 밸브 래쉬 설정을 유지하면서 솔레노이드 스트로크를 선택적으로 변화시킴으로써 밸브 거동을 변화시킬 수 있다. 예컨대, 도 44 및 도 45는 실시예에 따른 가변식 거동 밸브 액추에이터 조립체(4200)를 갖는 엔진(4100)의 일부의 평면도의 개략적인 도시이다. 엔진(4100)은 엔진 블록(도 44 및 도 45에 도시되지 않음), 실린더 헤드(4132), 밸브(4160) 및 액추에이터 조립체(4200)를 포함한다. 엔진 블록은 피스톤(도 44 및 도 45에 도시되지 않음)이 내부에 배치될 수 있는 (점선으로 도시된) 실린더(4103)를 규정한다. 실린더 헤드(4132)는, 실린더 헤드(4132)의 일부가 실린더(4103)의 상부를 덮어 연소실을 형성하도록 엔진 블록에 결합된다. 실린더 헤드(4132)는 밸브 포켓(4138) 및 4개의 실린더 유동 통로(도 44 및 도 45에 도시되지 않음)를 한정한다. 실린더 유동 통로는 밸브 포켓(4138) 및 실린더(4103)와 유체 연통된다. 이 방식에서, 위에서 설명한 바와 같이, 가스(예컨대, 배기 가스 또는 흡기 가스)가 실린더 헤드(4132)를 통해 실린더(4103)와 엔진(4100)의 외부 영역 사이에서 유동할 수 있다.
밸브(4160)는 제1 단부(4176) 및 제2 단부(4177)를 구비하며, 4개의 유동 개구(4168)(유동 개구 중 하나만이 도 44 및 도 45에 표시되어 있음)를 규정한다. 유동 개구(4168)는 실린더 헤드(4132)의 실린더 유동 통로에 대응한다. 밸브(4160)는 4개의 유동 개구(4168)를 한정하는 것으로서 나타나 있지만, 다른 실시예에서 밸브(4160)는 임의의 개수의 유동 개구(예컨대, 1개, 2개, 3개 또는 그 이상)를 규정할 수 있다. 일부 실시예에서, 밸브(4160)는 위에서 설명하고 나타낸 밸브(360)와 유사한 테이퍼형 밸브일 수 있다.
밸브(4160)는 실린더 헤드(4132)의 밸브 포켓(4138) 내에 이동 가능하게 배치된다. 더 구체적으로, 밸브(4160)는 (도 44 및 도 45에 도시된 바와 같은) 폐쇄 위치와 (도 44 및 도 45에 도시되지 않은) 복수의 상이한 개방 위치 사이에서 밸브 포켓(4138) 내에서 이동할 수 있다. 밸브(4160)가 폐쇄 위치에 있을 때, 위에서 설명한 바와 같이 실린더 유동 통로는 실린더(4103)로부터 유체 격리된다. 스프링(4118)이 단부 판(4123)과 밸브(4160)의 제1 단부(4176) 사이에 배치된다. 위에서 설명한 바와 같이, 스프링(4118)은 밸브(4160)에 힘을 가하여 밸브(4160)를 폐쇄 위치로 편향시킨다. 엔진(3100)을 참고하여 위에서 설명한 배치와 유사하게, 밸브(4160)는 폐쇄 위치(도 44 및 도 45)와 임의의 개수의 상이한 개방 위치 사이에서 이동될 수 있다. 밸브(4160)가 개방 위치에 있을 때, 실린더 유동 통로는 실린더(4103)와 유체 연통한다. 따라서, 밸브(4160)가 개방 위치에 있을 때, 가스(예컨대, 배기 가스 또는 흡기 가스)는 실린더 헤드(4132)를 통해 실린더(4103)와 엔진(4100)의 외부 영역 사이에서 유동할 수 있다.
액추에이터 조립체(4200)는 밸브 액추에이터(4210) 및 가변식 거동 액추에이터(4250)를 포함한다. 밸브 액추에이터(4210)는 하우징(4240), 솔레노이드 코일(4242), 푸쉬 로드(4212) 및 전기자(4222)를 포함한다. 하우징(4240)의 제1 단부(4243)는 실린더 헤드(4132)에 고정식으로 결합된다. 솔레노이드 코일(4242)은 하우징(4240)의 제1 단부(4243) 내에 이동 가능하게 배치된다. 이 방식에서, 아래에서 더 상세하게 설명하는 바와 같이, 솔레노이드 코일(4242)은 솔레노이드 스트로크를 변화시키고 따라서 밸브 거동을 변화시키도록 선택적으로 이동될 수 있다.
푸쉬 로드(4212)는 제1 단부(4213) 및 제2 단부(4214)를 구비한다. 푸쉬 로드(4212)의 제2 단부(4214)는 하우징(4240) 내에 배치되고 전기자(4222)에 결합된다. 더 구체적으로, 푸쉬 로드(4212)의 제2 단부(4214)는 전기자(4222)의 이동이 푸쉬 로드(4212)의 이동을 야기하도록 전기자(4222)에 결합된다. 푸쉬 로드(4212)의 일부가 솔레노이드 코일(4242) 내에 이동 가능하게 배치된다. 이 방식에서, 전기자(4222) 및 푸쉬 로드(4212)는 솔레노이드 코일(4242)에 대해 이동할 수 있다. 사용에 있어서, 솔레노이드 코일(4242)이 동력을 공급받을 때, 전기자(4222) 및 푸쉬 로드(4212)는 전기자(4222)가 솔레노이드 코일(4242)에 접촉할 때까지 솔레노이드 코일(4242)[및 하우징(4240)]에 대해 이동된다. 유사하게 말하면, 솔레노이드 코일(4242)이 동력을 받을 때, 전기자(4222) 및 푸쉬 로드(4212)는 솔레노이드 코일(4242)에 대해 거리(즉, 솔레노이드 스트로크)를 이동한다. 솔레노이드 코일(4242)이 동력을 공급받지 않을 때, 전기자(4222)는 전기자가 하우징(4240)의 제2 단부(4244)에 접촉할 때까지 반대 방향으로 이동할 수 있다. 일부 실시예에서, 밸브 액추에이터(4210)는 전기자(4222)를 강제하여 하우징(4240)의 제2 단부와 접촉시키도록 구성된 편향 부재를 포함한다.
푸쉬 로드(4212)의 제1 단부(4213)는 하우징(4240)의 외부에 배치된다. 더 구체적으로, 하우징(4240)이 실린더 헤드(4132)에 연결될 때, 푸쉬 로드(4212)의 제1 단부(4213)는 밸브(4160)의 제2 단부(4177)에 인접한 밸브 포켓(4138) 내에 배치된다. 도 44 및 도 45에 나타낸 바와 같이, 밸브(4160)가 폐쇄 위치에 있고 솔레노이드 코일(4242)이 동력을 공급받지 않을 때, 푸쉬 로드(4212)의 제1 단부(4213)는 밸브(4160)의 제2 단부(4177)로부터 거리(L)(밸브 래쉬)만큼 이격된다. 사용시, 솔레노이드 코일(4242)가 통전되고 푸시 로드(4212)가 이동할 때, 푸시 로드(4212)의 제1 단부(4213)는 밸브(4160)의 제2 단부(4177)와 접촉한다. 푸시 로드(4212)에 의해 밸브(4160) 상에 가해진 힘이 스프링(4118)에 의해 가해진 편향 힘보다 클 때, 밸브(4160)는 폐쇄 위치(예를 들어, 도 44 및 도 45)로부터 개방 위치(도시되지 않음)까지 이동된다.
가변식 거동 액추에이터(4250)는 도 45에서 화살표 HH로 도시된 바와 같이 전기자(4222) 및/또는 푸시 로드(4212)에 대해 하우징(4240) 내에서 솔레노이드 코일(4242)을 이동시키도록 구성된다. 이러한 방식으로, 액추에이터 조립체(4200)는 도 44에 도시된 바와 같은 제1 (또는 전체 개방) 구성과 도 45에 도시된 바와 같은 제2 (또는 부분 개방) 구성 사이에서 이동될 수 있다. 단 하나의 부분 개방 구성을 갖는 것으로 도시되었지만, 액추에이터 조립체(4200)는 상술한 바와 같이 임의의 개수의 다양한 부분 개방 구성들을 가질 수 있다. 도 44에 도시된 바와 같이, 액추에이터 조립체(4200)가 제1 구성인 경우, 솔레노이드가 거리(Sd1)[즉, 액추에이터 조립체(4200)가 제1 구성일 때의 솔레노이드 스트로크]만큼 통전되지 않을 때, 전기자(4222)는 솔레노이드(4242)로부터 이격된다. 도 45에 도시된 바와 같이, 액추에이터 조립체(4200)가 제2 구성일 때, 솔레노이드가 거리(Sd1)보다 짧은 거리(Sd2)[즉, 액추에이터 조립체(4200)가 제2 구성일 때의 솔레노이드 스트로크]만큼 통전되지 않을 때, 전기자(4222)는 솔레노이드(4242)로부터 이격된다.
상술한 바와 같이, 밸브 거동은 솔레노이드 스트로크 및 밸브 래쉬와 관련된다. 따라서, 액추에이터 조립체(4200)는 솔레노이드 스트로크를 조정하여 밸브 거동을 선택적으로 변화시킬 수 있다. 또한, 하우징(4240)이 실린더 헤드(4132)에 고정되게 결합되기 때문에, 솔레노이드(4242)에 통전되지 않을 때 밸브(4160)에 대한 푸시 로드(4212)의 위치는 액추에이터 조립체(4200)가 제1 구성으로부터 제2 구성으로 이동될 때 실질적으로 일정하게 유지된다. 이와 유사하게, 밸브 래쉬(L)는 액추에이터 조립체(4200)가 제1 구성으로부터 제2 구성으로 이동될 때 실질적으로 일정하게 유지된다.
도 44 및 도 45에 도시된 바와 같이, 가변식 거동 액추에이터(4250)는 커넥터(4251)를 통해 솔레노이드 코일(4242)에 결합된다. 이러한 방식으로, 가변식 거동 액추에이터(4250)에 의해 생성된 이동 및/또는 힘에 의해 하우징(4240) 내의 솔레노이드(4242)가 이동될 수 있다. 더 구체적으로, 가변식 거동 액추에이터(4250)가 도 45에서 화살표 GG로 도시된 바와 같이 회전할 때, 솔레노이드 코일(4242)은 도 45에서 화살표 HH로 도시된 바와 같이 하우징(4240) 내에서 이동한다. 커넥터(4251)는 예를 들어 로드, 케이블, 벨트 등과 같은 임의의 적절한 커넥터일 수 있다. 또한, 가변식 거동 액추에이터(4250)는 예를 들어 스테퍼 모터, 전자 액추에이터, 유압 액추에이터, 공압 액추에이터 및/또는 기타 등등과 같이, 하우징(4240) 내의 솔레노이드 코일(4242)을 이동시키는 임의의 적절한 기구를 포함할 수 있다.
도 46 및 도 47은 실시예에 따르는 가변식 거동 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300) 및 가변식 거동 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)를 갖는 엔진(5100)의 사시도이다. 엔진(5100)은 엔진 블록(5102), 실린더 헤드 조립체(5130), 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200) 및 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)를 포함한다. 엔진 블록(5102)은 피스톤(도시되지 않음)이 배치될 수 있는 실린더(5103)(도 51, 도 52, 도 59 및 도 60에서 점선으로 도시)를 형성한다. 실린더 헤드 조립체(5130)는 실린더 헤드 조립체(5130)의 일부가 실린더(5103)의 상부를 덮어 연소 챔버를 형성하도록 엔진 블록(5102)에 결합된다. 가스 매니폴드(5110)는 실린더 헤드 조립체(5130)의 상부면에 결합된다. 가스 매니폴드(5110)는 배기 가스 통로(5112) 및 흡기 공기 통로(5111)를 형성한다. 사용시, 배기 가스는 실린더(5103)로부터 실린더 헤드 조립체(5130)를 통해 배기 가스 통로(5112)로 이송될 수 있다. 이와 유사하게, 흡기 공기(및/또는 임의의 적절한 흡기 차지)는 흡기 공기 통로(5111)로부터 실린더 헤드 조립체(5130)를 통해 실린더(5103)로 이송될 수 있다.
실린더 헤드 조립체(5130)는 실린더 헤드(5132), 흡기 밸브(5160I) 및 배기 밸브(5160E)를 포함한다. 도 51 내지 도 53에 따르면, 실린더 헤드(5132)는 흡기 밸브(5160I)가 이동 가능하게 내부에 배치되는 흡기 밸브 포켓(5138I)을 형성한다. 실린더 헤드(5132)는 한 세트의 실린더 유동 통로(5148I) 및 한 세트의 흡기 매니폴드 유동 통로(5144I)를 형성한다. 각각의 실린더 유동 통로(5148I)는 실린더(5103)(점선으로 도시) 및 흡기 밸브 포켓(5138I)과 유체 연통된다. 이와 유사하게, 각각의 흡기 매니폴드 유동 통로(5144I)는 가스 매니폴드(5110)의 흡기 공기 통로(5111) 및 실린더 헤드(5132)의 흡기 밸브 포켓(5138I)과 유체 연통된다. 본 명세서에서 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 배치에 있어서, 흡기 밸브(5160I)가 폐쇄 위치(예를 들어, 도 51)일 때, 가스 매니폴드(5110)의 흡기 통로(5111)는 실린더(5103)로부터 유체 격리된다. 반대로, 흡기 밸브(5160I)가 개방 위치(예를 들어 도 52 및 도 53)일 때, 가스 매니폴드(5110)의 흡기 통로(5111)는 실린더(5103)와 유체 연통된다. 따라서, 실린더(5103)로 이송되는 흡기 공기의 타이밍 및/또는 양은 흡기 밸브(5160I)의 개방 및 폐쇄 상태를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 흡기 밸브(5160I)가 두 개의 개방 위치(도 52 및 도 53)를 갖는 것으로 도시되었으나, 이후 상세히 설명되는 바와 같이, 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)는 폐쇄 위치 및 개방 위치 사이에서 이동될 때 흡기 밸브(5160I)가 거동하는 거리를 선택적으로 변화시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 흡기 밸브(5160I)는 폐쇄 위치와 임의의 개수의 상이한 부분 개방 위치들 사이에서 이동될 수 있다.
도 59 내지 도 61에 따르면, 실린더 헤드(5132)는 배기 밸브(5160E)가 이동 가능하게 배치되는 배기 밸브 포켓(5138E)을 형성한다. 실린더 헤드(5132)는 한 세트의 실린더 유동 통로(5148E) 및 한 세트의 배기 매니폴드 유동 통로(5144E)를 형성한다. 각각의 실린더 유동 통로(5148E)는 실린더(5103)(도시되지 않음) 및 배기 밸브 포켓(5138E)과 유체 연통한다. 이와 유사하게, 각각의 배기 매니폴드 유동 통로(5144E)는 가스 매니폴드(5110)의 배기 통로(5112) 및 실린더 헤드(5132)의 배기 밸브 포켓(5138E)과 유체 연통한다. 본 명세서에서 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 배치에서는, 배기 밸브(5160E)가 폐쇄 위치(예를 들어, 도 59)일 때, 가스 매니폴드(5110)의 배기 통로(5112)는 실린더(5103)로부터 유체 격리된다. 반대로, 배기 밸브(5160E)가 개방 위치(예를 들어 도 60 내지 도 61)일 때, 가스 매니폴드(5110)의 배기 통로(5112)는 실린더(5103)와 유체 연통한다. 따라서, 실린더(5103) 외부로 이송되는 배기 가스의 타이밍 및/또는 양은 배기 밸브(5160E)의 개방 및 폐쇄 상태를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 배기 밸브(5160E)는 두 개의 개방 위치(도 60 및 도 61)만 갖는 것으로 도시되었으나, 이후 상세히 설명되는 바와 같이, 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)는, 배기 밸브(5160E)가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동될 때 이동하는 거리를 선택적으로 변화시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 배기 밸브(5160E)는 폐쇄 위치와 임의의 개수의 상이한 부분 개방 위치들 사이에서 이동될 수 있다.
도 54 내지 도 56에 따르면, 흡기 밸브(5160I)는 테이퍼부(5162I), 제1 단부(5176I) 및 제2 단부(5177I)를 갖고, 중심선(CLI)을 형성한다. 도 55에 도시된 바와 같이, 제2 단부(5177I)는 흡기 당김 로드(5212)가 나사 결합될 때 나사형 개구(5178I)를 형성한다. 제2 단부(5177I)는 흡기 밸브 스프링(5118I)이 배치되는 스프링 결합 표면(5179)을 포함한다(예를 들어, 도 51 내지 도 53 참조). 이러한 방식으로, 흡기 밸브(5160I)는 흡기 밸브 포켓(5138I) 내의 폐쇄 위치에서 편향될 수 있다.
흡기 밸브(5160I)의 테이퍼부(5162I)는 제1 면(5164I) 및 제2 면(5165I)을 포함한다. 도 56에 도시된 바와 같이, 제1 면(5164I) 및 제2 면(5165I)은 각각 중심선(CLI)에 평행한 축에 대해 곡률 반경(RI)을 갖는 만곡면이다. 제1 면(5164I) 및 제2 면(5165I)은 동일한 곡률 반경을 갖는 것으로 도시되었으나, 다른 실시예에서 제1 면(5164I)의 곡률 반경은 제2 면(5165I)의 곡률 반경과 상이할 수 있다. 일부 실시예에서 이와 유사하게, 흡기 밸브(5160I)의 테이퍼부(5162I)는 중심선(CLI)에 실질적으로 수직인 평면에서 볼 때 비대칭일 수 있다. 곡률 반경(RI)은 임의의 적절한 값을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 곡률 반경(RI)은 대략 114mm(4.5인치)일 수 있다.
흡기 밸브(5160I)의 평면도를 도시하는 도 54에 도시된 바와 같이, 흡기 밸브(5160I)의 테이퍼부(5162I)는 제1 테이퍼 각(θI)을 갖는다. 이와 유사하게, 중심선(CLI)에 수직인 제1 축을 따라 측정된 테이퍼부(5162I)의 폭은 중심선(CLI)을 따라 선형적으로 감소한다. 흡기 밸브(5160I)의 측면도를 나타내는 도 55에 도시된 바와 같이, 제1 면(5164I) 및 제2 면(5165I)은 제2 테이퍼 각(αI)만큼의 각도로 서로 오프셋된다. 이와 유사하게, 중심선(CLI)에 수직인 제2 축을 따라 측정된 테이퍼부(5162I)의 두께는 중심선(CLI)을 따라 선형적으로 감소한다. 이러한 방식으로, 흡기 밸브(5160I)의 테이퍼부(5162I)는 두 개의 차원으로 테이퍼링된다. 제1 테이퍼 각(θI) 및 제2 테이퍼 각(αI)은 임의의 적절한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제1 테이퍼 각(θI)은 약 3도와 약 10도 사이의 값을 갖고, 제2 테이퍼 각(αI)은 약 10도(각 측에 대해 5도)의 값을 갖는다.
흡기 밸브(5160I)의 테이퍼부(5162I)는 통과하는 한 세트의 유동 통로(5168I)를 형성한다(도 54 및 도 55에서 하나의 유동 통로만 표기됨). 도 55에 도시된 바와 같이, 유동 통로(5168I)는 흡기 밸브(5160I)의 중심선(CLI)으로부터 90도 보다 큰 각(βI)만큼 오프셋된다. 이와 유사하게, 각각의 유동 통로(5168I)의 종축(AFP)은 중심선(CLI)에 수직이 아니다. 이러한 방식으로, 도 51 내지 도 53에 도시된 바와 같이, 흡기 밸브(5160I)는, 흡기 밸브(5160I)의 중심선(CLI)이 실린더의 중심선(CLcyl)에 수직이 아니고 각각의 유동 통로(5168I)의 종축(AFP)이 실린더의 중심선(CLcyl)에 실질적으로 수직이도록, 흡기 밸브 포켓(5138I) 내에 배치된다.
도 54에 도시된 바와 같이, 각 유동 통로(5168I)는 다른 유동 통로(5168I)와 동일한 형상 및/또는 크기를 갖지 않는다. 오히려, 테이퍼부(5162I)의 단부에 보다 근접한 유동 통로(5168I)의 크기는 테이퍼부(5162I)의 중앙부에서의 유동 통로(5168I)의 크기보다 작다. 이러한 방식으로, 유동 통로(5168I)의 크기(예컨대, 길이)는 실린더(5103)의 크기 및/또는 형상에 대응할 수 있다.
테이퍼부(5162I)의 제1 표면(5164I) 및 테이퍼부(5162I)의 제2 표면(5165I)은 각각 유동 통로(5168I)에 대응하는 한 세트의 시일링 부분(도 54 내지 56에 도시되지 않음)을 포함한다. 상술한 바와 같이, 시일링 부분은 실질적으로 제1 표면(5164I) 및 제2 표면(5165I)의 개구를 둘러싼다. 따라서, 흡기 밸브(5160I)가 폐쇄 위치에 있을 때, 실린더 유동 통로(5148I) 및 흡기 매니폴드 유동 통로(5144I)가 흡기 밸브 포켓(5138I)으로부터 유체 격리되도록, 시일링 부분은 흡기 밸브 포켓(5138I)을 형성하는 실린더 헤드(5132)의 표면과 결합 및/또는 접촉한다.
도 62 내지 도 64를 참조하면, 배기 밸브(5160E)는 테이퍼부(5162E), 제1 단부(5176E) 및 제2 단부(5177E)를 갖고, 중심선(CLE)을 형성한다. 도 63에 도시된 바와 같이, 제2 단부(5177E)는, 배기 풀 로드(5312)가 나사 결합식으로 결합되는 나사형 개구(5178E)를 형성한다. 배기 밸브(5160E)의 테이퍼부(5162E)는 제1 표면(5164E) 및 제2 표면(5165E)을 포함한다. 도 64에 도시된 바와 같이, 제1 표면(5164E) 및 제2 표면(5165E)은 각각 중심선(CLI)에 평행한 축을 중심으로 곡률 반경(RE)을 갖는 만곡면이다. 동일한 곡률 반경을 갖는 제1 표면(5164E) 및 제2 표면(5165E)이 도시되어 있지만, 다른 실시예에서 제1 표면(5164E)의 곡률 반경은 제2 표면(5165E)의 곡률 반경과 다를 수 있다. 일부 실시예에서 유사하게, 배기 밸브(5160E)의 테이퍼부(5162E)는 중심선(CLI)에 실질적으로 법선인 평면에서 볼 때 비대칭적으로 될 수 있다. 곡률 반경(RE)은 임의의 적절한 값을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 곡률 반경(RE)은 대략 47mm(1.85인치)가 될 수 있다.
배기 밸브(5160E)의 평면도가 도시된 도 62에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(5160E)의 테이퍼부(5162E)는 제1 테이퍼 각(θE)을 갖는다. 유사하게, 중심선(CLE)에 법선인 제1 축을 따라 측정될 때 테이퍼부(5162E)의 폭은 중심선(CLE)을 따라 선형적으로 감소한다. 배기 밸브(5160E)의 측면도를 나타내는 도 63에 도시된 바와 같이, 제1 표면(5164E) 및 제2 표면(5165E)은 제2 테이퍼 각(αE)만큼 서로 각이 지도록 오프셋된다. 유사하게, 중심선(CLE)에 법선인 제2 축을 따라 측정될 때 테이퍼부(5162E)의 두께는 중심선(CLE)을 따라 선형적으로 감소한다. 이러한 방식으로, 배기 밸브(5160E)의 테이퍼부(5162E)는 2차원으로 테이퍼진다. 제1 테이퍼 각(θE) 및 제2 테이퍼 각(αE)은 임의의 적절한 값을 가질 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 제1 테이퍼 각(θE)은 대략 3도 내지 대략 10도 사이의 값을 가지며, 제2 테이퍼 각(αE)은 대략 10도(각 측에 대해 5도)의 값을 갖는다.
배기 밸브(5160E)의 테이퍼부(5162E)는 이를 통해서 한 세트의 유동 통로(5168E) 형성한다[하나의 유동 통로만이 도 62 및 도 63에 표시되어 있음]. 도 63에 도시된 바와 같이, 유동 통로(5168E)는 배기 밸브(5160E)의 중심선(CLE)으로부터 90도보다 큰 각도(βE)만큼 각이 지도록 오프셋된다. 유사하게, 각 유동 통로(5168E)의 종축(AFP)은 중심선(CLE)에 대해 법선이 아니다. 이러한 방식으로, 도 59 내지 도 61에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(5160E)의 중심선(CLE)이 실린더의 중심선(CLcyl)에 대해 법선이 되지 않도록 배기 밸브(5160E)가 배기 밸브 포켓(5138E) 내에 배치될 때, 각 유동 통로(5168E)의 종축(AFP)은 실린더의 중심선(CLcyl)에 대해 실질적으로 법선이 된다.
도 62에 도시된 바와 같이, 각 유동 통로(5168E)는 다른 유동 통로(5168E)와 동일한 형상 및/또는 크기를 갖지 않는다. 오히려, 테이퍼부(5162E)의 단부에 보다 근접한 유동 통로(5168E)의 크기는 테이퍼부(5162E)의 중앙부에서의 유동 통로(5168E)의 크기보다 작다. 이러한 방식으로, 유동 통로(5168E)의 크기(예컨대, 길이)는 실린더(5103)의 크기 및/또는 형상에 대응할 수 있다.
테이퍼부(5162E)의 제1 표면(5164E) 및 테이퍼부(5162E)의 제2 표면(5165E)은 각각 유동 통로(5168E)에 대응하는 한 세트의 시일링 부분(도 62 내지 64에 도시되지 않음)을 포함한다. 상술한 바와 같이, 시일링 부분은 제1 표면(5164E) 및 제2 표면(5165E)의 개구를 실질적으로 제한한다. 따라서, 흡기 밸브(5160E)가 폐쇄 위치에 있을 때, 실린더 유동 통로(5148E) 및 흡기 매니폴드 유동 통로(5144E)가 흡기 밸브 포켓(5138E)으로부터 유체 격리되도록, 시일링 부분은 배기 밸브 포켓(5138E)을 형성하는 실린더 헤드(5132)의 표면과 결합 및/또는 접촉한다.
도 49 및 도 51 내지 도 53을 참조하면, 흡기 밸브(5160I)는 실린더 헤드(5132)의 흡기 밸브 포켓(5138I) 내에 이동 가능하게 배치된다. 플러그(5182)는 흡기 밸브(5160I)의 제2 단부(5177I)에 인접한 흡기 밸브 포켓(5138I) 내에 배치된다. 플러그(5182)는 흡기 밸브 포켓(5138I)의 형상에 대응하는 테이퍼 외측 표면을 갖는다. 이러한 방식으로, 플러그(5182)의 외측 표면 및 흡기 밸브 포켓(5138I)을 형성하는 표면은 실질적으로 유밀식 시일링 부분을 형성할 수 있다. 또한, 플러그(5182)의 테이퍼 외측 표면은, 플러그(5182)가 흡기 밸브 포켓(5138I) 내에 배치될 때, 플러그(5182)의 추가적인 내측 이동을 방지한다. 스페이서(5184)는 플러그(5182)와 접촉하는 흡기 밸브 포켓(5138I) 내에 적어도 일부가 배치된다. 스페이서(5184)는, 플러그(5182)가 흡기 밸브 포켓(5138I) 내에 견고하게 결합될 수 있게 하는 기구를 제공한다. 스페이서(5184)는 세트 스크류, 하우징(5270)에 의해 인가된 조임력 등에 의해 밸브 포켓(5138I) 내에 결합될 수 있다.
도 52에 도시된 바와 같이, 흡기 밸브(5160I)가 완전 개방 위치에 있을 때, 흡기 밸브(5160I)의 스프링 결합 표면(5179)은 플러그(5182)의 단부로부터 이격된다. 따라서, 플러그(5182)는 밸브 포켓(5138I) 내의 흡기 밸브(5160I)의 거동을 제한하기 위해 포지티브 스톱을 제공하지 않는다. 오히려, 이하에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 흡기 밸브(5160I)의 거동은 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)에 의해 제어된다. 또한, 도 51 내지 도 53에 도시된 바와 같이, 슬리브(5182)는 흡기 밸브 스프링(5118I)의 단부가 내부에 배치되는 스프링 홈(5183)을 형성한다. 흡기 밸브 스프링(5118I)의 대향 단부는 흡기 밸브(5160I)의 스프링 결합 표면(5179)과 접촉한다. 이러한 방식으로, 흡기 밸브(5160I)는 흡기 밸브 포켓(5138I) 내의 폐쇄 위치로 편향된다.
도 49, 도 59 내지 도 61을 참조하면, 배기 밸브(5160E)는 실린더 헤드(5132)의 배기 밸브 포켓(5138E) 내에 이동 가능하게 배치된다. 플러그(5180)는 배기 밸브(5160I)의 제2 단부(5177E)에 인접한 배기 밸브 포켓(5138E) 내에 배치된다. 플러그(5180)는 배기 밸브 포켓(5138I)의 형상에 대응하는 테이퍼 외측 표면을 갖는다. 이러한 방식으로, 플러그(5180)의 외측 표면 및 배기 밸브 포켓(5138E)을 형성하는 표면은 실질적으로 유밀식 시일링 부분을 형성할 수 있다. 또한, 플러그(5180)가 배기 밸브 포켓(5138I) 내에 배치될 때, 테이퍼 배치는 플러그(5182)의 추가적인 내측 이동을 방지한다. 스페이서(5181)는 플러그(5180)와 접촉하는 배기 밸브 포켓(5138E) 내에 적어도 일부가 배치된다. 스페이서(5181)는, 상술한 바와 같이 플러그(5180)가 배기 밸브 포켓(5138I) 내에 견고하게 결합될 수 있게 하는 기구를 제공한다.
도 60에 도시된 바와 같이, 배기 밸브(5160E)가 완전 개방 위치에 있을 때, 배기 밸브(5160E)의 견부는 플러그(5182)의 단부로부터 이격된다. 이러한 방식으로, 플러그(5182)는 밸브 포켓(5138I) 내의 배기 밸브(5160E)의 거동을 제한하기 위해 포지티브 스톱을 제공하지 않는다. 오히려, 이하에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 배기 밸브(5160E)의 거동은 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)에 의해 제어된다. 흡기 밸브 트레인과 반대로, 도 59 내지 도 61에 도시된 바와 같이, 배기 밸브 스프링(5118E)은 배기 밸브 포켓(5138E)의 외측에 배치된다. 이러한 방식으로, 배기 밸브 스프링(5118E)은 배기 가스와 관련된 고온에 노출되지 않는다. 본 명세서에서 보다 상세히 논의된 바와 같이, 배기 밸브 스프링(5118E)은 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300) 내에 배치된다.
이하에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 흡기 액추에이터 조립체(5200)는 폐쇄 위치 및 개방 위치 사이에서 흡기 밸브(5160I)를 이동시키고, 폐쇄 위치 및 개방 위치 사이에서 이동할 때 흡기 밸브(5160I)가 거동하는 거리를 선택적으로 변경시키도록 구성된다. 유사하게, 흡기 액추에이터 조립체(5200)는 폐쇄 위치(도 51) 및 임의의 개수의 다른 개방 위치 사이에서 흡기 밸브(5160I)를 이동시키도록 구성된다. 도 50을 참조하면, 흡기 액추에이터 조립체(5200)는 밸브 액추에이터(5210) 및 가변식 거동 액추에이터(5250)를 구비하는 하우징(5270)을 포함한다. 특히, 하우징(5270)은 밸브 액추에이터(5210)가 내부에 배치되는 제1 공동(5272)과, 가변식 거동 액추에이터(5250)가 내부에 배치되는 제2 공동(5275)을 형성한다. 도 46 및 도 47에 도시된 바와 같이, 하우징(5270)은 제1 공동(5272)의 적어도 일부가 흡기 밸브 포켓(5138I)과 정렬되도록 실린더 헤드(5132)에 결합된다. 이러한 방식으로, 이하에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 밸브 액추에이터(5210)는 흡기 밸브(5160I)를 결합 및/또는 가동시킨다. 도 51 내지 도 53에서는 명료하게 하기 위해 실린더 헤드(5132)로부터 이격되어 있는 하우징(5270)을 도시한다는 것을 유의하라.
밸브 액추에이터(5210)는 폐쇄 위치 및 개방 위치 사이에서 흡기 밸브(5160I)를 이동시키도록 구성된 전기 액추에이터이다. 밸브 액추에이터(5210)는 솔레노이드 조립체(5230), 풀 로드(5212) 및 전기자(5222)를 포함한다. 솔레노이드 조립체(5230)는 솔레노이드 케이싱(5240), 솔레노이드 코일(5242) 및 단부 정지부(5231)를 포함한다. 솔레노이드 케이싱(5240)은 제1 공동(5272)을 한정하는 하우징(5270)의 나선부(5273) 측벽에 대응하는 나선부(5246)를 갖는다. 마찬가지로 언급된 바와 같이, 솔레노이드 케이싱(5240)의 외측 표면은 하우징(5270)의 제1 공동(5272) 내부의 암형 나선(5273)과 정합하도록 구성된 수형 나선을 포함한다. 이 방식으로, 솔레노이드 조립체(5230)는 하우징(5270)의 제1 공동(5272) 내부에 나사식으로 결합될 수 있다. 따라서, 하우징(5270)에 대한 솔레노이드 조립체(5230)의 회전은 도 53의 화살표 Ⅱ에 의해 도시된 바와 같이 제1 공동(5272) 내부에서 솔레노이드 조립체(5230)의 축방향 이동을 유발한다. 이 방식으로, 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 솔레노이드 스트로크[즉, 솔레노이드가 통전되지 않은 때 솔레노이드 조립체(5230)와 전기자(5222) 사이의 거리]가 선택적으로 조정될 수 있다.
솔레노이드 코일(5242)은 솔레노이드 코일(5242)의 리드 와이어(5241)가 솔레노이드 케이싱(5240)의 외부 구역으로부터 접근가능하도록 솔레노이드 케이싱(5240) 내부에 배치된다. 더욱이, 솔레노이드 코일(5242)은 솔레노이드 케이싱(5240) 내부에 고정식으로 배치된다. 마찬가지로 언급된 바와 같이, 솔레노이드 코일(5242)은 하우징(5240)에 대한 솔레노이드 코일(5242)의 이동이 방지되도록 하우징(5240) 내부에 배치된다.
단부 정지부(5231)는 플랜지부(5237) 및 단부면(5235)을 갖는다. 플랜지부(5237)는 솔레노이드 코일(5242)이 솔레노이드 케이싱(5240) 내부에 둘러싸이고 및/또는 담기도록 솔레노이드 케이싱(5240)에 결합된다. 플랜지부(5237)는 예를 들면 캡 스크류, 스냅 링, 용접 접합부, 접착제 및/또는 유사한 것을 사용하는 것과 같이 임의의 적절한 방식으로 솔레노이드 케이싱(5240)에 결합될 수 있다. 단부 정지부(5231)가 솔레노이드 케이싱(5240)에 결합될 때, 단부면(5235)은 솔레노이드 코일(5242)의 중앙 개구 내부에 배치된다(예컨대, 도 51 내지 도 53 참조). 단부 정지부(5231)의 단부면(5235)은 전기자 스프링(5232)의 단부가 그 내부에 배치되는 홈(5236)을 한정한다. 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 단부면(5235)은 솔레노이드 조립체(5230)가 통전된 때 전기자(5222)와 접촉한다.
도 57을 참조하면, 전기자(5222)는 그를 관통하는 루멘(5225)을 한정하고 플랜지(5221) 및 접촉 표면(5228)을 포함한다. 루멘(5225)은 전기자(5222)의 내측 표면이 견부(5226)를 갖도록 카운터-보어 가공(counter-bored)된다. 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 견부(5226)는 풀 로드(pull rod)(5212)에 대한 전기자(5222)의 축방향 이동을 제한하도록 풀 로드(5212)의 헤드(5218)와 결합하도록 구성된다. 플랜지(5221)는 하우징(5270)의 제1 공동(5272)의 내측 표면(5274)의 직경보다 작은 직경을 갖는다(예컨대, 도 50 참조). 이 방식으로, 전기자(5222)는 솔레노이드 조립체(5240)가 통전될 때 그리고/또는 통전 차단될 때 하우징(5270)의 제1 공동(5272) 내부에서 이동할 수 있다. 전기자(5222)의 접촉 표면(5228)은 전기자 스프링(5232)의 단부가 그 내부에 배치되는 홈(5227)을 한정한다.
풀 로드(5212)는 제1 단부(5213) 및 제2 단부(5214)를 갖는다. 풀 로드(5212)의 제2 단부(5214)는 전기자(5222)에 결합된다. 더욱 구체적으로, 도 57에 도시된 바와 같이, 풀 로드(5212)의 제2 단부(5214)는 헤드(5218)를 갖고 보유 링(5220)이 그 내부에 배치되는 보유 링 홈(5219)를 한정한다. 풀 로드(5212)의 제2 단부(5214)는 풀 로드(5212)의 헤드(5218)가 전기자(5222)의 견부(5226)와 결합하고 그리고/또는 이에 접촉하여 도 57에서 화살표 JJ에 의해서 도시된 방향으로 풀 로드(5212)에 대한 전기자(5222)의 축방향 이동을 제한할 수 있도록 전기자(5222)의 루멘(5225) 내부에 배치된다.
풀 로드(5212)의 제2 단부(5214)가 전기자(5222)에 결합된 때, 보유 링(5220)은 도 57에서 화살표 KK에 의해 도시된 방향으로 풀 로드(5212)에 대한 전기자(5222)의 축방향 이동을 제한하도록 전기자(5222)의 플랜지(5221)와 접촉하도록 구성된다. 도 57에 도시된 바와 같이, 헤드(5218)와 스냅 링(5220) 사이의 거리(d1)는 전기자(5222)의 견부(5226)와 전기자의 플랜지(5221) 사이의 거리(d2)보다 더 크다. 이 방식으로, 풀 로드(5212)의 제2 단부(5214)가 전기자(5222)에 결합된 때, 전기자(5222)는 미리 정해진 양(즉, d1과 d2의 차이)만큼 풀 로드(5212)에 대해 축방향으로 이동할 수 있다. 또한, 상술된 바와 같이, 전기자 스프링(5232)의 제1 단부가 단부 정지부(5231)의 홈(5236) 내부에 배치되고 전기자 스프링(5232)의 제2 단부가 전기자(5222)의 홈(5227) 내부에 배치된다. 따라서, 솔레노이드 조립체(5230)가 통전되지 않은 때, 전기자(5222)는 플랜지(5221)가 스냅 링(5220)과 접촉 상태에 있도록 소정 위치로 편향된다. 따라서, 솔레노이드 조립체(5230)가 통전되면, 전기자(5222)는 초기에 도 57에서 화살표 JJ에 의해 도시된 방향으로 풀 로드(5212)에 대하여 이동한다. 전기자(5222)의 견부(5226)가 풀 로드(5212)의 헤드(5218)에 접촉한 때, 전기자(5222)와 풀 로드(5212)는 전기자의 접촉 표면(5228)이 단부 정지부(5231)의 단부면(5235)과 결합하고 그리고/또는 이와 접촉할 때까지 함께 이동한다. 솔레노이드 조립체(5230)가 통전된 때 전기자(5222)가 풀 로드(5212)에 대하여 이동하는 것을 허용함으로써, 전기자(5222)는 가속될 수 있고 그에 의해서 풀 로드(5212)와 결합하기 전에 임펄스를 발생할 수 있다. 이 구성은 더욱 반복가능하고 및/또는 신뢰할 수 있는 밸브 개방 성능을 제공할 수 있다.
전기자(5222)가 풀 로드(5212)에 대해 축방향으로 이동할 수 있는 거리(즉, d1과 d2 사이의 거리)는 임의의 적절한 양일 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들면, 헤드(5218)와 홈(5219)의 간격(d1)과 전기자(5222)의 두께(d2) 사이의 차이는 0.38 mm 내지 1.27 mm(0.015 인치 내지 0.050 인치)이다. 다른 실시예에서, d1과 d2 사이의 차이는 대략 0.76 mm(0.030 인치)이다.
상술된 바와 같이, 풀 로드(5212)의 제1 단부(5213)는 흡기 밸브(5160I)의 제2 단부(5177I)에 결합된다. 더욱 구체적으로, 풀 로드(5212)의 제1 단부(5213)는 흡기 밸브(5160I)의 암형 나선 개구(5178I) 내부에 배치된 수형 나선부를 포함한다. 따라서, 풀 로드(5212)의 축방향 이동은 흡기 밸브(5160I)의 축방향 이동을 유발한다. 일부 실시예에서, 로크 너트(lock nut)가 풀 로드(5212)의 제1 단부(5213) 주위에 배치되어 흡기 밸브(5160I)에 대한 풀 로드(5212)의 회전 이동을 제한할 수 있다[즉, 풀 로드(5212)가 흡기 밸브(5160I)의 나선 개구(5178I)로부터 "빠지는(backing out)" 것을 방지할 수 있다].
사용 시에, 솔레노이드 코일(5242)이 전류로 통전된 때, 도 52에서 화살표 LL에 의해 도시된 방향으로 전기자(5222) 상에 힘을 가하는 자기장이 생성된다. 자기력은 전기자(5222)가 도 52에서 화살표 LL에 의해서 그리고 도 57에서 화살표 JJ에 의해서 도시된 바와 같이 솔레노이드 코일(5242)에 대하여(그리고 이를 향해서) 이동하게 한다. 상술된 바와 같이, 전기자(5222)는 초기에 풀 로드(5212)에 대해서 이동한다. 전기자(5222)의 견부(5226)가 풀 로드(5212)의 헤드(5218)와 접촉하고, 흡기 밸브(5160I)에 풀 로드(5212)에 의해서 가해진 힘이 스프링(5118I)에 의해 가해지는 편향 힘보다 큰 때, 전기자(5222)와 풀 로드(5212)는 함께 이동하고, 그에 의해서 흡기 밸브(5160I)가 폐쇄 위치(도 51)로부터 개방 위치(도 52)로 이동하게 한다. 전기자(5222) 및 풀 로드(5212)는 전기자(5222)의 접촉 표면(5228)이 단부 정지부(5231)의 단부면(5235)에 결합하고 그리고/또는 이와 접촉할 때까지 함께 이동한다. 솔레노이드 코일(5242)이 통전된 때, 전기자(5222)는 거리(Sd)(즉, 도 51에 도시된 바와 같은 솔레노이드 스트로크)를 이동한다. 풀 로드(5212)[및 따라서 흡기 밸브(5160I)]가 이동하는 거리는 식 6에 의해서 주어진 바와 같이 솔레노이드 스트로크와, d1와 d2 사이의 차이의 차이이다.
(6) Travel = Sd - (d1 - d2)
따라서, 흡기 밸브(5160I)의 거동은 솔레노이드 스트로크(Sd)를 변경함으로써 조정될 수 있다.
솔레노이드 코일(5242)이 통전 차단될 때, 흡기 밸브 스프링(5118I)에 의해서 가해진 힘은 흡기 밸브(5160I), 풀 로드(5212) 및 전기자(5222)가 도 52에서 화살표 LL에 의해서 도시된 방향과 반대 방향으로 이동하게 한다. 또한, 전기자 스프링(5232)에 의해서 가해진 힘은 전기자(5222)의 플랜지(5221)가 스냅 링(5220)과 접촉 상태에 있도록 풀 로드(5212)에 대해서 전기자(5222)를 이동시킨다.
가변식 거동 액추에이터(5250)는 폐쇄 및 개방 위치 사이에서 이동할 때 흡기 밸브(5160I)가 이동하는 거리를 선택적으로 변화시키도록 구성된다. 더욱 구체적으로, 가변식 거동 액추에이터(5250)는 솔레노이드 조립체(5230)의 스트로크를 선택적으로 조정하도록 구성된다. 이 방식으로, 흡기 밸브(5160I)는 폐쇄 위치와 다수의 다르게 부분적으로 개방 위치 사이에서 이동될 수 있다. 더욱이, 밸브 액추에이터(5210)가 전기적으로 작동되기 때문에, 밸브(5160)는 엔진(5100)의 캠샤프트 또는 크랭크축의 회전 위치와는 독립적으로 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동될 수 있다.
도 50에 도시된 바와 같이, 가변식 거동 액추에이터(5250)는 모터(5262), 구동 벨트(5260) 및 피구동 링(5252)을 포함한다. 여기서 설명된 바와 같이, 가변식 거동 액추에이터(5250)는 솔레노이드 스트로크(Sd)를 조정하기 위하여 하우징(5270) 내부에서 솔레노이드 조립체(5230)를 선택적으로 회전시키도록 구성된다(예컨대, 도 51 참조). 모터(5262)는 구동 샤프트(5263) 및 구동 부재(5265)를 포함한다. 모터(5262)는 예를 들면 아나하임 오토메이션사(Anaheim Automation, Inc.)로부터 입수가능한 모델 23Y104S-LWB 2A/페이즈 시리즈 스테퍼 모터(stepper motor)와 같은 스테퍼 모터일 수 있다. 모터(5262)는 모터 하우징(5264)을 거쳐서 하우징(5270)에 결합된다. 모터 하우징(5264)은 구동 부재(5265)가 하우징(5270)의 제2 공동(5275) 내부에 배치되도록 하우징(5270)에 대하여 모터(6262)를 정렬한다.
피구동 링(5252)은 일련의 돌기[예컨대, 티쓰(teeth) 또는 널링(knurling)]를 갖는 외측 표면(5254)을 포함한다. 피구동 링(5252)은 피구동 링(5252)의 회전이 솔레노이드 조립체(5230)의 회전을 유발하도록 솔레노이드 조립체(5230)의 단부 정지부(5231)에 결합된다. 피구동 링(5252)은 임의의 적절한 방식으로 단부 정지부(5231)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 피구동 링(5252)은 캡 스크류, 용접 접합부, 접착제, 스냅-링 및/또는 유사한 것을 거쳐서 단부 정지부(5231)에 결합될 수 있다. 구동 벨트(5260)는 구동 부재(5265) 및 피구동 링(5252)의 외측 표면(5254) 주위에 배치된다. 이 방식으로 구동 샤프트(5263)의 회전 이동이 구동 벨트(5260)를 거쳐서 솔레노이드 조립체(5230)에 전달될 수 있다.
위치설정 링(5257)은 위치설정 링이 피동 링(5252)과 함께 회전하도록 피동 링(5252)에 결합된다. 위치설정 링(5257)은 센서(5266)와 결합하도록 돌출부(5258, 도 58 참조)를 포함한다. 이러한 방식으로, 솔레노이드 조립체(5230)의 회전 위치는 전자적으로 측정될 수 있다. 센서(5266)가 돌출부(5258)와의 접촉을 통해 솔레노이드 조립체(5230)의 회전 위치를 감지하는 것으로 도시하였지만, 다른 실시예에서 센서(5266)는 솔레노이드 조립체(5230)의 위치를 감지하기 의한 임의의 적절한 기구를 사용할 수 있다. 예로써, 일부 실시예에서, 센서(5266)는 솔레노이드 조립체(5230)의 회전 위치와 관련된 전자 출력을 제공하도록 구성된 광 샤프트 인코더를 포함할 수 있다.
가변식 거동 액추에이터(5250)는 하우징(5270)의 솔레노이드 조립체(5130)의 위치에 대응하는 임의의 개수의 상이한 구성들 사이에서 흡기 밸브 액추에이터(5200)를 이동시킴으로서 밸브 거동을 선택적으로 변화시키도록 구성된다. 예로써, 도 51 및 도 52는 제1(또는 전부 개방) 구성의 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)를 도시하고, 도 53은 제2(또는 부분 개방) 구성의 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)를 도시한다. 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)가 완전 개방 구성일 때, 단부 정지부(5231)의 단부면(5235)은 거리(d3)만큼 하우징(5270)의 견부로부터 이격된다. 견부는 하우징(5270)의 솔레노이드 조립체(5230)의 위치를 도시하기 위한 목적으로 기준점으로써만 식별된다. 따라서, 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)가 완전 개방 구성일 때, 솔레노이드 스트로크(Sd)는 최대값이다. 따라서, 솔레노이드 조립체(5230)가 가동되면, 흡기 밸브(5160I)는 폐쇄 위치(도 51)로부터 완전 개방 위치(도 52)로 이동된다. 흡기 밸브(5160I)가 완전 개방 위치일 때, 흡기 밸브(5160I)의 각각의 유동 개구(5168I)는 대응 흡기 매니폴드 유동 통로(5144I) 및 원통형 유동 통로(5148I)와 사실상 정렬된다.
흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)가 다른 위치(예로써, 도 53에 도시된 바와 같이 부분 개방 위치)로 이동하도록, 모터(5262)는 통전되어 구동 샤프트(5263)의 회전 운동을 야기한다. 도 53에서 화살표 MM로 도시한 바와 같이, 구동 샤프트(5263)의 회전 운동은 벨트(5260)를 통해 피동 링(5252)에 전달되어, 솔레노이드 조립체(5230)를 하우징(5270)에서 회전시킨다. 도 53에서 화살표 NN으로 도시한 바와 같이, 솔레노이드 조립체(5230)가 하우징(5270)에 나사 결합되기 때문에, 솔레노이드 조립체(5230)의 회전은 하우징(5270)에서 솔레노이드 조립체(5230)를 축이동시킨다.
흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)가 부분 개방 구성일 때, 단부 정지부(5231)의 단부면(5235)은 거리(d3)보다 작은 거리(d4)만큼 하우징(5270)의 견부로부터 이격된다. 따라서, 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)가 부분 개방 구성일 때, (도 53에서 도시되지 않음된) 솔레노이드 스트로크는 최대값(Sd)보다 작다. 따라서, 솔레노이드 조립체(5230)가 통전될 때, 흡기 밸브(5160I)는 폐쇄 위치(도 51)로부터 부분 개방 위치(도 53)로 이동된다. 흡기 밸브(5160I)가 부분 개방 위치일 때, 흡기 밸브(5160I)의 각각의 유동 개구(5168I)는 대응 흡기 매니폴드 유동 통로(5144I) 및 원통형 유동 통로(5148I)와 부분 정렬된다. 따라서, 흡기 밸브(5160I)가 부분 개방 위치일 때, 원통형 헤드 조립체(5130)를 통과하는 흡기 유량은, 흡기 밸브(5160I)가 완전 개방 위치일 때 원통형 헤드 조립체(5130)를 통과하는 공기 유량보다 작다.
흡기 액추에이터 조립체(5200)를 참조하여 상술한 바와 유사한 방식으로, 배기 액추에이터 조립체(5300)는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 배기 밸브(5160E)를 이동시키고, 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동될 때 배기 밸브(5160E)가 이동하는 거리를 선택적으로 변화시키도록 구성된다. 마찬가지로, 배기 액추에이터 조립체(5300)는 폐쇄 위치(도 59)와 임의의 개수의 상이한 개방 위치들(예로써, 도 60 및 61) 사이에서 배기 밸브(5160E)를 이동시키도록 구성된다. 도 58에서, 배기 액추에이터 조립체(5300)는 밸브 액추에이터(5210) 및 가변식 거동 액추에이터(5250)를 구비하는 하우징(5370)을 포함한다.
하우징(5370)은 제1 공동(5372), 제2 공동(5375) 및 제3 공동(5376)을 형성한다. 제1 공동(5372)은 솔레노이드 케이싱(5240)의 수형 나사(5246)에 대응하는 암형 나사부(5373)를 구비하는 측벽으로 형성된다. 이러한 방식으로, 밸브 액추에이터(5210)의 일부는 제1 공동(5372)에 이동식으로 배치된다. 흡기 액추에이터 조립체(5200)를 참조하여 상술한 바와 같이, 가변식 리프트 액추에이터(5250)의 일부가 제2 공동(5375)에 배치된다.
도 58 내지 도 61에 도시한 바와 같이, 제3 공동(5376)은 배기 밸브 스프링(5118E)을 구비한다. 제3 공동(5376)을 형성하는 측벽은 배기 밸브 스프링(5118E)의 제1 단부가 대항하여 배치되는 스프링 견부(5377)를 포함한다. 배기 밸브 스프링(5118E)의 제2 단부는 풀 로드(5212)의 제1 단부(5213)에 결합된 로크 너트(5316)의 홈(5317)에 배치된다. 이러한 방식으로, 배기 밸브(5160E)는 배기 밸브 포켓(5138E)의 폐쇄 위치에서 편향된다. 배기 밸브 스프링(5118E)을 배기 밸브 포켓(5138E)의 외측에 배치함으로써, 배기 밸브 스프링(5118E)은 고온 배기 가스에 직접 노출되지 않는다. 또한, 배기 밸브 스프링(5118E) 및 관련 구성 요소를 양호한 온도 이하로 더 유지시키도록 제3 공동(5376)에 인접한 측벽은 냉각제가 유동할 수 있는 냉각제 통로(5378)를 형성한다.
도 46 및 도 47에 도시한 바와 같이, 하우징(5370)은 제3 공동(5376) 및 제1 공동(5372)의 적어도 일부가 배기 밸브 포켓(5138E)과 정렬되도록 실린더 헤드(5132)에 결합된다. 이러한 방식으로, 상술한 바와 같이, 밸브 액추에이터(5210)는 배기 밸브(5160E)에 결합하고 그리고/또는 가동시킬 수 있다. 도 58에 도시한 바와 같이, 하우징(5370)은 냉각판(5380)을 통해 원통형 헤드(5132)에 결합된다. 냉각판(5380)은 냉각 통로 세트(5382, 도 58에서는 하나만 식별됨)를 포함하고, 적어도 하나는 하우징(5370)의 냉각제 통로(5378)와 유체 연통된다. 이러한 방식으로, 냉각판(5380)은 배기 밸브 스프링(5118E), 밸브 액추에이터 조립체(5210) 및/또는 배기 밸브 트레인의 구성 요소로부터의 열전달을 더욱 증진시킬 수 있다. 도 59 내지 도 61은 명확성을 위해 실린더 헤드(5132)로부터 이격된 상태의 하우징(5270) 및 냉각판(5380)을 도시한다.
배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)의 밸브 액추에이터(5210)는 상기 도시하고 설명한 바와 같이 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)에 배치된 밸브 조립체(5210)와 동일하다. 마찬가지로, 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)의 가변식 거동 액추에이터(5250)는 상기 도시하고 설명한 바와 같이 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200)에 배치된 가변식 거동 액추에이터(5250)와 동일하다. 따라서, 밸브 액추에이터(5210) 및 가변식 거동 액추에이터(5250) 내의 구성 요소 및 이들의 동작에 대해서는 이하에서 생략한다. 다른 실시예에서, 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)는 밸브 액추에이터(5210) 및/또는 가변식 거동 액추에이터(5250)와 각각 상이한 밸브 액추에이터 및 가변식 거동 액추에이터를 포함할 수 있다. 예로써, 일부 실시예에서, 배기 밸브 액추에이터의 솔레노이드 조립체는 솔레노이드 조립체(5230)보다 다른 개방력을 생성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)와 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200) 사이에서의 단지 실질적인 차이는 배기 밸브 스프링(5118E)이 배기 밸브 포켓(5138E)에서와 달리 하우징(5370)에 배치된다는 점이다. 특히, 도 59 내지 도 61에 도시한 바와 같이, 로크 너트(5316)는 풀 로드(5212)의 제1 단부(5213) 주위에 배치된다. 일부 실시예에서, 로크 너트(5216)는 [예로써, 풀 로드(5212)가 배기 밸브(5160E)의 나사 개구(5178E)의 "베이킹 아웃"되는 것을 방지하기 위해] 배기 밸브(5160E)에 대해 풀 로드(5212)의 회전 운동을 제한할 수 있다. 로크 너트(5316)는 배기 밸브 스프링(5118E)의 단부가 배치되는 스프링 홈(5317)을 포함한다. 이러한 방식으로, 상술한 바와 같이, 배기 밸브(5160E)는 폐쇄 위치에서 편향된다.(예로써, 도 59 참조)
가변식 거동 액추에이터(5250)는, 하우징(5370)의 솔레노이드 조립체(5130)의 위치에 대응하는 임의의 개수의 상이한 구성들 사이에서 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)를 이동시킴으로써 배기 밸브 이동을 선택적으로 변경하도록 구성된다. 예로써, 도 59 및 도 60은 제1(또는 완전 개방) 구성의 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)를 도시하고, 도 61은 제2(또는 부분 개방) 구성의 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)를 도시한다. 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)가 완전 개방 구성일 때, 단부 정지부(5231)의 단부면(5235)은 거리(d5)만큼 하우징(5370)의 견부로부터 이격된다. 견부는 하우징(5370)의 솔레노이드 조립체(5230)의 위치를 도시하기 위한 목적의 기준점으로써만 식별된다. 따라서, 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)가 완전 개방 구성일 때, 솔레노이드 스트로크(Sd)는 최대값이다. 따라서, 솔레노이드 조립체(5230)가 통전될 때, 배기 밸브(5160E)가 폐쇄 위치(도 59)로부터 완전 개방 위치(도 60)로 이동된다. 배기 밸브(5160E)가 완전 개방 위치일 때, 배기 밸브(5160E)의 각각의 유동 개구(5168E)는 대응 배기 매니폴드 유동 통로(5144E) 및 원통형 유동 통로(5148E)와 사실상 정렬된다.
배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)가 부분 개방 구성일 때, 단부 정지부(5231)의 단부면(5235)은 거리(d5)보다 작은 거리(d6)만큼 하우징(5370)의 견부로부터 이격된다. 따라서, 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)가 부분 개방 구성일 때, (도 61에서 도시되지 않음된) 솔레노이드 스트로크는 최대값(Sd)보다 작다. 따라서, 솔레노이드 조립체(5230)가 통전될 때, 배기 밸브(5160E)는 폐쇄 위치(도 59)로부터 부분 개방 위치(도 61)로 이동된다. 배기 밸브(5160E)는 부분 개방 위치에 있고, 배기 밸브(5160E)의 각 유동 개구(flow opening)(5168E)는 대응하는 배기 매니폴드 유동 통로(5144E) 및 실린더 유동 통로(5148E)와 부분적으로 정렬된다. 따라서, 배기 밸브(5160E)가 부분 개방 위치에 있을 때, 실린더 헤드 조립체(5130)를 지나는 배기 가스 유속은 배기 밸브(5160E)가 완전 개방 위치에 있을 때 실린더 헤드 조립체(5130)를 지나는 배기 가스 유속보다 작다.
흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200) 및 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)는 단지 하나의 부분 개방 구성을 갖는 것으로서 도시되어 있지만(예를 들면, 각각 도 53 및 도 61), 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200) 및 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)는 완전 개방 구성과 임의의 개수의 부분 개방 구성 사이에서 이동할 수 있다. 예를 들면 일부 실시예에 있어서, 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200) 및/또는 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)는 흡기 밸브(5160I) 및/또는 배기 밸브(5160E)의 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 대략 0 mm 내지 2.3 mm(0 인치 내지 0.090 인치) 사이의 임의의 값으로 각각 조절할 수 있다. 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 거리[예를 들면, 밸브 행정(valve travel)]를 선택적으로 변화시킴으로써, 흡기 밸브 액추에이터 조립체(5200) 및/또는 배기 밸브 액추에이터 조립체(5300)는 실린더(5103) 내로 유입 및/또는 밖으로 유출되는 가스의 양(amount) 및/또는 유속을 정밀하게 및/또는 정확하게 제어할 수 있다. 특히, 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브 행정은 엔진 작동 조건(예를 들면, 낮은 아이들, 도로 순항 조건 등)의 함수로서 원하는 가스 유동 특성을 제공하도록 각각의 밸브 개방 이벤트의 타이밍 및 지속기간과 함께 가변될 수 있다. 또한, 흡기 밸브(5160I) 및 배기 밸브(5160E)가 그들 각각의 부분 개방 및/또는 완전 개방 위치에 있을 때 흡기 밸브(5160I) 및 배기 밸브(5160E)는 실린더(5103) 내에 배치되지 않기 때문에, 밸브와 피스톤의 접촉(valve-to-piston contact)을 걱정하는 일 없이 밸브 개방 타이밍을 조절할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이러한 구성에 의해 제공된 제어는 흡기 밸브(5160I) 및 배기 밸브(5160E)만을 이용해 엔진 가스 교환 과정이 제어될 수 있도록 하며, 그에 따라 실린더 헤드(5132) 상류의 스로틀 밸브에 대한 필요를 없앨 수 있다.
이러한 구성은 특정한 엔진 성능 등급 또는 "패키지(package)" 뿐만 아니라 특정한 엔진 작동 조건에 대해 밸브 이벤트 및/또는 엔진 스로틀링(engine throttling)이 맞춰질 수 있도록 한다. 예를 들면, 특정 상황에서, 특정한 기본 엔진 설계(예를 들면, 2.2 리터, V6)는 각각 상이한 성능 및/또는 배기 요구사항을 갖는 많은 다른 시장(예를 들면, 유럽, 캘리포니아, 다른 미국 주, 높은 고지의 시장 등)에서 사용된다. 다른 시장을 수용하기 위해, 제조업체는 특정 하드웨어(예를 들면, 캠샤프트, 피스톤, 연료 분사 시스템 등)를 변경시킴으로써 기본 엔진의 등급 또는 성능 "패키지"를 변경할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 본원에서 설명된 밸브 시스템 및 제어 방법은 엔진 하드웨어를 변경하지 않고도 복수의 상이한 엔진 등급 또는 성능 "패키지"를 제공하는데 사용될 수 있다.
예를 들면, 도 65는 실시예에 따른 엔진(6100)의 개략적인 도면이다. 엔진(6100)은 적어도 하나의 실린더(도 65에서 확인되지 않음)를 규정하는 엔진 블록(6102)을 포함한다. 실린더 헤드 조립체(6130)는 엔진 블록(6102)에 결합된다. 실린더 헤드 조립체(6130)는 위에서 제시되고 설명된 임의의 실린더 헤드 조립체일 수 있으며, 예를 들면 위에서 제시되고 설명된 밸브(5160I, 5160E)와 같은 테이퍼 밸브(tapered valve)를 포함할 수 있다. 엔진(6100)은 흡기 밸브 액추에이터 조립체(6200) 및 배기 밸브 액추에이터 조립체(6300)를 포함한다. 흡기 밸브 액추에이터 조립체(6200)는 앞서 설명한 바와 같이 소정의 시간에, 소정의 지속기간 동안 및/또는 소정의 밸브 행정 양으로 엔진(6100)의 흡기 밸브를 개방하도록 구성된다. 배기 밸브 액추에이터 조립체(6300)는 앞서 설명한 바와 같이 소정의 시간에, 소정의 지속기간 동안 및/또는 소정의 밸브 행정 양으로 엔진(6100)의 배기 밸브를 개방하도록 구성된다.
엔진(6100)은 흡기 밸브 액추에이터 조립체(6200) 및 배기 밸브 액추에이터 조립체(6300)와 통신하는 전자 제어 유닛(ECU)(6196)을 포함한다. ECU(6196)는 다양한 센서(예를 들면, 엔진 속도 센서, 배기 산소 센서, 흡기 매니폴드 온도 센서 등)로부터 입력을 수신하고, 원하는 엔진 작동 조건을 결정하며 그에 따라 엔진을 제어하기 위해 여러 액추에이터에 신호를 전송하도록 구성된 본 기술분야에 공지된 형태의 프로세서이다. 아래에서 설명하는 바와 같이, ECU(6196)는 원하는 밸브 이벤트(예를 들면, 개방 시간, 개방 지속기간 및/또는 밸브 행정)를 결정하고 흡기 밸브 액추에이터 조립체(6200) 및 배기 밸브 액추에이터 조립체(6300)에 전자 신호를 제공하여 흡기 및 배기 밸브를 원하는대로 개폐하도록 구성된다.
ECU(6196)는 일련의 보정 테이블이 저장되어 있는 메모리 요소를 포함한다. 보정 테이블은 보정 맵 및/또는 데이터 어레이라고 할 수 있다. 보정 테이블은, 예를 들면, 스로틀 위치의 함수로 엔진(6100)에 대한 목표 급유 레벨(target fueling level)을 지정하는 테이블, 엔진 작동 조건(예를 들면, 속도 및 급유 레벨)의 함수로 목표 연료 인젝터 타이밍 및 지속기간을 지정하는 테이블, 엔진 작동 조건의 함수로 목표 점화 타이밍을 지정하는 테이블 및/또는 등등을 포함할 수 있다. ECU(6196)의 메모리는 또한 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브와 관련된 보정 테이블을 포함한다. 도 66 내지 도 68은 흡기 밸브에 대한 보정 테이블의 표 표현(tabular representation)이다. 도 66 내지 도 68에 도시된 보정 테이블은 흡기 밸브에 대한 것이지만, ECU(6196)의 메모리는 배기 밸브에 대해서 유사한 테이블을 포함할 수 있다.
도 66은 밸브 행정 보정 테이블(6410)이다. 밸브 행정 보정 테이블(6410)은 목표 엔진 속도[예를 들면, 분당 회전수(revolutions per minute)로]를 지정하는 제1 축(6412)을 포함하는 "3차원 테이블"이다. 밸브 행정 보정 테이블(6410)은 작동 사이클당 목표 엔진 급유 레벨(예를 들면, 엔진 사이클당 입방 밀리미터의 연료로)을 지정하는 제2 축(6414)을 포함한다. 제1 축(6412) 및 제2 축(6414)이 각각 목표 속도 및 급유 레벨을 지정하더라도, 다른 실시예에 있어서, 밸브 행정 보정 테이블(6410)의 축은 임의의 적절한 목표 엔진 작동 변수(예를 들면, 목표 파워 출력, 주위 온도, 배기 산소 레벨 등)를 지정할 수 있다. 밸브 행정 보정 테이블(6410)의 본문(6416)은 [제1 축(6412)으로부터] 각 엔진 속도 및 [제2 축(6414)으로부터] 각 목표 급유 레벨에 대해서 (최대 행정의 비율 단위로) 목표 밸브 행정 설정을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 보정 테이블(6410)의 본문(6416)은 행정의 길이(예를 들면, 인치) 단위로 목표 밸브 행정, 주어진 밸브 행정에서 정상 상태 기류 등을 지정할 수 있다. 밸브 행정 보정 테이블(6410)에 제공된 데이터 값은 단지 예로서 제공된 것이지 밸브 행정 보정 테이블(6410)에 포함될 수 있는 데이터를 한정하고자 하는 것은 아니다.
도 67은 밸브 개방 보정 테이블(6420)이다. 밸브 개방 보정 테이블(6420)은 목표 엔진 속도(예를 들면, 분당 회전수로)를 지정하는 제1 축(6422)을 포함하는 "3차원 테이블"이다. 밸브 개방 보정 테이블(6420)은 작동 사이클당 목표 엔진 급유 레벨(예를 들면, 엔진 사이클당 입방 밀리미터의 연료로)을 지정하는 제2 축(6424)을 포함한다. 제1 축(6422) 및 제2 축(6424)이 각각 목표 속도 및 급유 레벨을 지정하지만, 다른 실시예에 있어서, 밸브 개방 보정 테이블(6420)의 축은 임의의 적절한 목표 엔진 작동 변수(예를 들면, 목표 파워 출력, 주위 온도, 배기 산소 레벨 등)를 지정할 수 있다. 밸브 개방 보정 테이블(6420)의 본문(6426)은 [제1 축(6422)으로부터] 각 엔진 속도 및 [제2 축(6424)으로부터] 각 목표 급유 레벨에 대한 목표 밸브 개방 타이밍[도(degrees)로서 크랭크축의 각도 위치 단위]을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 밸브 개방 보정 테이블(6420)의 본문(6426)은 시간 단위로(예를 들면, 밀리초) 목표 개방 타이밍, 상대적인 크랭크축 위치(예를 들면, 연료 인젝터가 멈춘 후) 등을 지정할 수 있다. 밸브 개방 보정 테이블(6420)에 제공된 데이터 값은 단지 예로서 제공된 것이지 밸브 개방 보정 테이블(6420)에 포함될 수 있는 데이터를 한정하고자 하는 것은 아니다.
도 68은 밸브 지속기간 보정 테이블(6430)이다. 밸브 개방 보정 테이블(6420)은 목표 엔진 속도(예를 들면, 분당 회전수로)를 지정하는 제1 축(6432)을 포함하는 "3차원 테이블"이다. 밸브 지속기간 보정 테이블(6430)은 작동 사이클당 목표 엔진 급유 레벨(예를 들면, 엔진 사이클당 입방 밀리미터의 연료로)을 지정하는 제2 축(6434)을 포함한다. 제1 축(6432) 및 제2 축(6434)이 각각 목표 속도 및 급유 레벨을 지정하더라도, 다른 실시예에 있어서 밸브 지속기간 보정 테이블(6430)의 축은 임의의 적절한 목표 엔진 작동 변수(예를 들면, 목표 파워 출력, 주위 온도, 배기 산소 레벨 등)를 지정할 수 있다. 밸브 지속기간 보정 테이블(6430)의 본문(6436)은 [제1 축(6432)으로부터] 각각의 엔진 속도 및 [제2 축(6434)으로부터] 각각의 목표 급유 레벨에 대한 목표 밸브 폐쇄 타이밍[도(degrees)로서 크랭크축의 각도 위치 단위]을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 밸브 지속기간 보정 테이블(6430)의 본문(6436)은 목표 밸브 개방 지속기간을 밸브가 개방된 동안의 크랭크 각도 기간 단위로, 시간 단위(예를 들면, 밀리초) 등으로 지정할 수 있다. 밸브 지속기간 보정 테이블(6430)에 제공된 데이터 값은 단지 예로서 제공된 것이지 밸브 지속기간 보정 테이블(6430)에 포함될 수 있는 데이터를 한정하고자 하는 것은 아니다.
엔진(6100)의 작동 동안, ECU(6196)는 보정 테이블(6410, 6420 및/또는 6430)을 이용해 밸브 이벤트(예를 들면, 개방 시간, 개방 지속기간 및/또는 흡기 및/또는 배기 밸브의 밸브 행정)를 제어할 수 있다. 특히, 엔진이 특정 세트의 작동 조건(예를 들면, 엔진 속도 및 급유 레벨)에서 작동하면, ECU(6196)는 목표 엔진 속도 및 목표 급유 레벨에 기초해 밸브 행정 보정 테이블(6410)에서 목표 밸브 행정을 보간(interpolating)[또는 "룩킹 업(looking up)"]함으로써 목표 밸브 행정을 결정할 수 있다. 목표 엔진 속도는 예를 들면 엔진 속도 센서에 의해 측정된 엔진 속도일 수 있다.
특정 조건(예컨대, 과도 조건)에서, 타겟 엔진 속도는 현재의 측정된 엔진 속도 및 측정된 엔진 속도의 시간적인 이력(예컨대, 엔진 속도의 변화율)에 근거한 계산된 타겟일 수 있다. 마찬가지로, 타겟 급유 레벨은 예컨대 다른 보정 테이블로부터 바와 같은 결정된 측정된 바와 같은 급유 레벨일 수 있다. 특정 조건(예컨대, 과도 조건) 하에서, 타겟 급유 레벨은 급유 레벨에 대한 현재 수치 및 급유 레벨의 시간적인 이력(예컨대, 급유 레벨의 변화율)에 근거한 계산된 타겟일 수 있다.
마찬가지로, ECU(6196)는 타겟 엔진 속도 및 타겟 급유 레벨에 근거하여 밸브 개방 보정 테이블(6420) 내의 타겟 밸브 개방 타이밍을 보간(또는 "룩킹 업")함으로써 타겟 밸브 개방 타이밍을 결정할 수 있다. 마찬가지로, ECU(6196)는 타겟 엔진 속도 및 타겟 급유 레벨에 근거하여 밸브 지속기간 보정 테이블(6430) 내의 타겟 밸브 지속기간을 보간(또는 "룩킹 업")함으로써 타겟 밸브 개구 지속기간을 결정할 수 있다.
이러한 방식으로, ECU(6296), 흡기 밸브 액추에이터 조립체(6200) 및/또는 배기 밸브 액추에이터 조립체(6300)는 엔진 작동 중에 실린더로 유입되는 그리고/또는 실린더로부터 유출되는 가스의 양 및/또는 유량을 집합적으로 제어할 수 있다. 보다 상세하게는, 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브 타이밍, 지속기간 및/또는 거동은 엔진 작동 조건(예컨대, 낮은 아이들, 도로 순항 조건 등)의 함수로서 소정의 가스 유동 특성을 제공하기 위해 변경될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 배열에 의해 제공된 제어는 엔진 가스 교환 공정이 흡기 밸브 및/또는 배기 밸브만을 이용하여 제어되게 하며, 그로 인해 실린더 헤드 상류의 스로틀 밸브에 대한 필요성을 제거한다. 이러한 실시예에서, 전술한 바와 같은 "스로틀 위치"는 스로틀 밸브의 위치를 지칭하는 것이 아니라, 엔진의 소정 급유 레벨에 상응하는 엑셀레이터 페달의 위치를 지칭한다.
일부 실시예에서, ECU(6196)는 엔진 시동 중에 사용하기 위한 타겟 밸브 거동, 타이밍 및/또는 지속기간 수치를 포함하는 하나 이상의 "콜드 스타트(cold start)" 보정 테이블을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 예컨대, ECU(6196)는 시동 이벤트 중에 배기 밸브를 (예컨대, 팽창 행정상의 상사점 뒤에 140 크랭크 각도보다 적은 크랭크 각도 위치에서) 조기에 개방하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 실린더를 빠져나오는 배기 가스의 온도가 증가될 수 있으며, 이로 인해 표준 배기 밸브 이벤트로 행해질 수 있는 것보다 보다 신속하게 촉매 변환기를 가열시킬 수 있다.
일부 실시예에서 ECU(6196)는 엔진이 고 고도에서 작동될 때 사용하기 위한 타겟 밸브 거동, 타이밍 및/또는 지속기간 수치를 포함하는 하나 이상의 고도 보정 테이블을 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 고도 보정 테이블은 대기압을 명시하는 제1 축을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, ECU(6196)는 엔진의 인접 실린더의 밸브에 대한 타겟 밸브 거동, 타이밍 및/또는 지속기간 수치와 무관하게 다중 실린더 엔진의 실린더의 밸브에 대한 타겟 밸브 거동, 타이밍 및/또는 지속기간 수치를 조정하는 아이들 안정성 알고리즘을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 실린더의 흡기 밸브는 제2 실린더의 흡기 밸브와는 상이한 리프트, 개방 타이밍 및 또는 지속기간을 가질 수 있다. 이러한 배열은 엔진이 매우 낮은 속도에서 아이들 안정성을 유지할 수 있게 한다. 예컨대, 일부 실시예에서, 이러한 아이들 안정성 알고리즘은 엔진이 500 분당 회전수 미만의 엔진 속도에서 아이들 안정성을 유지할 수 있게 한다.
엔진(6100)이 ECU(6196)를 포함하는 것으로 도시되고 기술되어 있으나, 일부 실시예에서, 엔진(6100)은 본 명세서에 개시된 기능을 수행하도록 프로세서를 지시하는 프로세서 판독가능한 코드의 형태로 소프트웨어를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 엔진(6100)은 본 명세서에 개시된 기능들을 수행하는 펌웨어를 포함할 수 있다.
다양한 실시예가 상술되어 있으나, 그들은 단지 예시을 위해 제시되며, 제한을 위해 제시되지 않는다. 전술한 방법이 특정 순서에서 발생하는 특정 이벤트를 지시하고 있으나, 특정 이벤트의 순서는 변경될 수 있다. 추가적으로, 특정 이벤트는 전술한 순서에 따라 수행될 뿐만 아니라, 가능하다면 병렬 공정으로 동시에 수행될 수 있다. 본 실시예가 특별히 도시되어 기술되어 있으나, 형태 및 상세사항의 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
예컨대, 밸브(5160I 및 5160E)가 테이퍼부를 갖는 전술한 바와 같이 도시되고 기술되지만, 다른 실시예에서 밸브(5160I 및/또는 5160E)는 실질적으로 테이퍼링되지 않을 수 있다. 밸브(5160I 및 5160E)가 각각의 폐쇄 및 개방 위치 사이에서 이동될 때 실린더(5103)의 외부에 배치되는 것으로 도시되고 상술되었으나, 다른 실시예에서 흡기 밸브(5160I)의 일부 및/또는 배기 밸브(5160E)의 일부는 개방(또는 부분적 개방) 위치에 있을 때 실린더(5103) 내에 배치될 수 있다.
엔진(5100)이 단일 실린더를 포함하는 것으로 개시되고 기술되었으나, 일부 실시예에서 엔진은 임의의 개수의 실린더를 임의의 배열로 포함할 수 있다. 예컨대 일부 실시예에서, 엔진은 임의의 개수의 실린더를 직렬 배열(in-line arrangement)로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 임의의 개수의 실린더는 V자 구성, 대향식 구성 또는 방사상 구성으로 배열될 수 있다.
구동 샤프트(5263)의 이동이 구동 벨트(5260)를 거쳐 솔레노이드 조립체(5230)에 전달되는 것으로 도시되어 있으나, 다른 실시예에서 구동 샤프트(5263)의 회전 이동이 임의의 적절한 기구를 통해 예컨대 유압식으로 기어 드라이브 등을 거쳐 솔레노이드 조립체(5230)에 전달될 수 있다.
다양한 실시예가 특정 특징부 및/또는 구성요소의 조합을 갖는 것으로 개시되어 있으나, 다른 실시예들은 전술한 바와 같이 임의의 실시예로부터 임의의 특징부 및/또는 구성요소의 조합을 갖는 것이 가능하다. 예컨대 일부 실시예에서, 가변식 거동 액추에이터는 가변식 거동 액추에이터(3250)와 유사하게 밸브 래쉬와, 가변식 거동 액추에이터(4250)와 유사하게 솔레노이드 스트로크를 변경시킴으로써 밸브 거동을 선택적으로 변경시킬 수 있다.

Claims (28)

  1. 엔진의 실린더 헤드에 의해 한정된 밸브 포켓 내에 이동 가능하게 배치된 부분을 갖는 밸브로서, 밸브의 부분은 유동 개구를 한정하고, 밸브는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 실린더 헤드에 대해 이동하도록 구성되고, 유동 개구는 밸브가 개방 위치에 있을 때 엔진의 실린더와 유체 연통하는, 밸브와,
    폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변경시키도록 구성된 액추에이터를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 액추에이터는 제1 액추에이터이고,
    장치는,
    엔진의 크랭트축의 회전 위치에 무관하게 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 밸브를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터를 더 포함하는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    액추에이터는 최소값과 최대값 사이의 거리를 변경시키도록 구성되며,
    밸브가 개방 위치에 있고, 거리가 최대값일 때, 밸브는 엔진의 실린더의 외부에 배치되는, 장치.
  4. 제1항에 있어서, 밸브의 부분의 폭 또는 두께 중 적어도 하나가 밸브의 종축을 따라 선형적으로 감소하도록 밸브의 부분은 테이퍼 가공되는, 장치.
  5. 엔진의 실린더 헤드에 의해 한정된 유동 통로 내에 이동 가능하게 배치된 부분을 가지며, 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 실린더 헤드에 대해 이동하도록 구성되고, 엔진의 크랭크축의 회전에 무관하게 이동하도록 구성된, 밸브와,
    밸브를 폐쇄 위치 쪽으로 편향시키도록 구성되며, 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 상에 힘을 인가하도록 구성된 편향 부재와,
    폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변경시키도록 구성된 액추에이터를 포함하는 장치이며,
    편향 부재에 의해 밸브 상에 인가된 힘은 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 실질적으로 일정한 값으로 유지되는, 장치.
  6. 제5항에 있어서, 밸브의 부분은 밸브의 종축을 따라 유동 통로 내에서 이동하도록 구성되며, 밸브의 종축은 엔진의 실린더의 종축에 실질적으로 수직인, 장치.
  7. 제5항에 있어서, 밸브가 개방 위치에 있고, 거리가 최대값일 때, 밸브는 엔진의 실린더의 외부에 배치되는, 장치.
  8. 제5항에 있어서, 편향 부재는 스프링이고, 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 스프링의 길이는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리에 무관한, 장치.
  9. 제5항에 있어서, 액추에이터는 전자식 액추에이터인, 장치.
  10. 제5항에 있어서, 액추에이터는 실린더 헤드에 대해 솔레노이드를 이동시키도록 구성된, 장치.
  11. 제5항에 있어서, 액추에이터는 제1 액추에이터이며,
    장치는,
    폐쇄 위치와 개방 위치 사이에 밸브를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터를 더 포함하는, 장치.
  12. 제5항에 있어서, 액추에이터는 제1 액추에이터이며,
    장치는,
    폐쇄 위치와 개방 위치 사이에 밸브를 이동시키도록 구성되고 밸브의 제1 단부와 접촉하도록 구성되는 제2 액추에이터를 더 포함하고,
    편향 부재는 밸브의 제2 단부와 접촉하도록 구성되며, 제2 단부는 제1 단부에 대향되는, 장치.
  13. 제5항에 있어서, 액추에이터는 제1 액추에이터이며,
    장치는,
    폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 밸브를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터를 더 포함하고,
    제2 액추에이터는,
    솔레노이드와,
    솔레노이드와 밸브의 밀봉부 배치된 전기자를 포함하며, 제1 액추에이터는 실린더 헤드에 대해 솔레노이드를 이동시키도록 구성된, 장치.
  14. 엔진의 실린더 헤드에 의해 한정된 유동 통로 내에 이동 가능하게 배치된 부분을 가지며, 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 실린더 헤드에 대해 이동하도록 구성된, 밸브와,
    폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 밸브를 이동시키도록 구성되며, 밸브가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동될 때 밸브가 이동하는 거리를 선택적으로 변경시키도록 구성된 액추에이터 조립체를 포함하는 장치이며,
    액추에이터 조립체는,
    액추에이터 조립체가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 변경시킬 때 실린더 헤드에 대해 이동하도록 구성된 솔레노이드와,
    솔레노이드와 밸브의 밀봉부 사이에 배치된 전기자를 포함하는, 장치.
  15. 제14항에 있어서, 솔레노이드는 제1 솔레노이드이고, 액추에이터는 제2 솔레노이드를 갖지 않는, 장치.
  16. 제14항에 있어서, 솔레노이드는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 실린더 헤드에 대해 이동하도록 구성되며, 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 편향 부재에 의해 밸브 상에 인가된 힘은 솔레노이드가 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동될 때 실질적으로 일정한, 장치.
  17. 제14항에 있어서, 실린터 헤드 내의 밸브를 폐쇄 위치 쪽으로 편향시키도록 구성된 스프링을 더 포함하며, 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 스프링의 길이는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리에 무관한, 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    밸브는 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 제1 방향으로 이동하도록 구성되며,
    솔레노이드는 액추에이터가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 증가시킬 때 제1 방향에 실질적으로 대향되는 제2 방향으로 이동하도록 구성된, 장치.
  19. 제14항에 있어서, 밸브가 개방 위치에 있고, 거리가 최대값일 때, 밸브는 엔진의 실린더의 외부에 배치되는, 장치.
  20. 제14항에 있어서, 액추에이터는 대략 0 mm(0.000 인치)의 최소값으로부터 대략 2.3 mm(0.090 인치)의 최대값으로 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변경시키도록 구성된, 장치.
  21. 엔진의 실린더 헤드에 의해 한정된 유동 통로 내에 이동 가능하게 배치된 부분을 가지며, 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 실린더 헤드에 대해 이동하도록 구성되고, 엔진의 크랭크축의 회전에 무관하게 이동하도록 구성되며, 밸브가 개방 위치에 있을 때 엔진의 실린더의 외부에 배치되는, 밸브와,
    폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 선택적으로 변경시키도록 구성된 액추에이터를 포함하는, 장치.
  22. 제21항에 있어서, 액추에이터는 제1 액추에이터이고,
    장치는,
    폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 밸브를 이동시키도록 구성된 제2 액추에이터를 더 포함하고,
    제2 액추에이터는,
    솔레노이드와,
    솔레노이드와 밸브의 밀봉부 사이에 배치된 전기자를 포함하며, 제1 액추에이터는 실린더 헤드에 대해 솔레노이드를 이동시키도록 구성된, 장치.
  23. 제21항에 있어서, 액추에이터는 전자식 액추에이터인, 장치.
  24. 제21항에 있어서, 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 상에 힘을 인가하도록 구성된 편향 부재를 더 포함하며,
    편향 부재에 의해 밸브 상에 인가된 힘은 액추에이터가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 거리를 변경시킬 때 실질적으로 일정하게 유지되는, 장치.
  25. 타겟 엔진 속도와 타겟 엔진 급유에 연관된 밸브 개방 타이밍을 결정하는 단계와,
    타겟 엔진 속도와 타겟 엔진 급유를 위한 밸브 거동을 결정하는 단계와,
    엔진이 실질적으로 타겟 엔진 속도와 타겟 엔진 급유에서 작동할 때 밸브가 밸브 거동에 연관된 거리를 이동하도록 밸브 개방 타이밍에서 엔진의 밸브를 개방시키는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서, 밸브 개방 타이밍을 결정하는 단계는 엔진 제어 유닛의 메모리 내에 저장된 보정 테이블로부터 밸브 개방 타이밍을 보간하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제25항에 있어서, 밸브 거동을 결정하는 단계는 엔진 제어 유닛의 메모리 내에 저장된 보정 테이블로부터 밸브 거동을 보간하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 개방 단계 이전에, 타겟 엔진 속도와 타겟 엔진 급유를 위한 밸브 개방 지속기간을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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